JPH05216506A - 適応制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 制御性能を向上すると共に定常偏差を無く
し、かつ、既知外乱がプロセスに加わった場合の制御量
変動を効果的に抑制できるようにする。 【構成】 プロセス１に並行して伝達関数部９を設け、
その出力とプロセス１の制御量ｙ_p を加算した拡張プロ
セス制御量ｙ_a を規範モデル５の出力ｙ_m に追従させる
系において、モデル出力ｙ_m と制御量ｙ_a との偏差ｅ_z
を可変ゲインを介してフィードバックし、可変ゲインの
上流側に第１の位相進み補償器、プロセス１の直前に第
２の位相進み補償器を設ける。操作量と規範モデル５の
入力信号、及び既知外乱との対応関係を設定する関数発
生器を設け、規範モデル５の出力ｙ_m と制御量ｙ_p との
制御偏差ｅ_y が最小になる値を求め、その値を関数発生
器の出力側に設けた乗算器に掛けてフィードフォワード
信号とする。既知外乱を入力とする１次進み遅れ補償器
を設け、その出力を操作量算出の際の信号の一部とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプロセス、機械製品等に
適用される適応制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来の適応制御装置の代表例を示
すものである。プロセス１は、既知外乱ｄ（ｔ）２及び
操作量ｕ（ｔ）３を入力とし、制御量ｙ_p （ｔ）４を出
力する。ここで、制御量ｙ_p （ｔ）４は、規範モデル５
の出力ｙ_m （ｔ）６に追従する必要がある。なお、規範
モデル５の入力ｕ_m （ｔ）７は、別途、指令値として与
えられる。また、規範モデル５の第２の出力ｘ_m （ｔ）
８は、規範モデル５の中間変数である。本来であれば制
御量ｙ_p （ｔ）４と出力ｙ_m （ｔ）６を比較して、その
制御偏差量を小さくするように操作量ｕ（ｔ）３を制御
するが、ここでは制御安定化のためにＧ_b （ｓ）なる伝
達関数部９をプロセス１に並行して配置し、制御量ｙ_p
（ｔ）４とＧ_b （ｓ）なる伝達関数部９の出力１０を加
算器１１で加算した、所謂、拡張したプロセスの制御量
の値をｙ_a （ｔ）１２としたときの出力ｙ_m （ｔ）６と
ｙ_a （ｔ）１２の偏差ｅ_x （ｔ）１３を減算器１４で求
めて、この偏差ｅ_z （ｔ）１３を小さくするための操作
量ｕ（ｔ）３を以下の手法で求めている。操作量ｕ
（ｔ）３を算出するための構成要素は、大きくは３つに
分けられる。その一つは、次の通りである。

【０００３】減算器１４から出力される偏差ｅ_x （ｔ）
１３を乗算器１５，１６の一方に入力し、乗算器１５の
他方には後述の積分器１７の出力Ｋ_Ie（ｔ）１８を入力
し、乗算器１６の他方には後述の係数器１９の出力Ｋ_Pe
（ｔ）２０を入力する。そして、乗算器１５と乗算器１
６の各出力は加算器２１に供給されて加算される。ここ
で、積分器１７の出力Ｋ_Ie（ｔ）１８は、係数器２２に
供給され、係数器２２の出力は減算器２３に接続され
る。そして、減算器２３の出力は積分器１７の入力とな
る。また、減算器２３の片側には係数器２４の出力が接
続される。係数器１９及び係数器２４の入力は共に乗算
器２５の出力で、この乗算器２５は偏差ｅ_x （ｔ）１３
と偏差ｅ_x （ｔ）１３が入力となる。

【０００４】同様に、操作量ｕ（ｔ）３算出するための
二つ目の構成要素について説明する。規範モデル５の第
２の出力ｘ_m （ｔ）８を乗算器２６と乗算器２７の入力
側の片側とし、乗算器２６の他方には後述の積分器２８
の出力Ｋ_Ix（ｔ）２９を入力とし、乗算器２７の他方に
は後述の係数器３０の出力Ｋ_Px（ｔ）３１を入力する。
そして、乗算器２６と乗算器２７の各出力は加算器３２
に供給され、加算される。ここで、積分器２８の出力Ｋ
_Ix（ｔ）２９は係数器３３に供給され、係数器３３の出
力は減算器３４に接続される。そして、減算器３４の出
力は積分器２８の入力となる。また、減算器３４の片側
には係数器３５の出力が接続される。係数器３０と係数
器３５の入力はともに乗算器３６の出力で、乗算器３６
は偏差ｅ_x （ｔ）１３と規範モデル５の第２の出力ｘ_m
（ｔ）８が入力となる。

