制御装置
【課題】制御対象モデルが非線形であったり、従来の制御モデルで表現できなかったりする場合においても、制御対象とそれを制御する制御器のフィードバック結合の応答特性を調整することができる制御装置を提供する。
【解決手段】制御装置100の中に制御対象モデルと制御演算を模擬する閉ループ応答模擬部20が設けられる。そして閉ループ応答模擬部20に、調整パラメータと制御性能評価を関連付けるマップを作成する機能をもたせる。こうすることで、制御対象50が非線形性を含む場合などで、従来の線形制御理論がそのまま適用できないケースであっても、適切に制御演算部10における調整パラメータを調整することができる。
【解決手段】制御装置100の中に制御対象モデルと制御演算を模擬する閉ループ応答模擬部20が設けられる。そして閉ループ応答模擬部20に、調整パラメータと制御性能評価を関連付けるマップを作成する機能をもたせる。こうすることで、制御対象50が非線形性を含む場合などで、従来の線形制御理論がそのまま適用できないケースであっても、適切に制御演算部10における調整パラメータを調整することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御対象モデルが非線形であったり、従来の制御モデルで表現できなかったりする場合においても、制御対象と制御器のフィードバック結合の応答特性を調整することができる制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
制御対象のモデルを用いて制御パラメータを設計する技術が知られている。例えば、周波数応答モデルに基づくループ整形や、伝達関数モデルや状態空間モデルに基づく最適制御、ロバスト制御などが挙げられる。
【０００３】
これらの技術は、対象モデルを数式上で表現し、制御対象と制御器とを結合した開ループ応答や閉ループ応答が、より望ましい特性となるような制御器を設計する技術である。
また、ＰＩＤ制御の比例ゲイン、微分ゲイン、積分ゲインの３つのパラメータを調整する方法として、Ziegler-Nicholsの限界感度法やステップ応答法、ＣＨＲ法などが知られている。これらの方法は閉ループのリミットサイクル応答や制御対象のステップ応答などからパラメータを調整する技術である。
【０００４】
また、特許文献１には、制御対象が無駄時間と一次遅れ関数で近似でき、かつ制御装置がＰＩＤ制御である場合において、ステップ状の外乱を加えた場合の波形を画面表示することで適切なＰＩＤパラメータを調整する技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、制御対象が一次遅れ関数で近似でき、かつ制御装置がＰＩＤ制御である場合において、閉ループ応答の特徴量からファジー推論を用いることで適切なＰＩＤパラメータを調整する技術が開示されている。
【０００６】
上記いずれの技術においても、制御対象が線形であり、周波数応答が一意に定まることを前提としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３１９２０号公報
【特許文献２】特開平２−３０８３０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
制御対象モデルが非線形であったり、従来の制御モデルで容易に表現できなかったりする場合、制御対象と制御器をフィードバック結合した際の閉ループの特性を解析することは困難であるという課題があった。
【０００９】
例えば、動作点によってゲインが変化する制御対象に対してPID制御を適用した場合、閉ループが安定となるPIDパラメータを求めることは従来のZiegler-Nicholsの限界感度法などのPIDパラメータ調整法では困難である。
【００１０】
そのため、ある動作点付近で制御対象が線形であることを仮定してPIDパラメータを求めることが行われているが、設定値などの動作点が変わると制御性能の低下が生じ、制御対象の操業に影響を与えてしまうことがある。
【００１１】
また、制御対象がスイッチのON／OFFなどの離散的な動作を含んでいる場合、伝達関数などの形式で表現することができず、伝達関数や状態空間モデルに基づいた設計法が適用困難である。
【００１２】
そこで本発明の目的は、制御対象モデルが非線形であったり、従来の制御モデルで表現できなかったりする場合においても、制御対象とそれを制御する制御器のフィードバック結合の応答特性を調整可能な制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決するために請求項１に係る発明は、
内部に調整パラメータを有する制御装置において、
前記制御装置は、制御演算部と、閉ループ応答模擬部と、性能評価部と、調整パラメータマップ作成部とを有し、
前記制御演算部は、
前記調整パラメータに基づき制御演算を行う機能を有し、
前記閉ループ応答模擬部は、
制御量目標値を生成する目標値生成手段と、
擬似外乱を生成する擬似外乱生成手段と、
制御対象の応答を模擬するモデル応答模擬手段と、
前記制御演算部の制御演算を模擬する制御演算模擬手段によって構成し、
前記調整パラメータを前記制御演算模擬手段に設定して、前記制御対象と前記制御演算部とが構成する閉ループの前記擬似外乱に対する応答信号を繰り返し演算により生成する機能を有し、
前記性能評価部は、
前記閉ループ応答模擬部により生成された応答信号から制御性能評価を計算する機能を有し、
前記調整パラメータマップ作成部は、
前記調整パラメータを順次変化させて前記制御性能評価を繰り返すことで、
調整パラメータ毎の前記制御性能評価を対応づける調整パラメータマップを作成し、
調整パラメータの推奨値を前記制御演算部に出力する機能を有する、
ことを特徴とする。
【００１４】
また請求項２に係る発明は、
請求項１記載の制御装置において、前記閉ループ応答模擬部は、
前記調整パラメータが設定された前記制御演算模擬手段の出力と前記擬似外乱生成手段が生成する擬似外乱との偏差を前記モデル応答模擬手段に入力し、
前記モデル応答模擬手段の出力と前記目標値生成手段が生成する制御量目標値とを前記制御演算模擬手段に入力することで、
前記制御対象と前記制御演算部とが構成する閉ループの前記擬似外乱に対する応答信号を繰り返し演算により生成する
ことを特徴とする。
【００１５】
また請求項３に係る発明は、
請求項１記載の制御装置において、前記制御性能評価として、
操作量および制御量の重み付き２ノルム評価を用いる
ことを特徴とする。
【００１６】
また請求項４に係る発明は、
請求項１記載の制御装置において、前記制御性能評価として、
初期時刻０から最終時刻Ｔまでの間において、
適当な時刻Ｔ０を設定し、
時刻０から時刻Ｔ０までの前記応答信号の絶対値の最大値の対数をＡ１、
時刻０から時刻Ｔまでの前記応答信号の絶対値の最大値の対数をＡ２、
として、
（Ａ２−Ａ１）／（Ｔ−Ｔ０）
で定義される値を用いることを特徴とする。
【００１７】
また請求項５に係る発明は、
請求項１から請求項４のいずれかに記載の制御装置において、
前記調整パラメータマップを、
テキストの表形式、または、
３次元の図形式、または、
２次元もしくは３次元の等高線形式、または、
２次元もしくは３次元の濃淡画像形式、
で出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、制御対象モデルが非線形であったり、従来の制御モデルで表現できなかったりする場合においても、制御対象と制御器のフィードバック結合の応答特性を調整することができ、かつ、外乱に対する閉ループ応答がわかるため、調整パラメータごとの制御性能評価を得ることができる。
【００１９】
また、制御性能評価と調整パラメータとの関係が調整パラメータマップにより分かるため、調整パラメータが適切となる範囲や最適値を明確化することができる。
例えば、調整パラメータによって閉ループの安定性が保たれるパラメータの範囲が分かるため、安定性に余裕をもたせたロバストな調整パラメータを選択することができる。
【００２０】
