JP2009076098A - Ｐｉｄ調節器を含む閉ループ系のプロセス制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＰＩＤ調節器の比例ゲインが、外乱や目標値変動のような急激な変動に対応して、常に適切な値になるように自動的に算出できる、ＰＩＤ調節器を含む閉ループ系のプロセス制御装置を提供する。
【解決手段】プロセス１と、目標値に従って該プロセスに対する操作量を出力する、比例、積分および微分の３動作からなるＰＩＤ調節器（１０〜１４）を含む閉ループ系のプロセス制御装置において、前記プロセスより出力される制御量の時間に対する変化率に基ずいて演算処理される制御ゲイン調整装置の出力でＰＩＤ調節器の比例ゲインが可変ゲインとして設定できる手段を具備するとともに、前記制御ゲイン調整装置１５は、定数発生器で発生させたしきい値α、微分した制御量φ* との間の偏差（α−φ*）を積分器３０に入力し、その積分器３０の出力をＰＩＤ調節器の比例ゲインとするように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、各種プラントのプロセス、機械製品等（以下プロセスという）に適用されるＰＩＤ調節器を含む閉ループ系のプロセス制御装置に関する。

図３に従来技術に係るＰＩＤ調節器を含む閉ループ系のプロセス制御装置例を示す。
プロセス１は、既知外乱ｄ２、操作量ｕが入力され、制御量ｙ４を出力する。
ここで、プロセス１より出力される制御量ｙ４は、目標設定器５の（目標ｒ）出力６に追従させる必要があるため、減算器７で、目標設定器５の出力ｒ６と制御量ｙ４を比較し、後述の方法で、制御偏差ε８が小さくなる方向に操作量ｕ３が設定される。

即ち、操作量ｕ３は、目標値ｒ６と制御量ｙ４とを減算して得られる制御偏差ε８が係数器Ｋｐ９を介して得られる値Ｐと、並行して係数器Ｋｐ９の出力が係数器Ｒｓ１０を介して積分値（１／Ｓ）１１の入力になり、その積分値１１から出力される値Ｉと、さらに係数器Ｋｐ９の出力が微分器Ｓ１２を介して係数器Ｔｄ１３の入力となり、その係数器Ｔｄ１３から出力される値Ｄの３つの値（Ｐ，Ｉ，Ｄ）を加算器１４で加算して得られるように構成している。したがって、符号９〜１４の要素にてＰＩＤ調節器が形成されることになる。

しかしながら前記従来技術では、ＰＩＤ調節器の比例Ｐ，積分Ｉおよび微分Ｄの３動作のための調整パラメータ（比例ゲイン、リセット率および微分時間）は、係数器Ｋｐ９、Ｒｓ１０、Ｔｄ１３により固定的に設定される構成となっていた。このため前記従来技術では、十分な制御性能および安定性を保証できるプロセスの範囲が限られているという問題があった。

また、従来のＰＩＤ調節器でプロセスの特性が経時変化した場合に、制御性が劣化するという問題があり、これに対してＰＩＤ調節器の比例ゲインをプロセス特性の経時変化に悪影響されずに常に適切な値になるように、自動的に算出できる制御ゲイン調整装置を特願平９−１３７８７５号に、さらにその改良として特願平１０−１２８７８７号を提案している。

前記改良版としての特願平１０−１２８７８７号のゲイン調整装置の構成を図４と図５に示す。
本装置は、図４に示すように目標値ｒ（ｔ）５を変化させたときに、目標値ｒ（ｔ）５とプロセス１から出力される制御量ｙ（ｔ）４に基いて演算処理される制御ゲイン調整装置１５の出力でＰＩＤ調節器１０〜１４の比例ゲインＫ（ｔ）１７が設定出来る回路を具備したことを特徴とする。

即ち、前記先願技術は、図５に示すように目標値ｒ（ｔ）６を変化させたときに、制御量ｙ（ｔ）４の微係数の絶対値が望ましい値α* に近づくように、その間の誤差を積分器３０に入力し、その積分器３０の出力をＰＩＤ調節器１０〜１４の比例ゲインＫ（ｔ）１７とする方法である。
ここで望ましい値α* は目標値ｒ（ｔ）６が変動後、ある時間経過するまでの間においてのみ値を持つが、その後は零になるようにしている回路とは、図５に示す微分器Ｓ１８と絶対値発生器１９の回路である。

