JP7567488B2 - State estimation system, control system, and state estimation method - Google Patents
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Description
本発明は、状態推定システム、制御システム、及び状態推定方法に関する。 The present invention relates to a state estimation system, a control system, and a state estimation method.
制御対象の測定された状態変数に基づいて、制御対象の他の状態変数の推定を行う状態推定装置がある(例えば、特許文献1参照)。 There is a state estimation device that estimates other state variables of a controlled object based on the measured state variables of the controlled object (see, for example, Patent Document 1).
ところで、制御対象において測定された状態変数の数が少ないと、例えば、可観測性または可検出性の条件が満たされないため、一般に状態推定装置は、制御対象の他の状態変数を推定することができない。したがって、状態推定装置が制御対象の状態変数を推定するためには、測定された状態変数の数を増やす必要がある。このような場合、制御対象に設置するセンサの数が増えるため、制御対象を制御する制御システムのコストが高くなる。 However, if the number of measured state variables in a controlled object is small, for example, the conditions of observability or detectability are not satisfied, and therefore the state estimation device generally cannot estimate other state variables of the controlled object. Therefore, in order for the state estimation device to estimate the state variables of the controlled object, it is necessary to increase the number of measured state variables. In such cases, the number of sensors to be installed in the controlled object increases, and the cost of the control system that controls the controlled object increases.
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みてなされたものであって、制御対象で測定される状態変数の数が少ない場合であっても、制御対象の状態変数を推定することができる状態推定システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems in the conventional technology, and aims to provide a state estimation system that can estimate the state variables of a controlled object even when the number of state variables measured in the controlled object is small.
前述した課題を解決する本発明の状態推定システムは、制御対象をモデル化したノミナルプラントと、前記制御対象の複数の状態変数のうち測定された第1状態変数と、前記ノミナルプラントから出力され前記第1状態変数とは異なる第2状態変数と、を合成する合成器と、前記合成器で合成された前記第1及び第2状態変数に基づいて、前記制御対象の前記複数の状態変数を推定する状態推定器と、を備える。 The state estimation system of the present invention, which solves the above-mentioned problems, includes a nominal plant that models a controlled object, a combiner that combines a first state variable that is measured among a plurality of state variables of the controlled object and a second state variable that is output from the nominal plant and is different from the first state variable, and a state estimator that estimates the plurality of state variables of the controlled object based on the first and second state variables combined by the combiner.
本発明の制御システムは、制御対象をモデル化したノミナルプラントと、前記制御対象の複数の状態変数のうち測定された第1状態変数と、前記ノミナルプラントから出力され前記第1状態変数とは異なる第2状態変数と、を合成する合成器と、前記合成器で合成された前記第1及び第2状態変数に基づいて、前記制御対象の前記複数の状態変数を推定する状態推定器と、前記複数の状態変数の目標値と、前記状態推定器で推定された前記複数の状態変数と、の差に基づいて前記制御対象を制御する制御器と、を備える。 The control system of the present invention includes a nominal plant that models a controlled object, a synthesizer that synthesizes a first state variable that is measured among a plurality of state variables of the controlled object and a second state variable that is output from the nominal plant and is different from the first state variable, a state estimator that estimates the plurality of state variables of the controlled object based on the first and second state variables synthesized by the synthesizer, and a controller that controls the controlled object based on the difference between target values of the plurality of state variables and the plurality of state variables estimated by the state estimator.
本発明の状態推定方法は、制御対象の複数の状態変数のうち測定された第1状態変数と、制御対象をモデル化したノミナルプラントから出力され前記第1状態変数とは異なる第2状態変数と、を合成するステップと、合成された前記第1及び第2状態変数に基づいて、前記制御対象の前記複数の状態変数を推定するステップと、を含む。 The state estimation method of the present invention includes a step of combining a measured first state variable among a plurality of state variables of a controlled object and a second state variable that is output from a nominal plant that models the controlled object and is different from the first state variable, and a step of estimating the plurality of state variables of the controlled object based on the combined first and second state variables.
本発明によれば、制御対象で測定される状態変数の数が少ない場合であっても、制御対象の状態変数を推定することができる状態推定システムを提供することができる。 The present invention provides a state estimation system that can estimate the state variables of a controlled object even when the number of state variables measured in the controlled object is small.
