JPH1031503A - 遺伝理論を用いたｐｉｄ制御器の利得決定装置及び方法 - Google Patents

遺伝理論を用いたｐｉｄ制御器の利得決定装置及び方法

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JPH1031503A
JPH1031503A JP9072280A JP7228097A JPH1031503A JP H1031503 A JPH1031503 A JP H1031503A JP 9072280 A JP9072280 A JP 9072280A JP 7228097 A JP7228097 A JP 7228097A JP H1031503 A JPH1031503 A JP H1031503A
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pid
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Eisho Kin
永 尚 金
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    • G—PHYSICS
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＰＩＤ制御器の三種の利得を無作為追跡を通
してユ−ザ−の所望の仕様を満たすようにした遺伝理論
を用いたＰＩＤ制御器の利得決定装置及び方法を提供す
る。 【解決手段】 本発明の遺伝理論を用いたＰＩＤ制御器
の利得決定装置では、対象システムの利得を決定するた
めの基準設定データを入力する基準設定値入力手段と、
前記基準設定値入力手段により入力された基準データと
対象システムから出力されるデータとを比較判断して対
象システムの出力状態を抽出する特徴抽出手段と、前記
特徴抽出手段から出力された値に応じてＰＩＤ利得を調
節する遺伝アルゴリズムチュ−ニング手段と、前記遺伝
アルゴリズムチュ−ニング手段の調節された利得に比例
する対象システムに対する制御入力信号を発生するＰＩ
Ｄ制御手段とを備えてなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は遺伝理論(Genetic A
lgorithm) を用いたＰＩＤ制御器の利得決定装置及び方
法に係り、特にユ−ザ−の所望の対象システムを制御す
る制御利得であるＰＩＤ利得を決定するに際して無作為
追跡を通して得られる遺伝理論を用いたＰＩＤ制御器の
利得決定装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】比例積分偏差(Proportional Integral D
erivation ；以下、ＰＩＤと称する)制御器は現在産業
現場で幅広く使われている制御器である。しかし、この
ＰＩＤ制御器は対象システムに対して敏感なので対象シ
ステム毎に適切なＰＩＤ利得を決定するある正確な理論
や正確な法則があるわけでもない。そして、いずれの理
論があるとしても対象システムに対する数学的なモデル
が存する時のみ可能である。従って、正確な数学的なモ
デルが存しない限り適切な利得を決定するのは極めて困
難である。また、このＰＩＤ制御器の利得を決定するの
は熟練した専門家によりなされる非常に退屈な作業であ
る。これは熟練した専門家が数多くの試行錯誤をへてか
ら長時間の経験を通してなされ、またＰＩＤ制御ではシ
ステムの特性を改善してやるパラメ−タとして比例利
得、積分時間、微分時間のパラメ−タ決定が最も大事な
問題となっている。
【０００３】ここで、ＰＩＤ制御とは基準入力と対象シ
ステムの出力値の差である偏差が制御器の入力要素とし
て入力される際、システムをできるだけ早い時間内に安
定した状態で目標値に達させるために比例制御モ−ド、
積分制御モ−ド、微分制御モ−ドを同時に制御すること
である。ＰＩＤ制御においては、微分制御モ−ドにより
偏差が増加することを防止する効果が得られ、積分制御
モ−ドでは残留偏差を小さくする効果が得られる。ま
た、比例利得の値を大きくすれば早い時間内に目標値に
達する反面、大きなオ−バ−シュ−トが発生してシステ
ムが不安定になり、比例利得の値を小さくすれば正常偏
差が大きく発生するので、これを自動化すべき必要性が
取り上げられている実状である。
【０００４】従来、ＰＩＤ制御器の利得を自動に決定す
る技術に対する類似特許はアメリカ特許第０５／２９
５、０６１号（名称："Control parameter tuning unit
and amethod of tuning", 1994.3.15) に記載されて
いる。この特許は神経網の代わりにファジイ論理を用い
ることにより高価となる問題点があった。また、ＰＩＤ
制御器の利得を自動に決定する技術と関連した従来の技
術は市中で購入しうる１９７５年Ｆｏｘｂｏｒｏ社のＥ
