JPS61500190A - パラメ−タを選択して自己補正する制御システム - Google Patents

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】 パラメータを選択して自己補正する制御システム技術分野 本発明は自分の中て゛プロセスを特徴づけろことので゛きる制御システムを用い て、フ０ロセスを制御する方法に関するもので゛ある。

背景技術 自然機構や技術機構の動作を調整し、指令し、指導し、修正するために、人間が これらの機構を制御するのに制御方法が助けとなる。

制御される機構は「プラント（機械装置）」と呼ばれる。１個又は２個以上のプ ラントの出刃の一貫した予想可能な変化を把えるために、１個又は２個以上の既 知のプラント入力を処理することができるとき、プラントは制御可能である。プ ラントへの未知の入力は制御された出力にはわずかな効果しか持たないし、シス テムの他の出力は環視にわすかな測面効果しか持Ｔこない。処理された入力は通 常所望の指令を受容するのに適していないから、制御装置が必妥である。これら の技術ぼ「制御システム」又は「制御装置」として知られており、機構の中に組 込まれている。

制御システムがプラントに付加されて、組合わせたものを制御されるシステムと 呼んでもよい。制御されるシステム全体は信号追跡システムと見なしてもよｌＡ 。

このシステムでは時間と方向と大きさにおいて制御された出力により、ある程度 の忠実さをもって所望の出力信号が追跡されなければならない。所望の出力信号 と制御された出力との物理的形式と次元は同じでもよいし、異なってもよい。一 般的に、制御された出力と所望の出力とは比例定数によって関係づけられる。比 例定数は無次元であってもよいし、または通常所望の出力と制御された出力間の 一次元変換因子としても勤らくものでもよい。

各種の制御シにテムが知られている。従来技術の簡単な開ループ制御システムは 制御装置への入力として所望の出力信号を含む。制御装置は制御されるシステム の数学的モデルを含み、所望の出力信号とプラント入力を要求される処理された 入力間の関係を規定する。制御装置はまた処理された入力信号の正しい形と大き さとを発生させる手段をも含む。処理された入力信号は直接プラントに加えられ 、プラントが制御された出力を生ずる。簡単な開ループシステムを第１図に示す 。このシステムの正確度は主に制御モデルの正確さに依存する。一般に、開ルー プシステムは所望の出力の変化に速く応答する。

フィードバックを行う制御システムは実際に制御されたシステムかシステム入力 に及ぼす影響を考慮に入れて、所望のシステム出力から実際のシステム出力の変 動を補正するための誤差をつくることができる。しかし、この種の補正を行なお うとすると、不安定性とシステムの応答時間のために動的問題が生ずる。

従来技術の簡単なフィードバック制御システムは制御された出力の現在値を測定 するフィードバック検出器を有する。フィードバック信号は所望の出力信号と同 じ物理的単位を有するように変換される。所望の出力信号と実際の出力フィード バック信号とが共に比較器に加えられ、比較器は両信号の差として出力誤差信号 を発生する。誤差信号は制御装置の入力である。制御装置はプラントに入力すべ き処理された入力の値を計算するアルゴリズムを含む。この値は誤差信号又はあ る時間に依存する誤差信号の関数に比例する。比例率ハシステム利得として知ら れている。制御装置はまた実際の処理された入力を発生する手段をも含む。処理 された入力は直接プラントに加えられ、フ０ラントは制御された出力を発生させ ろ。

フィードバック制御システムの正確度は基本的にフィードバック検出器の正確さ に依存する。それはまた利得率と、プラントの特性に応じた誤差関数と、所望の 出力の周波数範囲を適当に選択することにもかかつている。

閉ループシステムのひとつの欠点はシステムの正確さが時間に依存することであ る。フィードバック信号かもし不適当に加えられたならば、すなわちフィードバ ックルーゾが時間遅延を含んでいるならば、システム出力が不安定になり、所望 の出力と実際の出力との間の位相がずれることになる。適切にシステムを安定さ せるには、通常時間的に変動する所望の出力信号に対するシステムの応答速度を 遅くする必要がある。この結果動的作動状態の下では誤差が更に大きくなる。

