A New Fuzzy Inference Technique For Singleton Type-2 Fuzzy Logic Systems
A New Fuzzy Inference Technique For Singleton Type-2 Fuzzy Logic Systems
ARTICLE
International Journal of Advanced Robotic Systems
DOI: 10.5772/51187
© 2012 Kwak et al.; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative
Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), which permits unrestricted use,
distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
    Moreover,  type‐2  fuzzy  logic,  which  can  describe  the                                         when the  l ‐th type‐2 fuzzy rule is: 
    uncertainties caused by the non‐ideality of sensors, motors                                                
    and  control  strategies,  can  improve  the  performance  of                                                  R l : IF  x1  is  A1l  and    and  x p  is  A lp , 
    type‐1  fuzzy  logic  systems.  However,  most  robotic 
    systems  have  a  relative  lack  of  memory  and                                                                             THEN             y  is  G l       l  1, , M             .     (3) 
    computational  power,  and  the  implementation  of  type‐2                                          
    fuzzy  logic  in  robotic  systems  is  not  reliable.  In  order  to                               Moreover,  the  fuzzifier  of  the  singleton  type‐2  FLS  maps 
    apply  type‐2  fuzzy  logic  in  low‐cost  systems,  this  paper 
                                                                                                        crisp  inputs          x   x1 , , x p                into  a  singleton  type‐2 
    introduces  a  new  inference  technique  that  eliminates  the 
    need  to store  all  type‐2  fuzzy  sets. Because  the  firing sets                                 fuzzy set, such as: 
                                                                                                         
    are obtained directly from the input variables in the fuzzy 
                                                                                                                                                   1 / 1        if x  x  .              (4) 
    inference  process,  the  fuzzy  logic  does  not  demand  as                                                                A ( x )  
                                                                                                                                                                 if x  x 
                                                                                                                                    l
                                                                                                        From  (2)  and  (4),  the  firing  set  for  the  crisp  input 
    The  organization  of  the  research  is  as  follows:  Chapter  II                                     x   x1, , xp       of  the  singleton  type‐2  FLS  can  be 
    presents  the  fuzzy  inference  engine  of  singleton  type‐2 
                                                                                                        rewritten as: 
    fuzzy  logic  systems.  Chapter  III  proposes  the  simple                                                
    alternative  type‐2  fuzzy  inference  method.  Chapter  IV 
                                                                                                                   F ( x1 ,  , x p )    X ( x1 )   A ( x1 )   
    verifies  the  performance  of  the  controller  through                                                         l
                                                                                                                                                   1
                                                                                                                                                                        l
                                                                                                                                                                        1          
    simulation. 
     
                                                                                                                                              ( x p )   A l ( x p ) 
                                                                                                                                                        X 1      1                                (5) 
    2. Fuzzy Inference Engine of Singleton                                                                                               (1 / 1)   A l ( x1 )  
                                                                                                                                                                 
    Type‐2 Fuzzy Logic Systems                                                                                                                            1      
                                                                                                                                          (1 / 1)              A 1l
                                                                                                                                                                            ( x p ) 
                                                                                                                                                                                     
    As  in  the  case  of  type‐1  FLSs,  type‐2  FLSs  also  handle                                                                           p
    input  signals  after  mapping  to  fuzzy  sets.  The  only                                                                            A l ( xi )
    difference  depends  on  whether  or  not  the  fuzzy  system 
                                                                                                                                                           i
                                                                                                                                           i 1
                                                                                                         
    describes the uncertainties of the fuzzy sets. The fuzzy set 
                                                                                                        which  is  a  vertical  slice  for  x                    x1, , xp   and  a  form 
        A  of  a  type‐2  FLS  is  determined  at  the  fuzzifier  of  the 
    type‐2 FLS, and can be denoted as:                                                                  of a type‐1 fuzzy set. 
                                                                                                         
