JP7267779B2 - Optimal control device, optimal control method and computer program - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、最適制御装置、最適制御方法及びコンピュータプログラムに関する。 TECHNICAL FIELD Embodiments of the present invention relate to an optimum control device, an optimum control method, and a computer program.

近年、プラント等のリアルタイム制御を実現する方法の1つとして極値制御が注目されている。極値制御は、意図的な変化を与えた操作量に対する制御量の応答を観測し、その制御量に係る評価量が最適値に近づくように操作量を更新していくことで、最適な操作量を探索していく制御方法であり、制御対象のプロセス(以下「制御対象プロセス」という。)を記述した複雑なモデルを用いることなく制御対象の操作量を制御することができるモデルフリーの最適制御技術である。 In recent years, extreme value control has attracted attention as one of the methods for realizing real-time control of plants and the like. Extreme value control observes the response of the controlled variable to the manipulated variable that is intentionally changed, and updates the manipulated variable so that the evaluation value related to the controlled variable approaches the optimum value. It is a control method that searches for the quantity, and it is a model-free optimization that can control the manipulated variable of the controlled object without using a complicated model that describes the process of the controlled object (hereinafter referred to as "process to be controlled"). control technology.

一方で、操作量に意図的な変化を与えることは制御量を不安定にさせる可能性があるため、プラント等を安定的に運用するという観点からは、操作量に与えた変化によって生じる制御量の変動を可能な限り抑制したいというニーズがある。従来、このような課題を解決するために極値制御に対する種々の改良が試みられているが、必ずしも十分な抑制効果を得られるに至っていない。 On the other hand, intentionally changing the manipulated variable may destabilize the controlled variable. There is a need to suppress fluctuations in Conventionally, various attempts have been made to improve extreme value control in order to solve such problems, but a sufficient suppressing effect has not necessarily been obtained.

特開2017-033104号公報JP 2017-033104 A

W,Libin, C,Chen, Z,Hui, A Novel Fast Extremum Seeking Scheme Without Steady-State Oscillation. Proceedings of the 33rd Chinese Control Conference, July 28-30, 2014, Nanjing, China.W,Libin, C,Chen, Z,Hui, A Novel Fast Extremum Seeking Scheme Without Steady-State Oscillation. Proceedings of the 33rd Chinese Control Conference, July 28-30, 2014, Nanjing, China.

本発明が解決しようとする課題は、より安定した極値制御を実現することができる最適制御装置、最適制御方法及びコンピュータプログラムを提供することである。 A problem to be solved by the present invention is to provide an optimum control device, an optimum control method, and a computer program capable of realizing more stable extreme value control.

実施形態の最適制御装置は、極値制御部と、ディザー信号出力部と、振幅決定部と、を持つ。極値制御部は、制御対象プロセスの操作量と、前記操作量に応じて変化する制御量に基づく値であって前記制御対象プロセスの最適化に関する評価対象となる値である評価量とに基づいて、前記評価量が最適値に近づくように前記操作量を更新する極値制御を実行する。ディザー信号出力部は、前記極値制御において前記操作量の信号に作用することにより前記操作量を変化させるディザー信号を出力する。振幅決定部は、前記操作量及び前記評価量の測定結果に基づいて推定される関数であって前記操作量と前記評価量との関係を表す評価関数の勾配と、前記ディザー信号の振幅と、の対応関係を表す振幅関数に基づいて、前記ディザー信号の振幅の大きさを決定する。前記振幅関数は、前記勾配の入力に対して、前記勾配に応じて定まる値であって予め設定された上限値以下の値を前記ディザー信号の振幅の大きさとして出力する。 The optimum control device of the embodiment has an extremum control section, a dither signal output section, and an amplitude determination section. The extreme value control unit is based on a manipulated variable of a controlled process and an evaluation quantity that is a value based on a controlled variable that changes according to the manipulated variable and is a value to be evaluated regarding optimization of the controlled process. Then, extreme value control is executed to update the manipulated variable so that the evaluated quantity approaches the optimum value. The dither signal output section outputs a dither signal that changes the manipulated variable by acting on the manipulated variable signal in the extreme value control. The amplitude determination unit determines a slope of an evaluation function, which is a function estimated based on measurement results of the operation amount and the evaluation amount and represents a relationship between the operation amount and the evaluation amount, an amplitude of the dither signal, The magnitude of the amplitude of the dither signal is determined based on the amplitude function representing the correspondence relationship between . The amplitude function outputs, in response to the input of the gradient, a value that is determined according to the gradient and is equal to or lower than a preset upper limit value as the magnitude of the amplitude of the dither signal.

第1の実施形態において、従来の極値制御コントローラの第1の構成例を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a first configuration example of a conventional extreme value control controller in the first embodiment; 第1の実施形態において、従来の極値制御コントローラの第1の動作例を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a first operation example of a conventional extreme value control controller in the first embodiment; 第1の実施形態において、従来の極値制御コントローラの第2の構成例を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a second configuration example of a conventional extreme value control controller in the first embodiment; 第1の実施形態において、従来の極値制御コントローラの第2の動作例を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a second operation example of a conventional extreme value control controller in the first embodiment; 第1の実施形態の極値制御コントローラの機能構成の具体例を示す図。4 is a diagram showing a specific example of the functional configuration of the extreme value control controller of the first embodiment; FIG. 第1の実施形態における振幅関数の具体例を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a specific example of an amplitude function in the first embodiment; FIG. 第1の実施形態の極値制御コントローラの動作例を示す図。4A and 4B are diagrams showing an operation example of the extreme value control controller according to the first embodiment; FIG. 第1の実施形態において、第1の適用例における水処理プロセスの構成例を示す図。1 is a diagram showing a configuration example of a water treatment process in a first application example in the first embodiment; FIG. 第1の実施形態において、第2の適用例における返送率制御装置によって得られる効果の具体例を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a specific example of effects obtained by the return rate control device in the second application example in the first embodiment; 第2の実施形態の極値制御コントローラの機能構成の具体例を示す図。The figure which shows the specific example of the functional structure of the extreme value control controller of 2nd Embodiment. 第2の実施形態における振幅関数の具体例を示す図。FIG. 10 is a diagram showing a specific example of an amplitude function in the second embodiment; FIG. 第3の実施形態の極値制御コントローラの機能構成の具体例を示す図。The figure which shows the specific example of the functional structure of the extreme value control controller of 3rd Embodiment. 第3の実施形態における振幅関数の具体例を示す図。FIG. 11 is a diagram showing a specific example of an amplitude function in the third embodiment; FIG. 第3の実施形態の極値制御コントローラによって改善しうる従来方式の極値制御の動作例を示す図。FIG. 11 is a diagram showing an example of operation of conventional extreme value control that can be improved by the extreme value control controller of the third embodiment; 第4の実施形態の極値制御コントローラの機能構成の具体例を示す図。The figure which shows the specific example of the functional structure of the extreme value control controller of 4th Embodiment. 第4の実施形態における振幅関数の第1の具体例を示す図。The figure which shows the 1st specific example of the amplitude function in 4th Embodiment. 第4の実施形態において、複数の極値を持つ評価関数の具体例を示す図。The figure which shows the specific example of the evaluation function which has several extreme values in 4th Embodiment. 第4の実施形態における振幅関数の第2の具体例を示す図。The figure which shows the 2nd specific example of the amplitude function in 4th Embodiment. 第5の実施形態の極値制御コントローラの機能構成の具体例を示す図。The figure which shows the specific example of the functional structure of the extreme value control controller of 5th Embodiment. 第5の実施形態の極値制御コントローラの動作例を示す図。The figure which shows the operation example of the extreme value control controller of 5th Embodiment. 第5の実施形態の極値制御コントローラの動作例を示す図。The figure which shows the operation example of the extreme value control controller of 5th Embodiment. 第5の実施形態の極値制御コントローラの動作例を示す図。The figure which shows the operation example of the extreme value control controller of 5th Embodiment. 第5の実施形態の極値制御コントローラの動作例を示す図。The figure which shows the operation example of the extreme value control controller of 5th Embodiment. 第5の実施形態の極値制御コントローラの動作例を示す図。The figure which shows the operation example of the extreme value control controller of 5th Embodiment. 第5の実施形態の極値制御コントローラの動作例を示す図。The figure which shows the operation example of the extreme value control controller of 5th Embodiment.

以下、実施形態の最適制御装置、最適制御方法及びコンピュータプログラムを、図面を参照して説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An optimum control device, an optimum control method, and a computer program according to embodiments will be described below with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
[概略]
図1は、従来の極値制御コントローラの第1の構成例を示す図である。極値制御の基本的な概念は、操作量を意図的に変化させたときの制御量の応答を観測し、観測された制御量に基づく評価量が最適値に近づくように操作量を更新していくことで、評価量の最適値を与える最適な操作量を探索していく制御方法である。ここで、評価量とは、極値制御において最適化の評価対象となる値であり、制御量に基づく評価関数によって決定される値である。この意味では、評価量は制御量そのものであってもよい。すなわち、換言すれば、極値制御は、操作量の更新と評価量の観測とを繰り返すことによって、制御点を、評価量が最適化される評価関数の極値点に近づけていく制御方法であると言うことができる。
(First embodiment)
[Overview]
FIG. 1 is a diagram showing a first configuration example of a conventional extreme value control controller. The basic concept of extreme value control is to observe the response of the controlled variable when the manipulated variable is intentionally changed, and update the manipulated variable so that the evaluated quantity based on the observed controlled variable approaches the optimum value. It is a control method that searches for the optimum operation amount that gives the optimum value of the evaluation amount. Here, the evaluation amount is a value to be evaluated for optimization in extreme value control, and is a value determined by an evaluation function based on the control amount. In this sense, the evaluation amount may be the control amount itself. In other words, extremum control is a control method in which the control point is brought closer to the extremal point of the evaluation function in which the evaluation amount is optimized by repeating the updating of the manipulated variable and the observation of the evaluation amount. can say there is.

また、上述のとおり、極値制御では、新たな操作量が評価量の観測値に基づいて決定される。より詳細には、極値制御では、評価関数は、操作量及び評価量の観測値に基づいて推定される。そのため、極値制御においては、操作量と評価量との関係性を示す制御モデルは必ずしも必要ない。これはすなわち、評価関数が操作量に対して未知の関数であるようなプロセスをも極値制御の対象になりうるということである。そのため、極値制御は、あらゆるプロセスの自動制御を実現することができる可能性のある技術として近年注目されている。図1は、このような極値制御を実現する極値制御コントローラ1の基本的な構成を図示したものである。 Further, as described above, in extreme value control, a new manipulated variable is determined based on the observed value of the evaluated quantity. More specifically, in extreme value control, an evaluation function is estimated based on observed values of manipulated variables and evaluation variables. Therefore, extreme value control does not necessarily require a control model that indicates the relationship between the manipulated variable and the evaluated variable. This means that even a process whose evaluation function is an unknown function with respect to the manipulated variable can be subject to extreme value control. Therefore, extreme value control has been attracting attention in recent years as a technology that can realize automatic control of all processes. FIG. 1 illustrates the basic configuration of an extreme value control controller 1 that implements such extreme value control.

なお、図1における制御対象プロセスTPは、極値制御コントローラ1から操作量を示す信号(以下「操作量信号」という。)uを入力し、その入力に応じて評価量を示す信号(以下「評価量信号」という。)yを出力するuに対して未知の評価関数y=f(u)として機能する任意のプロセスを表す。 Note that the controlled process TP in FIG. 1 receives a signal (hereinafter referred to as "manipulated amount signal") u indicating an operation amount from the extreme value control controller 1, and a signal indicating an evaluation amount (hereinafter referred to as " ) represents any process acting as an unknown merit function y=f(u) for u that outputs y.

