JP2002202801A

JP2002202801A - Ｐｉｄ制御装置およびそのチューニング方法

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Publication number: JP2002202801A
Application number: JP2000402671A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Kiyuukahon; 秀和久下本
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2002-07-19
Anticipated expiration: 2020-12-28
Also published as: JP4633253B2

Abstract

(57)【要約】【課題】制御量が周期的な変動を呈している積分プロ
セスにおいて、制御対象に同定用信号を与えることな
く、ＰＩＤ制御器のチューニングを可能とする。【解決手段】制御対象１２に操作端１４から加える操
作量と、検出器１５で検出される制御量から、周期解析
手段３１で周期を求める。積分特性算出手段である簡易
積分器３２で積分ゲインが求められ、プロセスモデル３
０が生成される。制御モデル２０、制御モデルのＰＩＤ
パラメータを調整する評価器２１と併せて制御シミュレ
ータ１６を構成し、シミュレーションによって最適なＰ
ＩＤパラメータを算出する。算出した制御モデルのＰＩ
Ｄパラメータを、プロセスの要求に合わせて微調整し、
制御器１３の制御パラメータとして設定することができ
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、積分プロセスを対
象としたＰＩＤ制御装置およびそのチューニング方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ＰＩＤ制御に関するチューニング方法、
ならびにオートチューニング機能、セルフチューニング
機能を備えたＰＩＤ制御装置が多数提供されている。図
８に一般的なオートチューニング機能を含むＰＩＤ制御
装置１に関する構成を示す。プラントの制御対象２を制
御器３がＰＩＤパラメータに基づいて制御し、制御対象
２を制御するための操作は操作端４によって行われ、操
作結果を反映した制御対象２の制御量は検出器５によっ
て検出される。制御器３は制御量と目標値との偏差を解
消するように操作端４を駆動する。チューニング機構６
は同定器８と調整器７から構成され、同定器８は操作端
４に同定信号を与えて制御対象２の特性を同定し、調整
器７がその結果に基づき制御器３のＰＩＤパラメータを
最適となるように調整する。

【０００３】しかしながら、プラントに多数設けられた
ＰＩＤ制御器の全てが前述のチューニング機能を用いて
調整されている訳ではなく、ＰＩＤ制御器にオートチュ
ーニング、またはセルフチューニング機能が必ずしも備
わっていないこと、プラントに直接同定用信号を与えた
くないこと、チューニング機能を使うまでもなく調整が
できるものも多いといった事由から、調整者の経験と勘
によって調整されているものが大半を占める。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、プラン
トのＰＩＤ制御器は調整者の経験や勘によって調整され
ているものも多く、ゆえに、積分プロセスのように遅れ
が大きいものにあっては調整が不十分となりがちな問題
がある。また、オートチューニング、またはセルフチュ
ーニング機能が備わった制御器の多くは制御対象に同定
用信号を与えるため、プラントに変動を与える結果とな
って好ましくない。特に、積分プロセスにチューニング
不良が多く見られ、大半が周期的な変動を呈しているた
め、この周期変動を利用して制御対象に同定信号を与え
ることなく、積分プロセスを同定し、ＰＩＤ制御器のチ
ューニング不良を解消するようなＰＩＤ制御装置および
チューニング方法が求められた。また、プラント運転者
にとって、セルフチューニング機能で実プロセスの制御
パラメータを直接変えられることに抵抗があり、前もっ
てシミュレーションで制御性能を確認したいという要求
もあった。

【０００５】本発明の目的は、チューニングが不十分と
なりがちな積分プロセスを対象として、プラントに同定
用信号を与えることなくプロセスを同定し、前もって最
適なＰＩＤパラメータをシミュレーションで求めた後、
実プロセスのチューニングに反映できるＰＩＤ制御装置
およびそのチューニング方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、積分プロセス
を対象としたＰＩＤ制御に用いられ、ＰＩＤパラメータ
が最適となるようにチューニング可能なＰＩＤ制御装置
であって、周期的な変動を呈している制御量、または操
作量の周期を周期解析から求め、周期と、制御量と操作
量の変動幅から簡単な代数演算を施してプロセスの積分
特性を算出する算出手段と、算出手段によって算出され
る積分特性に基き、モデル化されたプロセスモデルとＰ
ＩＤ制御機能を模擬した制御モデルを用いてＰＩＤ制御
のシミュレータを構成し、テスト用入力信号を与えてそ
の応答波形が最適となるように制御モデルのＰＩＤパラ
メータをチューニングするチューニング手段と、チュー
ニング手段によってチューニングされたＰＩＤパラメー
タに基づいて、積分プロセスを制御する制御パラメータ
が設定可能な制御器とを含むことを特徴とするＰＩＤ制
御装置である。

