JP7521712B1 - Control device, control method, and program - Google Patents
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Abstract
【課題】既存の制御器を有効活用しつつ、未知の外乱が存在する場合であっても制御対象の制御量を目標値に追従させること。【解決手段】一態様による制御装置は、制御対象の制御量に対する第1の目標値を出力する上位制御装置と、与えられた第2の目標値に従って前記制御対象を制御する下位制御装置との間に配置される制御装置であって、前記制御量と前記第2の目標値とに基づいて、前記下位制御装置と前記制御対象とで構成される閉ループ制御の応答をモデル化した閉ループ応答モデルのパラメータを推定するモデルパラメータ推定部と、前記第1の目標値と前記第2の目標値と前記パラメータとに基づいて、前記制御量が前記第1の制御量に漸近するように前記第1の目標値を変換した第3の目標値を算出する目標値変換部と、前記第1の目標値又は前記第3の目標値のいずれかを次の前記第2の目標値として前記下位制御装置に出力する切替部と、を有する。【選択図】図2[Problem] To make a controlled variable of a controlled object follow a target value even in the presence of an unknown disturbance while effectively utilizing an existing controller. [Solution] A control device according to one aspect is disposed between a higher-level control device that outputs a first target value for a controlled variable of a controlled object and a lower-level control device that controls the controlled object according to a given second target value, and includes a model parameter estimation unit that estimates parameters of a closed-loop response model that models a response of a closed-loop control formed by the lower-level control device and the controlled object based on the controlled variable and the second target value, a target value conversion unit that calculates a third target value by converting the first target value so that the controlled variable asymptotically approaches the first controlled variable based on the first target value, the second target value, and the parameters, and a switching unit that outputs either the first target value or the third target value to the lower-level control device as the next second target value. [Selected Figure] Figure 2
Description
本開示は、制御装置、制御方法、及びプログラムに関する。 This disclosure relates to a control device, a control method, and a program.
制御対象の制御量を目標値に追従させることを目的とする制御方式として、PID(Proportional Integral Differential)制御やモデル予測制御等の様々な制御方式が知られている。また、これらの制御方式に関連する技術として、リファレンスガバナと呼ばれる技術が知られている(非特許文献1)。リファレンスガバナとは、制御系の操作量や状態変数が所定の拘束条件を満たすように目標値を事前に整形する技術のことである。 Various control methods, such as PID (Proportional Integral Differential) control and model predictive control, are known as control methods aimed at making the controlled variable of a controlled object follow a target value. In addition, a technology called a reference governor is known as a technology related to these control methods (Non-Patent Document 1). A reference governor is a technology that shapes a target value in advance so that the manipulated variable or state variable of a control system satisfies a specified constraint condition.
PID制御等を利用した既存の制御器で制御対象を制御している場合、未知の外乱によって制御量が目標値から逸脱することがある。これに対して、モデル予測制御等を利用した高度な制御器を導入することも考えられるが、その導入には多くのコストを要する。このため、既存の制御器を有効活用しつつ、未知の外乱が存在する場合であっても制御量を目標値に追従させることが可能な技術が求められている。 When controlling a control target using an existing controller that uses PID control, etc., unknown disturbances can cause the controlled variable to deviate from the target value. To address this issue, it is possible to introduce advanced controllers that use model predictive control, etc., but this would be very costly. For this reason, there is a demand for technology that can effectively utilize existing controllers while allowing the controlled variable to track the target value even when unknown disturbances are present.
本開示は、上記の点に鑑みてなされたもので、既存の制御器を有効活用しつつ、未知の外乱が存在する場合であっても制御対象の制御量を目標値に追従させることができる技術を提供することを目的とする。 This disclosure has been made in consideration of the above points, and aims to provide a technology that can make effective use of existing controllers and enable the control amount of a controlled object to track a target value even when an unknown disturbance is present.
本開示の一態様による制御装置は、制御対象の制御量に対する第1の目標値を出力する上位制御装置と、与えられた第2の目標値に従って前記制御対象を制御する下位制御装置との間に配置される制御装置であって、前記制御量と前記第2の目標値とに基づいて、前記下位制御装置と前記制御対象とで構成される閉ループ制御の応答をモデル化した閉ループ応答モデルのパラメータを推定するモデルパラメータ推定部と、前記第1の目標値と前記第2の目標値と前記パラメータとに基づいて、前記制御量が前記第1の目標値に漸近するように前記第1の目標値を変換した第3の目標値を算出する目標値変換部と、前記第1の目標値又は前記第3の目標値のいずれかを次の前記第2の目標値として前記下位制御装置に出力する切替部と、を有する。 A control device according to one aspect of the present disclosure is a control device disposed between a higher-level control device that outputs a first target value for a control amount of a controlled object and a lower-level control device that controls the controlled object according to a given second target value, and includes a model parameter estimation unit that estimates parameters of a closed-loop response model that models the response of a closed-loop control consisting of the lower-level control device and the controlled object based on the control amount and the second target value, a target value conversion unit that calculates a third target value by converting the first target value so that the controlled amount approaches the first target value based on the first target value, the second target value, and the parameters, and a switching unit that outputs either the first target value or the third target value to the lower-level control device as the next second target value.
既存の制御器を有効活用しつつ、未知の外乱が存在する場合であっても制御対象の制御量を目標値に追従させることができる。 While effectively utilizing existing controllers, it is possible to make the controlled variable of the controlled object track the target value even when unknown disturbances are present.
以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、既存の制御器を有効活用しつつ、未知の外乱が存在する場合であっても制御対象の制御量を目標値に追従させることができる制御装置10について説明する。ここで、以下では、既存の制御器として所定の制御方式(例:PID制御等)により制御対象を制御する制御装置を想定し、「下位制御装置20」と呼ぶことにする。また、以下では、制御対象としてプラントを想定し、「制御対象プラント30」と呼ぶことにする。ただし、制御対象はプラントに限られるものではなく、任意の機器、装置、設備等を制御対象とすることが可能である。
Each embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. A
下位制御装置20は、制御対象プラント30の制御量yが、与えられた目標値rに追従するように、その制御対象プラント30に対する操作量uを算出及び出力する。これにより、この操作量uに従って制御対象プラント30が制御され、新たな制御量yが得られる。このような制御は「閉ループ制御」又は単に「閉ループ」等と呼ばれる。ただし、一般に、プラント制御では、環境の変化、装置や機器、設備等の変化、原料の変化等といった要因により外乱vが生じ、その外乱vの影響により制御量yが目標値rから逸脱することがある。言い換えれば、制御対象プラント30の制御量yは操作量uだけでなく、未知の外乱vの影響も受けるため、制御量yが目標値rから逸脱することがある。
The lower-
なお、外乱vは、計測器等により計測可能な場合もあれば計測不可能な場合もある。また、外乱vを計測できたとしても、例えば、1日に1回~数回程度しか計測できないような場合もある。このため、例えば、下位制御装置20のパラメータを調整(例:PID制御のパラメータを調整)することにより未知の外乱vの影響を抑制することは困難な場合が多い。すなわち、例えば、下位制御装置20のパラメータを調整することにより未知の外乱vの影響を抑制する場合、一度のパラメータ調整で外乱vの影響を抑制できる保証はなく、パラメータの再調整が何度も発生する可能性がある。一方で、例えば、下位制御装置20の代わりに、モデル予測制御等を利用した高度な制御器を導入することにより外乱vの影響を抑制する場合、プロセスモデルの同定、制御器や現場配線の改造、調整試験等が必要となり、多くのコストを要する。また、例えば、未知の外乱vを計測するために新たなセンサ等を設置したり、計測頻度を増加させたりする場合にも追加のコストを要する。
Note that the disturbance v may or may not be measurable by a measuring instrument. Even if the disturbance v can be measured, it may be possible to measure it only once or several times a day. For this reason, it is often difficult to suppress the influence of the unknown disturbance v by adjusting the parameters of the lower-level control device 20 (e.g., adjusting the parameters of the PID control). That is, for example, when suppressing the influence of the unknown disturbance v by adjusting the parameters of the lower-
そこで、以下の各実施形態に係る制御装置10では、制御対象プラント30の制御量yを用いて、与えられた目標値(以下、この目標値を「当初目標値r0」と呼ぶ。)を変換し、この変換後の目標値又は当初目標値r0のいずれかを下位制御装置20に出力する。これにより、例えば、下位制御装置20のパラメータを調整することなく、未知の外乱vの影響を抑制することが可能となる。なお、以下では、当初目標値r0を変換した目標値を「変換目標値rm」と呼び、下位制御装置20に出力される目標値を「適用目標値r1」と呼ぶ。
Therefore, in the
[第一の実施形態]
以下、第一の実施形態について説明する。
[First embodiment]
The first embodiment will be described below.
