[go: up one dir, main page]

JP2008186113A - PID control device and PID control method - Google Patents

PID control device and PID control method Download PDF

Info

Publication number
JP2008186113A
JP2008186113A JP2007017376A JP2007017376A JP2008186113A JP 2008186113 A JP2008186113 A JP 2008186113A JP 2007017376 A JP2007017376 A JP 2007017376A JP 2007017376 A JP2007017376 A JP 2007017376A JP 2008186113 A JP2008186113 A JP 2008186113A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
control
pid
variance
prediction model
input
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.)
Granted
Application number
JP2007017376A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4528984B2 (en
Inventor
Toru Yamamoto
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 JP2007017376A priority Critical patent/JP4528984B2/en
Publication of JP2008186113A publication Critical patent/JP2008186113A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4528984B2 publication Critical patent/JP4528984B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Feedback Control In General (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

【課題】予測モデルに基づいて、PID制御対象への入力の差分に対する重み係数を含む制御則を用いてPIDパラメータを決定して、上記制御対象を制御する場合に、上記重み係数を適切にかつ容易に設定できるようにして、所望の制御性能が確実に得られるようにする。
【解決手段】制御誤差の分散と制御対象への入力の差分の分散とに関するトレードオフ曲線を描くとともに、このトレードオフ曲線上において、予め設定された所定の条件を満足する位置を求めかつ該位置に対応する重み係数及びPIDパラメータを求めて、該PIDパラメータを、制御対象を制御するためのPIDパラメータとして決定する。
【選択図】図1
When controlling a control object by determining a PID parameter using a control law including a weighting coefficient for a difference in input to a PID control object based on a prediction model, the weight coefficient is appropriately and It is possible to easily set the desired control performance.
A trade-off curve relating to a variance of a control error and a variance of a difference of an input to a controlled object is drawn, and a position satisfying a predetermined condition set in advance is determined on the trade-off curve and the position is determined. A weighting coefficient and a PID parameter corresponding to are determined, and the PID parameter is determined as a PID parameter for controlling the control target.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、PID制御対象の予測モデルを構築して、この予測モデルに基づいてPIDパラメータを決定し、このPIDパラメータを用いて上記制御対象を制御するPID制御装置及びPID制御方法に関する技術分野に属する。   The present invention relates to a technical field related to a PID control apparatus and a PID control method for constructing a prediction model of a PID control target, determining a PID parameter based on the prediction model, and controlling the control target using the PID parameter. Belongs.

近年、化学プロセスや石油精製プロセスに代表されるプロセス産業界においては、国際競争の激化の煽りを受けて、生産性の向上や省エネルギー・省力化、品質向上、生産コストの低減がより一層進められている。このような現状において、制御システムが果たす役割はこれまで以上に重要視されてきている。とりわけ化学プロセスや石油精製プロセス等においては、操業条件の変更(製品銘柄の変更等)、原料及び環境の変化、又はシステムそのものが持つ非線形性等により、対象とするシステムの特性が変化することが往々にして存在する。そのようなシステムに対して高精度な制御性を得るためには、本来、システムの特性に対応して制御システム(PIDパラメータ)が自己調整されることが望ましい。その一つのアプローチとしてセルフチューニング制御法があり、非特許文献1には、この考え方に基づいたセルフチューニングPID制御法が開示されている。この非特許文献1のセルフチューニングPID制御法は、一般化最小分散制御(GMVC)に基づくPIDパラメータ調整法であって、評価規範の最小化に基づいて制御則(GMVC則)を導出する。そして、PID制御対象への入力と該入力に対する該制御対象からの出力とに基づいて構築した予測モデルに基づいて、上記制御則(GMVC則)を用いてPIDパラメータを決定する。このとき、上記制御則には、PID制御対象への入力の差分に対する重み係数が含まれているため、PIDパラメータの決定に際しては、この重み係数を設定する必要がある。
山本、兼田,「一般化最小分散制御則に基づくセルフチューニングPID制御器の一設計」,システム制御情報学会論文誌,1998年,第11巻,第1号,p.1−9
In recent years, in the process industry represented by chemical processes and petroleum refining processes, in response to the intensifying international competition, productivity improvement, energy saving / labor saving, quality improvement, and production cost reduction have been further promoted. ing. Under such circumstances, the role played by the control system is more important than ever. Especially in chemical processes and petroleum refining processes, the characteristics of the target system may change due to changes in operating conditions (changes in product brands, etc.), changes in raw materials and the environment, or nonlinearity of the system itself. Often exists. In order to obtain highly accurate controllability for such a system, it is originally desirable that the control system (PID parameter) is self-adjusted in accordance with the system characteristics. One approach is a self-tuning control method, and Non-Patent Document 1 discloses a self-tuning PID control method based on this concept. The self-tuning PID control method of Non-Patent Document 1 is a PID parameter adjustment method based on generalized minimum variance control (GMVC), and derives a control law (GMVC law) based on minimization of evaluation criteria. Then, based on the prediction model constructed based on the input to the PID control target and the output from the control target with respect to the input, the PID parameter is determined using the control law (GMVC law). At this time, since the above-mentioned control law includes a weighting factor for the difference in the input to the PID control target, it is necessary to set this weighting factor when determining the PID parameter.
Yamamoto, Kaneda, “A Design of Self-Tuning PID Controller Based on Generalized Minimum Dispersion Control Law”, Journal of System Control Information Society, 1998, Vol. 11, No. 1, p. 1-9

ところで、上記重み係数の値は制御性能に非常に重要な影響を及ぼし、その値が小さいと、制御誤差(目標値と制御対象からの出力との差)を小さくして目標値追従性(延いては製品品質)を向上できる反面、制御対象への入力が大きく振れることになる。一方、重み係数の値が大きいと、上記入力の振れ(入力の差分の分散)が小さくて安定する反面、目標値追従性が低下する。例えば、射出成型器や押出器のような熱プロセスにおいては、同じ工程が繰り返され、その工程の速度が生産性に大きく影響する。このため、即応性(目標値追従性)が要求される。一方、石油化学プロセスや石油精製プロセスにおいては、過渡状態は安定であることが大前提であり、定常特性が生産性に大きく左右する。このため、即応性よりも定常特性が重要視される(但し、製品品質も或る程度確保しなければならない)。このような点を考慮して上記重み係数の値を決定する必要がある。   By the way, the value of the weighting factor has a very important influence on the control performance. If the value is small, the control error (difference between the target value and the output from the control target) is reduced, and the target value followability (extension) is reduced. Product quality) can be improved, but the input to the controlled object is greatly shaken. On the other hand, if the value of the weighting factor is large, the input fluctuation (variation of input difference) is small and stable, but the target value follow-up property is lowered. For example, in a thermal process such as an injection molding machine or an extruder, the same process is repeated, and the speed of the process greatly affects the productivity. For this reason, quick response (target value followability) is required. On the other hand, in the petrochemical process and the oil refining process, it is a major premise that the transient state is stable, and the steady-state characteristic greatly affects the productivity. For this reason, steady-state characteristics are more important than quick response (however, product quality must be secured to some extent). It is necessary to determine the value of the weighting factor in consideration of such points.

しかし、上記従来のPIDパラメータ決定方法では、上記重み係数を適当に決定しているだけであり、所望の制御性能を確実に得ることは困難である。特に化学プロセスにおいては、入力の振れが大きくなる場合があり、実用面での問題が指摘されている。   However, in the conventional PID parameter determination method, the weight coefficient is only appropriately determined, and it is difficult to reliably obtain the desired control performance. Especially in the chemical process, the fluctuation of input may become large, and problems in practical use have been pointed out.

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、予測モデルに基づいて、PID制御対象への入力の差分に対する重み係数を含む制御則を用いてPIDパラメータを決定して、上記制御対象を制御する場合に、上記重み係数を適切にかつ容易に設定できるようにして、所望の制御性能が確実に得られるようにすることにある。   The present invention has been made in view of such a point, and the object of the present invention is to set a PID parameter using a control law including a weighting factor for a difference in input to a PID control target based on a prediction model. When determining and controlling the object to be controlled, the weighting factor can be set appropriately and easily to ensure that desired control performance is obtained.

上記の目的を達成するために、この発明では、制御誤差の分散とPID制御対象への入力の差分の分散とに関するトレードオフ曲線を描き、このトレードオフ曲線上において、予め設定された所定の条件を満足する位置を求めかつ該位置に対応する重み係数及びPIDパラメータを求めて、該PIDパラメータを、制御対象を制御するためのPIDパラメータとして決定するようにした。   In order to achieve the above object, the present invention draws a trade-off curve regarding the variance of the control error and the variance of the difference of the input to the PID control object, and a predetermined condition set in advance on the trade-off curve. And a weighting coefficient and a PID parameter corresponding to the position are determined, and the PID parameter is determined as a PID parameter for controlling the controlled object.

具体的には、請求項1の発明では、PID制御対象への入力と該入力に対する該制御対象からの出力とに基づいて、該制御対象の予測モデルを構築する予測モデル構築手段と、該予測モデル構築手段により構築された予測モデルに基づいて、上記入力の差分に対する重み係数を含む制御則を用いてPIDパラメータを決定するPIDパラメータ決定手段と、該PIDパラメータ決定手段により決定されたPIDパラメータを用いて、上記制御対象を制御する制御手段とを備えたPID制御装置を対象とする。   Specifically, in the invention of claim 1, a prediction model construction unit that constructs a prediction model of the control target based on an input to the PID control target and an output from the control target with respect to the input, and the prediction Based on the prediction model constructed by the model construction unit, a PID parameter determination unit that determines a PID parameter using a control law including a weighting factor for the input difference, and a PID parameter determined by the PID parameter determination unit And a PID control device including a control means for controlling the control target.

そして、上記PIDパラメータ決定手段は、上記重み係数を変化させながら該各重み係数毎に上記PIDパラメータを算出しかつ該算出時に該各重み係数に対応した制御誤差の分散と上記入力の差分の分散とを計算して、上記制御誤差の分散と上記入力の差分の分散との2軸のグラフ上に上記計算値をプロットすることで、上記重み係数を変化させたときの、上記制御誤差の分散と上記入力の差分の分散とに関するトレードオフ曲線を描くとともに、該トレードオフ曲線上において、予め設定された所定の条件を満足する位置を求めかつ該位置に対応する重み係数及びPIDパラメータを求めて、該PIDパラメータを、上記制御手段が用いるPIDパラメータとして決定するように構成されているものとする。   The PID parameter determining means calculates the PID parameter for each weighting factor while changing the weighting factor, and distributes the control error corresponding to each weighting factor and the difference of the input difference at the time of the calculation. And the control error variance when the weighting factor is changed by plotting the calculated value on a biaxial graph of the variance of the control error and the variance of the input difference. And a trade-off curve related to the variance of the difference between the above inputs, a position satisfying a predetermined condition set in advance on the trade-off curve, and a weight coefficient and a PID parameter corresponding to the position are obtained. It is assumed that the PID parameter is determined as a PID parameter used by the control means.

