JP2018156650A - H∞制約を使用してモデルのパラメータを調整する方法およびシステム - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、標準的なH∞合成技法の使用例を表した構成を示す。図1は、プラントH(s) 110とコントローラC(s) 120とを含むことができる。図1では、標準的なH∞合成が、入力w 130から出力z 140への閉ループピークゲインを最小化するコントローラC(s) 120を計算する。コントローラC(s) 120は、ブラックボックス(例えば、ユーザはこのブラックボックス内部の内部表現に容易にアクセスできない)として動作できる集中H∞コントローラを表すことができる。H(s)110は、コントローラC(s) 120を用いて制御可能なプラントを表すことができる。プラントH(s)110は、線形プラントモデルとすることができる。
代表的な実施形態は、ユーザが、多変数フィードバック制御問題を定式化しかつ解くために、直感的なユーザインターフェースを使用することを可能とする新規の技法を提供する。例えば、代表的な実施形態では、ユーザは、制御システムに分散した一緒に調節する必要がある複数の制御要素を備えた制御問題を扱うことができる。例えば、幾つかの実施形態は、1つまたは複数のフィードバックループに分散した複数の制御要素であって、システムの全体的な性能およびロバスト性を最適化するために一緒に調整する必要がある制御要素を含むことができる。代表的な実施形態はスケーラブルであり、実質的に任意の数の構成要素、ループおよび/または任意程度の複雑性を備えた問題の制御に応用できる。
図2は、一実施形態を実施するための代表的なシステム200を示す。システム200を用いて1つまたは複数のエンティティを含むモデルを構築し、そのモデルのPIDコントローラを設計、実装し、かつ/またはそのコントローラのコードを生成するなどのそのモデルからコードを生成できる。システム200は、コンピュータ205と、取得ロジック210と、オペレーティングシステム215と、モデリング環境220と、モデル230と、入力デバイス240と、表示装置250と、モデル表現260と、プラント270とを含むことができる。図2のシステムは例示的なものであり、システム200の他の実施形態は、より少ない数のデバイス、多い数のデバイス、かつ/または図2の構成とは異なる構成のデバイスを含むことができる。
データはデジタル情報またはアナログ状態を含むことができる。さらに、データはパケット化しかつ/またはパケット化しなくてもよい。
図3は、モデリング環境220の代表的な実施形態を示す。モデリング環境220は、シミュレーションツール310と、エンティティライブラリ320と、インターフェースロジック330と、コンパイラ340と、コントローラロジック350と、オプティマイザ360と、シミュレーションエンジン370と、リポートエンジン380と、コードジェネレータ390とを含むことができる。図3に示したモデリング環境220の実施形態は例示的なものであり、モデリング環境220の他の実施形態も、本発明の精神から逸脱することなく、より多いまたは少ないエンティティを含むことができる。
一例として、本発明の実施形態は、実質的に任意の順序で配置されかつ1つまたは複数のフィードバックループを備えたコントローラブロックなどを含みうる複数の構成要素を備えた制御アーキテクチャに応用できる。
図7は、変換された任意の制御構造を表すために使用できる代表的な正準構造を図示する。
がブロックとして現れる信号フローダイアグラムは、ブロック
を そのダイアグラムの他の部分から分離し、それらの入力および出力を 付加してブロック対角構造を作成することによりこの正準構造に変換できる。
代表的な実施形態は、システム内の調整可能な要素をパラメータ化して調整タスクを最適化問題として定式化するように構成できる。例えば、一実施形態では、調整されるシステム要素をパラメータ化できる。表1では、比例積分偏差(PID)ブロック、固定次数伝達関数、および固定次数状態空間ブロックなどの共通制御要素のパラメータ化を要約した。
実数の値
でパラメータ化された低域フィルタa
オブザーバー形式の状態空間コントローラ:
