JPH0433102A - Model prediction controller - Google Patents

Model prediction controller

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JPH0433102A
JPH0433102A JP13854190A JP13854190A JPH0433102A JP H0433102 A JPH0433102 A JP H0433102A JP 13854190 A JP13854190 A JP 13854190A JP 13854190 A JP13854190 A JP 13854190A JP H0433102 A JPH0433102 A JP H0433102A
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evaluation function
control
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Minoru Iino
穣 飯野
Junko Oya
大矢 純子
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

PURPOSE:To start a controller in a short time by providing an evaluation function parameter control means which calculates a stable allowance from the frequency response of a open-loop transfer function in a control system and which decides a stable allowance condition so that it is satisfied. CONSTITUTION:In the control system 11, a manipulated variable (u) for making the controlled variable (y) of a plant 13 to follow a target value is calculated by a model prediction controller 17. A test signal generation means 25 generates a test signal and inputs it to the plant 13. The manipulated variable (u) and the controlled variable (y) are inputted to a dynamice characteristic model estimation means 23 and a dynamice characteirstic model is estimated. The evaluation function parameter control means 2 decides the parameter of an appropriate function from the stable allowance condition which a stable allowance setting means 19 sets and the control constant of the model prediction controller 17 is adjuted. The control system always hold sufficient stability with such constitution and model prediction control persistent to a model difference can be executed.

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、制御対象の動特性モデルに基づいて制御応答
の未来の動きを予測し、この予測を考慮しながら操作量
を算出して制御対象を制御するモデル予測制御装置に関
する。
[Detailed Description of the Invention] [Objective of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention predicts the future movement of a control response based on a dynamic characteristic model of a controlled object, and adjusts the manipulated variable while taking this prediction into consideration. The present invention relates to a model predictive control device that calculates and controls a controlled object.

(従来の技術) 近年、プロセス制御の分野で、モデル予測制御装置がし
ばしば用いられている。このモデル制御では以下の特徴
が指摘されている。
(Prior Art) In recent years, model predictive control devices have often been used in the field of process control. The following characteristics have been pointed out in this model control.

■無駄時間の長いプロセスに対し安定した制御応答を実
現出来る。
■Achieves stable control response for processes with long dead time.

■未来目標値を用いたフィードフォワード制御で追従性
を改善出来る。
■Followability can be improved by feedforward control using future target values.

■多変数御系にも適用可能である。■It can also be applied to multivariable control systems.

■制御対象の正確な動特性モデルを必要とせず、例えば
ステップ応答から、制御系を容易に設計出来る。
■Control systems can be easily designed from step responses, for example, without requiring an accurate dynamic characteristic model of the controlled object.

■予測モデルに制御対象(プラント)の物理的法則や非
線形特性を含めることにより、きめの細かい制御が期待
出来る。
■By including the physical laws and nonlinear characteristics of the controlled object (plant) in the prediction model, fine-grained control can be expected.

■制御対象の運転に関する制約条件(例えば、上下限リ
ミッタ、変化率リミッタなど)を制御則に直接入れられ
る。
■Constraint conditions related to the operation of the controlled object (for example, upper and lower limiters, rate of change limiters, etc.) can be directly included in the control law.

これまでに、数多くの予測制御方式が提案されてきた。Many predictive control methods have been proposed so far.

これらは例えば ■西谷:モデル予測制御の応用、計測と制御Vol 。These are for example ■Nishitani: Application of Model Predictive Control, Measurement and Control Vol.

28、NO,pl)、99B−1004(1989)I
I D、V、CIarke& C,Mohtadl:P
roperties of Generallzed 
Predietlve Control、Autosa
tiea 25−8pp、859 (1989) などに解説されている。特に上記文献■では、多種のモ
デル予測制御方式を包含した一般化予測制御(Gene
ralized Predlctive Contro
l: G P C)が提案されている。
28, NO, pl), 99B-1004 (1989) I
ID, V, CIarke & C, Mohtadl: P
properties of generalized
Predietlve Control, Autosa
25-8pp, 859 (1989), etc. In particular, in the above document ■, generalized predictive control (Generic predictive control) that includes various model predictive control methods
ralized Predlctive Contro
1: GPC) has been proposed.

これは、未来目標値y1が与えらたとき、制御対象(プ
ロセス)のモデルに基づいて制御応答未来値yを予測し
、制御性能を表す評価関数J=Σ(D (z−’) (
y (k+ i )−y’″(k−!−1)))”十λ
Σ(Δu (k+i−1> )” を最小化する操作量増分Δu (k)を求める方式(発
明が解決しようとする課題) 以下に従来のモデル予測制御装置の課題について説明す
る。
This predicts the control response future value y based on the model of the controlled object (process) when the future target value y1 is given, and calculates the evaluation function J=Σ(D (z-') (
y (k+ i)-y'''(k-!-1)))"10λ
Method for determining the manipulated variable increment Δu (k) that minimizes Σ(Δu (k+i−1>)” (Problems to be Solved by the Invention) Problems of the conventional model predictive control device will be described below.