上記の構成により、予測モデル構築手段により予測モデルが構築され(システムパラメータが推定され)、PIDパラメータ決定手段により、その構築された予測モデルに基づいて、PID制御対象への入力の差分に対する重み係数を含む制御則を用いてPIDパラメータが決定され、制御手段により、その決定されたPIDパラメータを用いて制御対象が制御される。ここで、PIDパラメータ決定手段は、PIDパラメータの決定の際に、制御誤差の分散と入力の差分の分散とに関するトレードオフ曲線を描く。このトレードオフ曲線は、制御誤差の分散が小さいほど入力の差分の分散が大きくなる曲線であり、トレードオフ曲線上の位置は、重み係数と対応しており、重み係数が小さいほど、入力の差分の分散が大きくなる(制御誤差の分散が小さくなる)。そして、重み係数が決まると、PIDパラメータが決まるので、トレードオフ曲線上の位置は、重み係数及びPIDパラメータと対応している。   With the above configuration, a prediction model is constructed by the prediction model construction means (system parameters are estimated), and the weight coefficient for the input difference to the PID control target is calculated by the PID parameter determination means based on the constructed prediction model. A PID parameter is determined using a control law including the control object, and the control object is controlled by the control means using the determined PID parameter. Here, the PID parameter determination means draws a trade-off curve regarding the variance of the control error and the variance of the input difference when determining the PID parameter. This trade-off curve is a curve in which the variance of the input difference increases as the variance of the control error decreases, and the position on the trade-off curve corresponds to the weighting factor, and the input difference increases as the weighting factor decreases. (The control error variance is reduced). When the weighting factor is determined, the PID parameter is determined. Therefore, the position on the trade-off curve corresponds to the weighting factor and the PID parameter.

ここで、トレードオフ曲線上のどの位置から求まるPIDパラメータを用いるかが問題となる。そこで、制御誤差の分散及び入力の差分の分散をどのようなレベルにしたいかという条件を予め設定しておく。例えば、制御誤差の分散が予め設定された所定値以下となる中で入力の差分の分散が最も小さくなるという条件(トレードオフ曲線の性質から、制御誤差の分散が所定値となる条件と同じことになる)や、入力の差分の分散が予め設定された所定値以下となる中で制御誤差の分散が最も小さくなるという条件(入力の差分の分散が所定値となる条件と同じことになる)等を予め設定しておく。そして、上記トレードオフ曲線上において、上記条件を満足する位置を求めかつ該位置に対応する重み係数及びPIDパラメータを求める。このPIDパラメータを用いて制御対象を制御するようにすれば、予め設定された制御性能(上記条件を満足する所望の制御性能)が得られるようになり、適用するプロセスに最適なものとなる。   Here, the problem is which position on the trade-off curve the PID parameter obtained from is used. Therefore, conditions for setting the variance of the control error and the variance of the input difference are set in advance. For example, the condition that the variance of the input difference becomes the smallest while the variance of the control error is less than or equal to a predetermined value set in advance. Or the condition that the variance of the control error is the smallest while the variance of the input difference is less than or equal to a predetermined value set in advance (this is the same as the condition that the variance of the input difference becomes a predetermined value). Etc. are set in advance. Then, on the trade-off curve, a position satisfying the above condition is obtained, and a weighting coefficient and a PID parameter corresponding to the position are obtained. If the control object is controlled using this PID parameter, preset control performance (desired control performance that satisfies the above conditions) can be obtained, which is optimal for the process to be applied.

請求項2の発明では、請求項1の発明において、上記所定の条件は、上記制御誤差の分散が予め設定された所定値以下となる中で上記入力の差分の分散が最も小さくなるという条件であるものとする。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the predetermined condition is a condition that the variance of the difference between the inputs is minimized while the variance of the control error is equal to or less than a predetermined value set in advance. It shall be.

このことにより、製品品質を確保しつつ、入力の差分の分散(入力の振れ)が出来る限り抑えられ、化学プロセス等に最適な条件が得られる。また、入力の差分の分散が抑えられることで、アクチュエータに多大な負担がかかることがなく、それだけアクチュエータの故障が少なくなる。   As a result, while ensuring product quality, dispersion of input differences (input fluctuations) is suppressed as much as possible, and optimum conditions for chemical processes and the like are obtained. In addition, since the dispersion of the input difference is suppressed, the actuator is not burdened greatly and the failure of the actuator is reduced accordingly.

請求項3の発明では、請求項1又は2の発明において、上記制御対象への入力に対して、上記予測モデル構築手段により構築された予測モデルを用いた場合の出力と、該入力に対する該制御対象からの出力との差であるモデル化誤差が、予め設定された基準値よりも大きいか否かを判定する判定手段を更に備え、上記予測モデル構築手段は、上記判定手段により上記モデル化誤差が上記基準値よりも大きいと判定されたときに、予測モデルを再構築して該再構築した予測モデルに更新するように構成されているものとする。   According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the output when the prediction model constructed by the prediction model construction unit is used for the input to the controlled object, and the control for the input. The apparatus further comprises determination means for determining whether a modeling error that is a difference from the output from the target is larger than a preset reference value, and the prediction model construction means performs the modeling error by the determination means. Is determined to be larger than the reference value, the prediction model is reconstructed and updated to the reconstructed prediction model.

このことで、モデル化誤差が、予め設定された基準値を超えたときに、予測モデルが更新されるので、予測モデルの更新を逐次行う場合に比べて、計算コストを低減することができるとともに、信頼性の面で優れる。すなわち、モデル化誤差が上記基準値以内にあって安定している場合にも予測モデルを更新すると、出力にノイズが加わる等の影響で誤ったモデルを構築して、制御系が却って不安定になる可能性が高くなる。そこで、モデル化誤差が基準値以内にあれば、そのまま同じ予測モデルを使用することとし、モデル化誤差が基準値を超えたときに予測モデルを更新するようにすることで、制御の信頼性及び安定性を向上させることができる。   As a result, since the prediction model is updated when the modeling error exceeds a preset reference value, the calculation cost can be reduced as compared with the case of sequentially updating the prediction model. Excellent in reliability. In other words, when the prediction error is updated even when the modeling error is within the above-mentioned reference value, an incorrect model is constructed due to the effect of noise added to the output and the control system becomes unstable. Is likely to be. Therefore, if the modeling error is within the reference value, the same prediction model is used as it is, and by updating the prediction model when the modeling error exceeds the reference value, the control reliability and Stability can be improved.

請求項4の発明は、PID制御対象への入力と該入力に対する該制御対象からの出力とに基づいて、該制御対象の予測モデルを構築する予測モデル構築ステップと、該予測モデル構築ステップで構築された予測モデルに基づいて、上記入力の差分に対する重み係数を含む制御則を用いてPIDパラメータを決定するPIDパラメータ決定ステップと、該PIDパラメータ決定ステップで決定されたPIDパラメータを用いて、上記制御対象を制御する制御ステップとを備えたPID制御方法の発明である。   According to a fourth aspect of the present invention, a prediction model construction step for constructing a prediction model of the control object based on an input to the PID control object and an output from the control object with respect to the input, and a construction of the prediction model construction step A PID parameter determining step for determining a PID parameter using a control law including a weighting factor for the input difference based on the predicted model, and the control using the PID parameter determined in the PID parameter determining step. It is invention of the PID control method provided with the control step which controls object.

そして、この発明では、上記PIDパラメータ決定ステップは、上記重み係数を変化させながら該各重み係数毎に上記PIDパラメータを算出しかつ該算出時に該各重み係数に対応した制御誤差の分散と上記入力の差分の分散とを計算して、上記制御誤差の分散と上記入力の差分の分散との2軸のグラフ上に上記計算値をプロットすることで、上記重み係数を変化させたときの、上記制御誤差の分散と上記入力の差分の分散とに関するトレードオフ曲線を描くとともに、該トレードオフ曲線上において、予め設定された所定の条件を満足する位置を求めかつ該位置に対応する重み係数及びPIDパラメータを求めて、該PIDパラメータを、上記制御ステップで用いるPIDパラメータとして決定するステップであるものとする。   In the present invention, the PID parameter determination step calculates the PID parameter for each weighting factor while changing the weighting factor, and distributes the control error corresponding to each weighting factor and the input at the time of the calculation. When the weighting factor is changed by plotting the calculated value on a biaxial graph of the variance of the control error and the variance of the input difference, A trade-off curve regarding the variance of the control error and the variance of the difference between the inputs is drawn, and a position satisfying a predetermined condition set in advance is obtained on the trade-off curve, and a weighting factor and a PID corresponding to the position are obtained. It is assumed that the parameter is obtained and the PID parameter is determined as the PID parameter used in the control step.

この発明により、請求項1の発明と同様の作用効果が得られる。   According to the present invention, the same effect as that attained by the 1st aspect can be attained.

請求項5の発明では、請求項4の発明において、上記制御対象への入力に対して、上記予測モデル構築ステップで構築された予測モデルを用いた場合の出力と、該入力に対する該制御対象からの出力との差であるモデル化誤差が、予め設定された基準値よりも大きいか否かを判定する判定ステップを更に備え、上記判定ステップで上記モデル化誤差が上記基準値よりも大きいと判定されたときに、上記予測モデル構築ステップで予測モデルを再構築して該再構築した予測モデルに更新するようにする。   In the invention of claim 5, in the invention of claim 4, for the input to the controlled object, the output when using the prediction model constructed in the predictive model construction step, and the control object for the input A determination step for determining whether or not a modeling error, which is a difference from the output of, is greater than a preset reference value, and the determination step determines that the modeling error is greater than the reference value When this is done, the prediction model is reconstructed in the prediction model construction step and updated to the reconstructed prediction model.

このことにより、請求項3の発明と同様の作用効果が得られる。   Thus, the same effect as that attained by the 3rd aspect can be attained.

