JP6777231B2 - Control device and control device design method - Google Patents

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Description

本発明は、制御装置及び制御装置の設計方法に関する。 The present invention relates to a control device and a method for designing the control device.

制御装置として、例えば、目標値に対する追従性の向上を保証する出力フィードバック制御器の他に、外乱などにより出力フィードバック制御器の閉ループシステムが安定になることを保証するロバスト外乱フィードバック制御器を備えるものがある。例えば、特許文献1、非特許文献1、または、非特許文献2参照。 As a control device, for example, in addition to an output feedback controller that guarantees improved followability to a target value, a robust disturbance feedback controller that guarantees that the closed loop system of the output feedback controller becomes stable due to disturbance or the like is provided. There is. See, for example, Patent Document 1, Non-Patent Document 1, or Non-Patent Document 2.

しかしながら、上記制御装置では、制御性能の向上と閉ループシステムの安定性の向上とがトレードオフの関係にあるため、閉ループシステムの安定性を向上させると、制御性能が低下してしまうという懸念がある。 However, in the above-mentioned control device, there is a trade-off relationship between the improvement of the control performance and the improvement of the stability of the closed loop system. ..

また、制御性能や安定性を向上させるために既存制御を再設計し直すと、設計工数がかかり、その上、システムの特性が大きく変動するリスクもある。このため、既存制御の特性を活かしつつ、制御性能や安定性を向上する技術が望まれる。 In addition, redesigning an existing control to improve control performance and stability requires design man-hours, and there is a risk that the characteristics of the system will fluctuate significantly. Therefore, a technique for improving control performance and stability while utilizing the characteristics of existing control is desired.

なお、他の制御装置として、出力フィードバック制御器の出力値が飽和することにより制御性能が低下するワインドアップ現象の発生を抑制するためのアンチワインドアップ制御器を備えるものもある。例えば、特許文献2参照。 As another control device, there is also one provided with an anti-windup controller for suppressing the occurrence of a windup phenomenon in which the control performance deteriorates due to the saturation of the output value of the output feedback controller. See, for example, Patent Document 2.

特許文献1では、動特性を特徴づけるシステムの物理パラメータが未知であり、かつランダムな外乱が加わる条件下におかれたシステムに目標軌道を追従させるための制御装置及び制御方法を提供している。しかしながら上記制御は、制御出力が飽和状態になっても、閉ループシステムの安定性を保証するアンチワインドアップ制御器を備えていない。このため、机上ではロバスト性が保証できても、実装上で安定性と制御性能を保証できないという問題がある。 Patent Document 1 provides a control device and a control method for making a system follow a target trajectory under conditions in which the physical parameters of the system that characterize the dynamic characteristics are unknown and random disturbances are applied. .. However, the above control does not include an anti-windup controller that guarantees the stability of the closed loop system even when the control output is saturated. Therefore, even if robustness can be guaranteed on the desk, there is a problem that stability and control performance cannot be guaranteed on mounting.

実装上の問題に対しては、特許文献2では、ロバスト制御に外乱オブザーバを導入した制御方式に加え、制御入力が飽和した際、アンチワインドアップ制御モードに切り替わる機能を提供している。しかしながら、このアンチワインドアップ制御モードに切り替わる機能は、ルールベースによるロジック制御であるため、これによる制御方式切替によって、制御システム全体の安定性や制御性能を、制御理論的に保証できないという問題がある。 For mounting problems, Patent Document 2 provides a function of switching to an anti-windup control mode when the control input is saturated, in addition to a control method in which a disturbance observer is introduced for robust control. However, since the function of switching to this anti-windup control mode is rule-based logic control, there is a problem that the stability and control performance of the entire control system cannot be guaranteed by control theory by switching the control method. ..

特開平10−133703号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-133703 特開2004−240516号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-240516

Kiyoshi OHISHI and Kouhei OHNISHI and Kunio MIYACHI, TORQUE - SPEED REGULATION OF DC MOTOR BASED ON LOAD TORQUE ESTIMATION METHOD, Proc. INTERNATIONAL POWER ELECTRONICS CONFERENCE (IPEC), TOKYO, Mar., pp. 1209-1218, (1983)Kiyoshi OHISHI and Kouhei OHNISHI and Kunio MIYACHI, TORQUE --SPEED REGULATION OF DC MOTOR BASED ON LOAD TORQUE ESTIMATION METHOD, Proc. INTERNATIONAL POWER ELECTRONICS CONFERENCE (IPEC), TOKYO, Mar., Pp. 1209-1218, (1983) Kawai, Fukiko and Nakazawa, Chikashi and Vinther, Kasper and Rasmussen, Henrik, and Andersen, Palle and Stoustrup, Jakob, An Industrial Model Based Disturbance Feedback Control Scheme, Proc. The 19th World Congress of the International Federation of Automatic Control (IFAC 2014), Cape Town, August., pp. 804-809, (2014)Kawai, Fukiko and Nakazawa, Chikashi and Vinther, Kasper and Rasmussen, Henrik, and Andersen, Palle and Stoustrup, Jakob, An Industrial Model Based Disturbance Feedback Control Scheme, Proc. The 19th World Congress of the International Federation of Automatic Control (IFAC 2014) ), Cape Town, August., Pp. 804-809, (2014) Unggul Wasiwitono and Masami Saeki, Fixed-Order Output Feedback Control and Anti-Windup Compensation for Active Suspension Systems, Vol. 5, No. 2, pp. 264-278, Journal of System Design and Dynamics, (2011)Unggul Wasiwitono and Masami Saeki, Fixed-Order Output Feedback Control and Anti-Windup Compensation for Active Suspension Systems, Vol. 5, No. 2, pp. 264-278, Journal of System Design and Dynamics, (2011) Fukiko Kawai and Kasper Vinther and Palle Andersen and Jan Dimon Bendtsen, MIMO Robust Disturbance Feedback Control for Refrigeration Systems via an LMI Approach, The 20th World Congress of the International Federation of Automatic Control (IFAC), Toulouse, Jul., (2017)Fukiko Kawai and Kasper Vinther and Palle Andersen and Jan Dimon Bendtsen, MIMO Robust Disturbance Feedback Control for Refrigeration Systems via an LMI Approach, The 20th World Congress of the International Federation of Automatic Control (IFAC), Toulouse, Jul., (2017) Carsten Scherer, Pascal Gahinet and Mahmoud Chilali, Multiobjective Output-Feedback Control via LMI Optimization, Vol. 42, No. 7, pp. 896-91, Journal of IEEE Transactions on Automatic Control, (1997)Carsten Scherer, Pascal Gahinet and Mahmoud Chilali, Multiobjective Output-Feedback Control via LMI Optimization, Vol. 42, No. 7, pp. 896-91, Journal of IEEE Transactions on Automatic Control, (1997) Nobutaka Wada and Masami Saeki, Synthesis of a Static Anti-Windup Compensator via Linear Matrix Inequalities, the 3rd IFAC Symposium on Robust Control Design, in Prague, June, (2000)Nobutaka Wada and Masami Saeki, Synthesis of a Static Anti-Windup Compensator via Linear Matrix Inequalities, the 3rd IFAC Symposium on Robust Control Design, in Prague, June, (2000) H.H. Rosenbrock, D.J. Bell, Ed., Multivariable circle criterion in recent Mathematical Development in Control, (1973)H.H. Rosenbrock, D.J. Bell, Ed., Multivariable circle criterion in recent Mathematical Development in Control, (1973) Stephen Boyd, Laurent El Ghaoui, E. Feron and V. Balakrishnan, Society for Industrial and Applied Mathematics (SIAM), Linear Matrix Inequalities in System and Control Theory, (1994)Stephen Boyd, Laurent El Ghaoui, E. Feron and V. Balakrishnan, Society for Industrial and Applied Mathematics (SIAM), Linear Matrix Inequalities in System and Control Theory, (1994) Izadi-Zamanabadi, Roozbeh and Vinther, Kasper and Mojallali, Hamed and Rasmussen, Henrik and Stoustrup, Jakob, Evaporator unit as a benchmark for plug and play and fault tolerant control, Proc. 8th IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety of Technical Processes, Mexico City, Mexico, August, 2012, pp. 701-706Izadi-Zamanabadi, Roozbeh and Vinther, Kasper and Mojallali, Hamed and Rasmussen, Henrik and Stoustrup, Jakob, Evaporator unit as a benchmark for plug and play and fault tolerant control, Proc. 8th IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety of Technical Processes, Mexico City, Mexico, August, 2012, pp. 701-706 A. Syaichu-Rohman and R.H. Middleton, Anti-windup schemes for discrete time systems: an LMI-based design, Proc. 5th Asian Control Conference, Melbourne, July, 2004, pp. 554-561A. Syaichu-Rohman and R.H. Middleton, Anti-windup schemes for discrete time systems: an LMI-based design, Proc. 5th Asian Control Conference, Melbourne, July, 2004, pp. 554-561 Alan V. Oppenheim and Ronald W. Schafer, Englewood Cliffs, N.J. : Prentice Hall, Discrete-time signal processingl, (1989)Alan V. Oppenheim and Ronald W. Schafer, Englewood Cliffs, N.J .: Prentice Hall, Discrete-time signal processingl, (1989) Izadi-Zamanabadi, Roozbeh and Vinther, Kasper and Mojallali, Hamed and Rasmussen, Henrik and Stoustrup, Jakob, Evaporator unit as a benchmark for plug and play and fault tolerant control, Proc. 8th IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety of Technical Processes, Mexico City, Mexico, August, 2012, pp. 701-706Izadi-Zamanabadi, Roozbeh and Vinther, Kasper and Mojallali, Hamed and Rasmussen, Henrik and Stoustrup, Jakob, Evaporator unit as a benchmark for plug and play and fault tolerant control, Proc. 8th IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety of Technical Processes, Mexico City, Mexico, August, 2012, pp. 701-706

本発明の一側面に係る目的は、制御装置において、制御性能を維持しつつ、閉ループシステムの安定性を向上させることである。 An object of one aspect of the present invention is to improve the stability of a closed loop system in a control device while maintaining control performance.

本発明に係る一つの形態である制御装置の制御パラメータ演算装置は、第1の操作量と第2の操作量との加算値が入力される制御対象の出力値が目標値に追従するように第1の操作量を出力する出力フィードバック制御器と、閉ループシステムの制御性能及び安定性が向上するように第2の操作量を出力するロバスト外乱フィードバック制御器とを備える。 In the control parameter calculation device of the control device according to one embodiment of the present invention, the output value of the controlled object to which the added value of the first manipulated variable and the second manipulated variable is input follows the target value. It includes an output feedback controller that outputs a first manipulated variable, and a robust disturbance feedback controller that outputs a second manipulated variable so as to improve the control performance and stability of the closed loop system.

また、制御パラメータ演算装置は、第1の拡大系プラントと、ロバスト外乱フィードバック制御器とからなる第1の閉ループシステムを表現する第1の状態方程式が第1の所定のパラメータに基づいて設定され、第1の状態方程式の係数行列を用いて、制御性能や安定性を保証する制約条件を、第1の線形行列不等式で表現した最適化問題へと定式化し、第1の線形行列不等式を満たすロバスト外乱フィードバック制御器を表現する状態方程式の係数行列を求める。 Further, in the control parameter calculation device, a first state equation representing a first closed-loop system including a first expansion system plant and a robust disturbance feedback controller is set based on a first predetermined parameter. Using the coefficient matrix of the first state equation, we formulate the constraints that guarantee control performance and stability into an optimization problem expressed by the first linear matrix inequality, and robustly satisfy the first linear matrix inequality. Find the coefficient matrix of the state equation that represents the disturbance feedback controller.

本発明によれば、制御装置において、制御性能を維持しつつ、閉ループシステムの安定性を向上させることができる。 According to the present invention, in the control device, the stability of the closed loop system can be improved while maintaining the control performance.

第1実施形態の制御装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the control device of 1st Embodiment. 出力フィードバック制御器、制御対象、ノミナルプラントモデル、重み関数、及びロバスト外乱フィードバック制御器のブロック線図である。It is a block diagram of an output feedback controller, a controlled object, a nominal plant model, a weighting function, and a robust disturbance feedback controller. 第1の拡大系プラント及びロバスト外乱フィードバック制御器からなる第1の閉ループシステムのブロック線図である。FIG. 5 is a block diagram of a first closed-loop system consisting of a first expansion plant and a robust disturbance feedback controller. 第1実施形態の制御装置の設計方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the design method of the control device of 1st Embodiment. 第2実施形態の制御装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the control device of 2nd Embodiment. 出力フィードバック制御器、制御対象、ノミナルプラントモデル、重み関数、ロバスト外乱フィードバック制御器、並びに第1及び第2のアンチワインドアップ制御器のブロック線図である。FIG. 3 is a block diagram of an output feedback controller, a controlled object, a nominal plant model, a weighting function, a robust disturbance feedback controller, and first and second anti-windup controllers. 不感帯関数と、第2の拡大プラントからなる第2の閉ループシステムのブロック線図である。It is a block diagram of a second closed loop system consisting of a dead zone function and a second expansion plant. 第2実施形態の制御装置の設計方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the design method of the control device of 2nd Embodiment. 飽和関数を示す図である。It is a figure which shows the saturation function. 不感帯関数を示す図である。It is a figure which shows the dead zone function. 出力フィードバック制御器、制御対象、ノミナルプラントモデル、重み関数、ロバスト外乱フィードバック制御器、並びに第1及び第2のアンチワインドアップ制御器のより詳細なブロック線図である。It is a more detailed block diagram of an output feedback controller, a controlled object, a nominal plant model, a weighting function, a robust disturbance feedback controller, and first and second anti-windup controllers. 第3実施形態の制御装置の設計方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the design method of the control device of 3rd Embodiment. 低次元化処理の前後の第2のロバスト外乱フィードバック制御器のボード線図である。It is a Bode diagram of the second robust disturbance feedback controller before and after the low-dimensional processing. PI制御+ロバスト外乱フィードバック制御によるシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result by PI control + robust disturbance feedback control. PI制御のみによるシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result only by PI control. 制御対象の出力値の絶対値誤差の概念図である。It is a conceptual diagram of the absolute value error of the output value of a controlled object. 第4実施形態の制御装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the control device of 4th Embodiment. 出力フィードバック制御器、制御対象、ノミナルプラントモデル、ロバスト外乱フィードバック制御器、並びに第1及び第2の離散型アンチワインドアップ制御器のブロック線図である。It is a block diagram of an output feedback controller, a controlled object, a nominal plant model, a robust disturbance feedback controller, and the first and second discrete anti-windup controllers. 第4実施形態の制御装置の設計方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the design method of the control device of 4th Embodiment. 不感帯関数と、第3の拡大プラントからなる第3の閉ループシステムのブロック線図である。FIG. 6 is a block diagram of a third closed-loop system consisting of a dead zone function and a third expansion plant. 第5実施形態の制御装置の設計方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the design method of the control device of 5th Embodiment. 低次元化処理の前後のロバスト外乱フィードバック制御器のボード線図である。It is a Bode diagram of the robust disturbance feedback controller before and after the low-dimensional processing. PI制御+ロバスト外乱フィードバック制御によるシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result by PI control + robust disturbance feedback control. PI制御のみによるシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result only by PI control. 制御装置または設計装置のハードウェア構成を示す図である。It is a figure which shows the hardware configuration of a control device or a design device.

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態の制御装置の一例を示す図である。
Hereinafter, embodiments will be described in detail based on the drawings.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram showing an example of the control device of the first embodiment.

図1に示す制御装置1は、圧縮器2、凝縮器3、膨張弁4、及び蒸発器5により構成される冷凍システムにおいて、温度センサ6により検出される冷媒の過熱度Tsh(制御対象の出力値)が目標値Tshtに追従するように膨張弁4の開度(制御対象)を制御するとともに、圧力センサ7により検出される冷媒の吸入圧力P(制御対象の出力値)が目標値Petに追従するように圧縮器2のモータの回転速度(制御対象)を制御する。The control device 1 shown in FIG. 1 is a refrigerating system composed of a compressor 2, a condenser 3, an expansion valve 4, and an evaporator 5, and the degree of superheat of the refrigerant T sh (controlled target) detected by the temperature sensor 6. the output value) to control the opening of the expansion valve 4 (controlled object) so as to follow the target value T sht, suction pressure P e (output value) the target of the controlled object of the refrigerant detected by the pressure sensor 7 controlling the rotational speed of the compressor 2 motor (controlled object) so as to follow the value P et.

