JPH06102905A

JPH06102905A - フィードフォワード／フィードバック制御装置

Info

Publication number: JPH06102905A
Application number: JP24948192A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Ouchi; 和紀大内; Masahide Nomura; 政英野村; Akira Sugano; 彰菅野; Eiji Toyama; 栄二遠山; Toru Kimura; 木村　　亨
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-09-18
Filing date: 1992-09-18
Publication date: 1994-04-15

Abstract

(57)【要約】【目的】フィードフォワード制御とフィードバック制御
とを併用したフィードフォワード／フィードバック制御
装置において、制御パラメータを精度良く最適化する。【構成】フィードフォワード制御装置と、フィードバッ
ク制御装置とを用いるフィードフォワード／フィードバ
ック制御装置において、前記フィードフォワード制御装
置の制御パラメータ修正手段及び前記フィードバック制
御装置の制御パラメータ修正手段を有し、後者の修正を
知識処理によって行いフィードフォワード／フィードバ
ック制御装置の制御パラメータを精度良く最適化する。【効果】フィードフォワード／フィードバック制御装置
の制御パラメータを最適に自動調整でき、目標値変化時
または、外乱印加時に制御対象の偏差の変動を最小限に
抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フィードフォワード制
御とフィードバック制御とを併用する制御装置に係り、
特にフィードフォワード制御パラメータ及びフィードバ
ック制御パラメータを自動的にチューニングすることを
可能にしたフィードフォワード／フィードバック制御装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、プロセス制御の分野ではフィード
バック制御とフィードフォワード制御が行われ制御性改
善に大きな成果を上げてきた。特に、制御量の応答遅れ
の大きなプラントに対してはフィードフォワード制御が
有効であった。しかし、これらの制御方式における制御
パラメータのチューニングは調整員が制御量の変動を観
測しながら手動で行ってきた。このため調整作業に長時
間を費やすと共に、チューニング結果に調整員の個人差
が現れる等の問題があった。

【０００３】制御パラメータのオートチューニングに関
する試みはフィードバック制御、特にその大半を占める
ＰＩコントローラのチューニングに見られる。特開昭63
ー247801号に述べられている方法では、目標値変化時ま
たは外乱印加時の制御量応答形状を観測し、オーバーシ
ュート量及び減衰係数を求めるための制御量応答形状認
識手段と、オーバーシュート量及び減衰係数を定性的に
評価し、ファジィ推論によりＰＩ制御パラメータの修正
値を推定するための制御パラメータ修正手段と、上記オ
ーバーシュート量及び減衰係数が許容範囲を超える時、
上記制御パラメータ修正手段を機能させる制御性判定手
段とを設けることによりオートチューニングを実現して
いる。また、「計測技術（昭和６１年９月），エキスパ
ート法によるＰＩＤセルフ・チューニング（ｐ５２−ｐ
５９）」に述べられている方法では、目標値変化時また
は外乱印加時の制御量応答形状を予め用意した複数の基
本応答形状と照合し、合致した基本応答形状に対する複
数の調整ルールの中から実応答形状またはその遷移傾向
に応じて最適ルールを選択し、ＰＩ制御パラメータを修
正している。

【０００４】その他、特開昭61−21505 号公報（ＵＳＰ
Ｎo.４，６９８，７４５）には、フィードバック制御
とフィードフォワード制御のゲインを修正するようにし
たプロセス制御装置が開示されている。

【０００５】更に、特開昭64−3705号公報(ＵＳＰＮo.
４，９５１，１９１）には、フィードバック制御系とフ
ィードフォワード制御系を組合せ，負荷変動などによる
フィードフォワード制御のオートチューニング技術が開
示されている。

【０００６】また、特開平4−21002 号公報にはファジ
ィ推論により操作量出力ゲインを調整するプロセス制御
技術が記載されている。

【０００７】以上、従来技術では様々な点での改良が成
されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術によれ
ば、目標値変化時または外乱印加時に観測される制御応
答形状からＰＩ制御パラメータを効率的にオートチュー
ニングできる。しかし、従来技術では、制御量の応答遅
れの大きなプラントに対し有効なフィードフォワード制
御を併用した場合の制御パラメータオートチューニング
方法に関しては考慮していない。

【０００９】本発明の目的は、フィードフォワード制御
とフィードバック制御とを併用した場合の制御パラメー
タを自動的に最適化するオートチューニングを可能にし
たフィードフォワード／フィードバック制御装置を提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を達
成するため、フィードフォワード制御装置と、フィード
バック制御装置と、前記フィードフォワード制御装置の
制御パラメータ修正手段と、知識処理による前記フィー
ドバック制御装置の制御パラメータ修正手段とを用いる
フィードフォワード／フィードバック制御装置を提供す
る。

【００１１】より具体的には、フィードフォワード制御
装置と、フィードバック制御装置と、前記フィードフォ
ワード制御装置の制御パラメータ修正手段及び前記フィ
ードバック制御装置の制御パラメータ修正手段とを備
え、前記フィードバック制御装置の制御パラメータの修
正を知識処理によって予め設定したパラメータ目標値に
達するまで行うフィードフォワード／フィードバック制
御装置に関する。

【００１２】また、本発明はフィードフォワード制御装
置と、フィードバック制御装置と、前記フィードフォワ
ード制御装置の制御パラメータ修正手段及び前記フィー
ドバック制御装置の制御パラメータ修正手段とを備え、
前記フィードバック制御装置の制御パラメータの修正を
ファジィ推論によって予め設定したパラメータ目標値に
達するまで行うフィードフォワード／フィードバック制
御装置に関する。

