JP7257194B2 - 制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、制御装置に関し、特に、制御システムの異常を検知する装置に関する。
本技術の背景技術として、特開２０１５－７６０２４（特許文献１）がある。この文献には、「プラントの設定値を変更したときの設定値、操作変数、制御変数を計測し、計測した信号をフィッティングして規範モデルのベース関数を定義し、ベース関数に制御応答を調整する調整パラメータを導入して規範モデルとする。設定値変更時の制御変数と操作変数の応答、または、外乱信号印加時の制御変数の応答を推定し、これらの応答データから制御特性を表す指標を抽出する。この指標を基に定義した評価関数を用いて調整パラメータの最適値を求めることにより、要求される制御特性に応じた規範モデルを決定し、制御ゲインの最適化を図る。」が記載されている（要約参照）。
しかしながら、前述の先行技術（特許文献１）は、制御対象の特性に応じて、規範モデル（参照モデル）のパラメータを調整するものであり、制御対象の特性異常を検知するものではない。
本願において開示される発明の代表的な一例を示せば以下の通りである。すなわち、制御対象の所望の出力値を演算する演算部と、前記所望の出力値と前記制御対象の出力値との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器のゲイン値を演算するゲイン値調整部と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及び前記ＰＩＤ制御器のゲイン値の少なくとも一つが所定の範囲にあるかを判定し、前記判定の結果に応じて前記演算部のパラメータの変更を許可し、前記許可された場合に前記演算部のパラメータ値を変更するパラメータ変更部と、前記演算部のパラメータ値が所定の範囲外である場合、前記制御対象が異常であると判定する判定部とを備えることを特徴とする。
本発明の一態様によれば、制御対象の正常又は異常を検知でき、システムの信頼性や精度を向上できる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明によって明らかにされる。
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
［実施例１］
本実施例においては、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及び前記ＰＩＤ制御器のゲイン値の少なくとも一つに基づいて前記所望の出力値演算部のパラメータ値を変更するパラメータ変更部と、前記所望の出力値演算部のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部とを備える制御装置について示す。
本実施例においては、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及び前記ＰＩＤ制御器のゲイン値の少なくとも一つに基づいて前記所望の出力値演算部のパラメータ値を変更するパラメータ変更部と、前記所望の出力値演算部のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部とを備える制御装置について示す。
また、前記所望の出力値演算部は、伝達関数で表される。
また、前記パラメータ変更部は、前記伝達関数の無駄時間を変更する。
また、前記制御対象正常判定部は、前記伝達関数の無駄時間が所定値以上の場合、前記制御対象が異常であると判定する。
また、前記制御装置は、プラントを制御する装置である。
図１は、制御装置１の全体の構成を示す図である。
制御装置１において、ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２は、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する。パラメータ変更部６は、制御対象からの出力のオーバーシュート量及びアンダーシュート量の少なくとも一つが所定範囲にあるか否か、ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２によって新たに演算されたゲイン値が所定範囲にあるか否か、前記ゲイン値が所定値に達したか否か、及び、制御対象への入力値が所定範囲にあるか否かの少なくとも一つを判定し、判定結果に応じて、所望の出力値演算部４のパラメータの変更を許可する。さらに、パラメータの変更が許可された場合、所望の出力値演算部４の変更パラメータ（パラメータの値）を演算する。所望の出力値演算部４は、制御目標に基づいて、制御対象の出力の所望のプロフィールを演算する。ＰＩＤ制御器５は、制御対象を制御するための操作量が演算される。制御対象異常判定部３は、パラメータ変更部６によって演算された変更パラメータに基づいて、制御対象の異常を検知する。
図２は、制御装置１のシステム構成図である。
制御装置１は、ハードウェアとして、記憶装置１１、ＣＰＵ１２、ＲＯＭ１３、ＲＡＭ１４、データバス１５、入力回路１６、入出力ポート１７及び出力回路１８を有する。入力回路１６は、外部から入力された信号を処理する。外部から入力される信号は、例えば、制御装置１に設置又は接続されているセンサからの信号などである。外部から入力される信号は、入力回路１６を経て、入力信号となり入出力ポート１７へ送られる。入出力ポート１７に送られた各入力情報は、データバス１５を経て、ＲＡＭ１４又は記憶装置１１に格納される。ＲＯＭ１３及び記憶装置１１の少なくとも一方は、後述する処理を実行するためのプログラムを格納しており、該プログラムはＣＰＵ１２で実行される。その際、ＲＡＭ１４及び記憶装置１１の少なくとも一方に格納された値を、適宜、使用して演算を行う。演算結果のうち外部へ送り出す情報（値）は、データバス１５を経て入出力ポート１７に送られ、出力信号として出力回路１８に送られる。出力回路１８は、出力信号を外部に出力する。外部へ出力される出力信号は、制御対象を所望の動きをさせるためのアクチュエータ駆動信号などである。
なお、ＣＰＵ１２がプログラムを実行して行う処理の一部を、他の演算装置（例えば、ＦＰＧＡ（Field Programable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのハードウェア）で実行してもよい。
図３は、制御装置１と、制御装置１に制御されるプラント７を示す図である。
ＰＩＤ制御器５は、プラント７の温度を制御するための操作量（例えば、蒸気温度を調節するための目標バルブ開度）を演算する。
以下、各処理の詳細を説明する。
＜ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部（図４）＞
ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２は、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する。具体的には、図４に示すように、プラント温度Ｔｄｅｇのプロフィールと所望のプラント温度Ｄｅ＿Ｔｄｅｇのプロフィールとの差が最も小さくなるように、調整後ＰＩＤゲイン暫定値を決める。得られたＰＩＤ制御器５のＰゲイン値、Ｉゲイン値、Ｄゲイン値の暫定値をそれぞれＫｐ＿ｎｅｗ，Ｋｉ＿ｎｅｗ，Ｋｄ＿ｎｅｗとする。
ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２は、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する。具体的には、図４に示すように、プラント温度Ｔｄｅｇのプロフィールと所望のプラント温度Ｄｅ＿Ｔｄｅｇのプロフィールとの差が最も小さくなるように、調整後ＰＩＤゲイン暫定値を決める。得られたＰＩＤ制御器５のＰゲイン値、Ｉゲイン値、Ｄゲイン値の暫定値をそれぞれＫｐ＿ｎｅｗ，Ｋｉ＿ｎｅｗ，Ｋｄ＿ｎｅｗとする。
プラント温度Ｔｄｅｇのプロフィールと所望のプラント温度Ｄｅ＿Ｔｄｅｇのプロフィールとの差を評価する評価関数は、例えば、Ｊ２＝｜｜Ｔｄｅｇ－Ｄｅ＿Ｔｄｅｇ｜｜であるＬ２ノルム、又は、Ｊ１＝｜Ｔｄｅｇ－Ｄｅ＿Ｔｄｅｇ｜であるＬ１ノルムなどがある。Ｊ１やＪ２を最小化するＰＩＤゲイン値は、例えば、ＩＦＴ（Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｔｕｎｉｎｇ）、ＦＲＩＴ（Ｆｉｃｔｉｔｉｏｕｓ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｔｕｎｉｎｇ）などのデータ駆動制御で決定すればよく、ＰＩＤゲイン値の決定は、最適化問題に帰着する。最適化のための解法は、ニュートン法、ガウス＝ニュートン法などの様々な方法があり、多くの参考文献があるので、ここでは詳述しない。
なお、本調整処理は、オフライン、オンラインのどちらで行ってもよい。
＜パラメータ変更部（図５～図８）＞
パラメータ変更部６は、制御対象からの出力のオーバーシュート量が所定範囲にあるか否か及びアンダーシュート量が所定範囲にあるか否かの少なくとも一つを判定し、判定結果に応じて、所望の出力値演算部４のパラメータの変更を許可する。具体的には、図５～図７に示す三つの判定処理によってパラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆを計算し、計算されたパラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１の場合、図８に示す演算処理によって所望の出力値演算部４のパラメータの演算する。なお、図５～図７に示す三つの判定処理は、少なくとも一つ実装すればよい。
パラメータ変更部６は、制御対象からの出力のオーバーシュート量が所定範囲にあるか否か及びアンダーシュート量が所定範囲にあるか否かの少なくとも一つを判定し、判定結果に応じて、所望の出力値演算部４のパラメータの変更を許可する。具体的には、図５～図７に示す三つの判定処理によってパラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆを計算し、計算されたパラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１の場合、図８に示す演算処理によって所望の出力値演算部４のパラメータの演算する。なお、図５～図７に示す三つの判定処理は、少なくとも一つ実装すればよい。
例えば、図５に示す処理を実行して、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆを演算する。
・下記の条件ａ）が成立する場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
Ｔｄｅｇのオーバーシュート量がＫ＿Ｔｄｅｇ＿Ｏ１以上、又は、
Ｔｄｅｇのアンダーシュート量がＫ＿Ｔｄｅｇ＿Ｕ１以上
・下記の条件ａ）が成立する場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
Ｔｄｅｇのオーバーシュート量がＫ＿Ｔｄｅｇ＿Ｏ１以上、又は、
Ｔｄｅｇのアンダーシュート量がＫ＿Ｔｄｅｇ＿Ｕ１以上
また、図６に示す処理を実行して、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆを演算する。
・下記の条件ａ）が成立する場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
Ｔｇ＿ＶＯ≧Ｋ＿Ｔｇ＿ＶＯ＿Ｈ
・下記の条件ａ）が成立する場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
Ｔｇ＿ＶＯ≧Ｋ＿Ｔｇ＿ＶＯ＿Ｈ
