JPH0535309A - Model prediction control device - Google Patents

Model prediction control device

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JPH0535309A
JPH0535309A JP19016291A JP19016291A JPH0535309A JP H0535309 A JPH0535309 A JP H0535309A JP 19016291 A JP19016291 A JP 19016291A JP 19016291 A JP19016291 A JP 19016291A JP H0535309 A JPH0535309 A JP H0535309A
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Abstract

PURPOSE:To improve characteristics for the polar arrangement of a control system and a transient response, to set a response constant to the model prediction control system and to automatically set the suitable response time constant by evaluating stable tolerance by setting weight like an exponent to an evaluation function corresponding to the response constant. CONSTITUTION:A model prediction control operation part 2 is equipped with a cyclic frequency response characteristic calculating means 10, complementary sensitivity matrix calculating means 11 and stable tolerance parameter calculating means 12 or the like while completely covering the function of the model prediction control operation part 2. Further, a dynamic characteristic model setting means 3 is provided to set the dynamic characteristic of a controlled system for predicting a controlled variable, and an evaluation function setting means 4 to set the evaluation function meaning the purpose of control. A response time constant Tr from a terminal equipment 9 is held at a response time constant setting means 5. A stable tolerance parameter 5 is supplied to one input terminal of a response time constant adjusting means 8 and a storage device 13. The stable tolerance parameter 5 is displayed corresponding to the response time constant Tr inputted from the terminal storage device 9 by an operator.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【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それを考慮
しながら操作量を算出するモデル予測制御装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a model predictive control device for predicting future movement of a control response on the basis of a dynamic characteristic model of a controlled object and calculating a manipulated variable while considering it.

【0002】[0002]

【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る。モデル予測制御は、 むだ時間の長いフ゜ロセスに対し安定した制御応答を
実現できる。 未来目標値を用いたフィート゛フォワート゛制御で追
従性を改善できる。 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、制御系を容易に構成できる。 予測モデルに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できる等の特
徴がある。 このため、種々の予測制御方式が提案されている。これ
らの例が、例えば、 (1) 西谷:モデル予測制御の応用、計測と制御 Vol.28,
No.11,pp.996-1004 (1989) (2) D.W.Clarke & C.Mohtadi:Properties of Generaliz
ed PredictiveControl,Automatica 25-6 pp.859 (1989) 等に解説されている。一般的なモデル予測制御系の構成
例を図8を参照して説明する。まず、ある時刻kにおい
て制御対象1となるプロセスやロボット等にモデル予測
制御演算部2から操作量u(k) が与えられると、制御対
象1から制御量y(k) が出力される。このときの制御量
y(k) 及び操作量u(k) はモデル予測制御演算部2の応
答データ記憶部26に書込まれる。予測モデル27は、
応答データ記憶部26の過去から現在(時刻k)までの
操作量u、制御量yの一定の蓄積データに基づき予め選
定された動特性モデルを参照して、未来の制御量応答の
予測値y(k+L) 、…、y(k+Np+L-1)を算出し、減算器3
1の一方入力端に供給する。ここに、L は予測開始時
間、Npは予測長を表している。
2. Description of the Related Art In recent years, model predictive control devices are often used in the field of process control. Model predictive control can realize a stable control response to a process with a long dead time. The followability can be improved by the foot-forward control using the future target value. An accurate dynamic characteristic model of the controlled object is not required, and the control system can be easily configured from the step response, for example. By including physical laws and non-linear characteristics of the plant in the prediction model, it is possible to expect fine control. Therefore, various predictive control methods have been proposed. Examples of these are, for example, (1) Nishitani: Application of model predictive control, measurement and control Vol.28,
No.11, pp.996-1004 (1989) (2) DWClarke & C. Mohtadi: Properties of Generaliz
ed PredictiveControl, Automatica 25-6 pp.859 (1989) etc. A configuration example of a general model predictive control system will be described with reference to FIG. First, when the manipulated variable u (k) is given from the model predictive control calculation unit 2 to a process, robot or the like which is the controlled object 1 at a certain time k, the controlled object 1 outputs the controlled variable y (k). The controlled variable y (k) and the manipulated variable u (k) at this time are written in the response data storage unit 26 of the model predictive control calculation unit 2. The prediction model 27 is
The predicted value y of the future control amount response is referred to by referring to a dynamic characteristic model selected in advance based on constant accumulated data of the operation amount u and the control amount y from the past to the present (time k) in the response data storage unit 26. (k + L), ..., Y (k + Np + L-1) is calculated, and the subtracter 3
1 to one input terminal. Here, L is the prediction start time, and Np is the prediction length.

【0003】一方、図示しない端末装置から入力された
目標値r(k) は、未来目標軌道生成部28に与えられ
る。未来目標軌道生成部28は、未来目標軌道y* (k+
L) 、…、y* (k+Np+L-1)を生成し、減算器31の他方
入力端に供給する。減算器31は両者の差である未来制
御偏差信号y(k+i) −y* (k+i) 、(i=L, ・・・,Np+L-
1) を算出し、最適操作量算出部29に供給する。最適
操作量算出部29には、代表的な例として、次の2次形
式評価関数が予め設定されており、Jを最小化する最適
操作量増分Δu(k) を算出し、初めのΔu(k) のみ、積
分器30へ送る。
On the other hand, the target value r (k) input from a terminal device (not shown) is given to the future target trajectory generation unit 28. The future target trajectory generation unit 28 uses the future target trajectory y * (k +
L), ..., Y * (k + Np + L-1) are generated and supplied to the other input terminal of the subtracter 31. The subtractor 31 uses a future control deviation signal y (k + i) −y * (k + i), which is the difference between the two, (i = L, ..., Np + L-
1) is calculated and supplied to the optimum manipulated variable calculation unit 29. As a typical example, the following quadratic form evaluation function is preset in the optimum manipulated variable calculating unit 29, and the optimum manipulated variable increment Δu (k) that minimizes J is calculated, and the first Δu ( Only k) is sent to the integrator 30.

【0004】[0004]

【数2】 ここで、Nuは制御長、λは重み係数を表す。D(z-1)
は極配置多項式を表しており、D(z-1) =1+d1 z -1
+・・・+dn z -nと表される。Δu(k+i) は未来操作
量の増分であり、Δu(k+i) =u(k+i)−u(k+i-1) と
して求められる。積分器30では、 u(k) =u(k-1) +Δu(k) (2) なる演算処理を行って、制御対象1に与える予測制御分
を含んだ実際の操作量u(k) を算出し、制御対象1に供
給する。
[Equation 2] Here, Nu represents the control length and λ represents the weighting coefficient. D (z -1 )
Represents a pole-placement polynomial, and D (z -1 ) = 1 + d 1 z -1
+ ... + represented as d n z -n. Δu (k + i) is an increment of the future manipulated variable, and is calculated as Δu (k + i) = u (k + i) −u (k + i−1). In the integrator 30, the arithmetic processing u (k) = u (k-1) + Δu (k) (2) is performed to calculate the actual manipulated variable u (k) including the predicted control amount given to the controlled object 1. It is calculated and supplied to the controlled object 1.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上述したモデル予測制
御系では、評価関数(1) 式に含まれるいわゆる評価関数
パラメータL 、Np、Nu、λ、D(z-1) の選び方により、
制御系の特性、特に安定性や特性変動に対するロバスト
性、いわゆるナイキスト判定法における安定性余裕が大
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。従来のモデル予
測制御装置では、これらの評価関数パラメータは操作員
が試行錯誤的に与えていたが、パラメータと制御特性と
の関係が明らかでなく、制御系が十分安定になるように
制御装置を調整するのに手間を必要とし制御装置の起動
に時間を要していた。
In the model predictive control system described above, depending on how to select the so-called evaluation function parameters L, Np, Nu, λ, D (z −1 ) included in the evaluation function (1),
The characteristics of the control system, in particular, the stability and robustness against characteristic fluctuations, that is, the stability margin in the so-called Nyquist determination method, vary greatly, and therefore it is necessary to appropriately adjust (tune) them when starting the control device. In the conventional model predictive control device, these evaluation function parameters were given by the operator by trial and error, but the relationship between the parameters and the control characteristics was not clear, and the control device was designed so that the control system would be sufficiently stable. It took a lot of time to make adjustments, and it took time to start the control device.

【0006】そこで、出願人は、特願平3−04749
4号により、制御系が十分な安定性を持つように評価関
数パラメータを自動的に調整する方法を提案した。しか
し、制御系の応答特性、たとえば、オーバーシュート量
や時定数、整定時間等を理想的な特性に設定することま
で積極的に考慮したものではなかった。
Therefore, the applicant has filed Japanese Patent Application No. 3-04749.
No. 4 proposed a method to automatically adjust the evaluation function parameters so that the control system has sufficient stability. However, the response characteristics of the control system, such as the overshoot amount, the time constant, and the settling time, have not been positively taken into consideration.

