JP2014089495A - フィードバック制御方法、フィードバック制御装置、およびフィードバック制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】操作量の飽和を回避して、目標値に対する追従性を高めることのできるフィードバック制御方法、フィードバック制御装置、およびフィードバック制御プログラムを提供する。
【解決手段】制御対象から取得される観測量が目標値と一致するように、制御対象へ出力する操作量を決定するフィードバック制御方法が提供される。フィードバック制御方法は、ローパス特定を持つフィルタを用いて目標値をフィルタリングするステップ１５０と、フィルタリング後の目標値と観測量との偏差に応じて操作量を決定するステップ１６０と、目標値が変更されたこと、および、決定された操作量が予め定められた許容範囲を逸脱もしくは当該許容範囲に接近したこと、の少なくとも一方に応じて、フィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせるステップ１９０とを含む。
【選択図】図７

Description

本発明は、制御対象から取得される観測量が目標値と一致するように、制御対象へ出力する操作量を決定するフィードバック制御方法、フィードバック制御装置、およびフィードバック制御プログラムに関する。

現在、ＰＩＤ制御系をはじめとするフィードバック制御系は、温度制御、速度制御、位置制御といった様々な用途で利用されている。このようなフィードバック制御系は、制御対象から取得される観測量が設定された目標値に追従するように、制御対象に対する操作量が連続的に算出される。

このようなフィードバック制御系では、目標値特性とフィードバック特性とを独立に制御できる２自由度制御系が知られている（例えば、非特許文献１のｐｐ．６９−１０６）。このような２自由度制御系の一例として、目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系がある。この目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系では、目標値は目標値フィルタへ入力され、そのフィルタリング後の値と観測量との間で算出される偏差に対して、ＰＩＤ制御が実行される。このような目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系では、目標値フィルタの時定数と、後段に配置されるＰＩＤ制御系の積分時定数とは同一の値に設定される。

「システム制御情報ライブラリー ６ ＰＩＤ制御」、システム制御情報学会、朝倉書店、１９９２年０７月２０日

一般的に、ＰＩＤ制御系の時定数は、制御対象の時定数などを考慮して決定される。しかしながら、新たに設定された目標値と制御対象の観測量との差が大きいような場合には、制御対象へ出力される操作量が飽和してしまう。一例として、工業炉の温度制御を考えると、工業炉が常温まで冷めているような状態において、目標値として通常の運転温度（例えば、１０００°）を設定した場合には、目標値と現在の観測量との差が大きいので、目標値まで昇温されるのに要する時間は、目標値フィルタの時定数より長くなり得る。そのため、制御対象の観測量が目標値に近付く前に、目標値フィルタから出力される値が入力された目標値に到達してしまい、ＰＩＤ制御系の積分要素での積分値が過大になる。その結果、制御対象（例えば、ヒータ）に対する操作量が飽和してしまう。このように操作量が一旦飽和してしまうと、制御対象の観測量が目標値に近付いたとしても、過大な操作量が出力され続けてしまう。その結果、制御対象の観測量には、いわゆるオーバシュートが生じてしまう。

本発明は、このような課題を解決するためのものであり、その目的は、操作量の飽和を回避して、目標値に対する追従性を高めることのできるフィードバック制御方法、フィードバック制御装置、およびフィードバック制御プログラムを提供することである。

本発明のある局面によれば、制御対象から取得される観測量が目標値と一致するように、制御対象へ出力する操作量を決定するフィードバック制御方法が提供される。フィードバック制御方法は、ローパス特性を持つフィルタを用いて目標値をフィルタリングするステップと、フィルタリング後の目標値と観測量との偏差に応じて操作量を決定するステップと、目標値が変更されたこと、および、決定された操作量が予め定められた許容範囲を逸脱もしくは当該許容範囲に接近したこと、の少なくとも一方に応じて、フィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせるステップとを含む。

好ましくは、遅らせるステップは、目標値が変更されると、当該目標値の変更幅の大きさに応じて、フィルタの時定数をより長くする。

さらに好ましくは、フィードバック制御方法は、フィルタの時定数の設定・変更を受け付けるステップをさらに含む。

さらに好ましくは、フィードバック制御方法は、設定されているフィルタの時定数の値を表示するステップをさらに含む。

好ましくは、遅らせるステップは、目標値が変更された場合であっても、当該目標値の変更幅が予め定められた値より小さいときには、フィルタの時定数を維持する。

好ましくは、遅らせるステップは、決定された操作量が許容範囲を逸脱している間、フィルタリング後の目標値の変化速度を抑制するステップを含む。

好ましくは、遅らせるステップは、決定された操作量が許容範囲を逸脱している間、フィルタリング後の目標値を逸脱前の値に維持するステップを含む。

好ましくは、遅らせるステップは、決定された操作量の変化速度と、許容範囲に対する余裕量とに基づいて、許容範囲への接近を検出するステップを含む。

本発明の別の局面によれば、制御対象から取得される観測量が目標値と一致するように、制御対象へ出力する操作量を決定するフィードバック制御方法が提供される。フィードバック制御方法は、ローパス特性を持つフィルタを用いて目標値をフィルタリングするステップと、フィルタリング後の目標値と観測量との偏差に応じて操作量を決定するステップと、操作量を決定するための積分要素を含む制御系の積分時定数Ｔ_Ｉおよび係数ｋに関連付けて、フィルタの時定数であるフィルタ時定数を、フィルタ時定数＝積分時定数Ｔ_Ｉ×係数ｋに従って算出するステップとを含む。

好ましくは、フィードバック制御方法は、係数ｋの設定・変更を受け付けるステップをさらに含む。

好ましくは、フィードバック制御方法は、設定されている係数ｋの値を表示するステップをさらに含む。

本発明のさらに別の局面によれば、制御対象から取得される観測量が目標値と一致するように、制御対象へ出力する操作量を決定するフィードバック制御装置が提供される。フィードバック制御装置は、目標値をフィルタリングする、ローパス特性を持つフィルタと、フィルタリング後の目標値と観測量との偏差に応じて操作量を決定する制御部と、目標値が変更されたこと、および、決定された操作量が予め定められた許容範囲を逸脱もしくは当該許容範囲に接近したこと、の少なくとも一方に応じて、フィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせる調整部とを含む。

好ましくは、調整部は、目標値が変更されると、当該目標値の変更幅の大きさに応じて、フィルタの時定数をより長くするように構成される。

さらに好ましくは、フィルタの時定数の設定・変更を受け付ける設定手段をさらに備える。

さらに好ましくは、設定されているフィルタの時定数の値を表示する設定手段をさらに備える。

好ましくは、調整部は、目標値が変更された場合であっても、当該目標値の変更幅が予め定められた値より小さいときには、フィルタの時定数を維持するように構成される。

好ましくは、調整部は、決定された操作量が許容範囲を逸脱している間、フィルタリング後の目標値の変化速度を抑制するように構成される。

好ましくは、調整部は、決定された操作量が許容範囲を逸脱している間、フィルタリング後の目標値を逸脱前の値に維持するように構成される。

好ましくは、調整部は、決定された操作量の変化速度と、許容範囲に対する余裕量とに基づいて、許容範囲への接近を検出するように構成される。

本発明のさらに別の局面によれば、制御対象から取得される観測量が目標値と一致するように、制御対象へ出力する操作量を決定するフィードバック制御装置が提供される。フィードバック制御装置は、目標値をフィルタリングする、ローパス特性を持つフィルタと、フィルタリング後の目標値と観測量との偏差に応じて操作量を決定する制御部と、操作量を決定するための積分要素を含む制御系の積分時定数Ｔ_Ｉおよび係数ｋに関連付けて、フィルタの時定数であるフィルタ時定数をフィルタ時定数＝積分時定数Ｔ_Ｉ×係数ｋに従って算出する設定手段とを含む。

