JP2021135860A - Frequency characteristic estimation device and frequency characteristic estimation method - Google Patents

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Abstract

To provide a frequency characteristic estimation device and a frequency characteristic estimation method that are able to estimate a frequency characteristic of a control object in a short time and at a low cost.SOLUTION: A frequency characteristic estimation device 1 includes: an open loop data acquisition unit 211 that acquires at least one pair of input and output responses obtained by input of a predetermined input signal to a control target; and an arithmetic unit 212 that generates input and output signals for the control target relative to a plurality of sinusoidal signals on the basis of an estimated value generation filter for inputting a prescribed input signal and outputting a sinusoidal signal and on the basis of the control target. Further, the arithmetic unit 212 sets a sinusoidal signal, output from the estimated value generation filter, to a predetermined frequency; generates a first output signal obtained by input of input signals of the input and output responses acquired by the open loop data acquisition unit 211, to the estimated value generation filter; generates a second output signal obtained by input of output signals of the input and output responses to the estimated value generation filter; and generates the input and output signals for the control target on the basis of the first output signal and the second output signal.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、周波数特性推定装置及び周波数特性推定方法に関する。 The present invention relates to a frequency characteristic estimation device and a frequency characteristic estimation method.

制御器の構造パラメータを設定し、性能のよい制御系を設計するためには、制御対象の応答特性を把握することが求められる。特に、安定性、応答特性を向上させるためには、制御対象の周波数特性を把握することが求められる。制御対象の周波数特性は、種々の周波数の信号を制御対象に入力して、その出力信号と入力信号とを計測して推定される。また、制御対象の周波数特性を理解し易くするため、推定された周波数特性からボード線図が作成される(例えば、特許文献1)。 In order to set the structural parameters of the controller and design a control system with good performance, it is necessary to understand the response characteristics of the controlled object. In particular, in order to improve stability and response characteristics, it is necessary to understand the frequency characteristics of the controlled object. The frequency characteristics of the controlled object are estimated by inputting signals of various frequencies to the controlled object and measuring the output signal and the input signal. Further, in order to make it easier to understand the frequency characteristics of the controlled object, a Bode diagram is created from the estimated frequency characteristics (for example, Patent Document 1).

特開2006−10596号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-10596

特許文献1では、閉ループ回路に種々の周波数の正弦波信号を入力して、その出力信号と入力信号との関係から周波数特性を推定し、ボード線図を作成することとしている。 In Patent Document 1, sinusoidal signals of various frequencies are input to a closed loop circuit, frequency characteristics are estimated from the relationship between the output signal and the input signal, and a Bode diagram is created.

精度よく制御対象の周波数特性を推定するためには、種々の周波数の正弦波信号に対する入出力応答の取得実験を要するので、同定に要する時間、コストが増大する。 In order to accurately estimate the frequency characteristics of the controlled object, it is necessary to perform an input / output response acquisition experiment for sinusoidal signals of various frequencies, so that the time and cost required for identification increase.

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、短時間、低コストで制御対象の周波数特性を推定することができる周波数特性推定装置及び周波数特性推定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a frequency characteristic estimation device and a frequency characteristic estimation method capable of estimating the frequency characteristics of a controlled object in a short time and at low cost. ..

上記目的を達成するために、この発明の第1の観点に係る周波数特性推定装置は、
制御対象に所定の入力信号を入力して得られる、少なくとも一組の入出力応答を取得する開ループデータ取得部と、
前記所定の入力信号を入力して正弦波信号を出力する推定値生成フィルタと、前記制御対象とに基づいて、複数の異なる周波数の正弦波信号に対する前記制御対象の入出力信号を生成する演算部と、を備え、
前記演算部は、
前記推定値生成フィルタが出力する正弦波信号を所定の周波数に設定し、
前記開ループデータ取得部で取得された入出力応答の入力信号を、前記推定値生成フィルタに入力して得られる第1出力信号を生成し、
前記開ループデータ取得部で取得された前記制御対象の出力信号を、前記推定値生成フィルタに入力して得られる第2出力信号を生成し、
前記第1出力信号及び前記第2出力信号に基づいて前記制御対象の入出力信号を生成する。
In order to achieve the above object, the frequency characteristic estimation device according to the first aspect of the present invention is
An open-loop data acquisition unit that acquires at least one set of input / output responses obtained by inputting a predetermined input signal to the control target, and
An estimation value generation filter that inputs the predetermined input signal and outputs a sine wave signal, and a calculation unit that generates an input / output signal of the control target for a plurality of sine wave signals of different frequencies based on the control target. And with
The calculation unit
The sine wave signal output by the estimated value generation filter is set to a predetermined frequency, and the frequency is set.
The input signal of the input / output response acquired by the open loop data acquisition unit is input to the estimated value generation filter to generate a first output signal.
The output signal of the control target acquired by the open-loop data acquisition unit is input to the estimated value generation filter to generate a second output signal.
The input / output signal to be controlled is generated based on the first output signal and the second output signal.