【0007】例えば、制御系に時定数Tr[sec] 以内の
応答が要求された場合に、具体的にどの様な評価関数を
設定すれば所望の制御系が得られるかまでは明らかにし
ていない。また、制御系の応答特性の指定に対応するこ
とも困難であった。その一例として、振動特性の極めて
強い次式の伝達関数モデルG(s) を制御対象の特性と想
定して説明する。
For example, when a response within the time constant Tr [sec] is required for the control system, it is not clear what kind of evaluation function is specifically set to obtain the desired control system. . Moreover, it is difficult to deal with the specification of the response characteristic of the control system. As an example thereof, a transfer function model G (s) of the following equation having an extremely strong vibration characteristic will be described as a characteristic of a controlled object.

【0008】[0008]

【数3】 ここで、機械系を想定し、慣性モーメントI=16360[Kg
・m2 ] 、 減衰率ζ=0.0025、 共振周波数ω=0.2205×2π[rad/sec] 、 トルクアドミッタンスΦ2 =7.49×10-5、 なるパラメータを用いる。この伝達関数に対し、制御周
期1.0[sec]、(1) 式のパラメータNp=10、L =1、Nu
=5と与えた場合のモデル予測制御による制御応答を図
9に示す。これを見ると、制御量yは目標値rに追従し
ているものの、細かな振動が制御応答に現れていること
が確認できる。そこで、図10の複素平面に上記制御系
の制御対象の極(×印)と制御系の極(○印)を示す。
これを見ると、制御対象の振動モードに対応する単位円
上に近い極、すなわち極めて安定性の悪い極が閉ループ
系の極配置においても残されていることが確認できる。
この様に、これまでのモデル予測制御系では、評価関数
(1) 式を最小化することに重点をおいて制御演算を行っ
ているため、制御系の過渡応答特性を決定する閉ループ
極を適切に配置することができない場合が生じ得、制御
応答が安定あるいは素早くとも、応答形状が振動的にな
るという問題を生じ得る。よって、本発明のモデル予測
装置は、立上り応答特性における制御量yの振動が抑制
されたモデル予測装置を提供することを目的とする。
[Equation 3] Here, assuming a mechanical system, the moment of inertia I = 16360 [Kg
-M 2 ], damping factor ζ = 0.0025, resonance frequency ω = 0.2205 × 2π [rad / sec], torque admittance Φ 2 = 7.49 × 10 -5 . With respect to this transfer function, the control cycle is 1.0 [sec], the parameters Np = 10, L = 1 and Nu of the equation (1) are Nu.
9 shows the control response by the model predictive control when = 5 is given. From this, it can be confirmed that although the control amount y follows the target value r, a fine vibration appears in the control response. Therefore, the poles of the control target of the control system (marked by X) and the poles of the control system (marked by ◯) are shown on the complex plane of FIG.
From this, it can be confirmed that poles near the unit circle corresponding to the vibration mode of the controlled object, that is, poles having extremely poor stability are left even in the pole arrangement of the closed loop system.
Thus, in the conventional model predictive control system, the evaluation function
Since the control calculation is performed with an emphasis on minimizing equation (1), it may happen that the closed loop poles that determine the transient response characteristics of the control system cannot be placed appropriately, and the control response is stable. Alternatively, even quickly, the problem that the response shape becomes oscillatory may occur. Therefore, an object of the model predicting device of the present invention is to provide a model predicting device in which the vibration of the controlled variable y in the rising response characteristic is suppressed.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明のモデル予測制御装置では、従来のモデル予測制
御装置の構成に加えて、以下の機能を持つ各手段を備え
ている。すなわち、第1発明は、 代表的な制御仕様である応答時定数Tr[sec] を設定
する機能を有する応答時定数設定手段と、 応答時定数Trから、重み係数パラメータ ρ=exp(-Δ/Tr) (4) ただし、Δ[sec] は制御周期である。を算出する安定余
裕パラメータ算出手段と、 上記安定余裕パラメータρを用いて、これの時間に対
するべき乗を重み係数として組み入れた評価関数
In order to achieve the above object, the model predictive control device of the present invention is provided with each means having the following functions in addition to the configuration of the conventional model predictive control device. That is, the first aspect of the present invention is based on a response time constant setting means having a function of setting a response time constant Tr [sec], which is a typical control specification, and a weighting factor parameter ρ = exp (-Δ / Tr) (4) where Δ [sec] is the control cycle. The stability margin parameter calculating means for calculating the stability margin parameter ρ and the stability margin parameter ρ are used to evaluate the exponentiation function with respect to time as a weighting coefficient.

【0010】[0010]

【数4】 を構築する評価関数設定手段とを備える。[Equation 4] And an evaluation function setting means for constructing.

【0011】第2発明は、更に、 上記評価関数を参照して操作量Δu(k) を算出し、 操作量算出に用いられる制御定数と制御対象の動特性
モデルから上記評価関数を用いた制御系の一巡周波数応
答特性L(jω)を算出し、 この一巡周波数応答特性L(jω)に基づいて制御対象の
特性がどれだけ変動しても制御系の安定性が保たれるか
という安定性の程度を表す安定余裕パラメータε、例え
ば、一入力一出力プロセスに対するモデル予測制御系で
はゲイン余裕、位相余裕、ゲイン特性のピーク値(いわ
ゆるMp値)等、また、多入力多出力プロセスに対する
モデル予測制御系ではモデル誤差に対するロバスト性の
尺度である相補感度関数行列T(jω) の最大特異値のピ
ーク値
The second aspect of the present invention further calculates the manipulated variable Δu (k) by referring to the above-mentioned evaluation function, and performs control using the above-mentioned evaluation function from the control constant used for calculating the manipulated variable and the dynamic characteristic model of the controlled object. The stability of the control system is maintained by calculating the open-loop frequency response characteristic L (jω) of the system and based on this open-loop frequency response characteristic L (jω) Stability margin parameter ε indicating the degree of, for example, a model prediction control system for a one-input one-output process, a gain margin, a phase margin, a peak value of a gain characteristic (so-called Mp value), and a model prediction for a multi-input multi-output process. In the control system, the peak value of the maximum singular value of the complementary sensitivity function matrix T (jω), which is a measure of robustness against model error

【0012】[0012]

【数5】 等を用いた安定余裕パラメータεを算出する演算手段
と、 上記応答時定数設定手段に設定された応答時定数の値
を変化させつつ、上記応答時定数の瞬時値に対応する上
記安定余裕パラメータの値を記録し蓄積するシミュレー
ション手段と 蓄積された応答時定数Tr及び安定余裕パラメータε
間の関係を可視的に表示する表示手段とを備える。
[Equation 5] And the calculation means for calculating the stability margin parameter ε, and the stability margin parameter corresponding to the instantaneous value of the response time constant while changing the value of the response time constant set in the response time constant setting means. Simulation means for recording and accumulating values, accumulating response time constant Tr and stability margin parameter ε
And a display means for visually displaying the relationship between them.

【0013】第3発明は、更に、 操作員により制御仕様として入力された安定余裕パラ
メータを保持する安定余裕パラメータ設定手段と、 設定された安定余裕パラメータになるように、指定さ
れた安定余裕を実現するべく応答時定数Trを変化させ
て、これに対応した係数パラメータρを導出させ、上記
評価関数算出手段に評価関数の再構築を行わさせ、制御
系の安定余裕パラメータを算出させる処理を、設定され
た安定余裕パラメータに算出された安定余裕パラメータ
が一致するまで繰り返させる応答時定数調整手段とを備
える。
According to a third aspect of the present invention, further, a stability margin parameter setting means for holding a stability margin parameter input as a control specification by an operator, and a stability margin specified so that the stability margin parameter is set. Therefore, the response time constant Tr is changed to derive the coefficient parameter ρ corresponding to the response time constant Tr, the evaluation function calculating means is caused to reconstruct the evaluation function, and the stability margin parameter of the control system is calculated. And a response time constant adjusting means for repeating the calculated stability margin parameter until the calculated stability margin parameter matches.

【0014】この結果、新たな重み係数パラメータρに
より重み付けられた評価関数によるモデル予測制御演算
を行い、最適な操作量Δu(k) 、及びu(k) が求めら
れ、あるいは所望の立上り特性を指定することが可能と
なる。
As a result, the model predictive control calculation is performed by the evaluation function weighted by the new weighting coefficient parameter ρ, and the optimum manipulated variables Δu (k) and u (k) are obtained, or the desired rising characteristic is determined. It becomes possible to specify.

【0015】[0015]

【作用】以下、従来の評価関数(1) 式を本願発明に係る
(5) 式に変更することによりモデル予測制御における応
答特性が改善できる理由を説明する。まず、(1) 式の2
次形式評価関数は、予測に考慮する時間である予測長Np
を無限大に長く選べば、制御理論においてよく知られた
最適レギュレータの評価関数の特殊な場合に一致する。
[Operation] Below, the conventional evaluation function (1) is applied to the present invention.
The reason why the response characteristics in model predictive control can be improved by changing to equation (5) is explained. First, 2 in equation (1)
The quadratic evaluation function is the prediction length Np, which is the time considered in the prediction.
If is chosen to be infinitely long, it corresponds to a special case of the evaluation function of the optimal regulator well known in control theory.

