Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7724557B2 - Model Error Suppression Compensator - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7724557B2 - Model Error Suppression Compensator - Google Patents

Model Error Suppression Compensator

Info

Publication number
JP7724557B2
JP7724557B2 JP2023134377A JP2023134377A JP7724557B2 JP 7724557 B2 JP7724557 B2 JP 7724557B2 JP 2023134377 A JP2023134377 A JP 2023134377A JP 2023134377 A JP2023134377 A JP 2023134377A JP 7724557 B2 JP7724557 B2 JP 7724557B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
controlled object
model
output
model error
error suppression
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2023134377A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2025029643A (en
Inventor
伸 脇谷
透 山本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hiroshima University NUC
Original Assignee
Hiroshima University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hiroshima University NUC filed Critical Hiroshima University NUC
Priority to JP2023134377A priority Critical patent/JP7724557B2/en
Publication of JP2025029643A publication Critical patent/JP2025029643A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7724557B2 publication Critical patent/JP7724557B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Feedback Control In General (AREA)

Description

特許法第30条第2項適用 刊行物1 令和4年8月24日ウェブサイト掲載 2022年電気学会 電子・情報・システム部門大会 講演論文集 https://www.bookpark.ne.jp/cm/ieej/detail/IEEJ-BTC2022SS03002-PDF/ 刊行物2 令和4年8月31日広島大学東広島キャンパス及び一部オンライン 2022年電気学会 電子・情報・システム部門大会 刊行物3 令和5年2月1日ウェブサイト掲載 電気学会研究会研究資料 https://www.bookpark.ne.jp/cm/ieej/detail/IEEJ-20230205C01201-020-PDF/ 刊行物4 令和5年2月5日愛媛大学教育学部大講義室及びオンライン 電気学会研究会 制御研究会Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies. Publication 1: Posted on the website on August 24, 2022. Proceedings of the 2022 IEEJ Electronics, Information and Systems Division Conference. https://www.bookpark.ne.jp/cm/ieej/detail/IEEJ-BTC2022SS03002-PDF/ Publication 2: Posted on the website on August 31, 2022 at Hiroshima University Higashi-Hiroshima Campus and partially online. 2022 IEEJ Electronics, Information and Systems Division Conference. Publication 3: Posted on the website on February 1, 2023. IEEJ Study Group Research Materials. https://www.bookpark.ne.jp/cm/ieej/detail/IEEJ-BTC2022SS03002-PDF/ jp/cm/ieej/detail/IEEJ-20230205C01201-020-PDF/ Publication 4 February 5, 2023 Ehime University Faculty of Education Large Lecture Room and Online Institute of Electrical Engineers Research Society Control Research Society

本発明は、モデル誤差抑制補償器に関する。 The present invention relates to a model error suppression compensator.

近年、産業機械、自動車の自動運転等の広い分野において多くのセンサ、アクチュエータを用いた高度な制御システムの開発が進んでいる。このような複雑な制御システムの効率的な開発手法としてモデルベース開発(Model-Based Development:MBD)が用いられている。モデルベース開発においては、制御対象の物理現象などから構築した理想的なモデルに対して制御系設計を行い、設計された制御器を実装することで、所望の制御性能を得ることができる。しかしながら、実際には制御対象とモデルとの間にはズレ(モデル誤差)が生じ、このモデル誤差が制御性能に影響を及ぼすと考えられる。 In recent years, advanced control systems using numerous sensors and actuators have been developed in a wide range of fields, including industrial machinery and autonomous driving in automobiles. Model-Based Development (MBD) is used as an efficient development method for such complex control systems. In model-based development, control systems are designed for ideal models constructed from the physical phenomena of the controlled object, and the designed controller is then implemented to achieve the desired control performance. However, in reality, discrepancies (model errors) occur between the controlled object and the model, and it is thought that these model errors affect control performance.

モデル誤差を抑制するための制御系設計手法として、制御系に制御対象のモデルを内包し制御出力とモデル出力との差を利用した、外乱オブザーバ(例えば、特許文献1)、モデル誤差抑制補償器(Model Error Compensator:MEC)(例えば、非特許文献1)等が提案されている。このような補償を行い、モデル誤差を抑制することによって、制御対象の応答特性をモデルの応答特性に近づけることができるので、モデルに対して設計した制御器をそのまま実際の制御対象に適用することが可能となる。外乱オブザーバ及びモデル誤差抑制補償器は、外乱、モデル誤差の抑制に特化した制御系であり、産業界で広く用いられているPID制御等の既存の制御器との併用も可能であるという利点を有する。 Control system design techniques for suppressing model errors include disturbance observers (e.g., Patent Document 1) and model error compensators (MECs) (e.g., Non-Patent Document 1), which incorporate a model of the controlled object into the control system and utilize the difference between the control output and the model output. By performing such compensation and suppressing model errors, the response characteristics of the controlled object can be made to approach those of the model, making it possible to apply a controller designed for the model directly to the actual controlled object. Disturbance observers and model error suppression compensators are control systems specialized for suppressing disturbances and model errors, and have the advantage of being able to be used in conjunction with existing controllers such as PID control, which are widely used in industry.

