JPH08249008A - 等価回路参照型制御装置と制御方法 - Google Patents

等価回路参照型制御装置と制御方法

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JPH08249008A
JPH08249008A JP4994595A JP4994595A JPH08249008A JP H08249008 A JPH08249008 A JP H08249008A JP 4994595 A JP4994595 A JP 4994595A JP 4994595 A JP4994595 A JP 4994595A JP H08249008 A JPH08249008 A JP H08249008A
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equivalent
physical system
electric circuit
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JP4994595A
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Kazutsugu Fukita
和嗣 吹田
Koji Imai
孝二 今井
Nuio Tsuchida
縫夫 土田
Akishige Yamada
陽滋 山田
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Toyota Gauken
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Toyota Gauken
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 物理系に生じている現象と、モデルに生じて
いる現象を比較し続けることによって、物理系の正常・
異常をモニタする技術およびこのモデルの誤差量を用い
た評価関数を採用した制御技術において、物理系とモデ
ルに生じる現象の最適化を可能とする。 【構成】 物理系12と等価な等価電気回路18を製作
し、両者に入力値11を入力する。そして物理系12の
出力値13と等価電気回路18の参照値を比較する。 【作用】 等価電気回路18を用いると、A/D変換処
理や数値計算に必要な時間が実現象よりも長くなって実
時間でシミュレーションできないという従来の問題が解
決される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、制御対象とする物理
系、例えば、1軸ロボット、多軸ロボット、クランク機
構、ギヤ列、音響変成器、音響フィルタ、閉U字管、放
熱フィン等を制御する技術に関する。特に、物理系に加
える入力値を制御することによって物理系の出力値を制
御する技術に関する。例えば、1軸ロボットであれば関
節を駆動するモータに加える入力電流を制御することに
よってその関節まわりの回転位置、回転速度あるいは回
転加速度等の出力値を制御し、クランク機構であればモ
ーメントを制御することによってストローク方向の力を
制御し、ギヤ列であれば入力モーメントを制御すること
によって出力モーメントを制御し、音響変成器であれば
入力音圧を制御することによって出力音圧を制御し、閉
U字管であれば一端側の圧力を制御することによって他
端側の液面を制御し、そして放熱フィンであればフィン
の根本温度を制御することによって先端温度を制御する
技術に関する。
【0002】
【従来の技術】上記の制御技術において、制御対象とす
る物理系の入力と出力の間に成立する関係を分析し、こ
れに基づいて物理系の数式モデルを完成し、物理系の作
動と同時並列的に数式モデルを用いてコンピュータによ
ってシミュレーションを行い、そして物理系の実際の出
力とシミュレーション結果とを比較し、比較によって不
一致が判別されたときに異常表示を行う技術が実開昭6
3−23693号公報に開示されている。この技術によ
ると、何らかの異常が生じたことを検出できるために、
フェイルセーフ処理が可能となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】この場合、物理系に入
力される入力値は、例えばモータ電流といったアナログ
値である。しかるにコンピュータによるシミュレーショ
ンはデジタル処理によって行なわれるために、A/D変