本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。 The present specification and accompanying drawings make clear at least the following:
<<<クレーン10の概要について>>>
図1は、走行(x軸)、横行(y軸)、巻上(z軸)の3軸の動きが可能な天井クレーン10(以下、単にクレーンと称する。)の概要を示す図である。クレーン10は、全体がx軸方向に移動可能であるとともに、ガーダ(不図示)に沿ってy軸方向に移動可能なトロリー20と、トロリー20からの巻上げ、または巻下げ可能なワイヤーロープに吊り下げられた吊荷21とを含む。
<<<<Overview of the
1 is a diagram showing an overview of an overhead crane 10 (hereinafter simply referred to as a crane) capable of movement along three axes: traveling (x-axis), traversing (y-axis), and hoisting (z-axis). The
以下、本実施形態では、トロリー20の座標を(x,y,0)で表現し、吊荷21の座標を(x~,y~,z~)で表現する。なお、「x~」、「y~」、「z~」の夫々は、下記の記号(1)~(3)と同じである。また、吊荷21の振れ幅θは、吊荷21を、xy平面に投影した角度φ、xz平面に投影した角度α、yz平面に投影した角度βで評価される。
<<<トロリー20のモデリング>>>
Hereinafter, in this embodiment, the coordinates of the
<<<Modeling of Trolley 20>>>
図2は、トロリー20及び吊荷21の構成の一例を示す図である。なお、便宜上、トロリー20、及び吊荷21をモデリングする際の最低限の構成のみを図示している。
Figure 2 shows an example of the configuration of the
トロリー20は、制御システム30、モータ40及びセンサ41を含んで構成される。詳細は後述するが、制御システム30は、x軸方向の指令値ux、y軸方向の指令値uy、z軸方向の指令値uzをモータ40に対して出力する。なお、以下、x軸~y軸の3軸の指令値をまとめて、指令値uと記載する。
The
モータ40は、指令値uxに基づいて、クレーン10自体をx軸方向に移動させる。また、モータ40は、指令値uyに基づいて、トロリー20の車輪を回転させることにより、トロリー20をガーダ(不図示)に沿ってy軸方向に移動させる。さらに、モータ40は、指令値uzに基づいて、吊荷21が接続されたワイヤーロープを、z軸方向に巻上げ、または巻下げを行う。
The
そして、トロリー20が、制御システム30からの指令値uで動作する場合、以下の式(1)~(3)が成立する。なお、以下、本実施形態では、「トロリー20の移動」には、クレーン10自体が移動することと、トロリー20がガーダを移動することを含むこととする。
When the
また、ここでは、クレーン10及びトロリー20は、一次遅れの特性を有し、モータ40のゲインを「K」、モータ40の時定数を「T」としている。このため、例えば、x軸方向のモータ40のゲインは、Kxとなり、x軸方向のモータ40の時定数は、Txと表現できる。また、式(1)の左辺の項は、「x」を時間tで2階微分した表現であり、右辺のxに関する記号は、「x」を時間tで1階微分した表現である。
Here, the
<<<吊荷21のモデリング>>>
吊荷21に関する運動方程式を変形し、吊荷21の質量を「m」、重力加速度を「g」、x方向のダンピング係数を「Dα」、x方向のダンピング係数を「Dβ」とすると、吊荷21には、以下の式(4)、(5)が成立する。
<<<Modeling of Suspended
By transforming the equation of motion for the suspended
<<<状態空間モデル>>>
式(1)~(5)は2階微分を含む式であるため、クレーン10の解析を容易に行うべく、ここでは、一階微分のみが含まれる表現に変換する。具体的には、式(1)~(5)を、以下の式(6)のように表現する。
<<<<State Space Model>>>
Since the formulas (1) to (5) include second-order differentials, they are converted here into expressions including only first-order differentials in order to facilitate the analysis of the
ここで、「x1」、「y1」、「z1」「x~
1」、「y~
1」は、2階微分の記号を避けるために定めた記号である。また、式(6)を状態空間モデルに整理すると、以下の式(7)が得られる。
Here, "x 1 ", "y 1 ", "z 1 ", "x ∼ 1 ", and "y ∼ 1 " are symbols defined to avoid symbols for second-order differentiation. Furthermore, by rearranging equation (6) into a state space model, the following equation (7) is obtained.
ただし、式(7)において、状態空間モデルにおける10個の状態変数を含む状態ベクトルxp、指令値ベクトルu、行列A、及び行列Bは、以下に示す通りである。
In equation (7), the state vector xp including 10 state variables in the state space model, the command value vector u, the matrix A, and the matrix B are as shown below.
