JP2019101847A - 制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】汎用フィードバックコントローラにフィードフォワード制御を追加適用する場合に不具合の発生を低減する。【解決手段】制御装置は、操作量ＭＶを算出する操作量算出部１と、操作量ＭＶに対するフィードフォワード分の加算量の目標値である操作量加算値ＦＦ＿Ｐを取得するＦＦ加算値取得部２と、フィードフォワード分の減算量の目標値である操作量減算値ＦＦ＿Ｍを取得するＦＦ減算値取得部３と、操作量加算値ＦＦ＿Ｐを取得したときに、操作量加算値ＦＦ＿Ｐに近づいた後にゼロ値へ収束する操作量加算量ＭＶ＿Ｐを算出する加算量算出部４と、操作量減算値ＦＦ＿Ｍを取得したときに、操作量減算値ＦＦ＿Ｍに近づいた後にゼロ値へ収束する操作量減算量ＭＶ＿Ｍを算出する減算量算出部５と、操作量加算量ＭＶ＿Ｐを操作量ＭＶに加算し、操作量減算量ＭＶ＿Ｍを操作量ＭＶから減算する操作量変更部６を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、フィードバックコントローラにフィードフォワード制御を追加適用する技術に係り、特に、オペレータの操作により任意の操作量加算あるいは操作量減算を実行する場合に適した制御装置および制御方法に関するものである。

１個または複数の制御ループを備える装置を扱うために、多機能の汎用フィードバックコントローラ（温調計）が使用されることがある（特許文献１参照）。汎用フィードバックコントローラ（温調計）が対象とする加熱装置の例を図２５に示す。

図２５の例では、加熱装置は、被加熱物を加熱するための加熱処理炉１００と、加熱処理炉１００の内部に設置された複数のヒータＨ１〜Ｈ４と、それぞれヒータＨ１〜Ｈ４によって加熱される加熱処理炉１００内の温度制御ゾーンＺ１〜Ｚ４の温度を測定する複数の温度センサＳ１〜Ｓ４と、ヒータＨ１〜Ｈ４に出力する操作量ＭＶ１〜ＭＶ４を算出する調節計１０１と、調節計１０１から出力された操作量ＭＶ１〜ＭＶ４に応じた電力をヒータＨ１〜Ｈ４に供給する電力調整器１０２−１〜１０２−４とから構成される。調節計１０１は、温度センサＳ１〜Ｓ４が計測した温度ＰＶ１〜ＰＶ４が温度設定値ＳＰ１〜ＳＰ４と一致するように操作量ＭＶ１〜ＭＶ４を算出する。この図２５に示した加熱装置においては、温度ＰＶ１〜ＰＶ４を制御する制御ループが４個形成されていることになる。

複数の制御ループを備える装置では、制御ゾーン間の干渉の発生により、フィードバック制御だけでは所望の制御結果を得られなくなることがある。また、１個の制御ループのみであっても、強非線形性の影響などにより、フィードバック制御だけでは所望の制御結果を得られなくなることがある。

そこで、代表的なフィードバック制御であるＰＩＤ制御に、フィードフォワード分を加算する方法が提案されている（特許文献２参照）。特許文献２に開示されているフィードフォワード制御＋ＰＩＤ制御は、特にオーバーシュートを発生させないこと（制御結果についての改善）を課題としている。

フィードフォワード制御＋ＰＩＤ制御を実現する場合、温度制御のための市販の汎用フィードバックコントローラ（温調計）を、フィードバック制御機能部分（ＰＩＤ制御機能部分）として利用するのが、現実的には得策である。この場合、温調計内部のＰＩＤ演算における中間変数などは操作できないので、フィードフォワード制御を単純に追加適用できるとは限らず、不具合も発生し得るので、改善が求められている。

特開２０１２−０４８３７０号公報 特開２００７−１０２８１６号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、汎用フィードバックコントローラ（例えばＰＩＤ制御の温調計）にフィードフォワード制御を追加適用する場合に、不具合の発生を低減することができる制御装置および制御方法を提供することを目的とする。

