JP2016189106A - Ｐｉｄ制御装置及びｐｉｄ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】制御パラメータの調整が容易であり、制御パラメータの再調整が不要であり、制御対象装置を安定して制御できるＰＩＤ制御装置及びＰＩＤ制御方法を提供する。
【解決手段】ＰＩＤ制御装置１００は、入力値Ｕ（ｎ）を制限して制御信号Ｏ（ｎ）として出力する第１制限部１１０と、目標値ＳＶから状態値ＰＶを減算して偏差ｅ（ｎ）を出力するフィードバック部１０２と、偏差を増幅して出力する第１増幅部１０６と、偏差を遅延して出力する第１遅延部１２０と、第１遅延部の出力を増幅して出力する第２増幅部１２２と、制御信号を制限して出力する第２制限部１２４と、第２制限部の出力を遅延して出力する第２遅延部１２６と、第２遅延部の出力を増幅して出力する第３増幅部１２８と、第１〜第３増幅部の出力を加算して入力値として出力する加算部１０８とを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、モータ等の制御対象装置のＰＩＤ制御において、制御パラメータの調整が容易であり、調整後の制御パラメータの再調整が不要であり、制御対象装置を安定して制御することができるＰＩＤ制御装置及びＰＩＤ制御方法に関する。

ステッピングモータ等のモータの回転をＰＷＭ制御する場合に、モータの回転を検出するエンコーダの出力パルスをフィードバックして、モータの回転速度及び駆動量を、要望する設定量に応じて制御するモータ制御方法が知られている。フィードバック制御として、例えばＰＩＤ制御が使用される。

下記特許文献１には、制御目標値に追従するための制御を行いながら、モータ出力の急激な変動によって起きる振動を抑えることができるモータ駆動制御装置が開示されている。このモータ駆動制御装置は、ＰＩＤ制御によりモータを制御するための出力値を決定する。モータ駆動制御装置は、今回の出力値Ｎ−ＰＷＭを算出し、算出した今回の出力値Ｎ−ＰＷＭと前回の出力値Ｏ−ＰＷＭとを用いて、両者の差分Ｌを算出し、差分Ｌと制限値±Ｌ０とを比較する。比較の結果、Ｌ＞＋Ｌ０であれば、今回の出力値Ｎ−ＰＷＭを、Ｎ−ＰＷＭ＝（Ｏ−ＰＷＭ）＋Ｌ０と変更し、Ｌ＜−Ｌ０であれば、今回の出力値Ｎ−ＰＷＭを、Ｎ−ＰＷＭ＝（Ｏ−ＰＷＭ）−Ｌ０と変更して、差分Ｌが制限値Ｌ０内になるように、今回の出力値を制限する。このように、モータを制御するための出力値の変化（差分）を予め定めた制限値内に制御することにより、モータ出力の急減な変動を抑制でき、振動及び騒音の発生を低減することができる。

特開２００５−８６９４１号公報

ＰＩＤ制御の基本式は、偏差ｅに比例する値を出力する比例動作（Ｐｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ａｃｔｉｏｎ：Ｐ動作）と、偏差ｅの積分に比例する値を出力する積分動作（Ｉｎｔｅｇｒａｌ ａｃｔｉｏｎ：Ｉ動作）と、偏差ｅの微分に比例する値を出力する微分動作（Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ ａｃｔｉｏｎ：Ｄ動作）とから構成される。

偏差ｅは、制御対象の目標値ＳＶと、制御対象からのフィードバック値ＰＶとの差（ｅ＝ＳＶ−ＰＶ）である。ＰＩＤ制御を伝達関数で表すと、次式のようになる。

ここで、Ｋｐは比例ゲイン、Ｔｉは積分時間、Ｔｄは微分時間である。

ＰＩＤ制御を、モータ等の実際の装置に適用する場合、通常、図１に示すように、ＰＩＤ制御の出力を、制御対象に応じて設定された所定の制限値（上限値）Ｘを超えないように制限することが行なわれる。

図１において、フィードバック部９００は、偏差ｅを算出する。積分演算部９０２及び微分演算部９０４はそれぞれ、上記の式の括弧内の第２項及び第３項の演算を行ない、その結果を出力する。加算部９０６は、上記の式の括弧内の加算演算を行ない、その結果を出力する。増幅部９０８は、上記の式のＫｐの乗算に対応し、入力をＫｐ倍に増幅して出力する。増幅部９０８の出力Ｕが、ＰＩＤ制御の出力である。