                     A                                                                                3. Alternative Simple Method of Type‐2 Fuzzy Inference 
                               x X
                                        A ( x ) x
                                                                                              (1)        
                                                 f (u ) / u  x             J x   0,1               3.1 Uncertainty Representation of Type‐2 Fuzzy Sets 
                              x X    u J x x                                                    
                                                                                                        The membership function of type‐1 FLSs, which does not 
    where  J x  is a primary membership of  x  and                                    f x (u )  is a    have any uncertainties, can be determined as shown in Fig. 
    secondary grade. After the fuzzification process, the fuzzy                                         1(a).  However,  the  membership  function  of  type‐2  FLSs 
    inference  engine  combines  the  fuzzy  IF‐THEN  rules  to                                         should be able to represent uncertainties, as shown in (1). 
    obtain  an  aggregated  fuzzy  output.  The  process  of  the                                       The secondary grade,                   f x (u ) , presents the uncertainties of 
    fuzzy  inference  can  be  divided  into  antecedent,                                               mean, variance and scale factor. Assume that the primary 
    consequent  and  aggregation  operations.  This  paper                                              membership function is a Gaussian function, as shown in 
    introduces  a  new  simple  technique  to  alternate  the 
                                                                                                        Fig.  1(a),  and  that  the  secondary  grade,                             f x (u ) ,  does  not 
    antecedent operation for singleton type‐2 FLSs. 
                                                                                                        have  any  uncertainties.  Then,  the  type‐2  membership 
    The antecedent operation of type‐2 FLSs derives the firing                                          function can be depicted as shown in Fig. 2:  
                                                                                                            
    set    l ( x1 ,, x p ) , which can be denoted as:  
                F                                                                                       If the secondary grades for these uncertain parameters are 
                                                                                                        determined as shown in Figs. 1(b‐d) respectively, the type‐
                                                                                                      2  fuzzy  sets  that  handle  these  uncertainties  can  be 
               F ( x1 ,  , x p )     X ( x1 )  A ( x1 )   
                 l
                                                        1
                                                                         l
                                                                                                        described as shown in Fig. 3. The images to the left are a 3‐
                                            x1 X 1                               
                                                                         1
                                                                                               (2) 
                                                                                                        dimensional  pictorial  representation  while  the  images  to 
                                                                                                      the  right  are  the  footprint  of  uncertainty  (FOU)  of  their 
                                            x           X p ( x p )   A l ( x p ) 
                                                                                                        respective type‐2 fuzzy sets. 
                                                p  X p                        p
                                                                                          
                                                                         
Figure  1.  The  membership  functions  of  type‐2  fuzzy  logic 
systems:  (a)  primary  membership  function,  (b)  secondary 
membership  function  with  uncertain  mean,  (c)  secondary 
membership function with uncertain variance, and (d) secondary 
membership function with uncertain scale factor. 
     
                                                                                                                                                            
                                                                            Figure  3.  Representations  of  type‐2  fuzzy  sets:  (a)  type‐2  fuzzy 
                                                                            membership  function  with  uncertain  mean,  (b)  type‐2  fuzzy 
                                                                            membership  function  with  uncertain  variance,  (c)  type‐2  fuzzy 
                                                                            membership function with uncertain scale factor. 
                                                                             
                                                                   
Figure  2.  The  Gaussian  type‐2  fuzzy  membership  function 
without uncertainty. 
 