【０００５】三つ目の構成要素は、規範モデル５の第２
の入力ｕ_m （ｔ）７を乗算器３７と乗算器３８の入力側
の片側とし、乗算器３７の他方には後述の積分器３９の
出力Ｋ_Iu（ｔ）４０を入力とし、乗算器３８の他方には
後述の係数器４１の出力Ｋ_Pu（ｔ）４２を入力する。そ
して、乗算器３７と乗算器３８の各出力は、加算器４３
に供給されて加算される。ここで、積分器３９の出力Ｋ
_Iu（ｔ）４０は係数器４４に供給され、係数器４４の出
力は減算器４５に接続される。そして、減算器４５の出
力は積分器３９の入力となる。また、減算器４５の片側
には係数器４６の出力が接続される。係数器４１と係数
器４６の入力はともに乗算器４７の出力で、乗算器４７
は偏差ｅ_x （ｔ）１３と規範モデル５の入力ｕ_m （ｔ）
７が入力となる以上の各構成要素の加算器２１、加算器
３２及び加算器４３の各出力は加算器４８に接続され、
加算器４８の出力が操作量ｕ（ｔ）３となる。

【０００６】なお、Ｇ_b （ｓ）なる伝達関数部９は、簡
単なケースでは１次遅れ要素でよく、同様に規範モデル
５も簡単なケースでは、１次遅れ要素の出力を出力ｙ_m
（ｔ）６とし、そして出力ｙ_m （ｔ）の微分値に相当す
る値を出力ｘ_m （ｔ）８とすればよい。ここで、積分器
１７、積分器２８及び積分器３９の各出力は最小値とし
て零またはそれ以上の正の値でリミットをかける必要が
ある。また、係数器１９、係数器３０及び係数器４１の
各出力にも最小値として零またはそれ以上の正の値でリ
ミットをかける必要がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の適応制御装
置は、基本的には比例動作であり、制御性能の向上に限
界がある。また、定常偏差が残り好ましくない。

【０００８】更に上記従来装置は、規範モデルの出力に
プロセスの制御量を追従させる場合は有効であるが、既
知外乱がプロセスに加わった場合の制御量の変動を抑制
する際には有効でない。

【０００９】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、制御性能を向上できると共に定常偏差を無くし、か
つ、既知外乱がプロセスに加わった場合の制御量変動を
効果的に抑制できる適応制御装置を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る適応制御装
置は、プロセスに並行して操作量を入力とする伝達関数
部部を設けて、その出力とプロセスの制御量ｙ_p を加算
して得られる拡張したプロセスの制御量ｙ_a を規範モデ
ルの出力ｙ_m に追従させることを目標とした系におい
て、上記規範モデルの出力ｙ_m から拡張したプロセスの
制御量ｙ_a を差し引いた偏差ｅ_z を、可変ゲインを介し
てフィードバックする手段と、上記可変ゲインの上流側
に配置した第１の位相進み補償器と、上記プロセスの直
前に設けられた第２の位相進み補償器と、上記規範モデ
ルの入力信号と操作量の静的な対応関係、及び既知外乱
と操作量の静的な対応関係を設定する関数発生器と、上
記規範モデルの出力ｙ_m から上記プロセスの制御量ｙ_p
を差し引いた制御偏差ｅ_y が最小になるような値をオン
ラインで求め、その値を上記関数発生器の出力側に設け
た乗算器に掛けて、その値をフィードフォワード信号と
する手段と、既知外乱を入力として操作量算出用の信号
を発生する１次進み遅れ補償器とを備えたことを特徴と
するものである。

【００１１】

【作用】第１の位相進み補償器を構成する微分要素によ
り、微分時間先の将来の偏差ｅ_x （ｔ）を零にしようと
する操作量ｕ（ｔ）が求まる。また、最適な微分時間は
偏差ｅ_x （ｔ）を早く零に近づけるための値として学習
機能により求められる。

【００１２】また、第２の進み補償器をプロセスの直
前、つまり、制御則演算部の最後部に配置することによ
り、上流側の演算結果の制御量の有効度を増している。
即ち、一般にプロセスには遅れが伴うが、進み補償によ
りその遅れを小さくでき、制御量の有効度を増すことが
できる。

