JP2010266967A - Device and program for adjustment of pid - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、制御対象を閉ループにて制御するPID調節器のPIDパラメータを求めるPID調整装置等に関する。 The present invention relates to a PID adjusting device for obtaining a PID parameter of a PID adjuster that controls a controlled object in a closed loop.
PID(Proportional Integral Derivate)制御は、石油、化学、鉄鋼、紙パルプ、水環境等のいわゆるプロセス産業における制御方式において、90%以上を占めるといわれている基盤的制御技術であり、PID制御は、実用上不可欠な制御方式となっている。従来、制御対象の同定方法とその同定方法から得られたモデルである伝達関数をもとにPID調節器の制御パラメータを決定するPID調節器の調整方法、調整に用いるプログラムおよびPID調節装置に関しては、シミュレーションにより試行錯誤的に実施する方法が提案されてきた(特許文献1参照)。特許文献1に記載されているように、制御器シミュレーション部は作業者との対話処理に従って制御パラメータ(PIDパラメータ)の値を設定し、作業者は当該PIDパラメータが適切なものである場合、制御器シミュレーション部へシミュレーションの終了指示を発行していた。
PID (Proportional Integral Derivate) control is a fundamental control technology that is said to occupy over 90% in so-called process industries such as petroleum, chemical, steel, paper pulp, and water environment. It is an indispensable control method for practical use. Conventionally, regarding a method for identifying a control object, a method for adjusting a PID regulator that determines a control parameter of the PID regulator based on a transfer function that is a model obtained from the identification method, a program used for adjustment, and a PID regulator A method of performing trial and error by simulation has been proposed (see Patent Document 1). As described in
上述のように、シミュレーションにより試行錯誤的にPIDパラメータを調整する場合、作業者は制御対象に関する経験・ノウハウを必要とする。このため、PID調節器の調整方法およびPID調節装置等に関して、シミュレーションにより試行錯誤的に実施する方法は広く現場のエンジニアに普及させるには困難であるという問題があった。さらに、シミュレーションにより試行錯誤的に実施する方法は、調整労力と時間とを極めて要するという問題があった。 As described above, when adjusting the PID parameters by trial and error by simulation, the operator needs experience and know-how regarding the controlled object. For this reason, there has been a problem that the method of performing the trial and error by simulation with respect to the adjustment method of the PID controller and the PID adjustment device is difficult to spread widely to engineers in the field. Furthermore, the method of performing trial and error by simulation has a problem that adjustment labor and time are extremely required.
そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、PID調節器の調整方法およびPID調節装置等に関して、広く現場のエンジニアに普及させることが可能であり、且つ調整労力と時間とを著しく短縮することができるPID調整装置等を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to solve the above problems, and it is possible to widely disseminate the adjustment method of the PID adjuster, the PID adjuster and the like to engineers on the site, and the adjustment effort. It is an object of the present invention to provide a PID adjusting device and the like that can significantly reduce the time.
この発明のPID調整装置は、制御対象を閉ループにて制御するPID調節器のPIDパラメータを求めるPID調整装置であって、記録部に記録された制御対象に入力する操作量の時系列データと該操作量に応じて制御対象から出力される制御量の時系列データとに基づき、制御対象を表現する複数の伝達関数のパラメータを求める伝達関数パラメータ取得手段と、前記伝達関数パラメータ取得手段により求められたパラメータを有する各伝達関数が出力した推定制御量と実際の制御量との適合性を求める適合性取得手段と、前記適合性取得手段により求められた適合性に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択する又は選択させる最良伝達関数選択手段と、前記最良伝達関数選択手段により選択された又は選択させた伝達関数を対象として、設定値応答及び外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標を満たすべくPID調節器のPIDパラメータを探索する最適PIDパラメータ探索手段とを備えたことを特徴とする。 A PID adjusting device according to the present invention is a PID adjusting device that obtains a PID parameter of a PID adjuster that controls a controlled object in a closed loop, the time series data of the operation amount input to the controlled object recorded in a recording unit, and the PID adjusting device Based on time series data of the controlled variable output from the controlled object according to the manipulated variable, transfer function parameter acquiring means for determining a plurality of transfer function parameters representing the controlled object, and obtained by the transfer function parameter acquiring means A fitness acquisition means for determining the compatibility between the estimated control amount output by each transfer function having the parameters and the actual control amount, and the best compatibility based on the compatibility obtained by the compatibility acquisition means. The best transfer function selection means for selecting or selecting a transfer function is paired with the transfer function selected or selected by the best transfer function selection means. As, characterized in that a optimum PID parameter search means for searching the PID parameters of the PID controller to meet the evaluation index determined in advance from results of the set value response and disturbance response.
ここで、この発明のPID調整装置において、前記最適PIDパラメータ探索手段が用いる設定値応答及び外乱応答の結果は、制御量に白色ノイズを注入した状態の設定値応答及び外乱応答の結果とすることができる。 Here, in the PID adjusting device of the present invention, the result of the set value response and the disturbance response used by the optimum PID parameter search means is the result of the set value response and the disturbance response in a state where white noise is injected into the control amount. Can do.
