JP4382632B2 - Control device - Google Patents

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JP4382632B2 JP2004320385A JP2004320385A JP4382632B2 JP 4382632 B2 JP4382632 B2 JP 4382632B2 JP 2004320385 A JP2004320385 A JP 2004320385A JP 2004320385 A JP2004320385 A JP 2004320385A JP 4382632 B2 JP4382632 B2 JP 4382632B2
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Description

本発明は、プロセス制御技術に関するものであり、特に少なくとも2個の制御ループを有する制御系において計測される状態量差(制御量差)などを制御対象とする制御装置に関するものである。   The present invention relates to a process control technique, and more particularly to a control apparatus that controls a state quantity difference (control quantity difference) measured in a control system having at least two control loops.

図8(a)に、従来の制御装置である温度調節計の構成を示す(例えば特許文献1参照)。炉1001内には、熱処理ワーク1016が搬入され、またヒータ1011と、制御温度TC1を検出する検出手段1012と、ワーク1016の表面温度TC2を検出する検出手段1013と、ワーク1016の最深温度TC3を検出する検出手段1014とが配設されている。1002は電力調整器を示している。制御部1003は、制御温度TC1と実行プログラムパターン設定値1033とを比較する比較器1031と、比較器1031の出力により制御されるPID等の制御演算部1032と、ワーク1016の表面温度TC2と最深温度TC3との差を検出する温度差検出器1034と、予め定められた温度差を設定する温度差設定器1035と、温度差検出器1034の出力と温度差設定器1035の出力とを比較する比較器1036と、最深温度TC3の温度変化率を検出する変化率検出器1038と、変化率検出器1038の出力と予め定められた温度変化率を設定する変化率設定器1039の出力とを比較する比較器1040と、比較器1036の出力と比較器1040の出力に基づいて傾斜演算し実行プログラムパターン設定値1033を制御する傾斜演算器1037とを有している。   FIG. 8A shows the configuration of a temperature controller that is a conventional control device (see, for example, Patent Document 1). A heat treatment work 1016 is carried into the furnace 1001, and the heater 1011, detection means 1012 for detecting the control temperature TC 1, detection means 1013 for detecting the surface temperature TC 2 of the work 1016, and the deepest temperature TC 3 of the work 1016. Detection means 1014 for detecting is arranged. Reference numeral 1002 denotes a power regulator. The control unit 1003 includes a comparator 1031 that compares the control temperature TC1 and the execution program pattern set value 1033, a control calculation unit 1032 such as PID controlled by the output of the comparator 1031, and the surface temperature TC2 of the workpiece 1016 and the deepest surface temperature TC2. A temperature difference detector 1034 that detects a difference from the temperature TC3, a temperature difference setter 1035 that sets a predetermined temperature difference, and an output of the temperature difference detector 1034 and an output of the temperature difference setter 1035 are compared. The comparator 1036, the change rate detector 1038 for detecting the temperature change rate of the deepest temperature TC3, and the output of the change rate detector 1038 are compared with the output of the change rate setter 1039 for setting a predetermined temperature change rate. The comparator 1040 to perform, the inclination calculation based on the output of the comparator 1036 and the output of the comparator 1040, and the execution program pattern set value 103 And an inclined calculator 1037 for controlling.

温度差設定器1035には許容可能な最大の温度差が設定され、また変化率設定器1039には許容可能な最大の温度変化率が設定される。図8(a)の構成により、熱処理ワーク1016内の温度差、温度変化率の一方もしくは両方が指定された温度許容値以内に入るように、実行プログラムパターン設定値1033中の傾斜が常時修正される。
図8(a)中の破線で囲まれている部分に着目すると、計測された複数の温度TC1,TC2,TC3に基づき温度差(TC2−TC3)および温度変化率dTC3/dtを算出する状態量変換が行なわれていることが理解できる。すなわち、図8(a)の温度調節計は、温度差(TC2−TC3)および温度変化率dTC3/dtを算出する状態量変換部1041を備えていることになる(図8(b))。
The maximum allowable temperature difference is set in the temperature difference setting unit 1035, and the maximum allowable temperature change rate is set in the change rate setting unit 1039. With the configuration of FIG. 8A, the gradient in the execution program pattern set value 1033 is constantly corrected so that one or both of the temperature difference and the temperature change rate in the heat treatment workpiece 1016 fall within the specified temperature tolerance. The
Focusing on the portion surrounded by the broken line in FIG. 8A, the state quantity for calculating the temperature difference (TC2−TC3) and the temperature change rate dTC3 / dt based on the plurality of measured temperatures TC1, TC2, and TC3. You can see that the conversion is taking place. That is, the temperature controller of FIG. 8A includes the state quantity conversion unit 1041 that calculates the temperature difference (TC2−TC3) and the temperature change rate dTC3 / dt (FIG. 8B).

図9(a)に、従来の他の制御装置である温度調整装置の構成を示す(例えば特許文献2参照)。図中の2002は縦型熱処理装置2020の反応管であり、この反応管2002の内部には、ウエハボ−ト2021に搭載された半導体ウエハの近傍の温度を検出する温度センサAが設けられると共に、反応管2002の外面の温度を検出する温度センサBが設けられている。偏差回路部2031は、温度センサAの目標値から後述する補正値を引いた偏差、すなわち温度センサBの目標値を出力する。偏差回路部2032は、温度センサBの目標値から温度センサBの検出値を引いた偏差をPID調節部2004に出力する。PID調節部2004は、入力された偏差に基づいてPID演算を行い、その演算結果を電力制御部2005に出力し、電力制御部2005は、PID調節部2004の出力値に基づいて縦型熱処理装置2020の加熱源であるヒ−タ2006への電力供給量を制御する。一方、補正値出力部2007は、温度センサBの検出値が目標値に収束したとき、この収束した時点の温度センサAの検出値と温度センサBの検出値との差(A−B)を補正値とし、温度センサBの目標値を補正値分だけ修正する。図9(a)の構成により、温度センサAの検出値が目標値に収束する。   FIG. 9 (a) shows a configuration of a temperature control device which is another conventional control device (see, for example, Patent Document 2). In the figure, reference numeral 2002 denotes a reaction tube of the vertical heat treatment apparatus 2020. Inside the reaction tube 2002, a temperature sensor A for detecting the temperature in the vicinity of the semiconductor wafer mounted on the wafer board 2021 is provided. A temperature sensor B that detects the temperature of the outer surface of the reaction tube 2002 is provided. The deviation circuit unit 2031 outputs a deviation obtained by subtracting a correction value described later from the target value of the temperature sensor A, that is, the target value of the temperature sensor B. The deviation circuit unit 2032 outputs a deviation obtained by subtracting the detection value of the temperature sensor B from the target value of the temperature sensor B to the PID adjustment unit 2004. The PID adjustment unit 2004 performs PID calculation based on the input deviation and outputs the calculation result to the power control unit 2005. The power control unit 2005 uses the vertical heat treatment apparatus based on the output value of the PID adjustment unit 2004. The power supply amount to the heater 2006, which is a heating source of 2020, is controlled. On the other hand, when the detected value of the temperature sensor B converges to the target value, the correction value output unit 2007 calculates the difference (A−B) between the detected value of the temperature sensor A and the detected value of the temperature sensor B at the time of convergence. As a correction value, the target value of the temperature sensor B is corrected by the correction value. With the configuration of FIG. 9A, the detection value of the temperature sensor A converges to the target value.

図9(a)中の破線で囲まれている部分に着目すると、計測された複数の温度A,Bに基づき温度差(A−B)を算出する状態量変換が行なわれていることが理解できる。すなわち、図9(a)の温度調整装置は、温度差(A−B)を算出する状態量変換部2008を備えていることになる(図9(b))。
以上のように、実際の状態量そのものだけではなく、状態量差を制御系に取り込む努力は従来から行なわれており、特に状態量差を制御対象として制御系を構成するケースでは、制御系に前記状態量変換部が設けられる。
When attention is paid to the portion surrounded by the broken line in FIG. 9A, it is understood that state quantity conversion for calculating a temperature difference (A−B) based on a plurality of measured temperatures A and B is performed. it can. That is, the temperature adjustment device in FIG. 9A includes the state quantity conversion unit 2008 that calculates the temperature difference (A−B) (FIG. 9B).
As described above, efforts have been made in the past to incorporate not only the actual state quantity itself but also the state quantity difference into the control system. The state quantity conversion unit is provided.

ここで、2個の制御ループにおいて、状態量PV1,PV2そのものではなく、状態量平均値PV1’と状態量差PV2’とを制御対象とすることを考える。この場合の制御装置を図10に示す。図10の制御装置は、状態量平均値PV1’に対する設定値SP1’と状態量平均値PV1’との差を出力する減算器3001と、状態量差PV2’に対する設定値SP2’と状態量差PV2’との差を出力する減算器3002と、減算器3001,3002の出力に基づいてそれぞれ操作量MV1’,MV2’を算出するコントローラC1,C2と、制御対象プロセスP1,P2に対してそれぞれ操作量MV1’,MV2’に応じた操作を行うアクチュエータA1,A2と、状態量変換部3003とを有する。   Here, let us consider that in the two control loops, the state quantity average value PV1 'and the state quantity difference PV2' are controlled, not the state quantities PV1 and PV2 themselves. The control device in this case is shown in FIG. 10 includes a subtractor 3001 that outputs a difference between the set value SP1 ′ and the state quantity average value PV1 ′ for the state quantity average value PV1 ′, and a set value SP2 ′ and the state quantity difference for the state quantity difference PV2 ′. Subtractor 3002 that outputs a difference from PV2 ′, controllers C1 and C2 that calculate operation amounts MV1 ′ and MV2 ′ based on outputs from subtractors 3001 and 3002, and control target processes P1 and P2, respectively. Actuators A1 and A2 that perform operations according to the operation amounts MV1 ′ and MV2 ′, and a state amount conversion unit 3003 are provided.

状態量変換部3003は、制御対象プロセスP1,P2の状態量PV1,PV2に対してそれぞれ0.5を乗算する乗算器3004,3005と、状態量PV1,PV2に対してそれぞれ−1,1を乗算する乗算器3006,3007と、乗算器3004と3005の出力を加算する加算器3008と、乗算器3006と3007の出力を加算する加算器3009とから構成される。このような状態量変換部3003により、状態量平均値PV1’と状態量差PV2’とは次式のようになる。
PV1’=0.5PV1+0.5PV2 ・・・(1)
PV2’=PV2−PV1 ・・・(2)
また、状態量変換部3003の入出力の関係をマトリックスで表現すると、以下のようになる。
The state quantity conversion unit 3003 multiplies multipliers 3004 and 3005 for multiplying the state quantities PV1 and PV2 of the control target processes P1 and P2 by 0.5 and −1 and 1 respectively for the state quantities PV1 and PV2. Multipliers 3006 and 3007 for multiplication, an adder 3008 for adding the outputs of the multipliers 3004 and 3005, and an adder 3009 for adding the outputs of the multipliers 3006 and 3007. By such a state quantity conversion unit 3003, the state quantity average value PV1 ′ and the state quantity difference PV2 ′ are expressed by the following equations.
PV1 ′ = 0.5PV1 + 0.5PV2 (1)
PV2 ′ = PV2-PV1 (2)
Further, the input / output relationship of the state quantity conversion unit 3003 is expressed as a matrix as follows.

