JP5754161B2 - 制御装置 - Google Patents
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Description
また、PID制御の比例ゲイン、微分ゲイン、積分ゲインの3つのパラメータを調整する方法として、Ziegler-Nicholsの限界感度法やステップ応答法、CHR法などが知られている。これらの方法は閉ループのリミットサイクル応答や制御対象のステップ応答などからパラメータを調整する技術である。
内部に調整パラメータを有する制御装置において、
前記制御装置は、制御演算部と、閉ループ応答模擬部と、性能評価部と、調整パラメータマップ作成部とを有し、
前記制御演算部は、
前記調整パラメータに基づき制御演算を行う機能を有し、
前記閉ループ応答模擬部は、
制御量目標値を生成する目標値生成手段と、
擬似外乱を生成する擬似外乱生成手段と、
制御対象の応答を模擬するモデル応答模擬手段と、
前記制御演算部の制御演算を模擬する制御演算模擬手段によって構成し、
前記調整パラメータを前記制御演算模擬手段に設定すると共に、前記目標値生成手段が出力する制御量目標値と前記モデル応答模擬手段が出力する制御量とに基づいて、前記制御対象と前記制御演算部とが構成する閉ループの前記擬似外乱に対する応答信号を繰り返し演算により生成する機能を有し、
前記性能評価部は、
前記閉ループ応答模擬部により生成された応答信号から制御性能評価を計算する機能を有し、
前記調整パラメータマップ作成部は、
前記調整パラメータを順次変化させて前記制御性能評価を繰り返すことで、
調整パラメータ毎の前記制御性能評価を対応づける調整パラメータマップを作成し、
調整パラメータの推奨値を前記制御演算部に出力する機能を有する、
ことを特徴とする。
請求項1記載の制御装置において、前記閉ループ応答模擬部は、
前記調整パラメータが設定された前記制御演算模擬手段の出力と前記擬似外乱生成手段が生成する擬似外乱との偏差を前記モデル応答模擬手段に入力し、
前記モデル応答模擬手段の出力と前記目標値生成手段が生成する制御量目標値とを前記制御演算模擬手段に入力することで、
前記制御対象と前記制御演算部とが構成する閉ループの前記擬似外乱に対する応答信号を繰り返し演算により生成する
ことを特徴とする。
請求項1記載の制御装置において、前記制御性能評価として、
前記閉ループ応答模擬部により生成される前記制御量および操作量または操作変化量に基づき、前記制御量と前記制御量目標値との偏差および、前記操作量または前記操作変化量の重み付き2次元積分形式の評価式を用いる、
ことを特徴とする。
請求項1記載の制御装置において、前記制御性能評価として、
初期時刻0から最終時刻Tまでの間において、
適当な時刻T0を設定し、
時刻0から時刻T0までの前記応答信号の絶対値の最大値の対数をA1、
時刻0から時刻Tまでの前記応答信号の絶対値の最大値の対数をA2、
として、
(A2−A1)/(T−T0)
で定義される値を用いることを特徴とする。
請求項1から請求項4のいずれかに記載の制御装置において、
前記調整パラメータマップを、
テキストの表形式、または、
3次元の図形式、または、
2次元もしくは3次元の等高線形式、または、
2次元もしくは3次元の濃淡画像形式、
で出力することを特徴とする。
例えば、調整パラメータによって閉ループの安定性が保たれるパラメータの範囲が分かるため、安定性に余裕をもたせたロバストな調整パラメータを選択することができる。
図1は、本発明の実施形態に係る制御装置の全体構成を示す図である。
図1に示すように本発明の実施形態に係る制御装置は、制御演算部10と閉ループ応答模擬部20と性能評価部30と調整パラメータマップ作成部40とを有する。制御演算部10は制御対象50から制御量110を観測し、外部から入力された制御量目標値120と、内部に保持する調整パラメータ(図示せず)を用いて制御演算を行い、操作量140を出力する。制御演算部10が内部に保持する調整パラメータは、調整パラメータマップ作成部40が記憶する推奨値が設定される。
図3において閉ループ応答模擬部20は、まず、制御量目標値rおよび擬似外乱dを生成する(ステップS31〜S32)。次に閉ループ応答模擬部20は、時刻、操作量u、制御量y、制御量目標値r、操作入力量h、モデル応答模擬手段23の状態変数、制御演算模擬手段24の各初期値を設定する(ステップS33)。ここでモデル応答模擬手段23の状態変数の初期値は0ベクトルに設定しておいて構わない。また制御量yの初期値は制御量目標値rに設定しておいて構わない。さらに操作量uの初期値は制御対象50の定常となる値に設定しておいて構わない。定常となる値は制御量yが一定とした場合の制御演算部10の操作量を用いることができる。そして操作入力量hの初期値は操作量uに−1を乗じた値に設定しておいて構わない。制御演算模擬手段24が保持する調整パラメータの初期値は、調整パラメータマップ作成部40が記憶する値が設定される。
