JP2020034968A - 制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リミット方式とステップ応答方式のオートチューニングについて、不適当な選択が発生する可能性を低減する。【解決手段】制御装置は、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、オートチューニングの起動指示が発行され設定値ＳＰが変更された場合に、リミットサイクル方式実行部２によるリミットサイクル方式のオートチューニングを開始させるリミットサイクル方式起動部４と、オートチューニングを継続すべきか否かを判定する実行継続判定部５と、オートチューニングを継続すべきでないと判定された場合にオートチューニングを停止させた後に、制御量ＰＶを整定させる整定操作部６と、整定状態が得られたと判定した後に操作量算出部１による操作量ＭＶの出力を再開させ、ステップ応答方式実行部３によるステップ応答方式のオートチューニングを開始させるステップ応答方式起動部７を備える。【選択図】 図３

Description

本発明は、ＰＩＤパラメータを調整するオートチューニングの機能を備えた制御装置および制御方法に関するものである。

温調計などの制御機器は、図１１に示すような加熱装置の温度制御に利用される。図１１の加熱装置は、処理対象のワークを加熱する加熱処理チャンバー１００と、電気ヒータ１０１と、加熱処理チャンバー１００内の温度を計測する温度センサ１０２と、加熱処理チャンバー１００内の温度を制御する温調計１０３と、電力調整器１０４と、電力供給回路１０５と、加熱装置全体を制御するＰＬＣ（Programmable Logic Controller）１０６とから構成される。温調計１０３は、温度センサ１０２が計測した温度ＰＶ（制御量）が温度設定値ＳＰと一致するように操作量ＭＶを算出する。電力調整器１０４は、操作量ＭＶに応じた電力を決定し、この決定した電力を電力供給回路１０５を通じて電気ヒータ１０１に供給する。

一般的な温調計では、リミットサイクル方式のオートチューニング（ＡＴ）機能が広く採用されており、この機能によりＰＩＤ制御演算のためのＰＩＤパラメータ値が自動決定される（特許文献１参照）。図１２はリミットサイクル式のＡＴを説明するための波形図である。リミットサイクル方式のＡＴでは、図１２に示すように制御量ＰＶが所定の中心値ＡＴ＿ＳＰより大きい場合、操作量下限値ＯＬを操作量ＭＶとして制御対象に出力し、制御量ＰＶが中心値ＡＴ＿ＳＰ以下の場合、操作量上限値ＯＨを操作量ＭＶとして制御対象に出力することを繰り返し行う。

こうして、操作量ＭＶの振幅が一定のリミットサイクルが発生する。そして、操作量ＭＶの出力に応じた制御量ＰＶの応答、具体的には制御量ＰＶの極大値と中心値ＡＴ＿ＳＰとの差である上下動振幅Ｗｘと、制御量ＰＶに極大値が生じた時点と極小値が生じた時点との時間差である上下動周期Ｔｘとに基づいてＰＩＤパラメータを算出する。

一方で、リミットサイクル方式とは別の方式として、設定値ＳＰステップ変更時の応答を利用する方式（以下、ステップ応答方式とする）のＡＴ機能も実用されている（特許文献２、特許文献３参照）。図１３はステップ応答方式のＡＴを説明するための制御系のブロック線図である。図１３において、２００は設定値ＳＰから後述するフィードバック量を減算する減算処理部、２０１は減算処理部２００の出力を伝達関数が１次遅れの特性で出力するフィルタ部、２０２はフィルタ部２０１の出力Ｕから操作量ＭＶを算出する操作算出部、２０３は制御対象、２０４は制御対象２０３を数式で近似した内部モデル、２０５は制御量ＰＶから内部モデル２０４の出力である参照制御量ＰＶｍを減算してフィードバック量を出力する減算処理部、２０６は内部モデル２０４のパラメータと操作算出部２０２のパラメータとフィルタ部２０１の時定数とを修正する修正部である。また、Ｆ２はフィルタ部２０１の伝達関数、Ｇｃは操作算出部２０２の伝達関数、Ｇｐは制御対象２０３の伝達関数、Ｇｍは内部モデル２０４の伝達関数である。

修正部２０６は、設定値ＳＰステップ変更時の制御量ＰＶおよび参照制御量ＰＶｍの変化に基づいて内部モデル２０４のゲインＫｍを修正し、また設定値ＳＰステップ変更時の制御量ＰＶの変化に基づいて内部モデル２０４のむだ時間Ｌｍを修正し、さらにむだ時間Ｌｍに基づいてフィルタ部２０１の時定数Ｔｆを修正する。

なお、特許文献２、特許文献３に開示された技術は、ＩＭＣ（Internal Model Control）を対象とする技術であるが、特許文献４に開示されているように、ＩＭＣパラメータ（内部モデル２０４のパラメータとフィルタ部２０１の時定数）をＰＩＤパラメータに等価変換することができるので、特許文献２〜４に開示された技術を採用すれば、ＰＩＤパラメータに対するステップ応答方式のＡＴ機能を実現できる。

