JP2022122018A - Control device designing method and electric inertia control device designing method - Google Patents

Control device designing method and electric inertia control device designing method Download PDF

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JP2022122018A JP2021019061A JP2021019061A JP2022122018A JP 2022122018 A JP2022122018 A JP 2022122018A JP 2021019061 A JP2021019061 A JP 2021019061A JP 2021019061 A JP2021019061 A JP 2021019061A JP 2022122018 A JP2022122018 A JP 2022122018A
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Takashi Yamaguchi
拓矢 木下
Takuya Kinoshita
透 山本
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Hiroshima University NUC
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Abstract

To provide an electric inertia control device designing method which can calculate a plurality of control parameters of an electric inertia control device of a two-degree-of-freedom control system at a low calculation cost.SOLUTION: A dynamo controller 5 being an object to be designed is a two-degree-of-freedom control system comprising a feedback controller 51 and a feed forward controller 52. The designing method comprises the steps of: acquiring an initial controlled variable y0, an initial target value r0, an initial controlled variable deviation e0, and an initial axial torque measured variable T12_0 which are N-component time series data; and determining design values of control parameters (KPe, KIe, KPr) so that a first reference output φ1(t) obtained by inputting a deviation between a response of a reference target response model Gmr(z-1) to the initial target value r0 and the initial controlled variable y0 to the feedback controller 51 and a second reference output φ2(t) obtained by inputting a fictitious exogenous signal T-12(t) to a reference disturbance response model G'md(z-1) get closer to each other.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、制御装置及び電気慣性制御装置の設計方法に関する。より詳しくは、2自由度制御系である制御装置及び電気慣性制御装置の設計方法に関する。 The present invention relates to a control device and a method for designing an electric inertial control device. More specifically, the present invention relates to a design method for a control device and an electric inertia control device, which are two-degree-of-freedom control systems.

エンジンベンチシステムやドライブトレインベンチシステム等のダイナモメータを用いた試験システムでは、エンジンやドライブトレイン等の供試体は、軸体を介してダイナモメータに連結される。このような試験システムでは、実路走行負荷を模擬した負荷試験を行うためのダイナモメータの電気慣性制御装置が数多く提案されている。ここでダイナモメータによって所定の模擬慣性を精度良く実現するためには、各種ゲイン等のフィードバック制御器の制御パラメータの値を適切に設定することが重要となる。 In test systems using dynamometers, such as engine bench systems and drivetrain bench systems, specimens such as engines and drivetrains are connected to the dynamometer via shafts. In such a test system, many electric inertia control devices for dynamometers have been proposed for conducting load tests simulating actual road running loads. Here, in order to achieve a predetermined simulated inertia with high accuracy by the dynamometer, it is important to appropriately set the values of the control parameters of the feedback controller such as various gains.

従来では、制御パラメータの値は、供試体の慣性や軸体の剛性等の試験システムのシステムパラメータの推定結果を用いて、設計者が経験によって調整する場合が多い。しかしながらこのような従来の方法では、制御パラメータの値の調整結果は、設計者の技量やシステムパラメータの推定精度等に依存する。またシステムパラメータの値は、試験システムの経年劣化や環境変化等の要因によって変化する場合があり、またそもそもシステムパラメータの推定試験が設備上困難になる場合もある。このため、所定の模擬慣性を精度良く実現することが困難な場合がある。 Conventionally, the value of the control parameter is often adjusted by the designer based on experience using the results of estimating the system parameters of the test system, such as the inertia of the specimen and the rigidity of the shaft. However, in such a conventional method, the result of adjusting the value of the control parameter depends on the skill of the designer, the estimation accuracy of the system parameter, and the like. In addition, system parameter values may change due to aging deterioration of the test system, environmental changes, and other factors, and in some cases, it may be difficult to perform system parameter estimation tests in terms of equipment. Therefore, it may be difficult to accurately achieve a predetermined simulated inertia.

一方近年では、フィードバック制御器の制御パラメータの値を簡便かつ有効に決定する技術であるFRIT(Fictitious Reference Iterative Tuning)法の応用が進められている。このFRIT法は、閉ループ伝達特性が所望の応答特性になるように、閉ループデータ(より具体的には、操作量や制御量等の時系列データ)から直接制御パラメータの値を算出する技術である(例えば、特許文献1,2参照)。このFRIT法によれば、制御対象の動特性モデルの構造や動特性モデルを特徴付けるシステムパラメータの値の同定を経る必要がないので、設計者の技量やシステムパラメータの推定精度によらず閉ループデータから制御パラメータの値を決定することができる。特に本願出願人による特許文献2には、上述のようなFRIT法を試験システムに適用した例が示されている。 On the other hand, in recent years, application of the FRIT (Fictitious Reference Iterative Tuning) method, which is a technique for simply and effectively determining the values of the control parameters of the feedback controller, has been promoted. The FRIT method is a technique for directly calculating control parameter values from closed-loop data (more specifically, time-series data such as manipulated variables and controlled variables) so that the closed-loop transfer characteristics become the desired response characteristics. (See Patent Documents 1 and 2, for example). According to the FRIT method, there is no need to identify the structure of the dynamic characteristic model of the controlled object or the values of the system parameters that characterize the dynamic characteristic model. Values for control parameters can be determined. In particular, Patent Document 2 by the applicant of the present application shows an example in which the FRIT method as described above is applied to a test system.

特開2015-76024号公報JP 2015-76024 A 特開2019-21079号公報Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2019-21079

ところで特許文献2に示された設計方法は、フィードバック制御器のみを含む1自由度制御系の制御装置を想定している。すなわち過渡応答性を向上するためには、制御装置をフィードバック制御器にフィードフォワード制御器を組み合わせることも考えられるが、特許文献2に示された設計方法は、このような2自由度制御系の制御装置を想定していない。また特許文献2に示された設計方法は、評価関数を最小化するような制御パラメータを遺伝的アルゴリズムによって算出することを想定しており、演算コストが高かった。 By the way, the design method disclosed in Patent Document 2 assumes a control device of a one-degree-of-freedom control system including only a feedback controller. In other words, in order to improve the transient response, it is conceivable to combine a feedback controller with a feedforward controller in the control device, but the design method shown in Patent Document 2 is a two-degree-of-freedom control system. No controller is assumed. Moreover, the design method disclosed in Patent Document 2 is based on the assumption that control parameters that minimize the evaluation function are calculated by a genetic algorithm, and the calculation cost is high.

本発明は、2自由度制御系の制御装置又は電気慣性制御装置の制御パラメータを低い演算コストで算出できる制御装置及び電気慣性制御装置の設計方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a design method for a control device and an electric inertia control device that can calculate the control parameters of the control device or the electric inertia control device of a two-degree-of-freedom control system at a low computation cost.

(1)本発明は、制御対象(例えば、後述の制御対象P)の制御量(例えば、後述のダイナモ角速度ω(t))を所定の目標量(例えば、後述の目標量r(t))に制御する制御装置の設計方法であって、設計対象(例えば、後述のダイナモ制御装置5)は、前記目標量と前記制御量との間の制御量偏差(例えば、後述の制御量偏差e(t))に応じて第1制御入力(例えば、後述のフィードバック入力ufb(t))を出力する第1制御器(例えば、後述のフィードバック制御器51)と、前記制御対象に対する外乱(例えば、後述のスロットル開度指令信号)に応じて変化する測定量(例えば、後述の軸トルク測定量T12(t))に応じて第2制御入力(例えば、後述のフィードフォワード入力uff(t))を出力する第2制御器(例えば、後述のフィードフォワード制御器52)と、を備え、前記第1及び第2制御入力に基づいて前記制御対象に対する制御入力(例えば、後述の制御入力u(t))を出力する。設計方法は、前記第1及び第2制御器に含まれる複数の制御パラメータ(例えば、後述のゲインKPe,KIe,KPr)の値を所定の暫定値に設定した状態で、前記制御量、前記目標量、前記制御量偏差、及び前記測定量のN成分時系列データ(Nは、2以上の整数)である初期制御量(例えば、後述の初期制御量y(t))、初期目標量(例えば、後述の初期目標量r(t))、初期制御量偏差(例えば、後述の初期制御量偏差e(t))、及び初期測定量(例えば、後述の初期軸トルク測定量T12_0(t))を取得する工程(例えば、後述の閉ループデータ取得工程(S1))と、前記初期目標量に対する第1参照応答モデル(例えば、後述の参照目標応答モデルGmr(z-1))の応答と前記初期制御量との間の偏差を前記第1制御器に入力した場合に当該第1制御器から出力されるN成分時系列データである第1参照出力(例えば、後述の第1参照出力φ(t))と、前記初期制御量偏差及び前記初期測定量に対する前記設計対象の応答に基づいて算出される疑似外生信号(例えば、後述の疑似外生信号T 12(t))を第2参照応答モデル(例えば、後述の参照外乱応答モデルG´md(z-1))に入力した場合に当該第2参照応答モデルから出力されるN成分時系列データである第2参照出力(例えば、後述の第2参照出力φ(t))と、が近くなるように前記制御パラメータの設計値を決定する工程(例えば、後述の最適化工程(S5))と、を備えることを特徴とする。 (1) According to the present invention, a control amount (for example, a dynamo angular velocity ω(t) to be described later) of a controlled object (for example, a controlled object P to be described later) is set to a predetermined target amount (for example, a target amount r(t) to be described later). , wherein a design target (for example, a dynamo controller 5 described later) is a control amount deviation between the target amount and the control amount (for example, a control amount deviation e ( t))) that outputs a first control input (for example, a feedback input u fb (t) described later) (for example, a feedback controller 51 described later), and a disturbance to the controlled object (for example, A second control input (for example, a feedforward input u ff (t) to be described later) according to a measured amount (for example, a shaft torque measured amount T 12 (t) to be described later) that changes according to a throttle opening command signal (to be described later) ), and a control input (for example, a control input u ( t)) is output. The design method is a state in which the values of a plurality of control parameters (for example, gains K Pe , K Ie , and K Pr described later) included in the first and second controllers are set to predetermined provisional values, and the control amount , an initial controlled variable (for example, an initial controlled variable y 0 (t) to be described later) that is N-component time-series data (N is an integer of 2 or more) of the target amount, the controlled variable deviation, and the measured amount, an initial A target amount (for example, an initial target amount r 0 (t), which will be described later), an initial control amount deviation (for example, an initial control amount deviation e 0 (t), which will be described later), and an initial measurement amount (for example, an initial shaft torque measurement, which will be described later) A step of obtaining a quantity T 12 — 0 (t)) (for example, a closed-loop data obtaining step (S1) described below), and a first reference response model for the initial target quantity (for example, a reference target response model G mr (z − 1 ))) and the initial control amount is input to the first controller, the first reference output (for example, a first reference output (for example, later described (t)) and a pseudo exogenous signal (for example, a pseudo exogenous signal T ~ 12 (t)) is input to a second reference response model (for example, a reference disturbance response model G′ md (z −1 ) described later), N-component time-series data output from the second reference response model a step (for example, an optimization step (S5) to be described later) of determining a design value of the control parameter so that a certain second reference output (for example, a second reference output φ 2 (t) to be described later) is close to , is provided.

(2)この場合、前記設計方法は、前記制御パラメータを前記暫定値に設定した状態で、前記制御入力のN成分時系列データである初期制御入力(例えば、後述の初期制御入力u(t))を取得する工程(例えば、後述の閉ループデータ取得工程(S1))をさらに備え、前記疑似外生信号は、前記初期制御量偏差に対する前記第1制御器の応答と、前記初期測定量に対する前記第2制御器の応答と、前記初期制御入力と、前記初期測定量とを合成したものによって定義されることが好ましい。 (2) In this case, the design method includes an initial control input (for example, an initial control input u 0 (t )) (for example, a closed-loop data acquisition step (S1) described later), wherein the pseudo exogenous signal is a response of the first controller to the initial control amount deviation and a response to the initial measurement amount It is preferably defined by the combination of the response of the second controller, the initial control input and the initial measured quantity.

