JPH02308305A

JPH02308305A - システムモデリング装置

Info

Publication number: JPH02308305A
Application number: JP1128648A
Authority: JP
Inventors: Minoru Iino; 穣飯野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-05-24
Filing date: 1989-05-24
Publication date: 1990-12-21

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、各種工業プラントやロボット、メカニカルシ
ステム等のモデリングを行うシステムモデリング装置に
関する。

（従来の技術）各種の工業プラントやロボット、メカニカルシステム等
の制御系を設計するには、その制御対象システムの静特
性及び動特性を推定解析し、さらに特性を近似するモデ
ルを作成することが必要になる。これらの特性解析手段
の代表的なものとして、対象システムの入出力信号を用
いて時系列モデルを推定する最小２乗法が挙げられる（
たとえば、計測自動制御学会学術図書「システム同定」
秋月、搾出、相良、中溝著）。

ところが、外乱ノイズが定常確率過程の信号であるとき
は、そのパワースペクトル特性の逆特性をもつフィルタ
を用いて外乱やノイズ成分を低減し推定精度を向上させ
ることができるが、対象システムの入出力信号に大きな
外乱やノイズが含まれる場合には、精度の高い推定がで
きなくなるという問題がある。

たとえば、第１３図（ａ）に示すように信号波形ｌに突
発的なピーク外乱２が加わった場合、通常のフィルタを
通しても第１３図（ｂ）に示すように、波形３中に外乱
による影響が出してしまい、推定精度を良くすることが
できなかった。

（発明が解決しようとする課題）上記の如く、従来のシステムモデリング作業においては
、信号波形中に比較的大きな、あるいは不規則な外乱や
ノイズ成分が含まれた場合、これを適切に取り除くこと
ができず、正確なモデルを設定することができなかった
。

そこで、本発明は、各種の外乱やノイズを容易な操作で
除去することができ、適正なモデルを設定することがで
きるシステムモデリング装置を提供することを目的とす
る。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）上記課題を解決する本発明のシステムモデリング装置は
、その概要を第１図に示すように、制御対象４の入出力
信号Ｕまたは及びｙを取り込む信号取り込み手段５と、
該手段５で取り込んだ信号ｕ＋Ｙを解析し前記制御対象
４の特性線図６を出力する線図出力手段７と、該手段７
で出力した線図６を手動操作により適宜なぞらせるなぞ
り操作手段８と、該手段８によりなぞられた線図９を前
記線図出力手段７が出力した線図６と置換する線図置換
手段１０と、該手段１０で置換された線図９に基いて前
記制御対象４の特性を推定解析する推定解析手段１１を
備えたことを特徴とする。

前記線図出力手段で出力する線図及び前記推定゛解析手
段で用いる線図としては、第１に制御対象４の入出力信
号ｕ、ｙをそのまま出力し、信号波形をなぞり、その軌
跡を改めて制御対象の入出力信号とみなしてシステムの
特性推定解析に用いる方式がある。

また、第２に制御対象４の入出力信号’＋Ｙを周波数特
性曲線などに変換して出力し、これをなぞり、その軌跡
を制御対象４の周波数応答曲線とみなし、もとの入出力
信号ｕ＋Ｙに逆変換し、システムの特性推定解析に用い
る方式がある。

さらに、第３に複数の入出力信号ｕｉ、ｙｉ（ｉ−１，
２，・・・ｎ）を入力し、任意の２種類の信号を選択し
、これら２つの信号間の相関曲線を出力し、これをなぞ
り、その軌跡を２つの信号間の相関曲線とみなし、シス
テムの特性推定解析に用いる方式がある。

（作用）本発明のシステムモデリング装置では、適宜ディスプレ
イ装置などに制御対象の入出力信号に基く線図を出力し
、これをマウス、ライトペンなど適宜の操作装置でなぞ
ることにより、得られる線図を前記線図と置換して、推
定解析し、モデルを設定する。

ここに、前記操作装置を用いて適宜外乱やノイズを取り
除ぐことができ、かつ操作者の思い通りに近似させるこ
とができるので、得られるモデルは適正となる。

つまり、制御対象システムの入出力信号に、突発的なピ
ーク外乱などの外乱が含まれている場合、周波数特性曲
線、相関曲線なども外乱の影響で乱される。これらの非
定常的外乱は通常のフィルタでは除去しにくいが、上記
の操作により、ある種の平滑化、平均化処理が行われ、
操作員が視覚的、直観的に外乱を除去することができる
。

また、入出力信号ｕ＋　　ｙを周波数特性曲線に変換し
た上で上記操作を施せば、入出力信号ｕ＋Ｙから特定の
周波数成分を取り出したり、外乱を多く含む周波数成分
を除くなどの処理が個々のデータごとに適切に行えるの
で、外乱除去フィルタをあらかじめ設計する等の必要が
なくなる。

