CN104813244A - 调节器、控制方法以及控制程序 - Google Patents
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Abstract
调节器包含：操作量决定单元，其根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致；以及调谐单元，其根据观测量交替输出第1操作量和第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定参数。调谐单元在第1操作量和第2操作量的交替输出中，在每次切换输出时依次变更第1操作量的大小，并且根据在判断为控制量相对于第1操作量的第1变化具有线性时所取得的响应特性来决定参数。
Description
技术领域
本发明涉及具有自动调谐功能的调节器、该调节器的控制方法以及实现该调节器的控制程序。
背景技术
当前，以PID控制系统为首的反馈控制系统被利用于温度控制、速度控制、位置控制这样的各种用途。在这样的反馈控制系统中，为了提高对目标值的变更的响应性和对外部干扰的收敛性，根据控制对象使比例增益、积分时间、微分时间这样的控制参数最优化是重要的。
然而，不具有反馈控制系统的知识的用户难以对控制参数进行最优化。因此，对这样的控制参数自动进行最优化的自动调谐功能被开发和实用化。作为这样的自动调谐功能的代表例，已知有步骤响应法、极限灵敏度法(参照非专利文献1)、极限循环法(参照专利文献1和专利文献2)等。
具体而言，日本特开平05-289704号公报(专利文献1)公开了具有加热和冷却2种PID运算功能的加热冷却调节计。该加热冷却调节计具有加热和冷却自动调谐功能。日本特开2004-227062号公报(专利文献2)公开了如下的加热冷却控制技术，即适当切换向加热执行器输出操作量的加热模式和向冷却执行器输出操作量的冷却模式，来进行温度控制。该加热冷却控制技术中包含使操作量振幅产生一定的极限循环而对控制参数进行调整的极限循环自动调谐方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平05-289704号公报
专利文献2:日本特开2004-227062号公报
非专利文献
非专利文献1:J.G.Ziegler and N.B.Nichols,"Optimum Settings for AutomaticControllers",TRANSACTIONS OF THE A.S.M.E.,November,1942
发明内容
发明要解决的问题
在反馈控制系统中包含非线性要素的情况下，即，在操作量与控制对象中产生的控制量之间的非线性较强的情况下，在自动调谐功能中，有时无法对控制参数进行最优化。专利文献1中记载的加热冷却调节计采用如下结构：针对具有非线性的静特性的控制对象，在冷却自动调谐时，使用限制率对操作量的各个级别进行限制。然而，并未公开应该将该限制率决定为什么样的值，不得不根据控制对象来按照经验或试错地决定。此外，专利文献2中记载的加热冷却控制装置采用如下结构：产生第1极限循环和第2极限循环，根据其控制响应来计算控制参数。然而，该专利文献2所记载的结构中，假定加热侧的加热能力和冷却侧的冷却能力中存在差别的情况，加热能力和/或冷却能力各自无法应对具有非线性的情况。
本发明正是为了解决这样的课题而完成的，其目的在于，提供针对非线性较强的控制对象也能够适当地进行自动调谐的调节器、该调节器中的控制方法以及实现该调节器的控制程序。
本发明的另一目的在于，提高具有用户友好的自动调谐功能的调节器、该调节器中的控制方法以及实现该调节器的控制程序。
用于解决问题的手段
本发明的一个方面的具有自动调谐功能的调节器包含：操作量决定单元，其根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使控制量产生与第1变化相反的第2变化；以及调谐单元，其根据观测量交替输出第1操作量和第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定参数。调谐单元在第1操作量和第2操作量的交替输出中，在每次切换输出时依次变更第1操作量的大小，并且根据在判断为控制量相对于第1操作量的第1变化具有线性时所取得的响应特性来决定参数。
优选的是，调谐单元根据通过紧前的交替输出而取得的响应特性，来决定新的交替输出中的第1操作量的大小。
并且，优选的是，调谐单元根据在紧前的交替输出中输出第1操作量的期间的长度和输出第2操作量的期间的长度，校正该紧前的交替输出中的第1操作量的大小，由此决定新的交替输出中的第1操作量的大小。
优选的是，调谐单元按照依次变更的第1操作量的大小，评价与对应于第1操作量的控制量的变化速度之间的关系，由此判断控制量相对于第1操作量的第1变化是否具有线性。
优选的是，即使没有判断为控制量相对于第1操作量的第1变化具有线性，当第1操作量和第2操作量的交替输出被执行了预定的次数时，调谐单元也根据在最终的交替输出中取得的响应特性来决定参数。
本发明的另一个方面的具有自动调谐功能的调节器包含：操作量决定单元，其根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使控制量产生与第1变化相反的第2变化；以及调谐单元，其根据观测量交替输出第1操作量和第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定参数。调谐单元根据紧前的交替输出中的输出第1操作量的期间的长度与输出第2操作量的期间的长度之比的n次幂(n＞1)，校正该紧前的交替输出中的第1操作量的大小，由此决定新的交替输出中的第1操作量的大小。
优选的是，调谐单元使用满足1.5≤n≤3.0的n，决定新的交替输出中的第1操作量的大小。
优选的是，控制对象包括挤出成型机，该挤出成型机包含加热装置和冷却装置，与通过加热装置而在控制对象中产生的加热相关的控制量相对于对应的操作量具有相对较强的线性，与通过冷却装置而在控制对象中产生的冷却相关的控制量相对于对应的操作量具有相对较强的非线性。
本发明的又一方面的具有自动调谐功能的调节器包含：操作量决定单元，其根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使控制量产生与第1变化相反的第2变化；以及调谐单元，其根据观测量交替地逐次输出第1操作量和第2操作量，根据通过第1操作量和第2操作量的逐次的交替输出而取得的响应特性来决定参数。调谐单元根据响应特性，估计控制量相对于第1操作量的第1变化能够维持线性的第1操作量的范围，并且根据该估计出的范围来决定参数。
本发明的又一方面的具有自动调谐功能的调节器包含：操作量决定单元，其根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使控制量产生与第1变化相反的第2变化；调谐单元，其根据观测量交替输出第1操作量和第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定参数；以及显示单元，其显示当前正在执行的交替输出的次数。
本发明的又一方面的具有自动调谐功能的调节器包含：操作量决定单元，其根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使控制量产生与第1变化相反的第2变化；调谐单元，其根据观测量交替输出第1操作量和第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定参数；以及显示单元，其显示参数的决定所需要的交替输出完成的时期。
本发明的又一方面的具有自动调谐功能的调节器中的控制方法包含以下步骤：根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使控制量产生与第1变化相反的第2变化；以及根据观测量交替输出第1操作量和第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定参数。决定参数的步骤中包含以下步骤：在第1操作量和第2操作量的交替输出中，在每次切换输出时依次变更第1操作量的大小，并且根据在判断为控制量相对于第1操作量的第1变化具有线性时所取得的响应特性来决定参数。
