JP6380552B2 - Control device, program thereof, and plant control method - Google Patents
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Description
本発明は、プラント等の制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for a plant or the like.
温調制御装置や、PLC(Programmable Logic Controller)、DCS(Distributed Control System)等の制御装置や、パーソナルコンピューターや組込み制御機器上で実装された制御装置等が、産業上広く利用されている。 Temperature control devices, control devices such as PLC (Programmable Logic Controller) and DCS (Distributed Control System), and control devices mounted on personal computers and embedded control devices are widely used in the industry.
また、従来公知の制御工学において、制御対象の目標値追従を目的とする制御方式である、PID制御、モデル予測制御、内部モデル制御、LQG制御、H2制御、H∞制御、等の制御方式が、公知である(例えば、非特許文献1)。 Further, in the conventionally known control engineering, there are control methods such as PID control, model predictive control, internal model control, LQG control, H2 control, H∞ control, etc., which are control methods aiming at target value tracking of the controlled object. Is known (for example, Non-Patent Document 1).
また、オーバーシュートの抑制を目的とした制御方式として、以下に列挙する各方法が公知である。
・一般化予測制御(GPC)の考えに基づいて、PID制御パラメータを決定する方法(特許文献1);
・ピークが生じる時刻に応じて、目標値を整形する方法(特許文献2);
・2次遅れ伝達関数で表現されるプラントに対して、開ループをマッチングさせるようにPID制御パラメータを決定する方法(特許文献3);
また、制御対象の状態空間モデルや将来の時間応答モデルを用いて、最適化計算を逐次行うことで、望ましい応答を得るモデル予測制御が、公知である(例えば、非特許文献2)。
A method for determining PID control parameters based on the idea of generalized predictive control (GPC) (Patent Document 1);
A method of shaping the target value according to the time when the peak occurs (Patent Document 2);
A method for determining PID control parameters so that an open loop is matched to a plant expressed by a second-order lag transfer function (Patent Document 3);
Further, model predictive control for obtaining a desired response by sequentially performing optimization calculations using a state space model to be controlled or a future time response model is known (for example, Non-Patent Document 2).
産業プラントの制御においては、プラントの安定操業や機械動作の安全確保は重要であり、一方、目標値への迅速な追従は、プラントの運転効率を高めたり、機械動作の応答性を改善したりするためには不可欠な要求である。 In industrial plant control, it is important to ensure stable operation of the plant and safety of machine operation. On the other hand, rapid follow-up to the target value increases plant operating efficiency and improves machine operation responsiveness. It is an indispensable requirement to do.
しかしながら、一般に、追従性能を高めようとするとオーバーシュートを生じやすい。 However, in general, overshooting tends to occur when the follow-up performance is improved.
オーバーシュートは時として、
・液面制御における液体のオーバーフロー;
・ボイラーの失火;
・ロボットハンドやステージの衝突;
・加熱温度超過による材料変性;
などというように、何としても避けなければならない問題(操業上の問題、安全上の問題あるいは品質上の問題など)を、生じさせることがある。Overshoot is sometimes
-Liquid overflow in liquid level control;
-Boiler misfire;
-Robot hand and stage collisions;
・ Material modification due to excessive heating temperature;
In some cases, problems that must be avoided (such as operational problems, safety problems or quality problems) may occur.
このため、安全マージンを取りたいがために制御性能を犠牲にして保守的な設定としたり、あるいは制御性能を優先するためにある程度のオーバーシュートを許容せざるを得ない等の状況が、産業プラントにおいて頻繁に起こり得る。 For this reason, there is a situation where it is necessary to set a conservative setting at the expense of control performance in order to obtain a safety margin, or to allow a certain degree of overshoot to prioritize control performance. Can happen frequently.
従来公知の制御工学においては、目標値追従性能、外乱抑制性能、ロバスト安定性能、などを2次ノルムや無限大ノルムといった目的関数を、周波数関数で表現し、目的関数の最小化による制御系設計を行う手法が一般的である(例えば、上記非特許文献1)。 In conventionally known control engineering, target function tracking performance, disturbance suppression performance, robust stability performance, etc. are expressed as objective functions such as quadratic norm and infinite norm by frequency function, and control system design by minimizing objective function The technique of performing is general (for example, the said nonpatent literature 1).
周波数関数の評価においては、平均的あるいは最悪ケースでのゲインの抑制は可能であるが、実際のオンライン制御の瞬間における目標偏差を制約条件的に扱うことはできない。そのため、原理的に、オーバーシュートを抑制することは困難である。 In the evaluation of the frequency function, it is possible to suppress the gain in an average or worst case, but the target deviation at the actual online control instant cannot be treated as a constraint condition. Therefore, in principle, it is difficult to suppress overshoot.
また、従来公知のオーバーシュート抑制方法においては、PID制御パラメータの調整もしくはピークが生じそうな場合に目標値を変更するといったように、予め設計しておいたモデルベースの手法に頼っており、実際のオンライン制御の瞬間における目標偏差や操作の影響を考慮できていない。加えて、むだ時間や逆応答や2次以上の高次のモードを含むプラントに対し、一般にはPID制御では十分な制御性能が達成できない。 In addition, the conventionally known overshoot suppression method relies on a model-based method designed in advance, such as adjusting a target value when a PID control parameter adjustment or a peak is likely to occur. The target deviation at the moment of online control and the influence of operation cannot be considered. In addition, PID control generally cannot achieve sufficient control performance for plants that include dead time, reverse response, and higher-order modes of the second or higher order.
また、従来公知のモデル予測制御においては、制約条件を扱うことができるため、オーバーシュート抑制を制約条件として扱えるものの、各制御ステップにおいて2次計画問題などの最適化問題を解かねばならず、比較的CPU演算能力や搭載メモリ容量が豊富な制御装置でしか実装できないという課題がある。換言すれば、簡単な構成(比較的少ないメモリとCPU資源など)では、オーバーシュート抑制を実現できないという課題がある。 In addition, in the conventionally known model predictive control, since constraint conditions can be handled, overshoot suppression can be handled as a constraint condition, but optimization problems such as quadratic programming problems must be solved in each control step. There is a problem that it can be implemented only by a control device having relatively abundant CPU computing capacity and installed memory capacity. In other words, there is a problem that overshoot suppression cannot be realized with a simple configuration (such as relatively small memory and CPU resources).
以上説明したように、従来公知の制御手法においては、時々刻々変化する目標偏差の状況や操作の影響に応じて、時間領域でのオーバーシュートを明確に抑制でき、しかも簡便に実装できるようにする技術は、提供されていないといえる。 As described above, in the conventionally known control method, it is possible to clearly suppress overshoot in the time domain according to the situation of the target deviation that changes every moment and the influence of the operation, and to be able to be easily implemented. It can be said that technology is not provided.
本発明の課題は、簡単な構成でオーバーシュート抑制を的確に実現できる制御装置等を提供することである。 The subject of this invention is providing the control apparatus etc. which can implement | achieve overshoot suppression exactly with a simple structure.
本発明では、制御対象機器に操作量を出力し、該制御対象機器の制御量を任意の目標値へと追従させる制御装置において、たとえば下記の各構成を有する。 In the present invention, a control device that outputs an operation amount to a control target device and causes the control amount of the control target device to follow an arbitrary target value has, for example, the following configurations.
・前記制御量と前記目標値との差分を目標偏差現在値として求める目標偏差算出手段;
・予め保持されているプラント応答モデルと、前記目標偏差現在値と、前記操作量の変化量とに基づいて、補正目標偏差を算出する補正目標偏差算出手段;
・該補正目標偏差に基づいて、新たな前記操作量を決定する操作量算出手段。Target deviation calculation means for obtaining a difference between the control amount and the target value as a target deviation current value;
Correction target deviation calculation means for calculating a correction target deviation based on a plant response model held in advance, the target deviation current value, and the amount of change in the manipulated variable;
Operation amount calculation means for determining a new operation amount based on the correction target deviation.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本例の制御装置の構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram of the control device of this example.
