JPH0261041B2 - - Google Patents

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JPH0261041B2
JPH0261041B2 JP16679380A JP16679380A JPH0261041B2 JP H0261041 B2 JPH0261041 B2 JP H0261041B2 JP 16679380 A JP16679380 A JP 16679380A JP 16679380 A JP16679380 A JP 16679380A JP H0261041 B2 JPH0261041 B2 JP H0261041B2
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transfer function
signal
control
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sample value
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Japanese (ja)
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JPS5790704A (en
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Takashi Shigemasa
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Priority to AU72725/81A priority patent/AU528431B2/en
Priority to EP81105528A priority patent/EP0045857B1/en
Priority to US06/283,173 priority patent/US4451878A/en
Priority to DE8181105528T priority patent/DE3171308D1/en
Publication of JPS5790704A publication Critical patent/JPS5790704A/en
Publication of JPH0261041B2 publication Critical patent/JPH0261041B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/042Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
    • G05B13/045Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance using a perturbation signal

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

[発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明はプロセスを閉ループ制御しながらサン
プル値PID制御演算部のサンプル値制御定数をプ
ロセスの特性変動に伴つて最適値に自動調整する
機能を有するサンプル値PID制御装置に関する。 (従来の技術) 制御対象となるプロセスを最適条件で制御する
にはそのプロセスの動特性を知る手続が必要とな
る。この手続はその動特性の同定
(ldentificaion)と呼んでいる。この同定を行な
うには、プロセスを制御する制御装置を切離して
開ループ動作で同定する場合と、制御装置をプロ
セスに接続し、そのプロセスを制御しながら同定
を行なう閉ループ動作の場合とがある。この同定
は、経済性、品質管理上、あるいは安全上などの
観点から、操業中のプロセスの動特性変化に応じ
られるように、閉ループ動作中で速やかに同定す
ることが望ましい。 (発明が解決しようとする課題) この種の制御装置としては、アナログ量で扱う
アナログ方式の制御装置と、データをサンプリン
グしながら制御するデジタル方式の制御装置とが
あるが、上述した制御装置の制御定数を決定でき
るものにはアナログ方式のものしか現実にはなく
(例えば、「最適制御入門」増淵著、オーム社発行
p.284に記載の適応制御方式等)、しかも、その制
御定数を計算するのに、大型の計算機を導入しな
ければならず、極めて不経済なものであつた。ま
た、デジタル方式の制御装置で、特にサンプル値
PID制御装置は上述したような閉ループ動作中で
プロセスを制御しながら同定できるものはなく、
単にプロセスの既知の動作状態を推測して、プロ
セスの出力変化に対応した制御定数を手動で変更
しながら、そのプロセスをサンプル値PID制御す
るものとか、あるいはプロセスの動作が未知であ
る場合には、そのプロセスの出力変化を特性図な
どで描き出して、その特性図などを参考にしてプ
ロセスの動特性を知つて制御装置の制御定数を決
定するものであつた。 従来のサンプル値PID制御装置は、閉ループ制
御中にプロセスの応答を見ながら制御定数を調整
する方法のためそのプロセス動特性に適した制御
定数に調整する調整期間が長くかかり、しかも、
その操作も面倒であつた。 この発明は上述した従来装置の欠点を解決する
ためになされたもので、サンプリング周期にとら
われずに、例えば、その周期を長くして、制御定
数の計算が簡易な計算機でも実現できるようにし
ても、その制御性能を低下させることのないサン
プル値PID制御装置を構成することを目的とし、
さらに、制御装置の実機調整期間がほとんど不要
となり、プロセスの操業中のでもそのプロセス動
特性を同定でき、最適な制御定数で制御でき、プ
ラントを高稼動率で操作することができるサンプ
ル値PID制御装置を提供することを目的とする。 [発明の構成] (課題を解決するための手段) この発明は、制御対象となるプロセスをサンプ
ル値制御するサンプル値PID制御演算部を有する
ものにおいて、前記サンプル値PID制御演算部で
制御される制御ループ内にパーシステントリ・エ
キサイテイング信号からなる同定信号を印加する
同定信号発生部と、この印加した同定信号に前記
サンプル値PID制御演算部の出力信号を加算して
得られる操作信号および前記プロセスの制御量を
サンプリングして得られるプロセス信号を入力し
て、これらの操作信号とプロセス信号とでプロセ
スのパルス伝達関数
[Purpose of the invention] (Field of industrial application) The present invention provides a sample having a function of automatically adjusting the sample value control constant of the sample value PID control calculation unit to an optimum value in accordance with changes in process characteristics while controlling the process in a closed loop. Concerning value PID control device. (Prior Art) In order to control a process to be controlled under optimal conditions, a procedure is required to know the dynamic characteristics of the process. This procedure is called the identification of its dynamic properties. There are two ways to perform this identification: one is to disconnect the control device that controls the process and use open-loop operation, and the other is to connect the control device to the process and perform identification while controlling the process. From the viewpoint of economy, quality control, or safety, it is desirable to perform this identification quickly during closed-loop operation so as to be able to respond to changes in the dynamic characteristics of the process during operation. (Problem to be Solved by the Invention) This type of control device includes an analog control device that handles analog quantities and a digital control device that controls while sampling data. In reality, there are only analog methods that can determine control constants (for example, "Introduction to Optimal Control" by Masubuchi, published by Ohmsha)
(e.g., the adaptive control method described on page 284), and in order to calculate the control constants, a large computer had to be installed, which was extremely uneconomical. In addition, in digital control devices, especially sample values
There is no PID controller that can be identified while controlling the process during closed-loop operation as described above.
