JPH07191709A - Parameter setting method for model estimating control - Google Patents

Parameter setting method for model estimating control

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JPH07191709A
JPH07191709A JP34720793A JP34720793A JPH07191709A JP H07191709 A JPH07191709 A JP H07191709A JP 34720793 A JP34720793 A JP 34720793A JP 34720793 A JP34720793 A JP 34720793A JP H07191709 A JPH07191709 A JP H07191709A
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JP
Japan
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model
parameter
estimating
control
sum
Prior art date
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JP34720793A
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Japanese (ja)
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Masao Katakura
正雄 片倉
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To prevent the control calculation from being numerically unstable by setting the parameter of a model so as to set the weighing sum of the square sum of the deviation between an estimated value and the target value at a future time and the square sum of the changing part of a manipulated variable to be minimum based on the model of a process. CONSTITUTION:When the parameter inputted to a parameter changing part 1 is confirmed, an estimating expression deciding part 2 decides the estimating expression of the model from the parameter. An estimating arithmetic part 3 executes arithmetic based on the estimating expression of the model decided by the estimating expression deciding part 2. The estimating arithmetic part 3 is composed of a conditional number arithmetic part 4 calculating the conditional number of <tau>GG+lambdaI which needs to obtain a retrograde train from the estimating expression, a judgement part 5 judging whether the conditional number is within an allowable range or not, and a correction part 6 correcting a weighing coefficient lambda when it is not within the allowable range. When the conditional number is within the allowable range, the changed amount DELTAU of the manipulated variable setting an evaluation function J to be minimum is obtained by using the present lambda as it is, and outputted.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は化学プラント等のプロセ
ス制御に用いられるモデル予測制御のパラメータ設定方
法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a model predictive control parameter setting method used for process control of a chemical plant or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】モデル予測制御は、一般にプロセスのモ
デルを作成し、これをもとにプロセスの制御量の未来時
刻での予測値を求め、この予測値と未来時刻での目標値
との偏差の2乗和と操作量の変化分の2乗和との重み付
の和を評価関数とし、この評価関数が最小となるように
操作量を決定する制御方式である。
2. Description of the Related Art In model predictive control, generally, a model of a process is created, a predicted value of a process control amount at a future time is calculated based on the model, and a deviation between the predicted value and a target value at the future time is calculated. This is a control method in which the sum of squares of and the sum of squares of the variation of the manipulated variable is used as an evaluation function, and the manipulated variable is determined so that this evaluation function is minimized.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記のようなモデル予
測制御では、設定すべきパラメータはプロセスのモデ
ル、評価関数の各種重みとその種類が多く、その直観的
な意味付けも必ずしも明確ではない。例えば評価関数の
重みは絶対値が異なっていても重み間の比が同じであれ
ば、同じ操作量を演算する。また場合によっては、無関
係な制御量−操作量の組を評価関数に取入れてしまう
と、制御アルゴリズム自体が不安定となってしまう可能
性がある。
In the model predictive control as described above, the parameters to be set have many process models, various weights of evaluation functions and their types, and their intuitive meanings are not always clear. For example, if the weights of the evaluation function have different absolute values, the same operation amount is calculated if the ratio between the weights is the same. In some cases, if an unrelated control amount-manipulation amount pair is incorporated into the evaluation function, the control algorithm itself may become unstable.

【0004】本発明の目的は、ある種のパラメータ(操
作量の変化分の重み係数)を他のパラメータに変更され
たときにシステムが不安定にならないように自動的に修
正することにより、オペレータに対する負担を軽減する
ことができるモデル予測制御のパラメータ設定方法を提
供することにある。
An object of the present invention is to automatically correct a certain type of parameter (weighting coefficient for change in manipulated variable) so that the system does not become unstable when changed to another parameter. The object of the present invention is to provide a parameter setting method for model predictive control that can reduce the load on the model.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、プロセスのモデルをもとにプロセス制御量
の未来時刻での予測値を求め、この予測値と未来時刻で
の目標値との偏差の2乗和と操作量の変化分の2乗和と
の重み付の和を評価関数とし、この評価関数が最小とな
るように操作量を決定するモデル予測制御のパラメータ
設定方法において、パラメータ変更時にモデルによる操
作量を変えた時の制御量の予測値を評価関数によって求
めるに際して、制御演算に使用するための逆行列を求め
る必要のある行列の条件数を調べ、この値が所定の範囲
に入るように操作量の2乗部分にかかる重みを修正す
る。
In order to achieve the above object, the present invention obtains a predicted value of a process control amount at a future time based on a model of a process, and the predicted value and a target value at the future time. In the parameter setting method of the model predictive control, the sum of squares of the deviation of and the sum of squares of changes in the manipulated variables is used as an evaluation function, and the manipulated variables are determined so that this evaluation function is minimized. , When the predicted value of the controlled variable when the manipulated variable by the model is changed at the time of changing the parameter is calculated by the evaluation function, the condition number of the matrix for which it is necessary to calculate the inverse matrix to be used for the control calculation is checked, and this value is determined The weight applied to the squared portion of the operation amount is corrected so as to fall within the range of.

