JP7077667B2 - Control method, control device and program - Google Patents
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Description
本発明は、制御方法、制御装置及びプログラムに関する。 The present invention relates to control methods, control devices and programs.
複雑な制約条件を有する多変数システムを最適に制御する方法として、モデル予測制御(MPC:Model Predictive Control)と呼ばれる手法が知られている。モデル予測制御では、サンプリング周期毎に、プロセスの状態量の現在値を用いて、将来の特定の期間における最適制御問題を解くことで、最適な入力を計算する。モデル予測制御では、この状態量の観測と、最適制御問題を解くための最適化計算とをオンラインで繰り返し実行することで最適制御を実現する(例えば、特許文献1)。 A method called Model Predictive Control (MPC) is known as a method for optimally controlling a multivariable system having complicated constraints. In model predictive control, the optimum input is calculated by solving the optimum control problem in a specific period in the future by using the current value of the state quantity of the process for each sampling period. In model predictive control, optimum control is realized by repeatedly executing the observation of this state quantity and the optimization calculation for solving the optimum control problem online (for example, Patent Document 1).
一方で、モデル予測制御を拡張した技術として、マルチパラメトリック計画法が知られている。マルチパラメトリック計画法では、オフラインで最適制御問題を解析して、状態量に対する最適な入力を得るための状態フィードバック則を求める。その結果、マルチパラメトリック計画法では、オンラインでの最適化計算が不要になり、最適制御を高速に実現することができる(例えば、特許文献2乃至8、非特許文献1及び2)。
On the other hand, a multiparametric planning method is known as a technique that extends model predictive control. In the multiparametric planning method, the optimal control problem is analyzed offline to obtain the state feedback law for obtaining the optimum input for the state quantity. As a result, in the multi-parametric planning method, online optimization calculation becomes unnecessary, and optimum control can be realized at high speed (for example,
また、システム制御や回路解析等の問題を一階述語論理式で表現することや、一階述語論理式を解くことでシステムの最適化を図る手法が従来から知られている(例えば、非特許文献3)。 Further, methods for expressing problems such as system control and circuit analysis by first-order predicate logic expressions and optimizing the system by solving first-order predicate logic expressions have been conventionally known (for example, non-patented). Document 3).
具体的には、全称記号(∀)や存在記号(∃)で表される限定記号と、多変数の多項式の等式や不等式を積(∧)や和(∨)で表される論理記号とを用いて結合した論理式を組み合わせ、一階述語論理式を得る。論理式に現れる変数のうち、限定記号で束縛される変数を束縛変数と呼び、限定記号で束縛されない変数を自由変数と呼ぶ。一階述語論理式のうち、束縛変数を消去して、自由変数が満たすべき論理式を導くことで、最適化を図る。なお、一階述語論理式のうち、束縛変数を消去して、自由変数が満たすべき論理式を導く方法は限定記号消去法と呼ばれる。 Specifically, quantifiers represented by universal quantifiers (∀) and existential quantifiers (∃), and logical symbols represented by products (∧) and sums (∨) of equations and inequality of multivariable polynomials. The first-order predicate logical expressions are obtained by combining the combined logical expressions using. Of the variables that appear in the formula, the variables that are bound by the finite symbol are called bound variables, and the variables that are not bound by the finite symbol are called free variables. Of the first-order predicate formulas, the bound variables are eliminated and the logical formulas that the free variables should satisfy are derived for optimization. Of the first-order predicate logical expressions, the method of eliminating the bound variables and deriving the logical expressions that the free variables should satisfy is called the qualifying symbol elimination method.
また、限定記号消去法を用いて、制御系設計や制御系解析を行う手法が知られている(例えば、特許文献9)。この手法によれば、制御系解析・設計装置は、入力された制御の問題に対して、線形行列不等式(LMI:Linear Matrix Inequality)又は双線形行列不等式(BMI:Bilinear Matrix Inequality)として定式化する。そして、LMI又はBMIとして定式化された設計仕様等の制約を、不等式を論理和で繋げた形の制約に変形して、制御系を一階述語論理式に変換し、限定記号で束縛される変数を消去した式から制御系を解析する。 Further, a method of designing a control system and analyzing a control system by using a qualifying symbol elimination method is known (for example, Patent Document 9). According to this method, the control system analysis / design device formulates the input control problem as a linear Matrix Inequality (LMI) or a Bilinear Matrix Inequality (BMI). .. Then, the constraints such as the design specifications formulated as LMI or BMI are transformed into the constraints in which the inequalities are connected by a logical sum, the control system is converted into the first-order predicate logical formula, and the control system is bound by the qualifying symbol. Analyze the control system from the equation with the variables cleared.
更に、プラントのエネルギーを解析する技術についても、一階述語論理式を生成し、この一階述語論理式を解くことにより解析を行う手法が知られている(例えば、非特許文献4)。 Further, as a technique for analyzing the energy of a plant, a method of generating a first-order predicate logic formula and solving the first-order predicate logic formula is known (for example, Non-Patent Document 4).
ここで、例えば特許文献1に開示されているモデル予測制御では、数理計画法を用いて最適制御問題を解くことで最適制御を実現している。このため、最適解の探索に多くの計算時間が必要であると共に、最適制御問題を解くために多くの計算資源も必要であった。このため、例えば、計算資源が限られたエッジデバイスでは最適制御問題を解くことが困難な場合があると共に、制御周期が短い制御対象の制御が困難になる場合があった。また、例えば、最適制御問題の解が無いために最適な入力を計算することができないような場合を事前に判別することができなかった。なお、エッジデバイスとしては、例えば、組み込み型の計算機器やPLC(Programmable Logic Controller)等の制御装置等が挙げられる。
Here, for example, in the model predictive control disclosed in
一方で、例えば特許文献2乃至8や非特許文献1及び2に開示されているマルチパラメトリック計画法では、状態空間モデルで目標値が固定されてしまう。また、予測区間が長くなると状態変数の領域分割が複雑化してしまい、計算資源が限られたエッジデバイスでは実現が困難な場合があった。
On the other hand, in the multi-parametric planning method disclosed in, for example,
更に、マルチパラメトリック計画法では、オフラインで最適制御問題を解析して状態フィードバック則を生成する際に、最適化計算を行っている。このため、数値誤差や最適化の精度によっては、正確な最適制御則(最適な状態フィードバック則)を生成することができない場合がある。すなわち、最適化計算によって実行可能解が無いと判断された状態量の領域では、状態フィードバック則を生成することができなかった。 Further, in the multiparametric planning method, the optimization calculation is performed when the optimum control problem is analyzed offline and the state feedback law is generated. Therefore, depending on the numerical error and the accuracy of optimization, it may not be possible to generate an accurate optimum control rule (optimal state feedback law). That is, the state feedback law could not be generated in the region of the state quantity for which it was determined by the optimization calculation that there was no feasible solution.
本発明の一実施形態は、上記の点に鑑みてなされたもので、計算資源が限られた機器でも、制約付きの多変数制御を正確かつ高速に実現することを目的とする。 One embodiment of the present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to realize constrained multivariable control accurately and at high speed even in a device having limited computational resources.
上記目的を達成するため、本発明の一実施形態では、複数の制御量を目標値に追従させる多変数制御に用いられる制御方法であって、制御対象における操作量を表す変数と前記制御量を表す変数との関係を表すモデル式と、前記操作量を表す変数の上限及び下限を表す上下限制約と、前記目標値と前記制御量との差を評価するための評価関数とが入力されると、前記評価関数が最適性条件を満たすように、前記目標値を表す変数と前記操作量を表す変数とが満たすべき関係を表す関係論理式を予め生成する生成手順と、前記目標値が入力される度に、該目標値と前記関係論理式とに基づいて、前記複数の制御量を前記目標値に追従させるための前記操作量を算出する算出手順と、をコンピュータが実行することを特徴とする。 In order to achieve the above object, in one embodiment of the present invention, a control method used for multi-variable control in which a plurality of control amounts follow a target value, a variable representing an operation amount in a controlled object and the control amount are used. A model formula representing the relationship with the variable to be represented, an upper / lower limit constraint representing the upper and lower limits of the variable representing the manipulated variable, and an evaluation function for evaluating the difference between the target value and the controlled variable are input. And the generation procedure for generating in advance the relational logical expression representing the relationship that the variable representing the target value and the variable representing the manipulated variable should be satisfied so that the evaluation function satisfies the optimum condition, and the target value is input. Each time, the computer executes a calculation procedure for calculating the operation amount for making the plurality of control amounts follow the target value based on the target value and the relational logic expression. And.
