JP7347790B2 - Output estimation method - Google Patents

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Description

本発明は、制御器Kを介して制御対象への入力に対する出力を推定する方法に関するものであり、特に制御対象への入出力を1度行った結果(以後「一回入出力応答」と呼ぶ。)だけを利用し、制御器をつないだ制御対象への任意の入力に対する出力を推定する方法に関するものである。 The present invention relates to a method for estimating an output in response to an input to a controlled object via a controller K, and particularly relates to a method for estimating an output in response to an input to a controlled object (hereinafter referred to as a "single input/output response"). ) is used to estimate the output for any input to a controlled object connected to a controller.

通常制御工学では、制御対象の正確なモデルシステムを同定し、そのモデルに基づいて良好な制御性能が期待できる制御器を設計し、その制御性能を実験で検証するアプローチがなされる。 Control engineering usually takes the approach of identifying an accurate model system of the controlled object, designing a controller that can be expected to have good control performance based on that model, and verifying the control performance through experiments.

しかし、実際の制御対象の多くは、激しく変化させる応答や、開ループ応答を取得できなかったり、長時間に渡る実験ができなかったりする。この場合、システム同定によって正確なモデルを得ることは難しい。 However, in many actual controlled objects, it is not possible to obtain rapidly changing responses, open-loop responses, or long-term experiments. In this case, it is difficult to obtain an accurate model through system identification.

このようなケースに対して、モデルを求めることを経ず、実験データから直接制御器を調整するデータ駆動制御が近年活発に検討されている(非特許文献1~4)。そのなかでも、Virtual Reference Feedback Tuning(VRFT)と、Fictitious Reference Iterative Tuning(FRIT)は、一回の実験データのみに基づいて、閉ループ系が参照モデルに近づくように制御ゲインを最適化できる。そのため、多くの応用例が報告されている。 For such cases, data-driven control in which the controller is directly adjusted from experimental data without determining a model has been actively studied in recent years (Non-Patent Documents 1 to 4). Among them, Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT) and Fictitious Reference Iterative Tuning (FRIT) can optimize the control gain so that the closed-loop system approaches the reference model based on only one experimental data. Therefore, many application examples have been reported.

M.C.Campi,A.Lecchini,S.M.Savaresi,Virtual reference feedback tuning:a direct method for the design of feedback controllers,Automatica,Vol.38,pp.1337-1346,2002.M. C. Campi, A. Lecchini, S. M. Savaresi, Virtual reference feedback tuning: a direct method for the design of feedback controllers, Automatica, Vol. 38, pp. 1337-1346, 2002. 相馬将太郎,金子修,藤井隆雄,一回の実験データを用いた制御器パラメータチューニングの新しいアプローチ- Fictitious Reference Iterative Tuning の提案,システム制御情報学会論文誌,Vol.17,No.12,pp.528-536,2004Shotaro Soma, Osamu Kaneko, Takao Fujii, A new approach to controller parameter tuning using data from a single experiment - Proposal of Fictitious Reference Iterative Tuning, Transactions of the Institute of Systems, Control and Information Engineers, Vol. 17, No. 12, pp. 528-536, 2004 金子修,山本透他,特集データ駆動制御:新機軸と新地平,計測と制御,Vol.52,No.10,pp.892-897,2013Osamu Kaneko, Toru Yamamoto, et al., Special feature on data-driven control: New innovations and new horizons, Measurement and Control, Vol. 52, No. 10, pp. 892-897, 2013 田坂謙一,加納学,小河守正,増田士朗,山本透,閉ループデータに基づく直接的PID調整とその不安定プロセスへの適用,システム制御情報学会論文誌,Vol.22,No.4,pp.137-144,2009Kenichi Tasaka, Manabu Kano, Morimasa Ogawa, Shiro Masuda, Toru Yamamoto, Direct PID adjustment based on closed-loop data and its application to unstable processes, Transactions of the Institute of Systems, Control and Information Engineers, Vol. 22, No. 4, pp. 137-144, 2009

VRFTやFRITでは、参照モデルが適切でない場合は、制御性能が悪化するばかりか、制御系が不安定になるおそれすらあるという問題があった。 In VRFT and FRIT, if the reference model is not appropriate, there is a problem that not only the control performance deteriorates but also the control system may become unstable.

本発明は上記課題に鑑みて想到されたものであり、一回の実験データのみに基づいて、ある制御器を導入したときの閉ループ系の時間応答を推定する。 The present invention was conceived in view of the above problems, and estimates the time response of a closed-loop system when a certain controller is introduced based on only one experimental data.

より具体的に、本発明に係る出力推定方法は、
制御器Kを介して制御対象への入力に対する出力を推定する方法であって、
1回の試行に基づいて制御対象への周期入出力応答(周期入力信号uと周期出力信号y)を求める工程と、
仮想入力信号rに対する前記制御対象の応答(仮想出力信号y)を(1)式で求める工程を有することを特徴とする。
More specifically, the output estimation method according to the present invention includes:
A method for estimating an output for an input to a controlled object via a controller K, the method comprising:
obtaining a periodic input/output response (periodic input signal u 0 and periodic output signal y 0 ) to the controlled object based on one trial;
The present invention is characterized in that it includes a step of determining the response of the controlled object (virtual output signal y) to the virtual input signal r using equation (1).

ここで、r(jω)は、(2)式に従う。r(jω)、r(jω)、u(jω)、y(jω)は、それぞれ信号r、r、u、yをフーリエ変換したものを表す。またK-1(jω)は1/K(jω)を表し、K(jω)は制御器Kの伝達関数を表す。F-1は逆フーリエ変換を表す。 Here, r 1 (jω) follows equation (2). r 1 (jω), r (jω), u 0 (jω), and y 0 (jω) represent signals obtained by Fourier transform of the signals r 1 , r, u 0 , and y 0 , respectively. Further, K −1 (jω) represents 1/K(jω), and K(jω) represents the transfer function of the controller K. F −1 represents the inverse Fourier transform.

本発明に係る出力推定方法では、実験データのフーリエ変換と制御器の周波数特性からフィードバック系の入出力応答の周波数成分を求め、それを逆フーリエ変換して仮想時間応答を求める点に特徴がある。つまり、仮想出力信号(推定された出力信号)を求めるのに、伝達関数モデルを一切用いていないので、モデルの適不適や、予めモデルについての構造などの不知などに基づく課題を回避することができる。 The output estimation method according to the present invention is characterized in that the frequency components of the input/output response of the feedback system are obtained from the Fourier transform of experimental data and the frequency characteristics of the controller, and the frequency components of the input/output response of the feedback system are obtained by inverse Fourier transform to obtain the virtual time response. . In other words, since no transfer function model is used to obtain the virtual output signal (estimated output signal), problems caused by the suitability of the model or ignorance of the structure of the model can be avoided. can.

