JP2001022405A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 操作量をフィードフォワード処理する制御装
置において、目標値を変更しても適切な過渡応答性が得
られるようにする。 【解決手段】 減算部１は目標値と制御量の偏差を出力
する。ＰＩＤ演算部３は偏差をＰＩＤ演算する。フィー
ドフォワード処理部１５は、制御対象の制御対象に関係
する諸量の測定値に基づくフィードフォワード量と基準
値とを用いてＰＩＤ演算出力をフィードフォワード処理
して操作量を出力する。目標値変更検出部２７は目標値
変更を検出する。フィードフォワード基準値変更出力部
３１はフィードフォワード処理部１５に対しその基準値
を出力し、目標値が変更されたときその時点のフィード
フォワード量を基準値として変更して維持出力する。積
分値変更部２９は目標値が変更されたとき、そのＰＩＤ
演算出力がフィードフォワード処理部１５からの操作量
と一致するようＰＩＤ演算部３の積分演算を変更する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は制御装置に係り、目
標値と制御対象からの制御量との偏差からＰＩＤ演算出
力した操作量に対してフィードフォワード処理し、これ
を制御対象側へ出力する制御装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の制御装置としては、図４
に示すように、減算部１で目標値ＳＶと後述するヒータ
１９からの制御量ＰＶとの偏差ｅを出力し、この偏差ｅ
をＰＩＤ演算部３の比例演算部５、微分演算部７および
積分演算部９で比例、微分および積分演算するとともに
加算部１１で加算してＰＩＤ演算出力を出力し、このＰ
ＩＤ演算出力を出力リミッタ１３で上限値および下限値
に制限し、フィードフォワード処理部１５では後述する
測定部２５からのフィードフォワード量およびフィード
フォワード基準値出力部１７からの基準値に基づきフィ
ードフォワード処理して操作量を出力する構成を有して
いた。

【０００３】そして、例えば制御量に関係する諸量とし
てヒータへ印加する交流操作信号を考えた場合、図５に
示すように、交流電源２１からヒータ１９へ印加する交
流操作信号を、操作器２３にてフィードフォワード処理
部１５からの操作量で切換える一方、測定部２５にて実
際の印加交流操作信号レベル（例えば電圧）を検出して
フィードフォワード量として図４のフィードフォワード
処理部１５およびフィードフォワード基準値出力部１７
へ加え、フィードフォワード基準値出力部１７では予め
設定された固定値又は制御装置自体の電源投入時や動作
の停止／開始時に測定されたフィードフォワード量など
を基準値としてフィードフォワード処理部１５へ出力
し、フィードフォワード処理部１５では出力リミットの
かけられたＰＩＤ演算出力をそれら基準値とフィードフ
ォワード量とによってフィードフォワード処理して出力
していた。なお、制御量ＰＶは、ヒータ１９に配置され
た図示しないセンサから出力される。

【０００４】このような制御装置では、交流電源２１か
らヒータ１９へ印加する交流操作信号の変動影響が小さ
くなるよう、そのフィードフォワード量に基づきフィー
ドフォワード処理部１５にてそのＰＩＤ演算出力がフィ
ードフォワード処理され、このフィードフォワード処理
された操作量を所定期間内のオン（ＯＮ）／オフ（ＯＦ
Ｆ）比に変換した時間比例出力として出力し、この時間
比例出力に基づき操作器２３を切換えてヒータ１９を加
熱制御し、その交流操作信号に電圧変動があっても、フ
ィードバック制御よりも早く安定した加熱制御が可能に
なっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た制御装置では、フィードフォワード基準値出力部１７
からの上述した基準値と、実際にヒータ１９へ印加され
た交流操作信号の測定結果に基づくフィードフォワード
量とから、ヒータ１９へ印加する交流操作信号の変動影
響が小さくなるようフィードフォワード処理されて操作
量が出力されるから、例えば電源電圧が上昇してフィー
ドフォワード量が大きくなり、上昇した電源電圧の影響
が小さくなるようＰＩＤ演算出力がフィードフォワード
処理される状況下で目標値ＳＶを変更すると、次のよう
な不都合が生じ易い。