計算資源が限られた機器でも、制約付きの多変数制御を正確かつ高速に実現することができる。 Even with equipment with limited computational resources, constrained multivariable control can be realized accurately and at high speed.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以降では、複数の制御量を目標値に追従させる多変数制御において、操作対象に対する最適な操作量を高速に計算する最適制御装置10について説明する。なお、最適制御装置10は、計算資源が限られたエッジデバイス(例えば、組み込み型の計算機器やPLC等の制御装置等)である。ただし、本実施形態に係る最適制御装置10は、エッジデバイス以外にも、例えば、十分な計算資源を有する各種機器又は装置であっても良い。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Hereinafter, the
また、以降では、制御対象となるシステムにおける操作量を表す変数をMV1,・・・,MVM、制御量を表す変数をPV1,・・・,PVN、制御量の目標値を表す変数をSV1,・・・,SVNと表す。なお、M及びNは制御対象となるシステムの構成によって決定される定数である。 In the following, the variables representing the manipulated variable in the controlled system are MV 1 , ..., MV M , the variables representing the controlled variable are PV 1 , ..., PV N , and the target value of the controlled variable is represented. Variables are represented as SV 1 , ..., SV N. Note that M and N are constants determined by the configuration of the system to be controlled.
[第一の実施形態]
<最適制御装置10の構成>
まず、本実施形態に係る最適制御装置10の構成について、図1を参照しながら説明する。図1は、第一の実施形態に係る最適制御装置10の構成の一例を示す図である。
[First Embodiment]
<Configuration of
First, the configuration of the
図1に示すように、本実施形態に係る最適制御装置10は、最適制御処理部100を有する。本実施形態に係る最適制御装置10は、最適制御処理部100によって、複数の制御量を目標値に追従させる多変数制御において、操作対象に対する最適な操作量を算出する。このとき、本実施形態に係る最適制御装置10は、オフラインにおいて、目標値に対して最適な操作量が満たすべき関係を表す関係論理式を生成する。すなわち、本実施形態に係る最適制御装置10は、オンラインの実行前に、関係論理式を予め生成しておく。
As shown in FIG. 1, the
そして、本実施形態に係る最適制御装置10は、オンラインにおいて、予め生成された関係論理式により、複数の制御量を目標値に追従させるための最適な操作量を算出する。これにより、本実施形態に係る最適制御装置10では、エッジデバイス等の計算資源が限られた機器又は装置であっても、正確かつ高速な制御を実現することができるようになる。
Then, the
なお、最適制御処理部100は、本実施形態に係る最適制御装置10にインストールされた1以上のプログラムが、後述するCPU(Central Processing Unit)17に実行させる処理によって実現される。
The optimum
<最適制御装置10のハードウェア構成>
次に、本実施形態に係る最適制御装置10のハードウェア構成について、図2を参照しながら説明する。図2は、第一の実施形態に係る最適制御装置10のハードウェア構成の一例を示す図である。
<Hardware configuration of
Next, the hardware configuration of the
図2に示すように、本実施形態に係る最適制御装置10は、入力装置11と、表示装置12と、外部I/F13と、通信I/F14と、ROM(Read Only Memory)15と、RAM(Random Access Memory)16と、CPU17と、補助記憶装置18とを有する。これら各ハードウェアは、バス19により相互に通信可能に接続されている。
As shown in FIG. 2, the
入力装置11は、例えば各種ボタンやタッチパネル、キーボード、マウス等であり、最適制御装置10に各種の操作を入力するのに用いられる。表示装置12は、例えばディスプレイ等であり、最適制御装置10による各種の処理結果を表示する。なお、最適制御装置10は、入力装置11及び表示装置12の少なくとも一方を有していなくても良い。
The
外部I/F13は、外部装置とのインタフェースである。外部装置には、記録媒体13a等がある。最適制御装置10は、外部I/F13を介して、記録媒体13aの読み取りや書き込みを行うことができる。記録媒体13aには、例えば、SDメモリカード(SD memory card)やUSBメモリ、CD(Compact Disk)、DVD(Digital Versatile Disk)等がある。なお、最適制御処理部100を実現する1以上のプログラムは、記録媒体13aに格納されていても良い。
The external I /
通信I/F14は、最適制御装置10が他の装置とデータ通信を行うためのインタフェースである。なお、最適制御処理部100を実現する1以上のプログラムは、通信I/F14を介して、所定のサーバ等から取得(ダウンロード)されても良い。
The communication I /
ROM15は、電源を切ってもデータを保持することができる不揮発性の半導体メモリである。RAM16は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の半導体メモリである。CPU17は、例えば補助記憶装置18やROM15からプログラムやデータをRAM16に読み出して、各種処理を実行する演算装置である。
The
補助記憶装置18は、例えばHDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)等であり、プログラムやデータを格納している不揮発性のメモリである。補助記憶装置18に格納されているプログラムやデータには、例えば、最適制御処理部100を実現する1以上のプログラムや基本ソフトウェアであるOS(Operating System)、OS上で動作する各種アプリケーションプログラム等がある。
The
本実施形態に係る最適制御装置10は、図2に示すハードウェア構成を有することにより、後述する各種処理を実現することができる。なお、図2では、最適制御装置10が1台のコンピュータで実現される場合のハードウェア構成例を示したが、最適制御装置10は複数台のコンピュータで実現されていても良い。
By having the hardware configuration shown in FIG. 2, the
<最適制御処理部100の機能構成>
次に、本実施形態に係る最適制御処理部100の機能構成について、図3を参照しながら説明する。図3は、第一の実施形態に係る最適制御処理部100の機能構成の一例を示す図である。
<Functional configuration of optimal
Next, the functional configuration of the optimum
図3に示すように、本実施形態に係る最適制御処理部100は、オフライン処理部110と、オンライン処理部120とを有する。なお、本実施形態では、オフライン処理部110とオンライン処理部120との両方を1台の最適制御装置10が有する場合について説明するが、これに限られない。オフライン処理部110とオンライン処理部120とをそれぞれ異なる装置が有していても良い。特に、例えば、十分な計算資源を有する各種機器又は装置がオフライン処理部110を有する一方で、計算資源が限られたエッジデバイス等がオンライン処理部120を有していても良い。
As shown in FIG. 3, the optimal
オフライン処理部110は、オフラインにおいて、モデル式1100と、上下限制約1200と、評価関数1300とを入力して、関係論理式1400を算出する。
The
モデル式1100とは、制御対象となるシステムにおける操作量と制御量との関係を表すモデルである。モデル式1100は、操作量を表す変数MV1,・・・,MVMと、制御量を表す変数PVnとの関係を表す関数をfnとすれば、PVn:=fn(MV1,・・・,MVM),(n=1,・・・,N)で表される。
The
なお、モデル式1100は、例えば、実際の操作量に対する制御量の実績値を用いて回帰分析等によって作成することができる。fnは線形に限られず、区分線形等であっても良い。
The
また、上下限制約1200とは、制御対象となるシステムにおける各操作量の上限と下限とを表す制約である。上下限制約1200は、各操作量の上限をHMV1,・・・,HMVM、各操作量の下限をLMV1,・・・,LMVMとすれば、LMVm≦MVm≦HMVm,(m=1,・・・,M)で表される。
Further, the upper and
また、評価関数1300とは、目標値と制御量との差を評価するための関数である。評価関数1300は、目標値を表す変数SV1,・・・,SVNと、制御量を表す変数PV1,・・・,PVNとの差を評価するための関数をEとすれば、以下の数1で表される。
The
ここで、オフライン処理部110には、一階述語論理式生成部111と、限定記号消去部112とが含まれる。一階述語論理式生成部111は、モデル式1100と上下限制約1200と評価関数1300とから一階述語論理式ψを生成する。限定記号消去部112は、限定記号消去法により、一階述語論理式生成部111により生成された一階述語論理式ψから関係論理式1400を生成する。
Here, the
オンライン処理部120は、オンラインにおいて、関係論理式1400と、目標値1500とを入力して、最適操作量1600を算出する。
The
目標値1500は、制御量を表す変数PV1,・・・,PVNの目標値p1,・・・,pNである。
The
最適操作量1600とは、制御量を目標値に追従させるための最適な操作量s1,・・・,sMである。
The
ここで、オンライン処理部120には、領域判定部121と、操作量算出部122とが含まれる。領域判定部121は、目標値p1,・・・,pNが、領域Rk(k=1,・・・,K)のうちのいずれの領域に含まれるかを判定する。操作量算出部122は、領域判定部121による判定結果に応じて、目標値p1,・・・,pNが含まれる領域Rkに対応する関数により最適な操作量s1,・・・,sMを算出する。
Here, the
<関係論理式の生成処理>
以降では、関係論理式1400を生成する処理について、図4を参照しながら説明する。図4は、第一の実施形態に係る関係論理式1400の生成処理の一例を示すフローチャートである。なお、図4に示す処理は、例えば、後述する最適操作量の算出処理の前に、オフラインで予め実行される。
<Generation process of relational formula>
Hereinafter, the process of generating the
まず、オフライン処理部110の一階述語論理式生成部111は、モデル式1100と上下限制約1200と評価関数1300とを入力して、一階述語論理式ψを生成する(ステップS101)。
First, the first-order predicate logic
ここで、一階述語論理式生成部111は、次のようにして一階述語論理式ψを生成する。すなわち、まず、一階述語論理式生成部111は、上下限制約1200を右辺が0になるように整理、つまり、LMVm-MVm≦0,MVm-HMVm≦0とする。次に、一階述語論理式生成部111は、LMVm-MVm及びMVm-HMVmにそれぞれラグランジュ乗数(λ1m,λ2m)を乗じた式を、評価関数Eに加えることで、以下のラグランジュ関数Lを生成する。
Here, the first-order predicate logic
次に、オフライン処理部110の限定記号消去部112は、限定記号消去法により、一階述語論理式ψから関係論理式1400を生成する(ステップS102)。ここで、関係論理式1400をφと表せば、限定記号消去部112は、限定記号消去法によりラグランジュ乗数を消去することで、以下の関係論理式φを生成する。なお、限定記号消去法については、例えば非特許文献3を参照されたい。
Next, the limited
また、 again,
このように、関係論理式φは、目標値を表す変数SV1,・・・,SVNを各軸とする空間を分割する分割論理式φRk(SV1,・・・,SVN)と、目標値p1,・・・,pNが領域Rkに含まれる場合における最適な操作量を算出する操作量決定関数の論理積の論理和で表される。 In this way, the relational formula φ is the divisional formula φ Rk (SV 1 , ..., SVN ) that divides the space with the variables SV 1 , ..., SVN as each axis representing the target value. , ..., p N is represented by the logical sum of the logical products of the manipulated variable determination function that calculates the optimum manipulated variable when the region Rk is included.
