JP2022006820A - 制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】適切なフィードフォワード量を推定する。【解決手段】制御装置は、規定の試行期間においてフィードフォワード算出部２によって算出されたフィードフォワード量のうち、実操作量ＭＶ＿Ｆが操作量上限値ＯＨを上回る出力飽和または操作量下限値ＯＬを下回る出力飽和のいずれかによって無効化された総量である無効量ＦＦ＿Ｎを算出する無効量算出部７と、試行期間においてフィードフォワード算出部２によって算出されたフィードフォワード量の総量と出力飽和によって無効化されなかったフィードフォワード量の総量との比率を無効量ＦＦ＿Ｎに基づいて算出し、出力飽和によって無効化されない実操作量ＭＶ＿Ｆの範囲内に無効量ＦＦ＿Ｎの相当分が配分されるように、比率に基づいてフィードフォワード量の補正のためのパラメータを推定するインパルス対応補正部８を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、フィードバック制御とフィードフォワード制御とを併用する制御装置および制御方法に関するものである。

代表的なフィードバック（Feedback）制御であるＰＩＤ制御に、フィードフォワード（Feedforward）分を加算する方法（以下、フィードフォワード＋フィードバック制御とする）が提案されている（特許文献１参照）。

発明者は、このようなフィードフォワード＋フィードバック制御を特に図１６のような加熱装置に適用する場合において、実用性を向上させるために、操作量ＭＶの下限値ＯＬ、上限値ＯＨを通常値に漸近的に収束させる形式のフィードフォワード方法（特許文献２）と、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｐをゼロに漸近的に収束させる形式のフィードフォワード方法（特許文献３）とを提案した。

図１６の加熱装置は、処理対象のワークを加熱する熱処理炉１００と、電気ヒータ１０１と、熱処理炉１００内の温度を計測する温度センサ１０２と、熱処理炉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。

発明者が特許文献３で提案したフィードフォワード＋フィードバック制御は、典型的なフィードフォワード制御に近い。図１７の制御系のブロック線図を用いて、発明者が特許文献３で提案した技術について説明する。図１７のＰは制御対象を示している。

操作量算出部２０１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（本発明では、基本操作量ＭＶとする）を算出する。
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。

加算量算出部２０４は、基本操作量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（ＦＦ＿Ｐ≠０）が入力されると、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。具体的には、加算量算出部２０４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を徐々に収束させる時間を規定するパラメータである。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。操作量加算量ＭＶ＿Ｐの変化の１例を図１８に示す。図１８の例では、操作量加算値ＦＦ＿Ｐ＝５０％、パラメータＴｆ＝１００ｓｅｃ．、パラメータＫｘ＝２７５としている。

減算量算出部２０５は、基本操作量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（ＦＦ＿Ｍ≠０）が入力されると、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。具体的には、減算量算出部２０５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）

式（３）のＴｆは、操作量減算量ＭＶ＿Ｍを徐々に収束させる時間を規定するパラメータである。操作量変更部２０６は、操作量算出部２０１で算出された基本操作量ＭＶに、加算量算出部２０４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２０５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（本発明では、実操作量ＭＶ＿Ｆとする）として算出する。
ＭＶ＿Ｆ＝ＭＶ＋ＭＶ＿Ｐ－ＭＶ＿Ｍ ・・・（４）

リミット処理部２０７は、操作量変更部２０６によって算出された実操作量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、実操作量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。このリミット処理部２０７でリミット処理された実操作量ＭＶ＿Ｆ’が制御対象Ｐに出力される。

特許文献３で提案した技術によれば、基本操作量ＭＶにフィードフォワード分の変更を施して、一定時間経過後にフィードフォワード分を０％に戻すような不連続な制御で発生する不具合を低減することができる。

ただし、制御技術の専門家ではない通常のオペレータ（制御技術ユーザ）が、フィードフォワード制御の実行結果を適切に評価できることはほとんどない。フィードフォワード分の操作量加算量（本発明では、特許文献３と区別するため、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘとする）は、適切に評価しながら調整されなければならない。フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘが不適切であれば、フィードフォワード制御の効果は劣化する。しかしながら、制御技術の専門家ではない通常のオペレータにとって、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを適切に調整して、フィードフォワード制御の効果を高めることは困難であった。