【０００７】本発明に従えば、ＰＩＤ制御装置は、算出
手段、チューニング手段、および制御器を含み、積分プ
ロセスから検出される制御量と目標値を比較し、比較結
果に基づく制御に用いられ、ＰＩＤパラメータが最適と
なるようにチューニングすることが可能である。

【０００８】算出手段は、周期的な変動を呈している制
御量、または操作量を解析して周期を求める。算出手法
は制御量の自己相関関数や、制御量と操作量の相互相関
関数を使ってもよいし、フーリエ解析やスペクトル解析
を用いてもよい。算出手段は、プロセスを積分器とみな
して、制御量の変動幅と操作量の変動面積から積分ゲイ
ンを算出する。従って、プロセスモデルは単純な積分器
として表され、プロセスの積分特性を表現するパラメー
タが積分ゲインに対応する。操作量の変動面積は、算出
手段で求めた周期を底辺、操作量の変動幅を高さとした
三角形の面積演算で近似計算して求める。制御モデルは
制御器のＰＩＤ演算式を用い、同定したプロセスモデル
と制御モデルを使って制御シミュレータを構成する。

【０００９】チューニング手段は、テスト用入力信号に
対するシミュレーションを実施し、応答波形が最適とな
るように制御モデルのＰＩＤパラメータを調整する。テ
スト用入力信号は、ステップ信号やインパルス信号を用
い、応答波形の評価は、ステップ応答にあっては、例え
ばオーバーシュート面積最小といった、予め定めた評価
関数に従って評価を行う。チューニング過程において、
制御シミュレーション、応答波形の評価、制御モデルの
ＰＩＤパラメータ調整といった一連の動作を繰り返し行
い、最適なＰＩＤパラメータを求める。

【００１０】上述のチューニング手段で最適なＰＩＤパ
ラメータが得られるが、前もってシミュレーションで制
御性能を確認したいといった要求や、実施者のノウハウ
を生かした微調整も加味できるよう、テスト用入力信号
に対する応答波形を画面表示する機能と、制御モデルの
ＰＩＤパラメータを変更できる機能を装備する。また、
内臓する制御シミュレータを使ってチューニングされた
ＰＩＤパラメータに基づき、積分プロセスを制御する制
御器の制御パラメータが設定可能とする。

【００１１】

【発明の実施形態】図１に本発明の一実施形態としての
ＰＩＤ制御装置１１の構成図を示す。図８のＰＩＤ制御
装置１と同様に、制御器１３はＰＩＤパラメータに基づ
いてプラントの制御対象１２を制御し、制御対象１２を
制御するための操作は操作端１４によって行われ、操作
結果を反映した制御対象１２の制御量は検出器１５によ
って検出される。制御器１３は制御量と目標値との偏差
を解消するように操作端１４を駆動する。

【００１２】制御器１３のＰＩＤパラメータは、制御シ
ミュレータ１６の演算結果に基づいて設定することが可
能であり、制御シミュレータ１６は調整器１７と同定器
１８の一部から成る。一般的なオートチューニング、ま
たはセルフチューニング機構は図８の調整器７と同定器
８から成るが、制御モデルを持たないために制御シミュ
レータは備わっていない。本発明に従えば、制御モデル
２０を設けることで制御シミュレータ１６を構成でき、
オフラインの制御シミュレーションが可能となる。従っ
て、同定器１８は周期解析手段３１と積分特性算出手段
である簡易積分器３２、プロセスモデル３０、調整器１
７は制御モデル２０と評価器２１から成り、このうち制
御モデル２０と評価器２１、プロセスモデル３０で制御
シミュレータ１６を構成する。本発明は、制御量と操作
量が周期的な変動を呈しているＰＩＤ制御器を最適にチ
ューニングすることを目的としており、積分プロセスを
対象とした同定法、ならびに制御シミュレーションを基
にしたチューニング法であることに特徴がある。

