ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Arquiteturas Programáveis de uma Máquina de Inferência Fuzzy em Tecnologia CMOS Autor: Leonardo Mesquita Orientador:

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1 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Arquiteturas Programáveis de uma Máquina de Inferência Fuzzy em Tecnologia CMOS Autor: Leonardo Mesquita Orientador: Prof. Osamu Saotome Co-orientador:Prof. Galdenoro Botura Jr.

2 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Roteiro de Apresentação Motivação e objetivos. Lógica difusa. Microprocessador baseado em lógica difusa. –Blocos constituintes. Arquitetura proposta da máquina de inferência. Circuitos projetados e implementados. –Membership function circuit: mfc 1 e mfc 2. –Circuito de máximo e circuito de mínimo. –Unidade de regra. Resultados dos testes. Conclusões. Trabalhos futuros.

3 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Motivação e Objetivos Atuar em projetos de sistemas de controle que utilizam metodologias de controle baseada na teoria da lógica difusa. O objetivo principal é desenvolver blocos que poderão ser utilizados como parte constituinte de uma máquina de inferência. Todos os blocos devem ser desenvolvidos em hardware analógico.

4 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Lógica Difusa Proposta por Lofti Zadeh em 1965. É uma lógica de múltiplos valores que pode ser utilizada para resolver problemas de controle onde a modelagem do mesmo é muito difícil de ser obtido pelo método clássico devido às suas não-linearidades, às variações de processo ao longo do tempo ou à própria imperícia humana em se obter um modelo que represente o sistema.

5 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Aplicações de Sistemas Baseados em Lógica Difusa 19% 44% 30% 7%

6 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Microprocessador Baseado em Lógica Difusa Converte o valor da variável de entrada para o seu correspondente valor difuso. O mapa de regras difusas deverá ser preenchido durante a identificação do sistema. Converte o conjunto difuso, que representa a possível ação de controle a ser tomada, em um valor real que melhor representa tal conjunto.

7 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Arquitetura Proposta da Máquina de Inferência

8 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Membership Function Circuit – mfc 1 Gerar funções de pertinência do tipo triangular ou trapezoidal. Ocupar pouca área de silício. Arquitetura completamente modular.

9 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Circuito de Distribuição de Correntes Viabilizar o deslocamento do sinal de entrada em intervalos de corrente pré- determinados quanto ao valor inicial e final dos mesmos.

10 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Resultados de Simulação -M s e M r ativados. - O sinal de entrada é deslocado em intervalos de 20(  A). -M s e M r desabilitados. - O sinal de entrada é deslocado em intervalos de 10(  A).

11 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Circuito de Célula Básica Possui a função de gerar segmentos de reta com inclinações contrárias. EC1EC2

12 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Resultado de Simulação Quando |I del(n) –I del(n+1) | = I ref Função de pertinência gerada possui a forma triangular. Quando |I del(n) –I del(n+1) | > I ref Função de pertinência gerada possui a forma trapezoidal. O valor da base menor do trapézio é dado por: |I del(n) –I del(n+1) | - I ref base menor = |I del(n) –I del(n+1) | - I ref

13 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Circuito Somador Proposto para unir segmentos de reta com inclinações contrárias produzidos por células básicas adjacentes. O sinal de saída produzido por este circuito representa a função de pertinência produzida pelo mfc 1 e a equação que define a mesma é:

14 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Circuito Esquemático e Resultado de Simulação

15 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Membership Function Circuit – mfc 2 O usuário programa a forma da função de pertinência: tipo triangular, trapezoidal, “Z” ou “S”. O usuário programa a inclinação da função gerada. O usuário programa o deslocamento da função dentro do seu intervalo de existência. O usuário programa a altura da função de pertinência gerada.

16 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Blocos Consituintes do Fuzificador mfc 2

17 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Possui a função de gerar dois segmentos de reta com inclinações contrárias. I pos = I in I neg = I e - I pos Célula central Resultados de simulação obtidos para um sinal de entrada variando linearmente entre [0, 10](  A) e para uma corrente I e = 10(  A).

18 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Circuito Escalonador Programável Alterar as inclinações dos segmentos de reta produzidos pelo circuito célula central. programaçãoVa(V)Vb(V)Isaída 100Iin 2502Iin 305Iin 4553Iin Dependendo da programação o circuito escalonador altera a inclinação do sinal de saída.

19 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Circuitos Aritmético e Módulo O circuito aritmético possui a função de unir os segmentos de reta oriundos dos circuitos escalonadores. O circuito módulo é utilizado para realizar a função módulo no sinal de corrente oriundo do circuito aritmético e também é utilizado para programar a forma da função. m 1 = razão de espelhamento programada no circuito escalonador 1. m 2 = razão de espelhamento programada no circuito escalonador 2.

20 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Circuito Ceifador Possui a função de limitar o valor máximo que a função de pertinência pode alcançar. A equação de saída deste circuito que representa a função de pertinência gerada pelo circuito mfc 2.

21 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Resultados de Simulação do mfc 2 Programação da forma da função de pertinência.

