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JP6260437B2 - 動的システムの推定装置及び方法 - Google Patents
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JP6260437B2 - 動的システムの推定装置及び方法 - Google Patents

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Description

この発明は、動的システムの状態及び性能パラメータを推定する動的システムの推定装置及び方法に関する。
従来、複数の要素から構成されるガスタービンエンジンの如き動的システムにおいて、この動的システムの状態を推定する推定装置が提供されている。この推定装置は、エンジンの回転数、温度、圧力などの観測値をセンサにて検出し、動的モデルを備えるカルマンフィルタを用いて動的システムの各種状態を推定することができる。このような推定装置としては、例えば引用文献1が知られている。
動的システムを構成する要素においては、性能パラメータによってその性能が規定されるものがある。このような要素においては、経時的な変化を考慮しない限り性能パラメータは時間によらず一定である。カルマンフィルタによると、経時的な変化を考慮する場合には性能パラメータを推定することができるが、推定できる性能パラメータの数はセンサの数以下に限られていた。
特開平8−123506号公報
しかしながら、例えばガスタービンエンジンの如き動的システムにおいては、エンジンの回転数、温度、圧力などセンサにより検出できる観測値が限定的であり、推定できる性能パラメータの数も限られていた。したがって、外部から観察できないエンジン内部にある各要素の経年劣化や異常を十分に特定することができなかった。
このため、動的システムにおいては、センサの数より多い性能パラメータについても経時的な変化を考慮して推定できるようにすることが求められている。
この出願に係る発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、センサの数より多い性能パラメータについても経時的な変化を考慮して推定することができるような動的システムの推定装置及び方法を提供することを目的とする。
この発明に係る動的システムの推定装置は、動的システムの状態及び性能パラメータを推定する動的システムの推定装置である。動的システムから所定の観測値を検出する所定の数のセンサと、前記センサにて検出した観測値に基づいて、前記動的システムの動的モデルを用いて前記動的システムの状態を推定するカルマンフィルタとを含んでいる。前記動的システムは、性能パラメータにより経時的な性能の変化が記述される要素を含み、前記カルマンフィルタは、前記要素に替えて一次遅れ要素を導入することにより、前記所定の数より多い性能パラメータの推定も可能とする。
前記性能パラメータは、前記一次遅れ要素の出力値の入力値に対する比として与えられてもよい。前記動的システムはガスタービンエンジンであって、前記観測値は、ガスタービンエンジンの回転数、温度及び圧力を含んでもよい。
この発明に係る動的システムの推定方法は、動的システムの状態及び性能パラメータを推定する動的システムの推定方法である。所定の数のセンサにて動的システムから所定の観測値を検出するステップと、前記センサにて検出した観測値に基づいて、前記動的システムの動的モデルを用いたカルマンフィルタにて前記動的システムの状態を推定するステップとを含んでいる。前記動的システムは、性能パラメータにより経時的な性能の変化が記述される要素を含み、前記カルマンフィルタは、前記要素に替えて一次遅れ要素を導入することにより、前記所定の数より多い性能パラメータの推定も可能とする。
この発明によると、センサの数より多い性能パラメータについても経時的な変化を考慮して推定することができるようになる。したがって、動的システムにおいてセンサの数が限定されている場合にも、センサの数より多い要素の経時的な性能の変化を知ることができる。
ガスタービンエンジン推定装置の概略的な構成を示す図である。 ガスタービンエンジンの実機モデルを示す図である。 積分要素の構成を示す図である。 ファン・圧縮機要素を説明する図である。 ファン・圧縮機要素と要素間容積の関係を説明する図である。 カルマンフィルタの構成を示す図である。 一次遅れ要素の構成を示す図である。 一次遅れを説明する図である。 図5において乗算器を一次遅れに置き換えた図である。 実施例1の結果を示すグラフである。 実施例2の結果を示すグラフである。 実施例3の結果を示すグラフである。 実施例4の結果を示すグラフである。 従来のカルマンフィルタを含むガスタービンエンジン推定装置の構成を示す図である。 カルマンフィルタによる補正を説明する図である。