制御装置1は、出力フィードバック制御器11と、ロバスト外乱フィードバック制御器12とを備える。 The control device 1 includes an output feedback controller 11 and a robust disturbance feedback controller 12.

出力フィードバック制御器11は、例えば、PI(Proportional Integral)制御器またはPID(Proportional Integral Differential)制御器であって、過熱度Tshが目標値Tshtに追従するように第1の操作量ukaを出力するとともに、吸入圧力Pが目標値Petに追従するように第1の操作量ukbを出力する。Output feedback controller 11, for example, PI (Proportional Integral) control or PID (Proportional Integral Differential) a controller, superheat degree T sh first manipulated variable so as to follow the target value T sht u ka outputs, and outputs the first operation amount u kb as suction pressure P e follows the target value P et.

ロバスト外乱フィードバック制御部12は、膨張弁4と出力フィードバック制御器11とからなる閉ループシステムの制御性能及び安定性が向上するように第2の操作量ulaを出力するとともに、圧縮器2と出力フィードバック制御器11とからなる閉ループシステムの制御性能及び安定性が向上するように第2の操作量ulbを出力する。Robust disturbance feedback controller 12 outputs the second manipulated variable u la to control performance and stability of the closed loop system consisting of the expansion valve 4 output feedback controller 11 Metropolitan improved, the compressor 2 and the output The second operation amount ulb is output so as to improve the control performance and stability of the closed loop system including the feedback controller 11.

膨張弁4は、第1の操作量ukaと第2の操作量ulaとの加算値に基づいて駆動される。Expansion valve 4 is driven based on the sum of the first manipulated variable u ka and second manipulated variable u la.

圧縮器2のモータは、第1の操作量ukbと第2の操作量ulbとの加算値に基づいて駆動される。The motor of the compressor 2 is driven based on the added value of the first manipulated variable u kb and the second manipulated variable u lb.

一般に、冷凍システムで設定されるモデルは、比較的遅い時定数とむだ時間(数十秒)という特徴をモデルが持つため、冷凍システムでは、モデル誤差が発生し易い。特に、過熱度Tshの制御を表現する制御装置1の設計が難しい。その理由としては、冷媒には蒸発器5内の気液二相に由来する非線形性があるからである。この非線形性は、モデルの不確かさとして表現することができる。また、実験結果により、支配的な不確かさは過熱度モデルのプラントゲインであることが明らかになっている(非特許文献4参照)。In general, the model set in the refrigeration system has the characteristics of a relatively slow time constant and wasted time (several tens of seconds), so that a model error is likely to occur in the refrigeration system. In particular, it is difficult to design the control device 1 that expresses the control of the degree of superheat T sh . The reason is that the refrigerant has non-linearity derived from the gas-liquid two-phase in the evaporator 5. This non-linearity can be expressed as model uncertainty. In addition, experimental results have revealed that the dominant uncertainty is the plant gain of the superheat model (see Non-Patent Document 4).

図2は、図1に示す制御装置1の二入力二出力の閉ループシステムのブロック線図である。 FIG. 2 is a block diagram of a two-input, two-output closed-loop system of the control device 1 shown in FIG.

出力フィードバック制御器K(s)は、出力フィードバック制御器11を表現する伝達関数であって、制御対象G(s)の出力値yと重み関数W(s)の出力値yとの加算値である出力値y(過熱度Tsh、吸入圧力P)と目標値r(目標値Tsht、目標値Pet)との差eが入力され、第1の操作量u(第1の操作量uka、第1の操作量ukb)を出力する。The output feedback controller K (s) is a transfer function representing the output feedback controller 11, and is an addition of the output value y 0 of the controlled object G (s) and the output value y w of the weighting function W (s). output value y (the degree of superheat T sh, suction pressure P e) is a value between the target value r (a target value T sht, the target value P et) difference between e is input, the first manipulated variable u k (first The operation amount u ka and the first operation amount u kb ) are output.

重み関数W(s)は、外乱wが入力され、出力値yを出力する。
制御対象G(s)は、膨張弁4及び圧縮器2を表現する伝達関数であって、第1の操作量uと第2の操作量u(第2の操作量ula、第2の操作量ulb)との加算値uが入力され、出力値yを出力する。
In the weighting function W (s), the disturbance w is input and the output value y w is output.
The controlled object G (s) is a transfer function expressing the expansion valve 4 and the compressor 2, and has a first manipulated variable uk and a second manipulated variable ul (second manipulated variable ula , second The addition value u with the operation amount u lb ) of is input, and the output value y 0 is output.

ノミナルプラントモデルG(s)は、制御対象Gの出力値yのノミナル値(不確かさをもたない制御対象G(s)の出力値)を出力する伝達関数であって、第1の操作量uが入力され出力値yを出力する。The nominal plant model G n (s) is a transfer function that outputs a nominal value (output value of the controlled object G (s) having no uncertainty) of the output value y 0 of the controlled object G, and is the first transfer function. manipulated variable u k is inputted to output an output value y n.

ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)は、ロバスト外乱フィードバック制御器12を表現する伝達関数であって、出力値yと出力値yとの差εが入力され第2の操作量uを出力する。なお、「ε」は、下記記号1と同じものとする。The robust disturbance feedback controller L (s) is a transfer function expressing the robust disturbance feedback controller 12, and the difference ε between the output value y and the output value y n is input and the second operation amount u l is output. To do. In addition, "ε" shall be the same as the following symbol 1.

図3は、第1の拡大系プラントP(s)及びロバスト外乱フィードバック制御器L(s)からなる第1の閉ループシステムのブロック線図である。 FIG. 3 is a block diagram of a first closed-loop system including a first expansion plant P (s) and a robust disturbance feedback controller L (s).

第1の拡大系プラントP(s)は、出力フィードバック制御器K(s)、重み関数W(s)、制御対象G(s)、及びノミナルプラントモデルG(s)を含む。なお、出力フィードバック制御器K(s)、重み関数W(s)、制御対象G(s)、及びノミナルプラントモデルG(s)をそれぞれ線形要素とする。The first expansion plant P (s) includes an output feedback controller K (s), a weighting function W (s), a controlled object G (s), and a nominal plant model Gn (s). The output feedback controller K (s), the weighting function W (s), the controlled object G (s), and the nominal plant model Gn (s) are linear elements, respectively.

第1の閉ループシステムにおけるロバスト外乱フィードバック制御器L(s)は、出力値yと出力値yとの差εが入力され第2の操作量uを出力する。The robust disturbance feedback controller L (s) in the first closed-loop system is input with the difference ε between the output value y and the output value y n , and outputs the second operation amount u l .

なお、出力値yと出力値yとの差εは、外乱wや制御対象G(s)の不確かさが存在する場合、信号が発生するものとする。It is assumed that the difference ε between the output value y and the output value y n is a signal generated when the disturbance w or the uncertainty of the control target G (s) exists.

図4は、第1実施形態の制御装置1の設計方法の一例を示すフローチャートである。
まず、制御装置1を設計する設計装置は、制御対象G(s)を表現する状態方程式の係数行列を設定する(S11)。
FIG. 4 is a flowchart showing an example of the design method of the control device 1 of the first embodiment.
First, the design device that designs the control device 1 sets a coefficient matrix of the equation of state that represents the controlled object G (s) (S11).

制御対象G(s)の状態方程式を下記式1とする。 Let the equation of state of the controlled object G (s) be the following equation 1.

また、ノミナルプラントモデルG(s)の状態方程式を下記式2とする。Further, the equation of state of the nominal plant model Gn (s) is set to the following equation 2.

また、A、B、Cを下記式3及び下記式4とする。 Further, A, B, and C are referred to as the following formula 3 and the following formula 4.

なお、上記式4において、δ=(δa,i,・・・,δa,p)、δb=(δb,i,・・・,δb,q)、δc=(δc,i,・・・,δc,r)は、与えられたダイナミクスにおける全ての不確かさ量の組合せを表現する未知ベクトルとする。また、A、B、Cは制御対象G(s)の不確かさとする。また、p、q、rは、任意の値とする。dは外乱信号である。In the above equation 4, δ a = (δ a, i , ···, δ a, p ), δ b = (δ b, i , ···, δ b, q ), δ c = (δ). c, i , ···, δ c, r ) are unknown vectors that represent the combination of all uncertainty quantities in a given dynamics. Also, A i, B i, C i is the uncertainty of the controlled object G (s). Further, p, q, and r are arbitrary values. d is a disturbance signal.

すなわち、設計装置は、制御対象G(s)を表現する状態方程式の係数行列として、A、B、C、A、B、及びCを設定する。なお、制御対象G(s)を表現する状態方程式の係数行列は、ユーザにより設定されてもよい。That is, the design apparatus sets A, B, C, An , B n , and C n as the coefficient matrix of the equation of state expressing the controlled object G (s). The coefficient matrix of the equation of state representing the controlled object G (s) may be set by the user.

次に、設計装置は、出力フィードバック制御器K(s)を表現する状態方程式の係数行列を設定する(S12)。 Next, the design apparatus sets a coefficient matrix of the equation of state representing the output feedback controller K (s) (S12).

出力フィードバック制御器K(s)を表現する状態方程式を下記式5とする。 The equation of state expressing the output feedback controller K (s) is set to the following equation 5.

なお、A、B、C、Dを下記式6とする。In addition, A k , B k , C k , and D k are given by the following equation 6.

すなわち、設計装置は、出力フィードバック制御器K(s)を表現する状態方程式の係数行列として、A、B、C、及びDを設定する。なお、出力フィードバック制御器K(s)を表現する状態方程式の係数行列は、ユーザにより設定されてもよい。That is, the design apparatus sets Ak , B k , C k , and D k as the coefficient matrix of the equation of state expressing the output feedback controller K (s). The coefficient matrix of the equation of state representing the output feedback controller K (s) may be set by the user.

次に、設計装置は、重み関数W(s)を表現する状態方程式の係数行列を設定する(S13)。 Next, the design apparatus sets a coefficient matrix of the equation of state expressing the weighting function W (s) (S13).

重み関数W(s)の状態方程式を下記式7とする。 Let the equation of state of the weighting function W (s) be the following equation 7.

なお、A、B、C、Dを下記式8とする。In addition, A w , B w , C w , and D w are given by the following equation 8.

すなわち、設計装置は、重み関数W(s)を表現する状態方程式の係数行列として、A、B、C、及びDを設定する。なお、重み関数W(s)を表現する状態方程式の係数行列は、ユーザにより設定されてもよい。That is, the design apparatus sets A w , B w , C w , and D w as the coefficient matrix of the equation of state expressing the weighting function W (s). The coefficient matrix of the equation of state expressing the weighting function W (s) may be set by the user.

次に、設計装置は、第1の拡大系プラントP(s)及びロバスト外乱フィードバック制御器L(s)からなる第1の閉ループシステムにおけるロバスト外乱フィードバック制御器L(s)の設計を最適化するための演算処理を行う(S14)。 Next, the design device optimizes the design of the robust disturbance feedback controller L (s) in the first closed-loop system consisting of the first expansion plant P (s) and the robust disturbance feedback controller L (s). Performs arithmetic processing for this (S14).

例えば、二つの制約条件を線形行列不等式(LMI: Linear Matrix Inequality)による制御設計に導入する。ここでは、有界実補題(Bounded Real Lemma)と領域的極配置(Regional Pole Placement)の二つの制約条件を導入する(非特許文献5参照)。制御対象G(s)のHノルムが1未満であるとき、制御対象G(s)は有界実である。すなわち、有界実補題は、ロバスト性能(robust performance)を保証する。また、領域的極配置は、制御性能(極の領域)を特定するために導入する。ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)は、出力フィードバック制御に属する。このため、線形行列不等式による最適問題を定式化するために線形変数変換(linearizing change of variable)を実施する。For example, two constraints are introduced into the control design by Linear Matrix Inequality (LMI). Here, two constraints, a bounded lemma (Bounded Real Lemma) and a regional Pole Placement, are introduced (see Non-Patent Document 5). When the H norm of the controlled object G (s) is less than 1, the controlled object G (s) is bounded. That is, the bounded lemma guarantees robust performance. In addition, regional pole arrangement is introduced to specify the control performance (pole region). The robust disturbance feedback controller L (s) belongs to the output feedback control. Therefore, a linearizing change of variable is performed to formulate the optimal problem by the linear matrix inequality.

第1の外乱フィードバック制御器L(s)の状態方程式を下記式9とする。 Let the equation of state of the first disturbance feedback controller L (s) be the following equation 9.

なお、A、B、C、Dを下記式10とする。In addition, A l , B l , C l , and D l are given by the following equation 10.

また、第1の拡大系プラントP(s)及びロバスト外乱フィードバック制御器L(s)からなる第1の閉ループシステムの状態方程式を下記式11とする。 Further, the equation of state of the first closed loop system including the first expansion system plant P (s) and the robust disturbance feedback controller L (s) is given by the following equation 11.

なお、x、A、BPW、B、C、C、D、DPWを下記式12とする。 In addition, x p , Ap , B PW , B p , C z , C p , D z , and D PW are given by the following equation 12.

ここで、ρとρは、微小な値であり、Iは単位行列である。ρとρについては、もし、DとDpwがゼロ行列である場合、フルランクを維持して数値計算上の問題を避けるために導入されている。すなわち、DとDpwをフルランクにする必要があるため微小な値(ρ、ρ)が導入されている。Here, ρ z and ρ w are minute values, and I is an identity matrix. ρ z and ρ w are introduced to maintain the full rank and avoid numerical problems if D z and D pw are zero matrices. That is, since it is necessary to make D z and D pw full rank, minute values (ρ z , ρ w ) are introduced.

このとき、zは、εとDを制御性能として定め、下記式13のとおり其々を独立させたベクトルで定義する。なお、「ε」は、下記記号2と同じものとする。At this time, z defines ε z and D z u l as control performance, and defines each as an independent vector as shown in the following equation 13. Note that "ε z " is the same as the symbol 2 below.

ここで、下記式14とする。εは、外乱のDw(ダイレクトスルー)を除いたベクトルである。Here, the following equation 14 is used. ε z is a vector excluding the disturbance D w w (direct through).

このような条件の基で、外乱w-が入力され性能評価出力z-を出力する第1の閉ループシステムの伝達関数T(s)を表現する第1の状態方程式を下記式15に示すように設定する。 Under such conditions, the first equation of state expressing the transfer function T (s) of the first closed-loop system in which the disturbance w- is input and the performance evaluation output z- is output is shown in Equation 15 below. Set.

なお、下記式16に示すように定義する。 It is defined as shown in the following equation 16.

また、上記式14に示す第1の状態方程式の係数行列を用いて制御性能や安定性を保証する制約条件を第1の線形行列不等式で表現した最適化問題へと定式化する(式17)。 Further, using the coefficient matrix of the first equation of state shown in the above equation 14, the constraint conditions for guaranteeing control performance and stability are formulated into an optimization problem expressed by the first linear matrix inequality (Equation 17). ..

なお、下記式18のように定義される。 It is defined as the following equation 18.

ここで、下記式19に示すNとRcを、第1の閉ループシステムを表現する伝達関数T(s)の入力・出力チャネルとする。Here, N c and R c shown in the following equation 19 are used as input / output channels of the transfer function T (s) representing the first closed loop system.

次に、設計装置は、上記式17に示す第1の線形行列不等式を満たす解があるか否かを判断する(S15)。 Next, the design apparatus determines whether or not there is a solution that satisfies the first linear matrix inequality shown in the above equation 17 (S15).

設計装置は、上記式17に示す第1の線形行列不等式を満たす解がないと判断すると(S15:No)、再度、重み関数W(s)を表現する状態方程式の係数行列を設定した後(S13)、ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を設計するための最適化問題の演算処理を行い(S14)、上記式17に示す第1の線形行列不等式を満たす解があるか否かを判断する(S15)。 When the design device determines that there is no solution satisfying the first linear matrix inequality shown in the above equation 17 (S15: No), after setting the coefficient matrix of the state equation expressing the weighting function W (s) again ( S13), the calculation process of the optimization problem for designing the robust disturbance feedback controller L (s) is performed (S14), and it is determined whether or not there is a solution satisfying the first linear matrix inequality shown in the above equation 17. (S15).

