JP2022162801A - 常微分方程式の数値計算装置、計算装置において常微分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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Abstract
Description
今日では、制御対象を接続することにより、その制御対象に対してフィードバック制御を行う制御装置が無数に存在する。その制御対象は、機械装置である場合もあり、或いは電子回路である場合もある。例えば、自動車には、ECU(Electronics Control Unit:電子制御ユニット)と呼ばれる制御装置が多く搭載されている。夫々のECUは、例えばエンジン、トランスミッション、又はサスペンションなどの機械装置である制御対象に対して、フィードバック制御を行う。また、近年の車両はいくつかの異なる電圧を電子機器に使用しているため、電圧コンバータ装置を制御するECUはスイッチ素子の断続により所定の電圧あるいは電流となるよう、スイッチ素子の断続状態に対しフィードバック制御を行う。これらの制御装置は、制御対象を接続して初めて機能するという特性を持つ。従って、制御装置の開発においては、かつては、実際に制御対象を接続して実験/検証を行う必要があった。しかし、開発段階の制御装置を実際の制御対象に接続して検証を行った場合、制御装置による制御が不完全であることにより、制御対象が破壊されてしまうという事故が起こり得た。また、例えば月着陸船の制御装置のように、実際の使用環境での実験/検証が不可能な制御装置の開発においては、制御対象を実際に接続してその制御装置を開発することができなかった。或いは、開発段階において制御対象の実機が存在しない場合においても、制御対象を実際に接続してその制御装置を開発することができなかった。
前述したように、HILS又はSILSで用いられる数学モデルは、制御対象である、機械装置の動作を表現する運動方程式や、電子回路の動作を表す回路方程式である。この方程式は、任意数の要素を持つ状態変数ベクトルX、時間を表す変数t、及びベクトル関数F(t,X)を用いて、下記(1)式の常微分方程式として表現されることがある。
に等しい、という形を有する。
ところで、上記(2)式の各係数行列A、Bは必ずしも定数行列である必要はない。しかしながら、各係数行列A、Bの要素が一定時間において不変な定数であれば、(2)式は、所謂LTI(Linear Time Invariant:線形時間不変)システムの線形状態方程式となる。HILS又はSILSで用いられる物理モデルは、LTIシステムを仮定しても十分であることが多い。前述した(2)式がLTIシステムの状態方程式となっており、かつ入力U(t)が一定値Uであるとみなせる場合、行列指数関数
を用いて、下記(3)式の一般解を得ることができる。
従って、(2)式は(9)式のスカラー連立方程式と等価であるから、(2)式のA行列の固有値が一つでも(12)式の条件を満たせば、(2)式の解法計算は発散することとなる。常微分方程式が前述したStiffな方程式である場合に、(12)式の条件が満たされ易くなる。
図1において、横軸はλの値の実部を示す実部軸、縦軸はλの値の虚数部を示す虚数部軸である。
図1の安定領域曲線101~108は夫々、前述の(6)式においてN=1、2、3、4、5、6、7、及び8とした場合に計算したときの、発散せずに計算できる安定境界上でh=1の場合の固有値λの値をプロットしたものである。
すなわち、計算する係数行列Aのすべての固有値λが、あるNが与える上記安定領域として示した曲線の内側にあれば、このNを用いた(6)式を用いて、発散せずに計算することが可能である。
なお、λは(6)式の係数行列Aと正則な行列Pを用いて前述の(7)式によって計算される。
また、前述の(10)式及び(11)式の前進Euler法は、上記(6)式でN=1とした場合であり、これを次数が1であるところの1次の行列指数近似法と呼称する。
前述した(7)、(8)式に示されるLTIシステムを仮定できる状態方程式(常微分方程式)を、例えばRunge-Kutta法などの差分方程式に変換して演算する場合について考える。このケースでは、上記前進Euler法の場合と同様に、差分方程式における離散時間の計算ステップhと、A行列の固有値λの値とが適切でない場合、計算がプラス無限大(∞)又はマイナス無限大(-∞)に発散することが知られている。逆に発散せず安定に状態方程式を解くことができる条件は、計算アルゴリズムごとに異なる。
