JP2019152998A - Control method, control device, and program - Google Patents

Control method, control device, and program Download PDF

Info

Publication number
JP2019152998A
JP2019152998A JP2018036859A JP2018036859A JP2019152998A JP 2019152998 A JP2019152998 A JP 2019152998A JP 2018036859 A JP2018036859 A JP 2018036859A JP 2018036859 A JP2018036859 A JP 2018036859A JP 2019152998 A JP2019152998 A JP 2019152998A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
target value
variable
control
representing
logical expression
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2018036859A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP7077667B2 (en
Inventor
智志 桐生
Satoshi Kiryu
智志 桐生
吉雄 丹下
Yoshio Tange
吉雄 丹下
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Priority to JP2018036859A priority Critical patent/JP7077667B2/en
Publication of JP2019152998A publication Critical patent/JP2019152998A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7077667B2 publication Critical patent/JP7077667B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Abstract

To achieve accurate and fast multivariable control with constraints even in equipment with limited computation resources.SOLUTION: A control method used in multivariable control making a plurality of controlled variables follow a target value causes a computer to execute a generation procedure and a calculation procedure. When a model expression representing a relationship between a variable representing a manipulated variable in a control target and a variable representing the controlled variables, an upper- and lower-limit constraints representing an upper limit and a lower limit of the variable representing the manipulated variable, and an evaluation function for evaluating the difference between the target value and the controlled variables are entered, the generation procedure generates a relation logic expression representing the relationship that the variable representing the target value and the variable representing the manipulated variable must satisfy in advance so that the evaluation function satisfies optimal conditions. The calculation procedure calculates a manipulated variable for making the plurality of controlled variables follow the target value on the basis of the target value and the relation logic expression each time the target value is entered.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、制御方法、制御装置及びプログラムに関する。   The present invention relates to a control method, a control device, and a program.

複雑な制約条件を有する多変数システムを最適に制御する方法として、モデル予測制御(MPC:Model Predictive Control)と呼ばれる手法が知られている。モデル予測制御では、サンプリング周期毎に、プロセスの状態量の現在値を用いて、将来の特定の期間における最適制御問題を解くことで、最適な入力を計算する。モデル予測制御では、この状態量の観測と、最適制御問題を解くための最適化計算とをオンラインで繰り返し実行することで最適制御を実現する(例えば、特許文献1)。   A method called Model Predictive Control (MPC) is known as a method for optimally controlling a multivariable system having complicated constraints. In model predictive control, the optimal input is calculated by solving the optimal control problem in a specific future period using the current value of the process state quantity at each sampling period. In model predictive control, optimal control is realized by repeatedly executing this state quantity observation and optimization calculation for solving the optimal control problem online (for example, Patent Document 1).

一方で、モデル予測制御を拡張した技術として、マルチパラメトリック計画法が知られている。マルチパラメトリック計画法では、オフラインで最適制御問題を解析して、状態量に対する最適な入力を得るための状態フィードバック則を求める。その結果、マルチパラメトリック計画法では、オンラインでの最適化計算が不要になり、最適制御を高速に実現することができる(例えば、特許文献2乃至8、非特許文献1及び2)。   On the other hand, multiparametric programming is known as a technique that extends model predictive control. In multiparametric programming, an optimal control problem is analyzed off-line to obtain a state feedback law for obtaining an optimal input for a state quantity. As a result, in the multiparametric programming method, online optimization calculation is not required, and optimal control can be realized at high speed (for example, Patent Documents 2 to 8, Non-Patent Documents 1 and 2).

また、システム制御や回路解析等の問題を一階述語論理式で表現することや、一階述語論理式を解くことでシステムの最適化を図る手法が従来から知られている(例えば、非特許文献3)。   In addition, there are conventionally known techniques for expressing problems such as system control and circuit analysis by first-order predicate logical expressions and for optimizing the system by solving first-order predicate logical expressions (for example, non-patent Reference 3).

具体的には、全称記号(∀)や存在記号(∃)で表される限定記号と、多変数の多項式の等式や不等式を積(∧)や和(∨)で表される論理記号とを用いて結合した論理式を組み合わせ、一階述語論理式を得る。論理式に現れる変数のうち、限定記号で束縛される変数を束縛変数と呼び、限定記号で束縛されない変数を自由変数と呼ぶ。一階述語論理式のうち、束縛変数を消去して、自由変数が満たすべき論理式を導くことで、最適化を図る。なお、一階述語論理式のうち、束縛変数を消去して、自由変数が満たすべき論理式を導く方法は限定記号消去法と呼ばれる。   Specifically, a quantifier represented by a universal symbol (∀) or an existence symbol (∃), and a logical symbol represented by a product (∧) or sum (∨) of a multivariable polynomial equation or inequality Combine the logical expressions combined using to obtain a first order predicate logical expression. Among variables appearing in a logical expression, a variable bound by a quantifier is called a bound variable, and a variable not bound by a quantifier is called a free variable. In the first order predicate logical expression, optimization is achieved by eliminating the bound variable and deriving a logical expression that the free variable should satisfy. Of the first-order predicate logical expressions, a method of eliminating a bound variable and deriving a logical expression to be satisfied by a free variable is called a quantifier elimination method.

また、限定記号消去法を用いて、制御系設計や制御系解析を行う手法が知られている(例えば、特許文献9)。この手法によれば、制御系解析・設計装置は、入力された制御の問題に対して、線形行列不等式(LMI:Linear Matrix Inequality)又は双線形行列不等式(BMI:Bilinear Matrix Inequality)として定式化する。そして、LMI又はBMIとして定式化された設計仕様等の制約を、不等式を論理和で繋げた形の制約に変形して、制御系を一階述語論理式に変換し、限定記号で束縛される変数を消去した式から制御系を解析する。   Further, a technique for performing control system design and control system analysis using a quantifier elimination method is known (for example, Patent Document 9). According to this method, the control system analysis / design apparatus formulates an input control problem as a linear matrix inequality (LMI) or a bilinear matrix inequality (BMI). . Then, the constraints such as design specifications formulated as LMI or BMI are transformed into constraints in the form of connecting inequalities with logical sums, and the control system is converted into a first-order predicate logical expression and bound by a quantifier. Analyze the control system from the expression with the variables deleted.

更に、プラントのエネルギーを解析する技術についても、一階述語論理式を生成し、この一階述語論理式を解くことにより解析を行う手法が知られている(例えば、非特許文献4)。   Further, as a technique for analyzing the energy of the plant, a technique is known in which analysis is performed by generating a first-order predicate logical expression and solving the first-order predicate logical expression (for example, Non-Patent Document 4).

特開2004―20031号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-20031 特開2010−12889号公報JP 2010-12889 A 特開2010−12890号公報JP 2010-12890 A 特開2010−13990号公報JP 2010-13990 A 特開2013−101472号公報JP 2013-101472 A 特開2013−134741号公報JP 2013-134741 A 国際公開第2011/136160号International Publication No. 2011/136160 国際公開第2013/077007号International Publication No. 2013/077007 特開平11−328239号公報JP 11-328239 A

Alberto Bemporad, Manfred Morari, Vivek Dua, Efstratios N. Pistikopoulos "The explicit linear quadratic regulator for constrained systems" Automatica, Vol.38, pp.3-20Alberto Bemporad, Manfred Morari, Vivek Dua, Efstratios N. Pistikopoulos "The explicit linear quadratic regulator for constrained systems" Automatica, Vol.38, pp.3-20 井村順一、東俊一、増淵泉、「ハイブリッドシステムの制御」、コロナ社、2014年、pp.142−154Junichi Imura, Shunichi Higashi, Izumi Masuka, “Control of Hybrid System”, Corona, 2014, pp. 142-154 穴井宏和,横山和弘,「QEの計算アルゴリズムとその応用 数式処理による最適化」,東京大学出版会,2011年,pp.214−221Hirokazu Anai and Kazuhiro Yokoyama, “Calculation algorithm of QE and its application Optimization by mathematical expression processing”, University of Tokyo Press, 2011, pp. 214-221 丹下吉雄,桐生智志,松井哲郎,福山良和,「数式処理技術を利用した需給バランス最適化問題の可視化」,計測自動制御学会制御部門大会 13th ROMBUNNO.8C2−5Yoshio Tange, Satoshi Kiryu, Tetsuro Matsui, Yoshikazu Fukuyama, “Visualization of Supply / Demand Balance Optimization Problem Using Formula Processing Technology”, 13th ROMBUNNO. 8C2-5

ここで、例えば特許文献1に開示されているモデル予測制御では、数理計画法を用いて最適制御問題を解くことで最適制御を実現している。このため、最適解の探索に多くの計算時間が必要であると共に、最適制御問題を解くために多くの計算資源も必要であった。このため、例えば、計算資源が限られたエッジデバイスでは最適制御問題を解くことが困難な場合があると共に、制御周期が短い制御対象の制御が困難になる場合があった。また、例えば、最適制御問題の解が無いために最適な入力を計算することができないような場合を事前に判別することができなかった。なお、エッジデバイスとしては、例えば、組み込み型の計算機器やPLC(Programmable Logic Controller)等の制御装置等が挙げられる。   Here, in model predictive control disclosed in Patent Document 1, for example, optimal control is realized by solving an optimal control problem using mathematical programming. For this reason, a lot of calculation time is required for searching for the optimal solution, and a lot of calculation resources are required for solving the optimal control problem. For this reason, for example, it may be difficult to solve the optimal control problem with an edge device with limited calculation resources, and it may be difficult to control a control target with a short control cycle. In addition, for example, a case where an optimum input cannot be calculated because there is no solution of the optimum control problem cannot be determined in advance. Examples of the edge device include a built-in computing device and a control device such as a PLC (Programmable Logic Controller).

一方で、例えば特許文献2乃至8や非特許文献1及び2に開示されているマルチパラメトリック計画法では、状態空間モデルで目標値が固定されてしまう。また、予測区間が長くなると状態変数の領域分割が複雑化してしまい、計算資源が限られたエッジデバイスでは実現が困難な場合があった。   On the other hand, for example, in the multiparametric programming methods disclosed in Patent Documents 2 to 8 and Non-Patent Documents 1 and 2, the target value is fixed in the state space model. In addition, when the prediction interval becomes long, the state variable region division becomes complicated, and it may be difficult to realize it with an edge device with limited computational resources.

更に、マルチパラメトリック計画法では、オフラインで最適制御問題を解析して状態フィードバック則を生成する際に、最適化計算を行っている。このため、数値誤差や最適化の精度によっては、正確な最適制御則(最適な状態フィードバック則)を生成することができない場合がある。すなわち、最適化計算によって実行可能解が無いと判断された状態量の領域では、状態フィードバック則を生成することができなかった。   Furthermore, in the multiparametric programming method, optimization calculation is performed when an optimal control problem is analyzed offline to generate a state feedback law. For this reason, an accurate optimal control law (optimum state feedback law) may not be generated depending on numerical errors and optimization accuracy. That is, the state feedback rule cannot be generated in the state quantity region determined to have no feasible solution by the optimization calculation.

本発明の一実施形態は、上記の点に鑑みてなされたもので、計算資源が限られた機器でも、制約付きの多変数制御を正確かつ高速に実現することを目的とする。   An embodiment of the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to realize accurate and high-speed limited variable control even in a device having limited calculation resources.

上記目的を達成するため、本発明の一実施形態では、複数の制御量を目標値に追従させる多変数制御に用いられる制御方法であって、制御対象における操作量を表す変数と前記制御量を表す変数との関係を表すモデル式と、前記操作量を表す変数の上限及び下限を表す上下限制約と、前記目標値と前記制御量との差を評価するための評価関数とが入力されると、前記評価関数が最適性条件を満たすように、前記目標値を表す変数と前記操作量を表す変数とが満たすべき関係を表す関係論理式を予め生成する生成手順と、前記目標値が入力される度に、該目標値と前記関係論理式とに基づいて、前記複数の制御量を前記目標値に追従させるための前記操作量を算出する算出手順と、をコンピュータが実行することを特徴とする。   In order to achieve the above object, in one embodiment of the present invention, there is provided a control method used for multivariable control in which a plurality of control amounts follow a target value. A model expression representing the relationship with the variable to be represented, upper and lower limit constraints representing the upper and lower limits of the variable representing the manipulated variable, and an evaluation function for evaluating the difference between the target value and the controlled variable are input. And a generation procedure for generating in advance a relational logical expression representing a relationship to be satisfied by the variable representing the target value and the variable representing the manipulated variable so that the evaluation function satisfies the optimality condition, and the target value is input A computer executing a calculation procedure for calculating the operation amount for causing the plurality of control amounts to follow the target value based on the target value and the relational logical formula each time And

計算資源が限られた機器でも、制約付きの多変数制御を正確かつ高速に実現することができる。   Even devices with limited computing resources can implement restricted multivariable control accurately and at high speed.

第一の実施形態に係る最適制御装置の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the optimal control apparatus which concerns on 1st embodiment. 第一の実施形態に係る最適制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the hardware constitutions of the optimal control apparatus which concerns on 1st embodiment. 第一の実施形態に係る最適制御処理部の機能構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a function structure of the optimal control process part which concerns on 1st embodiment. 第一の実施形態に係る関係論理式の生成処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the production | generation process of the relational logical expression which concerns on 1st embodiment. 関係論理式が表す領域分割の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the area | region division which a relational logic expression represents. 第一の実施形態に係る最適操作量の算出処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the calculation process of the optimal operation amount which concerns on 1st embodiment. 最適制御処理部の適用例の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the example of application of an optimal control process part. 第二の実施形態に係る最適制御処理部の機能構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a function structure of the optimal control process part which concerns on 2nd embodiment. キャッシュの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a cache. 第二の実施形態に係る最適操作量の算出処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the calculation process of the optimal operation amount which concerns on 2nd embodiment. 第二の実施形態に係る最適操作量の算出処理の他の例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the other example of the calculation process of the optimal operation amount which concerns on 2nd embodiment. 第三の実施形態に係る最適制御処理部の機能構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a function structure of the optimal control process part which concerns on 3rd embodiment. 第三の実施形態に係る可視化処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the visualization process which concerns on 3rd embodiment. 評価値の集合を可視化した場合の一例を示す図である。It is a figure which shows an example at the time of visualizing the set of evaluation values. 第三の実施形態に係る可視化処理の他の例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the other example of the visualization process which concerns on 3rd embodiment. 偏差が0になる領域を可視化した場合の一例を示す図である。It is a figure which shows an example at the time of visualizing the area | region where deviation becomes 0. 第四の実施形態に係る最適制御処理部の機能構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a function structure of the optimal control process part which concerns on 4th embodiment. 第四の実施形態に係る関係論理式の生成処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the production | generation process of the relational formula which concerns on 4th embodiment. 実施例1におけるヒートポンプモデルを示す図である。It is a figure which shows the heat pump model in Example 1. FIG. 実施例1における関係論理式が表す領域分割を示す図である。It is a figure which shows the area | region division | segmentation which the relational logical expression in Example 1 represents. 1000個の目標値のプロット結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the plot result of 1000 target values. 従来技術との計算時間の比較例を示す図である。It is a figure which shows the comparative example of calculation time with a prior art. 実施例2における制御量及び操作量の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the control amount in Example 2, and the operation amount. 実施例2における各時刻の領域分割の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the area division | segmentation of each time in Example 2. FIG.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以降では、複数の制御量を目標値に追従させる多変数制御において、操作対象に対する最適な操作量を高速に計算する最適制御装置10について説明する。なお、最適制御装置10は、計算資源が限られたエッジデバイス(例えば、組み込み型の計算機器やPLC等の制御装置等)である。ただし、本実施形態に係る最適制御装置10は、エッジデバイス以外にも、例えば、十分な計算資源を有する各種機器又は装置であっても良い。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Hereinafter, the optimum control apparatus 10 that calculates the optimum operation amount for the operation target at high speed in multivariable control in which a plurality of control amounts follow the target value will be described. The optimum control device 10 is an edge device (for example, a built-in type computing device or a control device such as a PLC) having limited calculation resources. However, the optimal control apparatus 10 according to the present embodiment may be various devices or apparatuses having sufficient calculation resources, for example, other than the edge device.