特開２００７－１０２８１６号公報 特開２０１９－１０１８４６号公報 特開２０１９－１０１８４７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、適切なフィードフォワード量を合理的に推定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第１の操作量を算出するように構成された操作量算出部と、外乱の印加前に有意の値となり外乱の印加後に非有意の値となるトリガー変数の入力に応じて、前記外乱の抑制に必要な第１のフィードフォワード量を算出するように構成されたフィードフォワード算出部と、前記操作量算出部によって算出された前記第１の操作量に前記第１のフィードフォワード量を加算するように構成されたフィードフォワード実行部と、前記第１の操作量に前記第１のフィードフォワード量を加算した第２の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、前記トリガー変数が入力された規定の第１の試行期間において少なくとも前記第１の操作量を含む前記第２の操作量を制御対象に出力させたときの外乱リカバリー応答前後の前記第２の操作量の差に基づいて、ステップ外乱の抑制に必要な第２のフィードフォワード量の算出のための第１のパラメータを推定するように構成された第１の推定部と、前記第１の試行期間において前記第２のフィードフォワード量が出力されたと仮定したときの前記第２のフィードフォワード量の総量を前記第１のパラメータに基づいて算出するように構成された総量算出部と、前記第１の試行期間における前記第２の操作量の変化量の総量から前記第２のフィードフォワード量の総量を減算した結果に基づいて、インパルス外乱の抑制に必要な第３のフィードフォワード量の算出のための第２のパラメータを推定するように構成された第２の推定部と、前記トリガー変数が入力された規定の第２の試行期間において前記フィードフォワード算出部によって算出された前記第３のフィードフォワード量のうち、前記第２の操作量が操作量上限値を上回る出力飽和または操作量下限値を下回る出力飽和のいずれかによって無効化された総量である無効量を算出するように構成された無効量算出部と、前記第２の試行期間において前記フィードフォワード算出部によって算出された前記第３のフィードフォワード量の総量と前記出力飽和によって無効化されなかった前記第３のフィードフォワード量の総量との比率を前記無効量に基づいて算出し、前記出力飽和によって無効化されない前記第２の操作量の範囲内に前記無効量の相当分が配分されるように、前記比率に基づいて前記第３のフィードフォワード量の補正のためのパラメータを推定するように構成された補正部とを備え、前記フィードフォワード算出部は、前記第１の試行期間の後に前記トリガー変数が入力されたときに、前記第１のパラメータに基づいて算出した前記第２のフィードフォワード量と前記第２のパラメータに基づいて算出した前記第３のフィードフォワード量との和を前記第１のフィードフォワード量とし、前記第２の試行期間の後に前記トリガー変数が入力されたときに、前記第１のパラメータに基づいて算出した前記第２のフィードフォワード量と前記補正部によって推定されたパラメータに基づいて算出した前記第３のフィードフォワード量との和を前記第１のフィードフォワード量と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、前記第３のフィードフォワード量は、前記第２のパラメータをＫｘ２、前記第３のフィードフォワード量を徐々に収束させる時間を規定する時定数をＴｆ、前記時定数を調整する係数をＡ、前記トリガー変数をＦＦ＿Ｘ、ラプラス演算子をｓとしたとき、［Ｋｘ２ｓ／｛（１＋ＡＴｆｓ）（１＋（２．０－Ａ）Ｔｆｓ）｝］ＦＦ＿Ｘにより算出され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、前記補正部は、前記無効量をＦＦ＿Ｎ、前記第１の操作量と前記第１、第２、第３のフィードフォワード量との算出周期をｄｔ、前記比率をＲＨとしたとき、前記比率ＲＨをＫｘ２／（Ｋｘ２－ＦＦ＿Ｎ×ｄｔ）により算出し、前記第３のフィードフォワード量の補正のためのパラメータとして、前記第２のパラメータＫｘ２の補正値をＫｘ２×ＲＨにより算出すると共に前記時定数Ｔｆの補正値をＴｆ×ＲＨにより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、前記第２のフィードフォワード量は、前記第１のパラメータをＫｘ１、前記第２のフィードフォワード量を徐々に収束させる時間を規定する時定数をＴｆ、前記時定数を調整する係数をＡ、前記トリガー変数をＦＦ＿Ｘ、ラプラス演算子をｓとしたとき、［Ｋｘ１／｛（１＋ＡＴｆｓ）（１＋（２．０－Ａ）Ｔｆｓ）｝］ＦＦ＿Ｘにより算出され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、前記第１の推定部は、前記外乱リカバリー応答前後の前記第２の操作量の差を前記第１のパラメータの値と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、前記第２の推定部は、前記第２の操作量の変化量の総量から前記第２のフィードフォワード量の総量を減算し、前記第１の操作量と前記第１、第２、第３のフィードフォワード量との算出周期に、前記減算結果を乗算した値を前記第２のパラメータの値と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第１の操作量を算出する第１のステップと、外乱の印加前に有意の値となり外乱の印加後に非有意の値となるトリガー変数の入力に応じて、前記外乱の抑制に必要な第１のフィードフォワード量を算出する第２のステップと、前記第１の操作量に前記第１のフィードフォワード量を加算する第３のステップと、前記第１の操作量に前記第１のフィードフォワード量を加算した第２の操作量を制御対象に出力する第４のステップと、前記トリガー変数が入力された規定の第１の試行期間において少なくとも前記第１の操作量を含む前記第２の操作量を制御対象に出力させたときの外乱リカバリー応答前後の前記第２の操作量の差に基づいて、ステップ外乱の抑制に必要な第２のフィードフォワード量の算出のための第１のパラメータを推定する第５のステップと、前記第１の試行期間において前記第２のフィードフォワード量が出力されたと仮定したときの前記第２のフィードフォワード量の総量を前記第１のパラメータに基づいて算出する第６のステップと、前記第１の試行期間における前記第２の操作量の変化量の総量から前記第２のフィードフォワード量の総量を減算した結果に基づいて、インパルス外乱の抑制に必要な第３のフィードフォワード量の算出のための第２のパラメータを推定する第７のステップと、前記トリガー変数が入力された規定の第２の試行期間において前記第２のステップによって算出された前記第３のフィードフォワード量のうち、前記第２の操作量が操作量上限値を上回る出力飽和または操作量下限値を下回る出力飽和のいずれかによって無効化された総量である無効量を算出する第８のステップと、前記第２の試行期間において前記第２のステップによって算出された前記第３のフィードフォワード量の総量と前記出力飽和によって無効化されなかった前記第３のフィードフォワード量の総量との比率を前記無効量に基づいて算出し、前記出力飽和によって無効化されない前記第２の操作量の範囲内に前記無効量の相当分が配分されるように、前記比率に基づいて前記第３のフィードフォワード量の補正のためのパラメータを推定する第９のステップとを含み、前記第２のステップは、前記第１の試行期間の後に前記トリガー変数が入力されたときに、前記第１のパラメータに基づいて算出した前記第２のフィードフォワード量と前記第２のパラメータに基づいて算出した前記第３のフィードフォワード量との和を前記第１のフィードフォワード量とし、前記第２の試行期間の後に前記トリガー変数が入力されたときに、前記第１のパラメータに基づいて算出した前記第２のフィードフォワード量と前記第９のステップによって推定されたパラメータに基づいて算出した前記第３のフィードフォワード量との和を前記第１のフィードフォワード量とするステップを含むことを特徴とするものである。

また、本発明の制御方法の１構成例において、前記第３のフィードフォワード量は、前記第２のパラメータをＫｘ２、前記第３のフィードフォワード量を徐々に収束させる時間を規定する時定数をＴｆ、前記時定数を調整する係数をＡ、前記トリガー変数をＦＦ＿Ｘ、ラプラス演算子をｓとしたとき、［Ｋｘ２ｓ／｛（１＋ＡＴｆｓ）（１＋（２．０－Ａ）Ｔｆｓ）｝］ＦＦ＿Ｘにより算出されることを特徴とするものである。
また、本発明の制御方法の１構成例において、前記第９のステップは、前記無効量をＦＦ＿Ｎ、前記第１の操作量と前記第１、第２、第３のフィードフォワード量との算出周期をｄｔ、前記比率をＲＨとしたとき、前記比率ＲＨをＫｘ２／（Ｋｘ２－ＦＦ＿Ｎ×ｄｔ）により算出し、前記第３のフィードフォワード量の補正のためのパラメータとして、前記第２のパラメータＫｘ２の補正値をＫｘ２×ＲＨにより算出すると共に前記時定数Ｔｆの補正値をＴｆ×ＲＨにより算出するステップを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の制御方法の１構成例において、前記第２のフィードフォワード量は、前記第１のパラメータをＫｘ１、前記第２のフィードフォワード量を徐々に収束させる時間を規定する時定数をＴｆ、前記時定数を調整する係数をＡ、前記トリガー変数をＦＦ＿Ｘ、ラプラス演算子をｓとしたとき、［Ｋｘ１／｛（１＋ＡＴｆｓ）（１＋（２．０－Ａ）Ｔｆｓ）｝］ＦＦ＿Ｘにより算出されることを特徴とするものである。

また、本発明の制御方法の１構成例において、前記第５のステップは、前記外乱リカバリー応答前後の前記第２の操作量の差を前記第１のパラメータの値とするステップを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の制御方法の１構成例において、前記第７のステップは、前記第２の操作量の変化量の総量から前記第２のフィードフォワード量の総量を減算し、前記第１の操作量と前記第１、第２、第３のフィードフォワード量との算出周期に、前記減算結果を乗算した値を前記第２のパラメータの値とするステップを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、第１の推定部がステップ外乱の抑制に必要な第２のフィードフォワード量の算出のための第１のパラメータを推定し、第２の推定部がインパルス外乱の抑制に必要な第３のフィードフォワード量の算出のための第２のパラメータを推定し、無効量算出部が第３のフィードフォワード量のうち出力飽和によって無効化された総量である無効量を算出し、補正部がフィードフォワード算出部によって算出された第３のフィードフォワード量の総量と出力飽和によって無効化されなかった第３のフィードフォワード量の総量との比率を無効量に基づいて算出して、出力飽和によって無効化されない第２の操作量の範囲内に無効量の相当分が配分されるように、比率に基づいて第３のフィードフォワード量の補正のためのパラメータを推定することにより、外乱リカバリー制御の実行結果（試行結果）に基づいて、適切な第１のフィードフォワード量を合理的に推定することができる。本発明では、フィードフォワード量が出力飽和の影響を受けて無効化されることを防ぐことができる。その結果、本発明では、フィードフォワード制御の効果を高めることができる。