また、前記所定の入力信号は、
ステップ入力又はインパルス入力である、
こととしてもよい。
In addition, the predetermined input signal is
Step input or impulse input,
It may be that.

この発明の第2の観点に係る周波数特性推定方法では、
制御対象に所定の入力信号を入力して得られる、少なくとも一組の入出力応答を取得する開ループデータ取得工程と、
前記所定の入力信号を入力して正弦波信号を出力する推定値生成フィルタと、前記制御対象とに基づいて、複数の異なる周波数の正弦波信号に対する前記制御対象の入出力信号を生成するデータ生成工程と、を含み、
前記データ生成工程では、
前記推定値生成フィルタが出力する正弦波信号を所定の周波数に設定し、
前記開ループデータ取得工程で取得された入出力応答の入力信号を、前記推定値生成フィルタに入力して得られる第1出力信号を生成し、
前記開ループデータ取得工程で取得された前記制御対象の出力信号を、前記推定値生成フィルタに入力して得られる第2出力信号を生成し、
前記第1出力信号及び前記第2出力信号に基づいて前記制御対象の入出力信号を生成する。
In the frequency characteristic estimation method according to the second aspect of the present invention,
An open-loop data acquisition process that acquires at least one set of input / output responses obtained by inputting a predetermined input signal to the control target, and
Data generation that generates input / output signals of the control target for a plurality of different frequency sine wave signals based on the estimation value generation filter that inputs the predetermined input signal and outputs the sine wave signal and the control target. Including the process
In the data generation step,
The sine wave signal output by the estimated value generation filter is set to a predetermined frequency, and the frequency is set.
The input signal of the input / output response acquired in the open loop data acquisition step is input to the estimated value generation filter to generate a first output signal.
The output signal of the controlled object acquired in the open-loop data acquisition step is input to the estimated value generation filter to generate a second output signal.
The input / output signal to be controlled is generated based on the first output signal and the second output signal.

また、前記所定の入力信号は、
ステップ入力又はインパルス入力である、
こととしてもよい。
In addition, the predetermined input signal is
Step input or impulse input,
It may be that.

本発明の周波数特性推定装置及び周波数特性推定方法によれば、少なくとも一組の入出力応答に基づいて、複数の周波数応答を生成することができるので、短時間、低コストで制御対象の周波数特性を推定することが可能である。 According to the frequency characteristic estimation device and the frequency characteristic estimation method of the present invention, a plurality of frequency responses can be generated based on at least one set of input / output responses, so that the frequency characteristics to be controlled can be controlled in a short time and at low cost. Can be estimated.

本発明の実施の形態に係る周波数特性推定装置のブロック図である。It is a block diagram of the frequency characteristic estimation apparatus which concerns on embodiment of this invention. 実施の形態に係る周波数特性推定の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of frequency characteristic estimation which concerns on embodiment. 開ループデータの例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of open loop data. 制御対象と推定値生成フィルタとを接続する場合の伝達特性を示す図であり、(A)は、推定値生成フィルタの出力を制御対象に入力する場合のブロック図、(B)は、制御対象の出力を推定値生成フィルタに入力する場合のブロック図である。It is a figure which shows the transmission characteristic when a control object and an estimate value generation filter are connected, (A) is a block diagram when the output of an estimate value generation filter is input to a control object, (B) is a control object. It is a block diagram when the output of is input to the estimation value generation filter. 開ループデータであるステップ応答の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the step response which is open-loop data. 推定された周波数特性の例を示すボード線図である。It is a Bode diagram which shows the example of the estimated frequency characteristic.

以下、図を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る周波数特性推定装置1について説明する。 Hereinafter, the frequency characteristic estimation device 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

周波数特性推定装置1は、例えばコンピュータ装置であり、図1のブロック図に示すように、制御部21、記憶部22、表示部23、入力部24を備える。 The frequency characteristic estimation device 1 is, for example, a computer device, and includes a control unit 21, a storage unit 22, a display unit 23, and an input unit 24, as shown in the block diagram of FIG.

制御部21は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、水晶発振器等から構成されており、周波数特性推定装置1の動作を制御するとともに、外部から取得された制御対象52の入出力応答に基づいて、制御対象52の周波数特性を推定する。制御部21は、制御部21のROM、記憶部22等に記憶されている各種動作プログラム及びデータをRAMに読み込んでCPUを動作させることにより、図1に示す制御部21の各機能を実現させる。これにより、制御部21は、開ループデータ取得部211、演算部212、ボード線図作成部213として動作する。 The control unit 21 is composed of a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a crystal oscillator, and the like, and controls the operation of the frequency characteristic estimation device 1 and acquires it from the outside. The frequency characteristic of the control target 52 is estimated based on the input / output response of the control target 52. The control unit 21 realizes each function of the control unit 21 shown in FIG. 1 by reading various operation programs and data stored in the ROM of the control unit 21, the storage unit 22, etc. into the RAM and operating the CPU. .. As a result, the control unit 21 operates as the open loop data acquisition unit 211, the calculation unit 212, and the board diagram creation unit 213.