以上説明したRunge-Kutta法及び行列指数近似法は、広く使われる数値計算手法である。しかし、これらの数値計算法は、安定領域に限りがある。そして、Stiffな方程式の場合、前述したように、不安定になり計算が発散するか、過剰に小さな計算ステップhを用いなければならないという問題がある。
即ち、常微分方程式が(2)式に示されるような線形方程式であれば、逆行列を計算する必要がある。一般に逆行列の計算負荷は、行列が“n×n”要素のサイズを有する場合、nの3乗に比例すると言われている。従って、nが大きなシステムの場合には、計算負荷が極めて高くなる。
また、常微分方程式が(15)式又は(16)式に示されるような非線形を含む一般的な関数で表される方程式であれば、前述したように、Newton法などの反復計算が必要となり、この場合も計算負荷が極めて高くなる。
常微分方程式の解法をHILSなどに適用する場合、HILSは別名リアルタイムシミュレータであるから、計算は所定の時間以内で終了することが要請される。従って、Euler法や台形法やGear法などの計算負荷の重いアルゴリズムは、採用しづらい。また、必ず所定の時間以内に完了することが求められているため、Newton法による反復計算など、計算終了時間が一定でないアルゴリズムを採用することは困難である。
SILSであっても、シミュレーション時間が長くなるため、開発効率の低下を招くという問題が生じる。また、SILSで検証したのちにHILSを適用する場合、計算アルゴリズムが異なることよる検証精度の劣化を招くという問題も生じる。
まず、本実施形態の動作原理について説明する。N次の行列指数近似法において、次数Nが大きい場合は行列指数関数を計算する計算負荷が高く、例えばパデ近似などの他の手法を用いることが多い。しかし、(2)式の係数行列Aが定数で不変であり、かつ計算ステップhが定数の場合には、前述した(5)式の級数部分も定数となる。この場合には、行列指数近似法で使用する級数部分は、A行列が不変である一定期間の間に1度だけ計算すればよいこととなる。
SILSにおいてもこの特性は有用であるが、特にHILS等への応用の場合は、上記行列指数関数は、システムが実際にリアルタイムに稼働する前の準備段階で計算しておけばよい。この場合には、(5)式の級数部分の計算にたとえ数秒程度の時間を要しても実用上問題にはならない。
しかしながら、計算ステップhが定数であることは、応用範囲を狭めるものである。例えば、本願の発明者が、下記論文文献1又は2にて提案した「部分可変ステップ法」として知られる従来の数値計算手法においては、スイッチング回路のスイッチングタイミングに応じた回路挙動を正確に計算するため、計算ステップhfは実時間稼働時点での計測値となっている。
<論文文献2>:城所 仁 中原 正俊 “FPGAを用いたスイッチングコンバータのリアルタイム・シミュレーション”電子情報通信学会 研究会資料(技術研究報告)EE2013-55
なお、連続系との対応は(20)式で示され、hが計算ステップ幅である。
一方、SILSでは、リアルタイム性の制約はないが、HILSとの整合を図るためにHILSの場合と同様な計算を行うことが一般的である。このため、SILSにおいても、上記と同様の問題が生じる。
上述したような計算方法を用いる計算装置の一実施形態について、図5、図6、図7、及び図8を用いて具体的に説明する。図5は本発明の一実施形態である計算装置500の実施形態を示すブロック図、図6はシミュレーション対象であるコンバータ装置の回路図の例を説明する図、図7は図5の計算装置500内のパルス信号計測手段508の処理例を示すフローチャート、図8は図5の計算装置500内の状態方程式計算手段509の処理例を示すフローチャートである。
Count=hexpであればステップ11の判定はYESであるので、タイミングパルスはhexpの時間間隔で発行される。
なお、ステップ21でタイミングパルスを待ち、タイミングパルスは図7のステップ12でhexpの時間間隔で発行されるのであるから、以下の処理はhexpの時間間隔で行われる。
