JPH07219602A - 適応制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 制御性能を向上すると共に定常偏差を無く
し、かつ、相互干渉の強い多変数系の制御対象に対して
も制御性能を向上できるようにする。 【構成】 プロセス１の制御量ｙを目標値ｒに追従させ
ることを目標とした多変数系において、制御量ｙと目標
値ｒとの制御偏差ｅ(t) ５０をループゲイン調節部５２
に入力する。このループゲイン調節部５２の指定可能な
ゲインαにより、制御偏差の無次元化ができる。上記ル
ープゲイン調節部５２の出力を可変リセット型の積分部
１２０に入力すると共に、可変ゲインＫ（ｔ）５６を乗
算する乗算器５４を介して位相進み補償器１２１に入力
する。上記乗算器５４、積分部１２０、位相進み補償器
１２１の出力を加算器５７で加算して操作量ｕ（ｔ）３
とし、プロセス１に入力する。上記積分部１２０は、制
御偏差ｅ(t) ５０がある限り、積分機能により操作量ｕ
（ｔ）３を修正し、定常偏差を徐々に零とする。

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。プロセス１
は、外乱ｄ(t) ２と操作量ｕ(t) ３を入力とし、制御量
ｙp(t)４が出力される。この制御量ｙp(t)４は、規範モ
デル５の第１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９の出力１０を加算器１１で加算した、所謂、
拡張したプロセスの制御量の値をｙa(t)１２としたとき
の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を小さくするための操作
量ｕ(t)３を以下の手法で求めている。

【０００３】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。偏差ｅz(t)１３を乗算器１５，１６の一方の入
力とし、乗算器１５の他方の入力端には後述の積分器１
７の出力ＫIe(t) １８を入力し、乗算器１６の他方の入
力端には後述の係数器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。

【０００４】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−端子に接続され
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の両入力端子には減算器
１４から出力される偏差ｅz(t)１３が入力される。

【０００５】同様に、操作量ｕ(t) ３を算出するため二
つめの構成要素について説明する。規範モデル５の第２
の出力ｘm(t)８を乗算器２６，２７の一方の入力とし、
乗算器２６の他方の入力端には後述の積分器２８の出力
ＫIx(t) ２９を入力し、乗算器２７の他方の入力端には
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。

【０００６】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。この減算器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。

【０００７】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の一方の入力とし、乗算器
３７の他方の入力端には後述の積分器３９の出力ＫIu
(t) ４０を入力とし、乗算器３８の他方の入力端には後
述の係数器４１の出力ＫPu(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。

【０００８】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。

【０００９】以上の各要素の加算器２１，３２，４３の
各出力は、加算器４８に入力され、この加算器４８の出
力が操作量ｕ(t) ３となる。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、この出力ｙm(t)６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１７，２８，３９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１９，３０，４１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。

【００１０】

【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、基本的には比例動作であり、充分な制御性能の向
上は期待できない。また、定常偏差が残るという問題が
ある。更に可変ゲイン部のゲインの値が大きくなると数
値計算が困難である。また、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る。

【００１１】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、かつ、数値計算上の問題を回避できると共に相
互干渉の強い多変数系の制御対象に対しても制御性能を
向上し得る適応制御装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、プロセスの制
御量ｙを目標値ｒ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、上記プロセスの制御量ｙと
目標値ｒとの制御偏差を求める手段と、上記制御偏差を
入力としてループゲインを調節するループゲイン調節部
と、このループゲイン調節部の出力値と可変ゲインを乗
算する乗算手段と、この乗算手段の出力値が入力される
位相進み補償器と、上記ループゲイン調節部の出力値が
入力される可変リセット型の積分部と、上記乗算手段、
位相進み補償器及び積分部の出力を加算してプロセスの
操作量を得る加算手段と、上記可変ゲインの値は、基本
的には上記制御偏差を入力とし比例ゲイン倍した値の自
乗値と、この自乗値を一次遅れ特性要素を介して得られ
る値の両方の値を加算した制御値ｚ(t) を他の系に供給
すると共に、自分自身の系統にも他の系の制御値ｚ(t)
を加算して得た中間変数Ｋe(t)と関連づけ、指定した最
大値と最小値の範囲内で求める可変ゲイン算出手段と、
上記中間変数Ｋe(t)が大きくなるに従って上記可変ゲイ
ン算出手段の入力値を減らすフィードバック手段とを具
備したことを特徴とする。