以上説明したように、本発明のPID制御装置及びPID制御方法によると、制御誤差の分散とPID制御への入力の差分の分散とに関するトレードオフ曲線を描き、このトレードオフ曲線上において、予め設定された所定の条件を満足する位置を求めかつ該位置に対応する重み係数及びPIDパラメータを求めて、該PIDパラメータを、制御対象を制御するためのPIDパラメータとして決定するようにしたことにより、PID制御対象への入力の差分に対する重み係数を適切にかつ容易に設定できるようにして、所望の制御性能が確実に得られるようになる。   As described above, according to the PID control device and the PID control method of the present invention, a trade-off curve regarding the variance of the control error and the variance of the difference of the input to the PID control is drawn, and the preset value is set on the trade-off curve. A position satisfying the predetermined condition is obtained, a weighting factor and a PID parameter corresponding to the position are obtained, and the PID parameter is determined as a PID parameter for controlling the controlled object. It is possible to appropriately and easily set the weighting factor for the difference in the input to the controlled object, so that the desired control performance can be obtained with certainty.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

<制御系の概要>
図1は本発明の実施形態に係るPID制御装置を示し、このPID制御装置は、PID制御対象への入力uと、該入力に対する該制御対象からの出力y(詳しくは、後述のモデル化誤差η)とに基づいて、該制御対象の予測モデルを構築する予測モデル構築手段としての予測モデル構築部1と、該予測モデル構築部1により構築された予測モデルに基づいて、上記入力の差分に対する重み係数(後述のλ)を含む制御則(後述の式(12))を用いてPIDパラメータを決定するPIDパラメータ決定手段としてのPIDパラメータ決定部2と、該PIDパラメータ決定部2により決定されたPIDパラメータを用いて、上記制御対象を制御する制御手段としてのPID制御部3と、上記入力に対して、予測モデル構築部1により構築された予測モデルを用いた場合の出力yと、該入力に対する該制御対象からの出力yとの差であるモデル化誤差(予測誤差)ηが、予め設定された基準値γσεよりも大きいか否かを判定する判定手段としてのパラメータ評価部4とを備えている。
<Outline of control system>
FIG. 1 shows a PID control apparatus according to an embodiment of the present invention. This PID control apparatus includes an input u to a PID control target and an output y from the control target with respect to the input (specifically, a modeling error described later). η) based on the prediction model construction means 1 for constructing the prediction model of the control target, and based on the prediction model constructed by the prediction model construction section 1, A PID parameter determining unit 2 as a PID parameter determining unit that determines a PID parameter using a control law (equation (12) described later) including a weighting factor (λ described later), and the PID parameter determining unit 2 determines Using the PID parameter, the PID control unit 3 as a control means for controlling the controlled object and the prediction model constructed by the prediction model construction unit 1 for the input. Whether the modeling error (prediction error) η, which is the difference between the output y * when using the measurement model and the output y from the control target with respect to the input, is greater than a preset reference value γσ ε And a parameter evaluation unit 4 as determination means for determining whether or not.

上記予測モデル構築部1は、上記モデル化誤差ηが最小になるように、後述の如くシステムパラメータ(時定数T、システムゲインK及びむだ時間L)を推定することで、予測モデルを構築する。そして、本実施形態では、予測モデル構築部1は、上記パラメータ評価部4により、上記モデル化誤差が上記基準値よりも大きいと判定されたときに、予測モデルを再構築して(システムパラメータを再推定して)該再構築した予測モデルに更新するように構成されている。つまり、パラメータ評価部4により、上記モデル化誤差が上記基準値よりも大きいと判定されると、図1のスイッチ10が入って予測モデル構築部1が機能することになる。尚、PIDパラメータの初期チューニングの際にも、スイッチ10が自動又は手動で入いる。   The prediction model construction unit 1 constructs a prediction model by estimating system parameters (time constant T, system gain K, and dead time L) as will be described later so that the modeling error η is minimized. In the present embodiment, when the parameter evaluation unit 4 determines that the modeling error is larger than the reference value, the prediction model construction unit 1 reconstructs the prediction model (system parameter And re-estimate) to update to the reconstructed prediction model. That is, when the parameter evaluation unit 4 determines that the modeling error is larger than the reference value, the switch 10 of FIG. 1 is turned on and the prediction model construction unit 1 functions. Note that the switch 10 is automatically or manually turned on during the initial tuning of the PID parameters.

上記予測モデル構築部1により予測モデルが更新されると、上記PIDパラメータ決定部2は、その更新された予測モデル(システムパラメータの再推定値)に基づいて、上記重み係数を含む制御則を用いてPIDパラメータを再決定し、PID制御部3は、この再決定したPIDパラメータを用いて制御対象を制御する。   When the prediction model is updated by the prediction model construction unit 1, the PID parameter determination unit 2 uses a control law including the weighting factor based on the updated prediction model (reestimated value of the system parameter). Then, the PID parameter is re-determined, and the PID control unit 3 controls the control target using the re-determined PID parameter.

上記PIDパラメータ決定部2は、後に詳細に説明するように、PIDパラメータの決定(再決定を含む)の際、所望の制御性能(本実施形態では、制御誤差の分散σ )が得られるように、システムパラメータの推定値(T、K及びL)に基づいてPIDパラメータを決定する。 As described in detail later, the PID parameter determination unit 2 obtains desired control performance (in this embodiment, control error variance σ e 2 ) when determining PID parameters (including re-determination). As described above, the PID parameter is determined based on the estimated values (T * , K *, and L * ) of the system parameters.

<システムの記述>
本実施形態では、化学プロセス等のプロセス系を上記制御対象とする。本来、化学プロセスは伝熱、対流、輻射等を考えれば高次遅れ系になるが、システムパラメータの数が増えると、それだけ不確かさを多く含むことになり、これが制御系設計に悪影響を及ぼすことが考えられるため、プロセス系を扱う現場では、制御対象のシステムを「一次遅れ+むだ時間」系として記述することが多く、本実施形態においても、下記の式(1)を制御対象の記述モデル(詳細モデル)とする。尚、式(1)中、Tは時定数、Kはシステムゲイン、Lはむだ時間であり、これらはシステムパラメータである。
<Description of system>
In this embodiment, a process system such as a chemical process is the control target. Originally, chemical processes become higher-order lag systems when heat transfer, convection, radiation, etc. are considered, but as the number of system parameters increases, there will be more uncertainty and this will adversely affect control system design. Therefore, in the field where the process system is handled, the control target system is often described as a “first order delay + dead time” system, and also in this embodiment, the following expression (1) is expressed as a control target description model. (Detailed model). In equation (1), T is a time constant, K is a system gain, L is a dead time, and these are system parameters.

Figure 2008186113
Figure 2008186113

さらに、むだ時間を一次パディ近似し、下記の式(2)のような二次遅れ系(設計用モデル)を考える。   Further, the dead time is approximated by a first-order paddy, and a second-order lag system (design model) such as the following equation (2) is considered.

Figure 2008186113
Figure 2008186113

次に、式(2)に対応した、下記の式(3)で表される離散時間モデルを考える。   Next, a discrete time model represented by the following equation (3) corresponding to the equation (2) is considered.

Figure 2008186113
Figure 2008186113

式(3)において、u(t)は時刻tの時点での制御対象への入力、y(t)は時刻tの時点での制御対象からの出力、χ(t)は時刻tの時点での、モデル化誤差等を示すガウス性白色雑音である。また、z−1は時間遅れ演算子であり、z−1y(t)=y(t−1)を意味している。Δは差分演算子を表し、Δ=1−z−1で定義される。さらに、A(z−1)及びB(z−1)は、下記の式(4)で示される多項式である。 In Expression (3), u (t) is an input to the controlled object at time t, y (t) is an output from the controlled object at time t, and χ (t) is at time t. This is a Gaussian white noise indicating a modeling error or the like. Z −1 is a time delay operator, which means z −1 y (t) = y (t−1). Δ represents a difference operator and is defined as Δ = 1−z −1 . Furthermore, A (z −1 ) and B (z −1 ) are polynomials represented by the following formula (4).

Figure 2008186113
Figure 2008186113

式(4)は、CARIMA(Controlled Auto-Regressive and Integrated Moving Average)モデルであり、ステップ状の外乱や目標値点周りの定常項を除去する目的で、プロセス系に対して用いられている。   Equation (4) is a CARIMA (Controlled Auto-Regressive and Integrated Moving Average) model, which is used for the process system for the purpose of removing step-like disturbances and steady terms around the target value point.

システムパラメータT、K及びL(実際には、後述の如く計算される推定値T、K及びL)が与えられたとき、式(3)を用いて後述のPIDパラメータ(k、T及びT)を算出する。 Given system parameters T, K and L (actually estimated values T * , K * and L * calculated as described below), the PID parameters (k p , T I and T D ) are calculated.

<PID制御則>
PID制御則としては、本実施形態では、下記の式(5)で与えられるPID(比例・微分先行型PID)制御則を用いる。
<PID control law>
As the PID control law, in this embodiment, a PID (proportional / differential precedence type PID) control law given by the following equation (5) is used.

Figure 2008186113
Figure 2008186113

式(5)において、kは比例ゲイン、Tは積分時間、Tは微分時間であり、これらはPIDパラメータである。また、Tはサンプリング間隔であり、e(t)は時刻tの時点での制御誤差であって、下記の式(6)で与えられる。尚、式(6)や後述の式(8)等における「:=」は定義式であることを意味する。 In the formula (5), k p is proportional gain, T I is the integral time, T D is the derivative time, which are PID parameters. Further, T S is the sampling interval, e (t) is a control error of at time t, is given by the following equation (6). Note that “: =” in formula (6), formula (8) described later, and the like means a definition formula.

Figure 2008186113
Figure 2008186113

式(6)において、r(t)は時刻tの時点での目標値(本実施形態では、tの値に関係なく一定)である。   In Expression (6), r (t) is a target value at the time t (in this embodiment, constant regardless of the value of t).

ここで、以下の考察を簡単にするために、式(5)を下記の式(7)に書き換える。   Here, in order to simplify the following consideration, the equation (5) is rewritten into the following equation (7).

Figure 2008186113
Figure 2008186113

式(7)において、C(z−1)は下記の式(8)で表される。 In the formula (7), C (z −1 ) is represented by the following formula (8).

Figure 2008186113
Figure 2008186113

<PIDパラメータの調整>
本実施形態では、一般化最小分散制御(GMVC)に基づくPIDパラメータ調整法(GMV−PID)を用いてPIDパラメータを調整する。
<PID parameter adjustment>
In the present embodiment, the PID parameter is adjusted using a PID parameter adjustment method (GMV-PID) based on generalized minimum dispersion control (GMVC).

GMVCの評価規範の一つの形が、下記の式(9)で与えられる。   One form of the GMVC evaluation criterion is given by the following equation (9).

Figure 2008186113
Figure 2008186113

式(9)において、E[・]は空間平均を表す。また、P(z−1)は設計多項式であり、下記の式(10)により設計する。 In Formula (9), E [•] represents a spatial average. P (z −1 ) is a design polynomial and is designed by the following equation (10).

Figure 2008186113
Figure 2008186113

式(10)において、p及びpは下記の式(11)で表される。 In the formula (10), p 1 and p 2 are represented by the following formula (11).

Figure 2008186113
Figure 2008186113

式(11)において、σは立ち上がり時間に相当するパラメータを示し、μは応答の減衰特性に関連するパラメータであって、δによって調整される。このとき、δ=0は二項展開形式モデルに相当する応答形状を示し、δ=1.0はButterworth形式モデルに相当する応答形状を示す。   In Equation (11), σ represents a parameter corresponding to the rise time, μ is a parameter related to the attenuation characteristic of the response, and is adjusted by δ. At this time, δ = 0 indicates a response shape corresponding to the binomial expansion model, and δ = 1.0 indicates a response shape corresponding to the Butterworth format model.

