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JP7521712B1 - Control device, control method, and program - Google Patents

Control device, control method, and program Download PDF

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JP7521712B1
JP7521712B1 JP2024026565A JP2024026565A JP7521712B1 JP 7521712 B1 JP7521712 B1 JP 7521712B1 JP 2024026565 A JP2024026565 A JP 2024026565A JP 2024026565 A JP2024026565 A JP 2024026565A JP 7521712 B1 JP7521712 B1 JP 7521712B1
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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.

畑中 健志, 鷹羽 浄嗣, "リファレンスガバナと予見制御の統合設計", システム制御情報学会論文誌, Vol.18, No.1, pp.39-41, 2005.Takeshi Hatanaka, Joji Takaba, "Integrated Design of Reference Governor and Preview Control", Transactions of the Institute of Systems, Control and Information Engineers, Vol.18, No.1, pp.39-41, 2005.

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.

第一の実施形態に係る制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of a control device according to the first embodiment. 第一の実施形態に係る制御装置の機能構成の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a functional configuration of a control device according to the first embodiment. 第一の実施形態に係る目標値変換部の詳細な機能構成の一例を示す図である。4 is a diagram illustrating an example of a detailed functional configuration of a target value conversion unit according to the first embodiment; FIG. 閉ループ応答関数の動作の一例を説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining an example of the operation of a closed loop response function. 第二の実施形態に係る制御装置の機能構成の一例を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a functional configuration of a control device according to a second embodiment. 第二の実施形態に係る目標値変換部の詳細な機能構成の一例を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a detailed functional configuration of a target value conversion unit according to a second embodiment. 高速補完制御部の動作の一例を説明するための図である。11 is a diagram for explaining an example of the operation of a high-speed complement control unit; FIG. 従来の制御システムの構成の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of a conventional control system. 一実施形態に係る制御装置が含まれる制御システムの構成の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of a control system including a control device according to an embodiment. 一実施例に係る制御システムの構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a control system according to an embodiment. PID制御器のみを用いた場合の実施結果を示す図(その1)である。FIG. 13 is a diagram (part 1) showing the implementation results when only a PID controller is used. 第一の実施形態に係る制御装置を用いた場合の実施結果を示す図(その1)である。FIG. 11 is a diagram (part 1) showing an implementation result when the control device according to the first embodiment is used. 第二の実施形態に係る制御装置を用いた場合の実施結果を示す図(その1)である。FIG. 11 is a diagram (part 1) showing an implementation result when the control device according to the second embodiment is used. モデルパラメータの推定結果を示す図(その1)である。FIG. 1 is a diagram showing the estimation results of model parameters (part 1). PID制御器のみを用いた場合の実施結果を示す図(その2)である。FIG. 2 is a diagram (part 2) showing the implementation results when only the PID controller is used. 第一の実施形態に係る制御装置を用いた場合の実施結果を示す図(その2)である。FIG. 11 is a diagram (part 2) showing an implementation result when the control device according to the first embodiment is used. 第二の実施形態に係る制御装置を用いた場合の実施結果を示す図(その2)である。FIG. 11 is a diagram (part 2) showing the implementation results when the control device according to the second embodiment is used. モデルパラメータの推定結果を示す図(その2)である。FIG. 13 is a diagram (part 2) showing the estimation results of model parameters.

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 control device 10 will be described below that can make the control amount of the control object follow a target value even when an unknown disturbance is present, while effectively utilizing an existing controller. Hereinafter, a control device that controls the control object using a predetermined control method (e.g. PID control, etc.) is assumed as the existing controller, and will be referred to as the "lower control device 20." In addition, hereinafter, a plant is assumed as the control object, and will be referred to as the "controlled plant 30." However, the control object is not limited to a plant, and any device, equipment, facility, etc. can be the control object.

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-level control device 20 calculates and outputs an operation amount u for the controlled plant 30 so that the control amount y of the controlled plant 30 follows a given target value r. As a result, the controlled plant 30 is controlled according to this operation amount u, and a new control amount y is obtained. This type of control is called "closed-loop control" or simply "closed loop". However, in general, in plant control, disturbances v occur due to factors such as changes in the environment, changes in equipment, devices, facilities, etc., and changes in raw materials, and the control amount y may deviate from the target value r due to the influence of the disturbances v. In other words, the control amount y of the controlled plant 30 is affected not only by the operation amount u but also by unknown disturbances v, so the control amount y may deviate from the target value r.

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-level control device 20, there is no guarantee that the influence of the disturbance v can be suppressed by adjusting the parameters once, and there is a possibility that the parameters will need to be readjusted many times. On the other hand, for example, when suppressing the influence of the disturbance v by introducing an advanced controller using model predictive control or the like instead of the lower-level control device 20, identification of the process model, modification of the controller and on-site wiring, adjustment tests, etc. are required, which requires a lot of costs. In addition, for example, additional costs are required when installing a new sensor or the like to measure the unknown disturbance v or increasing the measurement frequency.

