JPH04310102A - 制御方法及びその装置 - Google Patents

制御方法及びその装置

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JPH04310102A
JPH04310102A JP3076125A JP7612591A JPH04310102A JP H04310102 A JPH04310102 A JP H04310102A JP 3076125 A JP3076125 A JP 3076125A JP 7612591 A JP7612591 A JP 7612591A JP H04310102 A JPH04310102 A JP H04310102A
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芳明 市川
Mitsugi Nakahara
貢 中原
Shinichiro Ie
伸一郎 家
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  • Testing And Monitoring For Control Systems (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は制御方法及びその装置に
係り、特に、異なる制御方式を複数併用して同一の制御
対象を制御するのに好適な制御方法及びその装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】1つの制御対象を制御するのに複数の異
なる制御方式を採用する従来技術として、特開平1−1
77604号公報記載のものがある。この従来技術では
、目標値と制御量との偏差が大きいときは速応性に優れ
た制御装置を用いて制御を行い、前記偏差が小さいとき
は制御装置を切り替え、安定性に優れた制御装置で制御
を行うようにしている。この従来技術は、2つの異なる
制御装置を用いているが、両方の制御装置共に線形制御
に属している。
【0003】近年の制御技術として、非線形制御に好適
なFuzzy制御やニューラルネット制御が脚光を浴び
てきている。この非線形制御装置は、熟練者の制御操作
を学習にて真似ることがうまいのであるが、熟練者とい
えども滅多に遭遇しない事態に対してはその状態を学習
するデータ量が不足するため未だ確立した技術とはいえ
ない。そこで、確立した技術である従来からの線形制御
と組み合せて用いることになる。例えば、特開平1−2
50103号公報や特開平2−8903号公報記載の従
来技術では、Fuzzy制御装置と線形制御装置の2つ
を併用し、1つの制御対象が安定なときはPID制御つ
まり線形制御を行い、安定性が悪くなったときFuzz
y制御を行っている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】例えば負荷のかかった
モータの回転数を目標値に制御する場合、上述した特開
平1−177604号公報記載の従来技術を適用し、実
際の回転数と目標値との偏差が大きいときは速応性に優
れた制御装置を用い偏差が小さくなったとき安定性に優
れた制御装置に切り換える構成とすることで、速応性と
安定性の両方を満たした制御をすることができる。しか
し、制御装置の切り換え時にオーバーシュートが起きな
いという保証はない。また、上記の例では、制御対象の
状態量が「回転数偏差」の1つだけのため、それに対応
した制御装置を構成することは簡単である。しかし、化
学プラントや鉄鋼,発電プラント等の大規模プラントで
は、制御対象の状態量が沢山有り、これら全ての状態量
を線形制御装置で制御することは、制御装置の設定が複
雑となってしまう。更に、プラント等では、プラント起
動時等の様に急速にプラント状態量を目標値に近付け目
標値に近付いたらその目標値に安定に制御するという非
線形の制御が多々有る。そこで、非線形制御に威力を発
揮するFuzzy制御やニューラルネット制御の導入が
望まれる訳である。
【0005】Fuzzy制御を導入した上述した特開平
1−250103号公報や特開平2−8903号公報記
載の従来技術は、Fuzzy制御装置を万一の時のバッ
クアップとして用いている。しかしこれでは、起動時等
のように非線形制御で威力を発揮するFuzzy制御の
特性を利用しないことになってしまう。また、プラント
