JP2012141791A - Design method of adaptive controller - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、プロセス制御に用いられる適応制御装置の設計方法に関するものである。 The present invention relates to a design method of an adaptive control device used for process control, for example.
従来、例えば、制御系を安定化しつつ制御対象のパラメータ(の一部)を推定する適応制御を適用した制御手法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。特に、プロセスを制御対象とし、単純適応制御方式をベースとしてより簡易化した制御方式を提案したものとして、非特許文献1がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, for example, a control method using adaptive control that estimates (part of) a parameter to be controlled while stabilizing a control system has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In particular, Non-Patent
この従来の単純適応制御方式(例えば、非特許文献1)は、最小限に必要とされる制御偏差のみで可変ゲインを決定するようにして、より構成を簡易化したもので、該制御偏差に関連した値の自乗積分値に基づく可変ゲインにより、制御偏差のピーク値が大きいときには大きな値のゲインの状態が持続され、積極的な制御が行われる。その結果、制御偏差のピーク値が小さくなると同時に、ゲインを元の小さな値に戻し定常状態の安定化を図っている。 This conventional simple adaptive control method (for example, Non-Patent Document 1) simplifies the configuration by determining the variable gain only with the minimum required control deviation. Due to the variable gain based on the square integral value of the related value, when the peak value of the control deviation is large, a large gain state is maintained and active control is performed. As a result, the peak value of the control deviation is reduced, and at the same time, the gain is returned to the original small value to stabilize the steady state.
非特許文献1に開示された技術においては、外乱があった直後の過渡状態や、目標値が変わった直後の過渡状態では、制御偏差の自乗積分値に基づく可変ゲインによりゲインを大きくして制御偏差を抑え込み、定常状態になればゲインを元の小さな値に戻して安定な状態を確保する。つまり、適応ゲイン調整部において、制御偏差を自乗し、その値を1次遅れ要素を介して得られたものを可変ゲインとしているが、1次遅れ要素における時定数を制御対象のプロセスの総時定数(むだ時間の値を含む)の推定値に基づく値としている。これにより、追従性に優れた過渡応答特性が得られ、制御偏差がゼロに収束すると直ちに可変ゲインも最小設定値に収束する。
In the technique disclosed in
ところで、上述した非特許文献1に開示された適応制御装置においては、PI制御器および適応ゲイン調整部の設計に関し、明確な指針がなく、パラメータ調整に時間を要していた。
By the way, in the adaptive control apparatus disclosed in Non-Patent
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、安定したプロセス制御を実現する適応制御装置の設計を速やかに行うことのできる適応制御装置の設計方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an adaptive control device design method capable of promptly designing an adaptive control device that realizes stable process control. To do.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、制御対象の出力と目標値との偏差を入力として当該閉ループ制御系の定常ゲインが1となるように調節するループゲイン調節器と、前記ループゲイン調節器の出力を入力としてPI制御を行うPI制御器と、前記ループゲイン調節器の出力を入力として位相進み補償を行う適応制御器と、前記PI制御器の出力と前記適応制御器の出力とを加算して前記制御対象に操作量として与える加算器とを有し、前記適応制御器が閉ループ制御系を成し、当該閉ループ制御系の出力を入力として位相進み補償し、補償後の信号を当該閉ループ制御系の入力側に戻す位相進み補償器と、前記位相進み補償器の出力と前記ループゲイン調節器の出力との制御偏差を算出する減算器と、前記減算器の出力を入力とするとともに、当該閉ループ制御系のゲインを補償する適応ゲイン調整部と、前記適応ゲイン調整部の出力と前記減算器の出力とを乗算して当該閉ループ制御系の出力とする乗算器とを備える適応制御装置において、前記PI制御器における比例ゲイン及び積分ゲイン並びに前記適応制御器の前記位相進み補償器の時定数を決定する適応制御装置の設計方法であって、前記制御対象、前記PI制御器、前記適応制御器の伝達関数を与える第1工程と、前記PI制御器と前記適応制御器とを合わせた制御系全体の伝達関数を求める第2工程と、前記制御対象の入力側に制御系外部から与えられる外乱を想定したときに、該外乱から出力までの伝達関数を、前記制御系全体の伝達関数と前記制御対象の伝達関数とを用いて表現する第3工程と、前記規範モデルを設定する第4工程と、前記規範モデルと前記第3工程で求めた伝達関数とによる部分モデルマッチングにより、前記PI制御器における比例ゲイン及び積分ゲイン並びに前記適応制御器の時定数を決定する第5工程とを有する適応制御装置の設計方法を提供する。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