図１４はＰＩＤパラメータに対するステップ応答方式のＡＴを説明するための制御系のブロック線図である。図１４において、２０７は減算処理部２００の出力からＰＩＤ制御演算により操作量ＭＶを算出する操作量算出部、２０８は上記のＩＭＣパラメータに基づいてＰＩＤパラメータを算出するパラメータ算出部である。

図１２で説明したリミットサイクル方式のＡＴと図１３、図１４で説明したステップ応答方式のＡＴには、それぞれに一長一短があり、どちらが優れているかということは、必ずしも一概には言えない。したがって、どちらを採用するべきなのかは、実質的に現場のオペレータが判断せざるを得ない。

しかしながら、ＡＴ機能は、そもそも制御の専門的知識がないオペレータがＰＩＤパラメータの調整作業をできるようにするためのものなので、オペレータがリミットサイクル方式のＡＴとステップ応答方式のＡＴのどちらを採用するべきなのかを、適切に選択できるとは限らず、改善が求められている。

特開２００９−１９９２２０号公報 特開平０７−０４９７０３号公報 特開平０７−０８４６１１号公報 特開平０８−３１４５０４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、オンライン型のＰＩＤパラメータ調整手法であるリミット方式とステップ応答方式について、不適当な選択が発生する可能性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して制御対象に出力するように構成された操作量算出部と、リミットサイクル方式のオートチューニングの実行時に、前記操作量算出部に代わって一定振幅の操作量を前記制御対象に繰り返し出力して前記操作量算出部のＰＩＤパラメータを設定するように構成された第１の実行部と、ステップ応答方式のオートチューニングの実行時に、前記設定値の変更に応じた前記制御量の応答に基づいて前記操作量算出部のＰＩＤパラメータを設定するように構成された第２の実行部と、外部からオートチューニングの起動指示が発行され、かつ前記設定値が変更された場合に、前記第１の実行部によるリミットサイクル方式のオートチューニングを開始させるように構成された第１の起動部と、前記リミットサイクル方式のオートチューニングの実行中に、前記制御量の上昇と下降の均衡の度合いを評価し、この評価の結果に基づいてリミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきか否かを判定するように構成された実行継続判定部と、この実行継続判定部がリミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきでないと判定した場合に、前記第１の実行部によるオートチューニングを中途で停止させた後に、このオートチューニングが実行されていたときの前記操作量および前記制御量に基づいて、オートチューニング停止後の制御量を整定させる操作を行うように構成された整定操作部と、この整定操作部による操作によって整定状態が得られたと判定した後に前記操作量算出部による操作量の出力を再開させ、前記第２の実行部によるステップ応答方式のオートチューニングを開始させるように構成された第２の起動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、前記実行継続判定部は、前記リミットサイクル方式のオートチューニングの実行中の制御量の上昇所要時間と下降所要時間との比率を算出し、この比率が規定の範囲内の場合、リミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきと判定し、前記比率が規定の範囲外の場合、リミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきでないと判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、前記実行継続判定部は、前記リミットサイクル方式のオートチューニングの実行中の操作量の上限値維持時間と下限値維持時間との比率を算出し、この比率が規定の範囲内の場合、リミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきと判定し、前記比率が規定の範囲外の場合、リミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきでないと判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、前記整定操作部は、前記第１の実行部によるオートチューニングを中途で停止させた後に、前記制御対象に出力する操作量を、オートチューニングが実行されていたときの操作量の平均値に維持し、前記第２の起動部は、オートチューニング停止後の制御量が、オートチューニングが実行されていたときの制御量の平均値近傍にある状態が規定時間以上継続したときに、整定状態が得られたと判定することを特徴とするものである。

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して制御対象に出力する第１のステップと、外部からオートチューニングの起動指示が発行され、かつ前記設定値が変更された場合に、リミットサイクル方式のオートチューニングを開始させる第２のステップと、リミットサイクル方式のオートチューニングの実行時に、前記第１のステップに代わって一定振幅の操作量を前記制御対象に繰り返し出力して前記第１のステップで用いるＰＩＤパラメータを設定する第３のステップと、前記リミットサイクル方式のオートチューニングの実行中に、前記制御量の上昇と下降の均衡の度合いを評価し、この評価の結果に基づいてリミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきか否かを判定する第４のステップと、この第４のステップでリミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきでないと判定した場合に、前記リミットサイクル方式のオートチューニングを中途で停止させた後に、このオートチューニングが実行されていたときの前記操作量および前記制御量に基づいて、オートチューニング停止後の制御量を整定させる操作を行う第５のステップと、この第５のステップによる操作によって整定状態が得られたと判定した後に前記第１のステップによる操作量の出力を再開させ、ステップ応答方式のオートチューニングを開始させる第６のステップと、ステップ応答方式のオートチューニングの実行時に、前記制御量と、前記制御対象を数式表現した内部モデルによって前記第１のステップの操作量出力から算出される参照制御量とに基づいてＩＭＣパラメータを算出して、このＩＭＣパラメータから変換したＰＩＤパラメータを前記第１のステップで用いるＰＩＤパラメータとして設定する第７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、リミットサイクル方式のオートチューニングとステップ応答方式のオートチューニングのうちどちらを採用すべきかを自動的に選択することができ、不適当なオートチューニングを選択する可能性を低減することができる。その結果、本発明では、制御の専門的知識がないオペレータがＰＩＤパラメータの調整作業を実施する際の支援を実現することができる。

