JPH04302304A - Nonlinear process controller - Google Patents

Nonlinear process controller

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JPH04302304A
JPH04302304A JP6709691A JP6709691A JPH04302304A JP H04302304 A JPH04302304 A JP H04302304A JP 6709691 A JP6709691 A JP 6709691A JP 6709691 A JP6709691 A JP 6709691A JP H04302304 A JPH04302304 A JP H04302304A
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JP
Japan
Prior art keywords
compensator
learning
neural network
error signal
target value
Prior art date
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Pending
Application number
JP6709691A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazutaro Shinohara
篠 原 和太郎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPH04302304A publication Critical patent/JPH04302304A/en
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Abstract

PURPOSE:To control a process system provided with nonlinear characteristic at high speed and with high accuracy by providing a feedback error compensator to which gain scaling is applied, a first process compensator designed so that process output can follow a process target value, and a second process compensator consisting of a multi-layer type neural network. CONSTITUTION:A series compensator 6 which displays the role of the first process compensator which performs compensation on a nonlinear process 1 by conventional technique, the feedback compensator 7. a neural network disturbance compensator 8, a coupling weight update quantity calculation part 9 for the compensator 8, a network learning controller 10, a feedforward compensation learning error generation filter 11, and a disturbance compensation learning error generating filter 12 are provided. In other words, an error signal from a conventional error compensator is set as a learning error signal, and also, the whole system in which the compensation is applied to a controlled system process by the conventional compensator is recognized as an expansion process system 13, and a compensation circuit setting a parameter signal representing the characteristic of the system as input is provided.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】〔発明の目的〕[Object of the invention]

【産業上の利用分野】本発明は、非線形特性を有するプ
ロセス系を、高速かつ高精度に制御するプロセス制御装
置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a process control device for controlling a process system having nonlinear characteristics at high speed and with high precision.

【0002】0002

【従来の技術】一般の産業プラントなどのプロセスに対
する従来のプロセス制御装置では、対象プロセスをその
物理的特性などに基づいてモデリングし、その結果をも
とに設計を行った直列補償器やフィードバック補償器な
どを用いて制御を行っている。しかし、通常のプロセス
は本来非線形システムであるため、PID制御装置など
の線形固定補償器を用いた場合、操業動作点のズレなど
に起因する非線形特性を必ずしも十分に補償することが
できず、より高速・高精度な操業が事実上不可能である
ことが多い。このような対象プロセスの線形モデルから
のズレを補償する方法として、ゲインスケジューリング
制御方式(図4)や適応制御方式(図5)といった制御
方式が既に提案されている。
[Prior Art] Conventional process control devices for processes in general industrial plants model the target process based on its physical characteristics, and then use a series compensator or feedback compensation system that is designed based on the results. Control is performed using devices such as devices. However, since normal processes are inherently nonlinear systems, when using a linear fixed compensator such as a PID control device, it is not always possible to sufficiently compensate for nonlinear characteristics caused by deviations in the operating operating point. High-speed, high-precision operation is often virtually impossible. Control methods such as a gain scheduling control method (FIG. 4) and an adaptive control method (FIG. 5) have already been proposed as methods for compensating for such deviations from the linear model of the target process.

【0003】これらのうち前者のゲインスケジューリン
グ制御方式は、ゲインスケジューリング装置403が、
入力された操業条件によってコントローラ402の伝達
関数におけるゲインを調整し、このゲインスケジューリ
ングされた伝達関数で目標値rを調節し操作量uとして
プラント401に与えるとともに、このプラント401
の出力yはコントローラ402にフィードバックされ、
目標値rとのずれの補償に供されるようになっている。
In the former gain scheduling control method, the gain scheduling device 403
The gain in the transfer function of the controller 402 is adjusted according to the input operating conditions, and the target value r is adjusted using the gain-scheduled transfer function and given to the plant 401 as the manipulated variable u.
The output y is fed back to the controller 402,
It is used to compensate for the deviation from the target value r.

【0004】このように、ゲインスケジューリング制御
方式は大幅な操業動作点の変更に対して系の安定性を確
保することを第一目的とする比較的粗い補償法である。 このため操業精度の向上のためには操業条件の変更に伴
い固定補償器パラメータの適切な変更が必要となるが、
その際、過去の運転実績データを生かすことが一般には
難しく、新たな操業条件の場合には再チューニングを余
儀無くされているのが現状である。
As described above, the gain scheduling control method is a relatively rough compensation method whose primary purpose is to ensure system stability against large changes in the operating point. Therefore, in order to improve operational accuracy, it is necessary to change the fixed compensator parameters appropriately as the operating conditions change.
At this time, it is generally difficult to make use of past operating performance data, and the current situation is that re-tuning is required in the case of new operating conditions.

【0005】一方、適応制御方式は、プラント501の
基準特性が規範モデル503として与えられ、この規範
モデル503の出力yM とプラント501の出力yと
の偏差eに応じて適応機構504がコントローラ502
のゲインスケジューリングを行い、このようにしてゲイ
ンスケジューリングされた伝達関数を通して目標値rが
調整され、操作量uとしてプラント501に与えられる
ようになっているものである。
On the other hand, in the adaptive control method, the reference characteristics of the plant 501 are given as a reference model 503, and the adaptive mechanism 504 controls the controller 502 according to the deviation e between the output yM of this reference model 503 and the output y of the plant 501.
gain scheduling is performed, and the target value r is adjusted through the gain-scheduled transfer function in this way and is given to the plant 501 as the manipulated variable u.