<第一の実施形態に係る制御装置10のハードウェア構成例>
第一の実施形態に係る制御装置10のハードウェア構成例について、図1を参照しながら説明する。図1は、第一の実施形態に係る制御装置10のハードウェア構成の一例を示す図である。
<Hardware configuration example of the
An example of a hardware configuration of the
図1に示すように、第一の実施形態に係る制御装置10は、入力装置101と、表示装置102と、外部I/F103と、通信I/F104と、プロセッサ105と、メモリ装置106とを有する。これらの各ハードウェアは、それぞれがバス107を介して通信可能に接続される。
As shown in FIG. 1, the
入力装置101は、例えば、タッチパネルや各種物理ボタン等である。表示装置102は、例えば、表示パネル等である。なお、制御装置10は、例えば、入力装置101及び表示装置102のうちの少なくとも一方を有していなくてもよい。
The
外部I/F103は、記録媒体103a等の外部装置とのインタフェースである。記録媒体103aとしては、例えば、SDメモリカード(Secure Digital memory card)やUSB(Universal Serial Bus)メモリカード等が挙げられる。
The external I/
通信I/F104は、制御装置10を通信ネットワークに接続するためのインタフェースである。プロセッサ105は、例えば、CPU(Central Processing Unit)やMPU(Micro Processing Unit)等の各種演算装置である。メモリ装置106は、例えば、SSD(Solid State Drive)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ等の各種記憶装置である。
The communication I/
なお、図1に示すハードウェア構成は一例であって、制御装置10は、他のハードウェア構成を有していてもよい。例えば、制御装置10は、図示したハードウェア以外にも種々のハードウェアを有していてもよい。
Note that the hardware configuration shown in FIG. 1 is an example, and the
<第一の実施形態に係る制御装置10の機能構成例>
第一の実施形態に係る制御装置10の機能構成例について、図2を参照しながら説明する。図2は、第一の実施形態に係る制御装置10の機能構成の一例を示す図である。
<Functional configuration example of the
An example of a functional configuration of the
図2に示すように、第一の実施形態に係る制御装置10は、目標値変換部111と、モデルパラメータ推定部112と、切替器113と、タイマ114とを有する。これらの各構成要素は、例えば、制御装置10にインストールされた1以上のプログラムが、プロセッサ105等に実行させる処理、又は、専用のハードウェア等により実現される。ここで、第一の実施形態に係る制御装置10には、上位の制御装置(例:プロセスコンピュータやオペレータ端末等)から当初目標値r0が与えられる。
2, the
以下、連続時間を取る時刻をtとして、当初目標値r0の時刻tを明示する場合はr0(t)と表すことにする。その他の変数についても同様に、時刻tを明示する場合はその変数の後に「(t)」を表記するものとする。なお、当初目標値r0(t)は一定であってもよいし、一定でなくてもよい。 Hereinafter, the time of continuous time is t, and the time t of the initial target value r0 is expressed as r0 (t). Similarly, for other variables, when the time t is to be specified, "(t)" is written after the variable. Note that the initial target value r0 (t) may or may not be constant.
タイマ114は、主制御周期Tc毎に、目標値変換部111及びモデルパラメータ推定部112の動作トリガーとして動作する。主制御周期Tcとは、制御装置10が適用目標値r1を下位制御装置20に出力する周期のことである。なお、主制御周期Tcの値は予め設定される。
The
目標値変換部111は、主制御周期Tc毎に、現在時刻tにおける当初目標値r0(t)と、現在時刻tにおける制御量y(t)と、目標可変幅wと、モデルパラメータ推定値θest(t)と、現在時刻tにおける適用目標値r1(t)とを入力として、現在時刻tにおける変換目標値rm(t)を出力する。変換目標値rmとは、後述する目標偏差e0が0に近付く(漸近する)ように、当初目標値r0を変換した目標値のことである。また、モデルパラメータ推定値θestとは、モデルパラメータ推定部112によって推定されたプラント応答関数{Sθ(t)}のモデルパラメータθの推定値のことである。プラント応答関数{Sθ(t)}とは、下位制御装置20と制御対象プラント30とで構成される閉ループ制御の応答をモデル化した閉ループ応答モデルを表す関数のことである。
The target
なお、プラント応答関数{Sθ(t)}には、モデルパラメータθが含まれる。以下、プラント応答関数{Sθ(t)}のことを「閉ループ応答関数{Sθ(t)}」と呼ぶ。また、閉ループ応答関数{Sθ(t)}に設定されるモデルパラメータθのことを「モデルパラメータ設定値θ」とも呼ぶ。 The plant response function {S θ (t)} includes a model parameter θ. Hereinafter, the plant response function {S θ (t)} is referred to as a "closed-loop response function {S θ (t)}." In addition, the model parameter θ set in the closed-loop response function {S θ (t)} is also referred to as a "model parameter setting value θ."