一方、設計装置は、上記式17に示す第1の線形行列不等式を満たす解があると判断すると(S15:Yes)、ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の係数行列を低次元化し(S16)、制御装置1を設計する。なお、設計装置は、上記式17に示す第1の線形行列不等式を満たす解があると判断すると(S15:Yes)、ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の係数行列を低次元化せずに、制御装置1を設計するように構成してもよい。 On the other hand, when the design device determines that there is a solution satisfying the first linear matrix inequality shown in the above equation 17 (S15: Yes), the coefficient matrix of the state equation expressing the robust disturbance feedback controller L (s) is lowered. Dimension (S16) and design the control device 1. When the design device determines that there is a solution satisfying the first linear matrix inequality shown in the above equation 17 (S15: Yes), the coefficient matrix of the state equation expressing the robust disturbance feedback controller L (s) is lowered. The control device 1 may be designed without being dimensioned.

すなわち、設計装置は、出力フィードバック制御器K(s)を表現する状態方程式の係数行列(A、B、C、D)、制御対象G(s)を表現する状態方程式の係数行列(A、B、C)、ノミナルプラントモデルG(s)を表現する状態方程式の係数行列(A、B、C)、及び外乱wを表現する状態方程式の係数行列(A、B、C、D)に基づいて、第1の拡大系プラントP(s)とロバスト外乱フィードバック制御器L(s)とからなる第1の閉ループシステムを表現する第1の状態方程式を設定し、第1の状態方程式を第1の線形行列不等式に変換し、第1の線形行列不等式を満たす解があるまで、外乱wを表現する状態方程式の係数行列(A、B、C、D)を調整する。That is, the design device uses a coefficient matrix (A k , B k , C k , D k ) of the state equation expressing the output feedback controller K (s) and a coefficient matrix of the state equation expressing the controlled object G (s). (A, B, C), the coefficient matrix of the state equation representing the nominal plant model G n (s) ( An , B n , C n ), and the coefficient matrix of the state equation representing the disturbance w (A w , Based on B w , C w , D w ), a first state equation representing a first closed-loop system consisting of a first expansion plant P (s) and a robust disturbance feedback controller L (s). Set, convert the first state equation to the first linear matrix inequality, and the coefficient matrix (A w , B w , C) of the state equation representing the disturbance w until there is a solution that satisfies the first linear matrix inequality. w , D w ) is adjusted.

そして、設計装置は、S12において設定される出力フィードバック制御器K(s)を表現する状態方程式の係数行列と、S16において設定される外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の係数行列とにより、制御装置1を設計する。 Then, the design apparatus has a coefficient matrix of the state equation expressing the output feedback controller K (s) set in S12 and a coefficient matrix of the state equation expressing the disturbance feedback controller L (s) set in S16. Therefore, the control device 1 is designed.

言い換えると、制御装置1の制御パラメータ演算装置は、第1の拡大系プラントP(s)とロバスト外乱フィードバック制御器L(s)とからなる第1の閉ループシステムを表現する第1の状態方程式を第1の所定のパラメータに基づいて設定する。そして、制御装置の制御パラメータ演算装置は、第1の状態方程式の係数行列を用いて、制御性能や安定性を保証する制約条件を、第1の線形行列不等式で表現した最適化問題へと定式化し、第1の線形行列不等式を満たすロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の係数行列を求める。 In other words, the control parameter calculation device of the control device 1 obtains a first equation of state representing a first closed-loop system including the first expansion system plant P (s) and the robust disturbance feedback controller L (s). It is set based on the first predetermined parameter. Then, the control parameter calculation device of the control device uses the coefficient matrix of the first state equation to formulate the constraint conditions that guarantee the control performance and stability into the optimization problem expressed by the first linear matrix inequality. Then, the coefficient matrix of the state equation representing the robust disturbance feedback controller L (s) satisfying the first linear matrix inequality is obtained.

第1の所定のパラメータは、出力フィードバック制御器K(s)を表現する状態方程式の係数行列(A、B、C、D)、制御対象G(s)を表現する状態方程式の係数行列(A、B、C)、制御対象G(s)の出力値のノミナル値を出力するノミナルプラントモデルG(s)を表現する状態方程式の係数行列(A、B、C)、外乱wへの重み関数を表現する状態方程式の係数行列(A、B、C、D)、及びロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の係数行列である。The first predetermined parameter is the coefficient matrix (A k , B k , C k , D k ) of the state equation expressing the output feedback controller K (s), and the state equation expressing the controlled object G (s). The coefficient matrix (A, B, C) and the coefficient matrix ( An , B n , C n ) of the state equation representing the nominal plant model G n (s) that outputs the nominal value of the output value of the controlled object G (s). ), The coefficient matrix of the state equation expressing the weighting function to the disturbance w (A w , B w , C w , D w ), and the coefficient matrix of the state equation expressing the robust disturbance feedback controller L (s). ..

第1の拡大系プラントP(s)は、出力フィードバック制御器K(s)と、制御対象G(s)と、ノミナルプラントモデルG(s)と、重み関数とを含む。The first expansion plant P (s) includes an output feedback controller K (s), a controlled object G (s), a nominal plant model Gn (s), and a weighting function.

ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)は、制御対象G(s)の出力値とノミナル値との差が入力される。 In the robust disturbance feedback controller L (s), the difference between the output value and the nominal value of the control target G (s) is input.

このように設計された制御装置1によれば、外乱wや制御対象G(s)(圧縮器2、膨張弁4)の不確かさに対してロバスト性を向上させることができるため、閉ループシステムの安定性を向上させることができる。 According to the control device 1 designed in this way, robustness can be improved against the uncertainty of the disturbance w and the control target G (s) (compressor 2, expansion valve 4), so that the closed loop system can be used. Stability can be improved.

また、出力フィードバック制御器K(s)を第1の拡大系プラントP(s)の一部として扱うため、出力フィードバック制御器11の構造や出力フィードバック制御器11を表現する伝達関数のプラントパラメータを維持させることができる。このため、従来のロバスト制御の弱点である保守性、つまり不確かさを含む閉ループシステムの安定性を向上させるために出力フィードバック制御装置11は保守的に設計され、その結果、制御性能が低下してしまうという問題を解決できる。 Further, since the output feedback controller K (s) is treated as a part of the first expansion plant P (s), the structure of the output feedback controller 11 and the plant parameters of the transfer function expressing the output feedback controller 11 are set. Can be maintained. Therefore, the output feedback control device 11 is conservatively designed to improve maintainability, which is a weak point of conventional robust control, that is, stability of a closed loop system including uncertainty, and as a result, control performance is deteriorated. You can solve the problem of getting rid of it.

すなわち、第1の実施形態の制御装置1によれば、既存制御構造を活かすことができるため、設計の負担を軽減しつつ、閉ループシステムの制御性能および安定性を向上させることができる。 That is, according to the control device 1 of the first embodiment, since the existing control structure can be utilized, the control performance and stability of the closed loop system can be improved while reducing the design burden.

<第2実施形態>
図5は、第2実施形態の制御装置の一例を示す図である。なお、図5において、図1に示す構成と同じ構成には同じ符号を付しその説明を省略する。
<Second Embodiment>
FIG. 5 is a diagram showing an example of the control device of the second embodiment. In FIG. 5, the same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

図5に示す制御装置1において、図1に示す制御装置1と異なる点は、出力フィードバック制御器11に含まれる積分器の出力飽和による制御性能の劣化を防ぐ第1のアンチワインドアップ制御器13と、ロバスト外乱フィードバック制御器12に含まれる積分器の出力飽和による制御性能の劣化を防ぐ第2のアンチワインドアップ制御器14とを備えている点である。 The control device 1 shown in FIG. 5 differs from the control device 1 shown in FIG. 1 in that the first anti-windup controller 13 prevents deterioration of control performance due to output saturation of the integrator included in the output feedback controller 11. A second anti-windup controller 14 is provided to prevent deterioration of control performance due to output saturation of the integrator included in the robust disturbance feedback controller 12.

例えば、PID制御器の上下限値に達した状態(飽和)で、操作量と目標値の誤差があった場合、PID制御のI項目(積分器)は、その誤差を加算していく(積分器)。そのため、PID制御器の制御出力は飽和していても、計算上の積分器の出力が増える。飽和による制御の劣化(オーバーシュート等)を、ワインドアップ現象と呼ぶ。 For example, when the upper and lower limit values of the PID controller are reached (saturation) and there is an error between the manipulated variable and the target value, the I item (integrator) of the PID control adds the error (integration). vessel). Therefore, even if the control output of the PID controller is saturated, the output of the integrator in calculation increases. Deterioration of control due to saturation (overshoot, etc.) is called a windup phenomenon.

図6は、図5に示す制御装置1の二入力二出力の閉ループシステムが伝達関数で表現される場合のブロック線図である。なお、図6において、図2に示す構成と同じ構成の説明は省略する。 FIG. 6 is a block diagram when the two-input, two-output closed-loop system of the control device 1 shown in FIG. 5 is represented by a transfer function. Note that, in FIG. 6, the description of the same configuration as that shown in FIG. 2 will be omitted.

飽和関数Φ(u)は、出力フィードバック制御器K(s)の出力値と、アンチワインドアップ制御器Λk2の出力値との加算値である操作量u が入力され、第1の操作量u(第1の操作量uka、第1の操作量ukb)を出力する。なお、「u 」は、下記記号3と同じものとする。Saturation function Φ k (u) is the output value of the output feedback controller K (s), a sum value as the manipulated variable u k ~ between the output value of the anti-windup controller lambda k2 is input, the first manipulated variable u k (first manipulated variable u ka, first manipulated variable u kb) outputs a. It should be noted that the "u k ~" is the same as the following symbol 3.

飽和関数Φ(u)は、ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)の出力値と、アンチワインドアップ制御器Λl2の出力値との加算値である操作量u が入力され、第2の操作量u(第2の操作量ula、第2の操作量ulb)を出力する。なお、「u 」は、下記記号4と同じものとする。For the saturation function Φ l (u), the manipulated variable ul ~, which is the sum of the output value of the robust disturbance feedback controller L (s) and the output value of the anti-windup controller Λ l2 , is input, and the second and it outputs the manipulated variable u l (second operation amount u la, the second manipulated variable u lb). It should be noted that the "u l ~" is the same as the following symbol 4.

アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2は、操作量u と第1の操作量uとの差が入力される。Anti-windup controller lambda k1, lambda k2 is the difference between the manipulated variable u k ~ and first manipulated variable u k is inputted.

アンチワインドアップ制御器Λl1、Λl2は、操作量u と第2の操作量ulとの差が入力される。Anti-windup controller lambda l1, lambda l2 the difference between the manipulated variable u l ~ and second manipulated variable u l is entered.

図7は、不感帯関数Ψ(u)及び第2の拡大系プラントTu〜dからなる第2の閉ループシステム(連続システム)のブロック線図である。なお、「Ψ(u)」は、下記記号5と同じものとし、「Tu〜d」は、下記記号6と同じものとする。FIG. 7 is a block diagram of a second closed-loop system (continuous system) including a dead zone function Ψ (u to ) and a second expansion plant Tu to d . In addition, "Ψ (u ~ )" shall be the same as the following symbol 5, and " Tu ~ d " shall be the same as the following symbol 6.

第2の拡大系プラントTu〜dは、出力フィードバック制御器K(s)と、制御対象G(s)と、ノミナルプラントモデルG(s)と、第1の拡大系プラントP(s)において設計されたロバスト外乱フィードバック制御器L(s)と、出力フィードバック制御器K(s)のためのアンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2と、ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)のためのアンチワインドアップ制御器Λl1、Λl2とを含む。The second expansion plants Tu to d include an output feedback controller K (s), a control target G (s), a nominal plant model G n (s), and a first expansion plant P (s). For the robust disturbance feedback controller L (s) designed in, the anti-windup controllers Λ k1, Λ k2 for the output feedback controller K (s), and the robust disturbance feedback controller L (s). Includes anti-windup controllers Λ l1 and Λ l2 .

また、出力フィードバック制御器K(s)は、図1の出力フィードバック制御器11に対応し、ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)は、図1のロバスト外乱フィードバック制御器12に対応し、アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2は、図1の第1のアンチワインドアップ制御器13に対応し、アンチワインドアップ制御器Λl1、Λl2は、図1の第2のアンチワインドアップ制御器14を表現する。Further, the output feedback controller K (s) corresponds to the output feedback controller 11 of FIG. 1, and the robust disturbance feedback controller L (s) corresponds to the robust disturbance feedback controller 12 of FIG. 1, and is anti-wine. The do-up controllers Λ k1 and Λ k2 correspond to the first anti-windup controller 13 in FIG. 1, and the anti-windup controllers Λ l1 and Λ l2 correspond to the second anti-windup controller 14 in FIG. To express.

図8は、第2実施形態の制御装置1の設計方法の一例を示すフローチャートである。なお、図8に示すS11〜S16は、図4に示すS11〜S16と同様であるため、その説明を省略する。また、第2実施形態では、不感帯特性を示す不感帯関数Ψ(u)を用いて、アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2、Λl1、Λl2を設計するものとする(非特許文献3参照)。FIG. 8 is a flowchart showing an example of the design method of the control device 1 of the second embodiment. Since S11 to S16 shown in FIG. 8 are the same as S11 to S16 shown in FIG. 4, the description thereof will be omitted. Further, in the second embodiment, the anti-windup controllers Λ k1, Λ k2 , Λ l1, and Λ l2 are designed by using the dead zone function Ψ (u to ) indicating the dead zone characteristics (Non-Patent Document 3). reference).

設計装置は、制御対象G(s)(圧縮器2、膨張弁4)の上下限制約条件、セクターパラメータκ ̄を設定する(S17)。なお、「κ ̄」は、下記記号7と同じものとする。また、制御対象G(s)の上下限制約条件、セクターパラメータκ ̄は、ユーザにより設定されてもよい。 The design device sets the upper and lower limit constraint conditions and the sector parameter κ ̄ of the controlled object G (s) (compressor 2, expansion valve 4) (S17). In addition, "κ ̄" shall be the same as the following symbol 7. Further, the upper and lower limit constraint conditions of the control target G (s) and the sector parameter κ ̄ may be set by the user.

図7に示す第2の閉ループシステムの非線形性は、制御対象G(s)の上下限制約条件(最大値及び最小値)によって導入される。 The non-linearity of the second closed-loop system shown in FIG. 7 is introduced by the upper and lower limit constraint conditions (maximum value and minimum value) of the controlled object G (s).

図9は、制御対象G(s)の入力飽和を示す飽和関数Φ(u)を示す図である。なお、「Φ(u)」は、下記記号8と同じものとする。FIG. 9 is a diagram showing a saturation function Φ (u to ) indicating the input saturation of the controlled object G (s). In addition, "Φ (u ~ )" shall be the same as the following symbol 8.

図9に示す飽和関数Φ(u)(実線)のように、設計装置により計算される操作量u は、実際の操作量uの最大値及び最小値で頭打ちとなる。As shown in the saturation function Φ (u to ) (solid line) shown in FIG. 9, the manipulated variable u to i calculated by the design apparatus peaks at the maximum and minimum values of the actual manipulated variable u i .

図10は不感帯関数Ψ(u)を示す図である。
図10に示す不感帯関数Ψ(u)(実線)のように、実際の操作量Ψ(u )は、−u <設計装置により計算される操作量u〜<u において、ゼロになる。なお、「Ψ(u )」は、下記記号9と同じものとし、「−u 」は、下記記号10と同じものとし、「u 」は、下記記号11と同じものとする。
FIG. 10 is a diagram showing a dead band function Ψ (u ~ ).
As shown in the dead zone function Ψ (u ~ ) (solid line) shown in FIG. 10, the actual manipulated variable Ψ i (u ~ i ) is −u i ~ <manipulated quantity u i ~ <u i calculated by the design device. At , it becomes zero. Incidentally, "Ψ i (u i ~)" is the same as the following symbols 9, "- u i ~" is the same as the following symbol 10, "u i ~" is the same as the following symbols 11 And.