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r」と呼ぶ。)を変換し、この変換後の目標値又は当初目標値r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rを変換した目標値を「変換目標値r」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r」と呼ぶ。 Therefore, in the control device 10 according to each of the following embodiments, a given target value (hereinafter, this target value is referred to as the "initial target value r 0 ") is converted using the control variable y of the controlled plant 30, and either this converted target value or the initial target value r 0 is output to the lower-level control device 20. This makes it possible, for example, to suppress the influence of an unknown disturbance v without adjusting the parameters of the lower-level control device 20. Note that, hereinafter, the target value converted from the initial target value r 0 is referred to as the "converted target value r m ", and the target value output to the lower-level control device 20 is referred to as the "applied target value r 1 ".

[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 control device 10 according to the first embodiment>
An example of a hardware configuration of the control device 10 according to the first embodiment will be described with reference to Fig. 1. Fig. 1 is a diagram showing an example of a hardware configuration of the control device 10 according to the first embodiment.

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 control device 10 according to the first embodiment includes an input device 101, a display device 102, an external I/F 103, a communication I/F 104, a processor 105, and a memory device 106. Each of these pieces of hardware is connected to each other so as to be able to communicate with each other via a bus 107.

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 input device 101 is, for example, a touch panel or various physical buttons. The display device 102 is, for example, a display panel. Note that the control device 10 does not have to have at least one of the input device 101 and the display device 102.

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/F 103 is an interface with an external device such as a recording medium 103a. Examples of the recording medium 103a include a secure digital memory card (SD memory card) and a universal serial bus (USB) memory card.

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/F 104 is an interface for connecting the control device 10 to a communication network. The processor 105 is, for example, various types of arithmetic devices such as a CPU (Central Processing Unit) or an MPU (Micro Processing Unit). The memory device 106 is, for example, various types of storage devices such as an SSD (Solid State Drive), RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), and flash memory.

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 control device 10 may have other hardware configurations. For example, the control device 10 may have various hardware in addition to the hardware shown in the figure.

<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 control device 10 according to the first embodiment>
An example of a functional configuration of the control device 10 according to the first embodiment will be described with reference to Fig. 2. Fig. 2 is a diagram showing an example of a functional configuration of the control device 10 according to the first embodiment.

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rが与えられる。 2, the control device 10 according to the first embodiment includes a target value conversion unit 111, a model parameter estimation unit 112, a switch 113, and a timer 114. Each of these components is realized, for example, by a process in which one or more programs installed in the control device 10 are executed by the processor 105 or the like, or by dedicated hardware or the like. Here, an initial target value r0 is given to the control device 10 according to the first embodiment from a higher-level control device (e.g., a process computer, an operator terminal, or the like).

以下、連続時間を取る時刻をtとして、当初目標値rの時刻tを明示する場合はr(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r(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T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Tとは、制御装置10が適用目標値r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Tの値は予め設定される。 The timer 114 operates as an operation trigger for the target value conversion unit 111 and the model parameter estimation unit 112 every main control period Tc . The main control period Tc is a period in which the control device 10 outputs the application target value r1 to the lower-level control device 20. The value of the main control period Tc is set in advance.

目標値変換部111は、主制御周期T毎に、現在時刻tにおける当初目標値r(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r(t)とを入力として、現在時刻tにおける変換目標値r(t)を出力する。変換目標値rとは、後述する目標偏差eが0に近付く(漸近する)ように、当初目標値r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 value conversion unit 111 receives an initial target value r 0 (t) at the current time t, a controlled variable y(t) at the current time t, a target variable width w, a model parameter estimate θ est (t), and an application target value r 1 (t) at the current time t, and outputs a converted target value r m (t) at the current time t for each main control period T c. The converted target value r m is a target value obtained by converting the initial target value r 0 so that a target deviation e 0 described later approaches (asymptotically approaches) 0. The model parameter estimate θ est is an estimate of a model parameter θ of a plant response function {S θ (t)} estimated by the model parameter estimation unit 112. The plant response function {S θ (t)} is a function representing a closed-loop response model that models the response of a closed-loop control configured by the lower-level control device 20 and the controlled plant 30.

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T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r(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 parameter estimation unit 112 receives the controlled variable y(t) at the current time t and the applied target value r1 (t) at the current time t, and outputs the model parameter estimate θest (t) for each main control period Tc . Note that the initial value of the model parameter θ may be a zero vector, a value representing a unit step response, or any other arbitrary initial value.

切替器113は、現在時刻tにおける当初目標値r(t)又は現在時刻tにおける変換目標値r(t)のいずれかを次の時刻t+Tにおける適用目標値r(t+T)として下位制御装置20に出力する。なお、当初目標値r又は変換目標値rのいずれを適用目標値r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r又は変換目標値rのいずれかを適用目標値rとして出力してもよいし、目標偏差eが一定以上である場合は変換目標値r、そうでない場合は当初目標値rを適用目標値r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r、その他の時間帯では当初目標値rを適用目標値r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r、そうでない場合は当初目標値rを適用目標値rとして出力するようにしてもよい。 The switch 113 outputs either the initial target value r 0 (t) at the current time t or the conversion target value r m (t) at the current time t to the lower control device 20 as the application target value r 1 (t+T c ) at the next time t+T c . It is possible to determine in various ways whether the initial target value r 0 or the conversion target value r m is to be output as the application target value r 1. For example, either the initial target value r 0 or the conversion target value r m may be output as the application target value r 1 according to a user's instruction, or the conversion target value r m may be output as the application target value r 1 if the target deviation e 0 is equal to or greater than a certain value, or the initial target value r 0 may be output as the application target value r 1 if the target deviation e 0 is not equal to or greater than a certain value. In addition, for example, the conversion target value r m may be output as the application target value r 1 in a certain time period, and the initial target value r 0 may be output as the application target value r 1 in other time periods, or the conversion target value r m may be output as the application target value r 1 if some condition is satisfied, or the initial target value r 0 may be output as the application target value r 1 if some condition is satisfied.

