JPH0695706A - モデル予測制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明はモデル予測制御装置の操作・調整を
容易にするユーザインターフェイスを提供する。 【構成】 従来型のモデル予測制御装置に加え、応答デ
ータ編集画面、モデルチューニング画面、設計パラメー
タ設定画面、予測ポイント設定画面、ゲインスケジュー
リング登録画面、目標値設定画面を有する。これらのユ
ーザインターフェイス画面では、ポインティングデバイ
スの使用により入力、調整を行う。 【効果】 ポインティングデバイスによるモデル、諸設
計パラメータ、制御条件の入力により、即座に設計結果
を参照でき、オペレータの直感に基づくモデリング、制
御系調整を容易に行うことができる。

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。

【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、
制御対象のモデルを用いて、制御量を予測し、それが制
約条件を満たし、ある評価関数を最小化するような最適
制御を実現するもので、むだ時間の長いプロセスに対し
安定した制御応答を実現できる、未来目標値を用いたフ
ィードフォワード制御で追従性を改善できる、多変数プ
ロセスへも適用可能で、非干渉制御が実現できる、操作
量、制御量に関する制約条件を満たす制約制御が実現で
きる、などの特徴がある。

【０００３】これまでに、数多くの予測制御方式が提案
されてきた。これらは例えば、 （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 Gener
alized Predictive Control.Automatica 25-6 pp.859(1
989) （３） 米国特許第4,616,308 号明細書(1986) 等に解説されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のモデル予測制御
装置では、基本的な構成には問題ないものの、制御対象
のモデル、予測範囲、評価関数内の重み係数等のパラメ
ータ、目標値応答の形状等により制御性能が大きく変わ
るため、制御応答を見ながらそれ等を試行錯誤的に何度
も調整しなければならない。制御対象のモデルを応答デ
ータから精度良く推定するためには、データに含まれる
ノイズ、ドリフト外乱が障害となるが、それらを効率よ
く取り除くアルゴリズムがない。また、試行錯誤を繰り
返して調整された制御系も、動作条件が変化すれば制御
対象の特性が変化し、再び調整が必要になって好ましく
ない。

【０００５】よって、本発明は、これ等の課題を解決し
得るモデル予測制御装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のモデル予測制御
装置では、前述の問題点を解決するために、次の機能を
備える。まず、試行錯誤的な調整が必要となる制御対象
のモデル、予測範囲、評価関数内の重み係数等のパラメ
ータ、目標値応答の形状に関する設定を効率よく行える
ように、表示端末とマウス、電子ペン、タッチセンサ
ー、キーボードの矢印キー、トラックボール等のポイン
ティングデバイスを用いた以下の表示・操作方法を提供
する。

【０００７】対象の応答データから推定された、あるい
は入力された伝達関数行列の各要素のステップ応答が表
示端末にグラフ表示され、その上をポインティングデバ
イスでなぞることにより決定される新たな応答データを
ステップ応答とする新たな伝達関数が推定され、もとの
伝達関数と置き換えられ、その新たな伝達関数行列に基
づき制御演算が行われる機能。

【０００８】評価関数に含まれる諸設計パラメータを数
値入力あるいはスライダーにより設定する機能を有し、
設定あるいは変更すると即座に、制御系設計手段、制御
応答シミュレーション手段が実行され、制御応答シミュ
レーション結果が表示端末にグラフ表示される機能。

【０００９】表示端末に各制御量、操作量の応答グラフ
が表示され、評価関数の中で考慮する制御量の予測範
囲、予測ポイント、考慮する操作量の範囲を、そのグラ
フ上でポインティングデバイスにより指定する機能。

【００１０】ＰＶ値（プロセス制御量）の履歴応答を表
示端末にグラフ表示し、その延長上にポインティングデ
バイスを用いて目標値指定ポイントを指定すると、ＰＶ
現在値とそのポイントを通過する目標値応答が設定され
る機能。

【００１１】また、応答データからのモデリング精度の
向上のために、ノイズ、ドリフト外乱除去手段として、
観測した制御対象の応答データが表示端末にグラフ表示
され、その上をポインティングデバイスでなぞることに
より、その応答データがポインティングデバイスの軌跡
により決定される新たな応答データに置き換えられる、
あるいはその応答データからポインティングデバイスの
軌跡により決定される応答データを差し引いた新たな応
答データに置き換えられる、応答データ編集機能を有す
る。

【００１２】さらに、制御対象の動作条件の変化に応じ
て、制御定数を変更する、いわゆるゲインスケジューリ
ング機能として、決定した制御定数とそれを採用する条
件式を登録するゲインスケジューリングテーブルを有
し、制御演算手段において制御系の現状態に適合する条
件式を持つ制御定数を、ゲインスケジューリングテーブ
ルの中から一つ選択し、それに基づいて制御演算を行う
機能を有する。

【００１３】

【作用】前述の各機能の効果、作用を以下に説明する。

【００１４】まず、制御対象のモデル、予測範囲、評価
関数内の重み係数等のパラメータ、目標値応答の形状に
関する設定方法においては、以下の効果が得られる。

【００１５】対象の伝達関数行列の各要素のステップ応
答が表示端末にグラフ表示されることにより、そのモデ
ルの特徴を操作員は素早く把握することができ、その上
をポインティングデバイスでなぞった新たなステップ応
答から伝達関数が推定されることにより、操作員の勘に
基づき修正したステップ応答のモデルに対する評価が直
ちに得られ、それらの作業を繰り返すことにより、対象
の動きに良く合うモデルを試行錯誤的に効率よく得るこ
とができる。

