JP3266912B2 - 学習機能を備えた制御装置 - Google Patents

学習機能を備えた制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、プラント制御のため
のパラメータを学習する機能を備えた制御装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】給湯器の温度調整などのプラント制御に
おいては、PID制御器やファジィ制御器等が用いられ
ている。このような制御器のゲイン等のパラメータは、
プラントが設置されたのち、このプラントに適合した値
に調整される。制御対象の特性が一定の場合には、限界
感度法等の自動調整手法を用いて行っていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この自
動調性法は制御対象の特性が変化しない場合にのみ有効
で、制御対象の特性変動が激しい場合には、この手法を
用いることができないため、専門の係員が経験を頼りに
手作業で行っていた。このため、専門の係員が必要とな
り調整に時間がかかるといった問題点があった。
【0004】この発明は、このような従来の問題点に着
目してなされたもので、専門調整技術者の調整手順およ
び調整量をルール化した調整装置を制御系に加えること
により、上記問題点を解決することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】この発明は、設定された
パラメータを用いて制御対象を制御する制御手段と、プ
ラント稼働前に、前記制御対象の制御量データを入力し
てファジィ推論を実行し前記パラメータの調整量を割り
出す推論手段と、前記推論手段が割り出した調整量に基
づいて前記パラメータを調整する調整手段と、前記制御
対象の複数の特性について前記推論手段,調整手段を繰
り返し動作させる手段と、前記調整された複数の制御パ
ラメータについて、制御効率改善への寄与するか否かの
評価をする学習評価手段と、前記学習評価手段の評価結
果に応じて、寄与しない制御パラメータを推論対象より
削除する削除手段と、を設けたことを特徴とする。
【0006】
【0007】
【0008】
【作用】この発明は、プラント稼働前に、制御対象の複
数の特性について制御対象の動作を実行し、この制御対
象の制御量データをファジィ推論することによって最適
なパラメータを割り出すようにした。ファジィ推論のル
ールには専門家の調整手順や調整ルールを入れておくよ
うにすればよい。これによって、専門家の調整を自動的
に行うことができ、特性変動の激しい制御対象を制御す
る制御装置の調整を容易にすることができる。
【0009】
【実施例】図面を参照してこの発明の実施例について説
明する。
【0010】図1はこの発明の学習機能を備えた制御シ
ステムの構成図である。この制御システムはファジィ制
御部10、PID制御部11〜13およびフィードフォ
ワード制御部14を備えており、それぞれの制御部が出
力した操作量を加算器19で合成する。この値が実際に
制御に用いられる操作量uとして制御対象15に入力さ
れる。制御対象15はこの実施例においては大型給湯器
である。制御対象15の制御量データである水温yは加
算器18にフィードバックされるほか、制御性能評価装
置16に入力される。加算器18には目標値rも入力さ
れている。この加算器18は偏差e(=r−y)を出力
する。この偏差eはファジィ制御部10およびPID制
御系の比例制御器11に入力される。また、目標値rは
フィードフォワード制御器14に入力され、入水量lは
ファジィ制御部10およびフィードフォワード制御器1
4に入力される。
【0011】制御性能評価装置16は評価結果を調整装
置17に入力する。調整装置17はこの評価結果に基づ
いてファジィ制御部10および比例制御器11のゲイン
を調整する。制御性能評価装置16および調整装置17
はこの制御システムが設置されたのち実際に稼働を開始
するまえに機能する装置である。図2に学習段階の手順
を示し、図3に上記学習手順を実行するためのフローチ
ャートを示している。
【0012】図2の学習手順では、まず比例ゲインKp
を調整し、次にファジィ制御部10の条件部メンバシッ
プ関数を調整し、最後に結論部メンバシップ関数を調整
する。水量を2リットル〜9リットルに増減して各調整
段階の調整を行っているため、調整が完了したとき、ど
のような制御条件にも適合したパラメータが設定されて
いることになる。
【0013】図3のフローチャートにおいて、まず学習
を開始するために初期ゲインの設定を行う(n1)。初
期ゲインは制御対象に対して一般的に妥当と考えられて
いるゲインに設定する。次に、入水流量を調整する(n
2)。この流量は学習の条件手順において設定された水
量にする。次に実際の温度調整を実行し(n3)、操作
