JP2018163395A - Control method, control device and control program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フィードバック制御技術に関する。 The present invention relates to a feedback control technique.
動的システムとは、出力が現在の入力だけでなく過去の入力にも依存するシステムのことである。特に以下のような、離散時間の線形状態方程式(Liner State Equation)(1)および線形出力方程式(Linear Output Equation)(2)で表される動的システムは、離散時間線形時不変システムと呼ばれる。 A dynamic system is a system whose output depends not only on current inputs but also on past inputs. In particular, a dynamic system represented by a discrete-time linear state equation (1) and a linear output equation (2) as follows is called a discrete-time linear time-invariant system.
図1に、上記の離散時間線形時不変システムのブロック線図を示す。Ax[k]とBu[k]との加算によりx[k+1]が求められる。また、y[k]がCx[k]として求められる。q-1はx[k]のkを1減らす作用素である。 FIG. 1 shows a block diagram of the above discrete time linear time invariant system. X [k + 1] is obtained by adding Ax [k] and Bu [k]. Further, y [k] is obtained as Cx [k]. q −1 is an operator for reducing k of x [k] by 1.
但し、動的システムの状態を必ずしも直接観測できるとは限らず、直接観測できない場合には観測可能な出力から状態が推定される。例えばフィードバック制御においては、観測可能な出力に基づき観測或いは制御の対象(以下、制御対象と呼ぶ)の内部状態が推定され、推定された内部状態に応じて入力が決定される。 However, it is not always possible to directly observe the state of the dynamic system. If direct observation is not possible, the state is estimated from the observable output. For example, in feedback control, an internal state of an observation or control target (hereinafter referred to as a control target) is estimated based on an observable output, and an input is determined according to the estimated internal state.
可検出である線形システムについて、時間の経過とともに収束する状態の値を計算する装置はオブザーバと呼ばれる。オブザーバによる推定値は、十分に時間が経過すれば真の値に収束することが保証されている。従来の技術においては、推定値が真の値に収束したと見做すことができる十分な時間が経過した後の推定値が制御に利用されている。 An apparatus that calculates the value of a state that converges over time for a linear system that is detectable is called an observer. The estimated value by the observer is guaranteed to converge to a true value when sufficient time has passed. In the conventional technique, an estimated value after a sufficient time that can be considered that the estimated value has converged to a true value has been used for control.
しかし、制御対象が安定ではない場合、推定値が真の値に収束することを待っていると、内部状態が変化し制御が間に合わないことがある。図2及び図3に、時間と状態との関係を示す。図2において、縦軸は状態x1の値を表し、横軸は時間を表す。図3において、縦軸は状態x2の値を表し、横軸は時間を表す。真の値は実線でプロットされており、推定値は破線でプロットされている。図2及び図3のいずれにおいても、推定値が真の値に収束するまでに状態が変化しているので、収束後の推定値に基づく制御を実行する前に適切ではない状態が発生する可能性がある。一方で、推定値が真の値に収束する前においては、真の状態が満たす制約(たとえば、線形の等式関係)が満たされていないために、推定値に基づく制御を行うことができない場合がある。 However, when the control target is not stable, the internal state may change and control may not be in time if waiting for the estimated value to converge to a true value. 2 and 3 show the relationship between time and state. 2, the vertical axis represents the value of the state x 1, the horizontal axis represents time. 3, the vertical axis represents the value of the state x 2, the horizontal axis represents time. True values are plotted with solid lines, and estimated values are plotted with broken lines. In both FIG. 2 and FIG. 3, since the state changes until the estimated value converges to a true value, an inappropriate state may occur before the control based on the estimated value after convergence is executed. There is sex. On the other hand, before the estimated value converges to the true value, the constraints that the true state satisfies (for example, linear equation relations) are not satisfied, and control based on the estimated value cannot be performed. There is.
また、例えば射影操作により推定値を真の状態と同じ制約を満たすように変換して制御に利用する場合、推定値が得られる度に変換を行う必要があるため、演算時間の増加を招く。従って、安定ではない状況(例えば、制御に利用するための値を生成するための時間的な余裕が無い状況)においては、不正確な値に基づく制御を行うことになり、結果として不安定な制御につながる可能性がある。図4に、演算時間が増加した場合における状態x1の値と時間との関係を示し、図5に、演算時間が増加した場合における状態x2の値と時間との関係を示す。図4及び図5のいずれにおいても、真の値が振動的に変動しており、制御が不安定になっている。 In addition, for example, when the estimated value is converted so as to satisfy the same constraints as the true state by the projection operation and used for the control, it is necessary to perform conversion every time the estimated value is obtained, which increases the calculation time. Therefore, in an unstable situation (for example, a situation where there is no time margin for generating a value used for control), control based on an inaccurate value is performed, resulting in instability. May lead to control. FIG. 4 shows the relationship between the value of the state x 1 and the time when the calculation time increases, and FIG. 5 shows the relationship between the value of the state x 2 and the time when the calculation time increases. In both FIG. 4 and FIG. 5, the true value fluctuates in vibration, and the control is unstable.
本発明の目的は、1つの側面では、必ずしも真の値に収束しているとは限らない推定値を用いて、制御対象の制御を適切に行う技術を提供することである。 In one aspect, an object of the present invention is to provide a technique for appropriately controlling a control target using an estimated value that does not necessarily converge to a true value.