しかしながら、外乱オブザーバは、制御対象の逆モデルを必要とするという特徴があり、制御対象が厳密にプロパーである場合、制御対象がむだ時間、不安定零点を有する非最小位相系である場合については、プロパー性モデル誤差の抑制性能や安定性を考慮して、適切なフィルタを設計する必要がある。また、制御対象の特性によっては所望の制御性能を得られない可能性がある。これに対し、モデル誤差抑制補償器は、制御対象の逆モデルを必要としないので、むだ時間や不安定零点を持つ非最小位相系を含む幅広い制御対象への適用が可能である。 However, a characteristic of disturbance observers is that they require an inverse model of the controlled object. If the controlled object is strictly proper, or if the controlled object is a non-minimum phase system with dead time or unstable zeros, an appropriate filter must be designed taking into account the performance of suppressing proper model errors and stability. Furthermore, depending on the characteristics of the controlled object, it may not be possible to obtain the desired control performance. In contrast, model error suppression compensators do not require an inverse model of the controlled object, and therefore can be applied to a wide range of controlled objects, including non-minimum phase systems with dead time and unstable zeros.

特開2021-138335号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2021-138335

H.Okajima, H.Umei, N.Matsunaga, T.Asai、”A Design Method of Compensator Minimize Model Error”、 SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration、Vol.6, No.4, pp.267-275、2013H.Okajima, H.Umei, N.Matsunaga, T.Asai, “A Design Method of Compensator Minimize Model Error”, SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration, Vol.6, No.4, pp.267-275, 2013

しかしながら、モデル誤差抑制補償器は、一般的に制御対象の出力とモデルの出力との差分の影響をハイゲインでフィードバックして制御入力(操作量)を調整するように構成されるので、制御対象の特性、モデル誤差等によっては、制御系が不安定になる等、所望の制御特性を得られないおそれがある。したがって、制御対象の特性を考慮して、適切なモデル誤差抑制補償器を設計、調整することは難しい。 However, model error suppression compensators are generally configured to adjust the control input (operating variable) by feeding back the effect of the difference between the output of the controlled object and the output of the model at a high gain. Therefore, depending on the characteristics of the controlled object, model errors, etc., there is a risk that the desired control characteristics may not be achieved, such as the control system becoming unstable. Therefore, it is difficult to design and adjust an appropriate model error suppression compensator taking into account the characteristics of the controlled object.

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、容易に設計、調整可能なモデル誤差抑制補償器を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a model error suppression compensator that can be easily designed and adjusted.

上記目的を達成するために、この発明の第1の観点に係るモデル誤差抑制補償器は、
制御対象の応答特性を表すモデルとして予め設定された制御対象モデルの出力と、制御対象の出力との差分に基づいて、制御対象に入力される制御入力を調整するモデル誤差抑制補償器であって、
所定の将来時刻ステップにおける制御対象モデルの出力と制御対象の出力との差分、及び制御入力の調整値と可調整パラメータとの積で表される調整項を含む一般化モデル誤差推定値の分散を最小化するように設定される。
In order to achieve the above object, a model error suppression compensator according to a first aspect of the present invention comprises:
A model error suppression compensator that adjusts a control input input to a controlled object based on a difference between an output of a controlled object model that is preset as a model representing a response characteristic of the controlled object and an output of the controlled object,
It is set to minimize the variance of the generalized model error estimate, which includes the difference between the output of the controlled object model at a predetermined future time step and the output of the controlled object, and an adjustment term represented by the product of the adjustment value of the control input and the adjustable parameter.

また、上記のモデル誤差抑制補償器は、
制御対象モデルの出力と制御対象の出力との差分に基づいて制御入力の調整値を出力するフィルタを備え、
前記フィルタの伝達特性を表す分母多項式は、前記可調整パラメータの項を含む、
こととしてもよい。
Moreover, the above model error suppression compensator is
a filter that outputs an adjustment value for the control input based on a difference between an output of the controlled object model and an output of the controlled object;
a denominator polynomial representing the transfer characteristic of the filter includes a term for the adjustable parameter;
This may also be the case.

