JP2014153949A - Non-linear pid controller using gmdh and gmdh weighting factor determination method - Google Patents

Non-linear pid controller using gmdh and gmdh weighting factor determination method Download PDF

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透 山本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a non-linear PID controller capable of operating with a small capacity of memory.SOLUTION: A non-linear PID controller (10A) comprises: a deviation arithmetic unit (12) for calculating a deviation between an output value and a target value of a non-linear system (100) to be controlled; a derivative arithmetic unit (14) for calculating a derivative value of the deviation; a GMHD-PID adjustment unit (16A) for calculating a proportional gain, integral gain, and derivative gain associated with PID control of the non-linear system from three values which are a target value, deviation, and derivative value on the basis of GMDH theory; and a PID control unit (18) for performing PID control on the non-linear system by the calculated proportional gain, integral gain, and derivative gain on the basis of the deviation.

Description

本発明は、PIDコントローラに関し、特に、非線形システムをPID制御する非線形PIDコントローラに関する。   The present invention relates to a PID controller, and more particularly, to a nonlinear PID controller that performs PID control of a nonlinear system.

産業プロセスにおいては、制御構造の簡便さから今なおPID制御が幅広く用いられている。しかしながら、実システムの多くは非線形性を有しており、固定のPIDパラメータによる制御では、常に良好な制御結果を得ることが困難である。このような非線形システムに対する有効な制御手法として、ニューラルネットワーク(Neural Network:NN)の一種である小脳演算モデル(Cerebellar Model Articulation Controller:CMAC)を用いたCMAC−PID制御器が提案されている(たとえば、非特許文献1参照)。しかしながら、最適な制御パラメータを習得するためにオンライン学習が必要なことや、制御系の実現に多大なメモリを要することが実用化への大きな障害となっている。前者の問題の解決法として、CMAC−FRITがすでに報告されている(たとえば、非特許文献2参照)。これは対象とするシステムの閉ループデータから制御パラメータを直接的に算出するFRIT(Fictious Reference Iterative Tuning)法をCMACの学習に取り入れることで、システムのエミュレータを構築することなく、オフラインでCMACの学習をすることが可能となる手法である。   In industrial processes, PID control is still widely used because of its simple control structure. However, many real systems have non-linearity, and it is difficult to always obtain a good control result by the control using a fixed PID parameter. As an effective control method for such a nonlinear system, a CMAC-PID controller using a Cerebellar Model Articulation Controller (CMAC) which is a kind of neural network (NN) has been proposed (for example, Non-Patent Document 1). However, the fact that online learning is necessary to acquire optimal control parameters and that a large amount of memory is required to realize the control system are major obstacles to practical use. CMAC-FRIT has already been reported as a solution to the former problem (see, for example, Non-Patent Document 2). This is because, by incorporating the FRIT (Fictious Reference Iterative Tuning) method, which directly calculates control parameters from the closed loop data of the target system, into CMAC learning, it is possible to learn CMAC offline without building a system emulator. It is a technique that can be done.

黒住亮太・山本透:「小脳演算モデルを用いたインテリジェントPID制御系の一設計」、電気学会論文誌.C,Vol.125、No.4、607-615、(2005)Ryota Kurosumi and Toru Yamamoto: "A design of intelligent PID control system using cerebellar computation model", IEEJ Transactions. C, Vol.125, No.4, 607-615, (2005) 脇谷・大西・山本:「非線形システムに対するFRITを用いたCMAC−PID制御器の一設計」、計測自動制御学会論文集、Vol.48、No.12(2012)Wakiya, Onishi, Yamamoto: “Design of CMAC-PID controller using FRIT for nonlinear systems”, Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, Vol.48, No.12 (2012)

CMAC−PID制御器はPIDの各パラメータごとに3次元の入力空間を有するCMACを用いるためその荷重表は膨大なものとなる。このため、CMAC−PID制御器をマイコンなどで実現する場合、CMACの荷重表を格納するために大容量のメモリが必要となる。しかしながら、大容量のメモリをマイコンに搭載することはコスト面から不利である。   Since the CMAC-PID controller uses a CMAC having a three-dimensional input space for each parameter of the PID, the load table becomes enormous. For this reason, when the CMAC-PID controller is realized by a microcomputer or the like, a large-capacity memory is required to store the CMAC load table. However, mounting a large-capacity memory in a microcomputer is disadvantageous in terms of cost.

上記問題に鑑み、本発明は、CMAC−PID制御器のメモリ容量の問題を解決することを目的とし、より少ない容量のメモリで動作可能な非線形PIDコントローラを提供することを課題とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to solve the problem of the memory capacity of the CMAC-PID controller, and to provide a nonlinear PID controller that can operate with a smaller capacity memory.