【0006】よって、この適応制御方式は、積極的に線
形補償器のパラメータを調整することで対象プロセスの
特性変動を抑え込もうとする時変の制御方式であるが、
その設計・運用にあたっては対象プロセスのシステム構
造に対するかなり正確な事前知識が必要となる。一般に
産業プロセスではその動特性を陽に同定する事が難しい
ため、非線形性が強く発現するような状況で現行の適応
制御方式を用いた場合、十分な適応能力が得られないば
かりか、系の不安定を助長することにも成りかねない。 このような不安定化を回避すべく、適応制御系まわりに
安定性監視機構などの安定化ループを構成する方式も提
案されているが、総合的にみて、PID制御方式などを
核とする従来方式を凌駕するような性能は得られていな
いのが現状である。
Therefore, this adaptive control method is a time-varying control method that attempts to suppress characteristic fluctuations of the target process by actively adjusting the parameters of the linear compensator.
Its design and operation requires fairly accurate prior knowledge of the system structure of the target process. In general, it is difficult to explicitly identify the dynamic characteristics of industrial processes, so when current adaptive control methods are used in situations where nonlinearity is strongly expressed, not only will sufficient adaptive ability not be obtained, but the system It could also lead to further instability. In order to avoid such instability, methods have been proposed in which a stabilizing loop such as a stability monitoring mechanism is constructed around the adaptive control system, but overall, conventional methods centered on PID control methods etc. At present, performance that surpasses that of other methods has not been achieved.

【0007】これらの方式が十分に機能しない理由の一
つは、その枠組みがあくまで線形なシステムの世界で閉
じていることにあると考えられる。最近、このような線
形の枠を超えた非線形補償の手段として、人間の神経回
路網の動作を単純化してその基本的性能を模擬した信号
処理システム(以下、これをニューラルネットワークと
呼ぶ)の利用が提案されてきている(図7)。これは、
例えば文献(K.Funahashi:On the 
Approximate Realization o
f Continuous Mappings byN
eural Networks,Neural Net
works,Vol1.2,183/192(1989
) など)に示されているように、多層型のニューラル
ネットワークが入力層のユニット数で規定される次元の
空間から出力層ユニット数で規定される次元の空間へ任
意連続写像を実現できるという理論的根拠に基づいたも
のである。
One of the reasons why these methods do not function satisfactorily is thought to be that their framework is strictly closed in the world of linear systems. Recently, as a means of nonlinear compensation that goes beyond the linear framework, the use of signal processing systems (hereinafter referred to as neural networks) that simplify the operation of human neural networks and simulate their basic performance has been developed. has been proposed (Figure 7). this is,
For example, in the literature (K. Funahashi: On the
Approximate Realization o
f Continuous Mappings byN
neural networks, neural nets
works, Vol1.2, 183/192 (1989
), the theory that a multilayer neural network can realize arbitrary continuous mapping from a dimensional space defined by the number of units in the input layer to a dimensional space defined by the number of output layer units. It is based on rationale.

【0008】図6は、既に提案されているニューラルネ
ットワークを用いた制御系の構成を示したものである。 この構成による非線形対象の制御方式については、公開
番号(平1−228001),(平2−54304)の
公開特許で示されているものであるが、以下、簡単に説
明する。
FIG. 6 shows the configuration of a control system using a neural network that has already been proposed. The control system for nonlinear objects using this configuration is disclosed in the published patents with publication numbers (Heisei 1-228001) and (Heisei 2-54304), and will be briefly described below.

【0009】非線形プロセス1に対する補償は、安定性
の保持を主なる目的としたフィードバック補償と、系の
応答の速応性・高精度性の向上を目的としたニューラル
ネットワーク3によるフィードフォーワード補償とで構
成される。結合重み更新量計算部4は、目標値発生装置
5の出力とプロセス出力との偏差eをフィードバック誤
差補償器2でゲインスケーリングした信号ue を学習
用誤差信号として用い、ue →0となるようにニュー
ラルネットワーク3の結合重みを調整するものである。
Compensation for the nonlinear process 1 consists of feedback compensation whose main purpose is to maintain stability, and feedforward compensation by the neural network 3 whose purpose is to improve the quick response and high accuracy of the system response. configured. The connection weight update amount calculation unit 4 uses a signal ue obtained by gain scaling the deviation e between the output of the target value generator 5 and the process output by the feedback error compensator 2 as a learning error signal, and calculates the signal ue so that ue → 0. This is to adjust the connection weights of the neural network 3.

【0010】ニューラルネットワークの構成にはいくつ
かのバリエーションがあるが、その基本的な構成を示し
たものが図7である。同図において、 X=[X1 X2 …  …Xn1]T はニューラル
ネットワークの入力で、 Y=[OM 1 OM 2 …  …OM nM] T
 は出力である。全体はM層のニューロンの列で構成さ
れる。ここで、第k+1層のニューロンNk+1 j 
(j=1,2,…  …,nk+1 )に注目すると、
各ニューロンは第k層のニューロン全てNk i (i
=1,2,……,nk )の出力信号Ok i (i=
1,2,…  …,nk )に重みWk ik+1 j
 で結合されている。すなわち、第k+1層のj番目の
ニューロンNk+1 j の入力ik+1 j は、 で表される。
Although there are several variations in the configuration of neural networks, FIG. 7 shows the basic configuration. In the same figure, X=[X1
is the output. The whole consists of M layers of neuron columns. Here, the neuron Nk+1 j of the k+1st layer
If we pay attention to (j=1,2,......,nk+1),
Each neuron has all the neurons in the kth layer Nk i (i
=1,2,...,nk) output signal Ok i (i=
1, 2, ... ..., nk ) with weight Wk ik+1 j
are combined with. That is, the input ik+1 j of the j-th neuron Nk+1 j of the k+1-th layer is expressed as follows.

【0011】また、各ニューロンNk+1 j は入力
ik+1 j を受けてOk+1 j =f(ik+1
 j )を出力する。ここで関数f(・)は、非減少、
微分可能な関数で、例えば、   f(x)=1/(1+exp(−x))     
                       (3
)で与えられる。
Further, each neuron Nk+1 j receives input ik+1 j and calculates Ok+1 j =f(ik+1
j) is output. Here, the function f(・) is non-decreasing,
A differentiable function, for example, f(x)=1/(1+exp(-x))
(3
) is given by