ここで、この発明のPID調整装置において、前記最適PIDパラメータ探索手段が用いる評価指標は、制御量とステップ状の設定値との差の2乗を時間で積分した指標とすることができる。 Here, in the PID adjustment apparatus of the present invention, the evaluation index used by the optimum PID parameter search means can be an index obtained by integrating the square of the difference between the control amount and the step-like set value with time.
ここで、この発明のPID調整装置において、前記適合性取得手段が用いる適合性は、推定制御量、実際の制御量及び実際の制御量の平均値に基づく所定の適合率とすることができる。 Here, in the PID adjustment apparatus of the present invention, the suitability used by the suitability acquisition unit can be a predetermined suitability ratio based on an estimated control amount, an actual control amount, and an average value of the actual control amounts.
この発明のPID調整プログラムは、制御対象を閉ループにて制御するPID調節器のPIDパラメータを求めるPID調整プログラムであって、PID調整御プログラムを実行するPID調整装置のコンピュータに、記録部に記録された制御対象に入力する操作量の時系列データと該操作量に応じて制御対象から出力される制御量の時系列データとに基づき、制御対象を表現する複数の伝達関数のパラメータを求める伝達関数パラメータ取得ステップ、前記伝達関数パラメータ取得ステップで求められたパラメータを有する各伝達関数が出力した推定制御量と実際の制御量との適合性を求める適合性取得ステップ、前記適合性取得ステップで求められた適合性に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択する又は選択させる最良伝達関数選択ステップ、前記最良伝達関数選択ステップで選択された又は選択させた伝達関数を対象として、設定値応答及び外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標を満たすべくPID調節器のPIDパラメータを探索する最適PIDパラメータ探索ステップを実行させるためのPID調整プログラムである。 The PID adjustment program according to the present invention is a PID adjustment program for obtaining a PID parameter of a PID adjuster that controls a controlled object in a closed loop, and is recorded in a recording unit in a computer of the PID adjustment apparatus that executes the PID adjustment control program. A transfer function for obtaining parameters of a plurality of transfer functions expressing the control object based on the time series data of the operation amount input to the control object and the time series data of the control amount output from the control object according to the operation amount A parameter obtaining step, a suitability obtaining step for obtaining suitability between an estimated control amount output by each transfer function having the parameters obtained in the transfer function parameter obtaining step and an actual control amount, and obtained in the suitability obtaining step. The best transfer function that selects or selects the transfer function with the best fit based on the best fit Searching for the PID parameter of the PID controller to satisfy the evaluation index determined in advance from the result of the set value response and the disturbance response for the transfer function selected or selected in the selection step and the best transfer function selection step It is a PID adjustment program for executing the optimal PID parameter search step.
ここで、この発明のPID調整プログラムにおいて、前記最適PIDパラメータ探索ステップで用いる設定値応答及び外乱応答の結果は、制御量に白色ノイズを注入した状態の設定値応答及び外乱応答の結果とすることができる。 Here, in the PID adjustment program of the present invention, the result of the set value response and the disturbance response used in the optimum PID parameter search step is the result of the set value response and the disturbance response in a state where white noise is injected into the control amount. Can do.
本発明のPID調整装置等によれば、PID調整装置の最適PIDパラメータ探索部が、最良伝達関数選択部により選択されたまたは選択させた伝達関数を対象として、設定値SVに対する設定値応答および外乱dに対する外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標を満たすように、PID調節器のPIDパラメータを探索することができる。この結果、作業者が制御対象に関する経験・ノウハウに基づき、PIDパラメータの決定を試行錯誤的に行う必要がなくなるため、PID調節器の調整方法およびPID調節装置等に関して、広く現場のエンジニアに普及させることが可能となり、加えて調整労力と時間とを著しく短縮することができるという効果がある。 According to the PID adjustment device or the like of the present invention, the optimum PID parameter search unit of the PID adjustment device targets the transfer function selected or selected by the best transfer function selection unit, and the set value response and disturbance to the set value SV. The PID parameter of the PID adjuster can be searched so as to satisfy a predetermined evaluation index from the result of the disturbance response to d. As a result, it is not necessary for the operator to determine the PID parameters based on experience and know-how related to the control target, so that the PID controller adjustment method, PID adjustment device, and the like are widely disseminated to on-site engineers. In addition, the adjustment labor and time can be remarkably shortened.
