JP2010238259A - Pid controller - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積分プロセスを対象としたPID制御装置に関する。 The present invention relates to a PID control device for an integration process.
PID制御に関する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。
Many PID control devices having an auto-tuning function and a self-tuning function related to PID control are provided. FIG. 8 shows a configuration related to the
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。 However, not all of the PID controllers provided in the plant are adjusted using the above-mentioned tuning function, and the PID controller does not necessarily have an auto-tuning or self-tuning function. Most of them are adjusted based on the experience and intuition of the coordinator, because they do not want to give an identification signal and there are many things that can be adjusted without using the tuning function.
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。 As described above, many plant PID controllers are adjusted based on the experience and intuition of the adjuster. Therefore, there is a problem that the adjustment tends to be insufficient if the delay is large such as an integration process. is there. In addition, many controllers having an auto-tuning or self-tuning function give an identification signal to an object to be controlled. In particular, there are many tuning failures in the integration process, and most of them exhibit periodic fluctuations. Therefore, the integration process is identified without giving an identification signal to the controlled object using this periodic fluctuation, and the PID controller Therefore, a PID control device that can eliminate the tuning failure is required. In addition, the plant operator is reluctant to directly change the control parameters of the actual process by the self-tuning function, and there is a demand for confirming the control performance by simulation in advance.
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制御装置を提供することである。 The object of the present invention is to identify an integration process, which tends to be insufficiently tuned, without identifying the process by giving an identification signal to the plant, obtain the optimal PID parameters in advance by simulation, and then tune the actual process. It is to provide a PID control device that can be reflected.
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、制御量および操作量の変動幅とから予め定める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づき、積分プロセスを同定したプロセスモデルとPID制御機能を模擬した制御モデルとを用いてPID制御のシミュレータを構成し、シミュレータに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ときに用いられるPIDパラメータを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。
The present invention is a PID control device that is used for PID control for an integration process, and that can be tuned to optimize the PID parameters.
Calculation that obtains the periodicity of the controlled variable or manipulated variable that exhibits periodic fluctuations from periodic analysis, and calculates the integral characteristics of the process by performing a predetermined algebraic operation from the period and the fluctuation range of the controlled variable and manipulated variable Means,
Based on the integration characteristic calculated by the calculation means, a PID control simulator is configured using a process model that identifies the integration process and a control model that simulates the PID control function, and a test input signal is given to the simulator and its response Tuning means for tuning the PID parameters of the control model so that the waveform is optimal;
And a controller capable of setting a PID parameter used when controlling the integration process based on the PID parameter tuned by the tuning means.
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。 According to the present invention, the PID control device includes a calculation unit, a tuning unit, and a controller, compares the control amount detected from the integration process with the target value, is used for control based on the comparison result, and the PID parameter is It can be tuned to be optimal.
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。 The calculation means analyzes the control amount or the operation amount exhibiting periodic fluctuations to obtain the cycle. As a calculation method, an autocorrelation function of the control amount, a cross-correlation function of the control amount and the manipulated variable may be used, or Fourier analysis or spectrum analysis may be used. The calculation means regards the process as an integrator and calculates an integral gain from the fluctuation range of the control amount and the fluctuation area of the manipulated variable. Therefore, the process model is expressed as a simple integrator, and a parameter expressing the integral characteristic of the process corresponds to the integral gain. The fluctuation area of the manipulated variable is obtained by performing an approximate calculation by calculating the area of a triangle with the period obtained by the calculation means as the base and the fluctuation width of the manipulated variable as the height. The control model uses a PID arithmetic expression of the controller, and a control simulator is configured using the identified process model and control model.
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。 The tuning means performs a simulation on the test input signal and adjusts the PID parameter of the control model so that the response waveform is optimized. As the test input signal, a step signal or an impulse signal is used, and the response waveform is evaluated according to a predetermined evaluation function such as a minimum overshoot area in the step response. In the tuning process, a series of operations such as control simulation, response waveform evaluation, and control model PID parameter adjustment are repeated to obtain an optimum PID parameter.