第1に、モデル予測制御装置の制御ノくラメータを求め
るには、制御対象の動特性モデルが必要である。特にあ
る種類のモデル予測制御方式(資料■参照)では、制御
対象の動特性モデルとしてステップ応答を測定すること
が必要になる。
First, in order to obtain the control parameters of the model predictive control device, a dynamic characteristic model of the controlled object is required. In particular, in certain types of model predictive control methods (see Material ①), it is necessary to measure the step response as a dynamic characteristic model of the controlled object.

ところが、実際のプラントでは、制御応答は外乱で乱さ
れており、プラントを長時間にわたり開ループ状態に放
置するのは危険であることから、制御対象のステップ応
答を正確なモデルの推定のために十分整定するまでの長
時間に渡り測定することは困難である。また、運転条件
や時間によって動特性が変化するプラントでは、長時間
の制御応答データの測定中に特性が変化してしてしまう
という問題があった。
However, in an actual plant, the control response is disturbed by disturbances, and it is dangerous to leave the plant in an open loop state for a long time. Therefore, in order to estimate the step response of the controlled object to an accurate model, It is difficult to measure over a long period of time until it has sufficiently stabilized. Furthermore, in plants whose dynamic characteristics change depending on operating conditions and time, there is a problem in that the characteristics change during long-term measurement of control response data.

第2に、モデル予測制御では、上述の評価関数に含まれ
る評価関数パラメータである。予測開始長し、予測長N
p、制御長Nu、重み係数λ、閉ループ極配置多項式D
(z−’)の選び方により制御系の特性、安定性が大き
く変わるため、制御装置の始動時にはそれらを適切に調
節(チューニング)する必要がある。
Secondly, in model predictive control, it is an evaluation function parameter included in the above-mentioned evaluation function. Prediction start length, prediction length N
p, control length Nu, weighting coefficient λ, closed loop pole placement polynomial D
Since the characteristics and stability of the control system vary greatly depending on how (z-') is selected, it is necessary to appropriately adjust (tune) them when starting the control device.

ところが、第6図に示されるような制御系1を制御する
従来のモデル予測制御装置3では、これらの評価関数パ
ラメータは、操作員が試行錯誤的に評価関数パラメータ
入力手段7からモデル制御予測器4へ評価関数パラメー
タを与えていた。
However, in the conventional model predictive control device 3 that controls the control system 1 as shown in FIG. The evaluation function parameters were given to 4.

しかしながら、パラメータと制御特性の関係が明らかで
なく、制御系が十分安定になるように調整するのに手間
を必要とし、この結果制御装置の起動に時間を要してい
た。
However, the relationship between parameters and control characteristics is not clear, and it takes time to adjust the control system so that it is sufficiently stable, and as a result, it takes time to start up the control device.

これに対し制御系1にとって最も重要な安定性を確保す
るために、制御系1の極配置を調べながら評価関数パラ
メータを調整する方法が提案されている(例えば、■藤
原:適応制御の安定化手法、システムと制御 Vol、
32.NO,3,pp、189−198(1988)参
照)。
On the other hand, in order to ensure the most important stability for control system 1, a method has been proposed in which the evaluation function parameters are adjusted while examining the pole arrangement of control system 1 (for example, ■Fujiwara: Stabilization of adaptive control Methods, Systems and Control Vol.
32. No. 3, pp. 189-198 (1988)).

しかし、制御系の極を正確に求めるには、制御対象の正
確な動特性モデルが必要である。上述の第1の理由から
極が正確に求まらず、実用的ではなかった。
However, in order to accurately determine the poles of a control system, an accurate dynamic characteristic model of the controlled object is required. For the first reason mentioned above, the poles could not be determined accurately, making this method impractical.

本発明は上記事実を考慮し、長時間かけてステップ応答
などの制御応答データを測定する必要がなく、しかも安
全な制御装置をパラメータの思考錯誤調整をなしで容易
かつ早く起動することが8来るモデル予測制御装置を提
供することが目的である。
In consideration of the above facts, the present invention eliminates the need to measure control response data such as step response over a long period of time, and enables a safe control device to be activated easily and quickly without the need for thought-and-error adjustment of parameters8. The purpose is to provide a model predictive control device.

[発明の構成] (課題を解決するための手段) 上記目的を達成するため請求項(1)記載の発明では、
制御対象を制御するための制御系の一巡伝達関数の周波
数応答から安定余裕を算出し、前記評価関数に含まれる
パラメータを、あらかじめ設定した安定余裕条件が満た
されるように決定する評価関数パタメータ調節手段を設
けたことを特徴としている。
[Structure of the invention] (Means for solving the problem) In order to achieve the above object, the invention described in claim (1) provides the following:
Evaluation function parameter adjustment means that calculates a stability margin from the frequency response of a open loop transfer function of a control system for controlling a controlled object, and determines parameters included in the evaluation function so that a preset stability margin condition is satisfied. It is characterized by having the following.

また、請求項(2)記載の発明では、制御対象のステッ
プ応答の立ち上がりのデータから特異値分解法に基づく
最小実現法による動特性モデル推定手段を設けたことを
特徴としている。
Furthermore, the invention as set forth in claim (2) is characterized in that a dynamic characteristic model estimation means is provided using a minimum realization method based on a singular value decomposition method from data on the rise of a step response of a controlled object.