【0012】ニューラルネットワークの特性は重み係数
Wk i k+1 j およびθk+1 j で決定さ
れる。ニューラルネットワークが入力Xを受けたときの
出力Yが教示信号Y* に一致するように、重み係数を
調整する誤差逆伝搬学習法(error back p
ropagation learning metho
d)が近年提案されている(D.E.Rumelhar
t,G.E.HintonandR.J.Willia
ms:Learning representatio
ns by back−propagating er
rors,Nature,323−9,533−536
(1986))。この方法では、重み係数Wを例えば以
下の式に従い修正する。   Wk−1 i k j =Wk−1 i k j 
+ηδk j Ok−1 i            
   (4)(k=M,M−1,…  …,3) (i=1,2,…  …,nk−1 )(j=1,2,
…  …,nk )   ただし、δM j =(y* j −OM j )
f(iM j )             (5) 
 ここで、y* j は教示信号、f(・)は式(3)
に示す関数の微分を意味する。この修正を繰り返してい
くに従い、ニューラルネットワークの出力Yが教示信号
Y* に一致するように重み係数Wが学習される。なお
、これ以外の誤差逆伝播の学習方法でも可能である。こ
れらの概要については、例えば、コロナ社コンピュート
ロールNo.24,P53〜60(1988年10月1
0日発行)に解説されている。
The characteristics of the neural network are determined by weighting coefficients Wk i k+1 j and θk+1 j . The error back propagation learning method (error back p
ropagation learning method
d) has been proposed in recent years (D.E. Rumelhar
t,G. E. HintonandR. J. William
ms: Learning representation
ns by back-propagating er
rors, Nature, 323-9, 533-536
(1986)). In this method, the weighting coefficient W is modified according to the following formula, for example. Wk-1 i k j =Wk-1 i k j
+ηδk j Ok−1 i
(4) (k=M, M-1,......, 3) (i=1, 2,..., nk-1) (j=1, 2,
... ..., nk ) However, δM j = (y* j −OM j )
f(iM j ) (5)
Here, y* j is the teaching signal, f(・) is the formula (3)
means the differentiation of the function shown in . As this correction is repeated, the weighting coefficient W is learned so that the output Y of the neural network matches the teaching signal Y*. Note that other error backpropagation learning methods are also possible. For an overview of these, see, for example, Corona Corporation Computer Roll No. 24, P53-60 (October 1, 1988
(published on the 0th).

【0013】以上の学習処理において、学習が不十分な
状態では、系の制御はフィードバック補償中心で行われ
るが、学習が進む(|ue |→小)につれ制御は、ニ
ューラルネットワーク3によるフィードフォーワード補
償へと移行していく。そしてue 〜0が達成された状
況では、フィードバックループが切れた構成と等価にな
るため、ニューラルネットワーク3内には対象プロセス
1の入出力特性Pの逆特性P−1が実現されることにな
る。
In the above learning process, when the learning is insufficient, the control of the system is performed mainly by feedback compensation, but as the learning progresses (|ue | → small), the control is performed by the feedforward compensation by the neural network 3. Moving on to compensation. In a situation where ue ~0 is achieved, it is equivalent to a configuration in which the feedback loop is broken, and therefore a characteristic P-1 inverse to the input/output characteristic P of the target process 1 is realized in the neural network 3. .

【0014】この制御方式の主な特徴は、最終補償器(
すなわちニューラルネットワーク3)の枠組みが非線形
システムであるということと、学習によって補償器が構
成されるという2点にある。前者は、補償器のクラスが
広くなったことを意味しており、より高性能な補償の可
能性を与え、また、後者は、対象システムの特性(特に
非線形特性)が未知であってもそれを学習という手段に
よって実現できる可能性を与えることになる。
The main feature of this control method is that the final compensator (
That is, there are two points: the framework of the neural network 3) is a nonlinear system, and the compensator is constructed by learning. The former means that the class of compensators has become broader, giving the possibility of higher-performance compensation, and the latter means that the characteristics of the target system (especially nonlinear characteristics) are unknown even if they are unknown. This gives us the possibility of realizing this through the means of learning.

【0015】上記に示したように、ニューラルネットワ
ークをフィードフォーワード補償器とする制御系構成は
、従来よりのPID制御装置や適応制御装置などと比較
して対象プロセスの非線形特性を補償し、より高速・高
精度の制御を実現する可能性を与える制御系アーキテク
チュアの一つと言える。
As shown above, the control system configuration using a neural network as a feedforward compensator compensates for the nonlinear characteristics of the target process and is more effective than conventional PID control devices or adaptive control devices. It can be said to be one of the control system architectures that offers the possibility of realizing high-speed, high-precision control.

【0016】しかし、上記の構成はそのままプロセス系
などの制御に用いた場合、ニューラルネットワークは必
然的に対象プロセスそのままの逆特性を学習することに
なるため、ニューラルネットワーク内に実現されるべき
特性は著しく複雑なものになる。このことは、ネットワ
ークの規模や学習の負荷の増大を意味するので実用が困
難になる可能性が高い。
However, if the above configuration is used as it is for controlling a process system, etc., the neural network will inevitably learn the inverse characteristics of the target process, so the characteristics that should be realized in the neural network are becomes significantly more complex. This means an increase in the size of the network and the learning load, which is likely to make it difficult to put it into practical use.

【0017】また、上記の構成の場合、ニューラルネッ
トワークの学習にあたってアクチュエータの応答特性の
限界をはるかに越えるところまで、また実際に求められ
る追従性能をはるかに越えるところまで学習を行おうと
しているため、過剰学習状態に陥る危険性がある。つま
り、一般に、プロセス系の目標値変化はステップ変化と
して与えられることが多いが、完全な逆特性を実現する
ということはそのようなステップ変化に対して完全に追
従するような補償器を構成することを意味する。しかし
、そのような補償器は物理的に実現不可能であるため、
ニューラルネットワークは不可能な入出力特性の実現の
ために学習を繰り返し、過剰学習に陥ることとなる。
Furthermore, in the case of the above configuration, since the neural network is trying to learn to a point that far exceeds the limits of the response characteristics of the actuator and far exceeds the tracking performance actually required, There is a danger of falling into a state of overlearning. In other words, in general, target value changes in process systems are often given as step changes, but achieving complete inverse characteristics means constructing a compensator that can perfectly follow such step changes. It means that. However, since such a compensator is physically unfeasible,
Neural networks repeatedly learn to achieve impossible input/output characteristics, resulting in overlearning.