このように、制御システム30によって制御されるクレーン10は、式(7)に示したような状態空間モデルで表現することができる。
In this way, the
ここで、10個の状態変数のうち、xは、x軸方向(走行)のトロリー20の位置、dx/dtは、x軸方向のトロリー20の速度、Δxは、吊荷21のx軸方向の振れ幅、dΔx/dtは、吊荷21の振れ幅の速度である。また、yは、y軸方向(横行)のトロリー20の位置、dy/dtは、y軸方向のトロリー20の速度、Δyは、吊荷21のy軸方向の振れ幅、dΔy/dtは、吊荷21の振れ幅の速度である。さらに、zは、巻上位置、dz/dtは、巻上速度である。
Here, of the 10 state variables, x is the position of the
そして、本実施形態の図2のセンサ41は、10個の状態変数のうち、巻上速度(dz/dt)のみを測定する。つまり、クレーン10では、10個の状態変数のうち、1個の状態変数(dz/dt)のみが測定される。そして、詳細は後述するが、本実施形態の制御システム30は、測定された1個の状態変数(dz/dt)のみに基づいて、クレーン10を制御する。なお、吊荷21の巻上速度を示す状態変数(dz/dt)は、「第1状態変数」に相当する。
The
<<<制御システム30の詳細>>>
図3は、制御システム30の構成の一例を示すブロック図である。制御システム30は、クレーン10を制御する離散時間のシステムであり、制御器50,57、加算器51,54,56、ノミナルプラント52、合成器53、及び状態推定器55を含んで構成される。まず、ここでは、制御対象であるクレーン10のブロック図について説明する。なお、本実施形態の制御システム30において、ノミナルプラント52、合成器53、状態推定器55は、「状態推定システム」に相当する。
<<<<Details of
3 is a block diagram showing an example of the configuration of the
<<クレーン10について>>
クレーン10の状態方程式は、上述した式(7)で表され、さらに、クレーン10の出力方程式は、式(8)で表される。
<<About the
The state equation of the
クレーン10は、式(7)、(8)を具現化したブロック100,102~104、及び加算器101を含んで構成される。ブロック100は、入力される指令値に対し、式(7)の行列Bを乗算するブロックであり、加算器101は、ブロック100からの出力と、ブロック103からの出力と、を加算する。また、ブロック102は、加算器101からの出力を積分し、状態ベクトルxpを出力する。ブロック103は、状態ベクトルxpに対し、式(7)の行列Aを乗算するブロックである。このように、ブロック100,102,103、及び加算器101は、クレーン10に対して入力される指令値(例えば、指令値u)に対し、式(7)を計算する。
The
そして、ブロック104は、上述した式(8)の行列Cに対応するブロックである。本実施形態では、上述のように、クレーン10のセンサ41は、巻上速度(dz/dt)のみを測定する。このため、ブロック104は、10個の状態変数のうち、巻上速度(dz/dt)のみを、出力ypとして出力する。
And block 104 is a block corresponding to matrix C in equation (8) above. In this embodiment, as described above,
<<制御器50について>>
制御器50は、クレーン10のコントローラ(不図示)からの指令値uFFと、後述する状態推定器55で推定された状態ベクトルx^pと、に基づいて、クレーン10を制御するための指令値uを出力する。なお、本実施形態の指令値uFFは、クレーン10を、いわゆるフィードフォワード制御するための指令値である。制御器50は、ノミナルプラント60(GFF)、加算器61,63、及びブロック62を含んで構成される。
<<Regarding the
The
ノミナルプラント60は、クレーン10をモデル化したブロックである。なお、本実施形態において「ノミナルプラント」とは、制御対象をモデル化した、いわゆる実プラントシミュレータであり、ノミナルモデルともいう。このため、ノミナルプラントは、例えば、クレーン10と同様に、式(7)、式(8)を実行するブロック(不図示)を含んで構成される。本実施形態のノミナルプラント60は、指令値uFFが入力されると、式(7)、式(8)に基づいて、10個の状態変数を含む状態ベクトルxrefを出力する。なお、状態ベクトルxrefは、クレーン10を制御する際の「状態変数の目標値」に相当する。
The
加算器61は、ノミナルプラント60から出力される状態ベクトルxrefと、状態推定器55で推定された状態ベクトルx^pとの差eを計算する。ブロック62(KFB)は、クレーン10をフィードバック制御するためのゲイン、一次遅れ要素等が設定されたブロックである。このため、ブロック62は、差eと、設定されたゲイン等と、に基づいて、クレーン10をフィードバック制御するための指令値ukを出力する。そして、加算器63は、クレーン10をフィードフォワード制御するための指令値uFFと、フィードバック制御するための指令値ukと、を加算し、指令値uとして出力する。
An