本発明の一局面に従った非線形PIDコントローラは、制御対象の非線形システムの出力値と目標値との偏差を算出する偏差演算部と、前記偏差の微分値を算出する微分演算部と、前記目標値、前記偏差、および前記微分値の3値からGMDH(Group Method of Data Handling)理論に基づいて前記非線形システムのPID制御に係る比例ゲイン、積分ゲイン、および微分ゲインを算出するGMHD−PID調整部と、前記偏差に基づいて、前記算出された比例ゲイン、積分ゲイン、および微分ゲインで前記非線形システムをPID制御するPID制御部とを備えている。   A nonlinear PID controller according to an aspect of the present invention includes a deviation calculating unit that calculates a deviation between an output value of a nonlinear system to be controlled and a target value, a differential calculating unit that calculates a differential value of the deviation, and the target GMHD-PID adjustment unit that calculates a proportional gain, an integral gain, and a differential gain according to PID control of the nonlinear system based on a GMDH (Group Method of Data Handling) theory from three values of the value, the deviation, and the differential value And a PID control unit that performs PID control of the nonlinear system based on the calculated proportional gain, integral gain, and differential gain based on the deviation.

これによると、GMDHを用いてPID制御に係るゲイン調整が行われる。GMDHはネットワークモデルの一つであり、たとえば学習を通して構築されたCMACを非線形モデルとして近似表現することができる。GMDHでは重み係数のみをメモリに記憶しておけばよいため、必要なメモリ容量を削減することができる。また、操業中のPIDゲインの算出に関わる計算コストも大幅に削減することが可能となる。   According to this, gain adjustment related to PID control is performed using GMDH. GMDH is one of the network models, and for example, CMAC constructed through learning can be approximately expressed as a nonlinear model. In GMDH, only the weight coefficient needs to be stored in the memory, so that the necessary memory capacity can be reduced. In addition, the calculation cost for calculating the PID gain during operation can be greatly reduced.

具体的には、前記GMHD−PID調整部が、各GMDHネットワークで前記3値から前記各ゲインを個別に算出するものであり、前記各GMDHネットワークが、アダライン演算子が階層的に接続されてなる。   Specifically, the GMHD-PID adjustment unit individually calculates each gain from the three values in each GMDH network, and each GMDH network is formed by hierarchically connecting adderline operators. .

さらに具体的には、前記各GMDHネットワークが、前記3値のいずれか二つが入力される第1および第2のアダライン演算子と、前記第1のアダライン演算子の出力および前記第2のアダライン演算子の出力が入力される第3のアダライン演算子とからなる。   More specifically, each of the GMDH networks includes first and second adderline operators to which any two of the three values are input, the output of the first adderline operator, and the second adderline operation. And a third adderline operator to which the child output is input.

また、本発明の別の局面に従うと、上記の非線形PIDコントローラにおけるGMDHの重み係数を決定する方法は、前記3値から前記非線形システムのPID制御に係る比例ゲイン、積分ゲイン、および微分ゲインを個別に算出する各CMAC(Cerebellar Model Articulation Controller)をコンピュータ上に構築し、前記各CMACに前記非線形システムのPID制御に係る学習をさせ、学習済みの前記各CMACの入出力サンプルデータに基づいて、前記3値から前記各ゲインを算出する各GMDHネットワークの重み係数を決定する。   Further, according to another aspect of the present invention, the method for determining the weighting factor of GMDH in the nonlinear PID controller described above separately determines a proportional gain, an integral gain, and a differential gain related to the PID control of the nonlinear system from the three values. Each CMAC (Cerebellar Model Articulation Controller) to be calculated on the computer is constructed on a computer, the CMAC is trained to perform PID control of the nonlinear system, and based on the input / output sample data of each learned CMAC, The weighting coefficient of each GMDH network for calculating each gain from the three values is determined.

上記のGMDH重み係数決定方法において、前記3値のいずれか二つが入力される2個のアダライン演算子が1階層目に配置され、前記1階層目の2個のアダライン演算子の出力が入力されるアダライン演算子が2階層目に配置された3つのGMDHネットワークのそれぞれについて、前記入出力サンプルデータに基づいて、前記第1階層目の2個のアダライン演算子の重み係数を決定し、前記1階層目の2個のアダライン演算子の重み係数の決定後に、再度前記入出力サンプルデータに基づいて、前記2階層目のアダライン演算子の重み係数を決定し、すべてのアダライン演算子の重み係数の決定後に、前記3つのGMDHネットワークのそれぞれの寄与率を計算し、前記3つのGMDHネットワークの中から前記寄与率が高いいずれか一つを選択し、当該選択したGMDHネットワークの重み係数を、前記3値から前記各ゲインを算出する各GMDHネットワークの重み係数として決定する。   In the GMDH weighting factor determination method, two adderline operators to which any two of the three values are input are arranged in the first hierarchy, and outputs of the two adderline operators in the first hierarchy are input. For each of the three GMDH networks in which the adderline operators are arranged in the second hierarchy, the weighting factors of the two adderline operators in the first hierarchy are determined based on the input / output sample data, and the 1 After determining the weighting factors of the two adderline operators in the hierarchy, the weighting factors of the second line of the adderline operators are determined again based on the input / output sample data, and the weighting factors of all the adderline operators are determined. After the determination, the respective contribution ratios of the three GMDH networks are calculated, and one of the three GMDH networks having the higher contribution ratio is calculated. Select, a weighting factor of the selected GMDH network is determined as the weighting coefficient of each GMDH network for calculating the respective gain from the 3 values.

