JP2007260504A - Method of constructing system model - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、入力と出力とを有するシステムをモデル化する方法、及び、そのモデルを用いて入力に対する出力を推定する方法に関し、特に、化学プラントのシステムをモデル化する方法に関する。 The present invention relates to a method for modeling a system having an input and an output, and a method for estimating an output for an input using the model, and more particularly to a method for modeling a system in a chemical plant.
従来、化学プラントにおいて、生産量を最適な量に調整するためには、反応塔の動きや特徴を把握するために、操作可能なバルブを動かして、反応塔の挙動、すなわち温度変化や製品の組成変化などを把握するプラントテストを行う。通常、バルブは調節器によって自動的に制御されているが、プラントテストを行う際には、その調節器による制御を切り離して、自動的に制御される制御モードから、人間が操作するマニュアルモードにして、バルブを直接操作してデータを採取する。 Conventionally, in order to adjust the production amount to the optimum amount in a chemical plant, in order to grasp the movement and characteristics of the reaction tower, the operable valve is moved to change the behavior of the reaction tower, that is, temperature change and product Conduct plant tests to understand changes in composition. Normally, a valve is automatically controlled by a regulator. However, when performing a plant test, the control by the regulator is disconnected and changed from an automatically controlled mode to a manual mode operated by a human. Then, operate the valve directly to collect data.
しかし、このようなマニュアルモードにすると、プラントを不安定にさせたり、製品の組成が悪くなったりする運用面での問題が発生しやすくなり、現実にスタッフが操作するにしても、テストは困難となることがあった。このため、出力に応じて入力を調製する閉ループとなる制御モードのままで調製を行えるようにする必要があった。 However, such a manual mode is likely to cause operational problems that may cause the plant to become unstable or the composition of the product to deteriorate, and testing is difficult even if the staff actually operates it. There was sometimes. For this reason, it was necessary to be able to perform the preparation in the control mode that is a closed loop for adjusting the input according to the output.
これらの問題を避けるために、実際にプラントに実装されている制御を切り離して行うテストをしなくても、シミュレーションによって適切な入力値を得られるようにするために、入出力データに基づいてシステムの伝達関数をモデル化した、その関数のパラメータを推定し、システム同定するシステムモデルの構築が行われている。このモデル化した伝達関数を用いて入力値に対する出力値の応答を調べることにより、プラントに実装されている制御を切り離して行うプラントテストを行わずに済む。また、得られた伝達関数のパラメータから、全体としてはブラックボックス状態であるシステムの内容を解析することもできる。 In order to avoid these problems, a system based on input / output data is used to obtain appropriate input values through simulation without having to perform tests to separate the actual control implemented in the plant. The model of the transfer function is estimated, the parameters of the function are estimated, and a system model for system identification is being constructed. By investigating the response of the output value to the input value using this modeled transfer function, it is not necessary to perform a plant test in which the control implemented in the plant is separated. Further, it is also possible to analyze the contents of the system that is in the black box state as a whole from the parameters of the obtained transfer function.
ただし、このような同定を行おうとするシステムは単純な入力から出力が得られるものだけではなく、化学プラントにおいて出力である生産量や成分等に応じて随時、操作端であるバルブを調節器を用いて操作することで出力を一定に収束させる場合や、生成物の一部が原料に還流される場合など、出力が入力にフィードバックされるリサイクルプロセスを有するものもある。このため、単純にモデル化できるものではなく、種種の方法が検討されている。 However, the system to perform such identification is not only a system that can obtain output from simple input, but it also adjusts the valve that is the operation end at any time according to the production amount and components that are output in the chemical plant. Some have a recycling process in which the output is fed back to the input, such as when the output is converged to a constant by operating, or when a part of the product is returned to the raw material. For this reason, it cannot be simply modeled, and various methods are being studied.
古典法としては、構築した線形多項式のモデルを観測データに当てはめたときに生じる予測誤差の分散を小さくする最尤法を用いて線形多項式のパラメータを決定する予測誤差法(prediction error method:PEM)がある。この手法では、閉ループデータを扱うことができ、精度が高いが、収束計算が必要であるために、数値計算的には楽ではなく、入力と出力とが複数ある多変数を扱おうとすると煩雑になってしまう。 As a classical method, a prediction error method (PEM) that determines parameters of a linear polynomial using a maximum likelihood method that reduces the variance of a prediction error that occurs when a constructed linear polynomial model is applied to observation data. There is. Although this method can handle closed-loop data and has high accuracy, it requires convergence calculation, so it is not easy for numerical calculations, and it is complicated to handle multiple variables with multiple inputs and outputs. turn into.
また別の古典法として、構築した線形多項式のモデルのパラメータを、最小二乗法を用いて算出する自己回帰法(autoregressive model with exogenous input:ARX)がある。この手法は閉ループデータを用いることができ、収束計算が不要であるので計算しやすいが、入力と出力とが複数ある多変数を扱おうとすると煩雑になり、また、上記PEMより予測精度が落ちてしまう。 As another classical method, there is an autoregressive method (ARX) in which parameters of the constructed linear polynomial model are calculated using a least square method. This method can use closed-loop data and does not require convergence calculation, so it is easy to calculate, but it becomes complicated to handle multi-variables with multiple inputs and outputs, and the prediction accuracy is lower than that of the PEM. End up.
これらの煩雑さを解決するために、データを行列化した行列の部分空間を計算することで、収束計算を行わずに、入力と出力とが複数ある多変数を扱うことができ、必要な計算量を減らした部分空間法(subspace identification method:SIM)が開発された。しかし、この手法は閉ループデータに対して用いると、閉ループを含めたシステムの入出力を計算してしまい、システムだけのモデル化ができないという欠点を有している。 In order to solve these complications, by calculating the subspace of the matrix in which the data is matrixed, it is possible to handle multiple variables with multiple inputs and outputs without performing convergence calculation, and necessary calculations A reduced amount of subspace method (SIM) has been developed. However, when this method is used for closed-loop data, it has the disadvantage that it calculates the input / output of the system including the closed-loop and cannot model the system alone.
またこれらとは別に、状態変数と行列とを用いた状態空間モデルを構築して、入力と出力とが複数ある多変数を扱うことができるObserver/Kalman filter Identification(OKID)という手法が開発された。これは、次数が高いケースに限り閉ループデータを用いることができ、多変数を容易に扱うことができるが、この状態空間モデルの精度は簡易的であり、PEMに匹敵する精度を求めるには多くのパラメータを用いる必要あるため、使用しにくい。 Apart from these, a method called Observer / Kalman filter Identification (OKID) has been developed that can construct a state space model using state variables and matrices and can handle multiple variables with multiple inputs and outputs. . This is because closed loop data can be used only in cases where the order is high, and multivariables can be easily handled. However, the accuracy of this state space model is simple, and it is often necessary to obtain accuracy comparable to PEM. Because it is necessary to use these parameters, it is difficult to use.
これらを解決するために、閉ループデータを使用可能であるように拡張した部分空間法として、非特許文献1に記載のSubspace identification method(SSARX)が開発されている。この手法は具体的には以下のようなステップによるものである。
In order to solve these problems, Subspace identification method (SSARX) described in Non-Patent
(a)対象システムが線形なシステムであると仮定する。
(b)出力y、入力u、状態変数x、イノベーション過程e、行列A、B,C,Kを用いて、前記対象システムの入出力を下記式(2)の状態空間モデルを仮に構築する。
(d)変形した式中のカルマンプレディクターマルコフパラメータを最小二乗法により算出する。
(e)部分空間法の準備として状態空間モデルを未来部分へ拡張する。
(f)前記状態空間モデルの係数を、サンプリングデータから最小二乗法を用いて求める。
(g)前記(f)の係数行列に特異値分解を施す。
(h)特異値分解した結果から、時刻tにおける状態変数xを割り当てる。
(i)時刻(t+1)における状態変数xを、前記(c)乃至(g)と同様に求める。
(j)前記(b)の(2)式の第二式から、パラメータCを最小二乗法で求める。
(k)前記(b)の(2)式の第一式から、パラメータA,B,Kを最小二乗法で求める。
(A) Assume that the target system is a linear system.
(B) Using the output y, the input u, the state variable x, the innovation process e, the matrices A, B, C, and K, the input / output of the target system is temporarily constructed as a state space model of the following equation (2).
(D) The Kalman predictor Markov parameter in the transformed equation is calculated by the method of least squares.