(作用) 請求項(1)記載の発明によれば、評価関数パラメータ
調節手段は、制御系の安定性を確保するため、制御系の
一巡伝達関数の周波数応答から、ゲイン余裕、位相余裕
などの予め指定した安定余裕に関する条件を調べながら
、これらの条件を満たすような評価関数パラメータを自
動的に決定し、それに基づいてモデル予測制御装置の制
御定数を決定する。
(Function) According to the invention set forth in claim (1), the evaluation function parameter adjusting means calculates gain margin, phase margin, etc. from the frequency response of the open loop transfer function of the control system in order to ensure the stability of the control system. While examining conditions related to a stability margin specified in advance, evaluation function parameters that satisfy these conditions are automatically determined, and control constants of the model predictive control device are determined based on the evaluation function parameters.

具体的には、上述の評価関数パラメータのうち、予測長
Np、予測開始長し、制御長N u sは制御対象の次
数nに基づき決定する。他の重み係数λ、閉ループ極配
置多項式は制御系の安定性に大きく影響するため、モデ
ル予測制御系の一巡伝達関数を求め、その周波数応答が
指定した安定余裕(ゲイン余裕GM、位相余裕PM、安
定余裕しきい値ε、1)を持つように重み係数と閉ルー
プ極配置多項式を特徴する 請求項(2)の発明の発明によれば、動特性モデル推定
手段では、制御対象の短いステップ応答からインパルス
を求め、特異値分解法を用いた最小実現法により離散時
間状態空間モデルを推定した上で動特性モデル(離散時
間伝達関数)を推定する。
Specifically, among the above-mentioned evaluation function parameters, the prediction length Np, the prediction start length, and the control length N u s are determined based on the order n of the controlled object. Since the other weighting coefficients λ and the closed-loop pole placement polynomial greatly affect the stability of the control system, the open-loop transfer function of the model predictive control system is determined, and its frequency response is determined by the specified stability margins (gain margin GM, phase margin PM, According to the invention of claim (2), wherein the weighting coefficient and the closed-loop pole placement polynomial are characterized in that the stability margin threshold ε, 1) is obtained, the dynamic characteristic model estimating means calculates the After finding the impulse and estimating the discrete-time state space model using the minimum realization method using the singular value decomposition method, the dynamic characteristic model (discrete-time transfer function) is estimated.

特異値分解法を用いれば、制御対象の適切な次数を自動
的に決定することが出来、短いデータから制御対象の中
間周波数帯域(カットオフ周波数帯域)の周波数特性を
精度良く表現した動特性モデルが推定出来る。
By using the singular value decomposition method, the appropriate order of the controlled object can be automatically determined, and a dynamic characteristic model that accurately expresses the frequency characteristics of the intermediate frequency band (cutoff frequency band) of the controlled object can be created from short data. can be estimated.

従って、特異値分解法による最小実現法を用いて、動特
性モデルを推定するため、短いステップ応答からでも制
御対象の動特性モデルが推定でき、ステップ応答を整定
時間まで測定することか出来ない時も適用できる。
Therefore, since the dynamic characteristic model is estimated using the minimum realization method using the singular value decomposition method, the dynamic characteristic model of the controlled object can be estimated even from a short step response, and when it is not possible to measure the step response until the settling time. can also be applied.

また、このようにしてステップ応答の立ち上がり部分だ
けの短いデータから推定した動特性モデルは、完全に正
確なものではないが、プロセスの中間周波数(カットオ
フ周波数)特性は正確に表現されている。
Further, although the dynamic characteristic model estimated from short data of only the rising portion of the step response is not completely accurate, it accurately represents the intermediate frequency (cutoff frequency) characteristics of the process.

このモデルを用いて制御系の一巡伝達関数の周波数応答
を確認しながら、安全余裕を満たすように評価関数パラ
メータの調整を行うので、制御系の極配置を調べる方法
と比較して、制御系の安定度を精度良く評価することが
出来る。これによりモデル誤差に頑強(ロバスト)で十
分に安定なモデル予測制御系が実現できる。
This model is used to check the frequency response of the control system's open-loop transfer function while adjusting the evaluation function parameters to satisfy the safety margin. Stability can be evaluated with high accuracy. This makes it possible to realize a model predictive control system that is robust to model errors and sufficiently stable.

(実施例) 次に本発明に係るモデル予測制御装置の実施例について
第1図乃至第5図を用いて説明する。
(Example) Next, an example of the model predictive control device according to the present invention will be described using FIGS. 1 to 5.

第1図はモデル予測制御装置115が適用された制御系
11の構成を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a control system 11 to which a model predictive control device 115 is applied.

第1図に示されるように、モデル予測制御装置15は、
モデル予測制御器17と、安定余裕設定手段19と、評
価関数パラメータ調節手段21と、動特性モデル推定手
段23と、試験信号発生手段25と、で構成されている
As shown in FIG. 1, the model predictive control device 15:
It is composed of a model predictive controller 17, a stability margin setting means 19, an evaluation function parameter adjusting means 21, a dynamic characteristic model estimating means 23, and a test signal generating means 25.