目標値ｒ（ｔ）６が変化すれば、微分器Ｓ１８の出力信号は零からある値ａに変動する。しかし、目標値ｒ（ｔ）６の変動が収まれば微分器Ｓ１８の出力信号も零となる。ある時間経過するまでの間というのは、外乱が収まって目標値ｒ（ｔ）６が変動しなくなるまでの間という意味である。したがって、目標値ｒ（ｔ）６が変動する間においてのみ値をもつが、その後変動が収まれば、その値は零となる。

図５により本原理を詳細に説明する。プロセス１より出力される制御量ｙ（ｔ）４は一次遅れ要素２５で外乱を取り除いた後の信号を微分器Ｓ２４で微分され、その出力の絶対値φ* が望ましい値α* に近づくように、その間の誤差を後述の誤差修正回路に入力して得られる出力をＰＩＤ調節器の比例ゲインＫ（ｔ）１７とする。
ここで、望ましい値α* は目標値ｒ（ｔ）６を一次遅れ要素２０で外乱を取り除いた後の信号を微分器Ｓ１８で微分し、その微分出力を絶対値発生器１９の入力とし、その絶対値発生器１９の絶対値出力と定数発生器α２１で設定されたαを乗算器２２に入力し、乗算して望ましい値α* を得る。

また、誤差修正回路は制御量ｙ（ｔ）４を一次遅れ要素２５を介して微分器Ｓ２４で微分し、その出力から絶対値発生器２６より絶対値φ* を得、乗算器２２から出力された前記望ましい値α* から絶対値φ* を減算器２３により差し引いて得られる値、すなわち誤差（α*−φ*）を、係数器β２９に入力し、その出力を不感帯を設けた第１の関数発生器２８に入力し、その第１の関数発生器２８の出力を乗算器２７の片方に入力し、他方に後述の第２の関数発生器３１の出力を入力する。そして、その乗算器２７の出力をリミット付き積分器３０に入力する。リミット付き積分器３０の出力Ｋ（ｔ）１７は図４に示すＰＩＤ調節器の比例ゲインの算出用の値となるとともに第２の関数発生器３１の入力となる。第２の関数発生器３１は逆数の関係に近い右下がりの特性に設定する。
ここで、前述の第１の関数発生器２８は不感帯を設けた関数とし、リミット付き積分器３０は上下限値のリミットが設定できるものとする。

しかしながらかかる先願技術においては、前記従来技術の課題を解決するためにプロセスの特性が経時変化した場合に、ＰＩＤ調節器の比例ゲインをプロセス特性の経時変化に悪影響されずに常に適切な値になるように、自動的に算出できる制御ゲイン調整装置を提案したが、これはプロセスの経時変化のような緩やかな変動には効果があるが、外乱や目標値変動のような急激な変動には対応できなかった。

本発明はかかる技術的課題に鑑み、ＰＩＤ調節器の比例ゲインが、外乱や目標値変動のような急激な変動に対応して、常に適切な値になるように、自動的に算出できる制御ゲイン調整装置、より具体的にはＰＩＤ調節器を含む閉ループ系のプロセス制御装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は前記課題を解決するために、プロセスと、目標値に従って該プロセスに対する操作量を出力する、比例、積分および微分の３動作からなるＰＩＤ調節器を含む閉ループ系のプロセス制御装置において、
前記プロセスより出力される制御量の時間に対する変化率に基ずいて演算処理される制御ゲイン調整装置の出力でＰＩＤ調節器の比例ゲインが可変ゲインとして設定できる手段を具備するとともに、
前記制御ゲイン調整装置は、
定数発生器で発生させたしきい値α、微分した制御量φ* との間の偏差（α−φ*）を積分器に入力し、その積分器の出力をＰＩＤ調節器の比例ゲインとするように構成したことを特徴とするものである。

そして前記ＰＩＤ調節器の比例ゲインが可変ゲインとして設定できる手段として、請求項２に記載のように、制御量ｙ（ｔ）の時間に対する変化率と、しきい値との差から制御系が安定した状態か、ハンチングしそうな状態かを判断し、安定した状態では比例ゲインを上げ、ハンチングしそうな状態では比例ゲインを下げるように、状態に応じた比例ゲインが設定出来るよう、その差を積分器に入力し、該積分器の出力をＰＩＤ調節器の比例ゲインとすることを特徴とし、
具体的には前記制御ゲイン調整装置の出力でＰＩＤ調節器の比例ゲインが可変ゲインとして設定できる手段が、前記偏差（α−φ^* ）を係数器βに入力し、その出力を不感帯を設けた第１の関数発生器に入力し、その第１の関数発生器２８の出力を乗算器の片方に入力し、他方に第２の関数発生器を通して得られた前記積分器出力を入力して所定の乗算を行なう手段であることを特徴とする。