信号の径路が閉ループを含むから、これらのシステムも閉ループシステムとして 知られている。基本的な閉ループフィードバック制御システムを第２図に示す。

このシステムの基本的な考えは処理された入力を出力誤差の関数とすることであ るから、誤差が大きくなれば自動的に処理された入力が大きくなる。こうするこ とにより所望の出力と制御された出力間の誤差は小さくなる傾向となる。一つの 方法は出力誤差の時間積分に比”列して処理された入力を変化させろことである 。

このシステムでは、出力誤差は連続的に小さくなり、一定の出力が要求されると きには適当な時間が経過すると出力誤差が無視できるほど小さくなる。閉ループ 制御システムの一般的な目的は、開ループシステムの能力を上捷わって制御の正 確さを改良することであり、あるいは開ループモデルが使えないときに制御する ことである。

これらの既知の制御方法は、時間的なプラント特性の変化と個々のプラント特性 の製造ばらつきを補償するけれども、高速応答を維持することができないという 点で不利である。

開ループ制御システムと閉ループフィードバック制御システムと両者の利点を組 合わせるために開発された複合システムも従来技術である。従来技術のこれらの システムは総合フィードバック複合システムとして分類してもよい。このシステ ムでは、所望の出力の大きさから開ループ制御モデルによって処理された入力の 近似値が計算される。処理された入力の高終的な大きさは典型的に開ループで計 算された値と総合フィードバックの補正値の和として計算される。補正値は簡単 な閉ループシステムで適用されろ方法と同様に、閉ループシステムにより生ずる 。総合フィードバック制御システムすなわち複合制御システムのブロック図を第 ３図に示す。

Ｆ　合フィードバック複合システムの利点は所望の出力が単にゆっくりと変化す るだけのときには、開ループモデルの正確さと閉ループの高度の正確さの範囲内 で高速システム応答ができることである。

総合フィードバック複合システム固有の問題は所望の出力が大きく変動した場合 の開ループ誤差と閉ル−ゾの不安定性に感じやすいことである。

従来技術には上述の各種の制御システムを外部適応性に作り変えられたものがあ る。外部適応性開ループシステムでは、制御モデルは付力口される入力検出器に より供給される入力変数の関数である。外部適応性フィードバックシステムでは 、システム利得は入力変数の関数として計算される。外部適応性総合フィードバ ック複合システムでは、制御モデルもシステム利得も共に入力変数の関数である 。

総合フィードバック補正が付加された外部適応性複合制御システムを第４図に示 す。第４図は開ループモデルとフィードバックシステム利得率の両方において外 部適応性を用いている。

システムの前の経験に基づいて更に応答速度を改良するために、フィードバック 制御システムの従来技術によって他の適応方法が開発された。簡単な内部適応性 フィードバックシステムの例を第５図に示す。

従来技術の内部適応法は総合自己補正法である。所望の入力と主な入力変数とで 定義される多次元作動空間が増分１セルに分割されている。各１個のセルが制御 コンピュータ内のメモリ位置に割当てられている。フィードバックシステム又は 複合システムの正常な作動中は、システムが各セルの範囲内で適当な時間作動し ている間に得られた総合フィードバック補正値がセルに割当てられたメモリ位置 に記憶される。適当な時間作動した後、いくつかのセルのメモリにはツーイード パックにより前に供給された最新の補正値が記憶されている。前にシステムによ りアクセスされなかったセルのメモＩＪ　Ｉｎ置にはゼロという初期補正値が入 っている。

システムが作動し続けて、前に更新したセルの区域に入ったとき、前に使用した 総合補正値が再生されて、現在の総合フィードバック補正値に加算する量として 使用される。通常前の総合補正値は適当であるからフィードバックにより加算さ れる補正値はゼロである。