【0006】[0006]

【作用】このようなモデル予測制御のパラメータ設定方
法にあっては、次のような作用を奏し得る。
The above-described model predictive control parameter setting method can have the following effects.

【0007】ここでは説明を簡単にするため、制御量
1、操作量1の場合を例として説明する。まず、モデル
予測制御は(1)式による評価関数Jが最小となるよう
に次の時刻の制御量を決定する。
In order to simplify the description, a case where the control amount is 1 and the operation amount is 1 will be described as an example. First, in the model predictive control, the control amount at the next time is determined so that the evaluation function J according to the equation (1) becomes the minimum.

【0008】[0008]

【数1】 ここで、yは制御量、γは目標値、uは操作量、Δuは
操作量の変化分である。また、yaはyの予測値であ
る。λは重み係数であり、チューニングパラメータの一
つである。
[Equation 1] Here, y is a control amount, γ is a target value, u is an operation amount, and Δu is a change amount of the operation amount. Also, ya is a predicted value of y. λ is a weighting coefficient, which is one of tuning parameters.

【0009】[0009]

【数2】 等とベクトルで表現すれば、線形のモデルと予測方式を
用いれば、予測は一般に Ya=GΔU+Y0 ……(2) の形で与えられる。
[Equation 2] When expressed in the form of a vector and the like, using a linear model and a prediction method, the prediction is generally given in the form of Ya = GΔU + Y 0 (2).

【0010】但し、Gは行列、ΔUは未来の操作量、Y
0 は過去の観測値から求まる予測値である。ここで、G
は予測に使用したモデルと仮定すれば、モデルを変更し
ない限り時間的には変化しない。Y0 は予測に使用した
モデルと予測方式および過去から現時点までの制御量の
値によって定まる。(2)式を(1)式に代入すれば、 J=t (GΔu+Y0 −γ)(GΔU+Y0 −γ)+λ
t ΔU・Δu となり、Jを最小とするΔUは ΔU=(t GG+λI)-1t G(γ−Y0 ) で求まる。あるいは (t GG+λI)ΔU=t G(γ−Y0 ) という線形の連立方程式を解けば求まる。
However, G is a matrix, ΔU is a future operation amount, and Y
0 is a predicted value obtained from past observation values. Where G
Assuming that is the model used for prediction, it does not change over time unless the model is changed. Y 0 is determined by the model used for prediction, the prediction method, and the value of the control amount from the past to the present time. Substituting the equation (2) into the equation (1), J = t (GΔu + Y 0 −γ) (GΔU + Y 0 −γ) + λ
t ΔU · Δu, and ΔU that minimizes J is obtained by ΔU = ( t GG + λI) −1t G (γ−Y 0 ). Alternatively, it can be obtained by solving a linear simultaneous equation of ( t GG + λI) ΔU = t G (γ−Y 0 ).

【0011】一方、一般に線形連立方程式 Y=AX の数値的解き易さはAの条件数(=σmax/σmin 、ここ
でσmax はAの最大特異値、σmin はAの最小特異値)
と密接な関係にあることが知られており、条件数が大き
いほど方程式は形が悪く(ill condition)なる。
On the other hand, in general, the numerical ease of solving the linear simultaneous equation Y = AX is the condition number of A (= σmax / σmin, where σmax is the maximum singular value of A and σmin is the minimum singular value of A).
It is known that the equation is ill condition as the number of conditions increases.

【0012】従って、t GG+λIの条件数ーそれはλ
の関数になるーを調べてそれがある一定以下となるよう
にλを修正すれば、モデル等を変更したときに制御演算
が数値的に不安定となることを避けることができる。
Therefore, the condition number of t GG + λI-which is λ
It is possible to avoid numerical instability of the control operation when the model etc. is changed by examining the function of and the correction of λ so that it is below a certain level.

【0013】[0013]

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0014】図1は本発明によるモデル予測制御のパラ
メータ設定方法を説明するためのブロック図を示すもの
である。図1において、1はモデルのパラメータを変更
するため重み係数λ、定数a1 ,a2 ,…等が入力され
るパラメータ変更部、2はこのパラメータ変更部1に入
力されたパラメータが確認されるとそのパラメータから
モデルの予測式を決定する予測式決定部、3はこの予測
式決定部2で決定されたモデルの予測式をもとに演算を
実行する予測演算部である。
FIG. 1 is a block diagram for explaining a parameter setting method for model predictive control according to the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a parameter changing unit for inputting a weighting coefficient λ, constants a 1 , a 2 , ... For changing a parameter of a model, and 2 denotes a parameter inputted to the parameter changing unit 1. Prediction formula determining unit 3 that determines the prediction formula of the model from the parameter and its parameter are prediction calculation units that execute calculations based on the prediction formula of the model determined by the prediction formula determining unit 2.

