JPS60142404A - 制御系の構成方法 - Google Patents

制御系の構成方法

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JPS60142404A
JPS60142404A JP24889583A JP24889583A JPS60142404A JP S60142404 A JPS60142404 A JP S60142404A JP 24889583 A JP24889583 A JP 24889583A JP 24889583 A JP24889583 A JP 24889583A JP S60142404 A JPS60142404 A JP S60142404A
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JP
Japan
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control system
input
weighting coefficient
feedback
evaluation function
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Application number
JP24889583A
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English (en)
Inventor
Hidenori Sekiguchi
英紀 関口
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric

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  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、現代制御理論を用いた制御系の構成方法に関
する。
従来技術と問題点 自動制御系は通常、入力目標値rと出力帰還量yとの差
u−r−yを制御対象に加え、該差Uが0になるように
制御する系として構成する。制御対象はその人力U、出
力yに着目して比y/u即ち伝達関数で表現し、差Uを
制御対象に加える部分には補償要素を挿入したりする。
これ6士現在では古典制御理論による制御系と呼ばれ、
制御対象を入出力の関係でしか見ていない点が特徴であ
る。
これに対して制御対象の内部状態を検出もしくは演算し
てめ、この内部状態についても帰還を加える方式が開発
されており、この方式は現代制御理論による制御系と呼
ばれる。この方式では制御対象を状態方程式 で表わす。こ−でXは状態変数ベクトル、Uは入力、A
、b、Cは定数行列である。またC′は行列またはベク
トルの転置を示す。直流モータを例にとるとパワーアン
プと結合したこのモータの状態方程式は 従って θ−aθ+bu となる。こ\でUは電機子電流、θは回転角、a。
bは定数である。
この状態方程式を解いて菫をめ又は実測してXをめ、こ
れを帰還する、例えば変数ベクトルXを1l−(x l
、X、2.X3)とすると、フィードバック定数りをl
h= (h+、h2.h3)としてx+h+、x2h2
.x:+h3を帰還するのが現代制御の手法で、これに
より制御系の極を任意に位置決めでき、動作の安定化、
応答の迅速化または緩慢化などを任意に設定できる。
ところで帰還制御系を設計するに当ってはフィードバッ
ク定数の決め方が問題である。古典制御理論では明確な
指針がなかったので経験や勘でこれを決定していたが、
現代制御理論では2次形式の評価関数を与えて最適レギ
ュレータ問題に帰着させ、リカソチの方程式を解いてフ
ィードバック定数を決めるという方式が提案されている
。最適レギュレータ理論とは min/ <x Qx+pu2) d t −=−(3
1なる評価関数を用い U←hx ・・・・・・(4) なる帰還を施して前記(3)式が成立するようにフィー
ドハック定数kをめるという問題である。こ\でQは適
宜の行列で、Xは前記と同様3次とし、Qは とすると、(3)式の括弧内の第1項はであるからx 
(2+−X 22+ X 32 となり、(3)式の括
弧内箱1項は2乗誤差を最小にすることを示し、同第2
項は投入エネルギを最小にすること、を意味する(投入
エネルギ最小でOに落付かせることを意味する)。か−
る評価関数を与えるとフィードバンク定数を解析的に決
定することができる。
ところがこの際にも2次形式の評価関数の与え方が明確
でなく、制御系の各種条件をどのような形の評価関数で
表現するかが問題となる。
発明の目的 本発明はこの評価関数特にその重み係数を比較的容易に
決定することができ、これにより現代制御理論に基ずく
制御系を容易に構成可能にしようとするものである。
発明の構成 本発明は、制御対象を状態方程式で表わし、その状態変
数にフィードバック定数を乗じて帰還する自動制御系を
組み、そして該帰還定数は、2次形式の評価関数を与え
て最適レギュレータ問題に帰着させ、リカソチの方程式
を解いて決定する、制御系の構成方法において、該評価