もしシステム部品の校正にドリフトが生じたら、フィードバック補正値はゼロで なくなる。セルを離れるときに、前の補正値と現在のフィードバック補正値の和 がセルメモリに記憶される。こうして確実に補正メモリが連続的に更新される。

内部適応性自己補正法と同じ原理を複合システムにも応用することができる。こ の応用例を第６図に示す。

補正メモリセルが適切に書込まれて更新されるならば、自己補正内部適応システ ムはフィードバック補正値だけが利用できる場合に起こるであろう実質的な時間 遅延がなく、かつ開ループモデルの誤差もなく、より忠実に作動する。自己補正 が行なわれた後は、システム自体が高度に補正された開ループ制御装置に変わる ので、システムの高速応答が得られる。閉ル−プは実際には作用せず、単に部品 の遅いドリフトに対して誤差メモリを更新するだけだからである。

この自己補正法の欠点は充分なテーブル分解能を確実なものにするために、通常 大容量の誤差メモリが必要となることである。記入された誤差の一部が不正確で あり得るし、誤差セル間又は未記入区域間の内挿は良く定義されておらず、実質 的なソフトウェアを必要とするので、誤差データを補正するのに要する時間は比 較的長い。誤差データを未記入のセルに外挿することは難しいので、既に記入さ れたセルの更新は遅くなりがちである。

自己補正法はプラントの数学的制御モデルが充分利用できないときに、最適の方 法である。それから誤差メモリはフィードバックシステムにおいて開ループモデ ルの関数を供給し、複合システムにおいては制御モデルの不適当さを補う。しか し誤差メモリを適当に更新するために、システム入力はしはしば作動の全範囲に わたって掃引すべきで・ある。

発明の開示 本発明の一実施例による自己校正制御方法も内部適応システムで・あり、きわめ て忠実に高速応答することができる。しかし従来技術と比較すると明確でかつ重 要な相違があって、従来技術の欠点を解決することができる。

この内部適応性自己校正法は開ループパラメータ制御モデルと出力フィードバッ ク検出器を有する複合制御構造を有する。この自己校正法によると、自己校正シ ステムの開ループモデルの多次元総合補正が行なわれるのではなくて、開ループ パラメータの各々を１個ずつ夫々の補正値に連続的に再校正することにより、内 部適応特性が得られる。

本発明による制御手段は制御装置により処理される入力を、所望の出力ＸＤと、 環境条件を特徴化して検出手段により測定可能な第１の複数個の外部入力Ｖとの 関数としてまた、制御されたシステム出力の関数として校正手段により本システ ムで代替可能な第２の複数個の制御装置モデルパラメータＣの関数としてプラン トに供給する。制御手段はＶ、Ｃおよび所望の出力ｘＤの関数として処理された システム人力Ｙを計算する、あらかじめ定められた数学モデルということができ る。

特定のシステム出力の要求に合わせるように制御手段を作動させる方法は、制御 装置モデルパラメータＣの初期値を設定する段階と、外部人力Ｖを測定する段階 と、所望の制御されたシステム出力ＸＤからＶとＣの関数として処理されるシス テム人力Ｙを発生するための初期モデルをつくる段階と、測定された外部人力■ と実際の出力と所望の出力との誤差（Ｘ−χＤ）との関数として制御モデルパラ メータを補正する段階とから成る。

この制御方法によりすべての動的条件の下で制御システムと調整器において、所 望の出力と制御された実際の出力間の忠実度を高めることができる。これはディ ジタルコンピュータを含む電子制御技術を用いるのに適した実用的な方法である 。

この制御方法はプラントの開ループ制御モデルの各パラメータを個々に再調整す るのにフィードバック信号を使用する。モデルパラメータが正しい値を持ってい るならば、所望の出力信号と他の測定された入力変数とからプラントの正しい処 理された入力を計算するのに、モデルは充分正確である。モデルパラメータは一 度に一個ずつ個々に再調整される。更新されるパラメータはあらかじめ定めた違 択方法により選択される。

