JP2016051473A - 多入力多出力プラントのモデルベース適応制御方法およびシステム - Google Patents

多入力多出力プラントのモデルベース適応制御方法およびシステム Download PDF

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Abstract

【課題】多入力多出力プラントに関して、プラントの特定の動的変化をプラントモデルが取得できない場合においても、モデルベース制御により適正かつ安定にプラントを制御する。
【解決手段】複数のアクチュエータ２１、アクチュエータ２１の動作状態に対応する複数の入力２２、およびプラント２０の運転条件に対応する複数の出力２４を有する当該プラント２０をモデルベース制御およびプラントモデル４１に従って制御するもので、プラントモデル４１は、オンライン再構成され、モデルベース制御は、再構成されたプラントモデル４１に適応するように構築される。
【選択図】図１

Description

本願は、多入力多出力プラントのモデルベース適応制御方法およびシステムに関する。
多入力多出力（ＭＩＭＯ）プラントに関して、モデルベース制御システムは、異なる運転条件において２つ以上の主要な制御対象を有する。一般的に、複数の入力は、アクチュエータが駆動する制御ハンドルである。モデルベース制御システムは、複数のプラント出力を制御するため、プラントの複数のアクチュエータへの入力コマンドを決定することによって、異なる運転条件下における複数の制御目標を実現する。一例として、プラントは、ジェットエンジンであってもよく、複数のアクチュエータがジェットエンジンのプロセスを制御することによって、推進力、ファン操作性および／もしくはコア操作性、ならびに燃料消費等の複数の制御目標に対応するファン回転速度、圧力比、ノズル位置、またはコア温度等の出力を生成する。ＭＩＭＯ制御システムのアクチュエータは、様々な理由で制約されている場合があり、プラント出力に対するある程度の制御効果または完全な制御効果が失われてしまう。モデルベース制御性能は、プラントモデルによって決まるため、制約された（１つまたは複数の）アクチュエータに包含または誘発されるプラントの特定の動的変化をプラントモデルが取得できない場合、モデルによるモデルベース制御は、このような変化を用いて適正または安定にプラントを制御することができない。
米国特許第６９０４４２２号公報
一態様において、本発明の一実施形態は、複数のアクチュエータ、アクチュエータの動作状態に対応する複数の入力、およびプラントの運転条件に対応する複数の出力を有する当該プラントをモデルベース制御およびプラントモデルに従って制御する方法に関する。出力の優先順位を決めることによって、出力優先ランキングを規定するとともに、複数のアクチュエータそれぞれの現行モードを決定することによって、複数のアクチュエータモードを規定する。また、出力優先ランキングおよびアクチュエータモードを用いて、少なくとも１つのプラントモデル適応係数配列を構築する。そして、上記少なくとも１つのプラントモデル適応係数配列を用いてプラントモデルを実時間で再構成することにより、プラントモデルを出力優先ランキングおよびアクチュエータモードに適応させる。また、モデルベース制御が出力優先ランキングおよびアクチュエータモードに自動的に適応するように、モデルベース制御を構築する。
別の態様において、本発明の一実施形態は、プラントの運転条件に対応する複数の出力および複数のアクチュエータの動作状態に対応する複数の入力を有する当該アクチュエータを有する当該プラントの制御システムに関する。出力優先ランキングモジュールは、複数の出力の優先順位を決めることによって、出力優先ランキングを規定するように構成されている。アクチュエータモード管理モジュールは、複数のアクチュエータそれぞれのモードを決定することによって、複数のアクチュエータモードを規定するように構成されている。管理モジュールは、出力優先ランキングおよびアクチュエータモードを用いて、少なくとも１つのプラントモデル適応係数配列を構築するように構成されている。プラントモデルモジュールは、上記少なくとも１つのプラントモデル適応係数配列を用いて、プラントモデルを再構成するように構成されており、モデルベース制御モジュールは、出力優先ランキングおよびアクチュエータモードに自動的に適応するモデルベース制御を構築するように構成されている。
本明細書に記載の技術は、添付の図面と併せて示す以下の説明を参照することによって最もよく理解され得る。
本発明の一実施形態に係る、モデルベース制御システムのブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、アクチュエータ現行モード管理モジュールのアクチュエータオン限界検出ロジックのブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、アクチュエータモード管理モジュールのアクチュエータモード識別ロジックのブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、プラントモード適応係数配列管理モジュールロジックのブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、動的反転型制御のためのモデルベース適応制御モジュールロジックのブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、非動的反転型制御のためのモデルベース適応制御モジュールロジックのブロック図である。
背景技術および以下の説明においては、説明を目的として、多くの具体的詳細を記載することにより、本明細書に記載の技術の理解が十分に得られるようにする。ただし、当業者には明らかなように、例示的な実施形態は、これらの具体的詳細なく実施されてもよい。他の例では、構造および装置を図式表示することによって、例示的な実施形態の説明を容易化する。
図面を参照して、例示的な実施形態を説明する。これらの図面は、本明細書に記載のモジュール、方法、またはコンピュータプログラム製品を実装する特定の実施形態の一定の詳細を示している。ただし、図面は、当該図面中に存在し得る何らかの制限を課すものと解釈されるべきではない。方法およびコンピュータプログラム製品は、それぞれの動作を完遂する任意の機械可読媒体上に提供されていてもよい。実施形態は、既存のコンピュータプロセッサを用いて、またはこの目的もしくは別の目的のために組み込まれた専用コンピュータプロセッサ、またはハードワイヤードシステムにより実装されてもよい。
上述の通り、本明細書に記載の実施形態は、機械実行可能な命令またはデータ構造が格納されたコンピュータプログラム製品含有機械可読媒体を含んでいてもよい。このような機械可読媒体は、プロセッサを備えた汎用または専用コンピュータ等の機械によりアクセス可能な任意の利用可能な媒体とすることができる。一例として、このような機械可読媒体としては、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の光ディスクストレージ、磁気ディスクストレージ等の磁気記憶装置、または機械実行可能な命令もしくはデータ構造の形態の所望のプログラムコードを持ち運びまたは格納する際に利用可能であり、プロセッサを備えた汎用もしくは専用コンピュータ等の機械によりアクセス可能なその他任意の媒体が挙げられる。ネットワークまたは別の通信接続（有線、無線、もしくは有線と無線との組み合わせ）を通して情報が機械に伝送された場合、機械は、この接続を適切に機械可読媒体と見なす。したがって、このような任意の接続が、適切に機械可読媒体と称される。上記の組み合わせについても、機械可読媒体の範囲に含まれる。機械実行可能な命令としては、たとえば汎用コンピュータ、専用コンピュータ、または専用処理機械にある機能または機能群を実行させる命令およびデータが挙げられる。
たとえば、ネットワーク化された環境において機械が実行するプログラムモジュールの形態のプログラムコード等の機械実行可能な命令を含むプログラム製品により一実施形態において実装可能な方法ステップの一般的な状況において、実施形態を説明する。一般的に、プログラムモジュールは、特定のタスクの実行という技術的効果を有するか、または特定の抽象データ型を実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む。機械実行可能な命令、関連するデータ構造、およびプログラムモジュールは、本明細書に開示の方法のステップを実行するプログラムコードの例を表す。このような実行可能な命令または関連するデータ構造の特定の順序は、このようなステップに記載の機能を実装する対応動作の例を表す。
