JP2005196558A

JP2005196558A - 制御方法および制御装置

Info

Publication number: JP2005196558A
Application number: JP2004003096A
Authority: JP
Inventors: Masahito Tanaka; 雅人田中
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2004-01-08
Filing date: 2004-01-08
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】間欠計測される変量を制御対象とする制御系を実現する。
【解決手段】間欠計測される制御量ＰＶを制御量ホールド値ＰＶｈとして記憶するホールド記憶部３と、制御量ＰＶが計測されたか否かを判定する計測実行判定処理を行い、前回の制御周期の計測実行判定処理が終了した時点から現時点までに制御量ＰＶが計測されなかったと判定した場合、制御量ホールド値ＰＶｈを維持し、制御量ＰＶが計測されたと判定した場合、制御量ホールド値ＰＶｈを計測された制御量ＰＶに更新するホールド処理部４と、制御量ホールド値ＰＶｈにダンピング処理を施すダンピング処理部５と、設定値ＳＰとダンピング処理された制御量ホールド値ＰＶｆに基づき操作量ＭＶを算出するＰＩＤ制御演算部６とを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、プロセス制御技術に関するものであり、特に制御周期より長い計測間隔で計測される制御量の制御に関するものである。

制御系に限らず、間欠的にしか計測できない変量というものは、産業界にやむを得ず多く存在する。したがって、制御やモニタリングの要求においては、間欠的にしか計測できない変量を何らかの方法で連続計測の変量の如く扱えるようにしたいという要求がある。このような要求を解決するために、例えば特許文献１に開示された計測法では、間欠計測される変量と相関性の高い連続計測される変量とを計測するように構成している。そして、連続計測される変量に基づき、並行して間欠計測される変量を求め、その際に、連続計測値と間欠計測値との較正直線を、間欠計測値に基づき決定する方法を与えている。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開２００３−００００４７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された計測法では、目的とする変量を間欠計測するのと並行して、何らかの相関性のある変量を連続計測することを前提としている。すなわち、間欠計測だけで成り立つものではない。したがって、間欠計測される変量を制御対象（制御量）とする制御系を構成することはできないという問題点があった。
特に、間欠計測の計測間隔が一定でなく、かつ計測間隔が制御周期より長い場合には、間欠計測される変量を制御系に取り込むことは困難になる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、連続計測等の補助的計測値を用いることなく、間欠計測される変量を制御対象とする制御系を実現することができる制御方法および制御装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、間欠計測の計測間隔が一定でなく、かつ計測間隔が制御周期より長い場合でも、間欠計測される変量を制御対象とする制御系を実現することができる制御方法および制御装置を提供することを目的とする。

本発明の制御方法は、制御周期より長い計測間隔で間欠計測される制御量が計測されたか否かを判定する計測実行判定手順と、前回の制御周期の計測実行判定手順が終了した時点から現時点までに制御量が計測されなかったと判定した場合、以前の更新時に記憶した制御量ホールド値を維持し、制御量が計測されたと判定した場合、前記記憶した制御量ホールド値を計測された最新の制御量に更新する制御量ホールド値維持／更新手順と、前記制御量ホールド値にダンピング処理を施すダンピング処理手順と、設定値と前記ダンピング処理された制御量ホールド値との偏差に基づき操作量を算出して、この操作量を制御対象に出力する制御演算手順とを、前記制御周期毎に実行するようにしたものである。
また、本発明の制御方法の１構成例において、前記ダンピング処理手順のダンピング処理は、時間遅れ特性のフィルタ処理である。
また、本発明の制御方法の１構成例において、前記制御演算手順の操作量算出方法は、ＰＩＤ制御演算である。

また、本発明の制御装置は、制御周期より長い計測間隔で間欠計測される制御量を制御量ホールド値として記憶するホールド記憶部と、前記制御量が計測されたか否かを判定する処理を行い、前回の制御周期の判定処理が終了した時点から現時点までに制御量が計測されなかったと判定した場合、前記ホールド記憶部に記憶された制御量ホールド値を維持し、制御量が計測されたと判定した場合、前記制御量ホールド値を計測された最新の制御量に更新するホールド処理部と、前記制御量ホールド値にダンピング処理を施すダンピング処理部と、設定値と前記ダンピング処理された制御量ホールド値との偏差に基づき操作量を制御周期毎に算出して、この操作量を制御対象に出力する制御演算部とを備えるものである。