このシステムにより所望の出力信号と制御された出力との忠実度が高する。なぜ ならばフィードバックによりパラメータが連続的に補正値に更新されることによ り、初期の部品の公差の問題や部品校正時のその後のドリフトが除去されるから である。更に、変数がモデルのパラメータとして入っているならば、ゆっくりと 変化する未測定の環境変数の変化に対してもシステムは補正される。パラメータ を選択的に個々にフィードバックしていくことにより、システムの飽和領域以外 の能動領域におけるフィードバックの不安定性が除去される。通常の閉ループフ ィードバックシステムの不安定性としては、能動領域における位相ドリフトと減 衰が多い。飽和領域内ならば、自己校正システム・では出力軌跡を制御すること ができる。なぜならば正しいシステムモデルが良く定義されているからである。

したがってシステムにおける応答遅延は飽和状態を除けば最小になる。この種の 飽和状態は所望の出力のきわめて速い変化に追随するにはプラント又は処理され た入力駆動回路の容量不足のせいであって、制御システムが入力に追随できない せいで゛はない。飽和状態下では、システムの時間遅延は存在するが、動的不安 定問題は回避することができる。

本発明によれば、パラメータ選択性自己校正制御システムは開ループ制御システ ムの性質を有し、それは常に従来技術の開ループ制御システムの能力を越えた正 確な校正状態にある。

この方法でフィードバック情報により個々のパラメータを更新することにより、 本質的に自己校正する内部適応特性が得られる。

図面の簡単な説明 第１図は従来技術の開ループ制御システムのブロック図である。

第２図は従来技術の閉ループ制御システムのブロック図である。

第３図は従来技術の総合フィードバック複合制御システムのブロック図である。

第４図は従来技術の外部適応性複合制御システムのブロック図である。

第５図は従来技術の内部適応性自己補正制御システムのブロック図である。

第６図は従来技術の外部内部適応性自己補正制御システムのブロック図である。

第７図は入力をプラントに加える制御装置のモデルパラメータの大きさを調整す るためのフィードバック径路を含む本発明の一実施例による制御システムのブロ ック図である。

本発明を実施する最適態様 ＄７図を参照して、制御されるシステム１０は制御゛　装置１２を含み、制御装 置１２はその入力として所望のシステム出力を有し、その出力としてプラント１ ４に入力される処理された入力を有する。プラント１４は制御されるシステム１ σの一部で・あって、入力として制御装置１２により処理された制御装置の出力 を有する。出力検出器１６（ζプラント１４の実際（−制御されたシステム出力 を受信する。比較器１８は出力検出器１６から正の入力を受信し、制御装置１２ の入力から負の入力を受信する。比較器１８の出力は出力誤差であり、これがパ ラメータ選択器２０に加えられ、〕々ラメータ選択器２０で（は出力誤差を小さ くするためにどの制御装置モデルパラメータを調整すべきかが選択される。パラ メータ選択器２０の出力は選択されたモデルパラメータの値を変えるために、／ ヤラメータ増分器２２の入力に加えられる。）々ラメータ増分器２２の出力Ｈ制 御装置モデルのモデルノ々ラメータ値を変えろために制御装置１２に加えられる 。制御装置１２はまた測定された外部人力Ｖ１．　Ｖ２．−　Ｖ、を入力として 有する。同様に、測定された外部人力■１からｖｎはモヂ／ｌ／　ハラメータを 調整する順番を決めるためにパラメータ選択器２０に加えられる。測定された外 部人力■１゜ｖ２．　■、は自然の外部入力を特徴づけろために選択されて、プ ラント１４に加えられ、プラント１４の作動に影響を与える。

