JPH05297908A - 適応制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 制御性能を向上すると共に定常偏差を無く
し、かつ、既知外乱がプロセスに加わった場合の制御量
変動を効果的に抑制できるようにする。 【構成】 プロセス１に並行して伝達関数部５１を設
け、その出力とプロセス１の制御量ｙp を加算した拡張
プロセス制御量ｙa を規範モデル５の出力ｙm に追従さ
せる系において、モデル出力ｙm と制御量ｙa との偏差
ｅz を可変ゲインを介してフィードバックする。この可
変ゲインの上流側に第１の位相進み補償器５３、プロセ
ス１の直前に第２の位相進み補償器７４を設け、一部の
パラメータを制御偏差の絶対値の平方根の指定時間帯に
おける積分値に比例させて変化させる。上記規範モデル
の入力を用いて定常偏差を除去する第１のフィードフォ
ワード補償手段及び既知外乱の信号を用いてプロセスの
遅れを補償する第２のフィードフォワード補償手段を設
け、そのパラメータをオンライン学習させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプロセス、機械製品等に
適用される適応制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は、プロセス、機械製品等に適用さ
れる従来の適応制御装置の代表例を示すものである。

【０００３】プロセス１は、既知外乱（ｄ(t) ）２と操
作量（ｕ(t) ）３を入力とし、制御量（ｙp(t)）４を出
力する。この制御量（ｙp(t)）４は、規範モデル５の出
力ｙm(t)６に追従する必要がある。なお、規範モデル５
の入力ｕm(t)７は、別途、指令値として与えられる。ま
た、規範モデル５の第２の出力ｘm(t)８は、規範モデル
５の中間変数である。本来であれば制御量（ｙp(t)）４
と出力ｙm(t)６を比較して、その制御偏差を小さくする
ように操作量（ｕ(t) ）３を動かすわけであるが、ここ
では制御安定化のためにＧb(s)なる伝達関数部９をプロ
セス１に並行して配置し、制御量（ｙp(t)）４とＧb(s)
なる伝達関数部９の出力１０を加算器１１で加算した、
いわゆる拡張したプロセスの制御量の値をｙa(t)１２と
したときの出力ｙm(t)６とｙa(t)１２の偏差ｅz(t)１３
を減算器１４で求めて、この偏差ｅz(t)１３を小さくす
るための操作量（ｕ(t) ）３を以下の手法で求めてい
る。操作量（ｕ(t) ）３を算出するための構成要素は、
大きくは３つに分けられる。その一つは、次の通りであ
る。

【０００４】偏差ｅz(t)１３を乗算器１５，１６の片側
入力とし、乗算器１５の他方には後述の積分器１７の出
力ＫIe(t) １８を入力し、乗算器１６の他方には後述の
係数器１９の出力Ｋpe(t) ２０を入力する。そして、乗
算器１５，１６の各出力は、加算器２１に供給されて加
算される。

【０００５】ここで、積分器１７の出力ＫIe(t) １８
は、係数器２２を介して減算器２３の−端子に入力され
る。そして、減算器２３の出力は積分器１７の入力とな
る。また、減算器２３の＋端子には係数器２４の出力が
入力される。係数器１９，２４には共に乗算器２５の出
力が入力され、この乗算器２５には両入力端子に減算器
１４から出力される偏差ｅz(t)１３が入力される。同様
に、操作量（ｕ(t) ）３を算出するための構成要素につ
いて説明する。

【０００６】規範モデル５の第２の出力ｘm(t)８を乗算
器２６，２７の片側入力とし、乗算器２６の他方には後
述の積分器２８の出力ＫIx(t) ２９を入力とし、乗算器
２７の他方には後述の係数器３０の出力Ｋpx(t) ３１を
入力する。そして、乗算器２６，２７の各出力は加算器
３２に供給されて加算される。

【０００７】ここで、積分器２８の出力ＫIx(t) ２９
は、係数器３３を介して減算器３４の−端子に入力され
る。そして、減算器３４の出力は積分器２８の入力とな
る。また、減算器３４の＋端子には、係数器３５の出力
が入力される。係数器３０，３５には共に乗算器３６の
出力が入力され、乗算器３６には減算器１４から出力さ
れる偏差ｅz(t)１３と規範モデル５の第２の出力ｘm(t)
８が入力される。