実施形態は、プロセッサを有する１つまたは複数のリモートコンピュータとの論理接続を用いたネットワーク化された環境において実施されてもよい。論理接続としては、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）およびワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）が挙げられるが、一例としてここに提示したものであり、これらに限定されない。このようなネットワーク環境は、オフィス全体または企業全体のコンピュータネットワーク、イントラネット、およびインターネットにおいて一般的であり、多種多様な異なる通信プロトコルを用いていてもよい。当業者には当然のことながら、このようなネットワークコンピュータ環境は通常、パーソナルコンピュータ、携帯装置、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースまたはプログラム可能な家庭用電化製品、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、およびメインフレームコンピュータ等、多様なコンピュータシステム構成を網羅する。
また、実施形態は、通信ネットワークを通して（有線リンク、無線リンク、または有線リンクと無線リンクとの組み合わせにより）連結されたローカルおよびリモートの処理装置がタスクを実行する分散コンピュータ環境において実施されてもよい。分散コンピュータ環境において、プログラムモジュールは、ローカルおよびリモートのメモリ記憶装置の両者に配置されていてもよい。
例示的な実施形態の全部または一部を実装する例示的なシステムは、処理ユニットと、システムメモリと、システムメモリを含む様々なシステム構成要素を処理ユニットに結合するシステムバスとを具備したコンピュータの形態の汎用コンピュータ装置を備えていてもよい。システムメモリは、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を具備していてもよい。また、コンピュータは、磁気ハードディスクに対する読み出しおよび書き込みを行う磁気ハードディスクドライブと、リムーバブル磁気ディスクに対する読み出しおよび書き込みを行う磁気ディスクドライブと、ＣＤ−ＲＯＭまたは他の光媒体等のリムーバブル光ディスクに対する読み出しおよび書き込みを行う光ディスクドライブとを具備していてもよい。これらのドライブおよびそれぞれの関連する機械可読媒体は、機械実行可能な命令、データ構造、プログラムモジュール等のデータの不揮発性ストレージをコンピュータに提供する。
用語「アクチュエータ」としては事実上、プラントの状態に影響を及ぼしてその１つまたは複数の自由度を制御可能な任意の装置が可能であることが了解されよう。このようなアクチュエータは、モータ、モータ駆動スクリュー、油圧シリンダ、気流を制御するポンプまたはバルブ、サーマルヒータ、圧縮機または吸引発生機等の駆動装置とすることができる。
また、用語「プラント」は、制御システムが制御するシステムを指すことが了解されよう。たとえば、プラントは、航空機、宇宙船、ロケット、衛星、ミサイル、誘導兵器、自動車等の乗り物とすることができる。また、このようなプラントは、制動システム、エンジン、トランスミッション、またはアクティブサスペンション等の車両サブシステムとすることができる。プラントは、製造施設または発電施設とすることができる。一般的に、プラントは事実上、任意の制御可能なシステムとすることもできる。
また、本明細書において使用される場合、用語「モジュール」は、モデルベース適応制御システムの機能を実行するモデルベース適応制御システムの要素または構成要素であることが了解される。このようなモジュールは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェハ、またはそれらの組み合わせの形態であってもよい。
さらに、本明細書において使用する用語「オンライン」は、実時間または制御されるプラントの運転時に発生するプロセスまたは動作であることが了解されよう。
ここで図１を参照すると、プラントサイクル２３を制御する複数のアクチュエータ２１を有する制御プラント２０のモデルベース適応制御システム１０を示している。モデルベース適応制御システム１０は、モデルベース適応制御モジュール３０と、適応プラントモデル４１および公称プラントモデル４３を有する適応プラントモデルオンライン再構成モジュール４０とを備える。プラント２０は、アクチュエータ２１の動作状態に対応する複数のプラント入力コマンド２２を受信し、このプラント入力コマンド２２およびプラントサイクル２３によるプラント２０の運転条件に対応する複数のプラント出力２４を生成する。モデルベース適応制御モジュール１０は、多入力多出力（ＭＩＭＯ）制御として知られているように、複数のプラント入力コマンド２２を計算することによって、複数のプラント出力２４を制御する。各プラント入力コマンド２２は、アクチュエータ出力を駆動し、任意のアクチュエータ出力は、複数のサイクル出力に影響を及ぼしてもよいことから、複数のプラント入力コマンド２２が複数のプラント出力２４を有するプラント２０の制御を実現する。適応プラントモデルオンライン再構成モジュール４０は、プラント２０からのプラント出力信号４２による運転条件指示のほか、モデルベース適応制御システム１０の外部の他の運転条件入力５８を受信することによって、公称モデル入力３８および適応モデル入力３７を有するモデル入力３６を生成する。モデルベース適応制御モジュール３０は、所望の出力基準３２と実際のプラント出力２４の出力フィードバック３４との間の出力追跡誤差を含む複数の入力と、モデル入力３６およびプラント状態フィードバック３５とを受信し、これらの入力を用いてモデルベース適応制御を構築することにより、プラント入力コマンド２２を計算して所望のプラント出力２４を実現する。
また、モデルベース適応制御システム１０は、出力優先ランキングモジュール５０、アクチュエータモード管理モジュール６０、およびモデル誤差知識ベースモジュール７０を備える。
出力優先ランキングモジュール５０は、プラント出力２４からの運転条件指示出力５６のほか、モデルベース適応制御システム１０の外部の他の運転条件入力５８を受信して、出力優先順位５２をプラント出力２４に提供するように構成されている。出力優先ランキングモジュール５０は、プラント運転条件の関数であり、運転条件に応じて変動するようになっていてもよい。出力優先順位５２は、運転条件に基づいて予め決定され、すべてのプラント出力２４に対して、最も高い優先順位から最も低い優先順位の順で１〜Ｎ（Ｎは、プラント２０のプラント出力２４の数）にランキングされている。所与の運転条件にて、優先順位が同じプラント出力２４が２つ存在する場合は、一方が他方より高くなるように優先順位を指定する。
アクチュエータモード管理モジュール６０は、アクチュエータ２１から現行アクチュエータデータ６６と、適応プラントモデルオンライン再構成モジュール４０から予測アクチュエータデータ６８とを受信するとともに、検出および識別ロジックを用いることによって、アクチュエータ２１それぞれの現行モードを決定するとともに、アクチュエータ２１それぞれにアクチュエータモードフラグ６２を提供するように構成される。現行アクチュエータデータ６６は、センサを用いて決定され、位置、レート、重大障害、運転モード、または検知不具合を含んでいてもよいが、これらに限定されない。予測アクチュエータデータ６８は、公称プラントモデル４３を用いて決定され、位置、スルーレート、公差、および限界を含んでいてもよいが、これらに限定されない。アクチュエータ２１それぞれの現行モードは、アクチュエータ非制約モードの非制約アクチュエータまたはアクチュエータ制約モードの制約アクチュエータとして規定されるようになっていてもよい。
アクチュエータモードフラグ６２は、アクチュエータ２１それぞれのモードを表すグループに分類されていてもよい。アクチュエータ制約モードの制約アクチュエータ２１は、アクチュエータ２１が動作限界（オン限界）にあること、アクチュエータの重大障害、および／またはアクチュエータ位置検知信号の喪失に起因して固定位置に留まっているアクチュエータ固定モードのアクチュエータ２１として規定されるようになっていてもよい。また、アクチュエータ制約モードの制約アクチュエータ２１は、その他のアクチュエータ２１およびプラント出力２４とともに移動しているが公称配位から偏位している、すなわち過渡スケジュールに独立して従うことによりＭＩＭＯ制御システムの他の部分をある程度に制約するアクチュエータ準自由移動モードのアクチュエータ２１として規定されるようになっていてもよい。アクチュエータ非制約モードのアクチュエータ２１は、その他のアクチュエータ２１およびプラント出力２４とともに自由に移動して、公称配位を維持しているアクチュエータ自由移動モードのアクチュエータ２１である。
