CN105278329B - Pid控制器以及数据收集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的PID控制器以及数据收集方法能够减少由控制量(PV)发生设想外的快速变化而导致的数据收集的错误。该PID控制器具备：操作量计算部(12)，通过PID控制运算，根据设定值(SP)与控制量(PV)来计算操作量(MV)；操作量输出部(13)，将操作量(MV)输出到控制器外部；长周期数据保存部(15)，对于每个第一周期保存控制量(PV)的时序数据；短周期数据记录部(16)，对于每个比第一周期短的第二周期暂时记录控制量(PV)的时序数据；以及短周期数据保存部(17)，仅在短周期数据记录部(16)所记录的控制量(PV)具有规定以上的变化的情况下，从短周期数据记录部(16)读出该控制量(PV)具有规定以上的变化的期间的数据并进行保存。
Description
技术领域
本发明涉及温度控制器等PID控制器，特别是涉及具备数据收集功能的PID控制器。
背景技术
为了控制加热处理炉等的温度，利用了安装有PID控制功能的温度调节器。在温度调节器中，需要设定PID参数等大量的参数。温度调节器使用PID参数来进行PID运算，输出操作量MV以使温度计测值PV与被设定为目标温度的设定值SP一致。由此，能够使温度计测值PV(控制量PV)接近于目标温度(设定值SP)。因此，需要设定PID参数等，并且很重要。
但是，控制结果信息(设定值达到时间、过冲量等控制响应中的特征量的数据)在掌握控制的不佳状态、调整PID参数等的时候，作为针对实际的控制对象的控制结果，是有效的信息。因此，一边实施升温、降温等一系列控制动作一边在温度调节器内部计算控制响应的特征量并保存到温度调节器内部的功能被实施(参照专利文献1)。另一方面，像数据记录器那样的收集并记录全部测定数据的设备也被实用化(参照专利文献2)。通过在这些专利文献1、专利文献2中公开了的数据收集功能，能够收集PID控制的控制响应的特征量或者全部的时序数据，并作为监视对象、分析对象来进行处理。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-217439号公报
专利文献2：日本特开2008-286603号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
在温度控制中，仅通过升温、降温等一系列控制动作，对于有效的信息收集来说是不充分的。即，在专利文献1公开了的特征量计算功能中，保存的信息受限，所以是不充分的。另一方面，在专利文献2公开了的数据记录器中，还包括作为控制动作的信息所不需要的信息，数据收集量过多，所以处理变得烦琐且不便。因此，作为在控制动作中特殊化了的有效的信息收集功能，要求为了避免过于烦琐、且避免过度信息不足而被改善了的功能。特别是，在升温、降温的响应之外，还要求扩大在特殊状况下的有效利用的改进。
作为与作为简易型的PID控制器的代表例子的温度调节器并用的数据记录装置，有时采用以特定的周期抽取不连续的时间点来进行记录的打点式记录器。作为温度调节器的控制动作，往往根据控制对象的特征，预先较长地且以充分的精度来决定过渡状态下的时序数据的收集周期(打点周期)。尤其是PID运算的情况下，控制动作的性质一般容易预测。因此，为了防止数据收集量过多，处理变得繁杂，首先设想采用这样的长周期的数据收集。在该情况下，在长周期的数据收集时，在周期之间数据发生设想之外的快速变化的话，则记录变得不充分。即，存在数据收集周期过长，数据收集错误在设想外发生这样的问题点。
本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供一种以安装到像温度调节器等简易型的PID控制器那样的低价产品为前提，能够减少由控制量PV发生设想外的快速变化而导致的数据收集的错误的PID控制器以及数据收集方法。
用于解决问题的手段