開ループデータ取得部211は、図1に示すように、制御対象52を含む制御システム30、外部記憶装置31、ネットワークを介したデータベース32等と入出力インターフェースを介して選択的に接続されて、制御対象52の開ループデータを取得する。取得される開ループデータは、制御対象52に所定の入力信号を入力した場合の、入出力応答データである。制御対象52に入力される所定の入力信号は、ステップ入力、インパルス入力等である。 As shown in FIG. 1, the open-loop data acquisition unit 211 is selectively connected to the control system 30 including the control target 52, the external storage device 31, the database 32 via the network, and the like via the input / output interface. The open loop data of the control target 52 is acquired. The acquired open-loop data is input / output response data when a predetermined input signal is input to the control target 52. The predetermined input signal input to the control target 52 is a step input, an impulse input, or the like.

演算部212は、開ループデータ取得部211で取得された開ループデータ、推定値生成フィルタ51に基づいて、複数の周波数の周波数応答を生成する。推定値生成フィルタ51は、開ループデータで用いられている入力信号を入力して、正弦波信号を出力する特性を有するフィルタである。推定値生成フィルタ51の詳細な構成については後述する。 The calculation unit 212 generates frequency responses of a plurality of frequencies based on the open-loop data acquired by the open-loop data acquisition unit 211 and the estimated value generation filter 51. The estimated value generation filter 51 is a filter having a characteristic of inputting an input signal used in open-loop data and outputting a sine wave signal. The detailed configuration of the estimated value generation filter 51 will be described later.

ボード線図作成部213は、演算部212で生成された周波数応答に基づいて、制御対象52の周波数特性を表すボード線図を作成する。 The Bode diagram creation unit 213 creates a Bode diagram representing the frequency characteristics of the control target 52 based on the frequency response generated by the calculation unit 212.

記憶部22は、ハードディスク、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリであり、開ループデータの入力信号に対応する推定値生成フィルタ51、生成された周波数応答、ボード線図等を記憶する。 The storage unit 22 is a non-volatile memory such as a hard disk or a flash memory, and stores an estimated value generation filter 51 corresponding to an input signal of open loop data, a generated frequency response, a Bode diagram, and the like.

表示部23は、コンピュータ装置である周波数特性推定装置1に備えられた表示用デバイスであり、例えば液晶パネルである。表示部23は、開ループデータ取得部211で取得された開ループデータ、ボード線図作成部213で作成されたボード線図等を表示する。 The display unit 23 is a display device provided in the frequency characteristic estimation device 1 which is a computer device, and is, for example, a liquid crystal panel. The display unit 23 displays the open loop data acquired by the open loop data acquisition unit 211, the board diagram created by the board diagram creation unit 213, and the like.

入力部24は、開ループデータの取得指示、周波数応答を算出するための設定周波数等を入力するための入力デバイスである。入力部24は、周波数特性推定装置1に備えられたキーボード、マウス等である。 The input unit 24 is an input device for inputting an open-loop data acquisition instruction, a set frequency for calculating a frequency response, and the like. The input unit 24 is a keyboard, mouse, or the like provided in the frequency characteristic estimation device 1.

続いて、周波数特性推定装置1を用いた周波数特性推定方法について、図2のフローチャートを参照しつつ、具体的に説明する。本実施の形態では、開ループデータとして予め取得された制御対象52のステップ応答を、外部記憶装置31から取得して、制御対象52の周波特性を推定する場合を例として説明する。 Subsequently, the frequency characteristic estimation method using the frequency characteristic estimation device 1 will be specifically described with reference to the flowchart of FIG. In the present embodiment, a case where the step response of the control object 52 acquired in advance as open loop data is acquired from the external storage device 31 and the frequency characteristic of the control object 52 is estimated will be described as an example.

図2に示すように、開ループデータ取得工程として、制御対象52のステップ応答に係る入出力データを取得する(ステップS11)。本ステップS11で取得される開ループデータは、図3に示すように、実際の制御対象52にステップ入力である入力U(s)を与え、制御対象52からの出力Y(s)を測定することによって得られる入出力データである。本実施の形態に係るステップ入力は単位ステップ入力である。 As shown in FIG. 2, as an open-loop data acquisition step, input / output data related to the step response of the control target 52 is acquired (step S11). As shown in FIG. 3, the open-loop data acquired in this step S11 gives an input U 0 (s) which is a step input to the actual control target 52, and outputs Y 0 (s) from the control target 52. Input / output data obtained by measurement. The step input according to the present embodiment is a unit step input.

