JPH0744221A - フィードバック制御装置におけるむだ時間補償装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】フィードバック制御装置における制御性能の向
上。 【構成】切換スイッチ５、６の切換えにより、制御対象
２の制御出力ｙ（ｎ）が調節部８にフィードバックされ
るとともに、制御入力ｕ（ｎ）、制御出力ｙ（ｎ）、微
分値ｄｙ（ｎ）がメモリ３に時系列的に記憶される。状
態予測部７はメモリ３に記憶された時刻ｔにおける制御
出力ｙ（ｔ）等に基づいてむだ時間Ｌ経過後の時刻にお
ける制御出力ｙ（ｔ＋Ｌ）を予測演算する。この制御出
力とメモリ３に記憶された同時刻における制御出力ｙ*
（ｔ＋Ｌ）との誤差が最小となるように、状態予測部７
における重み付けの調整が行われる。切換スイッチ５、
６の切換えにより、状態予測部７では、現在の制御出力
ｙ（ｎ）等に上記調整された重み付けが与えられること
によりむだ時間Ｌ経過後の時刻における制御出力ｙ（ｎ
＋Ｌ）が予測され、この予測制御出力ｙ（ｎ＋Ｌ）が調
節部８にフィードバックされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フィードバック制御装
置において発生するむだ時間の影響を補償する装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、制御対象を所望の目標値に制
御する制御手法として、フィードバック制御が主として
広く用いられている。周知のようにフィードバック制御
装置は、図３に示すように、制御対象２から出力される
現在時刻ｎにおける制御出力（制御量）ｙ（ｎ）を調節
部８にフィードバックし、この調節部８にフィードバッ
クされた制御出力ｙ（ｎ）と目標値ｖとの偏差ｅに応じ
た制御入力（操作量）ｕ（ｎ）を操作量演算部１で演算
し、これを制御対象２に加えることにより、制御出力ｙ
（ｎ）が目標値ｖに達するよう制御するものである。

【０００３】このフィードバック制御装置は目標値ｖと
制御出力ｙ（ｎ）との偏差ｅを唯一のよりどころに、偏
差ｅが小さくするように制御入力ｕ（ｎ）を修正してい
くものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、制御入力ｕ
（ｎ）あるいは出力ｙ（ｎ）に大きなむだ時間が含まれ
ている場合には、制御出力ｙ（ｎ）には制御入力ｕ
（ｎ）の修正に必要な情報、つまりその時刻ｎまでに加
えた制御入力ｕ（ｎ）の効果あるいはその兆候が含まれ
ないことになる。

【０００５】このように、制御入力の修正に必要な情報
が何ら含まれていない制御出力がフィードバックされ制
御がなされると、制御の不安定性、過大なオーバーシュ
ートの発生、整定時間の増加等を招き、制御性能が低下
してしまうという虞があった。

【０００６】本発明はこうした実状に鑑みてなされたも
のであり、むだ時間経過後の制御量を予測し、これをフ
ィードバックすることにより、むだ時間の影響を補償し
て、制御性能を向上させることができる装置を提供する
ことを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では、制御対象から出力される制御量を調節部
にフィードバックし、該調節部にフィードバックされた
制御量と目標値との偏差に応じた操作量を前記制御対象
に加えることにより、前記制御量が前記目標値に達する
よう前記制御対象を制御するフィードバック制御装置に
おいて、前記制御量と前記操作量のそれぞれを検出する
検出手段と、前記検出手段で検出された制御量と操作量
を時系列的に記憶する記憶手段と、所定時刻における制
御量と該所定時刻における操作量のそれぞれに所定の重
み付けを与え、該重み付けされた制御量および操作量に
基づいて前記所定時刻からむだ時間経過後の時刻におけ
る制御量を予測演算する予測演算手段と、前記検出手段
の検出結果を前記記憶手段と前記予測演算手段のいずれ
かに切換出力させる第１の切換手段と、前記制御対象か
ら出力される制御量と前記予測演算手段で演算される制
御量のいずれかを前記調節部に切換出力させる第２の切
換手段とを具え、学習モード時には、前記第１の切換手
段を前記記憶手段側に切換えるとともに、前記第２の切
換手段を前記制御対象側に切換えて、前記検出手段で検
出された制御量と操作量を前記記憶手段に時系列的に記
憶させる処理を行わせ、ついで、前記記憶手段に記憶さ
れた所定時刻における制御量と該所定時刻における操作
量に基づいて前記所定時刻からむだ時間経過後の時刻に
おける制御量の予測演算を前記予測演算手段に行わせ、
ついで、前記予測演算手段で演算された前記所定時刻か
らむだ時間経過後の時刻における制御量と前記記憶手段
に記憶された前記所定時刻からむだ時間経過後の時刻に
おける制御量との誤差が最小となるように、前記予測演
算手段における重み付けの調整を行わせるとともに、制
御モード時には、前記第１の切換手段を前記予測演算手
段側に切換えるとともに、前記第２の切換手段を前記予
測演算手段側に切換えて、前記調整された重み付けによ
って現在の時刻からむだ時間経過後の時刻における制御
量を予測する演算を前記予測演算手段に行わせ、該予測
演算手段から出力される制御量を前記調節部にフィード
バックするようにしている。

