JP2003256003A - Nonlinear separation control method and device - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、非線形特性を有す
る制御対象を制御する非線形分離制御方法および装置に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a non-linear separation control method and apparatus for controlling a controlled object having a non-linear characteristic.
【０００２】[0002]
【従来の技術】産業界で用いられている多くの制御装置
は、ＰＩＤ制御器により構成されている。ＰＩＤ制御器
は、制御対象が線形の場合には有効に動作する。しかし
ながら現実の制御対象は、厳密には線形なものはなく、
一般に非線形特性を有する。このような非線形特性を有
する制御対象を制御する場合にはＰＩＤ制御器では満足
する制御性能が得られないことが多い。2. Description of the Related Art Many control devices used in the industry are constituted by PID controllers. The PID controller operates effectively when the controlled object is linear. However, the actual controlled object is not strictly linear,
Generally has a non-linear characteristic. When controlling a controlled object having such a non-linear characteristic, the PID controller often cannot obtain satisfactory control performance.
【０００３】すなわちＰＩＤ制御器が、制御器の主要な
目的である（ａ）目標値への追従、（ｂ）外乱対策、
（ｃ）非線形性への対応、の役割全てを担当することと
なる。しかしＰＩＤ制御器は、元来非線形の制御対象に
対して制御するように構成されたものではないために、
この３つの役割を果たすようにＰＩＤ制御器のパラメー
タを調整することは困難である。そこで非線形の動特性
を有する制御対象に対して有効な制御方法として、非線
形分離制御方法が提案されている。この非線形分離制御
方法は、制御対象における非線形な特性を分離し、この
逆特性によって制御を行うものである。That is, the PID controller is (a) following the target value, which is the main purpose of the controller, (b) measures against disturbance,
(C) Responsible for all non-linearity. However, since the PID controller is not originally configured to control a nonlinear control target,
It is difficult to adjust the parameters of the PID controller to fulfill these three roles. Therefore, a non-linear separation control method has been proposed as an effective control method for a control target having non-linear dynamic characteristics. This non-linear separation control method separates the non-linear characteristic in the controlled object and performs control by the inverse characteristic.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の非線形分離制御方法では、制御器の主要な３つの役
割を果たす部分を分離し、構成する具体的な方法および
装置は開示されておらず、非線形特性を有する制御対象
を制御する非線形分離制御方法および装置を容易に具現
化できないという課題がある。However, the above-mentioned conventional non-linear separation control method does not disclose a concrete method and apparatus for separating and configuring the three major parts of the controller. There is a problem that a non-linear separation control method and device for controlling a controlled object having non-linear characteristics cannot be easily realized.
【０００５】また、既存のＰＩＤ制御器をそのまま用
い、これに制御対象が有する非線形特性を補償する補償
手段と目標値への追従を制御する補償手段とを付加する
ことで十分な制御性能を得る方法および装置は知られて
いない。そこで、本発明は、上記の課題にかんがみ、制
御器の主要な３つの役割を果たす手段を分離して構成す
る非線形分離制御方法および装置を提供することを目的
とする。Further, the existing PID controller is used as it is, and a compensating means for compensating for the non-linear characteristic of the controlled object and a compensating means for controlling the tracking to the target value are added thereto, thereby obtaining sufficient control performance. No method or device is known. Therefore, in view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a non-linear separation control method and apparatus in which means for playing three main roles of a controller are separated and configured.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の非線形分離制御装置は、制御対象に対して
与えられる変動する目標値に追従するように動作する線
形ダイナミクス補償手段と、制御対象に対する外乱によ
るずれおよび制御対象をモデル化した際の誤差を補正す
るＰＩＤ制御手段と、制御対象が有する非線形特性を補
償する非線形スタティクス補償手段とを備えることを特
徴とする。In order to achieve the above object, a nonlinear separation control device of the present invention comprises a linear dynamics compensating means which operates so as to follow a fluctuating target value given to a controlled object, and a control. It is characterized by comprising a PID control means for correcting a deviation due to a disturbance with respect to the object and an error when the controlled object is modeled, and a non-linear statics compensation means for compensating the nonlinear characteristic of the controlled object.
【０００７】上記構成の本発明の非線形分離制御装置
は、制御器の果たす主要な役割部分を分離して構成する
ので、非線形特性を有する制御対象を制御する非線形分
離制御装置を容易に構築することができる。また、産業
界に広く普及しているＰＩＤ制御器をそのまま用い、こ
れに制御対象の持つ非線形特性を補償する補償手段と目
標値への追従を制御する補償手段とを付加することで、
十分な制御性能を得ることができ、安価で安定した制御
装置を作ることができる。In the non-linear separation control device of the present invention having the above-described structure, the main role of the controller is separated so that the non-linear separation control device for controlling the controlled object having the non-linear characteristic can be easily constructed. You can Further, by using the PID controller widely used in the industry as it is, by adding the compensating means for compensating the non-linear characteristic of the controlled object and the compensating means for controlling the tracking to the target value,
Sufficient control performance can be obtained, and an inexpensive and stable control device can be manufactured.
【０００８】また、本発明の非線形分離制御装置は、制
御対象に対して与えられる変動する目標値に追従するよ
うに動作する線形ダイナミクス補償手段と、制御対象に
対する外乱によるずれおよび制御対象をモデル化した際
の誤差を補正するＰＩＤ制御手段と、制御対象が有する
非線形特性を補償する非線形スタティクス補償手段と、
さらに、制御対象が有する積分特性を補償する逆積分特
性補償手段とを備えることを特徴とする。Further, the non-linear separation control device of the present invention models linear dynamics compensating means which operates so as to follow a fluctuating target value given to a controlled object, and a deviation due to disturbance to the controlled object and the controlled object. PID control means for correcting the error at the time of performing, and non-linear statics compensation means for compensating the non-linear characteristics of the controlled object,
Furthermore, it is characterized by further comprising an inverse integral characteristic compensating means for compensating the integral characteristic of the controlled object.