【0016】一般に、最適レギュレータ理論では、状態
空間モデル、 x(k+1) = Ax(k) + Bu(k) (7a) y(k) = Cx(k) (7b) ただし、xは状態変数、yは制御量、uは操作量、A,
B,Cは行列の定数である。で表される制御対象に対
し、評価関数
In general, in the optimal regulator theory, a state space model, x (k + 1) = Ax (k) + Bu (k) (7a) y (k) = Cx (k) (7b), where x is a state Variable, y is a controlled variable, u is a manipulated variable, A,
B and C are matrix constants. For the controlled object represented by, the evaluation function

【0017】[0017]

【数6】 を最小化する制御則を u(k) =kT ・x(k) (9) で与えることができる。ここに、T は転値行列であるこ
とを表す。このときの制御系の特性は、(7) 式に(9) 式
を代入して、 x(k+1) =(A+BkT )x(k) (10) で与えられる。すなわち、閉ループ系のすべてのモード
は、行列(A+BkT )の固有値によって決定される減
衰率で、初期状態から0へ減衰していく。従って、最も
単位円に近い固有値が支配的なモードになり、この制御
系の応答時定数に対応する。
[Equation 6] Can provide a minimized controlling law of u (k) = k T · x (k) (9). Here, T represents a transposed matrix. The characteristic of the control system at this time is given by x (k + 1) = (A + Bk T ) x (k) (10) by substituting the equation (9) into the equation (7). That is, all the modes of the closed loop system are attenuated from the initial state to 0 with an attenuation rate determined by the eigenvalue of the matrix (A + Bk T ). Therefore, the eigenvalue closest to the unit circle becomes the dominant mode and corresponds to the response time constant of this control system.

【0018】ここで、(4) 式のパラメータρ(0<ρ≦
1)を用いて、 x(k+i) =ρ-i* (k+i) (11a) u(k+i) =ρ-i* (k+i) (11b) y(k+i) =ρ-i* (k+i) (11c) なる変換を行った、新しい状態x* (k+i) 、入力u*(k+
i) 、出力y* (k+i)を考え、(7) 、(8) 、(9) 、(10)式
に代入すると、夫々状態空間モデル x* (k+1) =A' x* (k) +B' u* (k) (7a') y* (k) =Cx* (k) (7b') ただし、A' =ρA、B' =ρB である。 評価関数
Here, the parameter ρ of equation (4) (0 <ρ ≦
1), x (k + i) = ρ -i x * (k + i) (11a) u (k + i) = ρ -i u * (k + i) (11b) y (k + i) = ρ -i y * (k + i) (11c), the new state x * (k + i), input u * (k +)
i) and the output y * (k + i), and substituting them into Eqs. (7), (8), (9), and (10), the state space model x * (k + 1) = A'x *, respectively. (k) + B'u * (k) (7a ') y * (k) = Cx * (k) (7b') where A '= ρA and B' = ρB. Evaluation function

【0019】[0019]

【数7】 制御則 u* (k) = kT ・x* (k) (9') 制御系の特性 x* (k+1) = ρ(A + BkT )x* (k) (10') で与えられる。[Equation 7] Control law u * (k) = k T · x * (k) (9 ') Control system characteristics x * (k + 1) = ρ (A + Bk T ) x * (k) (10') To be

【0020】すなわち、制御対象が本来(7a')(7b')式で
与えられたとき、評価関数(8')式を設定して最適レギュ
レータを設計し、得られた(9')式の制御則を用いたと
き、閉ループ系の極配置は(10') 式の行列ρ(A+Bk
T )の固有値になる。ここで、(9')式の制御則は、仮想
的な(7a)、(7b)式の制御対象に対し評価関数(8) 式に対
し設計した最適レギュレータの制御則と同じになる。最
適レギュレータの性質から、(10)式による仮想的な制御
系は必ず安定になるので、行列(A+BkT )のすべて
の固有値は複素平面の単位円内に入る。従って、(10')
式の行列ρ(A+BkT )の全ての固有値は中心が原点
で半径ρの円内に入る。このことは、(10')式の制御系
におけるすべてのモードはρi (iは離散的な時間)以
上の減衰率で減衰することになり、制御系の応答は対応
する時定数Trより速くなる。従って、(8')式の評価関
数を用いた最適レギュレータによる制御系の応答時定数
はTr以下になることが保証される。この関係を図7に
示す。
That is, when the controlled object is originally given by the equations (7a ') and (7b'), the evaluation function (8 ') is set to design the optimum regulator, and the obtained equation (9') is obtained. When the control law is used, the pole arrangement of the closed loop system is the matrix ρ (A + Bk of Eq. (10 ').
It becomes the eigenvalue of T ). Here, the control law of the equation (9 ') is the same as the control law of the optimal regulator designed for the evaluation function equation (8) with respect to the virtual controlled objects of the equations (7a) and (7b). Because of the property of the optimal regulator, the virtual control system according to equation (10) is always stable, so all the eigenvalues of the matrix (A + Bk T ) fall within the unit circle of the complex plane. Therefore, (10 ')
All eigenvalues of the matrix ρ (A + Bk T ) of the equation fall within a circle with the origin at the center. This means that all modes in the control system of Eq. (10 ') are attenuated with a damping rate of ρ i (i is a discrete time) or more, and the response of the control system is faster than the corresponding time constant Tr. Become. Therefore, it is guaranteed that the response time constant of the control system by the optimum regulator using the evaluation function of the expression (8 ') is Tr or less. This relationship is shown in FIG.

【0021】この性質は、評価関数Jが有限の時間長の
場合でも成立する。(8')式の評価関数において、Q=C
T C、R=λI (Iは単位行列である)と置き、考慮
する区間をi=1 〜∞のかわりにi=L 〜Np+L-1とすれば、
(5) 式の評価関数に一致する。従って、(5) 式の評価関
数を最小化する制御を行うとき、近似的に制御応答時定
数はTr以下になる。
This property holds even when the evaluation function J has a finite time length. In the evaluation function of the equation (8 '), Q = C
If T C, R = λI (I is an identity matrix) and the section to be considered is i = L to Np + L-1 instead of i = 1 to ∞,
Matches the evaluation function of equation (5). Therefore, when the control for minimizing the evaluation function of the equation (5) is performed, the control response time constant is approximately Tr or less.

【0022】かかる本発明のモデル予測制御方式の原理
に立脚して、前述した応答時定数設定手段手段は、従来
のモデル予測制御では直接設定することのできなかっ
た、応答時定数Trをプラント等の操作員が設定するこ
とを可能にした。安定余裕パラメータ算出手段及び評価
関数設定手段は、上述の評価関数(5) 式を構築し、最適
操作量算出部に設定することにより、応答時定数がTr
以下の制御応答を実現させている。一方、応答特性を重
視するあまり、時定数Trを極めて小さくしていくと、
一般に制御系は、操作量が過大になり、また観測ノイズ
や制御対象のモデル誤差に敏感になり、ときには制御系
が不安定になってしまう。そこで、制御系の安定性の尺
度として、従来より用いられているゲイン余裕、位相余
裕、Mp値、あるいは、モデル誤差に対するロバスト性
や観測ノイズに対する感度を意味する相補感度関数をチ
ェックしながら、十分なロバスト安定性を持つ制御系を
実現することが実用上望ましい。多入出力プロセスに対
する制御系でも、相補感度関数行列の最大特異値のピー
ク値をチェックすることにより安定余裕を評価できる。
Based on the principle of the model predictive control method of the present invention, the response time constant setting means described above cannot set the response time constant Tr directly in the conventional model predictive control. It was made possible to be set by the operator. The stability margin parameter calculating means and the evaluation function setting means construct the above-mentioned evaluation function (5) and set it in the optimum manipulated variable calculating section so that the response time constant becomes Tr.
The following control response is realized. On the other hand, if the time constant Tr is made extremely small because the response characteristics are emphasized,
In general, the control system becomes excessively manipulated, and is sensitive to observation noise and model error of the controlled object, and sometimes the control system becomes unstable. Therefore, as a measure of stability of the control system, it is sufficient to check gain margin, phase margin, Mp value conventionally used, or complementary sensitivity function that means robustness to model error and sensitivity to observation noise. It is practically desirable to realize a control system with excellent robust stability. Even in a control system for multiple input / output processes, the stability margin can be evaluated by checking the peak value of the maximum singular value of the complementary sensitivity function matrix.

【0023】そこで、一巡周波数応答特性算出手段は、
設定された応答時定数に基づいて評価関数設定手段にお
いて設計されたモデル予測制御系に対する閉ループ系の
一巡周波数応答を算出し、その結果を安定余裕パラメー
タ算出手段に与えて上述の安定余裕パラメータを算出さ
せ、表示させて操作員に知らせる。この結果、適切な応
答時定数の設定を操作員に促すことができる。
Therefore, the circuit frequency response characteristic calculation means is
Based on the set response time constant, the loop frequency response of the closed loop system for the model predictive control system designed in the evaluation function setting means is calculated, and the result is given to the stability margin parameter calculating means to calculate the above-mentioned stability margin parameter. And display it to inform the operator. As a result, the operator can be prompted to set an appropriate response time constant.