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T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rを変換目標値rに変換し、当初目標値r又は変換目標値rを次の時刻における適用目標値r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T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r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r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 control device 10 according to the first embodiment acquires the controlled variable y of the controlled plant 30 for each main control period Tc , calculates the model parameter estimate value θ est , converts the given initial target value r 0 into the converted target value r m , and outputs the initial target value r 0 or the converted target value r m to the lower-level control device 20 as the applied target value r 1 at the next time. In other words, the control device 10 according to the first embodiment sequentially calculates the model parameter estimate value θ est for each main control period Tc , and sequentially outputs the applied target value r 1 to the lower-level control device 20. Thereafter, the lower-level control device 20 calculates and outputs the manipulated variable u for the controlled plant 30 so that the controlled variable y of the controlled plant 30 follows the applied target value r 1. As a result, even if an unknown disturbance v exists, it is possible to suppress the influence of the disturbance v and prevent the controlled variable y from deviating from the target value r. Moreover, since there is no need to make any changes to the existing controller, the lower-level control device 20, it is possible to suppress the effects of the disturbance v at low cost and safely, compared to, for example, replacing it with an advanced controller that uses model predictive control, etc.

≪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 value conversion unit 111 according to the first embodiment>>
A detailed functional configuration example of the target value conversion unit 111 according to the first embodiment will be described with reference to Fig. 3. Fig. 3 is a diagram illustrating an example of a detailed functional configuration of the target value conversion unit 111 according to the first embodiment.

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 value conversion unit 111 according to the first embodiment includes a difference calculator 121, a control parameter calculation unit 122, a time difference calculator 123, a target deviation prediction unit 124, a target change amount calculation unit 125, an adder 126, and a conversion target value constraint unit 127.

差分器121は、当初目標値r(t)と制御量y(t)との差を目標偏差e(t)として算出する。すなわち、差分器121は、e(t)=r(t)-y(t)により目標偏差e(t)を算出する。 The difference calculator 121 calculates the difference between the initial target value r 0 (t) and the controlled variable y(t) as the target deviation e 0 (t). That is, the difference calculator 121 calculates the target deviation e 0 (t) by e 0 (t) = r 0 (t) - y(t).

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k及び先読み長T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k及び先読み長Tを算出すればよい。 The control parameter calculation unit 122 calculates a control gain kI and a look-ahead length Tp as control parameters based on a closed loop response function {S θ (t)} where θ=θ est (t). Note that the control parameter calculation unit 122 may calculate the control gain kI and the look-ahead length Tp by, for example, the method described in Reference 1.

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Tを算出すればよい。 Specifically, the control parameter calculation unit 122 may calculate the look-ahead length Tp , for example, as follows.

Find T,where Sθ(T)=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、k=α×1/(g+ε)により制御ゲインk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。gは先読み長T時点でのゲイン、つまりg=Sθ(T)である。 The control parameter calculator 122 may calculate the control gain kI by, for example, kI = α × 1/( gP + ε), where α is a preset adjustment coefficient, and is preferably 0 < α ≦ 1. ε is a small non-negative value. gP is the gain at the look-ahead length Tp , that is, gp = ( Tp ).

時間差分器123は、適用目標値rの1主制御周期T間の時間差分を表す適用目標値変化量drを算出する。すなわち、時間差分器123は、dr(t)=r(t)-r(t-T)により適用目標値変化量dr(t)を算出する。なお、適用目標値r(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 time differencing calculator 123 calculates an applied target value change amount dr 1 which represents the time difference of the applied target value r 1 during one main control cycle T c . That is, the time differencing calculator 123 calculates the applied target value change amount dr 1 (t) by dr 1 (t) = r 1 (t) - r 1 (t - T c ). Note that the applied target value r 1 (t) is a target value set in the low-level control device 20 at the current time t.

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e(t)と、過去の適用目標値変化量drの時系列{dr(t)}(以下、「適用目標値変化量系列{dr(t)}」と呼ぶ。)と、先読み長T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{dr(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 deviation prediction unit 124 calculates the corrected target deviation e*(t) based on a closed loop response function {S θ (t)} where θ=θ est (t), the target deviation e 0 (t), a time series of past applied target value change amounts dr 1 {dr 1 (t)} (hereinafter referred to as the "applied target value change amount series {dr 1 (t)}"), and the look-ahead length Tp . Note that the target deviation prediction unit 124 may calculate the corrected target deviation e * (t) by the method described in Reference 1, for example, using the applied target value change amount series { dr 1 (t)} instead of the operation change amount time series {du(t)} described in Reference 1.