さらに、調整パラメータと制御性能評価との関係が視覚的に表示されることにより、制御装置を扱う現場のオペレータの作業を支援することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る制御装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１に示した擬似外乱生成手段で生成される外乱の詳細例を示す図である。
【図３】図１に示した閉ループ応答模擬部が有する機能およびその機能により実行される動作内容を示す図である。
【図４】図１に示した調整パラメータマップ作成部が有する機能およびその機能により実行される動作内容を示す図である。
【図５】図１に示した性能評価部における具体的な性能評価値の計算方法を説明する図である。
【図６】図１に示した性能評価部における具体的な性能評価値の図５に示すものとは異なる計算方法を説明する図である。
【図７】図６に示した性能評価部における性能評価値の算出方法の説明を補足する図である。
【図８】図１に示したモデル応答模擬手段におけるモデル応答の模擬内容を説明する図である。
【図９】図１に示した制御演算模擬手段における制御演算の内容を説明する図である。
【図１０】図１に示した閉ループ応答模擬部における、モデル応答模擬手段，制御演算模擬手段の具体的な模擬演算の内容、および、調整パラメータとパラメータの範囲を示す図である。
【図１１】図５に示した性能評価部で用いる評価式Ｊ１と計算条件の具体例を示す図である。
【図１２】図１に示した疑似外乱生成手段で生成した外乱ｄと目標値生成手段で生成した制御量目標値ｒの値を示すグラフである。
【図１３】パラメータα，βを（α、β＝（７、０．２５）に固定した場合の閉ループ応答模擬部によって計算された閉ループ応答と評価式Ｊ１の値を説明する図（その１）である。
【図１４】パラメータα，βを（α、β＝（７、０．２５）に固定した場合の閉ループ応答模擬部によって計算された閉ループ応答と評価式Ｊ１の値を説明する図（その２）である。
【図１５】図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成したテキスト形式の調整パラメータマップを示す表（マトリクス）である。
【図１６】図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成した３次元形式の調整パラメータマップを示すグラフである。
【図１７】図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成した等高線形式の調整パラメータマップを示すグラフである。
【図１８】図１に示した閉ループ応答模擬部における、モデル応答模擬手段，制御演算模擬手段の図１０とは異なる具体的な模擬演算の内容、および、調整パラメータとパラメータの範囲を示す図である。
【図１９】図６に示した性能評価部で用いる評価式Ｊ３と計算条件の具体例を示す図である。
【図２０】図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成した図１５に示すものとは異なるテキスト形式の調整パラメータマップを示す表（マトリクス）である。
【図２１】図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成した図１６に示すものとは異なる３次元形式の調整パラメータマップを示すグラフである。
【図２２】図１９に示した評価式で求めた評価値Ｊ３が０である、（Ｐ、ＴＩ）＝（４、０．０２５）のときの応答を示すグラフである。
【図２３】図１９に示した評価式で求めた評価値Ｊ３が正の値である、（Ｐ、ＴＩ）＝（２、０．０１５）のときの応答を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る制御装置の全体構成を示す図である。
図１に示すように本発明の実施形態に係る制御装置は、制御演算部10と閉ループ応答模擬部20と性能評価部30と調整パラメータマップ作成部40とを有する。制御演算部10は制御対象50から制御量110を観測し、外部から入力された制御量目標値120と、内部に保持する調整パラメータ(図示せず)を用いて制御演算を行い、操作量140を出力する。制御演算部10が内部に保持する調整パラメータは、調整パラメータマップ作成部40が記憶する推奨値が設定される。
【００２３】
閉ループ応答模擬部20は、目標値生成手段21と擬似外乱生成手段22とモデル応答模擬手段23と制御演算模擬手段24を有する。制御演算模擬手段24は、制御演算部10を模擬したものであり、調整パラメータマップ作成部40が記憶する値が調整パラメータとして設定される。閉ループ応答模擬部20によって、制御対象50と制御演算部10の閉ループ動作を模擬する。閉ループ応答模擬部20による閉ループ動作模擬の際には、制御量目標値ｒを目標値生成手段21で発生し、制御対象50に加わる外乱130を想定した擬似外乱ｄを擬似外乱生成手段22で発生し、擬似外乱ｄから操作量ｕを減じた値を操作入力量ｈとし、モデル応答模擬手段23で操作入力量ｈに基づく制御量ｙを計算し、制御演算模擬手段24で制御量目標値ｒと制御量ｙに基づく操作量ｕを計算するという演算ループを繰り返し実行する。
【００２４】
図２は、図１に示した擬似外乱生成手段で生成される外乱の詳細例を示す図である。擬似外乱生成手段22によって生成される擬似外乱は、インパルス外乱（図上段）、ステップ外乱（図中段）、高周波外乱（図下段）などとして用いることができる。また、予め制御対象50の振動モードが既知である場合、対応する振動モードの周波数信号（正弦波など）を外乱として用いても構わない。
【００２５】
図３は、図１に示した閉ループ応答模擬部が有する機能およびその機能により実行される動作内容を示す図である。
図３において閉ループ応答模擬部20は、まず、制御量目標値ｒおよび擬似外乱ｄを生成する(ステップS31〜S32)。次に閉ループ応答模擬部20は、時刻、操作量ｕ、制御量ｙ、制御量目標値ｒ、操作入力量ｈ、モデル応答模擬手段23の状態変数、制御演算模擬手段24の各初期値を設定する(ステップS33)。ここでモデル応答模擬手段23の状態変数の初期値は０ベクトルに設定しておいて構わない。また制御量ｙの初期値は制御量目標値ｒに設定しておいて構わない。さらに操作量ｕの初期値は制御対象50の定常となる値に設定しておいて構わない。定常となる値は制御量ｙが一定とした場合の制御演算部10の操作量を用いることができる。そして操作入力量ｈの初期値は操作量ｕに−１を乗じた値に設定しておいて構わない。制御演算模擬手段24が保持する調整パラメータの初期値は、調整パラメータマップ作成部40が記憶する値が設定される。
【００２６】
次に閉ループ応答模擬部20は、操作入力量ｈの計算(ステップS34)、モデル応答の計算(ステップS35)、制御演算の計算(ステップS36)、時刻の更新(ステップS37)、終了条件の判定(ステップS38)という一連の動作を終了条件が満たされるまで繰り返す。これについては後で詳しく説明する。
【００２７】
上記において終了条件は、時刻が予め決めておいた期間に達したかどうかや操作量ｕ、制御量ｙ、操作入力量ｈの大きさが閾値を越えたかどうかによって判定できる。
図１に示した調整パラメータマップ作成部40では、調整パラメータθを変化させた場合の性能評価値Ｊを対応づけるマップを作成するため、閉ループ応答模擬部20の制御演算模擬手段24の調整パラメータθを変化させて性能評価値Ｊを得る処理を繰り返す。これについても後で詳しく説明する。
【００２８】
図４は、図１に示した調整パラメータマップ作成部が有する機能およびその機能により実行される動作内容を示す図である。
図４において調整パラメータマップ作成部40は、まず、調整パラメータθの初期値を制御演算模擬手段24に設定する(ステップS41)。次に調整パラメータマップ作成部40は、調整パラメータの設定(ステップS42)、閉ループ応答模擬(ステップS43)、性能評価(ステップS44)、終了条件の判定(ステップS45)という一連の動作を終了条件が満たされるまで繰り返す。
【００２９】