また、以降では、制御対象となるシステムにおける操作量を表す変数をMV,・・・,MV、制御量を表す変数をPV,・・・,PV、制御量の目標値を表す変数をSV,・・・,SVと表す。なお、M及びNは制御対象となるシステムの構成によって決定される定数である。 Further, hereinafter, variables representing the operation amount in the system to be controlled are MV 1 ,..., MV M , variables representing the control amount are PV 1 ,..., PV N , and the control amount target value is represented. The variables are represented as SV 1 ,..., SV N. M and N are constants determined by the configuration of the system to be controlled.

[第一の実施形態]
<最適制御装置10の構成>
まず、本実施形態に係る最適制御装置10の構成について、図1を参照しながら説明する。図1は、第一の実施形態に係る最適制御装置10の構成の一例を示す図である。
[First embodiment]
<Configuration of Optimal Control Device 10>
First, the configuration of the optimal control apparatus 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of an optimal control apparatus 10 according to the first embodiment.

図1に示すように、本実施形態に係る最適制御装置10は、最適制御処理部100を有する。本実施形態に係る最適制御装置10は、最適制御処理部100によって、複数の制御量を目標値に追従させる多変数制御において、操作対象に対する最適な操作量を算出する。このとき、本実施形態に係る最適制御装置10は、オフラインにおいて、目標値に対して最適な操作量が満たすべき関係を表す関係論理式を生成する。すなわち、本実施形態に係る最適制御装置10は、オンラインの実行前に、関係論理式を予め生成しておく。   As shown in FIG. 1, the optimal control device 10 according to the present embodiment includes an optimal control processing unit 100. In the optimal control device 10 according to the present embodiment, the optimal control processing unit 100 calculates an optimal operation amount for the operation target in multivariable control in which a plurality of control amounts follow the target value. At this time, the optimal control apparatus 10 according to the present embodiment generates a relational logical expression that represents the relationship that the optimum operation amount should satisfy with respect to the target value in the offline state. That is, the optimal control apparatus 10 according to the present embodiment generates a relational logical expression in advance before online execution.

そして、本実施形態に係る最適制御装置10は、オンラインにおいて、予め生成された関係論理式により、複数の制御量を目標値に追従させるための最適な操作量を算出する。これにより、本実施形態に係る最適制御装置10では、エッジデバイス等の計算資源が限られた機器又は装置であっても、正確かつ高速な制御を実現することができるようになる。   And the optimal control apparatus 10 which concerns on this embodiment calculates the optimal operation amount for making a some control amount track a target value on the online by the relational logic formula produced | generated previously. As a result, the optimum control apparatus 10 according to the present embodiment can realize accurate and high-speed control even if the device or apparatus has limited calculation resources such as edge devices.

なお、最適制御処理部100は、本実施形態に係る最適制御装置10にインストールされた1以上のプログラムが、後述するCPU(Central Processing Unit)17に実行させる処理によって実現される。   The optimum control processing unit 100 is realized by a process that one or more programs installed in the optimum control apparatus 10 according to the present embodiment cause a CPU (Central Processing Unit) 17 described later to execute.

<最適制御装置10のハードウェア構成>
次に、本実施形態に係る最適制御装置10のハードウェア構成について、図2を参照しながら説明する。図2は、第一の実施形態に係る最適制御装置10のハードウェア構成の一例を示す図である。
<Hardware Configuration of Optimal Control Device 10>
Next, the hardware configuration of the optimum control apparatus 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of the optimum control apparatus 10 according to the first embodiment.

図2に示すように、本実施形態に係る最適制御装置10は、入力装置11と、表示装置12と、外部I/F13と、通信I/F14と、ROM(Read Only Memory)15と、RAM(Random Access Memory)16と、CPU17と、補助記憶装置18とを有する。これら各ハードウェアは、バス19により相互に通信可能に接続されている。   As shown in FIG. 2, the optimal control device 10 according to the present embodiment includes an input device 11, a display device 12, an external I / F 13, a communication I / F 14, a ROM (Read Only Memory) 15, and a RAM. (Random Access Memory) 16, a CPU 17, and an auxiliary storage device 18. These pieces of hardware are connected to each other via a bus 19 so that they can communicate with each other.

入力装置11は、例えば各種ボタンやタッチパネル、キーボード、マウス等であり、最適制御装置10に各種の操作を入力するのに用いられる。表示装置12は、例えばディスプレイ等であり、最適制御装置10による各種の処理結果を表示する。なお、最適制御装置10は、入力装置11及び表示装置12の少なくとも一方を有していなくても良い。   The input device 11 is, for example, various buttons, a touch panel, a keyboard, a mouse, or the like, and is used to input various operations to the optimal control device 10. The display device 12 is, for example, a display and displays various processing results obtained by the optimum control device 10. The optimal control device 10 may not include at least one of the input device 11 and the display device 12.

外部I/F13は、外部装置とのインタフェースである。外部装置には、記録媒体13a等がある。最適制御装置10は、外部I/F13を介して、記録媒体13aの読み取りや書き込みを行うことができる。記録媒体13aには、例えば、SDメモリカード(SD memory card)やUSBメモリ、CD(Compact Disk)、DVD(Digital Versatile Disk)等がある。なお、最適制御処理部100を実現する1以上のプログラムは、記録媒体13aに格納されていても良い。   The external I / F 13 is an interface with an external device. The external device includes a recording medium 13a. The optimal control device 10 can read and write to the recording medium 13 a via the external I / F 13. Examples of the recording medium 13a include an SD memory card, a USB memory, a CD (Compact Disk), and a DVD (Digital Versatile Disk). Note that one or more programs for realizing the optimum control processing unit 100 may be stored in the recording medium 13a.

通信I/F14は、最適制御装置10が他の装置とデータ通信を行うためのインタフェースである。なお、最適制御処理部100を実現する1以上のプログラムは、通信I/F14を介して、所定のサーバ等から取得(ダウンロード)されても良い。   The communication I / F 14 is an interface for the optimal control device 10 to perform data communication with other devices. Note that one or more programs that realize the optimum control processing unit 100 may be acquired (downloaded) from a predetermined server or the like via the communication I / F 14.

ROM15は、電源を切ってもデータを保持することができる不揮発性の半導体メモリである。RAM16は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の半導体メモリである。CPU17は、例えば補助記憶装置18やROM15からプログラムやデータをRAM16に読み出して、各種処理を実行する演算装置である。   The ROM 15 is a nonvolatile semiconductor memory that can retain data even when the power is turned off. The RAM 16 is a volatile semiconductor memory that temporarily stores programs and data. The CPU 17 is an arithmetic device that reads programs and data from the auxiliary storage device 18 and the ROM 15 to the RAM 16 and executes various processes, for example.

補助記憶装置18は、例えばHDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)等であり、プログラムやデータを格納している不揮発性のメモリである。補助記憶装置18に格納されているプログラムやデータには、例えば、最適制御処理部100を実現する1以上のプログラムや基本ソフトウェアであるOS(Operating System)、OS上で動作する各種アプリケーションプログラム等がある。   The auxiliary storage device 18 is, for example, an HDD (Hard Disk Drive), an SSD (Solid State Drive), or the like, and is a non-volatile memory that stores programs and data. The programs and data stored in the auxiliary storage device 18 include, for example, one or more programs that realize the optimum control processing unit 100, an OS (Operating System) that is basic software, and various application programs that operate on the OS. is there.

本実施形態に係る最適制御装置10は、図2に示すハードウェア構成を有することにより、後述する各種処理を実現することができる。なお、図2では、最適制御装置10が1台のコンピュータで実現される場合のハードウェア構成例を示したが、最適制御装置10は複数台のコンピュータで実現されていても良い。   The optimum control apparatus 10 according to the present embodiment has the hardware configuration shown in FIG. 2 and can implement various processes described later. In FIG. 2, an example of a hardware configuration in which the optimal control device 10 is realized by one computer is shown, but the optimal control device 10 may be realized by a plurality of computers.

<最適制御処理部100の機能構成>
次に、本実施形態に係る最適制御処理部100の機能構成について、図3を参照しながら説明する。図3は、第一の実施形態に係る最適制御処理部100の機能構成の一例を示す図である。
<Functional Configuration of Optimal Control Processing Unit 100>
Next, the functional configuration of the optimum control processing unit 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a functional configuration of the optimum control processing unit 100 according to the first embodiment.

図3に示すように、本実施形態に係る最適制御処理部100は、オフライン処理部110と、オンライン処理部120とを有する。なお、本実施形態では、オフライン処理部110とオンライン処理部120との両方を1台の最適制御装置10が有する場合について説明するが、これに限られない。オフライン処理部110とオンライン処理部120とをそれぞれ異なる装置が有していても良い。特に、例えば、十分な計算資源を有する各種機器又は装置がオフライン処理部110を有する一方で、計算資源が限られたエッジデバイス等がオンライン処理部120を有していても良い。   As shown in FIG. 3, the optimal control processing unit 100 according to the present embodiment includes an offline processing unit 110 and an online processing unit 120. In addition, although this embodiment demonstrates the case where the one optimal control apparatus 10 has both the offline process part 110 and the online process part 120, it is not restricted to this. Different apparatuses may have the offline processing unit 110 and the online processing unit 120. In particular, for example, various devices or apparatuses having sufficient calculation resources may have the offline processing unit 110, while edge devices having limited calculation resources may have the online processing unit 120.

オフライン処理部110は、オフラインにおいて、モデル式1100と、上下限制約1200と、評価関数1300とを入力して、関係論理式1400を算出する。   The offline processing unit 110 calculates the relational logical expression 1400 by inputting the model formula 1100, the upper and lower limit constraints 1200, and the evaluation function 1300 offline.

モデル式1100とは、制御対象となるシステムにおける操作量と制御量との関係を表すモデルである。モデル式1100は、操作量を表す変数MV,・・・,MVと、制御量を表す変数PVとの関係を表す関数をfとすれば、PV:=f(MV,・・・,MV),(n=1,・・・,N)で表される。 The model formula 1100 is a model representing the relationship between the operation amount and the control amount in the system to be controlled. Model formula 1100, variable MV 1 representing the operation amount, ..., and MV M, the function representing the relationship between variable PV n representing the controlled variable if f n, PV n: = f n (MV 1 ,..., MV M ), (n = 1,..., N).

なお、モデル式1100は、例えば、実際の操作量に対する制御量の実績値を用いて回帰分析等によって作成することができる。fは線形に限られず、区分線形等であっても良い。 The model formula 1100 can be created, for example, by regression analysis or the like using the actual value of the control amount with respect to the actual manipulated variable. f n is not limited to linear, and may be piecewise linear or the like.

また、上下限制約1200とは、制御対象となるシステムにおける各操作量の上限と下限とを表す制約である。上下限制約1200は、各操作量の上限をHMV,・・・,HMV、各操作量の下限をLMV,・・・,LMVとすれば、LMV≦MV≦HMV,(m=1,・・・,M)で表される。 Further, the upper and lower limit constraint 1200 is a constraint that represents the upper limit and the lower limit of each operation amount in the system to be controlled. Upper and lower limit constraint 1200, the upper limit of each manipulation amount HMV 1, ···, HMV M, LMV 1 the lower limit of each manipulation amount, ..., if LMV M, LMV m ≦ MV m ≦ HMV m, (M = 1,..., M).

また、評価関数1300とは、目標値と制御量との差を評価するための関数である。評価関数1300は、目標値を表す変数SV,・・・,SVと、制御量を表す変数PV,・・・,PVとの差を評価するための関数をEとすれば、以下の数1で表される。 The evaluation function 1300 is a function for evaluating the difference between the target value and the control amount. Evaluation function 1300, a variable SV 1 representing a target value, ..., and SV N, variable PV 1 representing a control amount, ..., if E function for evaluating the difference between the PV N, It is represented by the following formula 1.

また、関係論理式1400は、モデル式1100と上下限制約1200と評価関数1300とに基づく最適性条件(KKT(Karush-Kuhn-Tucker )条件)を満たす場合において、目標値を表す変数SV,・・・,SVに対して操作量を表す変数MV,・・・,MVが満たすべき関係を表す論理式である。関係論理式1400は、目標値を表す変数SV,・・・,SVを各軸とするN次元空間をK個の領域Rk(k=1.・・・,K)に分割する論理式で表される。なお、分割数Kは、限定記号消去法を行うことによって決定される定数である。 The relational logical expression 1400 is a variable SV 1 that represents a target value when the optimality condition (KKT (Karush-Kuhn-Tucker) condition) based on the model expression 1100, the upper and lower limit constraints 1200, and the evaluation function 1300 is satisfied. ..., variable MV 1 representing the operation amount with respect to SV N, ..., a logical expression representing the relationship to be satisfied by MV M. The relational logical expression 1400 is a logical expression that divides an N-dimensional space having variables SV 1 ,..., SV N representing target values into K regions Rk (k = 1..., K). It is represented by The division number K is a constant determined by performing the limit symbol elimination method.

ここで、オフライン処理部110には、一階述語論理式生成部111と、限定記号消去部112とが含まれる。一階述語論理式生成部111は、モデル式1100と上下限制約1200と評価関数1300とから一階述語論理式ψを生成する。限定記号消去部112は、限定記号消去法により、一階述語論理式生成部111により生成された一階述語論理式ψから関係論理式1400を生成する。   Here, the offline processing unit 110 includes a first-order predicate logical expression generation unit 111 and a quantifier elimination unit 112. The first order predicate logical expression generation unit 111 generates a first order predicate logical expression ψ from the model expression 1100, the upper and lower limit constraints 1200, and the evaluation function 1300. The quantifier elimination unit 112 generates a relational logical expression 1400 from the first-order predicate logical expression ψ generated by the first-order predicate logical expression generation unit 111 by a quantifier elimination method.