【０００８】三つ目の構成要素は、規範モデル５の入力
ｕm(t)７を乗算器３７，３８の片側入力とし、乗算器３
７の他方には後述の積分器３９の出力ＫIu(t) ４０を入
力し、乗算器３８の他方には後述の係数器４１の出力Ｋ
pu(t) ４２を入力する。そして、乗算器３７，３８の各
出力は加算器４３に供給されて加算される。

【０００９】ここで、積分器３９の出力ＫIu(t) ４０
は、係数器４４を介して減算器４５の−端子に入力され
る。そして、減算器４５の出力は積分器３９の入力とな
る。また、減算器４５の＋端子には、係数器４６の出力
が入力される。係数器４１，４６には共に乗算器４７の
出力が入力され、この乗算器４７には減算器１４から出
力される偏差ｅz(t)１３と規範モデル５の入力ｕm(t)７
が入力となる。以上の各構成要素の加算器２１，３２，
４３の各出力は、加算器４８に入力され、この加算器４
８の出力がプロセス１に対する操作量（ｕ(t) ）３とな
る。

【００１０】なお、Ｇb(s)なる伝達関数部９は、簡単な
ケースでは１次遅れ要素でよく、同様に規範モデル５も
簡単なケースでは１次遅れ要素の出力を出力ｙm(t)６と
し、そして出力ｙm(t)の微分値に相当する値を第２の出
力ｘm(t)８とすればよい。ここで、積分器１７，２８，
３９の各出力は、最小値として零またはそれ以上の正の
値でリミットをかける必要がある。また、係数器１９，
３０，４１の各出力にも、最小値として零またはそれ以
上の正の値でリミットをかける必要がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の適応制御装
置は、基本的には比例動作であり、制御性能の向上に限
界がある。また、定常偏差が残り好ましくない。

【００１２】更に上記従来装置は、規範モデルの出力に
プロセスの制御量を追従させる場合は有効であるが、既
知外乱がプロセスに加わった場合には、制御量の変動抑
制がフィードフォワード補償器で行なわれないので、高
い制御性能が得られないという問題がある。

【００１３】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、制御性能を向上できると共に定常偏差を無くし、か
つ、既知外乱がプロセスに加わった場合の制御量変動を
効果的に抑制できる適応制御装置を提供することを目的
とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る適応制御装
置は、プロセスに並行して操作量を入力とする伝達関数
部を設けて、その出力とプロセスの制御量ｙp を加算し
て得られる拡張したプロセスの制御量ｙa を規範モデル
の出力ｙm に追従させることを目標とした系において、
上記規範モデルの出力ｙm から拡張したプロセスの制御
量ｙa を差し引いた偏差ｅz をフィードバックする手段
と、上記フィードバックのループの上流側に配置した第
１の位相進み補償器と、上記プロセスの制御量ｙp の２
階微分値をフィードバックし、プロセスの振動的な挙動
を抑制する第２の位相進み補償器と、上記第１及び第２
の位相進み補償器の一部のパラメータを、制御偏差の絶
対値の平方根の指定時間帯における積分値に比例させて
変化させる手段と、上記規範モデルの入力をフィードバ
ック制御のメインループに設けた加算点に入力して定常
偏差を除去する第１のフィードフォワード補償手段と、
上記プロセスの制御量ｙp と上記規範モデルの出力ｙm
との差が最小になるように上記第１のフィードフォワー
ド補償手段のパラメータをオンライン学習する第１の学
習手段と、既知外乱の信号を用いてプロセスの遅れを補
償する第２のフィードフォワード補償手段と、上記拡張
したプロセスの制御量ｙa と規範モデルの出力ｙm の差
を位相進み補償器を介して位相を進めた値が最小になる
ように上記第２のフィードフォワード補償手段のパラメ
ータをオンライン学習する第２の学習手段とを備えたこ
とを特徴とする。

【００１５】

【作用】上記のように位相進み補償器を２個所に設ける
ことにより、プロセスの遅れを補償した操作量を求める
ことができる。また、規範モデルの入力をフィードフォ
ワード補償として使用する場合の加算点をバイパスルー
プではなく、メインループに配置することにより、フィ
ードフォワード補償の働きに加えて、定常偏差を最小す
ることができる。

