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公開番号2025065910
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-22
出願番号2023175435
出願日2023-10-10
発明の名称制御装置
出願人株式会社日立製作所
代理人弁理士法人サンネクスト国際特許事務所
主分類G05B 13/02 20060101AFI20250415BHJP(制御;調整)
要約【課題】制御対象の入力または出力の制約を満たし、応答が所望のプロフィールとなるPID制御ゲイン値に自動チューニングする。
【解決手段】PID制御のPIDゲイン値Kp、Ki、Kdの値を自動チューニングする装置において、制御目標rを演算する手段を備え、制御目標rに対する制御対象の所望の出力ydを演算する手段を備え、少なくとも、制御対象の実際の出力yと所望の出力ydとの誤差e1の二乗値である目的関数値J1を演算する手段と、J1が小さくなるPID制御の各制御ゲイン値を逐次演算により最適化演算する手段と、逐次演算におけるj回目の逐次演算値であるゲイン値に基づいて、制御対象への入力もしくは/かつ制御対象からの出力を演算する手段と、入力もしくは出力に基づいて、制約値を演算する手段と、制約値が、全て所定範囲内にあるとき、逐次演算を更新する手段とを備えたことを特徴とする制御装置。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
ＰＩＤ制御のＰＩＤゲイン値Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄの値を自動チューニングする装置において、
制御目標ｒを演算する手段を備え、
制御目標ｒに対する制御対象の所望の出力ｙｄを演算する手段を備え、
少なくとも、前記制御対象の実際の出力ｙと前記所望の出力ｙｄとの誤差ｅ１の二乗値である目的関数値Ｊ１を演算する手段と、
前記Ｊ１が小さくなるように、ＰＩＤ制御の各制御ゲイン値を逐次演算により最適化演算する手段と、
前記逐次演算におけるｊ回目の逐次演算値であるゲイン値Ｋｐ＿ｊ、Ｋｉ＿ｊ、Ｋｄ＿ｊに基づいて、当該ゲイン値Ｋｐ＿ｊ、Ｋｉ＿ｊ、Ｋｄ＿ｊを前記ＰＩＤ制御のゲイン値として用いた時の前記制御対象への入力ｕ＿ｅｓｔ＿ｊもしくは／かつ制御対象からの出力ｙ＿ｅｓｔ＿ｊを演算する手段と、
前記入力ｕ＿ｅｓｔ＿ｊもしくは出力ｙ＿ｅｓｔ＿ｊに基づいて、制約値ｆ１（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｆ２（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｆｎ（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ）、ｇ１（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｇ２（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｇｍ（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ）を演算する手段と、
前記制約値ｆ１（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｆ２（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｆｎ（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ）、ｇ１（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｇ２（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｇｍ（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ）が、全て所定範囲内にあるとき、前記逐次演算を更新する手段と
を備えたことを特徴とする制御装置。
続きを表示（約 2,000 文字）【請求項２】
請求項１において、
前記制約値ｆ１（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｆ２（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｆｎ（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ）、ｇ１（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｇ２（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｇｍ（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ）の少なくともひとつが所定範囲内にないとき、
前記逐次演算を停止し、更新回数j-１回目のゲイン値Ｋｐ＿ｊ－１、Ｋｉ＿ｊ－１、Ｋｄ＿ｊ－１をチューニング値として採用する
ことを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記制約値ｆ１（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｆ２（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｆｎ（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ）、ｇ１（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｇ２（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｇｍ（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ）の少なくともひとつが所定範囲内にないとき、
前記逐次演算を停止し、前記制約値の全てが所定範囲内にあり、かつ、前記Ｊ１が最小となる更新回のときのゲイン値Ｋｐ＿ｍ、Ｋｉ＿ｍ、Ｋｄ＿ｍをチューニング値として採用する
ことを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記逐次演算において、各制御ゲイン値の複数組の候補を用いて、最適化演算する手段を備え、
前記複数組における各組のゲイン値に対して、それぞれ、前記入力ｕ＿ｊもしくは出力ｙ＿ｊに基づいて、制約値ｆ１（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｆ２（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｆｎ（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ）、ｇ１（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｇ２（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｇｍ（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ）を演算する手段と、