作動時に、制御されるシステム１０は適応性外部入力を有する制御装置１２にお いて開ループパラメータ数学モデルを利用する。モデルはプラント１４の所望の 制御されたシステム出力に基づいて、プラント１４に処理された入力値を供給す る。初期に処理された入力は部品の公差と未測定の外部入力とのせいで初期誤差 を有するかもしれない。こうした不正確さは制御装置のモデルパラメータの誤差 に表われる。開ループ制御装置１２には出力検出器１６、比較器１８、パラメー タ選択器２０およびパラメータ増分器２２を含む選択性のパラメータフィードバ ックループが付いている。

このフィードバックループに制御コンピュータソフトウェアとメモリを用いた連 続的近似法（例えば積分増分法）により一度にｍ個モデルパラメータを進行中に 補正する。この方法によれば、パラメータを正しい値に速く収束させることがで きる。

制御モデルを速く改良するために、各モデルパラメータは処理された入力に最大 の絶対効果を有するとき、作動状態の下でフィードバック更新を行うために選択 される。パラメータの効果はパラメータに関して処理された入力の部分導関数に より示される。部分導関数はパラメータ値が単位増分したときの処理された入力 の変化の大きさを示す。この導関数は入力変数とモデルパラメータと所望の出力 との関数であり、通常システムの作動可変範囲のごく一部の範囲内でのみ通常最 大値をとる。各モデルパラメータは通常他のパラメータの作動状態とは全く異な る独自の作動状態の下で最大効果を有する。その結果、システムの合計作動可変 範囲は各パラメータが処理された入力に最大の効果を与える区域にあらかじめ分 割することができる。

したがって、所望の制御されたシステム出力と測定された外部変数の作動範囲は 制御されたモデルパラメータの数と同じ数の区域に分割される。各パラメータは その区域が割当てられたパラメータに関して制御されるシステムの処理される入 力の部分導関数の最大の絶対値を含むように区域の１　＋１ｉｉｌに割当てられ ろ。その結果、システム可変範囲の特定の作動区域には、制御されるシステムの 処理された入力としたがって制御されたシステム出力に最大の効果を有する特定 のモデルパラメータが付随している。

正規の作動中、部分導関数が計算されて、パラメータ選択器２０て供給されたパ ラメータ区域選択アルゴリズムにより区域限界値と比較される。すなわち、制御 装置モデル出力の部分導関数が各モデルパラメータに関して取り上げられて、付 随するあらかじめ定められた限界値と比較される。付随するあらかじめ定められ た限界値よりも大きめ絶対値を有する部分導関数はどの付随するモデルパラメー タを選択して増分するかを決める。選択されたパラメータはパラメータ増分器２ ２に含まれる積分を用いる方法によって、中間安定値が得られるか又は更新用に 他のパラメータが選択されるまで、徐々に増分される。こうして、あらかじめ定 めた期間の出力誤差の積分に比ｆｔ１Ｊする量だけ制御パラメータの前の値を増 分することは次式で表わされる。

０（１）−ａ（０）　十Ｋ　５ｅ　ｄｔここでＣ（１）は更新されたパラメータ であり、０（ｔ］）は前のパラメータて゛あり、Ｋは定数であり、 εは制御されるシステムの実際の出力と所望の出力との差により定義される出力 誤差である。

増分する方法は第７図に示すが、前のモデルパラメータに、誤差εの時間積分と あらかじめ定めた定数を掛けた値を加えることにより、モデルパラメータの新し い値が決捷る。時間積分は一標本化期間にわたって行なわれる。すべてのパラメ ータを次々に更新することにより、きわめて正確な開ループ制御装置モデルが得 られ、その結果全体のシステム遷移関数の大きさはシステム作動の未飽和範囲内 で作動するときの数値にほぼ等しくなる。

パラメータ区域を選択するアルゴリズムにより、異なるモデルパラメータＣに関 する処理される久方の部分導関数の値と、システム変数の異なる作動範囲の付随 するあらかじめ定められた限界値との差の現在値に基づいて、更新すべきモデル パラメータ０が選択される。