一態様に係る制御方法は、制御対象の内部状態を表す変数が満たす条件に対応する方程式に基づき、制御対象の内部状態の推定に用いられるゲイン行列を生成し、生成されたゲイン行列を用いるオブザーバにより生成された、制御対象の内部状態の推定結果に基づき、制御対象を制御する処理を含む。 According to an aspect of the present invention, there is provided a control method that generates a gain matrix used to estimate an internal state of a controlled object based on an equation corresponding to a condition satisfied by a variable that represents the internal state of the controlled object, and uses the generated gain matrix. Includes a process of controlling the control target based on the estimation result of the internal state of the control target generated by.
1つの側面では、必ずしも真の値に収束しているとは限らない推定値を用いて、制御対象の制御を適切に行えるようになる。 In one aspect, the control target can be appropriately controlled using an estimated value that does not necessarily converge to a true value.
[実施の形態1]
本実施の形態においては、可検出であり且つ状態が以下のような線形等式(3)を満たす離散時間線形時不変システムを制御対象とする。
[Embodiment 1]
In the present embodiment, a discrete-time linear time-invariant system that can be detected and whose state satisfies the following linear equation (3) is set as a control target.
線形状態方程式(Liner State Equation)(1)および線形出力方程式(Linear Output Equation)(2)は上に示したとおりであり、A、B、C、Wおよびυは既知であるとする。線形等式(3)は、図6に示すように、状態の値が状態空間内の平面上に有る(すなわち、保存則が成立している)ことを意味する。 The linear state equation (1) and the linear output equation (2) are as shown above, and A, B, C, W and υ are known. As shown in FIG. 6, the linear equation (3) means that the value of the state is on a plane in the state space (that is, the conservation law is established).
一般に、オブザーバによる推定値^x[k+1]は以下のように表される。 In general, the estimated value ^ x [k + 1] by the observer is expressed as follows.
オブザーバのブロック線図は図7に示すとおりである。 The block diagram of the observer is as shown in FIG.
行列Lはゲイン行列(オブザーバゲインとも呼ばれる)である。ゲイン行列は、例えばLMI(Linear Matrix Inequality)可解問題を解くことで求められる。LMI可解問題は効率的な数値計算手法が知られた問題であり、ソルバ(例えばSDP(SemiDefinite Program)ソルバ)も存在するので、存在判定法及び構成法として適切である。 The matrix L is a gain matrix (also called an observer gain). The gain matrix is obtained, for example, by solving an LMI (Linear Matrix Inequality) solvable problem. The LMI solvable problem is a problem in which an efficient numerical calculation method is known, and a solver (for example, an SDP (SemiDefinite Program) solver) exists, and is therefore suitable as an existence determination method and a configuration method.
まず、入力されたA、B及びCに基づき以下のLMI可解問題を解くことで、行列X及び行列Yが求められる。 First, a matrix X and a matrix Y are obtained by solving the following LMI solvable problem based on the inputted A, B, and C.
この式は、左辺の行列が正定であることを表す。そして、ゲイン行列はL=X-1Yとして計算される。これにより推定値^x[k+1]を求めることができる。 This expression indicates that the left-hand side matrix is positive definite. The gain matrix is calculated as L = X −1 Y. Thereby, an estimated value ^ x [k + 1] can be obtained.
但し、背景技術の欄で述べたように、このような方法で求めた推定値は等式制約を満たさないことがある。このことは、図8に示すように、推定値が状態空間内の平面上に無い場合があることを意味する。また、推定値が状態空間内の平面上に存在するように変換を行うと、演算時間が長くなり制御が不安定になることがある。 However, as described in the background section, the estimated value obtained by such a method may not satisfy the equality constraint. This means that the estimated value may not be on a plane in the state space, as shown in FIG. Further, if the conversion is performed so that the estimated value exists on a plane in the state space, the calculation time may be long and the control may become unstable.
そこで以下では、通常のオブザーバと比較して計算量を増加させることなく(条件A−1)、真の値と同じ線形等式を満たしつつ(条件A−2)且つ時間の経過とともに真の値に収束する推定値を計算するオブザーバが存在する(条件A−3)か判定する方法を検討する。そして、そのようなオブザーバが存在する場合にはそのようなオブザーバを具体的に実現する(条件B)ことが可能であり且つ効率的な数値計算手法に基づいた(条件C)方法を検討する。 Therefore, in the following, the true value is satisfied with the passage of time while satisfying the same linear equation as the true value (Condition A-2) without increasing the amount of calculation as compared with a normal observer (Condition A-1). Consider a method for determining whether there is an observer (condition A-3) that calculates an estimated value that converges to. Then, when such an observer exists, a method (condition C) based on an efficient numerical calculation method that can specifically realize such an observer (condition B) is examined.
条件A−1に関して、通常のオブザーバと比較して計算量が増加しないための必要十分条件は、計算式が通常のオブザーバと同じ形式であることである。すなわち、本実施の形態の計算式が式(5)の形式であることである。 With respect to the condition A-1, a necessary and sufficient condition for preventing the amount of calculation from increasing as compared with a normal observer is that the calculation formula has the same format as that of a normal observer. That is, the calculation formula of the present embodiment is in the form of formula (5).
