JP7327240B2 - Parameter adjuster - Google Patents
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Description
本発明は、フィードバック制御システムのパラメータを調整するパラメータ調整装置に関する。 The present invention relates to a parameter adjuster for adjusting parameters of a feedback control system.
制御対象を制御する制御方法として、フィードバック制御系が従来から採用されている。フィードバック制御系における制御器は、例えば、PID(Proportional Integral Differential)制御を行う。
ところで、制御対象を制御する際に、外乱の影響を受ける場合がある。そこで、上記のフィードバック制御系において、外乱補償器を用いて外乱を推定し、補償する方法が用いられている。
A feedback control system has been conventionally employed as a control method for controlling a controlled object. A controller in the feedback control system performs PID (Proportional Integral Differential) control, for example.
By the way, when controlling a controlled object, it may be affected by disturbance. Therefore, in the above feedback control system, a method of estimating and compensating the disturbance using a disturbance compensator is used.
上記の外乱補償器のパラメータは、試行錯誤しながら調整されており、調整に多大な作業時間や労力が必要であった。また、上記の調整では、外乱補償器のパラメータを精度良く求めることが困難であった。 The parameters of the disturbance compensator described above are adjusted through trial and error, requiring a great deal of work time and labor. Moreover, in the above adjustment, it is difficult to obtain the parameters of the disturbance compensator with high accuracy.
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、外乱補償器を含むフィードバック制御系のパラメータを迅速かつ精度良く求めることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to quickly and accurately determine the parameters of a feedback control system including a disturbance compensator.
本発明の一の態様においては、制御器と、前記制御器の出力を入力とする制御対象と、前記制御対象の入力の外乱を補償するための外乱補償器と、目標値と参照応答の伝達関数である参照モデルとを備え、前記制御対象の出力が前記制御器の入力にフィードバックされる制御システムにおいて、前記制御器のパラメータである制御器パラメータと前記外乱補償器のパラメータである補償器パラメータとを求めるパラメータ調整装置であって、前記外乱の値を所定値に設定し、前記制御器の出力である第1出力データと、前記制御対象の出力である第2出力データとを取得するデータ取得部と、前記第1出力データ及び前記第2出力データに基づき推定した前記制御器に入力する入力信号を、前記参照モデルに入力した場合の前記参照モデルの出力である第3出力データと、前記第2出力データとの誤差に関する評価関数の評価値に基づいて、前記制御器パラメータを求める第1パラメータ算出部と、前記第1パラメータ算出部が求めた前記制御器パラメータを前記評価関数に適用して、前記補償器パラメータを求める第2パラメータ算出部と、を有する、パラメータ調整装置を提供する。 In one aspect of the present invention, a controller, a controlled object whose input is the output of the controller, a disturbance compensator for compensating the input disturbance of the controlled object, and transmission of a target value and a reference response A control system in which the output of the controlled object is fed back to the input of the controller, wherein the controller parameter is a parameter of the controller and the compensator parameter is a parameter of the disturbance compensator. Data for setting the value of the disturbance to a predetermined value and acquiring first output data that is the output of the controller and second output data that is the output of the controlled object an acquisition unit; third output data that is an output of the reference model when an input signal to be input to the controller estimated based on the first output data and the second output data is input to the reference model; a first parameter calculator that calculates the controller parameter based on an evaluation value of an evaluation function relating to an error with the second output data; and applying the controller parameter calculated by the first parameter calculator to the evaluation function. and a second parameter calculator for obtaining the compensator parameter.
また、前記外乱補償器は、前記制御対象の逆モデルを含み、前記第2パラメータ算出部は、求めた前記制御器パラメータを前記評価関数に適用して、前記補償器パラメータとして前記逆モデルのパラメータを求めることとしてもよい。 Further, the disturbance compensator includes an inverse model of the controlled object, and the second parameter calculation unit applies the obtained controller parameter to the evaluation function, and uses the inverse model parameter as the compensator parameter. may be requested.