に異常が生じ何が起きるか分からない状態になったとき
のメンバーシップ関数を定めるデータ量を集めるのは難
しく、斯かる状態に対するFuzzy制御は未だ確立し
た技術とはいい難い。さらに重要なこととして、バック
アップに切替えられた際に、予め定められた許容範囲内
に収まるような過渡応答、すなわち、オーバシュートや
アンダーシュートの量を保証していない。
【0006】本発明の目的は、Fuzzyやニューラル
ネット等の非線形制御装置の特性を生かししかも安全性
も重視し、常に許容範囲内に収まる過渡応答を保証でき
る制御方法及びその装置と状態量表示方法を提供するこ
とにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的は、Fuzzy
などの非線形制御装置と従来からのPID制御を行う線
形制御装置とを併用し、線形制御装置と制御対象との間
の閉ループ系における状態量の成す空間(状態空間)で
閉じた領域を予め設定し、状態量がこの閉じた領域の内
部にあるときは非線形制御装置に制御をさせ、状態量が
領域の外部に出そうになったときには線形制御装置に切
替えることにより、達成される。
【0008】
【作用】非線形制御装置であっても、メンバーシップ関
数を定めるのに充分なデータ量を集めることのできる前
記閉じた領域内での制御は、線形制御装置と同様に信頼
性良く制御することができる。しかも、非線形制御装置
の特性に適した制御領域といえる。状態量がこの閉じた
領域から外れたとき、安定性について信頼があり従来か
ら確立されている線形制御装置で制御するので、安全性
も高い。更に、状態量が前記の閉じた領域から出てしま
ってから線形制御装置に切り換えるのではなく、出そう
になったときに切り換えてしまうので、オーバーシュー
ト等の問題も発生しない。
【0009】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図1は、本発明の一実施例に係る制御装置の構
成図である。この実施例に係る制御装置は、Fuzzy
やニューラルネット等の非線形制御器(制御器1と図示
する。)11と、従来のPID制御を行う線形制御器(
制御器2と図示する。)12と、寄与率決定手段13を
備え、両制御器11,12の出力が寄与率決定手段13
を介して、制御対象であるプラント14へ与えられてい
る。両制御器11,12は、プラント14の出力(制御
量)を含むプラント状態量を取り込み、各々単独にプラ
ント14を制御するための制御出力を発生している。 一方、寄与率決定手段13は、各制御器11,12の内
部状態量およびプラント14の状態量の両方をモニター
しながら、両制御器11,12からの制御出力を適切な
比率で寄与させながら、制御出力値を発生する。この制
御出力値がプラント14へ実際に入力される操作量とな
る。
【0010】図2は、上述した寄与率決定手段13の一
実施例の構成図である。本実施例では、各制御器11,
12の寄与率が、切替器21によって、0%か100%
のいずれかに決定される。つまり、プラント14の通常
運転時での制御は非線形制御器11のみの出力にて行い
、詳細は後述する様にプラント状態量が或る範囲を越え
そうになったとき、線形制御器12のみの出力にてプラ
ント14を制御する。尚、0%か100%かの寄与率で
はなく、その中間の寄与率を段階的に切替える構成とし
てもよい。すなわち、制御入力の大きな変化を嫌う場合
、可及的速やかに0%から100%へ、段階を追って切
替えてゆく構成としてもよい。いずれにしても、この切
替えのタイミングを決定するのは、切替え判断手段22
であり、この手段22が前述のように各状態量をモニタ
し、判断する。ここで行なわれる切替え判断の根拠と、
その原理について、つぎに詳しく述べる。
【0011】切替えの判断の根拠は、切替えられた直後
から有効となる線形制御器12とプラント14との閉ル
ープが成す過渡応答である。従って、それ以前のFuz
zyなどの非線形制御器11がどのような制御を実行し
ていたかにはいっさい関わりなく、切替えを実行する。 これにより、線形制御器12は、優れたバックアップ手
段として機能することになる。ここで問題となるのは、
線形制御器12とプラント14の成すループの過渡応答
が、予め規定されたオーバーシュートとアンダーシュー
トの範囲内に収まるかどうかである。一般に線形系の過
渡応答は、制御開始時の状態量の初期値によって左右さ