なお、ＰＩＤ制御器５の出力であるＴｇ＿ＶＯ（目標バルブ開度）ではなく、ＰＩＤ制御器５で演算されるＰ分、Ｉ分、Ｄ分それぞれが所定範囲にあるか否かで判定してもよい。また、制御対象への入力は、ＰＩＤ制御器５の出力である目標バルブ開度だけでなく、目標燃料流量、実バルブ開度、燃料流量などの制御対象への入力情報でもよい。
また、図７に示す処理を実行してｆｐ＿ｒｅｆを演算してもよい。
・下記の条件ａ）が成立する場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
Ｋｐ＿ｎｅｗ≧Ｋ＿Ｋｐ＿ｎｅｗ＿Ｈ、又は、
Ｋｉ＿ｎｅｗ ≧Ｋ＿Ｋｉ＿ｎｅｗ＿Ｈ、又は、
Ｋｄ＿ｎｅｗ ≧Ｋ＿Ｋｄ＿ｎｅｗ＿Ｈ
・下記の条件ａ）が成立する場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
Ｋｐ＿ｎｅｗ≧Ｋ＿Ｋｐ＿ｎｅｗ＿Ｈ、又は、
Ｋｉ＿ｎｅｗ ≧Ｋ＿Ｋｉ＿ｎｅｗ＿Ｈ、又は、
Ｋｄ＿ｎｅｗ ≧Ｋ＿Ｋｄ＿ｎｅｗ＿Ｈ
さらに、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆに従って、所望の出力値演算部４の変更パラメータ（パラメータの値）を演算する。実施例１において、伝達関数のパラメータであるｂ１は伝達関数の無駄時間であり、具体的には、図８で示す処理を実行する。
・ｆｐ＿ｒｅｆ＝１の場合、所望の出力値演算部パラメータｂ１を下記のように補正する。
ｂ１＝ｂ１＋ｋ１＿ｂ１
・ｆｐ＿ｒｅｆ＝０の場合、所望の出力値演算部パラメータｂ１は、現在の値を維持する。
・ｆｐ＿ｒｅｆ＝１の場合、所望の出力値演算部パラメータｂ１を下記のように補正する。
ｂ１＝ｂ１＋ｋ１＿ｂ１
・ｆｐ＿ｒｅｆ＝０の場合、所望の出力値演算部パラメータｂ１は、現在の値を維持する。
＜所望の出力値演算部（図９）＞
所望の出力値演算部４は、制御目標に基づいて、制御対象の出力（例えばプラント７の温度）の所望のプロフィールを演算する。具体的には、図９に示すように、制御目標である目標プラント温度Ｔｇ＿Ｔｄｅｇに対して、例えば伝達関数などを用いて、所望のプラント温度Ｄｅ＿Ｔｄｅｇのプロフィールを演算する。制御目標は、例えばステップ信号、ランプ信号などがある。
所望の出力値演算部４は、制御目標に基づいて、制御対象の出力（例えばプラント７の温度）の所望のプロフィールを演算する。具体的には、図９に示すように、制御目標である目標プラント温度Ｔｇ＿Ｔｄｅｇに対して、例えば伝達関数などを用いて、所望のプラント温度Ｄｅ＿Ｔｄｅｇのプロフィールを演算する。制御目標は、例えばステップ信号、ランプ信号などがある。
また、伝達関数のパラメータの一つであるｂ１は、可変とし、パラメータ変更部６で演算された値を用いるとよい。パラメータｂ１は、伝達関数の無駄時間の項の無駄時間を示しており、ｂ１の値が大きいほど、当該伝達関数の応答性は遅い性質がある。
＜制御対象異常判定部（図１０）＞
制御対象異常判定部３は、パラメータ変更部６で演算された変更パラメータに基づいて、制御対象の異常を検知する。具体的には、図１０に示すように、下記の条件が成立する場合、制御対象異常フラグｆ＿ａｎｏ＿ｐｌａｎｔ＝１を出力し、下記の条件が成立しない場合、制御対象異常フラグｆ＿ａｎｏ＿ｐｌａｎｔ＝０を出力する。
条件 ｂ１≧Ｋ＿ｂ１＿Ｈ
制御対象異常判定部３は、パラメータ変更部６で演算された変更パラメータに基づいて、制御対象の異常を検知する。具体的には、図１０に示すように、下記の条件が成立する場合、制御対象異常フラグｆ＿ａｎｏ＿ｐｌａｎｔ＝１を出力し、下記の条件が成立しない場合、制御対象異常フラグｆ＿ａｎｏ＿ｐｌａｎｔ＝０を出力する。
条件 ｂ１≧Ｋ＿ｂ１＿Ｈ
本実施例によれば、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する制御装置１は、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部４と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及びＰＩＤ制御器５のゲイン値の少なくとも一つに基づいて所望の出力値演算部４のパラメータ値を変更するパラメータ変更部６と、所望の出力値演算部４のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部３とからなる。また、所望の出力値演算部４は、伝達関数で表される。また、パラメータ変更部６は、前記伝達関数の無駄時間を変更する。また、制御対象異常判定部３は、前記伝達関数の無駄時間が所定値以上の場合、前記制御対象が異常であると判定する。また、制御装置１は、プラント７を制御する装置である。
前記制御対象の出力の計測値及び推定値のオーバーシュート及びアンダーシュートの少なくとも一つが発生している場合（所定範囲にない場合）は、所望の出力値演算部４の出力値が、理論的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、ＰＩＤ制御器５のゲイン値の補正では実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、オーバーシュート及びアンダーシュートを抑制するために、制御対象の所望の出力値（プロフィール）を理論的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の無駄時間相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、オーバーシュート量及びアンダーシュート量の少なくとも一つが相当程度小さくなるまで当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の無駄時間相当の値を大きくする。
また、前記制御対象への入力値が所定範囲にない場合、又は、前記制御対象への入力値が所定値に達した場合、所望の出力値演算部４の出力値が、制御システムの仕様上、現実的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、操作量などの前記制御対象への入力値が実現不可能な出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、前記制御対象への入力値を適正化するために、前記制御対象の所望の出力値（プロフィール）を現実的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の無駄時間相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、ゲイン値が適正化する（例えば所定範囲になる）まで当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の無駄時間相当の値を大きくする。
また、ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２において新たに演算されたゲイン値が所定範囲にない場合、又は、前記新たに演算されたゲイン値が所定値に達した場合、所望の出力値演算部４の出力値が、制御システムの仕様上、現実的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、ＰＩＤ制御器５のゲイン値の補正では実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、新たに演算されたゲイン値を適正化するために、前記制御対象の所望の出力値（プロフィール）を現実的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の無駄時間相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、ゲイン値が適正化する（例えば所定範囲になる）まで、当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の無駄時間相当の値を大きくする。
ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する制御装置１では、前記所望の出力値（時系列信号など）と制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、前記制御対象の特性に基づいて、前記制御対象への入力情報又は前記制御対象からの出力情報又はＰＩＤ制御器５のゲイン値が決まる。さらに、制御対象への入力情報又は前記制御対象からの出力情報又はＰＩＤ制御器５のゲイン値に基づいて、所望の出力値演算部４のパラメータ値が更新されるので、所望の出力値演算部４のパラメータ値に制御対象の特性が反映されることになる。
従って、所望の出力値演算部４のパラメータ値に基づいて前記制御対象の特性を検知でき、当該パラメータ値を評価することによって、前記制御対象の特性が正常か又は異常かを判定できる。
以上に説明したように、本実施例によれば、前記制御対象の特性変化に応じて、所望の出力特性となるようにＰＩＤゲイン値を自動的に調整できると共に、前記制御対象の正常又は異常を検知できるので、プラント制御システムの信頼性及び精度を向上できる。
［実施例２］
本実施例においては、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及び前記ＰＩＤ制御器のゲイン値の少なくとも一つに基づいて前記所望の出力値演算部のパラメータ値を変更するパラメータ変更部と、前記所望の出力値演算部のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部とを備える制御装置について示す。
本実施例においては、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及び前記ＰＩＤ制御器のゲイン値の少なくとも一つに基づいて前記所望の出力値演算部のパラメータ値を変更するパラメータ変更部と、前記所望の出力値演算部のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部とを備える制御装置について示す。
また、前記所望の出力値演算部は、伝達関数で表される。
また、前記パラメータ変更部は、前記伝達関数の時定数を変更する。
また、前記制御対象異常判定部は、前記伝達関数の時定数が所定値以上の場合、前記制御対象が異常であると判定する。
また、前記制御装置は、プラントを制御する装置である。
図１は、実施例２の制御装置１の全体の構成を示しており、実施例１と同じであるので、詳述しない。図２は、実施例２の制御装置１のシステム構成を示しており、実施例１と同じであるので詳述しない。図３は、実施例２の制御装置１と、制御装置１に制御されるプラント７を示しており、実施例１と同じであるので、詳述しない。
以下、各処理の詳細を説明する。
＜ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部（図４）＞
ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２は、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する。具体的には、図４に示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２は、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する。具体的には、図４に示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
＜パラメータ変更部（図５～図８）＞
パラメータ変更部６は、制御対象からの出力のオーバーシュート量が所定範囲にあるか否か及びアンダーシュート量が所定範囲にあるか否かの少なくとも一つを判定し、判定結果に応じて、所望の出力値演算部４のパラメータの変更を許可する。具体的には、図５～図７に示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