また、本実施の形態に係る開ループデータは、予め実験データとして取得されて外部記憶装置31に記憶されており、開ループデータ取得部211は、外部記憶装置31と接続されて開ループデータを読み込むことにより、開ループデータを取得する。 Further, the open loop data according to the present embodiment is acquired in advance as experimental data and stored in the external storage device 31, and the open loop data acquisition unit 211 is connected to the external storage device 31 to store the open loop data. By reading, open loop data is acquired.

続いて、データ生成工程として、ステップS11で取得した開ループデータに基づいて、複数の周波数の正弦波信号に対する制御対象52の入出力データを生成する。 Subsequently, as a data generation step, input / output data of the control target 52 for a sine wave signal having a plurality of frequencies is generated based on the open loop data acquired in step S11.

ここで、データ生成工程における周波数応答の生成方法について説明する。図4(A)に示すように、システム50は、周波数特性を推定する対象である制御対象52と、推定値生成フィルタ51とを含むこととする。推定値生成フィルタ51は、開ループデータの入力信号である所定の入力信号を入力して、正弦波信号を出力する伝達特性を有するフィルタとして定義される。 Here, a method of generating a frequency response in the data generation step will be described. As shown in FIG. 4A, the system 50 includes a control target 52, which is a target for estimating frequency characteristics, and an estimated value generation filter 51. The estimated value generation filter 51 is defined as a filter having a transmission characteristic of inputting a predetermined input signal which is an input signal of open loop data and outputting a sine wave signal.

本実施の形態に係る推定値生成フィルタ51は、以下の式に示すように、単位ステップ信号を入力して、正弦波信号を出力する伝達特性X(s)を有する。
X(s)=ωs/(s+ω) ・・・(1)
As shown in the following equation, the estimated value generation filter 51 according to the present embodiment has a transmission characteristic X (s) of inputting a unit step signal and outputting a sine wave signal.
X (s) = ωs / (s 2 + ω 2 ) ・ ・ ・ (1)

図4(A)は、推定値生成フィルタ51の出力側に制御対象52を接続したシステム50のブロック線図であり、図4(B)は、推定値生成フィルタ51の入力側に制御対象52を接続したシステム50’のブロック線図である。上記の2つのブロック線図に係る全体の伝達特性は、等価であるので、同じ信号の入力に対して、同じ信号を出力する。 FIG. 4A is a block diagram of the system 50 in which the control target 52 is connected to the output side of the estimated value generation filter 51, and FIG. 4B is a control target 52 connected to the input side of the estimated value generation filter 51. It is a block diagram of the system 50'to which the above is connected. Since the overall transmission characteristics of the above two block diagrams are equivalent, the same signal is output for the same signal input.

データ生成工程で、生成したい周波数応答は、図4(A)に示す制御対象52の入力U(s)と出力Y(s)との関係である。すなわち、入力U(s)として種々の周波数の正弦波信号を与え、これらに対する出力Y(s)を生成することにより、制御対象52の周波数応答を生成する。 The frequency response to be generated in the data generation step is the relationship between the input U (s) and the output Y (s) of the control target 52 shown in FIG. 4 (A). That is, the frequency response of the controlled object 52 is generated by giving sinusoidal signals of various frequencies as the input U (s) and generating the output Y (s) for them.

具体的には、推定値生成フィルタ51の伝達特性は式(1)のとおりであるので、推定値生成フィルタ51の周波数特性パラメータωを調整することにより、単位ステップ入力である入力U(s)から種々の周波数の正弦波信号を生成し、制御対象52へ入力することができる。 Specifically, since the transmission characteristics of the estimated value generation filter 51 are as shown in Equation (1), the input U 0 (s), which is a unit step input, is adjusted by adjusting the frequency characteristic parameter ω of the estimated value generation filter 51. ), Sine wave signals of various frequencies can be generated and input to the control target 52.

また、図4(A)のシステム50と図4(B)のシステム50’との伝達特性は等価であるので、図4(A)の推定値生成フィルタ51の伝達特性と図4(B)の推定値生成フィルタ51の伝達特性とが等価であれば、等価な入力U(s)に対するシステム50、50’の出力Y(s)は等価となる。 Further, since the transmission characteristics of the system 50 of FIG. 4 (A) and the system 50'of FIG. 4 (B) are equivalent, the transmission characteristics of the estimated value generation filter 51 of FIG. 4 (A) and FIG. 4 (B) If the transmission characteristics of the estimated value generation filter 51 are equivalent, the outputs Y (s) of the systems 50 and 50'for the equivalent inputs U 0 (s) are equivalent.