また、前記データ取得部は、前記外乱の値を0に設定し、前記第1出力データ及び前記第2出力データを取得することとしてもよい。前記データ取得部は、前記外乱の値を、外乱を補償した既知の値に設定し、前記第1出力データ及び前記第2出力データを取得することとしてもよい。 Further, the data acquisition unit may set the value of the disturbance to 0 and acquire the first output data and the second output data. The data acquisition unit may acquire the first output data and the second output data by setting the value of the disturbance to a known value in which the disturbance is compensated.
また、前記評価関数は、前記第2出力データと前記第3出力データとの誤差の二乗和であり、前記第2パラメータ算出部は、前記評価関数の前記評価値を最小化するように、前記補償器パラメータを求めることとしてもよい。 Further, the evaluation function is a sum of squares of errors between the second output data and the third output data, and the second parameter calculation unit minimizes the evaluation value of the evaluation function, Compensator parameters may also be determined.
本発明によれば、外乱補償器を含むフィードバック制御系のパラメータを迅速かつ精度良く求められるという効果を奏する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is effective in being able to obtain|require the parameter of a feedback control system containing a disturbance compensator rapidly and accurately.
<制御システムのパラメータの調整>
本発明の一の実施形態に係る制御システムの構成について、図1を参照しながら説明する。
<Adjustment of control system parameters>
A configuration of a control system according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図1は、一の実施形態に係る制御システム100の構成を説明するための模式図である。制御システム100は、図1に示すように、制御器102と、制御対象104と、外乱補償器106と、参照モデル108とを有する。制御システム100は、ここではフィードバック制御システムであり、制御対象104の出力が制御器102の入力にフィードバックされる。
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the configuration of a
制御器102は、制御に用いるパラメータ(以下、制御器パラメータと呼ぶ)を引数とする関数で表現される。制御器パラメータは、調整可能である。
The
制御対象104には、制御器102の出力が入力として入力される。外乱補償器106を有する制御システム100においては、制御器102の出力と外乱補償器106の出力との和である入力uが、制御対象104に制御量として入力される。また、制御対象の出力は、出力yである。
The output of the
外乱補償器106は、制御対象104の入力の外乱dを推定し補償する。外乱補償器106は、外乱dの推定値を出力する。外乱補償器106は、外乱dの推定に用いるパラメータ(以下、補償器パラメータと呼ぶ)を引数とする関数で表現される。補償器パラメータも、調整可能である。
The
図2は、外乱補償器106の構成を説明するための模式図である。外乱補償器106は、逆モデル106aと、フィルタ106bとを含む。逆モデル106aは、制御対象104の逆モデルであり、ノミナルモデルである。フィルタ106bは、例えばローパスフィルタである。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the configuration of the
参照モデル108は、目標値と参照応答の伝達関数であり、制御対象104に入力する入力信号が入力される。制御システム100は、制御対象104の出力yと、参照モデル108の出力とを、一致させるように制御する。
A
制御システム100は、データ駆動制御であるFRIT(Fictitious Reference Iterative Tuning)を適用し、制御対象104の入出力データと参照モデル108とから、制御器パラメータ及び補償器パラメータを自動調整する。具体的には、以下のようにパラメータを調整する。
The
まず、制御対象104の入力uと出力yと、参照モデル108を用いて、制御器パラメータを求める。ここでは、外乱の値が0、又は既知であるものとする。なお、既知の値の場合には,外乱を補償する。
First, using the input u and output y of the controlled
図1から、制御器102に入力される入力信号rは、下記の式(1)となる。
式(1)において、θは、制御器パラメータである。kは、1以上の整数であり、u又はyのサンプリング番号を示す指標である。u(k)及びy(k)は、予め計測した1組の入出力データである。
From FIG. 1, the input signal r input to the
In equation (1), θ is a controller parameter. k is an integer of 1 or more and an index indicating the sampling number of u or y. u(k) and y(k) are a set of input/output data measured in advance.