【０００８】

【作用】かかる構成によれば、学習モード時には、第１
の切換手段が記憶手段側に切換えられるとともに、第２
の切換手段が制御対象側に切換えられて、予測制御がな
されない従来のフィードバック制御系における制御量と
操作量が記憶手段に時系列的に記憶される。

【０００９】ついで、記憶手段に記憶された所定時刻に
おける制御量と該所定時刻における操作量に基づいて所
定時刻からむだ時間経過後の時刻における制御量を予測
する演算が予測演算手段において行われる。

【００１０】ついで、予測演算手段で演算された所定時
刻からむだ時間経過後の時刻における制御量と記憶手段
に記憶された所定時刻からむだ時間経過後の時刻におけ
る制御量との誤差が最小となるように、予測演算手段に
おける重み付けの調整が行われる。

【００１１】制御モード時には、第１の切換手段が予測
演算手段側に切換えられるとともに、第２の切換手段が
予測演算手段側に切換えられて、現在時刻における制御
量および操作量が予測演算手段に加えられ、学習モード
時に調整された重み付けによって現在時刻からむだ時間
経過後の時刻における制御量を予測する演算が行われ
る。そしてこの予測演算手段から出力される予測された
制御量が調節部にフィードバックされる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明に係るフィード
バック制御装置のむだ時間補償装置の実施例について説
明する。

【００１３】図１は実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【００１４】同図に示す制御装置は、基本的には図２に
示したのと同様に、フィードバック制御系を構成してい
る。

【００１５】すなわち、制御対象２から出力される現在
時刻ｎにおける制御出力（制御量）ｙ（ｎ）に対して後
述する所定の処理がなされた制御出力、つまり予測制御
量ｙ（ｎ＋Ｌ）を調節部８にフィードバックし、この調
節部８にフィードバックされた制御出力ｙ（ｎ＋Ｌ）と
目標値ｖとの偏差ｅに応じた制御入力（操作量）ｕ
（ｎ）を操作量演算部１で演算し、これを制御対象２に
加えることにより、制御出力ｙ（ｎ）が目標値ｖに達す
るよう制御するものである。

【００１６】上記予測制御量を予測演算するために、実
施例では、従来のものとは異なる以下のような構成を備
えている。

【００１７】すなわち、制御出力ｙ（ｎ）が微分回路４
に加えられる。微分回路４では制御出力ｙ（ｎ）の微分
値ｄｙ（ｎ）／ｄｔ（以下ｄｙ（ｎ）と略す）が演算さ
れ、これが切換スイッチ６に加えられる。また、制御対
象２の入出力ｕ（ｎ）およびｙ（ｎ）は直接上記切換ス
イッチ６に加えられる。

【００１８】上記切換スイッチ６は、入力された制御入
力ｕ（ｎ）、微分値ｄｙ（ｎ）、制御出力ｙ（ｎ）をメ
モリ３または状態予測部７に切換出力する。切換スイッ
チ６が接点６ａに切り換えられた場合には、上記スイッ
チ６に入力された制御入力ｕ（ｎ）等がメモリ３に出力
される。また、切換スイッチ６が接点６ｂに切り換えら
れた場合には、上記スイッチ６に入力された制御入力ｕ
（ｎ）等は状態予測部７に出力される。

【００１９】メモリ３では、スイッチ６から入力された
制御入力ｕ（ｎ）等が時系列的に記憶される。すなわ
ち、所定のサンプリング周期で各時刻ｎごとの制御入力
ｕ（ｎ）、微分値ｄｙ（ｎ）、制御出力ｙ（ｎ）を記憶
する。

【００２０】状態予測部７では、所定時刻ｎにおける制
御入力ｕ（ｎ）、微分値ｄｙ（ｎ）、制御出力ｙ（ｎ）
のそれぞれに所定の重み付けを与え、該重み付けされた
制御入力ｕ（ｎ）等に基づいて上記所定時刻ｎからむだ
時間Ｌ経過後の時刻ｎ＋Ｌにおける制御量ｙ（ｎ＋Ｌ）
を予測演算するものである。切換スイッチ６が接点６ａ
に切り換えられている場合には、メモリ３に記憶された
所定時刻ｔにおける制御入力ｕ（ｔ）等に基づいて上記
予測演算が行われ、予測制御量ｙ（ｔ＋Ｌ）を出力す
る。また、切換スイッチ６が接点６ｂに切り換えられて
いる場合には、制御対象２の現在の制御入力ｕ（ｎ）等
に基づいて上記予測演算が行われ、予測制御量ｙ（ｎ＋
Ｌ）を出力する。