パラメータ変更部６は、制御対象からの出力のオーバーシュート量が所定範囲にあるか否か及びアンダーシュート量が所定範囲にあるか否かの少なくとも一つを判定し、判定結果に応じて、所望の出力値演算部４のパラメータの変更を許可する。具体的には、図５～図７に示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
さらに、変更許可された場合、所望の出力値演算部４の変更パラメータ（パラメータの値）を演算する。実施例２において、伝達関数のパラメータであるｂ１は伝達関数の時定数であり、具体的な計算方法は、図８で示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
＜所望の出力値演算部（図１１）＞
所望の出力値演算部４は、制御目標に基づいて、制御対象の出力（例えばプラント７の温度）の所望のプロフィールを演算する。具体的には、図１１に示すように、制御目標である目標プラント温度Ｔｇ＿Ｔｄｅｇに対して、例えば伝達関数などを用いて、所望のプラント温度Ｄｅ＿Ｔｄｅｇのプロフィールを演算する。制御目標は、例えばステップ信号、ランプ信号などがある。
所望の出力値演算部４は、制御目標に基づいて、制御対象の出力（例えばプラント７の温度）の所望のプロフィールを演算する。具体的には、図１１に示すように、制御目標である目標プラント温度Ｔｇ＿Ｔｄｅｇに対して、例えば伝達関数などを用いて、所望のプラント温度Ｄｅ＿Ｔｄｅｇのプロフィールを演算する。制御目標は、例えばステップ信号、ランプ信号などがある。
また、伝達関数のパラメータの一つであるｂ１は、可変とし、パラメータ変更部６で演算された値を用いる。パラメータｂ１は、伝達関数の分母多項式の係数の一つであり、ｂ１の値が大きいほど、当該伝達関数の応答性は遅い性質がある。
＜制御対象異常判定部（図１０）＞
制御対象異常判定部３は、パラメータ変更部６で演算された変更パラメータに基づいて、制御対象の異常を検知する。具体的には、図１０に示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
制御対象異常判定部３は、パラメータ変更部６で演算された変更パラメータに基づいて、制御対象の異常を検知する。具体的には、図１０に示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
本実施例によれば、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する制御装置１は、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部４と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及びＰＩＤ制御器５のゲイン値の少なくとも一つに基づいて所望の出力値演算部４のパラメータ値を変更するパラメータ変更部６と、所望の出力値演算部４のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部３とからなる。また、所望の出力値演算部４は、伝達関数で表される。また、パラメータ変更部６は、前記伝達関数の時定数を変更する。また、制御対象異常判定部３は、前記伝達関数の時定数が所定値以上の場合、前記制御対象が異常であると判定する。また、前記制御装置は、プラント７を制御する装置である。
前記制御対象の出力の計測値及び推定値のオーバーシュート及びアンダーシュートの少なくとも一つが発生している場合（所定範囲にない場合）は、所望の出力値演算部４の出力値が、理論的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、ＰＩＤ制御器５のゲイン値の補正では実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、オーバーシュート及びアンダーシュートを抑制するために、制御対象の所望の出力値（プロフィール）を理論的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、オーバーシュート量及びアンダーシュート量の少なくとも一つが相当程度小さくなるまで当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値を大きくする。
また、前記制御対象への入力値が所定範囲にない場合、又は、前記制御対象への入力値が所定値に達した場合、所望の出力値演算部４の出力値が、制御システムの仕様上、現実的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、操作量などの前記制御対象への入力値が実現不可能な出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、前記制御対象への入力値を適正化するために、前記制御対象の所望の出力値（プロフィール）を現実的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、ゲイン値が適正化する（例えば所定範囲になる）まで、当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値を大きくする。
また、ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２において新たに演算されたゲイン値が所定範囲にない場合、又は、前記新たに演算されたゲイン値が所定値に達した場合、所望の出力値演算部４の出力値が、制御システムの仕様上、現実的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、ＰＩＤ制御器５のゲイン値の補正では実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、新たに演算されたゲイン値を適正化するために、前記制御対象の所望の出力値（プロフィール）を現実的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、ゲイン値が適正化する（例えば所定範囲になる）まで、当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値を大きくする。
前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるようにＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する構成においては、前記制御対象の特性に基づいて、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及びＰＩＤ制御器５のゲイン値の少なくとも一つが決まる。さらに、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及びＰＩＤ制御器５のゲイン値の少なくとも一つに基づいて、所望の出力値演算部４のパラメータ値が更新されるので、所望の出力値演算部４のパラメータ値に制御対象の特性が反映されることになる。
従って、所望の出力値演算部４のパラメータ値に基づいて前記制御対象の特性を検知でき、当該パラメータ値を評価することによって、前記制御対象の特性が正常か又は異常かを判定できる。
以上に説明したように、本実施例によれば、前記制御対象の特性変化に応じて、所望の出力特性となるようにＰＩＤゲイン値を自動的に調整できると共に、前記制御対象の正常又は異常を検知できるので、プラント制御システムの信頼性及び精度を向上できる。
［実施例３］
本実施例においては、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及び前記ＰＩＤ制御器のゲイン値の少なくとも一つに基づいて前記所望の出力値演算部のパラメータ値を変更するパラメータ変更部と、前記所望の出力値演算部のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部とを備える制御装置について示す。
本実施例においては、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及び前記ＰＩＤ制御器のゲイン値の少なくとも一つに基づいて前記所望の出力値演算部のパラメータ値を変更するパラメータ変更部と、前記所望の出力値演算部のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部とを備える制御装置について示す。
また、前記所望の出力値演算部は、伝達関数で表される。
また、前記パラメータ変更部は、前記伝達関数の次数を変更する。
また、前記制御対象異常判定部は、前記伝達関数の次数が所定値以上の場合、前記制御対象が異常であると判定する。
また、前記制御装置は、プラントを制御する装置である。
図１は、実施例３の制御装置１の全体の構成を示しており、実施例１と同じであるので、詳述しない。図２は、実施例３の制御装置１のシステム構成を示しており、実施例１と同じであるので、詳述しない。図３は、実施例３の制御装置１と制御装置１に制御されるプラント７を示しており、実施例１と同じであるので、詳述しない。
以下、各処理の詳細を説明する。
＜ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部（図４）＞
ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２は、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する。具体的には、図４に示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２は、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する。具体的には、図４に示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
＜パラメータ変更部（図５～図７、図１２）＞
パラメータ変更部６は、制御対象からの出力のオーバーシュート量が所定範囲にあるか否か及びアンダーシュート量が所定範囲にあるか否かの少なくとも一つを判定し、判定結果に応じて、所望の出力値演算部４のパラメータの変更を許可する。具体的には、図５～図７に示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
パラメータ変更部６は、制御対象からの出力のオーバーシュート量が所定範囲にあるか否か及びアンダーシュート量が所定範囲にあるか否かの少なくとも一つを判定し、判定結果に応じて、所望の出力値演算部４のパラメータの変更を許可する。具体的には、図５～図７に示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
さらに、変更許可された場合、所望の出力値演算部４の変更パラメータ（パラメータの値）を演算する。具体的には、図１２で示す処理を実行する。
・ｆｐ＿ｒｅｆ＝１の場合、所望の出力値演算部パラメータｎ（伝達関数の分母次数）を下記のように補正する。
ｎ＝ｎ＋１
・ｆｐ＿ｒｅｆ＝０の場合、所望の出力値演算部パラメータｎ（伝達関数の分母次数）は、現在の値を維持する。
・ｆｐ＿ｒｅｆ＝１の場合、所望の出力値演算部パラメータｎ（伝達関数の分母次数）を下記のように補正する。
ｎ＝ｎ＋１
・ｆｐ＿ｒｅｆ＝０の場合、所望の出力値演算部パラメータｎ（伝達関数の分母次数）は、現在の値を維持する。
＜所望の出力値演算部（図１３）＞