【0015】この予測演算部3は予測式決定部2で決定
された予測式から逆行列を求める必要のあるt GG+λ
Iの条件数を演算する条件数演算部4、この条件数演算
部4で求められた条件数が許容範囲に入っているか否か
を判定する判定部5およびこの判定部5により条件数が
許容範囲内に入っていないと判定されると重み付係数λ
を修正してパラメータ変更部1に入力するλ修正部6か
ら構成されている。
The prediction calculation unit 3 needs to obtain an inverse matrix from the prediction formula determined by the prediction formula determination unit 2 t GG + λ.
The condition number calculation unit 4 that calculates the condition number of I, the determination unit 5 that determines whether or not the condition number obtained by the condition number calculation unit 4 is within an allowable range, and the condition number is allowed by the determination unit 5. If it is determined that the weight does not fall within the range, the weighting coefficient λ
Is modified and input to the parameter changing unit 1.

【0016】この場合、判定部5により条件数が許容範
囲内に入っていると判定されると、現在のλをそのまま
使用して図示していない操作量演算部により評価関数J
を最小とする操作量の変化量ΔUを求めて出力されるよ
うになっている。
In this case, when the judging unit 5 judges that the condition number is within the allowable range, the current λ is used as it is and the evaluation amount J is calculated by the operation amount calculating unit (not shown).
The change amount ΔU of the operation amount that minimizes is calculated and output.

【0017】次に上記構成に基く作用を図2及び図3を
参照しながら説明する。
Next, the operation based on the above configuration will be described with reference to FIGS.

【0018】いま、例えば図2に示すようにプラント2
0の制御量yをコントローラ10にフィドバック入力し
て2つの操作量u1 、u2 をプラント20に与える2操
作出力、1制御変数の系について考える。
Now, for example, as shown in FIG.
Consider a system of two operation outputs and one control variable that feeds back a controlled variable y of 0 to the controller 10 to supply two manipulated variables u 1 and u 2 to the plant 20.

【0019】この場合、評価式として次式が与えられて
いるものとする。
In this case, the following equation is given as an evaluation equation.

【0020】J=(ya(t+1)−γ)2 +λ{Δu
1 (t+1)2+Δu2 (t+1)2 } ……(a) ここで、yaは予測制御量、γは目標値、λはチューニ
ングパラメータ、Δu1 ,Δu2 は予測操作量の変化分
である。
J = (ya (t + 1) -γ) 2 + λ {Δu
1 (t + 1) 2 + Δu 2 (t + 1) 2 } (a) where ya is a predicted control amount, γ is a target value, λ is a tuning parameter, and Δu 1 and Δu 2 are changes in the predicted manipulated variable. .

【0021】仮に操作量u2 としてプラント20と無関
係の変数を選んだとすると、その予測は
If a variable unrelated to the plant 20 is selected as the manipulated variable u 2 , its prediction is

【0022】[0022]

【数3】 という形になる。このとき、さらにλを0に設定してし
まうと、(a)式を最小とするΔu1 (t+1),Δu
2 (t+1)は次式を解くことにより求めることができ
る。
[Equation 3] It becomes the form. At this time, if λ is further set to 0, Δu 1 (t + 1), Δu which minimizes the equation (a).
2 (t + 1) can be obtained by solving the following equation.

【0023】[0023]

【数4】 しかし、この解は不定となってしまい、またこのときの
条件数は∞となる。
[Equation 4] However, this solution becomes indefinite, and the condition number at this time becomes ∞.

【0024】そこで、このλを0以外にすると、(a)
式を最小にする解は、
Therefore, if this λ is set to a value other than 0, (a)
The solution that minimizes the equation is

【0025】[0025]

【数5】 となり、条件数は(a1 2 +λ)/λ<<∞で、このと
きは(c)式は簡単に解くことができ、 Δu1 (t+1)=a1 (γ−y0 )/(a1 2 +λ) Δu2 (t+1)=0 となり、これは無関係な変数を動かさないという極めて
妥当な結果が得られることになる。
[Equation 5] Then, the condition number is (a 1 2 + λ) / λ << ∞, and at this time, the equation (c) can be easily solved, and Δu 1 (t + 1) = a 1 (γ-y 0 ) / (a 1 2 + λ) Δu 2 (t + 1) = 0, which gives a very reasonable result of not moving irrelevant variables.