図１は、ステップ応答方式のオートチューニングにとって不適切な状態の例を説明する図である。 図２は、リミットサイクル方式のオートチューニングに際して降温に時間がかかる例を説明する図である。 図３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４は、本発明の実施例に係る制御装置の制御動作を説明するフローチャートである。 図５は、本発明の実施例に係る制御装置のオートチューニング実行時の動作を説明するフローチャートである。 図６は、本発明の実施例におけるリミットサイクル方式のオートチューニングを説明する図である。 図７は、本発明の実施例に係る制御装置の実行継続判定部の動作を説明する図である。 図８は、本発明の実施例に係る制御装置のステップ応答方式実行部によるＩＭＣパラメータの算出処理を説明するフローチャートである。 図９は、本発明の実施例において内部モデルのむだ時間を修正する動作を説明する図である。 図１０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１１は、加熱装置の構成を示すブロック図である。 図１２は、リミットサイクル式のオートチューニングを説明するための波形図である。 図１３は、ＩＭＣパラメータに対するステップ応答方式のオートチューニングを説明するための制御系のブロック線図である。 図１４は、ＰＩＤパラメータに対するステップ応答方式のオートチューニングを説明するための制御系のブロック線図である。

［発明の原理］
加熱による温度制御系を事例として、本発明の原理について説明する。まず、ステップ応答方式のＡＴは、昇温開始時の状態が適正化されていることを前提として、昇温のみでパラメータを調整することに特徴がある。適正化とは、操作量ＭＶが特定の値にほぼ維持された状態で、制御量ＰＶが整定している状態である。

ステップ応答方式のＡＴにとって不適切な状態の例を図１を用いて説明する。原材料を加熱して製品を製造する装置の加熱処理チャンバーは、一般的に省電力を目的として保温性が高められており、高い温度からの降温には昇温の何倍も時間がかかる。また、加熱処理チャンバー内が低い温度に整定する間際には温度変化率も小さくなる。このため、整定状態からの昇温動作がＡＴ実施の適用対象であることを説明されたオペレータであっても、降温未了（非整定）からの昇温操作に対してステップ応答方式のオートチューニングを適用してしまい易い。

図１の例は、昇温開始前の制御量ＰＶが設定値ＳＰ＝５０℃で整定しておらず、降温未了の状態で設定値ＳＰ＝４００℃に変更して昇温を開始してしまった例を示している。ＰＩＤパラメータ調整が目的であれば、図１の例のように降温が遅い場合、操作量ＭＶを低く維持して降温を待つよりは、設定値ＳＰ＝１００℃程度にすることで適切な整定状態を早めに得るのが得策であるが、一般のオペレータにはそのような操作は期待できない。

一方、リミットサイクル式のＡＴは、リミットサイクル時の状態が任意であることを前提として、昇温と降温を繰り返すことでパラメータを調整することに特徴がある。加熱処理チャンバーの保温性が高い場合は、図２に示すように昇温の何倍も降温に時間がかかることもあり、理想的なリミットサイクル波形が得られなくなることもある。ただし、リミットサイクルが発生している際の操作量ＭＶと制御量ＰＶに基づけば、整定させ易い操作量ＭＶと制御量ＰＶは推定できる。

したがって、発明者は、リミットサイクル方式のＡＴを実行することを基本とし、降温が都合よく発生するか否かを確認すれば、リミットサイクル方式のＡＴとステップ応答方式のＡＴのどちらを採用すべきかを判断できることに想到した。

［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３は本実施例に係る制御装置の構成を示すブロック図である。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を算出して制御対象に出力する操作量算出部１と、リミットサイクル方式のオートチューニングの実行時に、操作量算出部１に代わって一定振幅の操作量ＭＶを制御対象に繰り返し出力して操作量算出部１のＰＩＤパラメータを設定するリミットサイクル方式実行部２（第１の実行部）と、ステップ応答方式のオートチューニングの実行時に、制御量ＰＶと、制御対象を数式表現した内部モデルによって操作量算出部１の操作量出力から算出される参照制御量とに基づいてＩＭＣパラメータを算出して、このＩＭＣパラメータから変換したＰＩＤパラメータを操作量算出部１に設定するステップ応答方式実行部３（第２の実行部）と、外部からオートチューニングの起動指示が発行され、かつ設定値ＳＰが変更された場合に、リミットサイクル方式実行部２によるリミットサイクル方式のオートチューニングを開始させるリミットサイクル方式起動部４（第１の起動部）と、リミットサイクル方式のオートチューニングの実行中に、制御量ＰＶの上昇と下降の均衡の度合いを評価し、この評価の結果に基づいてリミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきか否かを判定する実行継続判定部５と、実行継続判定部５がリミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきでないと判定した場合に、リミットサイクル方式実行部２によるオートチューニングを中途で停止させた後に、このオートチューニングが実行されていたときの操作量ＭＶおよび制御量ＰＶに基づいて、オートチューニング停止後の制御量ＰＶを整定させる操作を行う整定操作部６と、整定操作部６による操作によって整定状態が得られたと判定した後に操作量算出部１による操作量ＭＶの出力を再開させ、ステップ応答方式実行部３によるステップ応答方式のオートチューニングを開始させるステップ応答方式起動部７（第２の起動部）とを備えている。