【０００６】すなわち、目標値ＳＶの変更に起因して、
ＰＩＤ演算部３からのＰＩＤ演算出力が１００％で飽和
しているにもかかわらず、フィードフォワード処理部１
５からの実際の操作量はフィードフォワード処理によっ
て飽和せずに１００％より小さく抑えられ、ヒータ１９
の過渡応答が遅くなり易い。

【０００７】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、ＰＩＤ演算出力に対して適切なフィー
ドフォワード処理が可能であり、目標値変更、電源投入
又は機器の一時的な停止／開始等にあっても、制御量の
早い立上がりスピードが得られ、制御量の過渡応答性を
改善可能な制御装置の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために本発明は、目標値と制御対象からの制御量との
偏差から少なくとも比例および積分演算した演算出力を
出力するＰＩＤ演算部と、その制御対象の制御量に関係
する諸量の測定値に基づくフィードフォワード量および
基準値を用いてその演算出力をフィードフォワード処理
して操作量をその制御対象側へ出力するフィードフォワ
ード処理部と、目標値が変更されたか否か検出する目標
値変更検出部と、所定の値をその基準値として出力する
とともにその目標値の変更を目標値変更検出部が検出し
たときその基準値をその時測定されたフィードフォワー
ド量に変更して出力するフィードフォワード基準値変更
出力部と、その目標値の変更を目標値変更検出部が検出
したとき、ＰＩＤ演算部からの演算出力が目標値の変更
時におけるフィードフォワード処理部からのその操作量
になるようＰＩＤ演算部の積分演算を変更させる積分値
変更部とを具備している。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。なお、従来例と共通する部分には
同一の符号を付す。

【００１０】図１は本発明に係る制御装置の実施の形態
を示すブロック図である。図１において、減算部１は、
目標値ＳＶと制御対象としてのヒータ１９（図５参照）
からの制御量ＰＶとの偏差ｅを出力するものであり、比
例演算部５、微分演算部７および積分演算部９に接続さ
れている。

【００１１】比例演算部５は偏差ｅを比例演算するもの
で加算部１１に接続されており、微分演算部７は偏差ｅ
を微分演算するもので加算部１１に接続されており、積
分演算部９は偏差ｅを積分演算するもので加算部１１に
接続されている。なお、積分演算部９は積分演算値の変
更が可能となっているが、詳細は後述する。

【００１２】加算部１１はそれら比例演算結果、微分演
算結果および積分演算結果を加算してＰＩＤ演算出力を
出力するもので、出力リミッタ１３に接続されている。
これら比例演算部５、微分演算部７、積分演算部９およ
び加算部１１によってＰＩＤ演算部３が形成されてい
る。もっとも、ＰＩＤ演算部３の微分演算部７は必須で
はなく、少なくとも比例演算部５および積分演算部９に
加えて加算部１１で形成されていれば良い。

【００１３】比例演算部５および微分演算部７は、後述
する積分値変更部２９にも接続されている。出力リミッ
タ１３は、そのＰＩＤ演算出力を所定の上限値および下
限値でリミッタをかけてレベル制限するものであり、フ
ィードフォワード処理部１５に接続されている。出力リ
ミッタ１３では所定の上限値又は下限値でリミッタをか
けることも可能である。

【００１４】フィードフォワード処理部１５は、上述し
た図５に示した測定部２５からのフィードフォワード量
および後述するフィードフォワード基準値変更出力部３
１からの基準値を入力し、リミッタのかけられたＰＩＤ
演算出力を例えばそれらの比率に基づきフィードフォワ
ード処理する一方、フィードフォワード処理されたＰＩ
Ｄ演算出力に応じて所定の繰返し期間をＯＮ／ＯＦＦ比
に変換した時間比例出力の操作量を出力するもので、制
御対象側、例えば図５に示した操作器２３に接続される
とともに、積分値変更部２９にも接続されている。