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drによって現在時刻tからT経過後に変化すると予測される値を先読み応答補正値y(t)として算出した後、先読み応答補正値y(t)により目標偏差e(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)=e(t)-y(t)により計算される。なお、先読み応答補正値y(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 deviation prediction unit 124 may, for example, calculate a value that is predicted to change when the controlled variable changes after Tp has elapsed from the current time t due to the past applied target value change amount dr 1 as the look-ahead response correction value y n (t), and then calculate a value obtained by correcting the target deviation e 0 (t) with the look-ahead response correction value y n (t) as the corrected target deviation e * (t). The corrected target deviation e * (t) may be calculated, for example, by e * (t) = e 0 (t) - y n (t). The look-ahead response correction value y n (t) may be calculated, for example, by the method described in Reference 2 or Reference 3.

目標変化量計算部125は、補正目標偏差e(t)と、制御ゲインk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)=k×e(t)により目標変化量dr(t)を算出する。 The target change amount calculation unit 125 calculates the target change amount dr(t) based on the corrected target deviation e * (t) and the control gain kI . The target change amount calculation unit 125 calculates the target change amount dr(t) by, for example, dr(t) = kI × e * (t).

加算器126は、適用目標値r(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r(t)」と呼ぶ。)を算出する。すなわち、加算器126は、r(t)=r(t)+dr(t)により主制御部目標値r(t)を算出する。 The adder 126 calculates a target value (hereinafter referred to as "main control unit target value r a (t)") by adding the target change amount dr(t) to the application target value r 1 (t). That is, the adder 126 calculates the main control unit target value r a (t) by r a (t) = r 1 (t) + dr(t).

変換目標値制約部127は、主制御部目標値r(t)と、当初目標値r(t)と、目標可変幅wとに基づいて、主制御部目標値r(t)と当初目標値r(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r(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r(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 value constraint unit 127 imposes upper and lower limit constraints so that the absolute value of the difference between the main control unit target value r a (t) and the initial target value r 0 (t) falls within the target variable width w, and then calculates the constrained value as the conversion target value r m (t). Specifically, the conversion target value constraint unit 127 calculates the conversion target value r m (t) as follows.

Figure 0007521712000002

ここで、目標可変幅wは当初目標値r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。
Figure 0007521712000002

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 initial time 0.

≪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×T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r(k)等との表記をy(t)やr(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-level control device 20 and the controlled plant 30.

Figure 0007521712000003
なお、y(k)は制御量、r(k)は適用目標値、kはサンプル時間のインデックスである。
Figure 0007521712000003
Here, y(k) is the controlled variable, r 1 (k) is the applied target value, and k is the index of the sample time.

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:

Figure 0007521712000004
また、インデックスkにおけるモデルパラメータ推定値θest(k)を以下とする。
Figure 0007521712000004
Moreover, the model parameter estimate θ est (k) at index k is defined as follows:

Figure 0007521712000005
このとき、制御量y(k)は、y(k)=ξ(k)τθest(k-1)により算出することができる。
Figure 0007521712000005
In this case, the control amount y(k) can be calculated by y(k)=ξ(k) τ θ est (k−1).

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θ=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 0est (0) of the model parameter θ may be a zero vector or may be a value representing the following unit step response.

Figure 0007521712000006
なお、その他の任意の初期値をモデルパラメータθの初期値θ=θest(0)としてもよい。
Figure 0007521712000006
Any other initial value may be used as the initial value θ 0est (0) of the model parameter θ.

[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Tよりも短い制御周期T(以下、「高速制御周期T」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 control device 10 according to the second embodiment>
An example of a functional configuration of the control device 10 according to the second embodiment will be described with reference to Fig. 5. Fig. 5 is a diagram showing an example of a functional configuration of the control device 10 according to the second embodiment.

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T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 control device 10 according to the second embodiment has a timer 116 in addition to the components described in the first embodiment. The timer 116 is realized, for example, by a process in which one or more programs installed in the control device 10 are executed by the processor 105 or the like, or by dedicated hardware or the like. Here, in the control device 10 according to the second embodiment, a control amount y(t) is obtained for each high-speed control period Tf , and the control amount y(t) is input to a high-speed complementation control unit 128 described later.

タイマ116は、高速制御周期T毎に、後述する高速補完目標値r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Tは、nを予め決められた任意の自然数としてnT=T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 value conversion unit 111 according to the second embodiment>>
A detailed functional configuration example of the target value conversion unit 111 according to the second embodiment will be described with reference to Fig. 6. Fig. 6 is a diagram showing an example of a detailed functional configuration of the target value conversion unit 111 according to the second embodiment.

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 value conversion unit 111 according to the second embodiment includes a high-speed complementation control unit 128 in addition to the components described in the first embodiment.