本発明によると、CMAC−PID制御器のメモリ容量の問題が解決され、より少ない容量のメモリで動作可能な非線形PIDコントローラを実現することができる。   According to the present invention, the problem of the memory capacity of the CMAC-PID controller is solved, and a nonlinear PID controller that can operate with a smaller capacity memory can be realized.

CMAC−PID制御器のブロック線図Block diagram of CMAC-PID controller CMAC−PID調整部の構成図Configuration diagram of CMAC-PID adjustment unit CMACを示す模式図Schematic diagram showing CMAC CMAC−FRITのブロック線図CMAC-FRIT block diagram 本発明の一実施形態に係る非線形PIDコントローラ(GMDH−PID制御器)のブロック線図Block diagram of nonlinear PID controller (GMDH-PID controller) according to an embodiment of the present invention GMDHネットワークを示す模式図Schematic diagram showing the GMDH network アダライン演算子の構造を示す模式図Schematic diagram showing the structure of the adaline operator Billinearモデルの静特性を示すグラフGraph showing the static characteristics of the Billilinear model 固定PID制御器による制御結果を示すグラフGraph showing control result by fixed PID controller CMAC−PID制御器による制御結果を示すグラフThe graph which shows the control result by a CMAC-PID controller 図10の制御結果に対応するPIDゲインの推移を示すグラフThe graph which shows transition of the PID gain corresponding to the control result of FIG. GMDH−PID制御器による制御結果を示すグラフThe graph which shows the control result by a GMDH-PID controller 図12の制御結果に対応するPIDゲインの推移を示すグラフThe graph which shows transition of the PID gain corresponding to the control result of FIG. 固定PID制御器による別の制御結果を示すグラフThe graph which shows another control result by a fixed PID controller CMAC−PID制御器による汎化能力検証の制御結果を示すグラフThe graph which shows the control result of the generalization capability verification by a CMAC-PID controller GMDH−PID制御器による汎化能力検証の制御結果を示すグラフThe graph which shows the control result of the generalization capability verification by a GMDH-PID controller 図15の制御結果に対応するPIDゲインの推移を示すグラフThe graph which shows transition of the PID gain corresponding to the control result of FIG. 図16の制御結果に対応するPIDゲインの推移を示すグラフThe graph which shows transition of the PID gain corresponding to the control result of FIG.

本発明の一実施形態に係る非線形PIDコントローラは、まずCMAC−PID制御器を生成し、当該CMAC−PID制御器の学習を行った後、CMACをGMDH理論に基づく非線形関数で近似することで生成される。以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る非線形PIDコントローラの生成過程および構成について説明する。なお、同様の構成要素には同様の符号を付してその説明は繰り返さない。   A nonlinear PID controller according to an embodiment of the present invention first generates a CMAC-PID controller, learns the CMAC-PID controller, and then generates a CMAC by approximating it with a nonlinear function based on the GMDH theory. Is done. Hereinafter, a generation process and configuration of a nonlinear PID controller according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

≪CMAC−PID制御系の設計≫
制御則として、次式で与えられる速度型PID制御則を考える。
≪Design of CMAC-PID control system≫
As a control law, a speed type PID control law given by the following equation is considered.

ここで、u(t)は制御入力であり、e(t)は次式で定義される制御偏差を示す。K(t)、K(t)、K(t)はそれぞれ各時刻における比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインである。 Here, u (t) is a control input, and e (t) indicates a control deviation defined by the following equation. K P (t), K I (t), and K D (t) are a proportional gain, an integral gain, and a differential gain at each time, respectively.

(2)式において、r(t)およびy(t)はそれぞれ目標値、システム出力を示している。さらにΔは差分演算子でありΔ:=1−z−1で定義される。また、z−1は遅延演算子を表しz−1e(t)=e(t−1)を意味する。CMAC−PID制御器では、時刻tにおけるPIDゲインK(t)、K(t)、K(t)をCMAC調節器によって調整する。 In the formula (2), r (t) and y (t) indicate a target value and a system output, respectively. Further, Δ is a difference operator and is defined by Δ: = 1−z −1 . Z −1 represents a delay operator and means z −1 e (t) = e (t−1). In the CMAC-PID controller, the PMAC gains K P (t), K I (t), and K D (t) at time t are adjusted by the CMAC controller.