【０００９】上記構成の本発明の非線形分離制御装置
は、制御器の果たす主要な役割部分を分離して構成する
ので、非線形特性および積分特性を有する制御対象を制
御する非線形分離制御装置を容易に構築することができ
る。また、産業界に広く普及しているＰＩＤ制御器をそ
のまま用い、これに制御対象の持つ非線形特性および積
分特性を補償する補償手段と目標値への追従を制御する
補償手段とを付加することで、十分な制御性能を得るこ
とができ、安価で安定した制御装置を作ることができ
る。In the non-linear separation control device of the present invention having the above-described structure, the main role of the controller is separated, so that the non-linear separation control device for controlling the controlled object having the non-linear characteristic and the integral characteristic can be easily provided. Can be built. Further, by using the PID controller widely used in the industry as it is, by adding the compensating means for compensating the non-linear characteristic and the integral characteristic of the controlled object and the compensating means for controlling the tracking to the target value. A sufficient control performance can be obtained, and an inexpensive and stable control device can be made.
【００１０】さらに、本発明の非線形分離制御方法は、
制御対象を非線形スタティクス部と線形ダイナミクス部
と積分特性部に分離してモデル化し、各部の逆特性を持
つ補償手段により制御対象を制御することを特徴とす
る。Further, the nonlinear separation control method of the present invention is
It is characterized in that the controlled object is separated into a non-linear statics part, a linear dynamics part and an integral characteristic part for modeling, and the controlled object is controlled by a compensating means having an inverse characteristic of each part.
【００１１】上記構成の本発明の非線形分離制御方法
は、制御器の果たす主要な役割部分を分離して構成する
ので、非線形特性および積分特性を有する制御対象を制
御する非線形分離制御方法を容易に構築することができ
る。また、産業界に広く普及しているＰＩＤ制御器をそ
のまま用い、これに制御対象の持つ非線形特性および積
分特性を補償する補償手段と目標値への追従を制御する
補償手段とを付加することで、十分な制御性能を得るこ
とができる。In the non-linear separation control method of the present invention having the above-described configuration, the main role played by the controller is separated and configured. Therefore, the non-linear separation control method for controlling the controlled object having the non-linear characteristic and the integral characteristic is facilitated. Can be built. Further, by using the PID controller widely used in the industry as it is, by adding the compensating means for compensating the non-linear characteristic and the integral characteristic of the controlled object and the compensating means for controlling the tracking to the target value. It is possible to obtain sufficient control performance.
【００１２】また、本発明の非線形分離制御方法は、制
御対象のステップ応答特性を求めて制御対象における積
分特性部を同定し、制御対象の出力に積分特性部の逆積
分特性を有する積分特性補償手段を付加して積分特性補
償手段を付加した制御対象のステップ応答特性を求めて
非線形スタティクス部を同定し、制御対象の入力に非線
形スタティクス部の逆非線形スタティクス特性を有する
非線形スタティクス補償手段を付加して非線形スタティ
クス補償手段と積分特性補償手段とを付加した制御対象
のステップ応答特性を求めて線形ダイナミクス部を同定
することを特徴とする。Further, the nonlinear separation control method of the present invention obtains the step response characteristic of the controlled object to identify the integral characteristic portion of the controlled object, and compensates the integral characteristic having the inverse integral characteristic of the integrated characteristic portion at the output of the controlled object. A non-linear statics compensation having an inverse non-linear statics characteristic of the non-linear statics part at the input of the control target by obtaining the step response characteristic of the control target It is characterized in that the linear dynamics part is identified by obtaining the step response characteristic of the controlled object to which the nonlinear statics compensating means and the integral characteristic compensating means are added.
【００１３】上記構成の本発明の非線形分離制御方法
は、制御対象を分離してモデル化し、その分離されたモ
デルを同定するので、制御対象を制御する非線形分離制
御方法を容易に設計することができる。In the non-linear separation control method of the present invention having the above configuration, the controlled object is separated and modeled, and the separated model is identified. Therefore, the non-linear separation control method for controlling the controlled object can be easily designed. it can.
【００１４】[0014]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。図面中の同一番号は同一物あ
るいは相当物を示す。図１は本発明の実施の形態に係る
非線形分離制御装置の構成ブロック図である。非線形分
離制御装置１は、入力される目標値３に従って制御対象
２を制御するものである。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The same numbers in the drawings indicate the same or equivalent parts. FIG. 1 is a configuration block diagram of a nonlinear separation control device according to an embodiment of the present invention. The non-linear separation control device 1 controls the controlled object 2 according to the input target value 3.
【００１５】制御対象２を、非線形スタティクス部１
１、線形ダイナミクス部１０、積分特性部１２の直列結
合で表した非線形分離モデルで表現する。非線形分離制
御装置１は、制御対象２の出力を観測値１６とし、非線
形スタティクス部１１を補償する非線形スタティクス補
償手段６、線形ダイナミクス部１０を補償する線形ダイ
ナミクス補償手段５、積分特性部１２を補償する積分特
性補償手段７、さらに外乱１３によるずれおよび制御対
象をモデル化する際の誤差を補正するＰＩＤ制御器８に
より、制御指令１４を制御対象２に入力１５として与え
て制御する。ただし、一般の制御系では入力１５にはノ
イズなどの外乱１３が加わる。The controlled object 2 is connected to the nonlinear statics section 1
1. A non-linear separation model represented by a series combination of the linear dynamics unit 10 and the integral characteristic unit 12 is used. The non-linear separation control device 1 sets the output of the controlled object 2 as an observed value 16, and uses the non-linear statics compensating means 6 for compensating the non-linear statics part 11, the linear dynamics compensating means 5 for compensating the linear dynamics part 10, and the integral characteristic part 12. The control command 14 is given to the controlled object 2 as the input 15 and controlled by the integral characteristic compensating means 7 for compensating for the above, and the PID controller 8 for correcting the deviation due to the disturbance 13 and the error in modeling the controlled object. However, in a general control system, the disturbance 13 such as noise is applied to the input 15.