本発明の制御装置は、設定値と制御量とを入力としてＰＩＤ制御演算により操作量を算出するように構成された操作量算出部と、前記操作量に対するフィードフォワード分の変更量の目標値を取得するように構成された変更量目標値取得部と、ゼロ値と異なる前記変更量の目標値を取得したときに、前記変更量の目標値に近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する変更量を算出するように構成された変更量算出部と、前記操作量算出部によって算出された操作量を前記変更量算出部によって算出された変更量の分だけ変更するように構成された操作量変更部と、この操作量変更部によって変更された操作量を操作量下限値以上で操作量上限値以下の値に制限するリミット処理を行なうように構成されたリミット処理部と、このリミット処理された操作量を制御対象に出力するように構成された操作量出力部とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の制御装置の１構成例において、前記変更量の目標値は、前記操作量に対する加算量の目標値である操作量加算値であり、前記変更量算出部は、ゼロ値と異なる前記操作量加算値を取得したときに、前記操作量加算値に近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する前記変更量として操作量加算量を算出し、前記操作量変更部は、前記操作量算出部によって算出された操作量に、前記変更量算出部によって算出された操作量加算量を加算することを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記変更量の目標値は、前記操作量に対する減算量の目標値である操作量減算値であり、前記変更量算出部は、ゼロ値と異なる前記操作量減算値を取得したときに、前記操作量減算値に近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する前記変更量として操作量減算量を算出し、前記操作量変更部は、前記操作量算出部によって算出された操作量から、前記変更量算出部によって算出された操作量減算量を減算することを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記変更量の目標値は、前記操作量に対する加算量の目標値である操作量加算値と、前記操作量に対する減算量の目標値である操作量減算値であり、前記変更量算出部は、ゼロ値と異なる前記操作量加算値を取得したときに、前記操作量加算値に近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する前記変更量として操作量加算量を算出し、ゼロ値と異なる前記操作量減算値を取得したときに、前記操作量減算値に近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する前記変更量として操作量減算量を算出し、前記操作量変更部は、前記変更量算出部によって前記操作量加算量が算出されたときに、この操作量加算量を前記操作量算出部によって算出された操作量に加算し、前記変更量算出部によって前記操作量減算量が算出されたときに、この操作量減算量を前記操作量算出部によって算出された操作量から減算することを特徴とするものである。

また、本発明の制御装置の１構成例において、前記変更量算出部は、前記変更量の時間に関する第１のパラメータを、前記操作量算出部のＰＩＤパラメータに連動して自動決定することを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記変更量算出部は、フィードフォワードの大きさを規定する第２のパラメータを、前記第１のパラメータに連動して自動決定することを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記変更量の目標値は、前記操作量をフィードフォワード分だけステップ変更した値である。

また、本発明の制御方法は、設定値と制御量とを入力としてＰＩＤ制御演算により操作量を算出する第１のステップと、前記操作量に対するフィードフォワード分の変更量の目標値を取得する第２のステップと、ゼロ値と異なる前記変更量の目標値を取得したときに、前記変更量の目標値に近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する変更量を算出する第３のステップと、前記第１のステップで算出した操作量を前記第３のステップで算出した変更量の分だけ変更する第４のステップと、この第４のステップで変更した操作量を操作量下限値以上で操作量上限値以下の値に制限するリミット処理を行なう第５のステップと、
このリミット処理した操作量を制御対象に出力する第６のステップとを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、変更量目標値取得部と変更量算出部と操作量変更部とを設けることにより、操作量算出部によるフィードバック制御にフィードフォワード制御を追加適用する場合に、フィードバック制御にとっての不具合の発生を低減することができる。

また、本発明では、変更量の時間に関する第１のパラメータを、操作量算出部のＰＩＤパラメータに連動して自動決定することにより、操作量のフィードフォワード分の変化を、制御の上下動が発生する際の周期と概ね一致させ、また操作量にフィードフォワード分の変更が生じた時点からフィードフォワード分が最大変更量に到達するまでの経過時間を、第１のパラメータの時間に概ね一致させることができる。

また、本発明では、フィードフォワードの大きさを規定する第２のパラメータを、第１のパラメータに連動して自動決定することにより、操作量のフィードフォワード分の最大変更量を、変更量の目標値に概ね一致させることができる。

図１は、本発明の実施例に係る制御装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施例に係る制御系のブロック線図である。 図３は、本発明の実施例に係る制御装置の動作を説明するフローチャートである。 図４は、フィードフォワードを実行せずに温度制御した場合の制御量と操作量の変化の１例を示す図である。 図５は、フィードフォワードを実行せずに温度制御した場合の操作量加算量と操作量減算量を示す図である。 図６は、操作量にフィードフォワード分の変更を施し、一定時間経過後に直ちにフィードフォワード分を０％に戻した場合の制御量と操作量の変化の１例を示す図である。 図７は、操作量にフィードフォワード分の変更を施し、一定時間経過後に直ちにフィードフォワード分を０％に戻した場合の制御量と操作量の変化の他の例を示す図である。 図８は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の制御量と操作量の変化の１例を示す図である。 図９は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の操作量加算量と操作量減算量の変化の１例を示す図である。 図１０は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の制御量と操作量の変化の他の例を示す図である。 図１１は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の操作量加算量と操作量減算量の変化の他の例を示す図である。 図１２は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の制御量と操作量の変化の他の例を示す図である。 図１３は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の操作量加算量と操作量減算量の変化の他の例を示す図である。 図１４は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の制御量と操作量の変化の他の例を示す図である。 図１５は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の操作量加算量と操作量減算量の変化の他の例を示す図である。 図１６は、操作量減算量の時間に関するパラメータを本発明の実施例よりも小さい値として温度制御した場合の制御量と操作量の変化の１例を示す図である。 図１７は、操作量減算量の時間に関するパラメータを本発明の実施例よりも小さい値として温度制御した場合の操作量加算量と操作量減算量の変化の１例を示す図である。 図１８は、操作量減算量の時間に関するパラメータを本発明の実施例よりも大きい値として温度制御した場合の制御量と操作量の変化の１例を示す図である。 図１９は、操作量減算量の時間に関するパラメータを本発明の実施例よりも大きい値として温度制御した場合の操作量加算量と操作量減算量の変化の１例を示す図である。 図２０は、フィードフォワードを実行せずに温度制御した場合の制御量と操作量の変化の１例を示す図である。 図２１は、フィードフォワードを実行せずに温度制御した場合の操作量加算量と操作量減算量を示す図である。 図２２は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の制御量と操作量の変化の他の例を示す図である。 図２３は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の操作量加算量と操作量減算量の変化の他の例を示す図である。 図２４は、本発明の実施例に係る制御装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。 図２５は、複数の制御ループを備えた加熱装置の構成例を示す図である。

