JPS6170605A - デジタル制御方式 - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、デジタル計算手段により、特に制御目的自体
を満足させる制御を行なうデジタル制御方式に関するも
のである。

〔発明の背景〕

近年、従来人間が行なってきた制御を人間にかわってマ
イクロコンビーータなどで自動化しようといり試みがさ
かんに行なわれている。しかし、プラントや交通システ
ムなどで人間が行なっている運転を自動化しようとした
場合、コンビーータによる制御は、速度・量において人
間に勝るが。

質においては熟練者による制御に劣る場合が多い。

この問題を解決するため１人間の知的行動をアルゴリズ
ム化し、人間と同等の制御を実現しようという試みの一
つがＦ　　　（あいまい）制御であｚｚｙ る。Ｆ　　　制御とは、人間の主観ｉＦ　　　　集ｕｚ
ｚｙ　　　　　　　　　　　　　　ｕｚｚｙ合によって
定量化し、　制御に用いようという方式であるが、これ
については、「計測と制御Ｊ　ｖｏｌ。

２２−１（昭和５８年１月）における、菅野による「あ
いまい制御」と題する文献等において解説されている通
りである。これらの文献において用いられている制御方
式は、熟練オペレータによる制御を、過去の操作経験に
基づく状況の化合判断として、多次元情報に基づく制御
指令の決定で定式化されている。

しかし、これらの方式では、制御目的を直接評価できな
いため制御則の意味が分シ雌く、簡単な対象に対しては
良いが、対象が複雑になってくると制御則の数が多くな
り、その妥当性のチェックが困難になるなどの問題点が
あった。

（発明の目的〕 本発明の目的は、現在および過去の状態量の観測値から
、制御目的そのものの達成度を求め、その目的に基づい
て人間が過去の制御経験から定めた制御則によって１人
間の考え通シに状況に応じて最適な制御指令を決定する
デジタル制御方式を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、デジタル計算機による制御等において、最後
の観測時刻から、制御指令の出力時刻までのｌｕｊに、
ただ単に観測値から制御指令を求める１　　　　　　だ
けでなく、現在までの観測値に基づき、これから行なお
うとしている制御に対する本来の制御目的に関する値の
算出を行なうことを可能とし、この制御目的をＦ　　　
集合化することによって人ｚｚｙ 間の制御経験をアルゴリズム化した方式であって。

人間の満足できる制御の如く高度な制御が実現できる点
に等徴がある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例全図面を用いて詳細に説明する
。

第１図は、本発明を実現するデジタル制御装置の一実施
例のブロック線図である。第１図において、１は過去１
回又は複数回の制御指令出力時刻ｔｒｈ　における制御
指令　Ｕ＝（ｕ（ｔ　　）”　ｕ（ｔ　　）。

Ｉｔ　　　　　　　　１ｋ ・・・ｕ（ｔ））の記憶装置、２は過去１回又は複数回
１に の状態観測時刻ｔ・における観測値Ｙ　＝　（）’（ｔ
ｏｔ）Ｏコ ・・・＊　ｙ（ｔｏ、）　＊・・・、ｙ（ｔｏ、））の
記憶装置、３はこのコ 制御対象の評価指標Ａの予測装置、４はも５１つの評価
指標Ｂの予測装置、５１〜５ｎは評価指標Ａに対するｎ
個のファジー評価の値を求める装置群、６１〜６ｎは評
価指標Ｂに対するｎ個のファジー評価の値を求める装置
群、７は予め定めた制　　。

両側によって各評価指標の値を評価し最適な制御指令ｕ
（ｔ）を演算する装置、８は制御対象、９は制御対象８
の状態量Ｘ（ｔ）の一部又は全部を観測し観測値ｙ（ｔ
）を求める観測装置である０次に本実施例の動作を説明
する０制御指令記憶装置１では過去に個の制御指令Ｕ＝
　（ｕ（ｔ、１）’・・・。

ｕ（ｔＸｋ））を記憶し、観測量記憶装置２では過去３
個の状態観測量Ｙ＝（ｙ（ｔｏｌ）、・・・＃　Ｙ（ｔ
ｏ、）　）を記憶する。次にこの制御対象の１つの制御
目的に対する評価指数Ａ（例えば、５秒後の速度）の予
測値ａを過去の制御指令Ｕと状態観測量Ｙおよび現在フ
ァジー制御則評価装置７で評価しようとしている制御指
令ｕｉに基づいて、ａ、　＝ｆ　（Ｕ、Ｙｕｌ　）なる
演算を評価指標Ａ　ｆ　１ｊｌ１１装置３により行なう
。また同様に評価指標Ｂ予測装置４により評評指標Ｂの
予測値す、を、ｂ、＝ｇ（ｕ、ｙ。

