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, Patent Documents 2 to 8, Non-Patent Documents 1 and 2).

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).

特開2004―20031号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-20031 特開2010-12889号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-12889 特開2010-12890号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-12890 特開2010-13990号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-13990 特開2013-101472号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-101472 特開2013-134741号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-134741 国際公開第2011/136160号International Publication No. 2011/136160 国際公開第2013/077007号International Publication No. 2013/077007 特開平11-328239号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-328239

Alberto Bemporad, Manfred Morari, Vivek Dua, Efstratios N. Pistikopoulos "The explicit linear quadratic regulator for constrained systems" Automatica, Vol.38, pp.3-20Alberto Bemporad, Manfred Morari, Vivek Dua, Efstratios N. Pistikopoulos "The explicit linear quadratic regulator for constrained systems" Automatica, Vol.38, pp.3-20 井村順一、東俊一、増淵泉、「ハイブリッドシステムの制御」、コロナ社、2014年、pp.142-154Jun-ichi Imura, Shunichi Higashi, Izumi Masubuchi, "Control of Hybrid Systems", Corona Publishing Co., Ltd., 2014, pp. 142-154 穴井宏和,横山和弘,「QEの計算アルゴリズムとその応用 数式処理による最適化」,東京大学出版会,2011年,pp.214-221Hirokazu Anai, Kazuhiro Yokoyama, "QE Calculation Algorithms and Their Applications Optimization by Mathematical Processing", University of Tokyo Press, 2011, pp. 214-221 丹下吉雄,桐生智志,松井哲郎,福山良和,「数式処理技術を利用した需給バランス最適化問題の可視化」,計測自動制御学会制御部門大会 13th ROMBUNNO.8C2-5Yoshio Tange, Satoshi Kiryu, Tetsuro Matsui, Yoshikazu Fukuyama, "Visualization of Demand-Supply Balance Optimization Problems Using Computer Algebra Technology", 13th ROMBUNNO. 8C2-5

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 Patent Document 1, the optimum control is realized by solving the optimum control problem by using a mathematical programming method. Therefore, a lot of calculation time is required to search for the optimum solution, and a lot of calculation resources are also required to solve the optimum control problem. Therefore, for example, it may be difficult to solve the optimum control problem with an edge device having limited computational resources, and it may be difficult to control a controlled object having a short control cycle. Further, for example, it was not possible to determine in advance the case where the optimum input cannot be calculated because there is no solution to the optimum control problem. Examples of the edge device include a built-in computing device, a control device such as a PLC (Programmable Logic Controller), and the like.

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, Patent Documents 2 to 8 and Non-Patent Documents 1 and 2, the target value is fixed in the state space model. Further, when the prediction interval becomes long, the region division of the state variable becomes complicated, and it may be difficult to realize it with an edge device having limited computational resources.

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.

第一の実施形態に係る最適制御装置の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of the optimum control device which concerns on 1st Embodiment. 第一の実施形態に係る最適制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the hardware composition of the optimum control device which concerns on 1st Embodiment. 第一の実施形態に係る最適制御処理部の機能構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the functional structure of the optimal control processing unit which concerns on 1st Embodiment. 第一の実施形態に係る関係論理式の生成処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the generation process of the relational formula which concerns on 1st Embodiment. 関係論理式が表す領域分割の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the area division represented by the relational formula. 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。It is a flowchart which shows an example of the calculation process of the optimum operation amount which concerns on 1st Embodiment. 最適制御処理部の適用例の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the application example of the optimum control processing part. 第二の実施形態に係る最適制御処理部の機能構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the functional structure of the optimal control processing part which concerns on the 2nd Embodiment. キャッシュの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a cache. 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。It is a flowchart which shows an example of the calculation process of the optimum operation amount which concerns on 2nd Embodiment. 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。It is a flowchart which shows the other example of the calculation process of the optimum operation amount which concerns on 2nd Embodiment. 第三の実施形態に係る最適制御処理部の機能構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the functional structure of the optimal control processing unit which concerns on 3rd Embodiment. 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。It is a flowchart which shows an example of the visualization process which concerns on 3rd Embodiment. 評価値の集合を可視化した場合の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the case where the set of evaluation values is visualized. 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。It is a flowchart which shows the other example of the visualization process which concerns on 3rd Embodiment. 偏差が0になる領域を可視化した場合の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the case where the region where the deviation becomes 0 is visualized. 第四の実施形態に係る最適制御処理部の機能構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the functional structure of the optimal control processing part which concerns on 4th Embodiment. 第四の実施形態に係る関係論理式の生成処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the generation process of the relational formula which concerns on 4th Embodiment. 実施例1におけるヒートポンプモデルを示す図である。It is a figure which shows the heat pump model in Example 1. FIG. 実施例1における関係論理式が表す領域分割を示す図である。It is a figure which shows the area division represented by the relational formula in Example 1. FIG. 1000個の目標値のプロット結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the plot result of 1000 target values. 従来技術との計算時間の比較例を示す図である。It is a figure which shows the comparative example of the calculation time with the prior art. 実施例2における制御量及び操作量の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the control amount and the operation amount in Example 2. FIG. 実施例2における各時刻の領域分割の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the area division of each time in Example 2. FIG.

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 optimum control device 10 for calculating the optimum operation amount for the operation target at high speed in the multivariable control in which a plurality of control amounts follow the target value will be described. The optimum control device 10 is an edge device (for example, a built-in computing device, a control device such as a PLC, or the like) having limited computing resources. However, the optimum control device 10 according to the present embodiment may be, for example, various devices or devices having sufficient computational resources, in addition to the edge device.

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MV,・・・,MV、制御量を表す変数をPV,・・・,PV、制御量の目標値を表す変数をSV,・・・,SV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 optimal control device 10>
First, the configuration of the optimum control device 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of the optimum control device 10 according to the first embodiment.

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 optimum control device 10 according to the present embodiment has an optimum control processing unit 100. The optimum control device 10 according to the present embodiment calculates the optimum operation amount for the operation target in the multivariable control in which a plurality of control amounts follow the target value by the optimum control processing unit 100. At this time, the optimum control device 10 according to the present embodiment generates a relational formula expressing the relationship that the optimum operation amount should satisfy with respect to the target value offline. That is, the optimal control device 10 according to the present embodiment generates a relational formula in advance before the online execution.

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 optimum control device 10 according to the present embodiment calculates the optimum operation amount for making a plurality of control amounts follow the target value online by the relational formula generated in advance. As a result, in the optimum control device 10 according to the present embodiment, accurate and high-speed control can be realized even with a device or device having limited computational resources such as an edge device.

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 control processing unit 100 is realized by a process of causing one or more programs installed in the optimum control device 10 according to the present embodiment to be executed by a CPU (Central Processing Unit) 17, which will be described later.

<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 optimal control device 10>
Next, the hardware configuration of the optimum control device 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing an example of the hardware configuration of the optimum control device 10 according to the first embodiment.

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 optimum control device 10 according to the present embodiment includes an input device 11, a display device 12, an external I / F 13, a communication I / F 14, a ROM (Read Only Memory) 15, and a RAM. It has (Random Access Memory) 16, a CPU 17, and an auxiliary storage device 18. Each of these hardware is connected to each other by a bus 19 so as to be able to communicate with each other.

