JP2006221235A - Controller - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プロセス制御技術に関するものであり、特に少なくとも2個の制御ループを有する制御系において計測される状態量差などを制御対象とする制御装置に関するものである。 The present invention relates to a process control technique, and more particularly to a control device that controls a state quantity difference measured in a control system having at least two control loops.
図5(a)に、従来の制御装置である温度調節計の構成を示す(例えば特許文献1参照)。炉1001内には、熱処理ワーク1016が搬入され、またヒータ1011と、制御温度TC1を検出する検出手段1012と、ワーク1016の表面温度TC2を検出する検出手段1013と、ワーク1016の最深温度TC3を検出する検出手段1014とが配設されている。1002は電力調整器を示している。制御部1003は、制御温度TC1と実行プログラムパターン設定値1033とを比較する比較器1031と、比較器1031の出力により制御されるPID等の制御演算部1032と、ワーク1016の表面温度TC2と最深温度TC3との差を検出する温度差検出器1034と、予め定められた温度差を設定する温度差設定器1035と、温度差検出器1034の出力と温度差設定器1035の出力とを比較する比較器1036と、最深温度TC3の温度変化率を検出する変化率検出器1038と、変化率検出器1038の出力と予め定められた温度変化率を設定する変化率設定器1039の出力とを比較する比較器1040と、比較器1036の出力と比較器1040の出力に基づいて傾斜演算し実行プログラムパターン設定値1033を制御する傾斜演算器1037とを有している。
FIG. 5A shows the configuration of a temperature controller that is a conventional control device (see, for example, Patent Document 1). A heat treatment work 1016 is carried into the furnace 1001, and the heater 1011, detection means 1012 for detecting the
温度差設定器1035には許容可能な最大の温度差が設定され、また変化率設定器1039には許容可能な最大の温度変化率が設定される。図5(a)の構成により、熱処理ワーク1016内の温度差、温度変化率の一方もしくは両方が指定された温度許容値以内に入るように、実行プログラムパターン設定値1033中の傾斜が常時修正される。
図5(a)中の破線で囲まれている部分に着目すると、計測された複数の温度TC1,TC2,TC3に基づき温度差(TC2−TC3)および温度変化率dTC3/dtを算出する状態量変換が行なわれていることが理解できる。すなわち、図5(a)の温度調節計は、温度差(TC2−TC3)および温度変化率dTC3/dtを算出する状態量変換部1041を備えていることになる(図5(b))。
The maximum allowable temperature difference is set in the temperature difference setting
Focusing on the portion surrounded by the broken line in FIG. 5A, the state quantity for calculating the temperature difference (TC2-TC3) and the temperature change rate dTC3 / dt based on the measured temperatures TC1, TC2, TC3. You can see that the conversion is taking place. That is, the temperature controller of FIG. 5A includes the state
図6(a)に、従来の他の制御装置である温度調整装置の構成を示す(例えば特許文献2参照)。図中の2002は縦型熱処理装置2020の反応管であり、この反応管2002の内部には、ウエハボ−ト2021に搭載された半導体ウエハの近傍の温度を検出する温度センサAが設けられると共に、反応管2002の外面の温度を検出する温度センサBが設けられている。偏差回路部2031は、温度センサAの目標値から後述する補正値を引いた偏差、すなわち温度センサBの目標値を出力する。偏差回路部2032は、温度センサBの目標値から温度センサBの検出値を引いた偏差をPID調節部2004に出力する。PID調節部2004は、入力された偏差に基づいてPID演算を行い、その演算結果を電力制御部2005に出力し、電力制御部2005は、PID調節部2004の出力値に基づいて縦型熱処理装置2020の加熱源であるヒ−タ2006への電力供給量を制御する。一方、補正値出力部2007は、温度センサBの検出値が目標値に収束したとき、この収束した時点の温度センサAの検出値と温度センサBの検出値との差(A−B)を補正値とし、温度センサBの目標値を補正値分だけ修正する。図6(a)の構成により、温度センサAの検出値が目標値に収束する。
FIG. 6 (a) shows a configuration of a temperature control device which is another conventional control device (see, for example, Patent Document 2). In the figure,
図6(a)中の破線で囲まれている部分に着目すると、計測された複数の温度A,Bに基づき温度差(A−B)を算出する状態量変換が行なわれていることが理解できる。すなわち、図6(a)の温度調整装置は、温度差(A−B)を算出する状態量変換部2008を備えていることになる(図6(b))。
以上のように、実際の状態量そのものだけではなく、状態量差を制御系に取り込む努力は従来から行なわれており、特に状態量差を制御対象として制御系を構成するケースでは、制御系に前記状態量変換部が設けられる。
When attention is paid to a portion surrounded by a broken line in FIG. 6A, it is understood that state quantity conversion for calculating a temperature difference (A−B) based on a plurality of measured temperatures A and B is performed. it can. That is, the temperature adjustment device in FIG. 6A includes the state
As described above, efforts have been made in the past to incorporate not only the actual state quantity itself but also the state quantity difference into the control system. The state quantity conversion unit is provided.
ここで、通常の2個の制御ループ(コントローラ、アクチュエータ、計測手段の組合せ)において、状態量PV1,PV2そのものではなく、状態量平均値PV1’と状態量差PV2’とを制御対象とすることを考える。この場合の制御装置を図7に示す。図7の制御装置は、状態量平均値PV1’に対する設定値SP1’と状態量平均値PV1’との差を出力する減算器3001と、状態量差PV2’に対する設定値SP2’と状態量差PV2’との差を出力する減算器3002と、減算器3001,3002の出力に基づいてそれぞれ操作量MV1’,MV2’を算出するコントローラC1,C2と、制御対象プロセスP1,P2に対してそれぞれ操作量MV1’,MV2’に応じた操作を行うアクチュエータA1,A2と、状態量変換部3003とを有する。
Here, in the normal two control loops (a combination of the controller, the actuator, and the measuring means), the state quantity average value PV1 ′ and the state quantity difference PV2 ′ are controlled, not the state quantities PV1 and PV2 themselves. think of. The control device in this case is shown in FIG. 7 includes a
状態量変換部3003は、制御対象プロセスP1,P2の状態量PV1,PV2に対してそれぞれ0.5を乗算する乗算器3004,3005と、状態量PV1,PV2に対してそれぞれ−1,1を乗算する乗算器3006,3007と、乗算器3004と3005の出力を加算する加算器3008と、乗算器3006と3007の出力を加算する加算器3009とから構成される。このような状態量変換部3003により、状態量平均値PV1’と状態量差PV2’とは次式のようになる。
PV1’=0.5PV1+0.5PV2 ・・・(1)
PV2’=PV2−PV1 ・・・(2)
また、状態量変換部3003の入出力の関係をマトリックスで表現すると、以下のようになる。
The state quantity conversion unit 3003 multiplies
PV1 ′ = 0.5PV1 + 0.5PV2 (1)
PV2 ′ = PV2-PV1 (2)
Further, the input / output relationship of the state quantity conversion unit 3003 is expressed as a matrix as follows.
