JP2021157429A

JP2021157429A - ２自由度制御システムの制御器設定方法

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Publication number: JP2021157429A
Application number: JP2020056399A
Authority: JP
Inventors: 修一矢作; Shuichi Yahagi
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2021-10-07
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: JP7347291B2

Abstract

【課題】迅速に設計した２自由度制御システムの制御の安定性を確保する。【解決手段】フィードバック制御器２０及びフィードフォワード制御器３０によって制御対象を制御する２自由度制御システム１の制御器設定方法は、制御対象を擬似した閉ループ系５０の伝達特性を、閉ループ系５０の制御パラメータを求めるデータ駆動制御に基づいて設定する特性設定ステップと、設定した閉ループ系５０の伝達特性の逆特性に基づいて、フィードフォワード制御器３０を設定する制御器設定ステップと、制御器設定ステップ後に、データ駆動制御に基づいて閉ループ系５０の制御パラメータを逐次調整するパラメータ調整ステップとを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、２自由度制御システムの制御器設定方法に関する。

近年、フィードバッグ制御及びフィードフォワード制御の両方を用いて、制御対象を制御する２自由度制御システムが提案されている。２自由度制御システムで制御対象を制御することで、フィードバック制御のみで制御する場合に比べて、速い応答性を実現可能である。

特開２００８−３１０６５１号公報

上記の２自由度制御システムでは、フィードフォワード制御器を構成するために、制御対象のモデルの同定が必要となる。制御対象のモデルは、例えば関数で規定されるが、関数の係数等を正確に規定するのに工数がかかってしまう。
また、２自由度制御システムにおいては、経年変化により制御対象の変動が発生しうる。この場合、２自由度制御システムの安定性が劣化するおそれがある。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、迅速に設計した２自由度制御システムの制御の安定性を確保することを目的とする。

本発明の第１の態様においては、フィードバック制御器及びフィードフォワード制御器によって制御対象を制御する２自由度制御システムの制御器設定方法であって、前記制御対象を擬似した閉ループ系の伝達特性を、前記閉ループ系の制御パラメータを求めるデータ駆動制御に基づいて設定する特性設定ステップと、設定した前記閉ループ系の伝達特性の逆特性に基づいて、前記フィードフォワード制御器を設定する制御器設定ステップと、前記制御器設定ステップ後に、前記データ駆動制御に基づいて前記閉ループ系の前記制御パラメータを逐次調整するパラメータ調整ステップと、を有する、２自由度制御システムの制御器設定方法を提供する。

また、前記パラメータ調整ステップは、前記閉ループ系の出力である第１出力データを取得するステップと、前記閉ループ系への入力信号を、目標値と参照応答の伝達関数である参照モデルに入力した場合の前記参照モデルの出力である第２出力データを取得するステップと、前記第１出力データと前記第２出力データの誤差である評価関数に基づいて、前記閉ループ系の前記制御パラメータを調整するステップと、を有することとしてもよい。

また、前記パラメータ調整ステップにおいて、前記２自由度制御システムの応答が所定値よりも低下した場合に、前記閉ループ系の前記制御パラメータを逐次調整することとしてもよい。

また、前記パラメータ調整ステップにおいて、検出装置が前記制御対象の変更を検出した場合に、前記閉ループ系の前記制御パラメータを逐次調整することとしてもよい。

本発明によれば、迅速に設計した２自由度制御システムの制御の安定性を確保できるという効果を奏する。

比較例に係る２自由度制御システム１００の概要を説明するための模式図である。本発明の一の実施形態に係る２自由度制御システム１の構成を説明するための模式図である。ＦＲＩＴを適用した制御システム２００を説明するための模式図である。フィードフォワード制御器３０の設定の流れを説明するためのフローチャートである。閉ループ系５０の制御パラメータの自動調整の流れを説明するためのフローチャートである。

＜２自由度制御システムの構成＞
２自由度制御システムは、フィードバック制御とフィードフォワード制御の両方を用いて制御対象を制御するための制御システムであり、通常のフィードバック制御にフィードフォワード制御を組み合わせることで、安定性と速応性の両立を実現している。

以下では、本発明に係る２自由度制御システムの構成を説明する前に、比較例に係る２自由度制御システムの構成について、図１を参照しながら説明する。

図１は、比較例に係る２自由度制御システム１００の概要を説明するための模式図である。比較例に係る２自由度制御システム１００においては、フィードバック制御器１２０のフィードバック指令と、フィードフォワード制御器１３０のフィードフォワード指令とが、加算器１４０で加算されて、制御対象１５０への指令となる。

