JPH06124102A - 適応制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 制御性能を向上できると共に定常偏差を無く
すことができ、また、可変ゲイン部のゲイン値を大きく
しても数値計算が容易にできるようにする。 【構成】 プロセスの制御量を目標値に追従させること
を目標とした多変数系の適応制御装置において、閉ルー
プ制御系に第１及び第２の位相進み補償器６９，７０を
設ける。プロセス１の制御量と目標値との制御偏差を可
変ゲイン部（乗算器５１）に入力し、可変ゲインを乗じ
て第１の位相補償器６９に入力する。この第１の位相補
償器６９の出力をループゲイン調節部（上下限付係数器
６４）により調節する。また、プロセス１の制御量と目
標値との制御偏差を可変ゲイン型の積分部７１により積
分し、ループゲイン調節部の出力と共に加算器６０を介
して第２の位相補償器７０に入力する。この第２の位相
進み補償器７０の下流側に上下限付フィルタ６８を設
け、高周波ノイズによる影響を除去する。

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３に、プロセス、機械製品等に適用さ
れる従来の適応制御装置の代表例を示す。

【０００３】プロセス１は、既知外乱ｄ(t) ２と操作量
ｕ(t) ３を入力とし、制御量ｙp(t)４を出力する。この
制御量ｙp(t)４は、規範モデル５の出力ｙm(t)６に追従
する必要がある。なお、規範モデル５の入力ｕm(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ｘm(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ｙp(t)４と出力ｙm(t)６を比
較して、その制御偏差を小さくするように操作量ｕ(t)
３を動かすわけであるが、ここでは制御安定化のために
Ｇb(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ｙp(t)４とＧb(s)なる伝達関数部９の出力１
０を加算器１１で加算した、いわゆる拡張したプロセス
の制御量の値をｙa(t)１２としたときの出力ｙm(t)６と
ｙa(t)１２の偏差ｅz(t)１３を減算器１４で求めて、こ
の偏差ｅz(t)１３を大き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。

【０００４】偏差ｅz(t)１３を乗算器１５，１６の片側
入力とし、乗算器１５の他方には後述の積分器１７の出
力ＫIe(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Ｋpe(t) ２０を入力する。そして、乗
算器１５，１６の各出力は、加算器２１に供給されて加
算される。

【０００５】ここで、積分器１７の出力ＫIe(t) １８
は、係数器２２を介して減算器２３の−端子に入力され
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＋端子には係数器２４の出力が
入力される。係数器１９，２４には共に乗算器２５の出
力が入力され、この乗算器２５には両入力端子に減算器
１４から出力される偏差ｅz(t)１３が入力される。同様
に、操作量ｕ(t) ３を算出するための二つめの構成要素
について説明する。

【０００６】規範モデル５の第２の出力ｘm(t)８を乗算
器２６，２７の片側入力とし、乗算器２６の他方には後
述の積分器２８の出力ＫIx(t) ２９を入力し、乗算器２
７の他方には後述の係数器３０の出力Ｋpx(t) ３１を入
力する。そして、乗算器２６，２７の各出力は、加算器
３２に供給されて加算される。

【０００７】ここで、積分器２８の出力ＫIx(t) ２９
は、係数器３３を介して減算器３４の−端子に入力され
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＋端子には、係数器３５の出力
が入力される。係数器３０，３５には共に乗算器３６の
出力が入力され、乗算器３６には減算器１４から出力さ
れる偏差ｅz(t)１３と規範モデル５の第２の出力ｘm(t)
８が入力される。

【０００８】三つめの構成要素は、規範モデル５の入力
ｕm(t)７を乗算器３７，３８の片側入力とし、乗算器３
７の他方には後述の積分器３９の出力ＫIu(t) ４０を入
力し、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３７，３８の各
出力は、加算器４３に供給されて加算される。