［発明の原理１］
オペレータによる任意の操作量加算分（減算分も含む）は、制御の構造としてはフィードフォワード分として位置付けることができる。
温調計のＰＩＤ演算による操作量出力は、温調計で算出される操作量ＭＶのみにより出力飽和を判断して、積分動作に対するアンチリセットワインドアップの処理が行なわれる。したがって、定常的に残留するフィードフォワード分をフィードバック分（ＰＩＤ演算による操作量ＭＶ）に加算したままにしておくと、温調計側では正常に機能しなくなるという課題を解決する必要がある。例えば、出力飽和には十分に余裕のある操作量ＭＶ＝６０％を温調計が出力しているときに、５０％のフィードフォワード分が加算されると１１０％になり、１００％を超える出力飽和状態になるが、温調計としてはアンチリセットワインドアップの処理が実行されないという不整合が発生する。

そこで、発明者は、フィードフォワード分をフィードバック分に徐々に（段階的に，略連続的に）加算するように適用し、フィードバック分で置換できる速度でフィードバック分をゼロの値に徐々に（段階的に，略連続的に）収束させるフィルタ要素を通過させれば、ＰＩＤ演算にとっての影響は一時的かつ連続的な発生になるので、不都合を緩和させられることに想到した。

［発明の原理２］
操作量ＭＶに対するフィードフォワード分の変更量の時間に関するパラメータＴｆ（第１のパラメータ）を、ＰＩＤパラメータ（例えば積分時間Ｔｉ）に連動して自動決定する。これにより、操作量ＭＶのフィードフォワード分の変化が、制御の上下動が発生する際の周期と、概ね一致するように維持しやすくできる。

また、オペレータが設定するパラメータ値が、オペレータにとっての視覚的に分かり易い物理量に維持されるように、時間に関するパラメータＴｆに連動してフィードフォワードの大きさを規定するパラメータＫｘ（第２のパラメータ）を自動変更するのが好適である。例えば、オペレータが設定するパラメータ値が、常にフィードフォワードの最大印加量に対応するように、各パラメータを内部処理することが考えられる。

［発明の原理３］
フィードフォワード分は操作量加算分あるいは操作量減算分のステップ的な追加を意味するように指定させることで、オペレータがフィードフォワード分をマニュアル操作することが容易になる。また、この操作を自動的に再現するための指示内容も簡素化できる。

［実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例に係る制御装置の構成を示すブロック図である。本実施例は、上記発明の原理１、発明の原理２、発明の原理３に対応する例である。ここでは、汎用フィードバックコントローラ（ＰＩＤ制御の温調計）への適用例として説明する。

制御装置は、設定値ＳＰと制御量ＰＶとを入力としてＰＩＤ制御演算により操作量ＭＶを算出する操作量算出部１と、操作量ＭＶに対するフィードフォワード分の加算量の目標値である操作量加算値ＦＦ＿Ｐ（変更量の目標値）を取得するＦＦ加算値取得部２と、操作量ＭＶに対するフィードフォワード分の減算量の目標値である操作量減算値ＦＦ＿Ｍ（変更量の目標値）を取得するＦＦ減算値取得部３と、ゼロ値と異なる操作量加算値ＦＦ＿Ｐを取得したときに、操作量加算値ＦＦ＿Ｐに近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する操作量加算量ＭＶ＿Ｐ（変更量）を算出する加算量算出部４と、ゼロ値と異なる操作量減算値ＦＦ＿Ｍを取得したときに、操作量減算値ＦＦ＿Ｍに近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する操作量減算量ＭＶ＿Ｍ（変更量）を算出する減算量算出部５と、加算量算出部４によって操作量加算量ＭＶ＿Ｐが算出されたときに、この操作量加算量ＭＶ＿Ｐを操作量算出部１によって算出された操作量ＭＶに加算し、減算量算出部５によって操作量減算量ＭＶ＿Ｍが算出されたときに、この操作量減算量ＭＶ＿Ｍを操作量算出部１によって算出された操作量ＭＶから減算する操作量変更部６と、操作量変更部６で算出された操作量ＭＶ＿Ｆを操作量下限値ＯＬ以上で操作量上限値ＯＨ以下の値に制限するリミット処理を行なうリミット処理部７と、リミット処理された操作量ＭＶ＿Ｆ’を出力する操作量出力部８とを備えている。

ＦＦ加算値取得部２とＦＦ減算値取得部３とは、変更量目標値取得部１０を構成している。加算量算出部４と減算量算出部５とは、変更量算出部１１を構成している。
図２は本実施例の制御系のブロック線図である。図２のＰは制御対象を示している。