【0018】さらに、実プロセスの場合、系には操業動
作点の変更や目標値変化に伴う様々な外乱が加わるのが
普通である。このような外乱を補償しないと所望の操業
動作を実現することは難しいが、上記のような逆特性の
実現によるフィードフォーワード補償のみではこの外乱
による系の擾乱を十分に補償できないため、これを補償
する新たな制御機構が必要となる。
Furthermore, in the case of an actual process, various disturbances are usually applied to the system due to changes in the operating operating point or changes in target values. It is difficult to achieve the desired operational behavior without compensating for such disturbances, but feedforward compensation by realizing the inverse characteristics as described above cannot sufficiently compensate for system disturbances caused by these disturbances. A new control mechanism is required to compensate.

【0019】[0019]

【発明が解決しようとする課題】以上のような問題点に
対して、本発明では、設計ノウハウが蓄積されてきた線
形補償やゲインスケジューリング制御などの従来制御技
術の効果を残しながら、ニューラルネットワークのもつ
非線形補償能力を生かすことのできる制御系アーキテク
チュアを採用することで、目標値変化への速応性向上を
図るフィードフォーワード補償器と外乱の影響の低減を
図る外乱補償器をニューラルネットワークによって構成
し、かつ学習用誤差信号として適切にフィルタリングさ
れた誤差信号を用いることで過剰な学習に陥ることなく
、実用的なニューラルネットワーク補償器を実現できる
非線形プロセス制御装置を提供することを目的とする。
[Problems to be Solved by the Invention] In order to solve the above-mentioned problems, the present invention aims to improve the effectiveness of neural networks while retaining the effects of conventional control techniques such as linear compensation and gain scheduling control, for which design know-how has been accumulated. By adopting a control system architecture that can take advantage of its nonlinear compensation ability, a feedforward compensator that improves responsiveness to target value changes and a disturbance compensator that reduces the influence of disturbances are configured using a neural network. It is an object of the present invention to provide a nonlinear process control device that can realize a practical neural network compensator without falling into excessive learning by using an appropriately filtered error signal as a learning error signal.

【0020】〔発明の構成〕[Configuration of the invention]

【課題を解決するための手段】本発明の非線形プロセス
制御装置は、プロセス目標値と前記プロセス出力との偏
差についてゲインスケーリングを施した誤差信号を出力
するフィードバック誤差補償器と、制御対象プロセスの
モデリング特性に基づいて前記プロセス目標値に前記プ
ロセス出力が追従するように設計された第1のプロセス
補償器と、上記フィードバック誤差補償器からの誤差信
号を学習用誤差信号とし、かつ制御対象プロセスに第1
プロセス補償器で補償を行った系全体を拡大プロセス系
として捕らえたときその拡大プロセス系の特性を示すパ
ラメータ信号を入力として第1補償器への前段フィード
フォーワード操作量を出力する多層型ニューラルネット
ワーク装置からなる第2のプロセス補償器とを備えてい
る。
[Means for Solving the Problems] A nonlinear process control device of the present invention includes a feedback error compensator that outputs an error signal subjected to gain scaling for a deviation between a process target value and the process output, and a modeling of a controlled process. The first process compensator is designed such that the process output follows the process target value based on the characteristics, and the error signal from the feedback error compensator is used as a learning error signal, and the first process is applied to the process to be controlled. 1
When the entire system compensated by the process compensator is captured as an expanded process system, a multilayer neural network that inputs a parameter signal indicating the characteristics of the expanded process system and outputs the pre-stage feedforward manipulated variable to the first compensator. and a second process compensator comprising a second process compensator.

【0021】請求項2記載の本発明の非線形プロセス制
御装置はさらにフィードバック誤差補償器からの誤差信
号を学習用誤差信号とし、かつ制御対象プロセスへの外
乱を示すパラメータ信号を入力としてプロセス出力から
外乱の影響を相殺するような外乱補償操作量を出力する
多層型ニューラルネットワーク装置からなる第3のプロ
セス補償器を備えている。
The nonlinear process control device of the present invention as set forth in claim 2 further uses the error signal from the feedback error compensator as a learning error signal, and inputs a parameter signal indicating a disturbance to the controlled process, and calculates the disturbance from the process output. A third process compensator is provided, which is a multilayer neural network device that outputs a disturbance compensation operation amount that cancels out the influence of.

【0022】請求項3記載の本発明の非線形プロセス制
御装置はさらにフィードバック誤差補償器からの誤差信
号が多層型ニューラルネットワーク装置の学習に望まし
い帯域成分を持つようにフィルタリング処理し、その処
理を施した信号を学習用誤差信号として多層型ニューラ
ルネットワーク装置に与えるフィルタ手段を備えている
The nonlinear process control device of the present invention as set forth in claim 3 further comprises filtering the error signal from the feedback error compensator so that it has a band component desirable for learning the multilayer neural network device. A filter means is provided for supplying the signal as a learning error signal to the multilayer neural network device.

【0023】請求項4記載の本発明の非線形プロセス制
御装置はさらにプロセス目標値の変化による過渡応答時
には第1の補償器を構成する多層型ニューラルネットワ
ーク装置のみに学習用誤差信号を与え、プロセス目標値
の変化のない定常状態時には第2の補償器を構成する多
層型ニューラルネットワーク装置のみに学習用誤差信号
を与えて学習処理を行うニューラルネットワーク装置を
過渡応答時と定常状態時とで切替え制御するネットワー
ク学習制御装置を備えている。
The nonlinear process control device of the present invention as set forth in claim 4 further provides a learning error signal only to the multilayer neural network device constituting the first compensator during a transient response due to a change in the process target value. In a steady state with no change in value, a learning error signal is given only to the multilayer neural network device constituting the second compensator, and the neural network device that performs learning processing is switched and controlled between transient response and steady state. Equipped with network learning control device.

【0024】[0024]

【作用】つまり、本発明は、基本的には、もともとの制
御対象である非線形プロセスに対して第1の補償器によ
り従来技術による補償を行った系全体を拡大プロセス系
として捕らえ、この拡大系に対する逆特性と、外乱によ
る擾乱を低減する補償特性とを、過剰学習を回避するよ
うに偏差のフィルタリング信号を学習用誤差信号として
用いて学習実現したニューラルネットワークを、フィー
ドフォーワード補償器(第2のプロセス補償器)および
外乱補償器(第3のプロセス補償器)として組み込んで
プロセス制御系を構成することを特徴とする。
[Operation] In other words, the present invention basically treats the entire system in which the nonlinear process, which is the original control target, has been compensated by the prior art using the first compensator as an expanded process system, and this expanded process system. A feed-forward compensator (second It is characterized in that it is incorporated as a third process compensator) and a disturbance compensator (third process compensator) to configure a process control system.

