JP2020034969A - 制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リミットサイクル方式のオートチューニングの調整係数について、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実行時にリミットサイクルを発生させるリミットサイクル発生部２と、リミットサイクルにおける制御量ＰＶの上下動振幅を検出する上下動振幅検出部３と、上下動周期を検出する上下動周期検出部４と、制御量ＰＶの最大上昇率または中心値近傍上昇率を検出する上昇率検出部５と、制御量ＰＶの上下動波形を三角波と仮定した場合の仮想上下動振幅を算出し、仮想上下動振幅と上下動振幅との比率を判断指標として算出する判断指標算出部６と、制御対象毎に予め用意されたオートチューニング用の調整係数のうち、いずれの調整係数を採用すべきかを、判断指標に基づいて判定する採用判定部７を備える。【選択図】 図１

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７に示すような加熱装置の温度制御に利用される。図７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、特許文献２参照）。図８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８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。
発明者は、オートチューニングの性能を向上させるために、オートチューニング実行時の操作量ＭＶの上下限値ＯＨ，ＯＬの設定が適切か否かを判定する技術を提案し（特許文献１）、またオートチューニングに必要な操作量ＭＶの上下動回数を判定する技術を提案した（特許文献２）。

リミットサイクル方式のオートチューニングにおいては、制御量ＰＶの上下動振幅Ｗｘや上下動周期Ｔｘ（あるいはこれらに相当する計測値）に対して調整係数（ＡＴ係数）を乗じて、適切と推定されるＰＩＤパラメータの数値を算出する。

ところで、制御対象には、図９の制御量ＰＶの振る舞いから明らかなように、１次遅れの伝達関数で近似するのが妥当な直接加熱系の制御対象と、図１０の制御量ＰＶの振る舞いから明らかなように、２次遅れの伝達関数で近似するのが妥当な間接加熱系の制御対象とがある。図９、図１０の例では、操作量ＭＶをステップ変更する操作を制御対象に加えたときに、制御量ＰＶに現れる応答を示している。

直接加熱系の制御対象と間接加熱系の制御対象とでは、制御量ＰＶの上下動の発生については特徴が異なる。ゆえに、直接加熱系のオートチューニングに適した調整係数（ＡＴ係数）と、間接加熱系のオートチューニングに適した調整係数（ＡＴ係数）を適切に使い分けなければ、適切なオートチューニング結果が得られないことがある。