具体的には、極値制御コントローラ1は、ハイパスフィルタ11(High-Pass Filter)、ディザー信号発生器12(ディザー信号出力部の一例)、乗算器13、ローパスフィルタ14(Low-Pass Filter)、積分器15、増幅器16及び加算器17を備える。ハイパスフィルタ11は、制御対象プロセスTPから入力した評価量信号にフィルタ処理を施して乗算器13に出力する。ディザー信号発生器12は、ディザー信号を生成して乗算器13及び増幅器16に出力する。乗算器13は、ハイパスフィルタ11の出力信号とディザー信号とを乗算してローパスフィルタ14に出力する。ローパスフィルタ14は、乗算器13の出力信号にフィルタ処理を施して積分器15に出力する。積分器15は、ローパスフィルタ14の出力信号を積分した信号を加算器17に出力する。増幅器16は、ディザー信号を増幅して加算器17に出力する。加算器17は、積分器15の出力信号と、増幅器16の出力信号とを加算した信号を操作量信号uとして制御対象プロセスTPに出力する。 Specifically, the extreme value controller 1 includes a high-pass filter 11 (High-Pass Filter), a dither signal generator 12 (an example of a dither signal output unit), a multiplier 13, a low-pass filter 14 (Low-Pass Filter), It has an integrator 15 , an amplifier 16 and an adder 17 . The high-pass filter 11 filters the evaluation amount signal input from the controlled process TP and outputs the result to the multiplier 13 . Dither signal generator 12 generates a dither signal and outputs it to multiplier 13 and amplifier 16 . Multiplier 13 multiplies the output signal of high-pass filter 11 and the dither signal and outputs the result to low-pass filter 14 . The low-pass filter 14 filters the output signal of the multiplier 13 and outputs the filtered signal to the integrator 15 . Integrator 15 outputs a signal obtained by integrating the output signal of low-pass filter 14 to adder 17 . Amplifier 16 amplifies the dither signal and outputs it to adder 17 . The adder 17 outputs a signal obtained by adding the output signal of the integrator 15 and the output signal of the amplifier 16 to the controlled process TP as the manipulated variable signal u.

このように構成される極値制御コントローラ1において、ハイパスフィルタ11は、フィードバックされた評価量信号からその最適値に応じた一定値のバイアスを除去する役割を持つ。また、ディザー信号発生器12は操作量に対して意図的な変化を与え、評価量を操作量に応じて変化させる役割を持つ。ローパスフィルタ14は、ディザー信号が掛け合わされた評価量信号から低周波成分を抽出する役割を持つ。これにより、評価量が操作量の変化によって増加したのか又は減少したのかが分かる。積分器15は、ローパスフィルタ14によって抽出された評価量信号の低周波成分を積分することにより、評価量を評価関数の最適値に近づけるために動かすべき操作量の方向を決定する役割を持つ。 In the extreme value controller 1 configured as described above, the high-pass filter 11 has a role of removing a constant bias corresponding to the optimum value from the feedback evaluation quantity signal. Further, the dither signal generator 12 has a role of intentionally changing the operation amount and changing the evaluation amount according to the operation amount. The low-pass filter 14 has the role of extracting low-frequency components from the evaluation quantity signal multiplied by the dither signal. This makes it possible to know whether the evaluation amount has increased or decreased due to the change in the manipulated variable. The integrator 15 integrates the low-frequency component of the evaluation quantity signal extracted by the low-pass filter 14 to determine the direction of the manipulated variable that should be moved in order to bring the evaluation quantity closer to the optimum value of the evaluation function.

図2は、従来の極値制御コントローラの第1の動作例を示す図である。図2は、評価量の最適値を与える操作量(以下「操作量の最適値」という。)が1である場合に、操作量の初期値を2として操作量の最適値を探索したシミュレーション結果を示す。図2の結果から、基本的な極値制御の手法では、操作量の値が初期値の2から最適値の1に収束していく一方で、操作量が最適値に収束した後も振動し続けていることが分かる。これは、基本的な構成の極値制御では、ディザー信号の振幅が常に一定であることによる。この場合、操作量が最適値に収束した後も評価量が増減を繰り返すことになるため好ましくない。 FIG. 2 is a diagram showing a first operation example of a conventional extreme value control controller. FIG. 2 is a simulation result of searching for the optimum value of the operation amount with the initial value of the operation amount set to 2 when the operation amount that gives the optimum value of the evaluation amount (hereinafter referred to as the “optimum value of the operation amount”) is 1. indicates From the results in Fig. 2, in the basic extreme value control method, while the value of the manipulated variable converges from the initial value of 2 to the optimum value of 1, oscillation continues even after the manipulated variable converges to the optimum value. I know it continues. This is because the amplitude of the dither signal is always constant in the extremal control of the basic configuration. In this case, even after the operation amount converges to the optimum value, the evaluation amount repeats increase and decrease, which is not preferable.

このような基本的な構成の極値制御に対して、ディザー信号の振幅を制御対象プロセスの状態に応じて変化させる手法が提案されている(例えば非特許文献1参照)。 A method of changing the amplitude of the dither signal according to the state of the process to be controlled has been proposed for extremal value control with such a basic configuration (see, for example, Non-Patent Document 1).

図3は、従来の極値制御コントローラの第2の構成例を示す図である。極値制御コントローラ2は、ローパスフィルタ14に代えてローパスフィルタ21を備える点、増幅器16に代えて増幅部22を備える点で第1の構成例に係る従来の極値制御コントローラ1と異なる。増幅部22は、ローパスフィルタ221、振幅決定部222及び乗算器223を備える。このように構成された第2の構成例に係る従来の極値制御コントローラ2は、増幅部22が評価量の増加速度(すなわち評価関数の勾配)が大きくなるほどより大きな振幅となるようにディザー信号を増幅することにより、収束期における操作量の振れ幅を小さくすることができる。 FIG. 3 is a diagram showing a second configuration example of a conventional extreme value control controller. The extreme value controller 2 differs from the conventional extreme value controller 1 according to the first configuration example in that it includes a low-pass filter 21 instead of the low-pass filter 14 and an amplifier 22 instead of the amplifier 16 . The amplification section 22 includes a low-pass filter 221 , an amplitude determination section 222 and a multiplier 223 . In the conventional extreme value controller 2 according to the second configuration example configured in this manner, the amplification unit 22 generates a dither signal such that the amplitude increases as the rate of increase in the evaluation amount (that is, the slope of the evaluation function) increases. By amplifying , it is possible to reduce the amplitude of the manipulated variable in the convergence period.

図4は、従来の極値制御コントローラの第2の動作例を示す図である。図4は、図2と同様の制御対象プロセスの操作量の最適値を図2と同様の条件で探索したシミュレーション結果を示す。図4の結果から、第2の構成例に係る従来の極値制御では、操作量が最適値に収束していくにつれて操作量の振れ幅も小さくなっていくことが分かる。しかしながら、その一方で、探索開始直後から操作量がある程度収束するまでの過渡期において操作量の振れ幅が大きくなっている。この場合、操作量が収束するまでの過渡期において評価量も大きく増減することになるため好ましくない。 FIG. 4 is a diagram showing a second operation example of a conventional extreme value control controller. FIG. 4 shows a simulation result of searching for the optimum value of the manipulated variable of the controlled process similar to that in FIG. 2 under the same conditions as in FIG. From the results of FIG. 4, it can be seen that in the conventional extreme value control according to the second configuration example, the swing width of the manipulated variable decreases as the manipulated variable converges to the optimum value. However, on the other hand, the amplitude of the manipulated variables increases during the transitional period from immediately after the start of the search until the manipulated variables converge to some extent. In this case, the evaluation amount also increases or decreases significantly during the transitional period until the operation amount converges, which is not preferable.

これに対して第1の実施形態の極値制御コントローラは、ディザー信号による操作量の振動を、収束期、過渡期によらず抑制することができる。以下、第1の実施形態の極値制御コントローラについて詳細に説明する。 On the other hand, the extreme value controller of the first embodiment can suppress the oscillation of the manipulated variable due to the dither signal regardless of the convergence period or the transition period. The extreme value controller of the first embodiment will be described in detail below.

[詳細]
図5は、第1の実施形態の極値制御コントローラ3の機能構成の具体例を示す図である。極値制御コントローラ3は、バスで接続されたCPU(Central Processing Unit)やメモリや補助記憶装置などを備え、プログラムを実行する。極値制御コントローラ3は、プログラムの実行によって、制御対象プロセスTPを極値制御によって制御する最適制御装置として機能する。具体的には、極値制御コントローラ3は、グラジエント法に基づく極値制御コントローラであり、グラジエント法に基づく極値制御部30として、ハイパスフィルタ11、乗算器13、ローパスフィルタ31、積分器15及び加算器17を備える。なお、極値制御コントローラ3は、ローパスフィルタ14に代えてローパスフィルタ31を備える点、増幅器16に代えて増幅部32を備える点で基本的な極値制御の構成と異なる。それ以外の構成は基本的な極値制御の構成と同様であるため、同様の構成については図1と同じ符号を付すことに図5での説明を省略する。
[detail]
FIG. 5 is a diagram showing a specific example of the functional configuration of the extreme value controller 3 of the first embodiment. The extreme value control controller 3 includes a CPU (Central Processing Unit), a memory, an auxiliary storage device, etc., which are connected via a bus, and executes programs. The extreme value controller 3 functions as an optimum control device that controls the controlled process TP by extreme value control by executing a program. Specifically, the extreme value controller 3 is an extreme value controller based on the gradient method. An adder 17 is provided. The extreme value control controller 3 differs from the basic extreme value control configuration in that it includes a low-pass filter 31 instead of the low-pass filter 14 and an amplifier 32 instead of the amplifier 16 . Since the rest of the configuration is the same as that of the basic extremal value control, the same reference numerals as in FIG. 1 are assigned to the same configurations, and the description in FIG. 5 is omitted.

また、極値制御コントローラ3の各機能の全て又は一部は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やPLD(Programmable Logic Device)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウェアを用いて実現されてもよい。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD-ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。 Further, all or part of each function of the extreme value control controller 3 may be realized using hardware such as ASIC (Application Specific Integrated Circuit), PLD (Programmable Logic Device), FPGA (Field Programmable Gate Array), or the like. good. The program may be recorded on a computer-readable recording medium. Computer-readable recording media include portable media such as flexible disks, magneto-optical disks, ROMs and CD-ROMs, and storage devices such as hard disks incorporated in computer systems. The program may be transmitted over telecommunications lines.