本発明によれば、制御量が計測される度にホールドして、この制御量ホールド値に対してダンピング処理を施すことにより、連続計測等の補助的計測値を用いることなく、間欠計測される変量を制御対象（制御量）とする制御系を実現することができる。本発明によれば、制御周期より長い計測間隔で制御量を間欠計測する場合でも、極めて不連続な制御動作が発生することはない。

また、ダンピング処理として時間遅れ特性のフィルタ処理を用いることにより、間欠計測の計測間隔が一定でなく、かつ計測間隔が制御周期より長い場合でも、間欠計測される変量を制御対象（制御量）とする制御系を実現することができる。

［発明の基本原理］
まず、制御周期より長い計測間隔で制御量ＰＶを間欠計測する場合の問題点を図１を用いて説明する。図１においてＳＰは設定値である。
例えば１秒の制御周期毎に制御演算を実行するコントローラに対し、２０秒の計測間隔で制御量ＰＶが間欠計測されるものとする。図１の例では、それぞれ時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４において制御量ＰＶが計測される。この場合、コントローラが取り込む制御量ＰＶの値は、２０秒間に発生する２０回の制御周期において１回だけ更新され、残りの１９回については計測した値をホールドした制御量ホールド値ＰＶｈのままとなる（図１（ａ））。

このようにしてコントローラに取り込まれる制御量ＰＶに対してコントローラが例えばＰＩＤ制御演算を行う場合、その比例動作Ｐや微分動作Ｄは、制御量ＰＶの変化に依存してコントローラ出力（操作量ＭＶ）を変化させる動作となる。したがって、図１（ｂ）に示すように、２０秒間のうち１回だけ極端に大きな操作量ＭＶの変化を発生させ、他の時間帯においては操作量ＭＶをほとんど変化させないという、極めて不連続な制御動作になる。極めて不連続な制御動作が問題になる事例としては、例えばバルブ等のように操作量ＭＶの急激で大きな変化を嫌う制御用アクチュエータに対して操作量ＭＶを出力する場合や、操作量ＭＶの急激で大きな変化により隣接する他の制御ループに悪影響が出る場合などがある。

本発明は、このように間欠計測される変量が制御の対象となる場合には、間欠計測でも十分に制御が間に合う程度の応答しか期待されていないという重要な点に着眼したものである。すなわち、コントローラの特性としては、低感度化（いわゆる緩めの調整）が行なわれるわけで、計測された変量の状態に対応して即座に制御動作が加わることは要求されない。

したがって、例えば２０回の制御周期において１回だけ発生する制御量ＰＶの大きな変化が、２０回の制御周期において少しずつ概ね均等に計測されているように変換すれば、操作量ＭＶの急激で大きな変化を抑制でき、かつ制御量ＰＶに対しても制御の目的を逸脱するようなことは発生しない。ゆえに、間欠計測される変量を十分にダンピング処理（緩衝化）することで、制御周期以下の間隔で計測される変量へと擬似的に変換し、変換した変量を制御量ＰＶとして制御系を構成すればよい。

次に、計測間隔が一定でない場合の問題点を図２を用いて説明する。例えば１秒の制御周期毎に制御演算を実行するコントローラに対し、ある計測間隔で制御量ＰＶが間欠計測されるものとする。一定の２０秒周期で制御量ＰＶが計測されるものと確定しているのであれば、１回の計測における制御量の変化量ΔＰＶを２０分割して、この２０分割した値ΔＰＶ／２０をコントローラの１制御周期毎に制御量ＰＶの変化として与えればよい。ここで、コントローラに取り込む制御量をＰＶ’とすれば、制御量ＰＶ’は図２（ａ）のようになる。

しかし、制御量ＰＶの計測間隔は、センサ側の都合により変動する場合がある。計測間隔が変動する例としては、例えば検出した変量に対してセンサ側で何らかの処理を施すために時間がかかり、かつ処理時間が変動する場合や、センサの長寿命化のために計測間隔を制御周期より長くする場合などがある。

コントローラに取り込む制御量ＰＶ’を１制御周期毎にΔＰＶ／２０だけ変化させる方法では、計測間隔が１５秒になると、制御量ＰＶ’が直前に計測された制御量ＰＶまで到達せず、制御量ＰＶ’に大きな不足が生じる。例えば、図２の例では、時刻ｔ２で制御量ＰＶを計測し、その１５秒後の時刻ｔ３で再び計測しているが、この時刻ｔ３において制御量ＰＶ’は、時刻ｔ２で計測された制御量ＰＶまで達していない。一方、時刻ｔ３とｔ４間のように計測間隔が２５秒になると、５秒間だけ制御量ＰＶ’を一定に維持しなければならないので、図２（ｂ）に示すように操作量ＭＶに不連続な動きが出る。このような制御量ＰＶ’の不足や操作量ＭＶの不連続な動きは、制御特性に大きな変化を及ぼす。

