JP2019530103A

JP2019530103A - 制御挙動が調整可能な制御装置

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Publication number: JP2019530103A
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Inventors: ブルグウィンケル，ディーダー
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Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2019-10-17
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Abstract

本発明は、それぞれが一つの入力信号を検出するための少なくとも２つの装置と、操作量（ｕ）を出力するための少なくとも１つの装置とを有し、第1の入力信号としての参照変数（ｗ）と第２の入力信号としての制御変数（ｙ）の間の差を形成し、それから操作量（ｕ）を決定し、さらに、制御装置（１）と技術的プロセス（２）とで形成される制御ループの時間的挙動および減衰挙動に影響を与えるための少なくとも１つの内部信号処理システムを有する、技術的プロセス（２）を制御するための制御装置（１）に関する。本発明はさらに、信号処理のために少なくとも２つのフィルタ装置（４）および（７）と、増幅要素（５）と、Ｉ−要素（６）とをさらに有し、制御装置（１）と技術的プロセス（２）とによって形成される制御ループの時間的挙動が第１フィルタ装置（４）の特性の変化によって影響されように、第１フィルタ装置（４）は技術的プロセス（２）と共同作用し，上記制御ループの減衰挙動が補強要素（５）の増幅係数の変化によって影響されるように、上記技術的プロセス（2）と共同作用する少なくとも１つの増幅部材（５）が存在し、第２フィルタ装置（7）とＩ要素（６）とは互いに別々に活性化（作動）できる。

Description

本発明は、各入力信号を検出するための少なくとも２つの検出装置と操作変数（Ｕ）を出力するため少なくとも一つの出力装置とを有し、第１の入力信号としての基準変数（Ｗ）と第２の入力信号としての制御量（Ｙ）との間の差を内部的に形成し、それから上記制御変数（Ｕ）を形成し、制御装置（１）と技術的プロセス（２）とによって形成される制御ループの時間的挙動(Zeitverhaltens)および減衰挙動(Dampfungsverhaltens)に影響を与える少なくとも一つの内部信号処理システムをさらに有する、技術的プロセス（２）を制御するための制御装置（１）に関するものである。

技術的プロセスを制御するためのＰＩＤ制御装置は公知であり、これは基準変数と制御変数を検出することによって操作変数のための信号を生成するものである。このＰＩＤ制御装置の目的は、各技術的プロセスの操作量を生成する時に伝送挙動を考慮に入れることにある。特殊な場合には、技術的プロセスに既に導入された操作量を測定し、操作量が導入されたときの制御量に対するその影響をさらに考慮に入れる。ＰＩＤ制御装置では最初にＰ-ブランチ（Ｐは「比例」を意味する）で制御エラー（基準変数と制御変数の間の差）に比例した操作変数の比例部分を生成し、それにＩ-ブランチ（Ｉは「積分」を意味する）を介して制御誤差を積分した別の操作変数成分を加えて過去の制御誤差の影響を考慮に入れ、それにＤ-ブランチ（Ｄ「微分」を意味する）を介して制御誤差の現在の変化率を考慮に入れた別の操作変数成分が加えられる。操作変数はその技術的プロセスの電力消費量、混合比率、物質割当量、その他の種々の変数にすることができる。ＰＩＤ制御装置を用いることによって高次の遅れ挙動で技術的プロセスを制御することができ、外乱変数の影響下でも制御変数を基準変数にできるだけ近い値に維持できる。

ＰＩＤ制御装置はそのパラメータに基づいて技術的プロセスの時間的挙動に適応させる必要がある。従って、制御パラメータを最適化するためには制御される技術的プロセスに関する極めて優れた知識が必要である。プロセスの正確な知識が得られない場合には、プロセスモデルを推定することが必要であり、技術的プロセスの応答挙動、特に操作変数を強制変更した場合の制御変数の変化によってＰＩＤ制御装置の個々の制御パラメータを推定する必要がある。制御すべき技術的プロセスの特性によっては、制御パラメータのわずかな変更によって制御挙動に大きな差が生じる可能性がある。制御パラメータを推定するための戦略は種々開発されており、合理的な時間量で制御パラメータを合理的に推定することが可能である。このような制御戦略を適用するためには高度な専門知識と、ある程度の経験が必要である。従って、ＰＩＤ制御装置のパラメータ設定を最適化するには高度な専門知識が必要であり、その場合には、パラメータ化戦略が既知であるとともに、制御理論、特にＰＩＤ制御装置の理論が既知であると仮定される。

