JPH10105203A - フィードフォワード制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、制御応答の遅れの少ない制御
システムを提供するにある。 【解決手段】制御対象システム１は、線形系の制御対象
と、この制御対象の動作状態を変化させるアクチュエー
タと、上記制御対象の動作状態を検出するセンサとから
構成されている。ＤＤＣ制御系６の状態予見・制御機構
４は、制御対象の動作状態から状態変化を予見し、その
予見状態に基づく指令をアクチュエータに供給して、制
御対象をフィードフォワード制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フィードフォワー
ド制御システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の制御対象のシステムが所定の動作
をするように制御する方式としては、一般に、例えば、
特開平６−２７４２０１号公報に記載のように、制御対
象システムの出力をセンサにより検出して、この出力値
と目標値の偏差をフィードバックして、偏差が零になる
ように制御するフィードバック制御方式が知られてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のフィードバック
制御方式においては、制御対象の状態量に偏差が発生し
たことを検出してから、電子計算機を用いたサンプリン
グ制御でフィードバックするため、サンプリング時間及
び、アクチュエータの時定数に関する時間遅れが発生
し、偏差を低減するのに時間を要するものである。従っ
て、制御応答に遅れが生じるという問題があった。

【０００４】本発明の目的は、制御応答の遅れの少ない
制御システムを提供するにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、線形系の制御対象と、この制御対象の動
作状態を変化させるアクチュエータと、上記制御対象の
動作状態を検出するセンサとから構成される制御対象シ
ステムと、上記制御対象の動作状態に応じて、上記アク
チュエータへの指令を変化させる制御装置とを備えた制
御システムにおいて、上記制御装置は、上記制御対象の
動作状態から状態変化を予見し、その予見状態に基づく
指令を上記アクチュエータに供給して、上記制御対象を
フィードフォワード制御する状態予見・制御手段を備え
るようにしたものであり、かかる構成により、線形系の
制御対象の制御遅れを低減し得るものとなる。

【０００６】上記フィードフォワード制御システムにお
いて、好ましくは、上記状態予見・制御手段は、上記制
御対象の動作状態及び上記制御対象システムのパラメー
タ関数及び将来の最適指令に基づいて、上記制御対象シ
ステムの将来の状態量を計算するシュミレーション手段
と、上記シュミレーション手段により求められた上記制
御対象システムの将来の状態量及び将来の目標状態に基
づいて、最適指令を計算し直す制御方策決定手段を備え
るようにしたものである。

【０００７】上記フィードフォワード制御システムにお
いて、好ましくは、上記制御方策決定手段は、上記制御
対象システムの将来の状態量及び将来の目標状態に基づ
いて、予測誤差を求め、この予測誤差に基づいて、評価
関数を計算する予測誤差評価手段と、上記予測誤差の収
束を判定する収束判定手段とを備え、上記収束判定手段
により収束と判定されるときの指令を最適指令とするよ
うにしたものである。

【０００８】上記フィードフォワード制御システムにお
いて、好ましくは、上記制御装置は、さらに、上記制御
対象の動作状態に基づいて、可観測であるが直接計測で
きない状態を推定するオブザーバ手段を備え、上記状態
予見・制御手段は、上記制御対象の動作状態及び上記オ
ブザーバ手段によって推定された推定状態に基づいて、
状態変化を予見するようにしたものである。

【０００９】上記フィードフォワード制御システムにお
いて、好ましくは、上記オブザーバ手段は、上記制御対
象の動作状態に基づいて、上記制御対象システムの未知
のパラメータを同定する未知パラメータ同定手段と、こ
の未知パラメータ同定手段が同定する上記未知のパラメ
ータ及び上記制御対象の動作状態に基づいて、上記制御
対象システムの直接計測が不可能な状態について推定し
て推定状態量を出力する同一次元オブザーバ手段を備え
るようにしたものである。

【００１０】上記フィードフォワード制御システムにお
いて、好ましくは、上記オブザーバ手段は、上記制御対
象の動作状態及び推定出力誤差に基づいて、上記制御対
象システムの未知のパラメータを同定する未知パラメー
タ同定手段と、この未知パラメータ同定手段が同定する
上記未知のパラメータ及び上記制御対象システムに対す
る指令に基づいて、上記制御対象システムの出力を推定
する出力推定手段と、この出力推定手段が推定する出力
と、上記制御対象システムの制御量の差分を上記推定出
力誤差として、上記未知パラメータ同定手段に出力する
比較手段と、上記未知パラメータ同定手段が同定する上
記未知のパラメータ及び上記制御対象システムに対する
指令に基づいて、上記制御対象システムの状態を推定す
る状態推定手段とを備えるようにしたものである。

【００１１】上記目的を達成するために、本発明は、非
線形系の制御対象と、この制御対象の動作状態を変化さ
せるアクチュエータと、上記制御対象の動作状態を検出
するセンサとから構成される制御対象システムと、上記
制御対象の動作状態に応じて、上記アクチュエータへの
指令を変化させる制御装置とを備えた制御システムにお
いて、さらに、上記制御対象システムの指令，目標状態
量及び制御目標値を出力するセットアップ制御手段を備
え、上記制御装置は、上記制御対象の状態量と上記セッ
トアップ制御手段が出力する上記目標状態量の差である
制御変数，上記制御対象の制御量と上記セットアップ制
御手段が出力する上記目標値との差である制御変数，及
び上記セットアップ制御手段が出力する上記目標状態に
基づいて状態変化を予見し、その予見状態に基づく指令
偏差を上記セットアップ機構が出力する上記指令に加え
て上記アクチュエータに供給して、上記制御対象をフィ
ードフォワード制御する状態予見・制御手段を備えるよ
うにしたものであり、かかる構成により、非線形系の制
御対象の制御遅れを低減し得るものとなる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図１を用いて、本発明の一
実施形態による線形系の制御対象に適用するフィードフ
ォワード制御システムについて説明する。図１は、本発
明の一実施形態によるフィードフォワード制御システム
の全体構成を説明するブロック図である。

【００１３】制御システムは、制御対象システム１と、
ＤＤＣ制御系６から構成されている。制御対象システム
１は、動作状態を変化させるアクチュエータと動作状態
を検出するセンサを持つ制御対象である。センサは、制
御対象システム１の状態量及び制御量を検出し、出力す
る。ここで、制御量及び状態量の具体例については、図
２を用いて後述するが、制御量とは、制御対象システム
１によって制御された制御対象物の制御結果を示す値で
あり、状態量とは、制御対象システム１の制御状態を示
す値である。ここで、制御対象システムは、線形系の制
御対象であるものとする。制御対象が、非線形系の場合
については、図１８を用いて後述する。

【００１４】ＤＤＣ制御系６は、制御対象システム１の
複数の指令，複数の状態量，および複数の制御量を入力
し、新たな複数の指令を出力する。ＤＤＣ制御系６は、
信号処理機構２と、オブザーバ機構３と、状態予見・制
御機構４とから構成されている。

【００１５】信号処理機構２は、制御対象システム１か
ら入力される複数の指令，状態量，制御量に対してサン
プリングとフィルタリングを行い、フィルタリングされ
た入力を記憶する機構である。なお、信号処理機構２の
詳細構成については、図３を用いて後述する。

【００１６】オブザーバ機構３は、信号処理機構２の出
力を用い、制御対象システム１のセンサで検出できない
動作状態を推定する機構である。ここで、センサで検出
できない動作状態とは、その動作状態を検出するための
適当なセンサが存在しない動作状態のことである。この
ような動作状態については、従来は、検出不可能であっ
たが、本実施形態においては、オブザーバ機構３によ
り、その動作状態を推定するようにしている。なお、オ
ブザーバ機構３の詳細構成については、図４を用いて後
述する。なお、オブザーバ機構３を用いることなく、信
号処理機構２の出力を直接、状態予見・制御機構４に入
力するようにしてもよい。この点については、図４を用
いて後述するように、信号処理機構２の出力は、オブザ
ーバ機構３及び状態予見・制御機構４に入力する。