制御装置1は、図示の制御対象プラント2を制御する装置である。
The
制御対象プラント2は、制御対象となる任意の機器/装置等の一例である。
The
制御装置1は、任意の目標値rに基づいて、この制御対象プラント2に対して任意の操作量uを出力し、これに応じた制御対象プラント2の状態等を示すデータである制御量yを計測し、当該計測した制御量y等に基づいて、次の操作量uを決定する。尚、制御量yは、例えば一例としては制御対象プラント2の温度であり、この例では目標値rは設定温度等となるが、この例に限らない。また、制御量yは、不図示のセンサ等の計測器で測定されるものであり、上記一例の場合は温度計よって計測される。
The
制御装置1は、最終的には上記制御量yが上記目標値rとなるように制御する。制御装置1は、制御量yを目標値rに追従させるために、操作量uの値を決定して制御対象プラント2へ入力させる。
The
制御装置1は、操作量更新部10と、タイマー21、計測部22、差分器23等を有する。
The
タイマー21は、所定の周期Tcを生成し、当該一定周期Tc毎に操作量更新部10と計測部22を動作させる。
The
計測部22は、この周期Tc毎に、上記制御対象プラント2に係わる現在の操作量uと現在の制御量yとを計測する。そして、当該計測した現在の制御量yを図示の制御量y0として差分器23へ出力すると共に、当該計測した現在の操作量uを図示の操作量u0として操作量更新部10へ出力する。
Measuring
上記差分器23には任意の目標値r(ユーザによる設定値等)も入力しており、制御量y0と目標値rとの差である目標偏差現在値e0を、以下のように計算する。The
e0 = r − y0
そして、生成した目標偏差現在値e0を、操作量更新部10へ入力する。e 0 = r−y 0
Then, the generated target deviation current value e 0 is input to the operation
尚、この様な目標偏差現在値e0を生成する構成自体は、既存の構成である。Note that the configuration itself for generating such a target deviation current value e 0 is an existing configuration.
操作量更新部10は、終端応答補正部11、操作変化量計算部12、加算器13を有する。上記目標偏差現在値e0は、終端応答補正部11に入力される。また、上記操作量u0は加算器13の一方の入力となる。The operation
終端応答補正部11は、入力された目標偏差現在値e0と、予め設定されているプラント応答モデルと、“現在および過去の操作変化量{du(t)}t”(現在に至るまでの過去の操作変化量の時系列データ{du(t)}t)とを用いて、補正目標偏差e*を計算する。補正目標偏差e*は、操作変化量計算部12に入力する。The end response correction unit 11 receives the input target deviation current value e 0 , a preset plant response model, “current and past operation change amount {du (t)} t” (until the current time) The corrected target deviation e * is calculated using the time series data {du (t)} t) of the past operation change amount. The corrected target deviation e * is input to the operation change
操作変化量計算部12は、入力された補正目標偏差e*に基づいて、次の操作変化量duを計算する。そして、次の操作変化量duを上記加算器13の他方の入力とする。これによって、加算器13において上記操作変化量duを現在の操作量u0に加算することで、次の操作量u(修正操作量us)が生成される。そして、この修正操作量us(次の操作量u)が、制御対象プラント2に入力される。The operation change
尚、操作変化量計算部12と加算器13とによって、補正目標偏差e*に基づいて新たな前記操作量を決定する操作量算出部(不図示)を構成するものと見做してもよい。
The operation change
ここで、終端応答補正部11は、図示のように、操作変化量計算部12が生成・出力する操作変化量duを入力しており、且つ、この操作変化量duを時系列データとして蓄積しており、これが上記“現在および過去の操作変化量{du(t)}t”である。
Here, as shown in the figure, the end response correction unit 11 inputs the operation change amount du generated and output by the operation change
尚、差分器23と操作量更新部10とを一体として前記操作量を決定する操作量算出部を構成するものと見做してもよい。
In addition, you may consider that the
また、終端応答補正部11には、予めプラント応答モデルが保持されている。このプラント応答モデルの具体例が、後述する図5に示すデータ(関数S(t))である。 The terminal response correction unit 11 holds a plant response model in advance. A specific example of this plant response model is data (function S (t)) shown in FIG. 5 described later.
ここで、本手法では、予め、制御対象プラント2のステップ応答(単位ステップ入力に対する応答)を実測しており、この実測データを図5に示す関数S(t)として予め記憶しておく。また、このステップ応答が収束するときの収束値を、図5に示す終端ゲインS(∞)とする。この関数S(t)や終端ゲインS(∞)は補正目標偏差e*算出の際に利用される。詳しくは後述する。尚、ステップ応答は、単位ステップ入力に限らず、インパルス入力やランプ入力など他の形状の操作入力に対する応答から、適切な変換によって求めたものでも構わない。
Here, in this method, the step response (response to the unit step input) of the
終端応答補正部11は、上記予め記憶されているプラント応答モデル、上記“現在および過去の操作変化量{du(t)}t”、目標偏差現在値e0等に基づいて、過去の操作による終端応答(すなわち十分未来における目標偏差の残差)を、上記補正目標偏差e*として算出する。あるいは、補正目標偏差e*は、現在に至るまでの過去の操作量u(その変化量du)に応じた制御量yの収束値の予測値と、目標値rとの差であると定義してもよい。The end response correction unit 11 is based on the past operation based on the previously stored plant response model, the “current and past operation change amount {du (t)} t”, the target deviation current value e 0, and the like. The end response (that is, the residual of the target deviation in the sufficient future) is calculated as the corrected target deviation e *. Alternatively, the corrected target deviation e * is defined as the difference between the predicted value of the convergence value of the control amount y according to the past operation amount u (its change amount du) up to the present and the target value r. May be.
終端応答補正部11は、例えば不図示の操作変化量記憶部、補正目標偏差算出部等の処理機能を有するものと見做してもよい。そして、この例の場合、例えば、上記不図示の操作変化量記憶部は、操作変化量duを蓄積して時系列データとするものである。また、上記不図示の補正目標偏差算出部は、例えば、予め登録されているプラント応答モデルと、上記目標偏差現在値e0と、上記操作変化量の時系列データ“{du(t)}t”とに基づいて、補正目標偏差e*を算出する。The end response correction unit 11 may be regarded as having processing functions such as an operation change amount storage unit (not shown) and a correction target deviation calculation unit. In the case of this example, for example, the operation change amount storage unit (not shown) accumulates the operation change amount du and forms time series data. The correction target deviation calculation unit (not shown) includes, for example, a plant response model registered in advance, the target deviation current value e 0, and the time series data “{du (t)} t of the operation change amount. Based on the above, a corrected target deviation e * is calculated.
尚、上記操作変化量の時系列データ“{du(t)}t”の代わりに、後述する補正目標偏差計算の過程における中間の計算値を蓄積する記憶部(図3に示す中間計算値記憶部)を設けることで、上記操作変化量の時系列データ“{du(t)}t”そのものを蓄積することの代用としても構わない。 In addition, instead of the time-series data “{du (t)} t” of the operation change amount, a storage unit (an intermediate calculation value storage shown in FIG. 3) that stores intermediate calculation values in the correction target deviation calculation process described later. Part) may be used as a substitute for accumulating the time series data “{du (t)} t” itself of the operation change amount.
上記補正目標偏差e*の算出処理の具体例は後述するが、上記補正目標偏差e*について、図2を参照して説明する。 A specific example of the process of calculating the corrected target deviation e * will be described later. The corrected target deviation e * will be described with reference to FIG.
ここで、制御装置1は、例えば不図示のCPU/MPU等の演算プロセッサと、メモリ等の記憶装置等を有している。更に、制御対象プラント2に操作量uを入力させたり、制御量yを取得するための不図示の入出力インタフェース等も有している。
Here, the
上記不図示の記憶装置には、予め所定のアプリケーションプログラムが記憶されている。上記演算プロセッサが、このアプリケーションプログラムを実行することにより、例えば上記操作量更新部10の各種処理機能(終端応答補正部11、操作変化量計算部12等)が実現される。更に、計測部22や差分器23の動作も、ソフトウェアによって実現されてもよいが、この例に限らず、専用の回路等を用いても構わない。
A predetermined application program is stored in the storage device (not shown) in advance. When the arithmetic processor executes the application program, for example, various processing functions (the terminal response correction unit 11, the operation change
図2は、終端応答補正部11の動作について説明するための図である。 FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the termination response correction unit 11.
図2の終端応答補正部11内において、図上の上側と下側にそれぞれ具体例を示す。下側には、操作変化量duとこれに応じた上記操作量uの時系列データの具体例を示す。 Specific examples are shown on the upper side and the lower side in the figure in the terminal response correction unit 11 of FIG. On the lower side, a specific example of time-series data of the operation change amount du and the operation amount u corresponding to the operation change amount du is shown.
また、図2においては、図示の時間tが現在であり、この時間tよりも図上左側が過去であり、図上右側が未来である。これより、図示の例では、現在及び未来の操作変化量duは全て‘0’である(操作量uは変化しない)ものとしている。一方、過去には図示のように操作変化量duが‘0’ではなく以って操作量uが変化しているときもあったものとしている。そして、この様な過去の操作変化量{du(t)}t(操作量uの変化)に応じた制御量yの一例を、図上の上側に示している。尚、図では、過去の操作変化量{du(t)}tは、例えば図示のdu(t−Tc)、du(t−2Tc)、du(t−3Tc)等である。 In FIG. 2, the time t shown in the figure is the present, the left side of the figure is the past and the right side of the figure is the future. Thus, in the illustrated example, the current and future operation change amounts du are all “0” (the operation amount u does not change). On the other hand, in the past, as shown in the figure, the operation change amount du is not “0”, and the operation amount u has changed. An example of the control amount y corresponding to such a past operation change amount {du (t)} t (change in the operation amount u) is shown on the upper side of the figure. In the figure, the past operation change amount {du (t)} t is, for example, illustrated du (t−Tc), du (t−2Tc), du (t−3Tc), and the like.