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、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５は、本発明の実施例に係るフィードフォワード量の変化の１例を示す図である。 図６は、本発明の実施例に係るフィードフォワード量の変化の１例を示す図である。 図７は、本発明の実施例に係るフィードフォワード量の変化の１例を示す図である。 図８は、本発明の実施例においてフィードフォワード制御を実行せずにフィードバック制御のみを実行した場合のシミュレーション結果を示す図である。 図９は、本発明の実施例においてフィードフォワード制御を実行せずにフィードバック制御のみを実行した場合のシミュレーション結果を示す図である。 図１０は、本発明の実施例においてフィードフォワード制御を実行せずにフィードバック制御のみを実行した場合のシミュレーション結果を示す図である。 図１１は、本発明の実施例においてフィードフォワード制御とフィードバック制御を実行した場合のシミュレーション結果を示す図である。 図１２は、本発明の実施例においてフィードフォワード制御とフィードバック制御を実行した場合のフィードフォワード量のシミュレーション結果を示す図である。 図１３は、本発明の実施例においてフィードフォワード制御とフィードバック制御を実行した場合のシミュレーション結果を示す図である。 図１４は、本発明の実施例においてフィードフォワード制御とフィードバック制御を実行した場合のフィードフォワード量のシミュレーション結果を示す図である。 図１５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１６は、加熱装置の構成を示すブロック図である。 図１７は、フィードバック＋フィードフォワードの制御系のブロック線図である。 図１８は、フィードバック＋フィードフォワード制御における操作量加算量の変化の１例を示す図である。

［発明の原理］
本発明では、特許文献３で提案した技術などが特に適用対象とする外乱リカバリー応答を適用対象とする。適用対象の外乱には、大きく分けてインパルス外乱とステップ外乱の２種類がある。

インパルス外乱は、外乱リカバリー応答の前後で整定時の実操作量ＭＶ＿Ｆにほぼ変化が生じない外乱であり、一時的かつ衝撃のような外乱である。ステップ外乱は、外乱リカバリー応答の前後で整定時の実操作量ＭＶ＿Ｆに顕著な変化が生じる外乱であり、整定状態という平衡点自体が変化する外乱である。なお、特許文献３で提案した技術は、インパルス外乱に特に適している。

インパルス外乱のみであれば、フィードバック制御のみによる外乱リカバリー制御（制御量ＰＶを設定値ＳＰに復帰させる制御）での実操作量ＭＶ＿Ｆの変化量総量ΔＭＶ＿ｉｍｐを目安にフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを適正化できる。また、ステップ外乱のみであれば、フィードバック制御のみによる外乱リカバリー応答前後の実操作量差ΔＭＶ＿ｓｔｐを目安にフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを適正化できる。特に調整が難しいのは、インパルス外乱とステップ外乱の両方が同時に発生する外乱（本発明では混合外乱とする）である。

発明者は、鋭意研究の結果、以下の（I）、（II）の手順でフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを推定できることを突き止め、（I）、（II）の手順の制御方法を提案した（特願２０２０－０１６８９１）。

（I）少なくともフィードバック制御による外乱リカバリー制御（またはフィードバック制御のみの外乱リカバリー制御）を実行し、外乱リカバリー応答前後の実操作量差ΔＭＶ＿ｓｔｐを目安にステップ外乱に必要なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１を推定する。理論的には、適正なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１は、実操作量差ΔＭＶ＿ｓｔｐに比例する。

（II）上記（I）で実行した外乱リカバリー制御において、実操作量ＭＶ＿Ｆの変化量総量ΔＭＶ＿ａｌｌを算出し、（I）で推定したステップ外乱に必要なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１の総量ＭＶ＿Ｘ１＿ａｌｌを減算した実操作量ＭＶ＿Ｆの変化量総量ΔＭＶ＿ｉｍｐを目安にインパルス外乱に必要なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２を推定する。理論的には、適正なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２は、実操作量ＭＶ＿Ｆの変化量総量ΔＭＶ＿ｉｍｐに概ね比例する。

上記の（I）、（II）の手順により、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘの概ね適切な推定が可能である。ただし、図１８に示したようなフィードフォワード量は実操作量ＭＶ＿Ｆを一時的に大きく変動させる動作になるので、実操作量ＭＶ＿Ｆの上限値ＯＨあるいは下限値ＯＬを超える出力飽和に至る可能性が高い。このような出力飽和が生じた場合、想定されているフィードフォワード量が確保できなくなる。すなわち、特に調整が難しいのは、インパルス外乱に必要なフィードフォワード量が出力飽和による影響を受けてしまう場合である。

発明者は、鋭意研究の結果、上記の（I）、（II）の手順に以下の（III）の手順を加えることにより、特願２０２０－０１６８９１で提案した制御方法よりも更に適正なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを推定できることを突き止めた。なお、本発明では、外乱印加のタイミングが既知であることにより、フィードフォワード動作を加えるタイミングを、自動決定できることを前提とする。また、本発明では、フィードバック制御として例えばＰＩＤ制御を採用することにより、コントローラパラメータであるＰＩＤパラメータに基づいて、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを収束させる時間のパラメータＴｆを、一意的に自動決定できることを前提とする。

（III） 上記の（I）、（II）の手順で推定したステップ外乱に対するフィードフォワード制御（フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１）とインパルス外乱に対するフィードフォワード制御（フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２）とフィードバック制御とで外乱リカバリー制御を再度実行し、出力飽和により無効化されたフィードフォワード量の総量（無効量ＦＦ＿Ｎ）とインパルス外乱に対するフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２とにより算出される比率ＲＨを目安に、出力飽和により無効化されない実操作量ＭＶ＿Ｆの範囲内に無効量ＦＦ＿Ｎの相当分が配分されるように、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２の補正量ＭＶ＿Ｘ２Ｈを推定する。

すなわち、本発明では、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを特に高精度にするためには、上記のように２回の外乱リカバリー応答を確認すればよい。２回で済むということは、合理的かつ効率的な手順になる。

［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。制御装置は、設定値ＳＰと制御量ＰＶとを入力として基本操作量ＭＶ（第１の操作量）をＰＩＤ演算により算出する操作量算出部１と、外乱の印加前に有意の値となり外乱の印加後に非有意の値となるトリガー変数ＦＦ＿Ｘの入力に応じて、外乱の抑制に必要なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ（第１のフィードフォワード量）を算出するフィードフォワード算出部２と、操作量算出部１によって算出された基本操作量ＭＶにフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを加算して実操作量ＭＶ＿Ｆ（第２の操作量）とするフィードフォワード実行部３とを備えている。

また、制御装置は、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが入力された規定の第１の試行期間において少なくとも基本操作量ＭＶを含む実操作量ＭＶ＿Ｆを制御対象に出力させたときの外乱リカバリー応答前後の実操作量差ΔＭＶ＿ｓｔｐに基づいて、ステップ外乱の抑制に必要なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１（第２のフィードフォワード量）の算出のためのパラメータＫｘ１（第１のパラメータ）を推定するステップ対応推定部４（第１の推定部）と、第１の試行期間においてフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１が出力されたと仮定したときのフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１の総量ＭＶ＿Ｘ１＿ａｌｌをパラメータＫｘ１に基づいて算出する総量算出部５と、第１の試行期間における実操作量ＭＶ＿Ｆの変化量総量ΔＭＶ＿ａｌｌからフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１の総量を減算して、この減算結果ΔＭＶ＿ｉｍｐに基づいて、インパルス外乱の抑制に必要なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２（第３のフィードフォワード量）の算出のためのパラメータＫｘ２（第２のパラメータ）を推定するインパルス対応推定部６（第２の推定部）とを備えている。