所望の出力値演算部４は、制御目標に基づいて、制御対象の出力（例えばプラント７の温度）の所望のプロフィールを演算する。具体的には、図１３に示すように、制御目標である目標プラント温度Ｔｇ＿Ｔｄｅｇに対して、例えば伝達関数などを用いて、所望のプラント温度Ｄｅ＿Ｔｄｅｇのプロフィールを演算する。制御目標は例えばステップ信号、ランプ信号などがある。
所望の出力値演算部４は、制御目標に基づいて、制御対象の出力（例えばプラント７の温度）の所望のプロフィールを演算する。具体的には、図１３に示すように、制御目標である目標プラント温度Ｔｇ＿Ｔｄｅｇに対して、例えば伝達関数などを用いて、所望のプラント温度Ｄｅ＿Ｔｄｅｇのプロフィールを演算する。制御目標は例えばステップ信号、ランプ信号などがある。
また、伝達関数のパラメータの一つである伝達関数の分母次数ｎは、可変とし、パラメータ変更部６で演算された値を用いるとよい。パラメータｎは、伝達関数の分母多項式の次数の一つであり、ｎの値が大きいほど、当該伝達関数の応答性は遅い性質がある。
＜制御対象異常判定部（図１４）＞
制御対象異常判定部３は、パラメータ変更部６で演算された変更パラメータに基づいて、制御対象の異常を検知する。具体的には、図１４に示すように、下記の条件が成立する場合、制御対象異常フラグｆ＿ａｎｏ＿ｐｌａｎｔ＝１を出力し、下記の条件が成立しない場合、制御対象異常フラグｆ＿ａｎｏ＿ｐｌａｎｔ＝０を出力する。
条件 ｎ≧Ｋ＿ｎ＿Ｈ
制御対象異常判定部３は、パラメータ変更部６で演算された変更パラメータに基づいて、制御対象の異常を検知する。具体的には、図１４に示すように、下記の条件が成立する場合、制御対象異常フラグｆ＿ａｎｏ＿ｐｌａｎｔ＝１を出力し、下記の条件が成立しない場合、制御対象異常フラグｆ＿ａｎｏ＿ｐｌａｎｔ＝０を出力する。
条件 ｎ≧Ｋ＿ｎ＿Ｈ
実施例１～３において、パラメータ変更部６で演算され、かつ制御対象異常判定部３における異常検知に用いられる所望の出力値演算部４（伝達関数）のパラメータが伝達関数の無駄時間、時定数、分母次数である例を説明したが、これらの実施例の二つ又は三つを組み合わせて実装してもよい。複数のパラメータで異常を検知することによって、より的確に制御対象の異常を検知できる。
本実施例によれば、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する制御装置１は、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部４と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及びＰＩＤ制御器５のゲイン値の少なくとも一つに基づいて所望の出力値演算部４のパラメータ値を変更するパラメータ変更部６と、所望の出力値演算部４のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部３とからなる。また、所望の出力値演算部４は、伝達関数で表される。また、パラメータ変更部６は、前記伝達関数の次数を変更する。また、制御対象異常判定部３は、前記伝達関数の次数が所定値以上の場合、前記制御対象が異常であると判定する。また、前記制御装置は、プラント７を制御する装置である。
前記制御対象の出力の計測値及び推定値のオーバーシュート及びアンダーシュートの少なくとも一つが発生している場合（所定範囲にない場合）は、所望の出力値演算部４の出力値が、理論的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、ＰＩＤ制御器５のゲイン値の補正では実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、オーバーシュート及びアンダーシュートを抑制するために、制御対象の所望の出力値（プロフィール）を理論的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の分母多項式における次数相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、オーバーシュート量及びアンダーシュート量の少なくとも一つが相当程度小さくなるまで当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の分母多項式における次数相当の値を大きくする。
また、前記制御対象への入力値が所定範囲にない場合、又は、前記制御対象への入力値が所定値に達した場合、所望の出力値演算部４の出力値が、制御システムの仕様上、現実的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、操作量などの前記制御対象への入力値が実現不可能な出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、前記制御対象への入力値を適正化するために、前記制御対象の所望の出力値（プロフィール）を現実的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の分母多項式における次数相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、ゲイン値が適正化する（例えば所定範囲になる）まで、当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の分母多項式における次数相当の値を大きくする。
また、ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２において新たに演算されたゲイン値が所定範囲にない場合、又は、前記新たに演算されたゲイン値が所定値に達した場合、所望の出力値演算部４の出力値が、制御システムの仕様上、現実的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、ＰＩＤ制御器５のゲイン値の補正では実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、新たに演算されたゲイン値を適正化するために、前記制御対象の所望の出力値（プロフィール）を現実的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の分母多項式における次数相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、ゲイン値が適正化する（例えば所定範囲になる）まで、当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の分母多項式における次数相当の値を大きくする。
前記所望の出力値（時系列信号など）と制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるようにＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する構成においては、前記制御対象の特性に基づいて、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及びＰＩＤ制御器５のゲイン値の少なくとも一つが決まる。さらに、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及びＰＩＤ制御器５のゲイン値の少なくとも一つに基づいて、所望の出力値演算部４のパラメータ値が更新されるので、所望の出力値演算部４のパラメータ値に制御対象の特性が反映されることになる。
従って、所望の出力値演算部４のパラメータ値に基づいて前記制御対象の特性を検知でき、当該パラメータ値を評価することによって、前記制御対象の特性が正常か又は異常かを判定できる。
以上に説明したように、本実施例によれば、前記制御対象の特性変化に応じて、所望の出力特性となるようにＰＩＤゲイン値を自動的に調整できると共に、前記制御対象の正常又は異常を検知できるので、プラント制御システムの信頼性及び精度を向上できる。
［実施例４］
本実施例においては、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及び前記ＰＩＤ制御器のゲイン値の少なくとも一つに基づいて前記所望の出力値演算部のパラメータ値を変更するパラメータ変更部と、前記所望の出力値演算部のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部とを備える制御装置について示す。
本実施例においては、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及び前記ＰＩＤ制御器のゲイン値の少なくとも一つに基づいて前記所望の出力値演算部のパラメータ値を変更するパラメータ変更部と、前記所望の出力値演算部のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部とを備える制御装置について示す。
また、前記所望の出力値演算部は、伝達関数で表される。
また、前記パラメータ変更部は、前記伝達関数の時定数を変更する。
また、前記制御対象異常判定部は、前記伝達関数の時定数が所定値以上の場合、前記制御対象が異常であると判定する。
また、前記制御装置は、自動運転車を制御する装置である。
図１は、制御装置１の全体の構成を示しており、実施例１と同じであるので、詳述しない。図２は、制御装置１のシステム構成を示しており、実施例１と同じであるので、詳述しない。
図１５は、制御装置１と、制御装置１に制御される自動運転車８を示す図である。ＰＩＤ制御器５は、自動運転車８の運動を制御するための操作量（例えば、目標速度、目標回転角速度）を演算する。
以下、各処理の詳細を説明する。
＜ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部（図１６）＞
ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２は、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する。具体的には、図１６に示すように、速度ＶＳＰのプロフィールと所望の速度Ｄｅ＿ＶＳＰのプロフィールとの差が最も小さくなるように、調整後ＰＩＤゲイン暫定値を決める。得られたＰＩＤ制御器５のＰゲイン値、Ｉゲイン値、Ｄゲイン値の暫定値をそれぞれＫｐ＿ｎｅｗ，Ｋｉ＿ｎｅｗ＿ｔｍｐ，Ｋｄ＿ｎｅｗとする。
ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２は、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する。具体的には、図１６に示すように、速度ＶＳＰのプロフィールと所望の速度Ｄｅ＿ＶＳＰのプロフィールとの差が最も小さくなるように、調整後ＰＩＤゲイン暫定値を決める。得られたＰＩＤ制御器５のＰゲイン値、Ｉゲイン値、Ｄゲイン値の暫定値をそれぞれＫｐ＿ｎｅｗ，Ｋｉ＿ｎｅｗ＿ｔｍｐ，Ｋｄ＿ｎｅｗとする。
速度ＶＳＰのプロフィールと所望の速度Ｄｅ＿ＶＳＰのプロフィールとの差を評価する評価関数は、例えば、Ｊ２＝｜｜ＶＳＰ－Ｄｅ＿ＶＳＰ｜｜であるＬ２ノルム、又は、Ｊ１＝｜ＶＳＰ－Ｄｅ＿ＶＳＰ｜であるＬ１ノルムなどがある。Ｊ１やＪ２を最小化するＰＩＤゲイン値は、例えば、ＩＦＴ（Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｔｕｎｉｎｇ）、ＦＲＩＴ（Ｆｉｃｔｉｔｉｏｕｓ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｔｕｎｉｎｇ）などのデータ駆動制御で決定すればよく、ＰＩＤゲイン値の決定は、最適化問題に帰着する。最適化のための解法は、ニュートン法、ガウス＝ニュートン法などの様々な方法があり、多くの参考文献があるので、ここでは詳述しない。
なお、本最適化処理は、オフライン、オンラインのどちらで行ってもよい。