このように構成された制御系11ては、プラント13の
制御量yを目標値y1に追従させるための操作量Uはモ
デル予測制御器17により算出される。試験信号発生手
段25は試験信号を発生してプラント13へ入力する。
In the control system 11 configured in this manner, the manipulated variable U for causing the controlled variable y of the plant 13 to follow the target value y1 is calculated by the model predictive controller 17. The test signal generating means 25 generates a test signal and inputs it to the plant 13.

動特性モデル推定手段23には操作量U及び制御量yが
入力されて動特性モデルを推定する。また安定余裕設定
手段19で設定した安定余裕条件から、評価関数パラメ
ータ調節手段21て、適切な評価関数のパラメータを決
定し、モデル予測制御器17の制御定数を調整する。
The manipulated variable U and the controlled variable y are input to the dynamic characteristic model estimating means 23, and a dynamic characteristic model is estimated. Further, based on the stability margin conditions set by the stability margin setting means 19, the evaluation function parameter adjustment means 21 determines appropriate evaluation function parameters and adjusts the control constants of the model predictive controller 17.

くモデル予測制御器17〉 モデル予測制御器17の始動時に試験信号発生手段25
からステップ信号、または、その他の信号が発生し、操
作量Uに加えられる。このとき、制御系11が開ループ
状態でステップ信号を加えた場合ならプラント13のス
テップ応答(S+s2、    82N)を測定する。
Model predictive controller 17 > Test signal generating means 25 when starting the model predictive controller 17
A step signal or other signal is generated from and added to the manipulated variable U. At this time, if the step signal is applied to the control system 11 in an open loop state, the step response (S+s2, 82N) of the plant 13 is measured.

その他の場合は、プラントの入出力応答y (k)  
 u (k)を測定する。
Otherwise, the input/output response of the plant y (k)
Measure u (k).

轡 〈動特性モデル推定手段23〉 (i)ステップ応答からインパルス応答h1(i−1,
2、・2N)を り、ms。
<Dynamic characteristic model estimation means 23> (i) Impulse response h1 (i-1,
2,・2N), ms.

h 1 =S + −81−+ で求める。又は、 (i i)プラントの入出力応答からインパルス応答モ
デル y (k) =hx u (k−1>+hz u (k
−2) +−−−十b2Ilu (k−2N)を最小2
乗法で推定する。
It is determined by h 1 =S + -81-+. Or, (i i) Impulse response model y (k) = hx u (k-1>+hz u (k
-2) +----1 b2Ilu (k-2N) at least 2
Estimate by multiplication.

(最小2乗法は、例えば計測自動制御学会編学術図書「
システム同定」参照)のいずれかによりプロセスのイン
パルス応答を推定する。次にインパルス応答からバンケ
ル行列 その特性値σからプラント動特性モデルの次数nで決定
する。さらに、最小実現アルゴリズムにより状態空間モ
デル X k+)  =   A X *  + B、u k
yi   w   Cx*  +Dumを A−Σ−”2U”  H2V”  Σ−1/2B−4−
1”V  [10−−0]  ”C−[10・ ・ ・
 ・ 0]UΣI/2D−ho   (一般にはO) ただし、 Σ鱈旧ag(σ1 ・中・σ。) UはUのはじめのn列からなる行列 VはVのはじめのn行からなる行列 を求め、それを特異値分解し、 H,=Lldjag (σ、・・・σ、・・・σ、)V
’NWN                     
IIIINにより求め、プロセスモデルを B (z−’)/A (z−’) =C(z I−A)
 −’B+Dにより決定する。
(The least squares method is used, for example, in the academic book edited by the Society of Instrument and Control Engineers.
Estimate the impulse response of the process (see ``System Identification''). Next, the order n of the plant dynamic characteristic model is determined from the Wankel matrix from the impulse response and its characteristic value σ. Furthermore, the state space model X k+) = A X * + B, u k
yi w Cx* +Dum A-Σ-"2U"H2V" Σ-1/2B-4-
1”V [10--0]”C-[10・ ・ ・
・0]UΣI/2D-ho (generally O) However, Σcod old ag (σ1 ・medium・σ.) U is a matrix consisting of the first n columns of U V is a matrix consisting of the first n rows of V Find it, decompose it into singular values, and get H,=Lldjag (σ,...σ,...σ,)V
'NWN
IIIN, and the process model is B (z-')/A (z-') = C(z I-A)
−' Determined by B+D.

プロセスがむだ時間を持つ場合は、むだ時間dを d−max  (i  ;   hi   ≦ 1− 
ε )(しきい値εは例えば0.1) で決定し、インパルス応答のはじめのd個を無視してそ
の後の部分を用いる。また得られたプロセスモデルB(
z−’)に以下のようにむだ時間2を含める。
If the process has dead time, the dead time d is d-max (i; hi ≦ 1-
ε ) (threshold value ε is, for example, 0.1), and the first d impulse responses are ignored and the subsequent parts are used. In addition, the obtained process model B (
z-') includes dead time 2 as shown below.