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、内蔵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。 Optimal PID parameters can be obtained with the tuning means described above, but the response waveform for the test input signal is displayed on the screen so that requirements such as checking the control performance in advance by simulation and fine adjustments utilizing the know-how of the practitioner can be added. And a function that can change the PID parameter of the control model. Further, it is possible to set the control parameter of the controller that controls the integration process based on the PID parameter tuned using the built-in control simulator.
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PID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ルを生成することが可能である。 As described above, according to the present invention, it is possible to optimally tune a PID controller in which the control amount and the operation amount of the integration process exhibit periodic fluctuations. By using the period variation data, it is not necessary to give an identification signal to the actual plant, and there is no possibility that the plant will fluctuate. In addition, since the model structure is simplified by setting the process model as an integrator, and the integral calculation is approximated by the area calculation of the triangle, the process model can be generated quickly.
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。 Furthermore, by providing a control model that simulates the PID control function inside, a control simulator can be configured, and PID tuning by the transient response method that is easy to understand is possible. Since the response waveform is displayed on the display screen, it is possible to confirm the control performance in advance.
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。 In addition, the present invention is equipped with an environment in which the practitioner can finely adjust the PID parameters in the simulation stage in consideration of adjustments according to process requirements that only the plant operator can know. With this function, adjustment know-how can be incorporated in advance, and safer control parameters can be set for the actual plant.
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。 According to the present invention, it is possible to perform PID tuning of liquid level control and pressure control exhibiting periodic fluctuations.
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。
FIG. 1 shows a configuration diagram of a
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17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。
The PID parameter of the
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42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。
The identification method of the integration process of the present invention will be described based on the tank liquid level control model shown in FIG. The
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。 In the process identification, since the process is an integral system, it is necessary to associate the control amount with the integral of the operation amount. In the process of integrating the manipulated variable, it is necessary to obtain the fluctuation period and fluctuation range of the manipulated variable, and the cross-correlation function [Equation 1] is used as one means for obtaining the period. FIG. 4 shows a cross-correlation function between the controlled variable and the manipulated variable in FIG. When the phases overlap, a positive correlation is shown, and when the phase is reversed, a negative correlation is shown. A half period can be obtained from the positive and negative extreme values, and the period is obtained by doubling.
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。 In the example of FIG. 4, the ½ period is 21 minutes, so that one period is 42 minutes. Next, the fluctuation range of the control amount and the operation amount is obtained. As shown in FIG. 5, the time series data is divided into strips at a time slightly longer than one cycle, preferably 1.2 cycles, so that one cycle is included in the divided data. The fluctuation range is obtained from the difference between the maximum value and the minimum value of this data. The variation widths for the divided numbers are averaged to obtain a typical variation width for the control amount and the operation amount. By averaging, random disturbance is removed, and there is an effect that a more accurate fluctuation range is required. In the example of FIG. 5, the liquid level fluctuation range was 6%, and the opening degree change of the control valve was 6%.
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。 Although the control amount and the operation amount include an instrumental delay, they are ignored because they are sufficiently small compared to the process delay, and are considered to have no dead time. Furthermore, the valve opening degree of the control valve, which is the operating end, is also considered to be locally linear within the fluctuation range, and the process model is set as a linear integrator. By setting the process model as an integrator, the number of model parameters to be identified becomes one, and the prospects are good in numerical calculation.
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。 Next, a fluctuation area is calculated from the cycle and fluctuation width of the manipulated variable, and an integral gain that is a model parameter is calculated by comparison with the fluctuation width of the controlled variable. The integral of the manipulated variable is approximately calculated using a triangular area calculation shown in [Equation 2].
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。 From the cycle and fluctuation range of the manipulated variable, the integral value of the manipulated variable with periodic fluctuation was obtained. An integral gain representing the integral characteristic of the process is obtained from the ratio of the integral value of the manipulated variable and the controlled variable [Formula 3]. The residence time of the liquid in the tank is calculated by [Equation 4].