量と制御量の時間的変化等の評価データを解析する(n
4)。解析の結果が要求仕様を満たしていればこの学習
ステップを終了して次のステップに進むためn2にもど
る(n5,n6)。制御結果が要求仕様を満足していな
ければパラメータを再調整して(n7)、温度調整を再
度実行する(n3)。このパラメータ再調整動作(n
7)においてファジィ推論が用いられる。
【0014】ここで要求仕様とは、ステップ応答特性に
おいて満足すべき条件をさだめた仕様である。要求仕様
の例を図10に示す。この仕様は、オーバーシュートの
温度、目標到達時間、整定時間およびハンチング回数が
定められている。
【0015】図4〜図7は上記ファジィ推論を説明する
ための図である。図4は各学習段階において調整される
パラメータおよびファジィ推論の入力変数,出力変数を
示す図である。図5はファジィ推論のためのメンバシッ
プ関数を示す図である。図6はファジィ推論のためのル
ールを示す図である。また、図7は各入力変数,出力変
数に上記メンバシップ関数(図5(A),(B))を適
用するためのスケールを示す図である。たとえば、学習
手順の(1) で比例ゲインを調整する場合には、ステップ
応答時のオーバーシュートp os,到達時間p rt,目標値
w r ,水量(入水流量)w wfを入力変数として比例ゲイ
ンへの乗数f kpを推論する。この推論にはルール0〜ル
ール4およびルール7,ルール8が用いられる。
【0016】上記制御システムにおいて、パラメータ設
定のシミュレーションを行った例を図8〜図15に示
す。制御対象15としては給湯器が想定されている。制
御周期は0.5秒、目標温度は75℃、入水する水の温
度は15℃である。また外乱はなく、要求仕様は図10
に示したものである。このような制御内容に対して、比
例ゲインKp=0.081,積分時定数TI=19.6
8とし、ファジィ制御部には図8,図9に示すメンバシ
ップ関数,ファジィルールが設定される。また、フィー
ドフォワードが出力する操作量は必要熱量の80%とす
る。すなわち、流入する水量×単位体積当たりの上昇温
度の80%ということである。
【0017】このような条件でパラメータ学習のシミュ
レーションを行った結果、図11に示すような制御特性
を得た。同図(A)は入水流量毎分2リットルの場合の
応答波形、同図(B)は入水流量毎分6リットルの場合
の応答波形、同図(C)は入水流量毎分9リットルの場
合の応答波形である。
【0018】同図(A)の応答特性を得るために図1
2,図13に示すような計6回の制御を実行した。比例
ゲインKpを変化させることにより水温の目標値への到
達時間やオーバーシュートが種々異なるがその内最も適
当なものとしてKp=0.0161を設定した。
【0019】図11(B)の応答特性を得るために図1
4に示す3回の制御を行った。この制御により、PSの
メンバシップ関数の頂点を12.6℃としてこの調整を
終了している。
【0020】さらに、図15のように入水流量を9リッ
トルにしてメンバシップ関数のトライを行ってみたが入
水流量2リットル,6リットルの調整により応答特性が
極めて良好であるため、他の部分の調整は不要であると
してこの学習段階における調整は行わなかった。その場
合の応答波形が図11(C)に示すものである。
【0021】そののち、図16に示すように出力側のメ
ンバシップ関数の調整を行ったが、応答特性の改善が見
られないため一般的な値(NS,PS=0.22kca
l/sec)として調整を終了した。
【0022】このようにこの発明によれば、オペレータ
は、調整の最初に一般的なパラメータをセットするのみ
で学習装置が自動的に全ての場合についての学習を実行
するため、極めて効率的に精度の高い制御パラメータを
セットすることができる。
【0023】なお、図1の制御システムは制御性能評価
装置16が推論したパラメータ変更の定数をそのまま調
整装置17に入力してパラメータを調整し、要求仕様を
満たすまでこの動作を繰り返して行っていたが、パラメ
ータによってはいくらそれを調整しても殆ど制御性能の
改善に寄与しないものもある。このパラメータの調整に
多くの手順を費やしていては調整作業が極めて非効率的
となる。そこで、現在の学習が有効であるか否かを判断
する学習評価装置を設けた実施例を図17,図18に示
す。図17は同制御システムの構成を示す図であるが、
このシステムは図1に示した制御システムにおいて、制
御性能評価装置16と調整装置17との間に学習評価装
置20を挿入している。学習評価装置20はパラメータ
の再調整を行ったことにより、どの程度制御性能の改善
がみられたかを判断する装置である。パラメータ再調整
にも関わらず制御性能の改善がみられなかった場合に
は、そのパラメータは制御性能の改善に寄与していない
としてそのパラメータの調整を打ち切るいう機能を有し