モデルパラメータ推定部112は、主制御周期Tc毎に、現在時刻tにおける制御量y(t)と、現在時刻tにおける適用目標値r1(t)とを入力として、モデルパラメータ推定値θest(t)を出力する。なお、モデルパラメータθの初期値は、零ベクトルであってもよいし、単位ステップ応答を表す値としてもよいし、その他の任意の初期値であってもよい。
The model
切替器113は、現在時刻tにおける当初目標値r0(t)又は現在時刻tにおける変換目標値rm(t)のいずれかを次の時刻t+Tcにおける適用目標値r1(t+Tc)として下位制御装置20に出力する。なお、当初目標値r0又は変換目標値rmのいずれを適用目標値r1として出力するかは様々に決定することができるが、例えば、ユーザの指示に応じて当初目標値r0又は変換目標値rmのいずれかを適用目標値r1として出力してもよいし、目標偏差e0が一定以上である場合は変換目標値rm、そうでない場合は当初目標値r0を適用目標値r1として出力してもよい。その他、例えば、或る時間帯では変換目標値rm、その他の時間帯では当初目標値r0を適用目標値r1として出力するようにしてもよいし、何等かの条件を満たす場合は変換目標値rm、そうでない場合は当初目標値r0を適用目標値r1として出力するようにしてもよい。
The
以上のように、第一の実施形態に係る制御装置10は、主制御周期Tc毎に、制御対象プラント30の制御量yを取得した上で、モデルパラメータ推定値θestを算出すると共に、与えられた当初目標値r0を変換目標値rmに変換し、当初目標値r0又は変換目標値rmを次の時刻における適用目標値r1として下位制御装置20に出力する。言い換えれば、第一の実施形態に係る制御装置10は、主制御周期Tc毎に、モデルパラメータ推定値θestを逐次的に算出すると共に、適用目標値r1を逐次的に下位制御装置20に出力する。その後、下位制御装置20では、制御対象プラント30の制御量yが適用目標値r1に追従するように、制御対象プラント30に対する操作量uが算出及び出力される。これにより、未知の外乱vが存在する場合であっても、その外乱vの影響を抑制し、制御量yが目標値rから逸脱してしまう事態を防止することができる。しかも、既存の制御器である下位制御装置20には変更を加える必要がないため、例えば、モデル予測制御等を利用した高度な制御器に入れ替える場合と比較して、低コストかつ安全に、外乱vの影響を抑制することが可能となる。
As described above, the
≪第一の実施形態に係る目標値変換部111の詳細な機能構成例≫
第一の実施形態に係る目標値変換部111の詳細な機能構成例について、図3を参照しながら説明する。図3は、第一の実施形態に係る目標値変換部111の詳細な機能構成の一例を示す図である。
<<Example of detailed functional configuration of target
A detailed functional configuration example of the target
図3に示すように、第一の実施形態に係る目標値変換部111には、差分器121と、制御パラメータ計算部122と、時間差分器123と、目標偏差予測部124と、目標変化量計算部125と、加算器126と、変換目標値制約部127とが含まれる。
As shown in FIG. 3, the target
差分器121は、当初目標値r0(t)と制御量y(t)との差を目標偏差e0(t)として算出する。すなわち、差分器121は、e0(t)=r0(t)-y(t)により目標偏差e0(t)を算出する。
The
制御パラメータ計算部122は、θ=θest(t)とした閉ループ応答関数{Sθ(t)}に基づいて、制御ゲインkI及び先読み長Tpを制御パラメータとして算出する。なお、制御パラメータ計算部122は、例えば、参考文献1に記載されている手法により制御ゲインkI及び先読み長Tpを算出すればよい。
The control
具体的には、制御パラメータ計算部122は、例えば、以下により先読み長Tpを算出すればよい。
Specifically, the control
Find Tp,where Sθ(Tp)=β×Sθ(Tmax)
ここで、βは予め設定された調整係数であり、0<β≦1であることが好ましい。Tmaxは十分長い値として予め設定された最終時刻である。
Find T p , where S θ (T p )=β×S θ (T max )
Here, β is a preset adjustment coefficient, and it is preferable that 0<β≦1. T max is a final time that is preset as a sufficiently long value.
また、制御パラメータ計算部122は、例えば、kI=α×1/(gP+ε)により制御ゲインkIを算出すればよい。ここで、αは予め設定された調整係数であり、0<α≦1であることが好ましい。εは微小な非負の値である。gPは先読み長Tp時点でのゲイン、つまりgp=Sθ(Tp)である。
The
時間差分器123は、適用目標値r1の1主制御周期Tc間の時間差分を表す適用目標値変化量dr1を算出する。すなわち、時間差分器123は、dr1(t)=r1(t)-r1(t-Tc)により適用目標値変化量dr1(t)を算出する。なお、適用目標値r1(t)は、現在時刻tにおいて下位制御装置20に設定されている目標値である。
The
目標偏差予測部124は、θ=θest(t)とした閉ループ応答関数{Sθ(t)}と、目標偏差e0(t)と、過去の適用目標値変化量dr1の時系列{dr1(t)}(以下、「適用目標値変化量系列{dr1(t)}」と呼ぶ。)と、先読み長Tpとに基づいて、補正目標偏差e*(t)を算出する。なお、目標偏差予測部124は、例えば、参考文献1に記載されている操作変化量時系列{du(t)}の代わりに適用目標値変化量系列{dr1(t)}を用いて、参考文献1に記載されている手法により補正目標偏差e*(t)を算出すればよい。
The target
具体的には、目標偏差予測部124は、例えば、制御量が過去の適用目標値変化量dr1によって現在時刻tからTp経過後に変化すると予測される値を先読み応答補正値yn(t)として算出した後、先読み応答補正値yn(t)により目標偏差e0(t)を補正した値を補正目標偏差e*(t)として算出すればよい。補正目標偏差e*(t)は、例えば、e*(t)=e0(t)-yn(t)により計算される。なお、先読み応答補正値yn(t)は、例えば、参考文献2や参考文献3に記載されている手法により算出することができる。
Specifically, the target
目標変化量計算部125は、補正目標偏差e*(t)と、制御ゲインkIとに基づいて、目標変化量dr(t)を算出する。目標変化量計算部125は、例えば、dr(t)=kI×e*(t)により目標変化量dr(t)を算出する。
The target change
加算器126は、適用目標値r1(t)に対して目標変化量dr(t)を加算した目標値(以下、「主制御部目標値ra(t)」と呼ぶ。)を算出する。すなわち、加算器126は、ra(t)=r1(t)+dr(t)により主制御部目標値ra(t)を算出する。
The
変換目標値制約部127は、主制御部目標値ra(t)と、当初目標値r0(t)と、目標可変幅wとに基づいて、主制御部目標値ra(t)と当初目標値r0(t)との差の絶対値が目標可変幅wに収まるように上下限制約を課した上で、その制約後の値を変換目標値rm(t)として算出する。具体的には、変換目標値制約部127は、以下により変換目標値rm(t)を算出する。
Based on the main control unit target value r a (t), the initial target value r 0 (t), and the target variable width w, the conversion target
ここで、目標可変幅wは当初目標値r0をどの程度変化させてもよいかを表す値であり、その値は予め設定される。なお、目標可変幅wは一定の値であってもよいし、時刻tに応じて変化させてもよい。
Here, the target variable width w is a value that indicates how much the initial target value r0 can be changed, and the value is set in advance. Note that the target variable width w may be a constant value, or may be changed according to the time t.
≪閉ループ応答関数{Sθ(t)}の動作≫
閉ループ応答関数{Sθ(t)}の動作について、図4を参照しながら説明する。図4は、閉ループ応答関数{Sθ(t)}の動作の一例を説明するための図である。
<<Operation of the closed loop response function {S θ (t)}>>
The operation of the closed loop response function {S θ (t)} will be described with reference to Fig. 4. Fig. 4 is a diagram for explaining an example of the operation of the closed loop response function {S θ (t)}.
図4に示すように、閉ループ応答関数{Sθ(t)}は、モデルパラメータ設定値θと、時刻tとが入力されると、初期時刻0から時間t経過後の時刻tにおける閉ループ応答モデルの単位ステップ応答Sθ(t)を出力する。
As shown in FIG. 4, when a model parameter setting value θ and a time t are input, the closed-loop response function {S θ (t)} outputs a unit step response S θ (t) of the closed-loop response model at time t after the lapse of time t from the
≪閉ループ応答モデル≫
時刻tは0以上の整数kを用いてt=k×Tcと表されるため、以下、時刻tと整数kとを同一視するものとする。これにより、例えば、y(k)やr1(k)等との表記をy(t)やr1(t)と同一視できる。なお、このような整数kは、サンプル時間(又は離散時間と呼ばれてもよい。)を表すインデックスとも呼ばれる。
<Closed-loop response model>
Since time t is expressed as t = k × Tc , where k is an integer equal to or greater than 0, hereinafter, time t and integer k will be regarded as the same thing. This allows notations such as y(k) and r1 (k) to be regarded as the same thing as y(t) and r1 (t). Note that such an integer k is also called an index representing a sample time (which may also be called discrete time).