この発明の第2の観点に係るモデル誤差抑制補償器は、
制御対象の応答特性を表すモデルとして予め設定された制御対象モデルの出力と、制御対象の出力との差分に基づいて、制御対象に入力される制御入力を調整するモデル誤差抑制補償器であって、
前記モデル誤差抑制補償器は、
以下の式で表される制御対象について、
ただし、A,Bの次数はn,mであり、yは制御対象の出力、uは制御対象の入力、ξは制御対象のモデル誤差、z-1は遅延演算子、Δは差分演算子、kは制御対象のむだ時間である。
以下の式で表される評価規範を最小化する。
ただし、φ(k+k+1)は、以下の式で表される一般化モデル誤差推定値である。

ただし、y(k+k+1)は制御対象モデルの出力、u(k)はモデル誤差抑制のための補償入力、λは補償入力の差分に対する重み係数である可調整パラメータである。
A model error suppression compensator according to a second aspect of the present invention comprises:
A model error suppression compensator that adjusts a control input input to a controlled object based on a difference between an output of a controlled object model that is preset as a model representing a response characteristic of the controlled object and an output of the controlled object,
The model error suppression compensator comprises:
For the control object expressed by the following equation,
where the orders of A and B are n and m, y is the output of the controlled object, u is the input of the controlled object, ξ is the model error of the controlled object, z −1 is the delay operator, Δ is the difference operator, and km is the dead time of the controlled object.
The evaluation criterion expressed by the following formula is minimized.
where φ(k+k m +1) is the generalized model error estimate expressed by the following equation:

where y * (k+k m +1) is the output of the controlled object model, u d (k) is the compensation input for suppressing the model error, and λ is an adjustable parameter that is a weighting coefficient for the difference of the compensation input.

また、上記のモデル誤差抑制補償器は、
制御対象モデルの出力と制御対象の出力との差分に基づいて制御入力の調整値を出力するフィルタを備え、
前記フィルタの伝達特性を表す分母多項式は、前記可調整パラメータの項を含む、
こととしてもよい。
Moreover, the above model error suppression compensator is
a filter that outputs an adjustment value for the control input based on a difference between an output of the controlled object model and an output of the controlled object;
a denominator polynomial representing the transfer characteristic of the filter includes a term for the adjustable parameter;
This may also be the case.

本発明のモデル誤差抑制補償器によれば、モデル誤差抑制補償器を、容易に設計できるとともに、制御対象の応答特性に応じて容易に修正することが可能である。 The model error suppression compensator of the present invention can be easily designed and easily modified according to the response characteristics of the controlled object.

本発明の実施の形態に係るモデル誤差抑制補償器の構成を示すブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a model error suppression compensator according to an embodiment of the present invention. 実施の形態に係るモデル誤差抑制補償器の補償則を示すブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram showing a compensation law of a model error suppression compensator according to an embodiment. むだ時間L=0sの数値例に係るシミュレーション結果を示すグラフであり、(A)はモデル誤差抑制補償器が無い場合のグラフ、(B)はモデル誤差抑制補償器が有る場合のグラフである。10A and 10B are graphs showing simulation results for a numerical example in which the dead time L=0 s, where (A) is a graph in the case where there is no model error suppression compensator, and (B) is a graph in the case where there is a model error suppression compensator. 制御対象のむだ時間と制御対象モデルのむだ時間とが不一致である数値例に係るシミュレーション結果を示すグラフであり、(A)はモデル誤差抑制補償器が無い場合のグラフ、(B)はモデル誤差抑制補償器が有り、重み係数λ=0とした場合のグラフであり、(C)はモデル誤差抑制補償器が有り、重み係数λ=10とした場合のグラフである。10A and 10B are graphs showing simulation results for a numerical example in which the dead time of the controlled object and the dead time of the controlled object model do not match, where (A) is a graph for the case without a model error suppression compensator, (B) is a graph for the case with a model error suppression compensator and a weighting factor λ=0, and (C) is a graph for the case with a model error suppression compensator and a weighting factor λ=10.

以下、図を参照しつつ、本発明の実施の形態に係るモデル誤差抑制補償器について説明する。 The following describes a model error suppression compensator according to an embodiment of the present invention, with reference to the accompanying drawings.

本実施の形態に係るモデル誤差抑制補償器1は、図1のブロック線図に示すように、制御対象モデル11、フィルタ12を備え、制御対象20の出力yと制御対象モデル11の出力yとの差分に基づいて、制御対象20へ入力される制御入力uを調整する。これにより、実際の制御対象20がモデル誤差を有する場合であっても、制御対象モデル11に基づいて設計されたコントローラを用いて所望の制御性能に近い制御性能を得ることができる。 1, the model error suppression compensator 1 according to this embodiment includes a controlled object model 11 and a filter 12, and adjusts a control input u input to the controlled object 20 based on the difference between an output y of the controlled object 20 and an output y * of the controlled object model 11. As a result, even if the actual controlled object 20 has a model error, it is possible to obtain control performance close to the desired control performance using a controller designed based on the controlled object model 11.

モデル誤差抑制補償器1は、例えばコンピュータ装置を用いて構成され、制御システムのコントローラとともに実装される。本実施の形態では、フィルタ12が、一般化最小分散制御(Generalized Minimum Variance Control:GMVC)の設計手法に基づいて設計される点で従来のモデル誤差抑制補償器と異なる。 The model error suppression compensator 1 is configured, for example, using a computer device and is implemented together with the controller of the control system. In this embodiment, the filter 12 differs from conventional model error suppression compensators in that it is designed based on the design method of Generalized Minimum Variance Control (GMVC).