好ましくは、設定手段は、係数ｋの設定・変更を受け付ける。
好ましくは、設定手段は、設定されている係数ｋの値を表示する。

本発明のさらに別の局面によれば、制御対象から取得される観測量が目標値と一致するように、制御対象へ出力する操作量を決定するフィードバック制御プログラムが提供される。フィードバック制御プログラムは、コンピュータに、ローパス特性を持つフィルタを用いて目標値をフィルタリングするステップと、フィルタリング後の目標値と観測量との偏差に応じて操作量を決定するステップと、目標値が変更されたこと、および、決定された操作量が予め定められた許容範囲を逸脱もしくは当該許容範囲に接近したこと、の少なくとも一方に応じて、フィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせるステップとを実行させる。

本発明によれば、操作量の飽和を回避して、目標値に対する追従性を高めることができる。

本実施の形態に係る制御装置を含むフィードバック制御系の全体構成を示す模式図である。 本実施の形態に係る制御装置の装置構成を示す模式図である。 本実施の形態の関連技術に従う制御装置を含むフィードバック制御系の全体構成を示す模式図である。 本実施の形態の関連技術に従う制御装置を含むフィードバック制御系を要素別に表現した制御ブロック図である。 一般的な目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系におけるシミュレーション結果の一例を示す図である。 本実施の形態に従う制御装置を含むフィードバック制御系の全体構成を示す模式図である。 本実施の形態に従う制御装置を含むフィードバック制御系の全体構成を示す模式図である。 実施の形態１に従う制御装置における目標値フィルタの時定数Ｔｆの変更処理を説明するための概念図である。 実施の形態１に従う制御装置における目標値フィルタの時定数Ｔｆの変更処理に係る設定例を示す図である。 実施の形態１に従う目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系におけるシミュレーション結果の一例を示す図である。 実施の形態１に従う制御装置における目標値フィルタの時定数Ｔｆの変更処理に係る別の設定例を示す図である。 実施の形態１に従う制御装置において実行される処理手順を示すフローチャートである。 実施の形態２に従う制御装置における目標値フィルタにおけるフィルタリングの変更処理を説明するための概念図である。 実施の形態２に従う目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系におけるシミュレーション結果の一例を示す図である。 実施の形態２に従う制御装置における操作量の予測処理を説明するための概念図である。 実施の形態２に従う制御装置において実行される処理手順を示すフローチャートである。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。

［Ａ．フィードバック制御系］
まず、本実施の形態に係る制御装置１０を含むフィードバック制御系１の全体について説明する。図１は、本実施の形態に係る制御装置１０を含むフィードバック制御系１の全体構成を示す模式図である。図１に示すフィードバック制御系１は、ＰＩＤ制御系を含む。本明細書において、「ＰＩＤ制御系」は、比例動作（Proportional Operation：Ｐ動作）を行なう比例要素、積分動作（Integral Operation：Ｉ動作）を行なう積分要素、および微分動作（Derivative Operation：Ｄ動作）を行なう微分要素のうち、少なくとも一つの要素を含む制御系を総称する用語である。すなわち、本明細書において、ＰＩＤ制御系は、比例要素、積分要素および微分要素のいずれをも含む制御系に加えて、一部の制御要素、例えば比例要素および積分要素のみを含む制御系（ＰＩ制御系）なども包含する概念である。

一例として、図１には、加熱炉２の温度調整に係るフィードバック制御系１を示す。このフィードバック制御系１において、制御装置１０は、加熱炉２から測定された温度（観測量：Process Value；以下「ＰＶ」とも記す。）が、入力された目標値（設定値：Setting Value；以下「ＳＶ」とも記す。）と一致するように、操作量（Manipulated Value；以下「ＭＶ」とも記す。）を出力する。すなわち、制御装置１０は、制御対象から取得される観測量が目標値と一致するように、制御対象へ出力する操作量を決定する。

制御工学の分野において、「観測量」は「制御量」に何らかの誤差を含む値として定義されるが、この誤差を無視すれば、「観測量」は制御対象の「制御量」とみなすことができる。そのため、以下の説明において、「観測量」は「制御量」と読み替えてもよい。

フィードバック制御系１において、制御装置１０が調節部に相当し、加熱炉２と、ソリッドステートリレー（Solid State Relay：ＳＳＲ）４を介して電源５から電力を供給されるヒータ３と、加熱炉２内に設けられた温度センサ６とが制御対象に相当する。ヒータ３は、典型的には抵抗体であり、供給される電力を熱エネルギーに変換する。温度センサ６は、加熱炉２内の温度を測定する検出部であり、熱電対や抵抗測温体（白金抵抗温度計）からなる。

制御装置１０は、後述するようなＰＩＤ制御系に係る処理を実行することで算出された操作量をソリッドステートリレー４に対して出力する。フィードバック制御系１において、原則として、操作量は０〜１００［％］の範囲の値をとり、ソリッドステートリレー４は、電源５からヒータ３までの回路を操作量に応じたデューティー比（duty ratio）でオン／オフ制御する。例えば、操作量が５０［％］であれば、予め定められた制御周期の５０［％］の期間がオン（通電状態）にされ、残りの５０［％］の期間がオフ（非通電状態）にされる。この場合、十分に長い時間でみれば、ヒータ３からの単位時間あたりの発熱量は、ヒータ３を常時通電した場合の５０［％］になる。

このように、制御装置１０は、操作量を調整することで、加熱炉２の温度（実際には、温度センサ６による測定値）を目標値と一致させる。但し、ヒータ３の発熱量は、デューティー比に依存することになり、原理的に０〜１００［％］の範囲でしか発熱量を調整できない。そのため、ＰＩＤ制御系において算出された操作量が１００％を超える場合や、０％を下回る場合などには、制御対象はその操作量に沿った動作を行なうことができない。本明細書において、このような状態（ＭＶ≧１００［％］および／またはＭＶ≦０［％］）を操作量が「飽和」していると表現する。

［Ｂ．制御装置］
次に、本実施の形態に係る制御装置１０の装置構成について説明する。図２は、本実施の形態に係る制御装置１０の装置構成を示す模式図である。図２を参照して、制御装置１０は、入力回路１１０と、アナログ・デジタル変換部１１２（以下、「Ａ／Ｄ変換部１１２」とも記す。）と、表示部１２０と、操作部１２２と、通信インターフェイス１２４と、処理部１００と、デジタル・アナログ変換部１１４（以下、「Ｄ／Ａ変換部１１４」とも記す。）と、出力回路１１６とを含む。

入力回路１１０は、温度センサ６からの測定信号を受信し、予め定められた範囲の電圧／電流信号を出力する。温度センサ６が熱電対である場合には、入力回路１１０は、その両端に発生する熱起電力を検出する回路を含む。あるいは、温度センサ６が抵抗測温体である場合には、入力回路１１０は、当該抵抗測温体に生じる抵抗値を検出する回路を含む。さらに、入力回路１１０は、高周波成分を除去するためのフィルタ回路を含んでいてもよい。

Ａ／Ｄ変換部１１２は、入力回路１１０からのアナログ信号をデジタル信号へ変換し、処理部１００へ出力する。

操作部１２２は、図１に示す操作パネルに設けられたボタンやスイッチなどを含み、ユーザの操作を受け付け、その受け付けたユーザ操作を示す情報を処理部１００へ出力する。典型的には、操作部１２２は、ユーザから目標値（ＳＶ）を受け付ける。

通信インターフェイス１２４は、外部の装置（典型的には、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller））との間で各種情報を遣り取りする。システム構成例として、上位に配置されたＰＬＣから制御装置１０に対して目標値が入力される場合があり、このような場合に、ＰＬＣからの情報（例えば、ＳＶ）は通信インターフェイス１２４を介して、処理部１００へ入力される。