コントローラC1は状態量平均値PV1’を対象とし、コントローラC2は状態量差PV2’を対象とする。コントローラC1は、設定値SP1’と状態量平均値PV1’との偏差に基づき操作量MV1’を算出し、コントローラC2は、設定値SP2’と状態量差PV2’との偏差に基づき操作量MV2’を算出する。このとき、状態量平均値PV1’と状態量差PV2’とがそれぞれ制御可能な状態になるために、コントローラC1で算出される操作量MV1’はアクチュエータA1に送られ、コントローラC2で算出される操作量MV2’はアクチュエータA2に送られるように構成される。これにより、アクチュエータA1は状態量平均値PV1’を制御するために動作し、アクチュエータA2は状態量差PV2’を制御するために動作することになる。このように、図5(b)や図6(b)に示したものと同様の状態量変換部3003を適用するだけで、状態量平均値PV1’を直接制御するコントローラC1と状態量差PV2’を直接制御するコントローラC2とを含むマルチループの制御系を構成でき、状態量平均値PV1’と状態量差PV2’とを所望の値に制御することができる。 The controller C1 targets the state quantity average value PV1 ', and the controller C2 targets the state quantity difference PV2'. The controller C1 calculates the operation amount MV1 ′ based on the deviation between the set value SP1 ′ and the state quantity average value PV1 ′, and the controller C2 calculates the operation quantity MV2 based on the deviation between the set value SP2 ′ and the state quantity difference PV2 ′. 'Is calculated. At this time, since the state quantity average value PV1 ′ and the state quantity difference PV2 ′ are in a controllable state, the operation amount MV1 ′ calculated by the controller C1 is sent to the actuator A1 and calculated by the controller C2. The operation amount MV2 ′ is configured to be sent to the actuator A2. As a result, the actuator A1 operates to control the state quantity average value PV1 ', and the actuator A2 operates to control the state quantity difference PV2'. In this way, the controller C1 that directly controls the state quantity average value PV1 ′ and the state quantity difference PV2 are simply applied by applying a state quantity conversion unit 3003 similar to that shown in FIGS. 5B and 6B. A multi-loop control system including a controller C2 that directly controls' can be configured, and the state quantity average value PV1 'and the state quantity difference PV2' can be controlled to desired values.
しかし、アクチュエータA1の動作により状態量PV1に変化が与えられると、この変化は状態量変換部3003の作用により状態量差PV2’にも影響を与える。同様に、アクチュエータA2の動作により状態量PV2に変化が与えられると、この変化は状態量変換部3003の作用により状態量平均値PV1’にも影響を与える。すなわち、図7に示した制御装置では、状態量変換部3003により人工的にループ間干渉が発生する構成となってしまう。また、上記2個の制御ループにもともとループ間の干渉がある場合は、さらに複雑なループ間干渉が発生するようになり、結果的に制御性が劣化しやすくなるという問題が発生する。 However, when the state quantity PV1 is changed by the operation of the actuator A1, this change also affects the state quantity difference PV2 'by the action of the state quantity conversion unit 3003. Similarly, when the state quantity PV2 is changed by the operation of the actuator A2, this change also affects the state quantity average value PV1 'by the action of the state quantity conversion unit 3003. That is, in the control device shown in FIG. 7, the state quantity conversion unit 3003 artificially generates inter-loop interference. In addition, when there is interference between the loops in the two control loops, more complicated inter-loop interference occurs, resulting in a problem that controllability is likely to deteriorate.
そこで、ループ間の非干渉化を実現するために、非特許文献1に開示されたクロスコントローラを適用することが容易に想到できる。非特許文献1に開示された制御装置の構成を図8に示す。図8の制御装置は、設定値SP1と状態量PV1との差を出力する減算器4001と、設定値SP2と状態量PV2との差を出力する減算器4002と、減算器4001,4002の出力に基づいてそれぞれ操作量MV1’,MV2’を算出するコントローラ4003,4004と、操作量MV1’,MV2’をそれぞれ変換した操作量MV1,MV2を出力するクロスコントローラ4005とを有する。
Therefore, in order to realize non-interference between loops, it is easily conceivable to apply the cross controller disclosed in
クロスコントローラ4005は、ループ間干渉による影響分を予め打ち消す処理を操作量MV1’,MV2’に対して行うものであり、操作量MV1’に係数M12を乗算する乗算器4007と、操作量MV2’に係数M21を乗算する乗算器4008と、操作量MV1’と乗算器4008の出力との差を操作量MV1として出力する減算器4009と、操作量MV2’と乗算器4007の出力との差を操作量MV2として出力する減算器4010とから構成される。ここでは説明を簡単にするため、プロセス時定数やプロセスむだ時間などの動的特性は無視することにする。そしてまず、上記2個の制御ループにもともと発生しているループ間干渉を以下のように仮定する。
The cross controller 4005 performs processing for previously canceling the influence due to the interference between the loops on the manipulated variables MV1 ′ and MV2 ′, a
操作量MV1,MV2と状態量平均値PV1’,状態量差PV2’との関係は以下のようになる。 The relationship between the manipulated variables MV1 and MV2, the state quantity average value PV1 ', and the state quantity difference PV2' is as follows.
非特許文献1によれば、非干渉化のためのクロスコントローラ4005は以下のように設計できる。
According to
式(6)より、前述の係数M12は−1.0、係数M21は1.0となる。コントローラ4003により算出された操作量MV1’は、クロスコントローラ4005により操作量MV1に変換された後に図示しないアクチュエータを介して制御対象プロセス4006に送られ、コントローラ4004により算出された操作量MV2’は、クロスコントローラ4005により操作量MV2に変換された後にアクチュエータを介して制御対象プロセス4006に送られる。
From the equation (6), the coefficient M12 is −1.0 and the coefficient M21 is 1.0. The operation amount MV1 ′ calculated by the
図8に示したクロスコントローラ4005を図7の制御装置に適用した構成を図9に示す。式(5)と式(6)より、コントローラC1,C2からの操作量MV1’,MV2’と状態量平均値PV1’,状態量差PV2’との関係は以下のようになる。 FIG. 9 shows a configuration in which the cross controller 4005 shown in FIG. 8 is applied to the control device of FIG. From equations (5) and (6), the relationship between the manipulated variables MV1 'and MV2' from the controllers C1 and C2, the state quantity average value PV1 ', and the state quantity difference PV2' is as follows.
式(7)では、行列部分が対角行列になっており、MV1’,MV2’とPV1’,PV2’との間には相互干渉が発生しないことになる。この非干渉化は、クロスコントローラの本質的な効果である。したがって、操作量MV1’を算出するコントローラC1を、状態量平均値PV1’を制御する専用コントローラとして独立に動作させ、操作量MV2’を算出するコントローラC2を、状態量差PV2’を制御する専用コントローラとして独立に動作させることが可能になる。 In Equation (7), the matrix portion is a diagonal matrix, and no mutual interference occurs between MV1 'and MV2' and PV1 'and PV2'. This decoupling is an essential effect of the cross controller. Therefore, the controller C1 for calculating the operation amount MV1 ′ is independently operated as a dedicated controller for controlling the state amount average value PV1 ′, and the controller C2 for calculating the operation amount MV2 ′ is exclusively used for controlling the state amount difference PV2 ′. It becomes possible to operate independently as a controller.
図8に示した制御装置と実質的に同じ手法を用いたものとして、傾斜温度制御の手法を用いた制御装置がある(例えば特許文献3参照)。特許文献3に開示された制御装置の構成を図10に示す。図10の制御装置は、制御対象プロセス5002の温度を制御する温度調節器5001を有し、温度調節器5001は、図示しない複数の温度センサによって計測された制御対象プロセス5002の温度(状態量)PV1,PV2から平均温度(状態量平均値)PV1’と傾斜温度(状態量差)PV2’とを算出する平均温度・傾斜温度算出手段5003と、状態量平均値PV1’,状態量差PV2’に基づいてそれぞれ操作量MV1’,MV2’を算出するコントローラ5004,5005と、操作量MV1’,MV2’を図示しないアクチュエータに所定の配分比で配分する配分手段5006とを有する。
As a device that uses substantially the same method as the control device shown in FIG. 8, there is a control device that uses a gradient temperature control method (see, for example, Patent Document 3). The configuration of the control device disclosed in Patent Document 3 is shown in FIG. The control apparatus in FIG. 10 includes a temperature regulator 5001 that controls the temperature of the process to be controlled 5002. The temperature regulator 5001 is the temperature (state quantity) of the process to be controlled 5002 measured by a plurality of temperature sensors (not shown). Mean temperature / gradient temperature calculation means 5003 for calculating an average temperature (state quantity average value) PV1 ′ and a gradient temperature (state quantity difference) PV2 ′ from PV1 and PV2, a state quantity average value PV1 ′, and a state quantity difference PV2 ′.