条件A−2に関して、推定値が真の値と同じ線形等式を満たすための必要十分条件は、W^x[0]=υかつWL=0である。証明は以下のとおりである。まず、以下が成立する。 Regarding condition A-2, the necessary and sufficient conditions for the estimated value to satisfy the same linear equation as the true value are W ^ x [0] = υ and WL = 0. The proof is as follows. First, the following holds.
(十分性)
WL=0であるとき、以下が成立する。
(Sufficient)
When WL = 0, the following holds:
つまり、W^x[k]はWx[k]と同じ初期値を有し且つWx[k]と同じ漸化式に従うので、以下が成立する。 That is, since W ^ x [k] has the same initial value as Wx [k] and follows the same recurrence formula as Wx [k], the following holds.
(必要性)
逆にWL≠0であるときは、以下の式が成立しない場合が存在する。
(necessity)
Conversely, when WL ≠ 0, there is a case where the following expression does not hold.
従って、W^x[k]はWx[k]と異なる漸化式に従うので、式(9)が成立しない。以上で条件A−2についての必要十分条件の証明を終了する。 Therefore, since W ^ x [k] follows a recurrence formula different from Wx [k], formula (9) does not hold. This completes the proof of the necessary and sufficient conditions for Condition A-2.
条件A−3に関して、以下を誤差系と呼ぶ。 Regarding condition A-3, the following is referred to as an error system.
時間の経過とともに推定値が真の値に収束することを「誤差系が安定である」という。誤差系を安定にするような推定値の計算方法が存在する(すなわち、そのようなゲイン行列が存在する)ための必要十分条件(すなわち、条件A−3の必要十分条件)は、式(6)のLMI可解問題の解が存在することである。 The convergence of the estimated value to a true value over time is referred to as “the error system is stable”. A necessary and sufficient condition (that is, a necessary and sufficient condition for the condition A-3) for the estimation value calculation method that makes the error system stable (that is, such a gain matrix exists) is expressed by Equation (6). ) Exists in the solution of the LMI solvable problem.
条件Bに関して、誤差系を安定にするオブザーバを実現するためには、式(5)のゲイン行列をL=X-1Yとして求めればよい。 Regarding condition B, in order to realize an observer that stabilizes the error system, the gain matrix of equation (5) may be obtained as L = X −1 Y.
以上から、条件A−3の必要十分条件である式(6)と条件A−2の必要十分条件であるWL=0とを連立させ、さらにL=X-1Yを代入した以下の問題を解くことができれば、条件A−1、条件A−2、条件A−3および条件Bが満たされる。 From the above, the following problem in which Equation (6), which is a necessary and sufficient condition for Condition A-3, and WL = 0, which is a necessary and sufficient condition for Condition A-2, are combined, and L = X −1 Y is substituted. If it can be solved, Condition A-1, Condition A-2, Condition A-3 and Condition B are satisfied.
しかし、式(12)は行列を変数とする非線形問題であるので、効率的な数値計算手法を適用することができず、条件Cが満たされない。 However, since Equation (12) is a nonlinear problem with a matrix as a variable, an efficient numerical calculation method cannot be applied, and the condition C is not satisfied.
そこで本実施の形態においては、推定値が線形等式を満たすための必要条件をゲイン行列に関する等式で表し、この等式を用いて条件A−1、条件A−2、条件A−3及び条件BをLMI可解問題に帰着させる。 Therefore, in the present embodiment, a necessary condition for the estimated value to satisfy the linear equation is represented by an equation relating to the gain matrix, and using this equation, the condition A-1, the condition A-2, the condition A-3, and Condition B is reduced to an LMI solvable problem.
まず、線形等式の係数行列Wを以下のように特異値分解(Singular Value Decomposition)する。U及びVは直交行列である。なお、一般の等式(f(x[k])=0)ではなく線形等式に限定しているため特異値分解を実行することができる。 First, a singular value decomposition (Singular Value Decomposition) is performed on the coefficient matrix W of the linear equation as follows. U and V are orthogonal matrices. Note that the singular value decomposition can be executed because the equation is limited to a linear equation rather than a general equation (f (x [k]) = 0).
以下の条件(a)及び条件(b)を満たすゲイン行列Lが存在するか判定し、存在した場合にはゲイン行列Lを計算する。 It is determined whether there is a gain matrix L that satisfies the following conditions (a) and (b). If there is, the gain matrix L is calculated.
条件(a)は、ゲイン行列LがΛ∈R(n-r)×pと直交行列Vとを用いて以下のように表されることである。 The condition (a) is that the gain matrix L is expressed as follows using Λ∈R (nr) × p and the orthogonal matrix V.
なお、条件(a)はWL=0であるための必要十分条件である。この証明については付録を参照されたい。このように、条件(A−2)の必要十分条件を式(14)の形で表現することで、LMI可解問題に帰着させることが可能になる。 Condition (a) is a necessary and sufficient condition for WL = 0. See appendix for this proof. Thus, by expressing the necessary and sufficient condition of the condition (A-2) in the form of the expression (14), it becomes possible to reduce to the LMI solvable problem.
