JPH0689103A - 多変数制御装置 - Google Patents

多変数制御装置

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JPH0689103A
JPH0689103A JP23962792A JP23962792A JPH0689103A JP H0689103 A JPH0689103 A JP H0689103A JP 23962792 A JP23962792 A JP 23962792A JP 23962792 A JP23962792 A JP 23962792A JP H0689103 A JPH0689103 A JP H0689103A
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JP
Japan
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control
response
multivariable
unit
controlled
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JP23962792A
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Inventor
Yasuo Takagi
木 康 夫 高
Minoru Iino
野 穣 飯
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 計算条件設定部3は制御応答表示部で制御対
象の応答を確認しつつ計算条件を設定可能とし、これを
制御パラメータ演算部2に与える。この制御パラメータ
演算部2は当該計算条件に基き多変数制御部1への制御
パラメータを計算する。多変数制御部1は、このパラメ
ータを用い複数の操作量をコントロールする。よって、
操作者は応答波形を見ながらその応答が所望の応答性能
になるように多変数制御部1を現場調整可能となる。 【効果】 予め推定した制御対象の動特性モデルに誤差
があり、制御対象モデルの不確定部分が大きくても操作
が容易確実で安定な動作を実現できる。因みに、従来の
CADを用いた調整に比べて10分の1以下の時間で最
適なコントローラが実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は制御計装分野における多
変数制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、プロセス制御や機械制御の分
野で、PID制御と呼ばれるコントローラを組合わせて
制御系を構成することが行われてきた。PID制御と
は、いくつかの変形例はあるものの、基本的には、制御
量の目標値と測定された実際の制御量とを入力して、そ
の偏差を計算し、その偏差に比例(P)した量と偏差の
積分(I)に応じた量と偏差の微分(D)に応じた量の
和を操作量として出力するコントローラである。基本的
には、このコントローラは1制御量を専用に制御する1
入力1出力制御系を構成する。このコントローラを用い
て2入力または2出力以上の多変数制御系を構成する場
合には、複数のPIDコントローラを組合わせることが
行われている。
【0003】しかし、実際の制御対象には多数の操作量
が影響を及ぼし合う多変数制御系が多い。このような制
御対象に対し、PID制御を用いる場合、PID制御自
体が1入力1出力向けであるために、1個の制御量を適
切にコントロールすることはできるものの、多変数制御
対象なので、この操作により影響を受ける他の制御量が
存在し、この制御量への影響を適切に抑制する能力はな
い。したがって、多変数制御系に向け有効な制御系を構
成するのは困難なことが多い。
【0004】この課題に対応するために、試験的には、
現代制御理論やH∞制御理論を応用した多変数制御も試
行されている。この種の制御器は、制御用の計算機上に
アルゴリズムとして多変数制御制御装置を実現してい
る。その制御パラメータはCADを用いてオフラインで
計算する。このパラメータを多変数制御装置に入力する
ためには、多変数制御を中断し、制御用計算機を制御用
ループより切離し、パラメータを入力するか、制御プロ
グラムを変更し再コンパイルする。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ここで用いら