通常、工業プラントは多数の制御装置を備えている。工業プラントの運転開始時にはパラメータの最適化にかなりの時間が費やされる。工業プラントが設置された後は工業プロセスを担当する専門家が自ら工業プラントを管理する。工業プラントは原材料の変更、機械的性能の変化または製造プロセスの変化、製造プロセスの最適化等で長期的には変動に曝されるため、工業プラントの制御パラメータも時間の経過とともに調整しなければならない。このパラメータの更新にも高度な専門知識と時間が必要である。すなわち、制御パラメータをプロセスの変化に合わせて調整するには専門知識を必要とし、時間を必要とする。
しかし、調整可能な制御パラメータは制御装置の制御挙動、例えば減衰挙動や制御プロセスの時間的挙動とは直接には関係しない。

従って、本発明の目的は、ＰＩＤ制御装置の利点を維持したまま、設定が難しいという従来技術の欠点を克服できる制御装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、信号処理のために少なくとも２つのフィルタ装置（４）および（７）と、増幅要素（５）と、Ｉ要素（６）とを有し、制御装置（１）と技術的プロセス（２）とによって形成される制御ループの時間的挙動が第１フィルタ装置（４）の特性の変化によって影響を受けるように第１フィルタ装置（４）が上記技術的プロセスと相互作用し、少なくとも１つの増幅要素（５）が存在し、制御装置（１）と技術的プロセス（２）とで形成される上記制御ループの減衰挙動が増幅要素（５）のゲインの変化によって影響されるように上記増幅要素（５）が技術的プロセスと相互作用し、第２フィルタ装置（７）およびＩ要素（６）は互いに独立して活性化(作動)できるようにすることで達成される。
制御装置の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明では、信号処理のために少なくとも２つのフィルタ装置が設けられ、第１フィルタ装置（４）は制御すべき技術的プロセス（２）と協働し、制御装置（１）と技術的プロセス（２）とで形成される制御ループの時間応答が第１フィルタ装置（４）の特性の変化によって影響されるようにし、さらに、少なくとも１つの増幅要素（５）が存在し、この増幅要素（５）は、制御装置（１）と制御すべき技術的プロセス（２）とで形成される制御ループの減衰挙動が増幅要素（５）の増幅係数の変化によって影響されるように制御すべき技術的プロセス（２）と相互作用し、第２フィルタ装置（７）およびＩ要素（６）は個別的および互いに独立して活性化（作動）できる。

本発明の制御装置の場合には、一般的なタイプのＰＩＤ制御装置とは違って、３つの異なる要素すなわちＰ-要素（制御誤差を評価するためのもの）、Ｉ-要素（制御誤差の積分時間を評価するためのもの）およびＤ-要素（制御誤差の変化率の評価するもの）がパラメータ化されず、請求項１に記載のフィルタ装置（4）と増幅要素（５）とを組み込み、それをパラメータ化する。それによって、目標とする方法で所望の時間的挙動および減衰挙動の方向へ制御ループが影響されるようにすることができる。本発明の制御装置では、積分器（Ｉ-要素）（６）および別のフィルタ（７）は技術的プロセスの性質と特性に応じて追加または除去することができる。

本発明の基本的思想は、個々の技術的プロセスに対して、その技術的プロセスに典型的な成分（コンポジション）をより容易にパラメータ化できるように各フィルタ（４、７）と増幅要素（５）とを構成し、Ｉ-要素（６）を活性化（作動）することにある。すなわち、全てプロセスに汎用な制御装置が適しているわけではないということを考慮に入れて、本発明では種々の成分を組み合わせることによって、後の設定パラメータの最適化を単純化する。これが可能になるのは、本発明の制御装置のパラメータ化は制御ループの時間的挙動と減衰挙動のパラメータ化に向けられているためである。本発明のパラメータ化は２段階で行われる。通常、技術的プロセスの種類が変わることはないので、フィルタの組み合わせの選択は事前に一度だけ行えばよい。その後のパラメータ化は、そのプロセスの成分が決定された後にしか行わないので、このパラメータ化は制御装置に関する専門知識があまりない技術者が工業プラントの運転中に実行することができる。

被制御プロセス（２）が補償を伴う過渡挙動を有する場合、すなわち、新たな定常状態へステップ応答するプロセスの場合には、第２フィルタ装置（７）は停止し、Ｉ-要素（６）は活性化させて、制御装置（１）とプロセス（２）とによって形成される制御ループの時間的挙動が第１フィルタ手段（４）の影響を受け、減衰挙動は増幅要素（５）の影響を受け、そして、Ｉ-要素（６）によってフェード制御偏差を起こすようにする。

被制御プロセス（２）が補償なしの過渡挙動を有し且つ位置シーケンス制御を必要とする場合には、第２フィルタ装置（７）を活性化し、さらにＩ-要素（６）も作動させて、それによって第１フィルタ装置（４）と増幅要素（５）とＩ-要素（６）を第２フィルタ装置（７）によって補足し、さらに制御回路（１）とプロセス（２）とによって形成される制御ループを安定化させるのが有利である。