ここで、制御対象１５０の伝達関数がＰであり、フィードバック制御器１２０の伝達関数がＫであるものとする。一方で、フィードフォワード制御器１３０の伝達関数は、制御対象１５０のモデルの伝達関数Ｐ^−１を用いて設定できる。この際、伝達関数Ｐ^−１のみでは微分が発生してしまうので、参照モデル１１０の伝達関数Ｍを組み合わせて設定される。すなわち、フィードフォワード制御器１３０の伝達関数は、Ｐ^−１Ｍとなる。なお、参照モデル１１０の伝達関数Ｍは、例えば目標値と制御対象応答の伝達関数である。

ところで、比較例の２自由度制御システム１００においては、フィードフォワード制御器１３０を構成するために、制御対象１５０のモデルの同定が必要となる。制御対象１５０のモデルは、例えば関数で規定されるが、関数の係数等を正確に規定するのに工数がかかってしまう。また、必ずしも制御対象１５０のモデルを正確に規定できない。

これに対して、以下に説明する本発明に係る２自由度制御システムにおいては、フィードフォワード制御器１３０を構成するための制御対象１５０のモデルが不要であり、フィードフォワード制御器１３０を直ぐに設計することが可能となる。

図２は、本発明の一の実施形態に係る２自由度制御システム１の構成を説明するための模式図である。２自由度制御システム１は、例えば制御対象として、トラック等の車両に搭載された構成要素を制御するシステムである。制御対象としては、例えば車両のトランスミッションの回転制御であるが、これに限定されず、エンジンの回転制御やモータの回転制御であってもよい。以下では、制御対象が、関数等で同定されていないものとする。

２自由度制御システム１は、比較例と同様に、参照モデル１０、フィードバック制御器２０及びフィードフォワード制御器３０を有する。参照モデル１０、フィードバック制御器２０及びフィードフォワード制御器３０は、図１の参照モデル１１０、フィードバック制御器１２０及びフィードフォワード制御器１３０と同様の機能を有するので、詳細な説明は省略する。一方で、２自由度制御システム１は、制御対象を擬似した仮想制御対象である閉ループ系５０を有する。

閉ループ系５０は、閉ループ系５０の伝達特性が制御対象と擬制できるように、設けられている。閉ループ系５０の伝達特性は、例えば２自由度制御システム１の設計者によって指定される。閉ループ系５０の伝達特性は、本実施形態では、閉ループ系５０の制御パラメータを求めるデータ駆動制御に基づいて設定される。データ駆動制御として、ここではＦＲＩＴ（Fictitious Reference Iterative Tuning）が利用される。ただし、これに限定されず、データ駆動制御として、例えばＶＲＦＴ（Virtual Reference Feedback Tuning）を利用してもよい。

ＦＲＩＴは、通常、制御システムにおける制御器の制御パラメータを調整するのに利用される。具体的には、ＦＲＩＴは、一組の入出力データと参照モデルから、閉ループ系の制御器の制御パラメータを自動調整する。

図３は、ＦＲＩＴを適用した制御システム２００を説明するための模式図である。
制御システム２００は、図３に示すように、制御器２０２と、制御対象２０４と、参照モデル２０６とを有する。

制御器２０２は、ここでは、制御パラメータθを引数とする関数Ｃ（θ）で表現される。制御対象２０４には、制御器２０２の出力である入力ｕが入力される。また、制御対象２０４の出力は、ここでは出力ｙであり、制御器２０２への入力にフィードバックされる。参照モデル２０６は、目標値と参照応答の伝達関数であり、制御対象２０４に入力する入力信号が入力される。制御システム２００においては、制御対象２０４の出力ｙと、参照モデル２０６の出力とを一致させることが目的である。

ところで、制御システム２００の応答（すなわち、制御対象２０４の出力ｙ）と、参照モデル２０６及び入力信号から得られる目標応答（すなわち、参照モデル２０６の出力）との誤差が、評価関数として定義される。この場合、制御パラメータθは、評価関数において、制御対象２０４の出力ｙと参照モデル２０６の出力との２乗誤差を最小化するものを意味し、制御器２０２の最適なパラメータである。

図２に戻り、２自由度制御システム１の説明を続ける。制御対象と擬制した閉ループ系５０は、制御器５２と、制御対象５４とを含む。閉ループ系５０は、図３のＦＲＩＴが適用された制御システム２００に対応したものである。具体的には、制御器５２が制御器２０２に相当し、制御対象５４が制御対象２０４に相当する。

閉ループ系５０の伝達特性は、参照モデル２０６の伝達関数に相当し、ここではＭ_ＦＲＩＴである。本実施形態では、設計者が伝達関数Ｍ_ＦＲＩＴを設定することで、制御対象のモデルを使用することなく、制御対象と擬制した閉ループ系５０の伝達特性が定まる。これにより、制御器５２の制御パラメータは、閉ループ系５０の伝達特性がＭ_ＦＲＩＴと同等になるような最適なパラメータに設定される。

