JP2012160144A - データ収集装置およびデータ収集方法 - Google Patents

Abstract

【課題】制御量と操作量の整定状態を検出して、制御対象のモデリングのためのデータ収集を実行する。
【解決手段】データ収集装置は、リミットサイクル方式のオートチューニング（ＡＴ）を実行するＡＴ実行部１と、制御量の挙動を計測する整定判定条件検出部２と、操作量上限値が出力される時間と操作量下限値が出力される時間を計測する出力時間計測部３と、ＡＴ実行中の平均操作量を算出して整定操作量とし、ＡＴ実行時の操作量切換点となる制御量を整定制御量とする整定状態推定部４と、ＡＴ終了後、整定操作量を出力する出力維持部５と、制御量が整定制御量の近傍にある継続時間が、特定時間以上になった場合に、整定状態になったと判定する整定状態検出部６と、整定状態が検出されたときに、制御対象のモデリングのためのデータ収集を実行するデータ収集実行部７とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、制御対象をモデリングするためのデータを収集するデータ収集装置およびデータ収集方法に関するものである。

電気ヒータを備える加熱装置などでは、温度制御を行なうために主にＰＩＤ制御が採用されており、オペレータにとってはＰＩＤパラメータの調整が重要な作業になっている。このような加熱装置の１例を図５に示す。図５の例では、空気循環式の加熱チャンバー１０１の内部にヒータ１０２と温度センサ１０３とが設置されている。温度センサ１０３は、ヒータ１０２によって加熱される空気の温度ＰＶを計測する。温調計１００は、温度計測値ＰＶと温度設定値ＳＰとの偏差に基づいてＰＩＤ制御演算により操作量ＭＶを算出する。電力調整器１０４は、操作量ＭＶに応じた電力を決定し、この決定した電力を電力供給回路１０５を通じてヒータ１０２に供給する。こうして、温調計１００は、加熱チャンバー１０１内の温度を制御する。

このような加熱装置などにおけるＰＩＤパラメータ調整手法として、オートチューニング（ＡＴ）機能が実用化されている。このＡＴ機能は、制御対象を１次遅れとむだ時間の要素を有するものとし、かつ１次遅れ時定数Ｔに対するむだ時間Ｌの比（Ｌ／Ｔ比）を０．２以下にするという、かなり制約された前提条件でＰＩＤパラメータを決定するものである。したがって、適切なＰＩＤパラメータ値が得られる確率は低い。そこで、さらに精密なＰＩＤパラメータ調整手法として、例えば特許文献１には、制御量ＰＶの時系列データと操作量ＭＶの時系列データを収集して制御対象を簡易的にモデリングし、このモデルを用いたシミュレーションに基づいてＰＩＤパラメータを調整するＰＩＤパラメータ調整支援ツールが開示されている。このＰＩＤパラメータ調整支援ツールでは、データ収集、モデリング、シミュレーション（ＰＩＤパラメータ調整）という手順が標準的になっている。ただし、データ収集を開始する直前は、制御量ＰＶと操作量ＭＶが平衡状態で安定している状態（整定状態）であることが、事実上必須の条件になっている。

特許文献１に開示されたＰＩＤパラメータ調整支援ツールによれば、モデリング結果の多様性や実用上の制約的動作に対応することができる。すなわち、このＰＩＤパラメータ調整支援ツールは、モデリング完了後の操作課題（ＰＩＤパラメータ調整課題）を解決するものである。ただし、ＰＩＤパラメータ調整支援ツールには、モデリングを実施するオペレータが適切なデータ収集パターンを適宜試行錯誤する必要があるという欠点があった。不適切なデータ収集が行われると、そのままモデリングが行なわれるので、モデルの精密さが低下することになる。