本发明的PID控制器具备：操作量计算单元，通过PID控制运算，根据设定值SP与控制量PV来计算操作量MV；操作量输出单元，将通过该操作量计算单元计算出的操作量MV输出到控制对象；长周期数据保存单元，对于每个第一周期保存所述控制量PV的时序数据；短周期数据记录单元，对于每个比所述第一周期短的第二周期暂时记录所述控制量PV的时序数据；以及短周期数据保存单元，仅在该短周期数据记录单元所记录的控制量PV具有规定以上的变化的情况下，所述短周期数据保存单元从所述短周期数据记录单元读出该控制量PV具有规定以上的变化的期间的数据并进行保存。
又，在本发明的PID控制器的一个构成例中，在所述第一周期中所述短周期数据记录单元所记录的控制量PV的最大值与最小值之差在规定的控制量规定值以上的情况下，所述短周期数据保存单元视作控制量PV具有规定以上的变化，从所述短周期数据记录单元读出具有该规定以上的变化的第一周期中的数据并进行保存。
又，在本发明的PID控制器的一个构成例中，所述第一周期是PID参数的积分时间TI的α倍的值。
又，在本发明的PID控制器的一个构成例中，用于检测控制量PV的规定以上的变化的控制量规定值是PID参数的比例带PB的β倍的值。
又，本发明的PID控制器的一构成例为，还具备读入指示单元，在所述短周期数据保存单元所保存的数据达到规定时间以上的数据时，通知操作者利用上位装置来读入所述短周期数据保存单元所保存的数据。
又，在本发明的PID控制器的一个构成例中，所述长周期数据保存单元还对于每个所述第一周期保存所述操作量MV的时序数据和所述设定值SP的时序数据，所述短周期数据记录单元还对于每个所述第二周期暂时记录所述操作量MV的时序数据和所述设定值SP的时序数据，所述短周期数据保存单元还从所述短周期数据记录单元读出所述控制量PV具有规定以上的变化的期间的所述操作量MV的时序数据和所述设定值SP的时序数据并进行保存。
又，本发明的数据收集方法包括：操作量计算步骤，通过PID控制运算，根据设定值SP与控制量PV来计算操作量MV；操作量输出步骤，将在该操作量计算步骤中计算出的操作量MV输出到控制对象；长周期数据保存步骤，对于每个第一周期保存所述控制量PV的时序数据；短周期数据记录步骤，对于每个比所述第一周期短的第二周期暂时记录所述控制量PV的时序数据；以及短周期数据保存步骤，仅在该短周期数据记录步骤所记录的控制量PV具有规定以上的变化的情况下，从在所述短周期数据记录步骤所记录的数据中读出该控制量PV具有规定以上的变化的期间的数据并进行保存。
发明效果
根据本发明，仅在短周期数据记录单元所记录的控制量PV具有规定以上的变化的情况下，从短周期数据记录单元读出控制量PV具有规定以上的变化的期间的数据并进行保存，所以在第一周期内的控制量PV的变化量显著的情况下、在第一周期内存在控制量PV的显著的极大点或者极小点的情况下，能够没有遗漏地收集收据，从而能够减少由控制量PV发生设想外的快速变化而导致的数据收集的错误。
又，在本发明中，通过将第一周期设为PID参数的积分时间TI的α倍的值，能够减轻进行PID控制器的设定作业的操作者的负担。
又，在本发明中，通过将用于检测控制量PV的规定以上的变化的控制量规定值设为PID参数的比例带PB的β倍的值，能够减轻进行PID控制器的设定作业的操作者的负担。
又，在本发明中，在短周期数据保存单元所保存的数据达到规定时间以上的数据时，通知操作者利用上位装置来读入短周期数据保存单元所保存的数据，从而能够向操作者传达短周期数据保存单元的数据保存的余量变少的情况。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式所涉及的PID控制器的构成的框图。
图2是示出本发明的实施方式所涉及的加热控制装置的构成的框图。
图3是示出本发明的实施方式所涉及的PID控制器的动作的流程图。
图4是说明本发明的实施方式所涉及的PID控制器的数据收集的动作的图。
具体实施方式
[发明的原理]
发明者在发现上述问题的基础上，还着眼于设想外的状况一般在时间上较短这一点，想到了将控制量PV发生了规定以上的变化的情况设为用于扩大特殊状况下的利用的利用对象。以往进行的数据收集的周期即长周期、用于检测控制量PV的规定以上的变化的规定值可以基于PID参数来决定。
