JP6111913B2 - Control parameter adjustment system - Google Patents
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Description
この発明は、制御パラメータを最適な値に調整するためのシステムに関するものである。 The present invention relates to a system for adjusting a control parameter to an optimum value.
一般に、発電プラント及び石油化学プラントといった産業プラントでは、機器を監視及び制御する監視制御装置が使用される。監視制御装置は、プラントを安全に運転するため、温度及び圧力、流量といった種々のプロセス値を測定する。また、監視制御装置は、測定したプロセス値を表示し、プラントの運転員に当該プラントの運転状態を通知する。 Generally, in an industrial plant such as a power plant and a petrochemical plant, a monitoring control device that monitors and controls equipment is used. The supervisory control device measures various process values such as temperature, pressure, and flow rate in order to operate the plant safely. Further, the monitoring control device displays the measured process value and notifies the plant operator of the operation state of the plant.
監視制御装置には、多数の制御要素が備えられる。例えば、PID(比例積分微分)演算を用いた制御要素の例として、PID制御器、PI−D制御器、I−PD制御器、2自由度PID制御器、モデル駆動PID制御器がある。制御要素の制御パラメータを設計するため、従来では、何らかのモデリングを行って制御対象の動特性を表す伝達関数を求めていた。例えば、プロセス制御系の設計及び調整では、先ず制御対象の動特性モデル(或いは、特徴量)を求め、次いでその動特性モデルから設計則に基づいて制御パラメータを決定する2段階の方法が採用されていた。 The supervisory control device is provided with a number of control elements. For example, there are a PID controller, a PI-D controller, an I-PD controller, a 2-degree-of-freedom PID controller, and a model-driven PID controller as examples of control elements using PID (proportional integral derivative) operations. In order to design the control parameters of the control elements, conventionally, some modeling has been performed to obtain a transfer function representing the dynamic characteristics of the controlled object. For example, in the design and adjustment of a process control system, a two-stage method is adopted in which a dynamic characteristic model (or feature amount) to be controlled is first obtained and then control parameters are determined from the dynamic characteristic model based on a design rule. It was.
制御設計に必要な動特性モデルの抽出には、多くのデータが必要である。また、雑音及び制御対象の非線形性等が原因となり、動特性モデルには誤差が生じる。このため、動特性モデルを得るだけでも多大な労力が必要となり、更に、特定された動特性モデルから正しい制御パラメータを得ることができない場合があった。 A lot of data is necessary to extract the dynamic characteristic model necessary for control design. In addition, an error occurs in the dynamic characteristic model due to noise and non-linearity of the control target. For this reason, much labor is required only to obtain the dynamic characteristic model, and there are cases where a correct control parameter cannot be obtained from the identified dynamic characteristic model.
一方、制御対象の動特性モデルを求めることなく制御パラメータを調整する方法として、以下の3つの方法良く知られている。
・IFT(Iterative Feedback Tuning)
・VRFT(Virtual Reference Feedback Tuning)
・FRIT(Fictitious Reference Iterative Tunig)
On the other hand, the following three methods are well known as methods for adjusting control parameters without obtaining a dynamic characteristic model of a controlled object.
・ IFT (Iterative Feedback Backing)
・ VRFT (Virtual Reference Feedback Tuning)
-FRIT (Fitious Reference Iterative Tunig)
IFTと呼ばれる方法では、試験を繰り返すことによって制御パラメータを更新していく。また、VRFT及びFRITと呼ばれる方法では、一組の試験データから制御パラメータを決定する。特許文献1は、VRFTの一例を開示する。
In a method called IFT, the control parameters are updated by repeating the test. In a method called VRFT and FRIT, control parameters are determined from a set of test data.
IFTでは、制御パラメータを決定するために試験を繰り返し実施しなければならない。制御パラメータを決定するまでに多くのデータが必要であり、多大な時間を要するといった問題があった。VRFT及びFRITでは、制御系の応答特性を示すモデルを設定する必要があるが、最適なモデルを設定することは容易ではなかった。 In IFT, tests must be performed repeatedly to determine control parameters. There is a problem that a lot of data is required to determine the control parameter, and it takes a lot of time. In VRFT and FRIT, it is necessary to set a model indicating the response characteristic of the control system, but it is not easy to set an optimal model.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものである。この発明の目的は、試験を繰り返し実施したり制御系の応答特性を示すモデルを設定したりする必要がなく、制御パラメータの値を簡単に調整することができる制御パラメータ調整システムを提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems. An object of the present invention is to provide a control parameter adjustment system that can easily adjust the value of a control parameter without the need to repeatedly perform a test or set a model indicating the response characteristic of the control system. is there.