The present invention provides a loop gain adjuster that adjusts the steady-state gain of the closed loop control system to be 1 with the deviation between the output of the control target and the target value as input, and PI control with the output of the loop gain adjuster as an input A PI controller that performs the control, an adaptive controller that performs phase lead compensation using the output of the loop gain adjuster as an input, and adds the output of the PI controller and the output of the adaptive controller to operate the control target The adaptive controller forms a closed-loop control system, compensates for phase advance using the output of the closed-loop control system as an input, and returns the compensated signal to the input side of the closed-loop control system A phase advance compensator, a subtractor for calculating a control deviation between the output of the phase advance compensator and the output of the loop gain adjuster, and the output of the subtractor as inputs, and the closed loop control system An adaptive control apparatus comprising: an adaptive gain adjustment unit that compensates for a gain; and a multiplier that multiplies the output of the adaptive gain adjustment unit and the output of the subtractor to produce an output of the closed loop control system. A design method of an adaptive control apparatus that determines a proportional gain and an integral gain in the adaptive controller, and a time constant of the phase lead compensator of the adaptive controller, the transfer function of the control object, the PI controller, and the adaptive controller being Assuming a first step to be applied, a second step for obtaining a transfer function of the entire control system combining the PI controller and the adaptive controller, and a disturbance given from outside the control system to the input side of the control target A third step of expressing a transfer function from the disturbance to the output using a transfer function of the entire control system and a transfer function of the control target; a fourth step of setting the reference model; An adaptive control device having a fifth step of determining a proportional gain and an integral gain in the PI controller and a time constant of the adaptive controller by partial model matching based on the reference model and the transfer function obtained in the third step; Provide a design method.
本発明によれば、制御対象、PI制御器、及び適応制御器の伝達関数を求め、PI制御器及び適応制御器の伝達関数から制御装置全体の伝達関数を求める。次に、該制御装置全体の伝達関数を用いて、制御対象の入力側に制御系外部から与えられる外乱を想定したときの外乱から出力までの伝達関数を表わし、この伝達関数と規範モデルとをマッチングすることにより、PI制御器における比例ゲイン及び積分ゲイン並びに適応制御器の時定数を導出する。このように、PI制御器と適応制御器とを切り離してそれぞれ別個にパラメータを設定するのではなく、PI制御器と適応制御器とを含めたシステム全体を対象としてそれぞれのパラメータを設定するので、外乱が入力された場合においてもシステム全体として安定した出力が得られることとなる。また、このように設計指針を明確化することで、速やかに制御器の設計を行うことが可能となる。 According to the present invention, the transfer functions of the control object, the PI controller, and the adaptive controller are obtained, and the transfer function of the entire control apparatus is obtained from the transfer functions of the PI controller and the adaptive controller. Next, using the transfer function of the entire control device, the transfer function from the disturbance to the output when the disturbance given from the outside of the control system is assumed on the input side of the control target is represented. By matching, the proportional gain and integral gain in the PI controller and the time constant of the adaptive controller are derived. Thus, instead of separating the PI controller and the adaptive controller and setting the parameters separately, the respective parameters are set for the entire system including the PI controller and the adaptive controller. Even when a disturbance is input, a stable output can be obtained as a whole system. In addition, by clarifying the design guideline in this way, it becomes possible to quickly design the controller.