式(9)において、λは、制御対象への入力の差分に対する重み係数である。ここで、σ、δ及びλは、制御性能(即応性、安定性、定常特性等)に大きな影響を与える。設計の見通しを良くするために、σは、概ね時定数とむだ時間との総和の1/3〜1/2程度に設定し、δは、実用的観点から0以上2.0以下に設定することが好ましい。λの設定については後に詳細に説明する。   In equation (9), λ is a weighting factor for the difference in the input to the controlled object. Here, σ, δ, and λ greatly affect the control performance (responsiveness, stability, steady characteristics, etc.). In order to improve the design prospects, σ is set to approximately 1/3 to 1/2 of the sum of the time constant and the dead time, and δ is set to 0 or more and 2.0 or less from a practical viewpoint. It is preferable. The setting of λ will be described in detail later.

式(9)の評価規範の最小化により、下記の式(12)による制御則(GMVC則)が与えられる。この制御則が、上記重み係数を含む制御則に相当するものである。   By minimizing the evaluation criterion of equation (9), a control law (GMVC law) according to the following equation (12) is given. This control law corresponds to a control law including the weight coefficient.

Figure 2008186113
Figure 2008186113

ここで、F(z−1)は、下記の式(13)及び式(14)のDiphantine方程式に基づいて計算される。 Here, F (z −1 ) is calculated based on the following diphantine equations (13) and (14).

Figure 2008186113
Figure 2008186113

Figure 2008186113
Figure 2008186113

そして、上記式(12)の第2項係数多項式を定常項に置き換えた下記の式(15)を考える。   Then, consider the following equation (15) in which the second term coefficient polynomial of the above equation (12) is replaced with a stationary term.

Figure 2008186113
Figure 2008186113

ここで、新しくυを下記の式(16)で定義する。   Here, υ is newly defined by the following equation (16).

Figure 2008186113
Figure 2008186113

これにより、式(15)は下記の式(17)となる。   Thereby, Formula (15) becomes following Formula (17).

Figure 2008186113
Figure 2008186113

上記式(7)と式(17)との比較により、式(18)が導け、これより、C(z−1)を設計すれば、GMVCに基づくPIDパラメータを計算することができる。 By comparing the above formula (7) and formula (17), formula (18) can be derived. From this, if C (z −1 ) is designed, the PID parameter based on GMVC can be calculated.

Figure 2008186113
Figure 2008186113

すなわち、式(7)及び式(17)から、PIDパラメータを下記の式(19)により計算することができる。   That is, the PID parameter can be calculated by the following equation (19) from the equations (7) and (17).

Figure 2008186113
Figure 2008186113

尚、PIDパラメータの調整は上記PIDパラメータ調整法に限らず、予測モデルに基づいて、制御対象への入力の差分に対する重み係数を含む制御則を用いてPIDパラメータを調整する方法であれば、どのような方法であってもよい。   Note that the adjustment of the PID parameter is not limited to the above-described PID parameter adjustment method, and any method can be used as long as the method adjusts the PID parameter using a control law including a weighting factor for the input difference to the controlled object based on the prediction model. Such a method may be used.

<重み係数λの調整(PIDパラメータの決定)>
式(19)には、υ(=B(1)+λ)つまり上記重み係数λが含まれており、この重み係数λを適切に設定しないと、PIDパラメータを適切に決定することができない。そこで、PIDパラメータ決定部2は、その重み係数λを以下のように調整して、PIDパラメータを決定するようにしている。
<Adjustment of weighting factor λ (determination of PID parameter)>
Expression (19) includes υ (= B (1) + λ), that is, the weighting factor λ. If the weighting factor λ is not set appropriately, the PID parameter cannot be determined appropriately. Therefore, the PID parameter determination unit 2 adjusts the weight coefficient λ as follows to determine the PID parameter.

先ず、上記重み係数λを所定範囲において所定の刻みで変化させながら該各重み係数毎に式(19)よりPIDパラメータを算出する。上記所定の刻みは、後述のトレードオフ曲線を描くことが可能な程度の細かさであればよく、例えば0.01刻みとすればよい。上記所定範囲は、トレードオフ曲線において後述の条件を満足する位置が含まれる範囲とすればよく、例えば0〜10程度とすればよい。   First, the PID parameter is calculated from the equation (19) for each weight coefficient while changing the weight coefficient λ in a predetermined range within a predetermined range. The predetermined step may be fine enough to draw a trade-off curve described later, for example, 0.01. The predetermined range may be a range that includes a position that satisfies the conditions described later in the trade-off curve, and may be, for example, about 0 to 10.

そして、上記PIDパラメータの算出時に、各重み係数λに対応した制御誤差の分散と制御対象への入力の差分の分散とを計算する。本実施形態では、制御誤差の分散E[e(t)]と入力の差分の分散E[(Δu(t))]とを、Hノルムを用いて計算する。この計算の詳細は、後述する。 Then, when calculating the PID parameter, the variance of the control error corresponding to each weighting factor λ and the variance of the difference of the input to the control target are calculated. In the present embodiment, the variance E [e 2 (t)] of the control error and the variance E [(Δu (t)) 2 ] of the input difference are calculated using the H 2 norm. Details of this calculation will be described later.

次いで、図2に示すように、上記制御誤差の分散E[e(t)]と上記入力の差分の分散E[(Δu(t))]との2軸のグラフ(本実施形態では、制御誤差の分散を縦軸としかつ入力の差分の分散を横軸とするグラフ)上に上記両分散の計算値をプロットすることで、上記重み係数を変化させたときの、上記制御誤差の分散と上記入力の差分の分散とに関するトレードオフ曲線を描く。このトレードオフ曲線は、制御誤差の分散が小さいほど入力の差分の分散が大きくなる曲線であり、トレードオフ曲線上の位置は、重み係数と対応しており、重み係数が小さいほど、入力の差分の分散が大きくなる(制御誤差の分散が小さくなる)。そして、重み係数が決まると、PIDパラメータが決まるので、トレードオフ曲線上の位置は、重み係数及びPIDパラメータと対応している。尚、制御誤差の分散を横軸としかつ入力の差分の分散を縦軸とするグラフ上に、トレードオフ曲線を描くようにしてもよい。 Next, as shown in FIG. 2, a biaxial graph of the variance E [e 2 (t)] of the control error and the variance E [(Δu (t)) 2 ] of the input difference (in this embodiment, , Plotting the calculated values of both variances on a graph with the control error variance on the vertical axis and the variance of the input difference on the horizontal axis), the control error when the weighting factor is changed Draw a trade-off curve for the variance and the variance of the difference between the inputs. This trade-off curve is a curve in which the variance of the input difference increases as the variance of the control error decreases, and the position on the trade-off curve corresponds to the weighting factor, and the input difference increases as the weighting factor decreases. (The control error variance is reduced). When the weighting factor is determined, the PID parameter is determined. Therefore, the position on the trade-off curve corresponds to the weighting factor and the PID parameter. A trade-off curve may be drawn on a graph with the variance of the control error as the horizontal axis and the variance of the input difference as the vertical axis.

ここで、上記パラメータ評価部4により、上記モデル化誤差が上記基準値よりも大きいと判定されたときにおいて、制御対象への過去の入出力データに基づいて、制御誤差の分散と入力の差分の分散とを計算して該計算値を上記グラフ上にプロットすると、このプロットした位置は、上記トレードオフ曲線に対して右上の領域に位置する。したがって、トレードオフ曲線上の位置に対応するPIDパラメータを用いて制御対象を制御するようにすれば、制御誤差の分散及び入力の差分の分散の少なくとも一方を改善することができる。   Here, when the parameter evaluation unit 4 determines that the modeling error is larger than the reference value, the variance of the control error and the difference between the inputs are calculated based on the past input / output data to the control target. When the variance is calculated and the calculated value is plotted on the graph, the plotted position is located in the upper right region with respect to the trade-off curve. Therefore, if the control target is controlled using the PID parameter corresponding to the position on the trade-off curve, at least one of the variance of the control error and the variance of the input difference can be improved.

上記トレードオフ曲線上のどの位置から求まるPIDパラメータを用いるかについては、要求される制御性能を考慮して決めればよい。すなわち、制御誤差の分散及び入力の差分の分散をどのようなレベルにしたいかという条件を予め設定しておく。例えば、制御誤差の分散が予め設定された所定値以下となる中で入力の差分の分散が最も小さくなるという条件(トレードオフ曲線の性質から、制御誤差の分散が所定値となる条件と同じことになる)や、入力の差分の分散が予め設定された所定値以下となる中で制御誤差の分散が最も小さくなるという条件(入力の差分の分散が所定値となる条件と同じことになる)等を予め設定しておく。本実施形態では、化学プロセス等に最適となるように、制御誤差の分散が予め設定された所定値σ 以下となる中で入力の差分の分散が最も小さくなるという条件とする。上記所定値σ は、製品品質を考慮して設定すればよく、上記トレードオフ曲線上において、この条件を満足する位置を求める。例えば上記所定値σ を1.0とした場合には、図2のトレードオフ曲線上の+印の位置となる。 Which position on the trade-off curve to use the PID parameter is determined in consideration of the required control performance. That is, the conditions for setting the variance of the control error and the variance of the input difference are set in advance. For example, the condition that the variance of the input difference becomes the smallest while the variance of the control error is less than or equal to a predetermined value set in advance. Or the condition that the variance of the control error is the smallest while the variance of the input difference is less than or equal to a predetermined value set in advance (this is the same as the condition that the variance of the input difference becomes a predetermined value). Etc. are set in advance. In the present embodiment, the condition that the variance of the input difference is the smallest while the variance of the control error is equal to or less than a predetermined value σ e 2 is set so as to be optimal for a chemical process or the like. The predetermined value σ e 2 may be set in consideration of product quality, and a position satisfying this condition is obtained on the trade-off curve. For example, when the predetermined value σ e 2 is set to 1.0, the position of the + mark on the trade-off curve in FIG.

そして、上記位置に対応する重み係数及びPIDパラメータを求め、このPIDパラメータを、上記PID制御部3が用いるPIDパラメータとして決定する。PID制御部3が、この決定されたPIDパラメータを用いて制御対象を制御することで、予め設定された制御性能(本実施形態では、制御誤差の分散が予め設定された所定値σ 以下となる中で入力の差分の分散が最も小さくなるという条件を満足する所望の制御性能)が得られることになる。 Then, a weighting factor and a PID parameter corresponding to the position are obtained, and the PID parameter is determined as a PID parameter used by the PID control unit 3. The PID control unit 3 controls the control target using the determined PID parameter, so that the preset control performance (in this embodiment, the variance of the control error is equal to or less than a predetermined value σ e 2). As a result, the desired control performance that satisfies the condition that the variance of the input difference becomes the smallest is obtained.

<予測モデルの構築(システムパラメータの推定)>
本実施形態では、システムパラメータの推定は、制御対象への過去の入出力データ(本実施形態では、現時刻から遡ったNステップの入出力データ)に対して、逐次型最小2乗法を適用して行う。
<Construction of prediction model (estimation of system parameters)>
In the present embodiment, the system parameter is estimated by applying a sequential least square method to past input / output data to the control target (in this embodiment, N-step input / output data traced back from the current time). Do it.