【００１６】このように制御対象２を非線形分離モデル
で表現し、非線形分離制御装置１はこの非線形分離モデ
ルを補償する補償手段を内在することで、良好な制御性
能を得ることができる。As described above, the controlled object 2 is represented by the non-linear separation model, and the non-linear separation control device 1 has a compensating means for compensating for the non-linear separation model, whereby good control performance can be obtained.
【００１７】次に、制御対象２を非線形スタティクス部
１１と線形ダイナミクス部１０と積分特性部１２に分離
して直列結合でモデル化し、モデル化された各部を同定
する方法を説明する。制御対象２のモデル化は、積分特
性部１２の同定、非線形スタティクス部１１の同定、線
形ダイナミクス部１０の同定の順に行い、同定された各
部（それぞれ特性Ｖ、Ｆ、Ｇ）に対応する逆特性（それ
ぞれＶ-1、Ｆ-1、Ｇ-1）を持つ補償手段を求める。Next, a method of separating the controlled object 2 into a nonlinear statics section 11, a linear dynamics section 10 and an integral characteristic section 12 and modeling them by series coupling to identify each modeled section will be described. The controlled object 2 is modeled in the order of identification of the integral characteristic unit 12, identification of the non-linear statics unit 11, and identification of the linear dynamics unit 10, and the inverse corresponding to each identified unit (respective characteristics V, F, G). A compensating means having characteristics (V -1 , F -1 , G -1 respectively) is obtained.
【００１８】図２は本発明の補償手段を求める方法を説
明する図である。
（１） 図２（ａ）は、積分特性部１２の同定を説明す
る図であって、制御対象２の入力２０ａにステップ入力
を入力し、制御対象２の出力２１ａにおけるステップ応
答を調べ、制御対象２が何型（積分要素１／ｓの個数）
であるかを判定する。ステップ応答が一定値に収束する
場合は、積分特性部１２に積分要素はない、すなわち０
型である。ステップ応答が直線的に増加する場合は、制
御対象２は１型、すなわち積分要素は１つである。ステ
ップ応答が放物線的に増加する場合は、制御対象２は２
型、すなわち積分要素は２つである。一般に、ステップ
応答がｎ乗曲線的に増加する場合は、制御対象２はｎ
型、すなわち積分要素はｎ個であり、積分特性部１２の
関数Ｖは（１／ｓ）n である。ただし、ｓはラプラス演
算子である。FIG. 2 is a diagram for explaining a method for obtaining the compensation means of the present invention. (1) FIG. 2A is a diagram for explaining the identification of the integral characteristic unit 12, in which a step input is input to the input 20a of the controlled object 2, the step response at the output 21a of the controlled object 2 is examined, and control is performed. What type is target 2 (the number of integral elements 1 / s)
Is determined. When the step response converges to a constant value, the integral characteristic unit 12 has no integral element, that is, 0.
It is a type. When the step response increases linearly, the controlled object 2 is type 1, that is, the number of integration elements is one. When the step response increases parabolically, the controlled object 2 is 2
There are two types, or integral elements. In general, when the step response increases in the nth power curve, the controlled object 2 is n
The type, that is, the number of integration elements is n, and the function V of the integration characteristic unit 12 is (1 / s) n . However, s is a Laplace operator.
【００１９】（２） 図２（ｂ）は非線形スタティクス
部１１の同定を説明する図である。上記（１）において
求めた積分特性部１２の関数Ｖの逆特性Ｖ-1である積分
特性補償手段７を制御対象２の出力に付加し、制御対象
２の入力２０ｂにステップ入力を入力し、積分特性補償
手段７の出力２１ｂにおけるステップ応答を調べる。ス
テップ入力とステップ応答との間には積分要素を含まな
いので、ステップ応答は過渡状態の後に一定値に収束す
る。非線形スタティクス部１１の非線形特性は、異なる
ステップ入力を与えた時の、ステップ入力の入力値とス
テップ応答の定常値との入出力関係となる。制御対象２
が非線形特性を有する場合には、この入出力関係は非線
形特性を示し、非線形スタティクス部１１の特性Ｆとな
る。(2) FIG. 2B is a diagram for explaining the identification of the non-linear statistics section 11. The integral characteristic compensating means 7, which is the inverse characteristic V −1 of the function V of the integral characteristic section 12 obtained in (1) above, is added to the output of the controlled object 2, and a step input is input to the input 20b of the controlled object 2, The step response at the output 21b of the integral characteristic compensation means 7 is examined. Since there is no integral element between the step input and the step response, the step response converges to a constant value after the transient state. The non-linear characteristic of the non-linear statics unit 11 has an input / output relationship between the input value of the step input and the steady value of the step response when different step inputs are given. Control target 2
, Has a non-linear characteristic, this input-output relationship shows a non-linear characteristic, which is the characteristic F of the non-linear statics unit 11.
