CN110212219B - 设备控制系统、方法和计算机可读介质 - Google Patents

设备控制系统、方法和计算机可读介质 Download PDF

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Abstract

设备控制系统具备：设备；执行器，其基于指令值来控制设备的状态；以及运算装置，其使用表示设备的状态的状态信息计算指令值，并将该指令值向执行器输出。运算装置将根据从dy/dt＝f(y，u，d，t)和K4×dy/dt＝K3×yref‑K1×y+K2×((yref‑y)的时间积分)+K5的算式中消去y的时间微分而得到的算式求出的u的值作为上述指令值。

Description

设备控制系统、方法和计算机可读介质
技术领域
本发明涉及设备控制系统、方法和计算机可读介质。
背景技术
P.L.Lee，G.R.Sullivan，“GenericModelControl(GMC)”，ComputersandChemicalEngineering，12(6)，573-580，1988公开有能够用于设备等的控制的与一般模型控制相关的技术。在该技术中，在设备等的输入向量u(向执行器的指令值)与输出向量y间的关系由以下的式(91)表示的情况下，定义以下的式(92)。
Figure BDA0001978650960000011
这里，y是输出向量，u是输入向量，d是扰动向量，t是时间，
Figure BDA0001978650960000012
是y的时间微分。
Figure BDA0001978650960000013
这里，K1和K2是对角矩阵，是控制设计时所决定的设计因素。另外，yref是y的目标值。
而且，将通过将式(92)代入式(91)消去
Figure BDA0001978650960000014
而求出输入向量u的算式作为控制算法。其后，使用通过该控制算法计算的输入向量u来控制设备等。
然而，若使用P.L.Lee，G.R.Sullivan，“GenericModelControl(GMC)”，ComputersandChemicalEngineering，12(6)，573-580，1988中的上述控制算法进行控制，则yref和y的系数K1和K2为共用的值，有可能导致y相对于yref的响应超调。而且，若进行用于防止该超调的控制，则有可能导致控制的响应性变得过快。图12是用于对P.L.Lee，G.R.Sullivan，“GenericModelControl(GMC)”，ComputersandChemicalEngineering，12(6)，573-580，1988中的课题进行说明的图。这里，对于目标值x/x＊＝1.0，ε＝0.5则表示超调，ε＝10则表示控制的响应性过快。因此，在P.L.Lee，G.R.Sullivan，“GenericModelControl(GMC)”，ComputersandChemicalEngineering，12(6)，573-580，1988中，可以说响应波形设计的自由度低。
这里，有可能导致上述y的响应超调的理由，是如上述那样是由于yref和y的系数K1和K2为共用的值。具体地进行说明，首先，如以下的式(93)那样表示上述式(92)的向量中的第n成分。
Figure BDA0001978650960000021
而且，使yrefn的系数作为单独变量，为k3n，而且成为k1n＝α+β、k2n＝αβ(α和β是实数，且α≥β)，则如以下的式(94)那样表示。
Figure BDA0001978650960000022
这里，若对式(94)进行拉普拉斯变换并进行整理，则如以下的式(95)那样表示。
Figure BDA0001978650960000023
这里，s是复数。而且，在k3n＝0的情况下，成为简单的二次延迟。
另外，对式(95)的yrefn施加步进输入时的微分方程式的解由以下的式(96)表示。
Figure BDA0001978650960000024
这里，由图13的实线部(k3n＝k1n)示出式(96)中α＝4、β＝2的情况下的单位时间的y的变动。这样，在使用了式(92)的情况下导致超调。
发明内容
本公开目的在于提供防止响应的超调并且适度地抑制响应性的加快而用于提高响应波形设计的自由度的设备控制系统、方法和计算机可读介质。
本公开的第一方式的设备控制系统具备：设备；执行器，其基于指令值来控制上述设备的状态；以及运算装置，其使用表示上述设备的状态的状态信息来计算上述指令值，并将该计算出的指令值向上述执行器输出。上述运算装置将根据从以下的式(A1)和式(A2)中消去
Figure BDA0001978650960000031
而得到的算式求解u的值作为上述指令值。