【００１６】評価関数に含まれる諸設計パラメータを数
値入力又はスライダー操作により設定あるいは変更する
と、即座に制御応答シミュレーション結果が表示端末に
グラフ表示されることにより、操作員がその制御性能を
見ながら試行錯誤的なパラメータ調整を効率よくすすめ
られる。

【００１７】表示端末に各制御量、操作量の応答グラフ
が表示され、評価関数の中で考慮する制御量の予測範
囲、予測ポイント、考慮する操作量の範囲を、そのグラ
フ上でポインティングデバイスにより指定することによ
り、対象固有の時定数に依存した適切な予測時間、制御
範囲を設定でき、また制御で考慮する予測ポイントを間
引きながら設定することにより、制御演算量を低減化で
きる。

【００１８】ＰＶ値の履歴応答グラフ上で、目標値指定
ポイントを指定するだけで、そこを通過する目標値応答
が決定できるので、操作員はスムーズな制御応答を実現
する適切な目標値応答曲線を容易に設定でき、操作の省
力化が図れる。

【００１９】また、観測した制御対象の応答データの上
をポインティングデバイスでなぞり、その軌跡により決
定される新たな応答データに置き換えることによりノイ
ズ成分を除去でき、あるいはその応答データからポイン
ティングデバイスの軌跡応答データを差し引くことによ
りドリフト外乱を除くことができる。これらの処理を操
作員の判断のもとで行うことにより、確実なノイズ、外
乱除去ができ、そこから推定するモデルの精度が向上す
る。

【００２０】さらに、制御対象の動作条件の変化に応じ
て、制御定数を変更する、いわゆるゲインスケジューリ
ング機能を有し、制御系の現状態に適合する制御定数
を、ゲインスケジューリングテーブルの中から選択しつ
つ制御演算を行うことにより、制御対象の非線形性から
生じる動作条件変化に対する特性変化に追従し、常に制
御性能を良好に保てる。また、ある動作条件で苦労して
調整した制御定数を登録しておくことにより、再び同じ
動作条件になったとき再度調整が必要なく、操作員の負
荷を軽減できる。

【００２１】以上が本発明の効果を含めた作用である。
これらの利点を全体としてまとめると、以下のようにな
る。

【００２２】制御量応答データのノイズ、ドリフト外乱
を操作員の判断に基づき効率よく除去でき、その結果の
データから精度のよいモデリングができる。

【００２３】推定したモデルのステップ応答をポインテ
ィングデバイスにて修正しながら、過去の応答データに
対する適合精度を評価でき、モデルのファインチューニ
ングを効率よく進められる。

【００２４】設計パラメータ、予測ポイント、目標値応
答、ゲインスケジューリングの条件等を効率よく設定で
き、また、設定した結果に対する制御応答のシミュレー
ション結果が直ちに表示されるので、制御系のマニュア
ルチューニングを効率的にすすめることができる。

【００２５】

【実施例】本発明のモデル予測制御装置の実施例につい
て図面を参照して説明する。図１は、本発明に係るモデ
ル予測制御装置の機能部ブロック図を示しており、モデ
ル予測制御装置１０２の内部では、制御対象１０１に供
給される操作量ｕの入力データ、制御対象１０１から出
力される制御量ｙの出力データ等の入出力応答データを
取り込み、応答データベース１０３に格納する。応答デ
ータ編集手段１０４は、応答データベース１０３に格納
された過去の任意の入出力応答データを編集・修正する
ことができる。過去の応答データからモデル推定手段１
０５によってモデルが推定される。推定されたモデル
は、モデルチューニング手段１０６にて対話的にモデル
をチューニングし、あるいは修正することができる。修
正されたモデルの過去の操作量データに対する制御応答
がモデル評価手段１０７により計算され、その結果は実
際の制御応答と併せて表示される。設計パラメータ設定
手段１０８では、モデル予測制御系の評価関数に含まれ
る各種の設計パラメータを操作員が表示画面と対話形式
で入力する。また、予測ポイント設定手段１０９では、
評価関数で考慮する制御量の予測範囲、予測時点、考慮
する制御量の範囲を画面に表示されたグラフの座標を介
して設定する。これらの設定に基づいて制御定数決定手
段１１２はモデル予測制御系の制御定数をが決定し、制
御定数データベース１１３に格納する。このとき、その
制御定数を用いる条件式等をゲインスケジューリング登
録手段１１０にて操作員が入力すると、それによりでき
あがったゲインスケジューリングテーブルの諸条件に応
じて、制御定数データベース内の制御定数が選択されて
制御演算手段１１４へ送られる。制御演算手段１１４で
は、応答データベース１０３の過去の入出力応答、目標
値設定手段１１１にて設定された未来目標値応答に基づ
き、制御演算が行われ、最適操作量ｕ^* が出力される。
制約条件設定手段１１６にて制御量・操作量に関する上
下限制限値が設定された場合は、その制約条件内での最
適操作量が最適化計算手段１１５における線形計画法演
算、２次計画法演算、非線形計画法演算等により算出さ
れ、出力される。各手段はプログラムとデータからなる
プロセスによって実現されている。