【００１３】さらに、フィードフォワード制御装置と、
フィードバック制御装置と、前記フィードフォワード制
御装置の制御パラメータ修正手段及び前記フィードバッ
ク制御装置の制御パラメータ修正手段とを備え、前記フ
ィードバック制御装置の制御パラメータの修正をニュー
ラルネットワークによって予め設定したパラメータ目標
値に達するまで行うフィードフォワード／フィードバッ
ク制御装置が提案される。

【００１４】更にまたフィードフォワード制御装置と、
フィードバック制御装置と、前記フィードフォワード制
御装置の制御パラメータ修正手段及び前記フィードバッ
ク制御装置の制御パラメータ修正手段とを備え、前記フ
ィードフォワード制御装置の制御パラメータの修正に先
立って、前記フィードバック制御装置の制御パラメータ
の修正を知識処理によって予め設定したパラメータ目標
値に達するまで行う手段を備えたフィードフォワード／
フィードバック制御装置が提案される。

【００１５】本発明は、フィードフォワード制御装置
と、フィードバック制御装置と、前記フィードフォワー
ド制御装置の制御パラメータ修正手段及び前記フィード
バック制御装置の制御パラメータ修正手段とを備えたフ
ィードフォワード／フィードバック制御装置であって、
前記フィードバック制御装置の制御パラメータの修正は
知識処理によって予め設定したパラメータ目標値に達す
るまで行われ、かつそのパラメータ修正が前記フィード
フォワード制御装置の制御パラメータの修正に先行する
ように、前記フィードフォワード制御装置の制御パラメ
ータ修正手段と前記フィードバック制御装置の制御パラ
メータ修正手段の動作を管理する手段を備えたフィード
フォワード／フィードバック制御装置を提供するもので
ある。

【００１６】そしてまた、フィードフォワード制御装置
と、フィードバック制御装置と、前記フィードフォワー
ド制御装置の制御パラメータ修正手段と、前記フィード
バック制御装置の制御パラメータ修正手段とを用いるフ
ィードフォワード／フィードバック制御装置であって、
前記フィードバック制御装置の制御パラメータの修正は
知識処理によって行われ、そのパラメータ修正に引き続
いて前記フィードフォワード制御装置の制御パラメータ
の修正を開始し管理する手段を備えたフィードフォワー
ド／フィードバック制御装置を提供するものである。

【００１７】本発明により、フィードフォワード制御装
置と、フィードバック制御装置と、前記フィードフォワ
ード制御装置の制御パラメータ修正手段と、前記フィー
ドバック制御装置の制御パラメータ修正手段とを用いる
フィードフォワード／フィードバック制御装置であっ
て、知識処理によって予め設定した目標値に達するまで
前記フィードバック制御装置の制御パラメータの修正を
行い、前記フィードフォワード制御装置の制御パラメー
タ修正と必要に応じて前記フィードバック制御装置の制
御パラメータの修正を並行して行うように、前記フィー
ドフォワード制御装置の制御パラメータ修正手段と前記
フィードバック制御装置の制御パラメータ修正手段の動
作を管理する手段を備えたフィードフォワード／フィー
ドバック制御装置が提供される。

【００１８】上記フィードフォワード／フィードバック
制御装置において、フィードフォワード制御パラメータ
修正手段は、制御量の応答形状から複数の特徴量を求め
る制御量応答形状認識手段と、前記特徴量を評価しフィ
ードフォワード制御パラメータを修正する手段とからな
る。また、制御量の応答形状から求める複数の特徴量
は、オーバシュート量と、位相進み遅れ量であってもよ
い。更に、前記フィードフォワード制御パラメータの修
正値を推定する特徴量は位相進み遅れ量であって、その
遅れ量は目標値変化終了時における偏差量から検知され
たものであってもよい。

【００１９】また、上記フィードフォワード／フィード
バック制御装置において、前記フィードフォワード制御
信号パラメータは、前記制御対象の近似的な伝達関数の
逆関数であってもよい。更に、前記特徴量を定性的に評
価し、フィードフォワード制御パラメータ及びフィード
バック制御パラメータの修正値を推定する手段は、ファ
ジィ推論またはニューラルネットワーク、あるいはＩＦ
−ＴＨＥＮルールによってもよい。

【００２０】さらに、本発明はフィードフォワード制御
装置と、フィードバック制御装置とを用いるフィードフ
ォワード／フィードバック制御装置であって、フィード
フォワード制御装置の制御パラメータを第１番目に調整
するフィードフォワード制御パラメータ修正手段と、フ
ィードバック制御装置の制御パラメータを知識処理によ
り第２番目に調整するフィードバック制御パラメータ修
正手段とを備えたフィードフォワード／フィードバック
制御装置を提供する。

【００２１】

【作用】以上の構成を取ることにより、フィードフォワ
ード／フィードバック制御装置の制御パラメータを最適
に自動調整でき、目標値変化時または、外乱印加時に制
御対象の制御量変動を最小限に抑制する作用がある。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例１を図１から図１０を
用いて説明する。

【００２３】図１は本発明による目標値変化に対応した
フィードフォワード／フィードバック制御装置の概略ブ
ロック図、図２は本発明によるフィードフォワード／フ
ィードバック制御装置のオートチューナの機能構成を示
すブロック図、図３は目標値変化時の制御量応答形状か
ら特徴量を求めるための図、図４は特徴量評価用メンバ
シップ関数，制御パラメータ修正係数決定用メンバシッ
プ関数及び調整ルールを示す図、図５はファジィ推論に
よる制御パラメータ修正係数の求め方の一例を示す図、
図６及び図７は本発明によるオートチューニング機能の
概略処理フロー図、図８は本発明による外乱に対応した
フィードフォワード／フィードバック制御装置の概略ブ
ロック図、図９は外乱印加時の制御量応答形状から特徴
量を求めるための図、図１０は本発明によるオートチュ
ーニング結果を示す図である。