れる。この点について本発明に関連する知見を次に述べ
たい。
【0012】以下では、線形制御器12とプラント14
を含む状態量をx1,x2,…などと表し、単にXと表
記したときは、これらをまとめた列ベクトルであるもの
とし、このベクトルの作る空間を状態空間と呼ぶ。また
、線形制御器12の出力、すなわち、切替え後のプラン
ト14への制御入力をu1,u2,…または、まとめて
列ベクトルUで表すものとする。
【0013】さて、プラントの状態量Xに関する微分方
程式、すなわち状態方程式は、
【0014】
【数1】
【0015】で表され、ここでA,Bはプラント14の
動特性を特徴づけるシステム行列である。一方、線形制
御器12は、次の数式2に従って出力Uを発生する。
【0016】
【数2】
【0017】ここでFはフィードバックゲイン行列であ
る。これらの2つの数式1,2から次式3が得られる。
【0018】
【数3】
【0019】ここで、Ac は閉ループ系に対応するシ
ステム行列である。この方程式3を初期値X(0)のも
とで解くと、その解として、次式4で表される過渡応答
X(t)が得られる。
【0020】
【数4】
【0021】この数式4が示すように、状態量Xの過渡
応答は、その初期値X(0)に依存しており、たとえ線
形制御系の閉ループ安定性が行列Ac の値によって保
証されていても、初期値よっては大きなオーバーシュー
トやアンダーシュートを起こしてしまう。ここで言う初
期値とは、非線形制御器11から線形制御器12に制御
が切替えられた瞬間の状態量の値である。従って、過渡
応答が予め許容された範囲に収まることを保証するため
には、少なくとも、切替え時の状態量の満たすべき条件
に注意を払わなければならない。もし、全ての考え得る
状態量をしらみつぶしに調べてゆくとすると、通常は数
個から数十個にものぼる状態量あるのでの、各々の組合
せは膨大な量になる。すなわち数十次元の状態空間上の
点のひとつひとつを初期値として、数式4によって過渡
応答のチェックをしなければならないこととなり、実施
はきわめて困難である。
【0022】しかしながら、過渡応答の初期値依存性に
凸性があることを利用すると、極めて簡単な手続きで初
期値の満たすべき条件を求めることができる。この凸性
は次のようにして示される。まず、状態空間上の点Xα
(0)を初期値とした過渡応答Xα(t)(次の数式5
に示す)、およびXβ(0)を初期値とした過渡応答X
β(t)(次の数式6に示す)が許容された範囲内に収
まるものと仮定する。
【0023】
【数5】
【0024】
【数6】
【0025】次に、両初期値を結ぶ直線上の中間点Xγ
(0)を初期値とした過渡応答Xγ(t)の性質につい
て考えてみる。中間点Xγ(0)は、次の数式7によっ
て定義される。
【0026】
【数7】
【0027】上式7により、次の数式8に示すように,
過渡応答Xγ(t)も、両過渡応答Xα(t)とXβ(
t)の中間の性質を持つことがわかる。
【0028】
【数8】
【0029】すなわち、オーバーシュートもアンダーシ
ュートも前2者(Xα(t),Xβ(t))を超えるこ
とはなく、必ず許容範囲内に収まる。これより、初期値
として許容できる2点を結ぶ直線上の全ての点が、初期
値として許容し得ることが直ちに導かれ、更にこのよう
な許容できる点の集合は、状態空間内の凸領域となるこ
とも自明である。仮に状態量がX1〜X3であるとする
と、図3に示すイメージのようになる。
【0030】実際には図4のように実施することが簡便
である。即ち図4では、凸領域を多面体で表しており、
状態空間上の座標軸に沿って求められた点P1,P2,
…を互いに結んで多面体としたものである。これらの点
を求めるには、シミュレーションなどによって過渡応答
を確認するが、最少で、座標軸の2倍の数の点を求める
だけで済ますことができるので、十分に実用的である。
【0031】より具体的な例として、次の数式9で示さ
れる2次元(状態量が2つ)のプラントを例にとって説
明する。状態量は、x1とx2の2種であり、x2(t
)の応答は無制約であるが、x1(t)の応答に対して
は、ゼロを基準として−1から+1以内という許容範囲
が設定されているものとする。
【0032】
【数9】
【0033】線形制御器12では、次式10にようにフ
ィードバックを行なう。
【0034】
【数10】
【0035】このゲイン[100,20]は、閉ループ
の固有値が−10.0の2重根となるように予め選ばれ