このとき、下位制御装置20と制御対象プラント30とで構成される閉ループ制御の応答をモデル化した閉ループ応答モデルとしては、例えば、以下に示すARMAモデルを用いることができる。
In this case, the ARMA model shown below can be used as a closed-loop response model that models the response of the closed-loop control consisting of the lower-
ここで、状態ベクトルξ(k)を以下とする。 Now, let the state vector ξ(k) be:
なお、モデルパラメータθの推定方法としては、例えば、参考文献1に記載されている手法(忘却要素を含む逐次最小2乗法)等を用いることができる。 The model parameter θ can be estimated, for example, using the method described in Reference 1 (recursive least squares method including a forgetting factor).
モデルパラメータθの初期値θ0=θest(0)は零ベクトルとしてもよいし、以下の単位ステップ応答を表す値としてもよい。 The initial value θ 0 =θ est (0) of the model parameter θ may be a zero vector or may be a value representing the following unit step response.
[第二の実施形態]
以下、第二の実施形態について説明する。第二の実施形態では、参考文献4と同様に主制御周期Tcよりも短い制御周期Tf(以下、「高速制御周期Tf」と呼ぶ。)を用いて、目標値を補完する場合について説明する。
[Second embodiment]
A second embodiment will be described below. In the second embodiment, a control period Tf (hereinafter, referred to as a "high-speed control period Tf ") shorter than the main control period Tc is used to complement the target value, as in Reference 4.
なお、第二の実施形態は、主に、第一の実施形態との相違点について説明し、第一の実施形態と同様としてよい構成要素についてはその説明を省略する。すなわち、第二の実施形態で特に説明しない構成要素については、第一の実施形態と同様としてよい。 The second embodiment will mainly be described with respect to the differences from the first embodiment, and a description of components that may be the same as those in the first embodiment will be omitted. In other words, components that are not specifically described in the second embodiment may be the same as those in the first embodiment.
<第二の実施形態に係る制御装置10の機能構成例>
第二の実施形態に係る制御装置10の機能構成例について、図5を参照しながら説明する。図5は、第二の実施形態に係る制御装置10の機能構成の一例を示す図である。
<Functional configuration example of the
An example of a functional configuration of the
図5に示すように、第二の実施形態に係る制御装置10は、第一の実施形態で説明した各構成要素に加えて、タイマ116を有する。タイマ116は、例えば、制御装置10にインストールされた1以上のプログラムが、プロセッサ105等に実行させる処理、又は、専用のハードウェア等により実現される。ここで、第二の実施形態に係る制御装置10では、高速制御周期Tf毎に制御量y(t)が得られ、その制御量y(t)が後述する高速補完制御部128に入力されるものとする。
5, the
タイマ116は、高速制御周期Tf毎に、後述する高速補完目標値rbを算出させるための動作トリガーとして機能する。なお、高速制御周期Tfは、nを予め決められた任意の自然数としてnTf=Tcと表される。 The timer 116 functions as an operation trigger for calculating a high-speed complementary target value r b , which will be described later, for each high-speed control period T f . The high-speed control period T f is expressed as nT f =T c , where n is a predetermined arbitrary natural number.
≪第二の実施形態に係る目標値変換部111の詳細な機能構成例≫
第二の実施形態に係る目標値変換部111の詳細な機能構成例について、図6を参照しながら説明する。図6は、第二の実施形態に係る目標値変換部111の詳細な機能構成の一例を示す図である。
<<Example of detailed functional configuration of target
A detailed functional configuration example of the target
図6に示すように、第二の実施形態に係る目標値変換部111には、第一の実施形態で説明した各構成要素に加えて、高速補完制御部128が含まれる。
As shown in FIG. 6, the target
高速補完制御部128は、主制御部目標値ra(t)と、制御量y(t)とに基づいて、高速補完目標値rbを出力する。高速補完目標値rbとは、主制御部目標値ra(t)と主制御部目標値ra(t+Tc)との間を高速制御周期Tf毎に補完する目標値のことである。すなわち、高速補完制御部128は、高速制御周期Tf毎に、高速補完目標値rb(t)を出力する。ただし、或る2つの整数n1,n2に対してt=n1Tfかつt=n2Tcとなる時刻tに関しては、ra(t)=rb(t)である。
The high-speed
変換目標値制約部127は、高速補完目標値rb(t)と、当初目標値r0(t)と、目標可変幅wとに基づいて、高速補完目標値rb(t)と当初目標値r0(t)との差の絶対値が目標可変幅wに収まるように上下限制約を課した上で、その制約後の値を変換目標値rm(t)として算出する。すなわち、変換目標値制約部127は、高速制御周期Tf毎に、上記の数1でra(t)をrb(t)に置き換えた式により変換目標値rm(t)を算出する。これにより、例えば、制御量yの変化や当初目標値r0の変化に素早く対応可能な高速補完目標値rbが高速制御周期Tf毎に算出される。
The conversion target
≪高速補完制御部128の動作≫
第二の実施形態に係る高速補完制御部128の動作について、図7を参照しながら説明する。図7は、高速補完制御部128の動作の一例を説明するための図である。
<<Operation of the high-speed
The operation of the high-speed
図7に示すように、主制御部目標値ra(t)は主制御周期Tc毎に変化し、第二の実施形態に係る高速補完制御部128によって算出される高速補完目標値rb(t)は高速制御周期Tf毎に変化する。ただし、或る2つの整数n1,n2に対してt=n1Tfかつt=n2Tcとなる時刻tに関しては、ra(t)=rb(t)となる。これは、主制御部目標値raを基準として、主制御周期Tc内で目標変化量計算部125が動作していないタイミングで高速補完目標値rbが算出されるためである。
7, the main control unit target value r a (t) changes for each main control period T c , and the high-speed complementary target value r b (t) calculated by the high-speed
なお、高速補完制御部128は、例えば、参考文献4に記載されている補完操作量ubを計算する処理と同様の処理により、高速補完目標値rbを算出すればよい。具体的には、高速補完制御部128は、例えば、以下の手順1~手順6により高速補完目標値rbを算出すればよい。以下、簡単のため、或る整数n3に対して、t+(n3-1)Tc≦t'<t+n3Tcを満たす連続時間を取る時刻t'における高速補完目標値rb(t')を算出する場合について説明する。なお、以下では、0≦j<n+1を満たすインデックスを用いる。ただし、nは、nTf=Tcを満たす自然数である。
The high speed
手順1:高速補完制御部128は、j=nであるか否かを判定する。
Step 1: The high-speed
手順2:上記の手順1でj=nであると判定された場合、高速補完制御部128は、y0=y(t)、mdr(0)=0、j=0と初期化する。ここで、mdr(j)は、後述するように、インデックスjにおける平均目標値変化量である。なお、このとき、或る2つの整数n1,n2に対してt=n1Tfかつt=n2Tcとなる時刻t'=tである。
Step 2: If it is determined in
手順3:上記の手順1でj=nであると判定されなかった場合、高速補完制御部128は、j←j+1とインデックスを更新する。
Step 3: If it is not determined in
手順4:高速補完制御部128は、予測目標偏差ef(j)を計算する。予測目標偏差ef(j)とは、現在時刻t'で予測される先読み長Tp後の暫定的な目標偏差のことである。高速補完制御部128は、例えば、以下の計算方法1又は計算方法2により予測目標偏差ef(j)を計算すればよい。
Step 4: The high speed
・予測目標偏差ef(j)の計算方法1
ef(j)=r0(t')-(y(t')+(r0(t')-y0)・(1-a(j)))
a(j)=j・Tf/Tp
なお、r0(t')は、r0(t)のt=t'における値のことである。
e f (j)=r 0 (t')-(y(t')+(r 0 (t')-y 0 )・(1-a(j)))
a(j)=j・T f /T p
Here, r 0 (t') is the value of r 0 (t) at t=t'.
