JP2018112956A

JP2018112956A - 制御装置、制御方法、制御プログラム

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Publication number: JP2018112956A
Application number: JP2017003833A
Authority: JP
Inventors: 山田　隆章; Takaaki Yamada; 隆章山田; 田中　均; Hitoshi Tanaka; 田中　　均; 創津端; Hajime Tsubata; 慧介矢野; Keisuke Yano; 亮介蓮井; Ryosuke Hasui
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2017-01-13
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2037-01-13
Also published as: EP3349074A1; EP3349074B1; JP6965516B2

Abstract

【課題】目標値応答のオーバーシュート量を抑制し、整定時間を短くする。【解決手段】温度調整装置１０は、設定部１２、目標値フィルタ１４、および、ＰＩＤ制御部１５を備える。設定部１２は、比例帯Ｐｂおよび積分時間Ｔｉを含むＰＩＤ値と、２自由度ＰＩＤ制御のフィルタ係数α、βとを設定する。目標値フィルタ１４は、フィルタ係数α、βを用いて、制御の目標値ＶＬｔから内部目標値ＶＬｔｉを算出する。ＰＩＤ制御部１５は、内部目標値ＶＬｔｉを入力とし、ＰＩＤ値を用いて、制御用の操作量ＭＶを算出する。そして、設定部１２は、目標値と、該目標値に対する制御開始時の初期値と、比例帯と、を用いて、フィルタ係数α、βを設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、温度制御、モータ制御等に用いられる対象装置への操作量を調整する調整技術に関する。

従来、温度調整器等に制御系機器では、目標値と現在値とを一致するように制御する手法として、ＰＩＤ制御が多く利用されている。ＰＩＤ制御は、非特許文献１に記載されているように、各種の手法がある。ＰＩＤ制御の１手法として、２自由度ＰＩＤ制御ある。

２自由度ＰＩＤ制御では、目標値フィルタとＰＩＤ制御部とを備えている。ＰＩＤ制御部には、比例帯Ｐｂ、積分時間Ｔｉ、および微分時間Ｔｄが与えられており、目標値フィルタには、フィルタ係数α、βが与えられている。

従来の手法では、フィルタ係数α、βは、制御対象装置の線形特性によって決定されており、固定値であった。

須田信英著「システム制御情報ライブラリーＰＩＤ制御」ｐ．９８−ｐ．１０１

しかしながら、従来の手法では、目標値応答のオーバーシュート量の抑制効果が低くなったり、これに伴って整定時間が長くなってしまうことがあった。あるいは逆に、過度のフィルタによって整定時間が長くなってしまうことがあった。

したがって、本発明の目的は、目標値応答のオーバーシュート量を抑制し、整定時間を短くすることにある。あるいは、必要以上の過度のフィルタとならないように調整し、整定時間を短くすることにある。

この発明の制御装置は、設定部、目標値フィルタ、および、ＰＩＤ制御部を備える。設定部は、比例帯および積分時間を含むＰＩＤ値と、２自由度ＰＩＤ制御のフィルタ係数α、βとを設定する。目標値フィルタは、フィルタ係数α、βを用いて、制御の目標値から内部目標値を算出する。ＰＩＤ制御部は、内部目標値を入力とし、ＰＩＤ値を用いて、制御用の操作量を算出する。そして、設定部は、目標値と、該目標値に対する制御開始時の初期値と、比例帯と、を用いて、フィルタ係数α、βを設定する。

この構成では、内部目標値が、ＰＩＤ制御の特性に関連する値で設定されるので、ＰＩＤ制御の安定性が向上する。

また、この発明の制御装置では、設定部は、目標値、初期値、および、比例帯と積分時間との比を用いて、フィルタ係数αを設定する。

この構成では、初期追従特性とオーバーシュート量とが改善される。

また、この発明の制御装置では、設定部は、目標値、初期値、および、比例帯を用いて、フィルタ係数βを設定する。

この構成では、初期追従特性とオーバーシュート量とがさらに改善される。

また、この発明の制御装置では、設定部は、定常ゲインをさらに用いて、フィルタ係数βを設定する。

この構成では、初期追従特性がさらに改善される。

この発明によれば、目標値応答のオーバーシュート量を抑制し、整定時間を短くすることにある。

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の実施形態に係る温度調整技術を用いた場合の温度調整特性を示したグラフである。本発明の第１の実施形態に係る温度調整方法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１の実施形態に係る温度調整装置、温度調整方法、および、温度調整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、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、設定部１２、入力部１３、目標値フィルタ１４、および、ＰＩＤ制御部１５を備える。概略的には、温度調整装置１０は、２自由度ＰＩＤ制御を実行し、操作量ＭＶを出力する。