オンライン処理部120は、オンラインにおいて、関係論理式1400と、目標値1500とを入力して、最適操作量1600を算出する。   The online processing unit 120 inputs the relational logical expression 1400 and the target value 1500 online to calculate the optimum operation amount 1600.

目標値1500は、制御量を表す変数PV,・・・,PVの目標値p,・・・,pである。 Target value 1500 is variable PV 1 representing a control amount, ..., the target value p 1 of PV N, ..., a p N.

最適操作量1600とは、制御量を目標値に追従させるための最適な操作量s,・・・,sである。 The optimum operation amount 1600 is the optimum operation amount s 1 ,..., S M for causing the control amount to follow the target value.

ここで、オンライン処理部120には、領域判定部121と、操作量算出部122とが含まれる。領域判定部121は、目標値p,・・・,pが、領域Rk(k=1,・・・,K)のうちのいずれの領域に含まれるかを判定する。操作量算出部122は、領域判定部121による判定結果に応じて、目標値p,・・・,pが含まれる領域Rkに対応する関数により最適な操作量s,・・・,sを算出する。 Here, the online processing unit 120 includes an area determination unit 121 and an operation amount calculation unit 122. Area determination unit 121 determines whether the target value p 1, ···, p N are regions Rk (k = 1, ···, K) is included in any area of the. Control input calculation unit 122, according to the determination result by the area determination unit 121, a target value p 1, ..., p N optimum manipulated variables s 1 by the function corresponding to the region Rk containing the, ..., s Calculate M.

<関係論理式の生成処理>
以降では、関係論理式1400を生成する処理について、図4を参照しながら説明する。図4は、第一の実施形態に係る関係論理式1400の生成処理の一例を示すフローチャートである。なお、図4に示す処理は、例えば、後述する最適操作量の算出処理の前に、オフラインで予め実行される。
<Relational logic generation process>
Hereinafter, the process of generating the relational logical expression 1400 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of the generation process of the relational logical expression 1400 according to the first embodiment. Note that the processing shown in FIG. 4 is executed in advance offline, for example, before the optimal operation amount calculation processing described later.

まず、オフライン処理部110の一階述語論理式生成部111は、モデル式1100と上下限制約1200と評価関数1300とを入力して、一階述語論理式ψを生成する(ステップS101)。   First, the first-order predicate logical expression generation unit 111 of the offline processing unit 110 receives the model expression 1100, the upper and lower limit constraints 1200, and the evaluation function 1300, and generates the first-order predicate logical expression ψ (step S101).

ここで、一階述語論理式生成部111は、次のようにして一階述語論理式ψを生成する。すなわち、まず、一階述語論理式生成部111は、上下限制約1200を右辺が0になるように整理、つまり、LMV−MV≦0,MV−HMV≦0とする。次に、一階述語論理式生成部111は、LMV−MV及びMV−HMVにそれぞれラグランジュ乗数(λ1,λ2)を乗じた式を、評価関数Eに加えることで、以下のラグランジュ関数Lを生成する。 Here, the first order predicate logical expression generation unit 111 generates the first order predicate logical expression ψ as follows. That is, first-order predicate logical expression generation unit 111 arranges upper and lower limit constraints 1200 so that the right side is 0, that is, LMV m −MV m ≦ 0 and MV m −HMV m ≦ 0. Next, the first-order predicate logical expression generation unit 111 adds, to the evaluation function E, an expression obtained by multiplying LMV m -MV m and MV m -HMV m by a Lagrange multiplier (λ1 m , λ2 m ), respectively. A Lagrangian function L is generated.

次に、一階述語論理式生成部111は、m=1,・・・,Mに対して、最適性条件(KKT条件)を満たすように以下の条件式を生成する。言い換えれば、一階述語論理式生成部111は、制約の数Mだけ、最適性条件(KKT条件)を満たすように以下の条件式を生成する。 Next, the first-order predicate logical expression generation unit 111 generates the following conditional expressions so that the optimality condition (KKT condition) is satisfied for m = 1,. In other words, the first-order predicate logical expression generation unit 111 generates the following conditional expressions so as to satisfy the optimality condition (KKT condition) by the number M of constraints.

次に、一階述語論理式生成部111は、上記で生成した全ての条件式ψ1,ψ2,ψ3及びψ4を論理積で結合した以下の条件式ψ5を生成する。 Then, first-order logic formulas generator 111, all conditional expressions .psi.1 m was produced above, .psi.2 m, to produce a .psi.3 m and [Psi] 4 m a logical bound following conditional expressions Pusai5.

そして、一階述語論理式生成部111は、条件式ψ5に対して、ラグランジュ乗数(λ1,λ2)に存在記号(∃)を付与して、以下の一階述語論理式ψを生成する。 Then, the first-order predicate logical expression generation unit 111 assigns an existence symbol (∃) to the Lagrange multipliers (λ1 m , λ2 m ) with respect to the conditional expression ψ5, and generates the following first-order predicate logical expression ψ. .

これにより、一階述語論理式生成部111により一階述語論理式ψが生成される。 Thereby, the first order predicate logical expression generation unit 111 generates the first order predicate logical expression ψ.

次に、オフライン処理部110の限定記号消去部112は、限定記号消去法により、一階述語論理式ψから関係論理式1400を生成する(ステップS102)。ここで、関係論理式1400をφと表せば、限定記号消去部112は、限定記号消去法によりラグランジュ乗数を消去することで、以下の関係論理式φを生成する。なお、限定記号消去法については、例えば非特許文献3を参照されたい。   Next, the quantifier elimination unit 112 of the offline processing unit 110 generates a relational logical expression 1400 from the first order predicate logical expression ψ by a quantifier elimination method (step S102). Here, if the relational logical expression 1400 is represented as φ, the quantifier elimination unit 112 generates the following relational logical expression φ by erasing the Lagrange multiplier by the quantifier elimination method. For the quantifier elimination method, see Non-Patent Document 3, for example.

ここで、領域Rk(k=1,・・・,K)は分割論理式φRk(SV,・・・,SV)が真(True)となる領域を示している。すなわち、上記の関係論理式φは、SV,・・・,SVを各軸とするN次元空間をK個の領域Rk(k=1.・・・,K)に分割している。 Here, the region Rk (k = 1,..., K) indicates a region in which the divided logical expression φ Rk (SV 1 ,..., SV N ) is true. In other words, the above-described relational formula φ divides an N-dimensional space having SV 1 ,..., SV N as axes into K regions Rk (k = 1..., K).

また、   Also,

は目標値p,・・・,pが領域Rkの内部にある場合(すなわち、目標値p,・・・,pが領域Rkに含まれる場合)における最適な操作量を算出する操作量決定関数を表している。この式は、一階述語論理式ψに対して限定記号消去法を行うことによって決定される。 Calculates the optimum operation amount when the target values p 1 ,..., P N are inside the region Rk (that is, when the target values p 1 ,..., P N are included in the region Rk). An operation amount determination function is represented. This expression is determined by performing the quantifier elimination method on the first order predicate logic expression ψ.

このように、関係論理式φは、目標値を表す変数SV,・・・,SVを各軸とする空間を分割する分割論理式φRk(SV,・・・,SV)と、目標値p,・・・,pが領域Rkに含まれる場合における最適な操作量を算出する操作量決定関数の論理積の論理和で表される。 Thus, the relationship formulas phi, variable SV 1 representing a target value, ..., dividing the logical expression phi Rk to divide the space the SV N and each axis (SV 1, ···, SV N ) and , Target values p 1 ,..., P N are represented by the logical sum of the logical products of the operation amount determination functions for calculating the optimum operation amount when the region Rk is included.

これにより、限定記号消去部112により関係論理式φが生成される。ここで、上述したように、関係論理式φは、SV,・・・,SVを各軸とするN次元空間をK個の領域Rk(k=1.・・・,K)に分割している。そこで、一例として、K=5の場合において、或る軸SVとSVn+1とで構成される平面上の領域R1〜R5を図5に示す。図5は、関係論理式が表す領域分割の一例を示す図である。図5に示すように、各領域R1〜R5は、SV,・・・,SVを各軸とするN次元空間を分割する領域で表される。 As a result, the relational symbol φ is generated by the quantifier elimination unit 112. Here, as described above, the relational logical formula φ divides the N-dimensional space with SV 1 ,..., SV N as axes into K regions Rk (k = 1..., K). is doing. Therefore, as an example, in the case of K = 5, regions R1 to R5 on a plane constituted by a certain axis SV n and SV n + 1 are shown in FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating an example of area division represented by the relational logical expression. As shown in FIG. 5, each of the regions R1 to R5 is represented by a region that divides an N-dimensional space with SV 1 ,..., SV N as axes.

<最適操作量の算出処理>
以降では、関係論理式1400を用いて、目標値p,・・・,pに対する最適な操作量s,・・・,sを算出する処理について、図6を参照しながら説明する。図6は、第一の実施形態に係る最適操作量の算出処理の一例を示すフローチャートである。なお、図6に示す処理は、例えば、制御対象であるシステムの制御周期毎に、オンラインで実行される。
<Optimum operation amount calculation processing>
Hereinafter, a process for calculating the optimum operation amounts s 1 ,..., S M for the target values p 1 ,..., P N using the relational logical expression 1400 will be described with reference to FIG. . FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of an optimum operation amount calculation process according to the first embodiment. Note that the processing shown in FIG. 6 is executed online, for example, every control cycle of the system that is the control target.

まず、オンライン処理部120は、領域Rkを特定するためのk(このkを「領域番号」とも表す。)を1に初期化する(ステップS201)。   First, the online processing unit 120 initializes k for specifying the region Rk (this k is also referred to as “region number”) to 1 (step S201).

次に、オンライン処理部120の領域判定部121は、関係論理式1400と目標値1500とを入力して、分割論理式φRk(p,・・・,p)=Trueであるか否かを判定する(ステップS202)。なお、オンライン処理部120に入力される目標値1500は、例えば、制御周期毎にその値が異なっていても良い。 Next, the area determination unit 121 of the online processing unit 120 inputs the relational logical expression 1400 and the target value 1500, and whether or not the divided logical expression φ Rk (p 1 ,..., P N ) = True. Is determined (step S202). Note that the target value 1500 input to the online processing unit 120 may have a different value for each control cycle, for example.

すなわち、領域判定部121は、関係論理式φに含まれる分割論理式φRk(SV,・・・,SV)に対して目標値p・・・,pを代入して、φRk(p,・・・,p)=Trueであるか否かを判定する。言い換えれば、領域判定部121は、目標値p・・・,pが領域Rkに含まれるか否かを判定する。 That is, the region determination unit 121 substitutes the target values p 1 ..., P N for the divided logical expressions φ Rk (SV 1 ,..., SV N ) included in the relational logical expression φ, and It is determined whether or not Rk (p 1 ,..., P N ) = True. In other words, the region determination unit 121 determines whether or not the target values p 1 ..., P N are included in the region Rk.

ステップS202において、φRk(p,・・・,p)=Trueでないと判定された場合(すなわち、目標値p,・・・,pが領域Rkに含まれない場合)、オンライン処理部120は、領域番号kに1を加算する(ステップS203)。そして、オンライン処理部120は、ステップS202の処理に戻る。これにより、或る領域番号kに対してφRk(p,・・・,p)=Trueとなるまで、上記のステップS202が繰り返し実行される。 If it is determined in step S202 that φ Rk (p 1 ,..., P N ) = True (that is, the target values p 1 ,..., P N are not included in the region Rk), online The processing unit 120 adds 1 to the area number k (step S203). And the online process part 120 returns to the process of step S202. Thus, the above step S202 is repeatedly executed until φ Rk (p 1 ,..., P N ) = True for a certain area number k.

ステップS202において、φRk(p,・・・,p)=Trueであると判定された場合(すなわち、目標値p,・・・,pが領域Rkに含まれる場合)、オンライン処理部120の操作量算出部122は、目標値p,・・・,pが含まれる領域Rkに対応する操作量決定関数により最適な操作量s,・・・,sを算出する(ステップS204)。 If it is determined in step S202 that φ Rk (p 1 ,..., P N ) = True (that is, the target values p 1 ,..., P N are included in the region Rk), online control input calculation block 122 of the processing unit 120 calculates a target value p 1, · · ·, optimal manipulated variable s 1 by the operation amount determination function corresponding to the region Rk containing the p N, · · ·, a s M (Step S204).

すなわち、操作量算出部122は、各m=1,・・・,Mに対して、以下の操作量決定関数により最適な操作量s,・・・,sを算出する。 That is, the operation amount calculation unit 122 calculates the optimum operation amount s 1 ,..., S M for each m = 1,.

これにより、操作量算出部122により、制御対象のシステムの制御量を目標値p,・・・,pに追従させるための最適な操作量s,・・・,sが算出される。 Thus, by the operation amount calculation unit 122, a target value p 1, · · ·, optimal manipulated variable s 1 for to follow the p N, · · ·, s M is calculated a controlled variable of the controlled object of the system The

以上のように、本実施形態に係る最適制御装置10は、オフラインで予め関係論理式φを生成した上で、オンラインで目標値に対する最適な操作量を算出する。このように、オフラインで予め関係論理式φを生成することで、本実施形態に係る最適制御装置10は、例えば計算資源が限られている場合であっても、オンラインで高速に最適な操作量を算出することができる。   As described above, the optimal control apparatus 10 according to the present embodiment calculates the optimum operation amount for the target value online after generating the relational logical expression φ in advance offline. Thus, by generating the relational logical expression φ in advance offline, the optimal control apparatus 10 according to the present embodiment can optimize the operation amount online at high speed even when, for example, calculation resources are limited. Can be calculated.

また、本実施形態に係る最適制御装置10は、限定記号消去法により関係論理式φを生成する。これにより、本実施形態に係る最適制御装置10では、数値誤差の無い正確な最適制御則(すなわち、関係論理式φ)を生成することができる。   Further, the optimum control apparatus 10 according to the present embodiment generates the relational logical expression φ by the quantifier elimination method. Thereby, in the optimal control apparatus 10 which concerns on this embodiment, the exact optimal control law (namely, relational logic formula (phi)) without a numerical error can be produced | generated.

なお、図4に示す関係論理式の生成処理は、モデル式1100、上下限制約1200及び評価関数1300の少なくとも1つが変更されない限りは、図6に示す最適操作量の算出処理の前に1度実行されれば良い。   The relational logical expression generation process shown in FIG. 4 is performed once before the optimum operation amount calculation process shown in FIG. 6 unless at least one of the model expression 1100, the upper and lower limit constraints 1200, and the evaluation function 1300 is changed. It only has to be executed.

<最適制御処理部100の適用例>
ここで、本実施形態に係る最適制御処理部100の適用例について、図7(a)及び図7(b)を参照しながら説明する。図7は、最適制御処理部100の適用例の一例を示す図である。
<Application Example of Optimal Control Processing Unit 100>
Here, an application example of the optimum control processing unit 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 7A and 7B. FIG. 7 is a diagram illustrating an example of application of the optimum control processing unit 100.

