(57)【要約】本発明は、ブロック線図環境においてモデル化された複雑な非線形動的システムに対して、コントローラを系統的にユーザが解析し、設計することを可能とするフレームワークを提供する。非線形プラントモデル（ブロック線図）から線形化したモデルを抽出することにより、ユーザは、線形システムに対して、利用可能な１以上の制御設計およびチューニング方法を使用することができる。クロスカップリングや外因性の攪乱等の複雑な副次的作用を、設計中にリアルタイムで見て処理することができる。設計の結果は、自動的にブロック線図において実行される。
2008521138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
方法のための電子機器が実行可能である工程を保持する媒体であって、前記方法は、以下、
制御システムを含むブロック線図モデルのグラフィルカル表示を提供する工程と、
プラントに対するコントローラを表すブロックのサブセットを選択する工程と、
前記コントローラに対して、前記ブロック線図モデルから線形モデルをプログラム的に抽出する工程と、
前記線形モデルをプログラム的に設計ツールへインポートする工程と、
を備える媒体。
【請求項２】
前記設計ツールは、開ループツール、閉ループツール、ボード線図ツール、ニコルス線図ツール、根／軌跡ツール、離散化ツール、およびチューニングツール、のグループの少なくとも１つを備えている、請求項１に記載の媒体。
【請求項３】
前記方法がさらに、
前記線形モデルで実行された解析の結果に基づいて、前記ブロック線図をプログラム的に更新する工程、を備える、請求項１に記載の媒体。
【請求項４】
前記モデルを線形化するために使用された操作点をプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図を更新する工程をさらに備える、請求項３に記載の媒体。
【請求項５】
前記方法が、前記ブロックデータをプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程をさらに備える、請求項３に記載の媒体。
【請求項６】
前記方法が、前記第１の信号に対する性能制約、および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの１つを特定する工程をさらに備える、請求項１に記載の媒体。
【請求項７】
前記第１の信号に対する性能制約、および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの前記１つが、前記設計ツールへプログラム的にマッピングされる、請求項１に記載の媒体。
【請求項８】
電子機器において、方法のための実行可能な工程を保持する媒体であって、前記方法が以下、
ブロック線図モデルにおけるコントローラを表すブロックを選択する工程と、
前記コントローラに関係する第１の信号を選択する工程と、
前記第１の信号に対する性能制約、および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの１つを特定する工程と、
前記コントローラに基づいて、前記ブロック線図モデルの線形モデルをプログラム的に抽出する工程と、
前記第１の信号に対する性能制約、および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの１つをプログラム的に、設計ツールへマッピングする工程と、
を備える媒体。
【請求項９】
前記方法が、前記線形モデルで実行された解析の結果に基づいて前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程、をさらに備える、請求項８に記載の媒体。
【請求項１０】
前記モデル線形化するために使用される操作点を、プログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程、をさらに備える、請求項９に記載の媒体。
【請求項１１】
前記ブロックデータをプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程、をさらに備える、請求項８に記載の媒体。
【請求項１２】
前記設計ツールが、開ループツール、閉ループツール、ボード線図ツール、ニコルス線図ツール、根／軌跡ツール、離散化ツール、およびチューニングツールのグループの少なくとも１つを備える、請求項８に記載の媒体。
【請求項１３】
前記方法が、閉ループ応答ビューワの実行を開始する工程をさらに備える、請求項１２に記載の媒体。
【請求項１４】
前記方法が、前記ブロック工程を選択する前に、
プラントモデルおよび制御構造を提供する工程をさらに備える、請求項８に記載の媒体。
【請求項１５】
前記方法がさらに、
前記モデルを線形化する操作点を選択する工程をさらに備える、請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
ブロック工程を選択する工程が、グラフィカル環境で実行される、請求項８に記載の媒体。
【請求項１７】
正確な小スケール線形化、ブラックボックス線形化、および大スケール線形化のうちの１つを使用して、前記線形モデルがプログラム的に抽出される、請求項８に記載の媒体。
【請求項１８】
方法のための電子機器が実行可能である工程を保持する媒体であって、前記方法は、以下、
制御システムを含むブロック線図モデルのグラフィルカル表示を提供する工程と、
プラントのためのコントローラを表すブロックのサブセットを選択する工程と、
前記制御システムに対して、前記ブロック線図モデルから線形モデルをプログラム的に抽出する工程と、
前記少なくとも１つのコントローラの少なくとも１つの特性を、前記ブロック線図モデルにインポートすることにより、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程と、を備える媒体。
【請求項１９】
前記方法が、前記抽出する工程の前に、
前記モデルの操作点を推定する工程をさらに備える、請求項１８に記載の媒体。
【請求項２０】
前記モデルが、前記操作点をプログラム的に更新することにより、更新される、請求項１９に記載の媒体。
【請求項２１】
前記モデルのブロックに対するデータ値を更新することにより、前記モデルが更新される、請求項１９に記載の媒体。
【請求項２２】
前記更新する工程が、ブロックダイアログに係数を記述する工程を含む、請求項２１に記載の媒体。
【請求項２３】
前記更新する工程が、ブロックダイアログ中のコントローラをパラメータ化する工程を含む、請求項２２に記載の媒体。
【請求項２４】
前記更新する工程が、ブロックダイアログ中のコントローラ変数を作成する工程を含む、請求項２２に記載の媒体。
【請求項２５】
前記方法が、前記抽出する工程の前に、
設計基準を入れる工程をさらに備える、請求項１８に記載の媒体。
【請求項２６】
前記方法が、
前記線形モデルに設計ツールを適用する工程と、
前記少なくとも１つのコントローラ、ならびに信号上の性能制約および前記制御システムの動特性上の設計仕様の少なくとも１つを設計する工程であって、前記性能制約および設計仕様が、前記設計ツールにおいて直接使用されるように変換される工程と、
をさらに備える、請求項１８に記載の媒体。
【請求項２７】
方法のための電子機器が実行可能である工程を保持する媒体であって、前記方法は、以下、
制御システムを含むブロック線図モデルのグラフィルカル表示を提供する工程と、
プラントに対するコントローラを表すブロックのサブセットを選択する工程と、
前記コントローラに関連する第１の信号に対する性能制約、および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの１つを特定する工程と、
前記コントローラに対して、前記ブロック線図モデルから線形モデルをプログラム的に抽出する工程と、
前記少なくとも１つのコントローラの少なくとも１つの特性を、前記ブロック線図モデルへインポートすることにより、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程と、
前記線形モデルを設計ツールへインポートする工程と、
を備える媒体。
【請求項２８】
電子機器において、ブロック線図モデルから線形モデルを抽出する方法であって、以下、
制御システムを含むブロック線図モデルのグラフィルカル表示を提供する工程と、
プラントに対するコントローラを表すブロックのサブセットを選択する工程と、
前記コントローラに対して、前記ブロック線図モデルから線形モデルをプログラム的に抽出する工程と、
前記線形モデルを設計ツールへプログラム的にインポートする工程と、
を備える方法。
【請求項２９】
前記設計ツールが、開ループツール、閉ループツール、ボード線図ツール、ニコルス線図ツール、根／軌跡ツール、離散化ツール、およびチューニングツールのグループの少なくとも１つを備える、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記線形モデルで実行された解析の結果に基づいて、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程をさらに備える、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記モデルを線形化するために使用される操作点をプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図を更新する工程をさらに備える、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記ブロックデータをプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程をさらに備える、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１の信号に対する性能制約および前記コントローラの動特性に対する設計仕様のうちの１つを特定する工程をさらに備える、請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１の信号に対する性能制約および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの１つが、前記設計ツールへプログラム的にマッピングされる、請求項２８に記載の方法。