【０００９】ここで、積分器３９の出力ＫIu(t) ４０
は、係数器４４を介して減算器４５の−端子に入力され
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＋端子には、係数器４６の出
力が入力される。係数器４１，４６には共に乗算器４７
の出力が入力され、この乗算器４７には減算器１４から
出力される偏差ｅz(t)１３と規範モデル５の入力ｕm(t)
７が入力される。以上の各構成要素の加算器２１，３
２，４３の各出力は、加算器４８に入力され、この加算
器４８の出力がプロセス１に対する操作量ｕ(t) ３とな
る。

【００１０】なお、Ｇb(s)なる伝達関数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第１の出力ｙm
(t)６とし、出力ｙm(t)の微分値に相当する値を第２の
出力ｘm(t)８とすればよい。ここで、積分器１７，２
８，３９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１
９，３０，４１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。

【００１１】

【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。更に、
可変ゲイン部のゲイン値が大きくなると数値計算が困難
であると共に、多変数制御系に拡張すると制御系が複雑
になるという問題があり、実用的でない。

【００１２】本発明は上記の点を考慮してなされたもの
で、制御性能を向上できると共に定常偏差を無くすこと
ができ、また、可変ゲイン部のゲイン値を大きくしても
数値計算が容易であり、かつ、制御系が複雑化すること
なく多変数制御系に拡張できる適応制御装置を提供する
ことを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、プロセスの制
御量を目標値に追従させることを目標とした多変数系の
適応制御装置において、閉ループ制御系の上流側に設け
られた第１の位相進み補償器と、閉ループ制御系の下流
側に設けられた第２の位相進み補償器と、上記制御偏差
と可変ゲインを乗算して上記第１の位相補償器に入力す
る可変ゲイン部と、上記閉ループ制御系のゲインが大き
くなるに従い可変ゲイン算出部の入力値を減らすフィー
ドバック機能を備え、上記可変ゲイン部の数値計算を安
定化する手段と、上記第２の位相進み補償器の直前に設
けられた加算器と、この加算器に上記プロセスの制御量
と目標値との制御偏差を積分して入力する可変ゲイン型
の積分部と、上記第１の位相補償器の下流側に設けられ
たループゲイン調節部と、上記第２の位相進み補償器の
下流側に設けられた上下限付フィルタとを具備したこと
を特徴とする。

【００１４】

【作用】第１の位相進み補償器及び第２の位相進み補償
器を設けることにより、プロセスの遅れを補償した操作
量が得られ、制御性能が向上する。

【００１５】可変ゲイン部に対しては、閉ループ制御系
のゲインが大きくなるに従い可変ゲイン算出部の入力値
を減らすフィードバック機能を設けることにより、可変
ゲイン部の数値計算を安定化することができる。

【００１６】また、メインループに配置した積分部によ
り、制御偏差がある限り積分機能で操作量を修正して、
定常偏差を徐々に零にすることができる。この積分部の
リセット率は可変型であり、その値はオンラインで自動
的に求められるので、常に適切な積分動作が行なわれ
る。更に、第１の位相補償器の出力側にループゲイン調
節部を設けることにより、第１の位相補償器の出力を下
流に伝える割合を調節できる。また、第２の位相補償器
の出力側に上下限付フィルタを設けることにより、高周
波ノイズによる影響を除去することができる。

【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。本発明装置の回路を図１及び図２にブロック線
図で示す。なお、図３に示した従来装置と同一部分に
は、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【００１８】この実施例では、多変数系を対象にしてい
るため、プロセス１は操作量ｕi(t)、外乱ｄj(t)および
制御量ｙi(t)で表わすことにする。ここで、サフィック
スｉはｉ番目の系統を示し、ｉ＝１，２，…，ｎとして
ｎ入出力系を取上げる。また、ｎ＝１の場合も含めて考
える。そして、サフィックスｊは外乱の数に相当する分
だけ番号付けられるが、以降、外乱ｄj(t)そのものは制
御装置構成上関係がないので、単に外乱ｄj(t)で外乱を
代表させることにする。以降の説明では、代表としてｉ
番目の系統について説明するが、他の系統も同じであ
る。