以下、動的システムの推定装置及び推定方法の実施の形態として、ガスタービンエンジン推定装置について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、ガスタービンエンジン推定装置の概略的な構成を示す図である。このガスタービンエンジン推定装置において、図中の上側にはガスタービンエンジンの実機モデルが配置されている。この実機モデルは、後述するように、ガスタービンエンジンの構成を簡易化して動作を模擬するように、ガスタービンエンジンから高圧圧縮機、燃焼器を含む構成を取り出してモデル化したものである。また、燃焼器の後段には高圧タービンの一部の構成も含まれている。図中では、高圧圧縮機を単に圧縮機と記載している。
ガスタービンエンジン推定装置において、図中の下側にはカルマンフィルタが配置されている。このカルマンフィルタは、ガスタービンエンジンの実機モデルのダイナミクスを再現する動的モデルとして実機モデルと同様の構成を含んでいる。なお、図中において、カルマンフィルタによる推定値にはハットをつけて実機モデルの変数と区別することにする。
このカルマンフィルタの圧縮機においては、実機モデルに性能パラメータ(流量変化特性係数)qwciを導入する乗算器に対応する部分には、この性能パラメータqwciを推定するための一次遅れ要素が含まれている。本実施の形態では、この一次遅れ要素を導入することによって性能パラメータを状態変数に変換し、センサの数より多い性能パラメータについても時間変化を推定することができるようにしている。このような一次遅れ要素についてはさらに後述する。
図2は、図1に示したガスタービンエンジン推定装置における実機モデルの構成を示す図である。この実機モデルは、実際のガスタービンエンジンの動作を模擬するように簡略化して構成したものである。図中の圧縮機と燃焼器のブロックは、それぞれガスタービンエンジンの高圧圧縮機及び燃焼器に対応している。また、燃焼器のブロックの右側の部分は高圧タービンの一部に相当している。
図3は、積分要素の構成を示す図である。本実施の形態では、離散時間でシミュレーションを行うため、離散時間の増分dtを掛けてから積分を行っている。ペナント(三角旗)型のブロックは、入力値を定数倍するゲイン要素を意味している。なお、カルマンフィルタにおけるゲイン要素については、対応する符号に“´”を服することで実機モデルのゲイン要素との対応関係を示すことにする。
図4は、ガスタービンエンジンのファン・圧縮機要素のモデル化について説明する図である。このファン・圧縮機要素は、図2に示した実機モデルにおける圧縮器に相当している。また、燃焼室の後段の高圧タービンの一部に対応する部分にも相当している。
図4(a)に示すように、ファン・圧縮機要素は、断熱効率η、ロータ機械の回転数Nであり、要素入口空気圧力Pci、要素入口空気流量Wci、要素出口空気圧力Po、要素出口空気流量Wo、抽気流量Wbである。
図4(b)は、これらの変数について、ファン・圧縮機要素の要素性能と要素間容積における関係を示している。要素間容積は、ファン・圧縮機要素の出口容積に相当している。
要素性能は、要素出口空気圧力Poの要素入口空気圧力Pciに対する比Po/Pciと回転数Nに応じて要素入口空気流量Wciと断熱効率ηが決まる静特性となっている。要素間容積は、容積出口空気流量Woと容積入口空気流量Wiの差Wo−Wiに応じて容積の圧力Poと質量Mが決まる動特性となっている。ここで、要素入口空気流量Wiは要素入口空気流量Wciから抽気流量Wbを差し引いたWci−Wbである。
図5は、図4(b)で示したファン・圧縮機要素と要素間容積における関係を説明する図である。ファン・圧縮機要素には、要素入口圧力Pci、回転数N、要素入口比エンタルピhciが入力されている。また、後段の要素間要素から容積出口圧力P0が入力されている。
ファン・圧縮機要素は、空気流量Wcizと容積出口圧力P0の容積入口圧力Pciに対する圧力比Π=P0/Pciとの関係を示す特性曲線のマップに従い、当該圧力比Πに対応する空気流量Wci mapを決める。この値に性能パラメータ(流量特性変化係数)qwciを乗じた値を要素入口空気流量Wciとして出力する。
また、ファン・圧縮機要素は、空気流量Wciと断熱効率ηの関係を示す特性曲線のマップに従い、要素入口空気流Wciに対応する断熱効率ηを決める。そして、要素入口比エンタルピhci、圧力比Π、断熱効率ηに基づいて計算した容積入口比エンタルピhiを出力する。
