JP2015018388A - 制御パラメータ調整システム - Google Patents

Abstract

【課題】試験を繰り返し実施したり制御系の応答特性を示すモデルを設定したりする必要がなく、制御パラメータの値を簡単に調整することができる制御パラメータ調整システムを提供する。【解決手段】制御パラメータ調整システム５は、第１演算手段、第２演算手段及び調整手段を備える。第１演算手段は、制御器２が制御対象１に出力する操作量と制御対象１が出力する制御量とに基づいて制御器２の仮想内部操作量を演算する。第２演算手段は、むだ時間を持つ１次遅れモデル８に第１演算手段によって演算された仮想内部操作量を入力し、１次遅れモデル８の出力を演算する。調整手段は、評価関数Ｊが一定の条件で最小になるように、制御器２の制御パラメータを調整する。【選択図】図２

Description

この発明は、制御パラメータを最適な値に調整するためのシステムに関するものである。

一般に、発電プラント及び石油化学プラントといった産業プラントでは、機器を監視及び制御する監視制御装置が使用される。監視制御装置は、プラントを安全に運転するため、温度及び圧力、流量といった種々のプロセス値を測定する。また、監視制御装置は、測定したプロセス値を表示し、プラントの運転員に当該プラントの運転状態を通知する。

監視制御装置には、多数の制御要素が備えられる。例えば、ＰＩＤ（比例積分微分）演算を用いた制御要素の例として、ＰＩＤ制御器、ＰＩ−Ｄ制御器、Ｉ−ＰＤ制御器、２自由度ＰＩＤ制御器、モデル駆動ＰＩＤ制御器がある。制御要素の制御パラメータを設計するため、従来では、何らかのモデリングを行って制御対象の動特性を表す伝達関数を求めていた。例えば、プロセス制御系の設計及び調整では、先ず制御対象の動特性モデル（或いは、特徴量）を求め、次いでその動特性モデルから設計則に基づいて制御パラメータを決定する２段階の方法が採用されていた。

制御設計に必要な動特性モデルの抽出には、多くのデータが必要である。また、雑音及び制御対象の非線形性等が原因となり、動特性モデルには誤差が生じる。このため、動特性モデルを得るだけでも多大な労力が必要となり、更に、特定された動特性モデルから正しい制御パラメータを得ることができない場合があった。

一方、制御対象の動特性モデルを求めることなく制御パラメータを調整する方法として、以下の３つの方法良く知られている。
・ＩＦＴ（Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｔｕｎｉｎｇ）
・ＶＲＦＴ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｔｕｎｉｎｇ）
・ＦＲＩＴ（Ｆｉｃｔｉｔｉｏｕｓ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｔｕｎｉｇ）

ＩＦＴと呼ばれる方法では、試験を繰り返すことによって制御パラメータを更新していく。また、ＶＲＦＴ及びＦＲＩＴと呼ばれる方法では、一組の試験データから制御パラメータを決定する。特許文献１は、ＶＲＦＴの一例を開示する。

特開２００９−１７５９１７号公報

ＩＦＴでは、制御パラメータを決定するために試験を繰り返し実施しなければならない。制御パラメータを決定するまでに多くのデータが必要であり、多大な時間を要するといった問題があった。ＶＲＦＴ及びＦＲＩＴでは、制御系の応答特性を示すモデルを設定する必要があるが、最適なモデルを設定することは容易ではなかった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものである。この発明の目的は、試験を繰り返し実施したり制御系の応答特性を示すモデルを設定したりする必要がなく、制御パラメータの値を簡単に調整することができる制御パラメータ調整システムを提供することである。

この発明に係る制御パラメータ調整システムは、ＩＭＣ制御部とＰＤ補償器とを備えた制御器の制御パラメータを調整するための制御パラメータ調整システムであって、制御器が制御対象に出力する操作量と制御対象が出力する制御量とに基づいて制御器の仮想内部操作量を演算する第１演算手段と、むだ時間を持つ１次遅れモデルに第１演算手段によって演算された仮想内部操作量を入力し、１次遅れモデルの出力を演算する第２演算手段と、制御量と第２演算手段によって演算された出力との差に基づく評価関数が一定の条件で最小になるように、制御器の制御パラメータを調整する調整手段と、を備えたものである。

この発明に係る制御パラメータ調整システムであれば、試験を繰り返し実施したり制御系の応答特性を示すモデルを設定したりする必要がなく、制御パラメータの値を簡単に調整することができる。

この発明の実施の形態１における制御パラメータ調整システムを備えたプラントの概略を示す構成図である。 制御パラメータ調整システムの構成を示す図である。 ＩＭＣ制御部及びＰＤ補償器を備えた制御器の構成例を示す図である。

