JP2008521138A - 制御システムの解析のための方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2004年6月15日出願の、代理人整理番号第MWS−094号「複数の単一入力単一出力制御ループの設計のためのツール」という表題の米国出願第10/869163号に関連し、2004年11月17日出願の、代理人整理番号第MWS−098号「制御システムの解析のための方法」という表題の米国出願第10/991899号の優先権を主張し、それらの内容は、本明細書中に援用により一体化される。
本発明は、ブロック線図環境における制御システムの解析のための方法に関する。特に、線形モデルを抽出して、制御システムを設計およびチューニングする設計方法を使用することが可能となる。
(自然にしろ人工にしろ)動的システムは、所与の時間における反応が、その入力刺激、その現在状態、および現在時間の関数であるシステムである。このようなシステムは、単純なものから高度に複雑なシステムにまで至っている。物理的動的システムには、落下体、地球の回転、生物−機械システム(筋肉、関節、等)、生物−化学システム(遺伝子発現、蛋白質経路)、天気および気候パターンシステム等が含まれる。人工的または技術的動的システムの例には、跳ねるボール、端部で錘と繋がれたスプリング、自動車、航空機、大型家電製品の制御システム、通信ネットワーク、音声信号処理、原子炉、株式市場等が含まれる。
制御システム内部でコントローラの挙動を解析して、コントローラが設計されチューニングされることを可能とする能力が必要とされている。さらに、相互的に設計パラメータをチューニングし、チューニングプロセスが比較的大きな制御システムや動的システムモデルに及ぼす影響に関するフィードバックを受けるためのグラフィカルな環境が必要とされている。本発明は、このような必要に対処する別の解決に関する。
完全な非線形/ハイブリッドモデルを使用する制御システムの設計は、多くの産業用高性能モデルの複雑さを考えると数学的に扱い難いことがある。このような複雑なモデルの解析への通常のアプローチは、線形化として公知の工程を介した非線形挙動への近似を伸展することである。本発明の例示の実施の形態は、シミュレーションベースのブロック線図環境において、複雑な非線形動的システムに対して、ユーザが、系統的にコントローラを解析および設計することを可能とするフレームワークを提供する。要素コントローラは、ゲインや、その構造とパラメータ化処理が制御システムの設計の主題である動的システムを参照する。グラフィカルブロック線図言語において、コントローラは、個別のサブシステムやサブモデルにグループ化された個別の要素(単数または複数)を参照する。線形化モデルを、非線形プラントモデル(ブロック線図)から系統的に抽出することにより、ユーザは、線形システムに対して利用可能な、ありとあらゆる制御設計およびチューニング法を利用することができる。
ここで、
t−時間
x(t)−長さnのモデル状態のベクトル
u(t)−長さpのモデル入力のベクトル
y(t)−長さqのモデル出力のベクトル
f(x(t),u(t)) −x(t)およびu(t)を状態微分
g(x(t),u(t)) −x(t)およびu(t)をモデル出力y(t)へマッピングする非線形関数
である。
操作点についての変数を定義すると、
ここで、行列
ここで、
t−時間
x(t)−長さnのモデル連続モデル状態のベクトル
xi(ki)−サンプル時間kiにおける長さniのモデル離散モデル状態のベクトル
u(t)−長さpのモデル入力のベクトル
y(t)−長さqのモデル出力のベクトル
f(x(t),x1(k1),...,xm(km),u(t)) −x(t),x1(k1),...,xi(ki)およびu(t)を状態微分
fi(x(t),x1(k1),...,xm(km),u(t)) −x(t),x1(k1),...,xi(ki)およびu(t)を離散状態xi(ki)の更新へマッピングする非線形関数
g(x(t),x1(k1),...,xm(km),u(t)) −x(t),x1(k1),...,xi(ki)およびu(t)をモデル出力y(t)へマッピングする非線形関数
行列A、B、C、およびDを見出すことがブロック線図プログラミング言語ツールの課題である。このことは周知理解された問題であり、多くのブロック線図プログラミング言語において実行されている。
Claims (54)
- 方法のための電子機器が実行可能である工程を保持する媒体であって、前記方法は、以下、
制御システムを含むブロック線図モデルのグラフィルカル表示を提供する工程と、
プラントに対するコントローラを表すブロックのサブセットを選択する工程と、
前記コントローラに対して、前記ブロック線図モデルから線形モデルをプログラム的に抽出する工程と、
前記線形モデルをプログラム的に設計ツールへインポートする工程と、
を備える媒体。 - 前記設計ツールは、開ループツール、閉ループツール、ボード線図ツール、ニコルス線図ツール、根/軌跡ツール、離散化ツール、およびチューニングツール、のグループの少なくとも1つを備えている、請求項1に記載の媒体。
- 前記方法がさらに、
前記線形モデルで実行された解析の結果に基づいて、前記ブロック線図をプログラム的に更新する工程、を備える、請求項1に記載の媒体。 - 前記モデルを線形化するために使用された操作点をプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図を更新する工程をさらに備える、請求項3に記載の媒体。
- 前記方法が、前記ブロックデータをプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程をさらに備える、請求項3に記載の媒体。
- 前記方法が、前記第1の信号に対する性能制約、および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの1つを特定する工程をさらに備える、請求項1に記載の媒体。
- 前記第1の信号に対する性能制約、および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの前記1つが、前記設計ツールへプログラム的にマッピングされる、請求項1に記載の媒体。