Figure 0004382632
Figure 0004382632

コントローラC1は状態量平均値PV1’を対象とし、コントローラC2は状態量差PV2’を対象とする。コントローラC1は、設定値SP1’と状態量平均値PV1’との偏差に基づき操作量MV1’を算出し、コントローラC2は、設定値SP2’と状態量差PV2’との偏差に基づき操作量MV2’を算出する。このとき、状態量平均値PV1’と状態量差PV2’とがそれぞれ制御可能な状態になるために、コントローラC1で算出される操作量MV1’はアクチュエータA1に送られ、コントローラC2で算出される操作量MV2’はアクチュエータA2に送られるように構成される。これにより、アクチュエータA1は状態量平均値PV1’を制御するために動作し、アクチュエータA2は状態量差PV2’を制御するために動作することになる。このように、図8(b)や図9(b)に示したものと同様の状態量変換部3003を適用するだけで、状態量平均値PV1’を直接制御するコントローラC1と状態量差PV2’を直接制御するコントローラC2とを含むマルチループの制御系を構成でき、状態量平均値PV1’と状態量差PV2’とを所望の値に制御することができる。   The controller C1 targets the state quantity average value PV1 ', and the controller C2 targets the state quantity difference PV2'. The controller C1 calculates the operation amount MV1 ′ based on the deviation between the set value SP1 ′ and the state quantity average value PV1 ′, and the controller C2 calculates the operation quantity MV2 based on the deviation between the set value SP2 ′ and the state quantity difference PV2 ′. 'Is calculated. At this time, since the state quantity average value PV1 ′ and the state quantity difference PV2 ′ are in a controllable state, the operation amount MV1 ′ calculated by the controller C1 is sent to the actuator A1 and calculated by the controller C2. The operation amount MV2 ′ is configured to be sent to the actuator A2. As a result, the actuator A1 operates to control the state quantity average value PV1 ', and the actuator A2 operates to control the state quantity difference PV2'. In this way, the controller C1 that directly controls the state quantity average value PV1 ′ and the state quantity difference PV2 simply by applying the state quantity conversion unit 3003 similar to that shown in FIGS. 8B and 9B. A multi-loop control system including a controller C2 that directly controls' can be configured, and the state quantity average value PV1 'and the state quantity difference PV2' can be controlled to desired values.

しかし、アクチュエータA1の動作により状態量PV1に変化が与えられると、この変化は状態量変換部3003の作用により状態量差PV2’にも影響を与える。同様に、アクチュエータA2の動作により状態量PV2に変化が与えられると、この変化は状態量変換部3003の作用により状態量平均値PV1’にも影響を与える。すなわち、図10に示した制御装置では、状態量変換部3003により人工的にループ間干渉が発生する構成となってしまう。また、上記2個の制御ループにもともとループ間の干渉がある場合は、さらに複雑なループ間干渉が発生するようになり、結果的に制御性が劣化しやすくなるという問題が発生する。   However, when the state quantity PV1 is changed by the operation of the actuator A1, this change also affects the state quantity difference PV2 'by the action of the state quantity conversion unit 3003. Similarly, when the state quantity PV2 is changed by the operation of the actuator A2, this change also affects the state quantity average value PV1 'by the action of the state quantity conversion unit 3003. In other words, the control device shown in FIG. 10 has a configuration in which inter-loop interference is artificially generated by the state quantity conversion unit 3003. In addition, when there is interference between the loops in the two control loops, more complicated inter-loop interference occurs, resulting in a problem that controllability is likely to deteriorate.

そこで、ループ間の非干渉化を実現するために、非特許文献1に開示されたクロスコントローラを適用することが容易に想到できる。非特許文献1に開示された制御装置の構成を図11に示す。図11の制御装置は、設定値SP1と状態量PV1との差を出力する減算器4001と、設定値SP2と状態量PV2との差を出力する減算器4002と、減算器4001,4002の出力に基づいてそれぞれ操作量MV1’,MV2’を算出するコントローラ4003,4004と、操作量MV1’,MV2’をそれぞれ変換した操作量MV1,MV2を出力するクロスコントローラ4005とを有する。   Therefore, in order to realize non-interference between loops, it is easily conceivable to apply the cross controller disclosed in Non-Patent Document 1. The configuration of the control device disclosed in Non-Patent Document 1 is shown in FIG. 11 includes a subtractor 4001 that outputs a difference between the set value SP1 and the state quantity PV1, a subtractor 4002 that outputs a difference between the set value SP2 and the state quantity PV2, and outputs of the subtractors 4001 and 4002. Controller 4003 and 4004 for calculating the operation amounts MV1 ′ and MV2 ′, respectively, and a cross controller 4005 for outputting the operation amounts MV1 and MV2 obtained by converting the operation amounts MV1 ′ and MV2 ′, respectively.

クロスコントローラ4005は、ループ間干渉による影響分を予め打ち消す処理を操作量MV1’,MV2’に対して行うものであり、操作量MV1’に係数M12を乗算する乗算器4007と、操作量MV2’に係数M21を乗算する乗算器4008と、操作量MV1’と乗算器4008の出力との差を操作量MV1として出力する減算器4009と、操作量MV2’と乗算器4007の出力との差を操作量MV2として出力する減算器4010とから構成される。ここでは説明を簡単にするため、プロセス時定数やプロセスむだ時間などの動的特性は無視することにする。そしてまず、上記2個の制御ループにもともと発生しているループ間干渉を以下のように仮定する。   The cross controller 4005 performs processing for previously canceling the influence due to the interference between the loops on the manipulated variables MV1 ′ and MV2 ′, a multiplier 4007 for multiplying the manipulated variable MV1 ′ by a coefficient M12, and an manipulated variable MV2 ′. A multiplier 4008 that multiplies the output by the coefficient M21, a subtracter 4009 that outputs the difference between the manipulated variable MV1 ′ and the output of the multiplier 4008 as the manipulated variable MV1, and a difference between the manipulated variable MV2 ′ and the output of the multiplier 4007. And a subtractor 4010 that outputs the manipulated variable MV2. Here, for simplicity of explanation, dynamic characteristics such as process time constant and process dead time are ignored. First, the inter-loop interference originally occurring in the above two control loops is assumed as follows.

Figure 0004382632
Figure 0004382632

操作量MV1,MV2と状態量平均値PV1’,状態量差PV2’との関係は以下のようになる。   The relationship between the manipulated variables MV1 and MV2, the state quantity average value PV1 ', and the state quantity difference PV2' is as follows.

Figure 0004382632
Figure 0004382632

非特許文献1によれば、非干渉化のためのクロスコントローラ4005は以下のように設計できる。   According to Non-Patent Document 1, the cross controller 4005 for non-interference can be designed as follows.

Figure 0004382632
Figure 0004382632

式(6)より、前述の係数M12は−1.0、係数M21は1.0となる。コントローラ4003により算出された操作量MV1’は、クロスコントローラ4005により操作量MV1に変換された後に図示しないアクチュエータを介して制御対象プロセス4006に送られ、コントローラ4004により算出された操作量MV2’は、クロスコントローラ4005により操作量MV2に変換された後にアクチュエータを介して制御対象プロセス4006に送られる。   From the equation (6), the coefficient M12 is −1.0 and the coefficient M21 is 1.0. The operation amount MV1 ′ calculated by the controller 4003 is converted to the operation amount MV1 by the cross controller 4005 and then sent to the control target process 4006 via an actuator (not shown). The operation amount MV2 ′ calculated by the controller 4004 is After being converted into the operation amount MV2 by the cross controller 4005, it is sent to the control target process 4006 via the actuator.

図11に示したクロスコントローラ4005を図10の制御装置に適用した構成を図12に示す。式(5)と式(6)より、コントローラC1,C2からの操作量MV1’,MV2’と状態量平均値PV1’,状態量差PV2’との関係は以下のようになる。   FIG. 12 shows a configuration in which the cross controller 4005 shown in FIG. 11 is applied to the control device of FIG. From equations (5) and (6), the relationship between the manipulated variables MV1 'and MV2' from the controllers C1 and C2, the state quantity average value PV1 ', and the state quantity difference PV2' is as follows.

Figure 0004382632
Figure 0004382632

式(7)では、行列部分が対角行列になっており、MV1’,MV2’とPV1’,PV2’との間には相互干渉が発生しないことになる。この非干渉化は、クロスコントローラの本質的な効果である。したがって、操作量MV1’を算出するコントローラC1を、状態量平均値PV1’を制御する専用コントローラとして独立に動作させ、操作量MV2’を算出するコントローラC2を、状態量差PV2’を制御する専用コントローラとして独立に動作させることが可能になる。   In Equation (7), the matrix portion is a diagonal matrix, and no mutual interference occurs between MV1 'and MV2' and PV1 'and PV2'. This decoupling is an essential effect of the cross controller. Therefore, the controller C1 for calculating the operation amount MV1 ′ is independently operated as a dedicated controller for controlling the state amount average value PV1 ′, and the controller C2 for calculating the operation amount MV2 ′ is exclusively used for controlling the state amount difference PV2 ′. It becomes possible to operate independently as a controller.

図11に示した制御装置と実質的に同じ手法を用いたものとして、傾斜温度制御の手法を用いた制御装置がある(例えば特許文献3参照)。特許文献3に開示された制御装置の構成を図13に示す。図13の制御装置は、制御対象プロセス5002の温度を制御する温度調節器5001を有し、温度調節器5001は、図示しない複数の温度センサによって計測された制御対象プロセス5002の温度(状態量)PV1,PV2から平均温度(状態量平均値)PV1’と傾斜温度(状態量差)PV2’とを算出する平均温度・傾斜温度算出手段5003と、状態量平均値PV1’,状態量差PV2’に基づいてそれぞれ操作量MV1’,MV2’を算出するコントローラ5004,5005と、操作量MV1’,MV2’を図示しないアクチュエータに所定の配分比で配分する配分手段5006とを有する。   As a device using substantially the same method as the control device shown in FIG. 11, there is a control device using a gradient temperature control method (see, for example, Patent Document 3). The configuration of the control device disclosed in Patent Document 3 is shown in FIG. 13 includes a temperature regulator 5001 that controls the temperature of the process to be controlled 5002. The temperature regulator 5001 is a temperature (state quantity) of the process to be controlled 5002 measured by a plurality of temperature sensors (not shown). Mean temperature / gradient temperature calculation means 5003 for calculating an average temperature (state quantity average value) PV1 ′ and a gradient temperature (state quantity difference) PV2 ′ from PV1 and PV2, a state quantity average value PV1 ′, and a state quantity difference PV2 ′. Controller 5004, 5005 for calculating the operation amounts MV1 ′, MV2 ′ based on the above, and a distribution means 5006 for distributing the operation amounts MV1 ′, MV2 ′ to the actuators (not shown) at a predetermined distribution ratio.

ここで、2個の制御ループにもともと発生しているループ間干渉については式(4)と同じとし、操作量MV1,MV2と状態量平均値PV1’,状態量差PV2’との関係については式(5)と同じとする。特許文献3によれば、式(5)の行列部分の逆行列により、配分手段5006は以下のように設計できる。   Here, the inter-loop interference originally occurring in the two control loops is assumed to be the same as in the equation (4), and the relationship between the manipulated variables MV1 and MV2 and the state quantity average value PV1 ′ and the state quantity difference PV2 ′ is as follows. It is the same as equation (5). According to Patent Document 3, the distribution unit 5006 can be designed as follows using the inverse matrix of the matrix portion of Equation (5).