本发明的又一方面的具有自动调谐功能的调节器中的控制方法包含以下步骤：根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使控制量产生与第1变化相反的第2变化；以及根据观测量交替输出第1操作量和第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定参数。决定参数的步骤中包含以下步骤：根据紧前的交替输出中的输出第1操作量的期间的长度与输出第2操作量的期间的长度之比的n次幂(n＞1)，校正该紧前的交替输出中的第1操作量的大小，由此决定新的交替输出中的第1操作量的大小。
本发明的又一方面的具有自动调谐功能的调节器中的控制方法包含以下步骤：根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使控制量产生与第1变化相反的第2变化；以及根据观测量交替地逐次输出第1操作量和第2操作量，根据通过第1操作量和第2操作量的逐次的交替输出而取得的响应特性来决定参数。决定参数的步骤中包含以下步骤：根据响应特性，估计控制量相对于第1操作量的第1变化能够维持线性的第1操作量的范围，并且根据该估计出的范围来决定参数。
本发明的又一方面的具有自动调谐功能的调节器中的控制方法包含以下步骤：根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使控制量产生与第1变化相反的第2变化；根据观测量交替输出第1操作量和第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定参数；以及显示当前正在执行的交替输出的次数。
本发明的又一方面的具有自动调谐功能的调节器中的控制方法包含以下步骤：根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使控制量产生与第1变化相反的第2变化；根据观测量交替输出第1操作量和第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定参数；以及显示参数的决定所需要的交替输出完成的时期。
本发明的又一方面的实现具有自动调谐功能的调节器的控制程序使处理器执行以下步骤：根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使控制量产生与第1变化相反的第2变化；以及根据观测量交替输出第1操作量和第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定参数。决定参数的步骤中包含以下步骤：在第1操作量和第2操作量的交替输出中，在每次切换输出时依次变更第1操作量的大小，并且根据在判断为控制量相对于第1操作量的第1变化具有线性时所取得的响应特性来决定参数。
本发明的又一方面的实现具有自动调谐功能的调节器的控制程序使处理器执行以下步骤：根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使控制量产生与第1变化相反的第2变化；以及根据观测量交替输出第1操作量和第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定参数。决定参数的步骤中包含以下步骤：根据紧前的交替输出中的输出第1操作量的期间的长度与输出第2操作量的期间的长度之比的n次幂(n＞1)，校正该紧前的交替输出中的第1操作量的大小，由此决定新的交替输出中的第1操作量的大小。
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发明的效果
根据本发明的一个方面，即使针对非线性较强的控制对象，也能够通过自动调谐而适当地决定控制参数。此外，根据本发明的另一方面，能够提供用户友好的自动调谐功能。
附图说明
图1是示出本实施方式的反馈控制系统的示意图。
图2是示出实现本实施方式的反馈控制系统的系统结构的示意图。
图3是示出图2所示的控制对象过程中的操作量以及加热能力和冷却能力的特性例的图。
图4是示出图2所示的控制对象过程中的操作量以及加热能力和冷却能力的另一特性例的图。
图5是示出通常的自动调谐的执行时的控制对象的温度(观测量)和操作量的时间变化的一例的图。
图6是示出使用通过图5所示的自动调谐的执行而决定的PID参数进行了反馈控制的情况下的控制对象的温度(观测量)和操作量的时间变化的一例的图。
图7是示出本实施方式的调节器的自动调谐执行时的时间波形例的图。
图8是示出本实施方式的调节器的自动调谐执行时的操作量的冷却能力的特性上的变化的图。
图9是用于说明本实施方式的调节器的自动调谐的误差的评价方法的图。
图10是示出实施方式的调节器中执行的自动调谐的处理步骤的流程图。
图11是示出实现本实施方式的调节器所搭载的自动调谐功能的控制结构的示意图。
图12是示出本实施方式的自动调谐的各部的时间波形的一例。
图13是示出使用通过图12所示的自动调谐的执行而计算出的PID参数得到的控制性能的比较例的图。
图14是示出本实施方式的调节器提供的用户接口的一例的示意图。
图15是示出本实施方式的调节器提供的用户接口的另一例的示意图。
图16是示出本实施方式的变形例1的自动调谐的各部的时间波形的一例。
图17是示出图2所示的控制对象过程中的加热能力、冷却能力与操作量(加热和冷却)之间的关系的一例的图。
图18是用于说明本实施方式的变形例3的决定参数的过程的图。
图19是示出通过本变形例的自动调谐功能来计算出的PID参数的误差率的评价结果例的图。
具体实施方式
参照图面详细说明本发明的实施方式。另外，对图中的相同或相当部分标注相同标号，不重复其说明。
[A.控制对象过程]
首先，对本实施方式的调节器的控制对象进行说明。图1是示出本实施方式的反馈控制系统1的示意图。参照图1，反馈控制系统1包含调节器100、控制对象过程200。控制对象过程200包含加热装置210和冷却装置220作为执行器，这些装置对控制对象230进行加热或冷却。
调节器100根据预先设定的参数，选择性地决定用于使控制对象230的控制量产生第1变化(冷却)的第1操作量(冷却侧的操作量)或用于使控制量产生与第1变化相反的第2变化(加热)的第2操作量(加热侧的操作量)，使得从控制对象230取得的观测量(温度)与目标值一致。即，基本上，不会同时进行加热和冷却，而选择性地执行加热装置210对控制对象230的加热以及冷却装置220对控制对象230的冷却，使得控制对象230的温度与预先设定的目标值一致。
为了实现这样的控制，调节器100将所反馈的控制对象230的温度与预先设定的目标值进行比较，将加热信号或冷却信号选择性地分别输出到加热装置210或冷却装置220。即，调节器100通过控制加热装置210和冷却装置220，将控制对象230的温度保持恒定。
在以下的说明中，在从属于控制对象230的量中，将以控制目的为代表的量称作“控制量”，将通过控制对象230中所设置的温度传感器等的检测部而取得的量称作“观测量”。严密地讲，“观测量”被定义为在“控制量”中包含某些误差的值，但是，如果无视该误差，则能够将“观测量”视为控制对象230的“控制量”。因此，在以下的说明中，有时同义地使用“观测量”和“控制量”。
图1所示的控制对象过程200能够包含任意的过程，典型地，可举出挤出成型机中的原料的温度控制和恒温槽内的温度控制等。以下，以挤出成型机中的原料的温度控制作为一例，说明本实施方式的详细的内容，但是，本发明的应用范围不限于该过程。
包含本实施方式的调节器100的反馈控制系统1包含PID控制系统。在本说明书中，“PID控制系统”意味着包含进行比例动作(Proportional Operation：P动作)的比例要素、进行积分动作(Integral Operation：I动作)的积分要素和进行微分动作(Derivative Operation：D动作)的微分要素中的至少一个要素在内的控制系统。即，在本说明书中，PID控制系统是如下的概念：除了包含比例要素、积分要素和微分要素中的每种要素的控制系统以外，还包括仅包含一部分控制要素、例如比例要素和积分要素的控制系统(PI控制系统)等。
本实施方式的调节器100具有用于使PID控制系统所需要的控制参数(以下记为“PID参数”。)最优化的自动调谐功能。作为该自动调谐功能，调节器100根据观测量交替输出第1操作量(冷却侧的操作量)和第2操作量(加热侧的操作量)，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定PID参数。即，调节器100交替地输出冷却侧的操作量和加热侧的操作量而产生极限循环，根据该产生的极限循环的响应特性，决定PID参数。后面详细叙述该自动调谐功能。