(E) Extend the state space model to the future part in preparation for the subspace method.
(F) The coefficient of the state space model is obtained from the sampling data using the least square method.
(G) Singular value decomposition is performed on the coefficient matrix of (f).
(H) The state variable x at time t is assigned from the result of singular value decomposition.
(I) The state variable x at time (t + 1) is obtained in the same manner as (c) to (g).
(J) The parameter C is determined by the least square method from the second expression of the expression (2) in (b).
(K) Parameters A, B, and K are obtained from the first equation of equation (2) in (b) by the least square method.
しかしながら、上記SSARXの方法では、係数行列を上記(g)で特異値分解した後、上記(j)で逆行列を用いた最小二乗法により得たパラメータCを用いて生じる誤差eを求め、さらに最小二乗法を用いて残りのパラメータを求めているが、この、最小二乗法では逆行列計算をしている。しかし、逆行列計算では、ゼロに割り算や発散の可能性を有するために、数値が不安定になる問題があった。 However, in the SSARX method, after the coefficient matrix is subjected to singular value decomposition in (g) above, the error e generated using the parameter C obtained by the least square method using the inverse matrix in (j) is obtained, and The remaining parameters are obtained using the least square method, but the inverse square calculation is performed in the least square method. However, the inverse matrix calculation has a problem that the numerical value becomes unstable because of the possibility of division or divergence to zero.
そこでこの発明は、対象システムのモデル構築にあたって、閉ループデータを使用可能であり、より数値的に安定なモデル構築方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a model construction method that can use closed-loop data and construct a more numerically stable model when constructing a model of a target system.
この発明は、対象システムを線形システムと仮定して、その対象システムの入出力データから仮定的にモデル化した状態空間モデルのパラメータを求めて前記対象システムのシステム同定を行う、システムモデル構築方法において、
部分空間法を用いて仮定した状態空間モデルの時刻についての多項式を未来部分へ拡張した係数行列を特異値分解した行列に対して、Eigensystem Realization Algorithm(ERA)処理を行うことで、前記状態空間モデルのパラメータを算出して前記対象システムをモデル化するシステムモデル構築方法により、上記の課題を解決したのである。
The present invention provides a system model construction method in which a target system is assumed to be a linear system, and parameters of a state space model modeled hypothetically from input / output data of the target system are obtained to perform system identification of the target system. ,
The state space model is obtained by performing Eigensystem Realization Algorithm (ERA) processing on a matrix obtained by singular value decomposition of a coefficient matrix obtained by extending a polynomial with respect to the time of the state space model assumed using the subspace method to the future part. The above-mentioned problem has been solved by a system model construction method that calculates the parameters of and models the target system.
すなわち、従来のSSARXでは特異値分解した後に逆行列を使用する最小二乗法を繰り返していたが、この発明では、逆行列を用いずに行列計算するERA処理により直接にパラメータを算出することで、数値的に安定してモデル構築を行うことができる。また、単純な部分空間法と違い、未来部分へ拡張した係数行列を用いるため、出力値が入力値にフィードバックされる閉ループデータを使用可能となっている。 That is, in the conventional SSARX, the least square method using an inverse matrix after singular value decomposition was repeated, but in the present invention, by directly calculating a parameter by ERA processing that performs matrix calculation without using an inverse matrix, The model can be constructed stably numerically. Further, unlike a simple subspace method, since a coefficient matrix extended to the future part is used, closed loop data in which an output value is fed back to an input value can be used.
この発明にかかるモデル構築方法を用いることにより、収束計算の必要なく、多変数が関与し、閉ループであるシステムのモデル構築を、安定的に行うことができる。このように出来たモデルにより、従来のSSARXモデルと同等以上の精度を得ることができる。 By using the model construction method according to the present invention, it is possible to stably construct a model of a closed-loop system involving multiple variables without the need for convergence calculation. With the model thus made, it is possible to obtain an accuracy equal to or higher than that of the conventional SSARX model.
以下、この発明について詳細に説明する。この発明は、対象システムを線形システムと仮定して、その対象システムの入力データ及び出力データ(以下、まとめて「入出力データ」と表記する。)から仮定的にモデル化した状態空間モデルのパラメータを求めて前記対象システムのシステム同定を行う、システムモデル構築方法である。 The present invention will be described in detail below. The present invention assumes that the target system is a linear system and is a parameter of a state space model that is modeled hypothetically from input data and output data of the target system (hereinafter collectively referred to as “input / output data”). Is a system model construction method for performing system identification of the target system.
この発明でモデル化する上記対象システムとは、入力に対して出力を有するシステムであり、その入力と出力とをいずれも数値化できるものである。例えば、質量、エネルギー量、体積、温度、圧力、などである。この、入出力を数値化した入出力サンプリングデータを複数得て、それらのデータが線形を示す線形システムと仮定できるシステムに対して、この発明を用いる。この発明にかかるシステムでは、出力が入力にフィードバックされ、出力が未来の出力に影響を及ぼす閉ループデータであっても、モデル化することができる。 The target system modeled by the present invention is a system having an output with respect to an input, and both the input and the output can be quantified. For example, mass, energy amount, volume, temperature, pressure, etc. The present invention is used for a system in which a plurality of input / output sampling data obtained by quantifying input / output can be obtained and the data can be assumed to be linear. In the system according to the present invention, even if the output is fed back to the input, and the output is closed-loop data that affects the future output, it can be modeled.
この発明では、上記の入出力サンプリングデータから上記対象システムを線形なシステムであると仮定して、状態空間モデルを作成する。この状態空間モデルは、時刻tに対する状態変数x、入力u、出力y、及び誤差ノイズeの、行列との積からなる多項式であり、時刻(t+1)における状態変数xを表現することで、フィードバックが可能な形式となっている。このパラメータである行列を一部まとめると、項数を減らし、解析しやすい形式に変形することができる。この形式は、カルマンフィルターを用いた予測形式であり、カルマンプレディクター形式と呼ばれるものである。 In the present invention, it is assumed that the target system is a linear system from the input / output sampling data, and a state space model is created. This state space model is a polynomial composed of a product of a state variable x, an input u, an output y, and an error noise e with respect to a time t, and a feedback, by expressing the state variable x at a time (t + 1). Is in a possible format. If a part of the matrix as this parameter is collected, the number of terms can be reduced and transformed into a format that is easy to analyze. This format is a prediction format using a Kalman filter and is called a Kalman predictor format.
まとめたパラメータのうち、出力yに対する状態変数xの係数行列と、時刻(t+1)の状態変数に対する時刻tの状態変数x及び入力uの係数行列とからなるマルコフパラメータを、入力uと出力yとの行列zから、最小二乗法で算出する。なお、ここまでの手順は、いわゆるARXモデル、OKIDモデルと同一の手順である。 Among the collected parameters, a Markov parameter including a coefficient matrix of the state variable x for the output y, a state variable x at the time t with respect to the state variable at the time (t + 1), and a coefficient matrix of the input u, and the input u and the output y Is calculated by the least square method. The procedure so far is the same procedure as the so-called ARX model and OKID model.
次に、上記の状態空間モデルを、時刻tから、未来時刻(t+f−1)にまで拡張する。この未来時刻に関する係数行列を含む多項式について、その係数行列を、上記入出力サンプリングデータについて最小二乗法することにより求め、この係数行列を特異値分解する。なお、ここまでの手順はSSARXと同じである。 Next, the above state space model is extended from time t to future time (t + f-1). With respect to a polynomial including a coefficient matrix relating to this future time, the coefficient matrix is obtained by least squares the input / output sampling data, and this coefficient matrix is subjected to singular value decomposition. The procedure so far is the same as SSARX.
上記の特異値分解とは行列計算の一手法であり、o×qの行列Xを、o次直交行列Uと、q次直交行列Vと、o×q次行列であって対角要素にのみ値を有する行列SとからなるX=USVTと分解する手法である。 The above singular value decomposition is a method of matrix calculation, and an o × q matrix X is converted to an o-order orthogonal matrix U, a q-order orthogonal matrix V, and an o × q-order matrix only in diagonal elements. This is a method of decomposing X = USV T including a matrix S having values.