図1のブロック線図において、P(z-1)は制御対象20、P(z-1)は制御対象20の応答特性を表す数理モデルとして、予め設定されたノミナルモデルである制御対象モデル11を示している。D(z-1)は、制御対象20の出力y(k)と制御対象モデル11の出力y(k)とに基づいて、モデル誤差を抑制するように補償入力u(k)をフィードバックする補償要素としてのフィルタ12である。 In the block diagram of Fig. 1, P(z -1 ) denotes the controlled object 20, and P M (z -1 ) denotes the controlled object model 11, which is a pre-set nominal model that serves as a mathematical model representing the response characteristics of the controlled object 20. D(z -1 ) denotes a filter 12 as a compensation element that feeds back a compensation input u d (k) so as to suppress a model error based on the output y(k) of the controlled object 20 and the output y * (k) of the controlled object model 11.

また、u(k)は図示しない制御器からの入力、ξ(k)は制御対象20のモデル誤差を表している。モデル誤差抑制補償器1により制御対象20のモデル誤差の影響を抑制することで、モデル誤差抑制補償器1を含む制御対象20の応答特性を、制御対象モデル11の応答特性に近づけることができる。したがって、モデルベース開発によって設計した制御器を実際の制御対象に組み込むことにより、所望の制御性能を発揮することができると考えられる。 Furthermore, u r (k) represents the input from a controller (not shown), and ξ(k) represents the model error of the controlled object 20. By suppressing the influence of the model error of the controlled object 20 using the model error suppression compensator 1, the response characteristics of the controlled object 20 including the model error suppression compensator 1 can be made closer to the response characteristics of the controlled object model 11. Therefore, it is believed that by incorporating a controller designed by model-based development into an actual controlled object, desired control performance can be achieved.

本実施の形態では、モデル誤差抑制補償器1の設計に、評価規範の最小化に基づく制御系設計手法である一般化最小分散制御で用いられる設計手法を適用することにより、モデル誤差抑制補償則の導出を行う。一般化最小分散制御は、むだ時間や不安定零点を有する非最小位相系に対しても有効であることが知られており、モデル誤差抑制補償器としても幅広い制御対象に活用することができると考えられる。以下、一般化最小分散制御の設計手法に基づいて設計されるモデル誤差抑制補償器1について、具体的に説明する。 In this embodiment, a model error suppression compensation law is derived by applying a design method used in generalized minimum variance control, a control system design method based on minimizing an evaluation criterion, to the design of the model error suppression compensator 1. Generalized minimum variance control is known to be effective even for non-minimum phase systems that have dead time or unstable zeros, and is thought to be applicable to a wide range of control targets as a model error suppression compensator. Below, we will specifically explain the model error suppression compensator 1 designed based on the generalized minimum variance control design method.

本実施の形態に係る制御対象20は、次式で記述されるCARIMA(Controlled Auto-Regressive Integrated Moving Average)モデルとし、A(z-1),B(z-1)の次数はそれぞれn,mとする。
ここで、y(k)は制御対象20の出力、u(k)は制御対象20の入力である。ξ(k)は制御対象20に加わるモデル誤差を表しており、平均0、分散σのガウス性白色雑音であることとする。また、z-1は遅延演算子を表しており、z-1y(k)=y(k-1)である。Δは差分演算子を表しており、Δ:=1-z-1で定義される。また、kは制御対象20のむだ時間である。尚、制御対象20には、確率的なモデル誤差のみが生じることとし、多項式A(z-1)及びB(z-1)の係数、むだ時間kは既知であることとする。
The controlled object 20 according to this embodiment is a CARIMA (Controlled Auto-Regressive Integrated Moving Average) model described by the following equation, where the orders of A(z −1 ) and B(z −1 ) are n and m, respectively.
Here, y(k) is the output of the controlled object 20, and u(k) is the input to the controlled object 20. ξ(k) represents the model error added to the controlled object 20, and is assumed to be Gaussian white noise with a mean of 0 and a variance of σ 2. Furthermore, z -1 represents the delay operator, and z -1 y(k) = y(k-1). Δ represents the difference operator, and is defined as Δ: = 1 - z -1 . Furthermore, km is the dead time of the controlled object 20. Note that it is assumed that only stochastic model errors occur in the controlled object 20, and the coefficients of the polynomials A(z -1 ) and B(z -1 ) and the dead time km are known.

式(1)の制御対象20に対して、以下の式の評価規範の最小化に基づくモデル誤差抑制補償則を導出する。
For the controlled object 20 of equation (1), a model error suppression and compensation law is derived based on minimizing the evaluation criterion of the following equation.