制限部９１０は、増幅部９０８の出力Ｕを、所定の制限値Ｘを超えないように制限する。即ち、制限部９１０により、出力値Ｏは、Ｕ≦ＸであればＵとなり、Ｕ＞ＸであればＸとなる。

このような制限部９１０を設けることにより、出力ＯがＰＩＤ制御の出力Ｕと異なる場合が生じる。したがって、図１の構成では、ＰＩＤ制御のパラメータ（Ｋｐ、Ｔｉ、Ｔｄ）の調整が困難となる。また、パラメータの調整域が狭く、マシン毎（モータの速度別、負荷変動別等）に調整が必要となり、煩雑である。

また、図１の構成では、図２及び図３に示すように、発振が生じやすく、出力Ｏの波形が安定しない問題もある。図２及び図３はミュレーション結果を示す。図２及び図３において、偏差ｅは右側のスケールで表され、出力値Ｏは、左側のスケールで表されている。偏差ｅ及び出力値Ｏは、何れも相対値である。横軸は時間軸（算出順序）である。

図２において、目標値ＳＶが設定されると、偏差ｅは急速に減少し、所定の期間振動を繰返した後にほぼ収束する。偏差ｅが変動することにより、出力Ｏは大きく発振し、偏差ｅがほぼ収束しても安定しない。

図３は、パルスノイズが発生した場合のシミュレーション結果を示す。図３において、パルスノイズが発生する直前には、ほぼ収束していた偏差ｅは、パルスノイズが発生すると再度変動する。そのため出力値Ｏも、パルスノイズが発生すると再度大きく変動し、ノイズが消失しても安定しない。

これらの問題は、特許文献１によっては解決することができない。

したがって、本発明は、モータ等の制御対象装置のＰＩＤ制御において、制御パラメータの調整が容易であり、調整後の制御パラメータの再調整が不要であり、制御対象装置を安定して制御することができるＰＩＤ制御装置及びＰＩＤ制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の局面に係るＰＩＤ制御装置は、入力値を第１制限値以下に制限して、制御対象を制御するための制御信号として出力する第１制限部と、制御対象を所定状態にするための目標値から、制御対象の状態を表す状態値を減算して得られた値を偏差値として出力するフィードバック部と、フィードバック部の出力値を第１増幅率で増幅して出力する第１増幅部と、フィードバック部の出力値を所定の遅延時間遅延して出力する第１遅延部と、第１遅延部の出力値を第２増幅率で増幅して出力する第２増幅部と、制御信号を第２制限値以下に制限して出力する第２制限部と、第２制限部の出力値を遅延時間遅延して出力する第２遅延部と、第２遅延部の出力値を第３増幅率で増幅して出力する第３増幅部と、第１増幅部、第２増幅部及び第３増幅部の出力値を加算して得られた値を入力値として出力する加算部とを含む。

これにより、第１制限部から出力される制御信号が入力値と異なる場合にも、偏差値が安定し、制御パラメータ（第１〜第３増幅率）の調整が容易になり、制御対象の状態値が不安定な場合にも、制御パラメータ（第１〜第３増幅率）の調整が不要になる。制御信号は、ノイズ等による異常発生時にも、従来のように長時間不安定な状態になることなく、速やかに安定状態に復帰する。したがって、制御対象を速やかに所望の状態にすることができ、制御対象を安定して制御できる。

好ましくは、第２制限値は第１制限値よりも小さい。

より好ましくは、ＰＩＤ制御装置は、フィードバック部の出力値を遅延時間の２倍の時間遅延して出力する第３遅延部と、第３遅延部の出力値を第４増幅率で増幅して出力する第４増幅部と、制御信号を第３制限値以下に制限して出力する第３制限部と、第３制限部の出力値を遅延時間の２倍の時間遅延して出力する第４遅延部と、第４遅延部の出力値を第４増幅率で増幅して出力する第５増幅部とをさらに含む。加算部は、第１増幅部、第２増幅部、第３増幅部、第４増幅部及び第５増幅部の出力値を加算して得られた値を入力値として出力する。