各組の制約値ｆ１（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｆ２（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｆｎ（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ）、ｇ１（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｇ２（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｇｍ（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ）の中で制約を満たす組のみを用いて、前記逐次演算における更新を行う
ことを特徴とする制御装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記制約値ｆ１（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｆ２（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｆｎ（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ）、ｇ１（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｇ２（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｇｍ（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ）の少なくともひとつが所定範囲内にないとき、
前記逐次演算を停止し、
前記所望の出力ｙｄを演算する手段のパラメータ値を更新し、
当該パラメータ値をもつ前記所望の出力ｙｄ演算手段を用いて、
あらためて、
前記Ｊ１が小さくなるように、前記逐次演算を用いて、
前記ゲイン値Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄのチューニングを行う
ことを特徴とする制御装置。
【請求項６】
請求項１において、
前記制約値ｆ１（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｆ２（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｆｎ（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ）、ｇ１（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｇ２（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｇｍ（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ）の少なくともひとつが所定範囲内にないとき、
前記逐次演算を停止し、
「更新回数ｊ－１回目のゲイン値Ｋｐ＿ｊ－１、Ｋｉ＿ｊ－１、Ｋｄ＿ｊ－１」
もしくは
「前記制約値の全てが所定範囲内にあり、かつ、前記Ｊ１が最小となる更新回のときのゲイン値Ｋｐ＿ｍ、Ｋｉ＿ｍ、Ｋｄ＿ｍ」
を用いて、
前記Ｊ１が小さくなるように、前記所望の出力ｙｄを演算する手段のパラメータ値を更新し、
当該パラメータ値をもつ前記所望の出力ｙｄ演算手段を用いて、
あらためて、前記Ｊ１が小さくなるように、前記逐次演算を用いて、前記ゲイン値Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄのチューニングを行う
ことを特徴とする制御装置。
【請求項７】
請求項１において、
前記Ｊ１が小さくなるように、ＰＩＤ制御の各制御ゲイン値を逐次演算により最適化演算する手段はデータ駆動制御ＦＲＩＴである
ことを特徴とする制御装置。
【請求項８】
請求項１において、
前記ＰＩＤ制御のゲイン値Ｋｐ＿ｊ、Ｋｉ＿ｊ、Ｋｄ＿ｊに基づいて、当該ゲイン値Ｋｐ＿ｊ、Ｋｉ＿ｊ、Ｋｄ＿ｊを前記ＰＩＤ制御のゲイン値として用いた時の前記制御対象への入力ｕ＿ｊもしくは／かつｙ＿ｊを演算する手段はデータ駆動予測である
ことを特徴とする制御装置。
【請求項９】
請求項１において、
前記制約値ｆｋ（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ）は、前記制御対象への入力値の最大値である
ことを特徴とする制御装置。
【請求項１０】
請求項１において、
前記制約値ｇｋ（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ）は、前記制御対象の出力値のオーバーシュート量もしくはアンダーシュート量である
ことを特徴とする制御装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御装置に関するものであり、特に、制御対象の入力もしくは出力に対するなんらかの制約を満たしつつ、制御対象の応答が所望のプロフィールとなるようにＰＩＤ制御のゲイン値を自動チューニングする制御装置に関する。
続きを表示（約 2,800 文字）【背景技術】
【０００２】
本技術の背景技術として、特開２０２１－０１５４７５号公報（特許文献１）がある。この文献には、「ＰＩＤ制御部、および、前記ＰＩＤ制御部とは別に設けられたフィルタ部を備え、制御対象をフィードバック制御するコントローラにおいて、前記コントローラのパラメータを設計する方法であって、前記制御対象の伝達関数および前記コントローラの伝達関数を基にして定められ、ロバスト安定性および外乱抑制特性を含む混合感度問題について、制御を行う周波数を含む周波数領域を離散化して得られた複数の周波数毎に、前記混合感度問題の制約条件を設定する設定工程と、前記制約条件での前記混合感度問題を最適化手法によって解くことにより、前記ＰＩＤ制御部および前記フィルタ部のそれぞれのパラメータにより構成される前記コントローラのパラメータを決定する決定工程と、を備える、パラメータ設計方法。（［請求項１］参照）」と記載されている。
【０００３】
また、特開２０２１－０４２６７１号公報（特許文献２）がある。この文献には、「制御対象の所望の出力値ｙｄを演算する手段と、前記所望の出力値ｙｄと制御対象の出力値ｙ_０との差が小さくなるように、ＰＩＤ制御器のゲイン値を調整するＰＩＤ制御器ゲイン値調整手段と、前記調整されたＰＩＤゲイン値（Ｋｐ＿１，Ｋｉ＿１，Ｋｄ＿１）を用いた場合の前記制御対象の出力ｙ＿１を予測する手段と、前記予測した制御対象の出力ｙ＿１が所定条件を満たしていないとき、前記調整されたＰＩＤゲイン（Ｋｐ＿１，Ｋｉ＿１，Ｋｄ＿１）を（実際の制御に）適用することを禁止する手段とを備えたことを特徴とする制御装置。（［請求項１］参照）」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０２１－０１５４７５号公報
特開２０２１－０４２６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述の先行技術（特許文献１）は、制御対象の周波数特性上の制約を満たすようにチューニングができるものの、入出力信号の制約を満たすようなパラメータ値にはチューニングするものではない。また、チューニングに際しては、制御対象のモデルも構築する必要があり、手間もかかり簡便な手法とは言い難い。