上式のφ(k+k+1)は一般化モデル誤差推定値であり、以下の式で定義される。
ここで、y(k+k+1)はモデル出力であり、u(k)はモデル誤差抑制のための補償入力である。λは補償入力の差分に対する重み係数であり、設計者が任意に設定する。
In the above equation, φ(k+k m +1) is the generalized model error estimate, and is defined by the following equation:
Here, y * (k+ km +1) is the model output, ud (k) is the compensation input for suppressing the model error, and λ is a weighting coefficient for the difference of the compensation input, which is set arbitrarily by the designer.

上述のように、本実施の形態に係るモデル誤差抑制補償器1は、所定の将来時刻ステップ(k+k+1)における制御対象モデル11の出力と制御対象20の出力との差分、及び制御入力の調整値である補償入力u(k)と可調整パラメータである重み係数λとの積で表される調整項を含む一般化モデル誤差推定値φ(k+k+1)の分散を最小化するように設定される。 As described above, the model error suppression compensator 1 according to this embodiment is set so as to minimize the variance of the generalized model error estimate φ(k+ k +1) which includes the difference between the output of the controlled object model 11 and the output of the controlled object 20 at a predetermined future time step (k+k + 1) and an adjustment term expressed as the product of the compensation input u d (k), which is an adjustment value of the control input, and the weighting coefficient λ, which is an adjustable parameter.

ここで、次式に示すDiophantine方程式を導入し、E(z-1)及びF(z-1)を求める。尚、ΔA(z-1)及びz-(km+1)からE(z-1)及びF(z-1)が一意に計算されるように、E(z-1),F(z-1)の次数は、それぞれk,nとなっている。
Here, the Diophantine equation shown below is introduced to find E(z -1 ) and F(z -1 ). Note that the orders of E(z -1 ) and F(z -1 ) are km and n, respectively, so that E(z -1 ) and F(z -1 ) can be uniquely calculated from ΔA(z -1 ) and z -( km +1).

式(1)、(4)、(5)から次式に示す時刻kにおける一般化モデル誤差推定値のk+1段先の予測値を得る。
From equations (1), (4), and (5), the km +1 step ahead predicted value of the generalized model error estimate at time k is obtained as shown in the following equation.

ここで、式(7)から時刻kにおける最適予測値を次式で定義する。
Here, the optimal predicted value at time k is defined from equation (7) as follows:

ただし、G(z-1)は次式で定義され、n:=m+kである。
Here, G(z −1 ) is defined by the following equation, where n g :=m+k m .

次に、式(7)、(8)から次式を得る。
Next, the following equation is obtained from equations (7) and (8):

式(3)、(10)から、^φ(k+k+1|k)=0とすることにより、次式に示す評価規範Jを最小化するモデル誤差抑制補償則が導出される。
From equations (3) and (10), by setting φ(k+ km +1|k)=0, the model error suppression and compensation rule that minimizes the evaluation criterion J shown in the following equation is derived.

図2は、式(1)及び式(11)によって構成されるモデル誤差抑制補償器1を含む制御系のブロック線図である。図2に示す制御系の入出力関係は以下の式のようになる。
2 is a block diagram of a control system including a model error suppression compensator 1 configured by equations (1) and (11). The input/output relationship of the control system shown in FIG.

また、図2に示すように、フィルタ12の伝達特性は、以下の式のように表すことができる。
As shown in FIG. 2, the transfer characteristic of the filter 12 can be expressed by the following equation:

設計者は補償入力の差分に対する重み係数λを適切に設定することにより、制御系の性能を調整することができる。より具体的には、フィルタ12の特性を表す式(14)の分母多項式は、可調整パラメータである重み係数λの項を含む。したがって、設計者は重み係数λを適宜調整することにより、フィルタ12のゲインを調整して、制御性能を調整することができる。 Designers can adjust the performance of the control system by appropriately setting the weighting coefficient λ for the difference in the compensation input. More specifically, the denominator polynomial in equation (14), which represents the characteristics of filter 12, includes a term for the weighting coefficient λ, which is an adjustable parameter. Therefore, by appropriately adjusting the weighting coefficient λ, designers can adjust the gain of filter 12 and thereby adjust the control performance.

(数値例)
以下、本実施の形態に係るモデル誤差抑制補償器1を備える制御システムについて行ったコンピュータシミュレーションの例について説明する。本例に係る制御対象は、以下の式に示す2次遅れ系とした。尚、本例では、モデル誤差抑制補償器1の効果を確認するため、むだ時間L[s]を変化させてシミュレーションを行った。
(Numerical example)
An example of a computer simulation performed on a control system equipped with the model error suppression compensator 1 according to this embodiment will be described below. The controlled object in this example is a second-order lag system shown in the following equation. In this example, in order to confirm the effect of the model error suppression compensator 1, the simulation was performed by changing the dead time L [s].

式(15)に示す制御対象を離散化して、以下の式で表される離散時間システムを得る。
The control object shown in equation (15) is discretized to obtain a discrete-time system expressed by the following equation.