【００２１】また、制御対象２から現在出力されている
制御量ｙ（ｎ）および状態予測部７から出力される予測
制御量ｙ（ｎ＋Ｌ）は切換スイッチ５に加えられる。

【００２２】上記切換スイッチ５は、入力された制御量
ｙ（ｎ）または予測制御量ｙ（ｎ＋Ｌ）を調節部８に切
換出力する。切換スイッチ５が接点５ａに切り換えられ
た場合には、上記スイッチ５に入力された制御量ｙ
（ｎ）が調節部８にフィードバックされる。また、切換
スイッチ５が接点５ｂに切り換えられた場合には、上記
スイッチ５に入力された予測制御量ｙ（ｎ＋Ｌ）が調節
部８にフィードバックされる。

【００２３】・学習モード時における処理 上記切換スイッチ６が接点６ａ、つまりメモリ３に出力
する側に切換えられるとともに、上記切換スイッチ５が
接点５ａ、つまり制御対象２からの制御量ｙ（ｎ）を入
力する側に切換えられると、学習モードにおける処理が
開始される。

【００２４】この場合、制御対象２から出力される制御
量ｙ（ｎ）が調節部８にフィードバックされるという通
常の通常フィードバック制御が行われる。そして、かか
るフィードバック制御が行われている状態において、制
御対象２の入出力状態の時系列データ（ｕ（ｎ）、ｄｙ
（ｎ）、ｙ（ｎ））が所定のサンプリング周期ごとにメ
モリ３に記憶される。

【００２５】状態予測部７は、メモリ３に記憶された時
刻ｔにおける入出力状態を示すデータ（ｕ（ｔ）、ｄｙ
（ｔ）、ｙ（ｔ））を入力して、図２に示すような演算
を行う。

【００２６】同図２に示すように、この状態予測部７は
多層神経回路網で構成されており、入力側の素子ｉは、
それぞれ入出力データｕ（ｔ）、ｄｙ（ｔ）、ｙ（ｔ）
を入力して、ｙｉを出力する。そして各ｙiに対して所
定シナプス加重Ｗijが乗算されたものの総和ｘjが出力
側の素子ｊに入力される。

【００２７】すなわち、ｘjは下記（１）式のごとく表
される。

【００２８】ｘj＝ΣＷij・ｙi …（１） そして、出力側の素子ｊの出力ｙjは、入力の総和ｘjを
単調増加関数ｆに変数として与えたときの関数値で表さ
れる。すなわち、ｙｊは下記（２）式のごとく表され
る。

【００２９】ｙj＝ｆ（ｘj） …（２） ここで、バックプロパゲーションには、ある入力ベクト
ル（パターン）に対して出力素子ｊが出すべき望ましい
出力ｙ*jとしたとき下記Ｅで評価される誤差関数を最小
化する学習則がある。

【００３０】 ここで、ｙjはあるむだ時間Ｌ経過後の時刻における予
測制御量ｙ（ｔ＋Ｌ）である。そこで、メモリ３に記憶
された同じむだ時間Ｌ経過後の時刻における制御量ｙ*
（ｔ＋Ｌ）を読みだして、上記（３）式のｙ*jに代入す
る。そして、上記誤差関数Ｅを最小にするように、シナ
プス加重Ｗijが調節される。

【００３１】このように、状態予測部７で演算された予
測制御量ｙ（ｔ＋Ｌ）とメモリ３に記憶された同時刻ｔ
＋Ｌにおける制御対象２の制御量ｙ*（ｔ＋Ｌ）との誤
差が状態予測部７にフィードバックされることにより、
状態予測部７のシナプス加重Ｗijの調整が行われる。

【００３２】こうしてシナプス加重Ｗijの調整が終了す
ると、切換スイッチ５、６がそれぞれ接点５ｂ、６ｂ側
に切り換わり、処理が予測制御モードに移行される。

【００３３】・予測制御モード時における処理 この予測制御モードにおいては、制御対象２の出力ｙ
（ｎ）をそのまま調節部８にフィードバックするのでは
なくて、状態予測部７で演算された予測制御量ｙ（ｎ＋
Ｌ）が調節部８にフィードバックされる。