ている。従って、閉ループ系としては十分に安定である
が、初期値によって過渡応答が異なる。図5には、x1
,x2を座標軸とする状態空間を描き、その上の幾つか
の点を初期値としてx1(t)の過渡応答を計算した結
果を併せて示してある。
【0036】図5に示すように、まずx1座標軸上では
(1,0)および(−1,0)の2点は許容される(−
1〜+1の範囲に収まる)。一方、x2座標軸上では、
(0,28)および(0,−28)が許容限界である。 この4点を結んで4辺形を作ると、その周上および内部
は全て許容される。例として、周上の4点を新たに選び
過渡応答を計算した結果も同図に示してある。
【0037】以上述べた方法は、さらに幾つかの変形が
考えられる。まず、状態空間内の凸領域として、多面体
に含まれる円や楕円体を用いることは、計算処理を早く
する上で有効な工夫である。すなわち、凸多面体領域の
場合に、ある点がその内部にあるのかどうかを決定する
ためには、面の数だけの1次不等式を調べなければなら
ないが、円や楕円体では、ひとつの2次不等式を調べる
だけで済むので、計算の手間が省けるのである。
【0038】また、ディジタル計算器でサンプル値制御
をする際には、1ステップ未来のサンプル時点の状態量
を、状態方程式などにより予見し、その予見した状態量
の値を用いて切替えの判別を行なうことが有効である。 また、これまでに述べてきた切替えの判別を自動で行な
う実施例の他に、運転員に状態空間上の状態量の位置を
表示したり、許容領域を超えそうになったら(境界に近
付いたら)警報を発生するなどの実施例も考えられる。 斯かる表示や警報は、従来の線形制御器のみを用いてい
るプラント制御盤においても有効で有り、このような実
施例の構成を図6に示す。
【0039】図6では、状態量監視手段62が、プラン
ト14と制御器61の状態量を監視しており、その状態
量の値を状態空間にプロットして、表示機器62に表示
すると共に、前述の許容領域の境界に近付いた時に、警
報発生器63を用いて運転員に知らせる。この実施例で
は制御器61が線形制御器であり、許容領域はこの制御
器61に合わせて設定されている。何等かの大きな外乱
が入った場合などに、状態量が瞬間的に大きく移動し、
そのまま制御を継続すれば、オーバーシュートやアンダ
ーシュートが許容範囲を超えると予想されるような際の
、警報発生方法として有効である。
【0040】さらに別の実施例として、原子炉の給水制
御に応用したものを図7に示す。図7では、プラント7
1がポンプを含む給水系の動特性を表している。その内
部には3つの状態量(x1:水位偏差、x2:流量偏差
、x3:流量偏差変化分)が含まれている。一方、制御
装置は、Fuzzy制御器72および線形制御器73を
備え、これらを状態量監視兼切替え手段74によって切
替えて用いる。切替え手段74は、切替えの根拠と状態
量の様子を運転員に明確に説明するために、表示手段7
2を備えている。
【0041】線形制御器73は、いわゆるPI制御器で
あり、比例ゲインKpと積分ゲインKiを備えている。 そのために内部に状態量x4:水位偏差積分値が含まれ
ている。プラントの状態方程式は、次の数式11のよう
になり、線形フィードバック則は数式12に示すように
なる。
【0042】
【数11】
【0043】
【数12】
【0044】これらの数式11,12は、前記した数式
1,2に各々対応する。前述の方法と同様に、x1〜x
4を座標軸とする状態空間内に、16面体領域を作るこ
とができる。プラントの状態がこの領域内部にあれば、
熟練者の操作を学習させたニューラルネット制御やFu
zzy制御を使い、非線形の制御を行う。
【0045】本実施例のように、万一のバックアップの
手段として線形制御器を用いる場合には、通常のFuz
zy制御器からどのような根拠で切替えられるのかを運
転員に明確に知らせるための、いわゆるトランスパレン
シーを備えることは本質的な必須要件である。そのため
の表示手段72の表示画面について、一実施例を図8に
示す。4次元空間内の多面体を2つの2次元座標空間に
分割して表示している。この分割に際する座標軸の組合
せは、どのように決めても同じであるが、一例として、
x1,x2およびx3,x4を各々組み合わせてある。 各2次元空間上に表示された輝点は、現在の状態量の値
を表示したものであり、矩形の枠は、現在の状態量を含
む面で前出の多面体を切断した面を示している。すなわ