【００１３】

【作用】プロセスの制御量ｙと目標値ｒとの制御偏差
は、ループゲイン調節部に入力される。このループゲイ
ン調節部は、入力される制御偏差に対してループゲイン
を調節し、その出力値ｅ^* (t) を積分部に供給すると共
に、乗算器に入力して可変ゲインと乗算し、その乗算結
果を位相進み補償器に供給する。そして、上記乗算器の
出力に対し、位相進み補償器の出力及び積分部の出力を
加算して、プロセスの操作量を得ている。

【００１４】上記のように位相進み補償器を設置したこ
とにより、プロセスの遅れを補償できる。また、位相進
みの程度を表わすパラメータをオンラインで自動的に求
めることにより、プロセスに経時変化がある場合でも常
に高い制御性能を維持することができる。

【００１５】また、上記ループゲイン調節部の出力値を
入力とする積分部により、制御偏差がある限り積分機能
によって操作量が修正され、定常偏差が徐々に零とな
る。上記積分部のリセット率の適切な値は、オンライン
で求められ、プロセスに経時変化があっても制御性能の
劣化をきたすことはない。上記リセット率の変わり得る
最大値および最小値は、指定可能なプロセスの推定時定
数と関連づけて決められる。

【００１６】

【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。本実施例に係る適応制御装置の回路構成を図１
及び図２にブロック線図で示す。

【００１７】図１において、プロセス１は、外乱ｄ(t)
２と操作量ｕ(t) ３を入力とし、制御量ｙp(t)４が出力
される。この制御量ｙp(t)４は減算器４９に入力され、
目標値ｒ(t) と比較されて制御偏差ｅ(t) ５０が求めら
れる。ここで、制御量ｙ(t)４は目標値ｒ(t) に追従さ
せる必要がある。以下に制御偏差ｅ(t) ５０を小さく抑
えるための操作量ｕ(t) ３を求める方法について説明す
る。

【００１８】制御偏差ｅ(t) ５０は、目標値ｒ(t) から
制御量ｙp(t)４を減算器４９で引いた値である。上記制
御偏差ｅ(t) ５０をループゲイン調節部５２に供給し、
α倍された値をｅ^* (t) ５３とする。このループゲイン
調節部５２の指定可能なゲインαにより、制御偏差の無
次元化ができるようになっている。そして、上記ループ
ゲイン調節部５２の出力ｅ^* (t) ５３は乗算器５４の一
方の入力とし、この乗算器５４の他方の入力端には図２
に示す後述の乗算器５５から出力される可変ゲインＫ
(t) ５６を入力する。上記乗算器５４の出力を加算器５
７に入力すると共に、微分器５８及び乗算器５９からな
る位相進み補償器１２１に入力する。そして、微分器５
８の出力は、乗算器５９の一方の入力とし、この乗算器
５９の他方の入力端には後述の乗算器６０（図２参照）
から出力されるパラメータＴ(t) ６１を入力する。上記
乗算器５９の出力は、加算器５７に入力される。

【００１９】また、ループゲイン調節部５２の出力ｅ*
(t) ５３は、積分部１２０に入力される。この積分部１
２０は、乗算器６２及び積分器６５からなる可変リセッ
ト型であり、上記ループゲイン調節部５２の出力ｅ*
(t) ５３が乗算器６２の一方に入力され、乗算器６２の
他方の入力端には、後述の乗算器６３（図２参照）の出
力Ｒ(t) ６４がリセット率として入力される。そして、
乗算器６２の出力は、積分器６５により積分されて加算
器５７に供給され、この加算器５７の出力がプロセス１
の操作量ｕ(t) ３となる。