上記適応制御装置の設計方法において、前記第2工程では、前記適応制御器の伝達関数は、適応ゲイン調整部の適応ゲインを適応ゲインがとり得る最大値に設定したときの伝達関数を用いることが好ましい。 In the design method of the adaptive control device, in the second step, the transfer function of the adaptive controller is a transfer function when the adaptive gain of the adaptive gain adjustment unit is set to a maximum value that the adaptive gain can take. preferable.
このように、適応ゲイン調整部の適応ゲインを適応ゲインがとり得る最大に設定した時の伝達関数を用いて、PI制御器と適応制御器とを合わせた制御系全体の伝達関数を求めることにより、制御系全体の伝達関数を簡易な演算式で表わすことができ、処理を簡便化することができる。 In this way, by using the transfer function when the adaptive gain of the adaptive gain adjustment unit is set to the maximum that the adaptive gain can take, the transfer function of the entire control system combining the PI controller and the adaptive controller is obtained. The transfer function of the entire control system can be expressed by a simple arithmetic expression, and the processing can be simplified.
本発明によれば、安定したプロセス制御を実現する適応制御装置の設計を速やかに行うことができるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to quickly design an adaptive control device that realizes stable process control.
以下、本発明の一実施形態に係る適応制御装置の設計方法について説明する。
図1は本発明の一実施形態に係る適応制御装置の設計方法が適用される適応制御装置の概略的なブロック線図を示した図、図2は、図1に示される適応制御器5のブロック線図を示した図である。
Hereinafter, a design method for an adaptive control device according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic block diagram of an adaptive control device to which an adaptive control device design method according to an embodiment of the present invention is applied, and FIG. 2 shows an
図1に示すように、本実施形態に係る適応制御装置は、制御対象であるプラント1の出力y(t)と目標値r(t)との偏差e(t)を入力として、当該閉ループ制御系の定常ゲインが1となるように調節するループゲイン調節器7と、ループゲイン調節器7の出力e*(t)を入力としてPI制御を行うPI制御器3と、ループゲイン調節器7の出力e*(t)を入力として位相進み補償などを行う適応制御器5と、PI制御器3の出力と適応制御器5の出力ua(t)とを加算してプラント1に操作量として与える加算器9とを備えている。
As shown in FIG. 1, the adaptive control apparatus according to the present embodiment receives the deviation e (t) between the output y (t) of the
上記ループゲイン調節器7は、例えば、係数器で実現されるが、その係数αは、プラント1に対する操作量u(t)が1の値だけ増えたときに当該係数器の出力e*(t)が定常状態でほぼ−1の値になるように設定される。
The
適応制御器5は、図2に示すように、閉ループ制御系を成し、当該閉ループ制御系の出力ua(t)を入力として位相進み補償し、補償後の信号yf(t)を当該閉ループ制御系の入力側に戻す位相進み補償器13と、位相進み補償器13の出力yf(t)とループゲイン調節器7(図1参照)の出力e*(t)との制御偏差ea(t)を算出する減算器15と、減算器15の出力ea(t)を入力とするとともに、当該閉ループ制御系のゲインを補償する適応ゲイン調整部11と、適応ゲイン調整部11の出力K(t)と減算器15の出力ea(t)とを乗算して当該閉ループ制御系の出力ua(t)とする乗算器17とを備える。
As shown in FIG. 2, the
適応ゲイン調整部11は、係数器21、乗算器22、1次遅れ要素23、係数器24および加算器25を備えている。すなわち、適応ゲイン(可変ゲイン)K(t)は、制御偏差ea(t)に係数器21で係数γ倍し、それを乗算器22で自乗し、これを時定数μの1次遅れ要素23を介して得られた値に、係数器24の係数β×Kmaxを加えて算出される。
The adaptive
そして、本実施形態に係る適応制御装置の設計方法においては、図1に示したPI制御器3における比例ゲインkp及び積分ゲイン(積分時間)ki並びに適応制御器5の位相進み補償器13の時定数τを決定する。
以下、本発明の一実施形態に係る適応制御装置の設計方法について図1から図3を参照して説明する。図3は、本発明の一実施形態に係る適応制御装置の設計方法の手順を示したフローチャートである。
Then, in the design method of the adaptive control apparatus according to the present embodiment, a proportional gain k p and the integral gain (integral time) in the
Hereinafter, a design method for an adaptive control device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. 3 is a flowchart showing the procedure of the design method of the adaptive control device according to the embodiment of the present invention.