【００２４】図１により目標値変化に対応したフィード
フォワード／フィードバック制御装置について説明す
る。図１において、１はフィードバック制御装置（ＰＩ
制御装置）、２は制御対象、３はフィードフォワード制
御装置であり、フィードバック制御装置１は、目標値Ｓ
Ｖと制御量ＰＶとを比較して得られた制御偏差を比例積
分演算し、その結果を操作量ＭＶ１として出力する。ま
た、フィードフォワード制御装置３は、例えば、動的フ
ィードフォワード制御装置３１，静的フィードフォワー
ド制御装置３２，フィードフォワード制御信号継続時間
設定器３３から構成できる。フィードフォワード制御装
置３において、動的フィードフォワード制御装置３１及
び静的フィードフォワード制御装置３２は、制御対象２
を「１次遅れ＋むだ時間」特性に近似した場合の近似逆
関数として次式で表される。

【００２５】〔数１〕Ｆ＝１／Ｋ＋((Ｔ＋Ｌ)／Ｋ)・ｓここに、Ｋは係数、Ｔは時定数、Ｌはむだ時間、ｓはラ
プラス演算子であり、第１項が静的フィードフォワード
制御装置３２を、第２項が動的フィードフォワード制御
装置３１を表す。また、フィードフォワード制御信号継
続時間設定器３３は、任意時刻に動的フィードフォワー
ド制御装置３１の出力信号のＯＮ／ＯＦＦ切り替えを行
い、主にむだ時間の影響を補償する。フィードフォワー
ド制御装置３では、静的フィードフォワード制御装置３
２の係数１／Ｋ，動的フィードフォワード制御装置３１
の係数(Ｔ＋Ｌ)／Ｋ及び出力信号切り替え時刻のチュー
ニングが必要である。フィードフォワード制御装置３
は、目標値ＳＶを入力して上記演算を行い操作量ＭＶ２
を出力する。操作量ＭＶ１及びＭＶ２は加算され操作量
ＭＶとして制御対象２に入力される。４はオートチュー
ナであり、チューナ管理機能５，フィードバック制御装
置用チューナ６及びフィードフォワード制御装置用チュ
ーナ７から構成される。

【００２６】図２は、オートチューナ４の詳細を示した
図である。図に示したようにチューナ管理機能５は、偏
差検出機能５１，整定判定機能５２，目標値または外乱
信号変更許可指令発生機能５３から構成される。また、
フィードバック制御装置用チューナ６は、特徴量抽出機
能６１，制御性判定機能６２，パラメータ修正係数推定
機能６３，パラメータ調整値演算機能６４，調整ルール
６５から、フィードフォワード制御装置用チューナ７
は、特徴量抽出機能７１，制御性判定機能７２，パラメ
ータ修正係数推定機能７３，パラメータ調整値演算機能
７４，調整ルール７５から構成される。

【００２７】次にオートチューナの各機能について説明
する。チューナ管理機能５において、偏差検出機能５１
は、目標値ＳＶ及び制御量ＰＶを常時観測し偏差を検出
する。整定判定機能５２は偏差が０に整定するのを判定
し、フィードバック制御装置用チューナ６及びフィード
フォワード制御装置用チューナ７に観測開始指令を発
し、制御応答形状の観測を開始させる。目標値または外
乱信号変更許可指令発生機能５３は、偏差が０に整定し
た時点で、目標値または外乱信号の変更許可信号を発す
る。整定判定機能５２は偏差が再び０に整定するのを判
定した時点で、フィードバック制御装置用チューナ６及
びフィードフォワード制御装置用チューナ７に対し観測
終了指令を発し、パラメータ修正演算をするよう指令す
る。また、整定判定機能５２はフィードバック制御装置
用チューナ６あるいはフィードフォワード制御装置用チ
ューナ７のいずれかにおいてパラメータ修正が行われた
ことを確認し再び上記の整定判定を行う。これらの動作
はフィードバック制御パラメータ及びフィードフォワー
ド制御パラメータの両方のチューニングが完了するまで
続けられる。

【００２８】次に、フィードバック制御装置用チューナ
６の機能について説明する。フィードバック制御装置用
チューナ６では、チューナ管理機能５からの観測開始指
令から観測終了指令の間、制御応答形状を観測し続け
る。特徴量抽出機能６１は、観測開始と同時に制御量Ｐ
Ｖの極値探索を行い、得られた複数個の極値及び発生時
間からオーバシュート量，減衰比及び周期比などの波形
の特徴量を求める。これらの求め方を図３を用いて説明
する。図３は目標値ＳＶが時間Ｔ０においてＹ０からＹ
１へ変化率（Ｙ１−Ｙ０)／(Ｔｐ−Ｔ０）で変化した時
の制御量ＰＶの時間応答例であり、図３よりオーバーシ
ュート量ＯＶ，減衰比Ｄおよび振幅同期比Ｒは次式で求
められる。

【００２９】ＯＶ＝(Ｙ２−Ｙ１)／(Ｙ１−Ｙ０）Ｄ＝(Ｙ３−Ｙ１)／(Ｙ２−Ｙ１）Ｒ＝(Ｔ２′−Ｔ１′)／(Ｔ２−Ｔ１）ここに、Ｔ１′，Ｔ２′は前回の調整時の時間Ｔ１およ
びＴ２である。

【００３０】制御性判定機能６２は、得られた特徴量の
うち、オーバーシュート量ＯＶおよび減衰比Ｄが充分に
小さくなり、次のフィードフォーワード制御パラメータ
の調整に支障がないと判断した時点で目標制御仕様に到
達したと判断し、チューニングを終結する。

