(57)【要約】【課題】２自由度制御の制御性能を向上する。【解決手段】制御対象を表す次数よりも小さい次数によって表された制御対象モデルを利用して設計されたフィードバック制御要素１１とフィードバック制御要素を表す次数よりも大きくて制御対象を表す次数よりも小さい次数によって表された制御対象モデルを利用して設計されたフィードフォワード制御要素１２とを備える。【選択図】図１
2015064744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象を表す次数よりも小さい次数によって表された制御対象モデルを利用して設計されたフィードバック制御要素と、
前記フィードバック制御要素を表す次数よりも大きくて前記制御対象を表す次数よりも小さい次数によって表された制御対象モデルを利用して設計されたフィードフォワード制御要素と、
を備えることを特徴とする目標値追従制御装置。
【請求項２】
前記フィードバック制御要素は、Ｈ∞制御に対応して生成されたことを特徴とする請求項１記載の目標値追従制御装置。
【請求項３】
目標値に追従させて制御対象を制御する目標値追従制御方法であって、
目標値を入力するステップと、
前記制御対象の出力値と、入力した目標値に対する規範モデルの出力値との出力偏差を求めるステップと、
前記制御対象を表す次数よりも小さい次数によって表された制御対象モデルを利用して設計されたフィードバック制御要素を用いて出力偏差から第１の操作量を求めるステップと、
前記フィードバック制御要素を表す次数よりも大きくて前記制御対象を表す次数よりも小さい次数によって表された制御対象モデルを利用して設計されたフィードフォワード制御要素を用いて、入力した目標値から第２の操作量を求めるステップと、
第１の操作量及び第２の操作量の和を求めて前記制御対象の操作量とするステップと、
を備えることを特徴とする目標値追従制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は目標値追従制御を行う目標値追従制御装置及び目標値追従制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
目標値に追従させて対象の機器等を制御する目標値追従制御を行う目標値追従制御装置（コントローラ）は、フィードバック制御（ＦＢ制御）のみを利用する場合、所望の応答が得られないことがある。これに対し、ＦＢ制御にフィードフォワード制御（ＦＦ制御）を組み合わせたモデルマッチング型２自由度制御の目標値追従制御装置は、ＦＢ制御のみを行う目標値追従制御装置と比較して、制御性能を向上することができる（例えば、非特許文献１及び２参照）。
【０００３】
目標値追従制御装置の設計の際には、制御対象を表す制御対象モデルを生成し、この制御対象モデルを利用して目標値追従制御装置を設計している。モデルマッチング型２自由度制御では、ＦＢ制御要素とＦＦ制御要素をそれぞれ独立して設計可能であり、通常、ＦＢ制御要素とＦＦ制御要素をそれぞれ設計する際には同一の制御対象モデルを使用している。
【０００４】
ＦＢ制御に誤差の影響を抑制するＨ∞制御を用いることがあるが、Ｈ∞制御では、目標値追従制御装置の次数がＦＢ制御要素の設計に使用する制御対象モデルの次数より大きくなるため、制御対象モデルの次数が大きいほど、目標値追従制御装置が複雑になる。したがって、ＦＢ制御にＨ∞制御を用いる場合には、誤差を容認して制御対象モデルを実際の制御対象の次数より低くしている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】システム制御情報学会編  細江繁幸、荒木光彦監修、「制御系設計 H∞制御とその応用」、朝倉書店、1994年6月、p46-48,126-128
【非特許文献２】石川信行、外１名、「２自由度制御器の原子炉出力制御への応用‐数値シミュレーションによる検討‐」（URL（2013年7月1日検索）：http://jolissrch-inter.tokai-sc.jaea.go.jp/pdfdata/JAERI-Research-96-048.pdf）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、モデルマッチング型２自由度制御の目標値追従制御装置の制御性能が十分に得られないことがある。これは、ＦＢ制御要素の設計に合わせて次数を下げた制御対象モデルを使用してＦＦ制御要素を設計した場合、ＦＦ制御要素が誤差の影響を大きく受けるためである。一方、実際の制御対象に合わせた次数の制御対象モデルを利用して設計されたＦＢ制御要素とＦＦ制御要素とを有する目標値追従制御装置の場合、目標値追従制御装置の次数が大きくなるため演算処理が複雑になる問題がある。
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明は容易に目標値追従制御の制御性能を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、制御対象を表す次数よりも小さい次数によって表された制御対象モデルを利用して設計されたフィードバック制御要素と前記フィードバック制御要素を表す次数よりも大きくて前記制御対象を表す次数よりも小さい次数によって表された制御対象モデルを利用して設計されたフィードフォワード制御要素とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、目標値追従制御の制御性能を容易に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】モデルマッチング型２自由度制御の構造を表すブロック図である。
