JP2018112954A - 制御装置、制御方法、制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＩＤ制御の異常を容易に判定する。【解決手段】温度調整装置１０は、ＰＩＤ算出部１２、ＰＩＤ制御部１４、および、判定部１５を備える。ＰＩＤ算出部１２は、オートチューニングによってＰＩＤ値を算出する。ＰＩＤ制御部１４は、ＰＩＤ値を用いてＰＩＤ制御を実行する。判定部１５は、ＰＩＤ値を用いてＰＩＤ制御の異常または対象装置の異常を判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、温度制御、モータ制御等の対象装置への制御における異常判定技術に関する。

従来、温度調整器等に制御系機器では、特許文献１に示すようなＰＩＤ制御が多く利用されている。

ＰＩＤ制御機器は、特許文献１に示すように、ＰＩＤ制御部とＰＩＤ調整部とを備える。ＰＩＤ調整部は、適応制御またはオートチューニングを用いて、ＰＩＤ値（比例帯Ｐ、積分時間ＴＩ、微分時間Ｔｄ等）を算出し、ＰＩＤ制御部に与える。

ＰＩＤ制御部は、ＰＩＤ値、ＰＩＤ制御の目標値、および現在値を用いて、制御対象に対する操作量を決定する。操作量は、ＰＩＤ調整部にフィードバックされ、ＰＩＤ調整部は、この操作量を用いて、ＰＩＤ値を再算出して更新し、ＰＩＤ制御部に与える。

特開２００５−２８４８２８号公報

上述のようなＰＩＤ制御を用いたシステムでは、制御対象の装置の特性変動、経時劣化、環境変動等によって、ＰＩＤ制御が異常になることがある。

しかしながら、特許文献１に記載のＰＩＤ制御機器では、オートチューニングによるＰＩＤ制御の異常を判定する構成は無く、ＰＩＤ制御の異常を検出することができなかった。

また、従来、一般的には、異常を判定するためには、制御対象のシステム同定を行わなければならず、制御対象の時定数や定常ゲイン等の特性を個別に同定する必要があった。このようなシステム同定は、計算量が膨大になり、例えば、メモリ容量が大きく高速なハードウェアの利用等が必要になり、容易ではなかった。したがって、ＰＩＤ制御の制御以上の判定も容易ではなかった。

したがって、本発明の目的は、ＰＩＤ制御の異常を容易に判定できる。

この発明の制御装置は、オートチューニングによってＰＩＤ値を算出するＰＩＤ算出部と、ＰＩＤ値を用いてＰＩＤ制御を実行するＰＩＤ制御部と、ＰＩＤ値を用いてＰＩＤ制御の異常または対象装置の異常を判定する判定部と、を備える。

この構成では、制御装置を含む制御システムに異常が生じるとＰＩＤ値も変化することを利用し、ＰＩＤ値によってＰＩＤ制御の異常または対象装置の異常が判定される。

また、この発明の制御装置では、判定部は、予め設定した回数目のＰＩＤ値である基準ＰＩＤ値、および、所定回数目よりも後の現在のＰＩＤ値を取得する。判定部は、基準ＰＩＤ値に対する現在のＰＩＤ値の変化に基づいてＰＩＤ制御の異常または対象装置の異常を判定する。

この構成では、所定の基準ＰＩＤ値を利用することで、ＰＩＤ制御の異常または対象装置の異常が容易に判定される。

また、この発明の制御装置では、判定部は、基準ＰＩＤ値に対する現在のＰＩＤ値の変化率が閾値を超える場合にＰＩＤ制御または対象装置が異常であると判定する。

この構成では、変化率とこれに対する閾値を用いることによって、ＰＩＤ制御の異常または対象装置の異常が容易に判定される。

また、この発明の制御装置では、ＰＩＤ算出部は、ＰＩＤ値の算出を繰り返す。判定部は、ＰＩＤ算出部がＰＩＤ値を算出すると、そのＰＩＤ値を現在のＰＩＤ値として、基準ＰＩＤ値に対する現在のＰＩＤ値の変化率の算出する。判定部は、所定回数連続して、変化率が閾値を超える場合に、ＰＩＤ制御または対象装置が異常であると判定する。

この構成では、ノイズ等によってＰＩＤ値が一時的に大きく変化しても、ＰＩＤ制御の異常と判定しない。これにより、ＰＩＤ制御の異常または対象装置の異常に対する誤判定が抑制される。