表示部１２０は、図１に示す操作パネルに設けられたディスプレイやインジケータなどを含み、処理部１００における処理の状態を示す情報をユーザへ通知する。

処理部１００は、後述するような、本実施の形態に係る制御を実現するための演算主体であり、プロセッサ１０２と、メモリ１０４と、プログラムモジュール１０６とを含む。プロセッサ１０２は、プログラムモジュール１０６を実行することで、後述するような処理を実現する。この際、読み出されたプログラムモジュール１０６および処理に必要なデータ（ＰＶおよびＳＶなど）は、メモリ１０４に一次的に格納される。プロセッサ１０２としては、汎用のＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro-Processing Unit）を用いてもよいし、デジタル信号処理に向けられたＤＳＰ（Digital Signal Processor）を用いてもよい。プログラムモジュール１０６は、フラッシュメモリなどの不揮発性記憶媒体に格納される。プログラムモジュール１０６については、各種の記録媒体を介して、アップデータできるように構成されてよい。そのため、プログラムモジュール１０６自体も本発明の技術的範囲に含まれ得る。処理部１００については、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）を用いて構成してもよい。

Ｄ／Ａ変換部１１４は、処理部１００で算出された操作量を示すデジタル信号をアナログ信号に変換し、出力回路１１６へ出力する。

出力回路１１６は、Ｄ／Ａ変換部１１４からのアナログ信号を制御対象（図１に示す例では、ソリッドステートリレー４）に応じた信号に成形して出力する。例えば、操作量の０〜１００［％］が０〜１０［Ｖ］の電圧信号に対応する場合には、出力回路１１６は、この電圧範囲の信号が出力されるように調整する。あるいは、出力回路１１６は、操作量の値に応じたデューティー比を有するＰＷＭ信号を発生する。なお、操作量（ＭＶ）に応じた動作を行なう部位（図１に示す例では、ソリッドステートリレー４）をアクチュエータとも記す。

［Ｃ．２自由度制御系］
本実施の形態に係る制御装置１０は、フィードバック制御系として２自由度制御系を実装している。この２自由度制御系の典型例として、以下では、目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系について説明する。この目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系について、その概要および生じ得る課題について説明する。

図３は、本実施の形態の関連技術に従う制御装置１０＃を含むフィードバック制御系１＃の全体構成を示す模式図である。制御装置１０＃は、フィードバック制御系として、一般的な目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系が実装されているとする。図３を参照して、制御装置１０＃は、ＰＩＤ制御系に関する機能構成として、目標値フィルタ１５０と、フィードバック補償要素である制御部１６０とを含む。目標値フィルタ１５０は、フィードバック制御系１＃における目標値特性を決定し、制御部１６０は、フィードバック制御系１＃におけるフィードバック特性を決定する。目標値フィルタ１５０は、目標値の変更に対する応答特性を改善することが目的とされている。

図４は、本実施の形態の関連技術に従う制御装置１０＃を含むフィードバック制御系１＃を要素別に表現した制御ブロック図である。説明の便宜上、図４には、目標値フィルタ１５０および制御部１６０として、単純化されたＰＩＤ制御系を示すが、それぞれの目的を達成する限り、より複雑な、すなわちより多くの制御要素の組合せで構成された制御系を採用してもよい。

図４には、目標値フィルタ１５０として１次遅れフィルタを採用する例を示す。すなわち、目標値フィルタ１５０の伝達関数Ｆ（ｓ）＝（１＋αＴ_Ｉｓ）／（１＋Ｔ_Ｉｓ）とする。ここで、Ｔ_Ｉは、時定数であり、後段の制御部１６０における積分時定数と同じ値に設定される。αは予め定められた係数である。目標値フィルタ１５０は、ローパス特性（低域通過特性）を持ち、入力される目標値（ＳＶ）に対して時間的なフィルタリングを行なうことで、フィルタリング後の目標値（ＳＶ’）を算出する。そのため、何らかの目標値（ＳＶ）が変更されると、フィルタリング後の目標値（ＳＶ’）は、目標値フィルタ１５０に固有の時定数に応じた時間の遅れをもって変更後の目標値に追従する。

また、制御部１６０として、ＰＩ制御系を採用する例を示す。もちろん、微分要素を加えて、ＰＩＤ制御系を採用してもよい。より具体的には、制御部１６０では、差分要素１６２において、目標値フィルタ１５０からフィルタリング後の目標値（ＳＶ’）と観測量（ＰＶ）との差分を算出し、その差分がＰＩ要素１６４に入力されることで、操作量（ＭＶ）が算出される。ＰＩ要素１６４は、一種の１次遅れフィルタであり、その伝達関数Ｃ（ｓ）＝Ｋ_Ｐ（１＋１／Ｔ_Ｉｓ）とする。ここで、Ｋ_Ｐは、比例ゲインである。すなわち、制御部１６０は、フィルタリング後の目標値と観測量との偏差に応じて操作量を決定する。

積分要素は、比例動作のみでは定常偏差（オフセット）が残留することを解消するために用いられ、対応する積分時定数の逆数に応じた変化速度で積分値を増減させる。図４に示すように、制御部１６０（ＰＩ要素１６４）は、積分要素（伝達関数において、１／ｓ，１／ｓ^２，…の部分）を含む。目標値フィルタ１５０は、一次遅れ伝達関数によって実現されるローパス特性を有しており、このローパス特性により目標値をフィルタリングする。

図３および図４に示す目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系では、制御対象の伝達関数Ｐ（ｓ）に応じて、制御部１６０の伝達関数Ｃ（ｓ）が決定される。すなわち、制御対象の応答特性に応じて、ＰＩ要素１６４の比例ゲインＫ_Ｐおよび積分時定数Ｔ_Ｉがチューニングされる。その上で、目標値フィルタ１５０による目標値特性（伝達関数Ｆ（ｓ））が決定される。

目標値（ＳＶ）が変更されると、このようにチューニングされた目標値フィルタ１５０は、その伝達関数Ｐ（ｓ）に従ってフィルタリング後の目標値（ＳＶ’）を算出する。このようなフィルタリングによって、差分要素１６２に入力される目標値が急激に変化することが妨げられ、目標値フィルタ１５０の時定数に応じて徐々に変化する。そのため、ＰＩ要素１６４に入力される差分も急激に変化することなく、制御対象の応答特性に応じた変化速度で徐々に増減する。これによって、ＰＩ要素１６４の積分要素に蓄積される偏差に応じた値が過大になることを防止する。概念的に表現すれば、目標値が変更されると、目標値フィルタ１５０は、ＰＩ要素１６４および制御対象を含む系全体の応答特性に適合した変化率で、目標値を現在値から変更後の値まで徐々に変化させる。これにより、制御部１６０の操作量の飽和を防止する。

［Ｄ．２自由度制御系における課題および解決手段］
上述のような目標値フィルタ１５０を採用することで、目標値が変更された場合であっても、制御対象を安定的に制御できる。しかしながら、目標値の変更幅が過大になった場合には、制御対象がその変更後の目標値に追従する前に、目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値が変更後の目標値に到達してしまう。そのため、制御部１６０においてＰＩ要素１６４に入力される偏差が過大になり、そのため、ＰＩ要素１６４の積分要素に蓄積される値（積分値）も過大になる。その結果、制御部１６０から出力される操作量が飽和する。操作量が飽和すると、観測量の変化速度が制限されてしまい、操作量に飽和がない場合と比較して、観測量が目標値に到達するまでに要する時間が長くなる傾向がある。