You can simply infer the known operating state of the process and manually change the control constants corresponding to changes in the process's output to perform sample value PID control of the process, or if the behavior of the process is unknown. , the output changes of the process were depicted in a characteristic diagram, etc., and the control constants of the control device were determined by knowing the dynamic characteristics of the process by referring to the characteristic diagram. Conventional sampled value PID control devices adjust control constants while observing the response of the process during closed-loop control, so it takes a long adjustment period to adjust the control constants to suit the dynamic characteristics of the process.
The operation was also troublesome. This invention was made to solve the above-mentioned drawbacks of the conventional device, and is not limited to the sampling period; for example, by increasing the period and making it possible to calculate the control constants even with a simple computer. , the purpose is to configure a sample value PID control device that does not reduce its control performance,
In addition, sample value PID control eliminates the need for actual adjustment of the control device, allows the process dynamic characteristics to be identified even during process operation, allows control with optimal control constants, and allows the plant to be operated at high operating rates. The purpose is to provide equipment. [Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) The present invention has a sample value PID control calculation section that controls a process to be controlled using sample values, in which a process controlled by the sample value PID control calculation section is provided. an identification signal generation section that applies an identification signal consisting of a persistent exciting signal into a control loop; an operation signal obtained by adding the output signal of the sampled value PID control calculation section to the applied identification signal; Input the process signals obtained by sampling the process control variables, and calculate the process pulse transfer function using these operation signals and process signals.

【式】を同定するパルス 伝達関数同定部と、 このパルス伝達関数同定部で得られるプロセス
のパルス伝達関数のステツプ応答を直線で結んだ
応答をラプラス変換した結果からS(ラプラス演
算子)領域の伝達関数 G p(s)=1/h0+h1S+h2S2+h3S3+… を演算する伝達関数演算部と、この伝達関数演算
部で演算した結果から前記サンプル値PID制御演
算部の制御定数を算出するサンプル値制御定数演
算部とを具備してなるサンプル値PID制御装置で
ある。 (作 用) 前記サンプル値制御定数演算部で得られたサン
プル値制御定数を前記サンプル値PID制御演算部
の制御定数としプロセスを閉ループ制御しなが
ら、この制御定数を速やかに自動調整できるサン
プル値PID制御装置である。 この発明は特に同定信号としてパーシステント
リ・エキサイテイング(Persistently exciting)
信号を用いたサンプル値PID制御装置である。こ
のパーシステントリ・エキサイテイング
(Persistently exciting)信号はM系列信号、乱
数信号白色雑音信号などの定常不規則過程に属す
る信号などであり、たとえばI.Gustavsson他著に
よりldentification of processes in closedloop
―ldenfiability and Accuracy Aspects―として
1977年に発行された雑誌Automaticaの第65頁に
定義されている。 (実施例) 以下この発明の一実施例について図面を用いて
詳細に説明する。第1図はこの発明に係るサンプ
ル値PID制御装置の回路構成を示すブロツク図で
ある。 制御対象は例えば鉄鋼,化学工業プラント内の
温度,圧力などを自動制御されるように構成され
