JP2022061658A - 制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外乱が印加されなかった場合にフィードフォワード制御の実行自体により制御状態が大きく乱れてしまうのを抑制する。【解決手段】制御装置は、設定値ＳＰと制御量ＰＶとを入力として操作量ＭＶを算出する操作量算出部１と、外乱印加の時点よりも先行開始時間だけ前にフィードフォワード制御を開始するためのトリガー信号ＦＦ＿Ｘの入力に応じてフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを算出するフィードフォワード算出部２と、操作量ＭＶにフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを加算するフィードフォワード実行部３と、想定している外乱に対するフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘのピークの向きと逆方向の操作量ＭＶの余裕に応じてフィードフォワード算出部２のフィードフォワード制御パラメータを設定するフィードフォワード緩和部５とを備える。【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１３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１３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１４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１４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１５に示す。図１５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、特許文献３で提案した技術では、フィードフォワード制御を実行する場合、外乱印加が前提になっているが、何らかの事情により、想定されていた外乱が印加されない可能性もある。外乱が印加されない状態でフィードフォワード制御を実行した場合、フィードフォワード制御の実行自体により制御状態が大きく乱れてしまうことになるので、改善が求められている。

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、フィードフォワード制御の実行の前提となる外乱が印加されなかった場合に、フィードフォワード制御の実行自体により制御状態が大きく乱れてしまうのを抑制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の操作量をフィードバック制御演算により算出するように構成された操作量算出部と、外乱印加の時点よりも先行開始時間だけ前にフィードフォワード制御を開始するためのトリガー信号の入力に応じて、前記外乱の抑制に必要な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、想定している外乱に対する前記フィードフォワード量のピークの向きと逆方向の前記第１の操作量の余裕に応じて前記フィードフォワード算出部のフィードフォワード制御パラメータを設定するように構成されたフィードフォワード緩和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、前記フィードフォワード緩和部は、前記第１の操作量の余裕量が想定値より少ない場合に、前記フィードフォワード量が基準のフィードフォワード制御の場合よりも減るように前記フィードフォワード制御パラメータを変更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、前記フィードフォワード算出部は、前記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パラメータをＴｆ、前記フィードフォワード量の総量を規定するパラメータをＫｘ、ラプラス演算子をｓとしたとき、前記フィードフォワード量をＫｘｓ／（１＋Ｔｆｓ）²により算出し、前記フィードフォワード緩和部は、前記フィードフォワード量のピークの向きと逆方向の前記第２の操作量の範囲を制限する操作量上下限値と外乱印加前の整定時の前記第１の操作量との差を余裕量ＭＶ＿Ｃ、予め規定された定数をα（０．０＜α≦１．０）としたとき、前記余裕量ＭＶ＿Ｃが想定値αＫｘ／（２．７１８Ｔｆ）より少ない場合に、前記フィードフォワード算出部のフィードフォワード制御パラメータであるＫｘをＫｘ＿Ｃ＝２．７１８ＴｆＭＶ＿Ｃ／αに変更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の操作量をフィードバック制御演算により算出する第１のステップと、外乱印加の時点よりも先行開始時間だけ前にフィードフォワード制御を開始するためのトリガー信号の入力に応じて、前記外乱の抑制に必要な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、想定している外乱に対する前記フィードフォワード量のピークの向きと逆方向の前記第１の操作量の余裕に応じて前記第２のステップに必要なフィードフォワード制御パラメータを設定する第５のステップと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５のステップは、前記第１の操作量の余裕量が想定値より少ない場合に、前記フィードフォワード量が基準のフィードフォワード制御の場合よりも減るように前記フィードフォワード制御パラメータを変更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のステップは、前記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パラメータをＴｆ、前記フィードフォワード量の総量を規定するパラメータをＫｘ、ラプラス演算子をｓとしたとき、前記フィードフォワード量をＫｘｓ／（１＋Ｔｆｓ）²により算出するステップを含み、前記第５のステップは、前記フィードフォワード量のピークの向きと逆方向の前記第２の操作量の範囲を制限する操作量上下限値と外乱印加前の整定時の前記第１の操作量との差を余裕量ＭＶ＿Ｃ、予め規定された定数をα（０．０＜α≦１．０）としたとき、前記余裕量ＭＶ＿Ｃが想定値αＫｘ／（２．７１８Ｔｆ）より少ない場合に、前記フィードフォワード制御パラメータであるＫｘをＫｘ＿Ｃ＝２．７１８ＴｆＭＶ＿Ｃ／αに変更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、フィードフォワード緩和部を設けることにより、フィードフォワード制御の実行の前提となる外乱が印加されなかった場合に、フィードフォワード制御の実行自体により制御状態が大きく乱れてしまうのを抑制することができる。