条件(b)は、A−LCの全ての固有値複素平面における原点を中心とする半径1の円の内部に存在することである。 Condition (b) is that it exists inside a circle having a radius of 1 centered at the origin in all eigenvalue complex planes of A-LC.
条件(a)及び条件(b)を満たすゲイン行列Lが存在する場合には、ゲイン行列Lを計算し、計算したゲイン行列Lに基づく式(5)に従った状態推定を行うようにオブザーバを設定する。以下では、このように設定されたオブザーバを線形等式保存オブザーバと呼ぶ。 When there is a gain matrix L that satisfies the conditions (a) and (b), the gain matrix L is calculated, and the observer is set to perform state estimation according to the equation (5) based on the calculated gain matrix L. Set. Hereinafter, the observer set in this way is referred to as a linear equation storage observer.
条件(a)及び条件(b)を満たすゲイン行列Lが存在するか判定し且つゲイン行列Lが存在する場合にゲイン行列Lを計算する手順は、以下のとおりである。 The procedure for determining whether there is a gain matrix L satisfying the conditions (a) and (b) and calculating the gain matrix L when the gain matrix L exists is as follows.
まず、以下のLMI可解問題を解く。 First, the following LMI solvable problem is solved.
式(15)が可解である場合(すなわち、解X及びYが存在する場合)、条件(a)及び条件(b)を満たすゲイン行列Lが存在すると判定される。式(15)が可解ではない場合、条件(a)及び条件(b)を満たすゲイン行列Lが存在しないと判定される。式(15)が可解である場合、以下の式に基づきゲイン行列Lが計算される。 When Expression (15) is solvable (that is, when solutions X and Y exist), it is determined that there is a gain matrix L that satisfies the conditions (a) and (b). When Expression (15) is not solvable, it is determined that there is no gain matrix L that satisfies the conditions (a) and (b). When the equation (15) is solvable, the gain matrix L is calculated based on the following equation.
式(15)によってゲイン行列Lの存在を判定できること及び式(16)によってゲイン行列を計算できることの証明を以下に示す。 The proof that the existence of the gain matrix L can be determined by the equation (15) and that the gain matrix can be calculated by the equation (16) is shown below.
式(11)で表された誤差系が安定である(n→∞,x[k]−^x[k]→0)ための必要十分条件は、A−LCの全ての固有値が複素平面の原点を中心とする半径1の円内に存在することであり、それは以下の行列不等式(すなわち、離散時間線形時不変システムに対するリアプノフ不等式)を満たす行列Pおよびゲイン行列Lが存在することと等価である。この点については、「蛯原義雄,「LMIによるシステム制御」,森北出版,2012」を参照されたい。
The necessary and sufficient condition for the error system expressed by Equation (11) to be stable (n → ∞, x [k] − ^ x [k] → 0) is that all eigenvalues of A-LC are complex planes. Exists within a circle of
WL=0と等価な条件である式(14)をこの行列不等式に代入すると、以下のようになる。 Substituting Equation (14), which is a condition equivalent to WL = 0, into this matrix inequality gives the following.
この行列不等式を満たす行列P及び行列Λが存在することは、誤差系を安定とする式(14)の形式のゲイン行列Lが存在するための必要十分条件である。第1式にVVT=Iを挿入して整理し且つ第2式の両辺左からVTをかけ右からVをかけると、以下のようになる。 The existence of the matrix P and the matrix Λ satisfying this matrix inequality is a necessary and sufficient condition for the existence of the gain matrix L in the form of the equation (14) that makes the error system stable. When VV T = I is inserted into the first equation and rearranged, and V T is applied from the left side of both sides of the second equation and V is applied from the right, the result is as follows.
この式を満たす行列P及び行列Λが存在することは、誤差系を安定とする式(14)の形式のゲイン行列Lが存在するための必要十分条件である。 The existence of the matrix P and the matrix Λ satisfying this expression is a necessary and sufficient condition for the existence of the gain matrix L in the form of the expression (14) that makes the error system stable.
ここでX:=VTPVとおくと、以下のようになる。 Here, when X: = V T PV is set, it becomes as follows.
この式を満たす行列X及び行列Λが存在することは、誤差系を安定とする式(14)の形式のゲイン行列Lが存在するための必要十分条件である。 The existence of the matrix X and the matrix Λ satisfying this expression is a necessary and sufficient condition for the existence of the gain matrix L in the form of the expression (14) that makes the error system stable.
この式も離散時間線形時不変システムに対するリアプノフ不等式であり、以下の式と等価である。この点については、「小原敦美,「行列不等式アプローチによる制御系設計」,コロナ社,2016」を参照されたい。 This equation is also a Lyapunov inequality for a discrete-time linear time-invariant system and is equivalent to the following equation. For this point, refer to “Satomi Ohara,“ Control System Design Using Matrix Inequalities Approach ”, Corona, 2016”.
よって、この式を満たす行列X及び行列Λが存在することは、誤差系を安定とする式(14)の形式のゲイン行列Lが存在するための必要十分条件である。 Therefore, the existence of the matrix X and the matrix Λ satisfying this expression is a necessary and sufficient condition for the existence of the gain matrix L in the form of Expression (14) that stabilizes the error system.
さらにY:=XΛとおくと以下の線形行列不等式を得ることができる。 Furthermore, if Y: = XΛ, the following linear matrix inequality can be obtained.