図4(B)のシステム50’における制御対象52の入出力関係は、ステップS11で取得された開ループデータと置き換えることができるので、周波数特性パラメータωを所定の周波数に設定した推定値生成フィルタ51へ、取得された開ループデータの出力Y(s)を入力することにより、オフラインで出力Y(s)を算出することができる。 Since the input / output relationship of the control target 52 in the system 50'in FIG. 4B can be replaced with the open loop data acquired in step S11, an estimated value generation filter in which the frequency characteristic parameter ω is set to a predetermined frequency. By inputting the output Y 0 (s) of the acquired open loop data to 51, the output Y (s) can be calculated offline.

算出された出力Y(s)は、上述したように図4(A)のシステム50の出力Y(s)と等価であるので、推定値生成フィルタ51の出力として算出可能なU(s)と、算出されたY(s)との関係から制御対象52の入出力データ、すなわち周波数応答を得ることができる。以上のように、実験データとして取得された開ループデータと、推定値生成フィルタ51の特性とに基づいて、種々の周波数における制御対象52の周波数応答をオフラインの周波数特性推定装置1で生成し、制御対象52の周波数特性を推定することができる。 Since the calculated output Y (s) is equivalent to the output Y (s) of the system 50 of FIG. 4 (A) as described above, the calculated output Y (s) is the U (s) that can be calculated as the output of the estimated value generation filter 51. , The input / output data of the control target 52, that is, the frequency response can be obtained from the calculated relationship with Y (s). As described above, based on the open loop data acquired as experimental data and the characteristics of the estimated value generation filter 51, the frequency response of the controlled object 52 at various frequencies is generated by the offline frequency characteristic estimation device 1. The frequency characteristics of the controlled object 52 can be estimated.

図2のフローチャートに戻り、データ生成工程では、まず、推定値生成フィルタ51の伝達特性を決定する(ステップS12)。推定値生成フィルタ51は、単位ステップ入力から正弦波信号を出力するものであり、式(1)の伝達特性を有する。 Returning to the flowchart of FIG. 2, in the data generation step, first, the transmission characteristic of the estimated value generation filter 51 is determined (step S12). The estimated value generation filter 51 outputs a sine wave signal from the unit step input, and has the transmission characteristic of the equation (1).

式(1)及び図4(A)に示されるように、推定値生成フィルタ51は、開ループデータにおける所定の入力信号(単位ステップ信号)をキャンセルし、正弦波信号を生成する伝達特性を有する。予め所定の入力信号が設定されていない場合、開ループデータ取得部211で取得された開ループデータの入力信号に対応する推定値生成フィルタ51として、記憶部22に記憶されている推定値生成フィルタ51を、演算部212が読み込んで使用することとすればよい。 As shown in the equation (1) and FIG. 4 (A), the estimated value generation filter 51 has a transmission characteristic of canceling a predetermined input signal (unit step signal) in the open loop data and generating a sinusoidal signal. .. When a predetermined input signal is not set in advance, the estimated value generation filter stored in the storage unit 22 is used as the estimated value generation filter 51 corresponding to the input signal of the open loop data acquired by the open loop data acquisition unit 211. 51 may be read and used by the calculation unit 212.

例えば、開ループデータ取得部211で取得された開ループデータの入力信号が、単位インパルス信号であった場合、演算部212は、予め記憶部22に記憶されている、インパルス入力に対応する推定値生成フィルタ51を読み込んで用いる。この場合の推定値生成フィルタ51の伝達特性は、X(s)=ω/(s+ω)である。 For example, when the input signal of the open loop data acquired by the open loop data acquisition unit 211 is a unit impulse signal, the calculation unit 212 stores an estimated value corresponding to the impulse input stored in the storage unit 22 in advance. The generation filter 51 is read and used. The transmission characteristic of the estimated value generation filter 51 in this case is X (s) = ω / (s 2 + ω 2 ).

続いてステップS13として、推定値生成フィルタ51の周波数特性を設定する。具体的には、推定値生成フィルタ51から出力される正弦波の周波数を決定する式(1)の周波数特性パラメータωを所定の値、例えば0.01rad/secに設定する。 Subsequently, in step S13, the frequency characteristics of the estimated value generation filter 51 are set. Specifically, the frequency characteristic parameter ω of the equation (1) for determining the frequency of the sine wave output from the estimated value generation filter 51 is set to a predetermined value, for example, 0.01 rad / sec.