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、オペレータが直接加熱系のオートチューニングに適した調整係数（ＡＴ係数）と間接加熱系のオートチューニングに適した調整係数（ＡＴ係数）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２００８−１０２７４３号公報 特開２００９−１９９２２０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、リミットサイクル方式のオートチューニングの調整係数について、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、前記制御量が上下動を繰り返すリミットサイクルを発生させるように構成されたリミットサイクル発生部と、前記リミットサイクルにおける制御量の極大値と中心値との差である上下動振幅を検出するように構成された上下動振幅検出部と、前記リミットサイクルにおいて制御量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を検出するように構成された上下動周期検出部と、前記リミットサイクルにおける制御量の最大上昇率、または制御量が前記中心値の前後一定の期間にあったときの制御量の上昇率である中心値近傍上昇率を検出するように構成された上昇率検出部と、前記リミットサイクルにおける制御量の上下動波形を三角波と仮定した場合の制御量の極大値と中心値との差である仮想上下動振幅を、前記最大上昇率または中心値近傍上昇率と前記上下動周期とに基づいて算出し、この仮想上下動振幅と前記上下動振幅との比率を判断指標として算出するように構成された判断指標算出部と、制御対象毎に予め用意されたオートチューニング用の調整係数のうち、いずれの調整係数を採用すべきかを、前記判断指標に基づいて判定するように構成された採用判定部と、前記上下動振幅および前記上下動周期に、前記採用判定部の判定結果に従って選択された調整係数を乗じることにより、前記操作量算出部のＰＩＤパラメータを算出して設定するように構成されたＰＩＤパラメータ算出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、前記調整係数は、比例帯の調整用の第１の調整係数と、積分時間の調整用の第２の調整係数と、微分時間の調整用の第３の調整係数とからなり、これら第１乃至第３の調整係数がそれぞれ制御対象の種類毎に予め用意され、前記ＰＩＤパラメータ算出部は、前記上下動振幅に前記第１の調整係数を乗じて前記比例帯を算出し、前記上下動周期に前記第２の調整係数を乗じて前記積分時間を算出し、前記上下動周期に前記第３の調整係数を乗じて前記微分時間を算出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構成例は、制御対象毎に予め用意されたオートチューニング用の調整係数のうち、前記採用判定部が採用すべきと判定した調整係数を選択して前記ＰＩＤパラメータ算出部に設定するように構成された調整係数自動選択部をさらに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構成例は、オペレータに対して前記採用判定部の判定結果を提示するように構成された判定結果提示部をさらに備え、前記ＰＩＤパラメータ算出部は、制御対象毎に予め用意されたオートチューニング用の調整係数のうち、オペレータによって選択された調整係数を用いて前記ＰＩＤパラメータを算出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、１次遅れの伝達関数による近似が妥当な直接加熱系の制御対象と２次遅れの伝達関数による近似が妥当な間接加熱系の制御対象とについてそれぞれ前記調整係数が予め用意され、前記採用判定部は、前記判断指標が予め規定された閾値以上の場合、前記直接加熱系の制御対象のオートチューニング用の調整係数を採用すべきと判定し、前記判断指標が前記閾値未満の場合、前記間接加熱系の制御対象のオートチューニング用の調整係数を採用すべき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、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、前記制御量が上下動を繰り返すリミットサイクルを発生させる第２のステップと、前記リミットサイクルにおける制御量の極大値と中心値との差である上下動振幅を検出する第３のステップと、前記リミットサイクルにおいて制御量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を検出する第４のステップと、前記リミットサイクルにおける制御量の最大上昇率、または制御量が前記中心値の前後一定の期間にあったときの制御量の上昇率である中心値近傍上昇率を検出する第５のステップと、前記リミットサイクルにおける制御量の上下動波形を三角波と仮定した場合の制御量の極大値と中心値との差である仮想上下動振幅を、前記最大上昇率または中心値近傍上昇率と前記上下動周期とに基づいて算出し、この仮想上下動振幅と前記上下動振幅との比率を判断指標として算出する第６のステップと、制御対象毎に予め用意されたオートチューニング用の調整係数のうち、いずれの調整係数を採用すべきかを、前記判断指標に基づいて判定する第７のステップと、前記上下動振幅および前記上下動周期に、前記第７のステップの判定結果に従って選択された調整係数を乗じることにより、前記第１のステップで用いるＰＩＤパラメータを算出して設定する第８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、上下動振幅検出部と上下動周期検出部と上昇率検出部と判断指標算出部と採用判定部とを設けることにより、制御対象毎に予め用意されたオートチューニング用の調整係数のうち、いずれの調整係数を採用すべきかを判定することができ、不適当な調整係数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。

また、本発明では、調整係数自動選択部を設けることにより、制御対象毎に予め用意されたオートチューニング用の調整係数のうち、採用判定部が採用すべきと判定した調整係数を自動的に選択してＰＩＤパラメータ算出部に設定することができる。

また、本発明では、判定結果提示部を設けることにより、採用判定部の判定結果をオペレータに通知することができる。その結果、本発明では、オペレータによる調整係数の選択を支援することができる。

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装置の制御動作を説明するフローチャートである。 図３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４は、直接加熱系を制御対象とする場合のリミットサイクルの例を示す図である。 図５は、間接加熱系を制御対象とする場合のリミットサイクルの例を示す図である。 図６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７は、加熱装置の構成を示すブロック図である。 図８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９は、直接加熱系の制御対象を説明する図である。 図１０は、間接加熱系の制御対象を説明する図である。

［発明の原理］
直接加熱系の制御対象の伝達関数Ｇｐは次式のようになる。
Ｇｐ＝Ｋｐ×ｅｘｐ（−Ｌｐｓ）／（１＋Ｔｐｓ） ・・・（１）
式（１）において、Ｋｐはプロセスゲイン、Ｌｐはプロセスむだ時間（純粋むだ時間）、Ｔｐは１次プロセス時定数、ｓはラプラス演算子である。図９の例では、Ｋｐ＝１、Ｌｐ＝４５秒、１次プロセス時定数Ｔｐ＝１００秒とした。