これに対して、特許文献２には、妥当な時系列データの収集が確実に実施できる確率を向上させることが可能なデータ収集装置が開示されている。特許文献２に開示されたデータ収集装置は、適度な変動の与え方となる操作量ＭＶの時系列データをあらかじめ取得して記憶しておき、このデータを取得したときの制御対象と類似の特性にあると想定される制御対象については、記憶している操作量ＭＶの時系列データをそのまま制御対象に出力するか、あるいは間引きや補間、数値変換等を行いながら操作量ＭＶの時系列データを出力して、制御量ＰＶの時系列データを収集するようにしたものである。

特開２００４−３８４２８号公報 特開２００９−１９９３０５号公報

特許文献２に開示されたデータ収集装置は、制御量ＰＶと操作量ＭＶの整定後の操作課題（データ収集課題）を解決するものである。したがって、簡易モデリングのためのデータ収集において、制御量ＰＶと操作量ＭＶの整定状態を得るために、オペレータの判断と操作が必要になる。しかし、特許文献２に開示されたデータ収集装置では、ＰＩＤ調整の専門知識がないオペレータが使用することを前提にしており、専門知識がないオペレータでは、適切な整定状態（平衡状態）を判断できないという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、制御量ＰＶと操作量ＭＶの整定状態を自動的に検出して、制御対象のモデリングのためのデータ収集を自動的に実行することができるデータ収集装置およびデータ収集方法を提供することを目的とする。

本発明のデータ収集装置は、制御対象に一定振幅の操作量を繰り返し出力するリミットサイクルを発生させてコントローラのＰＩＤパラメータを設定するリミットサイクル方式のオートチューニング（ＡＴ）を実行するＡＴ実行手段と、前記リミットサイクルによる制御量の挙動を計測する整定判定条件検出手段と、前記ＡＴの実行中に操作量上限値が出力される時間である上限時間と、操作量下限値が出力される時間である下限時間とを計測する出力時間計測手段と、前記操作量上限値と前記操作量下限値と前記上限時間と前記下限時間とからＡＴ実行中の平均操作量を算出して、この平均操作量を整定操作量とすると共に、ＡＴ実行時の操作量切換点となる制御量を整定制御量とする整定状態推定手段と、ＡＴ終了後、前記整定操作量を制御対象に出力している状態を維持する出力維持手段と、前記整定操作量の出力が維持されている状態において、計測される制御量が前記整定制御量の近傍にある継続時間が、特定時間以上になった場合に、制御量が整定状態になったと判定する整定状態検出手段と、この整定状態検出手段によって整定状態が検出されたときに、制御対象のモデリングのためのデータ収集を実行するデータ収集実行手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明のデータ収集装置の１構成例において、前記整定判定条件検出手段は、前記制御量の挙動を表す情報として、制御量の上下動幅Ｗｘと上下動時間Ｔｘとを計測することを特徴とするものである。
また、本発明のデータ収集装置の１構成例において、前記整定状態検出手段は、制御量と前記整定制御量との差の絶対値が、前記上下動幅Ｗｘに一定倍率αを掛けた値αＷｘ以内である場合、制御量が前記整定制御量の近傍にあると判定し、前記上下動時間Ｔｘに一定倍率βを掛けた時間βＴｘを前記特定時間とすることを特徴とするものである。
また、本発明のデータ収集装置の１構成例において、前記データ収集実行手段は、予め記憶された操作量の時系列データを制御対象に出力することにより、制御量の時系列データを収集することを特徴とするものである。
また、本発明のデータ収集装置の１構成例において、前記データ収集実行手段は、制御の設定値を変更してＰＩＤ制御動作により操作量と制御量に変化を生じさせることにより、操作量と制御量の時系列データを収集することを特徴とするものである。