Figure BDA0001978650960000032
这里，y是所述状态信息，u是所述指令值，d是扰动，t是时间，
Figure BDA0001978650960000033
是y的时间微分，
Figure BDA0001978650960000034
这里，K1、K2、K3、K4和K5是对角矩阵，K1、K2和K4不是零矩阵，K1与K3不同，yref是y的目标值。
这样在本方式中，使用式(A1)和使系数K1与K3成为不同值的式(A2)求出指令值u。因此，能够防止y的响应的超调，并且适度地抑制响应性的加快，从而能够提高响应波形设计的自由度。
另外，上述设备控制系统优选，在将K1、K2和K3的不是零的(i，i)成分设为k1ii、k2ii和k3ii的情况下，k1ii＝αi+βi，k2ii＝αiβi，αi和βi是正的实数，并且，在αi≥βi的情况下，k3ii≤αi。由此，若为如式(A1)那样表示的设备，则线性或者非线性均能够应用，应用范围变广。
并且，优选上述K3是零矩阵，上述式(A2)满足以下的式(A3)。
Figure BDA0001978650960000035
由此，与式(A2)相比，进一步简化算式，减少指令值u的计算处理的负荷。
并且，也可以是，上述设备是包括燃料电池堆、流量调整阀、以及从上述燃料电池堆进行排气或者排水的排出阀的燃料电池系统，上述执行器是以通过升压转换器来控制上述燃料电池系统的状态的方式构成的电流控制装置，上述设备控制系统还具备氢气压力传感器，上述氢气压力传感器对上述燃料电池堆的氢气压力值进行测定，并将该氢气压力值作为上述状态信息向上述运算装置输出。在这种情况下，也可以是，上述式(A1)是以下的式(A4)，上述式(A3)是以下的式(A5)。
Figure BDA0001978650960000036
这里，P是上述氢气压力值，R是气体常量，T是上述燃料电池堆的温度，V是氢气容积，Qinj是由上述流量调整阀调整过的流量，N是上述燃料电池堆的电池数量，F是法拉第常数，Iu是作为向上述电流控制装置输出的上述指令值的上述燃料电池堆的电流限制值，Qhev是由上述排出阀调整过的流量，Qcrs是渗透流量。
Figure BDA0001978650960000041
这里，Pref是P的目标值，T1和T2是P相对于Pref的响应的时间常数。由此，在燃料电池堆中进行使氢气压力接近目标值的控制时，能够防止压力的响应的超调，并且适度地抑制响应性的加快。
并且，优选上述T1和上述T2是满足如下第一条件和第二条件的值，第一条件表示与上述时间常数对应的P从Pref降低的降低量小于第一阈值，第二条件表示针对被上述Iu限制后的上述燃料电池堆的电流最小值的相对于上述时间常数的变化量为第二阈值以内。由此，能够最佳控制燃料电池堆的劣化和动力性能的平衡。
另外，也可以是，上述设备控制系统还具备传感器，上述传感器获取上述设备的状态量，并将该获取到的状态量作为上述状态信息向上述运算装置输出，上述运算装置使用从上述传感器获取到的上述状态信息来计算上述指令值。由此，由于使用设备的状态的实测值，所以能够计算更适当的指令值，能够更正确地控制设备的状态。
另外，也可以是，上述K1、K2和K4是除去共用的部分的成分之外的剩余的成分为0的行向量。由此，能够容易地缩小为针对多种状态的指标中的重要的一部分指标的响应的控制。例如，在设备为倒立摆的情况下，能够将状态信息缩小为角度，高效地计算指令值。
对于本公开的第二方式的设备控制方法而言，在运算装置中，接受表示设备的状态的状态信息的输入，将使用上述状态信息并根据从以下的式(A6)和式(A7)消去
Figure BDA0001978650960000042
而算式求出的u的值计算为指令值，并将上述计算出的指令值向执行器输出，在上述执行器中，基于上述指令值来控制上述设备的状态。
Figure BDA0001978650960000043
这里，y是所述状态信息，u是所述指令值，d是扰动，t是时间，
Figure BDA0001978650960000044
是y的时间微分，
Figure BDA0001978650960000051
这里，K1、K2、K3、K4和K5是对角矩阵，K1、K2和K4不是零矩阵，K1与K3不同，yref是y的目标值。
另外，本公开的第三方式的存储使计算机执行处理的程序的计算机可读介质，使计算机执行以下处理，即，接受表示设备的状态的状态信息的输入的处理；将使用上述状态信息根据从以下的式(A8)和式(A9)中消去
Figure BDA0001978650960000052
而得到的算式求出的u的值计算为指令值的处理；以及向基于上述指令值而控制上述设备的状态的执行器输出上述计算出的指令值的处理。
Figure BDA0001978650960000053