ステップ26の処理は、ステップ21においてhexpの時間間隔で発行されるタイミングパルスと同期させているため、ステップ26の処理は、hexpの時間の時間間隔において状態変数ベクトルXを更新する処理は2回実行される。
これに対し、ステップ23、ステップ24において行われる出力変数ベクトルの計算は1度のみである。すなわちステップ26、ステップ27において計算される状態変数ベクトルXtmpの値に対しては、出力変数ベクトルYは計算されず、後述するHILS計算装置500内の電圧出力手段510より出力電圧として出力されない。
なお、PWM信号がLoからHiに変化せずLoレベルのままであれば、hH=0であり、(35)式のみを計算した場合と等価となるが、計算負荷を一定にするため(34)式も計算する。
ステップ27における計算は、上述のHiレベルとLoレベルが逆転した関係となる。
制御装置は、このアナログ電圧値を、制御対象に設置されたセンサ装置からの信号と理解して、制御対象の挙動を判定し、所定の制御出力を出力する。
この制御出力は、HILS計算装置500のデジタル信号入力手段504又は電圧入力手段505に入力される。このようにして、制御装置と制御対象であるHILS計算装置500との間に、フィードバックのクローズドループ(閉ループ)が形成される。この結果、図5のHILS計算装置500は、図6の回路図で示したコンバータ装置を模擬し、制御装置に制御対象を与えることができる。
Yummy法は前述した(17)式及び(18)乃至(19)式により計算するが、前述した(7)式から(11)式までの関係と同様に安定領域が定義される。この時、h=hexp=1であれば、図1で示した領域となるが、h≠hexpの場合は異なる領域となる。
本実施形態によるYummy法の安定性、即ち、h<hexpであるならば、安定領域は計算ステップサイズをhexpとしたN次の行列指数近似法の安定領域より広くなることについて、以下に示す。
(7)~(11)式のように(17)式はスカラーの連立式と等価であるから、以下にスカラー式で示す。また外部入力値uは安定性解析には無関係なため省略する。
なお、Ω(λ)=0となるλのときは、
m1=300 m2=1
ks=0.9 k=10 c=10
図12(a)は、前述の(42)式及び(43)式の横軸:時間(秒)に対する縦軸:「x1:質量体m1の変位[m]」の運動方程式の解法結果を示している。1201(「◇」マーク)は実施形態によるYummy法(hexp=1、h=0.2)の計算結果であり、1202(実線)は厳密解、1203(「*」マーク)は後退Euler法(h=0.2)、1204(破線)は後退Euler法(h=1)である。
図12(b)は、前述の(42)式および(43)式の運動方程式の、横軸:時間(秒)に対する縦軸:「x2:質量体m2の変位[m]」の解法結果を示している。1211(「◇」マーク)は、本実施形態によるYummy法(hexp=1、h=0.2)の計算結果であり、1212(実線)は、厳密解、1213(「*」マーク)は後退Euler法(h=0.2)、1214(破線)は後退Euler法(h=1)である。
図13(b)は、横軸:時間(秒)に対する縦軸:「x2:質量体m2の変位[m]」の、前述の(42)式および(43)式の運動方程式の、横軸:時間(秒)に対する縦軸:「x2:質量体m2の変位[m]」の解法結果を示している。1311(「◇」マーク)は本実施形態によるYummy法(hexp=0.25、h=0.2)の計算結果であり、1312(実線)は厳密解、1313(「*」マーク)は後退Euler法(h=0.2)、1314(破線)は後退Euler法(h=1)である。
図14は、計算装置の他の実施形態を示すブロック図である。図14は、計算装置1400がSILSを構成する例である。以降、この計算装置をSILS計算装置1400と記載する。図14では、図5の通信手段501の代わりに、回路シミュレーション実行手段1402を有し、状態方程式において用いられる前述したA,B,C,D行列が設定される。図14において、図5の場合と同じ参照番号を付したブロックは、図5の場合と同じ機能を有する。
図16は、Yummy行列記憶手段503が実行するYummy行列選択処理の例を示すフローチャートである。