上記において終了条件は、時刻が予め決めておいた期間に達したかどうかや調整パラメータθが予め決めておいた探索範囲に達したかどうかによって判定できる。
調整パラメータマップ作成部40では、終了条件が満たされたら調整パラメータマップを作成し(ステップS46)、作成された調整パラメータマップに基づき、性能評価値Ｊが最適となるような調整パラメータを推奨パラメータθ＊として出力する。
【００３０】
推奨パラメータθ＊は図１に示される制御演算部10に入力され、制御演算部10の演算に用いる。
以上における閉ループ応答模擬部20の閉ループ動作模擬の結果、得られた閉ループの操作量ｕおよび操作入力量ｈおよび制御量ｙの信号系列は、性能評価部30に入力され、性能評価部30では、入力信号系列に基づいた性能評価値Ｊを計算する。これについては後で詳しく説明する。
【００３１】
図５は、図１に示した性能評価部における具体的な性能評価値の計算方法を説明する図である。
図５に示されるように性能を評価する評価式として、
制御量と制御量目標値との偏差および操作量の重み付き２次積分形式の評価式（評価式１）（以下に示す式１参照。式中のＱ・Ｗは重み）と、
【００３２】
【数１】
制御量と制御量目標値との偏差および操作変化量の重み付き２次積分形式の評価式（評価式２）（以下に示す式２参照。式中のＱ・Ｒは重み）と、
【００３３】
【数２】
を用いる。なお操作変化量は操作量の１時刻毎の変化量に基づき算出する。
【００３４】
上述した評価式１及び２に基づいて性能評価部30は性能評価値を算出する。
図６は、図１に示した性能評価部における具体的な性能評価値の図５に示すものとは異なる計算方法を説明する図である。
【００３５】
図６に示されるように性能を評価する評価式として、
時刻０から時刻Ｔ０までを第１の評価区間とし、
時刻０から最終時刻Ｔを第２の評価区間とし、
操作入力量ｈのノルムの
第１の評価区間での最大値の対数と
第２の評価区間での最大値の対数との差を
Ｔ−Ｔ０で割った第１の値と、
操作量ｕのノルムの
第１の評価区間での最大値の対数と
第２の評価区間での最大値の対数との差を
Ｔ−Ｔ０で割った第２の値と、
制御量ｙのノルムの
第１の評価区間での最大値の対数と
第２の評価区間での最大値の対数との差を
Ｔ−Ｔ０で割った第３の値と、
の３つの値のうちの最大値を性能評価値とする評価式３（以下に示す式３参照）を用いるものである。
【００３６】
【数３】
図７は、図６に示した性能評価部における性能評価値の算出方法の説明を補足する図である。
【００３７】
図７に示されるように操作入力量系列が時刻０から時刻Ｔまである場合、第１の評価区間[０、Ｔ０]での操作入力量のノルムの最大値がｌａで与えられ、第２の評価区間[０、Ｔ]での操作入力量のノルムの最大値がｌｂで与えられるものとする。このとき、前記第１の値は、（ｌｎ（ｌｂ）−ｌｎ（ｌａ））／（Ｔ−Ｔ０）で求められる。
【００３８】
図８は、図１に示したモデル応答模擬手段におけるモデル応答の模擬内容を説明する図である。
図８に示されるようにモデル応答模擬手段23は、操作入力量ｈを入力として、以下の式４に基づいて制御量ｙを出力する。
【００３９】
【数４】
すなわち、まず、出力モデル関数Ｈと１時刻前の状態変数ｘｐと操作入力量ｈに基づき制御量を計算する。
【００４０】
次に、状態更新モデル関数Ｇと１時刻前の状態変数ｘｐと操作入力量ｈに基づき、状態変数を更新する。
図９は、図１に示した制御演算模擬手段における制御演算の内容を説明する図である。
【００４１】
図９に示されるように制御演算模擬手段24は、制御量ｙと制御量目標値ｒと調整パラメータθを入力として以下の式５に基づいて操作量ｕを出力する。
【００４２】
【数５】
すなわち、まず、制御量ｙと制御量目標値ｒとの差を制御偏差ｅとして計算する。
【００４３】
次に、出力制御関数Ｒと１時刻前の状態変数ｘｃと制御偏差ｅに基づき操作量ｕを計算する。
次に、状態更新制御関数Ｑと１時刻前の状態変数ｘｃと制御偏差ｅに基づき、状態変数を更新する。出力制御関数Ｒと状態更新制御関数Ｑは調整パラメータθに依存する汎関数である。
【実施例１】
【００４４】
本発明に係る第１の実施例を、図１０ないし図１７を用いて説明する。
図１０は、図１に示した閉ループ応答模擬部における、モデル応答模擬手段，制御演算模擬手段の具体的な模擬演算の内容、および、調整パラメータとパラメータの範囲を示す図である。
【００４５】
モデル応答模擬手段23におけるモデル応答は、以下の式６に示すように１次の状態変数ｘ(t)を有するが、操作入力量ｈが正の場合と負の場合でゲインが異なっている。
【００４６】
【数６】
また、制御演算模擬手段24における制御演算は、以下の式７に示すように＋α、０、−αの３レベルの出力であり、かつ±βの不感帯を有している。
【００４７】
【数７】
また、上述したαおよびβは制御演算の調整パラメータθのパラメータで且つαおよびβは以下の式８に示すように、それぞれ図１０の右下に示す範囲に設定されている。
【００４８】
【数８】
この場合、図１に示す制御演算部10は従来の制御理論で扱われる形式に帰着されず、かつ、制御対象モデルが非線形特性を持つため、従来法によるパラメータ調整が適用できないものであっても本発明の第１の実施例に示す手法を適用することができる。
【００４９】
図１１は、図５に示した性能評価部で用いる評価式Ｊ１と計算条件の具体例を示す図である。図１１において評価式Ｊ１は以下の式９で表される。
【００５０】
【数９】
すなわち、上記式９で表される評価式Ｊ１は、
制御量ｙと制御量目標値ｒとの制御偏差ｅの２乗に重み３０をかけた値と、
操作量ｕの２乗
との和を
時間区間Ｔ０〜Ｔに渡って積分した値
によって表現されたものを用いている。この場合、計算条件としては、時間刻みdtは10[ms]で、最大時刻Ｔは2000[ms]である。
【００５１】
図１２は、図１に示した疑似外乱生成手段で生成した外乱ｄと目標値生成手段で生成した制御量目標値ｒの値を示すグラフである。
制御対象が非線形である場合は、図１に示した閉ループ応答模擬部20の目標値生成手段21は複数の段階の目標値を生成することが好適である。
【００５２】
図１３は、パラメータα，βを（α、β＝（７、０．２５）に固定した場合の閉ループ応答模擬部によって計算された閉ループ応答と評価式Ｊ１の値を説明する図（その１）である。図１４は、パラメータα，βを（α、β＝（７、０．２５）に固定した場合の閉ループ応答模擬部によって計算された閉ループ応答と評価式Ｊ１の値を説明する図（その２）である。
【００５３】
図１２ないし図１４を概観すれば、外乱ｄおよび制御量目標値ｒの変更に対して、操作量ｕが変化し、結果として制御量ｙが制御量目標値ｒに漸近していく様子が分かる。しかし、不感帯の影響により、制御偏差ｅは０に収束はしない。
【００５４】
図１５は、図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成したテキスト形式の調整パラメータマップを示す表（マトリクス）である。
図１５に示されているように、パラメータαおよびβを調整範囲の中で変化させた場合の図１１に示した評価式Ｊ１の値を表（マトリクス）の形で示している。
【００５５】
ここで推奨調整パラメータは、図１１の表中で最も評価値が良いパラメータとすることができる。
図１３に示しているように、（α、β）＝（７、０．２５）はＪ１＝８０．４９であり、図１５の表（マトリクス）中で最小であるため、推奨パラメータθ＊とすることができる。
【００５６】
図１６は、図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成した３次元形式の調整パラメータマップを示すグラフである。
図１６に示されているように、パラメータαおよびβを調整範囲の中で変化させた場合の図１１に示した評価式Ｊ１の値を３次元図の形で示したものである。
【００５７】
図１７は、図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成した等高線形式の調整パラメータマップを示すグラフである。