関数の重み係数を適宜に初期設定して制御系を構成し、
該制御系の変数の変化範囲の制限に従って該重み係数を
変更し、これを繰り返して、該重み係数が該変数の変化
範囲の」二限近傍にする値に収束したときその重み係数
の評価関数で制御系を構成することを特徴とするが、次
に実施例を参照しながらこれを詳細に説明する。
発明の実施例 本発明は、制御系の変数特に入力の制限に基すいて、こ
の制限を満たすような評価関数特にその重み係数の最適
値を繰り返し計算によってめるものであるが、直流モー
タを安定でできるだけ速く目標位置まで回転させる制御
系を構成する場合を例にとってこれを以下説明する。
第1図は直流モータの自動制御系の概要を示し、10は
直流モータ、12は入力電圧に比例した電流を該モータ
に流すパワー了ンブで、これらを纏めて制御対象14と
呼ぶ。rは目標値で、こ−ではステ、ブ入力を考える。
θは出力で、モータ10の回転角を示す。θは角速度で
あり、制御対象の状態方程式を解いて又は実測してめる
。16はフィードバンク定数設定器、1日は補償回路で
ある。この制御対象14の状態方程式は、前記(2)式
で示したように である。こ\でa、bはパワーアンプ12と直流モータ
10によって定まる定数であり、とおく。2次形式の評
価関数として、前述のように位置偏差と入力のエネルギ
をできるだけ小さくする P ・I −min/T(θ2+ p u2) d t
、 、・・−・t8)を採用すると、最適レギュレータ
問題に帰着でき、フィードバック定数f+、f2は以下
のリカソチの方程式を解くことによってめることができ
る。
f+、f2がまればブロック16.’18の中味が定ま
り、第1図の制御系が決定される。
このとき問題となるのが重み係数ρである。ρはθ2と
u2とのトレードオフ関係を定めるものであり、ρを小
にすればこれはθ2を重視したことであって整定か速く
なり、しかしそれだけ所要パワーが大になる。第1図の
制御系が線型な理想的な系であって変数の取り得る範囲
に制限がなければ、ρ!=Oとすると、目標値rがステ
ップ状に変化したとき入力電圧Uは著大なインパルス状
となり、回転角θは瞬間的に目標値rに整定されるが、
現実的には入力電圧が大でもパワーアンプ12の出力電
流は飽和してしまう(電流制限機構が付加されていると
その制限値に抑えられてしまう)のでそのようにはなら
ず、それどころか過大入力によるパワーアンプの損傷を
防ぐなどの目的で入力電圧の大きさはある範囲以下に抑
えなければならないから、ρには適切値がある。
本発明は、出力電流の飽和が生じない範囲(後述のよう
にこれは若干飽和してもよいケースもある)で可及的速
やかな整定を行なう、即ぢu2を許容限度内に収めなか
らθ2を最小にする重み係数ρの決定要領を提案するも
のであり、次のようにする。
まず最初に適切なρを与えてフィードパ・7り定数f+
、f2を計算し、制御系を構成する。次にこの制御系に
ステップ状の目標値rを加えた場合の入力(電圧)Uの
最大値u maxを計算する。このu maxが入力U
の制限値ulimより大きければρを大に例えばl(倍
し、u maxがulimより小さければρを小さく例
えば1/に倍し、こうして定めた新たなρに基ずいて再
びf+、f2を計算し直す。
以上のことを繰り返し、ρが収束しくρをそれ以上大に
するとu maxがtllimの制限にか\す、それ以
下にするとUに余裕がでてくる)umaxがulim近
いある範囲内に入ったら繰り返し計算を終了し請求まっ
たρを前記(9)式に入れて、か−るp、rを最適評価
関数とする。第2図はこの処理要領を示すフローチャー
トである。
以上は入力(電圧)Uに制限がある直流モータの例であ
るが、角速度に制限のある、或いは他の変数に制限があ
る場合も同様手法を採用でき、また直流モータ以外の制
御対象についても同様手法を採用できる。次に数値例を
挙げながら以上を更に説明する。
制御対象14のパワーアンプ12は33482/(S+
471)で、また直流モータ10は1/Sで表され、パ
ワーアンプ12の入力はu (tl、出力はx2(t)
、〜モータ10の出力はxl(t)−yとする。この制
御対象の状態方程式は と表現される。つまり前記(2)式のaは本例では47
1、bは334.82である。この制御対象にr=1の
ステップ状目標値を与えると制御対象の出力Y (tl
、入力u (tlは一般的には第3図の如くなる。
こ\でu maxは最大入力、Ovはオーバーシューl
・量、tsは整定時間、trは立上り時間、tdは遅れ
時間である。この制御対象の応答を計算機シミュレーシ
ョンでめた。この場合は離散系となるので、(10)式
は例えば次のように表わされる。
係数a、bをめる(詳細は省略する)と、次の如くなる
。こ\でTはサンプリング時間で単位はmS、またal
l ””’ a2+ ””である。
系を誤差系にし、積分器を付加した場合評価関数Jは次
式を採用することができ、重み係数R(前記のρと同じ
)を適当に与えてフィートノ\、7り定数に′をめた。
但し、Δu(kl=u(kl−u(k 1)該定数に′
を用いて閉ルLブ系を構成し、出力y(kl、入力u 