たプロセス1で、サンプルホールド部2、目標値
r(t)とプロセス1の制御量を帰還してなるプ
ロセス信号y(t)との制御偏差e(t)(e(t)
=r(t)−y(t))を演算する演算部3と、所定
のサンプリング制御周期τで動作するサンプラ4
と、このサンプラ4の出力するサンプルされた偏
差信号e*(k)を基にプロセス1を制御するサンプル
値PID制御演算部5とで基本的なサンプル値PID
制御装置が構成されている。ここではkは離散時
間であり、実際の時刻tがkτであることを意味
するものである。 サンプル値PID制御演算部5の出力信号uo*(k)
は、同定信号発生部部7の発生する同定信号v*
(k)と加算部6で加算し、この加算した出力信号
u*(k)をサンプルホールド部2に入力して、プロ
セス1を操作する操作信号u(t)を得る。この
得られた操作信号u(t)によつてプロセス1は
制御される。 加算部6の出力信号u*(k)とプロセス信号y
(t)からサンプラ8を介して得られるサンプル
プロセス信号y*(k)によつて、サンプル値PID制御
定数Kc(比例ゲイン)、Ti(積分時定数)、Td(微
分時定数)を演算する。この演算はパルス伝達関
数同定部9、伝達関数演算部10およびサンプル
値制御定数演算部11で行なわれる。ここで演算
されたサンプル値PID制御定数を、サンプル値
PID制御演算部5に入力する。すなわちプロセス
1の変動に追従してこの演算部5の制御定数が調
整されるのである。 次に本発明の装置の各構成部分についてさらに
詳細に説明する。 プロセス1のコントローラであるサンプル値制
御演算部5は、後述のサンプル値制御定数を用い
てサンプラ4の出力信号e*(k)を次のアルゴリズム
で演算処理して、信号uo*(k)を出力する。このア
ルゴリズムは周知の速度型PIDアルゴリズムであ
り、比例ゲインKc、積分時定数Ti、微分時定数
をTd、サンプル制御周期をτとすると、サンプ
ル値PID制御演算部5の出力信号uo*(k)は、 uo*(k)=uo*(k−1)+Δuo*(k) ……第1式 ただし、 Δuo*(k)=Kc{e*(k)−(e*(k−1)) +τ/Tie*(k)+Td/τ(e*(k)−2e*(k−1) +e*(k−2))} ……第2式 で示される。この演算は第2図に示すフローチヤ
ートの順に、まずΔuo*(k)をステツプ(12)で実行し、
次にuo*(k)をステツプ(13)で実行する。 加算部6は、サンプル値制御演算部5の出力信
号uo*(k)と同定信号v*(k)を加算し、加算された信
号u*(k)がサンプルホールド部2でサンプルホー
ルドされてプロセス1への操作信号u(t)とな
る。すなわち次式で示される。 u*(k)=uo*(k)+v*(k) ……第3式 同定信号発生部7は操作信号に加える同定信号
v*(t)を発生する。この同定信号v*(t)は多
周波数成分を含んでいる信号で、本実施例では簡
単なアルゴリズムで作ることができるM系列信号
を同定信号として用いた。このM系列信号を発生
させる具体的な構成は、一般に良く知られている
ので、ここでは詳細な説明は省略する。例えば信
号の周期を127とし、その振幅をAmとした時の
M系列信号は適当な初期状態C(k−i)=0また
は1、(ただしi=0,1,…7)を設定するこ
とにより発生することができる。この場合は、次
の第4式および第5式の演算を実行することによ
つて同定信号v*(k)が得られる。 C(k)=MOD(C(k−1)+(k−7),2)
……第4式 v*(k)=Am(2C(k)−1) ……第5式 サンプラ8は、サンプラ4と同期して動作し、
プロセス信号y(t)をサンプリングする。この
サンプルされた信号を記号y*(k)を付したプロセ
ス信号とした。 ARMAモデルを同定するパルス伝達関数同定
部9は出力信号u*(k)とプロセス信号y*(k)とから、
プロセス1の動特性をあらわすパルス伝達関数を
時系列処理により同定するものである。本実施例
でのパルス伝達関数同定部は逐次近似最尤度型フ
イルタで構成されている。なお同定信号は、
Persistently、exciting信号としてM系列信号を
用いているので、 lEEE Transaciton on Automatic Control,
1976年12月、ldentifiability Condition for
Linear Multivariable System Operating
Under Feedback,(837840頁)T.Soderatrom
他著に記載の定理により、閉ループ制御中にプロ
セス1への操作信号u*(k)とプロセス信号y*(k)か
ら、プロセス1のパルス伝達関係が同定可能とな
る。 同定手法は、最小2乗法、最尤度法、補助変数
法、拡張最小2乗法などがあるが本実施例では観
測ノイズに強く、同定精度の高い最尤度法を用い
た。この最尤度法による同定は逐次近似最尤度型
同定フイルタのアルゴリズムで実行できる。いま
操作信号u*(k)とプロセス信号y*(k)とに着目して
プロセス1および観測ノイズξ(k)の等価モデル
(ARMAモデル)を示すと、第3図に示すよう
に、プロセスの等価パラメータはブロツク14の
ようになり、観測ノイズの等価パラメータはブロ
ツク15のようになる。また同定すべき未知パラ
メータai^,bi^,ci^(ただし、i=1,2,…,
m,j=1,2,…,n)をベクトルθ^であらわ
すと、 θ^T=〔a^1a^2,,…a^m,b^1,b^2,…,b^n,c^1,c
^2,…,c^m〕……第6式 (ただし、Tは転置をあらわす)となり、近似最
尤度型同定フイルタのアルゴリズムはカルマンフ
イルタに類似した次の第7式第17式で示すこと
ができる。 θ^(k)=θ^(K−1)+p(k−1)・ψ(k)/λ(k)
+ψT(k)・p(k−1)ψ(k)・ε(K)……第7式 ここで、p(k)は次式で示される(n+2m)×
(n+2m)行列である。 p(k)=〔p(k−1)−p(k−1)ψ(k)ψT(k)p(

−1) λ(k)+ψT(k)・p(k−1)ψ(k)〕/λ(k) ……第8式 また、ε(k)は次式で示される、同定誤差であ
る。 ε(k)=y*(k)−〔−y*(k−1),−y*(k−2),…
,−y*(k−m),u*(k−1),u*(k−2) …、u*(k−n),ε(k−1),ε(k−2),…
,ε(k−m)〕×θ^(k−1)……第9式 さらにψ(k)は次式で与えられる(n+2m)ベ
クトルである。 ψT(k)=〔−y〓(k−1),−y〓(k−2),…,−
y〓(k−m),u〓(k−1), …,u〓(k−n),ε〓(k−1),…,ε〓(k−
m)〕……第10式 ここでψ(k)ベクトルの要素を、近似最尤度法で
は次のようにして近似する。 またλ(k)は、forgetting factorであり、次の次