ＸＡＣＴに開示されているが、この技術は対象システム
の出力を観察して対象システムに対するモデルを求めて
から、該モデルから数学的な計算を通して適切な利得を
求める方式であって、外乱に対する粗さ(robustness)を
強調しすぎたあげく応答特性が極めて遅い。
【０００５】添付した図５に基づき具体的な従来のＰＩ
Ｄ制御器の利得を制御する装置について説明する。同図
に示す装置は、対象システム４０が出力状態を制御する
基準設定値を入力する基準設定値入力手段１０と、前記
基準設定値入力手段１０を通して出力される設定値と対
象システムの出力を入力され比較して、ユ−ザ−が設定
した仕様を満たすか否かを判断して、満たさない場合は
ＰＩＤ利得を制御する制御信号を出力するファジイ制御
装置３０と、前記ファジイ制御装置３０から出力された
制御信号に応じてＰＩＤ利得を変換して、変換された利
得に応ずる制御信号により対象システムを制御するＰＩ
Ｄ制御器２０とからなる。
【０００６】前記ファジイ制御装置３０はファジイ制御
規則とメンバ−シップ関数を有するファジイ制御知識ベ
−ス３０ａと、前記ファジイ制御知識ベ−ス３０ａに存
するファジイ規則とメンバ−シップ関数によりＰＩＤ利
得を制御する制御信号を出力するファジイ推論装置３０
ｂとからなる。前述のような構成をもつＰＩＤ制御器の
利得装置は、まず、対象システムの簡略な数学的なモデ
ルを通してＰＩＤ制御器の利得が設定されていると考え
る。あるいはどの方法を取っても概略的なＰＩＤ制御器
の利得が決定されていなければならない。その後、ユ−
ザ−は対象システムが所定の状態にあるように基準設定
値入力手段１０を通して設定値を入力する。すると、こ
の設定値はファジイ制御装置３０とＰＩＤ制御器２０に
入力される。それから、ＰＩＤ制御器２０が対象システ
ム４０に制御信号を供すると、対象システム４０は入力
された制御信号に応じて出力を可変して出力する。
【０００７】すなわち、もし温度を制御しているとすれ
ば、基準入力設定値は温度であり、対象システムの出力
も温度である。前記出力はファジイ制御装置３０とＰＩ
Ｄ制御器２０にフィ−ドバックされる。すると、ファジ
イ制御装置３０は設定値と対象システム４０の出力とを
比較してユ−ザ−が設定した仕様を満たすかを考えたう
えで、満たさない場合は、ファジイ制御知識ベ−ス３０
ａ中のものから必要な知識を引き出してファジイ推論装
置３０ｂを通していずれの利得をどのくらい変化させる
かを決定してから、ＰＩＤ制御器２０の利得を変化させ
る。すると、ＰＩＤ制御器２０は変わった利得を以て対
象システム４０を再び制御するように動作する。
【０００８】従って、前記ファジイ推論装置３０ｂは若
干の計算時間を要求する。それで、ダイナミックに変わ
るシステムには適宜に対応できない弱点がある。それで
主として化学反応器や水位調節制御に使われる。ファジ
イ推論装置のため必要なファジイ制御知識ベ−スとメン
バ−シップ関数を貯蔵するメモリ（ＤＲＡＭ、ＳＲＡ
Ｍ、フラッシュメモリ）が必要になる。また、ファジイ
推論装置は計算が必要となって、ある程度能力あるマイ
クロプロセッサがあるべきなので、安価なＰＩＤ制御器
が製作できない問題点があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前述した問題
点を解決するために案出されたもので、その目的はＰＩ
Ｄ制御器の三種の利得を無作為追跡を通してユ−ザ−の
所望の仕様を満たすようにした遺伝理論を用いたＰＩＤ
制御器の利得決定装置及び方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前述した本発明の目的を
達成するために、対象システムの利得を決定するための
基準設定データを入力する基準設定値入力手段と、前記
基準設定値入力手段により入力された基準データと対象
システムから出力されるデータとを比較判断して対象シ
ステムの出力状態を抽出する特徴抽出手段と、前記特徴
抽出手段から出力された値に応じてＰＩＤ利得を調節す
る遺伝アルゴリズムチュ−ニング手段と、前記遺伝アル
ゴリズムチュ−ニング手段の調節された利得に比例する
対象システムに対する制御入力信号を発生するＰＩＤ制
御手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面に基づき本発
明の望ましい実施例をさらに詳しく説明する。図１は本
発明によるＰＩＤ制御器の利得を制御するための構成ブ
ロック図である。同図において、基準設定値入力手段２
００は、対象システム１００の出力を決定するためのデ
ータを入力するように構成されており、特徴抽出手段３
００は、前記基準設定値入力手段２００で入力された基
準データと対象システム１００の出力差、その積分値、
その微分値、立ち上がり時間、整定時間、オ−バ−シュ
−ト、ダンピング率を計算して対象システムの特徴を抽
出するように構成されている。
【００１２】一方、遺伝アルゴリズムチューニング手段