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。 In the example of FIG. 5, the control amount average 35 [%] and the operation amount average 53 [%], and the integral gain and the residence time were obtained as follows.
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。
Therefore, if the process model is expressed by Laplace transform, it is 0.0008 / s. The above is the process model calculation process and the function of the
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。 As the control model, the PID arithmetic expression described in the functional specification of the PID controller is used as it is. The PID arithmetic expression of the embodiment is an expression [Expression 6] called an I-PD expression, and the PID parameters are a proportional band, an integration time, and a derivative time.
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。 Since the most frequently used method in the transient response method is the step response method, the embodiment is also a tuning means based on the step response. In general, it is said that tuning by step response is good when the control amount is 20%, but conservative tuning without overshooting is preferred in an actual plant. In accordance with the tuning method that has been implemented, [Equation 7] that minimizes the overshoot area without overshooting is taken as the evaluation function. An example of a response waveform with respect to a step input is shown in FIG.
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、微分時間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。 Since there are three PID parameters to be adjusted, various adjustment methods are proposed. As an example, consider a method of obtaining an integration time that does not cause periodic fluctuations with a fixed proportional band and a differential time of 0 seconds. For the proportional band, the most conservative value that does not cause the tank to become empty or overflow only by proportional control is calculated from [Equation 8], and this value is used as a fixed value. However, when the value actually set in the PID controller is smaller than the obtained value, it is fixed at the value on the controller side.
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。 Since the differential time is also determined to be 0 seconds, an integration time that does not cause periodic fluctuations is obtained by control simulation. As an initial value of the integration time, twice the residence time is given, and an integration time satisfying the evaluation function of [Equation 7] is obtained. A control simulator is composed of a plant model, a control model, and an evaluator, and a step signal of 3% is given as an input signal. Step response simulation is executed. If the evaluation function value is 0 or less, the integration time value is 0.75 times the current value, and if the evaluation function is greater than 0, the integration time value is 1.25 of the current value. Adjust to double. The step response simulation and the integration time adjustment are repeatedly performed, and the process ends when the evaluation function value becomes positive and close to zero. As described above, an optimum PID parameter having a fast control operation without overshooting has been obtained. A flowchart describing a series of procedures is shown in FIG.
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。
The example of the optimum value in FIG. 6 is a step response waveform in which the initial value of the integration time is set to 1650 seconds, and the proportional band of 66% and the integration time of 656 seconds are obtained by the tuning means. The above is the tuning process, and functions related to the
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。 In FIG. 7, the procedure starts from step s0, and in step s1, as shown in FIG. 3, the periodic component of the controlled variable is extracted. In step s2, as shown in FIG. 4, the period is calculated from the period component. In step s3, as shown in FIG. 5, a simple integration calculation is performed to obtain the residence time and the integral gain. In step s4, a process model is generated based on the integral gain. In step s5, initial setting of PID parameters is performed.
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。 In step s6, a simulation with a step input as shown in FIG. 6 is performed. In step s7, evaluation is performed using transient response characteristics. If the evaluation is not satisfactory, the PID parameter is adjusted in step s8, and the process returns to step s6. The procedure from step s6 to step s8 is repeated until a satisfactory transient response is obtained. Since the evaluation of the transient response can be routinely performed with respect to the step input, the iterative procedure from step s6 to step s8 can be automated.
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。
If a satisfactory evaluation is obtained in step s7, the actual control parameter of the
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。 Next, a fine adjustment function using a control simulator in which the practitioner can change the PID parameter before applying the actual plant will be described. Depending on the process requirements, there are cases where it is desired to make the control operation slightly faster or slower than the control operation obtained by the tuning means. However, general auto-tuning or self-tuning can be finely adjusted only after automatic tuning is applied. Therefore, even if the PID parameter obtained by the tuning means is optimal in terms of control, it does not meet the requirements of the process, or even if it is optimally tuned, there is a risk that improper fine adjustment will be performed later. is there. In consideration of this point, the present invention enables a fine adjustment in advance without affecting the process by using a control simulator. Based on the parameters changed by the practitioner, a control simulation is executed, and the step response waveform is displayed on the display screen to facilitate understanding. The practitioner can evaluate the response waveform and evaluate it, and if a satisfactory result is obtained, it can be set as a control parameter of the PID controller.