図２Ａは、各アクチュエータがオン限界にあるか否かの検出およびアクチュエータオン限界フラグ１０８の生成に用いられるアクチュエータモード管理モジュール（図１に示す）のアクチュエータオン限界検出ロジック１００を示している。アクチュエータオン限界検出ロジック１００は、現行アクチュエータデータ６６および予測アクチュエータデータ６８と、比較ブロック１０２、１０４およびＯＲブロック１０６とを用いて、アクチュエータオン限界フラグ１０８を生成する。また、比較ブロック１０２、１０４を用いて現行アクチュエータ位置および予測アクチュエータ位置をアクチュエータ最小および最大限界および公差と比較することによって、現行または予測アクチュエータ位置のいずれかが、限界公差を考慮に入れたアクチュエータ限界を上回っているか、または下回っているかを判定する。その後、ＯＲブロック１０６を用いて、現行または予測アクチュエータ位置が、限界公差を考慮に入れたアクチュエータ限界を上回っているか、または下回っているかを判定することによって、アクチュエータオン限界フラグ１０８を生成する。
図２Ｂは、各アクチュエータのモードの識別およびアクチュエータモードフラグ６２の生成に用いられるアクチュエータモード管理モジュール（図１に示す）のアクチュエータモード識別ロジック２００を示している。アクチュエータモードフラグ６２は、
０＝固定モード、
１＝準自由モード、
２＝自由モード、
と表されるようになっていてもよい。
アクチュエータモード識別ロジック２００は、アクチュエータオン限界フラグ（図２Ａ）、アクチュエータ重大障害フラグ、アクチュエータ位置検知不具合フラグ、およびアクチュエータオン過渡スケジュールフラグを用いて、アクチュエータモードフラグ６２を生成する。アクチュエータ重大障害フラグおよびアクチュエータ位置検知不具合フラグは、現行アクチュエータデータ（図１）に基づいて検出され、既知のフラグと仮定される。また、アクチュエータオン過渡スケジュールフラグは、制御指定アクチュエータコマンドデータから受け継がれた現行アクチュエータデータ（図１）による。ＯＲブロック２０２は、アクチュエータオン限界、重大障害、または位置検知不具合が存在するか否かを判定する。ＮＯＴブロック２０６およびＡＮＤブロック２０８は、アクチュエータが準自由モードにあるか否かを判定する。第１の決定ブロック２０４は、アクチュエータが固定モードまたは自由モードにあるかを出力し、第２の決定ブロック２１０は、アクチュエータの決定モードに対応するアクチュエータモードフラグ６２を出力する。
図１を再び参照して、モデル誤差知識ベースモジュール７０は、プラント出力２４からの運転条件指示出力５６のほか、モデルベース適応制御システム１０の外部の他の運転条件入力５８を受信して、モデル誤差フラグ７２を生成するように構成されている。モデル誤差知識ベースモジュール７０は、オフライン解析、試験、および他のデータに基づいて生成されるようになっていてもよい。モデル誤差は、一般的に線形化モデル有効空間の縁部を反映した特定の運転条件と密に相関していてもよい。モデル誤差知識ベースモジュール７０は、モデル誤差フラグ７２を提供することによって、存在するモデル誤差の種類を示すとともに、必要と考えられるプラントモデルの所定の変化を指摘する。モデル誤差フラグ７２は、既知のモデル化誤差またはプラント出力２４に影響を及ぼし得る既知の非モデル化動的効果を示していてもよい。モデル誤差フラグ７２は、
０＝公称（モデル化誤差なし）、
１＝既知のモデル化誤差、
２＝既知の非モデル化動的影響、
と表されてもよい。
また、モデルベース適応制御システム１０は、アクチュエータモードフラグ６２、出力優先順位５２、およびモデル誤差フラグ７２を受信し、プラントモデル適応係数配列８２を構築して出力するように構成されたプラントモデル適応係数配列管理モジュール８０を備える。プラントモデル適応係数配列管理モジュール８０は、アクチュエータモードフラグ６２、出力優先順位５２、およびモデル誤差フラグ７２から識別されたプラント変化を表すプラントモデル適応係数配列８２を管理する規則を決定する。
適応プラントモデルオンライン再構成モジュール４０は、プラントモデル適応係数配列８２を使用して、適応プラントモデル４１を数学的に再構成することにより、アクチュエータモードフラグ６２、出力優先順位５２、およびモデル誤差フラグ７２により示されたプラント変化を表すようにする。適応プラントモデルオンライン再構成モジュール４０は、再構成された適応プラントモデル４１に基づく計算を含む適応モデル入力３７のほか、公称プラントモデル４３に基づく計算を含む公称モデル入力３８を生成する。
モデルベース適応制御モジュール３０は、適応プラントモデルオンライン再構成モジュール４０に数学的に適応してモデルベース制御を構築することにより、公称モデル入力３８を通して得られた公称プラントモデル４３および適応モデル入力３７を通して得られた再構成された適応プラントモデル４１またはそれらの組み合わせを組み込んだロジックを用いてプラント入力コマンド２２を決定することで、実時間制御適応を実現する。こうすることにより、モデルベース適応制御モジュール３０は、プラント変化に自動的に適応するように、再構成された適応プラントモデル４１を受け継ぐ。モデルベース適応制御モジュール３０は、最優先出力集合の最も優先順位が高いプラント出力２４から、アクチュエータ制約モードのアクチュエータ２１を分離することによって、自由モードアクチュエータ２１の能力を最大化するとともに無効アクチュエータ２１を制御システムから分離しつつ、プラント変化に適応した実時間モデルベース制御を実現する。また、モデルベース適応制御モジュール３０は、アクチュエータ制約モードの分離されたアクチュエータ２１をアクチュエータ非制約モードに戻すことによって、分離されたアクチュエータ２１を最優先出力集合の最も優先順位が高いプラント出力２４および制御システムと統合させるようにしてもよい。
プラント変化への適応に任意のモデルベース制御を用いることによって、動的反転、線形２次レギュレータ（ＬＱＲ）、線形２次ガウス（ＬＱＧ）、ループ伝達回復（ＬＴＲ）、または２次プログラミング（ＱＰ）等の実時間制御適応を実現するようにしてもよいことが了解されよう。
モデルベース適応制御システム１０の設計手順、手法、および例を以下に説明する。
状態空間モデルは、１次微分方程式によって関連付けられた一組の入力、出力、および状態変数としての物理系の数学モデルである。一般的に、プラントモデルは、状態空間モデルで表すことができる。
モデルベース制御の生成に線形２次レギュレータ（ＬＱＲ）設計を用いる場合、出力ｙが出力基準ｙrを追跡し、摂動状態が
として規定され、
となるようにすることが制御目標であれば、状態空間モデル（式１ａおよび式１ｂ）は、摂動モデルに変換可能である。
ただし、
である。
２次コスト関数として、
を導入すると、最適制御が得られる。
ただし、
であり、Ｐ＝ＰT＞０は代数リカッチ方程式
の解である。
プラントの外乱を考慮に入れた場合、プラントモデルは、以下に示すような摂動フォーマットの状態空間モデルで表すことができる。
ただし、摂動は、
として規定される。
モデルベース制御の生成に動的反転非干渉制御設計を用いる場合、各出力の相対次数が２であることと
とを仮定すると、
となる。
プラントモデル行列または非干渉行列とも称する入力−出力マッピング行列は、以下のように規定される。
プラントの自由応答は、以下のように表される。
プラント応答は、入力応答または強制応答および自由応答という２つの部分を含む。したがって、プラント応答は、以下のように表される。
制御入力ｕは、入力−出力マッピング行列Ｅを介してプラント入力応答にのみ影響を及ぼし、プラント自由応答は、制御入力ｕから独立している。（式７）は、モデル入力行列Ｂが入力−出力マッピング行列Ｅにのみ現れることを示している。プラント応答を完全に制御するには、制御により入力応答を介して所望のプラント応答を形成しつつ、自由応答に対抗する必要がある。動的反転を用いてモデルベース制御を設計する場合は、疑似入力ｖを使用可能であり、制御は、以下のように選定することができる。
（式１１）を（式１０）に代入すると、プラント応答が１対１の入力−出力関係に分割される。
１対１の入力−出力関係を用いて、出力が出力基準を追跡するように、任意の単入力単出力（ＳＩＳＯ）制御設計手法を（式１２）に適用可能である。所望の応答が以下のように形成されている場合、
（ただし、係数ｋ1およびｋ0は、分割されたプラント応答の各ＳＩＳＯループの選択された所望の極λに基づいて計算される）、（式５ｂ）および（式６）を（式１３）に代入すると、以下が得られる。