増幅部32は、ローパスフィルタ321、振幅決定部322及び乗算器323を備える。ローパスフィルタ321は、乗算器13の出力信号にフィルタ処理を施して振幅決定部322に出力する。振幅決定部322は、ローパスフィルタ321の出力信号に基づいてディザー信号の振幅の大きさを決定する機能を有する。具体的には、振幅決定部322は、評価量の増加速度(すなわち評価関数の勾配η)とディザー信号の振幅Aとの関係を示す関数(以下「振幅関数」という。)を用いてディザー信号の振幅の大きさを決定する。より詳細には、振幅決定部322は、評価量の増加速度が所定値以下である場合には、評価量の増加速度が大きいほど振幅を大きくし、評価量の増加速度が所定値を超えた場合には、振幅を一定の大きさに保つように振幅の大きさを決定する。乗算器323は、振幅決定部322の出力信号とディザー信号とを掛け合わせることにより、振幅決定部322が決定した大きさの振幅となるようにディザー信号を増幅する。 The amplification section 32 includes a low-pass filter 321 , an amplitude determination section 322 and a multiplier 323 . The low-pass filter 321 filters the output signal of the multiplier 13 and outputs the filtered signal to the amplitude determining section 322 . The amplitude determining section 322 has a function of determining the amplitude of the dither signal based on the output signal of the low-pass filter 321 . Specifically, the amplitude determining unit 322 determines the dither signal using a function (hereinafter referred to as “amplitude function”) that indicates the relationship between the rate of increase in the evaluation amount (that is, the gradient η of the evaluation function) and the amplitude A of the dither signal. determines the magnitude of the amplitude of More specifically, when the rate of increase in the evaluation amount is equal to or less than a predetermined value, the amplitude determination unit 322 increases the amplitude as the rate of increase in the evaluation amount increases, and increases the amplitude when the rate of increase in the evaluation amount exceeds the predetermined value. In this case, the magnitude of the amplitude is determined so as to keep the amplitude constant. The multiplier 323 multiplies the output signal of the amplitude determining section 322 by the dither signal, thereby amplifying the dither signal to the amplitude determined by the amplitude determining section 322 .

図6は、第1の実施形態における振幅関数の具体例を示す図である。図6に示すグラフの横軸は評価関数の勾配η(評価量の増加速度)を表し、縦軸はディザー信号の振幅Aを表す。ここで、評価関数の勾配ηは、ローパスフィルタ321の出力信号によって与えらえる。この場合、振幅決定部322は、勾配ηが閾値ηlim以下である場合には振幅Aを勾配ηに比例して増減させ、勾配ηが閾値ηlimを超えた場合には振幅Aを上限値Amaxに固定する。すなわち、振幅決定部322は、勾配ηが閾値以下である場合には可変振幅方式でディザー信号の振幅を決定し、勾配ηが閾値を超えた場合には固定振幅方式でディザー信号の振幅を決定する。 FIG. 6 is a diagram showing a specific example of the amplitude function in the first embodiment. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 6 represents the gradient η of the evaluation function (rate of increase in the evaluation amount), and the vertical axis represents the amplitude A of the dither signal. Here, the gradient η of the evaluation function is given by the output signal of the low-pass filter 321 . In this case, the amplitude determination unit 322 increases or decreases the amplitude A in proportion to the slope η when the slope η is equal to or less than the threshold η lim , and increases or decreases the amplitude A to the upper limit value when the slope η exceeds the threshold η lim . A max is fixed. That is, the amplitude determination unit 322 determines the amplitude of the dither signal by the variable amplitude method when the gradient η is equal to or less than the threshold, and determines the amplitude of the dither signal by the fixed amplitude method when the gradient η exceeds the threshold. do.

図7は、第1の実施形態の極値制御コントローラ3の動作例を示す図である。図7は、図2と同様の制御対象プロセスの操作量の最適値を図2と同様の条件で探索したシミュレーション結果を示す。図7から明らかなように、第1の実施形態の極値制御コントローラ3は、過渡期及び収束期の両方で操作量の振動を抑制できることが分かる。 FIG. 7 is a diagram showing an operation example of the extreme value controller 3 of the first embodiment. FIG. 7 shows a simulation result of searching for the optimum value of the manipulated variable of the controlled process similar to that in FIG. 2 under the same conditions as in FIG. As is clear from FIG. 7, the extreme value controller 3 of the first embodiment can suppress the vibration of the manipulated variable both during the transition period and the convergence period.

このように構成された第1の実施形態の極値制御コントローラ3によれば、評価量の増加速度が大きい場合にはディザー信号の振幅が上限値以上に大きくならないようにすることで過渡期における操作量の振動を抑制することができる。また、一方で、評価量の増加速度が小さい場合には評価量の増減とともにディザー信号の振幅を増減させることで収束期における操作量の振動を抑制することができる。 According to the extreme value control controller 3 of the first embodiment configured as described above, when the rate of increase in the evaluation amount is high, the amplitude of the dither signal is prevented from increasing beyond the upper limit value, thereby Vibration of the manipulated variable can be suppressed. On the other hand, when the rate of increase in the evaluation amount is low, the oscillation of the manipulated variable during the convergence period can be suppressed by increasing or decreasing the amplitude of the dither signal as the evaluation amount increases or decreases.

また、第1の実施形態の最適制御方法によれば、ディザー信号の振幅を可変値とする範囲と固定値とする範囲とを、評価関数の勾配ηの閾値ηlimによって定めることができ、多くのパラメータの調整を必要としない。そのため、構成や設計等が複雑化することを抑制しつつ、かつ制御対象プロセスを安定的に稼働させることが可能となる。 Further, according to the optimum control method of the first embodiment, the range in which the amplitude of the dither signal is variable and the range in which it is fixed can be determined by the threshold value η lim of the gradient η of the evaluation function. does not require any parameter adjustment. Therefore, it is possible to stably operate the process to be controlled while suppressing complication of the configuration, design, and the like.

なお、第1の実施形態において評価関数の勾配ηについて設定すべき閾値ηmaxは、ディザー信号の振幅Amaxによって定まるが、この振幅Amaxや、極値制御に関する諸パラメータ(例えば、ディザー信号の周波数ω、ローパスフィルタのカットオフ周波数ω、ハイパスフィルタのカットオフ周波数ω、積分器のゲインKIなどであり、以下「極値制御パラメータ」という。)は、制御対象プロセスの特性に基づいて適切に決定されれば、従来提案されているどのような指針に基づいて決定されてもよい(例えば特許文献1参照)。 In the first embodiment, the threshold ηmax to be set for the gradient η of the evaluation function is determined by the amplitude Amax of the dither signal. The frequency ω, the cutoff frequency ω l of the low-pass filter, the cutoff frequency ω h of the high-pass filter, the gain KI of the integrator, etc., hereinafter referred to as “extremum control parameters”) are determined based on the characteristics of the controlled process. As long as it is determined appropriately, it may be determined based on any conventionally proposed guideline (see, for example, Patent Document 1).

以下、第1の実施形態の極値制御コントローラ3を水処理プロセスの制御に適用した例について説明する。 An example in which the extreme value controller 3 of the first embodiment is applied to control a water treatment process will be described below.

(第1の適用例)
図8は、第1の適用例における水処理プロセスの構成例を示す図である。例えば、図8に示す水処理システム400は、生物学的廃水処理プロセスを実現するシステムの一例であり、最初沈澱池41、生物反応槽42、最終沈澱池43、濾過池44の順に被処理水を送る過程で被処理水を浄化するシステムである。
(First application example)
FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of a water treatment process in the first application example. For example, a water treatment system 400 shown in FIG. 8 is an example of a system that realizes a biological wastewater treatment process. It is a system that purifies the water to be treated in the process of sending it.

水処理システム400において、まず、被処理水は最初沈澱池41に送られる。最初沈澱池41では、沈澱処理による被処理水の固液分離が行われる。これにより比重の大きな固形物が被処理水から分離され、その上澄み液が後段の生物反応槽42に送られる。最初沈澱池41の底部に沈澱した汚泥は汚泥引き抜きポンプ411によって適宜引き抜かれ、余剰汚泥として余剰汚泥貯留槽45に送られる。余剰汚泥貯留槽45に送られた余剰汚泥は汚泥処理ポンプ451によって図示しない汚泥処理工程に送られ、処理される。 In the water treatment system 400 , the water to be treated is first sent to the sedimentation tank 41 . In the first sedimentation tank 41, solid-liquid separation of the water to be treated is performed by sedimentation. As a result, solid matter with a large specific gravity is separated from the water to be treated, and the supernatant liquid is sent to the biological reaction tank 42 in the subsequent stage. The sludge that has settled at the bottom of the sedimentation tank 41 is properly drawn out by the sludge drawing pump 411 and sent as excess sludge to the excess sludge storage tank 45 . The excess sludge sent to the excess sludge storage tank 45 is sent to a sludge treatment process (not shown) by the sludge treatment pump 451 and treated.

生物反応槽42では、微生物の働きを利用して被処理水に含まれる不要物の分解及び除去が行われる。具体的には、生物反応槽42では、被処理水中の有機物の分解やリンの除去、アンモニアの消化、窒素の除去等の処理が行われる。また、これらの処理を促進させるため、生物反応槽42には、槽内の被処理水に空気を供給するブロア421や、最終沈澱池43の余剰汚泥の一部(以下「返送汚泥」ともいう。)を生物反応槽42に返送する返送汚泥ポンプ422が備えられる。ブロア421による空気の供給により被処理水中の好気微生物が活性化され、余剰汚泥の返送により生物反応槽42内の微生物量が必要量に維持される。生物反応槽42で処理された被処理水は後段の最終沈澱池43に送られる。 In the biological reaction tank 42, the action of microorganisms is used to decompose and remove unnecessary substances contained in the water to be treated. More specifically, in the biological reaction tank 42, processes such as decomposition of organic matter, removal of phosphorus, digestion of ammonia, and removal of nitrogen from the water to be treated are performed. In order to promote these treatments, the biological reaction tank 42 is equipped with a blower 421 that supplies air to the water to be treated in the tank, and a part of the surplus sludge in the final sedimentation tank 43 (hereinafter also referred to as "return sludge"). ) to the bioreactor 42 is provided. The air supply from the blower 421 activates the aerobic microorganisms in the water to be treated, and the surplus sludge is returned to maintain the necessary amount of microorganisms in the biological reaction tank 42 . The water to be treated that has been treated in the biological reaction tank 42 is sent to the final sedimentation tank 43 in the latter stage.

最終沈澱池43では最初沈澱池41と同様に沈澱処理による被処理水の固液分離が行われる。これにより活性汚泥等の固形物が被処理水から程度分離され、その上澄み液が後段の濾過池44に送られる。また、最終沈澱池43には、余剰汚泥を適宜引き抜いて余剰汚泥貯留槽45に送る余剰汚泥ポンプ431が備えられる。 In the final sedimentation tank 43, solid-liquid separation of the water to be treated is carried out by sedimentation in the same manner as in the first sedimentation tank 41. As a result, solids such as activated sludge are separated from the water to be treated to some extent, and the supernatant liquid is sent to the filtration basin 44 in the subsequent stage. Further, the final sedimentation tank 43 is provided with an excess sludge pump 431 for appropriately extracting excess sludge and sending it to the excess sludge storage tank 45 .

濾過池44では膜を用いた被処理水の濾過処理が行われる。これにより最終沈澱池43で分離することができなかった細かい固形物が被処理水から分離される。濾過処理を経た被処理水は浄化処理を完了した処理済みの水(以下「処理水」という。)として、例えば河川等に放流される。 In the filter basin 44, the water to be treated is filtered using a membrane. As a result, fine solids that could not be separated in the final sedimentation tank 43 are separated from the water to be treated. The filtered water is discharged into a river or the like as treated water (hereinafter referred to as "treated water") that has been purified.

このような生物学的廃水処理プロセスにおいては、ブロア421による被処理水の曝気風量を操作量とし、処理水の水質(例えば処理水の窒素濃度又はリン濃度など)を制御量とする制御が行われるのが一般的である。この場合、第1の実施形態の極値制御コントローラ3は、処理水の水質に基づく評価量を入力し、その評価量を評価関数の最適値(ここでは最小値)に近づけるような曝気風量を操作量として出力する曝気風量制御装置5として適用することができる。 In such a biological wastewater treatment process, control is performed by using the aeration air volume of the water to be treated by the blower 421 as an operation amount and the water quality of the treated water (for example, the nitrogen concentration or phosphorus concentration of the treated water) as a control amount. It is common to be In this case, the extreme value control controller 3 of the first embodiment inputs an evaluation amount based on the quality of the treated water, and adjusts the aeration air volume such that the evaluation amount approaches the optimum value (here, the minimum value) of the evaluation function. It can be applied as an aeration air volume control device 5 that outputs as an operation amount.