(3)この場合、前記設計値は、前記第1参照出力と前記第2参照出力との偏差(例えば、後述の差信号φ(t))のN成分二乗和である評価関数(例えば、後述の評価関数J)を最小化するように決定されることが好ましい。 (3) In this case, the design value is an evaluation function (for example, is preferably determined to minimize the evaluation function J) of .

(4)この場合、前記制御対象は、前記外乱に応じたトルク(例えば、後述のエンジントルクT(t))が発生する第1慣性体(例えば、後述のエンジン10)と、前記制御入力に応じたトルク(例えば、後述のダイナモトルクT(t))が発生する第2慣性体(例えば、後述のダイナモメータ11)と、前記第1及び第2慣性体を連結する軸体(例えば、後述の連結軸12)と、を備える多慣性系であることが好ましい。 (4) In this case, the controlled object includes a first inertial body (for example, the engine 10, which will be described later) that generates a torque (for example, an engine torque T 1 (t), which will be described later) according to the disturbance, and the control input a second inertia body (for example, a dynamometer 11, which will be described later) that generates a torque (for example, a dynamo torque T 2 (t), which will be described later) according to , and a connecting shaft 12) described later.

(5)本発明は、外乱(例えば、後述のスロットル開度指令信号)に応じたトルク(例えば、後述のエンジントルクT(t))が発生する第1慣性体(例えば、後述のエンジン10)と、制御入力(例えば、後述の制御入力u(t))に応じたトルク(例えば、後述のダイナモトルクT(t))が発生する第2慣性体(例えば、後述のダイナモメータ11)と、前記第1慣性体と前記第2慣性体とを連結する軸体(例えば、後述の連結軸12)と、前記第2慣性体の速度を制御量(例えば、後述のダイナモ角速度ω(t))として出力する速度検出器(例えば、後述のエンコーダ31)と、前記軸体における軸トルクを測定量(例えば、後述の軸トルク測定量T12(t))として出力する軸トルク検出器(例えば、後述の軸トルク制御器30)と、を備える多慣性系を制御対象(例えば、後述の制御対象P)とし、前記制御量及び前記測定量に基づいて前記外乱に対する前記第2慣性体の挙動が所定の設定慣性(例えば、後述の設定慣性Jset)を有する模擬慣性体の挙動となるように前記制御入力を出力する電気慣性制御装置の設計方法であって、設計対象(例えば、後述のダイナモ制御装置5)は、前記測定量及び前記設定慣性に基づいて前記制御量に対する目標量(例えば、後述の目標量r(t))を算出する目標量算出部(例えば、後述の目標量算出部50)と、前記目標量と前記制御量との間の制御量偏差(例えば、後述の制御量偏差e(t))に応じて第1制御入力(例えば、後述のフィードバック入力ufb(t))を出力する第1制御器(例えば、後述のフィードバック制御器51)と、前記測定量に応じて第2制御入力(例えば、後述のフィードフォワード入力uff(t))を出力する第2制御器(例えば、後述のフィードフォワード制御器52)と、前記第1及び第2制御入力を合成することにより前記制御入力を決定する合成部(例えば、後述の合成部53)と、を備える。前記設計方法は、前記第1及び第2制御器に含まれる複数の制御パラメータ(例えば、後述のゲインKPe,KIe,KPr)の値を所定の暫定値に設定した状態で、前記制御量、前記目標量、前記制御量偏差、及び前記測定量のN成分時系列データ(Nは、2以上の整数)である初期制御量(例えば、後述の初期制御量y(t))、初期目標量(例えば、後述の初期目標量r(t))、初期制御量偏差(例えば、後述の初期制御量偏差e(t))、及び初期測定量(例えば、後述の初期軸トルク測定量T12_0(t))を取得する工程(例えば、後述の閉ループデータ取得工程(S1))と、前記初期目標量に対する第1参照応答モデル(例えば、後述の参照目標応答モデルGmr(z-1))の応答と前記初期制御量との間の偏差を前記第1制御器に入力した場合に当該第1制御器から出力されるN成分時系列データである第1参照出力(例えば、後述の第1参照出力φ(t))と、前記初期制御量偏差及び前記初期測定量に対する前記設計対象の応答に基づいて算出される疑似外生信号(例えば、後述の疑似外生信号T 12(t))を第2参照応答モデル(例えば、後述の参照外乱応答モデルG´md(z-1))に入力した場合に当該第2参照応答モデルから出力されるN成分時系列データである第2参照出力(例えば、後述の第2参照出力φ(t))と、が近くなるように前記制御パラメータの設計値を決定する工程(例えば、後述の最適化工程(S5))と、を備えることを特徴とする。 (5) The present invention provides a first inertial body (for example, an engine 10 to be described later) that generates a torque (for example, an engine torque T 1 (t) to be described later) according to a disturbance (for example, a throttle opening command signal to be described later). ) and a second inertia body (for example, a dynamometer 11 to be described later) that generates a torque (for example, a dynamo torque T 2 (t) to be described later) corresponding to a control input (for example, a control input u(t) to be described later). , a shaft (for example, a connecting shaft 12 described later) that connects the first inertial body and the second inertial body, and a control amount (for example, a dynamo angular velocity ω(t )), and a shaft torque detector (for example, an encoder 31 to be described later) that outputs the shaft torque of the shaft as a measurement amount (for example, a shaft torque measurement amount T 12 (t) to be described later). For example, a multi-inertia system comprising a shaft torque controller 30 described later) is set as a controlled object (for example, a controlled object P described later), and the second inertial body with respect to the disturbance based on the controlled amount and the measured amount A method for designing an electric inertia control device that outputs the control input so that the behavior becomes a behavior of a simulated inertial body having a predetermined set inertia (for example, set inertia J set described later), The dynamo control device 5) includes a target quantity calculation unit (for example, a target quantity calculator 50), and a first control input (for example, feedback input u fb ( t))), and a second control input (for example, a feedforward input u ff (t) described later) according to the measured quantity. 2 controllers (for example, a feedforward controller 52 to be described later) and a synthesizing unit (for example, a synthesizing unit 53 to be described later) that determines the control input by synthesizing the first and second control inputs. . In the design method , the control an initial controlled variable (for example, an initial controlled variable y 0 (t) described later) that is N-component time-series data (N is an integer of 2 or more) of the amount, the target amount, the controlled variable deviation, and the measured amount; Initial target amount (for example, initial target amount r 0 (t) described later), initial controlled variable deviation (for example, initial controlled variable deviation e 0 (t) described later), and initial measured amount (for example, initial shaft torque described later) A step of obtaining a measured quantity T 12 — 0 (t)) (for example, a closed-loop data obtaining step (S1) described later), and a first reference response model for the initial target quantity (for example, a reference target response model G mr (z −1 ))) and the initial control amount is input to the first controller, the first reference output (for example, A first reference output φ 1 (t), which will be described later, and a pseudo exogenous signal (for example, a pseudo exogenous signal T ~ 12 (t)) is input to a second reference response model (for example, a reference disturbance response model G′ md (z −1 ) described later), N-component time-series data output from the second reference response model A step of determining the design value of the control parameter so that the second reference output (for example, a second reference output φ 2 (t) to be described later) is close to (for example, an optimization step (S5) to be described later) and.

(6)この場合、前記設計方法は、前記制御パラメータを前記暫定値に設定した状態で、前記制御入力のN成分時系列データである初期制御入力(例えば、後述の初期制御入力u(t))を取得する工程(例えば、後述の閉ループデータ取得工程(S1))をさらに備え、前記疑似外生信号は、前記初期制御量偏差に対する前記第1制御器の応答と、前記初期測定量に対する前記第2制御器の応答と、前記初期制御入力と、前記初期測定量とを合成したものによって定義されることが好ましい。 (6) In this case, the design method includes an initial control input (for example, an initial control input u 0 (t )) (for example, a closed-loop data acquisition step (S1) described later), wherein the pseudo exogenous signal is a response of the first controller to the initial control amount deviation and a response to the initial measurement amount It is preferably defined by the combination of the response of the second controller, the initial control input and the initial measured quantity.

(7)この場合、前記設計値は、前記第1参照出力と前記第2参照出力との偏差(例えば、後述の差信号φ(t))のN成分二乗和である評価関数(例えば、後述の評価関数J)を最小化するように決定されることが好ましい。 (7) In this case, the design value is an evaluation function (for example, is preferably determined to minimize the evaluation function J) of .

(8)この場合、前記第1参照応答モデルの伝達関数Gmr及び前記第2参照応答モデルの伝達関数G´mdは、“s”をラプラス演算子とし、“n”を所定の整数とし、“Lm”を所定の実数とし、“σ”を所定の係数とし、“β”を所定の係数として下記式(1-1)及び(1-2)によって表されることが好ましい。

Figure 2022122018000002
(8) In this case, the transfer function Gmr of the first reference response model and the transfer function G'md of the second reference response model are defined by "s" as the Laplace operator and "n" as a predetermined integer, It is preferable that "Lm" be a predetermined real number, "σ" be a predetermined coefficient, and "β" be a predetermined coefficient, and be represented by the following equations (1-1) and (1-2).
Figure 2022122018000002

(9)この場合、前記係数βの値は、前記測定量から前記制御量までの周波数応答において、低周波数側でゲインが略一定となる周波数帯域が広くなるように設定されることが好ましい。 (9) In this case, the value of the coefficient β is preferably set such that the frequency band in which the gain is substantially constant on the low frequency side is widened in the frequency response from the measured amount to the controlled amount.

(10)この場合、前記係数σの値は、安定余裕に基づいて設定されることが好ましい。 (10) In this case, the value of the coefficient σ is preferably set based on the stability margin.

(1)本発明に係る設計方法は、目標量と制御量との間の制御量偏差に応じて第1制御入力を出力する第1制御器と、制御対象に対する外乱に応じて変化する測定量に応じて第2制御入力を出力する第2制御器と、を備え、第1及び第2制御入力に基づいて制御対象に入力する制御入力を出力する2自由度制御系を設計対象とする。また本発明に係る設計方法では、第1及び第2制御器に含まれる複数の制御パラメータの値を暫定値に設定した状態におけるN成分時系列データである初期制御量、初期目標量、初期制御量偏差、及び初期測定量を取得し、これら初期制御量等と、第1参照応答モデル、及び第2参照応答モデルを用いて得られる第1参照出力と第2参照出力とが近くなるように制御パラメータの設計値を決定する。特に本発明では、初期目標量に対する第1参照応答モデルの応答と初期制御量との間の偏差を第1制御器に入力した場合に、この第1制御器から出力されるN成分時系列データを第1参照出力として定義、初期制御量偏差及び初期測定量に対する設計対象の応答に基づいて算出される疑似外生信号を第2参照応答モデルに入力した場合に、この第2参照応答モデルから出力されるN成分時系列データを第2参照出力と定義する。本発明の設計方法では、以上のように第1参照出力及び第2参照出力を定義することにより、これら第1参照出力と第2参照出力との差は、複数の制御パラメータの1次関数となる。このためこれら第1参照出力と第2参照出力とが近くなるように複数の制御パラメータの設計値を算出する演算は、線形最適化問題に帰着するので、最小二乗法により、容易に算出することができる。 (1) A design method according to the present invention includes a first controller that outputs a first control input according to a controlled variable deviation between a target variable and a controlled variable, and a measured variable that changes according to a disturbance to a controlled object. and a second controller for outputting a second control input in response to , and a two-degree-of-freedom control system for outputting a control input to be input to the controlled object based on the first and second control inputs. Further, in the design method according to the present invention, the initial control amount, the initial target amount, the initial control amount, which are the N-component time-series data in a state where the values of the plurality of control parameters included in the first and second controllers are set to the provisional values, Quantitative deviation and initial measured quantity are obtained, and these initial control quantities, etc., are close to the first reference output and the second reference output obtained using the first reference response model and the second reference response model. Determine design values for control parameters. In particular, in the present invention, when the deviation between the response of the first reference response model to the initial target amount and the initial control amount is input to the first controller, N-component time-series data output from the first controller is defined as the first reference output, and when a pseudo exogenous signal calculated based on the response of the design object to the initial controlled variable deviation and the initial measured quantity is input to the second reference response model, from this second reference response model The output N-component time-series data is defined as a second reference output. In the design method of the present invention, by defining the first reference output and the second reference output as described above, the difference between the first reference output and the second reference output is a linear function of a plurality of control parameters. Become. For this reason, the calculation for calculating the design values of the plurality of control parameters so that the first reference output and the second reference output are close to each other results in a linear optimization problem. can be done.