【００２６】以上の手段のうち、応答データ編集手段１
０４、モデルチューニング手段１０６、モデル評価手段
１０７、目標値設定手段１１１、設計パラメータ設定手
段１０８、予測ポイント設定手段１０９、ゲインスケジ
ューリング登録手段１１０及び制約条件設定手段１１６
は、データバスを介してポインティングデバイス１１７
及びポインティングデバイスインターフェイス１１９に
接続されている。また、応答データ編集手段１０４、モ
デルチューニング手段１０６、モデル評価手段１０７、
目標値設定手段１１１、設計パラメータ設定手段１０
８、予測ポイント設定手段１０９、ゲインスケジューリ
ング登録手段１１０及び制約条件設定手段１１６は、デ
ータバスを介して画像表示端末装置１１８に接続されて
いる。このような接続によって、操作員が、以下に説明
する各機能における表示画面を通じて各種パラメータを
セットすることを可能にする。

【００２７】画像表示、キーボードボードによる入力、
ポインティングデバイスによる入力機能を実現するハー
ドウェアの概略構成を図２に示す。マウス等のポインテ
ィングデバイス１１７による画面上のカーソル位置、マ
ウスに設けられた右ボタン、左ボタンの押圧（クリッ
ク）状態に関する信号は、ポインティングデバイスイン
タフェース１１９により信号変換され、データバス２０
２を通って、中央演算装置２０１へ伝わる。ポインティ
ングデバイスはマウスの他、タブレット及びスタイラス
ペン、ライトペン、タッチパネル等を用いることができ
る。

【００２８】図９は、ポインティングデバイスインタフ
ェース１１９が実行するアルゴリズムを示している。操
作員がマウス１１７を操作すると、マウスの回転ボール
のＸ，Ｙ方向移動量に応じて夫々Ｘ，Ｙパルス列信号が
発生する。マウスインタフェース１１９は、Ｘ及びＹの
パルス列信号によって画面上の座標を表す図示しない
Ｘ，Ｙカウンタの値を更新し、画面上のカーソル位置を
判別する。マウスのスイッチ操作によってカーソルの座
標Ａ（Ｘ，Ｙ）はラッチされる。中央演算装置２０１
は、座標Ａ（Ｘ，Ｙ）の取り込みを判別すると、画面入
力サブルーチンを実行して入力指令の内容を判別する。
すなわち、画面アドレス信号Ａが表す画面上の指示位置
を読取る（ステップＳ１）。現在画面表示器１１８ａに
表示されている表示頁Ｐを判別する（ステップＳ２）。
画面上の指示位置Ａ（Ｘ，Ｙ）と現在の表示画面の頁Ｐ
とをキーとして、予め形成された指令記憶テーブルから
対応する指令内容（Ａ，Ｐ）を読取る。また、指令内容
に応じてキーボードからのデータ入力を取り込む（ステ
ップＳ３）。この入力された入力指令の内容は図示しな
い制御プログラムによってメモリ２０７ｂに記憶され
る。

【００２９】更に、画面の一部にグラフを表示する所定
プロセスにおいて、カーソルがポインティングデバイス
のスイッチが押されたまま、画面のグラフ表示領域を移
動するとき、カーソルの軌跡が座標データｄ_n （Ｘ，
Ｙ）として逐次メモリ２０７ｂに取り込まれる。このカ
ーソルの軌跡はグラフとしてＣＲＴの上記グラフ表示領
域に出力され、カーソルの軌跡に従ったグラフが画面に
表示される。この操作によって、予め表示されているグ
ラフと、カーソルの軌跡のグラフとの差等を演算するこ
とができる。

【００３０】メモリ２０７ａには各種手段に対応したプ
ロセスのプログラムが記憶されている。メモリ２０７ｂ
には、プロセスのプログラムで使用される各種データが
記憶されている。中央演算装置２０１は、各プロセスの
プログラムに従って処理を実行し、必要によりデータを
取込み、画面表示信号を生成し、画面表示端末装置１８
ａへ送り、ここでビジュアル信号に変換させて表示器１
１８ｃに表示させる。また、中央演算装置２０１は、制
御対象１０１に供給する操作量ｕ、制御対象１０１から
出力される制御量ｙ等を外部入出力インタフェース２０
８、データバス２０２を介して取込む。これを同様に表
示することができる。

【００３１】次に、図１の各機能のうち、画面を介した
操作員とのユーザインターフェイスが設定されているも
のについて、以下に個別に画面表示態様、操作方法の実
施例を示す。

【００３２】＜応答データ編集手段＞図３は応答データ
編集手段１０４に対応するプロセスを実行する際にＣＲ
Ｔに表示される画面構成である。画面中には、コマンド
やデータ入力を受付けるフィールドが設けられている。
まず、矢印あるいは×印等のカーソルをグループ名入力
フィールドに移動してグループ名をキーボード１１８ｃ
で入力すると、予め登録してあった制御対象の制御点
（以下、タグという）の中から、そのデータを含むグル
ープ名に対応する組み合わせが読み出される。さらにそ
の中から、一つのタグ名、すなわち変数名を応答タグ名
入力フィールド３０２へ入力すると、そのタグに相当す
る応答データがデータベースより読み出され、応答デー
タグラフ３０３として表示されて編集可能となる。