これにより、限定記号消去部112により関係論理式φが生成される。ここで、上述したように、関係論理式φは、SV1,・・・,SVNを各軸とするN次元空間をK個の領域Rk(k=1.・・・,K)に分割している。そこで、一例として、K=5の場合において、或る軸SVnとSVn+1とで構成される平面上の領域R1~R5を図5に示す。図5は、関係論理式が表す領域分割の一例を示す図である。図5に示すように、各領域R1~R5は、SV1,・・・,SVNを各軸とするN次元空間を分割する領域で表される。
As a result, the relational formula φ is generated by the limited
<最適操作量の算出処理>
以降では、関係論理式1400を用いて、目標値p1,・・・,pNに対する最適な操作量s1,・・・,sMを算出する処理について、図6を参照しながら説明する。図6は、第一の実施形態に係る最適操作量の算出処理の一例を示すフローチャートである。なお、図6に示す処理は、例えば、制御対象であるシステムの制御周期毎に、オンラインで実行される。
<Calculation processing of optimum operation amount>
Hereinafter, the process of calculating the optimum manipulated variable s 1 , ..., S M for the target values p 1 , ..., P N using the
まず、オンライン処理部120は、領域Rkを特定するためのk(このkを「領域番号」とも表す。)を1に初期化する(ステップS201)。
First, the
次に、オンライン処理部120の領域判定部121は、関係論理式1400と目標値1500とを入力して、分割論理式φRk(p1,・・・,pN)=Trueであるか否かを判定する(ステップS202)。なお、オンライン処理部120に入力される目標値1500は、例えば、制御周期毎にその値が異なっていても良い。
Next, the
すなわち、領域判定部121は、関係論理式φに含まれる分割論理式φRk(SV1,・・・,SVN)に対して目標値p1・・・,pNを代入して、φRk(p1,・・・,pN)=Trueであるか否かを判定する。言い換えれば、領域判定部121は、目標値p1・・・,pNが領域Rkに含まれるか否かを判定する。
That is, the
ステップS202において、φRk(p1,・・・,pN)=Trueでないと判定された場合(すなわち、目標値p1,・・・,pNが領域Rkに含まれない場合)、オンライン処理部120は、領域番号kに1を加算する(ステップS203)。そして、オンライン処理部120は、ステップS202の処理に戻る。これにより、或る領域番号kに対してφRk(p1,・・・,pN)=Trueとなるまで、上記のステップS202が繰り返し実行される。
When it is determined in step S202 that φ Rk (p 1 , ..., p N ) = True (that is, when the target values p 1 , ..., P N are not included in the region Rk), online. The
ステップS202において、φRk(p1,・・・,pN)=Trueであると判定された場合(すなわち、目標値p1,・・・,pNが領域Rkに含まれる場合)、オンライン処理部120の操作量算出部122は、目標値p1,・・・,pNが含まれる領域Rkに対応する操作量決定関数により最適な操作量s1,・・・,sMを算出する(ステップS204)。
When it is determined in step S202 that φ Rk (p 1 , ..., p N ) = True (that is, when the target values p 1 , ..., P N are included in the region Rk), online. The operation
すなわち、操作量算出部122は、各m=1,・・・,Mに対して、以下の操作量決定関数により最適な操作量s1,・・・,sMを算出する。
That is, the operation
以上のように、本実施形態に係る最適制御装置10は、オフラインで予め関係論理式φを生成した上で、オンラインで目標値に対する最適な操作量を算出する。このように、オフラインで予め関係論理式φを生成することで、本実施形態に係る最適制御装置10は、例えば計算資源が限られている場合であっても、オンラインで高速に最適な操作量を算出することができる。
As described above, the
また、本実施形態に係る最適制御装置10は、限定記号消去法により関係論理式φを生成する。これにより、本実施形態に係る最適制御装置10では、数値誤差の無い正確な最適制御則(すなわち、関係論理式φ)を生成することができる。
Further, the
なお、図4に示す関係論理式の生成処理は、モデル式1100、上下限制約1200及び評価関数1300の少なくとも1つが変更されない限りは、図6に示す最適操作量の算出処理の前に1度実行されれば良い。
The relational formula generation process shown in FIG. 4 is performed once before the optimum operation amount calculation process shown in FIG. 6 unless at least one of the
<最適制御処理部100の適用例>
ここで、本実施形態に係る最適制御処理部100の適用例について、図7(a)及び図7(b)を参照しながら説明する。図7は、最適制御処理部100の適用例の一例を示す図である。
<Application example of optimal
Here, an application example of the optimum
図7(a)では、上位のコントローラC11が最適制御処理部100を有する。上位のコントローラC11は、最適制御処理部100により目標値(SV1及びSV2)から最適操作量(MV1及びMV2)を算出し、下位のコントローラC12及びC13に出力する。そして、下位のコントローラC12及びC13は、最適操作量(MV1及びMV2)を目標値(SV´1及びSV´2)として受け取り制御を行う。このように、上位のコントローラC11は下位のコントローラC12及びC13に対して最適操作量を渡し、下位のコントローラC12及びC13は最適操作量を目標値として制御を行っても良い。
In FIG. 7A, the upper controller C11 has an optimum
図7(b)では、上位のコントローラC11は、最適制御処理部100により目標値(SV1及びSV2)から最適操作量(MV1及びMV2)を算出し、この最適操作量からモデル式1100により算出される制御量(PV1及びPV2)を下位のコントローラC12及びC13に出力する。そして、下位のコントローラC12及びC13は、制御量(PV1及びPV2)を目標値(SV´1及びSV´2)として受け取り制御を行う。このように、上位のコントローラC11は下位のコントローラC12及びC13に対して最適操作量に対する制御量を渡し、下位のコントローラC12及びC13はこの制御量を目標値として制御を行っても良い。
In FIG. 7B, the upper controller C11 calculates the optimum operation amount (MV 1 and MV 2 ) from the target values (SV 1 and SV 2 ) by the optimum
[第二の実施形態]
次に、第二の実施形態について説明する。第一の実施形態では、図6に示す最適操作量の算出処理において、領域R1~領域RKのうち、目標値p1,・・・pNが含まれる領域をk=1から順番に探索した。このため、標値p1,・・・pNが含まれる領域の探索に時間を要する場合があった。そこで、第二の実施形態では、目標値p1,・・・pNが含まれる領域の探索を優先度に基づいて行う場合について説明する。
[Second embodiment]
Next, the second embodiment will be described. In the first embodiment, in the calculation process of the optimum manipulated variable shown in FIG. 6, the regions including the target values p 1 and ... p N are searched in order from k = 1 among the regions R1 to RK. .. Therefore, it may take time to search the region including the standard values p 1 , ... P N. Therefore, in the second embodiment, a case where the search for the region including the target values p 1 , ... P N is performed based on the priority will be described.