次に、本実施例の制御装置の動作を図３を参照して説明する。設定値ＳＰ（例えば温度設定値）は、制御装置のオペレータなどによって設定され、操作量算出部１に入力される（図３ステップＳ１００）。
制御量ＰＶ（例えば温度計測値）は、図示しない計測器（例えば被加熱物の温度を計測する温度センサ）によって計測され、操作量算出部１に入力される（図３ステップＳ１０１）。

操作量算出部１は、設定値ＳＰと制御量ＰＶとを入力として、制御量ＰＶが設定値ＳＰと一致するように、例えば以下の伝達関数式のようなＰＩＤ制御演算を行って操作量ＭＶを算出する（図３ステップＳ１０２）。
ＭＶ＝（１００／Ｐｂ）｛１＋（１／Ｔｉｓ）＋Ｔｄｓ｝（ＳＰ−ＰＶ）
・・・（１）
Ｐｂは比例帯、Ｔｉは積分時間、Ｔｄは微分時間、ｓはラプラス演算子である。

ＦＦ加算値取得部２は、操作量ＭＶに対するフィードフォワード分の加算量の目標値である操作量加算値ＦＦ＿Ｐを取得する。具体的には、ＦＦ加算値取得部２は、外部から入力された操作量加算値ＦＦ＿Ｐを取得するが、予め規定されたタイミングで通信により送られた値を取得する形態や、オペレータが入力機能を利用して適宜入力した値を取得する形態や、操作量算出部１に入力される設定値ＳＰの変更に伴い自動生成される値を取得する形態などがある。

ＦＦ減算値取得部３は、操作量ＭＶに対するフィードフォワード分の減算量の目標値である操作量減算値ＦＦ＿Ｍを取得する。具体的には、ＦＦ減算値取得部３は、外部から入力された操作量減算値ＦＦ＿Ｍを取得するが、予め規定されたタイミングで通信により送られた値を取得する形態や、オペレータが入力機能を利用して適宜入力した値を取得する形態や、操作量算出部１に入力される設定値ＳＰの変更に伴い自動生成される値を取得する形態などがある。

つまり、本実施例の制御装置が適用されるシステムにおいて、例えば制御中に想定される外乱を抑制するために、上位装置から制御装置に対して規定のタイミングまたは設定値ＳＰの変更のタイミングで操作量加算値ＦＦ＿Ｐ、操作量減算値ＦＦ＿Ｍを自動的に入力したり、制御中にオペレータが操作量加算値ＦＦ＿Ｐ、操作量減算値ＦＦ＿Ｍを手動で入力したりすることが考えられる。

加算量算出部４は、ＦＦ加算値取得部２が、ゼロ値と異なる操作量加算値ＦＦ＿Ｐを取得すると（図３ステップＳ１０３においてＹＥＳ）、操作量加算値ＦＦ＿Ｐに近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する操作量加算量ＭＶ＿Ｐを算出する（図３ステップＳ１０４）。具体的には、加算量算出部４は、下記のような伝達関数式で操作量加算量ＭＶ＿Ｐを算出する。
ＭＶ＿Ｐ＝｛Ｋｘｓ／（１＋Ｔｆｓ）²｝ＦＦ＿Ｐ ・・・（２）

式（２）のＴｆは、操作量加算量ＭＶ＿Ｐの時間に関するパラメータである。加算量算出部４は、操作量算出部１に設定されているＰＩＤパラメータ、具体的には積分時間Ｔｉのα倍の値をＴｆとすればよい（Ｔｆ＝αＴｉ、所定値αは例えばα＝０．１〜２．０）。これにより、操作量加算量ＭＶ＿Ｐが加算された操作量ＭＶの、フィードフォワード分の変化が、制御の上下動が発生する際の周期と概ね一致するようになる。また、操作量ＭＶにフィードフォワード分が加算された時点からフィードフォワード分が最大変更量に到達するまでの経過時間が、パラメータＴｆの時間に概ね一致するようになる。

式（２）のＫｘはフィードフォワードの大きさを規定するパラメータである。加算量算出部４は、パラメータＴｆのβ倍の値をＫｘとすればよい（Ｋｘ＝βＴｆ、所定値βは例えば２．７５）。これにより、操作量ＭＶのフィードフォワード分の最大変更量が、操作量加算値ＦＦ＿Ｐに概ね一致するようになる。なお、ＦＦ加算値取得部２が操作量加算値ＦＦ＿Ｐを取得する前の操作量加算量ＭＶ＿Ｐの初期値はゼロである。

減算量算出部５は、ＦＦ減算値取得部３が、ゼロ値と異なる操作量減算値ＦＦ＿Ｍを取得すると（図３ステップＳ１０５においてＹＥＳ）、操作量減算値ＦＦ＿Ｍに近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する操作量減算量ＭＶ＿Ｍを算出する（図３ステップＳ１０６）。具体的には、減算量算出部５は、下記のような伝達関数式で操作量減算量ＭＶ＿Ｍを算出する。
ＭＶ＿Ｍ＝｛Ｋｘｓ／（１＋Ｔｆｓ）²｝ＦＦ＿Ｍ ・・・（３）