【００２０】（３） 図２（ｃ）は、線形ダイナミクス
部１０の同定を説明する図である。上記（１）において
求めた積分特性部１２の関数Ｖの逆特性Ｖ-1である積分
特性補償手段７を制御対象２の出力に付加し、上記
（２）において求めた非線形スタティクス部１１の特性
Ｆの逆特性Ｆ-1である非線形スタティクス補償手段６を
制御対象２の入力に付加する。したがって入力２０ｃと
出力２１ｃとの間には積分要素および非線形特性を含ま
ないこととなる。出力２１ｃのステップ応答にオーバー
シュートがない場合には、線形ダイナミクス部１０は１
次系となる。異なるステップ幅のステップ入力に対する
ステップ応答を求めて、それぞれのステップ幅に対する
時定数を求める。もし全てのステップ幅に対する時定数
が一定値となれば、入力２０ｃから出力２１ｃまでの間
のシステムは線形となる。様々なステップ幅に対する時
定数が異なる場合には、ステップ幅に依存する時定数を
持つ１次系で線形ダイナミクス部１０を表すことができ
る。(3) FIG. 2C is a diagram for explaining the identification of the linear dynamics unit 10. The integral characteristic compensating means 7, which is the inverse characteristic V −1 of the function V of the integral characteristic portion 12 obtained in (1) above, is added to the output of the controlled object 2, and the nonlinear statics portion 11 obtained in (2) above The nonlinear statics compensating means 6 having the inverse characteristic F −1 of the characteristic F is added to the input of the controlled object 2. Therefore, the integration element and the non-linear characteristic are not included between the input 20c and the output 21c. When there is no overshoot in the step response of the output 21c, the linear dynamics unit 10 outputs 1
It becomes the next line. The step response for step inputs with different step widths is obtained, and the time constant for each step width is obtained. If the time constants for all step widths are constant, the system from input 20c to output 21c will be linear. When the time constants for various step widths are different, the linear dynamics unit 10 can be represented by a first-order system having a time constant that depends on the step width.
【００２１】なお、制御対象２の駆動特性および検出特
性があらかじめ分かっている場合には、駆動特性を非線
形スタティクス部１１の前に、検出特性を積分特性部１
２の後に追加する。また、制御対象２が多入力多出力で
ある場合には、１入力１出力を組み合わせて上に述べた
各部を同定することにより、非線形分離モデルを構築す
ることが可能である。When the drive characteristics and the detection characteristics of the controlled object 2 are known in advance, the drive characteristics are set before the nonlinear statics section 11, and the detection characteristics are set in the integral characteristic section 1.
Add after 2. Further, when the controlled object 2 has multiple inputs and multiple outputs, it is possible to construct a nonlinear separation model by combining 1 input and 1 output to identify each of the above-mentioned parts.
【００２２】図３は本発明の実施形態に係る非線形分離
制御装置の構成ブロック図である。非線形分離制御装置
１は、制御対象２を非線形分離モデルとして表し、その
各部の逆特性に相当するような構成を含むことで実現す
る。非線形分離制御装置１に入力される目標値３は、制
御対象２の出力１６との差を加算器１７により演算し、
加算器１７の出力をＰＩＤ制御器８に入力する。他方、
積分特性部１２の逆特性を備える積分特性補償手段７に
目標値３を入力し、積分特性補償手段７の出力を線形ダ
イナミクス部１０の逆特性を備える線形ダイナミクス補
償手段５に入力する。線形ダイナミクス補償手段５の出
力とＰＩＤ制御器８の出力との和を加算器１８により演
算し、加算器１８の出力を非線形スタティクス部１１の
逆特性である非線形スタティクス補償手段６に入力し、
非線形スタティクス補償手段６の出力を制御対象２に入
力する。これによって非線形分離制御装置１は、制御対
象２を制御することとなる。FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the non-linear separation control device according to the embodiment of the present invention. The non-linear separation control device 1 is realized by representing the controlled object 2 as a non-linear separation model and including a configuration corresponding to the inverse characteristic of each part thereof. The target value 3 input to the non-linear separation control device 1 is calculated by the adder 17 for the difference from the output 16 of the controlled object 2,
The output of the adder 17 is input to the PID controller 8. On the other hand,
The target value 3 is inputted to the integral characteristic compensating means 7 having the inverse characteristic of the integral characteristic portion 12, and the output of the integral characteristic compensating means 7 is inputted to the linear dynamics compensating means 5 having the inverse characteristic of the linear dynamics portion 10. The sum of the output of the linear dynamics compensating means 5 and the output of the PID controller 8 is calculated by the adder 18, and the output of the adder 18 is input to the non-linear statics compensating means 6 which is the inverse characteristic of the non-linear statics section 11. ,
The output of the non-linear statics compensation means 6 is input to the controlled object 2. As a result, the non-linear separation control device 1 controls the controlled object 2.
【００２３】図４は、本発明の実施形態に係る非線形分
離制御装置の他の構成ブロック図である。非線形分離制
御装置１は、図３で説明したと同様に制御対象２を非線
形分離モデルとして表し、その各部の逆特性に相当する
ような構成を含むことで実現する。非線形分離制御装置
１に入力される目標値３を積分特性補償手段７ａに入力
し、積分特性補償手段７ａの出力を線形ダイナミクス補
償手段５に入力する。他方、制御対象２の出力１６を積
分特性補償手段７ｂに入力し、積分特性補償手段７ａの
出力と積分特性補償手段７ｂの出力との差を加算器１７
により演算し、加算器１７の出力をＰＩＤ制御器８に入
力する。また、線形ダイナミクス補償手段５の出力とＰ
ＩＤ制御器８の出力との和を加算器１８により演算し、
加算器１８の出力を非線形スタティクス補償手段６に入
力し、非線形スタティクス補償手段６の出力を制御対象
２に入力する。これによって非線形分離制御装置１は、
制御対象２を制御することとなる。FIG. 4 is a block diagram showing another configuration of the non-linear separation control device according to the embodiment of the present invention. The non-linear separation control device 1 is realized by representing the controlled object 2 as a non-linear separation model in the same manner as described with reference to FIG. 3 and including a configuration corresponding to the inverse characteristic of each part thereof. The target value 3 input to the non-linear separation control device 1 is input to the integral characteristic compensation means 7a, and the output of the integral characteristic compensation means 7a is input to the linear dynamics compensation means 5. On the other hand, the output 16 of the controlled object 2 is input to the integral characteristic compensating means 7b and the difference between the output of the integral characteristic compensating means 7a and the integral characteristic compensating means 7b is added.