のように選ぶ。プロセス動特性が変化しない場合 λ(k)=1.0 ……第14式 または、 λ(k)=α・λ(k−1)+(1−α) ……第15式 (0.95λ(a)1 0.95α1) プロセス動特性が変化する場合 λ(k)=α(0.95α 1) ……第16式 初期値として、次のように選ぶ。 (θ^(o)=O P(o)=β・I} ……第17式 ただし、βは103〜105程度の実数、は単位行
列である。 このように設定することにより、{u*(k)},{y*
(k)}のデータがサンプル制御周期毎に入力され、
その入力毎に上述した近似最尤度型同定アルゴリ
ズムにより、プロセスおよび観測ノイズのモデル
パラメータが逐次同定される。従つて、同定パラ
メータのうちa^i(i=1,…,m),b^j(j=1,
…,n)を用いてプロセスのパルス伝達関数は、
次式で示される。 これら一連の、パルス伝達関数同定部9のアル
ゴリズムを、第4図に示した。ステツプ(16)
は、第11乃至第13式の演算ブロツクであり、ステ
ツプ(17)はψT(k)ベクトルと、φT(k)ベクトルを
セツトアツプする演算ブロツクであり、ステツプ
(18)では、第9式を演算する。ステツプ(19)
で第7式と第8式を演算する。そしてステツプ
(20)は同定結果θ^(t)を用いてプロセスのパル
ス伝達関数G^p(z)を設定する演算ブロツクであ
る。 伝達関数演算部10ではパルス伝達関数同定部
9で同定したパルス伝達関数から、S領域におけ
るプロセスの伝達関数を演算する。ここでは、同
定したプロセスのパルス伝達関数のステツプ応答
が、実プロセスのステツプ応答に一致することに
着目したアルゴリズムとなつている。 まず、分子を分母で割り算すると第18式には次
式であらわせる。 G^p(z)=i=1 g^i z ……第19式 従つて、同定したプロセスのパルス伝達関数の
ステツプ応答をx(k)とすると、x(k)は次式であら
わせる。 x(k)=ki=1 g^i ……第20式 x(k)を直線でつないだ応答x〓(t)は次式であ
わせる。 x〓(t)=o-1i=0 g^i+gn/τ・t (n−1)τ≦t<nτ ……第12式 x〓(t)のラプラス変換したものをx〓(s)とす
ると、 X〓(s)は X〓(s)=e〓s−1/τs2i=1 g^i・e-is ……第22式 となる。X〓(s)をプロセスの伝達関数G〓p(s)
のステツプ応答とみなすと、G〓p(s)は次式で示
される。 G〓(s)=e〓s−1/τs・i=1 g^i・e-is ……第23式 第23式の右辺第2項は、無限級数を含んでお
り、現実的でない。第18式の第19式は等価である
ので、これを用いると、第23式は となる。指数関数部を展開し、G〓(s)を分母形
伝達関数であらわして、sの3次の項までの係数
は次のようにして、求めることができる。 G〓p(s)=1/h0+h1s+h2s2+h3s3+… ……第25式 h〓0=D0 h〓1=D1−τ/2h〓0 h〓2=D2−τ/2h〓1−τ2/6h〓0 h〓3=D3−τ/2h〓2−τ2/6h〓1−τ3/24h0……2
6式 ここで、 D0=A0/B0 D1=(A1−D0B1)/B0 D2=(A2−D0B2D1B1)/B0 D3=(A3−D0B3−D1B2−D2B1)/B0 ……第27式 以上により、プロセスのS領域の伝達関数G〓p
(s)を計算するアルゴリズムが求まつた。これ
に基づく具体的アルゴリズムを第5図にフローチ
ヤートで示した。第5図中のステツプ21は第27
式および第28式を演算する部分で、ステツプ22
は第27式を演算する部分で、、ステツプ23は第
26式を演算する部分である。 サンプル値制御定数演算部11は本実施例で
は、伝達関数演算部10で求められたプロセスの
伝達関数G〓p(s)から、北森が計測自動制御学会
論文集、1979年第15巻第5号p113136、制御対
象の部分的知識に基くサンプル値制御系の設計法
の中で述べている方法によりサンプル値制御定数
を演している。G〓p(s)が設定された後の、サン
プル値PID制御パラメータ(Kc:比例ゲイン、
Ti:積分時定数、Td:微分時定数)を導出する
部分をアルゴリズム化して、第6図に示した。な
お、サンプル制御周期は同定の時と異なる場合を
考慮して、Δtとする。ステツプ(4)は、サンプル
値コントローラの動作モードを判定する部分であ
る。ステツプ(25)はPI動作の場合の、σに関
する2次式の根を求めるブロツク図であり、ステ
ツプ(26)はPI動作の場合で、σに関する3次
元の根を求めるブロツクである。求まつた根の中
で、正の最小根σ*をステツプ(27)で求める。
このσ*を用いてサンプル値PIDパラメータをステ
ツプ(28),(29)で演算する。このサンプル値制
御定数演算部11で演算された新なサンプル値制
御定数を用いて、サンプル値制御定数演算部5が
サンプル値制御演算を行なうことになり、制御定
数の自動調整機能が実行されることになる。 次に、本発明の装置を用いて2次おくれプロセ
スに適用した結果を第7図に示した。区間Aは、
閉ループ制御中にM系列信号を注入して、プロセ
スを同定しつつかつ、サンプル値制御定数を調整
している区間である。一方、区間Bは、制御定数
の調整した効果を示すために、M系列信号の注入
を止め、調整された制御定数を用いて、0.2の目
標値変化を与えた場合の応答を示したものであ
る。よくダンピングの利いたステツプ応答が得ら
れた。 以上に示したように、サンプリング周期如何を
問わず、パルス伝達関数を同定してから、S領域
の伝達関数に変換し、このS領域の伝達関数でサ
ンプル値制御定数を決定しているので、安定に制
御されていることがわかる。また、小さな同定信
号を用いて極めて短い時間でプロセスの動特性が
オンラインで同定でき、その結果から、サンプル
値制御定数を同じくオンラインで調整することが
できた。 [発明の効果] 以上詳述したように、本発明によれば、サンプ
ル値コントローラの出力信号に数%程度の小さな
同定信号を加えて操作信号としてプロセスへ注入
し、閉ループ制御を実施しながら、サンプル制御
周期毎の操作信号とプロセス信号とから、プロセ
スのパルス伝達関数を同定し、そのパルス伝達関
数を同定して得られるプロセス伝達関数のステツ
プ応答を結んだ応答をラプラス変換した結果から
S領域の伝達関数を演算し、その伝達関数からサ
ンプル値制御定数を演算し、その演算結果の制御
定数を用いて閉ループ制御を行なわせることによ
り、サンプル周期の如何を問わずに安定した制御
定数を決定できるので、例えば、その周期を長く
して、サンプリング中に制御定数を簡単な演算手
段でゆつくりと計算すれば良く、(格別に高速な
計算のできる大型計算機で計算する必要がな
い。)、しかも適切にかつ安定して自動的にサンプ
ル値制御定数を調整することができる。 本発明による装置ではプロセスの動特性を知る
のに閉ループ制御中に微少な同定信号を用いてい
るので、従来装置の限界感度法、リミツトサイク
ル法などと比べてプロセスを大きく変動させない
ので実用的である。また、閉ループ制御を実行し
ながら、プロセス動特性の同定と制御定数の自動
調整ができるので、コントローラの実機調整期間