本実施例の制御装置の制御動作を図４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４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４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を算出し、算出した操作量ＭＶを制御対象に出力する（図４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。

本実施例の制御装置を温度制御系に適用する場合、操作量ＭＶの実際の出力先は、ヒータに電力を供給する電力調整器となる。
制御装置は、図４のステップＳ１００〜Ｓ１０２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４ステップＳ１０３においてＹＥＳ）、制御周期毎に実行する。なお、操作量算出部１が算出した操作量ＭＶに対して適宜、上下限リミット処理などを施してもよいことは言うまでもない。

次に、本実施例の制御装置のＡＴ実行時の動作を図５を参照して説明する。リミットサイクル方式起動部４は、ＡＴの起動指示が発行され、かつ設定値ＳＰがステップ変更された場合（本実施例では設定値ＳＰが上昇する方向に変更された場合）に、ＡＴを実行すべきタイミングになったと判断し（図５ステップＳ２００においてＹＥＳ）、リミットサイクル方式実行部２を起動させ、リミットサイクル方式のＡＴを開始させる（図５ステップＳ２０１）。

オペレータは、操作量算出部１のＰＩＤパラメータ（比例帯Ｐｂ、積分時間Ｔｉ、微分時間Ｔｄ）を調整したい場合、設定値ＳＰの変更前あるいは設定値ＳＰの変更時に、ＡＴの起動を指示する起動指示信号を発行すればよい。

起動したリミットサイクル方式実行部２は、リミットサイクルを発生させる（図５ステップＳ２０２）。このとき、リミットサイクル方式実行部２は、設定値ＳＰの変更に伴って操作量算出部１から出力される操作量ＭＶに応じて上昇中の制御量ＰＶを起動後に取得して、取得した制御量ＰＶをリミットサイクルの中心値ＡＴ＿ＳＰとする（図６）。

以後、リミットサイクル方式実行部２は、リミットサイクル方式のＡＴが終了もしくは中途で停止するまで、操作量算出部１に代わって操作量ＭＶを制御対象に出力する。具体的には、リミットサイクル方式実行部２は、制御量ＰＶが中心値ＡＴ＿ＳＰより大きい場合、予め定められた操作量下限値ＯＬを操作量ＭＶとして制御対象に出力し、制御量ＰＶが中心値ＡＴ＿ＳＰ以下の場合、予め定められた操作量上限値ＯＨを操作量ＭＶとして制御対象に出力することを、一定の動作周期毎に繰り返し行う。こうして、図６に示すようにＡＴの起動によるリミットサイクルが発生する。

なお、操作量算出部１は、リミットサイクル方式実行部２が操作量算出部１の代わりに操作量ＭＶを出力している間においても、式（１）に示したＰＩＤ制御演算を継続して実施している。

図７は実行継続判定部５の動作を説明する図である。実行継続判定部５は、リミットサイクル方式のＡＴの実行中に、制御量ＰＶが中心値ＡＴ＿ＳＰに達した時点から極大値に達するまでの上昇所要時間ＴＵと制御量ＰＶが極大値に達した時点から中心値ＡＴ＿ＳＰに達するまでの下降所要時間ＴＤとを取得し、制御量ＰＶの上昇と下降の均衡の度合いを示す比率Ｒを次式のように算出する（図５ステップＳ２０３）。
Ｒ＝ＴＵ／ＴＤ ・・・（２）

実行継続判定部５は、算出した比率Ｒが規定の範囲内（例えば０．３３〜３．０）の場合（図５ステップＳ２０４においてＹＥＳ）、リミットサイクル方式のＡＴを継続すべきと判定し（図５ステップＳ２０５）、比率Ｒが規定の範囲外の場合（ステップＳ２０４においてＮＯ）、リミットサイクル方式のＡＴを継続すべきでないと判定する（図５ステップＳ２０６）。

上昇所要時間ＴＵは、制御量ＰＶが極小値に達した時点から中心値ＡＴ＿ＳＰに達するまでの時間としてもよい。この場合、下降所要時間ＴＤは、制御量ＰＶが中心値ＡＴ＿ＳＰに達した時点から極小値に達するまでの時間とすればよい。