れる現代制御理論などを用いた従来の多変数制御理論に
基づく多変数制御コントローラでは、制御対象のモデル
がパラメータを計算するのに必要である。従来、この制
御対象モデルにはほとんど誤差はない、または、その誤
差が良くわかっていると仮定して、制御パラメータを計
算する。これに対し、実際の制御系では制御対象の動特
性は単純なステップ入力に対する応答などに用いて動特
性を推定するので、制御対象の動特性モデルは誤差が大
きく、また、その誤差の大きさは評価できないのが一般
的である。従来の多変数制御コントローラには、このよ
うな制御対象の未知の誤差に対する対応がなされていな
かった。この結果、従来の多変数コントローラでは、制
御対象に十分よく調整した制御パラメータを得ることは
困難であり、このために、操作量間の干渉を十分に抑え
ることができず、良い制御性能を実現することができな
かった。
【0006】本発明は上記従来技術の有する問題点に鑑
みてなされたもので、その目的とするところは、あらか
じめ推定した制御対象の動特性モデルに誤差があったと
しても適切な制御系になるように容易に調整することが
できるマンマシーンインタフェースを持った多変数制御
装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の多変数制御装置
は、制御対象の変数、および与えられた制御パラメータ
を用いて2つ以上の操作量を一定周期ごとに演算する多
変数制御部と、与えられた計算条件を用いて上記制御パ
ラメータを計算する制御パラメータ演算部と、上記計算
条件を設定する計算条件設定部と、上記制御対象に前記
多変数制御部で求めた操作量を与えたときの該制御対象
の応答状態を表示出力する制御応答表示手段とを具備
し、この制御応答表示手段で上記制御対象の応答を確認
しながらの上記計算条件の設定により多数制御部の動作
を調整可能としたことを特徴としている。
【0008】上記制御パラメータ演算部は、上記計算条
件設定部により計算条件が変更されると、一定時間内に
制御パラメータを演算し、上記多変数制御部の制御パラ
メータを変更するように構成することができる。
【0009】制御パラメータ演算部はリカッチ方程式を
解く機能を有するものによって実現することが可能であ
る。
【0010】上記計算条件設定部は操作者の入力を受け
る機能を有するものとして構成される。
【0011】計算条件設定部はリカッチ方程式の重み係
数QまたはRを設定する機能を有するものとすることが
できる。
【0012】また、上記制御パラメータ演算部を多変数
制御部の閉ループ極の存在範囲に従って制御パラメータ
を求めるものとし、これに伴い、上記計算条件設定部を
当該閉ループ極の存在範囲を指定するものとして構成す
ることができる。
【0013】さらに、上記制御パラメータ演算部にて伝
達関数重みに従って制御パラメータを求めるものとし、
これに伴い、上記計算条件設定部を当該伝達関数を指定
するものとして構成することができる。
【0014】そして、上記制御応答表示部はディスプレ
イ表示が望ましいが、他にもプリントアウト出力、音声
出力等でも実現可能である。
【0015】
【作用】前述の各機能の効果、作用を以下に説明する。
【0016】操作者は、計算条件設定部により制御応答
表示部で制御対象の応答を確認しながら制御パラメータ
演算部の計算条件パラメータを適切に設定する。制御パ
ラメータ演算部は、その計算条件に基づき多変数制御部
の制御パラメータを計算する。多変数制御部は、このパ
ラメータを用いて複数の操作量をコントロールする。こ
れにより、操作者は、応答波形を見ながらその応答が所
望の応答性能になるように多変数制御コントローラを現
場調整することができる。この現場調整により、あらか
じめ推定した制御対象の動特性モデルに誤差があったと
しても、適切な制御系になるように容易に調整すること
ができるようになる。
【0017】
【実施例】以下に本発明の実施例について図面を参照し
つつ説明する。
【0018】図1は本発明の一実施例に係る多変数制御
装置の構成を示すものである。
【0019】この実施例では、多変数制御部1、制御パ
ラメータ演算部2、計算条件設定部3の他に、動特性モ
デル推定部4を持つ。以下に、各機能の具体的な内容と
信号の入出力を説明する。
【0020】多変数制御部1は、最適サーボを構成する
もので、次の演算を制御周期毎に実行する。
【0021】
【数1】 以上の式の中でF1 とF2 とが制御パラメータである。