- 電子機器において、方法のための実行可能な工程を保持する媒体であって、前記方法が以下、
ブロック線図モデルにおけるコントローラを表すブロックを選択する工程と、
前記コントローラに関係する第1の信号を選択する工程と、
前記第1の信号に対する性能制約、および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの1つを特定する工程と、
前記コントローラに基づいて、前記ブロック線図モデルの線形モデルをプログラム的に抽出する工程と、
前記第1の信号に対する性能制約、および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの1つをプログラム的に、設計ツールへマッピングする工程と、
を備える媒体。 - 前記方法が、前記線形モデルで実行された解析の結果に基づいて前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程、をさらに備える、請求項8に記載の媒体。
- 前記モデル線形化するために使用される操作点を、プログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程、をさらに備える、請求項9に記載の媒体。
- 前記ブロックデータをプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程、をさらに備える、請求項8に記載の媒体。
- 前記設計ツールが、開ループツール、閉ループツール、ボード線図ツール、ニコルス線図ツール、根/軌跡ツール、離散化ツール、およびチューニングツールのグループの少なくとも1つを備える、請求項8に記載の媒体。
- 前記方法が、閉ループ応答ビューワの実行を開始する工程をさらに備える、請求項12に記載の媒体。
- 前記方法が、前記ブロック工程を選択する前に、
プラントモデルおよび制御構造を提供する工程をさらに備える、請求項8に記載の媒体。 - 前記方法がさらに、
前記モデルを線形化する操作点を選択する工程をさらに備える、請求項8に記載の方法。 - ブロック工程を選択する工程が、グラフィカル環境で実行される、請求項8に記載の媒体。
- 正確な小スケール線形化、ブラックボックス線形化、および大スケール線形化のうちの1つを使用して、前記線形モデルがプログラム的に抽出される、請求項8に記載の媒体。
- 方法のための電子機器が実行可能である工程を保持する媒体であって、前記方法は、以下、
制御システムを含むブロック線図モデルのグラフィルカル表示を提供する工程と、
プラントのためのコントローラを表すブロックのサブセットを選択する工程と、
前記制御システムに対して、前記ブロック線図モデルから線形モデルをプログラム的に抽出する工程と、
前記少なくとも1つのコントローラの少なくとも1つの特性を、前記ブロック線図モデルにインポートすることにより、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程と、を備える媒体。 - 前記方法が、前記抽出する工程の前に、
前記モデルの操作点を推定する工程をさらに備える、請求項18に記載の媒体。 - 前記モデルが、前記操作点をプログラム的に更新することにより、更新される、請求項19に記載の媒体。
- 前記モデルのブロックに対するデータ値を更新することにより、前記モデルが更新される、請求項19に記載の媒体。
- 前記更新する工程が、ブロックダイアログに係数を記述する工程を含む、請求項21に記載の媒体。
- 前記更新する工程が、ブロックダイアログ中のコントローラをパラメータ化する工程を含む、請求項22に記載の媒体。
- 前記更新する工程が、ブロックダイアログ中のコントローラ変数を作成する工程を含む、請求項22に記載の媒体。
- 前記方法が、前記抽出する工程の前に、
設計基準を入れる工程をさらに備える、請求項18に記載の媒体。 - 前記方法が、
前記線形モデルに設計ツールを適用する工程と、
前記少なくとも1つのコントローラ、ならびに信号上の性能制約および前記制御システムの動特性上の設計仕様の少なくとも1つを設計する工程であって、前記性能制約および設計仕様が、前記設計ツールにおいて直接使用されるように変換される工程と、
をさらに備える、請求項18に記載の媒体。 - 方法のための電子機器が実行可能である工程を保持する媒体であって、前記方法は、以下、
制御システムを含むブロック線図モデルのグラフィルカル表示を提供する工程と、
プラントに対するコントローラを表すブロックのサブセットを選択する工程と、
前記コントローラに関連する第1の信号に対する性能制約、および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの1つを特定する工程と、
前記コントローラに対して、前記ブロック線図モデルから線形モデルをプログラム的に抽出する工程と、
前記少なくとも1つのコントローラの少なくとも1つの特性を、前記ブロック線図モデルへインポートすることにより、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程と、
前記線形モデルを設計ツールへインポートする工程と、
を備える媒体。 - 電子機器において、ブロック線図モデルから線形モデルを抽出する方法であって、以下、
制御システムを含むブロック線図モデルのグラフィルカル表示を提供する工程と、
プラントに対するコントローラを表すブロックのサブセットを選択する工程と、
前記コントローラに対して、前記ブロック線図モデルから線形モデルをプログラム的に抽出する工程と、
前記線形モデルを設計ツールへプログラム的にインポートする工程と、
を備える方法。 - 前記設計ツールが、開ループツール、閉ループツール、ボード線図ツール、ニコルス線図ツール、根/軌跡ツール、離散化ツール、およびチューニングツールのグループの少なくとも1つを備える、請求項28に記載の方法。
- 前記線形モデルで実行された解析の結果に基づいて、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程をさらに備える、請求項28に記載の方法。