また、一般的なフィードバック制御の応答と、参照モデル108及び入力信号rから得られる目標応答との誤差に関する評価関数Jは、下記の式(2)となる。
式(2)の評価関数Jにおいて、制御器パラメータθは、制御対象104の出力y(k)と参照モデルTdの出力(Td×r(θ、k))との2乗誤差を最小化するものを意味し、制御器102の最適なパラメータである。
Also, the evaluation function J regarding the error between the general feedback control response and the target response obtained from the
In the evaluation function J of formula (2), the controller parameter θ minimizes the square error between the output y(k) of the controlled
上記のように求めた制御器パラメータを評価関数に適用し、補償器パラメータを求める。具体的には、下記の式(3)を用いて、補償器パラメータとして、外乱補償器の逆モデル106aのパラメータを求める。
式(3)において、Pmは、外乱補償器106の逆モデル106aのパラメータをもつ関数である。
The controller parameters obtained as described above are applied to the evaluation function to obtain compensator parameters. Specifically, the parameters of the
In equation (3), Pm is a function with parameters of the
なお、式(3)の入力rは、下記の式(4)のように示される。
式(4)において、Fは、フィルタ106bのパラメータをもつ関数である。
Note that the input r in Equation (3) is expressed as in Equation (4) below.
In equation (4), F is a function with the parameters of
式(3)で求まる補償器パラメータ(具体的には、逆モデル106aのパラメータ)も、評価関数Jにおいて制御対象104の出力と参照モデルの出力との2乗誤差を最小化するものを意味し、外乱補償器106の最適なパラメータである。
The compensator parameter (specifically, the parameter of the
上述した制御システム100は、トラック等の車両に搭載された制御対象を制御するシステムとして利用されうる。例えば、ディーゼルエンジンのブースト圧と吸入新気量を目標値に追従させるため、EGR(Exhaust Gas Recirculation)及びVNT(Variable Nozzle Turbo)の協調制御に利用されうる。また、クラッチの変速制御に利用されうる。
The
<パラメータ調整装置の構成>
制御システム100の制御器102の制御器パラメータと、外乱補償器106の補償器パラメータとを調整するパラメータ調整装置の構成について、図3を参照しながら説明する。
<Configuration of parameter adjustment device>
A configuration of a parameter adjusting device for adjusting the controller parameters of the
図3は、一の実施形態に係るパラメータ調整装置1の構成の一例を示す模式図である。パラメータ調整装置1は、図3に示すように、記憶部20と、制御部30とを有する。
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the parameter adjustment device 1 according to one embodiment. The parameter adjustment device 1 has a
記憶部20は、コンピュータのBIOS(Basic Input Output System)等を格納するROM(Read Only Memory)、作業領域となるRAM(Random Access Memory)を含む。また、記憶部20は、OS(Operating System)やアプリケーションプログラム、当該アプリケーションプログラムの実行時に参照される種々の情報を格納するHDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)等の大容量記憶装置である。
The
制御部30は、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)等のプロセッサである。制御部30は、記憶部20に記憶されたプログラムを実行することによって、データ取得部32、第1パラメータ算出部34、及び第2パラメータ算出部36として機能する。
The
データ取得部32は、制御器102の出力である第1出力データを取得する。また、データ取得部32は、制御対象104の出力である第2出力データを取得する。本実施形態では、制御器102の制御器パラメータを求めるために、データ取得部32は、外乱の値を所定値に設定し、制御器102の第1出力データと、制御対象104の第2出力データとを取得する。
The
例えば、データ取得部32は、外乱の値を0に設定し、第1出力データ(具体的には、入力u)及び第2出力データ(具体的には、出力y)を取得する。これにより、制御対象104が外乱の影響を受けない状態での制御器102の制御器パラメータを求めることができる。
For example, the
第1パラメータ算出部34は、第1出力データ及び第2出力データに基づいて、制御器102の制御器パラメータを求める。第1パラメータ算出部34は、以下の手順で説明するように、第1出力データ及び第2出力データに基づいて評価関数を求めて、制御器パラメータを求める。
The
第1パラメータ算出部34は、第1出力データ(入力u)及び第2出力データ(出力y)に基づき、制御器102に入力する入力信号を推定する。例えば、第1パラメータ算出部34は、前述した式(1)で示す入力信号rを推定する。
The