この発明に係る制御パラメータ調整システムであれば、試験を繰り返し実施したり制御系の応答特性を示すモデルを設定したりする必要がなく、制御パラメータの値を簡単に調整することができる。 With the control parameter adjustment system according to the present invention, it is not necessary to repeatedly perform a test or set a model indicating the response characteristic of the control system, and the control parameter value can be easily adjusted.
添付の図面を参照し、本発明を詳細に説明する。重複する説明は、適宜簡略化或いは省略する。各図では、同一又は相当する部分に、同一の符号を付している。 The present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The overlapping description will be simplified or omitted as appropriate. In each figure, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1における制御パラメータ調整システムを備えたプラントの概略を示す構成図である。図1において、1は伝達関数がP(s)である制御対象である。2は伝達関数がC(s、θ)である制御器である。θは、制御器2の制御パラメータ(制御定数)である。制御器2は、制御対象1を制御する。また、制御器2は、IMC制御部3及びPD補償器4(図1において図示せず)を備える。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a plant provided with a control parameter adjustment system according to
制御器2に対し、目標値r(t)が入力される。また、制御対象1の制御量y(t)が制御器2に入力される。制御器2は、入力された目標値r(t)及び制御量y(t)に基づいて、制御対象1の動作が目標値r(t)に追従するように操作量u(t)を出力する。制御対象1は、入力された操作量u(t)に応じて動作を行う。操作量u(t)に応じて動作が行われた時の制御対象1の制御量y(t)は、制御器2に入力される。即ち、図1に示すプラントは、制御器2が目標値r(t)と制御量y(t)とを取り込み操作量u(t)を発生する制御ループを形成する。
A target value r (t) is input to the
5は制御器2の制御パラメータθの値を調整するための制御パラメータ調整システムである。制御パラメータ調整システム5は、試験時に得られた一組の操作量u0(t)及び制御量y0(t)に基づいて制御パラメータθを決定する。r0(t)は、試験時に制御器2に入力される目標値を示す。上記試験は、例えば、目標値r0(t)を変化させることによって行われる。試験時の目標値r0(t)、操作量u0(t)及び制御量y0(t)は、制御パラメータ調整システム5に入力される。
更に、制御パラメータ調整システム5は、制御器2の制御パラメータθを調整する調整機能を有する。調整機能は、例えば、減算器9と演算設定器10とより実現される。調整機能を実現するための構成は、これに限定されない。
Furthermore, the control
図3は、IMC制御部3及びPD補償器4を備えた制御器2の構成例を示す図である。
図3は、モデル駆動PID制御のブロック図を示している。図3において、dは外乱要素を示す。
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the
FIG. 3 shows a block diagram of model drive PID control. In FIG. 3, d indicates a disturbance element.
IMC制御部3のQフィルタQ(s)及びSVフィルタSV(s)は次式で表される。
The Q filter Q (s) and SV filter SV (s) of the
λ及びαは、MD−PID制御器の微調整パラメータである。λは、制御系の目標値の追従速度に関わるパラメータである。αは、制御系の外乱抑制性に関わるパラメータである。λのデフォルト値及びαのデフォルト値はそれぞれ1である。λ及びαは、それぞれデフォルト値に設定される。 λ and α are fine tuning parameters of the MD-PID controller. λ is a parameter related to the tracking speed of the target value of the control system. α is a parameter related to disturbance suppression of the control system. The default value of λ and the default value of α are each 1. λ and α are set to default values, respectively.
また、制御パラメータ調整システム5は、制御対象1の伝達関数P(s)を演算する第3演算機能を有する。制御パラメータ調整システム5は、評価関数Jの値が最小になる制御パラメータθに基づいてP(s)を演算する。
Further, the control
このため、制御対象P(s)は、P(s)−1=G(s)−1−F(s)によって演算できる。特に、制御対象P(s)の分母系列係数を
P(s)−1=p0+p1s+p2s2+p3s3+・・・
とすると、G(s)−1−F(s)をテイラー展開することによってPi(i=0,1,2,3,…)を求めることができる。
Therefore, the control object P (s) can be calculated by P (s) −1 = G (s) −1 −F (s). In particular, the denominator series coefficient of the control object P (s) is P (s) −1 = p 0 + p 1 s + p 2 s 2 + p 3 s 3 +.
Then, P i (i = 0, 1, 2, 3,...) Can be obtained by Taylor expansion of G (s) −1 -F (s).