図５は、一般的な目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系におけるシミュレーション結果の一例を示す図である。図５に示すシミュレーション例においては、目標値（ＳＶ）および観測量（ＰＶ）がいずれも０［％］で定常状態となっているときに、基準時間（時間＝０）において、目標値（ＳＶ）が１００［％］に変更された場合の時間的な挙動を示す。図５に示すように、目標値（ＳＶ）が０［％］から１００［％］に変更されると、フィルタリング後の目標値（ＳＶ’）も比較的短時間で１００［％］まで到達し、その結果、制御部１６０から出力される操作量（ＭＶ）についても比較的短時間の間に飽和していることがわかる。言い換えれば、このような操作量が飽和してしまうと、観測量が目標値に到達する前に、目標値フィルタ１５０の出力値（フィルタリング後の目標値）が立ち上がってしまうので、フィルタ効果が無くなってしまう。フィルタ効果が無くなることで、ＰＩ要素１６４の積分要素に蓄積される値（積分値）が過大になる。その結果、観測量が目標値に到達しても、操作量が飽和した状態を維持することになり、制御対象にオーバシュートや揺れが発生する。

本願発明者らは、このような目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系における新規な課題を見出すとともに、目標値フィルタ１５０でのフィルタ効果の低減／消滅がその原因であることを見出した。その上で、本願発明者らは、一般的な目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系において、目標値フィルタ１５０の時定数、すなわち目標値フィルタ１５０のローパス特性が、操作量が飽和したか否かにかかわらず一定であることに着目した。

そして、本願発明者らは、操作量が飽和しそうな状況や、操作量が飽和した状況において、目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせることで、操作量の飽和を防止または低減し、それによって、フィードバック制御系の応答特性を改善することができるという新規な技術思想に想到した。

このような目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせるための実現手段としては、典型的には、目標値フィルタ１５０のローパス特性に係る時定数Ｔｆをより長い方向に変更するといった方法や、目標値フィルタ１５０での出力更新動作を停止する方法がある。なお、後者の方法は、ローパス特性に係る時定数Ｔｆを無限大にすることと等価である。さらに、目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせることができれば、いずれの方法を採用してもよい。

図６および図７は、本実施の形態に従う制御装置１０を含むフィードバック制御系の全体構成を示す模式図である。説明の便宜上、制御装置１０の後に、各実施の形態を識別するための符号「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」を付加している。いずれの制御装置１０についても、上述した構成などは基本的には同一である。

図６（ａ）には、目標値の変更幅に応じて、目標値フィルタ１５０のローパス特性を変更するための構成（オフラインで時定数を補正する方式）を示し、図６（ｂ）には、目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値に応じて、目標値フィルタ１５０のローパス特性を変更するための構成（オンラインで時定数を補正する方式）を示す。すなわち、図６（ａ）には、操作量が飽和する可能性がある場合に、予め目標値フィルタ１５０のローパス特性を適正化する方法を採用した場合の構成を示し、図６（ｂ）には、操作量が飽和した場合、または、飽和しそうな場合に、目標値フィルタ１５０のローパス特性を適正化する方法を採用した場合の構成を示す。

より具体的には、図６（ａ）に示すフィードバック制御系１Ａでは、制御装置１０Ａは、目標値フィルタ１５０および制御部１６０に加えて、目標値フィルタ調整部１７０を含む。目標値フィルタ調整部１７０は、目標値が変更されたことに応じて、目標値フィルタ１５０の時定数Ｔｆをより長くなる方向に変更する。すなわち、目標値フィルタ調整部１７０は、目標値フィルタ１５０のローパス特性に係る時定数Ｔｆを変更することで、目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせる。このとき、目標値フィルタ調整部１７０は、目標値が変更されると、当該目標値の変更幅（絶対値）の大きさに応じて、時定数Ｔｆをより長くなる方向に変更する。

また、図６（ｂ）に示すフィードバック制御系１Ｂでは、制御装置１０Ｂは、目標値フィルタ１５０および制御部１６０に加えて、目標値フィルタ調整部１８０を含む。目標値フィルタ調整部１８０は、決定された操作量が予め定められた許容範囲を逸脱、もしくは、決定された操作量が予め定められた許容範囲に接近したことに応じて、目標値フィルタ１５０の時定数Ｔｆをより長くなる方向に変更する。すなわち、目標値フィルタ調整部１８０は、決定された操作量が許容範囲を逸脱している間、目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせることで、フィルタリング後の目標値の変化速度を抑制する。目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせる手段として、目標値フィルタ１５０に係る時定数Ｔｆをより長くする方向に変更する方法や、目標値フィルタ１５０での出力更新動作自体を停止する方法がある。

さらに、図７に示す制御装置１０Ｃのように、図６（ａ）に示す目標値フィルタ調整部１７０、および、図６（ｂ）に示す目標値フィルタ調整部１８０の両方の機能を搭載した目標値フィルタ調整部１９０を採用してもよい。

以下、各制御装置における動作および処理の詳細について説明する。
［Ｅ．実施の形態１］
次に、実施の形態１として、図６（ａ）に示す制御装置１０Ａについて説明する。上述したように、実施の形態１に従う制御装置１０Ａは、目標値の変更幅に応じて、目標値フィルタ１５０による出力更新動作（時定数Ｔｆ）を変更する。このとき、目標値の変更幅の大きさに応じて、時定数Ｔｆの長さを決定する。すなわち、目標値の変更幅が大きいほど、目標値フィルタ１５０の時定数Ｔｆをより長い方向に変更する。

（ｅ１：目標値フィルタの時定数変更処理の概要）
図８は、実施の形態１に従う制御装置１０Ａにおける目標値フィルタ１５０の時定数Ｔｆの変更処理を説明するための概念図である。図８（ａ）は、目標値ＳＶがＳＶ０からＳＶ１へ変更された場合（変更幅ΔＳＶ１）の例を示し、図８（ｂ）は、目標値ＳＶがＳＶ０からＳＶ２（＞ＳＶ１）へ変更された場合（変更幅ΔＳＶ２＞ΔＳＶ１）の例を示す。

図８（ａ）を参照して、時刻ｔ１において、目標値ＳＶがＳＶ０からＳＶ１へ変更されると、制御装置１０Ａ（目標値フィルタ調整部１７０）は、目標値フィルタ１５０の時定数ＴｆをＴｆ０からＴｆ１（＞Ｔｆ０）へ変更する。目標値の変更に伴って、目標値フィルタ１５０の出力が増加（または、減少）することになるが、変更幅ΔＳＶ１が大きければ出力の変化速度も大きくなり、目標値フィルタ１５０のフィルタ効果の持続時間が短くなる。そこで、時定数Ｔｆをより長い方向に変更することで、目標値フィルタ１５０の出力の変化速度を抑制し、フィルタ効果の持続時間を長くする。

また、図８（ｂ）を参照して、時刻ｔ１において、目標値ＳＶがＳＶ０からＳＶ２へ変更されると、制御装置１０Ａは、目標値フィルタ１５０の時定数ＴｆをＴｆ０からＴｆ２（＞Ｔｆ１）へ変更する。すなわち、制御装置１０Ａは、目標値の変更幅（絶対値）が大きいほど、時定数Ｔｆをより長くなる方向に変更する。これにより、目標値ＳＶの変更幅ΔＳＶに影響されることなく、出力の変化速度をほぼ一定に保つことができる。