添付の図面を参照し、本発明を詳細に説明する。重複する説明は、適宜簡略化或いは省略する。各図では、同一又は相当する部分に、同一の符号を付している。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における制御パラメータ調整システムを備えたプラントの概略を示す構成図である。図１において、１は伝達関数がＰ（ｓ）である制御対象である。２は伝達関数がＣ（ｓ、θ）である制御器である。θは、制御器２の制御パラメータ（制御定数）である。制御器２は、制御対象１を制御する。また、制御器２は、ＩＭＣ制御部３及びＰＤ補償器４（図１において図示せず）を備える。

制御器２に対し、目標値ｒ（ｔ）が入力される。また、制御対象１の制御量ｙ（ｔ）が制御器２に入力される。制御器２は、入力された目標値ｒ（ｔ）及び制御量ｙ（ｔ）に基づいて、制御対象１の動作が目標値ｒ（ｔ）に追従するように操作量ｕ（ｔ）を出力する。制御対象１は、入力された操作量ｕ（ｔ）に応じて動作を行う。操作量ｕ（ｔ）に応じて動作が行われた時の制御対象１の制御量ｙ（ｔ）は、制御器２に入力される。即ち、図１に示すプラントは、制御器２が目標値ｒ（ｔ）と制御量ｙ（ｔ）とを取り込み操作量ｕ（ｔ）を発生する制御ループを形成する。

５は制御器２の制御パラメータθの値を調整するための制御パラメータ調整システムである。制御パラメータ調整システム５は、試験時に得られた一組の操作量ｕ_０（ｔ）及び制御量ｙ_０（ｔ）に基づいて制御パラメータθを決定する。ｒ_０（ｔ）は、試験時に制御器２に入力される目標値を示す。上記試験は、例えば、目標値ｒ_０（ｔ）を変化させることによって行われる。試験時の目標値ｒ_０（ｔ）、操作量ｕ_０（ｔ）及び制御量ｙ_０（ｔ）は、制御パラメータ調整システム５に入力される。

更に、制御パラメータ調整システム５は、制御器２の制御パラメータθを調整する調整機能を有する。調整機能は、例えば、減算器９と演算設定器１０とより実現される。調整機能を実現するための構成は、これに限定されない。

図３は、ＩＭＣ制御部３及びＰＤ補償器４を備えた制御器２の構成例を示す図である。
図３は、モデル駆動ＰＩＤ制御のブロック図を示している。図３において、ｄは外乱要素を示す。

ＩＭＣ制御部３のＱフィルタＱ（ｓ）及びＳＶフィルタＳＶ（ｓ）は次式で表される。

λ及びαは、ＭＤ−ＰＩＤ制御器の微調整パラメータである。λは、制御系の目標値の追従速度に関わるパラメータである。αは、制御系の外乱抑制性に関わるパラメータである。λのデフォルト値及びαのデフォルト値はそれぞれ１である。λ及びαは、それぞれデフォルト値に設定される。

また、制御パラメータ調整システム５は、制御対象１の伝達関数Ｐ（ｓ）を演算する第３演算機能を有する。制御パラメータ調整システム５は、評価関数Ｊの値が最小になる制御パラメータθに基づいてＰ（ｓ）を演算する。

このため、制御対象Ｐ（ｓ）は、Ｐ（ｓ）^−１＝Ｇ（ｓ）^−１−Ｆ（ｓ）によって演算できる。特に、制御対象Ｐ（ｓ）の分母系列係数を
Ｐ（ｓ）^−１＝ｐ_０＋ｐ_１ｓ＋ｐ_２ｓ^２＋ｐ_３ｓ^３＋・・・
とすると、Ｇ（ｓ）^−１−Ｆ（ｓ）をテイラー展開することによってＰ_ｉ（ｉ＝０，１，２，３，…）を求めることができる。

制御対象Ｐ（ｓ）の動特性形状がむだ時間を持つ１次遅れ系であれば、制御対象Ｐ（ｓ）は次式で表される。

Ｋ_ｐ、Ｔ_ｐ、Ｌ_ｐはこの非線形方程式を解くことによって求めることができる。

また、制御対象Ｐ（ｓ）の動特性形状がむだ時間を持つ積分系であれば、制御対象Ｐ（ｓ）は次式で表される。

Ｔ_ｐ、Ｌ_ｐはこの非線形方程式を解くことによって求めることができる。なお、添え字のｐはプラントを意味する。

制御器２が図３に示す構成を有する場合、制御量ｙは、次式で表される。

外乱ｄ＝０であれば、次式に示すように制御量ｙは目標値ｒの関数となる。なお、添え字のｃはコントローラを意味する。

実プロセスで目標値ｒを変化させてｙを得る。この時の目標値をｒ_０、制御量をｙ_０とする。ｒ_０を上記式に代入して制御量ｙを計算する。計算して得られた制御量ｙが制御量ｙ_０にほぼ一致することが確認できれば、演算設定器１０によって特定された制御パラメータθが有効であることを評価できる。比較の手法として、例えば、計算値のグラフと実プロセスの応答結果のグラフとを並べて表示し、目視によって確認する方法がある。他の比較方法として、ＩＡＥ等の数値によって確認する方法がある。