[B.系统结构]
接着，对将图1所示的反馈控制系统1应用于挤出成型机的过程的实装例进行说明。图2是示出实现本实施方式的反馈控制系统1的系统结构的示意图。
参照图2，调节器100以使得从控制对象过程200测定的温度(观测量：ProcessValue；以下记为“PV”。)与所输入的目标值(设定值：Setting Point；以下记为“SP”。)一致的方式，输出操作量(Manipulated Value；以下记为“MV”。)。调节器100输出加热所涉及的加热信号和冷却所涉及的冷却信号来作为该操作量。
具体而言，调节器100包含控制部110、由模拟/数字(A/D)转换部构成的输入部120、由2个数字/模拟(D/A)转换部构成的输出部130、设定部140、显示部150。
控制部110是用于实现通常的PID控制功能和自动调谐功能等的运算主体，包含CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)112、以非易失的方式存储程序模块118的闪存(FlashROM(Read Only Memory：只读存储器))114、RAM(Random AccessMemory：随机存取存储器)116。CPU112是处理器，通过执行闪存114中所存储的程序模块118来实现后述的处理。此时，执行所读出的程序模块118所需要的数据(PV和SP等)被暂时存储在RAM116中。也可以构成为代替CPU112而使用面向数字信号处理的DSP(Digital Signal Processor：数字信号处理器)。关于程序模块118，也可以构成为能够经由各种记录介质更新数据。因此，程序模块118本身也能够包含于本发明的技术的范围中。此外，也可以使用FPGA(Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit：专用集成电路)等来实现控制部110的全体。
输入部120接收来自后述的温度传感器的测定信号，将表示其值的信号输出到控制部110。例如，在温度传感器是热电偶的情况下，输入部120包含用于检测在其两端产生的热电动势的电路。或者，在温度传感器是电阻测温体的情况下，输入部120包含用于检测在该电阻测温体中产生的电阻值的电路。并且，输入部120也可以包含用于去除高频成分的滤波电路。
输出部130根据由控制部110计算的操作量，选择性地输出加热信号或冷却信号。具体而言，包含数字/模拟转换部的加热侧输出部132将表示由控制部110计算出的操作量的数字信号转换为模拟信号，并作为加热信号而输出。另一方面，包含数字/模拟转换部的冷却侧输出部134将表示由控制部110计算出的操作量的数字信号转换为模拟信号，并作为冷却信号而输出。
设定部140包含用于受理用户的操作的按钮、开关等，将表示所受理的用户操作的信息输出到控制部110。典型地，设定部140从用户受理目标值(SP)的设定和自动调谐的开始指令。
显示部150包含显示器、指示器等，将表示控制部110的处理的状态等的信息通知给用户。
另一方面，控制对象过程200包含作为控制对象230(图1)的一例的挤出成型机232。挤出成型机232通过在作为管段的桶236内的轴中心设置的螺钉234的旋转，挤出在其内部所插入的原料(例如，塑料)。用于检测该原料的温度的温度传感器240被设置在挤出成型机232的内部。作为一例，温度传感器240由热电偶、电阻测温体(白金电阻温度计)构成。
在挤出成型机232中，通过新的原料的插入来吸热，另一方面，通过螺钉234的旋转使原料移动来发热。因此，为了抑制该吸热反应和发热反应导致的温度变动，设置加热装置210和冷却装置220(均在图1中示出)。
在图2所示的反馈控制系统1中，作为加热装置210的一例，采用在挤出成型机232的内部设置有发热体的结构。
更具体而言，加热装置210包含固态继电器(Solid State Relay：SSR)212和作为电阻体的电加热器214。固态继电器212控制AC电源与电加热器214的电连接/电遮断。更具体而言，调节器100输出具有与操作量对应的占空比的PWM信号作为加热信号。固态继电器212根据来自调节器100的PWM信号，将电路设为接通/断开(ON/OFF)。将与该电路的接通/断开(ON/OFF)的比率对应的电力供应至电加热器214。被供应至电加热器214的电力变为热而被施加给原料。
另一方面，冷却装置220包含在挤出成型机232的周围配置的冷却配管222、对被供应至冷却配管222的冷却介质(典型地，水或油)的流量进行控制的电磁阀224、用于对经过冷却配管222后的冷却介质进行冷却的水温调整设备226。电磁阀224对流过冷却配管222的冷却介质的流量进行调整，由此控制冷却能力。更具体而言，调节器100将具有与操作量对应的大小的电压值或电流值的信号作为冷却信号而输出到电磁阀224。电磁阀224根据来自调节器100的冷却信号调整阀的开度。通过该开度调整，控制要从挤出成型机232去除的热量。另外，在采用仅能够进行2个位置动作(开或闭)的电磁阀的情况下，与上述的加热信号同样地，输出具有与操作量对应的占空比的PWM信号作为冷却信号，通过调整电磁阀224的开时间和闭时间，控制冷却介质的流量。
[C.课题]
接着，对图2所示的反馈控制系统1中能够产生的、由于操作量与控制对象中产生的控制量之间的非线性而引起的控制上的课题进行说明。特别地，对执行自动调谐的情况下产生的课题进行说明。
图3是示出图2所示的控制对象过程200中的操作量与加热能力和冷却能力的特性例的图。在本说明书中，在以比例示出“加热能力”和“冷却能力”的情况下，如下进行定义。
加热能力[％]＝任意操作量下的加热温度[℃/sec]/最大加热温度[℃/sec]×100[％]
冷却能力[％]＝任意操作量下的冷却温度[℃/sec]/最大冷却温度[℃/sec]×100[％]
首先，如图3所示，加热特性(加热能力相对于加热的操作量的关系)基本上是线性的。即可以认为具有线性。这是因为，使用电加热器214作为加热装置210，提供与操作量成比例的电流(电力)，由此能够将发热量控制为线性。
与此相对，冷却特性(冷却能力相对于冷却的操作量的关系)根据在构成冷却装置220的冷却配管222中流动的冷却介质而具有不同的特性。例如，在使用油作为冷却介质的情况下，没有相变化而稳定，因此，与冷却的操作量对应的冷却能力基本成为线性。即可以认为具有线性。与此相对，在使用水作为冷却介质的情况下或使用空气(空冷方式)的情况下，与冷却的操作量对应的冷却能力成为非线性。这样，冷却特性根据冷却介质、冷却方式而具有较大的不同。
特别地，在使用水的水冷方式中，在液相变化为气相时的气化热相对较大，在产生这样的气化热的区域中冷却能力非常大。因此，在使用水的冷却方式(水冷方式)中，该气化热产生较大的影响，非线性变强。针对这样的水冷方式，难以事先掌握其能力的特性。
图4是示出图2所示的控制对象过程中的操作量与加热能力和冷却能力的另一特性例的图。图4所示的特性例中，在采用图3所示的水冷方式的情况下，分别示出使用于发挥其冷却能力的水量不同的情况下的冷却能力的特性。如图4所示可知，通过使水量不同，产生非线性的操作量也会变化。
针对这样的非线性较强的反馈控制系统，如果执行通常的自动调谐来决定PID参数，则控制性能可能恶化。以下说明这样的控制性能恶化的理由。
图5是示出执行通常的自动调谐时的控制对象的温度(观测量)和操作量的时间变化的一例的图。图6是示出使用通过执行图5所示的自动调谐来决定的PID参数进行了反馈控制时的控制对象的温度(观测量)和操作量的时间变化的一例的图。更具体而言，在图6的(a)中，示出冷却侧的操作量与冷却能力之间的关系，在图6的(b)中，示出反馈控制时的控制对象的温度(观测量)和操作量的时间变化的一例。
在图5中示出使用极限循环法的自动调谐功能的例。如图5所示，在应用通常的极限循环法的情况下，将加热侧的操作量和冷却侧的操作量均设为最大值(即，100％和-100％)，交替地将这些操作量提供给控制对象。根据这样产生的响应特性，决定与控制对象对应的PID参数。