【図２】目標値追従方法を説明するフローチャートである。
【図３】ＦＢ制御要素の設計に使用する制御対象モデルの周波数応答ゲインを表すボード線図である。
【図４】ＦＦ制御要素の設計に使用する制御対象モデルの周波数応答ゲインを表すボード線図である。
【図５】ＦＢ制御要素の設計に使用する制御対象モデルの周波数応答ゲインを表す他のボード線図である。
【図６】ＦＦ制御要素の設計に使用する制御対象モデルの周波数応答ゲインを表す他のボード線図である。
【図７】目標値追従制御装置のシミュレーション結果の一例である。
【図８】目標値追従制御装置のシミュレーション結果の他の例である。
【図９】目標値追従制御装置のシミュレーション結果の更に他の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［目標値追従制御装置］
本発明に係る目標値追従制御装置は、目標値に追従させて制御対象を制御する２自由度制御系の目標値追従制御装置である。例えば、本発明に係る目標値追従制御装置は、ジェットエンジン等を制御対象とする。
【００１２】
図１に示すように、２自由度制御系の目標値追従制御装置１は、制御対象２を制御する装置であって、ＦＢ制御要素１１及びＦＦ制御要素１２を備えている。この目標値追従制御装置は、例えば、ＦＢ制御要素１１とＦＦ制御要素１２を有するＣＰＵ（中央処理装置）である。図１において、Ｐは制御対象、ＫはＦＢ制御要素に対応するＨ∞コントローラ、Ｆが設計パラメータにより得られる規範モデル１３を表している。また、ｒは目標値、ｙは制御対象の出力、ｕfbは第１の操作量、ｕffは第２の操作量、ｅは制御対象の出力と規範モデル１３の出力との出力偏差、ｙ0は規範モデル１３の出力である。
【００１３】
実施形態に係る目標値追従制御装置１は、異なる制御対象モデルを利用して設計されたＦＢ制御要素１１とＦＦ制御要素１２とを有している。具体的には、ＦＢ制御要素１１は、次数を実際の制御対象２を表す次数よりも小さくして生成された制御対象モデルＡを使用して設計される。また、ＦＢ制御要素１１は、Ｈ∞制御を利用してＦＢ制御を実行するように設計される。一方、ＦＦ制御要素１２は、実際の制御対象２を表す次数で生成された制御対象モデルＢを使用して設計される。具体的には、制御対象モデルＢは、制御対象モデルＡを表す次数よりも大きく、実際の制御対象２を表す次数に近い次数で生成されていればよい。なお、制御装置１２を表す次数は、制御対象の性能等に応じて決定される。
【００１４】
［目標値追従制御方法］
図２のフローチャートに示すように、追従制御を実行する場合、目標値追従制御装置１に目標値ｒが入力されると（Ｓ１）、制御対象２の出力ｙと、規範モデル１３の出力ｙ0の出力偏差ｅを求め、ＦＢ制御要素１１に出力する（Ｓ２）。
【００１５】
ＦＢ制御要素１１は、ＦＢ制御により出力偏差ｅから第１の操作量ｕfbを求める（Ｓ４）。また、ＦＦ制御要素１２は、ＦＦ制御により、目標値ｒから第２の操作量ｕffを求める（Ｓ３）。その後、ＦＢ制御により求められた第１の操作量ｕfbと、ＦＦ制御により求められた第２の操作量ｕffとの和を制御対象の操作量ｕとする（Ｓ５）。この操作量ｕが制御対象２に出力され、制御対象２が制御される（Ｓ６）。
【００１６】
図３〜図６は、一実施例として、２入力２出力の場合の２自由度制御系の目標値追従制御装置のＦＢ制御要素又はＦＦ制御要素の制御対象モデルの周波数応答ゲインを表すボード線図（Bord Diagram）を示している。図１の操作量ｕが入力であって、ｕ＝［ｕ１，ｕ２］に相当し、出力ｙが出力であって、ｙ＝［ｙ１，ｙ２］に相当する。図３〜図６において、横軸は周波数（rad/sec）、縦軸はゲイン（dB）である。また、図３〜図６において、それぞれ（ａ）は入力１（ｕ１）に対する出力１（ｙ１）のゲイン、（ｂ）は入力１（ｕ１）に対する出力２（ｙ２）のゲイン、（ｃ）は入力２（ｕ２）に対する出力１（ｙ１）のゲイン、（ｄ）は入力２（ｕ２）に対する出力２（ｙ２）のゲインを表している。
【００１７】
ここで、図３は、ＦＢ制御要素に関するボード線図であって、図４は、ＦＦ制御要素に関するボード線図である。具体的には、図３及び図４において、ラインａは、制御対象（実機）を利用して得られた周波数応答ゲインの結果（結果１）であり、ラインｂは、実機を利用して得られた別の周波数応答ゲインの結果（結果２）である。また、ラインｃは、結果１及び結果２を用いて求められた理想の周波数応答ゲインであって、この周波数ゲインに合わせてＦＢ制御要素及びＦＦ制御要素を設計する制御対象モデルが生成される。
【００１８】