さらに、制御装置は、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが入力された規定の第２の試行期間においてフィードフォワード算出部２によって算出されたフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２のうち、実操作量ＭＶ＿Ｆが操作量上限値ＯＨを上回る出力飽和または操作量下限値ＯＬを下回る出力飽和のいずれかによって無効化された総量である無効量ＦＦ＿Ｎを算出する無効量算出部７と、第２の試行期間においてフィードフォワード算出部２によって算出されたフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２の総量と出力飽和によって無効化されなかったフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２の総量との比率を無効量ＦＦ＿Ｎに基づいて算出し、出力飽和によって無効化されない実操作量ＭＶ＿Ｆの範囲内に無効量ＦＦ＿Ｎの相当分が配分されるように、比率に基づいてフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２の補正のためのパラメータを推定するインパルス対応補正部８と、ステップ対応推定部４とインパルス対応推定部６とインパルス対応補正部８の推定結果をフィードフォワード算出部２に設定する推定結果出力部９と、フィードフォワード実行部３で算出された実操作量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１０と、リミット処理された実操作量ＭＶ＿Ｆ’（第２の操作量）を制御対象に出力する操作量出力部１１とを備えている。
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、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演算を行って基本操作量ＭＶを算出する（図３ステップＳ１０２）。
ＭＶ＝（１００／Ｐｂ）｛１＋（１／Ｔｉｓ）＋Ｔｄｓ｝（ＳＰ－ＰＶ）
・・・（５）
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。

フィードフォワード算出部２は、フィードフォワード制御の実行時にフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを算出するが、外乱の印加前に１（有意の値）となり外乱の印加後に０（非有意の値）となるトリガー変数ＦＦ＿Ｘが０の場合（図３ステップＳ１０３においてＮＯ）、フィードバック制御のみでフィードフォワード制御を実行しないものとして、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを０にする（図３ステップＳ１０４）。

フィードフォワード実行部３は、操作量算出部１によって算出された基本操作量ＭＶに、フィードフォワード算出部２によって算出されたフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを加算した結果を実操作量ＭＶ＿Ｆとして算出する（図３ステップＳ１０５）。
ＭＶ＿Ｆ＝ＭＶ＋ＭＶ＿Ｘ ・・・（６）

ここでは、ＭＶ＿Ｘ＝０なので、ＭＶ＿Ｆ＝ＭＶである。リミット処理部１０は、フィードフォワード実行部３によって算出された実操作量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、実操作量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Ｓ１０６）。
ＩＦ ＭＶ＿Ｆ＜ＯＬ ＴＨＥＮ ＭＶ＿Ｆ’＝ＯＬ ・・・（７）
ＩＦ ＭＶ＿Ｆ＞ＯＨ ＴＨＥＮ ＭＶ＿Ｆ’＝ＯＨ ・・・（８）
つまり、リミット処理部１０は、実操作量ＭＶ＿Ｆが操作量下限値ＯＬより小さい場合、実操作量ＭＶ＿Ｆ’＝ＯＬとし、実操作量ＭＶ＿Ｆが操作量上限値ＯＨより大きい場合、実操作量ＭＶ＿Ｆ’＝ＯＨとする。

操作量出力部１１は、リミット処理部１０でリミット処理された実操作量ＭＶ＿Ｆ’を制御対象に出力する（図３ステップＳ１０７）。実操作量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、実操作量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～Ｓ１０７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Ｓ１０８においてＹＥＳ）、制御周期毎に実行する。

次に、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１（有意の値）になったときの動作を説明する。本実施例では、外乱印加のタイミングが既知であることにより、フィードフォワード制御の実行のタイミングを自動決定できることを前提としており、本実施例の制御装置が適用されるシステムにおいて、制御中に想定される外乱を抑制するために、外部機器から制御装置に対して規定のタイミングでトリガー変数ＦＦ＿Ｘ＝１が自動的に入力されることを前提としている。

例えば薬品の製造装置において、薬品製造の炉の扉が開くことによって炉内の温度が変動するという状況がある。この場合、炉の温度を制御する制御装置（外部機器）は、炉の扉が開くタイミング（外乱印加のタイミング）よりも前の時点で本実施例の制御装置に対してトリガー変数ＦＦ＿Ｘ＝１を送信する。

同様に、設定値ＳＰ（温度設定値）が一定のリフロー炉において、はんだ付けの対象となるプリント基板が定期的に投入されることによって温度が変動するという状況がある。この場合、プリント基板の搬送を制御する制御装置（外部機器）は、リフロー炉にプリント基板が投入されるタイミング（外乱印加のタイミング）よりも前の時点で本実施例の制御装置に対してトリガー変数ＦＦ＿Ｘ＝１を送信する。

また、外部機器は、外乱の印加が終了した時点から所定時間後にトリガー変数ＦＦ＿Ｘを０（非有意の値）にする。このトリガー変数ＦＦ＿Ｘを０にするタイミングは、外乱印加後に実操作量ＭＶ＿Ｆ’が整定するタイミングよりも後のタイミングに設定する必要がある。
なお、外乱印加のタイミングに対してトリガー変数ＦＦ＿Ｘを１にするタイミングをどの程度前にすべきかについては後述する。

ステップ対応推定部４は、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが０から１になったとき（図３ステップＳ１０３においてＹＥＳ）、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１になった１回目の外乱リカバリー制御の期間（第１の試行期間）においては（図３ステップＳ１０９においてＹＥＳ）、ＦＦ＿Ｘ＝０のときと同様にフィードバック制御のみでフィードフォワード制御を実行しないものとして、フィードフォワード算出部２からフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ＝０を出力させる（図３ステップＳ１１０）。

図３のステップＳ１１１～Ｓ１１３の処理は、ステップＳ１０５～Ｓ１０７の処理と同じである。そして、ステップ対応推定部４とインパルス対応推定部６とは、フィードフォワード実行部３によって算出されリミット処理部１０によって処理された実操作量ＭＶ＿Ｆ’を時刻と共に記憶する（図３ステップＳ１１４）。

ステップ対応推定部４は、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１になった１回目の外乱リカバリー制御において、実操作量ＭＶ＿Ｆ’が整定したと判定した場合（図３ステップＳ１１５においてＹＥＳ）、外乱リカバリー応答前後の実操作量差ΔＭＶ＿ｓｔｐを算出する（図３ステップＳ１１６）。実操作量差ΔＭＶ＿ｓｔｐは、ステップＳ１１５において整定したと判定したときの実操作量ＭＶ＿Ｆ’の整定値と外乱印加前の実操作量ＭＶ＿Ｆ’（トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１になる直前の実操作量ＭＶ＿Ｆ’の整定値）との差である。

そして、ステップ対応推定部４は、ステップ外乱の抑制に必要なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１の算出のためのパラメータＫｘ１の適正値を次式のように推定する（図３ステップＳ１１７）。
Ｋｘ１＝ΔＭＶ＿ｓｔｐ ・・・（９）
すなわち、本実施例では、ステップ対応推定部４は、実操作量差ΔＭＶ＿ｓｔｐをそのままパラメータＫｘ１とする。