また、(1)式の積分は実際には制御周期毎の和で近似
する。
【0022】また、制御対象の状態xはn次元のベクト
ルであり、その全てが直接的に観測されることは希であ
る。そこで、直接測れない状態を推定するために本実施
例の多変数制御部1はカルマンフィルタを備える。カル
マンフィルタは次式を積分して状態を推定する。
【0023】 diffx´=(A−LC)x´+Bu+Ly (2) ここで、(A,B,C)は制御対象の動特性モデルを表
すn×n、n×1、およびm×nの定数行列であり、y
は観測できる状態量と制御量、x´は状態量xの推定値
である。また、diffは微分を表すものであって、つま
り、diffx´=dx´/dtに相当する。Lはカルマン
ゲインと呼ばれ、n×mの定数行列である。このLも制
御パラメータ演算部にて計算される値である。
【0024】制御パラメータ演算部2は、制御対象の動
特性モデル(A,B,C)と重み行列(Q,R)に基づ
き制御パラメータF1 とF2 とを計算し、多変数制御部
1へ引き渡す。まず、サーボ系を得るために、次の拡大
系を設定する。
【0025】
【数2】 これを用いて次のリカッチ方程式をPについて解く。
【0026】 0=PA´+A´T P−PB´R-1B´T P+Q (4) この方程式は、マクファーレンの方法で極めて短時間に
解くことができる。その細かな解き方は例えば後述する
文献[1]に詳しい。また、行列Q,Rは次に説明する
計算条件設定部より与えられる。さて、この行列Pか
ら、次式によりF1 とF2 を求める。
【0027】 (F1 ,−F2 )=R-1B´T P (5) 次に、カルマンゲインLの計算方法について説明する。
これも次のリカッチ方程式の解KからLを求める。
【0028】 0=AK+KAT −KCT g -1CK+Qg (6) L=KCT -1 (7) (6)式のリカッチ方程式も(4)式と同様にマクファ
ーレンの方法により、ほとんど瞬時に解くことができ
る。ここで、Rg とQg は次述する計算条件設定部3よ
り与えられる定数行列である。
【0029】この計算条件設定部3は、前記のQ,R,
g ,Qg を操作者の指示に従い設定する。この設定部
には詳細設定モードと簡易設定モードが用意されてい
る。
【0030】図2は設定操作を行うときのマンマシンイ
ンタフェース画面を示している。
【0031】この画面には、操作量uおよび制御量yの
各トレンドグラフ5,6のほか、QおよびQg を調整す
るためのスライダ7,8がある。各々のスライダ7,8
の上向きまたは下向きの矢印をクリックすることによ
り、QおよびQg の大きさを調整することができる。Q
およびQg は行列であるので、このモードで設定できる
のは、あらかじめ入力されたQ及びQg の全要素を何倍
するかである。この実施例では、スライダが中央のとき
に1、上にいけば大きく、下にいけば小さくなる。例え
ば、Qの設定は、スライダの位置をpsとすると、次の
ように計算する。ここで、各要素は、あらかじめ設定さ
れた基準値である。
【0032】
【数3】 さらに、この画面には、後述する動特性モデル推定部4
の作動を指令するための動特性推定ボタン9と、上記設
定モードの切替えを行うためのモード切換えボタン10
とが設けられている。
【0033】詳細設定モードでは、行列Q,R,Rg
g の各要素を操作者が直接入力する。
【0034】一方、簡易モードでは、QとQg のみ入力
する。図2はこの簡易モードの時のインタフェース画面
を示している。
【0035】動特性モデル推定部4は、前述から明らか
なように、計算条件設定画面の動特性推定ボタン9をク
リックすることにより働く。このボタンがクリックされ
ると多変数制御部は動作を止めオープンループ状態にな
る。動特性モデル推定部4は、ある一つの操作量が微小
ステップ変化するように全ての操作量について順に指示
値を出力するとともに、この時の制御対象の状態と制御
量を測定する。そして、動特性モデル推定部4は、この
制御対象の応答と制御量とから、ARMAモデルを最小
2乗法により同定するとともに、逆Z変換により、連続
系に変換して、制御パラメータの計算やカルマンフィル
タで必要な動特性モデル(A,B,C)を求める。最小
2乗法の詳細は文献[2] の方法によった。 [1] A.MacFarlane:An Eigenvector Solution of Opti
mal Linear Regulator Problem,J. Electron Control,1