最後に、補償がなく、位置シーケンス制御も必要ない過渡挙動を有する被制御プロセス（２）の場合には、第２フィルタ装置（７）とＩ-要素（６）の両方を非活性化（停止）させ、そうすることによって第１フィルタ装置（４）が時間的挙動を決定し、増幅要素（５）が制御装置（１）とプロセス（２）によって形成される制御回路の減衰挙動を決定するようにするのが有利である

本発明の制御装置の第１の具体的な実施形態では、第１フィルタ装置（４）が次式で定義される１次、２次または３次の伝達関数を有する：

ここで、
Ｔ_D1、Ｔ_D2およびＴ_D3はフィルタの微分時定数＞０であり、Ｔ_R1、Ｔ_R2およびＴ_R3はフィルタの遅延時定数＞０であり、ｓはラプラス演算子であり、第１フィルタ装置（４）の微分時定数Ｔ_D1、Ｔ_D2およびＴ_D3の総和はＴ_D＿_Gesamtと定義され、すなわち下記であり、

このＴ_{D_Gesamt}の最大値は全ての遅延時定数Ｔ_S1、Ｔ_S2、・・・の合計に被制御技術的プロセス（２）の所定のデッドタイムの半分(Ｔ_t／２)を加えたもの以下である、すなわち下記であることが要求され、

ここで、
Ｔ_{s_Gesamt}は被制御技術的プロセス（２）の全ての遅延時定数Ｔ_S1、Ｔ_S2、・・・の合計＞０、すなわち下記である：

従って、Ｔ_{s_Gesamt}はデッドタイムを含むＰＴ１モデルの所定の遅延時定数（Ｔｓ）に等しく、（Ｔｔ）は被制御技術的プロセス（２）の所定のデッドタイム＞０である。

パラメータ（Ｃｗ）は制御装置（１）の動的因子として定義され、０と１の間で、フィルタの微分時定数を決定し、従って、制御装置（１）と技術的プロセス（２）で形成される制御ループの時間的挙動に影響を及ぼす。すなわち下記である：

本発明の制御装置の第２の具体的な実施形態では、第２フィルタ装置（７）が下記で定義される伝達関数を有する：

ここで、
Ｔ_DIはフィルタの微分時定数＞０であり、下記で定義され：

Ｔ_R1はフィルタの遅延時定数＞０であり、
ｓはラプラス演算子であり、
αは２〜４のファクターであり、

下記変数は被制御技術的プロセス（２）の合計時定数であり、

この合計時定数自体は次式で定義される：

ここで、
Ｔ_{s_Gesamt}は被制御技術的プロセス（２）の全ての遅延時定数Ｔ_S1、Ｔ_s2の和＞０であり、すなわち、Ｔ_{s_Gesamt}＝Ｔ_S1＋Ｔ_S2＋・・・＝Ｔ_Sであり、従って、デッドタイムを含むＰＴ１モデルの所定遅延時定数（Ｔｓ）に等しくなければならず、

（ＴＲ）は制御装置に追加で導入された遅延時定数で、２つのフィルタ装置（４）および（７）の遅延時定数の和＞ゼロ等しく、すなわちＴＲ＝Ｔ_R1 ＋Ｔ_R2 ＋・・・＋Ｔ_RIであり、

（Ｔｔ）は被制御技術的プロセス（２）の所定のデッドタイム＞ゼロであり、

Ｔ_{D_Gesamt}は第１フィルタ装置（４）の全ての微分時定数Ｔ_D1、Ｔ_D2、・・・の合計であり、すなわち、Ｔ_{D_Gesamt}＝Ｔ_D1＋Ｔ_D2 ＋・・・である。

本発明の第３の具体的な実施形態では、増幅要素（５）の増幅率（Ｋｃ）が下記で計算される：
（ａ）補償を伴う過渡挙動を有する制御されるプロセス（２）の場合：

（ｂ）被制御プロセス（２）が補償無しの過渡虚度を有し、位置シーケンス制御を必要とする場合：

（ｃ）補償なし且つ位置シーケンス制御の必要のない過渡挙動を有する被制御プロセス（２）の場合：

ここで、、

ここで、
（ＤＷ）は事前に設定可能な減衰係数＞０で、制御ループ全体の減衰挙動を表し、
（Ｋ_S）は補償ありの被制御技術的プロセスの所定の伝達係数であり、
（Ｋ_IS）は補償なしの被制御技術的プロセスの所定の積分係数であり