【0024】また、シミュレーション手段は上述の処理
を繰り返すことにより、予め応答時定数Trと安定余裕
パラメータとの関係を求めておき、表示手段は、それを
グラフの形で可視的に表示することにより、操作員が適
切な応答時定数を選定する手助けとなる。安定余裕パラ
メータ設定手段は、操作員が所望の安定度を安定余裕パ
ラメータにより入力し、それを満たす適切な応答時定数
が自動的に決定される機能を実現する。これにより、操
作員が決めた応答時定数に制御系を追従させることが可
能となり、制御系の調整が簡単になる。
The simulation means obtains the relationship between the response time constant Tr and the stability margin parameter in advance by repeating the above processing, and the display means visually displays it in the form of a graph. , Helps the operator select an appropriate response time constant. The stability margin parameter setting means realizes a function in which an operator inputs a desired degree of stability by the stability margin parameter and an appropriate response time constant that satisfies the stability is automatically determined. As a result, the control system can be made to follow the response time constant determined by the operator, and the control system can be easily adjusted.

【0025】[0025]

【実施例】本発明のモデル予測制御装置の実施例につい
て図1を参照して説明する。モデル予測制御演算部2は
前述した従来のモデル予測制御演算部2の機能をそっく
り含み、更に、一巡周波数応答特性算出手段10、相補
感度行列算出手段11、安定余裕パラメータ算出手段1
2等を備えている。一巡周波数応答特性算出手段10、
相補感度行列算出手段11、安定余裕パラメータ算出手
段12等は演算手段に対応する。モデル予測制御演算部
2は制御対象たるプロセス1から観測される制御量y
(k) をフィードバックし、同時に目標値r(k) を取り込
んだ上で、予測モデルと評価関数に基づき最適な操作量
u(k) を算出し、制御対象1に与える。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the model predictive control device of the present invention will be described with reference to FIG. The model predictive control calculation unit 2 includes all the functions of the conventional model predictive control calculation unit 2 described above, and further includes a circuit frequency response characteristic calculation unit 10, a complementary sensitivity matrix calculation unit 11, and a stability margin parameter calculation unit 1.
It has 2 etc. Open-loop frequency response characteristic calculation means 10,
The complementary sensitivity matrix calculation means 11, the stability margin parameter calculation means 12 and the like correspond to the calculation means. The model predictive control calculation unit 2 controls the control amount y observed from the process 1 to be controlled.
(k) is fed back, and at the same time, the target value r (k) is taken in, and then the optimal manipulated variable u (k) is calculated based on the prediction model and the evaluation function and given to the controlled object 1.

【0026】本実施例ではモデル予測制御における一般
性を持たせるため、制御対象1はq本の操作量u1 (k)
〜uq (k) とp本の制御量y1 (k) 〜yp (k) を持つ多
入出力プロセスであるとする。すなわち、プロセスの制
御量y1 〜yp を制御目標値r1 〜rp から生成される
未来目標軌道y* 1 〜y* p に追従させるための操作量
1 〜uq を逐次出力する。このモデル予測制御装置に
は、制御量を予測するための制御対象の動特性モデルを
設定する動特性モデル設定手段3、制御目的を意味する
評価関数を設定する評価関数設定手段4が備えられてい
る。
In this embodiment, in order to give generality to model predictive control, the controlled object 1 is q manipulated variables u 1 (k).
And a multi-output process with ~u q (k) and p the controlled variable y 1 a (k) ~y p (k) . That, and outputs the manipulated variable u 1 ~u q for to follow the future target trajectory y * 1 ~y * p generated control amount y 1 ~y p process from the control target value r 1 ~r p successive . This model predictive control device is provided with a dynamic characteristic model setting means 3 for setting a dynamic characteristic model of a controlled object for predicting a controlled variable, and an evaluation function setting means 4 for setting an evaluation function meaning a control purpose. There is.

【0027】操作員が端末装置9から応答時定数Trを
入力すると、応答時定数Trは応答時定数設定手段5に
適当な形式で保持される。重み係数パラメータ算出手段
6は保持された時定数Trに対応する重み係数パラメー
タρを算出し、これを評価関数設定手段4に与える。評
価関数設定手段4は、重み係数パラメータρが結合され
た評価関数を構築し、モデル予測制御演算部2の図示し
ない最適操作量算出部29に設定する。算出手段10〜
12からなる演算手段は、新規評価関数に基づくモデル
予測制御系の安定余裕パラメータεを算出する。安定余
裕パラメータεは応答時定数調整手段8の一方の入力端
子及び記憶装置13に供給される。算出された制御系の
安定余裕パラメータεは記憶装置13から端末装置9の
図示しないディスプレイに読み出され、操作員が端末装
置9から入力した応答時定数Trに対応した安定余裕パ
ラメータεが表示される。もし、端末装置9が一連の応
答時定数Trを応答時定数設定手段5に与えれば、これ
に対応した一連の安定余裕パラメータが記憶装置13に
蓄積され、応答時定数Trと安定余裕パラメータεとの
相互関係が求められる。
When the operator inputs the response time constant Tr from the terminal device 9, the response time constant Tr is held in the response time constant setting means 5 in an appropriate format. The weighting factor parameter calculating means 6 calculates the weighting factor parameter ρ corresponding to the held time constant Tr, and gives this to the evaluation function setting means 4. The evaluation function setting means 4 constructs an evaluation function in which the weighting factor parameter ρ is combined and sets it in the optimum manipulated variable calculation unit 29 (not shown) of the model prediction control calculation unit 2. Calculation means 10
The calculation means consisting of 12 calculates the stability margin parameter ε of the model predictive control system based on the new evaluation function. The stability margin parameter ε is supplied to one input terminal of the response time constant adjusting means 8 and the storage device 13. The calculated stability margin parameter ε of the control system is read from the storage device 13 to a display (not shown) of the terminal device 9, and the stability margin parameter ε corresponding to the response time constant Tr input by the operator from the terminal device 9 is displayed. It If the terminal device 9 gives a series of response time constants Tr to the response time constant setting means 5, a series of stability margin parameters corresponding thereto are accumulated in the storage device 13, and the response time constant Tr and the stability margin parameter ε are stored. Mutual relations are required.

【0028】一方、操作員が端末装置9を介して安定余
裕パラメータε0 を入力すると、この安定余裕パラメー
タε0 は安定パラメータ設定手段7に保持される。安定
パラメータ設定手段7に安定余裕パラメータε0 が設定
されると、応答時定数調整手段8は応答時定数設定手段
の応答時定数を初期値Tr0 に設定し、それを徐々に変
化させる。すると、重み係数パラメータ算出手段6にお
いて算出される重みパラメータの値ρも変化し、評価関
数設定手段4によってモデル予測制御演算部2に与えら
れる評価関数も変化する。これに対応して安定余裕パラ
メータ算出手段から供給される安定余裕パラメータεの
値も変化する。応答時定数調整手段8は設定された安定
余裕パラメータε0 が算出された安定余裕パラメータε
に一致するまで応答時定数Trを変化させる。設定され
た安定余裕パラメータε0 が算出された安定余裕パラメ
ータεに一致すると、このときの応答時定数設定手段の
応答時定数Trの値を固定する。これ等の定数は記憶装
置13を介して端末装置9に与えられ、適当な形で表示
される。
On the other hand, when the operator inputs the stability margin parameter ε 0 via the terminal device 9, the stability margin parameter ε 0 is held in the stability parameter setting means 7. When the stability margin parameter ε 0 is set in the stability parameter setting means 7, the response time constant adjusting means 8 sets the response time constant of the response time constant setting means to the initial value Tr 0 and gradually changes it. Then, the value ρ of the weighting parameter calculated by the weighting factor parameter calculation means 6 also changes, and the evaluation function given to the model prediction control calculation section 2 by the evaluation function setting means 4 also changes. Correspondingly, the value of the stability margin parameter ε supplied from the stability margin parameter calculating means also changes. The response time constant adjusting means 8 calculates the set stability margin parameter ε 0 by the calculated stability margin parameter ε.
The response time constant Tr is changed until it matches. When the set stability margin parameter ε 0 matches the calculated stability margin parameter ε, the value of the response time constant Tr of the response time constant setting means at this time is fixed. These constants are given to the terminal device 9 via the storage device 13 and displayed in an appropriate form.

【0029】各手段の機能について説明する。モデル予
測制御演算部2へ設定される多入出力プロセスに対する
動特性モデルは動特性モデル設定手段3から次式のパル
ス伝達関数行列で与えられる。
The function of each means will be described. The dynamic characteristic model for the multiple input / output process set in the model predictive control calculation unit 2 is given from the dynamic characteristic model setting means 3 by the pulse transfer function matrix of the following equation.

【0030】[0030]

【数8】 ただし、 Aij (z-1) =1 +a1 ij-1+…+an ij-nij (z-1) =b0 ij+b1 ij-1+…+bm ij-m である。ここで、pは制御量の数、qは操作量の数で、
p≠qでもよい。
[Equation 8] However, A ij (z -1 ) = 1 + a 1 ij z -1 + ... + a n ij z -n B ij (z -1 ) = b 0 ij + b 1 ij z -1 + ... + b m ij z -m Is. Where p is the number of controlled variables, q is the number of manipulated variables,
It may be p ≠ q.