・予測目標偏差ef(j)の計算方法2
ef(j)=r0(t')-(y0+(y(t')-y0)/a(j))
a(j)=j・Tf/Tp
Calculation method 2 of predicted target deviation e f (j)
e f (j) = r 0 (t') - (y 0 + (y (t') - y 0 )/a (j))
a(j)=j・T f /T p
手順5:高速補完制御部128は、以下により平均目標値変化量mdr(j)を計算する。
Step 5: The high speed
drf(j)=kI・ef(j)
mdr(j)=(mdr(j-1)・j+drf(j))/(j+1)
dr f (j)=k I・e f (j)
m dr (j) = (m dr (j-1)・j+dr f (j))/(j+1)
あるいは、単純平均を取るように、以下により平均目標値変化量mdr(j)を計算してもよい。 Alternatively, to take a simple average, the average target value change m dr (j) may be calculated as follows:
drf(j)=kI・ef(j)
mdr(j)=mdr(j-1)+drf(j)・Tf/Tp
dr f (j)=k I・e f (j)
m dr (j)=m dr (j-1)+dr f (j)・T f /T p
手順6:高速補完制御部128は、rb(t')=ra(t)+mdr(j)により高速補完目標値rb(t')を計算する。
Step 6: The high speed
[制御システムの構成例]
以下、上記の第一及び第二の実施形態に係る制御装置10が含まれる制御システムの構成例について説明する。
[Example of control system configuration]
An example of the configuration of a control system including the
<従来の制御システムの構成例>
まず、従来の制御システムの構成例について、図8を参照しながら説明する。図8は、従来の制御システムの構成の一例を示す図である。
<Example of a conventional control system configuration>
First, a configuration example of a conventional control system will be described with reference to Fig. 8. Fig. 8 is a diagram showing an example of the configuration of a conventional control system.
図8に示すように、従来の制御システムでは、下位制御装置20の上位に上位制御装置40(例:プロセスコンピュータやオペレータ端末等)が存在し、上位制御装置40から下位制御装置20に対して目標値rが与えられる。その後、下位制御装置20では、制御対象プラント30の制御量yが、与えられた目標値rに追従するように、その制御対象プラント30に対する操作量uが算出及び出力される。
As shown in FIG. 8, in a conventional control system, a higher-level control device 40 (e.g., a process computer or an operator terminal) exists above a lower-
<制御装置10が含まれる制御システムの構成例>
次に、上記の第一又は第二の実施形態に係る制御装置10が含まれる制御システムの構成例について、図9を参照しながら説明する。図9は、一実施形態に係る制御装置10が含まれる制御システムの構成の一例を示す図である。
<Configuration example of a control system including the
Next, a configuration example of a control system including the
図9に示すように、第一又は第二の実施形態に係る制御装置10が含まれる制御システムでは、上位制御装置40と下位制御装置20との間に中間制御装置として制御装置10が含まれる。言い換えれば、制御装置10は、上位制御装置40と下位制御装置20との間の中間制御装置として配置される。この制御システムでは、上位制御装置40から制御装置10に対して当初目標値r0が制御装置10に与えられ、制御装置10では、与えられた当初目標値r0と制御対象プラント30の制御量yとに基づいて適用目標値r1を算出し、この適用目標値r1を下位制御装置20に出力する。その後、下位制御装置20では、制御対象プラント30の制御量yが、与えられた適用目標値r1に追従するように、その制御対象プラント30に対する操作量uが算出及び出力される。なお、図9に示す例では制御装置10が制御対象プラント30から制御量yを取得しているが、制御装置10は、例えば、下位制御装置20から制御量yを取得してもよい。
As shown in FIG. 9, in a control system including the
従来の制御システムに対して上記の第一又は第二の実施形態に係る制御装置10を組み込む場合、制御装置10の設置とそれに伴う伝送設備の配線のみであり、上位制御装置40や下位制御装置20を改造する必要はない。このため、上記の第一又は第二の実施形態に係る制御装置10を低コストかつ安全に従来の制御システムに組み込むことが可能である。
When incorporating the
なお、下位制御装置20としては、所定の制御方式により制御対象プラント30を制御する任意の制御器を用いることが可能である。例えば、PID制御、モデル予測制御(MPC:MPC)、スライディングモード制御、H2制御等といった既存の任意の制御方式により制御対象プラント30を制御する制御器を下位制御装置20として用いることが可能である。
The lower-
また、制御装置10(中間制御装置)としては、例えば、PC(パーソナルコンピュータ)、分散制御システム(DCS:Distributed Control System)、PLC(Programmable Logic Controller)、調節計等を制御装置10(中間制御装置)として用いることが可能である。 In addition, as the control device 10 (intermediate control device), for example, a PC (personal computer), a distributed control system (DCS: Distributed Control System), a PLC (Programmable Logic Controller), a regulator, etc. can be used as the control device 10 (intermediate control device).
[実施例]
以下、上記の第一及び第二の実施形態に係る制御装置10が含まれる制御システムの実施例について説明する。
[Example]
An example of a control system including the
<システム構成>
本実施例に係る制御システムの構成について、図10を参照しながら説明する。図10は、一実施例に係る制御システムの構成を示す図である。
<System Configuration>
The configuration of the control system according to this embodiment will be described with reference to Fig. 10. Fig. 10 is a diagram showing the configuration of the control system according to one embodiment.
図10に示すように、本実施例では、プロセスコンピュータ等の上位制御装置40から当初目標値r0が、第一又は第二の実施形態に係る制御装置10に与えられる。第一又は第二の実施形態に係る制御装置10は、与えられた当初目標値r0から適用目標値r1を算出し、PID制御器Cである下位制御装置20に出力する。そして、下位制御装置20は、プラントPである制御対象プラント30の制御量yが適用目標値r1に追従するように操作量uを算出し、制御対象プラント30に出力する。また、制御対象プラント30には、操作量uに加えて、未知の外乱vが入力される。
As shown in Fig. 10, in this embodiment, an initial target value r0 is provided from a higher-
・プラントPの伝達関数
制御対象プラント30の伝達関数は以下で表される2次遅れ系であるものとする。
Transfer Function of Plant P The transfer function of the controlled
・PID制御器C
PID制御器Cは以下で表されるPI制御であるものとする。
PID controller C
The PID controller C is assumed to be a PI controller represented as follows:
また、以下では、PIDパラメータに関して、以下の2つのケースを想定する。 In addition, below, we consider the following two cases regarding PID parameters:
ケース1:PIDパラメータの調整が良好である場合
ケース2:PIDパラメータの調整が良好でない場合
・制御装置10の設定
第一又は第二の実施形態に係る制御装置10の設定として、主制御周期TcはTc=5[sec]、目標可変幅wはw=0.5とした。また、第二の実施形態に係る制御装置10の設定として、高速制御周期TfはTf=0.5[sec]とした。
Case 1: When the PID parameters are well adjusted Case 2: When the PID parameters are not well adjusted Settings of the
以上の下で、ケース1及びケース2のそれぞれにおいて、PID制御器Cのみを用いた場合、第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合、第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合で制御対象プラント30を制御した。以下、その実施結果を説明する。
Under the above, in each of
<ケース1の実施結果>
≪PID制御器Cのみを用いた場合≫
ケース1において、PID制御器C(下位制御装置20)のみを用いた場合の実施結果について、図11を参照しながら説明する。図11は、PID制御器Cのみを用いた場合の実施結果を示す図(その1)である。
<Results of
<When only PID controller C is used>
In
図11(a)は当初目標値r0(t)、図11(b)は当初目標値r0(t)及び制御量y(t)、図11(c)は外乱v(t)、図11(d)は操作量u(t)の時系列グラフをそれぞれ表している。 Figure 11(a) shows a time series graph of the initial target value r0 (t), Figure 11(b) shows the initial target value r0 (t) and the controlled variable y(t), Figure 11(c) shows the disturbance v(t), and Figure 11(d) shows the manipulated variable u(t).