ブロック対角構造およびブロック繰り返しをサポートする。従って、本発明の代表的な実施形態は、従来のH∞合成技法ではうまくいかない次の多目的問題のような問題を解くために使用できる。
「
および
となるようにC(s)を調整せよ。」
或いは、同様に、
「
となるようにC(s)を調整せよ。」
という問題も単一目的問題を解くことと変わらない。実際的な見知からは、代表的な実施形態により、ユーザは各二地点間伝達関数(例えば、ループ伝達関数)を独立して制約することができ、すべての要件を獲得する単一のMIMO制約を見つける必要がなくなる。これは多くのユーザにとって望ましい特徴であり、それは、すべての要件を獲得する単一のMIMO制約の発見は、交差項がユーザの問題設定方法と干渉するので、ユーザには困難なタスクとなることが多いためである。
ループ整形は、フィードバック制御システムを調整するための一般的な周波数領域技法である。一例として、単入力・単出力(SISO)フィードバックループに関し、ループ整形法は次からなる。
1. 設計要件を、開ループ応答L(s)の所望のゲイン特性について表現する(周波数の関数としてのゲイン)。例えば、ゲインは、良好な追跡および外乱阻止のためには低周波数において高く(>1)すべきであり、雑音およびモデリングエラーに対する不感受性のためには高周波数において低く(<1)すべきである。遷移周波数(ゲイン=1)は、交差周波数
と呼ばれ、制御システムの応答速度に直接影響する。
2. 補償器の調整可能パラメータを調節して、閉ループ安定性および適切な安定余裕を維持しつつ所望のループ整形にアプローチする。
を増大または減少させると、応答をそれぞれ速くまたは遅くできる。図8のループ形状はw<10 (領域810)について高いゲインを備え、w>10 (領域820)について低いゲインを備える。
を減少させることで外乱阻止特性を改善できる。
は、所望のループ形状を実現し、適切な余裕を与え、
を介して外乱阻止を最適化することが示されている。これにより、ループ整形目標を、本発明の代表的な技法とともに使用するのに適したH∞制約に変換するシステム化された方法がもたらされる。例えば、代表的な実施形態および技法により、ユーザからの次の基本的な情報のみを用いて動作可能なソフトウェアツールを作成できるようになる。
・目標ループ形状
(一実施形態では、ゲインのみが重要となる場合もある。)
・調整可能ブロック
・閉ループシステムのブロックダイアグラムにおける信号r、d、yの位置。
から適切なループ形状を自動的に生成することにより、かつ積分動作が必要かどうかを判断することにより、目標ループ形状
の必要性をさらに無くすことができる。
本発明のソフトウェアで実現された実施形態は、一定の形式でかつ/または典型的なユーザにより容易に理解される用語を用いてユーザが情報を入力可能とするグラフィカルユーザインターフェース(GUI)などのインターフェースをユーザに提供する。さらに、ソフトウェアで実現された実施形態は、制御システムの迅速な設計および/または解析をサポートするアルゴリズムおよび処理技法を利用する。事実、本発明の実施形態を構成することにより、制御システムの効率的な設計および解析を促すような作業の流れをユーザが使用できるようにするインタラクティブな制御設計および解析をサポート可能である。
1. 制御要素の構造を特定し、これら要素のパラメータ化を自動的に生成する。
2. カスタム要素およびパラメータ化を作成する。
3. 所与の制御アーキテクチャを図7の対応する正準構造にマッピングする。
4. 簡潔な設計要件をH∞制約に変換する。
5. 基調をなす構造化H∞合成問題を解くことによって制御要素を自動的に調整する。
6. 元々の制御要素について結果を提示する。
7. 通常の線形解析ツールとの厳密な統合化によって設計の妥当性検証を促進する。
本発明の実施形態により、ユーザはシステム中の調整可能ブロックを指定でき、ここで、整可能ブロックは、最適性能およびロバスト性を実現するために調整される制御システムの構成要素である。例えば、制御システムの調整可能な構成要素は、本発明の実施形態における図7の正準構造におけるブロック
iに対応できる。
>> G.Gain.Value(1) = 1
>> G.Gain.Free(1) = false
1.パラメータの基本概念を具体化する「パラメータ」オブジェクト。
2.パラメータへの通常の処理を図7の正準構造に自動的に変換するコンピュータ代数。