【００３３】グラフ表示領域の周囲には、グラフの表示
スケーリングを調整するボタン３０４〜３０７が設けら
れている。グラフ時間軸平行移動ボタン３０４にカーソ
ルを合わせてポインティングデバイス、例えばマウスの
スイッチをクリックすると、ボタン３０４がアクセスさ
れ、ボタン３０４に対応するサブルーチンが実行され
て、グラフの時間軸が右方向に動き、新たな時間レンジ
に対応する応答データが読み出され、再表示される。ま
た、グラフ時間軸平行移動ボタン３０５にカーソルを合
わせてポインティングデバイスでクリックすると、ボタ
ン３０５に対応するサブルーチンによって、グラフの時
間軸が左方向に動き、新たな時間レンジに対応する応答
データが読み出され、再表示される。グラフ時間軸縮小
ボタン３０６をクリックすること、により時間レンジが
一段階縮小し、逆に、グラフ時間軸拡大ボタン３０７を
クリックすることにより時間レンジが一段階拡大され
て、表示されている時間レンジに対応する応答データが
再表示される。これらの操作は縦軸に関するボタンにつ
いても同様である。これは他の表示画面のグラフ表示に
おいても共通する機能である。

【００３４】応答データ編集には、切り出し、なぞり、
ドリフト除去の３種類が用意されている。

【００３５】応答データ切り出しボタン３０８にカーソ
ルを合わせてポインティングデバイスのスイッチをクリ
ックすると、応答データ切り出し開始点指示指示線３０
９及び応答データ切り出し終了指示線３１０がグラフ領
域に現れる。応答データ切り出し開始点指示線３０９と
応答データ切り出し終了点指示線３１０の時間軸上の位
置をポインティングデバイスで指定すると、その範囲の
応答データがグラフ３０３から切り出され、切り出し応
答データグラフ３１１に表示され、更に、切り出し応答
データエディタ領域３１２にグラフ３１１の時系列デー
タが数値で表示される。この数値は通常のコンピュータ
におけるファイルのエディタと同様の操作で、編集、修
正することができる。

【００３６】なぞりボタン３１４をアクセスし、切り出
し応答グラフ３１１の上をポインティングデバイスのカ
ーソルを移動させると、その軌跡がなぞり線３１４とし
て入力され、記憶されて元の応答データに置き換えられ
る。これは、元のデータのグラフ３１１を目視して操作
員が経験的に判断してノイズ成分を除くのに有効であ
る。

【００３７】ドリフト除去ボタン３１５をアクセスし、
切り出し応答グラフ３１１の上をポインティングデバイ
スのカーソルを移動させると、その軌跡がドリフト曲線
３１６として入力され、元の応答データからこの曲線３
１６の値が差し引かれ、新たな応答データとして登録さ
れる。このような処理は、元のデータからドリフト外乱
（低周波成分の外乱）を除くのに有効である。

【００３８】何れの処理も、このあとのモデル推定の精
度を上げるのに役立つ。応答データの編集を終えて、最
後に、データ保存先ファイル名入力フィールド３１７に
ファイル名を入力し、終了ボタン３１８をアクセスする
と編集、修正済みの応答データが入力したファイル名で
応答データベース１０３に格納され、応答データ編集プ
ロセスが終了する。キャンセルボタン３１９をアクセス
すると、編集結果を格納せずに、編集プロセスを終了す
る。

【００３９】以上により編集された応答データに基づ
き、モデル推定手段１０５では、対象の動特性モデルが
推定される。例えば最小２乗法により次の多入出力時系
列モデルが推定される。

【００４０】

【数１】 ただし、ｙは制御量、ｕは操作量、ｋは離散時間、ｚは
時間推移演算子、Ｇは各要素のパルス伝達関数である。
個々のＧ_ijからはステップ応答が求められ、モデルチュ
ーニング手段１０６にて表示される。 ＜モデルチューニング手段＞図４は、モデルチューニン
グ手段１０６に対応するプロセスを実行する際に画面に
表示される画面構成である。

【００４１】グループ名入力フィールド４００にカーソ
ルを移動してグループ名を設定すると、そのグループに
登録されたＰＶ値のタグ名、ＭＶ値（操作量）のタグ名
がそれぞれＰＶ値タグ名入力フィールド４０１、ＭＶ値
タグ名入力フィールド４０３に表示される。また、前述
のモデル推定手段１０５で推定された時系列モデルの各
要素Ｇ_ij（ｚ^-1）のステップ応答がモデル各要素ステッ
プ応答４０５にマトリックス状に表示される。また、モ
デル評価手段１０７では、過去の任意の時点の応答デー
タと推定モデルにそのデータを当てはめたときの予測応
答をシミュレーション計算しＰＶ応答グラフ４０２（実
応答４０２ａ、予測応答４０２ｂ）、ＭＶ応答グラフ４
０４に表示する。

【００４２】ここで、ポインティングデバイスを用い
て、各要素に対応するステップ応答グラフ４０５上でカ
ーソルを移動させると、その軌跡が新たなステップ応答
として一旦記憶される。この新たなステップ応答に対し
再びモデル推定手段１０５にて前述の手法で時系列モデ
ルが推定される。また、そのモデルに対する予測応答が
再びモデル評価手段１０７にてシミュレーション計算さ
れ、ＰＶ応答グラフ４０２として表示される。