さらに、上記の特異値分解を行った係数行列に対して、Eigensystem Realization Algorithm処理(以下、「ERA処理」と略す。)を行うことで前記状態空間モデルのパラメータを算出することで、先に立てた状態空間モデルの多項式の係数行列を求めて前記対象システムをモデル化することができる。ここで前記ERA処理とは、特異値分解を行った固有行列に相当する行列を求める方法である。具体例を挙げると、上記のマルコフパラメータに相当する係数行列、A,B,Cについて、行列の要素がCAKBであるハンケル行列:HKを定義し、このハンケル行列の固有行列を求める。固有行列であれば何乗しても元の行列と変わらないことから、まずマルコフパラメータのうちのAを求めることができる。また残りの行列BとCとは、固有行列であるAを切り分けた残りとして算出することができる。また別の方法として、正方行列でなければならない固有行列を求めなくても、特異行列を求めることからA,B,Cを算出する特異値分解法(SVD)が挙げられる。以下、特異値分解法を用いたERA処理を前提に記述する。なお、ここで記述したA,B,Cは後述する式(1)のマルコフパラメータである。 Further, by performing the Eigensystem Realization Algorithm process (hereinafter abbreviated as “ERA process”) on the coefficient matrix subjected to the above singular value decomposition, the parameters of the state space model are calculated in advance. The target system can be modeled by obtaining a coefficient matrix of a polynomial in the state space model. Here, the ERA process is a method for obtaining a matrix corresponding to an eigen matrix subjected to singular value decomposition. As a specific example, for the coefficient matrices A, B, and C corresponding to the Markov parameters, a Hankel matrix: H K whose matrix elements are CA K B is defined, and an eigen matrix of this Hankel matrix is obtained. Since the eigenmatrix does not change from the original matrix no matter how many times it is raised, A of the Markov parameters can be obtained first. Further, the remaining matrices B and C can be calculated as the remainder obtained by carving out the eigenmatrix A. As another method, there is a singular value decomposition method (SVD) in which A, B, and C are calculated by obtaining a singular matrix without obtaining an eigenmatrix that must be a square matrix. Hereinafter, description will be made on the assumption of ERA processing using the singular value decomposition method. Note that A, B, and C described here are Markov parameters of the equation (1) described later.
このERA処理は、従来から知られたものであるが、行列に対して特異値分解を行うためには、上記のX=USVTの形式に分解するために、上記入出力サンプリングデータの行列である規格化係数W1とW2とを、行列の乗算の先頭と末尾とに有するように変形し、この規格化係数を正準相関解析(canonical correlation analysis:以下、CCAと略す。)重みとして有する係数行列に対して上記ERA処理を行うことにより、逆行列を用いた最小二乗法を使用することなく、パラメータを対応させて求めることができる。 This ERA process is conventionally known. In order to perform singular value decomposition on a matrix, the input / output sampling data matrix is used to decompose the matrix into the above X = USV T format. A certain normalization coefficient W 1 and W 2 are modified to have at the beginning and end of matrix multiplication, and this normalization coefficient is used as a canonical correlation analysis (hereinafter abbreviated as CCA) weight. By performing the ERA process on the coefficient matrix having the parameters, the parameters can be obtained in correspondence with each other without using the least square method using the inverse matrix.
上記のCCA重みを用いることで、対象となる行列を、計算上左と右とから別個の規格化された行列とにバランスよく切り分けると、左側に切り分けられた部分が、状態を観測できるかという部分に相当し、右側に切り分けられた部分が、状態を制御することができるかという部分に相当するため、プロセスの状態を観測できかつ制御できるようにすることができるという利点がある。逆に、左右の一方にのみ切り分けが偏ると、観測又は制御の一方だけが優位にできるということになってしまう。 By using the above CCA weights, if the target matrix is divided into a standardized matrix that is separate from the left and right in terms of calculation, whether the state that the portion carved on the left side can observe can be observed. Since the portion corresponding to the portion and cut to the right side corresponds to the portion of whether or not the state can be controlled, there is an advantage that the state of the process can be observed and controlled. On the contrary, if the separation is biased to only one of the left and right, only one of observation or control can be dominant.
これらのパラメータにより、上記対象システムを上記状態空間モデルでモデル化した多項式が完成し、この多項式に入力データuを導入することで、それに対する推定の出力データyを求めることができる。上記対象システムを運用するにあたって、この発明にかかるシステムモデル構築方法で同定したモデルを用いて、このように入力データに対する上記対象システムの推定出力データを推定することを、複数の入力データにおいて行うと、要求する出力データが得られる入力データを調べることができる。すなわち、好適な出力データが得られる入力データを上記対象システムに導入することができるようになり、効率のよい上記対象システムの運用が可能となる。 With these parameters, a polynomial in which the target system is modeled with the state space model is completed. By introducing the input data u into this polynomial, estimated output data y can be obtained. When operating the target system, using the model identified by the system model construction method according to the present invention and estimating the estimated output data of the target system for the input data in a plurality of input data as described above The input data from which the requested output data can be obtained can be examined. In other words, it becomes possible to introduce input data for obtaining suitable output data into the target system, and the target system can be operated efficiently.
また、推定された推定出力データと、同様の入力データを実際に上記対象システムに対して実行させた実測出力データとを比較して、得られた上記の状態空間モデルとパラメータとの精度を確認してもよい。精度とはすなわち適合性であって、入力データに対する推定出力データが、実際の出力データにどれほど適合するかを示す。その精度が不十分であると判断される場合には、さらに入出力サンプリングデータを測定し直して、又は追加して、上記の手順によるモデル化を行うことで、さらに精度を向上させるとよい。 The estimated output data is compared with the measured output data obtained by actually executing the same input data on the target system, and the accuracy of the obtained state space model and parameters is confirmed. May be. The accuracy is adaptability, and indicates how well the estimated output data for the input data matches the actual output data. When it is determined that the accuracy is insufficient, it is preferable to further improve the accuracy by re-measurement or addition of the input / output sampling data and modeling by the above procedure.
このようなシステムモデル構築方法を適用する上記対象システムとしては、例えば、化学プラントにおいて、複数種の製造材料から複数種の生成物を生じる多次元システムが挙げられる。このようなシステムは解析すべき変数が多くなるために、従来の方法ではモデル化が困難であるが、この発明にかかる方法を用いることで安定した数値でのモデル化を行うことができる。 Examples of the target system to which such a system model construction method is applied include, for example, a multidimensional system that generates a plurality of types of products from a plurality of types of manufacturing materials in a chemical plant. Since such a system has a large number of variables to be analyzed, it is difficult to model with the conventional method, but by using the method according to the present invention, modeling with a stable numerical value can be performed.
このような化学プラントのシステムにおいて、モデル化する入力データとしては、原材料の供給量、成分比、温度、圧力などの、数値化できる値のうち、出力への関与が無視できない要素を選択するとよい。ここで原材料とは単純な製造原料だけではなく、反応温度等を調整するために熱源として用いる水蒸気などの、間接的に用いる材料も含んでよい。上記対象システムに関与する要素であれば考慮されうるためである。一方、出力データとしては、生成物の生産量、成分比、温度、圧力などが挙げられ、これらの中で入力による関与が無視できない要素を選択するとよい。ここで生成物とは、求める製品だけではなく、副生物や、分離して廃棄する廃液や廃棄物等も含む。 In such a chemical plant system, as input data to be modeled, it is preferable to select an element whose contribution to output is not negligible among values that can be quantified, such as raw material supply amount, component ratio, temperature, and pressure. . Here, the raw material is not limited to a simple manufacturing raw material, but may also include a material used indirectly such as water vapor used as a heat source for adjusting the reaction temperature and the like. This is because any element related to the target system can be considered. On the other hand, the output data includes the production amount of the product, the component ratio, the temperature, the pressure, and the like. Among these, it is preferable to select an element that cannot be ignored due to input. Here, the product includes not only the desired product but also by-products, waste liquids and wastes that are separated and discarded.
この発明にかかるシステムモデル構築方法を利用する方法としては、この発明にかかるシステムモデル構築方法により、上記入出力データからモデル化した上記状態空間モデルのパラメータA,B,C,Kを算出してシステム同定化を行うシステム同定化手段と、上記対象システムの上記入出力データを入力する入力手段と、算出された上記のパラメータA,B,C,Kからなる状態空間モデルを表示する出力手段とを有し、上記入出力データを入力することで、モデル化を行う一体のシステム同定化装置として利用する方法が挙げられる。また、このようにモデル化を行うシステム同定化装置は、さらに、追加で入力データを入力することで、モデル化した状態空間モデルを用いて、追加で入力された入力データに対応する推定出力データを算出できるものであると、より実際の上記対象システムに利用しやすくなり、好ましい。 As a method of using the system model construction method according to the present invention, the system model construction method according to the present invention calculates parameters A, B, C, and K of the state space model modeled from the input / output data. System identifying means for performing system identification, input means for inputting the input / output data of the target system, output means for displaying a state space model composed of the calculated parameters A, B, C, and K Can be used as an integrated system identification device for modeling by inputting the input / output data. In addition, the system identification device that performs modeling in this way further inputs estimated input data corresponding to the input data additionally input by using the modeled state space model by inputting the input data additionally. It is preferable that the value can be calculated because it is easier to use in the actual target system.
