JP2007304767A - Control system and control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プロセス制御における制御システムおよび制御方法に関するものである。 The present invention relates to a control system and a control method in process control.
従来より、プロセス制御においては、制御対象に与える操作量とこの操作量に対する制御対象の応答である制御量とを収集し、この収集したデータにより制御対象のモデルのパラメータを推定して、この推定結果に基づいてPIDコントローラのパラメータを決定するセルフチューニング調節計が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、同様にデータを収集して、制御対象のモデルを同定するプロセス同定方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
Conventionally, in process control, an operation amount given to a control target and a control amount that is a response of the control target to the operation amount are collected, and the parameters of the model of the control target are estimated from the collected data. A self-tuning controller that determines the parameters of the PID controller based on the results has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
Similarly, a process identification method for collecting data and identifying a model to be controlled has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
特許文献1,2に開示された技術によれば、制御対象のモデルやそのパラメータを同定することができるが、この同定処理には、多くのデータと計算能力を必要とし、大規模メモリと高性能のCPUを必要とするため、モデルやパラメータの同定機能をコントローラ等の現場側機器に搭載することは得策でない。特に、特許文献2に開示された技術のように、制御対象のモデルを同定しようとすると複雑な計算が必要となり、現場側機器に負荷がかかるため、モデルの同定機能を現場側機器に搭載することは実用上困難であった。
According to the techniques disclosed in
また、特許文献1,2に開示された技術では、制御対象となる機器の経年変化を考慮していないという問題点があった。制御対象となる機器に経年変化が生じると、制御対象のモデルやパラメータも再調整しなければならない。機器に経年変化が生じているにも拘わらず、モデルやパラメータを再調整しないままにすると、制御性能を大幅に損なう可能性があった。しかし、特許文献1,2に開示された技術では、モデルやパラメータを再調整するためには、同定装置に対して手動で再調整の指示を与える必要があった。
In addition, the techniques disclosed in
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、現場側機器に負荷をかけることなく制御対象のモデルやパラメータを同定することができ、制御対象の機器が経年変化した場合であってもモデルやパラメータを自動的に再調整することができる制御システムおよび制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and can identify a model and parameters of a control target without applying a load to a field side device. It is another object of the present invention to provide a control system and a control method that can automatically readjust models and parameters.
本発明の制御システムは、制御対象を含む制御系のモデルを選定するシステムモデリング手段と、前記制御系のモデルのモデルパラメータを同定するシステム同定手段と、前記システムモデリング手段で選定されたモデルと前記システム同定手段で同定されたモデルパラメータに基づいて、前記制御対象の観測値と目標設定値とが一致するよう前記制御対象を制御する制御演算手段と、制御性能が劣化したと判断したときに、前記システムモデリング手段及び前記システム同定手段に制御性能の劣化を通知する通知手段とを備え、前記システムモデリング手段は、前記通知手段から通知を受けたときに、前記制御系のモデルを再度選定し、前記システム同定手段は、前記通知手段から通知を受けたときに、前記モデルパラメータを再度同定するようにしたものである。
また、本発明の制御システムの1構成例において、前記制御演算手段は、前記システムモデリング手段で選定されたモデルと前記システム同定手段で同定されたモデルパラメータに基づいて制御のゲインを決定するものである。
また、本発明の制御システムの1構成例は、さらに、前記システムモデリング手段で選定されたモデルと前記システム同定手段で同定されたモデルパラメータに基づいて前記制御対象の観測値を推定する状態推定演算手段を備え、前記制御演算手段は、前記制御対象の観測値の代わりに前記状態推定演算手段で推定された推定値を用いるようにしたものである。
The control system of the present invention includes a system modeling means for selecting a control system model including a control target, a system identification means for identifying a model parameter of the control system model, the model selected by the system modeling means, and the Based on the model parameter identified by the system identification means, when it is determined that the control calculation means for controlling the control target so that the observed value of the control target and the target set value match, and the control performance has deteriorated, A notification means for notifying the system modeling means and the system identification means of deterioration in control performance, and the system modeling means reselects the model of the control system when notified from the notification means, The system identification unit re-identifies the model parameter when receiving a notification from the notification unit. It is obtained by way.
In one configuration example of the control system of the present invention, the control calculation means determines a control gain based on the model selected by the system modeling means and the model parameter identified by the system identification means. is there.
In addition, one configuration example of the control system according to the present invention further includes a state estimation calculation for estimating an observation value of the control object based on the model selected by the system modeling unit and the model parameter identified by the system identification unit. And the control calculation means uses the estimated value estimated by the state estimation calculation means instead of the observed value of the control target.
また、本発明の制御方法は、制御対象を含む制御系のモデルをコンピュータで選定するシステムモデリング手順と、前記制御系のモデルのモデルパラメータをコンピュータで同定するシステム同定手順と、前記コンピュータと接続された制御演算手段が、前記システムモデリング手順で選定されたモデルと前記システム同定手順で同定されたモデルパラメータに基づいて、前記制御対象の観測値と目標設定値とが一致するよう前記制御対象を制御する制御演算手順と、制御性能が劣化したと判断したときに前記コンピュータに制御性能の劣化を通知する通知手順とを備え、前記コンピュータは、前記制御性能の劣化の通知を受けたときに、前記制御系のモデルを再度選定し、前記モデルパラメータを再度同定するようにしたものである。
また、本発明の制御方法の1構成例は、さらに、前記システムモデリング手順で選定されたモデルと前記システム同定手順で同定されたモデルパラメータに基づいて前記制御演算手段のゲインを決定するゲイン決定手順を備えるものである。
また、本発明の制御方法の1構成例は、さらに、前記システムモデリング手順で選定されたモデルと前記システム同定手順で同定されたモデルパラメータに基づいて前記制御対象の観測値を推定する状態推定演算手順を備え、前記制御演算手段は、前記制御対象の観測値の代わりに前記状態推定演算手順で推定された推定値を用いるようにしたものである。
The control method of the present invention is connected to a system modeling procedure for selecting a control system model including a controlled object by a computer, a system identification procedure for identifying a model parameter of the control system model by a computer, and the computer. The control calculation means controls the control target based on the model selected in the system modeling procedure and the model parameter identified in the system identification procedure so that the observed value of the control target matches the target set value. A control calculation procedure, and a notification procedure for notifying the computer of the deterioration of the control performance when it is determined that the control performance has deteriorated, and when the computer receives the notification of the deterioration of the control performance, A control system model is selected again, and the model parameters are identified again.
Further, one configuration example of the control method of the present invention further includes a gain determination procedure for determining the gain of the control arithmetic means based on the model selected in the system modeling procedure and the model parameter identified in the system identification procedure. Is provided.
In addition, one configuration example of the control method of the present invention further includes a state estimation calculation for estimating an observation value of the control object based on a model selected in the system modeling procedure and a model parameter identified in the system identification procedure. And a control calculation means that uses the estimated value estimated in the state estimation calculation procedure instead of the observed value of the controlled object.
本発明によれば、制御系のモデルをシステムモデリング手段で選定し、モデルパラメータをシステム同定手段で同定するため、現場側機器のコントローラに負荷をかけることがなくなる。システムモデリング手段とシステム同定手段に高性能のコンピュータを利用すれば、複雑な分析に基づいた実環境にマッチしたモデリングやパラメータ推定も実現可能であり、制御性能の向上を図ることができる。また、本発明では、制御性能が劣化した場合に通知手段からシステムモデリング手段とシステム同定手段に制御性能の劣化を通知して、システムモデリング手段が制御系のモデルを再度選定して、システム同定手段がモデルパラメータを再度同定するようにしたので、ユーザが手動で再調整を指示したり、ユーザ自身がモデルやモデルパラメータの再調整を行ったりする必要がなくなる。また、制御対象となる機器に経年変化が生じた場合であっても、制御性能の劣化を回避することができる。 According to the present invention, since the model of the control system is selected by the system modeling means and the model parameter is identified by the system identification means, a load is not applied to the controller of the field side equipment. If a high-performance computer is used for the system modeling means and the system identification means, modeling and parameter estimation matching the real environment based on complex analysis can be realized, and control performance can be improved. Further, in the present invention, when the control performance is deteriorated, the notification means notifies the system modeling means and the system identification means of the deterioration of the control performance, and the system modeling means selects the control system model again, and the system identification means Since the model parameters are identified again, there is no need for the user to manually instruct readjustment or the user himself or herself to readjust the model or model parameters. In addition, even when a secular change occurs in the device to be controlled, it is possible to avoid deterioration in control performance.