換が必要となり、かつ入力値のサンプリング速度もコン
ピュータの仕様に合わせて決められ、むやみと高速化す
ることはできない。またシミュレーションの計算では、
微分方程式や偏差方程式を解くといった作業が必要とさ
れ、この処理にも時間が必要とされる。最後に、実際値
と計算値を比較する際にもD/A変換処理が必要とされ
る。このために実現象が高速であると、しばしばコンピ
ュータ処理が間に合わなくなり、結局フェイルセーフ処
理が実行されないことが生じる。特に物理系の挙動が複
雑となると、シミュレーションに時間がかかり、実現象
がさほど高速でなくとも実時間でシミュレーションする
ことが困難となる。パーソナルコンピュータ等の身近な
コンピュータによるときは、これが実際に無視できない
問題となっている。
【0004】また数式モデルを確立し、シミュレーショ
ンプログラムを完成するには多大の労力と時間が必要と
される。さらにまた数式モデルとコンピュータを用いて
シミュレーションする場合、プログラムのバグ等によっ
て誤ったシミュレーション値となる事例を防止しきれ
ず、必ずしも信頼度の高いフェイルセーフ処理が確保さ
れないという問題を有している。本発明は、上記の問
題、すなわちシミュレーションに時間がかかって間に合
わない、シミュレーションの信頼度が高くない、あるい
はシミュレーションプログラムの作成に労力と時間がか
かりすぎるといった問題を解決するものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、制御対象とす
る物理系に入力する値を制御することによってその物理
系の出力値を制御する制御装置に関している。この制御
装置は、図1に模式的に示されているように、前記制御
対象物理系12への入力値11をコントロールする入力
値コントローラ10、前記制御対象物理系12と等価な
等価電気回路18、前記制御対象物理系12へ入力値1
1が入力されている間、前記物理系12の出力値13を
検出する出力値検出手段15、前記等価電気回路18へ
前記入力値11が入力されている間、前記等価電気回路
18の参照値を検出する参照値検出手段17、前記出力
値検出手段15の検出値と参照値検出手段17の検出値
を比較する手段16とを備えている。
【0006】
【作用】この場合、等価電気回路18に、制御対象物理
系12に入力されるのと同一の値が入力される。このと
き、A/D変換処理は必要とされない。このため、A/
D変換処理に要する時間や入力値のサンプリング間隔の
制約によって、制御対象物理系12に入力される入力値
と、数式モデルを用いてコンピュータによってシミュレ
ーションするときの入力値が時間的にずれたり、入力値
の短時間の変動が無視されたりする従来の問題は生じな
い。
【0007】またこの発明の場合、等価電気回路18で
は物理系12と同時並行的に等価の現象が生じる。この
ために、従来技術では問題とされていたシミュレーショ
ン計算が実現象よりも遅れるといった問題が生じない。
またこの発明の場合、物理系12の出力値もアナログ値
であり、等価電気回路18の参照値もアナログ値であ
り、アナログ値同志を比較すればよく、いずれかをA/
DないしD/A変換する必要がない。また物理系12の
挙動が複雑な場合でも、数式モデルの作成に比して等価
電気回路18の製作は比較的に簡単であり、数式モデル
の完成に長時間を要するといったことが防止される。
【0008】
【課題を解決するための一つの手段】またこの発明の一
つの態様は制御方法にも関する。この制御方法では、そ
の物理系に入力する入力値とそのときの出力値を多数回
測定してその物理系のパラメータを測定する処理19
と、その測定処理で測定されたパラメータと等価の電気
パラメータを算出する処理20と、その電気パラメータ
を備えた部品を用いて等価電気回路を製作する処理21
とを予め実施しておき、ついで実際制御時には、制御対
象物理系に入力する入力値を等価電気回路にも入力し、
その状態における前記物理系の出力値と前記等価電気回
路の参照値を比較し続ける処理22を実行する。
【0009】
【作用】この制御方法によると、処理19〜21によっ
て予め等価電気回路18が製作されており、実際制御時
には、物理系12と等価電気回路18が同時並行的に制
御される。そしてその制御結果が比較され続けることか
ら、制御異常の発生等をリアルタイムで検出することが
可能となる。
【0010】
【実施例】図2は、本発明を2軸ロボット39の制御に
適用した実施例を示す。図中45は2軸ロボット39の