【００４３】このようにして、操作員はモデルの各要素
のステップ応答４０５をポインティングデバイスで微調
整しながら、これに対応して出力される応答グラフ４０
２によりモデルの精度を評価することにより、試行錯誤
的なモデルのファインチューニングを効率良く行うこと
ができる。最後に、モデル保存ファイル名入力フィール
ド４０６にファイル名を入力し、終了ボタン４０７をア
クセスすると、チューニングしたモデルが登録され、モ
デルチューニングプロセスが終了する。キャンセルボタ
ン４０８をアクセスすると、このモデルチューニングプ
ロセスでチューニングしたモデルが登録されずに終了す
る。

【００４４】次に、制御定数決定手段１１２では、得ら
れた対象のモデル（１）式からモデル予測制御系の制御
定数を以下の手順で決定する。まず、モデルを、 Ａ（ｚ^-1）ｙ（ｋ）＝Ｂ（ｚ^-1）ｕ（ｋ） ただし、 Ａ（ｚ^-1）＝１＋ａ₁ ｚ^-1＋…＋ａ_n ｚ^-n Ｂ（ｚ^-1）＝ｂ₁ ｚ^-1＋…＋ｂ_m ｚ^-m （多変数プロセスの場合は、Ａ（ｚ^-1），Ｂ（ｚ^-1），
ａ_i ，ｂ_i は行列）とし、次の関係式から制御定数Ｆ
（ｚ^-1），Ｈ（ｚ^-1），Ｇ_j を求める。 Ｉ＝Ｅ_j （ｚ^-1）（１−ｚ^-1）Ａ（ｚ^-1）−ｚ^-jＦ_j （ｚ^-1） （Ｉは単位行列） Ｅ（ｚ^-1）＝diag｛Ｅ₁ （ｚ^-1）…Ｅ_p （ｚ^-1）｝ Ｆ（ｚ^-1）＝diag｛Ｆ₁ （ｚ^-1）…Ｆ_p （ｚ^-1）｝ Ｅ（ｚ^-1）・Ｂ（ｚ^-1）＝Ｇ₀ ・ｚ^-1＋Ｇ₁ ・ｚ^-2＋… ＋Ｇ_j-1 ・ｚ^-j＋ｚ^-j+1・Ｈ（ｚ^-1） このとき、次の評価関数、

【００４５】

【数２】 （ここで、ＬおよびＮｐは予測長、Ｎｕは制御長、λ，
λ_i ，γ_i は重み係数、ρは極領域指定係数、Δｕ(k+
1) は未来操作量増分、つまり、Δｕ(k+1) ＝ｕ(k+i)
−ｕ（k+i-1)である。）を最小化する最適操作量は制御
演算手段１１２において以下の制御演算式で求められ
る。

【００４６】 Δｕ＝［Ｇ^T Γ^T ΓＧ＋Λ^T Λ］^-1Ｇ^T Γ^T Γ（ｙ^* −Ｆ（ｚ^-1) ｙ_old −Ｈ（ｚ^-1）Δｕ_old ）

【００４７】

【数３】 γ＝diag［γ₁ ，γ₂ ，…，γ_p ］ Γ＝block diag［γ・ρ^-1，γ・ρ^-2，…，γ・ρ^-Np ］ λ₀ ＝diag［λ₁ ，λ₂ ，…，λ_q ］ Λ＝λ・block diag［λ・ρ^-1，λ・ρ^-2，…，λ・ρ^-Nu ］ ｙ^* ＝［ｙ^*T(k+1) ，ｙ^*T(k+2) ，…，ｙ^*T(k+Np)］^T ｙ^* (k+i) ＝［ｙ₁ ^*T(k+i) ，ｙ₂ ^*T(k+i) ，…，ｙ_p ^*T(k+i)]^T ｙ_old ＝［ｙ^T (k-1) ，ｙ^T (k-2) ，…，ｙ^T (k-n)]^T ｙ(k-i) ＝［ｙ₁ ^T (k-i) ，ｙ₂ ^T (k-i) ，…，ｙ_p ^T (k-i)]^T Δｕ_old ＝［Δｕ^T (k-1) ，Δｕ^T (k-2) ，…，Δｕ^T (k-m)]^T Δｕ_old (k-i) ＝［Δｕ₁ ^T (k-i) ，Δｕ₂ ^T (k-i) ，…， Δｕ_q ^T (k-i)]^T Δｕ＝［Δｕ^T (k) ，…，Δｕ^T (k+Nu-1)］^T Δｕ(k+i) ＝［Δｕ₁ ^T (k+i) ，…，Δｕ_q ^T (k+i)]^T 最後に、Δｕ(k) のみ取り出し、 ｕ(k) ＝ｕ（k-1)＋Δｕ(k) を実際の最適操作量ｕ(k) として、制御対象１へ出力す
る。 ＜設計パラメータ設定手段＞図５は、設計パラメータ設
定手段１０８に対応するプロセスを実行する際に表示さ
れる画面である。このプロセスでは図示の画面表示を介
して、上述した制御定数決定手段の計算で用いる評価関
数（２）式の中のパラメータである入出力バランス係数
λ、重み係数λ_i ，γ_i 、極領域指定係数ρを設定す
る。まず、グループ名入力フィールド５０１へグループ
名を入力すると、対応するＰＶ値及びＭＶ値のタグ名が
夫々ＰＶ値タグ名入力フィールド５０２及びＭＶ値タグ
名入力フィールド５０４に表示される。フィールド５０
２の下のＰＶ値重み係数入力フィールド５０３からγ_i
を入力できる。フィールド５０４の下のＭＶ値重み係数
入力フィールド５０５からλ_i を入力できる。フィール
ド５０３及び５０４には入力フィールドとして数値入力
エリアと共に数値を棒グラフ状に表示するスライダが表
示されている。スライダーの両側の三角マークのうち左
側をアクセスすると、アクセスしている時間に応じてス
ライダの棒グラフが左方向に移動し、棒グラフの先端位
置に対応して表示されている数値も徐々に減少する。両
三角マークのうち右側をアクセスすると、それに応じて
スライダの棒グラフが右方向に移動し、表示されている
数値も徐々に増加する。スライダが表示されている他の
入力フィールドも同様に機能する。

