JP2009193192A - Method and device for model prediction control - Google Patents

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正樹 浪江
Haruka Fujiwara
晴香 藤原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and a device for model prediction control, capable of compensating external disturbance of which application can be predicted, without need of predicting an operational amount corresponding to the external disturbance. <P>SOLUTION: A model predicted error between an actually measured value of a control amount PV when the external disturbance is applied and a control amount Y using an internal model is learned in advance and stored in a memory 5. Thereafter, the learned model predicted error is read out from the memory 5, and an estimation amount C of a change amount of the model predicted error from the present time to after a future prediction horizon is calculated by an estimation section 6. In an MPC controller 3, the model prediction control corresponding to the external disturbance to compensate the external disturbance is performed using the estimation amount C. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、制御対象のモデルを用いて制御量を予測するとともに、外乱補償を行うモデル予測制御方法およびモデル予測制御装置に関する。   The present invention relates to a model predictive control method and a model predictive control apparatus that predict a control amount using a model to be controlled and perform disturbance compensation.

外乱には、運転シーケンスの一部として発生する外乱(以下「定型の外乱」ともいう)があり、かかる外乱は、運転シーケンスの一部として生じるものであって、印加を予知できる外乱である。   The disturbance includes a disturbance that occurs as a part of the operation sequence (hereinafter also referred to as “standard disturbance”), and the disturbance is a disturbance that occurs as a part of the operation sequence and can be predicted to be applied.

かかる定型の外乱による例として、例えば、射出成形機における運転開始時の新しい材料の投入によるシリンダ温度の低下、あるいは、プラスチックシートの開放端をヒータブロックによって熱圧着して封止するような包装機において、運転開始時にプラスチックシートに熱が奪われることによるヒータブロックの温度の低下、更に、加熱装置のチャンバ内へのワークの投入によるチャンバ温度の低下などがある。また、定型の外乱の中には、外乱の要因である熱の移動の仕方が一定に落ち着くまでに、複数回の外乱を要するものがある。   Examples of such fixed disturbances include, for example, a packaging machine that lowers the cylinder temperature due to the introduction of a new material at the start of operation in an injection molding machine or seals the open end of a plastic sheet by thermocompression with a heater block. In this case, the temperature of the heater block is lowered due to heat being taken away by the plastic sheet at the start of operation, and the chamber temperature is lowered due to the introduction of the work into the chamber of the heating device. Further, some standard disturbances require a plurality of disturbances until the heat transfer method, which is a cause of the disturbance, settles down to a certain level.

フィードバック制御では、外乱による影響が制御量に現れてから操作量の修正を始めるので、むだ時間が大きい制御対象ほど、対応の遅れが大きくなり、結果として外乱による制御量の乱れが大きくなってしまう。   In feedback control, the correction of the manipulated variable is started after the influence of disturbance appears in the controlled variable. Therefore, the longer the dead time is, the greater the delay in response, and the greater the disturbance of the controlled variable due to the disturbance. .

かかる定型の外乱による制御量の乱れを低減するために、外乱に相当する操作量を予測し、予測した外乱操作量を、外乱を打ち消すように操作量に加えて、フィードフォワード的に制御する技術も提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−227801号公報
A technology that predicts the manipulated variable equivalent to the disturbance and adds the predicted disturbance manipulated variable to the manipulated variable to cancel the disturbance in order to reduce the disturbance of the controlled variable due to such a regular disturbance. Has also been proposed (see, for example, Patent Document 1).
JP 2000-227801 A

外乱による制御量の変化は、容易に計測できるものの、特許文献1では、外乱を操作量として予測しているために、外乱による制御量の変化に基づいて、外乱に相当する操作量を予測するための演算処理、すなわち、外乱による制御量の変化を、操作量に変換するための演算処理が必要になり、精度よく外乱を補償するには、多くの演算が必要になるという課題がある。   Although the change in the control amount due to the disturbance can be easily measured, in Patent Document 1, since the disturbance is predicted as the operation amount, the operation amount corresponding to the disturbance is predicted based on the change in the control amount due to the disturbance. Computation processing, that is, computation processing for converting the change in the control amount due to the disturbance into the manipulated variable is necessary, and there is a problem that many computations are required to accurately compensate the disturbance.

本発明は、上述のような点に鑑みて為されたものであって、外乱に相当する操作量を予測する必要がなく、印加を予知できる外乱の補償が可能なモデル予測制御方法およびモデル予測制御装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and it is not necessary to predict an operation amount corresponding to a disturbance, and a model prediction control method and model prediction capable of compensating for a disturbance capable of predicting an application. An object is to provide a control device.

(1)本発明のモデル予測制御方法は、制御対象のモデルを用いて制御量を予測するとともに、印加を予知できる外乱の補償を行うモデル予測制御方法であって、外乱が印加されたときの制御量の実測値と前記モデルを用いた制御量の予測値とのモデル予測誤差を予め学習する学習ステップと、学習した前記モデル予測誤差を用いて、印加される外乱を補償するように制御する外乱対応制御ステップとを含むものである。   (1) A model predictive control method according to the present invention is a model predictive control method that predicts a controlled variable using a model to be controlled and compensates for a disturbance that can be predicted to be applied, when the disturbance is applied. A learning step for learning in advance a model prediction error between an actually measured value of the controlled variable and a predicted value of the controlled variable using the model, and control is performed so as to compensate the applied disturbance using the learned model predicted error. A disturbance response control step.

印加を予知できる外乱とは、運転シーケンスの一部として発生するような定型の外乱をいう。外乱は、少しずつ変化するような外乱、例えば、外乱の要因である熱の移動の仕方が一定に落ち着くまでに、複数回の外乱を要するものであってもよい。かかる外乱では、1回の学習ステップだけでは、その変化に対応できないので、その変化が収束するまで複数回の学習ステップを実行し、この複数回の学習ステップによって、順次更新されるモデル予測誤差を用いて、外乱対応制御ステップを実行すればよい。また、変化する外乱に対応するために学習ステップを実行しつつ、学習した直前のモデル予測誤差を用いて外乱対応制御ステップを実行する、すなわち、学習ステップと外乱対応制御ステップとを同時に実行してもよい。   The disturbance that can be predicted to be applied is a fixed disturbance that occurs as part of the operation sequence. The disturbance may be a disturbance that changes little by little, for example, one that requires a plurality of disturbances until the heat transfer method that causes the disturbance settles down. In such a disturbance, since the change cannot be dealt with by only one learning step, a plurality of learning steps are executed until the change converges, and the model prediction error sequentially updated by the plurality of learning steps is reduced. It is sufficient to use the disturbance response control step. In addition, while executing the learning step to cope with the changing disturbance, the disturbance corresponding control step is executed using the model prediction error immediately before learning, that is, the learning step and the disturbance corresponding control step are simultaneously executed. Also good.

学習ステップでは、少なくとも外乱が印加されている期間に亘ってモデル予測誤差を学習するのが好ましい。   In the learning step, it is preferable to learn the model prediction error over at least a period in which a disturbance is applied.