【００１７】状態予見・制御機構４は、信号処理機構２
の出力及びオブザーバ機構３の出力する情報を用いて、
制御対象システム１の将来の状態量を予見して、制御対
象システム１への指令を出力する。オブザーバ機構３を
用いない場合には、状態予見・制御機構４は、信号処理
機構２の出力を用いて、制御対象システム１の将来の状
態量を予見して、制御対象システム１への指令を出力す
る。なお、状態予見・制御機構４の詳細構成について
は、図８を用いて後述する。

【００１８】また、マンマシンシンターフェイス９は、
ＤＤＣ制御系６の中の状態予見・制御機構４に対して、
目標値等の入力をするのに用いられる入力手段である。

【００１９】次に、図２を用いて、図１に示した制御対
象システム１の具体的一例について説明する。図２は、
本発明の一実施形態によるフィードフォワード制御シス
テムによって御される制御対象システムの一例のブロッ
ク図である。

【００２０】制御対象システム１の一例は、鉄鋼プラン
トの一つである圧延機システムである。制御対象システ
ム１である圧延機システムは、第１段圧延スタンド１
０，第２段圧延スタンド１１，及び第３段圧延スタンド
１２の３段から構成されているものとする。圧延スタン
ド１０，１１，１２の基本的な構成な同じものである。

【００２１】圧延材１６は、圧延スタンド１０，１１，
１２によって順次圧延され、第３段圧延スタンド１２の
出側でリール１７によって巻き取られる。板厚計１５４
は、入側の圧延材１６の板厚を測定し、板厚計１５６
は、出側の圧延材１６の板厚を測定する。張力計１５５
は、入側の圧延材１６にかかる張力を測定し、張力計１
５７は、出側の圧延材１６にかかる張力を測定する。

【００２２】次に、第１段圧延スタンド１０の基本的な
構成について説明する。圧延スタンド１０は、制御対象
である圧延機１３と、圧延機１３を駆動するアクチュエ
ータ１４と、圧延機１３とアクチュエータ１４から複数
の状態量，複数の制御量を測定するためのセンサ１５と
から構成される。圧延スタンド１１，１２は、それぞ
れ、圧延スタンド１０と同様の構成をとる。

【００２３】圧延機１３は、例えば、圧延材１６を圧下
するロール１３０，１３１から構成される。

【００２４】アクチュエータ１４は、例えば、電動機１
４０と、油圧圧下装置１４１と、速度制御装置１４２
と、圧下制御装置１４３とから構成される。電動機１４
０は、圧延機１３のロール１３０，１３１を回転させ
る。油圧圧下装置１４１は、ロール１３０，１３１のギ
ャップ位置を制御することで、圧延材１６の板厚と張力
を制御する。速度制御装置１４２は、状態予見・制御機
構４が出力する指令をもとに、電動機１４０の回転速度
を制御する。圧下制御装置１４３は、状態予見・制御機
構４が出力する指令をもとに、油圧圧下装置１４１の位
置を制御する。

【００２５】センサ１５は、例えば、速度計１５０と、
ロードセル１５１と、板厚計１５２と、張力計１５３と
から構成される。速度計１５０は、電動機１４０に直結
して回転速度を測定する。ロードセル１５１は、ロール
１３０，１３１から圧延圧力を測定する。板厚計１５２
は、圧延材１６の板厚を測定する。張力計１５３は、圧
延材１６にかかる張力を測定する。

【００２６】センサ１５の出力信号である制御対象シス
テム１の状態量及び制御量は、信号処理機構２に入力す
る。ここで、制御量は、制御対象システム１によって制
御された制御対象物の制御結果を示す値であり、図示の
例では、板厚計１５２によって測定される圧延材１６の
板厚値が相当する。状態量は、制御対象システム１の制
御状態を示す値であり、速度計１５０によって測定され
る電動機１４０の回転速度，ロードセル１５１によって
測定される圧延圧力，張力計１５３によって測定される
張力が相当する。

【００２７】なお、図中で用いられている２本線の矢印
は、複数の種類の情報が流れていることを示すものであ
る。

【００２８】信号処理機構２は、制御対象システム１で
ある圧延機システムのセンサ１５によって検出される状
態量，制御量を入力し、記憶し、状態予見・制御機構４
は、信号処理機構２に記憶された制御対象システム１の
状態量，制御量に基づいて、制御対象システム１の将来
の状態を予見して、指令を制御対象システム１のアクチ
ュエータ１４に出力する。なお、オブザーバ機構につい
ては、図示していないが、必要に応じて、信号処理機構
２の出力を受けて、動作状態を推定し、この推定値を状
態予見・制御機構４に出力するようにすることもでき
る。

【００２９】次に、図３〜図１７を用いて、図１に示し
たＤＤＣ制御系６の中の信号処理機構２，オブザーバ機
構３及び状態予見・制御機構４の詳細な構成および動作
について説明する。最初に、図３を用いて、信号処理機
構２の構成について説明する。図３は、本発明の一実施
形態によるフィードフォワード制御システムを採用する
ＤＤＣ制御系の信号処理機構のブロック図である。

【００３０】信号処理機構２は、サンプル／ホールド回
路およびアナログ／デジタル変換回路２０，２１と、フ
ィルタ２２，２３と、メモリ２４とから構成される。サ
ンプル／ホールド回路およびアナログ／デジタル変換回
路２０は、状態予見・制御機構４からアクチュエータ１
４へ出力される指令値ｕをサンプル／ホールドし、さら
に、計算機での処理を可能にするために、デジタル値に
変換する。サンプル／ホールド回路およびアナログ／デ
ジタル変換回路２１は、センサ１５が出力する制御対象
システム１の状態量ｘと制御量ｙをデジタル値に変換す
る。

【００３１】フィルタ２２，２３は、それぞれ、サンプ
ル／ホールド回路およびアナログ／デジタル変換回路２
０，２１のそれぞれのデジタル値を入力し、値に含まれ
る雑音を除去するためにフィルタリングを行う。メモリ
２４は、フィルタ２２，２３のそれぞれが出力する指令
ｕ、及び直接観測可能な状態量ｘと制御量ｙを合わせた
拡大状態量Ｘを入力し、両者の最新のデータから過去の
データ（ｌ＋１）個分を格納しておく。

【００３２】なお、メモリ２４の中に図示したｕ
（ｋ）， Ｘ（ｋ）は、複数の要素からなるベクトル量
であり、ｋ番目のサンプリング周期での値を示してい
る。なお、ｋは特に断らない場合には省略する。指令ｕ
及び拡大情報量Ｘは、それぞれ、複数の指令値ｕ及び拡
大情報量Ｘであり、図示の状態では、指令ｕは、ｍ個あ
り、拡大情報量Ｘは、ｎ個ある場合を図示している。

【００３３】メモリ２４の出力は、オブザーバ機構３に
出力される。また、状態予見・制御機構４に直接出力さ
れる場合もある。

【００３４】次に、図４を用いて、オブザーバ機構３の
構成について説明する。図４は、本発明の一実施形態に
よるフィードフォワード制御システムを採用するＤＤＣ
制御系のオブザーバ機構のブロック図である。

【００３５】オブザーバ機構３は、信号処理機構２と状
態予見・制御機構４の間に接続されているが、図中に２
本線の矢印で示すように、信号処理機構２から状態予見
・制御機構４に直接入力する信号もある。

【００３６】オブザーバ機構３は、未知パラメータ同定
機構３０と、同一次元オブザーバ３１とから構成され
る。未知パラメータ同定機構３０は、信号処理機構２を
通して入力される制御対象システム１の複数の指令ｕ，
複数の状態量ｘ，複数の制御量ｙをもとに、制御対象シ
ステム１において未知の複数の同定パラメータ値ｐを同
定するものであり、その詳細構成については、図５を用
いて後述する。同一次元オブザーバ３１は、複数の指令
ｕ，複数の制御量ｙ，および未知パラメータ同定機構３
０の出力する同定パラメータ値ｐをもとに、制御対象シ
ステム１の直接計測不可能な状態についての推定状態量
３２０を出力するものであり、その詳細構成について
は、図６を用いて後述する。