ベースを示し、そのベース45に第1アーム44が第1
軸48のまわりを回転可能となっており、その回転角度
q1が第1モータ40によって調整される。第1アーム
44の先端において第2アーム46が第2軸50のまわ
りを回転可能となっており、その回転角度q2が第2モ
ータ42によって調整される。第1モータ40と第2モ
ータ42は発生するトルクτ1,τ2が加えられる電流
値I1,I2に比例するモータであり、入力電流値I
1,I2は2軸コントローラ30によって制御される。
2軸コントローラ30はロボット39のための動作プロ
グラムに基づいて入力電流値I1,I2を経時的にコン
トロールする。このために、ロボット39はその動作プ
ログラムに基づいて低速旋回したり、高速旋回したり、
あるいは逆方向に旋回するという動作を実行する。2軸
コントローラ30はインターフェイス内蔵のデジタルコ
ンピュータで構成されており、入力電流値I1,I2の
アナログ値を制御することができる。
【0011】第1モータ40にはタコジェネレータ36
が取付けられており、第2モータ42にはタコジェネレ
ータ38が取付けられている。それぞれのタコジェネレ
ータ36,38は回転角速度に比例する値80,82を
出力する。すなわちタコジェネレータ36は第1アーム
44の旋回速度に比例するアナログ値を出力し、タコジ
ェネレータ38は第2アーム46の旋回速度に比例する
アナログ値を出力する。旋回速度に比例するアナログ値
は、それぞれオペアンプ70,74の一方の入力端子に
入力される。
【0012】2軸コントローラ30が制御する入力電流
値I1,I2は、等価電気回路52にも入力される。等
価電気回路52は、一対の抵抗54,56を備え、抵抗
54では入力電流値I1に比例する電圧k1・I1が発
生し、抵抗56では入力電流I2に比例する電圧k2・
I2が発生する。抵抗54に対して抵抗62とコイル5
8が接続されて第1閉ループ67を構成し、抵抗56に
対して抵抗64とコイル60が接続されて第2閉ループ
69が構成されている。コイル58とコイル60間の相
互インダクタンスはMとなっている。
【0013】第1の閉ループ67には第1の電流検出器
66が取付けられており、第1の閉ループ67に流れる
電流i1に比例するアナログ値を出力する。第2の閉ル
ープ69には第2の電流検出器68が取付けられてお
り、第2の閉ループ69に流れる電流i2に比例するア
ナログ値86を出力する。第1閉ループ67に流れる電
流i1に比例する値84はオペアンプ70の他方の入力
端子に接続される。同様に第2閉ループ69に流れる電
流i2に比例する値86はオペアンプ74の他方の入力
端子に接続される。オペアンプ70は第1アーム44の
旋回速度に比例するアナログ値80と第1閉ループ67
に流れる電流値i1に比例するアナログ値84を比較
し、両者の差が所定値以上となったときに警告器72を
作動させる。オペアンプ74は第2アーム46の旋回速
度に比例するアナログ値82と第2閉ループ69に流れ
る電流値i2に比例するアナログ値86を比較し、両者
の差が所定値以上となったときに警告器76を作動させ
る。警告器72と76はロボットコントローラ30に接
続されており、警告器72と76の少なくとも一方が作
動したときに、ロボット39を停止させる。なおロボッ
ト39を停止させてしまうかわりに、オペアンプ70,
74で誤差を検出し、その検出された誤差分だけ入力値
I1,I2を修正するようにしてもよい。
【0014】第1アーム44の質量をm1とし、重心と
第1軸48間の長さをr1とし、第2アーム46の質量
をm2とし、重心と第2軸50間の長さをr2とし、第
1軸48と第2軸50間の長さをl1とし、第1アーム
44の慣性モーメントをI1とし、第2アーム46の慣
性モーメントをI2としたとき、第1モータ40に加え
るトルクk1・I1に対して図2に示す(1) 式が成立
し、また第2モータ42に加えるトルクk2・I2に対
して(4) 式が成立する。なお(1)(4)式はラグランジェの
方程式から非線型項を除去した近似式である。
【0015】抵抗62の抵抗値をR1、コイル58のイ
ンダクタンスをL1、抵抗64の抵抗値をR2、コイル
60のインダクタンスをL2、コイル58とコイル60
の相互インダクタンスをMとしたとき、第1閉ループ6
7については(2) 式が成立し、また第2閉ループ69に
ついては(3) 式が成立する。
【0016】ここで式(1) 〜(4) のかたちから明らか