まず、プラント1の伝達関数G(s)、PI制御器3の伝達関数C1(s)、適応制御器5の伝達関数C2(s)をそれぞれ設定する(図3のステップSA1)。
まず、プラント1の伝達関数G(s)は、1次遅れ要素とむだ時間要素により、以下の(1)式で与えられる。ここにsは、ラプラス演算子である。
First, the
First, the transfer function G (s) of the
また、PI制御器3の伝達関数C1(s)は、以下の(2)式で与えられる。
Further, the transfer function C 1 (s) of the
次に、適応制御器5の伝達関数C2(s)は以下のように導出される。
まず、位相進み補償器13の伝達特性F(s)は、以下の(3)式で与えられる。
Next, the transfer function C 2 (s) of the
First, the transfer characteristic F (s) of the
また、適応ゲイン調整部11における適応ゲインK(t)は、以下の(4)式で与えられる。なお、以下の(4)式では、β=0.1としている。
Further, the adaptive gain K (t) in the adaptive
ここで、Kmaxはループゲイン調節器7の出力e*(t)と閉ループ制御系の出力ua(t)との間の定常ゲインの最大値である。
Here, K max is the maximum value of the steady gain between the output e * (t) of the
次に、適応ゲインがK(t)=Kmaxの場合を想定すると、適応制御器5の入力e*(t)から出力ua(t)までの伝達関数C2(s)は、上記(3)式及び(4)式から以下の(5)式で表わされる。
Next, assuming that the adaptive gain is K (t) = K max , the transfer function C 2 (s) from the input e * (t) to the output u a (t) of the
次に、PI制御器3と適応制御器5とを合わせた制御系全体の伝達関数C´(s)を求める(図3のステップSA2)。制御系全体の伝達関数C´(s)は、上記(2)式で表わされるPI制御器3の伝達関数C1(s)と上記(5)式で表わされる適応制御器5の伝達関数C2(s)とを用いて以下の(6)式のように表わされる。
Next, a transfer function C ′ (s) of the entire control system including the
次に、(1)式で与えられたプラント1の伝達関数G(s)において、無駄時間を3次/3次のパデ近似で表現すると以下の(7)式となる。
Next, in the transfer function G (s) of the
更に、上記(7)式を分母系列表現すると、以下の(8)式が得られる。 Further, when the above equation (7) is expressed in the denominator series, the following equation (8) is obtained.
なお、上記近似と式変形は、後述する部分モデルマッチングを行うために必要な準備工程に当たる。 The approximation and the equation transformation correspond to preparation steps necessary for performing partial model matching described later.
次に、図1に示した本実施形態に係る適応制御装置のシステム全体において、プラント1に対する入力外乱から出力までの伝達関数Gd(s)を求める(図3のステップSA3)。伝達関数Gd(s)は、以下の(9)式で与えられる。
Next, in the entire system of the adaptive control apparatus according to this embodiment shown in FIG. 1, a transfer function G d (s) from input disturbance to output for the
更に、上記(9)式は、上記(6)式及び(8)式を用いて、以下の(10)式で表わすことができる。 Furthermore, the above equation (9) can be expressed by the following equation (10) using the above equations (6) and (8).
ここで、新たにa´=adcとすると、上記(10)式は、以下の(11)式で表わされる。 Here, when a ′ = ad c is newly set, the above expression (10) is expressed by the following expression (11).