【請求項３５】
電子機器において、ブロック線図モデルから線形モデルを抽出する方法であって、前記方法は、以下、
ブロック線図モデルにおいてコントローラを表すブロックを選択する工程と、
前記コントローラに関連する第１の信号を選択する工程と、
前記第１の信号に対する性能制約および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの１つを特定する工程と、
前記コントローラに基づいて、前記ブロック線図モデルの線形モデルをプログラム的に抽出する工程と、
前記第１の信号に対する性能制約および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの前記１つを、プログラム的に設計ツールへマッピングする工程と、
を備える方法。
【請求項３６】
前記線形モデルで実行された解析の結果に基づいて、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程をさらに備える、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記モデルを線形化するために使用される操作点をプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程をさらに備える、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記ブロックデータをプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程をさらに備える、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記設計ツールが、開ループツール、閉ループツール、ボード線図ツール、ニコルス線図ツール、根／軌跡ツール、離散化ツール、およびチューニングツールのグループのうちの少なくとも１つを備える、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
閉ループ応答ビューワの実行を開始する工程をさらに備える、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記方法が、前記ブロック工程を選択する工程の前に、
プラントモデルおよび制御構造を提供する工程をさらに備える、請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
前記方法が、
前記モデルを線形化する操作点を選択する工程をさらに備える、請求項３５に記載の方法。
【請求項４３】
ブロック工程を選択する工程が、グラフィカル環境において実行される、請求項３５に記載の方法。
【請求項４４】
前記線形モデルが、小スケール線形化、ブラックボックス線形化、および大スケール線形化のうちの１つを使用して、プログラム的に抽出される、請求項３５に記載の方法。
【請求項４５】
ブロック線図から線形モデルを抽出する方法であって、以下、
制御システムを含むブロック線図モデルのグラフィルカル表示を提供する工程と、
プラントに対するコントローラを表すブロックのサブセットを選択する工程と、
前記コントローラに対して、前記ブロック線図モデルから線形モデルを抽出する工程と、
前記少なくとも１つのコントローラの前記少なくとも１つの特性を、前記ブロック線図モデルへインポートすることにより、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程と、
を備える方法。
【請求項４６】
前記方法が、前記抽出する工程の前に、
前記モデルにおける操作点を推定する工程をさらに備える、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記操作点をプログラム的に更新することにより、前記モデルが更新される、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記モデルが、前記モデルにおけるブロックのためのデータ値を更新することにより、前記モデルが更新される、請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
前記更新する工程が、ブロックダイアログに係数を記述する工程を含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記更新する工程が、ブロックダイアログにおける前記コントローラをパラメータ化する工程を含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記更新する工程が、ブロックダイアログにおけるコントローラ変数を作成する工程を含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５２】
前記方法が、前記工程を抽出する前に、
設計基準を入れる工程をさらに備える、請求項４５に記載の方法。
【請求項５３】
前記線形モデルに設計ツールを適用する工程と、
前記少なくとも１つのコントローラと、信号に関する性能制約および前記制御システムの動特性に関する設計仕様の少なくとも１つと、のうちの少なくとも１つを設計する工程であって、前記性能制約および設計仕様が、前記設計ツールにおいて直接使用されるように変換される工程と、をさらに備える、請求項４５に記載の方法。
【請求項５４】
ブロック線図モデルから線形モデルを抽出する方法であって、前記方法は、以下、
制御システムを含むブロック線図モデルのグラフィルカル表示を提供する工程と、
プラントのためのコントローラを表すブロックのサブセットを選択する工程と、
前記コントローラに関連する第１の信号のための性能制約および前記制御システムの動特性のための設計仕様のうちの１つを特定する工程と、
前記コントローラに関連する前記ブロック線図モデルから線形モデルを抽出する工程と、
前記少なくとも１つのコントローラの少なくとも１つの特性を、前記ブロック線図モデルへインポートすることによって、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程と、
前記線形モデルを設計ツールにインポートする工程と、
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、２００４年６月１５日出願の、代理人整理番号第ＭＷＳ−０９４号「複数の単一入力単一出力制御ループの設計のためのツール」という表題の米国出願第１０／８６９１６３号に関連し、２００４年１１月１７日出願の、代理人整理番号第ＭＷＳ−０９８号「制御システムの解析のための方法」という表題の米国出願第１０／９９１８９９号の優先権を主張し、それらの内容は、本明細書中に援用により一体化される。
【０００２】
発明の分野
本発明は、ブロック線図環境における制御システムの解析のための方法に関する。特に、線形モデルを抽出して、制御システムを設計およびチューニングする設計方法を使用することが可能となる。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
（自然にしろ人工にしろ）動的システムは、所与の時間における反応が、その入力刺激、その現在状態、および現在時間の関数であるシステムである。このようなシステムは、単純なものから高度に複雑なシステムにまで至っている。物理的動的システムには、落下体、地球の回転、生物−機械システム（筋肉、関節、等）、生物−化学システム（遺伝子発現、蛋白質経路）、天気および気候パターンシステム等が含まれる。人工的または技術的動的システムの例には、跳ねるボール、端部で錘と繋がれたスプリング、自動車、航空機、大型家電製品の制御システム、通信ネットワーク、音声信号処理、原子炉、株式市場等が含まれる。
【０００４】
工学、科学、教育、および経済学等の広範な専門家達は、動的システムの数学的モデルを構築する。システム挙動は、時間の進行とともに変化するので、これをよりよく理解するためである。数学的モデルは、「より良い」システムを構築する際に役立つが、ここで、「より良い」とは、品質、製品化までの時間、費用、スピード、大きさ、電力消費、頑丈さ等の様々な性能尺度の点から規定が可能である。数学的モデルは、（人体であろうと車のアンチロックブレーキシステムであろうと）既存のシステムの、解析、デバッギング、および修復において役立つ。このモデルは、物理システムを支配する基本原理に従って、他人を教育する教育目的をも果たす。モデルと成果は、しばしば人間間の科学的なコミュニケーション媒体として使用される。用語「モデルベースの設計」は、動的システムの、開発、解析、および検証におけるグラフィカルモデルの使用を意図するために使用される。
【０００５】
動的システムは、通常は、微分、差分、および/または代数方程式の集まりとしてシミュレーション環境においてモデル化される。任意の所与の時刻において、これらの方程式は、システムの出力応答（「出力」）、その時間におけるシステムの入力刺激（「入力」）、システムの現在状態、システムのパラメータ、および時間、の間の関係として理解することができる。システムの状態は、システムが動的に変化する形態の数値的表現と考えることができる。例えば、簡単な振り子をモデル化する物理的システムにおいて、状態は、振り子の現在位置と速度と考えることができる。同様に、信号をフィルタ処理する信号処理システムであれば、先の一式の入力を状態として維持する。システムのパラメータは、システムの静的（変化しない）構成の数値的表現であり、システムの方程式における一定の係数と考えることができる。振り子の例に対して、パラメータは振り子の長さであり、フィルタの例では、パラメータはフィルタタップの値である。