ち、4辺形P1〜P4は、 x3=(現在の状態量のx3値),x4=(現在の状態
量のx4値) なるx1,x2軸に平行な面で多面体を切ったものであ
る。従って、この4辺形は現在の状態量の値に応じて大
きさを変化させる。4辺形P5〜P7についても同様に
、x3,x4軸に平行な面で多面体を切断した結果を示
している。この両4辺形の内部に輝点が入っていれば安
心してFuzzy制御を使うことができ、運転員もそれ
を確認することができる。
【0046】さらに他の表示例として、図9に示す3次
元グラフがある。これは、線形制御に切替えられた直後
は、状態量x4を常にゼロからスタートさせることを前
提として制御則を決めた場合に有効になる。この場合、
前記の4次元多面体をx4=0の面で切断した3次元多
面体を考えれば十分であるから、これを視覚的に表示す
ることが容易になる。プラントの内部状態量が本実施例
よりもさらに多い場合には、複数の3次元グラフに分割
して表示することも有効である。
【0047】尚、本発明は上述した発電プラントの給水
制御系のみに適用できるだけではなく、他の非線形制御
を含む制御一般に適用できるものである。例えば、原子
力発電プラントの出力制御に適用することもできる。こ
の場合、制御に用いる状態量としては、主蒸気流量偏差
,炉心圧力偏差,中性子束偏差,炉心流量偏差,給水流
量偏差等が好適である。また、モータの回転角の制御に
適用する場合には、回転角偏差,回転角速度または回転
角偏差の微分値,回転角偏差の積分値を状態量とする。 また、モータの回転角速度の制御に適用する場合には、
回転角速度偏差,回転角速度偏差の積分値を状態量とす
る。更にまた、自動車のアクティブサスペンション制御
に適用する場合には、振動変位,振動速度,振動加速度
を状態量とする。これらの状態量で、非線形制御で行う
か線形制御で行うかを切替えることにより、あるいは、
その寄与率を変化させることで、安全性が高くしかも熟
練者の制御を真似た自動制御が可能となる。
【0048】
【発明の効果】本発明によれば、Fuzzyやニューラ
ルネット等を含むどのような制御器に対しても、常に許
容範囲内に収まる過渡応答を保証でき、安全性を向上さ
せることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る制御装置の構成図であ
る。
【図2】図1に示す寄与率決定手段の構成図である。
【図3】本発明の動作原理の説明図である。
【図4】本発明の具体的実施方法の説明図である。
【図5】本発明の具体的動作の説明図である。
【図6】本発明の別実施例に係る制御装置の構成図であ
る。
【図7】本発明の更に別実施例に係る制御装置の構成図
である。
【図8】図7に示す制御装置における表示画面の構成図
である。
【図9】図8とは別の表示画面の構成図である。
【符号の説明】
11…非線形制御制御器、12…線形制御器、13…寄
与率決定手段、14…プラント、62…状態量監視手段
、63…表示機器、64…警報発生器。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  2台以上の制御手段によって制御対象
    を制御する際に、閉ループ系の状態量を座標軸とする空
    間(状態空間)において、凸多面体領域をあらかじめ設
    定し、閉ループ系の状態量が、この領域の内部から出な
    いように各制御手段出力の寄与分を調節することを特徴
    とする制御方法。
  2. 【請求項2】  2台以上の制御手段によって制御対象
    を制御する際に、閉ループ系の状態空間において、状態
    空間上の超楕円体領域をあらかじめ設定し、閉ループ系
    の状態量が、この領域の内部から出ないように各制御手
    段出力の寄与分を調節することを特徴とする制御方法。
  3. 【請求項3】  請求項1において、凸多面体領域を設
    定する方法として、まず各座標軸上の許容限界点を設定
    し、これらの点を頂点とした凸多面体とすることを特徴
    とする制御方法。
  4. 【請求項4】制御対象およびその制御装置より構成され
    るシステムにおいて、閉ループ系の状態空間における凸
    多面体領域または超楕円体領域をあらかじめ設定してお
    く手段と、閉ループ系の状態量がこの領域の内部から出
    たときまたは出ると予見されたときに警報を発生する手