【００１５】フィードフォワード処理部１５において、
例えばフィードフォワード量をＥｎ、基準値をＥ０とす
れば、フィードフォワード処理後の操作量は次のように
なる。 ＭＶ＝（Ｅ０）²／（Ｅｎ）²×ＰＩＤ演算出力 ・・・・（１）

【００１６】目標値変更検出部２７は、減算部１へ加え
る目標値ＳＶを入力し、これが変更されたか否か検出す
るもので、目標値ＳＶが変化したとき目標値ＳＶが変更
されたとして検出信号を出力するもので、積分値変更部
２９およびフィードフォワード基準値変更出力部３１に
接続されている。

【００１７】積分値変更部２９は、フィードフォワード
処理部１５からの操作量を測定しており、目標値変更検
出部２７から検出信号が入力されたとき、その操作量に
一致するＰＩＤ演算出力が得られるよう、比例演算部５
および微分演算部７からの比例演算結果および微分演算
結果とその操作量とから、積分演算部９における積分演
算結果を変更して設定する機能を有している。

【００１８】すなわち、積分値変更部２９は、目標値Ｓ
Ｖの変更を目標値変更検出部２７が検出したとき、ＰＩ
Ｄ演算部３からのＰＩＤ演算出力が目標値ＳＶの変更前
におけるフィードフォワード処理部１５からの操作量に
一致するよう、そのＰＩＤ演算部３における前回の積分
値として内容を置き換え変更するものである。置き換え
変更する前回の積分出力としては、具体的に次の式から
得られる。 前回の積分出力＝操作量−（前回比例演算出力＋前回微
分演算出力）

【００１９】フィードフォワード基準値変更出力部３１
は、フィードフォワード量に関する固定値（例えば固定
値ＡＣ１００Ｖ）又は図５に示した測定部２５からのフ
ィードフォワード量が入力され、電源投入時又は一時的
な機器の停止／開始時のフィードフォワード量が基準値
として設定されており、目標値変更検出部２７から検出
信号が入力されたとき、上記入力されたフィードフォワ
ード量を当該基準値として変更出力するものであり、フ
ィードフォワード処理部１５に接続されている。

【００２０】フィードフォワード基準値変更出力部３１
において、固定値とフィードフォワード量の何れを基準
値として予め設定するかは任意であり、何れかが選択的
に出力される。もっとも、このように初期設定される基
準値はフィードフォワード量に関する所定の値であれば
良い。

【００２１】そのため、検出信号が入力されると、上述
した式（１）における基準値がＥ０＝Ｅｎとなってフィ
ードフォワード処理後の操作量が次のようになり、リミ
ッタのかけられたＰＩＤ演算出力がそのままフィードフ
ォワード処理部１５から出力される。 ＭＶ＝（Ｅ０）²／（Ｅｎ）²×ＰＩＤ演算出力 ＝（Ｅｎ）²／（Ｅｎ）²×ＰＩＤ演算出力 ＝ＰＩＤ演算出力

【００２２】フィードフォワード量を出力する測定部２
５は、上述した図５に示すように、交流電源２１から実
際にヒータ１９へ印加される交流操作信号の例えば電源
電圧を測定し、その測定電圧値をフィードフォワード量
として出力するもので、フィードフォワード処理部５お
よびフィードフォワード基準値変更出力部３１に接続さ
れているのは、上述した通りである。