4(1963) [2] 相良、秋月ら、システム同定、計測自動制御学会
(1980) なお、本実施例ではLQG制御と呼ばれる方法により実
現したが、H∞/H2制御を用いてもまったく同様に実
現することができる。
【0036】また、上記実施例では、制御パラメータ演
算部がリカッチ方程式の重み係数Q,QG ,R,RG
指定に基づいて制御パラメータを演算する構成となって
いるが、これに限定されることはなく種々変更するよう
に構成することができる。
【0037】例えば、上記制御パラメータ演算部を多変
数制御部の閉ループにおける制御応答速度の目安となる
極の存在範囲に従って制御パラメータを求めるものと
し、これに伴い、上記計算条件設定部を当該閉ループ極
の存在範囲を指定するものとして構成することができ
る。
【0038】さらに、上記制御パラメータ演算部を伝達
関数重みに従って制御パラメータを求めるものとし、こ
れに伴い、上記計算条件設定部を当該伝達関数を指定す
るものとして構成することができる。
【0039】この場合、伝達関数の入力法としては、ま
ず数式を入力する方法が考えられる。制御パラメータ演
算部は、この数式に則って制御パラメータを計算するよ
うになる。
【0040】あるいは、伝達関数として、フィルタ特性
が必要な場合、操作者が、その関数曲線上の特徴値を計
算条件設定部を通じて入力し、計算条件設定部において
その入力値に基づいた所定のフィルタ特性の生成を行
い、これを制御パラメータ演算部に供給するように構成
することも可能である。
【0041】そして、上記制御応答表示部はディスプレ
イ表示が望ましいが、他にもプリントアウト出力、音声
出力等、各種実現可能である。
【0042】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、制
御応答特性を確認しながら容易に多変数制御系を調整す
ることができる。よって、従来の厳密なモデル、また
は、その誤差を仮定した多変数制御に比べ、制御対象の
モデルに不確定な部分が大きくても安定な動作を実現で
きる。さらに、本発明の多変数制御部は操作者が制御応
答特性を確認しながらオンラインで制御パラメータを調
整できるので、従来のCADを用いた調整に比べて10
分の1以下の時間で最適なコントローラが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の多変数制御装置の一実施例の構成を示
すブロック図。
【図2】図1に示す多変数制御装置の計算条件設定部の
インタフェース画面を図解する説明図。
【符号の説明】
1 多変数制御部 2 制御パラメータ演算部 3 計算条件設定部 4 動特性モデル推定部 5 操作量uのトレンドグラフ 6 制御量yのトレンドグラフ 7 Qを調整するためのスライダ 8 Qg を調整するためのスライダ 9 動特性推定ボタン 10 モード切換えボタン

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】制御対象の変数、および与えられた制御パ
    ラメータを用いて2つ以上の操作量を一定周期ごとに演
    算する多変数制御部と、 与えられた計算条件を用いて前記制御パラメータを計算
    する制御パラメータ演算部と、 前記計算条件を設定する計算条件設定部と、 前記制御対象に前記多変数制御部で求めた操作量を与え
    たときの該制御対象の応答状態を表示出力する制御応答
    表示手段とを具備し、該制御応答表示手段で前記制御対
    象の応答を確認しながらの前記計算条件の設定により前
    記多数制御部の動作を調整可能としたことを特徴とする
    多変数制御装置。
JP23962792A 1992-09-08 1992-09-08 多変数制御装置 Pending JPH0689103A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013030162A (ja) * 2011-06-24 2013-02-07 Shinshu Univ 移動体の動作制御装置及びこれを用いたスロッシング制御装置
KR101462809B1 (ko) * 2012-11-30 2014-11-20 아즈빌주식회사 다변수 제어 장치 및 방법

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