＜パラメータ変更部（図１７、図１８、図７、図８）＞
パラメータ変更部６は、制御対象からの出力のオーバーシュート量が所定範囲にあるか否か及びアンダーシュート量が所定範囲にあるか否かの少なくとも一つを判定し、判定結果に応じて、所望の出力値演算部４のパラメータの変更を許可する。具体的には、図１７、図１８、図７に示す三つの判定処理によってパラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆを計算し、計算されたパラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１の場合、図８に示す演算処理によって所望の出力値演算部４のパラメータの演算する。なお、図１７、図１８、図７に示す三つの判定処理は、少なくとも一つ実装すればよい。
パラメータ変更部６は、制御対象からの出力のオーバーシュート量が所定範囲にあるか否か及びアンダーシュート量が所定範囲にあるか否かの少なくとも一つを判定し、判定結果に応じて、所望の出力値演算部４のパラメータの変更を許可する。具体的には、図１７、図１８、図７に示す三つの判定処理によってパラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆを計算し、計算されたパラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１の場合、図８に示す演算処理によって所望の出力値演算部４のパラメータの演算する。なお、図１７、図１８、図７に示す三つの判定処理は、少なくとも一つ実装すればよい。
例えば、図１７に示す処理を実行して、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆを演算する。
・下記の条件ａ）を満たす場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
ＶＳＰのオーバーシュート量がＫ＿ＶＳＰ＿Ｏ１以上、又は、
ＶＳＰのアンダーシュート量がＫ＿ＶＳＰ＿Ｕ１以上
・下記の条件ａ）を満たす場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
ＶＳＰのオーバーシュート量がＫ＿ＶＳＰ＿Ｏ１以上、又は、
ＶＳＰのアンダーシュート量がＫ＿ＶＳＰ＿Ｕ１以上
また、図１８に示す処理を実行して、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆを演算する。
・下記の条件ａ）を満たす場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
Ｔｇ＿ＶＳＰ≧Ｋ＿Ｔｇ＿ＶＳＰ＿Ｈ
・下記の条件ａ）を満たす場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
Ｔｇ＿ＶＳＰ≧Ｋ＿Ｔｇ＿ＶＳＰ＿Ｈ
なお、ＰＩＤ制御器５の出力であるＴｇ＿ＶＳＰ（目標車速）ではなく、ＰＩＤ制御器５で演算されるＰ分、Ｉ分、Ｄ分それぞれが所定範囲にあるか否かで判定してもよい。また、制御対象への入力は、ＰＩＤ制御器５の出力である目標車速だけでなく、目標燃料量、目標スロットル開度、目標トルクなどの制御対象への入力情報でもよい。
また、図７に示す処理でｆｐ＿ｒｅｆを演算する。具体的には、実施例１と同じであるので、詳述しない。
さらに、変更許可された場合、所望の出力値演算部４の変更パラメータ（パラメータの値）を演算する。具体的には、図８で示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
＜所望の出力値演算部（図１９）＞
所望の出力値演算部４は、制御目標に基づいて、制御対象の出力（例えば自動運転車８の速度）の所望のプロフィールを演算する。具体的には、図１９に示すように、制御目標である目標速度Ｔｇ＿ＶＳＰに対して、例えば伝達関数などを用いて、所望の速度Ｄｅ＿ＶＳＰのプロフィールを演算する。制御目標は、例えばステップ信号、ランプ信号などがある。
所望の出力値演算部４は、制御目標に基づいて、制御対象の出力（例えば自動運転車８の速度）の所望のプロフィールを演算する。具体的には、図１９に示すように、制御目標である目標速度Ｔｇ＿ＶＳＰに対して、例えば伝達関数などを用いて、所望の速度Ｄｅ＿ＶＳＰのプロフィールを演算する。制御目標は、例えばステップ信号、ランプ信号などがある。
また、伝達関数のパラメータの一つであるｂ１は、可変とし、パラメータ変更部６で演算された値を用いるとよい。パラメータｂ１は、伝達関数の分母多項式の係数の一つであり、ｂ１の値が大きいほど、当該伝達関数の応答性は遅い性質がある。
＜制御対象異常判定部（図１０）＞
制御対象異常判定部３は、パラメータ変更部６で演算された変更パラメータに基づいて、制御対象の異常を検知する。具体的には、図１０に示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
制御対象異常判定部３は、パラメータ変更部６で演算された変更パラメータに基づいて、制御対象の異常を検知する。具体的には、図１０に示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
本実施例によれば、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する制御装置１は、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部４と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及びＰＩＤ制御器５のゲイン値の少なくとも一つに基づいて所望の出力値演算部４のパラメータ値を変更するパラメータ変更部６と、所望の出力値演算部４のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部３とからなる。また、所望の出力値演算部４は、伝達関数で表される。また、パラメータ変更部６は、前記伝達関数の時定数を変更する。また、制御対象異常判定部３は、前記伝達関数の時定数が所定値以上の場合、前記制御対象が異常であると判定する。また、前記制御装置は、自動運転車８を制御する装置である。
前記制御対象の出力の計測値及び推定値のオーバーシュート及びアンダーシュートの少なくとも一つが発生している場合（所定範囲にない場合）は、所望の出力値演算部４の出力値が、理論的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、ＰＩＤ制御器５のゲイン値の補正では実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、オーバーシュート及びアンダーシュートを抑制するために、制御対象の所望の出力値（プロフィール）を理論的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、オーバーシュート量及びアンダーシュート量の少なくとも一つが相当程度小さくなるまで当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値を大きくする。
また、前記制御対象への入力値が所定範囲にない場合、又は、前記制御対象への入力値が所定値に達した場合、所望の出力値演算部４の出力値が、制御システムの仕様上、現実的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、操作量などの前記制御対象への入力値が実現不可能な出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、前記制御対象への入力値を適正化するために、前記制御対象の所望の出力値（プロフィール）を現実的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、ゲイン値が適正化する（例えば所定範囲になる）まで、当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値を大きくする。
また、ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２において新たに演算されたゲイン値が所定範囲にない場合、又は、前記新たに演算されたゲイン値が所定値に達した場合、所望の出力値演算部４の出力値が、制御システムの仕様上、現実的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、ＰＩＤ制御器５のゲイン値の補正では実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、新たに演算されたゲイン値を適正化するために、前記制御対象の所望の出力値（プロフィール）を現実的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、ゲイン値が適正化する（例えば所定範囲になる）まで、当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値を大きくする。
前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるようにＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する構成においては、前記制御対象の特性に基づいて、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及びＰＩＤ制御器５のゲイン値の少なくとも一つが決まる。さらに、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及びＰＩＤ制御器５のゲイン値の少なくとも一つに基づいて、所望の出力値演算部４のパラメータ値が更新されるので、所望の出力値演算部４のパラメータ値に制御対象の特性が反映されることになる。
従って、所望の出力値演算部４のパラメータ値に基づいて前記制御対象の特性を検知でき、当該パラメータ値を評価することによって、前記制御対象の特性が正常か又は異常かを判定できる。
以上に説明したように、本実施例によれば、前記制御対象の特性変化に応じて、所望の出力特性となるようにＰＩＤゲイン値を自動的に調整できると共に、前記制御対象の正常又は異常を検知できるので、自動運転車制御システムの信頼性及び精度を向上できる。
［実施例５］
本実施例においては、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及び前記ＰＩＤ制御器のゲイン値の少なくとも一つに基づいて前記所望の出力値演算部のパラメータ値を変更するパラメータ変更部と、前記所望の出力値演算部のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部３とを備える制御装置について示す。
本実施例においては、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及び前記ＰＩＤ制御器のゲイン値の少なくとも一つに基づいて前記所望の出力値演算部のパラメータ値を変更するパラメータ変更部と、前記所望の出力値演算部のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部３とを備える制御装置について示す。
また、前記所望の出力値演算部は、伝達関数で表される。
また、前記パラメータ変更部は、前記伝達関数の時定数を変更する。
また、前記制御対象異常判定部は、前記伝達関数の時定数が所定値以上の場合、前記制御対象が異常であると判定する。
また、前記制御装置は、ロボットを制御する装置である。
図１は、制御装置１の全体の構成を示しており、実施例１と同じであるので、詳述しない。図２は、制御装置１のシステム構成を示しており、実施例１と同じであるので、詳述しない。