【００１９】プロセス１は、外乱ｄj(t)２′と操作量ｕ
i(t)３′を入力とし、制御量ｙｉ（ｔ）４′が出力され
る。ここで、制御量ｙｉ（ｔ）４′は目標値ｒi(t)４９
に追従させる必要がある。以下に制御偏差ｅi(t)５０を
小さく抑えるための操作量ｕi(t)３′を求める方法につ
いて説明する。

【００２０】制御量ｙi(t)４′と目標値ｒi(t)４９との
制御偏差ｅi(t)５０を乗算器５１（この乗算器の部分を
可変ゲイン部と呼ぶことにする）の片側入力とし、乗算
器５１の他方には後述の除算器５２（図２参照）の出力
であるＫi(t)５３を入力する。乗算器５１の出力は加算
器５４および微分器５５に入力される。また、乗算器５
６には、制御偏差ｅi(t)５０と除算器５７の出力Ｒi(t)
５８を入力する。そして、乗算器５６の出力は積分器５
９に入力され、その出力は加算器６０に供給される。

【００２１】一方、微分器５５の出力は乗算器６１の片
側に入力され、乗算器６１の他の側には、後述の加算器
６２の出力であるＴi(t)６３が入力されて乗算される。
そして、乗算器６１の出力は加算器５４に入力される。
加算器５４の出力は上下限付係数器６４に入力され、そ
の出力は加算器６０に入力される。上下限値係数器６４
は、係数器の出力が指定された上下限値で制限できると
共に、ゲインαi の値が手動設定できるもので、ループ
ゲイン調節部を構成している。

【００２２】上記加算器６０の出力は加算器６５と微分
器６６に供給され、微分器６６の出力は係数器６７を介
して加算器６５に入力される。そして、加算器６５の出
力は上下限付フィルタ６８を介して操作量ｕi(t)３′と
なる。なお、簡単なフィルタの例としては、１次遅れ要
素があり、フィルタは上下限値の設定が可能である。こ
こで、破線で囲んだ６９を第１の位相進み補償器、７０
を第２の位相進み補償器および７１を積分部と呼ぶこと
にする。以下に、図２に示す除算器５２の出力Ｋi(t)５
３、加算器６２の出力Ｔi(t)６３および除算器５７の出
力Ｒi(t)５８の求め方を説明する。

【００２３】まず、Ｋi(t)５３の算出方法を説明する。
制御偏差ｅi(t)５０を微分器７２を介して係数器７３に
供給する。係数器７３の出力は、制御偏差ｅi(t)５０と
加算器７４で加算され、中間変数ｅi ^*(t) ７５とな
る。そして、中間変数ｅi ^*(t)７５を除算器７６の分子
に入力し、分母には加算器７７の出力を入力する。除算
器７６の出力は、乗算器７８の両側に入力されて自乗さ
れる。乗算器７８の出力は乗算器７９と乗算器８０に入
力される。ここで、乗算器７９の他の側には定数器８１
の出力が入力され、乗算器８０の他の側には定数器８２
の出力が入力される。

【００２４】そして、乗算器７９の出力は減算器８３の
＋端子に入力され、−端子には乗算器８４の出力が入力
される。減算器８３の出力は、積分器８５を介して乗算
器８４及び加算器８６に入力される。また、乗算器８４
の他の側には定数器８７の出力が入力される。そして、
乗算器８０の出力は、加算器８６に入力されて中間変数
ｅi(t)８８として取り出され、加算器８９に入力され
る。

【００２５】加算器８９の他の入力には、後述の除算器
９０の出力と、他の系統（１からｎまでのｉを除く系
統）の中間変数Ｋe1(t) ，Ｋe2(t) ，…，Ｋei-1(t) ，
Ｋei+1(t) ，…（ｉ系統の８８に相当する値）が入力さ
れる。除算器９０の分子側には乗算器９１の出力が入力
され、分母側には減算器９２の出力が入力される。減算
器９２の＋端子にはＫi(t)５３の最大値Ｋmax i が設定
できる定数器９３と、同じく、−端子には最小値Ｋmin
i が設定できる定数器９４の各出力が入力される。