（ｅ２：目標値フィルタの時定数の決定方法（その１））
次に、このような目標値の変更幅に応じた目標値フィルタ１５０の時定数の決定方法の一例について説明する。

対象のフィードバック制御系において、目標値の変更幅が過大であるか否かは、フィードバック補償要素である制御部１６０におけるフィードバック特性（伝達関数）に応じて定まることになる。そこで、制御部１６０のＰＩ要素１６４（伝達関数Ｃ（ｓ）＝Ｋ_Ｐ（１＋１／Ｔ_Ｉｓ））の比例帯ＰｂとΔＳＶとの大きさの関係に応じて、目標値フィルタ１５０の時定数Ｔｆを決定する。ここで、比例帯Ｐｂは、Ｋ_Ｐが規格化された比例ゲインであるとすると、比例帯Ｐｂは比例ゲインの逆数、すなわち、比例帯Ｐｂ＝１／Ｋ_Ｐとなる。より具体的には、目標値の変更幅ΔＳＶが比例帯Ｐｂよりも大きい場合には、以下の（１）式に従って算出される目標値フィルタ時定数補正係数βを用いて、（２）式に従って目標値フィルタ１５０の標準時定数Ｔｆ０を補正することで、目標値フィルタの時定数Ｔｆを算出する。

目標値フィルタ時定数補正係数β＝変更幅ΔＳＶ／比例帯Ｐｂ…（１）
（但し、目標値フィルタ時定数補正係数β≧１．０）
時定数Ｔｆ＝標準時定数Ｔｆ０×目標値フィルタ時定数補正係数β…（２）
なお、目標値フィルタ１５０の標準時定数Ｔｆ０は、制御部１６０のＰＩ要素１６４の伝達関数に応じて決定される。典型的には、標準時定数Ｔｆ０は、ＰＩ要素１６４の積分時定数Ｔ_Ｉと同じ値に設定される。

図９は、実施の形態１に従う制御装置１０Ａにおける目標値フィルタ１５０の時定数Ｔｆの変更処理に係る設定例を示す図である。図９（ａ）は、上述の（１）式に従って算出される目標値フィルタ時定数補正係数βをプロットした図である。図９（ａ）に示すように、目標値ＳＶの変更幅ΔＳＶが比例帯Ｐｂより大きい場合には、目標値フィルタ時定数補正係数βは、変更幅ΔＳＶに比例して増加する。

但し、変更幅ΔＳＶが比例帯Ｐｂ以下である場合には、操作量が飽和することなく、制御対象を制御できることが予測されるので、目標値フィルタ１５０の時定数としては、標準時定数が採用される。すなわち、目標値フィルタ時定数補正係数βは、１に維持される。言い換えれば、制御装置１０Ａの目標値フィルタ調整部１８０は、目標値が変更された場合であっても、目標値の変更幅ΔＳＶが予め定められた値（比例帯Ｐｂ）より小さいときには、目標値フィルタ１５０の時定数Ｔｆを維持する。この場合には、目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系による本来の制御動作を実現できると予想されるからである。

（ｅ３：シミュレーション例（改善効果））
次に、実施の形態１に従う目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系における改善効果について説明する。

図１０は、実施の形態１に従う目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系におけるシミュレーション結果の一例を示す図である。図１０に示すシミュレーションに用いたパラメータや条件は、目標値フィルタ１５０の時定数の変更を除いて、図５に示すシミュレーションと同一である。

図１０に示すシミュレーション例においては、目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値（ＳＶ’）は緩やかに立ち上がっている。これにより、操作量（ＭＶ）の飽和もなく、かつ、制御対象にオーバシュートや揺れも生じていない。別の見方をすると、制御対象の応答速度に応じて、フィルタリング後の目標値（ＳＶ’）の変化速度が抑制される。

このように、実施の形態１に従う目標値フィルタ１５０の時定数の変更処理を採用することで、目標値が大きく変更されたとしても、フィードバック制御系の安定性および応答性を維持できる。

（ｅ４：目標値フィルタの時定数の決定方法（その２））
目標値フィルタ１５０の時定数Ｔｆの決定方法としては、上述した方法に限られず、各種の方法を採用してもよい。図９では、目標値フィルタ時定数補正係数βをＰＩ要素１６４の比例帯Ｐｂに対するΔＳＶの比の一次関数として決定する例を示したが、高次関数を用いてもよい。

図１１は、実施の形態１に従う制御装置１０Ａにおける目標値フィルタ１５０の時定数Ｔｆの変更処理に係る別の設定例を示す図である。図１１に示すように、目標値の変更幅ΔＳＶについて、目標値フィルタ１５０の時定数Ｔｆを非線形に変化させてもよい。このような時定数Ｔｆを非線形に変化させる場合には、図１１に示すような特性を予めテーブルに格納しておき、このテーブルを参照して、時定数Ｔｆを決定してもよい。

但し、目標値の変更幅ΔＳＶが大きいほど、目標値フィルタ１５０の時定数Ｔｆをより長い方向に変更することが好ましい。

（ｅ５：処理手順）
次に、実施の形態１に従う制御装置１０Ａにおいて実行される処理手順について説明する。図１２は、実施の形態１に従う制御装置１０Ａにおいて実行される処理手順を示すフローチャートである。図１２には、制御対象から取得される観測量が目標値と一致するように、制御対象へ出力する操作量を決定するフィードバック制御の方法を示す。図１２に示す各ステップは、典型的には、処理部１００のプロセッサ１０２がプログラムモジュール１０６に含まれる命令コードを実行することで実現される。図１２に示す処理手順は、予め定められた演算周期（例えば、１００ｍｓｅｃ毎）に繰返し実行される。

図１２を参照して、プロセッサ１０２は、今回の演算周期における目標値を取得する（ステップＳ１００）とともに、前回の演算周期における目標値との差分に基づいて、目標値が変更されたか否かを判断する（ステップＳ１０２）。目標値が変更されていない場合（ステップＳ１０２においてＮＯの場合）には、後述のステップＳ１０４およびＳ１０６の処理がスキップされる。

目標値が変更された場合（ステップＳ１０２においてＹＥＳの場合）には、プロセッサ１０２は、前回の演算周期における目標値と今回の演算周期における目標値との差分から目標値の変更幅を算出する（ステップＳ１０４）。そして、プロセッサ１０２は、算出した目標値の変更幅に応じて、新たな目標値フィルタの時定数を決定する（ステップＳ１０６）。すなわち、ステップＳ１０２およびＳ１０４において、プロセッサ１０２は、目標値が変更されたことに応じて、目標値フィルタから出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせる。このフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせる処理として、プロセッサ１０２は、目標値フィルタのローパス特定に係る時定数を変更する。このローパス特定に係る時定数を決定する際、プロセッサ１０２は、目標値が変更されると、当該目標値の変更幅の大きさに応じて時定数をより長くする。

なお、図９および図１１を用いて説明したように、目標値が変更された場合であっても、当該目標値の変更幅が予め定められた値より小さいときには、目標値フィルタの時定数を維持することが好ましい。

続いて、プロセッサ１０２は、今回の演算周期における目標値を格納し（ステップＳ１０８）、今回の演算周期における目標値と、前回の演算周期におけるフィルタリング後の目標値とから、今回の演算周期におけるフィルタリング後の目標値を算出する（ステップＳ１１０）。すなわち、プロセッサ１０２は、ローパス特性を持つフィルタを用いて目標値をフィルタリングする。プロセッサ１０２は、算出した今回の演算周期におけるフィルタリング後の目標値を格納する（ステップＳ１１２）。

続いて、プロセッサ１０２は、今回の演算周期における観測量を取得する（ステップＳ１１４）とともに、今回の演算周期におけるフィルタリング後の目標値と今回の演算周期における観測量との差分から偏差を算出する（ステップＳ１１６）。そして、プロセッサ１０２は、今回の演算周期における偏差と、前回の演算周期における操作量とから、今回の演算周期における操作量を算出する（ステップＳ１１８）。