図7(a)では、上位のコントローラC11が最適制御処理部100を有する。上位のコントローラC11は、最適制御処理部100により目標値(SV及びSV)から最適操作量(MV及びMV)を算出し、下位のコントローラC12及びC13に出力する。そして、下位のコントローラC12及びC13は、最適操作量(MV及びMV)を目標値(SV´及びSV´)として受け取り制御を行う。このように、上位のコントローラC11は下位のコントローラC12及びC13に対して最適操作量を渡し、下位のコントローラC12及びC13は最適操作量を目標値として制御を行っても良い。 In FIG. 7A, the host controller C <b> 11 has the optimum control processing unit 100. The upper controller C11 calculates the optimum operation amount (MV 1 and MV 2 ) from the target values (SV 1 and SV 2 ) by the optimum control processing unit 100, and outputs it to the lower controllers C12 and C13. Then, the lower controllers C12 and C13 receive and control the optimum operation amounts (MV 1 and MV 2 ) as target values (SV ′ 1 and SV ′ 2 ). As described above, the upper controller C11 may pass the optimum operation amount to the lower controllers C12 and C13, and the lower controllers C12 and C13 may perform control using the optimum operation amount as a target value.

図7(b)では、上位のコントローラC11は、最適制御処理部100により目標値(SV及びSV)から最適操作量(MV及びMV)を算出し、この最適操作量からモデル式1100により算出される制御量(PV及びPV)を下位のコントローラC12及びC13に出力する。そして、下位のコントローラC12及びC13は、制御量(PV及びPV)を目標値(SV´及びSV´)として受け取り制御を行う。このように、上位のコントローラC11は下位のコントローラC12及びC13に対して最適操作量に対する制御量を渡し、下位のコントローラC12及びC13はこの制御量を目標値として制御を行っても良い。 In FIG. 7B, the upper controller C11 calculates the optimum operation amount (MV 1 and MV 2 ) from the target values (SV 1 and SV 2 ) by the optimum control processing unit 100, and uses the model equation from the optimum operation amount. The control amounts (PV 1 and PV 2 ) calculated by 1100 are output to the lower controllers C12 and C13. Then, the lower controllers C12 and C13 receive the control amounts (PV 1 and PV 2 ) as target values (SV ′ 1 and SV ′ 2 ) and perform control. As described above, the upper controller C11 may pass the control amount for the optimum operation amount to the lower controllers C12 and C13, and the lower controllers C12 and C13 may perform control using the control amount as a target value.

[第二の実施形態]
次に、第二の実施形態について説明する。第一の実施形態では、図6に示す最適操作量の算出処理において、領域R1〜領域RKのうち、目標値p,・・・pが含まれる領域をk=1から順番に探索した。このため、標値p,・・・pが含まれる領域の探索に時間を要する場合があった。そこで、第二の実施形態では、目標値p,・・・pが含まれる領域の探索を優先度に基づいて行う場合について説明する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described. In the first embodiment, in the calculation process of the optimum operation amount shown in FIG. 6, the region including the target values p 1 ,..., P N among the regions R1 to RK is searched in order from k = 1. . For this reason, it may take time to search for a region including the characteristic values p 1 ,..., P N. Therefore, in the second embodiment, a case will be described in which a search for a region including target values p 1 ,..., P N is performed based on priority.

なお、第二の実施形態では、主に、第一の実施形態との相違点について説明し、第一の実施形態と実質的に同一の構成要素については、その説明を省略又は簡略化する。   In the second embodiment, differences from the first embodiment will be mainly described, and description of components that are substantially the same as those in the first embodiment will be omitted or simplified.

<最適制御処理部100の機能構成>
まず、本実施形態に係る最適制御処理部100の機能構成について、図8を参照しながら説明する。図8は、第二の実施形態に係る最適制御処理部100の機能構成の一例を示す図である。
<Functional Configuration of Optimal Control Processing Unit 100>
First, the functional configuration of the optimum control processing unit 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a functional configuration of the optimum control processing unit 100 according to the second embodiment.

図8に示すように、本実施形態に係る最適制御処理部100のオンライン処理部120には、更に、キャッシュ機構部123が含まれる。本実施形態に係るオンライン処理部120は、優先度Yの昇順に、この優先度Yに対応する領域番号kが示す領域Rkに目標値p,・・・,pが含まれるか否かを判定する。このとき、キャッシュ機構部123は、キャッシュ1700を参照して、優先度Yを領域番号kに変換する。 As shown in FIG. 8, the online processing unit 120 of the optimal control processing unit 100 according to the present embodiment further includes a cache mechanism unit 123. The online processing unit 120 according to the present embodiment determines whether or not the target values p 1 ,..., P N are included in the region Rk indicated by the region number k corresponding to the priority Y in ascending order of the priority Y. Determine. At this time, the cache mechanism unit 123 refers to the cache 1700 and converts the priority Y to the area number k.

ここで、キャッシュ1700について、図9を参照しながら説明する。図9は、キャッシュ1700の一例を示す図である。   Here, the cache 1700 will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a diagram illustrating an example of the cache 1700.

図9に示すように、キャッシュ1700には、優先度Yと領域番号kとが対応付けられている。例えば、優先度Y=1と領域番号k=5とが対応付けられている。同様に、優先度Y=2と領域番号k=4とが対応付けられている。優先度Y=3以降の場合も同様である。これより、本実施形態に係るオンライン処理部120は、優先度Yに応じて、領域番号k=5、4、1、3、2の順に、該当の領域番号kが示す領域Rkに目標値p,・・・,pが含まれるか否かを判定することができる。 As shown in FIG. 9, the priority 1 and the area number k are associated with the cache 1700. For example, the priority Y = 1 is associated with the area number k = 5. Similarly, the priority Y = 2 and the region number k = 4 are associated with each other. The same applies to the case of priority Y = 3 or later. Accordingly, the online processing unit 120 according to the present embodiment sets the target value p in the region Rk indicated by the corresponding region number k in the order of the region number k = 5, 4, 1, 3, 2 in accordance with the priority Y. 1 ,..., P N can be determined.

<最適操作量の算出処理>
以降では、本実施形態に係る最適操作量の算出処理について、図10を参照しながら説明する。図10は、第二の実施形態に係る最適操作量の算出処理の一例を示すフローチャートである。なお、図10のステップS202及びステップS204は、図6と同様であるため、その説明を省略する。
<Optimum operation amount calculation processing>
Hereinafter, the optimum operation amount calculation process according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a flowchart illustrating an example of an optimum operation amount calculation process according to the second embodiment. Note that steps S202 and S204 in FIG. 10 are the same as those in FIG.

まず、オンライン処理部120は、優先度Yを1に初期化する(ステップS301)。次に、オンライン処理部120のキャッシュ機構部123は、キャッシュ1700を参照して、優先度Yを領域番号kに変換する(ステップS302)。すなわち、キャッシュ機構部123は、キャッシュ1700を参照して、優先度Yを、当該優先度Yに対応付けられている領域番号kに変換する。これにより、ステップS202で、当該領域番号kを用いて、φRk(p,・・・,p)=Trueであるか否かが判定される。なお、k:=cache[Y]は、キャッシュ1700を参照して、優先度Yを領域番号kに変換する関数である。 First, the online processing unit 120 initializes the priority Y to 1 (step S301). Next, the cache mechanism unit 123 of the online processing unit 120 refers to the cache 1700 and converts the priority Y to the area number k (step S302). That is, the cache mechanism unit 123 refers to the cache 1700 and converts the priority Y to the area number k associated with the priority Y. Thereby, in step S202, it is determined whether or not φ Rk (p 1 ,..., P N ) = True using the region number k. Note that k: = cache [Y] is a function that refers to the cache 1700 and converts the priority Y to the area number k.

ステップS202において、φRk(p,・・・,p)=Trueでないと判定された場合、オンライン処理部120は、優先度Yに1を加算する(ステップS303)。そして、オンライン処理部120は、ステップS302の処理に戻る。これにより、優先度Yの昇順に、或る領域番号kに対してφRk(p,・・・,p)=Trueとなるまで、上記のステップS202が繰り返し実行される。 If it is determined in step S202 that φ Rk (p 1 ,..., P N ) = True, the online processing unit 120 adds 1 to the priority Y (step S303). Then, the online processing unit 120 returns to the process of step S302. As a result, step S202 is repeatedly executed until φ Rk (p 1 ,..., P N ) = True for a certain area number k in ascending order of priority Y.

このように、本実施形態に係る最適制御装置10では、優先度が高い順に、目標値p,・・・,pが含まれる領域Rkを探索する。これにより、キャッシュ1700を適切に作成することで、目標値p,・・・,pが含まれる領域Rkの探索に要する時間を削減することができる。 Thus, in the optimal control apparatus 10 according to the present embodiment, the region Rk including the target values p 1 ,..., P N is searched in descending order of priority. Thus, by appropriately creating the cache 1700, it is possible to reduce the time required for searching for the region Rk including the target values p 1 ,..., P N.

<最適操作量の算出処理の他の例>
以降では、本実施形態に係る最適操作量の算出処理の他の例について、図11を参照しながら説明する。図11は、第二の実施形態に係る最適操作量の算出処理の他の例を示すフローチャートである。なお、図11のステップS301〜ステップS303及びステップS204は、図10と同様であるため、その説明を省略する。
<Another example of calculation processing of optimum operation amount>
Hereinafter, another example of the calculation process of the optimum operation amount according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a flowchart illustrating another example of the optimum operation amount calculation process according to the second embodiment. Note that steps S301 to S303 and S204 in FIG. 11 are the same as those in FIG.

ステップS202において、φRk(p,・・・,p)=Trueであると判定された場合、キャッシュ機構部123は、この領域番号kの優先度が高くなるようにキャッシュ1700を更新する(ステップS304)。 When it is determined in step S202 that φ Rk (p 1 ,..., P N ) = True, the cache mechanism unit 123 updates the cache 1700 so that the priority of the area number k becomes higher. (Step S304).

例えば、キャッシュ機構部123は、この領域番号kに対応付けられている優先度Yを1に更新すると共に、他の領域番号kに対応付けられている優先度Yから1を減ずる。こにより、ステップS202でφRk(p,・・・,p)=Trueと判定された領域番号kの優先度Yを最も高くすることができる。 For example, the cache mechanism unit 123 updates the priority Y associated with the area number k to 1 and subtracts 1 from the priority Y associated with the other area number k. Thereby, the priority Y of the region number k determined as φ Rk (p 1 ,..., P N ) = True in step S202 can be made highest.

ただし、これに限られず、キャッシュ機構部123は、例えば、ステップS202でφRk(p,・・・,p)=Trueと判定された領域番号kの優先度Yを1つ高くする等しても良い。 However, the present invention is not limited to this. For example, the cache mechanism unit 123 increases the priority Y of the area number k determined as φ Rk (p 1 ,..., P N ) = True in step S202 by one. You may do it.

このように、本実施形態に係る最適制御装置10は、領域判定部121の判定結果に応じて、キャッシュ1700を更新しても良い。これにより、目標値p,・・・,pが含まれると判定された領域Rkの領域番号kに対応する優先度Yを動的に高くすることができる。したがって、目標値p,・・・,pが含まれる領域Rkの探索に要する時間の更なる削減が期待できる。 As described above, the optimal control device 10 according to the present embodiment may update the cache 1700 according to the determination result of the region determination unit 121. Thereby, the priority Y corresponding to the area number k of the area Rk determined to include the target values p 1 ,..., P N can be dynamically increased. Therefore, further reduction in the time required for searching for the region Rk including the target values p 1 ,..., P N can be expected.

[第三の実施形態]
次に、第三の実施形態について説明する。第三の実施形態では、例えば、制御周期i毎の目標値(すなわち、目標値の集合)が入力される場合に、目標値の集合と、最適な操作量から算出される制御量の集合との偏差等の評価値を算出し、算出した評価値の集合を可視化する場合について説明する。これにより、例えば、最適制御装置10のユーザ等は、最適な操作量の操作を操作対象に行った場合における制御量と、目標値との偏差等を確認することができるようになる。
[Third embodiment]
Next, a third embodiment will be described. In the third embodiment, for example, when a target value for each control cycle i (that is, a set of target values) is input, a set of target values and a set of control amounts calculated from the optimum manipulated variable A case will be described in which evaluation values such as deviations are calculated and a set of calculated evaluation values is visualized. Thereby, for example, the user of the optimal control device 10 can check the deviation between the control amount and the target value when the operation of the optimal operation amount is performed on the operation target.

なお、第三の実施形態では、主に、第一の実施形態との相違点について説明し、第一の実施形態と実質的に同一の構成要素については、その説明を省略又は簡略化する。   Note that in the third embodiment, differences from the first embodiment will be mainly described, and description of components that are substantially the same as those in the first embodiment will be omitted or simplified.

<最適制御処理部100の機能構成>
まず、本実施形態に係る最適制御処理部100の機能構成について、図12を参照しながら説明する。図12は、第三の実施形態に係る最適制御処理部100の機能構成の一例を示す図である。
<Functional Configuration of Optimal Control Processing Unit 100>
First, the functional configuration of the optimum control processing unit 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a functional configuration of the optimal control processing unit 100 according to the third embodiment.

図12に示すように、本実施形態に係る最適制御処理部100のオンライン処理部120は、オンラインにおいて、関係論理式1400と、目標値の集合1800とを入力して、最適操作量の集合1900を算出する。   As shown in FIG. 12, the online processing unit 120 of the optimal control processing unit 100 according to the present embodiment inputs the relational logical expression 1400 and the set of target values 1800 online, and sets the optimal manipulated variable set 1900. Is calculated.

目標値の集合1800は、例えば制御周期i毎の目標値の集合であり、n=1,・・・,N、i=1,・・・,Iとして、   A set of target values 1800 is, for example, a set of target values for each control cycle i, where n = 1,..., N, i = 1,.

で表される。 It is represented by

最適操作量の集合1900は、例えば制御周期i毎の最適な操作量の集合であり、m=1,・・・,M、i=1,・・・,Iとして、   The set of optimum manipulated variables 1900 is a set of optimum manipulated variables for each control cycle i, for example, and m = 1,..., M, i = 1,.

で表される。 It is represented by

また、図12に示す本実施形態に係る最適制御処理部100は、可視化処理部130を有する。可視化処理部130は、最適な操作量から算出される制御量と、目標値との偏差等の評価値を算出し、算出した評価値を可視化する。   Further, the optimal control processing unit 100 according to the present embodiment illustrated in FIG. 12 includes a visualization processing unit 130. The visualization processing unit 130 calculates an evaluation value such as a deviation between the control amount calculated from the optimum operation amount and the target value, and visualizes the calculated evaluation value.