運転シーケンスの中に、複数種類の外乱が印加されるような場合には、各種類の外乱に対応するモデル予測誤差をそれぞれ予め学習し、各種類の外乱を、モデル予測誤差を用いてそれぞれ補償するようにすればよい。   When multiple types of disturbances are applied in the operation sequence, model prediction errors corresponding to each type of disturbance are learned in advance, and each type of disturbance is compensated using model prediction errors. You just have to do it.

本発明のモデル予測制御方法によると、外乱に応じて変化するモデル予測誤差を予め求めておくことにより、以後は、モデル予測誤差を用いて、定型の外乱の補償を行うことが可能となる。しかも、モデル予測誤差は、外乱が印加されたときの制御量の実測値とモデルを用いた予測値との差として算出できるので、従来例のように、外乱が印加されたときの制御量の変化を、外乱に相当する操作量に変換するための演算処理が不要となる。   According to the model predictive control method of the present invention, by obtaining a model prediction error that changes in accordance with a disturbance in advance, it is possible to compensate for a regular disturbance using the model prediction error thereafter. In addition, the model prediction error can be calculated as the difference between the measured value of the controlled variable when the disturbance is applied and the predicted value using the model, so that the controlled variable when the disturbance is applied as in the conventional example. Arithmetic processing for converting the change into an operation amount corresponding to disturbance is not required.

(2)本発明のモデル予測制御方法の一つの実施形態では、前記学習ステップでは、前記モデル予測誤差を記憶し、前記外乱対応制御ステップでは、記憶した前記モデル予測誤差を用いて、現時刻のモデル予測誤差と未来のモデル予測誤差とのモデル予測誤差の変化量を推定し、推定したモデル予測誤差の変化量を用いて外乱を補償するように制御してもよい。   (2) In one embodiment of the model predictive control method of the present invention, the learning step stores the model predictive error, and the disturbance response control step uses the stored model predictive error to Control may be performed so that the amount of change in the model prediction error between the model prediction error and the future model prediction error is estimated, and the disturbance is compensated using the estimated amount of change in the model prediction error.

モデル予測誤差は、そのまま記憶してもよいし、記憶容量を減らすために、折れ線関数や多項式などの近似した形態で記憶するようにしてもよい。   The model prediction error may be stored as it is, or may be stored in an approximate form such as a polygonal line function or a polynomial in order to reduce the storage capacity.

この実施形態によると、予め記憶したモデル予測誤差を用いて、現時刻から未来の予測ホライズン後までのモデル予測誤差の変化量を推定し、このモデル予測誤差の変化量を用いて外乱補償を行うことができる。   According to this embodiment, the amount of change in the model prediction error from the current time to after the future prediction horizon is estimated using the model prediction error stored in advance, and disturbance compensation is performed using the amount of change in the model prediction error. be able to.

(3)上記(2)の実施形態の前記外乱対応制御ステップでは、前記推定したモデル予測誤差の変化量、前記モデルを用いて予測した制御量の予測値、および、未来の目標値と現時刻の制御量との偏差に基づいて、操作量を求めるようにしてもよい。   (3) In the disturbance response control step of the embodiment of (2), the estimated amount of change in the model prediction error, the predicted value of the control amount predicted using the model, the future target value and the current time The operation amount may be obtained based on the deviation from the control amount.

未来の目標値は、参照軌道上の目標値としてもよい。   The future target value may be a target value on the reference trajectory.

この実施形態によると、未来の制御量の予測値を求め、予測区間において予測値が、未来の目標値に出来るだけ近づくように操作量を決定するモデル予測制御において、モデル予測誤差を用いて外乱補償を行うことが可能となる。   According to this embodiment, in model predictive control in which a predicted value of a future control amount is obtained and an operation amount is determined so that the predicted value is as close as possible to a future target value in a prediction interval, disturbance using a model prediction error is performed. Compensation can be performed.

(4)本発明の好ましい実施形態では、前記学習ステップおよび前記外乱対応制御ステップを、外乱の印加に先立つタイミング信号に応答して開始するようにしてもよい。   (4) In a preferred embodiment of the present invention, the learning step and the disturbance response control step may be started in response to a timing signal prior to the application of the disturbance.

外乱の印加に先立つタイミング信号を用いて、学習ステップおよび外乱対応制御ステップの開始のみならず、終了を制御するようにしてもよく、例えば、前記タイミング信号がONしたときに各ステップを開始し、OFFしたときに各ステップを終了するようにしてもよい。   The timing signal prior to the application of the disturbance may be used to control not only the start of the learning step and the disturbance response control step, but also the end, for example, each step is started when the timing signal is turned on, You may make it complete | finish each step when it turns OFF.

運転シーケンスの一部として発生するような外乱は、印加されるタイミングを予知できるものであり、この実施形態によると、外乱の印加に先立つタイミング信号を用いて、学習ステップにおけるモデル予測誤差の学習を開始し、あるいは、外乱対応制御ステップにおける外乱補償を開始することができる。   The disturbance that occurs as a part of the operation sequence can predict the applied timing, and according to this embodiment, learning of the model prediction error in the learning step is performed using the timing signal prior to the application of the disturbance. Alternatively, disturbance compensation in the disturbance handling control step can be started.

(5)本発明のモデル予測制御装置は、制御対象のモデルを用いて制御量を予測するとともに、印加を予知できる外乱の補償を行うモデル予測制御装置であって、外乱が印加されたときの制御量の実測値と前記モデルを用いた制御量の予測値とのモデル予測誤差を用いて、印加される外乱を補償するように制御する外乱対応制御手段を備えている。   (5) A model predictive control apparatus according to the present invention is a model predictive control apparatus that predicts a control amount using a model to be controlled and compensates for a disturbance that can be predicted to be applied, when the disturbance is applied. Disturbance response control means for controlling so as to compensate for an applied disturbance using a model prediction error between an actually measured value of the controlled variable and a predicted value of the controlled variable using the model is provided.

外乱が印加されたときの制御量の実測値とモデルを用いた制御量の予測値とのモデル予測誤差を予め求め、当該モデル予測制御装置あるいは他の上位装置などに記憶し、記憶したモデル予測誤差を用いて外乱補償を行うのが好ましい。   A model prediction error between the measured value of the controlled variable when a disturbance is applied and the predicted value of the controlled variable using the model is obtained in advance, stored in the model predictive control device or other higher-level device, and stored model prediction It is preferable to perform disturbance compensation using an error.

本発明のモデル予測制御装置によると、外乱に応じて変化するモデル予測誤差を予め求めておくことにより、以後は、モデル予測誤差を用いて、定型の外乱の補償を行うことが可能となる。しかも、モデル予測誤差は、外乱が印加されたときの制御量の実測値とモデルを用いた予測値との差として算出できるので、従来例のように、外乱が印加されたときの制御量の変化を、外乱に相当する操作量に変換するための演算処理が不要となる。   According to the model prediction control apparatus of the present invention, by obtaining in advance a model prediction error that changes in accordance with a disturbance, it is possible to compensate for a fixed disturbance using the model prediction error thereafter. In addition, the model prediction error can be calculated as the difference between the measured value of the controlled variable when the disturbance is applied and the predicted value using the model, so that the controlled variable when the disturbance is applied as in the conventional example. Arithmetic processing for converting the change into an operation amount corresponding to disturbance is not required.