Ｕ、）なる演算により求める。ここで、予測値ａ、、ｂ
、はそれぞれ、μ、　、　（ａ）、　μ、Ｉｔｂｌナル
メンバシ、プ関数で定義されるＦ　　　集合であｚｚｙ す１次のように表せる。

ａｒ　＝ｆｐ、　　μｍｌ　ｔａ）、／　ａ（１）ｂＩ
　＝ｆＢμ、、　ｔｂ）／　ｂ　　　　　　ｆ２１次に
この２つの予測値ａ、、ｂ、をそれぞれ「良い」、「悪
い」といった評価Ａ１〜Ａｎ　。

Ｂ１〜Ｂｎにより評価する。これらの評価はそれぞれ Ａｔ　＝ｆＡμＡ１　（ａｌ、／　ａ　　　　　　　（
３１Ｂ、＝ｆＢ　μＢ、　（ｂ）／ｂ　　　　　　　ｆ
４１なるファジー集合としてメンパンツブ関数μ。

μ、！を用いて定義される。この内、Ａ、、Ｂ。

の評価装置５１　＋　６１　＋　’１　　＊　ｂ（を評
価した時の出力Ａ、、、Ｂ、、の１直は Ａ＝Ａｎａ 目　　　１　　　　に 八（μＡ、（ａ）ｙ−μ、、（ａ））／ａ　　ｆ５）Ｂ
−＝Ｂｎｂ ＝ｆ　Ｂ　（μＢ、ｌｂｌ　へ　μＢｌ　ｔｂＪ　）　
／　ｂ　　ｔｓプによシ求まる。

ファジー制御則評価装置７では次式で定式化する制御則
Ｒｉ：　「この時点で制御指令ｕｔｕ、　　とした場合
、評価指標ＡはＡ、（良い）であシ、評価指標ＢはＢ　
（非常に良い）であるならば、この制御則Ｒ１を採用し
制御指令としてｕｌ　を出力する。」を制御指令の出力
時刻毎に評価する。

この制御則Ｒ，は。

Ｒ，：　Ｉ（（ｕ、　−ｅＡ　ｉｎＡ、　ａｎｄ　Ｂ　
ｉｎ　Ｂ、）ｔｈｅｎ　ｕ　ｉｎ　ｕ　、　　　　　　
　　　　　　（６１で定式化することができ、この制御
則Ｒ１の前提部Ｐ、　　のメンバシップ関数をμ　、（
ｕ、：ａ、ｂ）とおくと、そのファジー集合は、 Ｐ　＋　”’　ｆＡＸＢ　ｔ’　ｐｌ　（ｕ　　：　ａ
　ｈ　ｂ　）　／　（ａ　、　ｂ　）＝　ｆ、、、　　
（μＡ、　ｆａｔ　＆　μ、、　（ｂ）　）　／（ａ、
ｂ）：ｕ＝ｕ、　　　　　　（７）”ｆＡＸＢ　　（（
Ａ’Ａｌｔａｌ”Ｊ’、１（ａ））　”　（μＢ１ｆｂ
ｌ”μ　ｌｂ＋）　）／（ａ　、　ｂ　）　　　＋８）
＝ｈ　　　ｘＢ、、　　　　　　　　　（９）■ （ここで、×は２つの７アジ一集合の直積を表わす。） によって求まり、この評価値（満足度）はＰ、のメンバ
シップ関数μ、ｌの高さｒｌ　、は。

によシ求まる。ファジー制御則がｎ個あるとすると、そ
れぞれの制御則について同様にして評価値ｒ、（ｉ＝１
．ｎ）が求まり、これにより最大評価（ｒ＝ｒ　　）の
制御則几、を 彦 によす求めることができ、制御則Ｒ１で仮定している制
御指令Ｕ　が最適な制御指令　ｕ（ｔ、）’−決定でき
る。

以下１本発明を具体的対象に適用した場合の効果につい
て述べる。

第２図は、適用対象であるサーボ系であり、時定数に相
当するパラメータａの値が、１．０から４．０に変化し
、それをゲイ／にの比例制御器で制御すことを考える。

第２図に示したような対象の１ＩＩＪ＠ｌを行なおうと
した場合その制御目的（評価基準）は、ステップ入力の
目標値に対する、（１）オーバ・シｘ−トｔ。

（２）立ち上がりｆ、　　＋３１整定誤差　などとなる
。

第２図の対象に対して、パラメータａの値が下限の１．
０の場合について、比例制御のゲインにの価値を０．Ｏ
ｌから０．３に変化させた場合の結果を第３図に、上限
４．０の場合の結果を第４図に示す。