がほとんどいらなくなる。また、プロセスを操業
中にも、自動調整ができるので、プラントを高い
稼動率で操作することができ、利すること非常に
大である。 また、コントローラの比例ゲインを零に固定す
ると、開ループ状態となるが、同定信号をコント
ローラの出力箇所で加えているので、閉ループの
みならず、開ループでもプロセスの動特性を同定
できる。 また、プロセスのパルス伝達関数を同定するの
に、カルマンフイルタに類似した、逐次形の近似
最尤度型フイルタを用いており、統計処理が自動
的に行なわれているのでフイルタ効果があり、観
測ノイズの影響を受けることなく、安定した同定
ならびに、制御定数の自動調整が行なえる。 また、パーシステントリ・エキサイト信号をパ
ルス伝達関数同定部に入力する操作信号は加算器
6の出力からに限らずサンプリングホールド部の
出力からA/D変換部を介して得られる信号を用
いても良い。 上述した本発明の実施例では、プロセスのパル
ス伝達関数を同定するのに、近似最尤度法を用い
たが、不偏一致推定値が得られる同定法であれば
拡張最小2乗法、補助変数法、モデル規範形パラ
メータ同定法など何でも良い。 また同定信号として、M系列信号を用いたが定
常不規則過程に属する信号であれば、M系列以外
の疑似ランダム信号(Pseudo−Random
BinarySignal)でも、正規乱数信号でも、何で
も良い。またM系列信号を直接に用いるではな
く、一旦発生させたM系列信号をデジタルフイル
タを通して得た出力信号を用いても良い。 なお特に同定信号にM系列信号を用いることに
よつて、M系列信号は2値(+1,,−1)もしく
は3値(+1,0,−1)の値を取るので、同定
するプロセスを無理なく動作させることができ、
安全に同定できる。またM系列信号は多くの周波
数成分を含んでいるので、同定する時間を短縮す
ることができる。さらにまたM系列信号はその発
生が比較的容易で簡単なロジツクの構成で得られ
るので、装置を小型化できる。
A pulse transfer function identification section that identifies [Formula] and a Laplace transform of the response obtained by connecting the step responses of the pulse transfer function of the process obtained by this pulse transfer function identification section with a straight line. A transfer function calculation unit that calculates the transfer function G ~ p (s) = 1/h 0 + h 1 S + h 2 S 2 + h 3 S 3 +..., and the sample value PID control calculation from the result calculated by this transfer function calculation unit. This is a sampled value PID control device comprising a sampled value control constant calculation section that calculates a control constant of a sampled value control constant. (Function) A sample value PID that allows the sample value control constant obtained by the sample value control constant calculation unit to be used as the control constant of the sample value PID control calculation unit, and allows the control constant to be quickly and automatically adjusted while controlling the process in a closed loop. It is a control device. This invention particularly uses persistently exciting signals as identification signals.
This is a sample value PID control device using signals. This persistently exciting signal is a signal belonging to a stationary irregular process such as an M-sequence signal, a random number signal, a white noise signal, etc. For example, I. Gustavsson et al.
-Ldenfiability and Accuracy Aspects-
Defined on page 65 of the magazine Automatica, published in 1977. (Example) An example of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the circuit configuration of a sample value PID control device according to the present invention. The controlled object is, for example, a process 1 configured to automatically control the temperature, pressure, etc. in a steel or chemical industry plant. The control deviation e(t) with the process signal y(t) (e(t)
=r(t)-y(t)), and a sampler 4 that operates at a predetermined sampling control period τ.
and the sampled value PID control calculation unit 5 that controls the process 1 based on the sampled deviation signal e * (k) output from the sampler 4.