【００２０】次に、上記可変ゲインＫ(t) ５６、パラメ
ータＴ(t) ６１およびリセット率Ｒ(t) ６４の求め方に
ついて図２により説明する。まず、可変ゲインＫ(t) ５
６の算出する回路について説明する。

【００２１】図２において、２００は可変ゲインＫ(t)
５６の算出回路であり、ループゲイン調節部５２の出力
ｅ* (t) ５３を除算器６６の分子に入力し、分母には加
算器６７の出力を入力する。除算器６６の出力ｅz *
(t) ６８は、乗算器６９の一方に入力され、他方の入力
端には定数器７０の出力β７１（比例ゲイン）が入力さ
れる。そして、乗算器６９の出力は乗算器７２で自乗さ
れ、減算器７３の＋端子と加算器７４に供給される。減
算器７３の−端子には乗算器７５の出力が入力される。
減算器７３の出力は、積分器７６で積分された後、乗算
器７５及び加算器７４に入力される。

【００２２】また、乗算器７５の他の側には、除算器７
９の出力Ｒmin ８０が入力される。この除算器７９は、
分子として値１を持ち、定数器７７の出力Ｔmax ７８が
分母に入力されてＲmin ８０を出力する。上記加算器７
４の出力は、中間変数ｚ(t)８１となって加算器８２に
入力され、この加算器８２の他の入力には、他の制御系
の中間変数ｚ(t) ８１′と後述の除算器８３（図２参
照）の出力ｘK ８４が入力される。ここで、他の制御系
とは、他変数制御系にも本発明回路は使用でき、説明を
簡単にするため、一つの制御系のみ述べているが、他の
制御系も同じ手順で実行すればよく、加算器８２のみが
他変数制御系と関連している。

【００２３】また、図２では多変数制御系として２変数
系を取り扱っているが、３変数制御系以上の場合には加
算器８２の入力数がさらに必要となり、他の制御系のｚ
(t)がこの加算器８２に入力される。

【００２４】そして、上記加算器８２の出力Ｋe(t)８５
は、除算器８６の分子側に入力されると同時に乗算器８
７の一方の入力となる。この乗算器８７の他方の入力端
には、分子として値１を持つ除算器８８の出力Ｋmax ^-1
９９が入力され、乗算器８７の出力は加算器６７に入力
される。また、この加算器６７には、値１を発生する定
数器８９の出力が入力され、その加算結果は除算器６
６，８６の各分母に入力される。除算器８６の出力は、
乗算器５５の一方に入力され、この乗算器５５の他方の
入力端には定数器９０の出力γ９１が入力され、乗算器
５５の出力が可変ゲインＫ(t) ５６となる。

【００２５】また、減算器９２の＋端子には、上記可変
ゲインＫ(t) ５６の最大値Ｋmax を設定できる定数器９
３の出力Ｋmax ９４が入力され、−端子にはＫmax ９４
を入力とする係数器９５の出力Ｋmin ９６が入力され、
出力として（Ｋmax −Ｋmin）９８を得る。また、定数
器９３の出力Ｋmax ９４は、分子として値１を持つ除算
器８８の分母に入力され、出力として出力Ｋmax ^-1９９
を得る。除算器８３の分子には乗算器９７の出力が入力
され、分母には減算器９２の出力（Ｋmax −Ｋmin ）９
８が入力され、出力としてｘK ８４を得る。そして、上
記乗算器９７には、定数器９３の出力Ｋmax ９４と係数
器９５の出力Ｋmin ９６の値が入力される。

【００２６】次に、パラメータＴ(t) ６１の算出回路３
００とリセット率Ｒ(t) ６４の算出回路４００について
説明する。上記可変ゲインＫ(t) ５６の算出回路２００
における除算器８６から出力される信号が減算器１００
の＋端子に入力され、その−端子には上記係数器９５の
出力Ｋmin ９６が入力される。減算器１００の出力は、
乗算器１０１，１０２に入力される。そして、定数器７
７の出力Ｔmax ７８を減算器１０３の＋端子に入力し、
その−端子には係数器１０４の出力Ｔmin １０５を入力
する。この係数器１０４は、定数器７７の出力Ｔmax ７
８を入力としている。