先ず、上記式(1)の詳細モデルに対応した、下記の式(20)で表される離散時間モデルを考える。   First, a discrete time model represented by the following equation (20) corresponding to the detailed model of the above equation (1) is considered.

Figure 2008186113
Figure 2008186113

式(21)において、ξ(t)は時刻tの時点でのモデル化誤差を示しており、平均が0でかつ分散がσξ であるガウス性白色雑音とする。また、dはむだ時間であり、通常、プロセス系ではむだ時間を正確に把握することが難しく、このむだ時間dを想定される範囲内(d=d,d+1,…,d)で順に変化させ、時刻tの時点での推定誤差ε(t)(下記の式(24)参照)が最小になるdを、むだ時間の推定値d(t)として決定する。さらに、α(z−1)及びβ(z−1)は、下記の式(21)で表される。 In Expression (21), ξ (t) represents a modeling error at time t, and is Gaussian white noise having an average of 0 and a variance of σ ξ 2 . Further, d is a dead time, usually, it is difficult to accurately determine the dead time in the process system, within the range which is assumed the dead time d (d = d m, d m + 1, ..., d M) Then, d that minimizes the estimation error ε (t) at time t (see the following equation (24)) is determined as an estimated value d * (t) of the dead time. Furthermore, α (z −1 ) and β (z −1 ) are represented by the following formula (21).

Figure 2008186113
Figure 2008186113

式(21)のα、β及びβは、下記の式(22)〜式(26)の逐次型最小2乗法により推定する。 Α 1 , β 0 and β 1 in equation (21) are estimated by the sequential least square method of equations (22) to (26) below.

Figure 2008186113
Figure 2008186113

式(25)及び式(26)において、[・,・,・]は、行ベクトルを列ベクトルに転置することを意味する。 In equations (25) and (26), [•, •, •] T means transposing a row vector to a column vector.

次いで、システムパラメータの推定値(T、K及びL)を、下記の式(27)〜式(29)により計算する。 Subsequently, the estimated values (T * , K *, and L * ) of the system parameters are calculated by the following equations (27) to (29).

Figure 2008186113
Figure 2008186113

<制御アルゴリズム>
図3に示すように、最初のステップS1において、予測モデル構築部1が、上述の如く、制御対象への過去の入出力データに対して逐次型最小2乗法を適用してシステムパラメータを推定するとともに、推定誤差ε(t)の標準偏差σεを算出する。
<Control algorithm>
As shown in FIG. 3, in the first step S1, the prediction model construction unit 1 estimates the system parameters by applying the sequential least squares method to the past input / output data to the controlled object as described above. At the same time, the standard deviation σ ε of the estimation error ε (t) is calculated.

次のステップS2では、PIDパラメータ決定部2が、上記推定したシステムパラメータ(システムパラメータの推定値)を用いて、上述の如く、重み係数λを所定の刻みで変化させながら該各重み係数毎にPIDパラメータを算出し、該算出時に、各重み係数λに対応した制御誤差の分散E[e(t)]と制御対象への入力の差分の分散E[(Δu(t))]とを計算して、トレードオフ曲線を描く。 In the next step S2, the PID parameter determination unit 2 uses the estimated system parameter (estimated value of the system parameter) to change the weighting factor λ in predetermined increments as described above for each weighting factor. The PID parameter is calculated, and at the time of the calculation, the variance E [e 2 (t)] of the control error corresponding to each weighting factor λ and the variance E [(Δu (t)) 2 ] of the input difference to the controlled object And draw a trade-off curve.

上記両分散の具体的な計算は、以下の如く行う。すなわち、先ず、定常状態において、下記の式(30)及び式(31)を得る。   The specific calculation of the both variances is performed as follows. That is, first, the following formulas (30) and (31) are obtained in a steady state.

Figure 2008186113
Figure 2008186113

式(30)及び式(31)におけるT(z−1)は下記の式(32)により定義される。 T (z −1 ) in formula (30) and formula (31) is defined by the following formula (32).

Figure 2008186113
Figure 2008186113

そして、制御誤差e(t)の分散E[e(t)]及び入力の差分Δu(t)の分散E[(Δu(t))]は、Hノルム‖・‖を用いて、下記の式(33)及び式(34)によりそれぞれ計算することができる。 Then, the variance E [e 2 (t)] of the control error e (t) and the variance E [(Δu (t)) 2 ] of the input difference Δu (t) are obtained using the H 2 norm ‖ · ‖ 2. , And can be calculated by the following equations (33) and (34), respectively.

Figure 2008186113
Figure 2008186113

尚、Hノルムは、システムパラメータの推定値と該推定値に基づいて計算したPIDパラメータとを用いて計算する。また、実際には、σξは未知であるので、σξを、上記ステップS1で算出した推定誤差ε(t)の標準偏差σεに代えて上記両分散を計算する。 The H 2 norm is calculated using the estimated value of the system parameter and the PID parameter calculated based on the estimated value. Actually, since σ ξ is unknown, both variances are calculated by replacing σ ξ with the standard deviation σ ε of the estimation error ε (t) calculated in step S1.

次のステップS3では、PIDパラメータ決定部2が、上記トレードオフ曲線上において、制御誤差の分散が予め設定された所定値σ 以下となる中で入力の差分の分散が最も小さくなるという条件を満足する位置(つまり、制御誤差の分散が所定値σ となる位置)を求め、この位置に対応する重み係数及びPIDパラメータを求める。このPIDパラメータを、PID制御部3が用いるPIDパラメータとして決定する。 In the next step S3, the condition that the PID parameter determination unit 2 minimizes the variance of the input difference while the variance of the control error is not more than a predetermined value σ e 2 on the trade-off curve. (That is, a position where the variance of the control error is a predetermined value σ e 2 ) is obtained, and a weighting coefficient and a PID parameter corresponding to this position are obtained. This PID parameter is determined as a PID parameter used by the PID control unit 3.

次のステップS4では、PID制御部3が、ステップS3で決定したPIDパラメータを用いて制御対象を制御する。   In the next step S4, the PID control unit 3 controls the controlled object using the PID parameter determined in step S3.

次のステップS5では、tをt+1にして、ステップS6に進む。このステップS6では、パラメータ評価部4において、ステップS1で計算したシステムパラメータ(推定値)を用いて、式(35)により、時刻tの時点でのモデル化誤差(予測誤差)η(t)を計算する。   In the next step S5, t is set to t + 1, and the process proceeds to step S6. In step S6, the parameter evaluation unit 4 uses the system parameter (estimated value) calculated in step S1 to calculate the modeling error (prediction error) η (t) at time t according to equation (35). calculate.

Figure 2008186113
Figure 2008186113

尚、式(35)におけるθ(t)及びΨ(t−1)は、それぞれ上記式(25)及び式(26)と同様の形で与えられる。 It should be noted that θ * (t) and Ψ (t−1) in Expression (35) are given in the same form as Expression (25) and Expression (26), respectively.

次のステップS7では、パラメータ評価部4において、式(36)を満足するか否か、つまり上記モデル化誤差η(t)の絶対値が基準値γσεよりも大きいか否かを判定する。 In the next step S7, the parameter evaluation unit 4 determines whether or not Expression (36) is satisfied, that is, whether or not the absolute value of the modeling error η (t) is larger than the reference value γσ ε .

Figure 2008186113
Figure 2008186113

上記基準値は、本実施形態では、上記モデル化誤差が最小2乗法の性質から近似的に正規分布するとの前提で、上記ステップS1で算出した標準偏差σεのγ倍としている。このγの値は、統計的観点から3.0以上5.0以下であることが好ましい。 In the present embodiment, the reference value is set to γ times the standard deviation σ ε calculated in step S1 on the assumption that the modeling error is approximately normally distributed due to the property of the least square method. The value of γ is preferably 3.0 or more and 5.0 or less from a statistical viewpoint.

上記ステップS7の判定がYESであるときには、ステップS1に戻る一方、ステップS7の判定がNOであるときには、ステップS5に戻る。すなわち、上記パラメータ評価部4により、上記モデル化誤差が上記基準値よりも大きいと判定されたときに、上記予測モデルを再構築して(システムパラメータを再推定して)該再構築した予測モデルに更新する。このように予測モデルが更新されると、PIDパラメータ決定部2が、その更新された予測モデル(システムパラメータの再推定値)に基づいて、上述の如くPIDパラメータを再決定し(PIDパラメータを更新し)、PID制御部3が、この再決定されたPIDパラメータを用いて制御対象を制御する。一方、上記モデル化誤差が上記基準値以下であれば、予測モデルの更新はなされず、この結果、PIDパラメータも更新されず、PID制御部3は、前回と同じPIDパラメータを用いて制御対象を制御する。   When the determination in step S7 is YES, the process returns to step S1, while when the determination in step S7 is NO, the process returns to step S5. That is, when the parameter evaluation unit 4 determines that the modeling error is larger than the reference value, the prediction model is reconstructed (by re-estimating the system parameters) and the reconstructed prediction model Update to When the prediction model is updated in this way, the PID parameter determination unit 2 re-determines the PID parameter as described above (updates the PID parameter) based on the updated prediction model (system parameter re-estimated value). The PID control unit 3 controls the controlled object using the re-determined PID parameter. On the other hand, if the modeling error is equal to or less than the reference value, the prediction model is not updated. As a result, the PID parameter is not updated, and the PID control unit 3 uses the same PID parameter as the previous time to determine the control target. Control.

したがって、本実施形態では、制御誤差の分散とPID制御対象への入力の差分の分散とに関するトレードオフ曲線を描き、このトレードオフ曲線上において、予め設定された所定の条件(制御誤差の分散が予め設定された所定値σ 以下となる中で入力の差分の分散が最も小さくなるという条件)を満足する位置を求めかつ該位置に対応する重み係数λ及びPIDパラメータを求めて、該PIDパラメータを、制御対象を制御するためのPIDパラメータとして決定するようにしたので、この決定されたPIDパラメータを用いて制御対象を制御することで、制御誤差の分散を所望の値σ に抑えることができるともに、入力の差分の分散(入力の振れ)をも抑えることができる。よって、重み係数λを適切にかつ容易に設定することができ、所望の制御性能が確実に得られるようになる。 Therefore, in this embodiment, a trade-off curve regarding the variance of the control error and the variance of the difference in the input to the PID control target is drawn, and a predetermined condition (the variance of the control error is set on the trade-off curve). A position satisfying the condition that the variance of the input difference is the smallest within a predetermined value σ e 2 or less that is set in advance, and a weighting factor λ and a PID parameter corresponding to the position are obtained, and the PID Since the parameter is determined as a PID parameter for controlling the controlled object, the control object is controlled using the determined PID parameter, thereby suppressing the variance of the control error to a desired value σ e 2 . In addition, it is possible to suppress variance in input differences (input fluctuations). Therefore, the weighting factor λ can be set appropriately and easily, and the desired control performance can be obtained with certainty.