また、実行継続判定部５は、式（２）を用いて比率Ｒを算出する代わりに、リミットサイクル方式実行部２から出力される操作量ＭＶが操作量上限値ＯＨに維持されている上限値維持時間Ｔ＿ＯＨと操作量ＭＶが操作量下限値ＯＬに維持されている下限値維持時間Ｔ＿ＯＬとを取得して、比率Ｒを次式のように算出してもよい。
Ｒ＝Ｔ＿ＯＨ／Ｔ＿ＯＬ ・・・（３）

なお、制御量ＰＶの安定した上下動波形を得るため、時間ＴＵ，ＴＤ（またはＴ＿ＯＨ，Ｔ＿ＯＬ）を取得するタイミングは、リミットサイクル方式のＡＴの開始時点からの制御量ＰＶの上下動回数が予め規定された最低限の上下動回数を超えた時点以降とすることが好ましい。

リミットサイクル方式実行部２は、実行継続判定部５がリミットサイクル方式のＡＴを継続すべきと判定した場合、リミットサイクル方式のＡＴの実行中に、制御量ＰＶの極大値と中心値ＡＴ＿ＳＰとの差である上下動振幅Ｗｘと、制御量ＰＶに極大値が生じた時点と極小値が生じた時点との時間差である上下動周期Ｔｘとを取得し、ＰＩＤパラメータを次式のように算出する（図５ステップＳ２０７）。
Ｐｂ＝αＷｘ ・・・（４）
Ｔｉ＝βＴｘ ・・・（５）
Ｔｄ＝γＴｘ ・・・（６）

α，β，γは予め定められた係数である（例えばα＝１．５、β＝６．０、γ＝１．５）。そして、リミットサイクル方式実行部２は、算出した比例帯Ｐｂ、積分時間Ｔｉおよび微分時間Ｔｄを操作量算出部１に設定する（図５ステップＳ２０８）。以上でリミットサイクル方式のＡＴが終了する。

なお、リミットサイクル方式実行部２は、リミットサイクル方式のＡＴが終了した時点で、自身の操作量ＭＶの出力を停止し、操作量算出部１による操作量ＭＶの出力を再開させる。図６の例では、ＡＴの終了に伴って操作量算出部１からの操作量ＭＶの出力が再開されたことにより、制御量ＰＶが設定値ＳＰに追従する。

一方、整定操作部６は、実行継続判定部５がリミットサイクル方式のＡＴを継続すべきでないと判定した場合、制御量ＰＶとリミットサイクル方式実行部２から出力されていた操作量ＭＶとに基づいて制御量ＰＶを整定させる操作を行う（図５ステップＳ２０９）。具体的には、整定操作部６は、実行継続判定部５がリミットサイクル方式のＡＴを継続すべきでないと判定したときに、リミットサイクル方式実行部２によるＡＴを中途で停止させ、制御対象に出力する操作量ＭＶを、リミットサイクル方式のＡＴが実行されていたときの操作量ＭＶの平均値に維持する。

ステップ応答方式起動部７は、実行継続判定部５がリミットサイクル方式のＡＴを継続すべきでないと判定した後に、オートチューニング停止後の制御量ＰＶが、オートチューニングが実行されていたときの制御量ＰＶの平均値ＰＶａｖｅを中心とする所定の許容範囲内である状態が規定時間（例えば上昇所要時間ＴＵと下降所要時間ＴＤとの和）以上継続したときに、制御量ＰＶが整定したと判定する（図５ステップＳ２１０においてＹＥＳ）。すなわち、リミットサイクル方式のＡＴを実行していた状態であれば、そのＡＴ実行中の制御量ＰＶの平均値ＰＶａｖｅが短時間で実現可能な整定のポイントなので、このポイントで整定するように操作量ＭＶを固定する。

ステップ応答方式起動部７は、制御量ＰＶが整定したと判定したときに、操作量算出部１による操作量ＭＶの出力を再開させ、ステップ応答方式実行部３を起動させて、ステップ応答方式のＡＴを開始させる（図５ステップＳ２１１）。

起動したステップ応答方式実行部３は、操作量算出部１からの操作量ＭＶの出力再開後の制御量ＰＶと、操作量算出部１からの操作量ＭＶの出力再開後に内部モデルから出力された参照制御量ＰＶｍとに基づいて、ＩＭＣパラメータ（内部モデルのパラメータとフィルタ時定数）を算出する（図５ステップＳ２１２）。図８はステップ応答方式実行部３によるＩＭＣパラメータの算出処理を説明するフローチャートである。

ここで、本実施例の制御対象（図１３、図１４の制御対象２０３に相当）は、１次遅れとむだ時間の要素を有するものとしてその伝達関数Ｇｐを次式のような近似伝達関数で表現できる。
Ｇｐ＝Ｋｐ×ｅｘｐ（−Ｌｐ×ｓ）／（１＋Ｔｐ×ｓ） ・・・（７）
ここで、Ｋｐ，Ｌｐ，Ｔｐはそれぞれ制御対象のゲイン、むだ時間、時定数である。