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フィードフォワード量の変化の１例を示す図である。 図５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制御量と実操作量のシミュレーション結果を示す図である。 図６は、基準の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制御量と実操作量のシミュレーション結果を示す図である。 図７は、基準の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８は、外乱印加がなかった場合の基準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制御量と実操作量のシミュレーション結果を示す図である。 図９は、外乱印加がなかった場合の基準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制御量と実操作量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外乱印加がなかっ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制御量と実操作量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外乱印加があっ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制御量と実操作量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１３は、加熱装置の構成を示すブロック図である。 図１４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１５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］
フィードフォワード制御を開始した後に、想定していた外乱が印加されなかった場合、フィードフォワード制御自体によって制御状態が乱れることになり、この乱れをフィードバック制御によって収束させるという処理にならざるを得ない。したがって、発明者は、制御状態が大きく乱れるか否かは、フィードバック制御の出力飽和の発生に依存することに着眼した。

想定していた外乱が印加されなかった場合、フィードバック制御はフィードフォワード制御を帳消しする側に動作する。フィードバック制御が機能するか否かは、フィードフォワード制御実行前の基本操作量ＭＶと、フィードフォワード制御のフィードフォワード量のピークの向きと逆方向の操作量下限値ＯＬ（あるいは操作量上限値ＯＨ）との差（フィードバック制御を加えられる余裕量に相当）で決まる。

そこで、発明者は、フィードフォワード量のピークの向きと逆方向のフィードバック制御の出力飽和に余裕がない場合、フィードフォワード制御の帳消しが確保できる程度にフィードフォワード量を緩和することに想到した。フィードフォワード量を緩和することにより、フィードフォワード制御の効果が抑制されることになるが、外乱が印加されない可能性のある制御系で、より安全な制御管理をする必要がある場合、フィードフォワード制御の実行自体により制御状態が大きく乱れてしまうのを抑制することができる。

［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。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（フィードバック制御演算）により算出する操作量算出部１と、外乱印加の時点よりも先行開始時間ＦＦ＿ｉｎだけ前にフィードフォワード制御を開始するためのトリガー信号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、外部機器（不図示）からトリガー信号ＦＦ＿Ｘが入力されるトリガー信号入力部４と、想定している外乱に対するフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘのピークの向きと逆方向の基本操作量ＭＶの余裕に応じてフィードフォワード算出部２のフィードフォワード制御パラメータを設定するフィードフォワード緩和部５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６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７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緩和部５の動作（図３ステップＳ１０３～Ｓ１０７）については後述する。
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）となるトリガー信号ＦＦ＿Ｘが０の場合（図３ステップＳ１０８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Ｓ１０９）。

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Ｓ１１０）。
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６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Ｓ１１１）。
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６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７は、リミット処理部６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Ｓ１１２）。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。

こうして、制御装置は、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが０のときに、ステップＳ１００～Ｓ１０２，Ｓ１０９～Ｓ１１２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Ｓ１１３においてＹＥＳ）、制御周期毎に実行する。

次に、トリガー信号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信号ＦＦ＿Ｘ＝１が自動的に入力される。このトリガー信号ＦＦ＿Ｘは、トリガー信号入力部４を通じてフィードフォワード算出部２に入力される。

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）よりも先行開始時間ＦＦ＿ｉｎだけ前の時点で本実施例の制御装置に対してトリガー信号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）よりも先行開始時間ＦＦ＿ｉｎだけ前の時点で本実施例の制御装置に対してトリガー信号ＦＦ＿Ｘ＝１を送信する。

また、外部機器は、トリガー信号ＦＦ＿Ｘを１にした時点から所定時間が経過したときにトリガー信号ＦＦ＿Ｘを０（非有意の値）にする。このトリガー信号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、先行開始時間ＦＦ＿ｉｎをどの程度の値にすべきかについては後述する。

フィードフォワード算出部２は、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが０から１になったとき（ステップＳ１０８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、下記の式（９）によりフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを算出する（図３ステップＳ１１４）。
ＭＶ＿Ｘ＝｛Ｋｘｓ／（１＋Ｔｆｓ）²｝ＦＦ＿Ｘ ・・・（９）

式（９）において、Ｔｆはフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ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。Ｋｘはフィードフォワード量（総量）を規定するパラメータである。１制御周期での最大フィードフォワード量ＭＦ＿ｍａｘは、Ｋｘ／（２．７１８Ｔｆ）になる。時定数ＴｆとパラメータＫｘ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。

図４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４の例では、Ｋｘ＝３２６２．０、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４における曲線により囲まれる面積に相当する量である。