また、本発明では、システムモデリング手段で選定されたモデルとシステム同定手段で同定されたモデルパラメータに基づいて制御演算手段のゲインを決定する。このゲインの決定を外部のコンピュータで行うようにすれば、コントローラの負荷を軽減することができる。 In the present invention, the gain of the control calculation unit is determined based on the model selected by the system modeling unit and the model parameter identified by the system identification unit. If the gain is determined by an external computer, the load on the controller can be reduced.
また、本発明では、システムモデリング手段で選定されたモデルとシステム同定手段で同定されたモデルパラメータに基づいて制御対象の観測値を推定する状態推定演算手段を設けることにより、制御対象の観測値を計測不能な場合や観測値がノイズに埋もれている場合であっても、観測値の推定値を算出して制御を行うことができる。また、この状態推定演算を外部のコンピュータで行うようにすれば、コントローラの負荷を軽減することができ、一方、状態推定演算をコントローラで行うようにすれば、コントローラと状態推定演算手段を接続するネットワークの負荷を軽減することができる。 In the present invention, the observation value of the controlled object is obtained by providing the state estimation calculating means for estimating the observed value of the controlled object based on the model selected by the system modeling means and the model parameter identified by the system identifying means. Even when measurement is impossible or when an observed value is buried in noise, control can be performed by calculating an estimated value of the observed value. If the state estimation calculation is performed by an external computer, the load on the controller can be reduced. On the other hand, if the state estimation calculation is performed by the controller, the controller and the state estimation calculation means are connected. Network load can be reduced.
[第1の実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施の形態に係る制御システムの構成を示すブロック図である。図1の制御システムは、制御対象のモデルやパラメータ及び現場側機器のコントローラのパラメータを推定するシステム決定装置1と、例えばヒータ等のアクチュエータ3を介して炉等の制御対象4を制御する現場側機器2と、システム決定装置1と現場側機器2とを接続するネットワーク5とから構成される。
[First Embodiment]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a control system according to the first embodiment of the present invention. The control system of FIG. 1 includes a
システム決定装置1は、高性能のコンピュータからなる。なお、システム決定装置1は、ネットワーク5を介して現場機器2と接続するサーバ機能を必要とし、さらにモデリングの際には様々なアプローチで分析を行うため、システム決定装置1を複数台のコンピュータに分けてもよい。
現場側機器2は、アクチュエータ3を介して制御対象4を制御するコントローラ20を有し、またユーザがコントローラ20に指示を与えたり、ネットワーク5を介してシステム決定装置1に指示を与えたりするためのユーザ登録用PCを有してもよい。
The
The field side device 2 includes a
図2は、システム決定装置1の構成例を示すブロック図である。システム決定装置1は、コントローラ20から送信されたデータを受信する受信手段10と、制御対象4を含む制御系のモデルを選定するシステムモデリング手段11と、モデルパラメータを同定するシステム同定手段12と、コントローラ20にプログラムやデータを送信する送信手段13とを有する。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of the
図3は、コントローラ20の構成例を示すブロック図である。コントローラ20は、制御出力uを算出する制御演算手段22と、制御出力uをヒータ等のアクチュエータ3に出力する制御出力手段23と、熱電対や測温抵抗体等のセンサの出力を受けるセンサ出力認識手段24と、システム決定装置1にデータを送信する送信手段25と、システム決定装置1から送信されたプログラムやデータを受信する受信手段26とを有する。センサ出力認識手段24は、制御性能が劣化したと判断したときに、システム決定装置1に制御性能の劣化を通知する通知手段を構成している。
ネットワーク5の例としては、例えばインターネットがある。
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of the
An example of the network 5 is the Internet, for example.
図4は図1の制御システムにおけるデータの推移を示す図である。コントローラ20のセンサ出力認識手段24は、制御対象4の応答である観測値(制御量)yを電流や電圧の形で図示しないセンサから受け取る。そして、センサ出力認識手段24は、送信手段25に観測値yを渡すと共に、モデル変化観測用センサ出力をモデル変化観測データとして送信手段25に渡す。
送信手段25は、観測値yとモデル変化観測データとをネットワーク5を介してシステム決定装置1に送信する。また、送信手段25は、後述のように制御演算手段22から制御出力uを受け取った場合は、この制御出力uをシステム決定装置1に送信する。
FIG. 4 is a diagram showing data transition in the control system of FIG. The sensor output recognition means 24 of the
The
システム決定装置1の受信手段10は、コントローラ20から送信された観測値y、制御出力uおよびモデル変化観測データを受信する。
システムモデリング手段11は、モデルの更新時に制御出力uと観測値yとの組からなる時系列データを収集する。そして、システムモデリング手段11は、アクチュエータ3と制御対象4とコントローラ20とからなる制御系の数式モデルとして、ユーザからの要求仕様にあったものを選定する。制御系のモデルの代表的なものとしては、伝達関数モデルや状態空間モデル、多項式モデル等があり、それぞれのモデルには様々なクラスが存在する。例えば、状態空間モデルでは、線形/非線形、確定系/確率系、むだ時間の有/無といったクラスが存在する。
The receiving means 10 of the
The
システム同定手段12は、収集した時系列データに基づいて、周知の手法により制御系のモデルのパラメータを同定する。例えば、状態空間モデルのパラメータ同定には、入出力データからマルコフパラメータあるいは伝達関数に変換し、最小実現を得る方法(文献「B.L.Ho and R.E.Kalman,Relelungstechnik,14-12,p.545-548,1966」、文献「L.Silverman,IEEE T-AC,16-6,p.554-567,1971」、文献「J.Rissanen,SIAM.J.on Control,9-3,p.420-43O,1971」参照)や、入出力データを用いて直接内部記述の最小実現を得る方法(文献「B.Gopinath,Bell System Tech.,48-5,p.1101-1113,1969」、文献「M.A.Budin,IEEE T-SMC,2-3,p.396-402,1972」参照)、部分空間法(文献「P.V.Overschee and B.D.Moor,Automatica,30-1,p.75-93,1994」参照)などがある。
Based on the collected time series data, the
システム決定装置1の送信手段は、システムモデリング手段11が選定した制御系の数式を表すモデルデータと、システム同定手段12が同定したモデルパラメータと、数式モデルに対応する制御演算プログラムとをネットワーク5を介してコントローラ20に送信する。
コントローラ20の受信手段26は、システム決定装置1から送信されたモデルデータとモデルパラメータと制御演算プログラムとを受信して制御演算手段22に渡す。
The transmission means of the
The receiving
制御演算手段22は、制御演算プログラムに従って、モデルデータとモデルパラメータとから周知の手法により制御パラメータ(コントローラゲイン)を決定する。コントローラゲインの導出方法及び制御出力の導出方法としては、確定系ではLQ制御則等があり、確率系ではLQG制御則等がある。 The control calculation means 22 determines a control parameter (controller gain) from the model data and model parameters by a known method according to the control calculation program. As a method for deriving a controller gain and a method for deriving a control output, there are an LQ control law and the like in a deterministic system, and an LQG control law and the like in a stochastic system.
