JP2022132922A - 制御対象の動作を模擬する計算装置、計算装置において状態方程式を解く演算の実行方法、及びプログラム - Google Patents
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に等しい、という形を有する。
m1=300 m2=300 ks=10 k=10 c=1000
このように、Stiff状態方程式は極めて一般的に存在する。特に、SILSやHILSの用途である機械装置や電子回路の模擬においては、いままで避けて通れない難題であった。本実施形態は、これを解決する手段を提供するものである。
を、後述する図3の行列算出手段305及び状態方程式計算手段309に出力する。
に基づいて実行される状態方程式が常に積hλに関する安定領域内で解かれるように、対角行列Λの各対角要素の固有値を例えば前述した(15)式に例示される修正対角行列の各対角要素のように変更することが可能となる。
で計算した場合に結果が定常値でありかつ同一であるという条件が設定される。
を入力する。また、行列算出手段305は、固有値計算手段302から、前述した正則行列P、その逆行列P-1、及び対角行列の逆行列Λ-1を入力する。更に、行列算出手段305は、通信手段301から、係数行列Bを入力する。行列算出手段305は、これらの入力したデータに基づいて、(24)式により、係数行列Bから修正係数行列
を算出し、状態方程式計算手段309に出力する。
まず、状態方程式計算手段309は、所定の値又はホストコンピュータ320からHILS計算装置300内の通信手段301に転送された初期値ベクトル
を用いて、前述した(3)式に基づく下記(25)式により、初期状態変数ベクトルZ(0)を算出する。
従って、固有値λの虚数部の絶対値がπラジアン/秒を超えた場合、この虚数部を例えば±πiに変更して、その変更後の状態方程式を安定に計算できる5次のTaylor展開法で計算してもよい。
この場合、表現できない波形という意味を忠実に再現するならば、0ラジアン/秒としてもよい。
なお、Taylor展開法としては、前述した(7)式及び(8)式を用いることができる。そして、λ=πiの場合、例えば4次の項は、π4/24≒4.059、5次の項はπ5/120≒2.55となる。この結果は、N=∞において得られる真値に対して、誤差が大きい。
これに対して、例えばN=10の場合、π10/10!=0.0258となる。この場合、打ち切っても誤差が少ないと判断できる。このため、hλ=πという大きな固有値をある程度の精度で計算するためには、この程度まで次数を上げる必要があり、5次では正しい値は得られない。
図8に関する考察より、例えばλ=±πiのような固有値は、確かにサンプル時間がh=1の場合は丁度ナイキスト周波数であるため波形を表現し得る。しかし、このような固有値を持つ方程式を計算するためには、計算結果804として示される10次のTaylor展開法のような、計算負荷が高い手法を採用せざるを得ない。
図9は、固有値λ=±π/2iを異なる計算手法で計算した時系列結果を説明する図である。図8の場合と同様に、図9(a)は横軸:時間(秒)に対する縦軸:dx/dtの計算結果を示しており、図9(b)は横軸:時間(秒)に対する縦軸:xの計算結果を示している。Taylor展開法の4次の項は、(π/2)4・24=0.254となる。このため、4次で打ち切られるTaylor展開法、又は4次のRunge-Kutta法を用いても、図9に示されるように、十分な計算精度を得ることができる。なお、図1及び図2に関して前述したように、前述した(2)式についてLTIが仮定でき(3)式及び(4)式のように表現できるならば、4次以下の次数については、Taylor展開法とRunge-Kutta法は同一である。
この場合、図9のRunge-Kutta法の計算結果901は、本来の方程式が与える振動波形の周波数の理論値804とは明らかに異なる。しかし、従来用いられている代表的な手法である台形法の計算結果801であっても、本来の周波数の波形を計算することはできない。このため、少なくとも振動現象を表現できるという点では大差はなく、固有値λを±π/2iに変換して、Runge-Kutta法により計算した手法は計算効率に勝る。