ここで上記入力手段としては、キーボード等の入力デバイスによる他、上記対象システム内の製造原料の物性値を測定するセンサーや、生成物の物性値を測定するセンサーを用いて、直接に数値を入力するものでもよい。また、上記出力手段としては、ディスプレイ、プリンタなどの一般的な出力デバイスが挙げられる。また、上記のシステム同定化手段は、この発明にかかるモデル構築方法を実現するプログラムを実行するコンピュータである。また、上記物性値として用いることができる上記入力データとしては、上記対象システムで用いる製造原料の供給量、成分比、温度、圧力のうちの、少なくとも一つの数値が挙げられる。さらに、上記物性値として用いることのできる上記出力データとしては、上記対象システムで得られる生成物の生成量、成分比、温度、圧力のうちの、少なくとも一つの数値が挙げられる。 Here, as the input means, in addition to an input device such as a keyboard, a numerical value is directly input using a sensor for measuring a physical property value of a manufacturing raw material in the target system or a sensor for measuring a physical property value of a product. You may do it. Examples of the output means include general output devices such as a display and a printer. The system identifying means is a computer that executes a program for realizing the model construction method according to the present invention. In addition, the input data that can be used as the physical property value includes at least one numerical value among the supply amount, the component ratio, the temperature, and the pressure of the manufacturing raw material used in the target system. Furthermore, the output data that can be used as the physical property value includes at least one numerical value among the production amount, component ratio, temperature, and pressure of the product obtained by the target system.
また、より具体的にこの発明にかかるシステムモデル構築方法を利用する方法としては、上記対象システムの上記入出力データ、及び目的とする出力データである希望出力データを入力する入力手段と、この発明にかかるモデル構築方法により、上記入出力データからモデル化した上記状態空間モデルのパラメータA,B,C,Kを算出してシステム同定化を行うシステム同定化手段と、算出された上記のパラメータA,B,C,Kからなる状態空間モデルを用いて、新たな入力データに対する推定出力データを算出する出力算出手段と、上記希望出力データと上記推定出力データとを比較し、その結果により前記新たな入力データの適合性を判断する適合性判断手段と、上記適合性が基準条件を満たした前記新たな入力データを、上記対象システムにおいて実行する実行手段とを有するシステム運用装置として利用する方法が挙げられる。 More specifically, as a method of using the system model construction method according to the present invention, input means for inputting the input / output data of the target system and desired output data as target output data, and the present invention System identification means for performing system identification by calculating parameters A, B, C, and K of the state space model modeled from the input / output data by the model construction method according to the above, and the calculated parameter A , B, C, and K, the output calculation means for calculating the estimated output data for the new input data is compared with the desired output data and the estimated output data. Means for judging suitability of the input data, and the new input data for which the suitability satisfies the standard condition How to use the system operation device having execution means for executing the stem and the like.
この場合の、上記入力手段としては、上記で列挙した入力デバイスやセンサーに加えて、上記対象システムの運用上必要な、目的とする希望出力データを、それまでの上記対象システムの運用実績、規模などの過去の情報から自動的に算出するものも含む。また、上記出力手段としては、上記の出力デバイスの他に、直接に上記対象システム内の製造原料供給量や熱量、圧力等を調製するバルブや弁等を調製する調整機も含む。これにより、上記の基準条件を満たした入力データを、実際の上記対象システムに実行させることができる。 In this case, as the input means, in addition to the input devices and sensors enumerated above, the desired desired output data necessary for the operation of the target system, the operation results and scale of the target system so far And those that are automatically calculated from past information. In addition to the output device, the output means includes a regulator that directly adjusts a production raw material supply amount, a heat amount, a pressure, and the like in the target system. Thereby, it is possible to cause the actual target system to execute input data that satisfies the above-described reference conditions.
また、上記出力算出手段は上記状態空間モデルによる行列計算可能なプログラムを実行するコンピュータである。また、上記適合性判断手段は、上記推定出力データと、上記希望出力データとを比較し、上記対象システムの運用上、その差が許容できるものであるか否かを、上記基準条件を満たすか否かにより判断するプログラムを実行するコンピュータである。ここで、上記基準条件は、上記入力手段から入力されるものであり、上記対象システムの管理者が直接入力するものであってもよいし、それまでの上記対象システムの運用実績から算出されるものでもよい。 The output calculation means is a computer that executes a program capable of matrix calculation using the state space model. Further, the suitability judging means compares the estimated output data with the desired output data, and whether or not the difference is permissible in the operation of the target system satisfies the reference condition. It is a computer that executes a program that judges whether or not. Here, the reference condition is input from the input means, and may be input directly by the administrator of the target system, or is calculated from the operation results of the target system so far. It may be a thing.
さらに、上記システム同定化手段、上記出力算出手段、上記適合性判断手段は、それぞれの役割を担ったプログラムが、単一のコンピュータ上で実行されるものでも良い。これらの役割を担い、かつ希望出力データの近似値を実際の出力データとして得ることができるように、上記入力手段を調製するシステム制御プログラムとすると、この発明にかかるシステムモデル構築方法を有用に上記対象システムに適用することができる。 Furthermore, the system identification means, the output calculation means, and the suitability determination means may be executed by a program that plays the respective roles on a single computer. The system model construction method according to the present invention is useful when the system control program that prepares the input means so as to play these roles and obtain an approximate value of desired output data as actual output data. It can be applied to the target system.
このようなシステム運用装置は、上記の化学プラントのシステムにおいて使用することができ、上記と同様に、モデル化する入力データ及び出力データとしては、製造材料及び姿勢物の供給量、成分比、温度、圧力などの、数値化できる値のうち、入力では出力への関与が無視できない要素を、出力では入力からの関与が無視できない要素を選択するとよい。 Such a system operation device can be used in the above-described chemical plant system. As in the above, the input data and output data to be modeled include the supply amount of the manufacturing material and the posture object, the component ratio, the temperature. Among the values that can be quantified, such as pressure, it is preferable to select an element whose contribution to the output cannot be ignored at the input and an element that cannot ignore the contribution from the input at the output.
以下、この発明でモデルを構築するための具体的なパラメータの同定手順を説明する。
まず、下記式(1)のようなイノベーションモデル形式で表される線形時不変な状態空間モデルを想定する。なお、イノベーションモデルとは、推測できない外乱データを含むモデルをいう。
Hereinafter, a specific parameter identification procedure for constructing a model according to the present invention will be described.
First, a linear time-invariant state space model expressed in an innovation model form such as the following equation (1) is assumed. An innovation model is a model that includes disturbance data that cannot be estimated.
ここで、y(t)∈Rnyはシステムの出力、u(t)∈Rnuはシステムの入力、nyはyの次数、nuはuの次数であり、x(t)∈Rnは次数nのベクトルである状態変数であり、e(t)∈Rnyは平均値がゼロで共分散行列が未知あるイノベーション過程であり、それぞれの行列は、行列A∈Rn×n、行列B∈Rn×nu、行列C∈Rny×n、行列K∈Rn×nyである。前記イノベーション過程e(t)は、時々刻々システム内に入ってくる外乱データであり、共分散行列が未知であるため、入出力データから推定されるものである。ここで、離散時間システムに対象を絞ることで、同時刻における入力uから出力yに直結する直達項Dをゼロとおき、下記式(2)のモデルにより議論を進める。 Where y (t) εR ny is the system output, u (t) εR nu is the system input, ny is the order of y, nu is the order of u, and x (t) εR n is the order. a state variable that is a vector of n, e (t) εR ny is an innovation process in which the mean value is zero and the covariance matrix is unknown, and each matrix is a matrix AεR n × n and a matrix Bε R n × nu , matrix CεR ny × n , and matrix KεR n × ny . The innovation process e (t) is disturbance data that enters the system from time to time, and is estimated from input / output data because the covariance matrix is unknown. Here, by focusing on the discrete-time system, the direct term D directly connected to the output y from the input u at the same time is set to zero, and the discussion proceeds with the model of the following equation (2).