这里，y是所述状态信息，u是所述指令值，d是扰动，t是时间，
Figure BDA0001978650960000054
是y的时间微分，
Figure BDA0001978650960000055
这里，K1、K2、K3、K4和K5是对角矩阵，K1、K2和K4不是零矩阵，K1与K3不同，yref是y的目标值。在上述第二方式和第三方式中，也能够期待与第一方式相同的效果。
根据本公开，能够提供防止响应的超调并且适度地抑制响应性的加快，并用于提高响应波形设计的自由度的设备控制系统、方法和计算机可读介质。
附图说明
下面将参照附图来描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业重要性，相同的数字表示相同的元素，其中，
图1是表示本实施方式1的设备控制系统的结构的框图。
图2是用于对本实施方式1的设备控制方法的流程进行说明的流程图。
图3是表示本实施方式2的燃料电池控制系统的结构的框图。
图4是表示本实施方式2的喷射器流量、氢气压力值和FC电流值的与时间的经过对应的变动的例子的图。
图5是表示本实施方式2的时间常数与氢气压力值间的关系的图。
图6是表示本实施方式2的时间常数、与压力变化量和电流最小值间的关系的图。
图7是表示本实施方式3的扭矩控制系统的结构的框图。
图8是表示本实施方式4的倒立摆的外部结构的主视图。
图9是表示本实施方式4的倒立摆的外部结构的侧视图。
图10是表示本实施方式4的倒立摆控制系统的结构的框图。
图11是表示本实施方式4的倒立摆的角度的跟踪的例子的图。
图12是用于对相关技术的课题进行说明的图。
图13是用于对相关技术中的课题和本公开的效果进行说明的图。
具体实施方式
以下，参照附图对应用了包含上述的各方式的本公开的具体的实施方式详细地进行说明。在各附图中，对相同要素标注相同的附图标记，为了明确说明，根据需要省略重复说明。
＜实施方式1＞
图1是表示本实施方式1的设备控制系统1000的结构的框图。设备控制系统1000具备设备1、传感器2、运算装置3以及执行器4。设备1是从规定的原材料生产规定的物理量的系统。设备1例如包括燃料电池系统、作为汽车的动力装置使用的内燃机、马达、倒立摆等，但不限定于这些。执行器4控制设备1。
传感器2测定设备1的状态量，将该测定的结果作为状态信息y向运算装置3输出。这里，传感器2可以为1台或者多台。而且，传感器2例如包括低压氢气压力传感器、或者测定空气流量的空气流量计和空气压力的测定器等，但不限定于这些。此外，也可以取代传感器2而使用推断设备1的状态的物理量的推断器。而且，推断器将该物理量的推断值作为状态信息y向运算装置3输出。这里，推断器例如也可以将氢气泵入口的压力作为物理量推断值。在本说明书中，“获取”包括“测定”和“推断”。
运算装置3使用表示设备1的状态的状态信息y根据后述的方法计算指令值u，将计算出的指令值u向执行器4输出。例如，运算装置3将由传感器2测定出的测定值的输入接受为状态信息y，使用该测定值，计算指令值u。或者，运算装置3将由推断器推断出的物理量推断值的输入接受为状态信息y，使用该物理量推断值，计算指令值u。
执行器4基于来自运算装置3的指令值u，生成用于控制设备1的生产的控制信号，并将该控制信号向设备1输出。这里，执行器4也可以是一个或者多个。而且，执行器4例如可举出FC(Fuel Cell)电流控制装置或者空气压缩机和空气调压阀等，但不限定于这些。
这里，运算装置3将使用状态信息y并根据从以下的式(11)和式(12)中消去
Figure BDA0001978650960000071
而得到的算式求出的u的值计算为指令值u。
Figure BDA0001978650960000072
这里，y是所述状态信息，u是所述指令值，d是扰动，t是时间，
Figure BDA0001978650960000073
是y的时间微分，
Figure BDA0001978650960000074
这里，K1、K2、K3、K4和K5是对角矩阵，K1、K2和K4不是零矩阵，K1与K3不同，yref是y的目标值。
此外，运算装置3能够基于式(11)和式(12)至少计算出指令值u即可。因此，例如，也可以根据式(11)和式(12)而预先离线计算“求解u的算式”。在这种情况下，通过使用任意的信息处理装置将式(12)代入式(11)，从而消去
Figure BDA0001978650960000075
计算“求解u的算式”。而且，通过板载，换句话说在运算装置3安装“求解u的算式”，计算指令值u。
或者，也可以根据式(11)和式(12)，预先离线计算至“求解u的前阶段的算式”。在这种情况下，使用任意的信息处理装置而将式(12)代入式(11)，换句话说，消去