eλtの最初の1ステップ、即ちt=hの値は、
λ=-1 h=1:e-t =0.368
λ=-2 h=1:e-2t=0.135
λ=-3 h=1:e-3t=0.050
λ=-4 h=1:e-4t=0.0183
である。従って、例えば固有値がλ=-3より小さければ、その固有値の時間応答特性がλ=-3のときの時間応答特性と同じである、として実用上は問題はない。2ステップ以降(t=2h,3h,4h)では、時間応答特性は更に0に近似する。従って、固有値がλ=-3より小さい場合と固有値がλ=-3の場合とで、それらの差異は全くなくなる。
なお、“λ=-3”のような原点から離れた固有値は、図6に示すように台形積分法でも大きな誤差がのこり、正確に計算するなら、例えばTaylor展開法の10次のような計算アルゴリズム(図7では分かりやすいように8次を使用)を必要とするなど、虚数部において説明したように、そもそもにおいて固有値の絶対値が大きい場合は、前述の(7)式及び(8)式において次数Nを相当に大きくしないと収束しないため、台形法のような次数の小さな計算アルゴリズムでは、打切り誤差が大きく、正確な計算ができない。
そのため、“λ=-3”より小さい固有値を“λ=-3”に置き換えたことによる差異は、“λ=-3”のような絶対値の大きな固有値を持つ状態方程式を、台形法のような現在広く知られている計算手法で計算した場合に避け得ない計算誤差を考慮すれば、無視できるものである。更に、“-2”程度を閾値にして、これより小さな固有値をすべて“λ=-2”に置き換えて、4次のRunge-Kutta法を使用して“λ=-2”のときの時間応答を正確に計算したほうが、結果的に妥当な計算結果を得ることができる場合もある。
一方、虚数部ωiの係数ωが0未満の場合、実部σ及び虚数部ωiが、所定の値γ及びμを用いて、下記(37)式の関係を満たすか否かが判定される。
において、変数sの現在値が示す位置の対角要素の固有値λsとして設定する(図14のステップS1409)。
から、修正係数行列
及び
を得る。そして、図12の状態方程式計算手段1203が、これらの修正係数行列に基づいて修正した状態方程式に対して、実数演算による計算を実行できるようにする。
を入力する。また、行列算出手段1202は、固有値計算手段302から、前述した正則行列P及びその逆行列P-1を入力する。行列算出手段1202は、これらの入力したデータに基づいて、(45)式により、係数行列Aに対応する修正係数行列
を算出し、状態方程式計算手段1203に出力する。
なお、行列算出手段1202は、状態方程式計算手段1203における後述する状態方程式の計算のための補足として、上記修正係数行列の逆行列
も算出し、状態方程式計算手段1203に出力する。
に修正した。この(23)式と、前述した(3)式、及び上記(45)式に基づいて、下記(46)式の演算式が得られる。
とに基づいて、(46)式により、修正係数行列
を算出し、状態方程式計算手段309に出力する。
1601:オリジナルの4次のTaylor展開法で計算した場合
1602:前述の(55)式のように固有値の変更を行った上で、
4次のTaylor展開法で計算した場合
1603:5次のTaylor展開法で計算した場合
また、図16には、理論値のオリジナルの時系列計算結果1604と、理論値×0.75の時系列計算結果1605も、一緒に示されている。
図16では、2次方程式
次に、図12の第3の実施形態の場合と同様の行列算出手段1202により、修正係数行列
及び
が生成される。
そして、図12の第3の実施形態の場合と同様の状態方程式計算手段1203で前述の(47)式の状態方程式が計算される。図16(a)は横軸:時間(秒)に対する縦軸:dx/dtの計算結果を示しており、図16(b)は横軸:時間(秒)に対する縦軸:xの計算結果を示している。