次に、フィードフォワード実行部３は、ステップＳ１１０と同様に、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Ｓ１１５）。
図３のステップＳ１１６，Ｓ１１７の処理は、ステップＳ１１１，Ｓ１１２の処理と同じである。

こうして、制御装置は、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが１のときに、ステップＳ１００～Ｓ１０２，Ｓ１１４～Ｓ１１７の処理を制御周期毎に実行する。

次に、フィードフォワード緩和部５の動作について説明する。フィードフォワード緩和部５は、制御量ＰＶが設定値ＳＰに整定している状態のとき（図３ステップＳ１０３においてＹＥＳ）、想定している外乱に対するフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘのピークの向きと逆方向の基本操作量ＭＶの余裕に応じてフィードフォワード算出部２のフィードフォワード制御パラメータを設定する。

具体的には、フィードフォワード緩和部５は、想定している外乱が設定値ＳＰに対して制御量ＰＶが下降する外乱で、この外乱に対して基本操作量ＭＶを上昇させるフィードフォワード制御の実行を予定している場合、整定時の基本操作量ＭＶ＿Ｓと操作量下限値ＯＬとの差を余裕量ＭＶ＿Ｃとして算出する（図３ステップＳ１０４）。
ＭＶ＿Ｃ＝ＭＶ＿Ｓ－ＯＬ ・・・（１０）

また、フィードフォワード緩和部５は、想定している外乱が設定値ＳＰに対して制御量ＰＶが上昇する外乱で、この外乱に対して基本操作量ＭＶを下降させるフィードフォワード制御の実行を予定している場合、操作量上限値ＯＨと整定時の基本操作量ＭＶ＿Ｓとの差を余裕量ＭＶ＿Ｃとして算出する（ステップＳ１０４）。
ＭＶ＿Ｃ＝ＯＨ－ＭＶ＿Ｓ ・・・（１１）

そして、フィードフォワード緩和部５は、余裕量ＭＶ＿Ｃが予め規定された基準のフィードフォワード制御の１制御周期での最大フィードフォワード量ＭＦ＿ｍａｘのα倍以上の場合（図３ステップＳ１０５においてＮＯ）、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Ｋｘを基準値のままとする（図３ステップＳ１０６）。αは０．０＜α≦１．０の範囲（例えばα＝０．２程度）で設定される定数である。

つまり、フィードフォワード制御を帳消しする方向に基本操作量ＭＶ（フィードバック制御）を増減することができる余裕量が想定値αＭＦ＿ｍａｘ以上であれば、フィードフォワード制御パラメータ（パラメータＫｘ）を予め規定された基準値のままとする。上記の基準のフィードフォワード制御とは、パラメータＫｘと時定数Ｔｆが基準値の場合のフィードフォワード制御のことを言う。

また、フィードフォワード緩和部５は、余裕量ＭＶ＿Ｃが基準のフィードフォワード制御の１制御周期での最大フィードフォワード量ＭＦ＿ｍａｘのα倍よりも少ない（αＭＦ＿ｍａｘ＞ＭＶ＿Ｃ）場合（ステップＳ１０５においてＹＥＳ）、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘが基準のフィードフォワード制御の場合よりも減るようにパラメータＫｘを設定する。

具体的には、フィードフォワード緩和部５は、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と余裕量ＭＶ＿Ｃと定数αとに基づいてパラメータＫｘの変更値Ｋｘ＿Ｃを次式により算出して、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Ｋｘを変更値Ｋｘ＿Ｃに変更する（図３ステップＳ１０７）。
Ｋｘ＿Ｃ＝｛ＭＶ＿Ｃ／（αＭＦ＿ｍａｘ）｝Ｋｘ＝２．７１８ＴｆＭＶ＿Ｃ／α
・・・（１２）

このように、本実施例では、フィードフォワード制御を帳消しする方向に基本操作量ＭＶ（フィードバック制御）を増減することができる余裕量が想定値αＭＦ＿ｍａｘよりも少ない場合には、パラメータＫｘを基準値よりも小さくする。

なお、フィードフォワード緩和部５は、外乱印加後に制御量ＰＶが整定し、余裕量ＭＶ＿Ｃが基準のフィードフォワード制御の１制御周期での最大フィードフォワード量ＭＦ＿ｍａｘのα倍以上になると（ステップＳ１０５においてＮＯ）、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Ｋｘを基準値に戻す（ステップＳ１０６）。

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） ・・・（１３）

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。操作量上限値ＯＨは１００．０％、操作量下限値ＯＬは０．０％、制御周期は１．０ｓｅｃ．である。

フィードフォワード制御の開始時点を決定する先行開始時間ＦＦ＿ｉｎは、微分時間Ｔｄに基づいて設定できる。具体的には、ＦＦ＿ｉｎ＝βＴｄ（係数β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時点は、外乱印加の時点より７．０ｓｅｃ．前となる。ただし、係数β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＝γＴｄ（係数γ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γは、適宜微調整され得る値である。