本発明は、以下の実施の形態が可能である。
(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。
The following embodiments are possible for the present invention.
(1) A PID control device that is used for PID control for an integration process and that can be tuned so as to optimize the PID parameters.
A calculation means that calculates the period of a controlled variable or manipulated variable that exhibits periodic fluctuations from cycle analysis, and calculates the integral characteristics of the process by performing simple algebraic calculation from the period and the fluctuation range of the controlled variable and manipulated variable When,
Based on the integral characteristic calculated by the calculation means, a PID control simulator is configured using a modeled process model and a control model simulating a PID control function, and a test input signal is given and the response waveform is optimal. Tuning means for tuning the PID parameter of the control model so that
And a controller capable of setting a control parameter for controlling the integration process based on the PID parameter tuned by the tuning means.
(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。
(2) A method of tuning a PID control device for an integration process so that PID parameters are optimized,
The periodicity of the controlled variable or manipulated variable that exhibits periodic fluctuations is obtained from periodic analysis, and a simple algebraic operation is performed from the period and the fluctuation range of the controlled variable and manipulated variable to calculate the integral characteristics of the process.
Based on the calculated integral characteristics, a PID control simulator is configured using a modeled process model and a control model simulating a PID control function, and a test input signal is given so that the response waveform is optimized. Tune and
A tuning method for a PID control device, wherein a control parameter of a PID controller is adjusted based on a PID parameter obtained by tuning.
(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PID制御装置のチューニング方法。
(3) The PID control simulator can change the PID parameter of the obtained control model,
A tuning method for a PID control device, characterized in that a simulation based on a changed parameter is performed, and an environment is provided in which fine adjustment according to process requirements can be considered in the simulation stage.
(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PID制御装置のチューニング方法。 (4) In the process of integrating the operation amount in the generation of the plant model based on the periodic analysis result, the integral operation is approximately calculated by the area calculation of a triangle having the period as the base and the fluctuation amount of the operation amount as the height. A characteristic tuning method for a PID control device.
(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PID制御装置のチューニング方法。 (5) The PID control device tuning method, wherein the integration process is intended for at least one of liquid level control and pressure control.
1 PID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
11 PID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
DESCRIPTION OF
Claims (4)
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、制御量および操作量の変動幅とから予め定める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づき、積分プロセスを同定したプロセスモデルとPID制御機能を模擬した制御モデルとを用いてPID制御のシミュレータを構成し、シミュレータに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ときに用いられるPIDパラメータを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。 A PID control device that is used for PID control for an integration process and that can be tuned to optimize PID parameters,
Calculation that obtains the periodicity of the controlled variable or manipulated variable that exhibits periodic fluctuations from periodic analysis, and calculates the integral characteristics of the process by performing a predetermined algebraic operation from the period and the fluctuation range of the controlled variable and manipulated variable Means,
Based on the integration characteristic calculated by the calculation means, a PID control simulator is configured using a process model that identifies the integration process and a control model that simulates the PID control function, and a test input signal is given to the simulator and its response Tuning means for tuning the PID parameters of the control model so that the waveform is optimal;
And a controller capable of setting a PID parameter used when controlling the integration process based on the PID parameter tuned by the tuning means.
変更したPIDパラメータに基づくシミュレーションをシミュレータによって実施し、表示手段に表示される応答波形を確認して、チューニングによって得られたPIDパラメータの調整を行うことを特徴とする請求項1記載のPID制御装置。 The PID control simulator can change the PID parameter of the obtained control model,
2. The PID control apparatus according to claim 1, wherein a simulation based on the changed PID parameter is performed by a simulator, the response waveform displayed on the display means is confirmed, and the PID parameter obtained by tuning is adjusted. .
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