本発明に係る出力推定方法の処理の流れを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the flow of processing of the output estimation method according to the present invention. 非周期入力信号u00と非周期出力信号y00を周期入力信号uと周期出力信号yへ変換する手順を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a procedure for converting an aperiodic input signal u 00 and an aperiodic output signal y 00 into a periodic input signal u 0 and a periodic output signal y 0 . 図3(a)は、非周期入力信号u00と非周期出力信号y00の関係を示すブロック図であり、図3(b)は、仮想入力信号rと仮想出力信号yの関係を示すブロック図であり、図3(c)は制御系にr1を入力した場合の信号の流れを示すブロック図である。FIG. 3(a) is a block diagram showing the relationship between the aperiodic input signal u 00 and the aperiodic output signal y 00 , and FIG. 3(b) is a block diagram showing the relationship between the virtual input signal r and the virtual output signal y. FIG. 3C is a block diagram showing the flow of signals when r1 is input to the control system. G1からG9までの制御対象に対し、非周期入力信号としてステップ信号を入力したときの非周期出力信号の観測結果を示す図である。It is a figure which shows the observation result of an aperiodic output signal when a step signal is inputted as an aperiodic input signal with respect to control objects G1 to G9. 制御対象への真の時間応答と仮想時間応答を比較したグラフである。It is a graph comparing a true time response and a virtual time response to a controlled object. 各制御器のパラメータを最適化した場合の真の時間応答と仮想時間応答を比較したグラフである。It is a graph comparing the true time response and the virtual time response when the parameters of each controller are optimized. 一回入出力応答u00、y00が閉ループデータで、Gが不安定な場合のフィードバック系の真の出力応答と仮想時間応答を示す図である。It is a diagram showing the true output response and virtual time response of the feedback system when the one-time input/output responses u 00 and y 00 are closed-loop data and G is unstable. パラメータを最適化した場合の真の時間応答と仮想時間応答を比較したグラフである。It is a graph comparing a true time response and a virtual time response when parameters are optimized. 実施例に用いたモータの写真である。It is a photograph of a motor used in an example. モータに対する一回入出力応答と、真の時間応答(真の出力信号)と、仮想時間応答を比較したグラフである。It is a graph comparing a one-time input/output response to a motor, a true time response (true output signal), and a virtual time response. モータに対する一回入出力応答の真の時間応答(真の入力信号)を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing a true time response (true input signal) of a one-time input/output response to a motor.

以下に本発明に係る出力推定方法について図面および実施例を示し説明を行う。なお、以下の説明は、本発明の一実施形態および一実施例を例示するものであり、本発明が以下の説明に限定されるものではない。以下の説明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変することができる。 The output estimation method according to the present invention will be described below with reference to drawings and embodiments. In addition, the following description illustrates one embodiment and one example of the present invention, and the present invention is not limited to the following description. The following description can be modified without departing from the spirit of the present invention.

また、非周期入力信号u00、非周期出力信号y00、周期入力信号u、周期出力信号y、制御系への仮想入力信号r、制御系への仮想出力信号y、制御対象への仮想入力信号uは、時間関数で連続信号である。しかし、公知の方法によっていつでも離散的処理として扱うことができる。すなわち、本明細書において、連続関数としての表現は離散的な表現を含むものである。以後離散的に信号を扱う際には、r(k)等のようにサンプル数を表す番号kが括弧付で用いられる場合もある。 In addition, an aperiodic input signal u 00 , an aperiodic output signal y 00 , a periodic input signal u 0 , a periodic output signal y 0 , a virtual input signal r to the control system, a virtual output signal y to the control system, a virtual output signal y to the controlled object The virtual input signal u is a time function and a continuous signal. However, it can always be treated as discrete processing using known methods. That is, in this specification, expression as a continuous function includes discrete expression. When handling signals discretely thereafter, the number k representing the number of samples may be used in parentheses, such as r(k).

図1に本発明に係る出力推定方法の処理の流れを示し、その後各工程について詳細を示す。本発明に係る出力推定方法では、制御対象へ周期入力信号uを入力した時の周期出力信号yを一回入出力応答(一回の試行)で求め、その周期入出力応答を使って仮想入力信号rに対する仮想出力信号yを推定する。ここで周期入出力応答を求める方法が2通りある。 FIG. 1 shows the processing flow of the output estimation method according to the present invention, and then details of each step are shown. In the output estimation method according to the present invention, the periodic output signal y 0 when the periodic input signal u 0 is input to the controlled object is obtained by one input/output response (one trial), and the periodic input/output response is used to calculate the periodic output signal y 0. Estimate a virtual output signal y for a virtual input signal r. Here, there are two methods to obtain the periodic input/output response.

図1の処理P100を参照する。G(z)は、加熱炉やモータといった制御対象を示す。zは進み演算子である。第1の方法は、まず周期入力信号uを作製し、それを制御対象Gへ入力することで周期出力信号yを求める。これは直接的な方法である。実際に入出力を測定するのはこの1回だけである。 Refer to the process P100 in FIG. G(z) indicates a controlled object such as a heating furnace or a motor. z is a advance operator. The first method is to first create a periodic input signal u 0 and input it to the controlled object G to obtain a periodic output signal y 0 . This is a direct method. This is the only time the input and output are actually measured.

つぎに処理P101および処理P102を参照する。第2の方法は、非周期入力信号u00を制御対象Gへ入力し非周期出力信号y00を得る(処理P101)。そして次に処理P101で得た非周期入力信号u00および非周期出力信号y00を周期応答信号へと変換する(処理P102)。周期応答信号への変換は、それぞれの信号を反転させた信号を元の信号に続けて加えることで得ることができる。 Next, refer to process P101 and process P102. In the second method, an aperiodic input signal u 00 is input to the controlled object G to obtain an aperiodic output signal y 00 (processing P101). Then, the aperiodic input signal u 00 and the aperiodic output signal y 00 obtained in process P101 are converted into periodic response signals (process P102). Conversion into periodic response signals can be obtained by successively adding inverted signals to the original signal.

変換された周期入力信号uおよび周期出力信号yは、周期応答信号であり、一定の条件の下で、非周期入力信号u00および非周期出力信号y00とみなしてよい。この方法では、実際に制御対象Gで信号の入出力を確認するのは、非周期入力信号u00を制御対象Gへ入力し非周期出力信号y00を得る処理P101の1回だけである。なお、本明細書では、処理P101および処理P102の方法で周期入出力応答(周期入力信号u、周期出力信号y)を求める方法を主に説明を続ける。 The converted periodic input signal u 0 and periodic output signal y 0 are periodic response signals, and may be regarded as the aperiodic input signal u 00 and the aperiodic output signal y 00 under certain conditions. In this method, the signal input/output in the controlled object G is actually checked only once in the process P101 in which the aperiodic input signal u 00 is input to the controlled object G and the aperiodic output signal y 00 is obtained. In addition, in this specification, the method of obtaining the periodic input/output response (periodic input signal u 0 , periodic output signal y 0 ) using the methods of process P101 and process P102 will be mainly explained.