また、図10に示すセクターパラメータκ ̄∈[0,1]は、不感帯関数Ψ(u)の非線形要素を線形要素とみなすセクター領域(セクター非線形要素)(斜線部分)を設定するための一次関数(破線)の傾きである(非特許文献6参照)。すなわち、不感帯関数Ψ(u)はセクター非線形要素を含むものとする。Further, the sector parameter κ ̄∈ [0,1] shown in FIG. 10 is a linear for setting a sector region (sector nonlinear element) (diagonal portion) in which the nonlinear element of the dead zone function Ψ (u ~ ) is regarded as a linear element. The slope of the function (broken line) (see Non-Patent Document 6). That is, the dead zone function Ψ (u ~ ) includes a sector nonlinear element.

不感帯関数Ψ(u )、Ψ(u )を下記式20とする。なお、u は、飽和関数Φ(u )を通る前の操作量とし、u は、飽和関数Φ(u)を通る前の操作量とする。Deadband function Ψ (u k ~), Ψ a (u l ~) and the following equation 20. Incidentally, u k ~ is the operation amount of the front through the saturation function Φ (u k ~), u l ~ is an operation amount before passing the saturation function Φ (u l).

次に、設計装置は、不感帯関数Ψ(u)及び第2の拡大系プラントTu〜dからなる第2の閉ループシステムの安定性と制御性能を保証する、アンチワインドアップ制御器を設計するための最適化問題の演算処理を行う(S18)。Next, the design device designs an anti-windup controller that guarantees the stability and control performance of the second closed-loop system consisting of the dead zone function Ψ (u ~ ) and the second expansion plant Tu ~ d. The calculation process of the optimization problem for the purpose is performed (S18).

アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2の状態方程式を下記式21とする。図11に示すA、B、C、Dは、出力フィードバック制御器K(s)の状態方程式の係数行列(A、B、C、D)を示している。 Let the equation of state of the anti-windup controllers Λ k1 and Λ k2 be the following equation 21. Ak , B k , C k , and D k shown in FIG. 11 indicate the coefficient matrix (A k , B k , C k , D k ) of the equation of state of the output feedback controller K (s).

アンチワインドアップ制御器Λl1、Λl2の状態方程式を下記式22とする。図11に示すブロック線図のA、B、C、Dは、ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)の状態方程式の係数行列(A、B、C、D)を示している。 Let the equation of state of the anti-windup controllers Λ l1 and Λ l2 be the following equation 22. In the block diagram shown in FIG. 11, A l , B l , C l , and D l refer to the coefficient matrix (A l , B l , C l , D l ) of the equation of state of the robust disturbance feedback controller L (s). Shown.

ここで、上記式20及び上記式21の最後の項(u−u )及び(u−ul )を外乱d(不感帯関数Ψ(u))と仮定して、内部安定性を考慮する。Here, the last term (u k -u k ~) in the formula 20 and the formulas 21 and assuming (u l -u l ~) a disturbance d (deadband function Ψ (u ~)), the internal stability Consider sex.

図7に示す不感帯関数Ψ(u)及び第2の拡大系プラントTu〜dからなる第2の閉ループシステムを表現する第2の状態方程式を下記式23に示すように設定する。なお、添え字δは、不確かさ(δ,δ,δ)∈[−1,1]p+q+rにおける各端点分の数の線形行列不等式を意味しており、その端点全ての線形行列不等式(式17)を満たす、ただ一つの共通する行列P^を求める最適化問題である。The second equation of state representing the second closed-loop system consisting of the dead zone function Ψ (u ~ ) shown in FIG. 7 and the second expansion system plants Tu ~ d is set as shown in Equation 23 below. The subscript δ means the linear matrix inequality of the number of each end point in the uncertainty (δ a , δ b , δ c ) ∈ [-1,1] p + q + r , and the linear matrix inequality of all the end points. This is an optimization problem for finding only one common matrix P ^ that satisfies (Equation 17).

なお、下記式24のように定義する。 It is defined as the following equation 24.

ここで、正実補題(positive-real lemma)について考える(非特許文献8参照)。この補題は、第2の状態方程式から第2の線形行列不等式への変換のために周波数領域に変換した条件を導出する。
(正実補題)伝達関数G(s):=C(sI−A)−1B+Dは、正実である。つまり下記式25になる。
Here, consider the positive-real lemma (see Non-Patent Document 8). This lemma derives the conditions converted into the frequency domain for the conversion from the second equation of state to the second linear matrix inequality.
(Lemma) Transfer function G (s): = C (sIA) -1 B + D is true. That is, the following equation 25 is obtained.

もし、下記式26に示す線形行列不等式を満たす解Pがある場合、線形システムG(jω)は正実である。 If there is a solution P that satisfies the linear matrix inequality shown in Equation 26 below, the linear system G (jω) is true.

この正実性(positive real)は、消散性(passivity)と等価である。そして、もし線形システムG(jω)が消散性を持つ場合のみ、この線形行列不等式は実行可能解をもつ(passive)。 This positive real is equivalent to the passivity. And this linear matrix inequality is passive only if the linear system G (jω) is divergent.

次に、円板定理(非特許文献7参照)を上記式25に適用すると下記式27を得る。 Next, when the disc theorem (see Non-Patent Document 7) is applied to the above equation 25, the following equation 27 is obtained.

ここで、上記式27における、不感帯関数Ψ(u)及び第2の拡大系プラントTu〜dついて考える。下記式28に示す第2の拡大系プラントTu〜dの安定条件は、下記式29によって得られる。Here, the dead zone function Ψ (u ~ ) and the second expansion plant Tu ~ d in the above equation 27 will be considered. The stable conditions of the second expansion plants Tu to d shown in the following formula 28 are obtained by the following formula 29.

もし、下記式30に示す第2の線形行列不等式を満たす解Pがある場合、第2の拡大系プラントTu〜dは安定(正実)である。なお、「P」は、下記記号12と同じものとする。If there is a solution P ~ that satisfies the second linear matrix inequality shown in the following equation 30, the second expansion system plant Tu ~ d is stable ( true ). In addition, "P ~ " shall be the same as the following symbol 12.

次に、設計装置は、上記式30に示す第2の線形行列不等式を満たす解Pがあるか否かを判断する(S19)。Next, the design apparatus determines whether or not there is a solution P ~ that satisfies the second linear matrix inequality shown in the above equation 30 (S19).

設計装置は、上記式30に示す第2の線形行列不等式を満たす解Pがないと判断すると(S19:No)、再度、制御対象G(s)の上下限制約条件、セクターパラメータκ ̄を設定する(S17)。When the design device determines that there is no solution P ~ that satisfies the second linear matrix inequality shown in the above equation 30 (S19: No), the upper and lower limit constraint conditions of the controlled object G (s) and the sector parameter κ ̄ are again set. Set (S17).

その後、設計装置は、不感帯関数Ψ(u)及び第2の拡大プラントTu〜dからなる第2の閉ループシステムの安定性と制御性能を保証するアンチワインドアップ制御器を設計するための最適化問題の演算処理を行い(S18)、上記式30に示す第2の線形行列不等式を満たす解Pがあるか否かを判断する(S19)。The design device is then optimized for designing an anti-windup controller that guarantees the stability and control performance of the second closed-loop system consisting of the dead zone function Ψ (u ~ ) and the second expansion plant Tu ~ d. The problem is calculated (S18), and it is determined whether or not there is a solution P ~ that satisfies the second linear matrix inequality shown in the above equation 30 (S19).

一方、設計装置は、上記式30に示す第2の線形行列不等式を満たす解Pがあると判断すると(S19:Yes)、S12において設定される出力フィードバック制御器K(s)を表現する状態方程式の係数行列と、S16において設定される外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の係数行列と、S18において設定されるアンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2、Λl1、Λl2により、制御装置1を設計する。On the other hand, when the design device determines that there is a solution P ~ satisfying the second linear matrix inequality shown in the above equation 30 (S19: Yes), the design apparatus expresses the output feedback controller K (s) set in S12. The coefficient matrix of the equation, the coefficient matrix of the state equation representing the disturbance feedback controller L (s) set in S16, and the anti-windup controllers Λ k1, Λ k2 , Λ l1, Λ l2 set in S18. The control device 1 is designed accordingly.

すなわち、設計装置は、セクターパラメータκ ̄により求められる不感帯関数Ψ(u)、出力フィードバック制御器K(s)を表現する状態方程式の係数行列(A、B、C、D)、制御対象G(s)を表現する状態方程式の係数行列(A、B、C)、ノミナルプラントモデルG(s)を表現する状態方程式の係数行列(A、B、C)、及びロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の係数行列(A、B、C、D)に基づいて、第2の拡大系プラントTu〜dを表現する第2の状態方程式を設定し、第2の状態方程式を第2の線形行列不等式に変換し、第2の線形行列不等式を満たす解Pがあるまで、セクターパラメータκ ̄を調整する。That is, the design device has a coefficient matrix (A k , B k , C k , D k ) of the state equation expressing the dead band function Ψ (u ~ ) and the output feedback controller K (s) obtained by the sector parameter κ  ̄. , The coefficient matrix of the state equation representing the controlled object G (s) (A, B, C), the coefficient matrix of the state equation expressing the nominal plant model G n (s) ( An , B n , C n ), and robustness disturbance feedback controller L (s) coefficient matrix of state equations representing the second to (a l, B l, C l, D l) based on, representing a second expanding system plant T U~d Set the state equation of, convert the second state equation to the second linear matrix inequality, and adjust the sector parameter κ ̄ until there is a solution P ~ that satisfies the second linear matrix inequality.

言い換えると、制御装置1の制御パラメータ演算装置は、第2の拡大系プラントTu〜dと不感帯関数Ψ(u)とからなる第2の閉ループシステムを表現する第2の状態方程式を第2の所定のパラメータに基づいて設定する。そして、制御装置1の制御パラメータ演算装置は、第2の状態方程式の係数行列を用いて、制御性能や安定性を保証する制約条件を、第2の線形行列不等式で表現した最適化問題へと定式化し、第2の線形行列不等式を満たすアンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2、Λl1、Λl2の制御パラメータを求める。In other words, the control parameter arithmetic unit of the control device 1 has a second equation of state representing a second closed-loop system consisting of the second expansion system plant Tu to d and the dead zone function Ψ (u to ). Set based on the predetermined parameters of. Then, the control parameter calculation device of the control device 1 uses the coefficient matrix of the second state equation to express the constraint conditions that guarantee the control performance and stability by the second linear matrix inequality to the optimization problem. Formulate and find the control parameters of the anti-windup controllers Λ k1, Λ k2 , Λ l1, and Λ l 2 that satisfy the second linear matrix inequality.

第2の所定のパラメータは、第1の所定のパラメータとセクターパラメータκ ̄により求められる不感帯関数Ψ(u)とロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の係数行列(A、B、C、D)である。The second predetermined parameter is the coefficient matrix (A l ) of the equation of state expressing the dead band function Ψ (u ~ ) obtained by the first predetermined parameter and the sector parameter κ ̄ and the robust disturbance feedback controller L (s). , B l , C l , D l ).

第2の拡大系プラントTu〜dは、出力フィードバック制御器K(s)と、制御対象G(s)と、ノミナルプラントモデルG(s)と、ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)と、アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2、Λl1、Λl2とを含む。The second expansion plants Tu to d include an output feedback controller K (s), a controlled object G (s), a nominal plant model G n (s), and a robust disturbance feedback controller L (s). , Anti-windup controllers Λ k1, Λ k2 , Λ l1, Λ l2 and the like.

このように設計された制御装置1によれば、外乱wや制御対象G(s)(圧縮器2、膨張弁4)の不確かさに対してロバスト性を向上させることができるため、閉ループシステムの安定性を向上させることができる。 According to the control device 1 designed in this way, robustness can be improved against the uncertainty of the disturbance w and the control target G (s) (compressor 2, expansion valve 4), so that the closed loop system can be used. Stability can be improved.

また、出力フィードバック制御器K(s)を第1の拡大系プラントP(s)の一部として扱うため、出力フィードバック制御器11の構造や出力フィードバック制御器11を表現する伝達関数のプラントパラメータを維持させることができる。このため、従来のロバスト制御の弱点である保守性、つまり、不確かさを含む閉ループシステムの安定性を向上させるために、出力フィードバック制御装置11は保守的に設計され、その結果、制御性能が低下してしまうという問題を解決することができる。 Further, since the output feedback controller K (s) is treated as a part of the first expansion plant P (s), the structure of the output feedback controller 11 and the plant parameters of the transfer function expressing the output feedback controller 11 are set. Can be maintained. Therefore, the output feedback control device 11 is conservatively designed in order to improve maintainability, which is a weak point of conventional robust control, that is, stability of a closed loop system including uncertainty, and as a result, control performance is deteriorated. It is possible to solve the problem of doing.

また、制御装置1にアンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2、Λl1、Λl2を備えているため、出力フィードバック制御器K(s)やロバスト外乱フィードバック制御器L(s)に含まれる積分器の出力飽和による制御性能の劣化を防止することができる。Further, since the control device 1 is provided with the anti-windup controllers Λ k1, Λ k2 , Λ l1, and Λ l2 , the integration included in the output feedback controller K (s) and the robust disturbance feedback controller L (s). It is possible to prevent deterioration of control performance due to output saturation of the integrator.

すなわち、本実施形態の制御装置1によれば、第1実施形態の効果である既存制御の特長を活かしつつ、さらに、制御出力が飽和しても積分要素を含む制御器のワインドアップ現象を防ぎ、閉ループシステムの安定性を向上させることができる。 That is, according to the control device 1 of the present embodiment, while utilizing the features of the existing control which is the effect of the first embodiment, the windup phenomenon of the controller including the integrating element is prevented even if the control output is saturated. , The stability of the closed loop system can be improved.

<第3実施形態>
図12は、第3実施形態における制御装置1の設計方法の一例を示すフローチャートである。なお、図12に示すS11〜S19は、図8に示すS11〜S19と同様であるため、その説明を省略する。また、第3実施形態における制御装置1は、図5に示す制御装置1と同様である。
<Third Embodiment>
FIG. 12 is a flowchart showing an example of the design method of the control device 1 according to the third embodiment. Since S11 to S19 shown in FIG. 12 are the same as S11 to S19 shown in FIG. 8, the description thereof will be omitted. Further, the control device 1 in the third embodiment is the same as the control device 1 shown in FIG.

図12に示すフローチャートにおいて、図8に示すフローチャートと異なる点は、設計装置が、ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の係数行列を低次元化した後(S16)、アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2、Λl1、Λl2を設計するか否かを判断する(S17α)点である。The flow chart shown in FIG. 12 differs from the flowchart shown in FIG. 8 after the design apparatus lowers the coefficient matrix of the equation of state representing the robust disturbance feedback controller L (s) (S16), and then anti-wine. This is a point (S17α) for determining whether or not to design the do-up controllers Λ k1, Λ k2 , Λ l1, and Λ l2 .

設計装置は、アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2、Λl1、Λl2を設計すると判断した場合(S17α:Yes)、アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2、Λl1、Λl2の設計処理を行った後(S17〜S19)、制御装置1を設計し、アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2、Λl1、Λl2を設計しないと判断した場合(S17α:No)、アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2、Λl1、Λl2の設計処理を行わずに、制御装置1を設計する。When the design device determines to design the anti-windup controllers Λ k1, Λ k2 , Λ l1, and Λ l2 (S17α: Yes), the design of the anti-windup controllers Λ k1, Λ k2 , Λ l1, and Λ l2 . When it is determined that the control device 1 is designed and the anti-windup controllers Λ k1, Λ k2 , Λ l1, and Λ l2 are not designed after the processing (S17 to S19) (S17α: No), the anti-windup is performed. The control device 1 is designed without performing the design processing of the controllers Λ k1, Λ k2 , Λ l1, and Λ l2 .