(2)本発明に係る設計方法では、制御パラメータを暫定値に設定した状態におけるN成分時系列データである初期制御入力をさらに取得し、初期制御量偏差に対する第1制御器の応答と、初期測定量に対する第2制御器の応答と、初期制御入力と、初期測定量と、を合成したものによって疑似外生信号を定義する。本発明に係る設計方法では、このような疑似外生信号に基づいて第2参照出力を定義することにより、複数の制御パラメータの設計値を算出する演算を容易にすることができる。 (2) In the design method according to the present invention, an initial control input, which is N-component time-series data in a state in which the control parameter is set to a provisional value, is further acquired, and the response of the first controller to the initial control amount deviation and the initial A pseudo-extrinsic signal is defined by a combination of the response of the second controller to the measurand, the initial control input, and the initial measurand. In the design method according to the present invention, by defining the second reference output based on such a pseudo-exogenous signal, it is possible to facilitate calculations for calculating design values of a plurality of control parameters.

(3)本発明に係る設計方法では、第1参照出力と第2参照出力との偏差のN成分二乗和である評価関数を最小化するように設計値を決定する。これにより最小二乗法により、容易に複数の制御パラメータの設計値を算出することができる。 (3) In the design method according to the present invention, the design value is determined so as to minimize the evaluation function, which is the N-component sum of squares of deviations between the first reference output and the second reference output. Thereby, design values of a plurality of control parameters can be easily calculated by the method of least squares.

(4)本発明に係る設計方法では、外乱に応じたトルクが発生する第1慣性体と、制御入力に応じたトルクが発生する第2慣性体と、これらを連結する軸体と、を備える多慣性系を制御対象とする。これにより、多慣性系を制御対象とする2自由度制御系の制御装置を容易に設計することができる。 (4) The design method according to the present invention includes a first inertia body that generates torque in response to disturbance, a second inertia body that generates torque in response to control input, and a shaft connecting them. The object of control is a multi-inertia system. This makes it possible to easily design a control device for a two-degree-of-freedom control system that controls a multi-inertia system.

(5)本発明に係る設計方法は、測定量及び設定慣性に基づいて制御量に対する目標量を算出する目標量算出部と、目標量と制御量との間の制御量偏差に応じて第1制御入力を出力する第1制御器と、測定量に応じて第2制御入力を出力する第2制御器と、第1及び第2制御入力を合成することにより制御入力を決定する合成部と、を備える2自由度制御系の慣性制御装置を設計対象とする。また本発明に係る設計方法では、N成分時系列データである初期制御量、初期目標量、初期制御量偏差、及び初期測定量を取得した後、初期目標量に対する第1参照応答モデルの応答と初期制御量との間の偏差を第1制御器に入力した場合に、第1制御器から出力される第1参照出力と、初期制御量偏差及び初期測定量に対する設計対象の応答に基づいて算出される疑似外生信号を第2参照応答モデルに入力した場合にこの第2参照応答モデルから出力される第2参照出力とが近くなるように複数の制御パラメータの設計値を決定する。これにより、第1参照出力と第2参照出力との差は、複数の制御パラメータの1次関数となるので、これら複数の制御パラメータの設計値を容易に算出することができる。 (5) A design method according to the present invention includes: a target amount calculation unit that calculates a target amount for a controlled amount based on a measured amount and a set inertia; a first controller that outputs a control input, a second controller that outputs a second control input according to a measured quantity, a synthesizing unit that determines a control input by synthesizing the first and second control inputs; The object of design is an inertial control device of a two-degree-of-freedom control system. Further, in the design method according to the present invention, after acquiring the initial controlled variable, the initial target variable, the initial controlled variable deviation, and the initial measured variable, which are N-component time-series data, the response of the first reference response model to the initial target variable and Calculated based on the first reference output output from the first controller when the deviation from the initial controlled variable is input to the first controller, and the response of the design target to the initial controlled variable deviation and the initial measured variable The design values of the plurality of control parameters are determined so that the second reference output output from the second reference response model when the pseudo exogenous signal to be output from the second reference response model is input to the second reference response model. As a result, the difference between the first reference output and the second reference output becomes a linear function of the plurality of control parameters, so the design values of the plurality of control parameters can be easily calculated.

(6)本発明に係る設計方法では、初期制御入力をさらに取得し、初期制御量偏差に対する第1制御器の応答と、初期測定量に対する第2制御器の応答と、初期制御入力と、初期測定量と、を合成したものによって疑似外生信号を定義する。本発明に係る設計方法では、このような疑似外生信号に基づいて第2参照出力を定義することにより、電気慣性制御装置である設計対象の複数の制御パラメータの設計値を、容易に算出することができる。 (6) In the design method according to the present invention, the initial control input is further acquired, the response of the first controller to the initial controlled variable deviation, the response of the second controller to the initial measured quantity, the initial control input, the initial A pseudo-extrinsic signal is defined by a combination of the measured quantity and In the design method according to the present invention, by defining the second reference output based on such a pseudo exogenous signal, the design values of the plurality of control parameters of the electrical inertial control device to be designed can be easily calculated. be able to.

(7)本発明に係る設計方法では、第1参照出力と第2参照出力との偏差のN成分二乗和である評価関数を最小化するように設計値を決定する。これにより最小二乗法により、容易に電気慣性制御装置の複数の制御パラメータの設計値を算出することができる。 (7) In the design method according to the present invention, the design value is determined so as to minimize the evaluation function, which is the N-component sum of squares of deviations between the first reference output and the second reference output. This makes it possible to easily calculate the design values of a plurality of control parameters of the electric inertial control device by the method of least squares.

(8)本発明に係る設計方法では、上記式(1-1)及び(1-2)によって、第1参照応答モデルの伝達関数Gmr及び第2参照応答モデルの伝達関数G´mdを定義することにより、これら参照応答モデルの係数“σ”や“β”の設定を通じて、設定慣性を模擬できる周波数帯域や制御安定性等を指定することができる。 (8) In the design method according to the present invention, the transfer function Gmr of the first reference response model and the transfer function G'md of the second reference response model are defined by the above equations (1-1) and (1-2). By setting the coefficients “σ” and “β” of these reference response models, it is possible to specify the frequency band, control stability, etc. that can simulate the set inertia.

(9)本発明に係る設計方法では、係数βの値を、測定量から制御量までの周波数応答において、低周波数側でゲインが略一定となる周波数帯域、すなわち電気慣性制御により設定慣性を模擬できる周波数帯域が広くなるように設定する。これにより、より広い周波数帯域で設定慣性を模擬することができる。 (9) In the design method according to the present invention, the value of the coefficient β is set to the frequency band in which the gain is substantially constant on the low frequency side in the frequency response from the measured amount to the controlled amount, that is, the set inertia is simulated by electric inertia control. Set so that the available frequency band is wide. This makes it possible to simulate the set inertia over a wider frequency band.

(10)本発明に係る設計方法では、係数σの値を、安定余裕に基づいて設定する。これにより、好ましい安定性を備える電気慣性制御装置を構築することができる。 (10) In the design method according to the present invention, the value of the coefficient σ is set based on the stability margin. This makes it possible to construct an electrical inertial control device with favorable stability.

本発明の一実施形態に係る設計方法が好ましく適用される試験システムの構成を示す図である。1 is a diagram showing the configuration of a test system to which a design method according to an embodiment of the invention is preferably applied; FIG. 制御対象の近似モデルの構成を示すブロック図である。3 is a block diagram showing the configuration of an approximate model of a controlled object; FIG. 制御対象の簡易モデルの構成を示すブロック図である。3 is a block diagram showing the configuration of a simple model of a controlled object; FIG. 設計対象及びその制御対象によって構成される2自由度制御系と、この2自由度制御系に対して定義される参照軌道の構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of a two-degree-of-freedom control system constituted by a design object and its control object, and a reference trajectory defined for this two-degree-of-freedom control system; FIG. 設計方法の具体的な手順を示すフローチャートである。4 is a flow chart showing a specific procedure of a design method; 評価関数を定義するためのブロック図である。It is a block diagram for defining an evaluation function. 軸トルク測定量からダイナモ角速度までの周波数応答を示すボード線図の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a Bode diagram showing frequency response from measured shaft torque to dynamo angular velocity; 感度関数のナイキスト線図の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the Nyquist diagram of a sensitivity function. 設計前のダイナモ制御装置を用いたシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result using the dynamo control device before design. 係数σの値を固定しながら、係数βの値を変化させた場合におけるボード線図を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a Bode diagram when the value of coefficient β is changed while the value of coefficient σ is fixed; 係数σの値を固定しながら、係数βの値を変化させた場合におけるボード線図を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a Bode diagram when the value of coefficient β is changed while the value of coefficient σ is fixed; パラメータMsと係数σとの関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between parameter Ms and coefficient σ; 設計後のダイナモ制御装置を用いたシミュレーション結果を示す図である(実施例1)。It is a figure which shows the simulation result using the dynamo control device after design (Example 1). 設計後のダイナモ制御装置を用いたシミュレーション結果を示す図である(実施例2)。(Example 2) which is a figure which shows the simulation result using the dynamo control device after design.

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明の設計方法が好ましく適用される試験システムSの構成を示す図である。試験システムSは、試験システムSにおける試験対象である第1慣性体としてのエンジン10と、第2慣性体としてのダイナモメータ11と、エンジン10の出力軸とダイナモメータ11の出力軸とを連結する軸体としての連結軸12と、ダイナモメータ11と接続されたインバータ20と、エンジン10と接続されたスロットルアクチュエータ21と、軸トルク検出器30と、エンコーダ31と、インバータ20と接続されたダイナモ制御装置5と、を備える。試験システムSは、スロットルアクチュエータ21によってエンジン10のスロットル開度を制御しながら、ダイナモメータ11をエンジン10の動力吸収体として用いることにより、エンジン10の様々な特性を測定する所謂エンジンベンチシステムである。
An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a test system S to which the design method of the present invention is preferably applied. The test system S connects an engine 10 as a first inertial body to be tested in the test system S, a dynamometer 11 as a second inertial body, and an output shaft of the engine 10 and an output shaft of the dynamometer 11. A connecting shaft 12 as a shaft, an inverter 20 connected to a dynamometer 11, a throttle actuator 21 connected to the engine 10, a shaft torque detector 30, an encoder 31, and a dynamo control connected to the inverter 20. a device 5; The test system S is a so-called engine bench system that measures various characteristics of the engine 10 by using the dynamometer 11 as a power absorber of the engine 10 while controlling the throttle opening of the engine 10 with the throttle actuator 21. .

なお以下では、本発明の制御装置の設計方法を、図1に示すようなエンジンベンチシステムである試験システムSのダイナモ制御装置5に適用する場合について説明するが、本発明の適用対象はこれに限らない。本発明の設計方法は、図1に示すようなエンジンベンチシステムに限らず、試験対象をドライブトレインとした所謂ドライブトレインベンチシステムのダイナモ制御装置にも適用できる。 In the following description, the control device design method of the present invention is applied to the dynamo control device 5 of the test system S, which is an engine bench system as shown in FIG. Not exclusively. The design method of the present invention is not limited to the engine bench system shown in FIG. 1, but can also be applied to a dynamo controller of a so-called drivetrain bench system in which the test object is a drivetrain.