推定結果出力部９は、ステップ対応推定部４によって推定されたパラメータＫｘ１の値をフィードフォワード算出部２に設定する（図３ステップＳ１１８）。このように、推定したパラメータＫｘ１の値をフィードフォワード算出部２に自動設定してもよいし、パラメータＫｘ１の値を画面に表示してオペレータに確認させた上でオペレータが手動でフィードフォワード算出部２に設定してもよい。パラメータＫｘ１の設定により、後述のようにフィードフォワード算出部２がフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１を逐次的に算出できるようになる。

ステップ外乱の抑制に必要なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１の算出式は次式のようになる。
ＭＶ＿Ｘ１
＝［Ｋｘ１／｛（１＋ＡＴｆｓ）（１＋（２．０－Ａ）Ｔｆｓ）｝］ＦＦ＿Ｘ
・・・（１０）

また、インパルス外乱の抑制に必要なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２の算出式は次式のようになる。
ＭＶ＿Ｘ２
＝［Ｋｘ２ｓ／｛（１＋ＡＴｆｓ）（１＋（２．０－Ａ）Ｔｆｓ）｝］ＦＦ＿Ｘ
・・・（１１）

式（１０）、式（１１）において、Ｔｆはフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１，ＭＶ＿Ｘ２を徐々に収束させる時間を規定するパラメータ（時定数）である。時定数Ｔｆは、フィードバック制御系などの情報に基づいて事前に設定しておくことができる。

式（１０）、式（１１）のＡは時定数Ｔｆのバランスを調整する係数（Ａは０より大きい実数）である。本実施例では、Ａ＝１．０としている。
上記のとおり、パラメータＫｘ１は、ステップ対応推定部４によって推定された値であり、基本操作量ＭＶに対するフィードフォワード分の加減算量の実質的に目標値である。式（１０）により、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１は、ゼロ値からパラメータＫｘ１の値へと徐々に収束する。

また、式（１１）のＫｘ２は、インパルス外乱の抑制に必要なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２の算出のためのパラメータであり、基本操作量ＭＶに対するフィードフォワード分の加減算量の総量（各制御周期の加減算量の積算値）の実質的に目標値である。式（１１）により、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２は、その総量（各制御周期の積算値）がパラメータＫｘ２の値に近づいた後に、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２自体はゼロ値へと徐々に収束する。
なお、式（１０）、式（１１）は、フィードフォワード算出部２に記憶されている。

次に、総量算出部５は、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１になった１回目の外乱リカバリー制御においてステップ外乱の抑制に必要なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１が出力されたと仮定したときの実操作量ＭＶ＿Ｆ’の整定までのフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１の総量ＭＶ＿Ｘ１＿ａｌｌ（各制御周期の加減算量の積算値）を算出する（図３ステップＳ１１９）。ステップ対応推定部４によってパラメータＫｘ１の値が推定されたので、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１になった時点から出力されるフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１は、上記の式（１０）によって算出することができる。

インパルス対応推定部６は、外乱印加前の実操作量ＭＶ＿Ｆ’（トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１になる直前の実操作量ＭＶ＿Ｆ’の整定値）に対して、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１になった１回目の外乱リカバリー制御における実操作量ＭＶ＿Ｆ’の変化量総量ΔＭＶ＿ａｌｌ（各制御周期の変化量の積算値）を、記憶している実操作量ＭＶ＿Ｆ’の時系列データに基づいて算出する（図３ステップＳ１２０）。なお、本実施例では、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１になった１回目の外乱リカバリー制御の場合、実操作量ＭＶ＿Ｆは基本操作量ＭＶのみが含まれる形態としているので、ＭＶ＿Ｆ＝ＭＶである。

続いて、インパルス対応推定部６は、ステップＳ１２０で算出した実操作量ＭＶ＿Ｆ’の変化量総量ΔＭＶ＿ａｌｌから総量算出部５によって算出されたフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１の総量ＭＶ＿Ｘ１＿ａｌｌを減算した変化量総量ΔＭＶ＿ｉｍｐを算出する（図３ステップＳ１２１）。
ΔＭＶ＿ｉｍｐ＝ΔＭＶ＿ａｌｌ－ＭＶ＿Ｘ１＿ａｌｌ ・・・（１２）

さらに、インパルス対応推定部６は、インパルス外乱の抑制に必要なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２の算出のためのパラメータＫｘ２の適正値を次式のように推定する（図３ステップＳ１２２）。
Ｋｘ２＝ΔＭＶ＿ｉｍｐ×ｄｔ ・・・（１３）

式（１３）において、ｄｔは制御周期（基本操作量ＭＶとフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１，ＭＶ＿Ｘ２，ＭＶ＿Ｘの算出周期）であり、単位はｓｅｃ．である。

推定結果出力部９は、インパルス対応推定部６によって推定されたパラメータＫｘ２の値をフィードフォワード算出部２に設定する（図３ステップＳ１２３）。このように、推定したパラメータＫｘ２の値をフィードフォワード算出部２に自動設定してもよいし、パラメータＫｘ２の値を画面に表示してオペレータに確認させた上でオペレータが手動でフィードフォワード算出部２に設定してもよい。パラメータＫｘ２の設定により、フィードフォワード算出部２がフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２を逐次的に算出できるようになる。

ステップＳ１０９～Ｓ１２３までの処理が上記の（I）、（II）の手順に相当する処理フローになる。これにより、実用上ほぼ問題ない程度のパラメータＫｘ１，Ｋｘ２の適正値を推定することができる。なお、ステップＳ１１６～Ｓ１２３の処理は、実操作量ＭＶ＿Ｆ’が整定したときに１回行えばよい。
上記のとおり、外乱印加が終了した後の規定のタイミングでトリガー変数ＦＦ＿Ｘは１から０に戻る。

次に、フィードフォワード算出部２は、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが０から１になったとき（ステップＳ１０３においてＹＥＳ）、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１になった２回目の外乱リカバリー制御の期間（第２の試行期間）においては（図４ステップＳ１２４においてＹＥＳ）、フィードフォワード＋フィードバック制御を実行するため、式（１０）によりステップ外乱の抑制に必要なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１を算出する（図４ステップＳ１２５）。このフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１の算出と同時に、フィードフォワード算出部２は、式（１１）によりインパルス外乱の抑制に必要なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２を算出する（図４ステップＳ１２６）。

そして、フィードフォワード算出部２は、次式のようにフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１とＭＶ＿Ｘ２とを加算したフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを算出する（図４ステップＳ１２７）。
ＭＶ＿Ｘ＝ＭＶ＿Ｘ１＋ＭＶ＿Ｘ２ ・・・（１４）

図４のステップＳ１２８～Ｓ１３０の処理は、ステップＳ１０５～Ｓ１０７の処理と同じである。そして、無効量算出部７とインパルス対応補正部８とは、フィードフォワード実行部３によって算出されリミット処理部１０によって処理された実操作量ＭＶ＿Ｆ’と、フィードフォワード算出部２によって算出されたフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２，ＭＶ＿Ｘとを、時刻と共に記憶する（図４ステップＳ１３１）。