Figure BDA0001978650960000076
计算未求解u的阶段的算式。而且，通过板载，换句话说在运算装置3安装“求解u的前阶段的算式”，计算指令值u。
另外，也可以是，在式(12)中使K3成为零矩阵，将以下的式(13)替代式(12)而使用。
Figure BDA0001978650960000077
图2是用于对本实施方式1的设备控制方法的流程进行说明的流程图。首先，运算装置3接受状态信息的输入(S11)。接下来，运算装置3使用状态信息计算指令值(S12)。例如，运算装置3通过基于式(11)和式(12)、或者式(11)和式(13)的“求解u的算式”或者“求解u的前阶段的算式”，计算指令值。而且，运算装置3将计算出的指令值向执行器4输出(S13)。其后，执行器4基于从运算装置3接受到的指令值控制设备1的状态。
此外，运算装置3也可以是通过执行储存于内置的处理器所内置的存储器的或者读入的程序，从而逻辑地具备这样的功能由此进行动作的计算机装置。
这里，如以下的式(14)那样表示式(12)的向量中的第n成分。
Figure BDA0001978650960000081
而且，若使yrefn的系数作为单独变量为k3n，而且成为k1n＝α+β、k2n＝αβ(α和β是正实数，且α≥β)，进行拉普拉斯变换而整理，并且对yrefn施加步进输入而求解微分方程式，则如以下的式(15)那样表示。
Figure BDA0001978650960000082
这里，以使k3n≤α的方式选择k3n，从而能够防止超调。
此外，上述情况也能够如以下那样换一种表达。即，在式(12)中，将K1、K2和K3的不是零的(i，i)成分设为k1ii、k2ii和k3ii的情况下，k1ii＝αi+βi，k2ii＝αiβi，αi和βi是正的实数，并且，在αi≥βi的情况下，以成为k3ii≤αi的方式选择k3ii，从而能够防止超调。
这里，图13是用于对相关技术的课题和本公开的效果进行说明的图。图13通过虚线(k3n＝α)和点线(k3n＝0)来表示在式(15)中α＝4、β＝2的情况下(并且k3n与k1n不同的情况下)的单位时间的y的变动。这样，在k3n≤α的情况下，表示未超调。由此，根据本实施方式，起到响应波形设计的自由度大这样的效果。此外，即便为其他控制方式也可能实现防止超调本身，但应用范围窄。另一方面，在本实施方式中，若为如式(11)那样表示的设备，则线性或者非线性均能够应用，应用范围广。并且，只要计算控制算法时的算式变形为简单的四则运算和微分积分即可。因此，较为简单，从而促进利用。
＜实施方式2＞
本实施方式2是上述的实施方式1的具体的实施例。图3是表示本实施方式2的燃料电池控制系统2000的结构的框图。燃料电池控制系统2000是上述的设备控制系统1000的一个例子，且具备燃料电池系统11、低压氢气压力传感器21、ECU(Electronic Control Unit)31以及电流控制装置41。此外，燃料电池系统11是上述的设备1的一个例子，低压氢气压力传感器21是上述的传感器2的一个例子，ECU31是上述的运算装置3的一个例子，电流控制装置41是上述的执行器4的一个例子。
燃料电池系统11是基于接受氢气和空气的供给而发电的固体高分子型燃料电池的发电系统。燃料电池系统11至少具备燃料电池堆111、喷射器112以及排水阀113。此外，燃料电池系统11还包括氧气系统等一般的燃料电池系统的结构，但省略图示和说明。另外，喷射器112是流量调整阀的一个例子。而且，排水阀113也可以是排气阀。换句话说，排水阀113是进行排气或者排水的阀的一个例子，对排出的阳极废气的流量进行调整。
喷射器112是用于对从氢气罐(未图示)向燃料电池堆111供给的氢气的流量进行调整的流量调整阀。燃料电池堆111是通过包含从氧气系统(未图示)供给的氧气的大气和经由喷射器112供给的氢气间的电化学反应来进行发电的燃料电池。另外，燃料电池堆111由多个电池的集合体构成。排水阀113是用于对由燃料电池堆111的反应生成的水进行排水的阀。
低压氢气压力传感器21对经由喷射器112向燃料电池堆111供给的氢气的压力值进行测定，作为低压氢气压力值P，向ECU31输出。ECU31从低压氢气压力传感器21接受低压氢气压力值P的输入，使用低压氢气压力值P计算电流限制值Iu，将电流限制值Iu向电流控制装置41输出。
电流控制装置41至少包括FDC-ECU411和升压转换器412。电流控制装置41通过升压转换器412控制燃料电池系统11的状态。FDC-ECU411是基于从ECU31接受到的电流限制值Iu来控制升压转换器412的控制装置。具体而言，FDC-ECU411生成使抑制为电流限制值Iu的控制信号CS，并将控制信号CS向升压转换器412输出。升压转换器412通过作为电流I的燃料电池堆111而发电，并将输出的电力的电压提高至规定的电压，另外，抑制为所指定的规定的电流限制值Iu而输出。换句话说，升压转换器412从FDC-ECU411接受控制信号CS，并以与控制信号CS对应地成为电流限制值Iu的方式调整电流I而输出。