インバータ20は、ダイナモ制御装置5から制御入力としてのトルク電流指令信号が入力されると、このトルク電流指令信号に応じた電力をダイナモメータ11に供給し、トルク電流指令信号に応じたダイナモトルク[Nm]をダイナモメータ11で発生させる。なお以下では、ダイナモメータ11で発生するダイナモトルクの時系列データを、時間tの関数として“T(t)”と表記する。 When a torque current command signal is input as a control input from the dynamo control device 5, the inverter 20 supplies electric power corresponding to the torque current command signal to the dynamometer 11, and a dynamo torque [ Nm] is generated by the dynamometer 11 . In the following, time-series data of dynamo torque generated by the dynamometer 11 is expressed as "T 2 (t)" as a function of time t.

スロットルアクチュエータ21は、エンジン10のスロットル開度に対する指令に相当するスロットル開度指令信号が入力されると、これを実現するようにエンジン10のスロットル開度を制御する。これによりスロットルアクチュエータ21は、スロットル開度指令信号に応じたエンジントルク[Nm]をエンジン10で発生させる。なお以下では、エンジン10で発生するエンジントルクの時系列データを、時間tの関数として、“T(t)”と表記する。 When a throttle opening command signal corresponding to a command for the throttle opening of the engine 10 is input, the throttle actuator 21 controls the throttle opening of the engine 10 so as to achieve this. Accordingly, the throttle actuator 21 causes the engine 10 to generate an engine torque [Nm] corresponding to the throttle opening command signal. In the following description, the time-series data of the engine torque generated by the engine 10 is expressed as "T1(t)" as a function of time t.

軸トルク検出器30は、連結軸12における捩れトルクである軸トルク[Nm]に応じた軸トルク検出信号を生成し、ダイナモ制御装置5へ送信する。なお以下では、軸トルク検出器30による軸トルク検出信号の時系列データを、時間tの関数として、“T12(t)”と表記する。 The shaft torque detector 30 generates a shaft torque detection signal corresponding to the shaft torque [Nm], which is the torsional torque of the connecting shaft 12 , and transmits it to the dynamo control device 5 . In the following description, the time-series data of the shaft torque detection signal from the shaft torque detector 30 is expressed as "T 12 (t)" as a function of time t.

エンコーダ31は、ダイナモメータ11の出力軸の角速度[rad/s](以下、「ダイナモ角速度」ともいう)に応じた速度検出信号を生成し、ダイナモ制御装置5へ送信する。なお以下では、エンコーダ31による速度検出信号の時系列データを、時間tの関数として、“ω(t)”と表記する。 The encoder 31 generates a velocity detection signal corresponding to the angular velocity [rad/s] of the output shaft of the dynamometer 11 (hereinafter also referred to as “dynamo angular velocity”) and transmits it to the dynamo controller 5 . In the following description, the time-series data of the speed detection signal from the encoder 31 is expressed as "ω(t)" as a function of time t.

ダイナモ制御装置5は、エンジン10、ダイナモメータ11、連結軸12、インバータ20、スロットルアクチュエータ21、軸トルク検出器30、及びエンコーダ31によって構成される多慣性系を制御対象とし、この制御対象における所定の制御量を所定の目標量に制御する制御装置である。本実施形態では、ダイナモ制御装置5は、上記制御対象から制御量及び測定量として出力される速度検出信号及び軸トルク検出信号に基づいて、上記制御対象に対し外乱として入力されるスロットル開度指令信号に対するダイナモメータ11の挙動が所定の設定慣性を有する模擬慣性体の挙動となるようにダイナモメータ11に対するトルク電流指令信号をインバータ20に出力する、所謂電気慣性制御装置とした場合について説明する。すなわちダイナモ制御装置5による電気慣性制御下では、ダイナモメータ11は、スロットル開度指令信号に応じてエンジン10で発生するエンジントルクに対し、あたかも設定慣性を有する模擬慣性体として振る舞う。なお以下では、ダイナモ制御装置5から出力される制御入力の時系列データを、時間tの関数として、“u(t)”と表記する。また以下では、制御入力とダイナモトルクは等しいものとする(u(t)=T(t))。 The dynamo control device 5 controls a multi-inertia system composed of the engine 10, the dynamometer 11, the connecting shaft 12, the inverter 20, the throttle actuator 21, the shaft torque detector 30, and the encoder 31. is a control device for controlling the control amount of to a predetermined target amount. In this embodiment, the dynamo control device 5 outputs a throttle opening command input as a disturbance to the controlled object based on a speed detection signal and an axial torque detection signal output from the controlled object as a controlled amount and a measured amount. A so-called electrical inertia control device that outputs a torque current command signal for the dynamometer 11 to the inverter 20 so that the dynamometer 11 behaves in response to the signal as a simulated inertia body having a predetermined set inertia will be described. That is, under the electric inertia control by the dynamo control device 5, the dynamometer 11 behaves as if it has a set inertia with respect to the engine torque generated by the engine 10 in response to the throttle opening command signal. In the following description, the time-series data of the control input output from the dynamo control device 5 is expressed as "u(t)" as a function of time t. Also, hereinafter, the control input and the dynamo torque are assumed to be equal (u(t)=T 2 (t)).

図1に示すように、ダイナモ制御装置5は、軸トルク検出器30の軸トルク検出信号に基づいてエンコーダ11の速度検出信号に対する目標量を算出する目標量算出部50と、目標量算出部50によって算出された目標量とエンコーダ11の速度検出信号との間の制御量偏差に応じてフィードバック入力を出力するフィードバック制御器51と、軸トルク検出信号に基づいてフィードフォワード入力を出力するフィードフォワード制御器52と、これらフィードバック入力とフィードフォワード入力とを合成することにより制御入力を決定する合成部53と、を備える。 As shown in FIG. 1, the dynamo control device 5 includes a target amount calculation unit 50 for calculating a target amount for the speed detection signal of the encoder 11 based on the shaft torque detection signal of the shaft torque detector 30, and a target amount calculation unit 50. A feedback controller 51 that outputs a feedback input according to the control amount deviation between the target amount calculated by and the speed detection signal of the encoder 11, and a feedforward control that outputs a feedforward input based on the shaft torque detection signal and a combiner 53 that determines a control input by combining the feedback input and the feedforward input.

目標量算出部50は、例えば、ダイナモメータ11によって設定慣性Jset[kg・m]を有する模擬慣性体が実現されるように、換言すればエンジントルクTに対するダイナモメータ11の挙動が設定慣性Jsetを有する模擬慣性体の挙動となるように、設定慣性Jset及び軸トルクT12(t)に基づいて、下記式(2)に従ってダイナモ角速度ω(t)に対する目標量r(t)を算出する。以下において、 “Δ”は差分演算子を表しており、Δ=1-z-1によって定義される。また以下において、z-1は遅延演算子を表しており、z-1x(t)=x(t-1)によって定義される。

Figure 2022122018000003
For example, the target quantity calculation unit 50 sets the behavior of the dynamometer 11 with respect to the engine torque T 1 so that the dynamometer 11 realizes a simulated inertia body having the set inertia J set [kg·m 2 ]. Based on the set inertia J set and the shaft torque T 12 (t), the target amount r(t) for the dynamo angular velocity ω(t) according to the following equation (2) so that the behavior of the simulated inertial body having the inertia J set Calculate In the following, “Δ” stands for difference operator and is defined by Δ=1−z− 1 . Also in the following, z −1 represents the delay operator and is defined by z −1 x(t)=x(t−1).
Figure 2022122018000003

フィードバック制御器51は、目標量r(t)とダイナモ角速度ω(t)との偏差である誤差信号e(t)(すなわち、e(t)=r(t)-ω(t))が0になるように、既知のフィードバック制御則(C(z-1))に基づいてフィードバック入力ufb(t)を生成する(下記式(3-1)参照)。なお本実施形態では、フィードバック制御器51は、下記式(3-2)に示すように、2つの制御パラメータである比例ゲインKPe及び積分ゲインKIeを用いて特徴付けられるPI制御則に従って、誤差信号e(t)に応じたフィードバック入力ufb(t)を生成する場合について説明するが、本発明はこれに限らない。フィードバック制御器51の制御構造は、1つ以上の制御パラメータによってその入出力特性が規定されるものであればどのようなものであってもよい。

Figure 2022122018000004
The feedback controller 51 controls the error signal e(t) (that is, e(t)=r(t)−ω(t)), which is the deviation between the target quantity r(t) and the dynamo angular velocity ω(t), to be zero. A feedback input u fb (t) is generated based on a known feedback control law (C e (z −1 )) so as to be (see formula (3-1) below). In this embodiment, the feedback controller 51 follows the PI control law characterized by using two control parameters, a proportional gain K Pe and an integral gain K Ie , as shown in the following equation (3-2): Although the case where the feedback input u fb (t) is generated according to the error signal e(t) will be described, the present invention is not limited to this. The control structure of the feedback controller 51 may be any one whose input/output characteristics are defined by one or more control parameters.
Figure 2022122018000004

フィードフォワード制御器52は、軸トルクT12(t)に応じたフィードフォワード入力uff(t)を生成する(下記式(4-1)参照)。なお本実施形態では、フォードフォワード制御器52は、下記式(4-2)に示すように、1つの制御パラメータである比例ゲインKPrを用いて特徴付けられるP制御則に従って、軸トルクT12(t)に応じたフィードフォワード入力uff(t)を生成する場合について説明するが、本発明はこれに限らない。フィードフォワード制御器52の制御構造は、1つ以上の制御パラメータによってその入出力特性が規定されるものであればどのようなものであってもよい。

Figure 2022122018000005
The feedforward controller 52 generates a feedforward input u ff (t) corresponding to the shaft torque T 12 (t) (see formula (4-1) below). In this embodiment, the forward controller 52, as shown in the following equation (4-2), follows the P control law characterized by using the proportional gain K Pr , which is one control parameter, and the shaft torque T 12 A case of generating a feedforward input u ff (t) according to (t) will be described, but the present invention is not limited to this. The control structure of feedforward controller 52 may be any one whose input and output characteristics are defined by one or more control parameters.
Figure 2022122018000005

合成部53は、フィードバック入力ufb(t)とフィードフォワード入力uff(t)とを合成することによって制御入力u(t)を生成し、制御対象に入力する。なお本実施形態では、合成部53は、例えば下記式(5)に示すように、フィードバック入力ufb(t)からフィードフォワード入力uff(t)を減算することによって制御入力u(t)を生成する場合について説明するが、本発明はこれに限らない。例えば合成部53は、フィードバック入力ufb(t)とフィードフォワード入力uff(t)とを合算することによって制御入力u(t)を算出してもよい。

Figure 2022122018000006
The synthesizing unit 53 synthesizes the feedback input u fb (t) and the feedforward input u ff (t) to generate the control input u(t), and inputs it to the controlled object. In the present embodiment, the synthesizing unit 53 subtracts the feedforward input u ff (t) from the feedback input u fb (t) to obtain the control input u(t) as shown in Equation (5) below. Although the case of generation will be described, the present invention is not limited to this. For example, the synthesis unit 53 may calculate the control input u(t) by adding the feedback input u fb (t) and the feedforward input u ff (t).
Figure 2022122018000006

ダイナモ制御装置5は、設定慣性Jsetに応じた目標量r(t)を算出する目標量算出部50と、3つの制御パラメータ(KPe,KIe,KPr)によってその入出力特性が特徴付けられるフィードバック制御器51、フィードフォワード制御器52、及び合成部53とによって、エンジントルクT(t)に対するダイナモメータ11の挙動が設定慣性Jsetを有する模擬慣性体の挙動となるように制御入力u(t)を出力する。 The dynamo control device 5 is characterized by its input/output characteristics by means of a target quantity calculator 50 that calculates a target quantity r(t) according to the set inertia J set and three control parameters (K Pe , K Ie , K Pr ). A feedback controller 51, a feedforward controller 52, and a synthesizing unit 53 are provided so that the behavior of the dynamometer 11 with respect to the engine torque T 1 (t) is the behavior of a simulated inertia body having a set inertia J set . Output the input u(t).