B (z−’)  −B (z−’) x zこのよう
にしてプラントの動特性モデルA (z−’)−1十a
、z−’+−・−+a、z−’B  (z−’)−b。
B (z-') -B (z-') x zIn this way, the dynamic characteristics model of the plant A (z-')-10a
, z-'+-・-+a, z-'B (z-')-b.

+b、  Z−’+−bm  zが得られる。このモデ
ルからu (k)−1(K−1,2,3・)を順次代入
することによりステップ応答を観測された長さ以上にい
くらでも長く求めることが出来る。同様にu(1)=1
、u (k)−0(k−2,3−)を代入することによ
りインパルス応答をいくらでも長く求めることが出来る
+b, Z-'+-bm z are obtained. By sequentially substituting u (k)-1 (K-1, 2, 3.) from this model, the step response can be determined to be any longer than the observed length. Similarly, u(1)=1
, u (k)-0(k-2,3-), the impulse response can be obtained as long as desired.

く評価関数パラメータ調節手段21〉 評価関数パラメータ調節手段21ては、制御仕様を表す
評価関数 J=Σ(D(z−’) (y(k+i) −y’ (k
+iH1’+λΣ(Δu (k+1−1) )” に含まれる評価パラメータ、予測長Np、予測開始長し
、制御長Nu、重ろ係数λ、閉ループ極配置多項式D(
z’−’)を次のように決定する。
Evaluation function parameter adjustment means 21> The evaluation function parameter adjustment means 21 calculates an evaluation function J=Σ(D(z−') (y(k+i) −y' (k
+iH1'+λΣ(Δu (k+1-1))" include the evaluation parameters, prediction length Np, prediction start length, control length Nu, weighting coefficient λ, closed loop pole placement polynomial D(
z'−') is determined as follows.

■予測長Npの決定 Np−2n または、NpmrRin  (k;s、≧(ステップ応
答最終値×90%) (ステップ応答S、は動特性モデルから算出したちの) または、Np−k  ただし、h、はインパルス応答の
ピーク値(インパルス応答り、は動特性モデルから算出
したもの) ■予測開始長しの決定 −d または、L=n または、L−1 ■制御長Nuの決定 Nu■n または、N u −rankG これは、行列 を特異値分解し G−U diag(cy、   * (7t   * 
cr、、l V”その特異値σから rankG=mtn  (k: Σσ直/Σσ−≧1−
ε)(しきい値εは例えば0.1) により決定する。
■Determination of predicted length NpNp-2n Or, NpmrRin (k; s, ≧ (step response final value x 90%) (Step response S, calculated from the dynamic characteristic model) Or, Np-k However, h , is the peak value of the impulse response (Impulse response is calculated from the dynamic characteristic model) ■Determination of the prediction start length -d Or, L=n Or, L-1 ■Determination of the control length Nu■n Or , N u -rankG This performs singular value decomposition of the matrix and G-U diag(cy, * (7t *
cr,,l V” rankG=mtn from its singular value σ (k: Σσ direct/Σσ−≧1−
ε) (threshold ε is, for example, 0.1).

■重み係数λ初期値の決定 λ−ε〉0、(例えばε−0,01) ■閉ループ極配置多項式D(z−’)の初期値の決定 D(z−”)−1で固定 または、 D(z−’)−1−ρ 2 (例えばρ“0.01) ここで、ρは制御系のダンピング特性を指定するのもの
で、ρが1.0に近づくほど、減衰の遅い制御系になる
■Determination of initial value of weighting coefficient λ λ-ε〉0, (e.g. ε-0,01) ■Determination of initial value of closed-loop pole placement polynomial D(z-') Fixed at D(z-'')-1 or, D(z-')-1-ρ 2 (for example, ρ "0.01") Here, ρ specifies the damping characteristics of the control system, and the closer ρ is to 1.0, the slower the damping of the control system. become.

■重み係数λ、または、閉ループ極配置多項式%式%) 上記■〜■により決定した評価関数パラメータ予測長N
p、予測開始長し1制御長Nu及び重み係数λ、閉ルー
プ極配置多項式D(z−’)の初期値に基づき、モデル
予測制御パラメータを設計する。(設計法は後述する) 次にその制御系の一巡伝達関数L(z−’)を算出し、
その周波数応答L (exp(−jωτ))を求める。
■Weighting coefficient λ or closed loop pole placement polynomial % expression %) Evaluation function parameter predicted length N determined by above ■~■
Model prediction control parameters are designed based on p, prediction start length 1 control length Nu, weighting coefficient λ, and initial values of closed loop pole placement polynomial D(z-'). (The design method will be described later.) Next, calculate the open-loop transfer function L(z-') of the control system,
Its frequency response L (exp(-jωτ)) is determined.

なお、安定余裕設定手段19では、安定余裕に関する以
下のパラメータを操作員が予め設定したおき、評価関数
パラメータ調節手段21へ伝達する。
In addition, in the stability margin setting means 19, the following parameters related to the stability margin are set in advance by the operator, and transmitted to the evaluation function parameter adjustment means 21.