【００３１】オーバシュート量及び減衰比が各々の目標
制御仕様をどちらか一つでも満足しない場合には、パラ
メータ修正係数推定機能６３を動作させる。パラメータ
修正係数推定機能６３は、調整ルール６５に従い、ファ
ジィ推論によりパラメータ修正係数の算出を行う。パラ
メータ調整値演算機能６４は、前記パラメータ修正係数
推定機能６３で得られた制御パラメータの修正係数と制
御パラメータの現在値とを乗じて得た制御パラメータの
修正値に、ＰＩ制御パラメータの現在値を加算して今回
の調整値を決定する。また、１回の修正が終了した時点
でチューナ管理機能５に対しては修正実施を伝える。こ
れらフィードバック制御装置用チューナ６の機能につい
ては特開昭63−247801号公報に述べられている方法と同
様である。フィードバック制御装置用チューナ６が動作
している間、フィードフォワード制御装置用チューナ７
は制御応答形状の観測及びパラメータ修正動作を行わな
い。フィードバック制御装置用チューナ６は、制御性判
定機能６２がオーバシュート量及び減衰比の目標制御仕
様到達を判定した時点でフィードフォワード制御装置用
チューナ７に動作開始指令を、チューナ管理機能５にフ
ィードバック制御装置のチューニング終了信号を発し、
そのチューニング動作を終了する。

【００３２】フィードフォワード制御装置用チューナ７
の機能を説明する。フィードフォワード制御装置用チュ
ーナ７では、フィードバック制御装置用チューナ６から
の動作開始指令を受け、チューニングを開始し、チュー
ナ管理機能５からの観測開始指令から観測終了指令の
間、制御応答形状を観測する。特徴量抽出機能７１は、
観測した制御応答形状からオーバシュート量及び位相遅
れ量を求める。これらの求め方を図３を用いて説明す
る。図よりオーバシュート量ＯＶおよび位相遅れ量ＥＸ
は次式で求める。

【００３３】〔数２〕ＯＶ＝(Ｙ２−Ｙ１)／(Ｙ１−Ｙ０）ＥＸ＝(Ｙ１−ＰＶ(Ｔｐ))／(Ｙ１−Ｙ０）ここに、ＰＶ(Ｔｐ)は時刻Ｔｐにおける制御量である。
目標値変化時に、制御応答形状に極値が現れない場合、
オーバシュート量ＯＶは０に設定する。

【００３４】制御性判定機能７２は、得られたオーバシ
ュート量ＯＶ及び位相遅れ量ＥＸが各々目標制御仕様を
満足すれば、制御パラメータを最適値にあるものとし、
チューニングを終結する。オーバシュート量及び位相遅
れ量が各々の目標制御仕様をどちらか一つでも満足しな
い場合には、パラメータ修正係数推定機能７３を動作さ
せる。

【００３５】次に、ファジィ推論を用いたパラメータ修
正係数推定機能７３について説明する。ファジィ推論に
は、図４に示したメンバシップ関数及び調整ルールを用
いる。最初に、オーバシュート量及び位相遅れ量を定性
的に評価するための前件部（特徴量の定性的評価部）に
用いるメンバシップ関数について説明する。図の横軸は
オーバシュート量及び位相遅れ量、縦軸は定性的な度合
いを示す。図中のＯＶ１〜ＯＶ５及びＥＸ１〜ＥＸ５は
それぞれメンバシップ関数を決定するための定数であ
り、ＮＢ，ＺＥ及びＰＢはそれぞれメンバシップ関数に
与えた分類のための名称である。前件部左側のオーバシ
ュート量のメンバシップ関数定義図において、例えば、
オーバシュート量ＯＶがＯＶ′の時、ＯＶはＮＢである
度合いが０.２でありかつ、ＺＥである度合いが０.６５
であることを示す。

【００３６】これら定性的に評価された特徴量に対し、
パラメータ修正係数の修正の度合いを定義するのが図４
右側に示す調整ルールであり、例えば、ルール１は、
「ＯＶがＮＢでありかつ、ＥＸがＰＢである時、ＣＫは
ＺＥでありかつ、ＣＬはＰＢである。」という意味を表
す。

【００３７】図４左下の二つの図は、定性的に決定され
たパラメータ修正係数を定量的な値に変換するためのメ
ンバシップ関数である。図の横軸はパラメータ修正係
数、縦軸は定性的な度合いを示す。図中のＣＫ１〜ＣＫ
５及びＣＬ１〜ＣＬ５はそれぞれメンバシップ関数を決
定するための定数であり、ＮＢ，ＺＥ及びＰＢはそれぞ
れメンバシップ関数に与えた分類のための名称である。

【００３８】図５にファジィ推論によるパラメータ修正
の一例を示す。特徴量抽出機能７１で得られたオーバシ
ュート量ＯＶ０及び位相遅れ量ＥＸ０の定性的な度合い
を図４に示したメンバシップ関数より求める。ルール２
では、それぞれＧＯＮ及びＧＥＺ、ルール５では、それ
ぞれＧＯＺ及びＧＥＰとなる。ルール毎に積集合（最小
値）演算を行い、各ルールの適合度を求める。ルール２
ではＧＯＮが、ルール５ではＧＥＰが各々の適合度とし
て得られる。次に、各ルールの結論部のメンバシップ関
数を各ルールの適合度で重み付けし、それらの和集合
（最大値）演算を行い、その重心の値をパラメータ修正
係数ＧＣＫとする。パラメータ修正係数ＧＣＬについて
も同様にして求める。