本発明は、制御系全体が特定の周波数特性を持つようにすれば、計測間隔が多少変化しても、制御系の特性は変化しないという点に着眼したものである。一般に利用される制御アルゴリズムは固有の周波数特性を持つ。例えばコントローラがＰＩＤ制御演算を行う場合、入力側の周波数特性に対して一定の応答特性（出力側の特性）を持つ。また、通常の制御対象は、１次遅れの伝達関数等で近似されることから明らかなように、特定の周波数特性に適合する挙動を示す。コントローラの入力側の周波数特性は、制御量の変化ΔＰＶと計測間隔に基づくものであるが、計測間隔が変化すると周波数特性が大きく変化するというものではない。

したがって、前述のダンピング処理に一定の周波数特性を持たせるようにすれば、制御系全体が特定の周波数特性を持つようになり、計測間隔が多少ランダムに変化しても、制御系の特性は変化しない。よって、ダンピング処理を１次遅れや２次遅れ等の時間遅れ特性のフィルタで実現すればよい。より具体的には、制御量ＰＶが計測される度にホールドして、この制御量ホールド値に対して時間遅れ特性のフィルタ処理を施せばよい。これにより、計測間隔が一定でなく、かつ計測間隔が制御周期より長い場合でも、制御特性に大きな影響を与えることなく、間欠計測される変量を制御周期以下の間隔で計測される変量へと擬似的に変換することができる。したがって、間欠計測される変量を制御対象（制御量ＰＶ）とする制御系を構成することが可能になる。図３に時間遅れ特性のフィルタ処理を施した制御量ホールド値ＰＶｆを示す。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について説明する。図４は本発明の実施の形態となる制御装置の構成を示すブロック図である。
図４の制御装置は、制御装置のオペレータによって設定された設定値ＳＰを入力する設定値ＳＰ入力部１と、図示しないセンサによって検出された制御量ＰＶを入力する制御量ＰＶ入力部２と、制御周期より長い計測間隔で間欠計測される制御量ＰＶを制御量ホールド値ＰＶｈとして記憶するホールド記憶部３と、制御量ＰＶが計測されたか否かを判定する計測実行判定処理を行い、前回の制御周期の計測実行判定処理が終了した時点から現時点までに制御量ＰＶが計測されなかったと判定した場合、ホールド記憶部３に記憶された制御量ホールド値ＰＶｈを維持し、制御量ＰＶが計測されたと判定した場合、制御量ホールド値ＰＶｈを計測された最新の制御量ＰＶに更新するホールド処理部４と、制御量ホールド値ＰＶｈにダンピング処理を施すダンピング処理部５と、設定値ＳＰとダンピング処理された制御量ホールド値ＰＶｆとの偏差に基づき操作量ＭＶを算出するＰＩＤ制御演算部６と、図示しない制御対象に対して操作量ＭＶを出力する操作量ＭＶ出力部７とを有する。

以下、本実施の形態の動作について説明する。図５は本実施の形態の制御装置の動作を示すフローチャートである。
設定値ＳＰは、制御装置のオペレータによって設定され、設定値ＳＰ入力部１を介してＰＩＤ制御演算部６に入力される（図５ステップ１０１）。制御対象の制御量ＰＶは、図示しないセンサによって検出され、制御量ＰＶ入力部２を介してホールド記憶部３およびホールド処理部４に入力される（ステップ１０２）。

ホールド処理部４は、制御量ＰＶが計測されたか否かを判定する計測実行判定処理と、この判定結果に応じて制御量ホールド値ＰＶｈを維持または更新する制御量ホールド値維持／更新処理とを行う。
まず、計測実行判定処理において、ホールド処理部４は、前回の制御周期の計測実行判定処理が終了した時点から現時点までに制御量ＰＶが計測されたか否かを判定する（ステップ１０３）。制御量ＰＶが計測されたか否かは、例えばセンサからの通知に基づいて判定することができる。

ホールド処理部４は、ステップ１０３において制御量ＰＶが計測されなかったと判定した場合、ホールド記憶部３に記憶された制御量ホールド値ＰＶｈを維持し（ステップ１０４）、制御量ＰＶが計測されたと判定した場合、ホールド記憶部３に記憶された制御量ホールド値ＰＶｈを計測された最新の制御量ＰＶに更新する（ステップ１０５）。