【００１３】静的なフィードフォワード制御では、規範
モデルの入力信号と操作量の定常状態における関係を関
数発生器により設定する。同様に、既知外乱と操作量の
静的な対応関係を関数発生器により設定する。そして、
これらの関数発生器の出力を操作量を算出するための一
部の信号とする。これらにより、定常偏差の発生を抑
え、同時に、フィードフォワード補償により制御性能を
改善している。

【００１４】上記フィードフォワード制御によっても、
設定がずれた場合には定常偏差が残るため、関数発生器
の出力側に乗算器を設けて、後述の学習機能によって得
られた値を掛ける。なお、学習機能部では制御偏差が零
になる値を学習機能により求める。

【００１５】既知外乱がプロセスに加わった場合の制御
量の変動を抑制するため、パラメータ可変型の１次進み
遅れ補償器を配置する。そして、その補償器の入力は既
知外乱とし、出力は操作量を算出するための値を一部と
する。ここで、パラメータはオンラインにより偏差ｅ_x
（ｔ）が小さくなる値として学習機能により求められ
る。また、補償器の符号は、既知外乱と制御量の間の伝
達特性の符号の逆の値を使用する。これらにより、既知
外乱がプロセスに加わった場合の制御量の変動が、補償
器により近似的に打消される。

【００１６】以上で述べた学習機能とは、基本的には着
目する値を零にするために、主として比例動作と積分動
作により最適な値を求めることができる働きのあるもの
を指している。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。本発明装置の回路構成を図１ないし図３にブロ
ック線図で示す。なお、符号１〜４８は、図４に示した
従来装置と同じであるので、詳細な説明は省略する。

【００１８】まず、図１に示すように加算器４８の入力
信号として、図２に示す加算器４９の出力ｖ₁ （ｔ）５
０を追加している。また、加算器４８の出力をｕ
_p （ｔ）５１とし、操作量ｕ（ｔ）３と区別している。
操作量ｕ（ｔ）３は、加算器４８の出力ｕ_p （ｔ）５１
以外に図２に示す加算器５２の出力ｖ₂ （ｔ）５３がフ
ィードフォワード信号として加算器５４で加えられ、更
に加算器５５で位相進み補償器を構成する微分要素５６
の出力が係数器５７を介して加えられる。ここで、微分
要素５６の入力は加算器５４の出力である。なお、Ｇ_b
（ｓ）なる伝達関数部９の入力は加算器４８の出力ｕ_p
（ｔ）５１である。

【００１９】また、可変ゲインである乗算器１５と乗算
器１６の上流側には、位相進み補償器を構成する微分要
素５８があり、その出力ｅ′_z （ｔ）５９を入力とする
乗算器６０がある。そして、加算器６１で乗算器６０の
出力と偏差ｅ_x （ｔ）１３が加算され、その結果は乗算
器１５と乗算器１６に入力される。ここで、微分要素５
８の入力は、減算器１４から出力される偏差ｅ_x （ｔ）
１３である。また、乗算器６０の片側の入力は、図３に
おける加算器６２の出力Ｋ_c （ｔ）６３とする。なお、
この加算器６２の出力Ｋ_c （ｔ）６３の求め方について
は詳細を後述する。

【００２０】次に、図２に示した１次進み遅れ補償器の
出力信号として取り出される加算器４９の出力ｖ
₁ （ｔ）５０の求め方について説明する。図２に示すよ
うに伝達関数部（Ｇ_d （ｓ））６４を設ける。簡単な場
合としては、１次遅れ付微分要素（Ｓ（１＋τＳ）^-1の
形で表わせる。ここで、Ｓはプラス演算子でτは定数で
ある）がそれに対応する。そして、入力を既知外乱ｄ
（ｔ）２としたときの出力ｗ（ｔ）６５を得る。更に、
符号変換器６６で出力ｗ（ｔ）６５を符号変換して、−
ｗ（ｔ）６７を得る。乗算器６８と乗算器６９の各入力
を−ｗ（ｔ）６７とし、乗算器６８の他方には図３で後
述する積分器７０の出力Ｋ_Iw（ｔ）７１を入力し、乗算
器６９の他方には後述の係数器７２の出力Ｋ_Pw（ｔ）７
３を入力する。そして、乗算器６８と乗算器６９の各出
力は、加算器７４に供給されて加算される。