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 input device 11 is, for example, various buttons, a touch panel, a keyboard, a mouse, or the like, and is used to input various operations to the optimum control device 10. The display device 12 is, for example, a display or the like, and displays various processing results by the optimum control device 10. The optimum control device 10 does not have to have at least one of the input device 11 and the display device 12.

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 / F 13 is an interface with an external device. The external device includes a recording medium 13a and the like. The optimum control device 10 can read and write the recording medium 13a via the external I / F 13. The recording medium 13a includes, for example, an SD memory card, a USB memory, a CD (Compact Disk), a DVD (Digital Versatile Disk), and the like. One or more programs that realize the optimum control processing unit 100 may be stored in the recording medium 13a.

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 / F 14 is an interface for the optimum control device 10 to perform data communication with another device. The one or more programs that realize the optimal control processing unit 100 may be acquired (downloaded) from a predetermined server or the like via the communication I / F14.

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 ROM 15 is a non-volatile semiconductor memory that can retain data even when the power is turned off. The RAM 16 is a volatile semiconductor memory that temporarily holds programs and data. The CPU 17 is an arithmetic unit that reads programs and data from, for example, the auxiliary storage device 18 and the ROM 15 into the RAM 16 and executes various processes.

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 auxiliary storage device 18 is, for example, an HDD (Hard Disk Drive), an SSD (Solid State Drive), or the like, and is a non-volatile memory for storing programs and data. The programs and data stored in the auxiliary storage device 18 include, for example, one or more programs that realize the optimum control processing unit 100, an OS (Operating System) that is basic software, and various application programs that operate on the OS. be.

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 optimum control device 10 according to the present embodiment can realize various processes described later. Although FIG. 2 shows a hardware configuration example in which the optimum control device 10 is realized by one computer, the optimum control device 10 may be realized by a plurality of computers.

<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 control processing unit 100>
Next, the functional configuration of the optimum control processing unit 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram showing an example of the functional configuration of the optimum control processing unit 100 according to the first embodiment.

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 control processing unit 100 according to the present embodiment includes an offline processing unit 110 and an online processing unit 120. In the present embodiment, the case where one optimum control device 10 has both the offline processing unit 110 and the online processing unit 120 will be described, but the present invention is not limited to this. Different devices may have the offline processing unit 110 and the online processing unit 120. In particular, for example, various devices or devices having sufficient computational resources may have an offline processing unit 110, while an edge device or the like having limited computational resources may have an online processing unit 120.

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 offline processing unit 110 inputs the model formula 1100, the upper / lower limit constraint 1200, and the evaluation function 1300 offline, and calculates the relational formula 1400.

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MV,・・・,MVと、制御量を表す変数PVとの関係を表す関数をfとすれば、PV:=f(MV,・・・,MV),(n=1,・・・,N)で表される。 The model formula 1100 is a model representing the relationship between the manipulated variable and the controlled variable in the system to be controlled. In the model equation 1100, if the function representing the relationship between the variables MV 1 , ..., MV M representing the manipulated variable and the variable PV n representing the controlled variable is f n , then PV n : = f n (MV 1 ). , ..., MV M ), (n = 1, ..., N).

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。fは線形に限られず、区分線形等であっても良い。 The model formula 1100 can be created by regression analysis or the like using, for example, the actual value of the controlled variable with respect to the actual manipulated variable. f n is not limited to linear, and may be piecewise linear or the like.

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HMV,・・・,HMV、各操作量の下限をLMV,・・・,LMVとすれば、LMV≦MV≦HMV,(m=1,・・・,M)で表される。 Further, the upper and lower limit constraints 1200 are constraints representing the upper limit and the lower limit of each manipulated variable in the system to be controlled. As for the upper and lower limit constraints 1200, if the upper limit of each manipulated variable is HMV 1 , ..., HMV M , and the lower limit of each manipulated variable is HMV 1 , ..., HMV M , then LMV m ≤ MV m ≤ HMV m , It is represented by (m = 1, ..., M).

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SV,・・・,SVと、制御量を表す変数PV,・・・,PV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 evaluation function 1300 is a function for evaluating the difference between the target value and the controlled variable. If the function for evaluating the difference between the variables SV 1 , ..., SVN representing the target value and the variables PV 1 , ..., PV N representing the control amount is E , the evaluation function 1300 is assumed. It is represented by the following number 1.

Figure 0007077667000001
また、関係論理式1400は、モデル式1100と上下限制約1200と評価関数1300とに基づく最適性条件(KKT(Karush-Kuhn-Tucker )条件)を満たす場合において、目標値を表す変数SV,・・・,SVに対して操作量を表す変数MV,・・・,MVが満たすべき関係を表す論理式である。関係論理式1400は、目標値を表す変数SV,・・・,SVを各軸とするN次元空間をK個の領域Rk(k=1.・・・,K)に分割する論理式で表される。なお、分割数Kは、限定記号消去法を行うことによって決定される定数である。
Figure 0007077667000001
Further, the relational formula 1400 is a variable SV 1 , which represents a target value when the optimum condition (KKT (Karush-Kuhn-Tucker) condition) based on the model formula 1100, the upper / lower limit constraint 1200, and the evaluation function 1300 is satisfied. ..., A logical expression representing the relationship that the variables MV 1 , ..., MV M , which represent the manipulated variable with respect to SVN , should satisfy. The relational formula 1400 is a formula that divides an N -dimensional space having variables SV 1 , ..., SVN as each axis representing a target value into K regions Rk (k = 1. ..., K). It is represented by. The number of divisions K is a constant determined by performing the qualifying symbol elimination method.

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 offline processing unit 110 includes a first-order predicate logic expression generation unit 111 and a qualifying symbol erasing unit 112. The first-order predicate logic expression generation unit 111 generates the first-order predicate logic expression ψ from the model expression 1100, the upper / lower limit constraint 1200, and the evaluation function 1300. The limited symbol erasing unit 112 generates the relational formula 1400 from the first-order predicate logical formula ψ generated by the first-order predicate logical formula generation unit 111 by the limited symbol erasing method.

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 online processing unit 120 inputs the relational formula 1400 and the target value 1500 online to calculate the optimum operation amount 1600.

目標値1500は、制御量を表す変数PV,・・・,PVの目標値p,・・・,pである。 The target value 1500 is the target value p 1 , ..., P N of the variables PV 1 , ..., PV N representing the control amount.

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s,・・・,sである。 The optimum operation amount 1600 is an optimum operation amount s 1 , ..., S M for making the control amount follow the target value.

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p,・・・,p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p,・・・,pが含まれる領域Rkに対応する関数により最適な操作量s,・・・,sを算出する。 Here, the online processing unit 120 includes an area determination unit 121 and an operation amount calculation unit 122. The area determination unit 121 determines which of the areas Rk (k = 1, ..., K) the target values p 1 , ..., P N are included in. The operation amount calculation unit 122 has an optimum operation amount s 1 , ..., By a function corresponding to the region Rk including the target values p 1 , ... s M is calculated.