Figure 0004382632
Figure 0004382632

コントローラ5004により算出された操作量MV1’は、配分手段5006により操作量MV1に変換された後に図示しないアクチュエータを介して制御対象プロセス5002に送られ、コントローラ5005により算出された操作量MV2’は、配分手段5006により操作量MV2に変換された後にアクチュエータを介して制御対象プロセス5002に送られる。式(5)と式(8)より、コントローラ5004,5005からの操作量MV1’,MV2’と状態量平均値PV1’,状態量差PV2’との関係は以下のようになる。   The operation amount MV1 ′ calculated by the controller 5004 is converted to the operation amount MV1 by the distribution unit 5006 and then sent to the control target process 5002 via an actuator (not shown). The operation amount MV2 ′ calculated by the controller 5005 is After being converted into the operation amount MV2 by the distribution unit 5006, it is sent to the control target process 5002 via the actuator. From the equations (5) and (8), the relationship between the operation amounts MV1 'and MV2' from the controllers 5004 and 5005, the state amount average value PV1 ', and the state amount difference PV2' is as follows.

Figure 0004382632
Figure 0004382632

式(9)においても、行列部分が対角行列になっており、MV1’,MV2’とPV1’,PV2’との間には相互干渉が発生しないことになる。この非干渉化は、傾斜温度制御の本質的な効果である。したがって、操作量MV1’を算出するコントローラ5004を、状態量平均値PV1’を制御する専用コントローラとして独立に動作させ、操作量MV2’を算出するコントローラ5005を、状態量差PV2’を制御する専用コントローラとして独立に動作させることが可能になる。   Also in Equation (9), the matrix portion is a diagonal matrix, and no mutual interference occurs between MV1 'and MV2' and PV1 'and PV2'. This decoupling is an essential effect of gradient temperature control. Therefore, the controller 5004 that calculates the operation amount MV1 ′ is independently operated as a dedicated controller that controls the state amount average value PV1 ′, and the controller 5005 that calculates the operation amount MV2 ′ is dedicated to control the state amount difference PV2 ′. It becomes possible to operate independently as a controller.

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開平8−095647号公報 特開平9−199491号公報 特許第3278807号公報 広井和男,「ディジタル計装制御システムの基礎と応用」,工業技術社,1987年10月,p.152−156,ISBN4−905957−00−1
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JP-A-8-095647 JP-A-9-199491 Japanese Patent No. 3278807 Kazuo Hiroi, “Basics and Applications of Digital Instrumentation Control System”, Industrial Technology Co., Ltd., October 1987, p. 152-156, ISBN4-905957-00-1

図12、図13に示した制御装置では、状態量変換部3003又は平均温度・傾斜温度算出手段5003において状態量平均値PV1’と状態量差PV2’を算出しているが、状態量平均値PV1’は「基準となる絶対的な状態量」に相当する基準状態量であり、状態量差PV2’は「状態量差などの相対的な状態量」に相当する相対状態量である。非特許文献1、特許文献3に開示された範囲では、基準状態量は、各制御ループの状態量の単純平均値であったり、単純に特定の1つの状態量であったりする。これらは広い上位概念で捉えれば、いずれも固定加重の加重平均値と言える。そして、各状態量が制約なしに制御され得る場合、基準状態量として固定加重の加重平均値を利用することは有効であり、特に単純平均値はバランスの良い公平な基準状態量になる。例えば2ループの場合は、PV1’=0.5PV1+0.5PV2のようになる。   In the control apparatus shown in FIGS. 12 and 13, the state quantity conversion unit 3003 or the average temperature / gradient temperature calculation means 5003 calculates the state quantity average value PV1 ′ and the state quantity difference PV2 ′. PV1 ′ is a reference state quantity corresponding to “reference absolute state quantity”, and state quantity difference PV2 ′ is a relative state quantity corresponding to “relative state quantity such as state quantity difference”. In the ranges disclosed in Non-Patent Document 1 and Patent Document 3, the reference state quantity is a simple average value of the state quantities of each control loop, or simply a specific one state quantity. These can be said to be weighted average values with a fixed weight if viewed by broad broad concepts. When each state quantity can be controlled without restriction, it is effective to use a weighted average value with a fixed weight as the reference state quantity. In particular, the simple average value is a well-balanced and fair reference state quantity. For example, in the case of two loops, PV1 '= 0.5PV1 + 0.5PV2.

しかし、操作量飽和などの制御上の制約が事実上予期せぬ形で発生する場合、固定加重であることが不都合に作用することもある。以下、図12、図13に示した制御装置の問題点を図14(a)、図14(b)を用いて説明する。ここでは、温度制御ループがI,II,IIIの3つあり、制御ループ間の温度差(相対状態量)を小さくすることを制御の目的とする。すなわち、各制御ループI,II,IIIにおいて温度(状態量)PV1,PV2,PV3が計測され、状態量変換部3003又は平均温度・傾斜温度算出手段5003により基準状態量計測値PV1’=(PV1+PV2+PV3)/3と相対状態量計測値PV2’=PV2−PV1と相対状態量計測値PV3’=PV3−PV2とが算出される。そして、PV1’,PV2’,PV3’に基づいて各制御ループI,II,IIIのコントローラにより操作量MV1’,MV2’,MV3’が算出され、この操作量MV1’,MV2’,MV3’がクロスコントローラ4005又は配分手段5006により操作量MV1,MV2,MV3に変換され、制御対象プロセスに出力される。   However, if control restrictions such as manipulated variable saturation occur in a virtually unexpected manner, the fixed weight may adversely affect. Hereinafter, problems of the control apparatus shown in FIGS. 12 and 13 will be described with reference to FIGS. 14 (a) and 14 (b). Here, there are three temperature control loops I, II, and III, and the purpose of the control is to reduce the temperature difference (relative state quantity) between the control loops. That is, the temperatures (state quantities) PV1, PV2, and PV3 are measured in the control loops I, II, and III, and the reference state quantity measured value PV1 ′ = (PV1 + PV2 + PV3) by the state quantity conversion unit 3003 or the average temperature / gradient temperature calculation means 5003. ) / 3 and relative state quantity measurement value PV2 ′ = PV2-PV1 and relative state quantity measurement value PV3 ′ = PV3-PV2. Based on PV1 ′, PV2 ′, and PV3 ′, the operation amounts MV1 ′, MV2 ′, and MV3 ′ are calculated by the controllers of the control loops I, II, and III, and the operation amounts MV1 ′, MV2 ′, and MV3 ′ are calculated. It is converted into operation amounts MV1, MV2, and MV3 by the cross controller 4005 or the distribution means 5006 and output to the process to be controlled.

図14(a)は、制御ループI,II,IIIの状態量設定値SPが全て30で整定している状態で外乱が印加されたときの制御系の外乱応答を示し、図14(b)は、外乱印加時に各制御ループI,II,IIIのコントローラから出力される操作量MV1’,MV2’,MV3’を示している。ループIII のコントローラの操作量MV3’の出力上限値を実験的に16%に設定して、出力飽和を発生し易くした。このため、基準状態量が制御ループI,II,IIIの温度の単純平均値である場合に、外乱応答途中でループIII の操作量MV3’が飽和し、昇温速度が頭打ちになったとする。すると、ループIII だけが昇温不足になり、図14(a)のようにループIII の温度PV3がループI,II の温度PV1,PV2から離れるようになる。基準状態量がループI,II,IIIの温度PV1,PV2,PV3の単純平均値であることから、ループIII の温度PV3とループI,II の温度PV1,PV2とに乖離が生じると、ループIII の温度PV3よりもループI,II の温度PV1,PV2に近い方の値が基準状態量計測値PV1’となる。したがって、各ループI,II,IIIのコントローラは、ループI,II の温度PV1,PV2,PV3をループIII の温度PV3に近づけることで温度差を小さくしようとするのではなく、ループIII の温度PV3をループI,II の温度PV1,PV2に近づけることで温度差を小さくしようとする。   FIG. 14A shows the disturbance response of the control system when a disturbance is applied in a state where the state quantity set values SP of the control loops I, II, and III are all set to 30. FIG. Indicates the manipulated variables MV1 ′, MV2 ′, and MV3 ′ output from the controllers of the control loops I, II, and III when a disturbance is applied. The output upper limit value of the manipulated variable MV3 'of the controller of loop III was experimentally set to 16% to facilitate output saturation. For this reason, when the reference state quantity is a simple average value of the temperatures of the control loops I, II, and III, it is assumed that the manipulated variable MV3 'of the loop III is saturated in the middle of the disturbance response and the temperature rising rate reaches a peak. Then, only the temperature of the loop III becomes insufficient, and the temperature PV3 of the loop III is separated from the temperatures PV1 and PV2 of the loops I and II as shown in FIG. Since the reference state quantity is a simple average value of the temperatures PV1, PV2, and PV3 of the loops I, II, and III, if a deviation occurs between the temperature PV3 of the loop III and the temperatures PV1 and PV2 of the loops I and II, The value closer to the temperatures PV1 and PV2 of the loops I and II than the temperature PV3 is the reference state measurement value PV1 ′. Therefore, the controller of each loop I, II, III does not attempt to reduce the temperature difference by bringing the temperatures PV1, PV2, PV3 of the loops I, II close to the temperature PV3 of the loop III, but the temperature PV3 of the loop III. Is made closer to the temperatures PV1 and PV2 of the loops I and II to reduce the temperature difference.

しかしながら、前述のようにループIII の操作量MV3’は既に飽和し、昇温速度が頭打ちになっているため、ループIII の温度PV3がループI,II の温度PV1,PV2に速やかに近づくような作用は起こらない。したがって、温度差を制御しながら、基準状態量も同時に制御できるという効果が得られなくなる。以上のように、図12、図13に示した制御装置では、制御上の制約次第で、状態量差を小さくするという本来の効果が大きく損なわれるという問題点がある。   However, as described above, the manipulated variable MV3 ′ of the loop III is already saturated and the rate of temperature rise has reached its peak, so that the temperature PV3 of the loop III quickly approaches the temperatures PV1 and PV2 of the loops I and II. There is no effect. Therefore, the effect that the reference state quantity can be controlled simultaneously while controlling the temperature difference cannot be obtained. As described above, the control devices shown in FIGS. 12 and 13 have a problem that the original effect of reducing the state quantity difference is greatly impaired depending on control restrictions.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、少なくとも2個の制御ループを有する制御系において状態量差が小さくなるように制御する際に、操作量飽和などの制御上の制約が事実上予期せぬ形で発生した場合であっても、本来の目的である状態量差を小さくするという効果が損なわれない制御装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problem. When a control system having at least two control loops is controlled so as to reduce the state quantity difference, control restrictions such as manipulated variable saturation are imposed. It is an object of the present invention to provide a control device that does not impair the effect of reducing the state quantity difference, which is the original purpose, even if it occurs in an unexpected manner.