上記の制御対象に対し、モデル誤差ξ(k)として、平均0、分散0.01のガウス性白色雑音を与える。また、制御対象に与える入力は、ステップ入力u(k)=10とする。 Gaussian white noise with a mean of 0 and a variance of 0.01 is given as the model error ξ(k) to the above control object. The input given to the control object is a step input u r (k)=10.

図3は、むだ時間L=0sでモデル誤差抑制補償器1が無い場合(図3(A))と有る場合(図3(B))におけるシミュレーション結果を示している。また、モデル誤差抑制補償器1における、補償入力の差分に対する重み係数λはλ=0としている。制御対象20にモデル誤差抑制補償器1が付加されていない場合(図3(A))、モデル誤差によって制御対象20の出力が不規則に変動しており、制御対象モデル11の出力から大きく乖離していることがわかる。これに対し、モデル誤差抑制補償器1を備える場合(図3(B))、制御対象20と制御対象モデル11との出力の差異から得られた補償入力をフィードバックしてモデル誤差を抑制することによって、制御対象20の出力が制御対象モデル11の出力に一致するように追従できていることがわかる。 Figure 3 shows simulation results for a dead time L = 0 s when there is no model error suppression compensator 1 (Figure 3(A)) and when there is one (Figure 3(B)). The weighting coefficient λ for the difference in compensation input in the model error suppression compensator 1 is set to λ = 0. When the model error suppression compensator 1 is not added to the controlled object 20 (Figure 3(A)), it can be seen that the output of the controlled object 20 fluctuates irregularly due to model error and deviates significantly from the output of the controlled object model 11. In contrast, when the model error suppression compensator 1 is included (Figure 3(B)), the compensation input obtained from the difference in output between the controlled object 20 and the controlled object model 11 is fed back to suppress the model error, enabling the output of the controlled object 20 to track and match the output of the controlled object model 11.

図4は、実システムに係る制御対象20のむだ時間と制御対象モデル11のむだ時間とが不一致であった場合のシミュレーション結果を示している。本例では、制御対象20のむだ時間をd=5、制御対象モデル11のむだ時間をd=3とし、その他の条件は上述の図3に係るシミュレーションと同様であることとした。図4(A)はモデル誤差抑制補償器1の無い場合、図4(B)はモデル誤差抑制補償器1を備え、重み係数λ=0とした場合、図4(C)はモデル誤差抑制補償器1を備え、重み係数λ=10とした場合のシミュレーション結果である。重み係数λ=0とした場合、制御システムの応答は発散しているが、重み係数λ=10とした場合、制御システムは安定化され、制御対象モデル11への追従が達成できていることがわかる。 Figure 4 shows the simulation results when the dead time of the controlled object 20 in the actual system does not match the dead time of the controlled object model 11. In this example, the dead time of the controlled object 20 is d = 5, the dead time of the controlled object model 11 is d = 3, and other conditions are the same as those in the simulation of Figure 3 described above. Figure 4(A) shows the simulation results without the model error suppression compensator 1, Figure 4(B) shows the simulation results with the model error suppression compensator 1 and a weighting coefficient λ = 0, and Figure 4(C) shows the simulation results with the model error suppression compensator 1 and a weighting coefficient λ = 10. When the weighting coefficient λ = 0, the response of the control system diverges, but when the weighting coefficient λ = 10, the control system is stabilized and tracking of the controlled object model 11 is achieved.

これらの結果から、本実施の形態に係るモデル誤差抑制補償器1が、むだ時間を有する制御対象について、有効に働くことがわかる。また、可調整パラメータである重み係数λのみを調整することにより、制御特性を調整することができるので、容易にモデル誤差抑制補償器1の特性を修正し、高い制御性能を得られることがわかる。 These results show that the model error suppression compensator 1 according to this embodiment works effectively for controlled objects with dead time. Furthermore, because the control characteristics can be adjusted by adjusting only the adjustable parameter, the weighting coefficient λ, it is clear that the characteristics of the model error suppression compensator 1 can be easily modified and high control performance can be obtained.

以上、詳細に説明したように、本実施の形態に係るモデル誤差抑制補償器によれば、一般化最小分散制御の制御則の導出方法を応用して、モデル誤差抑制補償則を導出することとしている。具体的には、式(3)、(4)に示すように、制御対象の出力と制御対象モデルの出力との差分、及びこの差分に対する重み係数に基づく一般化モデル誤差推定値の分散を最小化するようにモデル誤差抑制補償則を導出する。したがって、むだ時間や不安定零点を持つ非最小位相系を含む広範な制御対象について、モデル誤差抑制補償器を、明確な設計手法に基づいて容易に設計することができる。 As explained in detail above, the model error suppression compensator according to this embodiment derives the model error suppression compensation law by applying the method for deriving the control law of generalized minimum variance control. Specifically, as shown in equations (3) and (4), the model error suppression compensation law is derived so as to minimize the difference between the output of the controlled object and the output of the controlled object model, and the variance of the generalized model error estimate based on the weighting coefficient for this difference. Therefore, a model error suppression compensator can be easily designed based on a clear design method for a wide range of controlled objects, including non-minimum phase systems with dead time and unstable zeros.