在使用这样决定的PID参数进行反馈控制时，在实际使用的操作量与执行自动调谐时偏离的情况下，控制性能受到非线性的影响而恶化。即，在执行自动调谐时，如图5所示，输出冷却能力成为最大的操作量，因此，以冷却装置220的冷却能力的最大值为前提来估计冷却能力的特性。即，通过自动调谐功能，估计出如图6的(a)的虚线所示的特性。决定与该所估计出的特性对应的PID参数。
然而，实际的特性还存在与所估计出的特性相背离的区域，如图6的(b)所示，在操作量相对较小的区域中进行反馈控制的情况下，实际的特性相对于所估计出的特性大幅背离。因此，当使用相对较小的操作量对控制对象230进行控制时，相比于以通过自动调谐功能来设定的PID参数为前提的假定的冷却能力，实际的冷却能力变高，产生使控制对象230过冷的情况。
具体而言，当在冷却侧的操作量相对较小的区域(例如，10～30％)对控制对象230进行冷却时，如图6的(b)所示，在响应于某些外部干扰而开始冷却后，温度相对于目标值过度下降，并且产生振动的温度变动，其收敛需要时间。这样，通过自动调谐功能来估计出的冷却能力与实际的冷却能力相背离，从而使控制性能恶化。
[D.解决手段的概要]
针对能够对包含具有上述较强的非线性的控制对象230的反馈控制系统设定更适当的PID参数的自动调谐功能。
在本实施方式中，在逐步地变更自动调谐中使用的操作量的同时，探索最优选的操作量的大小。然后，根据最优选的操作量的响应特性来决定PID参数。
更具体而言，作为调节器100的自动调谐功能，调节器100在第1操作量(冷却侧的操作量)和第2操作量(加热侧的操作量)的交替输出中，在每次切换输出时依次变更第1操作量(冷却侧的操作量)的大小，并且根据在判断为控制量相对于第1操作量(冷却侧的操作量)的第1变化具有线性时所取得的响应特性来决定PID参数。即，调节器100在逐步地变更冷却侧的操作量的同时多次执行极限循环。然后，当判断为各极限循环的结果满足预定的条件时，调节器100根据此时的冷却特性(响应特性)计算冷却侧的PID参数。另外，还根据加热特性(响应特性)计算加热侧的PID参数。
图7是示出本实施方式的调节器100执行自动调谐时的时间波形例的图。图8是示出本实施方式的调节器100执行自动调谐时的操作量的冷却能力的特性上的变化的图。
在本实施方式中，由于冷却能力中存在非线性，因此，如图7所示，调节器100在自动调谐的各循环中，依次变更冷却侧的操作量的大小。另外，如果是加热能力中存在非线性的控制系统，针对加热侧的操作量的大小，也依次进行变更即可。
更具体而言，将第1次极限循环中的冷却侧的操作量MVc_1设定为100％，将第2次极限循环中的冷却侧的操作量MVc_2设定为第1次的操作量MVc_1的ρ_1倍的值，将第3次的极限循环中的冷却侧的操作量MVc_3设定为第2次的操作量MVc_2的ρ_2倍的值。以下同样，在每次极限循环时变更冷却侧的操作量MVc。通过这样依次变更冷却侧的操作量MVc，自动调谐中所考虑的冷却能力的大小如图8所示依次变化。
这里，关于冷却侧的操作量MVc的变更系数ρ_i(0＜ρ_i＜1)，可以采用预定的恒定值，但是，优选：根据通过紧前的交替输出取得的响应特性，来决定新的交替输出中的冷却侧的操作量MVc的大小。作为这样的利用紧前的交替输出的响应特性的一例，在本实施方式中，使用表示加热和冷却的系统增益比(能力比)的以下的比值。
变更系数ρ_i＝冷却输出时间Toff_i-1/加热输出时间Ton_i-1
其中，冷却输出时间Toff_i-1表示在第(i-1)次(前次)的极限循环中冷却侧的操作量MVc维持为0的时间的长度，加热输出时间Ton_i-1表示在第(i-1)次(前次)的极限循环中输出冷却侧的操作量MVc的时间的长度(参照图7)。
此时，通过冷却输出时间Toff_i-1与加热输出时间Ton_i-1之间的大小关系，在上述的式中，有时变更系数ρ_i超过1，因此，优选将所计算的变更系数ρ_i限制为变更系数上限值ρ_max以下。
这样，作为调节器100的自动调谐功能，调节器100根据紧前的交替输出中输出第1操作量(冷却侧的操作量)的期间(冷却输出时间Toff)的长度与输出第2操作量(加热侧的操作量)的期间(加热输出时间Ton)的长度，校正该紧前的交替输出中的第1操作量的大小，由此决定新的交替输出中的第1操作量的大小。
接着，作为上述那样的结束依次变更冷却侧的操作量MVc的探索的条件，也可以采用判断为是在冷却特性(冷却能力相对于冷却的操作量的关系)上具有线性的区域的操作量。这里，作为调节器100的自动调谐功能，调节器100按照依次变更的第1操作量(冷却侧的操作量)的大小，评价与对应于第1操作量的控制量的变化速度之间的关系，由此判断控制量相对于第1操作量的第1变化是否具有线性。
更具体而言，关于该冷却特性上的线性，能够使用以下说明的误差进行评价。即，极限循环的结束条件包含所计算的误差成为预先设定的阈值以下。
然后，根据在最终的极限循环中观测到的冷却特性和加热特性(响应特性)，使用Ziegle和Nichols的极限灵敏度法等，计算PID参数。另外，关于PID参数的计算方法，能够采用公知的任意的方法。
但是，根据控制系统的特性的不同，还假定所计算的误差不成为预先设定的阈值以下的情况，因此，如果发生的极限循环的次数达到上限值(N次)，则也可以结束极限循环。即，作为调节器100的自动调谐功能，即使没有判断为控制量相对于第1操作量(冷却侧的操作量)的第1变化具有线性，当第1操作量和第2操作量的交替输出被执行了预定的次数时，调节器100也根据在最终的交替输出中取得的响应特性来决定PID参数。
通过采用这样的自动调谐方法，在控制对象具有线性的情况下和控制对象具有非线性的情况下，都能够计算适当的PID参数。例如，在图1所示的控制系统中，不需要根据冷却介质的种类(水或油)等来变更自动调谐的步骤等。
[E.误差评价]
接着，对用于判断是否是具有线性的区域的操作量的误差进行说明。图9是用于说明由本实施方式的调节器100进行的自动调谐的误差的评价方法的图。如图9所示，本实施方式的“误差”相当于如下的值，该值表示：在冷却特性(冷却能力相对于冷却的操作量的关系)中，相对于利用与前次极限循环中使用的操作量对应的冷却能力定义的直线，与本次极限循环中使用的操作量对应的冷却能力偏离了何种程度。
具体而言，如图9所示，将原点设为P0，将极限循环第i次冷却能力点定义为Pi(Pi.x，Pi.y)。这里，Pi.x表示冷却侧操作量，Pi.y表示冷却能力。此外，冷却能力Pi.y是根据极限循环第i次温度降低时的斜率Ri与极限循环第1次的温度降低时的斜率(变化速度)R1之比来计算的(即，Pi.y＝Ri/R1)。而且，在极限循环的各第i次中，设定连接冷却能力Pi与原点P0的直线Li。将误差hi作为直线L(i-1)与第i次的冷却能力Pi(Pi.x，Pi.y)之间的距离来进行计算。即，将该距离计算成作为极限循环第i次的线性判定的指标的误差hi。在图9中示出关于第2次极限循环的误差h2的计算例。
[F.处理步骤]
接着，对本实施方式的调节器100中执行的自动调谐的处理步骤进行说明。图10是示出实施方式的调节器100中执行的自动调谐的处理步骤的流程图。典型地，图10所示的各步骤通过由调节器100的CPU112执行闪存114所存储的程序模块118中包含的指令码来实现。当用户等指示自动调谐的开始后，按照预定的运算周期(例如，每100msec)重复执行图10所示的处理步骤。
参照图10，CPU112输出100％作为加热侧的操作量(步骤S100)，判断从控制对象过程200测定的温度(控制对象的温度)PV是否达到所设定的目标值(设定温度)SP(步骤S102)。如果控制对象的温度PV未达到设定温度SP(步骤S102中为否的情况)，重复步骤S100以后的处理。
如果控制对象的温度PV达到设定温度SP(步骤S102中为是的情况下)，则执行步骤S104以后的处理。该步骤S100和S102的处理是用于产生自动调谐所涉及的极限循环的预处理。
CPU112对计数器i设置“1”(步骤S104)，指示第1次极限循环的产生(步骤S106)。该计数器i表示极限循环次数。将第1次极限循环中的冷却侧和加热侧的操作量均设为100％。极限循环的产生指示包括在控制对象的温度PV与设定温度SP一致之前输出冷却侧的操作量(该情况下为100％)、在控制对象的温度PV与设定温度SP一致后输出加热侧的操作量(该情况下为100％)这样的一系列的处理。