この場合、評価関数は、例えば処理水の窒素濃度及びリン濃度の関数として定義することができる。このような評価関数に基づいて操作量の最適値を探索する場合、評価関数は曝気風量の上限値から下限値までの範囲内で与えられる操作量に対して少なくとも1つの極値を持つように設定される必要がある。このような評価関数の設定方法の一例として、排水賦課金の考え方に基づく水質コストと、返送汚泥ポンプ422の電力コストと、ブロア421の電力コストとの総和(以下「総コスト」という。)として評価量を定義する方法が考えられる。 In this case, the evaluation function can be defined as a function of the nitrogen concentration and phosphorus concentration of the treated water, for example. When searching for the optimum value of the manipulated variable based on such an evaluation function, the evaluation function should have at least one extreme value for the given manipulated variable within the range from the upper limit value to the lower limit value of the aeration air flow rate. Must be set. As an example of how to set such an evaluation function, the total sum of the water quality cost based on the idea of the waste water charge, the power cost of the return sludge pump 422, and the power cost of the blower 421 (hereinafter referred to as "total cost") A method of defining the evaluation quantity is conceivable.

返送汚泥ポンプ422及びブロア421の電力コストは、返送汚泥の流量と返送汚泥ポンプ422とブロア421の定格電力などから算出することができる。一方、処理水の窒素濃度及びリン濃度は、返送汚泥の返送流量(又は返送率)やブロア421による曝気風量を変更することで大きく変化することが知られている。そこで、水質コストは、処理水中の全窒素による水質コスト(TNコスト)と、処理水中の全リンによる水質コスト(TPコスト)と和として、例えば次の式(1)で表すことができる。 The power cost of the return sludge pump 422 and the blower 421 can be calculated from the flow rate of the return sludge, the rated power of the return sludge pump 422 and the blower 421, and the like. On the other hand, it is known that the nitrogen concentration and phosphorus concentration of the treated water are greatly changed by changing the return flow rate (or return rate) of the return sludge and the aeration air volume by the blower 421 . Therefore, the water quality cost can be expressed by the following equation (1), for example, as the sum of the water quality cost (TN cost) due to all nitrogen in the treated water and the water quality cost (TP cost) due to all phosphorus in the treated water.

Figure 0007267779000001
Figure 0007267779000001

なお、曝気風量を増加させると窒素の除去率が向上してTNコストが減少し、逆に曝気風量を減少させるとリンの除去率が向上してTPコストが減少する。この場合、電力コストの最小化は必ずしも被処理水の水質を維持することにつながらない。そのため、このような場合には、評価関数は水質コストを総コストとする関数として定義されてもよい。 If the aeration air volume is increased, the nitrogen removal rate is improved and the TN cost is reduced. Conversely, if the aeration air volume is decreased, the phosphorus removal rate is improved and the TP cost is reduced. In this case, minimizing the power cost does not necessarily lead to maintaining the quality of the water to be treated. Therefore, in such a case, the evaluation function may be defined as a function with the water quality cost as the total cost.

一方、水質コスト間に上記のようなトレードオフの関係がない場合には、総コストに電力コストを含めて最適値を探索することにより、評価関数が曝気風量の上限値から下限値までの範囲内で与えられる操作量に対して少なくとも1つの極値を持つように設定することができる。 On the other hand, if there is no trade-off relationship between the water quality costs as described above, by searching for the optimum value including the power cost in the total cost, the evaluation function will be in the range from the upper limit value to the lower limit value of the aeration air volume. can be set to have at least one extremum for the manipulated variables given in .

また、評価関数には、処理水が満たすべき水質が制約条件として組み込まれてもよい。例えば、評価関数には、処理水の水質が所定の規制値を超えた場合に総コストを増大させる関数が制約条件として組み込まれてもよい。このような評価関数を用いた場合、水質が規制値を超えたことに応じて総コストが増大することになるため、極値制御が水質を規制値以下に抑えるように機能することが期待できる。 Moreover, the water quality that the treated water should satisfy may be incorporated as a constraint in the evaluation function. For example, the evaluation function may incorporate as a constraint a function that increases the total cost if the treated water quality exceeds a predetermined regulation value. If such an evaluation function is used, the total cost will increase according to the water quality exceeding the regulation value, so it can be expected that the extreme value control will function to keep the water quality below the regulation value. .

なお、上記の特許文献1にも記載されているが、ディザー信号の周期(すなわちω/2π)は制御対象プロセス(ここでは水処理プロセス)の時定数よりも十分に長く設定されることが望ましい。これにより、ディザー信号による操作量の変化に起因して発生した評価量の変化をより正確に捉えることが可能になる。 As described in Patent Document 1 above, it is desirable that the period of the dither signal (that is, ω/2π) is set sufficiently longer than the time constant of the process to be controlled (here, the water treatment process). . This makes it possible to more accurately capture the change in the evaluation amount caused by the change in the manipulated variable due to the dither signal.

また、簡単のため、図8では評価量を取得して曝気風量制御装置5に出力する評価量出力部51を、曝気風量制御装置5とは別体の一の機能部として示したが、評価量出力部51は、曝気風量制御装置5の一部として構成されてもよい。 Also, for the sake of simplicity, in FIG. The amount output unit 51 may be configured as part of the aeration air amount control device 5 .

(第2の適用例)
また、別の適用例として、第1の実施形態の極値制御コントローラ3を水処理システム400における返送汚泥ポンプ422の制御に適用することも可能である。上述のとおり、水処理システム400では、TNコストとTPコストとが微生物の処理能力に関してトレードオフの関係にあるが、微生物の処理能力は曝気風量のみならず、微生物の量によっても左右される。そのため、TNコストとTPコストとは、最終沈澱池43から生物反応槽42に戻される返送汚泥の量に関してもトレードオフの関係にある。そこで、生物反応槽42に流入する被処理水の量に示す返送汚泥の量(以下「返送率」という。)を操作量とした場合においても、第1の変形例と同様に、総コストが操作量の取り得る範囲内で少なくとも1つの最小値をとるように評価関数を定義することができる。
(Second application example)
As another application example, the extreme value controller 3 of the first embodiment can be applied to control the return sludge pump 422 in the water treatment system 400 . As described above, in the water treatment system 400, the TN cost and the TP cost are in a trade-off relationship with respect to the treatment capacity of microorganisms. Therefore, the TN cost and the TP cost also have a trade-off relationship with respect to the amount of return sludge returned from the final sedimentation tank 43 to the biological reactor 42 . Therefore, even when the amount of returned sludge indicated by the amount of water to be treated flowing into the biological reaction tank 42 (hereinafter referred to as "return rate") is used as the manipulated variable, the total cost is reduced as in the first modification. The evaluation function can be defined to take at least one minimum value within the possible range of the manipulated variable.

この場合、第1の実施形態の極値制御コントローラ3は、処理水の水質に基づく評価量を入力し、その評価量(総コスト)を評価関数の最適値(ここでは最小値)に近づけるような返送率を操作量として出力する返送率制御装置(図示せず)として適用することができる。 In this case, the extreme value control controller 3 of the first embodiment inputs an evaluation amount based on the quality of the treated water, and makes the evaluation amount (total cost) closer to the optimum value (here, the minimum value) of the evaluation function. can be applied as a return rate control device (not shown) that outputs a similar return rate as a manipulated variable.

図9は、第2の適用例における返送率制御装置によって得られる効果の具体例を示す図である。図9(A)は第2の構成例に係る従来方式の極値制御コントローラによって得られた制御結果の例を表し、図9(B)は本実施形態の極値制御コントローラによって得られた制御結果の例を表す。いずれの場合も、制御開始時点において約0.9であった返送率が約0.2に収束した例を示している。これらの動作例を見ても分かるように、適用例の返送率制御装置は、過渡期及び収束期の両方において、操作量の振れ幅が過度に大きくなることを抑制することができている。特に、収束期においてはゼロに近い振れ幅を実現することができており、収束期だけを見ても従来の極値制御方式より高い抑制効果を奏することが分かる。 FIG. 9 is a diagram showing a specific example of the effect obtained by the return rate control device in the second application example. FIG. 9A shows an example of the control result obtained by the conventional extreme value control controller according to the second configuration example, and FIG. 9B shows the control result obtained by the extreme value control controller of the present embodiment. An example result is shown. Both cases show examples in which the return rate, which was about 0.9 at the start of control, converged to about 0.2. As can be seen from these operation examples, the return rate control device of the application example is able to suppress excessive fluctuations of the manipulated variable in both the transition period and the convergence period. In particular, in the convergence period, it is possible to achieve a swing width close to zero, and it can be seen that a higher suppressing effect than the conventional extreme value control method can be obtained only by looking at the convergence period.

生物学的廃水処理プロセスにおいて、返送率は処理水の水質を大きく変動させる要因の一つである。そのため、過渡期又は収束期における操作量の振れ幅が大きい従来の極値制御方法では、処理水の水質を返送率の極値制御によって管理することが難しい場合があった。これに対して第1の実施形態の極値制御コントローラ3は、過渡期及び収束期の両方において、操作量の振れ幅が過度に大きくなることを抑制することができるため、返送率の制御に極値制御を適用した場合であっても、生物学的廃水処理プロセスを安定的に稼働させることが可能となる。 In the biological wastewater treatment process, the return rate is one of the factors that greatly fluctuates the water quality of the treated water. Therefore, in the conventional extreme value control method in which the swing of the manipulated variable is large in the transition period or the convergence period, it was sometimes difficult to manage the water quality of the treated water by the extreme value control of the return rate. On the other hand, the extreme value controller 3 of the first embodiment can suppress the fluctuation range of the manipulated variable from becoming excessively large in both the transition period and the convergence period. Even when extreme value control is applied, it is possible to operate the biological wastewater treatment process stably.

以上、第1の実施形態の適用例として、曝気風量を操作量とする第1の適用例と、余剰汚泥の返送率を操作量とする第2の適用例を説明したが、生物学的廃水処理プロセスにおける操作量を曝気風量又は返送率に限定するものではい。また、説明した2つの適用例は、第1の実施形態の極値制御コントローラ3の適用先となる制御対象プロセスを生物学的廃水処理プロセスに限定するものではない。第1の実施形態の極値制御コントローラ3は、操作量に対する未知の評価関数が操作量の取り得る範囲において極値を持つプロセスであれば、どのようなプロセスでも制御対象プロセスとすることができ、どのような操作量でも操作の対象とすることができる。 As described above, as application examples of the first embodiment, the first application example in which the aeration air volume is the manipulated variable and the second application example in which the return rate of excess sludge is the manipulated variable have been described. The manipulated variable in the treatment process is not limited to aeration airflow or return rate. Moreover, the two application examples described do not limit the controlled process to which the extreme value controller 3 of the first embodiment is applied to the biological wastewater treatment process. The extreme value controller 3 of the first embodiment can take any process as a process to be controlled as long as the unknown evaluation function for the manipulated variable has an extreme value within the possible range of the manipulated variable. , any manipulated variable can be the object of manipulation.