The control device is configured. Here, k is a discrete time, meaning that the actual time t is kτ. Output signal uo * (k) of sample value PID control calculation unit 5
is the identification signal v * generated by the identification signal generating section 7
(k) and the adder 6, and the added output signal
By inputting u * (k) to the sample hold section 2, an operation signal u(t) for operating the process 1 is obtained. Process 1 is controlled by the obtained operation signal u(t). Output signal u * (k) of adder 6 and process signal y
Calculate sample value PID control constants Kc (proportional gain), Ti (integral time constant), and Td (differential time constant) using sample process signal y * (k) obtained from (t) via sampler 8. . This calculation is performed by a pulse transfer function identification section 9, a transfer function calculation section 10, and a sample value control constant calculation section 11. The sample value PID control constant calculated here is the sample value
Input to PID control calculation section 5. That is, the control constant of this calculation unit 5 is adjusted in accordance with the fluctuation of the process 1. Next, each component of the apparatus of the present invention will be explained in more detail. The sample value control calculation unit 5, which is the controller of the process 1, processes the output signal e * (k) of the sampler 4 according to the following algorithm using sample value control constants to be described later, and generates the signal uo * (k). Output. This algorithm is a well-known speed-type PID algorithm, and if the proportional gain Kc, the integral time constant Ti, the differential time constant is Td, and the sample control period is τ, then the output signal of the sampled value PID control calculation unit 5 is uo * (k). is, uo * (k)=uo * (k-1) + Δuo * (k) ...Equation 1 Where, Δuo * (k)=Kc{e * (k)−(e * (k-1)) +τ/Tie * (k)+Td/τ(e * (k)−2e * (k−1)+e * (k−2))}...It is expressed by the second equation. This calculation is performed in the order of the flowchart shown in Figure 2, by first executing Δuo * (k) in step (12),
Next, execute uo * (k) in step (13). The adder 6 adds the output signal uo * (k) of the sample value control calculation unit 5 and the identification signal v * (k), and the added signal u * ( k) is sampled and held in the sample hold unit 2. This becomes the operation signal u(t) to process 1. That is, it is expressed by the following equation. u * (k) = uo * (k) + v * (k) ... 3rd formula The identification signal generator 7 adds the identification signal to the operation signal
generate v * (t). This identification signal v * (t) is a signal containing multi-frequency components, and in this embodiment, an M-sequence signal that can be generated by a simple algorithm is used as the identification signal. Since the specific configuration for generating this M-sequence signal is generally well known, detailed explanation will be omitted here. For example, when the signal period is 127 and the amplitude is Am, the M-sequence signal should be set to an appropriate initial state C(k-i) = 0 or 1 (however, i = 0, 1,...7). This can occur due to In this case, the identification signal v * (k) can be obtained by executing the following equations 4 and 5. C(k)=MOD(C(k-1)+(k-7), 2)
...4th equation v * (k) = Am (2C(k)-1) ...5th equation Sampler 8 operates in synchronization with sampler 4,
Sample the process signal y(t). This sampled signal was designated as a process signal with the symbol y * (k). The pulse transfer function identification unit 9 that identifies the ARMA model uses the output signal u * (k) and the process signal y * (k) to
The pulse transfer function representing the dynamic characteristics of process 1 is identified by time series processing. The pulse transfer function identification section in this embodiment is composed of a successive approximation maximum likelihood type filter. The identification signal is
Since the M-sequence signal is used as the persistently exciting signal, lEEE Transaciton on Automatic Control,
December 1976, ldentifiability condition for
Linear Multivariable System Operating
Under Feedback, (pp . 837-840 ) T. Soderatrom
According to the theorem described by others, the pulse transmission relationship of process 1 can be identified from the operation signal u * (k) to process 1 and the process signal y * (k) during closed-loop control. Identification methods include the least squares method, the maximum likelihood method, the auxiliary variable method, and the extended least squares method, but in this example, the maximum likelihood method, which is resistant to observation noise and has high identification accuracy, was used. Identification using the maximum likelihood method can be performed using a successive approximation maximum likelihood identification filter algorithm. Now, if we focus on the operation signal u * (k) and the process signal y * (k) and show the equivalent model (ARMA model) of process 1 and observation noise ξ(k), as shown in Figure 3, the process The equivalent parameters of the observation noise are as shown in block 14, and the equivalent parameters of the observation noise are as shown in block 15. Also, the unknown parameters to be identified are ai^, bi^, ci^ (where i=1, 2,...,
m, j = 1, 2,..., n) is expressed as a vector θ^, then θ^ T = [a^ 1 a^ 2 ,,...a^m, b^ 1 , b^ 2 ,..., b^ n, c^ 1 , c
^ 2 ,...,c^m〕...Equation 6 (where T represents transposition), and the algorithm of the approximate maximum likelihood identification filter is similar to the Kalman filter using the following Equations 7 to 17. can be shown. θ^(k)=θ^(K-1)+p(k-1)・ψ(k)/λ(k)
T (k)・p(k−1)ψ(k)・ε(K)……Equation 7 Here, p(k) is expressed by the following equation (n+2m)×
It is a (n+2m) matrix. p(k)=[p(k-1)-p(k-1)ψ(k)ψ T (k)p(
k
-1) λ(k)+ψ T (k)・p(k-1)ψ(k)]/λ(k)...Equation 8 Also, ε(k) is the identification error shown by the following equation. be. ε(k)=y * (k)−[−y * (k−1), −y * (k−2),…
, −y * (k-m), u * (k-1), u * (k-2) ..., u * (k-n), ε (k-1), ε (k-2), ...