図１７に示されているように、パラメータαおよびβを調整範囲の中で変化させた場合の図１１に示した評価式Ｊ１の値を等高線図の形で示したものである。
【実施例２】
【００５８】
本発明に係る第２の実施例を、図１８ないし図２３を用いて説明する。
図１８は、図１に示した閉ループ応答模擬部における、モデル応答模擬手段，制御演算模擬手段の図１０とは異なる具体的な模擬演算の内容、および、調整パラメータとパラメータの範囲を示す図である。
【００５９】
モデル応答模擬手段23におけるモデル応答は、以下の式１０に示すように１次の状態変数ｘ(t)を有するが、操作入力量ｈが正の場合と負の場合でゲインが異なっている。
【００６０】
【数１０】
また、制御演算模擬手段24における制御演算は、以下の式１１に示すように比例帯をＰ、積分時間をＴＩとするＰＩ制御である。
【００６１】
【数１１】
また、上述したＰおよびＴＩは制御演算の調整パラメータθのパラメータで且つＰおよびＴＩは以下の式１２に示すように、それぞれ図１８の右下に示す範囲に設定されている。
【００６２】
【数１２】
図１９は、図６に示した性能評価部で用いる評価式Ｊ３と計算条件の具体例を示す図である。図１９において評価式Ｊ３は以下の式１３で表される。
【００６３】
【数１３】
すなわち、上記式１３で表される評価式Ｊ３は、制御量ｙに関して図６に示した評価値Ｊ３を求めるためのものである。
【００６４】
この場合、計算条件としては、時間刻みdtは10[ms]で、適当な時刻Ｔ０はＴの半分の値である1000[ms]とした。
図２０は、図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成した図１５に示すものとは異なるテキスト形式の調整パラメータマップを示す表（マトリクス）である。
【００６５】
図２０に示されているように、パラメータＰおよびＴＩを調整範囲の中で変化させた場合の図１９に示した評価式Ｊ３の値を表（マトリクス）の形で示したものである。
図２１は、図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成した図１６に示すものとは異なる３次元形式の調整パラメータマップを示すグラフである。
【００６６】
図２１に示されているように、パラメータＰおよびＴＩを調整範囲の中で変化させた場合の図１９に示した評価式Ｊ３の値を３次元図の形で示したものである。
上述した図２０および図２１に示されるように、
評価値Ｊ３は，
ＰおよびＴＩが十分大きい範囲では０であり、
ＰおよびＴＩが十分小さい範囲では正の値をとる。
【００６７】
これは
ＰおよびＴＩが十分大きい範囲では閉ループが安定であり、
ＰおよびＴＩが十分小さい範囲では閉ループが不安定である、
ことを示している。
【００６８】
図２２は、図１９に示した評価式で求めた評価値Ｊ３が０である、（Ｐ、ＴＩ）＝（４、０．０２５）のときの応答を示すグラフである。図２３は、図１９に示した評価式で求めた評価値Ｊ３が正の値である、（Ｐ、ＴＩ）＝（２、０．０１５）のときの応答を示すグラフである。
【００６９】
図２２では、操作入力量ｈおよび制御量ｙが０に収束しており安定であるのに対し、図２３では、操作入力量ｈおよび制御量ｙが発散しており不安定である。
したがって、図１９に示した評価式で求めた求められた評価値Ｊ３が
０である場合には安定、
正である場合には不安定として、
パラメータＰおよびＴＩが安定となる領域を判定することができる。
【００７０】
したがって、推奨パラメータは、図２０で示した表（マトリクス）のうち、評価値Ｊ３が０であり、かつ評価値Ｊ３が正である不安定領域から十分な距離を保った領域の中から選択することができる。
【００７１】
例えば、評価値Ｊ３が０であり、かつ評価値Ｊ３が正である不安定領域から十分な距離を保った領域として
４≦Ｐ≦１０、０．０２５≦ＴＩ≦０．０５
が推奨パラメータを選定する領域の候補となることを示すものである。
【００７２】
以上について付言すれば、制御器の調整パラメータは可能な限り少なくしておく方がよい。できれば２個までにしておくことで、３次元図等に図示することができ、視覚的にどの点が最適であるかを把握しやすい。
【００７３】
また制御対象モデルと制御演算部に共に直達項がある場合、代数ループが発生するが、閉ループに微小な無駄時間を挿入し、閉ループ応答模擬部の時刻更新幅を十分微小にしておくことで近似的に回避することができる。
【００７４】
また上述した適当な時刻Ｔ０として、最終時刻Ｔの１／３〜２／３の範囲の値を用いるとよい。
また、閉ループ応答模擬部の応答模擬の時間Ｔは、プラントモデルの時定数に対して倍以上の十分長い値としておくことが望ましい。
【符号の説明】
【００７５】
１０ 制御演算部
２０ 閉ループ応答模擬部
２１ 目標値生成手段
２２ 擬似外乱生成手段
２３ モデル応答模擬手段
２４ 制御演算模擬手段
３０ 性能評価部
４０ 調整パラメータマップ作成部
５０ 制御対象
１００ 制御装置
１１０ 制御量
１２０ 制御量目標値
１３０ 外乱
１４０ 操作量
ｄ 擬似外乱
ｅ 制御偏差
ｈ 操作入力量
Ｊ 性能評価値
ｒ 制御量目標値
ｕ 操作量
ｙ 制御量
θ 調整パラメータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御対象モデルが非線形であったり、従来の制御モデルで表現できなかったりする場合においても、制御対象と制御器のフィードバック結合の応答特性を調整することができる制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
制御対象のモデルを用いて制御パラメータを設計する技術が知られている。例えば、周波数応答モデルに基づくループ整形や、伝達関数モデルや状態空間モデルに基づく最適制御、ロバスト制御などが挙げられる。
【０００３】
これらの技術は、対象モデルを数式上で表現し、制御対象と制御器とを結合した開ループ応答や閉ループ応答が、より望ましい特性となるような制御器を設計する技術である。
また、ＰＩＤ制御の比例ゲイン、微分ゲイン、積分ゲインの３つのパラメータを調整する方法として、Ziegler-Nicholsの限界感度法やステップ応答法、ＣＨＲ法などが知られている。これらの方法は閉ループのリミットサイクル応答や制御対象のステップ応答などからパラメータを調整する技術である。
【０００４】
また、特許文献１には、制御対象が無駄時間と一次遅れ関数で近似でき、かつ制御装置がＰＩＤ制御である場合において、ステップ状の外乱を加えた場合の波形を画面表示することで適切なＰＩＤパラメータを調整する技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、制御対象が一次遅れ関数で近似でき、かつ制御装置がＰＩＤ制御である場合において、閉ループ応答の特徴量からファジー推論を用いることで適切なＰＩＤパラメータを調整する技術が開示されている。
【０００６】
上記いずれの技術においても、制御対象が線形であり、周波数応答が一意に定まることを前提としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３１９２０号公報
【特許文献２】特開平２−３０８３０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
制御対象モデルが非線形であったり、従来の制御モデルで容易に表現できなかったりする場合、制御対象と制御器をフィードバック結合した際の閉ループの特性を解析することは困難であるという課題があった。
【０００９】
例えば、動作点によってゲインが変化する制御対象に対してPID制御を適用した場合、閉ループが安定となるPIDパラメータを求めることは従来のZiegler-Nicholsの限界感度法などのPIDパラメータ調整法では困難である。
【００１０】
そのため、ある動作点付近で制御対象が線形であることを仮定してPIDパラメータを求めることが行われているが、設定値などの動作点が変わると制御性能の低下が生じ、制御対象の操業に影響を与えてしまうことがある。
【００１１】