前記の空気流量Wciと前記圧力比Πの関係を示すマップと空気流量Wciと断熱効率ηの関係を示すマップにおいては、複数の特性曲線が描かれている。これらの特性曲線は、例えばファン・圧縮機要素の効率によって選択される。図中では90%の効率に相当する特性曲線が選択されている。
要素間容積には、ファン・圧縮機要素からの要素入口空気流量Wciから抽気流量Wbを差し引いた要素入口空気流量Wiが入力され、ファン・圧縮機要素から容積入口比エンタルピhiが入力されている。また、後段の要素から容積出口空気流量Woが入力されている。
要素間容積においては、容積入口空気流量Wiから容積出口容器流量Woを差引いた空気流量が質量の時間微分となっている。要素間容積は、この質量の時間微分を積分した質量Mを出力している。また、容積入口空気流量Wi、容積出口空気流量Wo、質量M等に基づいて容積出口エンタルピho、容積出口圧力poを計算して出力している。
図2に示した実機モデルは、このようなファン・圧縮器要素と要素間容積の関係に基づいて次のように構成されている。
圧縮機における空気流量W25mapは、高圧圧縮機の特性曲線のマップにより定められる空気流量を模擬している。このため、W25mapは、第1ゲイン要素11によりロータ機械の回転数NGに比例する値と、第2ゲイン要素12により圧縮機の出口圧力P3に比例する値の和とされている。
圧縮器では、図5のファン・圧縮機要素に示したように、空気流量W25mapに性能パラメータ(流量特性変化係数)qwciを乗算して要素入口空気流量W25としている。要素間容積においては、流入空気流量となるW25から流出空気流量となるW3を差し引いたものが質量の時間微分となることから、W25−W3を積分することによりM3を得ている。また、要素間容積における圧力P3は、第3ゲイン要素13により質量M3に比例するものとしている。
要素間容積の出口空気流量W3は、このW3の時間微分が入口圧より出口圧を差し引いた値に比例することから、入口圧となるP3から出口圧となるP4を差し引いたP3−P4を積分した値としている。
燃焼器では、要素間容積において、質量M4の時間微分は、高圧圧縮機の出口空気流量W3に燃料流量WFを加えた流入ガス流量から流出ガス流量となるW4を差し引いた値となっている。したがって、質量M4はこれらの値を積分することにより求められる。また、燃焼器のガス圧力P4は、第6ゲイン要素16により質量M4に比例するものとされる。
燃焼器の後段の高圧タービンに相当する部分においては、高圧タービンにおける特性曲線のマップにより定められるガス流量を模擬している。このため、高圧タービンの出口ガス流量W4は、第9ゲイン要素21によりロータ機械の回転数NGに比例するようにされた値と、第8ゲイン要素20により燃焼器のガス圧力P4に比例するようにされた値の和とれている。
ロータ機械の回転数NGの時間微分は、高圧タービンのトルクから高圧圧縮機のトルクを差し引いた値に比例する。したがって、ロータ機械の回転数NGはこの値を積分することにより求められる。高圧タービンのトルクと高圧圧縮機のトルクは、第5ゲイン要素15により燃焼器のガス圧力P4に比例するようにされた値と、第7ゲイン要素19により高圧圧縮機のガス圧力P3に比例するようにされた値とされている。
図6は、図1に示したガスタービンエンジン推定装置におけるカルマンフィルタの構成を示す図である。本実施の形態のカルマンフィルタは、図2で示した実機モデルと対比すると、実機モデルにおいて性能パラメータ(流量特性変化係数)qwciを乗算した乗算器が一次遅れ要素に置き換わっている点において相違している。
図7は、一次遅れ要素の構成を示す図である。一次遅れ要素は、積分要素の構成を含み、所定の時定数τを有している。本実施の形態では、離散時間でシミュレーションするために離散時間の増分dtを含んでいる。
カルマンフィルタは、状態x、性能パラメータq、センサパラメータy、入力uについて、次のような式によって表すことができる。tは離散時間であり、離散時間の増分はΔtである。xはn行、qはp行、yはm行、uはl行の列ベクトルである。
Figure 0006260437
一般に、状態xはロータ機械の回転数、各要素の内部エネルギー、エンタルピなど動的システムにおける状態を記述する。性能パラメータは、流量・効率等の動的システムを構成する要素の性能を規定する特性変化係数である。センサパラメータは、ロータ機械の回転数、温度、圧力等の動的システムの外部からセンサにて検出された観測値である。