<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 relational formula 1400 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart showing an example of the generation process of the relational formula 1400 according to the first embodiment. The process shown in FIG. 4 is executed offline in advance, for example, before the process of calculating the optimum operation amount described later.

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 expression generation unit 111 of the offline processing unit 110 inputs the model expression 1100, the upper / lower limit constraint 1200, and the evaluation function 1300 to generate the first-order predicate logic expression ψ (step S101).

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、LMV-MV≦0,MV-HMV≦0とする。次に、一階述語論理式生成部111は、LMV-MV及びMV-HMVにそれぞれラグランジュ乗数(λ1,λ2)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 expression generation unit 111 generates the first-order predicate logic expression ψ as follows. That is, first, the first-order predicate logic expression generation unit 111 arranges the upper and lower limit constraints 1200 so that the right side becomes 0, that is, LMV m -MV m ≤ 0, MV m -HMV m ≤ 0. Next, the first-order predicate logic expression generation unit 111 adds an expression obtained by multiplying the LMV m -MV m and the MV m -HMV m by the Lagrange multipliers (λ1 m , λ2 m ) to the evaluation function E as follows. Generates the Lagrange function L of.

Figure 0007077667000002
次に、一階述語論理式生成部111は、m=1,・・・,Mに対して、最適性条件(KKT条件)を満たすように以下の条件式を生成する。言い換えれば、一階述語論理式生成部111は、制約の数Mだけ、最適性条件(KKT条件)を満たすように以下の条件式を生成する。
Figure 0007077667000002
Next, the first-order predicate logic expression generation unit 111 generates the following conditional expressions for m = 1, ..., M so as to satisfy the optimum condition (KKT condition). In other words, the first-order predicate logic expression generation unit 111 generates the following conditional expressions so as to satisfy the optimum condition (KKT condition) by the number of constraints M.

Figure 0007077667000003
次に、一階述語論理式生成部111は、上記で生成した全ての条件式ψ1,ψ2,ψ3及びψ4を論理積で結合した以下の条件式ψ5を生成する。
Figure 0007077667000003
Next, the first-order predicate logic expression generation unit 111 generates the following conditional expression ψ5 in which all the conditional expressions ψ1 m , ψ2 m , ψ3 m , and ψ4 m generated above are combined by a logical product.

Figure 0007077667000004
そして、一階述語論理式生成部111は、条件式ψ5に対して、ラグランジュ乗数(λ1,λ2)に存在記号(∃)を付与して、以下の一階述語論理式ψを生成する。
Figure 0007077667000004
Then, the first-order predicate logic expression generation unit 111 adds an existence symbol (∃) to the Lagrange multiplier (λ1 m , λ2 m ) with respect to the conditional expression ψ5, and generates the following first-order predicate logic expression ψ. ..

Figure 0007077667000005
これにより、一階述語論理式生成部111により一階述語論理式ψが生成される。
Figure 0007077667000005
As a result, the first-order predicate logic expression ψ is generated by the first-order predicate logic expression generation unit 111.

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 symbol erasing unit 112 of the offline processing unit 110 generates the relational formula 1400 from the first-order predicate logical formula ψ by the limited symbol erasing method (step S102). Here, if the relational formula 1400 is expressed as φ, the limited symbol erasing unit 112 generates the following relational formula φ by erasing the Lagrange multiplier by the limited symbol erasing method. For the qualifying symbol elimination method, refer to, for example, Non-Patent Document 3.

Figure 0007077667000006
ここで、領域Rk(k=1,・・・,K)は分割論理式φRk(SV,・・・,SV)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、SV,・・・,SV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。
Figure 0007077667000006
Here, the region Rk (k = 1, ..., K) indicates a region in which the divided formula φ Rk (SV 1 , ..., SVN ) is true (True). That is, the above relational formula φ divides the N -dimensional space having SV 1 , ..., SVN as each axis into K regions Rk (k = 1. ..., K).

また、 again,

Figure 0007077667000007
は目標値p,・・・,pが領域Rkの内部にある場合(すなわち、目標値p,・・・,p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、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。
Figure 0007077667000007
Calculates the optimal manipulation amount when the target values p 1 , ..., P N are inside the region Rk (that is, when the target values p 1 , ..., P N are included in the region Rk). Represents an operation amount determination function. This formula is determined by performing the qualifying symbol elimination method for the first-order predicate logic formula ψ.

このように、関係論理式φは、目標値を表す変数SV,・・・,SVを各軸とする空間を分割する分割論理式φRk(SV,・・・,SV)と、目標値p,・・・,p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、SV,・・・,SV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SV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、SV,・・・,SV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 symbol erasing unit 112. Here, as described above, the relational formula φ divides the N -dimensional space having SV 1 , ..., SVN as each axis into K regions Rk (k = 1. ..., K). is doing. Therefore, as an example, in the case of K = 5, the regions R1 to R5 on the plane composed of a certain axis SV n and SV n + 1 are shown in FIG. FIG. 5 is a diagram showing an example of region division represented by a relational formula. As shown in FIG. 5, each region R1 to R5 is represented by a region that divides an N -dimensional space with SV 1 , ..., SVN as each axis.

<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p,・・・,pに対する最適な操作量s,・・・,s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 relational formula 1400 will be described with reference to FIG. .. FIG. 6 is a flowchart showing an example of the calculation process of the optimum operation amount according to the first embodiment. The process shown in FIG. 6 is executed online for each control cycle of the system to be controlled, for example.

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 online processing unit 120 initializes k for specifying the area Rk (this k is also referred to as a “region number”) to 1 (step S201).

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(p,・・・,p)=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 area determination unit 121 of the online processing unit 120 inputs the relational formula 1400 and the target value 1500, and whether or not the divisional formula φ Rk (p 1 , ..., P N ) = True. (Step S202). The target value 1500 input to the online processing unit 120 may be different for each control cycle, for example.

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(SV,・・・,SV)に対して目標値p・・・,pを代入して、φRk(p,・・・,p)=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p・・・,pが領域Rkに含まれるか否かを判定する。 That is, the area determination unit 121 substitutes the target values p 1 ..., P N for the divided formula φ Rk (SV 1 , ..., SVN ) included in the relational formula φ, and φ It is determined whether or not Rk (p 1 , ..., P N ) = True. In other words, the area determination unit 121 determines whether or not the target values p1 ..., PN are included in the area Rk.

ステップS202において、φRk(p,・・・,p)=Trueでないと判定された場合(すなわち、目標値p,・・・,p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(p,・・・,p)=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 processing unit 120 adds 1 to the area number k (step S203). Then, the online processing unit 120 returns to the processing of step S202. As a result, the above step S202 is repeatedly executed until φ Rk (p 1 , ..., P N ) = True for a certain area number k.

ステップS202において、φRk(p,・・・,p)=Trueであると判定された場合(すなわち、目標値p,・・・,p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p,・・・,p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s,・・・,s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 amount calculation unit 122 of the processing unit 120 calculates the optimum operation amount s 1 , ..., S M by the operation amount determination function corresponding to the region Rk including the target values p 1 , ..., P N. (Step S204).