また、本実施形態では、上記モデル化誤差が上記基準値よりも大きいと判定されたときに、予測モデルを更新するようにしたので、予測モデルの更新を逐次行う場合(図3のフローチャートにおいて、ステップS5の後直ぐにステップS1に戻る場合)に比べて、計算コストを低減することができる。また、予測モデルの更新を逐次行うと、モデル化誤差が基準値以内にあって安定している場合にも予測モデルが更新され、このとき、出力にノイズが加わる等の影響で誤ったモデルを構築して、制御系が却って不安定になる可能性が高くなる。しかし、本実施形態では、モデル化誤差が基準値よりも大きくなって予測モデルの更新が必要なときに該更新を行うので、制御の信頼性及び安定性を向上させることができる。但し、このようにする必要は必ずしもなく、予測モデルの更新を逐次行うようにしてもよい。   In the present embodiment, when the modeling error is determined to be larger than the reference value, the prediction model is updated. Therefore, when the prediction model is sequentially updated (in the flowchart of FIG. 3, Compared with the case of returning to step S1 immediately after step S5), the calculation cost can be reduced. In addition, when the prediction model is updated sequentially, the prediction model is updated even when the modeling error is within the reference value and is stable, and at this time, an incorrect model is added due to the influence of noise added to the output. If constructed, the control system is more likely to become unstable. However, in this embodiment, since the modeling error becomes larger than the reference value and the prediction model needs to be updated, the updating is performed, so that the reliability and stability of the control can be improved. However, this is not always necessary, and the prediction model may be updated sequentially.

また、PIDパラメータの初期チューニングの際には、図3のフローチャートのステップS1〜S4を1回実行するだけでもよい。   Further, in the initial tuning of the PID parameter, steps S1 to S4 in the flowchart of FIG. 3 may be executed only once.

ここで、本発明のPID制御方法の有効性について、数値例により定量的に評価する。   Here, the effectiveness of the PID control method of the present invention is quantitatively evaluated by numerical examples.

(数値例1)
先ず、PIDパラメータの初期チューニングの際に本発明のPID制御方法を適用することを想定して、以下のような数値例を考える。
(Numerical example 1)
First, assuming the application of the PID control method of the present invention during initial tuning of PID parameters, consider the following numerical example.

すなわち、制御対象の記述モデルが式(37)で与えられるものとする。   That is, it is assumed that the description model to be controlled is given by Expression (37).

Figure 2008186113
Figure 2008186113

式(37)をサンプリング間隔T=10.0sで離散化し、モデル化誤差として平均が0でかつ分散が0.001であるガウス性白色雑音を付加したモデルを考える。 Consider a model in which Equation (37) is discretized at a sampling interval T S = 10.0 s and Gaussian white noise having a mean of 0 and a variance of 0.001 is added as a modeling error.

この制御対象に対して本発明のPID制御方法を適用したときの制御結果を図4に示す。但し、最初の1000ステップ(t=0〜999)においては、以下のPIDパラメータにより制御が行われているものとする。   FIG. 4 shows a control result when the PID control method of the present invention is applied to this control target. However, in the first 1000 steps (t = 0 to 999), control is performed using the following PID parameters.

=3.56
=100.0
=49.5
また、上記1000ステップ間の入出力データを用いて、t=1000の時点で、図3のフローチャートのステップS1〜S4が実行されたものとする。尚、d=4、d=8、σ =0.09、p=−1.53、p=0.59と設定し、ステップS4において、λは0.0から10.0までの間を0.01刻みで変化させた。
k p = 3.56
T I = 100.0
T D = 49.5
Further, it is assumed that steps S1 to S4 in the flowchart of FIG. 3 are executed at the time of t = 1000 using the input / output data between the above 1000 steps. Note that d m = 4, d M = 8, σ e 2 = 0.09, p 1 = −1.53, and p 2 = 0.59, and in step S4, λ is 0.0 to 10. The period up to 0 was changed in increments of 0.01.

t=1000におけるトレードオフ曲線を図5に示す。図5におけるグラフ上の●印の位置は、過去の1000ステップ分の入出力データに基づいて、制御誤差の分散と入力の差分の分散とを計算して該計算値を上記グラフ上にプロットした位置であって、最初の1000ステップにおける制御性能(制御誤差の分散及び入力の差分の分散)を示している。また、上記グラフ上の+印の位置は、トレードオフ曲線上において、制御誤差の分散が予め設定された所定値σ (=0.09)以下となる中で入力の差分の分散が最も小さくなるという条件を満たす位置である。この位置に対応する重み係数λの値は、λ=0.05であった。尚、λ=0.0〜0.03では、制御系が不安定となり、制御性能を計算することができなかった。λ=0.04においては、安定限界に近い応答を示しており、制御誤差の分散が大きくなっていることが分かる。 The trade-off curve at t = 1000 is shown in FIG. The position of the mark ● on the graph in FIG. 5 is calculated based on the past 1000 steps of input / output data, and the variance of the control error and the variance of the input difference are calculated and the calculated values are plotted on the graph. It is the position and shows the control performance (variance of control error and variance of input difference) in the first 1000 steps. Further, the position of the + mark on the graph shows that the variance of the input difference is the largest on the trade-off curve while the variance of the control error is not more than a predetermined value σ e 2 (= 0.09). It is a position that satisfies the condition of becoming smaller. The value of the weighting factor λ corresponding to this position was λ = 0.05. When λ = 0.0 to 0.03, the control system becomes unstable and the control performance cannot be calculated. When λ = 0.04, the response is close to the stability limit, and it can be seen that the variance of the control error is large.

図4及び図5より、t=1000の時点で、制御誤差と入力の差分とが効果的に抑えられていることが分かる。尚、t=1000でのシステムパラメータの推定により、
=99.22
=0.500
=50.00
が得られ、推定誤差の標準偏差の算出により、σε=0.0314が得られた。
4 and 5 that the control error and the input difference are effectively suppressed at the time point t = 1000. Note that by estimating the system parameters at t = 1000,
T * = 99.22
K * = 0.500
L * = 50.00
And σ ε = 0.0314 was obtained by calculating the standard deviation of the estimation error.

上記システムパラメータの推定値とλ=0.05とからPIDパラメータを算出したところ、
=5.80
=69.68
=15.88
となった。
When the PID parameter was calculated from the estimated value of the system parameter and λ = 0.05,
k p = 5.80
T I = 69.68
T D = 15.88
It became.

t=1500〜2000の制御誤差の分散は0.1054であり、予め設定した所定値σ (=0.09)を超えるものの、該所定値に概ね近い値となり、所望の制御性能が得られることが分かる。すなわち、制御性能が上記グラフ上の●印の位置から+印の位置(実際には、その近傍位置)に移動したことになる。 The variance of the control error at t = 1500 to 2000 is 0.1054, which exceeds the preset predetermined value σ e 2 (= 0.09), but is almost close to the predetermined value, and a desired control performance is obtained. You can see that In other words, the control performance has moved from the position of the mark ● on the graph to the position of the mark + (in fact, the position in the vicinity thereof).

続いて、同様のシミュレーションを、σ =0.25として行った結果を図6に示す。このように、予め設定する所定値σ を大きくすると、制御誤差の分散は大きくなるが、入力の差分の分散が抑えられていることが分かる。 Subsequently, FIG. 6 shows the result of performing the same simulation with σ e 2 = 0.25. As described above, when the predetermined value σ e 2 set in advance is increased, the variance of the control error increases, but the variance of the input difference is suppressed.

この場合のPIDパラメータは、
=2.44
=69.13
=15.84
であった。
The PID parameter in this case is
k p = 2.44
T I = 69.13
T D = 15.84
Met.

及びTの値は先の結果と略同じ値となっており、Kが大きく異なっている。これは、λの値が異なるからであり、このようなλとPIDパラメータとの関係は、式(16)及び式(19)から明らかである。 The value of T I and T D are a substantially same value as a result earlier, K p is different. This is because the values of λ are different, and the relationship between λ and the PID parameter is clear from the equations (16) and (19).

t=1500〜2000の制御誤差の分散は0.2543であり、所望の制御性能が得られることが分かる。   The variance of the control error at t = 1500 to 2000 is 0.2543, indicating that the desired control performance can be obtained.

以上により、PIDパラメータの初期チューニングにおける、本発明のPID制御方法の有効性が確認された。   As described above, the effectiveness of the PID control method of the present invention in the initial tuning of PID parameters was confirmed.

(数値例2)
次に、システムの特性が変動する場合を想定して、以下のような数値例について考察する。
(Numerical example 2)
Next, assuming the case where the system characteristics fluctuate, consider the following numerical examples.

すなわち、制御対象の記述モデルが式(38)で与えられるものとする。   That is, it is assumed that the description model to be controlled is given by the equation (38).

Figure 2008186113
Figure 2008186113

但し、最初の2500ステップまでは上記数値例1と同様の特性を持ち、t=2501〜5000では、時定数K及びシステムゲインKが下記の式(39)のように変化し、むだ時間はないものとする。   However, up to the first 2500 steps, the characteristics are the same as those in Numerical Example 1 above, and at t = 2501 to 5000, the time constant K and the system gain K change as shown in the following equation (39), and there is no dead time. Shall.

Figure 2008186113
Figure 2008186113

最終的に、時定数は1/2倍となり、システムゲインは6倍となる。ここでも数値例1と同様に、式(38)をサンプリング間隔T=10.0sで離散化し、モデル化誤差として平均が0かつ分散が0.0001であるガウス性白色雑音を付加したモデルを考える。 Eventually, the time constant is halved and the system gain is 6 times. Here, as in Numerical Example 1, Equation (38) is discretized at the sampling interval T S = 10.0 s, and a model added with Gaussian white noise having a mean of 0 and a variance of 0.0001 is added as a modeling error. Think.

この制御対象に対して本発明のPID制御方法を適用する。但し、最初の1000ステップにおいては、数値例1と同様に、以下のPIDパラメータにより制御が行われているものとする。   The PID control method of the present invention is applied to this controlled object. However, in the first 1000 steps, as in Numerical Example 1, it is assumed that control is performed using the following PID parameters.

=3.56
=100.0
=49.5
そして、t=1000から図3のフローチャートのステップS1〜S7が実行されるものとする。尚、d=4、d=8、σ =0.04、p=−1.53、p=0.59と設定し、ステップS4において、λは0.0から10.0までの間を0.01刻みで変化させた。また、ステップS7におけるγの値はγ=3.0とした。さらに、システムパラメータの推定に用いたデータ数Nは、N=200とした。
k p = 3.56
T I = 100.0
T D = 49.5
Then, it is assumed that steps S1 to S7 in the flowchart of FIG. 3 are executed from t = 1000. Note that d m = 4, d M = 8, σ e 2 = 0.04, p 1 = −1.53, and p 2 = 0.59, and in step S4, λ is 0.0 to 10. The period up to 0 was changed in increments of 0.01. The value of γ in step S7 is γ = 3.0. Further, the number N of data used for system parameter estimation is set to N = 200.