<CMAC>
CMAC−PID制御器のブロック線図を図1に示す。CMAC−PID制御器10は、r(t)からy(t)を減算してe(t)を算出する偏差演算部12と、e(t)の微分値Δe(t)を算出する微分演算部14(上記の差分演算子に相当)と、r(t)、e(t)、Δe(t)からK(t)、K(t)、K(t)を算出するCMAC−PID調整部16と、e(t)に基づいて、算出されたK(t)、K(t)、K(t)で非線形システム100をPID制御するPID制御部18とを備えている。
<CMAC>
A block diagram of the CMAC-PID controller is shown in FIG. The CMAC-PID controller 10 includes a deviation calculator 12 that calculates e (t) by subtracting y (t) from r (t), and a differential calculation that calculates a differential value Δe (t) of e (t). CMAC− for calculating K P (t), K I (t), and K D (t) from the unit 14 (corresponding to the difference operator described above) and r (t), e (t), Δe (t) A PID adjustment unit 16 and a PID control unit 18 that performs PID control of the nonlinear system 100 with K P (t), K I (t), and K D (t) calculated based on e (t). Yes.

CMAC−PID調整部16は、図2に示すように、K(t)、K(t)、K(t)のそれぞれを学習する3つのCMAC162によって構成される。 As shown in FIG. 2, the CMAC-PID adjustment unit 16 includes three CMACs 162 that learn each of K P (t), K I (t), and K D (t).

図3にCMACの具体的な構造を示す。まず、入力空間に(3,6)という入力が与えられると、その入力をラベル集合{B,F,J}、{c,g,k}に基づいて、荷重表から8,9,3を参照し、その合計20を出力する。この入力に対して、たとえば教師信号が14であった場合、出力と教師信号の差を荷重表の枚数で割った値すなわち(14−20)/3を参照した荷重表に加え、学習を行う。ここでは説明の簡単化のために2次元の入力空間について述べたが、CMAC162の入力空間はr(t)、e(t)、Δe(t)の3次元で構成し、(3)式に示すようにN枚の荷重表Wに離散化する。詳細については非特許文献1を参照されたい。   FIG. 3 shows a specific structure of CMAC. First, when an input of (3, 6) is given to the input space, 8, 9, 3 are calculated from the load table based on the label set {B, F, J}, {c, g, k}. Refer to it and output a total of 20. In response to this input, for example, when the teacher signal is 14, learning is performed in addition to a value obtained by dividing the difference between the output and the teacher signal by the number of load tables, that is, (14-20) / 3. . Here, a two-dimensional input space has been described for the sake of simplicity of explanation, but the input space of the CMAC 162 is configured by three dimensions of r (t), e (t), and Δe (t), and As shown, it is discretized into N load tables W. Refer to Non-Patent Document 1 for details.

<CMAC−FRITによるオフライン学習>
CMACのオフライン学習には、モデルフリー型制御設計法の一つであるFRITを適用する。FRITでは、1回の実験データ(閉ループデータ)を用いて、制御パラメータを直接的に算出することができる。FRITを用いたCMACのオフライン学習のブロック線図を図4に示す。図4において、r(t)、e(t)、u(t)、y(t)は初期実験によって得られた操業データを示している。さらにチルダーr(t)は擬似参照入力を示し、次式で表される。
<Offline learning with CMAC-FRIT>
For offline learning of CMAC, FRIT, which is one of model-free control design methods, is applied. In FRIT, it is possible to directly calculate the control parameter using one experiment data (closed loop data). FIG. 4 shows a block diagram of offline learning of CMAC using FRIT. In FIG. 4, r 0 (t), e 0 (t), u 0 (t), and y 0 (t) indicate operation data obtained by the initial experiment. Furthermore, tilde r (t) indicates a pseudo reference input and is expressed by the following equation.

ここでC(z−1)はPIDコントローラの多項式を表している。CMAC−FRITでは、PIDゲインの計算に必要なCMACの荷重を以下の調整則によりオフライン学習を行う。 Here, C (z −1 ) represents a polynomial of the PID controller. In CMAC-FRIT, offline learning is performed on the CMAC load necessary for calculating the PID gain according to the following adjustment rule.

(5)式においてη、η、ηは学習係数を表している。また、J(t)は評価関数で次式で表される。 In the formula (5), η P , η I , and η D represent learning coefficients. J (t) is an evaluation function expressed by the following equation.

(6)式において、y(t)は(7)式で表される参照モデルG(z−1)からの出力である。 In the equation (6), y r (t) is an output from the reference model G m (z −1 ) represented by the equation (7).

ここでP(z−1)は参照モデルの特性多項式であり、次式で表される。 Here, P (z −1 ) is a characteristic polynomial of the reference model and is expressed by the following equation.

(9)式においてTはサンプリング時間、σ、δはそれぞれ制御系の立ち上がり特性、減衰特性に関係するパラメータを示しており,設計者が任意に設定する。特にσは制御系の出力がステップ状の目標値の約60%に達するまでの時間を示している。δは減衰特性であり、0〜1.0程度で設計するのがよいとされている。CMAC−FRITの詳細については、非特許文献2を参照されたい。 (9) T s is the sampling time in a formula, sigma, [delta] is the rising characteristics of the respective control system, illustrates the parameters related to the damping characteristic, designer arbitrarily set. In particular, σ indicates the time until the output of the control system reaches about 60% of the step target value. δ is an attenuation characteristic, and is designed to be about 0 to 1.0. Refer to Non-Patent Document 2 for details of CMAC-FRIT.