なお、仮に、制御システム30において外乱やノイズ(後述)がなく、ノミナルプラント60や各ブロックが、クレーン10を正確に模擬している場合、状態ベクトルxrefと、推定された状態ベクトルx^pとは、等しくなるため、差eはゼロとなる。したがって、このような場合、指令値ukもゼロとなるため、クレーン10は、フィードフォワード制御のみで制御される。ただし、実際の制御システム30は、外乱やノイズの影響を受けるため、ノミナルプラント60等の各ブロック内部において、クレーン10を正確にモデル化することは難しい。しかしながら、制御システム30は、クレーン10に対し、フィードバック制御も行うため、より安定にクレーン10を動作させることができる。
If there is no disturbance or noise (described later) in the
<<加算器51について>>
加算器51は、制御器50からの指令値uと、後述する制御器57(L)からの指令値uLと、外乱dと、ノイズwと、を加算する。なお、制御器57からの指令値uLは、主に、外乱dやノイズwをキャンセルするための指令値である。
<<
The
<<ノミナルプラント52(Gsim)について>>
ノミナルプラント52は、ノミナルプラント60と同様に、クレーン10をモデル化したブロックである。ノミナルプラント52は、加算器51からの指令値が入力されると、式(7)、式(8)に基づいて、4個の状態変数を出力ypsとして出力する。ここで、ノミナルプラント52が出力する4個の状態変数は、図4に示すように、状態変数x、dx/dt、y、dy/dtである。なお、図4は、状態変数の詳細について説明するための図である。ここで、図4の表の1行、4列に記載された「取得方法」とは、状態変数がどのように制御システム30において取得されたかを示すものである。状態変数x、dx/dt、y、dy/dtは、ノミナルプラント52で算出されているため、「算出」と記載されている。
<<About Nominal Plant 52 (Gsim)>>
The
ここで、状態変数x、dx/dt、y、dy/dtは、「第2状態変数」に相当し、状態変数x、dx/dtは、「第1軸(x軸)におけるトロリーの状態を示す変数」に相当する。さらに、状態変数y、dy/dtは、「第2軸(y軸)におけるトロリーの状態を示す変数」に相当する。このため、ノミナルプラント52は、「第2状態変数を出力するノミナルプラント」に相当する。
Here, the state variables x, dx/dt, y, and dy/dt correspond to the "second state variables", and the state variables x and dx/dt correspond to the "variables indicating the state of the trolley on the first axis (x-axis)". Furthermore, the state variables y and dy/dt correspond to the "variables indicating the state of the trolley on the second axis (y-axis)". Therefore, the
<<合成器53について>>
合成器53は、クレーン10からの出力ypと、ノミナルプラント52からの出力ypsと、に基づいて、状態推定に用いられる状態ベクトルyptを出力する。ここで、合成器53は、出力yp(dz/dt)を積分する、図示しない積分器を含んでいる。具体的には、積分器は、吊荷21の巻上速度(dz/dt)を積分し、吊荷21の巻上位置zを計算する。そして、合成器53は、吊荷21の巻上位置z、巻上速度(dz/dt)と、出力ypsと、を合成し、状態ベクトルyptを出力する。したがって、合成器53からは、10個の状態変数のうち、6個の状態変数を含む状態ベクトルyptが出力されることになる。
ypt=(x,dx/dt,0,0,y,dy/dt,0,0,z,dz/dt)T
<<About the
The
ypt=(x, dx/dt, 0, 0, y, dy/dt, 0, 0, z, dz/dt) T
なお、本実施形態では、合成器53が、巻上速度を積分し、巻上位置を計算する積分器(不図示)を含むこととしたが、これに限られない。積分器は、クレーン10と、合成器53との間に設けられていても良い。また、合成器53は、クレーン10からの出力ypと、ノミナルプラント52からの出力ypsと、をそのまま合成しても良い。
In this embodiment, the
<<加算器54>>
加算器54は、状態ベクトルyptと、センサ41等のノイズvとを加算するブロックである。なお、加算器54は、制御システム30のブロック図において、ノイズvを考慮するため、便宜上描いているブロックである。
<<
The
<<状態推定器55>>
状態推定器55は、制御器50からの指令値uと、状態ベクトルyptと、に基づいて、10個の状態変数を推定するカルマンフィルタ型の推定器である。状態推定器55は、ノミナルプラント70、加算器71、及びブロック72を含んで構成される。ノミナルプラント70は、他のノミナルプラントやクレーン10と同様に、式(7)、式(8)を実行するブロック(不図示)を含んで構成される。なお、ノミナルプラント70の詳細については後述する。
<<
The
<<加算器71及びブロック72(KK)>>