下記変数は被制御技術的プロセス（２）の合計時定数で：

下記で定義される：

ここで、
Ｔ_{s_Gesamt}は被制御技術的プロセス（２）の全ての遅延時定数Ｔ_S1、Ｔ_S2、・・・の合計＞０であり、すなわち、下記であり：
Ｔ_{s_Gesamt}＝Ｔ_S1 ＋Ｔ_S2 ＋・・・＝Ｔ_S
従って、デッドタイムを含むＰＴ１モデルの所定の遅延時定数（Ｔｓ）に等しい。

（Ｔ_R）は制御装置に付加的に導入された遅延時定数で、２つのフィルタ装置の遅延時定数の和＞０であり、すなわち、Ｔ_R＝Ｔ_R1 ＋Ｔ_R2 ・・・＋Ｔ_RIであり、
（Ｔ_t）は被制御技術的プロセス（２）の所定のデッドタイムであり、
Ｔ_{D_Gesamt}は第１フィルタ装置（４）の全て微分時定数Ｔ_D1、Ｔ_Q2・・・の合計＞０に等しく、すなわち下記である：
Ｔ_{D_Gesamt}＝Ｔ_D1＋Ｔ_D2＋・・・

以下、添付図面を参照して本発明およびその例示的実施形態をより詳細に説明する。

本発明の制御装置を有する閉ループを示す図。種々の制御ループのステップ応答タイミング図。

［図１］の概念図に示すように、本発明の制御装置（１）は個々のモジュールまたはコンポーネントに一体化できる。このモジュールは成分比較器（３）、第１フィルタ装置（４）、第２フィルタ装置（７）、増幅要素（５）、Ｉ−要素（６）および切換スイッチ（８）を含む。本発明の制御装置（１）は従来のＰＩＤ制御装置と同様に制御ループに接続される。すなわち、制御装置（１）には基準変数（ｗ）と制御変数（ｙ）とが供給され、制御装置（１）はプロセス（２）に影響を与える制御量（ｙ）を生成する。プロセス（２）では制御量（ｙ）が出力信号として取り出される。

本発明の制御装置（１）でのパラメータ化は、制御装置（１）とプロセス（２）によって形成される制御ループの減衰挙動に影響を与える減衰係数（Ｄｗ）を予め決定し且つ制御装置（１）とプロセス（２）によって形成される制御ループの時間的挙動に影響する動的係数（Ｃｗ）を予め決定することで行う。さらに、制御装置（１）に対して追加的に導入する遅延時定数（Ｔ_R）を予め特定しておく必要がる。そうすることによって制御装置（１）の操作量を設定要素に合わせることができる。

すなわち、閉ループ中の制御装置（１）の各特性に対して本発明の制御装置（１）の全てのパラメータを割り当てる。

さらに、本発明の制御装置（１）ではプロセスの特徴的変数を特定しておく必要がある。

補償を伴う過渡挙動を有するプロセス（２）を制御する場合、すなわち、新しい定常状態にステップ応答を用いるプロセスでは、伝達係数（ｋｓ）と、所定のデッドタイム（Ｔｔ）と、プロセス遅延挙動に対応するＰＴ１モデルの所定の遅延時定数（Ｔｓ）とを特定する必要がある。

そのためには、初期化ユニット（９）を用いて制御装置（１）での制御タイプパラメータ（Ｐ_Type）を１に設定する。

その結果、制御装置（１）のＩ−要素（６）がオンになり、それをバイパスすることがなくなる。さらに、制御装置のフィルタ装置（７）は非活性化（非作動）される。

本発明の制御装置（１）を設計するために、プロセス（２）の一般的な伝達関数Ｇｓ（ｓ）、いわゆるラプラス関数または周波数関数を考慮に入れる。

補償と高次の遅延を伴うデッドタイムを含む制御システムの場合の伝達関数は以下で表すことができる：

簡単にするために、この制御システムはデッドタイムを含むＰＴ１モデルによって近似でき、プロセス特性変数、伝達係数（Ｋｓ）、所定デッドタイム（Ｔｔ）および所定遅延時定数（Ｔｓ）で定義される：

本発明の制御装置（１）では、初期化ユニット（９）を使用してフィルタ装置（４）に種々のフィルタタイプ、特にフィルタフィルタ選択パラメー（Ｆ_type）を与えることができる。