具体来说，在长周期间隔暂时记录短周期的数据，仅在该长周期之间控制量PV具有规定以上的变化的情况下，对暂时记录的短周期的数据进行保存。通过这样处理，能够减少由控制量PV发生设想外的快速变化而导致的数据收集的错误。
另外，通过利用温度调节器等简易型的PID控制器内的数据收集功能，能够可靠地捕捉到控制系统的快速变化，但另一方面，PID控制器的存储容量受到限制。因此，优选为并用以下两功能，即通知操作者利用能够充分地确保存储容量的上位装置(例如PC(PersonalComputer，个人计算机))来读入数据的功能、将数据自动转送到上位装置并返回到允许PID控制器的数据区域的盖写的状态的功能。
[实施方式]
下面，参照附图，说明本发明的实施方式。图1是示出本发明的实施方式所涉及的PID控制器的构成的框图。PID控制器具备作为以往以来在PID控制器中设置的一般结构的控制功能部1、以及作为本实施方式的特征结构的数据收集功能部2。
控制功能部1具备：从控制器外部输入设定值SP的设定值输入部10；从计测器输入控制量PV的控制量输入部11；通过PID控制运算，根据设定值SP与控制量PV来计算操作量MV的操作量计算部12；以及将操作量MV输出到控制器外部的操作量输出部13。
数据收集功能部2具备：对当前的日期时间进行计时的时钟14；针对每个第一周期保存控制量PV的时序数据、操作量MV的时序数据和设定值SP的时序数据的长周期数据保存部15；针对每个比第一周期短的第二周期暂时记录控制量PV的时序数据、操作量MV的时序数据和设定值SP的时序数据的短周期数据记录部16；仅在第一周期中短周期数据记录部16所记录的控制量PV发生了规定以上的变化的情况下，从短周期数据记录部16读出该控制量PV具有规定以上的变化的第一周期中的数据并进行保存的短周期数据保存部17；以及在短周期数据保存部17所保存的数据达到规定时间以上的数据时，通知操作者利用上位装置来读入短周期数据保存部17所保存的数据的读入指示部18。
图2是示出成为本实施方式的应用对象的加热控制装置的构成的框图。加热控制装置包括：对作为处理对象的被加热物进行加热的加热处理炉100、电加热器101、计测加热处理炉100内的温度的温度传感器102、控制加热处理炉100内的温度的PID控制器103、电力调整器104、以及电力供给电路105。
PID控制器103计算操作量MV以使温度传感器102所计测到的控制量PV(温度)与设定值SP一致。设定值SP例如通过操作者来设定。电力调整器104决定与操作量MV相应的电力，通过电力供给电路105向电加热器101供给该决定了的电力。这样，PID控制器103控制加热处理炉100内的被加热物的温度。图1的控制功能部1与数据收集功能部被2被安装在PID控制器103中。
接着，参照图3，说明本实施方式的动作。设定值SP通过操作者等来设定，并经由设定值输入部10而被输入到操作量计算部12、长周期数据保存部15和短周期数据记录部16(图3步骤S1)。
控制量PV通过计测器(在图2的例子中是温度传感器102)来计测，并经由控制量输入部11而被输入到操作量计算部12、长周期数据保存部15和短周期数据记录部16(图3步骤S2)。
操作量计算部12通过如以下的传递函数式那样的PID控制运算，根据设定值SP与控制量PV来计算操作量MV(图3步骤S3)。
MV＝(100/PB){1+(1/TIs)+TDs}(SP－PV)···(1)
在式(1)中，PB是比例带，TI是积分时间，TD是微分时间，s是拉普拉斯算子。
操作量输出部13将通过操作量计算部12计算出的操作量MV输出到控制对象(图3步骤S4)。在图2的例子中，电力调整器104成为操作量MV的实际的输出目的地。
接下来，在为应该保存长周期数据的时间点(图3步骤S5中的“是”)时，长周期数据保存部15将从控制量输入部11输入的控制量PV、由操作量计算部12算出的操作量MV和从设定值输入部10输入的设定值SP作为应收集的数据进行保存(图3步骤S6)。此时，长周期数据保存部15在由控制量PV、操作量MV与设定值SP构成的数据集中，附加地记录由时钟14得到的当前时刻的信息。