図2は、ダイナモ制御装置5の制御対象Pの近似モデルの構成を示すブロック図である。先ず、図1の試験システムSにおいて、ダイナモ制御装置5の制御対象Pは、図2に示すような2慣性系によって近似できる。すなわち制御対象Pは、慣性J[kg・m]を有する慣性体であってエンジントルクT(t)を発生する第1慣性体と、慣性J[kg・m]を有する慣性体であって制御入力u(t)に応じたダイナモトルクT(t)を発生する第2慣性体とを、ばね損失C12[Nm・s/rad]及びばね剛性K12[Nm/rad]を有する軸体で連結した2慣性系によって近似できる。なお本発明の設計方法によってダイナモ制御装置5を設計するに際し、制御対象Pの詳細な構成や、慣性J,J、ばね損失C12、及びばね剛性K12等のシステムパラメータの値は、未知であるとする。 FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of an approximation model of the controlled object P of the dynamo control device 5. As shown in FIG. First, in the test system S of FIG. 1, the controlled object P of the dynamo controller 5 can be approximated by a two-inertia system as shown in FIG. That is, the object P to be controlled includes a first inertial body having inertia J 1 [kg·m 2 ] and generating engine torque T 1 (t), and an inertial body having inertia J 2 [kg·m 2 ]. A second inertia body that generates dynamo torque T 2 (t) corresponding to the control input u(t) is defined as a spring loss C 12 [Nm·s/rad] and a spring stiffness K 12 [Nm/rad ] can be approximated by a two-inertia system connected by a shaft with When designing the dynamo control device 5 according to the design method of the present invention, the detailed configuration of the controlled object P and the values of system parameters such as inertia J 1 and J 2 , spring loss C 12 , and spring stiffness K 12 are Suppose it is unknown.

図2に示す2慣性系の運動方程式は、下記式(6-1)及び(6-2)で表される。

Figure 2022122018000007
The equations of motion of the two-inertia system shown in FIG. 2 are represented by the following equations (6-1) and (6-2).
Figure 2022122018000007

また上記運動方程式(6-1)及び(6-2)において、5つの伝達関数A(s)、B(s)、B(s)、B(s)、及びB(s)は、システムパラメータを用いて下記式(7-1)~(7-5)によってあらわされる。また下記式においてωrは共振周波数であり、システムパラメータを用いて下記式(7-6)によって表される。

Figure 2022122018000008
In addition, in the above equations of motion (6-1) and (6-2), the five transfer functions A(s), B 1 (s), B 2 (s), B 3 (s), and B 4 (s) is expressed by the following equations (7-1) to (7-5) using system parameters. Also, in the following equation, ωr is the resonance frequency, which is represented by the following equation (7-6) using system parameters.
Figure 2022122018000008

図3は、制御対象Pの簡易モデルの構成を示すブロック図である。この簡易モデルは、図2に示す近似モデルをさらに簡略化したものである。本発明に係る設計方法では、図2に示すような制御対象Pの近似モデルを用いることなく設計対象であるダイナモ制御装置5を設計することが可能となっている。ただし後に説明するように、設計対象のボード線図や安定余裕等を評価するためには、制御対象Pの何らかのモデルが必要になる。そこで本実施形態では、図2の近似モデルをさらに簡略化した図3に示す簡易モデルを用いることによって設計対象のボード線図や安定余裕等を評価する。 FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of a simple model of the controlled object P. As shown in FIG. This simple model is a further simplification of the approximation model shown in FIG. In the design method according to the present invention, it is possible to design the dynamo control device 5, which is the object of design, without using an approximate model of the object of control P as shown in FIG. However, as will be explained later, some kind of model of the controlled object P is necessary in order to evaluate the Bode diagram, stability margin, etc. of the designed object. Therefore, in the present embodiment, the simplified model shown in FIG. 3, which is a further simplified version of the approximate model shown in FIG.

図4は、設計対象であるダイナモ制御装置5及びその制御対象Pによって構成される2自由度制御系と、この2自由度制御系に対して定義される参照軌道yref(t)の構成を示すブロック図である。 FIG. 4 shows the configuration of a two-degree-of-freedom control system constituted by the dynamo controller 5, which is the object of design, and its controlled object P, and the reference trajectory y ref (t) defined for this two-degree-of-freedom control system. It is a block diagram showing.

図4に示すように、ダイナモ制御装置5は、目標量算出部50と、フィードバック制御器51と、フィードフォワード制御器52と、合成部53と、を備える。また制御対象Pにおいて、制御入力u(t)及び軸トルクT12(t)から制御量y(t)(すなわち、ダイナモ角速度ω(t))までの伝達関数G(z-1)は、未知であるとする。 As shown in FIG. 4 , the dynamo control device 5 includes a target quantity calculator 50 , a feedback controller 51 , a feedforward controller 52 and a combiner 53 . In the controlled object P, the transfer function G(z −1 ) from the control input u(t) and the shaft torque T 12 (t) to the controlled variable y(t) (that is, the dynamo angular velocity ω(t)) is unknown. Suppose that

図4に示すブロック図において、制御対象Pの出力である制御量y(t)は、下記式(8)によって表される。

Figure 2022122018000009
In the block diagram shown in FIG. 4, the controlled variable y(t), which is the output of the controlled object P, is represented by the following equation (8).
Figure 2022122018000009

また図4に示す2自由度制御系において、外乱に応じて変化する軸トルクT12(t)及び制御量y(t)に対する目標量r(t)に対しそれぞれ参照外乱応答モデルGmd(z-1)及び参照目標応答モデルGmr(z-1)を定義すると、制御量y(t)に対する参照軌道yref(t)は、下記式(9)によって表される。ここで参照外乱応答モデルGmd(z-1)及び参照目標応答モデルGmr(z-1)は、設計対象による外乱及び目標量に対する応答を指定するために導入される参照応答モデルである。

Figure 2022122018000010
In the two-degree-of-freedom control system shown in FIG. 4 , the reference disturbance response model G md (z −1 ) and the reference target response model G mr (z −1 ), the reference trajectory y ref (t) for the controlled variable y(t) is expressed by the following equation (9). Here, the reference disturbance response model G md (z −1 ) and the reference target response model G mr (z −1 ) are reference response models introduced to specify the response to the disturbance and the target amount by the design object.
Figure 2022122018000010

ここで、与えられた参照外乱応答を満足するフィードバック制御器51及びフィードフォワード制御器52、すなわち式(8)によって算出される制御量y(t)と、式(9)によって算出される参照軌道yref(t)とを等しくするフィードバック制御器51及びフィードフォワード制御器52の伝達関数をC (z-1)及びC (z-1)と定義すると、参照外乱応答モデルGmd(z-1)は、下記式(10)によって書き換えられる。

Figure 2022122018000011
Here, the feedback controller 51 and the feedforward controller 52 that satisfy the given reference disturbance response, that is, the control amount y(t) calculated by the equation (8) and the reference trajectory calculated by the equation (9) Defining the transfer functions of the feedback controller 51 and the feedforward controller 52 equal to y ref (t) as C * e (z −1 ) and C * r (z −1 ), the reference disturbance response model G md (z −1 ) is rewritten by the following equation (10).
Figure 2022122018000011

ここで上記式(10)において、関数G´md(z-1)は下記式(11)に示すように、相補感度関数である。以下では、下記式(11)に示すように伝達関数C (z-1)を用いて再定義された関数G´md(z-1)を、参照外乱応答モデルという。

Figure 2022122018000012
Here, in the above equation (10), the function G′ md (z −1 ) is a complementary sensitivity function as shown in the following equation (11). Hereinafter, the function G′ md (z −1 ) redefined using the transfer function C * e (z −1 ) as shown in Equation (11) below will be referred to as a reference disturbance response model.
Figure 2022122018000012

以上のように式(11)によって再定義された参照外乱応答モデルG´md(z-1)と参照目標応答モデルGmr(z-1)とを用いると、式(9)に示す参照軌道yref(t)は、下記式(12)によって書き換えられる。

Figure 2022122018000013
Using the reference disturbance response model G′ md (z −1 ) and the reference target response model G mr (z −1 ) redefined by Equation (11) as described above, the reference trajectory shown in Equation (9) y ref (t) is rewritten by the following equation (12).
Figure 2022122018000013

本実施形態に係る設計方法では、上記式(12)に示すような参照外乱応答モデルG´md(z-1)及び参照目標応答モデルGmr(z-1)を指定することにより、一組の閉ループデータに基づいて与えられた参照軌道を実現するように(すなわちy(t)=yref(t)となるように)、フィードバック制御器51(C (z-1))及びフィードフォワード制御器52(C (z-1))を設計する。 In the design method according to the present embodiment , a set of feedback controller 51 (C * e ( z −1 ) ) and Design the feedforward controller 52 (C * r (z -1 )).

なお本実施形態では、参照目標応答モデルGmr(z-1)及び参照外乱応答モデルG´md(z-1)は、連続時間系ではそれぞれ下記式(13-1)及び(13-2)に示すような二項モデルとなるように定義する。下記式(13-1)及び(13-2)において、“n”は所定の整数であり、“Lm”は推定むだ時間であり、それぞれ予め定められた値に設定される。また下記式(13-1)及び(13-2)において、“σ”は立ち上がり時間に関する係数であり、“β”は目標量応答に関する係数であり、各々の値は、後に説明する手順によって設定される。

Figure 2022122018000014
In this embodiment, the reference target response model G mr (z −1 ) and the reference disturbance response model G′ md (z −1 ) are given by the following equations (13-1) and (13-2), respectively, in a continuous-time system. is defined to be a binomial model as shown in In the following equations (13-1) and (13-2), "n" is a predetermined integer and "Lm" is an estimated dead time, which are set to predetermined values. Also, in the following equations (13-1) and (13-2), "σ" is a coefficient related to the rise time, "β" is a coefficient related to the target amount response, and each value is set by the procedure described later. be done.
Figure 2022122018000014

図5は、本発明の設計方法、すなわちダイナモ制御装置5の制御パラメータの設計値を算出する具体的な手順を示すフローチャートである。 FIG. 5 is a flow chart showing a specific procedure for calculating the design values of the control parameters of the dynamo controller 5 according to the design method of the present invention.

始めに閉ループデータ取得工程(S1)では、設計者は、フィードバック制御器51及びフィードフォワード制御器52に含まれる複数の制御パラメータ(KPe,KIe,KPr)の値をそれぞれ所定の暫定値に設定するとともに、制御対象Pに対し外乱(スロットル開度指令信号、及びこれに応じたエンジントルクT(t))を入力した状態で、制御量y(t)、目標量r(t)、制御量偏差e(t)、軸トルク測定量T12(t)、及び制御入力u(t)のN成分時系列データ(Nは、2以上の整数)を取得する。ここでN成分時系列データとは、所定のサンプリング時間Ts間隔で定められたN点(t=Ts,2Ts,…,NTs)におけるデータの集合である。以下では、制御量y(t)、目標量r(t)、制御量偏差e(t)、軸トルク測定量T12(t)、及び制御入力u(t)のN成分時系列データを、時間tの関数としてそれぞれ初期制御量y(t)、初期目標量r(t)、初期制御量偏差e(t)、初期軸トルク測定量T12_0(t)、及び初期制御入力u(t)と表記する。 First, in the closed-loop data acquisition step (S1), the designer sets the values of a plurality of control parameters (K Pe , K Ie , K Pr ) included in the feedback controller 51 and the feedforward controller 52 to predetermined provisional values. while inputting disturbance (throttle opening command signal and corresponding engine torque T 1 (t)) to the controlled object P, the control amount y (t) and the target amount r (t) , control amount deviation e(t), shaft torque measurement amount T 12 (t), and control input u(t). Here, the N-component time-series data is a set of data at N points (t=Ts, 2Ts, . . . , NTs) determined at intervals of a predetermined sampling time Ts. Below, N-component time-series data of the controlled variable y(t), the target variable r(t), the controlled variable deviation e(t), the measured shaft torque T 12 (t), and the control input u(t) are expressed as initial control variable y 0 (t), initial target variable r 0 (t), initial control variable deviation e 0 (t), initial shaft torque measurement T 12 — 0 (t), and initial control input u, respectively, as a function of time t It is written as 0 (t).