【００２３】次に、上述した本発明に係る制御装置の動
作を簡単に説明する。まず、目標値ＳＶが変更されない
状態の下でフィードフォワード処理する動作を説明す
る。

【００２４】目標値ＳＶと制御量ＰＶが減算部１へ入力
され減算され、その偏差ｅがＰＩＤ演算部３へ加えられ
る。ＰＩＤ演算部３では、その偏差ｅが予め設定された
定数で比例演算、微分演算および積分演算され、加算部
１１で加算されたＰＩＤ演算出力が出力リミッタ１３へ
出力される一方、比例演算結果および微分演算結果が積
分値変更部２９へ加えられる。

【００２５】出力リミッタ１３ではそのＰＩＤ演算出力
が所定の上限値および下限値でリミッタをかけられ、フ
ィードフォワード処理部１５へ加えられる。フィードフ
ォワード処理部１５には、測定部２５からのフィードフ
ォワード量およびフィードフォワード基準値変更出力部
３１からの基準値が入力されており、リミッタのかけら
れたＰＩＤ演算出力がそれらフィードフォワード量およ
び基準値の比率に基づきフィードフォワード処理され
る。

【００２６】例えば、基準値がＡＣ１００Ｖで、実際の
測定値に基づくフィードフォワード量が１０２Ｖの場
合、その変動分である２Ｖの影響を抑えるようにフィー
ドフォワード処理によって約９６％に抑えられた操作量
が、図５の操作器２３へ出力されるとともに積分値変更
部２９へも出力される。

【００２７】逆に、フィードフォワード量が９８Ｖの場
合には、フィードフォワード処理によって約１０４％に
増大された操作量が出力される。そして、フィードフォ
ワード処理された操作量によってヒータ１９が加熱制御
されるから、例えば交流操作信号に電圧変動があって
も、フィードバック制御よりも早く安定した制御が可能
となる。

【００２８】ここで、ヒータ１９を操作する交流操作信
号が基準値より例えば高めに変動している状況下で、目
標値ＳＶを大きなレベル方向に変更した場合を説明す
る。この状況下では、目標値変更検出部２７が目標値Ｓ
Ｖの変更を検出し、その検出信号を積分値変更部２９お
よびフィードフォワード基準値変更出力部３１へ出力す
る。

【００２９】この検出信号を受けたフィードフォワード
基準値変更出力部３１は、入力したフィードフォワード
量を当該基準値として設定し、フィードフォワード処理
部１５へ出力する。フィードフォワード処理部１５で
は、上述した式（１）から分かるように、リミッタのか
けられたＰＩＤ演算出力がそのまま操作器２３へ出力さ
れる。すなわち、レベルを抑えられるようなフィードフ
ォワード処理がなされずにそのままのレベルで出力され
る。

【００３０】他方、積分値変更部２９は、目標値変更検
出部２７から検出信号が入力されると、ＰＩＤ演算部３
からのＰＩＤ演算出力がフィードフォワード処理部１５
からの操作量に一致するように、比例演算部５および微
分演算部７からの比例演算結果および微分演算結果、並
びにフィードフォワード処理部１５からの操作量とか
ら、ＰＩＤ演算部３の積分演算部９における積分演算結
果を置き換え変更設定する。

【００３１】そのため、フィードフォワード基準値変更
出力部３１から出力される基準値がフィードフォワード
量による新しい値に変更されたとしても、基準値の変更
に伴うフィードフォワード処理部１５からの操作量の変
化が抑えられ、目標値変更に対応した適正なＰＩＤ演算
結果が出力される。

【００３２】もし、ＰＩＤ演算部３からのＰＩＤ演算出
力をフィードフォワード処理部１５からの操作量に一致
させないと、基準値の変更に伴う操作量の変化があり、
その状態で目標値変更に起因するＰＩＤ演算結果を算出
することになる。

【００３３】操作量が安定し制御量が一定の値で制御さ
れている状態下では、基準値の変更に伴い操作量が変化
して制御量を一定値で制御する操作量が出力されない状
態からの目標値変更となり、過渡特性が本来の制御安定
時からの目標値変更の特性と違うものとなり、制御応答
がどのような応答になるかが不明になる。このような状
態を回避する上で、積分変更部２９によるＰＩＤ演算部
３の積分演算部９の演算状態の変更設定が重要である。