次に処理P103を参照する。ここで制御対象G(z)を制御する制御器Kを導入する。そして、これらの離散時間周波数伝達関数をそれぞれG(jω)およびK(jω)とする。また、制御器Kを含む制御系全体に対する仮想入力信号rをフーリエ変換したものをr(jω)とする。仮想入力信号r(jω)による制御器K(jω)の出力を、制御対象G(jω)に対する仮想入力信号u(jω)とし、制御対象G(jω)に仮想入力信号u(jω)が入力されたときの仮想出力信号をy(jω)とする。すると制御器K(z)に制御された制御対象G(z)の仮想出力信号yは、(1)式で表される。 Next, refer to process P103. Here, a controller K is introduced to control the controlled object G(z). Let these discrete time frequency transfer functions be G(jω) and K(jω), respectively. Furthermore, the Fourier-transformed virtual input signal r for the entire control system including the controller K is assumed to be r(jω). The output of the controller K(jω) based on the virtual input signal r(jω) is assumed to be the virtual input signal u(jω) for the controlled object G(jω), and the virtual input signal u(jω) is input to the controlled object G(jω). Let y(jω) be the virtual output signal when this happens. Then, the virtual output signal y of the controlled object G(z) controlled by the controller K(z) is expressed by equation (1).

ここで、r(jω)、r(jω)、u(jω)、y(jω)は、それぞれ信号r、r、u、yをフーリエ変換したものを表す。またK-1(jω)は1/K(jω)を表し、K(jω)は制御器Kの伝達関数を表す。F-1は逆フーリエ変換を表す。 Here, r 1 (jω), r (jω), u 0 (jω), and y 0 (jω) represent signals obtained by Fourier transform of the signals r 1 , r, u 0 , and y 0 , respectively. Further, K −1 (jω) represents 1/K(jω), and K(jω) represents the transfer function of the controller K. F −1 represents the inverse Fourier transform.

また、r(jω)は、(2)式のように表される。u(jω)、y(jω)は、周期入力信号uおよび周期出力信号yをフーリエ変換したものである。仮想入力信号rは、もちろん既知の信号である。r(jω)は、自ら設定した制御器Kの伝達関数と、周期入力信号u(jω)および周期出力信号y(jω)という既知の情報で表される。 Further, r 1 (jω) is expressed as in equation (2). u 0 (jω) and y 0 (jω) are obtained by Fourier transforming the periodic input signal u 0 and the periodic output signal y 0 . The virtual input signal r is of course a known signal. r 1 (jω) is expressed by a transfer function of the controller K set by itself, and known information such as a periodic input signal u 0 (jω) and a periodic output signal y 0 (jω).

したがって、(1)式は、制御系へ仮想入力信号rが入力された時の仮想出力信号yを既知の情報だけから推定できることを示している。このようにして求めた制御対象への仮想入力信号uと仮想出力信号yを仮想時間応答と呼ぶ。 Therefore, equation (1) indicates that the virtual output signal y when the virtual input signal r is input to the control system can be estimated from only known information. The virtual input signal u and virtual output signal y to the controlled object obtained in this way are called a virtual time response.

なお、仮想入力信号r(k)は、評価したい閉ループ系(制御系)への目標入力である。周期入力信号u、周期出力信号y、仮想入力信号r(k)の離散フーリエ変換をそれぞれ周期入力信号u(jω)、周期出力信号y(jω)、仮想入力信号r(jω)とする。ここでjは虚数単位、ω[rad/s]はt[s]をサンプル時間として(3)式で与えられる角周波数である。 Note that the virtual input signal r(k) is a target input to the closed loop system (control system) to be evaluated. The discrete Fourier transforms of the periodic input signal u 0 , periodic output signal y 0 , and virtual input signal r(k) are respectively converted into the periodic input signal u 0 (jω), the periodic output signal y 0 (jω), and the virtual input signal r(jω). shall be. Here, j is an imaginary unit, and ω [rad/s] is an angular frequency given by equation (3) with t s [s] as the sampling time.

また、本発明の出力推定方法では周期入力信号u、仮想入力信号rおよび離散時間制御器Kについて、次の仮定を満たすものとする。
A1)u、rは、周期的信号の整数周期分の時系列である。このとき、yも周期的信号となる。
A2)uは、rに含まれる周波数成分と同じ周波数の成分を含む。つまり、あるωでr(jω)≠0ならば、u(jω)≠0である。その対偶をとると、あるωでu(jω)=0ならばr(jω)=0である。
A3)Kはフィードバック系を安定化する。
A4)K-1(jω)u(jω)の逆離散フーリエ変換の最終値を定常状態とみなすことができる。これはK(z)を逆Z変換または逆双一次変換したK(s)の零点が虚軸上になく、データ数Nが十分大きければ満たされる。
A5)G(z)を逆Z変換または逆双一次変換したG(s)の零点が虚軸上にあるとき、K(s)はその零点を極としてもたない。
A6)非周期入力信号u00、非周期出力信号y00をステップ応答データとした場合、非周期入力信号u00、非周期出力信号y00の初期値と最終値は定常状態とみなせる。
Furthermore, in the output estimation method of the present invention, it is assumed that the periodic input signal u 0 , the virtual input signal r, and the discrete time controller K satisfy the following assumptions.
A1) u 0 , r are time series of integer periods of a periodic signal. At this time, y0 also becomes a periodic signal.
A2) u 0 includes the same frequency component as the frequency component included in r. That is, if r(jω a )≠0 at a certain ω a , then u 0 (jω a )≠0. Taking the contraposition, if u 0 (jω a )=0 at a certain ω a , then r(jω a )=0.
A3) K stabilizes the feedback system.
A4) The final value of the inverse discrete Fourier transform of K −1 (jω)u 0 (jω) can be regarded as the steady state. This is satisfied if the zero point of K(s) obtained by inverse Z-transformation or inverse bilinear transformation of K(z) is not on the imaginary axis and the number of data N is sufficiently large.
A5) When the zero point of G(s) obtained by inverse Z transformation or inverse bilinear transformation of G(z) is on the imaginary axis, K(s) does not have that zero point as a pole.
A6) When the aperiodic input signal u 00 and the aperiodic output signal y 00 are used as step response data, the initial and final values of the aperiodic input signal u 00 and the aperiodic output signal y 00 can be considered to be in a steady state.

<処理P101>
次に処理P101から詳細に説明を行う。処理P101では、制御対象G(z)に実際の非周期入力信号u00を入力し、その出力である非周期出力信号y00を得る。
<Processing P101>
Next, detailed explanation will be given starting from process P101. In process P101, an actual aperiodic input signal u 00 is input to the controlled object G(z), and its output is an aperiodic output signal y 00 .