図11(a)~図11(d)に示すように、当初目標値r0(t)は60で一定であるが、外乱v(t)は-1~1の間で変化している。外乱v(t)によって制御量y(t)は変動し、特に外乱v(t)の変化初期に大きな変動が生じている。下位制御装置20によるPID制御では制御量y(t)を当初目標値r0(t)に追従させるため、操作量u(t)は、外乱v(t)を打ち消すように、外乱v(t)とは逆方向に変化している。
11(a) to 11(d), the initial target value r 0 (t) is constant at 60, but the disturbance v(t) varies between -1 and 1. The disturbance v(t) causes the controlled variable y(t) to vary, with large fluctuations occurring especially at the beginning of the change in the disturbance v(t). In the PID control by the low-
≪第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合≫
ケース1において、第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合の実施結果について、図12を参照しながら説明する。図12は、第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合の実施結果を示す図(その1)である。
<<When the
In
図12(a)は当初目標値r0(t)及び変換目標値rm(t)、図12(b)は当初目標値r0(t)及び制御量y(t)、図12(c)は外乱v(t)、図12(d)は操作量u(t)の時系列グラフをそれぞれ表している。なお、切替器113は、変換目標値rm(t)を次の時刻t+Tcにおける適用目標値r1(t+Tc)として出力するように設定されている。
Fig. 12(a) shows a time series graph of the initial target value r0 (t) and the converted target value rm (t), Fig. 12(b) shows the initial target value r0 (t) and the controlled variable y(t), Fig. 12(c) shows the disturbance v(t), and Fig. 12(d) shows the manipulated variable u (t). The
図12(a)~図12(d)に示すように、変換目標値rm(t)は外乱v(t)の変化に応じて変化し、当初目標値r0(t)とは異なる値となっているが、変換目標値rm(t)と当初目標値r0(t)との差の絶対値は目標可変幅w=0.5以内に制約されている。したがって、変換目標値rm(t)は、59.5~60.5の値となっている。 12(a) to 12(d), the conversion target value r m (t) changes in response to changes in the disturbance v(t) and is a value different from the initial target value r 0 (t), but the absolute value of the difference between the conversion target value r m (t) and the initial target value r 0 (t) is restricted to within a target variable width w = 0.5. Therefore, the conversion target value r m (t) is a value between 59.5 and 60.5.
下位制御装置20に変換目標値rm(t)が設定されることにより、操作量u(t)は、PID制御器Cのみを用いた場合と比較して、外乱v(t)の変化時により急峻に変化するようになっている。その結果、制御量y(t)と当初目標値r0(t)との差は、PID制御器Cのみを用いた場合よりも小さく抑えられている。
By setting the conversion target value r m (t) in the low-
≪第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合≫
ケース1において、第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合の実施結果について、図13を参照しながら説明する。図13は、第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合の実施結果を示す図(その1)である。
<<When the
In
図13(a)は当初目標値r0(t)及び変換目標値rm(t)、図13(b)は当初目標値r0(t)及び制御量y(t)、図13(c)は外乱v(t)、図13(d)は操作量u(t)の時系列グラフをそれぞれ表している。なお、切替器113は、変換目標値rm(t)を次の時刻t+Tcにおける適用目標値r1(t+Tc)として出力するように設定されている。
Fig. 13(a) shows a time series graph of the initial target value r0 (t) and the converted target value rm (t), Fig. 13(b) shows the initial target value r0 (t) and the controlled variable y(t), Fig. 13(c) shows the disturbance v(t), and Fig. 13(d) shows the manipulated variable u (t). The
図13(a)~図13(d)に示すように、変換目標値rm(t)は外乱v(t)の変化に応じて変化し、当初目標値r0(t)とは異なる値となっているが、変換目標値rm(t)と当初目標値r0(t)との差の絶対値は目標可変幅w=0.5以内に制約されている。したがって、変換目標値rm(t)は、59.5~60.5の値となっている。 13(a) to 13(d), the conversion target value r m (t) changes in response to the change in the disturbance v(t) and is a value different from the initial target value r 0 (t), but the absolute value of the difference between the conversion target value r m (t) and the initial target value r 0 (t) is restricted to within a target variable width w = 0.5. Therefore, the conversion target value r m (t) is a value between 59.5 and 60.5.
下位制御装置20に変換目標値rm(t)が設定されることにより、操作量u(t)は、PID制御器Cのみを用いた場合と比較して、外乱v(t)の変化時により急峻に変化するようになっている。その結果、制御量y(t)と当初目標値r0(t)との差は、PID制御器Cのみを用いた場合よりも小さく抑えられている。また、第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合と比較して、制御量y(t)の変動が更に抑制されている。
By setting the conversion target value r m (t) in the low-
≪制御応答の比較≫
ケース1において、PID制御器Cのみを用いた場合、第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合、第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合のそれぞれにおける制御応答の最大値・最小値とそのオーバーシュート量を以下の表1に示す。
<Comparison of control response>
In
≪モデルパラメータθの推定結果≫
ケース1において、第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合と第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合におけるモデルパラメータθの推定結果について、図14を参照しながら説明する。図14は、モデルパラメータθの推定結果を示す図(その1)である。なお、閉ループ応答モデルとしては、上記の数2に示すARMAモデルを用いた。
<Estimation result of model parameter θ>
In
図14(a)は第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合のモデルパラメータθの推定結果、図14(b)は第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合のモデルパラメータθの推定結果の時系列グラフをそれぞれ表している。第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合と第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合のいずれでもオンラインで逐次的にモデルパラメータθが推定されていることがわかる。
Figure 14(a) shows the estimation results of the model parameter θ when the
<ケース2の実施結果>
≪PID制御器Cのみを用いた場合≫
ケース2において、PID制御器C(下位制御装置20)のみを用いた場合の実施結果について、図15を参照しながら説明する。図15は、PID制御器Cのみを用いた場合の実施結果を示す図(その2)である。
<Results of Case 2>
<When only PID controller C is used>
In case 2, the implementation result when only the PID controller C (lower control device 20) is used will be described with reference to Fig. 15. Fig. 15 is a diagram (part 2) showing the implementation result when only the PID controller C is used.
図15(a)は当初目標値r0(t)、図15(b)は当初目標値r0(t)及び制御量y(t)、図15(c)は外乱v(t)、図15(d)は操作量u(t)の時系列グラフをそれぞれ表している。 Figure 15(a) shows a time series graph of the initial target value r0 (t), Figure 15(b) shows the initial target value r0 (t) and the controlled variable y(t), Figure 15(c) shows the disturbance v(t), and Figure 15(d) shows the manipulated variable u(t).