高速補完制御部128は、主制御部目標値r(t)と、制御量y(t)とに基づいて、高速補完目標値rを出力する。高速補完目標値rとは、主制御部目標値r(t)と主制御部目標値r(t+T)との間を高速制御周期T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T毎に、高速補完目標値r(t)を出力する。ただし、或る2つの整数n,nに対してt=nかつt=nとなる時刻tに関しては、r(t)=r(t)である。 The high-speed complementary control unit 128 outputs a high-speed complementary target value rb based on the main control unit target value r a (t) and the control amount y(t). The high-speed complementary target value rb is a target value that complements between the main control unit target value r a (t) and the main control unit target value r a (t+T c ) for each high-speed control period T f . That is, the high-speed complementary control unit 128 outputs a high-speed complementary target value rb (t) for each high-speed control period T f . However, for a time t where t=n 1 T f and t=n 2 T c for two integers n 1 and n 2 , r a (t)=r b (t).

変換目標値制約部127は、高速補完目標値r(t)と、当初目標値r(t)と、目標可変幅wとに基づいて、高速補完目標値r(t)と当初目標値r(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r(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T毎に、上記の数1でr(t)をr(t)に置き換えた式により変換目標値r(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rの変化に素早く対応可能な高速補完目標値rが高速制御周期T毎に算出される。 The conversion target value constraint unit 127 imposes upper and lower limit constraints based on the high speed complementary target value r b (t), the initial target value r 0 (t), and the target variable width w so that the absolute value of the difference between the high speed complementary target value r b (t) and the initial target value r 0 (t) falls within the target variable width w, and calculates the constrained value as the conversion target value r m (t). That is, the conversion target value constraint unit 127 calculates the conversion target value r m (t) for each high speed control period T f by an equation in which r a (t) is replaced with r b (t) in the above equation 1. As a result, for example, a high speed complementary target value r b that can quickly respond to changes in the controlled variable y and changes in the initial target value r 0 is calculated for each high speed control period T f .

≪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 complement control unit 128>>
The operation of the high-speed complement control unit 128 according to the second embodiment will be described with reference to Fig. 7. Fig. 7 is a diagram for explaining an example of the operation of the high-speed complement control unit 128.

図7に示すように、主制御部目標値r(t)は主制御周期T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r(t)は高速制御周期T毎に変化する。ただし、或る2つの整数n,nに対してt=nかつt=nとなる時刻tに関しては、r(t)=r(t)となる。これは、主制御部目標値rを基準として、主制御周期T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r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 complementary control unit 128 according to the second embodiment changes for each high-speed control period T f . However, for a time t where t=n 1 T f and t=n 2 T c for two integers n 1 and n 2 , r a (t)=r b (t) . This is because the high-speed complementary target value r b is calculated based on the main control unit target value r a at a timing when the target change amount calculation unit 125 is not operating within the main control period T c .

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uを計算する処理と同様の処理により、高速補完目標値r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rを算出すればよい。以下、簡単のため、或る整数nに対して、t+(n-1)T≦t'<t+n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r(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、nT=Tを満たす自然数である。 The high speed complement control unit 128 may calculate the high speed complement target value r b by, for example, a process similar to the process for calculating the complement operation amount u b described in Reference 4. Specifically, the high speed complement control unit 128 may calculate the high speed complement target value r b by, for example, the following steps 1 to 6. For simplicity, the following will describe a case in which the high speed complement target value r b (t') is calculated at time t ' , which is a continuous time that satisfies t+(n 3 -1)T c t'<t+n 3 T c, for an integer n 3. In the following, an index that satisfies 0≦j<n+1 is used. Here, n is a natural number that satisfies nT f =T c .

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 completion control unit 128 determines whether j = n.

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、y=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n,nに対してt=nかつt=nとなる時刻t'=tである。 Step 2: If it is determined in step 1 that j=n, the high speed complement control unit 128 initializes y0 =y(t), mdr (0)=0, and j=0. Here, mdr (j) is the average target value change amount at index j, as described later. Note that at this time, the time t'=t is such that t= n1Tf and t= n2Tc for two integers n1 and n2 .

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 step 1 above that j = n, the high-speed completion control unit 128 updates the index so that j ← j + 1.

手順4:高速補完制御部128は、予測目標偏差e(j)を計算する。予測目標偏差e(j)とは、現在時刻t'で予測される先読み長T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e(j)を計算すればよい。 Step 4: The high speed complementation control unit 128 calculates the predicted target deviation e f (j). The predicted target deviation e f (j) is a provisional target deviation predicted at the current time t' after the look-ahead length T p . The high speed complementation control unit 128 may calculate the predicted target deviation e f (j) by, for example, the following calculation method 1 or calculation method 2.

・予測目標偏差e(j)の計算方法1
(j)=r(t')-(y(t')+(r(t')-y)・(1-a(j)))
a(j)=j・T/T
なお、r(t')は、r(t)のt=t'における値のことである。
Calculation method 1 of predicted target deviation e f (j)
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e(j)の計算方法2
(j)=r(t')-(y+(y(t')-y)/a(j))
a(j)=j・T/T
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 complement control unit 128 calculates the average target value change m dr (j) as follows.

dr(j)=k・e(j)
dr(j)=(mdr(j-1)・j+dr(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:

dr(j)=k・e(j)
dr(j)=mdr(j-1)+dr(j)・T/T
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、r(t')=r(t)+mdr(j)により高速補完目標値r(t')を計算する。 Step 6: The high speed complement control unit 128 calculates the high speed complement target value r b (t') by r b (t') = r a (t) + m dr (j).