一方、ステップ応答方式実行部３内に構築される内部モデル（図１３、図１４の内部モデル２０４に相当）は、制御対象を数式表現したものであり、操作量算出部１から出力される操作量ＭＶから参照制御量ＰＶｍを算出する。内部モデルの伝達関数Ｇｍは次式となる。
Ｇｍ＝Ｋｍ×ｅｘｐ（−Ｌｍ×ｓ）／（１＋Ｔｍ×ｓ） ・・・（８）
ここで、Ｋｍ，Ｌｍ，Ｔｍはそれぞれ内部モデルのゲイン、むだ時間、時定数である。

また、図１３のフィルタ部２０１の伝達関数Ｆ２は次式のようになる。
Ｆ２＝１／（１＋Ｔｆ×ｓ） ・・・（９）
式（９）のＴｆはフィルタ時定数である。

まず、ステップ応答方式実行部３は、整定後の操作量算出部１からの操作量ＭＶの出力再開によって制御量ＰＶおよび参照制御量ＰＶｍが設定値ＳＰに追従する制御応答時の制御量ＰＶおよび参照制御量ＰＶｍと、内部モデルの修正前のゲインＫｍ０とに基づいて、修正後のゲインＫｍ１を算出して内部モデルのゲインＫｍをＫｍ０からＫｍ１に更新する（図８ステップＳ３００）。

内部モデルの修正後のゲインＫｍ１は、次式により算出できる。
Ｋｍ１＝Ｋｍ０×（ＰＶ２−ＰＶ１）／（ＰＶｍ２−ＰＶｍ１） ・・・（１０）
ＰＶ１は応答開始領域の開始時点における制御量ＰＶ、ＰＶ２は応答開始領域の終了時点における制御量ＰＶ、ＰＶｍ１は応答開始領域の開始時点における参照制御量ＰＶｍ、ＰＶｍ２は応答開始領域の終了時点における参照制御量ＰＶｍである。

また、内部モデルの修正後のゲインＫｍ１を次式のように算出してもよい。
Ｋｍ１＝ρ×Ｋｍ０×Ａｙ／Ａｙｍ ・・・（１１）
ここで、所定のρは安全係数、Ａｙは応答開始領域における制御量ＰＶの変化率（傾き）、Ａｙｍは応答開始領域における参照制御量ＰＶｍの変化率（傾き）である。

応答開始領域の決定方法およびゲインＫｍ１の算出方法については、例えば特許文献２、特開平７−１６０３０７号公報に開示されているので、詳細な説明は省略する。

また、ステップ応答方式実行部３は、整定後の操作量算出部１からの操作量ＭＶの出力再開によって制御量ＰＶおよび参照制御量ＰＶｍが設定値ＳＰに追従する制御応答時の制御量ＰＶおよび参照制御量ＰＶｍと、内部モデルの現在のむだ時間Ｌｍ０とに基づいて、制御対象のむだ時間Ｌｐの推定値Ｌｐ１を算出し、この推定値Ｌｐ１を内部モデルの修正後のむだ時間Ｌｍ１として内部モデルに設定する（図８ステップＳ３０１）。

制御対象のむだ時間Ｌｐの推定値Ｌｐ１は、次式により算出できる。
Ｌｐ１＝Ｌｍ０−Ｂ−Ａ ・・・（１２）

ステップ応答方式実行部３は、整定時点から制御量ＰＶに制御応答としての変化が現れない間は、内部モデルのむだ時間Ｌｍを増やすことを繰り返す。このむだ時間Ｌｍの変更は、制御量ＰＶに変化が検出されない間繰り返され、変化が検出された時点で停止される。この結果、得られたむだ時間Ｌｍが上記のＬｍ０である。図９（Ａ）は制御量ＰＶの応答開始領域を示す図、図９（Ｂ）は同じく参照制御量ＰＶｍの応答開始領域を示す図である。

図９（Ａ）、図９（Ｂ）において、時刻０は操作量算出部１からの操作量ＭＶの出力を再開した時点、ｉ０は整定状態から制御量ＰＶが変化を始める時点、ｉ１は制御量ＰＶの応答開始領域の開始時点、ｉ２は制御量ＰＶの応答開始領域の終了時点、Ａはこの点ｉ０から制御量ＰＶ上における直線Ｈ２〜Ｈ１の延長線と初期値ｙ０との交点までの時間、Ｂはこの交点から応答開始領域の開始時点ｉ１までの時間である。また、ｉｍ０は参照制御量ＰＶｍが変化を始める時点、ｉｍ１は参照制御量ＰＶｍの応答開始領域の開始時点、ｉｍ２は参照制御量ＰＶｍの応答開始領域の終了時点、Ｃは参照制御量ＰＶｍ上における直線Ｈ４〜Ｈ３の延長線と初期値ｙｍ０との交点から応答開始領域の開始時点ｉｍ１までの時間、Ｄは点ｉｍ０から開始時点ｉｍ１までの時間である。また、ＰＶ０は整定操作部６によって整定状態となったときの制御量ＰＶ、ＰＶｍ０は整定状態となったときの参照制御量ＰＶｍである。また、Ｎｙ×△ｔは制御量ＰＶの応答開始領域の開始時点ｉ１から終了時点ｉ２までの時間、および参照制御量ＰＶｍの応答開始領域の開始時点ｉｍ１から終了時点ｉｍ２までの時間である。