22 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Resultados de Simulação do mfc 2 Alteração da inclinação da função de pertinência. Deslocamento da função de pertinência dentro do seu universo de discurso.

23 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Circuito de Mínimo Possui a função de calcular o grau de ativação da regra e realizar a implicação difusa. I OUT = min(I X, I Y ) = I X  (I X  I Y ) Operação do circuito de mínimo sendo realizada entre um sinal triangular e um sinal variando linearmente entre [0, 10] (  A).

24 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Circuito de Máximo Realiza a operação de agregação em uma máquina de inferência. I OUT = max(I X, I Y ) = I Y + (I X  I Y ) O resultado de simulação foi obtido utilizando-se como sinais de entrada dois sinais trapezoidais que variam entre [0, 10](  A) parcialmente sobrepostos.

25 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Fotografia dos Circuitos Integrados Desenvolvidos Tecnologia de integração: CMOS 0,8  m da AMS. Todos os chips foram desenvolvidos com o apoio do programa PMU/FAPESP. –FAPESP75, FAPESP76, FAPESP78. Célula Básica Circuito Somador Circuito de distribuição de Correntes

26 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Circuito mfc 2

27 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Circuitos de Máximo e de Mínimo Circuito de máximo Circuito de mínimo

28 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Resultados de Teste dos Circuitos Desenvolvidos Circuito Fuzificador mfc 1 Bloco de distribuição de correntes Parâmetros utilizados para realizar a caracterização do deste circuito. Iin [0,30] (  A) Idesl 10 (  A) R carga 100(K  ) Números de saídas03 Área de silício0,17 X 0,07 (mm 2 ) Número de transistores21 Tecnologia CMOS 0,8  m AMS

29 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Bloco de célula básica Parâmetros utilizados para realizar a caracterização do deste circuito. Resultados de Teste dos Circuitos Desenvolvidos Circuito Fuzificador mfc 1 Iin [0,10] (  A) Iref 10 (  A) R carga 100(K  ) Área de silício0,08 X 0,02 (mm 2 ) Número de transistores10 Tecnologia CMOS 0,8  m AMS

30 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Bloco somador Resultados de Teste dos Circuitos Desenvolvidos Circuito Fuzificador mfc 1 Parâmetros utilizados para realizar a caracterização do deste circuito. Iin [0,10] (  A) Icorte 10 (  A) R carga 100(K  ) Área de silício0,16 X 0,07 (mm 2 ) Número de transistores15 Tecnologia CMOS 0,8  m AMS

31 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Circuito Fuzificador mfc 2 Funções de Pertinências

32 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Circuito Fuzificador mfc 2 Alteração de Inclinação e Deslocamento circuito escalonador programável razão 1:3 circuito escalonador programável razão 1:2 circuito escalonador programável razão 1:1 escalonador (1)  razão 1:1 escalonador (2)  razão 1:1 escalonador (1)  razão 1:1 escalonador (2)  razão 1:2 escalonador (1)  razão 1:1 escalonador (2)  razão 1:3

33 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Circuito de Mínimo Equação Iout = min(Ix, Iy) = Ix  (Ix  Iy) Corrente de entrada (máxima) 10 (  A) Números de entradas02 Área de silício0,135 X 0,07 (mm 2 ) Número de transistores20 Tecnologia CMOS 0,8  m AMS Principais características e parâmetros utilizados para realizar a caracterização do circuito de mínimo.

34 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Circuito de Máximo Equação Iout = max(Ix, Iy) = Iy + (Ix  Iy) Corrente de entrada (máxima) 10 (  A) Números de entradas02 Área de silício0,077 X 0,085 (mm 2 ) Número de transistores14 Tecnologia CMOS 0,8  m AMS Principais características e parâmetros utilizados para realizar a caracterização do circuito de máximo.

35 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Unidade de Regra

36 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Unidade de Regra Número de entradas02 Número de saídas01 Número de transistores268 Tecnologia CMOS 0,8  m AMS

37 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Conclusões Máquina de inferência com alto grau de programabilidade. Circuito fuzificador mfc 1. –Modularidade. –Programa funções do tipo triangular e trapezoidal. Circuito fuzificador mfc 2. –Modularidade. –Programa funções do tipo triangular, trapezoidal, “Z” ou “S”. –Programa o deslocamento da função dentro do seu universo de discurso. –Programa a inclinação da função gerada. Todos os circuitos operam em modo corrente. Todos os circuitos foram fabricados em tecnologia CMOS 0,8  m da AMS.

38 ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Trabalhos Futuros Implementar um circuito que realize a operação de defuzificação. Integrar em uma única pastilha de silício um microprocessador baseado em lógica difusa. Desenvolvimento de um programa para realizar projetos de microprocessadores difusos baseados nas céulas analógicas desenvolvidas neste trabalho. Estudo de modificações na arquitetura proposta buscando diminuir o número de unidades de regra necessárias para implementar um microprocessador difuso. Estudar a possibilidade da utilização dos blocos desenvolvidos em aplicações de controle adaptativo.