【０００６】
実際には、最も基本的なシステムは別として、動的システムのための数学的モデルには、他の入力を形成する変換の出力を伴う、先述の様式で適用された一式の複雑な数学的変換が含まれる。各要素の変換は、上記列挙したカテゴリーの１つに該当する簡単な動的システムとして、分離して考えることができる。従って、複雑な動的システムは、様々な簡単な動的システムの相互接続としてモデル化することができる。
【０００７】
長年にわたって発展してきたこのような相互接続の代表は、概ねグラフィカルモデルである。このようなグラフィカルモデルは、テキストブック、設計書類、論文ジャーナル、および動的システムの挙動の詳細を伝える仕様書において今や標準的な手段になってきている。様々なクラスのグラフィカルモデルは、コンピュータ、マイクロコントローラ、ＦＰＧＡ、およびカスタムハードウェア等の計算機ハードウェア上で実行可能な計算を記述する。このような種類のグラフィカルモデルには、Ｔｈｅ  Ｍａｔｈ  Ｗｏｒｋｓ，  Ｉｎｃ．  ｏｆ  Ｎａｔｉｃｋ，  Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ  からのＳＩＭＵＬＩＮＫの中で見られるもの等の、時間ベースブロック線図、Ｔｈｅ  Ｍａｔｈ  Ｗｏｒｋｓ，  Ｉｎｃ．  ｏｆ  Ｎａｔｉｃｋ，  ＭａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓからのＳＴＡＴＥＦＬＯＷの中で見られるもの等の、状態ベースのフロー図、データフロー図、回路図、およびＵｎｉｆｉｅｄ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  Ｌａｎｇｕａｇｅにおいて見られるソフトウェア図が含まれる。このような多様な形態のグラフィカルモデルの間で共通する特徴は、モデルを実行する意味論が規定されていることである。
【０００８】
通常、ブロック線図法などのグラフィカルな解析とシミュレーション方法は、工学システムの設計、解析、および合成のためのモデル化において使用される。視覚的表現により、モデル要素と構造の簡便な解釈を可能とし、システム挙動の迅速で直感的な概念を提供する。ブロック線図は、システムをモデル化するブロック間の図式的な接続の集合である。ブロック線図における個別のブロックは、数学的演算で表した結果を出力する。
【０００９】
モデルが発展すればするほどより複雑なシステムとなるので、従来のシミュレーションモデルは、さらに複雑となる。基本的で集合的な数学演算を表現する何十万ものブロックが存在し得る。このような複雑なモデルを管理するため、分割化、抽出化、および階層化が適用される。
【００１０】
グラフィカルベースのモデル化やシミュレーションにおいて、制御システムや動的システム等のシステムをモデル化するために他のアプリケーションを利用することができる。例えば、Ｔｈｅ  Ｍａｔｈ  Ｗｏｒｋｓ，  Ｉｎｃ．  ｏｆ  Ｎａｔｉｃｋ，  Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓが提供するＭＡＴＬＡＢは、科学技術における様々なタスクを計算することが可能である、相互的プログラミングかつ解釈的アプリケーションであり、一方で、他のプログラムを実行することができる能力も有する。ＭＡＴＬＡＢが実行可能なタスクには、データ取得や解析からアプリケーション開発に至るものもある。ＭＡＴＬＡＢ環境は、数学的計算、ビジュアル化、および技術的プログラミング言語を統合する。ＭＡＴＬＡＢは、装置、ファイル、および外部データベースから、データやプログラムにアクセスして取り込む、組み込みインターフェースを含んでいる。
【００１１】
加えて、ＭＡＴＬＡＢは、Ｃ、Ｃ＋＋、フォートラン、およびＪａｖａ（登録商標）で記述された外部ルーチンをＭＡＴＬＡＢアプリケーションと統合することができる。従って、ＭＡＴＬＡＢは、相互プログラミングや解釈的環境の一例を提供する。これらは、サードパーティプロバイダによって提供されたものを含む、ＭＡＴＬＡＢの外部で提供されたＣルーチンと接続して動作可能である。
【００１２】
制御システム、特にフィードバック制御システムは、通常のグラフィカルモデル法に基づいて設計し、モデル化することができる。例えば、図１は、グラフィカルモデルフォーマットを使用してモデル化された基本的なコントローラシーケンスを図示する。コントローラ５００へ提供されるレファレンス”ｕ”が存在する。これは、プラント５０２における動作を制御する。「プラント」は、制御される物理的サブシステムやプロセスを参照する。この結果、プラントの出力”ｙ”となり、これは、出力であると同時に、コントローラ５００への入力のためにサム（ｓｕｍ）演算５０４へ戻って伝達される。制御システムは、コントローラとプラントの間の相互接続である。
【００１３】
しかし、実世界のアプリケーションにおいて、プラントのモデルおよび対応するコントローラは、遙かに複雑である。通常の制御システムは、本来ＭＩＭＯ（多入力多出力）である。図２は、プラント動作と、シミュレーションの中で遭遇する様々なコントローラおよび変数のモデルの図示である。非線形プラント５１０は、第1のコントローラ５１２、第２のコントローラ５１４、”ｎ”までのコントローラ５１６を有する。第１、第２、およびｎコントローラ５１２、５１４、および５１６へ複数の入力が、第１のレファレンス５１８、第２のレファレンス５２０、操作点５２２、第１の攪乱５２４、および第２の攪乱５２６の形態で存在する。コントローラ５１２、５１４、および５１６は、プラント５１０を制御し、第１の出力５２８および第２の出力５３０を生成する。制御システムの挙動は、複数の入力、複雑な操作点、複数の制御要素、および複数の出力信号に依存する。この所望の挙動は、エンジニア達によって、「性能制約」として多くの異なる方法で表現されている。このような「性能制約」は、システムがレファレンスと攪乱信号の中で変化に供される際の通常の動作条件下で、制御システムの出力と内部信号の特性に通常は基づいている。さらに、制御システムの動特性がゲインや位相マージン等の特定の安定仕様を満たす要求、すなわち「設計仕様」が存在することがある。設計仕様は、コントローラおよび制御システムのプラントの何らかの組み合わせに基づいて規定される。例えば、制御システムの安定マージンは、コントローラおよびプラント間の相互接続の周波数応答に基づくことができる。複数のコントローラ、フィードバックループ、または補償器（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）が存在し、これらは、複雑な制御システムにおいて設計され、その後チューニングされているはずである。このような状況で、エンジニア達は、通常は制御システムまたは制御システムの各部を設計しているが、全プラント５１０に亘る入力の変化や、制御システムの他の部分へ至る変化を起因とする動特性を考慮するということは無い。制御システム設計の焦点は、フィードバック制御システムに要求される性能制約や設計仕様を、制御設計において使用される解析へと変換することである。
【００１４】
発明の要旨
制御システム内部でコントローラの挙動を解析して、コントローラが設計されチューニングされることを可能とする能力が必要とされている。さらに、相互的に設計パラメータをチューニングし、チューニングプロセスが比較的大きな制御システムや動的システムモデルに及ぼす影響に関するフィードバックを受けるためのグラフィカルな環境が必要とされている。本発明は、このような必要に対処する別の解決に関する。
【００１５】
本発明の一局面に従って、電子機器において、方法は、制御システムを含むブロック線図モデルのグラフィカル表示を提供する工程を含む。方法は、ブロック線図モデルからプラントのためのコントローラを表すブロックのサブセットの選択も含む。方法は、コントローラに対して、ブロック線図から線形モデルをプログラム的（ｐｒｏｇｒａｍｍａｔｉｃａｌｌｙ）に抽出する工程を含む。方法は、線形モデルを設計ツールへプログラム的にインポートもする。
【００１６】
発明の別の実施の形態において、方法は、ブロック線図モデルにおけるコントローラを表すブロックを選択する工程を含む。方法は、また、コントローラに関係する第1の信号を選択する。方法は、さらに、第1の信号の性能制約、またはコントローラの動特性に対する設計仕様を特定する。信号に対するブロック線図モデルの線形モデルは、また、プログラム的に抽出される。方法は、さらに、プログラム的に、第1の信号に対する性能制約、またはコントローラの動特性に対する設計仕様を、設計ツールへマッピングする。
【００１７】
電子機器における実施の形態において、方法は、制御システムを含むブロック線図モデルのグラフィカル表示を提供する工程を含む。方法は、また、ブロック線図モデルからプラントのためのコントローラを表すブロックのサブセットを選択する。方法は、さらに、コントローラに対するブロック線図から、線形モデルをプログラム的に抽出する工程を含む。方法は、また、コントローラの特性の少なくとも１つを、ブロック線図モデルにインポートすることにより、ブロック線図モデルをプログラム的に更新する。
【００１８】