時間Ｂは次式となる。
Ｂ＝Ｎｙ×△ｔ×（ＰＶ１−ＰＶ０）／（ＰＶ２−ＰＶ１） ・・・（１３）
また、時間Ａは次式によって求めることができる。
Ａ＝｛（ＰＶｍ２−ＰＶｍ１）／（ＰＶ２−ＰＶ１）｝^1/2 ×（Ｄ−Ｃ）
・・・（１４）

時間Ｃは次式となる。
Ｃ＝Ｎｙ×△ｔ×（ＰＶｍ１−ＰＶｍ０）／（ＰＶｍ２−ＰＶｍ１） ・・（１５）
また、時間Ｄは次式となる。
Ｄ＝ｉｍ１−Ｌｍ０ ・・・（１６）

こうして、式（１２）により制御対象のむだ時間Ｌｐの推定値Ｌｐ１、すなわち内部モデルの修正後のむだ時間Ｌｍ１を算出することができる。このようなむだ時間Ｌｍ１の算出方法は、例えば特許文献３に開示されているので、詳細な説明は省略する。

また、ステップ応答方式実行部３は、上記の方法で内部モデルのゲインＫｍを修正した後に設定値ＳＰ付近で整定状態となったときの制御量ＰＶの整定値ＰＶ３と参照制御量ＰＶｍの整定値ＰＶｍ３と修正後のゲインＫｍ１とに基づいて、制御対象のゲインＫｐの推定値Ｋｐ１を算出し、このゲインＫｐの推定値Ｋｐ１と内部モデルの修正後のゲインＫｍ１と内部モデルの修正前の時定数Ｔｍ０とに基づいて、修正後の時定数Ｔｍ１を算出して内部モデルの時定数ＴｍをＴｍ０からＴｍ１に更新する（図８ステップＳ３０２）。

制御対象のゲインＫｐの推定値Ｋｐ１は、次式により算出できる。
Ｋｐ１＝Ｋｍ１×ＰＶ３／ＰＶｍ３ ・・・（１７）

また、内部モデルの修正後の時定数Ｔｍ１は、次式により算出できる。
Ｔｍ１＝ρ×Ｋｐ１×Ｔｍ０／Ｋｍ１ ・・・（１８）
ρは上記の安全係数である。このような時定数Ｔｍ１の算出方法は、例えば特開平７−１６０３０７号公報に開示されているので、詳細な説明は省略する。

また、ステップ応答方式実行部３は、内部モデルの修正後のむだ時間Ｌｍ１に基づいてフィルタ時定数Ｔｆを次式のように算出する（図８ステップＳ３０３）。
Ｔｆ＝δ×Ｌｍ１ ・・・（１９）
ここで、δは所定の係数である。

こうして、ステップ応答方式実行部３は、ＩＭＣパラメータ（内部モデルのゲインＫｍ＝Ｋｍ１、むだ時間Ｌｍ＝Ｌｍ１および時定数Ｔｍ＝Ｔｍ１とフィルタ時定数Ｔｆ）を算出することができる。
続いて、ステップ応答方式実行部３は、算出したＩＭＣパラメータを次式のようにＰＩＤパラメータに変換する（図５ステップＳ２１３）。
Ｐｂ＝Ｔｍ／｛Ｋｍ×（Ｔｆ＋Ｌｍ）｝ ・・・（２０）
Ｔｉ＝Ｔｍ ・・・（２１）
Ｔｄ＝Ｌｍ／２ ・・・（２２）

そして、ステップ応答方式実行部３は、算出した比例帯Ｐｂ、積分時間Ｔｉおよび微分時間Ｔｄを操作量算出部１に設定する（図５ステップＳ２１４）。以上でステップ応答方式のＡＴが終了する。

以上のように、本実施例によれば、リミットサイクル方式のＡＴとステップ応答方式のＡＴのうちどちらを採用すべきかを自動的に選択することができ、不適当なＡＴを選択する可能性を低減することができる。その結果、本実施例では、制御の専門的知識がないオペレータがＰＩＤパラメータの調整作業を実施する際の支援を実現することができる。

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１０に示す。コンピュータは、ＣＰＵ３００と、記憶装置３０１と、インターフェース装置（以下、Ｉ／Ｆと略する）３０２とを備えている。Ｉ／Ｆ３０２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３０１に格納される。ＣＰＵ３００は、記憶装置３０１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。

本発明は、オートチューニングの機能を備えた制御装置に適用することができる。

１…操作量算出部、２…リミットサイクル方式実行部、３…ステップ応答方式実行部、４…リミットサイクル方式起動部、５…実行継続判定部、６…整定操作部、７…ステップ応答方式起動部。