これにより、第１制限部から出力される制御信号が入力値と異なる場合にも、偏差値が安定し、制御パラメータ（第１〜第５増幅率）の調整が容易になり、制御対象の状態値が不安定な場合にも、制御パラメータ（第１〜第５増幅率）の調整が不要になる。制御信号は、ノイズ等による異常発生時にも、従来のように長時間不安定な状態になることなく、速やかに安定状態に復帰する。したがって、制御対象を速やかに所望の状態にすることができ、制御対象を安定して制御できる。

さらに好ましくは、第３制限値は第１制限値よりも小さい。

好ましくは、ＰＩＤ制御装置は、目標値を所定値と比較した結果に応じて、第２制限値を変更する変更部をさらに含む。

これにより、制御対象の目標状態（例えば、モータの高速回転時又は低速回転時）に応じて、適切な第２制限値を用いて制御対象を制御できる。

本発明の第２の局面に係る制御方法は、入力値を第１制限値以下に制限して、制御対象を制御するための制御信号として出力する第１制限ステップと、制御対象を所定状態にするための目標値から、制御対象の状態を表す状態値を減算して得られた値を偏差値として出力するフィードバックステップと、フィードバックステップによる出力値を第１増幅率で増幅して出力する第１増幅ステップと、フィードバックステップによる出力値を所定の遅延時間遅延して出力する第１遅延ステップと、第１遅延ステップによる出力値を第２増幅率で増幅して出力する第２増幅ステップと、制御信号を第２制限値以下に制限して出力する第２制限ステップと、第２制限ステップによる出力値を遅延時間遅延して出力する第２遅延ステップと、第２遅延ステップによる出力値を第３増幅率で増幅して出力する第３増幅ステップと、第１増幅ステップ、第２増幅ステップ及び第３増幅ステップによる出力値を加算して得られた値を入力値として出力する加算ステップとを含む。

これにより、第１制御ステップにより出力される制御信号が入力値と異なる場合にも、偏差値が安定し、制御パラメータ（第１〜第３増幅率）の調整が容易になり、制御対象の状態値が不安定な場合にも、制御パラメータの調整が不要になる。制御信号は、ノイズ等による異常発生時にも、従来のように長時間不安定な状態になることなく、速やかに安定状態に復帰する。したがって、制御対象を速やかに所望の状態にすることができ、制御対象を安定して制御できる。

本発明によれば、ＰＩＤ制御の出力値（第１制限部の出力値）を所定値以下に制限して制御対象を制御する場合において、偏差が安定し、制御パラメータの調整が容易になり、制御対象の状態値が不安定な場合にも、制御パラメータの調整が不要になる。制御信号は、ノイズ等による異常発生時にも、従来のように長時間不安定な状態になることなく、速やかに安定状態に復帰する。したがって、制御対象を速やかに所望の状態にすることができ、制御対象を安定して制御することができる。

従来のＰＩＤ制御を示すブロック図である。 従来のＰＩＤ制御によるシミュレーション結果を示すグラフである。 従来のＰＩＤ制御においてノイズを発生させた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態に係るＰＩＤ制御装置を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係るＰＩＤ制御装置を示すブロック図である。 図５のＰＩＤ制御装置に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 図５のＰＩＤ制御装置においてノイズを発生させた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の第３の実施の形態に係るＰＩＤ制御装置を示すブロック図である。

以下の実施の形態では、同一の部品には同一の参照番号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

（第１の実施の形態）
図４を参照して、本発明の第１の実施の形態に係るＰＩＤ制御装置１００は、フィードバック部１０２、第１増幅部１０６、加算部１０８、第１制限部１１０、第１遅延部１２０、第２増幅部１２２、第２制限部１２４、第２遅延部１２６、及び第３増幅部１２８を含む。ＰＩＤ制御装置１００により実行されるＰＩＤ制御は、連続時間制御（アナログ制御）ではなく、所定のクロックで動作する離散時間制御（デジタル制御）である。ＰＩＤ制御装置１００は、ＰＩＤ制御の差分法に基づく。即ち、アナログ系のＰＩＤ制御において、積分を台形近似し、微分を差分で近似してデジタル化した公知のデジタル系ＰＩＤ制御を基本とし、これに変更を加えたものである。