【００４８】次に、マニュアルチューニングボタン５０
６をアクセスすると、マニュアルチューニングモードに
なる。このモードでは、入力バランス係数入力フィール
ド５０７にλを、極領域指定係数入力フィールド５０８
にρを入力できる。前者は、入力の変動に対するペナル
ティと制御偏差に対するペナルティの妥協点を決定する
パラメータで、対象の特性変化に対する制御系のロバス
ト性を決定する。後者は、制御系の極配置の範囲を決定
するパラメータで、応答の時定数、整定時間、ダンピン
グ係数を決定する。

【００４９】次に、オートチューニングボタン５０９を
アクセスすると、オートチューニングモードになる。こ
のモードでは、時定数入力フィールド５１０に制御応答
時定数の仕様値σを、ダンピング係数入力フィールド５
１１に制御応答のダンピング係数ζを、ロバスト余裕入
力フィールド５１２にロバスト余裕（ゲイン余裕）Ｇｍ
を設定することができる。それらの値を画面を介して入
力すると、直に、それらの値を満たす設計パラメータλ
及びρが、例えば、試行錯誤法により求められ、上述し
た入力バランス係数入力フィールド５０７及び極領域指
定係数入力フィールド５０８に夫々表示される。試行錯
誤法によるアルゴリズムは以下のステップによる。 （ステップ１） λ，ρの初期値を決定する。 （ステップ２） 制御系を設計する。 （ステップ３） ステップ目標値変化に対する応答をシ
ミュレーション計算する。 （ステップ４） 応答から時定数σ₀ 、ダンピング係数
ζ₀ を求める。 （ステップ５） σ₀ ＞σ かつ ζ₀ ＞ζ な
ら、 ρ←ρ−Δρ と変更する。 σ₀ ＜σ かつ ζ₀ ＜ζ なら、 ρ←ρ＋Δρ と変更し、ステップ２へ戻る。 どちらでもなくなったら、次のステップへすすむ。 （ステップ６） 制御系の一巡周波数応答および相補感
度関数Ｔ（ｊω）を例えば特願平０２−１３８５４１、
特願平０３−０４７４９４の方法を用いて計算し、その
最大値、 を求める。 （ステップ７） ε（１０^Gm/20 −１）＜１なら、 λ←λ−Δλ と変更する。 ε（１０^Gm/20 −１）＞１なら、 λ←λ＋Δλ と変更し、ステップ２へ戻る。 どちらでもなくなったら、終了する。

【００５０】これらパラメータの何れかの設定をする度
に、制御定数決定手段１１２で制御定数Ｆ（ｚ^-1），Ｈ
（ｚ^-1），Ｇ_j が求められる。それら制御定数に基づい
た個々のＰＶ値に対するステップ目標値変化応答が、画
面のグラフ表示領域に制御応答グラフ５１３として表示
される。外乱応答をグラフ表示することも可能である。
操作員はこれらの制御応答の結果を評価しながら、諸パ
ラメータを効率よくチューニングすることができる。最
後に、制御定数保存ファイル名入力フィールド５１４に
ファイル名を入力し、終了ボタン５１５をアクセスする
と、チューニングした制御定数が入力したファイル名で
制御定数データベース１１３に保存され、設計パラメー
タ設定モードが終了する。また、キャンセルボタン５１
６をアクセスすると、制御定数を保存せずに設計パラメ
ータ設定モードが終了する。 ＜予測ポイント設定手段＞図６は予測ポイント設定手段
１０９に対応するプロセスを実行する際に表示される画
面である。

【００５１】このプロセスでは図示の画面表示を介し
て、評価関数（２）式の予測長Ｌ，Ｎｐ、制御長Ｎｕ等
のパラメータを入力する。まず、グループ名入力フィー
ルド６０１にグループ名を入力すると、対応するＰＶ値
及びＭＶ値の応答波形が夫々応答グラフ６０２及び６０
３として表示される。ここで、例えば、ＰＶグラフ６０
２の応答は制御対象のステップ応答である。ここで、予
測ポイント追加ボタン６０４をアクセスし、ＰＶ値応答
グラフ６０２の表示領域においてポインティングデバイ
スにより時間軸上の位置を指定すると、そこに予測ポイ
ント指定線６０５が表示される。逆に、ポインティング
デバイスで予測ポイント消去ボタン６０６をアクセス
し、更に、上記の予測ポイント指定線６０５の何れかに
カーソルを合せてクリックすると、その指定線が消え
る。これらの操作によりグラフ表示領域に設定された複
数の指定線の内、左端が評価関数（２）式のＬ、右端が
Ｎｐ＋Ｌ−１を決定し、パラメータＬ，Ｎｐにより評価
関数（２）式で考慮される制御偏差の範囲（予測長）が
設定される。また、その間の複数の指定線により評価関
数で考慮される予測点の位置が設定される。デフォルト
状態では、予測時刻ｋ＋Ｌからｋ＋Ｎｐ＋Ｌ−１の間に
両端も含めてＮｐ本の指定線が等間隔に並んでいるが、
上記の操作によりこれを間引いたり不規則な位置に設定
することにより、その予測時間における制御偏差のみ考
慮した評価関数が設定される。例えば、指定線の位置
を、変動量の多い領域で指定線の数が多く、変動量の少
ない領域では指定線の数が少ない設定となる、 ｋ＋１，ｋ＋２，ｋ＋４，…，ｋ＋２^Np と選ぶと、Ｎｐステップの予測点を等間隔に選んだ場合
よりも広い予測範囲に指定線を設定でき、しかも、制御
演算量を増やさずに制御性能を上げることができる。逆
に、予測ポイントを同様の手順で間引くことにより、制
御性能を低下させずに、制御演算量を低減させることが
できる。