なお、図３及び図４のラインｃは、同一であって、ＦＢ制御要素とＦＦ制御要素の設計に同一の制御対象モデルを使用することが分かる。またこのとき、ＦＢ制御要素をＨ∞制御に対応させるため、制御対象モデルは、図３及び図４のラインｃに表されるように、実機よりも小さな次数に設定される。したがって、このような実機より次数が小さい制御対象モデルを利用した場合、この制御対象モデルを利用して設計されるＦＦ制御要素を有する目標値追従制御装置の制御性能は低下する。
【００１９】
実施形態に係る目標値追従制御装置１の設計に利用する制御対象モデルの生成について、図５及び図６で表すボード線図を用いて説明する。図３及び図４を用いて上述した例では、ＦＢ制御要素とＦＦ制御要素は同一の制御対象モデルを使用して設計していた。これに対し、実施形態に係る目標値追従制御装置１は、異なる制御対象モデルを用いてＦＢ制御要素１１とＦＦ制御要素１２が設計される。
【００２０】
ここで、図５は、ＦＢ制御要素１１に関するボード線図であって、図６は、ＦＦ制御要素１２に関するボード線図である。具体的には、図５及び図６において、ラインａは、実機を利用して得られた結果（結果１）であり、ラインｂは、実機を利用して得られた別の結果（結果２）である。また、ラインｃは、結果１及び結果２を用いて求めた理想の周波数応答ゲインであって、この周波数ゲインに合わせてＦＢ制御要素１１又はＦＦ制御要素１２を設計する制御対象モデルが生成される。
【００２１】
ここで、ＦＢ制御要素１１を設計する制御対象モデルは、Ｈ∞制御に対応させるため、図５のラインｃに表されるように、実機よりも小さな次数に設定される。一方、図６のラインｃに表されるように、ＦＦ制御要素１２を設計する制御対象モデルの次数は、実機の次数に合わせて設定される。したがって、ＦＢ制御要素１１の設計に利用される制御対象モデルとＦＦ制御要素１２の設計に利用される制御対象モデルは異なるものとなり、これらの制御対象モデルを利用して設計される目標値追従制御装置１の制御性能は向上する。
【００２２】
図７〜９は、各条件で生成された目標値追従制御装置を使用して制御対象を制御する場合のシミュレーション結果である。図７は、出力１（ｙ１）のみがステップ応答となるように目標値（ｒ１，ｒ２）を設定した例、図８は出力２（ｙ２）のみがステップ応答となるように目標値（ｒ１，ｒ２）を設定した例、図９は出力１及び２（ｙ１，ｙ２）ともにステップ応答となるように目標値（ｒ１，ｒ２）を設定した例である。なお、各図においてそれぞれ（ａ）が操作量ｕ１、（ｂ）が操作量ｕ２、（ｃ）が出力１、（ｄ）が出力２を表している。
【００２３】
また、各図において、ラインｌは、ＦＢ制御要素のみを有する目標値追従制御装置のシミュレーション結果である。また、ラインｍはＦＢ制御要素及びＦＦ制御要素を有する目標値追従制御装置のシミュレーション結果であって、図３及び図４を用いて上述したように、ＦＢ制御要素とＦＦ制御要素とは同一の制御対象モデルを利用して設計されたものである。このときの制御対象モデルには、Ｈ∞制御に対応して制御対象モデルを表す次数が小さく設定されているため、ＦＦ制御要素の次数も小さくなっている。
【００２４】
さらに、ラインｎは実施形態に係る目標値追従制御装置１のシミュレーション結果である。具体的には、図５及び図６を用いて上述したように、ＦＢ制御要素１１とＦＦ制御要素１２とが異なる制御対象モデルを利用して設計されたものである。このとき、ＦＢ制御要素１１の設計に利用する制御対象モデルはＨ∞制御に対応して次数が小さく設定されているが、ＦＦ制御要素１２の設計に利用する制御対象モデルはＦＢ制御要素１１の設計に利用する制御対象モデルよりも次数が大きく設定されている。
【００２５】
図７〜９によれば、実施形態に係る目標値追従制御装置１のシミュレーション結果であるラインｎの応答特性が最も高く（速やかに安定した値に変化しており）、ＦＢ制御要素１１とＦＦ制御要素１２を異なる制御対象モデルを使用したほうが、制御性能を向上できることが分かる。
【００２６】
上述したように、２自由度制御系の目標値追従制御装置を構成するＦＢ制御要素とＦＦ制御要素をそれぞれ異なる制御対象モデルを利用して設計することで、目標値追従制御装置の制御性能を向上することができる。具体的には、誤差の影響が少ないＦＢ制御要素については次数の小さい制御対象モデルを利用して容易に設計し、誤差の影響を大きく受けるＦＦ制御要素については次数を制御対象に合わせた制御対象モデルを利用して設計し、制御性能の高い目標値追従制御装置を設計することができる。
【００２７】
以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。
【符号の説明】
【００２８】
１  目標値追従制御装置
１１  ＦＢ制御要素
１２  ＦＦ制御要素
１３  規範モデル
２  制御対象
【図１】
2015064744.tif 000003
【図２】
2015064744.tif 000004
【図３】
2015064744.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015064744.tif 000009
【図８】
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【図９】
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