電子機器の異なる実施の形態において、方法は、制御システムを含むブロック線図モデルのグラフィカル表示を提供する工程を含む。方法は、また、ブロック線図モデルからプラントのためのコントローラを表すブロックのサブセットを選択する。コントローラに関連する第1の信号に対する性能制約、またはコントローラの動特性に対する設計仕様も、この方法によって特定される。方法は、さらに、コントローラに対してブロック線図から線形モデルをプログラム的に抽出する工程を含む。方法は、また、コントローラの特性の少なくとも１つを、ブロック線図モデルへインポートすることにより、および線形モデルを設計ツールへインポートすることにより、ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程も含む。
【００１９】
詳細な説明
完全な非線形／ハイブリッドモデルを使用する制御システムの設計は、多くの産業用高性能モデルの複雑さを考えると数学的に扱い難いことがある。このような複雑なモデルの解析への通常のアプローチは、線形化として公知の工程を介した非線形挙動への近似を伸展することである。本発明の例示の実施の形態は、シミュレーションベースのブロック線図環境において、複雑な非線形動的システムに対して、ユーザが、系統的にコントローラを解析および設計することを可能とするフレームワークを提供する。要素コントローラは、ゲインや、その構造とパラメータ化処理が制御システムの設計の主題である動的システムを参照する。グラフィカルブロック線図言語において、コントローラは、個別のサブシステムやサブモデルにグループ化された個別の要素（単数または複数）を参照する。線形化モデルを、非線形プラントモデル（ブロック線図）から系統的に抽出することにより、ユーザは、線形システムに対して利用可能な、ありとあらゆる制御設計およびチューニング法を利用することができる。
【００２０】
本発明は、グラフィカル環境における非線形モデリングと、ユーザ指定の操作点の周辺でこのようなモデルを線形化するためのコントローラの開発との間をリンクさせることができる。発明は、高度に開発された解析と設計手順を有する既存のＧＵＩに、自動的に線形化動作をインポートする。本発明は、ユーザが、制御システムの性能を指定し、評価するための関連信号をマーキングすることを可能とする。このような信号には、レファレンス、攪乱、フィードバック、および測定出力が含まれる。信号のマーキングは、クロスカップリング、外因性の攪乱等の複雑な副作用を許容する。この副作用は、設計中に評価できるべきであり、リアルタイムで取り扱うことが可能である。マーキング信号に加えて、ユーザは、システムの動特性に制約を指定することもできる。
【００２１】
この一般化されたモデル構造は、バッチシミュレーション、ゲインスケジューリング、およびモンテカルロ法のために使用することができる。また、ユーザは、線形モデルと非線形モデルの間で途切れ無く、行き来することもできる。線形モデルと非線形モデルの間で切り替え可能であることにより、非線形システムのための線形コントローラの迅速なプロトタイプ作成が可能となる。さらに、ＭＩＭＯ非線形物理モデルを、汎用ＬＦＴ表現へマッピングすることにより、ユーザが非線形コントローラ、スミス予測およびモデル予測コントローラ、ならびに他の特別な制御設計法をモデル化することが可能となる。
【００２２】
発明の実施の形態は、ＭＩＭＯシステムとともに使用することができる。発明は、自動的に、各要素を設計し閉ループシステムの応答を評価することで、ＭＩＭＯ制御システムを設計する能力を提供することができる。入力／出力（Ｉ／Ｏ）チャンネル、および設計者によって、個別に制御システムの信号と設計仕様上で、性能制約が満たされたかを確認するために使用される閉ループ応答である。１つの実施において、視覚的な結果は、グラフィカル環境においてすぐに見ることができる。
【００２３】
従って、本発明は、任意のタイプの線形時変（ＬＴＩ）モデルの設計に役立つ設計ツールを使用する際に有益であり得、連続、離散、ハイブリッド、およびマルチレートモデル、時間遅れを有するモデル、測定された周波数応答データによって特定されたモデルを含むが、これらに限定はされない。本発明の実施の形態は、制御システムの時間応答（時間領域挙動）、ならびに周波数領域特性および極・零力学（ｐｏｌｅｓ  ａｎｄ  ｚｅｒｏ  ｄｙｎａｍｉｃｓ）へ洞察を提供することができる。多くの異なる線形解析法が、このフレームワーク内で採用することができる。
【００２４】
根軌跡およびボードやニコルスループ整形等の解析的設計法に加えて、本発明のフレームワークは、直接探索、遺伝的アルゴリズム、勾配最適化法（ｇｒａｄｉｅｎｔ−ｂａｓｅｄ  ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）等の系統的で自動化されたチューニング技術の展開をサポートする。このような技術は、多様な時間および周波数領域基準を最適化することができる。
【００２５】
プラントシステムの個別要素の分離能力の例は、図３−５に見ることができる。図３を参照して、例示のブロック線図６００は、第１のコントローラ６２０および第２のコントローラ６４０を備えている。この例において、ユーザは、第１のコントローラ６２０と第２のコントローラ６４０の設計または解析を所望している。図４に示すように、ユーザは、ブロック線図環境のツールを使用して新たなプラント６６０を有するブロック線図６００を図示することができる。新たなプラント６６０は、第１のコントローラ６２０および第２のコントローラ６４０を除外して、ブロック線図の残りを規定する。レファレンス入力６０５およびレファレンス出力６１０は、プラント６６０の入力および出力をそれぞれ表すために規定された。図５は、次いで簡単化したブロック線図６００を図示し、プラント６６０に対して、第１のコントローラ６２０、および第２のコントローラ６４０を示している。レファレンス入力６０５およびレファレンス出力６１０も図示している。図５のコントローラは、図３の最初に見られたプラントモデルの残余から分離してこのように解析されることが可能である。図３−５の例は、ブロック線図における設計や解析のためのコントローラのグラフィカルな選択を図示する。
【００２６】
発明の実施の形態に従って、方法８００は、図６に例示される。方法８００は、選択により、プラントモデルおよび制御構造を提供する工程（工程８１０）を含む。例えば、ユーザは、Ｔｈｅ  Ｍａｔｈ  Ｗｏｒｋｓ，  Ｉｎｃ．  ｏｆ  Ｎａｔｉｃｋ，  ＭａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓからのＳＩＭＵＬＩＮＫ等のブロック線図シミュレーション環境を使用して、プラントモデルおよび制御システムの構成を構築することができる。プラントモデルの例には、多数の発電機、タービンや他の構成部材を有する発電プラントモデルが含まれる。意図する設計や解析の目標によって、ユーザは、性能制約に寄与する信号と設計仕様に適用する制御システム動特性を選択することができ（工程８２０）、性能制約および設計仕様を選択することができる（工程８３０）。例えば、ユーザは、攪乱と制御された出力の間の応答の制約を所望する。信号は、例えば、閉ループ信号であり得る。広範な性能制約および設計仕様を使用することができる。例えば、設計制約は、安定マージン等の制御システム上での設計仕様を含むことがあり、収束時間、オーバーシュート制限、および攪乱による制御変数の最大偏差等の、さらに特有の性能制約を含むこともある。
【００２７】
信号を選択すると（工程８２０）、方法８００は、ＳＩＭＵＬＩＮＫや他のシミュレーション環境で入手可能な線形化ツールを使用して、信号に対するモデルの線形モデルを抽出する（工程８４０）ことができる。線形化ツールは、正確な小信号線形化ツールやブラックボックスモデル等の大信号線形化ツール、および記述関数法を使用して、自動的に線形モデルを特定の操作点において抽出することができる。このような線形モデルは、レファレンスの影響に関係し、そして攪乱入力は、制御システムの応答に基づいて変化する。線形化ツールは、当業者において公知であり、多くの異なる形態を有することができる。
【００２８】
正確な小スケール線形化（ｅｘａｃｔ  ｓｍａｌｌ  ｓｃａｌｅ  ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ）の工程は、技術解析ツールのため充分に簡単なモデルをもたらす複雑な物理モデルの近似である。正確な小スケール線形化は、多くの制御の教科書に文書化された周知の通常使用される解析ツールである。正確な小スケール線形化解析の基本的原理は、複雑な物理モデルの近似が、ベースラインまたは操作点に近い領域に対して正確であるということである。
【００２９】
大きなクラスの物理モデルは、通常は、非線形微分運動方程式群を使用してモデル化される。微分方程式は、
【数１】
2008521138.tif 000003
の形式で記述される。
ここで、
ｔ−時間
ｘ（ｔ）−長さｎのモデル状態のベクトル
【数２】
2008521138.tif 000004
−長さｎの状態微分のベクトル
ｕ（ｔ）−長さｐのモデル入力のベクトル
ｙ（ｔ）−長さｑのモデル出力のベクトル
ｆ（ｘ（ｔ），ｕ（ｔ））  −ｘ（ｔ）およびｕ（ｔ）を状態微分
【数３】
2008521138.tif 000005
へマッピングする非線形関数
ｇ（ｘ（ｔ），ｕ（ｔ））  −ｘ（ｔ）およびｕ（ｔ）をモデル出力ｙ（ｔ）へマッピングする非線形関数
である。
【００３０】
正確な小スケール線形化は、一式の非線形微分方程式に近似する。すなわち、近似は、状態が公称値ｘ（ｔ）＝ｘ０におけるものであり、モデル入力が公称値ｕ（ｔ）＝ｕ０におけるものである操作点についてである。正確な小スケール線形化は、（３）の１次テイラー級数近似を使用して、
【数４】
2008521138.tif 000006
を与える。
操作点についての変数を定義すると、
【数５】
2008521138.tif 000007
であり、
【数６】
2008521138.tif 000008