【００５２】次に、ＭＶ値応答グラフ６０３が表示され
た領域において、同様にポインティングデバイスにより
カーソルで時間軸上の位置を指定すると制御範囲指定線
６０７が表示される。これにより、評価関数で考慮する
操作量の範囲（制御長）Ｎｕが設定される。

【００５３】これらのパラメータは、終了ボタン６０９
を指示すると、制御定数保存ファイル名入力フィールド
６０８に設定したファイルで保存され、予測ポイント設
定モードは終了する。ここで、ファイルに保存されたパ
ラメータは制御定数決定手段１１２で用いる評価関数に
反映される。キャンセルボタンをアクセスすると、パラ
メータは保存されずにこのモードを終了する。 ＜ゲインスケジューリング登録手段＞図７はゲインスケ
ジューリング登録手段１１０に対応するプロセスを実行
する際に表示される画面である。

【００５４】制御定数決定手段１１２で決定された制御
定数は、制御定数データベース１１３に格納される際
に、この画面が表示され、その制御定数の採用条件を図
のようなゲインスケジューリングテーブルに設定でき
る。

【００５５】まず、グループ名入力フィールド７０１に
グループ名を設定すると、対応する制御定数ファイル名
が呼び出される。このファイル名は制御定数ファイル入
力フィールド７０４に表示される。同時に、夫々の制御
定数の決定に用いたモデルファイル名も呼び出され、モ
デルファイル名入力フィールド７０３に表示される。ス
ケジューリング条件追加ボタン７０６をアクセスすると
テーブルに新たな欄が設けられ、新たな制御定数ファイ
ル、モデルファイルを追加設定できる。スケジューリン
グ条件削除ボタン７０７をアクセスすると、逆に、任意
の設定済みの欄を削除できる。採用条件入力フィールド
７０５には対応する制御定数が使用される条件式を記入
する。例えば、図中７０２のＮｏ．１の欄に記載され
た、「ＦＣＶ００１≧５０％」は、「タグ名ＦＣＶ００
１の変数（ＭＶ値）が５０％以上のときにこの制御定数
を採用せよ。」という意味になる。また、Ｎｏ．２の欄
の、「２０％≦ＦＣＶ００１≦５０％」は、「タグ名Ｆ
ＣＶ００１の変数（ＭＶ値）が２０％以上かつ５０％以
下のときにこの制御定数を採用せよ。」という意味にな
る。

【００５６】最後に終了ボタン７０８をアクセスする
と、これらのゲインスケジューリングテーブルが、制御
定数データベース１１３に登録され、ゲインスケジュー
リング登録モードは終了する。キャンセルボタン７０９
をアクセスすると、ゲインスケジューリングテーブルを
登録せずにこのモードが終了する。

【００５７】制御演算手段１１４では、登録されたゲイ
ンスケジューリングテーブルの中から、採用条件が現在
の制御系の状態に適合する欄を一つ選び出し、その欄に
記述された制御定数ファイルの制御定数を読み出して、
制御演算に用いる。 ＜目標値設定手段＞図８は、目標値設定手段１１１に対
応するプロセスを実行する際に表示される画面である。

【００５８】このプロセスでは、制御演算で用いる未来
の目標値応答ｙ^* (k+1) ，…，ｙ^*(k+Np)を設定するこ
とができる。グループ名入力フィールド８０１にグルー
プ名を入力すると、対応するＰＶ値のタグ名がＰＶ値タ
グ名入力フィールド８０２に表示される。また、それぞ
れのＰＶ値の過去から現在までのトレンドグラフがＰＶ
応答グラフ８０３として表示される。ここで、ポインテ
ィングデバイスを用いて、グラフ８０３の未来領域上に
カーソルを移動して目標値を指定する指定ポイント８０
４を設定する。すると、当該ＰＶ値の現在値から始ま
り、指定ポイントを５％整定状態で通過する２次系の応
答が目標値応答グラフ８０５として表示される。ここ
で、指定ポイントを左に移動させれば、目標値応答の時
定数は短くなり、右に移動させれば、時定数は長くな
る。よって、指定ポイントの座標（レベル，時間）で、
最終目標値と応答時定数を設定することができる。