続いて、プロセッサ１０２は、算出した操作量を制御対象（ソリッドステートリレー４）へ出力する（ステップＳ１２０）とともに、その操作量を格納する（ステップＳ１２２）。なお、ステップＳ１１８においては、積分要素に蓄積されている値（積分値）が利用されるため、ステップＳ１２２においては、ＰＩ要素１６４に蓄積されている積分値も格納される。そして、ステップＳ１００以下の処理が繰返される。

（ｅ６：まとめ）
上述したように、操作量（調節部に相当する制御装置１０の出力）が飽和特性を有するフィードバック制御系（典型的には、ＰＩ制御系またはＰＩＤ制御系）では、目標値の変更幅が過大になると、その操作量が飽和してしまい、安定性および応答性が低下する。そこで、本実施の形態に係る制御装置１０Ａは、制御対象の応答性の遅れに合せる方向に目標値フィルタの時定数を変更する。

このとき、目標値の変更幅（絶対値）が大きいほど、目標値フィルタの時定数をより長くなる方向に変更することが好ましい。本実施の形態に係る制御装置１０は、このように目標値フィルタの時定数を目標値の変更幅に応じて自動的に最適設定する。この目標値フィルタの時定数の設定方法としては、制御部（ＰＩ要素またはＰＩＤ要素）に比例帯を基準として、目標温度の変更幅（絶対値）の比に比例して大きくなるように、目標値フィルタの時定数が決定される。但し、目標温度の変更幅（絶対値）が比例帯Ｐｂ以下である場合には、目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系の本来の制御特性が得られるので、目標値フィルタの時定数は予め定められた下限値（標準時定数）に制限される。

［Ｆ．実施の形態２］
次に、実施の形態２として、図６（ｂ）に示す制御装置１０Ｂについて説明する。上述したように、実施の形態２に従う制御装置１０Ｂは、決定された操作量が予め定められた許容範囲を逸脱もしくは許容範囲に接近したことに応じて、目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせる。

（ｆ１：目標値フィルタから出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせる処理の概要）
図１３は、実施の形態２に従う制御装置１０Ｂにおける目標値フィルタ１５０におけるフィルタリングの変更処理を説明するための概念図である。図１３（ａ）に示すように、操作量（ＭＶ）が予め定められた許容範囲（典型的には、０［％］〜１００［％］）から逸脱したか否かが判断される。操作量が許容範囲から逸脱した場合に、制御装置１０Ｂ（目標値フィルタ調整部１８０）は、目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせる。

典型的には、図１３（ｂ）に示すように、操作量が許容範囲から逸脱すると、目標値フィルタ調整部１８０は、目標値フィルタ１５０の時定数Ｔｆをより長くなる方向に変更する。図１３（ｂ）に示す例では、目標値フィルタ１５０の時定数Ｔｆは、Ｔｆ０からＴｆＡ（＞Ｔｆ０）へ変更される。これによって、図１３（ｃ）に示すように、目標値フィルタ１５０の出力の変化速度が抑制される。すなわち、制御装置１０Ｂ（目標値フィルタ調整部１８０）は、決定された操作量が許容範囲を逸脱している間、目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を抑制する。

あるいは、図１３（ｄ）に示すように、目標値フィルタ１５０における出力更新動作を停止してもよい。すなわち、制御装置１０Ｂ（目標値フィルタ調整部１８０）は、決定された操作量が許容範囲を逸脱している間、目標値フィルタ１５０の出力算出（更新）を停止し、フィルタリング後の目標値を逸脱前の値に維持する。このようにして、制御装置１０Ｂ（目標値フィルタ調整部１８０）は、目標値フィルタ１５０の出力の変化速度、すなわちフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせる。

このように、実施の形態２においては、操作量が飽和している期間中は、目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせる。なお、図１３（ｂ）および（ｃ）、あるいは図１３（ｄ）に示すように、操作量が許容範囲を逸脱（飽和）している期間中のみ、目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせるようにすると、操作量が許容範囲の境界ぎりぎりにあるような場合において、ハンチングが発生する可能性がある。すなわち、目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせた状態とそれ以外の状態とが短期間内に繰返される可能性がある。そこで、操作量と許容範囲とを比較し、操作量が許容範囲に対して上側しきい値Ｔｈ１以上上回ったときに、操作量が許容範囲を逸脱（飽和）していると判断し、また、操作量が許容範囲に対して下側しきい値Ｔｈ２より大きく下回ったときに、操作量が許容範囲を逸脱（飽和）していると判断する。このように、操作量が許容範囲を逸脱しているか否かの判断において、上述のようなデッドバンド（不感帯）を設けることで、ハンチングの発生を抑制して、制御系を安定化できる。

（ｆ２：シミュレーション例（改善効果））
次に、実施の形態２に従う目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系における改善効果について説明する。

図１４は、実施の形態２に従う目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御系におけるシミュレーション結果の一例を示す図である。図１４に示すシミュレーションに用いたパラメータや条件は、目標値フィルタ１５０の時定数の変更を除いて、図５に示すシミュレーションと同一である。

図１４に示すシミュレーション例においては、入力される目標値（ＳＶ）が大きく変化し、それに伴って操作量（ＭＶ）は比較的短時間で飽和に至っている。このような操作量（ＭＶ）が飽和している期間において、目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせる。すなわち、操作量（ＭＶ）が飽和している期間において、フィルタリング後の目標値（ＳＶ’）の変化速度が抑制される。その後、操作量（ＭＶ）の飽和が解消されると、目標値フィルタ１５０によるフィルタリング動作は本来の状態に復帰し、フィルタリング後の目標値（ＳＶ’）は再度立ち上がる。このように、目標値フィルタ１５０におけるローパス特性を制御することで、操作量（ＭＶ）が飽和したとしても、制御対象にオーバシュートや揺れの発生を回避できる。

このように、実施の形態２に従う目標値フィルタ１５０におけるローパス特性を変更する処理を採用することで、目標値が大きく変更されたとしても、フィードバック制御系の安定性および応答性を維持できる。

（ｆ３：逸脱予測）
上述の説明においては、操作量が許容範囲を逸脱してから目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせる処理を開始する例について説明したが、操作量が許容範囲を逸脱することを予測して、フィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせるようにしてもよい。すなわち、制御部１６０によって決定された操作量が予め定められた許容範囲に接近したことに応じて、フィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせるようにしてもよい。

このような操作量が許容範囲を逸脱することを予測する方法としては、各種の方法を採用できる。例えば、制御部１６０のＰＩ要素１６４での演算値に基づいて判断してもよいし、オブザーバなどの制御ロジックを利用してもよい。あるいは、以下に説明するように、操作量の時間的変化の傾向に基づいて、許容範囲を逸脱するか否かを予測してもよい。

図１５は、実施の形態２に従う制御装置１０Ｂにおける操作量の予測処理を説明するための概念図である。図１５に示すように、時刻ｔＡにおいて、目標値フィルタ調整部１８０は、それ以前に現れた操作量の時間的変化に応じて、それ以降に生じ得る操作量の時間的変化を推定する。

例えば、時刻ｔＡ以前の操作量の時間的変化から操作量の変化速度を算出し、時刻ｔＡにおける許容範囲までの余裕量に基づいて、操作量が許容範囲を逸脱するかを判断できる。すなわち、フィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせるステップは、決定された操作量の変化速度と、許容範囲に対する余裕量とに基づいて、許容範囲への接近を検出する。

あるいは、時刻ｔＡ以前の操作量の時間的変化からフィッティング処理などによって変化特性を示す関数を決定する。そして、この決定した関数に基づいて、将来的な操作量の挙動を推定する。この推定の結果、予め定められた時間内に、操作量が許容範囲を逸脱することが予測される場合には、その時点で、フィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせるようにしてもよい。