以下、各実施例について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, each embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例1におけるPID調整装置を示す。図1において、符号10は制御対象、20は制御対象10を閉ループにて制御するPID調節器、30はPID調節器20のPIDパラメータを求めるPID調整装置である。図1に示されるように、PID調節器20から制御対象10へ操作量MVが入力され、当該操作量MVと外乱dとに応じて制御対象10から制御量PVが出力される。PID調整装置30は、図1に示されるように、伝達関数パラメータ取得部(伝達関数パラメータ取得手段)32、適合性取得部(適合性取得手段)34、最良伝達関数選択部(最良伝達関数選択手段)36および最適PIDパラメータ探索部(最適PIDパラメータ探索手段)38の各機能を有している。以下、図1および他の図面を適宜参照しながら説明する。
FIG. 1 shows a PID adjustment apparatus according to
図1に示されるように、伝達関数パラメータ取得部32は、記録部(後述するディスク等の記録装置48)に記録された制御対象10に入力する操作量MVの時系列データ(点線で示される方のMV)とこの操作量MVに応じて制御対象10から出力される制御量PVの時系列データ(点線で示される方のPV)とに基づき、制御対象10を表現する複数の伝達関数のパラメータを求める。
As shown in FIG. 1, the transfer function
図2は、伝達関数パラメータ取得部32の構成を示す。図2において、符号11ないし17はオフラインにて予め構造を決めておいた制御対象10を表現する複数の伝達関数である。図2に示されるように、伝達関数11は一次系(または一次おくれ要素)+むだ時間(またはむだ時間要素)、伝達関数12は二次系(または二次おくれ要素)+むだ時間、伝達関数13は一次系+積分系(積分要素)+むだ時間、伝達関数14は二次系+積分系、伝達関数15は二次系(振動系:二次おくれ要素の減衰係数ζが0<ζ<1であり、ステップ応答が振動的)+むだ時間、伝達関数16は積分系+むだ時間、伝達関数17は非最小位相系である。以上のように、図2では7種類の伝達関数11ないし17の例を示したが、他の伝達関数を用いてもよいことは勿論である。伝達関数パラメータ取得部32は、操作量MVの時系列データと操作量MVに応じて制御対象10から出力される制御量PVの時系列データとから、各伝達関数11ないし17のパラメータである、ゲイン定数G*、時定数T*、T1 *、T2 *、T3 *、むだ時間L*、減衰係数ζ*、固有角周波数ω*を求める。これらの各伝達関数11ないし17のパラメータは、以下の式1で示される目的関数Jの最小値を求めることにより得ることができる。
FIG. 2 shows the configuration of the transfer function
ここで、PV*は推定された制御量である。式1は(無制約)非線形最適化問題となるため、例えばニュートン法、準ニュートン法、最急降下法等を適用することにより式1の最小値Jを求めることができる。
Here, PV * is an estimated control amount. Since
図1に示されるように、適合性取得部34は、伝達関数パラメータ取得部32により求められたパラメータを有する各伝達関数が出力した推定制御量(点線で示されるPV*)と実際の制御量(点線で示される方のPV)との適合性を求める。伝達関数パラメータ取得部32により求められたk番目の推定制御量をPV*(k)、k番目の実際の制御量をPV(k)、制御量PV(k)の平均値を、
As shown in FIG. 1, the
とすると、適合性は、以下の式2で表される適合率FIT(%)により求めることができる。
Then, the conformity can be obtained from the conformity rate FIT (%) expressed by the following
ここで、Nは時系列データのデータ数を表す。本明細書では、推定制御量PV*と実際の制御量PVとの2つのデータ比較に上記適合率FIT(%)を採用した。しかし、適合率FIT(%)の代わりに2つのデータの相関を用いることも可能である。 Here, N represents the number of data of time series data. In the present specification, the precision FIT (%) is used for comparing two data of the estimated control amount PV * and the actual control amount PV. However, it is also possible to use the correlation of two data instead of the precision FIT (%).