ここで、可視化処理部130には、制御量算出部131と、評価値算出部132と、可視化部133とが含まれる。制御量算出部131は、モデル式1100により、最適操作量の集合1900から制御量の集合を算出する。制御量の集合は、n=1,・・・,N、i=1,・・・,Iとして、モデル式1100により、   Here, the visualization processing unit 130 includes a control amount calculation unit 131, an evaluation value calculation unit 132, and a visualization unit 133. The control amount calculation unit 131 calculates a set of control amounts from the optimal operation amount set 1900 using the model formula 1100. The set of controlled variables is n = 1,..., N, i = 1,.

で算出される。 Is calculated by

評価値算出部132は、制御量算出部131により算出された制御量の集合と、目標値の集合1800とに基づいて、評価値の集合を算出する。可視化部133は、評価値算出部132により算出された評価値の集合を可視化する。   The evaluation value calculation unit 132 calculates a set of evaluation values based on the set of control amounts calculated by the control amount calculation unit 131 and the set of target values 1800. The visualization unit 133 visualizes the set of evaluation values calculated by the evaluation value calculation unit 132.

<可視化処理>
以降では、評価値の集合を算出した上で、この評価値の集合を可視化する処理について、図13を参照しながら説明する。図13は、第三の実施形態に係る可視化処理の一例を示すフローチャートである。
<Visualization processing>
Hereinafter, a process of visualizing the evaluation value set after calculating the evaluation value set will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a flowchart illustrating an example of a visualization process according to the third embodiment.

まず、オンライン処理部120は、目標値の集合1800を入力して、最適操作量の集合1900を算出する(ステップS401)。オンライン処理部120は、例えば制御周期i毎に、図6に示す最適操作量の算出処理を繰り返し実行することで、最適操作量の集合1900を算出する。   First, the online processing unit 120 inputs a set of target values 1800 and calculates a set of optimum manipulated variables 1900 (step S401). The online processing unit 120 calculates the optimum operation amount set 1900 by repeatedly executing the optimum operation amount calculation processing shown in FIG. 6, for example, every control cycle i.

次に、可視化処理部130の制御量算出部131は、モデル式1100により、最適操作量の集合1900から制御量の集合を算出する(ステップS402)。すなわち、制御量算出部131は、上記の数11に示す式により制御量の集合を算出する。   Next, the control amount calculation unit 131 of the visualization processing unit 130 calculates a set of control amounts from the optimal operation amount set 1900 using the model formula 1100 (step S402). That is, the control amount calculation unit 131 calculates a set of control amounts according to the equation shown in Equation 11 above.

次に、可視化処理部130の評価値算出部132は、評価値の集合を算出する(ステップS403)。   Next, the evaluation value calculation unit 132 of the visualization processing unit 130 calculates a set of evaluation values (step S403).

ここで、評価値としては、例えば、(1)目標値と、最適操作量に対応する制御量との偏差、(2)平均二乗誤差(RMSE:Root Mean Square Error)、(3)評価関数Eの関数値が用いることができる。   Here, as the evaluation value, for example, (1) deviation between the target value and the control amount corresponding to the optimum manipulated variable, (2) mean square error (RMSE), (3) evaluation function E Can be used.

(1)目標値と、最適操作量に対応する制御量との偏差
評価値として偏差を用いる場合、評価値算出部132は、n=1,・・・,N、i=1,・・・,Iに対して、以下の式により偏差err を算出する。
(1) Deviation between target value and control amount corresponding to optimum manipulated variable When using a deviation as an evaluation value, evaluation value calculation unit 132 has n = 1,..., N, i = 1,. , I, the deviation err n i is calculated by the following equation.

これにより、評価値の集合として、偏差err の集合が得られる。 As a result, a set of deviations err n i is obtained as a set of evaluation values.

(2)平均二乗誤差(RMSE)
評価値として平均二乗誤差を用いる場合、評価値算出部132は、i=1.・・・,Iに対して、以下の式によりRMSEを算出する。
(2) Mean square error (RMSE)
When the mean square error is used as the evaluation value, the evaluation value calculation unit 132 sets i = 1. .., RMSE i is calculated from the following equation.

これにより、評価値の集合として、平均二乗誤差RMSEの集合が得られる。 Thereby, a set of mean square errors RMSE i is obtained as a set of evaluation values.

(3)評価関数Eの関数値
評価値として評価関数Eの関数値を用いる場合、評価値算出部132は、i=1.・・・,Iに対して、以下の式によりEを算出する。
(3) Function Value of Evaluation Function E When the function value of the evaluation function E is used as the evaluation value, the evaluation value calculation unit 132 sets i = 1. .., I is calculated by the following formula for I.

これにより、評価値の集合として、評価関数値の集合Eが得られる。 Thereby, a set E i of evaluation function values is obtained as a set of evaluation values.

次に、可視化処理部130の可視化部133は、評価値算出部132により算出された評価値の集合を可視化する(ステップS404)。   Next, the visualization unit 133 of the visualization processing unit 130 visualizes the set of evaluation values calculated by the evaluation value calculation unit 132 (step S404).

ここで、評価値の集合を可視化した場合の一例を図14に示す。図14(a)は、SVとSVとで構成される平面上の偏差errを可視化したグラフである。図14(b)は、SVとSVとで構成される平面上の平均二乗誤差RMSEを可視化したグラフである。図14(c)は、SVとSVとで構成される平面上の評価関数値Eを可視化したグラフである。 Here, FIG. 14 shows an example when the set of evaluation values is visualized. FIG. 14A is a graph visualizing the deviation err 1 on the plane composed of SV 1 and SV 2 . FIG. 14B is a graph visualizing the mean square error RMSE on the plane composed of SV 1 and SV 2 . FIG. 14C is a graph visualizing the evaluation function value E on the plane constituted by SV 1 and SV 2 .

このように、評価値の集合が可視化されることで、本実施形態に係る最適制御装置10のユーザ等は、目標値と、最適操作量に対応する制御量との偏差、平均二乗誤差又は評価関数値を確認することができる。これにより、ユーザ等は、例えば、i毎の目標値に対して、最適制御を行った場合にどの程度目標値から乖離するかを特定することができる。また、本実施形態での可視化処理は、制御実施前のオフラインにおいて、想定される目標値の集合に対して実施することも可能である。このため、可視化によって、解の有無や制御偏差が生じる状況を、制御を行う前に事前に把握することが可能となる。   As described above, by visualizing the set of evaluation values, the user or the like of the optimal control device 10 according to the present embodiment can determine the deviation between the target value and the control amount corresponding to the optimal operation amount, the mean square error, or the evaluation. The function value can be confirmed. Thereby, the user etc. can specify how much it deviates from a target value, for example, when optimal control is performed with respect to the target value for every i. In addition, the visualization processing in the present embodiment can be performed on a set of assumed target values offline before the control is performed. For this reason, the presence or absence of a solution or a situation in which a control deviation occurs can be grasped in advance before performing control by visualization.

<可視化処理の他の例>
以降では、可視化処理の他の例として、最適な制御を行った場合(すなわち、最適な操作量の操作を行った場合)に、評価値が所定の値となる領域を可視化する処理について、図15を参照しながら説明する。図15は、第三の実施形態に係る可視化処理の他の例を示すフローチャートである。以降では、一例として、評価値が偏差であるものとする。なお、図15に示す可視化処理は、例えば、オフラインで実行される。
<Other examples of visualization processing>
Hereinafter, as another example of the visualization process, a process for visualizing a region in which an evaluation value becomes a predetermined value when optimal control is performed (that is, when an operation with an optimal operation amount is performed) will be described. This will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a flowchart illustrating another example of the visualization process according to the third embodiment. Hereinafter, as an example, it is assumed that the evaluation value is a deviation. Note that the visualization process shown in FIG. 15 is executed offline, for example.

まず、オフライン処理部110の一階述語論理式生成部111は、モデル式1100と、関係論理式1400とから、偏差が所定の値となる領域に対応する一階述語論理式ψ´を生成する(ステップS501)。以降では、一例として、偏差が0となる領域に対応する一階述語論理式を生成する場合について説明する。   First, the first-order predicate logical expression generation unit 111 of the offline processing unit 110 generates a first-order predicate logical expression ψ ′ corresponding to a region where the deviation is a predetermined value from the model expression 1100 and the relational logical expression 1400. (Step S501). Hereinafter, as an example, a case where a first-order predicate logical expression corresponding to a region where the deviation is 0 will be described.

この場合、一階述語論理式生成部111は、以下の数15に示す一階述語論理式ψ´を生成する。   In this case, the first-order predicate logical expression generation unit 111 generates the first-order predicate logical expression ψ ′ shown in the following Expression 15.

なお、例えば、偏差がaとなる領域に対応する一階述語論理式ψ´を生成する場合は、以下の数16を生成すれば良い。 For example, when the first-order predicate logical expression ψ ′ corresponding to the region where the deviation is a is generated, the following Expression 16 may be generated.

また、例えば、偏差がa以上かつb以下となる領域に対応する一階述語論理式ψ´を生成する場合は、以下の数17を生成すれば良い。 Further, for example, when generating the first order predicate logical expression ψ ′ corresponding to the region where the deviation is not less than a and not more than b, the following Expression 17 may be generated.

次に、オフライン処理部110の限定記号消去部112は、限定記号消去法により、一階述語論理式ψ´から制御可能論理式φ´(SV,・・・,SV)を生成する(ステップS502)。 Next, the quantifier elimination unit 112 of the offline processing unit 110 generates a controllable logical expression φ ′ (SV 1 ,..., SV N ) from the first-order predicate logical expression ψ ′ by the quantifier elimination method ( Step S502).

次に、可視化処理部130は、限定記号消去部112により生成された制御可能論理式φ´(SV,・・・,SV)を可視化する(ステップS503)。すなわち、可視化処理部130は、制御可能論理式φ´(SV,・・・,SV)がTrueとなる領域を描画することで、この制御可能論理式φ´(SV,・・・,SV)を可視化する。 Next, the visualization processing unit 130 visualizes the controllable logical expression φ ′ (SV 1 ,..., SV N ) generated by the quantifier elimination unit 112 (step S503). That is, the visualization processing unit 130 draws a region where the controllable logical expression φ ′ (SV 1 ,..., SV N ) becomes True, thereby controlling the controllable logical expression φ ′ (SV 1 ,. , SV N ).

ここで、偏差が0になる領域を可視化した場合の一例を図16に示す。図16では、SVとSVとで構成される平面上で偏差が0となる領域(すなわち、φ´(SV,・・・,SV)=Trueとなる領域)が可視化されている。 Here, FIG. 16 shows an example when a region where the deviation is 0 is visualized. In FIG. 16, a region where the deviation is 0 on the plane composed of SV 1 and SV 2 (that is, a region where φ ′ (SV 1 ,..., SV N ) = True) is visualized. .

これにより、本実施形態に係る最適制御装置10のユーザ等は、偏差が所定の値(例えば、偏差が0)となる目標値の領域を確認することができる。これにより、ユーザ等は、例えば、適切な目標値を設定することができるようになる。   Thereby, the user etc. of the optimal control apparatus 10 which concerns on this embodiment can confirm the area | region of the target value from which deviation becomes a predetermined value (for example, deviation is 0). Thereby, the user etc. can set an appropriate target value, for example.

[第四の実施形態]
次に、第四の実施形態について説明する。第四の実施形態では、制御量の変化に変化率制約がある場合について説明する。変化率制約がある場合、変化率制約を満たす必要があり、変化率制約を満たさないような制御量(PV)の変化(例えば、急激な温度上昇や急激な温度低下等)は行うことができない。
[Fourth embodiment]
Next, a fourth embodiment will be described. In the fourth embodiment, a case will be described in which there is a change rate constraint on the change in the control amount. When there is a change rate constraint, it is necessary to satisfy the change rate constraint, and a change in the control amount (PV n ) that does not satisfy the change rate constraint (for example, a rapid temperature increase or a rapid temperature decrease) can be performed. Can not.

そこで、第四の実施形態では、制御対象のシステムに変化率制約がある場合に、変化率制約を満たした最適な操作量を算出する場合について説明する。ただし、第四の実施形態は、制御量の変化に制約がある場合だけでなく、操作量に変化率制約がある場合や操作量と制御量との両方に変化率制約がある場合にも適用可能である。   Therefore, in the fourth embodiment, a case will be described in which an optimal operation amount that satisfies the change rate constraint is calculated when the system to be controlled has the change rate constraint. However, the fourth embodiment is applied not only when there is a restriction on the change in the controlled variable, but also when there is a change rate restriction on the manipulated variable or when there is a change rate restricted on both the manipulated variable and the controlled variable. Is possible.

なお、第四の実施形態では、主に、第一の実施形態との相違点について説明し、第一の実施形態と実質的に同一の構成要素については、その説明を省略又は簡略化する。   Note that in the fourth embodiment, differences from the first embodiment will be mainly described, and description of components that are substantially the same as those in the first embodiment will be omitted or simplified.

<最適制御処理部100の機能構成>
まず、本実施形態に係る最適制御処理部100の機能構成について、図17を参照しながら説明する。図17は、第四の実施形態に係る最適制御処理部100の機能構成の一例を示す図である。
<Functional Configuration of Optimal Control Processing Unit 100>
First, the functional configuration of the optimum control processing unit 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 17 is a diagram illustrating an example of a functional configuration of the optimal control processing unit 100 according to the fourth embodiment.

図17に示すように、本実施形態に係る最適制御処理部100のオフライン処理部110は、オフラインにおいて、モデル式1100と、上下限制約1200と、評価関数1300と、変化率制約2000とを入力して、関係論理式1400を算出する。   As illustrated in FIG. 17, the offline processing unit 110 of the optimal control processing unit 100 according to the present embodiment inputs a model formula 1100, an upper / lower limit constraint 1200, an evaluation function 1300, and a change rate constraint 2000 offline. Then, the relational logical expression 1400 is calculated.

変化率制約2000とは、制御対象となるシステムにおける制御量(PV)や操作量(MV)を変化させる場合に、単位時間あたりに変化可能な制御量又は操作量を示す制約条件である。変化率制約2000は、現在の制御量をP 、制御量Pに対する変化率の上限をδ 、制御量Pに対する変化率の下限をδ とすれば、n=1,・・・,Nに対して、以下の数18で表される。 The change rate constraint 2000 is a constraint condition indicating a control amount or an operation amount that can change per unit time when the control amount (PV n ) or the operation amount (MV m ) in the system to be controlled is changed. . If the current control amount is P n 0 , the upper limit of the change rate with respect to the control amount P n is δ n u , and the lower limit of the change rate with respect to the control amount P n is δ n l , n = 1, .., N is expressed by the following equation (18).

本実施形態に係るオフライン処理部110の一階述語論理式生成部111は、モデル式1100と上下限制約1200と評価関数1300と変化率制約2000とから一階述語論理式ψを生成する。これにより、変化率制約2000も考慮した一階述語論理式ψが生成される。そして、限定記号消去部112は、限定記号消去法により、変化率制約2000も考慮した一階述語論理式ψから関係論理式1400を生成する。 The first-order predicate logical expression generation unit 111 of the offline processing unit 110 according to the present embodiment generates a first-order predicate logical expression ψ from the model expression 1100, the upper and lower limit constraints 1200, the evaluation function 1300, and the change rate constraint 2000. As a result, the first-order predicate logical expression ψ in consideration of the change rate constraint 2000 is generated. Then, the quantifier elimination unit 112 generates a relational logical expression 1400 from the first-order predicate logical expression ψ in consideration of the change rate constraint 2000 by the quantifier elimination method.