（ｆ４：処理手順）
次に、実施の形態２に従う制御装置１０Ｂにおいて実行される処理手順について説明する。図１６は、実施の形態２に従う制御装置１０Ｂにおいて実行される処理手順を示すフローチャートである。図１６には、制御対象から取得される観測量が目標値と一致するように、制御対象へ出力する操作量を決定するフィードバック制御の方法を示す。図１６に示す各ステップは、典型的には、処理部１００のプロセッサ１０２がプログラムモジュール１０６に含まれる命令コードを実行することで実現される。図１６に示す処理手順は、予め定められた演算周期（例えば、１００ｍｓｅｃ毎）に繰返し実行される。

図１６を参照して、プロセッサ１０２は、今回の演算周期における目標値を取得し（ステップＳ２００）、取得した今回の演算周期における目標値を格納する（ステップＳ２０２）。続いて、プロセッサ１０２は、前回の演算周期における操作量を取得し（ステップＳ２０４）、取得した前回の演算周期における操作量が許容範囲を逸脱しているか否かを判断する（ステップＳ２０６）。

取得した前回の演算周期における操作量が許容範囲を逸脱していない場合（ステップＳ２０６においてＮＯの場合）には、目標値フィルタにおいて通常のフィルタリング処理が実行される。すなわち、プロセッサ１０２は、目標値フィルタの標準時定数を用いて、今回の演算周期における目標値と、前回の演算周期におけるフィルタリング後の目標値とから、今回の演算周期におけるフィルタリング後の目標値を算出する（ステップＳ２０８）。すなわち、プロセッサ１０２は、ローパス特性を持つ目標値フィルタを用いて目標値をフィルタリングする。

これに対して、取得した前回の演算周期における操作量が許容範囲を逸脱している場合（ステップＳ２０６においてＹＥＳの場合）には、目標値フィルタから出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせられる。すなわち、プロセッサ１０２は、より長い時定数を用いて、今回の演算周期における目標値と、前回の演算周期におけるフィルタリング後の目標値とから、今回の演算周期におけるフィルタリング後の目標値を算出する（ステップＳ２１０）。すなわち、ステップＳ２１０において、プロセッサ１０２は、操作量が予め定められた許容範囲を逸脱したことに応じて、目標値フィルタから出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせる。このフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせる処理として、プロセッサ１０２は、目標値フィルタのローパス特性に係る時定数を変更する。

なお、ステップＳ２０６に加えて、あるいは、それに代えて、前回の演算周期における操作量が許容範囲に接近しているか否かを判断してもよい。すなわち、決定された操作量の変化速度と、許容範囲に対する余裕量とに基づいて、許容範囲への接近を検出するようにしてもよい。

そして、プロセッサ１０２は、ステップＳ２０８またはＳ２１０において算出した今回の演算周期におけるフィルタリング後の目標値を格納する（ステップＳ２１２）。続いて、プロセッサ１０２は、今回の演算周期における観測量を取得する（ステップＳ２１４）とともに、今回の演算周期におけるフィルタリング後の目標値と今回の演算周期における観測量との差分から偏差を算出する（ステップＳ２１６）。そして、プロセッサ１０２は、今回の演算周期における偏差と、前回の演算周期における操作量とから、今回の演算周期における操作量を算出する（ステップＳ２１８）。

続いて、プロセッサ１０２は、算出した操作量を制御対象（ソリッドステートリレー４）へ出力する（ステップＳ２２０）とともに、その操作量を格納する（ステップＳ２２２）。なお、ステップＳ２１８においては、積分要素に蓄積されている値（積分値）が利用されるため、ステップＳ２２２においては、ＰＩ要素１６４に蓄積されている積分値も格納される。そして、ステップＳ２００以下の処理が繰返される。

（ｆ５：まとめ）
上述したように、操作量（調節部に相当する制御装置１０の出力）が飽和特性を有するフィードバック制御系（典型的には、ＰＩ制御系またはＰＩＤ制御系）では、その操作量が飽和してしまうと、安定性および応答性が低下する。そこで、本実施の形態に係る制御装置１０Ｂは、操作量が飽和している期間、または飽和しそうな期間には、目標値フィルタの時定数を一時的により長くなる方向に変更することによって、操作量の変化速度を抑制する。そして、操作量が飽和していない期間は、目標値フィルタの時定数を元に戻す。このように、操作量が飽和中に、目標値フィルタから出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を抑制することで、目標値に対する追従性を高める。

［Ｇ．実施の形態３］
上述したように、一般的には、目標値フィルタ１５０の時定数は、後段に配置されるＰＩＤ制御系の積分時定数と同一の値に設定される。上述の実施の形態１および２においては、目標値フィルタ１５０の時定数を動的に変更する構成について例示した。実施の形態３においては、２自由度制御系の目標値フィルタ１５０の時定数を、ＰＩＤ制御系の積分時定数とは独立して設定できる構成について説明する。

制御装置１０Ｄの構成および主たる動作については、上述したものと同様であるので詳細な説明は繰返さない。

実施の形態３に係る制御装置１０Ｄは、目標値フィルタ１５０の時定数であるフィルタの時定数ＴｆをＰＩＤ制御系の積分時定数Ｔ_Ｉとは独立して決定する。より具体的には、予め設定された係数ｋを用いて、「積分時定数Ｔ_Ｉ×係数ｋ」に従って、目標値フィルタ１５０の時定数Ｔｆを自動的に算出する。すなわち、制御装置１０Ｄの処理部１００は、操作量を決定するための積分要素を含むＰＩＤ制御系の積分時定数Ｔ_Ｉおよび係数ｋに関連付けて、目標値フィルタ１５０の時定数である時定数Ｔｆを「時定数Ｔｆ＝積分時定数Ｔ_Ｉ×係数ｋ」に従って算出する。

この係数ｋは、ユーザが任意に設定・変更することが可能である。この係数ｋの設定・変更の操作は、操作部１２２を介して行なわれる。すなわち、制御装置１０Ｄの処理部１００は、ユーザから係数ｋの設定・変更を受け付ける。また、設定されている係数ｋは、ユーザが確認することができる。この操作は、ユーザが操作部１２２を操作することで、その値が表示部１２０に表示される。すなわち、制御装置１０Ｄの処理部１００は、設定されている係数ｋの値を表示する。

本実施の形態に従う制御装置１０Ｄは、従来は、ＰＩＤ制御系の積分時定数Ｔ_Ｉに固定であった目標値フィルタ１５０の時定数（フィルタ時定数）を、積分時定数Ｔ_Ｉの値に縛られずに、ユーザが自由に設定できる。これによって、制御対象に応じてより適切なフィードバック制御を実現できる。

［Ｈ．その他の実施形態］
実施の形態１として、目標値の変更幅に応じて、目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせる構成について説明し、実施の形態２として、決定された操作量が予め定められた許容範囲を逸脱もしくは許容範囲に接近したことに応じて、目標値フィルタ１５０から出力されるフィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせる構成について説明した。これに加えて、図７に示すような目標値フィルタ調整部１９０を採用して、実施の形態１および実施の形態２のいずれをも実施可能な構成を採用してもよい。

上述の実施の形態１〜３において、目標値フィルタ１５０の時定数Ｔｆをユーザ（あるいは、外部の設定手段）が任意に設定・変更するようにしてもよい。この時定数Ｔｆの設定・変更の操作は、操作部１２２を介して行なわれる。すなわち、制御装置１０は、目標値フィルタ１５０の時定数Ｔｆの設定・変更を受け付ける設定手段を含んでもよい。また、ユーザが設定されている目標値フィルタ１５０の時定数Ｔｆを確認できるようにしてもよい。この確認操作は、ユーザが操作部１２２を操作することで、その値が表示部１２０に表示される。すなわち、制御装置１０は、設定されている時定数Ｔｆの値を表示する表示手段を含んでもよい。