上記式(2)を、下記式(3)のようなプレディクター形式に整理し直す。
なお、プレディクター形式とは、入力u(t)と出力y(t)とをまとめて新たな入力z(t)として扱うオブザーバー形式の中でも、特に、後述するカルマンゲインKを用いて表現したカルマンプレディクター形式のことをいう。すなわち、以下の解析では、システムの入出力を一つにまとめたものとみなす観測器として解析する。なお、この式(3)は、下記の式(4)乃至(6)を前提とする。
The above formula (2) is rearranged into a predictor format like the following formula (3).
Note that the predictor format is a Kalman expressed using Kalman gain K, which will be described later, among observer formats in which the input u (t) and the output y (t) are collectively treated as a new input z (t). This is the Predictor format. In other words, in the following analysis, analysis is performed as an observer that considers the input and output of the system as one. This formula (3) is based on the following formulas (4) to (6).
ここで、上記式(4)が含むパラメータKは、上記式(2)におけるイノベーション過程eの係数行列であるが、これは、十分な時間経過がされると収束し定数となる定常カルマンゲインと呼ばれる行列であるので、(A−)(上記式(4)の左辺を示す。本文中の表記上、行列記号の上にバーを有する記号を以下同様に表す。)は漸近的に安定であるとみなすことができる。従って、上記式(3)から状態ベクトルxは、不安定なイノベーション過程を排除し、それより以前の時点における状態変数xと入力u、出力yとで表すことが出来、具体的には、下記式(7)のように書くことができる。ここでpは正数である。 Here, the parameter K included in the above equation (4) is a coefficient matrix of the innovation process e in the above equation (2), which is a steady Kalman gain that converges and becomes a constant when sufficient time has elapsed. Since it is a called matrix, (A-) (indicating the left side of the above formula (4). For the notation in the text, the symbol having a bar on the matrix symbol is represented similarly below) is asymptotically stable. Can be considered. Therefore, the state vector x can be expressed by the state variable x, the input u, and the output y at an earlier time point from the above equation (3) by eliminating the unstable innovation process. It can be written as equation (7). Here, p is a positive number.
ここで、(A−)が漸近的に安定であるので、十分大きなある正数pに対して、上記式(7)の右辺第一項は(A−)p=0と近似することが出来る。従って右辺第一項を0と近似することができ、状態ベクトルx(t)は、過去の入力u(t)、出力y(t)、及びカルマンプレディクターマルコフパラメータ(A−)及び(B−)から、下記式(8)により推定することが出来る。 Here, since (A−) is asymptotically stable, the first term on the right side of the above equation (7) can be approximated to (A−) p = 0 for a sufficiently large positive number p. . Therefore, the first term on the right-hand side can be approximated to 0, and the state vector x (t) is the past input u (t), output y (t), and Kalman predictor Markov parameters (A−) and (B− ) From the following equation (8).
ここで、(x∧)(上記式(8)の左辺を示す。本文中の表記上、行列記号の上に∧を有する記号を以下同様に示す。)は、状態変数xの推定値を示す。次に、上記式(2)を、上記式(8)で推定された状態変数で置き換えることで、出力yを下記式(9)のように近似することが出来る。 Here, (x∧) (shows the left side of the above equation (8). In the notation in the text, the symbol having の 上 on the matrix symbol is also shown below) indicates the estimated value of the state variable x. . Next, by replacing the above equation (2) with the state variable estimated by the above equation (8), the output y can be approximated as the following equation (9).
入出力の時系列データに対して、上記式(9)は、下記式(10)のようにまとめることができる。なお、下記式(10)中の記号は下記式(11)乃至(14)の通りであり、式中Nはデータの数であり、正数である。 For input / output time series data, the above equation (9) can be summarized as the following equation (10). In addition, the symbol in following formula (10) is as following formula (11) thru | or (14), and N is the number of data in a formula, and is a positive number.
また、上記式(10)はytについての近似式であるが、utとetに関しても上記(13)と同様の行列を定義することとする。上記式(10)における、カルマンプレディクターマルコフパラメータC(L−)zは、下記式(15)で示される最小二乗解を有する。この計算手順は、上記式(10)に対して、両辺にZpの逆行列を右からかけることで求まる。この捜査は最小二乗法と等価である。また、etとZpとの積は、etがイノベーション、すなわち白色の性質であるために、積の期待値が0となる。
なお、下記式(15)中のRは、上記入出力データのサンプリングデータに対する相関行列であり、下記式(16)及び(17)で表される。
Further, the equation (10) is a approximate expression of y t, and also with respect to u t and e t define the same matrix as the above (13). The Kalman predictor Markov parameter C (L−) z in the above equation (10) has a least square solution represented by the following equation (15). This calculation procedure is obtained by multiplying the above equation (10) by applying an inverse matrix of Zp on both sides from the right. This investigation is equivalent to the least squares method. Also, the product of the e t and Z p are, e t innovation, namely because of the nature of white, the expected value of the product is 0.
Note that R in the following equation (15) is a correlation matrix for the sampling data of the input / output data, and is represented by the following equations (16) and (17).
この式(15)により推定される、カルマンプレディクターマルコフパラメータ要素は、上記式(5)及び上記式(11)より、下記式(18)のように表すことが出来る。なお、上記式(15)は、いわゆるARXモデルに対応するものである。 The Kalman predictor Markov parameter element estimated by this equation (15) can be expressed as the following equation (18) from the above equation (5) and the above equation (11). The equation (15) corresponds to a so-called ARX model.
ここで、従来のOKIDアルゴリズムの場合は、上記式(15)のマルコフパラメータから、システムのマルコフパラメータを導き出し、そのマルコフパラメータからハンケル行列を作成し、そのハンケル行列にERA処理を施して最終的にシステムの行列A,B,C,Kを算出する。しかし、この発明で用いるシステムモデル構築方法では、上記のように、入出力をz(t)としてまとめたオブザーバであるカルマンプレディクターマルコフパラメータを、未来部分へ状態空間モデルを拡張する部分空間法を用いて、ハンケル行列を求めてERA処理する。外見上の手順は従来のOKIDよりも煩雑であるが、直接に行列A,B,C,Kを求めることができ、精度が高いため、結果として数値解析的に安定となる。 Here, in the case of the conventional OKID algorithm, a system Markov parameter is derived from the Markov parameter of the above equation (15), a Hankel matrix is created from the Markov parameter, and the Hankel matrix is finally subjected to ERA processing. Calculate the matrix A, B, C, K of the system. However, in the system model construction method used in the present invention, as described above, the subspace method for extending the state space model to the future part by using the Kalman Predictor Markov parameter, which is an observer with input / output as z (t), is used. Using this, the Hankel matrix is obtained and ERA processing is performed. The procedure in appearance is more complicated than the conventional OKID, but the matrices A, B, C, and K can be obtained directly and the accuracy is high, so that the result is stable in numerical analysis.
このように推定した上記式(3)の状態空間モデルについて、時間を、基本となる時刻tから未来時刻(t+f−1)まで拡張して、部分空間法によるカルマンプレディクターマルコフパラメータの解析を行う。その手順は以下の通りである。まず、上記式(3)を下記式(19)のように拡張する。それぞれの記号の内容は下記式(20)乃至(25)のようになる。
上記式(15)において推定されたカルマンプレディクターマルコフパラメータは、上記式(22)の行列(Φ−)を構成する要素に利用する。また、状態関数xからなる状態ベクトルX(t)は、可制御行列(L−)z及び、過去データZpから、下記式(26)のように推定される。 The Kalman predictor Markov parameter estimated in the above equation (15) is used as an element constituting the matrix (Φ−) of the above equation (22). Further, the state vector X (t) composed of the state function x is estimated from the controllable matrix (L−) z and the past data Z p as shown in the following equation (26).
この上記式(26)を用いると、上記式(19)は下記式(27)のように書くことが出来る。この式は上記式(10)を、未来時刻(t+f−1)まで拡張したものに相当する。 Using the above equation (26), the above equation (19) can be written as the following equation (27). This expression corresponds to the above expression (10) extended to the future time (t + f-1).