この例では、まず、現在の制御量yは図示のy0である。ここで、上記過去の操作変化量{du(t)}tによって制御量yが図示のように変化し続けて、最終的には図示の“yn+y0”へと収束するものと予測される。この制御量yの変化は、上記過去の操作変化量{du(t)}tによって生じるものである(上記の通り、現在及び未来の操作変化量{du(t)}tは全て‘0’であるので)。また、上記y0は、この様な変化中の制御量yの現在値を意味することになる。そして、現在から更に図示のynの分だけ変化することで、最終的に“yn+y0”へと収束することになる。尚、このynを「終端応答補正値」と呼ぶものとする。In this example, first, a y 0 of the current controlled variable y is shown. Here, it is predicted that the control amount y continues to change as shown in the figure by the past operation change amount {du (t)} t and eventually converges to “y n + y 0 ” shown in the figure. The The change in the control amount y is caused by the past operation change amount {du (t)} t (as described above, the current and future operation change amounts {du (t)} t are all '0'. So). Further, the y 0 will mean the current values of the controlled variable y in such a change. Then, by changing only the amount of y n further illustrated from now it will eventually converge to "y n +
上記のように、操作量uの変化が直ちに制御量yに反映されるわけではなく、タイムラグが存在する。そして、上記の通り制御量yの現在値は図示のy0であるので、目標値rとの差は図示の目標偏差現在値e0となる。尚、上記の通り、加算器13によって、この目標偏差現在値e0が求められることになる。As described above, a change in the operation amount u is not immediately reflected in the control amount y, and there is a time lag. Since the current value of the street controlled variable y above are y 0 shown, the difference between the target value r becomes target deviation current value e 0 shown. As described above, the target deviation current value e 0 is obtained by the
そして、現状のままでは(制御量yの変化無しとした場合には)上記“yn+y0”へと収束するものと予測され、目標値rには達しないことになる。図示のように、目標値rと収束値“yn+y0”との差分が、上記補正目標偏差e*となる。つまり、補正目標偏差e*の意味するところは、現在に至るまでの過去の操作量変化により最終的に到達する制御量yの予測値“yn+y0”が、なおも目標値rとの間に有するギャップ(差分)である。従って、このギャップを埋めるように、更に操作量uを変化させればよいことになる。尚、上記予測値“yn+y0”は、現在に至るまでの過去の操作量変化に応じた制御量yの収束値の予測値と言うこともできる。Then, it is predicted that it will converge to “y n + y 0 ” as it is (when there is no change in the control amount y), and the target value r will not be reached. As shown in the figure, the difference between the target value r and the convergence value “y n + y 0 ” is the corrected target deviation e *. In other words, the correction target deviation e * means that the predicted value “y n + y 0 ” that is finally reached due to the change in the past operation amount up to the present time is still the target value r. It is a gap (difference) between them. Therefore, the manipulated variable u may be further changed so as to fill this gap. The predicted value “y n + y 0 ” can also be said to be a predicted value of the convergence value of the control amount y according to the past change in the manipulated variable up to the present time.
ここで、従来では一例としては、上記目標偏差現在値e0に基づいて次の操作量u(操作変化量du)を決定していた。つまり、今現在のギャップ量(目標偏差現在値e0)に応じた操作変化量duを求めていた。しかしながら、上記のように、今現在は未だ変化中の状態であり、最終的には上記“yn+y0”となるので、この値e0ではギャップ量として大き過ぎることになる。これが、上記オーバーシュートが生じる原因となっている。これに対して、本手法では、上記補正目標偏差e*を用いることで、オーバーシュートを抑制することができる。さらに、上記補正目標偏差e*を用いることで、制御量yの目標値rへの収束を保証することができる。Here, conventionally, as an example, the next operation amount u (operation change amount du) is determined based on the target deviation current value e 0 . That is, the operation change amount du corresponding to the current gap amount (target deviation current value e 0 ) is obtained. However, as described above, the current state is still changing, and eventually becomes “y n + y 0 ”, so this value e 0 is too large as the gap amount. This is the cause of the overshoot. On the other hand, in this method, overshoot can be suppressed by using the correction target deviation e *. Further, by using the corrected target deviation e *, it is possible to guarantee the convergence of the control amount y to the target value r.
尚、操作変化量計算部12自体は、既存の構成であっても構わない。相違点は、従来では上記目標偏差現在値e0に基づいて操作変化量duを決定していたが、本手法では補正目標偏差e*に基づいて操作変化量duを決定する点である。The operation change
補正目標偏差e*を求めることは、過去の操作変化の制御量yへの影響をプラント応答モデルにより予測することで、最終的に目標値rへ到達するまでのギャップ量を求めることを意味する。そして、上記操作変化量計算部12の動作は、このギャップ量e*に応じて追加すべき操作変化量を決定することを意味する。
Obtaining the corrected target deviation e * means obtaining the gap amount until the target value r is finally reached by predicting the influence of the past operation change on the control amount y by the plant response model. . The operation of the operation change
従来のPID制御やモデル予測制御には、上記のような予測機能(補正目標偏差e*を求める機能)は無い。換言すれば、従来では、上記のような終端応答を補正した目標偏差を計算する機能はない。 The conventional PID control and model predictive control do not have such a predictive function (a function for obtaining the corrected target deviation e *). In other words, conventionally, there is no function for calculating the target deviation obtained by correcting the terminal response as described above.
本手法では、補正目標偏差を予測によって求め、操作変化量duは補正目標偏差に対する簡易な計算とする構成をとることで、従来のモデル予測制御のような高度な最適化計算を必要とせず、簡易に実装することもできる。 In this method, the correction target deviation is obtained by prediction, and the operation change amount du is configured to be a simple calculation for the correction target deviation, so that advanced optimization calculation like conventional model predictive control is not required, It can also be implemented easily.
以下、図3、図4、図5、図6を参照して、終端応答補正部11の動作の一例について説明する。 Hereinafter, an example of the operation of the termination response correction unit 11 will be described with reference to FIGS. 3, 4, 5, and 6.
まず、図3に示すように、当該一例の場合、上記図2に示す終端応答補正値ynを求める。これによって、上記補正目標偏差e*は、上記目標偏差現在値e0と終端応答補正値ynとの差分によって求められることになる(e*=e0−yn)。First, as shown in FIG. 3, the case of the example, determine the termination response correction value y n shown in FIG. 2. Thereby, the correction target deviation e * will be asked by the difference between the target deviation current value e 0 and the termination response correction value y n (e * = e 0 -y n).
そして、終端応答補正値ynは、終端応答予測ynAと、自由応答予測ynBとに基づいて、求められる。すなわち、yn=ynA−ynB(ynAとynBとの差分)によって求められる。The termination response correction value y n is a termination response prediction y nA, based on the free response prediction y nB, is determined. That is, it is obtained by y n = y nA −y nB (difference between y nA and y nB ).
終端応答予測ynA(t)は、過去の操作変化量duによる制御量yの十分未来における予測値である。The end response prediction y nA (t) is a sufficiently predicted value of the control amount y based on the past operation change amount du.
自由応答予測ynB(t)は、過去の操作変化量duによる制御量yの予測値である。これは、現在時刻をtとして、
ynB(t-Δt)、ynB(t)、ynB(t+Δt)、ynB(t+2Δt)、…、ynB(T)
というように、時系列として予測している。これらの中で、現在の自由応答予測は時刻tにおけるynB(t)である。尚、上記Δtは、例えば上記Tcであるが、この例に限らない。ここで、Tは、時刻tからt+Δt、t+2Δtと未来へ時刻を進んで行った先の予測区間あるいは予測ホライゾン(例えば、非特許文献2参照)の終端時刻を表している。したがって、Tは一定の値ではなく、現在時刻tと連動して、徐々に未来にスライドする値であると言うことができる。The free response prediction y nB (t) is a predicted value of the control amount y based on the past operation change amount du. This is the current time t
y nB (t−Δt), y nB (t), y nB (t + Δt), y nB (t + 2Δt),..., y nB (T)
Thus, it is predicted as a time series. Among these, the current free response prediction is y nB (t) at time t. In addition, although said (DELTA) t is said Tc, for example, it is not restricted to this example. Here, T represents the end time of the previous prediction section or prediction horizon (see, for example, Non-Patent Document 2) that has been advanced from time t to t + Δt, t + 2Δt. Therefore, it can be said that T is not a constant value but a value that gradually slides in the future in conjunction with the current time t.