加算量算出部４と同様に、減算量算出部５は、積分時間Ｔｉのα倍の値をＴｆとすればよい（Ｔｆ＝αＴｉ、所定値αは例えば０．１〜２．０）。また、減算量算出部５は、パラメータＴｆのβ倍の値をＫｘとすればよい（Ｋｘ＝βＴｆ、所定値βは例えば２．７５）。これにより、操作量ＭＶのフィードフォワード分の最大変更量が、操作量減算値ＦＦ＿Ｍに概ね一致するようになる（後述する図８、図１０、図１２、図１４の操作量減算量ＭＶ＿Ｍ）。なお、ＦＦ減算値取得部３が操作量減算値ＦＦ＿Ｍを取得する前の操作量減算量ＭＶ＿Ｍの初期値はゼロである。

操作量変更部６は、操作量算出部１で算出された操作量ＭＶに、加算量算出部４によって算出された操作量加算量ＭＶ＿Ｐを加算し、さらに減算量算出部５によって算出された操作量減算量ＭＶ＿Ｍを減算した結果を操作量ＭＶ＿Ｆとして算出する（図３ステップＳ１０７）。
ＭＶ＿Ｆ＝ＭＶ＋ＭＶ＿Ｐ−ＭＶ＿Ｍ ・・・（４）

リミット処理部７は、操作量変更部６によって算出された操作量ＭＶ＿Ｆを所定の操作量下限値ＯＬ以上の値に制限する下限リミット処理と、操作量ＭＶ＿Ｆを所定の操作量上限値ＯＨ以下の値に制限する上限リミット処理とを行なう（図３ステップＳ１０８）。
ＩＦ ＭＶ＿Ｆ＜ＯＬ ＴＨＥＮ ＭＶ＿Ｆ’＝ＯＬ ・・・（５）
ＩＦ ＭＶ＿Ｆ＞ＯＨ ＴＨＥＮ ＭＶ＿Ｆ’＝ＯＨ ・・・（６）
つまり、リミット処理部７は、ＭＶ＿Ｆが操作量下限値ＯＬより小さい場合、操作量ＭＶ＿Ｆ’＝ＯＬとし、操作量ＭＶ＿Ｆが操作量上限値ＯＨより大きい場合、操作量ＭＶ＿Ｆ’＝ＯＨとする。

操作量出力部８は、リミット処理部７でリミット処理された操作量ＭＶ＿Ｆ’を制御対象に出力する（図３ステップＳ１０９）。操作量ＭＶ＿Ｆ’の出力先は、ヒータやバルブなどの操作部（不図示）である。ヒータの場合には、操作量ＭＶ＿Ｆ’の実際の出力先は、ヒータに電力を供給する電力調整器（不図示）となる。

制御装置は、図３のステップＳ１００〜Ｓ１０９の処理を例えばオペレータの指示によって制御が終了するまで（図３ステップＳ１１０においてＹＥＳ）、制御周期毎に実行する。

なお、前述のとおり、操作量加算量ＭＶ＿Ｐは操作量加算値ＦＦ＿Ｐに近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する値であり、操作量減算量ＭＶ＿Ｍは操作量減算値ＦＦ＿Ｍに近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する値である。したがって、ＦＦ加算値取得部２がゼロ値と異なる操作量加算値ＦＦ＿Ｐを取得した後は常にステップＳ１０３において判定ＹＥＳとなり、加算量算出部４は操作量加算量ＭＶ＿Ｐの算出を繰り返し実行する。操作量加算量ＭＶ＿Ｐは最終的にゼロ値に収束するので、加算量算出部４は操作量加算量ＭＶ＿Ｐがゼロ値になった時点で算出を停止しても構わない。同様に、ＦＦ減算値取得部３がゼロ値と異なる操作量減算値ＦＦ＿Ｍを取得した後は常にステップＳ１０５において判定ＹＥＳとなり、減算量算出部５は操作量減算量ＭＶ＿Ｍの算出を繰り返し実行する。操作量減算量ＭＶ＿Ｍは最終的にゼロ値に収束するので、減算量算出部５は操作量減算量ＭＶ＿Ｍがゼロ値になった時点で算出を停止しても構わない。

本実施例で採用している式（２）、式（３）の伝達関数は、上記発明の原理１、発明の原理２に適合する典型例であり、これに限られない。例えば伝達関数の分母の２次遅れを同一の時定数Ｔｆにしているが、異なる時定数に変更することや、次数を変更することは可能である。また、時定数の次数やバランスの選び方に応じて係数βを調整すれば、必ず発明の原理２に適合させられる。

本実施例におけるＦＦ加算値取得部２と加算量算出部４の構成、あるいはＦＦ減算値取得部３と減算量算出部５の構成であれば、オペレータが入力機能を利用して、任意のタイミングにて操作量加算分あるいは操作量減算分のステップ的な変更を意味するように指定すれば、本発明のフィードフォワードの処理を適切に開始できる。すなわち、発明の原理３に該当する。