計算結果が真値と異なるのは、固有値の絶対値が大きく4次や5次では計算誤差が大きいためであるので、例えば10次のTaylor展開法などを使用すれば、真値に近い値を得ることができる。
固有値が前述した(53)式として示される値も、第4の実施形態は同様に適用できる。
これらの構成がSILSに適用された場合は、計算精度が向上すると同時に計算時間を短縮することが可能となる。
上記構成がHILSに適用された場合には、従来では不可能であったStiff状態方程式で表される制御対象を、リアルタイム処理として模擬することが可能となる。
この結果、制御装置の開発を飛躍的に効率化することが可能となり、産業界の発展に寄与するものである。
207 ナイキスト周波数を超えない範囲
300、1200 HILS計算装置
301 通信手段
302 固有値計算手段
303 固有値実部変更手段
304 固有値虚数部変更手段
305 行列算出手段
306 デジタル信号入力手段
307 電圧入力手段
308 ベクトル算出手段
309 状態方程式計算手段
310 時計装置
311 電圧出力手段
320 ホストコンピュータ
700 SILS計算装置
701 制御装置制御則計算手段
702 行列設定手段
703 ディスプレイ装置
Claims (13)
- 制御対象の動作を数学的にモデル化した常微分方程式である状態方程式を解く演算を実行することにより、前記制御対象の動作を模擬する計算装置であって、
制御装置への出力を表す変数ベクトル項と前記制御装置からの入力を表す入力ベクトル項を含み、前記変数ベクトル項及び前記入力ベクトル項に夫々乗算される各係数行列の要素が一定時間において不変な定数とみなせる線形時間不変システムに前記制御対象をモデル化した線形状態方程式を、前記状態方程式として設定する方程式設定手段と、
前記変数ベクトル項の係数行列を、対角要素が固有値である対角行列又はジョルダン標準形行列の何れかの行列である固有値包含対角行列に変換する固有値計算手段と、
前記固有値包含対角行列内の各前記固有値が所定の条件を満たす場合に、前記固有値の実部又は虚数部の一方又は両方を所定の定数に変更することにより、前記固有値包含対角行列に対応する修正固有値包含対角行列を出力する固有値変更手段と、
前記線形状態方程式を前記修正固有値包含対角行列に基づく形式に変換することにより、前記線形状態方程式に対応する修正線形状態方程式を出力する方程式変換手段と、
前記修正線形状態方程式を差分方程式の形式に変換し、前記差分方程式に対する解法演算を実行することにより、前記制御装置への出力信号を生成する状態方程式計算手段と、
を備える制御対象の動作を模擬する計算装置。 - 前記計算装置はハードウェア・イン・ザ・ループ・シミュレータ装置として動作し、
前記計算装置は、前記制御装置が備える制御装置側物理的出力手段に接続される計算装置側物理的入力手段と、前記制御装置が備える制御装置側物理的入力手段に接続される計算装置側物理的出力手段とを更に備え、
前記入力ベクトル項の各要素として、前記制御装置側物理的出力手段から前記計算装置側物理的入力手段に入力する電圧値又は電流値が設定され、
前記変数ベクトル項の各要素として、前記計算装置側物理的出力手段から前記制御装置側物理的入力手段へ出力される電圧値または電流値、あるいは電磁光学的入力手段の検知対象となる物理値、あるいは通信入力装置に対する通信出力が計算される、
請求項1に記載の制御対象の動作を模擬する計算装置。 - 前記固有値変更手段は、前記固有値包含対角行列内の各前記固有値λsの実部σsの絶対値|σs|が所定の実部閾値aより大きい場合に、前記固有値λsの実部σsを所定の実数定数bに変更する、請求項1又は2に記載の制御対象の動作を模擬する計算装置。
- 前記固有値変更手段は、iを虚数単位として、前記固有値包含対角行列内の各前記固有値λsの虚数部ωsiの絶対値|ωs|が所定の虚数部閾値cより大きい場合に、前記固有値λsの虚数部ωsを所定の虚数定数diに変更する、請求項1又は2に記載の制御対象の動作を模擬する計算装置。
- 前記方程式設定手段は、