>> s = tf('s');
>> a = realp('a',2);
>> F = feedback(a/s,1)
ans =
a: [1x1 realp]
>> a = realp('a',2);
>> F = tf(a,[1 a])
>> a = 2;
>> F = tf(a,[1 a])
>> K = realp('K',zeros(1,3));
>> L = realp('L',zeros(3,2));
>> OBC = ss(A-B*K-L*C+L*D*K,L,-K,0)
>> OBC.Blocks
ans =
K: [1x3 realp]
L: [3x2 realp]
である。図8-14および対応する記載では、調整可能ブロック(上記文の項目(2))を指定するためのツールおよび技法を説明した。相互接続モデルを構築するためのツールおよび技法は後述する。
代表的な実施形態および技法を用いて、任意の制御構造と相互作用しかつ/または調整するための2つ以上のアプローチをサポートできる。例えば、幾つかの実施形態および技法は、(1)モデリング環境(例えば、Simulinkモデリング環境、Simulink互換環境などのグラフィカルモデリング環境)内に存在するツールを用いてH(s)を自動的に抽出することをサポートできる。例えば、H(s)は、Simulinkモデリング環境内にある線形化ツールを使用して自動的に抽出できる。そして(2)、H(s)は、テキスト形式計算および/またはモデリング環境(例えば、MATLABプログラミング環境、MATLAB互換環境など)に関連した標準的なコマンドを用いて自動的に構築できる。例えば、H(s)は、ユーザがMATLABプログラミング環境と対話することで、ブロックダイアグラムを構築するためのコマンドを用いて構築できる。
(図7)と、(2)外部入出力信号wおよびz(図7)とが分かれば完全に特定できる。調整可能ブロックがSimulinkブロックとしてブロックダイアグラムに存在する場合は、この情報は次のように容易に与えられる。
1.ブロック
それぞれへのブロックパスのリスト。
2.wおよびzを構成する信号がブロックダイアグラムを出入りする場所を指定する線形化入出力点。
・通常の代数:プラス、マイナス、乗算、除算、逆数など。
・相互接続演算:入力または出力連結、付加、並列、直列、フィードバック、lft、接続など。
例えば、ユーザは、次のようにコマンド1605および1610(図16A)を入力できる。
% 調整可能ブロックを指定する
>> DM = ltiblock.gain('Decoupler',eye(2));
>> PI_L = ltiblock.pid('PI_L','pi');
>> PI_V = ltiblock.pid('PI_V','pi');
および
% 閉ループ伝達Tを導出する
>> C = append(PI_L,PI_V) * DM;
>> T = feedback(G * C , eye(2));
ユーザはモデリング環境220と対話し、次のようにコマンド1615を入力することで、モデルTをその部分であるHおよびBに分解できる(図7に示したように)。
>> [H,B] = getLFTModel(T)
a =
x1 x2
x1 -0.01333 0
x2 0 -0.01333
b =
u1 u2 u3 u4 u5 u6
x1 0 0 2 0 0 0
x2 0 0 0 2 0 0
c =
x1 x2
yD 0.5853 -0.576
yB 0.7213 -0.7307
? -0.5853 0.576
? -0.7213 0.7307
? -0.5853 0.576
? -0.7213 0.7307
d =
u1 u2 u3 u4 u5 u6
yD 0 0 0 0 0 0
yB 0 0 0 0 0 0
? 1 0 0 0 1 0
? 0 1 0 0 0 1
? 1 0 0 0 0 0
? 0 1 0 0 0 0
B =
[1x1 ltiblock.pid ]
[1x1 ltiblock.pid ]
[2x2 ltiblock.gain]
一旦、ユーザが、モデル1500およびモデリング環境220と対話して、設計要件を重み付き閉ループモデルT(s)について次のH∞制約
として定式化すると、ユーザは次のようにコマンドを入力することでオプティマイザを呼び出すことができる。