【００１６】更に、既知外乱のフィードフォワード補償
を偏差ｅz を第１の位相進み補償器で進めた値ｅ^* z に
した修正が行なわれ、その結果、プロセスの遅れが有効
なフィードフォワード補償となる。

【００１７】また、プロセスが振動的な挙動を示す場合
の振動抑制ができる操作量を第２の位相進み補償器によ
り求めることができる。これは、プロセスの制御量ｙp
を２階微分した値がフィードバックされるためである。
そして、その微分時間に相当する値は制御偏差ｅy の大
きさに応じて適切な値に自動修正される。

【００１８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。本発明装置の回路構成を図１及び図２にブロッ
ク線図で示す。なお、図３に示した従来装置と同一部分
には、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【００１９】図１において、プロセス１は、既知外乱
（ｄ(t) ）２と操作量（ｕ(t) ）３を入力とし、制御量
（ｙp(t)）４が出力される。ここで、制御量（ｙp(t)）
４は規範モデル５の出力ｙm(t)６に追従する必要があ
る。なお、規範モデル５の入力ｕm(t)７は別途、指令値
として与えられる。本来であれば、制御量（ｙp(t)）４
と出力ｙm(t)６を減算器４９で比較して、その制御偏差
（ｅy(t)）５０を小さくするように操作量（ｕ(t) ）３
を動かすわけであるが、ここでは制御安定化のためにｋ
1 ／（１＋Ｔ1 Ｓ）なる伝達関数部５１の出力５２を加
算器１１で加算した、いわゆる拡張したプロセスの制御
量の値をｙa(t)１２としたときの出力ｙm(t)６とｙa(t)
１２の偏差ｅz(t)１３を減算器１４で求めて、この偏差
ｅz(t)１３を小さくするための操作量（ｕ(t) ）３も並
行して以下の手法で求めている。操作量（ｕ(t) ）３を
算出するための構成要素は、大きくは３つに分けられ
る。その一つは、次の通りである。

【００２０】減算器１４から出力される偏差ｅz(t)１３
を第１の位相進み補償器５３を介して得られる値ｅ^* z
(t)５４を乗算器１５，１６の片側入力とし、乗算器１
５の他方には後述する上下限付積分器５５の出力ＫIe
(t) １８を入力し、乗算器１６の他方には後述する上下
限付係数器５６の出力Ｋpe(t) ２０を入力する。ここ
で、第１の位相進み補償器５３は、偏差ｅz(t)１３を加
算器５７及びフィルタ付微分器５８に供給し、このフィ
ルタ付微分器５８の出力を係数器５９を介して加算器５
７に入力する。この加算器５７の出力が第１の位相進み
補償器５３の出力として取り出される。そして、上記乗
算器１５，１６の各出力は、加算器６０に供給される。

【００２１】図２に示すように上下限付積分器５５の出
力ＫIe(t) １８は、係数器２２を介して減算器２３の−
端子に入力される。この減算器２３の出力は上下限付積
分器５５の入力となる。ここで、上下限付積分器とは、
積分器の出力が指定された上限値と下限値で制限される
ことを意味する。上下限付係数器も同様である。そし
て、減算器２３の＋端子には係数器２４の出力が入力さ
れる。上下限付係数器５６と係数器２４には共に乗算器
２５の出力が入力され、乗算器２５は偏差ｅz(t)１３と
値ｅ^* z(t)５４が入力となる。同様に、操作量（ｕ(t)
）３を算出するための構成要素について説明する。

【００２２】図１において、規範モデル５の入力ｕm(t)
７を乗算器３７，の片側入力とし、乗算器３７の他方に
は後述の積分器３９の出力ＫIu(t) ４０を入力とし、乗
算器３８の他方には後述の係数器４１の出力Ｋpu(t) ４
２を入力する。そして、乗算器３７，３８の各出力は、
加算器６１に供給される。また、図２に示す積分器３９
には、係数器４６の出力が入力される。係数器４１，４
６には共に乗算器４７の出力がせ入力され、乗算器４７
は制御偏差ｅy(t)５０と規範モデル５の入力ｕm(t)７が
入力となる。

【００２３】三つ目の構成要素は、図１に示すように既
知外乱（ｄ(t) ）２を乗算器６２，６３の片側入力と
し、乗算器６２の他方には後述の積分器６４の出力ＫId
(t) ６５を入力し、乗算器６３の他方には後述の係数器
６６の出力Ｋpd(t) ６７を入力する。そして、乗算器６
２，６３の各出力は加算器６０に供給される。