在完成了1次的极限循环的产生后，CPU112使计数器i增加1(步骤S108)。然后，CPU112使用前次极限循环中的关于冷却侧的操作量的冷却输出时间Toff_i-1和加热输出时间Ton_i-1，来计算变更系数ρ_i(＝Toff_i-1/Ton_i-1)，并且使用计算出的变更系数ρ_i来计算本次的冷却侧的操作量MVc_i(＝MVc_i-1×ρ_i)(步骤S110)。
接着，CPU112指示第i次极限循环的产生(步骤S112)。将第i次极限循环中的冷却侧的操作量设为MVc_i％，加热侧的操作量设为100％。极限循环的产生指示包含在控制对象的温度PV与设定温度SP一致之前输出冷却侧的操作量(该情况下为MVc_i％)、在控制对象的温度PV与设定温度SP一致后输出加热侧的操作量(该情况下为100％)这样的一系列的处理。然后，CPU112根据本次的冷却特性(响应特性)和前次的冷却特性(响应特性)来计算误差hi(步骤S114)。
然后，CPU112判断所计算出的误差hi是否为阈值γ以下(步骤S116)。如果所计算出的误差hi超过了阈值γ(步骤S116中为否的場合)，则CPU112判断当前的计数器i的值是否达到了极限循环的最大值N(步骤S118)。
如果当前的计数器i的值未达到极限循环的最大值N(步骤S118中为否的情况)，则CPU112执行步骤S108以后的处理。
与此相对，在所计算出的误差hi为阈值γ以下的的情况下(步骤S116中为是的情况下)，或者在当前的计数器i的值达到了极限循环的最大值N的情况下(步骤S118中为是的情况下)，CPU112根据第i次极限循环中的响应特性来计算PID参数(步骤S120)。然后，处理结束。
[G.控制结构]
接着，对实现本实施方式的调节器100所搭载的自动调谐功能的控制结构进行说明。图11是示出实现本实施方式的调节器100所搭载的自动调谐功能的控制结构的示意图。
参照图11，调节器100包含传感器输出受理部162、用户设定受理部164、加热侧PID运算部166、冷却侧PID运算部168、切换部170、PID参数计算部172、自动调谐控制部174、开关180，作为其控制结构。
传感器输出受理部162受理来自温度传感器240的输出信号，在进行了规定的范围调整等后，输出控制对象的温度PV。用户设定受理部164根据用户操作受理设定温度SP的设定。另外，有时根据外部装置(例如，PLC(Programmable Logic Control：可编程逻辑控制)等)对设定温度SP进行设定。
加热侧PID运算部166和冷却侧PID运算部168是用于执行通常的PID控制的部位，分别按照PID参数176和178，并根据控制对象的温度PV和设定温度SP，分别计算和输出操作量MVh和MVc。PID参数176和178可以由用户直接输入，但是，在本实施方式中，通过后述的PID参数计算部172自动地设定。
切换部170根据状况对分别从加热侧PID运算部166和冷却侧PID运算部168输出的操作量MVh和MVc进行切换来输出。在图1所示的反馈控制系统1中，由于不需要使加热侧PID运算部166和冷却侧PID运算部168这两方有效，因此，代替直接地切换操作量的方式，也可以采用选择性地仅使加热侧PID运算部166和冷却侧PID运算部168中的一方有效化的结构。
PID参数计算部172和自动调谐控制部174是用于执行自动调谐的部位。自动调谐控制部174产生操作量(操作量MVh和MVc)，该操作量用于产生上述那样的极限循环。PID参数计算部172根据在最终的极限循环中观测到的加热特性和冷却特性(响应特性)，来决定PID参数176和178。
开关180在通常的控制时和执行自动调谐时之间对操作量的输出起始地进行切换。即，在通常的控制时，将来自切换部170的操作量输出到控制对象过程200，在执行自动调谐时，将来自自动调谐控制部174的操作量输出到控制对象过程200。
[H.自动调谐结果例]
接着，说明通过模拟对本实施方式的自动调谐功能的效果进行评价的结果。
图12是示出本实施方式的自动调谐的各部的时间波形的一例。在图12所示的模拟结果中，根据变更系数ρ_i＝冷却输出时间Toff_i-1/加热输出时间Ton_i-1，在各循环中计算出了冷却侧的操作量MVc的变更系数ρ_i。其中，在图1所示的反馈控制系统1所包含的控制对象过程200(即，水冷方式或空冷方式的挤出成型机)中，关于非线性点(特性急剧地变化的部分)，一般而言，位于操作量为5～20％的区域中，将变更系数上限值ρ_max设定为了0.4。
在图12所示的模拟结果中，在第5次极限循环中，其误差hi成为阈值γ以下。因此，根据在第5次极限循环中观测到的冷却特性和加热特性(响应特性)来决定PID参数。
如图12所示可知，加热侧的操作量MVh被维持在100％，与此相对，冷却侧的操作量MVc依次变小。根据在控制对象的温度PV中产生的极限循环，使用极限灵敏度法等来决定PID参数。
图13是示出使用通过图12所示的自动调谐的执行而计算出的PID参数得到的控制性能的比较例的图。在图12中，示出了使用利用现有的自动调谐决定出的PID参数进行反馈控制的结果、以及使用利用本实施方式的自动调谐决定出的PID参数进行反馈控制的结果。
由图13可知，通过使用利用本实施方式的自动调谐决定出的PID参数，能够使控制对象的温度PV与设定温度SP更高精度地一致。
另外，在将极限循环的最大值N设定为“3”的情况下，在图12所示的逐步地变更的冷却侧的操作量MVc中，在进行了第3次的变更的时间点完成自动调谐。该情况下，第3次的极限循环中的冷却侧的操作量MVc_3和第5次极限循环中的冷却侧的操作量MVc_5示出比较接近的值，因此，能够决定大致适当的PID参数。即，自动调谐所需要的时间与PID参数的精度之间的关系处于一种折衷选择的关系，如果使用在通常的PID控制中所使用的范围的操作量来执行自动调谐，则能够决定避免了非线性的影响的PID参数。
[I.用户接口]
在自动调谐中，对控制对象实际地赋予一些操作量，并根据其响应特性计算PID参数。特别地，在极限循环法中，由于使观测量(PV)振动而估计控制系统的特性值，因此，在时间常数较长的控制系统中，需要较长的时间以观测需要的响应特性。因此，在自动调谐的执行中，将其执行状态、完成时期(予测值)等通知给用户，这样进一步提高用户友好度。
以下，对这样的自动调谐的用户支援用的用户接口的一例进行说明。
(i1：自动调谐的执行状态的通知)
首先，对用于通知自动调谐的执行状态的用户接口进行说明。图14是示出由本实施方式的调节器100提供的用户接口的一例的示意图。图14所示的调节器100具有显示部150。在显示部150中显示有控制对象的温度PV和设定温度SP的当前值。此外，由用户对接近显示部150来配置的按钮或开关等进行操作，从而变更设定温度SP等。
图14中示出处于自动调谐的执行中的状态。如图14所示，显示当前正在产生的极限循环的次数、即正在执行第几次极限循环，作为自动调谐的执行状态的值。显示部150包含示出当前的极限循环的次数的指示器152。即，调节器100包含显示当前正在执行的交替输出的次数的作为显示单元的显示部150。
由于预先设定了极限循环的最大值N，因此，用户通过观察这样的当前的极限循环的次数，能够得知自动调谐还差多少完成。
(i2：自动调谐的完成时期的通知)
也可以是，代替图14所示的当前的极限循环的次数，或者在其基础上，通知到自动调谐的完成为止所需要的时间。即，调节器100也可以包含作为显示单元的显示部150，该显示部150对PID参数的决定所需的交替输出完成的时期进行显示。
图15是示出本实施方式的调节器100所提供的用户接口的另一例的示意图。
图15的(a)中示出包含指示器154的显示部150的例子，该指示器154示出到自动调谐的完成为止所需要的剩余时间。作为对到自动调谐的完成为止所需要的剩余时间进行予测的方法，首先，产生1次极限循环，对其所需要的时间进行计测，并且，能够计算该计测出的时间与极限循环的最大值N相乘得到的时间作为剩余时间。或者，也可以根据极限循环的半循环(冷却侧或加热侧)的产生所需要的时间来计算剩余时间。并且，在之前执行过自动调谐的情况下，也可以根据当时取得的响应特性来计算剩余时间。
此外，也可以不显示到自动调谐的完成为止所需要的剩余时间，而显示自动调谐完成的时刻。图15的(b)所示的显示部150包含指示器156，该指示器156示出预测自动调谐完成的时刻。
这样，针对比较耗费时间的自动调谐，能够事先通知要完成的时刻，因此，用户能够有效地灵活使用时间。
[J.变形例1]