また、この発明の制御装置では、判定部によってＰＩＤ制御の異常または対象装置の異常が判定されたことを通知する通知部を備える。

この構成では、ＰＩＤ制御の異常がオペレータによって容易に認識される。

この発明によれば、オートチューニングによるＰＩＤ制御の異常を容易に判定できる。

本発明の第１の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムの機能ブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る第１の異常の判定処理のフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る第２の異常の判定処理のフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムの機能ブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る第１の異常の通知処理のフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る第２の異常の判定処理のフローチャートである。

本発明の第１の実施形態に係る制御装置、制御方法、および、制御プログラムについて、図を参照して説明する。なお、以下の実施形態では、制御の具体例としてヒータ等の温度調整（温度制御）の場合を示しているが、モータ等の回転制御等、他の物理量の制御に対しても適用することができる。図１は、本発明の第１の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムの機能ブロック図である。

図１に示すように、温度調整装置１０は、目標値設定部１１、ＰＩＤ算出部１２、入力部１３、ＰＩＤ制御部１４、および、判定部１５を備える。温度調整装置１０は、本発明の「制御装置」に対応する。

図１に示すように、温度調整装置１０は、温度調整システム１の構成要素である。温度調整システム１は、温度調整装置１０、操作器２０、対象装置３０、および、センサ４０を備える。対象装置３０は、例えばヒータ（図示を省略）を備える。したがって、この場合、制御対象は、対象装置３０の所定位置の温度である。操作器２０は、例えば、ＳＳＲ、電磁開閉器、または、電力調整器である。操作器２０は、温度調整装置１０からの操作量ＭＶに応じて動作し、対象装置３０のヒータへの通電を制御する。センサ４０は、例えば、熱電対等からなり、対象装置３０の温度を計測し、計測データＳＳを出力する。計測データＳＳは、温度調整装置１０の入力部１３に入力される。

次に、温度調整装置１０の具体的な内容について説明する。

入力部１３は、計測データＳＳから実測値ＰＶを算出する。入力部１３は、実測値ＰＶをＰＩＤ算出部１２およびＰＩＤ制御部１４に出力する。実測値ＰＶは、後述の目標値ＳＰと同じ単位の値である。例えば、目標値ＳＰが摂氏温度（℃）であれば、実測値ＰＶも摂氏温度（℃）である。

目標値設定部１１は、目標値ＳＰを設定する。目標値ＳＰの設定は、オペレータ等によって設定される。なお、目標値設定部１１は、目標値ＳＰの記憶手段を備えていれば、記憶された目標値ＳＰを用いることもできる。目標値ＳＰは、例えば温度である。目標値設定部１１は、目標値ＳＰをＰＩＤ算出部１２およびＰＩＤ制御部１４に出力する。

ＰＩＤ算出部１２は、リミットサイクル法等のオートチューニングを実行し、温度波形情報から、ＰＩＤ値を設定する。ＰＩＤ値は、比例帯Ｐ、積分時間ＴＩ、および、微分時間Ｔｄを含んでいる。具体的には、ＰＩＤ算出部１２は、むだ時間Ｌを、リミットサイクル周期Ｔｃから算出する。ＰＩＤ算出部１２は、積分時間ＴＩおよび微分時間Ｔｄを、むだ時間Ｌから算出する。また、ＰＩＤ算出部１２は、比例帯Ｐをリミットサイクルの振幅から算出する。

ＰＩＤ算出部１２は、オートチューニングによるＰＩＤ値の算出を所定の時間間隔で繰り返し実行する。なお、本発明における「オートチューニング」とは、自動的にＰＩＤ値を算出する調整法を示しており、適応制御と呼ばれる公知のＰＩＤ値の調整法も含む。ＰＩＤ算出部１２は、ＰＩＤ値を逐次ＰＩＤ制御部１４および判定部１５に出力する。

ＰＩＤ制御部１４は、ＰＩＤ値、目標値ＳＰ、および、実測値ＰＶを用いて、既知のＰＩＤ制御演算を実行することで操作量ＭＶを算出する。ＰＩＤ制御部１４は、操作量ＭＶを操作器２０に出力する。

なお、ＰＩＤ制御部１４は、デジタルフィルタよって構成されている。したがって、より具体的には、目標値ＳＰおよび実測値ＰＶは、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部（図示を省略）してＰＩＤ制御部１４に入力され、操作量ＭＶは、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換部（図示を省略）して操作器２０に出力される。