図1に示した調整パラメータマップ作成部40では、調整パラメータθを変化させた場合の性能評価値Jを対応づけるマップを作成するため、閉ループ応答模擬部20の制御演算模擬手段24の調整パラメータθを変化させて性能評価値Jを得る処理を繰り返す。これについても後で詳しく説明する。
図4において調整パラメータマップ作成部40は、まず、調整パラメータθの初期値を制御演算模擬手段24に設定する(ステップS41)。次に調整パラメータマップ作成部40は、調整パラメータの設定(ステップS42)、閉ループ応答模擬(ステップS43)、性能評価(ステップS44)、終了条件の判定(ステップS45)という一連の動作を終了条件が満たされるまで繰り返す。
調整パラメータマップ作成部40では、終了条件が満たされたら調整パラメータマップを作成し(ステップS46)、作成された調整パラメータマップに基づき、性能評価値Jが最適となるような調整パラメータを推奨パラメータθ*として出力する。
以上における閉ループ応答模擬部20の閉ループ動作模擬の結果、得られた閉ループの操作量uおよび操作入力量hおよび制御量yの信号系列は、性能評価部30に入力され、性能評価部30では、入力信号系列に基づいた性能評価値Jを計算する。これについては後で詳しく説明する。
図5に示されるように性能を評価する評価式として、
制御量と制御量目標値との偏差および操作量の重み付き2次積分形式の評価式(評価式1)(以下に示す式1参照。式中のQ・Wは重み)と、
図6は、図1に示した性能評価部における具体的な性能評価値の図5に示すものとは異なる計算方法を説明する図である。
時刻0から時刻T0までを第1の評価区間とし、
時刻0から最終時刻Tを第2の評価区間とし、
操作入力量hのノルムの
第1の評価区間での最大値の対数と
第2の評価区間での最大値の対数との差を
T−T0で割った第1の値と、
操作量uのノルムの
第1の評価区間での最大値の対数と
第2の評価区間での最大値の対数との差を
T−T0で割った第2の値と、
制御量yのノルムの
第1の評価区間での最大値の対数と
第2の評価区間での最大値の対数との差を
T−T0で割った第3の値と、
の3つの値のうちの最大値を性能評価値とする評価式3(以下に示す式3参照)を用いるものである。
図8に示されるようにモデル応答模擬手段23は、操作入力量hを入力として、以下の式4に基づいて制御量yを出力する。
図9は、図1に示した制御演算模擬手段における制御演算の内容を説明する図である。
次に、状態更新制御関数Qと1時刻前の状態変数xcと制御偏差eに基づき、状態変数を更新する。出力制御関数Rと状態更新制御関数Qは調整パラメータθに依存する汎関数である。
図10は、図1に示した閉ループ応答模擬部における、モデル応答模擬手段,制御演算模擬手段の具体的な模擬演算の内容、および、調整パラメータとパラメータの範囲を示す図である。
制御量yと制御量目標値rとの制御偏差eの2乗に重み30をかけた値と、
操作量uの2乗
との和を
時間区間T0〜Tに渡って積分した値
によって表現されたものを用いている。この場合、計算条件としては、時間刻みdtは10[ms]で、最大時刻Tは2000[ms]である。
制御対象が非線形である場合は、図1に示した閉ループ応答模擬部20の目標値生成手段21は複数の段階の目標値を生成することが好適である。
図15に示されているように、パラメータαおよびβを調整範囲の中で変化させた場合の図11に示した評価式J1の値を表(マトリクス)の形で示している。
図13に示しているように、(α、β)=(7、0.25)はJ1=80.49であり、図15の表(マトリクス)中で最小であるため、推奨パラメータθ*とすることができる。
図16に示されているように、パラメータαおよびβを調整範囲の中で変化させた場合の図11に示した評価式J1の値を3次元図の形で示したものである。
図17に示されているように、パラメータαおよびβを調整範囲の中で変化させた場合の図11に示した評価式J1の値を等高線図の形で示したものである。
図18は、図1に示した閉ループ応答模擬部における、モデル応答模擬手段,制御演算模擬手段の図10とは異なる具体的な模擬演算の内容、および、調整パラメータとパラメータの範囲を示す図である。
図20は、図1に示した調整パラメータマップ作成部で作成した図15に示すものとは異なるテキスト形式の調整パラメータマップを示す表(マトリクス)である。