なお、第二の実施形態では、主に、第一の実施形態との相違点について説明し、第一の実施形態と実質的に同一の構成要素については、その説明を省略又は簡略化する。 In the second embodiment, the differences from the first embodiment will be mainly described, and the description of the components substantially the same as those of the first embodiment will be omitted or simplified.
<最適制御処理部100の機能構成>
まず、本実施形態に係る最適制御処理部100の機能構成について、図8を参照しながら説明する。図8は、第二の実施形態に係る最適制御処理部100の機能構成の一例を示す図である。
<Functional configuration of optimal
First, the functional configuration of the optimum
図8に示すように、本実施形態に係る最適制御処理部100のオンライン処理部120には、更に、キャッシュ機構部123が含まれる。本実施形態に係るオンライン処理部120は、優先度Yの昇順に、この優先度Yに対応する領域番号kが示す領域Rkに目標値p1,・・・,pNが含まれるか否かを判定する。このとき、キャッシュ機構部123は、キャッシュ1700を参照して、優先度Yを領域番号kに変換する。
As shown in FIG. 8, the
ここで、キャッシュ1700について、図9を参照しながら説明する。図9は、キャッシュ1700の一例を示す図である。
Here, the
図9に示すように、キャッシュ1700には、優先度Yと領域番号kとが対応付けられている。例えば、優先度Y=1と領域番号k=5とが対応付けられている。同様に、優先度Y=2と領域番号k=4とが対応付けられている。優先度Y=3以降の場合も同様である。これより、本実施形態に係るオンライン処理部120は、優先度Yに応じて、領域番号k=5、4、1、3、2の順に、該当の領域番号kが示す領域Rkに目標値p1,・・・,pNが含まれるか否かを判定することができる。
As shown in FIG. 9, the
<最適操作量の算出処理>
以降では、本実施形態に係る最適操作量の算出処理について、図10を参照しながら説明する。図10は、第二の実施形態に係る最適操作量の算出処理の一例を示すフローチャートである。なお、図10のステップS202及びステップS204は、図6と同様であるため、その説明を省略する。
<Calculation processing of optimum operation amount>
Hereinafter, the calculation process of the optimum operation amount according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a flowchart showing an example of the calculation process of the optimum operation amount according to the second embodiment. Since steps S202 and S204 of FIG. 10 are the same as those of FIG. 6, the description thereof will be omitted.
まず、オンライン処理部120は、優先度Yを1に初期化する(ステップS301)。次に、オンライン処理部120のキャッシュ機構部123は、キャッシュ1700を参照して、優先度Yを領域番号kに変換する(ステップS302)。すなわち、キャッシュ機構部123は、キャッシュ1700を参照して、優先度Yを、当該優先度Yに対応付けられている領域番号kに変換する。これにより、ステップS202で、当該領域番号kを用いて、φRk(p1,・・・,pN)=Trueであるか否かが判定される。なお、k:=cache[Y]は、キャッシュ1700を参照して、優先度Yを領域番号kに変換する関数である。
First, the
ステップS202において、φRk(p1,・・・,pN)=Trueでないと判定された場合、オンライン処理部120は、優先度Yに1を加算する(ステップS303)。そして、オンライン処理部120は、ステップS302の処理に戻る。これにより、優先度Yの昇順に、或る領域番号kに対してφRk(p1,・・・,pN)=Trueとなるまで、上記のステップS202が繰り返し実行される。
If it is determined in step S202 that φ Rk (p 1 , ..., p N ) = True, the
このように、本実施形態に係る最適制御装置10では、優先度が高い順に、目標値p1,・・・,pNが含まれる領域Rkを探索する。これにより、キャッシュ1700を適切に作成することで、目標値p1,・・・,pNが含まれる領域Rkの探索に要する時間を削減することができる。
As described above, in the
<最適操作量の算出処理の他の例>
以降では、本実施形態に係る最適操作量の算出処理の他の例について、図11を参照しながら説明する。図11は、第二の実施形態に係る最適操作量の算出処理の他の例を示すフローチャートである。なお、図11のステップS301~ステップS303及びステップS204は、図10と同様であるため、その説明を省略する。
<Other examples of optimum operation amount calculation processing>
Hereinafter, another example of the optimum operation amount calculation process according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 11. FIG. 11 is a flowchart showing another example of the optimum operation amount calculation process according to the second embodiment. Since steps S301 to S303 and step S204 in FIG. 11 are the same as those in FIG. 10, the description thereof will be omitted.
ステップS202において、φRk(p1,・・・,pN)=Trueであると判定された場合、キャッシュ機構部123は、この領域番号kの優先度が高くなるようにキャッシュ1700を更新する(ステップS304)。
When it is determined in step S202 that φ Rk (p 1 , ..., p N ) = True, the
例えば、キャッシュ機構部123は、この領域番号kに対応付けられている優先度Yを1に更新すると共に、他の領域番号kに対応付けられている優先度Yから1を減ずる。こにより、ステップS202でφRk(p1,・・・,pN)=Trueと判定された領域番号kの優先度Yを最も高くすることができる。
For example, the
ただし、これに限られず、キャッシュ機構部123は、例えば、ステップS202でφRk(p1,・・・,pN)=Trueと判定された領域番号kの優先度Yを1つ高くする等しても良い。
However, the present invention is not limited to this, and the
このように、本実施形態に係る最適制御装置10は、領域判定部121の判定結果に応じて、キャッシュ1700を更新しても良い。これにより、目標値p1,・・・,pNが含まれると判定された領域Rkの領域番号kに対応する優先度Yを動的に高くすることができる。したがって、目標値p1,・・・,pNが含まれる領域Rkの探索に要する時間の更なる削減が期待できる。
As described above, the
[第三の実施形態]
次に、第三の実施形態について説明する。第三の実施形態では、例えば、制御周期i毎の目標値(すなわち、目標値の集合)が入力される場合に、目標値の集合と、最適な操作量から算出される制御量の集合との偏差等の評価値を算出し、算出した評価値の集合を可視化する場合について説明する。これにより、例えば、最適制御装置10のユーザ等は、最適な操作量の操作を操作対象に行った場合における制御量と、目標値との偏差等を確認することができるようになる。
[Third embodiment]
Next, the third embodiment will be described. In the third embodiment, for example, when a target value (that is, a set of target values) for each control cycle i is input, a set of target values and a set of control quantities calculated from an optimum manipulated variable are used. The case of calculating the evaluation value such as the deviation of the above and visualizing the set of the calculated evaluation value will be described. As a result, for example, the user of the
なお、第三の実施形態では、主に、第一の実施形態との相違点について説明し、第一の実施形態と実質的に同一の構成要素については、その説明を省略又は簡略化する。 In the third embodiment, the differences from the first embodiment will be mainly described, and the description of the components substantially the same as those of the first embodiment will be omitted or simplified.
<最適制御処理部100の機能構成>
まず、本実施形態に係る最適制御処理部100の機能構成について、図12を参照しながら説明する。図12は、第三の実施形態に係る最適制御処理部100の機能構成の一例を示す図である。
<Functional configuration of optimal
First, the functional configuration of the optimum
図12に示すように、本実施形態に係る最適制御処理部100のオンライン処理部120は、オンラインにおいて、関係論理式1400と、目標値の集合1800とを入力して、最適操作量の集合1900を算出する。
As shown in FIG. 12, the
目標値の集合1800は、例えば制御周期i毎の目標値の集合であり、n=1,・・・,N、i=1,・・・,Iとして、
The set of
最適操作量の集合1900は、例えば制御周期i毎の最適な操作量の集合であり、m=1,・・・,M、i=1,・・・,Iとして、
The set of optimum manipulated
また、図12に示す本実施形態に係る最適制御処理部100は、可視化処理部130を有する。可視化処理部130は、最適な操作量から算出される制御量と、目標値との偏差等の評価値を算出し、算出した評価値を可視化する。
Further, the optimal
ここで、可視化処理部130には、制御量算出部131と、評価値算出部132と、可視化部133とが含まれる。制御量算出部131は、モデル式1100により、最適操作量の集合1900から制御量の集合を算出する。制御量の集合は、n=1,・・・,N、i=1,・・・,Iとして、モデル式1100により、
Here, the
評価値算出部132は、制御量算出部131により算出された制御量の集合と、目標値の集合1800とに基づいて、評価値の集合を算出する。可視化部133は、評価値算出部132により算出された評価値の集合を可視化する。
The evaluation
<可視化処理>
以降では、評価値の集合を算出した上で、この評価値の集合を可視化する処理について、図13を参照しながら説明する。図13は、第三の実施形態に係る可視化処理の一例を示すフローチャートである。
<Visualization processing>
Hereinafter, a process of calculating a set of evaluation values and then visualizing the set of evaluation values will be described with reference to FIG. 13. FIG. 13 is a flowchart showing an example of the visualization process according to the third embodiment.