フィードバック部１０２は、外部の制御部から入力される目標値ＳＶと、制御対象（例えばモータ）から入力されるフィードバック値ＰＶとの差（以下、偏差という）ｅ（ｎ）を出力する（ｅ（ｎ）＝ＳＶ−ＰＶ））。フィードバック値ＰＶは、制御対象の現在の状態（例えば、モータの回転数）を表すデータである。ｎは、動作クロックの１周期毎に決定される計算タイミングを特定するステップ（例えばクロックの立上りの順番）である。したがって、Ａ（ｎ）は、ステップｎにおける値Ａ（Ａがアナログ信号であれば、クロック周期でサンプリングされた値）を表す。

第１増幅部１０６は、入力される偏差ｅ（ｎ）を増幅して出力する。第１増幅部１０６の増幅率をＧＡとする。第１増幅部１０６の出力値は、ＧＡ＊ｅ（ｎ）である。

第１遅延部１２０は、入力される偏差ｅ（ｎ）を所定時間遅延させて出力する。遅延時間は、動作クロックの１周期と等しい。したがって、ステップｎにおける第１遅延部１２０の出力値は、１ステップ前の偏差ｅ（ｎ−１）である。

第２増幅部１２２は、入力される第１遅延部１２０の出力値を増幅して出力する。第２増幅部１２２の増幅率をＧＢとする。ステップｎにおける第２増幅部１２２の出力値は、ＧＢ＊ｅ（ｎ−１）である。ここで、ＧＢは、ＧＢ≧０に限らず、ＧＢ＜０の場合もあり得る。

加算部１０８は、第１増幅部１０６の出力値、第２増幅部１２２の出力値、及び、第３増幅部１２８の出力値（後述するＧＣ＊Ｙ＊Ｏ（ｎ−１））を加算して、理想出力値Ｕ（ｎ）として出力する。

第１制限部１１０はリミッタであり、加算部１０８から入力される理想出力値Ｕ（ｎ）を、所定の制限値以下に制限して出力する。第１制限部１１０の制限値（上限値）をＸとする。即ち、出力値Ｏ（ｎ）は、Ｕ（ｎ）≦ＸであればＵ（ｎ）、Ｕ（ｎ）＞ＸであればＸである。制限値Ｘは、制御対象に応じて適宜設定され得る。第１制限部１１０の出力値Ｏ（ｎ）は、制御対象の制御に使用される。

第２制限部１２４はリミッタであり、入力値（第１制限部１１０の出力値Ｏ（ｎ））を所定の制限値以下に制限して出力する。第２制限部１２４の制限値（上限値）をＹとする。第２遅延部１２６は、第２制限部１２４からの入力を所定時間遅延させて出力する。第２遅延部１２６の遅延時間は、第１遅延部１２０の遅延時間（動作クロックの１周期）と同じである。したがって、ステップｎにおける第２遅延部１２６の出力値は、制限値Ｙで制限されたＯ（ｎ−１）（即ち、Ｏ（ｎ−１）≦ＹであればＯ（ｎ−１）、Ｏ（ｎ−１）＞ＹであればＹ）である。制限値Ｙで制限されたＯ（ｎ−１）をＹ＊Ｏ（ｎ−１）で表す。制御値Ｙは、制限値Ｘとは別に、適宜設定され得る。なお、制限値Ｙ＜制限値Ｘ であることが好ましい。制限値Ｙ≧制限値Ｘ であれば、第２制限部１２４を設けない場合と同じになる。

第３増幅部１２８は、入力されるＹ＊Ｏ（ｎ−１）を増幅して出力する。第３増幅部１２８の増幅率をＧＣとする。ステップｎにおける第３増幅部１２８の出力値は、ＧＣ＊Ｙ＊Ｏ（ｎ−１）となる。

以上により、ＰＩＤ制御装置１００は、次の式（１）〜（３）で表される。
ｅ（ｎ）＝ＳＶ−ＰＶ 式（１）
Ｕ（ｎ）＝ＧＡ＊ｅ（ｎ）＋ＧＢ＊ｅ（ｎ−１）＋ＧＣ＊Ｙ＊Ｏ（ｎ−１） 式（２）
Ｏ（ｎ）＝Ｘ＊Ｕ（ｎ） 式（３）
ここで、Ｘ＊Ｕ（ｎ）は制限値Ｘで制限されたＵ（ｎ）であり、Ｙ＊Ｏ（ｎ−１）は制限値Ｙで制限されたＯ（ｎ−１）である。それ以外の演算子＊は乗算を表す。