図21は、図1に示した調整パラメータマップ作成部で作成した図16に示すものとは異なる3次元形式の調整パラメータマップを示すグラフである。
上述した図20および図21に示されるように、
評価値J3は,
PおよびTIが十分大きい範囲では0であり、
PおよびTIが十分小さい範囲では正の値をとる。
PおよびTIが十分大きい範囲では閉ループが安定であり、
PおよびTIが十分小さい範囲では閉ループが不安定である、
ことを示している。
したがって、図19に示した評価式で求めた求められた評価値J3が
0である場合には安定、
正である場合には不安定として、
パラメータPおよびTIが安定となる領域を判定することができる。
4≦P≦10、0.025≦TI≦0.05
が推奨パラメータを選定する領域の候補となることを示すものである。
また、閉ループ応答模擬部の応答模擬の時間Tは、プラントモデルの時定数に対して倍以上の十分長い値としておくことが望ましい。
20 閉ループ応答模擬部
21 目標値生成手段
22 擬似外乱生成手段
23 モデル応答模擬手段
24 制御演算模擬手段
30 性能評価部
40 調整パラメータマップ作成部
50 制御対象
100 制御装置
110 制御量
120 制御量目標値
130 外乱
140 操作量
d 擬似外乱
e 制御偏差
h 操作入力量
J 性能評価値
r 制御量目標値
u 操作量
y 制御量
θ 調整パラメータ
Claims (5)
- 内部に調整パラメータを有する制御装置において、
前記制御装置は、制御演算部と、閉ループ応答模擬部と、性能評価部と、調整パラメータマップ作成部とを有し、
前記制御演算部は、
前記調整パラメータに基づき制御演算を行う機能を有し、
前記閉ループ応答模擬部は、
制御量目標値を生成する目標値生成手段と、
擬似外乱を生成する擬似外乱生成手段と、
制御対象の応答を模擬するモデル応答模擬手段と、
前記制御演算部の制御演算を模擬する制御演算模擬手段によって構成し、
前記調整パラメータを前記制御演算模擬手段に設定すると共に、前記目標値生成手段が出力する制御量目標値と前記モデル応答模擬手段が出力する制御量とに基づいて、前記制御対象と前記制御演算部とが構成する閉ループの前記擬似外乱に対する応答信号を繰り返し演算により生成する機能を有し、
前記性能評価部は、
前記閉ループ応答模擬部により生成された応答信号から制御性能評価を計算する機能を有し、
前記調整パラメータマップ作成部は、
前記調整パラメータを順次変化させて前記制御性能評価を繰り返すことで、
調整パラメータ毎の前記制御性能評価を対応づける調整パラメータマップを作成し、
調整パラメータの推奨値を前記制御演算部に出力する機能を有する、
ことを特徴とする制御装置。 - 請求項1記載の制御装置において、前記閉ループ応答模擬部は、
前記調整パラメータが設定された前記制御演算模擬手段の出力と前記擬似外乱生成手段が生成する擬似外乱との偏差を前記モデル応答模擬手段に入力し、
前記モデル応答模擬手段の出力と前記目標値生成手段が生成する制御量目標値とを前記制御演算模擬手段に入力することで、
前記制御対象と前記制御演算部とが構成する閉ループの前記擬似外乱に対する応答信号を繰り返し演算により生成する
ことを特徴とする制御装置。 - 請求項1記載の制御装置において、前記制御性能評価として、
前記閉ループ応答模擬部により生成される前記制御量および操作量または操作変化量に基づき、前記制御量と前記制御量目標値との偏差および、前記操作量または前記操作変化量の重み付き2次元積分形式の評価式を用いる、
ことを特徴とする制御装置。 - 請求項1記載の制御装置において、前記制御性能評価として、
初期時刻0から最終時刻Tまでの間において、
適当な時刻T0を設定し、
時刻0から時刻T0までの前記応答信号の絶対値の最大値の対数をA1、
時刻0から時刻Tまでの前記応答信号の絶対値の最大値の対数をA2、
として、
(A2−A1)/(T−T0)
で定義される値を用いることを特徴とする制御装置。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の制御装置において、
前記調整パラメータマップを、
テキストの表形式、または、
3次元の図形式、または、
2次元もしくは3次元の等高線形式、または、
2次元もしくは3次元の濃淡画像形式、
で出力することを特徴とする制御装置。
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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