まず、オンライン処理部120は、目標値の集合1800を入力して、最適操作量の集合1900を算出する(ステップS401)。オンライン処理部120は、例えば制御周期i毎に、図6に示す最適操作量の算出処理を繰り返し実行することで、最適操作量の集合1900を算出する。
First, the
次に、可視化処理部130の制御量算出部131は、モデル式1100により、最適操作量の集合1900から制御量の集合を算出する(ステップS402)。すなわち、制御量算出部131は、上記の数11に示す式により制御量の集合を算出する。
Next, the control
次に、可視化処理部130の評価値算出部132は、評価値の集合を算出する(ステップS403)。
Next, the evaluation
ここで、評価値としては、例えば、(1)目標値と、最適操作量に対応する制御量との偏差、(2)平均二乗誤差(RMSE:Root Mean Square Error)、(3)評価関数Eの関数値が用いることができる。 Here, the evaluation values include, for example, (1) the deviation between the target value and the control amount corresponding to the optimum operation amount, (2) root-mean square error (RMSE), and (3) evaluation function E. The function value of can be used.
(1)目標値と、最適操作量に対応する制御量との偏差
評価値として偏差を用いる場合、評価値算出部132は、n=1,・・・,N、i=1,・・・,Iに対して、以下の式により偏差errn
iを算出する。
(1) Deviation between the target value and the control amount corresponding to the optimum operation amount When the deviation is used as the evaluation value, the evaluation
(2)平均二乗誤差(RMSE)
評価値として平均二乗誤差を用いる場合、評価値算出部132は、i=1.・・・,Iに対して、以下の式によりRMSEiを算出する。
(2) Root-mean-squared error (RMSE)
When the mean square error is used as the evaluation value, the evaluation
(3)評価関数Eの関数値
評価値として評価関数Eの関数値を用いる場合、評価値算出部132は、i=1.・・・,Iに対して、以下の式によりEiを算出する。
(3) Function value of the evaluation function E When the function value of the evaluation function E is used as the evaluation value, the evaluation
次に、可視化処理部130の可視化部133は、評価値算出部132により算出された評価値の集合を可視化する(ステップS404)。
Next, the
ここで、評価値の集合を可視化した場合の一例を図14に示す。図14(a)は、SV1とSV2とで構成される平面上の偏差err1を可視化したグラフである。図14(b)は、SV1とSV2とで構成される平面上の平均二乗誤差RMSEを可視化したグラフである。図14(c)は、SV1とSV2とで構成される平面上の評価関数値Eを可視化したグラフである。 Here, FIG. 14 shows an example of a case where a set of evaluation values is visualized. FIG. 14A is a graph that visualizes the deviation err 1 on a plane composed of SV 1 and SV 2 . FIG. 14B is a graph that visualizes the root-mean-squared error RMSE on a plane composed of SV 1 and SV 2 . FIG. 14C is a graph that visualizes the evaluation function value E on the plane composed of SV 1 and SV 2 .
このように、評価値の集合が可視化されることで、本実施形態に係る最適制御装置10のユーザ等は、目標値と、最適操作量に対応する制御量との偏差、平均二乗誤差又は評価関数値を確認することができる。これにより、ユーザ等は、例えば、i毎の目標値に対して、最適制御を行った場合にどの程度目標値から乖離するかを特定することができる。また、本実施形態での可視化処理は、制御実施前のオフラインにおいて、想定される目標値の集合に対して実施することも可能である。このため、可視化によって、解の有無や制御偏差が生じる状況を、制御を行う前に事前に把握することが可能となる。
By visualizing the set of evaluation values in this way, the user or the like of the
<可視化処理の他の例>
以降では、可視化処理の他の例として、最適な制御を行った場合(すなわち、最適な操作量の操作を行った場合)に、評価値が所定の値となる領域を可視化する処理について、図15を参照しながら説明する。図15は、第三の実施形態に係る可視化処理の他の例を示すフローチャートである。以降では、一例として、評価値が偏差であるものとする。なお、図15に示す可視化処理は、例えば、オフラインで実行される。
<Other examples of visualization processing>
In the following, as another example of the visualization process, the process of visualizing the region where the evaluation value becomes a predetermined value when the optimum control is performed (that is, when the operation of the optimum operation amount is performed) is shown in the figure. It will be described with reference to 15. FIG. 15 is a flowchart showing another example of the visualization process according to the third embodiment. Hereinafter, as an example, it is assumed that the evaluation value is a deviation. The visualization process shown in FIG. 15 is executed offline, for example.
まず、オフライン処理部110の一階述語論理式生成部111は、モデル式1100と、関係論理式1400とから、偏差が所定の値となる領域に対応する一階述語論理式ψ´を生成する(ステップS501)。以降では、一例として、偏差が0となる領域に対応する一階述語論理式を生成する場合について説明する。
First, the first-order predicate logic
この場合、一階述語論理式生成部111は、以下の数15に示す一階述語論理式ψ´を生成する。
In this case, the first-order predicate logic
次に、可視化処理部130は、限定記号消去部112により生成された制御可能論理式φ´(SV1,・・・,SVN)を可視化する(ステップS503)。すなわち、可視化処理部130は、制御可能論理式φ´(SV1,・・・,SVN)がTrueとなる領域を描画することで、この制御可能論理式φ´(SV1,・・・,SVN)を可視化する。
Next, the
ここで、偏差が0になる領域を可視化した場合の一例を図16に示す。図16では、SV1とSV2とで構成される平面上で偏差が0となる領域(すなわち、φ´(SV1,・・・,SVN)=Trueとなる領域)が可視化されている。 Here, FIG. 16 shows an example of the case where the region where the deviation becomes 0 is visualized. In FIG. 16, a region where the deviation is 0 on a plane composed of SV 1 and SV 2 (that is, a region where φ ′ (SV 1 , ..., SVN ) = True) is visualized. ..
これにより、本実施形態に係る最適制御装置10のユーザ等は、偏差が所定の値(例えば、偏差が0)となる目標値の領域を確認することができる。これにより、ユーザ等は、例えば、適切な目標値を設定することができるようになる。
As a result, the user or the like of the
[第四の実施形態]
次に、第四の実施形態について説明する。第四の実施形態では、制御量の変化に変化率制約がある場合について説明する。変化率制約がある場合、変化率制約を満たす必要があり、変化率制約を満たさないような制御量(PVn)の変化(例えば、急激な温度上昇や急激な温度低下等)は行うことができない。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment will be described. In the fourth embodiment, a case where there is a rate of change constraint on the change in the controlled variable will be described. When there is a rate of change constraint, it is necessary to satisfy the rate of change constraint, and changes in the controlled variable (PV n ) that do not satisfy the rate of change constraint (for example, a sudden temperature rise or a sudden temperature drop) can be performed. Can not.
そこで、第四の実施形態では、制御対象のシステムに変化率制約がある場合に、変化率制約を満たした最適な操作量を算出する場合について説明する。ただし、第四の実施形態は、制御量の変化に制約がある場合だけでなく、操作量に変化率制約がある場合や操作量と制御量との両方に変化率制約がある場合にも適用可能である。 Therefore, in the fourth embodiment, when the system to be controlled has a change rate constraint, a case of calculating the optimum operation amount satisfying the change rate constraint will be described. However, the fourth embodiment is applied not only when there is a constraint on the change in the controlled variable, but also when there is a rate of change constraint on the manipulated variable or when there is a rate of change constraint on both the manipulated variable and the controlled variable. It is possible.
なお、第四の実施形態では、主に、第一の実施形態との相違点について説明し、第一の実施形態と実質的に同一の構成要素については、その説明を省略又は簡略化する。 In the fourth embodiment, the differences from the first embodiment will be mainly described, and the description of the components substantially the same as those of the first embodiment will be omitted or simplified.