【0031】ここで、評価関数設定手段4から次式の評
価関数が与えられたとする。
Here, it is assumed that the evaluation function of the following equation is given from the evaluation function setting means 4.

【0032】[0032]

【数9】 ただし、Δui (k) =ui (k) −ui (k-1) は操作量増
分である。また、(12)式中のパラメータのうち、予測長
L=1とし、Np、制御長Nu、重み係数λは、適当な
方法、例えば制御系の安定性を考慮した特願平3−04
7494号の方法により選定され、制御系が十分な安定
性を持つようにされている。また、極配置多項式は簡単
にするためD(z-1) =1とする。また、これらのパラメ
ータL,Np,Nu,λは各操作量u1 〜uq 、各制御
量y1 〜yp 毎に変えることができるが、この実施例で
は区別しない場合を示す。
[Equation 9] However, Δu i (k) = u i (k) −u i (k−1) is the manipulated variable increment. Further, among the parameters in the equation (12), the prediction length L = 1, and Np, the control length Nu, and the weighting factor λ are set by an appropriate method, for example, Japanese Patent Application No. 3-04 considering the stability of the control system.
It is selected according to the method of 7494 so that the control system has sufficient stability. In addition, the pole-placement polynomial is set to D (z −1 ) = 1 for simplicity. These parameters L, Np, Nu, lambda is can vary the operation amount u 1 ~u q, for each controlled variable y 1 ~y p, showing a case where no distinction in this embodiment.

【0033】モデル予測制御演算部2で算出される、(1
2)式を最小化する最適操作量は、以下の計算で求められ
る。まず、(11)式右辺行列中の第1〜p行について、
行の中で分母を通分する。例えば、第i行については、 Bi1(z-1) /Ai1(z-1) ・・・Biq(z-1) /Aiq(z-1) を、 Bi1´(z-1) /Ai (z-1) ・・・Biq' (z-1) /Ai (z-1) のように通分する。この結果、(11)式は、
Calculated by the model predictive control calculation unit 2, (1
The optimum amount of operation that minimizes Eq. 2) is calculated by the following calculation. First, for the first to pth rows in the right-hand side matrix of Expression (11),
Divide the denominator in the line. For example, for the i-th row, B i1 (z −1 ) / A i1 (z −1 ) ... B iq (z −1 ) / A iq (z −1 ), B i1 ′ (z −1 ) / A i (z -1 ) ... B iq '(z -1 ) / A i (z -1 ). As a result, equation (11) becomes

【0034】[0034]

【数10】 の形に変形できる。ここで、Ai (z-1) の次数をni
として、nmax =max{ni }とする。次に、各行
(i=1〜p)について、及びj=1〜Npについて、
次の方程式 D(z-1) =Eji(z-1)(1−z-1) Ai (z-1)+z-jji(z-1) (14) を解き、多項式Eji (z-1) =1+e1 ji-1+・・+
j-1 ji-j+1 (j-1次モニック) (15a)Fji (z-1)
=f0 ji+f1 ji-1+・・+fn ji-nmax (nmax
次)、(15b) を求める。この結果、jステップ先の制御
量y1 〜yp の予測値は、
[Equation 10] Can be transformed into a shape. Here, the degree of A i (z −1 ) is the n i th order, and n max = max {n i }. Next, for each row (i = 1 to p) and for j = 1 to Np,
The following equation D (z −1 ) = E ji (z −1 ) (1-z −1 ) A i (z −1 ) + z −j F ji (z −1 ) (14) is solved to obtain the polynomial E ji. (z -1 ) = 1 + e 1 ji z -1 + ...
e j-1 ji z -j + 1 (j-1 order monic) (15a) F ji (z -1 )
= F 0 ji + f 1 ji z -1 + ... + f n ji z -nmax (nmax
Next, find (15b). Predictive value of this result, j step ahead of the controlled variable y 1 ~y p is

【0035】[0035]

【数11】 で与えられる。ただし、Gj-1 、G0 はp×qの定数行
列、Hj (z-1) はz-1に関するp×qの多項式行列
で、次の関係式から求められる。
[Equation 11] Given in. However, G j−1 and G 0 are p × q constant matrices, and H j (z −1 ) is a p × q polynomial matrix with respect to z −1 and can be obtained from the following relational expression.

【0036】[0036]

【数12】 なお、G0 ・・・Gj-1 は制御対象(11)式のステップ応
答行列に相当する。
[Equation 12] Note that G 0 ... G j-1 corresponds to the step response matrix of the controlled object formula (11).

【0037】次に、(16)式を次式のように簡略表現する
ことにする。 D(z-1) y(k+j) =Gj-1 Δu(k+j-1) +・・・+G0 Δu(k) +Fj (z-1) y(k) +Hj (z-1) Δu(k-1) (18) これを、j=1〜Npについてまとめて表現すると、
Next, the expression (16) will be simply expressed as the following expression. D (z -1 ) y (k + j) = G j-1 Δu (k + j-1) + ... + G 0 Δu (k) + F j (z -1 ) y (k) + H j (z -1 ) Δu (k-1) (18) When this is expressed collectively for j = 1 to Np,

【0038】[0038]

【数13】 となり、さらにまとめて、 D(z-1) y=GΔu+F(z-1) y(k) +H(z-1) Δu(k-1) (20) と表現する。このとき、(12)式の評価関数は、 J=(D(z-1) y−D(z-1) y* T T Q(D(z-1) y −D(z-1) y* )+λΔuT T RΔu (21) と表すことができる。ただし、Q,Rは重み係数行列
で、重み係数パラメータρに対し、
[Equation 13] Therefore, it is further expressed as follows: D (z −1 ) y = GΔu + F (z −1 ) y (k) + H (z −1 ) Δu (k−1) (20) In this case, (12) the evaluation function of the equation, J = (D (z -1 ) y-D (z -1) y *) T Q T Q (D (z -1) y -D (z -1 ) y * ) + λΔu T R T RΔu (21). However, Q and R are weight coefficient matrices, and for the weight coefficient parameter ρ,

【0039】[0039]

【数14】 で与えられる。ここで、Q,R中のIはそれぞれp×
p、q×qの単位行列である。ここで、Iのかわりに要
素毎に異なる値にすることにより各制御量、操作量に個
別の重みをかけることも可能である。
[Equation 14] Given in. Here, I in Q and R is p ×
It is a unit matrix of p and q × q. Here, instead of I, it is also possible to give a different weight to each control amount and operation amount by setting a different value for each element.

【0040】また、In addition,

【0041】[0041]

【数15】 で、y* i (k+j) は、第i番目の制御量yi に対するj
ステップ先の目標値である。このとき、評価関数(3) 式
(または(13)式)を最小化する最適操作量は、 Δu=( GT T QG+λRT R) -1T T Q ×{D(z-1) y* −F(z-1) y(k) −H(z-1) Δu(k-1)} (24) で与えられる。実際の操作量は、ベクトルΔuのはじめ
のq要素 Δu(k+1) =Gq*{D(z-1) y* −F(z-1) y(k) −H(z-1) Δu(k-1)} (25) (ただし、Gq*は (GT T QG+λRT R) -1T T Qの上からq行を取 り出した、q× (p×Np) のマトリクスである。) を取り出し、 u(k) =u(k-1) +Δu(k) (26)
[Equation 15] Where y * i (k + j) is j for the i-th controlled variable yi .
This is the target value of the step destination. At this time, the optimum amount of operation to minimize the evaluation function (3) (or (13)) is, Δu = (G T Q T QG + λR T R) -1 G T Q T Q × {D (z -1 ) y * -F (z- 1 ) y (k) -H (z- 1 )? u (k-1)} (24). The actual manipulated variable is the first q element of the vector Δu Δu (k + 1) = G q * {D (z −1 ) y * −F (z −1 ) y (k) −H (z −1 ). Δu (k-1)} (25) (where G q * is (G T Q T QG + λR T R) -1 G T Q T Q, and q rows are taken out from the top, q × (p × Np ) Is taken out, and u (k) = u (k-1) + Δu (k) (26)

【0042】により、計算される。こうして、モデル予
測制御演算部2は与えられた条件下に最適操作量u(k)
の算出を行っている。
Is calculated by In this way, the model predictive control calculation unit 2 can obtain the optimum manipulated variable u (k) under the given conditions.
Is calculated.