また、本発明のデータ収集方法は、制御対象に一定振幅の操作量を繰り返し出力するリミットサイクルを発生させてコントローラのＰＩＤパラメータを設定するリミットサイクル方式のオートチューニング（ＡＴ）を実行するＡＴ実行ステップと、前記リミットサイクルによる制御量の挙動を計測する整定判定条件検出ステップと、前記ＡＴの実行中に操作量上限値が出力される時間である上限時間と、操作量下限値が出力される時間である下限時間とを計測する出力時間計測ステップと、前記操作量上限値と前記操作量下限値と前記上限時間と前記下限時間とからＡＴ実行中の平均操作量を算出して、この平均操作量を整定操作量とすると共に、ＡＴ実行時の操作量切換点となる制御量を整定制御量とする整定状態推定ステップと、ＡＴ終了後、前記整定操作量を制御対象に出力している状態を維持する出力維持ステップと、前記整定操作量の出力が維持されている状態において、計測される制御量が前記整定制御量の近傍にある継続時間が、特定時間以上になった場合に、制御量が整定状態になったと判定する整定状態検出ステップと、この整定状態検出ステップによって整定状態を検出したときに、制御対象のモデリングのためのデータ収集を実行するデータ収集実行ステップとを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、ＡＴ実行手段と、整定判定条件検出手段と、出力時間計測手段と、整定状態推定手段と、出力維持手段と、整定状態検出手段と、データ収集実行手段とを設けることにより、制御量と操作量の整定状態を自動的に検出して、制御対象のモデリングのためのデータ収集を自動的に実行することができる。したがって、本発明では、ＰＩＤ調整の専門知識がないオペレータが使用する場合であっても、適切なデータを収集することができる。また、本発明では、温調計のＡＴ機能を利用してＡＴ実行手段を実現すれば、データの自動収集に必要な機能の追加を最小に抑えることができる。

本発明の実施の形態に係るデータ収集装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係るデータ収集装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係るデータ収集装置のＡＴ実行部と整定判定条件検出部と出力時間計測部の動作を説明する図である。 本発明の実施の形態において温調計と上位コンピュータとを用いた場合のデータ収集装置の構成を示す図である。 加熱装置の１例を示す図である。

［発明の原理］
リミットサイクル方式のオートチューニング（ＡＴ）実行後に整定制御量ＰＶｓと整定操作量ＭＶｓを推定し、最終的には整定操作量ＭＶｓを維持することにより、確実に所望の整定状態に近い状態が得られることに発明者は着眼した。ＡＴ実行後にそのままＰＩＤ制御を実行し続けると、ＡＴとの相性次第ではＰＩＤパラメータ調整が不適切になり、ハンチング（制御量ＰＶと操作量ＭＶの振動状態）が継続することもある。データ収集の目的は制御対象の簡易モデリングなので、制御量ＰＶを設定値ＳＰに整定させることよりも、制御量ＰＶと操作量ＭＶが特定の平衡状態に落ち着くことが優先であり、通常の温調計が備えるＡＴ機能を用いて実現できる。この場合、妥当な整定判定時間もＡＴ実行情報に基づき推定できる。

また、特許文献１に開示されたＰＩＤパラメータ調整支援ツールや特許文献２に開示されたデータ収集装置が実装される上位コンピュータから見れば、下位の温調計のＡＴ機能を利用して情報取得することで整定状態を得られるため、上位コンピュータ側が備える演算機能が少なくて済む。すなわち、データ収集装置を温調計と上位コンピュータとから構成すれば、温調計の標準的な機能（ＡＴ機能）を有効活用することができるので、上位コンピュータの機能追加を最小限に抑えることができる。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係るデータ収集装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態のデータ収集装置は、ＡＴ実行部１と、整定判定条件検出部２と、出力時間計測部３と、整定状態推定部４と、出力維持部５と、整定状態検出部６と、データ収集実行部７とを備えている。

以下、本実施の形態のデータ収集装置の動作を説明する。図２はデータ収集装置の動作を示すフローチャートであり、図３はＡＴ実行部１と整定判定条件検出部２と出力時間計測部３の動作を説明する図である。