这里，本实施方式的ECU31使用以下的算式计算电流限制值Iu。首先，作为式(11)的具体例而使用以下的式(21)。
Figure BDA0001978650960000101
这里，P是低压氢气压力值，R是气体常量，T是燃料电池的温度，V是低压氢气容积，Qinj是由喷射器112调整过的流量，N是燃料电池堆111的电池数量，F是法拉第常数，Iu是燃料电池的电流限制值，Qhev是由排水阀113调整过的流量，Qcrs是渗透流量，即，从氢气侧向氧气侧透过的流量。
另外，作为式(13)的具体例而使用以下的式(22)。
Figure BDA0001978650960000102
这里，Pref是P的目标值，T1和T2是P相对于Pref的响应的时间常数。
而且，如以下那样，导出“求解电流限制值Iu的算式”。首先，若从式(21)和式(22)消去压力P的时间微分而进行算式变形则由以下的式(23)表示。
Figure BDA0001978650960000103
接着，若使式(23)的积分项离散化，则由以下的式(24)表示。因此，能够将式(24)作为“求解电流限制值Iu的算式”换句话说控制算法。
Figure BDA0001978650960000104
或者，也可以将以成为Iu(0)＝Iu0的方式使式(24)的右边的最后的中括弧的项置换为Iu0的以下的式(25)作为“求解电流限制值Iu的算式”换句话说控制算法。
Figure BDA0001978650960000111
这里，Iu是(FC)电流限制值，Pref是P的目标值，T1和T2是压力P[Pa]相对于压力目标值Pref[Pa]的响应的时间常数。另外，P0是FC的电流限制开始时的低压氢气压力[Pa]，Iu0是FC的电流限制开始时的FC电流[A]，Δt是控制周期[sec]。
图4是表示本实施方式2的喷射器流量Qinj、氢气压力值P和FC电流值I的与时间的经过对应的变动的例子的图。此外，图4的上图和下图的纵轴的刻度的数值是以原点作为基准的相对值，不是对具体的数值进行限定。首先，在时刻t＝0～1中，由燃料电池得到的发电电流I与喷射器流量Qinj相互平衡。换句话说，消耗与供给相互平衡。因此，氢气压力值P也恒定。接下来，在时刻t＝1，由于某种理由而使喷射器流量Qinj减少。在这种情况下，燃料电池堆111保持氢气的供给量不足的状态持续发电。因此，氢气压力值P下降。而且，低压氢气压力传感器21测定下降后的氢气压力值P，向ECU31输出。因此，ECU31使用下降后的氢气压力值P计算电流限制值Iu，经由FDC-ECU411而向升压转换器412指示。由此，升压转换器412将由燃料电池堆111发电的发电电流I限制为电流限制值Iu。由此，可抑制燃料电池堆111的氢气的消耗量，氢气压力值P恢复。此时，氢气压力值P朝向目标值Pref平滑地收敛，未超调。
接着，针对时间常数T1和T2的最佳值的条件进行说明。首先，若将式(22)进行拉普拉斯变换则由以下的式(26)表示。
Figure BDA0001978650960000112
这里，s为多个。图5是表示本实施方式2的时间常数和氢气压力值间的关系的图。
接下来，使T＝T1＝T2，研究最佳的T。首先，T是跟踪的时间常数，因此若T较小，则跟踪较快。而且，若跟踪较快，则FC电流的限制较大。因此，限制后的FC电流变小。而且，若限制后的FC电流变小，压力低于目标下限值的幅度变小，不易产生由于氢气不足而引起的燃料电池堆的劣化。同时，若限制后的FC电流变小，则动作性能变低。
另一方面，若T较大，则跟踪较慢。而且，若跟踪较慢，则FC电流的限制较小。因此，限制后的FC电流变大。而且，若限制后的FC电流变大，则压力低于目标下限值的幅度变大，燃料电池堆容易劣化。同时，若限制后的FC电流变大，则动作性能变高。
对按照上述的趋势根据以下的模拟确定出最佳的时间常数T的方法进行说明。例如，将本实施方式的燃料电池控制系统2000进行数理建模，通过任意的信息处理装置，针对各种时间常数的模型执行燃料电池的控制的模拟，作为其控制结果，将电流限制后发电的电流最小值和压力值与时间常数间的组合保存于存储装置。而且，上述信息处理装置确定出所保存的组合中的电流最小值和压力值满足后述的条件那样的组合的时间常数T1和T2。而且，通过在式(24)或者式(25)应用确定出的时间常数T1和T2，ECU31能够计算最佳的电流限制值Iu。