(6)本発明の一つの実施形態では、外乱が印加されたときの制御量の実測値と前記モデルを用いた制御量の予測値との前記モデル予測誤差を算出する算出手段と、算出した前記モデル予測誤差を記憶する記憶手段とを備え、前記外乱対応制御手段は、前記記憶手段の前記モデル予測誤差を用いて、印加される外乱を補償するように制御してもよい。   (6) In one embodiment of the present invention, the calculation means for calculating the model prediction error between the measured value of the controlled variable when a disturbance is applied and the predicted value of the controlled variable using the model, Storage means for storing the model prediction error, and the disturbance response control means may be controlled to compensate the applied disturbance using the model prediction error of the storage means.

この実施形態によると、外乱に応じて変化するモデル予測誤差を予め記憶手段に記憶し、以後は、記憶したモデル予測誤差を用いて、外乱の補償を行うことが可能となる。   According to this embodiment, the model prediction error that changes in accordance with the disturbance is stored in the storage unit in advance, and thereafter, the stored model prediction error can be used to compensate for the disturbance.

(7)上記(6)の実施形態では、前記外乱対応制御手段は、前記モデル予測誤差を用いて、現時刻のモデル予測誤差と未来のモデル予測誤差とのモデル予測誤差の変化量を推定する推定部を備えるようにしてもよい。   (7) In the embodiment of the above (6), the disturbance response control means estimates the amount of change in the model prediction error between the current model prediction error and the future model prediction error using the model prediction error. You may make it provide an estimation part.

この実施形態によると、予め記憶したモデル予測誤差を用いて、現時刻から未来である予測ホライズン後までのモデル予測誤差の変化量を推定し、このモデル予測誤差の変化量を用いて外乱補償を行うことができる。   According to this embodiment, the amount of change in the model prediction error from the current time to the future after the prediction horizon is estimated using the model prediction error stored in advance, and disturbance compensation is performed using the amount of change in the model prediction error. It can be carried out.

(8)上記(7)の実施形態では、前記外乱対応制御手段は、前記モデルを用いて制御量の予測値を求めるとともに、目標値と現時刻の制御量との偏差を求め、前記制御量の予測値、前記偏差、および、前記推定部で推定されたモデル予測誤差の変化量の推定値に基づいて、操作量を求める予測制御部を備えるようにしてもよい。   (8) In the embodiment of the above (7), the disturbance response control means obtains a predicted value of the control amount using the model, obtains a deviation between the target value and the control amount at the current time, and determines the control amount. A prediction control unit that obtains an operation amount may be provided based on the predicted value, the deviation, and the estimated value of the change amount of the model prediction error estimated by the estimation unit.

この実施形態によると、未来の制御量の予測値を求め、予測区間において予測値が、未来の目標値に出来るだけ近づくように操作量を決定するモデル予測制御において、モデル予測誤差を用いて外乱補償を行うことが可能となる。   According to this embodiment, in model predictive control in which a predicted value of a future control amount is obtained and an operation amount is determined so that the predicted value is as close as possible to a future target value in a prediction interval, disturbance using a model prediction error is performed. Compensation can be performed.

(9)上記(6)〜(8)のいずれかの実施形態では、前記算出手段によるモデル予測誤差の算出および前記外乱対応制御手段による外乱を補償するための制御を、外乱の印加に先立つタイミング信号に応答して開始するようにしてもよい。   (9) In any one of the above embodiments (6) to (8), the calculation of the model prediction error by the calculation unit and the control for compensating the disturbance by the disturbance response control unit are performed prior to the application of the disturbance. You may make it start in response to a signal.

この実施形態によると、外乱の印加に先立つタイミング信号を用いて、モデル予測誤差の算出を開始してモデル予測誤差を記憶することができる一方、以後は、前記タイミング信号を用いて、外乱対応制御手段によるモデル予測誤差を用いた外乱補償を開始することができる。   According to this embodiment, the calculation of the model prediction error can be started using the timing signal prior to the application of the disturbance, and the model prediction error can be stored. Thereafter, the disturbance response control is performed using the timing signal. Disturbance compensation using the model prediction error by the means can be started.

(10)本発明の一つの実施形態では、前記制御量が温度であって、前記制御対象の温度を制御するものである。   (10) In one embodiment of the present invention, the controlled variable is a temperature and controls the temperature of the controlled object.

この実施形態によると、温度制御装置として好適に実施できる。   According to this embodiment, it can be suitably implemented as a temperature control device.

本発明によれば、外乱に応じて変化するモデル予測誤差を予め求めておくことにより、以後は、モデル予測誤差を用いて、定型の外乱の補償を行うことが可能となる。しかも、モデル予測誤差は、外乱が印加されたときの制御量の実測値とモデルを用いた予測値との差として算出できるので、従来例のように、外乱が印加されたときの制御量の変化を、外乱に相当する操作量に変換するための演算処理が不要となる。   According to the present invention, by obtaining a model prediction error that changes in accordance with a disturbance in advance, it is possible to compensate for a regular disturbance using the model prediction error thereafter. In addition, the model prediction error can be calculated as the difference between the measured value of the controlled variable when the disturbance is applied and the predicted value using the model, so that the controlled variable when the disturbance is applied as in the conventional example. Arithmetic processing for converting the change into an operation amount corresponding to disturbance is not required.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本発明の一つの実施の形態に係るモデル予測制御装置の概略構成を示すブロック図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a model predictive control apparatus according to an embodiment of the present invention.

この実施の形態のモデル予測制御装置1は、制御対象2のモデルを、内部モデルとして有し、この内部モデルを用いて、設定値SPと制御対象2からの制御量PVとに基づいて、制御対象2に対して操作量MVを出力する予測制御部としてのMPCコントローラ3を備えており、外乱補償を行わないときには、このMPCコントローラ3によって、通常のモデル予測制御が行なわれる。   The model predictive control apparatus 1 of this embodiment has a model of the controlled object 2 as an internal model, and uses this internal model to control based on the set value SP and the controlled variable PV from the controlled object 2. The MPC controller 3 is provided as a predictive control unit that outputs the manipulated variable MV to the target 2, and normal model predictive control is performed by the MPC controller 3 when disturbance compensation is not performed.

このモデル予測制御装置1は、運転シーケンスの一部として生じるような定型の外乱を補償する外乱対応のモデル予測制御を行なえるように、次のように構成されている。   The model predictive control apparatus 1 is configured as follows so that model predictive control corresponding to a disturbance that compensates for a fixed disturbance that occurs as a part of an operation sequence can be performed.

すなわち、予め定型の外乱を印加したときに実測される制御量PVの実測値と内部モデルを用いて予測される制御量Yの予測値とのモデル予測誤差Empを算出する算出部4と、算出されたモデル予測誤差を記憶するメモリ5とを備えており、予め学習モードにおいて、定型外乱が印加されたときのモデル予測誤差を学習して記憶する。この学習モードは、例えば、ユーザの操作によって設定することができる。   That is, a calculation unit 4 that calculates a model prediction error Emp between an actually measured value of the control amount PV that is actually measured when a fixed disturbance is applied in advance and a predicted value of the control amount Y that is predicted by using an internal model; A memory 5 for storing the model prediction error, and learning and storing the model prediction error when a fixed disturbance is applied in the learning mode in advance. This learning mode can be set by a user operation, for example.