- 前記モデルを線形化するために使用される操作点をプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図を更新する工程をさらに備える、請求項30に記載の方法。
- 前記ブロックデータをプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程をさらに備える、請求項30に記載の方法。
- 前記第1の信号に対する性能制約および前記コントローラの動特性に対する設計仕様のうちの1つを特定する工程をさらに備える、請求項28に記載の方法。
- 前記第1の信号に対する性能制約および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの1つが、前記設計ツールへプログラム的にマッピングされる、請求項28に記載の方法。
- 電子機器において、ブロック線図モデルから線形モデルを抽出する方法であって、前記方法は、以下、
ブロック線図モデルにおいてコントローラを表すブロックを選択する工程と、
前記コントローラに関連する第1の信号を選択する工程と、
前記第1の信号に対する性能制約および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの1つを特定する工程と、
前記コントローラに基づいて、前記ブロック線図モデルの線形モデルをプログラム的に抽出する工程と、
前記第1の信号に対する性能制約および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの前記1つを、プログラム的に設計ツールへマッピングする工程と、
を備える方法。 - 前記線形モデルで実行された解析の結果に基づいて、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程をさらに備える、請求項35に記載の方法。
- 前記モデルを線形化するために使用される操作点をプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程をさらに備える、請求項36に記載の方法。
- 前記ブロックデータをプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程をさらに備える、請求項35に記載の方法。
- 前記設計ツールが、開ループツール、閉ループツール、ボード線図ツール、ニコルス線図ツール、根/軌跡ツール、離散化ツール、およびチューニングツールのグループのうちの少なくとも1つを備える、請求項35に記載の方法。
- 閉ループ応答ビューワの実行を開始する工程をさらに備える、請求項39に記載の方法。
- 前記方法が、前記ブロック工程を選択する工程の前に、
プラントモデルおよび制御構造を提供する工程をさらに備える、請求項35に記載の方法。 - 前記方法が、
前記モデルを線形化する操作点を選択する工程をさらに備える、請求項35に記載の方法。 - ブロック工程を選択する工程が、グラフィカル環境において実行される、請求項35に記載の方法。
- 前記線形モデルが、小スケール線形化、ブラックボックス線形化、および大スケール線形化のうちの1つを使用して、プログラム的に抽出される、請求項35に記載の方法。
- ブロック線図から線形モデルを抽出する方法であって、以下、
制御システムを含むブロック線図モデルのグラフィルカル表示を提供する工程と、
プラントに対するコントローラを表すブロックのサブセットを選択する工程と、
前記コントローラに対して、前記ブロック線図モデルから線形モデルを抽出する工程と、
前記少なくとも1つのコントローラの前記少なくとも1つの特性を、前記ブロック線図モデルへインポートすることにより、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程と、
を備える方法。 - 前記方法が、前記抽出する工程の前に、
前記モデルにおける操作点を推定する工程をさらに備える、請求項45に記載の方法。 - 前記操作点をプログラム的に更新することにより、前記モデルが更新される、請求項46に記載の方法。
- 前記モデルが、前記モデルにおけるブロックのためのデータ値を更新することにより、前記モデルが更新される、請求項46に記載の方法。
- 前記更新する工程が、ブロックダイアログに係数を記述する工程を含む、請求項48に記載の方法。
- 前記更新する工程が、ブロックダイアログにおける前記コントローラをパラメータ化する工程を含む、請求項49に記載の方法。
- 前記更新する工程が、ブロックダイアログにおけるコントローラ変数を作成する工程を含む、請求項49に記載の方法。
- 前記方法が、前記工程を抽出する前に、
設計基準を入れる工程をさらに備える、請求項45に記載の方法。 - 前記線形モデルに設計ツールを適用する工程と、
前記少なくとも1つのコントローラと、信号に関する性能制約および前記制御システムの動特性に関する設計仕様の少なくとも1つと、のうちの少なくとも1つを設計する工程であって、前記性能制約および設計仕様が、前記設計ツールにおいて直接使用されるように変換される工程と、をさらに備える、請求項45に記載の方法。 - ブロック線図モデルから線形モデルを抽出する方法であって、前記方法は、以下、
制御システムを含むブロック線図モデルのグラフィルカル表示を提供する工程と、
プラントのためのコントローラを表すブロックのサブセットを選択する工程と、
前記コントローラに関連する第1の信号のための性能制約および前記制御システムの動特性のための設計仕様のうちの1つを特定する工程と、
前記コントローラに関連する前記ブロック線図モデルから線形モデルを抽出する工程と、
前記少なくとも1つのコントローラの少なくとも1つの特性を、前記ブロック線図モデルへインポートすることによって、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程と、
前記線形モデルを設計ツールにインポートする工程と、
を備える方法。
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