次に、カルマンプレディクターマルコフパラメータの解析のために、カルマンプレディクターマルコフパラメータからなるハンケル行列を定義して、その推定を行う。このハンケル行列は下記式(28)で定義される、fny×p(nu+ny)の行列である。 Next, in order to analyze the Kalman predictor Markov parameter, a Hankel matrix composed of the Kalman predictor Markov parameter is defined and estimated. The Hankel matrix is defined by the following formula (28), a matrix of fn y × p (n u + n y).
上記の式(28)において、k=0とおくと、上記式(28)は、下記式(29)となる。 In the above equation (28), if k = 0, the above equation (28) becomes the following equation (29).
次に、上記式(27)において、未来の入力に寄与する部分を、未来の出力に関する部分から取り除く。すなわち、右辺のZf-1の項を左辺へ移項する。この出力に関する部分を下記式(30)の通りに(Y〜)fと定義する。 Next, in the above equation (27), the part contributing to the future input is removed from the part relating to the future output. That is, the term of Z f−1 on the right side is moved to the left side. The part related to this output is defined as (Y˜) f as shown in the following equation (30).
また一方で、上記サンプリングデータに対する相関関数である上記式(17)を用いて最小二乗法により、(H−)0は下記式(31)のように推定することができる。ただし、(R∧)fpは下記式(32)で定義される相関関数である。 On the other hand, (H−) 0 can be estimated as the following equation (31) by the least square method using the above equation (17) which is a correlation function for the sampling data. However, (R∧) fp is a correlation function defined by the following equation (32).
また、未来時刻に関する時間要素fにおけるサンプリングデータに対する相関行列として、(R∧)ffを下記式(33)のように定義すると、同様に、サンプリングデータに対する相関行列である上記式(17)と上記式(27)とを用いて、(H−)0を下記式(34)のように変形することができる。ただし、規格化係数W1、W2は下記式(35)であり、Gは下記式(36)である。
ここで、上記式(36)は信号(Y〜)fとZpとの正準相関行列(canonical correlation matrix)となっている。このGに対して特異値分解を施す正準相関解析(canonical correlation analysis、以下、「CCA」と略す。)を行う。システムの次元をnと仮定して特異値分解を実施すると、下記式(37)のようになる。 Here, the equation (36) is a canonical correlation matrix between the signals (Y˜) f and Z p . Canonical correlation analysis (hereinafter abbreviated as “CCA”) for performing singular value decomposition on G is performed. When singular value decomposition is performed assuming that the dimension of the system is n, the following equation (37) is obtained.
ここで、UとVとは、それぞれ正規直行行列であり、Sは対角成分が特異値からなる対角行列で、その特異値は対角成分に沿ってその値が順に小さくなっていくものである。また、UnとVnは、それぞれU及びVの最初のn列からなる行列である。さらに、SnはSのn個の特異値からなる対角行列である。これにより上記式(34)から、(H−∧)0は下記式(38)のように書き表すことができる。
このように特異値分解を施した係数行列に対して、正規化するための規格化係数であるW1とW2とを、一次元において正規化する際の分母に相当する逆行列として含む、すなわちCCA重みを含んだ形式で、以下のERA処理を行う。 For the coefficient matrix subjected to singular value decomposition as described above, W 1 and W 2 that are normalization coefficients for normalization are included as inverse matrices corresponding to the denominator when normalizing in one dimension. That is, the following ERA processing is performed in a format including CCA weights.
まず、行列(H−)0をムーアペンローズ形疑似逆行列H†を用いて記述できるように構築すると下記式(39)のようになる。 First, when the matrix (H−) 0 is constructed so as to be described using a Moore-Penrose pseudo inverse matrix H †, the following equation (39) is obtained.
ここで、Un TUn=In、及びVn TVn=Inという関係を用いて、上記式(38)に上記式(39)の関係を適用させると、下記式(40)のようになる。 Here, by using the relationship of U n T U n = I n , and V n T V n = I n , when to apply the relation of the equation (39) into the equation (38), the following equation (40) become that way.
次に、上記式(39)において行列(H−)0を記述するために用いる、(Γ−)fと(L−)zの選び方の一つに、並行実現の考え方から、(Γ−)f=W1 -1UnSn 1/2並びに、(L−)z=Sn 1/2Vn TW2のように決める方法が挙げられる。また、下記式(41)の関係が成立する。
Next, in order to select (Γ−) f and (L−) z used to describe the matrix (H−) 0 in the above equation (39), from the idea of parallel realization, (Γ−) f = W 1 -1 U n S
さらに、Iiをi次の単位行列とし、Oiをi次の零行列とする。nuは入力変数の数、nyは出力変数の数であることから、次の下記式(42)及び(43)のような行列を定義する。 Further, I i is an i-th order unit matrix, and O i is an i-th order zero matrix. Since n u is the number of input variables and n y is the number of output variables, the following matrices (42) and (43) are defined.
これらの定義を用いて、CCA重み付きのERA処理を行うと、その過程及び結果は、下記式(44)のようになる。 When these definitions are used to perform CCA-weighted ERA processing, the process and result are expressed by the following equation (44).
なお、上記式の三行目から四行目への計算は、上記式(41)を適用している。上記式(44)から、カルマンプレディクターマルコフパラメータのうち、(A−)、(B−)、Cは下記式(45)乃至(47)のように計算される。 In addition, the said Formula (41) is applied to the calculation from the 3rd line of the said formula to the 4th line. From the above equation (44), among the Kalman predictor Markov parameters, (A−), (B−), and C are calculated as the following equations (45) to (47).
ただし、(A−)はハンケル行列である(H−)1を含んでおり、別途この(H−)1を求める必要がある。ハンケル行列の定義式である上記式(28)より、(H−)1は次のようになる。
この上記式(48)の二行目は、行列(H−)0の可制御行列内の2番目からp番目までの列ブロックを選び、(H−)1の可制御行列内の1番目からp−1番目までの列ブロックに割り当て、最後のpブロックは(A−)pを0と近似できることから、零行列を割り当てることで求められる。 The second row of the above equation (48) selects the second to p-th column blocks in the controllable matrix of the matrix (H−) 0 and starts from the first in the controllable matrix of (H−) 1. Since (A−) p can be approximated to 0, the last p block is obtained by assigning a zero matrix to the p−1th column block.
従って、最初に定義した上記式(1)の状態空間モデルのカルマンプレディクターマルコフパラメータは、定義した上記式(4)乃至(6)から、下記式(49)乃至(52)のようにして導くことができる。なお、表現法はMATLAB(登録商標)の記述法を用いている。 Accordingly, the Kalman predictor Markov parameters of the state space model defined in the above equation (1) are derived from the defined equations (4) through (6) as in the following equations (49) through (52). be able to. The expression method uses the description method of MATLAB (registered trademark).
このようにしてカルマンプレディクターマルコフパラメータを求めることで、この発明にかかるシステムモデル構築方法を実現することができる。この発明にかかる方法によることで、従来のSSARXに比べて最小二乗法の使用回数を減らし、数値的により安定したモデルの同定と、それによる出力データの推定が可能となる。 Thus, the system model construction method according to the present invention can be realized by obtaining the Kalman predictor Markov parameters. By using the method according to the present invention, it is possible to reduce the number of times of use of the least square method compared to the conventional SSARX, and to identify a numerically more stable model and thereby estimate the output data.
以下、この発明を用いた実施例について具体例を挙げて説明する。
閉ループデータの適用検証用システムとして、Verhaegen,1993で取り上げられた例題を用いる。このシステムは、上記式(2)の形式でモデル化される、下記式(53)のパラメータを有する5次のシステムである。
Examples using the present invention will be described below with specific examples.
The example taken up by Verhagen, 1993 is used as a closed loop data application verification system. This system is a fifth-order system having a parameter of the following formula (53) modeled in the form of the above formula (2).
このパラメータから、状態空間モデルで記述したコントローラは上記式(2)におけるパラメータが次の式(54)の通りに表すことができる。なお、コントローラとは、出力を入力にフィードバックし、出力を望み通りに調節するものであり、後述する図3中のK(q)に相当する。 From this parameter, the controller described by the state space model can express the parameter in the above equation (2) as the following equation (54). The controller feeds back the output to the input and adjusts the output as desired, and corresponds to K (q) in FIG. 3 described later.