また、制御対象がスイッチのON／OFFなどの離散的な動作を含んでいる場合、伝達関数などの形式で表現することができず、伝達関数や状態空間モデルに基づいた設計法が適用困難である。
【００１２】
そこで本発明の目的は、制御対象モデルが非線形であったり、従来の制御モデルで表現できなかったりする場合においても、制御対象とそれを制御する制御器のフィードバック結合の応答特性を調整可能な制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決するために請求項１に係る発明は、
内部に調整パラメータを有する制御装置において、
前記制御装置は、制御演算部と、閉ループ応答模擬部と、性能評価部と、調整パラメータマップ作成部とを有し、
前記制御演算部は、
前記調整パラメータに基づき制御演算を行う機能を有し、
前記閉ループ応答模擬部は、
制御量目標値を生成する目標値生成手段と、
擬似外乱を生成する擬似外乱生成手段と、
制御対象の応答を模擬するモデル応答模擬手段と、
前記制御演算部の制御演算を模擬する制御演算模擬手段によって構成し、
前記調整パラメータを前記制御演算模擬手段に設定して、前記制御対象と前記制御演算部とが構成する閉ループの前記擬似外乱に対する応答信号を繰り返し演算により生成する機能を有し、
前記性能評価部は、
前記閉ループ応答模擬部により生成された応答信号から制御性能評価を計算する機能を有し、
前記調整パラメータマップ作成部は、
前記調整パラメータを順次変化させて前記制御性能評価を繰り返すことで、
調整パラメータ毎の前記制御性能評価を対応づける調整パラメータマップを作成し、
調整パラメータの推奨値を前記制御演算部に出力する機能を有する、
ことを特徴とする。
【００１４】
また請求項２に係る発明は、
請求項１記載の制御装置において、前記閉ループ応答模擬部は、
前記調整パラメータが設定された前記制御演算模擬手段の出力と前記擬似外乱生成手段が生成する擬似外乱との偏差を前記モデル応答模擬手段に入力し、
前記モデル応答模擬手段の出力と前記目標値生成手段が生成する制御量目標値とを前記制御演算模擬手段に入力することで、
前記制御対象と前記制御演算部とが構成する閉ループの前記擬似外乱に対する応答信号を繰り返し演算により生成する
ことを特徴とする。
【００１５】
また請求項３に係る発明は、
請求項１記載の制御装置において、前記制御性能評価として、
操作量および制御量の重み付き２ノルム評価を用いる
ことを特徴とする。
【００１６】
また請求項４に係る発明は、
請求項１記載の制御装置において、前記制御性能評価として、
初期時刻０から最終時刻Ｔまでの間において、
適当な時刻Ｔ０を設定し、
時刻０から時刻Ｔ０までの前記応答信号の絶対値の最大値の対数をＡ１、
時刻０から時刻Ｔまでの前記応答信号の絶対値の最大値の対数をＡ２、
として、
（Ａ２−Ａ１）／（Ｔ−Ｔ０）
で定義される値を用いることを特徴とする。
【００１７】
また請求項５に係る発明は、
請求項１から請求項４のいずれかに記載の制御装置において、
前記調整パラメータマップを、
テキストの表形式、または、
３次元の図形式、または、
２次元もしくは３次元の等高線形式、または、
２次元もしくは３次元の濃淡画像形式、
で出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、制御対象モデルが非線形であったり、従来の制御モデルで表現できなかったりする場合においても、制御対象と制御器のフィードバック結合の応答特性を調整することができ、かつ、外乱に対する閉ループ応答がわかるため、調整パラメータごとの制御性能評価を得ることができる。
【００１９】
また、制御性能評価と調整パラメータとの関係が調整パラメータマップにより分かるため、調整パラメータが適切となる範囲や最適値を明確化することができる。
例えば、調整パラメータによって閉ループの安定性が保たれるパラメータの範囲が分かるため、安定性に余裕をもたせたロバストな調整パラメータを選択することができる。
【００２０】
さらに、調整パラメータと制御性能評価との関係が視覚的に表示されることにより、制御装置を扱う現場のオペレータの作業を支援することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る制御装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１に示した擬似外乱生成手段で生成される外乱の詳細例を示す図である。
【図３】図１に示した閉ループ応答模擬部が有する機能およびその機能により実行される動作内容を示す図である。
【図４】図１に示した調整パラメータマップ作成部が有する機能およびその機能により実行される動作内容を示す図である。
【図５】図１に示した性能評価部における具体的な性能評価値の計算方法を説明する図である。
【図６】図１に示した性能評価部における具体的な性能評価値の図５に示すものとは異なる計算方法を説明する図である。
【図７】図６に示した性能評価部における性能評価値の算出方法の説明を補足する図である。
【図８】図１に示したモデル応答模擬手段におけるモデル応答の模擬内容を説明する図である。
【図９】図１に示した制御演算模擬手段における制御演算の内容を説明する図である。
【図１０】図１に示した閉ループ応答模擬部における、モデル応答模擬手段，制御演算模擬手段の具体的な模擬演算の内容、および、調整パラメータとパラメータの範囲を示す図である。
【図１１】図５に示した性能評価部で用いる評価式Ｊ１と計算条件の具体例を示す図である。
【図１２】図１に示した疑似外乱生成手段で生成した外乱ｄと目標値生成手段で生成した制御量目標値ｒの値を示すグラフである。
【図１３】パラメータα，βを（α、β＝（７、０．２５）に固定した場合の閉ループ応答模擬部によって計算された閉ループ応答と評価式Ｊ１の値を説明する図（その１）である。
【図１４】パラメータα，βを（α、β＝（７、０．２５）に固定した場合の閉ループ応答模擬部によって計算された閉ループ応答と評価式Ｊ１の値を説明する図（その２）である。
【図１５】図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成したテキスト形式の調整パラメータマップを示す表（マトリクス）である。
【図１６】図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成した３次元形式の調整パラメータマップを示すグラフである。
【図１７】図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成した等高線形式の調整パラメータマップを示すグラフである。
【図１８】図１に示した閉ループ応答模擬部における、モデル応答模擬手段，制御演算模擬手段の図１０とは異なる具体的な模擬演算の内容、および、調整パラメータとパラメータの範囲を示す図である。
【図１９】図６に示した性能評価部で用いる評価式Ｊ３と計算条件の具体例を示す図である。
【図２０】図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成した図１５に示すものとは異なるテキスト形式の調整パラメータマップを示す表（マトリクス）である。
【図２１】図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成した図１６に示すものとは異なる３次元形式の調整パラメータマップを示すグラフである。
【図２２】図１９に示した評価式で求めた評価値Ｊ３が０である、（Ｐ、ＴＩ）＝（４、０．０２５）のときの応答を示すグラフである。
【図２３】図１９に示した評価式で求めた評価値Ｊ３が正の値である、（Ｐ、ＴＩ）＝（２、０．０１５）のときの応答を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る制御装置の全体構成を示す図である。
図１に示すように本発明の実施形態に係る制御装置は、制御演算部10と閉ループ応答模擬部20と性能評価部30と調整パラメータマップ作成部40とを有する。制御演算部10は制御対象50から制御量110を観測し、外部から入力された制御量目標値120と、内部に保持する調整パラメータ(図示せず)を用いて制御演算を行い、操作量140を出力する。制御演算部10が内部に保持する調整パラメータは、調整パラメータマップ作成部40が記憶する推奨値が設定される。