よって、この線形行列不等式が解X>0及び解Yを持つときに限り誤差系を安定とする式(14)の形式のゲイン行列Lが存在する。そして、具体的なゲイン行列LはYの定義から式(16)のように求められる。 Therefore, there exists a gain matrix L in the form of equation (14) that stabilizes the error system only when this linear matrix inequality has a solution X> 0 and a solution Y. A specific gain matrix L is obtained from the definition of Y as shown in Expression (16).
以下では、以上の議論に基づく本実施の形態の具体的な態様を説明する。 Hereinafter, specific modes of the present embodiment based on the above discussion will be described.
図9に、第1の実施の形態の動的システムの概要を示す。制御装置1及び制御装置1により制御される制御対象装置3は、例えばLAN(Local Area Network)又はインターネット等のネットワーク2に接続される。
FIG. 9 shows an outline of the dynamic system according to the first embodiment. The
制御装置1は、例えば、パーソナルコンピュータ、サーバ、或いはマイクロコントローラである。図10に、制御装置1の機能ブロック図を示す。制御装置1は、設計部101と、オブザーバとしての処理を実行する状態推定部103と、通信部105と、出力データ格納部111と、推定値格納部113と、ワークデータ格納部115とを含む。
The
設計部101、状態推定部103及び通信部105は、プログラムが図17におけるメモリ2501にロードされCPU(Central Processing Unit)2503により実行されることで実現される。出力データ格納部111、推定値格納部113及びワークデータ格納部115は、図17におけるメモリ2501又はHDD(Hard Disk Drive)2505上に設けられる。
The
設計部101は、ワークデータ格納部115に格納されているパラメータに基づきゲイン行列Lを計算し、計算したゲイン行列をワークデータ格納部115に格納する。状態推定部103は、ワークデータ格納部115に格納されているデータ及び出力データ格納部111に格納されているデータに基づき制御対象装置3の状態の推定値を計算し、計算した推定値を推定値格納部113に格納する。通信部105は、制御対象装置3の出力を制御対象装置3から受信し、受信した出力を出力データ格納部111に格納する。また、通信部105は、制御対象装置3への入力を制御対象装置3へ送信する。
The
図11に、制御対象装置3の機能ブロック図を示す。制御対象装置3は、物理センサであるセンサ301と、被制御部302と、通信部303とを含む。
In FIG. 11, the functional block diagram of the
センサ301は、観測可能な出力yを計測する。被制御部302は、制御装置1から受信した入力uに従って動作が制御される。通信部303は、制御装置1から入力uを受信する。また、通信部303は、センサ301により計測された出力yを制御装置1へ送信する。
The
例えば制御対象装置3が車両である場合、被制御部302は例えばモータであり、入力uはモータの回転数であり、出力yは例えば制御対象装置3の位置情報であり、状態xは例えば位置情報と制御対象装置3の速度情報との組合せである。また、例えば制御対象装置3が複数の貯水タンクである場合、被制御部302は例えば複数の貯水タンクの水量を調節するポンプであり、入力uは複数の貯水タンク間での水の輸送量であり、出力yは例えば複数の貯水タンクのうちいずれかの貯水タンクの水量であり、状態xは例えば複数の貯水タンクそれぞれの水量である。但し、実施形態はこのような例に限られるわけではない。例えば、電気回路、化学プラント、溶鉱炉、空調機、ロボット、サーバ、サーバルームおよびデータセンタ等の動的システムを対象としてもよい。
For example, when the
図12を用いて、制御装置1の設計部101が実行する処理を説明する。
Processing executed by the
設計部101は、パラメータ(ここでは、式(15)の行列A、B、C及びW)の入力を受け付け(図12:ステップS1)、ワークデータ格納部115に格納する。なお、ステップS1においては、記憶領域に予め格納されたパラメータを設計部101が読み出すようにしてもよい。
The
設計部101は、ステップS1においてワークデータ格納部115に格納されたパラメータを用いて、式(15)で表されるLMI可解問題の解X及びYを求める処理を実行する(ステップS3)。
The
設計部101は、ステップS3において解が存在するか判定する(ステップS5)。解が存在しない場合(ステップS5:Noルート)、設計部101は、以下の処理を実行する。具体的には、設計部101は、通常の方法で状態推定部103が推定値を計算するように設定を行う(ステップS7)。そして処理は終了する。通常の方法とは、例えば、通常のオブザーバで推定値を求めた後、等式制約を満たすように推定値を変換する処理である。ステップS7の処理は本実施の形態の主要な処理ではないので、詳細な説明を省略する。
The
一方、解が存在する場合(ステップS5:Yesルート)、設計部101は、以下の処理を実行する。具体的には、設計部101は、求められた解X及びYを用いて、式(16)でゲイン行列Lを計算する(ステップS9)。
On the other hand, when a solution exists (step S5: Yes route), the
設計部101は、ステップS9において計算されたゲイン行列Lを、ワークデータ格納部115における、状態推定部103を設定するための領域に格納する(ステップS11)。そして処理は終了する。
The
以上のような処理を実行すれば、等式制約を満たす推定値を算出することが可能なゲイン行列Lを、状態推定部103に使用させることができるようになる。
By executing the processing as described above, the
図13を用いて、制御装置1の状態推定部103が実行する処理を説明する。
The process which the