に、インダクタンスL1,L2,M及び抵抗値R1,R
2の値を(1)(4)式の係数に比例する値としておけば、旋
回速度(回転角q1,q2の一回微分)と、流れる電流
i1,i2は全く比例するはずであることがわかる。す
なわち(1)(4)式で記述される多軸ロボット39の挙動
と、等価電気回路52に生じる電気的挙動は物理的に等
価となることがわかる。
【0017】本実施例では、予め多軸ロボット39に対
して各種の入力電流値I1,I2を与え、そのときの旋
回角、旋回速度及びその加速度を繰返し測定しておく。
そしてこのときの入力電流値と出力値とから最少2乗法
によって、(1) 及び(4) 式の各係数が求められている。
そしてその後に、そのようにして求められた係数からコ
イル58,60、抵抗62,64等の電気的パラメータ
が選ばれている。この際に、各オペアンプ70,74に
対して入力されるアナログ値、すなわちアナログ値80
と84、アナログ値82と86のレベルが等しくなる関
係に設定されている。なおレベル調整のために別にオペ
アンプを加えてもよい。なお機械系に生じる挙動と電気
系に生じる挙動を等価なものとし得ることは一般に広く
認識されていることである。
【0018】準備段階で(1)(4)式に示される物理系を記
述する運動方程式の係数(パラメータ)が測定されてお
り、それと等価の電気現象を生じさせる等価電気回路5
2が製作されていることから、図2の上半分に示すシス
テムが予め構築される。
【0019】さて実際制御時には、等価電気回路52に
も入力電流値I1,I2が加え続けられ、その間エンコ
ーダ36,38で物理系に生じる出力値(この場合旋回
速度)が検出され続け、電流検出器66,68で等価電
気回路52に生じている参照値(この場合流れる電流)
が検出され続け、しかも両者はオペアンプ70,74に
よって比較され続ける。
【0020】制御系に異常がなければ、物理系と等価の
現象が等価電気回路52にも生じるために、それぞれの
オペアンプ70,74に入力される2つのアナログ値は
等しいレベルとなり、警告器72,76は作動しない。
しかるになんらかの異常、例えばロボット39に障害物
が衝突して本来予定している動作が妨げられると、物理
系39の挙動と等価電気回路52の挙動が一致しなくな
る。例えば第1アーム44の動きが予定外に規制される
と、第1アーム44の旋回速度と第1閉ループ67に流
れる電流値は比例しなくなり、第1オペアンプ70に入
力される入力レベルが不一致となり、警告器72が作動
する。同様に第2アーム46の動きが予定外に規制され
ると、第2アーム46の旋回速度と第2閉ループ69に
流れる電流値は比例しなくなり、第2オペアンプ74に
入力される入力レベルが不一致となり、警告器76が作
動する。
【0021】このように、本実施例では実際制御時に機
械系39と等価電気回路52の両者に同一の入力値を与
え、同時並行的に等価の現象を生ぜしめているために、
何らかの異常が生じたのかあるいは予定通りの作動が行
なわれているのかをリアルタイムでモニタすることが可
能となっているのである。
【0022】なお図2中、2軸コントローラ30から外
部の現象は全てアナログ値を利用しており、モニタ処理
のためにA/D変換ないしD/A変換されることはな
い。また等価電気回路52はアナログ回路であり、ロボ
ット39と等価の挙動が同時並行的に得られている。こ
のようにして、本実施例によると、等価現象の同時性が
保持されている。また入力電流値I1,I2がサンプリ
ング速度に比して高速で変化しすぎるために、数式モデ
ルによると入力値自体が不一致となってしまうといった
現象も生じない。
【0023】前述のように、(1)(4)式は非線型項を除去
した近似式であり、図2に示す回路は近似した等価電気
回路である。それに対し、図3と図4は非線型項まで考
慮したときの式と等価電気回路を示している。図3中の
(5)(6)(7) 式に定める係数を用いると、第1軸まわりの
運動方程式は(8) 式となり、第2軸まわりの運動方程式
は(9) 式となる。この運動方程式は非線型項を含み、ユ
リオリカや遠心力及びロボット39の姿勢変化による影
響も反映されている。(10)式は(8) 式を変形したものを
示し、(13)式は(9) 式を変形したものを示している。(1
1)(12)式は図4に示す電気回路、すなわち、第1ループ
が自己インダクタンスL3、相互インダクタンスM2、
抵抗R3の電気パラメータを持ち、第2ループが自己イ
ンダクタンスL4、相互インダクタンスM2、抵抗R4