在上述的实施方式中，说明了通过乘以表示加热与冷却的系统增益比(能力比)的变更系数ρ_i来依次变更冷却侧的操作量MVc的结构例。关于该变更系数ρ_i，不限于此而能够设定为任意的值。此外，也可以代替在各极限循环中动态地决定变更系数ρ_i的结构，而在一系列的自动调谐中采用固定值作为变更系数ρ。
这样，根据控制对象等适当设定变更系数ρ_i(或者变更系数ρ(固定值))即可。另一方面，还存在希望尽量缩短自动调谐所需要的时间这样的需求。因此，作为变更系数的一个变形例，对用于不丧失上述的加热与冷却的系统增益比(能力比)这样的技术的意义、并且以更短时间完成自动调谐的结构进行说明。
在本变形例中，在各极限循环结束后，使用将当前的操作量乘以变更系数ρ_i的平方后得到的值，作为下一极限循环中使用的新的操作量。即，根据以下的数学式来依次变更操作量MVc_i。
变更系数ρ_i＝冷却输出时间Toff_i-1/加热输出时间Ton_i-1
操作量MVc_i＝MVc_1-1×ρ_i×ρ_i
这样，通过使用变更系数ρ_i的平方，在逐步变更图12所示的冷却侧的操作量MVc的处理中，实质上越过1个来变更操作量MVc。即，作为调节器100的自动调谐功能，调节器100根据紧前的交替输出中的输出第1操作量(加热侧的输出)的期间(冷却输出时间Toff)的长度与输出第2操作量(加热侧的输出)的期间(加热输出时间Ton)的长度之比(ρ)的平方，校正该紧前的交替输出中的第1操作量的大小，从而决定新的交替输出中的第1操作量的大小。
图16是示出本实施方式的变形例1的自动调谐的各部的时间波形的一例。在乘以变更系数ρ_i而依次变更操作量MVc的情况下(图12)，如果不产生5次极限循环，则误差hi不会成为阈值γ以下，但是，如图16所示，通过乘以变更系数ρ_i的平方而依次变更操作量MVc，由此，能够通过产生3次极限循环而使误差hi成为阈值γ以下。这样，在预先知道控制对象具有非线性的情况下，通过增大使操作量MVc变更的程度，能够缩短自动调谐的时间。
[K.变形例2]
在上述的变形例1中，对通过乘以表示加热与冷却的系统增益比(能力比)的变更系数ρ_i的平方来依次变更操作量MVc的例进行了说明。然而，不限于变更系数ρ_i的平方，也可以乘以变更系数ρ_i的n次幂(n＞1)来依次变更操作量MVc。以下，说明可以乘以这样的变更系数ρ_i的n次幂(n＞1)而依次变更操作量MVc的理由。
在上述那样的挤出成型机232中，冷却能力大于加热能力，并且具有非线性。此外，在使用极限循环法的自动调谐功能中，越使所产生的极限循环接近正弦波，越能够提高其精度。
图17是示出图2所示的控制对象过程中的加热能力、冷却能力与操作量(加热和冷却)之间的关系的一例的图。在图17所示特性例中，第1象限表示加热能力(纵轴)与操作量(加热)(横轴)之间的关系。Ah表示操作量(加热)为100％时的加热能力[℃/sec]的大小。此外，第3象限表示冷却能力(纵轴)与操作量(冷却)(横轴)之间的关系。Ac表示操作量(冷却)为100％时的冷却能力[℃/sec]的大小。另外，冷却能力根据设备的设置条件和设定条件而变化，因此，图17中分别示出采用3种不同的设定条件时的冷却能力的特性。
这里，在图17中，将冷却能力的特性发生变化的点(图17中为由●记号表示的点)定义为非线性点。
在使用上述实施方式中说明的表示加热与冷却的系统增益比(能力比)的变更系数ρ_2(＝冷却输出时间Toff_1/加热输出时间Ton_1)来计算第2次极限循环中的冷却侧的操作量MVc_2的情况下，根据以下的数学式进行计算。
MVc_2＝100％×变更系数ρ_2
在图17中，以○记号表示根据该数学式计算出的第2次极限循环中的冷却侧的操作量MVc_2。即，在将冷却能力的特性设为线形的情况下，上面的数学式相当于用于取得加热的能力与冷却的能力之间的平衡的计算式。
这里，如图17所示，例如，要针对冷却特性1进行计算的冷却特性(线形特性)的范围是操作量比由○记号表示的点小的区域。因此，如果仅乘以加热与冷却的比(能力比)，则由于第2次极限循环中的冷却侧的操作量MVc_2大于非线性点(由●记号表示的位置)，因此，无法掌握图17的箭头所示的范围(线形部分)的特性。此外，针对图17所示的其他的冷却特性，各自的非线性点(由●记号表示的位置)也发生变化，因此，如果仅乘以加热与冷却的系统增益比(能力比)，则无法掌握线性部分。
因此，针对具有图17所示的冷却特性的控制对象，为了掌握比非线性点小的范围的线性特性，在上述数学式中导入校正系数Xc(0＜Xc＜1)。即，在使用表示加热与冷却的系统增益比(能力比)的变更系数ρ_2(＝冷却输出时间Toff_1/加热输出时间Ton_1)来计算第2次极限循环中的冷却侧的操作量MVc_2的情况下，根据以下的数学式进行计算。
MVc_2＝100％×变更系数ρ_2×校正系数Xc
通过使用这样的数学式，在图17中，将由○记号表示的位置(通过乘以变更系数ρ_1而计算出的第2次极限循环中的冷却侧的操作量)进一步设为Xc倍，向比非线性点(由●记号表示的位置)小的点(即，零侧)进行校正(虚线的圆圈)。
如图17的冷却能力1～3所示，非线性点(由●记号表示的位置)具有冷却能力(图17所示的Ac)越大则越接近Y轴的倾向。即，可以认为非线性点(由●记号表示的位置)的X坐标值与冷却能力的倒数(1/Ac)存在因果关系。
这里，认为冷却能力的倒数(1/Ac)∝加热与冷却的系统增益比(能力比：Ah/Ac)∝能力比(变更系数ρ)的关系成立，因此，可以认为非线性点(由●记号表示的位置)的横轴的坐标值与能力比(变更系数ρ)存在因果关系。
图17所示的特性能够在包含加热装置210和冷却装置220的挤出成型机232中得到。但是，与通过加热装置210而在控制对象中产生的加热相关的控制量相对于对应的操作量具有相对较强的线性，与通过冷却装置220而在控制对象中产生的冷却相关的控制量相对于对应的操作量具有相对较强的非线性。而且，在将这样的挤出成型机232作为控制对象的情况下，通过将校正系数Xc与能力比(变更系数ρ)之间的因果关系模型化为Xc＝ρm(0.5≤m≤2.0)，所计算的第2次极限循环中的冷却侧的操作量(虚线的圆圈)相比于非线性点(由●记号表示的位置)离纵轴较近，能够掌握线性部分的特性。可以认为即使冷却能力的大小发生变化，该关系在挤出成型机232中也成立。
因此，包含校正系数Xc的上式能够如下变形。
MVc_2＝100％×变更系数ρ_2×变更系数ρ_2m
＝100％×变更系数ρ_2(m+1)＝100％×变更系数ρ_2n
这样，通过使用将当前的操作量乘以变更系数ρ_i的n次幂而得到的值，来依次变更操作量MVc_i。作为该n次幂的n，优选使用2附近的值。更具体而言，调节器100使用满足1.5≤n≤3.0的n，来决定新的交替输出中的第1操作量(冷却侧的操作量)的大小。
这样，在预先知道控制对象具有非线性的情况下，通过乘以操作量MVc的变更系数的n次幂来计算新的极限循环中的操作量MVc，能够缩短自动调谐的时间。
[L.变形例3]
在上述的实施方式中，对产生多次极限循环的例子进行了说明，但是，针对某种控制对象，还能够仅根据通过1次极限循环取得的响应特性来决定适当的参数。下面对如下方法进行说明：产生1次极限循环，即根据观测量交替输出第1操作量(冷却侧的操作量)和第2操作量(加热侧的操作量)，仅根据由此取得的响应特性来决定参数。
图18是用于说明本实施方式的变形例3的决定参数的过程的图。参照图18，首先，使冷却侧的操作量MVc为100％而产生极限循环(第1次)。此时，将加热侧的操作量MVh也同样设为100％。根据通过极限循环的产生取得的响应特性(时间波形)来计算冷却能力Yc[℃/sec]。假定即使使冷却侧的操作量MVc变化，冷却能力Yc也不会变化，如果产生第2次极限循环，则对可得到的特性进行估计。
更具体而言，通过上述的变形例2的方法计算与非线性点(图18中由●记号表示的点)相应的冷却侧的操作量Xc。即，根据在第1次极限循环中产生的响应特性，根据冷却输出时间Toff与加热输出时间Ton之比来决定变更系数ρ，计算该决定出的变更系数ρ的n次幂(其中，1.5≤n≤3.0)的值，将该值决定为与非线性点相应的冷却侧的操作量Xc。并且，也可以采用乘以静态或动态地决定的校正系数后得到的值。假定在非线性点处，维持与根据第1次极限循环决定的冷却能力相同的冷却能力Yc[℃/sec]，使用通过上述的步骤决定的操作量Xc[％]，估计非线性点的特性值。即，图18所示的坐标系中的非线性点的坐标为[Xc，Yc]。将连接该非线性点[Xc，Yc]与原点[0，0]的直线(估计线)的斜率Ac[℃/sec]决定为维持线性的操作量Xc的范围中的冷却能力。然后，使用该冷却能力Ac[℃/sec]来决定PID参数。