従来の制御方式では、パラメータａの値によシ応答が大
幅に変化するこの対象に対し、第３図、第４図のような
応答図や、根軌跡などから、上記制御目的を４合的に満
足するＫの値を設計して行くことになる。（たとえば、
平井はか「システム制御工学」森北出版（１９８０）） 一方１本発明の実施例による制御装置によれば。

評価指標を本来の制御目的である。（１）オーバ・シュ
ート量（Ｙｍ）、　　＋２１立ち上がり量（Ｙｃ）。

（３）誤差（Ｙｅ）に基づき、「比例ゲインｋをｎとシ
タ時、オーバシュート量が１０％以下（ＭＡ）立ち上が
りが９５％以上（ＣＡ）、誤差が２チ以下（ｇＡ）であ
れば、比例ゲインｋをｎとする。」と言った経験萄によ
り制御を行なう。この経験則の意味を次のようなＦ　　
　集合によって明確化ｚｚｙ する。

〔評価指標の定義〕

ｆａｔ　　オーバシュート量が１０チ以下二ＭＡ現在か
ら最終時刻までのｙの予測値の最大値をＹ　とし、Ｙ　
が目標値１．０を１０チオーノくするｍ　　　　　　　
　　ｍ までを満足度１．０．２０％オーツ（を０．５とし、第
５図に示すＦ　　　集合で定義する。

ｚｚｙ （ｂｌ　　立ち上がυが９５チ以上：ＣＡ立ち上がり時
刻（例えば２．０秒）でのｙの予測値Ｙ　が、目標値１
．０の９５％から１００％の時満足度１，０．それから
５％違うと０．５とし、第６図に示すＦｕｌ、集合で定
義する０ （Ｃ１誤差が２％μ下−ＥＡ 整定時間（例えば、４．０秒）以後の誤差Ｙｅ　が目標
値の２％以内の時満足度り、０，５％以内の時０．５と
し、第７図に示すＦｕＴ、□、集合で定義する０ 〔評価指数の推定〕 制御目的の評価に用いる。Ｙｍ・Ｙｃ　・Ｙｅの値を推
定する必要がある０これらの値の推定方法としては、現
在および過去の状態の四、測値と。

選択しようとする比例制御ゲインにの値から、テーブル
を用いる方法、Ｆ　　　推論による方法なｚｚｙ ども可能であるが、ここでは、以下に示す簡単なサンプ
ル値制御系による推定例を示す。

Ｙｍ、Ｙｏ、Ｙｅの甑は、パラメータａの値を２．５と
した次のようなサンプル値制御系のモデルを用いて、現
在の観測値ｙ（ｔ）と一定時間（στ）〜 手前の観測値ｙ（ｔ−Δつから求めることができる。

ｕ　　（Ｔ−ΔＴ）＝（ｔ、ｏ−ｙ（Ｔ−Δ’ｒ）＊ｋ
　　（１３）ｙ（Ｔ）＝２５．０　＊Ｘ１（Ｔ）　　　
　　　　　（１４）〔Ｆ　　　制御則〕 ｚｚｙ 上記のように評価指標とその推定法を決めることにより
、先に述べた経験則は、 ｌ　ｆ　（Ｋｉｎｎ−＋Ｙ　　ｉｎ　ＭＡ　ａｎｄ　Ｙ
ｏｉｎ　ＣＡａｎｄ　Ｙｅｉｎ　ＥＡ）　ｔｈｅｎ　Ｋ
　ｉｎ　ｎと定式化できる。

〔制御結果〕

本発明の実施例による制御装置により、比例制御ゲイン
にの選択可能値ｎを０．０１．０．０２゜０．０５　、
０．１　、０．２　、０．３とした場合について。

ΔＴを１００ｍ５として起動し、パラメータａの値を１
．０から４．０とした結果を第８図に示す。また比較の
ため、比例制御ゲインｋを０．１と固定した制御結果を
第９図に示す。

〔結果の検討〕

第８図に示した本発明の実施例による結果では。

比例制御ゲインｋを０．１と固定した場合（第９図）と
比較して、最大オーパシーート量を３６チから１８％へ
、立ち上シ時（２秒後）における値を７３％から８７ｔ
ｓへ、！１．１時間（４秒後）以後の誤差を１３チから
２チへ、それぞれ改善させた側倒を行なうことができた
。なお、第９図の制御では、対象システムのパラメータ
ａの変化に伴ない応答波形が順序正しく得られているが
、本発明の実施例（第８図）では、必ずしもそうなって
はいない。これは、本発明の実施例では１時々刻々の状
態から将来の状態を予測し、制御目的である。