【００２７】上記減算器１０３の出力は、除算器１０６
の分子に入力され、その分母には減算器９２の出力（Ｋ
max −Ｋmin ）９８が入力される。上記除算器１０６の
出力は、乗算器１０１に入力される。この乗算器１０１
の出力は、加算器１０７に入力されて、係数器１０４の
出力Ｔmin １０５と加算され、その加算出力が乗算器６
０の一方の入力となる。この乗算器６０の他方の入力端
には、定数器９０の出力γ９１が入力され、出力として
Ｔ(t) ６１を得る。

【００２８】また、係数器１０８では、除算器７９の出
力Ｒmin ８０を入力としてＲmax １０９を得る。減算器
１１０は、＋端子にＲmax １０９、−端子にＲmin ８０
を入力し、その減算結果を除算器１１１の分子に入力す
る。そして、除算器１１１は、分母に減算器９２の出力
（Ｋmax −Ｋmin ）９８を入力し、その除算結果を乗算
器１０２に入力する。この乗算器１０２の出力は、加算
器１１２により除算器８０の出力Ｒmin ８０と加算さ
れ、乗算器６３に入力される。この乗算器６３は、加算
器１１２の出力と定数器９０の出力γ９１を乗算してＲ
(t) ６４を得る。

【００２９】本発明では、上記実施例に示すように制御
装置のパラメータの調整を簡単にするため、制御偏差ｅ
（ｔ）５０から操作量ｕ（ｔ）３を算出する途中にルー
プゲイン調節部５２を設けている。このループゲイン調
節部５２の指定可能なゲインαにより、制御偏差の無次
元化ができるようになっている。このループゲイン調節
部５２から出力される値ｅ^* (t) ５３は、積分部１２０
に供給されると共に、乗算器５４に入力されて可変ゲイ
ンＫ（ｔ）５６と乗算され、その乗算結果が位相進み補
償器１２１に供給される。そして、乗算器５４の出力に
対し、位相進み補償器１２１の出力及び積分部１２０の
出力が加算器５７で加算され、プロセス１の操作量ｕ
（ｔ）３となる。

【００３０】ここで、可変ゲインＫ（ｔ）５６の値は、
次のようにして求めている。即ち、基本的には図２に示
すように除算器６６の出力値ｅz ^* (t) を比例ゲイン
（β）倍した値の自乗値と、同時に自乗値を一次遅れ特
性要素（積分器７６）を介して得られる値の両方の値を
加算器７４で加算した値ｚ(t) を他の系に供給すると共
に、自分自身の系統にも他の系のｚ(t) を加算器８２で
加算して、可変ゲインの中間変数であるところのＫe(t)
を求め、この値と関連づけて可変ゲインＫ（ｔ）５６を
求めている。この可変ゲインＫ（ｔ）５６の値は、指定
した最大値Ｋmaxと最小値Ｋmin の範囲に入るように制
御される。更に、中間変数Ｋe(t)が大きくなるに従い可
変ゲイン算出部２００の入力値を減らすフィードバック
機能が、除算器６６を使用して構成されている。

【００３１】上記フィードバック機能により、可変ゲイ
ン部の数値計算を安定化できる。即ち、可変ゲインが大
きくなると、除算器の分母にその値が入力されて、ゲイ
ンの計算が極端に大きくなり過ぎないように制御される
ので、可変ゲイン部の数値計算を安定化することができ
る。また、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、
干渉による影響を抑えることができる。

【００３２】また、上記ループゲイン調節部５２の出力
値ｅ^* (t) ５３を入力とする積分部１２０を設けること
により、制御偏差ｅ(t) ５０がある限り積分機能により
操作量が修正され、定常偏差が徐々に零となる。上記積
分部１２０のリセット率Ｒ（ｔ）６４の適切な値は、オ
ンラインで求められ、プロセスに経時変化があっても制
御性能の劣化をきたすことはない。上記リセット率Ｒ
（ｔ）６４の変わり得る最大値および最小値は、指定可
能なプロセスの推定時定数と関連づけて決められる。ま
た、適切な可変リセット率Ｒ（ｔ）６４は、可変ゲイン
Ｋ（ｔ）５６の増分に比例して変化する。