上記終端応答予測ynAと自由応答予測ynBは、新たな操作変化量du(t)が加わるたびに更新される。The terminal response prediction ynA and the free response prediction ynB are updated each time a new operation change amount du (t) is added.
上記終端応答予測ynA(t)と上記自由応答予測ynB(t)との差を、終端応答補正値yn(t)として計算する。つまり、yn(t)=ynA(t)−ynB(t)である。The difference between the end response prediction y nA (t) and the free response prediction y nB (t) is calculated as the end response correction value y n (t). That is, y n (t) = y nA (t) −y nB (t).
ここで、図4には、終端応答予測値ynA(t)、自由応答予測値ynB(t)の具体例も示している。尚、図4は、図2をベースにして、更にynA(t)、ynB(t)を示しているものである。また、以下の説明では、現在の制御量yは図示のy0となっているものとする。Here, FIG. 4 also shows specific examples of the terminal response predicted value y nA (t) and the free response predicted value y nB (t). FIG. 4 further shows y nA (t) and y nB (t) based on FIG. In the following description, the current controlled variable y is assumed to be a y 0 shown.
図示のように、制御量yの現在値であるy0自体が、過去の操作量u(操作変化量du)による影響を受けた結果であり、図示の例では過去のある時点の制御量y1から変化して現在はy0となっている。そして、このまま操作量uが変わらなければ、未来において制御量yは図示のように変化し続けて、“yn(t)+y0”に収束することが予測されることとなる。尚、ここでは、現在は図示の時刻tであるものとする。As shown in the drawing, y 0 itself, which is the current value of the control amount y, is a result of being influenced by the past operation amount u (operation change amount du), and in the illustrated example, the control amount y at a past time is shown. now it has become a y 0 changed from 1. If the manipulated variable u does not change as it is, it is predicted that the controlled variable y will continue to change as shown in the figure and converge to “y n (t) + y 0 ” in the future. Here, it is assumed that the current time is the time t shown in the figure.
そして、図示のように、上記終端応答予測値ynA(t)は、収束値“yn(t)+y0”と上記y1との差分である。つまり、制御量yは、図示の操作量uによって、y1から現在値y0を経て最終的には“yn(t)+y0”に収束する。上記終端応答予測値ynA(t)は、この変化量(“yn(t)+y0”−y1)に相当すると見做して構わない。As shown in the figure, the terminal response predicted value y nA (t) is a difference between the convergence value “y n (t) + y 0 ” and the y 1 . That is, the control amount y is by way of illustration of the operation amount u, eventually through the current value y 0 from y 1 converges to "y n (t) + y 0". The terminal response predicted value y nA (t) may be regarded as corresponding to the amount of change (“y n (t) + y 0 ” −y 1 ).
また、現在は、上記制御量yの変化の途中であり、その値は図示のy0となっている。上記y1から現在値までの変化量(y0−y1)が、上記自由応答予測値ynB(t)に相当すると見做してよい。Also, now is the middle of the change in the controlled variable y, the value has a y 0 shown. It may be assumed that the amount of change (y 0 −y 1 ) from y 1 to the current value corresponds to the free response predicted value y nB (t).
そして、これより、図示のように、終端応答予測値ynA(t)と自由応答予測値ynB(t)との差分が、上記yn(t)となる。Then, as shown in the figure, the difference between the terminal response predicted value y nA (t) and the free response predicted value y nB (t) is the above y n (t).
そして、上記のように終端応答補正値yn(t)を求めたら、以下のように、目標偏差現在値e0(t)と終端応答補正値yn(t)との差分を求めることで、補正目標偏差e*(t)を算出する。When the end response correction value y n (t) is obtained as described above, the difference between the target deviation current value e 0 (t) and the end response correction value y n (t) is obtained as follows. Then, the corrected target deviation e * (t) is calculated.
e*(t) = e0(t) −yn(t)
尚、多入出力系においては、従来のモデル予測制御技術と同様、制御量y、目標値r、目標偏差e、操作変化量duおよび操作量u、など関連する信号をベクトルとみなして、上述した本例の計算方法と同様にして補正目標偏差e*(t)を算出できることは言うまでもない。その際、補正目標偏差e*から操作変化量duへの計算を、定数ゲイン行列の乗算としてもよい。e * (t) = e 0 (t) -y n (t)
In the multi-input / output system, as in the conventional model predictive control technique, the related signals such as the control amount y, the target value r, the target deviation e, the operation change amount du, and the operation amount u are regarded as vectors and are described above. It goes without saying that the corrected target deviation e * (t) can be calculated in the same manner as the calculation method of this example. At this time, the calculation from the corrected target deviation e * to the operation change amount du may be a multiplication of a constant gain matrix.
また、制御系に影響を与える外乱信号が観測できる場合、外乱モデルを加えて、補正目標偏差e*に、さらに、観測した外乱信号による影響を補正する構成としてもよい。 In addition, when a disturbance signal affecting the control system can be observed, a disturbance model may be added to the corrected target deviation e * to further correct the influence of the observed disturbance signal.
以上、図3について説明した。 In the above, FIG. 3 was demonstrated.
以下、図5、図6を参照して、上記終端応答予測ynAと自由応答予測ynBの算出方法の具体例について説明する。Hereinafter, with reference to FIG. 5 and FIG. 6, a specific example of a method for calculating the termination response prediction ynA and the free response prediction ynB will be described.
これらynA、ynBの算出には、上述したように、予め作成されて記憶されているプラント応答モデルを用いる。For calculating these ynA and ynB , as described above, a plant response model created and stored in advance is used.
図5に、プラント応答モデルの具体例を示す。 FIG. 5 shows a specific example of the plant response model.
図5に示す関数S(t)が、プラント応答モデルの具体例である。 A function S (t) shown in FIG. 5 is a specific example of the plant response model.
この関数S(t)は、プラントのステップ応答(単位ステップ入力に対する応答;インディシャル応答と呼ばれる場合もある)である。関数S(t)は、予め制御対象プラント2を用いて実測値を測定することなどで、得ることができる。すなわち、制御対象プラント2に対して単位ステップ入力を行って、制御対象プラント2の出力(制御量y)を測定する。この制御対象プラント2の出力データ(制御量yの時系列データ;時間的な変化を示すもの)が、図5に示す関数S(t)である。
This function S (t) is the plant step response (response to unit step input; sometimes referred to as indicial response). The function S (t) can be obtained by measuring an actual measurement value using the
ここで、ステップ応答が収束するときの収束値を、終端ゲインS(∞)とする。例えば、上記実測値(時系列データ)の最後の値が、上記終端ゲインS(∞)として用いられる。 Here, the convergence value when the step response converges is defined as a termination gain S (∞). For example, the last value of the measured value (time series data) is used as the termination gain S (∞).
終端応答補正部11は、例えば、上記関数S(t)、終端ゲインS(∞)を用いた図6に示す上記終端応答予測ynA(t)と自由応答予測ynB(t)の算出式によって、これらの予測値ynA(t)、ynB(t)を算出する。For example, the termination response correction unit 11 calculates the termination response prediction y nA (t) and the free response prediction y nB (t) shown in FIG. 6 using the function S (t) and the termination gain S (∞). Thus, the predicted values y nA (t) and y nB (t) are calculated.
ここでは、制御周期をTc、モデル区間(処理に用いる一定期間;すなわち現在から過去の一定期間)における操作変化量duのデータ数をAとする。尚、上記Tcは、操作変化量duのデータのサンプリング周期であるという一面もあると見做しても構わない。また、目標偏差現在値をe0(t)、現在に至るまでの過去の所定期間の操作変化量の時系列データを{du(t)}tとする。Here, the control cycle is Tc, and the number of data of the operation change amount du in the model section (a fixed period used for processing; that is, a fixed period from the present to the past) is A. Note that the Tc may be regarded as having one aspect of the sampling period of the data of the operation change amount du. Further, the current target deviation value is e 0 (t), and the time series data of the operation change amount in the past predetermined period up to the present time is {du (t)} t.
終端応答予測値ynA(t)は、過去の操作に応じた終端応答(制御量yの収束値の予測値;十分未来の制御量yの予測値))であり、上記終端ゲインS(∞)等を用いて下記の(1)式により計算する。(k=0.1.2.・・・)The terminal response predicted value y nA (t) is a terminal response (predicted value of the convergence value of the controlled variable y; predicted value of the sufficiently controlled value y in the future) according to the past operation, and the terminal gain S (∞ ) Etc. and is calculated by the following formula (1). (K = 0.1.2 ...)
終端応答補正値yn(t)は、上記算出した終端応答予測値ynA(t)と自由応答予測値ynB(t)とを用いて、下記の(3)式により算出する。The end response correction value y n (t) is calculated by the following equation (3) using the calculated end response predicted value y nA (t) and the free response predicted value y nB (t).