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s,・・・,sを算出する。 That is, the operation amount calculation unit 122 calculates the optimum operation amount s 1 , ..., S M by the following operation amount determination function for each m = 1, ..., M.

Figure 0007077667000008
これにより、操作量算出部122により、制御対象のシステムの制御量を目標値p,・・・,pに追従させるための最適な操作量s,・・・,sが算出される。
Figure 0007077667000008
As a result, the operation amount calculation unit 122 calculates the optimum operation amount s 1 , ..., S M for making the control amount of the controlled system follow the target values p 1 , ..., P N. To.

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 optimum control device 10 according to the present embodiment generates the relational formula φ in advance offline, and then calculates the optimum operation amount for the target value online. In this way, by generating the relational formula φ in advance offline, the optimal control device 10 according to the present embodiment can operate the optimum amount of operations online at high speed even when computational resources are limited, for example. Can be calculated.

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 optimal control device 10 according to the present embodiment generates the relational formula φ by the qualifying symbol elimination method. As a result, the optimal control device 10 according to the present embodiment can generate an accurate optimal control rule (that is, a relational formula φ) without a numerical error.

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 model formula 1100, the upper / lower limit constraint 1200, and the evaluation function 1300 is changed. It should be executed.

<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 control processing unit 100>
Here, an application example of the optimum control processing unit 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 7 (a) and 7 (b). FIG. 7 is a diagram showing an example of an application example of the optimum control processing unit 100.

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(SV及びSV)から最適操作量(MV及びMV)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(MV及びMV)を目標値(SV´及びSV´)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 control processing unit 100. 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 control processing unit 100, and outputs the optimum operation amount (MV 1 and MV 2 ) to the lower controllers C12 and C13. Then, the lower controllers C12 and C13 receive and control the optimum operation amount (MV 1 and MV 2 ) as the target value (SV ′ 1 and SV ′ 2 ). As described above, the upper controller C11 may pass the optimum operation amount to the lower controllers C12 and C13, and the lower controllers C12 and C13 may control the optimum operation amount as the target value.

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(SV及びSV)から最適操作量(MV及びMV)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(PV及びPV)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(PV及びPV)を目標値(SV´及びSV´)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 control processing unit 100, and the model formula is obtained from this optimum operation amount. The control amounts (PV 1 and PV 2 ) calculated by 1100 are output to the lower controllers C12 and C13. Then, the lower controllers C12 and C13 receive and control the control amounts (PV 1 and PV 2 ) as target values (SV ′ 1 and SV ′ 2 ). As described above, the upper controller C11 may pass a control amount for the optimum operation amount to the lower controllers C12 and C13, and the lower controllers C12 and C13 may perform control using this control amount as a target value.

[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p,・・・p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p,・・・p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p,・・・p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 control processing unit 100>
First, the functional configuration of the optimum control processing unit 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram showing an example of the functional configuration of the optimum control processing unit 100 according to the second embodiment.

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p,・・・,p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 online processing unit 120 of the optimal control processing unit 100 according to the present embodiment further includes a cache mechanism unit 123. In the online processing unit 120 according to the present embodiment, whether or not the target values p 1 , ..., P N are included in the area Rk indicated by the area number k corresponding to the priority Y in ascending order of the priority Y. To judge. At this time, the cache mechanism unit 123 refers to the cache 1700 and converts the priority Y into the area number k.

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 cache 1700 will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a diagram showing an example of the cache 1700.

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p,・・・,p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 cache 1700 is associated with the priority Y and the area number k. For example, the priority Y = 1 and the area number k = 5 are associated with each other. Similarly, the priority Y = 2 and the area number k = 4 are associated with each other. The same applies to the case where the priority Y = 3 or higher. From this, the online processing unit 120 according to the present embodiment has a target value p in the area Rk indicated by the corresponding area number k in the order of the area numbers k = 5, 4, 1, 3, 2 according to the priority Y. It can be determined whether or not 1 , ..., P N is included.

<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(p,・・・,p)=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 online processing unit 120 initializes the priority Y to 1 (step S301). Next, the cache mechanism unit 123 of the online processing unit 120 refers to the cache 1700 and converts the priority Y into the area number k (step S302). That is, the cache mechanism unit 123 refers to the cache 1700 and converts the priority Y into the area number k associated with the priority Y. As a result, in step S202, it is determined whether or not φ Rk (p 1 , ..., P N ) = True using the region number k. Note that k: = cache [Y] is a function that converts the priority Y into the area number k with reference to the cache 1700.

ステップS202において、φRk(p,・・・,p)=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(p,・・・,p)=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 online processing unit 120 adds 1 to the priority Y (step S303). Then, the online processing unit 120 returns to the processing of step S302. As a result, the above steps S202 are repeatedly executed in ascending order of priority Y until φ Rk (p 1 , ..., P N ) = True for a certain area number k.

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p,・・・,p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p,・・・,p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 optimum control device 10 according to the present embodiment, the region Rk including the target values p 1 , ..., P N is searched in descending order of priority. As a result, by appropriately creating the cache 1700, it is possible to reduce the time required for searching the region Rk including the target values p 1 , ..., P N.

<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(p,・・・,p)=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 cache mechanism unit 123 updates the cache 1700 so that the area number k has a higher priority. (Step S304).

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(p,・・・,p)=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 cache mechanism unit 123 updates the priority Y associated with the area number k to 1, and decrements 1 from the priority Y associated with the other area number k. As a result, the priority Y of the area number k determined to be φ Rk (p 1 , ..., P N ) = True in step S202 can be set to the highest.

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(p,・・・,p)=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 cache mechanism unit 123 raises the priority Y of the area number k determined as φ Rk (p 1 , ..., p N ) = True in step S202 by one, for example. You may.

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p,・・・,p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p,・・・,p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 optimum control device 10 according to the present embodiment may update the cache 1700 according to the determination result of the area determination unit 121. As a result, the priority Y corresponding to the area number k of the area Rk determined to include the target values p 1 , ..., P N can be dynamically increased. Therefore, it can be expected that the time required for searching the region Rk including the target values p 1 , ..., P N will be further reduced.

[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 optimum control device 10 can confirm the deviation between the control amount and the target value when the operation of the optimum operation amount is performed on the operation target.

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 control processing unit 100>
First, the functional configuration of the optimum control processing unit 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a diagram showing an example of the functional configuration of the optimum control processing unit 100 according to the third embodiment.

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 online processing unit 120 of the optimum control processing unit 100 according to the present embodiment inputs the relational formula 1400 and the set of target values 1800 online, and sets the optimum operation amount 1900. Is calculated.

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 target values 1800 is, for example, a set of target values for each control cycle i, and n = 1, ..., N, i = 1, ..., I.

Figure 0007077667000009
で表される。
Figure 0007077667000009
It is represented by.

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 variables 1900 is, for example, a set of optimum manipulated variables for each control cycle i, where m = 1, ..., M, i = 1, ..., I.

Figure 0007077667000010
で表される。
Figure 0007077667000010
It is represented by.

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 control processing unit 100 according to the present embodiment shown in FIG. 12 has a visualization processing unit 130. The visualization processing unit 130 calculates an evaluation value such as a deviation between the control amount calculated from the optimum operation amount and the target value, and visualizes the calculated evaluation value.