第3実施形態によれば、第2実施形態に比べて、制御装置1の設計方法の自由度を向上させることができる。また実装先の制御システムを第1実施形態から第2実施形態へ、或いはその逆の形態に変更したい場合、第3実施形態は両方の実施形態を実現可能であるため、変更に必要なコストがかからないメリットもある。 According to the third embodiment, the degree of freedom in the design method of the control device 1 can be improved as compared with the second embodiment. Further, when it is desired to change the control system of the mounting destination from the first embodiment to the second embodiment or vice versa, the third embodiment can realize both embodiments, so that the cost required for the change is high. There is also a merit that it does not cost.

<第1実施形態〜第3実施形態に対応する実施例>
図1または図5に示す膨張弁4に対応する伝達関数(モデル)や圧縮器2に対応する伝達関数(モデル)は、一次遅れ+むだ時間で記載することができる(非特許文献9参照)。そして、これらの伝達関数は、異なる運転条件においてステップ応答試験により得られる。
<Examples corresponding to the first to third embodiments>
The transfer function (model) corresponding to the expansion valve 4 and the transfer function (model) corresponding to the compressor 2 shown in FIG. 1 or 5 can be described with a first-order delay + dead time (see Non-Patent Document 9). .. These transfer functions are then obtained by step response tests under different operating conditions.

例えば、膨張弁4に入力される操作量をu、過熱度Tshをy、圧縮器2に入力される操作量をu、吸入圧力Pをy、サブシステムをg11、g12、g21、g22とするときの不確かさを含む制御対象gを下記式31及び式32とする。なお、kをゲイン、τを時定数、θをむだ時間とする。また、「g」は、下記記号13と同じものとする。For example, the manipulated variable input to the expansion valve 4 is u 1 , the superheat degree T sh is y 1 , the manipulated variable input to the compressor 2 is u 2 , the suction pressure Pe is y 2 , and the subsystem is g 11 . The control target g including the uncertainty when g 12 , g 21 and g 22 are set to the following equations 31 and 32. Let k be the gain, τ be the time constant, and θ be the wasted time. Further, "g" is the same as the symbol 13 below.

次に、下記式33及び式34に示すノミナルモデルG(t)はサブシステムgijの平均値により求める。Next, the nominal model G n (t) shown in the following equations 33 and 34 is obtained by the average value of the subsystem gij .

ここで、より簡略な制御設計のために、むだ時間を一次遅れ系に近似する。さらに簡略な設計にするために、制御対象Gの一部のゲインパラメータを不確かさを含むゲインパラメータk11に設定し、モデルの残りのゲインパラメータをノミナルプラントモデルのゲインパラメータk12、k21、k22に設定する。ゲインパラメータk11は、過熱度Tshに対応し、最も支配的な不確かさ)を示すものとする。Here, for a simpler control design, the dead time is approximated to the first-order lag system. For a simpler design, some gain parameters of the controlled object G are set to the gain parameter k 11 including uncertainty, and the remaining gain parameters of the model are the gain parameters k 12 and k 21 of the nominal plant model. Set to k 22 . It is assumed that the gain parameter k 11 corresponds to the degree of superheat T sh and indicates the most dominant uncertainty).

従って、サブシステムg11を、下記式35のように近似する。なお、「g11」は、下記記号14と同じものとする。Therefore, the subsystem g 11 is approximated by the following equation 35. In addition, "g 11 " shall be the same as the following symbol 14.

また、残りのサブシステムgijを、下記式36とする。なお、「gij」は、下記記号15と同じものとする。Further, the remaining subsystem gij is expressed by the following equation 36. In addition, " gij " shall be the same as the following symbol 15.

そして、出力フィードバック制御器K(s)と重み関数W(s)を、例えば、下記表1及び下記表2に基づいて設計する。 Then, the output feedback controller K (s) and the weighting function W (s) are designed based on, for example, Table 1 and Table 2 below.

次に、ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を設計する。 Next, the robust disturbance feedback controller L (s) is designed.

最適計算の結果、次元がフルオーダー(dim(A)=2(n+m),n=8,m=2)のロバスト外乱フィードバックL(s)のH性能の値として、γ=0.8255を得たものとする。なお、出力フィードバック制御器K(s)、制御対象G(s)、ノミナルプラントモデルG(s)、及び重み関数W(s)を含む拡大系プラントP(s)の次元がフルオーダーとなる。産業界のシステムに適用させるためには、ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の低次元化が必要である。そこで、ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の低次元化を行う。例えば、二次遅れ系のロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式に低次元化する。As a result of the optimum calculation, γ = 0.8255 is obtained as the value of the H performance of the robust disturbance feedback L (s) having a dimension of full order (dim (A l ) = 2 (n + m), n = 8, m = 2). It shall be. The dimensions of the expansion plant P (s) including the output feedback controller K (s), the controlled object G (s), the nominal plant model Gn (s), and the weighting function W (s) are in full order. .. In order to apply it to the system of the industrial world, it is necessary to lower the dimension of the equation of state expressing the robust disturbance feedback controller L (s). Therefore, the dimension of the equation of state expressing the robust disturbance feedback controller L (s) is reduced. For example, the dimension is reduced to the equation of state expressing the robust disturbance feedback controller L (s) of the second-order lag system.

なお、低次元化後のロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の行列係数(A、B、C、D)を下記式37とする。The matrix coefficients (A l , B l , C l , D l ) of the equation of state expressing the robust disturbance feedback controller L (s) after the reduction in dimension are set to the following equation 37.

二次遅れ系のロバスト外乱フィードバック制御器L(s)は、元の(フルオーダーの)ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)の主な特徴を維持するものとする(図13参照)。 The second-order lag system robust disturbance feedback controller L (s) shall retain the main features of the original (full-order) robust disturbance feedback controller L (s) (see FIG. 13).

次に、アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2、Λl1、Λl2を設計する。なお、セクターパラメータκ ̄を0.9Iとする。Iは単位行列である。Next, the anti-windup controllers Λ k1, Λ k2 , Λ l1, and Λ l2 are designed. The sector parameter κ ̄ is 0.9I. I is an identity matrix.

計算の結果、Λk1、Λk2、Λl1、Λl2を下記式38とする。As a result of the calculation, Λ k1, Λ k2 , Λ l1, and Λ l2 are given by the following equation 38.

出力フィードバック制御器+ロバスト外乱フィードバック制御器の有り無し、さらに第1及び第2のアンチワインドアップ制御器の有り無しの条件において、ステップ応答と外乱応答のシミュレーションを下記表3に示すシミュレーション条件の下で実施した(図14及び図15参照)。サブシステムg11の3つのケース(case1:kmin=-10.0,case2:kmax=-9.0,case3:k=-9.5)をシミュレートした。Under the conditions shown in Table 3 below, the simulation of the step response and the disturbance response is performed under the conditions of the presence / absence of the output feedback controller + robust disturbance feedback controller and the presence / absence of the first and second anti-windup controllers. (See FIGS. 14 and 15). Three cases subsystems g 11 (case1: k min = -10.0, case2: k max = -9.0, case3: k n = -9.5) was simulated.

下記表4に、其々の設計手法の評価結果を示す。5つの設計手法を評価対象とし、6つの項目について評価した。なお、評価項目1、2は、制御対象G(s)の不確かさに対する制御装置1a、1bのロバスト性を評価する値であり、例えば、制御対象G(s)の出力値yの絶対値誤差|ycasei(t)−ycasei(t)|の最大値とする(図16参照)。なお、i=1,2,3,t=[0,T]とする。また、評価項目1、2は、それぞれ、値が小さい程、ロバスト性が高いものとする。加えて、評価項目3、4はIntegral Absolute Error (IAE) の平均値を其々のケースで計算する。さらに、評価項目5は、uの上下限制約に逸脱の有無を確認する。さらに、評価項目6は、目標値rへ追従しているか否かを確認する。設計番号1:PI + robust DFC with anti-windup controller は、全ての評価項目について最良値(最小値)を得た。一方で設計番号2:PI + robust DFC without anti-windup は、積分項のワインドアップ減少により評価項目の制御性能が劣化した(図14参照)。設計番号3、4、5は、評価項目5と6をクリアできていない。設計番号3と5は出力値yが目標値rに追従できているものの、制御出力uの制約を逸脱している。一方、設計番号4は、制御出力uが飽和しているため出力値yが目標値rに追従できなかった(図15参照)。従って、設計番号3、4、5は実際のシステムで機能しないことが確認できる。Table 4 below shows the evaluation results of each design method. Five design methods were evaluated, and six items were evaluated. The evaluation items 1 and 2 are values for evaluating the robustness of the control devices 1a and 1b with respect to the uncertainty of the control target G (s). For example, the absolute value error of the output value y of the control target G (s). | The maximum value of y casei (t) -y casei (t) | (see FIG. 16). It should be noted that i = 1,2,3, t = [0, T]. Further, the smaller the values of the evaluation items 1 and 2, the higher the robustness. In addition, evaluation items 3 and 4 calculate the average value of Integral Absolute Error (IAE) in each case. Further, the evaluation item 5 confirms whether or not the upper / lower limit constraint of u 2 deviates. Further, the evaluation item 6 confirms whether or not the target value r is being followed. Design number 1: PI + robust DFC with anti-windup controller obtained the best value (minimum value) for all evaluation items. On the other hand, in design number 2: PI + robust DFC without anti-windup, the control performance of the evaluation item deteriorated due to the decrease in the windup of the integral term (see FIG. 14). Design numbers 3, 4, and 5 have not cleared evaluation items 5 and 6. Although the output values y 2 can follow the target value r in the design numbers 3 and 5, they deviate from the constraint of the control output u 2 . On the other hand, in design number 4, the output value y 2 could not follow the target value r because the control output u 2 was saturated (see FIG. 15). Therefore, it can be confirmed that design numbers 3, 4, and 5 do not work in the actual system.

すなわち、第1の実施形態の設計方法により制御装置1を設計した場合では、下記表4に示すように、評価項目1が0.1677となり、評価項目2が0.0201となり、出力値yが目標値rに追従した。 That is, when the control device 1 is designed by the design method of the first embodiment, the evaluation item 1 becomes 0.1677, the evaluation item 2 becomes 0.0201, and the output value y becomes the target value r, as shown in Table 4 below. I followed.

第2の実施形態の設計方法により制御装置1を設計した場合では、評価項目1が0.1677となり、評価項目2が0.0193となり、出力値yが目標値rに追従した。 When the control device 1 was designed by the design method of the second embodiment, the evaluation item 1 was 0.1677, the evaluation item 2 was 0.0193, and the output value y followed the target value r.

出力フィードバック制御器11のみを備える制御装置1を設計した場合では、評価項目1が0.5455となり、評価項目2が0.0172となったが、操作量uが飽和し、出力値yが目標値rに追従しなかった。 When the control device 1 having only the output feedback controller 11 was designed, the evaluation item 1 was 0.5455 and the evaluation item 2 was 0.0172, but the operation amount u was saturated and the output value y followed the target value r. I didn't.

このように、第1の実施形態の設計方法により制御装置1を設計した場合や第2の実施形態の設計方法により制御装置1を設計した場合は、出力フィードバック制御器11のみを備える制御装置1を設計した場合に比べて、制御性能を維持しつつ、閉ループシステムの安定性を向上させることができる。 As described above, when the control device 1 is designed by the design method of the first embodiment or when the control device 1 is designed by the design method of the second embodiment, the control device 1 including only the output feedback controller 11 It is possible to improve the stability of the closed loop system while maintaining the control performance as compared with the case of designing.

また、第1の実施形態の設計方法により制御装置1を設計した場合は、第2の実施形態の設計方法により制御装置1を設計した場合に比べて、閉ループシステムの安定性を向上させることができる。 Further, when the control device 1 is designed by the design method of the first embodiment, the stability of the closed loop system can be improved as compared with the case where the control device 1 is designed by the design method of the second embodiment. it can.

<第4実施形態>
図17は、第4実施形態の制御装置の一例を示す図である。なお、図17において、図5に示す構成と同じ構成には同じ符号を付しその説明を省略する。
<Fourth Embodiment>
FIG. 17 is a diagram showing an example of the control device of the fourth embodiment. In FIG. 17, the same components as those shown in FIG. 5 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

図17に示す制御装置1において、図5に示す制御装置1と異なる点は、第1のアンチワインドアップ制御器13の代わりに第1の離散型アンチワインドアップ制御器15を備えているとともに、第2のアンチワインドアップ制御器14の代わりに第2の離散型アンチワインドアップ制御器16を備えている点である。 The control device 1 shown in FIG. 17 differs from the control device 1 shown in FIG. 5 in that the first discrete anti-windup controller 15 is provided instead of the first anti-windup controller 13. The point is that the second discrete anti-windup controller 16 is provided instead of the second anti-windup controller 14.

また、図17に示す制御装置1において、図5に示す制御装置1と異なる点は、出力フィードバック制御器11の代わりに離散型出力フィードバック制御器11´を備えているとともに、ロバスト外乱フィードバック制御器12の代わりに離散型ロバスト外乱フィードバック制御器12´を備えている点である。 Further, the control device 1 shown in FIG. 17 is different from the control device 1 shown in FIG. 5 in that the discrete output feedback controller 11'is provided instead of the output feedback controller 11 and the robust disturbance feedback controller is provided. Instead of 12, a discrete robust disturbance feedback controller 12'is provided.

図18は、図17に示す制御装置1の二入力二出力の閉ループシステムが伝達関数で表現される場合のブロック線図である。なお、図18において、図11に示す構成と同じ構成の説明は省略する。 FIG. 18 is a block diagram when the two-input, two-output closed-loop system of the control device 1 shown in FIG. 17 is represented by a transfer function. In FIG. 18, the description of the same configuration as that shown in FIG. 11 will be omitted.

出力フィードバック制御器K(s)は、図17の離散型出力フィードバック制御器11´に対応する。 The output feedback controller K (s) corresponds to the discrete output feedback controller 11'in FIG.

ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)は、図17の離散型ロバスト外乱フィードバック制御器12´に対応する。 The robust disturbance feedback controller L (s) corresponds to the discrete robust disturbance feedback controller 12'in FIG.

離散型アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2及び第1の1サンプリング遅延器z−1は、図1の第1の離散型アンチワインドアップ制御器15に対応する。なお、第1の1サンプリング遅延器z−1は、離散化による代数ループの問題を回避するため、離散型アンチワインドアップ制御器Λk2の出力値を1サンプリング分遅延させる。The discrete anti-windup controllers Λ k1 , Λ k2 and the first sampling delayer z -1 correspond to the first discrete anti-windup controller 15 in FIG. The first sampling delayer z- 1 delays the output value of the discrete anti-windup controller Λ k2 by one sampling in order to avoid the problem of algebraic loop due to discretization.

離散型アンチワインドアップ制御器Λl1、Λl2及び第2の1サンプリング遅延器z−1は、図17の第2の離散型アンチワインドアップ制御器16に対応する。なお、第2の1サンプリング遅延器z−1は、離散化による代数ループの問題を回避するため、離散型アンチワインドアップ制御器Λl2の出力値を1サンプリング分遅延させる。The discrete anti-windup controllers Λ l1 , Λ l2 and the second 1 sampling delayer z -1 correspond to the second discrete anti-windup controller 16 in FIG. The second sampling delayer z -1 delays the output value of the discrete anti-windup controller Λ l2 by one sampling in order to avoid the problem of algebraic loop due to discretization.

飽和関数Φk(u)は、出力フィードバック制御器K(s)の出力値と、第1の1サンプリング遅延器z−1の出力値との加算値である操作量u が入力され、第1の操作量uk(第1の操作量uka、第1の操作量ukb)を出力する。Saturation function .phi.k (u) is the output value of the output feedback controller K (s), a sum value as the manipulated variable u k ~ between the output value of the first first sampling delay unit z -1 is input, the Outputs the operation amount uk of 1 (first operation amount u ka , first operation amount u kb ).

飽和関数Φl(u)は、ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)の出力値と、第2の1サンプリング遅延器z−1の出力値との加算値である操作量u が入力され、第2の操作量u(第2の操作量ula、第2の操作量ulb)を出力する。For the saturation function Φl (u), the operation amount ul ~ which is the sum of the output value of the robust disturbance feedback controller L (s) and the output value of the second sampling delayer z -1 is input. The second operation amount u l (second operation amount u la , second operation amount u lb ) is output.