[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 control device 10 according to the first and second embodiments will be described below.

<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-level control device 20, and a target value r is given from the higher-level control device 40 to the lower-level control device 20. The lower-level control device 20 then calculates and outputs an operation amount u for the controlled plant 30 so that the controlled amount y of the controlled plant 30 follows the given target value r.

<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 control device 10>
Next, a configuration example of a control system including the control device 10 according to the first or second embodiment will be described with reference to Fig. 9. Fig. 9 is a diagram showing an example of the configuration of a control system including the control device 10 according to one embodiment.

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r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r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rを算出し、この適用目標値r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。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 control device 10 according to the first or second embodiment, the control device 10 is included as an intermediate control device between the upper control device 40 and the lower control device 20. In other words, the control device 10 is disposed as an intermediate control device between the upper control device 40 and the lower control device 20. In this control system, an initial target value r 0 is given to the control device 10 from the upper control device 40, and the control device 10 calculates an application target value r 1 based on the given initial target value r 0 and the control amount y of the controlled plant 30, and outputs this application target value r 1 to the lower control device 20. Thereafter, the lower control device 20 calculates and outputs an operation amount u for the controlled plant 30 so that the control amount y of the controlled plant 30 follows the given application target value r 1. Note that, in the example shown in FIG. 9, the control device 10 acquires the control amount y from the controlled plant 30, but the control device 10 may acquire the control amount y from, for example, the lower control device 20.

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 control device 10 according to the first or second embodiment into a conventional control system, all that is required is the installation of the control device 10 and the associated wiring of the transmission equipment, and there is no need to modify the upper control device 40 or the lower control device 20. Therefore, it is possible to incorporate the control device 10 according to the first or second embodiment into a conventional control system at low cost and safely.

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-level control device 20 may be any controller that controls the controlled plant 30 using a predetermined control method. For example, any controller that controls the controlled plant 30 using any existing control method such as PID control, model predictive control (MPC), sliding mode control, H2 control, etc. may be used as the lower-level control device 20.

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 control device 10 according to the first and second embodiments will be described below.

<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r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rから適用目標値r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r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-level control device 40 such as a process computer to a control device 10 according to the first or second embodiment. The control device 10 according to the first or second embodiment calculates an application target value r1 from the provided initial target value r0 , and outputs it to a lower-level control device 20 which is a PID controller C. Then, the lower-level control device 20 calculates an operation amount u so that a control amount y of a controlled plant 30 which is a plant P follows the application target value r1 , and outputs it to the controlled plant 30. In addition to the operation amount u, an unknown disturbance v is input to the controlled plant 30.

・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 plant 30 is a second-order lag system represented as follows.

Figure 0007521712000007
ここで、GはプラントPのゲイン、T及びTは時定数である。
Figure 0007521712000007
where G is the gain of the plant P, and T1 and T2 are time constants.

・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:

Figure 0007521712000008
ここで、kは比例ゲイン、Tは積分ゲインである。なお、本実施例では微分成分を持たないが、微分成分を有するPID制御器が用いられてもよい。また、PID制御器の構成として、微分先行型PID、比例微分先行型PID、速度型PID、2自由度PID等の各種のPID制御が用いられてもよい。
Figure 0007521712000008
Here, kp is a proportional gain, and T I is an integral gain. Although this embodiment does not have a differential component, a PID controller having a differential component may be used. In addition, various types of PID control such as a differential leading type PID, a proportional/differential leading type PID, a speed type PID, and a two-degree-of-freedom PID may be used as the configuration of the PID controller.

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TはT=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TはT=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 control device 10 The settings of the control device 10 according to the first or second embodiment were such that the main control period Tc was Tc = 5 [sec] and the target variable width w was w = 0.5. The settings of the control device 10 according to the second embodiment were such that the high-speed control period Tf was Tf = 0.5 [sec].

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 Case 1 and Case 2, the controlled plant 30 was controlled using only the PID controller C, using the control device 10 according to the first embodiment, and using the control device 10 according to the second embodiment. The implementation results are explained below.

<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 Case 1>
<When only PID controller C is used>
In case 1, the implementation result when only the PID controller C (lower control device 20) is used will be described with reference to Fig. 11. Fig. 11 is a diagram (part 1) showing the implementation result when only the PID controller C is used.

図11(a)は当初目標値r(t)、図11(b)は当初目標値r(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r(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r(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-level control device 20, the controlled variable y(t) is made to follow the initial target value r 0 (t), so the manipulated variable u(t) varies in the opposite direction to the disturbance v(t) so as to cancel out the disturbance v(t).

≪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 control device 10 according to the first embodiment is used>>
In case 1, the implementation result when the control device 10 according to the first embodiment is used will be described with reference to Fig. 12. Fig. 12 is a diagram (part 1) showing the implementation result when the control device 10 according to the first embodiment is used.

図12(a)は当初目標値r(t)及び変換目標値r(t)、図12(b)は当初目標値r(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r(t)を次の時刻t+Tにおける適用目標値r(t+T)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 switch 113 is set to output the converted target value rm(t) as the applied target value r1 (t+ Tc ) at the next time t+ Tc .