図15(a)~図15(d)に示すように、当初目標値r0(t)は60で一定であるが、外乱v(t)は-1~1の間で変化している。外乱v(t)によって制御量y(t)は変動し、特に外乱v(t)の変化初期に大きな変動が生じている。下位制御装置20によるPID制御では制御量y(t)を当初目標値r0(t)に追従させるため、操作量u(t)は、外乱v(t)を打ち消すように、外乱v(t)とは逆方向に変化している。
15(a) to 15(d), the initial target value r 0 (t) is constant at 60, but the disturbance v(t) varies between -1 and 1. The disturbance v(t) causes the controlled variable y(t) to vary, with large fluctuations occurring especially at the beginning of the change in the disturbance v(t). In the PID control by the low-
≪第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合≫
ケース2において、第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合の実施結果について、図16を参照しながら説明する。図16は、第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合の実施結果を示す図(その2)である。
<<When the
In case 2, the implementation result when the
図16(a)は当初目標値r0(t)及び変換目標値rm(t)、図16(b)は当初目標値r0(t)及び制御量y(t)、図16(c)は外乱v(t)、図16(d)は操作量u(t)の時系列グラフをそれぞれ表している。なお、切替器113は、変換目標値rm(t)を次の時刻t+Tcにおける適用目標値r1(t+Tc)として出力するように設定されている。
Fig. 16(a) shows a time series graph of the initial target value r0 (t) and the converted target value rm (t), Fig. 16(b) shows the initial target value r0 (t) and the controlled variable y(t), Fig. 16(c) shows the disturbance v(t), and Fig. 16(d) shows the manipulated variable u (t). The
図16(a)~図16(d)に示すように、変換目標値rm(t)は外乱v(t)の変化に応じて変化し、当初目標値r0(t)とは異なる値となっているが、変換目標値rm(t)と当初目標値r0(t)との差の絶対値は目標可変幅w=0.5以内に制約されている。したがって、変換目標値rm(t)は、59.5~60.5の値となっている。 16(a) to 16(d), the conversion target value r m (t) changes in response to the change in the disturbance v(t) and is a value different from the initial target value r 0 (t), but the absolute value of the difference between the conversion target value r m (t) and the initial target value r 0 (t) is restricted to within a target variable width w = 0.5. Therefore, the conversion target value r m (t) is a value between 59.5 and 60.5.
下位制御装置20に変換目標値rm(t)が設定されることにより、操作量u(t)は、PID制御器Cのみを用いた場合と比較して、外乱v(t)の変化時により急峻に変化するようになっている。その結果、制御量y(t)と当初目標値r0(t)との差は、PID制御器Cのみを用いた場合よりも小さく抑えられている。
By setting the conversion target value r m (t) in the low-
≪第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合≫
ケース2において、第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合の実施結果について、図17を参照しながら説明する。図17は、第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合の実施結果を示す図(その2)である。
<<When the
In case 2, the implementation result when the
図17(a)は当初目標値r0(t)及び変換目標値rm(t)、図17(b)は当初目標値r0(t)及び制御量y(t)、図17(c)は外乱v(t)、図17(d)は操作量u(t)の時系列グラフをそれぞれ表している。なお、切替器113は、変換目標値rm(t)を次の時刻t+Tcにおける適用目標値r1(t+Tc)として出力するように設定されている。
Fig. 17(a) shows a time series graph of the initial target value r0 (t) and the converted target value rm (t), Fig. 17(b) shows the initial target value r0 (t) and the controlled variable y(t), Fig. 17(c) shows the disturbance v(t), and Fig. 17(d) shows the manipulated variable u (t). The
図17(a)~図17(d)に示すように、変換目標値rm(t)は外乱v(t)の変化に応じて変化し、当初目標値r0(t)とは異なる値となっているが、変換目標値rm(t)と当初目標値r0(t)との差の絶対値は目標可変幅w=0.5以内に制約されている。したがって、変換目標値rm(t)は、59.5~60.5の値となっている。 17(a) to 17(d), the conversion target value r m (t) changes in response to the change in the disturbance v(t) and is a value different from the initial target value r 0 (t), but the absolute value of the difference between the conversion target value r m (t) and the initial target value r 0 (t) is restricted to within a target variable width w = 0.5. Therefore, the conversion target value r m (t) is a value between 59.5 and 60.5.
下位制御装置20に変換目標値rm(t)が設定されることにより、操作量u(t)は、PID制御器Cのみを用いた場合と比較して、外乱v(t)の変化時により急峻に変化するようになっている。その結果、制御量y(t)と当初目標値r0(t)との差は、PID制御器Cのみを用いた場合よりも小さく抑えられている。また、第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合と比較して、制御量y(t)の変動が更に抑制されている。
By setting the conversion target value r m (t) in the low-
≪制御応答の比較≫
ケース2において、PID制御器Cのみを用いた場合、第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合、第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合のそれぞれにおける制御応答の最大値・最小値とそのオーバーシュート量を以下の表2に示す。
<Comparison of control response>
In Case 2, the maximum and minimum values of the control response and the amount of overshoot in each of the cases where only the PID controller C is used, where the
≪モデルパラメータθの推定結果≫
ケース2において、第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合と第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合におけるモデルパラメータθの推定結果について、図18を参照しながら説明する。図18は、モデルパラメータθの推定結果を示す図(その2)である。なお、閉ループ応答モデルとしては、上記の数2に示すARMAモデルを用いた。
<Estimation result of model parameter θ>
In case 2, the estimation results of the model parameter θ when the
図18(a)は第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合のモデルパラメータθの推定結果、図18(b)は第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合のモデルパラメータθの推定結果の時系列グラフをそれぞれ表している。第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合と第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合のいずれでもオンラインで逐次的にモデルパラメータθが推定されていることがわかる。
Figure 18(a) shows the estimation results of the model parameter θ when the
[まとめ]
以上のように、第一及び第二の実施形態に係る制御装置10は、既存の制御器を有効活用しつつ、未知の外乱が存在する場合であっても制御対象の制御量を目標値に追従させることが可能となる。このとき、第一及び第二の実施形態に係る制御装置10では、既存の制御器に変更を加える必要がないため、低コストかつ安全に、未知の外乱に対する目標偏差を改善することができる。これは、従来公知の目標偏差の改善手法(例:PIDパラメータの再調整手法、モデル予測制御等といった高度制御への置き換え手法、外乱オブザーバーやスミス補償器等の閉ループを改造する手法等)にはない顕著な特徴の1つである。
[summary]
As described above, the
また、第一及び第二の実施形態に係る制御装置10を制御システムに導入した後に、例えば、下位制御装置20の再調整を行ったり、制御対象プラント30自体に変更が加わったりした場合であっても、モデルパラメータ推定部112により自律的にモデルパラメータθが調整されるため、制御装置10(中間制御装置)自体のメンテンナンスは不要であるという特徴もある。
In addition, after the
更に、第一及び第二の実施形態に係る制御装置10は、元の制御ループを維持し、かつ、当初目標値r0から目標可変幅wを逸脱しないように変換目標値rmを制約するため、元の制御ループを安定であるならば、制御装置10を導入した制御システムも安定性が保証されるという特徴もある。
Furthermore, the
加えて、第一及び第二の実施形態に係る制御装置10を用いることにより、未知の外乱vを計測するための新たなセンサ等を設置したり、計測頻度を増加させたりすることなく、未知の外乱vの影響を抑制することができるという特徴もある。
In addition, by using the
本発明は、具体的に開示された上記の各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から逸脱することなく、種々の変形や変更、既知の技術との組み合わせ等が可能である。 The present invention is not limited to the above-mentioned specifically disclosed embodiments, and various modifications, changes, and combinations with known technologies are possible without departing from the scope of the claims.