【００３９】パラメータ調整値演算７４は、前記制御パ
ラメータ修正係数推定機能７３で得られた制御パラメー
タの修正係数と制御パラメータの現在値とを乗じて得た
制御パラメータの修正値に、フィードフォワード制御パ
ラメータの現在値を加算して今回の調整値を決定する。
また、１回の修正が終了した時点でチューナ管理機能５
に対しては修正実施を伝える。フィードフォワード制御
装置用チューナ７は、制御性判定機能７２がオーバシュ
ート量及び減衰比の目標制御仕様到達を判定した時点で
チューナ管理機能５にフィードフォワード制御装置のチ
ューニング終了信号を発し、そのチューニング動作を終
了する。

【００４０】図６及び図７は前記オートチューニング機
能の概略処理フローを示した図である。最初ブロック８
０１により初期設定を行う。ここで、状態フラグ，ＦＢ
Ｃ状態フラグ及びＦＦＣ状態フラグを０に設定する。状
態フラグは０の時、制御量の整定状態を１の時、非整定
状態を意味する。ＦＢＣ状態フラグは０の時、フィード
バック制御装置のチューニング未完状態を１の時、チュ
ーニング完了状態を意味する。ＦＦＣ状態フラグは０の
時、フィードフォワード制御装置のチューニング未完状
態を１の時、チューニング完了状態を意味する。また、
フィードバック制御装置を動作状態に、フィードフォワ
ード制御装置を非動作状態に設定する。次に、一定周期
ごとにＦＢＣ状態フラグの判定（ブロック８０２）及び
ＦＦＣ状態フラグの判定（ブロック８１８），ＳＶ及び
ＰＶの入力（ブロック８０３または８１９）を行う。

【００４１】ブロック８０２でＦＢＣ状態フラグが０の
場合は、ＳＶ及びＰＶの入力の後ブロック８０４で状態
フラグの判定を行う。状態フラグが０の場合は、ブロッ
ク８０５により制御偏差が所定値を超えたか否かを判定
する。制御偏差が所定値を超えた時にはブロック８０７
により状態フラグを１に設定し、ブロック８０１以降の
制御応答の観測状態に移る。制御偏差が所定値を超えな
い時は、ブロック８０６で目標値変更許可を指示し制御
応答の監視を続ける。ブロック８０４で状態フラグが１
の場合は、ブロック８０８によりＳＶ及びＰＶを観測す
る。この処理はブロック８０９により制御偏差ＰＶ−Ｓ
Ｖが０に整定（観測完了）するまで続ける。観測が完了
するとブロック８１０においてブロック８０８の観測結
果からオーバシュート量，減衰比などの特徴量を算出す
る。次に、ブロック８１１において観測した制御応答が
最適であるか否かを、上記ブロック８１０で求めた特徴
量目標制御仕様を満足するか否かで判定する。制御応答
が最適状態でない時には、ブロック８１２でＦＢＣ制御
パラメータ修正係数を、ブロック８１３でFBC制御パラ
メータ調整値を計算する。さらに、状態フラグを０に設
定し、再び監視状態に戻る。制御応答が最適状態の時に
は、ブロック８１５によりフィードフォワード制御装置
の静的部分を設定し、ブロック８１６によりフィードフ
ォワード制御装置を動作状態に設定する。最後に、ブロ
ック８１７によりＦＢＣ状態フラグを１に設定しフィー
ドバック制御装置のチューニングを終了し、次のデータ
取り込みを待つ。

【００４２】ブロック８０２でＦＢＣ状態フラグが１の
場合、ブロック８１８でＦＦＣ状態フラグの判定を行
う。ＦＦＣ状態フラグが０の場合は、ＳＶ及びＰＶの入
力後ブロック８２０で状態フラグの判定を行う。状態フ
ラグが０の場合は、ブロック８２１により制御偏差が所
定値を超えたか否かを判定する。制御偏差が所定値を超
えた時にはブロック８２３により状態フラグを１に設定
し、制御応答の観測状態に移る。制御偏差が所定値を超
えない時は、ブロック８２２で目標値変更許可を指示し
制御応答の監視を続ける。ブロック８２０で状態フラグ
が１の場合は、ブロック８２４によりＳＶ及びＰＶを観
測する。この処理はブロック８２５により制御偏差ＰＶ
−ＳＶが０に整定（観測完了）するまで続ける。観測が
完了するとブロック８２６においてブロック８２４の観
測結果からオーバシュート量，位相遅れ量などの特徴量
を算出する。次に、ブロック８２７において観測した制
御応答が最適であるか否かを、上記ブロック８２６で求
めた特徴量が目標制御仕様を満足するか否かで判定す
る。制御応答が最適状態でない時には、ブロック828で
ＦＦＣ制御パラメータ修正係数を、ブロック８２９でＦ
ＦＣ制御パラメータ調整値を計算する。さらに、状態フ
ラグを０に設定し、再び監視状態に戻る。制御応答が最
適状態の時には、ブロック８３１によりＦＦＣ状態フラ
グを１に設定しフィードフォワード制御装置のチューニ
ングを終了し、監視状態に入る。

【００４３】上記の処理フローにおいて重要なことは、
最初にフィードバック制御装置をチューニングし、この
チューニングが終了した後にフィードフォワード制御装
置のチューニングを実施する点である。これはフィード
フォワード制御装置のチューニングが完了した後ではフ
ィードバック制御装置のチューニングのための特徴量を
求めることが困難となるためである。

【００４４】次に、図８により外乱に対応したフィード
フォワード／フィードバック制御装置について説明す
る。図８において、１はフィードバック制御装置（ＰＩ
制御装置）、２は制御対象、３はフィードフォワード制
御装置であり、フィードバック制御装置１は、目標値Ｓ
Ｖと制御量ＰＶとを比較して得られた制御偏差を比例積
分演算し、その結果を操作量ＭＶ１として出力する。ま
た、フィードフォワード制御装置３は、例えば、外乱Ｄ
を入力として数１による演算を実施し、操作量ＭＶ２を
出力する。操作量ＭＶ１及びＭＶ２は加算され操作量Ｍ
Ｖとして制御対象２に入力される。４はオートチューナ
であり、チューナ管理機能５，フィードバック制御装置
用チューナ６及びフィードフォワード制御装置用チュー
ナ７から構成される。