オーバシー−ト’１１０％以下、立ち上がり量９５チ以
上、整定時間以後の誤差２チ以下を評価しながら、随時
最適なｋの値を選択して行っているためである。

以上の実施例では１〜７及び９の装置を独立した装置と
して示したが、これらの一部又は全部をマイクロコンビ
ーータなどで実現しても良い。

また本実施例では、１次遅れをもつサーボ系（第２図）
を例にとり、その動作を説明したが。

他の遅れ系の場合にも同様に適用出来、さらに本発明は
、以下のような対象に対しても適用できる。

（１）列車自動運転方式 列車の現在の状態から、制御指令を変化させた場合の１
列車速度、停止位置１乗り心地、走行時分、消費電力量
、安全性、などを予測し、最適な制御指令を決定する。

（２）クレーン運転方式 クレーンの現在の状態から、制御指令を変化させた場合
の、荷の停止精度、振れ、速度などを予測し、最適な制
御指令を決定する。

（３）高炉の制御方式 高炉の現在の状態と、投入原料の状態（質、水°分等）
から、原料の投入憧や、燃料の量を変化させた場合の、
炉の状態を予測し、最適な制御量を決定する。

（４）　　エレベータ制御方式 複数のエレベータの運行を最適化するため、過去の運行
状況と現在の乗客数（重積）、呼階情報行先階情報、現
在時刻、各階での催し物哨報などをもとに、ある運行を
行なった場合の輸送量、平均待ち時間などを評価し、各
エレベータの２ケジー−リングを行なう。

（５）　　グランド制御方式 現在のプラントの状態量の観測値から、ある制御（加熱
など）を行なった場合の将来の状態を予測し、最適な制
御指令を決定する。また、将来の状態推定が正確に行な
えない時には、必要な情報をオペレータに要求してもよ
い。

（６）　　上下水処理方式 現在の水の状態及び、流入原水の量・濁度、上流地域の
降雨量、などから、操作量である薬剤の投入、かく拌な
どを行なった場合の水の質を予測し、最適な操作量を決
定する。

（７）　　ロボット制御方式 現在の各関節、指の状態から、ある制御を行なった場合
の状態を予測し、最適な制御指令を決定する。

（８）半導体製造方式 現在の口、トのシリコン・ウェアの状態、線巾マスク・
パターンの特徴などから、ある処理手順で半導体を製造
した場合の結果を予測し、最適なｒｌｌｉｌｌ−指令を
決定する。

（９）内燃機関駆動装置制御方式 現在及び過去のスピード、出力トルク、気温、冷却水（
エンジン）温夏、排気温度、排気中ＣＯ濃度、現在のサ
スペシ、ン状態などから、変速比を変更した場合、注入
燃料の量を変化させた場合などのスピード、燃費効率、
乗り心地などを予測し、最適な制御指令を決定する。

〔発明の効果〕

本発明によれば１人間が制御を行なっているときのよう
に、状況に応じて本来の制御目的の達成度を評価しなが
ら、その目的に適合した制御指令を決定するデジタル制
御方式が実現できる０また既述のように甑めて広い適用
分野において多次元のパラメータに対しても人間の制御
や熟練者の制御に相当する合目的制御を実現することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実現するデジタル制御装イの一実施例
を示すブロック図、第２図は本発明を適用した１次遅れ
サーボ系のプａ７り線図、第３図第４図は第２図の対象
の１次遅れのパラメータが１．０と４．０の場合につい
て比例制御を行なった結果の説明図、第５図はオーバシ
ーート拭を評価するＦｕｚｚ　　集合を示す説明図、第
６図は立ち上り量を評価するＦｕ□２ｙ集合を示す説明
図、第７．図は誤差を評価するＦｕＺＺ７集合を示す説
明図、第８図は本発明の実施例による第２図の対象の制
御結果を示す図、第９図は従来の比例制御方式による制
御結果を示す図である。 第　２図 第　３　図 ７ｍｅ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ある時刻における制御対象の状態量と与えられた条件か
   ら、予め設定されたアルゴリズムに従つて演算を行ない
   制御指令を決定し制御を行なうデジタル計算機制御装置
   において、該時刻および過去の制御対象に対する入力、
   状態量から、その時刻又は一定時間後の所定時刻に予め
   定めた幾つかの制御指令を出力した場合の、現在または
   未来の状態量を予測し、該予測値から制御目的をＦ＿ｕ
   ＿ｚ＿ｚ＿ｙ量として評価し、予め定めた制御則によっ
   て制御指令を決定することを特徴とするデジタル制御方
   式。