（Ｆ_type）＝１の場合には、フィルタ装置（４）は一次微分フィルタの伝達関数すなわち下記に初期化される：

ここで、
Ｔ_D1＞０微分時定数
Ｔ_R1＞０遅れ時定数

（Ｆｔｙｐｅ）＝２の場合には、フィルタ装置（４）は下記の２次微分フィルタの伝達関数で初期化される：

ここで、
Ｔ_D1およびＴ_D2＞０微分時定数、
Ｔ_R1およびＴ_R2＞０遅れ時定数

（Ｆｔｙｐｅ）＝３の場合には、フィルタ装置（４）は下記の３次微分フィルタの伝達関数で初期化される：

ここで、
Ｔ_D1〜Ｔ_D3＞０微分時定数、
Ｔ_R1〜Ｔ_R3＞０遅れ時定数

フィルタ装置（４）を有する直列に接続した補償を伴う制御ループの伝達関数が初期ユニット（９）で選択可能な場合を考えると、一般的には次のようになる：

これらか分かるように、フィルタ装置（４）の微分時定数Ｔ _D1，Ｔ _D2，・・・．の逆項による補償を伴うシステムの減衰挙動の原因となる遅延時定数Ｔ_S1、Ｔ_S2、・・・を部分的または完全に補償できる。
補償を伴う制御ループの全ての遅延時定数の和Ｔ_{s_Gesamt}は下記はであり：

従って、デッドタイムを含むＰＴ１モデルの所定の遅延時定数（Ｔｓ）に等しくする必要があり、また、フィルタ装置（３）の上流の全ての微分時定数の合計Ｔ_{D_Gesam}は下記であり：

部分的な補償（Ｔ_D1＋Ｔ_D2＋・・・＜Ｔ_S1＋Ｔ_S2＋・・・）では、補償を伴う制御システムの下記の時定数の和：

は以下になる：

その結果、制御対象システムの遅延時間の合計Ｔｓ_{_Gesamt}は第１フィルタ装置（４）の補償時定数Ｔ_{D_Gesam}の割合だけ減少し、それによって、フィルタ装置（４）と制御ループの全体の動的挙動が改善される。

これと関連する動的係数（Ｃｗ）は０と１の間にあり、次の式から計算される：

達成される補償度合いのパーセントは０〜１００％で、次のように計算される：

この式を書き換えることで、予め規定すべき動的係数Ｃｗの関数として、フィルタ装置（４）の補償時定数Ｔ_{D_Gesam}が計算される。

従って、予め規定すべき動的係数Ｃｗがフィルタ装置（４）と制御システム（２）とによって形成されるシステムの時間的挙動に影響を与える唯一の外的関連パラメータである。

制御の観点から見ると、制御ループの遅延時間の合計Ｔ_{s_Gesamt}もデッドタイム（Ｔｔ）の割合で延ばすことができる。

この目的のために、デッドタイムの伝達関数の制御部分に関連する項をテイラー展開ｅ^-TtSで近似する：

従って、周波数応答で必要な要求に従った値に調節した後、下記関係が達成されるようにＴｔ／２の最大比率を純粋に数学的に補正することができる：

予め定義すべき動的係数（Ｃｗ）の選択する時には、ネジを締めるときのように、ゼロから始めて値を増加させ、閉ループの減衰特性の動的挙動が所望の減衰係数（Ｄｗ）に対応しなくなった時に止める。

この場合、モデル化したプロセスの品質に関する結論を閉制御ループの挙動から推定できるので、本発明の制御装置はユーザに有用な機会を提供する。

例えば、制御曲線における緩慢な挙動は適用した減衰挙動が設定した減衰挙動をはるかに下回ることを示し、選択したモデル化したプロセスの時定数が過度に長い時定数であることを示す。この場合にはモデル化したプロセスの時定数を減らす必要がある。このようにして制御装置を予想通りに設定することができる。

さらに、制御装置の設定に加えて、対応するＰＴ１モデルのより正確なイメージも与えられる。

第１フィルタ装置（４）の次数の選択は、より高い補償程度が達成できるように、実際の制御システムの次数に応じて行わなければならない。

制御工学分野では時定数の総和Ｔ_Σは制御ループの全ての遅延時定数Ｔ_S1、Ｔ_S2・・・に制御ループデッドタイム時間を加えた和から制御ループの微分時定数Ｔ_DS1、Ｔ_DS2・・・を引いたものである。

距離時定数の部分的な補償の場合、下記の合計時定数Ｔ_Σはフィルタ装置（４）と補償を伴う制御システムとの組み合わせに対して与えられ、これは、制御装置の実現可能な操作量に利用される制御装置自体によって導入された遅延時間定数Ｔ_Rの合計と制御装置の微分時定数との合計Ｔ_{D_Gesamt}とを含む。