（実施例）以下、本発明の詳細な説明する。

第２図に示すように、システムモデリング装置としては
、通常のコンピュータ装置１２を用いて構成することが
できる。このコンピュータ装置１２は、前述の制御対象
４の入出力信号”＋Ｙを取り込むためのインタフェース
（図示せず）と、前記なぞり操作手段８としてのマウス
１３と、各種入力操作を行うためのキーボード１４と、
前記線図出力手段７の動作により出力された線図１５及
び前記マウス１３の操作にて移動されるカーソル１６を
表示する画面１７を備えている。

第３図は制御系の一例を示すブロック線図である。

図示のように、本例の制御系は、ＰＩＤコントローラ１
８と、非線形要素１９と、制御対象システム２０と、設
定値「と制御量ｙとを比較し、ＰＩＤコントローラ１８
に指令値を出力する比較器２１を備えている。

ただし、入力信号Ｕは非線形要素１９で表わされるアク
チュエータの非線形特性により、実際には入力信号ｕ０
として、制御対象システムに入力される。ここで、外乱
ｄにより信号ｙが乱されている。

第４図は、上記システムモデリング装置の処理方式を示
すフローチャトである。

図示のように、上記の如き外乱ｄのある制御系に適用さ
れる本例のシステムモデリング装置では、例えば前記キ
ーボード１４を操作することによ、す、前記外乱ｄを取
り除くため、以下に示す３通りの処理方式を選択するこ
とができる。

すなわち、第１の方式は、ステップ４０２以下に示す方
式で、第３図に示す制御系の入出力信号ｕ＋Ｙを画面１
７に表示するというものである。

また、第２の方式は、ステップ４０３．４０４以下に示
すように、ステップ４０３で入出力信号ｕ、ｙを周波数
特性曲線に変換し、これをステップ４０４で画面１７に
表示するというものである。

さらに、第３の方式は、ステップ４０５，４０６以下に
示すように、取り込んだ複数の入出力信号ｕｉ、ｙｉの
うち、ステップ４０５で任意の２種類の入出力信号を選
択し、ステップ４９６で信号間の相関曲線を表示しよう
というものである。

これらの方式により画面１７に表示された線図は、ステ
ップ４０７で、マウス１３により表示された曲線１５を
なぞり、軌跡（トレース曲線）を得る。

そこで、ステップ４０８では、入出力信号Ｕ。

ｙを周波数特性に変換した第２の方式について逆変換す
ることとして、ステップ４０９で制御対象システムの特
性を推定解析する。

上記第２の平成で入出力信号ｕ＋Ｙを周波数特性曲線に
変換する手段、および逆変換する手段は、例えば、高速
フーリエ変換（ＦＦＴ）および逆フーリエ変換（ＩＦＦ
Ｔ）を用いればよい（例えば、倍風館工学基礎講座１８
、計重・測定、ランダムデータ処理の理論と応用Ｐ９１
〜、著者　得丸、撚出、中溝、秋月）。

また、マウス１３の操作により得られたトレース曲線を
新たな周波数特性曲線とみなし、そのままシステム特性
の推定、解析あるいは制御系の設計に用いることもでき
る。

さらに、ステップ４０９の制御対象システムの特性推定
解析においては、最小２乗法に基づく時系列解析法や、
特異値分解を用いた伝達関数推定法（重数、飯野：伝達
関数モデリング支援システム、計測自動制御学会第１４
回制御理論シンポジウム、１９８５年）などを用いるこ
とができる。

以下、具体的な操作例を示す。

まず、図示しないインタフェースを介して上記信号波形
ｙを取り込み、第５図（ａ）のように表示した上で、第
１の方式により、マウス１３の操作を行った結果、第５
図（ｂ）の様な平滑化されたトレース波形２２が得られ
る。

また、同じ出力波形ｙを第６図（ａ）のように取り込み
、ｊｆ１２の方式を用いて、（ｂ）に示すような周波数
特性曲線２３に変換し、これを（ｃ）に示すようにマウ
ス１３の操作によりなぞり、高周波帯域のノイズ成分を
低減させたトレース曲線２４を得、これを、（ｄ　）に
示すように逆変換して高周波ノイズが除去されたなめら
かな信号波形２５を得る。

さらに、第３の方式を用いて第７図（ａ）に示すように
入力信号Ｕとｕ９の２信号をとりこみ、Ｕとｕ１′との
間の相関データ２６を表示し、マウス１３の操作により
（ｂ）に示すようなトレース波形２７を求め、これをＵ
とｕｏの間の非線形要素１９の特性としてモデル化する
。

以上により、本例では第５図〜第７図に示したように、
各種線図の中から適宜外乱ｄを取り除くことができ、か
つ、第７図で示したように実際に即した形で思い通りの
線図を設定でき、設定された線図に基いて適正なモデル
を設定することができる。

さらに、他の実施例を示す。

第８図は第１及び第２のタンク２８．２９の間に流調バ
ルブ３０及び流量センサ３１を備えた流体プロセスの構
成図であり、図左方から供給されるご原料を第１タンク
２８に導入し、流調バルブ３０の開度制御を行うことに
より、第２タンク２９に所定量の原料を蓄えるものとす
る。