状態推定部103は、ステップS1において入力され且つワークデータ格納部115に格納されたパラメータ及びステップS11においてワークデータ格納部115に格納されたゲイン行列Lを読み出す(図13:ステップS13)。
The
状態推定部103は、推定値^xを初期化する(ステップS15)。
The
状態推定部103は、前時刻の出力yを出力データ格納部111から取得し且つ前時刻の入力uを取得する(ステップS17)。
The
状態推定部103は、ステップS13において読み出されたパラメータ及びゲイン行列と、ステップS17において取得された入力u及び出力yと、算出又は初期化された推定値^xとを用いて、^x←A^x+Bu+L(y−C^x)により推定値^xを更新する(ステップS19)。状態推定部103は、更新後の推定値^xを推定値格納部113に格納する。
The
状態推定部103は、処理を終了するか判定する(ステップS21)。例えば処理の終了指示を受け付けた場合(ステップS21:Yesルート)には処理は終了し、処理の終了指示を受け付けていない場合(ステップS21:Noルート)には処理はステップS17に戻る。
The
以上のように、本実施の形態の線形等式保存オブザーバであれば、推定値が等式制約を満たすことが保証されるので、必ずしも真の値に収束していない推定値を用いて制御対象を制御することができるようになる。 As described above, with the linear equation storage observer according to the present embodiment, the estimated value is guaranteed to satisfy the equality constraint, and therefore, the control target is not necessarily calculated using the estimated value that does not converge to the true value. Will be able to control.
図14及び図15を用いて、制御装置1の通信部105が実行する処理を説明する。
The process which the
まず、通信部105が入力uを送信する処理を説明する。通信部105は、入力uを取得する(図14:ステップS31)。入力uは、推定値^xが既に算出された場合には推定値^xに基づき設計部101により算出される。推定値^xが算出されていない場合には、入力uとして初期値が設定される。
First, a process in which the
通信部105は、ステップS31にて取得された入力uを制御対象装置3に送信する(ステップS33)。そして処理は終了する。
The
次に、通信部105が出力yを受信する処理を説明する。通信部105は、出力yを制御対象装置3から受信する(図15:ステップS41)。
Next, processing in which the
通信部105は、ステップS41にて受信した出力yを出力データ格納部111に格納する(ステップS43)。そして処理は終了する。
The
以上のような処理を実行すれば、制御対象装置3の制御を適切に行うことができるようになる。
If the process as described above is executed, the
[実施の形態2]
第1の実施の形態においては制御装置1がゲイン行列Lを求める処理および推定値を求める処理の両方を実行するが、第2の実施の形態においては両処理が別々の装置において実行される。具体的には、図16に示すように、ネットワーク2に接続された設計装置4がゲイン行列Lを求める処理を実行し、ネットワーク2に接続された状態推定装置5が推定値を算出する処理を実行する。このようなシステム形態であっても、制御対象装置3を適切に制御することができる。
[Embodiment 2]
In the first embodiment, the
以上本発明の一実施の形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上で説明した制御装置1及び制御対象装置3の機能ブロック構成は実際のプログラムモジュール構成に一致しない場合もある。
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this. For example, the functional block configurations of the
また、処理フローにおいても、処理結果が変わらなければ処理の順番を入れ替えることも可能である。さらに、並列に実行させるようにしても良い。 Also in the processing flow, if the processing result does not change, the processing order can be changed. Further, it may be executed in parallel.
また、制御装置1、設計装置4及び状態推定装置5はネットワーク2に有線で接続されてもよい。
The
[付録]
本付録では、条件(a)がWL=0であるための必要十分条件であることの証明を示す。
[Appendix]
This appendix shows proof that condition (a) is a necessary and sufficient condition for WL = 0.
以下が成立する。 The following holds.
よって、以下が成立する。 Therefore, the following holds.
Uは直交行列であるので、この式はさらに以下の式と等価である。 Since U is an orthogonal matrix, this equation is further equivalent to:
式(25)の下線部分とVTLとの積が0となるのは、VTLがΛ∈R(n-r)×pを用いて以下のように表されるときに限られる。 The product of the underlined part of Expression (25) and V T L is 0 only when V T L is expressed as follows using Λ∈R (nr) × p .
Vは直交行列であるので、これは式(14)と等価である。 Since V is an orthogonal matrix, this is equivalent to equation (14).
以上で付録を終了する。 This completes the appendix.