≪GMDHを用いた非線形PID制御器の構築≫
<非線形PIDコントローラ>
上述したように、本実施形態に係る非線形PIDコントローラは、CMAC−PIDで構築された各PIDゲインを、(10)式で与えられる非線形モデルとして記述することで生成される。つまり各時刻のPIDゲインをr(t)、e(t)、Δe(t)の非線形関数として記述する。その際、ネットワークモデルの一つであるGMDH(Group Method of Data Handling)を用いる。
≪Construction of nonlinear PID controller using GMDH≫
<Nonlinear PID controller>
As described above, the nonlinear PID controller according to the present embodiment is generated by describing each PID gain constructed by CMAC-PID as a nonlinear model given by equation (10). That is, the PID gain at each time is described as a nonlinear function of r (t), e (t), and Δe (t). At that time, GMDH (Group Method of Data Handling) which is one of network models is used.

<GMDH>
GMDHはシステムの入出力データを用いて、非線形モデルを構成する際に用いられるネットワークモデルの一つである。GMDHネットワークは、モデルを多項式として表現することが比較的容易であるという特徴をもっている。したがって、非線形コントローラである図1のCMAC−PID制御器10を近似的に表現することができる。
<GMDH>
GMDH is one of network models used to construct a nonlinear model using system input / output data. The GMDH network has a feature that it is relatively easy to express a model as a polynomial. Therefore, the CMAC-PID controller 10 of FIG. 1 which is a non-linear controller can be expressed approximately.

本実施形態に係る非線形PIDコントローラであるGMDH−PID制御器のブロック線図を図5に示す。GMDH−PID制御器10Aは、r(t)からy(t)を減算してe(t)を算出する偏差演算部12と、e(t)の微分値Δe(t)を算出する微分演算部14(上記の差分演算子に相当)と、r(t)、e(t)、Δe(t)からGMDH理論に基づいてK(t)、K(t)、K(t)を算出するGMDH−PID調整部16Aと、e(t)に基づいて、算出されたK(t)、K(t)、K(t)で非線形システム100をPID制御するPID制御部18とを備えている。 FIG. 5 shows a block diagram of a GMDH-PID controller which is a nonlinear PID controller according to the present embodiment. The GMDH-PID controller 10A includes a deviation calculator 12 that calculates e (t) by subtracting y (t) from r (t), and a differential calculation that calculates a differential value Δe (t) of e (t). Based on the GMDH theory, K P (t), K I (t), K D (t) from the part 14 (corresponding to the above difference operator) and r (t), e (t), Δe (t) GMDH-PID adjustment unit 16A that calculates the PID control unit that performs PID control of the nonlinear system 100 with the calculated K P (t), K I (t), and K D (t) based on e (t) 18.

GMDHネットワークは、図6に示すようにアダライン演算子(N-Adaline)164の適切な組み合わせによって構成される階層型のネットワークである。アダライン演算子164は図7に示すように2入力1出力からなるユニットで、入力変数をx(t),x(t)、出力変数をz(t)とする。z(t)は次式のように表現される。 The GMDH network is a hierarchical network configured by an appropriate combination of adderline operators (N-Adaline) 164 as shown in FIG. As shown in FIG. 7, the adderline operator 164 is a unit having two inputs and one output, and the input variables are x 1 (t) and x 2 (t), and the output variable is z (t). z (t) is expressed as the following equation.

ただし、w(i=0,・・・,5)は重み係数を示す。また図中のSq.は2乗演算を示している。 However, w i (i = 0,..., 5) represents a weighting coefficient. In addition, Sq. Indicates square calculation.

重みの算出には次式の最小二乗法を用いることができる。もちろん、これ以外の方法で重みを算出してもよい。   The least square method of the following formula can be used for calculating the weight. Of course, the weight may be calculated by other methods.

GMDHネットワークは図6に示す通り3種類の組み合わせが存在する。その中から次式で定義される寄与率が最も高いもの(たとえば、図6において破線で囲んだネットワーク)をGMHD−PID調整部16Aに搭載すべきGMDHネットワーク165として決定する。   The GMDH network has three types of combinations as shown in FIG. Among them, the one having the highest contribution rate defined by the following equation (for example, a network surrounded by a broken line in FIG. 6) is determined as the GMDH network 165 to be mounted on the GMHD-PID adjustment unit 16A.

上式においてはNは入出力データのデータ数、チルダーz(t)は出力の推定値、バーzは出力データの平均値を表している。 In the above equation, N s represents the number of input / output data, tilde z (t) represents an estimated output value, and bar z represents an average value of output data.