次に疑似入力信号算出工程(S2)では、設計者は、S1で取得した初期制御量偏差e(t)及び初期軸トルク測定量T12_0(t)に基づいて、N成分時系列データである疑似入力信号u(t)を算出する。より具体的には、この疑似入力信号u(t)は、下記式(14)に示すように、初期制御量偏差e(t)及び初期軸トルク測定量T12_0(t)に対する設計対象の応答(すなわち、初期制御量偏差e(t)及び初期軸トルク測定量T12_0(t)を設計対象に入力したときにおけるこの設計対象の出力)として定義される。すなわち、疑似入力信号u(t)は、初期制御量偏差e(t)に対するフィードバック制御器51の応答から、初期軸トルク測定量T12_0(t)に対するフィードフォワード制御器52の応答を減算したものによって定義される。

Figure 2022122018000015
Next, in the pseudo input signal calculation step (S2), the designer uses the N-component time-series data based on the initial control amount deviation e 0 (t) and the initial shaft torque measurement amount T 12 — 0 (t) acquired in S1. A pseudo input signal u ~ (t) is calculated. More specifically, this pseudo input signal u ~ (t) is the design target for the initial control amount deviation e 0 (t) and the initial shaft torque measurement amount T 12_0 (t), as shown in the following equation (14). (that is, the output of the design object when the initial controlled variable deviation e 0 (t) and the initial measured shaft torque T 12 — 0 (t) are input to the design object). That is, the pseudo input signal u ~ (t) subtracts the response of the feedforward controller 52 to the initial measured shaft torque T 12 — 0 (t) from the response of the feedback controller 51 to the initial controlled variable deviation e 0 (t). defined by
Figure 2022122018000015

次に疑似外生信号算出工程(S3)では、設計者は、S2で算出した疑似入力信号u(t)と、S1で取得した初期制御入力u(t)及び初期軸トルク測定量T12_0(t)とに基づいて、N成分時系列データである疑似外生信号T 12(t)を算出する。疑似外生信号T 12(t)は、より具体的には、下記式(15)に示すように、初期制御入力u(t)と初期軸トルク測定量T12_0(t)との和から疑似入力信号u(t)を減算したものによって定義される。

Figure 2022122018000016
Next, in the pseudo external signal calculation step (S3), the designer calculates the pseudo input signal u ~ (t) calculated in S2, the initial control input u 0 (t) obtained in S1, and the initial measured shaft torque T 12 0 (t), a pseudo exogenous signal T 12 (t), which is N-component time-series data, is calculated. More specifically, the pseudo exogenous signal T 12 (t) is the sum of the initial control input u 0 (t) and the initial shaft torque measurement T 12 0 (t) as shown in the following equation (15). , minus the pseudo input signal u ~ (t).
Figure 2022122018000016

次に係数設定工程(S4)では、設計者は、上記式(13-1)及び(13-2)に示す参照目標応答モデルGmr(z-1)及び参照外乱応答モデルG´md(z-1)に含まれる係数(σ,β)の値を、それぞれ予め定められた暫定値(σ,β)に設定する。ここでiは1~Mi(“Mi”は1以上の任意の整数)の間の整数であり、jは1~Mj(“Mj”は1以上の任意の整数)の間の整数とする。また係数の暫定値(σ,β)の全組み合わせ数Mは、1以上の任意の整数とする(すなわち、Mi×Mj=M)。 Next, in the coefficient setting step (S4), the designer sets the reference target response model G mr (z −1 ) and the reference disturbance response model G′ md (z −1 ) are set to predetermined provisional values (σ i , β j ). Here, i is an integer between 1 and Mi ("Mi" is an arbitrary integer equal to or greater than 1), and j is an integer between 1 and Mj ("Mj" is an arbitrary integer equal to or greater than 1). Also, the total number of combinations M of the provisional values (σ i , β j ) of the coefficients is an arbitrary integer equal to or greater than 1 (that is, Mi×Mj=M).

次に最適化工程(S5)では、設計者は、S3で算出される疑似外生信号T 12(t)と、S4において設定される参照目標応答モデルGmr(z-1)及び参照外乱応答モデルG´md(z-1)とに基づいて定義される評価関数Jを最小化する制御パラメータ(KPe,KIe,KPr)の設計値を算出する。 Next, in the optimization step (S5), the designer uses the pseudo external signal T ~ 12 (t) calculated in S3, the reference target response model G mr (z -1 ) and the reference disturbance Design values of control parameters (K Pe , K Ie , K Pr ) that minimize the evaluation function J defined based on the response model G′ md (z −1 ) are calculated.

図6は、S5において参照する評価関数Jを定義するためのブロック図である。より具体的には、図6は、図4に示すブロック図において、制御対象Pを、初期制御入力u(t)と初期軸トルク測定量T12_0(t)との和を出力する初期データ出力部6に置換することによって得られるブロック図である。 FIG. 6 is a block diagram for defining the evaluation function J referred to in S5. More specifically, in FIG. 6, in the block diagram shown in FIG. 4, the controlled object P is defined as initial data outputting the sum of the initial control input u 0 (t) and the initial measured shaft torque T 12 — 0 (t). 3 is a block diagram obtained by replacing with an output unit 6. FIG.

図4において定義される参照軌道yref(t)と初期制御量y(t)との差は、上記式(14)及び(15)に示す疑似入力信号u(t)及び疑似外生信号T 12(t)、並びに上記式(13-1)及び(13-2)に示す参照目標応答モデルGmr(z-1)及び参照外乱応答モデルG´md(z-1)を導入すると、図6に示す第1参照出力φ(t)と第2参照出力φ(t)との差信号φ(t)に書き換えられる(下記式(16)参照)。

Figure 2022122018000017
The difference between the reference trajectory y ref (t) defined in FIG. 4 and the initial control amount y 0 (t) is the pseudo input signal u ˜ (t) and the pseudo exogenous Introduce the signal T 12 (t) and the reference target response model G mr (z −1 ) and the reference disturbance response model G′ md (z −1 ) shown in equations (13-1) and (13-2) above. Then, the difference signal φ(t) between the first reference output φ 1 (t) and the second reference output φ 2 (t) shown in FIG. 6 is rewritten (see equation (16) below).
Figure 2022122018000017

ここで第1参照出力φ(t)は、下記式(17)に示すように、初期目標量r(t)に対する参照目標応答モデルGmr(z-1)の応答(すなわち、初期目標量r(t)を参照目標応答モデルGmr(z-1)に入力した場合における、参照目標応答モデルGmr(z-1)の出力)と、初期制御量y(t)との間の偏差を、フィードバック制御器51に入力した場合に、このフィードバック制御器51から出力されるN成分時系列データとして定義される。

Figure 2022122018000018
Here, the first reference output φ 1 (t) is the response of the reference target response model G mr (z −1 ) to the initial target quantity r 0 (t) (that is, the initial target The output of the reference target response model G mr (z −1 ) when the quantity r 0 (t) is input to the reference target response model G mr (z −1 ) and the initial controlled variable y 0 (t) is defined as N-component time-series data output from the feedback controller 51 when the deviation between is input to the feedback controller 51 .
Figure 2022122018000018

また第2参照出力φ(t)は、下記式(18)に示すように、疑似外生信号T 12(t)を参照外乱応答モデルG´md(z-1)に入力した場合に、この参照外乱応答モデルG´md(z-1)から出力されるN成分時系列データとして定義される。

Figure 2022122018000019
The second reference output φ 2 (t) is obtained by inputting the pseudo extraneous signal T 12 (t) into the reference disturbance response model G′ md (z −1 ) as shown in the following equation (18) . , is defined as N-component time-series data output from this reference disturbance response model G′ md (z −1 ).
Figure 2022122018000019

したがって参照軌道yref(t)と初期制御量y(t)とが近くなるように複数の制御パラメータの設計値(K Pe,K Ie,K Pr)を決定する問題は、下記式(19)に示すように、N成分時系列データである差信号φ(t)のN成分二乗和として定義される評価関数Jを最小化する複数の制御パラメータの設計値(K Pe,K Ie,K Pr)を決定することと等価となる。

Figure 2022122018000020
Therefore, the problem of determining design values (K * Pe , K * Ie , K * Pr ) of a plurality of control parameters so that the reference trajectory y ref (t) and the initial control amount y 0 (t) are close to each other is given below. As shown in Equation (19), design values (K * Pe , K * Ie , K * Pr ).
Figure 2022122018000020

最適化工程(S5)では、設計者は、上記式(19)に示す評価関数Jを最小化するような複数の制御パラメータの設計値(K Pe,K Ie,K Pr)を算出する。 In the optimization step (S5), the designer calculates design values (K * Pe , K * Ie , K * Pr ) of a plurality of control parameters that minimize the evaluation function J shown in Equation (19) above. do.

なお本実施形態では、上述のように第1参照出力φ(t)及び第2参照出力φ(t)を定義することにより、評価関数Jは、下記式(20-1)に示すように、複数の制御パラメータを基底とするパラメータベクトルθ(下記式(20-2)参照)の2次関数となる。下記式(20-1)において、ベクトルνは、下記式(20-3)によって定義されるN成分ベクトルであり、下記式(20-3)において、N成分時系列データuT0(t)は、下記式(20-4)に示すように初期データ出力部6の出力であり、下記式(20-1)において、行列Φは、下記式(20-5)及び(20-6)に示すように3×N行列である。

Figure 2022122018000021
Note that in this embodiment, by defining the first reference output φ 1 (t) and the second reference output φ 2 (t) as described above, the evaluation function J is obtained as shown in the following equation (20-1): Then, it becomes a quadratic function of the parameter vector θ (see formula (20-2) below) based on a plurality of control parameters. In the following formula (20-1), the vector ν is an N-component vector defined by the following formula (20-3), and in the following formula (20-3), the N-component time series data u T0 (t) is , is the output of the initial data output unit 6 as shown in the following formula (20-4), and in the following formula (20-1), the matrix Φ is shown in the following formulas (20-5) and (20-6) is a 3×N matrix.
Figure 2022122018000021

また評価関数Jは、複数の制御パラメータに対し下に凸の関数となることから、この評価関数Jを最小化する複数の制御パラメータの設計値(K Pe,K Ie,K Pr)を決定する問題は、線形最適化問題に帰着するため、最小二乗法を適用することによって複数の制御パラメータの設計値(K Pe,K Ie,K Pr)は、下記式(21)によって算出される。従って最適化工程(S5)では、設計者は、下記式(21)に示す方程式を解くことによって複数の制御パラメータの設計値(K Pe,K Ie,K Pr)を算出する。

Figure 2022122018000022
In addition, since the evaluation function J becomes a downwardly convex function with respect to the plurality of control parameters, the design values of the plurality of control parameters that minimize this evaluation function J (K * Pe , K * Ie , K * Pr ) Since the problem of determining is reduced to a linear optimization problem, the design values (K * Pe , K * Ie , K * Pr ) of a plurality of control parameters by applying the least squares method are given by the following equation (21) Calculated by Therefore, in the optimization step (S5), the designer calculates the design values (K * Pe , K * Ie , K * Pr ) of the plurality of control parameters by solving the equation shown in Equation (21) below.
Figure 2022122018000022

次にS6では、設計者は、M組の暫定値(σ,β)の下で制御パラメータの設計値(K Pe,K Ie,K Pr)が得られたかどうかを判定する。S6の判定結果がNOである場合、設計者は、S4に戻り、他の暫定値(σ,β)の下で制御パラメータの設計値を算出する。またS6の判定結果がYESである場合、設計者は、S7の処理に移る。これにより、M組の制御パラメータの設計値(K Pe,K Ie,K Pr)によって特徴付けられるM組のダイナモ制御装置が導出される。 Next, in S6, the designer determines whether the design values (K * Pe , K * Ie , K * Pr ) of the control parameters have been obtained under the M sets of temporary values ( σi , βj ). . If the determination result in S6 is NO, the designer returns to S4 and calculates the design values of the control parameters under other provisional values (σ i , β j ). If the determination result of S6 is YES, the designer proceeds to the process of S7. As a result, M sets of dynamo controllers characterized by M sets of control parameter design values (K * Pe , K * Ie , K * Pr ) are derived.