を有する電気回路に成立する式を示している。明らかに
ロボットの運動方程式の係数と電気回路の係数を比例し
たものとすると、ロボットに生じる機械的挙動と電気回
路に生じる電気的挙動が等価なものとなる。この場合、
第1軸まわりの回転速度と第1ループに流れる電流i1
が等価なものとなり、第2軸まわりの回転速度と第2ル
ープに流れる電流i2が等価となる。
【0024】非線型項をも考慮すると、電気パラメータ
は、他方のループに流れる電流によって変動するもので
なければならない。このために第1ループに用いる抵抗
102とコイル104にリアクタンストランジスタを用
いる。また相互インダクタンスのためのコイル106に
もリアクタンストランジスタを用いる。これらのリアク
タンストランジスタは入力電流によって抵抗値やインダ
クタンスが変化する特性を持っており、入力電流を図4
に示すものとすることで、図3の(10)(13)式と等価な電
気回路とできる。
【0025】図4中108と110は電流・電圧変換器
であり、入力電流によって第1ループと第2ループに印
加する電圧が調整される。電気パラメータの調整のため
の電流信号は図3の回路で調整される。図中112は第
2ループに流れる電流i2(q2の1回微分に等価)を
検出する素子であり、114はそれを積分する。図中1
16はその積分値に対するコサイン値を算出する素子で
あり、これがリアクタンストランジスタ104,106
に入力される。これによって、コイル104と106の
インダクタンスが2次回路を流れる電流の積分値のコサ
インに対応して増減される。残余の素子も同様であり、
「自乗」とした素子は入力値を自乗した電流を出力し、
「乗算」は入力される2つの電流値を乗算した値の電流
を出力し、「sin」は入力値のサイン値を出力する。
このようにして、(10)と(11)式の係数を比例したものと
し、(12)と(13)式の係数を比例したものに維持できる。
このために、図4によると、ロボットと電気回路を等価
なものとできる。
【0026】この結果、第1ループに流れる電流i1と
第1軸まわりの旋回速度を等価とし、第2ループに流れ
る電流i2と第2軸まわりの旋回速度を等価なものとで
きる。これらを図2のオペアンプで比較することによっ
て、等価な現象が予定通りに生じているのか、あるいは
なんらかの異常が生じているのかのモニタが可能とな
る。図4の等価電気回路によると、図2の等価電気回路
によるときよりも、一層よく近似させることができる。
【0027】ただし、本発明者が種々に実験したとこ
ろ、図2に示す近似的等価回路、すなわち非線型項を除
去した回路52であっても、実際的には等価としてよい
現象が得られ、オペアンプ70,74において、入力さ
れるアナログ値のレベル差が所定値以内の範囲内では警
告器72,76が作動しないようにしておくことで、何
らかの異常が生じたか否かのモニタ処理が可能であるこ
とが確認されている。
【0028】図5は、クランク機構とその等価回路を示
すものであり、第1閉ループ102に印加する電圧をク
ランク軸に入力されるモーメントM1に比例する値と
し、第2閉ループ104に印加する電圧をストローク力
F2に比例する値とし、第1閉ループ102と第2閉ル
ープ104の電気的パラメータをクランク機構の機械的
パラメータに対応したものにしておくと、クランク軸ま
わりの回転速度が第1閉ループ102に流れる電流値に
等価となり、ストローク速度が第2閉ループ104に流
れる電流値と等価となる関係が得られる。この場合に
も、図2と同様にして、クランク機構の正常・異常をモ
ニタすることが可能となる。
【0029】図6は、ギヤ列とその等価回路を示してお
り、第1閉ループ106に印加する電圧を第1ギヤ11
0に入力されるモーメントに比例する値とし、第2閉ル
ープ108に印加する電圧を第2ギヤ112に入力され
るモーメントに比例する値とし、第1閉ループ106と
第2閉ループ108の電気的パラメータをギヤ列の機械
的パラメータに対応したものにしておくと、第1ギヤ1
10の回転速度が第1閉ループ106に流れる電流値と
等価となり、第2ギヤ112の回転速度が第2閉ループ
108に流れる電流値と等価となる。この場合にも図2
と同様にしてギヤ列の正常・異常をモニタすることがで
きる。
【0030】図7は大径筒と小径筒からなる音響変成器
とその等価電気回路を示すものであり、物理系(音響変
成器)の機械的パラメータと等価電気回路の回路パラメ
ータを対応したものに設定し、大径筒入口の音圧q1に