(第2の実施形態)
図10は、第2の実施形態の極値制御コントローラ3aの機能構成の具体例を示す図である。極値制御コントローラ3aは、増幅部32に代えて増幅部32aを備える点で第1の実施形態の極値制御コントローラ3と異なる。また、増幅部32aは、振幅決定部322に代えて振幅決定部322aを備える点で第1の実施形態における増幅部32と異なる。それ以外の構成は第1の実施形態の極値制御コントローラ3の構成と同様であるため、同様の構成については図5と同じ符号を付すことに図10での説明を省略する。
(Second embodiment)
FIG. 10 is a diagram showing a specific example of the functional configuration of the extreme value controller 3a of the second embodiment. The extreme value controller 3a differs from the extreme value controller 3 of the first embodiment in that an amplifier 32a is provided instead of the amplifier 32. FIG. Further, the amplifying section 32a differs from the amplifying section 32 in the first embodiment in that it includes an amplitude determining section 322a instead of the amplitude determining section 322. FIG. Since other configurations are the same as those of the extreme value controller 3 of the first embodiment, similar configurations are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 5, and description thereof with reference to FIG. 10 is omitted.

振幅決定部322aは、第1の実施形態における振幅決定部322が所定値を超える勾配ηに対してはディザー信号の振幅を固定値(上限値)とする一方で、所定値以下の勾配ηに対してはディザー信号の振幅を勾配ηに比例する可変値としたのに対し、振幅の上限値Amaxを上界とする飽和関数を用いてディザー信号の振幅の大きさを決定する点で第1の実施形態における振幅決定部322と異なる。なお、飽和関数は、上限値Amax以下の値を上界とするものであればよく、必ずしも上限値Amaxを上界とする必要はない。 The amplitude determining unit 322a in the first embodiment sets the amplitude of the dither signal to a fixed value (upper limit) for gradients η exceeding a predetermined value, while for gradients η less than a predetermined value. On the other hand, the amplitude of the dither signal is set to a variable value proportional to the gradient η . 1 differs from the amplitude determination unit 322 in the first embodiment. It should be noted that the upper limit of the saturation function may be any value equal to or lower than the upper limit A max , and the upper limit of the upper limit A max is not necessarily the upper limit.

図11は、第2の実施形態における振幅関数の具体例を示す図である。例えば、図11に示す飽和関数F(η)は、A=Alimに上界を持つシグモイド関数であり、次の式(2)によって表される。ここでAはディザー信号の振幅を表す。 FIG. 11 is a diagram showing a specific example of the amplitude function in the second embodiment. For example, the saturation function F(η) shown in FIG. 11 is a sigmoid function having an upper bound on A=A lim and is expressed by the following equation (2). where A represents the amplitude of the dither signal.

Figure 0007267779000002
Figure 0007267779000002

このようなシグモイド関数を用いることにより、ηが小さいときにはディザー信号の振幅を大きく変動させ、またηが大きいときには上界値Alimに近い大きさにディザー信号の振幅を維持することができる。 By using such a sigmoid function, it is possible to greatly vary the amplitude of the dither signal when η is small, and to maintain the amplitude of the dither signal close to the upper limit A lim when η is large.

また、飽和関数を以下の式(3)のように定義することにより、勾配ηの絶対値を式(2)に適用することができるため、ディザー信号の振幅を常に正値に保つことが可能となる。これにより、ディザー信号の振幅が負値となった場合に探索方向が変更されてしまうことを防ぎ、制御が不安定化するのを抑制することが可能になる。 Also, by defining the saturation function as shown in Equation (3) below, the absolute value of the gradient η can be applied to Equation (2), so the amplitude of the dither signal can always be kept positive. becomes. As a result, it is possible to prevent the search direction from being changed when the amplitude of the dither signal becomes a negative value, and to prevent the control from becoming unstable.

Figure 0007267779000003
Figure 0007267779000003

このように構成された第2の実施形態の極値制御コントローラ3aによれば、過渡期及び収束期の両方で操作量の振動を抑制できることに加え、過渡期と収束期と境界付近における操作量の振動を第1の実施形態よりもさらに抑制できることが期待できる。 According to the extreme value control controller 3a of the second embodiment configured as described above, in addition to being able to suppress the vibration of the manipulated variable in both the transition period and the convergence period, the manipulated variable in the transition period, the convergence period, and near the boundary can be expected to be further suppressed than in the first embodiment.

なお、この効果は、振幅決定部322aが、勾配ηに応じて滑らかに変化する飽和関数を用いてディザー信号の振幅を決定することによるものである。その意味で、飽和関数は、振幅の上限値Alimを上界とし、評価量の増加速度(すなわち評価関数の勾配η)が小さいほど勾配が大きく、かつ評価量の増加速度が大きいほど勾配がゼロに近づく(すなわち上界に漸近する)ような関数であって、勾配ηに対して滑らかに変化する振幅Aを決定する関数であれば、必ずしもシグモイド関数である必要はない。例えば、飽和関数は、複数の関数を滑らかかつ上記の条件を満たすように接合した関数であってもよい。 This effect is due to the amplitude determining section 322a determining the amplitude of the dither signal using a saturation function that smoothly changes according to the gradient η. In that sense, the saturation function has an upper limit of the amplitude A lim , and the smaller the rate of increase in the evaluation amount (that is, the slope η of the evaluation function), the larger the slope. It is not necessarily a sigmoid function as long as it is a function that approaches zero (that is, asymptotically approaches an upper bound) and determines an amplitude A that changes smoothly with respect to the gradient η. For example, the saturation function may be a function that joins multiple functions smoothly and satisfies the above conditions.

(第3の実施形態)
図12は、第3の実施形態の極値制御コントローラ3bの機能構成の具体例を示す図である。極値制御コントローラ3bは、増幅部32に代えて増幅部32bを備える点で第1の実施形態の極値制御コントローラ3と異なる。また、増幅部32bは、振幅決定部322に代えて振幅決定部322bを備える点で第1の実施形態における増幅部32と異なる。それ以外の構成は第1の実施形態の極値制御コントローラ3の構成と同様であるため、同様の構成については図5と同じ符号を付すことに図12での説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 12 is a diagram showing a specific example of the functional configuration of the extreme value controller 3b of the third embodiment. The extreme value controller 3b differs from the extreme value controller 3 of the first embodiment in that it includes an amplifier 32b instead of the amplifier 32. FIG. Further, the amplifying section 32b differs from the amplifying section 32 in the first embodiment in that it includes an amplitude determining section 322b instead of the amplitude determining section 322. FIG. Since other configurations are the same as those of the extreme value controller 3 of the first embodiment, similar configurations are denoted by the same reference numerals as in FIG. 5, and descriptions thereof with reference to FIG. 12 are omitted.

振幅決定部322bは、評価量の増加速度(評価関数の勾配η)が所定値以下である場合には、評価量の増加速度が大きいほど振幅を大きくし、評価量の増加速度が所定値を超えた場合には、振幅を一定の大きさに保つように振幅の大きさを決定する点では第1の実施形態における振幅決定部322と同様であるが、所定値以下の勾配ηについては複数の単調増加関数を用いてディザー信号の振幅の大きさを決定することができる点で第1の実施形態における振幅決定部322と異なる。具体的には、振幅決定部322bは、所定値以下の勾配ηについて振幅の大きさを決定する第1決定部3221と、所定値を超える勾配ηについて振幅の大きさを決定する第2決定部3222と、を備える。 When the rate of increase in the evaluation amount (gradient η of the evaluation function) is equal to or less than a predetermined value, the amplitude determination unit 322b increases the amplitude as the rate of increase in the evaluation amount increases, and determines that the rate of increase in the evaluation amount exceeds the predetermined value. When the amplitude exceeds a predetermined value, the amplitude determination unit 322 determines the magnitude of the amplitude so as to keep the amplitude constant. is different from the amplitude determining section 322 in the first embodiment in that the amplitude of the dither signal can be determined using a monotonically increasing function of . Specifically, the amplitude determination unit 322b includes a first determination unit 3221 that determines the magnitude of the amplitude for the gradient η that is less than or equal to a predetermined value, and a second determination unit that determines the magnitude of the amplitude for the gradient η that exceeds the predetermined value. 3222;

図13は、第3の実施形態における振幅関数の具体例を示す図である。例えば、第3の実施形態における振幅関数は、図13に示すようなn次関数(n>0)と0次関数との接合関数F(η)として与えられる。この振幅関数F(η)は例えば以下の式(4)によって表される。式(4)は、べき指数P(>0)及び係数r(>0)によって規定されるP次関数F1と0次関数F2とをη=1において接合したものである。図13は、Pの値が1、P1、P2である場合の例を示している。ここで、P1>1であり、0<P2<1である。 FIG. 13 is a diagram showing a specific example of the amplitude function in the third embodiment. For example, the amplitude function in the third embodiment is given as a junction function F(η) between an nth-order function (n>0) and a zeroth-order function as shown in FIG. This amplitude function F(η) is represented, for example, by the following equation (4). Equation (4) is obtained by joining a P-order function F1 defined by a power exponent P (>0) and a coefficient r (>0) and a 0-order function F2 at η=1. FIG. 13 shows an example in which the values of P are 1, P1, and P2. Here, P1>1 and 0<P2<1.

Figure 0007267779000004
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このように定義した振幅関数F(η)は、P=1の場合には第1の実施形態と同様の振幅関数となる一方で、0<P<1の場合には可変領域(0≦η≦ηlim)における振幅の大きさを対数関数的に増加させ、P>1の場合には可変領域における振幅の大きさを指数関数的に増加させる関数となる。このため、可変領域における振幅の大きさは、0<P<1ときはP=1の場合よりも大きくなり、P>1のときにはP=1の場合よりも小さくなる。 The amplitude function F(η) defined in this way becomes the amplitude function similar to that of the first embodiment when P=1, while the variable region (0≤η ≤η lim ), and when P>1, the amplitude in the variable region increases exponentially. Therefore, when 0<P<1, the amplitude in the variable region is larger than when P=1, and when P>1, it is smaller than when P=1.

この場合、第1決定部3221が0≦η≦ηlimの範囲のηについて、第2決定部3222がηlim<ηの範囲のηについて、それぞれディザー信号の振幅の大きさを決定することにより、振幅決定部322bは、全体としては、任意の値のηについてディザー信号の振幅の大きさを1つ決定するように機能する。 In this case, the first determining unit 3221 determines the amplitude of the dither signal for η in the range of 0≦η≦η lim and the second determining unit 3222 determines the amplitude of the dither signal for η in the range of η lim <η. , the amplitude determination unit 322b functions as a whole to determine one magnitude of the amplitude of the dither signal for any value of η.

図14は、第3の実施形態の極値制御コントローラ3bによって改善しうる従来方式の極値制御の動作例を示す図である。第1の実施形態又は第2の実施形態では、図6や図11に示したような振幅関数を用いてディザー信号の振幅を決定することにより、過渡期及び収束期の両方において操作量の振動を抑制できることについて説明したが、極値制御パラメータの設定状況や制御対象プロセスの状態などによっては、操作量の振動が必ずしも十分に抑制されない場合がある。このような状況は、ディザー信号の振幅が変化する速度と、評価量が最適値に収束する速度(以下「収束速度」という。)とのバランスが取れていないことによって発生するものと考えられる。 FIG. 14 is a diagram showing an operation example of conventional extreme value control that can be improved by the extreme value control controller 3b of the third embodiment. In the first embodiment or the second embodiment, by determining the amplitude of the dither signal using the amplitude functions shown in FIGS. 6 and 11, the oscillation of the manipulated variable is can be suppressed, but depending on the settings of the extreme value control parameters, the state of the controlled process, etc., the oscillation of the manipulated variable may not always be sufficiently suppressed. Such a situation is considered to occur because the speed at which the amplitude of the dither signal changes and the speed at which the evaluation quantity converges to the optimum value (hereinafter referred to as "convergence speed") are not balanced.