【００４５】オートチューナ４の機能は図２に示したも
のとほぼ同様であるが、フィードフォワード制御装置用
チューナ７で抽出する特徴量（オーバシュート量及び位
相遅れ量）の求め方は異なる。これらの求め方を図９を
用いて説明する。図９は、外乱Ｄが時間Ｔ０においてＤ
０からＤ１へ変化率（Ｄ１−Ｄ０)／(Ｔｐ−Ｔ０）で変
化した時の制御量ＰＶの時間応答例であり、図より、オ
ーバシュート量ＯＶ及び位相遅れ量ＥＸは次式で求め
る。

【００４６】〔数３〕ＯＶ＝(Ｙ２−Ｙ１)／(Ｙ１−Ｙ０）ＥＸ＝(Ｙ１−ＰＶ(Ｔｐ))／(Ｙ１−Ｙ０）外乱変化時に、制御応答形状に極値が現れない場合、オ
ーバーシュート量ＯＶは０に設定する。その他のオート
チューナの機能については図１から図６及び図７に示し
たものと同様である。

【００４７】次に、本発明によるフィードフォワード／
フィードバック制御装置を１次遅れ＋むだ時間特性を持
つ制御対象に対して適用した結果を図９に示す。本図
は、目標値ＳＶをある変化率で変化させた場合の制御量
ＰＶの応答を示したものである。図では、始めの３回の
目標値変更でフィードバック制御装置の制御パラメータ
の修正を行い、後の２回の目標値変更でフィードバック
制御装置の制御パラメータの修正を行っている。合計５
回の目標値変更により制御パラメータの修正を完了し、
制御量ＰＶが目標値ＳＶに良好に追従するようになる。

【００４８】このように、本実施例によれば、フィード
フォワード／フィードバック制御装置の制御パラメータ
を最適に自動調整でき、目標値変化時または、外乱印加
時に制御対象の制御量変動を最小限に抑制できる。

【００４９】次に、図１１及び図１２により本発明の実
施例２について説明する。本実施例は、前記実施例のパ
ラメータ修正係数推定機能をニューラルネットワークに
より構成した例である。図１１はニューラルネットワー
クによる制御パラメータ修正係数の求め方の一例を示す
図、図１１はニューラルネットワークの学習方法を示す
模式図である。

【００５０】前記実施例において、図２に示したパラメ
ータ修正係数推定機能６３及び７３は、調整ルール６５
及び７５を用いたファジィ推論により行った。しかし、
この機能はニューラルネットワークによっても構成でき
る。この場合、調整ルールは不要となる。

【００５１】図１１において、ニューラルネットワーク
は、例えば複数のユニット９０１と呼ばれる機能を入力
層，中間層，出力層と層状に配置することにより構成さ
れる。ここで、ユニットとは、前層ユニットの各出力信
号に重み係数を乗じ、その総和をとりさらに非線形変換
し出力信号とする機能を持つ。この構成方法は、例えば
ザエムアイテイプレス，ニューロコンピュー
ティングファンデーションズオブリサーチ，１９
８８年，第３１８頁から第３６２頁(The MITPress,Neur
ocomputing Foundations of Research,１９８８，pp３
１８−３６２)に詳しく述べられている。

【００５２】ニューラルネットワークでは、ある制御応
答の特徴量が入力信号９０２として与えられた時、出力
信号９０３が所望する信号すなわち適正な制御パラメー
タ修正係数となるように前記ユニットの重み係数を設定
することができる。この設定方法は学習（バックプロパ
ゲーション）と呼ばれる。図１２は、このニューラルネ
ットワークの学習方法を示す模式図である。図１２で
は、ある制御応答の特徴量を入力信号９０２として与え
た時、出力信号９０３が所望する信号すなわち教師信号
（適正な制御パラメータ修正係数）となるように、両者
の誤差に応じて中間層の各ユニットの重み係数を修正す
る。このような操作を複数の入力信号と教師信号の組合
せに対して行うことにより、出力信号と教師信号の間の
誤差を最小にすることができる。すなわち、出力信号と
教師信号を一致させることができる。この結果、任意の
制御応答の特徴量に対して適正なパラメータ修正係数を
推定できるようになる。

【００５３】次に図１３により本発明の実施例３につい
て説明する。本実施例は、火力発電用ボイラ制御装置に
本実施例１に基づくオートチューナを付加したものであ
る。図１３において、４はオートチューナ、５はチュー
ナ管理機能、６はフィードバック制御装置用チューナ、
７はフィードフォワード制御装置用チューナ、101は主
蒸気圧力、１０２は主蒸気温度、１０３は発電機出力、
１０４は給水量、１０５は燃焼量、１０６は負荷設定
器、１０７は変化率制限器、１０８及び109は加算器、
１１０は主蒸気圧力制御装置、１１１は主蒸気温度制御
装置、１１２はタービン加減弁制御装置、１１３は給水
量制御装置、１１４は燃焼量（燃料量及び空気量）、３
１は動的フィードフォワード制御装置、３２は静的フィ
ードフォワード制御装置である。