[参考文献]
参考文献1:特許第7014330号公報
参考文献2:国際公開第2016/092872号
参考文献3:特開2020-21411号公報
参考文献4:特許第7283646号公報
[References]
Reference 1: Japanese Patent No. 7014330 Reference 2: International Publication No. 2016/092872 Reference 3: Japanese Patent Publication No. 2020-21411 Reference 4: Japanese Patent No. 7283646
10 制御装置
20 下位制御装置
30 制御対象プラント
101 入力装置
102 表示装置
103 外部I/F
103a 記録媒体
104 通信I/F
105 プロセッサ
106 メモリ装置
107 バス
111 目標値変換部
112 モデルパラメータ推定部
113 切替器
114 タイマ
115 タイマ
121 差分器
122 制御パラメータ計算部
123 時間差分器
124 目標偏差予測部
125 目標変化量計算部
126 加算器
127 変換目標値制約部
128 高速補完制御部
REFERENCE SIGNS
103a Recording medium 104 Communication I/F
105
Claims (9)
前記制御量と前記第2の目標値とに基づいて、前記下位制御装置と前記制御対象とで構成される閉ループ制御の応答をモデル化した閉ループ応答モデルのパラメータを推定するモデルパラメータ推定部と、
前記第1の目標値と前記第2の目標値と前記パラメータとに基づいて、前記制御量が前記第1の目標値に漸近するように前記第1の目標値を変換した第3の目標値を算出する目標値変換部と、
前記第1の目標値又は前記第3の目標値のいずれかを次の前記第2の目標値として前記下位制御装置に出力する切替部と、
を有する制御装置。 A control device disposed between a higher-level control device that outputs a first target value for a controlled variable of a controlled object and a lower-level control device that controls the controlled object in accordance with a given second target value,
a model parameter estimation unit that estimates parameters of a closed-loop response model that models a response of a closed-loop control configured with the lower-level control device and the controlled object based on the controlled variable and the second target value;
a target value conversion unit that calculates a third target value by converting the first target value based on the first target value, the second target value, and the parameter so that the controlled variable asymptotically approaches the first target value;
a switching unit that outputs either the first target value or the third target value to the lower-level control device as the next second target value;
A control device having the above configuration.
前記パラメータと前記第1の目標値と前記第2の目標値と前記制御量とに基づいて、前記第1の目標値と前記制御量との差を表す目標偏差を、所定の先読み長後の前記制御量により補正した補正目標偏差を予測する目標偏差予測部と、
前記補正目標偏差に基づいて、前記第2の目標値の変化量を表す目標変化量を算出する目標変化量算出部と、
前記目標変化量を前記第2の目標値に加算した第4の目標値を算出する加算部と、
前記第1の目標値との差の絶対値が前記目標可変幅以下となるように制約した前記第4の目標値を前記第3の目標値として算出する変換目標値制約部と、が含まれる、請求項2に記載の制御装置。 The target value conversion unit includes:
a target deviation prediction unit that predicts a corrected target deviation obtained by correcting a target deviation representing a difference between the first target value and the controlled variable, based on the parameter, the first target value, the second target value, and the controlled variable, using the controlled variable after a predetermined look-ahead length;
a target change amount calculation unit that calculates a target change amount that represents a change amount of the second target value based on the corrected target deviation;
an adder that calculates a fourth target value by adding the target change amount to the second target value;
3. The control device according to claim 2, further comprising: a conversion target value constraint unit that calculates, as the third target value, the fourth target value constrained so that an absolute value of a difference between the fourth target value and the first target value is equal to or less than the target variable width.
前記制御量が前記第1の目標値に漸近するように、所定の第1の制御周期で前記第1の目標値を変換した前記第3の目標値を算出する、請求項3に記載の制御装置。 The target value conversion unit
4. The control device according to claim 3, further comprising: a control unit for calculating the third target value by converting the first target value in a predetermined first control cycle so that the controlled variable asymptotically approaches the first target value.
前記制御量が前記第1の目標値に漸近するように、前記第1の制御周期よりも短い所定の第2の制御周期で、前記第4の目標値と前記第1の制御周期後の前記第4の目標値との間を補完する第5の目標値を算出する高速補完制御部が含まれる、請求項4に記載の制御装置。 The target value conversion unit includes:
5. The control device according to claim 4, further comprising a high-speed complementation control unit that calculates, in a predetermined second control period shorter than the first control period, a fifth target value that complements between the fourth target value and the fourth target value after the first control period, so that the controlled variable asymptotically approaches the first target value.
前記モデルパラメータ推定部は、
前記ARMAモデルのパラメータを逐次的に推定する、請求項1乃至5の何れか一項に記載の制御装置。 the closed loop response model is an ARMA model;
The model parameter estimation unit
A control device according to claim 1 , further comprising a step of recursively estimating the parameters of the ARMA model.
前記下位制御装置は、DCS、PLC又は調節計である、請求項1に記載の制御装置。 The upper control device is a process computer or an operator terminal,
The control device according to claim 1 , wherein the lower level control device is a DCS, a PLC, or a controller.
前記制御量と前記第2の目標値とに基づいて、前記下位制御装置と前記制御対象とで構成される閉ループ制御の応答をモデル化した閉ループ応答モデルのパラメータを推定するモデルパラメータ推定手順と、
前記第1の目標値と前記第2の目標値と前記パラメータとに基づいて、前記制御量が前記第1の目標値に漸近するように前記第1の目標値を変換した第3の目標値を算出する目標値変換手順と、
前記第1の目標値又は前記第3の目標値のいずれかを次の前記第2の目標値として前記下位制御装置に出力する切替手順と、
を実行する制御方法。 A control device disposed between a higher-level control device that outputs a first target value for a controlled variable of a controlled object and a lower-level control device that controls the controlled object in accordance with a given second target value,
a model parameter estimation step of estimating parameters of a closed-loop response model that models a response of a closed-loop control configured with the lower-level control device and the controlled object based on the controlled variable and the second target value;
a target value conversion step of calculating a third target value by converting the first target value based on the first target value, the second target value, and the parameter so that the controlled variable asymptotically approaches the first target value;
a switching procedure of outputting either the first target value or the third target value to the lower-level control device as the next second target value;
A control method for performing the above.
前記制御量と前記第2の目標値とに基づいて、前記下位制御装置と前記制御対象とで構成される閉ループ制御の応答をモデル化した閉ループ応答モデルのパラメータを推定するモデルパラメータ推定手順と、
前記第1の目標値と前記第2の目標値と前記パラメータとに基づいて、前記制御量が前記第1の目標値に漸近するように前記第1の目標値を変換した第3の目標値を算出する目標値変換手順と、
前記第1の目標値又は前記第3の目標値のいずれかを次の前記第2の目標値として前記下位制御装置に出力する切替手順と、
を実行させるプログラム。 A control device disposed between a higher-level control device that outputs a first target value for a controlled variable of a controlled object and a lower-level control device that controls the controlled object in accordance with a given second target value,
a model parameter estimation step of estimating parameters of a closed-loop response model that models a response of a closed-loop control configured with the lower-level control device and the controlled object based on the controlled variable and the second target value;
a target value conversion step of calculating a third target value by converting the first target value based on the first target value, the second target value, and the parameter so that the controlled variable asymptotically approaches the first target value;
a switching procedure of outputting either the first target value or the third target value to the lower-level control device as the next second target value;
A program that executes the following.
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JP2022120501A (en) | 2021-02-05 | 2022-08-18 | 富士電機株式会社 | Control device, control method and program |
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