但し、以上説明した処理は、補正目標偏差e*(t)を得る為の処理の一例であり、この例に限らない。例えば、前述のように、上記操作変化量の時系列データ“{du(t)}t”の代わりに、補正目標偏差計算の過程における中間の計算値を、図3の中間計算値記憶部に記憶するようにしてもよい。以下、この様な変形例について説明する。尚、それ故、上記一例の場合には、図3の中間計算値記憶部は必要ないものである。 However, the processing described above is an example of processing for obtaining the corrected target deviation e * (t), and is not limited to this example. For example, as described above, instead of the time series data “{du (t)} t” of the operation change amount, an intermediate calculation value in the correction target deviation calculation process is stored in the intermediate calculation value storage unit in FIG. You may make it memorize | store. Hereinafter, such a modification will be described. Therefore, in the case of the above example, the intermediate calculation value storage unit of FIG. 3 is not necessary.
上記一例の場合、終端応答予測値、自由応答予測値を、随時、図6に示す終端応答予測値ynA(t)の算出式と自由応答予測値ynB(t)の算出式を用いて算出していたが、変形例の場合には下記の方法を用いる。In the case of the above example, the end response predicted value and the free response predicted value are calculated using the formula for calculating the end response predicted value y nA (t) and the formula for calculating the free response predicted value y nB (t) as needed. In the case of the modified example, the following method is used.
すなわち、変形例の場合、操作変化量の時系列データではなく、現在時刻tより前に計算された終端応答予測値ynA(t)および自由応答予測値ynB(t)の計算結果と、そのときの(現在の)操作変化量を用いて算出を行うようにする。That is, in the case of the modified example, the calculation result of the terminal response predicted value y nA (t) and the free response predicted value y nB (t) calculated before the current time t, not the time series data of the operation change amount, Calculation is performed using the (current) operation change amount at that time.
具体的には、終端応答予測値ynA(t)は、過去の操作変化量duによる制御量yの十分未来における予測値であるので、上記一例では図6に示すように上記(1)式により計算されるが、時刻tより制御周期Tc経過後の次の時刻t+Tcにおいては、時刻t+Tcにおける操作変化量du(t+Tc)と、時刻tにおける終端応答予測値ynA(t)を用いて、
同様に、上記一例の場合、自由応答予測値ynB(t)は、過去の操作変化量duによる制御量yを、現在時刻をtとして、
ynB(t-Δt)、ynB(t)、ynB(t+Δt)、ynB(t+2Δt)、…、ynB(T)
というように、時系列として予測している。これに対して、変形例では、時刻tから制御周期Tc経過後の次の時刻t+Tcにおいては、時刻t+Tcにおける操作変化量du(t+Tc)と、前記時刻tにおける自由応答予測値
ynB(t-Δt|t)、ynB(t|t)、ynB(t+Δt|t)、ynB(t+2Δt|t)、…、ynB(T|t)
を用いて(ただし、記号|tは時刻tにおける予測であることを示す)、
y nB (t−Δt), y nB (t), y nB (t + Δt), y nB (t + 2Δt),..., y nB (T)
Thus, it is predicted as a time series. On the other hand, in the modified example, at the next time t + Tc after the elapse of the control cycle Tc from time t, the operation change amount du (t + Tc) at time t + Tc and the free response prediction at the time t value
y nB (t−Δt | t), y nB (t | t), y nB (t + Δt | t), y nB (t + 2Δt | t), ..., y nB (T | t)
(Where the symbol | t indicates a prediction at time t)
ここで、ynB(t+mTc|t+Tc)(m=1,2,…)は時刻t+Tcにおける自由応答予測値、
ynB(t+mTc|t)(m=1,2,…)は時刻tにおける自由応答予測値であるが、
y nB (t + mTc | t) (m = 1, 2,...) is a free response prediction value at time t.
一方、上記中間計算値記憶部に記憶された中間の計算値と、(現在の)操作変化量とを用いて、終端応答予測値ynA(t)および自由応答予測値ynB(t)を計算する上記(5)式の計算方法では、毎回多数の積和演算を行う上記(6)式の計算方法に比べて、計算量を減少させ、高速に実行することができる。On the other hand, using the intermediate calculation value stored in the intermediate calculation value storage unit and the (current) operation change amount, the terminal response predicted value y nA (t) and the free response predicted value y nB (t) are obtained. In the calculation method of the above formula (5) to be calculated, the calculation amount can be reduced and executed at a higher speed than the calculation method of the above formula (6) in which a large number of product-sum operations are performed each time.
したがって、現在時刻をt+Tcとすると、1つ前の制御時刻tに計算された終端応答予測値ynA(t)および自由応答予測値ynB(t+mTc|t)(m=1,2,…)を、補正目標偏差計算の過程における中間の計算値として、図3に示す中間計算値記憶部に記憶(蓄積)するようにしておけば、上記操作変化量の時系列データ“{du(t)}t”を記憶(蓄積)せずとも、現在時刻t+Tcにおける終端応答予測値ynA(t+Tc)および自由応答予測値ynB(t+Tc)を算出することができる。Therefore, if the current time is t + Tc, the terminal response predicted value y nA (t) and the free response predicted value y nB (t + mTc | t) (m = 1, 2,... Is stored (accumulated) in the intermediate calculation value storage unit shown in FIG. 3 as an intermediate calculation value in the correction target deviation calculation process, the time series data “{ Without storing (accumulating) du (t)} t ”, it is possible to calculate the end response predicted value y nA (t + Tc) and the free response predicted value y nB (t + Tc) at the current time t + Tc. it can.
以上の処理によって終端応答予測値ynA(t)、自由応答予測値ynB(t)を算出したら、その後は、上記一例と同様、例えば図6に示す終端応答補正値の算出式や、補正目標偏差の算出式を用いて、補正目標偏差e*(t)を算出すればよい。After calculating the end response predicted value y nA (t) and the free response predicted value y nB (t) by the above processing, thereafter, as in the above example, for example, a calculation formula of the end response correction value shown in FIG. The corrected target deviation e * (t) may be calculated using the target deviation calculation formula.
上記のように、操作変化量計算部12は、この補正目標偏差e*(t)を用いて、次の操作変化量du(t)を算出する。
As described above, the operation change
操作変化量計算部12は、予め、この算出処理のためのデータ(あるいは式)を記憶しており、その一例を図7に示す。
The operation change
図7に、操作変化量計算部12が予め保持するデータの具体例を示す。
FIG. 7 shows a specific example of data stored in advance by the operation change
図示のように、このデータは、補正目標偏差e*と、操作変化量duとの関係を示すものである。これは、図示の例では、一次関数(du=a・e*+b(aは傾き、bはy切片)尚、図の例ではb=0となる)で表される。よって、図示のデータを保持してもよいし、一次関数を保持してもよい。 As shown in the figure, this data indicates the relationship between the corrected target deviation e * and the operation change amount du. This is represented by a linear function (du = a · e * + b (a is a slope, b is a y-intercept), and b = 0 in the illustrated example) in the illustrated example. Therefore, the illustrated data may be held, or a linear function may be held.
操作変化量計算部12は、図示のデータまたは上記一次関数等を用いて、上記終端応答補正部11によって求められた補正目標偏差e*(t)に対応する操作変化量du(t)を、求める。
The operation change
また、図示の例では、更に、操作変化量duの上限値du_maxおよび下限値du_minも含まれている。これより、操作変化量計算部12は、例えば上記一次関数を用いて算出した操作変化量du(t)が、上限値du_maxを越える場合には上限値du_maxを出力し、下限値du_minを下回る場合には下限値du_minを出力する。
In the illustrated example, an upper limit value du_max and a lower limit value du_min of the operation change amount du are further included. Accordingly, the operation change
また、図示のデータや一次関数は、例えば開発者等が予め任意に決定して操作変化量計算部12に保持させているものである。
In addition, the illustrated data and linear functions are arbitrarily determined in advance by, for example, a developer and are stored in the operation change
図8に、プラント応答モデルの具体例を示す。 FIG. 8 shows a specific example of the plant response model.
この例も、上記図5と同様、プラントのステップ応答(インディシャル応答)である関数S(t)を、プラント応答モデルの一例として示している。 In this example as well, the function S (t), which is the step response (indicial response) of the plant, is shown as an example of the plant response model, as in FIG.
そして、図8の例も、図5の例と同様、初期に逆応答を示し、一旦オーバーシュートした後、一定値に収束する応答(制御量y)を示している。尚、この収束値すなわち上記終端ゲインS(∞)は、図示の例では‘10’である。 The example of FIG. 8 also shows a reverse response in the initial stage, like the example of FIG. 5, and shows a response (control amount y) that converges to a constant value after once overshooting. The convergence value, that is, the termination gain S (∞) is “10” in the illustrated example.