以下、シミュレーションにより本実施例の効果を検証する。以下の例では、制御対象を、プロセスゲインＫｐ＝８、プロセス時定数Ｔｐ＝２００秒、プロセスむだ時間Ｌｐ＝５０秒の１次遅れ伝達関数で近似できる加熱制御系とする。すなわち、制御対象のモデル数式Ｇｐは次式のように記述できる。
Ｇｐ＝Ｋｐｅｘｐ（−Ｌｐｓ）／（１＋Ｔｐｓ） ・・・（７）

また、操作量算出部１に設定されるＰＩＤパラメータを、比例帯Ｐｂ＝２００℃、積分時間Ｔｉ＝２００秒、微分時間Ｔｄ＝０秒（すなわちＰＩ制御）とし、設定値ＳＰを１００℃から３５０℃に変更する昇温とした。なお、操作量減算量ＭＶ＿Ｍのみ変更する場合を示すが、後述のように操作量加算量ＭＶ＿Ｐを変更してもよい。

図４、図５は本実施例の効果を確認するための比較対象を示す図であり、図４はフィードフォワードを実行せずに温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図５はこの場合の操作量加算量ＭＶ＿Ｐ＝０％、操作量減算量ＭＶ＿Ｍ＝０％を示す図である。図４の例では、４００秒付近で制御量ＰＶ（温度）が大きく下降することに連動して、６００秒以降でも制御量ＰＶの下降が目立ち、明確な整定とは言えない状態が発生している。

図６、図７は操作量ＭＶにフィードフォワード分の変更を施し、一定時間経過後に直ちにフィードフォワード分を０％に戻した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図であり、不連続なフィードバック制御の問題点を示す図である。図６の例では、設定値ＳＰの１００℃から３５０℃への変更と同時に操作量減算量ＭＶ＿Ｍを０％から１６％に変更して１２０秒間維持した後に０％に戻し、図７の例では、設定値ＳＰの変更と同時に操作量減算量ＭＶ＿Ｍを０％から１６％に変更して９０秒間維持した後に０％に戻している。

図６の例では、操作量減算量ＭＶ＿Ｍ＝１６％を１２０秒間維持するので、４００秒付近で制御量ＰＶ（温度）が大きく下降することをある程度抑制できており、６００秒以降での制御量ＰＶの下降が目立たなくなり、図４に比べると早い時間に整定状態に到達したと言える。一方、図７の例では、操作量減算量ＭＶ＿Ｍ＝１６％を９０秒間だけ維持するので、図６に比べると操作量減算量ＭＶ＿Ｍを一定値１６％に変更した効果が明らかに不十分であり、むしろ図４に近い結果と言える。

このように、操作量減算量ＭＶ＿Ｍを一定時間経過後に直ちに０％に戻す場合、操作量ＭＶの大きさが不連続かつ極端に異なる時点を生じさせることになるので、一定時間の長さの選び方次第で制御結果が大きく異なることが起こり得る。換言するならば、図６のように操作量減算量ＭＶ＿Ｍ＝１６％を１２０秒間維持することで一旦は良好な制御結果を得られたとしても、制御対象の特性が若干でも変化したときに、制御結果が急激かつ明確に劣化することも起こり得る。

図８は本実施例においてパラメータＴｆ＝６０．０秒（Ｔｆ＝０．３Ｔｉに相当）として操作量減算量ＭＶ＿Ｍを０％→１６％→０％と変更しつつ温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図９はこの場合の操作量減算量ＭＶ＿Ｍの変化を示す図である（操作量加算量ＭＶ＿Ｐは０％で固定）。この例では、操作量減算値ＦＦ＿Ｍ＝１６％、パラメータＫｘ＝１６５．０、パラメータＴｆ＝６０．０秒とした。

図６の例と同様に、４００秒付近で制御量ＰＶ（温度）が大きく下降することをある程度抑制できているので、６００秒以降での制御量ＰＶの下降が目立たなくなり、図４に比べると早い時間に整定状態に到達したと言える。

図１０は本実施例においてパラメータＴｆ＝８０．０秒（Ｔｆ＝０．４Ｔｉに相当）として操作量減算量ＭＶ＿Ｍを０％→１６％→０％と変更しつつ温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図１１はこの場合の操作量減算量ＭＶ＿Ｍの変化を示す図である（操作量加算量ＭＶ＿Ｐは０％で固定）。この例では、操作量減算値ＦＦ＿Ｍ＝１６％、パラメータＫｘ＝２２０．０、パラメータＴｆ＝８０．０秒とした。図１０によれば、図８の場合と同等の制御結果が得られていることが分かる。

図１２は本実施例においてパラメータＴｆ＝１００．０秒（Ｔｆ＝０．５Ｔｉに相当）として操作量減算量ＭＶ＿Ｍを０％→１６％→０％と変更しつつ温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図１３はこの場合の操作量減算量ＭＶ＿Ｍの変化を示す図である（操作量加算量ＭＶ＿Ｐは０％で固定）。この例では、操作量減算値ＦＦ＿Ｍ＝１６％、パラメータＫｘ＝２７５．０、パラメータＴｆ＝１００．０秒とした。図１２によれば、図８、図１０の場合と同等の制御結果が得られていることが分かる。