外乱は、定型の外乱であって、印加されるタイミングが予知できるので、外乱が印加されるタイミングに先立つ外乱通知信号がONしたタイミングで学習モードを開始し、外乱が印加される期間を含む一定期間Lに亘ってモデル予測誤差を算出してメモリ5に記憶する。   The disturbance is a regular disturbance, and the timing to which it is applied can be predicted. Therefore, the learning mode starts at the timing when the disturbance notification signal is turned on prior to the timing when the disturbance is applied, and includes a period during which the disturbance is applied. The model prediction error is calculated over the period L and stored in the memory 5.

外乱が、例えば、射出成形機における運転開始時の新しい材料の投入によるシリンダ温度の低下である場合には、外乱通知信号として、例えば、運転開始のタイミング信号を用いることができる。   When the disturbance is, for example, a decrease in cylinder temperature due to the introduction of new material at the start of operation in the injection molding machine, for example, a timing signal for starting operation can be used as the disturbance notification signal.

次に、通常の運転モードでは、上記外乱通知信号がONしたタイミングで、外乱が印加される期間を含む後述の一定期間K(K+d+H≦L)に亘って外乱を補償する外乱対応のモデル予測制御を行なう。この外乱対応のモデル予測制御では、メモリ5から読み出したモデル予測誤差を用いて、推定部6で後述のようにモデル予測誤差の変化量Cを推定し、MPCコントローラ3では、このモデル予測誤差の変化量Cを用いて、後述のように外乱を補償するように操作量MVを算出して外乱対応のモデル予測制御を行なう。このMPCコントローラ3および推定部6によって、外乱対応のモデル予測制御を行なう外乱対応制御手段7が構成される。   Next, in the normal operation mode, when the disturbance notification signal is turned ON, a disturbance predictive model predictive control that compensates the disturbance over a certain period K (K + d + H ≦ L) to be described later including a period in which the disturbance is applied. To do. In the model prediction control corresponding to the disturbance, the estimation unit 6 estimates the change amount C of the model prediction error using the model prediction error read from the memory 5 as described later, and the MPC controller 3 determines the model prediction error. Using the change amount C, the manipulated variable MV is calculated so as to compensate for the disturbance as will be described later, and disturbance predictive model prediction control is performed. The MPC controller 3 and the estimation unit 6 constitute disturbance response control means 7 that performs model prediction control corresponding to disturbance.

MPCコントローラ3、算出部4、メモリ5および推定部6などは、例えば、コンピュータによって構成される。   The MPC controller 3, the calculation unit 4, the memory 5, the estimation unit 6, and the like are configured by a computer, for example.

MPCコントローラ3によるモデル予測制御は、図2に示すように、現時刻nにおいて制御量PV(n)を測定し、現時刻の制御量PV(n)を始点として設定値SPに徐々に近づく破線で示す参照軌道を計算する。ここでは、簡単のために、制御ホライズンHuは1とする。   As shown in FIG. 2, the model predictive control by the MPC controller 3 measures a control amount PV (n) at the current time n, and gradually approaches the set value SP with the control amount PV (n) at the current time as a starting point. The reference trajectory shown by is calculated. Here, for simplicity, the control horizon Hu is set to 1.

次に内部モデルを用いて、予測ホライズンH後の制御量PVの予測値PV(n+H)が参照軌道に一致するように、現在の時刻nの操作量MV(n)を決定する。   Next, using the internal model, the manipulated variable MV (n) at the current time n is determined so that the predicted value PV (n + H) of the controlled variable PV after the predicted horizon H matches the reference trajectory.

得られた操作量MV(n)を実際に制御対象2に加え、次のサンプリング時刻n+1まではその値を保持する。   The obtained operation amount MV (n) is actually added to the control object 2 and the value is held until the next sampling time n + 1.

時刻n+1において制御量PV(n+1)が測定されれば、改めて時刻n+1を現時刻とみなし、未来の予測値と参照軌道とが、予測ホライズンH後に一致するように操作量を決定し、次のサンプリング時刻までその操作量を制御対象2に加える。以下、この手順を繰り返す。   If the control amount PV (n + 1) is measured at the time n + 1, the operation amount is determined so that the future predicted value and the reference trajectory coincide with each other after the predicted horizon H, again considering the time n + 1 as the current time. The manipulated variable is added to the control object 2 until the sampling time. Thereafter, this procedure is repeated.

以下、この実施形態のMPCコントローラ3における予測制御について、詳細に説明する。   Hereinafter, prediction control in the MPC controller 3 of this embodiment will be described in detail.

このMPCコントローラ3は、上述のように内部モデルを用いて予測制御を行なうものであり、この実施形態では、内部モデルは、サンプリング時間で離散化した次式で表されるN次のARXモデルとしている。
Y(n) = a1*Y(n−1)+a2*Y(n−2)+ ・・・ +aN*Y(n−N)
+b1*U(n−1)+b2*U(n−2)+ ・・・+bM*U(n−M)
ここで、
Y(n):時刻nの内部モデル出力値
U(n):時刻nの操作量
a1〜aN,b1〜bM:内部モデルの係数
N,M:内部モデル次数
である。
The MPC controller 3 performs predictive control using the internal model as described above. In this embodiment, the internal model is represented as an Nth-order ARX model expressed by the following equation discretized by the sampling time. Yes.
Y (n) = a1 * Y (n-1) + a2 * Y (n-2) +... + AN * Y (n-N)
+ B1 * U (n−1) + b2 * U (n−2) +... + BM * U (n−M)
here,
Y (n): internal model output value at time n U (n): manipulated variable at time n a1 to aN, b1 to bM: coefficients of internal model N, M: internal model order.

なお、むだ時間を上記モデルに含ませることもできるけれども、この実施形態では、むだ時間は、内部モデルから切り離して、後述のように別に扱うようにしている。   Although the dead time can be included in the model, in this embodiment, the dead time is separated from the internal model and handled separately as described later.

このARXモデルの決定は、例えば、制御対象2に対する入出力の時系列データ、すなわち、操作量MVおよび制御量PVの時系列データを予め計測し、最小二乗法等を用いて行われる。   The determination of the ARX model is performed, for example, by measuring time series data of input / output with respect to the controlled object 2, that is, time series data of the manipulated variable MV and the controlled variable PV in advance and using a least square method or the like.

この実施形態では、図2の破線で示される参照軌道として、現時刻nでの偏差を、時定数Trで指数関数的に0に近づける軌道を用いている。   In this embodiment, as a reference trajectory indicated by a broken line in FIG. 2, a trajectory that makes the deviation at the current time n exponentially approach 0 with a time constant Tr is used.