図12(a)~図12(d)に示すように、変換目標値r(t)は外乱v(t)の変化に応じて変化し、当初目標値r(t)とは異なる値となっているが、変換目標値r(t)と当初目標値r(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r(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r(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r(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-level control device 20, the manipulated variable u(t) changes more sharply when the disturbance v(t) changes, compared to when only the PID controller C is used. As a result, the difference between the controlled variable y(t) and the initial target value r 0 (t) is kept smaller than when only the PID controller C is used.

≪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 control device 10 according to the second embodiment is used>>
In case 1, the implementation result when the control device 10 according to the second embodiment is used will be described with reference to Fig. 13. Fig. 13 is a diagram (part 1) showing the implementation result when the control device 10 according to the second embodiment is used.

図13(a)は当初目標値r(t)及び変換目標値r(t)、図13(b)は当初目標値r(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r(t)を次の時刻t+Tにおける適用目標値r(t+T)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 switch 113 is set to output the converted target value rm(t) as the applied target value r1 (t+ Tc ) at the next time t+ Tc .

図13(a)~図13(d)に示すように、変換目標値r(t)は外乱v(t)の変化に応じて変化し、当初目標値r(t)とは異なる値となっているが、変換目標値r(t)と当初目標値r(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r(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r(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r(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-level control device 20, the manipulated variable u(t) changes more sharply when the disturbance v(t) changes, compared to when only the PID controller C is used. As a result, the difference between the controlled variable y(t) and the initial target value r 0 (t) is kept smaller than when only the PID controller C is used. Furthermore, the fluctuation of the controlled variable y(t) is further suppressed, compared to when the control device 10 according to the first embodiment is used.

≪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 Case 1, 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 control device 10 according to the first embodiment is used, and where the control device 10 according to the second embodiment is used are shown in Table 1 below.

Figure 0007521712000009
上記の表1に示すように、上側のオーバーシュート量は、PID制御のみを用いた場合では0.423、第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合では0.352、第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合では0.283である。また、下側のオーバーシュート量は、PID制御のみを用いた場合では0.846、第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合では0.677、第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合では0.590である。このため、第一又は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の影響が抑制できていることがわかる。
Figure 0007521712000009
As shown in Table 1 above, the amount of overshoot on the upper side is 0.423 when only PID control is used, 0.352 when the control device 10 according to the first embodiment is used, and 0.283 when the control device 10 according to the second embodiment is used. The amount of overshoot on the lower side is 0.846 when only PID control is used, 0.677 when the control device 10 according to the first embodiment is used, and 0.590 when the control device 10 according to the second embodiment is used. Therefore, it can be seen that the influence of the unknown disturbance v can be suppressed by using the control device 10 according to the first or second embodiment.

≪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 case 1, the estimation results of the model parameter θ when the control device 10 according to the first embodiment is used and when the control device 10 according to the second embodiment is used will be described with reference to Fig. 14. Fig. 14 is a diagram (part 1) showing the estimation results of the model parameter θ. Note that the ARMA model shown in the above formula 2 was used as the closed loop response model.

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 control device 10 according to the first embodiment is used, and Figure 14(b) shows a time series graph of the estimation results of the model parameter θ when the control device 10 according to the second embodiment is used. It can be seen that the model parameter θ is estimated sequentially online in both cases where the control device 10 according to the first embodiment and the control device 10 according to the second embodiment are used.

<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r(t)、図15(b)は当初目標値r(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r(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r(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-level control device 20, the controlled variable y(t) is made to follow the initial target value r 0 (t), so the manipulated variable u(t) varies in the opposite direction to the disturbance v(t) so as to cancel out the disturbance v(t).

≪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 control device 10 according to the first embodiment is used>>
In case 2, the implementation result when the control device 10 according to the first embodiment is used will be described with reference to Fig. 16. Fig. 16 is a diagram (part 2) showing the implementation result when the control device 10 according to the first embodiment is used.

図16(a)は当初目標値r(t)及び変換目標値r(t)、図16(b)は当初目標値r(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r(t)を次の時刻t+Tにおける適用目標値r(t+T)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 switch 113 is set to output the converted target value rm(t) as the applied target value r1 (t+ Tc ) at the next time t+ Tc .

図16(a)~図16(d)に示すように、変換目標値r(t)は外乱v(t)の変化に応じて変化し、当初目標値r(t)とは異なる値となっているが、変換目標値r(t)と当初目標値r(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r(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r(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r(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-level control device 20, the manipulated variable u(t) changes more sharply when the disturbance v(t) changes, compared to when only the PID controller C is used. As a result, the difference between the controlled variable y(t) and the initial target value r 0 (t) is kept smaller than when only the PID controller C is used.

≪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 control device 10 according to the second embodiment is used>>
In case 2, the implementation result when the control device 10 according to the second embodiment is used will be described with reference to Fig. 17. Fig. 17 is a diagram (part 2) showing the implementation result when the control device 10 according to the second embodiment is used.