<関係論理式の生成処理>
以降では、変化率制約2000も考慮した一階述語論理式ψから関係論理式1400を生成する処理について、図18を参照しながら説明する。図18は、第四の実施形態に係る関係論理式1400の生成処理の一例を示すフローチャートである。なお、図18に示す処理は、例えば、最適操作量の算出処理の前に、オフラインで予め実行される。
<Relational logic generation process>
Hereinafter, a process of generating the relational logical expression 1400 from the first order predicate logical expression ψ in consideration of the change rate constraint 2000 will be described with reference to FIG. FIG. 18 is a flowchart illustrating an example of a generation process of the relational logical expression 1400 according to the fourth embodiment. Note that the process shown in FIG. 18 is executed in advance offline, for example, before the process of calculating the optimum operation amount.

まず、オフライン処理部110の一階述語論理式生成部111は、モデル式1100と上下限制約1200と評価関数1300と変化率制約2000とを入力して、一階述語論理式ψを生成する(ステップS601)。   First, the first-order predicate logical expression generation unit 111 of the offline processing unit 110 inputs the model expression 1100, the upper and lower limit constraints 1200, the evaluation function 1300, and the change rate constraint 2000, and generates a first-order predicate logical expression ψ Step S601).

ここで、一階述語論理式生成部111は、次のようにして一階述語論理式ψを生成する。すなわち、まず、一階述語論理式生成部111は、上下限制約1200を右辺が0になるように整理、つまり、LMV−MV≦0,MV−HMV≦0とすると共に、変化率制約2000を右辺が0となるように整理、つまり、PV −δ −PV≦0、PV−PV −δ ≦0とする。次に、一階述語論理式生成部111は、LMV−MV及びMV−HMVにそれぞれラグランジュ乗数(λ1,λ2)を乗じた式と、PV −δ −PV及びPV−PV −δ にそれぞれラグランジュ乗数(λ3,λ4)を乗じた式とを、評価関数Eに加えることで、以下のラグランジュ関数Lを生成する。 Here, the first order predicate logical expression generation unit 111 generates the first order predicate logical expression ψ as follows. That is, the first-order predicate logical expression generation unit 111 arranges the upper and lower limit constraints 1200 so that the right side becomes 0, that is, LMV m −MV m ≦ 0, MV m −HMV m ≦ 0, and changes The rate constraint 2000 is arranged so that the right side becomes 0, that is, PV n 0 −δ n 1 −PV n ≦ 0 and PV n −PV n 0 −δ n u ≦ 0. Next, the first-order predicate logical expression generation unit 111 multiplies LMV m −MV m and MV m −HMV m by a Lagrange multiplier (λ1 m , λ2 m ), and PV n 0 −δ n l −PV. An expression obtained by multiplying n and PV n −PV n 0 −δ n u by a Lagrangian multiplier (λ 3 n , λ 4 n ) is added to the evaluation function E, thereby generating the following Lagrangian function L.

次に、一階述語論理式生成部111は、m=1,・・・,M、n=1,・・・,Nに対して、最適性条件(KKT条件)を満たすように以下の条件式を生成する。言い換えれば、一階述語論理式生成部111は、制約の数(m=1,・・・,M、n=1,・・・,N)だけ、最適性条件(KKT条件)を満たすように以下の条件式を生成する。 Next, the first-order predicate logical expression generation unit 111 satisfies the following conditions so as to satisfy the optimality condition (KKT condition) for m = 1,..., M, n = 1,. Generate an expression. In other words, the first-order predicate logical expression generation unit 111 satisfies the optimality condition (KKT condition) by the number of constraints (m = 1,..., M, n = 1,..., N). The following conditional expression is generated.

次に、一階述語論理式生成部111は、上記で生成した条件式ψ1,ψ2,ψ3及びψ4を論理積で結合した以下の条件式ψ5と、上記で生成した条件式ψ6,ψ7及びψ8を論理積で結合した以下の条件式ψ9とを生成する。 Next, the first-order predicate logical expression generation unit 111 includes the following conditional expression ψ5 obtained by combining the conditional expressions ψ1 m , ψ2 m , ψ3 m, and ψ4 m generated above with a logical product, and the conditional expression ψ6 generated above. The following conditional expression ψ9 is generated by combining n , ψ7 n, and ψ8 n with a logical product.

そして、一階述語論理式生成部111は、条件式ψ5と条件式ψ9とを論理積で結合した論理式ψ5∧ψ9に対して、ラグランジュ乗数(λ1,λ2,λ3,λ4)に存在記号(∃)を付与して、以下の一階述語論理式ψを生成する。 Then, the first-order predicate logical expression generation unit 111 performs Lagrange multipliers (λ1 m , λ2 m , λ3 n , λ4 n ) for the logical expression ψ5 ∧ ψ9 obtained by combining the conditional expression ψ5 and the conditional expression ψ9 with a logical product. Is given an existence symbol (∃) to generate the following first-order predicate logical expression ψ.

これにより、一階述語論理式生成部111により一階述語論理式ψが生成される。 Thereby, the first order predicate logical expression generation unit 111 generates the first order predicate logical expression ψ.

次に、オフライン処理部110の限定記号消去部112は、限定記号消去法により、一階述語論理式ψから関係論理式1400を生成する(ステップS602)。ここで、関係論理式1400をφと表せば、限定記号消去部112は、限定記号消去法によりラグランジュ乗数を消去することで、以下の関係論理式φを生成する。   Next, the quantifier elimination unit 112 of the offline processing unit 110 generates the relational logical expression 1400 from the first-order predicate logical expression ψ by the quantifier elimination method (step S602). Here, if the relational logical expression 1400 is represented as φ, the quantifier elimination unit 112 generates the following relational logical expression φ by erasing the Lagrange multiplier by the quantifier elimination method.

これにより、変化率制約2000を考慮した一階述語論理式ψから関係論理式φが生成される。 As a result, the relational logical expression φ is generated from the first-order predicate logical expression ψ in consideration of the change rate constraint 2000.

ここで、n=1,・・・,Nに対してPV は制御量の現在値を表す変数であり、領域R(k=1,・・・,K)は分割論理式φRk(SV,・・・,SV,PV ,・・・,PV )が真(True)となる領域を示している。すなわち、上記の関係論理式φは、SV,・・・,SV,PV ,・・・,PV を各軸とする2N次元空間をK個の領域Rk(k=1.・・・,K)に分割している。 Here, for n = 1,..., N, PV n 0 is a variable representing the current value of the controlled variable, and the region R k (k = 1,..., K) is a divided logical expression φ Rk (SV 1 ,..., SV N , PV 1 0 ,..., PV N 0 ) indicates a region where the value is true. That is, the above-described relational logical formula φ is obtained by dividing a 2N-dimensional space with SV 1 ,..., SV N , PV 1 0 ,..., PV N 0 as respective axes into K regions Rk (k = 1. ..., K).

また、操作量決定関数g Rkは、目標値p,・・・,pと制御量の現在値q,・・・,qとが領域Rkの内部にある場合(すなわち、目標値p,・・・,pと制御量の現在値q,・・・,qとが領域Rkに含まれる場合)における最適な操作量を算出する操作量決定関数を表している。この式は、変化率制約を考慮した一階述語論理式ψに対して限定記号消去法を行うことによって決定される。 Also, the operation amount determination function g m Rk is, the target value p 1, ..., if the current value q 1 of p N and the controlled variable, ..., and the q N inside the region Rk (i.e., the target the value p 1, ..., the current value q 1 of p N and the controlled variable, ..., and a q N represents the manipulated variable determining function for calculating the optimum operation amount in the case) included in the region Rk . This equation is determined by performing the quantifier elimination method on the first order predicate logical expression ψ in consideration of the change rate constraint.

このように、関係論理式φは、目標値を表す変数SV,・・・,SVと制御量の現在値を表す変数PV ,・・・,PV とを各軸とする空間を分割する分割論理式φRk(SV,・・・,SV,PV ,・・・,PV )と、目標値p,・・・,pと制御量の現在値q,・・・,qとが領域Rkに含まれる場合における最適な操作量を算出する操作量決定関数g Rk(SV,・・・,SV,PV ,・・・,PV )の論理積の論理和で表される。これにより、限定記号消去部112により関係論理式φが生成される。 Thus, the relationship formulas phi, variable SV 1 representing a target value, ..., variable PV 1 0 representing the current value of the SV N and the controlled variable, ..., a PV N 0 and the axis split logical expression phi Rk dividing the space (SV 1, ···, SV N , PV 1 0, ···, PV N 0) and the target value p 1, ···, p N and the controlled variable of the current An operation amount determining function g m Rk (SV 1 ,..., SV N , PV 1 0 ,... For calculating an optimum operation amount when the values q 1 ,..., Q N are included in the region Rk. ., PV N 0 ) is expressed as a logical sum of logical products. As a result, the relational symbol φ is generated by the quantifier elimination unit 112.

<最適操作量の算出処理>
オンライン処理部120の領域判定部121は、分割論理式に目標値p,・・・,pと、制御量の現在値q,・・・,qとを入力して、分割論理式φRk(p,・・・,p,q,・・・,q)=Trueであるか否かを判定する。なお、オンライン処理部120に入力される目標値1500と現在値2100は、例えば、制御周期毎にその値が異なっていても良い。
<Optimum operation amount calculation processing>
Area determining portion 121 of the line processing unit 120, a target value p 1 to the split logical expression, ..., and p N, control of the current value q 1, ..., and inputs the q N, logically divided It is determined whether or not the expression φ Rk (p 1 ,..., P N , q 1 ,..., Q N ) = True. Note that the target value 1500 and the current value 2100 input to the online processing unit 120 may be different for each control cycle, for example.

オンライン処理部120の領域判定部121において、分割論理式φRk(p,・・・,p,q,・・・,q)=Trueと判定された場合、オンライン処理部120の操作量算出部122は、目標値p,・・・,pと、制御量の現在値q,・・・,qとが含まれる領域Rkに対応する操作量決定関数に目標値p,・・・,pと現在値q,・・・,qとを代入して、最適な操作量s,・・・,sを算出する
これにより、最適操作量の算出処理において、変化率制約2000を考慮した最適な操作量を算出することができる。なお、最適操作量の算出処理については第一の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
When the region determination unit 121 of the online processing unit 120 determines that the divided logical expression φ Rk (p 1 ,..., P N , q 1 ,..., Q N ) = True, the online processing unit 120 control input calculation block 122, the target value p 1, ..., and p N, the current value q 1 of the controlled variable, ..., the target value of the operation amount determination function corresponding to the region Rk containing the a q N p 1, ···, p N and the current value q 1, ···, by substituting the q N, optimal manipulated variable s 1, ···, by which to calculate the s M, optimal manipulated variable In the calculation process, it is possible to calculate the optimum operation amount considering the change rate constraint 2000. The calculation process of the optimum operation amount is the same as that in the first embodiment, and the description thereof is omitted.

なお、変化率制約2000を考慮した結果、最適な操作量で操作対象を操作したとしても1回の操作で制御量が目標値まで達しない場合がある。このような場合、例えば制御周期毎に、最適な操作量の算出と、操作対象への操作とを繰り返すことで、変化率制約2000を満たしたまま、制御量を目標値に到達させることができる。   As a result of considering the change rate constraint 2000, even if the operation target is operated with an optimal operation amount, the control amount may not reach the target value with a single operation. In such a case, for example, by repeating the calculation of the optimum operation amount and the operation on the operation target for each control cycle, the control amount can reach the target value while the change rate constraint 2000 is satisfied. .

[実施例1]
以降では、本実施形態に係る最適制御装置10の実施例1について説明する。実施例1では、制御対象のシステムとして、図19に示すヒートポンプモデルを制御する場合について説明する。図19に示すヒートポンプモデルでは、圧縮機200と、膨張弁300と、凝縮器400と、蒸発器500とが含まれる。圧縮機200の操作量(MV:圧縮機モータ回転率)を大きくすると、凝縮器400の制御量(PV:凝縮温度)が高温になり、蒸発器500の制御量(PV:蒸発温度)が低温になる。一方で、膨張弁300の操作量(MV:膨脹弁開度)を大きくすると、凝縮器400の制御量(PV:凝縮温度)が低温になり、蒸発器500の制御量(PV:蒸発温度)が高温になる。実施例1では、圧縮機200の操作量と、膨張弁300の操作量と、凝縮器400の制御量と、蒸発器500の制御量とは、以下の関係にモデル化されているものとする。
[Example 1]
Hereinafter, Example 1 of the optimum control apparatus 10 according to the present embodiment will be described. In Example 1, the case where the heat pump model shown in FIG. 19 is controlled as a system to be controlled will be described. The heat pump model shown in FIG. 19 includes a compressor 200, an expansion valve 300, a condenser 400, and an evaporator 500. When the operation amount (MV 1 : compressor motor rotation rate) of the compressor 200 is increased, the control amount (PV 1 : condensation temperature) of the condenser 400 becomes high, and the control amount (PV 2 : evaporation temperature) of the evaporator 500 increases. ) Becomes cold. On the other hand, when the operation amount (MV 2 : expansion valve opening) of the expansion valve 300 is increased, the control amount (PV 1 : condensation temperature) of the condenser 400 becomes low, and the control amount (PV 2 : Evaporation temperature) becomes high. In the first embodiment, the operation amount of the compressor 200, the operation amount of the expansion valve 300, the control amount of the condenser 400, and the control amount of the evaporator 500 are modeled in the following relationship. .

このとき、圧縮機200の操作量と膨張弁300の操作量とを調整し、凝縮器400の制御量と蒸発器500の制御量とを目標値(SV及びSV)にする制御を行うものとする。 At this time, the operation amount of the compressor 200 and the operation amount of the expansion valve 300 are adjusted, and the control amount of the condenser 400 and the control amount of the evaporator 500 are controlled to the target values (SV 1 and SV 2 ). Shall.

また、圧縮機200の操作量と膨張弁300の操作量とには、それぞれ、1800≦MV≦3400、500≦MV≦700の上下限制約があり、目標値と制御量との誤差を評価する評価関数Eは以下であるものとする。 Further, the operation amount of the compressor 200 and the operation amount of the expansion valve 300 have upper and lower limit constraints of 1800 ≦ MV 1 ≦ 3400 and 500 ≦ MV 2 ≦ 700, respectively, and an error between the target value and the control amount is determined. The evaluation function E to be evaluated is as follows.

このとき、図4のステップS101において、一階述語論理式生成部111により、以下のラグランジュ関数Lが生成される。 At this time, in step S101 of FIG. 4, the first-order predicate logical expression generation unit 111 generates the following Lagrangian function L.