【０００６】
また、先行技術（特許文献２）は、制御対象モデルを構築する必要があり、簡便な手法とは言い難い。さらに、チューニング値を用いた時の出力を予測し、当該出力が制約を満たさないときは、当該チューニング値を用いないことを開示しているのみで、入力に関する制約を考慮できておらず、さらには入出力信号に関する制約を満たすようなパラメータ値にチューニングするものでもない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲の記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、例えば、
ＰＩＤ制御のＰＩＤゲイン値Ｋｐ（Ｐゲイン）、Ｋｉ（Ｉゲイン）、Ｋｄ（Ｄゲイン）の値を自動チューニングする装置において、
制御目標ｒを演算する手段を備え、
制御目標ｒに対する制御対象の所望の出力ｙｄを演算する手段を備え、
少なくとも、前記制御対象の実際の出力ｙと前記所望の出力ｙｄとの誤差ｅ１の二乗値である目的関数値Ｊ１を演算する手段と、
前記Ｊ１が小さくなるように、ＰＩＤ制御の各制御ゲイン値を逐次演算により最適化演算する手段と、
前記逐次演算におけるｊ回目の逐次演算値であるゲイン値Ｋｐ＿ｊ、Ｋｉ＿ｊ、Ｋｄ＿ｊに基づいて、当該ゲイン値Ｋｐ＿ｊ、Ｋｉ＿ｊ、Ｋｄ＿ｊを前記ＰＩＤ制御のゲイン値として用いた時の前記制御対象への入力ｕ＿ｅｓｔ＿ｊもしくは／かつ制御対象からの出力ｙ＿ｅｓｔ＿ｊを演算する手段と、
前記入力ｕ＿ｅｓｔ＿ｊもしくは出力ｙ＿ｅｓｔ＿ｊに基づいて、
制約値ｆ１（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｆ２（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｆｎ（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ）、ｇ１（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｇ２（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｇｍ（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ）を演算する手段と、
前記制約値ｆ１（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｆ２（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｆｎ（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ）、ｇ１（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｇ２（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｇｍ（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ）が、全て所定範囲内にあるとき、前記逐次演算を更新する手段と
を備えたことを特徴とする制御装置である。
【０００８】
また、例えば、
前記制約値ｆ１（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｆ２（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｆｎ（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ）、ｇ１（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｇ２（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｇｍ（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ）の少なくともひとつが所定範囲内にないとき、
前記逐次演算を停止し、更新回数ｊ－１回目のゲイン値Ｋｐ＿ｊ－１、Ｋｉ＿ｊ－１、Ｋｄ＿ｊ－１をチューニング値として採用する
ことを特徴とする制御装置である。
【０００９】
また、例えば、
前記制約値ｆ１（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｆ２（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｆｎ（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ）、ｇ１（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｇ２（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｇｍ（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ）の少なくともひとつが所定範囲内にないとき、
前記逐次演算を停止し、前記制約値の全てが所定範囲内にあり、かつ、前記Ｊ１が最小となる更新回のときのゲイン値Ｋｐ＿ｍ、Ｋｉ＿ｍ、Ｋｄ＿ｍをチューニング値として採用する
ことを特徴とする制御装置である。
【００１０】
また、例えば、
前記逐次演算において、各制御ゲイン値の複数組の候補を用いて、最適化演算する手段を備え、
前記複数組における各組のゲイン値に対して、それぞれ、前記入力ｕ＿ｊもしくは出力ｙ＿ｊに基づいて、
制約値ｆ１（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｆ２（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｆｎ（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ）、ｇ１（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｇ２（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｇｍ（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ）を演算する手段と、
各組の制約値ｆ１（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｆ２（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｆｎ（ｕ＿ｅｓｔ＿ｊ）、ｇ１（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），ｇ２（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ），・・・，ｇｍ（ｙ＿ｅｓｔ＿ｊ）の中で制約を満たす組のみを用いて、前記逐次演算における更新を行う
ことを特徴とする制御装置である。
（【００１１】以降は省略されています）

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