補償を伴う制御システムでＩ−要素（６）によって補完される増幅素子（５）の増幅率（Ｋｃ）は周波数応答の値への調節で計算される：

ここで、
Ｄｗ＞０は閉ループの減衰挙動を記述する予め定義した減衰係数、
Ｋｓは補正を伴う技術的プロセス（２）の所定の伝達係数、

従って、本発明の制御装置（１）のパラメータは、第１にはプロセスのパラメータ（Ｋｓ）、（Ｔｓ）および（Ｔｆ）によって、第２には制御ループの動的挙動を減衰係数（Ｄｗ）で予め定義し、閉ループの時間的挙動を動的係数（Ｃｗ）で予め定義し、制御装置によって遅延時定数（ＴＲ）を追加的に導入することによって一意的に決定される。

補償なし且つ位置シーケンスを必要としない制御システムの場合には、初期化ユニット（９）を用いて制御装置（１）の制御タイプ（Ｐ_Type）のパラメータを２に設定する。
その結果、制御装置（１）中でＩ−要素（６）はパスされる。

補償のなしで高次の遅延を伴うデッドタイムを含む制御システムの場合の移動関数は下記である：

簡単に言えば、この制御システムはデッドタイムを含むＩＴ１モデルによって近似でき、これはプロセスパラメータ積分係数（Ｋ_Iｓ）と、所定のデッドタイム（Ｔｔ）と、所定の遅延時定数（Ｔｓ）とによって定義され、

この場合、増幅要素（５）の増幅率（Ｋｃ）は周波数応答のシフト量に従って計算される：

ここで、
Ｄｗ＞０は閉ループの減衰挙動を記述する所定の減衰係数、
Ｋ_ISは制御される補償なしの技術的プロセス（２）の所定積分係数、

動的係数（Ｃｗ）を用いて制御ループの時間的挙動を特定するためのその他の全ての説明は、補償を伴うデッドタイムを含む制御システムの制御に関する上記の説明に対応する。

従って、この場合にも、本発明の制御装置（１）のパラメータは、第１にはモデルによって検出されるプロセスのパラメータ（Ｋ_IS）、（Ｔｓ）および（Ｔｔ）によって、第２には閉じた制御ループの減衰挙動を減衰係数（Ｄｗ）によって予め定義し、動的係数（Ｃｗ）によって制御ループの時間的挙動を予め定義し、付加的に導入した遅延時定数（Ｔ_R）を特定することによって一意的に決定される。

補償なしで且つ位置シーケンスの要求を伴う制御システムの場合には、制御装置（１）の初期化ユニット（９）を用いて制御モードのパラメータ（Ｐ_Type）を３に設定する。

その結果、制御装置（１）のＩ−要素（６）が再びスイッチオンされ、それをバイパスすることが解除される。さらに、制御装置のフィルタ装置（７）がスイッチオンされ、その追加の微分時定数が周波数応答のシフト量に最適化される。

フィルタ装置（７）の追加の伝達関数は下記で表される：

この場合、増幅素子（５）の増幅率Ｋｃは周波数応答値に調節されて計算される：

ここで、
Ｄｗ＞０は閉ループの減衰挙動を記述する所定の減衰係数、
Ｋ_ISは被制御技術的プロセスの所定の積分係数、

動的係数（Ｃｗ）によって制御ループの時間的挙動を特定するための上記以外の全ての説明は、補償を伴うデッドタイムを含む制御システムの制御に関する上記の説明に対応する。

従って、この場合でも、本発明の制御装置（１）のパラメータは、第１にはモデルによって検出されるプロセスのパラメータ（Ｋ_IS）、（Ｔｓ）および（Ｔｔ）によって、第２には第２には閉じた制御ループの減衰挙動を減衰係数（Ｄｗ）によって予め定義し、動的係数（Ｃｗ）によって閉じた制御ループの時間的挙動を予め定義し、制御ループに追加的に導入する遅延時定数（ＴＲ）を特定することによって一意的に決定される。

［図２］は種々の制御装置の純粋に４次の遅延を含む制御システム（曲線９、１０、１１）および２次の遅延を含む制御システム（曲線１２、１３、１４）のタイミング図で、横軸は時間軸を示し、縦軸は正規化された制御変数を示す。

曲線（９）はChien、Hrones、Reswickに従った設定規則に従う非周期的な参照挙動をするように設計されたＰＩＤ制御装置を用いて得られた曲線である。この場合には、設定が不十分であることが分かり、制御ループの主要デッドタイムにしか調節できていない。２つの曲線（１０）および（１１）は２次のフィルタ装置を有する本発明の制御装置を使用した時の曲線である。２つの曲線の差は制御装置の設定の違いから生じたものである。両方の曲線は減衰係数（Ｄｗ）を同じ０．７にして得たものである。曲線（１０）の場合には動的係数（Ｃｗ）として０．５（５０％）を選択し、曲線（１１）の場合には動的係数（Ｃｗ）として０．６（６０％）を選択した。参照挙動に対して重要な点は２つある。その一つは本発明の制御装置を用い設定プロセスはＰＩＤ制御装置を用いた従来プロセスで設定した場合より迅速且つ静かである点にある。これに対して、本発明の制御装置では、設定プロセスの時間的挙動を動的係数（Ｃｗ）によって変えることができ、そのオーバーシュート挙動を減衰係数（Ｄｗ）によって、それぞれ独立して広い範囲で変えることができる。従って、制御装置の設定を自分の基準に従ってより良く調整することができる。