【0043】次に、本発明によって追加された手段の動
作を図2のフローチャートを参照して説明する。各手段
は具体的にはコンピュータのソフトウェア上等に実現さ
れる。 まず、操作員が端末装置9から応答時定数Tr
[sec] を入力すると応答時定数設定手段5に保持され
る。応答時定数設定手段5は、応答時定数Tr[sec] を
重み係数パラメータ算出手段6に送る(ステップS1
1)。重み係数パラメータ算出手段6は与えられた応答
時定数Tr[sec] を読み込み、 ρ=exp(-Δ/Tr) (ただし、Δ[sec] は制御周期) (27) により重み係数パラメータρを求め、これを評価関数設
定手段4に与える。評価関数設定手段4は、この重み係
数パラメータρを用いて(12)式で表現される評価関数を
構築し、モデル予測制御演算部2に与える(ステップS
12)。モデル予測制御演算部2は、(12)〜(25)式で示
される演算処理によってモデル予測制御系の制御式(25)
を算出する(ステップS13)。
Next, the operation of the means added according to the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. Each means is specifically realized on software of a computer or the like. First, the operator receives a response time constant Tr from the terminal device 9.
When [sec] is input, it is held in the response time constant setting means 5. The response time constant setting means 5 sends the response time constant Tr [sec] to the weighting factor parameter calculating means 6 (step S1).
1). The weighting factor parameter calculating means 6 reads the given response time constant Tr [sec], and obtains the weighting factor parameter ρ by ρ = exp (-Δ / Tr) (where Δ [sec] is the control period) (27) This is given to the evaluation function setting means 4. The evaluation function setting means 4 constructs an evaluation function represented by the expression (12) using the weighting factor parameter ρ and gives it to the model prediction control operation unit 2 (step S
12). The model predictive control calculation unit 2 uses the control process (25) of the model predictive control system by the calculation process represented by the expressions (12) to (25).
Is calculated (step S13).

【0044】モデル予測制御演算部2には、一巡応答周
波数特性算出手段10、相補感度行列算出手段11、安
定余裕パラメータ算出手段12が新たに形成されてい
る。一巡応答周波数特性算出手段10は上記演算処理に
おいて得られている制御式(25)を使用して、制御対象式
(11)とあわせた閉ループ系の一巡周波数応答行列L(j
ω) を次式により求める。
The model predictive control computing unit 2 is newly provided with a loop response frequency characteristic calculating unit 10, a complementary sensitivity matrix calculating unit 11, and a stability margin parameter calculating unit 12. The loop response frequency characteristic calculation means 10 uses the control equation (25) obtained in the above arithmetic processing to calculate the controlled object equation.
The closed loop system response frequency matrix L (j
ω) is calculated by the following equation.

【0045】[0045]

【数16】 ただし、A(z-1) 及びB(z-1) は(13)式の左辺及び
右辺に夫々示されるA,B行列を表す。Δ(z-1)は対
角行列であり、Δ(z-1)=diag{(1−z-1)…(1−
-1)}と表される。Iは単位行列、τは制御周期であ
る。
[Equation 16] However, A (z -1 ) and B (z -1 ) represent the A and B matrices shown on the left and right sides of equation (13), respectively. Δ (z −1 ) is a diagonal matrix, and Δ (z −1 ) = diag {(1-z −1 ) ... (1-
z -1 )}. I is a unit matrix, and τ is a control period.

【0046】続いて、相補感度行列算出手段11によっ
て相補感度関数行列 T(jω) =(I+L(jω))-1L(jω) (29) を求める。そして、安定余裕パラメータ算出手段12に
より安定余裕パラメータとして
Subsequently, the complementary sensitivity matrix calculating means 11 obtains a complementary sensitivity function matrix T (jω) = (I + L (jω)) −1 L (jω) (29). Then, the stability margin parameter calculation means 12 determines the stability margin parameter as

【0047】[0047]

【数17】 を求める。ただし、σmax は最大特異値を意味する。こ
の安定余裕パラメータは制御対象がG(s) からG(s)
(1+Δ(s) )へ変化したとき、
[Equation 17] Ask for. However, σmax means the maximum singular value. This stability margin parameter is controlled from G (s) to G (s)
When it changes to (1 + Δ (s)),

【0048】[0048]

【数18】 である限り閉ループ系の安定性が保たれる。従って、ε
は安定余裕を表す一種の尺度になる(ステップS1
4)。得られた安定余裕パラメータを記憶手段13を介
して端末装置9のディスプレイに表示し(ステップS1
5)、プラント等の操作員の判断を促す。操作員が、そ
の安定余裕で良いと判断し、キーボード等の入力手段か
らYesを入力した場合は(ステップS16)、応答時
定数設定手段5に入力された応答時定数Trに対応する
重み係数パラメータρの評価関数設定手段4への設定を
確定する(ステップS17)。逆に、操作員がその安定
余裕では不十分と判断し、Noを入力した場合は(ステ
ップS16)、ステップS11に戻り、操作員によって
新たに入力された応答時定数Trに基づいてモデル予測
制御系を再設計する(ステップS11〜15)。
[Equation 18] As long as, the stability of the closed loop system is maintained. Therefore, ε
Is a kind of measure for the stability margin (step S1
4). The obtained stability margin parameter is displayed on the display of the terminal device 9 via the storage means 13 (step S1).
5) Encourage the judgment of operators such as plants. When the operator judges that the stability margin is sufficient and inputs Yes from the input means such as the keyboard (step S16), the weighting factor parameter corresponding to the response time constant Tr input to the response time constant setting means 5 is entered. The setting of ρ in the evaluation function setting means 4 is confirmed (step S17). On the contrary, when the operator judges that the stability margin is insufficient and inputs No (step S16), the process returns to step S11, and the model predictive control is performed based on the response time constant Tr newly input by the operator. The system is redesigned (steps S11 to 15).

【0049】端末装置9は一種のシュミレーション機能
を備えている。このシュミレーション機能は、操作員か
らのシュミレーション指令に応じて、端末装置9から応
答時定数設定手段5に与えた応答時定数Trをある範囲
について連続的に変化させ、各応答時定数Trに対応し
た安定余裕パラメータεを得る。すなわち、応答時定数
Trのある値と、重み係数パラメータ算出手段6、評価
関数設定手段4、モデル予測制御演算部2、一巡周波数
応答特性算出手段10、相補感度関数行列算出手段1
1、安定余裕パラメータ算出手段12を一巡して得られ
た安定余裕パラメータεとを記憶装置13に蓄積する。
端末装置9は、記憶装置13に蓄積された応答時定数T
rと安定余裕パラメータεとの関係を画面に、例えば図
4に示すようにグラフで表示する。図4では、応答時定
数がTrs 以上で制御系が安定、それ以下では不安定に
なることを示している。可視的に両者の関係を示すこと
により、操作員が無理に応答時定数Trs より早い応答
速度を要求して制御系の不安定状態を引き起こすのを事
前に避け、より適切な応答時定数の設定を行うことが期
待出来る利点がある。
The terminal device 9 has a kind of simulation function. This simulation function corresponds to each response time constant Tr by continuously changing the response time constant Tr given from the terminal device 9 to the response time constant setting means 5 in a certain range according to a simulation command from the operator. Obtain the stability margin parameter ε. That is, a certain value of the response time constant Tr, the weight coefficient parameter calculation means 6, the evaluation function setting means 4, the model prediction control calculation section 2, the open-loop frequency response characteristic calculation means 10, the complementary sensitivity function matrix calculation means 1
1. The stability margin parameter ε obtained by going through the stability margin parameter calculation means 12 is accumulated in the storage device 13.
The terminal device 9 uses the response time constant T stored in the storage device 13.
The relationship between r and the stability margin parameter ε is displayed on the screen in a graph as shown in FIG. 4, for example. FIG. 4 shows that the control system becomes stable when the response time constant is Tr s or more and becomes unstable when the response time constant is less than Tr s . By visually demonstrating the relationship between the two, it is possible to avoid in advance that the operator demands a faster response speed than the response time constant Tr s and causes an unstable state of the control system, and There is an advantage that setting can be expected.