【００３３】また、位相進み補償器１２１の微分時間の
変わり得る最大値および最小値は、指定可能なプロセス
の推定時定数と関連づけて決められる。そして、位相進
み補償器１２１の適切な可変微分時間は、可変ゲインＫ
（ｔ）５６の増分に比例して変化する。

【００３４】プロセスの無駄時間の割合が時定数に比べ
て大きい場合には、可変ゲイン、可変リセット率および
可変微分時間の値を小さくすることができる。上記のよ
う位相進み補償器１２１を設け、かつ、そのパラメータ
Ｔ（ｔ）６１を自動的に求めるようにしたことにより、
高制御性能が得られる。また、パラメータＴ（ｔ）６１
は、オンラインで適切な値が求められるため、プロセス
に経時変化があっても制御性能が劣化することはことは
ない。

【００３５】また、制御装置の代表例であるＰＩＤ調節
器の延長線上で取り扱えるため、ユーザにとっては違和
感がなく、しかも、ＰＩＤ調節器の比例ゲイン、リセッ
ト率、微分時間に相当する値を可変にすると共に、比例
ゲイン変動時の上下限値を指定できるようにしているの
で、見通しの良い調整ができる。また、リセット率、微
分時間の上下限値は、プロセスの推定時定数に関係づけ
て決められるため、同様に見通しの良い調整ができる。
更に、数値計算のし易い回路構成を有しており、数値計
算時の問題点を回避できる。

【００３６】

【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、かつ、数値計算上の問題を回避できる。更に、相互
干渉の強い多変数系の制御対象に対しても制御性能を向
上することができる。

【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ブロッ
ク図。

【図２】同実施例における適応制御装置のブロック図。

【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) 、３…操作量ｕ(t) 、４
…制御量ｙp(t)、４９…減算器、５０…制御偏差ｅ(t)
、５２…ループゲイン調節部、５４，５５，５９，６
０，６２，６３，６９，７２，７５，８７，９７，１０
１，１０２，…乗算器、５６…可変ゲインＫ(t) 、５
７，６７，７４，８２，１０７，１１２…加算器、５８
…微分器、６１…パラメータＴ(t) 、６４…リセット率
Ｒ(t) 、６５，７３，１００，１０３，１１０，９２…
減算器、７６…積分器、６６，７９，８３，８６，８
８，１０６，１１１，…除算器、７０，７７，８９，９
０，９３…定数器、９５，１０４，１０８…係数器、１
２０…積分部、１２１…位相進み補償器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プロセスの制御量ｙを目標値ｒ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、 上記プロセスの制御量ｙと目標値ｒとの制御偏差を求め
   る手段と、 上記制御偏差を入力としてループゲインを調節するルー
   プゲイン調節部と、 このループゲイン調節部の出力値と可変ゲインを乗算す
   る乗算手段と、 この乗算手段の出力値が入力される位相進み補償器と、 上記ループゲイン調節部の出力値が入力される可変リセ
   ット型の積分部と、 上記乗算手段、位相進み補償器及び積分部の出力を加算
   してプロセスの操作量を得る加算手段と、 上記可変ゲインの値は、基本的には上記制御偏差を入力
   とし比例ゲイン倍した値の自乗値と、この自乗値を一次
   遅れ特性要素を介して得られる値の両方の値を加算した
   制御値ｚ(t) を他の系に供給すると共に、自分自身の系
   統にも他の系の制御値ｚ(t) を加算して得た中間変数Ｋ
   e(t)と関連づけ、指定した最大値と最小値の範囲内で求
   める可変ゲイン算出手段と、 上記中間変数Ｋe(t)が大きくなるに従って上記可変ゲイ
   ン算出手段の入力値を減らすフィードバック手段とを具
   備したことを特徴とする適応制御装置。