<コントローラの設計>
上述のGMDHを用いて、以下の手順に従いPIDゲインの非線形モデルを設計する。
step1)学習済みのCMACの荷重表にr(t)、e(t)、Δe(t)を入力し、チルダーK(t)、チルダーK(t)、チルダーK(t)を算出する。
step2)(12)式によって、重みwを決定する。式(11)において、x(t),x(t)はr(t),e(t),Δe(t)のうちの二つであり、z(t)はチルダーK(t)、チルダーK(t)、チルダーK(t)である。重みwはPIDゲインそれぞれにおいて異なった重みである。
step3)PIDゲインそれぞれの推定値を用いて1階層目のGMDHと最小二乗法により、2階層目の重みwを決定する。
step4)それぞれの組み合わせにおける推定値を算出し、式(13)により寄与率を計算する。この寄与率が最も高いものをPIDゲインの非線形モデルとする。
<Controller design>
Using the above-described GMDH, a non-linear model of PID gain is designed according to the following procedure.
step 1) Input r 0 (t), e 0 (t), Δe 0 (t) to the learned CMAC load table, and tilde K P (t), tilde K I (t), tilde K D (t ) Is calculated.
(Step 2) The weight w is determined by the equation (12). In Expression (11), x 1 (t) and x 2 (t) are two of r 0 (t), e 0 (t), and Δe 0 (t), and z (t) is a tilde K. P (t), a Childer K I (t), Childer K D (t). The weight w is a different weight for each PID gain.
step 3) The weight w of the second layer is determined by the GMDH of the first layer and the least square method using the estimated values of the PID gains.
(Step 4) The estimated value in each combination is calculated, and the contribution rate is calculated by the equation (13). The one with the highest contribution rate is defined as a non-linear model of PID gain.

本手法によって、CMACを用いて算出していた各PIDゲインをGMDHネットワークにより表現することが可能となり、CMACに必要であったメモリを大幅に削減することができる。   With this method, each PID gain calculated using CMAC can be expressed by a GMDH network, and the memory required for CMAC can be greatly reduced.

CMAC−PID制御器10では、K(t)、K(t)、K(t)を算出する3つのCMAC162が、それぞれ、3次元の入力空間(その大きさは、たとえば11である)および3枚の荷重表を有するため、メモリに記憶すべきパラメータは11979(=11×3×3)個もある。このため、CMAC−PID制御器10をマイコンなどで実現する場合、たとえば、1パラメータを64ビットデータとして、マイコンにはおよそ93Kバイトものメモリ容量が必要となる。一方、GMHD−PID制御器10Aでは、GMHD−PID調整部16Aが、r(t)、e(t)、Δe(t)から3つのGMDHネットワーク165のそれぞれでK(t)、K(t)、K(t)を算出する。したがって、メモリに記憶すべきパラメータは各GMDHネットワーク165における各アダライン演算子164の6つの重み係数、すなわち、54(=3×3×6)個のパラメータだけでよい。このため、GMDH−PID制御器10Aをマイコンなどで実現する場合、たとえば、1パラメータを64ビットデータとして、マイコンに必要なメモリ容量はわずか432バイトで済む。このように、本実施形態に係るGMDH−PID制御器10Aでは必要なメモリ容量を大幅に低減することができる。 In the CMAC-PID controller 10, three CMACs 162 for calculating K P (t), K I (t), and K D (t) are respectively converted into a three-dimensional input space (the size is 11 3 , for example). There are 11979 (= 11 3 × 3 × 3) parameters to be stored in the memory. For this reason, when the CMAC-PID controller 10 is realized by a microcomputer or the like, for example, one parameter is set as 64-bit data, and the microcomputer requires a memory capacity of about 93 Kbytes. On the other hand, in the GMHD-PID controller 10 </ b> A, the GMHD-PID adjustment unit 16 </ b> A determines K P (t), K I (in each of the three GMDH networks 165 from r (t), e (t), and Δe (t). t) and K D (t) are calculated. Therefore, the parameters to be stored in the memory need only be six weighting factors of each adderline operator 164 in each GMDH network 165, that is, 54 (= 3 × 3 × 6) parameters. For this reason, when the GMDH-PID controller 10A is realized by a microcomputer or the like, for example, one parameter is set to 64-bit data, and the memory capacity required for the microcomputer is only 432 bytes. Thus, in the GMDH-PID controller 10A according to the present embodiment, the necessary memory capacity can be significantly reduced.

≪制御結果≫
本実施形態の有効性を検証するため、GMDH−PID制御器10Aを次式で与えられるBillinearモデルに適用する。
≪Control result≫
In order to verify the effectiveness of the present embodiment, the GMDH-PID controller 10A is applied to a Billierar model given by the following equation.

ここでξ(t)は平均0、分散1.0×10−3のガウス性白色雑音を示している。また、Billinearモデルの静特性を図8に示す。さらに、各ステップにおける目標値を(15)式のように設定した。 Here, ξ (t) represents Gaussian white noise having an average of 0 and a variance of 1.0 × 10 −3 . In addition, the static characteristics of the Billilinear model are shown in FIG. Furthermore, the target value in each step was set as shown in equation (15).