具体的に、図6に示したカルマンフィルタは、状態xとして次のようなパラメータを含んでいる。
Figure 0006260437
性能パラメータqとして次のようなパラメータを含んでいる。
Figure 0006260437
センサyとして次のようなパラメータを含んでいる。
Figure 0006260437
入力uとして次のようなパラメータを含んでいる。
Figure 0006260437
式(1)は、次のように線形化することができる。
Figure 0006260437
式(2)を行列表示すると、次のようになる。この式(3)に基づいて定常カルマンフィルタを設計する。
Figure 0006260437
ただし、次の(n+p)行の列ベクトルを規定した。
Figure 0006260437
さらに、離散形の式(1)を連続形で記述すると、式(5)のようになる。ここで、1行目と2行目の式を式(4)で規定されるベクトルを用いて一つの式とすることができる。
Figure 0006260437
カルマンフィルタは次のようになる。
Figure 0006260437
線形化すると次のようになる。
Figure 0006260437
ここで、性能パラメータを含む状態xを推定するためには(A、C)が可観測である必要があることから、次のような制約がある。すなわち、下記の式(8)のように、推定することができる性能パラメータの数は、センサの数以下でなければならない。この式(8)は、本明細書の末尾の付録1において導出する。例として示した図6のシステムでは、表2と表3のとおり、(8)式の両辺はそれぞれ1であり、成立している。
(性能パラメータqの数)≦(センサyの数) ・・・(8)
ただし、状態xについては、センサ数の制約はなく、単に(A、C)が可観測であればよい(このことについても付録1において示す)。このことから、推定したい生の性能パラメータqのうち一部を状態xとして含ませることにより、式(7)を成立させることができる。換言すると、推定する性能パラメータの数をセンサの数より多くすることが可能になる。性能パラメータqのうち一部を状態xとすることにより、(7)式の第1式で明らかなように状態xは動特性をもつこととなる。
本実施の形態では、状態xにできるのは、動特性を持った積分要素の出力値であることを利用している。換言すると、積分値が状態xとなるので、性能パラメータqに該当する要素を積分要素に置き換えることにより、性能パラメータqを単なる係数から状態xの一部とすることができる。このことは、例えば性能パラメータqを導入する乗算器を一次遅れ要素に置き換えることにより実現することができる。
図8は、一次遅れ要素を説明する図である。図8(a)に示すように、所定の時定数τについて、一次遅れ要素への入力値Wは1/τ倍され、−1/τ倍された出力W´が加えられる。これらの和は積分されて出力値W´となる。
図8(b)において、図中の実線で示すようなステップ関数Wが一次遅れ要素に入力されると、図中の破線に示すようにステップ入力に次第に追随するような形状の出力W´が得られる。
この出力W´は積分計算が必要であるので、状態xの一部とすることができる。一次遅れ要素の出力W´はカルマンフィルタにより調整され、一次遅れ要素への入力と差異が生じることになる。性能パラメータqに相当する性能の経時的な変化は、一次遅れの出力値の入力値に対する比W´/Wにより求めることができる。
図9は、図5の構成において性能パラメータ(流量特性変化係数)qwciを導入した乗算器を一次遅れ要素に置き換えたものである。このような一次遅れ要素により容積入口空気流量Wciは積分値となり、状態xの一部とすることができる。
この一次遅れ要素においては、ファン・圧縮機要素からの要素入口空気流量Wci mapを1/τ倍したものにこの一次遅れ要素の出力である容積流入空気質量Wciを(−1/τ)倍したものを加え、さらに要素入口流量Wciの変化量ΔWciを加えている。そして、これらの和を積分して出力となる容積流入空気質量Wciを得ている。
図9の構成において性能パラメータ(流量特性変化係数)qwciは使用されていないが、これに相当する値は要素入口空気流量Wci mapの容積流入空気質量Wciに対する比として与えられる。換言すると、一次遅れ要素を導入することによって、本来は定数であった性能パラメータqwciの経時的な変化を得ることができた。
次に、このような構成を有するガスタービンエンジン推定装置においてシミュレーションを実施した。このシミュレーションは、離散時間で行った。このため、所定時間τの一次遅れ要素
Figure 0006260437
について、次のように離散化して適用した。この式の導出については、本明細書の末尾に付録2として記載した。