这样，在本变形例中，(1)根据第1次极限循环响应特性(时间波形)计算冷却能力Yc[℃/sec]，(2)估计非线性点的冷却操作量Xc[％]，(3)假定冷却能力维持为与冷却侧的操作量为100％的情况同等，决定非线性点[Xc，Yc]，(4)计算通过非线性点[Xc、Yc]和原点的估计线的斜率Ac作为冷却能力，(5)使用冷却能力Ac计算PID参数。
在本变形例中，作为自动调谐功能，调节器100根据观测量交替地逐次输出第1操作量(冷却侧的操作量)和第2操作量(加热侧的操作量)，根据通过第1操作量(冷却侧的操作量)和第2操作量(加热侧的操作量)的逐次的交替输出而取得的响应特性(时间波形)来决定PID参数。在该自动调谐功能中，调节器100根据响应特性估计控制量相对于第1操作量(冷却侧的操作量)的第1变化能够维持线性的第1操作量(冷却侧的操作量)的范围(即，非线性点)，并且根据该估计出的范围来决定PID参数。
为了确认本变形例的自动调谐功能的有效性，示出与上述的本实施方式的自动调谐功能比较的结果。更具体而言，对本实施方式的自动调谐功能(实际计测非线性点的特性)与本变形例的自动调谐功能(估计非线性点的特性)中分别计算出的PID参数(作为一例，为比例增益(比例带))之间的背离程度(误差率)进行了比较。
图19是示出通过本变形例的自动调谐功能计算出的PID参数的误差率的评价结果例的图。在图19所示的评价结果例中，对按照估计出的每个非线性点(冷却侧的操作量)而计算出的误差率e进行了标绘。使用利用本实施方式的自动调谐功能计算出的比例带Pb0、以及利用本变形例的自动调谐功能计算出的比例带Pb，根据以下所示的公式计算该误差率e。
误差e＝(Pb-Pb0)/Pb0×100[％]
图19中示出图2所示的冷却装置220所示的、应用于浇铸加热器冷却方式的情况下的评价结果。根据图19所示的评价结果，与上述本实施方式的自动调谐功能(实际计测非线性点的特性)相比，其误差率平均约为10％，即使是最大值也在25％以内。因此，可知能够得到足够实用的精度。
如上所述，在本变形例中，不产生第2次极限循环，根据通过第1次极限循环取得的响应特性(时间波形)来估计非线性点，然后决定PID参数。通过采用仅产生1次极限循环并根据其结果来决定PID参数的方法，与产生多次极限循环的情况相比，虽然可能使估计精度稍稍降低，但是，是实用上没有问题的程度的精度降低，更何况，能够缩短自动调谐所需要的时间，因此，能够提高调谐作业的时间效率。
应该认为本次公开的实施方式在全部的方面仅是例示而并非成为限制。本发明的范围并非由上述的说明示出而是由权利要求书示出，意图包含与权利要求书等同的意义和范围内的全部变更。
标号说明
1：反馈控制系统，100：调节器，110：控制部，112：CPU，114：ROM，116：RAM，118：程序模块，120：输入部，130：输出部，132：加热侧输出部，134：冷却侧输出部，140：设定部，150：显示部，152、154、156：指示器，162：传感器输出受理部，164：用户设定受理部，166：加热侧PID运算部，168：冷却侧PID运算部，170：切换部，172：PID参数计算部，174：自动调谐控制部，176：PID参数，180：开关，200：控制对象过程，210：加热装置，212：固态继电器，214：电加热器，220：冷却装置，222：冷却配管，224：电磁阀，226：水温调整设备，230：控制对象，232：挤出成型机，234：螺钉，236：桶，240：温度传感器。
Claims (21)
1.一种具有自动调谐功能的调节器，该调节器具有：
操作量决定单元，其根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使所述控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使所述控制量产生与所述第1变化相反的第2变化；以及
调谐单元，其根据所述观测量交替输出所述第1操作量和所述第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定所述参数，
所述调谐单元在所述第1操作量和所述第2操作量的交替输出中，在每次切换输出时依次变更所述第1操作量的大小，并且根据在判断为所述控制量相对于所述第1操作量的第1变化具有线性时所取得的响应特性来决定所述参数。
2.根据权利要求1所述的调节器，其中
所述调谐单元根据通过紧前的交替输出而取得的响应特性来决定新的交替输出中的所述第1操作量的大小。
3.根据权利要求2所述的调节器，其中
所述调谐单元根据在紧前的交替输出中输出所述第1操作量的期间的长度和输出所述第2操作量的期间的长度，校正该紧前的交替输出中的所述第1操作量的大小，由此决定新的交替输出中的所述第1操作量的大小。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的调节器，其中
所述调谐单元按照依次变更的所述第1操作量的大小，评价与对应于所述第1操作量的所述控制量的变化速度之间的关系，由此判断所述控制量相对于所述第1操作量的第1变化是否具有线性。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的调节器，其中
即使没有判断为所述控制量相对于所述第1操作量的第1变化具有线性，当所述第1操作量和所述第2操作量的交替输出被执行了预定的次数时，所述调谐单元也根据在最终的交替输出取得的响应特性来决定所述参数。
6.一种具有自动调谐功能的调节器，该调节器具有：
操作量决定单元，其根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使所述控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使所述控制量产生与所述第1变化相反的第2变化；以及
调谐单元，其根据所述观测量交替输出所述第1操作量和所述第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定所述参数，
所述调谐单元根据紧前的交替输出中的输出所述第1操作量的期间的长度与输出所述第2操作量的期间的长度之比的n次幂(n＞1)，校正该紧前的交替输出中的所述第1操作量的大小，由此决定新的交替输出中的所述第1操作量的大小。
7.根据权利要求6所述的调节器，其中
所述调谐单元使用满足1.5≤n≤3.0的n，来决定新的交替输出中的所述第1操作量的大小。
8.根据权利要求6或7所述的调节器，其中
所述控制对象包括挤出成型机，该挤出成型机包含加热装置和冷却装置，与通过所述加热装置而在所述控制对象中产生的加热相关的控制量相对于对应的操作量具有相对较强的线性，与通过所述冷却装置而在所述控制对象中产生的冷却相关的控制量相对于对应的操作量具有相对较强的非线性。
9.一种具有自动调谐功能的调节器，其具有：
操作量决定单元，其根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使所述控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使所述控制量产生与所述第1变化相反的第2变化；以及
调谐单元，其根据所述观测量交替地逐次输出所述第1操作量和所述第2操作量，根据通过所述第1操作量和所述第2操作量的逐次的交替输出而取得的响应特性来决定所述参数，
所述调谐单元根据所述响应特性，估计所述控制量相对于所述第1操作量的第1变化能够维持线性的所述第1操作量的范围，并且根据该估计出的范围来决定所述参数。
10.一种具有自动调谐功能的调节器，该调节器具有：
操作量决定单元，其根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使所述控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使所述控制量产生与所述第1变化相反的第2变化；
调谐单元，其根据所述观测量交替输出所述第1操作量和所述第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定所述参数；以及