[ケース1]
例えば、図14(A)に示すように、操作量が最適値(ここでは1)に収束する前に振幅の大きさがゼロに近くなってしまい、最適値の探索がそれ以上進まなくなってしまう状況が発生する場合がある。そして、このような状況はディザー信号の振幅が縮小する速度(以下「振幅縮小速度」という。)が、評価量の収束速度に対して速すぎるために発生するものと考えられる。
[Case 1]
For example, as shown in FIG. 14A, the magnitude of the amplitude becomes close to zero before the manipulated variable converges to the optimum value (here, 1), and the search for the optimum value does not proceed any further. Situations may arise. Such a situation is considered to occur because the speed at which the amplitude of the dither signal is reduced (hereinafter referred to as "amplitude reduction speed") is too fast for the convergence speed of the evaluation amount.

そのため、このような場合には、収束点(すなわちη=0)から離れた領域(例えばηlim/2<η<ηlimの領域)における振幅縮小速度を遅くすることで、可変振幅領域におけるディザー信号の振幅をより大きくするように振幅関数を変更すればよい。例えば、図6に示した振幅関数(図13のP=1の場合に相当)でこの問題が発生した場合には、可変振幅領域(すなわち0<η<ηlim)の1次関数を上に凸のP次関数(0<P<1)に変更することによってディザー信号の振幅を大きくすることができる。 Therefore, in such a case, by slowing down the amplitude reduction speed in a region away from the convergence point (that is, η=0) (for example, the region of η lim /2<η<η lim ), dithering in the variable amplitude region can be achieved. The amplitude function can be changed to make the signal amplitude larger. For example, if this problem occurs with the amplitude function shown in FIG. By changing to a convex P-order function (0<P<1), the amplitude of the dither signal can be increased.

[ケース2]
一方で、図14(B)に示すように、操作量が最適値に収束したにも関わらず操作量に振動が残ってしまう状況が発生する場合もある。このような状況は、図14(A)の場合とは逆に、ディザー信号の振幅縮小速度が、評価量の収束速度に対して遅すぎるために発生するものと考えられる。そのため、このような場合には、収束点から離れた領域(例えばηlim/2<η<ηlim)における振幅縮小速度を速くすることで、可変振幅領域におけるディザー信号の振幅をより小さくするように振幅関数を変更すればよい。例えば、図6に示した振幅関数(図13のP=1の場合に相当)でこの問題が発生した場合には、可変振幅領域(すなわち0<η<ηlim)の1次関数を下に凸のP次関数(1<P)に変更することによってディザー信号の振幅を小さくすることができる。
[Case 2]
On the other hand, as shown in FIG. 14B, a situation may occur in which the operation amount remains vibrated even though the operation amount has converged to the optimum value. Contrary to the case of FIG. 14A, such a situation is considered to occur because the amplitude reduction speed of the dither signal is too slow with respect to the convergence speed of the evaluation amount. Therefore, in such a case, by increasing the speed of amplitude reduction in a region away from the convergence point (for example, η lim /2<η<η lim ), the amplitude of the dither signal in the variable amplitude region should be made smaller. , the amplitude function should be changed to For example, if this problem occurs with the amplitude function shown in FIG. By changing to a convex P-order function (1<P), the amplitude of the dither signal can be reduced.

なお、ここでは第1の実施形態における振幅関数をP=1のP次関数として式(4)のように定義し、そのべき指数Pを変更することによって振幅関数を変更する場合について説明したが、可変振幅領域について以下の条件を満たす関数であれば、変更後の振幅関数は他のどのような関数に置き換えられてもよい。 Here, the amplitude function in the first embodiment is defined as a P-th order function of P=1 as shown in Equation (4), and the amplitude function is changed by changing the power exponent P. , the changed amplitude function may be replaced with any other function as long as it satisfies the following conditions for the variable amplitude region.

[ケース1の場合]
・上に凸の関数(換言すれば二階微分値が負の値となる関数)である。
・振幅の上限値以下で単調増加する関数である。
[ケース2の場合]
・下に凸の関数(換言すれば二階微分値が正の値となる関数)である。
・振幅の上限値以下で単調増加する関数である。
[Case 1]
・It is an upwardly convex function (in other words, a function whose second derivative value is a negative value).
・It is a function that monotonically increases below the upper limit of amplitude.
[Case 2]
・It is a downwardly convex function (in other words, a function whose second-order differential value is a positive value).
・It is a function that monotonically increases below the upper limit of amplitude.

このように構成された第3の実施形態の極値制御コントローラ3bは、ディザー信号の振幅の大きさを決定する際に用いる振幅関数を変更することができるように構成される。このような極値制御コントローラ3bによれば、制御対象プロセスの運転管理者は、最適値の探索状況や操作量の振動の状況等に応じて振幅関数を切り替えることで、ディザー信号の振幅が変化する速度と、評価量の収束速度とのバランスを調整することができるため、極値制御の探索可能性を向上させるとともに、ディザー信号による操作量の振動を、より効果的に抑制することが可能となる。 The extreme value controller 3b of the third embodiment configured in this manner is configured to be able to change the amplitude function used when determining the magnitude of the amplitude of the dither signal. According to such an extreme value control controller 3b, the operation manager of the process to be controlled can change the amplitude of the dither signal by switching the amplitude function according to the search condition of the optimum value, the oscillation condition of the manipulated variable, and the like. Since it is possible to adjust the balance between the speed of convergence and the convergence speed of the evaluation quantity, it is possible to improve the searchability of extremal control and more effectively suppress the oscillation of the manipulated variable due to the dither signal. becomes.

また、制御対象プロセスの運転管理者は、上記のケース1やケース2のように極値制御が適切に機能しない状況が発生した場合には、適切な制御条件を試行錯誤により見出さなければならない場合もある。そして、このような作業は、極値制御パラメータの再設計や試験等を伴うため、非常に負荷が高い作業となる。これに対して、第3の実施形態の極値制御コントローラ3bは、極値制御パラメータの変更までは必要とせずに、振幅関数を変更するのみで極値制御の挙動を微調整することができる。そのため、第3の実施形態の極値制御コントローラ3bによれば、制御対象プロセスの運転管理や極値制御の設計等に係る労力を低減することも可能になる。 In addition, when extreme value control does not function properly as in cases 1 and 2 above, the operation manager of the controlled process must find appropriate control conditions through trial and error. There is also Such work involves redesigning and testing the extreme value control parameters, and thus becomes a very heavy work load. On the other hand, the extreme value controller 3b of the third embodiment can finely adjust the behavior of the extreme value control only by changing the amplitude function without changing the extreme value control parameters. . Therefore, according to the extreme value control controller 3b of the third embodiment, it is also possible to reduce the labor involved in the operation management of the controlled process, the design of the extreme value control, and the like.

なお、第3の実施形態では、第1の実施形態における振幅関数(図6参照)を例にとり、その変更方法について説明したが、振幅関数は、変更前後で振幅縮小速度が変化し、かつ極値探索の収束性及び操作量の振動の抑制を阻害しない範囲でどのような関数として定義されてもよい。例えば、変更前の振幅関数は、第2の実施形態における飽和関数(式(2)及び図11参照)として定義されてもよい。この場合、振幅関数の変更を、例えばシグモイド関数のパラメータ値(例えば変数xの係数など)の変更によって行うことができ、変更前後での振幅縮小速度を異ならせることができる。 In the third embodiment, the method of changing the amplitude function (see FIG. 6) in the first embodiment was taken as an example. Any function may be defined as long as it does not hinder the convergence of the value search and the suppression of the oscillation of the manipulated variable. For example, the amplitude function before modification may be defined as the saturation function (see equation (2) and FIG. 11) in the second embodiment. In this case, the amplitude function can be changed, for example, by changing the parameter value of the sigmoid function (for example, the coefficient of the variable x), and the amplitude reduction speed before and after the change can be made different.

また、振幅関数が式(4)のようにべき乗項を含む関数として定義される場合、べき指数Pや勾配ηの値によっては極値制御が不安定化する可能性がある。例えば、Pが整数でない振幅関数に対して勾配ηが負の値で与えられた場合、振幅Aを実数値として演算することができなくなる。また、Pが1以上の奇数である振幅関数に対しては、勾配ηが負の値で与えられた場合であっても振幅Aを実数値として演算することができるが、振幅Aが負の値となってしまう。このような状況を回避するためには、振幅関数は、勾配ηの絶対値|η|を入力する関数として定義されるとよい。ただし、Pが2以上の偶数の場合など、振幅Aの値が常に実数値かつ正の値となる場合には、振幅関数は勾配ηの絶対値ではなく実値を入力する関数として定義されてもよい。 Also, if the amplitude function is defined as a function including a power term as in Equation (4), extreme value control may become unstable depending on the values of the power exponent P and the gradient η. For example, if the slope η is given as a negative value for an amplitude function in which P is not an integer, the amplitude A cannot be calculated as a real value. Also, for an amplitude function in which P is an odd number equal to or greater than 1, the amplitude A can be calculated as a real value even when the slope η is given as a negative value. value. To avoid such a situation, the amplitude function should be defined as a function that inputs the absolute value |η| of the gradient η. However, when the value of the amplitude A is always a real and positive value, such as when P is an even number of 2 or more, the amplitude function is defined as a function that inputs the actual value of the slope η instead of the absolute value. good too.

(第4の実施形態)
図15は、第4の実施形態の極値制御コントローラ3cの機能構成の具体例を示すブロック図である。極値制御コントローラ3cは、増幅部32に代えて増幅部32cを備える点で第1の実施形態の極値制御コントローラ3と異なる。また、増幅部32cは、振幅決定部322に代えて振幅決定部322cを備える点で第1の実施形態における増幅部32と異なる。それ以外の構成は第1の実施形態の極値制御コントローラ3の構成と同様であるため、同様の構成については図5と同じ符号を付すことに図15での説明を省略する。
(Fourth embodiment)
FIG. 15 is a block diagram showing a specific example of the functional configuration of the extreme value controller 3c of the fourth embodiment. The extreme value controller 3c differs from the extreme value controller 3 of the first embodiment in that an amplifier 32c is provided instead of the amplifier 32. FIG. Further, the amplifying section 32c differs from the amplifying section 32 in the first embodiment in that it includes an amplitude determining section 322c instead of the amplitude determining section 322. FIG. Since other configurations are the same as those of the extreme value controller 3 of the first embodiment, similar configurations are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 5, and description thereof with reference to FIG. 15 is omitted.

振幅決定部322cは、評価量の増加速度(評価関数の勾配η)が所定値以下である場合には可変振幅方式でディザー信号の振幅の大きさを決定し、評価量の増加速度が所定値を超えた場合には固定振幅方式でディザー信号の振幅の大きさを決定する点では第1の実施形態における振幅決定部322と同様であるが、所定値を超える勾配ηに対して複数の固定振幅領域を有する点で第1の実施形態における振幅決定部322と異なる。具体的には、振幅決定部322cは、勾配ηの出力先を勾配ηの大きさに応じて切り替えるスイッチ3223と、勾配ηの値に応じた振幅の大きさを出力する複数の決定部3224と、を備える。図15は、複数の決定部3224の一例として第1~第N(Nは2以上の整数)の決定部3224-1~3224-Nを示す。 The amplitude determination unit 322c determines the magnitude of the amplitude of the dither signal using a variable amplitude method when the rate of increase in the evaluation amount (slope η of the evaluation function) is equal to or less than a predetermined value, and the rate of increase in the evaluation amount is determined by the predetermined value. is the same as the amplitude determination unit 322 in the first embodiment in that the magnitude of the dither signal amplitude is determined by a fixed amplitude method when exceeding a predetermined value. It differs from the amplitude determining section 322 in the first embodiment in that it has an amplitude region. Specifically, the amplitude determination unit 322c includes a switch 3223 that switches the output destination of the gradient η according to the magnitude of the gradient η, and a plurality of determination units 3224 that output the magnitude of the amplitude according to the value of the gradient η. , provided. FIG. 15 shows first to N-th (N is an integer equal to or greater than 2) determination units 3224-1 to 3224-N as an example of the plurality of determination units 3224. FIG.