また、制御演算手段22は、制御出力uを算出して制御出力手段23と送信手段25に渡す。PID制御は、コントローラのゲインであるP(比例帯)/I(積分時間)/D(微分時間)の3つのパラメータを調整することにより、理想の応答を実現するものである。PID制御では、フィードバック(閉ループ)系に限定されているが、ある種の2自由度PID制御系のように、調整パラメータ数を増やすことでコントローラの自由度を広げ、その拡張したパラメータを先見情報を意味するフィードフォワード(開ループ)要素として付加することも可能である。よく知られたPID制御のオートチューニング技術やセルフチューニング技術もモデルを限定したもとで性能を発揮する。本システムではシステム決定装置1でモデルを決定し、そのモデルに対してオートチューニング技術やセルフチューニング技術をプログラム化してコントローラに提供するため、個々のユーザに対して効果的なオートチューニング技術やセルフチューニング技術が提供できる。
Further, the control calculation means 22 calculates the control output u and passes it to the control output means 23 and the transmission means 25. In PID control, an ideal response is realized by adjusting three parameters of P (proportional band) / I (integration time) / D (differential time) which are gains of the controller. PID control is limited to a feedback (closed loop) system, but like a certain two-degree-of-freedom PID control system, the number of adjustment parameters is increased to increase the degree of freedom of the controller, and the expanded parameters are foreseeable information. It is also possible to add as a feed forward (open loop) element which means Well-known PID-controlled auto-tuning technology and self-tuning technology also perform well with limited models. In this system, the
モデルベースド制御は、コントローラ20から制御対象4に出力される制御出力uと、コントローラ20からシステム決定装置1に送信される制御出力uと、制御対象4からコントローラ20に出力される観測値yと、コントローラ20を経由してシステム決定装置1に送信される観測値yというデータの流れに基づいて行われる。制御系を詳細に把握するためにシステムモデリング手段11が必要である。システムモデリング手段11は、入出力関係が制御系と一致する数式モデルを選定することを目的としている。コントローラ20は、システム決定装置1で定められた制御系の所定の指標に対して最適なコントローラゲインを自動的に決定する。
In the model-based control, the control output u output from the
なお、独立成分分析に代表されるブラインド同定による制御系の同定手法が利用可能な制御システムの場合には、コントローラ20からシステム同定手段12に送信される制御出力uを必要とせずに観測値yのみでモデルパラメータの導出を行うことができる。
In the case of a control system in which a control system identification method using blind identification typified by independent component analysis can be used, the observation value y is not required without requiring the control output u transmitted from the
次に、本実施の形態の制御システムの処理の流れを説明する。
まず、システム決定装置1のシステムモデリング手段11は、予めコントローラ20から収集した時系列データに基づいて制御系の数式モデルを選定する。このモデルの選定は、制御システムを起動してから本運転に入るときと、コントローラ20から後述するモデル変化観測データが出力されたときに行われる。図5、図6はシステムモデリング手段11の動作を示すフローチャートである。
Next, the process flow of the control system of the present embodiment will be described.
First, the system modeling means 11 of the
システムモデリング手段11は、モデルリング要求があるかどうかを判定する(ステップS100)。システムモデリング手段11は、制御システムの起動時やコントローラ20からモデル変化観測データを受信したときにはモデルリング要求があると判断する。続いて、システムモデリング手段11は、制御系のモデルを作成し(ステップS101)、同定則を決定し(ステップS102)、時系列データとの整合性があるかどうかを判定する(ステップS103)。作成したモデルと同定則に時系列データとの整合性がある場合、システムモデリング手段11は、推定則を決定し(ステップS105)、推定要求を満たすかどうかを判定する(ステップS106)。また、ステップS103においてモデルと同定則に時系列データとの整合性がないと判定した場合、システムモデリング手段11は、他の同定則が存在するかどうかを判定し(ステップS104)、他の同定則が存在する場合はステップS102に戻り、他の同定則が存在しない場合はステップS101に戻ってモデルを再度作成する。
The
ステップS106において推定測が推定要求を満たすと判定した場合、システムモデリング手段11は、制御則を決定し(ステップS108)、制御要求を満たすかどうかを判定する(ステップS109)。また、ステップS106において推定測が推定要求を満たしていないと判定した場合、システムモデリング手段11は、他の推定則が存在するかどうかを判定し(ステップS107)、他の推定則が存在する場合はステップS105に戻り、他の推定則が存在しない場合はステップS101に戻る。
ステップS109において制御要求を満たすと判定した場合、制御系の数式モデルの選定が完了し、モデルデータが作成される(ステップS111)。また、ステップS109において制御要求を満たしていないと判定した場合、システムモデリング手段11は、他の制御則が存在するかどうかを判定し(ステップS110)、他の制御則が存在する場合はステップS108に戻り、他の制御則が存在しない場合はステップS101に戻る。
次に、システムモデリング手段11は、コントローラ20がモデルパラメータの同定演算を行う場合は(ステップS112においてYES)、コントローラ用同定プログラムを作成する(ステップS113,S114)。また、システムモデリング手段11は、コントローラ20が後述する状態推定演算を行う場合は(ステップS115においてYES)、コントローラ用推定プログラムを作成する(ステップS116,S117)。
When it is determined in step S106 that the estimated measurement satisfies the estimation request, the
If it is determined in step S109 that the control request is satisfied, the selection of the mathematical model for the control system is completed and model data is created (step S111). If it is determined in step S109 that the control request is not satisfied, the
Next, the system modeling means 11 creates a controller identification program (steps S113 and S114) when the
さらに、システムモデリング手段11は、コントローラ20が制御演算を行う場合は(ステップS118においてYES)、コントローラ用の制御演算プログラムを作成する(ステップS119,S120)。以上で、システムモデリング手段11の動作が終了する。
Furthermore, when the
次に、システム決定装置1のシステム同定手段12は、収集した時系列データに基づいてモデルパラメータを同定する。図7はシステム同定手段12の動作を示すフローチャートである。システム同定手段12は、モデルパラメータの同定要因があるかどうかを判定する(ステップS200)。同定要因がある場合、システム同定手段12は、コントローラ20がモデルパラメータの同定を行うかどうかを判定する(ステップS201)。
Next, the
コントローラ20がモデルパラメータの同定を行わない場合、システム同定手段12は、モデル変化要因が存在するかどうかを判定する(ステップS202)。システム同定手段12は、制御システムの起動時やコントローラ20からモデル変化観測データを受信したときにはモデル変化要因が存在すると判断する。そして、システム同定手段12は、モデルパラメータを同定する(ステップS203,S204)。以上で、システム同定手段12の動作が終了する。
When the
システム決定装置1の送信手段13は、モデルデータ、モデルパラメータ、コントローラ用同定プログラム、コントローラ用推定プログラム、及びコントローラ用制御演算プログラムをネットワーク5を介してコントローラ20に送信する。
The transmission means 13 of the
次に、コントローラ20の制御演算手段22の動作について説明する。図8は制御演算手段22の動作を示すフローチャートである。制御演算手段22は、制御パラメータの導出を行うかどうかを判定し(ステップS300)、導出を行う場合は、システム決定装置1から送信されたモデルデータとモデルパラメータとコントローラ用制御演算プログラムに従って制御パラメータを周知の手法により求める(ステップS301,S302)。制御演算手段22は、導出した制御パラメータを自身に対して設定する。
Next, the operation of the control calculation means 22 of the
続いて、制御演算手段22は、制御演算を行う必要があるかどうかを判定し(ステップS303)、制御演算を行う必要がある場合は、制御対象4の観測値yが目標設定値に一致するように制御出力uを算出し(ステップS304)、算出した制御出力uを制御出力手段23と送信手段25に渡す(ステップS305)。
制御出力手段23は、制御演算手段22が算出した制御出力uを電圧や電流の形でアクチュエータ3に出力する。送信手段25は、制御出力uをネットワーク5を介してシステム決定装置1に送信する。
Subsequently, the control calculation means 22 determines whether or not it is necessary to perform control calculation (step S303), and when it is necessary to perform control calculation, the observed value y of the
The control output means 23 outputs the control output u calculated by the control calculation means 22 to the
以上の動作全体をまとめたフローチャートを図9に示す。図9のステップS400がシステムモデリング手段11の動作、ステップS401がシステム同定手段12の動作、ステップS402,S404が制御演算手段22の動作である。
コントローラ20のセンサ出力認識手段24は、図示しないセンサから制御対象4の観測値yを受け取って制御演算手段22と送信手段25に渡す(図9ステップS403)。送信手段25は、観測値yをネットワーク5を介してシステム決定装置1に送信する。
前述のとおり、制御演算手段22は制御出力uを算出して、算出した制御出力uを制御出力手段23と送信手段25に渡す(ステップS404)。
A flowchart summarizing the entire operation is shown in FIG. 9 is the operation of the
The sensor
As described above, the
次に、コントローラ20のセンサ出力認識手段24は、制御性能に劣化が生じたか否かを判定し(ステップS405)、制御性能に劣化が生じたと判断した場合には、モデル変化観測データを送信手段25に渡す。送信手段25は、モデル変化観測データをネットワーク5を介してシステム決定装置1に送信する(ステップS406)。制御性能が劣化したか否かは、モデルの同定や制御対象4の制御には直接必要としないモデル変化観測用センサの観測値を用いて判断することができる。このモデル変化観測用センサについては後述する。
Next, the sensor
コントローラ20は、制御性能に劣化がない場合は、例えばユーザから制御の終了を指示されるまで(ステップS407においてYES)、ステップS403〜S405の処理をサンプリング毎に繰り返し行う。