【００２６】また、定数器９３の出力は、分子として値
「１」を持つ除算器９５の分母側に入力され、除算器９
５で得られた値は乗算器９６の片側に入力される。乗算
器９６の他の側には加算器８９の出力が入力される。同
様に加算器８９の出力は除算器５２の分子側に入力さ
れ、分母側には加算器７７の出力が入力されて、除算器
５２の出力がＫi(t)５３となる。ここで、加算器７７に
は値「１」を発生する定数器９７の出力と乗算器９６の
出力が入力される。次に、Ｔi(t)とＲi(t)の求め方を説
明する。

【００２７】Ｋi(t)５３は減算器９８の＋端子に入力さ
れ、−端子には定数器９４の出力が入力される。減算器
９８の出力は係数器９９と係数器１００に入力され、係
数器９９の出力は加算器６２の入力となり、加算器６２
の他の入力には第１の位相進み補償器６９のパラメータ
となるＴi(t)の最小値Ｔmin i が設定できる定数器１０
１の出力が入力され、加算器６２の出力がＴi(t)６３と
なる。

【００２８】また、係数器１００の出力は加算器１０２
に入力され、加算器１０２の他の側には定数器９７の出
力が入力される。そして、加算器１０２の出力は除算器
５７の分母に入力され、除算器５７の分子側にはリセッ
ト率の最大値Ｋmax i が設定できる定数器１０３の出力
が入力され、除算器５７の出力が出力Ｒi(t)５８とな
る。

【００２９】上記のように第１の位相進み補償器６９及
び第２の位相進み補償器７０を設けることにより、プロ
セスの遅れを補償した操作量ｕi (t) が得られ、制御性
能を向上することができる。上記第１の位相補償器６９
に対しては、位相進みの程度を表わすパラメータＴi(t)
をオンラインで自動的に求め、指定可能な最小値から可
変ゲインの増分に比例して変えられるようにしているの
で、プロセス１に経時変化がある場合でも、常に適切な
値を維持して高い制御性能を保持することができる。上
記パラメータＴi(t)は、定数器１０１により最小値Ｔmi
n i を指定できる。

【００３０】また、メインループに配置した積分部７１
により、制御偏差ｅi(t)がある限り積分機能で操作量を
修正して、定常偏差を徐々に零にすることができる。積
分部７１のリセット率Ｒi(t)は可変型であり、その値は
オンラインで自動的に求められるので、常に適切な積分
動作が行なわれる。上記リセット率Ｒi(t)の最大値Ｋma
x i は、定数器１０３により設定できる。

【００３１】更に、制御偏差と可変ゲインを乗算した値
を、第１の位相補償器６９に供給しているので、ゲイン
制御が可能であり、また、可変ゲイン部（乗算器５１）
の数値計算を安定して行なわせることができる。即ち、
ゲインが大きくなると除算器５２，７６の分母にその値
を入力し、入力の値をその除算器５２，７６で減らして
ゲインが大きくなり過ぎないように作用する。また、Ｋ
i(t)５３の最大値Ｋmax i が設定できる定数器９３、及
び最小値Ｋmin i が設定できる定数器９４を設けて、ゲ
インの変動可能範囲が指定した最大ゲインの値Ｋmax i
と最小ゲインの値Ｋmin i の範囲を越えることがない回
路になっているので、ゲイン制御が安定して行なわれ
る。多入出力系の各系の可変ゲインを求める際には、各
系間の相互乗入れにより可変ゲインが決められるので、
その結果、干渉による影響を抑えることができる。

【００３２】また、ループゲイン調節部（上下限付係数
器６４）を設けているので、ゲインαi により第１の位
相補償器６９の出力を下流に伝える割合を調節できる。
また、αi 倍して得られる出力は指定した上下限値内に
抑えられる。更に、αi の値を零にすれば、ＰＩ調節器
として動作させることができる。

【００３３】また、第２の位相補償器７０の出力側に上
下限付フィルタ６８を設けているので、この上下限付フ
ィルタ６８により高周波ノイズによる影響を除去するこ
とができる。この上下限付フィルタ６８の出力は、プロ
セス１の制御値に合わせて上下限値を設定することがで
きる。