(klの時間応答を調べた。シミュレーションは第4図
に示す手順で行なった。図の■は出力計算、■は積分量
計算、■は状態フィートバックによる入力の計算、■は
次ステツプの状態計算である。T=0.001.R=1
〜0.00001の場合の諸量を次表に示す。またこの
ときの出力y(k)と入力u (klの時間応答を第4
図および第5図に表 1 これらの表およびグラフから分るようにRが小さい程、
大きな制御人力U(1))で、短時間でr=1に整定す
る。
サンプリング時間Tが変るとRは同じでも上記諸量は変
る。これは(12)式では入力の変化分Δu [k)を
用いでおり、Tが短い程Δu (klは小さくなり、Δ
u (klの重みが小さくなることによる。これば、T
をα倍するならRは1/α2 すると、評価関数は同じ
意味になり、Ov、%s、tr、tdなどはは5不変に
なる。
パワーアンプへの入力が過大になると出力飽和などが生
しるが、この場合のシミュレーションは第7図などで行
なえる。即ち第4図の手順に、飽和による制限を行なう
ステップ■、■を加える。
飽和が生しる場合のステップ応答および入力u(k)の
変化例を第8図及び第9図に示す。このグラフから分る
ように飽和値usの値が小さいほど、オーバシュートが
大になる。これは次のように考えることができる。即ち
飽和中は入力u(k)はu5に固定されるので、この状
態ではフィードバンクが掛からないのと同じになり、応
答は開ルフプにステップ入力を加えた状態になってしま
う。
重み係数Rが小さい程入力u (klは大になり、従っ
て飽和の影響が強くでてくる。飽和すればオーバシュー
トは大きく、整定時間tsは長くなる。
しかし飽和しても、特性はむしろ改善されることもある
。制御方式の成るものに、立上り時はオンオフ制御で速
く目標値に追従させ、出力が目標値に近付いた時は帰還
をかけて正確に目標値に一致させるものがあるが、飽和
でこのような状態になったときがそれである。シミュレ
ーションの仕方によって異なるが、R= 0.1〜0.
3あたりにこの状態がある。
このように、制御人力u (klに飽和があると一般に
はオーバシュートが大になり、整定時間も長くなる。そ
こで重み係数Rを適当に選んでu (klが飽和しない
か、飽和しても著しくはないようにする。
発明の詳細 な説明したように、本発明によれば評価関数の重み係数
を容易に決定でき、これにより制御対象の状態変数によ
る帰還を施した制御系を容易に構成できる利点が得られ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は制御系のブロック図、第2図は本発明による重
み係数の決定要領を示すフローチャート、第3図はステ
ップ応答の説明図、第4図はフィードバンク定数決定の
ためのシミュレーション手順を示すフローチャート、第
5図及び第6図は応答特性を示すグラフ、第7図は飽和
のある場合のシミュレーション手順の説明図、第8図お
よび第9図は応答特性を示すグラフである。 出願人 富士通株式会社 代理人弁理士 青 柳 稔 第1図 第3図 第4図 1L(5eC) s7m 第8図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)制御対象を状態方程式で表わし、その状態変数に
    フィードバック定数を乗じて帰還する自動制御系を組み
    、−そして該帰還定数は、2次形式の評価関数を与えて
    最適レギュレータ問題に帰着させ、リカソチの方程式を
    解いて決定する、制御系の構成方法において、 該評価関数の重み係数を適宜に初期設定して制御系を構
    成し、該制御系の変数の変化範囲の制限に従って該重み
    係数を変更し、これを繰り返して、該重み係数が該変数
    の変化範囲の上限近傍にする値に収束したときその重み
    係数の評価関数で制御系を構成することを特徴とする制
    御系の構成方法1(2)制御系の変数は、制御系の入力
    であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の制
    御系の構成方法。
JP24889583A 1983-12-28 1983-12-28 制御系の構成方法 Pending JPS60142404A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63250716A (ja) * 1987-04-07 1988-10-18 Toshiba Mach Co Ltd 位置制御装置
JPS63250701A (ja) * 1987-04-07 1988-10-18 Toshiba Mach Co Ltd 産業機械の位置制御装置
JPH03148714A (ja) * 1989-11-04 1991-06-25 Katsuhisa Furuta 調整入力による炉温制御装置
JPH03155383A (ja) * 1989-11-08 1991-07-03 Mitsubishi Electric Corp モータ制御装置

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