【００３７】次に、図５を用いて、オブザーバ機構３の
中の未知パラメータ同定機構３０の構成について説明す
る。図５は、本発明の一実施形態によるフィードフォワ
ード制御システムを採用するＤＤＣ制御系のオブザーバ
機構の中の未知パラメータ同定機構のブロック図であ
る。

【００３８】未知パラメータ同定機構３０は、ＡＲＭＡ
モデル構造決定機構３００と、モデルパラメータ同定機
構３０１と、正規形状態離散方程式変換機構３０２とか
ら構成される。

【００３９】ＡＲＭＡモデル構造決定機構３００は、マ
ンマシンインタフェース９からその次数を受け取り、制
御対象システム１のＡＲＭＡモデルの形式を決定する。
ここで、ＡＲＭＡモデルについては、例えば、中溝高好
著、「信号解析とシステム同定」（昭和６３年３月）、
コロナ社、ｐ．４９〜５３に記載されているものを用い
ることができる。

【００４０】モデルパラメータ同定機構３０１は、ＡＲ
ＭＡモデル構造決定機構３００の出力と、信号処理機構
２を通して得た複数の指令ｕ，状態量ｘ，制御量ｙをも
とに、制御対象システム１のＡＲＭＡモデルのパラメー
タの値を最小２乗近似を用いて同定する。ここで、最小
２乗近似については、例えば、中溝高好著、「信号解析
とシステム同定」（昭和６３年３月）、コロナ社、ｐ．
１５０〜１６１に記載されているものを用いることがで
きる。

【００４１】正規形状態離散方程式変換機構３０２は、
モデルパラメータ同定機構３０１によって求められたモ
デルを、正規形の状態離散方程式に変換するものであ
る。

【００４２】次に、最小２乗近似によるＡＲＭＡモデル
のパラメータ値の同定方法について、以下に説明する。
なお、ここでは１入力１出力のシステムのモデルについ
て説明するが、多入力多出力のシステムのモデルについ
ても最小２乗近似による同定は可能である。

【００４３】システムの伝達関数が、Ｚ変換の形式を用
いて、（数１）のように表されているものとする。

【００４４】

【数１】

【００４５】但し、ここで、ｖ（ｋ）は出力に加えられ
る外乱とする。

【００４６】ここで、Ａ（Ｚ^-1）は、（数２）で表さ
れ、Ｂ（Ｚ^-1）は、（数３）で表され

【００４７】

【数２】

【００４８】

【数３】

【００４９】次に、（数１）に、（数２）及び（数３）
を代入すると、（数４）となる。

【００５０】

【数４】

【００５１】但し、ｅ（ｋ）は、（数５）に示すとおり
である。

【００５２】

【数５】

【００５３】このとき、（数６）を最小にするように、
係数ａｉ，ｂｉを決定する。

【００５４】

【数６】

【００５５】ここで、ｙを（数７）とし、ａを（数８）
とし、Ωを（数９）とし、ｅを（数１０）とする。

【００５６】

【数７】

【００５７】

【数８】

【００５８】

【数９】

【００５９】

【数１０】

【００６０】その結果、（数７）は、（数１１）とな
り、（数６）は、（数１２）となる。

【００６１】

【数１１】

【００６２】

【数１２】

【００６３】次に、係数行列ａの最小２乗推定値を、
（数１３）のように求める。

【００６４】

【数１３】

【００６５】ここで、

【００６６】

【数１４】

【００６７】となる。但し、αｉは係数行列ａのｉ番目
の要素を表す。

【００６８】ここで、（数１５）で表される。

【００６９】

【数１５】

【００７０】但し、ωｉは行列Ωのｉ列を表す。

【００７１】（数１５）をさらに微分すると、（数１
６）となる。

【００７２】

【数１６】

【００７３】ゆえに、システムの伝達関数の係数行列ａ
は、（数１３）を元にして、（数１４），（数１５），
（数１６）を用いて、（数１７）のようになる。

【００７４】

【数１７】

【００７５】また、このときの推定誤差εａは、（数１
８）となる。

【００７６】

【数１８】

【００７７】次に、伝達関数から正規形の離散状態方程
式に変換する方法について、以下に説明する。また、こ
こでも１入力１出力として説明するが、多入力多出力の
場合でも同様の変換は可能である。

【００７８】システムの伝達関数は、Ｚ変換を用いて、
（数１９）のように表されているものとする。

【００７９】

【数１９】

【００８０】但し、ここで、Ｔ（ｚ）は、（数２０）と
する。

【００８１】

【数２０】

【００８２】このとき、Ｘ₁（ｚ）を（数２１）とお
き、Ｙ（ｚ）を（数２２）とおく。

【００８３】

【数２１】

【００８４】

【数２２】

【００８５】（数２１）を逆Ｚ変換すると、（数２３）
とできる。

【００８６】

【数２３】

【００８７】（数２３）式を変形して、（数２４）とす
る。

【００８８】

【数２４】

【００８９】但し、ｘ_n（ｋ＋１）は、（数２５）で表
される。

【００９０】

【数２５】

【００９１】また、（数２２）を逆Ｚ変換すると、（数
２６）とできる。

【００９２】

【数２６】

【００９３】したがって、このシステムの離散状態方程
式は、（数２７），（数２８）のように表される。

【００９４】

【数２７】

【００９５】

【数２８】

【００９６】正規形状態離散方程式変換機構は、（数２
７），（数２８）によって表される離散状態変換方程式
に変換して、同定パラメータｐを出力する。

【００９７】次に、図６を用いて、オブザーバ機構３の
中の同一次元オブザーバ３１の構成について説明する。
図６は、本発明の一実施形態によるフィードフォワード
制御システムを採用するＤＤＣ制御系のオブザーバ機構
の中の同一次元オブザーバのブロック図である。

【００９８】同一次元オブザーバ３１は、パラメータ行
列Ｊ３１０と、パラメータ行列Ｅ３１１と、パラメータ
行列Ｄ３１２と、時間シフトオペレータ３１３と、パラ
メータ行列決定機構３１４とから構成される。

【００９９】パラメータ行列Ｊ３１０，パラメータ行列
Ｅ３１１及びパラメータ行列Ｄ３１２は、信号処理機構
２を通して得た複数の指令ｕ、複数の制御量ｙをもとに
状態予見・制御機構４に推定状態３２０を出力するため
のパラメータ行列である。

【０１００】時間シフトオペレータ３１３は、時間をシ
フトするオペレーションを行う。

【０１０１】パラメータ行列決定機構３１４は、未知パ
ラメータ同定機構３０の出力した複数の同定パラメータ
ｐをもとに、パラメータ行列Ｊ３１０，パラメータ行列
Ｅ３１１，パラメータ行列Ｄ３１２の値を求める。

【０１０２】同一次元オブザーバ３１は、（数２９）で
示される計算を行い、推定状態３２０を求める。この計
算については、例えば、Ｇｅｎｅ Ｈ．Ｈｏｓｔｅｔｔ
ｅｒ著、「Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔ
ｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ、Ｈｏｌｔ（１９８８年）」，Ｒｉ
ｎｅｈａｒｔ ａｎｄ Ｗｉｎｓｔｏｎ社刊，ｐ．２６
０〜２６５に記載されているものを使用する。

【０１０３】

【数２９】

【０１０４】また、パラメータ行列Ｊ３１０，パラメー
タ行列Ｅ３１１，パラメータ行列Ｄ３１２は、（数３
０）のようにして、求められる。

【０１０５】

【数３０】

【０１０６】なお、ここで、Ａは、（数２７）の右辺第
１項の左側の行列であり、Ｂは、（数２７）の右辺第２
項の行列であり、Ｃは、（数２８）の右辺の左側の行列
である。

【０１０７】なお、図７を用いて、図４に示したオブザ
ーバ機構の同一次元オブザーバを適応オブザーバに変え
たときの適応オブザーバの構成について説明する。図７
は、本発明の一実施形態によるフィードフォワード制御
システムを採用するＤＤＣ制御系の適応オブザーバ機構
のブロック図である。