４００は前記特徴抽出手段３００から出力された値に応
じてＰＩＤ利得を調節する所定のデータを出力するよう
に構成され、ＰＩＤ制御器５００は前記遺伝アルゴリズ
ムチュ−ニング手段４００から出力されたデータに応じ
て対象システム１００に対する制御入力信号を発生する
ように構成されている。
【００１３】次に、図３は図１に遺伝アルゴリズムチュ
ーニング手段４００においてＰＩＤ制御器５００に利得
制御信号を供給するための第１次母集団を発生させる無
作為数発生装置を示している。同図に示す無作為数発生
装置は、入力されるノイズを増幅する増幅器４００ａ
と、前記増幅器４００ａから出力された信号と基準信号
とを比較して、ノイズの大きさにより信号を出力する比
較器４００ｂと、前記比較器４００ｂから出力される信
号に対して二進数字列を形成する信号変換器４００ｃと
からなる。
【００１４】このように構成された本発明は、まず、対
象システムの誤動作を防ぐため、対象システム１００の
簡略な数学的なモデルを通してＰＩＤ制御器５００の利
得が設定されている。もし、数学的なモデルを得られな
いと、通常のＺｉｅｇｌｅｒ−Ｎｉｃｈｏｌｓ方法を用
いるか、Ａｓｔｒｏｍのリレ−フィ−ドバック(Relay F
eedback)を用いて概略的なＰＩＤ制御器５００の利得が
決定されていなければならない。
【００１５】前記数学的なモデルとして利得が設定され
ているＰＩＤ制御器５００から出力されるＰＩＤ利得制
御信号に応じて対象システム１００作動され出力された
データはユ−ザ−により設定された基準設定値と共に特
徴抽出手段３００に入力される。前記基準設定値は制御
する対象に応じて相異するようになる。すなわち、制御
しようとする対象が温度なら基準設定値は温度であり、
レベル制御したいなら基準設定値はレベルとなり、モ−
タ制御時位置制御をしようとすれば、設定値は位置値で
あり、速度を制御しようとすれば速度である。
【００１６】前記対象システム１００から出力されるデ
ータは対象システム１００の出力値、積分値、微分値、
立ち上がり時間、整定時間、ダンピング率、オ−バ−シ
ュ−トであって特徴抽出手段３００のメモリ（図示せ
ず）に貯蔵される。前記特徴抽出手段３００は対象シス
テム１００の出力情報を有し、簡単な数学的な演算を通
して基準設定値と対象システムの出力差を求め、積分
値、微分値を計算し出す。そして、ある程度時間が経る
と、立ち上がり時間、整定時間、オ−バ−シュ−ト、ダ
ンピング率などを求める。
【００１７】また、図２は遺伝アルゴリズムチューニン
グ手段４００においてＰＩＤ制御利得を求める方法を示
すフローチャートである。同図において、遺伝アルゴリ
ズムチューニング手段４００は、対象システム１００か
ら出力された値をデコーディングした値（ステップＳ
１）と、ステップＳ２で発生された母集団に対してＰＩ
Ｄ利得変換適合度を測定するために定められた比率で正
規化された母集団（ステップＳ３）とを比較してユーザ
の所望の仕様に適しているか否かを判断する（ステップ
Ｓ４）。
【００１８】前記ステップＳ４で判断した結果、所望の
値ならこれに応じて複数個の制御信号をＰＩＤ制御器５
００へ出力してＰＩＤ利得を変化させ、ＰＩＤ制御器５
００はその利得により対象システム１００を制御し続け
る（ステップＳ５）。前記ステップＳ２において無作為
二進数字列からなる第１次母集団を発生させる遺伝アル
ゴリズムチューニング手段４００は図３に示しているよ
うな実施例をもつ。これは入力されるノイズを増幅器４
００ａを用いて増幅してからゼロに基準値を決めてやる
比較器４００ｂに出力すれば、比較器４００ｂから入力
されたノイズの大きさにより±１を出力する。前記比較
器４００ｂの出力値は信号変換器４００ｃに入力され二
進数字列に変換して第１次母集団を発生する。
【００１９】次いで、図４に基づき前記遺伝アルゴリズ
ムチュ−ニング手段４００で正規化された母集団を形成
する方法を詳述する。第１次母集団を適合関数により計
算して定められた値より大きい値を抽出して第２次母集
団を発生させる（ステップＳ２１）；前記第２次母集団
を適合関数により計算してその値が一定したもののみを
抽出して第３次母集団を発生させる（ステップＳ２
２）；前記第３次母集団を近接した母集団と定められた
長さほど互いに交換して第４次母集団を発生させる（ス
テップＳ２３）；前記第４次母集団のビットを反転して
第５次母集団を発生させる（ステップＳ２４）。
【００２０】この際、突然外乱が飛び込んだら、システ
ムのパラメ−タが変化したり、ロ−ドがＰＩＤ制御器が
制御できないほど変われば、再び遺伝アルゴリズムチュ
−ニング手段４００が動作する。他の実施例は遺伝アル
ゴリズムチュ−ニング手段の出力を幾つかのビットが一
つの利得を調節する方法として、前記方法を用いれば利
得が変わる幅が常に一定に調節されるが、学習するのが
遥かに簡単になる。
【００２１】
【発明の効果】以上述べたように、本発明ではアナログ