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して制御対象に出力するように構成された操作量算出部と、
   リミットサイクル方式のオートチューニングの実行時に、前記操作量算出部に代わって一定振幅の操作量を前記制御対象に繰り返し出力して前記操作量算出部のＰＩＤパラメータを設定するように構成された第１の実行部と、
   ステップ応答方式のオートチューニングの実行時に、前記設定値の変更に応じた前記制御量の応答に基づいて前記操作量算出部のＰＩＤパラメータを設定するように構成された第２の実行部と、
   外部からオートチューニングの起動指示が発行され、かつ前記設定値が変更された場合に、前記第１の実行部によるリミットサイクル方式のオートチューニングを開始させるように構成された第１の起動部と、
   前記リミットサイクル方式のオートチューニングの実行中に、前記制御量の上昇と下降の均衡の度合いを評価し、この評価の結果に基づいてリミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきか否かを判定するように構成された実行継続判定部と、
   この実行継続判定部がリミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきでないと判定した場合に、前記第１の実行部によるオートチューニングを中途で停止させた後に、このオートチューニングが実行されていたときの前記操作量および前記制御量に基づいて、オートチューニング停止後の制御量を整定させる操作を行うように構成された整定操作部と、
   この整定操作部による操作によって整定状態が得られたと判定した後に前記操作量算出部による操作量の出力を再開させ、前記第２の実行部によるステップ応答方式のオートチューニングを開始させるように構成された第２の起動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、
   前記実行継続判定部は、前記リミットサイクル方式のオートチューニングの実行中の制御量の上昇所要時間と下降所要時間との比率を算出し、この比率が規定の範囲内の場合、リミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきと判定し、前記比率が規定の範囲外の場合、リミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきでないと判定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、
   前記実行継続判定部は、前記リミットサイクル方式のオートチューニングの実行中の操作量の上限値維持時間と下限値維持時間との比率を算出し、この比率が規定の範囲内の場合、リミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきと判定し、前記比率が規定の範囲外の場合、リミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきでないと判定することを特徴とする制御装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御装置において、
   前記整定操作部は、前記第１の実行部によるオートチューニングを中途で停止させた後に、前記制御対象に出力する操作量を、オートチューニングが実行されていたときの操作量の平均値に維持し、
   前記第２の起動部は、オートチューニング停止後の制御量が、オートチューニングが実行されていたときの制御量の平均値近傍にある状態が規定時間以上継続したときに、整定状態が得られたと判定することを特徴とする制御装置。
5. 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して制御対象に出力する第１のステップと、
   外部からオートチューニングの起動指示が発行され、かつ前記設定値が変更された場合に、リミットサイクル方式のオートチューニングを開始させる第２のステップと、
   リミットサイクル方式のオートチューニングの実行時に、前記第１のステップに代わって一定振幅の操作量を前記制御対象に繰り返し出力して前記第１のステップで用いるＰＩＤパラメータを設定する第３のステップと、
   前記リミットサイクル方式のオートチューニングの実行中に、前記制御量の上昇と下降の均衡の度合いを評価し、この評価の結果に基づいてリミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきか否かを判定する第４のステップと、
   この第４のステップでリミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきでないと判定した場合に、前記リミットサイクル方式のオートチューニングを中途で停止させた後に、このオートチューニングが実行されていたときの前記操作量および前記制御量に基づいて、オートチューニング停止後の制御量を整定させる操作を行う第５のステップと、
   この第５のステップによる操作によって整定状態が得られたと判定した後に前記第１のステップによる操作量の出力を再開させ、ステップ応答方式のオートチューニングを開始させる第６のステップと、
   ステップ応答方式のオートチューニングの実行時に、前記制御量と、前記制御対象を数式表現した内部モデルによって前記第１のステップの操作量出力から算出される参照制御量とに基づいてＩＭＣパラメータを算出して、このＩＭＣパラメータから変換したＰＩＤパラメータを前記第１のステップで用いるＰＩＤパラメータとして設定する第７のステップとを含むことを特徴とする制御方法。
6. 請求項５記載の制御方法において、
   前記第４のステップは、前記リミットサイクル方式のオートチューニングの実行中の制御量の上昇所要時間と下降所要時間との比率を算出し、この比率が規定の範囲内の場合、リミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきと判定し、前記比率が規定の範囲外の場合、リミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきでないと判定するステップを含むことを特徴とする制御方法。
7. 請求項５記載の制御方法において、
   前記第４のステップは、前記リミットサイクル方式のオートチューニングの実行中の操作量の上限値維持時間と下限値維持時間との比率を算出し、この比率が規定の範囲内の場合、リミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきと判定し、前記比率が規定の範囲外の場合、リミットサイクル方式のオートチューニングを継続すべきでないと判定するステップを含むことを特徴とする制御方法。
8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の制御方法において、
   前記第５のステップは、前記リミットサイクル方式のオートチューニングを中途で停止させた後に、前記制御対象に出力する操作量を、オートチューニングが実行されていたときの操作量の平均値に維持するステップを含み、
   前記第６のステップは、オートチューニング停止後の制御量が、オートチューニングが実行されていたときの制御量の平均値近傍にある状態が規定時間以上継続したときに、整定状態が得られたと判定するステップを含むことを特徴とする制御方法。