離散型アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2は、操作量u と第1の操作量uとの差vが入力される。Discrete anti-windup controller lambda k1, lambda k2 is the manipulated variable u k ~ and difference v k of the first manipulated variable u k is inputted.

離散型アンチワインドアップ制御器Λl1、Λl2は、操作量u と第2の操作量ulとの差vが入力される。Discrete anti-windup controller lambda l1, lambda l2 the operation amount u l ~ and difference v l of the second manipulated variable u l is entered.

図19は、第4実施形態の制御装置1の設計方法の一例を示すフローチャートである。なお、図19に示すS11〜S16は、図8に示すS11〜S16と同様であるため、その説明を省略する。 FIG. 19 is a flowchart showing an example of the design method of the control device 1 of the fourth embodiment. Since S11 to S16 shown in FIG. 19 are the same as S11 to S16 shown in FIG. 8, the description thereof will be omitted.

設計装置は、システム全体を離散化する(S21)。
離散化アンチワインドアップ制御設計は、A. Syaichu-RohmanとR.H. Middletonらによって提案され、その設計方法は一自由度制御向けに作成されている(非特許文献10参照)。第4実施形態におけるシステムは、二自由度制御に分類される。従って、A. Syaichu-RohmanとR.H. Middletonらによって提案される離散化アンチワインドアップ制御設計を二自由度型に再設計する。
The design device discretizes the entire system (S21).
The discretized anti-windup control design has been proposed by A. Syaichu-Rohman and RH Middleton et al., And the design method has been prepared for one degree of freedom control (see Non-Patent Document 10). The system in the fourth embodiment is classified into two degrees of freedom control. Therefore, the discretized anti-windup control design proposed by A. Syaichu-Rohman and RH Middleton et al. Is redesigned into a two-degree-of-freedom type.

はじめに、図11に示す連続システム(制御対象G(s)、ノミナルプラントモデルG(s)、重み関数W(s)、外乱フィードバック制御器L(s))の離散化を、bilinear method に基づき実施する(非特許文献11参照)。First, the discretization of the continuous system (controlled object G (s), nominal plant model Gn (s), weighting function W (s), disturbance feedback controller L (s)) shown in FIG. 11 is based on the bilinear method. It is carried out (see Non-Patent Document 11).

例えば、一般的な連続システムをHc(s)と定義し、離散化システムをH(z)と定義した場合、bilinear method によるsからzへの変換を下記式39のように記述する。 For example, when a general continuous system is defined as Hc (s) and a discretized system is defined as H (z), the conversion from s to z by the bilinear method is described by the following equation 39.

つまり、下記式40となる。 That is, the following equation 40 is obtained.

なお、Tはサンプリング周期とする。また、tはサンプリング離散時間とする。In addition, T d is a sampling period. Further, t is the sampling discrete time.

上記bilinear method によるsからzへの変換方法を用いて、図11に示す連続システムを表現する上記式1、式2、式4、式5、式7、及び式9を、図18に示す離散システムを表現する後述の式45、式46、式47、式48に変換することができる。 Using the s to z conversion method by the bilinear method, the above equations 1, 2, 2, 4, 5, 5, 7 and 9 representing the continuous system shown in FIG. 11 are discrete shown in FIG. It can be converted into the following equations 45, 46, 47, and 48 that represent the system.

図18に示される離散システムにおいて、ベクトルv(t)、不感帯関数Ψ(u(t))、飽和関数Φ(u(t))を下記式41〜式44のように記述する。In the discrete system shown in FIG. 18, the vector v (t), the dead band function Ψ (u ~ (t)), and the saturation function Φ (u ~ (t)) are described by the following equations 41 to 44.

ここで、uは飽和関数の入力(制御出力)であり、Φ:R→Rは飽和関数であり、Ψ:R→Rは不感帯関数であり、Iは単位行列である。なお、飽和関数Φは図9に示し、不感帯関数Ψは図10に示す。また、「R」は、下記記号16と同じものとする。Here, u ~ is the input (control output) of the saturation function, Φ: R m → R m is the saturation function, Ψ: R m → R m is the dead zone function, and I is the identity matrix. The saturation function Φ is shown in FIG. 9, and the dead zone function Ψ is shown in FIG. Further, "R m " is the same as the symbol 16 below.

また、図18に示す離散システムにおいて、離散型アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2を含む出力フィードバック制御器K(s)の差分方程式を下記式45のように記述する。 Further, in the discrete system shown in FIG. 18, the difference equation of the output feedback controller K (s) including the discrete anti-windup controllers Λ k1 and Λ k2 is described by the following equation 45.

また、図18に示す離散システムにおいて、離散型アンチワインドアップ制御器Λl1、Λl2の差分方程式を下記式46のように記述する。Further, in the discrete system shown in FIG. 18, the difference equations of the discrete anti-windup controllers Λ l1 and Λ l2 are described by the following equation 46.

そして、上記式45の(u (t)−u(t))と上記式46の(u (t)−u(t))を外乱v(t)(ベクトルv(t))とみなし、上記式41〜式46をまとめると、下記式47が得られる。すなわち、図20に示す不感帯関数Ψ(u(t))及び第3の拡大系プラントTu〜dからなる第3の閉ループシステム(離散システム)を表現する差分方程式を下記式47とする。Then, the above expression 45 (u k ~ (t) -u k (t)) and of the formula 46 (u l ~ (t) -u l (t)) of the disturbance v (t) (the vector v (t )), And by summarizing the above equations 41 to 46, the following equation 47 is obtained. That is, the difference equation expressing the third closed loop system (discrete system) including the dead band function Ψ (u to (t)) shown in FIG. 20 and the third expansion system plants Tu to d is given by the following equation 47.

図20は、不感帯関数Ψ(u(t))及び第3の拡大系プラントTu〜dからなる第3の閉ループシステムのブロック線図である。FIG. 20 is a block diagram of a third closed-loop system consisting of a dead zone function Ψ (u to (t)) and a third expansion plant Tu to d .

図20に示すシステムは、図18に示すシステムを簡略化したものである。
すなわち、第3の拡大系プラントTu〜dは、離散化された出力フィードバック制御器Kと、離散化された制御対象Gと、離散化されたノミナルプラントモデルGと、離散化されたロバスト外乱フィードバック制御器Lと、第1の1サンプリング遅延器z−1と、第2の1サンプリング遅延器z−1と、離散型アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2と、離散型アンチワインドアップ制御器Λl1、Λl2とを含む。
The system shown in FIG. 20 is a simplification of the system shown in FIG.
That is, in the third expansion plant Tu to d , the discretized output feedback controller K, the discretized controlled object G, the discretized nominal plant model G n, and the discretized robust Disturbance feedback controller L, first 1-sampling delayer z -1 , second 1-sampling delayer z -1 , discrete anti-windup controllers Λ k1 , Λ k2 , and discrete anti-windup Includes controllers Λ l1 and Λ l2 .

なお、下記式48のように定義される。 It is defined as the following equation 48.

次に、設計装置は、不感帯関数Ψ(u〜)及び第3の拡大系プラントTu〜dからなる第3の閉ループシステムの安定性と制御性能を保証する、アンチワインドアップ制御器を設計するための最適化問題の演算処理を行う(S22)。 Next, the design device is for designing an anti-windup controller that guarantees the stability and control performance of the third closed-loop system consisting of the dead zone function Ψ (u ~) and the third expansion plant Tu ~ d. Performs arithmetic processing of the optimization problem of (S22).

A. Syaichu-RohmanとR.H. Middletonらにより提案された離散型アンチワインドアップ制御器を、上記式47及び式48を用いて第3の線形行列不等式を含む最適化問題を定式化すると、下記式49が得られる。 A. The discrete anti-windup controller proposed by Syaichu-Rohman and RH Middleton et al. Is formulated using the above equations 47 and 48 to solve the optimization problem including the third linear matrix inequality. Is obtained.

ここで、M>0∈R2m×2mは対角行列であり、V:=ΛM∈R2m×2mは任意の行列であり、γとηはスカラーである。なお、添え字δは、不確かさ(δ,δ,δ)∈[−1,1]p+q+rにおける各端点分の数の線形行列不等式を意味しており、その端点全ての線形行列不等式を満たす、ただ一つの共通する行列Qを求める最適化問題である。「R2m×2m」は、下記記号17と同じものとし、「Q」は、下記記号18と同じものとする。Here, M> 0 ∈ R 2m × 2m is a diagonal matrix, V: = ΛM ∈ R 2m × 2m is an arbitrary matrix, and γ 2 and η are scalars. The subscript δ means the linear matrix inequality of the number of each end point in the uncertainty (δ a , δ b , δ c ) ∈ [-1,1] p + q + r , and the linear matrix inequality of all the end points. It is an optimization problem to find only one common matrix Q ~ that satisfies. “R 2m × 2m ” shall be the same as the symbol 17 below, and “Q ~ ” shall be the same as the symbol 18 below.

次に、設計装置は、上記式47に示す第3の線形行列不等式を満たす解Qがあるか否かを判断する(S23)。Next, the design apparatus determines whether or not there is a solution Q ~ that satisfies the third linear matrix inequality shown in the above equation 47 (S23).

設計装置は、上記式47に示す第3の線形行列不等式を満たす解Qがないと判断すると(S23:No)、再度システム全体を離散化し(S21)、アンチワインドアップ制御器を求めるための最適化問題の演算処理を行い(S22)、第3の線形行列不等式を満たす解Qがあるか否かを判断する(S23)。When the design device determines that there is no solution Q ~ that satisfies the third linear matrix inequality shown in the above equation 47 (S23: No), the entire system is discretized again (S21) to obtain an anti-windup controller. The calculation process of the optimization problem is performed (S22), and it is determined whether or not there is a solution Q ~ that satisfies the third linear matrix inequality (S23).

一方、設計装置は、第3の線形行列不等式を満たす解Qがあると判断すると(S23:Yes)、S12において設定される出力フィードバック制御器K(s)を表現する状態方程式の係数行列と、S16において設定される外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の係数行列と、S21において設定される離散型アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2及び離散型アンチワインドアップ制御器Λl1、Λl2とにより、制御装置1を設計する。On the other hand, when the design device determines that there is a solution Q ~ that satisfies the third linear matrix inequality (S23: Yes), the coefficient matrix of the state equation expressing the output feedback controller K (s) set in S12 , The coefficient matrix of the state equation representing the disturbance feedback controller L (s) set in S16, and the discrete anti-windup controllers Λ k1 , Λ k2 and the discrete anti-windup controller Λ set in S21. The control device 1 is designed according to l1 and Λ l2 .

すなわち、設計装置は、不感帯関数Ψ(u)、出力フィードバック制御器K(s)を表現する状態方程式の係数行列(A、B、C、D)、制御対象G(s)を表現する状態方程式の係数行列(A、B、C)、ノミナルプラントモデルG(s)を表現する状態方程式の係数行列(A、B、C)、及びロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の係数行列(A、B、C、D)に基づいて、第3の不感帯関数Ψ(u(t))及び第3のロバスト外乱フィードバック制御器Tu〜dからなる第3の閉ループシステムを表現する差分方程式を設定し、その差分方程式を第3の線形行列不等式に変換し、第3の線形行列不等式を満たす解Qを求める。That is, the design device has a dead band function Ψ (u ~ ), a coefficient matrix (A k , B k , C k , D k ) of the state equation expressing the output feedback controller K (s), and a controlled object G (s). The coefficient matrix (A, B, C) of the state equation representing the state equation, the coefficient matrix ( An , B n , C n ) of the state equation expressing the nominal plant model G n (s), and the robust disturbance feedback controller L. A third deadband function Ψ (u ~ (t)) and a third robust disturbance feedback controller based on the coefficient matrix (A l , B l , C l , D l ) of the state equation representing (s). A difference equation representing a third closed-loop system consisting of Tu to d is set, and the difference equation is converted into a third linear matrix inequality to obtain a solution Q ~ that satisfies the third linear matrix inequality.

言い換えると、設計装置は、不感帯関数Ψ(u(t))、出力フィードバック制御器K(s)を表現する状態方程式の係数行列、制御対象G(s)を表現する状態方程式の係数行列、ノミナルプラントモデルG(s)を表現する状態方程式の係数行列、及びロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の係数行列に基づいて、第3の閉ループシステムを表現する差分方程式を設定する。また、設計装置は、その差分方程式第の係数行列を用いて、制御性能や安定性を保証する制約条件を、第3の線形行列不等式で表現した最適化問題へと定式化し、第3線形行列不等式を満たす行列Q、離散型アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2及び離散型アンチワインドアップ制御器Λl1、Λl2のパラメータを求める。In other words, the design device has a dead band function Ψ (u ~ (t)), a coefficient matrix of the state equation expressing the output feedback controller K (s), a coefficient matrix of the state equation expressing the controlled object G (s), Based on the coefficient matrix of the state equation representing the nominal plant model G n (s) and the coefficient matrix of the state equation representing the robust disturbance feedback controller L (s), a difference equation representing the third closed-loop system is obtained. Set. In addition, the design device uses the coefficient matrix of the difference equation to formulate the constraint conditions that guarantee control performance and stability into an optimization problem expressed by the third linear matrix inequality, and the third linear matrix. Find the parameters of the matrices Q ~ that satisfy the inequality, the discrete anti-windup controllers Λ k1 , Λ k2, and the discrete anti-windup controllers Λ l1 , Λ l2 .

このように設計された制御装置1によれば、外乱wや制御対象G(s)(圧縮器2、膨張弁4)の不確かさに対してロバスト性を向上させることができるため、閉ループシステムの安定性を向上させることができる。 According to the control device 1 designed in this way, robustness can be improved against the uncertainty of the disturbance w and the control target G (s) (compressor 2, expansion valve 4), so that the closed loop system can be used. Stability can be improved.

また、出力フィードバック制御器K(s)を第3の拡大系プラントTu〜dの一部として扱うため、離散型出力フィードバック制御器11´の構造や離散型出力フィードバック制御器11´を表現する伝達関数のプラントパラメータを維持させることができる。このため、従来のロバスト制御の弱点である保守性、つまり、不確かさを含む閉ループシステムの安定性を向上させるために、離散型出力フィードバック制御装置11´は保守的に設計され、その結果、制御性能が低下してしまうという問題を解決することができる。Further, since the output feedback controller K (s) is treated as a part of the third expansion plant Tu to d , the structure of the discrete output feedback controller 11'and the discrete output feedback controller 11'are expressed. The plant parameters of the transfer function can be maintained. Therefore, in order to improve maintainability, which is a weak point of conventional robust control, that is, stability of a closed loop system including uncertainty, the discrete output feedback controller 11'is designed conservatively, and as a result, control is performed. It is possible to solve the problem of reduced performance.

また、制御装置1に離散型アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2及び離散型アンチワインドアップ制御Λl1、Λl2を備えているため、出力フィードバック制御器K(s)やロバスト外乱フィードバック制御器L(s)に含まれる積分器の出力飽和による制御性能の劣化を防止することができる。Further, since the control device 1 is provided with the discrete anti-windup controllers Λ k1 and Λ k2 and the discrete anti-windup controls Λ l1 and Λ l2 , the output feedback controller K (s) and the robust disturbance feedback controller are provided. It is possible to prevent deterioration of control performance due to output saturation of the integrator included in L (s).

また、閉ループシステムを離散化した上で、第3の線形行列不等式を満たす第3の拡大系プラントTu〜dを表現する差分方程式の係数行列、離散型アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2及び離散型アンチワインドアップ制御器Λl1、Λl2のパラメータを求めているため、離散型の閉ループシステムに対して安定性を向上させることができる。In addition, after discretizing the closed-loop system, the coefficient matrix of the difference equation expressing the third expansion system plants Tu to d satisfying the third linear matrix inequality, the discrete anti-windup controllers Λ k1 , Λ k2. And since the parameters of the discrete anti-windup controllers Λ l1 and Λ l2 are obtained, the stability can be improved for the discrete closed-loop system.

すなわち、本実施形態の制御装置1によれば、第1実施形態の効果である既存制御の特長を活かしつつ、さらに、制御出力が飽和しても積分要素を含む制御器のワインドアップ現象を防ぎ、離散型の閉ループシステム、すなわち、実システムの安定性を向上させることができる。 That is, according to the control device 1 of the present embodiment, while utilizing the features of the existing control which is the effect of the first embodiment, the windup phenomenon of the controller including the integrating element is prevented even if the control output is saturated. , A discrete closed-loop system, that is, the stability of a real system can be improved.