>> T = hinfstruct(T0,options)
ここで、T0は未調整閉ループモデルであり、optionsはオプティマイザのオプションセットである。モデリング環境220は、このコマンドを処理し、さらに、調整可能パラメータがオプティマイザにより発見された一定の値に設定された調整済み閉ループモデルTを返す。例えば、一実施形態では、すべての調整可能パラメータは、オプティマイザ360により決定された最良値に設定できる。
>> T.Blocks
>> C = replaceBlock(C0,T.Blocks)
モデリング環境220はこのコマンドを処理し、C0における関連するパラメータ値を、Tにおけるそれらの調整済み値と自動的に置換できる。
代表的な実施形態は、SimulinkまたはSimulink互換モデルのようなモデルにおけるブロックパラメータの調整の効率化を容易にするヘルパー関数などの関数を含むことができる。一例として、かつSimulinkを参照すると、
・LINLETを拡張して、調整の対象として選択されたSimulinkブロックに基づいて適切な調整可能ブロックオブジェクト(ltiblock.gain、ltiblock.tf・・・)を自動的に選びかつ構成できる。
・ヘルパー関数を用いて、hinfstructにより計算された調整済みパラメータ値をSimulinkブロックにプッシュバックできる。
ヘルパー関数は、文書化された関数が動作する際に、それら文書化関数により使用される文書化されていない関数のような関数を含むことができる。
代表的な実施形態は、調整可能ブロックおよびLFTモデルを通常のLTIモデルのピアとして扱うことができる。こうすることにより、代表的な実施形態は、STEPまたはBODEなどの標準的なコマンドを用いて調整済み制御システムを直接解析できる。例えば、ユーザは次のコマンドをタイプできる。
>> bode(T) % Tのボード応答をプロットする
>> Ftuned = tf(T.Blocks.F) % Fの調整済み値を伝達関数として得る
図17は、F14ジェット戦闘機で使用されるアナログ自動操縦装置の代表的モデル1700を示す。本発明の代表的な実施形態および技法をモデル1700に適用することで、F14のアナログ自動操縦装置を調整できる。例えば、実施形態および技法は、Simulinkモデリング環境を用いてF14の長手方向軸に関して自動操縦装置を調整できる。モデル1700は、標準的なカスケードループ自動操縦装置を実装できるコントローラブロック1705を含むことができる。
s = tf('s');
pKa = realp('Ka',0);
pKq = realp('Kq',0);
pKf = realp('Kf',0);
pKi = realp('Ki',1);
pTal = realp('Tal',1);
pW1 = realp('W1',0);
pW2 = realp('W2',0);
を入力して図17および18の自動操縦装置のパラメータを定義できる。図19では、ユーザは、すべてのパラメータを実スカラーパラメータとして定義することを選択できる。コマンド1905では、ユーザは、ほとんどのパラメータをゼロに初期化する選択もできる。
Integrator = pKi/s; % Ki/s
AlphaSensor = tf(1,[pTal 1]); % 1/(Tal*s+1)
PitchFilter = tf([1 pW1],[1 pW2]); % (s+W1)/(s+W2)
ユーザは、図17および18の自動操縦装置モデルと対話する際に、追跡オブジェクトをH∞制約として定式化することを望むかもしれない。所望の帯域幅は1 rad/s(ラジアン/秒)とすることができ、ユーザは、ほとんどオーバーシュート無しで迎え角アルファに操縦桿入力(パイロット要求)を追跡させたいと望むこともあろう。代表的な実施形態および技法を用いて、ユーザの要件を外側ループ(アルファ)1715(図17)の開ループ形状について定式化できる。
wc = 1; % 目標クロスオーバー
LS = (1+0.01*s/wc)/(0.01+s/wc);
bodemag(LS,{1e-3,1e3}), grid, title('Target loop shape')
% 調整済みブロック
TunedBlocks = {...