【００２４】ここで、図２に示す積分器６４の出力ＫId
(t) ６５は、係数器６８を介して減算器６９の−端子に
入力される。この減算器６９の出力は、積分器６４入力
される。また、減算器６９の＋端子には係数器７０の出
力が入力される。係数器６６，７０の入力は共に乗算器
７１の出力が入力され、乗算器７１は値ｅ^* z(t)５４と
既知外乱（ｄ(t) ）２が入力となる。

【００２５】以上の各構成要素で得られた図１に示す加
算器６０の出力ｕp(t)７２は、加算器６１及び伝達関数
部５１に入力される。そして、加算器６１の出力７３と
後述の第２の位相進み補償器７４の出力８２が加算器７
５で加算され、その出力が操作量（ｕ(t) ）３となる。

【００２６】上記第２の位相進み補償器７４では、プロ
セス１から出力される制御量（ｙp(t)）４をフィルタ付
微分器７５を介して乗算器７６の片側入力となり、他方
には後述の量子化要素７７の出力Ｋb(t)７８が入力され
る。また、乗算器７６の出力は減算器７９の−端子に接
続入力され、＋端子には加算器６１の出力７３が入力さ
れる。そして、減算器７９の出力は、フィルタ付微分器
８０を介して乗算器８１に入力され、後述の量子化要素
７７の出力Ｋb(t)７８と乗算されて、その出力が第２の
位相進み補償器７４の出力８２となる。

【００２７】次に出力Ｋb(t)７８の算出法について説明
する。減算器４９から出力される制御偏差ｅy(t)５０
は、図２に示す絶対値発生器８３に入力され、その出力
は平方根発生器８４に入力される。平方根発生器８４の
出力は減算器８５の＋端子に供給され、係数器８６の出
力と比較される。減算器８５の出力は、積分器８７によ
り積分された後、係数器８６と減算器８８並びにむだ時
間発生器８９に供給される。このむだ時間発生器８９の
出力は減算器８８の−端子に入力される。減算器８８の
出力は上下限付係数器９０を介して量子化要素７７の入
力となり、この量子化要素７７の出力がＫb(t)７８とな
る。上記のように第１の位相進み補償器５３及び第２の
位相進み補償器７４を設けたことにより、プロセスの遅
れを補償した操作量ｕ(t) が求まる。

【００２８】また、規範モデル５の入力ｕm(t)７をフィ
ードフォワード補償として使用する場合の加算点をバイ
パスループではなく、メインループに配置しているた
め、フィードフォワード補償の働きに加えて、定常偏差
を最小にできる回路構成となる。すなわち、制御偏差が
ある限り積分機能により操作量の修正動作が働き、定常
偏差をなくすことができる。

【００２９】更に既知外乱（ｄ(t) ）２のフィードフォ
ワード補償を偏差ｅz(t)１３を第１の位相進み補償器５
３で進めた値ｅ＊z(t)にした修正が行なわれる。その結
果、プロセスの遅れが有効なフィードフォワード補償と
なり制御性能の向上が図れる。

【００３０】また、プロセスが振動的な挙動を示す場合
の振動抑制ができる操作量が第２の位相進み補償器７４
により求まる。これは制御量（ｙp(t)）４を２階微分
（ここでの微分は全てフィルタ付を意味する）した値が
フィードバックされるためである。そして、その微分時
間に相当する値は制御偏差ｅy(t)の大きさに応じて適切
な値に自動修正される。なお、適切な微分時間に相当す
る値の求め方は制御偏差ｅy(t)の絶対値の平方根の指定
時間帯Ｌにおける積分値を量子化して得る。平方根をと
った理由は、制御偏差のピーク値による影響を少なくす
るためである。これにより、プロセスの振動的な挙動を
減衰させることができる。ここでＬはむだ時間を意味
し、Ｌの値は指定しなければならない。また、量子化要
素は、Ｋb(t)７８の小刻みな動きを回避するために設け
ている。

【００３１】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、第
１の位相進み補償器と第２の位相進み補償器によって、
高制御性能が得られる。また、第２の位相進み補償器の
適切なパラメータがオンラインで求められるため、プロ
セスに経時変化があっても、常に高制御性能が得られ
る。