更具体而言，上述信息处理装置针对各种时间常数执行上述模拟，对各时间常数中的压力目标值Pref与作为其控制结果的压力值P间的差值进行计算。上述的跟踪性，使压力值P成为小于压力目标值Pref的值，因此差值成为某个时间常数下的压力值P相对于压力目标值Pref的降低量。图6的上图示出时间常数、与时间常数对应的压力值P从压力目标值Pref降低的降低量间的关系。这样，若时间常数降低至某个值(第一阈值)以下，则能够将降低量抑制为允许范围，维持跟踪性。因此，期望T1和T2满足表示与时间常数对应的P从Pref降低的降低量小于第一阈值的第一条件。
另外，上述信息处理装置针对各种时间常数执行上述模拟，根据各时间常数中计算出的电流限制值，对升压转换器的电流进行限制，对限制后燃料电池中发电的电流最小值进行计算。图6的下图表示时间常数、与同时间常数对应的由电流限制值限制后所发电的电流最小值间的关系。此外，图6的“收支”相当于“喷射器流量Qinj-排气排水阀流量Qhev-渗透流量Qcrs”的值。这样，即使时间常数变大，限制后的电流最小值也不会继续上升。而且，从时间常数为规定值(图6的下图中0、4)以上开始，限制后的电流最小值大体恒定。换句话说，期望T1和T2满足表示针对被电流限制值限制后的燃料电池的电流最小值的相对于时间常数的变化量为第二阈值以内(换句话说未变化)的第二条件。第二阈值例如为0。或者，第二条件也可以表示T1和T2为被电流限制值限制后的燃料电池的电流最小值收敛至第三阈值以后的时间常数。
由此，在T1和T2为满足上述第一条件和上述第二条件的值的情况下，能够进行最佳的控制。此外，图6的上图和下图的纵轴的刻度的数值是以原点作为基准的相对值，未对具体的数值进行限定。
＜实施方式3＞
本实施方式3是上述的实施方式1的具体的其他实施例。图7是表示本实施方式3的扭矩控制系统3000的结构的框图。扭矩控制系统3000是上述的设备控制系统1000的一个例子，且具备马达12、传感器22、ECU32以及扭矩控制部42。马达12例如可举出空气压缩机的马达，但不限定于此。传感器22测定马达12的旋转速度ω，将旋转速度ω向ECU32输出。ECU32从传感器22接受旋转速度ω的输入，使用旋转速度ω计算变换器422中的输入扭矩τ，将输入扭矩τ向扭矩控制部42输出。扭矩控制部42具备ECU421和变换器422。ECU421使用从ECU32接受到的输入扭矩τ进行由变换器422进行的扭矩控制。此外，马达12是上述的设备1的一个例子，传感器22是上述的传感器2的一个例子，ECU32是上述的运算装置3的一个例子，扭矩控制部42是上述的执行器4的一个例子。
这里，本实施方式的ECU32使用以下的算式以跟踪马达12的旋转速度ω的方式计算输入扭矩τ。首先，作为式(11)的具体例而使用以下的式(31)。
Figure BDA0001978650960000131
这里，J是惯性力矩，ω是角速度(马达12的旋转速度)，τ是变换器422的输入扭矩，τL是负载扭矩。
另外，作为式(12)的具体例而使用以下的式(32)。
Figure BDA0001978650960000132
这里，k3与k1为不同的值，ωref为ω的目标值。
而且，如以下那样导出“求解输入扭矩τ的算式”。换句话说，若将式(32)代入式(31)消去角速度ω的时间微分而进行算式变形则由以下的式(33)表示。换句话说能够使式(33)成为控制算法。
Figure BDA0001978650960000133
这样，在本实施方式中，马达12也由式(31)表示，因此通过使用式(33)，能够防止响应的超调，并且适度地抑制响应性的加快，提高响应波形设计的自由度。
＜实施方式4＞
本实施方式4是上述的实施方式1的具体的其他实施例。图8和图9是表示本实施方式4的倒立摆控制系统4000的控制对象亦即倒立摆的外部结构的图。图8表示主视图，图9表示侧视图。在图8和图9中，倒立摆控制系统4000是上述的设备控制系统1000的一个例子，且具备手柄131、车身132、车轮133A、133B、以及驱动部43A、43B。手柄131是乘坐者所把持的T字型的操作舵。车轮133A、133B为左右一对且以能够旋转的方式设置于车身132。倒立摆例如作为相对于乘坐者站立的部分亦即车身132，在同轴芯线上平行地配置有各车轮133A、133B的同轴二轮车而构成，但不局限于此，能够应用于任意的倒立型移动体。另外，本实施方式也能够在四轮车的台车和振子中应用。