図１４は本実施例においてパラメータＴｆ＝１２０．０秒（Ｔｆ＝０．６Ｔｉに相当）として操作量減算量ＭＶ＿Ｍを０％→１６％→０％と変更しつつ温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図１５はこの場合の操作量減算量ＭＶ＿Ｍの変化を示す図である（操作量加算量ＭＶ＿Ｐは０％で固定）。この例では、操作量減算値ＦＦ＿Ｍ＝１６％、パラメータＫｘ＝３３０．０、パラメータＴｆ＝１２０．０秒とした。図１４によれば、図８、図１０、図１２の場合と同等の制御結果が得られていることが分かる。

このように、本実施例によれば、不連続なフィードフォワード制御の問題点を緩和するという効果が得られる。すなわち、フィードフォワード制御を追加適用する場合に、不具合の発生を低減することができ、オペレータにとっての利便性を向上させることができる。

図１６は上記発明の原理２の効果を確認するため、パラメータＴｆを本実施例よりも小さい値Ｔｆ＝８．０秒（Ｔｆ＝０．０４Ｔｉに相当）として操作量減算量ＭＶ＿Ｍを０％→１６％→０％と変更しつつ温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図１７はこの場合の操作量減算量ＭＶ＿Ｍの変化を示す図である（操作量加算量ＭＶ＿Ｐは０％で固定）。この例では、操作量減算値ＦＦ＿Ｍ＝１６％、パラメータＫｘ＝２２．０、パラメータＴｆ＝８．０秒とした。

この図１６、図１７の例は、積分時間Ｔｉに対しパラメータＴｆが小さ過ぎて、実質的に積分時間Ｔｉを参照しない設定例と見なせる。制御の挙動に対し、フィードフォワードの動作が短時間で完了してしまうため、フィードフォワードの効果がほとんど得られない。

図１８は上記発明の原理２の効果を確認するため、パラメータＴｆを本実施例よりも大きい値Ｔｆ＝８００．０秒（Ｔｆ＝４．０Ｔｉに相当）として操作量減算量ＭＶ＿Ｍを０％→１６％→０％と変更しつつ温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図１９はこの場合の操作量減算量ＭＶ＿Ｍの変化を示す図である（操作量加算量ＭＶ＿Ｐは０％で固定）。この例では、操作量減算値ＦＦ＿Ｍ＝１６％、パラメータＫｘ＝２２００．０、パラメータＴｆ＝８００．０秒とした。

この図１８、図１９の例は、積分時間Ｔｉに対しパラメータＴｆが大き過ぎて、実質的に積分時間Ｔｉを参照しない設定例と見なせる。制御の挙動に対し、フィードフォワードの動作が長時間で遅れ傾向になるため、フィードフォワードの効果がほとんど得られない。

次に、別のシミュレーションにより本実施例の効果を検証する。以下の例では、制御対象を、プロセスゲインＫｐ＝８、プロセス時定数Ｔｐ＝２００秒、プロセスむだ時間Ｌｐ＝５０秒の１次遅れ伝達関数で近似できる加熱制御系とし、操作量算出部１に設定されるＰＩＤパラメータを、比例帯Ｐｂ＝６００℃、積分時間Ｔｉ＝２００秒、微分時間Ｔｄ＝０秒（すなわちＰＩ制御）とした。そして、設定値ＳＰ＝制御量ＰＶ＝３００℃で整定している状態で降温外乱が発生したものとする。なお、操作量加算量ＭＶ＿Ｐのみ変更する場合を示すが、上記のように操作量減算量ＭＶ＿Ｍを変更してもよい。

図２０は本実施例の効果を確認するための比較対象を示す図であり、図２０はフィードフォワードを実行せずに温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図２１はこの場合の操作量加算量ＭＶ＿Ｐ＝０％、操作量減算量ＭＶ＿Ｍ＝０％を示す図である。図２０の例では、１００秒付近から制御量ＰＶ（温度）が大きく下降し、約２２０℃まで到達する。外乱応答により整定するのは１０００秒付近になる。

図２２は本実施例においてパラメータＴｆ＝２０．０秒（Ｔｆ＝０．１Ｔｉに相当）として操作量加算量ＭＶ＿Ｐ＝０％→４０％→０％と変更しつつ温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図２３はこの場合の操作量加算量ＭＶ＿Ｐの変化を示す図である（操作量減算量ＭＶ＿Ｍは０％で固定）。この例では、操作量加算値ＦＦ＿Ｐ＝４０％、パラメータＫｘ＝５５．０、パラメータＴｆ＝２０．０秒とし、外乱印加のタイミングにおいて操作量加算値ＦＦ＿Ｐ＝４０％を入力して操作量加算量ＭＶ＿Ｐの変更を開始している。

図２２によれば、図２０の場合と同様に１００秒付近で制御量ＰＶ（温度）が大きく下降することを、２５０℃程度までに抑制できていることが分かる。さらに、外乱応答により整定するのは６００秒付近であり、図２０の場合に比べると早い時間に整定状態に到達できると言える。