なお、上で述べた制御装置1、設計装置4及び状態推定装置5は、コンピュータ装置であって、図17に示すように、メモリ2501とCPU2503とハードディスク・ドライブ(HDD)2505と表示装置2509に接続される表示制御部2507とリムーバブル・ディスク2511用のドライブ装置2513と入力装置2515とネットワークに接続するための通信制御部2517とがバス2519で接続されている。オペレーティング・システム(OS:Operating System)及び本実施例における処理を実施するためのアプリケーション・プログラムは、HDD2505に格納されており、CPU2503により実行される際にはHDD2505からメモリ2501に読み出される。CPU2503は、アプリケーション・プログラムの処理内容に応じて表示制御部2507、通信制御部2517、ドライブ装置2513を制御して、所定の動作を行わせる。また、処理途中のデータについては、主としてメモリ2501に格納されるが、HDD2505に格納されるようにしてもよい。本発明の実施例では、上で述べた処理を実施するためのアプリケーション・プログラムはコンピュータ読み取り可能なリムーバブル・ディスク2511に格納されて頒布され、ドライブ装置2513からHDD2505にインストールされる。インターネットなどのネットワーク及び通信制御部2517を経由して、HDD2505にインストールされる場合もある。このようなコンピュータ装置は、上で述べたCPU2503、メモリ2501などのハードウエアとOS及びアプリケーション・プログラムなどのプログラムとが有機的に協働することにより、上で述べたような各種機能を実現する。
Note that the
以上述べた本発明の実施の形態をまとめると、以下のようになる。 The embodiment of the present invention described above is summarized as follows.
本実施の形態の第1の態様に係る制御方法は、(A)制御対象の内部状態を表す変数が満たす条件に対応する方程式に基づき、制御対象の内部状態の推定に用いられるゲイン行列を生成し、(B)生成されたゲイン行列を用いるオブザーバにより生成された、制御対象の内部状態の推定結果に基づき、制御対象を制御する処理を含む。 The control method according to the first aspect of the present embodiment generates (A) a gain matrix used for estimation of the internal state of the controlled object based on an equation corresponding to a condition satisfied by a variable representing the internal state of the controlled object. (B) includes processing for controlling the control target based on the estimation result of the internal state of the control target generated by the observer using the generated gain matrix.
上記方程式に基づくゲイン行列を用いれば推定結果が条件を満たすので、必ずしも真の値に収束しているとは限らない推定結果を用いて、制御対象の制御を適切に行えるようになる。 If the gain matrix based on the above equation is used, the estimation result satisfies the condition. Therefore, the control target can be appropriately controlled using the estimation result that does not necessarily converge to the true value.
また、上記方程式は、ゲイン行列と、制御対象の内部状態を表す変数が満たす等式制約の係数行列に対する特異値分解の結果に含まれる直交行列とを含んでもよい。このような方程式を利用すれば、LMI可解問題を適用できるようになる。 Further, the above equation may include a gain matrix and an orthogonal matrix included in a result of singular value decomposition with respect to an equality-constrained coefficient matrix satisfied by a variable representing the internal state of the control target. If such an equation is used, an LMI solvable problem can be applied.
また、ゲイン行列を生成する処理において、(a1)入力されたデータに基づくLMI(Linear Matrix Inequality)可解問題の解が存在するか判定し、(a2)LMI可解問題の解が存在する場合、LMI可解問題の解と方程式とを用いてゲイン行列を生成してもよい。 Further, in the process of generating the gain matrix, (a1) it is determined whether there is a solution of an LMI (Linear Matrix Inequality) solvable problem based on the input data, and (a2) a solution of the LMI solvable problem is present The gain matrix may be generated using the solution of the LMI solvable problem and the equation.
本実施の形態の第2の態様に係る制御装置は、(C)制御対象の内部状態を表す変数が満たす条件に対応する方程式に基づき、制御対象の内部状態の推定に用いられるゲイン行列を生成する生成部(実施の形態における設計部101は生成部の一例である)と、(D)生成部により生成されたゲイン行列を用いるオブザーバ(実施の形態における状態推定部103はオブザーバの一例である)により生成された、制御対象の内部状態の推定結果に基づき、制御対象を制御する制御部(実施の形態における通信部105は制御部の一例である)とを有する。
The control device according to the second aspect of the present embodiment generates (C) a gain matrix used for estimation of the internal state of the controlled object based on an equation corresponding to a condition satisfied by a variable representing the internal state of the controlled object Generating unit (
なお、上記方法による処理をコンピュータに実行させるためのプログラムを作成することができ、当該プログラムは、例えばフレキシブルディスク、CD−ROM、光磁気ディスク、半導体メモリ、ハードディスク等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体又は記憶装置に格納される。尚、中間的な処理結果はメインメモリ等の記憶装置に一時保管される。 A program for causing a computer to execute the processing according to the above method can be created, and the program can be a computer-readable storage medium such as a flexible disk, a CD-ROM, a magneto-optical disk, a semiconductor memory, or a hard disk, or It is stored in a storage device. The intermediate processing result is temporarily stored in a storage device such as a main memory.
以上の実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。 The following supplementary notes are further disclosed with respect to the embodiments including the above examples.
(付記1)
コンピュータに、
制御対象の内部状態を表す変数が満たす条件に対応する方程式に基づき、前記制御対象の内部状態の推定に用いられるゲイン行列を生成し、
生成された前記ゲイン行列を用いるオブザーバにより生成された、前記制御対象の内部状態の推定結果に基づき、前記制御対象を制御する、
処理を実行させる制御プログラム。
(Appendix 1)
On the computer,
Based on an equation corresponding to a condition satisfied by a variable representing the internal state of the controlled object, a gain matrix used to estimate the internal state of the controlled object is generated,
Controlling the control target based on the estimation result of the internal state of the control target generated by an observer using the generated gain matrix;
A control program that executes processing.