【００５９】終了ボタン８０６をアクセスすると、この
モードで設定した目標値応答が登録され、この目標値設
定モードが終了する。制御演算手段１１４ではここで登
録された目標値に基づいて制御演算を行う。キャンセル
ボタン８０７をアクセスすると、目標値応答は登録され
ずにこのモードを終了する。

【００６０】この他、制御量、操作量などに対し、制約
条件を設定する場合は、制約条件設定手段１１６に対応
するプロセスにおいて、例えば特願平０３−０７５３３
３号に記載された方法を用いて、画面に表示された制御
量、操作量予測応答グラフ上にそれぞれの上下限制限値
をポインティングデバイスにより設定できる。これらの
制約条件を満たす最適操作量は、最適化計算手段１１５
に対応するプロセスにおいて、線形計画法、２次計画
法、非線形計画法の何れかを用いて、例えば特願平０２
−１１１８００号、特願平０３−１７５２７号に記載し
たアルゴリズムを用いて算出され、制御演算手段１１４
から出力される。

【００６１】以上が各手段の表示・操作画面の概要であ
る。なお、これらの各操作方法で曲線データをポインテ
ィングデバイスにて入力する際に、カーソルの軌跡によ
り入力する代わりに、曲線上の数点を指定することによ
り、それらの点を結ぶ曲線が入力されるという操作方法
も可能である。この場合、指定された点を通る曲線の算
出には、例えば、桜井：「スプライン関数入門」、東京
電機大学出版局（昭和５６年）に記載されたスプライン
関数法を用いることが可能である。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように本発明のモデル予測
制御装置によれば、制御量応答データをグラフ表示し
て、操作員の経験的判断に基づきこのグラフを修正する
ことによって制御量応答データに含まれるノイズ、ドリ
フト外乱を効率良く除去できる。グラフの修正に伴って
修正されたデータから精度のよいモデリングができる。

【００６３】推定したモデルのステップ応答をポインテ
ィングデバイスにて修正しながら、過去の応答データに
対する適合精度を評価でき、モデルのファインチューニ
ングを効率よく進められる。

【００６４】設計パラメータ、予測ポイント、目標値応
答、ゲインスケジューリングの条件等を効率良く設定で
き、また、設定した結果に対する制御応答のシミュレー
ション結果が直ちに表示されるので、制御系のマニュア
ルチューニングを効率的に進めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のモデル予測制御装置の機能ブロック
図。

【図２】本発明のモデル予測制御装置の概略ブロック
図。

【図３】応答データ編集プロセスにおける表示画面の例
を説明する図。

【図４】モデルチューニングプロセスにおける表示画面
の例を説明する図。

【図５】設計パラメータ設定プロセスにおける表示画面
の例を説明する図。

【図６】予測ポイント設定プロセスにおける表示画面の
例を説明する図。

【図７】ゲインスケジューリング登録プロセスにおける
表示画面の例を説明する図。

【図８】目標値設定プロセスにおける表示画面の例を説
明する図。

【図９】ポインティングデバイスインタフェースにおけ
るアルゴリズムを説明するフローチャート。

【符号の説明】

１０１ 制御対象 １０２ 本発明のモデル予測制御装置 １０３ 応答データベース １０４ 応答データ編集手段 １０５ モデル推定手段 １０６ モデルチューニング手段 １０７ モデル評価手段 １０８ 設計パラメータ設定手段 １０９ 予測ポイント設定手段 １１０ ゲインスケジューリング登録手段 １１１ 目標値設定手段 １１２ 制御定数決定手段 １１３ 制御定数データベース １１４ 制御演算手段 １１５ 最適化手段 １１６ 制約条件設定手段 １１７ ポインティングデバイス １１８ 表示端末 １１９ ポインティングデバイスインタフェース

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも１つ以上の操作量と制御量を持
   つ制御対象に対し、その動特性モデルから予測した制御
   量未来値と、未来操作量及び未来操作量に関する評価関
   数を最小化する最適制御を実現するモデル予測制御装置
   において、 少なくとも前記操作量及び前記制御量を経時的に記憶す
   る記憶手段と、 画面のグラフ表示領域に少なくとも前記操作量あるいは
   前記制御量を時系列でグラフ表示する画像表示手段と、 操作に応じて前記画面上の所望の位置にカーソルを表示
   させるポインティングデバイスと、 前記グラフ表示領域における前記カーソルの軌跡を修正
   データとして取込み、あるいは前記カーソルの軌跡と表
   示されているグラフとの差を時系列で取込む応答データ
   編集手段と、 を備えることを特徴とするモデル予測装置。
2. 【請求項２】少なくとも１つ以上の操作量と制御量を持
   つ制御対象に対し、その動特性モデルから予測した制御
   量未来値と、未来操作量及び未来操作量に関する評価関
   数を最小化する最適制御を実現するモデル予測制御装置
   において、 少なくとも前記操作量及び前記制御量を経時的に記憶す
   る記憶手段と、 記憶された前記操作量及び前記制御量に基づいて前記制
   御対象の動特性モデルを推定するモデル推定手段と、 画面のグラフ表示領域に前記動特性モデルのステップ応
   答をグラフ表示する画像表示手段と、 操作に応じて前記画面上の所望の位置にカーソルを表示
   させるポインティングデバイスと、 前記グラフ表示領域における前記カーソルの軌跡を修正
   ステップ応答として取込み、前記修正ステップ応答に基
   づいて前記動特性モデルを修正するモデルチューニング
   手段と、 を備えることを特徴とするモデル予測装置。