本発明の制御装置は、パラメータが閉じた制御ループの特性に目標とする方法で影響を与えるという点、および、減衰挙動を減衰係数（Ｄｗ）を用いて目標とする方法で変化でき、制御ループの時間的挙動の変化を動的係数（Ｃｗ）によって目標とする方法で調整できるという点で有利である。

［図２］には本発明の制御装置の２つの曲線（１０）および（１１）のみしか示していていないが、減衰挙動を一定にしてこれら曲線の間で連続的に遷移させることも当然可能である。

曲線（１２）は、Chien、Hrones、Reswickの設定規則に従って設計された非周期的な参照挙動を有するＰＩＤ制御装置を使用して同様にして得た２次デッドタイムを含む制御システムの曲線である。この場合にも設定が不十分であることが分かる。その結果、制御装置は制御対象システムを悪い状態にしか調整できない。２つの曲線（１３）および（１４）は２次のフィルタ装置を有する本発明の制御装置を使用した時に生成されたものである。曲線間の差は制御装置の設定の違いで生じたものでる。両方の曲線で減衰係数（Ｄｗ）は同じ０．７にした。動的係数（Ｃｗ）は曲線（１３）では０．５（５０％）を選択し、曲線（１４）では０．６（６０％）が選択した。

この場合にも、本発明の制御装置では、パラメータが目標とする方法で閉ループの特性に影響を及ぼし、減衰係数（Ｄｗ）によって目標とする方法で減衰挙動の変化を調整することができ、動的係数（Ｃｗ）によって目標とする方法で、制御ループの時間的挙動の変化を調節できるという利点がある。

３次のフィルタ装置を活性化（作動）させることによって、ＰＩＤ制御装置に比べて制御の品質をより改善させることができる。これは高次の制御ループにおいて特に顕著になる。

曲線（９）〜（１４）は理想的な条件に基づいて示されており、本発明の制御装置を用いて理論的に達成可能なものを示している。実際の条件下、例えばプロセスモデルが不正確であったり、制限がある場合には、実際の動作が理想的な動作と異なる場合がある。

しかし、本発明の制御装置はモデル化されたプロセスの品質を閉じた制御ループの挙動から推測する可能性を提供する。

例えば、制御プロフィルがオーバーシュートから過渡的挙動が設定された減衰挙動をはるかに下回る緩慢な挙動へ移行することで、モデル化されたプロセスの時定数を過度に長く設定したことが分かる。この場合には、モデリングの時定数を小さい値に調整する必要がある。従って、制御システムがより正確なモデルとして作動するように予想して本発明の制御装置を構成することもできる。

動的係数（Ｃｗ）を選択する時には、ネジを締め付ける場合のように、ゼロから始めて値を増加させ、閉ループの減衰動作が所定の減衰係数（Ｄｗ）に対応しなくなったときに止める。この時に、閉ループの動的特性をさらなる改善するために第１フィルタ装置（４）の次数を上げることができる。

本発明の制御装置は操作量（ｕ）または制御量（ｙ）が干渉を受けたり、悪影響を受けた場合でも堅牢な挙動を示す。

１制御装置
２技術的プロセス
４第１フィルタ装置
５増幅要素
６Ｉ−要素
７第２フィルタ装置
９初期化ユニット
ｕ操作量
ｗ参照変数
ｙ制御変数
Ｃｗ予め定義する動的係数
Ｄｗ予め定義する減衰係数
Ｆ_Type 第1フィルタの種類を選択するためのパラメター
Ｋｓ補償を伴う制御装置の所定の伝達関数
Ｋ_IS 補償を伴わない制御装置の所定の積分係数
Ｐ_Type 被制御プロセスの種類を選択するためのパラメター
Ｔ_R ２つのフィルタ装置の時定数の和
Ｔｓ制御装置の所定の遅延時間係数
Ｔｔ制御装置の所定のデッドタイム