【００２３】
閉ループ応答模擬部20は、目標値生成手段21と擬似外乱生成手段22とモデル応答模擬手段23と制御演算模擬手段24を有する。制御演算模擬手段24は、制御演算部10を模擬したものであり、調整パラメータマップ作成部40が記憶する値が調整パラメータとして設定される。閉ループ応答模擬部20によって、制御対象50と制御演算部10の閉ループ動作を模擬する。閉ループ応答模擬部20による閉ループ動作模擬の際には、制御量目標値ｒを目標値生成手段21で発生し、制御対象50に加わる外乱130を想定した擬似外乱ｄを擬似外乱生成手段22で発生し、擬似外乱ｄから操作量ｕを減じた値を操作入力量ｈとし、モデル応答模擬手段23で操作入力量ｈに基づく制御量ｙを計算し、制御演算模擬手段24で制御量目標値ｒと制御量ｙに基づく操作量ｕを計算するという演算ループを繰り返し実行する。
【００２４】
図２は、図１に示した擬似外乱生成手段で生成される外乱の詳細例を示す図である。擬似外乱生成手段22によって生成される擬似外乱は、インパルス外乱（図上段）、ステップ外乱（図中段）、高周波外乱（図下段）などとして用いることができる。また、予め制御対象50の振動モードが既知である場合、対応する振動モードの周波数信号（正弦波など）を外乱として用いても構わない。
【００２５】
図３は、図１に示した閉ループ応答模擬部が有する機能およびその機能により実行される動作内容を示す図である。
図３において閉ループ応答模擬部20は、まず、制御量目標値ｒおよび擬似外乱ｄを生成する(ステップS31〜S32)。次に閉ループ応答模擬部20は、時刻、操作量ｕ、制御量ｙ、制御量目標値ｒ、操作入力量ｈ、モデル応答模擬手段23の状態変数、制御演算模擬手段24の各初期値を設定する(ステップS33)。ここでモデル応答模擬手段23の状態変数の初期値は０ベクトルに設定しておいて構わない。また制御量ｙの初期値は制御量目標値ｒに設定しておいて構わない。さらに操作量ｕの初期値は制御対象50の定常となる値に設定しておいて構わない。定常となる値は制御量ｙが一定とした場合の制御演算部10の操作量を用いることができる。そして操作入力量ｈの初期値は操作量ｕに−１を乗じた値に設定しておいて構わない。制御演算模擬手段24が保持する調整パラメータの初期値は、調整パラメータマップ作成部40が記憶する値が設定される。
【００２６】
次に閉ループ応答模擬部20は、操作入力量ｈの計算(ステップS34)、モデル応答の計算(ステップS35)、制御演算の計算(ステップS36)、時刻の更新(ステップS37)、終了条件の判定(ステップS38)という一連の動作を終了条件が満たされるまで繰り返す。これについては後で詳しく説明する。
【００２７】
上記において終了条件は、時刻が予め決めておいた期間に達したかどうかや操作量ｕ、制御量ｙ、操作入力量ｈの大きさが閾値を越えたかどうかによって判定できる。
図１に示した調整パラメータマップ作成部40では、調整パラメータθを変化させた場合の性能評価値Ｊを対応づけるマップを作成するため、閉ループ応答模擬部20の制御演算模擬手段24の調整パラメータθを変化させて性能評価値Ｊを得る処理を繰り返す。これについても後で詳しく説明する。
【００２８】
図４は、図１に示した調整パラメータマップ作成部が有する機能およびその機能により実行される動作内容を示す図である。
図４において調整パラメータマップ作成部40は、まず、調整パラメータθの初期値を制御演算模擬手段24に設定する(ステップS41)。次に調整パラメータマップ作成部40は、調整パラメータの設定(ステップS42)、閉ループ応答模擬(ステップS43)、性能評価(ステップS44)、終了条件の判定(ステップS45)という一連の動作を終了条件が満たされるまで繰り返す。
【００２９】
上記において終了条件は、時刻が予め決めておいた期間に達したかどうかや調整パラメータθが予め決めておいた探索範囲に達したかどうかによって判定できる。
調整パラメータマップ作成部40では、終了条件が満たされたら調整パラメータマップを作成し(ステップS46)、作成された調整パラメータマップに基づき、性能評価値Ｊが最適となるような調整パラメータを推奨パラメータθ＊として出力する。
【００３０】
推奨パラメータθ＊は図１に示される制御演算部10に入力され、制御演算部10の演算に用いる。
以上における閉ループ応答模擬部20の閉ループ動作模擬の結果、得られた閉ループの操作量ｕおよび操作入力量ｈおよび制御量ｙの信号系列は、性能評価部30に入力され、性能評価部30では、入力信号系列に基づいた性能評価値Ｊを計算する。これについては後で詳しく説明する。
【００３１】
図５は、図１に示した性能評価部における具体的な性能評価値の計算方法を説明する図である。
図５に示されるように性能を評価する評価式として、
制御量と制御量目標値との偏差および操作量の重み付き２次積分形式の評価式（評価式１）（以下に示す式１参照。式中のＱ・Ｗは重み）と、
【００３２】
【数１】
制御量と制御量目標値との偏差および操作変化量の重み付き２次積分形式の評価式（評価式２）（以下に示す式２参照。式中のＱ・Ｒは重み）と、
【００３３】
【数２】
を用いる。なお操作変化量は操作量の１時刻毎の変化量に基づき算出する。
【００３４】
上述した評価式１及び２に基づいて性能評価部30は性能評価値を算出する。
図６は、図１に示した性能評価部における具体的な性能評価値の図５に示すものとは異なる計算方法を説明する図である。
【００３５】
図６に示されるように性能を評価する評価式として、
時刻０から時刻Ｔ０までを第１の評価区間とし、
時刻０から最終時刻Ｔを第２の評価区間とし、
操作入力量ｈのノルムの
第１の評価区間での最大値の対数と
第２の評価区間での最大値の対数との差を
Ｔ−Ｔ０で割った第１の値と、
操作量ｕのノルムの
第１の評価区間での最大値の対数と
第２の評価区間での最大値の対数との差を
Ｔ−Ｔ０で割った第２の値と、
制御量ｙのノルムの
第１の評価区間での最大値の対数と
第２の評価区間での最大値の対数との差を
Ｔ−Ｔ０で割った第３の値と、
の３つの値のうちの最大値を性能評価値とする評価式３（以下に示す式３参照）を用いるものである。
【００３６】
【数３】
図７は、図６に示した性能評価部における性能評価値の算出方法の説明を補足する図である。
【００３７】
図７に示されるように操作入力量系列が時刻０から時刻Ｔまである場合、第１の評価区間[０、Ｔ０]での操作入力量のノルムの最大値がｌａで与えられ、第２の評価区間[０、Ｔ]での操作入力量のノルムの最大値がｌｂで与えられるものとする。このとき、前記第１の値は、（ｌｎ（ｌｂ）−ｌｎ（ｌａ））／（Ｔ−Ｔ０）で求められる。
【００３８】
図８は、図１に示したモデル応答模擬手段におけるモデル応答の模擬内容を説明する図である。
図８に示されるようにモデル応答模擬手段23は、操作入力量ｈを入力として、以下の式４に基づいて制御量ｙを出力する。
【００３９】
【数４】
すなわち、まず、出力モデル関数Ｈと１時刻前の状態変数ｘｐと操作入力量ｈに基づき制御量を計算する。
【００４０】
次に、状態更新モデル関数Ｇと１時刻前の状態変数ｘｐと操作入力量ｈに基づき、状態変数を更新する。
図９は、図１に示した制御演算模擬手段における制御演算の内容を説明する図である。
【００４１】
図９に示されるように制御演算模擬手段24は、制御量ｙと制御量目標値ｒと調整パラメータθを入力として以下の式５に基づいて操作量ｕを出力する。
【００４２】
【数５】
すなわち、まず、制御量ｙと制御量目標値ｒとの差を制御偏差ｅとして計算する。
【００４３】
次に、出力制御関数Ｒと１時刻前の状態変数ｘｃと制御偏差ｅに基づき操作量ｕを計算する。
次に、状態更新制御関数Ｑと１時刻前の状態変数ｘｃと制御偏差ｅに基づき、状態変数を更新する。出力制御関数Ｒと状態更新制御関数Ｑは調整パラメータθに依存する汎関数である。
【実施例１】
【００４４】