<CMACのオフライン学習>
はじめにCMACのオフライン学習に必要な入出力データを得るために、閉ループ系の安定性を十分に考慮した固定PIDゲインによる制御を行った。このとき、PIDゲインの決定についてはy=5付近のデータを用いて、CHR(Chien,Hrones,Reswick)法を用いて算出した。PIDゲインは次式の通りである。
<Offline learning of CMAC>
First, in order to obtain input / output data necessary for offline learning of CMAC, control by a fixed PID gain was performed in consideration of the stability of the closed loop system. At this time, the PID gain was determined by using the CHR (Chien, Hrones, Reswick) method using data in the vicinity of y = 5. The PID gain is as follows:

このパラメータでの固定PID制御器による制御結果を図9に示す。結果から低い目標値に対しては、目標値追従性においても必ずしも良好とはいえない。   The control result by the fixed PID controller with this parameter is shown in FIG. As a result, the target value followability is not necessarily good for a low target value.

次に、固定PID制御による実験データに基づいて、CMAC−FRITによりCMACをオフライン学習する。その際の参照モデルは(17)式のように設計した。   Next, offline learning of CMAC is performed by CMAC-FRIT based on experimental data by fixed PID control. The reference model at that time was designed as shown in equation (17).

また、学習係数はη,η,ηともに10−3に設計した。図10、図11にCMAC−PIDでの制御結果、PIDゲインの推移を示す。CMACがオフラインで十分学習され、低い目標値においても良好な制御ができていることがわかる。 In addition, the learning coefficients were designed to be 10 −3 for η P , η I , and η D. 10 and 11 show the transition of the control result and PID gain in CMAC-PID. It can be seen that the CMAC is sufficiently learned off-line and good control can be performed even at a low target value.

<GMDHによるコントローラの設計>
オフライン学習されたCMACをGMDHにより、ネットワークとして構成し、(15)式で与えられる目標値に対してシミュレーションを行った。
<Controller design by GMDH>
The offline learned CMAC was configured as a network by GMDH, and a simulation was performed on the target value given by equation (15).

シミュレーションの結果とPIDゲインの推移を図12、図13に示す。結果からGMDH−PIDがCMAC−PIDとほぼ同じ制御性能を得られていることがわかる。   The results of simulation and the transition of PID gain are shown in FIGS. From the results, it can be seen that GMDH-PID has almost the same control performance as CMAC-PID.

<汎化能力の検証>
(18)式に示す未学習の目標値に対して制御を行うことで、汎化能力について考察する。固定PIDでの制御結果を図14に、CMAC−PIDでの制御結果を図15に、本実施形態に係るGMDH−PIDでの制御結果を図16に示す。また、CMAC−PIDでのPIDゲインの推移を図17に、本実施形態に係るGMDH−PIDでのPIDゲインの推移を図18に示す。
<Verification of generalization ability>
The generalization ability is considered by controlling the unlearned target value shown in Equation (18). FIG. 14 shows the control result with the fixed PID, FIG. 15 shows the control result with the CMAC-PID, and FIG. 16 shows the control result with the GMDH-PID according to the present embodiment. FIG. 17 shows the transition of the PID gain in CMAC-PID, and FIG. 18 shows the transition of the PID gain in GMDH-PID according to this embodiment.

これらの制御結果により、本実施形態に係るGMDH−PIDがCMAC−PIDとほぼ同等の制御性能を有していると考えられる。このシミュレーションではCMACの荷重表に要したメモリ量が倍精度浮動小数点数で264Kバイトだったことに対し、本実施形態でのGMDHの重みでは432バイトとなり、99.8%メモリを削減した。また、制御対象によってはCMACのメモリが増大する場合もあるため、メモリ容量を削減するために本実施形態は有用であるといえる。   From these control results, it is considered that the GMDH-PID according to the present embodiment has almost the same control performance as the CMAC-PID. In this simulation, the amount of memory required for the load table of CMAC was 264 Kbytes as a double precision floating point number, whereas the weight of GMDH in this embodiment was 432 bytes, and the memory was reduced by 99.8%. Further, since the CMAC memory may increase depending on the control target, this embodiment can be said to be useful for reducing the memory capacity.

10A GMDH−PID制御器(非線形PIDコントローラ)
12 偏差演算部
14 微分演算部
16A GMDH−PID調整部
162 CMAC
164 アダライン演算子
165 GMDHネットワーク
18 PID制御部
100 非線形システム
10A GMDH-PID controller (nonlinear PID controller)
12 Deviation calculation unit 14 Differential calculation unit 16A GMDH-PID adjustment unit 162 CMAC
164 Adaline Operator 165 GMDH Network 18 PID Control Unit 100 Nonlinear System

Claims (5)