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 visualization processing unit 130 includes a control amount calculation unit 131, an evaluation value calculation unit 132, and a visualization unit 133. The control amount calculation unit 131 calculates a set of control quantities from the set of optimum manipulated quantities 1900 by the model formula 1100. The set of control quantities is set to n = 1, ..., N, i = 1, ..., I by the model formula 1100.

Figure 0007077667000011
で算出される。
Figure 0007077667000011
It is calculated by.

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 value calculation unit 132 calculates a set of evaluation values based on the set of control quantities calculated by the control amount calculation unit 131 and the set of target values 1800. The visualization unit 133 visualizes a set of evaluation values calculated by the evaluation value calculation unit 132.

<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 online processing unit 120 inputs the target value set 1800 and calculates the optimum operation amount set 1900 (step S401). The online processing unit 120 repeatedly executes the calculation process of the optimum operation amount shown in FIG. 6 for each control cycle i, for example, to calculate the set 1900 of the optimum operation amount.

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 amount calculation unit 131 of the visualization processing unit 130 calculates a set of control quantities from the set of optimal manipulated quantities 1900 by the model formula 1100 (step S402). That is, the control amount calculation unit 131 calculates a set of control amounts by the formula shown in the above equation 11.

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 value calculation unit 132 of the visualization processing unit 130 calculates a set of evaluation values (step S403).

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err 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 value calculation unit 132 uses n = 1, ..., N, i = 1, ... , I, the deviation err n i is calculated by the following formula.

Figure 0007077667000012
これにより、評価値の集合として、偏差err の集合が得られる。
Figure 0007077667000012
As a result, a set of deviations errn i is obtained as a set of evaluation values.

(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RMSEを算出する。
(2) Root-mean-squared error (RMSE)
When the mean square error is used as the evaluation value, the evaluation value calculation unit 132 uses i = 1. ..., For I, RMSE i is calculated by the following formula.

Figure 0007077667000013
これにより、評価値の集合として、平均二乗誤差RMSEの集合が得られる。
Figure 0007077667000013
As a result, a set of root-mean square error RMSE i is obtained as a set of evaluation values.

(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E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 value calculation unit 132 has i = 1. ..., For I, E i is calculated by the following formula.

Figure 0007077667000014
これにより、評価値の集合として、評価関数値の集合Eが得られる。
Figure 0007077667000014
As a result, a set Ei of evaluation function values is obtained as a set of evaluation values.

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 visualization unit 133 of the visualization processing unit 130 visualizes a set of evaluation values calculated by the evaluation value calculation unit 132 (step S404).

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、SVとSVとで構成される平面上の偏差errを可視化したグラフである。図14(b)は、SVとSV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、SVとSV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 optimum control device 10 according to the present embodiment can perform deviation, mean square error or evaluation between the target value and the control amount corresponding to the optimum operation amount. You can check the function value. Thereby, for example, the user or the like can specify how much the target value for each i deviates from the target value when the optimum control is performed. Further, the visualization process in the present embodiment can be performed on a set of assumed target values offline before the control is executed. For this reason, visualization makes it possible to grasp in advance the presence or absence of a solution and the situation where control deviation occurs before performing control.

<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 expression generation unit 111 of the offline processing unit 110 generates the first-order predicate logic expression ψ'corresponding to the region where the deviation becomes a predetermined value from the model expression 1100 and the relational logic expression 1400. (Step S501). Hereinafter, as an example, a case where a first-order predicate logic expression corresponding to a region where the deviation is 0 will be generated will be described.

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 expression generation unit 111 generates the first-order predicate logic expression ψ'shown in the following equation 15.

Figure 0007077667000015
なお、例えば、偏差がaとなる領域に対応する一階述語論理式ψ´を生成する場合は、以下の数16を生成すれば良い。
Figure 0007077667000015
For example, when generating the first-order predicate logic equation ψ'corresponding to the region where the deviation is a, the following number 16 may be generated.

Figure 0007077667000016
また、例えば、偏差がa以上かつb以下となる領域に対応する一階述語論理式ψ´を生成する場合は、以下の数17を生成すれば良い。
Figure 0007077667000016
Further, for example, when generating the first-order predicate logic equation ψ'corresponding to the region where the deviation is greater than or equal to a and less than or equal to b, the following number 17 may be generated.

Figure 0007077667000017
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´から制御可能論理式φ´(SV,・・・,SV)を生成する(ステップS502)。
Figure 0007077667000017
Next, the limited symbol erasing unit 112 of the offline processing unit 110 generates a controllable logical expression φ'(SV 1 , ..., SVN) from the first - order predicate logical expression ψ'by the limited symbol erasing method (SV 1, ..., SVN). Step S502).

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´(SV,・・・,SV)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´(SV,・・・,SV)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´(SV,・・・,SV)を可視化する。 Next, the visualization processing unit 130 visualizes the controllable formula φ'(SV 1 , ..., SVN ) generated by the qualifying symbol erasing unit 112 (step S503). That is, the visualization processing unit 130 draws a region in which the controllable formula φ'(SV 1 , ..., SV N ) is True, so that the controllable logical formula φ'(SV 1 , ..., SV N) is drawn. , SVN ) is visualized.

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、SVとSV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´(SV,・・・,SV)=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 optimum control device 10 according to the present embodiment can confirm the region of the target value at which the deviation is a predetermined value (for example, the deviation is 0). As a result, the user or the like can set an appropriate target value, for example.

[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(PV)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 control processing unit 100>
First, the functional configuration of the optimum control processing unit 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 17 is a diagram showing an example of the functional configuration of the optimum control processing unit 100 according to the fourth embodiment.

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 offline processing unit 110 of the optimum control processing unit 100 according to the present embodiment inputs the model formula 1100, the upper / lower limit constraint 1200, the evaluation function 1300, and the rate of change constraint 2000 offline. Then, the relational formula 1400 is calculated.

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(PV)や操作量(MV)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P 、制御量Pに対する変化率の上限をδ 、制御量Pに対する変化率の下限をδ とすれば、n=1,・・・,Nに対して、以下の数18で表される。 The rate of change constraint 2000 is a constraint condition indicating a control amount or operation amount that can be changed per unit time when the control amount (PV n ) or operation amount (MV m ) in the system to be controlled is changed. .. The rate of change constraint 2000 is n = 1, if the current control amount is P n 0 , the upper limit of the rate of change with respect to the control amount P n is δ n u , and the lower limit of the rate of change with respect to the control amount P n is δ n l . ..., For N, it is represented by the following number 18.

Figure 0007077667000018
本実施形態に係るオフライン処理部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とから一階述語論理式ψを生成する。これにより、変化率制約2000も考慮した一階述語論理式ψが生成される。そして、限定記号消去部112は、限定記号消去法により、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。
Figure 0007077667000018
The first-order predicate logic expression generation unit 111 of the offline processing unit 110 according to the present embodiment generates the first-order predicate logic expression ψ from the model expression 1100, the upper / lower limit constraint 1200, the evaluation function 1300, and the rate of change constraint 2000. As a result, the first-order predicate logic equation ψ considering the rate of change constraint 2000 is generated. Then, the limited symbol erasing unit 112 generates the relational formula 1400 from the first-order predicate logical formula ψ in consideration of the rate of change constraint 2000 by the limited symbol erasing method.