本発明に係る第１の実施例を、図１０ないし図１７を用いて説明する。
図１０は、図１に示した閉ループ応答模擬部における、モデル応答模擬手段，制御演算模擬手段の具体的な模擬演算の内容、および、調整パラメータとパラメータの範囲を示す図である。
【００４５】
モデル応答模擬手段23におけるモデル応答は、以下の式６に示すように１次の状態変数ｘ(t)を有するが、操作入力量ｈが正の場合と負の場合でゲインが異なっている。
【００４６】
【数６】
また、制御演算模擬手段24における制御演算は、以下の式７に示すように＋α、０、−αの３レベルの出力であり、かつ±βの不感帯を有している。
【００４７】
【数７】
また、上述したαおよびβは制御演算の調整パラメータθのパラメータで且つαおよびβは以下の式８に示すように、それぞれ図１０の右下に示す範囲に設定されている。
【００４８】
【数８】
この場合、図１に示す制御演算部10は従来の制御理論で扱われる形式に帰着されず、かつ、制御対象モデルが非線形特性を持つため、従来法によるパラメータ調整が適用できないものであっても本発明の第１の実施例に示す手法を適用することができる。
【００４９】
図１１は、図５に示した性能評価部で用いる評価式Ｊ１と計算条件の具体例を示す図である。図１１において評価式Ｊ１は以下の式９で表される。
【００５０】
【数９】
すなわち、上記式９で表される評価式Ｊ１は、
制御量ｙと制御量目標値ｒとの制御偏差ｅの２乗に重み３０をかけた値と、
操作量ｕの２乗
との和を
時間区間Ｔ０〜Ｔに渡って積分した値
によって表現されたものを用いている。この場合、計算条件としては、時間刻みdtは10[ms]で、最大時刻Ｔは2000[ms]である。
【００５１】
図１２は、図１に示した疑似外乱生成手段で生成した外乱ｄと目標値生成手段で生成した制御量目標値ｒの値を示すグラフである。
制御対象が非線形である場合は、図１に示した閉ループ応答模擬部20の目標値生成手段21は複数の段階の目標値を生成することが好適である。
【００５２】
図１３は、パラメータα，βを（α、β＝（７、０．２５）に固定した場合の閉ループ応答模擬部によって計算された閉ループ応答と評価式Ｊ１の値を説明する図（その１）である。図１４は、パラメータα，βを（α、β＝（７、０．２５）に固定した場合の閉ループ応答模擬部によって計算された閉ループ応答と評価式Ｊ１の値を説明する図（その２）である。
【００５３】
図１２ないし図１４を概観すれば、外乱ｄおよび制御量目標値ｒの変更に対して、操作量ｕが変化し、結果として制御量ｙが制御量目標値ｒに漸近していく様子が分かる。しかし、不感帯の影響により、制御偏差ｅは０に収束はしない。
【００５４】
図１５は、図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成したテキスト形式の調整パラメータマップを示す表（マトリクス）である。
図１５に示されているように、パラメータαおよびβを調整範囲の中で変化させた場合の図１１に示した評価式Ｊ１の値を表（マトリクス）の形で示している。
【００５５】
ここで推奨調整パラメータは、図１１の表中で最も評価値が良いパラメータとすることができる。
図１３に示しているように、（α、β）＝（７、０．２５）はＪ１＝８０．４９であり、図１５の表（マトリクス）中で最小であるため、推奨パラメータθ＊とすることができる。
【００５６】
図１６は、図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成した３次元形式の調整パラメータマップを示すグラフである。
図１６に示されているように、パラメータαおよびβを調整範囲の中で変化させた場合の図１１に示した評価式Ｊ１の値を３次元図の形で示したものである。
【００５７】
図１７は、図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成した等高線形式の調整パラメータマップを示すグラフである。
図１７に示されているように、パラメータαおよびβを調整範囲の中で変化させた場合の図１１に示した評価式Ｊ１の値を等高線図の形で示したものである。
【実施例２】
【００５８】
本発明に係る第２の実施例を、図１８ないし図２３を用いて説明する。
図１８は、図１に示した閉ループ応答模擬部における、モデル応答模擬手段，制御演算模擬手段の図１０とは異なる具体的な模擬演算の内容、および、調整パラメータとパラメータの範囲を示す図である。
【００５９】
モデル応答模擬手段23におけるモデル応答は、以下の式１０に示すように１次の状態変数ｘ(t)を有するが、操作入力量ｈが正の場合と負の場合でゲインが異なっている。
【００６０】
【数１０】
また、制御演算模擬手段24における制御演算は、以下の式１１に示すように比例帯をＰ、積分時間をＴＩとするＰＩ制御である。
【００６１】
【数１１】
また、上述したＰおよびＴＩは制御演算の調整パラメータθのパラメータで且つＰおよびＴＩは以下の式１２に示すように、それぞれ図１８の右下に示す範囲に設定されている。
【００６２】
【数１２】
図１９は、図６に示した性能評価部で用いる評価式Ｊ３と計算条件の具体例を示す図である。図１９において評価式Ｊ３は以下の式１３で表される。
【００６３】
【数１３】
すなわち、上記式１３で表される評価式Ｊ３は、制御量ｙに関して図６に示した評価値Ｊ３を求めるためのものである。
【００６４】
この場合、計算条件としては、時間刻みdtは10[ms]で、適当な時刻Ｔ０はＴの半分の値である1000[ms]とした。
図２０は、図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成した図１５に示すものとは異なるテキスト形式の調整パラメータマップを示す表（マトリクス）である。
【００６５】
図２０に示されているように、パラメータＰおよびＴＩを調整範囲の中で変化させた場合の図１９に示した評価式Ｊ３の値を表（マトリクス）の形で示したものである。
図２１は、図１に示した調整パラメータマップ作成部で作成した図１６に示すものとは異なる３次元形式の調整パラメータマップを示すグラフである。
【００６６】
図２１に示されているように、パラメータＰおよびＴＩを調整範囲の中で変化させた場合の図１９に示した評価式Ｊ３の値を３次元図の形で示したものである。
上述した図２０および図２１に示されるように、
評価値Ｊ３は，
ＰおよびＴＩが十分大きい範囲では０であり、
ＰおよびＴＩが十分小さい範囲では正の値をとる。
【００６７】
これは
ＰおよびＴＩが十分大きい範囲では閉ループが安定であり、
ＰおよびＴＩが十分小さい範囲では閉ループが不安定である、
ことを示している。
【００６８】
図２２は、図１９に示した評価式で求めた評価値Ｊ３が０である、（Ｐ、ＴＩ）＝（４、０．０２５）のときの応答を示すグラフである。図２３は、図１９に示した評価式で求めた評価値Ｊ３が正の値である、（Ｐ、ＴＩ）＝（２、０．０１５）のときの応答を示すグラフである。
【００６９】
図２２では、操作入力量ｈおよび制御量ｙが０に収束しており安定であるのに対し、図２３では、操作入力量ｈおよび制御量ｙが発散しており不安定である。
したがって、図１９に示した評価式で求めた求められた評価値Ｊ３が
０である場合には安定、
正である場合には不安定として、
パラメータＰおよびＴＩが安定となる領域を判定することができる。
【００７０】
したがって、推奨パラメータは、図２０で示した表（マトリクス）のうち、評価値Ｊ３が０であり、かつ評価値Ｊ３が正である不安定領域から十分な距離を保った領域の中から選択することができる。
【００７１】
例えば、評価値Ｊ３が０であり、かつ評価値Ｊ３が正である不安定領域から十分な距離を保った領域として
４≦Ｐ≦１０、０．０２５≦ＴＩ≦０．０５
が推奨パラメータを選定する領域の候補となることを示すものである。
【００７２】
以上について付言すれば、制御器の調整パラメータは可能な限り少なくしておく方がよい。できれば２個までにしておくことで、３次元図等に図示することができ、視覚的にどの点が最適であるかを把握しやすい。
【００７３】