ゲイン余裕G、、*   [dB] 位相余裕 PM*   [度〕 安定余裕しきい値  ε1.(通常0.5〜0.7)次
に周波数応答L (exp(−jωτ))(τはサンプ
リング周期、角周波数ωは[0,π/τ]の範囲)に対
し、以下の条件をチエツクする。
Gain margin G,,* [dB] Phase margin PM* [degrees] Stability margin threshold ε1. (Usually 0.5 to 0.7) Next, check the following conditions for the frequency response L (exp(-jωτ)) (τ is the sampling period, and the angular frequency ω is in the range of [0, π/τ]). do.

(Jl)ゲイン余裕G M −−201oglL(ex
p(−jωr )≧GM* (b)位相余裕P +、l = L (exp(−jω
r ))+ 180 ’≧PM (C)感度関数ピーク値 S 、、、 −maxi/(L+L (exp(’jc
+、+ r ))≦ε1.。
(Jl) Gain margin GM --201oglL (ex
p(-jωr)≧GM* (b) Phase margin P+, l = L (exp(-jω
r )) + 180'≧PM (C) Sensitivity function peak value S ,,, -maxi/(L+L (exp('jc
+, + r ))≦ε1. .

なお、第4図に周波数応答L (exp(−jωτ))
のナイキスト線図(ベクトル軌跡)とゲイン余裕Gλ喧
、位相余裕PM、安定余裕しきい値と+、、Inの関係
を示す。特に安定余裕しきい値ε1oはナイキスト軌跡
りの点(−1,0)からの許容最短距離に相当する。周
波数応答L (exp(−jωτ))が以上の安定余裕
条件(a)、(b)、(CGを全て満たしていたらその
ときの重み係数λ、閉じループ極配置多項式D(z−’
)をそのまま固定する。安定余裕を満たさないときは、 λ−λ×1.01 または、 ρ−0,01+0.99Xρ のいずれか、あるいは両方の処理を行い、ふたたび■の
処理を始めからやり直す。
In addition, the frequency response L (exp(-jωτ)) is shown in Fig. 4.
The relationship between the Nyquist diagram (vector locus), the gain margin Gλ, the phase margin PM, the stability margin threshold value, and In is shown. In particular, the stability margin threshold ε1o corresponds to the shortest allowable distance from the point (-1, 0) on the Nyquist trajectory. If the frequency response L (exp(-jωτ)) satisfies all of the above stability margin conditions (a), (b), (CG, then the weighting coefficient λ, the closed loop pole placement polynomial D(z-'
) is fixed as is. If the stability margin is not satisfied, process either λ-λ×1.01 or ρ-0,01+0.99Xρ, or both, and then repeat the process from the beginning.

以上のようにして重み係数λ、閉ループ極配置多項式D
(z’)は制御系が指定した安定余裕を満たすまで繰り
返し調整される。
As described above, the weighting coefficient λ, the closed loop pole placement polynomial D
(z') is repeatedly adjusted until the control system satisfies the specified stability margin.

次に、評価関数パラメータ調節手段21の中で処理され
るモデル予測制御パラメータの算出方法及び−巡伝達関
数の算出方法について説明する。
Next, a method of calculating model predictive control parameters and a method of calculating a -cyclic transfer function processed in the evaluation function parameter adjusting means 21 will be explained.

プラント13の動特性モデル ALZ’ノ A (z−’)−1+a+ z−’+−allzB  
(Z−’)−b。+ blz −’ + b m  z
が与えられたとき、評価関数 J=Σ(D(z−’)(y(k+1)−3/”  <k
十1)))”+λΣ(Δu (k+1−1) )’ を最小にする操作量u(k)、その増分Δu (k)は
以下の式で算出される。
Dynamic characteristic model of plant 13 ALZ'noA (z-')-1+a+ z-'+-allzB
(Z-')-b. + blz −' + b m z
is given, the evaluation function J=Σ(D(z-')(y(k+1)-3/"<k
11)))"+λΣ(Δu (k+1-1) )' and its increment Δu (k) are calculated by the following formula.

マス、j−1〜Npについて、次の方程式(これをDl
ophant ine方程式という)を解き、D (z
−’) =EJ  (z−J (1−z−’) A (
z−”) 十Z−’FJ  (z−”)多項式 E j
  (z−’)(j−1次モニ・ツク)、F j (z
−’)  (n次) B (z−’) E j (z−’) −Hj(Z−’) 一Σh z z −’ (a++j−1次)を求める。
For the mass, j-1 to Np, the following equation (this can be expressed as Dl
D (referred to as the ophant ine equation) and D
-') =EJ (z-J (1-z-') A (
z−”) 10Z−’FJ (z−”) polynomial E j
(z-') (j-1st order monitor), F j (z
-') (nth order) B (z-') E j (z-') -Hj (Z-') 1Σh z z -' (a++j-1st order) is determined.