第1パラメータ算出部34は、推定した入力信号を参照モデル108(図1)に入力した場合の、参照モデル108の出力である第3出力データを求める。そして、第1パラメータ算出部34は、求めた第3出力データと上記の第2出力データとの誤差に関する評価関数を求める。例えば、第1パラメータ算出部34は、前述した式(2)に示すFRITの評価関数を求める。
The
第1パラメータ算出部34は、求めた評価関数の評価値に基づいて、制御器102の制御器パラメータを求める。具体的には、第1パラメータ算出部34は、評価関数の評価値を最小化するように、制御器102の制御器パラメータを求める。これにより、目標値応答特性に優れた制御器パラメータに調整できる。
The
第2パラメータ算出部36は、外乱補償器106の補償器パラメータを求める。本実施形態では、第2パラメータ算出部36は、第1パラメータ算出部34が求めた制御器パラメータを評価関数に適用して、補償器パラメータを求める。具体的には、第2パラメータ算出部36は、第1パラメータ算出部34が求めた制御器パラメータを評価関数に適用して、補償器パラメータとして、逆モデル106aのパラメータを求める。評価関数は、第2出力データと第3出力データとの誤差の二乗和である。
A
例えば、第2パラメータ算出部36は、前述した式(3)に示すFRITの評価関数を用いて、補償器パラメータを求める。すなわち、第2パラメータ算出部36は、評価関数の評価値を最小化するように、補償器パラメータを求める。これにより、外乱補償特性に優れた補償器パラメータに調整できる。
For example, the
<パラメータ調整の流れ>
パラメータ調整の流れについて、図4を参照しながら説明する。
図4は、パラメータ調整装置1が実行する処理の流れを説明するためのフローチャートである。
<Flow of parameter adjustment>
A flow of parameter adjustment will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a flowchart for explaining the flow of processing executed by the parameter adjustment device 1. FIG.
図4のフローチャートは、制御システム100に目標値を入力したところから開始される。まず、制御部30のデータ取得部32は、制御器102の出力である第1出力データを取得する(ステップS102)。また、データ取得部32は、制御対象104の出力である第2出力データを取得する(ステップS104)。例えば、データ取得部32は、外乱dの値を0に設定した状態で、第1出力データ(入力u)と第2出力データ(出力y)を取得する。
The flow chart of FIG. 4 starts from the input of the target value to the
次に、第1パラメータ算出部34は、制御器102の制御器パラメータを求める(ステップS106)。例えば、第1パラメータ算出部34は、前述した式(2)の評価関数を用いて、制御器パラメータを求める。
Next, the
次に、第2パラメータ算出部36は、外乱補償器106の補償器パラメータを求める(ステップS108)。第2パラメータ算出部36は、求めた制御器パラメータを評価関数に適用して、補償器パラメータを求める。例えば、第2パラメータ算出部36は、前述した式(3)の評価関数を用いて、補償器パラメータとして、外乱補償器106の逆モデル106aのパラメータを求める。
Next, the
次に、パラメータ調整装置1は、求めたパラメータを反映した制御器102及び外乱補償器106の性能を確認する(ステップS110)。すなわち、パラメータ調整装置1は、ステップS106及びステップS108で求めた制御器パラメータ及び補償器パラメータの制御システム100に対して目標値及び外乱を入力した際に、制御対象104の出力が参照応答と一致しているかを確認する。これにより、求めた制御器パラメータ及び補償器パラメータを適用した制御器102及び外乱補償器106の性能を適切に評価できる。
Next, the parameter adjustment device 1 confirms the performance of the
<本実施形態における効果>
上述した実施形態において、パラメータ調整装置1は、外乱補償器106を有する制御システム100において、1組の入出力データと参照モデルを用いた評価関数の評価値に基づいて、制御器102の制御器パラメータを求める。また、パラメータ調整装置1は、求めた制御器パラメータを評価関数に適用して、外乱補償器106の補償器パラメータを求める。
これにより、システムを同定することなく、制御対象104の一組の入出力データを用いて、制御器パラメータ及び補償器パラメータを調整できる。すなわち、試行錯誤を繰り返すことなく、制御器パラメータ及び補償器パラメータを迅速かつ精度良く求めることができる。この結果、目標値応答特性及び外乱補償特性に優れた制御システム100を設計可能となる。
<Effects of this embodiment>
In the above-described embodiment, the parameter adjustment device 1, in the
This allows the controller and compensator parameters to be adjusted using a set of input and output data of the controlled
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist thereof. be. For example, all or part of the device can be functionally or physically distributed and integrated in arbitrary units. In addition, new embodiments resulting from arbitrary combinations of multiple embodiments are also included in the embodiments of the present invention. The effect of the new embodiment caused by the combination has the effect of the original embodiment.