また制御対象モデルと制御演算部に共に直達項がある場合、代数ループが発生するが、閉ループに微小な無駄時間を挿入し、閉ループ応答模擬部の時刻更新幅を十分微小にしておくことで近似的に回避することができる。
【００７４】
また上述した適当な時刻Ｔ０として、最終時刻Ｔの１／３〜２／３の範囲の値を用いるとよい。
また、閉ループ応答模擬部の応答模擬の時間Ｔは、プラントモデルの時定数に対して倍以上の十分長い値としておくことが望ましい。
【符号の説明】
【００７５】
１０ 制御演算部
２０ 閉ループ応答模擬部
２１ 目標値生成手段
２２ 擬似外乱生成手段
２３ モデル応答模擬手段
２４ 制御演算模擬手段
３０ 性能評価部
４０ 調整パラメータマップ作成部
５０ 制御対象
１００ 制御装置
１１０ 制御量
１２０ 制御量目標値
１３０ 外乱
１４０ 操作量
ｄ 擬似外乱
ｅ 制御偏差
ｈ 操作入力量
Ｊ 性能評価値
ｒ 制御量目標値
ｕ 操作量
ｙ 制御量
θ 調整パラメータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に調整パラメータを有する制御装置において、
前記制御装置は、制御演算部と、閉ループ応答模擬部と、性能評価部と、調整パラメータマップ作成部とを有し、
前記制御演算部は、
前記調整パラメータに基づき制御演算を行う機能を有し、
前記閉ループ応答模擬部は、
制御量目標値を生成する目標値生成手段と、
擬似外乱を生成する擬似外乱生成手段と、
制御対象の応答を模擬するモデル応答模擬手段と、
前記制御演算部の制御演算を模擬する制御演算模擬手段によって構成し、
前記調整パラメータを前記制御演算模擬手段に設定して、前記制御対象と前記制御演算部とが構成する閉ループの前記擬似外乱に対する応答信号を繰り返し演算により生成する機能を有し、
前記性能評価部は、
前記閉ループ応答模擬部により生成された応答信号から制御性能評価を計算する機能を有し、
前記調整パラメータマップ作成部は、
前記調整パラメータを順次変化させて前記制御性能評価を繰り返すことで、
調整パラメータ毎の前記制御性能評価を対応づける調整パラメータマップを作成し、
調整パラメータの推奨値を前記制御演算部に出力する機能を有する、
ことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の制御装置において、前記閉ループ応答模擬部は、
前記調整パラメータが設定された前記制御演算模擬手段の出力と前記擬似外乱生成手段が生成する擬似外乱との偏差を前記モデル応答模擬手段に入力し、
前記モデル応答模擬手段の出力と前記目標値生成手段が生成する制御量目標値とを前記制御演算模擬手段に入力することで、
前記制御対象と前記制御演算部とが構成する閉ループの前記擬似外乱に対する応答信号を繰り返し演算により生成する
ことを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項１記載の制御装置において、前記制御性能評価として、
操作量および制御量の重み付き２ノルム評価を用いる、
ことを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項１記載の制御装置において、前記制御性能評価として、
初期時刻０から最終時刻Ｔまでの間において、
適当な時刻Ｔ０を設定し、
時刻０から時刻Ｔ０までの前記応答信号の絶対値の最大値の対数をＡ１、
時刻０から時刻Ｔまでの前記応答信号の絶対値の最大値の対数をＡ２、
として、
（Ａ２−Ａ１）／（Ｔ−Ｔ０）
で定義される値を用いることを特徴とする制御装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の制御装置において、
前記調整パラメータマップを、
テキストの表形式、または、
３次元の図形式、または、
２次元もしくは３次元の等高線形式、または、
２次元もしくは３次元の濃淡画像形式、
で出力することを特徴とする制御装置。
【請求項１】
内部に調整パラメータを有する制御装置において、
前記制御装置は、制御演算部と、閉ループ応答模擬部と、性能評価部と、調整パラメータマップ作成部とを有し、
前記制御演算部は、
前記調整パラメータに基づき制御演算を行う機能を有し、
前記閉ループ応答模擬部は、
制御量目標値を生成する目標値生成手段と、
擬似外乱を生成する擬似外乱生成手段と、
制御対象の応答を模擬するモデル応答模擬手段と、
前記制御演算部の制御演算を模擬する制御演算模擬手段によって構成し、
前記調整パラメータを前記制御演算模擬手段に設定して、前記制御対象と前記制御演算部とが構成する閉ループの前記擬似外乱に対する応答信号を繰り返し演算により生成する機能を有し、
前記性能評価部は、
前記閉ループ応答模擬部により生成された応答信号から制御性能評価を計算する機能を有し、
前記調整パラメータマップ作成部は、
前記調整パラメータを順次変化させて前記制御性能評価を繰り返すことで、
調整パラメータ毎の前記制御性能評価を対応づける調整パラメータマップを作成し、
調整パラメータの推奨値を前記制御演算部に出力する機能を有する、
ことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の制御装置において、前記閉ループ応答模擬部は、
前記調整パラメータが設定された前記制御演算模擬手段の出力と前記擬似外乱生成手段が生成する擬似外乱との偏差を前記モデル応答模擬手段に入力し、
前記モデル応答模擬手段の出力と前記目標値生成手段が生成する制御量目標値とを前記制御演算模擬手段に入力することで、
前記制御対象と前記制御演算部とが構成する閉ループの前記擬似外乱に対する応答信号を繰り返し演算により生成する
ことを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項１記載の制御装置において、前記制御性能評価として、
操作量および制御量の重み付き２ノルム評価を用いる、
ことを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項１記載の制御装置において、前記制御性能評価として、
初期時刻０から最終時刻Ｔまでの間において、
適当な時刻Ｔ０を設定し、
時刻０から時刻Ｔ０までの前記応答信号の絶対値の最大値の対数をＡ１、
時刻０から時刻Ｔまでの前記応答信号の絶対値の最大値の対数をＡ２、
として、
（Ａ２−Ａ１）／（Ｔ−Ｔ０）
で定義される値を用いることを特徴とする制御装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の制御装置において、
前記調整パラメータマップを、
テキストの表形式、または、
３次元の図形式、または、
２次元もしくは３次元の等高線形式、または、
２次元もしくは３次元の濃淡画像形式、
で出力することを特徴とする制御装置。
【図１】
【図３】
【図４】
【図８】
【図１０】
【図１５】
【図１７】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１８】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図３】
【図４】
【図８】
【図１０】
【図１５】
【図１７】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１８】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１２−１７３８８９（Ｐ２０１２−１７３８８９Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３３９０６（Ｐ２０１１−３３９０６）
【出願日】平成２３年２月１８日（２０１１．２．１８）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１８日（２０１１．２．１８）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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