無効量算出部７は、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１になった２回目の外乱リカバリー制御において、実操作量ＭＶ＿Ｆ’が整定したときに（図４ステップＳ１３２においてＹＥＳ）、実操作量ＭＶ＿Ｆ’の整定までにフィードフォワード算出部２によって算出されたフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２のうち、実操作量ＭＶ＿Ｆが操作量上限値ＯＨを上回る出力飽和または操作量下限値ＯＬを下回る出力飽和のいずれかによって無効化された総量である無効量ＦＦ＿Ｎを算出する（図４ステップＳ１３３）。

具体的には、無効量算出部７は、実操作量ＭＶ＿Ｆが操作量上限値ＯＨを上回る出力飽和の場合、制御周期毎に得られたフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘと操作量上限値ＯＨとの差分ＭＶ＿Ｘ－ＯＨのうち正の差分の積算値を無効量ＦＦ＿Ｎとすればよい。また、無効量算出部７は、実操作量ＭＶ＿Ｆが操作量下限値ＯＬを下回る出力飽和の場合、制御周期毎に得られたフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘと操作量上限値ＯＨとの差分ＭＶ＿Ｘ－ＯＬのうち負の差分の積算値を無効量ＦＦ＿Ｎとすればよい。

なお、出力飽和においては、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２だけでなく、基本操作量ＭＶまたはフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１が部分的に無効化される場合が有り得る。しかしながら、本発明のフィードフォワード＋フィードバック制御において出力飽和を生じる実操作量ＭＶ＿Ｆの急峻な立ち上がりまたは急峻な立ち下がりの殆どはフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘによるものであり、さらにその殆どはフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２によるものである。基本操作量ＭＶとフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１はフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２よりも遅れて変化する。したがって、上記のようにフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘと操作量上限値ＯＨ，ＯＬの単純な比較によって無効量ＦＦ＿Ｎを簡易的に算出して構わない。

次に、インパルス対応補正部８は、実操作量ＭＶ＿Ｆ’の整定までにフィードフォワード算出部２によって算出されたフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２の総量Ｋｘ２と総量Ｋｘ２のうち出力飽和によって無効化されなかったフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２の総量との比率ＲＨを、無効量ＦＦ＿Ｎに基づいて次式のように算出する（図４ステップＳ１３４）。
ＲＨ＝Ｋｘ２／（Ｋｘ２－ＦＦ＿Ｎ×ｄｔ） ・・・（１５）

なお、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２の総量はフィードフォワード算出部２に設定されているパラメータＫｘ２と一致する。そこで、式（１５）の計算では、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２の積算で総量を計算するのではなく、パラメータＫｘ２をフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２の総量としている。

そして、インパルス対応補正部８は、出力飽和により無効化されない実操作量ＭＶ＿Ｆの範囲内に無効量ＦＦ＿Ｎの相当分が配分されるように、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２の補正量を推定する。具体的には、インパルス対応補正部８は、比率ＲＨに基づいてパラメータＫｘ２の補正値Ｋｘ２Ｈと時定数Ｔｆの補正値ＴｆＨとを推定する（図４ステップＳ１３５）。
Ｋｘ２Ｈ＝Ｋｘ２×ＲＨ ・・・（１６）
ＴｆＨ＝Ｔｆ×ＲＨ ・・・（１７）

推定結果出力部９は、フィードフォワード算出部２に設定されているパラメータＫｘ２の値を、インパルス対応補正部８によって新たに推定された補正値Ｋｘ２Ｈに更新し、フィードフォワード算出部２に設定されている時定数Ｔｆの値を、インパルス対応補正部８によって新たに推定された補正値ＴｆＨに更新する（図４ステップＳ１３６）。このようにパラメータＫｘ２と時定数Ｔｆの値を自動更新してもよいし、補正値Ｋｘ２Ｈ，ＴｆＨの値を画面に表示してオペレータに確認させた上でオペレータが手動で更新するようにしてもよい。

ステップＳ１２４～Ｓ１３６までの処理が上記の（III）の手順に相当する処理フローになる。なお、ステップＳ１３３～Ｓ１３６の処理は、実操作量ＭＶ＿Ｆ’が整定したときに１回行えばよい。

トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１になった３回目以降の外乱リカバリー制御の場合におけるステップＳ１３７～Ｓ１４２の処理は、ステップＳ１２５～Ｓ１３０と同じなので、説明は省略する。

図５はフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１の変化の例を示す図、図６はフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２の変化の例を示す図、図７はフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘの変化の例を示す図である。図５～図７の例では、Ｋｘ１＝２０．０、Ｋｘ２＝３３０４．０、Ｔｆ＝１５．０ｓｅｃ．としている。なお、前述の総量（各制御周期の積算値）とは、図５～図７における曲線により囲まれる面積に相当する量である。

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１０．０、プロセス時定数４００．０ｓｅｃ．、プロセスむだ時間２０．０ｓｅｃ．の１次遅れ伝達関数で近似できる制御系とする。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＝１０．０ｅｘｐ（－２０．０ｓ）／（１＋４００．０ｓ） ・・・（１８）

なお、フィーフォワード制御による出力飽和が発生するように、実操作量ＭＶ＿Ｆの上限値ＯＨを７５％に設定しておく。すなわち、７５％を超える分が無効化されるという意味になる。
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＝６０％、積分時間Ｔｉ＝１２０．０ｓｅｃ．、微分時間Ｔｄ＝１０．０ｓｅｃ．とした。制御周期ｄｔは１．０ｓｅｃ．である。

フィードフォワード制御の開始タイミング、すなわちトリガー変数ＦＦ＿Ｘを０から１にするタイミングは、微分時間Ｔｄに基づいて設定できる。具体的には、外乱印加の時点よりαＴｄ前（係数αは０より大きい実数であり、例えば０．７）であることが妥当である。微分時間Ｔｄ＝１０．０ｓｅｃ．の場合、フィードフォワード制御の開始タイミングは、外乱印加の時点より７．０ｓｅｃ．前となる。ただし、係数αは、適宜微調整され得る値である。

同様に、時定数Ｔｆは、微分時間Ｔｄに基づいて設定できる。具体的には、Ｔｆ＝βＴｄ（係数βは０より大きい実数であり、例えば０．４）であることが妥当である。微分時間Ｔｄ＝１０．０ｓｅｃ．の場合、時定数Ｔｆ＝４．０ｓｅｃ．となる。ただし、係数βは、適宜微調整され得る値である。

図８～図１０は、本実施例の適用対象となる外乱リカバリー応答の例を示す図であり、フィードフォワード制御を実行せずにフィードバック制御のみで温度制御した場合の制御量ＰＶと実操作量ＭＶ＿Ｆ’（＝操作量ＭＶ）の変化の例を示す図である。

図８は、１００ｓｅｃ．の時点でインパルス外乱が印加された場合のフィードバック制御による外乱リカバリー応答のシミュレーション結果を示している。外乱リカバリー応答の前後で整定時の実操作量ＭＶ＿Ｆ’（＝操作量ＭＶ）は、ほぼ変化していない。

図９は、１００ｓｅｃ．の時点でステップ外乱が印加された場合のフィードバック制御による外乱リカバリー応答のシミュレーション結果を示している。外乱リカバリー応答の前後で整定時の実操作量ＭＶ＿Ｆ’（＝操作量ＭＶ）に顕著な変化が生じている。

図１０は、１００ｓｅｃ．の時点で混合外乱が印加された場合のフィードバック制御による外乱リカバリー応答のシミュレーション結果を示している。このシミュレーション結果は、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１になった１回目の制御の結果に相当する。混合外乱はステップ外乱を含むため、外乱リカバリー応答の前後で整定時の実操作量ＭＶ＿Ｆ’（＝操作量ＭＶ）に顕著な変化が生じている。