図1に示されるように、最良伝達関数選択部36は、適合性取得部34により求められた適合性FIT(%)(点線で示されるFIT)に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択するまたは選択させる。図3は、最良伝達関数選択部36が適合性FIT(%)に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択するまたは選択させる状態を示す。図3で図2と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図3に表形式で、伝達関数欄、適合率欄および選択欄と、各伝達関数11ないし17とが示されている。上記選択するまたは選択させる状態は、当該表形式により後述するディスプレイ等の表示装置44に表示することができる。最良伝達関数選択部36は、図3に示すように、各伝達関数11等に対して計算された適合率FIT(%)を各伝達関数欄に対応する適合率欄に表示し、最も適合率FIT(%)が良い伝達関数を選択欄にチェック等を表示することにより選択する。図3では、伝達関数11を選択した状態が表示されている。選択は最良伝達関数選択部36が適合率FIT(%)の値により自動的に選択するが、手動にて任意の伝達関数11等を選択することも可能である。この場合、後述するマウス等の入力操作部51を用いて選択欄中の所望の矩形をクリックすることにより選択することができる。
As shown in FIG. 1, the best transfer
図1に示されるように、最適PIDパラメータ探索部38は、最良伝達関数選択部36により選択されたまたは選択させた伝達関数11等(点線で示される11等)を対象として、設定値(後述するSV)に対する設定値応答および外乱(後述するd)に対する外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標を満たすように、PID調節器20のPIDパラメータを探索する。
As shown in FIG. 1, the optimum PID
図4は、最適PIDパラメータ探索部38の機能を説明するための図である。図4で図1と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図4に示されるように、初めに設定値SVにステップ状の信号を入力し、ステップ応答が収束した後、外乱dにステップ上の信号を入力し、出力である制御量PVから評価指標を計算する。図5は、図4で説明した設定値SV、外乱dおよび制御量PVのタイムチャートを示す。図5(A)は設定値SV、図5(B)は外乱d、図5(C)は制御量PV、横軸はいずれも時間であり、時間tdは操作量MVに外乱dが加えられた時間を示す。図4に示される評価指標の計算では、以下の式3で表されるISE(Integral of Squared Error)を用いて評価指標を計算する。
FIG. 4 is a diagram for explaining the function of the optimum PID
ここで、e(t)=PV−SVである。即ち、評価指標は制御量PVとステップ状の設定値SVとの差の2乗を時間で0から無限大まで積分した指標である。図5では、e(t)につき、制御量PVの立ち上がり時間の部分と外乱応答が加えられた部分とを示してある。評価指標である式3は、例えば、パーティクル・スォーム・オプティマイゼイション(Particle Swarm Optimization:PSO)等の探索手法により、PID調節器20のパラメータである、比例ゲインKP、積分時間Ti、微分時間TDを求めることができる。
Here, e (t) = PV-SV. That is, the evaluation index is an index obtained by integrating the square of the difference between the control amount PV and the step-like set value SV from 0 to infinity over time. FIG. 5 shows a rise time portion of the control amount PV and a portion to which a disturbance response is added for e (t). Equation 3, which is an evaluation index, is, for example, a proportional gain K P , integration time T i , differentiation, which is a parameter of the
PSOは、簡単化した社会モデルのシミュレーションを通して開発されたモダン・ヒューリスティック(Modern heuristic : MH)手法の1つであり、鳥の群れの動きを連続変数の2次元空間で表現することを通して開発された。 PSO is one of the modern heuristic (MH) methods developed through the simulation of a simplified social model, and was developed through expressing the movement of a flock of birds in a two-dimensional space of continuous variables. .
PSOについては、J.Kennedy and R.Eberhartによる“Partic1e Swarm Optimization”(Proc. of IEEE International Conference on Neural Networks, Vol. IV,pp.1942-1948, Perth, Australia, 1995.)または吉田・福山他による「電圧信頼度を考慮したParticle Swarm Optimizationによる電圧無効電力制御方式の検討」(電気学会論文誌B, 119巻12号, 1999年12月)、特開2000−116003「電圧無効電力制御方法」、特開2002−51464「配電系統における状態推定法」等を参照されたい。 Regarding PSO, “Partic1e Swarm Optimization” by J. Kennedy and R. Eberhart (Proc. Of IEEE International Conference on Neural Networks, Vol. IV, pp.1942-1948, Perth, Australia, 1995.), Yoshida, Fukuyama, etc. "Study of Voltage Reactive Power Control Method by Particle Swarm Optimization Considering Voltage Reliability" (The Institute of Electrical Engineers of Japan B, Vol.119, No.12, December 1999), JP 2000-11603 "Voltage Reactive Power Control Method" JP 2002-51464 “State estimation method in distribution system” and the like.
PSOでは、各エージェント(PSOでは、群れの個々をエージェントと呼ぶ。)の位置(状態量)をx、y座標で表し、各エージェントの速度をvx(x方向の速度)、vy(y方向の速度)で表現する。各エージェントの位置および速度の情報から、次時点における各エージェントの位置を更新することができる。 In PSO, the position (state quantity) of each agent (in PSO, each group is called an agent) is represented by x and y coordinates, and the velocity of each agent is represented by vx (velocity in x direction) and vy (in y direction). (Speed). From the position and speed information of each agent, the position of each agent at the next time point can be updated.
上記エージェントの概念に基づき、鳥の群れ全体が何らかの目的関数を最適化するような行動をとると考えると、以下のような最適化が考えられる。即ち、各エージェントは、各々の探索における目的関数の従前における最も評価の高い最良値pbestと、その時の位置(状態量)を示すx、y座標とを覚えている。各エージェントは、各エージェントが保有する最良値pbestの集団の中で最も評価の高い値、即ち、当該集団の従前の目的関数の最良値gbestを共有している。各エージェントは、現在の位置(x、y座標)および現在の速度(vx、vy)を持っている。各エージェントは、現在の位置(x、y座標)および速度(vx、vy)と、最良値pbest、gbestとの間の距離に応じて、最良値pbest、gbestの存在する位置へ進むように方向を変更しようとする。 Based on the above-mentioned agent concept, the following optimization can be considered if the whole flock of birds takes an action that optimizes some objective function. That is, each agent remembers the best value pbest with the highest evaluation before the objective function in each search and the x and y coordinates indicating the position (state quantity) at that time. Each agent shares the highest value among the group of best values pbest held by each agent, that is, the best value gbest of the previous objective function of the group. Each agent has a current position (x, y coordinates) and a current velocity (vx, vy). Each agent moves to the position where the best values pbest and gbest exist according to the distance between the current position (x and y coordinates) and velocity (vx and vy) and the best values pbest and gbest. Try to change.