図17(a)は当初目標値r(t)及び変換目標値r(t)、図17(b)は当初目標値r(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r(t)を次の時刻t+Tにおける適用目標値r(t+T)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 switch 113 is set to output the converted target value rm(t) as the applied target value r1 (t+ Tc ) at the next time t+ Tc .

図17(a)~図17(d)に示すように、変換目標値r(t)は外乱v(t)の変化に応じて変化し、当初目標値r(t)とは異なる値となっているが、変換目標値r(t)と当初目標値r(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r(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r(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r(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-level control device 20, the manipulated variable u(t) changes more sharply when the disturbance v(t) changes, compared to when only the PID controller C is used. As a result, the difference between the controlled variable y(t) and the initial target value r 0 (t) is kept smaller than when only the PID controller C is used. Furthermore, the fluctuation of the controlled variable y(t) is further suppressed, compared to when the control device 10 according to the first embodiment is used.

≪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 control device 10 according to the first embodiment is used, and where the control device 10 according to the second embodiment is used are shown in Table 2 below.

Figure 0007521712000010
上記の表2に示すように、上側のオーバーシュート量は、PID制御のみを用いた場合では0.395、第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合では0.379、第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合では0.259である。また、下側のオーバーシュート量は、PID制御のみを用いた場合では0.789、第一の実施形態に係る制御装置10を用いた場合では0.633、第二の実施形態に係る制御装置10を用いた場合では0.547である。このため、第一又は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の影響が抑制できていることがわかる。
Figure 0007521712000010
As shown in Table 2 above, the amount of overshoot on the upper side is 0.395 when only PID control is used, 0.379 when the control device 10 according to the first embodiment is used, and 0.259 when the control device 10 according to the second embodiment is used. The amount of overshoot on the lower side is 0.789 when only PID control is used, 0.633 when the control device 10 according to the first embodiment is used, and 0.547 when the control device 10 according to the second embodiment is used. Therefore, it can be seen that the influence of the unknown disturbance v can be suppressed by using the control device 10 according to the first or second embodiment.

≪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 control device 10 according to the first embodiment is used and when the control device 10 according to the second embodiment is used will be described with reference to Fig. 18. Fig. 18 is a diagram (part 2) showing the estimation results of the model parameter θ. Note that the ARMA model shown in the above formula 2 was used as the closed loop response model.

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 control device 10 according to the first embodiment is used, and Figure 18(b) shows a time series graph of the estimation results of the model parameter θ when the control device 10 according to the second embodiment is used. It can be seen that the model parameter θ is estimated sequentially online in both cases where the control device 10 according to the first embodiment and the control device 10 according to the second embodiment are used.

[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 control device 10 according to the first and second embodiments makes it possible to make the control amount of the controlled object follow the target value even when an unknown disturbance exists, while effectively utilizing an existing controller. In this case, the control device 10 according to the first and second embodiments does not require any modification to the existing controller, so that the target deviation against the unknown disturbance can be improved at low cost and safely. This is one of the notable features not found in the conventionally known methods for improving the target deviation (e.g., a method for readjusting PID parameters, a method for replacing with advanced control such as model predictive control, a method for modifying a closed loop such as a disturbance observer or Smith compensator, etc.).

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 control device 10 according to the first and second embodiments is introduced into the control system, even if, for example, the lower-level control device 20 is readjusted or the controlled plant 30 itself is changed, the model parameter θ is adjusted autonomously by the model parameter estimation unit 112, so there is also a feature that maintenance of the control device 10 (intermediate control device) itself is not required.

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rから目標可変幅wを逸脱しないように変換目標値r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 control device 10 according to the first and second embodiments maintains the original control loop and constrains the converted target value r m so that it does not deviate from the initial target value r 0 by the target variable width w. Therefore, if the original control loop is stable, the stability of the control system incorporating the control device 10 is also guaranteed.

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 control device 10 according to the first and second embodiments, it is possible to suppress the influence of the unknown disturbance v without installing a new sensor or the like for measuring the unknown disturbance v or increasing the frequency of measurement.

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 LIST 10 Control device 20 Lower level control device 30 Control target plant 101 Input device 102 Display device 103 External I/F
103a Recording medium 104 Communication I/F
105 Processor 106 Memory device 107 Bus 111 Target value conversion section 112 Model parameter estimation section 113 Switch 114 Timer 115 Timer 121 Differentiator 122 Control parameter calculation section 123 Time differentiator 124 Target deviation prediction section 125 Target change amount calculation section 126 Adder 127 Conversion target value constraint section 128 High-speed complement control section

Claims (9)

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.
前記第3の目標値は、前記第1の目標値との差の絶対値が所定の目標可変幅以下となるように制約された値である、請求項1に記載の制御装置。 The control device according to claim 1, wherein the third target value is a value constrained so that the absolute value of the difference between the third target value and the first target value is equal to or less than a predetermined target variable range. 前記目標値変換部には、
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.
前記目標値変換部は、
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.
前記目標値変換部には、
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.
前記閉ループ応答モデルはARMAモデルであり、
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.
前記上位制御装置は、プロセスコンピュータ又はオペレータ端末であり、
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.
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が、
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.
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に、
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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* Cited by examiner, † Cited by third party
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