【0025】よって、本発明のプロセス制御装置によれ
ば、プロセス振動特性の改善・むだ時間の補償といった
線形補償やセンサ感度特性の非線形補償、ゲインスケジ
ューリング補償などを第1のプロセス補償器によりプロ
セスまわりで行い、相応に改善された系特性に対して前
記第1のプロセス補償器を含むプロセスを拡大プロセス
系として捕らえ、この拡大系に対してニューラルネット
ワークによる逆特性および外乱低減の学習補償を行う。
Therefore, according to the process control device of the present invention, the first process compensator performs linear compensation such as improving process vibration characteristics and compensating for dead time, nonlinear compensation for sensor sensitivity characteristics, gain scheduling compensation, etc. The process including the first process compensator is treated as an expanded process system for system characteristics whose characteristics have been improved accordingly, and learning compensation for inverse characteristics and disturbance reduction is performed on this expanded system using a neural network.

【0026】外乱の補償にあたっては、観測可能な外乱
のみならず観測が不可能な未知外乱に対してもプロセス
系の出力や状態量からその発生ダイナミクスの逆特性を
学習し、外乱の影響を相殺するような補償機構をニュー
ラルネットワーク上に構成していく。
When compensating for disturbances, we learn the inverse characteristics of the generation dynamics from the output and state quantities of the process system, not only for observable disturbances but also for unknown disturbances that cannot be observed, and cancel the effects of the disturbances. We will construct a compensation mechanism on a neural network that will do this.

【0027】このような制御系構成をとることで、ニュ
ーラルネットワークが補償すべき特性は従来補償器で補
償し切れない非線形特性などの部分が主となり、結果的
にニューラルネットワーク補償器の負担が過渡になるの
を防ぐことができると同時に、従来の補償技術を生かし
て制御系を構成することが可能になる。
By adopting such a control system configuration, the characteristics to be compensated by the neural network are mainly nonlinear characteristics that cannot be fully compensated for by conventional compensators, and as a result, the load on the neural network compensator is reduced during transients. At the same time, it becomes possible to configure a control system by making use of conventional compensation techniques.

【0028】また、ニューラルネットワーク補償器の学
習実現にあたっては、その学習誤差信号としてフィード
バック誤差補償器の出力信号を帯域処理した誤差信号を
用いることで、ニューラルネットワーク補償器を希望す
る周波数帯域で効果的に動作するように学習させること
が可能になり、過剰な学習を回避することができる。
Furthermore, in realizing the learning of the neural network compensator, by using an error signal obtained by band-processing the output signal of the feedback error compensator as the learning error signal, the neural network compensator can be effectively used in the desired frequency band. This makes it possible to train the robot to operate in a similar manner, and avoids excessive learning.

【0029】さらに、フィードフォーワード補償用と外
乱補償用の各ニューラルネットワークを学習させる際、
目標値変化により系が過渡応答状態にある時は外乱補償
用のニューラルネットワークの学習は行わず、フィード
フォーワード補償用のニューラルネットワークのみを学
習させ、系の逆特性を積極的に獲得し、目標値の変化が
ない定常応答状態にある時には過渡応答時とは逆に外乱
補償用のニューラルネットワークのみを学習させ、系に
加わる外乱を補償するダイナミクスを積極的に獲得する
ように学習処理を制御する機構をプロセス制御装置内に
組み込むことで、目標値追従と外乱抑制の両機能を効率
的に実現することが可能になる。
Furthermore, when training the neural networks for feedforward compensation and disturbance compensation,
When the system is in a transient response state due to a change in the target value, the neural network for disturbance compensation is not trained, and only the neural network for feedforward compensation is trained to actively acquire the inverse characteristics of the system and achieve the target value. When the system is in a steady response state with no value changes, only the neural network for disturbance compensation is trained, contrary to the case of transient response, and the learning process is controlled so that it actively acquires dynamics that compensate for the disturbances applied to the system. By incorporating the mechanism into a process control device, it becomes possible to efficiently realize both the target value tracking and disturbance suppression functions.

【0030】[0030]

【実施例】以下、実施例に基づき本発明を詳細に説明す
る。図1は本発明の非線形プロセス制御装置の実施例図
である。本実施例における、非線形プロセス1、フィー
ドバック誤差補償器2、ニューラルネットワークフィー
ドフォーワード補償器(以下、NFF補償器と略記)3
、結合重み更新量計算部4、目標値発生装置5は、第6
図に示した従来のニューラルネットワーク制御系構成と
同一であり、かつその動作・機能も同じである。本実施
例で異なるのは、プロセスに対して従来技術による補償
を行う第1のプロセス補償器の役割を果たす直列補償器
6、フィードバック補償器7の存在と、ニューラルネッ
トワーク外乱補償器8およびその結合重み更新量計算部
9、ネットワーク学習制御装置10、フィードフォーワ
ード補償学習誤差生成フィルタ11、外乱補償学習誤差
生成フィルタ12を備える点である。既に説明したよう
に、通常のプロセス制御装置における補償器は、プロセ
スダイナミクスのモデリング特性に基づいて設計される
。制御方式としては、PID、I−PD制御など古典制
御的なものから最適レギュレータなどの現代制御的手法
が用いられたり、操業動作点変更などに伴う特性変動に
対する安定性維持を目的としたゲインスケジューリング
制御などが行われている。
EXAMPLES The present invention will be explained in detail below based on examples. FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a nonlinear process control device according to the present invention. In this embodiment, a nonlinear process 1, a feedback error compensator 2, a neural network feedforward compensator (hereinafter abbreviated as NFF compensator) 3
, the connection weight update amount calculation unit 4, and the target value generation device 5, the sixth
The configuration is the same as the conventional neural network control system shown in the figure, and its operation and functions are also the same. The difference in this embodiment is the presence of a series compensator 6 and a feedback compensator 7, which serve as a first process compensator that performs conventional technology compensation for the process, and a neural network disturbance compensator 8 and its combination. It includes a weight update amount calculation unit 9, a network learning control device 10, a feedforward compensation learning error generation filter 11, and a disturbance compensation learning error generation filter 12. As already explained, compensators in typical process control devices are designed based on modeling characteristics of the process dynamics. Control methods include classical control methods such as PID and I-PD control, as well as modern control methods such as optimal regulators, and gain scheduling aimed at maintaining stability against characteristic fluctuations due to changes in operating operating points. Control etc. are being carried out.

