用于模型预测控制的控制参数的设定方法技术

在本发明专利技术的设定方法中，在与控制对象的伺服控制结构对应的最佳伺服控制结构中，确定期望的时间响应，计算出与该期望的时间响应对应的规定的增益，基于该规定的增益，按照规定的黎卡提方程式计算出该黎卡提方程式中的第一权重系数Qf、第二权重系数Q、第三权重系数R。然后，对用于模型预测控制的规定评价函数中的、与终端成本对应的权重系数、与状态量成本对应的权重系数、与控制输入成本对应的权重系数分别设定第一权重系数Qf、第二权重系数Q、第三权重系数R。由此，在为了使控制对象的输出追随目标指令的伺服控制而进行模型预测控制的情况下，用户能够基于控制对象的时间响应而直观地设定用于该模型预测控制的权重系数。

Setting method of control parameters for model predictive control

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于模型预测控制的控制参数的设定方法
本专利技术涉及用于模型预测控制的控制参数的设定方法。
技术介绍
为了使控制对象追随目标指令而动作，通常利用反馈控制。例如，在多关节机器人中，通过机器人的控制装置，进行各关节轴的伺服电动机的控制，以使用反馈控制使机器人的手前部的位置追随预先设定(指教)的目标指令。但是，在通常的反馈控制中，由于无论怎样各伺服电动机都会发生响应延迟，因此存在机器人的实际的轨迹偏离指令轨道的问题。为了抑制这种相对于指令轨道的偏离，利用与模型预测控制有关的技术。但是，即使在利用模型预测控制的情况下，在如追随控制那样目标时时刻刻发生变化时，也可能产生常规偏差。于是，在使用模型预测控制的情况下，认为通过将积分器串行连接于该补偿器来消除常规偏差。另外，通过将假设的干扰视为新的状态编入模型中，原理上能够消除该干扰。例如，在非专利文献1及非专利文献2中，提出构建干扰监视器，使用在此推定的干扰来消除常规偏差的方法。现有技术文献非专利文献非专利文献1：YutaSakuraiandToshiyukiOhtsuka:OffsetCompensationofContinuousTimeModelPredictiveControlByDisturbanceEstimation；系统控制信息学会论文杂志，Vol.25，No.7，pp.10－18(2012)非专利文献2：U.MaederandM.Morari:Linearoffset-freemodelpredictivecontrol；Automatica,Vol.45,No.10,pp.2214-2222(2009)非专利文献3：FatimaTAHIRandToshiyukiOHTSUKA:TuningofPerformanceIndexinNonlinearModelPredictiveControlbytheInverseLinearQuadraticRegulatorDesignMethod,SICEJournalofControl,Measurement,andSystemIntegration,Vol.6,No.6,pp.387-395,(2013)专利技术所要解决的问题在进行模型预测控制以使控制对象的输出追随目标指令的伺服控制的情况下，根据规定的评价函数进行最佳的控制输入的计算。通常，在该规定的评价函数中，分别计算与控制对象的状态变量有关的终端成本、与该状态变量和控制输入有关的阶段成本，进行控制输入的最优化，以使该合计值变为最小。此时，在评价函数中，通过对终端成本及阶段成本分别设定权重系数，在反映了各成本的相关的状态下，进行上述控制输入的最优化。在此，上述模型预测控制中的所述权重系数难以找到与模型预测控制中的控制对象的时间响应的直观关系。因此，用户对于确定用于模型预测控制的权重系数需要大量的反复试验。此外，在上述的非专利文献3中，公开有在调节器中进行模型预测控制的情况下，确定考虑到控制对象的时间响应的该模型预测控制的权重系数的方法，但该方法不能对应于伺服控制。
技术实现思路