Figure 0006260437
ガスタービンエンジン推定装置の実施例1として、離散時間dtと1次遅れの時間τをともに0.0025とし、性能パラメータ(流量特性変化係数)のqwciにおけるシステム雑音の大きさ(分散)を1×10−5としてシミュレーションを行った。
このガスタービンエンジン推定装置の各ゲイン要素のゲインについては、次のように設定した。
Figure 0006260437
図10は、シミュレーションにより得られた容積入口空気流量W25の時間変化を示している。図中において、実線は実機モデルで得られた真の値であり、破線はカルマンフィルタの一次遅れ要素により得られた推定値である。以下でも同様である。
図中において、時間の経過により真の値と推定値の間に偏差が生じているが、この偏差の値は小さい。したがって、この実施例1において、カルマンフィルタはタービン実機の動作を良好に推定しているということができる。性能パラメータ(特性変化変数)を推定することなく、1次遅れを介して得られた状態w25ハットが推定できていることがいえる。
実施例2では、実施例1に対して性能パラメータ(流量特性変化係数)のqwciにおけるシステム雑音大きさ(分散)を実施例1(10−5)に対して1×1010と大きくしてシミュレーションを行った。他の構成は実施例1と同様である。図11は、実施例2の容積入口空気流量W25の時間変化を示している。時間の経過により真の値と推定値の間に偏差が生じているが、この偏差の値は実施例1と同様である。
実施例3では、実施例1に対して一次遅れの時間τを0.025と離散時間の10倍に大きくしてシミュレーションを行った。他の構成は実施例1と同様である。図12は、実施例3の容積入口空気流量W25の時間変化を示している。時間の経過による真の値と推定値の間の偏差は実施例1と同様である。
実施例4では、実施例1に対して一次遅れの時間τを0.025と離散時間の10倍に大きくし、さらに性能パラメータ(流量特性変化係数)のqwciにおけるシステム雑音の大きさ(分散)を1×1010と大きくしてシミュレーションを行った。図13は、実施例4による容積入口空気流量W25の時間変化を示している。真の値と推定値の偏差は、この実施例1〜4の中では最も小さくなった。
比較例
図14は、比較のために従来のカルマンフィルタを含むガスタービンエンジン推定装置の構成を示す図である。このガスタービンエンジン推定装置においては、本実施の形態とは異なり容積入口空気流量W25の推定のために一次遅れ要素が設けられていない点において相違している。
このような従来のカルマンフィルタでは、推定することができる性能パラメータの数は、センサの数以下でなければならなかった。なお、カルマンフィルタにおける推定値にはハットを付した。
図15は、図5に示したファン・圧縮要素と要素間容積の構成においてカルマンフィルタによる補正を施した図である。実機モデルの断熱効率ηは、カルマンフィルタによる補正により特性曲線のマップから求めた断熱効率ηmapにさらに性能パラメータ(断熱効率特性変化係数)qηを乗じたηmap×qηとして与えられている。性能パラメータ(流量特性変化係数)qwciは、変化量Δqwciを積分要素で積分して与えられている。
要素間容積の質量Mの時間微分にはその変化量
Figure 0006260437
が加えられる。質量Mの時間微分は次の式で与えられ、性能パラメータqwciによる補正を質量Mの時間微分の変化量によって代替するようにしている。
Figure 0006260437
なお、本実施の形態においては、動的システムをガスタービンエンジンに適用したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、各種エンジン、プラント等において、センサの数より多い性能パラメータを推定するために適用することができる。
(付録1)
式(3)を参照すると、本実施の形態の可観測行列は、
Figure 0006260437
によって与えられる。この可観測行列がフルランクであれば可観測になる。
ここで、
Figure 0006260437
Figure 0006260437
Figure 0006260437
である。
行列F´、B´、H´は、行方向及び列方向にそれぞれ
Figure 0006260437
の要素を含んでいる。
可観測行列は、次のように分解することができる。
Figure 0006260437
ここで、行列MO,D、I(D)、T、Sは、行方向及び列方向にそれぞれ
Figure 0006260437
の要素を含んでいる。