加算器71は、加算器54からの出力ypt+vと、ノミナルプラント70からの出力y^pとの差ε^yを計算する。ブロック72は、差ε^yに対し、カルマンフィルタのゲインを乗算するブロックである。本実施形態では、差ε^yが小さくなるよう、カルマンフィルタのゲインは適宜調整される。
<<
An
<<ノミナルプラント70の詳細>>
ノミナルプラント70は、ブロック80,82~84、及び加算器81を含んで構成される。ここで、ブロック80,82~84は、ブロック100,102~104のそれぞれと同様である。なお、加算器54に含まれる出力yptは、10個の状態変数のうち、6個が含まれている。したがって、ブロック84も、出力yptの6個と同じ状態変数が出力されるよう、行列Cが設定されている。また、加算器81は、ブロック72からの出力を加算する以外は加算器101と同様である。
<<Details of
The
このような構成の状態推定器55が用いられることにより、ブロック82は、10個の状態変数を含む状態ベクトルx^pを推定することができる。つまり、図4に示すように、10個の状態変数のうち、Δx、dΔx/dt、Δy、dΔy/dtの4個の状態変数が、「状態推定」されることになる。また、状態ベクトルx^pは、上述した制御器50と、後述する加算器56と、に出力される。
By using the
<<加算器56及び制御器57>>
加算器56及び制御器57は、例えば、外乱dやノイズwを除去するためのブロックである。なお、実際のクレーン10にはセンサ41しか設けられていないため、上述したように1個の状態変数(dz/dt)しか出力されない。そこで、制御システム30には、便宜上図示しないが、実際のクレーン10とは別に、少なくともクレーン10を模擬するブロック100,102,103、及び加算器101が設けられていることとする。この結果、ブロック102からは、状態ベクトルxpが出力されることになる。
<<
The
加算器56は、ブロック102からの状態ベクトルxpと、推定された状態ベクトルx^pとの差εを計算する。制御器57(L)は、差εが小さくなるよう、指令値uLを加算器51に対して出力する。この結果、加算器51から実際のクレーン10と、クレーン10を模擬するノミナルモデル(ブロック100等を含むモデル)と、に出力される指令値に含まれる外乱d等が減少することになる。
The
<<<シミュレーション結果>>>
図5は、制御システム30のシミュレーション結果の一例を示す図である。ここでは、制御システム30において、指令値uFFに基づくフィードフォワード制御、指令値ukに基づくフィードバック制御、及び指令値uLに基づく外乱フィードバック(DFC:Disturbance Feedback Control)が機能していることとする。また、ここでは、x軸、y軸のそれぞれの方向において、0~10秒まで加速し、10秒以降は定速でトロリー20が移動するよう、指令値uFFが入力される。さらに、x軸方向においては、15秒のタイミングで、y軸方向においては、20秒のタイミングで外乱dがそれぞれ入力される。
<<<<Simulation results>>>
5 is a diagram showing an example of a simulation result of the
図5の上段は、吊荷21のx軸方向の振れ幅Δx(ここでは、θxと表記している。)の推定結果(実線)と、クレーン10からの出力結果(点線)と、の比較を示す図である。また、図5の下段は、吊荷21のy軸方向の振れ幅Δy(ここでは、θyと表記している。)の推定結果(実線)と、クレーン10から出力された結果(点線)と、の比較を示す図である。
The upper part of Figure 5 shows a comparison between the estimated result (solid line) of the swing width Δx (here, written as θx) of the suspended
このように、推定された状態ベクトルx^pのθxと、クレーン10からの状態ベクトルxpのθxとは、ほぼ一致している。したがって、本実施形態の状態推定器55は、図4に示すように、実際に測定されたセンサ41からの出力が1個しかない場合であっても、精度良くクレーン10の状態変数を推定することができる。
In this way, θx of the estimated state vector x^p and θx of the state vector xp from the
図6は、制御システム30のシミュレーション結果の他の一例を示す図である。ここでは、制御システム30において、指令値uFFに基づくフィードフォワード制御、及び指令値ukに基づくフィードバック制御のみが機能していることとする。このため、図3の制御システム30において、加算器56と、制御器57とを除いたシステムのシミュレーション結果である。
6 is a diagram showing another example of the simulation result of the
図6の上段は、吊荷21のx軸方向の振れ幅Δx(ここでは、θxと表記している。)の推定結果(実線)と、クレーン10からの出力結果(点線)と、の比較を示す図である。また、図6の下段は、吊荷21のy軸方向の振れ幅Δy(ここでは、θyと表記している。)の推定結果(実線)と、クレーン10から出力された結果(点線)と、の比較を示す図である。