を前記変数ベクトル項の1階導関数、X(t)を前記変数ベクトル項、U(t)を前記入力ベクトル項、Aを前記変数ベクトル項の係数行列、Bを前記入力ベクトル項の係数行列として、前記線形状態方程式として、
前記固有値計算手段は、前記係数行列Aのサイズをnを自然数としてn行n列とし、正則な行列Pを用いて、前記係数行列Aを、
前記固有値変更手段は、前記(4)式で示される前記対角行列Λ内の各前記固有値λs=σs+ωsi(1≦s≦n)が所定の条件を満たす場合に、前記固有値λsを所定の定数に変更することにより、前記修正固有値包含対角行列である修正対角行列として
を出力し、
前記方程式変換手段は、前記係数行列Bを、
に変換し、前記(3)式で示される前記線形状態方程式に対応する前記修正線形状態方程式を、
前記状態方程式計算手段は、前記(6)式と(7)式とで示される前記出力状態方程式を前記差分方程式の形式に変換し、前記差分方程式に対する前記解法演算を実行することにより解Z(t)を計算し、更に、前記(8)式で示される前記出力方程式を他の差分方程式に変換し、前記他の差分方程式に対する他の解法演算を実行することにより前記出力信号のベクトルY(t)を計算して前記制御装置に出力する、
請求項1乃至5の何れか一項に記載の制御対象の動作を模擬する計算装置。 - 前記方程式設定手段は、
を前記変数ベクトル項の1階導関数、X(t)を前記変数ベクトル項、U(t)を前記入力ベクトル項、Aを前記変数ベクトル項の係数行列、Bを前記入力ベクトル項の係数行列として、前記線形状態方程式として、
前記固有値計算手段は、前記係数行列Aのサイズをnを自然数としてn行n列とし、正則な行列Pを用いて、前記係数行列Aを、
前記固有値変更手段は、前記(10)式で示される前記対角行列Λ内の各前記固有値λs=σs+ωsi(1≦s≦n)が所定の条件を満たす場合に、前記固有値λsを所定の定数に変更することにより、前記修正固有値包含対角行列である修正対角行列として
を出力し、
前記方程式変換手段は、前記係数行列Aを、
に変換し、前記係数行列Bを、
に変換し、前記(9)式で示される前記線形状態方程式に対応する前記修正線形状態方程式を、
前記状態方程式計算手段は、前記(13)式で示される前記出力状態方程式を前記差分方程式の形式に変換し、前記差分方程式に対する前記解法演算を実行することにより解X(t)を計算し、更に、前記(14)式で示される前記出力方程式を他の差分方程式に変換し、前記他の差分方程式に対する他の解法演算を実行することにより前記出力信号のベクトルY(t)を計算して前記制御装置に出力する、
請求項1乃至5の何れか一項に記載の制御対象の動作を模擬する計算装置。 - 前記方程式設定手段は、
を前記変数ベクトル項の1階導関数、X(t)を前記変数ベクトル項、U(t)を前記入力ベクトル項、Aを前記変数ベクトル項の係数行列、Bを前記入力ベクトル項の係数行列として、前記線形状態方程式として、
前記固有値計算手段は、前記係数行列Aのサイズをnを自然数としてn行n列とし、正則な行列Pを用いて、前記係数行列Aを、
前記固有値変更手段は、前記(16)式及び前記(17)式で示される前記ジョルダン標準形行列J内の各前記固有値λs=σs+ωsi(1≦s≦m)が所定の条件を満たす場合に、前記固有値λsを所定の定数に変更することにより、前記修正固有値包含対角行列である修正対角行列として
を出力し、
前記方程式変換手段は、前記係数行列Bを、
に変換し、前記(15)式で示される前記線形状態方程式に対応する前記修正線形状態方程式を、
前記状態方程式計算手段は、前記(19)式と(20)式とで示される前記出力状態方程式を前記差分方程式の形式に変換し、前記差分方程式に対する前記解法演算を実行することにより解Z(t)を計算し、更に、前記(21)式で示される前記出力方程式を他の差分方程式に変換し、前記他の差分方程式に対する他の解法演算を実行することにより前記出力信号のベクトルY(t)を計算して前記制御装置に出力する、
請求項1乃至5の何れか一項に記載の制御対象の動作を模擬する計算装置。 - 前記方程式設定手段は、