また、式(14)に示すように、フィルタ12の伝達特性を表す分母多項式は、重み係数λを含む。したがって、設計者は重み係数λを適宜調整することにより、フィルタ12のゲインを調整して、制御性能を調整することができる。これにより、フィルタ12の過度なハイゲイン化を容易に抑制し、制御システムの不安定化を防ぐことができる。また、重み係数λによって、制御特性を調整できるので、経時的な制御対象20の応答特性の変動、例えばむだ時間の増大、ゲインの低下等が生じ、制御対象20の応答特性が制御対象モデル11の応答特性に対して乖離した場合であっても、容易に制御対象20の応答特性を制御対象モデル11の応答特性に追従させることが可能である。 Furthermore, as shown in equation (14), the denominator polynomial representing the transfer characteristics of filter 12 includes a weighting coefficient λ. Therefore, by appropriately adjusting weighting coefficient λ, the designer can adjust the gain of filter 12 and thereby adjust the control performance. This makes it easy to prevent filter 12 from becoming excessively high in gain and prevent the control system from becoming unstable. Furthermore, because the control characteristics can be adjusted using weighting coefficient λ, even if the response characteristics of the controlled object 20 fluctuate over time, such as an increase in dead time or a decrease in gain, causing the response characteristics of the controlled object 20 to deviate from those of the controlled object model 11, it is possible to easily make the response characteristics of the controlled object 20 track those of the controlled object model 11.

本発明は、モデル誤差を有する制御対象に係るモデル誤差抑制補償器に好適である。特に、むだ時間や不安定零点を持つ非最小位相系を含む制御対象に係るモデル誤差抑制補償器に好適である。 The present invention is suitable for model error suppression compensators for controlled objects that have model errors. In particular, it is suitable for model error suppression compensators for controlled objects that include non-minimum phase systems with dead time or unstable zeros.

1 モデル誤差抑制補償器、11 制御対象モデル、12 フィルタ、20 制御対象 1. Model error suppression compensator, 11. Controlled object model, 12. Filter, 20. Controlled object

Claims (4)

制御対象の応答特性を表すモデルとして予め設定された制御対象モデルの出力と、制御対象の出力との差分に基づいて、制御対象に入力される制御入力を調整するモデル誤差抑制補償器であって、
所定の将来時刻ステップにおける制御対象モデルの出力と制御対象の出力との差分、及び制御入力の調整値と可調整パラメータとの積で表される調整項を含む一般化モデル誤差推定値の分散を最小化するように設定される、
ことを特徴とするモデル誤差抑制補償器。
A model error suppression compensator that adjusts a control input input to a controlled object based on a difference between an output of a controlled object model that is preset as a model representing a response characteristic of the controlled object and an output of the controlled object,
is set to minimize the variance of a generalized model error estimate including a difference between an output of the controlled object model and an output of the controlled object at a predetermined future time step, and an adjustment term represented by the product of an adjustment value of the control input and an adjustable parameter;
A model error suppression compensator comprising:
制御対象モデルの出力と制御対象の出力との差分に基づいて制御入力の調整値を出力するフィルタを備え、
前記フィルタの伝達特性を表す分母多項式は、前記可調整パラメータの項を含む、
ことを特徴とする請求項1に記載のモデル誤差抑制補償器。
a filter that outputs an adjustment value for the control input based on a difference between an output of the controlled object model and an output of the controlled object;
a denominator polynomial representing the transfer characteristic of the filter includes a term for the adjustable parameter;
2. The model error suppression compensator of claim 1.
制御対象の応答特性を表すモデルとして予め設定された制御対象モデルの出力と、制御対象の出力との差分に基づいて、制御対象に入力される制御入力を調整するモデル誤差抑制補償器であって、
前記モデル誤差抑制補償器は、
以下の式で表される制御対象について、
ただし、A,Bの次数はn,mであり、yは制御対象の出力、uは制御対象の入力、ξは制御対象のモデル誤差、z-1は遅延演算子、Δは差分演算子、kは制御対象のむだ時間である。
以下の式で表される評価規範を最小化する、
ただし、φ(k+k+1)は、以下の式で表される一般化モデル誤差推定値である。