制御対象G(z)は、線形時不変な離散時間一入出力系で、一回の実験データはG(z)の入出力の時系列である非周期入力信号u00(k)、非周期出力信号y00(k)であるとする。zはすでに述べたように進み演算子であり、k(=1、2、・・・・、N)はサンプル数、Nはデータの総数である。非周期入力信号u00、非周期出力信号y00は閉ループ応答でも開ループ応答でもどちらでもよい。 The controlled object G(z) is a linear time-invariant discrete time one-input/output system, and one experimental data is an aperiodic input signal u 00 (k), which is a time series of the input/output of G(z), and an aperiodic Suppose that the output signal is y 00 (k). As already mentioned, z is the advance operator, k (=1, 2, . . . , N) is the number of samples, and N is the total number of data. The aperiodic input signal u 00 and the aperiodic output signal y 00 may be either a closed loop response or an open loop response.

<処理P102>
仮定A6のもと、非周期入力信号u00、非周期出力信号y00を用いて仮定A1を満足する周期的信号u、yを以下のように作成する。
<Processing P102>
Based on assumption A6, periodic signals u 0 and y 0 that satisfy assumption A1 are created as follows using an aperiodic input signal u 00 and an aperiodic output signal y 00 .

開ループや閉ループの非周期入力信号u00、非周期出力信号y00は、ステップ応答とした場合、仮定A1を満たさないが、非周期入力信号u00、非周期出力信号y00の波形をコピーし、その上下をひっくり返してつなぎ合わせた波形は仮定A1を満たす。具体的に、図2(a)は、非周期入出力応答u00、y00をステップ応答波形とした場合を示す。横軸は時間(離散化されているので、ステップ数)であり、縦軸は信号の強さである。また、図2(b)は図2(a)の波形をコピーして反転し、つなぎ合わせた波形を示す。図2(a)同様に横軸はステップ数であり、縦軸は信号の強さである。 If the open-loop or closed-loop aperiodic input signal u 00 and aperiodic output signal y 00 are made into step responses, they do not satisfy assumption A1, but the waveforms of the aperiodic input signal u 00 and aperiodic output signal y 00 can be copied. However, the waveform obtained by turning the top and bottom upside down and joining them satisfies assumption A1. Specifically, FIG. 2(a) shows a case where the non-periodic input/output responses u 00 and y 00 are step response waveforms. The horizontal axis is time (the number of steps since it is discretized), and the vertical axis is the signal strength. Moreover, FIG. 2(b) shows a waveform obtained by copying and inverting the waveform of FIG. 2(a) and joining them together. Similarly to FIG. 2(a), the horizontal axis is the number of steps, and the vertical axis is the signal strength.

図2(b)の信号は、図2(a)のステップ応答に(4)式および(5)式の処理を行うことで、得ることができる。図2(b)の信号は1周期分の周期入出力応答(周期入力信号uと周期出力信号y)であり、これらは仮定A1を満たす。そして、仮定A6のもとでこれらの周期入力信号u、周期出力信号yは制御対象Gの真の応答と一致する。 The signal in FIG. 2(b) can be obtained by processing the step response in FIG. 2(a) using equations (4) and (5). The signal in FIG. 2(b) is a periodic input/output response for one period (periodic input signal u 0 and periodic output signal y 0 ), and these satisfy assumption A1. Under assumption A6, these periodic input signal u 0 and periodic output signal y 0 match the true response of the controlled object G.

以上のような手順に従うことで、一回入出力応答(非周期入力信号u00、非周期出力信号y00)を周期入出力応答(周期入力信号u、周期出力信号y)へ変換することができる。また、所定の仮定の下で、周期信号は、制御対象Gの真の応答と一致する。 By following the above procedure, a one-time input/output response (aperiodic input signal u 00 , aperiodic output signal y 00 ) is converted into a periodic input/output response (periodic input signal u 0 , periodic output signal y 0 ). be able to. Further, under a predetermined assumption, the periodic signal matches the true response of the controlled object G.

<処理P103>
次に制御対象Gを制御器Kで制御する際に、制御器Kへ仮想入力信号r(k)を入力した時の仮想出力信号y(k)が(1)式で示せることを説明する。
<Processing P103>
Next, it will be explained that when the controlled object G is controlled by the controller K, the virtual output signal y(k) when the virtual input signal r(k) is input to the controller K can be expressed by equation (1).

周期信号は正弦波の和で表される。したがって、仮定A1より周期入力信号u、周期出力信号y、仮想入力信号rは正弦波の和で表わすことができる。この時周波数応答は定常特性であり、過渡特性を含まない。制御対象Gの離散時間周波数伝達関数をG(jω)とすると、周期入力信号uに対する周期出力信号yは(6)式のように表される。 A periodic signal is represented by a sum of sine waves. Therefore, based on assumption A1, the periodic input signal u 0 , periodic output signal y 0 , and virtual input signal r can be expressed as a sum of sine waves. At this time, the frequency response is a steady characteristic and does not include transient characteristics. When the discrete time frequency transfer function of the controlled object G is G(jω), the periodic output signal y 0 for the periodic input signal u 0 is expressed as in equation (6).

(6)式をブロック線図で表すと図3(a)となる。次に制御対象Gを制御する制御器Kを導入する。制御器Kを導入した時のブロック線図を図3(b)に示す。図3(b)より(7)式を得る。 Expression (6) is expressed in a block diagram as shown in FIG. 3(a). Next, a controller K that controls the controlled object G is introduced. A block diagram when controller K is introduced is shown in FIG. 3(b). Equation (7) is obtained from FIG. 3(b).

(7)式に(6)式を代入し、(8)式を得る。 Substituting equation (6) into equation (7), equation (8) is obtained.

ここで(8)式の分母の部分をr(jω)と置けば(9)式を得る。なお、r(jω)を顕に書けば(10)式である。また、(10)式中K-1(jω)は1/K(jω)の意味である。 Here, by setting the denominator of equation (8) as r 1 (jω), equation (9) is obtained. Note that if r 1 (jω) is written explicitly, it is expressed as equation (10). Furthermore, K −1 (jω) in formula (10) means 1/K(jω).

(9)式の右辺は、制御器Kへの仮想入力信号r(jω)と周期入力信号uおよび周期出力信号yと、制御器Kの伝達関数であって、全て既知の情報である。すなわち、これら既知の情報に基づいて、制御器Kへの仮想入力信号r(jω)に対する仮想出力信号y(jω)が求まる。なお、(2)式は(10)式と同じである。 The right side of equation (9) is the virtual input signal r(jω) to the controller K, the periodic input signal u0 , the periodic output signal y0 , and the transfer function of the controller K, all of which are known information. . That is, based on this known information, a virtual output signal y(jω) for a virtual input signal r(jω) to the controller K is determined. Note that equation (2) is the same as equation (10).

(6)式および(10)式をブロック線図で表すと、図3(c)のように表される。同図より、rは制御対象Gの入出力応答が周期入力信号u、周期出力信号yになるときのフィードバック系の目標入力である。仮定A4の下で、rは周期的信号とみなすことができる。 Expressions (6) and (10) are expressed as a block diagram as shown in FIG. 3(c). From the figure, r 1 is the target input of the feedback system when the input/output response of the controlled object G becomes the periodic input signal u 0 and the periodic output signal y 0 . Under assumption A4, r 1 can be considered as a periodic signal.