'f14/Controller/Alpha-sensor Low-pass Filter',...
'f14/Controller/Pitch Rate Lead Filter',...
'f14/Controller/Ka',...
'f14/Controller/Kq',...
'f14/Controller/Kf',...
'f14/Controller/Integrator'};
%図4の構造化補償器
C = blkdiag(AlphaSensor,PitchFilter,pKa,pKq,pKf,Integrator);
linios = [...
linio('f14/Controller/Stick Prefilter',1,'in') ; ... % r
linio('f14/Aircraft Dynamics Model',4,'outin') ; ...% アルファ,n
linio('f14/Controller',1,'in') ]; % d
H = linlft('f14',linios,TunedBlocks);
% 閉ループ伝達[r;n;d] -> y=アルファ
Ta0 = lft(H,C);
T10 = [0 0 0;1 0 0] + [1;-1] * Ta0;
beta = 3;
Win = blkdiag(1,1/LS,beta);
Wout = blkdiag(1,LS);
T10 = Wout * T10 * Win;
T10.InputName = {'r','n','d'};
T10.OutputName = {'y','e'};
図17のカスケードループ構造は、2つの測定値(アルファおよびq)と1つの制御(昇降舵たわみデルタ)とを備えたMIMO制御構造である。幾つかの例では、ユーザは各SISOループの安定余裕を評価しようとするかもしれないが、そうしたアプローチでは十分なMIMO余裕が保証できるとは限らない。本発明の実施形態によりサポートされたより信頼性および正確性が高いアプローチは、次の感度関数のピークゲインが1に近い状態を維持することを保証する。
の閉ループモデルは、感度関数Sがプラントの出力(アルファ, q)において測定されることに注視することにより導出でき、かつLINLEFTを使用できる。例えば、ユーザはコマンド2210(図22)を入力できる。
linios = [...
linio('f14/Aircraft Dynamics Model',4,'inout') ; ...% アルファ
linio('f14/Aircraft Dynamics Model',3,'inout') ]; % q
H = linlft('f14',linios,TunedBlocks);
S0 = lft(H,C);
T20 = S0;
T2の閉ループモデルが導出されると、ユーザは、コントローラパラメータの調整を望むかもしれない。代表的な実施形態は、追跡およびロバスト性に関するH∞制約の単一制約への結合を促進する。例えば、この単一の制約はユーザが次を定義すると表現できる。
T0 = blkdiag(T10,T20);
Options = hinfstructOptions('Display','final','RandomStart',4,'SpecRadius',50);
T = hinfstruct(T0,Options);
ユーザはコントローラ設計を妥当性検証したいと望むこともあり、代表的な実施形態では、ユーザが対話的に検証を実行できる。一実施形態では、この設計の検証は、調整済みパラメータ値を閉ループ伝達Ta0 (アルファループ) およびS(感度関数)にプッシュすることで実行できる。ユーザは、次のような2つのコマンドを入力できる。
Ta = replaceBlock(Ta0,T.Blocks);
S = replaceBlock(S0,T.Blocks);
例えば、ユーザは次のコマンド
step(Ta(1,1)) % アルファへのアルファコマンド
を入力して、プロット2300を表示装置250を介して表示させられる。
sigma(S) % 感度関数のピークゲイン
T.Blocks.Kq.Value % Kqゲインの調整値
をタイプでき、このコマンドが処理されるとモデリング環境220は応答を生成する。例えば、次をユーザに表示できる。
ans =
4.3486e-001