<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 relational formula 1400 from the first-order predicate formula ψ in consideration of the rate of change constraint 2000 will be described with reference to FIG. FIG. 18 is a flowchart showing an example of the generation process of the relational formula 1400 according to the fourth embodiment. The process shown in FIG. 18 is executed offline in advance, for example, before the process of calculating the optimum operation amount.

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 expression generation unit 111 of the offline processing unit 110 inputs the model expression 1100, the upper / lower limit constraint 1200, the evaluation function 1300, and the change rate constraint 2000 to generate the first-order predicate logic expression ψ (. Step S601).

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、LMV-MV≦0,MV-HMV≦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、PV -δ -PV≦0、PV-PV -δ ≦0とする。次に、一階述語論理式生成部111は、LMV-MV及びMV-HMVにそれぞれラグランジュ乗数(λ1,λ2)を乗じた式と、PV -δ -PV及びPV-PV -δ にそれぞれラグランジュ乗数(λ3,λ4)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 expression generation unit 111 generates the first-order predicate logic expression ψ as follows. That is, first, the first-order predicate logic expression generation unit 111 arranges the upper and lower limit constraints 1200 so that the right side becomes 0, that is, LMV m -MV m ≤ 0, MV m -HMV m ≤ 0, and changes. The rate constraint 2000 is arranged so that the right side is 0, that is, PV n 0n l -PV n ≤ 0 and PV n -PV n 0n u ≤ 0. Next, the first-order predicate logic expression generator 111 multiplies LMV m -MV m and MV m -HMV m by the Lagrange multipliers (λ1 m , λ2 m ), respectively, and PV n 0n l -PV. The following Lagrange function L is generated by adding an equation obtained by multiplying n and PV n −PV n 0 −δ n u by a Lagrange multiplier (λ3 n , λ4 n ), respectively, to the evaluation function E.

Figure 0007077667000019
次に、一階述語論理式生成部111は、m=1,・・・,M、n=1,・・・,Nに対して、最適性条件(KKT条件)を満たすように以下の条件式を生成する。言い換えれば、一階述語論理式生成部111は、制約の数(m=1,・・・,M、n=1,・・・,N)だけ、最適性条件(KKT条件)を満たすように以下の条件式を生成する。
Figure 0007077667000019
Next, the first-order predicate logic expression generation unit 111 satisfies the following conditions for m = 1, ..., M, n = 1, ..., N so as to satisfy the optimum condition (KKT condition). Generate an expression. In other words, the first-order predicate logic expression generation unit 111 satisfies the optimality condition (KKT condition) by the number of constraints (m = 1, ..., M, n = 1, ..., N). Generate the following conditional expression.

Figure 0007077667000020
次に、一階述語論理式生成部111は、上記で生成した条件式ψ1,ψ2,ψ3及びψ4を論理積で結合した以下の条件式ψ5と、上記で生成した条件式ψ6,ψ7及びψ8を論理積で結合した以下の条件式ψ9とを生成する。
Figure 0007077667000020
Next, the first-order predicate logic expression generation unit 111 includes the following conditional expression ψ5 in which the conditional expressions ψ1 m , ψ2 m , ψ3 m and ψ4 m generated above are combined by a logical product, and the conditional expression ψ6 generated above. The following conditional expression ψ9 is generated by combining n , ψ7 n and ψ8 n by a logical product.

Figure 0007077667000021
そして、一階述語論理式生成部111は、条件式ψ5と条件式ψ9とを論理積で結合した論理式ψ5∧ψ9に対して、ラグランジュ乗数(λ1,λ2,λ3,λ4)に存在記号(∃)を付与して、以下の一階述語論理式ψを生成する。
Figure 0007077667000021
Then, the first-order predicate logical expression generation unit 111 has a Lagrangian multiplier (λ1 m , λ2 m , λ3 n , λ4 n ) for the logical expression ψ5 ∧ ψ9, which is a combination of the conditional expression ψ5 and the conditional expression ψ9 by a logical product. The existence symbol (∃) is added to to generate the following first-order predicate formula ψ.

Figure 0007077667000022
これにより、一階述語論理式生成部111により一階述語論理式ψが生成される。
Figure 0007077667000022
As a result, the first-order predicate logic expression ψ is generated by the first-order predicate logic expression generation unit 111.

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 symbol erasing unit 112 of the offline processing unit 110 generates the relational formula 1400 from the first-order predicate logical formula ψ by the limited symbol erasing method (step S602). Here, if the relational formula 1400 is expressed as φ, the limited symbol erasing unit 112 generates the following relational formula φ by erasing the Lagrange multiplier by the limited symbol erasing method.

Figure 0007077667000023
これにより、変化率制約2000を考慮した一階述語論理式ψから関係論理式φが生成される。
Figure 0007077667000023
As a result, the relational formula φ is generated from the first-order predicate formula ψ in consideration of the rate of change constraint 2000.

ここで、n=1,・・・,Nに対してPV は制御量の現在値を表す変数であり、領域R(k=1,・・・,K)は分割論理式φRk(SV,・・・,SV,PV ,・・・,PV )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、SV,・・・,SV,PV ,・・・,PV 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g Rkは、目標値p,・・・,pと制御量の現在値q,・・・,qとが領域Rkの内部にある場合(すなわち、目標値p,・・・,pと制御量の現在値q,・・・,q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SV,・・・,SVと制御量の現在値を表す変数PV ,・・・,PV とを各軸とする空間を分割する分割論理式φRk(SV,・・・,SV,PV ,・・・,PV )と、目標値p,・・・,pと制御量の現在値q,・・・,q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g Rk(SV,・・・,SV,PV ,・・・,PV )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 symbol erasing unit 112.

<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p,・・・,pと、制御量の現在値q,・・・,qとを入力して、分割論理式φRk(p,・・・,p,q,・・・,q)=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 area determination unit 121 of the online processing unit 120 inputs the target values p 1 , ..., P N and the current values q 1 , ..., Q N of the control amount into the division logic formula, and divides the logic. It is determined whether or not the formula φ Rk (p 1 , ..., p N , q 1 , ..., Q N ) = True. The target value 1500 and the current value 2100 input to the online processing unit 120 may be different for each control cycle, for example.

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(p,・・・,p,q,・・・,q)=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p,・・・,pと、制御量の現在値q,・・・,q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p,・・・,pと現在値q,・・・,qとを代入して、最適な操作量s,・・・,s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 area determination unit 121 of the online processing unit 120 determines that the divided formula φ Rk (p 1 , ..., p N , q 1 , ..., Q N ) = True, the online processing unit 120 The operation amount calculation unit 122 has a target value for the operation amount determination function corresponding to the region Rk including the target values p 1 , ..., P N and the current values q 1 , ..., Q N of the control amount. By substituting p 1 , ..., p N and the current value q 1 , ..., q N , the optimum manipulated amount s 1 , ..., s M is calculated. In the calculation process, the optimum operation amount in consideration of the rate of change constraint 2000 can be calculated. Since the calculation process of the optimum operation amount is the same as that of the first embodiment, the description thereof will be omitted.