また、この時、制御対象Gへの仮想入力信号u(jω)は、図3(b)と(6)式および(9)式より(11)式のように得られる。 Further, at this time, a virtual input signal u(jω) to the controlled object G is obtained as shown in equation (11) from FIG. 3(b) and equations (6) and (9).

仮想出力信号y(k)は、仮想入力信号r(k)を制御器Kに入力した時の出力として求められたが、これは実際に観測されたものではない。しかし、一回入出力応答である非周期入力信号u00、非周期出力信号y00から上記のように推定することができる。仮定A1、A3、A4が満たされる条件下で、仮想入出力応答(制御対象Gへの仮想入力信号u(jω)、仮想出力信号y(jω))を逆離散フーリエ変換することで、仮想時間応答(制御対象Gへの仮想入力信号u、仮想出力信号y)を求めることができる。また、uは(11)式を用いる代わりに、yを用いてu=(Kr-y)をシミュレーションしても求めることができる。 The virtual output signal y(k) was obtained as the output when the virtual input signal r(k) was input to the controller K, but this was not actually observed. However, it can be estimated as described above from the aperiodic input signal u 00 and the aperiodic output signal y 00 which are one-time input/output responses. Under conditions in which assumptions A1, A3, and A4 are satisfied, virtual time The response (virtual input signal u and virtual output signal y to the controlled object G) can be obtained. Furthermore, instead of using equation (11), u can be obtained by simulating u=(Kr−y) using y.

一方、この仮想時間応答では、制御器Kの下、仮想入力信号r(k)を固定すれば、仮想出力信号y(k)を推定することができるともいえる。したがって、制御器Kの構成を決めれば、仮想出力信号y(k)に一定の拘束条件を与えることで、制御器Kのパラメータを最適化することもできる。 On the other hand, in this virtual time response, it can be said that if the virtual input signal r(k) is fixed under the controller K, the virtual output signal y(k) can be estimated. Therefore, once the configuration of the controller K is determined, the parameters of the controller K can be optimized by giving certain constraint conditions to the virtual output signal y(k).

例えば、制御器KをPID制御器とする。この制御器Kの伝達関数は(12)式のように表されれる。 For example, controller K is assumed to be a PID controller. The transfer function of this controller K is expressed as in equation (12).

この制御器Kのパラメータをθ=(K、K、K)と設定し、制御器K(θ)と表す。以下の手順で制御器K(θ)を最適化する。
1)系を安定化する制御器K(θ)の初期値、オーバーシュートの許容値を設定する。
2)オーバーシュートを拘束条件、整定時間を評価関数として、オーバーシュートが許容値以下で、評価関数を最小にするK(θ)を探索する最適化問題を解く。このとき、オーバーシュートと整定時間はK(θ)を離散化した制御器を用いた時のフィードバック系の仮想時間応答から求める。また、仮定A4が満たされるように、K-1(θ)が安定で遅い極を持たないことも拘束条件に入れる。
The parameters of this controller K are set as θ=(K p , K i , K d ), and are expressed as controller K(θ). Optimize the controller K(θ) using the following procedure.
1) Set the initial value of the controller K(θ) that stabilizes the system and the allowable value for overshoot.
2) Using overshoot as a constraint and settling time as an evaluation function, solve an optimization problem to search for K(θ) that minimizes the evaluation function while keeping the overshoot below an allowable value. At this time, the overshoot and settling time are determined from the virtual time response of the feedback system when using a controller in which K(θ) is discretized. In addition, in order to satisfy assumption A4, it is also included as a constraint that K -1 (θ) is stable and does not have a slow pole.

なお、本方法はK(θ)が系を不安定化する場合には適用できず、仮想時間応答は真の応答との間に誤差が発生してしまうという問題がある。しかし、フィードバック機構が効いている場合、安定限界に近づくと発振条件に近づいて時間応答が振動的になる。 Note that this method cannot be applied when K(θ) destabilizes the system, and there is a problem in that an error occurs between the virtual time response and the true response. However, when the feedback mechanism is effective, when the stability limit is approached, the oscillation condition is approached and the time response becomes oscillatory.

本手順では、制御器の初期値が系を安定化していて、オーバーシュートを拘束条件に入れているため、オーバーシュートが小さくなる方向に最適化すれば振動が抑制されて安定限界から遠ざかると考えられる。 In this procedure, the initial value of the controller stabilizes the system and overshoot is included as a constraint, so it is thought that optimizing in a direction that reduces overshoot will suppress vibration and move away from the stability limit. It will be done.

そのため、最適化手法は大域的最適解を求めるタイプではなく、初期値周りの局所的最適解を探索するタイプを用いる必要がある。 Therefore, it is necessary to use an optimization method that searches for local optimal solutions around the initial value, rather than a type that searches for global optimal solutions.

このような最適化問題の解法としては、例えば、MATLABのfminconを用いることができる。これはinterior-pointアルゴリズムという制約付き非線形多変数関数の最小値を探索する手法であり、初期値周りの局所的最適解を求めることができる。もちろん、他の手法を用いてもよい。 As a solution to such an optimization problem, for example, fmincon of MATLAB can be used. This is a method of searching for the minimum value of a constrained nonlinear multivariable function called an interior-point algorithm, and can find a local optimal solution around an initial value. Of course, other methods may also be used.

<一回入出力応答u00、y00が開ループデータの場合>
(真の時間応答と仮想時間応答の比較)
本発明による出力推定方法でPID制御時の仮想時間応答を計算し、その精度を確認した。以下の9つの連続時間伝達関数((13)式~(20)式)を制御対象とした。
<When the one-time input/output responses u 00 and y 00 are open loop data>
(Comparison of true time response and virtual time response)
The virtual time response during PID control was calculated using the output estimation method according to the present invention, and its accuracy was confirmed. The following nine continuous time transfer functions (Equations (13) to (20)) were controlled.

これらの制御対象は限界感度法によって、同一のPIDゲインを得ることができる。具体的な制御器Kの伝達関数は(21)式のようになる。 The same PID gain can be obtained for these controlled objects by the limit sensitivity method. A specific transfer function of the controller K is as shown in equation (21).

(s)からG(s)をサンプル時間t=0.01secでZ変換し、それぞれに非周期入力信号u00をステップ信号として100秒間印加したときの非周期出力信号y00を得た。 The non-periodic output signal y 00 when G 1 (s) to G 9 (s) are Z-transformed with a sampling time t s =0.01 sec and the non-periodic input signal u 00 is applied as a step signal for 100 seconds to each of them. Obtained.