And the output of the adder 17 is input to the PID controller 8. Further, the output of the linear dynamics compensating means 5 and P
The adder 18 calculates the sum with the output of the ID controller 8,
The output of the adder 18 is input to the non-linear statics compensation means 6, and the output of the non-linear statics compensation means 6 is input to the controlled object 2. As a result, the nonlinear separation control device 1
The controlled object 2 will be controlled.
【００２４】図３および図４のブロック図にあって、制
御器の主要な目的である（ａ）目標値への追従、（ｂ）
外乱およびモデル化誤差への対策、（ｃ）非線形性への
対応、の役割を、それぞれ線形ダイナミクス補償手段
６、ＰＩＤ制御器８、非線形スタティクス補償手段５が
担当することとなる。また、制御対象２の有する積分特
性の補償を積分特性補償手段７，７ａ，７ｂが担当する
こととなる。なお、線形ダイナミクス補償手段５の特性
は、線形ダイナミクス部１０の逆特性に限る必要はな
く、線形ダイナミクス特性を補償する各種のフィードフ
ォワード型の補償手段を用いることもできる。In the block diagrams of FIGS. 3 and 4, the main purpose of the controller is (a) tracking of a target value, (b)
The linear dynamics compensating means 6, the PID controller 8, and the non-linear statics compensating means 5 are responsible for the measures against the disturbance and the modeling error and (c) dealing with the non-linearity, respectively. Further, the integral characteristic compensating means 7, 7a, 7b takes charge of compensation of the integral characteristic of the controlled object 2. The characteristic of the linear dynamics compensating means 5 is not limited to the inverse characteristic of the linear dynamics unit 10, and various feed-forward type compensating means for compensating the linear dynamics characteristic can be used.
【００２５】次に、非線形分離制御装置１を既存のＰＩ
Ｄ制御装置によって実装できることを説明する。図５
は、既存のＰＩＤ制御装置の構成を示す図であって、既
存の多くのＰＩＤ制御装置は、ＰＩＤ制御器８以外にプ
ログラム可能な関数Ｃ1 、Ｃ2、Ｃ3 、Ｃ4 を有してい
る。ここで関数Ｃ1 ＝Ｇ-1、Ｃ2 ＝Ｆ-1、Ｃ3 ＝Ｖ-1、
Ｃ4 ＝Ｖ-1とすることで、既存のＰＩＤ制御装置を用い
て図３における非線形分離制御装置１を実現することが
できる。Next, the non-linear separation controller 1 is installed in the existing PI.
What can be implemented by the D control device will be described. Figure 5
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of an existing PID controller, and many existing PID controllers have programmable functions C 1 , C 2 , C 3 , C 4 in addition to the PID controller 8. There is. Here, the functions C 1 = G -1 , C 2 = F -1 , C 3 = V -1 ,
By setting C 4 = V −1 , the non-linear separation control device 1 in FIG. 3 can be realized using the existing PID control device.
【００２６】また、関数Ｃ1 ＝Ｇ-1Ｖ-1、Ｃ2 ＝Ｆ-1、
Ｃ3 ＝１、Ｃ4 ＝１とすることで、既存のＰＩＤ制御装
置を用いて図４における非線形分離制御装置１を実現す
ることができる。したがって、産業界に広く普及してい
るＰＩＤ制御装置をそのまま用い、これに制御対象の持
つ特性を補償する補償手段を付加することで、十分な制
御性能を得ることができ、安価で安定した制御装置を作
ることができる。Further, the functions C 1 = G -1 V -1 , C 2 = F -1 ,
By setting C 3 = 1 and C 4 = 1, the non-linear separation control device 1 in FIG. 4 can be realized using the existing PID control device. Therefore, by using the PID control device widely used in the industry as it is and adding a compensating means for compensating for the characteristic of the controlled object, sufficient control performance can be obtained, and inexpensive and stable control can be achieved. You can make a device.
【００２７】[0027]
【実施例】次に、本発明に係る非線形分離制御装置の実
施例について説明する。図６は、本発明の実施例に係る
化学プラントのスラリー（泥状流動体）と液面を制御す
るシステム構成図である。EXAMPLES Next, examples of the non-linear separation control device according to the present invention will be described. FIG. 6 is a system configuration diagram for controlling the slurry (mud-like fluid) and the liquid surface of the chemical plant according to the embodiment of the present invention.
【００２８】このシステムにおける操作量は、粉体流量
ＷS と液体流量Ｗl であり、非線形分離制御装置６１
は、出力６３により弁６５を開閉して粉体流量ＷS を制
御し、出力６４により弁６６を開閉して液体流量Ｗl を
制御し、制御対象６２におけるタンク６７内に粉体と液
体を注入し、攪拌し、タンクより排出するスラリーの固
形分比Ｚとタンク６７内の液面高さＬとをそれぞれ目標
値Ｚd 、Ｌd に追従するようにするものである。したが
って非線形分離制御装置６１は、２入力２出力の構成と
なっている。The manipulated variables in this system are the powder flow rate W S and the liquid flow rate W l , and the nonlinear separation controller 61
Controls the powder flow rate W S by opening and closing the valve 65 by the output 63, and controls the liquid flow rate W 1 by opening and closing the valve 66 by the output 64, and controls the powder and liquid in the tank 67 of the controlled object 62. The solid content ratio Z of the slurry that is poured, stirred, and discharged from the tank and the liquid level height L in the tank 67 follow the target values Z d and L d , respectively. Therefore, the non-linear separation control device 61 has a 2-input 2-output configuration.