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 change constraint 2000, even if the operation target is operated with the optimum operation amount, the control amount may not reach the target value in one operation. In such a case, for example, by repeating the calculation of the optimum operation amount and the operation on the operation target for each control cycle, the control amount can reach the target value while satisfying the rate of change constraint 2000. ..

[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(MV:圧縮機モータ回転率)を大きくすると、凝縮器400の制御量(PV:凝縮温度)が高温になり、蒸発器500の制御量(PV:蒸発温度)が低温になる。一方で、膨張弁300の操作量(MV:膨脹弁開度)を大きくすると、凝縮器400の制御量(PV:凝縮温度)が低温になり、蒸発器500の制御量(PV: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 optimum control device 10 according to the present embodiment will be described. In the first embodiment, a case where the heat pump model shown in FIG. 19 is controlled as the system to be controlled will be described. The heat pump model shown in FIG. 19 includes a compressor 200, an expansion valve 300, a condenser 400, and an evaporator 500. When the operating amount of the compressor 200 (MV 1 : compressor motor rotation rate) is increased, the controlled amount of the condenser 400 (PV 1 : condensation temperature) becomes high, and the controlled amount of the evaporator 500 (PV 2 : evaporation temperature) becomes high. ) Becomes cold. On the other hand, when the operating amount of the expansion valve 300 (MV 2 : expansion valve opening) is increased, the controlled amount of the condenser 400 (PV 1 : condensation temperature) becomes low, and the controlled amount of the evaporator 500 (PV 2 :). Evaporation temperature) becomes high. In the first embodiment, it is assumed that the operation amount of the compressor 200, the operation amount of the expansion valve 300, the control amount of the condenser 400, and the control amount of the evaporator 500 are modeled in the following relationship. ..

Figure 0007077667000024
このとき、圧縮機200の操作量と膨張弁300の操作量とを調整し、凝縮器400の制御量と蒸発器500の制御量とを目標値(SV及びSV)にする制御を行うものとする。
Figure 0007077667000024
At this time, the operation amount of the compressor 200 and the operation amount of the expansion valve 300 are adjusted, and the control amount of the condenser 400 and the control amount of the evaporator 500 are controlled to be the target values (SV 1 and SV 2 ). It shall be.

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≦MV≦3400、500≦MV≦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 compressor 200 and the operation amount of the expansion valve 300 have upper and lower limit constraints of 1800 ≤ MV 1 ≤ 3400 and 500 ≤ MV 2 ≤ 700, respectively, and an error between the target value and the control amount can be obtained. It is assumed that the evaluation function E to be evaluated is as follows.

Figure 0007077667000025
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。
Figure 0007077667000025
At this time, in step S101 of FIG. 4, the following Lagrange function L is generated by the first-order predicate logic expression generation unit 111.

Figure 0007077667000026
次に、一階述語論理式生成部111により、最適性条件を満たす条件式ψ1,ψ1,ψ2,ψ2,ψ3,ψ3,ψ4,ψ4が生成される。そして、条件式ψ1,ψ1,ψ2,ψ2,ψ3,ψ3,ψ4,ψ4が論理積で結合されたψ5が生成され、ラグランジュ乗数に存在記号が付与されることで、一階述語論理式ψ:=∃λ1∃λ1∃λ2∃λ2(ψ5)が生成される。
Figure 0007077667000026
Next, the first-order predicate logic expression generation unit 111 generates conditional expressions ψ1 1 , ψ1 2 , ψ2 1 , ψ2 2 , ψ3 1 , ψ3 2 , ψ4 1 , ψ4 2 , which satisfy the optimum condition. Then, ψ5 is generated in which the conditional expressions ψ1 1 , ψ1 2 , ψ2 1 , ψ2 2 , ψ3 1 , ψ3 2 , ψ4 1 , ψ4 2 are combined by a logical product, and the existence symbol is added to the Lagrange multiplier. , First-order predicate logical expression ψ: = ∃λ1 1 ∃λ1 2 ∃λ2 1 ∃λ2 2 (ψ5) is generated.

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g Rkが決定される。 Then, in step S102 of FIG. 4, the limited symbol erasing unit 112 generates the relational formula φ from the first-order predicate logical formula ψ by the limited symbol erasing method. Here, FIG. 20 shows the region division represented by the divisional formula φ Rk of the relational formula φ in the first embodiment. FIG. 20 shows a case where the region is divided into a plurality of regions including the regions R1 to R7. For each region shown in FIG. 20, the manipulated variable determination function gm Rk for calculating the optimum manipulated variable is determined.

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p=63、p=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(p,p)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 area determination unit 121 determines that the target values (p 1 , p 2 ) are included in the area R7. Therefore, the operation amount calculation unit 122 calculates the optimum operation amount by the following formula.

Figure 0007077667000027
上記の数27に示す操作量決定関数のSV及びSVに対して、目標値(p=63,p=0)を代入することで、以下の最適な操作量s及びsが算出される。
Figure 0007077667000027
By substituting the target values (p 1 = 63, p 2 = 0) for the operation amount determination functions SV 1 and SV 2 shown in the above equation 27, the following optimum operation amounts s 1 and s 2 are substituted. Is calculated.

Figure 0007077667000028
なお、逆に、操作量MV及びMVがそれぞれ(56950004)/25877及び(45129733)/77631である場合、制御量PV及びPVはそれぞれ63及び0となり、目標値と一致する。
Figure 0007077667000028
On the contrary, when the manipulated quantities MV 1 and MV 2 are (5695004) / 25877 and (45129733) / 77631, the controlled quantities PV 1 and PV 2 are 63 and 0, respectively, which match the target values.

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SV及びSV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 optimum control device 10 using a certain 1000 target values. The plot result in which 2 is plotted is shown in FIG. Further, FIG. 22 shows an example of comparison with the prior art at this time. As shown in FIG. 21, it can be seen that these plot results are concentrated in a specific region. Therefore, for example, when the cache mechanism unit 123 is used, it becomes easy to hit a region having a higher priority, and high speed can be expected. Further, in the example shown in FIG. 22, the optimum operation amount is calculated by the optimization function (Mathematica) using the interior point method as a conventional technique, and the optimum operation amount is calculated by the optimum control device 10 according to the present embodiment. It shows the case of calculation. As shown in FIG. 22, it is 0.022212 [sec] in the conventional technique, whereas it is 0.000255 [sec] in the optimum control device 10 according to the present embodiment, and the calculation time is about 1/87. You can see that it has been shortened. As described above, according to the optimum control device 10 according to the present embodiment, the optimum operation amount for making the control amount follow the target value can be calculated at high speed as compared with the conventional technique.

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 optimum control device 10 according to the present embodiment had the cache mechanism unit 123, it was 0.000203 [sec], which was 1.26 times faster.

[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 optimum control device 10 according to the present embodiment will be described. In the second embodiment, a case where the control amount of the heat pump model of the first embodiment has a rate of change constraint will be described. This rate of change constraint shall be as follows.