ただし、λは、分割されたプラント応答の各ＳＩＳＯループの所望の極を表す。
（式１４）を（式１０）と比較すると、モデルベース非干渉制御が得られる。
（式４）から、一般的なモデルベース最適制御は、以下の通りである。
ただし、最適制御ゲインは、モデルパラメータＡ、Ｂ、およびＣに基づいて計算される。
（式１５）から、一般的なモデルベース動的反転非干渉制御は、以下の通りである。
ただし、
である。
制御ゲインは４つの部分を有しており、非干渉部Ｅは、モデルパラメータＡ、Ｂ、およびＣに基づく。自由応答相殺部Ｋxおよびｋdは、モデルパラメータＡ、Ｂd、Ｃ、およびＤdならびに所望の動的応答の設計パラメータに基づく。出力追跡部Ｋvは、所望の出力追跡の選択された設計パラメータに基づく。
プラント変化は、入力変化すなわちアクチュエータモードの変化および出力優先順位の遷移が原因と考えられる。アクチュエータモードの変化は、Ｂによって完全に特性化可能であり、Ｂのみで表される。制御出力優先順位の遷移は、Ｃのみで表すことができる。すなわち、一般的に、プラント変化は、入力行列Ｂおよび出力行列Ｃを介してプラントモデル適応係数配列８２により取得される。
ＢおよびＣに適用されたプラントモデル適応係数配列８２は、簡潔なアクチュエータモードの変化および意図した出力優先順位の遷移を完全に表すことができるため、得られるモデルベース適応制御モジュール３０は、適応的なＢおよびＣ（適応モデル入力３７）によって、適応プラントモデル４１により取得されたプラント変化を自動的に受け継ぐことができる。この一般的手法は、任意のモデルベース制御に当てはまる。
制御されたプラントモデルは通例、公称運転条件に基づいて構築され、制御出力優先順位は、公称運転条件に基づいて予め決定されている。多変数制御システムの場合、プラントモデル行列は、所定の優性対の存在に基づいて構成される。ある制御入力がある出力にもたらす制御効果がその他の制御入力よりも大きく、この制御入力がこの出力にもたらす制御効果がその他の出力と比べて最も大きい場合、この制御入力とこの出力は優性対であり、それぞれの関係項はモデル行列の主対角線上に配される。場合により、モデル行列は、すべての入力−出力対に優性対を含み、モデル行列が優性対の全体集合として規定される。その他の場合として、モデル行列は、入力−出力対の一部にのみ優性対を含み、モデル行列が優性対の部分集合として規定される。一般的な場合として、モデル行列は、入力−出力対にいかなる優性対も含まず、モデル行列が優性対のゼロ集合として規定される。
一例として、多変数制御システムは、４つの入力ｕ1、ｕ2、ｕ3、ｕ4、４つの出力ｙ1、ｙ2、ｙ3、ｙ4、および入力−出力モデル行列Ｅを規定する４つの制御アクチュエータ２１を有し、プラント入力−出力マッピングモデルは、以下により表すことができる。
モデル行列において、任意のｉ＝１、２、３、４およびｊ＝１、２、３、４（ただし、ｉ≠ｊ）に対してｅi,i＞＞ｅi,jかつｅi,i＞＞ｅj,iである場合、（ｕi，ｙi）は優性対である。また、すべてのｉ＝１、２、３、４およびｊ＝１、２、３、４（ただし、ｉ≠ｊ）に対してｅi,i＞＞ｅi,jかつｅi,i＞＞ｅj,iである場合、モデル行列は優性対の全体集合である。
アクチュエータモードフラグ６２、出力優先順位５２、およびモデル誤差フラグ７２を含む異なるケースに基づいて、プラントモデル適応係数配列管理モジュール８０は、プラントモデル適応係数配列８２の構築において異なる規則に従うようにしてもよく、入力−出力対の優性対が効果を示すようにしてもよい。
アクチュエータが固定モードにあるケース１において、規則では、この固定モードアクチュエータにより形成された入力−出力対および現時点で優先順位が最も低いプラント出力２４を残りのＭＩＭＯ制御プラント２０から分離する。
アクチュエータが正常にオン限界であるために固定されている場合は、減次ＭＩＭＯサブシステムへの既知の外乱入力として扱われてもよいし、減次ＭＩＭＯサブシステムへの既知の外乱入力として扱われなくてもよい。アクチュエータが固定モードにある場合の増分入力が０であることから、両者の効果は同等である。ただし、アクチュエータが重大な機能不全または位置信号喪失のために固定モードにある場合は、減次ＭＩＭＯサブシステムへの既知の外乱入力として扱われるべきではない。その理由はアクチュエータの動的挙動は、明らかにその所定の固定位置に達するまでは予測できない場合があるためである。
（１つまたは複数の）アクチュエータが過渡スケジュールに沿って移動する準自由モードにあるケース２においては、２つの異なる規則が適用されてもよい。優性対が存在するか否かに関わらずプラント出力２４の優先順位が際立っている場合、規則では、この準自由移動アクチュエータにより形成された入力−出力対および現時点で優先順位が最も低いプラント出力２４を残りのＭＩＭＯ制御プラント２０から分離する。減次サブシステムは、自由移動アクチュエータ２１と関連付けられるプラント出力２４の高優先集合を指定することによって選択される。
準自由移動アクチュエータは、減次ＭＩＭＯサブシステムへの既知の外乱入力として扱われるべきである。
いくつかのプラント出力２４の優先順位が同等または同様である場合、規則では、この準自由移動アクチュエータにより形成された入力−出力対および現時点で優先順位が最も低いプラント出力２４集合の出力を残りのＭＩＭＯ制御プラント２０から分離する。このプラント出力２４は、自由移動アクチュエータおよび関連するプラント出力２４の優性対が可能な限り維持可能となるように選定されるべきである。
既知の非モデル化ダイナミクスまたは既知のモデル化誤差がアクチュエータ２１およびプラント出力２４の相互作用に悪影響を及ぼすケース３において、規則では、関与するアクチュエータ２１および／またはプラント出力２４に対応するモデル適応配列の要素に所定の特定値を設定する。
プラント２０が上掲のいずれのケースでもない場合、プラントモデル適応係数配列８２は、それぞれの初期値を保持するものとする。
特に制限なく、プラントの一般的な状態空間モデルは、以下の例で使用する次元ｘ∈Ｒ5×5、ｕ∈Ｒ4、ｙ∈Ｒ4を有し、適応プラントモデル４１が以下のような状態行列Ａ、入力行列Ｂ、および出力行列Ｃを有するものと仮定する。
また、すべての出力の相対次数が２であるものと仮定すると、非干渉行列Ｅは、以下の通りである。
実時間プラントモデル適応係数配列８２は、モデル誤差および／もしくはアクチュエータモードの変化ならびに出力優先順位の遷移によるプラント変化を表す必要があるため、モデル誤差入力適応係数配列
、モデル誤差適応のためのモデル誤差出力適応係数配列
、モデル入力変化適応係数配列
、（１つまたは複数の）準自由移動アクチュエータを残りのＭＩＭＯプラントモデルから分離するためのモデル出力変化適応係数配列
、モデル既知外乱入力ＩＤ適応係数配列
、および（１つまたは複数の）準自由移動アクチュエータを残りのＭＩＭＯプラントモデルへの（１つまたは複数の）既知の外乱入力として扱うためのモデル既知外乱出力ＩＤ適応係数配列
という６つの共通モデル適応係数配列８２が選択される。
、
、および
は、モデル入力行列Ｂと同じサイズを有する。
、
、および
は、モデル出力行列Ｃと同じサイズを有する。
動的反転型モデルベース制御の場合、特定のモデル適応方法の実時間プラントモデル適応係数配列８２は、
、
、および
として示されており、これらはすべて、モデル入力−出力非干渉行列Ｅと同じサイズを有する。
公称動作において、プラントモデル適応係数配列８２はすべて、以下のようにそれぞれの初期値を保持する。
ただし、モデル適応係数配列
、
、
、
、
、および
の各要素は、１または０の値を有していてもよく、モデル誤差適応係数配列
、
、および
の各要素は、［０，１００］の範囲の値を有していてもよい。
一例を使用して、プラントモデル適応係数配列８２を決定するステップを以下に示す。
上記と同じ４×４のプラント例を用い、アクチュエータ第２が非自由移動モードにあり、出力４の優先順位が最も低く、すべての出力の相対次数が２であり、モデル誤差フラグ７２が０であるものと仮定する。ケース１またはケース２の規則に基づいて、
および
の入力−出力対は、残りのＭＩＭＯ制御から分離される必要があり、その結果として、
（ａ）
、
、および／または
は、それぞれの初期値を保持する。
（ｂ）ＣR4＝０であり、
およびＣの要素についての積の後に、Ｃaのその他の要素が公称値と同じままであるように、
が選定される。すなわち、以下の通りである。
（ｃ）ＢC2＝０であり、
およびＢの要素についての積の後に、Ｂaのその他の要素が公称値と同じままであるように、
が選定される。すなわち、以下の通りである。