一方、間接加熱系の制御対象の伝達関数Ｇｐは次式のようになる。
Ｇｐ＝Ｋｐ／｛（１＋Ｔｐｓ）（１＋Ｔｐ’ｓ）｝ ・・・（２）
式（２）において、Ｔｐ’は２次プロセス時定数である。図１０の例では、Ｋｐ＝１、Ｔｐ＝Ｔｐ’＝７０秒とした。

上記のように、直接加熱系の制御対象は、１次遅れと純粋むだ時間の伝達関数で近似するのが妥当な系なので、リミットサイクルの上下動が明確に発生し易い。一方、間接加熱系の制御対象は、２次遅れ以上の伝達関数で近似するのが妥当な系なので、リミットサイクルの上下動が緩和されたような形で発生し易い。
発明者は、このような制御量ＰＶの上下動の特徴の違いに着眼し、リミットサイクルの中心付近と末端（極値）付近の関係を、調整係数の採用判定の指標にできることに想到した。

より具体的に言えば、リミットサイクルにおける制御量ＰＶの最大上昇率あるいは中心値ＡＴ＿ＳＰ付近の制御量ＰＶの上昇率である中心値近傍上昇率と、制御量ＰＶの上下動振幅とに基づき、制御量ＰＶの上下動の特徴を定量化することにより、判断指標を得ることができる。

なお、判定結果をオペレータに通知することにより、オペレータが調整係数を選択する手順が考えられるが、オートチューニングの実行中に調整係数を自動選択することも可能である。

［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、制御量ＰＶが上下動を繰り返すリミットサイクルを発生させるリミットサイクル発生部２と、リミットサイクルにおける制御量ＰＶの上下動振幅Ｗｘを検出する上下動振幅検出部３と、リミットサイクルにおける上下動周期Ｔｘを検出する上下動周期検出部４と、リミットサイクルにおける制御量ＰＶの最大上昇率Ｒｍａｘまたは中心値近傍上昇率Ｒｓｐを検出する上昇率検出部５と、リミットサイクルにおける制御量ＰＶの上下動波形を三角波と仮定した場合の仮想上下動振幅Ｖｘを、最大上昇率Ｒｍａｘまたは中心値近傍上昇率Ｒｓｐと上下動周期Ｔｘとに基づいて算出し、仮想上下動振幅Ｖｘと上下動振幅Ｗｘとの比率を判断指標Ｒｘとして算出する判断指標算出部６と、制御対象毎に予め用意されたオートチューニング用の調整係数（ＡＴ係数）のうち、いずれの調整係数を採用すべきかを、判断指標Ｒｘに基づいて判定する採用判定部７と、オペレータに対して採用判定部７の判定結果を提示する判定結果提示部８と、制御対象毎に予め用意されたオートチューニング用の調整係数のうち、採用判定部７が採用すべきと判定した調整係数を選択する調整係数自動選択部９と、上下動振幅Ｗｘおよび上下動周期Ｔｘに、採用判定部７の判定結果に従って選択された調整係数を乗じることにより、操作量算出部１のＰＩＤパラメータを算出して設定するＰＩＤパラメータ算出部１０とを備えている。

本実施例の制御装置の制御動作を図２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２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２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２ステップＳ１０２）。
ＭＶ＝（１００／Ｐｂ）｛１＋（１／Ｔｉｓ）＋Ｔｄｓ｝（ＳＰ−ＰＶ）
・・・（３）
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２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２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３を参照して説明する。リミットサイクル発生部２は、外部からＡＴの起動指示が発行された場合に、ＡＴを実行すべきタイミングになったと判断し（図３ステップＳ２００においてＹＥＳ）、リミットサイクルを発生させる（図３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、制御の整定時あるいは設定値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。