なお、本発明は、例えば加算側の構成のみ備えるようにして、減算側の構成としての処理を行なう場合に、操作量加算値ＦＦ＿Ｐを負値で与えるという実現方法も可能である。同様に、例えば減算側の構成のみ備えるようにして、加算側の構成としての処理を行なう場合に、操作量減算値ＦＦ＿Ｍを負値で与えるという実現方法も可能である。ただし、加算側と減算側の両方の構成を備えることにより、操作量加算量ＭＶ＿Ｐと操作量減算量ＭＶ＿Ｍとを同時に操作量ＭＶに重畳させることもできるので、図１に示したように加算側と減算側の両方を別々に備えるのが好適である。

本実施例で説明した制御装置は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図２４に示す。コンピュータは、ＣＰＵ６００と、記憶装置６０１と、インターフェース装置（以下、Ｉ／Ｆと略する）６０２とを備えている。Ｉ／Ｆ６０２には、例えば温度センサや電力調整器が接続される。このようなコンピュータにおいて、本実施例の制御方法を実現させるためのプログラムは記憶装置６０１に格納される。ＣＰＵ６００は、記憶装置６０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。

本実施例は、制御装置に適用することができる。

１…操作量算出部、２…ＦＦ加算値取得部、３…ＦＦ減算値取得部、４…加算量算出部、５…減算量算出部、６…操作量変更部、７…リミット処理部、８…操作量出力部、１０…変更量目標値取得部、１１…変更量算出部。

Claims (8)

1. 設定値と制御量とを入力としてＰＩＤ制御演算により操作量を算出するように構成された操作量算出部と、
   前記操作量に対するフィードフォワード分の変更量の目標値を取得するように構成された変更量目標値取得部と、
   ゼロ値と異なる前記変更量の目標値を取得したときに、前記変更量の目標値に近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する変更量を算出するように構成された変更量算出部と、
   前記操作量算出部によって算出された操作量を前記変更量算出部によって算出された変更量の分だけ変更するように構成された操作量変更部と、
   この操作量変更部によって変更された操作量を操作量下限値以上で操作量上限値以下の値に制限するリミット処理を行なうように構成されたリミット処理部と、
   このリミット処理された操作量を制御対象に出力するように構成された操作量出力部とを備えることを特徴とする制御装置。
2. 請求項１記載の制御装置において、
   前記変更量の目標値は、前記操作量に対する加算量の目標値である操作量加算値であり、
   前記変更量算出部は、ゼロ値と異なる前記操作量加算値を取得したときに、前記操作量加算値に近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する前記変更量として操作量加算量を算出し、
   前記操作量変更部は、前記操作量算出部によって算出された操作量に、前記変更量算出部によって算出された操作量加算量を加算することを特徴とする制御装置。
3. 請求項１記載の制御装置において、
   前記変更量の目標値は、前記操作量に対する減算量の目標値である操作量減算値であり、
   前記変更量算出部は、ゼロ値と異なる前記操作量減算値を取得したときに、前記操作量減算値に近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する前記変更量として操作量減算量を算出し、
   前記操作量変更部は、前記操作量算出部によって算出された操作量から、前記変更量算出部によって算出された操作量減算量を減算することを特徴とする制御装置。
4. 請求項１記載の制御装置において、
   前記変更量の目標値は、前記操作量に対する加算量の目標値である操作量加算値と、前記操作量に対する減算量の目標値である操作量減算値であり、
   前記変更量算出部は、ゼロ値と異なる前記操作量加算値を取得したときに、前記操作量加算値に近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する前記変更量として操作量加算量を算出し、ゼロ値と異なる前記操作量減算値を取得したときに、前記操作量減算値に近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する前記変更量として操作量減算量を算出し、
   前記操作量変更部は、前記変更量算出部によって前記操作量加算量が算出されたときに、この操作量加算量を前記操作量算出部によって算出された操作量に加算し、前記変更量算出部によって前記操作量減算量が算出されたときに、この操作量減算量を前記操作量算出部によって算出された操作量から減算することを特徴とする制御装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置において、
   前記変更量算出部は、前記変更量の時間に関する第１のパラメータを、前記操作量算出部のＰＩＤパラメータに連動して自動決定することを特徴とする制御装置。
6. 請求項５記載の制御装置において、
   前記変更量算出部は、フィードフォワードの大きさを規定する第２のパラメータを、前記第１のパラメータに連動して自動決定することを特徴とする制御装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の制御装置において、
   前記変更量の目標値は、前記操作量をフィードフォワード分だけステップ変更した値であることを特徴とする制御装置。
8. 設定値と制御量とを入力としてＰＩＤ制御演算により操作量を算出する第１のステップと、
   前記操作量に対するフィードフォワード分の変更量の目標値を取得する第２のステップと、
   ゼロ値と異なる前記変更量の目標値を取得したときに、前記変更量の目標値に近づいた後にゼロ値へと徐々に収束する変更量を算出する第３のステップと、
   前記第１のステップで算出した操作量を前記第３のステップで算出した変更量の分だけ変更する第４のステップと、
   この第４のステップで変更した操作量を操作量下限値以上で操作量上限値以下の値に制限するリミット処理を行なう第５のステップと、
   このリミット処理した操作量を制御対象に出力する第６のステップとを含むことを特徴とする制御方法。

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