次に、一階述語論理式生成部111により、最適性条件を満たす条件式ψ1,ψ1,ψ2,ψ2,ψ3,ψ3,ψ4,ψ4が生成される。そして、条件式ψ1,ψ1,ψ2,ψ2,ψ3,ψ3,ψ4,ψ4が論理積で結合されたψ5が生成され、ラグランジュ乗数に存在記号が付与されることで、一階述語論理式ψ:=∃λ1∃λ1∃λ2∃λ2(ψ5)が生成される。 Next, the first-order logic formulas generator 111, optimality satisfies conditional expressions ψ1 1, ψ1 2, ψ2 1 , ψ2 2, ψ3 1, ψ3 2, ψ4 1, ψ4 2 is generated. Then, conditional expressions ψ1 1, ψ1 2, ψ2 1 , ψ2 2, ψ3 1, ψ3 2, ψ4 1, ψ4 2 is generated ψ5 joined by logical, that exist in the Lagrange multiplier symbols are given First-order predicate logical expression ψ: = ∃λ1 1 ∃λ1 2 ∃λ2 1 ∃λ2 2 (ψ5) is generated.

その後、図4のステップS102において、限定記号消去部112により、限定記号消去法によって上記の一階述語論理式ψから関係論理式φが生成される。ここで、実施例1における関係論理式φの分割論理式φRkが表す領域分割を図20に示す。図20では、領域R1〜R7を含む複数の領域に分割された場合を示している。図20に示す各領域に対して、最適な操作量を算出するための操作量決定関数g Rkが決定される。 Thereafter, in step S102 of FIG. 4, the quantifier erasure unit 112 generates the relational logical expression φ from the first-order predicate logical expression ψ by the quantifier elimination method. Here, FIG. 20 shows the area division represented by the division logical expression φRk of the relational logical expression φ in the first embodiment. In FIG. 20, the case where it divided | segmented into the some area | region containing area | region R1-R7 is shown. An operation amount determination function g m Rk for calculating an optimum operation amount is determined for each region shown in FIG.

次に、最適な操作量を決定する場合について説明する。一例として、目標値をp=63、p=0とする。この場合、図6のステップS202において、領域判定部121により、目標値(p,p)は領域R7に含まれると判定される。したがって、操作量算出部122により、以下の式により最適な操作量が算出される。 Next, a case where the optimum operation amount is determined will be described. As an example, the target values are p 1 = 63 and p 2 = 0. In this case, in step S202 of FIG. 6, the region determination unit 121 determines that the target value (p 1 , p 2 ) is included in the region R7. Therefore, the operation amount calculation unit 122 calculates the optimum operation amount using the following equation.

上記の数27に示す操作量決定関数のSV及びSVに対して、目標値(p=63,p=0)を代入することで、以下の最適な操作量s及びsが算出される。 By substituting target values (p 1 = 63, p 2 = 0) for SV 1 and SV 2 of the operation amount determination function shown in the above equation 27, the following optimum operation amounts s 1 and s 2 are obtained. Is calculated.

なお、逆に、操作量MV及びMVがそれぞれ(56950004)/25877及び(45129733)/77631である場合、制御量PV及びPVはそれぞれ63及び0となり、目標値と一致する。 On the other hand, when the manipulated variables MV 1 and MV 2 are (56950004) / 25877 and (45129733) / 77631, respectively, the controlled variables PV 1 and PV 2 are 63 and 0, respectively, which coincide with the target value.

ここで、実施例1において、或る1000個の目標値を用いて、最適制御装置10により最適な制御量(すなわち、最適な操作量)を計算した場合における1000個の目標値SV及びSVをプロットしたプロット結果を図21に示す。また、このときの従来技術との比較例を図22に示す。図21に示すように、これらのプロット結果は、或る特定の領域内に集中していることがわかる。このため、例えば、キャッシュ機構部123を用いた場合、優先度が上位の領域にヒットしやすくなり、高速化が期待できる。また、図22に示す例では、従来技術として内点法を用いた最適化関数(Mathematica)により最適な操作量を算出した場合と、本実施形態に係る最適制御装置10により最適な操作量を算出した場合とを示している。図22に示すように、従来技術では0.022122[sec]であるのに対して、本実施形態に係る最適制御装置10では0.000255[sec]であり、計算時間が約1/87に短縮されていることがわかる。このように、本実施形態に係る最適制御装置10によれば、従来技術と比較して、制御量を目標値に追従させるための最適な操作量を高速に算出することができる。 Here, in the first embodiment, 1000 target values SV 1 and SV in a case where an optimal control amount (that is, an optimal operation amount) is calculated by the optimal control device 10 using a certain 1000 target values. A plot result obtained by plotting 2 is shown in FIG. Further, FIG. 22 shows a comparative example with the prior art at this time. As shown in FIG. 21, it can be seen that these plot results are concentrated in a specific area. For this reason, for example, when the cache mechanism unit 123 is used, it is easy to hit an area with higher priority, and high speed can be expected. Further, in the example shown in FIG. 22, when the optimum operation amount is calculated by the optimization function (Mathematica) using the interior point method as the conventional technique, the optimum operation amount is obtained by the optimum control device 10 according to the present embodiment. The calculated case is shown. As shown in FIG. 22, it is 0.022122 [sec] in the conventional technique, but 0.000255 [sec] in the optimum control apparatus 10 according to this embodiment, and the calculation time is about 1/87. You can see that it has been shortened. As described above, according to the optimal control device 10 according to the present embodiment, the optimal operation amount for causing the control amount to follow the target value can be calculated at a higher speed than in the conventional technique.

なお、本実施形態に係る最適制御装置10がキャッシュ機構部123を有する場合は、0.000203[sec]であり、更に1.26倍高速であった。   In addition, when the optimal control apparatus 10 which concerns on this embodiment has the cache mechanism part 123, it was 0.000203 [sec], and it was 1.26 times faster.

[実施例2]
以降では、本実施形態に係る最適制御装置10の実施例2について説明する。実施例2では、実施例1のヒートポンプモデルの制御量に変化率制約がある場合について説明する。この変化率制約は以下であるものとする。
[Example 2]
Hereinafter, Example 2 of the optimum control apparatus 10 according to the present embodiment will be described. In the second embodiment, a case where there is a change rate constraint on the control amount of the heat pump model of the first embodiment will be described. This change rate constraint is as follows.

この変化率制約は、具体的には、制御量(PV及びPV)が1制御周期で1℃しか変化しないものとした制約条件である。なお、PV 及びPV は、それぞれ制御時点でのPV及びPVの値を表す。 Specifically, the change rate constraint is a constraint condition in which the controlled variables (PV 1 and PV 2 ) change only 1 ° C. in one control cycle. PV 1 0 and PV 2 0 represent the values of PV 1 and PV 2 at the time of control, respectively.

このとき、図4のステップS101において、一階述語論理式生成部111により、以下のラグランジュ関数Lが生成される。   At this time, in step S101 of FIG. 4, the first-order predicate logical expression generation unit 111 generates the following Lagrangian function L.

次に、一階述語論理式生成部111により、最適性条件を満たすように条件式ψ1,ψ1,ψ2,ψ2,ψ3,ψ3,ψ4,ψ4,ψ5,ψ6,ψ6,ψ7,ψ7,ψ8,ψ8,ψ9が生成される。そして、ψ5とψ9とを論理積で結合したψ5∧ψ9に対して、ラグランジュ乗数(λ1,λ1,λ2,λ2,λ3,λ3,λ4,λ4)に存在記号が付与されることで、一階述語論理式ψ:=∃λ1∃λ1∃λ2∃λ2∃λ3∃λ3∃λ4∃λ4(ψ5∧ψ9)が生成される。 Next, the first-order logic formulas generator 111, condition .psi.1 1 so as to satisfy the optimality condition, ψ1 2, ψ2 1, ψ2 2, ψ3 1, ψ3 2, ψ4 1, ψ4 2, ψ5, ψ6 1 , Ψ6 2 , ψ7 1 , ψ7 2 , ψ8 1 , ψ8 2 , ψ9 are generated. Then, for ψ5∧ψ9 obtained by combining ψ5 and ψ9 with a logical product, an existence symbol is present in a Lagrange multiplier (λ1 1 , λ1 2 , λ2 1 , λ2 2 , λ3 1 , λ3 2 , λ4 1 , λ4 2 ). As a result, the first-order predicate logical expression ψ: = ∃λ1 1 ∃λ1 2 ∃λ2 1 ∃λ2 2 ∃λ3 1 ∃λ3 2 ∃λ4 1 ∃λ4 2 (ψ5∧ψ9) is generated.

その後、図4のステップS102において、限定記号消去部112により、限定記号消去法によって上記の一階述語論理式ψから関係論理式φが生成される。これにより、最適な操作量の算出処理において、変化率制約を満たす最適な操作量が算出される。   Thereafter, in step S102 of FIG. 4, the quantifier erasure unit 112 generates the relational logical expression φ from the first-order predicate logical expression ψ by the quantifier elimination method. As a result, the optimum operation amount that satisfies the change rate constraint is calculated in the optimum operation amount calculation process.

ここで、制御周期毎に、最適な操作量の算出処理を繰り返し実行して、制御量を制御した場合の時間変化を図23に示す。図23(a)はPVの時間変化、図23(b)はPVの時間変化、図23(c)はMVの時間変化、図23(d)はMVの時間変化を示している。図23(a)〜図23(d)に示されるように、変化率条件(制御量の変化が1℃以内)を満たしつつ、制御量が目標値に近付くように各時刻での操作量が算出されている。 Here, FIG. 23 shows a temporal change when the control amount is controlled by repeatedly executing the optimum operation amount calculation process for each control cycle. 23 (a) shows the time change of PV 1 , FIG. 23 (b) shows the time change of PV 2 , FIG. 23 (c) shows the time change of MV 1 , and FIG. 23 (d) shows the time change of MV 2. Yes. As shown in FIG. 23A to FIG. 23D, the operation amount at each time is set so that the control amount approaches the target value while satisfying the change rate condition (the change in the control amount is within 1 ° C.). It has been calculated.

また、制御周期t毎に、本実施形態に係る最適制御装置10による最適制御を繰り返し実行した場合に、制御周期t毎に関係論理式φの分割論理式φRkを可視化した場合を図24に示す。図24に示す例では、各制御周期tでの制御量の現在値を観測し、その観測値が代入された分割論理式φRkを可視化した場合を示している。t=1〜t=4では、例えば、領域R1が大きく変化しているのがわかる。一方で、t=5〜t=7では、領域R1が殆ど変化していない。これは、図23(a)及び図23(b)に示されているように、t=5〜t=7では、PV及びPVが目標値p及びpに近付いていくためである。 FIG. 24 shows a case where the divided logical expression φ Rk of the relational logical expression φ is visualized for each control period t when the optimal control by the optimal control apparatus 10 according to the present embodiment is repeatedly executed for each control period t. Show. In the example shown in FIG. 24, the current value of the controlled variable at each control cycle t is observed, and the divided logical expression φRk to which the observed value is substituted is visualized. In t = 1 to t = 4, for example, it can be seen that the region R1 has changed greatly. On the other hand, the region R1 hardly changes at t = 5 to t = 7. This is because, as shown in FIGS. 23A and 23B, when t = 5 to t = 7, PV 1 and PV 2 approach the target values p 1 and p 2. is there.

<まとめ>
以上のように、本実施形態に係る最適制御装置10は、複数の制御量を目標値に追従させる多変数制御において、オフラインで関係論理式を生成した上で、オンラインで当該関係論理式と目標値とから最適な操作量を算出する。これにより、本実施形態に係る最適制御装置10は、例えばエッジデバイス等の計算資源が比較的少ない機器でも多変数制御を行うことができるようになる。
<Summary>
As described above, the optimal control apparatus 10 according to the present embodiment generates a relational logical expression offline in multivariable control in which a plurality of control amounts follow a target value, and then online the relational logical expression and the target The optimum operation amount is calculated from the value. As a result, the optimum control apparatus 10 according to the present embodiment can perform multivariable control even with a device having relatively few calculation resources such as an edge device.

また、本実施形態に係る最適制御装置10は、関係論理式の生成の際に、限定記号消去を用いて関係論理式を生成する。これにより、本実施形態に係る最適制御装置10では、数値誤差の無い正確な最適制御則(すなわち、関係論理式φ)を生成することができる。   Further, the optimum control apparatus 10 according to the present embodiment generates a relational logical expression using quantifier elimination when the relational logical expression is generated. Thereby, in the optimal control apparatus 10 which concerns on this embodiment, the exact optimal control law (namely, relational logic formula (phi)) without a numerical error can be produced | generated.

本発明は、具体的に開示された上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。   The present invention is not limited to the specifically disclosed embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the claims.