【０１０８】オブザーバ機構３５、信号処理機構２と状
態予見・制御機構４の間に接続されているが、図中に２
本線の矢印で示すように、信号処理機構２から状態予見
・制御機構４に直接入力する信号もある。

【０１０９】適応オブザーバ機構３５は、未知パラメー
タ同定器３５０と、状態推定器３５１と、出力推定器３
５２と、比較機構３５３とから構成される。

【０１１０】未知パラメータ同定器３５０は、信号処理
機構２を通して入力される制御対象システム１の複数の
指令ｕ，複数の状態量ｘ，複数の制御量ｙ、および複数
の推定出力偏差εをもとに、制御対象システム１におい
て複数の未知のパラメータ値ｐを同定する。

【０１１１】状態推定器３５１は、複数の指令ｕと未知
パラメータ同定器３５０の複数のパラメータｐを入力
し、制御対象システム１の複数の直接計測不可能な状態
量を推定し、推定状態３６０を出力する。

【０１１２】出力推定器３５２は、同様に、複数の指令
ｕと未知パラメータ同定器３５０の複数の同定パラメー
タｐを入力し、制御対象システム１の複数の制御量ｙを
推定する。

【０１１３】比較機構３５３は、出力推定器３５２の出
力する推定出力３６１と信号処理機構２から入力した複
数の制御量ｙをもとに複数の推定出力偏差εを求める。

【０１１４】なお、図７に示した適応オブザーバ機構を
用いる場合、具体的な各種係数／パラメータは、制御対
象の状態方程式が決まれば、例えば、岩井善太、井上
昭、川路茂保著、「現代制御シリーズ／オブザーバ（昭
和６３年１０月）」、コロナ社刊、ｐ．２９〜３０およ
びｐ．１６０〜２０５に記載の方法にて実現することが
できる。

【０１１５】次に、図８を用いて、状態予見・制御機構
４の構成について説明する。図８は、本発明の一実施形
態によるフィードフォワード制御システムを採用するＤ
ＤＣ制御系の状態予見・制御機構のブロック図である。

【０１１６】状態予見・制御機構４は、状態メモリ４０
と、パラメータメモリ４１と、パラメータ関数化機構４
２と、パラメータ関数４３と、状態メモリ予見分４４
と、指令メモリ将来分４５と、シミュレーション機構４
６と、目標状態メモリ４７と、制御方策決定機構４８
と、反復計算制御機構４９とから構成される。

【０１１７】状態メモリ４０は、オブザーバ機構３の出
力する制御対象システム１の直接計測可能な複数の状態
量と、直接計測不可能な状態についての複数の推定状態
量を格納する。

【０１１８】パラメータメモリ４１は、オブザーバ機構
３の出力する制御対象システム１の複数の同定パラメー
タｐを格納する。

【０１１９】パラメータ関数化機構４２は、パラメータ
メモリ４１のデータをもとに、例えばＬａｇｒａｎｇｅ
の補間法によってパラメータ関数４３を求める。

【０１２０】状態メモリ予見分４４は、制御対象システ
ム１の将来の予見状態量を格納する。

【０１２１】指令メモリ将来分４５は、制御対象システ
ム１への将来の指令を格納する。

【０１２２】シミュレーション機構４６は、パラメータ
関数４３と、状態メモリ４０に格納されている複数の状
態量及び推定状態量と、指令メモリ将来分４５に格納さ
れている将来の最適指令をもとに、制御対象システム１
の将来の状態量を計算して、状態メモリ予見分４４に出
力する。なお、シミュレーション機構４６の詳細構成に
ついては、図９を用いて後述する。

【０１２３】目標状態メモリ４７は、セットアップ制御
機構８から入力される目標状態を格納する。

【０１２４】制御方策決定機構４８は、状態メモリ予見
分４４に格納されている複数の将来の予見状態量と、目
標状態メモリ４７に格納されている複数の将来の目標状
態をもとに、新たに最適指令ｕを計算し直す。なお、制
御方策決定機構４８の詳細構成については、図１０を用
いて後述する。

【０１２５】反復計算制御機構４９は、反復計算によっ
て、最適指令ｕの計算を行なうシミュレーション機構４
６と制御方策決定機構４８の両者を制御する。

【０１２６】シミュレーション機構４６及び制御方策決
定機構４８は、後述するように、交互に複数回繰り返し
動作した後、制御対象システム１に指令を出力する。

【０１２７】次に、図９を用いて、状態予見・制御機構
４の中のシミュレーション機構４６の構成について説明
する。図９は、本発明の一実施形態によるフィードフォ
ワード制御システムを採用するＤＤＣ制御系の状態予見
・制御機構の中のシミュレーション機構のブロック図で
ある。

【０１２８】シミュレーション機構４６は、入力切替ス
イッチ４６０と、メモリアクセス選択機構４６１と、メ
モリアクセス選択機構４６２と、データ制御機構４６３
と、パラメータ行列Ａ４６４と、パラメータ行列Ｂ４６
５と、パラメータ行列計算機構４６６とから構成され
る。

【０１２９】入力切替スイッチ４６０は、状態メモリ４
０に格納されている現在の状態及び推定状態と、状態メ
モリ予見分４４に格納されている予見状態とを入力と
し、切り替えていずれかを出力する。

【０１３０】メモリアクセス選択機構４６１は、状態メ
モリ予見分４４の読み出し・書き込みの際に、何番目の
サンプリング周期のデータの読み出し・書き込みを行う
かを選択する。

【０１３１】メモリアクセス選択機構４６２は、指令メ
モリ将来分４５の読み出し・書き込みの際に、何番目の
サンプリング周期のデータの読み出し・書き込みを行う
かを選択する。

【０１３２】データ制御機構４６３は、反復計算制御機
構４９からの命令のよって、入力切替スイッチ４６０，
メモリアクセス選択機構４６１，メモリアクセス選択機
構４６２の制御を行う。

【０１３３】パラメータ行列Ａ４６４，パラメータ行列
Ｂ４６５は、入力切替スイッチ４６０を通して入力され
る状態と推定状態、若しくは予見状態、メモリアクセス
選択機構４６２を通して入力される将来の指令をもとに
して、新たな予見状態を求める計算に用いられる。

【０１３４】パラメータ行列計算機構４６６は、パラメ
ータ関数４３をもとに、パラメータ行列Ａ４６４，パラ
メータ行列Ｂ４６５の要素となるパラメータを計算す
る。

【０１３５】次に、シミュレーション機構４６の動作に
ついて説明する。シミュレーション機構４６は、（数３
１）にしたがって計算を行う。データ制御機構４６３
は、順に、（数３１）の計算を行えるように、入力切替
スイッチ４６０とメモリアクセス選択機構４６１とメモ
リアクセス選択機構４６２の制御を行う。

【０１３６】

【数３１】

【０１３７】但し、ここで、χ’は、（数３２）であ
る。

【０１３８】

【数３２】

【０１３９】次に、図１０を用いて、状態予見・制御機
構４の中の制御方策決定機構４８の構成について説明す
る。図１０は、本発明の一実施形態によるフィードフォ
ワード制御システムを採用するＤＤＣ制御系の状態予見
・制御機構の中の制御方策決定機構のブロック図であ
る。

【０１４０】制御方策決定機構４８は、予測誤差評価機
構４８０と、収束判定機構４８１と、誤差最適化機構４
８２と、制御指令出力機構４８３とから構成される。

【０１４１】予測誤差評価機構４８０は、状態メモリ予
見分４４に格納されている予見状態、目標状態メモリ４
７に格納されている目標状態を入力し、（数３３）に基
づいて予測誤差εを求める。

【０１４２】

【数３３】

【０１４３】さらに、予測誤差評価機構４８０は、（数
３４）に基づいて予測誤差εについての評価関数を計算
する。

【０１４４】

【数３４】

【０１４５】収束判定機構４８１は、同じサンプリング
周期時点での反復計算の１回前の評価関数の値と比較
し、その差がある一定値より小さくなった場合に、予測
誤差が最小になったと判定し、反復計算制御機構４９に
収束したことを通知し、そうでない場合には、予測誤差
は最小ではないと判定し、反復計算制御機構４９に収束
していないことを通知する。