本专利技术是鉴于这样的问题而创建的，其目的在于，提供如下技术：在为了使控制对象的输出追随目标指令的伺服控制而进行模型预测控制的情况下，用户能够基于控制对象的时间响应直观地设定用于该模型预测控制的权重系数。用于解决问题的技术方案在本专利技术中，为了解决上述问题，在终端附近对模型预测控制中使用的预测模型进行线性化的系统和与通过模型预测控制进行伺服控制的控制结构对应的最佳伺服控制结构采用的前提是对同样的控制输入显示同样的输出。由此，在为了进行伺服控制而利用所谓的ILQ设计法进行模型预测控制的情况下，用户能够进行直观地基于控制对象的时间响应的权重系数的设定。详细而言，本专利技术提供一种用于模型预测控制的控制参数的设定方法(以下也简称为控制参数设定方法)，为了使规定的控制对象装置的输出追随规定的目标指令，由具有被输入该规定的目标指令与该规定的控制对象的输出的偏差的第一积分器的控制装置执行与该规定的控制对象有关的模型预测控制。此外，所述控制装置具有模型预测控制部，该模型预测控制部具有以规定的状态方程式的形式划定与至少包含所述规定的控制对象的放大的控制对象相关联的规定的放大状态变量和向所述放大的控制对象的控制输入的相关关系的预测模型，对所述规定的目标指令进行在规定时间宽度的预测区间中根据规定的评价函数进行基于该预测模型的所述模型预测控制，且至少输出该预测区间的初始时刻的所述控制输入的值，另外，在所述规定的放大状态变量的一部分且与所述规定的控制对象相关联的规定的状态变量中包含由所述偏差和规定的积分增益之积表示的规定积分项。而且，所述设定的方法包括：时间响应确定步骤，确定具有虚拟对应于所述第一积分器的虚拟积分器且与虚拟对应于所述放大的控制对象的虚拟控制对象相关联的最佳伺服控制结构中的期望的时间响应，该最佳伺服控制结构由将相对于该虚拟控制对象的虚拟的目标指令设为r1、将对该虚拟控制对象的虚拟的控制输入设为虚拟控制输入u1、将该虚拟控制对象的虚拟的输出设为y1时，该虚拟控制输入u1包含状态反馈增益KF、积分增益KI的下式1表示；增益计算步骤，计算与所述期望的时间响应对应的所述状态反馈增益KF及所述积分增益KI；权重系数计算步骤，在将向所述放大的控制对象的所述控制输入设为u、将该放大的控制对象的输出设为y、将所述偏差设为e、将所述规定的状态变量设为x，与所述规定的控制对象相关的状态方程式由下式2表示时，基于所述状态反馈增益KF及所述积分增益KI，按照下式3所示的规定的黎卡提方程式计算该黎卡提方程式中的第一权重系数Qf、第二权重系数Q、第三权重系数R中的该第二权重系数Q及该第三权重系数R；设定步骤，在所述规定的评价函数中，对与和所述规定的状态变量有关的阶段成本即状态量成本对应的权重系数设定所述第二权重系数Q，对与和所述控制输入有关的阶段成本即控制输入成本对应的权重系数设定所述第三权重系数R。进而，在所述权重系数计算步骤中，计算出所述第一权重系数Qf，在该情况下，在所述设定步骤中，也可以对与和上述规定的状态变量有关的终端成本对应的权重系数设定所述第一权重系数Qf。[数1]u1＝-KFx+KI∫(r1-y1)dt…(式1)其中，QfAe+AeTQf-QfBeR-1BeTQf+Q＝0…(式3)其中，在本公开的控制参数设定方法中，通过按照上式1的最佳伺服控制结构中的虚拟控制对象的输出的时间响应、换言之，放大的控制对象的输出的时间响应的确定，计算出用于最终使实际对象装置的输出追随规定的目标指令的用于模型预测控制的权重系数。即，通过采用该控制参数设定方法，用户能够容易地获取与直觉上可识别的时间响应对应的用于模型预测控制的权重系数，无需如目前那样为了对目标指令的追随，重复与用于模型预测控制的权重系数有关的反复试验。另外，规定的控制对象可以是实际对象装置，或者也可以是将实际对象装置模型化的实际本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于模型预测控制的控制参数的设定方法，为了使伺服控制的实际的对象即实际对象装置的输出追随规定的目标指令，由具有第一积分器的控制装置执行与该规定的控制对象有关的该模型预测控制，该第一积分器被输入该规定的目标指令和与该实际对象装置对应的规定的控制对象的输出的偏差，其中，/n所述控制装置具有模型预测控制部，该模型预测控制部具有以规定的状态方程式的形式划定与至少包含所述规定的控制对象的放大的控制对象相关联的规定的放大状态变量和向所述放大的控制对象的控制输入的相关关系的预测模型，对所述规定的目标指令进行在规定时间宽度