図２０は、制御装置１と、制御装置１に制御されるロボット９を示す図である。ＰＩＤ制御器５は、ロボット９の運動を制御するための操作量（例えば、角度、速度、トルク）を演算する。
以下、各処理の詳細を説明する。
＜ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部（図２１）＞
ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２は、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する。具体的には、図２１に示される。
ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２は、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する。具体的には、図２１に示される。
位置ＰＯＳのプロフィールと所望の位置Ｄｅ＿ＰＯＳのプロフィールとの差が最も小さくなるように、調整後ＰＩＤゲイン暫定値を決める。得られたＰＩＤ制御器５のＰゲイン値、Ｉゲイン値、Ｄゲイン値の暫定値をそれぞれＫｐ＿ｎｅｗ，Ｋｉ＿ｎｅｗ，Ｋｄ＿ｎｅｗとする。
位置ＰＯＳのプロフィールと所望の位置Ｄｅ＿ＰＯＳのプロフィールとの差を評価する評価関数は、例えば、Ｊ２＝｜｜ＰＯＳ－Ｄｅ＿ＰＯＳ｜｜であるＬ２ノルム、又は、Ｊ１＝｜ＰＯＳ－Ｄｅ＿ＰＯＳ｜であるＬ１ノルムなどがある。Ｊ１やＪ２を最小化するＰＩＤゲイン値は、例えば、ＩＦＴ（Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｔｕｎｉｎｇ）、ＦＲＩＴ（Ｆｉｃｔｉｔｉｏｕｓ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｔｕｎｉｎｇ）などのデータ駆動制御で決定すればよく、ＰＩＤゲイン値の決定は、最適化問題に帰着する。最適化のための解法は、ニュートン法、ガウス＝ニュートン法などの様々な方法があり、多くの参考文献があるので、ここでは詳述しない。
なお、本最適化処理は、オフライン、オンラインのどちらで行ってもよい。
＜パラメータ変更部（図２２、図２３、図７、図８）＞
パラメータ変更部６は、制御対象からの出力のオーバーシュート量が所定範囲にあるか否か及びアンダーシュート量が所定範囲にあるか否かの少なくとも一つを判定し、判定結果に応じて、所望の出力値演算部４のパラメータの変更を許可する。具体的には、図２２、図２３、図７示す三つの判定処理によってパラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆを計算し、計算されたパラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１の場合、図８に示す演算処理によって所望の出力値演算部４のパラメータの演算する。なお、図２２、図２３、図７に示す三つの判定処理は、少なくとも一つ実装すればよい。
パラメータ変更部６は、制御対象からの出力のオーバーシュート量が所定範囲にあるか否か及びアンダーシュート量が所定範囲にあるか否かの少なくとも一つを判定し、判定結果に応じて、所望の出力値演算部４のパラメータの変更を許可する。具体的には、図２２、図２３、図７示す三つの判定処理によってパラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆを計算し、計算されたパラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１の場合、図８に示す演算処理によって所望の出力値演算部４のパラメータの演算する。なお、図２２、図２３、図７に示す三つの判定処理は、少なくとも一つ実装すればよい。
例えば、図２２に示す処理を実行して、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆを演算する。
・下記の条件ａ）を満たす場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
ＰＯＳのオーバーシュート量がＫ＿ＰＯＳ＿Ｏ１以上、又は、
ＰＯＳのアンダーシュート量がＫ＿ＰＯＳ＿Ｕ１以上
・下記の条件ａ）を満たす場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
ＰＯＳのオーバーシュート量がＫ＿ＰＯＳ＿Ｏ１以上、又は、
ＰＯＳのアンダーシュート量がＫ＿ＰＯＳ＿Ｕ１以上
また、図２３に示す処理を実行して、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆを演算する。
・下記の条件ａ）を満たす場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
Ｔｇ＿ＰＯＳ≧Ｋ＿Ｔｇ＿ＰＯＳ＿Ｈ
・下記の条件ａ）を満たす場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
Ｔｇ＿ＰＯＳ≧Ｋ＿Ｔｇ＿ＰＯＳ＿Ｈ
なお、ＰＩＤ制御器５の出力であるＴｇ＿ＰＯＳ（目標位置）ではなく、ＰＩＤ制御器５で演算されるＰ分、Ｉ分、Ｄ分それぞれが所定範囲にあるか否かで判定してもよい。また、制御対象への入力は、ＰＩＤ制御器５の出力である目標位置だけでなく、目標トルク、目標モーター電流などの制御対象への入力情報でもよい。
また、図７に示す処理でｆｐ＿ｒｅｆを演算する。具体的には、実施例１と同じであるので、詳述しない。
さらに、変更許可された場合、所望の出力値演算部４の変更パラメータ（パラメータの値）を演算する。具体的には、図８で示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
＜所望の出力値演算部（図２４）＞
所望の出力値演算部４は、制御目標に基づいて、制御対象の出力（例えばロボット９の位置）の所望のプロフィールを演算する。具体的には、図２４に示すように、制御目標である目標位置Ｔｇ＿ＰＯＳに対して、例えば伝達関数などを用いて、所望の位置Ｄｅ＿ＰＯＳを演算する。制御目標は、例えばステップ信号、ランプ信号などがある。
所望の出力値演算部４は、制御目標に基づいて、制御対象の出力（例えばロボット９の位置）の所望のプロフィールを演算する。具体的には、図２４に示すように、制御目標である目標位置Ｔｇ＿ＰＯＳに対して、例えば伝達関数などを用いて、所望の位置Ｄｅ＿ＰＯＳを演算する。制御目標は、例えばステップ信号、ランプ信号などがある。
また、伝達関数のパラメータの一つであるｂ１は、可変とし、パラメータ変更部６で演算された値を用いるとよい。パラメータｂ１は、伝達関数の分母多項式の係数の一つであり、ｂ１の値が大きいほど、当該伝達関数の応答性は遅い性質がある。
＜制御対象異常判定部（図１０）＞
制御対象異常判定部３は、パラメータ変更部６で演算された変更パラメータに基づいて、制御対象の異常を検知する。具体的には、図１０に示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
制御対象異常判定部３は、パラメータ変更部６で演算された変更パラメータに基づいて、制御対象の異常を検知する。具体的には、図１０に示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
本実施例によれば、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する制御装置１は、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部４と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及びＰＩＤ制御器５のゲイン値の少なくとも一つに基づいて所望の出力値演算部４のパラメータ値を変更するパラメータ変更部６と、所望の出力値演算部４のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部３とからなる。また、所望の出力値演算部４は、伝達関数で表される。また、パラメータ変更部６は、前記伝達関数の時定数を変更する。また、制御対象異常判定部３は、前記伝達関数の時定数が所定値以上の場合、前記制御対象が異常であると判定する。また、前記制御装置は、ロボット９を制御する装置である。
前記制御対象の出力の計測値及び推定値のオーバーシュート及びアンダーシュートの少なくとも一つが発生している場合（所定範囲にない場合）は、所望の出力値演算部４の出力値が、理論的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、ＰＩＤ制御器５のゲイン値の補正では実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、オーバーシュート及びアンダーシュートを抑制するために、制御対象の所望の出力値（プロフィール）を理論的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、オーバーシュート量及びアンダーシュート量の少なくとも一つが相当程度小さくなるまで当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値を大きくする。
また、前記制御対象への入力値が所定範囲にない場合、又は、前記制御対象への入力値が所定値に達した場合、所望の出力値演算部４の出力値が、制御システムの仕様上、現実的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、操作量などの前記制御対象への入力値が実現不可能な出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、前記制御対象への入力値を適正化するために、前記制御対象の所望の出力値（プロフィール）を現実的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、ゲイン値が適正化する（例えば所定範囲になる）まで、当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値を大きくする。
また、ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２において新たに演算されたゲイン値が所定範囲にない場合、又は、前記新たに演算されたゲイン値が所定値に達した場合、所望の出力値演算部４の出力値が、制御システムの仕様上、現実的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、ＰＩＤ制御器５のゲイン値の補正では実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、新たに演算されたゲイン値を適正化するために、前記制御対象の所望の出力値（プロフィール）を現実的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、ゲイン値が適正化する(例えば所定範囲になる)まで、当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値を大きくする。
前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるようにＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する構成においては、前記制御対象の特性に基づいて、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及びＰＩＤ制御器５のゲイン値の少なくとも一つが決まる。さらに、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及びＰＩＤ制御器５のゲイン値の少なくとも一つに基づいて、所望の出力値演算部４のパラメータ値が更新されるので、所望の出力値演算部４のパラメータ値に制御対象の特性が反映されることになる。