を与え、または、
【数７】
2008521138.tif 000009
としてさらに一般的に記述される。
ここで、行列
【数８】
2008521138.tif 000010
は、ヤコビ行列として公知である。行列Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤを見出すことがブロック線図プログラミング言語ツールの課題である。
【００３１】
多くのブロック線図プログラミングツールにおいて、物理モデルは、連続微分方程式および離散運動方程式の両方で記述することができる。このようなシステムは、マルチレートシステムとして知られている。マルチレートシステムのさらに一般的な記載は、
【数９】
2008521138.tif 000011
で記述される。
ここで、
ｔ−時間
ｘ（ｔ）−長さｎのモデル連続モデル状態のベクトル
【数１０】
2008521138.tif 000012
−長さｎの状態微分のベクトル
ｘｉ（ｋｉ）−サンプル時間ｋｉにおける長さｎｉのモデル離散モデル状態のベクトル
ｕ（ｔ）−長さｐのモデル入力のベクトル
ｙ（ｔ）−長さｑのモデル出力のベクトル
ｆ（ｘ（ｔ），ｘ１（ｋ１），．．．，ｘｍ（ｋｍ），ｕ（ｔ））  −ｘ（ｔ），ｘ１（ｋ１），．．．，ｘｉ（ｋｉ）およびｕ（ｔ）を状態微分
【数１１】
2008521138.tif 000013
へマッピングする非線形関数
ｆｉ（ｘ（ｔ），ｘ１（ｋ１），．．．，ｘｍ（ｋｍ），ｕ（ｔ））  −ｘ（ｔ），ｘ１（ｋ１），．．．，ｘｉ（ｋｉ）およびｕ（ｔ）を離散状態ｘｉ（ｋｉ）の更新へマッピングする非線形関数
ｇ（ｘ（ｔ），ｘ１（ｋ１），．．．，ｘｍ（ｋｍ），ｕ（ｔ））  −ｘ（ｔ），ｘ１（ｋ１），．．．，ｘｉ（ｋｉ）およびｕ（ｔ）をモデル出力ｙ（ｔ）へマッピングする非線形関数
【００３２】
このタイプの問題の典型的なアプローチは、このマルチレートシステムを、単一レート離散システム
【数１２】
2008521138.tif 000014
によって近似することである。
行列Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤを見出すことがブロック線図プログラミング言語ツールの課題である。このことは周知理解された問題であり、多くのブロック線図プログラミング言語において実行されている。
【００３３】
正確な小スケールの線形化に加えて、線形モデルを抽出するための他の方法は、記述関数解析として公知の大スケール線形化解析を使用することである。記述関数問題（下図参照）は、時間間隔Ｔに亘って、積分二乗誤差を最小化する特定の波形ｕ（ｔ）に対して、非線形演算子ｎ［ｕ（ｔ）］に近似するｗ（ｔ）と表示される線形フィルタの選択を含む。
【数１３】
2008521138.tif 000015
記述関数近似に適用可能な入力波形のクラスには、正弦波、ランダムノイズ、および指数的入力、ならびに様々な入力の組み合わせが含まれる。
【数１４】
2008521138.tif 000016
記述関数法の長所は、近似が入力信号とその振幅の両方の関数である点である。この方法は、多くの用途に使用され、この中には、フィードバックシステムの非線形性の効果を捕捉する航空宇宙用が含まれる。
【００３４】
非線形システムを線形化するための最後の方法は、ブラックボックスモデリング法の使用によるものである。これは、正確な小スケールまたは大スケール線形化が問題に適用できないときに取られるアプローチである。通常は、システムが、イベントと時間ベースの動特性の両方によって記述されるとき、小および大スケール線形化法は、適用できない。内燃機関制御問題は、イベント（燃焼イベント）および時間（マニフォルド充填の動特性）ベースの動特性の両方として通常記述される適用である。このような方法論の背後にある基本的アイデアは、シミュレーションを使用して、ブラックボックスモデルに適合するよう使用される一式のデータを生成することである。モデル適合の詳細は、取られるそれぞれのアプローチに特異的である。ブラックボックスモデリング法は、技術ツールとして周知であり、ＭＡＴＬＡＢへのアドオン製品に導入されており、Ｓｙｓｔｅｍ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｔｏｏｌｂｏｘや、Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｔｏｏｌｂｏｘのスペクトル推定ツール等がある。一旦、線形化が完了すると、ユーザは、設計ツールに自動的にロードされたそのようなモデルの汎用一次分数表現（ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ  ｌｉｎｅａｒ  ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ  ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ）を有することができる。
【００３５】
物理モデルの操作点は、任意の所与の時間における、そのトータルの「状態」を規定する。例えば、車のエンジンのモデルに対して、操作点は、通常はエンジンスピード、スロットル角度、エンジン温度、および周囲の大気状態等の変数によって記述される。挙動、すなわちモデルの「動特性（ｄｙｎａｍｉｃｓ）」として通常知られているものは、操作点のレベルによって一般的に影響を受ける。ＳＩＭＵＬＩＮＫ等のブロック線図プログラミング言語において、ユーザは、モデルの各ブロック中の設定を介して操作点を特定することができる。操作点は、提供されたプラントモデル（工程８１０）において、または図６で論じた工程の手順における特定の設計制約（工程８３０）として特定され得る。トリム（ｔｒｉｍ）、すなわち平衡した操作点は、エンジニア達が非常に有益であるとする特別のタイプの操作点である。平衡状態の基本的な説明をすると、長時間にわたって、操作点が安定で一定を保持するということである。
【００３６】
ＳＩＭＵＬＩＮＫおよび他の全てのブロック線図シミュレーションツールにおいて、物理モデルの平衡状態を特定するため通常使用される２つのアプローチがある。第１の方法は、平衡状態を見出すため、システムについてのユーザの直感的知識を採用することである。これは、複雑な物理モデルの中で多数の操作点が特定されなければならないため、非常に時間がかかり、困難なプロセスである。第２の選択は、トリム解析として公知のアプローチを採用することである。このアプローチは、平衡状態を満たす一式の操作点を解く最適化法を使用する。
【００３７】
トリム解析は、小さいモデルにうまく作用するが、大きなモデルについてはうまく作用せず、値ｘ（ｔ），ｘ１（ｋ１），．．．，ｘｉ（ｋｉ），およびｕ（ｔ）の最初の推量は、平衡操作点に非常に近接して選択されなければならない。これは、非常に多くの未知の変数が特定されなければならず、問題となり得る。別のアプローチは、シミュレーションを利用して一式の平衡状態を取り戻すことである。シミュレーションベースの操作点は、時間ベースおよびトリガーベースの操作点スナップショット機能を使用するＳＩＭＵＬＩＮＫ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＤＥＳＩＧＮを用いて生成することが可能である。時間ベースの操作点スナップショットは、シミュレーションクロックがユーザの特定した時間に到達すると、操作点のスナップショットを作成する。トリガーベース操作点スナップショットは、トリガされると操作点を生成する。
【００３８】
ユーザは、設計方法を選択して、システムの制御要素のチューニングや設計をすることができる。本フレームワークの重要な局面は、多くの周知の方法が、フィードバックコントローラの設計を途切れなく支援するために利用され得るということである。例えば、線形モデルは、非線形ブロック線図から抽出されることが可能なので、ボード線図や根軌跡等の古典的方法が採用され得る。さらに、Ｈインフィニティ、最適制御等を含む、より進化した制御技術を使用することができる。ツールは、次いで、自動的に制御システム上のユーザ規定の性能制約および設計仕様を、このように進化した制御技術上の問題固有の要求にマッピングすることができる。例えば、ステップ応答等２次の性能制約の場合、オーバーシュートは、根軌跡上の制限された極位置やニコルス線図上の閉じた振幅応答カーブにマッピングされる。
【００３９】
一旦コントローラがチューニングされ、および/または解析されると、コントローラが属するブロック線図は更新されることが可能である（工程８６０）。例えば、フルスケール非線形モデルに対してコントローラを有効とするＳＩＭＵＬＩＮＫモデルへ、コントローラを更新することができる。モデル中のコントローラ要素の更新に加えて、操作点も更新することができる。例えば、ユーザは、コントローラが更新される前に、安定状態の操作点を特定することができる。コントローラが更新されたとき、ユーザは、ツールが与えられて、同等の安定状態操作点が維持されていることを確認することができる。
【００４０】
発明の実施の形態に従って、ＳＩＭＵＬＩＮＫの制御設計は統合化した環境であり得る。ツールとＧＵＩは、相互に作用して、モデル開発し、操作点設定をし、必要に応じて線形化し、設計ツールを展開し（工程８５０）、完了した補償器設計のＳＩＭＵＬＩＮＫへエクスポートバックすることができる。発明の実施の形態に従って、グラフィカルユーザインターフェースを使用して、ユーザは、系統的にコントローラをリアルタイムで設計およびチューニングすることができる。ＧＵＩによって、ユーザは、リアルタイムでそのようなチューニングの結果を見ることができる。クロスカップリングや他の寄生効果は、迅速に評価することができる。ＭＩＭＯシステムに対して、ユーザは、同時に多数のコントローラをチューニングしてすぐに応答を見ることができる。
【００４１】