本発明は、n(nは2以上の自然数)個の並列なPID制御ループを有する制御系の制御装置において、前記個のPID制御ループの状態量の加重平均値であって特定の基準となる絶対的な状態量を基準状態量とし、状態量差である相対的な状態量を相対状態量としたとき、前記n個のPID制御ループの各状態量計測値の加重平均である基準状態量計測値と、異なるPID制御ループの状態量計測値間の相対的な関係を与える相対状態量計測値とが変換後に含まれるように、前記n個のPID制御ループの各状態量計測値をn×nの状態量変換行列により線形結合して前記基準状態量計測値相対状態量計測値に変換する状態量変換部と、前記変換された各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差に基づき操作量を算出するn個のPID制御演算部と、前記算出されたn個の操作量を、非干渉化として各PID制御演算部による制御が他のPID制御演算部による制御に与える影響をなくす又は小さくするように、n×nの操作量変換行列により各PID制御ループに配分されるように変換し、変換したn個の操作量をそれぞれ対応するPID制御ループの制御対象に出力する操作量変換部と、前記n個のPID制御ループの各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差を前記状態量計測値毎に算出する制御偏差算出部と、前記算出された各制御偏差の絶対値を比較し、制御偏差の絶対値が最も大きなPID制御ループを探索する最大偏差制御系探索部と、前記算出された制御偏差の絶対値が大きなPID制御ループほど前記加重平均値の加重を大きく修正することにより、前記状態量変換行列とこれに対応する操作量変換行列を修正する行列修正部とを備えるものである。 The present invention provides a control system controller having n (n is a natural number of 2 or more) parallel PID control loops, a weighted average value of the state quantities of the n PID control loops, and a specific reference The reference state which is a weighted average of the measured values of the respective state quantities of the n PID control loops, where the absolute state quantity is a reference state quantity and the relative state quantity which is a state quantity difference is a relative state quantity. Each state quantity measurement value of the n PID control loops is included so that a quantity measurement value and a relative state quantity measurement value that gives a relative relationship between the state quantity measurement values of different PID control loops are included after conversion. a state quantity conversion unit that performs linear combination by an n × n state quantity conversion matrix to convert the reference state quantity measurement value and the relative state quantity measurement value , the converted state quantity measurement values, and the corresponding state quantity measurement values The manipulated variable is based on the control deviation from the state quantity set value. The n PID control arithmetic units to be output and the calculated n operation amounts are made non-interfering so that the influence of the control by each PID control arithmetic unit on the control by other PID control arithmetic units is eliminated or reduced. As described above, an operation amount conversion unit that converts an n × n operation amount conversion matrix so as to be distributed to each PID control loop and outputs the converted n operation amounts to control targets of the corresponding PID control loops, A control deviation calculation unit for calculating a control deviation between each state quantity measurement value of each of the n PID control loops and each state quantity set value corresponding thereto, and each of the calculated controls A maximum deviation control system search unit that compares absolute values of deviations and searches for a PID control loop having the largest absolute value of control deviation, and a PID control loop having a larger absolute value of the calculated control deviation, By significantly modify the heavy, those comprising a matrix correction unit for correcting the state quantity conversion matrix and the operation amount conversion matrix corresponding thereto.

また、本発明の制御装置の1構成例において、前記操作量変換行列は、傾斜温度制御手法により設計されることにより、前記n個のPID制御ループの操作量と前記状態量変換部により変換された各状態量計測値との関係を与える行列との積が単位行列になる逆行列として設定されるものである。
また、本発明の制御装置の1構成例において、前記操作量変換行列は、クロスコントローラ設計手法により設計されることにより、前記n個のPID制御ループの操作量と前記状態量変換部により変換された各状態量計測値との関係を与える行列との積が対角行列になる行列として設定されるものである。
Further, in one configuration example of the control device of the present invention, the manipulated variable conversion matrix is converted by the manipulated variable of the n PID control loops and the state variable converter by being designed by a gradient temperature control method. In addition, a product with a matrix that gives a relationship with each state quantity measurement value is set as an inverse matrix that becomes a unit matrix .
Further, in one configuration example of the control device of the present invention, the operation amount conversion matrix is converted by the operation amount of the n PID control loops and the state amount conversion unit by being designed by a cross controller design method. In addition, the product of the matrix and the matrix giving the relationship with each state quantity measurement value is set as a diagonal matrix .

本発明によれば、n個の制御ループの各状態量計測値をn×nの状態量変換行列により各状態量計測値を線形結合した値に変換する状態量変換部と、変換された各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差に基づき各制御ループの操作量を算出する制御演算部と、算出されたn個の操作量をn×nの操作量変換行列により各制御ループに配分されるように変換し、変換したn個の操作量をそれぞれ対応する制御ループの制御対象に出力する操作量変換部とを設けることにより、複数の状態量間の状態量差などの相対状態量を所望の値に維持しつつ、基準状態量を所望の値に変更する制御を実現することができる。さらに、本発明では、状態量変換行列および操作量変換行列を適応的に修正する行列修正部を設けることにより、相対状態量が小さくなるように制御する際に、操作量飽和などの制御上の制約が事実上予期せぬ形で発生した場合であっても、本来の目的である、状態量差を小さくするという効果が損なわれることを回避できる。   According to the present invention, each state quantity measurement value of the n control loops is converted into a value obtained by linearly combining each state quantity measurement value by an n × n state quantity conversion matrix, and each converted quantity A control operation unit that calculates an operation amount of each control loop based on a control deviation between the state amount measurement value and each state amount setting value corresponding thereto, and n × n operation amount conversion of the calculated n operation amounts. A state between a plurality of state quantities is provided by providing an operation amount conversion unit that converts the n manipulated variables to be distributed to each control loop by a matrix and outputs the converted n manipulated variables to the control target of the corresponding control loop. Control that changes the reference state quantity to a desired value while maintaining a relative state quantity such as a quantity difference at a desired value can be realized. Furthermore, in the present invention, by providing a matrix correction unit that adaptively corrects the state quantity conversion matrix and the operation quantity conversion matrix, when controlling the relative state quantity to be small, Even when the restriction is generated in an unexpected manner, it is possible to avoid losing the effect of reducing the state quantity difference, which is the original purpose.

また、本発明では、制御系の制約により相対状態量計測値の制御に乱れがあるときに、制約を受けている制御ループの制御演算部よりも制約を受けていない制御ループの制御演算部が相対状態量計測値の乱れを整える制御をより強く要求されるように、状態量変換行列とこれに対応する操作量変換行列を適応的に修正することにより、制御上の制約が事実上予期せぬ形で発生した場合であっても、状態量差を小さくするという効果が損なわれることを回避できる。   Further, in the present invention, when there is a disturbance in the control of the relative state quantity measurement value due to control system constraints, the control calculation unit of the control loop that is not restricted than the control calculation unit of the control loop that is restricted is Control constraints can be virtually anticipated by adaptively modifying the state variable transformation matrix and the corresponding manipulated variable transformation matrix so that control that corrects the disturbance of the relative state variable measurement value is more strongly required. Even if it occurs in a non-circular shape, it can be avoided that the effect of reducing the state quantity difference is impaired.

[発明の原理]
以下、本発明では、例えば状態量平均値のような基準となる絶対的な状態量を基準状態量、例えば状態量差のような相対的な状態量を相対状態量と称する。また、基準状態量に対する設定値を基準状態量設定値、基準状態量の計測値を基準状態量計測値、相対状態量に対する設定値を相対状態量設定値、相対状態量の計測値を相対状態量計測値と称する。状態量としては、例えば温度、圧力、流量などがある。
[Principle of the Invention]
Hereinafter, in the present invention, an absolute state quantity serving as a reference, for example, a state quantity average value, is referred to as a reference state quantity, for example, a relative state quantity, such as a state quantity difference, is referred to as a relative state quantity. Also, the setting value for the reference state quantity is the reference state quantity setting value, the reference state quantity measurement value is the reference state quantity measurement value, the relative state quantity setting value is the relative state quantity setting value, and the relative state quantity measurement value is the relative state This is called a quantity measurement value. Examples of the state quantity include temperature, pressure, and flow rate.

本発明では、基準状態量が各制御ループの状態量の固定加重の加重平均値であるところに、図12、図13に示した制御装置の問題点の発生要因があることに着眼する。すなわち、前述の問題点は、例えばループIII の温度が操作量飽和等の原因によりループI,II の温度から離れる場合、各制御ループの目指すべき基準状態量計測値がループIII の温度よりもループI,II の温度に近い方の値になるために、もともと制約を受けているループIII のコントローラが、状態量差を整える制御をより強く要求されることに起因する。   In the present invention, it is noted that there is a cause of the problem of the control device shown in FIGS. 12 and 13 where the reference state quantity is a weighted average value of fixed weights of the state quantities of each control loop. That is, the above-described problem is that, for example, when the temperature of loop III deviates from the temperatures of loops I and II due to operation amount saturation or the like, the reference state quantity measurement value to be aimed at by each control loop is larger than the loop III temperature. This is due to the fact that the controller of Loop III, which is originally restricted, is more strongly required to control the state quantity difference in order to become the value closer to the temperature of I and II.

本発明は、上記着眼点に基づき、何らかの制約により状態量差の制御を乱す要因となっている制御ループが存在している場合に、適応的に加重平均の加重を修正し、制約を受けていない制御ループのコントローラに対して、状態量差を整える制御をより強く要求できるようにすることで、前述の課題を解決する。具体的には、状態量差の制御を最も乱す要因になっている制御ループの状態量計測値に基準状態量計測値が近づくように、加重平均の加重を適応修正する。   The present invention adaptively corrects the weighted average weight when there is a control loop that is a factor that disturbs the control of the state quantity difference due to some restrictions based on the above point of view. The above-mentioned problem is solved by making it possible to more strongly request the control of the state quantity difference to the controller of the non-control loop. Specifically, the weighted average weight is adaptively corrected so that the reference state quantity measurement value approaches the state quantity measurement value of the control loop which is the most disturbing factor of the state quantity difference control.

本発明では、n個の制御ループにおいて、各ループの状態量差が小さくなるように制御することを想定する。操作量飽和などの制御上の制約が事実上予期せぬ形で発生している制御ループを、確実に把握できるとは限らない。しかし、このような制約が状態量差の制御を乱す要因になっているものとすれば、制約を受けている制御ループの応答が遅れていて他のループへの追従が不十分になっている状況が最も想定される。そこで、応答が遅れている制御ループに他の制御ループが合わせるように加重平均の加重を適応修正すればよい。   In the present invention, it is assumed that control is performed so that the state quantity difference of each loop becomes small in n control loops. It is not always possible to reliably grasp a control loop in which control restrictions such as operation amount saturation occur in an unexpected manner. However, if such a constraint is a factor that disturbs the control of the state quantity difference, the response of the control loop receiving the constraint is delayed and the follow-up to other loops is insufficient. The situation is most likely. Therefore, it is only necessary to adaptively correct the weighted average weight so that other control loops are matched with the control loops with delayed responses.

具体的には、状態量設定値SPiと状態量計測値PViとの制御偏差Eri0の絶対値が最も大きなループの状態量に対する加重が1となり、他の制御ループの状態量に対する加重が0となるように、状態量の加重平均の加重を適応修正する。この場合、加重が急変すると制御動作が不連続になりやすいので、加重の修正処理に時間遅れフィルタを適用して、加重が徐々に変化するようにするのが好ましい。例えば、各制御ループの応答波形にオーバーシュートが発生しない場合には、偏差の絶対値が最も大きなループの状態量に対する加重を急に1に変えたとしても、制御応答に極端な不連続が発生する確率は低い。しかし、応答波形にオーバーシュートが発生する場合に、偏差の絶対値が最も大きなループの状態量に対する加重を急に1に変えると、偏差の絶対値が最も大きなループが状態量設定値SPiの上側と下側とで突然入れ代わるような状況が発生し得るため、極端な不連続が発生する。   Specifically, the weight for the state quantity of the loop having the largest absolute value of the control deviation Eri0 between the state quantity set value SPi and the state quantity measurement value PVi is 1, and the weight for the state quantity of the other control loop is 0. Thus, the weighted average weight of the state quantity is adaptively corrected. In this case, since the control operation tends to be discontinuous when the weight changes suddenly, it is preferable to apply a time delay filter to the weight correction process so that the weight gradually changes. For example, if no overshoot occurs in the response waveform of each control loop, even if the weight for the state quantity of the loop having the largest deviation is suddenly changed to 1, an extreme discontinuity occurs in the control response The probability of doing is low. However, when the overshoot occurs in the response waveform, if the weight for the state quantity of the loop having the largest absolute value is suddenly changed to 1, the loop having the largest absolute value of the deviation becomes the upper side of the state quantity set value SPi. Since a situation can occur that suddenly changes between the lower side and the lower side, an extreme discontinuity occurs.