The upper part of Fig. 6 shows a comparison between the estimated result (solid line) of the swing width Δx (here, written as θx) of the suspended
図5に比べると、θx,θyともに、推定結果と、クレーン10からの出力結果との差が若干大きくなっているものの、両者は良く一致している。したがって、仮に、制御システム30において、外乱フィードバック(DFC:Disturbance Feedback Control)を設けない場合であっても、状態推定器55は、精度良く、クレーン10の状態変数を推定することができる。
Compared to Figure 5, the difference between the estimated results and the output results from the
=====制御システム31=====
図7は、制御システム31の一例を示す図である。制御システム31は、離散的な動作をする制御システム30とは異なり、連続的に動作するシステムである。図3と、図7とでは、同じ符号が付されたブロックは、離散的に動作するか、連続的に動作するか以外は同じである。そして、制御システム31では、カルマンフィルタ型の状態推定器55の代わりに、ルーエンバーガー型の状態推定器58が用いられている。このため、ここでは、状態推定器58を中心に説明する。なお、図7においては、クレーン10のブロック102や、ノミナルプラント70のブロック82も連続的に動作するため、特にそれらのブロックの表記を「Z-1」から、「∫」に変更している。また、制御システム31において、ノミナルプラント52、合成器53、状態推定器58は、「状態推定システム」に相当する。
FIG. 7 is a diagram showing an example of the
<<状態推定器58>>
状態推定器58は、ノミナルプラント70、加算器71、及びブロック75を含んで構成される。ここで、ノミナルプラント70、加算器71については、連続的な動作をすること以外、図3のブロックと同じであるため、詳細な説明は省略する。
<<
The
ブロック75(h)は、差ε^yに対し、所定のゲインを乗算するブロックである。本実施形態では、差ε^yが小さくなるよう、所定のゲインは調整されている。したがって、状態推定器58は、推定結果である状態ベクトルx^pを、精度良くクレーン10からの状態ベクトルxpに一致させることができる。そして、このような状態推定器58を用いる場合であっても、制御システム31は、制御システム30と同様に動作する。つまり、制御システム31の状態推定器58は、センサ41で測定される状態変数が1個しかない場合であっても、ノミナルプラント52からの4個の状態変数を用いることにより、図4に示すように、4個の状態変数を精度良く推定できる。
Block 75(h) is a block that multiplies the difference ε^y by a predetermined gain. In this embodiment, the predetermined gain is adjusted so that the difference ε^y is small. Therefore, the
<<<その他>>>
本実施形態では、制御対象の一例としてクレーン10について説明したが、制御対象は、これに限られない。例えば、制御対象は、庫内の温度を一定に保つ冷凍システムであっても良い。冷凍システムは、蒸発器出口の過熱度温度を一定にする制御(過熱度一定制御)と、コンプレッサの吸入圧力を一定に制御(吸入圧力一定制御)する方法が、一般的である。
<<<Others>>>
In this embodiment, the
しかし、圧力センサは高額であることから、センサを導入する代わりに状態推定ができれば、コストダウンが実現する。一方、過熱度温度を測定する熱電対は低価格であり、且つ過熱度は運転条件によって特性が大きく変動するため、センサを導入することが望ましい。このように、冷凍システムでは、熱電対のセンサのみと、冷凍システムモデルから、吸入圧力を推定する実施形態が考えられる。 However, since pressure sensors are expensive, costs can be reduced if state estimation can be performed instead of using sensors. On the other hand, thermocouples that measure superheat temperature are inexpensive, and since the characteristics of superheat vary greatly depending on operating conditions, it is desirable to use a sensor. Thus, in a refrigeration system, an embodiment can be considered in which the suction pressure is estimated using only a thermocouple sensor and a refrigeration system model.