すなわち、予測ホライズンH後の参照軌道上の目標値R(n+H)は、次式で求めることができる。
R(n+H)=SP(n+H)−λ *{SP(n)−PV(n)}
λ=exp(−Tc/Tr)
ここで、
PV(n):時刻nの制御量
SP(n),SP(n+H):時刻n,n+Hの目標値
R(n+H):予測ホライズンH先の参照軌道上の目標値
Tc:サンプリング時間
である。
That is, the target value R (n + H) on the reference trajectory after the predicted horizon H can be obtained by the following equation.
R (n + H) = SP (n + H) −λ H * {SP (n) −PV (n)}
λ = exp (−Tc / Tr)
here,
PV (n): Control amount SP (n) at time n, SP (n + H): Target value R (n + H) at time n, n + H: Target value Tc on the reference trajectory ahead of the predicted horizon H: Sampling time.

したがって、現時刻nにおける制御量PV(n)からの増分、すなわち、予測ホライズンH後に、制御量PVを、参照軌道上の目標値R(n+H)に一致させるために必要な制御量PVの増分(偏差)ΔP(n+H)は、
ΔP(n+H)=SP(n+H)−λ*{SP(n)−PV(n)}−PV(n)
=(1−λ){SP(n)−PV(n)}+SP(n+H)−SP(n)
となる。
Accordingly, the increment from the control amount PV (n) at the current time n, that is, the increment of the control amount PV necessary to make the control amount PV coincide with the target value R (n + H) on the reference trajectory after the predicted horizon H. (Deviation) ΔP (n + H) is
ΔP (n + H) = SP (n + H) −λ H * {SP (n) −PV (n)} − PV (n)
= (1-λ H ) {SP (n) −PV (n)} + SP (n + H) −SP (n)
It becomes.

次に、操作量MVの計算について説明する。   Next, calculation of the operation amount MV will be described.

線形の制御対象の場合、モデル出力の挙動は、次の2つの加算により求めることができる。   In the case of a linear control object, the behavior of the model output can be obtained by the following two additions.

(1)自由応答
現在の状態を初期値として、未来の操作量MVとして0が継続する場合の、予測ホライズンH後のモデル出力Yf(n+H)を、上述のARXモデルの式から繰り返し計算により求める。
Yf(n+1)=a1*Y(n)+a2*Y(n−1)+ ・・・ +aN*Y(n−N+1)
Yf(n+2)=a1*Yf(n+1)+a2*Y(n)+・・・ +aN*Y(n−N+2)
・・・・・
Yf(n+H)=a1*Yf(n+H−1)+a2*Yf(n+H−2)+ ・・・ +aN*Y(n−N+H )
(2)ステップ応答
初期状態を0として、MV=1(100%)のステップ応答における、時刻Hのモデル出力S(H)を求める。
S(1)=b1
S(2)=a1*S(1)+(b1+b2)
・・・・・
S(H)=a1*S(H−1)+a2*S(H−2)+ ・・・ +aN*S(H−N)+(b1+b2+ ・・・ +bM)
MV=1(100%)ではなく、一般にMV(n)とすると、時刻Hのステップ応答出力はMV(n)*S(H)となる。
(1) Free response The model output Yf (n + H) after the predicted horizon H when the current state is the initial value and 0 as the future manipulated variable MV is obtained by repeated calculation from the above ARX model formula. .
Yf (n + 1) = a1 * Y (n) + a2 * Y (n-1) +... + AN * Y (n-N + 1)
Yf (n + 2) = a1 * Yf (n + 1) + a2 * Y (n) +... + AN * Y (n−N + 2)
...
Yf (n + H) = a1 * Yf (n + H-1) + a2 * Yf (n + H-2) +... + AN * Y (n-N + H)
(2) Step response The initial state is set to 0, and the model output S (H) at time H in the step response of MV = 1 (100%) is obtained.
S (1) = b1
S (2) = a1 * S (1) + (b1 + b2)
...
S (H) = a1 * S (H-1) + a2 * S (H-2) + ... + aN * S (H-N) + (b1 + b2 + ... + bM)
If not MV = 1 (100%) but generally MV (n), the step response output at time H is MV (n) * S (H).

ここで、
MV(n):時刻nの操作量
Yf(n+H):予測ホライズンH後のモデルの自由応答出力
S(H):時刻Hのモデルのステップ応答出力
である。
here,
MV (n): manipulated variable Yf (n + H) at time n: free response output of model after predicted horizon H S (H): step response output of model at time H

前項より、時刻n以降、操作量MV(n)を継続した場合、時刻n+H時点のモデル出力(制御量の予測値)は次式となる。
Y(n+H)=Yf(n+H)+MV(n)*S(H)
Y(n)からの増分、すなわち、予測ホライズンH後に期待されるモデル出力の増分ΔM(n+H)は、
ΔM(n+H)=Yf(n+H)+MV(n)*S(H)−Y(n)
となる。
From the previous section, when the manipulated variable MV (n) is continued after time n, the model output (predicted value of the controlled variable) at time n + H is as follows.
Y (n + H) = Yf (n + H) + MV (n) * S (H)
The increment from Y (n), ie the expected increase in model output ΔM (n + H) after the predicted horizon H, is
ΔM (n + H) = Yf (n + H) + MV (n) * S (H) −Y (n)
It becomes.

外乱補償を行わない場合には、予測ホライズンH後に期待されるモデル出力の増分ΔM(n+H)が、制御量PVを予測ホライズンH後に参照軌道上の目標値に一致させるための上述の制御量PVの増分ΔP(n+H)と等しくなるように操作量MVを求めればよい。
すなわち、ΔM(n+H)=ΔP(n+H)となる操作量MVを求めればよい。
When disturbance compensation is not performed, the above-described control amount PV for causing the increment ΔM (n + H) of the model output expected after the predicted horizon H to match the control amount PV with the target value on the reference trajectory after the predicted horizon H is obtained. The operation amount MV may be obtained so as to be equal to the increment ΔP (n + H).
That is, an operation amount MV that satisfies ΔM (n + H) = ΔP (n + H) may be obtained.

この実施形態では、定型の外乱の補償を行うので、外乱補償を行う場合について説明する。   In this embodiment, since the compensation for the fixed disturbance is performed, a case where the disturbance compensation is performed will be described.

時点n〜n+H間のモデル予測誤差の変化量の推定値CH(n)を、上述の学習モードで学習したモデル予測誤差を用いて後述のようにして求め、このモデル予測誤差の変化量の推定値CH(n)を用いて外乱補償を実施する。すなわち、
ΔM(n+H)+CH(n)=ΔP(n+H)より、
Yf(n+H)+MV(n)*S(H)−Y(n)+CH(n)=(1−λ){SP(n)−PV(n)}+SP(n+H)−SP(n)
MV(n)について解くと、
MV(n)=[(1−λ){SP(n)−PV(n)}+SP(n+H)−SP(n)−Yf(n+H)+Y(n)−CH(n)]/S(H)
この実施形態では、上述のように、むだ時間を内部モデルに含めていないので、前項のMVの算出式を、むだ時間dを考慮したものに修正する必要がある。
An estimated value CH (n) of the change amount of the model prediction error between time points n and n + H is obtained as described later using the model prediction error learned in the learning mode described above, and the change amount of the model prediction error is estimated. Disturbance compensation is performed using the value CH (n). That is,
From ΔM (n + H) + CH (n) = ΔP (n + H),
Yf (n + H) + MV (n) * S (H) -Y (n) + CH (n) = (1-λ H) {SP (n) -PV (n)} + SP (n + H) -SP (n)
Solving for MV (n)
MV (n) = [(1-λ H ) {SP (n) -PV (n)} + SP (n + H) -SP (n) -Yf (n + H) + Y (n) -CH (n)] / S ( H)
In this embodiment, as described above, since the dead time is not included in the internal model, it is necessary to correct the calculation formula for the MV in the previous section to take into account the dead time d.