システム決定装置1は、コントローラ20からモデル変化観測データを受信した場合は、ステップS400(図5のS100)に戻る。
If there is no deterioration in the control performance, the
When the model determination observation data is received from the
以上のように、本実施の形態では、制御系の数式モデルとモデルパラメータとをシステム決定装置1で同定するため、現場側機器2に負荷をかけることがなくなる。また、本実施の形態では、制御対象4に変化が生じた場合にコントローラ20からシステム決定装置1にモデル変化観測データを送信して、システム決定装置1がモデルとモデルパラメータを自動的に再調整するようにしたので、ユーザが手動で再調整を指示する必要がなくなる。また、制御対象となる機器に経年変化が生じた場合であっても、制御性能の劣化を回避することができる。
As described above, in this embodiment, the
[第2の実施の形態]
同定したモデルと実際の制御系との誤差が許容範囲内に納まる場合には、モデルを用いて状態を推定すること、すなわち制御対象4の観測値yを推定することができる。状態推定を行うことにより、計測不能な制御対象4の観測値yを擬似的に生成することができる。また、実際の観測値yがノイズに埋もれている場合に、モデリングにおいて確定系では覆いきれない不確定現象は、確率系の統計的特性を持つノイズとして扱いカルマン(Kalman)フィルタ等を用いることで観測値yを擬似的に生成することができる。また、カルマンフィルタを用いる場合では、推定演算過程で誤差共分散が得られる。この値は推定誤差の指標として用いることができるため、システム動作中にこの値がある閾値を超えたら、同定要因を発生させ、モデルパラメータの再同定を行うようにもできる。例えば炉で加熱する加熱対象に温度センサを取り付けられない場合には、状態推定を行うことにより、加熱対象の温度を推定することができる。
[Second Embodiment]
When the error between the identified model and the actual control system falls within the allowable range, the state can be estimated using the model, that is, the observation value y of the controlled
本実施の形態においても制御システム全体の構成は第1の実施の形態と同様であるので、図1の符号を用いて説明する。図10は本実施の形態のシステム決定装置1の構成例を示すブロック図である。本実施の形態のシステム決定装置1は、第1の構成に対して状態推定演算手段14を追加したものである。
Also in the present embodiment, the configuration of the entire control system is the same as that of the first embodiment, and therefore, description will be made using the reference numerals in FIG. FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration example of the
図11は本実施の形態の制御システムにおけるデータの推移を示す図である。状態推定は、システムモデリング手段11で選定された制御系のモデルと、システム同定手段12で同定されたモデルパラメータと、コントローラ20から送信された制御出力u及び観測値yに基づいて行われる。ただし、制御対象4の観測値yを計測できるのは、システム同定時のみなので、本運転時は観測値yの代わりに、観測値yと関連する別の観測値を用いることになる。別の観測値としては、例えば加熱対象を炉で加熱する場合、ヒータの温度や炉内の温度を使用することができる。
FIG. 11 is a diagram showing data transition in the control system of the present embodiment. The state estimation is performed based on the control system model selected by the
状態推定演算手段14は、観測値yの推定値y’を送信手段13に渡す。送信手段13は、推定値y’をネットワーク5を介してコントローラ20に送信する。状態推定演算手段14としては、制御系のモデルの決定において確率モデルを選択した場合には、周知のカルマンフィルタに代表される状態推定器を利用することができる。また、制御系のモデルの決定において確定モデルを選択した場合には、ルーエンバーガー(Luenberger)のオブザーバ等の状態観測器を利用することができる。状態推定器、状態観測器ともに非線形系に対するものも多く存在している。
The state
コントローラ20の制御演算手段22は、第1の実施の形態と同様に制御パラメータを決定し、システム決定装置1から送信された観測値yの推定値y’に応じて制御出力uを算出し、算出した制御出力uを制御出力手段23と送信手段25に渡す。なお、推定と制御は分離して実行できるため、制御手法と推定手法とは独立して決定できる。
The control calculation means 22 of the
次に、本実施の形態の制御システムの処理の流れを説明する。図12は本実施の形態の制御システムの全体の動作を示すフローチャートであり、図9と同一の処理には同一の符号を付してある。
まず、システム決定装置1のシステムモデリング手段11は、第1の実施の形態と同様に制御系の数式モデルを選定する(図12ステップS400、図5、図6のステップS100〜S120)。ただし、本実施の形態では、制御対象4の観測値yを計測できないことを想定しているので、モデルの選定時には時系列データを取得できるようにすることが必要である。例えば加熱対象を炉で加熱する場合は、モデリングおよびモデルパラメータ同定時に試験用の加熱対象に温度センサを取り付けて、炉で試験的に加熱処理し、観測値y(加熱対象の温度)を取得することが必要となる。
Next, the process flow of the control system of the present embodiment will be described. FIG. 12 is a flowchart showing the overall operation of the control system of the present embodiment, and the same processes as those in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals.
First, the system modeling means 11 of the
システム決定装置1のシステム同定手段12によるモデルパラメータの同定(ステップS401)と、コントローラ20の制御演算手段22による制御パラメータの決定(ステップS402)の処理は、第1の実施の形態と同じである。
The process of the model parameter identification (step S401) by the
次に、状態推定演算手段14は、状態推定器の推定則パラメータ(推定ゲイン)を決定する(ステップS408)。図示しない計測手段は、観測値yの代わりに計測可能な推定用観測値としてヒータ33の温度やヒートシンク34の温度を計測する(ステップS409)。そして、状態推定演算手段14は、制御対象4の観測値yの推定値y’を算出する(ステップS410)。図13は状態推定演算手段14の動作を示すフローチャートである。まず、状態推定演算手段14は、コントローラ20が推定則パラメータの導出を行うかどうかを判定し(ステップS500)、コントローラ20が導出を行わない場合、制御出力uと観測値yの時系列データとモデルデータ及びモデルパラメータに基づいて、推定則パラメータを導出する(ステップS501,S502)。推定則パラメータを導出する際には、モデル選定やモデルパラメータ同定の場合と同様に、観測値yを一時的に取得できるようにすることが必要である。
Next, the state
続いて、状態推定演算手段14は、コントローラ20が状態推定演算を行うかどうかを判定し(ステップS503)、コントローラ20が状態推定演算を行わない場合、観測値yの代わりに計測可能な推定用観測値と制御出力uに基づいて制御対象4の観測値yの推定値y’を算出し(ステップS504)、算出した推定値y’を送信手段13に渡す(ステップS505)。送信手段13は、観測値y’をネットワーク5を介してコントローラ20に送信する。
Subsequently, the state estimation calculation means 14 determines whether or not the
コントローラ20の制御演算手段22は、制御対象4の観測値yの推定値y’が目標設定値に一致するように制御出力uを算出して、算出した制御出力uを制御出力手段23と送信手段25に渡す(図12ステップS411)。このコントローラ20の動作は、観測値yの代わりに推定値y’を用いる以外は第1の実施の形態で説明したとおりである。制御出力手段23は、制御演算手段22が算出した制御出力uを電圧や電流の形でアクチュエータ3に出力し、送信手段25は、制御出力uをネットワーク5を介してシステム決定装置1に送信する。なお、本運転時の最初のサンプリングでは、状態推定演算手段14が推定値y’を算出することができないので、初期推定値等の予め設定された初期値を使用することになる。
The control calculation means 22 of the
ステップS405〜S407の処理は第1の実施の形態と同じである。制御演算手段22と状態推定演算手段14は、制御対象4に変化がない場合は、ユーザから制御の終了を指示されるまで(ステップS407においてYES)、ステップS409,S410,S411,S405の処理をサンプリング毎に繰り返し行う。
システム決定装置1は、コントローラ20からモデル変化観測データを受信した場合は、ステップS400(図5のS100)に戻る。
The processing in steps S405 to S407 is the same as that in the first embodiment. If there is no change in the
When the model determination observation data is received from the
本実施の形態では、第1の実施の形態と同じ効果を得ることができ、また状態推定演算手段14を設けたことにより、制御対象4の観測値yを計測不能な場合であっても、観測値yの推定値y’を算出して制御を行うことができる。
In the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and even if the observation value y of the controlled
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第2の実施の形態の具体例を説明するものである。ここでは、ヒータパワーを制御することで、加熱対象を設定温度で一定時間加熱したい場合を考える。加熱対象の温度は計測できないものとし、ヒータの温度と加熱対象の温度との間には、数式で記述可能な関係はあるとする。このような場合には、加熱対象の温度を精度よく推定し、その推定温度を設定温度に等しくなるようにヒータパワーを制御することが可能である。本実施の形態では、制御対象のモデルを線形時不変システムとし、加熱対象の推定温度が設定温度と等しくなるようにヒータパワーを制御する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, a specific example of the second embodiment will be described. Here, let us consider a case where it is desired to heat a heating target at a set temperature for a certain period of time by controlling the heater power. It is assumed that the temperature of the heating target cannot be measured, and there is a relationship that can be described by a mathematical formula between the temperature of the heater and the temperature of the heating target. In such a case, it is possible to accurately estimate the temperature of the heating target and control the heater power so that the estimated temperature becomes equal to the set temperature. In the present embodiment, the model of the control target is a linear time-invariant system, and the heater power is controlled so that the estimated temperature of the heating target becomes equal to the set temperature.