【０１４６】誤差最適化機構４８２は、反復計算機構４
９に対して収束判定機構４８１が収束していないと通知
した場合に、例えば、最急降下法を用いて将来の指令を
修正し、指令メモリ将来分４５の内容を書き替え，反復
計算制御機構４９に対して、シミュレーション機構４６
に次の動作をするように通知する。最急降下法について
は、例えば、西川、三宮、茨木著、「岩波講座情報科学
１９：最適化」（昭和５７年９月）、岩波書店刊、ｐ．
４４〜４８に記載されている。

【０１４７】制御指令出力機構４８３は、反復計算制御
機構４９に対して収束判定機構４９が収束したと通知し
た場合に，指令メモリ将来分４５の現在入力すべき指令
を制御対象システム１に入力する。

【０１４８】次に、図１１を用いて、図８にて説明した
状態予見・制御機構４の中のシミュレーション機構４６
と制御方策決定機構４８の働きについて簡単に説明す
る。

【０１４９】図１１は、本発明の一実施形態によるフィ
ードフォワード制御システムを採用するＤＤＣ制御系の
状態予見・制御機構の動作説明図である。

【０１５０】図１１（Ａ）は、状態量の時間変化を示し
ており、横軸は時間を示し、縦軸は状態量を示してい
る。縦軸の原点χrefは、目標状態量を示しており、図
中の曲線は、目標状態量χrefに対する状態量の偏差を
示している。また、図１１（Ｂ）は、指令の時間変化を
示しており、横軸は時間を示し、縦軸は指令を示してい
る。

【０１５１】ＤＤＣ制御系６は、時刻ｋＴにおいて、図
１１（Ａ）に示すように、対象制御システム１の状態量
ｘ（ｋ）を観測し、図１１（Ｂ）に示すように、指令ｕ
（ｋ）を出力しようとしているものとする。

【０１５２】時刻ｋＴより前は、過去の状態量１１０１
及び過去の指令１１０２であり、過去の状態量１１０１
は、図９に示すように、状態メモリ４０に格納されてい
る。過去の状態量１１０１，過去の指令１１０２に対し
て、図９に示す指令メモリ将来分４５は、時刻（ｋ−
１）Ｔの時点で最適であった将来の指令１１０３を保持
し、この指令に対してシミュレーション機構４６は予見
状態量１１０４を出力したものとする。予見状態量１１
０４は、図９に示す状態メモリ予見分４４に保持されて
いる。

【０１５３】ここで、将来の指令１１０３の代わりに、
将来の指令１１０６を入力した場合に、予見状態量１１
０７が得られ、目標状態１１０５との予測誤差を小さく
できる場合がある。このときに、将来の指令を変化させ
ながら、アクチュエータの応答遅れを考慮した上で予見
状態を計算し、予測誤差を最小にするように動作するの
が、シミュレーション機構４６と制御方策決定機構４８
の反復計算であり、その計算を制御するのが反復計算制
御機構４９である。

【０１５４】次に、図１２を用いて、図１に示した制御
システムの動作について簡単に説明する。図１２は、本
発明の一実施形態によるフィードフォワード制御システ
ムを採用する制御システムの動作説明図である。

【０１５５】なお、多くの工業装置は多変数制御系であ
り、多入力多出力のシステムとして扱われるが、取り扱
いが格段に複雑になるので、煩雑にわたるのをさけ、説
明を簡単にするため、１入力１出力のシステムを仮定し
て話を進めることとする。但し、多変数系であっても、
本発明の基本的な動作の流れは変わらず、制御理論を用
いて容易に推定可能である。

【０１５６】例えば、制御対象システム１の出力信号と
なる制御量ｙ1には、雑音成分が重畳されて、波形１２
０１となる。波形１２０１は、ＤＤＣ制御系６の中の信
号処理機構２にサンプリングによって入力されて、内部
に持つサンプリング値の履歴から、例えば，移動平均フ
ィルタなどのフィルタ処理を通して、デジタル値データ
１２０２として、信号処理機構２のメモリ２４に格納さ
れる。また、同様にして、制御対象システム１の指令ｕ
1及び状態量χ1，χ2も、信号処理機構２に格納され
る。

【０１５７】次に、信号処理機構２の結果に基づいて、
オブザーバ機構３は、制御対象システム１の状態方程式
を構成するシステム行列、操作行列、観測行列等の各行
列１２０３を得る。状態予見・制御機構４は、各行列１
２０３に基づいて、指令ｕ1を発行し、制御対象システ
ム１の制御誤差を低減させる。制御対象システム１の入
力となる指令についても、雑音成分が重畳して、波形１
２０４となる。

【０１５８】次に、図１３を用いて、図３に示した信号
処理機構２の動作について簡単に説明する。図１３は、
本発明の一実施形態によるフィードフォワード制御シス
テムを採用する制御システムの信号処理機構の動作説明
図である。

【０１５９】センサ１５から出力される制御対象システ
ム１の状態量χ1と制御量ｙ1、アクチュエータ１４に対
して出力される状態予見・制御機構４の指令ｕ1は、ア
ナログ値に雑音成分が重畳され、それぞれ信号波形１３
０１，１３０２に示すような時間変位をしているものと
する。

【０１６０】状態量χ1，制御量ｙ1，および指令ｕ1
は、それぞれ、サンプル／ホールド回路およびアナログ
／デジタル変換回路２１，２０に入力される。サンプル
／ホールド回路およびアナログ／デジタル変換回路２
１，２０は、前述のアナログ信号波形をサンプリング、
デジタル変換し、デジタル値１３０３，１３０４を出力
する。

【０１６１】さらに、フィルタ２３、２２は、前述のノ
イズ成分を取り除き、内部に持つ入力値の履歴から信号
成分となるデジタル値１３０５，１３０６を出力する。
デジタル値１３０６，１３０６は、メモリ２４に状態量
χ1，制御量ｙ1，および指令ｕ1の履歴１３０７として
格納され、オブザーバ機構３に出力される。

【０１６２】次に、図１４を用いて、図５に示した未知
パラメータ同定機構３０の動作について簡単に説明す
る。図１４は、本発明の一実施形態によるフィードフォ
ワード制御システムを採用する制御システムの未知パラ
メータ同定機構の動作説明図である。

【０１６３】マンマシンインタフェース９からＡＲＭＡ
モデルの次数１４０１を受け取ったＡＲＭＡモデル構造
決定機構３００は、システムのＡＲＭＡモデルの構造１
４０２を決定する。モデルパラメータ同定機構３０１
は、ＡＲＭＡモデル構造決定機構３００が出力するシス
テムのＡＲＭＡモデルの構造１４０２及び信号処理機構
２が出力する指令ｕ1，直接計測可能な状態量χ1，制御
量ｙ1の履歴１３０７をもとに、システムの伝達関数１
４０３を求める。正規形離散状態方程式変換機構３０２
は、システムの伝達関数１４０３に基づいて、制御対象
システム１の離散状態方程式１４０４を出力する。

【０１６４】同一次元オブザーバ３１は、離散状態方程
式１４０４によって与えられたパラメータをもとに、前
述の計算式によって、直接計測不可能な状態についての
推定状態量を求める。離散状態方程式１４０４によって
与えられるパラメータと前述の推定状態は、状態予見・
制御機構４の入力となる。

【０１６５】次に、図１５を用いて、図８に示した状態
予見・制御機構４の動作について簡単に説明する。図１
５は、本発明の一実施形態によるフィードフォワード制
御システムを採用する制御システムの状態予見・制御機
構の動作説明図である。

【０１６６】オブザーバ機構３から入力される状態量及
び推定状態量は、状態メモリ４０に、状態量及び推定状
態量１５０１として格納される。オブザーバ機構３から
入力されるパラメータは、パラメータメモリ４１に、パ
ラメータ１５０２として格納される。