（ｄ）特定の動的反転非干渉制御の場合、ｅi2＝０（ｉ＝１、２、３）、ｅ4j＝０（ｊ＝１、３、４）であり、
およびＥの要素についての積の後に、Ｅaのその他の要素が公称値と同じままであるように、
が選定される。すなわち、以下の通りである。
が残りの３×３プラントから分離されたことから、
は、出力
への既知の外乱入力と考える必要がある。これは、
が（固定位置において）ゼロに等しいか、または（準自由移動モードにおいて）その過渡スケジュール基準所定値に等しいためである。
に対する既知の外乱入力の寄与分は、
が残りの減次ＭＯＭ制御の正味制御の計算に用いられることから、
から取り除く必要があり、これにより以下が得られる。
（ｅ）ＢC2≠０であり、
のその他の要素が０に等しくなるように、
が選定される。すなわち、以下の通りである。
（ｆ）ＣR4≠０であり、
のその他の要素が０に等しくなるように、
が選定される。すなわち、以下の通りである。
（ｇ）特定の動的反転非干渉制御の場合、ｅi2≠０（ｉ＝１、２、３）であり、Ｅkdのその他の要素が０に等しくなるように、
が選定される。すなわち、以下の通りである。
ここで図３を参照すると、図１に示すプラントモデル適応係数配列管理モジュール８０が使用するモデル適応係数配列決定器３００を示している。プラントモデル適応係数配列８２は、モデル適応係数配列決定器３００がモデル誤差フラグ７２、アクチュエータモードフラグ６２、および出力優先順位５２を用いて指定する配列中に形成される。モデル誤差フラグ７２が０である場合、初期値を有するプラントモデル適応係数配列８２は、ケース３をそのまま通過して、ケース１の確認に到達する。そうでなければ、ケース３の所定規則が
（＊＝ＩＮ、ＯＵＴ（モデル誤差フラグ７２の値に基づく））に適用され、得られるモデル適応係数がケース１の確認に到達する。アクチュエータモードフラグ６２が０である場合は、ケース１の所定規則が
（＊＝ＩＮ、ＯＵＴ）に適用され、得られるモデル適応係数がケース２の確認に到達する。アクチュエータモードフラグ６２が１である場合は、ケース２の所定規則が動的反転型モデルベース制御の
（＊＝ＩＮ、ＯＵＴ）および
（＊＝ＩＮ、ＯＵＴ）に適用され、最終的に得られるプラントモデル適応係数配列８２が図１に示す適応プラントモデルオンライン再構成モジュール４０に到達する。アクチュエータモードフラグ６２が０でも１でもない場合、
（＊＝ＩＮ、ＯＵＴ）および
（＊＝ＩＮ、ＯＵＴ）は、初期値を保持する。
図１を再び参照して、適応プラントモデルオンライン再構成モジュール４０は、一般的なモデルベース制御に用いられる。（式１）から、公称プラントモデルは、以下の通りである。
また、入力および出力プラントモデル適応係数配列８２を適用することによって、以下が得られる。
ＬＱＲ制御を用いると、最適制御の場合の得られる拡張適応増分モデルは、以下の通りである。
を１（
）で表される一定状態として扱うと、拡張適応増分モデルは、以下の通りである。
動的反転制御を用いると、（式５）から、公称プラントモデルは、以下の通りである。
また、公称プラント応答は、以下の通りである。
また、自由応答は、以下の通りである。
入力および出力プラントモデル適応係数配列８２を入力行列Ｂおよび出力行列Ｃに適用することによって、一般的な適応モデルが得られる。
動的反転モデルベース制御を用い、すべての出力の相対次数が２であるものと仮定すると、（式１０）から、プラント応答は、以下の通りである。
ただし、
であり、
はＢと同じ次元であり、
であり、
はＣと同じ次元である。
Ｅa＝ＣaＡＢaは、非自由移動モードのアクチュエータが分離された残りの減次ＭＩＭＯプラント入力−出力マッピングモデルを構成する。
は、残りの減次ＭＩＭＯシステムの各出力に対する非自由移動モードのアクチュエータの寄与を記述したものである。
は、残りの
から分離されているが、残りのＭＩＭＯ制御プラントへの既知の外乱入力として作用する非自由移動モードのアクチュエータ入力を表す。自由応答は、以下の通りである。
動的反転に基づく非干渉制御の特定方法においては、入力応答におけるアクチュエータ２１の現行モード変化および出力優先順位の遷移を適応プラントモデル４１が表せるように、プラントモデル適応係数配列８２が非干渉行列Ｅに適用される。その結果、得られるモデルベース制御は、適応非干渉行列Ｅを有する適応プラントモデル４１により取得されたプラント変化を自動的に受け継ぐことができる。この特定方法は、非干渉行列が優性対の全体集合を有する動的反転型モデルベース制御に適用される。
入力および出力プラントモデル適応係数配列８２を元のプラントモデル入力行列および出力行列の代わりにプラント入力応答に適用することによって、すなわち（式２３）から、公称プラント応答は、以下のように適応プラント応答に拡張される。
ただし、
である。
Ｅaは、非自由移動モードのアクチュエータが分離された残りの減次ＭＩＭＯプラントＩ／Ｏマッピングモデルを構成する。Ｅkdは、減次ＭＩＭＯシステムに残っている各出力に対する非自由移動モードのアクチュエータの寄与を記述したものである。
は、残りの
から分離された非自由移動モードのアクチュエータ入力を表す。
（式２８）から、出力行列Ｃは、自由応答における適応係数を有していない。この自由応答は依然として、公称ケースの自由応答と同じである。プラントがゼロダイナミクス安定性および優性対の全体集合を有する場合、この特定のモデル−プラント不整合誤差は、特定の適応モデル方法に関して無視できる場合がある。
自由移動モードと非自由移動モードとの間のアクチュエータモード遷移に伴う適応非干渉制御の円滑な遷移を確実にすることが重要である。アクチュエータモード遷移は、公称ＭＩＭＯ制御から、残りのＭＩＭＯ制御からの分離へとアクチュエータが遷移すること、またはその逆を意味する。
モデルベース適応制御の円滑な遷移を可能とするため、入力−出力対の分離によって、目標対の入力および出力が、残りのＭＩＭＯ制御から分離された場合の当該残りのＭＩＭＯ制御の入力および出力のいずれにも影響を及ぼさないよう保証する必要がある。また、目標対の入力および出力は、目標対がＭＩＭＯ制御に戻された場合の公称運転条件のように、相互ならびにＭＩＭＯ制御のその他の入力および出力との相互作用を開始するものとする。
動的反転型モデルベース制御の場合、制御の円滑な遷移についての主な関心事は、ＥまたはＥaが基準位置にあることから、ＥaとＥとの間の遷移である。一方、Ｅaは、分離入力−出力対に関して、当該対がＭＩＭＯ制御とされた場合にＥへと円滑に遷移して公称運転となれるように、適正な初期条件を有するものとする。
適応動的反転型非干渉制御の円滑な遷移は、適応プラントモデル４１のオンライン再構成の最終ステップにおいて、非自由移動アクチュエータと現時点で優先順位が最も低い出力との対が残りのＭＩＭＯ制御から分離された場合に、分離対の入力と出力との間の関係が、動的反転型モデルベース制御の公称モデル計算に基づいて入力−出力マッピングまたは非干渉行列において計算されるようにして実現される。逆に、分離対の入力は、非動的反転型モデルベース制御に関して、分離入力−出力対がＭＩＭＯ制御に戻された場合に、関連付ける適正な初期条件を有するように、公称モデルに基づいて計算される。
分離によって、残りのＭＩＭＯ制御が、入力−出力非干渉行列の目標入力−出力対の保持された関係の影響を受けないことを保証する。さらに、この保持項は、ＭＩＭＯ制御に戻される目標入力−出力対の適正な初期条件を作成するのみならず、非干渉行列の反転性を保持する。
Ｅaの分離入力−出力対の関係を保持することまたは分離入力−出力対の入力の計算を保持することは、本明細書に提供のモデルベース適応制御のこの項により、分離対の入力が依然として分離対の出力を制御することを意味していない。分離対の増分入力は、０に等しい（固定モード）か、またはスケジューリング増分基準信号を用いて（準自由移動モード）、分離中の分離対の出力を制御する。
以下の例においては、上記例と同じ４×４のプラントを用い、アクチュエータ第２が非自由移動モードにあり、出力４の優先順位が最も低く、すべての出力の相対次数が２であり、モデル誤差フラグ７２が０であるものと仮定する。
動的反転型モデルベース制御の場合、動的反転非干渉制御の公称プラントモデル応答は、以下の通りである。
ただし、
一般的方法からの非干渉制御の適応プラント応答は、以下の通りである。
ただし、
ただし、Ｅaは、ランキングが低く、反転可能ではない。
特定方法からの適応非干渉制御は、以下の通りである。
ただし、
ただし、Ｅaは、ランキングが低く、反転可能ではない。
適応動的反転非干渉制御の再構成の最終ステップでは、円滑な遷移が実現されてＥaが反転可能となるように、公称値ｅ42をＥaに導入するが、これは以下のように表される。