Claims

それぞれが一つの入力信号を検出するための少なくとも２つの装置と、操作量（ｕ）を出力するための少なくとも１つの装置とを有し、第1の入力信号としての参照変数（ｗ）と第２の入力信号としての制御変数（ｙ）の間の差を形成し、それから操作量（ｕ）を決定し、さらに、制御装置（１）と技術的プロセス（２）とで形成される制御ループの時間的挙動および減衰挙動に影響を与えるための少なくとも１つの内部信号処理システムを有する、技術的プロセス（２）を制御するための制御装置（１）であって、
信号処理のために少なくとも２つのフィルタ装置（４）および（７）と、増幅要素（５）と、Ｉ−要素（６）とをさらに有し、
制御装置（１）と技術的プロセス（２）とによって形成される制御ループの時間的挙動が第１フィルタ装置（４）の特性の変化によって影響されように第１フィルタ装置（４）は技術的プロセス（２）と共同作用し，
制御装置（１）と技術的プロセス（２）とによって形成される制御ループの減衰挙動が補強要素（５）の増幅係数の変化によって影響されるように上記技術的プロセス（2）と共同作用する少なくとも１つの増幅部材（５）が存在し、
第２フィルタ装置（7）とＩ要素（６）とを互いに別々に活性化（作動）できる、
ことを特徴とする制御装置（１）。
被制御技術的プロセス（２）がステップ応答で新しい定常状態へ進む補償を伴う過渡虚度を有する場合に、
第２フィルタ装置（７）を非活性化し、
Ｉ−要素（６）を活性化し、
それによって、制御装置（１）と技術的プロセス（２）とで形成される制御ループの時間的挙動が第１フィルタ装置（４）によって影響を受け、その減衰挙動は増幅要素（５）によって影響を受け、Ｉ−要素（６）によってフェード制御偏差を起こす、
ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
非制御技術的プロセス（２）が補償なしの過渡挙動を有しかつ位置シーケンス制御を要求する場合に、
第２フィルタ（７）を活性化させ、
Ｉ−要素（６）を活性化させ、
それによって、第１フィルタ装置（４）、増幅要素（５）およびＩ−要素（６）を第２フィルタ装置（７）によって補足し、制御装置（１）と技術的プロセス（２）とで形成される制御ループを安定化させる
ことを特徴とする請求項１記載の制御装置。
被制御技術的プロセス（２）が補償なしでかつ位置シーケンス制御を必要としない過渡的挙動を有する場合に、
第２フィルタ装置（７）およびＩ−要素（６）の両方を非活性化し、
それによって、第１フィルタ装置（４）のみが時間応答を決定し、増幅要素（５）が制御装置（１）とプロセス（２）とによって形成される制御回路の減衰挙動を決定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
第１フィルタ装置（４）が下記で定義される１次、２次または３次の伝達関数を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の制御装置：

ここで、
Ｔ_D1、Ｔ_D2およびＴ_D3はフィルタの微分時定数＞０であり、
Ｔ_R1、Ｔ_R2およびＴ_R3はフィルタの遅延時定数＞０であり、
ｓはラプラス演算子であり、
第１フィルタ装置（４）の微分時定数Ｔ_D1、Ｔ_D２およびＴ_D3の全ての合計Ｔ_{D_Gesamt}は下記で定義され：

このＴ_{D_Gesamt}の最大値は全ての遅延時定数Ｔ_S1、Ｔ_S2、・・・の合計に被制御技術的プロセス（２）の所定のデッドタイムの半分(Ｔ_t／２)を加えたもの以下であり、従って、下記であることが要求され、

ここで、
Ｔ_{s_Gesamt}は被制御技術的プロセス（２）の全ての遅延時定数Ｔ_S1、Ｔ_S2、・・・の合計＞０、すなわち下記であり：

従って、Ｔ_{s_Gesamt}はデッドタイムを含むＰＴ１モデルの所定の遅延時定数（Ｔｓ）に等しく、（Ｔｔ）は被制御技術的プロセス（２）の所定のデッドタイム＞ゼロであり、
パラメータ（Ｃｗ）は制御装置（１）の動的係数として予め定義され、０から１の間で、フィルタの微分時定数を決定し、制御装置（１）と技術的プロセス（２）とで形成される制御ループの時間的挙動に下記に従って影響を及ぼす：
第２フィルタ装置（７）が次式で定義される伝達関数を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の制御装置：

従って、デッドタイムＰＴ１−モデルの所定の遅延時定数（Ｔｓ）に等しく設定され、
増幅要素（５）の増幅係数Ｋcを下記で計算することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の制御装置：
（ａ）被制御プロセス（2）が補償を伴う過渡的挙動を伴う場合：

（ｂ）被制御プロセス（2）が補償のない過渡的挙動と位置シーケンスの調整の要求がある場合：

（ｃ）被制御プロセス（2）が補償なしでかつ位置シーケンスの調整の要求を伴わない過渡的挙動を有する場合：

ここで、