図１は本発明の要旨たる制御ゲイン調整装置で、図２は本発明の実施形態に係る制御ゲイン調整装置とプロセスとの接続関係を示す全体ブロック図で、これらの図に基づいて本発明の原理を詳細に説明する。
図２に示すように、プロセス１より出力された制御量ｙ（ｔ）４は制御ゲイン調整装置１５に入力されて、該制御量ｙ（ｔ）４は先ず微分器Ｓ２４で微分され、その出力の絶対値、つまり制御量ｙ（ｔ）４の時間に対する変化率φ^* を得る。
この値を減算器２３により、定数発生器α２１の出力（しきい値）αから差し引いて、後述の比例ゲイン算出回路２７〜３０（図５に示す先願技術の誤差修正回路と回路構成は同じ）に入力する。

比例ゲイン算出回路２７〜３０は前記しきい値αから制御量ｙ（ｔ）４の時間に対する変化率φ^* を減算器２３により差し引いて得られる値（α−φ^* ）を係数器β２９に入力し、その出力を不感帯を設けた第１の関数発生器２８に入力し、その第１の関数発生器２８の出力を乗算器２７の片方に入力し、他方に後述の第２の関数発生器３１の出力を入力して所定の乗算を行なう。
係数器２９は、比例ゲインの変化する速さを調節し、不感帯を設けた第１の関数発生器２８は制御量ｙ（ｔ）４の時間に対する変化率φ^* がしきい値α付近にあるときは比例ゲインを調節せず、比例ゲインの不要な変化を省く。

そして、乗算器２７の出力をリミット付き積分器３０に入力する。リミット付き積分器３０の出力Ｋ（ｔ）１７は図２に示すＰＩＤ調節器の比例ゲインの値となるとともに第２の関数発生器３１の入力となる。第２の関数発生器３１は、逆数の関係に近い右下がりの特性に設定する。

以上記載のごとく図３に示す従来技術によれば、ＰＩＤ調節器のパラメータは固定されており、制御性能を優先して比例ゲインを上げるとハンチングを起こし、安定性を優先して比例ゲインを下げると、制御性能を劣化する場合があったが、本発明により状態に応じて比例ゲインを調整でき、制御性能および安定性の向上が実現できる。

また、図４及び図５に示す先願技術によれば、プロセスの経時変化のような長時間かかる緩やかな変動には効果があるが、外乱や目標値変動のような急激な変動には対応できなかったが、本発明によれば、外乱や目標値変動のような急激な変動にも対応して比例ゲインを調整することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

図２に本発明に適用される制御ゲイン調整装置１５とプロセス１との接続関係を示し、図１は本発明の実施形態にかかる図２に用いる制御ゲイン調整装置１５の内部回路図を示す。

図２の構成を前記した従来技術を示す図４の構成との差異についてのみ説明するに、先願技術に示す図４と本回路の構成は、制御ゲイン調整装置への目標値の入力端がない点を除いては同様である。
かかる回路を簡単に説明するに、目標値（ｒ）６と制御量（ｙ）４とを減算器７にて減算して得られる制御偏差（ε）８は乗算器β１６に入力されて制御ゲイン調整装置１５出力である比例ゲインＫ（ｔ）１７と乗算された後、該乗算器１６よりの出力Ｐｉ（ε（ｔ）＊Ｋ（ｔ））に基づいてＰＩＤ調節器（１０〜１４）の比例Ｐ、積分Ｉおよび微分Ｄの３動作が行なわれて、操作量（ｕ）３が設定される。この乗算器１６の片側には制御偏差（ε）８が接続され、他方の側に制御ゲイン調整装置１５の出力である比例ゲインＫ（ｔ）１７が接続される。