1 パラメータ調整装置
32 データ取得部
34 第1パラメータ算出部
36 第2パラメータ算出部
100 制御システム
102 制御器
104 制御対象
106 外乱補償器
108 参照モデル
1
Claims (3)
前記外乱の値を0に設定し、前記制御器の出力である第1出力データと、前記制御対象の出力である第2出力データとを取得するデータ取得部と、
前記第1出力データと前記制御器にフィードバックされる前記第2出力データとで求まる前記制御器に入力する第1入力信号を、前記参照モデルに入力した場合の前記参照モデルの出力である第3出力データと、前記第2出力データとの誤差に関する第1評価関数の評価値に基づいて、前記制御器パラメータを求める第1パラメータ算出部と、
前記第1出力データと前記制御器にフィードバックされる前記第2出力データと前記外乱補償器の出力データとで求まる前記制御器に入力する第2入力信号を、前記参照モデルに入力した場合の前記参照モデルの出力である第4出力データと、前記第2出力データとの誤差に関する第2評価関数に、前記第1パラメータ算出部が求めた前記制御器パラメータを適用して、前記補償器パラメータを求める第2パラメータ算出部と、
を有する、パラメータ調整装置。 A controller, a controlled object whose input is the output of the controller, a disturbance compensator for compensating for disturbance of the input of the controlled object, and a reference model that is a transfer function of a target value and a reference response, In a control system in which the output of the controlled object is fed back to the input of the controller, a parameter adjusting device for obtaining a controller parameter that is a parameter of the controller and a compensator parameter that is a parameter of the disturbance compensator, ,
a data acquisition unit that sets the value of the disturbance to 0 and acquires first output data that is the output of the controller and second output data that is the output of the controlled object;
A third input signal that is the output of the reference model when the first input signal to be input to the controller determined by the first output data and the second output data that is fed back to the controller is input to the reference model. a first parameter calculator that calculates the controller parameter based on an evaluation value of a first evaluation function relating to an error between the output data and the second output data;
When a second input signal to be input to the controller obtained by the first output data, the second output data fed back to the controller, and the output data of the disturbance compensator is input to the reference model Applying the controller parameter obtained by the first parameter calculator to a second evaluation function relating to the error between the fourth output data, which is the output of the reference model, and the second output data, the compensator parameter a second parameter calculation unit for obtaining
A parameter adjuster.
前記第2パラメータ算出部は、求めた前記制御器パラメータを前記第2評価関数に適用して、前記補償器パラメータとして前記逆モデルのパラメータを求める、
請求項1に記載のパラメータ調整装置。 The disturbance compensator includes an inverse model of the controlled object,
The second parameter calculation unit applies the obtained controller parameter to the second evaluation function to obtain the parameter of the inverse model as the compensator parameter.
The parameter adjusting device according to claim 1.
前記第2パラメータ算出部は、前記第2評価関数の前記評価値を最小化するように、前記補償器パラメータを求める、
請求項1又は2に記載のパラメータ調整装置。 the second evaluation function is a sum of squares of errors between the second output data and the fourth output data;
The second parameter calculation unit obtains the compensator parameter so as to minimize the evaluation value of the second evaluation function,
The parameter adjustment device according to claim 1 or 2 .
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