ただし、Gについては、無定位系でステップ応答の最終値が定常状態にならない。そこでGのみ非周期入力信号u00を10秒までは1、それ以降は0のパルス入力とした。得られた非周期出力信号y00を図4に示す。図4を参照して、横軸は経過時間であり、縦軸は非周期出力信号y00の信号強度である。 However, for G4 , the final value of the step response does not reach a steady state in a non-orientating system. Therefore, only the non-periodic input signal u00 of G4 was input as a pulse input of 1 for up to 10 seconds and 0 thereafter. The obtained aperiodic output signal y00 is shown in FIG. Referring to FIG. 4, the horizontal axis is the elapsed time, and the vertical axis is the signal intensity of the non-periodic output signal y00 .

G5は、他の制御対象と比較して収束が遅く、100秒寸前でまだ変化しているが、100秒時点を定常状態とみなした。 Although G5 converges slowly compared to other controlled objects and is still changing just before 100 seconds, the 100 second time point was considered to be a steady state.

(21)式に以下の(22)式を代入して離散化した制御器Kを用いたフィードバック系を得た。制御器Kの目標値(仮想入力信号r)としてステップ関数を入力した時の真の時間応答と、本発明に係る出力推定方法で得られる仮想時間応答(仮想出力信号y、制御対象への仮想入力信号u)および、その誤差をそれぞれ図5に示す。 A feedback system using a discretized controller K was obtained by substituting the following equation (22) into equation (21). The true time response when a step function is input as the target value (virtual input signal r) of the controller K, and the virtual time response (virtual output signal y, virtual input signal to the controlled object) obtained by the output estimation method according to the present invention. The input signal u) and its error are shown in FIG. 5, respectively.

図5を参照して、図5(a)は、制御対象の出力yであり、図5(b)は、制御対象への入力信号(制御器Kの出力信号)uである。両図とも横軸は時間(sec)であり縦軸は信号強度(無単位)である。図5(a)および図5(b)より、真の時間応答と仮想時間応答の値はほぼ重なっていて、真の時間応答と、仮想時間応答の違いが判らない。両者の誤差は、0.01未満と小さかった。 Referring to FIG. 5, FIG. 5(a) is the output y of the controlled object, and FIG. 5(b) is the input signal (output signal of the controller K) to the controlled object u. In both figures, the horizontal axis is time (sec) and the vertical axis is signal strength (unitless). From FIGS. 5A and 5B, the values of the true time response and the virtual time response almost overlap, and the difference between the true time response and the virtual time response cannot be discerned. The error between the two was small, less than 0.01.

(制御器Kの最適化)
次にオーバーシュート20%以下を拘束条件として、定常値の2%以内への整定時間を評価関数とし、MATLABのfminconによって評価関数を最小にするパラメータの最適化問題を解いた。パラメータは(12)式のθ=(K、K、K)である。
(Optimization of controller K)
Next, with an overshoot of 20% or less as a constraint and a settling time to within 2% of the steady value as an evaluation function, an optimization problem of parameters to minimize the evaluation function was solved using MATLAB's fmincon. The parameters are θ=(K p , K i , K d ) in equation (12).

初期値は(21)式の各項の係数とした。また、仮定A4が満たされるように、K(θ)の零点が安定でその実部の大きさが1[rad/s]以上になることを拘束条件に加えた。 The initial values were the coefficients of each term in equation (21). Furthermore, in order to satisfy assumption A4, we added to the constraint conditions that the zero point of K(θ) is stable and the size of its real part is 1 [rad/s] or more.

最適化して得られたK(θ)を用いた時のフィードバック系の真の時間応答と、仮想時間応答を図6に示す。図6(a)は、制御対象の出力yであり、図6(b)は、制御対象への入力信号(制御器Kの出力信号)uである。両図とも横軸は時間(sec)であり縦軸は信号強度(無単位)である。図6(a)および図6(b)より、真の時間応答と仮想時間応答の値はほぼ重なっており、両者の違いは判らないことがわかる。誤差は、出力yは0.01未満であり、制御対象への入力uは0.03未満と小さかった。 FIG. 6 shows the true time response and virtual time response of the feedback system when using K(θ) obtained through optimization. FIG. 6(a) shows the output y of the controlled object, and FIG. 6(b) shows the input signal (output signal of the controller K) u to the controlled object. In both figures, the horizontal axis is time (sec) and the vertical axis is signal strength (unitless). From FIGS. 6(a) and 6(b), it can be seen that the values of the true time response and the virtual time response almost overlap, and the difference between the two is indistinguishable. The errors were small: the output y was less than 0.01, and the input u to the controlled object was less than 0.03.

最適化前の図5と比較すると、Gだけは初期値に近いところで極値に陥ってあまり変わらなかったが、G以外の全てにおいてオーバーシュートが抑制され、整定時間が小さくなった。 Comparing with Figure 5 before optimization, only G9 fell into an extreme value close to the initial value and did not change much, but overshoot was suppressed and the settling time became shorter in all other than G9 .

<一回入出力応答u00、y00が閉ループデータでGが不安定な非最小位相系の場合>
(真の時間応答と仮想時間応答の比較)
不安定な非最小位相系としては、(23)式の伝達関数(G10)とした。
<When the single input/output responses u 00 , y 00 are closed loop data and G is an unstable non-minimum phase system>
(Comparison of true time response and virtual time response)
As an unstable non-minimum phase system, the transfer function (G 10 ) of equation (23) was used.

状態フィードバックと同一次元オブザーバーを併合した連続時間制御器K(s)を極配置法で設定し、G(s)とK(s)をサンプル時間0.01secでZ変換した。一回入出力応答は、閉ループ系の配置極を、-10、-10、-20、-20にして目標値をステップ関数にしたときの100秒間の応答とした。閉ループ系の配置極を、p、p、-20、-20にして、pを-1、-5、-10、-25、-50とした場合のそれぞれのフィードバック系の真の出力応答と仮想時間応答を図7に示す。 A continuous time controller K(s) that combines state feedback and a same-dimensional observer was set using the pole placement method, and G(s) and K(s) were Z-transformed at a sample time of 0.01 sec. The one-time input/output response was a response for 100 seconds when the poles of the closed loop system were set to -10, -10, -20, and -20, and the target value was set as a step function. The true output response and virtual response of each feedback system when the poles of the closed loop system are set to p, p, -20, and -20, and p is set to -1, -5, -10, -25, and -50. The time response is shown in FIG.

図7は横軸が時間(sec)であり、縦軸は信号強度(無単位)である。図7より真の出力応答と仮想時間応答はほぼ重なっており、その誤差は10-9未満と小さかった。 In FIG. 7, the horizontal axis is time (sec), and the vertical axis is signal strength (unitless). From FIG. 7, the true output response and virtual time response almost overlapped, and the error was small, less than 10 -9 .