次に最適制御装置選択工程(S7)では、設計者は、上記M組のダイナモ制御装置から1つを最適制御装置として選択する。より具体的には、設計者は、図3を参照して説明した制御対象の簡易モデルを用いてM組のダイナモ制御装置のボード線図及び安定余裕を評価することにより、係数(σ,β)の最適値(σ,β)を決定するとともに、これら最適値(σ,β)の下で導出されるダイナモ制御装置を最適制御装置として選択する。 Next, in the optimum controller selection step (S7), the designer selects one of the M sets of dynamo controllers as the optimum controller. More specifically, the designer evaluates the Bode plots and stability margins of the M sets of dynamo controllers using the simple model of the controlled object described with reference to FIG. ) are determined, and the dynamo controller derived under these optimum values (σ*, β* ) is selected as the optimum controller.

図7は、軸トルク測定量T12からダイナモ角速度ωまでの周波数応答を示すボード線図の一例を示す図である。図7に示すように、軸トルク測定量T12からダイナモ角速度ωまでの周波数応答は、低周波数側においてゲインが20log10(1/Jset)で略一定となり、高周波数側においてゲインが20log10(1/J)で略一定となる周波数帯域が存在する。また図7に示すように、この周波数応答の形状は、係数βに応じて変化する。 FIG. 7 is a diagram showing an example of a Bode diagram showing the frequency response from the measured shaft torque T12 to the dynamo angular velocity ω. As shown in FIG. 7, the frequency response from the measured shaft torque T12 to the dynamo angular velocity ω is approximately constant with a gain of 20log 10 (1/J set ) on the low frequency side, and a gain of 20log 10 on the high frequency side. There is a frequency band that is approximately constant at (1/J 2 ). Also, as shown in FIG. 7, the shape of this frequency response varies with the factor β.

ここでゲインが20log10(1/Jset)で略一定となる周波数帯域は、設定慣性Jsetを実現できている周波数帯域に相当する。したがって最適制御装置選択工程では、設計者は、複数の暫定値βのうち、軸トルク測定量T12からダイナモ角速度ωまでの周波数応答において、低周波数側でゲインが20log10(1/Jset)で略一定となる周波数帯域が最も広くなるものを最適値βとして決定する。これにより、設定慣性Jsetを広範囲で実現できるダイナモ制御装置を設計することができる。 Here, the frequency band in which the gain is approximately constant at 20log 10 (1/J set ) corresponds to the frequency band in which the set inertia J set can be achieved. Therefore, in the optimum controller selection process, the designer selects the gain of 20 log 10 ( 1/ J set ), the optimum value β * is determined as the widest frequency band. This makes it possible to design a dynamo controller that can achieve the set inertia J set over a wide range.

なお図7に示すように、係数σの値を小さくしても設定慣性Jsetを実現できる周波数帯域を広げることができるものの、係数σの値を小さくしすぎると、不安定となってしまう。このため係数σの最適値σは、図8を参照して説明するように安定余裕に基づいて設定することが好ましい。 As shown in FIG. 7, even if the value of the coefficient σ is decreased, the frequency band in which the set inertia J set can be realized can be widened, but if the value of the coefficient σ is decreased too much, it becomes unstable. Therefore, the optimum value σ * of the coefficient σ is preferably set based on the stability margin as described with reference to FIG.

図8は、感度関数S(jω)のナイキスト線図の一例を示す図である。最適制御装置選択工程では、設計者は、図3に示す簡易モデルに基づいて定義される感度関数S(jω)に基づいて(下記式(22-2)~(22-8)参照)、安定余裕に関するパラメータMsを算出し(下記式(22-1)参照)、複数の暫定値σのうち設計者が指定する値に近いパラメータMsを与えるものを最適値σとして決定する。これにより、安定余裕を考慮してダイナモ制御装置を設計することができる。

Figure 2022122018000023
FIG. 8 is a diagram showing an example of a Nyquist diagram of the sensitivity function S(jω). In the optimum controller selection step, the designer uses the sensitivity function S(jω) defined based on the simple model shown in FIG. A parameter Ms relating to the margin is calculated (see formula (22-1) below), and the one that gives a parameter Ms close to the value designated by the designer among the plurality of provisional values σ i is determined as the optimum value σ * . As a result, the dynamo controller can be designed in consideration of the stability margin.
Figure 2022122018000023

また最適制御装置選択工程では、設計者は、以上の手順によって2つの係数の最適値(σ,β)を決定した後、これら最適値(σ,β)に基づいて導出されるダイナモ制御装置を最適制御装置として選択し、図5に示す処理を終了する。 In the optimum controller selection step, the designer determines the optimum values (σ * , β * ) of the two coefficients by the above procedure, and then derives them based on these optimum values (σ * , β * ). The dynamo controller is selected as the optimum controller, and the process shown in FIG. 5 is terminated.

次に、本実施形態に係る設計方法の効果について、図9~図13に示すシミュレーション結果を参照しながら説明する。 Next, the effect of the design method according to this embodiment will be described with reference to the simulation results shown in FIGS. 9 to 13. FIG.

図9は、設計前のダイナモ制御装置を用いたシミュレーション結果を示す図である。ここで設計前のダイナモ制御装置とは、制御パラメータ(KPe,KIe,KPr)の値を暫定値に設定した状態におけるダイナモ制御装置であり、閉ループデータ取得工程において用いられるダイナモ制御装置をいう。より具体的には、各制御パラメータの値は、それぞれKPe=20.5、KIe=20.5、KPr=0.0とした。また図9の最上段には、制御量y及びその目標量rを示し、中段には、軸トルク測定量T12を示し、最下段には、制御入力uを示す。図9に示すように、設計前のダイナモ制御装置によれば、制御量yが目標量rに追従するまでに時間がかかる。 FIG. 9 is a diagram showing a simulation result using a dynamo control device before design. Here, the dynamo controller before design is a dynamo controller in which the values of the control parameters (K Pe , K Ie , K Pr ) are set to provisional values, and is used in the closed-loop data acquisition process. Say. More specifically, the values of each control parameter were K Pe =20.5, K Ie =20.5, and K Pr =0.0. In FIG. 9, the control amount y and its target amount r are shown at the top, the shaft torque measurement amount T12 is shown at the middle, and the control input u is shown at the bottom. As shown in FIG. 9, according to the pre-designed dynamo controller, it takes time for the controlled variable y to follow the target variable r.

図10及び図11は、それぞれ係数σの値を所定値に固定しながら、係数βの値を所定範囲内で変化させた場合における軸トルク測定量T12からダイナモ角速度ωまでの周波数応答を示すボード線図である。図10の例では、係数σの値を0.005とし、係数βの値を、1.5から-1.5まで0.5刻みで変化させた場合を示し、図11の例では、係数σの値を0.2とし、係数βの値を、1.5から-1.5まで0.5刻みで変化させた場合を示す。図10及び図11を比較して明らかなように、設定慣性を実現できる周波数帯域は、係数σによって変化する。また図10及び図11に示すように、設定慣性を実現できる周波数帯域は、係数βによっても僅かに変化する。以下では、係数βの値は、図10及び図11に示す結果に基づいて、0.0とした場合について説明する。 10 and 11 show the frequency response from the measured shaft torque T12 to the dynamo angular velocity ω when the value of the coefficient β is varied within a predetermined range while the value of the coefficient σ is fixed at a predetermined value. It is a Bode plot. In the example of FIG. 10, the value of the coefficient σ is 0.005, and the value of the coefficient β is changed from 1.5 to −1.5 in increments of 0.5. The value of σ is 0.2, and the value of coefficient β is changed from 1.5 to −1.5 in increments of 0.5. As is clear from comparison between FIGS. 10 and 11, the frequency band in which the set inertia can be achieved varies depending on the coefficient σ. Also, as shown in FIGS. 10 and 11, the frequency band in which the set inertia can be achieved slightly changes depending on the coefficient β. A case where the value of the coefficient β is set to 0.0 based on the results shown in FIGS. 10 and 11 will be described below.

図12は、上記式(22-1)によって定義されるパラメータMsと係数σとの関係を示す図である。安定余裕は、パラメータMsが小さくなるほど大きくなる。また図12に示すように、係数σの値を大きくするほどパラメータMsは小さくなる傾向があることが確認された。なお以下では、制御結果を比較するため、係数σの値は、0.005又は0.2とした場合について説明する。 FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the parameter Ms defined by the above equation (22-1) and the coefficient σ. The stability margin increases as the parameter Ms decreases. Also, as shown in FIG. 12, it was confirmed that the parameter Ms tends to decrease as the value of the coefficient σ increases. In the following description, the value of the coefficient σ is set to 0.005 or 0.2 in order to compare control results.

σ=0.005及びβ=0.0とした場合、各制御パラメータの設計値は、KPe=1.5×10、KIe=1.5×10、KPr=0.68となった。以下では、これを実施例1のダイナモ制御装置とする。またσ=0.2及びβ=0.0とした場合、各制御パラメータの設計値は、KPe=35.1、KIe=232.4、KPr=0.0となった。以下では、これを実施例2のダイナモ制御装置とする。 When σ=0.005 and β=0.0, the design values of each control parameter are K Pe =1.5×10 3 , K Ie =1.5×10 3 and K Pr =0.68. became. This is hereinafter referred to as the dynamo control system of the first embodiment. When σ=0.2 and β=0.0, the design values of each control parameter were K Pe =35.1, K Ie =232.4, and K Pr =0.0. This is hereinafter referred to as a dynamo control system of the second embodiment.

図13及び図14は、それぞれ設計後のダイナモ制御装置を用いたシミュレーション結果の一例を示す図である。より具体的には、図13は、実施例1のダイナモ制御装置を用いたシミュレーション結果を示し、図14は、実施例2のダイナモ制御装置を用いたシミュレーション結果を示す。 13 and 14 are diagrams showing examples of simulation results using the designed dynamo control device, respectively. More specifically, FIG. 13 shows the simulation results using the dynamo control system of the first embodiment, and FIG. 14 shows the simulation results using the dynamo control system of the second embodiment.

これら図13及び図14と、図9とを比較して明らかなように、実施例1及び実施例2のダイナモ制御装置によれば、いずれも制御量yを速やかに目標量rに追従させることができる。なお実施例2よりも実施例1の方が速やかに制御量yを目標量rに追従させることができる。これは実施例1の方が実施例2よりも係数σを小さな値に設定したためである。しかしながら係数σを小さな値に設定すると、制御入力uは振動的になってしまう。このため実施例1よりも実施例2の方が、より安定的に制御できることが確認された。 As is clear from a comparison of FIGS. 13 and 14 with FIG. 9, according to the dynamo controllers of the first and second embodiments, the controlled variable y can quickly follow the target variable r. can be done. Note that the control amount y can follow the target amount r more quickly in the first embodiment than in the second embodiment. This is because the coefficient .sigma. is set to a smaller value in the first embodiment than in the second embodiment. However, if the coefficient σ is set to a small value, the control input u becomes oscillatory. For this reason, it was confirmed that the second embodiment can control more stably than the first embodiment.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。 As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this. Detailed configurations may be changed as appropriate within the scope of the present invention.