图10是表示本实施方式4的倒立摆控制系统4000的结构的框图。手柄131长度为2l[m]、质量为m[kg]。角度θ是手柄131与铅垂方向所成的角。车身132是质量M[kg]。在车身132的内部装有传感器23、控制部33以及驱动部43A、43B。传感器23对手柄131的角度θ与车身132的在x轴方向上的移动距离x进行检测，并向控制部33输出。控制部33基于来自传感器23的角度θ和移动距离x以及角度θ的时间微分亦即角速度ω和移动距离x的时间微分亦即速度v，计算车身132在x轴方向上的力uf的指令值，并将计算出的力uf的指令值向驱动部43A、43B输出。驱动部43A、43B基于指令值以对车身132施加力uf的方式驱动车轮133A、133B。此外，手柄131、车身132(的外框)以及车轮133A、133B是上述的设备1的一个例子。传感器23是上述的传感器2的一个例子，控制部33是上述的运算装置3的一个例子，驱动部43A、43B是上述的执行器4的一个例子。
这里，本实施方式的控制部33使用以下的式来计算力uf。首先，作为式(11)的具体例而使用以下的式(41)。
Figure BDA0001978650960000151
这里，
Figure BDA0001978650960000152
Figure BDA0001978650960000153
B是台车(车轮133A、133B)与地面之间的粘性摩擦系数[kg/s]，C是振子(手柄131)与台车之间的粘性摩擦系数[kgm2/s]。
另外，若在式(13)中K1＝K2＝K4＝[0，1，0，0]，则作为以下的式(42)表示。
Figure BDA0001978650960000154
换句话说，使K1、K2和K4分别成为4个成分的行向量，使第2成分为1，使剩余的第1、第3和第4成分为0，从而导出仅剩下输入向量的时间微分中的角速度ω的算式。
而且，在式(42)中，若对两边进行微分，则右边出现
Figure BDA0001978650960000155
但若在此处代入式(42)进行整理，则成为式(43)。
Figure BDA0001978650960000156
其后，若将式(43)代入式(41)对力uf进行求解，则由以下的式(44)表示。由此，能够使式(44)成为“求解力uf的算式”换句话说控制算法。
Figure BDA0001978650960000161
即，本实施方式的控制算法能够如式(44)那样由简单的四则运算和简单的微分积分表现。
图11是表示本实施方式4的倒立摆的角度的跟踪的例子的图。这样，在本实施方式中，表示角度θ对于角度的目标值θref能够进行跟踪。在本实施方式中，倒立摆作为设备而由式(41)表示，因此通过使用式(44)，能够防止响应的超调，并且适度地抑制响应性的加快，从而提高响应波形设计的自由度。
并且，在本实施方式中，K1、K2和K4是除去共用的一部分成分(例如第2成分)之外的剩余的成分(例如第1、第3和第4成分)为0的行向量。由此，能够容易地缩小为针对多种状态的指标中的重要的一部分指标的响应的控制。这里，缩小为传感器23的测定值中的角速度ω，能够高效地计算力uf。
＜其他实施方式＞
上述的本公开能够在汽车、部件的制造装置、各种设备、材料制造装置、家电等基于传感器值使执行器动作的控制装置中应用。
此外，本公开不局限于上述实施方式，能够在不脱离主旨的范围适当地变更。例如，在上述的实施方式中，将本发明作为硬件的结构进行了说明，本公开不限定于此。本公开也能够通过使CPU(Central Processing Unit)执行计算机程序来实现任意的处理。
在上述的例子中，程序能够使用各种类型的非暂时的计算机可读介质(non-transitory computer readable medium)而储存，并向计算机供给。非暂时的计算机可读介质包括各种类型的具有实体的记录介质(tangible storage medium)。非暂时的计算机可读介质的例子包括磁记录介质(例如软盘、磁带、硬盘驱动器)、光磁记录介质(例如光磁盘)、CD-ROM(Read Only Memory)、CD-R、CD-R/W、DVD(Digital Versatile Disc)、半导体存储器(例如掩模型ROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、闪速ROM、RAM(Random Access Memory))。另外，也可以是，程序通过各种类型的暂时的计算机可读介质(transitory computer readable medium)向计算机供给。暂时的计算机可读介质的例子包括电信号、光信号和电磁波。暂时的计算机可读介质能够经由电线和光纤等有线通信路或者无线通信路将程序向计算机供给。

Claims (9)

1.一种设备控制系统，其特征在于，具备：
设备；执行器，其基于指令值来控制所述设备的状态；以及运算装置，其使用表示所述设备的状态的状态信息来计算所述指令值，并将该计算出的指令值向所述执行器输出，其中，
所述运算装置将根据从以下的式(1)和式(2)中消去
Figure FDA0001978650950000014