この結果、制御則は Au−g” tD(z−’) y’″−F (z−’)
 y (k) −H(z−’) u (k−4) )と
なる。ただし、 y” −[y’″(k+1)・・・y ” (k+Np
)]丁F  (z−’)=  [F +  (z−’)
  ・・FNp(z−’)]  TH(z −’)  
−[H+  (z  ’)  ”’HNp (z−’)
 ]  ”g”−(G”G+λI)−1G”の−行目、
ただしくS+は動特性モデルから算出したステップ応答
)(実際にはGを特異値分解し、 G=U  diag(al =・cy* ”’(7%p
l yT(v”はVのはじめのNu行からなる行列で計
算出来る。) 次にこのようにして得られたモデル予測制御パラメータ
g”  F (z−’) 、H(z−’)から−巡伝達
関数を計算する。モデル予測制御系は第3図に示した等
価ブロック線図で表現できる。従って一巡伝達関数は次
式となる B (Z−’) z−’g’ F (z−’)よって−
巡伝達関数の周波数応答はL (eu)(−jωτ))
となる。
As a result, the control law is Au-g" tD (z-') y'"-F (z-')
y (k) −H(z−′) u (k−4) ). However, y" - [y'"(k+1)...y" (k+Np
)] Ding F (z-') = [F + (z-')
...FNp(z-')] TH(z-')
-[H+ (z') ”'HNp (z-')
] "g"-(G"G+λI)-1G" -th line,
However, S+ is the step response calculated from the dynamic characteristic model) (Actually, by singular value decomposition of G,
l yT (v" can be calculated using a matrix consisting of the first Nu rows of V.) Next, from the model predictive control parameters g" F (z-') and H (z-') obtained in this way - Calculate the circular transfer function. The model predictive control system can be expressed by the equivalent block diagram shown in FIG. Therefore, the round transfer function is as follows: B (Z-') z-'g' F (z-') Therefore, -
The frequency response of the circular transfer function is L (eu)(-jωτ))
becomes.

次に本実施例の作用について第2図に示されるフローチ
ャートに従い説明する。
Next, the operation of this embodiment will be explained according to the flowchart shown in FIG.

ステップ101でプラント13の入出力応答データが観
測される。ここでは試験信号発生手段が試験信号を発生
して、操作量Uに加えられ、この出力応答3/ (k)
 、u (k)が観測される。
In step 101, input/output response data of the plant 13 is observed. Here, the test signal generating means generates a test signal, which is added to the manipulated variable U, and this output response 3/ (k)
, u (k) are observed.

ステップ103では、動特性モデル推定手段23によっ
て、インパルス応答が求められ、ステ、ンプ105で動
特性モデルが推定される。
In step 103, the dynamic characteristic model estimating means 23 calculates an impulse response, and the step 105 estimates the dynamic characteristic model.

ステップ107では評価関数パラメータ調節手段21が
、前述した■〜■によりパラメータを決定する。その後
、ステップ10って制御系11の一巡伝達関数L(z−
Jを算出し、その周波数応答L (exp(−jωτ)
)を求める。ステップ111では安定余裕が算出され、
ステップ113でこの安定余裕があらかじめ設定された
所望の安定余裕を満たすか否かが判断される。
In step 107, the evaluation function parameter adjusting means 21 determines the parameters according to the above-mentioned methods. After that, in step 10, the one-loop transfer function L(z-
J and its frequency response L (exp(-jωτ)
). In step 111, the stability margin is calculated,
In step 113, it is determined whether this stability margin satisfies a desired stability margin set in advance.

所望の安定余裕を満たしていない場合にはステップ10
7から以下が繰り返し実行される。そして所望の安定余
裕を満たしている場合には終了する。
If the desired stability margin is not met, step 10
From 7 onwards, the following steps are repeated. Then, if the desired stability margin is satisfied, the process ends.

次に本発明に係るモデル予測制御装置15の実際の数値
例を示す 次式で示されるプロセスのステ・ツブ応答(サンプリン
グ周期 0.1sec)を測定し、本実施例の上記モデ
ル予測制御装置により、動特性モデルを推定し、評価関
数パラメータを調節(チューニング)した。
Next, the step response (sampling period: 0.1 sec) of the process shown by the following equation showing an actual numerical example of the model predictive control device 15 according to the present invention was measured, and the model predictive control device 15 according to the present embodiment , the dynamic characteristic model was estimated, and the evaluation function parameters were adjusted (tuned).

安定余裕条件としてGx+−8dB以上、PM−50’
以上、ε、。−0,6を与えたとき、評価関数パラメー
タは、 p−10 u−5 D(z−’) λ −1,60 と調整された。調整前後の制御系の制御応答が第5図に
示されている。第5図に示されるように調整前(λ−0
,1)は過大であった操作量の動きがλの調整により緩
やかになり、制御量のオーバーシュートも少なくなった
。安定余裕もゲイン余裕G1.は5.03から9.09
に、移送余裕PMは89.2@から51.4°に増えた
。その結果、十分な安定性を保ち、プラントの特性変動
に影響されにくいロバストなモデル予測制御系が実現で
きた。
Stability margin conditions are Gx+-8dB or more, PM-50'
Above, ε. -0.6, the evaluation function parameter was adjusted to p-10 u-5 D(z-') λ -1,60. The control response of the control system before and after adjustment is shown in FIG. As shown in Figure 5, before adjustment (λ-0
, 1), the movement of the manipulated variable, which was excessive, became gentler due to the adjustment of λ, and the overshoot of the controlled variable was reduced. The stability margin is also the gain margin G1. is 5.03 to 9.09
In addition, the transfer margin PM increased from 89.2° to 51.4°. As a result, we have achieved a robust model predictive control system that maintains sufficient stability and is less susceptible to fluctuations in plant characteristics.