长周期数据保存部15在比控制周期长的每个第一周期T1都保存数据。因此，控制动作继续，步骤S5、S6的处理在每个第一周期T1都被反复执行，控制量PV的时序数据、操作量MV的时序数据和设定值SP的时序数据被保存于长周期数据保存部15。
另一方面，在为应该记录短周期数据的时间点(图3步骤S7中的“是”)时，短周期数据记录部16将从控制量输入部11输入的控制量PV、由操作量计算部12算出的操作量MV和从设定值输入部10输入的设定值SP作为应该收集的数据暂时进行记录(图3步骤S8)。此时，短周期数据记录部16在由控制量PV、操作量MV与设定值SP构成的数据集中，附加地记录由时钟14得到的当前时刻的信息。
短周期数据记录部16在与控制周期相同或者比控制周期长、且比第一周期T1短的每个第二周期T2(T2＜T1)记录数据。因此，控制动作继续，步骤S7、S8的处理在每个第二周期T2都被反复执行，控制量PV的时序数据、操作量MV的时序数据和设定值SP的时序数据被记录于短周期数据记录部16。
接下来，仅在所述第一周期T1中短周期数据记录部16所记录的控制量PV具有规定以上的变化的情况下(图3步骤S9中的“是”)，短周期数据保存部17从短周期数据记录部16读出该控制量PV具有规定以上的变化的第一周期T1中的数据(控制量PV的时序数据、操作量MV的时序数据和设定值SP的时序数据)并进行保存(图3步骤S10)。即，原则上保存于短周期数据保存部17的时间点可以是与应该保存长周期数据的时间点相同或者稍稍延迟的程度，保存于短周期数据保存部17的数据为在第一周期T1的期间短周期数据记录部16所记录的所有数据。
在此，控制量PV的规定以上的变化是指，在第一周期T1中短周期数据记录部16所记录的控制量PV的最大值和最小值之差为规定的控制量规定值PVth以上的情形。因此，在第一周期T1中短周期数据记录部16所记录的控制量PV存在极大值的情况下，该极大值为最大值的候补，在其与最小值的差为控制量规定值PVth以上时，短周期数据保存部17视作控制量PV具有规定以上的变化，从短周期数据记录部16读出在该第一周期T1中短周期数据记录部16所记录的数据(控制量PV的时序数据、操作量MV的时序数据和设定值SP的时序数据)并进行保存。
又，在第一周期T1中短周期数据记录部16所记录的控制量PV存在极小值的情况下，该极小值成为最小值的候补，在其与最大值之差为控制量规定值PVth以上时，短周期数据保存部17视作控制量PV具有规定以上的变化，从短周期数据记录部16读出在该第一周期T1中短周期数据记录部16所记录的数据并进行保存。
又，如果在第一周期T1中短周期数据记录部16所记录的控制量PV的数据为单调减少的数据的话，则不存在极大值以及极小值，所以短周期数据保存部17在该第一周期T1中短周期数据记录部16所记录的控制量PV的最大值与最小值之差为控制量规定值PVth以上时，视作控制量PV具有规定以上的变化，从短周期数据记录部16读出从最大值到最小值为止的期间所包含的数据并进行保存。
又，如果在第一周期T1中短周期数据记录部16所记录的控制量PV的数据为单调增加的数据的话，则短周期数据保存部17在该第一周期T1中短周期数据记录部16所记录的控制量PV的最小值与最大值之差在控制量规定值PVth以上时，视作控制量PV具有规定以上的变化，从短周期数据记录部16读出从最小值到最大值为止的期间所包含的数据并进行保存。
通过短周期数据记录部16进行的数据的暂时记录与通过长周期数据保存部15以及短周期数据保存部17进行的数据的保存的不同点为：在短周期数据记录部16中，允许数据的盖写，在达到短周期数据记录部16的存储容量的上限时，从最旧的数据开始依次盖写为新的数据，相对于此，在长周期数据保存部15以及短周期数据保存部17中，数据的盖写被禁止，在达到存储容量的上限时，只要不删除所保存的数据，就不能保存新的数据。短周期数据记录部16和短周期数据保存部17的存储容量只要是至少比长周期(第一周期T1)的时间的短周期数据的容量大的容量即可。
读入指示部18在短周期数据保存部17所保存的数据达到规定时间以上的数据时(图3步骤S11)，通知操作者利用上位装置(例如PC)来读入短周期数据保存部17所保存的数据(图3步骤S12)。作为通知方法，存在有例如使LED闪烁或者亮灯以使得操作者能够识别催促等方法。