【０１６７】パラメータ関数化機構４２は、パラメータ
メモリ４１に格納されている情報１５０２をもとに、パ
ラメータを時間の関数１５０３に変換し、シミュレーシ
ョン機構４６に出力する。

【０１６８】ここで、状態予見・制御機構４は、シミュ
レーション計算を行っているものとする。このとき、反
復計算制御機構４９は、シミュレーション機構４６に対
して、シミュレーション計算をする指令を発行し、制御
方策決定機構４８に対しては、動作待ちの指令を発行す
る。シミュレーション計算機構４６は、図１６を用いて
詳述するように、状態メモリに格納されている情報１５
０１のうち、最新のデータ，パラメータ関数１５０３、
指令メモリ将来分４５にすでに格納されている将来の指
令１５０５をもとに、シミュレーションを行い、予見状
態１５０４を求め、状態メモリ予見分４４に格納する。

【０１６９】そして、詳細は後述するが、制御方策決定
機構４８は、状態メモリ予見分４４に格納された情報１
５０４と、マンマシンインターフェース９から受け取っ
た目標状態を格納している目標状態メモリ４７の情報１
５０６をもとに、誤差評価をして、誤差が最小化されて
いなければ、指令メモリ将来分４５に格納されている情
報１５０５を更新して、反復計算制御機構４９を通じ
て、シミュレーション機構４６に再計算を指令する。誤
差が最小化されている場合には、指令メモリ将来分４５
からその時点で発行すべき指令を受け取り、１５０７の
ように制御対象システム１に出力する。

【０１７０】次に、図１６を用いて、図１０に示したシ
ュミレーション機構４６の動作について簡単に説明す
る。図１６は、本発明の一実施形態によるフィードフォ
ワード制御システムを採用する制御システムのシュミレ
ーション機構の動作説明図である。

【０１７１】ここで、一例として、シミュレーション機
構４６は、時刻（ｋ＋４）Ｔにおける予見状態を、（数
３５）に基づいて、計算しているものとする。

【０１７２】

【数３５】

【０１７３】データ制御機構４６３は、反復計算制御機
構４９からの予見状態計算指令を受けて、時刻（ｋ＋
４）Ｔでの予見状態を計算するために、時刻（ｋ＋３）
Ｔでのデータを出力するように、入力切替スイッチ４６
０，メモリアクセス選択機構４６１，メモリアクセス選
択機構４６２に指令を出力する。これによって、状態メ
モリ予見分４４，指令メモリ将来分４５から、データ１
６０１，１６０２が出力される。

【０１７４】状態メモリ４０の出力データ１６０３は、
現在の計算では必要ないので、入力切替スイッチ４６０
は、前述のデータ１６０１を選択、出力する。パラメー
タ関数４３は、パラメータ行列決定機構４６６によっ
て、時刻（ｋ＋３）Ｔにおける値１６０４を計算すると
ともに、パラメータ行列Ａ４６４，パラメータ行列Ｂ４
６５の形に合うように、それぞれパラメータ行列Ａ１６
０５，パラメータ行列Ｂ１６０６のように変換される。

【０１７５】前述の式のように計算を行って、時刻（ｋ
＋４）Ｔにおける予見状態１６０７が求められると、デ
ータ制御機構４６３は、予見状態１６０７を状態メモリ
予見分４４のしかるべき位置に格納されるように、メモ
リアクセス選択機構４６１に新たに指令を発行する。

【０１７６】次に、図１７を用いて、図１１に示した制
御方策決定機構４８の動作について簡単に説明する。図
１７は、本発明の一実施形態によるフィードフォワード
制御システムを採用する制御システムの制御方策決定機
構の動作説明図である。

【０１７７】ここで、一例として、制御方策決定機構４
８は、シミュレーション機構４６の動作を受けて、誤差
を評価した結果、誤差が最小化されていないと判定し、
シミュレーション機構４６に、再計算するように指令す
るという状態にあるとする。

【０１７８】シミュレーション機構４６が計算した結
果、状態メモリ予見分４４には予見状態データ１７０１
が格納されており、目標状態メモリ４７には前述の予見
状態１７０１に対する目標状態データ１７０２が格納さ
れている。予測誤差評価機構４８０は、これらのデータ
１７０１，１７０２をもとに、将来の各時点、各状態に
ついての予測誤差を求め、評価関数１７０３を計算す
る。

【０１７９】収束判定機構４８１は、評価関数１７０３
を受け取り、この値と同一反復計算中の１回前に、制御
方策決定機構４８が動作したときに求めた評価関数値と
の差がある一定値（例えば０．０５であるとする）より
も大きいということをもとに、誤差が最小化されていな
いと判断したとする。

【０１８０】このとき、収束判定機構４８１は、反復計
算制御機構４９に対して、「収束していない」という情
報を送出する。これに対して、反復計算制御機構４９
は、誤差最適化機構４８２に対して、将来の指令を再計
算するように指令を発行する。この指令を受けた誤差最
適化機構４８２は、将来の指令１７０５を再計算し、指
令メモリ将来分４５に格納し、反復計算制御機構４９
に、将来の指令の再計算を完了したという情報を送出す
る。また、このとき、反復計算制御機構４９は、制御指
令出力機構４８３に対して動作待ち指令を発行し、新た
な制御指令を制御対象システム１に出力しないようにす
る。

【０１８１】この後、反復計算制御機構４９は、シミュ
レーション機構４６に対して、新たな将来の指令をもと
に、予見状態を再計算するように指令を発行する。

【０１８２】以上説明したように、フィードフォワード
制御方式を採用する線形系の制御対象に対して、状態予
見に基づいて制御を行うことにより、アクチュエータの
遅れと状態変化を予見できるので、このような遅れを補
償できるようになる。

【０１８３】また、制御偏差を低減する基準は予見して
いる区間の偏差を加味してあるため、瞬間的な従来の制
御と異なり、大局的な制御指令を発行できる。

【０１８４】また、制御偏差の増加を予め予見できるた
め、将来にわたって制御偏差を最小にするように、アク
チュエータに対する指令を発行することにより、制御し
ている時間全区間にわたり、制御偏差の低減と応答性の
向上の効果がある。

【０１８５】本実施形態によれば、線形系の制御対象シ
ステムにおける制御応答の遅れを低減することができ
る。

【０１８６】次に、図１８を用いて、本発明の他の実施
形態による非線形系の制御対象に適用するフィードフォ
ワード制御システムについて説明する。図１８は、本発
明の他の実施形態によるフィードフォワード制御システ
ムの全体構成を説明するブロック図である。

【０１８７】制御システムは、非線形系の制御対象であ
る制御対象システム１と、上位計算機７と、セットアッ
プ制御機構８と、ＤＤＣ制御系６と、マンマシンインタ
フェース９から構成される。

【０１８８】上位計算機７は、制御対象システム１の種
々の制御情報を管理する。セットアップ制御機構８は、
上位計算機７からの情報をもとに、制御対象システム１
の複数の指令，目標状態，制御目標値を出力する。

【０１８９】ＤＤＣ制御系６は、セットアップ機構８が
出力する複数の目標状態，制御目標値と、制御対象シス
テム１が出力する複数の状態量，制御量のそれぞれの差
である状態変数χ’，制御変数ｙ及びセットアップ機構
８が出力する複数の目標状態を入力とし、新たな指令偏
差を出力する。指令偏差は、セットアップ機構８が出力
する指令に加算されて、制御対象システム１に対する指
令となる。制御対象システム１に対する指令は、指令変
数ｕとして、ＤＤＣ制御系６に入力し、指令偏差を求め
るのに用いられる。

【０１９０】ＤＤＣ制御系６の構成は、図３，４，５，
６，８，９，１０を用いて前述した実施形態の構成と同
様である。前述した実施形態における制御量に代えて、
制御変数がＤＤＣ制御系６の各部に入力し、状態量に代
えて、状態変数が入力し、指令に代えて、指令変数が入
力する。図８において説明した目標状態に代えて、セッ
トアップ機構８が出力する目標状態がＤＤＣ制御系６に
入力する。