リミットサイクル発生部２は、制御量ＰＶが設定値ＳＰの近傍で整定している整定状態でリミットサイクルを発生させる場合には、設定値ＳＰをリミットサイクルの中心値ＡＴ＿ＳＰとする。また、リミットサイクル発生部２は、設定値ＳＰが上昇する方向に変更されたときにリミットサイクルを発生させる場合には、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に応じて上昇途中の制御量ＰＶを取得して、取得した制御量ＰＶを中心値ＡＴ＿ＳＰとすればよい。

以後、リミットサイクル発生部２は、ＡＴが終了するまで、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、リミットサイクル発生部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８に示したように制御量ＰＶが上下動を繰り返すリミットサイクルが発生する。図８の例では、整定状態でリミットサイクルを発生させた場合を示している。

なお、操作量算出部１は、リミットサイクル発生部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（３）に示したＰＩＤ制御演算を継続して実施している。

上下動振幅検出部３は、リミットサイクルにおける制御量ＰＶの極大値と中心値ＡＴ＿ＳＰとの差である上下動振幅Ｗｘを検出する（図３ステップＳ２０２）。
上下動周期検出部４は、リミットサイクルにおいて制御量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を検出する（図３ステップＳ２０３）。

なお、制御量ＰＶの安定した上下動波形を得るため、上下動振幅Ｗｘと上下動周期Ｔｘとを検出するタイミングは、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。

次に、上昇率検出部５は、リミットサイクルにおける制御量ＰＶの最大上昇率Ｒｍａｘ、またはリミットサイクルにおいて制御量ＰＶが中心値ＡＴ＿ＳＰの前後一定の期間にあったときの制御量ＰＶの上昇率である中心値近傍上昇率Ｒｓｐを検出する（図３ステップＳ２０４）。

図４は直接加熱系を制御対象とする場合のリミットサイクルの例を示す図であり、図５は間接加熱系を制御対象とする場合のリミットサイクルの例を示す図である。
図４、図５からも明らかなように、制御量ＰＶの最大上昇率Ｒｍａｘと、制御量ＰＶが中心値ＡＴ＿ＳＰの前後一定の期間Ｔｂａにあったときの中心値近傍上昇率Ｒｓｐとは概ね一致するので、最大上昇率Ｒｍａｘと中心値近傍上昇率Ｒｓｐのどちらを検出しても上昇率の検出に大きな誤差は生じない。したがって、上昇率検出部５は、最大上昇率Ｒｍａｘと中心値近傍上昇率Ｒｓｐのうち、予め検出対象として定められた方を検出すればよい。

なお、上記と同様に、最大値Ｒｍａｘまたは中心値近傍上昇率Ｒｓｐを検出するタイミングは、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。

判断指標算出部６は、制御量ＰＶの上下動波形を三角波と仮定した場合の制御量ＰＶの極大値と中心値ＡＴ＿ＳＰとの差である仮想上下動振幅Ｖｘを、上昇率検出部５によって検出された最大上昇率Ｒｍａｘまたは中心値近傍上昇率Ｒｓｐと、上下動周期検出部４によって検出された上下動周期Ｔｘとに基づいて算出する（図３ステップＳ２０５）。

図４、図５から明らかなように、仮想上下動振幅Ｖｘの簡潔な算出方法としては、最大上昇率Ｒｍａｘまたは中心値近傍上昇率Ｒｓｐに、上下動周期Ｔｘの１／４の値を乗じるようにすればよい。

続いて、判断指標算出部６は、算出した仮想上下動振幅Ｖｘと、上下動振幅検出部３によって検出された上下動振幅Ｗｘとの比率を判断指標Ｒｘとして算出する（図３ステップＳ２０６）。
Ｒｘ＝Ｗｘ／Ｖｘ ・・・（４）

採用判定部７は、判断指標算出部６によって算出された判断指標Ｒｘを基に、直接加熱系のオートチューニングに適した調整係数と間接加熱系のオートチューニングに適した調整係数のどちらを採用すべきかを判定する（図３ステップＳ２０７）。具体的には、採用判定部７は、判断指標Ｒｘが予め規定された閾値Ｈｘ（Ｈｘ＞０）以上の場合、直接加熱系のオートチューニングに適した調整係数を採用すべきと判定し、判断指標Ｒｘが閾値Ｈｘ未満の場合、間接加熱系のオートチューニングに適した調整係数を採用すべきと判定する。閾値Ｈｘは、例えば０．６程度の数値に設定しておけばよい。