上記変更しようとする行動は速度で表現される。各エージェントの速度は、現在の速度と最良値pbest、gbestとを用いて、式4のように修正することができる。 The action to be changed is expressed by speed. The speed of each agent can be corrected as shown in Equation 4 using the current speed and the best values pbest and gbest.
Vi k+1=w×Vi k+c1×rand()×(pbesti−si k)
+c2×rand()×(gbesti−si k) (4)
V i k + 1 = w × V i k + c 1 × rand () × (pbest i −s i k )
+ C 2 × rand () × (gbest i −s i k ) (4)
但し、Vi kは、エージェントiの速度、rand()は、0〜1までの一様乱数、sikは、エージェントiの探索k回目の位置(探索点)、pbestiは、エージェントiの最良値p b e s t、wはエージェント速度に対する重み関数、c1、c2は、各項に対する重み係数である。 Where V i k is the speed of agent i, rand () is a uniform random number from 0 to 1, s i k is the position (search point) of agent i in search k, and pbest i is agent i best value pbest, w is the weighting function for the agent velocity, c 1, c 2 are weighting coefficients for each term.
上記式4を用いることにより、各エージェントiの従前の最良値pbestiおよび集団の最良値gbestに確率的に近づくような速度Vi k+1を求めることができ、速度Vi k+1により、各エージェントiの現在の位置(探索点)si kを式5のように修正することができる。 By using the above equation 4, it is possible to obtain a speed V i k + 1 that probabilistically approaches the previous best value pbest i of each agent i and the best value gbest of the group, and each agent i is determined by the speed V i k + 1. The current position (search point) s i k can be corrected as shown in Equation 5.
si k+1=si k+Vi k+1 (5) s i k + 1 = s i k + V i k + 1 (5)
具休的には、PSOのエージェントの状態変数は、PIDパラメータである比例ゲインKP、積分時間Ti、微分時間TDとする。 In practice, the state variables of the PSO agent are the proportional gain K P , the integration time T i , and the differentiation time T D which are PID parameters.
次に、エージェントの初期値として、エージェントの位置siおよび速度viを設定する。なお、エージェントの数iは事前に設定しておく。 Next, the agent position s i and the velocity v i are set as initial values of the agent. Note that the number i of agents is set in advance.
続いて、式4および式5の計算を繰り返すことにより、最適解を探索する。ここで、繰り返し回数kは事前に設定しておく。最適解を探索する際に、繰返しの各ステップ毎に、各エージェントiの評価と、各探索点の最良値pbestiおよび集団の最良値gbestの更新を行う。 Subsequently, the optimum solution is searched by repeating the calculations of Equations 4 and 5. Here, the number of repetitions k is set in advance. When searching for the optimum solution, the evaluation of each agent i and the update of the best value pbest i of each search point and the best value gbest of the group are performed at each step of the iteration.
ここで、各エージェントiの評価は、以下の手順で行うことができる。まず、エージェントiの状態変数siを、PIDパラメータである比例ゲインKP、積分時間Ti、微分時間TDに設定する、次に、設定値SVに対する設定値応答および外乱dに対する外乱応答の結果から、評価指標(式3)を評価する。すべてのエージェントの評価結果に基づいて、各探索点の最良値pbestiおよび集団の最良値gbestを決定する。指定された繰り返し回数kが終了した後、集団の最良値gbestの状態量をPIDパラメータである比例ゲインKP、積分時間Ti、微分時間TDとしたものを、最適なPIDパラメータとする。以上により、PID調節器20の最適なPIDパラメータを求めることができる。
Here, the evaluation of each agent i can be performed by the following procedure. First, the state variable s i of agent i, proportional gain K P is a PID parameter, integral time T i, set the derivative time T D, then the disturbance response to setpoint response and the disturbance d for the set value SV From the result, the evaluation index (Formula 3) is evaluated. Based on the evaluation results of all agents, the best value pbest i of each search point and the best value gbest of the group are determined. After the designated number of repetitions k has ended, the optimal PID parameter is obtained by setting the state quantity of the best value gbest of the group as a proportional gain K P , integration time T i , and differentiation time T D as PID parameters. As described above, the optimum PID parameter of the