次に、所望の伝達関数を有する規範モデルを設定する(図3のステップSA4)。ここで、規範モデルとしては、二項係数モデル、バターワースモデル、ITAE最小モデルなどが一例として挙げられる。例えば、二項係数モデルは、オーバーシュートはしないが応答が遅いという特徴を有し、また、バターワースモデルは応答が速いがオーバーシュートが生じるなどの特徴を有している。設計者は、これから設計する制御系をどのような特性を有するものにしたいかにより、規範モデルを決定する。ここでは、一例として、規範モデルを以下の(12)式のような伝達関数を有する構造とする。 Next, a reference model having a desired transfer function is set (step SA4 in FIG. 3). Here, examples of the normative model include a binomial coefficient model, a Butterworth model, and an ITAE minimum model. For example, the binomial coefficient model has a feature that the overshoot does not occur but the response is slow, and the Butterworth model has a feature that the response is fast but the overshoot occurs. The designer decides the reference model according to what kind of characteristic the control system to be designed will have. Here, as an example, the reference model has a structure having a transfer function as shown in the following equation (12).
次に、上記(12)式を以下の(13)式を用いて、(14)式のように表現する。すなわち、規範モデルを設定し、設定した規範モデルを後述の部分モデルマッチングに適した式に変形する。 Next, the above expression (12) is expressed as the following expression (14) using the following expression (13). That is, a reference model is set, and the set reference model is transformed into an expression suitable for partial model matching described later.
次に、(14)式で表わされた規範モデルMO(s)と(11)式で表わされた伝達関数Gd(s)の部分モデルマッチングを行い、比例ゲインki、積分ゲインkp及び位相進み補償器13の時定数τを導出する(図3のステップSA5)。具体的には、規範モデルMO(s)と伝達関数Gd(s)の関係は以下の(15)式で与えられる。これに上記(11)式と(14)式とを代入すると、以下の(16)式となる。ここで、(15)式において、規範モデルMO(s)に(dco/c0)sを乗じているのは、伝達関数Gd(s)と規範モデルにおける定常状態での応答を一致させるためである。 Next, partial model matching is performed between the reference model M O (s) expressed by the equation (14) and the transfer function G d (s) expressed by the equation (11) to obtain the proportional gain k i and the integral gain. deriving a constant τ when k p and the phase lead compensator 13 (step SA5 in FIG. 3). Specifically, the relationship between the reference model M O (s) and the transfer function G d (s) is given by the following equation (15). Substituting the above formulas (11) and (14) into the formula, the following formula (16) is obtained. Here, in the equation (15), the reference model M O (s) is multiplied by (d co / c 0 ) s so that the transfer function G d (s) and the response in the steady state in the reference model coincide. This is to make it happen.
上記(15)式において、c0,dCOはそれぞれ上記(6)式におけるcとdCのsの0次の係数である。
ここで、c0/dCO=c0´とすると、上記(6)式から以下の(17)式が得られる。
In the equation (15), c 0 and d CO are the 0th-order coefficients of s of c and d C in the equation (6), respectively.
Here, assuming that c 0 / d CO = c 0 ′, the following expression (17) is obtained from the above expression (6).
よって、上記(16)式は以下の(18)式で表わされ、この(18)式を満たす比例ゲインkp、積分ゲインki及び位相進み補償器13の時定数τを求めればよい。
Therefore, Equation (16) is expressed by the following equation (18), the proportional gain k p that satisfies the equation (18), the constant τ may be obtained when the integral gain k i and the
4次の項から順にマッチングを行うと以下の結果が得られる。 When matching is performed in order from the fourth-order term, the following results are obtained.