なお、加重の適応修正の方法としては、偏差の絶対値が最も大きなループの状態量に対する加重を1とする方法に限らず、例えば偏差の絶対値が最も大きなループの状態量に対する加重を0.8として、残りの0.2の加重を他のループの状態量に対する加重として均等割りするといったように、偏差の絶対値が大きなループほど加重が大きくなるようにすれば、それなりに課題解決の効果は得られる。   The method of adaptively correcting the weight is not limited to a method in which the weight for the state quantity of the loop having the largest absolute value of the deviation is set to 1. For example, the weight for the state quantity of the loop having the largest absolute value of the deviation is set to 0. As shown in FIG. 8, if the remaining weight of 0.2 is equally divided as the weight of the state quantity of other loops, the weight is increased as the loop with a larger absolute value of the deviation becomes effective. Is obtained.

状態量変換部(平均温度・傾斜温度算出手段5003)の変換行列を適応修正すると、これに伴い操作量変換部(クロスコントローラ4005又は配分手段5006)の逆行列も修正することになる。したがって、逆行列算出を必要に応じて実行するか、あるいは変換行列と逆行列のペアを予め複数用意しておいて、制御偏差の絶対値が最も大きなループに対応するペアを適宜選択することにより、実質的な適応修正を実現することになる。   When the conversion matrix of the state quantity conversion unit (average temperature / gradient temperature calculation unit 5003) is adaptively corrected, the inverse matrix of the operation amount conversion unit (cross controller 4005 or distribution unit 5006) is also corrected accordingly. Therefore, by performing inverse matrix calculation as necessary, or by preparing a plurality of pairs of transformation matrix and inverse matrix in advance and appropriately selecting the pair corresponding to the loop with the largest absolute value of control deviation Thus, substantial adaptive correction will be realized.

[実施の形態]
図1は、本発明の実施の形態となる制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、制御ループが3個で、基準状態量として3個の制御ループの状態量平均値を採用し、相対状態量として3個の制御ループの各状態量の差を採用する場合の例であるが、2個以上の制御ループであれば同様の原理で、同様の制御系を構成できる。
[Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a control apparatus according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, there are three control loops, the average value of the three control loops is used as the reference state quantity, and the difference between the three control loops is used as the relative state quantity. However, if two or more control loops are used, a similar control system can be configured based on the same principle.

図1の制御装置は、第1の状態量に関する第1の計測系の構成として、状態量設定値SP1入力部1−1と、状態量計測値PV1入力部2−1と、制御偏差Er10算出部3−1とを備え、第2の状態量に関する第2の計測系の構成として、状態量設定値SP2入力部1−2と、状態量計測値PV2入力部2−2と、制御偏差Er20算出部3−2とを備え、第3の状態量に関する第3の計測系の構成として、状態量設定値SP3入力部1−3と、状態量計測値PV3入力部2−3と、制御偏差Er30算出部3−3とを備える。   The control device in FIG. 1 calculates a state quantity set value SP1 input unit 1-1, a state quantity measurement value PV1 input unit 2-1, and a control deviation Er10 as the configuration of the first measurement system related to the first state quantity. Unit 3-1 and the configuration of the second measurement system related to the second state quantity includes a state quantity set value SP2 input unit 1-2, a state quantity measurement value PV2 input unit 2-2, and a control deviation Er20. A calculation unit 3-2, and the configuration of the third measurement system relating to the third state quantity includes a state quantity set value SP3 input unit 1-3, a state quantity measurement value PV3 input unit 2-3, and a control deviation. An Er30 calculator 3-3.

また、図1の制御装置は、状態量変換に関する構成として、状態量変換を実行するための状態量変換行列Tを記憶する状態量変換行列T記憶部4と、状態量変換行列Tにより状態量設定値の変換を実行する状態量設定値変換部5と、状態量変換行列Tにより状態量計測値の変換を実行する状態量計測値変換部6とを備える。   1 has a state quantity conversion matrix T storage unit 4 that stores a state quantity conversion matrix T for executing state quantity conversion, and a state quantity conversion matrix T as a configuration related to state quantity conversion. A state quantity set value conversion unit 5 that executes the conversion of the set values and a state quantity measurement value conversion unit 6 that executes the conversion of the state quantity measurement values using the state quantity conversion matrix T are provided.

また、図1の制御装置は、制御に関する構成として、基準状態量設定値SP1’と計測値PV1’に基づき操作量MV1’を算出するPID制御演算部(PIDコントローラ)7−1と、相対状態量設定値SP2’と計測値PV2’に基づき操作量MV2’を算出するPID制御演算部7−2と、相対状態量設定値SP3’と計測値PV3’に基づき操作量MV3’を算出するPID制御演算部7−3と、操作量変換を実行するための操作量変換行列Uを記憶する操作量変換行列U記憶部8と、操作量変換行列Uにより操作量の変換を実行する操作量変換部9と、操作量MV1出力部10−1と、操作量MV2出力部10−2と、操作量MV3出力部10−3とを備える。   In addition, the control device of FIG. 1 includes a PID control calculation unit (PID controller) 7-1 that calculates an operation amount MV1 ′ based on a reference state amount set value SP1 ′ and a measured value PV1 ′ as a configuration related to control, and a relative state. A PID control calculation unit 7-2 that calculates the operation amount MV2 ′ based on the amount setting value SP2 ′ and the measurement value PV2 ′, and a PID that calculates the operation amount MV3 ′ based on the relative state amount setting value SP3 ′ and the measurement value PV3 ′. A control calculation unit 7-3, an operation amount conversion matrix U storage unit 8 for storing an operation amount conversion matrix U for executing an operation amount conversion, and an operation amount conversion for performing operation amount conversion by the operation amount conversion matrix U Unit 9, an operation amount MV1 output unit 10-1, an operation amount MV2 output unit 10-2, and an operation amount MV3 output unit 10-3.

さらに、図1の制御装置は、加重適応修正に関する構成として、各制御系の制御偏差の絶対値を比較し、制御偏差の絶対値が最も大きな制御系を探索する最大偏差制御系探索部11と、最大偏差制御系の状態量に対する加重が最大になるような状態量変換行列Tと操作量変換行列Uを、状態量変換行列T記憶部4と操作量変換行列U記憶部8に格納する行列修正部12とを備える。なお、状態量変換行列Tは、制御ループ数がnの場合はn×nの正方行列であり、逆行列T-1が存在する必要がある。 Further, the control device of FIG. 1 has a configuration relating to weighted adaptive correction, and compares the absolute values of the control deviations of the respective control systems and searches for a control system having the largest absolute value of the control deviations, A matrix for storing the state quantity conversion matrix T and the manipulated variable conversion matrix U in the state quantity conversion matrix T storage unit 4 and the manipulated variable conversion matrix U storage unit 8 so that the weight on the state quantity of the maximum deviation control system is maximized. And a correction unit 12. Note that the state quantity conversion matrix T is an n × n square matrix when the number of control loops is n, and an inverse matrix T −1 needs to exist.

図2は本実施の形態における制御系のブロック線図である。A1は第1の状態量を制御するアクチュエータ、A2は第2の状態量を制御するアクチュエータ、A3は第3の状態量を制御するアクチュエータ、P1は第1の状態量に係る制御対象プロセス、P2は第2の状態量に係る制御対象プロセス、P3は第3の状態量に係る制御対象プロセス、Gp1はアクチュエータA1とプロセスP1とを含むブロックの伝達関数、Gp2はアクチュエータA2とプロセスP2とを含むブロックの伝達関数、Gp3はアクチュエータA3とプロセスP3とを含むブロックの伝達関数である。   FIG. 2 is a block diagram of the control system in the present embodiment. A1 is an actuator that controls the first state quantity, A2 is an actuator that controls the second state quantity, A3 is an actuator that controls the third state quantity, P1 is a process to be controlled related to the first state quantity, P2 Is a control target process related to the second state quantity, P3 is a control target process related to the third state quantity, Gp1 is a transfer function of a block including the actuator A1 and the process P1, and Gp2 includes the actuator A2 and the process P2. A transfer function Gp3 of the block is a transfer function of the block including the actuator A3 and the process P3.

状態量設定値SP1入力部1−1と、状態量計測値PV1入力部2−1と、制御偏差Er10算出部3−1と、状態量設定値変換部5と、状態量計測値変換部6と、PID制御演算部7−1,7−2,7−3と、操作量変換部9と、操作量MV1出力部10−1と、アクチュエータA1と、プロセスP1とは、第1の制御系(第1の制御ループ)を構成している。状態量設定値SP2入力部1−2と、状態量計測値PV2入力部2−2と、制御偏差Er20算出部3−2と、状態量設定値変換部5と、状態量計測値変換部6と、PID制御演算部7−1,7−2,7−3と、操作量変換部9と、操作量MV2出力部10−2と、アクチュエータA2と、プロセスP2とは、第2の制御系(第2の制御ループ)を構成している。そして、状態量設定値SP3入力部1−3と、状態量計測値PV3入力部2−3と、制御偏差Er30算出部3−3と、状態量設定値変換部5と、状態量計測値変換部6と、PID制御演算部7−1,7−2,7−3と、操作量変換部9と、操作量MV3出力部10−3と、アクチュエータA3と、プロセスP3とは、第3の制御系(第3の制御ループ)を構成している。   State quantity set value SP1 input section 1-1, state quantity measurement value PV1 input section 2-1, control deviation Er10 calculation section 3-1, state quantity set value conversion section 5, and state quantity measurement value conversion section 6 The PID control operation units 7-1, 7-2 and 7-3, the operation amount conversion unit 9, the operation amount MV1 output unit 10-1, the actuator A 1, and the process P 1 are the first control system. (First control loop) is configured. State quantity set value SP2 input section 1-2, state quantity measurement value PV2 input section 2-2, control deviation Er20 calculation section 3-2, state quantity set value conversion section 5, and state quantity measurement value conversion section 6 The PID control operation units 7-1, 7-2, 7-3, the operation amount conversion unit 9, the operation amount MV2 output unit 10-2, the actuator A 2, and the process P 2 are the second control system. (Second control loop) is configured. Then, the state quantity set value SP3 input unit 1-3, the state quantity measurement value PV3 input unit 2-3, the control deviation Er30 calculation unit 3-3, the state quantity set value conversion unit 5, and the state quantity measurement value conversion Unit 6, PID control operation units 7-1, 7-2, 7-3, manipulated variable converter 9, manipulated variable MV3 output unit 10-3, actuator A 3, and process P 3 are the third A control system (third control loop) is configured.

次に、本実施の形態の制御装置の動作を図3を用いて説明する。まず、状態量計測値PV1は、図示しない第1の検出手段によって検出され、状態量計測値PV1入力部2−1を介して制御偏差Er10算出部3−1と状態量計測値変換部6に入力される(図3ステップS101)。状態量計測値PV2は、図示しない第2の検出手段によって検出され、状態量計測値PV2入力部2−2を介して制御偏差Er20算出部3−2と状態量計測値変換部6に入力される(ステップS102)。状態量計測値PV3は、図示しない第3の検出手段によって検出され、状態量計測値PV3入力部2−3を介して制御偏差Er30算出部3−3と状態量計測値変換部6に入力される(ステップS103)。   Next, the operation of the control device of the present embodiment will be described with reference to FIG. First, the state quantity measurement value PV1 is detected by a first detection unit (not shown), and is sent to the control deviation Er10 calculation unit 3-1 and the state quantity measurement value conversion unit 6 via the state quantity measurement value PV1 input unit 2-1. Input (step S101 in FIG. 3). The state quantity measurement value PV2 is detected by a second detection unit (not shown), and is input to the control deviation Er20 calculation unit 3-2 and the state quantity measurement value conversion unit 6 via the state quantity measurement value PV2 input unit 2-2. (Step S102). The state quantity measurement value PV3 is detected by a third detection unit (not shown), and is input to the control deviation Er30 calculation unit 3-3 and the state quantity measurement value conversion unit 6 via the state quantity measurement value PV3 input unit 2-3. (Step S103).