判定結果提示部８は、制御装置のオペレータに対して採用判定部７の判定結果を提示する（図３ステップＳ２０８）。提示方法としては、例えば採用判定部７の判定結果を示す情報をオペレータに対して表示する方法などがある。

調整係数自動選択部９は、直接加熱系のオートチューニングに適した調整係数と間接加熱系のオートチューニングに適した調整係数のうち、採用判定部７が採用すべきと判定した方の調整係数を選択してＰＩＤパラメータ算出部１０に設定する（図３ステップＳ２０９）。

本実施例では、例えば直接加熱系のオートチューニングに適した調整係数のうち、比例帯Ｐｂの調整係数α１が１．５、積分時間Ｔｉの調整係数β１が６．０、微分時間Ｔｄの調整係数γ１が１．５と予め規定されている。また、間接加熱系のオートチューニングに適した調整係数のうち、比例帯Ｐｂの調整係数α２が１．０、積分時間Ｔｉの調整係数β２が８．０、微分時間Ｔｄの調整係数γ２が２．０と予め規定されている。

ＰＩＤパラメータ算出部１０は、調整係数自動選択部９による調整係数の設定後に、ＰＩＤパラメータを次式のように算出する（図３ステップＳ２１０）。
Ｐｂ＝αＷｘ ・・・（５）
Ｔｉ＝βＴｘ ・・・（６）
Ｔｄ＝γＴｘ ・・・（７）

なお、本実施例のリミットサイクル発生部２とＰＩＤパラメータ算出部１０とに関する構成は、例えば特許第３８８１５９３号公報などに開示されている。
ＰＩＤパラメータ算出部１０は、式（５）に示すように、上下動振幅検出部３によって検出された上下動振幅Ｗｘに調整係数α（α＞０）を乗じて比例帯Ｐｂを算出する。調整係数自動選択部９によって直接加熱系のオートチューニングに適した調整係数が設定された場合には、α＝α１＝１．５、間接加熱系のオートチューニングに適した調整係数が設定された場合には、α＝α２＝１．０である。

また、ＰＩＤパラメータ算出部１０は、式（６）に示すように、上下動周期検出部４によって検出された上下動周期Ｔｘに調整係数β（β＞０）を乗じて積分時間Ｔｉを算出する。調整係数自動選択部９によって直接加熱系のオートチューニングに適した調整係数が設定された場合には、β＝β１＝６．０、間接加熱系のオートチューニングに適した調整係数が設定された場合には、β＝β２＝８．０である。

また、ＰＩＤパラメータ算出部１０は、式（７）に示すように、上下動周期Ｔｘに調整係数γ（γ＞０）を乗じて微分時間Ｔｄを算出する。調整係数自動選択部９によって直接加熱系のオートチューニングに適した調整係数が設定された場合には、γ＝γ１＝１．５、間接加熱系のオートチューニングに適した調整係数が設定された場合には、γ＝γ２＝２．０である。

そして、ＰＩＤパラメータ算出部１０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３ステップＳ２１１）。以上でＡＴが終了する。

リミットサイクル発生部２は、設定値ＳＰに応じた制御の途中でリミットサイクルを発生させた場合、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。

以上のように、本実施例によれば、直接加熱系のオートチューニングに適した調整係数と間接加熱系のオートチューニングに適した調整係数のうちどちらを採用すべきかを判定することができ、不適当な調整係数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。

なお、本実施例では、調整係数自動選択部９を設けて、調整係数を自動的に選択してＰＩＤパラメータ算出部１０に設定しているが、判定結果提示部８によって提示された判定結果を見たオペレータが調整係数を選択してＰＩＤパラメータ算出部１０に手動で設定するようにしてもよい。

また、本実施例では、制御対象を直接加熱系か間接加熱系かの２とおりに分けたが、例えば極端な直接加熱系と極端な間接加熱系などの区別を加えて、制御対象の種類を３とおり以上に細分化してもよい。