ここで、2個の制御ループにもともと発生しているループ間干渉については式(4)と同じとし、操作量MV1,MV2と状態量平均値PV1’,状態量差PV2’との関係については式(5)と同じとする。特許文献3によれば、式(5)の行列部分の逆行列により、配分手段5006は以下のように設計できる。
Here, the inter-loop interference originally occurring in the two control loops is assumed to be the same as in the equation (4), and the relationship between the manipulated variables MV1 and MV2 and the state quantity average value PV1 ′ and the state quantity difference PV2 ′ is as follows. It is the same as equation (5). According to Patent Document 3, the
コントローラ5004により算出された操作量MV1’は、配分手段5006により操作量MV1に変換された後に図示しないアクチュエータを介して制御対象プロセス5002に送られ、コントローラ5005により算出された操作量MV2’は、配分手段5006により操作量MV2に変換された後にアクチュエータを介して制御対象プロセス5002に送られる。式(5)と式(8)より、コントローラ5004,5005からの操作量MV1’,MV2’と状態量平均値PV1’,状態量差PV2’との関係は以下のようになる。
The operation amount MV1 ′ calculated by the
式(9)においても、行列部分が対角行列になっており、MV1’,MV2’とPV1’,PV2’との間には相互干渉が発生しないことになる。この非干渉化は、傾斜温度制御の本質的な効果である。したがって、操作量MV1’を算出するコントローラ5004を、状態量平均値PV1’を制御する専用コントローラとして独立に動作させ、操作量MV2’を算出するコントローラ5005を、状態量差PV2’を制御する専用コントローラとして独立に動作させることが可能になる。
Also in Equation (9), the matrix portion is a diagonal matrix, and no mutual interference occurs between MV1 'and MV2' and PV1 'and PV2'. This decoupling is an essential effect of gradient temperature control. Therefore, the
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。
図9、図10に示した制御装置では、状態量変換部3003又は平均温度・傾斜温度算出手段5003において状態量平均値PV1’と状態量差PV2’を算出しているが、状態量平均値PV1’は「基準となる絶対的な状態量」に相当する基準状態量であり、状態量差PV2’は「状態量差などの相対的な状態量」に相当する相対状態量である。そして、操作量に制約がない範囲で上下動させることができれば、相対状態量(状態量差)を要求通りに制御することが可能である。 In the control device shown in FIGS. 9 and 10, the state quantity conversion unit 3003 or the average temperature / gradient temperature calculation means 5003 calculates the state quantity average value PV1 ′ and the state quantity difference PV2 ′. PV1 ′ is a reference state quantity corresponding to “reference absolute state quantity”, and state quantity difference PV2 ′ is a relative state quantity corresponding to “relative state quantity such as state quantity difference”. And if it can be moved up and down in the range which does not restrict | limit the operation amount, it is possible to control a relative state quantity (state quantity difference) as requested.
しかし、操作量飽和が発生する場合、要求通りに制御できない状況も発生する。以下、図9、図10に示した従来の制御装置の問題点を図11(a)、図11(b)を用いて説明する。ここでは、制御ループがI,II,IIIの3つあり、制御ループ間の状態量差を小さくすることを制御の目的とする。また、このときの各制御ループのコントローラの制御アルゴリズムはPIDであるとする。図11(a)は、各制御ループI,II,IIIのコントローラに設定値SP=30%のステップ入力が加わったときの制御応答を示し、図11(b)は、このステップ入力時に各制御ループI,II,IIIのコントローラから出力される操作量MVを示している。 However, when the operation amount saturation occurs, a situation in which the control cannot be performed as requested may occur. Hereinafter, problems of the conventional control device shown in FIGS. 9 and 10 will be described with reference to FIGS. 11 (a) and 11 (b). Here, there are three control loops I, II, and III, and the object of the control is to reduce the state quantity difference between the control loops. Further, the control algorithm of the controller of each control loop at this time is assumed to be PID. FIG. 11A shows a control response when a step input of the set value SP = 30% is added to the controllers of the control loops I, II, and III, and FIG. 11B shows each control at the time of this step input. The manipulated variable MV output from the controllers of the loops I, II, and III is shown.
設定値SPのステップ入力が加わると、通常のPIDの演算では操作量出力MVが大きく変化し、状態量PVが設定値SPに追従する方向に変化する。このときの過渡状態において、状態量差を要求通りに制御するためには、操作量MVが0〜100%の範囲にあって、かつ自在に増減できることが必要である。しかし、図9、図10に示した従来の制御装置では、状態量平均値(すなわち基準状態量)に対する設定値SP’にステップ入力が加わることにより、状態量平均値を制御するための操作量MV’が100%を大きく超える範囲でPID演算されている場合、非干渉化の処理によって最終的に制御対象に出力される操作量MVも、物理的には上限値100%で飽和したまま変化しないという状況になってしまう。したがって、状態量差を小さくするという効果が得られなくなる。以上のように、従来の制御装置では、操作量飽和の発生により、本来の効果が損なわれるという問題点がある。 When step input of the set value SP is applied, the manipulated variable output MV changes greatly in normal PID calculation, and the state quantity PV changes in a direction to follow the set value SP. In order to control the state quantity difference as required in the transient state at this time, it is necessary that the manipulated variable MV is in the range of 0 to 100% and can be freely increased or decreased. However, in the conventional control device shown in FIGS. 9 and 10, an operation amount for controlling the state quantity average value is obtained by adding a step input to the set value SP ′ with respect to the state quantity average value (that is, the reference state quantity). When PID calculation is performed in a range where MV ′ greatly exceeds 100%, the manipulated variable MV that is finally output to the controlled object by the non-interacting process also physically remains saturated at the upper limit value of 100%. It becomes the situation of not doing. Therefore, the effect of reducing the state quantity difference cannot be obtained. As described above, the conventional control device has a problem that the original effect is impaired by the occurrence of the operation amount saturation.
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、少なくとも2個の制御ループを有する制御系において状態量差が小さくなるように制御する際に、状態量設定値(特に基準状態量設定値)のステップ入力時に発生する操作量の飽和を緩和することができ、本来の目的である状態量差を小さくするという効果が損なわれることを回避できる制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problem, and in the control system having at least two control loops, when controlling the state quantity difference to be small, the state quantity set value (especially the reference state quantity setting) is set. It is an object of the present invention to provide a control device that can alleviate the saturation of the manipulated variable that occurs at the time of step input of (value), and that can avoid losing the effect of reducing the state quantity difference that is the original purpose.
本発明は、n(nは2以上の自然数)個の制御ループを有する制御系の制御装置において、前記n個の制御ループの各状態量計測値をn×nの状態量変換行列により各状態量計測値を線形結合した値に変換する状態量変換部と、前記変換された各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差に基づき各制御ループの操作量を算出する制御演算部と、前記算出されたn個の操作量をn×nの操作量変換行列により各制御ループの操作量に配分されるように変換し、変換したn個の操作量をそれぞれ対応する制御ループの制御対象に出力する操作量変換部と、前記制御演算部に入力される状態量設定値に対して急変動を抑制するフィルタリング処理を施す状態量フィルタリング設定値算出部とを備えるものである。 According to the present invention, in a control system control device having n (n is a natural number of 2 or more) control loops, each state quantity measurement value of the n control loops is represented by each state by an n × n state quantity conversion matrix. A state quantity conversion unit that converts a quantity measurement value into a linearly combined value, and calculates an operation amount of each control loop based on a control deviation between each converted state quantity measurement value and each corresponding state quantity set value And the calculated n operation amounts are converted to be distributed to the operation amounts of each control loop by an n × n operation amount conversion matrix, and the converted n operation amounts correspond respectively. An operation amount conversion unit that outputs to a control target of a control loop that performs, and a state amount filtering set value calculation unit that performs filtering processing that suppresses sudden fluctuations on the state amount set value input to the control calculation unit It is.
また、本発明の制御装置の1構成例において、前記状態量変換行列は、前記変換された状態量計測値に、前記n個の制御ループの各状態量計測値の平均である基準状態量計測値と、異なる制御ループの状態量計測値間の相対的な関係を与える相対状態量計測値とが含まれるように予め設定され、前記操作量変換行列は、各制御演算部による制御が、他の制御演算部による制御に与える影響をなくす又は小さくするように予め設定されるものである。
また、本発明の制御装置の1構成例において、前記状態量フィルタリング設定値算出部は、時間遅れ演算により前記フィルタリング処理を行うものである。
また、本発明の制御装置の1構成例は、さらに、前記フィルタリング処理の時定数を、前記制御演算部から出力される操作量の飽和が緩和されるように前記状態量設定値の変更量に応じて修正する修正手段を備えるものである。
また、本発明の制御装置の1構成例において、前記操作量変換行列は、傾斜温度制御手法により設計されるものである。
また、本発明の制御装置の1構成例において、前記操作量変換行列は、クロスコントローラ設計手法により設計されるものである。
Moreover, in one configuration example of the control device of the present invention, the state quantity conversion matrix includes a reference state quantity measurement that is an average of the state quantity measurement values of the n control loops in the converted state quantity measurement values. Value and a relative state quantity measurement value that gives a relative relationship between the state quantity measurement values of different control loops are included in advance, and the manipulated variable conversion matrix is controlled by each control calculation unit. This is set in advance so as to eliminate or reduce the influence on the control by the control calculation unit.
Moreover, in one structural example of the control apparatus of the present invention, the state quantity filtering set value calculation unit performs the filtering process by time delay calculation.
Further, in one configuration example of the control device of the present invention, the time constant of the filtering process is further changed to the change amount of the state amount set value so that the saturation of the operation amount output from the control arithmetic unit is alleviated. It is provided with the correction means which corrects according to it.
In one configuration example of the control device of the present invention, the manipulated variable conversion matrix is designed by a gradient temperature control method.
Further, in one configuration example of the control device of the present invention, the manipulated variable conversion matrix is designed by a cross controller design method.
本発明によれば、n個の制御ループの各状態量計測値をn×nの状態量変換行列により各状態量計測値を線形結合した値に変換する状態量変換部と、変換された各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差に基づき各制御ループの操作量を算出する制御演算部と、算出されたn個の操作量をn×nの操作量変換行列により各制御ループの操作量に配分されるように変換し、変換したn個の操作量をそれぞれ対応する制御ループの制御対象に出力する操作量変換部とを設けることにより、複数の状態量間の状態量差などの相対状態量を所望の値に維持しつつ、基準状態量を所望の値に変更する制御を実現することができる。さらに、本発明では、状態量設定値に対して急変動を抑制するフィルタリング処理を施すことにより、状態量差などの相対量が小さくなるように制御する際に、操作量の飽和を緩和することができ、本来の目的である、状態量差を小さくするという効果が損なわれることを回避できる。 According to the present invention, each state quantity measurement value of the n control loops is converted into a value obtained by linearly combining each state quantity measurement value by an n × n state quantity conversion matrix, and each converted quantity A control operation unit that calculates an operation amount of each control loop based on a control deviation between the state amount measurement value and each state amount setting value corresponding thereto, and n × n operation amount conversion of the calculated n operation amounts. A plurality of state quantities are provided by providing an operation amount conversion unit that converts the n operation amounts converted into a control amount of each control loop according to a matrix and outputs the converted n operation amounts to the control target of the corresponding control loop. It is possible to realize control for changing the reference state quantity to a desired value while maintaining a relative state quantity such as a state quantity difference between them at a desired value. Furthermore, in the present invention, by performing a filtering process that suppresses sudden fluctuations on the state quantity set value, the saturation of the operation quantity is alleviated when controlling the relative quantity such as the state quantity difference to be small. It is possible to avoid losing the effect of reducing the state quantity difference, which is the original purpose.
[発明の原理]
以下、本発明では、例えば状態量平均値のような基準となる絶対的な状態量を基準状態量、例えば状態量差のような相対的な状態量を相対状態量と称する。また、基準状態量に対する設定値を基準状態量設定値、基準状態量の計測値を基準状態量計測値、相対状態量に対する設定値を相対状態量設定値、相対状態量の計測値を相対状態量計測値と称する。状態量としては、例えば温度、圧力、流量などがある。
[Principle of the Invention]
Hereinafter, in the present invention, an absolute state quantity serving as a reference, for example, a state quantity average value, is referred to as a reference state quantity, for example, a relative state quantity, such as a state quantity difference, is referred to as a relative state quantity. Also, the setting value for the reference state quantity is the reference state quantity setting value, the reference state quantity measurement value is the reference state quantity measurement value, the relative state quantity setting value is the relative state quantity setting value, and the relative state quantity measurement value is the relative state This is called a quantity measurement value. Examples of the state quantity include temperature, pressure, and flow rate.
本発明では、図11(a)、図11(b)を用いて説明した従来の制御装置の問題点の発生要因が設定値SPのステップ入力時に起こるPID制御演算特有の微分キックであることに着眼する。例えば、PIDの微分動作に対して設定値SPの急変が作用すると、設定値SPの急変に追従する方向に操作量MVも急変し、操作量飽和が発生する。操作量MVが飽和した状態になると、PID制御演算による操作量MVの算出は、例えば操作量上限値の100%を超えた値を上下させるような状況になる。この場合、従来の制御装置による状態量差を小さくするための操作量MVの上下動は、操作量飽和により実質的に取り除かれ、状態量差を小さくするという効果が得られなくなる。 In the present invention, the cause of the problem of the conventional control device described with reference to FIGS. 11A and 11B is the differential kick unique to the PID control calculation that occurs when the set value SP is stepped. Pay attention. For example, when a sudden change in the set value SP acts on the differential operation of the PID, the manipulated variable MV also suddenly changes in a direction to follow the sudden change in the set value SP, and the manipulated variable saturation occurs. When the operation amount MV is saturated, the calculation of the operation amount MV by the PID control calculation is a situation where, for example, a value exceeding 100% of the operation amount upper limit value is increased or decreased. In this case, the vertical movement of the operation amount MV for reducing the state amount difference by the conventional control device is substantially removed by the operation amount saturation, and the effect of reducing the state amount difference cannot be obtained.
従来の制御装置の問題点を解決するには、前述の問題点の発生要因に基づき、操作量上下限値を外れない範囲(すなわち0〜100%)に操作量MVをできる限り維持できるようにすればよい。特に、微分キックが緩和されることが重要であり、設定値SPの急変がPID制御演算に作用しないか、あるいは十分に緩和されればよい。そこで、本発明では、設定値SPの変化にダンピングの効果を与えるフィルタを適用する。このフィルタとしては、構造が簡単な1次遅れ、2次遅れなどの時間遅れフィルタが適当である。 In order to solve the problems of the conventional control device, the operation amount MV can be maintained as much as possible within a range that does not deviate from the upper and lower limit values of the operation amount (that is, 0 to 100%). do it. In particular, it is important that the differential kick is relaxed, and it is only necessary that the sudden change of the set value SP does not affect the PID control calculation or is sufficiently relaxed. Therefore, in the present invention, a filter that applies a damping effect to the change in the set value SP is applied. As this filter, a time delay filter having a simple structure such as a first-order delay and a second-order delay is suitable.
フィルタの設定方法としては、予め操作量飽和の発生の程度を調べておいて、例えば1次遅れフィルタの時定数を適当に設定する方法がある。ただし、この方法は、予め見通せるパターンでしか制御動作が発生しない場合にのみ適用可能である。より好ましくは、操作量飽和の発生に応じて1次遅れフィルタの時定数を自動修正できるようにするべきである。操作量飽和の発生原因が設定値SPの急変であるならば、設定値SPの変更幅に連動して1次遅れフィルタの時定数を自動修正すればよく、設定値SPの変更幅が大きいときは時定数を大きくするような要領になる。また、より詳細には、設定値SPの変更前の操作量MV値や、設定されているPIDパラメータなども参照して時定数を自動修正するべきである。 As a filter setting method, there is a method in which the degree of occurrence of the manipulated variable saturation is examined in advance and, for example, the time constant of the first-order delay filter is appropriately set. However, this method is applicable only when the control operation occurs only in a pattern that can be seen in advance. More preferably, it should be possible to automatically correct the time constant of the first-order lag filter in response to the occurrence of operation amount saturation. If the cause of the manipulated variable saturation is a sudden change in the set value SP, the time constant of the first-order lag filter may be automatically corrected in conjunction with the change range of the set value SP, and the change range of the set value SP is large. Is a way to increase the time constant. More specifically, the time constant should be automatically corrected with reference to the manipulated variable MV value before changing the set value SP, the set PID parameter, and the like.
[実施の形態]
図1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。本実施の形態は、制御ループが3個で、基準状態量として3個の制御ループの状態量平均値を採用し、相対状態量として3個の制御ループの各状態量の差を採用する場合の例であるが、2個以上の制御ループであれば同様の原理で、同様の制御系を構成できる。
[Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a control apparatus according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, there are three control loops, the average value of the three control loops is used as the reference state quantity, and the difference between the three control loops is used as the relative state quantity. However, if two or more control loops are used, a similar control system can be configured based on the same principle.
図1の制御装置は、第1の状態量に関する第1の計測系の構成として、状態量設定値SP1入力部1−1と、状態量計測値PV1入力部2−1と、状態量フィルタリング設定値SP1”算出部3−1とを備え、第2の状態量に関する第2の計測系の構成として、状態量設定値SP2入力部1−2と、状態量計測値PV2入力部2−2と、状態量フィルタリング設定値SP2”算出部3−2とを備え、第3の状態量に関する第3の計測系の構成として、状態量設定値SP3入力部1−3と、状態量計測値PV3入力部2−3と、状態量フィルタリング設定値SP3”算出部3−3とを備える。 The control device in FIG. 1 includes a state quantity set value SP1 input unit 1-1, a state quantity measurement value PV1 input unit 2-1, and a state quantity filtering setting as the configuration of the first measurement system related to the first state quantity. A value SP1 ″ calculation unit 3-1, and a second measurement system configuration relating to the second state quantity includes a state quantity set value SP2 input unit 1-2, a state quantity measurement value PV2 input unit 2-2, And a state quantity filtering set value SP2 "calculating unit 3-2. As a configuration of a third measurement system relating to the third state quantity, a state quantity set value SP3 input unit 1-3 and a state quantity measured value PV3 input are provided. Unit 2-3 and state quantity filtering setting value SP3 ″ calculating unit 3-3.
また、図1の制御装置は、状態量変換に関する構成として、状態量変換行列Tにより状態量フィルタリング設定値の変換を実行する状態量設定値変換部4と、状態量変換行列Tにより状態量計測値の変換を実行する状態量計測値変換部5とを備える。
Further, the control device of FIG. 1 has a configuration relating to state quantity conversion, a state quantity set value conversion unit 4 that performs conversion of state quantity filtering set values using the state quantity conversion matrix T, and state quantity measurement using the state quantity conversion matrix T. And a state quantity measurement
また、図1の制御装置は、制御に関する構成として、基準状態量設定値SP1’と計測値PV1’に基づき操作量MV1’を算出するPID制御演算部(PIDコントローラ)6−1と、相対状態量設定値SP2’と計測値PV2’に基づき操作量MV2’を算出するPID制御演算部6−2と、相対状態量設定値SP3’と計測値PV3’に基づき操作量MV3’を算出するPID制御演算部6−3と、操作量変換行列Uにより操作量の変換を実行する操作量変換部7と、操作量MV1出力部8−1と、操作量MV2出力部8−2と、操作量MV3出力部8−3とを備える。 In addition, the control device of FIG. 1 includes a PID control calculation unit (PID controller) 6-1 that calculates an operation amount MV1 ′ based on a reference state amount set value SP1 ′ and a measured value PV1 ′ as a configuration related to control, and a relative state. A PID control calculation unit 6-2 that calculates the operation amount MV2 ′ based on the amount setting value SP2 ′ and the measurement value PV2 ′, and a PID that calculates the operation amount MV3 ′ based on the relative state amount setting value SP3 ′ and the measurement value PV3 ′. A control calculation unit 6-3, an operation amount conversion unit 7 that performs operation amount conversion by the operation amount conversion matrix U, an operation amount MV1 output unit 8-1, an operation amount MV2 output unit 8-2, and an operation amount And an MV3 output unit 8-3.
さらに、図1の制御装置は、フィルタ時定数適応修正に関する構成として、状態量設定値SP1,SP2,SP3のうち少なくとも1つが変更された場合に、この設定値変更による基準状態量設定値SP1’の変更量ΔSP1’を算出する設定値変更量算出部9と、基準状態量設定値SP1’の変更量ΔSP1’と予め設定された比率αに基づいてフィルタリング時定数Tfを算出し、このフィルタリング時定数Tfを状態量フィルタリング設定値SP1”算出部3−1と状態量フィルタリング設定値SP2”算出部3−2と状態量フィルタリング設定値SP3”算出部3−3とに設定するフィルタリング時定数決定部10とを備える。設定値変更量算出部9とフィルタリング時定数決定部10とは、フィルタリング時定数Tfを修正する修正手段を構成している。
Further, the control device of FIG. 1 has a configuration related to the filter time constant adaptive correction, and when at least one of the state quantity set values SP1, SP2 and SP3 is changed, the reference state quantity set value SP1 ′ by this set value change is used. A set value change amount calculation unit 9 for calculating the change amount ΔSP1 ′ of the reference value, a change amount ΔSP1 ′ of the reference state amount set value SP1 ′ and a preset ratio α to calculate a filtering time constant Tf. A filtering time constant determination unit that sets the constant Tf in the state quantity filtering setting value SP1 "calculation unit 3-1, the state quantity filtering setting value SP2" calculation unit 3-2 and the state quantity filtering setting value SP3 "calculation unit 3-3. The set value change amount calculation unit 9 and the filtering time
図2は本実施の形態における制御系のブロック線図である。A1は第1の状態量を制御するアクチュエータ、A2は第2の状態量を制御するアクチュエータ、A3は第3の状態量を制御するアクチュエータ、P1は第1の状態量に係る制御対象プロセス、P2は第2の状態量に係る制御対象プロセス、P3は第3の状態量に係る制御対象プロセス、Gp1はアクチュエータA1とプロセスP1とを含むブロックの伝達関数、Gp2はアクチュエータA2とプロセスP2とを含むブロックの伝達関数、Gp3はアクチュエータA3とプロセスP3とを含むブロックの伝達関数である。 FIG. 2 is a block diagram of the control system in the present embodiment. A1 is an actuator that controls the first state quantity, A2 is an actuator that controls the second state quantity, A3 is an actuator that controls the third state quantity, P1 is a process to be controlled related to the first state quantity, P2 Is a control target process related to the second state quantity, P3 is a control target process related to the third state quantity, Gp1 is a transfer function of a block including the actuator A1 and the process P1, and Gp2 includes the actuator A2 and the process P2. A transfer function Gp3 of the block is a transfer function of the block including the actuator A3 and the process P3.
状態量設定値SP1入力部1−1と、状態量計測値PV1入力部2−1と、状態量フィルタリング設定値SP1”算出部3−1と、状態量設定値変換部4と、状態量計測値変換部5と、PID制御演算部6−1,6−2,6−3と、操作量変換部7と、操作量MV1出力部8−1と、アクチュエータA1と、プロセスP1とは、第1の制御系(第1の制御ループ)を構成している。状態量設定値SP2入力部1−2と、状態量計測値PV2入力部2−2と、状態量フィルタリング設定値SP2”算出部3−2と、状態量設定値変換部4と、状態量計測値変換部5と、PID制御演算部6−1,6−2,6−3と、操作量変換部7と、操作量MV2出力部8−2と、アクチュエータA2と、プロセスP2とは、第2の制御系(第2の制御ループ)を構成している。そして、状態量設定値SP3入力部1−3と、状態量計測値PV3入力部2−3と、状態量フィルタリング設定値SP3”算出部3−3と、状態量設定値変換部4と、状態量計測値変換部5と、PID制御演算部6−1,6−2,6−3と、操作量変換部7と、操作量MV3出力部8−3と、アクチュエータA3と、プロセスP3とは、第3の制御系(第3の制御ループ)を構成している。
State quantity set value SP1 input section 1-1, state quantity measurement value PV1 input section 2-1, state quantity filtering set value SP1 "calculation section 3-1, state quantity set value conversion section 4, and state quantity measurement The
次に、本実施の形態の制御装置の動作を図3を用いて説明する。まず、状態量計測値PV1は、図示しない第1の検出手段によって検出され、状態量計測値PV1入力部2−1を介して状態量計測値変換部5に入力される(図3ステップS101)。状態量計測値PV2は、図示しない第2の検出手段によって検出され、状態量計測値PV2入力部2−2を介して状態量計測値変換部5に入力される(ステップS102)。状態量計測値PV3は、図示しない第3の検出手段によって検出され、状態量計測値PV3入力部2−3を介して状態量計測値変換部5に入力される(ステップS103)。
Next, the operation of the control device of the present embodiment will be described with reference to FIG. First, the state quantity measurement value PV1 is detected by a first detection unit (not shown) and input to the state quantity measurement
状態量設定値SP1は、制御装置のオペレータによって設定され、状態量設定値SP1入力部1−1を介して状態量フィルタリング設定値SP1”算出部3−1と設定値変更量算出部9とに入力される(ステップS104)。状態量設定値SP2は、オペレータによって設定され、状態量設定値SP2入力部1−2を介して状態量フィルタリング設定値SP2”算出部3−2と設定値変更量算出部9とに入力される(ステップS105)。状態量設定値SP3は、オペレータによって設定され、状態量設定値SP3入力部1−3を介して状態量フィルタリング設定値SP3”算出部3−3と設定値変更量算出部9とに入力される(ステップS106)。 The state quantity set value SP1 is set by the operator of the control device, and is input to the state quantity filtering set value SP1 "calculating unit 3-1 and the set value change amount calculating unit 9 via the state quantity set value SP1 input unit 1-1. (Step S104) The state quantity set value SP2 is set by the operator, and the state quantity filtering set value SP2 "calculating unit 3-2 and the set value change amount are set via the state quantity set value SP2 input unit 1-2. The data is input to the calculation unit 9 (step S105). The state quantity set value SP3 is set by the operator, and is input to the state quantity filtering set value SP3 "calculating unit 3-3 and the set value change amount calculating unit 9 via the state quantity set value SP3 input unit 1-3. (Step S106).
設定値変更量算出部9は、状態量設定値SP1,SP2,SP3のうち少なくとも1つが変更された場合、変更された設定値SP1,SP2,SP3の変更量ΔSP1,ΔSP2,ΔSP3を検出して、この設定値変更による基準状態量設定値SP1’の変更量ΔSP1’を次式のように算出する(ステップS107)。
ΔSP1’=(1/3)ΔSP1+(1/3)ΔSP2+(1/3)ΔSP3
・・・(10)
なお、式(10)における設定値変更量ΔSP1,ΔSP2,ΔSP3のうち、変更されていない設定値については変更量が0であることは言うまでもない。
The set value change amount calculation unit 9 detects the change amounts ΔSP1, ΔSP2, ΔSP3 of the changed set values SP1, SP2, SP3 when at least one of the state amount set values SP1, SP2, SP3 is changed. Then, the change amount ΔSP1 ′ of the reference state amount set value SP1 ′ due to the change of the set value is calculated as the following equation (step S107).
ΔSP1 ′ = (1/3) ΔSP1 + (1/3) ΔSP2 + (1/3) ΔSP3
... (10)
Of course, among the set value change amounts ΔSP1, ΔSP2, and ΔSP3 in Expression (10), the change amount is 0 for the set values that are not changed.
フィルタリング時定数決定部10は、設定値変更量算出部9において設定値変更が検出されたとき、フィルタリング時定数Tfを次式のように算出し、このフィルタリング時定数Tfを状態量フィルタリング設定値SP1”算出部3−1と状態量フィルタリング設定値SP2”算出部3−2と状態量フィルタリング設定値SP3”算出部3−3とに設定する(ステップS108)。
Tf=α|ΔSP1’| ・・・(11)
式(11)で用いる比率αは、制御シミュレーションにより決定され、フィルタリング時定数決定部10に予め設定されている。
When the set value change amount calculation unit 9 detects a change in the set value, the filtering time
Tf = α | ΔSP1 ′ | (11)
The ratio α used in Equation (11) is determined by control simulation and is set in advance in the filtering time
次に、状態量フィルタリング設定値SP1”算出部3−1は、状態量設定値SP1に対して次式の伝達関数式のような1次遅れフィルタリング処理を実行し、状態量フィルタリング設定値SP1”を算出する(ステップS109)。
SP1”=SP1/(1+Tfs) ・・・(12)
式(12)において、sはラプラス演算子である。
Next, the state quantity filtering set value SP1 ″ calculating unit 3-1 performs a first-order lag filtering process such as the following transfer function expression on the state quantity setting value SP1 to obtain the state quantity filtering set value SP1 ″. Is calculated (step S109).
SP1 ″ = SP1 / (1 + Tfs) (12)
In Expression (12), s is a Laplace operator.
状態量フィルタリング設定値SP2”算出部3−2は、状態量設定値SP2に対して次式の伝達関数式のような1次遅れフィルタリング処理を実行し、状態量フィルタリング設定値SP2”を算出する(ステップS110)。
SP2”=SP2/(1+Tfs) ・・・(13)
The state quantity filtering set value SP2 ″ calculating unit 3-2 performs a first-order lag filtering process such as the following transfer function expression on the state quantity setting value SP2 to calculate the state quantity filtering set value SP2 ″. (Step S110).
SP2 ″ = SP2 / (1 + Tfs) (13)
状態量フィルタリング設定値SP3”算出部3−3は、状態量設定値SP3に対して次式の伝達関数式のような1次遅れフィルタリング処理を実行し、状態量フィルタリング設定値SP3”を算出する(ステップS111)。
SP3”=SP3/(1+Tfs) ・・・(14)
The state quantity filtering setting value SP3 ″ calculating unit 3-3 performs a first-order lag filtering process such as the following transfer function expression on the state quantity setting value SP3 to calculate the state quantity filtering setting value SP3 ″. (Step S111).
SP3 ″ = SP3 / (1 + Tfs) (14)
続いて、状態量設定値変換部4は、予め設定された状態量変換行列Tを用いて次式のように状態量フィルタリング設定値変換を実行して、基準状態量設定値SP1’と相対状態量設定値SP2’,SP3’を算出し、基準状態量設定値SP1’をPID制御演算部6−1に出力すると共に、相対状態量設定値SP2’,SP3’をPID制御演算部6−2,6−3に出力する(ステップS112)。 Subsequently, the state quantity set value conversion unit 4 performs state quantity filtering set value conversion using the state quantity conversion matrix T set in advance as in the following equation, and the reference state quantity set value SP1 ′ and the relative state The quantity set values SP2 ′ and SP3 ′ are calculated, the reference state quantity set value SP1 ′ is output to the PID control calculation unit 6-1, and the relative state quantity set values SP2 ′ and SP3 ′ are output to the PID control calculation unit 6-2. , 6-3 (step S112).
状態量設定値変換部4に予め設定された状態量変換行列Tは、次式のようになる。 The state quantity conversion matrix T preset in the state quantity set value conversion unit 4 is expressed by the following equation.
なお、式(10)による基準状態量設定値SP1’の変更量ΔSP1’の算出は、式(16)の状態量変換行列Tにおける基準状態量設定値算出部分(第1行)に基づくものである。 The calculation of the change amount ΔSP1 ′ of the reference state quantity setting value SP1 ′ by Expression (10) is based on the reference state quantity setting value calculation part (first row) in the state quantity conversion matrix T of Expression (16). is there.
一方、状態量計測値変換部5は、予め設定された状態量変換行列Tを用いて次式のように状態量計測値変換を実行して、状態量計測値PV1’,PV2’,PV3’を算出し、状態量計測値PV1’,PV2’,PV3’をPID制御演算部6−1,6−2,6−3に出力する(ステップS113)。
On the other hand, the state quantity measurement
次に、PID制御演算部6−1は、次式の伝達関数式のようなPID制御演算を行って操作量MV1’を算出して、操作量変換部7に出力する(ステップS114)。
MV1’=(100/Pb1){1+(1/Ti1s)+Td1s}(SP1”
−PV1’) ・・・(18)
式(18)において、Pb1は比例帯、Ti1は積分時間、Td1は微分時間である。
Next, the PID control calculation unit 6-1 performs a PID control calculation like the following transfer function equation to calculate the operation amount MV1 ′ and outputs it to the operation amount conversion unit 7 (step S114).
MV1 ′ = (100 / Pb1) {1+ (1 / Ti1s) + Td1s} (SP1 ″
-PV1 ') (18)
In Expression (18), Pb1 is a proportional band, Ti1 is an integration time, and Td1 is a differentiation time.
PID制御演算部6−2は、次式の伝達関数式のようなPID制御演算を行って操作量MV2’を算出して、操作量変換部7に出力する(ステップS115)。
MV2’=(100/Pb2){1+(1/Ti2s)+Td2s}(SP2”
−PV2’) ・・・(19)
式(19)において、Pb2は比例帯、Ti2は積分時間、Td2は微分時間である。
The PID control calculation unit 6-2 performs a PID control calculation like the following transfer function equation to calculate the operation amount MV2 ′ and outputs it to the operation amount conversion unit 7 (step S115).
MV2 ′ = (100 / Pb2) {1+ (1 / Ti2s) + Td2s} (SP2 ″
-PV2 ') (19)
In Expression (19), Pb2 is a proportional band, Ti2 is an integration time, and Td2 is a differentiation time.
PID制御演算部6−3は、次式の伝達関数式のようなPID制御演算を行って操作量MV3’を算出して、操作量変換部7に出力する(ステップS116)。
MV3’=(100/Pb3){1+(1/Ti3s)+Td3s}(SP3”
−PV3’) ・・・(20)
式(20)において、Pb3は比例帯、Ti3は積分時間、Td3は微分時間である。
The PID control calculation unit 6-3 calculates a manipulated variable MV3 ′ by performing a PID control calculation like the following transfer function equation, and outputs it to the manipulated variable conversion unit 7 (step S116).
MV3 ′ = (100 / Pb3) {1+ (1 / Ti3s) + Td3s} (SP3 ″
-PV3 ') (20)
In Expression (20), Pb3 is a proportional band, Ti3 is an integration time, and Td3 is a differentiation time.
操作量変換部7は、予め設定された操作量変換行列Uを用いて次式のように操作量変換を実行して、操作量MV1,MV2,MV3を算出し、操作量MV1,MV2,MV3を操作量MV1出力部8−1,8−2,8−3に出力する(ステップS117)。 The manipulated variable conversion unit 7 calculates manipulated variables MV1, MV2, and MV3 by using the manipulated variable conversion matrix U set in advance to calculate manipulated variables MV1, MV2, and MV3, and manipulated variables MV1, MV2, and MV3. Is output to the manipulated variable MV1 output units 8-1, 8-2, and 8-3 (step S117).
操作量変換部7に予め設定された操作量変換行列Uは、次式のようになる。 The manipulated variable conversion matrix U preset in the manipulated variable converter 7 is expressed by the following equation.
式(22)のP-1は、制御対象のゲイン行列Pの逆行列である。ゲイン行列Pは、制御ループ数がnの場合はn×nの正方行列であり、本実施の形態では次式のようになる。 P −1 in Expression (22) is an inverse matrix of the gain matrix P to be controlled. The gain matrix P is an n × n square matrix when the number of control loops is n, and is represented by the following equation in the present embodiment.
式(23)において、I11は操作量MV1が状態量計測値PV1に伝わるときのゲイン、I21は操作量MV2が状態量計測値PV1に伝わるときのゲイン、I31は操作量MV3が状態量計測値PV1に伝わるときのゲイン、I12は操作量MV1が状態量計測値PV2に伝わるときのゲイン、I22は操作量MV2が状態量計測値PV2に伝わるときのゲイン、I32は操作量MV3が状態量計測値PV2に伝わるときのゲイン、I13は操作量MV1が状態量計測値PV3に伝わるときのゲイン、I23は操作量MV2が状態量計測値PV3に伝わるときのゲイン、I33は操作量MV3が状態量計測値PV3に伝わるときのゲインである。ゲイン(伝達係数)I11〜I33は、特許文献3に記載されているように、予め複数のループ間の干渉を調査することにより与えられる。 In Expression (23), I 11 is a gain when the manipulated variable MV1 is transmitted to the state quantity measured value PV1, I 21 is a gain when the manipulated variable MV2 is transmitted to the measured state quantity PV1, and I 31 is a state where the manipulated variable MV3 is in the state. gain when gain when transmitted to the amount measured values PV1, I 12 is the gain when the manipulated variables MV1 is transmitted to the state quantity measurement value PV2, I 22 is the operation amount MV2 is transmitted to the state quantity measurement value PV2, I 32 is operated Gain when the amount MV3 is transmitted to the state amount measurement value PV2, I 13 is a gain when the operation amount MV1 is transmitted to the state amount measurement value PV3, I 23 is a gain when the operation amount MV2 is transmitted to the state amount measurement value PV3, I 33 is a gain when the manipulated variable MV3 is transmitted to the state quantity measured value PV3. The gains (transfer coefficients) I 11 to I 33 are given by investigating interference between a plurality of loops as described in Patent Document 3.
操作量MV1出力部8−1は、操作量変換部7によって変換された操作量MV1をアクチュエータA1に出力する(ステップS118)。アクチュエータA1は、操作量MV1に基づいて第1の状態量を制御するために動作する。
操作量MV2出力部8−2は、操作量変換部7によって変換された操作量MV2をアクチュエータA2に出力する(ステップS119)。アクチュエータA2は、操作量MV2に基づいて第2の状態量を制御するために動作する。
操作量MV3出力部8−3は、操作量変換部7によって変換された操作量MV3をアクチュエータA3に出力する(ステップS120)。アクチュエータA3は、操作量MV3に基づいて第3の状態量を制御するために動作する。
The operation amount MV1 output unit 8-1 outputs the operation amount MV1 converted by the operation amount conversion unit 7 to the actuator A1 (step S118). The actuator A1 operates to control the first state quantity based on the operation quantity MV1.
The operation amount MV2 output unit 8-2 outputs the operation amount MV2 converted by the operation amount conversion unit 7 to the actuator A2 (step S119). The actuator A2 operates to control the second state quantity based on the operation quantity MV2.
The operation amount MV3 output unit 8-3 outputs the operation amount MV3 converted by the operation amount conversion unit 7 to the actuator A3 (step S120). The actuator A3 operates to control the third state quantity based on the operation quantity MV3.
以上のようなステップS101〜S120の処理が例えばオペレータによって制御の終了が指示されるまで(ステップS121においてYES)、制御周期毎に繰り返し実行される。 The processes in steps S101 to S120 as described above are repeatedly executed for each control cycle until the end of control is instructed by an operator (YES in step S121), for example.
図4は、本実施の形態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(a)は、図1の制御装置にSP1=SP2=SP3=30%のステップ入力が加わったときの制御応答を示し、図4(b)は、このステップ入力時に制御装置から出力される操作量MV1,MV2,MV3を示している。シミュレーションの条件は以下の通りである。 FIG. 4 is a diagram illustrating a simulation result of the control device of the present embodiment. FIG. 4A shows a control response when a step input of SP1 = SP2 = SP3 = 30% is added to the control device of FIG. 1, and FIG. 4B is output from the control device at the time of this step input. The manipulated variables MV1, MV2, and MV3 are shown. The simulation conditions are as follows.
まず、アクチュエータA1とプロセスP1とを含むブロックの伝達関数Gp1、アクチュエータA2とプロセスP2とを含むブロックの伝達関数Gp2、アクチュエータA3とプロセスP3とを含むブロックの伝達関数Gp3を次式のように設定する。ここでは、制御ループ間の干渉はないものとする。
Gp1=0.343exp(−2.0s)
/{(1+70.0s)(1+10.0s)} ・・・(24)
Gp2=0.800exp(−2.0s)
/{(1+60.0s)(1+10.0s)} ・・・(25)
Gp3=0.308exp(−2.0s)
/{(1+50.0s)(1+10.0s)} ・・・(26)
First, the transfer function Gp1 of the block including the actuator A1 and the process P1, the transfer function Gp2 of the block including the actuator A2 and the process P2, and the transfer function Gp3 of the block including the actuator A3 and the process P3 are set as follows: To do. Here, it is assumed that there is no interference between control loops.
Gp1 = 0.343exp (−2.0 s)
/{(1+70.0s)(1+10.0s)} (24)
Gp2 = 0.800 exp (−2.0 s)
/{(1+60.0s)(1+10.0s)} (25)
Gp3 = 0.308exp (−2.0 s)
/{(1+50.0s)(1+10.0s)} (26)
操作量MV1,MV2,MV3に応じて状態量計測値PV1,PV2,PV3は、次式のように定まる。
PV1=Gp1MV1 ・・・(27)
PV2=Gp2MV2 ・・・(28)
PV3=Gp3MV3 ・・・(29)
The state quantity measurement values PV1, PV2, and PV3 are determined as follows according to the operation amounts MV1, MV2, and MV3.
PV1 = Gp1MV1 (27)
PV2 = Gp2MV2 (28)
PV3 = Gp3MV3 (29)
PID制御演算部6−1のPIDパラメータである比例帯Pb1を25.0、積分時間Ti1を35.0、微分時間Td1を20.0とし、PID制御演算部6−2のPIDパラメータである比例帯Pb2を10.0、積分時間Ti2を35.0、微分時間Td2を20.0とし、PID制御演算部6−3のPIDパラメータである比例帯Pb3を10.0、積分時間Ti3を35.0、微分時間Td3を20.0とする。また、フィルタリング時定数決定のための比率αを2.5とする。この結果、フィルタリング時定数決定部10で算出されるフィルタリング時定数Tfは約75秒となる。
The proportional band Pb1 that is the PID parameter of the PID control calculation unit 6-1 is 25.0, the integration time Ti1 is 35.0, the differential time Td1 is 20.0, and the proportionality that is the PID parameter of the PID control calculation unit 6-2 The band Pb2 is 10.0, the integration time Ti2 is 35.0, the differential time Td2 is 20.0, the proportional band Pb3, which is the PID parameter of the PID control calculation unit 6-3, is 10.0, and the integration time Ti3 is 35. 0, the differential time Td3 is 20.0. Further, the ratio α for determining the filtering time constant is set to 2.5. As a result, the filtering time constant Tf calculated by the filtering time
図4(b)から分かるように、本実施の形態によれば、操作量MV1,MV2,MV3が上限値100%を大きく超えるような状況は生じておらず、操作量飽和を緩和できることが分かる。その結果、本実施の形態では、図4(a)に示すように、制御ループ間の状態量差を小さくするという効果が損なわれることを回避でき、図4(a)に示すように状態量計測値PV1,PV2,PV3を概ね一致させることができる。 As can be seen from FIG. 4B, according to the present embodiment, there is no situation in which the operation amounts MV1, MV2, and MV3 greatly exceed the upper limit value of 100%, and it can be understood that the operation amount saturation can be alleviated. . As a result, in the present embodiment, as shown in FIG. 4A, it is possible to avoid the effect of reducing the state quantity difference between the control loops from being lost. As shown in FIG. The measured values PV1, PV2, and PV3 can be substantially matched.
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。
また、本実施の形態では、状態量変換行列Tにより変換される前の状態量設定値SP1,SP2,SP3に対してフィルタリング処理を実施しているが、状態量変換行列Tにより変換された後の状態量設定値SP1’,SP2’,SP3’に対してフィルタリング処理を実施するような構成にしても良い。
Note that the control device described in the present embodiment can be realized by a computer including an arithmetic device, a storage device, and an interface, and a program for controlling these hardware resources.
In the present embodiment, the filtering process is performed on the state quantity setting values SP1, SP2, and SP3 before being converted by the state quantity conversion matrix T. A configuration may be adopted in which filtering processing is performed on the state quantity set values SP1 ′, SP2 ′, and SP3 ′.
また、本実施の形態では、特許文献3に開示された傾斜温度制御の手法に基づいて制御装置を構成しているが、非特許文献1に開示されたクロスコントローラの手法に基づいて制御装置を図9のように構成する場合も、本実施の形態と同様に構成すればよい。
In the present embodiment, the control device is configured based on the gradient temperature control method disclosed in Patent Document 3, but the control device is configured based on the cross controller method disclosed in
本発明は、プロセス制御技術に適用することができる。 The present invention can be applied to a process control technique.
3−1…状態量フィルタリング設定値SP1”算出部、3−2…状態量フィルタリング設定値SP2”算出部、3−3…状態量フィルタリング設定値SP3”算出部、4…状態量設定値変換部、5…状態量計測値変換部、6−1、6−2、6−3…PID制御演算部、7…操作量変換部、9…設定値変更量算出部、10…フィルタリング時定数決定部。
3-1. State quantity filtering set value SP1 "calculating section, 3-2 ... State quantity filtering setting value SP2" calculating section, 3-3 ... State quantity filtering setting value SP3 "calculating section, 4 ... State quantity setting
Claims (6)
前記n個の制御ループの各状態量計測値をn×nの状態量変換行列により各状態量計測値を線形結合した値に変換する状態量変換部と、
前記変換された各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差に基づき各制御ループの操作量を算出する制御演算部と、
前記算出されたn個の操作量をn×nの操作量変換行列により各制御ループの操作量に配分されるように変換し、変換したn個の操作量をそれぞれ対応する制御ループの制御対象に出力する操作量変換部と、
前記制御演算部に入力される状態量設定値に対して急変動を抑制するフィルタリング処理を施す状態量フィルタリング設定値算出部とを備えることを特徴とする制御装置。 In a control device of a control system having n (n is a natural number of 2 or more) control loops,
A state quantity conversion unit that converts each state quantity measurement value of the n control loops into a value obtained by linearly combining the state quantity measurement values using an n × n state quantity conversion matrix;
A control calculation unit that calculates an operation amount of each control loop based on a control deviation between each converted state quantity measurement value and each state quantity set value corresponding thereto;
The calculated n manipulated variables are converted so as to be distributed to the manipulated variables of each control loop by an n × n manipulated variable conversion matrix, and the converted n manipulated variables are controlled by the corresponding control loop. A manipulated variable converter to output to
A control apparatus comprising: a state quantity filtering set value calculation unit that performs a filtering process for suppressing sudden fluctuations on the state quantity set value input to the control calculation unit.
前記状態量変換行列は、前記変換された状態量計測値に、前記n個の制御ループの各状態量計測値の平均である基準状態量計測値と、異なる制御ループの状態量計測値間の相対的な関係を与える相対状態量計測値とが含まれるように予め設定され、
前記操作量変換行列は、各制御演算部による制御が、他の制御演算部による制御に与える影響をなくす又は小さくするように予め設定されることを特徴とする制御装置。 The control device according to claim 1,
The state quantity conversion matrix includes a reference state quantity measurement value that is an average of the state quantity measurement values of the n control loops and a state quantity measurement value of a different control loop. A relative state quantity measurement value that gives a relative relationship is included in advance,
The control device is characterized in that the manipulated variable conversion matrix is set in advance so as to eliminate or reduce the influence of the control by each control calculation unit on the control by another control calculation unit.
前記状態量フィルタリング設定値算出部は、時間遅れ演算により前記フィルタリング処理を行うことを特徴とする制御装置。 The control device according to claim 1,
The state quantity filtering set value calculation unit performs the filtering process by time delay calculation.
さらに、前記フィルタリング処理の時定数を、前記制御演算部から出力される操作量の飽和が緩和されるように前記状態量設定値の変更量に応じて修正する修正手段を備えることを特徴とする制御装置。 The control device according to claim 3,
Furthermore, the time constant of the said filtering process is provided with the correction means which corrects according to the change amount of the said state amount setting value so that the saturation of the operation amount output from the said control calculating part may be relieve | moderated. Control device.
前記操作量変換行列は、傾斜温度制御手法により設計されることを特徴とする制御装置。 The control device according to any one of claims 1 to 4,
The operation amount conversion matrix is designed by a gradient temperature control method.
前記操作量変換行列は、クロスコントローラ設計手法により設計されることを特徴とする制御装置。
The control device according to any one of claims 1 to 4,
The operation amount conversion matrix is designed by a cross controller design method.
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