従って、所望の出力値演算部４のパラメータ値に基づいて前記制御対象の特性を検知でき、当該パラメータ値を評価することによって、前記制御対象の特性が正常か又は異常かを判定できる。
以上に説明したように、本実施例によれば、前記制御対象の特性変化に応じて、所望の出力特性となるようにＰＩＤゲイン値を自動的に調整できると共に、前記制御対象の正常又は異常を検知できるので、ロボット制御システムの信頼性及び精度を向上できる。
［実施例６］
本実施例においては、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及び前記ＰＩＤ制御器のゲイン値の少なくとも一つに基づいて前記所望の出力値演算部のパラメータ値を変更するパラメータ変更部と、前記所望の出力値演算部のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部とを備える制御装置について示す。
本実施例においては、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及び前記ＰＩＤ制御器のゲイン値の少なくとも一つに基づいて前記所望の出力値演算部のパラメータ値を変更するパラメータ変更部と、前記所望の出力値演算部のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部とを備える制御装置について示す。
また、前記所望の出力値演算部は、伝達関数で表される。
また、前記パラメータ変更部は、前記伝達関数の時定数を変更する。
また、前記制御対象異常判定部は、前記伝達関数の時定数が所定値以上の場合、前記制御対象が異常であると判定する。
また、前記制御装置は、ドローンなどの飛行体を制御する装置である。
図１は、制御装置１の全体の構成を示しており、実施例１と同じであるので、詳述しない。図２は、制御装置１のシステム構成を示しており、実施例１と同じであるので、詳述しない。
図２５は、制御装置１と、制御装置１に制御されるドローン１０を示す図である。ＰＩＤ制御器５は、ドローン１０の運動を制御するための操作量（例えば、各ロータの回転速度）を演算する。
以下、各処理の詳細を説明する。
＜ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部（図２６）＞
ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２は、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する。具体的には、図２６に示される。
ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２は、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する。具体的には、図２６に示される。
飛行速度ＦＳＰのプロフィールと所望の飛行速度Ｄｅ＿ＦＳＰのプロフィールとの差が最も小さくなるように、調整後ＰＩＤゲイン暫定値を決める。得られたＰＩＤ制御器５のＰゲイン値、Ｉゲイン値、Ｄゲイン値の暫定値をそれぞれＫｐ＿ｎｅｗ，Ｋｉ＿ｎｅｗ，Ｋｄ＿ｎｅｗとする。
位置ＰＯＳのプロフィールと所望の位置Ｄｅ＿ＰＯＳのプロフィールとの差を評価する評価関数は、例えば、Ｊ２＝｜｜ＦＳＰ－Ｄｅ＿ＦＳＰ｜｜であるＬ２ノルム、又は、Ｊ１＝｜ＦＳＰ－Ｄｅ＿ＦＳＰ｜であるＬ１ノルムなどがある。Ｊ１やＪ２を最小化するＰＩＤゲイン値は、例えば、ＩＦＴ（Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｔｕｎｉｎｇ）、ＦＲＩＴ（Ｆｉｃｔｉｔｉｏｕｓ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｔｕｎｉｎｇ）などのデータ駆動制御で決定すればよく、ＰＩＤゲイン値の決定は、最適化問題に帰着する。最適化のための解法は、ニュートン法、ガウス＝ニュートン法などの様々な方法があり、多くの参考文献があるので、ここでは詳述しない。
なお、本最適化処理は、オフライン、オンラインのどちらで行ってもよい。
＜パラメータ変更部（図２７、図２８、図７、図８）＞
パラメータ変更部６は、制御対象からの出力のオーバーシュート量が所定範囲にあるか否か及びアンダーシュート量が所定範囲にあるか否かの少なくとも一つを判定し、判定結果に応じて、所望の出力値演算部４のパラメータの変更を許可する。具体的には、図２７、図２８、図７示す三つの判定処理によってパラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆを計算し、計算されたパラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１の場合、図８に示す演算処理によって所望の出力値演算部４のパラメータの演算する。なお、図２７、図２８、図７に示す三つの判定処理は、少なくとも一つ実装すればよい。
パラメータ変更部６は、制御対象からの出力のオーバーシュート量が所定範囲にあるか否か及びアンダーシュート量が所定範囲にあるか否かの少なくとも一つを判定し、判定結果に応じて、所望の出力値演算部４のパラメータの変更を許可する。具体的には、図２７、図２８、図７示す三つの判定処理によってパラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆを計算し、計算されたパラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１の場合、図８に示す演算処理によって所望の出力値演算部４のパラメータの演算する。なお、図２７、図２８、図７に示す三つの判定処理は、少なくとも一つ実装すればよい。
例えば、図２７に示す処理を実行して、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆを演算する。
・下記の条件ａ）を満たす場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
ＦＳＰのオーバーシュート量がＫ＿ＦＳＰ＿Ｏ１以上、又は、
ＦＳＰのアンダーシュート量がＫ＿ＦＳＰ＿Ｕ１以上
・下記の条件ａ）を満たす場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
ＦＳＰのオーバーシュート量がＫ＿ＦＳＰ＿Ｏ１以上、又は、
ＦＳＰのアンダーシュート量がＫ＿ＦＳＰ＿Ｕ１以上
また、図２８に示す処理を実行して、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆを演算する。
・下記の条件ａ）を満たす場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
Ｔｇ＿ＦＳＰ≧Ｋ＿Ｔｇ＿ＦＳＰ＿Ｈ
・下記の条件ａ）を満たす場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝１を出力する。一方、条件ａ）が成立しない場合、パラメータ変更許可フラグｆｐ＿ｒｅｆ＝０を出力する。
条件ａ）
Ｔｇ＿ＦＳＰ≧Ｋ＿Ｔｇ＿ＦＳＰ＿Ｈ
なお、ＰＩＤ制御器５の出力であるＴｇ＿ＦＳＰ（目標飛行速度）ではなく、ＰＩＤ制御器５で演算されるＰ分、Ｉ分、Ｄ分それぞれが所定範囲にあるか否かで判定してもよい。また、制御対象への入力は、ＰＩＤ制御器５の出力である目標飛行速度だけでなく、目標ローター回転速度、目標モーター電流などの制御対象への入力情報でもよい。
また、図７に示す処理でｆｐ＿ｒｅｆを演算する。具体的には、実施例１と同じであるので、詳述しない。
さらに、変更許可された場合、所望の出力値演算部４の変更パラメータ（パラメータの値）を演算する。具体的には、図８で示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
＜所望の出力値演算部（図２９）＞
所望の出力値演算部４は、制御目標に基づいて、制御対象の出力（例えばドローン１０の飛行速度）の所望のプロフィールを演算する。具体的には、図２９に示すように、制御目標である目標飛行速度Ｔｇ＿ＦＳＰに対して、例えば伝達関数などを用いて、所望の位置Ｄｅ＿ＦＳＰを演算する。制御目標は例えばステップ信号、ランプ信号などがある。
所望の出力値演算部４は、制御目標に基づいて、制御対象の出力（例えばドローン１０の飛行速度）の所望のプロフィールを演算する。具体的には、図２９に示すように、制御目標である目標飛行速度Ｔｇ＿ＦＳＰに対して、例えば伝達関数などを用いて、所望の位置Ｄｅ＿ＦＳＰを演算する。制御目標は例えばステップ信号、ランプ信号などがある。
また、伝達関数のパラメータの一つであるｂ１は、可変とし、パラメータ変更部６で演算された値を用いるとよい。パラメータｂ１は、伝達関数の分母多項式の係数の一つであり、ｂ１の値が大きいほど、当該伝達関数の応答性は遅い性質がある。
＜制御対象異常判定部（図１０）＞
制御対象異常判定部３は、パラメータ変更部６で演算された変更パラメータに基づいて、制御対象の異常を検知する。具体的には、図１０に示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
制御対象異常判定部３は、パラメータ変更部６で演算された変更パラメータに基づいて、制御対象の異常を検知する。具体的には、図１０に示す実施例１と同じであるので、詳述しない。
本実施例によれば、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する制御装置１は、制御対象の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部４と、前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及びＰＩＤ制御器５のゲイン値の少なくとも一つに基づいて所望の出力値演算部４のパラメータ値を変更するパラメータ変更部６と、所望の出力値演算部４のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部３とからなる。また、所望の出力値演算部４は、伝達関数で表される。また、パラメータ変更部６は、前記伝達関数の時定数を変更する。また、制御対象異常判定部３は、前記伝達関数の時定数が所定値以上の場合、前記制御対象が異常であると判定する。また、前記制御装置は、ドローン１０などの飛行体を制御する装置である。
前記制御対象の出力の計測値及び推定値のオーバーシュート及びアンダーシュートの少なくとも一つが発生している場合（所定範囲にない場合）は、所望の出力値演算部４の出力値が、理論的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、ＰＩＤ制御器５のゲイン値の補正では実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、オーバーシュート及びアンダーシュートを抑制するために、制御対象の所望の出力値（プロフィール）を理論的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、オーバーシュート量及びアンダーシュート量の少なくとも一つが相当程度小さくなるまで当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値を大きくする。