【００２９】ここで、スラリーの固形分比Ｚは、粉体の
密度をρS 、液体の密度をρL 、スラリーの密度をρt
とすると、Ｚ＝（１／ρt −１／ρL ）／（１／ρS −
１／ρL ）である。なお、出力６３と弁６５および出力
６４と弁６６は、便宜上、非線形分離制御装置６１の外
部にあるものとして図示するが、以下の説明では非線形
分離制御装置６１の内部にあるものとする。Here, the solid content ratio Z of the slurry is defined by the density of the powder ρ S , the density of the liquid ρ L and the density of the slurry ρ t.
Then, Z = (1 / ρ t −1 / ρ L ) / (1 / ρ S −
1 / ρ L ). Note that the output 63 and the valve 65 and the output 64 and the valve 66 are illustrated as being outside the nonlinear separation control device 61 for the sake of convenience, but in the following description, they are inside the nonlinear separation control device 61.
【００３０】図７は、本発明の実施例に係る化学プラン
トを制御する非線形分離制御装置のブロック構成図であ
る。制御対象６２は、図２において説明した補償手段を
同定する方法によって、積分特性部１２ｃ、非線形スタ
ティクス部１１ｃ、線形ダイナミクス部１０ｃのそれぞ
れの特性Ｖ、Ｆ、Ｇを推定する。この結果、FIG. 7 is a block diagram of a non-linear separation control device for controlling a chemical plant according to an embodiment of the present invention. The controlled object 62 estimates the respective characteristics V, F, and G of the integral characteristic unit 12c, the nonlinear statics unit 11c, and the linear dynamics unit 10c by the method of identifying the compensation means described in FIG. As a result,
【数１】 [Equation 1]
【数２】
を得た。ただし、Ｋ11、Ｋ12、Ｋ21、Ｋ22、Ｔ11、Ｔ21
は定数、ｓはラプラス演算子である。[Equation 2] Got However, K 11 , K 12 , K 21 , K 22 , T 11 , T 21
Is a constant and s is a Laplace operator.
【００３１】図８は、本発明の実施例に係る非線形スタ
ティクスとその逆特性を表す図であり、非線形スタティ
クス部１１ｃの変換特性Ｆを表わしている。図８（ａ）
中の点、例えばＰN （Ｎ＝１〜８）が、図８（ｂ）の点
ＱN （Ｎ＝１〜８）に対応して、変換される。FIG. 8 is a diagram showing a non-linear statics according to the embodiment of the present invention and its inverse characteristic, and shows a conversion characteristic F of the non-linear statics section 11c. Figure 8 (a)
The inside points, for example P N (N = 1 to 8), are converted corresponding to the points Q N (N = 1 to 8) in FIG. 8B.
【００３２】図７の非線形分離制御装置６１は、図３に
おける非線形分離制御装置の構成ブロック図と同等であ
り、２入力２出力の構成となっている。積分特性補償手
段７ｃの特性Ｖ-1は、［数１] の逆マトリクス演算によ
り得られ、The non-linear separation control device 61 in FIG. 7 is equivalent to the block diagram of the non-linear separation control device in FIG. 3, and has a 2-input 2-output configuration. The characteristic V −1 of the integral characteristic compensation means 7c is obtained by the inverse matrix operation of [Equation 1],
【数３】
となり、線形ダイナミクス補償手段の特性Ｇ-1は、 [数
２] の逆マトリクス演算により得られ、[Equation 3] Therefore, the characteristic G −1 of the linear dynamics compensation means is obtained by the inverse matrix operation of [Equation 2],
【数４】
となる。また、非線形スタティクス補償手段の特性Ｆ-1
は、図８（ｂ）中の点、例えばＱN （Ｎ＝１〜８）から
図８（ａ）の点ＰN （Ｎ＝１〜８）に対応して変換され
る。[Equation 4] Becomes Also, the characteristic F −1 of the nonlinear statics compensation means
Is converted corresponding to points in FIG. 8B, for example, Q N (N = 1 to 8) to points P N (N = 1 to 8) in FIG. 8A.
【００３３】非線形分離制御装置１に入力される排出す
るスラリーの固形分比の制御の目標値Ｚd は、制御対象
６２の出力であるスラリーの固形分比Ｚとの差を加算器
１７ａにより演算し、加算器１７ａの出力ｅZ は、ＰＩ
Ｄ制御器８ｃ内のＰZ に入力する。また、非線形分離制
御装置１に入力されるタンク６７内の液面高さの制御の
目標値Ｌd は、制御対象６２の出力であるタンク６７内
の液面高さＬとの差を加算器１７ｂにより演算し、加算
器１７ｂの出力ｅl は、ＰＩＤ制御器８ｃ内のＰl に入
力する。The target value Z d for controlling the solid content ratio of the slurry to be discharged, which is input to the non-linear separation control device 1, is calculated by the adder 17a from the difference with the solid content ratio Z of the slurry which is the output of the controlled object 62. Then, the output e Z of the adder 17a is PI
Input to P Z in the D controller 8c. Further, the target value L d of the control of the liquid level in the tank 67 which is input to the non-linear separation controller 1 is an adder of the difference from the liquid level height L in the tank 67 which is the output of the control target 62. The output e 1 of the adder 17b is input to P 1 in the PID controller 8c.