また、図9に、操作変化量計算部12が予め保持するデータの具体例を示す。
FIG. 9 shows a specific example of data stored in advance by the operation change
この具体例も、上記図7に示す具体例と同様、補正目標偏差e*と操作変化量duとの関係を、一次関数(du=a・e*+b)の形で示している。そして、図示の具体例では、傾きa=0.085、y切片b=0となっている。更に、図7と同様、操作変化量duの上限値du_maxおよび下限値du_minも、設定されている。図示の例では、上限値du_max=5、下限値du_min=−5である。 This example also shows the relationship between the corrected target deviation e * and the operation change amount du in the form of a linear function (du = a · e * + b), as in the example shown in FIG. In the illustrated specific example, the inclination a = 0.085 and the y-intercept b = 0. Further, as in FIG. 7, an upper limit value du_max and a lower limit value du_min of the operation change amount du are also set. In the illustrated example, the upper limit value du_max = 5 and the lower limit value du_min = −5.
尚、上記のように、操作変化量計算部12自体は従来と同じであってよく、従って従来でも図9に示すデータを使用しても構わない。
As described above, the operation change
図10(a)、図11(a)に、図9に示すデータを用いる場合の目標値応答(目標値rと制御量yの変化)のシミュレーション結果を示す。図10(a)は本手法(例えば図1の構成)の場合、図11(a)には比較のために従来の場合について示す。尚、従来例は積分制御であり、本手法も積分制御をベースにしている。 FIGS. 10A and 11A show simulation results of target value responses (changes in target value r and control amount y) when the data shown in FIG. 9 is used. FIG. 10A shows the case of this method (for example, the configuration of FIG. 1), and FIG. 11A shows the conventional case for comparison. The conventional example is integral control, and this method is also based on integral control.
図10(a)、図11(a)は、何れも、目標値rを図示のようにステップ状に変化させた場合の制御量yを示している。 10 (a) and 11 (a) show the control amount y when the target value r is changed stepwise as shown.
従来では、上記終端応答補正部11は存在せず、上記補正目標偏差e*は生成されず、例えば上記目標偏差現在値e0(t)を用いる。このため、図11(a)に示すように、制御量y(t)は、ステップ状の目標値r(t)への追従はできているものの、オーバーシュート量が多い。Conventionally, the terminal response correction unit 11 does not exist, and the correction target deviation e * is not generated. For example, the target deviation current value e 0 (t) is used. For this reason, as shown in FIG. 11A, the control amount y (t) follows the step target value r (t) but has a large overshoot amount.
一方、本手法の場合、図10(a)に示すように、図11(a)に示す従来技術の場合と比べて、オーバーシュート量が大幅に抑制されており、制御応答が改善できていることが分かる。これは、図10(b)に示すように、補正目標偏差e*(t)は、目標偏差現在値e0(t)に比べて、終端応答を補正した分、振幅の小さい信号となっているからである。On the other hand, in the case of this method, as shown in FIG. 10 (a), the amount of overshoot is greatly suppressed and the control response can be improved as compared with the case of the prior art shown in FIG. 11 (a). I understand that. As shown in FIG. 10B, the corrected target deviation e * (t) is a signal having a smaller amplitude than the target deviation current value e 0 (t) by correcting the end response. Because.
尚、比較のため、従来技術の場合の目標偏差現在値e0(t)を、図11(b)に示す。図示のように、目標偏差現在値e0(t)も、図10(b)に示す本手法に比べて変動が大きい。これは、制御量y(t)の変動が大きいためである。For comparison, the target deviation current value e 0 (t) in the case of the prior art is shown in FIG. As shown in the figure, the target deviation current value e 0 (t) also varies more greatly than the present method shown in FIG. This is because the fluctuation of the control amount y (t) is large.
尚、本例では、図10(d)に示すように終端応答予測値ynA(t)、自由応答予測値ynB(t)、終端応答補正値yn(t)が計算される。そして、計算された終端応答補正値yn(t)に基づいて、図10(b)に示す目標偏差現在値e0(t)を補正することで、同図に示す補正目標偏差e*(t)が求められている。In this example, as shown in FIG. 10D, the end response predicted value y nA (t), the free response predicted value y nB (t), and the end response correction value y n (t) are calculated. Then, by correcting the target deviation current value e 0 (t) shown in FIG. 10B based on the calculated end response correction value y n (t), the corrected target deviation e * ( t) is required.
また、本例では、図10(b)に示す補正目標偏差e*(t)を用いて操作変化量計算部12が操作変化量du(t)を生成するので、図10(c)に示すように、操作量u(t)の変動が少ない。尚、比較のため、図11(c)に、従来技術の場合の操作変化量du(t)、操作量u(t)を示す。図10(c)と図11(c)とを比較すれば明らかなように、本手法の場合、従来技術に比べて、操作量u(t)の変動が少なくて済む。
Further, in this example, since the operation change
上述した本発明によれば、下記の効果が得られる。 According to the above-described present invention, the following effects can be obtained.
本発明では、プラント応答モデルを用いて、過去の操作変化量duに応じた十分未来における目標偏差の残差(補正目標偏差e*(t))を予測し、この予測した残差に基づいて操作変化量を決定する。つまり、過去の操作の影響を考慮しつつ必要最小限の変化を操作量に対して加える。このため、オーバーシュートを抑制することができる。この様なプラントの終端応答の予測に基づく高精度かつ安定度の高い制御を、簡単な構成(比較的少ないメモリとCPU資源)で実現可能である。 In the present invention, a plant response model is used to predict a target deviation residual (corrected target deviation e * (t)) sufficiently in accordance with the past operation change amount du, and based on this predicted residual. Determine the amount of change in operation. That is, the minimum necessary change is added to the operation amount while considering the influence of the past operation. For this reason, overshoot can be suppressed. Such highly accurate and highly stable control based on the prediction of the end response of the plant can be realized with a simple configuration (relatively small memory and CPU resources).
あるいは、従来のMPC制御方式に比べ、制御周期ごとの二次計画問題などの最適化演算を繰り返す必要がなく、極めて高速かつ低コストに予測制御を実現できる。 Or, compared with the conventional MPC control method, it is not necessary to repeat optimization calculations such as a quadratic programming problem for each control cycle, and predictive control can be realized at extremely high speed and low cost.
以上述べたことから、本発明によれば、簡単な構成で(比較的少ない演算負荷で)オーバーシュート抑制を的確に実現できるものと言える。 As described above, according to the present invention, it can be said that overshoot suppression can be accurately realized with a simple configuration (with a relatively small calculation load).
更に、既に設置されている制御ループに対しても、終端応答予測部分を加えるなどの工数の少ない改造で簡便に更新することができ、かつ、温調計やPLC(Programmable Logic Controller)やDCS(Distributed Control System)や組込み制御機器といった計算資源に制約のあるハードウェア上で簡便に実装することができる、という効果がある。 In addition, control loops that have already been installed can be easily updated with less man-hours such as adding a terminal response prediction part, and temperature controllers, PLCs (Programmable Logic Controllers) and DCS (DCS) It has the effect of being able to be easily implemented on hardware with limited computing resources such as Distributed Control System) and embedded control devices.
以下、図12〜図14を参照して、本例の制御装置と従来公知の内部モデル制御との相違について説明する。 Hereinafter, with reference to FIG. 12 to FIG. 14, the difference between the control device of this example and the conventionally known internal model control will be described.
まず、図12、図13を参照して、本例の制御装置の動作を伝達関数を用いて説明する。 First, with reference to FIGS. 12 and 13, the operation of the control device of this example will be described using a transfer function.
ここでは、実プラント伝達関数をP*(s)、プラントモデルをP(s)、制御器をK(s)、プラントの定常ゲインをP(0)とし、制御量をy(t)、操作量をu(t)、目標値をr(t)、補正目標偏差をe*(t)とし、前記終端応答予測をynA(t)、前記過去の操作変化量のみによる制御量の予測をynB(t)とすると、本例の制御装置の構成は、図12のような伝達関数ブロックで近似的に表現することができる。Here, the actual plant transfer function is P * (s), the plant model is P (s), the controller is K (s), the plant steady gain is P (0), the controlled variable is y (t), and the operation The amount is u (t), the target value is r (t), the correction target deviation is e * (t), the end response prediction is ynA (t), and the control amount is predicted only by the past operation change amount. If y nB (t), the configuration of the control device of this example can be approximately expressed by a transfer function block as shown in FIG.