ている。
【0024】図18は同システムの制御パラメータ調整
動作を示すフローチャートである。
【0025】この動作においてn10〜n13は前記図
3で示したフローチャートのn1〜n4と同様である。
すなわち、まず学習を開始するために初期ゲインの設定
を行う(n10)。初期ゲインは制御対象に対して一般
的に妥当と考えられているゲインに設定する。次に、入
水流量を調整する(n11)。この流量は学習の条件手
順において設定された水量にする。次に実際の温度調整
を実行し(n12)、操作量と制御量の時間的変化等の
評価データを解析する(n13)。評価データを解析し
たのち、学習効果があったかどうかを評価関数の演算に
よって求める(n14)。学習効果があれば、評価関数
が最小であるか否かを判断し(n16)、最小であれば
その制御パラメータをメモリに保存する(n17)。こ
の制御結果が要求仕様を満たしていれば次のステップ
(学習段階)に進み(n20)、満たしていなければパ
ラメータを再調整して(n19)、n12にもどる。
【0026】全ての学習段階について上記処理を実行し
たのち(n21)、全学習段階における最小の評価関数
を求め(n22)、全ての水量について評価関数が最小
となる制御パラメータを選択する(n23)。以上の動
作によって各学習手順において調整された内容を最後に
総合的に検討して全ての場合において最適となるような
パラメータを設定することができる。
【0027】
【発明の効果】以上のようにこの発明の制御装置によれ
ば、制御対象の種々の特性において、自動的に各制御系
を動作させ、その動作が最適になるように制御パラメー
タをファジィ推論して自動的に調整することができるた
め、専門家の知識を調整手順と、各調整段階での操作知
識をファジィ推論用の知識として与えることにより、パ
ラメータの調整量を自動的に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】はこの発明の実施例である制御パラメータ学習
方法が適用される制御システムの構成を示す図、
【図2】は同制御システムにおける学習パラメータの学
習手順を示す図、
【図3】は同制御におけるパラメータ学習動作を示すフ
ローチャート、
【図4】は制御パラメータの調整に用いられるファジィ
推論を説明する図、
【図5】は制御パラメータの調整に用いられるファジィ
推論を説明する図、
【図6】は制御パラメータの調整に用いられるファジィ
推論を説明する図、
【図7】は制御パラメータの調整に用いられるファジィ
推論を説明する図、
【図8】は同制御システムにおいて行ったシミュレーシ
ョンを説明する図、
【図9】は同制御システムにおいて行ったシミュレーシ
ョンを説明する図、
【図10】は同制御システムにおいて行ったシミュレー
ションを説明する図、
【図11】は同制御システムにおいて行ったシミュレー
ションを説明する図、
【図12】は同制御システムにおいて行ったシミュレー
ションを説明する図、
【図13】は同制御システムにおいて行ったシミュレー
ションを説明する図、
【図14】は同制御システムにおいて行ったシミュレー
ションを説明する図、
【図15】は同制御システムにおいて行ったシミュレー
ションを説明する図、
【図16】は同制御システムにおいて行ったシミュレー
ションを説明する図、
【図17】はこの発明の他の実施例である制御システム
を示す図、
【図18】は同制御システムを示す図である。
【符号の説明】
10−ファジィ制御器、11〜13−PID制御系、1
5−制御対象、16−制御性能評価装置、17−調整装
置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05B 11/36 G05B 13/02

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】制御対象を接続し、設定された制御パラメ
    ータを用いて前記制御対象を制御する制御手段と、 プラント稼働前に、前記制御対象の制御量データを入力
    してファジィ推論を実行し、前記制御パラメータの調整
    量を割り出す推論手段と、 前記推論手段が割り出した調整量に基づいて前記制御パ
    ラメータを調整する手段と、 前記制御対象の調整された複数の制御パラメータについ
    て前記推論手段、調整手段を繰り返し動作させる手段
    と、前記調整された複数の制御パラメータについて、制御効
    率改善への寄与するか否かの評価をする学習評価手段
    と、 前記学習評価手段の評価結果に応じて、寄与しない制御
    パラメータを推論対象より削除する削除手段と、 を設けたことを特徴とする学習機能を備えた制御装置。
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