前述したように、hexp3<hexp2<hexp1<hexp0の関係がある。このため、図16に示されるフローチャートの制御処理により、例えばhexp0≦hH<hexp1であるhHであれば、hexp0で計算したAymL行列が選択される結果となる。この結果、図14の状態方程式計算手段509は、精度の高い計算が安定に行えるAymL行列を用いて、計算を行えることになる。
従って、HILSなど、計算時間に制約がありながら、Stiffな方程式に対応しなければならない用途に適用することで、従来では困難であった、図6で例示したような機構や電子回路などの模擬、即ち、リアルタイムのシミュレーションを可能とするものである。
加えて、HILS以外の、物理的信号を介さず計算機内で制御機器の制御アルゴリズムを検証するSILS、更には一般的な数値計算の分野においても、計算時間の短縮に貢献し、SILSとHILSの検証結果の整合性を高め、様々な解析の効率化に供するものである。
500 HILS計算装置
501 通信手段
502 Yummy行列計算手段
503 Yummy行列記憶手段
504 デジタル信号入力手段
505 電圧入力手段
506 ベクトル算出手段
507 基準時間生成手段
508 パルス信号計測手段
509 状態方程式計算手段
510 電圧出力手段
520 ホストコンピュータ
1400 SILS計算装置
1402 回路シミュレーション実行手段
1403 キーボード装置
1404 ディスプレイ装置
Claims (10)
- 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計算装置であって、
状態を表す状態変数ベクトル項に第1の係数行列を乗算した項と入力を表す入力ベクトル項に第2の係数行列を乗算した項を含む常微分方程式について、所定の計算ステップによって定まる離散時間間の差分関係を示す差分方程式の形式を有し、一定時間において不変な定数とみなせる定数行列を指数とする行列指数関数を近似する行列冪級数であって、所定の計算ステップと前記定数行列との積の冪乗項により構成される有限な次数の第1の行列冪級数を夫々含む前記第1の係数行列及び前記第2の係数行列が夫々定義される、状態方程式を設定する方程式設定手段と、
前記計算ステップを時間的に不変な時間不変計算ステップと時間的に可変な時間可変計算ステップとに分離し、少なくとも、前記時間不変計算ステップと前記定数行列との積の冪乗項により構成される前記有限な次数の第2の行列冪級数を前記状態方程式の解法演算に先立って事前に計算する事前計算手段と、
前記事前に計算された前記第2の行列冪級数に基づいて夫々前記第1の係数行列及び前記第2の係数行列を算出しながら、順次算出される時間可変計算ステップに基づいて、前記差分方程式に対する解法演算を実行する状態方程式計算手段と、
を備える常微分方程式の数値計算装置。 - 前記定数行列をA、前記計算ステップをh、前記有限な次数をNとして、前記第1の行列冪級数は、
前記(1)式として定義される前記第1の行列冪級数を用いて、
前記定数行列Aの逆行列をA-1、第2の定数行列をB、単位行列をIとして、前記(1)式として定義される前記第1の行列冪級数を用いて、
前記方程式設定手段は、
前記計算ステップhによって定まる前記離散時間をn、Xn及びXn+1を夫々前記離散時間n及びn+1における前記状態変数ベクトル項、Unを前記離散時間nにおける前記入力ベクトル項として、前記(2)式の演算及び前記(3)式の演算に基づいて、前記状態方程式である前記差分方程式を、
前記事前計算手段は、
前記計算ステップhを時間的に不変な時間不変計算ステップhexpと時間的に可変な時間可変計算ステップhとに分離し、前記第2の行列冪級数を、
更に前記(5)式に基づく第1の定数係数行列(AymA)及び第2の定数係数行列(AymB)を夫々事前に計算し、
前記状態方程式計算手段は、前記第1の定数係数行列(AymA)、前記第2の定数係数行列(AymB)、及び前記順次算出される前記時間可変計算ステップhに基づいて、
請求項1に記載の常微分方程式の数値計算装置。 - 前記事前に算出される前記第2の行列冪級数を記憶する記憶手段を更に備え、
前記状態方程式計算手段は、前記記憶手段に記憶されている前記第2の行列冪級数を用いて、前記差分方程式に対して前記解法演算を実行する、