ここで、図12に示す上記制御器K(s)は、例えば上記図1における「操作変化量計算部12+加算器13」に相当すると見做しても構わない。
Here, the controller K (s) shown in FIG. 12 may be considered to correspond to, for example, “operation
図12において、制御器K(s)には、上記補正目標偏差e*が入力されて、新たな操作量u(t)が生成・出力される。この操作量u(t)は、上記実プラント伝達関数P*(s)、プラントモデルP(s)、及び定常ゲインP(0)に入力される。そして、実プラント伝達関数P*(s)の出力は制御量y(t)、プラントモデルP(s)の出力は上記自由応答予測ynB(t)、定常ゲインP(0)の出力は上記終端応答予測ynA(t)であると見做してよい。In FIG. 12, the corrected target deviation e * is input to the controller K (s), and a new manipulated variable u (t) is generated and output. The manipulated variable u (t) is input to the actual plant transfer function P * (s), the plant model P (s), and the steady gain P (0). The output of the actual plant transfer function P * (s) is the controlled variable y (t), the output of the plant model P (s) is the free response prediction y nB (t), and the output of the steady gain P (0) is the above It may be assumed that the end response prediction y nA (t).
この制御量y(t)と自由応答予測ynB(t)との差分を、フィードバック信号として、終端応答予測ynA(t)に加算する。この加算結果と目標値r(t)との差分が、新たな上記補正目標偏差e*として上記制御器K(s)に入力される。The difference between the control amount y (t) and the free response prediction y nB (t) is added to the termination response prediction y nA (t) as a feedback signal. The difference between the addition result and the target value r (t) is input to the controller K (s) as the new corrected target deviation e *.
ここで、制御器K(s)は、操作変化量を毎回加算する動作であるため、
図13を用いて、本例の制御装置の動作を、更に詳細に説明する。 The operation of the control device of this example will be described in more detail with reference to FIG.
仮に、実プラント伝達関数P*(s)と、プラントモデルP(s)が一致しているとする。このとき、y(t)=ynB(t)が成り立つので、上記フィードバック信号が0となる。ここで、制御器K(s)とプラント定常ゲインP(0)が成すローカルループを、目標値r(t)から操作量u(t)への入出力特性を表す伝達関数F(s)としてまとめると、伝達関数F(s)は、
ここで、P(s)F(s)の0極限をとれば、
一方、図14に、従来公知の内部モデル制御の手法(例えば、非特許文献3の88頁〜93頁参照)を示す。 On the other hand, FIG. 14 shows a conventionally known internal model control method (for example, see pages 88 to 93 of Non-Patent Document 3).
図14に示す例では、実プラント伝達関数P*(s)に対し、プラントモデルP(s)を並列に配置し、それらの出力の差に対して目標偏差が計算され、さらに制御器Q(s)を介しフィードバック信号が生成される。 In the example shown in FIG. 14, the plant model P (s) is arranged in parallel with the actual plant transfer function P * (s), the target deviation is calculated for the difference between the outputs, and the controller Q ( A feedback signal is generated via s).
制御器Q(s)への入力は、上記目標偏差現在値e0(t)に相当する。制御器Q(s)は、この目標偏差現在値e0(t)に応じた操作量u(t)を、生成・出力する。この操作量u(t)は、上記実プラント伝達関数P*(s)とプラントモデルP(s)とに入力される。そして、実プラント伝達関数P*(s)の出力は、制御量y(t)であり、プラントモデルP(s)の出力は、図示のyM(t)である。このyM(t)と制御量y(t)との差分が、フィードバックされることになる。つまり、目標値r(t)とフィードバック値との差分が、上記目標偏差現在値e0(t)として、制御器Q(s)へ入力されることになる。The input to the controller Q (s) corresponds to the target deviation current value e 0 (t). The controller Q (s) generates and outputs an operation amount u (t) corresponding to the target deviation current value e 0 (t). This manipulated variable u (t) is input to the actual plant transfer function P * (s) and the plant model P (s). The output of the actual plant transfer function P * (s) is the controlled variable y (t), and the output of the plant model P (s) is y M (t) shown. The difference between y M (t) and the controlled variable y (t) is fed back. That is, the difference between the target value r (t) and the feedback value is input to the controller Q (s) as the target deviation current value e 0 (t).
尚、上記制御器Q(s)は、実プラント伝達関数の最小位相要素の逆数、すなわち不安定要素を除いたプラントの逆モデルから、設計する手法が公知である。また、実プラント伝達関数が、1次遅れ系、2次遅れ系、積分系など簡易に表現できる場合に限り、内部モデル制御のブロック線図を適切に変換することにより、内部モデル制御と等価なPID制御へと変換し、PIDパラメータを導出する設計手法が公知である。 It is known that the controller Q (s) is designed from the inverse of the minimum phase element of the actual plant transfer function, that is, the inverse model of the plant excluding unstable elements. In addition, only when the actual plant transfer function can be expressed in a simple manner such as a first-order lag system, a second-order lag system, and an integral system, it is equivalent to the internal model control by appropriately converting the block diagram of the internal model control. A design method for converting to PID control and deriving PID parameters is known.
以上のように、内部モデル制御は、制御ループに、プラントモデルを含め、さらにプラントの部分的な逆モデルを含めることにより、制御量の目標値への良好な追従を実現することを目的とする制御手法である。 As described above, the purpose of internal model control is to realize a good follow-up to the target value of the controlled variable by including the plant model in the control loop and further including a partial inverse model of the plant. It is a control method.
図12〜図13に示す本例の制御装置の近似動作は、図14と類似しているが、図示の通り両者を比較すれば明らかな相違がある。図14に示す従来公知の内部モデル制御の制御ブロックと、図12に示す本例の制御装置の制御ブロックとを比較すれば、両者の相違は明らかである。すなわち、図12の本手法の制御ブロックが、図14の内部モデル制御器Q(s)と比較して、上記終端応答予測であるynA(t)を有する点で相違することが分かる。The approximate operation of the control device of this example shown in FIGS. 12 to 13 is similar to that of FIG. 14, but there is a clear difference if they are compared as shown. If the control block of the conventionally known internal model control shown in FIG. 14 is compared with the control block of the control device of this example shown in FIG. 12, the difference between them is clear. That is, it can be seen that the control block of the present method in FIG. 12 is different from the internal model controller Q (s) in FIG. 14 in that it has y nA (t) that is the termination response prediction.
つまり、伝達関数表現により近似したブロック線図によれば、本例の制御装置は、内部モデル制御の機能に加え、オーバーシュート抑制を目的として上記終端応答予測の機能をさらに加えたことに理論上は相当すると見做しても構わない。 In other words, according to the block diagram approximated by the transfer function expression, the control device of this example theoretically adds the above-mentioned terminal response prediction function for the purpose of suppressing overshoot in addition to the internal model control function. May be considered equivalent.
ただし、本例の制御装置は、従来公知の内部モデル制御のように実プラント伝達関数の逆モデルなどを用いる必要がなく、より簡便に実現できる。 However, the control device of this example does not need to use an inverse model of the actual plant transfer function as in the conventionally known internal model control, and can be realized more easily.
また、本例の制御装置では、上述したように、任意の波形のステップ応答モデルを用いることができるため、内部モデル制御に基づくPID制御とは異なり、逆応答や無駄時間やその他3次以上の高次の成分を含む実プラントに対しても、容易に適用することができる。 In addition, as described above, since the step response model having an arbitrary waveform can be used in the control device of this example, unlike the PID control based on the internal model control, the reverse response, the dead time, and other third-order or higher order. It can be easily applied to an actual plant containing higher-order components.
尚、上記プラント応答モデルは、上記ステップ応答に限らず、例えばインパルス応答モデルまたは伝達関数モデルまたは状態空間モデル等であってもよい。 The plant response model is not limited to the step response, and may be, for example, an impulse response model, a transfer function model, a state space model, or the like.
また、終端応答予測値ynAは、現在に至るまでの過去の操作量変化に応じた、制御量yの過去値(y1)から収束値(yn+y0)までの変化量に相当すると言うこともできる。Further, the terminal response predicted value y nA corresponds to the amount of change from the past value (y 1 ) to the convergence value (y n + y 0 ) of the control amount y according to the past change in the manipulated variable up to the present. I can also say.
また、自由応答予測値ynBは、現在に至るまでの過去の操作量変化に応じた、制御量yの過去値(y1)から現在値(y0)までの変化量に相当すると言うこともできる。Moreover, it is said that the free response predicted value ynB corresponds to the amount of change from the past value (y 1 ) to the current value (y 0 ) of the control amount y according to the past change in the manipulated variable up to the present. You can also.
尚、上記プラント応答モデルは、上記インパルス応答モデルの例に限らず、たとえば伝達関数モデルや状態空間モデル等であってもよい。 The plant response model is not limited to the example of the impulse response model, and may be, for example, a transfer function model or a state space model.