図１０の例では、外乱印加前の実操作量ＭＶ＿Ｆ’＝３０．０％に対して外乱リカバリー応答後の実操作量ＭＶ＿Ｆ’の整定値が４５．０％なので、実操作量差ΔＭＶ＿ｓｔｐ＝１５．０％となる。ステップ対応推定部４は、式（９）によりパラメータＫｘ１＝１５．０と推定する（図３ステップＳ１１７）。

また、図１０の例では、実操作量ＭＶ＿Ｆ’の変化量総量ΔＭＶ＿ａｌｌからフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１の総量を減算した変化量総量ΔＭＶ＿ｉｍｐ＝７６８．２％となる。インパルス対応推定部６は、式（１３）によりパラメータＫｘ２＝７６８．２と推定する（図３ステップＳ１２２）。

図１１は、１００ｓｅｃ．の時点で混合外乱が印加された場合のフィードフォワード制御とフィードバック制御による外乱リカバリー応答のシミュレーション結果を示し、図１２は、図１１の場合のフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘのシミュレーション結果を示している。これらのシミュレーション結果は、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１になった２回目の制御の結果に相当する。

トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１になった１回目の制御により、パラメータＫｘ１＝１５．０、Ｋｘ２＝７６８．２に設定されている。フィードフォワード制御の開始タイミング、すなわちトリガー変数ＦＦ＿Ｘを０から１にするタイミングは、外乱印加の時点より７．０ｓｅｃ．前の９３ｓｅｃ．の時点になっている。上記のとおり、時定数Ｔｆ＝４．０ｓｅｃ．である。

図１１の例では、実操作量ＭＶ＿Ｆ’の変化量総量ΔＭＶ＿ａｌｌからフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１の総量を減算した変化量総量ΔＭＶ＿ｉｍｐ＝７６８．２％となる。また、無効量算出部７は、無効量ＦＦ＿Ｎ＝１４２．３を検出する（図４ステップＳ１３３）。

インパルス対応補正部８は、式（１５）により比率ＲＨ＝７６８．２／（７６８．２－１４２．３×１．０）＝１．２２７と算出する（図４ステップＳ１３４）。さらに、インパルス対応補正部８は、式（１６）によりパラメータＫｘ２の補正値Ｋｘ２Ｈ＝７６８．２×１．２２７＝９４２．６と推定し、式（１７）により時定数Ｔｆの補正値ＴｆＨ＝４．０×１．２２７＝４．９と推定する（図４ステップＳ１３５）。

図１３は、１００ｓｅｃ．の時点で混合外乱が印加された場合のフィードフォワード制御とフィードバック制御による外乱リカバリー応答のシミュレーション結果を示し、図１４は、図１３の場合のフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘのシミュレーション結果を示している。これらのシミュレーション結果は、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１になった１回目、２回目の制御によってＫｘ１＝１５．０、Ｋｘ２＝Ｋｘ２Ｈ＝９４２．６、Ｔｆ＝ＴｆＨ＝４．９ｓｅｃ．が設定された後に、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１になった３回目以降の制御の結果に相当する。

制御結果の比較としては、図１１が出力飽和の影響を受けたフィードフォワード制御による結果を示し、図１３が本実施例で補正したフィードフォワード制御による結果を示している。図１１の例では、混合外乱により制御量ＰＶが大きく下降するのに対して、図１３の例では、混合外乱の影響を抑制できていることが分かる。

なお、本実施例では、設定値ＳＰに対して制御量ＰＶが下降する外乱の例で説明しているが、本発明は設定値ＳＰに対して制御量ＰＶが上昇する外乱にも対応可能である。制御量ＰＶが上昇する外乱が発生した場合には、実操作量差ΔＭＶ＿ｓｔｐと実操作量ＭＶ＿Ｆ’の変化量総量ΔＭＶ＿ａｌｌとフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１の総量ＭＶ＿Ｘ１＿ａｌｌとパラメータＫｘ１，Ｋｘ２とフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１，ＭＶ＿Ｘ２と無効量ＦＦ＿Ｎとが負の値となる。

また、本実施例では、トリガー変数ＦＦ＿Ｘが１になった２回目以降の外乱リカバリー制御においてフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１が０でない場合について説明しているが、ＭＶ＿Ｘ１＝０としてもよい。ＭＶ＿Ｘ１＝０とするかどうかは外乱に応じて適宜決定すればよい。

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１５に示す。

コンピュータは、ＣＰＵ３００と、記憶装置３０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）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、制御装置に適用することができる。

１…操作量算出部、２…フィードフォワード算出部、３…フィードフォワード実行部、４…ステップ対応推定部、５…総量算出部、６…インパルス対応推定部、７…無効量算出部、８…インパルス対応補正部、９…推定結果出力部、１０…リミット処理部、１１…操作量出力部。

Claims (12)