なお、本実施例では、動特性モデル推定手段によって推
定された動特性に基づいて評価関数パラメータ調節手段
でパラメータを調節したが、これに限らず、動特性モデ
ルが予め判っている場合には、動特性モデル推定手段を
用いなくても良。
In this embodiment, the parameters are adjusted by the evaluation function parameter adjusting means based on the dynamic characteristics estimated by the dynamic characteristic model estimating means. However, the present invention is not limited to this, and if the dynamic characteristic model is known in advance, There is no need to use dynamic characteristic model estimation means.

さらには、安定余裕設定手段と評価関数パラメータ調節
手段とを一体としても良い。
Furthermore, the stability margin setting means and the evaluation function parameter adjustment means may be integrated.

また、試験信号発生手段と動特性モデル推定手段を一体
としても良い。
Further, the test signal generation means and the dynamic characteristic model estimation means may be integrated.

[発明の効果] 以上説明したように本発明に係るモデル予測制御装置は
、適切な調節が困難であった評価関数のパラメータを、
予め指定した安定性余裕条件を満たすように自動的に調
節できので、常に制御系は十分な安定性を保ち、プラン
トの特性変動に影響されに<<、モデル誤差に頑強(ロ
バスト)なモデル予測制御が可能となる効果が得られる
[Effects of the Invention] As explained above, the model predictive control device according to the present invention can adjust the parameters of the evaluation function, which have been difficult to adjust appropriately.
Since the control system can be automatically adjusted to satisfy pre-specified stability margin conditions, the control system always maintains sufficient stability, is unaffected by fluctuations in plant characteristics, and model predictions are robust to model errors. The effect of enabling control can be obtained.

また、プラントの短いステップ応答から動特性モデルを
推定する機能を持つので、長い時間かけてステップ応答
など制御応答データを測定する必要がなく、制御装置を
短時間で容易に起動することが出来るという優れた効果
が得られる。
In addition, it has a function to estimate a dynamic characteristic model from short step responses of the plant, so there is no need to spend a long time measuring control response data such as step responses, and the control equipment can be started up easily in a short time. Excellent effects can be obtained.

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

第1図は本発明に係るモデル予測制御装置が適用された
制御系を示すブロック図、第2図はモデル予測制御の作
用を示すフローチャート、第3図はモデル予測した制御
系と等価なモデル制御系を示すブロック図、第4図は周
波数応答を示すナイキスト線図、第5図は本発明のモデ
ル予測制御装置による評価関数のパラメータの調整前後
を示す制御応答図、第6図は従来のモデル予測制御装置
の構成を示すブロック図である。 11・・・制御系 13・・・プラント 15・・・モデル予測制御装置 17・・・モデル予測制御器 19・・安定余裕設定手段 21・・・評価関数パラメータ調節手段23・・・動特
性モデル推定手段 25・・・試験信号発生手段
Fig. 1 is a block diagram showing a control system to which the model predictive control device according to the present invention is applied, Fig. 2 is a flowchart showing the operation of model predictive control, and Fig. 3 is a model control equivalent to the control system predicted by the model. A block diagram showing the system, Fig. 4 is a Nyquist diagram showing the frequency response, Fig. 5 is a control response diagram showing before and after adjustment of the parameters of the evaluation function by the model predictive control device of the present invention, and Fig. 6 is a conventional model. FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a predictive control device. 11... Control system 13... Plant 15... Model predictive control device 17... Model predictive controller 19... Stability margin setting means 21... Evaluation function parameter adjusting means 23... Dynamic characteristic model Estimating means 25... test signal generating means

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)制御対象の動特性モデルに基づいて制御量の未来
値を予測して、予測された制御量の未来値と未来目標値
との偏差信号および操作量増分に関する評価関数を形成
し、この評価関数を最小化するような操作量を制御量と
未来目標値から算出するモデル予測制御装置において、 制御系の一巡伝達関数の周波数応答から安定余裕を算出
し、前記評価関数に含まれるパラメータを、あらかじめ
設定した安定余裕条件が満たされるように決定する評価
関数パタメータ調節手段を設けたことを特徴とするモデ
ル予測制御装置。
(1) Predict the future value of the controlled variable based on the dynamic characteristic model of the controlled object, form an evaluation function regarding the deviation signal and the manipulated variable increment between the predicted future value of the controlled variable and the future target value, and In a model predictive control device that calculates the manipulated variable that minimizes the evaluation function from the control amount and future target value, the stability margin is calculated from the frequency response of the open-loop transfer function of the control system, and the parameters included in the evaluation function are A model predictive control device, characterized in that it is provided with an evaluation function parameter adjusting means that determines so that a preset stability margin condition is satisfied.
(2)制御対象のステップ応答の立ち上がりのデータか
ら特異値分解法に基づく最小実現法による動特性モデル
推定手段を設けたことを特徴とする請求項(1)記載の
モデル予測制御装置。
(2) The model predictive control device according to claim (1), further comprising a dynamic characteristic model estimating means using a minimum realization method based on a singular value decomposition method from data on the rise of a step response of a controlled object.
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