を前記変数ベクトル項の1階導関数、X(t)を前記変数ベクトル項、U(t)を前記入力ベクトル項、Aを前記変数ベクトル項の係数行列、Bを前記入力ベクトル項の係数行列として、前記線形状態方程式として、
前記固有値計算手段は、前記係数行列Aのサイズをnを自然数としてn行n列とし、正則な行列Pを用いて、前記係数行列Aを、
前記固有値変更手段は、前記(23)式及び前記(24)式で示される前記ジョルダン標準形行列J内の各前記固有値λs=σs+ωsi(1≦s≦m)が所定の条件を満たす場合に、前記固有値λsを所定の定数に変更することにより、前記修正固有値包含対角行列である修正対角行列として
を出力し、
前記方程式変換手段は、前記係数行列Aを、
に変換し、前記係数行列Bを、
に変換し、前記(22)式で示される前記線形状態方程式に対応する前記修正線形状態方程式を、
前記状態方程式計算手段は、前記(27)式で示される前記出力状態方程式を前記差分方程式の形式に変換し、前記差分方程式に対する前記解法演算を実行することにより解X(t)を計算し、更に、前記(28)式で示される前記出力方程式を他の差分方程式に変換し、前記他の差分方程式に対する他の解法演算を実行することにより前記出力信号のベクトルY(t)を計算して前記制御装置に出力する、
請求項1乃至5の何れか一項に記載の制御対象の動作を模擬する計算装置。 - 制御対象の動作を数学的にモデル化した常微分方程式である状態方程式を解く演算を実行することにより、前記制御対象の動作を模擬する計算装置に、
制御装置への出力を表す変数ベクトル項と前記制御装置からの入力を表す入力ベクトル項を含み、前記変数ベクトル項及び前記入力ベクトル項に夫々乗算される各係数行列の要素が一定時間定数とみなせる線形時間不変システムに前記制御対象をモデル化した線形状態方程式を、前記状態方程式として設定する方程式設定処理と、
前記変数ベクトル項の係数行列を、対角要素が固有値である対角行列又はジョルダン標準形行列の何れかの行列である固有値包含対角行列に変換する固有値計算処理と、
前記固有値包含対角行列内の各前記固有値が所定の条件を満たす場合に、前記固有値の実部又は虚数部を所定の定数に変更することにより、前記固有値包含対角行列に対応する修正固有値包含対角行列を出力する固有値変更処理と、
前記線形状態方程式を前記修正固有値包含対角行列に基づく形式に変換することにより、前記線形状態方程式に対応する修正線形状態方程式を出力する方程式変換処理と、
前記修正線形状態方程式を差分方程式の形式に変換し、前記差分方程式に対する解法演算を実行することにより、前記制御装置への出力信号を生成する状態方程式計算処理と、
を実行させる、計算装置において状態方程式を解く演算の実行方法。 - 制御対象の動作を数学的にモデル化した常微分方程式である状態方程式を解く演算を実行することにより、前記制御対象の動作を模擬する計算装置に、
制御装置への出力を表す変数ベクトル項と前記制御装置からの入力を表す入力ベクトル項を含み、前記変数ベクトル項及び前記入力ベクトル項に夫々乗算される各係数行列の要素が一定時間定数とみなせる線形時間不変システムに前記制御対象をモデル化した線形状態方程式を、前記状態方程式として設定する方程式設定処理と、
前記変数ベクトル項の係数行列を、対角要素が固有値である対角行列又はジョルダン標準形行列の何れかの行列である固有値包含対角行列に変換する固有値計算処理と、
前記固有値包含対角行列内の各前記固有値が所定の条件を満たす場合に、前記固有値の実部又は虚数部を所定の定数に変更することにより、前記固有値包含対角行列に対応する修正固有値包含対角行列を出力する固有値変更処理と、
前記線形状態方程式を前記修正固有値包含対角行列に基づく形式に変換することにより、前記線形状態方程式に対応する修正線形状態方程式を出力する方程式変換処理と、
前記修正線形状態方程式を差分方程式の形式に変換し、前記差分方程式に対する解法演算を実行することにより、前記制御装置への出力信号を生成する状態方程式計算処理と、
を実行させるためのプログラム。
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