(制御器Kの最適化)
次にオーバーシュート20%以下を拘束条件として、定常値の10%以内への整定時間を評価関数とし、MATLABのfminconによって評価関数を最小にする制御器K(θ)を探す最適化問題を解いた。制御器K(θ)は、(24)式とした。パラメータはθ=(θ、θ、θ、θ)で与えた。
(Optimization of controller K)
Next, with the overshoot of 20% or less as a constraint and the settling time to within 10% of the steady-state value as the evaluation function, solve an optimization problem using MATLAB's fmincon to find a controller K(θ) that minimizes the evaluation function. there was. The controller K(θ) was expressed as equation (24). The parameters were given as θ=(θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 ).

仮定A4が満たされるように、K(θ)の零点が安定でその実部の大きさが1[rad/s]以上になることを拘束条件に加えた。 In order to satisfy assumption A4, we added to the constraint conditions that the zero point of K(θ) is stable and the size of its real part is 1 [rad/s] or more.

一回入出力応答(非周期入力信号u00、非周期出力信号y00)が得られた時のK(θ)を初期値とし、最適化して得られたK(θ)を用いた時のフィードバック系の真の時間応答と、仮想時間応答を図8に示す。図8は横軸が時間(sec)であり、縦軸は信号強度(無単位)である。図8よりy00と比べてyはオーバーシュートが抑制され、整定時間が小さくなった。また、真の出力応答と仮想時間応答はほぼ重なっており、その誤差は10-10未満と小さかった。 The initial value is K(θ) when a single input/output response (non-periodic input signal u 00 , non-periodic output signal y 00 ) is obtained, and when K(θ) obtained by optimization is used, FIG. 8 shows the true time response and virtual time response of the feedback system. In FIG. 8, the horizontal axis is time (sec), and the vertical axis is signal strength (unitless). From FIG. 8, compared to y00 , y has suppressed overshoot and the settling time has become shorter. Furthermore, the true output response and the virtual time response almost overlapped, and the error was small, less than 10 −10 .

<制御対象をモータにした場合>
制御対象を図9に示すDCモータに直径68mm、重量100gの車輪を付けたシステムとした。このDCモータ(Bringsmart JGA25-371-201)には減速比1:21.3のギアヘッドとモータ一回転あたり12カウントのエンコーダが取り付けられている。
<When the controlled object is a motor>
The object to be controlled was a system shown in FIG. 9 in which a DC motor was attached with wheels having a diameter of 68 mm and a weight of 100 g. This DC motor (Bringsmart JGA25-371-201) is equipped with a gear head with a reduction ratio of 1:21.3 and an encoder with 12 counts per rotation of the motor.

エンコーダの出力パルス信号は、FVコンバータ(JRCNJM4151)によって周波数-電圧変換され、マイコンArduino Mega2560の10bitのAD変換器で量子化される。サンプル時間は0.01秒であり、制御器で計算した制御入力uは、8bitで量子化される。 The output pulse signal of the encoder is frequency-voltage converted by an FV converter (JRCNJM4151) and quantized by a 10-bit AD converter of a microcomputer Arduino Mega2560. The sample time is 0.01 seconds, and the control input u calculated by the controller is quantized to 8 bits.

量子化された制御入力uは、チョッピング周波数980HzPWMでモータドライバ(DFROBOT L298P)に出力される。このモータには摩擦による不感帯があり、小さなモータ入力電圧v[V]では回転しない。これを補償するために、プラス側とマイナス側の不感帯幅h、hを測定し、(25)式のように制御入力uにh=-h=2.0Vを加えた。 The quantized control input u is output to a motor driver (DFROBOT L298P) with a chopping frequency of 980 Hz PWM. This motor has a dead zone due to friction and will not rotate with a small motor input voltage v [V]. To compensate for this, dead band widths h 1 and h 2 on the plus side and minus side were measured, and h 1 =-h 2 =2.0V was added to the control input u as shown in equation (25).

この式は、不感帯の逆関数の近似であるため、この補償によって制御入力uから制御出力yまでの特性はほぼ線形になると考えられる。ここでは、目標速度rを11.67rpmから20rpmにした時のステップ応答を評価した。 Since this equation is an approximation of the inverse function of the dead zone, it is considered that the characteristics from the control input u to the control output y become approximately linear due to this compensation. Here, the step response when the target speed r was changed from 11.67 rpm to 20 rpm was evaluated.

ステップ応答法で設計したPID制御器により、一回入出力応答データである非周期入力信号u00、非周期出力信号y00を10秒間取得した。その初めの2秒間分の波形を図10に示す。図10(a)は出力信号を表し、図10(b)は、モータ(制御対象)への入力を表す。両図とも横軸は時間(sec)であり、縦軸は出力である。図10(a)では回転数(rpm)であり、図10(b)は電圧(V)である。非周期出力信号y00は、図10(a)中で「y00」で表し、非周期入力信号u00は図10(b)中の「u00」で表した。 A non-periodic input signal u 00 and a non-periodic output signal y 00 , which are one-time input/output response data, were obtained for 10 seconds using a PID controller designed using a step response method. The waveform for the first two seconds is shown in FIG. FIG. 10(a) represents the output signal, and FIG. 10(b) represents the input to the motor (control target). In both figures, the horizontal axis is time (sec), and the vertical axis is output. FIG. 10(a) shows the rotational speed (rpm), and FIG. 10(b) shows the voltage (V). The non-periodic output signal y 00 is represented by "y 00 " in FIG. 10(a), and the non-periodic input signal u 00 is represented by "u 00 " in FIG. 10(b).

オーバーシュート10%以下を拘束条件として、定常値の2%以内への整定時間を評価関数とし、MATLABのfminconによって評価関数を最小化した。具体的には、(26)式のK(θ)を探す最適化問題を解いた。 The overshoot of 10% or less was used as a constraint, the settling time to within 2% of the steady value was used as an evaluation function, and the evaluation function was minimized using MATLAB's fmincon. Specifically, we solved an optimization problem to find K(θ) in equation (26).

調整パラメータθ=(K、K、K)とし、非周期出力信号y00を取得した時のPIDパラメータを初期値とした。非周期出力信号y00に定常値の2%を超えるノイズが重畳していてこのままでは整定しないため、仮想出力信号yを(27)式の移動平均フィルタに通してから整定時間とオーバーシュートを測定した。 The adjustment parameters θ=(K p , K i , K d ) were set, and the PID parameters at the time when the non-periodic output signal y 00 was obtained were set as the initial values. Since noise exceeding 2% of the steady value is superimposed on the non-periodic output signal y00 and it will not settle as it is, the virtual output signal y is passed through the moving average filter of equation (27) and then the settling time and overshoot are measured. did.

図10、図11に最適化して得られたK(θ)を用いた時のフィードバック系の真の時間応答(図10(a)中で「True y」及び図11中で「True u」)と仮想時間応答(図10(a)中で「Virtual y」及び図10(b)中で「Virtual u」)を示す。なお、真の時間応答とは、仮想時間応答を用いて最適化したK(θ)の制御器でモータを駆動させた場合のモータの入力電圧uと回転数yである。 The true time response of the feedback system when using K(θ) obtained by optimization in Figures 10 and 11 ("True y" in Figure 10(a) and "True u" in Figure 11) and a virtual time response ("Virtual y" in FIG. 10(a) and "Virtual u" in FIG. 10(b)). Note that the true time response is the input voltage u and rotational speed y of the motor when the motor is driven by a controller of K(θ) optimized using the virtual time response.