ＡＴ実行部１は、オペレータからの起動指令に応じて、リミットサイクル方式のＡＴを起動する（図２ステップＳ１００）。ＡＴ実行部１は、図３に示すように制御量ＰＶが設定値ＳＰより大きい場合、所定の操作量下限値ＯＬを操作量ＭＶとして制御対象に出力し、制御量ＰＶが設定値ＳＰ以下の場合、所定の操作量上限値ＯＨを操作量ＭＶとして制御対象に出力することを、一定の動作周期毎に繰り返し行う。こうして、操作量ＭＶの振幅が一定のリミットサイクルが発生する。そして、ＡＴ実行部１は、操作量ＭＶの出力に応じた制御量ＰＶの応答に基づいてＰＩＤパラメータを算出し、このＰＩＤパラメータをコントローラ（図５の温調計１００）に設定する。

リミットサイクル方式のＡＴについては、例えば特許第３８８１５９３号公報に開示されているので、ＡＴの詳細については説明を省略する。なお、図５に示した加熱装置を制御対象とする場合、操作量ＭＶの出力先は電力調整器１０４であり、制御量ＰＶは温度センサ１０３によって計測されることは言うまでもない。

整定判定条件検出部２は、リミットサイクルによる制御量ＰＶの極大値と極小値との差である上下動幅Ｗｘと、リミットサイクルによって制御量ＰＶに極大値が生じた時点と極小値が生じた時点との時間差である上下動時間Ｔｘを計測して、計測した上下動幅Ｗｘと上下動時間Ｔｘの値を整定状態検出部６に送る（ステップＳ１０１）。なお、リミットサイクルの極大値および極小値を生じさせる回数は予め規定されており、また最初の極大値あるいは極小値はリミットサイクルとして安定した波形になっていないことが多いので、少なくとも１回目の極大値あるいは極小値が確認された後に計測を開始するのが、より好適である。

出力時間計測部３は、図３に示すようにＡＴ実行中に操作量上限値ＯＨが出力される時間である上限時間Ｔｏｈと、操作量下限値ＯＬが出力される時間である下限時間Ｔｏｌを計測する（ステップＳ１０２）。

整定状態推定部４は、次式に示すようにＡＴ実行中の平均操作量を算出し、この平均操作量を整定操作量ＭＶｓとすると共に、ＡＴ実行時の操作量切換点となる制御量ＰＶを整定制御量ＰＶｓとする（ステップＳ１０３）。特許第３８８１５９３号公報に開示されたリミットサイクル方式のＡＴの場合、ＡＴ実行時の操作量切換点は設定値ＳＰなので、ＰＶｓ＝ＳＰとなる。
ＭＶｓ＝（ＯＨＴｏｈ＋ＯＬＴｏｌ）／（Ｔｏｈ＋Ｔｏｌ） ・・・（１）

出力維持部５は、ＡＴ終了後、図３に示すように整定操作量ＭＶｓを制御対象に出力している状態を維持する（ステップＳ１０４）。
整定状態検出部６は、整定操作量ＭＶｓの出力が維持されている状態において、制御量ＰＶが整定制御量ＰＶｓの近傍にある継続時間が、特定時間以上になったかどうかを判定し（ステップＳ１０５）、継続時間が特定時間以上になった場合に、制御量ＰＶが整定状態になったと判定する（ステップＳ１０６）。整定状態検出部６は、制御量ＰＶと整定制御量ＰＶｓとの差の絶対値が、上下動幅Ｗｘに一定倍率α（αは例えば０．２程度）を掛けた値αＷｘ以内である場合、制御量ＰＶが整定制御量ＰＶｓの近傍にあると判定する。特定時間としては、上下動時間Ｔｘに一定倍率β（βは例えば２．０程度）を掛けた時間βＴｘを使用すればよい。

データ収集実行部７は、整定状態検出部６によって整定状態が検出されると、制御対象のモデリングのためのデータ収集を実行する（ステップＳ１０７）。データ収集実行部７は、例えば特許文献２に開示されているように、予め記憶された操作量ＭＶの時系列データを制御対象に出力することにより、制御量ＰＶの時系列データを収集すればよい。
以上で、データ収集装置の動作が終了する。