10 最適制御装置
100 最適制御処理部
110 オフライン処理部
111 一階述語論理式生成部
112 限定記号消去部
120 オンライン処理部
121 領域判定部
122 操作量算出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Optimal control apparatus 100 Optimal control processing part 110 Offline processing part 111 First-order predicate logical expression generation part 112 Limit symbol elimination part 120 Online processing part 121 Area determination part 122 Operation amount calculation part

Claims (13)

複数の制御量を目標値に追従させる多変数制御に用いられる制御方法であって、
制御対象における操作量を表す変数と前記制御量を表す変数との関係を表すモデル式と、前記操作量を表す変数の上限及び下限を表す上下限制約と、前記目標値と前記制御量との差を評価するための評価関数とが入力されると、前記評価関数が最適性条件を満たすように、前記目標値を表す変数と前記操作量を表す変数とが満たすべき関係を表す関係論理式を予め生成する生成手順と、
前記目標値が入力される度に、該目標値と前記関係論理式とに基づいて、前記複数の制御量を前記目標値に追従させるための前記操作量を算出する算出手順と、
をコンピュータが実行することを特徴とする制御方法。
A control method used for multivariable control in which a plurality of control amounts follow a target value,
A model expression representing the relationship between a variable representing the manipulated variable and the variable representing the controlled variable in the controlled object, upper and lower limit constraints representing the upper and lower limits of the variable representing the manipulated variable, and the target value and the controlled variable When an evaluation function for evaluating the difference is input, a relational logical expression representing a relationship that the variable representing the target value and the variable representing the manipulated variable should satisfy so that the evaluation function satisfies the optimality condition A generation procedure for generating in advance,
A calculation procedure for calculating the operation amount for causing the plurality of control amounts to follow the target value based on the target value and the relational logical formula each time the target value is input;
A control method characterized in that a computer executes.
前記生成手順は、
前記モデル式と、前記上下限制約と、前記評価関数と、ラグランジュ乗数とからラグランジュ関数を生成し、
前記ラグランジュ関数が前記最適性条件を満たす条件式を生成し、
前記条件式のラグランジュ乗数に対して存在記号を付与して一階述語論理式を生成し、前記一階述語論理式に限定記号消去法を適用して、前記目標値を表す変数によって構成される空間を複数の領域に分割する分割論理式と、分割した各領域に対して、最適な前記操作量を計算する操作量決定関数とによって構成される前記関係論理式とを生成する、ことを特徴とする請求項1に記載の制御方法。
The generation procedure is as follows:
A Lagrangian function is generated from the model formula, the upper and lower limit constraints, the evaluation function, and a Lagrange multiplier,
The Lagrangian function generates a conditional expression that satisfies the optimality condition;
A first-order predicate logical expression is generated by assigning an existence symbol to the Lagrange multiplier of the conditional expression, and a quantifier elimination method is applied to the first-order predicate logical expression to be configured by a variable representing the target value. Generating a relational logical expression composed of a division logical expression that divides the space into a plurality of areas and an operation amount determination function that calculates the optimum operation amount for each of the divided areas; The control method according to claim 1.
前記算出手順は、
前記分割論理式によって分割される複数の領域のうち、前記目標値が含まれる領域を探索し、探索された領域に対応する操作量決定関数に前記目標値を代入することで、前記操作量を算出する、ことを特徴とする請求項2に記載の制御方法。
The calculation procedure is as follows:
By searching for a region including the target value among a plurality of regions divided by the division logical formula, and substituting the target value into an operation amount determination function corresponding to the searched region, the manipulated variable is obtained. The control method according to claim 2, wherein the control method is calculated.
前記生成手順は、
前記モデル式と、前記上下限制約と、前記評価関数と、ラグランジュ乗数と、前記制御量の単位時間の変化率制約とからラグランジュ関数を生成し、
前記ラグランジュ関数が前記最適性条件を満たす条件式を生成し、
前記条件式のラグランジュ乗数に対して存在記号を付与して、一階述語論理式を生成し、
前記一階述語論理式に限定記号消去法を適用して、前記目標値を表す変数と前記制御量の現在値を表す変数とによって構成される空間を複数の領域に分割する分割論理式と、分割した各領域に対して、最適な前記操作量を計算する操作量決定関数とによって構成される前記関係論理式を生成し、
前記算出手順は、
前記分割論理式によって分割される複数の領域のうち、前記目標値と前記制御量の現在値とが含まれる領域を探索し、探索された領域に対応する操作量決定関数に前記目標値と前記制御量の現在値とを代入して、前記操作量を算出する、
ことを特徴とする請求項1に記載の制御方法。
The generation procedure is as follows:
A Lagrangian function is generated from the model formula, the upper and lower limit constraints, the evaluation function, a Lagrange multiplier, and a rate-of-change constraint of the control amount per unit time,
The Lagrangian function generates a conditional expression that satisfies the optimality condition;
An existence symbol is assigned to the Lagrange multiplier of the conditional expression to generate a first order predicate logical expression,
Applying a quantifier elimination method to the first-order predicate logical expression, a divided logical expression that divides a space constituted by a variable representing the target value and a variable representing the current value of the controlled variable into a plurality of regions; For each divided area, generate the relational logical expression composed of an operation amount determination function for calculating the optimum operation amount,
The calculation procedure is as follows:
A search is made for a region including the target value and the current value of the control amount among a plurality of regions divided by the division logical expression, and the target value and the control value determination function corresponding to the searched region are searched for. Substituting the current value of the controlled variable to calculate the manipulated variable,
The control method according to claim 1.
前記生成手順は、
前記モデル式と、前記上下限制約と、前記評価関数と、ラグランジュ乗数と、前記操作量の単位時間の変化率制約とからラグランジュ関数を生成し、
前記ラグランジュ関数が前記最適性条件を満たす条件式を生成し、
前記条件式のラグランジュ乗数に対して存在記号を付与して、一階述語論理式を生成し、
前記一階述語論理式に限定記号消去法を適用して、前記目標値を表す変数と前記操作量の現在値を表す変数とによって構成される空間を複数の領域に分割する分割論理式と、分割した各領域に対して、最適な前記操作量を計算する操作量決定関数によって構成される前記関係論理式とを生成し、
前記算出手順は、
前記分割論理式によって分割される複数の領域のうち、前記目標値と前記操作量の現在値とが含まれる領域を探索し、探索された領域に対応する操作量決定関数に前記目標値と
前記操作量の現在値とを代入して、前記操作量を算出する、
ことを特徴とする請求項1に記載の制御方法。
The generation procedure is as follows:
A Lagrangian function is generated from the model formula, the upper and lower limit constraints, the evaluation function, a Lagrange multiplier, and a unit time change rate constraint of the manipulated variable,
The Lagrangian function generates a conditional expression that satisfies the optimality condition;
An existence symbol is assigned to the Lagrange multiplier of the conditional expression to generate a first order predicate logical expression,
Applying a quantifier elimination method to the first order predicate logical expression, a divided logical expression that divides a space constituted by a variable representing the target value and a variable representing the current value of the manipulated variable into a plurality of regions; For each of the divided areas, generate the relational logical expression constituted by an operation amount determination function that calculates the optimum operation amount,
The calculation procedure is as follows:
A search is made for a region including the target value and the current value of the manipulated variable among a plurality of regions divided by the division logical formula, and the target value and the manipulated value determination function corresponding to the searched region are searched for. Substituting the current value of the manipulated variable to calculate the manipulated variable,
The control method according to claim 1.
前記算出手順は、
前記探索する領域の優先度が格納されたキャッシュを参照して、前記優先度に応じて、前記分割論理式によって分割される複数の領域のうち、前記目標値が含まれる領域を探索する、ことを特徴とする請求項3乃至5の何れか一項に記載の制御方法。
The calculation procedure is as follows:
Searching for a region including the target value among a plurality of regions divided by the division logical expression according to the priority by referring to a cache storing the priority of the region to be searched. The control method according to claim 3, wherein:
前記目標値が含まれる領域が探索された場合、該探索された領域の優先度が高くなるように前記キャッシュを更新する更新手順、を前記コンピュータが実行することを特徴とする請求項6に記載の制御方法。   The computer executes an update procedure for updating the cache so that the priority of the searched area becomes higher when an area including the target value is searched. Control method. 前記算出手順により算出された操作量と前記モデル式とを用いて計算された制御量と、前記目標値とから所定の評価値を算出し、該算出した評価値を可視化する可視化手順、を前記コンピュータが実行することを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の制御方法。   A visualization procedure for calculating a predetermined evaluation value from the control amount calculated using the operation amount calculated by the calculation procedure and the model formula, and the target value, and visualizing the calculated evaluation value, The control method according to claim 1, wherein the control method is executed by a computer. 前記関係論理式と、前記モデル式とから最適制御を実施した場合に、偏差が所定の値となる領域に対応する一階述語論理式を生成し、前記偏差が所定の値となる領域に対応する一階述語論理式に限定記号消去法を適用することで、偏差が所定の値となる領域を表す制御可能論理式を生成し、生成した制御能論理式を可視化する可視化手順、を前記コンピュータが実行することを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の制御方法。   When optimal control is performed from the relational logical expression and the model expression, a first-order predicate logical expression corresponding to a region where the deviation becomes a predetermined value is generated, and the region corresponding to the deviation becomes a predetermined value A visualization procedure for generating a controllable logical expression representing a region where the deviation is a predetermined value by applying a quantifier elimination method to the first-order predicate logical expression, and visualizing the generated control ability logical expression; The control method according to claim 1, wherein the control method is executed. 前記算出手順により算出された操作量又は該操作量と前記モデル式とを用いて計算された制御量のいずれか一方を、前記コンピュータと接続される他の装置に出力する出力手順、を前記コンピュータが実行することを特徴とする請求項1乃至9の何れか一項に記載の制御方法。   An output procedure for outputting either the operation amount calculated by the calculation procedure or the control amount calculated using the operation amount and the model formula to another device connected to the computer; The control method according to claim 1, wherein the control method is executed. 前記モデル式は、操作量の実績値と、該操作量の実績値に対応する制御量の実績値とを用いて回帰分析により生成される、ことを特徴とする請求項1乃至10の何れか一項に記載の制御方法。   The said model formula is produced | generated by regression analysis using the actual value of the manipulated variable, and the actual value of the control amount corresponding to the actual value of the manipulated variable. The control method according to one item. 複数の制御量を目標値に追従させる多変数制御を行う制御装置であって、
制御対象における操作量を表す変数と前記制御量を表す変数との関係を表すモデル式と、前記操作量を表す変数の上限及び下限を表す上下限制約と、前記目標値と前記制御量との差を評価するための評価関数とが入力されると、前記評価関数が最適性条件を満たすように、前記目標値を表す変数と前記操作量を表す変数とが満たすべき関係を表す関係論理式を予め生成する生成手段と、
前記目標値が入力される度に、該目標値と前記関係論理式とに基づいて、前記複数の制御量を前記目標値に追従させるための前記操作量を算出する算出手段と、
を有することを特徴とする制御装置。
A control device that performs multi-variable control for causing a plurality of control amounts to follow a target value,
A model expression representing the relationship between a variable representing the manipulated variable and the variable representing the controlled variable in the controlled object, upper and lower limit constraints representing the upper and lower limits of the variable representing the manipulated variable, and the target value and the controlled variable When an evaluation function for evaluating the difference is input, a relational logical expression representing a relationship that the variable representing the target value and the variable representing the manipulated variable should satisfy so that the evaluation function satisfies the optimality condition Generating means for generating in advance;
Calculation means for calculating the operation amount for causing the plurality of control amounts to follow the target value based on the target value and the relational logical formula each time the target value is input;
A control device comprising:
複数の制御量を目標値に追従させる多変数制御を行うコンピュータが、
制御対象における操作量を表す変数と前記制御量を表す変数との関係を表すモデル式と、前記操作量を表す変数の上限及び下限を表す上下限制約と、前記目標値と前記制御量との差を評価するための評価関数とが入力されると、前記評価関数が最適性条件を満たすように、前記目標値を表す変数と前記操作量を表す変数とが満たすべき関係を表す関係論理式を予め生成する生成手順、
前記目標値が入力される度に、該目標値と前記関係論理式とに基づいて、前記複数の制御量を前記目標値に追従させるための前記操作量を算出する算出手順、
を実行することを特徴とするプログラム。
A computer that performs multivariable control that allows multiple control amounts to follow a target value,
A model expression representing the relationship between a variable representing the manipulated variable and the variable representing the controlled variable in the controlled object, upper and lower limit constraints representing the upper and lower limits of the variable representing the manipulated variable, and the target value and the controlled variable When an evaluation function for evaluating the difference is input, a relational logical expression representing a relationship that the variable representing the target value and the variable representing the manipulated variable should satisfy so that the evaluation function satisfies the optimality condition Generation procedure for generating in advance,
A calculation procedure for calculating the operation amount for causing the plurality of control amounts to follow the target value based on the target value and the relational logical expression each time the target value is input.
A program characterized by executing
JP2018036859A 2018-03-01 2018-03-01 Control method, control device and program Active JP7077667B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018036859A JP7077667B2 (en) 2018-03-01 2018-03-01 Control method, control device and program

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018036859A JP7077667B2 (en) 2018-03-01 2018-03-01 Control method, control device and program

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019152998A true JP2019152998A (en) 2019-09-12
JP7077667B2 JP7077667B2 (en) 2022-05-31

Family

ID=67946403

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018036859A Active JP7077667B2 (en) 2018-03-01 2018-03-01 Control method, control device and program

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7077667B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102291948B1 (en) * 2020-07-24 2021-08-24 주식회사 이노룰스 Apparatus and method for detecting conditional expression fault
CN114877506A (en) * 2022-04-29 2022-08-09 美的集团股份有限公司 Operation control method and device for air conditioner and storage medium
CN116498537A (en) * 2023-04-25 2023-07-28 德耐尔能源装备有限公司 Intelligent control method and system for air compressor
JP7392896B1 (en) 2023-08-14 2023-12-06 富士電機株式会社 Control device, control method, and program

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102291948B1 (en) * 2020-07-24 2021-08-24 주식회사 이노룰스 Apparatus and method for detecting conditional expression fault
CN114877506A (en) * 2022-04-29 2022-08-09 美的集团股份有限公司 Operation control method and device for air conditioner and storage medium
CN114877506B (en) * 2022-04-29 2023-03-24 美的集团股份有限公司 Operation control method and device for air conditioner and storage medium
CN116498537A (en) * 2023-04-25 2023-07-28 德耐尔能源装备有限公司 Intelligent control method and system for air compressor
CN116498537B (en) * 2023-04-25 2024-01-02 德耐尔能源装备有限公司 Intelligent control method and system for air compressor
JP7392896B1 (en) 2023-08-14 2023-12-06 富士電機株式会社 Control device, control method, and program

Also Published As

Publication number Publication date
JP7077667B2 (en) 2022-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7077667B2 (en) Control method, control device and program
Kim et al. Machine learning-based surrogate modeling for data-driven optimization: a comparison of subset selection for regression techniques
Le et al. Evolution by adapting surrogates
US8452423B2 (en) Methods and systems for the design and implementation of optimal multivariable model predictive controllers for fast-sampling constrained dynamic systems
JP2004503000A (en) Multivariate matrix process control
US20210241393A1 (en) Production allocation determining apparatus and production allocation determining method
JP5994947B2 (en) Control system design support device, control system design support program, control system design support method, operation change amount calculation device, and control device
WO2015076084A1 (en) Method and controller for controlling operation of machine
Khan Branch-locking AD techniques for nonsmooth composite functions and nonsmooth implicit functions
Lubell-Doughtie et al. Practical distributed classification using the alternating direction method of multipliers algorithm
JP2023106037A (en) Driving assist system, driving assist method, and program
JP2022074880A (en) Device, method and system for parameter optimization
JP7047966B1 (en) Plant response estimator, plant response estimation method, and program
Ye et al. Run‐to‐run optimization of batch processes with self‐optimizing control strategy
Ye et al. Global self-optimizing control with active-set changes: A polynomial chaos approach
Djeumou et al. On-the-fly control of unknown systems: From side information to performance guarantees through reachability
Zhang et al. Adaptive subspace predictive control with time-varying forgetting factor
JP7231102B1 (en) PLANT RESPONSE ESTIMATION DEVICE, PLANT RESPONSE ESTIMATION METHOD, AND PROGRAM
JP7183754B2 (en) Production allocation determination device, production allocation determination system, and production allocation determination method
Stripinis et al. Gendirect: a generalized direct-type algorithmic framework for derivative-free global optimization
Gros Implicit non-convex model predictive control
JPWO2018002967A1 (en) INFORMATION PROCESSING SYSTEM, INFORMATION PROCESSING METHOD, AND PROGRAM
Kuti et al. A hands-on demonstration of control performance optimization using tensor product model transformation and convex hull manipulation
Venini Topology optimization of dynamic systems under uncertain loads: An h∞-norm-based approach
Hackenberg et al. A rapid prototyping approach for smart energy systems based on partial system models

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210215

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20211124

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20211124

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220111

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220419

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220502

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7077667

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150