図16は、第4の実施形態における振幅関数の第1の具体例を示す図である。例えば、第1の具体例における振幅関数F(η)は、評価関数の勾配ηがηlimを超える領域において、ディザー信号の振幅の大きさを第1の上限値Amax1とする第1の固定振幅領域と、第2の上限値Amax2とする第2の固定振幅領域とを有する関数として表される。 FIG. 16 is a diagram showing a first specific example of the amplitude function in the fourth embodiment. For example, the amplitude function F(η) in the first specific example is a first fixed value that sets the amplitude of the dither signal to a first upper limit value A max1 in a region where the gradient η of the evaluation function exceeds η lim . It is expressed as a function having an amplitude region and a second fixed amplitude region with a second upper limit Amax2 .

例えば、この場合、スイッチ3223は、ローパスフィルタ321から入力した評価関数の勾配ηの値が0≦η≦ηlim1の範囲にある場合にはその値を第1の決定部3224-1に出力し、勾配ηの値がηlim1≦η≦ηlim2の範囲にある場合にはその値を第2の決定部3224-2に出力し、ηlim2<ηの範囲にある場合にはその値を第3の決定部3224-3に出力するように構成される。 For example, in this case, if the value of the gradient η of the evaluation function input from the low-pass filter 321 is in the range of 0≦η≦η lim1 , the switch 3223 outputs the value to the first determination unit 3224-1. , if the value of the gradient η is in the range of η lim1 ≦η≦η lim2 , the value is output to the second determining unit 3224-2; 3 determination unit 3224-3.

この場合、第1の決定部3224-1は、勾配ηの値の入力に対してαηの値をディザー信号の振幅の大きさとして出力するように構成される。また、この場合、第2の決定部3224-2は、勾配ηの値によらず、ディザー信号の振幅の大きさとして常にAmax1の値を出力するように構成される。同様に、第3の決定部3224-3は、勾配ηの値によらず、ディザー信号の振幅の大きさとして常にAmax2の値を出力するように構成される。このような構成により、振幅決定部322cは、全体としては、任意の値のηについてディザー信号の振幅の大きさを1つ決定するように機能する。 In this case, the first determining unit 3224-1 is configured to output the value of αη as the magnitude of the amplitude of the dither signal in response to the input of the value of the gradient η. Also, in this case, the second determining unit 3224-2 is configured to always output the value of Amax1 as the magnitude of the amplitude of the dither signal regardless of the value of the gradient η. Similarly, the third determining unit 3224-3 is configured to always output the value of Amax2 as the magnitude of the amplitude of the dither signal regardless of the value of the gradient η. With such a configuration, the amplitude determination unit 322c as a whole functions to determine one amplitude of the dither signal for any value of η.

このように構成された第4の実施形態の極値制御コントローラ3cは、評価量の増加速度(評価関数の勾配η)が所定値を超えた場合において、ディザー信号の振幅の大きさを、評価量の増加速度に応じた固定値とすることができる。このような構成を備えることにより、第4の実施形態の極値制御コントローラ3cは、評価関数が複数の最適値を持つ場合においても、より適切な最適値を探索することが可能になる。 The extreme value controller 3c of the fourth embodiment configured in this way evaluates the magnitude of the amplitude of the dither signal when the rate of increase in the evaluation amount (slope η of the evaluation function) exceeds a predetermined value. It can be a fixed value depending on the rate of increase of the amount. With such a configuration, the extreme value controller 3c of the fourth embodiment can search for a more appropriate optimum value even when the evaluation function has a plurality of optimum values.

図17は、複数の極値を持つ評価関数の具体例を示す図である。図17に示す評価関数は、操作量uにおいて極小値yをとり、操作量uにおいて極小値yよりも小さい極小値yをとる関数である。この場合、評価量の最適値はyとなる。このような未知の評価関数に対して、操作量uの右側から最適値の探索が開始される場合には第1~第3の実施形態で説明した方法によって極小値yを探索することができるが、操作量uの左側から最適値の探索が開始される場合には操作量がuに到達した時点で探索が終了してしまい、最適値yを与える操作量uに到達することができない。 FIG. 17 is a diagram showing a specific example of an evaluation function having multiple extreme values. The evaluation function shown in FIG . 17 is a function that takes a minimum value y1 at the manipulated variable u1 and a minimum value y2 that is smaller than the minimum value y1 at the manipulated variable u2 . In this case, the optimal value of the evaluation quantity is y2 . For such an unknown evaluation function, when the search for the optimum value is started from the right side of the manipulated variable u 2 , the minimum value y 2 is searched by the method described in the first to third embodiments. However, if the search for the optimum value starts from the left side of the manipulated variable u1 , the search ends when the manipulated variable reaches u1 . unable to reach.

このような場合、操作量をより大きく振動させることにより、操作量がuを超えて最適値yを与えるuに収束するようにすることができる場合がある。例えば、図17に示す評価関数について、第1の実施形態における振幅関数(例えば図6参照)に基づく最適値の探索を点P1から開始した後、操作量がuに収束した場合を想定する。この場合、評価関数が評価量yとは別の極小値yを持つことが想定される場合には、探索開始時点におけるディザー信号の振幅を図6における上限値Amax1よりもさらに大きな上限値Amax2とすることで、極値制御が収束方向に向かい始める前に操作量を他の最適値(ここではu)に近づけていくことができる。 In such a case, it may be possible to cause the manipulated variable to exceed u1 and converge to u2 , which gives the optimum value y2 , by oscillating the manipulated variable more greatly. For example, for the evaluation function shown in FIG. 17, it is assumed that the operation amount converges to u1 after the search for the optimum value based on the amplitude function (see, for example, FIG. 6) in the first embodiment is started from point P1. . In this case, if it is assumed that the evaluation function has a minimum value y2 different from the evaluation value y1 , the amplitude of the dither signal at the start of the search is set to an upper limit value larger than the upper limit value Amax1 in FIG. By setting the value to A max2 , the manipulated variable can be brought closer to another optimum value (here, u 2 ) before the extreme value control starts to converge.

また、これに対して、極値制御が収束方向に向かい始めた後に操作量を他の最適値(ここではu)に近づけていくことも可能である。図18は、第4の実施形態における振幅関数の第2の具体例を示す図である。第2の具体例における振幅関数F(η)は、第1の実施形態における振幅関数(例えば図6参照)の可変振幅領域の一部を固定振幅領域に変更したものである。このような振幅関数を用いた場合、点P1から最適値の探索を開始した後、評価量が極小値yに近づいていく過程でディザー信号の振幅が一旦は可変振幅となった後に再び固定振幅に戻されることになる。これにより、操作量がuに収束することを回避し、最適値(ここではu)に近づけていくことができる。 On the other hand, it is also possible to bring the manipulated variable closer to another optimum value (here, u 2 ) after the extreme value control begins to converge. FIG. 18 is a diagram showing a second specific example of the amplitude function in the fourth embodiment. The amplitude function F(η) in the second specific example is obtained by changing part of the variable amplitude region of the amplitude function (eg, see FIG. 6) in the first embodiment to a fixed amplitude region. When such an amplitude function is used, after starting the search for the optimum value from the point P1, the amplitude of the dither signal becomes variable once in the process in which the evaluation amount approaches the minimum value y1 , and then is fixed again. It will be returned to amplitude. As a result, the manipulated variable can be prevented from converging to u 1 and brought closer to the optimum value (here, u 2 ).

このように構成された第4の実施形態の極値制御コントローラ3cによれば、評価関数が複数の極値を持つと想定される場合においても、操作量の振動を抑制しつつ、評価量が他の最適値に収束するようにディザー信号の振幅を調整することが可能となる。 According to the extreme value control controller 3c of the fourth embodiment configured as described above, even when it is assumed that the evaluation function has a plurality of extreme values, the evaluation amount is reduced while suppressing the vibration of the operation amount. It is possible to adjust the amplitude of the dither signal to converge to other optimal values.

なお、第4の実施形態では、振幅関数に上限値の異なる2つの固定振幅領域が定義された場合について説明したが、振幅関数に定義される固定振幅領域の数や固定振幅の大きさは、想定する評価関数の形状や極値の数、極値探索の開始点等に応じて適宜変更されてよい。 In the fourth embodiment, two fixed amplitude regions with different upper limits are defined in the amplitude function, but the number of fixed amplitude regions defined in the amplitude function and the magnitude of the fixed amplitude It may be changed as appropriate according to the assumed shape of the evaluation function, the number of extreme values, the starting point of the extreme value search, and the like.

(第5の実施形態)
図19は、第5の実施形態の極値制御コントローラ3dの機能構成の具体例を示す図である。第5の実施形態の極値制御コントローラ3dは、ニュートン法に基づく極値制御コントローラに第1の実施形態と同様の増幅部32を適用したものである。具体的には、極値制御コントローラ3dは、ニュートン法に基づく極値制御部33と、極値制御部33が出力する操作量信号に作用させるディザー信号を出力するディザー信号発生器12と、ディザー信号を第1の実施形態と同様の方法で増幅する増幅部32と、を備える。
(Fifth embodiment)
FIG. 19 is a diagram showing a specific example of the functional configuration of the extreme value controller 3d of the fifth embodiment. The extreme value controller 3d of the fifth embodiment is obtained by applying the amplifier 32 similar to that of the first embodiment to the extreme value controller based on Newton's method. Specifically, the extreme value controller 3d includes an extreme value controller 33 based on Newton's method, a dither signal generator 12 that outputs a dither signal to act on the manipulated variable signal output by the extreme value controller 33, and a dither and an amplifier 32 that amplifies the signal in the same manner as in the first embodiment.

一方、上述のとおり、第1の実施形態の極値制御コントローラ3は、グラジエント法に基づく極値制御部30として、ハイパスフィルタ11、乗算器13、ローパスフィルタ31、積分器15及び加算器17を備える。すなわち、ニュートン法に基づく極値制御部33は、乗算器331及び332、ローパスフィルタ333及び334、信号加算器335をさらに備える点、積分器15に代えて積分器15dを備える点でグラジエント法に基づく極値制御部と異なる。 On the other hand, as described above, the extreme value controller 3 of the first embodiment includes the high-pass filter 11, the multiplier 13, the low-pass filter 31, the integrator 15, and the adder 17 as the extreme value controller 30 based on the gradient method. Prepare. That is, the extremum controller 33 based on the Newton's method further includes multipliers 331 and 332, low-pass filters 333 and 334, and a signal adder 335, and includes an integrator 15d in place of the integrator 15. It is different from the extremum control part based on

図20~図25は、第5の実施形態の極値制御コントローラ3dの動作例を示す図である。図20は評価関数として2次関数を想定した場合の動作例を示し、図21は評価関数として5次関数を想定した場合の動作例を示す。また、図22は5次関数を想定した評価関数において最適値が変動する場合の動作例を示し、図23は0.5次関数を想定した評価関数において最適値が変動する場合の動作例を示す。また、図24は評価関数として符号反転正規分布関数を想定した場合の動作例を示し、図25は評価関数として非対称非線形関数を想定した場合の動作例を示す。 20 to 25 are diagrams showing operation examples of the extreme value controller 3d of the fifth embodiment. FIG. 20 shows an example of operation when a quadratic function is assumed as the evaluation function, and FIG. 21 shows an example of operation when a quintic function is assumed as the evaluation function. Further, FIG. 22 shows an example of operation when the optimum value fluctuates in the evaluation function assuming a quintic function, and FIG. 23 shows an example of operation when the optimum value fluctuates in the evaluation function assuming a 0.5-order function. show. FIG. 24 shows an example of operation when a sign-inverted normal distribution function is assumed as the evaluation function, and FIG. 25 shows an example of operation when an asymmetric nonlinear function is assumed as the evaluation function.