図25は、本発明の1つまたは複数の実施形態を実施するための代表的な処理を示す。ユーザは、1つまたは複数の調整可能な構成要素を含むモデルを作成できる(動作2505)。例えば、ユーザはグラフィカルモデルと対話でき、信号を表す線で接続された多くの構成要素を含む自由形式グラフィカルモデルを構築してよい。このモデルは、1つまたは複数のフィードバックループを含むことができ、さらに、プラントとして表現できる固定構成要素と、コントローラを介して表現できる1つまたは複数の調整可能な構成要素とを含むことができる。さらに、ユーザは、固定および調整可能な構成要素を生成するためのコマンドをユーザ自身が入力するテキスト形式環境を用いてモデルを生成できる。一実施形態では、本発明の一実施形態が既存のモデル(非一時的な記憶媒体から検索されたモデル)を受け取るような場合は、動作2505はオプションとしてもよい。
図26は、図2のコンピュータ205を実装するのに使用可能な代表的なコンピュータアーキテクチャを示す。図26は、コンピュータ205に対応するエンティティの代表的なダイアグラムである。図示したように、このエンティティは、バス2610、処理ロジック2620、主メモリ2630、読出し専用メモリ(ROM)2640、記憶装置2650、入力デバイス2660、出力デバイス2670、および/または通信インターフェース2680を含むことができる。バス2610は、このエンティティの構成要素間での通信を可能とするパスを含むことができる。
分散実施形態は、2つ以上の処理リソースを用いて処理を実行できる。例えば、幾つかの実施形態は、単一の処理装置内で2つ以上のコアを用いて処理を実行し、単一の筐体内に設けられた多数の処理装置にわたり処理を分散し、かつ/またはネットワークにより接続された多種類の処理ロジックにわたり処理を分散してもよい。
一実施形態は、コンピュータ実装方法または非一時的コンピュータ可読媒体上に存在する機械実行可能命令を含むことができる。この方法および/または命令は、任意の制御構造において設計パラメータを調整するために実装でき、この場合は、コンピュータ実装方法は、例えばローカルマシンのようなスタンドアローンを用いてまたは分散環境(例えば、複数コンピュータ装置のクラスタまたはグリッド)において実施できる。
上記方法は、算術演算またはヘルパー関数を用いて調整可能な構成要素を動的に生成できる。さらに、上記方法は、上記調整可能な構成要素の調整可能パラメータと相互作用する上記調整可能な構成要素のパラメトリックモデルを生成できる。
結論
Claims (1)
- モデルにおける1つまたは複数の調整可能な構成要素を取得する段階であって、
前記取得はコンピュータ装置により実行される、取得する段階と、
前記モデルの設計に関連付けられた1つまたは複数の設計要件を受け取る段階であって、
前記受け取りは前記コンピュータ装置により実行される、受け取る段階と、
前記受け取られた設計要件を、前記モデルにおける前記1つまたは複数の調整可能な構成要素を調整するためのH∞制約に変換する段階であって、
前記変換は、前記モデルに関連付けられた制御アーキテクチャを特定の構造にマッピングすることを含み、
前記変換はコンピュータ装置により実行される、変換する段階と、
前記モデルからコントローラまたは関数の少なくとも一方を抽出するために前記H∞制約を使用する段階であって、
前記使用はコンピュータ装置により実行され、
前記H∞制約は前記モデルの設計に関連付けられた1つまたは複数の設計要件を表現する、使用する段階と、
前記コントローラまたは前記関数の前記抽出された少なくとも一方に基づきかつ前記モデルにおける前記1つまたは複数の調整可能な構成要素に基づき、前記H∞制約を最適化するために、非平滑H∞オプティマイザを用いて、前記モデルの1つまたは複数のパラメータを調整する段階であって、
前記調整はコンピュータ装置により実行される、調整する段階と、
前記非平滑H∞オプティマイザを用いた前記モデルの前記1つまたは複数のパラメータの調整に基づいて、結果を生成する段階であって、
前記結果が1つまたは複数の調整済み構成要素を含み、
前記1つまたは複数の調整済み構成要素は、前記モデルに関連付けられた前記1つまたは複数の設計要件を満足し、
前記生成はコンピュータ装置により実行される、生成する段階とを含む、方法。
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