図１は図２に用いる制御ゲイン調整装置１５の内部回路図を示すが、先願技術（図５）の目標値の微係数の絶対値が、しきい値αとなる点が相違する。
かかる回路構成は前記技術手段の項で既に説明されているが、再度詳細に説明するに、制御量ｙ（ｔ）４は微分器Ｓ２４を介して、絶対値発生器２６に入力され、絶対値発生器２６の出力（変化率φ^* ）は減算器２３のマイナス側に接続される。一方、定数発生器α２１より出力されるしきい値αは減算器２３のプラス側に接続される。

この結果、減算器２３の出力（α−φ^* ）は係数器β２９を介して不感帯を設けた第１の関数発生器２８に入力され、第１の関数発生器２８の出力は乗算器２７の片側に入力され、他方に第２の関数発生器３１の出力を入力する。乗算器２７の出力をリミット付き積分器３０に入力し、リミット付き積分器３０の出力Ｋ（ｔ）１７は図２に示すＰＩＤ調節器の比例ゲインの値となるとともに第２の関数発生器３１の入力となる。
ここで、第２の関数発生器３１は、逆数の関係に近い右下がりの特性に設定し、第１の関数発生器２８は不感帯を設けた関数とし、リミット付き積分器３０は上限限リミットが設けられるものである。

ＰＩＤ調節器の比例ゲインが、外乱や目標値変動のような急激な変動に対応して、常に適切な値になるように、自動的に算出できる制御ゲイン調整装置、より具体的にはＰＩＤ調節器を含む閉ループ系のプロセス制御装置を得ることができる。

図２に用いる本発明の要部構成たる制御ゲイン調整装置の内部回路図を示す。 本発明の実施形態に係る制御ゲイン調整装置とプロセスとの接続関係を示す全体ブロック図である。 従来技術に係るＰＩＤ調節器とプロセスとの接続関係を示す全体ブロック図である。 先願技術の実施形態に係る制御ゲイン調整装置とプロセスとの接続関係を示す全体ブロック図である。 図４に用いる先願技術の制御ゲイン調整装置の内部回路図である。

符号の説明

１ プロセス
２ 既知外乱
３ 操作量ｄ
４ 制御量ｙ
５ 目標設定器
６ ５の出力で目標値ｒ
７、２３ 減算器
８ 制御偏差ε
９、１０、１３、２９ 係数器
１１ 積分器
１２、１８、２４ 微分器
１４ 加算器
１５ 制御ゲイン調整装置
１６、２２、２７ 乗算器
１７ 制御ゲイン調整装置の出力で比例ゲインＫ（ｔ）
１９、２６ 絶対値発生器
２０、２５ 一次遅れ要素
２１ 定数発生器
２８、３１ 関数発生器
３０ リミット付積分器

Claims (3)

1. プロセスと、目標値に従って該プロセスに対する操作量を出力する、比例、積分および微分の３動作からなるＰＩＤ調節器を含む閉ループ系のプロセス制御装置において、
   前記プロセスより出力される制御量の時間に対する変化率に基ずいて演算処理される制御ゲイン調整装置の出力でＰＩＤ調節器の比例ゲインが可変ゲインとして設定できる手段を具備するとともに、
   前記制御ゲイン調整装置は、
   定数発生器で発生させたしきい値α、微分した制御量φ* との間の偏差（α−φ*）を積分器に入力し、その積分器の出力をＰＩＤ調節器の比例ゲインとするように構成したことを特徴とするＰＩＤ調整器を含む閉ループ系のプロセス制御装置。
2. 定数発生器で発生させたしきい値α、微分した制御量φ* との間の偏差（α−φ*）から制御系が安定した状態か、ハンチングしそうな状態かを判断し、安定した状態では比例ゲインを上げ、ハンチングしそうな状態では比例ゲインを下げるように、状態に応じた比例ゲインが設定出来るよう、その差を積分器に入力し、該積分器の出力をＰＩＤ調節器の比例ゲインとすることを特徴とする請求項１記載のＰＩＤ調節器を含む閉ループ系のプロセス制御装置。
3. 前記制御ゲイン調整装置の出力でＰＩＤ調節器の比例ゲインが可変ゲインとして設定できる手段が、前記偏差（α−φ^* ）を係数器βに入力し、その出力を不感帯を設けた第１の関数発生器に入力し、その第１の関数発生器２８の出力を乗算器の片方に入力し、他方に第２の関数発生器を通して得られた前記積分器出力を入力して所定の乗算を行なう手段であることを特徴とする請求項１記載のＰＩＤ調節器を含む閉ループ系のプロセス制御装置。

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