同図より非周期出力信号y00に比べ仮想時間応答と真の応答はオーバーシュートが抑制され、整定時間が小さくなった。しかし、仮想時間応答にはおもに約5Hzの振動が生じたが、これは真の出力応答には見られず、真の入力応答に高周波振動が発生した。このような誤差があるものの、周波数成分が豊富ではないステップ応答を基にしたものにも関わらず、本発明に係る出力推定方法を用いて、制御器のパラメータを最適化することで制御性能が向上されることを確認できた。 As can be seen from the figure, overshoot is suppressed and settling time is reduced in the virtual time response and the true response compared to the non-periodic output signal y00 . However, oscillations mainly at about 5 Hz occurred in the virtual time response, which were not observed in the true output response, and high-frequency oscillations occurred in the true input response. Although there is such an error, control performance can be improved by optimizing controller parameters using the output estimation method according to the present invention, even though it is based on a step response that does not have abundant frequency components. I was able to confirm that it was improved.

<捕捉>
(9)式と(11)式において、ある角周波数ωaにおいて、r(jω)=0のとき、ゼロ割が生じる場合がある。その時はy(jω)=u(jω)=0と設定すればよい。以下詳説する。
図3(c)のフィードバック系の目標入力がr(jω)=0であるので、y(jω)、u(jω)について(28)式、(29)式を得る。
<Capture>
In equations (9) and (11), at a certain angular frequency ωa, when r 1 (jω)=0, division by zero may occur. In that case, it is sufficient to set y(jω)=u(jω)=0. The details are explained below.
Since the target input of the feedback system in FIG. 3(c) is r 1 (jω)=0, equations (28) and (29) are obtained for y 0 (jω) and u 0 (jω).

(28)式より[G(jω)K(jω)]-1+1≠0ならばy(jω)=0である。ナイキストの安定判別より、安定余裕がゼロとなる安定限界のときに限りG(jω)K(jω)=-1となる。しかし、仮定A3よりフィードバック系が安定なのでそうはならない。したがってy(jω)=0を得る。 From equation (28), if [G(jω a )K(jω a )] −1 +1≠0, then y 0 (jω a )=0. According to the Nyquist stability determination, G(jω a )K(jω a )=−1 only at the stability limit where the stability margin becomes zero. However, this will not happen because the feedback system is more stable than assumption A3. Therefore, we obtain y 0 (jω a )=0.

(29)式よりK-1(jω)+G(jω)≠0ならばu(jω)=0である。K-1(jω)+G(jω)=0となるのは、G(jω)K(jω)=-1またはK-1(jω)=G(jω)=0のときだけである。 From equation (29), if K −1 (jω a )+G(jω a )≠0, then u 0 (jω a )=0. K -1 (jω a ) + G (jω a ) = 0 when G (jω a ) K (jω a ) = -1 or K -1 (jω a ) = G (jω a ) = 0. Only.

仮定A3よりG(jω)K(jω)≠-1であり、仮定A5よりG(jω)=0のときK-1(jω)≠0であるので、u(jω)=0を得る。よって仮定A2よりr(jω)=0である。 From assumption A3, G(jω a )K(jω a )≠−1, and from assumption A5, when G(jω a )=0, K −1 (jω a )≠0, so u 0 (jω a ) =0 is obtained. Therefore, according to assumption A2, r(jω a )=0.

r(jω)=0のとき、図3(b)に対して同様の議論を行うと、y(jω)=u(jω)=0を得る。 When r(jω a )=0, if a similar argument is made for FIG. 3(b), y(jω a )=u(jω a )=0 is obtained.

本発明に係る出力推定方法は、制御対象への試行のための信号入力が制限されているような場合に有用である。 The output estimation method according to the present invention is useful in cases where trial signal input to a controlled object is limited.

Claims (3)

制御器Kを介して制御対象への入力に対する出力を推定する方法であって、
1回の試行に基づいて制御対象への周期入出力応答(周期入力信号uと周期出力信号y)を求める工程と、
仮想入力信号rに対する前記制御対象の応答(仮想出力信号y)を(1)式で求める工程を有することを特徴とする出力推定方法。
ここで、r(jω)は、(2)式に従う。r(jω)、r(jω)、u(jω)、y(jω)は、それぞれ信号r、r、u、yをフーリエ変換したものを表す。またK-1(jω)は1/K(jω)を表し、K(jω)は制御器Kの伝達関数を表す。 -1 は逆フーリエ変換を表す
A method for estimating an output for an input to a controlled object via a controller K, the method comprising:
obtaining a periodic input/output response (periodic input signal u 0 and periodic output signal y 0 ) to the controlled object based on one trial;
An output estimation method comprising the step of determining a response (virtual output signal y) of the controlled object to a virtual input signal r using equation (1).
Here, r 1 (jω) follows equation (2). r 1 (jω), r (jω), u 0 (jω), and y 0 (jω) represent signals obtained by Fourier transform of the signals r 1 , r, u 0 , and y 0 , respectively. Further, K −1 (jω) represents 1/K(jω), and K(jω) represents the transfer function of the controller K. F -1 represents the inverse Fourier transform
前記周期入出力応答を求める工程は、前記1回の試行で、前記制御対象へ非周期入力信号u00を入力し、非周期出力信号y00を取得し、前記非周期信号(非周期入力信号u00、非周期出力信号y00を反転させた信号を前記非周期信号に続けて加えることで周期信号(周期入力信号u、周期出力信号y)に変換する工程であることを特徴とする請求項1に記載された出力推定方法。 In the step of obtaining the periodic input/output response, in the one trial, an aperiodic input signal u 00 is input to the controlled object, an aperiodic output signal y 00 is obtained, and the aperiodic signal (aperiodic input signal u 00 , non-periodic output signal y 00 ) is converted into a periodic signal (periodic input signal u 0 , periodic output signal y 0 ) by successively adding an inverted signal to the aperiodic signal. The output estimation method according to claim 1. 制御対象をPID制御器とし、制御する制御器のパラメータをθ=(K 、K 、K )とし、前記制御器の伝達関数K(θ)を(12)式として、請求項1または2の何れかの請求項に記載された出力推定方法による前記仮想出力信号および仮想入力信号を用いて、K(θ)を最適化する制御器の最適化方法。
The controlled object is a PID controller, the parameters of the controller to be controlled are θ=(K p , K i , K d ), and the transfer function K(θ) of the controller is set to equation (12) , 3. A controller optimization method for optimizing K(θ) using the virtual output signal and virtual input signal obtained by the output estimation method according to claim 2.
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