回路により簡単に具現できるので、メモリやマイクロプ
ロセッサを用いなくてもＰＩＤ自動チュ−ニング制御器
を安価で具現でき、ＰＩＤ制御器の利得を制御器の所望
の性能を果たすように早くて自動的に調節できるので、
大量に制御器を開発することが更に容易になり、また、
ＰＩＤ制御器が利得を自ら決定できるので制御器が粗さ
を有するようになって信頼性が向上する効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＰＩＤ制御器の利得を制御するた
めの構成ブロック図である。
【図２】図１の遺伝アルゴリズムチュ−ニング手段でＰ
ＩＤ制御利得を求める方法を示したフローチャートであ
る。
【図３】図１の遺伝アルゴリズムをチュ−ニング手段で
ＰＩＤ制御器に利得制御信号を供するための第１次母集
団を発生させる無作為数発生装置を示したブロック図で
ある。
【図４】図３で発生した無作為二進数字列を正規化する
方法を示したフローチャートである。
【図５】従来の技術によるＰＩＤ制御器の利得を制御す
るための構成ブロック図である。
【符号の説明】
１００ 対象システム ２００ 基準設定値入力手段 ３００ 特徴抽出手段 ４００ 遺伝アルゴリズムチュ−ニング手段 ５００ ＰＩＤ制御器

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 対象システムの利得を決定するための基
    準設定データを入力する基準設定値入力手段と、 前記基準設定値入力手段により入力された基準データと
    対象システムから出力されるデータとを比較判断して対
    象システムの出力状態を抽出する特徴抽出手段と、 前記特徴抽出手段から出力された値に応じてＰＩＤ利得
    を調節する遺伝アルゴリズムチュ−ニング手段と、 前記遺伝アルゴリズムチュ−ニング手段の調節された利
    得に比例する対象システムに対する制御入力信号を発生
    するＰＩＤ制御手段とを備えてなることを特徴とする遺
    伝理論を用いたＰＩＤ制御器の利得決定装置。
  2. 【請求項２】 前記対象システムの特徴を表す値は、基
    準設定値とシステムの出力差、その積分値、その微分
    値、立ち上がり時間、整定時間、ダンピング率、オ−バ
    −シュ−トからなることを特徴とする請求項１に記載の
    遺伝理論を用いたＰＩＤ制御器の利得決定装置。
  3. 【請求項３】 前記遺伝アルゴリズムチュ−ニング手段
    においてＰＩＤ利得を制御するための第１次母集団を構
    成する無作為数の発生装置は、 入力されるノイズを増幅する増幅器と、 前記増幅器から出力された信号と基準信号とを比較して
    ノイズの大きさにより信号を出力する比較器と、 前記比較器から出力される信号に対して二進数字列を生
    成する信号変換器とからなることを特徴とする請求項１
    に記載の遺伝理論を用いたＰＩＤ制御器の利得決定装
    置。
  4. 【請求項４】 対象システムから出力された値をデコー
    ディングするデコーディングステップと、 無作為二進数字列よりなる第１次母集団を発生させる第
    １次母集団発生ステップと、 前記第１次母集団発生ステップで発生された母集団に対
    してＰＩＤ利得変換適合度を測定するために定められた
    比率で正規化して母集団を発生する第２次母集団発生ス
    テップと、 前記第２次母集団発生ステップで発生された母集団と前
    記デコーディングステップでデコーディングされた値と
    を比較して所望の値であるか否かを判断し、所望の値な
    らその値に対してＰＩＤ利得制御信号を出力するステッ
    プとからなることを特徴とする遺伝理論を用いたＰＩＤ
    制御器の利得決定方法。
  5. 【請求項５】 前記第２次母集団発生ステップは、 前記第１次母集団発生ステップで発生された母集団を適
    合関数により計算し、その値が定められた値より大きい
    値のみを有する母集団を抽出して第２次母集団を発生さ
    せるステップと、 前記第２次母集団を適合関数により一定した値が算出さ
    れるまでのみ計算してその値を有する母集団を抽出して
    第３次母集団を発生させるステップと、 前記第３次母集団から近接した母集団を定められた長さ
    ほど互いに交換して第４次母集団を発生させるステップ
    と、 前記第４次母集団のビットをそれぞれ反転して第５次母
    集団を発生させるステップとからなることを特徴とする
    請求項４に記載の遺伝理論を用いたＰＩＤ制御器の利得
    決定方法。
JP9072280A 1996-04-08 1997-03-25 遺伝理論を用いたｐｉｄ制御器の利得決定装置及び方法 Pending JPH1031503A (ja)

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