このときの制御結果を図7に、またPIDパラメータの変化を図8にそれぞれ示す。図8から分かるように、t=1000での変更を含めて、PIDパラメータの変更が4回行われた(t=1000,3243,4657,4814)。この変更時のλは、0.22(t=1000)、0.58(t=3243)、1.03(t=4657)、及び1.38(t=4814)と算出された。t=1000以降の制御誤差の分散は0.0348であり、予め設定した所定値σ (=0.04)以下となり、また入力の差分も抑えられていることから、所望の制御性能が得られることが分かる。このことより、システム変動に対して適切にPIDパラメータが決定されて、良好な制御結果が得られていることが分かる。 The control result at this time is shown in FIG. 7, and the change of the PID parameter is shown in FIG. As can be seen from FIG. 8, the PID parameter was changed four times (t = 1000, 3243, 4657, 4814) including the change at t = 1000. Λ at the time of this change was calculated as 0.22 (t = 1000), 0.58 (t = 3243), 1.03 (t = 4657), and 1.38 (t = 4814). The variance of the control error after t = 1000 is 0.0348, which is less than a predetermined value σ e 2 (= 0.04) set in advance, and the difference in input is suppressed, so that the desired control performance is achieved. You can see that From this, it can be seen that the PID parameter is appropriately determined with respect to the system fluctuation, and a good control result is obtained.

続いて、γの値をγ=5.0としたときの制御結果を図9に、またそのときのPIDパラメータの変化を図10にそれぞれ示す。γの値を大きくしたことで、モデル化誤差が基準値よりも大きいと判定される回数が少なくなり、PIDパラメータの変更がt=1000及びt=3636の2回だけになった。この変更時のλは、0.22(t=1000)及び1.35(t=3636)であった。t=1000以降の制御誤差の分散は0.0419となり、γ=3.0とした場合に比べて性能が若干劣るものの、所望の制御性能は得られている。   Subsequently, FIG. 9 shows a control result when the value of γ is γ = 5.0, and FIG. 10 shows a change in the PID parameter at that time. By increasing the value of γ, the number of times that the modeling error was determined to be larger than the reference value was reduced, and the PID parameter was changed only twice, t = 1000 and t = 3636. Λ at this change was 0.22 (t = 1000) and 1.35 (t = 3636). The variance of the control error after t = 1000 is 0.0419, and the desired control performance is obtained although the performance is slightly inferior to the case where γ = 3.0.

このようにγの値を変えることで、システム変動又はモデル化誤差に対する感度を調整することができる。すなわち、γの値を小さくすると、感度が上がって、PIDパラメータの変更の頻度が増加する一方、γの値を大きくすると、感度が小さくなって、PIDパラメータの変更の頻度が減少する。   By changing the value of γ in this way, the sensitivity to system fluctuations or modeling errors can be adjusted. That is, if the value of γ is decreased, the sensitivity is increased and the frequency of changing the PID parameter is increased. On the other hand, if the value of γ is increased, the sensitivity is decreased and the frequency of changing the PID parameter is decreased.

また、γ=5.0でt=1000以降はPIDパラメータの変更を行わなかった場合の制御結果を図11に示す。尚、t=1000以降のPIDパラメータは、
=1.9458
=67.6249
=16.4162
であった。
FIG. 11 shows the control result when γ = 5.0 and t = 1000 or later without changing the PID parameter. The PID parameter after t = 1000 is
k p = 1.9458
T I = 67.6249
T D = 16.4162
Met.

この場合、システム変動に対してPIDパラメータを変更しなかったことにより、制御系が最後の方で不安定に陥っている。このことより、モデル化誤差が基準値よりも大きくなったときにPIDパラメータを変更することの有効性が認められる。   In this case, the control system is unstable at the end because the PID parameter is not changed with respect to the system fluctuation. This confirms the effectiveness of changing the PID parameter when the modeling error is greater than the reference value.

本発明は、PID制御対象の予測モデルを構築して、この予測モデルに基づいてPIDパラメータを決定し、このPIDパラメータを用いて上記制御対象を制御するPID制御装置及びPID制御方法に有用であり、特に上記予測モデルに基づいて、PID制御対象への入力の差分に対する重み係数を含む制御則を用いてPIDパラメータを決定する場合に有用である。   The present invention is useful for a PID control device and a PID control method for constructing a prediction model of a PID control target, determining a PID parameter based on the prediction model, and controlling the control target using the PID parameter. In particular, it is useful when determining a PID parameter using a control law including a weighting factor for a difference in input to a PID control target based on the prediction model.

本発明の実施形態に係るPID制御装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the PID control apparatus which concerns on embodiment of this invention. 制御誤差の分散と制御対象への入力の差分の分散とに関するトレードオフ曲線を示す、制御誤差の分散と制御対象への入力の差分との2軸のグラフである。It is a biaxial graph of the dispersion | variation of a control error, and the difference of the input to a control object which shows the trade-off curve regarding dispersion | distribution of a control error and the dispersion | variation of the difference of the input to a control object. PID制御装置における制御アルゴリズムを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control algorithm in a PID control apparatus. 数値例1(σ =0.09)での制御結果であり、(a)は制御対象からの出力の時間的推移を、(b)は制御対象への入力の差分の時間的推移をそれぞれ示すグラフである。It is a control result in Numerical Example 1 (σ e 2 = 0.09), (a) shows the temporal transition of the output from the controlled object, and (b) shows the temporal transition of the difference of the input to the controlled object. It is a graph shown, respectively. 数値例1(σ =0.09)でのトレードオフ曲線を示す、制御誤差の分散と制御対象への入力の差分との2軸のグラフである。It is a biaxial graph of the variance of control error and the difference of the input to a controlled object, showing the trade-off curve in Numerical Example 1 (σ e 2 = 0.09). 数値例1(σ =0.25)での制御結果であり、(a)は制御対象からの出力の時間的推移を、(b)は制御対象への入力の差分の時間的推移をそれぞれ示すグラフである。It is a control result in Numerical Example 1 (σ e 2 = 0.25), (a) shows the temporal transition of the output from the controlled object, and (b) shows the temporal transition of the difference of the input to the controlled object. It is a graph shown, respectively. 数値例2(γ=3.0)での制御結果であり、(a)は制御対象からの出力の時間的推移を、(b)は制御対象への入力の差分の時間的推移をそれぞれ示すグラフである。It is a control result in Numerical Example 2 (γ = 3.0), (a) shows the temporal transition of the output from the controlled object, and (b) shows the temporal transition of the difference of the input to the controlled object. It is a graph. 数値例2(γ=3.0)での制御結果であり、(a)は比例ゲインの時間的推移を、(b)は積分時間の時間的推移を、(c)は微分時間の時間的推移をそれぞれ示すグラフである。It is a control result in Numerical Example 2 (γ = 3.0), (a) shows the time transition of the proportional gain, (b) shows the time transition of the integration time, and (c) shows the time of the derivative time. It is a graph which shows transition, respectively. 数値例2(γ=5.0)での制御結果であり、(a)は制御対象からの出力の時間的推移を、(b)は制御対象への入力の差分の時間的推移をそれぞれ示すグラフである。It is a control result in Numerical Example 2 (γ = 5.0), (a) shows the temporal transition of the output from the controlled object, and (b) shows the temporal transition of the difference of the input to the controlled object. It is a graph. 数値例2(γ=5.0)での制御結果であり、(a)は比例ゲインの時間的推移を、(b)は積分時間の時間的推移を、(c)は微分時間の時間的推移をそれぞれ示すグラフである。It is a control result in Numerical Example 2 (γ = 5.0), (a) shows the time transition of the proportional gain, (b) shows the time transition of the integration time, and (c) shows the time of the derivative time. It is a graph which shows transition, respectively. 数値例2(γ=5.0)に対してt=1000以降にPIDパラメータの変更を行わなかった場合の制御結果であり、(a)は制御対象からの出力の時間的推移を、(b)は制御対象への入力の差分の時間的推移をそれぞれ示すグラフである。It is a control result when the PID parameter is not changed after t = 1000 with respect to Numerical Example 2 (γ = 5.0), (a) shows the temporal transition of the output from the control target, (b ) Are graphs showing temporal transitions of differences in the input to the controlled object.

符号の説明Explanation of symbols

1 予測モデル構築部(予測モデル構築手段)
2 PIDパラメータ決定部(PIDパラメータ決定手段)
3 PID制御部(制御手段)
4 パラメータ評価部(判定手段)
1 Prediction model construction part (prediction model construction means)
2 PID parameter determination unit (PID parameter determination means)
3 PID control unit (control means)
4 Parameter evaluation unit (determination means)

Claims (5)