状態量設定値SP1は、制御装置のオペレータによって設定され、状態量設定値SP1入力部1−1を介して制御偏差Er10算出部3−1と状態量設定値変換部5に入力される(ステップS104)。状態量設定値SP2は、オペレータによって設定され、状態量設定値SP2入力部1−2を介して制御偏差Er20算出部3−2と状態量設定値変換部5に入力される(ステップS105)。状態量設定値SP3は、オペレータによって設定され、状態量設定値SP3入力部1−3を介して制御偏差Er30算出部3−3と状態量設定値変換部5に入力される(ステップS106)。   The state quantity set value SP1 is set by the operator of the control device, and is input to the control deviation Er10 calculation unit 3-1 and the state quantity set value conversion unit 5 via the state quantity set value SP1 input unit 1-1 (Step S1). S104). The state quantity set value SP2 is set by the operator, and is input to the control deviation Er20 calculation unit 3-2 and the state quantity set value conversion unit 5 via the state quantity set value SP2 input unit 1-2 (step S105). The state quantity set value SP3 is set by the operator, and is input to the control deviation Er30 calculation unit 3-3 and the state quantity set value conversion unit 5 via the state quantity set value SP3 input unit 1-3 (step S106).

続いて、制御偏差Er10算出部3−1は、状態量設定値SP1と状態量計測値PV1との制御偏差Er10を次式のように算出して最大偏差制御系探索部11に出力する(ステップS107)。
Er10=SP1−PV1 ・・・(10)
Subsequently, the control deviation Er10 calculation unit 3-1 calculates the control deviation Er10 between the state quantity set value SP1 and the state quantity measurement value PV1 as shown in the following equation and outputs the control deviation Er10 to the maximum deviation control system search unit 11 (step S1). S107).
Er10 = SP1-PV1 (10)

制御偏差Er20算出部3−2は、状態量設定値SP2と状態量計測値PV2との制御偏差Er20を次式のように算出して最大偏差制御系探索部11に出力する(ステップS108)。
Er20=SP2−PV2 ・・・(11)
The control deviation Er20 calculation unit 3-2 calculates the control deviation Er20 between the state quantity set value SP2 and the state quantity measurement value PV2 as shown in the following equation, and outputs it to the maximum deviation control system search unit 11 (step S108).
Er20 = SP2-PV2 (11)

制御偏差Er30算出部3−3は、状態量設定値SP3と状態量計測値PV3との制御偏差Er30を次式のように算出して最大偏差制御系探索部11に出力する(ステップS109)。
Er30=SP3−PV3 ・・・(12)
The control deviation Er30 calculation unit 3-3 calculates the control deviation Er30 between the state quantity set value SP3 and the state quantity measurement value PV3 as shown in the following equation and outputs it to the maximum deviation control system search unit 11 (step S109).
Er30 = SP3-PV3 (12)

次に、最大偏差制御系探索部11は、制御偏差Er10,Er20,Er30の絶対値|Er10|,|Er20|,|Er30|を求めて、この各制御系の制御偏差の絶対値に基づき、制御偏差の絶対値が最も大きな制御系j(以下、最大偏差制御系jと呼ぶ)を特定する(ステップS110)。   Next, the maximum deviation control system search unit 11 obtains absolute values | Er10 |, | Er20 |, | Er30 | of the control deviations Er10, Er20, Er30, and based on the absolute values of the control deviations of the respective control systems, A control system j having the largest absolute value of the control deviation (hereinafter referred to as the maximum deviation control system j) is specified (step S110).

行列修正部12は、最大偏差制御系jの状態量に対する加重が1となり、他の制御系の状態量に対する加重が0となるような状態量変換行列Tを選択して、選択した状態量変換行列Tを状態量変換行列T記憶部4に設定する(ステップS111)。
行列修正部12は、第1の制御系が最大偏差制御系jである場合、予め定められた式(13)のような状態量変換行列Tを選択する。
The matrix correction unit 12 selects the state quantity conversion matrix T such that the weight for the state quantity of the maximum deviation control system j is 1 and the weight for the state quantity of the other control system is 0, and the selected state quantity conversion is performed. The matrix T is set in the state quantity conversion matrix T storage unit 4 (step S111).
When the first control system is the maximum deviation control system j, the matrix correction unit 12 selects a state quantity conversion matrix T as shown in Expression (13).

Figure 0004382632
Figure 0004382632

後述する状態量設定値の変換と状態量計測値の変換の際に、式(13)の状態量変換行列Tを用いると、基準状態量設定値SP1’は状態量設定値SP1と等しくなり、状態量計測値PV1’は状態量計測値PV1と等しくなる。これは、3個の制御ループの状態量の加重平均値を基準状態量とする場合に、第1の制御系の状態量に対する加重を1とし、他の制御系の状態量に対する加重を0としたことに相当する。   When the state quantity set value and the state quantity measurement value, which will be described later, are converted, the state quantity set value SP1 ′ is equal to the state quantity set value SP1 using the state quantity conversion matrix T of Expression (13). The state quantity measurement value PV1 ′ is equal to the state quantity measurement value PV1. When the weighted average value of the state quantities of the three control loops is set as the reference state quantity, the weight for the state quantity of the first control system is set to 1, and the weight for the state quantities of the other control systems is set to 0. This is equivalent to

行列修正部12は、第2の制御系が最大偏差制御系jである場合、予め定められた式(14)のような状態量変換行列Tを選択する。   When the second control system is the maximum deviation control system j, the matrix correction unit 12 selects a state quantity conversion matrix T as shown in Expression (14).

Figure 0004382632
Figure 0004382632

行列修正部12は、第3の制御系が最大偏差制御系jである場合、予め定められた式(15)のような状態量変換行列Tを選択する。   When the third control system is the maximum deviation control system j, the matrix correction unit 12 selects a state quantity conversion matrix T as shown in a predetermined equation (15).

Figure 0004382632
Figure 0004382632

2つの制御系が同時に最大偏差制御系jとなる場合、例えば第1の制御系と第2の制御系が最大偏差制御系jとなる場合には、式(13)、式(14)のうちどちらか1つを選択すればよく、3つの制御系が同時に最大偏差制御系jとなる場合には、式(13)、式(14)、式(15)のうちどれか1つを選択すればよい。   When the two control systems simultaneously become the maximum deviation control system j, for example, when the first control system and the second control system become the maximum deviation control system j, among the expressions (13) and (14) Any one of them may be selected, and when three control systems become the maximum deviation control system j at the same time, select one of the equations (13), (14), and (15). That's fine.

なお、式(13)〜式(15)の状態量変換行列Tは、加重の修正と共に相対状態量の修正の役割も担っている。すなわち、状態量変換行列Tは、最大偏差制御系jの状態量と他の制御系の状態量との差が相対状態量になるように予め設定されている。例えば、状態量設定値の変換と状態量計測値の変換の際に、式(13)の状態量変換行列Tを用いると、相対状態量設定値SP2’はSP1−SP2となり、相対状態量設定値SP3’はSP1−SP3となり、状態量計測値PV2’はPV1−PV2となり、状態量計測値PV3’はPV1−PV3となる。最大偏差制御系jに応じて相対状態量を修正する理由は、最大偏差制御系jの状態量を基準として相対状態量を定めた方が、相対状態量を良好に制御できるからである。   It should be noted that the state quantity conversion matrix T in the equations (13) to (15) plays a role of correcting the relative state quantity as well as correcting the weight. That is, the state quantity conversion matrix T is set in advance so that the difference between the state quantity of the maximum deviation control system j and the state quantity of the other control system becomes a relative state quantity. For example, when the state quantity set value and the state quantity measurement value are converted, if the state quantity conversion matrix T of Expression (13) is used, the relative state quantity set value SP2 ′ becomes SP1-SP2, and the relative state quantity setting is performed. The value SP3 ′ is SP1-SP3, the state quantity measurement value PV2 ′ is PV1-PV2, and the state quantity measurement value PV3 ′ is PV1-PV3. The reason for correcting the relative state quantity according to the maximum deviation control system j is that the relative state quantity can be controlled better if the relative state quantity is determined based on the state quantity of the maximum deviation control system j.

また、行列修正部12は、最大偏差制御系jの状態量に対する加重が1となり、他の制御系の状態量に対する加重が0となるような状態量変換行列Tに対応して設計される操作量変換行列Uを選択して、選択した操作量変換行列Uを操作量変換行列U記憶部8に設定する(ステップS112)。
行列修正部12は、第1の制御系が最大偏差制御系jである場合、予め定められた式(16)のような操作量変換行列Uを選択する。
Further, the matrix correction unit 12 is an operation designed to correspond to the state quantity conversion matrix T in which the weight for the state quantity of the maximum deviation control system j is 1 and the weight for the state quantity of the other control system is 0. The amount conversion matrix U is selected, and the selected operation amount conversion matrix U is set in the operation amount conversion matrix U storage unit 8 (step S112).
When the first control system is the maximum deviation control system j, the matrix correction unit 12 selects a manipulated variable conversion matrix U as shown in Expression (16).

Figure 0004382632
Figure 0004382632

行列修正部12は、第2の制御系が最大偏差制御系jである場合、予め定められた式(17)のような操作量変換行列Uを選択する。   When the second control system is the maximum deviation control system j, the matrix correction unit 12 selects a manipulated variable conversion matrix U as shown in Expression (17).

Figure 0004382632
Figure 0004382632

行列修正部12は、第3の制御系が最大偏差制御系jである場合、予め定められた式(18)のような操作量変換行列Uを選択する。   When the third control system is the maximum deviation control system j, the matrix correction unit 12 selects a manipulated variable conversion matrix U as shown in Expression (18).

Figure 0004382632
Figure 0004382632

なお、式(16)〜式(18)のP-1は、制御対象のゲイン行列Pの逆行列であり、行列修正部12に予め記憶されている。ゲイン行列Pは、制御ループ数がnの場合はn×nの正方行列であり、本実施の形態では次式のようになる。 Note that P −1 in Expressions (16) to (18) is an inverse matrix of the gain matrix P to be controlled, and is stored in advance in the matrix correction unit 12. The gain matrix P is an n × n square matrix when the number of control loops is n, and is represented by the following equation in the present embodiment.

Figure 0004382632
Figure 0004382632

式(19)において、I11は操作量MV1が状態量計測値PV1に伝わるときのゲイン、I21は操作量MV2が状態量計測値PV1に伝わるときのゲイン、I31は操作量MV3が状態量計測値PV1に伝わるときのゲイン、I12は操作量MV1が状態量計測値PV2に伝わるときのゲイン、I22は操作量MV2が状態量計測値PV2に伝わるときのゲイン、I32は操作量MV3が状態量計測値PV2に伝わるときのゲイン、I13は操作量MV1が状態量計測値PV3に伝わるときのゲイン、I23は操作量MV2が状態量計測値PV3に伝わるときのゲイン、I33は操作量MV3が状態量計測値PV3に伝わるときのゲインである。ゲイン(伝達係数)I11〜I33は、特許文献3に記載されているように、予め複数のループ間の干渉を調査することにより与えられる。 In Expression (19), I 11 is a gain when the manipulated variable MV1 is transmitted to the state quantity measured value PV1, I 21 is a gain when the manipulated variable MV2 is transmitted to the state quantity measured value PV1, and I 31 is a state where the manipulated variable MV3 is in the state. gain when gain when transmitted to the amount measured values PV1, I 12 is the gain when the manipulated variables MV1 is transmitted to the state quantity measurement value PV2, I 22 is the operation amount MV2 is transmitted to the state quantity measurement value PV2, I 32 is operated Gain when the amount MV3 is transmitted to the state amount measurement value PV2, I 13 is a gain when the operation amount MV1 is transmitted to the state amount measurement value PV3, I 23 is a gain when the operation amount MV2 is transmitted to the state amount measurement value PV3, I 33 is a gain when the manipulated variable MV3 is transmitted to the state quantity measured value PV3. The gains (transfer coefficients) I 11 to I 33 are given by investigating interference between a plurality of loops as described in Patent Document 3.