校正区域の境界は区域間の更新時間のバランスを取るために勝手に決めてよｌＡ ｏしがし、各区域Ｋｉｄ付随する部分導関数の値としてより大きな、より重要な 値を含ませるべきである。／域の境界は各部分導関数のあらかじめ定められた値 （Ｃより、またはシステム変数の値により、またはその他の任意の便利な方法に より規定してもよい。

その結果′、部品の公差の影響が最小になり、定常状態と遷移状態の両方でモデ ルに基づいた制御システムが長続きする。

本発明に関する当業者にとって種々の修正や度胆が可能なことは疑いないであろ う。例えば、調整すなわち補正するために選択する特定のパラメータは開示した ものから変えてもよい。技術を進歩させた本発明の教えに基本的に従って行なわ れるこれらの変形や他の変形はすべて本発明の範囲に属すると考えるのが適当で ある。

国際調査報告

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．処理された入力をプラントに供給する制御手段を有する制御されるシステム において、該制御手段は検出手段により測定可能な第１の複数個の外部入力Ｖと 、校正手段により該制御されるシステムにおいて代替可能な第２の複数個の入力 制御モデルパラメータＣとを有し・該制御手段はＶとＣの関数である処理された 入力Ｙに所望の制御されるシステムの出力ＸＤを算入するあらかじめ定められた 数学モデルを含み、特定のシステム出力の要求を満たすために、次の段階から成 る該制御されるシステムを作動させる方法、入力制御パラメータＣの初期値を設 定する段階と、外部入力Ｖを測定する段階と、 所望の制御されるシステム出力ＸＤからＶとＣの関数としての処理された入力Ｙ を発生させるために初期モデルを発生させる段階と、 所望の制御されるシステム出力ＸＤと実際の制御されるシステム出力Ｘとの差の 関数として、かつ測定された外部入力Ｖの関数として入力制御モデルパラメータ Ｃを補正する段階。
2. ２．請求の範囲第１項記載の方法において、前記入力制御パラメータを補正する 段階は次の段階を含む、制御されるシステムの作動方法、 実際の制御されるシステムの出力を所望の制御されるシステムの出力と比較して 、出力誤差を発生させる段階と、 外部入力Ｖを測定する段階と、 出力語差と測定された外部入力Ｖの関数として入力制御パラメータの値を順次更 新する段階。
3. ３．請求の範囲第２項記載の方法において、入力制御パラメータの値を順次更新 する段階は次の段階を含む、制御されるシステムの作動方法、 出力誤差に最も寄与する入力制御パラメータを選択する段階と、 出力誤差を小さくするように選択された入力制御パラメータの値を調整する段階 。
4. ４．請求の範囲第３項記載の方法において、入力制御パラメータを選択する段階 は次の段階を含む、制御されるシステムの作動方法、 各入力制御パラメータに関して処理された入力Ｙの部分導関数を取る段階と、 最大の部分導関数に付随する入力制御パラメータの値を調整するために選択する 段階。
5. ５．請求の範囲第３項記載の方法において、出力誤差を小さくするために選択さ れた入力制御パラメータの値を調整する段階は次の段階を含む、制御されるシス テムの作動方法、 あらかじめ定められた期間の出力誤差の積分に比例する量だけ制御パラメータの 前の値を増分する段階、すなわち、ｃ（１）＝ｃ（０）＋▲数式、化学式、表等 があります▼ここでｃ（１）は更新されたパラメータであり、ｃ（０）は前のパ ラメータであり、 Ｋは定数であり、 εは実際の制御されるシステムの出力と所望の出力との差により決まる出力誤差 である。
6. ６．請求の範囲第５項記載の方法において、出力誤差に最も寄与する入力制御パ ラメータを選択する段階は、 各部分導関数があらかじめ定められた境界内にあるか否かを決める段階を含む、 制御されるシステムの作動方法。