そこで、この実施形態では、実際のプロセスデータについて、時刻nの代わりに時刻n+dのデータを使用するようにしている。
MV(n)=[(1−λ){SP(n+d)−PV(n+d)}+SP(n+H+d)−SP(n+d)−Yf(n+H)+Y(n)−CH(n)]/S(H)
ここで、PV(n+d)の予測値が必要となり、合理的な近似として通常は次の計算式で求める。
PV(n+d)=PV(n)+Y(n)−Y(n−d)
ここでも、時点n〜n+d間のモデル予測誤差の変化量の推定値Cd(n)を、学習モードで学習したモデル予測誤差を用いて後述のようにして求めることにより、外乱補償を行えるようにしている。
PV(n+d)=PV(n)+Y(n)−Y(n−d)+Cd(n)より
MV(n)=[(1−λ){SP(n+d)−(PV(n)+Y(n)−Y(n−d)+Cd(n))}+SP(n+H+d)−SP(n+d)−Yf(n+H)+Y(n)−CH(n)]/S(H)
ここで、
Cd(n):時点nからn+d間のモデル予測誤差変化量の推定値
CH(n):時点n+dからH間のモデル予測誤差変化量の推定値
である。
Therefore, in this embodiment, for actual process data, data at time n + d is used instead of time n.
MV (n) = [(1-λ H ) {SP (n + d) −PV (n + d)} + SP (n + H + d) −SP (n + d) −Yf (n + H) + Y (n) −CH (n)] / S ( H)
Here, a predicted value of PV (n + d) is required, and is usually obtained by the following calculation formula as a reasonable approximation.
PV (n + d) = PV (n) + Y (n) -Y (nd)
Again, disturbance compensation can be performed by obtaining the estimated value Cd (n) of the change amount of the model prediction error between time points n and n + d as described later using the model prediction error learned in the learning mode. ing.
PV (n + d) = PV (n) + Y (n) −Y (n−d) + Cd (n) from MV (n) = [(1−λ H ) {SP (n + d) − (PV (n) + Y ( n) -Y (nd) + Cd (n))} + SP (n + H + d) -SP (n + d) -Yf (n + H) + Y (n) -CH (n)] / S (H)
here,
Cd (n): Estimated value of model prediction error change from time n to n + d CH (n): Estimated value of model prediction error change from time n + d to H.

この実施形態では、この2つのモデル予測誤差変化量の推定値を、次ようにして算出している。   In this embodiment, the estimated values of the two model prediction error variations are calculated as follows.

すなわち、上述の学習モード時は、次式で求めるモデル予測誤差を、外乱通知信号ONのタイミングから期間Lだけ、Emp(i) (0≦i<L)として記憶する。   That is, in the learning mode described above, the model prediction error obtained by the following equation is stored as Emp (i) (0 ≦ i <L) for the period L from the timing of the disturbance notification signal ON.

Emp(i)=Y(n−d)−PV(n)
定型外乱対応制御時は、外乱通知信号ONのタイミングから期間Kだけ、モデル予測誤差の変化量の推定値CH(n),Cd(n)を、Emp(i) (0≦i<K)から求めて予測計算に利用する。但し、K+d+H≦L
CH(n)=Emp(i+d+H)−Emp(i+d)、
Cd(n)=Emp(i+d)−Emp(i)
図3は、現時刻iにおけるモデル予測誤差の変化量の推定値CH(n),Cd(n)を示す図である。この図3における現時刻iは、上述の外乱通知信号がONしてからの経過時間に対応する。
Emp (i) = Y (nd) -PV (n)
At the time of fixed disturbance response control, estimated values CH (n) and Cd (n) of the amount of change in model prediction error are calculated from Emp (i) (0 ≦ i <K) for the period K from the timing of the disturbance notification signal ON. Obtained and used for prediction calculation. However, K + d + H ≦ L
CH (n) = Emp (i + d + H) −Emp (i + d),
Cd (n) = Emp (i + d) −Emp (i)
FIG. 3 is a diagram illustrating estimated values CH (n) and Cd (n) of changes in model prediction error at the current time i. The current time i in FIG. 3 corresponds to the elapsed time after the disturbance notification signal is turned on.

モデル予測誤差の変化量の推定値CH(n)は、上記式で示されるように、i+d+H時点のモデル予測誤差Emp(i+d+H)からi+d時点のモデル予測誤差Emp(i+d)を減算することにより算出され、モデル予測誤差変化量の推定値Cd(n)は、上記式で示されるように、i+d時点のモデル予測誤差Emp(i+d)から現在のi時点のモデル予測誤差Emp(i)を減算することにより算出される。   The estimated value CH (n) of the change amount of the model prediction error is calculated by subtracting the model prediction error Emp (i + d) at the i + d time point from the model prediction error Emp (i + d + H) at the i + d + H time point as shown in the above formula. Then, the estimated value Cd (n) of the model prediction error change amount is obtained by subtracting the model prediction error Emp (i) at the current i time from the model prediction error Emp (i + d) at the i + d time as shown in the above equation. Is calculated by

なお、時刻nの操作量MV(n)を計算後、次回計算のために、次のモデル出力Y(n+1)を求めておく。
Y(n+1)=a1*Y(n)+a2*Y(n−1)+ ・・・ +aN*Y(n−N+1)
+b1*MV(n)+b2*MV(n−1) + ・・・ +bM*MV(n−M+1)
但し、MV(n)は操作量リミット処理後の値を使用する。
After calculating the manipulated variable MV (n) at time n, the next model output Y (n + 1) is obtained for the next calculation.
Y (n + 1) = a1 * Y (n) + a2 * Y (n-1) +... + AN * Y (n-N + 1)
+ B1 * MV (n) + b2 * MV (n−1) +... + BM * MV (n−M + 1)
However, MV (n) uses the value after the manipulated variable limit process.

以上のようにして外乱対応のモデル予測制御では、モデル予測誤差の変化量の推定値CH(n)、Cd(n)を用いて外乱補償が行われ、外乱補償を行わない通常のモデル予測制御の期間では、モデル予測誤差変化量の推定値CH(n)、Cd(n)をいずれもゼロとして操作量を算出する。   As described above, in model predictive control corresponding to disturbance, disturbance compensation is performed using estimated values CH (n) and Cd (n) of changes in model prediction error, and normal model predictive control without disturbance compensation is performed. In this period, the manipulated variable is calculated with the estimated values CH (n) and Cd (n) of the model prediction error change amount set to zero.

なお、他の実施形態として、外乱補償を行わない通常のモデル予測制御の期間では、モデル予測誤差変化量の推定値CH(n)、Cd(n)を公知の方法で推定してもよい。   As another embodiment, in a normal model prediction control period in which disturbance compensation is not performed, the estimated values CH (n) and Cd (n) of the model prediction error change amount may be estimated by a known method.