【０１９１】マンマシンインタフェース９は、ＤＤＣ制
御系６に対する情報の入力に用いられる。

【０１９２】一般的には、制御対象システムの特性は非
線形であり、そのままの形での数式モデルによって制御
を行うことは非常に難しいものである。そこで、制御対
象システムが安定である状態、即ち，平衡状態を考え
て、この状態を基準とし、この基準値からのずれについ
て線形近似化を行い、線形の数式モデルを制御に適用す
る。具体的には、このずれを微小なものであると仮定し
て、制御対象システムの数式モデルのテイラー級数展開
の高次の項（２次以上の項）を、誤差とみなして無視す
るようにする。

【０１９３】即ち、制御対象システムの数式モデルｆ
（ｘ，ｕ）について、平衡状態を（ｘ０，ｕ０）とし、
平衡状態からのずれを（Δｘ，Δｙ）と考えて、テイラ
ー級数展開し、２次以上の項を無視すると、（数３６）
で表される。

【０１９４】

【数３６】

【０１９５】ここで、右辺第２，３項を、（数３７）で
置換する。

【０１９６】

【数３７】

【０１９７】すると、（数３６）は、（数３８）とする
ことができる。

【０１９８】

【数３８】

【０１９９】これは、システムの数式モデルが線形近似
化によって、システムの平衡状態に関する数式モデルｆ
と、ずれに関する数式モデルＦの２つに分離して考えら
れることを示している。

【０２００】これらの考え方をもとに、（数３８）の右
辺第１項が示す制御対象システム１の平衡状態について
は、セットアップ機構８において代数方程式を数値的に
解くことによって求める。ＤＤＣ制御系６は、制御対象
システム１の複数の状態量および制御量について、この
平衡状態からのずれである制御変数ｙ及び状態変数χを
入力として、制御対象システム１の複数の指令偏差を出
力する。この指令偏差とセットアップ機構８の求めた指
令との和を制御対象システム１に入力する複数の指令と
する。

【０２０１】ここで、図１９を用いて、図１８に示した
非線形系の制御対象の制御システムの動作について簡単
に説明する。図１９は、本発明の他の実施形態によるフ
ィードフォワード制御システムの動作説明図である。

【０２０２】多くの工業装置は多変数制御系であり、多
入力多出力のシステムとして扱われるが、取り扱いが格
段に複雑になるので、煩雑にわたるのをさけ、説明を簡
単にするため、１入力１出力のシステムを仮定して話を
進めることとする。但し、多変数系であっても、本発明
の基本的な動作の流れは変わらず、制御理論を用いて容
易に推定可能である。

【０２０３】ここでは、非線形系の制御対象の制御対象
システムとして、圧延機システムを例にとって説明す
る。

【０２０４】上位計算機７は、製品の出荷スケジュール
から次に圧延される鋼材の情報１９０１を出力する。鋼
材の情報１９０１としては、例えば、鋼種：軟鋼，母材
板厚：２．３ｍｍ，最終板厚：０．７ｍｍ，板幅：１３
５０ｍｍ，ワークロール（ＷＲ）径：５３０ｍｍ等があ
る。

【０２０５】セットアップ制御機構８は、鋼材の情報１
９０１を受取り、圧延スケジュール１９０２を出力す
る。圧延スケジュール１９０２としては、例えば、第１
スタンド出側目標板厚：１．６ｍｍ，第１スタンド出側
目標速度：５２５ｍｐｍ，第２スタンド出側目標板厚：
１．２ｍｍ，第２スタンド出側目標速度：７００ｍｐ
ｍ，第３スタンド出側目標板厚：０．９ｍｍ，第３スタ
ンド出側目標速度：９３３ｍｐｍ，第４スタンド出側目
標板厚：０．７５ｍｍ，第４スタンド出側目標速度：１
１２０ｍｐｍ等がある。

【０２０６】セットアップ制御機構８が出力する圧延ス
ケジュール１９０２は、ＤＤＣ制御系６の出力する指令
偏差１９０３との和をとって、制御対象システム１の入
力１９０４となる。例えば、第２スタンドについて見る
ならば、第２スタンド出側目標板厚は１．２ｍｍであ
り、ここで、ＤＤＣ制御系６の出力する指令偏差（圧下
指令偏差）ΔＳ2が０．０２ｍｍであるならば、制御対
象システム１の入力で圧下指令Ｓ2は、１．２２ｍｍと
なる。

【０２０７】制御対象システム１からの出力に相当する
制御量１９０５は、セットアップ機構８の出力する制御
目標との差を取られ、この制御量偏差１９０６が、ＤＤ
Ｃ制御系６に入力される。即ち、例えば、第２スタンド
について見るならば、第２スタンド出側目標板厚は１．
２ｍｍであり、ここで、制御対象システム１からの出力
に相当する制御量である第２スタンド出側板厚が１．２
１ｍｍであるならば、ＤＤＣ制御系６に入力する第２ス
タンド出側板厚偏差は、０．０１ｍｍとなる。

【０２０８】ＤＤＣ制御系６は、制御対象システム１の
制御誤差を低減するための新たな指令偏差１９０７を出
力する。即ち、例えば、第２スタンドについて見るなら
ば、第２スタンドの新しい圧下指令偏差ΔＳ2は、−
０．０２ｍｍとなる。この新しい圧下指令偏差ΔＳ2
は、セットアップ制御機構８が出力する圧延スケジュー
ルとの和をとられ、制御対象システム１の新しい入力と
なる。ＤＤＣ制御系６は、内部の状態予見・制御機構に
より、状態を予見して、この状態予見に基づいて新しい
指令偏差を求め、制御を行う。

【０２０９】ここで、従来のフィードバック制御方式に
おいては、第２スタンド出側板厚偏差が０．０１ｍｍで
あるならば、圧下指令偏差に相当するものとして、−
０．０１ｍｍを出力するようにしているのに対して、本
実施形態では、状態予見した結果に基づいて、上述した
ように、例えば、圧下指令偏差ΔＳ2として、−０．０
２ｍｍを出力することにより、制御の応答性を改善する
ことができる。

【０２１０】以上説明したように、フィードフォワード
制御方式を採用する非線形系の制御システムにおいて、
状態予見に基づいて制御を行うことにより、アクチュエ
ータの遅れと状態変化を予見できるので、このような遅
れを補償できるようになる。

【０２１１】また、制御偏差を低減する基準は予見して
いる区間の偏差を加味してあるため、瞬間的な従来の制
御と異なり、大局的な制御指令を発行できる。

【０２１２】また、制御偏差の増加を予め予見できるた
め、将来にわたって制御偏差を最小にするように、アク
チュエータに対する指令を発行することにより、制御し
ている時間全区間にわたり、制御偏差の低減と応答性の
向上の効果がある。

【０２１３】本実施形態によれば、非線形系の制御シス
テムにおける制御応答の遅れを低減することができる。

【０２１４】

【発明の効果】本発明によれば、制御応答の遅れを低減
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態によるフィードフォワード
制御システムの全体構成を説明するブロック図である。