<第5実施形態>
図21は、第5実施形態における制御装置1の設計方法の一例を示すフローチャートである。なお、図21に示すS11〜S16及びS21〜S23は、図19に示すS11〜S16及びS21〜S23と同様であるため、その説明を省略する。また、第5実施形態における制御装置1は、図17に示す第4実施形態における制御装置1と同様である。
<Fifth Embodiment>
FIG. 21 is a flowchart showing an example of the design method of the control device 1 according to the fifth embodiment. Since S11 to S16 and S21 to S23 shown in FIG. 21 are the same as S11 to S16 and S21 to S23 shown in FIG. 19, the description thereof will be omitted. Further, the control device 1 in the fifth embodiment is the same as the control device 1 in the fourth embodiment shown in FIG.

図21に示すフローチャートにおいて、図19に示すフローチャートと異なる点は、設計装置が、ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の係数行列を低次元化した後(S16)、離散型アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2、Λl1、Λl2を設計するか否かを判断する(S17β)点である。The flow chart shown in FIG. 21 differs from the flowchart shown in FIG. 19 after the design apparatus lowers the coefficient matrix of the equation of state representing the robust disturbance feedback controller L (s) (S16), and then the discrete type. This is a point (S17β) for determining whether or not to design the anti-windup controllers Λ k1, Λ k2 , Λ l1, and Λ l2 .

設計装置は、離散型アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2、Λl1、Λl2を設計すると判断した場合(S17β:Yes)、離散型アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2、Λl1、Λl2の設計処理を行った後(S21〜S23)、制御装置1を設計し、離散型アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2、Λl1、Λl2を設計しないと判断した場合(S17β:No)、離散型アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2、Λl1、Λl2の設計処理を行わずに、制御装置1を設計する。When the design device determines to design the discrete anti-windup controllers Λ k1, Λ k2 , Λ l1, Λ l2 (S17β: Yes), the discrete anti-windup controllers Λ k1, Λ k2 , Λ l1, After designing Λ l2 (S21 to S23), when the controller 1 is designed and it is determined that the discrete anti-windup controllers Λ k1, Λ k2 , Λ l1, and Λ l2 are not designed (S17β: No), the control device 1 is designed without designing the discrete anti-windup controllers Λ k1, Λ k2 , Λ l1, and Λ l2 .

第5実施形態によれば、第4実施形態に比べて、制御装置1の設計方法の自由度を向上させることができる。また実装先の制御システムを第1実施形態から第4実施形態へ、或いはその逆の形態に変更したい場合、第5実施形態は両方の実施形態を実現可能であるため、変更に必要なコストがかからないメリットもある。 According to the fifth embodiment, the degree of freedom in the design method of the control device 1 can be improved as compared with the fourth embodiment. Further, when it is desired to change the control system of the mounting destination from the first embodiment to the fourth embodiment or vice versa, the fifth embodiment can realize both embodiments, so that the cost required for the change is high. There is also a merit that it does not cost.

<第4実施形態及び第5実施形態に対応する実施例>
第4実施形態及び第5実施形態に対応する実施例は、上記表1及び上記表2に基づいて、出力フィードバック制御器K(s)と重み関数W(s)を設計するところまでは、第1〜第3実施形態に対応する実施例と同様であるため、その説明を省略する。
<Examples corresponding to the 4th and 5th embodiments>
In the examples corresponding to the fourth embodiment and the fifth embodiment, the output feedback controller K (s) and the weighting function W (s) are designed based on Table 1 and Table 2 above. Since it is the same as the embodiment corresponding to the first to third embodiments, the description thereof will be omitted.

ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の低次元化を行う。
なお、低次元化後のロバスト外乱フィードバック制御器L(s)を表現する状態方程式の行列係数(A、B、C、D)のうちのゲイン行列係数Dを下記50とする。
The dimension of the equation of state expressing the robust disturbance feedback controller L (s) is reduced.
The gain matrix coefficient D l of the matrix coefficients (A l , B l , C l , D l ) of the equation of state expressing the robust disturbance feedback controller L (s) after the reduction in dimension is set to 50 below. ..

低次元後のロバスト外乱フィードバック制御器L(s)は、元の(フルオーダーの)ロバスト外乱フィードバック制御器L(s)の主な特徴を維持するものとする(図22参照)。 The low-dimensional post-robust disturbance feedback controller L (s) shall retain the main features of the original (full-order) robust disturbance feedback controller L (s) (see FIG. 22).

次に、離散型アンチワインドアップ制御器Λk1、Λk2、Λl1、Λl2を上記式48及び式49を用いて設計する。Next, the discrete anti-windup controllers Λ k1, Λ k2 , Λ l1, and Λ l2 are designed using the above equations 48 and 49.

計算の結果、Λk1、Λk2、Λl1、Λl2を下記式51とする。As a result of the calculation, Λ k1, Λ k2 , Λ l1, and Λ l2 are set to the following equation 51.

出力フィードバック制御器+ロバスト外乱フィードバック制御器の有り無し、さらに第1及び第2の離散型アンチワインドアップ制御器の有り無しの条件において、ステップ応答と外乱応答のシミュレーションを下記表5に示すシミュレーション条件の下で実施した(図23及び図24参照)。サブシステムg11の3つのケース(case1:kmin=-10.0,case2:kmax=-9.0,case3:k=-9.5)をシミュレートした。The simulation conditions for step response and disturbance response are shown in Table 5 below under the conditions with and without the output feedback controller + robust disturbance feedback controller, and with and without the first and second discrete anti-windup controllers. It was carried out under (see FIGS. 23 and 24). Three cases subsystems g 11 (case1: k min = -10.0, case2: k max = -9.0, case3: k n = -9.5) was simulated.

下記表6に、其々の設計手法の評価結果を示す。5つの設計手法を評価対象とし、5つの項目について評価した。なお、評価項目1、2は、制御対象G(s)の不確かさに対する制御装置1a、1bのロバスト性を評価する値であり、例えば、制御対象G(s)の出力値yの絶対値誤差|ycasei(t)−ycasei(t)|の最大値とする(図16参照)。なお、i=1,2,3,t=[0,T]とする。また、評価項目1、2は、それぞれ、値が小さい程、ロバスト性が高いものとする。加えて、評価項目3、4はyとyの最大値を算出している。さらに、評価項目5は、uの上下限制約に逸脱の有無を確認する。設計番号1:PI + robust DFC with anti-windup controller は、全ての評価項目について最良値(最小値)を得ている。一方で設計番号2:PI + robust DFC without anti-windup は、積分項のワインドアップ減少により評価項目の制御性能が劣化している(表6、図23参照)。設計番号3:PI + robust DFC with no saturationは、設計番号1よりも小さい値を得ている評価項目もあるが、設計番号3はリミッタを考慮していないため実システムには実装できない。Table 6 below shows the evaluation results of each design method. Five design methods were evaluated, and five items were evaluated. The evaluation items 1 and 2 are values for evaluating the robustness of the control devices 1a and 1b with respect to the uncertainty of the control target G (s). For example, the absolute value error of the output value y of the control target G (s). | The maximum value of y casei (t) -y casei (t) | (see FIG. 16). It should be noted that i = 1,2,3, t = [0, T]. Further, the smaller the values of the evaluation items 1 and 2, the higher the robustness. In addition, evaluation items 3 and 4 calculates the maximum value of y 1 and y 2. Furthermore, evaluation items 5 to check for deviations to a lower limit restriction on the u 2. Design number 1: PI + robust DFC with anti-windup controller has obtained the best value (minimum value) for all evaluation items. On the other hand, in design number 2: PI + robust DFC without anti-windup, the control performance of the evaluation items deteriorates due to the decrease in the windup of the integral term (see Table 6 and FIG. 23). Design number 3: PI + robust DFC with no saturation has some evaluation items that are smaller than design number 1, but design number 3 cannot be implemented in an actual system because the limiter is not considered.

設計番号4及び設計番号5は、共にPI制御のみの設計であり、ロバスト外乱フィードバック制御と比較すると性能が劣っている(図24参照)。 Both design number 4 and design number 5 are designed only for PI control, and their performance is inferior to that of robust disturbance feedback control (see FIG. 24).

これらの結果より、第4実施形態及び第5実施形態に対応する設計番号1は、入力制約を考慮した上で最も良い制御性能を示すことが確認できた。 From these results, it was confirmed that the design number 1 corresponding to the fourth embodiment and the fifth embodiment shows the best control performance in consideration of the input constraint.

このように、第4実施形態の設計方法により制御装置1を設計した場合や第5実施形態の設計方法により制御装置1を設計した場合は、出力フィードバック制御器11のみを備える制御装置1を設計した場合に比べて、制御性能を維持しつつ、閉ループシステムの安定性を向上させることができる。 As described above, when the control device 1 is designed by the design method of the fourth embodiment or when the control device 1 is designed by the design method of the fifth embodiment, the control device 1 including only the output feedback controller 11 is designed. It is possible to improve the stability of the closed loop system while maintaining the control performance.

また、第4実施形態の設計方法により制御装置1を設計した場合は、第1実施形態の設計方法により制御装置1を設計した場合に比べて、閉ループシステムの安定性を向上させることができる。 Further, when the control device 1 is designed by the design method of the fourth embodiment, the stability of the closed loop system can be improved as compared with the case where the control device 1 is designed by the design method of the first embodiment.

<制御装置1または設計装置のハードウェア構成>
図25は、制御装置1または設計装置のハードウェア構成を示す図である。
<Hardware configuration of control device 1 or design device>
FIG. 25 is a diagram showing a hardware configuration of the control device 1 or the design device.

図25に示すように、制御装置1または設計装置は、プロセッサ1501と、主記憶装置1502と、補助記憶装置1503と、入力装置1504と、出力装置1505と、入出力インタフェース1506と、通信制御装置1507と、媒体駆動装置1508と、を備える。制御装置1または設計装置におけるこれらの要素1501〜1508は、バス1510により相互に接続されており、要素間でのデータの受け渡しが可能になっている。 As shown in FIG. 25, the control device 1 or the design device includes a processor 1501, a main storage device 1502, an auxiliary storage device 1503, an input device 1504, an output device 1505, an input / output interface 1506, and a communication control device. It includes 1507 and a medium drive device 1508. These elements 1501 to 1508 in the control device 1 or the design device are connected to each other by a bus 1510, and data can be exchanged between the elements.

プロセッサ1501は、Central Processing Unit(CPU)やMicro Processing Unit(MPU)等である。プロセッサ1501は、オペレーティングシステムを含む各種のプログラムを実行することにより、制御装置1または設計装置の全体の動作を制御する。また、プロセッサ1501は、例えば、図4、図8、図12、図19、または図21に示した各処理を行う。 The processor 1501 is a Central Processing Unit (CPU), a Micro Processing Unit (MPU), or the like. The processor 1501 controls the overall operation of the control device 1 or the design device by executing various programs including the operating system. Further, the processor 1501 performs each process shown in FIG. 4, FIG. 8, FIG. 12, FIG. 19, or FIG. 21, for example.

主記憶装置1502は、図示しないRead Only Memory(ROM)及びRandom Access Memory(RAM)を含む。主記憶装置1502のROMには、例えば、制御装置1または設計装置の起動時にプロセッサ1501が読み出す所定の基本制御プログラム等が予め記録されている。また、主記憶装置1502のRAMは、プロセッサ1501が、各種のプログラムを実行する際に必要に応じて作業用記憶領域として使用する。 The main storage device 1502 includes a Read Only Memory (ROM) and a Random Access Memory (RAM) (not shown). In the ROM of the main storage device 1502, for example, a predetermined basic control program read by the processor 1501 when the control device 1 or the design device is started is recorded in advance. Further, the RAM of the main storage device 1502 is used as a work storage area by the processor 1501 as needed when executing various programs.

補助記憶装置1503は、例えば、Hard Disk Drive(HDD)や、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリ(Solid State Drive(SSD)を含む)等、主記憶装置1502のRAMと比べて容量の大きい記憶装置である。補助記憶装置1503は、プロセッサ1501によって実行される各種のプログラムや各種のデータ等の記憶に利用可能である。 The auxiliary storage device 1503 is a storage device having a larger capacity than the RAM of the main storage device 1502, such as a Hard Disk Drive (HDD) or a non-volatile memory (including a Solid State Drive (SSD)) such as a flash memory. is there. The auxiliary storage device 1503 can be used for storing various programs, various data, and the like executed by the processor 1501.

入力装置1504は、例えば、キーボード装置やタッチパネル装置等である。制御装置1または設計装置のユーザが入力装置1504に対して所定の操作を行うと、入力装置1504は、その操作内容に対応付けられている入力情報をプロセッサ1501に送信する。入力装置1504は、例えば、出力フィードバック制御器K(s)を表現する状態方程式の係数行列などの各種設定値の入力等に利用可能である。 The input device 1504 is, for example, a keyboard device, a touch panel device, or the like. When the user of the control device 1 or the design device performs a predetermined operation on the input device 1504, the input device 1504 transmits the input information associated with the operation content to the processor 1501. The input device 1504 can be used, for example, for inputting various set values such as a coefficient matrix of a state equation expressing the output feedback controller K (s).

出力装置1505は、例えば、液晶表示装置等の装置、スピーカ等の音声再生装置を含む。 The output device 1505 includes, for example, a device such as a liquid crystal display device and a sound reproduction device such as a speaker.

入出力インタフェース1506は、制御装置1または設計装置と、他の電子機器とを接続する。入出力インタフェース1506は、例えば、Universal Serial Bus(USB)規格のコネクタ等を備える。 The input / output interface 1506 connects the control device 1 or the design device to other electronic devices. The input / output interface 1506 includes, for example, a Universal Serial Bus (USB) standard connector or the like.

通信制御装置1507は、制御装置1または設計装置をインターネット等のネットワークに接続し、ネットワークを介した制御装置1または設計装置と他の電子機器との各種通信を制御する装置である。 The communication control device 1507 is a device that connects the control device 1 or the design device to a network such as the Internet and controls various communications between the control device 1 or the design device and other electronic devices via the network.

媒体駆動装置1508は、可搬型記憶媒体16に記録されているプログラムやデータの読み出し、補助記憶装置1503に記憶されたデータ等の可搬型記憶媒体16への書き込みを行う。媒体駆動装置1508には、例えば、1種類又は複数種類の規格に対応したメモリカード用リーダ/ライタが利用可能である。媒体駆動装置1508としてメモリカード用リーダ/ライタを用いる場合、可搬型記憶媒体16としては、メモリカード用リーダ/ライタが対応している規格、例えば、Secure Digital(SD)規格のメモリカード(フラッシュメモリ)等を利用可能である。また、可搬型記録媒体16としては、例えば、USB規格のコネクタを備えたフラッシュメモリが利用可能である。更に、制御装置1または設計装置が媒体駆動装置1508として利用可能な光ディスクドライブを搭載している場合、当該光ディスクドライブで認識可能な各種の光ディスクを可搬型記録媒体16として利用可能である。可搬型記録媒体16として利用可能な光ディスクには、例えば、Compact Disc(CD)、Digital Versatile Disc(DVD)、Blu-ray Disc(Blu-rayは登録商標)等がある。例えば、可搬型記録媒体16は、図4、図8、図12、図19、または図21に示した処理を含むプログラム等の記憶に利用可能である。 The medium drive device 1508 reads out the programs and data recorded in the portable storage medium 16 and writes the data stored in the auxiliary storage device 1503 to the portable storage medium 16. As the medium drive device 1508, for example, a memory card reader / writer corresponding to one or a plurality of types of standards can be used. When a memory card reader / writer is used as the medium drive device 1508, the portable storage medium 16 is a memory card (flash memory) of a standard supported by the memory card reader / writer, for example, a Secure Digital (SD) standard. ) Etc. are available. Further, as the portable recording medium 16, for example, a flash memory provided with a USB standard connector can be used. Further, when the control device 1 or the design device is equipped with an optical disk drive that can be used as the medium drive device 1508, various optical disks that can be recognized by the optical disk drive can be used as the portable recording medium 16. Optical discs that can be used as the portable recording medium 16 include, for example, Compact Disc (CD), Digital Versatile Disc (DVD), Blu-ray Disc (Blu-ray is a registered trademark), and the like. For example, the portable recording medium 16 can be used to store a program or the like including the processing shown in FIGS. 4, 8, 12, 19, or 21.