図14は本実施の形態に係る制御システムの構成を示すブロック図であり、図1と同様の構成には同一の符号を付してある。図14において、30は加熱対象、31は炉、32は加熱対象30を載せる熱板、33は熱板32に取り付けられたヒータ(アクチュエータ3)、34はヒートシンク(排熱ファン)、35はヒータ32に取り付けられた温度センサである熱電対、36はヒートシンク34に取り付けられた熱電対である。
FIG. 14 is a block diagram showing the configuration of the control system according to the present embodiment, and the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In FIG. 14, 30 is a heating target, 31 is a furnace, 32 is a hot plate on which the
図14の制御システムにおけるデータの流れは図11と同じである。ただし、制御対象4の観測値y(加熱対象30の温度)を計測できるのは、システム同定時のみなので、本運転時は観測値yの代わりに、観測値yと関係がある別の推定用観測値として、ヒータ33の温度とヒートシンク34の温度を用いる。
まず、制御系の数式モデルについて説明する。ここでは、システムモデルとして線形1階差分型を考える。状態方程式は、式(1)のように表現される。
The data flow in the control system of FIG. 14 is the same as that of FIG. However, since the observation value y of the control object 4 (temperature of the heating object 30) can be measured only at the time of system identification, during the actual operation, instead of the observation value y, another estimation is related to the observation value y. As observation values, the temperature of the heater 33 and the temperature of the heat sink 34 are used.
First, the mathematical model of the control system will be described. Here, a linear first-order differential type is considered as a system model. The state equation is expressed as equation (1).
x(・)は3行×1列の状態ベクトル、u(・)はスカラ量の制御出力、Aは3行×3列のシステム行列(熱伝達係数)、Bは3行×1列の駆動行列(ヒータパワー変換効率係数)である。観測方程式は、式(2)に示すように熱電対の起電力をセンサ出力認識手段24で変換した温度値であるとする。 x (•) is a state vector of 3 rows × 1 column, u (•) is a control output of scalar quantity, A is a system matrix (heat transfer coefficient) of 3 rows × 3 columns, and B is a drive of 3 rows × 1 column. It is a matrix (heater power conversion efficiency coefficient). The observation equation is assumed to be a temperature value obtained by converting the electromotive force of the thermocouple by the sensor output recognition means 24 as shown in the equation (2).
y(・)は3行×1列の観測ベクトル、TH(・)はスカラ量のヒータ温度、TO(・)はスカラ量の加熱対象温度、TS(・)はスカラ量のヒートシンク温度である。ただし、式(2)において式(3)が成立するものとする。 y (•) is the observation vector of 3 rows × 1 column, T H (•) is the heater temperature of the scalar amount, T O (•) is the heating target temperature of the scalar amount, and T S (•) is the heat sink temperature of the scalar amount. It is. However, in Formula (2), Formula (3) shall be materialized.
次に、システム決定装置1のシステム同定手段12が行うモデルパラメータの同定について説明する。式(1)、式(2)で示した状態空間モデルのモデルパラメータ同定には、入出力データからマルコフパラメータあるいは伝達関数に変換し、最小実現を得る方法(文献「B.L.Ho and R.E.Kalman,Relelungstechnik,14-12,p.545-548,1966」、文献「L.Silverman,IEEE T-AC,16-6,p.554-567,1971」、文献「J.Rissanen,SIAM.J.on Control,9-3,p.420-43O,1971」参照)や、入出力データを用いて直接内部記述の取小実現を得る方法(文献「B.Gopinath,Bell System Tech.,48-5,p.1101-1113,1969」、文献「M.A.Budin,IEEE T-SMC,2-3,p.396-402,1972」参照)、部分空間法(文献「P.V.Overschee and B.D.Moor,Automatica,30-1,p.75-93,1994」参照)などがある。ここでは、Gopinathが提案した入出力データを用いて直接内部記述の最小実現を得る方法を説明する。まず、式(1)は式(4)のように表現できる。
Next, model parameter identification performed by the
式(4)の両辺に式(5)の行列をかけて、k=1からNまでの総和をとると、式(6)が得られる。 When the matrix of equation (5) is applied to both sides of equation (4) and the sum from k = 1 to N is taken, equation (6) is obtained.
[A B]にかかる行列が正則であれば、逆行列が存在し、[A B]の解が得られ、モデルパラメータを求めることができる。本例では、制御出力u(k)がシステムのモードを励起するのに十分であれば、N=3で[A B]にかかる行列を正則にできるが、通常動作に用いる制御出力を用いる場合には、N>3に選ぶ必要がある。よって、求めるモデルパラメータ[A B]は、式(7)のように得ることができる。 If the matrix related to [A B] is regular, an inverse matrix exists, a solution of [A B] is obtained, and a model parameter can be obtained. In this example, if the control output u (k) is sufficient to excite the mode of the system, the matrix over [A B] can be regularized with N = 3, but the control output used for normal operation is used. Therefore, it is necessary to select N> 3. Therefore, the model parameter [A B] to be obtained can be obtained as in Expression (7).
以上で述べたモデルパラメータの同定には、加熱対象30の温度TOを観測値として取得する必要があるが、本実施の形態では、加熱対象30の温度TOを観測できないとしているので、モデルパラメータの同定時の加熱対象30の温度TOとしては、試験用の加熱対象に温度センサを取り付けて、この加熱対象を炉31で試験的に加熱処理して取得したものを用いる。
In order to identify the model parameter described above, it is necessary to acquire the temperature T O of the
次に、システム決定装置1の状態推定演算手段14が行う状態推定について説明する。本実施の形態では、モデルパラメータの同定時またはメンテナンス時を除いて、本運転時は加熱対象30の温度を直接取得できないとしている。また、制御においては、目標とする温度推移(目標昇温軌道)は、加熱対象30に関して定められている。よって、制御においては加熱対象30の温度を必要とするため、加熱対象30の温度の推定値を導出する必要がある。システム同定手段12が求めたモデルパラメータと制御出力u(k)のデータによって式(1)から状態ベクトルを求めることもできるが、この方法では、利用できるセンサ観測値による推定値の補正ができないため、精度の良い推定結果は期待できない。そこで、本実施の形態では、推定したい観測値と関係する別の観測値によって推定値を補正することを考慮したオブザーバを用いた例として、同一次元オブザーバを使用した場合について説明する。
Next, state estimation performed by the state
状態方程式は式(1)であり、観測方程式は、式(8)に示すようにヒータ33とヒートシンク34に設置した熱電対35,36の起電力の温度変換直値であるとする。 The equation of state is equation (1), and the observation equation is assumed to be the temperature conversion direct value of the electromotive force of the thermocouples 35 and 36 installed in the heater 33 and the heat sink 34 as shown in equation (8).