ＰＩＤ制御装置１００により制御対象を制御する場合には、制限値Ｙは、制限値Ｙ＜制限値Ｘ の条件で、制限値Ｘ（制御対象）に応じて適宜設定される。そして、上記の式（１）〜（３）に含まれる制御パラメータである増幅率ＧＡ、ＧＢ、及びＧＣが調整される。このとき、ＰＩＤ制御装置１００からは、理想出力値Ｕ（ｎ）が第１制限部１１０により制限されて出力値Ｏ（ｎ）として出力されるので、実際の出力値Ｏ（ｎ）は理想出力値Ｕ（ｎ）と異なる場合がある。そのような場合にも、偏差ｅ（ｎ）が安定し、制御パラメータ（ＧＡ、ＧＢ、及びＧＣ）の調整が容易になる。

また、ＰＩＤ制御装置１００では、フィードバック値ＰＶが不安定なときでも、偏差ｅ（ｎ）が不安定にならないので、制御パラメータＧＡ、ＧＢ、及びＧＣの再調整が不要である。例えば、ノイズ等による異常発生時にも、出力値Ｏ（ｎ）は、従来のように長時間不安定な状態になることなく、速やかに安定状態に復帰する。

上記では、第２制限部１２４にＯ（ｎ）が入力される場合を説明したが、Ｕ（ｎ）が入力されてもよい。その場合には、制限値Ｙ＜制限値Ｘ という制限なく、制御値Ｘ及びＹは、それぞれ独立に設定され得る。制御値Ｘ及びＹが同じ値であってもよい。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、ＰＩＤ制御に１周期の遅延と１つの制限値Ｙとを導入した。これに対して、第２の実施の形態では、ＰＩＤ制御に２周期までの遅延と２つ制限値とを導入する。

図５を参照して、本発明の第２の実施の形態に係るＰＩＤ制御装置２００は、フィードバック部１０２、第１増幅部１０６、加算部２０８、第１制限部１１０、第１遅延部１２０、第２増幅部１２２、第２制限部１２４、第２遅延部１２６、第３増幅部１２８、第３遅延部２２０、第４増幅部２２２、第３制限部２２４、第４遅延部２２６、及び第５増幅部２２８を含む。

ＰＩＤ制御装置２００により実行されるＰＩＤ制御は、所定のクロックで動作する離散時間制御（デジタル制御）である。ＰＩＤ制御装置２００は、アナログ系のＰＩＤ制御において、積分を台形近似し、微分を差分で近似してデジタル化した公知のデジタル系ＰＩＤ制御を基本とし、これに変更を加えたものである。

図５のＰＩＤ制御装置２００は、図４のＰＩＤ制御装置１００において、第３遅延部２２０、第４増幅部２２２、第３制限部２２４、第４遅延部２２６、及び第５増幅部２２８が追加され、加算部１０８が加算部２０８で代替されたものである。

第３遅延部２２０は、入力される偏差ｅ（ｎ）を所定時間遅延させて出力する。第３遅延部２２０の遅延時間は、第１遅延部１２０の遅延時間の２倍（動作クロックの２周期）である。したがって、ステップｎにおける第３遅延部２２０の出力値は、２ステップ前の偏差ｅ（ｎ−２）である。

第４増幅部２２２は、入力される第３遅延部２２０の出力値を増幅して出力する。第４増幅部２２２の増幅率をＧＤとする。ステップｎにおける第４増幅部２２２の出力値は、ＧＤ＊ｅ（ｎ−２）である。

加算部２０８は、第１増幅部１０６の出力値、第２増幅部１２２の出力値、第４増幅部２２２の出力値、第３増幅部１２８の出力値、及び、第５増幅部２２８の出力値（後述するＧＥ＊Ｚ＊Ｏ（ｎ−２））を加算して、理想出力値Ｕ（ｎ）として出力する。