発明の実施の形態に従った別のＧＵＩの例を、図７−１４についてＳＩＭＵＬＩＮＫを使用しながら述べる。当業者は、図示のグラフィカルユーザインターフェースとＳＩＭＵＬＩＮＫの議論は、例示のためのみに提供され、発明が例示に限定されないことを理解するであろう。
【００４２】
ＧＵＩ１０００が、スパークイグニッションエンジン用アイドルスピードコントローラのブロック線図モデル１０１０を有して図示されている。ブロック線図モデル１０１０は、エンジンスピードを、スピード基準とトルク攪乱における変化に基づいて制御するために使用することができる。従って、本実施例は、３つの閉ループ信号が選択されて設計される。すなわち、基準スピード工程１０２０、トルク攪乱１０４０、および車輌動特性１０６０である。エンジンスピード１０８０出力は、スコープ１１００に表示することができる。
【００４３】
図８は、発明の実施の形態に従って、様々なディスプレイにアクセスすることができるＧＵＩ１２００を図示する。ワークスペース案内ウィンドウ１２１０は、補償器設計の選択１２１２へナビゲートすることができ、詳細ウィンドウ１２４０をプロンプトしている。詳細ウィンドウ１２４０の表示を選択するため一組のタブが提供されている。このようなタブには、コントローラ設計タブ１２５０、解析信号構成タブ１２７０、および操作点選択タブ１２９０が含まれる。アイドルスピードコントローラエントリー１２５２が、図７のアイドルスピードコントローラを選択する。
【００４４】
図９は、解析信号構成タブ１２７０を選択している詳細ウィンドウ１２４０の例示の表示を図示する。この例において、モデル中の３つの閉ループ信号が図示され、アクティブとして選択されている。すなわち、基準スピード工程１０２０、トルク攪乱１０４０、および車輌動特性１０６０が含まれている。様々な設定が構成されることが可能であり、各信号や制御システムの設計仕様に対する性能制約の設定が含まれる。
【００４５】
図１０は、操作点選択タブ１２９０を選択している詳細ウィンドウ１２４０の例示の表示を図示する。モデルの線形化において使用する単一のデフォルト操作点選択１２９２が示されているが、多くの操作点構成が図示され、選択されて利用することができる。
【００４６】
図８を参照して、別の機能へアクセスするために一組のボタンも提供されている。例えば、設計ツールが、ボタン１３１０によって展開可能である。ＳＩＳＯ（単一入力、単一出力）設計ツール１３００の例を、図１１に図示する。ＳＩＳＯ設計ツール１３００は、表示された伝達関数１３０５を含む。Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ（伝達関数）ウィンドウ１３１０用のＲｏｏｔ  Ｌｏｃｕｓ  Ｅｄｉｔｏｒ（根軌跡エディタ）、Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎウィンドウ１３２０用のＮｉｃｈｏｌｓ  Ｐｌｏｔ  Ｅｄｉｔｏｒ（ニコルス線図エディタ）、およびＴｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎウィンドウ１３３０用のＯｐｅｎ  Ｌｏｏｐ  Ｂｏｄｅ  Ｅｄｉｔｏｒ（開ループボード線図）も含まれている。ＳＩＳＯ設計ツールは、多くの性能制約および設計仕様が、フィードバックコントロールシステム上で特定されることを可能とし、その信号が設計中に直接に採用されることを可能とする。ツールは、Ｒｏｏｐ  Ｌｏｃｕｓ、Ｏｐｅｎ  Ｌｏｏｐ  ＢｏｄｅやＮｉｃｈｏｌｓ  Ｐｌｏｔエディタにマッピングされるべき安定マージン特性等の制御システム上の設計仕様を可能とする。
【００４７】
図１２は、別のボタン１４１０の選択による閉ループ応答ビューワ１４００の例を提供する。図８に示す第３のボタン１５１０は、ブロック線図モデルへ更新をトリガすることができる。例示のダイアログＧＵＩ１５００は、図１３に図示する。
【００４８】
図１３は、ＳＩＭＵＬＩＮＫブロック線図モデル等のブロック線図モデルを更新するための多様なオプションを図示する。タブ１５２０は、所望の補償器を選択するために設けられている。各補償器に対して、ＧＵＩ１５００は、次のオプションからの選択を可能とする。すなわち、ブロックダイアログに係数を記述（１５４０）、ブロックダイアログ中のコントローラをパラメータ化（１５６０）、およびブロックダイアログ中のコントローラ変数を作成（１５８０）、のオプションである。また、ブロック線図モデルの更新には、ブロック線図モデル１５９０の操作点の更新が含まれ得る。
【００４９】
図１４は、エンジンスピード出力信号１１１０を表示するスコープ１１００を図示する。補償器パラメータが、ブロック線図モデル中で更新されたとき、非線形シミュレーションが完了して、コントローラ設計の性能を確認することができる。
【００５０】
ＳＩＭＵＬＩＮＫを使用して発明を実施する別の実施例は、モデルベースの設計プロセスである４−ステップに要約することができる。第１のステップは、ＳＩＭＵＬＩＮＫ中に存在する。プラントモデルが開発されて制御構造が規定される。モデル化のためのＭａｔｈ  Ｗｏｒｋｓツールに基づいて、例えば、ＳＩＧＮＡＬ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＢＬＯＣＫＳＥＴ，  ＳＴＡＴＥＦＬＯＷ，  およびＳＩＭＵＬＩＮＫ  ＦＩＸＥＤ  ＰＯＩＮＴを含む任意のブロック線図を使用することができる。
【００５１】
ステップ２は、ＳＩＭＵＬＩＮＫ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＤＥＳＩＧＮを伴う。このステップにおいて、ユーザは、線形化されるべきブロック線図モデルの部分を特定することができる。ＳＩＭＵＬＩＮＫ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＤＥＳＩＧＮは、ブロック線図を解析して、選択されたサブシステムを正確に線形化するために必要なブロックを決定するアルゴリズムを有する。従って、ユーザは、閉ループ信号を特定し、ＳＩＭＵＬＩＮＫモデル操作点を設定し、制御システム設計仕様とブロック線図中の特定の信号に対する性能制約を確立する。このような設計仕様と性能制約には、制御システムに対する多くの標準的な技術的必要条件を含ませることができる。これらには、立ち上がりと収束時間、オーバーシュート制約、基準トラッキング性能制約等の２次システム仕様、ならびにフィードバックループのゲイン、位相、および遅延マージン等の制御システム設計が含まれる。システムの標準的特性の性能制約である。これらは、Ｈ∞、Ｌ２、およびＬ∞制約を含む。モデルは次いで線形化されて、設計ツールの使用が可能となる。
【００５２】
ステップ３は、１以上の解析および/または設計ツールに存在する。線形モデルの詳細は、設計ツールにロードされる。ユーザは、補償器を、選択によりラピッドプロトタイピングを利用して設計する。このステップにおいて、多くのＭａｔｈ  Ｗｏｒｋｓ設計ツールを使用することができる。使用可能な設計法の例には、古典的および現代的制御アプローチ、確率制御、カルマンフィルタ法、およびモデル予測制御が含まれる。ラピッドプロトタイピング法は、Ｈ∞、Ｈ２、μ−Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ、ＬＱＧ、ＬＱＲ、およびＬＴＲ等の合成ルーチンを参照する。線形モデルが設計ツールにロードされると、ユーザがフィードバックループ上で信号や設計仕様に課す性能制約が、特定の設計基準にマッピングされる。この例は、根軌跡上の閉ループ極位置へのオーバーシュートや収束時間のような２次の性能制約のマッピングであり得る。さらに、ゲイン、位相、および遅延マージンは、ボード、ナイキスト、およびニコルス線図上の必要な制約へマッピングされることが可能である。さらに、性能制約と設計仕様は、上述の合成ルーチンに適用されることも可能である。例えば、パフォーマンスと安定性の間のトレードオフは、得られる最適化問題に重み付けを使用する合成方法において、充分に理解できる適用である。この場合、ステップ２からの制約と仕様は、このトレードオフにマッピングされる。設計プロセスの間、線形閉ループシステムの応答は、任意の線形応答タイププロットにおいて常に見ることができる。このような応答プロットには、ステップ、インパルス、ボード、ナイキスト、ニコルス、特異値、および極零線図が含まれる。ユーザが採用した性能制約や設計仕様は、プロットの中に含まれる。制御システムの閉および開ループ線形応答は、試験することができ、設計の結果は、ＳＩＭＵＬＩＮＫにエクスポートバックすることができる。
【００５３】
ステップ４において、一旦、候補補償器設計が確立されると、ＳＩＭＵＬＩＮＫは、その設計が仕様を満たすかを充分に評価するために使用することができる。例えば、ユーザは、ブロック線図中の新たに設計された補償器の機能で設計を有効化することができる。有効化は、ユーザ定義の設計仕様を、得られる非線形シミュレーションと比較することで、自動化することができる。完全な非線形物理モデルに補償器を加えてシミュレーションは作動することができる。Ｒｅａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐを使用してシミュレーションをスピードアップしたり、組込型Ｃコードを生成することができる。
【００５４】