显示单元，其显示当前正在执行的交替输出的次数。
11.一种具有自动调谐功能的调节器，该调节器具有：
操作量决定单元，其根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使所述控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使所述控制量产生与所述第1变化相反的第2变化；
调谐单元，其根据所述观测量交替输出所述第1操作量和所述第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定所述参数；以及
显示单元，其显示所述参数的决定所需要的交替输出完成的时期。
12.一种具有自动调谐功能的调节器中的控制方法，该控制方法包含以下步骤：
根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使所述控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使所述控制量产生与所述第1变化相反的第2变化；以及
根据所述观测量交替输出所述第1操作量和所述第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定所述参数，
决定所述参数的步骤包含以下步骤：在所述第1操作量和所述第2操作量的交替输出中，在每次切换输出时依次变更所述第1操作量的大小，并且根据在判断为所述控制量相对于所述第1操作量的第1变化具有线性时所取得的响应特性来决定所述参数。
13.一种具有自动调谐功能的调节器中的控制方法，该控制方法包含以下步骤：
根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使所述控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使所述控制量产生与所述第1变化相反的第2变化；以及
根据所述观测量交替输出所述第1操作量和所述第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定所述参数，
决定所述参数的步骤包含以下步骤：根据紧前的交替输出中的输出所述第1操作量的期间的长度与输出所述第2操作量的期间的长度之比的n次幂(n＞1)，校正该紧前的交替输出中的所述第1操作量的大小，由此决定新的交替输出中的所述第1操作量的大小。
14.一种具有自动调谐功能的调节器中的控制方法，该控制方法包含以下步骤：
根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使所述控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使所述控制量产生与所述第1变化相反的第2变化；以及
根据所述观测量交替地逐次输出所述第1操作量和所述第2操作量，根据通过所述第1操作量和所述第2操作量的逐次的交替输出而取得的响应特性来决定所述参数，
决定所述参数的步骤包含如下的步骤：根据所述响应特性，估计所述控制量相对于所述第1操作量的第1变化能够维持线性的所述第1操作量的范围，并且根据该估计出的范围来决定所述参数。
15.一种具有自动调谐功能的调节器中的控制方法，该控制方法包含以下步骤：
根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使所述控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使所述控制量产生与所述第1变化相反的第2变化；
根据所述观测量交替输出所述第1操作量和所述第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定所述参数；以及
显示当前正在执行的交替输出的次数。
16.一种具有自动调谐功能的调节器中的控制方法，该控制方法包含以下步骤：
根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使所述控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使所述控制量产生与所述第1变化相反的第2变化；
根据所述观测量交替输出所述第1操作量和所述第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定所述参数；以及
显示所述参数的决定所需要的交替输出完成的时期。
17.一种实现具有自动调谐功能的调节器的控制程序，该控制程序使处理器执行以下步骤：
根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使所述控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使所述控制量产生与所述第1变化相反的第2变化；以及
根据所述观测量交替输出所述第1操作量和所述第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定所述参数，
决定所述参数的步骤包含以下步骤：在所述第1操作量和所述第2操作量的交替输出中，在每次切换输出时依次变更所述第1操作量的大小，并且根据在判断为所述控制量相对于所述第1操作量的第1变化具有线性时所取得的响应特性来决定所述参数。
18.一种实现具有自动调谐功能的调节器的控制程序，该控制程序使处理器执行以下步骤：
根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使所述控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使所述控制量产生与所述第1变化相反的第2变化；以及
根据所述观测量交替输出所述第1操作量和所述第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定所述参数，
决定所述参数的步骤包含以下步骤：根据紧前的交替输出中的输出所述第1操作量的期间的长度与输出所述第2操作量的期间的长度之比的n次幂(n＞1)，校正该紧前的交替输出中的所述第1操作量的大小，由此决定新的交替输出中的所述第1操作量的大小。
19.一种实现具有自动调谐功能的调节器的控制程序，该控制程序使处理器执行以下步骤：
根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使所述控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使所述控制量产生与所述第1变化相反的第2变化；以及
根据所述观测量交替地逐次输出所述第1操作量和所述第2操作量，根据通过所述第1操作量和所述第2操作量的逐次的交替输出而取得的响应特性来决定所述参数，
决定所述参数的步骤包含如下的步骤：根据所述响应特性，估计所述控制量相对于所述第1操作量的第1变化能够维持线性的所述第1操作量的范围，并且根据该估计出的范围来决定所述参数。
20.一种实现具有自动调谐功能的调节器的控制程序，该控制程序使处理器执行以下步骤：
根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使所述控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使所述控制量产生与所述第1变化相反的第2变化；
根据所述观测量交替输出所述第1操作量和所述第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定所述参数；以及
显示当前正在执行的交替输出的次数。
21.一种实现具有自动调谐功能的调节器的控制程序，该控制程序使处理器执行以下步骤：
根据预先设定的参数，选择性地决定第1操作量或第2操作量，使得从控制对象取得的观测量与目标值一致，其中，该第1操作量用于使所述控制对象的控制量产生第1变化，该第2操作量用于使所述控制量产生与所述第1变化相反的第2变化；
根据所述观测量交替输出所述第1操作量和所述第2操作量，根据通过该交替输出而取得的响应特性来决定所述参数；以及
显示所述参数的决定所需要的交替输出完成的时期。
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