以上を決定し、単位円のプロットを行った。その結果を図1に示す。なお、図1中の曲線が単位円であり、横軸は実数軸、縦軸は虚数軸を表している。この対象プロセスに、モンテカルロ法を用いて、参照信号rは分散1のガウス性白色信号で、イノベーション過程eは分散1/9のガウス性白色信号として作成した1200点からなる閉ループデータを、100集合作成して、100個のデータセットをそれぞれ作る。
The above was determined and a unit circle was plotted. The result is shown in FIG. The curve in FIG. 1 is a unit circle, the horizontal axis represents the real number axis, and the vertical axis represents the imaginary number axis. Using the Monte Carlo method for this target process, 100 sets of closed-loop data consisting of 1200 points created as a reference signal r is a Gaussian white signal with
このデータセットを、実施例としてこの発明にかかるシステムモデル構築方法によりモデル化したモデル(図1中「SOKID」と表記する。)に導入し、その固有値を計算し、図1にプロットした。なお、このモデルについて、過去のラグp及び未来のラグfの次数を決定する方法としては、FOE(Final output error criterion)(Zhu,2001)により決定を行った。なお、FOEとは、実測値と同定されたモデルの推定出力値とを比較して、その誤差の二乗平均値がもっとも小さくなる値を探索する方法をいう。ただし、上記式(53)の次数nは5であるが、nはp又はfのいずれか小さい方の値より大きくすることはできないという条件を満たす必要がある。100個のデータセットに対して計算した結果、過去のラグp及び未来のラグfをそれぞれ20とした。 This data set was introduced into a model (denoted as “SOKID” in FIG. 1) modeled by the system model construction method according to the present invention as an example, and its eigenvalue was calculated and plotted in FIG. In addition, about this model, as a method of determining the order of the past lag p and the future lag f, it determined by FOE (Final output error criterion) (Zhu, 2001). Note that FOE refers to a method of comparing a measured value with an estimated output value of an identified model and searching for a value with the smallest mean square value of the error. However, although the order n of the above formula (53) is 5, it is necessary to satisfy the condition that n cannot be larger than the smaller value of p or f. As a result of calculation for 100 data sets, the past lag p and the future lag f were set to 20.
同様に、比較例として、従来のSSARX及びOKIDによりモデル化したモデルに、上記と同様のデータセットを導入し、その固有値を計算して図1にプロットした。ただしOKIDについては部分空間法ではないのでF=1とした。また、行列計算ソフトMatlab(登録商標)に搭載されている、システム同定ツールボックスの部分空間法関数であるN4SIDによりモデル化したモデルにおいて、同様のデータセットを導入し、その固有値を計算して図1にプロットした。 Similarly, as a comparative example, a data set similar to the above was introduced into a model modeled by conventional SSARX and OKID, and its eigenvalue was calculated and plotted in FIG. However, since OKID is not a subspace method, F = 1 was set. In addition, in a model modeled by N4SID, which is a subspace method function of the system identification toolbox, installed in the matrix calculation software Matlab (registered trademark), a similar data set is introduced, and its eigenvalues are calculated. Plotted to 1.
その結果、この発明にかかるシステムモデル構築方法を用いたSOKIDの固有値のばらつきは、SSARXとほぼ同程度であり、誤差がSSARXと同程度まで少ないことが示されている。また、OKIDはこれらと比較するとばらつきが大きくて、誤差が多いことがわかる、また、N4SIDは、ばらつきは小さいが、偏りが生じており、閉ループの同定がうまくいっていないことがわかる。したがってこの発明にかかるシステムモデル構築方法によるモデル化は、従来の方法と比較して、同等以上の精度でのシミュレーションが可能であることがわかった。 As a result, it is shown that the variation of the eigenvalue of SOKID using the system model construction method according to the present invention is almost the same as SSARX, and the error is as small as SSARX. Further, it can be seen that the OKID has a large variation and a large error compared to these, and that the N4SID has a small variation but is biased and the identification of the closed loop is not successful. Therefore, it has been found that the modeling by the system model construction method according to the present invention enables simulation with an accuracy equal to or higher than that of the conventional method.
図2に記載のプラントについて、実データを用いてシステムのモデル化を行った。まずこのプラントについて説明する。このプラントは、製造材料ガスF(FreshFeed)の量をバルブ11で調製し、このバルブが、製造材料ガスが熱交換器12及び熱交換器13を通過した後に設けた温度コントローラからの指令により調製され、適切な温度に温められるようにして、反応器R1に導入されるようになっている。反応機R1の底から反応した高温のガスは、途中で分離させ、一部は熱交換器13で反応器R1に導入する前のガスと熱交換して冷やした後に、反応器R2に導入し、残りは反応器R1から反応器R2へ直接導入している。ここで、反応器R1から反応器R2へ直接導入するラインのバルブ14は、熱交換器13を通過したガスと通過してないガスとの混合ガスの温度を温度コントローラTC2により制御され、反応器R2で望ましい温度になるようにバルブ14が調製されている。さらに、反応器R2から出た製品ガスP(Product)が有する熱量は、熱交換器12において、前記製造材料ガスに受け渡されている。
The system shown in FIG. 2 was modeled using actual data. First, this plant will be described. In this plant, the amount of the production material gas F (FreshFeed) is adjusted by a
なお、反応器R1及びR2からの排出温度は、温度センサーTI1及びTI2で計測しており、それぞれへの入力を外乱変数DV1、DV2とする。また、バルブ14への操作信号を外乱変数DV3とする。
The exhaust temperatures from the reactors R1 and R2 are measured by the temperature sensors TI1 and TI2, and the inputs to the respective sensors are the disturbance variables DV1 and DV2. The operation signal to the
また、それぞれの温度コントローラTC1及びTC2は、温度の指示値を測定し,オペレータが与えた設定値と指示値との偏差が減少するように、バルブ11及び14へ操作すべき信号値を計算し、それぞれのバルブへ信号線を介して出力操作する。具体的には、PIDコントローラを用いる。
Further, each temperature controller TC1 and TC2 measures the indicated value of the temperature, and calculates the signal value to be operated to the
ここで、出力y(t)を温度コントローラTC1が検知するガスの温度の指示値とし、入力u(t)をバルブ11で調製するガスの供給量として対象システムを定義する。このシステムの動作は、図3のように表すことができる。熱交換器12及び熱交換器13がシステムG(q)であり、これに外乱変数であるDV1乃至DV3をまとめた外乱v(t)が関与して出力y(t)がなされる。またこの出力y(t)がフィードバックされ、設定値r(t)と出力y(t)との偏差が減少するようにコントローラK(q)が入力u(t)を制御する。
Here, the output y (t) is defined as an instruction value of the temperature of the gas detected by the temperature controller TC1, and the input u (t) is defined as the supply amount of the gas prepared by the
そのときの入力u(t)と出力y(t)との対応は図6のようになっている。横軸は1分周期で測定したデータ点数を示し、縦軸は、y(t)については温度(℃)、u(t)についてはコントローラ出力(%)となる。また一方で、コントローラの制御をOFFにしてプラントテストを行ったデータ、すなわち、開ループで得たデータを図4に示す。この、プロセスの入力u(t)を上げ下げして、プロセスの応答を取ることで得られたプラントテストデータから、得られた応答を基に解析した結果を、周波数領域でのステップ応答モデルとして図5の太線に示す。これをプロセスの真の値として扱い、以下の手順でモデル化した値と比較する。
The correspondence between the input u (t) and the output y (t) at that time is as shown in FIG. The horizontal axis indicates the number of data points measured at 1 minute intervals, and the vertical axis indicates the temperature (° C.) for y (t) and the controller output (%) for u (t). On the other hand, FIG. 4 shows data obtained by performing a plant test with the controller turned off, that is, data obtained in an open loop. The result of analysis based on the obtained response from the plant test data obtained by raising and lowering the process input u (t) and taking the process response is shown as a step response model in the frequency domain. This is indicated by the
次に、図2のプロセスで、コントローラK(q)を用いた通常運転、すなわち閉ループでの運用データを図6に示す。 Next, FIG. 6 shows normal operation using the controller K (q) in the process of FIG. 2, that is, operation data in a closed loop.