図1に示されるPID調整装置30の伝達関数パラメータ取得部32等の各機能は、ソフトウェアまたはハードウェアを一部または全部に用いて実現することができる。図6は、PID調整装置30の各機能をすべてソフトウェアにより実現した場合の処理の流れをフローチャートで示す。ソフトウェアまたはハードウェアを一部または全部に用いて実現した場合も同様のフローチャートにより説明することができる。
Each function of the transfer function
図6に示されるように、制御対象10を閉ループにて制御するPID調節器20のPIDパラメータを求めるPID調整プログラムは、当該PID調整御プログラムを実行するPID調整装置のコンピュータ(後述するCPU41)に、以下の各ステップを実行させる。まず、記録部(後述する記録装置48等)に記録された制御対象10に入力する操作量MVの時系列データと操作量MVに応じて制御対象10から出力される制御量PVの時系列データとに基づき、制御対象10を表現する複数の伝達関数11等のパラメータを求める(伝達関数パラメータ取得ステップ。ステップS10)。次に、伝達関数パラメータ取得ステップ(ステップS10)で求められたパラメータを有する各伝達関数11等が出力した推定制御量PV*と実際の制御量PVとの適合性(適合率FIT(%))を求める(適合性取得ステップ。ステップS12)。続いて、適合性取得ステップ(ステップS12)で求められた適合性に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択するまたは選択させる(最良伝達関数選択ステップ。ステップS14)。最後に、最良伝達関数選択ステップ(ステップS14)で選択されたまたは選択させた伝達関数を対象として、設定値SVに対する設定応答および外乱dに対する外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標(式3)を満たすように、PID調節器20のPIDパラメータを探索する(最適PIDパラメータ探索ステップ。ステップS16)。
As shown in FIG. 6, the PID adjustment program for obtaining the PID parameter of the
以上より、本発明の実施例1によれば、PID調整装置30は、伝達関数パラメータ取得部32、適合性取得部34、最良伝達関数選択部36および最適PIDパラメータ探索部38の各機能を有している。伝達関数パラメータ取得部32は、記録部(後述する記録装置48等)に記録された制御対象10に入力する操作量MVの時系列データとこの操作量MVに応じて制御対象10から出力される制御量PVの時系列データとに基づき、制御対象10を表現する複数の伝達関数のパラメータ(ゲイン定数G*、時定数T*、T1 *、T2 *、T3 *、むだ時間L*、減衰係数ζ*、固有角周波数ω*)を求める。伝達関数は、オフラインにて予め構造を決めておいた制御対象10を表現する複数(例えば図2に示される7つの伝達関数11等)を用いることが好適であるが、これらの伝達関数11等に限定されるものではない。各伝達関数11ないし17のパラメータは、式1で示される目的関数Jの最小値を求めることにより得ることができる。適合性取得部34は、伝達関数パラメータ取得部32により求められたパラメータを有する各伝達関数が出力した推定制御量(点線で示されるPV*)と実際の制御量(点線で示される方のPV)との適合性を求める。適合性は、式2で表される適合率FIT(%)により求めることができる。適合率FIT(%)の代わりに2つのデータの相関を用いることも可能である。最良伝達関数選択部36は、適合性取得部34により求められた適合性FIT(%)に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択するまたは選択させる。上記選択するまたは選択させる状態は後述するディスプレイ等の表示装置44に表示することができる。選択は最良伝達関数選択部36が適合率FIT(%)の値により自動的に選択するが、手動にて任意の伝達関数11等を選択することも可能である。最適PIDパラメータ探索部38は、最良伝達関数選択部36により選択されたまたは選択させた伝達関数11等を対象として、設定値SVに対する設定値応答および外乱dに対する外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標を満たすように、PID調節器20のPIDパラメータを探索する。評価指標の計算は、式3で表されるISEを用いて行うことができる。評価指標である式3は、例えば、PSO等の探索手法を有する探索手段により、PID調節器20のパラメータである、比例ゲインKP、積分時間Ti、微分時間TDを求めることができる。
As described above, according to the first embodiment of the present invention, the
以上のように本発明の実施例1によれば、PID調整装置30の最適PIDパラメータ探索部38が、最良伝達関数選択部36により選択されたまたは選択させた伝達関数11等を対象として、設定値SVに対する設定値応答および外乱dに対する外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標を満たすように、PID調節器20のPIDパラメータを探索することができる。この結果、作業者が制御対象10に関する経験・ノウハウに基づき、PIDパラメータの決定を試行錯誤的に行う必要がなくなるため、PID調節器の調整方法およびPID調節装置等に関して、広く現場のエンジニアに普及させることが可能となり、加えて調整労力と時間とを著しく短縮することができる。
As described above, according to the first embodiment of the present invention, the optimum PID
図7は、本発明の実施例2におけるPID調整装置を示す。図7で図1と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。実施例2が実施例1と異なる点は、図7に示されるように、制御量PVに白色ノイズw(上記式4の重み関数とは異なる。)が注入した状態となっている点にある。
FIG. 7 shows a PID adjustment apparatus according to