【0031】実用的なレベルでよく用いられる補償器構
成としては、直列補償器6として位相補償器や積分補償
器、フィードバック補償器7として状態フィードバック
補償器や速度フィードバック補償器を用いるといったも
のがある。このような線形補償を中心とした制御系設計
技術は、既に様々な適用例に基づく豊富なノウハウ蓄積
が進んでおり、補償されたプロセス系全体(拡大プロセ
ス系13)は、もとのプロセス単独に比べかなり特性が
改善されたものを得ることができる。
Compensator configurations often used on a practical level include a phase compensator or an integral compensator as the series compensator 6, and a state feedback compensator or a speed feedback compensator as the feedback compensator 7. . Control system design technology centered on such linear compensation has already accumulated a wealth of know-how based on various application examples, and the entire compensated process system (enlarged process system 13) can be compared to the original process alone. It is possible to obtain a product with considerably improved characteristics compared to .

【0032】ネットワーク学習制御装置10は、目標値
rを受信し、この目標値rの変化により系が過渡応答状
態にある時は外乱補償器8のニューラルネットワークの
学習は行わず、NFF補償器3のニューラルネットワー
クのみを学習させ、系の逆特性を積極的に獲得し、目標
値rの変化がない定常応答状態にある時には過渡応答時
とは逆に外乱補償器8のニューラルネットワークのみを
学習させ、系に加わる外乱を補償するダイナミクスを積
極的に獲得するように学習処理を制御する。
The network learning control device 10 receives the target value r, and when the system is in a transient response state due to a change in the target value r, the neural network of the disturbance compensator 8 does not learn, and the NFF compensator 3 The system learns only the neural network of the disturbance compensator 8 to actively acquire the inverse characteristics of the system, and when the target value r is in a steady response state with no change, only the neural network of the disturbance compensator 8 is trained, contrary to the case of a transient response. , the learning process is controlled to actively acquire dynamics that compensate for disturbances applied to the system.

【0033】つまり、まず目標値rが変化すると、ネッ
トワーク学習制御装置10はニューラルネットワーク外
乱補償器8の学習を停止しNFF補償器3の学習を指示
し、後述するフィルタ11を通した学習用誤差信号ε1
 をNFF補償器3に与える。このNFF補償器3には
目標値r(またはその複数回微分信号)と非線形プロセ
ス1からのプロセス出力xと状態量yとがその入力層に
与えられて拡大プロセス系13の特性を学習してゆく。 よって、このNFF補償器3の学習調整が進みue 〜
0が達成されると、ニューラルネットワーク内には、プ
ロセスl自体の特性Pの逆特性ではなく、拡大プロセス
系13の特性Pa の逆特性Pa −1が学習実現され
る。上で述べたことを繰り返せば、拡大プロセス系13
の特性Pa は、もとのプロセス1自体の特性Pに比べ
特性が改善されているため、その逆特性の学習にかかる
負担も軽くなり、結果的にNFF補償器3による系の非
線形補償の効果は増すこととなる。
That is, first, when the target value r changes, the network learning control device 10 stops the learning of the neural network disturbance compensator 8, instructs the learning of the NFF compensator 3, and calculates the learning error through the filter 11, which will be described later. signal ε1
is given to the NFF compensator 3. This NFF compensator 3 receives the target value r (or its multiple differential signal), the process output x from the nonlinear process 1, and the state quantity y to its input layer, and learns the characteristics of the expanded process system 13. go. Therefore, the learning adjustment of this NFF compensator 3 progresses and ue ~
When 0 is achieved, the inverse characteristic Pa −1 of the characteristic Pa of the enlarged process system 13 is learned and realized in the neural network, not the inverse characteristic of the characteristic P of the process l itself. To repeat what has been said above, the expansion process system 13
Since the characteristic Pa of is improved compared to the characteristic P of the original process 1 itself, the burden of learning its inverse characteristic becomes lighter, and as a result, the effect of nonlinear compensation of the system by the NFF compensator 3 is reduced. will increase.

【0034】目標値rの変化による系の過渡応答状態が
整定し定常応答状態になると、ネットワーク学習制御装
置10は今度はNFF補償器の学習を停止し、ニューラ
ルネットワーク外乱補償器の学習を指示する。この時、
ニューラルネットワーク外乱補償器は、観測可能な外乱
d2 および観測不可能な外乱d1 の発生ダイナミク
スの逆特性をプロセス出力xやその状態量yから学習し
、プロセス出力に及ぼす外乱の影響を低減するような補
償操作量udを出力するように調整されていく。
When the transient response state of the system due to the change in the target value r is stabilized and becomes a steady response state, the network learning control device 10 stops learning the NFF compensator and instructs the learning of the neural network disturbance compensator. . At this time,
The neural network disturbance compensator learns the inverse characteristics of the generation dynamics of the observable disturbance d2 and the unobservable disturbance d1 from the process output Adjustments are made so as to output the compensation operation amount ud.

【0035】上記の両ニューラルネットワークの学習は
いずれも逆特性の実現を目指すものであるが、例えばP
a −1はP−1と同様に完全な実現は物理的に不可能
である(系の未来値を必要とする)。このため、目標値
発生装置5の出力する目標値rや外乱d1 ,d2 が
ステップ状に変化したり、急峻な変化をする場合、その
変化に対する完全な追従特性或いは抑制特性の実現を目
指した学習を行うと、ニューラルネットワーク補償器3
,8の学習は、存在しない補償器実現のために過剰な学
習を繰り返すこととなる。
[0035] Both of the above-mentioned neural network learning aims to realize the inverse characteristic, but for example, P
Similar to P-1, a-1 is physically impossible to fully realize (requires future values of the system). Therefore, when the target value r output by the target value generator 5 or the disturbances d1 and d2 change stepwise or sharply, learning is performed with the aim of realizing perfect follow-up characteristics or suppression characteristics for the changes. When you do this, neural network compensator 3
, 8 results in repeated excessive learning to realize a compensator that does not exist.