<最適制御処理部100の機能構成>
まず、本実施形態に係る最適制御処理部100の機能構成について、図17を参照しながら説明する。図17は、第四の実施形態に係る最適制御処理部100の機能構成の一例を示す図である。
<Functional configuration of optimal
First, the functional configuration of the optimum
図17に示すように、本実施形態に係る最適制御処理部100のオフライン処理部110は、オフラインにおいて、モデル式1100と、上下限制約1200と、評価関数1300と、変化率制約2000とを入力して、関係論理式1400を算出する。
As shown in FIG. 17, the
変化率制約2000とは、制御対象となるシステムにおける制御量(PVn)や操作量(MVm)を変化させる場合に、単位時間あたりに変化可能な制御量又は操作量を示す制約条件である。変化率制約2000は、現在の制御量をPn
0、制御量Pnに対する変化率の上限をδn
u、制御量Pnに対する変化率の下限をδn
lとすれば、n=1,・・・,Nに対して、以下の数18で表される。
The rate of
<関係論理式の生成処理>
以降では、変化率制約2000も考慮した一階述語論理式ψから関係論理式1400を生成する処理について、図18を参照しながら説明する。図18は、第四の実施形態に係る関係論理式1400の生成処理の一例を示すフローチャートである。なお、図18に示す処理は、例えば、最適操作量の算出処理の前に、オフラインで予め実行される。
<Generation process of relational formula>
Hereinafter, the process of generating the
まず、オフライン処理部110の一階述語論理式生成部111は、モデル式1100と上下限制約1200と評価関数1300と変化率制約2000とを入力して、一階述語論理式ψを生成する(ステップS601)。
First, the first-order predicate logic
ここで、一階述語論理式生成部111は、次のようにして一階述語論理式ψを生成する。すなわち、まず、一階述語論理式生成部111は、上下限制約1200を右辺が0になるように整理、つまり、LMVm-MVm≦0,MVm-HMVm≦0とすると共に、変化率制約2000を右辺が0となるように整理、つまり、PVn
0-δn
l-PVn≦0、PVn-PVn
0-δn
u≦0とする。次に、一階述語論理式生成部111は、LMVm-MVm及びMVm-HMVmにそれぞれラグランジュ乗数(λ1m,λ2m)を乗じた式と、PVn
0-δn
l-PVn及びPVn-PVn
0-δn
uにそれぞれラグランジュ乗数(λ3n,λ4n)を乗じた式とを、評価関数Eに加えることで、以下のラグランジュ関数Lを生成する。
Here, the first-order predicate logic
次に、オフライン処理部110の限定記号消去部112は、限定記号消去法により、一階述語論理式ψから関係論理式1400を生成する(ステップS602)。ここで、関係論理式1400をφと表せば、限定記号消去部112は、限定記号消去法によりラグランジュ乗数を消去することで、以下の関係論理式φを生成する。
Next, the limited
ここで、n=1,・・・,Nに対してPVn 0は制御量の現在値を表す変数であり、領域Rk(k=1,・・・,K)は分割論理式φRk(SV1,・・・,SVN,PV1 0,・・・,PVN 0)が真(True)となる領域を示している。すなわち、上記の関係論理式φは、SV1,・・・,SVN,PV1 0,・・・,PVN 0を各軸とする2N次元空間をK個の領域Rk(k=1.・・・,K)に分割している。 Here, PV n 0 is a variable representing the current value of the controlled variable with respect to n = 1, ..., N, and the region R k (k = 1, ..., K) is the divided formula φ Rk . The region where (SV 1 , ..., SV N , PV 10 ,,,, PV N 0 ) is true is shown. That is, the above relational formula φ has K regions Rk ( k = 1 . ..., K).
また、操作量決定関数gm Rkは、目標値p1,・・・,pNと制御量の現在値q1,・・・,qNとが領域Rkの内部にある場合(すなわち、目標値p1,・・・,pNと制御量の現在値q1,・・・,qNとが領域Rkに含まれる場合)における最適な操作量を算出する操作量決定関数を表している。この式は、変化率制約を考慮した一階述語論理式ψに対して限定記号消去法を行うことによって決定される。 Further, in the manipulated variable determination function g m Rk , when the target values p 1 , ..., P N and the current values q 1 , ..., Q N of the controlled variable are inside the region Rk (that is, the target). Represents an operation amount determination function that calculates the optimum operation amount in the region Rk) where the values p 1 , ..., P N and the current value q 1 , ..., Q N of the control amount are included in the region Rk. .. This equation is determined by performing the qualifying symbol elimination method for the first-order predicate logic equation ψ in consideration of the rate of change constraint.
このように、関係論理式φは、目標値を表す変数SV1,・・・,SVNと制御量の現在値を表す変数PV1
0,・・・,PVN
0とを各軸とする空間を分割する分割論理式φRk(SV1,・・・,SVN,PV1
0,・・・,PVN
0)と、目標値p1,・・・,pNと制御量の現在値q1,・・・,qNとが領域Rkに含まれる場合における最適な操作量を算出する操作量決定関数gm
Rk(SV1,・・・,SVN,PV1
0,・・・,PVN
0)の論理積の論理和で表される。これにより、限定記号消去部112により関係論理式φが生成される。
In this way, the relational logical expression φ has variables SV 1 , ..., SV N representing the target value and variables PV 1 0 , ..., PV N 0 representing the current value of the controlled variable as axes. The current division logic formula φ Rk (SV 1 , ..., SVN , PV 1 0 , ..., PV N 0 ) that divides the space, the target values p 1 , ..., p N , and the current control amount. Operation amount determination function g m Rk (SV 1 , ..., SVN , PV 1 0 , ...) To calculate the optimum operation amount when the values q 1 , ..., q N are included in the region Rk. ·, It is represented by the logical sum of the logical products of PV N 0 ). As a result, the relational formula φ is generated by the limited
<最適操作量の算出処理>
オンライン処理部120の領域判定部121は、分割論理式に目標値p1,・・・,pNと、制御量の現在値q1,・・・,qNとを入力して、分割論理式φRk(p1,・・・,pN,q1,・・・,qN)=Trueであるか否かを判定する。なお、オンライン処理部120に入力される目標値1500と現在値2100は、例えば、制御周期毎にその値が異なっていても良い。
<Calculation processing of optimum operation amount>
The
オンライン処理部120の領域判定部121において、分割論理式φRk(p1,・・・,pN,q1,・・・,qN)=Trueと判定された場合、オンライン処理部120の操作量算出部122は、目標値p1,・・・,pNと、制御量の現在値q1,・・・,qNとが含まれる領域Rkに対応する操作量決定関数に目標値p1,・・・,pNと現在値q1,・・・,qNとを代入して、最適な操作量s1,・・・,sMを算出する
これにより、最適操作量の算出処理において、変化率制約2000を考慮した最適な操作量を算出することができる。なお、最適操作量の算出処理については第一の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
When the
なお、変化率制約2000を考慮した結果、最適な操作量で操作対象を操作したとしても1回の操作で制御量が目標値まで達しない場合がある。このような場合、例えば制御周期毎に、最適な操作量の算出と、操作対象への操作とを繰り返すことで、変化率制約2000を満たしたまま、制御量を目標値に到達させることができる。
As a result of considering the rate of
[実施例1]
以降では、本実施形態に係る最適制御装置10の実施例1について説明する。実施例1では、制御対象のシステムとして、図19に示すヒートポンプモデルを制御する場合について説明する。図19に示すヒートポンプモデルでは、圧縮機200と、膨張弁300と、凝縮器400と、蒸発器500とが含まれる。圧縮機200の操作量(MV1:圧縮機モータ回転率)を大きくすると、凝縮器400の制御量(PV1:凝縮温度)が高温になり、蒸発器500の制御量(PV2:蒸発温度)が低温になる。一方で、膨張弁300の操作量(MV2:膨脹弁開度)を大きくすると、凝縮器400の制御量(PV1:凝縮温度)が低温になり、蒸発器500の制御量(PV2:蒸発温度)が高温になる。実施例1では、圧縮機200の操作量と、膨張弁300の操作量と、凝縮器400の制御量と、蒸発器500の制御量とは、以下の関係にモデル化されているものとする。
[Example 1]
Hereinafter, the first embodiment of the
また、圧縮機200の操作量と膨張弁300の操作量とには、それぞれ、1800≦MV1≦3400、500≦MV2≦700の上下限制約があり、目標値と制御量との誤差を評価する評価関数Eは以下であるものとする。
Further, the operation amount of the
その後、図4のステップS102において、限定記号消去部112により、限定記号消去法によって上記の一階述語論理式ψから関係論理式φが生成される。ここで、実施例1における関係論理式φの分割論理式φRkが表す領域分割を図20に示す。図20では、領域R1~R7を含む複数の領域に分割された場合を示している。図20に示す各領域に対して、最適な操作量を算出するための操作量決定関数gm
Rkが決定される。
Then, in step S102 of FIG. 4, the limited
次に、最適な操作量を決定する場合について説明する。一例として、目標値をp1=63、p2=0とする。この場合、図6のステップS202において、領域判定部121により、目標値(p1,p2)は領域R7に含まれると判定される。したがって、操作量算出部122により、以下の式により最適な操作量が算出される。
Next, a case of determining the optimum operation amount will be described. As an example, the target values are p 1 = 63 and p 2 = 0. In this case, in step S202 of FIG. 6, the