図8は、実施例2における最適PIDパラメータ探索部38の機能を説明するための図である。図8で図7と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図8に示されるように、制御量PVに白色ノイズwを注入した状態で、初めに設定値SVにステップ状の信号を入力し、ステップ応答が収束した後、外乱dにステップ上の信号を入力し、出力である制御量PVから評価指標を計算する。図9は、図8で説明した設定値SV、外乱dおよび制御量PVのタイムチャートを示す。図9(A)は設定値SV、図9(B)は外乱d、図9(C)は制御量PV、横軸はいずれも時間であり、時間tdは操作量MVに外乱dが加えられた(+)時間を示す。図9(C)に示されるように、制御量PVに白色ノイズwが注入された状態がわかる。制御量PVに白色ノイズwを注入することで、PIDパラメータのハイゲイン化(最適PIDパラメータのゲインが大きくなる現象)を防ぐことができる。以上のように、実施例2では、PID調整装置30の最適PIDパラメータ探索部38が用いる設定値SVに対する設定値応答および外乱dに対する外乱応答の結果は、制御量PVに白色ノイズwを注入した状態の設定値応答および外乱応答の結果である。最適PIDパラメータ探索部38は、制御量PVに白色ノイズwを注入した状態の設定値応答および外乱応答の結果から、予め決めておいた評価指標を満たすように、PID調節器20のパラメータを探索する。図8に示される評価指標の計算では、実施例1と同様に、式3で表されるISEを用いて評価指標を計算する。図9では、実施例1と同様に、e(t)につき、制御量PVの立ち上がり時間の部分と外乱応答が加えられた部分とを示してある。評価指標である式3は、実施例1と同様に、PSO等の探索手法により、PID調節器20のパラメータである、比例ゲインKP、積分時間Ti、微分時間TDを求めることができる。
FIG. 8 is a diagram for explaining the function of the optimum PID
実施例2におけるPID調整装置30の他の機能については実施例1と同様であるため、説明は省略する。PID調整装置30の各機能は、実施例1と同様に、ソフトウェアまたはハードウェアを一部または全部に用いて実現することができる。PID調整プログラムの機能についても、最適PIDパラメータ探索ステップ(ステップS16)で用いる設定値応答および外乱応答の結果は、制御量PVに白色ノイズwを注入した状態の設定値応答および外乱応答の結果である点を除き実施例1と同様であるため、説明は省略する。
Since the other functions of the
以上より、本発明の実施例2によれば、制御量PVに白色ノイズwを注入した状態で、初めに設定値SVにステップ状の信号を入力し、ステップ応答が収束した後、外乱dにステップ上の信号を入力し、出力である制御量PVから評価指標を計算する。最適PIDパラメータ探索部38は、制御量PVに白色ノイズwを注入した状態の設定値応答および外乱応答の結果から、予め決めておいた評価指標を満たすように、PID調節器20のパラメータを探索する。以上により、実施例1の効果に加えて、制御量PVに白色ノイズwを注入することで、PIDパラメータのハイゲイン化(最適PIDパラメータのゲインが大きくなる現象)を防ぐことができるという効果を得ることができる。
As described above, according to the second embodiment of the present invention, in the state where the white noise w is injected into the control amount PV, a step-like signal is first input to the set value SV, and after the step response has converged, the disturbance d A signal on the step is input, and an evaluation index is calculated from the control amount PV that is an output. The optimum PID
上述したように、本発明のPID調整装置30は全体をハードウェアとして実現することもでき、あるいは一部または全体をソフトウェアとして実現することも可能である。図10は、本発明のPID調整プログラムを実行するPID調整装置30内のコンピュータの内部回路40を示すブロック図である。図10に示されるように、CPU41、ROM42、RAM43、画像制御部46、コントローラ47、入力制御部50および外部I/F部52はバス53に接続されている。図10において、上述の本発明のPID調整プログラムは、ROM42、ディスク48またはDVD若しくはCD−ROM49等の記録媒体(脱着可能な記録媒体を含む。)に記録されている。ディスク48(記録部)には、伝達関数パラメータ取得部32が用いる操作量MVの時系列データファイル61および制御量の時系列データファイル62等を記録しておくことができる。これらの時系列データファイル61等はDVD若しくはCD−ROM49等の記録媒体49に記録されていてもよい。伝達関数パラメータ取得部32が求めた複数の伝達関数のパラメータ、適合性取得部34が求めた適合率FIT(%)、最良伝達関数選択部36が選択したまたは選択させた伝達関数等は一時的にRAM43に記録しておくことができる。PID調整プログラムは、ROM42からバス53を介し、あるいはディスク48またはDVD若しくはCD−ROM49等の記録媒体からコントローラ47を経由してバス53を介しRAM43へロードされる。画像制御部46は、所望の画像データ、例えば図3に示される最良伝達関数選択部36が適合性FIT(%)に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択するまたは選択させる状態を示す画像データをVRAM45へ送出する。ディスプレイ等の表示装置44はVRAM45から送出された上記画像データ等を表示する。VRAM45は表示装置44の一画面分のデータ容量に相当する容量を有している画像メモリである。入力操作部51はコンピュータに入力を行うためのマウス、テンキー等の入力装置であり、入力制御部50は入力操作部51と接続され入力制御等を行う。外部I/F部52はコンピュータの外部と接続する際のインタフェース機能を有している。
As described above, the
上述のようにCPU41が本発明のPID調整プログラムを実行することにより、本発明の目的を達成することができる。PID調整プログラムは上述のようにDVD若しくはCD−ROM49等の記録媒体の形態でコンピュータCPU41に供給することができ、PID調整プログラムを記録したDVD若しくはCD−ROM49等の記録媒体も同様に本発明を構成することになる。PID調整プログラムを記録した記録媒体としては上述された記録媒体の他に、例えばメモリ・カード、メモリ・スティック、光ディスク、FD等を用いることができる。
As described above, the
本発明の活用例として、石油、化学、鉄鋼、紙パルプ、水環境等のいわゆるプロセス産業におけるPID制御方式に適用することができる。 As an application example of the present invention, it can be applied to a PID control system in a so-called process industry such as petroleum, chemical, steel, paper pulp, and water environment.