ただし、
は、分離入力−出力対が公称運転条件において作用すべきすべての関係を含み、更新され続ける。
一般的に、
は、Ｅaおよび分離入力−出力対（ｕi，ｙi）の公称値ｅi,j（
）に基づいて決定され、適応動的反転型モデルベース制御の生成に用いられる。
モデルベース制御の生成にＬＱＲ設計を用いる場合、（式１６）から、公称運転条件の一般的な最適制御は、以下の通りである。
重み行列Ｒ＝ＲT＞０であることから、
がランキング損失を有するならば、項
の反転性についての心配はない。
たとえば、アクチュエータ第２が非自由移動モードにあり、第２の出力の優先順位が最も低く、モデル誤差フラグが０である２つのアクチュエータモードを有する２×２プラントにおいては、プラントモデル適応係数配列８２がＢおよびＣに適用されることによって、以下のようになる。
ただし、
は、上記適応モデルに基づいて計算され、分離後の残りのプラントを制御する。同時に、
は、分離中の公称モデルに基づいて計算され、
および
がＭＩＭＯ制御に戻される場合の初期条件として用いられる。
任意のモデルベース制御の一般的方法においては、簡潔なアクチュエータ現行モードの変化および意図した出力優先順位の遷移を適応プラントモデル４１が完全に表すことができるように、プラントモデル適応係数配列８２が入力行列Ｂおよび出力行列Ｃに適用される。その結果、得られるモデルベース制御は、適応的なＢaおよびＣaによって、適応プラントモデル４１により取得されたプラント変化を自動的に受け継ぐことができる。この一般的方法は、任意のモデルベース制御に当てはまる。
モデルベース制御の生成にＬＱＲ設計を用いる場合、（式１６）から、公称運転条件の一般的な最適制御は、適応プラントモデル４１に基づく一般的な適応最適制御となるように拡張され、以下のようになる。
ただし、
、
、および
は、提示したプラント変化の異なるケースに基づいて決定される。
モデルベース制御の生成に動的反転非干渉設計を用いる場合、公称プラント応答は、以下の通りである。
また、公称自由応答は、以下の通りである。
また、所望の分割された公称プラント応答は、以下の通りである。
また、公称動的反転非干渉制御は、以下の通りである。
動的反転型モデルベース制御の一般的方法において、プラントモデル適応係数配列８２を公称プラント応答、プラント自由応答、および所望の分割されたプラント応答に適用すると、以下の適応応答が得られる。
ただし、
かつ
であり、
は、分離対の入力である。
上記適応応答（式４４）、（式４５）、および（式４６）ならびに円滑な制御遷移から、適応プラントモデル４１に基づく一般的な適応動的反転型非干渉制御は、以下の通りである。
ただし、Ｋxa＝−Ｃa（Ａ2＋ｋ1Ａ＋ｋ0Ｉ）、Ｋda＝−［Ｃa（ＡＢd＋（１＊Ｉ＋ｋ1）Ｂd）＋（２＊Ｉ＋ｋ1＋ｋ0）Ｄd］であり、
、
、
、および
は、所定のプラント変化の異なるケースに基づいて決定され、
は、Ｅaおよび分離入力−出力対（ｕi，ｙi）の公称値ｅi,jに基づいて決定される。
動的反転型モデルベース制御の場合、一方においては、制御入力行列Ｂが入力−出力非干渉行列Ｅのみと関連しているものと理解することが重要である。これは、入力状態変化によるいかなるモデル変化も入力行列Ｂ（のみ）で表すことができ、動的反転非干渉制御が非干渉行列Ｅ（のみ）を通してこの種の変化に完全に適応可能であることを意味する。他方、出力優先順位の遷移は、出力行列Ｃにより表され、ＣはＥの一部である。結果として、出力優先順位の遷移は、Ｅによっても表現される。実際、Ｅは、プラントの入力−出力マッピングを直接表しており、入力−出力分割を決定するのみならず、プラントの入力応答にもなっている。また、Ｃは、（式９）のプラント自由応答ならびに（式１３）、（式６）、および（式５ｂ）の所望のプラント応答においても作用しており、状態フィードバックゲインおよび外乱除去ゲインの左側係数である。これは、自由応答相殺および外乱除去、ならびにその後の所望のプラント動的形成にもＣが一定の影響を及ぼすことを意味する。したがって、プラントモデル適応係数配列８２がＢおよびＣを通して構築された場合、プラント変化は、適応プラントモデル４１によって完全に特性化される。結果として、プラント変化に適応した得られるモデルベース非干渉制御は常に、プラント変化を表す適応プラントモデル４１と整合している。プラントモデル適応係数配列８２がＥを通して構築された場合、プラント変化は主に、Ｅを通して適応プラントモデル４１により特性化される。ただし、出力優先順位の遷移に対してＣがＥのようには適応しないため、非厳密な自由応答相殺および非厳密な外乱除去による残余が存在する。したがって、プラント変化に適応した得られるモデルベース非干渉制御の性能は、自由応答相殺および外乱除去の残余が全プラント応答に及ぼす影響によって決まる。
特定方法における自由応答相殺の残余は、特にシステムがゼロダイナミクス安定性を有する場合には、制御システムの安定性に影響を及ぼさないが、得られるモデルベース制御の分割有効性を弱めてしまう場合がある。プラント入力−出力マッピング行列が優性対の全体集合を有する場合、システム制御性能上の自由応答相殺の残余は、無視可能であるが、そうでなければ、システム制御性能に無視できない影響を及ぼす場合がある。
この特定方法の利点は、適応プラントモデル４１のオンライン再構成および制御再構成の実装が容易なことである。
出力優先順位の遷移が無視される場合は、プラント入力応答が適応モデルに基づくように、公称プラント自由応答および所望の公称分割プラント応答が依然として、特定の適応動的反転型非干渉制御に用いられる。
得られる特定の適応動的反転型非干渉制御は、以下の通りである。
ただし、Ｋx＝−Ｃ（Ａ2＋ｋ1Ａ＋ｋ0Ｉ）、Ｋd＝−［Ｃ（ＡＢd＋（１＊Ｉ＋ｋ1）Ｂd）＋（２＊Ｉ＋ｋ1＋ｋ0）Ｄd］であり、
および
は、次の例に示すように、所定のプラント変化の異なるケースに基づいて決定され、
は、Ｅaおよび分離入力−出力対（ｕi，ｙi）の公称値ｅi,jに基づいて決定される。
図４Ａは、動的反転型モデルベース制御のモデルベース適応制御決定器４００を示している。図４Ｂは、非動的反転型モデルベース制御のモデルベース適応制御決定器４００’を示しており、図４Ｂにおいて、図４Ａと同様の要素は、同じ参照番号で識別するとともにダッシュ（’）記号を含んでいる。
アクチュエータモードが異なると、適応モデルパラメータも異なる。動的反転型モデルベース制御のモデルベース適応制御決定器４００では、
（１）公称モデル入力３８に基づいて公称制御を計算し、
（２）モデル誤差フラグ７２を確認し、モデル誤差フラグ７２がゼロでない場合は、適応モデル入力３７に基づいて適応制御を計算し、モデル誤差フラグ７２がゼロの場合は、公称モデルおよび制御をそのまま通過し、
（３）アクチュエータモードフラグ６２を確認し、アクチュエータモードフラグ６２が非自由移動モードのアクチュエータを示している場合は、このアクチュエータに関連する入力−出力対をＭＩＭＯ制御から分離し、モデル誤差フラグの指示に応じて、公称モデルおよびモデル誤差適応モデルのどちらが維持値に用いられるかに基づいて、ＭＩＭＯ制御に戻される場合の分離入力の適正な初期条件として、分離入力−出力対の値計算を維持することによって、円滑な制御遷移を保証し、
（４）分離入力−出力対の維持値により適応モデル入力３７に基づいて適応制御を計算し、分離入力増分値を、固定モードのアクチュエータの場合はゼロ、準自由移動モードのアクチュエータの場合はスケジューリング基準増分値に等しいものとし、分離入力を既知の外乱入力とし、
（５）これに従って、最終的なアクチュエータコマンドを編成する必要がある。
動的反転型モデルベース制御のモデルベース適応制御決定器４００は、プラント入力コマンド２２を決定する。公称モデルベース制御計算４０４の実行には、公称モデル入力３８を使用し、モデルベース適応制御法計算および円滑制御遷移４１０の実行には、モデル誤差フラグ７２、アクチュエータモードフラグ６２、プラントモデル適応係数配列８２、および適応モデル入力３７を使用することによって、自由アクチュエータコマンド４１２を決定する。また、モデルベース適応制御計算および円滑制御遷移４１０の実行には、準自由アクチュエータモードフラグ６２を使用することによって、スケジューリング基準値を有する分離アクチュエータコマンド４１４を決定する。モデルベース適応制御計算４０８の実行には、モデル誤差フラグ７２を使用することによって、非分離入力−出力対を決定する。モデルベース適応制御計算および円滑制御遷移４１０の実行には、公称モデルベース制御計算４０４、モデルベース適応制御計算４０８、および固定モードアクチュエータモードフラグ６２を使用することによって、維持値を有する分離アクチュエータコマンド４１６を決定する。