【0036】このような過剰学習が発生すると、ニュー
ラルネットワーク補償器のフィードフォーワード操作量
が振動的になりプロセス制御装置全体として好ましくな
い摂動が残ることになるため、実用上はそのような状況
になることを回避する必要がある。
[0036] When such overlearning occurs, the feedforward operation amount of the neural network compensator becomes oscillatory, and undesirable perturbations remain in the entire process control device. need to be avoided.

【0037】このために設けられたものが、学習誤差生
成フィルタ11,12である。学習誤差生成フィルタ1
1,12は、それぞれ従来、学習用誤差信号として用い
ていたue を帯域処理した信号ε1 ,ε2 に変換
する機能を果たすもので、ε1 ,ε2 を新たな学習
用誤差信号として結合重み更新量計算部4,9は、それ
ぞれのニューラルネットワーク補償器の学習を行う。こ
こで、学習誤差生成フィルタ11,12のフィルタ特性
は、それぞれのニューラルネットワーク補償器をどのよ
うな帯域で効果的に動作させたいか、によって変わって
くるが、その中で特に代表的なゲイン−周波数特性を図
2、図3に示す。
Learning error generation filters 11 and 12 are provided for this purpose. Learning error generation filter 1
1 and 12 serve to convert ue, which was conventionally used as a learning error signal, into band-processed signals ε1 and ε2, respectively, and use ε1 and ε2 as new learning error signals to calculate the connection weight update amount. Units 4 and 9 perform learning for each neural network compensator. Here, the filter characteristics of the learning error generation filters 11 and 12 vary depending on the band in which each neural network compensator is desired to operate effectively, but among them, the typical gain - The frequency characteristics are shown in FIGS. 2 and 3.

【0038】一般にプロセス系の制御では、アクチュエ
ータの応答特性の限界などのため、無限に速い応答を実
現することは不可能であり、実際に求められる追従性能
にも上限があるのが普通である。このことは、言い換え
れば、ある周波数帯域以上の目標値変化分に追従する必
要はないことを意味する。フィードフォーワード学習誤
差生成フィルタ11に図2に示したような高域遮断特性
をもたせると、NFF補償器3の学習は遮断周波数fB
 以下の周波数帯域成分について行われるため、誤差信
号のfB 以上の周波数成分に対してはNFF補償器3
は不感になる。このため、必要以上の逆特性学習すなわ
ち過剰学習が回避され、全プロセス制御装置の安定な動
作が可能になる。同様に、外乱補償学習誤差生成フィル
タ12に第3図に示すような特定帯域通過フィルタ特性
を持たせると、周波数fc を中心とするfB1≦f≦
fB2の帯域の外乱に対する抑制機能の学習が重点的に
行われるため、主要外乱の周波数帯域がわかっている場
合には効率的に外乱補償器を実現することが可能になる
Generally, in process control, it is impossible to achieve infinitely fast response due to limitations in the response characteristics of actuators, and there is usually an upper limit to the tracking performance actually required. . In other words, this means that there is no need to follow changes in the target value over a certain frequency band. When the feedforward learning error generation filter 11 has a high-frequency cutoff characteristic as shown in FIG.
Since this is performed for the following frequency band components, the NFF compensator 3 is used for frequency components higher than fB of the error signal.
becomes numb. Therefore, unnecessarily reverse characteristic learning, that is, excessive learning is avoided, and stable operation of the entire process control device is possible. Similarly, if the disturbance compensation learning error generation filter 12 is given specific bandpass filter characteristics as shown in FIG.
Since the learning of the suppression function for disturbances in the fB2 band is focused on, it becomes possible to efficiently implement a disturbance compensator when the frequency band of the main disturbance is known.

【0039】以上、本発明の実施例についての詳細な説
明を行ったが、本発明は、上記実施例に限定されるもの
ではなく、上記の直列フィードバック補償器を非線形フ
ィードバック補償器を含む他の様々な補償装置に置き換
えたり、学習誤差生成フィルタ11,12のフィルタ特
性を適切に選択することで、より高度の非線形プロセス
制御を実現する可能性をもつものである。その意味で要
旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することができ
る。
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and the present invention is not limited to the above embodiments. By replacing with various compensation devices or appropriately selecting the filter characteristics of the learning error generation filters 11 and 12, it is possible to realize more advanced nonlinear process control. In that sense, the invention can be modified and implemented as appropriate without departing from the gist.

【0040】尚、本願明細書では各層間を飛び越えるよ
うな結合が存在しないニューラルネットワークについて
説明されているが、入力層から出力層へ、直接、重みを
介して結合するといったような層間を飛び越える結合が
存在しても、上記と同様な方法で学習が可能である。本
発明で組み込まれるニューラルネットワークとしては、
そのような方法も含め、一般的な形態のものが利用可能
である。
[0040]Although this specification describes a neural network in which there is no connection that jumps between layers, there is a connection that jumps between layers such as direct connection from an input layer to an output layer via weights. Even if there is, learning is possible using the same method as above. The neural network incorporated in the present invention includes:
General forms including such methods are available.

【0041】[0041]

【発明の効果】以上の通り、本発明は特許請求の範囲に
記載した通りの非線形プロセス制御装置であるので、従
来制御技術による補償効果を生かしながら、ニューラル
ネットワーク補償器が持つ非線形補償能力を利用し、未
知の非線形プロセスに対する高速・高精度の制御を実現
することができる。特に、ニューラルネットワーク補償
器の学習にあたって、学習用誤差信号を生成するフィル
タ機能を適切に選択することでニューラルネットワーク
補償器の動作帯域を調整し過剰な学習を回避することが
でき、また、系の応答状態によって学習すべきニューラ
ルネットワークを切り替えることで目標追従と外乱抑制
の両機能を効率良くニューラルネットワーク補償器上に
学習実現することが可能となる。
[Effects of the Invention] As described above, since the present invention is a nonlinear process control device as described in the claims, it utilizes the nonlinear compensation ability of the neural network compensator while taking advantage of the compensation effect of conventional control technology. This makes it possible to achieve high-speed, high-precision control of unknown nonlinear processes. In particular, when training a neural network compensator, by appropriately selecting the filter function that generates the learning error signal, the operating band of the neural network compensator can be adjusted and excessive learning can be avoided. By switching the neural network to be learned depending on the response state, it is possible to efficiently learn both the target tracking and disturbance suppression functions on the neural network compensator.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

【図1】本発明の一実施例に係わる非線形プロセス制御
装置の機能ブロック図。
FIG. 1 is a functional block diagram of a nonlinear process control device according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明における学習誤差信号生成フィルタ特性
の一例を示した図。
FIG. 2 is a diagram showing an example of learning error signal generation filter characteristics in the present invention.