周波数特性パラメータωを設定した推定値生成フィルタ51に、ステップS11で取得された開ループデータの入力U(s)を入力して、第1出力信号^U(s)を生成する(ステップS14)。推定値生成フィルタ51の伝達特性は、ステップ入力から正弦波信号を出力するように設定されているので、第1出力信号^U(s)は正弦波信号となる。 The input U 0 (s) of the open loop data acquired in step S11 is input to the estimated value generation filter 51 in which the frequency characteristic parameter ω is set, and the first output signal ^ U (s) is generated (step S14). ). Since the transmission characteristic of the estimated value generation filter 51 is set to output a sine wave signal from the step input, the first output signal ^ U (s) becomes a sine wave signal.

また、周波数特性パラメータωを設定した推定値生成フィルタ51に、ステップS11で取得された開ループデータの出力Y(s)を入力して、第2出力信号^Y(s)を算出する(ステップS15)。 Further, the output Y 0 (s) of the open loop data acquired in step S11 is input to the estimated value generation filter 51 in which the frequency characteristic parameter ω is set, and the second output signal ^ Y (s) is calculated ( Step S15).

図4(A)、(B)に示すように、ステップS14、S15で算出されたシステム50の第1出力信号^U(s)及びシステム50’の第2出力信号^Y(s)は、制御対象52の入力及び出力に相当する。演算部212は、制御対象52の入出力信号に相当する第1出力信号^U(s)と第2出力信号^Y(s)との関係から、周波数応答を生成して、制御対象52のゲイン、位相を算出し、記憶部22に記憶させる(ステップS16)。 As shown in FIGS. 4A and 4B, the first output signal ^ U (s) of the system 50 and the second output signal ^ Y (s) of the system 50'calculated in steps S14 and S15 are It corresponds to the input and output of the control target 52. The calculation unit 212 generates a frequency response from the relationship between the first output signal ^ U (s) and the second output signal ^ Y (s) corresponding to the input / output signals of the control target 52, and generates a frequency response of the control target 52. The gain and phase are calculated and stored in the storage unit 22 (step S16).

以下、制御対象52の周波数応答の生成を繰り返し、制御対象52の周波数特性を把握するために必要となるデータの取得を行う。より具体的には、推定値生成フィルタ51の周波数特性パラメータωが予め設定された上限値、例えば100rad/secに達するまで(ステップS17のNO)、所定の刻み幅、例えばωが10≦ω<10n+1[rad/s](n:整数)の場合、ωを10[rad/s]増加させて(ステップS18)、ステップS14からステップS16を繰り返す。 Hereinafter, the generation of the frequency response of the control target 52 is repeated, and the data necessary for grasping the frequency characteristics of the control target 52 is acquired. More specifically, until the frequency characteristic parameter ω of the estimated value generation filter 51 reaches a preset upper limit value, for example, 100 rad / sec (NO in step S17), a predetermined step size, for example, ω is 10 n ≤ ω. In the case of <10 n + 1 [rad / s] (n: integer), ω is increased by 10 n [rad / s] (step S18), and steps S14 to S16 are repeated.

推定値生成フィルタ51の周波数特性パラメータωが予め設定された上限値、例えば100rad/secに達した場合(ステップS17のYES)、制御対象52の周波数特性を把握するために十分なデータが取得されたものと判断し、周波数応答の生成を終了し、次の処理に進む。 When the frequency characteristic parameter ω of the estimated value generation filter 51 reaches a preset upper limit value, for example, 100 rad / sec (YES in step S17), sufficient data is acquired to grasp the frequency characteristic of the controlled object 52. It is judged that the frequency response has been generated, the generation of the frequency response is finished, and the process proceeds to the next process.

ボード線図作成部213は、各周波数で算出されたゲイン、位相を記憶部22から読み出し、ボード線図を作成する(ステップS19)。また、ボード線図作成部213は、作成したボード線図を表示部23に表示させるととともに、記憶部22に記憶させ、周波数特性推定処理は終了する。 The Bode diagram creation unit 213 reads the gain and phase calculated at each frequency from the storage unit 22 and creates a Bode diagram (step S19). Further, the board diagram creating unit 213 displays the created board diagram on the display unit 23 and stores the created board diagram in the storage unit 22, and the frequency characteristic estimation process is completed.

以上説明したように、本実施の形態に係る周波数特性推定装置及び周波数特性推定方法によれば、一組の入出力応答である開ループデータに基づいて、オフラインの周波数特性推定装置1で種々の周波数における周波数応答を生成し、制御対象52の周波数特性を推定することができるので、短時間、低コストで制御対象52の周波数特性を推定することが可能である。 As described above, according to the frequency characteristic estimation device and the frequency characteristic estimation method according to the present embodiment, the offline frequency characteristic estimation device 1 has various characteristics based on the open loop data which is a set of input / output responses. Since the frequency response at the frequency can be generated and the frequency characteristic of the control target 52 can be estimated, the frequency characteristic of the control target 52 can be estimated in a short time and at low cost.