ここで、実施例1において、或る1000個の目標値を用いて、最適制御装置10により最適な制御量(すなわち、最適な操作量)を計算した場合における1000個の目標値SV1及びSV2をプロットしたプロット結果を図21に示す。また、このときの従来技術との比較例を図22に示す。図21に示すように、これらのプロット結果は、或る特定の領域内に集中していることがわかる。このため、例えば、キャッシュ機構部123を用いた場合、優先度が上位の領域にヒットしやすくなり、高速化が期待できる。また、図22に示す例では、従来技術として内点法を用いた最適化関数(Mathematica)により最適な操作量を算出した場合と、本実施形態に係る最適制御装置10により最適な操作量を算出した場合とを示している。図22に示すように、従来技術では0.022122[sec]であるのに対して、本実施形態に係る最適制御装置10では0.000255[sec]であり、計算時間が約1/87に短縮されていることがわかる。このように、本実施形態に係る最適制御装置10によれば、従来技術と比較して、制御量を目標値に追従させるための最適な操作量を高速に算出することができる。
Here, in the first embodiment, 1000 target values SV 1 and SV when the optimum control amount (that is, the optimum operation amount) is calculated by the
なお、本実施形態に係る最適制御装置10がキャッシュ機構部123を有する場合は、0.000203[sec]であり、更に1.26倍高速であった。
When the
[実施例2]
以降では、本実施形態に係る最適制御装置10の実施例2について説明する。実施例2では、実施例1のヒートポンプモデルの制御量に変化率制約がある場合について説明する。この変化率制約は以下であるものとする。
[Example 2]
Hereinafter, the second embodiment of the
このとき、図4のステップS101において、一階述語論理式生成部111により、以下のラグランジュ関数Lが生成される。
At this time, in step S101 of FIG. 4, the following Lagrange function L is generated by the first-order predicate logic
その後、図4のステップS102において、限定記号消去部112により、限定記号消去法によって上記の一階述語論理式ψから関係論理式φが生成される。これにより、最適な操作量の算出処理において、変化率制約を満たす最適な操作量が算出される。
Then, in step S102 of FIG. 4, the limited
ここで、制御周期毎に、最適な操作量の算出処理を繰り返し実行して、制御量を制御した場合の時間変化を図23に示す。図23(a)はPV1の時間変化、図23(b)はPV2の時間変化、図23(c)はMV1の時間変化、図23(d)はMV2の時間変化を示している。図23(a)~図23(d)に示されるように、変化率条件(制御量の変化が1℃以内)を満たしつつ、制御量が目標値に近付くように各時刻での操作量が算出されている。 Here, FIG. 23 shows a time change when the control amount is controlled by repeatedly executing the calculation process of the optimum operation amount for each control cycle. 23 (a) shows the time change of PV 1 , FIG. 23 (b) shows the time change of PV 2 , FIG. 23 (c) shows the time change of MV 1 , and FIG. 23 (d) shows the time change of MV 2 . There is. As shown in FIGS. 23 (a) to 23 (d), the manipulated variable at each time is adjusted so that the controlled variable approaches the target value while satisfying the rate of change condition (the change in the controlled variable is within 1 ° C.). It has been calculated.
また、制御周期t毎に、本実施形態に係る最適制御装置10による最適制御を繰り返し実行した場合に、制御周期t毎に関係論理式φの分割論理式φRkを可視化した場合を図24に示す。図24に示す例では、各制御周期tでの制御量の現在値を観測し、その観測値が代入された分割論理式φRkを可視化した場合を示している。t=1~t=4では、例えば、領域R1が大きく変化しているのがわかる。一方で、t=5~t=7では、領域R1が殆ど変化していない。これは、図23(a)及び図23(b)に示されているように、t=5~t=7では、PV1及びPV2が目標値p1及びp2に近付いていくためである。
Further, FIG. 24 shows a case where the divisional formula φ Rk of the relational formula φ is visualized for each control cycle t when the optimum control by the
<まとめ>
以上のように、本実施形態に係る最適制御装置10は、複数の制御量を目標値に追従させる多変数制御において、オフラインで関係論理式を生成した上で、オンラインで当該関係論理式と目標値とから最適な操作量を算出する。これにより、本実施形態に係る最適制御装置10は、例えばエッジデバイス等の計算資源が比較的少ない機器でも多変数制御を行うことができるようになる。
<Summary>
As described above, the
また、本実施形態に係る最適制御装置10は、関係論理式の生成の際に、限定記号消去を用いて関係論理式を生成する。これにより、本実施形態に係る最適制御装置10では、数値誤差の無い正確な最適制御則(すなわち、関係論理式φ)を生成することができる。
Further, the
本発明は、具体的に開示された上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment disclosed specifically, and various modifications and modifications can be made without departing from the scope of claims.
10 最適制御装置
100 最適制御処理部
110 オフライン処理部
111 一階述語論理式生成部
112 限定記号消去部
120 オンライン処理部
121 領域判定部
122 操作量算出部
10
Claims (12)
制御対象における操作量を表す変数と前記制御量を表す変数との関係を表すモデル式と、前記操作量を表す変数の上限及び下限を表す上下限制約と、前記目標値と前記制御量との差を評価するための評価関数とが入力されると、前記評価関数が最適性条件を満たすように、前記目標値を表す変数と前記操作量を表す変数とが満たすべき関係を表す関係論理式を予め生成する生成手順と、
前記目標値が入力される度に、該目標値と前記関係論理式とに基づいて、前記複数の制御量を前記目標値に追従させるための前記操作量を算出する算出手順と、
をコンピュータが実行し、
前記生成手順は、
前記モデル式と、前記上下限制約と、前記評価関数と、ラグランジュ乗数とからラグランジュ関数を生成し、
前記ラグランジュ関数が前記最適性条件を満たす条件式を生成し、
前記条件式のラグランジュ乗数に対して存在記号を付与して、一階述語論理式を生成し、
前記一階述語論理式に限定記号消去法を適用して、前記目標値を表す変数によって構成される空間を複数の領域に分割する分割論理式と、分割した各領域に対して、最適な前記操作量を計算する操作量決定関数とによって構成される前記関係論理式とを生成する、ことを特徴とする制御方法。 It is a control method used for multivariable control that makes multiple control quantities follow the target value.
A model expression that expresses the relationship between a variable that represents an operation amount in a controlled object and a variable that represents the control amount, an upper / lower limit constraint that expresses the upper and lower limits of the variable that represents the operation amount, and the target value and the control amount. When an evaluation function for evaluating the difference is input, a relational logical expression representing the relationship to be satisfied between the variable representing the target value and the variable representing the manipulated variable so that the evaluation function satisfies the optimum condition. And the generation procedure to generate in advance
Each time the target value is input, a calculation procedure for calculating the operation amount for making the plurality of control amounts follow the target value based on the target value and the relational formula, and a calculation procedure.
The computer runs ,
The generation procedure is
A Lagrange function is generated from the model formula, the upper and lower limit constraints, the evaluation function, and the Lagrange multiplier.
The Lagrange function generates a conditional expression that satisfies the optimum condition,
An existence symbol is added to the Lagrange multiplier of the conditional expression to generate a first-order predicate logic expression.
The first-order predicate formula is applied with the qualifying symbol elimination method to divide the space composed of variables representing the target values into a plurality of regions, and the optimum formula for each divided region. A control method comprising generating the relational formula composed of an operation amount determination function for calculating an operation amount .