, ε(k-m)]×θ^(k-1)...Equation 9 Furthermore, ψ(k) is an (n+2m) vector given by the following equation. ψ T (k)=[−y〓(k−1), −y〓(k−2), …, −
y〓(k-m), u〓(k-1), ..., u〓(k-n), ε〓(k-1), ..., ε〓(k-
m)]...Equation 10 Here, the elements of the ψ(k) vector are approximated as follows using the approximate maximum likelihood method. Also, λ(k) is a forgetting factor, which is selected as follows. When the process dynamic characteristics do not change, λ(k)=1.0...Equation 14 or λ(k)=α・λ(k-1)+(1-α)...Equation 15 (0.95λ(a) 1 0.95α1) When the process dynamic characteristics change λ(k)=α(0.95α1) ...The initial value of Equation 16 is selected as follows. (θ^(o)=O P(o)=β・I} ...Equation 17 However, β is a real number of about 10 3 to 10 5 and is a unit matrix. u * (k)}, {y *
(k)} data is input every sample control period,
For each input, model parameters of process and observation noise are sequentially identified using the approximate maximum likelihood identification algorithm described above. Therefore, among the identification parameters, a^i (i = 1, ..., m), b^j (j = 1,
..., n), the pulse transfer function of the process is
It is shown by the following formula. A series of these algorithms of the pulse transfer function identifying section 9 is shown in FIG. Step (16)
are the calculation blocks of the 11th to 13th equations, step (17) is the calculation block that sets up the ψ T (k) vector and the φ T (k) vector, and step (18) is the calculation block of the 9th equation Calculate. Step (19)
The seventh and eighth equations are calculated. Step (20) is a calculation block that uses the identification result θ^(t) to set the pulse transfer function G^p(z) of the process. The transfer function calculation unit 10 calculates the transfer function of the process in the S domain from the pulse transfer function identified by the pulse transfer function identification unit 9. Here, the algorithm focuses on the fact that the step response of the pulse transfer function of the identified process matches the step response of the actual process. First, by dividing the numerator by the denominator, Equation 18 is expressed as the following equation. G^p (z) = i=1 g^i z ...Equation 19 Therefore, if the step response of the pulse transfer function of the identified process is x(k), then x(k) is expressed as manifest. x(k)= ki=1 g^i ...Equation 20 The response x〓(t) when x(k) is connected by a straight line is calculated using the following equation. x〓(t)= o-1i=0 g^i+gn/τ・t (n-1)τ≦t<nτ ...The Laplace transform of Equation 12 x〓(t) is x〓(s ), then X〓(s) becomes X〓(s)=e〓 s −1/τs 2i=1 g^i・e −is ...the 22nd equation. X〓(s) is the process transfer function G〓p(s)
When considered as a step response, G〓p(s) is expressed by the following equation. G〓(s)=e〓 s −1/τs・i=1 g^i・e -is ...Equation 23 The second term on the right side of Equation 23 includes an infinite series, Not realistic. Equation 19 is equivalent to Equation 18, so using this, Equation 23 becomes becomes. Expanding the exponential part and expressing G〓(s) as a denominator transfer function, the coefficients of s up to the third-order terms can be found as follows. G〓p(s)=1/h 0 +h 1 s+h 2 s 2 +h 3 s 3 +… 25th formula h〓 0 =D 0 h〓 1 =D 1 −τ/2h〓 0 h〓 2 = D 2 −τ/2h〓 1 −τ 2 /6h〓 0 h〓 3 =D 3 −τ/2h〓 2 −τ 2 /6h〓 1 −τ 3 /24h 0 ……2
Equation 6 Here, D 0 = A 0 / B 0 D 1 = (A 1 − D 0 B 1 ) / B 0 D 2 = (A 2 − D 0 B 2 D 1 B 1 ) / B 0 D 3 = (A 3 −D 0 B 3 −D 1 B 2 −D 2 B 1 )/B 0 ...Equation 27 From the above, the transfer function G〓p in the S region of the process
An algorithm for calculating (s) was found. A specific algorithm based on this is shown in a flowchart in FIG. Step 21 in Figure 5 is the 27th step.
In the part that calculates the formula and the 28th formula, step 22
is the part that calculates the 27th equation, and step 23 is the part that calculates the 27th equation.
This is the part that calculates 26 formulas. In this embodiment, the sample value control constant calculation unit 11 calculates the process transfer function G〓p(s) obtained by the transfer function calculation unit 10, as described in Kitamori's Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, Vol. 15, No. 5, 1979. The sampled value control constants are calculated using the method described in No. 113-136 , Method of designing a sampled value control system based on partial knowledge of the controlled object. After G〓p(s) is set, the sample value PID control parameters (Kc: proportional gain,
The algorithm for deriving Ti: integral time constant, Td: differential time constant is shown in Figure 6. Note that the sample control period is set to Δt in consideration of the case where it is different from the time of identification. Step (4) is a part for determining the operation mode of the sample value controller. Step (25) is a block diagram for finding the root of a quadratic equation regarding σ in the case of PI operation, and step (26) is a block diagram for finding a three-dimensional root regarding σ in the case of PI operation. Among the roots found, the minimum positive root σ * is found in step (27).