まず、温度調整装置１０を含む、温度調整システム１について説明する。

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（図示せず）を備える。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から計測値ＰＶを算出する。計測値ＰＶは、後述の目標値ＶＬｔと同じ単位の値である。例えば、目標値ＶＬｔが摂氏温度（℃）であれば、計測値ＰＶも摂氏温度（℃）である。

目標値設定部１１は、目標値ＶＬｔを設定する。目標値ＶＬｔ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ＶＬｔの記憶手段を備えていれば、記憶された目標値ＶＬｔを用いることもできる。目標値ＶＬｔは、例えば温度である。目標値設定部１１は、目標値ＶＬｔを目標値フィルタ１４に出力する。

設定部１２は、ＰＩＤ値と、２自由度ＰＩＤ制御におけるフィルタ係数α、βを設定する。ＰＩＤ値は、比例帯Ｐｂ、積分時間Ｔｉ、および、微分時間Ｔｄを含んでいる。

設定部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。具体的には、設定部１２は、むだ時間Ｌを、リミットサイクル周期Ｔｃから算出し、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、設定部１２は、比例帯Ｐｂをリミットサイクルの振幅から算出する。

さらに、設定部１２は、次式を用いて、フィルタ係数α、βを設定する。

α＝ｋ１１＋ｋ１２×（ΔＳＰ×ＳＶα）＾ｎ１ −（式１）
ΔＳＰ＝ＶＬｔ−ＶＬｓ −（式２）
（式１）において、ｋ１１、ｋ１２、ｎ１は実数の係数である。ｎ１は正の実数である。例えば、ｋ１１＝−０．３６、ｋ１２＝０．０５２、ｎ１＝０．２である。

ＳＶαは、比例帯Ｐｂと積分時間Ｔｉから算出される値である。なお、「＾」は、乗数を示す。（式２）おいて、ＶＬｔは、上述の目標値であり、ＶＬｓは初期値である。初期値は、温度制御の開始時の計測値ＰＶによって取得できる。

このように、フィルタ係数αは、目標値ＶＬｔ、初期値ＶＬｓ、比例帯Ｐｂ、および積分時間Ｔｉを用いて設定されている。

β＝ｋ２１×（ΔＳＰ／Ｐｂ×ＳＶβ）＾ｎ２ −（式３）
（式３）において、ｋ２１、ｎ２は実数の係数である。ｎ２は正の実数である。例えば、ｋ２１＝０．７７、ｎ２＝０．１である。

ＳＶβは、操作器２０のオンデューティ、特性値、システムゲイン、定常操作量のいずれかから算出される値である。オンデューティＴ’は、対象装置３０への通電のオン時間Ｔｏｎとオフ時間Ｔｏｆｆによって決定され、Ｔ’＝（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）／Ｔｏｎによって算出される。また、特性値は、比例帯Ｐｂと積分時間Ｔｉとの比に比例する値である。なお、「＾」は、乗数を示す。（式３）のΔＳＶは、（式２）によって得られる。

このように、フィルタ係数βは、目標値ＶＬｔ、初期値ＶＬｓ、比例帯Ｐｂｉを用いて設定されている。

設定部１２は、フィルタ係数α、β、および、積分時間Ｔｉを、目標値フィルタ１４に出力する。設定部１２は、比例帯Ｐｂ、積分時間Ｔｉ、および、微分時間Ｔｄを、ＰＩＤ制御部１５に出力する。すなわち、設定部１２は、ＰＩＤ値をＰＩＤ制御部１５に出力する。