1. 設定値と制御量とを入力として第１の操作量を算出するように構成された操作量算出部と、
   外乱の印加前に有意の値となり外乱の印加後に非有意の値となるトリガー変数の入力に応じて、前記外乱の抑制に必要な第１のフィードフォワード量を算出するように構成されたフィードフォワード算出部と、
   前記操作量算出部によって算出された前記第１の操作量に前記第１のフィードフォワード量を加算するように構成されたフィードフォワード実行部と、
   前記第１の操作量に前記第１のフィードフォワード量を加算した第２の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、
   前記トリガー変数が入力された規定の第１の試行期間において少なくとも前記第１の操作量を含む前記第２の操作量を制御対象に出力させたときの外乱リカバリー応答前後の前記第２の操作量の差に基づいて、ステップ外乱の抑制に必要な第２のフィードフォワード量の算出のための第１のパラメータを推定するように構成された第１の推定部と、
   前記第１の試行期間において前記第２のフィードフォワード量が出力されたと仮定したときの前記第２のフィードフォワード量の総量を前記第１のパラメータに基づいて算出するように構成された総量算出部と、
   前記第１の試行期間における前記第２の操作量の変化量の総量から前記第２のフィードフォワード量の総量を減算した結果に基づいて、インパルス外乱の抑制に必要な第３のフィードフォワード量の算出のための第２のパラメータを推定するように構成された第２の推定部と、
   前記トリガー変数が入力された規定の第２の試行期間において前記フィードフォワード算出部によって算出された前記第３のフィードフォワード量のうち、前記第２の操作量が操作量上限値を上回る出力飽和または操作量下限値を下回る出力飽和のいずれかによって無効化された総量である無効量を算出するように構成された無効量算出部と、
   前記第２の試行期間において前記フィードフォワード算出部によって算出された前記第３のフィードフォワード量の総量と前記出力飽和によって無効化されなかった前記第３のフィードフォワード量の総量との比率を前記無効量に基づいて算出し、前記出力飽和によって無効化されない前記第２の操作量の範囲内に前記無効量の相当分が配分されるように、前記比率に基づいて前記第３のフィードフォワード量の補正のためのパラメータを推定するように構成された補正部とを備え、
   前記フィードフォワード算出部は、前記第１の試行期間の後に前記トリガー変数が入力されたときに、前記第１のパラメータに基づいて算出した前記第２のフィードフォワード量と前記第２のパラメータに基づいて算出した前記第３のフィードフォワード量との和を前記第１のフィードフォワード量とし、前記第２の試行期間の後に前記トリガー変数が入力されたときに、前記第１のパラメータに基づいて算出した前記第２のフィードフォワード量と前記補正部によって推定されたパラメータに基づいて算出した前記第３のフィードフォワード量との和を前記第１のフィードフォワード量とす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、
   前記第３のフィードフォワード量は、前記第２のパラメータをＫｘ２、前記第３のフィードフォワード量を徐々に収束させる時間を規定する時定数をＴｆ、前記時定数を調整する係数をＡ、前記トリガー変数をＦＦ＿Ｘ、ラプラス演算子をｓとしたとき、［Ｋｘ２ｓ／｛（１＋ＡＴｆｓ）（１＋（２．０－Ａ）Ｔｆｓ）｝］ＦＦ＿Ｘにより算出されることを特徴とする制御装置。
3. 請求項２記載の制御装置において、
   前記補正部は、前記無効量をＦＦ＿Ｎ、前記第１の操作量と前記第１、第２、第３のフィードフォワード量との算出周期をｄｔ、前記比率をＲＨとしたとき、前記比率ＲＨをＫｘ２／（Ｋｘ２－ＦＦ＿Ｎ×ｄｔ）により算出し、前記第３のフィードフォワード量の補正のためのパラメータとして、前記第２のパラメータＫｘ２の補正値をＫｘ２×ＲＨにより算出すると共に前記時定数Ｔｆの補正値をＴｆ×ＲＨにより算出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、
   前記第２のフィードフォワード量は、前記第１のパラメータをＫｘ１、前記第２のフィードフォワード量を徐々に収束させる時間を規定する時定数をＴｆ、前記時定数を調整する係数をＡ、前記トリガー変数をＦＦ＿Ｘ、ラプラス演算子をｓとしたとき、［Ｋｘ１／｛（１＋ＡＴｆｓ）（１＋（２．０－Ａ）Ｔｆｓ）｝］ＦＦ＿Ｘにより算出され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、
   前記第１の推定部は、前記外乱リカバリー応答前後の前記第２の操作量の差を前記第１のパラメータの値とすることを特徴とする制御装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の制御装置において、
   前記第２の推定部は、前記第２の操作量の変化量の総量から前記第２のフィードフォワード量の総量を減算し、前記第１の操作量と前記第１、第２、第３のフィードフォワード量との算出周期に、前記減算結果を乗算した値を前記第２のパラメータの値とすることを特徴とする制御装置。
7. 設定値と制御量とを入力として第１の操作量を算出する第１のステップと、
   外乱の印加前に有意の値となり外乱の印加後に非有意の値となるトリガー変数の入力に応じて、前記外乱の抑制に必要な第１のフィードフォワード量を算出する第２のステップと、
   前記第１の操作量に前記第１のフィードフォワード量を加算する第３のステップと、
   前記第１の操作量に前記第１のフィードフォワード量を加算した第２の操作量を制御対象に出力する第４のステップと、
   前記トリガー変数が入力された規定の第１の試行期間において少なくとも前記第１の操作量を含む前記第２の操作量を制御対象に出力させたときの外乱リカバリー応答前後の前記第２の操作量の差に基づいて、ステップ外乱の抑制に必要な第２のフィードフォワード量の算出のための第１のパラメータを推定する第５のステップと、
   前記第１の試行期間において前記第２のフィードフォワード量が出力されたと仮定したときの前記第２のフィードフォワード量の総量を前記第１のパラメータに基づいて算出する第６のステップと、
   前記第１の試行期間における前記第２の操作量の変化量の総量から前記第２のフィードフォワード量の総量を減算した結果に基づいて、インパルス外乱の抑制に必要な第３のフィードフォワード量の算出のための第２のパラメータを推定する第７のステップと、
   前記トリガー変数が入力された規定の第２の試行期間において前記第２のステップによって算出された前記第３のフィードフォワード量のうち、前記第２の操作量が操作量上限値を上回る出力飽和または操作量下限値を下回る出力飽和のいずれかによって無効化された総量である無効量を算出する第８のステップと、
   前記第２の試行期間において前記第２のステップによって算出された前記第３のフィードフォワード量の総量と前記出力飽和によって無効化されなかった前記第３のフィードフォワード量の総量との比率を前記無効量に基づいて算出し、前記出力飽和によって無効化されない前記第２の操作量の範囲内に前記無効量の相当分が配分されるように、前記比率に基づいて前記第３のフィードフォワード量の補正のためのパラメータを推定する第９のステップとを含み、
   前記第２のステップは、前記第１の試行期間の後に前記トリガー変数が入力されたときに、前記第１のパラメータに基づいて算出した前記第２のフィードフォワード量と前記第２のパラメータに基づいて算出した前記第３のフィードフォワード量との和を前記第１のフィードフォワード量とし、前記第２の試行期間の後に前記トリガー変数が入力されたときに、前記第１のパラメータに基づいて算出した前記第２のフィードフォワード量と前記第９のステップによって推定されたパラメータに基づいて算出した前記第３のフィードフォワード量との和を前記第１のフィードフォワード量と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７記載の制御方法において、
   前記第３のフィードフォワード量は、前記第２のパラメータをＫｘ２、前記第３のフィードフォワード量を徐々に収束させる時間を規定する時定数をＴｆ、前記時定数を調整する係数をＡ、前記トリガー変数をＦＦ＿Ｘ、ラプラス演算子をｓとしたとき、［Ｋｘ２ｓ／｛（１＋ＡＴｆｓ）（１＋（２．０－Ａ）Ｔｆｓ）｝］ＦＦ＿Ｘにより算出されることを特徴とする制御方法。
9. 請求項８記載の制御方法において、
   前記第９のステップは、前記無効量をＦＦ＿Ｎ、前記第１の操作量と前記第１、第２、第３のフィードフォワード量との算出周期をｄｔ、前記比率をＲＨとしたとき、前記比率ＲＨをＫｘ２／（Ｋｘ２－ＦＦ＿Ｎ×ｄｔ）により算出し、前記第３のフィードフォワード量の補正のためのパラメータとして、前記第２のパラメータＫｘ２の補正値をＫｘ２×ＲＨにより算出すると共に前記時定数Ｔｆの補正値をＴｆ×ＲＨにより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７乃至９のいずれか１項に記載の制御方法において、
    前記第２のフィードフォワード量は、前記第１のパラメータをＫｘ１、前記第２のフィードフォワード量を徐々に収束させる時間を規定する時定数をＴｆ、前記時定数を調整する係数をＡ、前記トリガー変数をＦＦ＿Ｘ、ラプラス演算子をｓとしたとき、［Ｋｘ１／｛（１＋ＡＴｆｓ）（１＋（２．０－Ａ）Ｔｆｓ）｝］ＦＦ＿Ｘにより算出されることを特徴とする制御方法。
11. 請求項７乃至１０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、前記外乱リカバリー応答前後の前記第２の操作量の差を前記第１のパラメータの値とするステップを含むことを特徴とする制御方法。
12. 請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の制御方法において、
    前記第７のステップは、前記第２の操作量の変化量の総量から前記第２のフィードフォワード量の総量を減算し、前記第１の操作量と前記第１、第２、第３のフィードフォワード量との算出周期に、前記減算結果を乗算した値を前記第２のパラメータの値とするステップを含むことを特徴とする制御方法。

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