制御対象の非線形システムの出力値と目標値との偏差を算出する偏差演算部と、
前記偏差の微分値を算出する微分演算部と、
前記目標値、前記偏差、および前記微分値の3値からGMDH(Group Methodof Data Handling)理論に基づいて前記非線形システムのPID制御に係る比例ゲイン、積分ゲイン、および微分ゲインを算出するGMHD−PID調整部と、
前記偏差に基づいて、前記算出された比例ゲイン、積分ゲイン、および微分ゲインで前記非線形システムをPID制御するPID制御部とを備えている
ことを特徴とする非線形PIDコントローラ。
A deviation calculator for calculating a deviation between the output value of the nonlinear system to be controlled and the target value;
A differential operation unit for calculating a differential value of the deviation;
GMHD-PID adjustment for calculating a proportional gain, an integral gain, and a differential gain according to PID control of the nonlinear system based on a GMDH (Group Method of Data Handling) theory from the three values of the target value, the deviation, and the differential value And
A non-linear PID controller comprising: a PID control unit that PID-controls the non-linear system with the calculated proportional gain, integral gain, and differential gain based on the deviation.
請求項1に記載の非線形PIDコントローラにおいて、
前記GMHD−PID調整部が、各GMDHネットワークで前記3値から前記各ゲインを個別に算出するものであり、
前記各GMDHネットワークが、アダライン演算子が階層的に接続されてなる
ことを特徴とする非線形PIDコントローラ。
The nonlinear PID controller of claim 1,
The GMHD-PID adjustment unit calculates each gain individually from the three values in each GMDH network;
A non-linear PID controller, wherein each GMDH network is formed by hierarchically connecting adderline operators.
請求項2に記載の非線形PIDコントローラにおいて、
前記各GMDHネットワークが、前記3値のいずれか二つが入力される第1および第2のアダライン演算子と、前記第1のアダライン演算子の出力および前記第2のアダライン演算子の出力が入力される第3のアダライン演算子とからなる
ことを特徴とする非線形PIDコントローラ。
The non-linear PID controller according to claim 2,
Each GMDH network receives first and second adderline operators to which any two of the three values are input, an output of the first adderline operator, and an output of the second adderline operator. A non-linear PID controller comprising: a third adderline operator.
請求項1から3のいずれか一つに記載の非線形PIDコントローラにおけるGMDHの重み係数を決定する方法において、
前記3値から前記非線形システムのPID制御に係る比例ゲイン、積分ゲイン、および微分ゲインを個別に算出する各CMAC(Cerebellar Model Articulation Controller)をコンピュータ上に構築し、
前記各CMACに前記非線形システムのPID制御に係る学習をさせ、
学習済みの前記各CMACの入出力サンプルデータに基づいて、前記3値から前記各ゲインを算出する各GMDHネットワークの重み係数を決定する
ことを特徴とするGMDH重み係数決定方法。
In the method of determining the weighting factor of GMDH in the nonlinear PID controller as described in any one of Claim 1 to 3,
Each CMAC (Cerebellar Model Articulation Controller) that individually calculates proportional gain, integral gain, and differential gain related to PID control of the nonlinear system from the three values is constructed on a computer,
Causing each CMAC to learn about PID control of the nonlinear system;
A GMDH weighting factor determination method, wherein a weighting factor of each GMDH network for calculating each gain from the three values is determined based on learned input / output sample data of each CMAC.
請求項4に記載のGMDH重み係数決定方法において、
前記3値のいずれか二つが入力される2個のアダライン演算子が1階層目に配置され、前記1階層目の2個のアダライン演算子の出力が入力されるアダライン演算子が2階層目に配置された3つのGMDHネットワークのそれぞれについて、前記入出力サンプルデータに基づいて、前記第1階層目の2個のアダライン演算子の重み係数を決定し、
前記1階層目の2個のアダライン演算子の重み係数の決定後に、再度前記入出力サンプルデータに基づいて、前記2階層目のアダライン演算子の重み係数を決定し、
すべてのアダライン演算子の重み係数の決定後に、前記3つのGMDHネットワークのそれぞれの寄与率を計算し、
前記3つのGMDHネットワークの中から前記寄与率が高いいずれか一つを選択し、当該選択したGMDHネットワークの重み係数を、前記3値から前記各ゲインを算出する各GMDHネットワークの重み係数として決定する
ことを特徴とするGMDH重み係数決定方法。
In the GMDH weighting coefficient determination method according to claim 4,
Two adderline operators to which any two of the three values are input are arranged in the first hierarchy, and the adderline operator to which the output of the two adderline operators in the first hierarchy is input is in the second hierarchy. For each of the three arranged GMDH networks, based on the input / output sample data, determine the weighting factors of the two adderline operators in the first hierarchy,
After determining the weighting factors of the two adderline operators in the first layer, again determine the weighting factor of the adderline operator in the second layer based on the input / output sample data;
After determining the weighting factors of all the Adaline operators, calculate the contribution rate of each of the three GMDH networks,
One of the three GMDH networks having a high contribution rate is selected, and the weighting factor of the selected GMDH network is determined as the weighting factor of each GMDH network that calculates each gain from the three values. A GMDH weighting factor determination method characterized by the above.
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