的预测区间中根据规定的评价函数进行基于该预测模型的所述模型预测控制，且至少输出该预测区间的初始时刻的所述控制输入的值，/n在所述规定的放大状态变量的一部分且与所述规定的控制对象相关联的规定的状态变量中包含由所述偏差和规定的积分增益之积表示的规定积分项，/n所述设定的方法包括：/n时间响应确定步骤，确定具有虚拟对应于所述第一积分器的虚拟积分器且与虚拟对应于所述放大的控制对象的虚拟控制对象相关联的最佳伺服控制结构中的期望的时间响应，该最佳伺服控制结构由将相对于该虚拟控制对象的虚拟的目标指令设为r1、将对该虚拟控制对象的虚拟的控制输入设为虚拟控制输入u1、将该虚拟控制对象的虚拟的输出设为y1时，该虚拟控制输入u1包含状态反馈增益K...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180111 JP 2018-0029581.一种用于模型预测控制的控制参数的设定方法，为了使伺服控制的实际的对象即实际对象装置的输出追随规定的目标指令，由具有第一积分器的控制装置执行与该规定的控制对象有关的该模型预测控制，该第一积分器被输入该规定的目标指令和与该实际对象装置对应的规定的控制对象的输出的偏差，其中，
所述控制装置具有模型预测控制部，该模型预测控制部具有以规定的状态方程式的形式划定与至少包含所述规定的控制对象的放大的控制对象相关联的规定的放大状态变量和向所述放大的控制对象的控制输入的相关关系的预测模型，对所述规定的目标指令进行在规定时间宽度的预测区间中根据规定的评价函数进行基于该预测模型的所述模型预测控制，且至少输出该预测区间的初始时刻的所述控制输入的值，
在所述规定的放大状态变量的一部分且与所述规定的控制对象相关联的规定的状态变量中包含由所述偏差和规定的积分增益之积表示的规定积分项，
所述设定的方法包括：
时间响应确定步骤，确定具有虚拟对应于所述第一积分器的虚拟积分器且与虚拟对应于所述放大的控制对象的虚拟控制对象相关联的最佳伺服控制结构中的期望的时间响应，该最佳伺服控制结构由将相对于该虚拟控制对象的虚拟的目标指令设为r1、将对该虚拟控制对象的虚拟的控制输入设为虚拟控制输入u1、将该虚拟控制对象的虚拟的输出设为y1时，该虚拟控制输入u1包含状态反馈增益KF、积分增益KI的下式1表示；
增益计算步骤，计算与所述期望的时间响应对应的所述状态反馈增益KF及所述积分增益KI；
权重系数计算步骤，在将向所述放大的控制对象的所述控制输入设为u、将该放大的控制对象的输出设为y、将所述偏差设为e、将所述规定的状态变量设为x，与所述规定的控制对象相关的状态方程式由下式2表示时，基于所述状态反馈增益KF及所述积分增益KI，按照下式3所示的规定的黎卡提方程式计算出该黎卡提方程式中的第一权重系数Qf、第二权重系数Q、第三权重系数R中的该第二权重系数Q及该第三权重系数R；
设定步骤，在所述规定的评价函数中，对与和所述规定的状态变量有关的阶段成本即状态量成本对应的权重系数设定所述第二权重系数Q，对与和所述控制输入有关的阶段成本即控制输入成本对应的权重系数设定所述第三权重系数R，
[数1]
u1＝-KFx+KI∫(r1-y1)dt…(式1)



其中，
QfAe+AeTQf-QfBeR-1BeTQf+Q＝0…(式3)
其中，


2.如权利要求1所述的用于模型预测控制的控制参数的设定方法，其中，
在所述权重系数计算步骤中，进一步计算所述第一权重系数Qf，
在所述设定步骤中，进一步对与和所述规定的状态变量有关的终端成本对应的权重系数设定所述第一权重系数Qf。


3.如权利要求1或2所述的用于模型预测控制的控制参数的设定方法，其中，
所述放大的控制对象仅包含所述规定的控制对象，
所述规定的放大状态变量的一部分与所述规定的状态变量一致。


4.如权利要求1所述的用于模型预测控制的控制参数的设定方法，其中，
所述控制输入为相对所述规定的控制对象的冲击输入，
所述放大的控制对象在所述规定的控制对象的基础上，还包含对所述冲击输入进行规定的积分处理的进一步的积分器，
所述预测模型划定包...

【专利技术属性】
技术研发人员：惠木守，
申请(专利权)人：欧姆龙株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP