JP2006293648A

JP2006293648A - プロセス制御装置

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Publication number: JP2006293648A
Application number: JP2005112821A
Authority: JP
Inventors: Kunio Oba; 邦夫大庭
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】過渡応答時のオーバシュート発生の抑制及び整定時間の短縮を可能にするプロセス制御装置を得ること。
【解決手段】過渡応答時の操作量に対して演算収束用制限値を設定し、操作量演算部３にて演算された操作量が物理的に出力できる操作量であるか否かを演算収束用制限値比較部４にて演算収束用制限値と比較して判断し、操作量物理制限処理部５では、比較判断の結果、演算された操作量が演算収束用制限値を超えない場合は制御対象６に与える操作量を演算収束用制限値に置き換える一方、演算された操作量が演算収束用制限値を超える場合は制御対象６に与える操作量を物理的に出力できる操作量に制限する。つまり、なだらかな演算収束を行うための操作量が選択できるようになる。
【選択図】図１

Description

この発明は、プロセス制御装置に関し、特にＰＩＤ制御演算によるプロセス制御装置に関するものである。

従来のプロセス制御装置は、一般的に、操作量の最終演算結果に対して物理的な制限値による演算処理を行うように構成されており、物理的に制限された操作量に基づき、例えば、適用制御対象の操作弁の開度（０から１００％）を動作させるようになっている（例えば、非特許文献１参照）。

また、従来のプロセス制御装置は、速度型ＰＩＤ演算結果に対する第一の出力リミッタ制限演算後、目標値微分演算を加算した結果に対する第２の出力リミッタ演算を行うように構成されており、目標値の変化に対して微分演算が制御応答の向上に適切に作用し、かつ微分演算による出力信号の引戻しも発生しないように動作するようになっている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−１６８００４号公報オムロン株式会社「ＳＹＳＭＡＣＣＳ１シリーズループコントロールユニット型ＣＳ１Ｗ−ＬＣ００１計器ブロックレファレンスマニュアル」２０００年３月、Ｐ.２−１７、Ｐ２−２１

しかしながら、非特許文献１に記載の技術によれば、適用制御対象の操作弁の開度（０から１００％）を動作させ、次に、次回の速度型ＰＩＤ演算に物理的に出力可能な制限値を適用していない操作量（速度型ＰＩＤ演算結果）を使用しているので、速度型の収束演算が過渡応答の現象等に対して、実現できる物理的な操作量に比べて、非常に大きな操作量値から収束しなければならない。その結果、演算結果がスムーズな収束にならないために、オーバシュートの発生が起こり、さらに整定に長い時間が必要であるという問題がある。

例えば、制御目標値に対して、オーバシュートがあると、食品殺菌の場合、殺菌する温度よりも高い温度が与えられてしまい、食品の商品価値がなくなる。さらに、制御の整定時間が長いと、例えば、プロセス制御の温度が目標温度になる時間が長くなるので、この生産工程の時間が長くなる。よって、全体の工程が長くなり、生産効率が悪くなるなどの問題が起こる。

また、特許文献１に記載の技術では、目標値微分演算だけを第２のリミッタに演算しているために、応答の速い制御現象の場合、微分演算要素の反映が大きくなるので、上記と同様に、オーバシュート等の発生が考えられ、さらに整定に時間を必要とするという問題がある。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、オーバシュート等の発生を極力抑え、整定時間を短くすることができるプロセス制御装置を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、この発明は、目標値と制御対象からのフィードバック値との偏差に速度型ＰＩＤ演算を適用して今回の操作量変化分を求める第１の演算手段と、前記第１の演算手段が求めた今回の操作量変化分に前回の操作量を加算して今回の操作量を求める第２の演算手段と、前記第２の演算手段が求めた今回の操作量が、物理的に出力可能な制限値に対して定めた演算収束用制限値を越えるか否かを判断する判断手段と、前記判断手段での判断結果に基づき前記制御対象に与える操作量としてなだらかな演算収束が行える操作量を選択する選択手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、物理的に出力可能な制限値に対して演算収束用制限値を定め、それと演算結果の操作量とを比較することにより、なだらかな演算収束を行うための操作量を選択することができる。すなわち、プロセス制御装置では、過渡応答時に物理的に出力できる操作量に制約があるが、操作量演算においては、この制約を大きく超える操作量を演算する場合がある。その場合には、大きな値から収束するので、過渡応答時ではオーバシュートが発生し、整定時間が長くなる。この発明では、過渡応答時のオーバシュート発生の抑制及び整定時間の短縮が図れるので、プロセス制御の最適な応答特性が実現できる。

この発明によれば、オーバシュート等の発生を極力抑え、整定時間を短くすることができるプロセス制御装置が得られるという効果を奏する。

以下に図面を参照して、この発明にかかるプロセス制御装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるプロセス制御装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、この実施の形態によるプロセス制御装置は、制御目標値ＳＶｎを一方の入力とし両者間の偏差を演算する偏差演算部１と、偏差演算部１の出力に基づき操作量変化分ΔＭＶをＰＩＤ演算する速度型ＰＩＤ演算部２と、速度型ＰＩＤ演算部２の出力に基づき今回の操作量を演算する操作量演算部３と、操作量演算部３の出力値と演算収束用制限値との大小関係を比較演算する演算収束用制限値比較部４と、演算収束用制限値比較部４の比較結果に基づき求めた操作量を制御対象６に与える操作量物理制限処理部５を備え、操作量物理制限処理部５で制御される制御対象６の出力値が偏差演算部１の他方の入力としてフィードバックされる。

次に、図１を参照しつつ図２に沿って、以上のように構成されるプロセス制御装置の動作について説明する。なお、図２は、図１に示すプロセス制御装置の動作を説明するフローチャートである。

図２において、まず、偏差演算部１では、入力値ＰＶｎとして入力される制御対象５の出力値（温度、流量等のアナログ信号である）と、運転員が入力する制御目標値ＳＶｎとの偏差演算が行われる（ステップＳＴ１）。

そして、速度型ＰＩＤ演算部２では、偏差演算部１が求めた制御偏差に、Ｐ（比例）、Ｉ（積分）、Ｄ（微分）の定数を適用した速度型ＰＩＤ演算を実行して今回の操作量変化分ΔＭＶが求められる（ステップＳＴ２）。

次いで、操作量演算部３では、前回の操作量ＭＶ_n-1に、速度型ＰＩＤ演算部２が演算した今回の操作量変化分ΔＭＶを加算して今回の操作量ＭＶｎが求められる（ステップＳＴ３）。そして、操作量演算部３では、求めた今回の操作量ＭＶｎを、次回の操作量演算用として前回の操作量ＭＶ_n-1に置き換える（ステップＳＴ４）。

次いで、演算収束用制限値比較部４では、操作量演算部３が演算した今回の操作量ＭＶｎ（つまり、次回の演算に使用する前回の操作量ＭＶ_n-1）と後述（実施の形態２）するようにして決定された演算収束用制限値との比較処理が行われる（ステップＳＴ５）。

次いで、操作量物理制限処理部４では、演算収束用制限値比較部４での比較結果が、「前回の操作量ＭＶ_n-1＜演算収束用制限値」であるときは（ステップＳＴ６：Ｎｏ）、「前回の操作量ＭＶ_n-1」を「演算収束用制限値」に置き換えることを行い（ステップＳＴ７）、それを今回の操作量ＭＶｎとして制御対象６に出力する（ステップＳＴ９）。

一方、操作量物理制限処理部４では、演算収束用制限値比較部４での比較結果が、「前回の操作量ＭＶ_n-1＞演算収束用制限値」であるときは（ステップＳＴ６：Ｙｅｓ）、制御対象６に与える今回の操作量ＭＶｎを物理的に出力可能な操作量に制限する処理を行い（ステップＳＴ８）、そのように制限した操作量を今回の操作量ＭＶｎとして制御対象６に出力する（ステップＳＴ９）。

そして、制御対象６の出力値が入力値ＰＶｎとしてフィードバックされ、以上の動作が繰り返される。これによって、制御対象６の出力値が制御目標値ＳＶｎに到達するように制御される。

ここで、プロセスの応答特性について従来例と比較して説明する。図３は、演算収束用制限値を設けた図１に示すプロセス制御装置での制御応答特性を示す特性図である。図４は、演算収束用制限値を設けない従来のプロセス制御装置での制御応答特性を示す特性図である。

速度型ＰＩＤ演算では、例えば、ステップ応答のような過渡応答現象の場合、物理的に出力可能な制限値（物理的制限値）を大きく超える「操作量」を演算する。この物理的制限値を大きく超える操作量は、例えば、９００％になる場合もある。つまり、速度型ＰＩＤ演算では、物理的に出力できない大きな操作量からの収束計算となるので、物理的制限値への収束の傾きが大きくなり、なだらかな操作量の計算とはならない。そのため、従来では、オーバシュートの発生及び応答の整定に時間がかかるという問題があった（図４参照）。

これに対して、この実施の形態１では、物理的制限値へのなだらかな収束の実現を目的として、演算収束用制限値を設け、可能な限り物理的な操作量への収束のなだらかな傾きを実現できるようにしたので（ステップＳＴ５〜ＳＴ９）、オーバシュートの発生及び応答の整定に時間がかかるという問題を解消することができる（図３参照）。

図３及び図４において、縦軸は物理的の出力可能な操作量ＭＶであり、その物理制限は０％から１００％であるとしている。また、横軸は時間であり、３０秒／ＤＩＶで示してある。そして、この実施の形態１による効果を示す図３は、演算収束用制限値として、上限側（１００％）の上方において「１５０％」と「３００％」の２つを設け、下限側（０％）の下方において「−５０％」と「−２００％」の２つを設けた場合の応答特性を示している。演算収束用制限値を設けない従来のプロセス制御装置での制御応答特性を示す図４と比べて、オーバシュートがなくなり、整定時間も短くなっていることが理解できる。

この演算収束用制限値は、図３に示すように、複数個設けるようにすれば、演算回数毎の収束状態を強制的に決める演算収束用の直線の傾き（上記演算収束用の制限値を接続した折れ線の直線傾き）により、物理的な操作量への収束に対してよりなだらかな傾きを実現できる。

そして、この演算収束用制限値は、具体的には、チューニング作業にて決定することができる。チューニング作業は、プロセス制御において最適なＰＩＤ定数を求めるために必要な作業である。この作業の１つの項目として、演算収束制限値を求めることが可能である。以下、演算収束制限値を求める装置構成を実施の形態２として具体的に説明する。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２による演算収束用制限値反映装置の構成を示すブロック図である。図５に示すように、図１に示すプロセス制御装置に設定する演算収束用制限値を決定する演算収束用制限値反映装置は、演算収束用制限値をチューニング作業で決定するための「暫定演算収束用制限値」を入力するキーボード等を備える演算収束用制限値入力部１１と、入力された演算収束用制限値をチューニング作業時に一時的に使用できるように格納するための演算収束用制限値一時データ部１２と、実施の形態１に説明した速度型ＰＩＤ演算の開始要求を行う速度型ＰＩＤ演算要求部１３と、チューニング作業（プロセス応答確認試験）の結果に基づき最適値が決定された場合にそれを図１に示す演算収束用制限値比較部４に設定し比較演算での使用に反映させる恒久値としてリストアップする演算収束用制限値反映部１４と、演算収束用制限値のチューニング作業結果リストアップされた最適値を格納するための演算収束用制限値データ部１５とを備えている。

次に、図５を参照しつつ図６に沿って、以上のように構成される演算収束用制限値反映装置の動作について説明する。なお、図６は、図５に示す演算収束用制限値反映装置の動作を説明するフローチャートである。

図６において、まず、調整員は、ＰＩＤの最適定数及び演算収束用の制限値を求めるための調整ツールプログラムを起動し（ステップＳＴ１０）、演算収束用制限値入力部１１を用いて演算収束制限値の暫定値を入力設定し（ステップＳＴ１１）、演算収束用制限値一時データ部１２に格納させる。

次いで、調整員が、速度型ＰＩＤ演算要求部１３を動作させと、演算収束用制限値反映部１４による制御特性が良好であることを確認するプロセス応答確認試験が実施される（ステップＳＴ１２）。このプロセス応答確認試験によって、Ｐ、Ｉ、Ｄの各定数を変更して速度型ＰＩＤ定数が最適値に調整され（ステップＳＴ１３）、操作量の変化が大きい時には、暫定演算収束用制限値を変更する処理が行われる（ステップＳＴ１４）。

そして、プロセス応答試験結果が良好か否かが判断され（ステップＳＴ１５）、良好でなければ（ステップＳＴ１５：Ｎｏ）、ステップＳＴ１２に戻り、プロセス応答試験結果が良好と判断できるまでプロセス応答確認試験を繰り返し実施する。その結果、プロセス応答試験結果が良好と判断できると（ステップＳＴ１５：Ｙｅｓ）、演算収束用制限値反映部１４は、最適演算収束用制限値を演算収束用制限値データ部１５に格納し、制御対象６の制御開始に応答して図１に示す演算収束用制限値比較部４へのオンライン反映を実行する（ステップＳＴ１６）。

この実施の形態２によれば、調整員によるチューニング作業によって決定した演算収束用制限値をプログラムの停止なしで、オンライン反映できるので、不要なシステム停止を避けることができ、制御用プログラムの変更作業を削減できる効果がある。

以上のように、この発明にかかるプロセス制御装置は、プロセス制御対象の過渡応答特性を最適に制御するのに適している。

この発明の実施の形態１によるプロセス制御装置の構成を示すブロック図である。図１に示すプロセス制御装置の動作を説明するフローチャートである。演算収束用制限値を設けた図１に示すプロセス制御装置での制御応答特性を示す特性図である。演算収束用制限値を設けない従来のプロセス制御装置での制御応答特性を示す特性図である。この発明の実施の形態２による演算収束用制限値反映装置の構成を示すブロック図である。図５に示す演算収束用制限値反映装置の動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１偏差演算部
２速度型ＰＩＤ演算部
３操作量演算部
４演算収束用制限値比較部
５操作量物理制限処理部
６制御対象
１１演算収束用制限値入力部
１２演算収束用制限値一時データ部
１３速度型ＰＩＤ演算要求部
１４演算収束用制限値反映部
１５演算収束用制限値データ部

Claims

目標値と制御対象からのフィードバック値との偏差に速度型ＰＩＤ演算を適用して今回の操作量変化分を求める第１の演算手段と、
前記第１の演算手段が求めた今回の操作量変化分に前回の操作量を加算して今回の操作量を求める第２の演算手段と、
前記第２の演算手段が求めた今回の操作量が、物理的に出力可能な制限値に対して定めた演算収束用制限値を越えるか否かを判断する判断手段と、
前記判断手段での判断結果に基づき前記制御対象に与える操作量としてなだらかな演算収束が行える操作量を選択する選択手段と、
を備えることを特徴とするプロセス制御装置。
前記選択手段は、前記判断手段での判断結果が、前記第２の演算手段が求めた今回の操作量が前記演算収束用制限値を越えない場合は前記制御対象に与える操作量を当該演算収束用制限値に置き換える一方、前記第２の演算手段が求めた今回の操作量が前記演算収束用制限値を越えている場合は前記制御対象に与える操作量を物理的に出力できる操作量に制限することを特徴とする請求項１に記載のプロセス制御装置。
前記演算収束用制限値は、物理的に出力可能な制限値の上限と下限の双方または一方に対して、１つまたは２以上設けられることを特徴とする請求項１に記載のプロセス制御装置。
前記演算収束用制限値を適用制御対象のチューニング時に取得して保持し、当該適用制御対象のプロセス制御が開始されるときに、自動的に前記判断手段に設定する反映手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のプロセス制御装置。
前記反映手段は、前記適用制御対象のチューニング時に最適なＰＩＤ定数を求める過程で、暫定値を操作量の変化に対応して適宜変更することで最適な前記演算収束用制限値を求める手段を備えていることを特徴とする請求項４に記載のプロセス制御装置。