【００３４】他方、積分特性部１２ｃの逆特性Ｖ-1を備
える積分特性補償手段７ｃに目標値Ｚd および目標値Ｌ
d を入力し、積分特性補償手段７ｃの出力を線形ダイナ
ミクス部１０ｃの逆特性Ｇ-1を備える線形ダイナミクス
補償手段５ｃに入力する。線形ダイナミクス補償手段５
ｃの出力とＰＩＤ制御器８ｃの出力との和を加算器１８
ａおよび加算器１８ｂにより演算し、加算器１８ａおよ
び加算器１８ｂの出力を非線形スタティクス部１１ｃの
逆特性Ｆ-1である非線形スタティクス補償手段６ｃに入
力し、非線形スタティクス補償手段６ｃの出力である粉
体流量ＷS と液体流量Ｗl とを制御対象２に入力する。
このときノイズなどの外乱ＤS 、Ｄl が混入するものと
する。On the other hand, the target value Z d and the target value L are supplied to the integral characteristic compensating means 7c having the inverse characteristic V -1 of the integral characteristic section 12c.
d is input, and the output of the integral characteristic compensating means 7c is input to the linear dynamics compensating means 5c having the inverse characteristic G -1 of the linear dynamics section 10c. Linear dynamics compensation means 5
The adder 18 calculates the sum of the output of c and the output of the PID controller 8c.
a and the adder 18b, and the outputs of the adder 18a and the adder 18b are input to the non-linear statics compensating means 6c having the inverse characteristic F -1 of the non-linear statics section 11c, and the output of the non-linear statics compensating means 6c is output. The powder flow rate W S and the liquid flow rate W l are input to the controlled object 2.
At this time, disturbances D S and D 1 such as noise are mixed.
【００３５】以上説明した非線形分離制御装置６１およ
び従来のＰＩＤ制御器によって、制御対象６２を制御し
た場合の変動の例を図９に示す。図９は、本発明の実施
例に係る固形分比Ｚ、液面Ｌ、粉体流量ＷS 、液体流量
Ｗl の変動を表す図である。図９（ａ）は本発明に係る
非線形分離制御装置による結果であり、図９（ｂ）は従
来のＰＩＤ制御器による結果である。それぞれの図は上
から固形分比Ｚ、液面Ｌ、粉体流量ＷS と液体流量Ｗl
の変動を表す。変動を表す曲線の一部については拡大し
て図示している。FIG. 9 shows an example of fluctuations when the controlled object 62 is controlled by the nonlinear separation control device 61 and the conventional PID controller described above. FIG. 9 is a diagram showing changes in the solid content ratio Z, the liquid level L, the powder flow rate W S , and the liquid flow rate W l according to the embodiment of the present invention. FIG. 9A shows the result obtained by the nonlinear separation control device according to the present invention, and FIG. 9B shows the result obtained by the conventional PID controller. In the respective figures, from the top, the solid content ratio Z, the liquid level L, the powder flow rate W S and the liquid flow rate W l
Represents the fluctuation of. A part of the curve showing the variation is enlarged and shown.
【００３６】本発明に係る非線形分離制御装置による結
果では、すべての制御量が目標値に追従し、振動なども
生じていない。一方、従来のＰＩＤ制御器による結果で
は、目標値と制御量との間に偏差が存在し、またオーバ
ーシュートや振動が生じている。この結果から本発明に
係る非線形分離制御装置は、非線形なダイナミクス特性
を持つ制御対象を制御するのに極めて有効であることが
分かる。As a result of the non-linear separation control device according to the present invention, all the controlled variables follow the target value, and no vibration or the like occurs. On the other hand, in the result of the conventional PID controller, there is a deviation between the target value and the control amount, and overshoot and vibration occur. From this result, it is understood that the non-linear separation control device according to the present invention is extremely effective in controlling a control target having a non-linear dynamics characteristic.
【００３７】[0037]
【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明によれば、制御器の主要な３つの役割を果たす手段を
分離して構成するので、非線形特性を有する制御対象を
制御する非線形分離制御方法および装置を容易に実現す
ることができる。また、制御対象を分離してモデル化
し、その分離されたモデルを同定するので、制御対象を
制御する非線形分離制御方法を容易に設計することがで
きる。さらに、産業界に広く普及しているＰＩＤ制御器
をそのまま用い、これに制御対象の持つ非線形特性を補
償する補償手段と目標値への追従を制御する補償手段と
を付加することで、十分な制御性能を得ることができ、
安価で安定した制御装置を作ることができ、経済的効果
は極めて高い。As can be understood from the above description, according to the present invention, the means for playing three main roles of the controller are configured separately, so that the nonlinear control for controlling the controlled object having the nonlinear characteristic is realized. The separation control method and device can be easily realized. Further, since the controlled object is separated and modeled and the separated model is identified, a non-linear separated control method for controlling the controlled object can be easily designed. Furthermore, it is sufficient to use the PID controller widely used in the industry as it is, and to add the compensating means for compensating the non-linear characteristic of the controlled object and the compensating means for controlling the tracking to the target value. Control performance can be obtained,
An inexpensive and stable control device can be made, and the economical effect is extremely high.
【図１】本発明の実施形態に係る非線形分離制御装置の
構成ブロック図である。FIG. 1 is a configuration block diagram of a nonlinear separation control device according to an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の補償手段を求める方法を説明する図で
ある。FIG. 2 is a diagram illustrating a method of obtaining a compensation means of the present invention.
【図３】本発明の実施形態に係る非線形分離制御装置の
構成ブロック図である。FIG. 3 is a configuration block diagram of a nonlinear separation control device according to an embodiment of the present invention.