続いて、ダンピング処理部５は、制御量ホールド値ＰＶｈに２次遅れフィルタ処理を施した制御量ＰＶｆを出力する（ステップ１０６）。すなわち、ダンピング処理部５は、以下のような伝達関数式で表される処理を行う。
ＰＶｆ＝｛１／（１＋Ｔｆｓ）²｝ＰＶｈ・・・（１）
式（１）において、Ｔｆは予め設定されたフィルタ時定数、ｓはラプラス演算子である。なお、本実施の形態では、時間遅れ特性のダンピング処理の１例として２次遅れフィルタ処理を用いているが、これに限るものではなく、１次遅れフィルタ処理を用いてもよい。

ＰＩＤ制御演算部６は、設定値ＳＰ入力部１から入力された設定値ＳＰとダンピング処理部５から入力されたフィルタ処理された制御量ホールド値ＰＶｆに基づき、次式の伝達関数式のようなＰＩＤ制御演算を行って操作量ＭＶを算出する（ステップ１０７）。
ＭＶ＝（１００／Ｐｂ）｛１＋（１／Ｔｉｓ）＋Ｔｄｓ｝（ＳＰ−ＰＶｆ）
・・・（２）
Ｐｂ，Ｔｉ，Ｔｄは予め設定されたＰＩＤパラメータであり、Ｐｂは比例帯、Ｔｉは積分時間、Ｔｄは微分時間である。

操作量ＭＶ出力部７は、ＰＩＤ制御演算部６によって算出された操作量ＭＶを図示しない制御対象（実際にはバルブ等のアクチュエータ）に出力する（ステップ１０８）。
以上のようなステップ１０１〜１０８の処理が例えばオペレータによってＰＩＤ制御の終了が指示されるまで（ステップ１０９においてＹＥＳ）、制御周期毎に繰り返し実行される。

なお、本実施の形態で説明した制御装置は、演算装置、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。

本発明は、プロセス制御技術に適用することができる。

制御周期より長い計測間隔で制御量を間欠計測する場合の問題点を説明するための図である。計測間隔が一定でない場合の問題点を説明するための図である。本発明の制御装置により時間遅れ特性のフィルタ処理を施した制御量ホールド値を示す図である。本発明の実施の形態となる制御装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態となる制御装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１…設定値ＳＰ入力部、２…制御量ＰＶ入力部、３…ホールド記憶部、４…ホールド処理部、５…ダンピング処理部、６…ＰＩＤ制御演算部、７…操作量ＭＶ出力部。

Claims

制御周期より長い計測間隔で間欠計測される制御量が計測されたか否かを判定する計測実行判定手順と、
前回の制御周期の計測実行判定手順が終了した時点から現時点までに制御量が計測されなかったと判定した場合、以前の更新時に記憶した制御量ホールド値を維持し、制御量が計測されたと判定した場合、前記記憶した制御量ホールド値を計測された最新の制御量に更新する制御量ホールド値維持／更新手順と、
前記制御量ホールド値にダンピング処理を施すダンピング処理手順と、
設定値と前記ダンピング処理された制御量ホールド値との偏差に基づき操作量を算出して、この操作量を制御対象に出力する制御演算手順とを、前記制御周期毎に実行することを特徴とする制御方法。
請求項１記載の制御方法において、
前記ダンピング処理手順のダンピング処理は、時間遅れ特性のフィルタ処理であることを特徴とする制御方法。
請求項１記載の制御方法において、
前記制御演算手順の操作量算出方法は、ＰＩＤ制御演算であることを特徴とする制御方法。
制御周期より長い計測間隔で間欠計測される制御量を制御量ホールド値として記憶するホールド記憶部と、
前記制御量が計測されたか否かを判定する処理を行い、前回の制御周期の判定処理が終了した時点から現時点までに制御量が計測されなかったと判定した場合、前記ホールド記憶部に記憶された制御量ホールド値を維持し、制御量が計測されたと判定した場合、前記制御量ホールド値を計測された最新の制御量に更新するホールド処理部と、
前記制御量ホールド値にダンピング処理を施すダンピング処理部と、
設定値と前記ダンピング処理された制御量ホールド値との偏差に基づき操作量を制御周期毎に算出して、この操作量を制御対象に出力する制御演算部とを備えることを特徴とする制御装置。
請求項４記載の制御装置において、
前記ダンピング処理部のダンピング処理は、時間遅れ特性のフィルタ処理であることを特徴とする制御装置。
請求項４記載の制御装置において、
前記制御演算部の操作量算出方法は、ＰＩＤ制御演算であることを特徴とする制御装置。