また、本実施の形態に係る周波数特性推定方法は、一組の入出力応答に基づいて、数値計算によって、種々の周波数応答を生成して周波数特性を推定するので、制御対象52の伝達特性、すなわち伝達関数の次数等が不明な場合でも、容易にボード線図を作成し、周波数特性を推定することが可能である。 Further, in the frequency characteristic estimation method according to the present embodiment, various frequency responses are generated by numerical calculation based on a set of input / output responses to estimate the frequency characteristics. Therefore, the transfer characteristics of the control target 52, That is, even if the order of the transfer function is unknown, it is possible to easily create a Bode diagram and estimate the frequency characteristics.

本実施の形態では、開ループデータは、一組の入出力応答であることとしたが、これに限られず、二組以上の入出力応答に基づいて周波数特性を推定することとしてもよい。この場合、周波数特性推定装置1は、各組の入出力応答に対して制御対象52の周波数特性を推定し、これらを並べて表示部23に表示させてもよい。また、演算部212は、推定された周波数特性の平均値を、制御対象52の周波数特性として推定することとしてもよい。 In the present embodiment, the open-loop data is a set of input / output responses, but the present invention is not limited to this, and the frequency characteristics may be estimated based on two or more sets of input / output responses. In this case, the frequency characteristic estimation device 1 may estimate the frequency characteristics of the control target 52 for each set of input / output responses, and display them side by side on the display unit 23. Further, the calculation unit 212 may estimate the average value of the estimated frequency characteristics as the frequency characteristics of the control target 52.

また、本実施の形態に係る推定値生成フィルタ51の伝達特性は、X(s)=ωs/(s+ω)としたが、これに限られず、周波数応答を生成可能な特性であればよい。例えば、余弦関数を表す伝達特性であるX(s)=s/(s+ω)としてもよい。 Further, the transmission characteristic of the estimated value generation filter 51 according to the present embodiment is set to X (s) = ωs / (s 2 + ω 2 ), but the present invention is not limited to this, and any characteristic that can generate a frequency response is used. good. For example, X (s) = s 2 / (s 2 + ω 2 ), which is a transmission characteristic representing a cosine function, may be set.

以下、本実施の形態に係る周波数特性推定方法を用いて推定を行った場合の数値例について説明する。本例では、制御対象52の伝達特性G(s)を、以下の伝達関数で示される伝達特性として、コンピュータシミュレーションによる推定を行った。 Hereinafter, a numerical example in the case of estimation using the frequency characteristic estimation method according to the present embodiment will be described. In this example, the transfer characteristic G (s) of the control target 52 is estimated by computer simulation as the transfer characteristic represented by the following transfer function.

Figure 2021135860
また、サンプリング周波数Tは0.01秒とした。
Figure 2021135860
The sampling frequency T s was set to 0.01 seconds.

制御対象52に単位ステップ入力U(s)を入力した場合の開ループデータである入力U(t)、出力Y(t)は、図5に示すとおりである。また、本発明の方法により、推定値生成フィルタ51の周波数特性パラメータωを10−2rad/secから10rad/secまで変化させて、生成された周波数応答に基づいて作成したボード線図を図6に示す。図6では、比較のため、コンピュータ上で作成した上記の制御対象52のボード線図も示している。 The input U 0 (t) and the output Y 0 (t), which are open-loop data when the unit step input U 0 (s) is input to the control target 52, are as shown in FIG. Further, the method of the present invention, by changing the frequency characteristic parameter ω estimate generating filter 51 from 10 -2 rad / sec up to 10 2 rad / sec, the Bode diagram created based on the generated frequency response It is shown in FIG. FIG. 6 also shows a Bode diagram of the control target 52 created on a computer for comparison.

図6に示すように、ゲイン特性は30rad/sec以下の範囲、位相特性は20rad/sec以下の範囲でコンピュータシミュレーションの結果とよく一致(ゲイン特性±10dB以下、位相特性±10deg以下)しており、良好な推定結果を得られていることがわかる。 As shown in FIG. 6, the gain characteristic is in the range of 30 rad / sec or less and the phase characteristic is in the range of 20 rad / sec or less, which is in good agreement with the result of the computer simulation (gain characteristic ± 10 dB or less, phase characteristic ± 10 deg or less). It can be seen that good estimation results have been obtained.

本発明によれば、上記の数値例のように、同定しにくいシステム、すなわち、非最小位相系で、2つの共振ピークを持つ振動系であり、相対次数が3であるシステムであっても、容易に周波数特性を推定することが可能である。 According to the present invention, even in a system that is difficult to identify, that is, a non-minimum phase system, an oscillating system having two resonance peaks, and a relative order of 3, as in the above numerical example. It is possible to easily estimate the frequency characteristics.