在每个控制周期中反复执行以上那样的步骤S1～S12的处理，直到例如根据来自操作者的指令而控制结束为止(在图3步骤S13中为“是”)。
图4的(A)、图4的(B)是说明本实施方式的PID控制器的数据收集的动作的图，图4的(A)示出了控制量PV的变化的一个例子，图4的(B)示出了操作量MV的变化的一个例子。图4的(A)的纵轴是控制量PV，横轴是时间，图4的(B)的纵轴是操作量MV，横轴是时间。在这里，将设定值SP设为温度设定值，将控制量PV设为温度计测值，说明例如在图2所示的加热控制装置中收集数据的情况。如上所述，T1是长周期数据保存部15保存数据的第一周期(长周期)。
在图4的(A)、图4的(B)的例子中，在设定值SP从150℃变更为300℃时控制量PV上升，产生设想外的干扰，在从时刻t1到时刻t2为止的第一周期T1(长周期)中，最大值(时刻t1的控制量PV)与最小值(时刻t2的控制量PV)之差为控制量规定值PVth以上，在从时刻t1到时刻t2为止的第一周期T1中的所有数据被保存于短周期数据保存部17。又，在从时刻t2到时刻t3为止的第一周期T1(长周期)中，作为最小值的极小值与最大值(时刻t3的控制量PV)之差为控制量规定值PVth以上，在从时刻t2到时刻t3为止的第一周期T1中的所有数据被保存于短周期数据保存部17。
在施加了频率比控制动作的频率特性(PID运算的性质方面能够计算)高的干扰等的情况下等，需要保存短周期数据。因此，如果将PID参数的积分时间TI的α倍(例如α＝0.5)设为长周期(第一周期T1)(T1＝αTI)，将PID参数的比例带PB的β倍(例如β＝0.2)设为控制量规定值PVth(PVth＝βPB)，则操作者在进行适当的设定时能够果断地完成。
在本实施方式中，仅在第一周期T1中短周期数据记录部16所记录的控制量PV具有规定以上的变化的情况下,从短周期数据记录部16读出该控制量PV具有规定以上的变化期间的数据并进行保存,因此在长周期内的控制量PV的变化量显著的情况下、在长周期内存在控制量PV的显著极大点或者极小点的情况下,能够没有遗漏地收集数据。即，能够减少由控制量PV发生设想外的快速变化而导致的数据收集的错误。
又，在本实施方式中，在数据收集功能部2中设置了读入指示部18,但也可以设置自动转送单元。该自动转送单元在短周期数据保存部17所保存的数据达到规定时间以上的数据时，将短周期数据保存部17所保存的数据经由通信网络自动地转送到上位装置，删除短周期数据保存部17所保存的数据。由此，能够使短周期数据保存部17返回到能够进行数据的盖写的状态。
又，在本实施方式中，短周期数据记录部16记录控制量PV的时序数据、操作量MV的时序数据和设定值SP的时序数据,长周期数据保存部15和短周期数据保存部17保存控制量PV的时序数据、操作量MV的时序数据和设定值SP的时序数据，但记录/保存操作量MV的时序数据和设定值SP的时序数据并非本发明的必要要件。也可以是短周期数据记录部16仅记录控制量PV的时序数据，长周期数据保存部15和短周期数据保存部17仅保存控制量PV的时序数据。
在本实施方式中说明了的PID控制器能够通过具备CPU(Central ProcessingUnit，中央处理单元)、存储装置和接口的计算机、以及控制这些硬件资源的程序来实现。CPU依照在存储装置中所储存的程序，执行本实施方式中所说明的处理。
产业上的可利用性
本发明能够应用于具备数据收集功能的PID控制器。
1…控制功能部、2…数据收集功能部、10…设定值输入部、11…控制量输入部、12…操作量计算部、13…操作量输出部、14…时钟、15…长周期数据保存部、16…短周期数据记录部、17…短周期数据保存部、18…读入指示部。
Claims (12)
1.一种PID控制器，其特征在于，具备：
操作量计算单元，通过PID控制运算，根据设定值SP与控制量PV来计算操作量MV；
操作量输出单元，将通过该操作量计算单元计算出的操作量MV输出到控制对象；
长周期数据保存单元，对于每个第一周期保存所述控制量PV的时序数据；