【００３４】このように発明の制御装置は、減算部１で
目標値ＳＶと制御量ＰＶからの偏差ｅを出力し、ＰＩＤ
演算部３でその偏差ｅに基づきＰＩＤ演算出力を出力
し、ヒータ１９を実際に操作する交流操作信号の測定値
に基づくフィードフォワード量およびこれに関する基準
値を用いてそのＰＩＤ演算出力をフィードフォワード処
理部１５でフィードフォワード処理して操作量をヒータ
１９側へ出力し、目標値変更検出部２７で目標値ＳＶの
変更の有無を検出し、フィードフォワード基準値変更出
力部３１では固定値又は電源投入時や動作の停止／開始
時に測定されたフィードフォワード量などをその基準値
として予め設定するとともに出力し、目標値ＳＶの変更
が検出されたとき、フィードフォワード基準値変更出力
部３１がその基準値として目標値ＳＶ変更時のフィード
フォワード量に変更し出力する一方、目標値ＳＶの変更
が検出されたとき、ＰＩＤ演算部３からのＰＩＤ演算出
力が目標値ＳＶの変更前におけるフィードフォワード処
理部１５からの操作量になるよう、積分値変更部２９で
ＰＩＤ演算部３の積分演算を変更させるよう構成した。

【００３５】そのため、時間経過によるフィードフォワ
ード量の変化があっても、その後に変更される各目標値
ＳＶで適切な基準値を使用してフィードフォワード処理
を確保できる。しかも、目標値ＳＶが変更されても、フ
ィードフォワード処理部１５からの操作量が抑えられる
ようなフィードフォワード処理がなされず、また基準値
の変化に起因する操作量の変化がない状態でＰＩＤ演算
されるため、制御量の早い立上がりスピードを確保で
き、フィードフォワード処理時の制御量の過渡応答性を
改善できる。

【００３６】図２は上述した本発明の制御装置における
シミュレーション結果を示す図であり、目標値ＳＶが変
更されても、ＰＩＤ演算出力およびフィードフォワード
処理後の操作量が一致するとともに早く安定することが
分かる。

【００３７】他方、図４に示した従来の制御装置では、
図３のシミュレーション結果に示すように、目標値ＳＶ
が変更されると、ＰＩＤ演算出力とフィードフォワード
処理後の操作量との間にはレベル差が生じるうえ、これ
らが遅れて変化しており、本発明の制御装置の効果が分
かる。なお、図２および図３において横軸は時間を、縦
軸は制御装置の入出力を０〜１で正規化した値を示して
いる。

【００３８】上述した実施例では、操作量の出力形態と
して時間比例出力を例にして説明したが、操作量に応じ
たレベルで連続的に出力する電圧や電流も可能である
し、これらによって操作される操作器についても、ゼロ
クロス方式の他にリレーや位相制御装置のものを用いる
ことが可能である。すなわち、フィードフォワード処理
後の操作出力を受けて出力する構成部分に関して本発明
は影響されない。

【００３９】また、上述した実施の形態では、制御量に
関係する諸量として電源電圧を例にして説明したが、こ
れ以外にも、例えば冷却制御の冷却媒体の温度など制御
対象の制御特性に影響を与える要素の測定値をフィード
フォワード量とすることが可能である。もっもと、制御
量に関係する諸量に応じて、フィードフォワード処理部
での上述した式（１）や積分演算の変更式を変更する必
要がある。