【００５４】次にその動作について説明する。負荷設定
器１０６よりステップ関数として出力される負荷指令信
号は変化率制限器１０７によりランプ状信号に変換さ
れ、さらに発電機出力１０３との差を取られる。さらに
タービン加減弁制御装置１１２によりこの偏差に応じた
タービン加減弁操作量を出力する。また、主蒸気圧力制
御装置１１０及び主蒸気温度制御装置１１１は、主蒸気
圧力１０１及び主蒸気温度１０２の各出力値をもとに給
水量制御装置１１３，燃焼量(燃料量及び空気量)制御装
置１１４の各目標値(負荷変化に伴い必要となる給水量
及び燃焼量を補正)を出力する。さらに、給水量制御装
置１１３及び燃焼量制御装置１１４はこの目標値，変化
率制限器１０７によりランプ状信号に変換された負荷指
令信号，給水量１０４，燃焼量１０５の各出力値をもと
に給水量操作装置及び燃焼量操作装置の各操作量を出力
する。また、応答遅れの大きな主蒸気系に対して動的フ
ィードフォワード制御装置３１は、負荷指令信号，負荷
変化率設定値及びランプ状信号に変換された負荷指令信
号を入力として、静的フィードフォワード制御装置３２
は、加算器１０８の出力を入力として操作量である燃焼
量指令を出力する。本実施例ではこれらのフィードフォ
ワード制御装置３１及び３２を、上記に示したオートチ
ューナ４により自動チューニングした。

【００５５】

【発明の効果】以上記述したように、本発明によれば、
フィードフォワード／フィードバック制御装置の制御パ
ラメータを最適に自動調整でき、目標値変化時または、
外乱印加時に制御対象の制御量変動を最小限に抑制でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による目標値変化に対応したフィードフ
ォワード／フィードバック制御装置の概略ブロック図。