図４は温調計１００と上位コンピュータ１０６とを用いた場合のデータ収集装置の構成を示す図である。上記の発明の原理で説明したように、ＡＴ実行部１として、通常の温調計に実装されているリミットサイクル方式のＡＴ機能を利用することができる。この場合、整定判定条件検出部２と出力時間計測部３と整定状態推定部４と出力維持部５と整定状態検出部６とデータ収集実行部７とは、データ収集装置本体である上位コンピュータ１０６に設けられる。温調計１００と上位コンピュータ１０６とは、通信回線を介して接続される。オペレータから起動指令が与えられると、上位コンピュータ１０６から通信回線を介して起動指令が温調計１００に送られ、温調計１００のＡＴ機能が起動する。

図４に示した構成の場合、制御量ＰＶは温度センサ１０３により計測され、操作量ＭＶは温調計１００から電力調整器１０４に出力される。したがって、上位コンピュータ１０６は、通信回線を介して制御量ＰＶと操作量ＭＶ（操作量上限値ＯＨ、操作量下限値ＯＬの出力状況）を取得する。
上位コンピュータ１０６の出力維持部５は、ＡＴ終了後に、通信回線を介して温調計１００に整定操作量ＭＶｓを送信する。温調計１００は、受信した整定操作量ＭＶｓを電力調整器１０４に出力する。

上位コンピュータ１０６のデータ収集実行部７は、制御量ＰＶの整定状態が検出されたときに、通信回線を介して温調計１００に操作量ＭＶの時系列データを送信する。温調計１００は、この操作量ＭＶの時系列データを電力調整器１０４に出力する。データ収集の対象としては、操作量ＭＶの時系列データと制御量ＰＶの時系列データが、対象になる。
また、データ収集実行部７は、温調計１００にＰＩＤ制御の実行開始を指示した後、通信回線を介して温調計１００の設定値ＳＰを変更して、温調計１００のＰＩＤ制御動作により操作量ＭＶと制御量ＰＶの変化を生じさせて、操作量ＭＶと制御量ＰＶの時系列データを収集するようにしてもよい。

以上のようにして、本実施の形態では、制御対象のモデリングにとって適切なデータを自動的に収集することができる。また、本実施の形態では、温調計１００のＡＴ機能を利用してＡＴ実行部１を実現すれば、データの自動収集に必要な機能の追加を最小に抑えることができる。

本実施の形態の温調計１００と上位コンピュータ１０６の各々は、それぞれＣＰＵ、記憶装置及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。各々の装置のＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、制御対象をモデリングするためのデータを収集する技術に適用することができる。

１…ＡＴ実行部、２…整定判定条件検出部、３…出力時間計測部、４…整定状態推定部、５…出力維持部、６…整定状態検出部、７…データ収集実行部、１００…温調計、１０１…加熱チャンバー、１０２…ヒータ、１０３…温度センサ、１０４…電力調整器、１０５…電力供給回路、１０６…上位コンピュータ。

Claims (10)