また、前記制御対象への入力値が所定範囲にない場合、又は、前記制御対象への入力値が所定値に達した場合、所望の出力値演算部４の出力値が、制御システムの仕様上、現実的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、操作量などの前記制御対象への入力値が実現不可能な出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、前記制御対象への入力値を適正化するために、前記制御対象の所望の出力値（プロフィール）を現実的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、ゲイン値が適正化する（例えば所定範囲になる）まで、当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値を大きくする。
また、ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２において新たに演算されたゲイン値が所定範囲にない場合、又は、前記新たに演算されたゲイン値が所定値に達した場合、所望の出力値演算部４の出力値が、制御システムの仕様上、現実的に実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。すなわち、ＰＩＤ制御器５のゲイン値の補正では実現できない出力値（プロフィール）となっている可能性がある。この場合、新たに演算されたゲイン値を適正化するために、前記制御対象の所望の出力値（プロフィール）を現実的に実現可能なものに補正する必要がある。所望の出力値演算部４が伝達関数で表される場合、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値が大きくなるほど、当該伝達関数の応答性が遅くなる。従って、ゲイン値が適正化する(例えば所定範囲になる)まで、当該伝達関数の応答性を遅らせるべく、当該伝達関数の分母多項式における時定数相当の値を大きくする。
前記所望の出力値（時系列信号など）と前記制御対象の出力値（時系列信号など）との差が小さくなるようにＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する構成においては、前記制御対象の特性に基づいて、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及びＰＩＤ制御器５のゲイン値の少なくとも一つが決まる。さらに、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及びＰＩＤ制御器５のゲイン値の少なくとも一つに基づいて、所望の出力値演算部４のパラメータ値が更新されるので、所望の出力値演算部４のパラメータ値に制御対象の特性が反映されることになる。
従って、所望の出力値演算部４のパラメータ値に基づいて前記制御対象の特性を検知でき、当該パラメータ値を評価することによって、前記制御対象の特性が正常か又は異常かを判定できる。
以上に説明したように、本実施例によれば、前記制御対象の特性変化に応じて、所望の出力特性となるようにＰＩＤゲイン値を自動的に調整できると共に、前記制御対象の正常又は異常を検知できるので、ドローン制御システムの信頼性及び精度を向上できる。
以上に説明したように、本発明の実施例によると、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を調整する制御装置１は、制御対象（プラント７、自動運転車８、ロボット９、ドローン１０など）の所望の出力値を演算する所望の出力値演算部４と、前記所望の出力値と前記制御対象の出力値との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器５のゲイン値を演算するＰＩＤ制御器ゲイン値調整部２と、前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及びＰＩＤ制御器５のゲイン値の少なくとも一つに基づいて、所望の出力値演算部４のパラメータ値を変更するパラメータ変更部６と、所望の出力値演算部４のパラメータ値に基づいて、前記制御対象が正常であるか否かを判定する制御対象異常判定部３とを備えるので、所望の出力値演算部４のパラメータ値に基づいて前記制御対象の特性を検知でき、当該パラメータ値を評価することによって、前記制御対象の特性が正常か又は異常かを判定できる。このため、プラント制御システムの信頼性及び精度を向上できる。
また、所望の出力値演算部４は伝達関数で表されるので、制御対象に出力されるべき所望の出力値を簡単に演算できる。また、伝達関数のパラメータ値によって、所望の出力値演算部４のパラメータ値を容易に変更できる。
また、パラメータ変更部６は、所望の出力値演算部４のパラメータ値として、前記伝達関数の無駄時間を変更するので、制御対象の特性が立ち上がるまでの時間によってシステムの特性を制御できる。
また、制御対象異常判定部３は、前記伝達関数の無駄時間が所定値以上である場合、前記制御対象が異常であると判定するので、制御対象の特性が立ち上がるまでの時間によってシステムの異常を判定できる。
また、パラメータ変更部６は、所望の出力値演算部４のパラメータ値として、前記伝達関数の時定数を変更するので、制御対象の特性が立ち上がり時間によってシステムの特性を制御できる。
また、制御対象異常判定部３は、前記伝達関数の時定数が所定値以上である場合、前記制御対象が異常であると判定するので、制御対象の特性が立ち上がり時間によってシステムの異常を判定できる。
また、パラメータ変更部６は、所望の出力値演算部４のパラメータ値として、前記伝達関数の次数を変更するので、制御対象の動作の複雑さを制御することによってシステムの特性を制御できる。
また、制御対象異常判定部３は、前記伝達関数の次数が所定値以上である場合、前記制御対象が異常であると判定するので、制御対象の動作の複雑さを制御することによってシステムの異常を判定できる。
なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲の趣旨内における様々な変形例及び同等の構成が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに本発明は限定されない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えてもよい。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えてもよい。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をしてもよい。
また、前述した各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により、ハードウェアで実現してもよく、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。
各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記憶装置、又は、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に格納することができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、実装上必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、ほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてよい。
１ 制御装置
２ ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部
３ 制御対象異常判定部
４ 所望の出力値演算部
５ ＰＩＤ制御器
６ パラメータ変更部
７ 発電プラント
８ 自動運転車
９ ロボット
１０ ドローン
１１ 制御装置の記憶装置
１２ 制御装置のＣＰＵ
１３ 制御装置のＲＯＭ
１４ 制御装置のＲＡＭ
１５ 制御装置のデータバス
１６ 制御装置の入力回路
１７ 制御装置の入出力ポート
１８ 制御装置の出力回路
２ ＰＩＤ制御器ゲイン値調整部
３ 制御対象異常判定部
４ 所望の出力値演算部
５ ＰＩＤ制御器
６ パラメータ変更部
７ 発電プラント
８ 自動運転車
９ ロボット
１０ ドローン
１１ 制御装置の記憶装置
１２ 制御装置のＣＰＵ
１３ 制御装置のＲＯＭ
１４ 制御装置のＲＡＭ
１５ 制御装置のデータバス
１６ 制御装置の入力回路
１７ 制御装置の入出力ポート
１８ 制御装置の出力回路
Claims (9)
- 制御対象の所望の出力値を演算する演算部と、
前記所望の出力値と前記制御対象の出力値との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器のゲイン値を演算するゲイン値調整部と、
前記制御対象への入力情報、前記制御対象からの出力情報、及び前記ＰＩＤ制御器のゲイン値の少なくとも一つが所定の範囲にあるかを判定し、前記判定の結果に応じて前記演算部のパラメータの変更を許可し、前記許可された場合に前記演算部のパラメータ値を変更するパラメータ変更部と、
前記演算部のパラメータ値が所定の範囲外である場合、前記制御対象が異常であると判定する判定部とを備えることを特徴とする制御装置。 - 請求項１記載の制御装置において、
前記演算部は、伝達関数で表されることを特徴とする制御装置。 - 請求項２記載の制御装置において、
前記パラメータ変更部は、前記演算部のパラメータ値として、前記伝達関数の無駄時間を変更することを特徴とする制御装置。 - 請求項２記載の制御装置において、
前記パラメータ変更部は、前記演算部のパラメータ値として、前記伝達関数の時定数を変更することを特徴とする制御装置。 - 請求項２記載の制御装置において、
前記パラメータ変更部は、前記演算部のパラメータ値として、前記伝達関数の次数を変更することを特徴とする制御装置。 - 請求項２記載の制御装置において、
前記判定部は、前記伝達関数の無駄時間が所定値以上である場合、前記制御対象が異常であると判定することを特徴とする制御装置。 - 請求項２記載の制御装置において、
前記判定部は、前記伝達関数の時定数が所定値以上である場合、前記制御対象が異常であると判定することを特徴とする制御装置。 - 請求項２記載の制御装置において、
前記判定部は、前記伝達関数の次数が所定値以上である場合、前記制御対象が異常であると判定することを特徴とする制御装置。 - 請求項１記載の制御装置において、
少なくとも、プラントの温度を制御する装置、自動運転車を制御する装置、ロボットを制御する装置、及び飛行体を制御する装置のいずれかであることを特徴とする制御装置。
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|---|---|---|---|---|
| JP2004206174A (ja) | 2002-12-20 | 2004-07-22 | Omron Corp | 計測制御情報提供方法、計測制御情報提供システム、計測制御情報提供サーバおよび計測制御機器 |
| JP2015219792A (ja) | 2014-05-20 | 2015-12-07 | 株式会社日立製作所 | プラント制御装置の制御ゲイン最適化システム |
| JP2017167663A (ja) | 2016-03-14 | 2017-09-21 | 株式会社東芝 | プロセス診断装置、プロセス診断方法及びコンピュータプログラム |
| JP2018112954A (ja) | 2017-01-13 | 2018-07-19 | オムロン株式会社 | 制御装置、制御方法、制御プログラム |
| WO2018179191A1 (ja) | 2017-03-29 | 2018-10-04 | 株式会社日立製作所 | 制御装置及び制御システム |
-
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