短周期数据记录单元，对于每个比所述第一周期短的第二周期暂时记录所述控制量PV的时序数据；以及
短周期数据保存单元，仅在该短周期数据记录单元所记录的控制量PV具有规定的控制量规定值以上的变化的情况下，所述短周期数据保存单元从所述短周期数据记录单元读出该控制量PV具有所述控制量规定值以上的变化的期间的数据并进行保存，所述控制量规定值是基于PID参数来决定的值。
2.根据权利要求1所述的PID控制器，其特征在于，
在所述第一周期中所述短周期数据记录单元所记录的控制量PV的最大值与最小值之差在所述控制量规定值以上的情况下，所述短周期数据保存单元视作控制量PV具有所述控制量规定值以上的变化，从所述短周期数据记录单元读出具有该控制量规定值以上的变化的第一周期中的数据并进行保存。
3.根据权利要求1或2所述的PID控制器，其特征在于，
所述第一周期是PID参数的积分时间TI的α倍的值。
4.根据权利要求1或2所述的PID控制器，其特征在于，
所述控制量规定值是PID参数的比例带PB的β倍的值。
5.根据权利要求1或2所述的PID控制器，其特征在于，还具备：
读入指示单元，在所述短周期数据保存单元所保存的数据达到规定时间以上的数据时，通知操作者利用上位装置来读入所述短周期数据保存单元所保存的数据。
6.根据权利要求1或2所述的PID控制器，其特征在于，
所述长周期数据保存单元还对于每个所述第一周期保存所述操作量MV的时序数据和所述设定值SP的时序数据，
所述短周期数据记录单元还对于每个所述第二周期暂时记录所述操作量MV的时序数据和所述设定值SP的时序数据，
所述短周期数据保存单元还从所述短周期数据记录单元读出所述控制量PV具有所述控制量规定值以上的变化的期间的所述操作量MV的时序数据和所述设定值SP的时序数据并进行保存。
7.一种数据收集方法，其特征在于，包括：
操作量计算步骤，通过PID控制运算，根据设定值SP与控制量PV来计算操作量MV；
操作量输出步骤，将在该操作量计算步骤中计算出的操作量MV输出到控制对象；
长周期数据保存步骤，对于每个第一周期保存所述控制量PV的时序数据；
短周期数据记录步骤，对于每个比所述第一周期短的第二周期暂时记录所述控制量PV的时序数据；以及
短周期数据保存步骤，仅在该短周期数据记录步骤所记录的控制量PV具有规定的控制量规定值以上的变化的情况下，从在所述短周期数据记录步骤所记录的数据中读出该控制量PV具有所述控制量规定值以上的变化的期间的数据并进行保存，所述控制量规定值是基于PID参数来决定的值。
8.根据权利要求7所述的数据收集方法，其特征在于，
所述短周期数据保存步骤为，在所述第一周期中所述短周期数据记录步骤所记录的控制量PV的最大值与最小值之差在所述控制量规定值以上的情况下，视作控制量PV具有所述控制量规定值以上的变化，从在所述短周期数据记录步骤所记录的数据中读出具有该控制量规定值以上的变化的第一周期中的数据并进行保存。
9.根据权利要求7或8所述的数据收集方法，其特征在于，
所述第一周期是PID参数的积分时间TI的α倍的值。
10.根据权利要求7或8所述的数据收集方法，其特征在于，
所述控制量规定值是PID参数的比例带PB的β倍的值。
11.根据权利要求7或8所述的数据收集方法，其特征在于，还包括：
读入指示步骤，在所述短周期数据保存步骤所保存的数据达到规定时间以上的数据时，通知操作者利用上位装置来读入在所述短周期数据保存步骤所保存的数据。
12.根据权利要求7或8所述的数据收集方法，其特征在于，
所述长周期数据保存步骤还包含对于每个所述第一周期保存所述操作量MV的时序数据和所述设定值SP的时序数据的步骤，
所述短周期数据记录步骤还包含对于每个所述第二周期暂时记录所述操作量MV的时序数据和所述设定值SP的时序数据的步骤，
所述短周期数据保存步骤还包含从在所述短周期数据记录步骤所记录的数据中读出所述控制量PV具有所述控制量规定值以上的变化的期间的所述操作量MV的时序数据和所述设定值SP的时序数据并进行保存的步骤。
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