このような場合、熱電対のセンサからの出力は、「第1状態変数」に相当し、冷凍システムモデルは、「ノミナルプラント」に相当し、冷凍システムモデルの圧力を示す値は、「第2状態変数」に相当する。 In such a case, the output from the thermocouple sensor corresponds to the "first state variable," the refrigeration system model corresponds to the "nominal plant," and the value indicating the pressure of the refrigeration system model corresponds to the "second state variable."
=====まとめ=====
以上、本発明の一実施形態である制御システム30,31について説明した。制御システム30,31では、10個の状態変数のうち、1個の状態変数である巻上速度(dz/dt)のみがセンサ41で測定され、測定結果から、巻上位置(z)が計算される。また、合成器53は、それらの2つの状態変数と、ノミナルプラント52から出力される4個の状態変数(x,dx/dt,y,dx/dt)と、を合成する。そして、状態推定器55は、図4に示すように、これらの6個の状態変数に基づいて、残りの4個の状態変数(Δx,dΔx/dt,Δy,dΔy/dt,)を精度良く推定できる(例えば、図5)。したがって、本実施形態では、センサの数が少ない場合であっても、制御対象であるクレーン10の状態変数を推定できる。
== ...
The
また、状態推定器としては、例えばカルマンフィルタ型の状態推定器55や、ルーエンバーガー型の状態推定器58を用いることができる。
In addition, as a state estimator, for example, a Kalman filter
また、制御対象であるクレーン10は、特性変動や外乱の影響を受けやすい吊荷21と、特性変動や外乱の影響を受けにくいトロリー20とを含む。なお、ここで、「特性変動」には、例えば、重さや形状が変化する吊荷21自体が変動することが含まれる。また、「外乱」には、例えば、クレーン10を動作させる際の周辺環境(風、温度、湿度)の変化やノイズを含む。このため、「特性変動や外乱の影響を受けやすい」とは、例えば、実際の対象をモデル化した際に、モデル化誤差(または、モデル変動)が大きいことを言う。
The
そして、本実施形態では、トロリー20、吊荷21のうち、特性変動や外乱の影響を受けやすい吊荷21の状態変数については、センサ41で測定し、特性変動や外乱の影響を受けにくいトロリー20の状態変数については、ノミナルプラント52からの出力を用いる。このように、状態変数が複数ある場合、特性変動や外乱の影響を受けやすい対象に対し、センサ41を設置して状態変数を取得することにより、精度良く、全ての状態変数を推定することができる。
In this embodiment, the state variables of the
また、上述のように、本実施形態では、クレーン10のうち、特性変動や外乱の影響を受けやすい要素は、吊荷21(第1要素)であり、特性変動や外乱の影響を受けにくい要素は、トロリー20(第2要素)である。
As described above, in this embodiment, the element of the
また、ノミナルプラント52は、トロリー20のうち、xy平面上のx軸における状態変数(例えば、位置x)と、y軸における状態変数(例えば、位置y)とを合成器53に出力する。このような場合、状態推定器55は、ノミナルプラント52が、2つの軸のうち、一方の軸の状態変数のみを出力する場合に比べ、精度良く状態変数を推定することができる。
The
また、本実施形態では、センサ―41は、10個の状態変数のうち、巻上速度(dz/dt)のみを測定する。制御システム30の所定のブロックは、巻上速度を積分することにより、吊荷の巻上位置(z)を把握することができる。このため、本実施形態では測定する状態変数の数を減らすことができる。
In addition, in this embodiment, the
また、本実施形態の制御システム30,31では、制御器50が、状態変数の目標値を示す状態ベクトルxrefと、推定した状態ベクトルx^pとの差に基づいて、フィードバック制御、及びフィードフォワード制御を実行する指令値uを出力する。この結果、クレーン10は安定に制御される。
In addition, in the
また、合成器53や状態推定器55が実行する計算(ステップ)を、DSP(デジタル信号処理回路)等のコンピュータが実行しても良い。このような場合、DSPは、制御システム30で実行される状態推定方法を実行することになる。
The calculations (steps) performed by the
なお、本実施形態では、センサ41が、巻上速度(dz/dt)のみを取得することとしたが、例えば、巻上位置(z)のみを取得することとしても良い。また、ノミナルプラント52は、4つの状態変数を出力することとしたが、可観測性または可検出性の条件が満たされれば、これより少ない数の状態変数を出力しても良い。さらに、ノミナルプラント52が出力する状態変数は、測定された状態変数以外の状態変数であれば、どのようなものであっても良い。
In this embodiment, the
上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。また、本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更や改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれるのはいうまでもない。 The above embodiments are intended to facilitate understanding of the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention. Furthermore, the present invention may be modified or improved without departing from the spirit of the present invention, and it goes without saying that the present invention includes equivalents.