10 制御対象、 11、12、13、14、15、16、17 伝達関数、 20 PID調節器、 30 PID調整装置、 32 伝達関数パラメータ取得部、 34適合性取得部、 36 最良伝達関数選択部、 38 最適PIDパラメータ探索部、 40 内部回路、 41 CPU、 42 ROM、 43 RAM、 44 表示装置、 45 VRAM、 46 画像制御部、 47 コントローラ、 49 DVD、CD−ROM、 50 入力制御部、 51 入力操作部、 52 外部I/F部、 53 バス、 61 操作量MVの時系列データファイル、 62 制御量の時系列データファイル。
10
Claims (6)
記録部に記録された制御対象に入力する操作量の時系列データと該操作量に応じて制御対象から出力される制御量の時系列データとに基づき、制御対象を表現する複数の伝達関数のパラメータを求める伝達関数パラメータ取得手段と、
前記伝達関数パラメータ取得手段により求められたパラメータを有する各伝達関数が出力した推定制御量と実際の制御量との適合性を求める適合性取得手段と、
前記適合性取得手段により求められた適合性に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択する又は選択させる最良伝達関数選択手段と、
前記最良伝達関数選択手段により選択された又は選択させた伝達関数を対象として、設定値応答及び外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標を満たすべくPID調節器のPIDパラメータを探索する最適PIDパラメータ探索手段とを備えたことを特徴とするPID調整装置。 A PID adjusting device for obtaining a PID parameter of a PID adjuster that controls a control target in a closed loop,
Based on the time-series data of the operation amount input to the control object recorded in the recording unit and the time-series data of the control amount output from the control object according to the operation amount, a plurality of transfer functions representing the control object A transfer function parameter obtaining means for obtaining a parameter;
Suitability obtaining means for obtaining suitability between the estimated control amount output by each transfer function having the parameter obtained by the transfer function parameter obtaining means and the actual control amount;
A best transfer function selecting means for selecting or selecting a transfer function having the best suitability based on the suitability obtained by the suitability obtaining means;
Optimal PID for searching for a PID parameter of a PID controller so as to satisfy a predetermined evaluation index from results of set value response and disturbance response for the transfer function selected or selected by the best transfer function selection means A PID adjusting device comprising a parameter search means.
記録部に記録された制御対象に入力する操作量の時系列データと該操作量に応じて制御対象から出力される制御量の時系列データとに基づき、制御対象を表現する複数の伝達関数のパラメータを求める伝達関数パラメータ取得ステップ、
前記伝達関数パラメータ取得ステップで求められたパラメータを有する各伝達関数が出力した推定制御量と実際の制御量との適合性を求める適合性取得ステップ、
前記適合性取得ステップで求められた適合性に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択する又は選択させる最良伝達関数選択ステップ、
前記最良伝達関数選択ステップで選択された又は選択させた伝達関数を対象として、設定値応答及び外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標を満たすべくPID調節器のPIDパラメータを探索する最適PIDパラメータ探索ステップを実行させるためのPID調整プログラム。 A PID adjustment program for obtaining a PID parameter of a PID adjuster that controls a controlled object in a closed loop, the computer of the PID adjustment device that executes the PID adjustment control program,
Based on the time-series data of the operation amount input to the control object recorded in the recording unit and the time-series data of the control amount output from the control object according to the operation amount, a plurality of transfer functions representing the control object A transfer function parameter obtaining step for obtaining a parameter;
A suitability obtaining step for obtaining suitability between the estimated control amount output by each transfer function having the parameters obtained in the transfer function parameter obtaining step and the actual control amount;
A best transfer function selecting step for selecting or selecting a transfer function having the best suitability based on the suitability obtained in the suitability obtaining step;
Optimum PID for searching the PID parameter of the PID controller to satisfy the evaluation index determined in advance from the set value response and disturbance response results for the transfer function selected or selected in the best transfer function selection step A PID adjustment program for executing a parameter search step.
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