Cは2行×3列の観測行列であり、式(9)のように表されるものとする。 C is an observation matrix of 2 rows × 3 columns, and is expressed as in Equation (9).
推定モデルとして、式(1)に示したシステムと同一次元の式(10)のようなシステムを考える。 As an estimation model, consider a system such as equation (10) that has the same dimensions as the system shown in equation (1).
ハットx(・)は3行×1列の状態推定ベクトル(以下、同様に文字上に付した「∧」をハットと呼ぶ)、Kは3行×2列の推定ゲインである。式(10)に示す推定モデルの式から式(1)の状態方程式を引くことで、推定誤差e(k+1)を求めると、式(11)が得られる。 Hat x (•) is a state estimation vector of 3 rows × 1 column (hereinafter, “∧” appended on the character is also called a hat), and K is an estimation gain of 3 rows × 2 columns. When the estimation error e (k + 1) is obtained by subtracting the state equation of Expression (1) from the expression of the estimation model shown in Expression (10), Expression (11) is obtained.
よって、行列{A−KC}の固有値が任意に設定できるならば、式(12)が達成できる。 Therefore, if the eigenvalues of the matrix {A-KC} can be arbitrarily set, Expression (12) can be achieved.
すなわち、推定誤差が0となる状態観測器が構成できることになる。これは、本実施の形態において(C,A)が可観測のときに可能である。前述のモデルパラメータ同定手法を用いている場合のほとんどで(C,A)は可観測であると仮定してよい。よって、本実施の形態においては、3次のモデルであるので、行列式|zI−A+KC|の極を複素平面の単位円内に3点選んだときの行列Kを式(10)に適用することで同一次元オブザーバを構成することができる。本実施の形態では、制御系のモデルとして確定系を対象としたが、式(1)の状態ベクトル、式(8)の観測ベクトルがガウシアンノイズに乱されているという状況では、カルマンフィルタ(文献「R.E.Kalman,Trans.ASMEJ.Basic Eng,82D-1,p.35-45,1960」参照)を用いる場合もある。 That is, a state observer with an estimation error of 0 can be configured. This is possible when (C, A) is observable in the present embodiment. It can be assumed that (C, A) is observable in most cases where the above-described model parameter identification method is used. Therefore, in the present embodiment, since it is a third-order model, the matrix K when three poles of the determinant | zI−A + KC | are selected in the unit circle of the complex plane is applied to the expression (10). Thus, the same dimensional observer can be configured. In the present embodiment, a deterministic system is targeted as a control system model. However, in a situation where the state vector of Expression (1) and the observation vector of Expression (8) are disturbed by Gaussian noise, the Kalman filter (reference “ REKalman, Trans. ASME. Basic Eng, 82D-1, p. 35-45, 1960 ") may be used.
次に、コントローラ20の制御演算手段22が行う制御について説明する。システム同定手段12が求めたシステム行列A及び駆動行列Bと式(9)で導入した観測行列Cを用いて、式(1)の状態方程式と式(8)の観測方程式を構成する。ここでは、任意の時間関数を目標値として、加熱対象30の温度推定値をその目標値に追従させる制御問題について述べる。式(13)の2次形式評価関数Jを最小化するようなフィードバック制御則を与えることがここでの目的である。
Next, control performed by the
r(・)は3行×1列の既知の目標軌道ベクトル、QFは3行×3列の既知の状態終端重み付け行列、Qは3行×3列の既知の状態重み付け行列、Rは1行×1列の既知の制御出力重み付け係数である。以下では、このようなフィードバック制御則の導出方法について説明する。
式(14)の関係を用いることで、式(15)の関係が得られる。
r (·) is a known target trajectory vector of 3 rows × 1 column, Q F is a known state termination weighting matrix of 3 rows × 3 columns, Q is a known state weighting matrix of 3 rows × 3 columns, R is 1 It is a known control output weighting factor of row × 1 column. Hereinafter, a method for deriving such a feedback control law will be described.
By using the relationship of Formula (14), the relationship of Formula (15) is obtained.
また、任意の時間関数q(k)において式(16)の関係を用いることで、式(17)の関係が得られる。 Moreover, the relationship of Formula (17) is obtained by using the relationship of Formula (16) in arbitrary time functions q (k).
式(13)に式(15)と式(17)を2倍したものを加えると、式(18)、式(19)のようにできる。 If a formula obtained by doubling the formula (15) and the formula (17) is added to the formula (13), the formulas (18) and (19) can be obtained.
よって、式(19)を最小化する制御出力u(k)は、式(20)のようになる。 Therefore, the control output u (k) that minimizes the equation (19) is expressed by the equation (20).
ここで、式(19)を最小化するP(k)とP(N+1)及び時間関数q(k)とq(k+1)も以下のようになることが分かる。 Here, it can be seen that P (k) and P (N + 1) and time functions q (k) and q (k + 1) that minimize Equation (19) are as follows.
以上により、時点kにおける最適な制御出力u(k)は、式(20)〜式(24)の終端時点Nからのバックワード計算により求めることができる。 As described above, the optimum control output u (k) at the time point k can be obtained by backward calculation from the end point N in the equations (20) to (24).
本実施の形態の制御システムの処理の流れは第2の実施の形態と同様であるので、図12を用いて制御システムの動作を説明する。
最初に、コントローラユーザは、ユーザ登録用PC21を操作して、装置動作環境、制御性能、推定性能等の要求を入力する。この入力は、システム決定装置1のWebサーバ機能としてWeb画面が予め用意され、ユーザがブラウザから入力する方法でも良いし、パソコンツールのようなものから入力を実施しても良い。本実施の形態では、要求したい制御性能として、昇温立上り時間、オーバーシュート許容量、過渡状態許容偏差範囲、定常状態許容偏差範囲、および制御出力許容量を入力し、要求したい推定性能として、過渡状態推定温度の許容誤差範囲、および定常状態推定温度の許容誤差範囲を入力するものとする。
Since the processing flow of the control system of this embodiment is the same as that of the second embodiment, the operation of the control system will be described with reference to FIG.