入力部１３は、算出した計測値ＰＶを、目標値フィルタ１４およびＰＩＤ制御部１５に出力する。

目標値フィルタ１４は、目標値ＶＬｔ、フィルタ係数α、β、および、積分時間Ｔｉを用い、既知の２自由度ＰＩＤ制御の目標値フィルタの演算式から、内部目標値ＶＬｔｉを算出する。具体的には、次式を用いて、内部目標値ＶＬｔｉが算出される。

ＶＬｔｉ＝（１＋αβＴｉｓ）／（１＋αＴｉｓ） −（式４）
目標値フィルタ１４は、内部目標値ＶＬｔｉをＰＩＤ制御部１５に出力する。

ＰＩＤ制御部１５は、内部目標値ＶＬｔｉ、ＰＩＤ値（比例帯Ｐｂ、積分時間Ｔｉ、および、微分時間Ｔｄ）、および、計測値ＰＶを用いて、既知のＰＩＤ制御の方程式を用いて、操作量ＭＶを算出する。ＰＩＤ制御部１５は、操作量ＭＶを操作器２０に出力する。

このような処理を行うことによって、温度調整装置１０は、２自由度ＰＩＤ制御を用いた、温度制御を実現できる。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る温度調整技術を用いた場合の温度調整特性を示したグラフである。図２において、横軸は時間であり、縦軸は温度である。Ｔｔが目標温度である。Ｔ０２、Ｔ０３は、内部目標値の初期値である。図２において、太い点線は、従来の方法の温度特性を示す。従来の方法とは、本願のフィルタ係数α、βの決定方法を用いず、装置の線形特性を用いて、フィルタ係数α、βを決定する方法である。二点鎖線は、従来の内部目標値を示す。太い実線は、本願の方法の温度特性を示す。細い実線は、本願の内部目標値を示す。

図２に示すように、本願のフィルタ係数α、βの設定方法を用いることによって、目標値応答のオーバシュートが抑制され、整定時間が短くなる。一方、従来の方法では、オーバシュートが発生し、整定時間も長くなる。

このように、本実施形態の構成および処理を用いることによって、目標応答時のオーバシュートが抑制され、整定時間が短くなる。なお、図示していないが、内部目標値の初期値が異なっていても、同様に、目標応答時のオーバシュートが抑制され、整定時間が短くなる。

上述の説明では、フィルタ係数α、βを用いた２自由度ＰＩＤ制御を、複数の機能部で実行する態様を示したが、これらの処理をプログラム化して記憶部（磁気記憶媒体、メモリ等）に記憶しておき、情報処理装置（ＣＰＵ等のハードウエア）によってこのプログラムを読み出して実行してもよい。図３は、本発明の第１の実施形態に係る温度調整方法のフローチャートである。なお、各処理の具体的な処理内容は、上述しており、説明の重なる箇所は、説明を省略する。

まず、情報処理装置は、オートチューニング等によってＰＩＤ値を決定する（Ｓ１０１）。

情報処理装置は、目標値ＶＬｔ、初期値ＶＬｓ、および、ＰＩＤ値を用いて、フィルタ係数α、βを決定する（Ｓ１０４）。より具体的には、情報処理装置は、目標値ＶＬｔ、初期値ＶＬｓ、比例帯Ｐｂ、および、積分時間Ｔｉを少なくとも用いて、フィルタ係数α、βを決定する。

情報処理装置は、目標値ＶＬｔを取得する（Ｓ１０２）。情報処理装置は、初期値ＶＬｓを取得する（Ｓ１０３）。

情報処理装置は、目標値ＶＬｔとフィルタ係数α、βを用いて、内部目標値ＶＬｔｉを算出する（Ｓ１０５）。情報処理装置は、内部目標値ＶＬｔｉ、計測値ＰＶ、およびＰＩＤ値を用いて、操作量ＭＶを算出する。

情報処理装置は、計測値ＰＶを取得し（Ｓ１０７）、制御停止条件を満たさなければ（Ｓ１０８：ＮＯ）、ステップＳ１０５にフィードバックする。これにより、ＰＩＤ制御が実行され、目標値に追従する処理が実行される。情報処理装置は、制御停止条件を満たすと（Ｓ１０８：ＹＥＳ）、ＰＩＤ制御を停止する。