PID制御対象への入力と該入力に対する該制御対象からの出力とに基づいて、該制御対象の予測モデルを構築する予測モデル構築手段と、該予測モデル構築手段により構築された予測モデルに基づいて、上記入力の差分に対する重み係数を含む制御則を用いてPIDパラメータを決定するPIDパラメータ決定手段と、該PIDパラメータ決定手段により決定されたPIDパラメータを用いて、上記制御対象を制御する制御手段とを備えたPID制御装置であって、
上記PIDパラメータ決定手段は、上記重み係数を変化させながら該各重み係数毎に上記PIDパラメータを算出しかつ該算出時に該各重み係数に対応した制御誤差の分散と上記入力の差分の分散とを計算して、上記制御誤差の分散と上記入力の差分の分散との2軸のグラフ上に上記計算値をプロットすることで、上記重み係数を変化させたときの、上記制御誤差の分散と上記入力の差分の分散とに関するトレードオフ曲線を描くとともに、該トレードオフ曲線上において、予め設定された所定の条件を満足する位置を求めかつ該位置に対応する重み係数及びPIDパラメータを求めて、該PIDパラメータを、上記制御手段が用いるPIDパラメータとして決定するように構成されていることを特徴とするPID制御装置。
Based on the input to the PID control target and the output from the control target with respect to the input, based on the prediction model construction means for constructing the prediction model of the control target, and the prediction model constructed by the prediction model construction means PID parameter determining means for determining a PID parameter using a control law including a weighting factor for the input difference; and control means for controlling the control object using the PID parameter determined by the PID parameter determining means; A PID control device comprising:
The PID parameter determining means calculates the PID parameter for each weighting factor while changing the weighting factor, and calculates the variance of the control error corresponding to each weighting factor and the variance of the input difference at the time of the calculation. By calculating and plotting the calculated values on a biaxial graph of the variance of the control error and the variance of the input difference, the variance of the control error and the above when the weighting factor is changed Draw a trade-off curve regarding the variance of the input difference, find a position that satisfies a predetermined condition set in advance on the trade-off curve, and obtain a weighting factor and a PID parameter corresponding to the position, A PID control device configured to determine a PID parameter as a PID parameter used by the control means.
請求項1記載のPID制御装置において、
上記所定の条件は、上記制御誤差の分散が予め設定された所定値以下となる中で上記入力の差分の分散が最も小さくなるという条件であることを特徴とするPID制御装置。
The PID control device according to claim 1,
The PID control apparatus according to claim 1, wherein the predetermined condition is a condition that the variance of the difference of the input is minimized while the variance of the control error is equal to or less than a predetermined value set in advance.
請求項1又は2記載のPID制御装置において、
上記制御対象への入力に対して、上記予測モデル構築手段により構築された予測モデルを用いた場合の出力と、該入力に対する該制御対象からの出力との差であるモデル化誤差が、予め設定された基準値よりも大きいか否かを判定する判定手段を更に備え、
上記予測モデル構築手段は、上記判定手段により上記モデル化誤差が上記基準値よりも大きいと判定されたときに、予測モデルを再構築して該再構築した予測モデルに更新するように構成されていることを特徴とするPID制御装置。
In the PID control device according to claim 1 or 2,
A modeling error that is a difference between an output when the prediction model constructed by the prediction model construction unit is used and an output from the control object with respect to the input is set in advance for the input to the control object. Determination means for determining whether or not the reference value is greater than the determined reference value;
The prediction model construction means is configured to reconstruct a prediction model and update to the reconstructed prediction model when the determination means determines that the modeling error is larger than the reference value. A PID control device.
PID制御対象への入力と該入力に対する該制御対象からの出力とに基づいて、該制御対象の予測モデルを構築する予測モデル構築ステップと、該予測モデル構築ステップで構築された予測モデルに基づいて、上記入力の差分に対する重み係数を含む制御則を用いてPIDパラメータを決定するPIDパラメータ決定ステップと、該PIDパラメータ決定ステップで決定されたPIDパラメータを用いて、上記制御対象を制御する制御ステップとを備えたPID制御方法であって、
上記PIDパラメータ決定ステップは、上記重み係数を変化させながら該各重み係数毎に上記PIDパラメータを算出しかつ該算出時に該各重み係数に対応した制御誤差の分散と上記入力の差分の分散とを計算して、上記制御誤差の分散と上記入力の差分の分散との2軸のグラフ上に上記計算値をプロットすることで、上記重み係数を変化させたときの、上記制御誤差の分散と上記入力の差分の分散とに関するトレードオフ曲線を描くとともに、該トレードオフ曲線上において、予め設定された所定の条件を満足する位置を求めかつ該位置に対応する重み係数及びPIDパラメータを求めて、該PIDパラメータを、上記制御ステップで用いるPIDパラメータとして決定するステップであることを特徴とするPID制御方法。
Based on the input to the PID control target and the output from the control target with respect to the input, based on the prediction model construction step for constructing the prediction model of the control target, and the prediction model constructed in the prediction model construction step A PID parameter determining step for determining a PID parameter using a control law including a weighting factor for the input difference, and a control step for controlling the control object using the PID parameter determined in the PID parameter determining step; A PID control method comprising:
The PID parameter determination step calculates the PID parameter for each weighting factor while changing the weighting factor, and calculates the variance of the control error corresponding to each weighting factor and the variance of the input difference at the time of the calculation. By calculating and plotting the calculated values on a biaxial graph of the variance of the control error and the variance of the input difference, the variance of the control error and the above when the weighting factor is changed Draw a trade-off curve regarding the variance of the input difference, find a position that satisfies a predetermined condition set in advance on the trade-off curve, and obtain a weighting factor and a PID parameter corresponding to the position, A PID control method, comprising: determining a PID parameter as a PID parameter used in the control step.
請求項4記載のPID制御方法において、
上記制御対象への入力に対して、上記予測モデル構築ステップで構築された予測モデルを用いた場合の出力と、該入力に対する該制御対象からの出力との差であるモデル化誤差が、予め設定された基準値よりも大きいか否かを判定する判定ステップを更に備え、
上記判定ステップで上記モデル化誤差が上記基準値よりも大きいと判定されたときに、上記予測モデル構築ステップで予測モデルを再構築して該再構築した予測モデルに更新することを特徴とするPID制御方法。
The PID control method according to claim 4, wherein
A modeling error that is a difference between an output when the prediction model constructed in the prediction model construction step is used and an output from the control object with respect to the input is set in advance for the input to the control object. A determination step of determining whether or not the reference value is greater than the determined reference value;
A PID characterized in that when the modeling error is determined to be larger than the reference value in the determination step, the prediction model is reconstructed in the prediction model construction step and updated to the reconstructed prediction model. Control method.
JP2007017376A 2007-01-29 2007-01-29 PID control device and PID control method Active JP4528984B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007017376A JP4528984B2 (en) 2007-01-29 2007-01-29 PID control device and PID control method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007017376A JP4528984B2 (en) 2007-01-29 2007-01-29 PID control device and PID control method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2008186113A true JP2008186113A (en) 2008-08-14
JP4528984B2 JP4528984B2 (en) 2010-08-25

Family

ID=39729137

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007017376A Active JP4528984B2 (en) 2007-01-29 2007-01-29 PID control device and PID control method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4528984B2 (en)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101866144A (en) * 2010-06-29 2010-10-20 北京航空航天大学 An Intelligent Control Method of Furuta Pendulum Based on ITAE
CN103576711A (en) * 2013-11-14 2014-02-12 上海交通大学 Chemical reactor temperature control method based on quantification single-parameter PID control
WO2014155690A1 (en) * 2013-03-29 2014-10-02 富士通株式会社 Model updating method, device and program
JP2015109039A (en) * 2013-12-05 2015-06-11 株式会社東芝 Control performance diagnosis device and control performance diagnosis program
CN104898432A (en) * 2015-06-16 2015-09-09 中冶华天南京电气工程技术有限公司 Fuzzy PID control system for high-pressure furnace roof pressure-regulating valve group
CN105511270A (en) * 2016-02-04 2016-04-20 南京邮电大学 PID controller parameter optimization method and system based on co-evolution
CN107728481A (en) * 2017-11-14 2018-02-23 江西理工大学 A kind of closed loop modeling method and device based on Model Predictive Control
CN120233747A (en) * 2025-05-29 2025-07-01 杨凌霖科生态科技股份有限公司 Real-time optimization method for energy consumption in fertilizer production
CN120276506A (en) * 2025-06-10 2025-07-08 北京精量科技有限公司 Control system and method for gas flowmeter

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103592852A (en) * 2013-11-29 2014-02-19 西南交通大学 PID (Proportion Integration Differentiation) controller optimizing design method based on particle swarm membrane algorithm
CN103901776B (en) * 2014-04-04 2016-08-17 哈尔滨工程大学 A kind of industry mechanical arm anti-interference robust adaptive PID control method

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07138658A (en) * 1993-11-15 1995-05-30 Nippon Steel Corp Dew point controller for continuous heat treatment furnace
JPH0916205A (en) * 1995-06-27 1997-01-17 Nok Corp Method and device for designing control model
JP2003195905A (en) * 2001-12-28 2003-07-11 Omron Corp Control device and temperature controller
JP2006037850A (en) * 2004-07-27 2006-02-09 Univ Of Ryukyus Pitch angle control device for wind power generator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07138658A (en) * 1993-11-15 1995-05-30 Nippon Steel Corp Dew point controller for continuous heat treatment furnace
JPH0916205A (en) * 1995-06-27 1997-01-17 Nok Corp Method and device for designing control model
JP2003195905A (en) * 2001-12-28 2003-07-11 Omron Corp Control device and temperature controller
JP2006037850A (en) * 2004-07-27 2006-02-09 Univ Of Ryukyus Pitch angle control device for wind power generator

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101866144A (en) * 2010-06-29 2010-10-20 北京航空航天大学 An Intelligent Control Method of Furuta Pendulum Based on ITAE
WO2014155690A1 (en) * 2013-03-29 2014-10-02 富士通株式会社 Model updating method, device and program
US9646265B2 (en) 2013-03-29 2017-05-09 Fujitsu Limited Model updating method, model updating device, and recording medium
CN103576711A (en) * 2013-11-14 2014-02-12 上海交通大学 Chemical reactor temperature control method based on quantification single-parameter PID control
CN103576711B (en) * 2013-11-14 2015-09-09 上海交通大学 A temperature control method for chemical reactors based on quantitative single-parameter PID control
JP2015109039A (en) * 2013-12-05 2015-06-11 株式会社東芝 Control performance diagnosis device and control performance diagnosis program
CN104898432A (en) * 2015-06-16 2015-09-09 中冶华天南京电气工程技术有限公司 Fuzzy PID control system for high-pressure furnace roof pressure-regulating valve group
CN105511270A (en) * 2016-02-04 2016-04-20 南京邮电大学 PID controller parameter optimization method and system based on co-evolution
CN107728481A (en) * 2017-11-14 2018-02-23 江西理工大学 A kind of closed loop modeling method and device based on Model Predictive Control
CN120233747A (en) * 2025-05-29 2025-07-01 杨凌霖科生态科技股份有限公司 Real-time optimization method for energy consumption in fertilizer production
CN120276506A (en) * 2025-06-10 2025-07-08 北京精量科技有限公司 Control system and method for gas flowmeter

Also Published As

Publication number Publication date
JP4528984B2 (en) 2010-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4528984B2 (en) PID control device and PID control method
CN1940780B (en) On-Line Adaptive Model Predictive Control in Process Control Systems
CN102985884B (en) Method and system for updating a model in a model predictive controller
US10061286B2 (en) Model predictive control using wireless process signals
JP6359182B2 (en) Method and system for controlling the operation of a machine
US7937165B2 (en) Method and device for tuning and control
CN103293953A (en) Robust adaptive model predictive controller with tuning to compensate for model mismatch
JP6834209B2 (en) Product status prediction device, product status control device, product status prediction method and program
JP3864781B2 (en) air conditioner
KR102796587B1 (en) Error compensation system of inherent strain value for additive manufacturing part and method thereof
CN107615183B (en) System and method for model predictive control of superior performance relative to optimal performance values in an application
Huang et al. Run-to-run control of batch production process in manufacturing systems based on online measurement
US11086277B2 (en) System and method for determining the parameters of a controller
CN108646553A (en) A method of statistics on-line monitoring closed-loop control system model quality
JP4474555B2 (en) PID control device and PID control method
JP2001067103A (en) Process control method and apparatus
JP5473298B2 (en) Temperature control device for injection machine heating cylinder
JP2020038656A (en) Controller update device and controller update program
Tufa et al. Improved method for development of parsimonious orthonormal basis filter models
JP2020099982A (en) Machine tool thermal displacement correction method, thermal displacement correction program, thermal displacement correction device
JP7531450B2 (en) Piecewise linear model creating device, piecewise linear model creating method and program
Ohnishi et al. Design of a PID controller with a performance-driven adaptive mechanism
US20250034753A1 (en) Epitaxy Process Control in Semiconductor Manufacturing
Lee et al. Robust forecasts and run-to-run control for processes with linear drifts
Mungale et al. Self-tuning regulator for an interacting CSTR process

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090206

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20100128

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100209

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100408

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: 20100511

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150