本発明は、制御対象の構造が不明である制御系の周波数特性推定に好適である。特に、入出力応答の取得に時間を要し、操業データの取得が難しいプロセス系の制御システムに好適である。 The present invention is suitable for estimating the frequency characteristics of a control system whose structure to be controlled is unknown. In particular, it is suitable for process control systems in which it takes time to acquire input / output responses and it is difficult to acquire operation data.

1 周波数特性推定装置、21 制御部、211 開ループデータ取得部、212 演算部、213 ボード線図作成部、22 記憶部、23 表示部、24 入力部、30 制御システム、31 外部記憶装置、32 データベース、50,50’ システム、51 推定値生成フィルタ、52 制御対象 1 Frequency characteristic estimation device, 21 control unit, 211 open loop data acquisition unit, 212 calculation unit, 213 board diagram creation unit, 22 storage unit, 23 display unit, 24 input unit, 30 control system, 31 external storage device, 32 Database, 50, 50'system, 51 estimate generation filter, 52 controlled object

Claims (4)

制御対象に所定の入力信号を入力して得られる、少なくとも一組の入出力応答を取得する開ループデータ取得部と、
前記所定の入力信号を入力して正弦波信号を出力する推定値生成フィルタと、前記制御対象とに基づいて、複数の異なる周波数の正弦波信号に対する前記制御対象の入出力信号を生成する演算部と、を備え、
前記演算部は、
前記推定値生成フィルタが出力する正弦波信号を所定の周波数に設定し、
前記開ループデータ取得部で取得された入出力応答の入力信号を、前記推定値生成フィルタに入力して得られる第1出力信号を生成し、
前記開ループデータ取得部で取得された前記制御対象の出力信号を、前記推定値生成フィルタに入力して得られる第2出力信号を生成し、
前記第1出力信号及び前記第2出力信号に基づいて前記制御対象の入出力信号を生成する、
周波数特性推定装置。
An open-loop data acquisition unit that acquires at least one set of input / output responses obtained by inputting a predetermined input signal to the control target, and
An estimation value generation filter that inputs the predetermined input signal and outputs a sine wave signal, and a calculation unit that generates an input / output signal of the control target for a plurality of sine wave signals of different frequencies based on the control target. And with
The calculation unit
The sine wave signal output by the estimated value generation filter is set to a predetermined frequency, and the frequency is set.
The input signal of the input / output response acquired by the open loop data acquisition unit is input to the estimated value generation filter to generate a first output signal.
The output signal of the control target acquired by the open-loop data acquisition unit is input to the estimated value generation filter to generate a second output signal.
An input / output signal to be controlled is generated based on the first output signal and the second output signal.
Frequency characteristic estimator.
前記所定の入力信号は、
ステップ入力又はインパルス入力である、
請求項1に記載の周波数特性推定装置。
The predetermined input signal is
Step input or impulse input,
The frequency characteristic estimation device according to claim 1.
制御対象に所定の入力信号を入力して得られる、少なくとも一組の入出力応答を取得する開ループデータ取得工程と、
前記所定の入力信号を入力して正弦波信号を出力する推定値生成フィルタと、前記制御対象とに基づいて、複数の異なる周波数の正弦波信号に対する前記制御対象の入出力信号を生成するデータ生成工程と、を含み、
前記データ生成工程では、
前記推定値生成フィルタが出力する正弦波信号を所定の周波数に設定し、
前記開ループデータ取得工程で取得された入出力応答の入力信号を、前記推定値生成フィルタに入力して得られる第1出力信号を生成し、
前記開ループデータ取得工程で取得された前記制御対象の出力信号を、前記推定値生成フィルタに入力して得られる第2出力信号を生成し、
前記第1出力信号及び前記第2出力信号に基づいて前記制御対象の入出力信号を生成する、
周波数特性推定方法。
An open-loop data acquisition process that acquires at least one set of input / output responses obtained by inputting a predetermined input signal to the control target, and
Data generation that generates input / output signals of the control target for a plurality of different frequency sine wave signals based on the estimation value generation filter that inputs the predetermined input signal and outputs the sine wave signal and the control target. Including the process
In the data generation step,
The sine wave signal output by the estimated value generation filter is set to a predetermined frequency, and the frequency is set.
The input signal of the input / output response acquired in the open loop data acquisition step is input to the estimated value generation filter to generate a first output signal.
The output signal of the controlled object acquired in the open-loop data acquisition step is input to the estimated value generation filter to generate a second output signal.
An input / output signal to be controlled is generated based on the first output signal and the second output signal.
Frequency characteristic estimation method.
前記所定の入力信号は、
ステップ入力又はインパルス入力である、
請求項3に記載の周波数特性推定方法。
The predetermined input signal is
Step input or impulse input,
The frequency characteristic estimation method according to claim 3.
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