【図４】本発明の実施形態に係る非線形分離制御装置の
他の構成ブロック図である。FIG. 4 is another configuration block diagram of the non-linear separation control device according to the exemplary embodiment of the present invention.
【図５】既存のＰＩＤ制御装置の構成を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an existing PID control device.
【図６】本発明の実施例に係る化学プラントのスラリー
（泥状流動体）と液面を制御するシステム構成図であ
る。FIG. 6 is a system configuration diagram for controlling the slurry (mud-like fluid) and the liquid surface of the chemical plant according to the embodiment of the present invention.
【図７】本発明の実施例に係る化学プラントを制御する
非線形分離制御装置のブロック構成図である。FIG. 7 is a block configuration diagram of a non-linear separation control device for controlling a chemical plant according to an embodiment of the present invention.
【図８】本発明の実施例に係る非線形スタティクスとそ
の逆特性を表す図である。FIG. 8 is a diagram showing a nonlinear statics according to an embodiment of the present invention and its inverse characteristic.
【図９】本発明の実施例に係る固形分比Ｚ、液面Ｌ、粉
体流量ＷS 、液体流量Ｗl の変動を表す図である。FIG. 9 is a diagram showing changes in the solid content ratio Z, the liquid level L, the powder flow rate W S , and the liquid flow rate W l according to the example of the present invention.
１，６１ 非線形分離制御装置
２，６２ 制御対象
３ 目標値
５，５ｃ 線形ダイナミクス補償手段
６，６ｃ 非線形スタティクス補償手段
７，７ａ，７ｂ，７ｃ 積分特性補償手段
８ ＰＩＤ制御器
１４ 制御指令
１６ 観測値
１７，１７ａ，１７ｂ，１８，１８ａ，１８ｂ 加
算器1,61 Non-linear separation control device 2,62 Control object 3 Target value 5,5c Linear dynamics compensating means 6,6c Non-linear statics compensating means 7,7a, 7b, 7c Integral characteristic compensating means 8 PID controller 14 Control command 16 Observation Value 17, 17a, 17b, 18, 18a, 18b Adder
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H004 GA03 GA04 GA05 GA30 GA34 GB02 HA04 HA05 HA16 HA20 HB02 HB05 KA42 KA43 KA71 KB02 KB04 KB26 KB32 KC27 LA05 LA11 LA15 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page F-term (reference) 5H004 GA03 GA04 GA05 GA30 GA34 GB02 HA04 HA05 HA16 HA20 HB02 HB05 KA42 KA43 KA71 KB02 KB04 KB26 KB32 KC27 LA05 LA11 LA15
Claims (4)
標値に追従するように動作する線形ダイナミクス補償手
段と、上記制御対象に対する外乱によるずれおよび上記
制御対象をモデル化する際の誤差を補正するＰＩＤ制御
手段と、上記制御対象が有する非線形特性を補償する非
線形スタティクス補償手段とを備えることを特徴とす
る、非線形分離制御装置。1. A linear dynamics compensating means that operates so as to follow a fluctuating target value given to a controlled object, and corrects a deviation due to disturbance to the controlled object and an error when modeling the controlled object. A non-linear separation control device comprising: PID control means; and non-linear statics compensation means for compensating the non-linear characteristic of the controlled object.
標値に追従するように動作する線形ダイナミクス補償手
段と、上記制御対象に対する外乱によるずれおよび上記
制御対象をモデル化する際の誤差を補正するＰＩＤ制御
手段と、上記制御対象が有する非線形特性を補償する非
線形スタティクス補償手段と、上記制御対象が有する積
分特性を補償する積分特性補償手段とを備えることを特
徴とする、非線形分離制御装置。2. A linear dynamics compensating means that operates so as to follow a fluctuating target value given to a controlled object, and corrects a deviation due to disturbance to the controlled object and an error when modeling the controlled object. A non-linear separation control device comprising: a PID control means, a non-linear statics compensation means for compensating for the non-linear characteristic of the controlled object, and an integral characteristic compensation means for compensating for the integral characteristic of the controlled object.
ダイナミクス部と積分特性部に分離してモデル化し、上
記各部の逆特性を持つ補償手段により上記制御対象を制
御することを特徴とする、非線形分離制御方法。3. A non-linear characteristic characterized in that the controlled object is separated into a nonlinear statics section, a linear dynamics section and an integral characteristic section for modeling, and the controlled object is controlled by a compensating means having an inverse characteristic of each section. Separation control method.
て前記制御対象における前記積分特性部を同定し、前記
制御対象の出力に前記積分特性部の逆積分特性を有する
積分特性補償手段を付加して前記積分特性補償手段を付
加した前記制御対象のステップ応答特性を求めて前記非
線形スタティクス部を同定し、前記制御対象の入力に前
記非線形スタティクス部の逆非線形スタティクス特性を
有する非線形スタティクス補償手段を付加して前記非線
形スタティクス補償手段と前記積分特性補償手段とを付
加した前記制御対象のステップ応答特性を求めて線形ダ
イナミクス部を同定することを特徴とする、請求項３に
記載の非線形分離制御方法。4. A step response characteristic of the controlled object is obtained to identify the integral characteristic portion of the controlled object, and an integral characteristic compensating means having an inverse integral characteristic of the integral characteristic portion is added to an output of the controlled object. The non-linear statics having the inverse non-linear statics characteristic of the non-linear statics section at the input of the control target is obtained by obtaining the step response characteristic of the control target to which the integral characteristic compensation means is added. 4. The linear dynamics part is identified by obtaining a step response characteristic of the controlled object to which the non-linear statics compensating means and the integral characteristic compensating means are added by compensating means. Non-linear separation control method.
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