次に、状態量設定値変換部5は、状態量変換行列T記憶部4に設定された状態量変換行列Tを用いて次式のように状態量設定値変換を実行して、基準状態量設定値SP1’と相対状態量設定値SP2’,SP3’を算出し、基準状態量設定値SP1’をPID制御演算部7−1に出力すると共に、相対状態量設定値SP2’,SP3’をPID制御演算部7−2,7−3に出力する(ステップS113)。   Next, the state quantity set value conversion unit 5 performs the state quantity set value conversion using the state quantity conversion matrix T set in the state quantity conversion matrix T storage unit 4 as in the following equation, and the reference state quantity The set value SP1 ′ and the relative state quantity set values SP2 ′ and SP3 ′ are calculated, the reference state quantity set value SP1 ′ is output to the PID control calculation unit 7-1, and the relative state quantity set values SP2 ′ and SP3 ′ are calculated. The data is output to the PID control calculation units 7-2 and 7-3 (step S113).

Figure 0004382632
Figure 0004382632

一方、状態量計測値変換部6は、状態量変換行列T記憶部4に設定された状態量変換行列Tを用いて次式のように状態量計測値変換を実行して、状態量計測値PV1’,PV2’,PV3’を算出し、状態量計測値PV1’,PV2’,PV3’をPID制御演算部7−1,7−2,7−3に出力する(ステップS114)。   On the other hand, the state quantity measurement value conversion unit 6 executes state quantity measurement value conversion using the state quantity conversion matrix T set in the state quantity conversion matrix T storage unit 4 as in the following equation, and the state quantity measurement value PV1 ′, PV2 ′, and PV3 ′ are calculated, and the state quantity measurement values PV1 ′, PV2 ′, and PV3 ′ are output to the PID control calculation units 7-1, 7-2, and 7-3 (step S114).

Figure 0004382632
Figure 0004382632

次に、PID制御演算部7−1は、次式の伝達関数式のようなPID制御演算を行って操作量MV1’を算出して、操作量変換部9に出力する(ステップS115)。
MV1’=(100/Pb1){1+(1/Ti1s)+Td1s}(SP1’
−PV1’) ・・・(22)
式(22)において、Pb1は比例帯、Ti1は積分時間、Td1は微分時間、sはラプラス演算子である。
Next, the PID control calculation unit 7-1 performs a PID control calculation like the following transfer function equation to calculate the operation amount MV1 ′ and outputs it to the operation amount conversion unit 9 (step S115).
MV1 ′ = (100 / Pb1) {1+ (1 / Ti1s) + Td1s} (SP1 ′
-PV1 ') (22)
In Expression (22), Pb1 is a proportional band, Ti1 is an integration time, Td1 is a differentiation time, and s is a Laplace operator.

PID制御演算部7−2は、次式の伝達関数式のようなPID制御演算を行って操作量MV2’を算出して、操作量変換部9に出力する(ステップS116)。
MV2’=(100/Pb2){1+(1/Ti2s)+Td2s}(SP2’
−PV2’) ・・・(23)
式(23)において、Pb2は比例帯、Ti2は積分時間、Td2は微分時間である。
The PID control calculation unit 7-2 performs a PID control calculation like the following transfer function equation to calculate the operation amount MV2 ′ and outputs it to the operation amount conversion unit 9 (step S116).
MV2 ′ = (100 / Pb2) {1+ (1 / Ti2s) + Td2s} (SP2 ′
-PV2 ') (23)
In Expression (23), Pb2 is a proportional band, Ti2 is an integration time, and Td2 is a differentiation time.

PID制御演算部7−3は、次式の伝達関数式のようなPID制御演算を行って操作量MV3’を算出して、操作量変換部9に出力する(ステップS117)。
MV3’=(100/Pb3){1+(1/Ti3s)+Td3s}(SP3’
−PV3’) ・・・(24)
式(24)において、Pb3は比例帯、Ti3は積分時間、Td3は微分時間である。
The PID control calculation unit 7-3 performs a PID control calculation such as the following transfer function equation to calculate the operation amount MV3 ′ and outputs it to the operation amount conversion unit 9 (step S117).
MV3 ′ = (100 / Pb3) {1+ (1 / Ti3s) + Td3s} (SP3 ′
−PV3 ′) (24)
In Expression (24), Pb3 is a proportional band, Ti3 is an integration time, and Td3 is a differentiation time.

操作量変換部9は、操作量変換行列U記憶部8に設定された操作量変換行列Uを用いて次式のように操作量変換を実行して、操作量MV1,MV2,MV3を算出し、操作量MV1,MV2,MV3を操作量MV1出力部10−1,10−2,10−3に出力する(ステップS118)。   The manipulated variable conversion unit 9 performs the manipulated variable conversion using the manipulated variable conversion matrix U set in the manipulated variable conversion matrix U storage unit 8 to calculate the manipulated variables MV1, MV2, and MV3. The operation amounts MV1, MV2, and MV3 are output to the operation amount MV1 output units 10-1, 10-2, and 10-3 (step S118).

Figure 0004382632
Figure 0004382632

操作量MV1出力部10−1は、操作量変換部9によって変換された操作量MV1をアクチュエータA1に出力する(ステップS119)。アクチュエータA1は、操作量MV1に基づいて第1の状態量を制御するために動作する。
操作量MV2出力部10−2は、操作量変換部9によって変換された操作量MV2をアクチュエータA2に出力する(ステップS120)。アクチュエータA2は、操作量MV2に基づいて第2の状態量を制御するために動作する。
操作量MV3出力部10−3は、操作量変換部9によって変換された操作量MV3をアクチュエータA3に出力する(ステップS121)。アクチュエータA3は、操作量MV3に基づいて第3の状態量を制御するために動作する。
The operation amount MV1 output unit 10-1 outputs the operation amount MV1 converted by the operation amount conversion unit 9 to the actuator A1 (step S119). The actuator A1 operates to control the first state quantity based on the operation quantity MV1.
The operation amount MV2 output unit 10-2 outputs the operation amount MV2 converted by the operation amount conversion unit 9 to the actuator A2 (step S120). The actuator A2 operates to control the second state quantity based on the operation quantity MV2.
The operation amount MV3 output unit 10-3 outputs the operation amount MV3 converted by the operation amount conversion unit 9 to the actuator A3 (step S121). The actuator A3 operates to control the third state quantity based on the operation quantity MV3.

以上のようなステップS101〜S121の処理が例えばオペレータによって制御の終了が指示されるまで(ステップS122においてYES)、制御周期毎に繰り返し実行される。   The processes in steps S101 to S121 as described above are repeatedly executed for each control cycle until the end of control is instructed by an operator (YES in step S122), for example.

図4は、クロスコントローラや傾斜温度制御の手法を適用しない制御装置のシミュレーション結果を示す図である。図5、図6は、特許文献3の傾斜温度制御の手法を適用した制御装置のシミュレーション結果を示す図である。図7は、本実施の形態の制御装置のシミュレーション結果を示す図である。図4〜図7は、SP1=SP2=SP3=30で整定している状態で外乱が印加されたときの制御系の外乱応答を示している。シミュレーションの条件は以下の通りである。   FIG. 4 is a diagram illustrating a simulation result of a control device that does not apply the cross controller or the gradient temperature control method. 5 and 6 are diagrams illustrating simulation results of a control device to which the gradient temperature control method of Patent Document 3 is applied. FIG. 7 is a diagram illustrating a simulation result of the control device according to the present embodiment. 4 to 7 show the disturbance response of the control system when a disturbance is applied in a state where SP1 = SP2 = SP3 = 30. The simulation conditions are as follows.

まず、アクチュエータA1とプロセスP1とを含むブロックの伝達関数Gp1、アクチュエータA2とプロセスP2とを含むブロックの伝達関数Gp2、アクチュエータA3とプロセスP3とを含むブロックの伝達関数Gp3を次式のように設定する。ここでは、制御ループ間の干渉はないものとする。
Gp1=1.2exp(−2.0s)/{(1+70.0s)(1+10.0s)}
・・・(26)
Gp2=1.6exp(−2.0s)/{(1+60.0s)(1+10.0s)}
・・・(27)
Gp3=2.0exp(−2.0s)/{(1+50.0s)(1+10.0s)}
・・・(28)
First, the transfer function Gp1 of the block including the actuator A1 and the process P1, the transfer function Gp2 of the block including the actuator A2 and the process P2, and the transfer function Gp3 of the block including the actuator A3 and the process P3 are set as follows: To do. Here, it is assumed that there is no interference between control loops.
Gp1 = 1.2exp (−2.0 s) / {(1 + 70.0 s) (1 + 10.0 s)}
... (26)
Gp2 = 1.6exp (−2.0s) / {(1 + 60.0s) (1 + 10.0s)}
... (27)
Gp3 = 2.0exp (−2.0s) / {(1 + 50.0s) (1 + 10.0s)}
... (28)

アクチュエータA1の操作量下限値を0%、上限値を100%とし、アクチュエータA2の操作量下限値を0%、上限値を100%とし、アクチュエータA3の操作量下限値を0%、上限値を16%とする。操作量MV1,MV2,MV3に応じて状態量計測値PV1,PV2,PV3は、次式のように定まる。
PV1=Gp1MV1 ・・・(29)
PV2=Gp2MV2 ・・・(30)
PV3=Gp3MV3 ・・・(31)
The lower limit of the operation amount of the actuator A1 is 0%, the upper limit is 100%, the lower limit of the operation amount of the actuator A2 is 0%, the upper limit is 100%, the lower limit of the operation amount of the actuator A3 is 0%, and the upper limit is 16%. The state quantity measurement values PV1, PV2, and PV3 are determined as follows according to the operation amounts MV1, MV2, and MV3.
PV1 = Gp1MV1 (29)
PV2 = Gp2MV2 (30)
PV3 = Gp3MV3 (31)

図4のシミュレーションで用いた制御装置の第1のPID制御演算部(PID制御演算部7−1に相当)の比例帯Pbを50.0、積分時間Tiを35.0、微分時間Tdを20.0とし、第2のPID制御演算部(PID制御演算部7−2に相当)の比例帯Pbを66.7、積分時間Tiを35.0、微分時間Tdを20.0とし、第3のPID制御演算部(PID制御演算部7−3に相当)の比例帯Pbを100.0、積分時間Tiを35.0、微分時間Tdを20.0とする。また、図5〜図7のシミュレーションで用いた制御装置のPID制御演算部7−1の比例帯Pb1を100.0、積分時間Ti1を35.0、微分時間Td1を20.0とし、PID制御演算部7−2の比例帯Pb2を40.0、積分時間Ti2を35.0、微分時間Td2を20.0とし、PID制御演算部7−3の比例帯Pb3を40.0、積分時間Ti3を35.0、微分時間Td3を20.0とする。   The proportional band Pb of the first PID control calculation unit (corresponding to the PID control calculation unit 7-1) of the control device used in the simulation of FIG. 4 is 50.0, the integration time Ti is 35.0, and the differential time Td is 20 0.0, the proportional band Pb of the second PID control calculation unit (corresponding to the PID control calculation unit 7-2) is 66.7, the integration time Ti is 35.0, the differential time Td is 20.0, The proportional band Pb of the PID control calculation unit (corresponding to the PID control calculation unit 7-3) is 100.0, the integration time Ti is 35.0, and the differentiation time Td is 20.0. Further, the proportional band Pb1 of the PID control calculation unit 7-1 of the control device used in the simulations of FIGS. 5 to 7 is set to 100.0, the integration time Ti1 is set to 35.0, and the differential time Td1 is set to 20.0 to perform PID control. The proportional band Pb2 of the calculation unit 7-2 is 40.0, the integration time Ti2 is 35.0, the differential time Td2 is 20.0, the proportional band Pb3 of the PID control calculation unit 7-3 is 40.0, and the integration time Ti3 Is 35.0 and the derivative time Td3 is 20.0.