1. 制御対象に一定振幅の操作量を繰り返し出力するリミットサイクルを発生させてコントローラのＰＩＤパラメータを設定するリミットサイクル方式のオートチューニング（ＡＴ）を実行するＡＴ実行手段と、
   前記リミットサイクルによる制御量の挙動を計測する整定判定条件検出手段と、
   前記ＡＴの実行中に操作量上限値が出力される時間である上限時間と、操作量下限値が出力される時間である下限時間とを計測する出力時間計測手段と、
   前記操作量上限値と前記操作量下限値と前記上限時間と前記下限時間とからＡＴ実行中の平均操作量を算出して、この平均操作量を整定操作量とすると共に、ＡＴ実行時の操作量切換点となる制御量を整定制御量とする整定状態推定手段と、
   ＡＴ終了後、前記整定操作量を制御対象に出力している状態を維持する出力維持手段と、
   前記整定操作量の出力が維持されている状態において、計測される制御量が前記整定制御量の近傍にある継続時間が、特定時間以上になった場合に、制御量が整定状態になったと判定する整定状態検出手段と、
   この整定状態検出手段によって整定状態が検出されたときに、制御対象のモデリングのためのデータ収集を実行するデータ収集実行手段とを備えることを特徴とするデータ収集装置。
2. 請求項１記載のデータ収集装置において、
   前記整定判定条件検出手段は、前記制御量の挙動を表す情報として、制御量の上下動幅Ｗｘと上下動時間Ｔｘとを計測することを特徴とするデータ収集装置。
3. 請求項２記載のデータ収集装置において、
   前記整定状態検出手段は、制御量と前記整定制御量との差の絶対値が、前記上下動幅Ｗｘに一定倍率αを掛けた値αＷｘ以内である場合、制御量が前記整定制御量の近傍にあると判定し、前記上下動時間Ｔｘに一定倍率βを掛けた時間βＴｘを前記特定時間とすることを特徴とするデータ収集装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のデータ収集装置において、
   前記データ収集実行手段は、予め記憶された操作量の時系列データを制御対象に出力することにより、制御量の時系列データを収集することを特徴とするデータ収集装置。
5. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のデータ収集装置において、
   前記データ収集実行手段は、制御の設定値を変更してＰＩＤ制御動作により操作量と制御量に変化を生じさせることにより、操作量と制御量の時系列データを収集することを特徴とするデータ収集装置。
6. 制御対象に一定振幅の操作量を繰り返し出力するリミットサイクルを発生させてコントローラのＰＩＤパラメータを設定するリミットサイクル方式のオートチューニング（ＡＴ）を実行するＡＴ実行ステップと、
   前記リミットサイクルによる制御量の挙動を計測する整定判定条件検出ステップと、
   前記ＡＴの実行中に操作量上限値が出力される時間である上限時間と、操作量下限値が出力される時間である下限時間とを計測する出力時間計測ステップと、
   前記操作量上限値と前記操作量下限値と前記上限時間と前記下限時間とからＡＴ実行中の平均操作量を算出して、この平均操作量を整定操作量とすると共に、ＡＴ実行時の操作量切換点となる制御量を整定制御量とする整定状態推定ステップと、
   ＡＴ終了後、前記整定操作量を制御対象に出力している状態を維持する出力維持ステップと、
   前記整定操作量の出力が維持されている状態において、計測される制御量が前記整定制御量の近傍にある継続時間が、特定時間以上になった場合に、制御量が整定状態になったと判定する整定状態検出ステップと、
   この整定状態検出ステップによって整定状態を検出したときに、制御対象のモデリングのためのデータ収集を実行するデータ収集実行ステップとを備えることを特徴とするデータ収集方法。
7. 請求項６記載のデータ収集方法において、
   前記整定判定条件検出ステップは、前記制御量の挙動を表す情報として、制御量の上下動幅Ｗｘと上下動時間Ｔｘとを計測することを特徴とするデータ収集方法。
8. 請求項７記載のデータ収集方法において、
   前記整定状態検出ステップは、制御量と前記整定制御量との差の絶対値が、前記上下動幅Ｗｘに一定倍率αを掛けた値αＷｘ以内である場合、制御量が前記整定制御量の近傍にあると判定し、前記上下動時間Ｔｘに一定倍率βを掛けた時間βＴｘを前記特定時間とすることを特徴とするデータ収集方法。
9. 請求項６乃至８のいずれか１項に記載のデータ収集方法において、
   前記データ収集実行ステップは、予め記憶された操作量の時系列データを制御対象に出力することにより、制御量の時系列データを収集することを特徴とするデータ収集方法。
10. 請求項６乃至８のいずれか１項に記載のデータ収集方法において、
    前記データ収集実行ステップは、制御の設定値を変更してＰＩＤ制御動作により操作量と制御量に変化を生じさせることにより、操作量と制御量の時系列データを収集することを特徴とするデータ収集方法。

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