この場合には、比例帯Ｐｂの調整係数αと積分時間Ｔｉの調整係数βと微分時間Ｔｄの調整係数γとをそれぞれ制御対象の種類毎に用意し、採用判定部７で用いる閾値を複数設定して、複数種類の制御対象のうち、いずれの制御対象のオートチューニングに適した調整係数を採用すべきかを判定させるようにすればよい。

極端な直接加熱系、直接加熱系、間接加熱系、極端な間接加熱系の４とおりに細分化する場合、例えば閾値Ｈｘとして、Ｈｘ１，Ｈｘ２，Ｈｘ３（Ｈｘ１＞Ｈｘ２＞Ｈｘ３＞０）の３つを予め設定しておく。採用判定部７は、判断指標Ｒｘが閾値Ｈｘ１以上の場合、極端な直接加熱系のオートチューニングに適した調整係数を採用すべきと判定し、判断指標Ｒｘが閾値Ｈｘ１未満かつ閾値Ｈｘ２以上の場合、直接加熱系のオートチューニングに適した調整係数を採用すべきと判定すればよい。また、採用判定部７は、判断指標Ｒｘが閾値Ｈｘ２未満かつ閾値Ｈｘ３以上の場合、間接加熱系のオートチューニングに適した調整係数を採用すべきと判定し、判断指標Ｒｘが閾値Ｈｘ３未満の場合、極端な間接加熱系のオートチューニングに適した調整係数を採用すべきと判定すればよい。

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６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、表示装置等が接続される。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…リミットサイクル発生部、３…上下動振幅検出部、４…上下動周期検出部、５…上昇率検出部、６…判断指標算出部、７…採用判定部、８…判定結果提示部、９…調整係数自動選択部、１０…ＰＩＤパラメータ算出部。

Claims (10)