定まった閉ループ系５０の伝達特性（Ｍ_ＦＲＩＴ）の逆特性（Ｍ_ＦＲＩＴ ^−１）を用いることで、フィードフォワード制御器３０を設定できる。例えば、フィードフォワード制御器３０と同じ入力信号が入力される、目標値と参照応答の伝達関数を示す参照モデル１０のモデル特性（伝達関数Ｍ）と、閉ループ系５０の伝達特性の逆特性（Ｍ_ＦＲＩＴ ^−１）とを乗算することで、フィードフォワード制御器３０の伝達関数が設定される。すなわち、制御対象のモデルを使用することなく、フィードフォワード制御器３０を設定できる。

ところで、２自由度制御システム１においては、経年変化により制御対象の変動が発生しうる。制御対象が変動すると、２自由度制御システム１の安定性が劣化するおそれがある。そこで、本実施形態の２自由度制御システム１は、システムの安定性を確保するために、制御対象の変動に合わせて制御パラメータを調整するパラメータ調整装置７０（図２）を有する。

パラメータ調整装置７０は、閉ループ系５０の制御パラメータを調整する。本実施形態では、パラメータ調整装置７０は、フィードフォワード制御器３０の設定後に、閉ループ系５０の制御パラメータを調整する。具体的には、パラメータ調整装置７０は、データ駆動制御（例えばＦＲＩＴ）に基づいて、閉ループ系５０の制御パラメータを取得し、取得した制御パラメータに更新する。これにより、閉ループ系５０の制御パラメータを最適な値に自動で調整できる。

また、パラメータ調整装置７０は、予め設定した閉ループ系５０の伝達関数Ｍ_ＦＲＩＴを維持するように、閉ループ系５０の制御パラメータを調整する。これにより、フィードフォワード制御器３０の設定変更が必要無く、この結果、システムの目標値追従性も確保しやすくなる。

パラメータ調整装置７０は、例えば以下の手順（図３の説明を参照）で、閉ループ系５０の制御パラメータを調整する。まず、パラメータ調整装置７０は、閉ループ系５０の出力データ（以下、第１出力データ）を取得する。また、パラメータ調整装置７０は、閉ループ系５０への入力信号を、目標値と参照応答の伝達関数である参照モデル（図３の参照モデル２０６を参照）に入力した場合の参照モデルの出力データ（以下、第２出力データ）を取得する。そして、パラメータ調整装置７０は、第１出力データと第２出力データの誤差である評価関数に基づいて、閉ループ系５０の制御パラメータを調整する。具体的には、パラメータ調整装置７０は、閉ループ系５０の出力と参照モデルの出力との２乗誤差を最小化する制御パラメータを求める。このように求めた制御パラメータは、閉ループ系５０の最適なパラメータとなる。

パラメータ調整装置７０は、所定の調整タイミングになると、閉ループ系５０の制御パラメータを調整する。例えば、パラメータ調整装置７０は、２自由度制御システム１の応答が所定値よりも低下した場合に、閉ループ系５０の制御パラメータを逐次調整する。また、パラメータ調整装置７０は、検出装置が制御対象の変更を検出した場合に、閉ループ系５０の制御パラメータを逐次調整する。これにより、制御対象に変動が生じた場合に、制御パラメータを迅速に調整できる。

＜フィードフォワード制御器の設定の流れ＞
２自由度制御システム１のフィードフォワード制御器３０の設定の流れについて、図４を参照しながら説明する。

図４は、フィードフォワード制御器３０の設定の流れを説明するためのフローチャートである。図４に示す一連の手順は、例えば２自由度制御システム１の設計者によって行われる。

図４のフローチャートは、閉ループ系５０を設定するところから開始される（ステップＳ１０２）。すなわち、２自由度制御システム１の制御対象を擬制した閉ループ系５０が設定される。

次に、閉ループ系５０の伝達特性を、データ駆動制御（例えばＦＲＩＴ）に基づいて設定する（ステップＳ１０４）。例えば、ＦＲＩＴの参照モデルの伝達関数Ｍ_ＦＲＩＴを、閉ループ系５０の伝達特性として設定する。

次に、閉ループ系５０の制御パラメータを求める（ステップＳ１０６）。例えば、ＦＲＩＴの評価関数を用いることで、閉ループ系５０の制御器５２の最適な制御パラメータが求まる。すなわち、閉ループ系５０の特性がＭ_ＦＲＩＴと等しくなる制御パラメータが求まる。

次に、閉ループ系５０の伝達特性を用いて、フィードフォワード制御器３０を設定する（ステップＳ１０８）。具体的には、伝達関数Ｍ_ＦＲＩＴの逆特性（Ｍ_ＦＲＩＴ ^−１）と、参照モデルのモデル特性（伝達関数）とを乗算して、フィードフォワード制御器３０を設定する。