3.2 Alternative Method of Type‐2 Fuzzy Inference 
 
                                                                                                                                                 
As a firing level alters the consequent set for a fired rule                Figure 4. The vertical slices of the type‐2 fuzzy sets when  x  7.0 : 
in type‐1 fuzzy logic, a firing set alters the consequent set               (a)  with  uncertain  mean,  (b)  with  uncertain  variance,  (c)  with 
for  a  fired  rule  in  type‐2  fuzzy  logic.  The  firing  set  in        uncertain scale factor. 
type‐2  fuzzy  logic  can  be  obtained  by  minimum  or                     
product  t‐norm  complementary  operation.  The  type‐2                     From (5), the derived firing sets of singleton type‐2 FLSs are 
fuzzy logic with the previous inference technique should                    forms of type‐1 fuzzy sets, and can be regarded as the vertical 
store all the type‐2 fuzzy sets in order to obtain the firing 
                                                                            slice at  x     x1, , xp  . When  x  7.0 , the vertical slices 
set. The main issue of this paper is to obtain the firing set 
using  less  memory.  This  paper  introduces  a  method  to                of  type‐2  FLSs,  which  have  the  primary  membership 
design  mapping  functions  from  the  inputs  x  to  the                   functions of Fig. 1(a) and the uncertainties of Figs. 1(b‐d), can 
output firing sets. Using the mapping function, the type‐                   be  described  as  shown  in  Fig.  4.  If  the  input  values  of  the 
2 fuzzy logic can obtain the firing set directly from input                 system are given by  x  7.0 , the mapping function in this 
variances.                                                                  paper should be determined as shown in Fig. 4. 
                                                                               
                        A  x    exp                                           (6)                                             ln   A         .                           
                                                          2 2                                                             
                                                                                                                                 x  m      2
                                                                                                                                                                            (11)
                                                                                                                                exp         
                                                                                                                                      2 2 
    where  m  is  a certain  mean,    is  a certain variance  and 
                                                 2
    functions  from  the  input  x  to  the  firing  sets  can  be                                                                            x  m 2         
                                                                                                                                                                      2
                                                                                                                                                                               
    induced as stated below.                                                                          F l ( x )  exp    ln   A  exp               m    / 2  2 
                                                                                                                                               2 2                     
                                                                                                                                                                            
    3.3 Uncertain Mean                                                                                                                                                    (12) 
     
                                                                                                  
                              x       2 2 ln   A  /   m m                               because they use T1FSs that are certain. On the other hand, 
           F l ( x )  exp                                                                  T2FSs are very useful in circumstances where it is difficult 
                                                    2 m 2                                     to  determine  an  exact  membership  function.  However, 
                                                                                               T2FSs  demand  significant  memory  to  operate  inference 
     
                                                                                                 processes.  The  suggested  fuzzy  inference  technique  for 
    where  mm ,   m  and   m  are the mean, variance and scale 
                       2
                                                                                                 singleton type‐2 fuzzy controllers relieves the demand for 
    factor  of  the  secondary  grade  for  the  uncertainty  of  the                            memory.  This  section  confirms  the  good  performance  of 
    mean variable, respectively.                                                                 the  suggested  fuzzy  inference  technique,  as  well  as  the 
                                                                                                 usefulness of the type‐2 fuzzy controller. 
    3.4 Uncertain Variance                                                                        
                                                                                                 4.1 Simulation Design 
    From (6), the certain variance can be rewritten as:                                           
     
                                                                                                 With  reference  to  a  commonly  used  ball‐cart  control 
                                        x  m  .   
                                                      2
                                                                               (9)               system, the simulations are executed with MATLAB 2009a. 
                            2 
                                     2 ln   A /                                              Figure  5  shows  the  graphical  description  of  the  ball‐cart 
                                                                                                 simulator  and  control  parameters.  In  the  simulations,  a 
    Substituting  (9)  into  the  Gaussian  function  of  Fig.  1(c),                            ball is placed on a curved surface of a moving cart and the 
    which  means  the  secondary  grade  for  the  uncertainty  of                               objective  of  the  controller  is  to  move  the  cart  so  that  the 
    the  variance  variable,  the  output  firing  sets  for  the  input                         ball  is  balanced  on  top  of  the  cart  and  the  cart  is 
    variable  x  can be rewritten as:                                                            simultaneously placed at a predetermined position. 
                                                                                                     
                            
                             x  m 2 / 2 ln  /   m
                                                                                      
                                                                                   2
                                     A                                          (10) 
                                                                                                 In the simulations of the type‐2 fuzzy controller, only the 
         F l ( x )  exp                                                                    fuzzy  sets  which  describe  the  ball  angle  of  Fig.  5  are 
                                         2  2                                                determined  by  type‐2  fuzzy  sets,  as  shown  in  Fig.  6. 
                                                                                      