    段とを備えることを特徴とする制御装置。
  5. 【請求項5】  制御対象およびその制御装置より構成
    されるシステムにおいて、閉ループ系の状態空間におけ
    る凸多面体領域または超楕円体領域をあらかじめ設定し
    ておく設定手段と、閉ループ系の状態量がこの領域の内
    部にあるかどうかが分かるように状態量の値を前記設定
    手段で設定した領域と併せて表示する手段とを備えるこ
    とを特徴とする制御装置。
  6. 【請求項6】  制御対象を制御するFuzzy制御手
    段及び線形制御手段と、両制御手段を切替える手段を備
    えた制御装置において、閉ループ系の状態空間における
    凸なる閉じた領域をあらかじめ設定し、閉ループ系の状
    態量が、この領域の内部にあるときはFuzzy制御手
    段に、外部では線形制御手段に切替えることを特徴とす
    る制御方法。
  7. 【請求項7】  制御対象を制御するニューラルネット
    制御手段及び線形制御手段と、両制御手段を切替える手
    段とを備えた制御装置において、閉ループ系の状態空間
    における凸なる閉じた領域をあらかじめ設定し、閉ルー
    プ系の状態量が、この領域の内部にあるときはニューラ
    ルネット制御手段に、外部では線形制御手段に切替える
    ことを特徴とした制御方法。
  8. 【請求項8】  Fuzzy制御手段と、線形制御手段
    と、両制御手段を切替える手段とを備えた原子力プラン
    トの給水制御系制御装置において、水位偏差、給水流量
    偏差、給水流量偏差の変化分および水位偏差の積分値を
    座標軸とする空間で、凸なる閉じた領域をあらかじめ設
    定し、これらの値がこの領域の内部にあるときにはFu
    zzy制御手段、外部では線形制御手段に切替えること
    を特徴とした制御方法。
  9. 【請求項9】  非線形制御手段と、線形制御手段の少
    なくとも2種類の制御手段を備え制御対象の複数の状態
    量に応じて両制御手段を切替え制御対象を制御する制御
    装置であって、前記複数の状態量の張る多次元空間に所
    要の凸領域を設定しておく手段と、前記制御対象の状態
    量が該凸領域内にあるときは前記非線形制御手段にて制
    御対象を制御させ前記制御対象の状態量が前記凸領域外
    になったとき或いは凸領域外になると予見されたとき前
    記線形制御手段にて制御対象を制御させる制御手段切替
    手段を備えることを特徴とする制御装置。
  10. 【請求項10】  制御対象の複数の状態量に応じて制
    御対象を制御する制御装置において、前記複数の状態量
    の張る多次元空間を座標表示し、該座標上での前記制御
    対象の状態量の位置を表示することを特徴とする状態量
    表示方法。
  11. 【請求項11】  請求項10の状態量表示方法を適用
    する制御装置において、前記座標上に設定された閉領域
    から制御対象の状態量が外に出たとき或いは外に出ると
    予見されたとき警報を発する手段を備えることを特徴と
    する制御装置。
  12. 【請求項12】  プラントを制御する制御装置であっ
    てFuzzy制御器とPI制御器を備える制御装置にお
    いて、プラントの通常運転状態下では前記Fuzzy制
    御器にてプラントを制御しプラントの状態が前記通常運
    転状態から外れたとき或いは外れることが予見されたと
    き前記PI制御器にてプラントを制御させる制御器切替
    手段を備えることを特徴とする制御装置。
  13. 【請求項13】  請求項12において、プラントを制
    御している制御器がFuzzy制御器であるかPI制御
    器であるかをプラント運転員に知らせる表示手段を備え
    ることを特徴とする制御装置。
  14. 【請求項14】  請求項12において、制御器がPI
    制御器に切り換えられたときの該PI制御器の制御初期
    値がPI制御によるオーバーシュート或いはアンダーシ
    ュートを生じさせない値となるプラント状態量にて前記
    制御器切替手段に切替指令を出力する手段を備えること
    を特徴とする制御装置。
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