なお、上記では、ステップＳ１０６の手順の後にステップＳ１０８の手順を行うこととしたが、これに限定されない。例えば、ステップＳ１０８の手順の後に、ステップＳ１０６の手順を行ってもよい。

＜制御パラメータの自動調整の流れ＞
フィードフォワード制御器３０の設定後の閉ループ系５０の制御パラメータの自動調整の流れについて、図５を参照しながら説明する。

図５は、閉ループ系５０の制御パラメータの自動調整の流れを説明するためのフローチャートである。図５に示す一連の処理は、パラメータ調整装置７０によって行われる。

まず、パラメータ調整装置７０は、閉ループ系５０の制御パラメータの調整タイミングになったか否かを判定する（ステップＳ１２０）。例えば、パラメータ調整装置７０は、システムの応答が低下した場合に、調整タイミングになったと判定する。

ステップＳ１２０で調整タイミングであると判定した場合には（Ｙｅｓ）、パラメータ調整装置７０は、閉ループ系５０の出力である第１出力データを取得する（ステップＳ１２２）。また、パラメータ調整装置７０は、参照モデルの出力である第２出力データを取得する（ステップＳ１２４）。なお、ステップＳ１２２とＳ１２４の処理は、逆の順番で実施されてもよい。

次に、パラメータ調整装置７０は、第１出力データと第２出力データの誤差である評価関数を求める（ステップＳ１２６）。そして、パラメータ調整装置７０は、評価関数に基づいて、閉ループ系５０の制御パラメータを調整する（ステップＳ１２８）。例えば、パラメータ調整装置７０は、評価関数において、第１出力データと第２出力データとの２乗誤差を最小化するように制御パラメータを調整する。
パラメータ調整装置７０は、その後、上述したステップＳ１２０〜Ｓ１２８の処理を繰り返す。これにより、制御対象の変動が生じるたびに、制御パラメータが自動で調整される。たとえば、逐次最小二乗法の適用等により評価関数が最小になるパラメータを逐次求めることができる。

＜本実施形態における効果＞
上述した実施形態においては、２自由度制御システム１の制御対象を擬似した閉ループ系５０の伝達特性を、閉ループ系５０の制御パラメータを求めるデータ駆動制御（例えばＦＲＩＴ）に基づいて設定する。そして、設定した閉ループ系５０の伝達特性の逆特性（Ｍ_ＦＲＩＴ ^−１）に基づいて、フィードフォワード制御器３０を設定する。さらに、フィードフォワード制御器３０の設定後に、上述したデータ駆動制御を用いて、閉ループ系５０の制御パラメータを逐次調整する。
これにより、フィードフォワード制御器３０を精度良く設定した後に、制御対象の変動があっても、閉ループ系５０の制御パラメータを逐次調整することで、システムの安定性を確保できる。また、設定後のフィードフォワード制御器３０の伝達関数を維持するように制御パラメータを調整するので、システムの目標値追従性も確保しやすくなる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１２自由度制御システム
２０フィードバック制御器
３０フィードフォワード制御器
５０閉ループ系

Claims

フィードバック制御器及びフィードフォワード制御器によって制御対象を制御する２自由度制御システムの制御器設定方法であって、
前記制御対象を擬似した閉ループ系の伝達特性を、前記閉ループ系の制御パラメータを求めるデータ駆動制御に基づいて設定する特性設定ステップと、
設定した前記閉ループ系の伝達特性の逆特性に基づいて、前記フィードフォワード制御器を設定する制御器設定ステップと、
前記制御器設定ステップ後に、前記データ駆動制御に基づいて前記閉ループ系の前記制御パラメータを逐次調整するパラメータ調整ステップと、
を有する、２自由度制御システムの制御器設定方法。
前記パラメータ調整ステップは、
前記閉ループ系の出力である第１出力データを取得するステップと、
前記閉ループ系への入力信号を、目標値と参照応答の伝達関数である参照モデルに入力した場合の前記参照モデルの出力である第２出力データを取得するステップと、
前記第１出力データと前記第２出力データの誤差である評価関数に基づいて、前記閉ループ系の前記制御パラメータを調整するステップと、を有する、
請求項１に記載の２自由度制御システムの制御器設定方法。
前記パラメータ調整ステップにおいて、前記２自由度制御システムの応答が所定値よりも低下した場合に、前記閉ループ系の前記制御パラメータを逐次調整する、
請求項１又は２に記載の２自由度制御システムの制御器設定方法。
前記パラメータ調整ステップにおいて、検出装置が前記制御対象の変更を検出した場合に、前記閉ループ系の前記制御パラメータを逐次調整する、
請求項１又は３に記載の２自由度制御システムの制御器設定方法。