判定部１５は、ＰＩＤ値を用いて、次に示す方法によって、ＰＩＤ制御の異常の判定を行う。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る第１の異常の判定処理のフローチャートである。なお、図２に示すステップＳ１０１は、ＰＩＤ算出部１２の処理であり、ステップＳ１０２以降が判定部１５の処理である。

まず、ＰＩＤ算出部１２によってオートチューニングが開始される（Ｓ１０１）。

判定部１５は、オートチューニングによる初回のＰＩＤ値を取得し、記憶する（Ｓ１０２）。この後、判定部１５は、ＰＩＤ算出部１２から出力されるＰＩＤ値を、逐次取得し、記憶する。

オートチューニングが継続された状態において、判定部１５は、現在のＰＩＤ値を取得し、記憶する（Ｓ１０３）。

判定部１５は、ＰＩＤ値の変化率ΔＰＩＤを算出する（Ｓ１０４）。ＰＩＤ値の変化率は、初回のＰＩＤ値を基準にした現在のＰＩＤ値の変化の割合である。例えば、ＰＩＤ値の変化率ΔＰＩＤは、（（現在のＰＩＤ値）−（初回のＰＩＤ値））／（初回のＰＩＤ値）の式によって算出される。このように、本処理では、初回のＰＩＤ値を本発明の「基準ＰＩＤ値」に設定している。

判定部１５は、ＰＩＤ値の変化率ΔＰＩＤの閾値を予め記憶している。ＰＩＤ値の変化率ΔＰＩＤの閾値は、予め実験等によって設定された温度調整システム１の特性に応じた値である。

判定部１５は、ＰＩＤ値の変化率ΔＰＩＤが閾値を超える場合に（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、ＰＩＤ制御が異常であると判定する（Ｓ１０６）。判定部１５は、ＰＩＤ値の変化率ΔＰＩＤが閾値未満である場合に（Ｓ１０５：ＮＯ）、現在のＰＩＤ値の取得、記憶処理に戻る。

一般的なＰＩＤ調整則（例えば、ジーグラニコルス法（ＺＮ法））によると、オートチューニング後のＰＩＤ値とシステム特性との間には、次の比例関係がある。

比例帯Ｐ∝システムゲインＫ∝ヒータ容量（システム負荷）
積分時間ＴＩ∝微分時間Ｔｄ∝むだ時間Ｌ
したがって、システム特性が大幅に変化すると、ＰＩＤ値も大幅に変化する。すなわち、システム特性が変化しない場合と比較して、システム特性が大幅に変化すると、ＰＩＤ値の変化率ΔＰＩＤも大きくなる。このため、ＰＩＤ値の変化率ΔＰＩＤに閾値を設定し、ＰＩＤ値の変化率ΔＰＩＤが閾値を超えることを検出することで、システム特性の大幅な変化、すなわちＰＩＤ制御の異常を判定できる。

そして、本実施形態の構成および方法を用いることによって、ＰＩＤ制御のパラメータであるＰＩＤ値を用いるだけで、ＰＩＤ制御の異常を判定できる。すなわち、ＰＩＤ制御の異常を容易に判定できる。また、大掛かりな同定システムを用いることなく、ＰＩＤ制御の異常を判定できる。これにより、制御対象の特性変動、経時劣化、環境変動等によって生じる制御対象の異常も、容易且つ簡素な構成によって判定できる。

なお、ＰＩＤ制御の異常は、次に示す方法で判定することも可能である。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る第２の異常の判定処理のフローチャートである。なお、図３に示すステップＳ１０１は、ＰＩＤ算出部１２の処理であり、ステップＳ１０２以降が判定部１５の処理である。また、図２と同じステップについては、説明を省略する。

判定部１５は、ＰＩＤ値の変化率ΔＰＩＤが閾値を超える場合に（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、フラグを立て、当該フラグの回数をカウントする（Ｓ１１１）。

判定部１５は、フラグの連続回数が閾値を超える場合に（Ｓ１１２：ＹＥＳ）、ＰＩＤ制御が異常であると判定する（Ｓ１０６）。判定部１５は、フラグの連続回数が閾値未満である場合に（Ｓ１１２：ＮＯ）、現在のＰＩＤ値の取得、記憶処理に戻る。