【００４０】ところで、本発明に係る制御装置は、一般
には所定のプログラムで演算や判断動作するＣＰＵ、こ
のＣＰＵの動作プログラムを格納したＲＯＭ、演算動作
結果を一時的に格納するＲＡＭ、外部とのインターフェ
ースであるＩ／Ｏを主体としたマイクロコンピュータで
構成する場合が多いが、電子部品を組合せた電子回路で
構成することも可能であり、デジタル構成の機器ではＣ
ＰＵで扱うデジタル信号が上述した制御出力信号とな
り、アナログ構成の機器では電圧信号や電流信号等のア
ナログ信号が制御出力信号となる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の制御装置
は、目標値と制御量との偏差から少なくとも比例および
積分演算して操作量を出力するＰＩＤ演算部と、制御対
象の制御量に関係する諸量の測定値に基づくフィードフ
ォワード量および基準値を用いてＰＩＤ演算出力をフィ
ードフォワード処理して操作量を制御対象側へ出力する
フィードフォワード処理部と、目標値変更の有無を検出
する目標値変更検出部と、予め設定された所定の値をそ
の基準値として出力するとともにその目標値変更が検出
されたときその基準値としてその時点のフィードフォワ
ード量に変更し出力するフィードフォワード基準値変更
出力部と、目標値変更が検出されたときそのＰＩＤ演算
部からの演算出力がフィードフォワード処理部からの操
作量に一致するようその積分演算結果を変更させる積分
値変更部とを具備したから、時間経過によるフィードフ
ォワード量の変化があっても、適切なフィードフォワー
ド処理を確保できる。しかも、制御対象を操作する操作
信号に変動がある状態下で、目標値が変更されても、フ
ィードフォワード処理部によって操作量が抑えられない
し、基準値を変化させることによる制御特性の変化を防
ぐことにより、制御量の早い立上がりスピード確保でき
るうえ、制御量の過渡応答性を改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る制御装置の実施の形態を示すブロ
ック図である。

【図２】図１の制御装置のシミュレーション結果を示す
図である。

【図３】従来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】従来の制御装置を示すブロック図である。

【図５】本発明および図４の制御装置に関連する構成を
示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 減算部 ３ ＰＩＤ演算部 ５ 比例演算部 ７ 微分演算部 ９ 積分演算部 １１ 加算部 １３ 出力リミッタ １５ フィードフォワード処理部 １７ フィードフォワード基準値出力部 １９ ヒータ（制御対象） ２１ 交流電源 ２３ 操作器 ２５ 測定部 ２７ 目標値変更検出部 ２９ 積分値変更部 ３１ フィードフォワード基準値変更出力部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 豊武 和生 東京都大田区久が原５丁目16番６号 理化 工業株式会社内 (72)発明者 宮村 栄二 東京都大田区久が原５丁目16番６号 理化 工業株式会社内 (72)発明者 宮下 乃彰 東京都大田区久が原５丁目16番６号 理化 工業株式会社内 Ｆターム(参考） 5H004 GA02 GA11 JA03 JA12 KA54 KA62 KB02 KB04 KB06 KB28 KB32 KC52

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 目標値と制御対象からの制御量との偏差
   から少なくとも比例および積分演算した演算出力を出力
   するＰＩＤ演算部と、 前記制御対象の制御量に関係する諸量の測定値に基づく
   フィードフォワード量および基準値を用いて前記演算出
   力をフィードフォワード処理して操作量を前記制御対象
   側へ出力するフィードフォワード処理部と、 前記目標値が変更されたか否か検出する目標値変更検出
   部と、 所定の値を前記基準値として出力するとともに、前記目
   標値の変更を前記目標値変更検出部が検出したとき前記
   基準値を前記フィードフォワード量に変更して出力する
   フィードフォワード基準値変更出力部と、 前記目標値の変更を前記目標値変更検出部が検出したと
   き、前記ＰＩＤ演算部からの演算出力が前記目標値の変
   更時における前記フィードフォワード処理部からの前記
   操作量になるよう前記ＰＩＤ演算部の積分演算を変更さ
   せる積分値変更部と、 を具備することを特徴とする制御装置。