【００２１】また、上記積分器７０の出力Ｋ_Iw（ｔ）７
１は図３に示すように係数器７５に供給され、係数器７
５の出力は減算器７６の−端子に入力される。そして、
減算器７６の出力は積分器７０の入力となる。また、減
算器７６の＋端子には、係数器７７の出力が入力され
る。係数器７２と係数器７７には、ともに乗算器７８の
出力が入力され、この乗算器７８には図１の減算器１４
から出力される偏差ｅ_x（ｔ）１３と図２の符号変換器
６６から出力される−ｗ（ｔ）６７が入力される。以上
の機能は１次進み遅れ補償器のパラメータが可変な場合
に相当する。

【００２２】同様に、図２の符号変換器７９で既知外乱
ｄ（ｔ）２を符号変換して−ｄ（ｔ）８０を得、乗算器
８１と乗算器８２の各入力の一方に入力する。乗算器８
１の他方には図３で後述する積分器８３の出力Ｋ
_Id（ｔ）８４を入力し、乗算器８２の他方には後述の係
数器８５の出力Ｋ_Pd（ｔ）８６を入力とする。そして、
乗算器８１と乗算器８２の各出力は、加算器８７で加算
される。ここで、図３に示す積分器８３の出力Ｋ
_Id（ｔ）８４は係数器８８を介して減算器８９の−端子
に入力される。そして、減算器８９の出力は積分器８３
の入力となる。また、減算器８９の＋端子には係数器９
０の出力が入力される。係数器８５と係数器９０にはと
もに乗算器９１の出力が入力され、この乗算器９１には
偏差ｅ_x （ｔ）１３と−ｄ（ｔ）８０が入力となる。

【００２３】更に、図２における加算器５４９の出力ｖ
₁ （ｔ）５０を算出するために、加算器７４と加算器８
７の両出力を加算器４９の入力とする。その結果、出力
ｖ₁（ｔ）５０は加算器４９の出力として得られる。

【００２４】次に、図２の加算器５２から取り出される
フィードフォワード信号ｖ₂ （ｔ）５３の求め方につい
て説明する。まず、関数発生器９２で、既知外乱ｄ
（ｔ）２を入力したときの出力ｄ^*（ｔ）９３を得ると
共に、関数発生器９４で、規範モデル５の入力ｕ
_m （ｔ）７を入力したときの出力ｕ_m ^*（ｔ）９５を得
る。

【００２５】そして、乗算器９６の片側の入力をｄ
^*（ｔ）９３とし、他方には後述の加算器９７（図３参
照）の出力Ｋ_a （ｔ）９８を入力する。同様に、乗算器
９９の片側の入力をｕ_m ^*（ｔ）９５とし、他方には後
述の積分器１００（図３参照）の出力Ｋ_d （ｔ）１０１
を入力する。そして、乗算器９６と乗算器９９の両出力
は加算器５２に供給され、その出力がｖ₂ （ｔ）５３と
なる。ここで、図３に示す加算器９７の入力は、定数発
生器１０２の出力と積分器１０３の出力である。また、
積分器１０３の出力は係数器１０４に供給され、係数器
１０４の出力は減算器１０５の−端子に入力される。そ
して、減算器１０５の出力は積分器１０３の入力とな
る。また、減算器１０５の＋端子には、係数器１０６の
出力が入力される。係数器１０６の入力は乗算器１０７
の出力で、乗算器１０７は後述の制御偏差ｅ_y （ｔ）１
０８とｕ_m ^*（ｔ）９５が入力となる。同様に、積分器
１００の入力には、係数器１０９の出力が入力され、係
数器１０９には乗算器１１０の出力が入力される。乗算
器１１０には、制御偏差ｅ_y （ｔ）１０８と出力ｄ
^*（ｔ）９３が入力となる。ここで、制御偏差ｅ
_y （ｔ）１０８は、図１における減算器１１１の出力
で、減算器１１１の入力は規範モデル５の出力ｙ
_m （ｔ）６と制御量ｙ_p （ｔ）４である。

【００２６】最後に、位相進み回路の一部の乗算器６０
（図１参照）の片側入力となるＫ_c（ｔ）６３の求め方
を説明する。図３において、加算器６２の入力は、値α
ｃの定数を発生できる定数発生器１１２の出力と積分器
１１３の出力である。また、積分器１１３の出力は、係
数器１１４を介して減算器１１５の−端子に入力され
る。そして、減算器１１５の出力は積分器１１３の入力
となる。また、減算器１１５の＋端子には、係数器１１
６の出力が入力される。この係数器１１６には乗算器１
１７の出力が入力され、乗算器１１７には偏差ｅ
_x （ｔ）１３と微分要素５８の出力ｅ′_z （ｔ）５９が
入力される。