このような処理を行うことによって、温度調整システム１の特性に変化（異常）がない状態において、ノイズ等によって、一時的にＰＩＤ値が大きく変化しても、ＰＩＤ制御の異常であるとの誤判定を行うことを抑制できる。すなわち、ＰＩＤ制御の異常を、より確実且つ正確に判定できる。

なお、上述の説明では、複数の機能部によってＰＩＤ制御の異常を判定する態様を示した。しかしながら、上述のフローチャートに示した処理すなわち制御方法を、プログラム化して記憶しておき、当該プログラムをＣＰＵ等の情報処理装置で実行してもよい。

次に、本発明の第２の実施形態に係る制御装置、制御方法、および、制御プログラムについて、図を参照して説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムの機能ブロック図である。

図４に示すように、本実施形態に係る温度調整システム１Ａおよび温度調整装置１０Ａは、第１の実施形態に係る温度調整システム１および温度調整装置１０に対して、通知部１６を追加した点において異なる。温度調整システム１Ａおよび温度調整装置１０Ａの他の構成は、温度調整システム１および温度調整装置１０と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。

判定部１５は、ＰＩＤ制御が異常であると判定すると、判定結果を通知部１６に出力する。

通知部１６は、ＬＥＤランプ、液晶表示装置等の表示器、または、ブザー等の放音装置によって構成されている。通知部１６は、判定結果に基づいて、ＰＩＤ制御の異常を通知する。

このような構成によって、オペレータは、ＰＩＤ制御の異常を容易に認識できる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る第１の異常の通知処理のフローチャートである。なお、図５に示す異常の通知処理は、異常の判定までが図２に示すフローチャートと同じであり、同じ箇所の説明は省略する。

判定部１５がＰＩＤ制御の異常を判定すると（Ｓ１０６）、通知部１６は、このＰＩＤ制御の異常を外部に通知する（Ｓ１０７）。

なお、ＰＩＤ制御の異常は、次に示す方法で通知することも可能である。図６は、本発明の第２の実施形態に係る第２の異常の判定処理のフローチャートである。なお、図６に示す異常の通知処理は、異常の判定のステップＳ１０６までが図２および図５と同じであり、同じ箇所の説明は省略する。

判定部１５または通知部１６は、異常判定が行われると（Ｓ１０６）、フラグを立て、当該フラグの回数をカウントする（Ｓ１２１）。

判定部１５または通知部１６は、フラグの連続回数が閾値を超える場合に（Ｓ１２２：ＹＥＳ）、ＰＩＤ制御が異常であることを通知する（Ｓ１０７）。判定部１５は、フラグの連続回数が閾値未満である場合に（Ｓ１２２：ＮＯ）、現在のＰＩＤ値の取得、記憶処理に戻る。

このような処理を行うことによって、温度調整システム１Ａの特性に変化（異常）がない状態において、ノイズ等によって、一時的にＰＩＤ値が大きく変化しても、ＰＩＤ制御の異常であるとの誤通知を行うことを抑制できる。すなわち、ＰＩＤ制御の異常を、より確実且つ正確に通知できる。

なお、上述の各実施形態では、変化率を用いる態様を示したが、初回のＰＩＤ値に対する現在のＰＩＤ値の変化を表す量であれば、他の量（変化量）を用いてもよい。

また、上述の説明では、詳細を説明していないが、異常判定に用いるＰＩＤ値は、一種類であっても、複数種類であってもよい。例えば、異常判定に比例帯Ｐまたは積分時間ＴＩのいずれか一方だけを用いてもよく、両方を用いてもよい。複数種類のＰＩＤ値を用いる場合には、これらのＰＩＤ値を変数とする関数を設定し、この関数値を閾値と比較して異常を判定してもよい。

また、上述の説明では、初回のＰＩＤ値を基準ＰＩＤ値とする態様を示したが、基準ＰＩＤ値は、予め設定した回数目のＰＩＤ値を用いてもよい。例えば、２回目のＰＩＤ値等を基準ＰＩＤ値に用いることもできる。この場合、現在のＰＩＤ値は、基準ＰＩＤ値よりも時間的に後の回のＰＩＤ値を用いる。

また、温度調整装置１０、１０Ａは、上述の構成に対して、以下の処理を追加してもよい。

（Ａ）実測値の初期値と目標値との差（偏差）が所定範囲内である場合に、判定、通知を行わない。偏差が小さい場合、ＰＩＤ値が変動し易いため、システムに異常が無くてもＰＩＤ制御の異常を誤判定する可能性があるが、この誤判定を防止できる。