図4は、この実施形態のモデル予測制御方法の処理手順の概略を示すフローチャートである。   FIG. 4 is a flowchart showing an outline of the processing procedure of the model predictive control method of this embodiment.

先ず、制御対象2を同定して内部モデルを決定しておく(ステップn1)。次に、外乱通知信号がONしているか否かを判断し(ステップn2)、ONしていないときには、外乱補償を行わない通常のモデル予測制御であるとして操作量MVを計算し(ステップn3)、内部モデルの値を更新してステップn2に戻る(ステップn4)。   First, the control object 2 is identified and an internal model is determined (step n1). Next, it is determined whether or not the disturbance notification signal is ON (step n2). When the disturbance notification signal is not ON, the manipulated variable MV is calculated as normal model predictive control without disturbance compensation (step n3). Then, the value of the internal model is updated, and the process returns to step n2 (step n4).

ステップn2において、外乱通知信号がONしているときには、学習モードであるか否かを判断し(ステップn5)、学習モードであるときには、モデル予測誤差Empを記憶してステップn3に移る(ステップn6)。   In step n2, when the disturbance notification signal is ON, it is determined whether or not the learning mode is set (step n5), and when the learning mode is set, the model prediction error Emp is stored and the process proceeds to step n3 (step n6). ).

この実施形態では、外乱通知信号がONしている期間に亘って、ステップn2,n5,n6,n3,n4が繰り返されることになり、外乱通知信号がONしている期間に亘ってモデル予測誤差Empが記憶される。   In this embodiment, steps n2, n5, n6, n3, and n4 are repeated over the period in which the disturbance notification signal is ON, and the model prediction error is over the period in which the disturbance notification signal is ON. Emp is stored.

ステップn5において、学習モードでないと判断したときには、外乱対応制御であるとして、学習モードで記憶したモデル予測誤差の時系列データから将来のモデル予測誤差の変化量の推定値を算出する(ステップn7)。   If it is determined in step n5 that the learning mode is not set, it is determined that the control is disturbance response control, and an estimated value of a future model prediction error change amount is calculated from the time series data of the model prediction error stored in the learning mode (step n7). .

次に、モデル予測誤差の変化量の推定値を用いて、上述のように外乱補償付の操作量MVの算出式に従って操作量MVを算出し(ステップn8)、内部モデルの値を更新してステップn2に戻る(ステップn9)。   Next, using the estimated value of the change amount of the model prediction error, the operation amount MV is calculated according to the calculation formula of the operation amount MV with disturbance compensation as described above (step n8), and the value of the internal model is updated. The process returns to step n2 (step n9).

この実施形態では、外乱通知信号がONしている期間に亘って、ステップn2,n5,n7,n8,n9が繰り返されることになり、外乱通知信号がONしている期間に亘って外乱対応のモデル予測制御が行われる。   In this embodiment, steps n2, n5, n7, n8, and n9 are repeated over the period when the disturbance notification signal is ON, and the disturbance response signal is output over the period when the disturbance notification signal is ON. Model predictive control is performed.

この実施形態では、外乱通知信号がOFFしたときに、学習モードあるいは外乱対応のモデル予測制御を終了するけれども、他の実施形態として、例えば、指定された時間の経過、終了信号、あるいは、モデル予測誤差またはモデル予測誤差の変化量が一定値以下に収束したことを自動判定するなどして学習モードあるいは外乱対応のモデル予測制御を終了してもよい。   In this embodiment, when the disturbance notification signal is turned off, the model prediction control corresponding to the learning mode or disturbance is terminated. However, as another embodiment, for example, a specified time has elapsed, an end signal, or model prediction is used. The model prediction control corresponding to the learning mode or the disturbance may be terminated by automatically determining that the change amount of the error or the model prediction error has converged to a certain value or less.

図5は、性能改善の効果を示すシミュレーション結果を示す図である。   FIG. 5 is a diagram showing a simulation result showing the effect of performance improvement.

同図(a)は制御量PVの変化を、同図(b)は操作量MVの変化を示している。同図において、最初の期間T1は、定型の外乱に対して外乱補償を行わない従来のモデル予測制御を、期間T2は、定型の外乱に対して外乱補償を行う本実施形態のモデル予測制御をそれぞれ示している。図の横軸の時刻190〜200にかけて外乱対応制御を行っている。   FIG. 4A shows a change in the control amount PV, and FIG. 4B shows a change in the manipulated variable MV. In the figure, the first period T1 is a conventional model prediction control that does not perform disturbance compensation for a fixed disturbance, and the period T2 is a model prediction control according to the present embodiment that performs disturbance compensation for a fixed disturbance. Each is shown. Disturbance response control is performed from time 190 to 200 on the horizontal axis of the figure.

このシミュレーションでは、制御対象を1.54e−s/(1+19.6s)(1+s)とし、内部モデルを1.54e−0.98s/(1+19.5s)(1+0.98s)とし、図の横軸の時刻130および190から制御対象入力に一定時間だけ外乱(方形パルス状の外乱)を印加した場合を示している。 In this simulation, the control target is 1.54e −s /(1+19.6s) (1 + s ), the internal model is 1.54e −0.98s / (1 + 19.5s) (1 + 0.98s), and the horizontal axis of the figure This shows a case where a disturbance (square pulse-shaped disturbance) is applied to the control target input for a certain period of time from time 130 and 190.

同図(a)に示すように、外乱対応制御のない従来例では、外乱が印加されたときの修正動作の開始が遅れ、制御量PVの乱れが大きくなるのに対して、外乱対応制御を行う本実施形態では、外乱通知信号に応答して、素早く修正動作を開始するために、制御量PVの乱れを大幅に低減できることが分る。   As shown in FIG. 5A, in the conventional example without disturbance response control, the start of the correction operation when a disturbance is applied is delayed, and the disturbance of the control amount PV becomes large. In this embodiment to be performed, it can be seen that the disturbance of the control amount PV can be greatly reduced in order to start the correction operation quickly in response to the disturbance notification signal.

上述の実施形態では、1回の学習モードによって、モデル予測誤差を予め学習し、2回以降は、学習したモデル予測誤差を用いて、外乱対応制御を行ったけれども、本発明の他の実施形態として、少しずつ変化するような外乱、例えば、外乱の要因である熱の移動の仕方が一定に落ち着くまでに、複数回を要するような外乱の場合には、学習の精度を上げるために、学習モードを複数回実行し、各学習モードで学習したモデル予測誤差をそれぞれ用いて、外乱対応制御をそれぞれ行うようにしてもよい。更に、学習モードでモデル予測誤差を学習しつつ、学習した最新のモデル予測誤差を用いて外乱対応制御を行うようにしてもよい。   In the above-described embodiment, the model prediction error is learned in advance by one learning mode, and disturbance response control is performed using the learned model prediction error after the second time. In the case of a disturbance that gradually changes, for example, a disturbance that requires multiple times before the heat transfer that is the cause of the disturbance settles down, learning is performed to improve the accuracy of learning. The mode may be executed a plurality of times, and the disturbance response control may be performed using each model prediction error learned in each learning mode. Furthermore, disturbance response control may be performed using the latest learned model prediction error while learning the model prediction error in the learning mode.