ただし、y(k+k+1)は制御対象モデルの出力、u(k)はモデル誤差抑制のための補償入力、λは補償入力の差分に対する重み係数である可調整パラメータである。
ことを特徴とするモデル誤差抑制補償器。
A model error suppression compensator that adjusts a control input input to a controlled object based on a difference between an output of a controlled object model that is preset as a model representing a response characteristic of the controlled object and an output of the controlled object,
The model error suppression compensator comprises:
For the control object expressed by the following equation,
where the orders of A and B are n and m, y is the output of the controlled object, u is the input of the controlled object, ξ is the model error of the controlled object, z −1 is the delay operator, Δ is the difference operator, and km is the dead time of the controlled object.
Minimize the evaluation criteria expressed by the following formula:
where φ(k+k m +1) is the generalized model error estimate expressed by the following equation:

where y * (k+k m +1) is the output of the controlled object model, u d (k) is the compensation input for suppressing the model error, and λ is an adjustable parameter that is a weighting coefficient for the difference of the compensation input.
A model error suppression compensator comprising:
制御対象モデルの出力と制御対象の出力との差分に基づいて制御入力の調整値を出力するフィルタを備え、
前記フィルタの伝達特性を表す分母多項式は、前記可調整パラメータの項を含む、
ことを特徴とする請求項3に記載のモデル誤差抑制補償器。
a filter that outputs an adjustment value for the control input based on a difference between an output of the controlled object model and an output of the controlled object;
a denominator polynomial representing the transfer characteristic of the filter includes a term for the adjustable parameter;
4. The model error suppression compensator of claim 3.
JP2023134377A 2023-08-22 2023-08-22 Model Error Suppression Compensator Active JP7724557B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2023134377A JP7724557B2 (en) 2023-08-22 2023-08-22 Model Error Suppression Compensator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2023134377A JP7724557B2 (en) 2023-08-22 2023-08-22 Model Error Suppression Compensator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2025029643A JP2025029643A (en) 2025-03-07
JP7724557B2 true JP7724557B2 (en) 2025-08-18

Family

ID=94827532

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2023134377A Active JP7724557B2 (en) 2023-08-22 2023-08-22 Model Error Suppression Compensator

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7724557B2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002312004A (en) 2001-04-18 2002-10-25 Nagoya Industrial Science Research Inst Servo control system
US20090132064A1 (en) 2005-06-13 2009-05-21 Carnegie Mellon University Apparatuses, Systems, and Methods Utilizing Adaptive Control
WO2011136160A1 (en) 2010-04-26 2011-11-03 三菱電機株式会社 Servo control device
JP2022082233A (en) 2020-11-20 2022-06-01 国立大学法人広島大学 Control device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002312004A (en) 2001-04-18 2002-10-25 Nagoya Industrial Science Research Inst Servo control system
US20090132064A1 (en) 2005-06-13 2009-05-21 Carnegie Mellon University Apparatuses, Systems, and Methods Utilizing Adaptive Control
WO2011136160A1 (en) 2010-04-26 2011-11-03 三菱電機株式会社 Servo control device
JP2022082233A (en) 2020-11-20 2022-06-01 国立大学法人広島大学 Control device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2025029643A (en) 2025-03-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Disturbance rejection control for non-minimum phase systems with optimal disturbance observer
US10935939B2 (en) Machine learning device, servo control apparatus, servo control system, and machine learning method
KR101478450B1 (en) Design method of variable pid gains for multivariable nonlinear systems
JP2009245419A (en) System controller and system control method
CN110955143B (en) A Compound Control Method for First-Order Inertia Pure Lag Processes
JP2009245420A (en) System controller and system control method
Dey et al. A simple nonlinear PD controller for integrating processes
Tian et al. Offset‐free multistep nonlinear model predictive control under plant–model mismatch
Yu et al. An optimal compensation framework for linear quadratic Gaussian control over lossy networks
WO2021251226A1 (en) Control assist device, control device, and control assist method
JP4112900B2 (en) Control method and control apparatus
US11086277B2 (en) System and method for determining the parameters of a controller
JP7724557B2 (en) Model Error Suppression Compensator
Hong et al. A model‐based PID controller for Hammerstein systems using B‐spline neural networks
Zhang et al. Adaptive stabilization of uncertain linear system with stochastic delay by PDE full-state feedback
JP4982905B2 (en) Control method and control apparatus
CN109995278B (en) Motor servo system self-adjustment control method considering input limitation
Haus et al. An extended Kalman filter for time delays inspired by a fractional order model
Glushchenko Method of calculation of upper bound of learning rate for neural tuner to control DC drive
Shcherbovskykh et al. Evaluation of integral anti-windup feedback coefficient for PI regulator
KR100872800B1 (en) Parameter Optimization Method of Power System Stabilizer Based on Hybrid System Modeling
JP4119358B2 (en) Control method and control apparatus
Yaseen et al. Synthesis of model-free control for system with time-varying communication delay
Moya et al. Pareto-based polynomial tuning rule for 2DoF PID controllers for time-delayed dominant processes with robustness consideration
Nishiya et al. Design of a Data-Driven Controller based on Estimated I/O Data using Open-Loop Data

Legal Events

Date Code Title Description
A80 Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80

Effective date: 20230829

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20241024

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20250626

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20250715

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20250729

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7724557

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150