【0026】以上のモデル予測制御のパラメータ設定手
順をフローチャートにて示すと図3に示すようになる。
パラメータとして重み係数λ、定数a1 ,a2 …を入力
すると、ステップS1にてパラメータが表示され、ステ
ップS2にてそのパラメータを使用して予測制御するた
めの予測式が求まる。次にステップS3にて予測式から
最適化演算して式の一部を求め、ステップS4にて逆行
列を求める必要のあるt GG+λIを求め、ステップS
5にて条件数を演算する。そして、ステップS6にて条
件数の大小を判定し、小さければその式をそのまま使用
してステップS8により操作量の変化分を求めて出力す
る。
FIG. 3 is a flow chart showing the parameter setting procedure of the model predictive control described above.
When the weighting factor λ and the constants a 1 , a 2 ... Are input as parameters, the parameters are displayed in step S1 and the prediction formula for predictive control is obtained using the parameters in step S2. Next, in step S3, a part of the equation is obtained by performing optimization calculation from the prediction equation, and in step S4, t GG + λI for which an inverse matrix needs to be obtained is obtained,
The condition number is calculated at 5. Then, the magnitude of the condition number is determined in step S6, and if the condition number is small, the equation is used as it is, and the change amount of the manipulated variable is obtained and output in step S8.

【0027】また、ステップS6で条件数が大であると
判定されると、ステップS7にて重み係数λを少し増加
させて前述同様の処理を繰返し、条件数が小さくなるま
で実行する。
If it is determined in step S6 that the condition number is large, the weighting coefficient λ is slightly increased in step S7 and the same process as described above is repeated until the condition number becomes small.

【0028】このようなパラメータ設定方法を採用する
ことにより、オペレータによるパラメータの変更が制御
演算の不安定さを引起こさない場合はその値をそのまま
使用し、もしオペレータが間違って無関係な値に設定し
た場合にはシステムが不安定にならないように自動的に
修正されるので、制御演算が不安定になって突拍子もな
い値を演算してしまうという事態を回避することができ
る。
By adopting such a parameter setting method, when the parameter change by the operator does not cause the instability of the control calculation, the value is used as it is, and if the operator mistakenly sets it to an irrelevant value. In such a case, the system is automatically corrected so as not to become unstable, so that it is possible to avoid the situation where the control calculation becomes unstable and a value that is unexpectedly calculated is calculated.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、モデ
ル等のパラメータを変更したときに制御演算が数値的に
不安定となることを避けることができるので、オペレー
タのパラメータ変更時に事前検討の負担をある程度減ら
すことができるモデル予測制御のパラメータ設定方法を
提供できる。
As described above, according to the present invention, it is possible to avoid numerical instability of the control calculation when the parameters of the model etc. are changed. It is possible to provide a parameter setting method for model predictive control that can reduce the load on the system to some extent.

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

【図1】本発明によるモデル予測制御のパラメータ設定
方法の一実施例を説明するためのブロック回路図。
FIG. 1 is a block circuit diagram for explaining an embodiment of a parameter setting method for model prediction control according to the present invention.

【図2】同実施例の作用を説明するための制御系を示す
図。
FIG. 2 is a diagram showing a control system for explaining the operation of the embodiment.

【図3】同実施例のパラメータ設定手順を示すフローチ
ャート。
FIG. 3 is a flowchart showing a parameter setting procedure of the embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…パラメータ変更部、2…予測式決定部、3…予測演
算部、4…条件数演算部、5…条件数の判定部、6…λ
修正部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Parameter change part, 2 ... Prediction formula determination part, 3 ... Prediction calculation part, 4 ... Condition number calculation part, 5 ... Condition number determination part, 6 ... lambda
Correction department.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 プロセスのモデルをもとにプロセス制御
量の未来時刻での予測値を求め、この予測値と未来時刻
での目標値との偏差の2乗和と操作量の変化分の2乗和
との重み付の和を評価関数とし、この評価関数が最小と
なるように操作量を決定するモデル予測制御のパラメー
タ設定方法において、パラメータ変更時にモデルによる
操作量を変えた時の制御量の予測値を評価関数によって
求めるに際して、制御演算に使用するための逆行列を求
める必要のある行列の条件数を調べ、この値が所定の範
囲に入るように操作量の2乗部分にかかる重みを修正す
ることを特徴とするモデル予測制御のパラメータ設定方
法。
1. A predicted value of a process control variable at a future time is obtained based on a process model, and a sum of squares of deviations between the predicted value and a target value at a future time and a change amount of the manipulated variable are calculated. In the parameter setting method of model predictive control in which the sum of weights and the sum of weights is used as the evaluation function, and the operation amount is determined so that this evaluation function is minimized, the control amount when the operation amount by the model is changed when the parameter is changed. When the predicted value of is calculated by the evaluation function, the condition number of the matrix for which it is necessary to calculate the inverse matrix to be used for the control calculation is examined, and the weight applied to the square part of the manipulated variable so that this value falls within a predetermined range. A method of setting parameters for model predictive control, characterized by:
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