一方で、図6に示す閉ループデータを用いてプロセスの同定を行い、周波数領域でのステップ応答モデルを求めた。実施例1と同様にFOE規範を用いて、FOEが最小になるようにふさわしい次数nを9として、この発明にかかるシステムモデル構築方法(SOKID)で推定した出力値を図5中実線で示す。なお、データのサンプリング周期は1分間で2500点であり、後述する比較例も同様である。 On the other hand, the process was identified using the closed loop data shown in FIG. 6, and the step response model in the frequency domain was obtained. The output value estimated by the system model construction method (SOKID) according to the present invention is indicated by a solid line in FIG. 5 by using the FOE norm as in the first embodiment and setting the order n suitable for minimizing the FOE to 9. Note that the data sampling period is 2500 points per minute, and the same applies to the comparative example described later.
また、比較例として、実施例1と同様に、SSARX、OKID、Matlab−N4SID(CVA重み)でモデル化したモデルについて、上記のSOKIDについての実施例と同様にFOE規範を用いて、FOEが最小となる次数を選択しモデル化して推定した、周波数に対する出力値を求めた。その結果を図5に示す。なお、ダッシュドット線がSSARX、点線はOKID、破線がMatlab−N4SIDである。 Further, as a comparative example, as in the first embodiment, a model modeled with SSARX, OKID, and Matlab-N4SID (CVA weight) is used, and the FOE norm is minimized using the FOE norm as in the above SOKID embodiment. The output value with respect to the frequency estimated by selecting and modeling the order was obtained. The result is shown in FIG. In addition, a dash-dot line is SSARX, a dotted line is OKID, and a broken line is Matlab-N4SID.
さらに、図5において実線で表される真のプロセスモデルに対する、各々のモデル化による推定値の偏差の絶対値を計算したものを図7に示す。同様に、実線はこの発明にかかるシステムモデル構築方法(SOKID)であり、ダッシュドット線はSSARX、点線はOKID、破線がMatlab−N4SIDである。この絶対値について、周波数に対する二乗誤差平均を計算すると、SOKIDが0.22、SSARXが0.34、OKIDは0.29、N4SIDは0.31となった。すなわち、このシステムのモデル化にあたっては、この発明にかかるシステムモデル構築方法によるモデル化を行って推定した場合の推定値が、最も真のプロセスの値に近い値が得られた。 Furthermore, FIG. 7 shows the absolute value of the deviation of the estimated value calculated by each modeling for the true process model represented by the solid line in FIG. Similarly, a solid line is a system model construction method (SOKID) according to the present invention, a dash-dot line is SSARX, a dotted line is OKID, and a broken line is Matlab-N4SID. When the mean square error with respect to the frequency was calculated for this absolute value, SOKID was 0.22, SSARX was 0.34, OKID was 0.29, and N4SID was 0.31. That is, in modeling this system, an estimated value obtained by performing modeling using the system model construction method according to the present invention was the closest to the true process value.
r(t) 設定値
u(t) 入力
v(t) 外乱
y(t) 出力
DV1,DV2,DV3 外乱変数
G(q) システム
K(q) コントローラ
F 製造材料ガス
P 製品ガス
R1,R2 反応器
TC1,TC2 温度コントローラ
TI1,TI2 温度センサー
11,14 バルブ
12,13 熱交換器
r (t) Set value u (t) Input v (t) Disturbance y (t) Output DV1, DV2, DV3 Disturbance variable G (q) System K (q) Controller F Production material gas P Product gas R1, R2 Reactor TC1, TC2 Temperature controller TI1,
Claims (7)
部分空間法を用いて仮定した状態空間モデルの時刻についての多項式を未来部分へ拡張した係数行列を特異値分解した行列に対して、Eigensystem Realization Algorithm処理を行うことで前記状態空間モデルのパラメータを算出して前記対象システムをモデル化する、システムモデル構築方法。 Assuming the target system is a linear system, a system model construction method for performing system identification of the target system by obtaining parameters of the state space model from input data and output data of the target system,
The parameters of the state space model are calculated by performing Eigensystem Realization Algorithm on a matrix obtained by singular value decomposition of a coefficient matrix obtained by extending a polynomial with respect to the time of the state space model assumed using the subspace method to the future part. Then, a system model construction method for modeling the target system.
対象システムを線形システムと仮定してモデル化した状態空間モデルの多項式のパラメータを求め、前記対象システムのシステム同定化を行う、請求項1に記載のシステム同定方法。
(A)同定を行う上記プロセスプラントの入力データ及び出力データを収集してそのプロセスプラントを線形なシステムと仮定する。
(B)y(t)∈Rnyはシステムの出力、u(t)∈Rnuはシステムの入力、nyはyの次数、nuはuの次数であり、x(t)∈Rnは次数nの状態ベクトルであり、e(t)∈Rnyは平均値がゼロで共分散行列が未知あるイノベーション過程であり、行列A∈Rn×n、行列B∈Rn×nu、行列C∈Rny×n、行列K∈Rn×nyである、下記式(2)の時刻tに対する状態空間モデルを構築する。
(E)上記カルマンプレディクターマルコフパラメータを用いて、状態空間モデルを未来部分(t+f−1)へ拡張する。
(F)上記カルマンプレディクターマルコフパラメータを要素として有する下記式(28)のハンケル行列を定義し、k=0の際の前記ハンケル行列を、上記サンプリングデータに対する相関関数を用いて最小二乗法により推定する。
(G)推定された規格化係数を含む行列に特異値分解を施す正準相関解析を行う。(なお、pはt以下の正数を示す。)
(I)上記(H)で算出したパラメータ及び上記Cから、上記(4)乃至(7)式により、上記のパラメータA,B,Kを算出する。 By the following steps (A) to (H),
The system identification method according to claim 1, wherein a polynomial parameter of a state space model modeled on the assumption that the target system is a linear system is obtained and system identification of the target system is performed.
(A) The input data and output data of the process plant to be identified are collected, and the process plant is assumed to be a linear system.
(B) y (t) εR ny is the output of the system, u (t) εR nu is the input of the system, ny is the order of y, nu is the order of u, and x (t) εR n is the order n state vector, e (t) εR ny is an innovation process with zero mean and unknown covariance matrix, matrix AεR n × n , matrix BεR n × nu , matrix Cε A state space model for the time t in the following equation (2), which is R ny × n and the matrix KεR n × ny , is constructed.
(E) Extend the state space model to the future part (t + f-1) using the Kalman predictor Markov parameter.
(F) Define a Hankel matrix of the following formula (28) having the Kalman predictor Markov parameter as an element, and estimate the Hankel matrix when k = 0 by a least square method using a correlation function for the sampling data To do.
(G) A canonical correlation analysis is performed in which a singular value decomposition is performed on a matrix including the estimated normalization coefficient. (Note that p represents a positive number equal to or less than t.)
(I) The parameters A, B, and K are calculated from the parameters calculated in the above (H) and the above C by the above formulas (4) to (7).
請求項4に記載のシステム出力推定方法により推定した推定出力データが、前記希望出力データに近くなるように、上記対象システムに与える入力データを計算して、その入力データを前記対象システムへ入力する、システム運用方法。 In the system that compares the actual process output data actually obtained in the target system with the desired output data desired, and calculates the input value to the actual process so that the error is reduced,
The input data given to the target system is calculated so that the estimated output data estimated by the system output estimation method according to claim 4 is close to the desired output data, and the input data is input to the target system. , System operation method.
上記入力データが化学プラントに導入する製造材料の供給量、成分比、温度、圧力のうちの少なくとも1つの数値であり、上記出力データが生成物の生産量、成分比、温度、圧力のうちの少なくとも1つの数値であり、
上記対象システムにおける必要な生成物の製造計画を運用する、請求項5に記載のシステム運用方法。 The target system is a system that produces one or more products from one or more manufacturing materials in a chemical plant;
The input data is a numerical value of at least one of the supply amount, the component ratio, the temperature, and the pressure of the manufacturing material to be introduced into the chemical plant, and the output data is the product output, the component ratio, the temperature, and the pressure. At least one number,
The system operation method according to claim 5, wherein a production plan of a necessary product in the target system is operated.
請求項1又は3に記載のモデル構築方法により、上記入力データ及び出力データからモデル化した上記状態空間モデルのパラメータA,B,C,Kを算出してシステム同定化を行うシステム同定化手段と、
算出された上記のパラメータA,B,C,Kからなる状態空間モデルを出力する出力手段とを有するシステムモデル化装置。 Input means for inputting the input data and output data of the target system;
System identification means for performing system identification by calculating parameters A, B, C, K of the state space model modeled from the input data and output data by the model construction method according to claim 1 or 3; ,
A system modeling device having output means for outputting a state space model composed of the calculated parameters A, B, C, and K.
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