【図２】本発明によるフィードフォワード／フィードバ
ック制御装置のオートチューナの機能構成を示すブロッ
ク図。

【図３】目標値変化時の制御量応答形状から特徴量を求
めるための図。

【図４】特徴量評価用メンバシップ関数，制御パラメー
タ修正係数決定用メンバシップ関数及び調整ルール。

【図５】ファジィ推論による制御パラメータ修正係数の
求め方の一例を示す図。

【図６】本発明によるオートチューニング機能の概略処
理フローの半分を示す図。

【図７】本発明によるオートチューニング機能の概略処
理フローの半分を示す図。

【図８】本発明による外乱に対応したフィードフォワー
ド／フィードバック制御装置の概略ブロック図。

【図９】外乱印加時の制御量応答形状から特徴量を求め
るための図。

【図１０】本発明によるオートチューニング結果を示す
図。

【図１１】ニューラルネットワークによる制御パラメー
タ修正係数の求め方の一例を示す図。

【図１２】ニューラルネットワークの学習方法を示す模
式図。

【図１３】本発明によるフィードフォワード／フィード
バック制御装置をボイラ制御に適用した例を示すブロッ
ク図。

【符号の説明】

１…フィードバック制御装置、１０１…主蒸気圧力、１
０２…主蒸気温度、１０３…発電機出力、１０４…給水
量、１０５…燃焼量、１０６…負荷設定器、１０７…変
化率制限器、１０８及び１０９…加算器、１１０…主蒸
気圧力制御装置、１１１…主蒸気温度制御装置、１１２
…タービン加減弁制御装置、１１３…給水量制御装置、
１１４…燃焼量制御装置、２…制御対象、３…フィード
フォワード制御装置、３１…動的フィードフォワード制
御装置、３２…静的フィードフォワード制御装置、３３
…フィードフォワード制御信号継続時間設定器、４…オ
ートチューナ、５…チューナ管理機能、５１…偏差検出
機能、５２…整定判定機能、５３…目標値または外乱信
号変更許可指令発生機能、６…フィードバック制御装置
用チューナ、６１…フィードバック制御装置用特徴量抽
出機能、６２…フィードバック制御装置用制御性判定機
能、６３…フィードバック制御装置用パラメータ修正係
数推定機能、６４…フィードバック制御装置用パラメー
タ調整値演算機能、６５…フィードバック制御装置用調
整ルール、７…フィードフォワード制御装置用チュー
ナ、７１…フィードフォワード制御装置用特徴量抽出機
能、７２…フィードフォワード制御装置用制御性判定機
能、７３…フィードフォワード制御装置用パラメータ修
正係数推定機能、７４…フィードフォワード制御装置用
パラメータ調整値演算機能、７５…フィードフォワード
制御装置用調整ルール、８０１〜８３１…処理ブロッ
ク、９０１…ユニット、９０２…入力信号パターン、９
０３…出力信号パターン、９０４…教師信号パターン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者遠山栄二茨城県日立市大みか町五丁目２番１号株式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者木村亨茨城県日立市大みか町五丁目２番１号株式会社日立製作所大みか工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フィードフォワード制御装置と、フィード
バック制御装置と、前記フィードフォワード制御装置の
制御パラメータ修正手段及び前記フィードバック制御装
置の制御パラメータ修正手段とを備え、前記フィードバ
ック制御装置の制御パラメータの修正を知識処理によっ
て予め設定したパラメータ目標値に達するまで行うこと
を特徴とするフィードフォワード／フィードバック制御
装置。
【請求項２】フィードフォワード制御装置と、フィード
バック制御装置と、前記フィードフォワード制御装置の
制御パラメータ修正手段及び前記フィードバック制御装
置の制御パラメータ修正手段とを備え、前記フィードバ
ック制御装置の制御パラメータの修正をファジィ推論に
よって予め設定したパラメータ目標値に達するまで行う
ことを特徴とするフィードフォワード／フィードバック
制御装置。
【請求項３】フィードフォワード制御装置と、フィード
バック制御装置と、前記フィードフォワード制御装置の
制御パラメータ修正手段及び前記フィードバック制御装
置の制御パラメータ修正手段とを備え、前記フィードバ
ック制御装置の制御パラメータの修正をニューラルネッ
トワークによって予め設定したパラメータ目標値に達す
るまで行うことを特徴とするフィードフォワード／フィ
ードバック制御装置。
【請求項４】フィードフォワード制御装置と、フィード
バック制御装置と、前記フィードフォワード制御装置の
制御パラメータ修正手段及び前記フィードバック制御装
置の制御パラメータ修正手段とを備え、前記フィードフ
ォワード制御装置の制御パラメータの修正に先立って、
前記フィードバック制御装置の制御パラメータの修正を
知識処理によって予め設定したパラメータ目標値に達す
るまで行う手段を備えたことを特徴とするフィードフォ
ワード／フィードバック制御装置。
【請求項５】フィードフォワード制御装置と、フィード
バック制御装置と、前記フィードフォワード制御装置の
制御パラメータ修正手段及び前記フィードバック制御装
置の制御パラメータ修正手段とを備えたフィードフォワ
ード／フィードバック制御装置であって、前記フィード
バック制御装置の制御パラメータの修正は知識処理によ
って予め設定したパラメータ目標値に達するまで行わ
れ、かつそのパラメータ修正が前記フィードフォワード
制御装置の制御パラメータの修正に先行するように、前
記フィードフォワード制御装置の制御パラメータ修正手
段と前記フィードバック制御装置の制御パラメータ修正
手段の動作を管理する手段を備えたことを特徴とするフ
ィードフォワード／フィードバック制御装置。
【請求項６】フィードフォワード制御装置と、フィード
バック制御装置と、前記フィードフォワード制御装置の
制御パラメータ修正手段と、前記フィードバック制御装
置の制御パラメータ修正手段とを用いるフィードフォワ
ード／フィードバック制御装置であって、前記フィード
バック制御装置の制御パラメータの修正は知識処理によ
って行われ、そのパラメータ修正に引き続いて前記フィ
ードフォワード制御装置の制御パラメータの修正を開始
し管理する手段を備えたことを特徴とするフィードフォ
ワード／フィードバック制御装置。
【請求項７】フィードフォワード制御装置と、フィード
バック制御装置と、前記フィードフォワード制御装置の
制御パラメータ修正手段と、前記フィードバック制御装
置の制御パラメータ修正手段とを用いるフィードフォワ
ード／フィードバック制御装置であって、知識処理によ
って予め設定した目標値に達するまで前記フィードバッ
ク制御装置の制御パラメータの修正を行い、前記フィー
ドフォワード制御装置の制御パラメータ修正と必要に応
じて前記フィードバック制御装置の制御パラメータの修
正を並行して行うように、前記フィードフォワード制御
装置の制御パラメータ修正手段と前記フィードバック制
御装置の制御パラメータ修正手段の動作を管理する手段
を備えたことを特徴とするフィードフォワード／フィー
ドバック制御装置。
【請求項８】請求項１ないし７のいずれかに記載のフィ
ードフォワード／フィードバック制御装置において、フ
ィードフォワード制御パラメータ修正手段は、制御量の
応答形状から複数の特徴量を求める制御量応答形状認識
手段と、前記特徴量を評価しフィードフォワード制御パ
ラメータを修正する手段とからなることを特徴とするフ
ィードフォワード／フィードバック制御装置。
【請求項９】請求項８記載のフィードフォワード／フィ
ードバック制御装置において、制御量の応答形状から求
める複数の特徴量は、オーバシュート量と、位相進み遅
れ量であることを特徴とするフィードフォワード／フィ
ードバック制御装置。
【請求項１０】請求項８記載のフィードフォワード／フ
ィードバック制御装置において、前記フィードフォワー
ド制御パラメータの修正値を推定する特徴量は位相進み
遅れ量であって、その遅れ量は目標値変化終了時におけ
る偏差量から検知されたものであることを特徴とするフ
ィードフォワード／フィードバック制御装置。
【請求項１１】請求項１ないし７のいずれかに記載のフ
ィードフォワード／フィードバック制御装置において、
前記フィードフォワード制御信号パラメータは、前記制
御対象の近似的な伝達関数の逆関数であることを特徴と
するフィードフォワード／フィードバック制御装置。
【請求項１２】請求項８記載のフィードフォワード／フ
ィードバック制御装置において、前記特徴量を定性的に
評価し、フィードフォワード制御パラメータ及びフィー
ドバック制御パラメータの修正値を推定する手段は、フ
ァジィ推論であることを特徴とするフィードフォワード
／フィードバック制御装置。
【請求項１３】請求項４ないし７のいずれかに記載のフ
ィードフォワード／フィードバック制御装置において、
前記特徴量を定性的に評価し、フィードフォワード制御
パラメータ及びフィードバック制御パラメータの修正値
を推定する手段は、ニューラルネットワークであること
を特徴とするフィードフォワード／フィードバック制御
装置。
【請求項１４】請求項４ないし７のいずれかに記載のフ
ィードフォワード／フィードバック制御装置において、
前記特徴量を定性的に評価し、フィードフォワード制御
パラメータ及びフィードバック制御パラメータの修正値
を推定する手段は、ファジィ推論であることを特徴とす
るフィードフォワード／フィードバック制御装置。
【請求項１５】フィードフォワード制御装置と、フィー
ドバック制御装置とを用いるフィードフォワード／フィ
ードバック制御装置であって、フィードフォワード制御
装置の制御パラメータを第１番目に調整するフィードフ
ォワード制御パラメータ修正手段と、フィードバック制
御装置の制御パラメータを知識処理により第２番目に調
整するフィードバック制御パラメータ修正手段とを備え
たことを特徴とするフィードフォワード／フィードバッ
ク制御装置。