【００１３】本発明の積分プロセスの同定法を、図２に
示すタンクの液面制御モデルに基づいて解説する。タン
ク４０は、入口４１と出口４２が設けてあり、内部に液
４３が貯蔵されている。ＰＩＤ制御装置１１は、出口４
２に設けられた操作端１４である制御弁の開度を調整し
て液４３の液面を制御する。制御量となる液面の高さは
検出器１５である液面計によって検出される。制御弁の
弁開度を変化させると出口流量が変化し、入口流量が一
定であれば、質量保存則から出口流量変化を積分したも
のとタンク４０の液量変化は等しい。液面制御のチュー
ニングが不良であれば、多くの場合、図３のような制御
量と操作量が周期的な変動を起こす。この周期変動デー
タを使うことによって、プラントに同定用信号を与える
ことなくプロセスを同定し、最終的にＰＩＤ制御器をチ
ューニングすることが可能である。

【００１４】プロセス同定において、プロセスが積分系
であるために、操作量を積分したものと制御量を関連づ
ける必要がある。操作量を積分する過程で、操作量の変
動周期と変動幅を求める必要があり、周期を求める一手
段として相互相関関数［数１］を用いる。図３の制御量
と操作量の相互相関関数を図４に示す。位相が重なれば
正相関、反転すると負相関を示し、正、負の極値から１
／２周期を求めることができ、２倍して周期を求める。

【００１５】

【数１】

【００１６】図４の例は、１／２周期が２１分であるこ
とから１周期４２分と求められた。次に、制御量、操作
量の変動幅を求める。図５に示すように、時系列データ
を１周期よりやや長い時刻、好ましくは１．２周期で短
冊状に分割し、分割したデータに１周期分が含まれるよ
うにする。このデータの最大値と最小値の差から変動幅
が求まる。分割した個数分の変動幅を平均し、制御量、
操作量の代表的な変動幅を求める。平均化することによ
り、ランダムな外乱が除去され、より正確な変動幅が求
められる効果がある。図５の例は、液面変動幅６％、制
御弁の開度変化６％と求められた。

【００１７】制御量、操作量には、計装上の遅れが含ま
れるが、プロセスの遅れと比較して十分小さいため無視
し、むだ時間もないものとして考える。さらに、操作端
である制御弁の弁開度も変動範囲内で局所線形と考え
て、プロセスモデルを線形な積分器とおく。プロセスモ
デルを積分器とおくことにより、同定すべきモデルパラ
メータは１つとなって、数値計算上、見通しのよいもの
となる。

【００１８】次に、操作量の周期と変動幅から変動面積
を算出し、制御量の変動幅と比較してモデルパラメータ
である積分ゲインを計算する。操作量の積分は、［数
２］に示す、三角形の面積演算を用いて近似計算する。

【００１９】

【数２】

【００２０】操作量の周期、変動幅から、周期変動して
いる操作量の積分値が求まった。操作量の積分値と制御
量の比［数３］から、プロセスの積分特性を表す積分ゲ
インが求まる。また、タンク内液の滞留時間は［数４］
で計算する。

【００２１】

【数３】

【００２２】

【数４】

【００２３】図５の例は、制御量平均３５［％］、操作
量平均５３［％］で、積分ゲイン、滞留時間は次のよう
に求められた。

【００２４】

【数５】

【００２５】従って、プロセスモデルをラプラス変換表
記すれば、０．０００８／ｓとなる。以上がプロセスモ
デル算出の過程となり、図１の同定器１８の機能とな
る。

【００２６】制御モデルは、ＰＩＤ制御器の機能仕様書
に記載されているＰＩＤ演算式をそのまま用いる。実施
例のＰＩＤ演算式は、Ｉ−ＰＤ式と呼ばれている式［数
６］で、ＰＩＤパラメータは、比例帯、積分時間、微
分時間となる。

【００２７】

【数６】

【００２８】過渡応答法で、最もよく用いられる方法が
ステップ応答法であるため、実施例もステップ応答によ
るチューニング手段とする。一般に、ステップ応答によ
るチューニングは、制御量２０％行き過ぎが良いとされ
ているが、実プラントでは行き過ぎなしの保守的なチュ
ーニングが好まれる。実施されているチューニング法に
ならって、行き過ぎなしの、行き過ぎ面積が最小となる
［数７］を評価関数とする。ステップ入力に対する応答
波形例を図６に示す。

【００２９】

【数７】

【００３０】調整すべきＰＩＤパラメータは３つあるた
め、さまざまな調整法が提案されるが、一例として、比
例帯固定、積分時間０秒とし、周期変動を起こさない積
分時間を求める方法を考える。比例帯は、比例制御だけ
でタンクが空になったり、溢れない最も保守的な値を
［数８］から算出し、この値で固定値とする。ただし、
実際にＰＩＤ制御器に設定してある値が、求めた値より
も小さい場合には、制御器側の値で固定する。