なお、制御装置1または設計装置は、図25に示した全ての要素1501〜1508を含む必要はなく、用途や条件に応じて一部の要素を省略することも可能である。 The control device 1 or the design device does not need to include all the elements 1501 to 1508 shown in FIG. 25, and some elements may be omitted depending on the application and conditions.

なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。 The present invention is not limited to the above embodiments, and various improvements and changes can be made without departing from the gist of the present invention.

1 制御装置
2 圧縮器
3 凝縮器
4 膨張弁
5 蒸発器
6 温度センサ
7 圧力センサ
11 出力フィードバック制御器
12 ロバスト外乱フィードバック制御器
13 第1のアンチワインドアップ制御器
14 第2のアンチワインドアップ制御器
15 第1の離散型アンチワインドアップ制御器
16 第2の離散型アンチワインドアップ制御器
1 Control device 2 Compressor 3 Condenser 4 Expansion valve 5 Evaporator 6 Temperature sensor 7 Pressure sensor 11 Output feedback controller 12 Robust disturbance feedback controller 13 First anti-windup controller 14 Second anti-windup controller 15 1st discrete anti-windup controller 16 2nd discrete anti-windup controller

Claims (11)

第1の操作量と第2の操作量との加算値が入力される制御対象の出力値が目標値に追従するように前記第1の操作量を出力する出力フィードバック制御器と、閉ループシステムの制御性能及び安定性が向上するように前記第2の操作量を出力するロバスト外乱フィードバック制御器とを備える制御装置の制御パラメータを演算する装置において、
第1の拡大系プラントと、前記ロバスト外乱フィードバック制御器とからなる第1の閉ループシステムを表現する第1の状態方程式が第1の所定のパラメータに基づいて設定され、
前記第1の状態方程式の係数行列を用いて、制御性能及び安定性を保証する制約条件を、第1の線形行列不等式で表現した最適化問題へと定式化し、
前記第1の線形行列不等式を満たす前記ロバスト外乱フィードバック制御器を表現する状態方程式の係数行列を求め
前記ロバスト外乱フィードバック制御器を表現する状態方程式の係数行列の次数は、低次元化され
ことを特徴とする制御装置の制御パラメータ演算装置。
An output feedback controller that outputs the first manipulated variable so that the output value of the controlled object to which the sum of the first manipulated variable and the second manipulated variable is input follows the target value, and the closed loop system. In a device for calculating control parameters of a control device including a robust disturbance feedback controller that outputs the second manipulated variable so as to improve control performance and stability.
A first equation of state representing a first closed-loop system consisting of a first expansion plant and the robust disturbance feedback controller is set based on a first predetermined parameter.
Using the coefficient matrix of the first equation of state, the constraints that guarantee control performance and stability are formulated into an optimization problem expressed by the first linear matrix inequality.
Find the coefficient matrix of the equation of state representing the robust disturbance feedback controller that satisfies the first linear matrix inequality .
Order of the coefficient matrix of state equation that expresses the robust disturbance feedback controller, the control parameter calculating device of the control device, characterized in that that will be dimension reduction.
前記第1の所定のパラメータは、前記出力フィードバック制御器を表現する状態方程式の係数行列、前記制御対象を表現する状態方程式の係数行列、前記制御対象の出力値のノミナル値を出力するノミナルプラントモデルを表現する状態方程式の係数行列、外乱への重み関数を表現する状態方程式の係数行列、及び前記ロバスト外乱フィードバック制御器を表現する状態方程式の係数行列であり、
前記第1の拡大系プラントは、前記出力フィードバック制御器と、前記制御対象と、前記ノミナルプラントモデルと、重み関数とを含み、
前記ロバスト外乱フィードバック制御器は、前記制御対象の出力値と前記ノミナル値との差が入力される
ことを特徴とする請求項1に記載の制御系の制御パラメータ演算装置。
The first predetermined parameter is a coefficient matrix of a state equation representing the output feedback controller, a coefficient matrix of a state equation representing the controlled object, and a nominal plant model that outputs a nominal value of an output value of the controlled object. It is a coefficient matrix of the state equation expressing the above, a coefficient matrix of the state equation expressing the weighting function to the disturbance, and a coefficient matrix of the state equation expressing the robust disturbance feedback controller.
The first expansion plant includes the output feedback controller, the controlled object, the nominal plant model, and a weighting function.
The control parameter calculation device for a control system according to claim 1, wherein the robust disturbance feedback controller is input with a difference between an output value to be controlled and a nominal value.
前記制御装置は、
前記出力フィードバック制御器に含まれる積分器の出力飽和による制御性能の劣化を防ぐ第1のアンチワインドアップ制御器と、
前記ロバスト外乱フィードバック制御器に含まれる積分器の出力飽和による制御性能の劣化を防ぐ第2のアンチワインドアップ制御器と、
をさらに備え、
第2の拡大系プラントと、不感帯関数とからなる第2の閉ループシステムを表現する第2の状態方程式が第2の所定のパラメータに基づいて設定され、
前記第2の状態方程式の係数行列を用いて、制御性能及び安定性を保証する制約条件を、第2の線形行列不等式で表現した最適化問題へと定式化し、
前記第2の線形行列不等式を満たす、前記第1及び第2のアンチワインドアップ制御器の制御パラメータを求める
ことを特徴とする請求項1または2に記載の制御装置の制御パラメータ演算装置。
The control device is
A first anti-windup controller that prevents deterioration of control performance due to output saturation of the integrator included in the output feedback controller, and
A second anti-windup controller that prevents deterioration of control performance due to output saturation of the integrator included in the robust disturbance feedback controller, and
With more
A second equation of state representing a second closed-loop system consisting of a second expansion plant and a dead zone function is set based on a second predetermined parameter.
Using the coefficient matrix of the second equation of state, the constraints that guarantee control performance and stability are formulated into an optimization problem expressed by the second linear matrix inequality.
The control parameter calculation device of the control device according to claim 1 or 2, wherein the control parameters of the first and second anti-windup controllers satisfying the second linear matrix inequality are obtained.
前記第1の所定のパラメータは、前記出力フィードバック制御器を表現する状態方程式の係数行列、前記制御対象を表現する状態方程式の係数行列、前記制御対象の出力値のノミナル値を出力するノミナルプラントモデルを表現する状態方程式の係数行列、外乱への重み関数を表現する状態方程式の係数行列、及び前記ロバスト外乱フィードバック制御器を表現する状態方程式の係数行列であり、
前記第2の所定のパラメータは、前記第1の所定のパラメータとセクターパラメータにより求められる不感帯関数と前記ロバスト外乱フィードバック制御器を表現する状態方程式の係数行列であり、
前記第2の拡大系プラントは、前記出力フィードバック制御器と、前記制御対象と、前記ノミナルプラントモデルと、前記ロバスト外乱フィードバック制御器と、前記第1のアンチワインドアップ制御器と前記第2のアンチワインドアップ制御器とを含む
ことを特徴とする請求項に記載の制御系の制御パラメータ演算装置。
The first predetermined parameter is a coefficient matrix of a state equation representing the output feedback controller, a coefficient matrix of a state equation representing the controlled object, and a nominal plant model that outputs a nominal value of an output value of the controlled object. It is a coefficient matrix of the state equation expressing the above, a coefficient matrix of the state equation expressing the weighting function to the disturbance, and a coefficient matrix of the state equation expressing the robust disturbance feedback controller.
The second predetermined parameter is a coefficient matrix of the equation of state expressing the dead zone function obtained by the first predetermined parameter and the sector parameter and the robust disturbance feedback controller.
The second expansion plant includes the output feedback controller, the controlled object, the nominal plant model, the robust disturbance feedback controller, the first anti-windup controller, and the second anti. The control parameter calculation device for a control system according to claim 3 , further comprising a windup controller.
前記第1の所定のパラメータは、前記出力フィードバック制御器を表現する状態方程式の係数行列、前記制御対象を表現する状態方程式の係数行列、前記制御対象の出力値のノミナル値を出力するノミナルプラントモデルを表現する状態方程式の係数行列、外乱への重み関数を表現する状態方程式の係数行列、及び前記ロバスト外乱フィードバック制御器を表現する状態方程式の係数行列であり、
前記制御対象のプラントパラメータは、一部のプラントパラメータが不確かさを示すプラントパラメータに設定され、残りのプラントパラメータは前記ノミナルプラントモデルのプラントパラメータに設定される
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の制御装置の制御パラメータ演算装置。
The first predetermined parameter is a coefficient matrix of a state equation representing the output feedback controller, a coefficient matrix of a state equation representing the controlled object, and a nominal plant model that outputs a nominal value of an output value of the controlled object. It is a coefficient matrix of the state equation expressing the above, a coefficient matrix of the state equation expressing the weighting function to the disturbance, and a coefficient matrix of the state equation expressing the robust disturbance feedback controller.
Claims 1 to 4 are characterized in that some of the plant parameters to be controlled are set to plant parameters indicating uncertainty, and the remaining plant parameters are set to the plant parameters of the nominal plant model. The control parameter calculation device of the control device according to any one of the above items.
第1の操作量と第2の操作量との加算値が入力される制御対象の出力値が目標値に追従するように前記第1の操作量を出力する出力フィードバック制御器と、閉ループシステムの制御性能及び安定性が向上するように前記第2の操作量を出力するロバスト外乱フィードバック制御器とを備える制御装置の設計方法であって、
前記制御装置を設計する設計装置は、
第1の拡大系プラントと、前記ロバスト外乱フィードバック制御器とからなる第1の閉ループシステムに対応する第1の状態方程式を第1の所定のパラメータに基づいて設定し、
前記第1の状態方程式の係数行列を用いて、制御性能及び安定性を保証する制約条件を、第1の線形行列不等式で表現した最適化問題へと定式化し、
前記第1の線形行列不等式を満たす前記ロバスト外乱フィードバック制御器を表現する状態方程式の係数行列を求め
前記ロバスト外乱フィードバック制御器を表現する状態方程式の係数行列の次数は、低次元化され
ことを特徴とする制御装置の設計方法。
An output feedback controller that outputs the first manipulated variable so that the output value of the controlled object to which the sum of the first manipulated variable and the second manipulated variable is input follows the target value, and the closed loop system. It is a method of designing a control device including a robust disturbance feedback controller that outputs the second manipulated variable so as to improve control performance and stability.
The design device for designing the control device is
The first equation of state corresponding to the first closed-loop system including the first expansion plant and the robust disturbance feedback controller is set based on the first predetermined parameter.
Using the coefficient matrix of the first equation of state, the constraints that guarantee control performance and stability are formulated into an optimization problem expressed by the first linear matrix inequality.
Find the coefficient matrix of the equation of state representing the robust disturbance feedback controller that satisfies the first linear matrix inequality .
Order of the coefficient matrix of state equation that expresses the robust disturbance feedback controller, a method of designing a control device, characterized in that that will be dimension reduction.
前記第1の所定のパラメータは、前記出力フィードバック制御器を表現する状態方程式の係数行列、前記制御対象を表現する状態方程式の係数行列、前記制御対象の出力値のノミナル値を出力するノミナルプラントモデルを表現する状態方程式の係数行列、外乱への重み関数を表現する状態方程式の係数行列、及び前記ロバスト外乱フィードバック制御器を表現する状態方程式の係数行列であり、
前記第1の拡大系プラントは、前記出力フィードバック制御器と、前記制御対象と、前記ノミナルプラントモデルと、重み関数とを含み、
前記ロバスト外乱フィードバック制御器は、前記制御対象の出力値と前記ノミナル値との差が入力される
ことを特徴とする請求項に記載の制御装置の設計方法。
The first predetermined parameter is a coefficient matrix of a state equation representing the output feedback controller, a coefficient matrix of a state equation representing the controlled object, and a nominal plant model that outputs a nominal value of an output value of the controlled object. It is a coefficient matrix of the state equation expressing the above, a coefficient matrix of the state equation expressing the weighting function to the disturbance, and a coefficient matrix of the state equation expressing the robust disturbance feedback controller.
The first expansion plant includes the output feedback controller, the controlled object, the nominal plant model, and a weighting function.
The method for designing a control device according to claim 6 , wherein the robust disturbance feedback controller is input with a difference between an output value to be controlled and a nominal value.
前記制御装置は、
前記出力フィードバック制御器に含まれる積分器の出力飽和による制御性能の劣化を防ぐ第1のアンチワインドアップ制御器と、
前記ロバスト外乱フィードバック制御器に含まれる積分器の出力飽和による制御性能の劣化を防ぐ第2のアンチワインドアップ制御器と、
をさらに備え、
第2の拡大系プラントと、不感帯関数からなる第2の閉ループシステムを表現する第2の状態方程式を第2の所定のパラメータに基づいて設定し、
前記第2の状態方程式の係数行列を用いて、制御性能及び安定性を保証する制約条件を、第2の線形行列不等式で表現した最適化問題へと定式化し、
前記第2の線形行列不等式を満たす、前記第1及び第2のアンチワインドアップ制御器の制御パラメータを求める
ことを特徴とする請求項または請求項7に記載の制御装置の設計方法。
The control device is
A first anti-windup controller that prevents deterioration of control performance due to output saturation of the integrator included in the output feedback controller, and
A second anti-windup controller that prevents deterioration of control performance due to output saturation of the integrator included in the robust disturbance feedback controller, and
With more
A second equation of state representing a second expansion plant and a second closed-loop system consisting of dead zone functions is set based on a second predetermined parameter.
Using the coefficient matrix of the second equation of state, the constraints that guarantee control performance and stability are formulated into an optimization problem expressed by the second linear matrix inequality.
The method for designing a control device according to claim 6 or 7 , wherein the control parameters of the first and second anti-windup controllers satisfying the second linear matrix inequality are obtained.
前記第1の所定のパラメータは、前記出力フィードバック制御器を表現する状態方程式の係数行列、前記制御対象を表現する状態方程式の係数行列、前記制御対象の出力値のノミナル値を出力するノミナルプラントモデルを表現する状態方程式の係数行列、外乱への重み関数を表現する状態方程式の係数行列、及び前記ロバスト外乱フィードバック制御器を表現する状態方程式の係数行列であり、
前記第2の所定のパラメータは、前記1の所定のパラメータとセクターパラメータにより求められる不感帯関数と前記ロバスト外乱フィードバック制御器を表現する状態方程式の係数行列であり、
前記第2の拡大系プラントは、前記出力フィードバック制御器と、前記制御対象と、前記ノミナルプラントモデルと、前記ロバスト外乱フィードバック制御器と、前記第1のアンチワインドアップ制御器と前記第2のアンチワインドアップ制御器とを含む
ことを特徴とする請求項に記載の制御装置の設計方法。
The first predetermined parameter is a coefficient matrix of a state equation representing the output feedback controller, a coefficient matrix of a state equation representing the controlled object, and a nominal plant model that outputs a nominal value of an output value of the controlled object. It is a coefficient matrix of the state equation expressing the above, a coefficient matrix of the state equation expressing the weighting function to the disturbance, and a coefficient matrix of the state equation expressing the robust disturbance feedback controller.
The second predetermined parameter is a coefficient matrix of the equation of state expressing the dead zone function obtained by the first predetermined parameter and the sector parameter and the robust disturbance feedback controller.
The second expansion plant includes the output feedback controller, the controlled object, the nominal plant model, the robust disturbance feedback controller, the first anti-windup controller, and the second anti. The method for designing a control device according to claim 8 , further comprising a wind-up controller.
請求項1〜のいずれか1項に記載の制御パラメータ演算装置で演算された制御パラメータで設定されたことを特徴とする制御装置。 A control device, characterized in that it is set by a control parameter calculated by the control parameter calculation device according to any one of claims 1 to 5 . 請求項のいずれか1項に記載の制御装置の設計方法によって設計されたことを特徴とする制御装置。

A control device designed by the method for designing a control device according to any one of claims 6 to 9 .

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