(付記2)
前記方程式は、前記ゲイン行列と、前記制御対象の内部状態を表す変数が満たす等式制約の係数行列に対する特異値分解の結果に含まれる直交行列とを含む、
付記1記載の制御プログラム。
(Appendix 2)
The equation includes the gain matrix and an orthogonal matrix included in a result of singular value decomposition on a coefficient matrix of an equality constraint satisfied by a variable representing an internal state of the controlled object.
The control program according to
(付記3)
前記ゲイン行列を生成する処理において、
入力されたデータに基づくLMI(Linear Matrix Inequality)可解問題の解が存在するか判定し、
前記LMI可解問題の解が存在する場合、前記LMI可解問題の解と前記方程式とを用いて前記ゲイン行列を生成する、
付記1又は2記載の制御プログラム。
(Appendix 3)
In the process of generating the gain matrix,
Determine whether there is a solution to an LMI (Linear Matrix Inequality) solvable problem based on the input data,
If there is a solution of the LMI solvable problem, the gain matrix is generated using the solution of the LMI solvable problem and the equation.
The control program according to
(付記4)
コンピュータが、
制御対象の内部状態を表す変数が満たす条件に対応する方程式に基づき、前記制御対象の内部状態の推定に用いられるゲイン行列を生成し、
生成された前記ゲイン行列を用いるオブザーバにより生成された、前記制御対象の内部状態の推定結果に基づき、前記制御対象を制御する、
処理を実行する制御方法。
(Appendix 4)
Computer
Based on an equation corresponding to a condition satisfied by a variable representing the internal state of the controlled object, a gain matrix used to estimate the internal state of the controlled object is generated,
Controlling the control target based on the estimation result of the internal state of the control target generated by an observer using the generated gain matrix;
A control method for executing processing.
(付記5)
制御対象の内部状態を表す変数が満たす条件に対応する方程式に基づき、前記制御対象の内部状態の推定に用いられるゲイン行列を生成する生成部と、
前記生成部により生成された前記ゲイン行列を用いるオブザーバにより生成された、前記制御対象の内部状態の推定結果に基づき、前記制御対象を制御する制御部と、
を有する制御装置。
(Appendix 5)
A generating unit that generates a gain matrix used for estimation of the internal state of the controlled object, based on an equation corresponding to a condition satisfied by a variable representing the internal state of the controlled object;
A control unit for controlling the control target based on an estimation result of the internal state of the control target generated by an observer using the gain matrix generated by the generation unit;
Control device.
1 制御装置 2 ネットワーク
3 制御対象装置 4 設計装置
5 状態推定装置
101 設計部 103 状態推定部
105 通信部 111 出力データ格納部
113 推定値格納部 115 ワークデータ格納部
301 センサ 302 被制御部
303 通信部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
制御対象の内部状態を表す変数が満たす条件に対応する方程式に基づき、前記制御対象の内部状態の推定に用いられるゲイン行列を生成し、
生成された前記ゲイン行列を用いるオブザーバにより生成された、前記制御対象の内部状態の推定結果に基づき、前記制御対象を制御する、
処理を実行させる制御プログラム。 On the computer,
Based on an equation corresponding to a condition satisfied by a variable representing the internal state of the controlled object, a gain matrix used to estimate the internal state of the controlled object is generated,
Controlling the control target based on the estimation result of the internal state of the control target generated by an observer using the generated gain matrix;
A control program that executes processing.
請求項1記載の制御プログラム。 The equation includes the gain matrix and an orthogonal matrix included in a result of singular value decomposition on a coefficient matrix of an equality constraint satisfied by a variable representing an internal state of the controlled object.
The control program according to claim 1.
入力されたデータに基づくLMI(Linear Matrix Inequality)可解問題の解が存在するか判定し、
前記LMI可解問題の解が存在する場合、前記LMI可解問題の解と前記方程式とを用いて前記ゲイン行列を生成する、
請求項1又は2記載の制御プログラム。 In the process of generating the gain matrix,
Determine whether there is a solution to an LMI (Linear Matrix Inequality) solvable problem based on the input data,
If there is a solution of the LMI solvable problem, the gain matrix is generated using the solution of the LMI solvable problem and the equation.
The control program according to claim 1 or 2.
制御対象の内部状態を表す変数が満たす条件に対応する方程式に基づき、前記制御対象の内部状態の推定に用いられるゲイン行列を生成し、
生成された前記ゲイン行列を用いるオブザーバにより生成された、前記制御対象の内部状態の推定結果に基づき、前記制御対象を制御する、
処理を実行する制御方法。 Computer
Based on an equation corresponding to a condition satisfied by a variable representing the internal state of the controlled object, a gain matrix used to estimate the internal state of the controlled object is generated,
Controlling the control target based on the estimation result of the internal state of the control target generated by an observer using the generated gain matrix;
A control method for executing processing.
前記生成部により生成された前記ゲイン行列を用いるオブザーバにより生成された、前記制御対象の内部状態の推定結果に基づき、前記制御対象を制御する制御部と、
を有する制御装置。 A generating unit that generates a gain matrix used for estimation of the internal state of the controlled object, based on an equation corresponding to a condition satisfied by a variable representing the internal state of the controlled object;
A control unit for controlling the control target based on an estimation result of the internal state of the control target generated by an observer using the gain matrix generated by the generation unit;
Control device.
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