In this thesis, we propose two architectures of the fuzzy hardware. One is a system called KAFA(Kaist Fuzzy Accelerator) which provides various fuzzy inference methods and fuzzy set operations. The basic idea of this study is to develop a more general-purpose hardware system. The architecture has SIMD (Single Instruction Multiple Data) structure, which consists of two parts; system control unit(MC: Main Controller) and arithmetic unit(FPE: Fuzzy Processing Element). Microinstruction codes are defined and various fuzzy operations can be programmed using these microinstructions. KAFA has the peak performance of 1.2G FSOPS(Fuzzy Set Operations Per Seconds) under 10MHz clock frequency. This system also includes the parallel algorithms for defuzzification on the SIMD mode architecture using KAFA network. The prototype of the proposed architecture was developed with the FPGA chips. The speed of the KAFA holds promise for the development of the new fuzzy application system such as automatic control, fuzzy expert system, fuzzy database and real time system.
Second, we designed a fuzzy logic controller with SIMD architecture. The parallel defuzzification algorithm and network are proposed. This algorithm performs the MOA defuzzification method in the log n + 3 steps, where n is the number of elements of the fuzzy set. The FLC has other powerful features such as active-rule driven architecture and minimization of the membership memory. When FLC operates at 10MHz, for 2 input / 1 output, the proposed FLC has the processing speed of 526K FLOPS. This is nearly 70 times faster than the Pentium-90MHz.
Finally, the motion control of piezoelectric scanner that has several nonlinear properties and requires high speed sampling time is introduced. The fuzzy logic controller is designed and applied to this problem. As the results, we achieved some good results comparing with conventional PI controller.
본 논문에서는 두 가지 형태의 퍼지 하드웨어 구조를 설계 구현하였고, 이를 압전 소자 구동 제어에 적용 실험 하였다. 첫번째는 다양한 방식의 퍼지 추론 방법과 퍼지 연산 기능을 수행하는 KAFA(Kaist Fuzzy Accelerator) 시스템으로, 기존의 퍼지 하드웨어의 설계가 퍼지 제어분야에서만 사용할 수 있는 구조를 가져 제한적인 분야에서만 사용되어 왔으나, 퍼지 데이터베이스, 화상 처리 등 다양한 분야에서 사용할 수 있도록 설계 되었다. 기본적인 구조는 SIMD(Single Instruction Multiple Data) 모드로 하나의 제어 모듈(MC:Main Controller)와 128개의 연산 모듈(FPEs:Fuzzy Processing Units)로 구성되어 있다. 다양한 퍼지연산자를 하드웨어 복잡도를 높이지 않고 제공하기위해 기본적인 퍼지연산자를 추출한 후 마이크로프로그램으로 복잡한 퍼지연산자를 구현하였다. KAFA 시스템은 10MHz 클럭에 최고 1.2G FSOPS(Fuzzy Set Operations per Second)의 처리 속도를 가진다. 또한 병렬 퍼지 하드웨어의 구현에 있어 비퍼지화 모듈이 기존의 시스템에서 순차적 처리 방식으로 구현되었으나, 본 논문에서는 KAFA 네트워크를 제안하고 이 네트워크상에서 수행되는 병렬 비퍼지화 알고리즘을 제시 하였다. FOM, MOM 등의 방식이 O(log n)에 수행되며, MOA방식은 O(n)에 수행된다. 제한된 시스템의 시제품을 FPGA를 사용하여 구현되었다.
두 번째로 설계 구현된 시스템은 KAFA시스템의 구조를 퍼지 제어 시스템에 적합하도록 설계 구현 한 것으로, SIMD의 병렬 구조와 병렬 퍼지 네트워크와 함께, 결론부에 영향을 미치는 규칙만을 실행시켜 처리속도를 향상 시킬 수 있는 Active-rule driven 구조와 소속함수 저장 공간을 4배정도 감소 시킬 수 있는 구조를 가진다. 퍼지 제어기가 10MHz로 작동할 때 2 입력/ 1 출력, 64개의 규칙으로 구성된 제어문제의 경우 526K FLIPS(Fuzzy Logic Inference Per Second)의 속도를 가지며, 이는 펜티움 90MHz보다 70배 이상 빠른 속도이다. 마지막으로 빠른 추론 속도를 요구하며, 비선형 특성을 가지는 압전소자(Piezoelectric Scanner) 구동 제어문제를 정의하고 퍼지 제어기를 적용 설계하였고 기존의 PI 제어기와 비교 실험하여 좋은 결과를 얻었다.