10 クレーン
20 トロリー
21 吊荷
30,31 制御システム
40 モータ
41 センサ
50,57 制御器
51,54,56,61,63,71,81,101 加算器
53 合成器
52,60,70 ノミナルプラント
55,58 状態推定器
62,72,75,80,82,83,84,100,102,103,104 ブロック
10
Claims (8)
前記制御対象の複数の状態変数のうち測定された第1状態変数と、前記ノミナルプラントから出力され前記第1状態変数とは異なる第2状態変数と、を合成する合成器と、
前記合成器で合成された前記第1及び第2状態変数に基づいて、前記制御対象の前記複数の状態変数を推定する状態推定器と、
を備える状態推定システム。 A nominal plant that models the controlled object,
a synthesizer that synthesizes a first state variable that is measured among the plurality of state variables of the controlled object and a second state variable that is output from the nominal plant and is different from the first state variable;
a state estimator that estimates the plurality of state variables of the controlled object based on the first and second state variables combined by the combiner;
A state estimation system comprising:
前記状態推定器は、カルマンフィルタ型またはルーエンバーガー型の状態推定器である、
状態推定システム。 The state estimation system according to claim 1 ,
The state estimator is a Kalman filter type or a Luenberger type state estimator.
State estimation system.
前記制御対象は、第1要素と、前記第1要素より特性変動や外乱の影響が小さい第2要素と、を含み、
前記第1状態変数は、前記第1要素の状態を示す変数であり、
前記第2状態変数は、前記第2要素の状態を示す変数である、
状態推定システム。 3. A state estimation system according to claim 1, further comprising:
the controlled object includes a first element and a second element that is less affected by characteristic fluctuations or disturbances than the first element,
the first state variable is a variable indicating a state of the first element,
The second state variable is a variable indicating a state of the second element.
State estimation system.
前記制御対象は、所定の平面を移動可能なトロリーと、吊荷と、を備えたクレーンであり、
前記第1要素は、前記吊荷であり、
前記第2要素は、前記トロリーである、
状態推定システム。 The state estimation system according to claim 3,
The control object is a crane including a trolley movable on a predetermined plane and a suspended load,
The first element is the suspended load,
The second element is the trolley.
State estimation system.
前記第2状態変数は、前記平面上の異なる2つの軸のうち、第1軸における前記トロリーの状態を示す変数と、第2軸における前記トロリーの状態を示す変数と、のそれぞれを含む、
状態推定システム。 The state estimation system according to claim 4,
The second state variables include a variable indicating a state of the trolley in a first axis and a variable indicating a state of the trolley in a second axis among two different axes on the plane,
State estimation system.
前記第1状態変数は、前記吊荷の巻上速度を示す、
状態推定システム。 The state estimation system according to claim 4 or 5,
The first state variable indicates a hoisting speed of the load.
State estimation system.
前記複数の状態変数の目標値と、前記状態推定器で推定された前記複数の状態変数と、の差に基づいて前記制御対象を制御する制御器と、
を備える制御システム。 A state estimation system according to any one of claims 1 to 6,
a controller that controls the control target based on a difference between target values of the plurality of state variables and the plurality of state variables estimated by the state estimator;
A control system comprising:
合成された前記第1及び第2状態変数に基づいて、前記制御対象の前記複数の状態変数を推定するステップと、
を含む状態推定方法。
A step of combining a first state variable that is measured among a plurality of state variables of a controlled object and a second state variable that is output from a nominal plant that models the controlled object and is different from the first state variable;
estimating the plurality of state variables of the controlled object based on the combined first and second state variables;
A state estimation method comprising:
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