請求項1又は2に記載の常微分方程式の数値計算装置。 - 前記時間不変計算ステップは、前記状態方程式の固有値と前記時間不変計算ステップとの積が前記状態方程式の計算結果が安定となる安定領域内に存在するように設定され、
前記時間可変計算ステップの算出において、算出された前記時間可変計算ステップの値が前記時間不変計算ステップの値よりも大きくなった場合に、前記時間可変計算ステップの値を前記時間不変計算ステップの値として算出する、
請求項1乃至3の何れか一項に記載の常微分方程式の数値計算装置。 - 前記計算装置は、制御装置の開発において、前記制御装置が制御を行う制御対象を模擬する装置であって、
前記制御装置から得られる信号により正の数で前記時間可変計算ステップを算出するパルス信号計測手段を更に備える、
請求項1乃至5の何れか一項に記載の常微分方程式の数値計算装置。 - 前記事前計算手段は、
前記時間不変計算ステップを複数設定し、
前記複数の時間不変計算ステップの夫々に対して複数の前記第2の行列冪級数の夫々を、前記状態方程式の解法演算に先立って事前に計算し、
前記状態方程式計算手段は、前記事前計算手段が事前に計算した前記複数の第2の行列冪級数から1つを選択して、前記差分方程式に対する解法演算に使用する、
請求項1乃至6の何れか一項に記載の常微分方程式の数値計算装置。 - 前記事前計算手段は、前記複数の時間不変計算ステップの夫々に対して複数の前記第2の行列冪級数の夫々を前記状態方程式の解法演算に先立って事前に計算するときに、前記複数設定した時間不変計算ステップの夫々に対応した次数で計算を実行する、
請求項7に記載の常微分方程式の数値計算装置。 - 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計算機に、
状態を表す状態変数ベクトル項に第1の係数行列を乗算した項と入力を表す入力ベクトル項に第2の係数行列を乗算した項を含む常微分方程式について、所定の計算ステップによって定まる離散時間間の差分関係を示す差分方程式の形式を有し、一定時間において不変な定数とみなせる定数行列を指数とする行列指数関数を近似する行列冪級数であって所定の計算ステップと前記定数行列との積の冪乗項により構成される有限な次数の第1の行列冪級数を夫々含む前記第1の係数行列及び前記第2の係数行列が夫々定義される、状態方程式を設定する処理と、
前記計算ステップを時間的に不変な時間不変計算ステップと時間的に可変な時間可変計算ステップとに分離し、少なくとも、前記時間不変計算ステップと前記定数行列との積の冪乗項により構成される前記有限な次数の第2の行列冪級数を前記状態方程式の解法演算に先立って事前に計算する処理と、
前記事前に計算された前記第2の行列冪級数に基づいて夫々前記第1の係数行列及び前記第2の係数行列を算出しながら、順次算出される時間可変計算ステップに基づいて、前記差分方程式に対する解法演算を実行する処理と、
を実行させる、計算装置において常微分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計算機に、
状態を表す状態変数ベクトル項に第1の係数行列を乗算した項と入力を表す入力ベクトル項に第2の係数行列を乗算した項を含む常微分方程式について、所定の計算ステップによって定まる離散時間間の差分関係を示す差分方程式の形式を有し、一定時間において不変な定数とみなせる定数行列を指数とする行列指数関数を近似する行列冪級数であって所定の計算ステップと前記定数行列との積の冪乗項により構成される有限な次数の第1の行列冪級数を夫々含む前記第1の係数行列及び前記第2の係数行列が夫々定義される、状態方程式を設定する処理と、
前記計算ステップを時間的に不変な時間不変計算ステップと時間的に可変な時間可変計算ステップとに分離し、少なくとも、前記時間不変計算ステップと前記定数行列との積の冪乗項により構成される前記有限な次数の第2の行列冪級数を前記状態方程式の解法演算に先立って事前に計算する処理と、
前記事前に計算された前記第2の行列冪級数に基づいて夫々前記第1の係数行列及び前記第2の係数行列を算出しながら、順次算出される時間可変計算ステップに基づいて、前記差分方程式に対する解法演算を実行する処理と、
を実行させるためのプログラム。
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