このような処理を行うことによって、目標値応答のオーバーシュート量を抑制し、整定時間を短くできる。

なお、上述の説明では、ＰＩＤ制御を例に説明したが、実質的なＰＩ制御に適用することもできる。すなわち、ＰＩＤ制御の微分項の影響を無くすように設定してもよい。

次に、本発明の第２の実施形態に係る温度調整装置について、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、第２の実施形態に係る温度調整システム１Ａの温度調整装置１０Ａは、第１の実施形態に係る温度調整装置１０に対して、表示部１６を備える点において異なる。温度調整装置１０Ａの他の構成は、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。

温度調整装置１０Ａは、表示部１６を備える。表示部１６は、例えば、液晶ディスプレイ等からなる。

表示部１６は、目標値設定部１１および入力部１３に接続されている。表示部１６は、目標値ＶＬｔ、計測値ＰＶを表示する。

さらに、表示部１６は、設定部１２に接続されている。表示部１６は、設定されたＰＩＤ値、および、フィルタ係数α、βを表示する。

このような構成とすることによって、目標値ＶＬｔと計測値ＰＶとの差、上述の図２に示すような温度特性曲線を表示でき、オペレータはこれらを容易に認識することができる。また、オペレータは、ＰＩＤ値、および、フィルタ係数α、βを容易に認識することができる。

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：設定部
１３：入力部
１４：目標値フィルタ
１５：ＰＩＤ制御部
１６：表示部
２０：操作器
３０：対象装置
４０：センサ
Ｌ：時間
ＭＶ：操作量
Ｐｂ：比例帯
Ｐｂｉ：比例帯
ＰＶ：計測値
ＳＳ：計測データ
Ｔ’：オンデューティ
Ｔｃ：リミットサイクル周期
Ｔｄ：微分時間
Ｔｉ：積分時間
Ｔｏｆｆ：オフ時間
Ｔｏｎ：オン時間
ＶＬｓ：初期値
ＶＬｔ：目標値
ＶＬｔｉ：内部目標値

Claims

比例帯および積分時間を含むＰＩＤ値と、２自由度ＰＩＤ制御のフィルタ係数α、βとを設定する設定部と、
フィルタ係数α、βを用いて、制御の目標値から内部目標値を算出する目標値フィルタと、
前記内部目標値を入力とし、前記ＰＩＤ値を用いて、制御用の操作量を算出するＰＩＤ制御部と、を備え、
前記設定部は、
前記目標値と、該目標値に対する制御開始時の初期値と、前記比例帯と、を用いて、前記フィルタ係数α、βを設定する、
制御装置。
前記設定部は、
前記目標値、前記初期値、および、前記比例帯と積分値との比を用いて、前記フィルタ係数αを設定する、
請求項１に記載の制御装置。
前記設定部は、
前記目標値、前記初期値、および、前記比例帯を用いて、前記フィルタ係数βを設定する、
請求項２に記載の制御装置。
前記設定部は、
定常ゲインをさらに用いて、前記フィルタ係数βを設定する、
請求項３に記載の制御装置。
前記設定部は、
リミットサイクル法を用いたオートチューニングの結果から、前記ＰＩＤ値を設定する、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の制御装置。
制御装置が
比例帯および積分時間を含むＰＩＤ値と、２自由度ＰＩＤ制御のフィルタ係数α、βとを設定する工程と、
フィルタ係数α、βを用いて、制御の目標値から内部目標値を算出する工程と、
前記内部目標値を入力とし、前記ＰＩＤ値を用いて、制御用の操作量を算出する工程と、
を実行し、
前記フィルタ係数を設定する工程では、
前記目標値と、該目標値に対する制御開始時の初期値と、を用いて、前記フィルタ係数α、βを設定する、
制御方法。
比例帯および積分時間を含むＰＩＤ値と、２自由度ＰＩＤ制御のフィルタ係数α、βとを設定する処理と、
フィルタ係数α、βを用いて、制御の目標値から内部目標値を算出する処理と、
前記内部目標値を入力とし、前記ＰＩＤ値を用いて、制御用の操作量を算出する処理と、
を、制御装置に実行させ、
前記フィルタ係数の設定処理では、
前記目標値と、該目標値に対する制御開始時の初期値と、を用いて、前記フィルタ係数α、βを設定させる、
制御プログラム。