例えば上記実施形態では、本発明の設計方法を、多慣性系を制御対象とする試験システムSのダイナモ制御装置に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の設計方法は、2自由度制御系の制御装置であれば、どのような制御装置にも適用できる。 For example, in the above embodiment, the design method of the present invention is applied to the dynamo controller of the test system S that controls a multi-inertia system, but the present invention is not limited to this. The design method of the present invention can be applied to any control device as long as it is a two-degree-of-freedom control system.

S…試験システム
P…制御対象
10…エンジン(第1慣性体)
11…ダイナモメータ(第2慣性体)
12…連結軸(軸体)
20…インバータ
21…スロットルアクチュエータ
30…軸トルク検出器
31…エンコーダ(速度検出器)
5…ダイナモ制御装置(設計対象)
50…目標量算出部
51…フィードバック制御器(第1制御器)
52…フィードフォワード制御器(第2制御器)
53…合成部


S... Test system P... Control object 10... Engine (first inertial body)
11... Dynamometer (second inertial body)
12... Connecting shaft (shaft body)
20... Inverter 21... Throttle actuator 30... Shaft torque detector 31... Encoder (speed detector)
5 ... Dynamo control device (design object)
50... Target amount calculator 51... Feedback controller (first controller)
52 ... feedforward controller (second controller)
53... Synthesizer


Claims (10)

制御対象の制御量を所定の目標量に制御する制御装置の設計方法であって、
設計対象は、前記目標量と前記制御量との間の制御量偏差に応じて第1制御入力を出力する第1制御器と、前記制御対象に対する外乱に応じて変化する測定量に応じて第2制御入力を出力する第2制御器と、を備え、前記第1及び第2制御入力に基づいて前記制御対象に対する制御入力を出力し、
前記第1及び第2制御器に含まれる複数の制御パラメータの値を所定の暫定値に設定した状態で、前記制御量、前記目標量、前記制御量偏差、及び前記測定量のN成分時系列データ(Nは、2以上の整数)である初期制御量、初期目標量、初期制御量偏差、及び初期測定量を取得する工程と、
前記初期目標量に対する第1参照応答モデルの応答と前記初期制御量との間の偏差を前記第1制御器に入力した場合に当該第1制御器から出力されるN成分時系列データである第1参照出力と、前記初期制御量偏差及び前記初期測定量に対する前記設計対象の応答に基づいて算出される疑似外生信号を第2参照応答モデルに入力した場合に当該第2参照応答モデルから出力されるN成分時系列データである第2参照出力と、が近くなるように前記制御パラメータの設計値を決定する工程と、を備えることを特徴とする制御装置の設計方法。
A control device design method for controlling a control amount of a controlled object to a predetermined target amount, comprising:
The object of design includes a first controller that outputs a first control input according to the control amount deviation between the target amount and the control amount, and a first controller that outputs a first control input according to a disturbance to the control object. a second controller that outputs two control inputs, and outputs a control input to the controlled object based on the first and second control inputs;
N-component time series of the controlled variable, the target variable, the controlled variable deviation, and the measured variable in a state in which values of a plurality of control parameters included in the first and second controllers are set to predetermined provisional values; a step of acquiring an initial controlled variable, an initial target variable, an initial controlled variable deviation, and an initial measured variable, which are data (N is an integer equal to or greater than 2);
N-component time-series data that is output from the first controller when the deviation between the response of the first reference response model to the initial target amount and the initial control amount is input to the first controller Output from the second reference response model when a reference output and a pseudo exogenous signal calculated based on the response of the design object to the initial controlled variable deviation and the initial measured quantity are input to the second reference response model and determining the design value of the control parameter so that the second reference output, which is the N-component time-series data obtained by the second reference output, is close to the second reference output.
前記制御パラメータを前記暫定値に設定した状態で、前記制御入力のN成分時系列データである初期制御入力を取得する工程をさらに備え、
前記疑似外生信号は、前記初期制御量偏差に対する前記第1制御器の応答と、前記初期測定量に対する前記第2制御器の応答と、前記初期制御入力と、前記初期測定量とを合成したものによって定義されることを特徴とする請求項1に記載の制御装置の設計方法。
further comprising the step of obtaining an initial control input that is N-component time-series data of the control input with the control parameter set to the provisional value;
The pseudo exogenous signal is obtained by synthesizing the response of the first controller to the initial controlled variable deviation, the response of the second controller to the initial measured quantity, the initial control input, and the initial measured quantity. 2. The method of designing a control device according to claim 1, characterized in that it is defined by:
前記設計値は、前記第1参照出力と前記第2参照出力との偏差のN成分二乗和である評価関数を最小化するように決定されることを特徴とする請求項1又は2に記載の制御装置の設計方法。 3. The design value according to claim 1, wherein the design value is determined so as to minimize an evaluation function that is an N-component sum of squares of deviations between the first reference output and the second reference output. How to design a controller. 前記制御対象は、前記外乱に応じたトルクが発生する第1慣性体と、前記制御入力に応じたトルクが発生する第2慣性体と、前記第1及び第2慣性体を連結する軸体と、を備える多慣性系であることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の制御装置の設計方法。 The controlled object includes a first inertial body that generates torque according to the disturbance, a second inertial body that generates torque according to the control input, and a shaft that connects the first and second inertial bodies. 4. The method for designing a control device according to any one of claims 1 to 3, wherein the system is a multi-inertia system comprising: 外乱に応じたトルクが発生する第1慣性体と、制御入力に応じたトルクが発生する第2慣性体と、前記第1慣性体と前記第2慣性体とを連結する軸体と、前記第2慣性体の速度を制御量として出力する速度検出器と、前記軸体における軸トルクを測定量として出力する軸トルク検出器と、を備える多慣性系を制御対象とし、前記制御量及び前記測定量に基づいて前記外乱に対する前記第2慣性体の挙動が所定の設定慣性を有する模擬慣性体の挙動となるように前記制御入力を出力する電気慣性制御装置の設計方法であって、
設計対象は、前記測定量及び前記設定慣性に基づいて前記制御量に対する目標量を算出する目標量算出部と、前記目標量と前記制御量との間の制御量偏差に応じて第1制御入力を出力する第1制御器と、前記測定量に応じて第2制御入力を出力する第2制御器と、前記第1及び第2制御入力を合成することにより前記制御入力を決定する合成部と、を備え、
前記第1及び第2制御器に含まれる複数の制御パラメータの値を所定の暫定値に設定した状態で、前記制御量、前記目標量、前記制御量偏差、及び前記測定量のN成分時系列データ(Nは、2以上の整数)である初期制御量、初期目標量、初期制御量偏差、及び初期測定量を取得する工程と、
前記初期目標量に対する第1参照応答モデルの応答と前記初期制御量との間の偏差を前記第1制御器に入力した場合に当該第1制御器から出力されるN成分時系列データである第1参照出力と、前記初期制御量偏差及び前記初期測定量に対する前記設計対象の応答に基づいて算出される疑似外生信号を第2参照応答モデルに入力した場合に当該第2参照応答モデルから出力されるN成分時系列データである第2参照出力と、が近くなるように前記制御パラメータの設計値を決定する工程と、を備えることを特徴とする電気慣性制御装置の設計方法。
a first inertia body that generates torque in response to a disturbance; a second inertia body that generates torque in response to a control input; a shaft that connects the first inertia body and the second inertia body; A multi-inertia system comprising a speed detector that outputs the speed of two inertial bodies as a controlled variable and a shaft torque detector that outputs the shaft torque of the shaft as a measured quantity, wherein the controlled variable and the measured A method of designing an electric inertia control device for outputting the control input so that the behavior of the second inertial body with respect to the disturbance becomes the behavior of a simulated inertial body having a predetermined set inertia based on the quantity,
The object of design includes a target amount calculator that calculates a target amount for the controlled amount based on the measured amount and the set inertia, and a first control input according to the controlled amount deviation between the target amount and the controlled amount. a second controller that outputs a second control input according to the measured quantity; and a synthesizing unit that determines the control input by synthesizing the first and second control inputs , and
N-component time series of the controlled variable, the target variable, the controlled variable deviation, and the measured variable in a state in which values of a plurality of control parameters included in the first and second controllers are set to predetermined provisional values; a step of acquiring an initial controlled variable, an initial target variable, an initial controlled variable deviation, and an initial measured variable, which are data (N is an integer equal to or greater than 2);
N-component time-series data that is output from the first controller when the deviation between the response of the first reference response model to the initial target amount and the initial control amount is input to the first controller Output from the second reference response model when a reference output and a pseudo exogenous signal calculated based on the response of the design object to the initial controlled variable deviation and the initial measured quantity are input to the second reference response model a second reference output, which is N-component time-series data obtained by the second reference output;
前記制御パラメータを前記暫定値に設定した状態で、前記制御入力のN成分時系列データである初期制御入力を取得する工程をさらに備え、
前記疑似外生信号は、前記初期制御量偏差に対する前記第1制御器の応答と、前記初期測定量に対する前記第2制御器の応答と、前記初期制御入力と、前記初期測定量とを合成したものによって定義されることを特徴とする請求項5に記載の電気慣性制御装置の設計方法。
further comprising the step of obtaining an initial control input that is N-component time-series data of the control input with the control parameter set to the provisional value;
The pseudo exogenous signal is obtained by synthesizing the response of the first controller to the initial controlled variable deviation, the response of the second controller to the initial measured quantity, the initial control input, and the initial measured quantity. 6. A method of designing an electric inertial control device according to claim 5, characterized in that it is defined by:
前記設計値は、前記第1参照出力と前記第2参照出力との偏差のN成分二乗和である評価関数を最小化するように決定されることを特徴とする請求項5又は6に記載の電気慣性制御装置の設計方法。 7. The design value according to claim 5, wherein the design value is determined so as to minimize an evaluation function that is an N-component sum of squares of deviations between the first reference output and the second reference output. How to design an electric inertial control device. 前記第1参照応答モデルの伝達関数Gmr及び前記第2参照応答モデルの伝達関数G´mdは、“s”をラプラス演算子とし、“n”を所定の整数とし、“Lm”を所定の実数とし、“σ”を所定の係数とし、“β”を所定の係数として下記式(1-1)及び(1-2)によって表されることを特徴とする請求項5から7の何れかに記載の電気慣性制御装置の設計方法。
Figure 2022122018000024
The transfer function Gmr of the first reference response model and the transfer function G'md of the second reference response model are defined by "s" as the Laplace operator, "n" as a predetermined integer, and "Lm" as a predetermined Any one of claims 5 to 7, characterized by being represented by the following equations (1-1) and (1-2) with a real number, "σ" as a predetermined coefficient, and "β" as a predetermined coefficient A method of designing an electric inertial control device according to .
Figure 2022122018000024
前記係数βの値は、前記測定量から前記制御量までの周波数応答において、低周波数側でゲインが略一定となる周波数帯域が広くなるように設定されることを特徴とする請求項8に記載の電気慣性制御装置の設計方法。 9. The value of the coefficient β is set so as to widen the frequency band in which the gain is substantially constant on the low frequency side in the frequency response from the measured amount to the controlled amount. design method for electric inertial control devices. 前記係数σの値は、安定余裕に基づいて設定されることを特徴とする請求項8又は9に記載の電気慣性制御装置の設計方法。 10. The method of designing an electric inertial control device according to claim 8, wherein the value of the coefficient [sigma] is set based on a stability margin.
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