【００３１】

【数８】

【００３２】微分時間も０秒と決めたため、周期変動を
起こさない積分時間を、制御シミュレーションで求めて
ゆく。積分時間の初期値として滞留時間の２倍を与え、
［数７］の評価関数を満たす積分時間を求める。プラン
トモデルと制御モデル、評価器で制御シミュレータを構
成し、入力信号として３％のステップ信号を与える。ス
テップ応答シミュレーションを実行し、評価関数の値が
０以下であれば積分時間の値を現在値の０．７５倍に、
評価関数が０よりも大きければ積分時間の値を現在値の
１．２５倍に調整する。繰り返しステップ応答シミュレ
ーションと積分時間調整を行って、評価関数値が正、か
つ、０に近い値となったとき処理を終了する。以上で、
行き過ぎなしの制御動作が速い、最適なＰＩＤパラメー
タが求まった。一連の手順を記したフローチャートを図
７に示す。

【００３３】図６の最適値の例は、積分時間の初期値を
１６５０秒とし、チューニング手段で比例帯６６％、積
分時間６５６秒を求めた、ステップ応答波形である。以
上がチューニング過程であり、図１の調整器１７、制御
シミュレータ１６に関する機能となる。

【００３４】図７では、ステップｓ０から手順を開始
し、ステップｓ１では、図３に示すように、制御量の周
期成分を抽出する。ステップｓ２では、図４に示すよう
に、周期成分から周期を算出する。ステップｓ３では、
図５に示すように、簡易積分演算を行い、滞留時間およ
び積分ゲインを求める。ステップｓ４では、積分ゲイン
に基づいてプロセスモデルを生成する。ステップｓ５で
は、ＰＩＤパラメータの初期設定を行う。

【００３５】ステップｓ６では、図６に示すようなステ
ップ入力でのシミュレーションを行う。ステップｓ７で
は、過渡応答特性で評価を行い、評価に不満であるとき
には、ステップｓ８でＰＩＤパラメータを調整し、ステ
ップｓ６に戻る。ステップｓ６からステップｓ８までの
手順は、満足すべき過渡応答が得られるまで繰返す。過
渡応答の評価は、ステップ入力に対して定型的に行うこ
とができるので、ステップｓ６からステップｓ８までの
繰返し手順は自動化することができる。

【００３６】ステップｓ７で満足すべき評価が得られれ
ば、ステップｓ９で、求めたパラメータを見て、実際の
制御器１３の制御パラメータを調整する。前述のよう
に、実際の制御パラメータは、人の要求に合わせて微調
整することができる。ステップｓ１０で手順を終了す
る。

【００３７】次に、実施者が実プラント適用前にＰＩＤ
パラメータの変更が可能な、制御シミュレータを使った
微調整機能について述べる。プロセスの要求に応じて、
チューニング手段で求めた制御動作よりもやや速くした
い場合や、鈍くしたい場合がある。しかし、一般のオー
トチューニング、またはセルフチューニングは、自動チ
ューニングを適用した後でなければ微調整することがで
きない。従って、チューニング手段で求めたＰＩＤパラ
メータは、制御面では最適なものであってもプロセスの
要求に合っていない場合や、最適にチューニングされて
いても、後に不適当な微調整がされる恐れがある。本発
明は、この点に配慮し、制御シミュレータを用いること
によりプロセスに影響を与えることなく、事前の微調整
を可能としている。実施者が変更したパラメータに基づ
き、制御シミュレーションを実行し、ディスプレイ画面
上にステップ応答波形を表示することにより、理解しや
すいものとした。実施者は、その応答波形を見て評価
し、満足な結果が得られたならば、ＰＩＤ制御器の制御
パラメータとして設定することが可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、積分プロ
セスの、制御量、操作量が周期的な変動を呈しているＰ
ＩＤ制御器の最適なチューニングが可能である。周期変
動データを用いることで、実プラントに同定用信号を与
える必要がなく、プラントが変動する恐れがない。ま
た、プロセスモデルを積分器とおくことでモデル構造が
簡単となり、積分演算を三角形の面積演算で近似するた
め、迅速にプロセスモデを生成することが可能である。

【００３９】さらに、内部にＰＩＤ制御機能を模擬した
制御モデルも設けることにより、制御シミュレータを構
成でき、理解しやすい過渡応答法によるＰＩＤチューニ
ングが可能である。応答波形はディスプレイ画面上に表
示されるため、事前に制御性能を確認することも可能で
ある。