【0050】操作員は、端末装置9から安定余裕パラメ
ータ入力手段7に直接安定余裕パラメータε0 を設定す
ることが出来る。こうした場合には、図3のフローチャ
ートに従って処理が行われる。まず、操作員が端末装置
9から安定余裕パラメータε0 を入力すると(ステップ
S21)、安定余裕パラメータ設定入力手段7に入力安
定余裕パラメータε0 が設定される。安定余裕パラメー
タ設定入力手段7に初回の安定余裕パラメータが設定さ
れたことを応答時定数調整手段8が検知すると、応答時
定数設定手段5に初期値Tr0 を設定させる。この初期
値Tr0 は初期値として十分に大きい値を設定する(ス
テップS22)。この初期値Tr0 は重み係数パラメー
タ算出手段6によって重み係数ρに変換されて評価関数
設定手段4に与えられる。評価関数設定手段4は新たな
評価関数(12)式を形成する(ステップS23)。この評
価関数(12)式を参照してモデル予測制御演算部2は、前
述のステップ13と同様に、(12)〜(25)式で示される演
算処理によってモデル予測制御系の制御式(25)を算出す
る(ステップS24)。更に、一巡周波数応答特性算出
手段10、相補感度行列算出手段11、安定余裕パラメ
ータ算出手段12では、前述した(28)、(29)、(30)式に
基づき演算処理を行い、安定余裕パラメータεを算出す
る(ステップS25)。算出された安定余裕パラメータ
εは応答時定数調整手段8に与えられる。応答時定数調
整手段8は算出されたεと指定されているε0 とを比較
する(ステップS26)。応答時定数調整手段8は、比
較の結果、 (i) ε<ε0 なら、現状の安定余裕は少ないと判定
し、応答時定数を例えば、Tr ← Tr×1.1 の
ように、少し大きくし、ステップS23へ戻る(ステッ
プS27)。 (ii) ε>ε0 なら、現状の安定余裕は多すぎると判定
し、応答時定数を例えば、Tr ← Tr/1.1 の
ように、少し小さくし、ステップS23へ戻る(ステッ
プS28)。 (iii) εがε0 に略等しいなら現状の安定余裕は満足で
きるものであると判断し、そのときの応答時定数Trを
最適値として記憶装置13を介して端末装置19へ表示
するとともに、操作員の確認の上で、あるいは自動的に
応答時定数Trに対応する重み係数パラメータρを評価
関数設定手段4へ入力する(ステップS29)。 評価関数設定手段4では、入力された重み係数パラメー
タρを用いて、モデル予測制御演算部2に対し(12)式の
評価関数を設定する。
The operator can directly set the stability margin parameter ε 0 in the stability margin parameter input means 7 from the terminal device 9. In such a case, the process is performed according to the flowchart of FIG. First, when the operator inputs the stability margin parameter ε 0 from the terminal device 9 (step S21), the input stability margin parameter ε 0 is set in the stability margin parameter setting input means 7. When the response time constant adjusting means 8 detects that the initial stability margin parameter has been set in the stability margin parameter setting input means 7, the response time constant setting means 5 is caused to set the initial value Tr 0 . The initial value Tr 0 is set to a sufficiently large value as the initial value (step S22). The initial value Tr 0 is converted into the weight coefficient ρ by the weight coefficient parameter calculating means 6 and given to the evaluation function setting means 4. The evaluation function setting means 4 forms a new evaluation function (12) formula (step S23). With reference to this evaluation function (12), the model predictive control calculation unit 2 performs the calculation processing represented by the formulas (12) to (25) in the same manner as in step 13 described above, by the control formula (25 ) Is calculated (step S24). Further, the open-loop frequency response characteristic calculation means 10, the complementary sensitivity matrix calculation means 11, and the stability margin parameter calculation means 12 perform arithmetic processing based on the above-described equations (28), (29), (30) to obtain the stability margin parameter ε. Is calculated (step S25). The calculated stability margin parameter ε is given to the response time constant adjusting means 8. The response time constant adjusting means 8 compares the calculated ε with the designated ε 0 (step S26). The response time constant adjusting means 8 determines that the current stability margin is small if (i) ε <ε 0 as a result of the comparison, and the response time constant is slightly increased, for example, Tr ← Tr × 1.1. Then, the process returns to step S23 (step S27). (ii) If ε> ε 0, it is determined that the current stability margin is too large, the response time constant is made slightly smaller, for example, Tr ← Tr / 1.1, and the process returns to step S23 (step S28). (iii) If ε is substantially equal to ε 0 , it is determined that the current stability margin is satisfactory, and the response time constant Tr at that time is displayed as an optimum value on the terminal device 19 via the storage device 13, and After checking the operator or automatically, the weighting factor parameter ρ corresponding to the response time constant Tr is input to the evaluation function setting means 4 (step S29). The evaluation function setting means 4 uses the input weighting factor parameter ρ to set the evaluation function of the expression (12) for the model prediction control calculation unit 2.

【0051】なお、動特性モデル設定手段3では、制御
対象のモデル(11)式をモデル予測制御演算部2に対し設
定する。ここで、制御対象の動特性モデルは、端末装置
9や図示しない外部記憶装置から入力する場合と、制御
量y(k) 、操作量u(k) から逐次型最小二乗法などの時
系列解析法を用いてリアルタイム処理で推定したものを
用いる場合がある。
The dynamic characteristic model setting means 3 sets the model (11) to be controlled in the model predictive control calculation section 2. Here, the dynamic characteristic model of the controlled object is input from the terminal device 9 or an external storage device (not shown), and the time series analysis such as the recursive least squares method from the controlled variable y (k) and the manipulated variable u (k). In some cases, the one estimated by real-time processing using the method is used.

【0052】次に、(3) 式の伝達関数により表される制
御対象に対して本発明のモデル予測制御装置を適用した
ときの制御応答(目標値追従応答)を図5に、その時の
制御系の極配置を図6に示す。
Next, FIG. 5 shows the control response (target value tracking response) when the model predictive control device of the present invention is applied to the controlled object represented by the transfer function of equation (3). The pole arrangement of the system is shown in FIG.

【0053】この場合の予測長Np、制御長Nu,重み
係数λ、制御周期等は前述の例と同じである。図5の制
御応答をみると、図9に示される従来法による制御応答
に比べ、応答が速やかに目標値に追従している。また、
図6の制御系の極配置(図中○印)も図10に示される
従来法による極配置が単位円上に極を持つのに対し、単
位円内部に極をもち、十分な安定性を保っていることが
判る。
In this case, the prediction length Np, the control length Nu, the weighting factor λ, the control cycle, etc. are the same as those in the above-mentioned example. The control response of FIG. 5 shows that the response more quickly follows the target value than the control response of the conventional method shown in FIG. Also,
The pole arrangement of the control system in FIG. 6 (circle in the figure) also has poles on the unit circle according to the conventional method shown in FIG. 10, whereas it has poles inside the unit circle and has sufficient stability. You can see that you keep it.

【0054】なお、本発明の実施例では評価関数とし
て、評価関数(5) 式、あるいはこれに対応した(12)式を
用いているが、この形以外の評価関数に対しても、同様
の指数型の重み係数を設定することにより、近似的に応
答特性を改善することができる。指数型の重み係数を評
価関数に付加えることにより、予測時間の経過と共に制
御量y(k) が収束すべき範囲が徐々に狭くなるように制
御がなされ、制御量y(k) が目標値に至る過程が振動的
になることが抑制される。
In the embodiment of the present invention, the evaluation function (5) or the corresponding expression (12) is used as the evaluation function, but the same applies to evaluation functions other than this form. By setting an exponential weighting coefficient, the response characteristic can be improved approximately. By adding an exponential weighting coefficient to the evaluation function, control is performed so that the range in which the control amount y (k) should converge gradually narrows as the prediction time elapses, and the control amount y (k) becomes the target value. It is possible to prevent the process leading to to become oscillatory.

【0055】また、最適操作量を算出する段階で、例え
ば、飯野、大矢:「安定性を考慮した制限条件付き多変
数モデル予測制御方式」計測自動制御学会、適応制御シ
ンポジウム予稿pp.75 (1991)に示されているような方
法、すなわち、制限条件を考慮し、2次計画法を用いて
制限条件を満たしながら評価関数を最小化する最適操作
量を逐次計算するモデル予測制御方式を用いて、制御
量、操作量に関する制限条件を考慮したモデル予測制御
にも、本発明のモデル予測制御装置を用いることができ
る。
Further, in the stage of calculating the optimum manipulated variable, for example, Iino, Ohya: “Multivariable model predictive control system with limiting conditions considering stability”, Japan Society of Instrument and Control Engineers, Adaptive Control Symposium pp.75 (1991). ), That is, a model predictive control method that sequentially calculates an optimal operation amount that minimizes the evaluation function while satisfying the limiting conditions using the quadratic programming method, considering the limiting conditions. The model predictive control device of the present invention can also be used for model predictive control in which the limiting conditions regarding the control amount and the manipulated variable are taken into consideration.

【0056】また、プロセスの予測モデルが非線形の場
合も、同じ評価関数を用いたモデル予測制御系により応
答特性を改善できる。
Even when the process prediction model is non-linear, the response characteristics can be improved by the model prediction control system using the same evaluation function.

【0057】また、多入力多出力プロセスの場合、各制
御ループに異なる応答時定数Tri を設定し、それぞれ
を個別の応答速度により制御することもできる。この場
合、(27)式のかわりに、 ρi =exp(-Δ/Tri ) (ただし、Δ[sec] は制御周期) (27') により、重み係数パラメータρi を求め、評価関数を、
Further, in the case of a multi-input multi-output process, different response time constants Tr i can be set in each control loop and each can be controlled by an individual response speed. In this case, instead of equation (27), ρ i = exp (-Δ / Tr i ) (where Δ [sec] is the control period) (27 ') is used to obtain the weighting factor parameter ρ i , and the evaluation function is ,

【0058】[0058]

【数19】 と設定すればよい。[Formula 19] And set it.

【0059】[0059]

【発明の効果】以上説明したように本発明のモデル予測
制御装置は、応答時定数を入力すると、この時定数に対
応する指数関数の重み係数が定められ、この重み係数が
評価関数に付け加えられるので、モデル予測制御系の応
答時定数を指定することが可能となり、安定性を判別す
る複素平面における制御系の極を安定領域に配置出来、
過渡応答特性、特に、減衰率を効果的に改善することが
できる。また、指定した応答時定数に対し、制御系の安
定余裕を評価することが出来るので、安定性を考慮した
適切な応答時定数を設定出来る。更に、安定余裕を制御
仕様として与えると、それを満たす制御系になるように
応答時定数を自動調整する構成ともし得るので、適切な
安定性と過渡応答特性を実現することが可能となる。
As described above, in the model predictive control device of the present invention, when the response time constant is input, the weight coefficient of the exponential function corresponding to this time constant is determined, and this weight coefficient is added to the evaluation function. Therefore, it becomes possible to specify the response time constant of the model predictive control system, and the poles of the control system in the complex plane that determines the stability can be placed in the stable region.
It is possible to effectively improve the transient response characteristic, particularly the damping rate. Further, since the stability margin of the control system can be evaluated with respect to the designated response time constant, an appropriate response time constant can be set in consideration of stability. Furthermore, if a stability margin is given as a control specification, the response time constant can be automatically adjusted so as to obtain a control system that satisfies it, so that it is possible to realize appropriate stability and transient response characteristics.