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、前記制御量が上下動を繰り返すリミットサイクルを発生させるように構成されたリミットサイクル発生部と、
   前記リミットサイクルにおける制御量の極大値と中心値との差である上下動振幅を検出するように構成された上下動振幅検出部と、
   前記リミットサイクルにおいて制御量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を検出するように構成された上下動周期検出部と、
   前記リミットサイクルにおける制御量の最大上昇率、または制御量が前記中心値の前後一定の期間にあったときの制御量の上昇率である中心値近傍上昇率を検出するように構成された上昇率検出部と、
   前記リミットサイクルにおける制御量の上下動波形を三角波と仮定した場合の制御量の極大値と中心値との差である仮想上下動振幅を、前記最大上昇率または中心値近傍上昇率と前記上下動周期とに基づいて算出し、この仮想上下動振幅と前記上下動振幅との比率を判断指標として算出するように構成された判断指標算出部と、
   制御対象毎に予め用意されたオートチューニング用の調整係数のうち、いずれの調整係数を採用すべきかを、前記判断指標に基づいて判定するように構成された採用判定部と、
   前記上下動振幅および前記上下動周期に、前記採用判定部の判定結果に従って選択された調整係数を乗じることにより、前記操作量算出部のＰＩＤパラメータを算出して設定するように構成されたＰＩＤパラメータ算出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、
   前記調整係数は、比例帯の調整用の第１の調整係数と、積分時間の調整用の第２の調整係数と、微分時間の調整用の第３の調整係数とからなり、これら第１乃至第３の調整係数がそれぞれ制御対象の種類毎に予め用意され、
   前記ＰＩＤパラメータ算出部は、前記上下動振幅に前記第１の調整係数を乗じて前記比例帯を算出し、前記上下動周期に前記第２の調整係数を乗じて前記積分時間を算出し、前記上下動周期に前記第３の調整係数を乗じて前記微分時間を算出することを特徴とする制御装置。
3. 請求項１または２記載の制御装置において、
   制御対象毎に予め用意されたオートチューニング用の調整係数のうち、前記採用判定部が採用すべきと判定した調整係数を選択して前記ＰＩＤパラメータ算出部に設定するように構成された調整係数自動選択部をさらに備えることを特徴とする制御装置。
4. 請求項１または２記載の制御装置において、
   オペレータに対して前記採用判定部の判定結果を提示するように構成された判定結果提示部をさらに備え、
   前記ＰＩＤパラメータ算出部は、制御対象毎に予め用意されたオートチューニング用の調整係数のうち、オペレータによって選択された調整係数を用いて前記ＰＩＤパラメータを算出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、
   １次遅れの伝達関数による近似が妥当な直接加熱系の制御対象と２次遅れの伝達関数による近似が妥当な間接加熱系の制御対象とについてそれぞれ前記調整係数が予め用意され、
   前記採用判定部は、前記判断指標が予め規定された閾値以上の場合、前記直接加熱系の制御対象のオートチューニング用の調整係数を採用すべきと判定し、前記判断指標が前記閾値未満の場合、前記間接加熱系の制御対象のオートチューニング用の調整係数を採用すべきと判定することを特徴とする制御装置。
6. 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、
   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、前記制御量が上下動を繰り返すリミットサイクルを発生させる第２のステップと、
   前記リミットサイクルにおける制御量の極大値と中心値との差である上下動振幅を検出する第３のステップと、
   前記リミットサイクルにおいて制御量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を検出する第４のステップと、
   前記リミットサイクルにおける制御量の最大上昇率、または制御量が前記中心値の前後一定の期間にあったときの制御量の上昇率である中心値近傍上昇率を検出する第５のステップと、
   前記リミットサイクルにおける制御量の上下動波形を三角波と仮定した場合の制御量の極大値と中心値との差である仮想上下動振幅を、前記最大上昇率または中心値近傍上昇率と前記上下動周期とに基づいて算出し、この仮想上下動振幅と前記上下動振幅との比率を判断指標として算出する第６のステップと、
   制御対象毎に予め用意されたオートチューニング用の調整係数のうち、いずれの調整係数を採用すべきかを、前記判断指標に基づいて判定する第７のステップと、
   前記上下動振幅および前記上下動周期に、前記第７のステップの判定結果に従って選択された調整係数を乗じることにより、前記第１のステップで用いるＰＩＤパラメータを算出して設定する第８のステップとを含むことを特徴とする制御方法。
7. 請求項６記載の制御方法において、
   前記調整係数は、比例帯の調整用の第１の調整係数と、積分時間の調整用の第２の調整係数と、微分時間の調整用の第３の調整係数とからなり、これら第１乃至第３の調整係数がそれぞれ制御対象の種類毎に予め用意され、
   前記第８のステップは、前記上下動振幅に前記第１の調整係数を乗じて前記比例帯を算出し、前記上下動周期に前記第２の調整係数を乗じて前記積分時間を算出し、前記上下動周期に前記第３の調整係数を乗じて前記微分時間を算出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６または７記載の制御方法において、
   前記第８のステップの前に、制御対象毎に予め用意されたオートチューニング用の調整係数のうち、前記第７のステップで採用すべきと判定した調整係数を、前記第８のステップで用いる調整係数として選択する第９のステップをさらに含むことを特徴とする制御方法。
9. 請求項６または７記載の制御方法において、
   前記第８のステップの前に、オペレータに対して前記第７のステップの判定結果を提示する第９のステップをさらに含み、
   前記第８のステップは、制御対象毎に予め用意されたオートチューニング用の調整係数のうち、オペレータによって選択された調整係数を用いて前記ＰＩＤパラメータを算出するステップを含むことを特徴とする制御方法。
10. 請求項６乃至９のいずれか１項に記載の制御方法において、
    １次遅れの伝達関数による近似が妥当な直接加熱系の制御対象と２次遅れの伝達関数による近似が妥当な間接加熱系の制御対象とについてそれぞれ前記調整係数が予め用意され、
    前記第７のステップは、前記判断指標が予め規定された閾値以上の場合、前記直接加熱系の制御対象のオートチューニング用の調整係数を採用すべきと判定し、前記判断指標が前記閾値未満の場合、前記間接加熱系の制御対象のオートチューニング用の調整係数を採用すべきと判定するステップを含むことを特徴とする制御方法。