【００３２】更に規範モデルの入力ｕm(t)をフィードフ
ォワード補償として使用する場合の加算点をメインルー
プに配置したこと、及び最小にする値を制御偏差そのも
のにしたことで、フィードフォワード補償による効果と
定常偏差除去の２点を同時に改善することができる。

【００３３】また、既知外乱（ｄ(t) ）によるフィード
フォワード補償器を設けたことにより、既知外乱（ｄ
(t) ）が変動したときの制御性能を改善でき、そのとき
のパラメータの指標として第１の位相進み補償器の出力
ｅ^* z(t)を最小にする方法をとることにより、制御性能
をより顕著に改善できる。また、第２の位相進み補償器
を設け、２階微分（フィルタ付）をフィードバックする
ことにより、プロセスが振動的になる場合の挙動を改善
できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る適応制御装置の主要部
を示すブロック図。

【図２】同実施例に係る適応制御装置の他の部分を示す
ブロック図。

【図３】従来の適応制御装置を示すブロック図。

【符号の説明】 １…プロセス、２…既知外乱（ｄ(t) ）、３…操作量
（ｕ(t) ）、４…制御量（ｙp(t)）、５…規範モデル、
９…伝達関数部、１１，２１，３２，４３，４８…加算
器、１２…拡張したプロセスの制御量ｙa(t)、１３…偏
差ｅz(t)、１４，２３，３４，４５，４９…減算器、１
５，１６，２５，２５，２７，３６，３７，３８，４７
…乗算器、１７，２８，３９…積分器、１８…出力ＫIe
(t) 、１９，２２，２４，３０，３３，３５，４１，４
４，４６，５９…係数器、２０…出力Ｋpe(t) 、２９…
出力ＫIx(t) 、３１…出力Ｋpx(t) 、４０…出力ＫIu
(t) 、４２…出力Ｋpu(t) 、５０…制御偏差ｅy(t)、５
１…伝達関数部、５３…第１の位相進み補償器、５４…
ｅ^* z(t)、５５…上下限付積分器、５６…上下限付係数
器、５７，６０，６１…加算器、５８…フィルタ付微分
器、６２，６３，７１，８１…乗算器、６４，８７…積
分器、６５…出力ＫId(t) 、６６，６８，７０，８６…
係数器、６７…出力Ｋpd(t) 、６９，７６，７９，８
５，８８…減算器、７２…出力ｕp(t)、７４…第２の位
相進み補償器、７５…フィルタ付微分器、７７…量子化
要素、７８…出力Ｋb(t)、８０…フィルタ付微分器、８
３…絶対値発生器、８４…平方根発生器、８９…むだ時
間発生器、９０…上下限付係数器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プロセスに並行して操作量を入力とする
   伝達関数部を設けて、その出力とプロセスの制御量ｙp
   を加算して得られる拡張したプロセスの制御量ｙa を規
   範モデルの出力ｙm に追従させることを目標とした系に
   おいて、 上記規範モデルの出力ｙm から拡張したプロセスの制御
   量ｙa を差し引いた偏差ｅz をフィードバックする手段
   と、 上記フィードバックのループの上流側に配置した第１の
   位相進み補償器と、 上記プロセスの制御量ｙp の２階微分値をフィードバッ
   クし、プロセスの振動的な挙動を抑制する第２の位相進
   み補償器と、 上記第１及び第２の位相進み補償器の一部のパラメータ
   を、制御偏差の絶対値の平方根の指定時間帯における積
   分値に比例させて変化させる手段と、 上記規範モデルの入力をフィードバック制御のメインル
   ープに設けた加算点に入力して定常偏差を除去する第１
   のフィードフォワード補償手段と、 上記プロセスの制御量ｙp と上記規範モデルの出力ｙm
   との差が最小になるように上記第１のフィードフォワー
   ド補償手段のパラメータをオンライン学習する第１の学
   習手段と、 既知外乱の信号を用いてプロセスの遅れを補償する第２
   のフィードフォワード補償手段と、 上記拡張したプロセスの制御量ｙa と規範モデルの出力
   ｙm の差を位相進み補償器を介して位相を進めた値が最
   小になるように上記第２のフィードフォワード補償手段
   のパラメータをオンライン学習する第２の学習手段とを
   具備したことを特徴とする適応制御装置。