【００３４】すなわち、状態予測部７には制御対象２の
現在の入出力状態（ｕ（ｎ）、ｄｙ（ｎ）、ｙ（ｎ））
が入力され、これらに対して上記学習モード時に調整さ
れたシナプス加重Ｗijが与えられて現在時刻ｎからむだ
時間経過Ｌ経過後の時刻ｎ＋Ｌにおける制御量ｙ（ｎ＋
Ｌ）が予測演算され、この予測制御量ｙ（ｎ＋Ｌ）が調
節部８にフィードバックされる。この場合、学習モード
時において評価関数Ｅが最小となるよう、つまりむだ時
間経過後の実際の制御量ｙ（ｎ＋Ｌ）と状態予測部７で
演算される予測制御量ｙ（ｔ＋Ｌ）との誤差が最小とな
るようにシナプ加重Ｗijが調整されているので、制御量
ｙ（ｎ＋Ｌ）を精度よく予測することが可能となり、む
だ時間の発生による影響を小さくすることができる。

【００３５】このように、実施例によれば、学習モード
時においてむだ時間系の動特性が自動的に獲得され、制
御時には、むだ時間Ｌ経過後の制御量ｙ（ｎ＋Ｌ）を予
測してフィードバックするようにしたので、むだ時間の
ある制御系であってもむだ時間がないものとして扱うこ
とが可能になり、従来方式に比べてフィードバック制御
の不安定性が改善され、オーバーシュート量の低減や、
整定時間の短縮等を招くことなく、制御性能の向上が可
能となる。

【００３６】なお、実施例では、制御入力ｕ、制御出力
ｙ以外にも制御出力の微分値ｄｙに基づいて予測演算を
行うようにしているが、要は、制御対象２の入出力状態
からむだ時間後の制御出力を予測することができさえす
ればよく、場合によっては微分値ｄｙをパラメータとし
ないで、予測演算を行う実施も可能である。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、む
だ時間経過後の制御量を予測し、これをフィードバック
するようにしたので、むだ時間の影響が補償され、制御
の不安定性、過大なオーバーシュートの発生、整定時間
の増加等を招くことなく制御性能を飛躍的に向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係るフィードバック制御装置の
むだ時間補償装置の実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】図２は図１に示す状態予測部における演算内容
を説明するために用いた図である。

【図３】図３はフィードバック制御系の一般的な構成を
示すブロック図である。

【符号の説明】

２ 制御対象 ３ メモリ ５ 切換スイッチ ６ 切換スイッチ ７ 状態予測部 ８ 調節部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御対象から出力される制御量を調節部
   にフィードバックし、該調節部にフィードバックされた
   制御量と目標値との偏差に応じた操作量を前記制御対象
   に加えることにより、前記制御量が前記目標値に達する
   よう前記制御対象を制御するフィードバック制御装置に
   おいて、 前記制御量と前記操作量のそれぞれを検出する検出手段
   と、 前記検出手段で検出された制御量と操作量を時系列的に
   記憶する記憶手段と、 所定時刻における制御量と該所定時刻における操作量の
   それぞれに所定の重み付けを与え、該重み付けされた制
   御量および操作量に基づいて前記所定時刻からむだ時間
   経過後の時刻における制御量を予測演算する予測演算手
   段と、 前記検出手段の検出結果を前記記憶手段と前記予測演算
   手段のいずれかに切換出力させる第１の切換手段と、 前記制御対象から出力される制御量と前記予測演算手段
   で演算される制御量のいずれかを前記調節部に切換出力
   させる第２の切換手段とを具え、 学習モード時には、 前記第１の切換手段を前記記憶手段側に切換えるととも
   に、前記第２の切換手段を前記制御対象側に切換えて、 前記検出手段で検出された制御量と操作量を前記記憶手
   段に時系列的に記憶させる処理を行わせ、 ついで、前記記憶手段に記憶された所定時刻における制
   御量と該所定時刻における操作量に基づいて前記所定時
   刻からむだ時間経過後の時刻における制御量の予測演算
   を前記予測演算手段に行わせ、 ついで、前記予測演算手段で演算された前記所定時刻か
   らむだ時間経過後の時刻における制御量と前記記憶手段
   に記憶された前記所定時刻からむだ時間経過後の時刻に
   おける制御量との誤差が最小となるように、前記予測演
   算手段における重み付けの調整を行わせるとともに、 制御モード時には、 前記第１の切換手段を前記予測演算手段側に切換えると
   ともに、前記第２の切換手段を前記予測演算手段側に切
   換えて、 前記調整された重み付けによって現在の時刻からむだ時
   間経過後の時刻における制御量を予測する演算を前記予
   測演算手段に行わせ、該予測演算手段から出力される制
   御量を前記調節部にフィードバックするようにしたフィ
   ードバック制御装置におけるむだ時間補償装置。
2. 【請求項２】 前記制御量と前記操作量以外に前記制御
   量の微分値が前記検出手段で検出され、前記記憶手段に
   前記制御量の微分値が時系列的に記憶され、前記予測演
   算手段で前記制御量の微分値に所定の重み付けが与えら
   れて予測演算が行われる請求項１記載のフィードバック
   制御装置におけるむだ時間補償装置。