なお、図20~図25のいずれにおいても、左側の図は従来の可変振幅方式での制御結果を示しており、右側の図が第5の実施形態の極値制御コントローラ3dによる制御結果を示す。図20~図25の各動作例からも分かるように、評価関数の勾配ηに応じ可変振幅方式と固定振幅方式とを使い分けてディザー信号の振幅を決定する方法は、グラジエント法に基づく極値制御(例えば第1~第4の実施形態)方式のみならず、ニュートン法に基づく極値制御(例えば第5の実施形態)方式にも有効であることが確認された。 In any of FIGS. 20 to 25, the left figure shows the control result of the conventional variable amplitude method, and the right figure shows the control result by the extreme value controller 3d of the fifth embodiment. . As can be seen from the operation examples of FIGS. 20 to 25, the method of determining the amplitude of the dither signal by selectively using the variable amplitude method and the fixed amplitude method according to the gradient η of the evaluation function is extremal value control based on the gradient method. It was confirmed that it is effective not only for the methods (for example, the first to fourth embodiments) but also for the extremum control method (for example, the fifth embodiment) based on Newton's method.

このように構成された第5の実施形態の極値制御コントローラ3dは、ニュートン法に基づく極値制御方式においても、過渡期及び収束期における操作量の振動を抑制することが可能となる。 The extreme value controller 3d of the fifth embodiment configured as described above can suppress the oscillation of the manipulated variable in the transition period and the convergence period even in the extreme value control method based on Newton's method.

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、操作量及び評価量の測定結果に基づいて推定される関数であって操作量と評価量との関係を表す評価関数の勾配と、ディザー信号の振幅と、の対応関係を表す振幅関数に基づいて、ディザー信号の振幅の大きさを決定する振幅決定部を持つことにより、より安定した極値制御を実現することができる。 According to at least one embodiment described above, the slope of the evaluation function, which is a function estimated based on the measurement results of the manipulated variable and the evaluated quantity and represents the relationship between the manipulated variable and the evaluated quantity, and the amplitude of the dither signal More stable extreme value control can be achieved by having an amplitude determination unit that determines the magnitude of the amplitude of the dither signal based on the amplitude function representing the correspondence between .

(変形例)
上述した各実施形態の極値制御コントローラにおいて、振幅決定部はハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアによって実現されてもよい。また、振幅決定部がソフトウェアによって実現される場合、極値制御コントローラは、振幅関数の設定情報を磁気ハードディスク装置や半導体記憶装置などの記憶装置に記憶し、振幅決定部がその記憶装置から設定情報を取得するように構成されてもよい。また、この場合、極値制御コントローラは、振幅関数の変更操作を受け付ける入力部と、その入力に応じて振幅関数の設定情報を更新する設定更新部と、を備えるように構成されてもよい。さらに、この場合、極値制御コントローラは、設定情報の内容を表示する表示部を備えるように構成されてもよい。
(Modification)
In the extreme value control controller of each of the above-described embodiments, the amplitude determining section may be implemented by hardware or by software. Further, when the amplitude determination unit is realized by software, the extreme value controller stores the setting information of the amplitude function in a storage device such as a magnetic hard disk device or a semiconductor storage device, and the amplitude determination unit receives the setting information from the storage device. may be configured to obtain Further, in this case, the extreme value controller may be configured to include an input unit that receives an operation to change the amplitude function, and a setting update unit that updates the setting information of the amplitude function according to the input. Furthermore, in this case, the extreme value controller may be configured to include a display section for displaying the content of the setting information.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 While several embodiments of the invention have been described, these embodiments have been presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and spirit of the invention, as well as the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.

1…従来例の極値制御コントローラ、11…ハイパスフィルタ、12…ディザー信号発生器、13…乗算器、14…ローパスフィルタ、15、15d…積分器、16…増幅器、17…加算器、2…従来例の極値制御コントローラ、21…ローパスフィルタ、22…増幅部、221…ローパスフィルタ、222…振幅決定部、223…乗算器、3,3a,3b,3c,3d…極値制御コントローラ、30…グラジエント法に基づく極値制御部、31…ローパスフィルタ、32,32a,32b,32c…増幅部、321…ローパスフィルタ、322,322a,322b,322c…振幅決定部、3221…第1決定部、3222…第2決定部、323…乗算器、33…ニュートン法に基づく極値制御部、331,332…乗算器、333,334…ローパスフィルタ、335…信号加算器、400…水処理システム、41…最初沈澱池、411…汚泥引き抜きポンプ、42…生物反応槽、421…ブロア、422…返送汚泥ポンプ、43…最終沈澱池、431…送る余剰汚泥ポンプ、44…濾過池、45…余剰汚泥貯留槽、451…汚泥処理ポンプ、5…曝気風量制御装置、51…評価量出力部 Reference Signs List 1 conventional extremum control controller 11 high-pass filter 12 dither signal generator 13 multiplier 14 low-pass filter 15, 15d integrator 16 amplifier 17 adder 2 Extremum controller of conventional example 21 Low-pass filter 22 Amplifier 221 Low-pass filter 222 Amplitude determining unit 223 Multiplier 3, 3a, 3b, 3c, 3d Extremum controller 30 ... extreme value control unit based on the gradient method, 31 ... low-pass filter, 32, 32a, 32b, 32c ... amplification section, 321 ... low-pass filter, 322, 322a, 322b, 322c ... amplitude determination section, 3221 ... first determination section, 3222 Second decision unit 323 Multiplier 33 Extremum control unit based on Newton's method 331, 332 Multiplier 333, 334 Low-pass filter 335 Signal adder 400 Water treatment system 41 ... primary sedimentation basin, 411 ... sludge extraction pump, 42 ... biological reaction tank, 421 ... blower, 422 ... return sludge pump, 43 ... final sedimentation basin, 431 ... excess sludge pump to send, 44 ... filtration basin, 45 ... excess sludge storage Tank 451 Sludge treatment pump 5 Aeration air volume control device 51 Evaluation amount output unit

Claims (6)

制御対象プロセスの操作量と、前記操作量に応じて変化する制御量に基づく値であって前記制御対象プロセスの最適化に関する評価対象となる値である評価量とに基づいて、前記評価量が最適値に近づくように前記操作量を更新する極値制御を実行する極値制御部と、
前記極値制御において前記操作量の信号に作用することにより前記操作量を変化させるディザー信号を出力するディザー信号出力部と、
前記操作量及び前記評価量の測定結果に基づいて推定される関数であって前記操作量と前記評価量との関係を表す評価関数の勾配と、前記ディザー信号の振幅と、の対応関係を表す振幅関数に基づいて、前記ディザー信号の振幅の大きさを決定する振幅決定部と、
を備え、
前記振幅関数は、前記勾配の入力に対して、前記勾配に応じて定まる出力値であって予め設定された上限値以下に定まる前記出力値を前記ディザー信号の振幅の大きさとして出力する、
最適制御装置。
The evaluation amount is based on a manipulated variable of a controlled process and an evaluation amount that is a value based on a controlled variable that changes according to the manipulated variable and is a value to be evaluated regarding optimization of the controlled process. an extreme value control unit that executes extreme value control to update the manipulated variable so as to approach an optimum value;
a dither signal output unit that outputs a dither signal that changes the manipulated variable by acting on the manipulated variable signal in the extreme value control;
Represents a correspondence relationship between a slope of an evaluation function, which is a function estimated based on the measurement results of the operation amount and the evaluation amount and represents the relationship between the operation amount and the evaluation amount, and the amplitude of the dither signal. an amplitude determination unit that determines the magnitude of the amplitude of the dither signal based on an amplitude function;
with
The amplitude function outputs an output value that is determined according to the gradient and that is equal to or lower than a preset upper limit value as the magnitude of the amplitude of the dither signal, with respect to the input of the gradient.
optimum controller.
前記振幅関数は、前記上限値を与える勾配値まで前記振幅の大きさを単調増加させ、前記勾配値以降では前記振幅の大きさを前記上限値とする関数によって表される、
請求項1に記載の最適制御装置。
The amplitude function is represented by a function that monotonically increases the magnitude of the amplitude up to a gradient value that gives the upper limit, and that after the gradient value, the magnitude of the amplitude is the upper limit.
2. The optimal control device according to claim 1.
前記振幅関数は、前記ディザー信号の振幅の大きさを前記上限値以下の一定値として出力する勾配の範囲を複数有する、
請求項1又は2に記載の最適制御装置。
The amplitude function has a plurality of gradient ranges for outputting the magnitude of the amplitude of the dither signal as a constant value equal to or lower than the upper limit value.
3. The optimum control device according to claim 1 or 2.
前記振幅関数を変更する操作の入力を受け付ける入力部と、
前記入力に応じて前記振幅関数の設定情報を更新する設定更新部と、
をさらに備える請求項1から3のいずれか一項に記載の最適制御装置。
an input unit that receives input of an operation to change the amplitude function;
a setting update unit that updates setting information of the amplitude function according to the input;
4. The optimal controller of any one of claims 1-3, further comprising:
コンピュータが、
制御対象プロセスの操作量と、前記操作量に応じて変化する制御量に基づく値であって前記制御対象プロセスの最適化に関する評価対象となる値である評価量とに基づいて、前記評価量が最適値に近づくように前記操作量を更新する極値制御を実行する極値制御ステップと、
前記極値制御において前記操作量の信号に作用することにより前記操作量を変化させるディザー信号を出力するディザー信号出力ステップと、
前記操作量及び前記評価量の測定結果に基づいて推定される関数であって前記操作量と前記評価量との関係を表す評価関数の勾配と、前記ディザー信号の振幅と、の対応関係を表す振幅関数に基づいて、前記ディザー信号の振幅の大きさを決定する振幅決定ステップと、
実行する最適制御方法であって、
前記振幅関数は、前記勾配の入力に対して、前記勾配に応じて定まる出力値であって予め設定された上限値以下に定まる前記出力値を前記ディザー信号の振幅の大きさとして出力する、
最適制御方法。
the computer
The evaluation amount is based on a manipulated variable of a controlled process and an evaluation amount that is a value based on a controlled variable that changes according to the manipulated variable and is a value to be evaluated regarding optimization of the controlled process. an extreme value control step of executing extreme value control to update the manipulated variable so as to approach an optimum value;
a dither signal output step of outputting a dither signal that changes the manipulated variable by acting on the manipulated variable signal in the extreme value control;
Represents a correspondence relationship between a slope of an evaluation function, which is a function estimated based on the measurement results of the operation amount and the evaluation amount and represents the relationship between the operation amount and the evaluation amount, and the amplitude of the dither signal. an amplitude determining step of determining the amplitude magnitude of the dither signal based on an amplitude function;
An optimal control method for executing
The amplitude function outputs an output value that is determined according to the gradient and that is equal to or lower than a preset upper limit value as the magnitude of the amplitude of the dither signal, with respect to the input of the gradient.
Optimal control method.
コンピュータを、請求項1から4のいずれか一項に記載の最適制御装置として機能させるためのコンピュータプログラム。 A computer program for causing a computer to function as the optimum control device according to any one of claims 1 to 4.
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