比例した値を端子A,B間に印加すると、小径筒出口の
音圧q2と端子C,D間の電圧が等価なものとなる。こ
の場合にも、物理系に生じる現象と、等価電気回路に生
じる現象が等価となるようにできることから、図2と同
様に両者を比較することで、音響変成器に異常が生じた
か否かのモニタが可能となる。
【0031】図8は音響フィルタとその等価回路を示
し、入力音圧P1に比例する電圧を端子E,F間に印加
すると、出力音圧P2に比例する電圧が端子G,H間に
生じる。図9は閉U字管を示し、一端に加える圧力Pに
比例する電圧を端子I,J間に印加すると、他端の液面
高さに比例する電流がこの回路に流れる。図10は放熱
フィンとその等価回路を示し、フィンの根本温度T1に
比例する電圧を端子K,L間に印加すると、フィンの先
端温度T2に比例する電圧が端子M,N間に生じる。な
お、物理系とその等価電気回路の事例は、文献に既に紹
介されているものである。
【0032】
【発明の効果】この発明によると、物理系とその等価電
気回路で、等価現象が同時に生じることになり、その等
価性が維持されているか否かを比較することが可能とな
り、これによって物理系に異常が生じたか否かをリアル
タイムでモニタすることが可能となる。しかもこのと
き、数式モデルによるシミュレーションによるときには
必要とされるA/D変換、サンプリング間隔、数値計算
に伴う時間が必要とされず、実現象よりもシミュレーシ
ョンが遅れたり、異なった値を入力してシミュレーショ
ンすることがない。このようにしてこの発明によると、
複雑な物理系の挙動をリアルタイムでモニタすることが
可能となる。しかも等価電気回路の製作は数式モデルを
用いたシミュレーションプログラムの開発に比して短時
間で済むという長所も得られ、しかも信頼性も向上する
ものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を模式的に示す図
【図2】第1実施例を示す図
【図3】第2実施例の等価式を示す図
【図4】第2実施例の等価電気回路を示す図
【図5】クランク機構とその等価回路を示す図
【図6】ギヤ列とその等価回路を示す図
【図7】音響変成器とその等価回路を示す図
【図8】音響フィルタとその等価回路を示す図
【図9】閉U字管とその等価回路を示す図
【図10】放熱フィンとその等価回路を示す図
【符号の説明】
10 入力値コントローラ 12 制御対象物理系 15 出力値検出手段 16 比較手段 17 参照値検出手段 18 等価電気回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土田 縫夫 愛知県名古屋市天白区久方2丁目12番地1 豊田工業大学内 (72)発明者 山田 陽滋 愛知県名古屋市天白区久方2丁目12番地1 豊田工業大学内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 制御対象とする物理系に入力する値を制
    御することによって、その物理系の出力値を制御する制
    御装置において、 前記制御対象物理系への入力値をコントロールする入力
    値コントローラ、 前記制御対象物理系と等価な等価電気回路、 前記制御対象物理系へ入力値が入力されている間、前記
    物理系の出力値を検出する出力値検出手段、 前記等価電気回路へ前記入力値が入力されている間、前
    記等価電気回路の参照値を検出する参照値検出手段、 前記出力値検出手段の検出値と参照値検出手段の検出値
    を比較する手段とを備えている等価回路参照型制御装
    置。
  2. 【請求項2】 制御対象とする物理系に入力する値を制
    御することによって、その物理系の出力値を制御する方
    法において、 その物理系に入力する入力値とそのときの出力値を多数
    回測定してその物理系のパラメータを測定する処理と、 その測定処理で測定されたパラメータと等価の電気パラ
    メータを算出する処理と、 その電気パラメータを備えた部品を用いて等価電気回路
    を製作する処理とを予め実施しておき、 ついで実際制御時には、制御対象物理系に入力する入力
    値を等価電気回路にも入力し、その状態における前記物
    理系の出力値と前記等価電気回路の参照値を比較し続け
    る処理を実行することを特徴とする等価回路参照型制御
    方法。
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