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

【図1】本発明のモデル予測制御装置の実施例を示すブ
ロック図。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a model predictive control device of the present invention.

【図2】安定余裕パラメータ算出手段6における処理手
順を説明するフローチャート。
FIG. 2 is a flowchart illustrating a processing procedure in stability margin parameter calculation means 6.

【図3】応答時定数算出手段8における処理手順を説明
するフローチャート。
FIG. 3 is a flowchart illustrating a processing procedure in a response time constant calculation means 8.

【図4】応答時定数Trと安定余裕パラメータεの関係
を示すグラフ。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the response time constant Tr and the stability margin parameter ε.

【図5】本発明のモデル予測制御装置による制御応答特
性例を示すグラフ。
FIG. 5 is a graph showing an example of control response characteristics by the model predictive control device of the present invention.

【図6】図5の例における制御系の閉ループ極配置を示
すグラフ。
6 is a graph showing a closed-loop pole arrangement of the control system in the example of FIG.

【図7】評価関数の重みづけによる閉ループ極配置およ
び制御応答の改善を説明する図。
FIG. 7 is a diagram illustrating improvement in closed-loop pole placement and control response by weighting the evaluation function.

【図8】従来のモデル予測制御装置の構成図。FIG. 8 is a block diagram of a conventional model predictive control device.

【図9】従来のモデル予測制御装置による制御応答特性
例を示すグラフ。
FIG. 9 is a graph showing an example of control response characteristics by a conventional model predictive control device.

【図10】図8の例における制御系の閉ループ極配置を
示すグラフ。
10 is a graph showing a closed-loop pole arrangement of the control system in the example of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 制御対象 2 モデル予測制御演算部 3 動特性モデル設定手段 4 評価関数設定手段 5 応答時定数設定手段 6 重み係数パラメータ算出手段 7 安定余裕パラメータ設定手段 8 応答時定数調整致検出手段 9 端末装置 10 一巡応答特性算出手段 11 相補感度行列算出手段 12 安定余裕パラメータ算出手段 13 記憶装置 26 応答データ記憶部 27 予測モデル 28 未来目標軌道生成部 29 最適操作量算出部 30 積分器 1 controlled object 2 Model predictive control calculation unit 3 Dynamic characteristic model setting means 4 Evaluation function setting means 5 Response time constant setting means 6 Weighting factor parameter calculation means 7 Stability margin parameter setting means 8 Response time constant adjustment matching detection means 9 Terminal device 10 Circular Response Characteristic Calculation Means 11 Complementary sensitivity matrix calculation means 12 Stability margin parameter calculation means 13 Storage device 26 Response data storage unit 27 Prediction model 28 Future Target Trajectory Generation Unit 29 Optimal manipulated variable calculator 30 integrator

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】制御対象の動特性モデルに基づいて制御量
未来値を予測し、制御性能を表す評価関数の値を最小化
するような最適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、 制御対象が動作すべき立上がり時間を表す応答時定数が
設定される応答時定数設定手段と、 前記応答時定数を指数部に担い、時間の経過と共に値が
増大する重み係数を算出する重み係数パラメータ算出手
段と算出された重み係数が組込まれた新規評価関数を構
築し、これを前記評価関数として設定する評価関数設定
手段と、を備えたことを特徴とするモデル予測制御装
置。
1. A model for predicting a controlled variable future value based on a dynamic characteristic model of a controlled object and calculating an optimum manipulated variable that minimizes a value of an evaluation function representing control performance from the controlled variable and a future target value. In the predictive control device, a response time constant setting means for setting a response time constant representing the rise time that the controlled object should operate, and an exponential part for the response time constant, and a weighting coefficient whose value increases with the passage of time. A model predictive control device comprising: a weighting factor parameter calculating means for calculating; a new evaluation function incorporating the calculated weighting coefficient; and an evaluation function setting means for setting the new evaluation function as the evaluation function. .
【請求項2】制御対象の動特性モデルに基づいて制御量
未来値を予測し、制御性能を表す評価関数の値を最小化
するような最適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、 制御対象が動作すべき立上がり時間を表す応答時定数が
設定される応答時定数設定手段と、 前記応答時定数を指数部に担い、時間の経過と共に値が
増大する重み係数を算出する重み係数パラメータ算出手
段と算出された重み係数が組込まれた新規評価関数を構
築し、これを前記評価関数として設定する評価関数設定
手段と、 前記新規評価関数が設定されたモデル予測制御系の制御
対象の変動に対する安定度を表す安定余裕パラメータを
算出する演算手段と、 前記応答時定数設定手段に設定された応答時定数の値を
変化させつつ、前記応答時定数の瞬時値に対応する前記
安定余裕パラメータの値を記録するシミュレーション手
段と、 記録された応答時定数の値と安定余裕パラメータの値と
の関係を可視的に表示する表示手段とを備えたことを特
徴とするモデル予測制御装置。
2. A model for predicting a controlled variable future value based on a dynamic characteristic model of a controlled object, and calculating an optimum manipulated variable that minimizes the value of an evaluation function representing control performance from the controlled variable and a future target value. In the predictive control device, a response time constant setting means for setting a response time constant representing the rise time that the controlled object should operate, and an exponential part for the response time constant, and a weighting coefficient whose value increases with the passage of time. A weighting factor parameter calculating means for calculating and a new evaluation function incorporating the calculated weighting coefficient, and an evaluation function setting means for setting this as the evaluation function, and a model predictive control system in which the new evaluation function is set. The calculation means for calculating the stability margin parameter indicating the stability with respect to the fluctuation of the controlled object, and the response time constant while changing the value of the response time constant set in the response time constant setting means. A simulation means for recording the value of the stability margin parameter corresponding to the instantaneous value of the constant; and a display means for visually displaying the relationship between the value of the recorded response time constant and the value of the stability margin parameter. A model predictive control device characterized by:
【請求項3】制御対象の動特性モデルに基づいて制御量
未来値を予測し、制御性能を表す評価関数の値を最小化
するような最適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、 制御対象が動作すべき立上がり時間を表す応答時定数が
設定される応答時定数設定手段と、 前記応答時定数を指数部に担い、時間の経過と共に値が
増大する重み係数を算出する重み係数パラメータ算出手
段と算出された重み係数が組込まれた新規評価関数を構
築し、これを前記評価関数として設定する評価関数設定
手段と、 前記新規評価関数が設定されたモデル予測制御系の制御
対象の変動に対する安定度を表す安定余裕パラメータを
算出する演算手段と、 指定された安定余裕パラメータを保持する安定余裕パラ
メータ設定手段と、 前記算出された安定余裕パラメータの値が前記安定余裕
パラメータ設定手段に保持された安定余裕パラメータの
値に一致するまで前記応答時定数設定手段に保持された
応答時定数の値を変化させる応答時定数調整手段とを備
えたことを特徴とするモデル予測制御装置。
3. A model for predicting a controlled variable future value based on a dynamic characteristic model of a controlled object, and calculating an optimum manipulated variable that minimizes the value of an evaluation function representing control performance from the controlled variable and a future target value. In the predictive control device, a response time constant setting means for setting a response time constant representing the rise time that the controlled object should operate, and an exponential part for the response time constant, and a weighting coefficient whose value increases with the passage of time. A weighting factor parameter calculating means for calculating and a new evaluation function incorporating the calculated weighting coefficient, and an evaluation function setting means for setting this as the evaluation function, and a model predictive control system in which the new evaluation function is set. A calculation means for calculating a stability margin parameter indicating the stability with respect to the fluctuation of the controlled object, a stability margin parameter setting means for holding a designated stability margin parameter, Response time constant adjustment for changing the value of the response time constant held in the response time constant setting means until the value of the issued stability margin parameter matches the value of the stability margin parameter held in the stability margin parameter setting means And a model predictive control device.
【請求項4】前記新規評価関数は、制御量y(k+j) 、目
標値y* (k+j) 、操作量増分Δu(k+j) 、閉ループ極配
置を決定する多項式D(z-1)に関する項にρ-2j 、ρ
=exp(-Δ/Tr)、Δは制御周期、Trは応答時定数 な
る重み係数を掛けて積分した評価関数 【数1】 であることを特徴とした請求項1、2または3記載のモ
デル予測制御装置。
4. The new evaluation function comprises a control variable y (k + j), a target value y * (k + j), a manipulated variable increment Δu (k + j), and a polynomial D (z -1 ) in terms of ρ -2j , ρ
= Exp (-Δ / Tr), Δ is the control cycle, and Tr is the evaluation function obtained by multiplying by the weighting coefficient which is the response time constant and integrating. The model predictive control device according to claim 1, 2 or 3, wherein
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