而得到的算式求出u的值作为所述指令值，
Figure FDA0001978650950000011
这里，y是所述状态信息，u是所述指令值，d是扰动，t是时间，
Figure FDA0001978650950000015
是y的时间微分，
Figure FDA0001978650950000012
这里，K1、K2、K3、K4和K5是对角矩阵，K1、K2和K4不是零矩阵，K1与K3不同，yref是y的目标值。
2.根据权利要求1所述的设备控制系统，其特征在于，
在将K1、K2和K3的不是零的(i，i)成分设为k1ii、k2ii和k3ii的情况下，k1ii＝αi+βi，k2ii＝αiβi，αi和βi是正的实数，并且，在αi≥βi的情况下，k3ii≤αi。
3.根据权利要求1或2所述的设备控制系统，其特征在于，
所述K3是零矩阵，
所述式(2)满足以下的式(3)，
Figure FDA0001978650950000013
4.根据权利要求3所述的设备控制系统，其特征在于，
所述设备是包括燃料电池堆、流量调整阀、以及从所述燃料电池堆进行排气或者排水的排出阀的燃料电池系统，
所述执行器是以通过升压转换器来控制所述燃料电池系统的状态的方式构成的电流控制装置，
所述设备控制系统还具备氢气压力传感器，所述氢气压力传感器对所述燃料电池堆的氢气压力值进行测定，并将该氢气压力值作为所述状态信息向所述运算装置输出，
所述式(1)是以下的式(4)，
所述式(3)是以下的式(5)，
Figure FDA0001978650950000021
这里，P是所述氢气压力值，R是气体常量，T是所述燃料电池堆的温度，V是氢气容积，Qinj是由所述流量调整阀调整过的流量，N是所述燃料电池堆的电池数量，F是法拉第常数，Iu是作为向所述电流控制装置输出的所述指令值的所述燃料电池堆的电流限制值，Qhev是由所述排出阀调整过的流量，Qcrs是渗透流量，
Figure FDA0001978650950000022
这里，Pref是P的目标值，T1和T2是P相对于Pref的响应的时间常数。
5.根据权利要求4所述的设备控制系统，其特征在于，
所述T1和所述T2是满足如下第一条件和第二条件的值，
第一条件表示与所述时间常数对应的P从Pref降低的降低量小于第一阈值，
第二条件表示针对被所述Iu限制后的所述燃料电池堆的电流最小值的相对于所述时间常数的变化量为第二阈值以内。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的设备控制系统，其特征在于，还具备：
传感器，其获取所述设备的状态量，并将该获取到的状态量作为所述状态信息向所述运算装置输出，其中，
所述运算装置使用从所述传感器获取到的所述状态信息来计算所述指令值。
7.根据权利要求3或6所述的设备控制系统，其特征在于，
所述K1、K2和K4是除去共用的部分的成分之外的剩余的成分为0的行向量。
8.一种设备控制方法，其特征在于，
在运算装置中，接受表示设备的状态的状态信息的输入，将使用所述状态信息并根据从以下的式(6)和式(7)中消去
Figure FDA0001978650950000035
而得到的算式求出的u的值计算为指令值，并将所述计算出的指令值向执行器输出，
Figure FDA0001978650950000031
这里，y是所述状态信息，u是所述指令值，d是扰动，t是时间，
Figure FDA0001978650950000036
是y的时间微分，
Figure FDA0001978650950000032
这里，K1、K2、K3、K4和K5是对角矩阵，K1、K2和K4不是零矩阵，K1与K3不同，yref是y的目标值，
在所述执行器(4)中，基于所述指令值来控制所述设备的状态。
9.一种计算机可读介质，其存储使计算机执行处理的程序，其特征在于，所述处理包括：
接受表示设备的状态的状态信息的输入的处理；
将使用所述状态信息根据从以下的式(8)和式(9)中消去
Figure FDA0001978650950000037
而得到的算式求出的u的值计算为指令值的处理；以及
向基于所述指令值而控制所述设备的状态的执行器输出所述计算出的指令值的处理，
Figure FDA0001978650950000033
这里，y是所述状态信息，u是所述指令值，d是扰动，t是时间，
Figure FDA0001978650950000038
是y的时间微分，
Figure FDA0001978650950000034
这里，K1、K2、K3、K4和K5是对角矩阵，K1、K2和K4不是零矩阵，K1与K3不同，yref是y的目标值。
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