このような評価を制御パラメータ調整システム５において実施しても良い。かかる場合、制御パラメータ調整システム５は、上記制御量ｙを演算によって求める第４演算機能を有する。即ち、制御パラメータ調整システム５は、ＩＭＣ制御部３に入力される目標値ｒ_０と演算設定器１０によって特定された制御パラメータθとを用いて制御量ｙを計算する。また、制御パラメータ調整システム５は、演算設定器１０によって特定された制御パラメータθが有効であるか否かを判定する判定機能を有する。制御パラメータ調整システム５は、演算によって求められた制御量ｙと目標値ｒ_０が実プロセスに入力された時の実プロセスの制御量ｙ_０とに基づいて上記判定を行う。例えば、制御パラメータ調整システム５は、制御量ｙと制御量ｙ_０とからＩＡＥ等の数値を求め、その数値が許容範囲内であれば、特定された制御パラメータθが有効であると判定する。

上記構成の制御パラメータ調整システム５であれば、制御パラメータを調整する際に、試験を繰り返し実施したり制御系の応答特性を示すモデルを設定したりする必要がない。また、制御パラメータの調整を簡単に行うことができる。

制御対象１の伝達関数Ｐ（ｓ）を求めることができるため、ＰＩＤ制御器、ＰＩ−Ｄ制御器、Ｉ−ＰＤ制御器、２自由度ＰＩＤ制御器、モデル駆動ＰＩＤ制御器といった各種制御器への応用が可能となる。更に、ナイキスト線図、各感度関数、時間応答シミュレーション解析結果の表示を通じて制御パラメータを把握できるため、実プロセスに適用する上で、従来のように経験或いは勘に頼ることなく信頼性のある制御パラメータの設定が可能となる。

１ 制御対象
２ 制御器
３ ＩＭＣ制御部
４ ＰＤ補償器
５ 制御パラメータ調整システム
６ 仮想ＰＤ補償器
７ 加算器
８ １次遅れモデル
９ 減算器
１０ 演算設定器

Claims (9)

1. ＩＭＣ制御部とＰＤ補償器とを備えた制御器の制御パラメータを調整するための制御パラメータ調整システムであって、
   前記制御器が制御対象に出力する操作量と前記制御対象が出力する制御量とに基づいて前記制御器の仮想内部操作量を演算する第１演算手段と、
   むだ時間を持つ１次遅れモデルに前記第１演算手段によって演算された仮想内部操作量を入力し、前記１次遅れモデルの出力を演算する第２演算手段と、
   前記制御量と前記第２演算手段によって演算された出力との差に基づく評価関数が一定の条件で最小になるように、前記制御器の制御パラメータを調整する調整手段と、
   を備えた制御パラメータ調整システム。
2. 前記第１演算手段は、仮想ゲイン、仮想微分時間及び仮想微分ゲインをパラメータに有する仮想ＰＤ補償器に前記制御量を入力した時の前記仮想ＰＤ補償器の出力と前記操作量とを加算して、仮想内部操作量を演算する請求項１に記載の制御パラメータ調整システム。
3. 
4. 前記調整手段は、前記評価関数が一定の条件で最小になる時の前記仮想ＰＤ補償器の仮想ゲイン、仮想微分時間及び仮想微分ゲインの各値を前記ＰＤ補償器のゲイン、微分時間及び微分ゲインにそれぞれ設定する請求項２又は請求項３に記載の制御パラメータ調整システム。
5. 前記１次遅れモデルは、仮想ゲイン、仮想むだ時間及び仮想時定数をパラメータに有する請求項１から請求項４の何れか一項に記載の制御パラメータ調整システム。
6. 
7. 前記調整手段は、前記評価関数が一定の条件で最小になる時の前記１次遅れモデルの仮想ゲインの逆数、仮想むだ時間及び仮想時定数の各値を前記ＩＭＣ制御部のゲイン、むだ時間及び時定数にそれぞれ設定する請求項５又は請求項６に記載の制御パラメータ調整システム。
8. 前記調整手段によって調整された前記制御器の制御パラメータに基づいて、前記制御対象の伝達関数を演算する第３演算手段と、
   を更に備えた請求項１から請求項７の何れか一項に記載の制御パラメータ調整システム。
9. 前記制御器に入力される目標値と前記調整手段によって調整された前記制御器の制御パラメータとを用いて前記制御対象が出力する第１制御量を演算によって求める第４演算手段と、
   前記第４演算手段によって演算された第１制御量と前記目標値を前記制御器に入力した時に前記制御対象が出力した第２制御量とに基づいて、前記調整手段によって調整された前記制御器の制御パラメータが有効であるか否かを判定する判定手段と、
   を更に備えた請求項１から請求項８の何れか一項に記載の制御パラメータ調整システム。

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