非動的反転型モデルベース制御のモデルベース適応制御決定器４００’では、
（１）公称モデル入力３８’に基づいて公称制御を計算し、
（２）モデル誤差フラグ７２’を確認し、モデル誤差フラグ７２’がゼロでない場合は、適応モデル入力３７’に基づいて適応制御を計算し、モデル誤差フラグ７２’がゼロの場合は、公称モデルおよび制御をそのまま通過し、
（３）アクチュエータモードフラグ６２’を確認し、アクチュエータモードフラグ６２’が非自由移動モードのアクチュエータを示している場合は、このアクチュエータに関連する入力−出力対をＭＩＭＯ制御から分離し、モデル誤差フラグ７２’の指示に応じて、公称モデルおよびモデル誤差適応モデルのどちらが維持値に用いられるかに基づいて、ＭＩＭＯ制御に戻される場合の分離入力の適正な初期条件として、分離入力−出力対の値計算を維持することによって、円滑な制御遷移を保証し、
（４）適応モデル入力３７’に基づいて適応制御を計算し、分離入力増分値を、固定モードのアクチュエータの場合はゼロ、準自由移動モードのアクチュエータの場合はスケジューリング基準増分値に等しいものとし、分離入力を既知の外乱入力とし、
（５）これに従って、最終的なアクチュエータコマンドを編成する必要がある。
非動的反転型モデルベース制御のモデルベース適応制御決定器４００’は、プラント入力コマンド２２’を決定する。公称モデルベース制御計算４０４’の実行には、公称モデル入力３８’を使用し、モデルベース適応制御法計算および円滑制御遷移４１０’の実行には、モデル誤差フラグ７２’、アクチュエータモードフラグ６２’、プラントモデル適応係数配列８２’、および適応モデル入力３７’を使用することによって、自由アクチュエータコマンド４１２’を決定する。また、準自由アクチュエータモードフラグ６２’は、スケジューリング基準値を有する分離アクチュエータコマンド４１４’を決定する。モデルベース適応制御計算４０８’の実行には、モデル誤差フラグ７２’を使用することによって、非分離入力−出力対を決定する。また、公称モデルベース制御計算４０４’、モデルベース適応制御計算４０８’、および固定モードアクチュエータモードフラグ６２’は、維持値を有する分離アクチュエータコマンド４１６’を決定する。
モデル化誤差は、適応プラントモデル（図１）の再構成でのみ対処する。モデルベース制御は単純に、適応プラントモデル（図１）からプラントモデル適応係数配列８２、８２’を受け継ぎ、制御は適応モデルに基づく制御計算の実行以外に追加の動作を行う必要がない。
図１を再び参照して、以下の例では、一般性を損なうことなく、制御プラントが入力ｕ1＝Ａｃｔ１、ｕ2＝Ａｃｔ２、ｕ3＝Ａｃｔ３、ｕ4＝Ａｃｔ４として４つの制御アクチュエータと、５つの状態と、所定の出力優先順位ランキングとしてｙ1＝最高、ｙ2＝第２位、ｙ3＝第３位、ｙ4＝最低を有する４つの出力とを有し、すべての出力の相対次数が２であり、優性対が（ｕ1，ｙ1）、（ｕ2，ｙ2）、（ｕ3，ｙ3）、および（ｕ4，ｙ4）として与えられるものと仮定する。
以下の例は、特定の動的反転型モデルベース制御を用いて簡単に定式化して示している。ただし、以下の例で明示する異なるケースでの規則の適用プロセスは、動的反転型および非動的反転型の一般的なモデルベース適応制御にも当てはまることが理解されよう。
アクチュエータ現行モードが固定モードであるケース１において、以下の例は、モデル適応係数配列
のアクチュエータ状態遷移としての設定を示す。アクチュエータ現行モードの遷移順序を、最初に公称モードで、次にＡｃｔ２が固定、次にＡｃｔ２およびＡｃｔ３の両者が固定、次にＡｃｔ２が自由移動に戻るものと仮定すると、モデル適応係数配列８２は、以下のように遷移する。
得られる適応モデルパラメータは、以下の通りである。
オン限界の場合は、
、不具合の場合は、
、であり、円滑制御遷移の規則をＥaに適用すると、以下が得られる。
アクチュエータ現行モードが準自由移動モードであるケース２において、以下の例は、モデル適応係数配列
のアクチュエータ状態遷移としての設定を示す。アクチュエータ現行モードの遷移順序を、最初に公称モードで、次にＡｃｔ２が準自由移動、次にＡｃｔ２およびＡｃｔ３の両者が準自由移動、次にＡｃｔ２が自由移動に戻るものと仮定するとともに、優性対に関わらず、すべての出力が個別の優先順位ランキングを有するものと仮定すると、モデル適応係数配列は、以下のように遷移する。
得られる適応モデルパラメータは、以下の通りである。
円滑制御遷移の規則をＥaに適用すると、以下が得られる。
ｙ1、ｙ2、ｙ3、およびｙ4が同等の優先順位を有する場合は、優性対が可能な限り多く保持されるものとし、モデル適応係数配列は以下のように遷移する。
得られる適応モデルパラメータは、以下の通りである。
円滑制御遷移の規則をＥaに適用すると、以下が得られる。
既知の非モデル化ダイナミクスのケース３において、以下の例では、低速運転条件において、運転範囲がより高いアクチュエータｕ4がｙ4およびｙ2に及ぼす影響は小さいものの、ｅ44から得られる公称線形化モデルは実際の効果よりもはるかに小さく、ｅ24は実際の相互作用よりもはるかに大きいものと仮定する。低速を上回る場合、公称モデルは、プラントのダイナミクスをよく表している。さらに、運転条件が高速から低速に遷移し、その後高速に戻るものと仮定すると、モデル適応係数配列は、以下のように遷移する。
得られる適応モデルパラメータは、以下の通りである。
既知のモデル化誤差のケース３において、以下の例では、急激な過渡状態において、公称プラントモデルで無視されたｕ1関連の超高速ダイナミクスが、一定の可変周波数範囲において、出力ｙ2、ｙ3、およびｙ4に大きな悪影響を及ぼすものと識別されていることを仮定する。ｕ1とｙ2、ｙ3、およびｙ4との間の相互作用は、急激な過渡段階においてゼロにすることにより、特に（ｕ1，ｙ1）がこれらの関係の符号変化を伴わない優性対である場合に、期待される制御動作の連続性を維持することができる。ｙ1とｕ2、ｕ3、およびｕ4との間の相互作用についても、ゼロにすることができる。このように、ｕ1がｙ2、ｙ3、およびｙ4に影響を及ぼさないのに対して、この非常に短い段階で、ｕ2、ｕ3、およびｕ4は、ｙ2、ｙ3、およびｙ4のみによって決まる。運転条件が定常状態から大きな過渡に遷移し、その後定常状態に戻るものと仮定すると、モデル適応係数配列は、以下のように遷移する。
得られる適応モデルパラメータは、以下の通りである。
本発明の方法とモデルベース適応制御の公知の技法との重要な差異として、モデルベース適応制御における一般的に用いられる方法は、プラントのアクチュエータモードの変化にプラントモデルを適応させない。また、アクチュエータのオン限界がゲイン調整で扱われるように、アクチュエータの異なる変化は、異なる特定の手法で扱われる。これは、プラント入力および出力の結合ならびにアクチュエータ障害が特定の低級制御モードとして扱われることから、ＭＩＭＯ制御の場合には非常に難しい。準自由移動モードのアクチュエータは、ＭＩＭＯ制御に向けられていない。本発明の方法は、モデルベース制御がプラントのアクチュエータモードの変化を自動的に受け継げるように、アクチュエータモードが適応プラントモデルへと確実に適応されるようにする全体論的な解決手段である。この方法は、アクチュエータ現行モードの変化に適応するようにプラントモデルを再構成するとともに、再構成されたプラントモデルの周りにモデルベース制御を構築することによって、制約アクチュエータを高優先プラント出力から分離できる一方同時に、制約アクチュエータを既知の外乱入力として扱うことができ、また、アクチュエータモードが制約から非制約に遷移する際の円滑な制御遷移を保証することによって、公称プラント動作を再開することができる。
実施形態に開示のシステムおよび方法の技術的効果として、制約または障害アクチュエータを有するモデルベース適応制御システムのための簡単、目的指向、決定論的、堅牢、かつ体系的な解決手段を組み込んだ制御システムが提供されることを含む。モデルベース適応制御システムは、適応プラントモデルオンライン再構成および自動モデルベース適応制御を用いてプラント変化に適応することにより、プラント変化に対する安定性および堅牢性ならびに明確な制御優先順位の目的を有する決定論的かつ堅牢な適応を保証する。これにより、非制約アクチュエータの能力を最大化しつつ、制約アクチュエータを残りのＭＩＭＯ制御システムから分離可能であるとともに、アクチュエータが非制約モードに戻った際、制御システムが公称運転条件へと適正に戻ることができる。