                                                                                                 Because  of  the  incompleteness  of  the  angle‐measuring 
                                                                                                 sensors, the measured ball angle may be subject to certain 
    where  m ,     and    are the mean, variance and scale 
                       2
                                                                                                 undesired errors, such as bias error or random noise error. 
    factor  of  the  secondary  grade  for  the  uncertainty  of  the                            In  this  case,  the  measured  ball  angle  can  be  described  by 
    variance variable, respectively.                                                             the type‐2 fuzzy sets with uncertain mean, as shown in Fig. 
6.  The  primary  fuzzy  sets  of  Fig.  6  denote  linguistic               the size of the demand on memory to store fuzzy sets. The 
meanings  ‐  such  as  L:  Left,  C:  Centre,  R:  Right  ‐  and  are        measuring  resolution  of  the  ball  angle  sensor  is  136  and 
determined  as  the  Gaussian  function  whose  variance                     the  membership  grades  of  fuzzy  logic  have  8  bit 
value  is  2.0  degrees.  Further,  the  secondary  fuzzy  sets,             resolutions.  The  memory  demands  of  the  three  fuzzy 
which  describe  the  uncertain  mean  of  the  measured  ball               controllers  are  shown  in  Table  1.  Although  the 
angle,  are  determined  as  those  Gaussian  function  whose                performance  of  the  suggested  T2FC  is  identical  to  that  of 
variance value is 0.4 degrees.                                               the  conventional  T2FC,  the  memory  demand  of  the 
                                                                             suggested  T2FC  is  much  smaller  than  that  of  the  others 
                                                                             because  the  fuzzy  inference  technique  in  this  paper  does 
                                                                             not need to store any antecedent fuzzy sets. 
                                                                              
                                                                                                                                      Memory Size 
                                                                                                  Controller 
                                                                                                                                        (MB) 
                                                                                           Type‐1 Fuzzy Controller                           0.166 
                                                                                     Conventional Type‐2 Fuzzy Controller                    8.633 
                                                                                      Suggested Type‐2 Fuzzy Controller                      0.133 
                                                                             Table 1. Memory demand to store fuzzy sets 
                                                                          
                                                                              
Figure 5. The ball‐cart simulator and control parameters.                                    Parameter                              Value 
 
                                                                                             Cart Force                    ‐25 kgf.m/s ~ 25 kgf.m/s 
                                                                                            Cart Position                        ‐2.5m ~ 2.5m 
                                                                                             Ball Angle                           ‐50° ~ 50° 
                                                                                            Ball Position                        ‐2.5m ~ 2.5m 
                                                                                          Curvature of Cart                          0.5m 
                                                                                           Radius of Ball                           0.055m 
                                                                                            Mass of Cart                              1kg 
                                                                                            Mass of Ball                              1kg 
                                                                             Table 2. Physical data for simulation 
                                                                              
                                                                         
                                                                                                                                                         
Figure  6.  Representation  of  the  type‐2  fuzzy  sets  which  describe 
                                                                             Figure 7. The simulation results when the ball angle is measured 
the  ball  angle:  (a)  3‐dimensional  pictorial  representation  of  the 
                                                                             exactly. 
type‐2 fuzzy sets, (b) footprint of uncertainty (FOU) of the type‐2 
                                                                                  
fuzzy sets. 
 
4.2 Simulation Result 
 
The  simulations  are  executed  with  three  kinds  of  fuzzy 
controllers:  type‐1,  conventional  type‐2  and  suggested 
type‐2  fuzzy  controllers.  However,  only  the  simulation 
results with the type‐1 fuzzy controller (T1FC) and type‐2 
fuzzy controller (T2FC) are shown in Figs. 7‐9, because the                                                                                              
performance  of  the  type‐2  fuzzy  controller  with  the                   Figure  8.  The  simulation  results  when  the  measured  ball  angle 
suggested fuzzy inference technique is exactly identical to                  has a bias error of 1.0 degrees. 
that  of  the  conventional  T2FC.  The  only  difference 
between the conventional T2FC and the suggested T2FC is