（Ｂ）実測値の初期値と目標値との差（偏差）が所定範囲内である場合、または、実測値の初期値が目標値よりも高い場合、ＰＩＤ値を算出しない。この場合、ＰＩＤ制御が不安定になり易いため、オートチューニングを行わない。これにより、このＰＩＤ制御の不安定さによるシステムでの問題（生産物の不良の発生）の発生を防止できる。

（Ｃ）異常判定された場合、通知を行うか、自動でオートチューニングの更新（リセット）を行うかを選択する。これにより、オペレータの使い勝手を向上できる。

（Ｄ）適応制御の実施に必要なＰＩＤ値を記憶する。これにより、適応制御を実行する際の初期設定を容易にでき、適応制御を素早く安定して実施できる。

（Ｅ）オートチューニングによるＰＩＤ値の算出に用いる各種パラメータ（リミットサイクル波形の振幅・周期、むだ時間Ｌ、または、最大傾きＲ）を適応制御用のパラメータとして記憶する。これにより、適応制御を実行する際の初期設定を容易にでき、適応制御を素早く安定して実施できる。

（Ｆ）適応制御の実施に必要なパラメータ（（Ｄ）、（Ｅ）に示すようなパラメータ）を、別の温度調整装置にコピーする。これにより、自装置で算出されたパラメータを他装置に継承できる。

（Ｇ）センサ種類、温度単位等の設定が変更されたときに、適応制御の実施に必要なパラメータを削除または初期化する。これにより、制御対象が変化した場合に、間違ったパラメータが用いられることを抑制できる。

（Ｈ）異常の通知後に、オペレータからの更新可否の選択を受け付け、更新可の場合のみに更新を行う。これにより、オペレータの意図に合った処理を実現できる。

１、１Ａ：温度調整システム
１０、１０Ａ：温度調整装置
１１：目標値設定部
１２：ＰＩＤ算出部
１３：入力部
１４：ＰＩＤ制御部
１５：判定部
１６：通知部
２０：操作器
３０：対象装置
４０：センサ
Ｐ：比例帯
Ｔｄ：微分時間
ＴＩ：積分時間

Claims (7)

1. オートチューニングによってＰＩＤ値を算出するＰＩＤ算出部と、
   前記ＰＩＤ値を用いてＰＩＤ制御を実行するＰＩＤ制御部と、
   前記ＰＩＤ値を用いて前記ＰＩＤ制御異常または対象装置の異常を判定する判定部と、
   を備える、制御装置。
2. 前記判定部は、
   予め設定した回数目のＰＩＤ値である基準ＰＩＤ値、および、前記所定回数目よりも後の現在のＰＩＤ値を取得し、
   前記基準ＰＩＤ値に対する現在のＰＩＤ値の変化に基づいて前記ＰＩＤ制御の異常または前記対象装置の異常を判定する、
   請求項１に記載の制御装置。
3. 前記判定部は、
   前記基準ＰＩＤ値に対する前記現在のＰＩＤ値の変化率が閾値を超える場合に、前記ＰＩＤ制御または前記対象装置が異常であると判定する、
   請求項２に記載の制御装置。
4. 前記ＰＩＤ算出部は、
   前記ＰＩＤ値の算出を繰り返し、
   前記判定部は、
   前記ＰＩＤ算出部が前記ＰＩＤ値を算出すると、そのＰＩＤ値を前記現在のＰＩＤ値として、前記基準ＰＩＤ値に対する前記現在のＰＩＤ値の変化率の算出し、
   所定回数連続して、前記変化率が閾値を超える場合に、前記ＰＩＤ制御または前記対象装置が異常であると判定する、
   請求項３に記載の制御装置。
5. 前記判定部によって前記ＰＩＤ制御の異常または前記対象装置の異常が判定されたことを通知する通知部を備える、
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の制御装置。
6. 制御装置が、
   オートチューニングによってＰＩＤ値を算出し、
   前記ＰＩＤ値を用いてＰＩＤ制御を実行し、
   前記ＰＩＤ値を用いて前記ＰＩＤ制御の異常または対象装置の異常を判定する、
   制御方法。
7. オートチューニングによってＰＩＤ値を算出する処理と、
   前記ＰＩＤ値を用いてＰＩＤ制御を実行する処理と、
   前記ＰＩＤ値を用いて前記ＰＩＤ制御の異常または対象装置の異常を判定する処理と、
   を、制御装置に実行させる、
   制御プログラム。

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