前記分割論理式によって分割される複数の領域のうち、前記目標値が含まれる領域を探索し、探索された領域に対応する操作量決定関数に前記目標値を代入することで、前記操作量を算出する、ことを特徴とする請求項1に記載の制御方法。 The calculation procedure is
The operation amount is obtained by searching for a region including the target value among a plurality of regions divided by the division formula and substituting the target value into the operation amount determination function corresponding to the searched region. The control method according to claim 1 , wherein the calculation is performed.
前記モデル式と、前記上下限制約と、前記評価関数と、ラグランジュ乗数と、前記制御量の単位時間の変化率制約とから前記ラグランジュ関数を生成し、
前記一階述語論理式に限定記号消去法を適用して、前記目標値を表す変数と前記制御量の現在値を表す変数とによって構成される空間を複数の領域に分割する分割論理式と、前記操作量決定関数とによって構成される前記関係論理式を生成し、
前記算出手順は、
前記分割論理式によって分割される複数の領域のうち、前記目標値と前記制御量の現在値とが含まれる領域を探索し、探索された領域に対応する操作量決定関数に前記目標値と前記制御量の現在値とを代入して、前記操作量を算出する、
ことを特徴とする請求項1に記載の制御方法。 The generation procedure is
The Lagrange function is generated from the model formula, the upper and lower limit constraints, the evaluation function, the Lagrange multiplier, and the rate of change constraint of the controlled amount per unit time.
A split logic formula that applies the qualifying symbol elimination method to the first-order predicate formula to divide the space composed of the variable representing the target value and the variable representing the current value of the control amount into a plurality of regions. , Generate the relational formula composed of the manipulated variable determination function,
The calculation procedure is
Of the plurality of regions divided by the division formula, the region including the target value and the current value of the control amount is searched, and the target value and the target value and the operation amount determination function corresponding to the searched region are used. The operation amount is calculated by substituting the current value of the control amount.
The control method according to claim 1, wherein the control method is characterized by the above.
前記モデル式と、前記上下限制約と、前記評価関数と、ラグランジュ乗数と、前記操作量の単位時間の変化率制約とからラグランジュ関数を生成し、
前記一階述語論理式に限定記号消去法を適用して、前記目標値を表す変数と前記操作量の現在値を表す変数とによって構成される空間を複数の領域に分割する分割論理式と、前記操作量決定関数によって構成される前記関係論理式とを生成し、
前記算出手順は、
前記分割論理式によって分割される複数の領域のうち、前記目標値と前記操作量の現在値とが含まれる領域を探索し、探索された領域に対応する操作量決定関数に前記目標値と
前記操作量の現在値とを代入して、前記操作量を算出する、
ことを特徴とする請求項1に記載の制御方法。 The generation procedure is
A Lagrange function is generated from the model formula, the upper and lower limit constraints, the evaluation function, the Lagrange multiplier, and the rate of change constraint of the manipulated variable over a unit time.
A divided formula that applies the qualifying symbol elimination method to the first-order predicate formula to divide the space composed of the variable representing the target value and the variable representing the current value of the manipulated variable into a plurality of regions. , Generate the relational formula composed of the manipulated variable determination function,
The calculation procedure is
Of the plurality of regions divided by the division formula, the region including the target value and the current value of the manipulated variable is searched, and the target value and the manipulated variable are used in the manipulated variable determination function corresponding to the searched region. The operation amount is calculated by substituting the current value of the operation amount.
The control method according to claim 1, wherein the control method is characterized by the above.
前記探索する領域の優先度が格納されたキャッシュを参照して、前記優先度に応じて、前記分割論理式によって分割される複数の領域のうち、前記目標値が含まれる領域を探索する、ことを特徴とする請求項2乃至4の何れか一項に記載の制御方法。 The calculation procedure is
Referencing the cache in which the priority of the area to be searched is stored, and searching for the area including the target value among the plurality of areas divided by the division formula according to the priority. The control method according to any one of claims 2 to 4 .
制御対象における操作量を表す変数と前記制御量を表す変数との関係を表すモデル式と、前記操作量を表す変数の上限及び下限を表す上下限制約と、前記目標値と前記制御量との差を評価するための評価関数とが入力されると、前記評価関数が最適性条件を満たすように、前記目標値を表す変数と前記操作量を表す変数とが満たすべき関係を表す関係論理式を予め生成する生成手段と、
前記目標値が入力される度に、該目標値と前記関係論理式とに基づいて、前記複数の制御量を前記目標値に追従させるための前記操作量を算出する算出手段と、
を有し、
前記生成手段は、
前記モデル式と、前記上下限制約と、前記評価関数と、ラグランジュ乗数とからラグランジュ関数を生成し、
前記ラグランジュ関数が前記最適性条件を満たす条件式を生成し、
前記条件式のラグランジュ乗数に対して存在記号を付与して、一階述語論理式を生成し、
前記一階述語論理式に限定記号消去法を適用して、前記目標値を表す変数によって構成される空間を複数の領域に分割する分割論理式と、分割した各領域に対して、最適な前記操作量を計算する操作量決定関数とによって構成される前記関係論理式とを生成する、ことを特徴とする制御装置。 It is a control device that performs multivariable control to make multiple control quantities follow the target value.
A model expression that expresses the relationship between a variable that represents an operation amount in a controlled object and a variable that represents the control amount, an upper / lower limit constraint that expresses the upper and lower limits of the variable that represents the operation amount, and the target value and the control amount. When an evaluation function for evaluating the difference is input, a relational logical expression representing the relationship to be satisfied between the variable representing the target value and the variable representing the manipulated variable so that the evaluation function satisfies the optimum condition. And the generation means to generate in advance,
Each time the target value is input, a calculation means for calculating the operation amount for making the plurality of control amounts follow the target value based on the target value and the relational formula, and a calculation means.
Have,
The generation means is
A Lagrange function is generated from the model formula, the upper and lower limit constraints, the evaluation function, and the Lagrange multiplier.
The Lagrange function generates a conditional expression that satisfies the optimum condition,
An existence symbol is added to the Lagrange multiplier of the conditional expression to generate a first-order predicate logic expression.
The first-order predicate formula is applied with the qualifying symbol elimination method to divide the space composed of variables representing the target values into a plurality of regions, and the optimum formula for each divided region. A control device for generating the relational formula composed of an operation amount determination function for calculating an operation amount .
制御対象における操作量を表す変数と前記制御量を表す変数との関係を表すモデル式と、前記操作量を表す変数の上限及び下限を表す上下限制約と、前記目標値と前記制御量との差を評価するための評価関数とが入力されると、前記評価関数が最適性条件を満たすように、前記目標値を表す変数と前記操作量を表す変数とが満たすべき関係を表す関係論理式を予め生成する生成手順、
前記目標値が入力される度に、該目標値と前記関係論理式とに基づいて、前記複数の制御量を前記目標値に追従させるための前記操作量を算出する算出手順、
を実行させ、
前記生成手順は、
前記モデル式と、前記上下限制約と、前記評価関数と、ラグランジュ乗数とからラグランジュ関数を生成し、
前記ラグランジュ関数が前記最適性条件を満たす条件式を生成し、
前記条件式のラグランジュ乗数に対して存在記号を付与して、一階述語論理式を生成し、
前記一階述語論理式に限定記号消去法を適用して、前記目標値を表す変数によって構成される空間を複数の領域に分割する分割論理式と、分割した各領域に対して、最適な前記操作量を計算する操作量決定関数とによって構成される前記関係論理式とを生成する、ことを特徴とするプログラム。 For computers that perform multivariable control that makes multiple control quantities follow the target value
A model expression that expresses the relationship between a variable that represents an operation amount in a controlled object and a variable that represents the control amount, an upper / lower limit constraint that expresses the upper and lower limits of the variable that represents the operation amount, and the target value and the control amount. When an evaluation function for evaluating the difference is input, a relational logical expression representing the relationship to be satisfied between the variable representing the target value and the variable representing the manipulated variable so that the evaluation function satisfies the optimum condition. Pre-generated generation procedure,
A calculation procedure for calculating the operation amount for making the plurality of control amounts follow the target value based on the target value and the relational formula each time the target value is input.
To execute ,
The generation procedure is
A Lagrange function is generated from the model formula, the upper and lower limit constraints, the evaluation function, and the Lagrange multiplier.
The Lagrange function generates a conditional expression that satisfies the optimum condition,
An existence symbol is added to the Lagrange multiplier of the conditional expression to generate a first-order predicate logic expression.
The first-order predicate formula is applied with the qualifying symbol elimination method to divide the space composed of variables representing the target values into a plurality of regions, and the optimum formula for each divided region. A program characterized by generating the relational formula composed of an operation amount determination function for calculating an operation amount .
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