【００２７】なお、積分器７０、積分器８３及び積分器
１００の各出力には最小値として零またはそれ以上の正
の値でリミットをかける必要がある。また、係数器７２
と係数器８５にも最小値として零またはそれ以上の正の
値でリミットをかける必要がある。

【００２８】なお、積分器１０３の出力は、最小値とし
て定数発生器１０２の値にマイナスの符号をつけた値ま
たはそれ以上の値でリミットをかける必要があり、積分
器１１３の出力は、最小値として定数発生器１１２の値
にマイナスの符号をつけた値またはそれ以上の値でリミ
ットをかける必要がある。

【００２９】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、微
分機能を付加することによって高制御性能が得られ、か
つ、最適な微分時間の値が学習機能によりオンラインで
求められるため、プロセスに経時変化があっても、常に
高制御性能が得られる。

【００３０】また、位相進み補償器を制御則演算部の最
後部に配置したことにより、フィードバックループの安
定性が向上すると共に、静的なフィードフォワードの効
果が制御量に現れやすくなり、最終的には高制御性能が
得やすくなる。更に、静的なフィードフォワード部を設
けたことで、定常偏差が生じ難くなると共に、関数発生
器の設定がずれた場合でも、学習機能により修正が可能
で、常に定常偏差をなくすことができる。また、学習機
能付１次進み遅れ補償器を設けることにより、既知外乱
がプロセスに加わった場合の制御量変動を効果的に抑制
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る適応制御装置の一部を
示すブロック図。

【図２】同実施例における適応制御装置の他の一部を示
すブロック図。

【図３】同実施例における適応制御装置の更に他の一部
を示すブロック図。

【図４】従来の適応制御装置を示すブロック図。

【符号の説明】

１…プロセス、２…既知外乱ｄ（ｔ）、３…操作量ｕ
（ｔ）、４…制御量ｙ_p（ｔ）、５…規範モデル、９…
伝達関数部Ｇ_b （ｓ）、１１…加算器、１２…拡張した
プロセスの制御量ｙ_a （ｔ）、１３…偏差ｅ_x （ｔ）、
１４…減算器、１５，１６，２６，２７，３７，３８…
乗算器、１７，２８，３９…積分器、１９，２２，２
４，３０，３３，３５，４１，４４，４６…係数器、２
１，３２，４３，４８，４９，５２，５４，５５…加算
器、２３，３４，４５…減算器、２５，３６，４７…乗
算器、５６，５８…微分要素、５７…係数器、６０…乗
算器、６１，６２…加算器、６４…伝達関数部Ｇ
_d （ｓ）、６６，７９…符号変換器、６８，６９，８
１，８２…乗算器、７０，８３…積分器、７１…出力Ｋ
_Iw（ｔ）、７２，７５，７７，８５，８８，９０…係数
器、７４，８７…加算器、７６…減算器、７８，９１…
乗算器、８９…減算器、９２，９４…関数発生器、９
６，９９…乗算器、９７…加算器、１００，１０３，１
１３…積分器、１０２，１１２…定数発生器、１０４，
１０６，１０９，１１４，１１６…係数器、１０５，１
１１，１１５…減算器、１０７，１１０，１１７…乗算
器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プロセスに並行して操作量を入力とする
   伝達関数部を設けて、その出力とプロセスの制御量ｙ_p
   を加算して得られる拡張したプロセスの制御量ｙ_a を規
   範モデルの出力ｙ_m に追従させることを目標とした系に
   おいて、 上記規範モデルの出力ｙ_m から拡張したプロセスの制御
   量ｙ_a を差し引いた偏差ｅ_z を、可変ゲインを介してフ
   ィードバックする手段と、 上記可変ゲインの上流側に配置した第１の位相進み補償
   器と、 上記プロセスの直前に設けられた第２の位相進み補償器
   と、 上記規範モデルの入力信号と操作量の静的な対応関係、
   及び既知外乱と操作量の静的な対応関係を設定する関数
   発生器と、 上記規範モデルの出力ｙ_m から上記プロセスの制御量ｙ
   _p を差し引いた制御偏差ｅ_y が最小になるような値をオ
   ンラインで求め、その値を上記関数発生器の出力側に設
   けた乗算器に掛けて、その値をフィードフォワード信号
   とする手段と、 既知外乱を入力として操作量算出用の信号を発生する１
   次進み遅れ補償器と、 を具備したことを特徴とする適応制御装置。