Figure 0007077667000029
この変化率制約は、具体的には、制御量(PV及びPV)が1制御周期で1℃しか変化しないものとした制約条件である。なお、PV 及びPV は、それぞれ制御時点でのPV及びPVの値を表す。
Figure 0007077667000029
Specifically, this rate of change constraint is a constraint condition in which the controlled quantities (PV 1 and PV 2 ) change only 1 ° C. in one control cycle. Note that PV 10 and PV 20 represent the values of PV 1 and PV 2 at the time of control, respectively .

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 expression generation unit 111.

Figure 0007077667000030
次に、一階述語論理式生成部111により、最適性条件を満たすように条件式ψ1,ψ1,ψ2,ψ2,ψ3,ψ3,ψ4,ψ4,ψ5,ψ6,ψ6,ψ7,ψ7,ψ8,ψ8,ψ9が生成される。そして、ψ5とψ9とを論理積で結合したψ5∧ψ9に対して、ラグランジュ乗数(λ1,λ1,λ2,λ2,λ3,λ3,λ4,λ4)に存在記号が付与されることで、一階述語論理式ψ:=∃λ1∃λ1∃λ2∃λ2∃λ3∃λ3∃λ4∃λ4(ψ5∧ψ9)が生成される。
Figure 0007077667000030
Next, the first-order predicate logic expression generation unit 111 uses the conditional expressions ψ1 1 , ψ1 2 , ψ2 1 , ψ2 2 , ψ3 1 , ψ3 2 , ψ4 1 , ψ4 2 , ψ5, ψ6 1 so as to satisfy the optimum condition. , Ψ6 2 , ψ7 1 , ψ7 2 , ψ8 1 , ψ8 2 , ψ9 are generated. Then, for ψ5 ∧ ψ9, which is a logical product of ψ5 and ψ9, the existence symbol is in the Lagrange multiplier (λ1 1 , λ1 2 , λ2 1 , λ2 2 , λ3 1 , λ3 2 , λ4 1 , λ4 2 ). By being given, the first-order predicate logical expression ψ: = ∃λ1 1 ∃λ1 2 ∃λ2 1 ∃λ2 2 ∃λ3 1 ∃λ3 2 ∃λ4 1 ∃λ4 2 (ψ5 ∧ ψ9) is generated.

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 symbol erasing unit 112 generates the relational formula φ from the first-order predicate logical formula ψ by the limited symbol erasing method. As a result, in the calculation process of the optimum manipulated variable, the optimum manipulated variable satisfying the rate of change constraint is calculated.

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PVの時間変化、図23(b)はPVの時間変化、図23(c)はMVの時間変化、図23(d)はMV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、PV及びPVが目標値p及びp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 optimum control device 10 according to the present embodiment is repeatedly executed for each control cycle t. show. In the example shown in FIG. 24, the case where the current value of the controlled variable in each control cycle t is observed and the divided formula φ Rk to which the observed value is substituted is visualized is shown. From t = 1 to t = 4, it can be seen that, for example, the region R1 changes significantly. On the other hand, in t = 5 to t = 7, the region R1 hardly changes. This is because PV 1 and PV 2 approach the target values p 1 and p 2 at t = 5 to t = 7, as shown in FIGS. 23 (a) and 23 (b). be.

<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 optimal control device 10 according to the present embodiment generates a relational formula offline and then online the relational formula and the target in the multivariable control in which a plurality of controlled quantities follow the target value. The optimum operation amount is calculated from the value. As a result, the optimal control device 10 according to the present embodiment can perform multivariable control even with a device having relatively few computational resources such as an edge device.

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 optimal control device 10 according to the present embodiment generates the relational formula by using the qualifying symbol elimination when the relational formula is generated. As a result, the optimal control device 10 according to the present embodiment can generate an accurate optimal control rule (that is, a relational formula φ) without a numerical error.

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 Optimal control device 100 Optimal control processing unit 110 Offline processing unit 111 First-order predicate logic expression generation unit 112 Limited symbol erasing unit 120 Online processing unit 121 Area judgment unit 122 Operation amount calculation unit

Claims (12)

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、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
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、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
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.
前記算出手順は、
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乃至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 .
前記目標値が含まれる領域が探索された場合、該探索された領域の優先度が高くなるように前記キャッシュを更新する更新手順、を前記コンピュータが実行することを特徴とする請求項に記載の制御方法。 The fifth aspect of claim 5 , wherein when the area including the target value is searched, the computer executes an update procedure for updating the cache so that the searched area has a higher priority. Control method. 前記算出手順により算出された操作量と前記モデル式とを用いて計算された制御量と、前記目標値とから所定の評価値を算出し、該算出した評価値を可視化する可視化手順、を前記コンピュータが実行することを特徴とする請求項1乃至の何れか一項に記載の制御方法。 The visualization procedure of calculating a predetermined evaluation value from the operation amount calculated by the calculation procedure, the control amount calculated using the model formula, and the target value, and visualizing the calculated evaluation value is described above. The control method according to any one of claims 1 to 6 , wherein the control method is executed by a computer. 前記関係論理式と、前記モデル式とから最適制御を実施した場合に、偏差が所定の値となる領域に対応する一階述語論理式を生成し、前記偏差が所定の値となる領域に対応する一階述語論理式に限定記号消去法を適用することで、偏差が所定の値となる領域を表す制御可能論理式を生成し、生成した制御能論理式を可視化する可視化手順、を前記コンピュータが実行することを特徴とする請求項1乃至の何れか一項に記載の制御方法。 When the optimum control is performed from the relational formula and the model formula, a first-order predicate logical formula corresponding to a region where the deviation becomes a predetermined value is generated, and the region corresponding to the region where the deviation becomes a predetermined value is generated. By applying the qualifying symbol elimination method to the first-order predicate formula, a controllable formula representing a region where the deviation becomes a predetermined value is generated, and a visualization procedure for visualizing the generated controllable formula is described above. The control method according to any one of claims 1 to 6 , wherein the control method is executed by a computer. 前記算出手順により算出された操作量又は該操作量と前記モデル式とを用いて計算された制御量のいずれか一方を、前記コンピュータと接続される他の装置に出力する出力手順、を前記コンピュータが実行することを特徴とする請求項1乃至の何れか一項に記載の制御方法。 An output procedure for outputting either the operation amount calculated by the calculation procedure or the control amount calculated by using the operation amount and the model formula to another device connected to the computer. The control method according to any one of claims 1 to 8 , wherein the control method is executed. 前記モデル式は、操作量の実績値と、該操作量の実績値に対応する制御量の実績値とを用いて回帰分析により生成される、ことを特徴とする請求項1乃至の何れか一項に記載の制御方法。 The model formula is any one of claims 1 to 9 , wherein the model formula is generated by regression analysis using the actual value of the manipulated variable and the actual value of the controlled variable corresponding to the actual value of the manipulated variable. The control method according to paragraph 1. 複数の制御量を目標値に追従させる多変数制御を行う制御装置であって、
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 .
複数の制御量を目標値に追従させる多変数制御を行うコンピュータ
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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