制御対象P(s)の動特性形状がむだ時間を持つ1次遅れ系であれば、制御対象P(s)は次式で表される。 If the dynamic characteristic shape of the control target P (s) is a first-order lag system having a dead time, the control target P (s) is expressed by the following equation.
Kp、Tp、Lpはこの非線形方程式を解くことによって求めることができる。 K p , T p , and L p can be obtained by solving this nonlinear equation.
また、制御対象P(s)の動特性形状がむだ時間を持つ積分系であれば、制御対象P(s)は次式で表される。 Further, if the dynamic characteristic shape of the control object P (s) is an integral system having a dead time, the control object P (s) is expressed by the following equation.
Tp、Lpはこの非線形方程式を解くことによって求めることができる。なお、添え字のpはプラントを意味する。 T p and L p can be obtained by solving this nonlinear equation. Note that the subscript p means a plant.
制御器2が図3に示す構成を有する場合、制御量yは、次式で表される。
When the
外乱d=0であれば、次式に示すように制御量yは目標値rの関数となる。なお、添え字のcはコントローラを意味する。 If the disturbance d = 0, the control amount y is a function of the target value r as shown in the following equation. The subscript c means a controller.
実プロセスで目標値rを変化させてyを得る。この時の目標値をr0、制御量をy0とする。r0を上記式に代入して制御量yを計算する。計算して得られた制御量yが制御量y0にほぼ一致することが確認できれば、演算設定器10によって特定された制御パラメータθが有効であることを評価できる。比較の手法として、例えば、計算値のグラフと実プロセスの応答結果のグラフとを並べて表示し、目視によって確認する方法がある。他の比較方法として、IAE等の数値によって確認する方法がある。
The target value r is changed in the actual process to obtain y. At this time, the target value is r 0 and the control amount is y 0 . The r 0 to calculate the control variable y by substituting the above equation. If it can be confirmed that the calculated control amount y substantially matches the control amount y 0 , it can be evaluated that the control parameter θ specified by the
このような評価を制御パラメータ調整システム5において実施しても良い。かかる場合、制御パラメータ調整システム5は、上記制御量yを演算によって求める第4演算機能を有する。即ち、制御パラメータ調整システム5は、IMC制御部3に入力される目標値r0と演算設定器10によって特定された制御パラメータθとを用いて制御量yを計算する。また、制御パラメータ調整システム5は、演算設定器10によって特定された制御パラメータθが有効であるか否かを判定する判定機能を有する。制御パラメータ調整システム5は、演算によって求められた制御量yと目標値r0が実プロセスに入力された時の実プロセスの制御量y0とに基づいて上記判定を行う。例えば、制御パラメータ調整システム5は、制御量yと制御量y0とからIAE等の数値を求め、その数値が許容範囲内であれば、特定された制御パラメータθが有効であると判定する。
Such an evaluation may be performed in the control
上記構成の制御パラメータ調整システム5であれば、制御パラメータを調整する際に、試験を繰り返し実施したり制御系の応答特性を示すモデルを設定したりする必要がない。また、制御パラメータの調整を簡単に行うことができる。
With the control
制御対象1の伝達関数P(s)を求めることができるため、PID制御器、PI−D制御器、I−PD制御器、2自由度PID制御器、モデル駆動PID制御器といった各種制御器への応用が可能となる。更に、ナイキスト線図、各感度関数、時間応答シミュレーション解析結果の表示を通じて制御パラメータを把握できるため、実プロセスに適用する上で、従来のように経験或いは勘に頼ることなく信頼性のある制御パラメータの設定が可能となる。
Since the transfer function P (s) of the
1 制御対象
2 制御器
3 IMC制御部
4 PD補償器
5 制御パラメータ調整システム
6 仮想PD補償器
7 加算器
8 1次遅れモデル
9 減算器
10 演算設定器
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第4演算手段によって演算された第1制御量と前記目標値を前記制御器に入力した時に前記制御対象が出力した第2制御量とに基づいて、前記調整手段によって調整された前記制御器の制御パラメータが有効であるか否かを判定する判定手段と、
を更に備えた請求項1から請求項4の何れか一項に記載の制御パラメータ調整システム。 Fourth calculation means for calculating by calculation a first control amount output from the control object using a target value input to the controller and a control parameter of the controller adjusted by the adjustment means;
The controller adjusted by the adjusting unit based on the first control amount calculated by the fourth calculating unit and the second control amount output by the control object when the target value is input to the controller Determining means for determining whether or not the control parameter is valid;
The control parameter adjustment system according to any one of claims 1 to 4 , further comprising:
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