ここで、一般に行列のランクについて、次の関係式が成立する。
Figure 0006260437
この関係式を可観測行列が分解された式に適用すると、次のような関係式が得られる。
Figure 0006260437
可観測行列のランク
Figure 0006260437
でフルランクとなるには、各分解要素のI(D)、T、Sのランクがn+p以上となる必要がある。行列Sは、(n+m)×(n+p)行列であるため、n+p≦n+mすなわちp≦mでないと、ランクがn+p以上になり得ない。
したがって、ランクがn+pとなるには、「性能パラメータqの数pがセンサyの数m以下とならなくてはいけない」という制約があることになる。この結果を式(7)に適用すると、(A、C)が可観測という必要から、性能パラメータの数がセンサの数以下でなければならないという式(8)が得られることになる。
次に、行列Tには、性能パラメータを含まないエンジンモデルのシステム(F,H)の可観測行列M(x) が含まれている。
Figure 0006260437
(F,H)が可観測のとき、M(x) はフルランクで
Figure 0006260437
となる。
このとき、行列Tの構成から、明らかに
Figure 0006260437
となり、行列Tもフルランクとなる。したがって、性能パラメータを含まない状態xにセンサ数の制約はない。この結果を式(7)に適用すると、単に(A、C)が可観測であればよいことになる。
(付録2)
離散時間でシミュレーションするために1次遅れ要素を離散時間で記述する。1次遅れ要素は、次のように表される。
Figure 0006260437
この式は、次のように変形することができる。
Figure 0006260437
この式の両辺に
Figure 0006260437
を掛けると次のようになる。
Figure 0006260437
さらに、次のようにまとめることができる。
Figure 0006260437
両辺を積分する。
Figure 0006260437
ここで、t−Δtからtの間にわたってX=Xn(サンプルホールド)とすると、
Figure 0006260437
となり、さらに
Figure 0006260437
から次の式が得られる。なお、式中の斜線は両辺で相殺する数を示す。
Figure 0006260437
ここで、
Figure 0006260437
とすると、離散形の一次遅れの式は
Figure 0006260437
となる。
11、11´ 第1ゲイン要素
12、12´ 第2ゲイン要素
13、13´ 第3ゲイン要素
14、14´ 第4ゲイン要素
15、15´ 第5ゲイン要素
16、16´ 第6ゲイン要素
19、19´ 第7ゲイン要素
20、20´ 第8ゲイン要素
21、21´ 第9ゲイン要素

Claims (4)

  1. 動的システムの状態及び性能パラメータを推定する動的システムの推定装置であって、
    動的システムから所定の観測値を検出する所定の数のセンサと、
    前記センサにて検出した観測値に基づいて、前記動的システムの動的モデルを用いて前記動的システムの状態を推定するカルマンフィルタとを含み、
    前記動的システムは、性能パラメータにより経時的な性能の変化が記述される要素を含み、前記カルマンフィルタは、前記要素に替えて一次遅れ要素を導入することにより、前記所定の数より多い性能パラメータの推定も可能とすることを特徴とする推定装置。
  2. 前記性能パラメータは、前記一次遅れ要素の出力値の入力値に対する比として与えられることを特徴とする請求項1に記載の推定装置。
  3. 前記動的システムはガスタービンエンジンであって、前記センサが検出する観測値は、ガスタービンエンジンにおける回転数、温度及び圧力を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の推定装置。
  4. 動的システムの状態及び性能パラメータを推定する動的システムの推定方法であって、
    所定の数のセンサにて動的システムから所定の観測値を検出するステップと、
    前記センサにて検出した観測値に基づいて、前記動的システムの動的モデルを用いたカルマンフィルタにて前記動的システムの状態を推定するステップとを含み、
    前記動的システムは、性能パラメータにより経時的な性能の変化が記述される要素を含み、前記カルマンフィルタは、前記要素に替えて一次遅れ要素を導入することにより、前記所定の数より多い性能パラメータの推定も可能とすることを特徴とする動的システムの推定方法。
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