Using this σ * , the sample value PID parameter is calculated in steps (28) and (29). Using the new sample value control constant calculated by the sample value control constant calculation unit 11, the sample value control constant calculation unit 5 will perform sample value control calculation, and the automatic adjustment function of the control constant will be executed. It turns out. Next, FIG. 7 shows the results of applying the apparatus of the present invention to a secondary delay process. Section A is
This is an interval in which the M-sequence signal is injected during closed-loop control to identify the process and adjust the sample value control constant. On the other hand, section B shows the response when the injection of the M-sequence signal is stopped and a target value change of 0.2 is applied using the adjusted control constant in order to show the effect of adjusting the control constant. be. A step response with good damping was obtained. As shown above, regardless of the sampling period, the pulse transfer function is identified and then converted to the S-domain transfer function, and the sample value control constant is determined by this S-domain transfer function. It can be seen that the control is stable. Furthermore, the dynamic characteristics of the process could be identified online in a very short time using a small identification signal, and the sample value control constants could also be adjusted online based on the results. [Effects of the Invention] As detailed above, according to the present invention, a small identification signal of several percent is added to the output signal of the sample value controller and injected into the process as an operation signal, and while performing closed loop control, The pulse transfer function of the process is identified from the operation signal and process signal for each sample control period, and the S area is calculated from the result of Laplace transform of the response that connects the step response of the process transfer function obtained by identifying the pulse transfer function. A stable control constant is determined regardless of the sample period by calculating the transfer function of For example, you can simply lengthen the cycle and slowly calculate the control constants using a simple calculation method during sampling (there is no need to use a large computer that can perform extremely high-speed calculations). Moreover, the sample value control constant can be adjusted automatically and appropriately and stably. The device according to the present invention uses a minute identification signal during closed-loop control to know the dynamic characteristics of the process, so it is practical because it does not cause large fluctuations in the process compared to the limit sensitivity method, limit cycle method, etc. of conventional devices. It is. Furthermore, since process dynamic characteristics can be identified and control constants can be automatically adjusted while performing closed-loop control, there is almost no need for adjustment of the actual controller. Furthermore, since automatic adjustments can be made even during process operation, the plant can be operated at a high operating rate, which is extremely beneficial. Furthermore, when the proportional gain of the controller is fixed to zero, it becomes an open loop state, but since the identification signal is applied at the output point of the controller, the dynamic characteristics of the process can be identified not only in the closed loop but also in the open loop. In addition, to identify the pulse transfer function of the process, a sequential approximate maximum likelihood filter similar to the Kalman filter is used, and statistical processing is performed automatically, so there is a filter effect, and the observation Stable identification and automatic adjustment of control constants can be performed without being affected by noise. Furthermore, the operation signal for inputting the persistent excite signal to the pulse transfer function identification section is not limited to the output of the adder 6, but may also be a signal obtained from the output of the sampling and holding section via the A/D conversion section. good. In the embodiment of the present invention described above, the approximate maximum likelihood method was used to identify the pulse transfer function of the process, but any identification method that can obtain unbiased matching estimates may be the extended least squares method or the auxiliary variable method. , model reference form parameter identification method, etc. can be used. In addition, although an M-sequence signal was used as an identification signal, if the signal belongs to a stationary irregular process, a pseudo-random signal other than the M-sequence
BinarySignal), normal random number signal, or anything is fine. Furthermore, instead of directly using the M-sequence signal, an output signal obtained by passing the generated M-sequence signal through a digital filter may be used. In particular, by using the M-sequence signal as the identification signal, the identification process can be made easier because the M-sequence signal takes binary (+1,,-1) or ternary (+1, 0, -1) values. It can be operated without
Can be safely identified. Furthermore, since the M-sequence signal includes many frequency components, the time required for identification can be shortened. Furthermore, since the M-sequence signal is relatively easy to generate and can be obtained with a simple logic configuration, the device can be miniaturized.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、この発明の一実施例を示すブロツク
図、であり、第2図および第3図から第6図まで
は、第1図内の各ブロツクの内容を説明するフロ
ーチヤート図、第3図はこの発明のブロツク図の
一部を説明する図、第7図は本発明の実施例を用
いて、2次おくれプロセスに適用した結果の応答
を示す曲線図である。 1……プロセス、2……サンプルホールド、4
……サンプラ、5……サンプル値制御演算部、7
……同定信号発生部、9……パルス伝達関数同定
部、10……伝達関数演算部、11……サンプル
値制御定数演算部。
FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of the present invention, and FIGS. 2 and 3 to 6 are flowcharts explaining the contents of each block in FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating a part of the block diagram of the present invention, and FIG. 7 is a curve diagram showing the response as a result of applying the embodiment of the present invention to a quadratic delay process. 1...Process, 2...Sample hold, 4
... Sampler, 5 ... Sample value control calculation section, 7
. . . Identification signal generation section, 9 . . . Pulse transfer function identification section, 10 . . . Transfer function calculation section, 11 . . . Sample value control constant calculation section.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 制御対象となるプロセスをサンプル値制御す
るサンプル値PID制御演算部を有するものにおい
て、前記サンプル値PID制御演算部で制御される
制御ループ内にパーシステントリ・エキサイテイ
ング信号からなる同定信号を印加する同定信号発
生部と、この印加した同定信号に前記サンプル値
PID制御演算部の出力信号を加算して得られる操
作信号および前記プロセスの制御量をサンプリン
グして得られるプロセス信号を入力して、これら
の操作信号とプロセス信号とでプロセスのパルス
伝達関数【式】を同定す るパルス伝達関数同定部と、このパルス伝達関数
同定部で得られるプロセスのパルス伝達関数のス
テツプ応答を直線で結んだ応答をラプラス変換し
た結果からS(ラプラス演算子)領域の伝達関数
G〓p(s)=1/h0+h1S+h2S2+h3S3+…を演算する 伝達関数演算部と、この伝達関数演算部で演算し
た結果から前記サンプル値PID制御演算部の制御
定数を算出するサンプル値制御定数演算部とを具
備してなることを特徴とするサンプル値PID制御
装置。
[Scope of Claims] 1. In a device having a sample value PID control calculation unit that controls a process to be controlled using sample values, a persistent exciting signal is provided in a control loop controlled by the sample value PID control calculation unit. an identification signal generator that applies an identification signal consisting of a sample value to the applied identification signal;
The operation signal obtained by adding the output signals of the PID control calculation unit and the process signal obtained by sampling the control amount of the process are input, and these operation signals and process signals are used to calculate the pulse transfer function of the process [formula ] A pulse transfer function identification section that identifies the pulse transfer function, and a transfer function in the S (Laplace operator) domain from the result of Laplace transform of the response obtained by connecting the step responses of the pulse transfer function of the process obtained by this pulse transfer function identification section with a straight line.
G〓 p (s) = 1/h 0 + h 1 S + h 2 S 2 + h 3 S 3 +..., and a transfer function calculation section that calculates 1. A sampled value PID control device, comprising: a sampled value control constant calculating section that calculates a control constant.
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