また、上述の説明では、説明の便宜上、温度調整に係るフィードバック制御系について例示したが、本実施の形態に係るフィードバック制御系は、操作量が飽和し得るものであれば、加熱炉に限らず各種の制御対象へ適用が可能である。例えば、圧力制御、流量制御、レベル制御、速度制御、位置制御などへ適用できる。

また、上述の説明では、プロセッサがプログラムを実行することで、上述のような処理を実現する構成例について説明したが、制御装置１０の処理部１００およびその周辺回路を含めて、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの専用集積回路を用いて実現してもよい。本発明は、制御装置１０の実装形態について何ら限定するものではない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ，１Ｂ フィードバック制御系、２ 加熱炉、３ ヒータ、４ ソリッドステートリレー、５ 電源、６ 温度センサ、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ 制御装置、１００ 処理部、１０２ プロセッサ、１０４ メモリ、１０６ プログラムモジュール、１１０ 入力回路、１１２ アナログ・デジタル変換部（Ａ／Ｄ変換部）、１１４ デジタル・アナログ変換部（Ｄ／Ａ変換部）、１１６ 出力回路、１２０ 表示部、１２２ 操作部、１２４ 通信インターフェイス、１５０ 目標値フィルタ、１６０ 制御部、１６２ 差分要素、１６４ ＰＩ要素、１７０，１８０，１９０ 目標値フィルタ調整部。

Claims (23)

1. 制御対象から取得される観測量が目標値と一致するように、前記制御対象へ出力する操作量を決定するフィードバック制御方法であって、
   ローパス特性を持つフィルタを用いて前記目標値をフィルタリングするステップと、
   前記フィルタリング後の目標値と前記観測量との偏差に応じて前記操作量を決定するステップと、
   前記目標値が変更されたこと、および、前記決定された操作量が予め定められた許容範囲を逸脱もしくは当該許容範囲に接近したこと、の少なくとも一方に応じて、前記フィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせるステップとを備える、フィードバック制御方法。
2. 前記遅らせるステップは、前記目標値が変更されると、当該目標値の変更幅の大きさに応じて、前記フィルタの時定数をより長くする、請求項１に記載のフィードバック制御方法。
3. 前記フィルタの時定数の設定・変更を受け付けるステップをさらに備える、請求項２に記載のフィードバック制御方法。
4. 設定されている前記フィルタの時定数の値を表示するステップをさらに備える、請求項３に記載のフィードバック制御方法。
5. 前記遅らせるステップは、前記目標値が変更された場合であっても、当該目標値の変更幅が予め定められた値より小さいときには、前記フィルタの時定数を維持する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のフィードバック制御方法。
6. 前記遅らせるステップは、前記決定された操作量が前記許容範囲を逸脱している間、前記フィルタリング後の目標値の変化速度を抑制するステップを含む、請求項１に記載のフィードバック制御方法。
7. 前記遅らせるステップは、前記決定された操作量が前記許容範囲を逸脱している間、前記フィルタリング後の目標値を逸脱前の値に維持するステップを含む、請求項１または６に記載のフィードバック制御方法。
8. 前記遅らせるステップは、前記決定された操作量の変化速度と、前記許容範囲に対する余裕量とに基づいて、前記許容範囲への接近を検出するステップを含む、請求項１に記載のフィードバック制御方法。
9. 制御対象から取得される観測量が目標値と一致するように、前記制御対象へ出力する操作量を決定するフィードバック制御方法であって、
   ローパス特性を持つフィルタを用いて前記目標値をフィルタリングするステップと、
   前記フィルタリング後の目標値と前記観測量との偏差に応じて前記操作量を決定するステップと、
   前記操作量を決定するための積分要素を含む制御系の積分時定数Ｔ_Ｉおよび係数ｋに関連付けて、前記フィルタの時定数であるフィルタ時定数を
   フィルタ時定数＝積分時定数Ｔ_Ｉ×係数ｋ
   に従って算出するステップとを備える、フィードバック制御方法。
10. 前記係数ｋの設定・変更を受け付けるステップをさらに備える、請求項９に記載のフィードバック制御方法。
11. 設定されている係数ｋの値を表示するステップをさらに備える、請求項９または１０に記載のフィードバック制御方法。
12. 制御対象から取得される観測量が目標値と一致するように、前記制御対象へ出力する操作量を決定するフィードバック制御装置であって、
    前記目標値をフィルタリングする、ローパス特性を持つフィルタと、
    前記フィルタリング後の目標値と前記観測量との偏差に応じて前記操作量を決定する制御部と、
    前記目標値が変更されたこと、および、前記決定された操作量が予め定められた許容範囲を逸脱もしくは当該許容範囲に接近したこと、の少なくとも一方に応じて、前記フィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせる調整部とを備える、フィードバック制御装置。
13. 前記調整部は、前記目標値が変更されると、当該目標値の変更幅の大きさに応じて、前記フィルタの時定数をより長くするように構成される、請求項１２に記載のフィードバック制御装置。
14. 前記フィルタの時定数の設定・変更を受け付ける設定手段をさらに備える、請求項１３に記載のフィードバック制御装置。
15. 設定されている前記フィルタの時定数の値を表示する表示手段をさらに備える、請求項１４に記載のフィードバック制御装置。
16. 前記調整部は、前記目標値が変更された場合であっても、当該目標値の変更幅が予め定められた値より小さいときには、前記フィルタの時定数を維持するように構成される、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載のフィードバック制御装置。
17. 前記調整部は、前記決定された操作量が前記許容範囲を逸脱している間、前記フィルタリング後の目標値の変化速度を抑制するように構成される、請求項１２に記載のフィードバック制御装置。
18. 前記調整部は、前記決定された操作量が前記許容範囲を逸脱している間、前記フィルタリング後の目標値を逸脱前の値に維持するように構成される、請求項１２または１７に記載のフィードバック制御装置。
19. 前記調整部は、前記決定された操作量の変化速度と、前記許容範囲に対する余裕量とに基づいて、前記許容範囲への接近を検出するように構成される、請求項１２に記載のフィードバック制御装置。
20. 制御対象から取得される観測量が目標値と一致するように、前記制御対象へ出力する操作量を決定するフィードバック制御装置であって、
    前記目標値をフィルタリングする、ローパス特性を持つフィルタと、
    前記フィルタリング後の目標値と前記観測量との偏差に応じて前記操作量を決定する制御部と、
    前記操作量を決定するための積分要素を含む制御系の積分時定数Ｔ_Ｉおよび係数ｋに関連付けて、前記フィルタの時定数であるフィルタ時定数を
    フィルタ時定数＝積分時定数Ｔ_Ｉ×係数ｋ
    に従って算出する設定手段とを備える、フィードバック制御装置。
21. 前記設定手段は、前記係数ｋの設定・変更を受け付ける、請求項２０に記載のフィードバック制御装置。
22. 前記設定手段は、設定されている係数ｋの値を表示する、請求項２０または２１に記載のフィードバック制御装置。
23. 制御対象から取得される観測量が目標値と一致するように、前記制御対象へ出力する操作量を決定するフィードバック制御プログラムであって、前記フィードバック制御プログラムはコンピュータに、
    ローパス特性を持つフィルタを用いて前記目標値をフィルタリングするステップと、
    前記フィルタリング後の目標値と前記観測量との偏差に応じて前記操作量を決定するステップと、
    前記目標値が変更されたこと、および、前記決定された操作量が予め定められた許容範囲を逸脱もしくは当該許容範囲に接近したこと、の少なくとも一方に応じて、前記フィルタリング後の目標値の変化速度を遅らせるステップとを実行させる、フィードバック制御プログラム。

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