図4に示すシミュレーション結果は、クロスコントローラや傾斜温度制御の手法を適用しない制御により得られたものである。相対的な状態量(状態量差)を制御していないので、状態量計測値PV1,PV2,PV3は揃わない。
図5に示すシミュレーション結果は、傾斜温度制御の手法を適用し、基準状態量を各制御ループの状態量の単純平均に固定したことにより得られたものである。図4の結果と比べると、制御ループ間の状態量差を小さくするという制御装置の効果が現れている。しかし、アクチュエータA3の操作量上限値が16%という制約があるため、操作量MV1,MV2より先にMV3が飽和し、状態量計測値PV1,PV2にPV3が追従することができず、状態量差を小さくするという効果が大きく損なわれている。
The simulation results shown in FIG. 4 are obtained by control without applying a cross controller or a gradient temperature control method. Since the relative state quantity (state quantity difference) is not controlled, the state quantity measurement values PV1, PV2, and PV3 are not aligned.
The simulation result shown in FIG. 5 is obtained by applying the gradient temperature control method and fixing the reference state quantity to a simple average of the state quantities of each control loop. Compared with the result of FIG. 4, the effect of the control device that the state quantity difference between the control loops is reduced appears. However, because the upper limit value of the operation amount of the actuator A3 is 16%, MV3 is saturated before the operation amounts MV1 and MV2, and PV3 cannot follow the state amount measurement values PV1 and PV2, and the state amount The effect of reducing the difference is greatly impaired.

図6に示すシミュレーション結果は、傾斜温度制御の手法を適用した制御によるものであるが、予め状態量変換行列T及び操作量変換行列Uを、第3の制御系が最大偏差制御系jである場合の行列に固定しておくことにより得られたものである。このため、状態量計測値PV1,PV2がPV3に追従することになり、制御ループ間の状態量差を小さくするという効果が損なわれていない。これにより、本シミュレーション条件においては、状態量差を小さくするという効果が全く損なわれずに制御された場合に、状態量計測値PV1,PV2,PV3は図6のレベルまで揃うことが検証できる。   The simulation result shown in FIG. 6 is based on the control using the gradient temperature control technique, but the state variable conversion matrix T and the manipulated variable conversion matrix U are previously set, and the third control system is the maximum deviation control system j. It is obtained by fixing to the case matrix. For this reason, the state quantity measurement values PV1 and PV2 follow PV3, and the effect of reducing the state quantity difference between the control loops is not impaired. As a result, it is possible to verify that the state quantity measurement values PV1, PV2, and PV3 are aligned to the level shown in FIG. 6 when the simulation conditions are controlled without any loss of the effect of reducing the state quantity difference.

図7に示すシミュレーション結果は、本実施の形態の制御により得られたものであり、図6と実質的に全く同じ制御結果が得られており、状態量差を小さくするという効果が全く損なわれていないことが検証できる。   The simulation result shown in FIG. 7 is obtained by the control of the present embodiment, and the control result substantially the same as that of FIG. 6 is obtained, and the effect of reducing the state quantity difference is completely impaired. It can be verified that it is not.

なお、本実施の形態で説明した制御装置は、演算装置、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。
また、本実施の形態では、特許文献3に開示された傾斜温度制御の手法に基づいて制御装置を構成しているが、非特許文献1に開示されたクロスコントローラの手法に基づいて制御装置を図12のように構成する場合も、状態量変換部と操作量変換部(クロスコントローラ)の入出力関係を表す行列を適応的に修正するように構成すればよい。
Note that the control device described in this embodiment can be realized by a computer including an arithmetic device, a storage device, and an interface, and a program that controls these hardware resources.
In the present embodiment, the control device is configured based on the gradient temperature control method disclosed in Patent Document 3, but the control device is configured based on the cross controller method disclosed in Non-Patent Document 1. Also in the case of the configuration as shown in FIG. 12, the matrix representing the input / output relationship between the state quantity conversion unit and the operation amount conversion unit (cross controller) may be modified adaptively.

本発明は、プロセス制御技術に適用することができる。   The present invention can be applied to a process control technique.

本発明の実施の形態となる制御装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the control apparatus used as embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における制御系のブロック線図である。It is a block diagram of the control system in the embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における制御装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the control apparatus in embodiment of this invention. クロスコントローラや傾斜温度制御の手法を適用しない制御装置の動作のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of operation | movement of the control apparatus which does not apply the method of a cross controller or inclination temperature control. 傾斜温度制御の手法を適用した制御装置の動作のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of operation | movement of the control apparatus to which the method of inclination temperature control is applied. 傾斜温度制御の手法を適用した制御装置の動作のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of operation | movement of the control apparatus to which the method of inclination temperature control is applied. 本発明の実施の形態における制御装置の動作のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of operation | movement of the control apparatus in embodiment of this invention. 従来の制御装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional control apparatus. 従来の他の制御装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the other conventional control apparatus. 状態量平均値と状態量差とを制御対象とする従来の制御装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional control apparatus which makes a control object the state quantity average value and a state quantity difference. クロスコントローラを用いた従来の制御装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional control apparatus using a cross controller. 図11のクロスコントローラを図10の制御装置に適用した構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure which applied the cross controller of FIG. 11 to the control apparatus of FIG. 傾斜温度制御の手法を用いた従来の制御装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional control apparatus using the method of inclination temperature control. 従来の制御装置の問題点を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the problem of the conventional control apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

3−1…制御偏差Er10算出部、3−2…制御偏差Er20算出部、3−3…制御偏差Er30算出部、4…状態量変換行列T記憶部、5…状態量設定値変換部、6…状態量計測値変換部、7−1、7−2、7−3…PID制御演算部、8…操作量変換行列U記憶部、9…操作量変換部、11…最大偏差制御系探索部、12…行列修正部。
3-1, control deviation Er10 calculation unit, 3-2 ... control deviation Er20 calculation unit, 3-3 ... control deviation Er30 calculation unit, 4 ... state quantity conversion matrix T storage unit, 5 ... state quantity set value conversion unit, 6 ... state quantity measurement value conversion unit, 7-1, 7-2, 7-3 ... PID control calculation unit, 8 ... manipulated variable conversion matrix U storage unit, 9 ... manipulated variable conversion unit, 11 ... maximum deviation control system search unit 12 ... Matrix correction unit.

Claims (3)

n(nは2以上の自然数)個の並列なPID制御ループを有する制御系の制御装置において、
前記個のPID制御ループの状態量の加重平均値であって特定の基準となる絶対的な状態量を基準状態量とし、状態量差である相対的な状態量を相対状態量としたとき、
前記n個のPID制御ループの各状態量計測値の加重平均である基準状態量計測値と、異なるPID制御ループの状態量計測値間の相対的な関係を与える相対状態量計測値とが変換後に含まれるように、前記n個のPID制御ループの各状態量計測値をn×nの状態量変換行列により線形結合して前記基準状態量計測値相対状態量計測値に変換する状態量変換部と、
前記変換された各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差に基づき操作量を算出するn個のPID制御演算部と、
前記算出されたn個の操作量を、非干渉化として各PID制御演算部による制御が他のPID制御演算部による制御に与える影響をなくす又は小さくするように、n×nの操作量変換行列により各PID制御ループに配分されるように変換し、変換したn個の操作量をそれぞれ対応するPID制御ループの制御対象に出力する操作量変換部と、
前記n個のPID制御ループの各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差を前記状態量計測値毎に算出する制御偏差算出部と、
前記算出された各制御偏差の絶対値を比較し、制御偏差の絶対値が最も大きなPID制御ループを探索する最大偏差制御系探索部と、
前記算出された制御偏差の絶対値が大きなPID制御ループほど前記加重平均値の加重を大きく修正することにより、前記状態量変換行列とこれに対応する操作量変換行列を修正する行列修正部とを備えることを特徴とする制御装置。
In a control system controller having n (n is a natural number of 2 or more) parallel PID control loops,
When a weighted average value of the state quantities of the n PID control loops and a specific reference absolute state quantity is a reference state quantity, and a relative state quantity that is a state quantity difference is a relative state quantity ,
A reference state quantity measurement value that is a weighted average of each state quantity measurement value of the n PID control loops and a relative state quantity measurement value that gives a relative relationship between the state quantity measurement values of different PID control loops are converted. A state in which each state quantity measurement value of the n PID control loops is linearly combined by an n × n state quantity conversion matrix to be converted into the reference state quantity measurement value and the relative state quantity measurement value , as included later A quantity conversion unit;
N PID control calculation units for calculating an operation amount based on a control deviation between each converted state quantity measurement value and each corresponding state quantity set value;
The n × n manipulated variable conversion matrix is used to eliminate or reduce the influence of the control by each PID control computation unit on the control by other PID control computation units as non-interference. An operation amount converter that converts the n operation amounts to be output to the control target of the corresponding PID control loop,
A control deviation calculation unit for calculating a control deviation between each state quantity measurement value of the n PID control loops and each state quantity set value corresponding thereto, for each state quantity measurement value;
A maximum deviation control system search unit that compares the calculated absolute values of the control deviations and searches for a PID control loop having the largest absolute value of the control deviation;
A PID control loop having a larger absolute value of the calculated control deviation, by correcting the weight of the weighted average value to a greater extent, thereby correcting the state quantity conversion matrix and the corresponding operation quantity conversion matrix; A control device comprising:
請求項1記載の制御装置において、
前記操作量変換行列は、傾斜温度制御手法により設計されることにより、前記n個のPID制御ループの操作量と前記状態量変換部により変換された各状態量計測値との関係を与える行列との積が単位行列になる逆行列として設定されることを特徴とする制御装置。
The control device according to claim 1,
The manipulated variable conversion matrix is a matrix that provides a relationship between the manipulated variable of the n PID control loops and the measured value of each state variable converted by the state variable converter by being designed by the gradient temperature control method. Is set as an inverse matrix that becomes a unit matrix .
請求項1記載の制御装置において、
前記操作量変換行列は、クロスコントローラ設計手法により設計されることにより、前記n個のPID制御ループの操作量と前記状態量変換部により変換された各状態量計測値との関係を与える行列との積が対角行列になる行列として設定されることを特徴とする制御装置。
The control device according to claim 1,
The manipulated variable conversion matrix is a matrix that is designed by a cross controller design method to give a relationship between the manipulated variable of the n PID control loops and the measured value of each state quantity converted by the state quantity converter. A control device characterized in that the product of is set as a matrix that becomes a diagonal matrix .
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