First, the controller user operates the
続いて、コントローラユーザは、入力した要求内容をユーザ登録用PC21からシステム決定装置1に送信する。このとき、ユーザ登録用PC21がすでにネットワーク5に接続されており、ネットワーク5を介してシステム決定装置1にデータを送ることができる状態になっていることは言うまでもない。システム決定装置1は、受信した要求内容を記憶する。
Subsequently, the controller user transmits the input request content from the
次に、コントローラユーザは、試験用の加熱対象に温度センサを取り付けて、この加熱対象を炉31に入れる。そして、ユーザは、ユーザ登録用PC21からコントローラ20に指示を与えて時系列データ取得のための試験を開始させる。ユーザ登録用PC21からの指示を受けたコントローラ20は、ネットワーク5を介して制御出力uをシステム決定装置1から受け取り、この制御出力uをヒータ33に出力する。このとき、システム決定装置1は、ユーザから要求された前記制御出力許容量内の制御出力uを試験用に生成してコントローラ20に送信する。
Next, the controller user attaches a temperature sensor to the test heating target and places the heating target in the furnace 31. Then, the user gives an instruction to the
コントローラ20は、制御出力uと試験用加熱対象の温度とヒータ33の温度とヒートシンク34の温度との組からなる時系列データをネットワーク5を介してシステム決定装置1に送信する。データは逐次送るようにしても良いし、いったんコントローラ20に格納した後に一定時間分を一括して送るようにしてもよい。
The
次に、本運転に入る前に、システム決定装置1のシステムモデリング手段11は、第1の実施の形態と同様に制御系のモデルを選定し(図12ステップS400)、さらにシステム同定手段12は、モデルパラメータを同定する(ステップS401)。
システム決定装置1の状態推定演算手段14は、推定則パラメータを決定する(ステップS408)。
Next, before entering the actual operation, the
The state
次に、コントローラユーザが加熱対象30が炉31に入れて、本運転が開始されると、システム決定装置1の状態推定演算手段14は、制御対象4の観測値yの推定値y’(加熱対象30の推定温度)を算出し、この推定値y’をネットワーク5を介してコントローラ20に送信する(ステップS410)。
コントローラ20の制御演算手段22は、制御出力uを算出して制御対象4に出力すると共にネットワーク5を介してシステム決定装置1に送信する(ステップS411)。ステップS405〜S407の処理は第1の実施の形態と同じである。
Next, when the controller user puts the
The control calculation means 22 of the
ここで、制御性能に劣化が生じたか否かを判定するためのモデル変化観測用センサについて説明する。本実施の形態の制御システムでは、例えばヒータ33の内部の圧力を計測する圧力センサをモデル変化観測用センサとする。炉31のシャッターが閉まり密閉された時のヒータ33の内部の圧力が変化すれば、当然ヒータ33からヒートシンク34への熱移動に変化が生じるため、モデルあるいはモデルパラメータを更新しなくては、精度よい制御や状態推定はできなくなる。そこで、センサ出力認識手段24は、モデル変化観測用センサの出力の変化が所定のしきい値以上の場合、制御性能に劣化が生じたと判断し、モデル変化観測データを送信する。
Here, a model change observation sensor for determining whether or not the control performance has deteriorated will be described. In the control system of the present embodiment, for example, a pressure sensor that measures the pressure inside the heater 33 is a model change observation sensor. If the pressure inside the heater 33 when the shutter of the furnace 31 is closed and sealed changes, the heat transfer from the heater 33 to the heat sink 34 naturally changes, so the model or model parameters must be updated. Good control and state estimation will not be possible. Therefore, when the change in the output of the model change observation sensor is equal to or greater than a predetermined threshold, the sensor
[第4の実施の形態]
第1〜第3の実施の形態では、システム同定手段をシステム決定装置1に設けているが、システム同定手段をコントローラ20に設けるようにしてもよい。図15は本実施の形態のコントローラ20の構成例を示すブロック図である。本実施の形態においても制御システム全体の構成は第1の実施の形態と同様であるので、図1の符号を用いて説明する。図16は本実施の形態の制御システムにおけるデータの推移を示す図である。
[Fourth Embodiment]
In the first to third embodiments, the system identification unit is provided in the
システム同定手段27は、システム決定装置1から送信されたコントローラ用同定プログラムに従って、第1の実施の形態のシステム同定手段12と同様に制御出力uと観測値yとからモデルパラメータを同定する。図17はシステム同定手段27の動作を示すフローチャートである。
The
システム同定手段27は、コントローラ20がモデルパラメータの同定を行うかどうかを判定し(ステップS600)、モデルパラメータ同定を行う場合、モデル変化要因が存在するかどうかを判定する(ステップS601)。システム同定手段27は、制御システムの起動時やモデル変化観測データが発生したときにはモデル変化要因が存在すると判断する。そして、システム同定手段27は、モデルパラメータを同定し(ステップS602)、同定したモデルパラメータを制御演算手段22に設定する(ステップS603)。以上で、システム同定手段27の動作が終了する。なお、システム同定手段27がモデルパラメータの同定を行う場合は、図7のステップS201で判定YESとなり、システム同定手段12はモデルパラメータの同定を行わないことは言うまでもない。
The
その他の動作は第1の実施の形態と同じである。なお、システム同定手段27は、第2、第3の実施の形態に対しても容易に適用可能である。
Other operations are the same as those in the first embodiment. The
[第5の実施の形態]
第1〜第3の実施の形態では、制御演算手段をコントローラ20に設けているが、制御演算手段をシステム決定装置1に設けるようにしてもよい。図18は本実施の形態のシステム決定装置1の構成例を示すブロック図である。本実施の形態においても制御システム全体の構成は第1の実施の形態と同様であるので、図1の符号を用いて説明する。図19は本実施の形態の制御システムにおけるデータの推移を示す図である。
[Fifth Embodiment]
In the first to third embodiments, the control calculation means is provided in the
制御演算手段15は、制御演算プログラムに従ってモデルデータとモデルパラメータとから制御パラメータを決定し、また制御出力uを算出する。図20は制御演算手段15の動作を示すフローチャートである。制御演算手段15は、コントローラ20が制御パラメータの導出を行うかどうかを判定し(ステップS700)、コントローラ20が制御パラメータの導出を行わない場合は、モデルデータとモデルパラメータと制御演算プログラムに従って制御パラメータ求める(ステップS701,S702)。制御演算手段15は、導出した制御パラメータを自身に対して設定する。
The control calculation means 15 determines the control parameter from the model data and the model parameter according to the control calculation program, and calculates the control output u. FIG. 20 is a flowchart showing the operation of the control calculation means 15. The control calculation means 15 determines whether or not the
続いて、制御演算手段15は、コントローラ20が制御演算を行うかどうかを判定し(ステップS703)、コントローラ20が制御演算を行わない場合は、コントローラ20から送信された観測値yが目標設定値に一致するように制御出力uを算出し(ステップS704)、算出した制御出力uを送信手段13に渡す(ステップS705)。送信手段13は、制御出力uをネットワーク5を介してコントローラ20に送信する。コントローラ20の受信手段26は、制御出力uを制御出力手段23に渡す。
Subsequently, the control calculation means 15 determines whether or not the
制御演算手段15が制御パラメータの導出と制御演算を行う場合は、図8のステップS300,S303で判定N0となり、制御演算手段22は制御パラメータの導出と制御演算を行わないことは言うまでもない。
その他の動作は第1の実施の形態と同じである。なお、制御演算手段15は、第2、第3の実施の形態に対しても容易に適用可能である。
When the control calculation means 15 performs control parameter derivation and control calculation, it goes without saying that the determination N0 is made in steps S300 and S303 in FIG. 8, and the control calculation means 22 does not perform control parameter derivation and control calculation.
Other operations are the same as those in the first embodiment. The control calculation means 15 can be easily applied to the second and third embodiments.
[第6の実施の形態]
第2、第3の実施の形態では、状態推定演算手段をシステム決定装置1に設けているが、状態推定演算手段をコントローラ20に設けるようにしてもよい。図21は本実施の形態のコントローラ20の構成例を示すブロック図である。本実施の形態においても制御システム全体の構成は第1の実施の形態と同様であるので、図1の符号を用いて説明する。図22は本実施の形態の制御システムにおけるデータの推移を示す図である。
[Sixth Embodiment]
In the second and third embodiments, the state estimation calculation means is provided in the
状態推定演算手段28は、状態推定器の推定則パラメータ(推定ゲイン)を決定し、制御対象4の観測値yの推定値y’を算出する。図23は状態推定演算手段28の動作を示すフローチャートである。まず、状態推定演算手段28は、コントローラ20が推定則パラメータの導出を行うかどうかを判定し(ステップS800)、コントローラ20が導出を行う場合、制御出力uと観測値yの時系列データと、システム決定装置1から送信されたモデルデータ及びモデルパラメータに基づいて、推定則パラメータを導出する(ステップS801,S802)。推定則パラメータを導出する際には、モデル選定やモデルパラメータ同定の場合と同様に、観測値yを一時的に取得できるようにすることが必要である。
The state
続いて、状態推定演算手段28は、コントローラ20が状態推定演算を行うかどうかを判定し(ステップS803)、コントローラ20が状態推定演算を行う場合、観測値yの代わりに計測可能な推定用観測値と制御出力uに基づいて制御対象4の観測値yの推定値y’を算出し(ステップS804)、算出した推定値y’を制御演算手段22と送信手段25に渡す。送信手段25は、観測値y’をネットワーク5を介してシステム決定装置1に送信する。
Subsequently, the state estimation calculation means 28 determines whether or not the
状態推定演算手段28が推定則パラメータの導出と状態推定演算を行う場合は、図13のステップS500,S503で判定YESとなり、状態推定演算手段14は推定則パラメータの導出と状態推定演算を行わないことは言うまでもない。その他の動作は第2、第3の実施の形態と同じである。
When the state
なお、第1〜第6の実施の形態では、モデル変化観測用センサの出力を基に制御性能が劣化したか否かを判断しているが、状態推定演算手段を用いる第2、第3、第6の実施の形態では、試験用の加熱対象に温度センサを取り付けて、炉で試験的に加熱処理し、観測値y(加熱対象の温度)を取得して、この観測値yと状態推定演算手段による推定値y’との差を見て、制御性能に劣化が生じたか否かを判断することができる。 In the first to sixth embodiments, it is determined whether the control performance has deteriorated based on the output of the model change observation sensor. However, the second, third, In the sixth embodiment, a temperature sensor is attached to a test object to be heated, and a heat treatment is experimentally performed in a furnace to obtain an observed value y (temperature of the object to be heated). It is possible to determine whether or not the control performance has deteriorated by looking at the difference from the estimated value y ′ by the calculation means.