本発明は、電子機器において実施することができる。図１５は、本発明の例示の実施の形態を実施する、好適な電気機器７００の１つの例示の実施の形態を図示する。電子機器７００は、多くの異なる技術を表現しており、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、ラップトップコンピュータ、ワークステーション、携帯情報端末（ＰＤＡ）、インターネット装置、セルラーフォン、ワイヤレス機器等である。図示の実施の形態において、電子機器７００は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）７０２およびディスプレイ装置７０４を含む。ディスプレイ装置７０４は、電子機器７００が、ユーザと直接視覚表示を介してコミュニケートすることを可能とする。電子機器７００には、キーボード７０６およびマウス７０８がさらに含まれる。他の重要な入力装置には、図示しないが、スタイラス（ｓｔｙｌｕｓ）、トラックボール、ジョイスティック、タッチパッド、タッチスクリーン等が含まれる。電子機器７００には、データと命令を記憶するための主記憶装置７１０および補助記憶装置７１２が含まれる。主記憶および補助記憶装置７１０および７１２には、限定されないが、フロッピー（登録商標）ドライブ、ハードドライブ、テープドライブ、光学ドライブ、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等が含まれる。ブラウザ等のアプリケーション、ＪＡＶＡ（登録商標）仮想マシン、Ｃコンパイラ、および他のユーティリティやアプリケーションは、主および補助記憶装置７１０および７１２の１以上または両方に常駐させることができる。電子機器７００は、図示の電子機器７００の外部の１以上の電子機器と通信するためのネットワークインターフェース７１４も含む。モデムやイーサネット（登録商標）カードは、外部電子機器やネットワークと接続を確立するためのネットワークインターフェース７１４の例である。ＣＰＵ７１２は、内部的または外部的に、１以上の上述の構成要素に取り付けられる。先述のアプリケーションに加えて、ＭＡＴＬＡＢやＳＩＭＵＬＩＮＫ等のシミュレーションおよび/またはモデル化アプリケーション７１６が、電子機器７００にインストールされて作動することが可能である。
【００５５】
電子機器７００は、本発明を実施するための構成を単に示すものであることに注意すべきである。しかし、当業者は、本発明が、上述の機器７００のみで実行されるものと限定されないことを理解するであろう。他の機器を利用することができ、その中には、組み込まれたコードに部分的または全体的に基づいて実行することが含まれており、その場合、ユーザ入力やディスプレイ装置は必要ではない。このような場合、プロセッサは、他のプロセッサや他の機器と直接に通信することができる。
【００５６】
制御システムが使用される産業の例には、限定されないが、航空宇宙、自動車、化学、生化学／製薬、プロセス（例えば、製紙）が含まれる。本発明の実施の形態は、このような産業に広い適用を有することができる。
【００５７】
本発明は、実施例によって記載してきた。記載の実施の形態の改変や変形は、発明の精神から逸脱することなく当業者に示唆となるものである。上述の実施の形態の局面と特性は、組み合わせて使用することができる。記載の実施の形態は、単に例示のためであり、いかなる場合も限定的に考慮されるべきではない。発明の範囲は、先の説明よりも添付の特許請求の範囲により評価されるべきであり、特許請求の範囲に該当する全ての変形や均等物は、これに包括されることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】例示の制御システムの通常のグラフィカルモデル表現の図解である。
【図２】例示の複雑な制御システムの図解である。
【図３】複雑な制御システムの別の例の図解である。
【図４】図３の複雑な制御システムの図解である。
【図５】図３および図４の複雑な制御システムの簡単化した図解である。
【図６】本発明の実施の形態に従った方法である。
【図７】本発明の例示の実施の形態によってモデル化されたシステムのＧＵＩを示す。
【図８】本発明の例示の実施の形態における制御および推定ツールマネージャの中のコントローラ設計パラメータのＧＵＩである。
【図９】本発明の例示の実施の形態における制御および推定ツールマネージャにおける解析信号コンフィギュレーションパラメータのＧＵＩである。
【図１０】本発明の例示の実施の形態における制御および推定ツールマネージャにおける操作点パラメータのＧＵＩである。
【図１１】発明とともに使用することができる設計ツールの例である。
【図１２】発明とともに使用することができるビューワの例である。
【図１３】発明の実施の形態に従ったＧＵＩの例示である。
【図１４】発明とともに使用することができるスコープの図解である。
【図１５】発明を実施する際に使用する電子機器の図解である。
【図１】
2008521138.tif 000017
【図２】
2008521138.tif 000018
【図３】
2008521138.tif 000019
【図４】
2008521138.tif 000020
【図５】
2008521138.tif 000021
【図６】
2008521138.tif 000022
【図７】
2008521138.tif 000023
【図８】
2008521138.tif 000024
【図９】
2008521138.tif 000025
【図１０】
2008521138.tif 000026
【図１１】
2008521138.tif 000027
【図１２】
2008521138.tif 000028
【図１３】
2008521138.tif 000029
【図１４】
2008521138.tif 000030
【図１５】
2008521138.tif 000031
【手続補正書】
【提出日】平成18年10月30日(2006.10.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
方法のための電子機器が実行可能である工程を保持する媒体であって、前記方法は、以下、
制御システムを含むブロック線図モデルのグラフィルカル表示を提供する工程と、
プラントに対するコントローラを表すブロックのサブセットを選択する工程と、
前記コントローラに対して、前記ブロック線図モデルから線形モデルをプログラム的に抽出する工程と、
前記線形モデルをプログラム的に設計ツールへインポートする工程と、
を備える媒体。
【請求項２】
前記設計ツールは、開ループツール、閉ループツール、ボード線図ツール、ニコルス線図ツール、根／軌跡ツール、離散化ツール、およびチューニングツール、のグループの少なくとも１つを備えている、請求項１に記載の媒体。
【請求項３】
前記方法がさらに、
前記線形モデルで実行された解析の結果に基づいて、前記ブロック線図をプログラム的に更新する工程、を備える、請求項１に記載の媒体。
【請求項４】
前記モデルを線形化するために使用された操作点をプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図を更新する工程をさらに備える、請求項３に記載の媒体。
【請求項５】
前記方法が、前記ブロックデータをプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程をさらに備える、請求項３に記載の媒体。
【請求項６】
前記方法が、前記第１の信号に対する性能制約、および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの１つを特定する工程をさらに備える、請求項１に記載の媒体。
【請求項７】
前記第１の信号に対する性能制約、および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの前記１つが、前記設計ツールへプログラム的にマッピングされる、請求項１に記載の媒体。
【請求項８】
前記実行可能な工程が、
前記コントローラに関係する第１の信号を選択する工程と、
前記第１の信号に対する性能制約、および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの１つを特定する工程と、
前記第１の信号に対する性能制約、および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの１つをプログラム的に、設計ツールへマッピングする工程と、
をさらに備える請求項１に記載の媒体。
【請求項９】
前記方法が、前記線形モデルで実行された解析の結果に基づいて前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程、をさらに備える、請求項８に記載の媒体。
【請求項１０】
前記モデル線形化するために使用される操作点を、プログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程、をさらに備える、請求項９に記載の媒体。
【請求項１１】
前記ブロックデータをプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程、をさらに備える、請求項８に記載の媒体。
【請求項１２】
前記設計ツールが、開ループツール、閉ループツール、ボード線図ツール、ニコルス線図ツール、根／軌跡ツール、離散化ツール、およびチューニングツールのグループの少なくとも１つを備える、請求項８に記載の媒体。
【請求項１３】
前記方法が、閉ループ応答ビューワの実行を開始する工程をさらに備える、請求項１２に記載の媒体。
【請求項１４】
前記方法が、前記ブロック工程を選択する前に、
プラントモデルおよび制御構造を提供する工程をさらに備える、請求項８に記載の媒体。
【請求項１５】
前記方法がさらに、
前記モデルを線形化する操作点を選択する工程をさらに備える、請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
前記ブロックのサブセットの選択が、グラフィカル環境で実行される、請求項８に記載の媒体。
【請求項１７】
正確な小スケール線形化、ブラックボックス線形化、および大スケール線形化のうちの１つを使用して、前記線形モデルがプログラム的に抽出される、請求項８に記載の媒体。