【図２】本発明の一実施形態によるフィードフォワード
制御システムによって制御される制御対象システムの一
例のブロック図である。

【図３】本発明の一実施形態によるフィードフォワード
制御システムを採用するＤＤＣ制御系の信号処理機構の
ブロック図である。

【図４】本発明の一実施形態によるフィードフォワード
制御システムを採用するＤＤＣ制御系のオブザーバ機構
のブロック図である。

【図５】本発明の一実施形態によるフィードフォワード
制御システムを採用するＤＤＣ制御系のオブザーバ機構
の中の未知パラメータ同定機構のブロック図である。

【図６】本発明の一実施形態によるフィードフォワード
制御システムを採用するＤＤＣ制御系のオブザーバ機構
の中の同一次元オブザーバのブロック図である。

【図７】本発明の一実施形態によるフィードフォワード
制御システムを採用するＤＤＣ制御系の適応オブザーバ
機構のブロック図である。

【図８】本発明の一実施形態によるフィードフォワード
制御システムを採用するＤＤＣ制御系の状態予見・制御
機構のブロック図である。

【図９】本発明の一実施形態によるフィードフォワード
制御システムを採用するＤＤＣ制御系の状態予見・制御
機構の中のシミュレーション機構のブロック図である。

【図１０】本発明の一実施形態によるフィードフォワー
ド制御システムを採用するＤＤＣ制御系の状態予見・制
御機構の中の制御方策決定機構のブロック図である。

【図１１】本発明の一実施形態によるフィードフォワー
ド制御システムを採用するＤＤＣ制御系の状態予見・制
御機構の動作説明図である。

【図１２】本発明の一実施形態によるフィードフォワー
ド制御システムを採用する制御システムの動作説明図で
ある。

【図１３】本発明の一実施形態によるフィードフォワー
ド制御システムを採用する制御システムの信号処理機構
の動作説明図である。

【図１４】本発明の一実施形態によるフィードフォワー
ド制御システムを採用する制御システムの未知パラメー
タ同定機構の動作説明図である。

【図１５】本発明の一実施形態によるフィードフォワー
ド制御システムを採用する制御システムの状態予見・制
御機構の動作説明図である。

【図１６】本発明の一実施形態によるフィードフォワー
ド制御システムを採用する制御システムのシュミレーシ
ョン機構の動作説明図である。

【図１７】本発明の一実施形態によるフィードフォワー
ド制御システムを採用する制御システムの制御方策決定
機構の動作説明図である。

【図１８】本発明の他の実施形態によるフィードフォワ
ード制御システムの全体構成を説明するブロック図であ
る。

【図１９】本発明の他の実施形態によるフィードフォワ
ード制御システムの動作説明図である。

【符号の説明】

１…制御対象システム ２…信号処理機構 ３…オブザーバ機構 ４…状態予見・制御機構 ６…ＤＤＣ制御系 ７…上位計算機 ８…セットアップ制御機構 ９…マンマシンインタフェース １０，１１，１２…圧延スタンド １３…制御対象 １４…アクチュエータ １５…センサ ２０，２１…サンプル／ホールド回路及びアナログ／デ
ジタル変換回路 ２２，２３…フィルタ ２４…メモリ ３０…未知パラメータ同定機構 ３１…同一次元オブザーバ ３５…適応オブザーバ ４０…状態メモリ ４１…パラメータメモリ ４２…パラメータ関数化機構 ４３…パラメータ関数 ４４…状態メモリ予見分 ４５…指令メモリ将来分 ４６…シミュレーション機構 ４７…目標状態メモリ ４８…制御方策決定機構 ４９…反復計算制御機構 ３００…ＡＲＭＡモデル構造決定機構 ３０１…モデルパラメータ同定機構 ３０２…正規形状態離散方程式変換機構 ３１０，３１１，３１２，４６４，４６５…パラメータ
行列 ３１３…時間シフトオペレータ ３１４，４６６…パラメータ行列決定機構 ３５０…未知パラメータ同定器 ３５１…状態推定器 ３５２…出力推定器 ３５３…比較機構 ４６０…入力切替スイッチ ４６１，４６２…メモリアクセス選択機構 ４６３…データ制御機構 ４８０…予測誤差評価機構 ４８１…収束判定機構 ４８２…誤差最適化機構 ４８３…制御指令出力機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木谷 進 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立情報制御システム内 (72)発明者 斉藤 裕 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者 服部 哲 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者 畑中 長則 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者 仙北 正洋 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立情報制御システム内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 線形系の制御対象と、この制御対象の動
   作状態を変化させるアクチュエータと、上記制御対象の
   動作状態を検出するセンサとから構成される制御対象シ
   ステムと、 上記制御対象の動作状態に応じて、上記アクチュエータ
   への指令を変化させる制御装置とを備えた制御システム
   において、 上記制御装置は、上記制御対象の動作状態から状態変化
   を予見し、その予見状態に基づく指令を上記アクチュエ
   ータに供給して、上記制御対象をフィードフォワード制
   御する状態予見・制御手段を備えたことを特徴とするフ
   ィードフォワード制御システム。
2. 【請求項２】 請求項１記載のフィードフォワード制御
   システムにおいて、 上記状態予見・制御手段は、上記制御対象の動作状態及
   び上記制御対象システムのパラメータ関数及び将来の最
   適指令に基づいて、上記制御対象システムの将来の状態
   量を計算するシュミレーション手段と、 上記シュミレーション手段により求められた上記制御対
   象システムの将来の状態量及び将来の目標状態に基づい
   て、最適指令を計算し直す制御方策決定手段を備えるこ
   とを特徴とするフィードフォワード制御システム。
3. 【請求項３】 請求項２記載のフィードフォワード制御
   システムにおいて、 上記制御方策決定手段は、上記制御対象システムの将来
   の状態量及び将来の目標状態に基づいて、予測誤差を求
   め、この予測誤差に基づいて、評価関数を計算する予測
   誤差評価手段と、 上記予測誤差の収束を判定する収束判定手段とを備え、
   上記収束判定手段により収束と判定されるときの指令を
   最適指令とすることを特徴とするフィードフォワード制
   御システム。
4. 【請求項４】 請求項１記載のフィードフォワード制御
   システムにおいて、 上記制御装置は、さらに、上記制御対象の動作状態に基
   づいて、可観測であるが直接計測できない状態を推定す
   るオブザーバ手段を備え、 上記状態予見・制御手段は、上記制御対象の動作状態及
   び上記オブザーバ手段によって推定された推定状態に基
   づいて、状態変化を予見することを特徴とするフィード
   フォワード制御システム。
5. 【請求項５】 請求項４記載のフィードフォワード制御
   システムにおいて、 上記オブザーバ手段は、上記制御対象の動作状態に基づ
   いて、上記制御対象システムの未知のパラメータを同定
   する未知パラメータ同定手段と、 この未知パラメータ同定手段が同定する上記未知のパラ
   メータ及び上記制御対象の動作状態に基づいて、上記制
   御対象システムの直接計測が不可能な状態について推定
   して推定状態量を出力する同一次元オブザーバ手段を備
   えることを特徴とするフィードフォワード制御システ
   ム。
6. 【請求項６】 請求項４記載のフィードフォワード制御
   システムにおいて、 上記オブザーバ手段は、上記制御対象の動作状態及び推
   定出力誤差に基づいて、上記制御対象システムの未知の
   パラメータを同定する未知パラメータ同定手段と、 この未知パラメータ同定手段が同定する上記未知のパラ
   メータ及び上記制御対象システムに対する指令に基づい
   て、上記制御対象システムの出力を推定する出力推定手
   段と、 この出力推定手段が推定する出力と、上記制御対象シス
   テムの制御量の差分を上記推定出力誤差として、上記未
   知パラメータ同定手段に出力する比較手段と、 上記未知パラメータ同定手段が同定する上記未知のパラ
   メータ及び上記制御対象システムに対する指令に基づい
   て、上記制御対象システムの状態を推定する状態推定手
   段とを備えることを特徴とするフィードフォワード制御
   システム。
7. 【請求項７】 非線形系の制御対象と、この制御対象の
   動作状態を変化させるアクチュエータと、上記制御対象
   の動作状態を検出するセンサとから構成される制御対象
   システムと、 上記制御対象の動作状態に応じて、上記アクチュエータ
   への指令を変化させる制御装置とを備えた制御システム
   において、 さらに、上記制御対象システムの指令，目標状態量及び
   制御目標値を出力するセットアップ制御手段を備え、 上記制御装置は、上記制御対象の状態量と上記セットア
   ップ制御手段が出力する上記目標状態量の差である制御
   変数，上記制御対象の制御量と上記セットアップ制御手
   段が出力する上記目標値との差である制御変数，及び上
   記セットアップ制御手段が出力する上記目標状態に基づ
   いて状態変化を予見し、その予見状態に基づく指令偏差
   を上記セットアップ機構が出力する上記指令に加えて上
   記アクチュエータに供給して、上記制御対象をフィード
   フォワード制御する状態予見・制御手段を備えたことを
   特徴とするフィードフォワード制御システム。