第３制限部２２４はリミッタであり、入力値（第１制限部１１０の出力値Ｏ（ｎ））を所定の制限値以下に制限して出力する。第３制限部２２４の制限値（上限値）をＺとする。第４遅延部２２６は、第３制限部２２４からの入力を所定時間遅延させて出力する。第４遅延部２２６の遅延時間は、第１遅延部１２０の遅延時間の２倍（動作クロックの２周期）である。したがって、ステップｎにおける第４遅延部２２６の出力値は、制限値Ｚで制限されたＯ（ｎ−２）（即ち、Ｏ（ｎ−２）≦ＺであればＯ（ｎ−２）、Ｏ（ｎ−２）＞ＺであればＺ）である。制限値Ｚで制限されたＯ（ｎ−２）をＺ＊Ｏ（ｎ−２）で表す。制限値Ｚは、制限値Ｘ及びＹとは別に、適宜設定され得る。なお、制限値Ｚ＜制限値Ｘ であることが好ましい。制限値Ｚ≧制限値Ｘ であれば、第３制限部２２４を設けない場合と同じになる。

第５増幅部２２８は、入力されるＺ＊Ｏ（ｎ−２）を増幅して出力する。第５増幅部２２８の増幅率をＧＥとする。ステップｎにおける第５増幅部２２８の出力値は、ＧＥ＊Ｚ＊Ｏ（ｎ−２）となる。

以上により、ＰＩＤ制御装置２００は、次の式（４）〜（６）で表される。
ｅ（ｎ）＝ＳＶ−ＰＶ 式（４）
Ｕ（ｎ）＝ＧＡ＊ｅ（ｎ）＋ＧＢ＊ｅ（ｎ−１）＋ＧＤ＊ｅ（ｎ−２）＋ＧＣ＊Ｙ＊Ｏ（ｎ−１）＋ＧＥ＊Ｚ＊Ｏ（ｎ−２） 式（５）
Ｏ（ｎ）＝Ｘ＊Ｕ（ｎ） 式（６）
式（３）及び（６）は、上記の式（１）及び（３）と同じである。ここで、Ｘ＊Ｕ（ｎ）は制限値Ｘで制限されたＵ（ｎ）、Ｙ＊Ｏ（ｎ−１）は制限値Ｙで制限されたＯ（ｎ−１）、Ｚ＊Ｏ（ｎ−２）は制限値Ｚで制限されたＯ（ｎ−２）である。それ以外の演算子＊は乗算を表す。

ＰＩＤ制御装置２００により制御対象を制御する場合には、制限値Ｙ及びＺは、制限値Ｙ＜制限値Ｘ、及び制限値Ｚ＜制限値Ｘ の条件で、制限値Ｘ（制御対象）に応じて適宜設定される。そして、上記の式（４）〜（６）に含まれる制御パラメータである増幅率ＧＡ、ＧＢ、ＧＣ、ＧＤ及びＧＥが調整される。このとき、ＰＩＤ制御装置２００からは、理想出力値Ｕ（ｎ）が第１制限部１１０により制限されて出力値Ｏ（ｎ）として出力されるので、実際の出力値Ｏ（ｎ）は理想出力値Ｕ（ｎ）と異なる場合がある。そのような場合にも、偏差ｅ（ｎ）が安定し、制御パラメータ（ＧＡ、ＧＢ、ＧＣ、ＧＤ及びＧＥ）の調整が容易になる。

また、ＰＩＤ制御装置２００では、フィードバック値ＰＶが不安定なときでも、偏差ｅ（ｎ）が不安定にならないので、制御パラメータ（ＧＡ、ＧＢ、ＧＣ、ＧＤ及びＧＥ）の再調整が不要である。例えば、ノイズ等による異常発生時にも、従来のように長時間不安定な状態になることなく、速やかに安定状態に復帰する。

シミュレーション結果を図６に示す。図６において、偏差ｅは右側のスケールで表され、出力値Ｏは、左側のスケールで表されている。偏差ｅ及び出力値Ｏは、何れも相対値である。横軸は時間軸であり、ステップｎを表す。図６を、従来のＰＩＤ制御のシミュレーション結果を示す図２と比較すると、ＰＩＤ制御装置１００の有効性は明らかである。即ち、図６において、偏差ｅは、図２のように振動することがなく、速やかに“０”になる。したがって、実際出力値Ｏは、図２のように大きく振動することなく、速やかに所定の値になる。