以上、説明してきたように、本実施形態に係る適応制御装置の設計方法によれば、制御対象であるプラント1、PI制御器3、及び適応制御器5の伝達関数をそれぞれ求め、PI制御器3及び適応制御器5の伝達関数から制御装置全体の伝達関数を求める。次に、該制御装置全体の伝達関数を用いて、プラント1の入力側に与えられる外乱を想定したときの外乱から出力までの伝達関数を求め、この伝達関数と規範モデルとをマッチングすることにより、PI制御器3における比例ゲインkp、積分ゲインki並びに適応制御器5の位相進み補償器13の時定数τを導出する。このように、PI制御器3と適応制御器5とを切り離してそれぞれ別個にパラメータを設定するのではなく、PI制御器3と適応制御器5とを含めたシステム全体を対象としてそれぞれのパラメータを設定するので、外乱が入力された場合においてもシステム全体として安定した出力が得られることとなる。また、このように設計指針を明確化することで、速やかに制御器の設計を行うことが可能となる。
As described above, according to the design method of the adaptive control device according to the present embodiment, the transfer functions of the
図4は、外乱を与えた場合における、本発明の設計方法を用いて設計された適応制御装置の出力変化と従来の適応制御装置による出力変化とを比較して示した図である。この図に示すように、本発明の設計方法を適用した適応制御装置の出力ピークは、従来の適応制御装置に比べて小さいことがわかる。これにより、従来の適応制御装置に比べて制御性が向上していることが検証された。 FIG. 4 is a diagram showing a comparison between an output change of an adaptive control device designed by using the design method of the present invention and an output change of a conventional adaptive control device when a disturbance is applied. As shown in this figure, it can be seen that the output peak of the adaptive control apparatus to which the design method of the present invention is applied is smaller than that of the conventional adaptive control apparatus. Thereby, it was verified that the controllability is improved as compared with the conventional adaptive control device.
1 プラント
3 PI制御器
5 適応制御器
11 適応ゲイン調整部
13 位相進み補償器
1
Claims (2)
前記制御対象、前記PI制御器、前記適応制御器の伝達関数を与える第1工程と、
前記PI制御器と前記適応制御器とを合わせた制御系全体の伝達関数を求める第2工程と、
前記制御対象の入力側に制御系外部から与えられる外乱を想定したときに、該外乱から出力までの伝達関数を、前記制御系全体の伝達関数と前記制御対象の伝達関数とを用いて表現する第3工程と、
前記規範モデルを設定する第4工程と、
前記規範モデルと前記第3工程で求めた伝達関数とによる部分モデルマッチングにより、前記PI制御器における比例ゲイン及び積分ゲイン並びに前記適応制御器の時定数を決定する第5工程と
を有する適応制御装置の設計方法。 A loop gain adjuster that adjusts the steady-state gain of the closed loop control system to be 1 with the deviation between the output of the control target and the target value as input, and PI control that performs PI control with the output of the loop gain adjuster as an input , An adaptive controller that performs phase lead compensation using the output of the loop gain adjuster as an input, and an addition that adds the output of the PI controller and the output of the adaptive controller as an operation amount to the control object A phase lead compensator that forms a closed loop control system, compensates for the phase lead with the output of the closed loop control system as an input, and returns the compensated signal to the input side of the closed loop control system A subtractor for calculating a control deviation between the output of the phase advance compensator and the output of the loop gain adjuster, and the output of the subtractor as inputs, and the gain of the closed loop control system An adaptive gain adjustment unit that compensates, and a multiplier that multiplies the output of the adaptive gain adjustment unit and the output of the subtractor to produce an output of the closed loop control system. A design method for an adaptive controller for determining a gain and an integral gain and a time constant of the phase lead compensator of the adaptive controller,
A first step of providing a transfer function of the control object, the PI controller, and the adaptive controller;
A second step of obtaining a transfer function of the entire control system including the PI controller and the adaptive controller;
When a disturbance given from outside the control system is assumed on the input side of the control target, a transfer function from the disturbance to the output is expressed using the transfer function of the entire control system and the transfer function of the control target A third step;
A fourth step of setting the reference model;
An adaptive control device having a fifth step of determining a proportional gain and an integral gain in the PI controller and a time constant of the adaptive controller by partial model matching based on the reference model and the transfer function obtained in the third step; Design method.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20140304 |