本発明は、制御対象のモデルを用いて制御量を予測するとともに、外乱補償を行うモデル予測制御に適用できるものであり、例えば、スミスのむだ時間補償制御のように、内部モデルを利用して、むだ時間後のPVを予測して、予測したPVに対してPID動作を実行するPID制御にも適用できるものである。   The present invention is applicable to model predictive control in which a control amount is predicted using a model to be controlled and disturbance compensation is performed. For example, an internal model is used like Smith dead time compensation control. It can also be applied to PID control in which PV after dead time is predicted and PID operation is performed on the predicted PV.

本発明は、モデルを用いた予測制御に有用である。   The present invention is useful for predictive control using a model.

本発明の一つの実施の形態に係るモデル予測制御装置のブロック図である。It is a block diagram of the model prediction control apparatus which concerns on one embodiment of this invention. MPCのアルゴリズムを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the algorithm of MPC. モデル予測誤差の変化量の推定値CH(n),Cd(n)を示す図である。It is a figure which shows the estimated value CH (n) and Cd (n) of the variation | change_quantity of a model prediction error. 動作説明に供するフローチャートである。It is a flowchart with which operation | movement description is provided. 性能改善の効果を示すシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result which shows the effect of performance improvement.

符号の説明Explanation of symbols

1 モデル予測制御装置
2 制御対象
3 MPCコントローラ
4 算出部
5 メモリ
6 推定部
7 外乱対応制御手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Model prediction control apparatus 2 Control object 3 MPC controller 4 Calculation part 5 Memory 6 Estimation part 7 Disturbance response control means

Claims (10)

制御対象のモデルを用いて制御量を予測するとともに、印加を予知できる外乱の補償を行うモデル予測制御方法であって、
外乱が印加されたときの制御量の実測値と前記モデルを用いた制御量の予測値とのモデル予測誤差を予め学習する学習ステップと、
学習した前記モデル予測誤差を用いて、印加される外乱を補償するように制御する外乱対応制御ステップとを含むことを特徴とするモデル予測制御方法。
A model predictive control method that predicts a controlled variable using a model to be controlled and compensates for a disturbance that can predict application,
A learning step for learning in advance a model prediction error between an actual measurement value of a controlled variable when a disturbance is applied and a predicted value of a controlled variable using the model;
A model predictive control method comprising: a disturbance response control step for controlling to compensate for an applied disturbance using the learned model prediction error.
前記学習ステップでは、前記モデル予測誤差を記憶し、
前記外乱対応制御ステップでは、記憶した前記モデル予測誤差を用いて、現時刻のモデル予測誤差と未来のモデル予測誤差とのモデル予測誤差の変化量を推定し、推定したモデル予測誤差の変化量を用いて外乱を補償するように制御する請求項1に記載のモデル予測制御方法。
In the learning step, the model prediction error is stored,
In the disturbance countermeasure control step, using the stored model prediction error, a change amount of the model prediction error between the current model prediction error and a future model prediction error is estimated, and the estimated change amount of the model prediction error is calculated. The model predictive control method according to claim 1, wherein control is performed so as to compensate for disturbance.
前記外乱対応制御ステップでは、前記推定したモデル予測誤差の変化量、前記モデルを用いて予測した制御量の予測値、および、未来の目標値と現時刻の制御量との偏差に基づいて、操作量を求める請求項2に記載のモデル予測制御方法。   In the disturbance response control step, an operation is performed based on a change amount of the estimated model prediction error, a predicted value of the control amount predicted using the model, and a deviation between a future target value and a control amount at the current time. The model predictive control method according to claim 2, wherein the quantity is obtained. 前記学習ステップおよび前記外乱対応制御ステップを、外乱の印加に先立つタイミング信号に応答して開始する請求項1〜3のいずれか一項に記載のモデル予測制御方法。   The model prediction control method according to claim 1, wherein the learning step and the disturbance response control step are started in response to a timing signal prior to the application of the disturbance. 制御対象のモデルを用いて制御量を予測するとともに、印加を予知できる外乱の補償を行うモデル予測制御装置であって、
外乱が印加されたときの制御量の実測値と前記モデルを用いた制御量の予測値とのモデル予測誤差を用いて、印加される外乱を補償するように制御する外乱対応制御手段を備えることを特徴とするモデル予測制御装置。
A model predictive control device that predicts a controlled variable using a model to be controlled and compensates for a disturbance that can predict application,
Disturbance response control means for controlling to compensate for an applied disturbance using a model prediction error between an actual value of a controlled variable when a disturbance is applied and a predicted value of a controlled variable using the model A model predictive control device characterized by the above.
外乱が印加されたときの制御量の実測値と前記モデルを用いた制御量の予測値との前記モデル予測誤差を算出する算出手段と、
算出した前記モデル予測誤差を記憶する記憶手段とを備え、
前記外乱対応制御手段は、前記記憶手段の前記モデル予測誤差を用いて、印加される外乱を補償するように制御する請求項5に記載のモデル予測制御装置。
A calculation means for calculating the model prediction error between the measured value of the controlled variable when a disturbance is applied and the predicted value of the controlled variable using the model;
Storage means for storing the calculated model prediction error,
The model prediction control apparatus according to claim 5, wherein the disturbance response control unit performs control so as to compensate for an applied disturbance using the model prediction error of the storage unit.
前記外乱対応制御手段は、前記モデル予測誤差を用いて、現時刻のモデル予測誤差と未来のモデル予測誤差とのモデル予測誤差の変化量を推定する推定部を備える請求項6に記載のモデル予測制御装置。   The model prediction according to claim 6, wherein the disturbance response control unit includes an estimation unit that estimates a change amount of a model prediction error between a current model prediction error and a future model prediction error using the model prediction error. Control device. 前記外乱対応制御手段は、前記モデルを用いて制御量の予測値を求めるとともに、目標値と現時刻の制御量との偏差を求め、前記制御量の予測値、前記偏差、および、前記推定部で推定されたモデル予測誤差の変化量の推定値に基づいて、操作量を求める予測制御部を備える請求項7に記載のモデル予測制御装置。   The disturbance response control means obtains a predicted value of the control amount using the model, obtains a deviation between the target value and the control amount at the current time, and calculates the predicted value of the control amount, the deviation, and the estimation unit. The model prediction control apparatus according to claim 7, further comprising: a prediction control unit that obtains an operation amount based on the estimated value of the change amount of the model prediction error estimated in step (8). 前記算出手段によるモデル予測誤差の算出および前記外乱対応制御手段による外乱を補償するための制御を、外乱の印加に先立つタイミング信号に応答して開始する請求項6〜8のいずれか一項に記載のモデル予測制御装置。   The calculation of the model prediction error by the calculation unit and the control for compensating for the disturbance by the disturbance response control unit are started in response to a timing signal prior to the application of the disturbance. Model predictive control device. 前記制御量が温度であって、前記制御対象の温度を制御する請求項5〜9のいずれか一項に記載のモデル予測制御装置。   The model predictive control apparatus according to any one of claims 5 to 9, wherein the control amount is a temperature, and the temperature of the control target is controlled.
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