ノイズが発生した場合のシミュレーション結果を図７に示す。図７において、偏差ｅは右側のスケールで表され、出力値Ｏは、左側のスケールで表されている。偏差ｅ及び出力値Ｏは、何れも相対値である。図７において、パルスノイズが発生した直後には、偏差ｅが変動し、そのため出力値Ｏも変動している。しかし、ノイズが消失すると、偏差ｅは速やかに“０”になり、出力値Ｏは安定する。

上記では、第２制限部１２４及び第３制限部２２４にＯ（ｎ）が入力される場合を説明したが、Ｕ（ｎ）が入力されてもよい。その場合には、制限値Ｙ＜制限値Ｘ、制限値Ｚ＜制限値Ｘ という制限なく、制御値Ｘ、Ｙ及びＺは、それぞれ独立に設定され得る。制御値Ｘ、Ｙ及びＺのうちの２つが同じ値であっても、全て同じ値であってもよい。

また、ＰＩＤ制御に３周期以上の遅延と、３つ以上の制限値とを導入してもよい。その場合、第３遅延部２２０及び第４増幅部２２２と同様の要素を、それらに並列に設け、第３制限部２２４〜第５増幅部２２８と同様の要素を、それらに並列に設ければよい。

（第３の実施の形態）
第１及び第２の実施の形態では、予め設定された値に制限値が固定されている場合を説明したが、第３の実施の形態では、制御対象の状態に応じて制限値を変更する。

図８を参照して、本発明の第３の実施の形態に係るＰＩＤ制御装置３００は、フィードバック部１０２、第１増幅部１０６、加算部２０８、第１制限部１１０、第１遅延部１２０、第２増幅部１２２、第２制限部１２４、第２遅延部１２６、第３増幅部１２８、第３遅延部２２０、第４増幅部２２２、第３制限部２２４、第４遅延部２２６、第５増幅部２２８、及び制限値制御部３０２を含む。図８のＰＩＤ制御装置３００は、図５のＰＩＤ制御装置２００に制限値制御部３０２が追加されたものである。

制限値制御部３０２は、外部の制御部からＰＩＤ制御装置３００に入力される目標値ＳＶが入力され、目標値ＳＶに応じて、第２制限部１２４の制限値Ｙ及び第３制限部２２４の制限値Ｚを変更する。例えば、制御対象がモータである場合、制限値制御部３０２は、目標値ＳＶが、モータの回転速度が所定値以上の高速回転に対応する場合、制限値を、モータの回転速度が所定値未満の低速回転である場合の制限値よりも大きく設定する。例えば、目標値ＳＶが２０００回転（ｒｐｍ）に対応する場合、制限値Ｙ及びＺを１６ビット（２^１６−１）に設定し、目標値ＳＶが２０００回転未満に対応する場合、制限値Ｙ及びＺを１４ビット（２^１４−１）に設定する。

これにより、ＰＩＤ制御装置３００は、第２の実施の形態と同様に、実際の出力値Ｏ（ｎ）が理想出力値Ｕ（ｎ）と異なる場合にも、偏差ｅ（ｎ）が安定し、制御パラメータである増幅率ＧＡ、ＧＢ、ＧＣ、ＧＤ及びＧＥの調整が容易になる。また、ＰＩＤ制御装置３００は、フィードバック値ＰＶが不安定なときでも、偏差ｅ（ｎ）が不安定にならないので、制御パラメータ（ＧＡ、ＧＢ、ＧＣ、ＧＤ及びＧＥ）の再調整が不要である。さらに、ＰＩＤ制御装置３００は、目標とする制御対象の状態に応じて、適切な精度で、制御を行なうことができる。

上記では、１つのＰＩＤ制御装置３００で制御対象の状態（モータ速度）に応じて、制限値を変更したが、これに限定されない。例えば、第２制限部１２４に、制限値が異なる複数の回路及びスイッチを備えて、複数の回路の何れか１つが使用されるように、制御対象の状態（モータ速度）に応じてスイッチを切換えてもよい。第３制限部２２４に関しても同様である。