すなわち、状態推定を実施している環境で、試験用の加熱対象を加熱したとする。そのときの試験用加熱対象に取り付けた温度センサで得られた観測値yと状態推定演算手段28,54が算出した推定値y’との差が所定のしきい値以上の場合、センサ出力認識手段24は、制御性能に劣化が生じたと判断し、モデル変化観測データを送信する。よって、装置メンテナンスの意味で、定期的にユーザが温度センサ付き試験用加熱対象を用いた加熱試験を行うことで、システムのキャリブレーションを行うことができる。
In other words, it is assumed that the test heating target is heated in an environment where state estimation is performed. When the difference between the observed value y obtained by the temperature sensor attached to the test heating object at that time and the estimated value y ′ calculated by the state
なお、この例のように推定する温度を状態として、直接その温度が測れる場合(推定する状態と試験用加熱対象に取り付けた温度センサからの温度データ)が同じ場合には、そのまま比較すればよいが、推定したい状態と試験用センサが測定する物理量が異なる場合には、システムモデルに基づき比較できる量に変換する必要がある。このような機能は、コントローラ20内に状態推定演算手段28を持つ場合にはコントローラ20でも実現可能であり、システム決定装置1で状態推定を行うために必要なデータをコントローラ20側から送信する場合にはシステム決定装置1でも実現可能である。
また、ユーザが装置環境の変化等を認識して、モデルやモデルパラメータの再調整を指示するようにしてもよい。
If the estimated temperature is the state as in this example and the temperature can be measured directly (the estimated state is the same as the temperature data from the temperature sensor attached to the test heating object), the comparison can be made as it is. However, when the state to be estimated and the physical quantity measured by the test sensor are different, it is necessary to convert them into quantities that can be compared based on the system model. Such a function can also be realized by the
Further, the user may recognize a change in the device environment or the like, and instruct readjustment of the model or model parameter.
また、第1〜第6の実施の形態では、システムモデリング手段11が制御系のモデルを選定しているが、このようなモデルの選定を設計者が予め行っておき、選定時のモデルで固定するようにしてもよい(すなわち、モデルの再選定は行わない)。
In the first to sixth embodiments, the
前述のとおり、第1〜第6の実施の形態におけるシステム決定装置1、コントローラ20、ユーザ登録用PC21は、それぞれCPU、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。CPUは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第1〜第6の実施の形態で説明したような処理を実行する。
As described above, the
本発明は、プロセス制御に適用することができる。 The present invention can be applied to process control.
1…システム決定装置、2…現場側機器、3…アクチュエータ、4…制御対象、5…ネットワーク、10…受信手段、11…システムモデリング手段、12…システム同定手段、13…送信手段、14…状態推定演算手段、15…制御演算手段、20…コントローラ、21…ユーザ登録用PC、22…制御演算手段、23…制御出力手段、24…センサ出力認識手段、25…送信手段、26…受信手段、27…システム同定手段、28…状態推定演算手段、30…加熱対象、31…炉、32…熱板、33…ヒータ、34…ヒートシンク、35,36…熱電対。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記制御系のモデルのモデルパラメータを同定するシステム同定手段と、
前記システムモデリング手段で選定されたモデルと前記システム同定手段で同定されたモデルパラメータに基づいて、前記制御対象の観測値と目標設定値とが一致するよう前記制御対象を制御する制御演算手段と、
制御性能が劣化したと判断したときに、前記システムモデリング手段及び前記システム同定手段に制御性能の劣化を通知する通知手段とを備え、
前記システムモデリング手段は、前記通知手段から通知を受けたときに、前記制御系のモデルを再度選定し、
前記システム同定手段は、前記通知手段から通知を受けたときに、前記モデルパラメータを再度同定することを特徴とする制御システム。 System modeling means for selecting a model of a control system including a controlled object;
System identification means for identifying model parameters of the model of the control system;
Based on the model selected by the system modeling means and the model parameters identified by the system identification means, control arithmetic means for controlling the control object so that the observed value of the control object and the target set value match,
A notification means for notifying the system modeling means and the system identification means of the deterioration of the control performance when it is determined that the control performance has deteriorated;
The system modeling means, when receiving a notification from the notification means, reselects the model of the control system,
The system identification unit re-identifies the model parameter when receiving a notification from the notification unit.
前記制御演算手段は、前記システムモデリング手段で選定されたモデルと前記システム同定手段で同定されたモデルパラメータに基づいて制御のゲインを決定することを特徴とする制御システム。 The control system according to claim 1,
The control calculation means determines a control gain based on the model selected by the system modeling means and the model parameter identified by the system identification means.
さらに、前記システムモデリング手段で選定されたモデルと前記システム同定手段で同定されたモデルパラメータに基づいて前記制御対象の観測値を推定する状態推定演算手段を備え、
前記制御演算手段は、前記制御対象の観測値の代わりに前記状態推定演算手段で推定された推定値を用いることを特徴とする制御システム。 The control system according to claim 1,
And a state estimation calculating means for estimating an observation value of the controlled object based on the model selected by the system modeling means and the model parameter identified by the system identifying means,
The control calculation means uses the estimated value estimated by the state estimation calculation means in place of the observed value of the control target.
前記制御系のモデルのモデルパラメータをコンピュータで同定するシステム同定手順と、
前記コンピュータと接続された制御演算手段が、前記システムモデリング手順で選定されたモデルと前記システム同定手順で同定されたモデルパラメータに基づいて、前記制御対象の観測値と目標設定値とが一致するよう前記制御対象を制御する制御演算手順と、
制御性能が劣化したと判断したときに前記コンピュータに制御性能の劣化を通知する通知手順とを備え、
前記コンピュータは、前記制御性能の劣化の通知を受けたときに、前記制御系のモデルを再度選定し、前記モデルパラメータを再度同定することを特徴とする制御方法。 A system modeling procedure for selecting a control system model including a controlled object by a computer;
A system identification procedure for identifying the model parameters of the model of the control system with a computer;
Based on the model selected in the system modeling procedure and the model parameter identified in the system identification procedure, the control calculation means connected to the computer is such that the observed value of the controlled object and the target set value match. A control calculation procedure for controlling the control object;
A notification procedure for notifying the computer of the deterioration of the control performance when it is determined that the control performance has deteriorated;
When the computer receives a notification of deterioration of the control performance, the computer again selects a model of the control system and re-identifies the model parameter.
さらに、前記システムモデリング手順で選定されたモデルと前記システム同定手順で同定されたモデルパラメータに基づいて前記制御演算手段のゲインを決定するゲイン決定手順を備えることを特徴とする制御方法。 The control method according to claim 4, wherein
The control method further comprises a gain determination procedure for determining a gain of the control calculation means based on the model selected in the system modeling procedure and the model parameter identified in the system identification procedure.
さらに、前記システムモデリング手順で選定されたモデルと前記システム同定手順で同定されたモデルパラメータに基づいて前記制御対象の観測値を推定する状態推定演算手順を備え、
前記制御演算手段は、前記制御対象の観測値の代わりに前記状態推定演算手順で推定された推定値を用いることを特徴とする制御方法。 The control method according to claim 4, wherein
Furthermore, a state estimation calculation procedure for estimating an observation value of the control target based on the model selected in the system modeling procedure and the model parameter identified in the system identification procedure,
The control method, wherein the control calculation means uses an estimated value estimated by the state estimation calculation procedure instead of the observed value of the control target.
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