【請求項１８】
前記実行可能な工程が、
前記少なくとも１つのコントローラの少なくとも１つの特性を、前記ブロック線図モデルにインポートすることにより、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程、をさらに備える、請求項１に記載の媒体。
【請求項１９】
前記方法が、前記抽出する工程の前に、
前記モデルの操作点を推定する工程をさらに備える、請求項１８に記載の媒体。
【請求項２０】
前記モデルが、前記操作点をプログラム的に更新することにより、更新される、請求項１９に記載の媒体。
【請求項２１】
前記モデルのブロックに対するデータ値を更新することにより、前記モデルが更新される、請求項１９に記載の媒体。
【請求項２２】
前記更新する工程が、ブロックダイアログに係数を記述する工程を含む、請求項２１に記載の媒体。
【請求項２３】
前記更新する工程が、ブロックダイアログ中のコントローラをパラメータ化する工程を含む、請求項２２に記載の媒体。
【請求項２４】
前記更新する工程が、ブロックダイアログ中のコントローラ変数を作成する工程を含む、請求項２２に記載の媒体。
【請求項２５】
前記方法が、前記抽出する工程の前に、
設計基準を入れる工程をさらに備える、請求項１８に記載の媒体。
【請求項２６】
前記方法が、
前記線形モデルに設計ツールを適用する工程と、
前記少なくとも１つのコントローラ、ならびに信号上の性能制約および前記制御システムの動特性上の設計仕様の少なくとも１つを設計する工程であって、前記性能制約および設計仕様が、前記設計ツールにおいて直接使用されるように変換される工程と、
をさらに備える、請求項１８に記載の媒体。
【請求項２７】
前記実行可能な工程が、
前記コントローラに関連する第１の信号に対する性能制約、および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの１つを特定する工程と、
前記少なくとも１つのコントローラの少なくとも１つの特性を、前記ブロック線図モデルへインポートすることにより、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程と、
前記線形モデルを設計ツールへインポートする工程と、
をさらに備える、請求項１に記載の媒体。
【請求項２８】
ブロック線図モデルから線形モデルを抽出する方法であって、以下、
制御システムを含むブロック線図モデルのグラフィルカル表示を提供する工程と、
プラントに対するコントローラを表すブロックのサブセットを選択する工程と、
前記コントローラに対して、前記ブロック線図モデルから線形モデルをプログラム的に抽出する工程と、
前記線形モデルを設計ツールへプログラム的にインポートする工程と、
を備える方法。
【請求項２９】
前記設計ツールが、開ループツール、閉ループツール、ボード線図ツール、ニコルス線図ツール、根／軌跡ツール、離散化ツール、およびチューニングツールのグループの少なくとも１つを備える、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記線形モデルで実行された解析の結果に基づいて、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程をさらに備える、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記モデルを線形化するために使用される操作点をプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図を更新する工程をさらに備える、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記ブロックデータをプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程をさらに備える、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１の信号に対する性能制約および前記コントローラの動特性に対する設計仕様のうちの１つを特定する工程をさらに備える、請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１の信号に対する性能制約および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの１つが、前記設計ツールへプログラム的にマッピングされる、請求項２８に記載の方法。
【請求項３５】
前記コントローラに関連する第１の信号を選択する工程と、
前記第１の信号に対する性能制約および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの１つを特定する工程と、
前記第１の信号に対する性能制約および前記制御システムの動特性に対する設計仕様のうちの前記１つを、プログラム的に設計ツールへマッピングする工程と、
をさらに備える、請求項２８に記載の方法。
【請求項３６】
前記線形モデルで実行された解析の結果に基づいて、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程をさらに備える、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記モデルを線形化するために使用される操作点をプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程をさらに備える、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記ブロックデータをプログラム的に更新することにより、前記ブロック線図モデルを更新する工程をさらに備える、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記設計ツールが、開ループツール、閉ループツール、ボード線図ツール、ニコルス線図ツール、根／軌跡ツール、離散化ツール、およびチューニングツールのグループのうちの少なくとも１つを備える、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
閉ループ応答ビューワの実行を開始する工程をさらに備える、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記方法が、前記ブロック工程を選択する工程の前に、
プラントモデルおよび制御構造を提供する工程をさらに備える、請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
前記方法が、
前記モデルを線形化する操作点を選択する工程をさらに備える、請求項３５に記載の方法。
【請求項４３】
前記ブロックのサブセットの選択が、グラフィカル環境において実行される、請求項３５に記載の方法。
【請求項４４】
前記線形モデルが、小スケール線形化、ブラックボックス線形化、および大スケール線形化のうちの１つを使用して、プログラム的に抽出される、請求項３５に記載の方法。
【請求項４５】
前記少なくとも１つのコントローラの前記少なくとも１つの特性を、前記ブロック線図モデルへインポートすることにより、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程、をさらに備える、請求項２８に記載の方法。
【請求項４６】
前記方法が、前記抽出する工程の前に、
前記モデルにおける操作点を推定する工程をさらに備える、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記操作点をプログラム的に更新することにより、前記モデルが更新される、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記モデルが、前記モデルにおけるブロックのためのデータ値を更新することにより、前記モデルが更新される、請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
前記更新する工程が、ブロックダイアログに係数を記述する工程を含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記更新する工程が、ブロックダイアログにおける前記コントローラをパラメータ化する工程を含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記更新する工程が、ブロックダイアログにおけるコントローラ変数を作成する工程を含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５２】
前記方法が、前記工程を抽出する前に、
設計基準を入れる工程をさらに備える、請求項４５に記載の方法。
【請求項５３】
前記線形モデルに設計ツールを適用する工程と、
前記少なくとも１つのコントローラと、信号に関する性能制約および前記制御システムの動特性に関する設計仕様の少なくとも１つと、のうちの少なくとも１つを設計する工程であって、前記性能制約および設計仕様が、前記設計ツールにおいて直接使用されるように変換される工程と、をさらに備える、請求項４５に記載の方法。
【請求項５４】
前記コントローラに関連する第１の信号のための性能制約および前記制御システムの動特性のための設計仕様のうちの１つを特定する工程と、
前記少なくとも１つのコントローラの少なくとも１つの特性を、前記ブロック線図モデルへインポートすることによって、前記ブロック線図モデルをプログラム的に更新する工程と、
前記線形モデルを設計ツールにインポートする工程と、
をさらに備える、請求項２８に記載の方法。
【国際調査報告】
2008521138.tif 000032
2008521138.tif 000033