【図3】本発明における学習誤差信号生成フィルタ特性
の一例を示した図。
FIG. 3 is a diagram showing an example of learning error signal generation filter characteristics in the present invention.

【図4】従来例のゲインスケジューリング制御装置の構
成を示す機能ブロック図。
FIG. 4 is a functional block diagram showing the configuration of a conventional gain scheduling control device.

【図5】従来例の適応制御装置の構成を示す機能ブロッ
ク図。
FIG. 5 is a functional block diagram showing the configuration of a conventional adaptive control device.

【図6】従来例のニューラルネットワークを用いた制御
系構成を示す機能ブロック図。
FIG. 6 is a functional block diagram showing the configuration of a control system using a conventional neural network.

【図7】ニューラルネットワークの一構成を示す図。FIG. 7 is a diagram showing one configuration of a neural network.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1  非線形プロセス 2  フィードバック誤差補償器 3  ニューラルネットワークフィードフォーワード補
償器 4  結合重み更新量計算部 5  目標値発生装置 6  直列補償器 7  フィードバック補償器 8  ニューラルネットワーク外乱補償器9  結合重
み更新量計算部 10  ネットワーク学習制御装置 11  フィードフォーワード補償学習誤差生成フィル
タ12  外乱補償学習誤差生成フィルタ13  拡大
プロセス系
1 Nonlinear process 2 Feedback error compensator 3 Neural network feedforward compensator 4 Connection weight update amount calculation unit 5 Target value generator 6 Series compensator 7 Feedback compensator 8 Neural network disturbance compensator 9 Connection weight update amount calculation unit 10 Network learning control device 11 Feedforward compensation learning error generation filter 12 Disturbance compensation learning error generation filter 13 Expansion process system

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】非線形特性を有する制御対象プロセスと、
該プロセス出力に対する制御目標値を発生する目標値発
生装置と、該プロセス目標値と前記プロセス出力との偏
差についてゲインスケーリングを施した誤差信号を出力
するフィードバック誤差補償器と、該プロセスのモデリ
ング特性に基づいて前記プロセス目標値に前記プロセス
出力が追従するように設計された第1のプロセス補償器
と、前記フィードバック誤差補償器からの誤差信号を学
習用誤差信号とし、かつ前記制御対象プロセスに前記第
1プロセス補償器で補償を行った系全体を拡大プロセス
系として捕らえたときその拡大プロセス系の特性を示す
パラメータ信号を入力として前記第1補償器への前段フ
ィードフォーワード操作量を出力する多層型ニューラル
ネットワーク装置からなる第2のプロセス補償器とを備
えている非線形プロセス制御装置。
Claim 1: A controlled process having nonlinear characteristics;
a target value generator for generating a control target value for the process output; a feedback error compensator for outputting an error signal subjected to gain scaling for a deviation between the process target value and the process output; a first process compensator designed such that the process output follows the process target value based on the process target value, and an error signal from the feedback error compensator as a learning error signal; When the entire system compensated by one process compensator is captured as an expanded process system, a multilayer type inputs a parameter signal indicating the characteristics of the expanded process system and outputs a pre-stage feedforward manipulated variable to the first compensator. a second process compensator comprising a neural network device.
【請求項2】フィードバック誤差補償器からの誤差信号
を学習用誤差信号とし、かつ前記制御対象プロセスへの
外乱を示すパラメータ信号を入力としてプロセス出力か
ら外乱の影響を相殺するような外乱補償操作量を出力す
る多層型ニューラルネットワーク装置からなる第3のプ
ロセス補償器を備えている請求項1記載の非線形プロセ
ス制御装置。
2. A disturbance compensation operation amount that uses an error signal from a feedback error compensator as a learning error signal, and inputs a parameter signal indicating a disturbance to the controlled process to offset the influence of the disturbance from the process output. 2. The nonlinear process control device according to claim 1, further comprising a third process compensator comprising a multilayer neural network device that outputs.
【請求項3】フィードバック誤差補償器からの誤差信号
が多層型ニューラルネットワーク装置の学習に望ましい
帯域成分を持つようにフィルタリング処理し、その処理
を施した信号を学習用誤差信号として該多層型ニューラ
ルネットワーク装置に与えるフィルタ手段を備えている
請求項1および請求項2のうち何れか1項に記載の非線
形プロセス制御装置。
3. Filtering the error signal from the feedback error compensator so that it has band components desirable for learning of the multilayer neural network device, and using the processed signal as a learning error signal for the multilayer neural network. 3. A nonlinear process control device according to claim 1, further comprising filter means for providing a nonlinear process control device to the device.
【請求項4】プロセス目標値の変化による過渡応答時に
は第1の補償器を構成する多層型ニューラルネットワー
ク装置のみに学習用誤差信号を与え、前記プロセス目標
値の変化のない定常状態時には第2の補償器を構成する
多層型ニューラルネットワーク装置のみに学習用誤差信
号を与えて学習処理を行うニューラルネットワーク装置
を前記過渡応答時と前記定常状態時とで切替え制御する
ネットワーク学習制御装置を備えている請求項3記載の
非線形プロセス制御装置。
4. During a transient response caused by a change in the process target value, a learning error signal is provided only to the multilayer neural network device constituting the first compensator, and in a steady state where the process target value does not change, the learning error signal is applied to the second compensator. A claim comprising a network learning control device that switches and controls a neural network device that performs learning processing by giving a learning error signal only to a multilayer neural network device constituting a compensator, between the transient response time and the steady state state. Item 3. The nonlinear process control device according to item 3.
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