ここで、流調バルブ３０の開度Ｕから流ｊｌｙまでの伝
達関数を推定するために、流調バルブ３０をステップ状
に開いたところ、第９図に示すような流量応答が観測さ
れたとする。ここに、このデータを用いて特異値分解に
よる伝達関数推定法（重数、飯野：伝達関数モデリング
支援システム、計ｎ１自動制御学会第１４回制御理論シ
ンポジウム、１９８５年）を用いた結果、次の伝達関数
が得られた。

Ｇ　＋　（Ｓ）　− ・・・（１）この伝達関数のステップ応答３２を、もとの応答データ
３３と合わせて第１０図に示した。

ここに、第１１図に示されるように、上記流体プロセス
においては、実際のプロセスでは考えられない振動モー
ドを含んでいる。これは第９図の応答データが多くの外
乱を含んでいるため、伝達関数の推定精度が低下したも
のと考えられる。

そこで、このように大きな外乱が含まれると考えられる
流体プロセスに関し゛、以下のような処理を行う。

すなわち、本例では、第１１図に示すように、もとの応
答データ３３をマウス１３を用いてなぞることによりト
レース曲線３４を得、このトレース曲線３４を応答デー
タとみなし、再び上記手法で伝達関数を推定し、以下の
伝達関数を得る。

Ｇ　２　（Ｓ）　＝この伝達関数のステップ応答３５を、もとの応答データ
３３、トレース曲線３４と合わせて第１２図に示す。

第１２図より理解されるように、第１０図の６１　（Ｓ
）の推定結果に比べて明らかに推定精度が向上している
。このように、本例では、応答データをなぞることによ
一す、適宜外乱を取り除くことができ、推定精度を向上
させることができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、適宜の
設計的変更を行うことにより、この他適宜の態様で実施
し得るものである。

［発明の効果］以上の通り、本発明は特許請求の範囲に記載の通りのシ
ステムモデリング装置であるので、各種の外乱やノイズ
を容易な操作で除去することができ、適正なモデルを設
定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の概要を示す図、第２図は本発明の一実
施例に係るシステムモデリング装置を実施するコンピュ
ータ装置の外観図、第３図は実施例の説明に用いたＰＩ
Ｄ系制御系のブロック図、第４図は３種の処理方式を示
すフローチャート、第５図は画面に表示された信号波形
及びトレース波形の説明図、第６図はフーリエ変換およ
び逆フーリエ変換の波形にもとづく処理方式を示す説明
図、第７図は相関データの処理方式を示す説明図、第８
図は他の実施例の説明に用いる流体プロセスの説明図、
第９図は上記流体プロセスの応答データの説明図、第１
０図は上記流体プロセスにおける伝達関数の応答線図、
第１１図はそのトレース曲線の説明図、第１２図はその
トレース曲線に基いて算出された伝達関数の応答線図、
第１３図（ａ）は外乱を含む信号波形の説明図、第１３
図（ｂ）は従来例としての通常のフィルタを通過した場
合の信号波形の説明図である。４・・・制御対象５・・・信号取り込み手段６・・・修正前の線図７・・・線図出力手段８・・・なぞり操作手段９・・・なぞられた線図（トレース波形）１０・・・線
図置換手段１１・・・推定解析手段１３・・・マウス１６・・・カーソル

Claims

【特許請求の範囲】

（１）制御対象の入出力信号を取り込む信号取り込み手
段と、該手段で取り込んだ信号を解析し前記制御対象の
特性線図を出力する線図出力手段と、該手段で出力した
線図を手動操作により適宜なぞらせるなぞり操作手段と
、該手段によりなぞられた線図を前記線図出力手段が出
力した線図と置換する線図置換手段と、該手段で置換さ
れた線図に基いて前記制御対象の特性を推定解析する推
定解析手段を備えたことを特徴とするシステムモデリン
グ装置。
（２）請求項（１）に記載のシステムモデリング装置に
おいて、前記線図出力手段より出力される線図は周波数
応答曲線であり、前記推定解析手段は前記なぞり操作手
段でなぞられた周波数応答曲線を逆変換して得られた入
出力信号を用いて前記制御対象の特性を推定解析するこ
とを特徴とするシステムモデリング装置。
（３）請求項（１）に記載のシステムモデリング装置に
おいて、前記信号取り込み手段は複数の入出力信号を取
り込み、前記線図出力手段は各入出力信号の相関曲線を
出力し、前記推定解析手段は前記なぞり手段によりなぞ
られた相関曲線の線図により制御対象の特性を推定解析
することを特徴とするシステムモデリング装置。
（４）請求項（１）に記載のシステムモデリング装置に
おいて、前記線図置換手段は、前記なぞり操作手段でな
ぞられた線図を平均化するなど任意の公式で修正し、修
正された線図を前記線図出力手段が出力した線図と置換
することを特徴とするシステムモデリング装置。