【００４０】また、本発明は、プラント運転者しか知り
得ないような、プロセスの要求に応じた調整も考慮し、
実施者が、シミュレーション段階でＰＩＤパラメータの
微調整ができる環境を装備している。本機能により、調
整ノウハウを事前に盛り込むことができ、実プラントへ
のより安全な制御パラメータの設定が可能である。

【００４１】本発明によれば、周期的な変動を呈してい
る、液面制御、圧力制御のＰＩＤチューニングが可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態としてのＰＩＤ制御装置１
１の概略的な構成を示すブロック図である。

【図２】図１のＰＩＤ制御装置１１を用いて液面制御を
行うプラントモデルを簡略化して示した配管系統図であ
る。

【図３】図２のプラントモデルから得られる制御量およ
び操作量の時系列データのグラフである。

【図４】図３の時系列データから得られる相互相関関数
のグラフである。

【図５】図３の時系列データに基づく簡易積分演算の考
え方を示すグラフである。

【図６】図１のプラントモデル３０にステップ入力信号
を与えた、制御シミュレータの過渡応答を示すグラフ
である。

【図７】図１のＰＩＤ制御装置１１に制御パラメータを
設定する手順を示すフローチャートである。

【図８】一般的なオートチューニング機能を含むＰＩＤ
制御装置の概略的な構成を示したブロック図である。

【符号の説明】

１ＰＩＤ制御装置２制御対象３制御器４操作端５検出器６チューニング機構７調整器８同定器１１ＰＩＤ制御装置１２制御対象１３制御器１４操作端１５検出器１６シミュレータ１７調整器１８同定器２０制御モデル２１評価器３０プロセスモデル３１周期解析手段３２積分特性算出手段４０タンク４１入口４２出口４３液

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】積分プロセスを対象としたＰＩＤ制御に
用いられ、ＰＩＤパラメータが最適となるようにチュー
ニング可能なＰＩＤ制御装置であって、周期的な変動を呈している制御量、または操作量の周期
を周期解析から求め、周期と、制御量と操作量の変動幅
から簡単な代数演算を施してプロセスの積分特性を算出
する算出手段と、算出手段によって算出される積分特性に基き、モデル化
されたプロセスモデルとＰＩＤ制御機能を模擬した制御
モデルを用いてＰＩＤ制御のシミュレータを構成し、テ
スト用入力信号を与えてその応答波形が最適となるよう
に制御モデルのＰＩＤパラメータをチューニングするチ
ューニング手段と、チューニング手段によってチューニングされたＰＩＤパ
ラメータに基づいて、積分プロセスを制御する制御パラ
メータが設定可能な制御器とを含むことを特徴とするＰ
ＩＤ制御装置。
【請求項２】積分プロセスを対象としたＰＩＤ制御装
置に対し、ＰＩＤパラメータが最適となるようにチュー
ニングする方法であって、周期的な変動を呈している制御量、または操作量の周期
を周期解析から求め、周期と、制御量と操作量の変動幅
から簡単な代数演算を施してプロセスの積分特性を算出
し、算出された積分特性に基づき、モデル化されたプロセス
モデルとＰＩＤ制御機能を模擬した制御モデルを用いて
ＰＩＤ制御のシミュレータを構成し、テスト用入力信号
を与えてその応答波形が最適となるようにチューニング
し、チューニングによって得られたＰＩＤパラメータに基づ
いて、ＰＩＤ制御器の制御パラメータを調整することを
特徴とするＰＩＤ制御装置のチューニング方法。
【請求項３】前記ＰＩＤ制御のシミュレータは、求め
られた制御モデルのＰＩＤパラメータを変更することが
でき、変更したパラメータに基づくシミュレーションを実施
し、プロセスの要求に応じた微調整がシミュレーション
段階で検討できる環境を装備することを特徴とする請求
項２記載のＰＩＤ制御装置のチューニング方法。
【請求項４】前記周期解析結果に基づくプラントモデ
ルの生成で、操作量を積分演算する過程において、周期
を底辺、操作量の変動幅を高さとする三角形の面積演算
で積分演算を近似計算することを特徴とする請求項２ま
たは３記載のＰＩＤ制御装置のチューニング方法。
【請求項５】前記積分プロセスは、液面制御または圧
力制御のうちの少なくとも一方が対象であることを特徴
とする請求項２〜４のいずれかに記載のＰＩＤ制御装置
のチューニング方法。