未記載の範囲について、所望により、種々実施形態の異なる特徴および構造を互いに組み合わせて使用するようにしてもよい。ある特徴がすべての実施形態に示されていないからといって、そのように解釈するのではなく、説明の簡素化のためであると解釈するものとする。したがって、所望により、異なる実施形態の種々特徴を混合および調和させることによって、新たな実施形態を構成するようにしてもよく、これは、当該新たな実施形態が明白に記載されているか否かによらない。本明細書に記載の特徴のすべての組み合わせおよび変更は、本開示によって網羅される。
本明細書では、例を用いることによって、最良の形態を含む本発明を開示するとともに、任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込み方法の実行を含めて、当業者が本発明を実施できるようにしている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定されており、当業者が想到し得る他の例を含んでいてもよい。このような他の例は、特許請求の範囲の逐語的な文言と異ならない構造的要素を有するか、または特許請求の範囲の逐語的な文言とわずかに異なる均等な構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲内にあるものとする。
１０ モデルベース適応制御システム
２０ プラント
２１ アクチュエータ
２２ 入力コマンド
２２’ 入力コマンド
２３ プラントサイクル
２４ プラント出力
３０ モデルベース適応制御モジュール
３２ 出力基準
３４ 出力フィードバック
３５ プラント状態フィードバック
３６ モデル入力
３７ 適応モデル入力
３７’ 適応モデル入力
３８ 公称モデル入力
３８’ 公称モデル入力
４０ 適応プラントモデルオンライン再構成モジュール
４１ 適応プラントモデル
４２ プラント出力信号
４３ 公称プラントモデル
５０ 出力優先ランキングモジュール
５２ 出力優先順位
５６ 運転条件指示出力
５８ 運転条件入力
６０ アクチュエータモード管理モジュール
６２ アクチュエータモードフラグ
６２’ アクチュエータモードフラグ
６６ 現行アクチュエータデータ
６８ 予測アクチュエータデータ
７０ モデル誤差知識ベースモジュール
７２ モデル誤差フラグ
７２’ モデル誤差フラグ
８０ プラントモデル適応係数配列管理モジュール
８２ プラントモデル適応係数配列
８２’ プラントモデル適応係数配列
１００ アクチュエータオン限界検出ロジック
１０２ 比較ブロック
１０４ 比較ブロック
１０６ ＯＲブロック
１０８ アクチュエータオン限界フラグ
２００ アクチュエータモード識別ロジック
２０２ ＯＲブロック
２０４ 第１の決定ブロック
２０６ ＮＯＴブロック
２０８ ＡＮＤブロック
２１０ 第２の決定ブロック
３００ モデル適応係数配列決定器
４００ モデルベース適応制御決定器
４００’ モデルベース適応制御決定器

Claims (18)

  1. 複数のアクチュエータ（２１）、前記アクチュエータ（２１）の動作状態に対応する複数の入力（２２）、およびプラント（２０）の運転条件に対応する複数の出力（２４）を有する前記プラント（２０）をモデルベース制御およびプラントモデル（４１）に従って制御する方法であって、
    前記出力（２４）の優先順位を決めることによって、出力優先ランキング（５２）を規定するステップと、
    前記複数のアクチュエータ（２１）それぞれのモードを決定することによって、複数のアクチュエータモード（６２）を規定するステップと、
    前記出力優先ランキング（５２）および前記アクチュエータモード（６２）を用いて少なくとも１つのプラントモデル適応係数配列（８２）を構築するステップと、
    前記少なくとも１つのプラントモデル適応係数配列（８２）を用いて前記プラントモデル（４１）を実時間で再構成することにより、前記プラントモデル（４１）を前記出力優先ランキング（５２）および前記アクチュエータモード（６２）に適応させるステップと、
    前記モデルベース制御が前記出力優先ランキング（５２）および前記アクチュエータモード（６２）に自動的に適応するように、前記モデルベース制御を構築するステップと、
    を含む、方法。
  2. 前記プラント運転条件（５６）に基づいて既知のプラントモデル誤差（７２）を決定するステップをさらに含み、前記少なくとも１つのプラントモデル適応係数配列（８２）が、前記既知のプラントモデル誤差（７２）をさらに用いて構築される、請求項１記載の方法。
  3. 前記出力優先ランキング（５２）が予め決定される、請求項１記載の方法。
  4. 前記優先順位を決めるステップ、決定するステップ、少なくとも１つのプラントモデルを構築するステップ、再構成するステップ、および前記モデルベース制御を構築するステップを繰り返すステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
  5. 少なくとも１つのプラントモデル適応係数配列（８２）を構築する前記ステップが、実時間で行われる、請求項１記載の方法。
  6. 前記モデルベース制御が、動的反転制御である、請求項１記載の方法。
  7. 前記モデルベース制御が、線形２次レギュレータ制御である、請求項１記載の方法。
  8. 前記アクチュエータモード（６２）が、アクチュエータ制約モードまたはアクチュエータ非制約モードの一方である、請求項１記載の方法。
  9. 前記アクチュエータ制約モードが、アクチュエータ固定モードまたはアクチュエータ準自由移動モードの一方である、請求項８記載の方法。
  10. 前記少なくとも１つのプラントモデル適応係数配列（８２）を構築する前記ステップが、前記アクチュエータ固定モードまたは前記アクチュエータ準自由移動モードの存在によって決まる、請求項９記載の方法。
  11. 前記出力優先ランキング（５２）により規定された最優先出力集合から、アクチュエータ制約モードを有する前記複数のアクチュエータ（２１）それぞれを分離することによって、分離アクチュエータ（２１）を規定するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
  12. 前記分離アクチュエータ（２１）を既知の外乱入力として拒絶するステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
  13. 前記分離アクチュエータ（２１）を前記アクチュエータ非制約モードに戻すステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
  14. 前記アクチュエータ非制約モードに戻された前記分離アクチュエータ（２１）を前記最優先出力集合と統合させるステップをさらに含む、請求項１３記載の方法。
  15. 前記最優先出力集合と統合された前記分離アクチュエータ（２１）の初期条件として、前記分離アクチュエータ（２１）の分離入力−出力対の各関係項を維持するステップをさらに含む、請求項１４記載の方法。
  16. プラント（２０）の運転条件に対応する複数の出力（２４）および前記複数のアクチュエータ（２１）の動作状態に対応する複数の入力（２２）を有する前記複数のアクチュエータ（２１）を備えた前記プラント（２０）と、
    前記複数の出力（２４）の優先順位を決めることによって、出力優先ランキング（５２）を規定するように構成された出力優先ランキングモジュール（５０）と、
    前記複数のアクチュエータ（２１）それぞれのモードを決定することによって、複数のアクチュエータモード（６２）を規定するように構成されたアクチュエータモード管理モジュール（６０）と、
    前記出力優先ランキング（５２）および前記アクチュエータモード（６２）を用いて少なくとも１つのプラントモデル適応係数配列（８２）を構築するように構成された管理モジュール（８０）と、
    前記少なくとも１つのプラントモデル適応係数配列（８２）を用いてプラントモデル（４１）を再構成するように構成されたプラントモデルモジュール（４０）と、
    前記出力優先ランキング（５２）および前記アクチュエータモード（６２）に自動的に適応するモデルベース制御を構築するように構成されたモデルベース制御モジュール（３０）と、
    を備える、制御されたシステム（１０）。
  17. 前記プラント（２０）の前記運転条件に基づいて既知のプラントモデル誤差（７２）を決定するように構成された既知プラントモデル誤差モジュール（７０）をさらに備えた、請求項１６記載のシステム。
  18. 前記プラントモデルモジュール（４０）が、前記既知のプラントモデル誤差（７２）を用いて前記少なくとも１つのプラントモデル適応係数配列（８２）を構築するようにさらに構成された、請求項１７記載のシステム。
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