上記では、第１制限部１１０の出力値Ｏ（ｎ）を遅延する２つの経路を備える場合を説明したが、出力値Ｏ（ｎ）を遅延する経路が１つであっても、３つ以上であってもよい。例えば、図４（第１の実施の形態）において、図８の制限値制御部３０２と同様の要素を設けて、第２制限部１２４の制限値Ｙを変更可能にしてもよい。

以上、実施の形態を説明することにより本発明を説明したが、上記した実施の形態は例示であって、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々変更して実施することができる。

１００、２００、３００ ＰＩＤ制御装置
１０２ フィードバック部
１０６ 第１増幅部
１０８、２０８ 加算部
１１０ 第１制限部
１２０ 第１遅延部
１２２ 第２増幅部
１２４ 第２制限部
１２６ 第２遅延部
１２８ 第３増幅部
２２０ 第３遅延部
２２２ 第４増幅部
２２４ 第３制限部
２２６ 第４遅延部
２２８ 第５増幅部
３０２ 制限値制御部

Claims (6)

1. 入力値を第１制限値以下に制限して、制御対象を制御するための制御信号として出力する第１制限手段と、
   前記制御対象を所定状態にするための目標値から、前記制御対象の状態を表す状態値を減算して得られた値を偏差値として出力するフィードバック手段と、
   前記フィードバック手段の出力値を第１増幅率で増幅して出力する第１増幅手段と、
   前記フィードバック手段の出力値を所定の遅延時間遅延して出力する第１遅延手段と、
   前記第１遅延手段の出力値を第２増幅率で増幅して出力する第２増幅手段と、
   前記制御信号を第２制限値以下に制限して出力する第２制限手段と、
   前記第２制限手段の出力値を前記遅延時間遅延して出力する第２遅延手段と、
   前記第２遅延手段の出力値を第３増幅率で増幅して出力する第３増幅手段と、
   前記第１増幅手段、前記第２増幅手段及び前記第３増幅手段の出力値を加算して得られた値を前記入力値として出力する加算手段とを含むＰＩＤ制御装置。
2. 前記第２制限値は、前記第１制限値よりも小さい、請求項１に記載のＰＩＤ制御装置。
3. 前記フィードバック手段の出力値を前記遅延時間の２倍の時間遅延して出力する第３遅延手段と、
   前記第３遅延手段の出力値を第４増幅率で増幅して出力する第４増幅手段と、
   前記制御信号を第３制限値以下に制限して出力する第３制限手段と、
   前記第３制限手段の出力値を前記遅延時間の２倍の時間遅延して出力する第４遅延手段と、
   前記第４遅延手段の出力値を第４増幅率で増幅して出力する第５増幅手段とをさらに含み、
   前記加算手段は、前記第１増幅手段、前記第２増幅手段、前記第３増幅手段、前記第４増幅手段及び前記第５増幅手段の出力値を加算して得られた値を前記入力値として出力する、請求項１又は２に記載のＰＩＤ制御装置。
4. 前記第３制限値は、前記第１制限値よりも小さい、請求項３に記載のＰＩＤ制御装置。
5. 前記目標値を所定値と比較した結果に応じて、前記第２制限値を変更する変更手段をさらに含む、請求項１から４の何れか１項に記載のＰＩＤ制御装置。
6. 入力値を第１制限値以下に制限して、制御対象を制御するための制御信号として出力する第１制限ステップと、
   前記制御対象を所定状態にするための目標値から、前記制御対象の状態を表す状態値を減算して得られた値を偏差値として出力するフィードバックステップと、
   前記フィードバックステップによる出力値を第１増幅率で増幅して出力する第１増幅ステップと、
   前記フィードバックステップによる出力値を所定の遅延時間遅延して出力する第１遅延ステップと、
   前記第１遅延ステップによる出力値を第２増幅率で増幅して出力する第２増幅ステップと、
   前記制御信号を第２制限値以下に制限して出力する第２制限ステップと、
   前記第２制限ステップによる出力値を前記遅延時間遅延して出力する第２遅延ステップと、
   前記第２遅延ステップによる出力値を第３増幅率で増幅して出力する第３増幅ステップと、
   前記第１増幅ステップ、前記第２増幅ステップ及び前記第３増幅ステップによる出力値を加算して得られた値を前記入力値として出力する加算ステップとを含むＰＩＤ制御方法。
   

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