【００３４】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、制
御性能を向上できると共に定常偏差を無くすことがで
き、また、可変ゲイン部のゲイン値を大きくしても数値
計算が容易であり、かつ、制御系が複雑化することなく
多変数制御系に拡張することができる。

【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主要部
を示すブロック図。

【図２】同実施例に係る適応制御装置の他の部分を示す
ブロック図。

【図３】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…外乱ｄ(t) 、 ２′…外乱ｄj
(t)、 ３…操作量ｕ(t)、 ３′…操作量ｕi(t)、 ４
…制御量ｙp(t)、 ４′…制御量ｙi(t)、 ５…規範モ
デル、 ６…出力ｙm(t)、 ７…入力ｕm(t)、 ８…出
力ｘm(t)、 ９…Ｇb(S)なる伝達関数、 １１…加算
器、 １２…ｙa(t)、 １３…偏差ｅz(t)、１４…減算
器、 １５，１６…乗算器、 １７…積分器、 １８…
出力ＫIe(t)、 １９…係数器、 ２０…出力ＫPe(t)
、 ２１…加算器、 ２２…係数器、２３…減算器、
２４…係数器、 ２５，２６，２７…乗算器、 ２８
…積分器、 ２９…出力ＫIx(t) 、 ３０…係数器、
３１…出力ＫPx(t) 、 ３２…加算器、 ３３…係数
器、 ３４…減算器、 ３５…係数器、 ３６，３７，
３８…乗算器、 ３９…積分器、 ４０…出力ＫIu(t)
、 ４１…係数器、 ４２…出力ＫPu(t) 、 ４３…
加算器、 ４４…係数器、 ４５…減算器、 ４６…係
数器、 ４７…乗算器、 ４８…加算器、 ４９…目標
値ｒi(t)、 ５０…制御偏差ｅi(t)、 ５１…乗算器、
５２…除算器、 ５３…Ｋi(t)、 ５４…加算器、
５５…微分器、 ５６…乗算器、 ５７…除算器、 ５
８…出力Ｒi(t)、５９…積分器、 ６０…加算器、 ６
１…乗算器、 ６２…加算器、 ６３…Ｔi(t)、 ６
４…上下限付係数器、 ６５…加算器、 ６６…微分
器、 ６７…係数器、 ６８…上下限付フィルタ、 ６
９…第１の位相進み補償器、 ７０…第２の位相進み補
償器、 ７１…積分部、 ７２…微分器、 ７３…係数
器、７４…加算器、 ７５…中間変数ｅi ＊(t) 、 ７
６…除算器、 ７７…加算器、７８，７９，８０…乗算
器、 ８１，８２…定数器、 ８３…減算器、 ８４…
乗算器、 ８５…積分器、 ８６…加算器、 ８７…定
数器、 ８８…中間変数ｅi(t)、８９…加算器、 ９０
…除算器、 ９１…乗算器、 ９２…減算器、９３，９
４…定数器、 ９５…除算器、 ９６…乗算器、 ９７
…定数器、９８…減算器、 ９９，１００，１０１…定
数器、 １０２…加算器、 １０３…定数器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プロセスの制御量を目標値に追従させる
   ことを目標とした多変数系の適応制御装置において、 閉ループ制御系の上流側に設けられた第１の位相進み補
   償器と、 閉ループ制御系の下流側に設けられた第２の位相進み補
   償器と、 上記制御偏差と可変ゲインを乗算して上記第１の位相補
   償器に入力する可変ゲイン部と、 上記閉ループ制御系のゲインが大きくなるに従い可変ゲ
   イン算出部の入力値を減らすフィードバック機能を備
   え、上記可変ゲイン部の数値計算を安定化する手段と、 上記第２の位相進み補償器の直前に設けられた加算器
   と、 この加算器に上記プロセスの制御量と目標値との制御偏
   差を積分して入力する可変ゲイン型の積分部と、 上記第１の位相補償器の下流側に設けられたループゲイ
   ン調節部と、 上記第２の位相進み補償器の下流側に設けられた上下限
   付フィルタとを具備したことを特徴とする適応制御装
   置。