最後に、図15に、制御装置1の処理フローチャート図を示す。
Finally, FIG. 15 shows a process flowchart of the
ここでは、図15(a)には、特に操作量更新部10の処理フローチャート図を示す。
Here, FIG. 15A shows a processing flowchart of the operation
ここで、制御装置1は、例えば図15(b)に示すように、CPU/MPU等である演算プロセッサ31、メモリ等の記憶装置32等を有している。この記憶装置32には予め所定のアプリケーションプログラムが記憶されている。演算プロセッサ31が、このアプリケーションプログラムを実行することで、上述して制御装置1(特にその操作量更新部10)の各種処理機能が実現され、以って図15(a)のフローチャートの処理が実現される。
Here, as shown in FIG. 15B, for example, the
以下、図15(a)に示すフローチャート図の処理について説明される。 Hereinafter, the process of the flowchart shown in FIG. 15A will be described.
この処理は、定周期で実行される(ここでは上記周期Tc毎に実行される)。 This process is executed at regular intervals (here, executed every cycle Tc).
ここで、上記周期Tc毎に、操作量更新部10には、上記目標偏差現在値e0と、現在の操作量u0が入力される。また、上記のように、操作量更新部10には、過去の操作変化量(現在に至るまでの過去の操作変化量の時系列データ{du(t)}t))が保持されている。また、操作量更新部10には、予め上記プラント応答モデル(ここでは、上記、プラントのステップ応答の関数S(t)、終端ゲインS(∞))が、登録されている。Here, for each of the periods Tc, the operation
これより、操作量更新部10は、まず、上記過去の操作変化量や終端ゲインS(∞)等を用いて、上記終端応答予測値ynA(t)を算出する(ステップS11)。更に、上記過去の操作変化量や関数S(t)等を用いて、上記自由応答予測値ynB(t)を算出する(ステップS12)。そして、これら算出した終端応答予測値ynA(t)及び自由応答予測値ynB(t)と、上記目標偏差現在値e0を用いて、上記補正目標偏差e*(t)を算出する(ステップS13)。Thus, the operation
そして、算出された補正目標偏差e*(t)に基づいて、操作変化量du(t)を算出する(ステップS14)。 Then, an operation change amount du (t) is calculated based on the calculated corrected target deviation e * (t) (step S14).
上記現在の操作量u0に、当該算出した操作変化量du(t)を加えることで、次の操作量u(t)が決定されて、これが制御対象プラント2へ出力される。
By adding the calculated operation change amount du (t) to the current operation amount u0, the next operation amount u (t) is determined and output to the
本発明の制御装置等によれば、簡単な構成でオーバーシュート抑制を的確に実現できる。 According to the control device and the like of the present invention, overshoot suppression can be accurately realized with a simple configuration.
Claims (11)
前記制御量と前記目標値との差分を目標偏差現在値として求める目標偏差算出手段と、
予め保持されているプラント応答モデルと、前記目標偏差現在値と、前記操作量の変化量である操作変化量とに基づいて、補正目標偏差を算出する補正目標偏差算出手段と、
該補正目標偏差に基づいて、新たな前記操作量を決定する操作量算出手段とを有し、
前記補正目標偏差は、現在に至るまでの過去の前記操作量の変化に応じた前記制御量の収束値の予測値と、前記目標値との差であることを特徴とする制御装置。 In a control device that outputs an operation amount to a control target device and causes the control amount of the control target device to follow an arbitrary target value,
Target deviation calculation means for obtaining a difference between the control amount and the target value as a target deviation current value;
A corrected target deviation calculating means for calculating a corrected target deviation based on a plant response model that is held in advance, the target deviation current value, and an operation change amount that is a change amount of the operation amount ;
An operation amount calculating means for determining a new operation amount based on the correction target deviation,
The control device characterized in that the correction target deviation is a difference between a predicted value of a convergence value of the control amount according to a change in the operation amount in the past up to the present time and the target value.
前記補正目標偏差算出手段は、該操作変化量記憶手段に蓄積される過去の操作変化量に基づいて、前記補正目標偏差を算出することを特徴とする請求項1記載の制御装置。 Further comprising an operation change amount storage means for storing pre Kimisao operation change amount,
2. The control apparatus according to claim 1, wherein the correction target deviation calculation means calculates the correction target deviation based on past operation change amounts accumulated in the operation change amount storage means.
前記補正目標偏差算出手段は、該中間計算値記憶手段に蓄積される過去の中間計算値に基づいて、前記補正目標偏差を算出することを特徴とする請求項1記載の制御装置。 Further comprising an intermediate calculation value storage means for storing the intermediate calculation value in the process of calculating the correction target deviation in the correction target deviation calculation means,
2. The control apparatus according to claim 1, wherein the correction target deviation calculation means calculates the correction target deviation based on past intermediate calculation values accumulated in the intermediate calculation value storage means.
前記補正目標偏差算出手段は、前記終端ゲインを用いて終端応答予測値を求めると共に前記関数を用いて自由応答予測値を求めて、該終端応答予測値と自由応答予測値との差分である終端応答補正値を求め、前記目標偏差現在値と該終端応答補正値との差分を前記補正目標偏差とすることを特徴とする請求項4記載の制御装置。 The plant response model is a function of the step response and a termination gain that is a convergence value of the step response,
The corrected target deviation calculating means obtains a terminal response predicted value using the terminal gain and also calculates a free response predicted value using the function, and a termination that is a difference between the terminal response predicted value and the free response predicted value. 5. The control apparatus according to claim 4, wherein a response correction value is obtained, and a difference between the target deviation current value and the terminal response correction value is set as the correction target deviation.
前記自由応答予測値は、前記過去の操作量の変化に応じた前記制御量の過去から現在までの変化量に相当することを特徴とする請求項5記載の制御装置。 The terminal response predicted value corresponds to a change amount from the past of the control amount according to a change in the past operation amount to the convergence value,
The control device according to claim 5, wherein the predicted free response value corresponds to a change amount from the past to the present of the control amount according to a change in the past operation amount.
終端応答予測値は、下記の(1)式により算出され、
The end response predicted value is calculated by the following equation (1):
前記操作量算出手段は、
前記対応関係を示すデータまたは式を用いて、前記補正目標偏差算出手段によって算出された前記補正目標偏差に対応する操作変化量を求める操作変化量算出手段と、
該操作変化量算出手段によって求められた前記操作変化量を現在の操作量に加算し、その加算値を前記新たな操作量として出力する加算手段と、
を有することを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載の制御装置。 Data or a formula indicating a correspondence relationship between the correction target deviation and the operation change amount is preset and stored,
The steering Sakuryou calculation means,
An operation change amount calculating means for obtaining an operation change amount corresponding to the correction target deviation calculated by the correction target deviation calculating means using data or an expression indicating the correspondence relationship ;
Adding means for adding the operation change amount obtained by the operation change amount calculating means to the current operation amount, and outputting the added value as the new operation amount;
Control device according to any one of claims 1-8, characterized in that it comprises a.
前記制御量と前記目標値との差分を目標偏差現在値として求める目標偏差算出手段と、
予め保持されているプラント応答モデルと、前記目標偏差現在値と、前記操作量の変化量とに基づいて、現在に至るまでの過去の前記操作量の変化に応じた前記制御量の収束値の予測値と前記目標値との差である補正目標偏差を算出する補正目標偏差算出手段と、
該補正目標偏差に基づいて、新たな前記操作量を決定する操作量算出手段、
として機能させるためのプログラム。 A control device computer that outputs an operation amount to a control target device and causes the control amount of the control target device to follow an arbitrary target value,
Target deviation calculation means for obtaining a difference between the control amount and the target value as a target deviation current value;
Based on the plant response model held in advance, the target deviation current value, and the amount of change in the operation amount, the convergence value of the control amount according to the change in the operation amount in the past up to the present time. A corrected target deviation calculating means for calculating a corrected target deviation which is a difference between a predicted value and the target value;
An operation amount calculating means for determining a new operation amount based on the corrected target deviation;
Program to function as.
前記制御量と前記目標値との差分を目標偏差現在値として求め、
予め保持されているプラント応答モデルと、前記目標偏差現在値と、前記操作量の変化量とに基づいて、現在に至るまでの過去の前記操作量の変化に応じた前記制御量の収束値の予測値と前記目標値との差である補正目標偏差を算出し、
該補正目標偏差に基づいて、新たな前記操作量を決定することを特徴とするプラント制御方法。 A plant control method for a control device that outputs an operation amount to a control target device and causes the control amount of the control target device to follow an arbitrary target value,
The difference between the control amount and the target value is obtained as a target deviation current value,
Based on the plant response model held in advance, the target deviation current value, and the amount of change in the operation amount, the convergence value of the control amount according to the change in the operation amount in the past up to the present time. Calculate a corrected target deviation that is the difference between the predicted value and the target value,
A plant control method characterized by determining a new manipulated variable based on the corrected target deviation.
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