図５は、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。この図５の例は、１００ｓｅｃ．の時点で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。設定値ＳＰ＝３００．０℃に対して仮に温度管理幅を±５．０℃とすると、図５の例では、制御量ＰＶが２９５．０℃未満になる降温状態が３６．０ｓｅｃ．継続する。

図６は、１００ｓｅｃ．の時点で外乱が印加された場合の基準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７は、図６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。図６、図７の例は、フィードフォワード算出部２にパラメータＫｘ＝６５２．３、時定数Ｔｆ＝４．０ｓｅｃ．が予め設定されていた場合を示している。フィードフォワード制御の開始タイミング、すなわちトリガー信号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．の時点である。図６、図７の例では、設定値ＳＰ＝３００．０℃に対して制御量ＰＶが２９５．０℃≦ＰＶ≦３０５．０℃の範囲（温度管理幅が±５．０℃）を外れることはない。

図８は、外乱印加がなかった場合の基準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応答のシミュレーション結果を示している。図８の例では、図６、図７の場合と同様にフィードフォワード算出部２にパラメータＫｘ＝６５２．３、時定数Ｔｆ＝４．０ｓｅｃ．が予め設定され、９３ｓｅｃ．の時点からフィードフォワード制御を開始している。設定値ＳＰに対する制御量ＰＶの上昇はフィードフォワード制御によるものである。設定値ＳＰ＝３００．０℃に対して仮に温度管理幅を±５．０℃とすると、図８の例では、制御量ＰＶが３０５．０℃を上回る昇温状態が３７．０ｓｅｃ．継続する。

図９は、外乱印加がなかった場合の基準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応答のシミュレーション結果を示している。図９の例では、図６～図８の場合と同様にフィードフォワード算出部２にパラメータＫｘ＝６５２．３、時定数Ｔｆ＝４．０ｓｅｃ．が予め設定され、９３ｓｅｃ．の時点からフィードフォワード制御を開始している。図９の例では、制御量ＰＶが設定値ＳＰを上回る時間が図８の場合よりも長くなっており、制御量ＰＶが３０５．０℃を上回る昇温状態が８３．０ｓｅｃ．継続する。

図９の例では、パラメータＫｘは６５２．３のままであり、本実施例と異なり、Ｋｘ＿Ｃへの変更は行なっていない。図８の例では、整定時の基本操作量ＭＶが３０．０％で、フィードフォワード制御を帳消しする側にフィードバック制御が動作する余裕がある。これに対して、図９の例では、整定時の基本操作量ＭＶが５．０％で、制御量ＰＶの上昇中のほとんどの時間帯で基本操作量ＭＶが操作量下限値ＯＬに飽和している。すなわち、フィードフォワード制御を帳消しする側にフィードバック制御が動作する余裕がないことが、昇温状態が長時間継続する理由である。

図１０は、本実施例において外乱印加がなかっ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応答のシミュレーション結果を示している。図１０の例では、図６～図９の場合と同様にフィードフォワード算出部２にパラメータＫｘ＝６５２．３、時定数Ｔｆ＝４．０ｓｅｃ．が予め設定されていた場合を示している。

ただし、整定時の基本操作量ＭＶが５．０％であったことにより、余裕量ＭＶ＿Ｃが５％で、αＭＦ＿ｍａｘ＝αＫｘ／（２．７１８Ｔｆ）＝０．２×６５２．３／（２．７１８×４．０）＝１２．０％を下回る。このため、フィードフォワード緩和部５は、フィードフォワード制御が始まる前の整定時に、下記の式によりパラメータＫｘの変更値Ｋｘ＿Ｃを算出して、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Ｋｘ＝６５２．３をＫｘ＿Ｃ＝２７１．８に変更する。
Ｋｘ＿Ｃ＝２．７１８ＴｆＭＶ＿Ｃ／α
＝２．７１８×４．０×５．０／０．２＝２７１．８ ・・・（１４）

これにより、図１０の例では、制御量ＰＶが３０５．０℃を上回ることはない。図１０の例では、出力飽和に対する余裕量が少なかったことに対し、予めフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを削減したことにより、過剰な温度状態を抑制できている。

図１１は、本実施例において外乱印加があっ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応答のシミュレーション結果を示している。図１１の例では、図６～図１０の場合と同様にフィードフォワード算出部２にパラメータＫｘ＝６５２．３、時定数Ｔｆ＝４．０ｓｅｃ．が予め設定されていた場合を示している。整定時の基本操作量ＭＶは５．０％である。このため、図１０の例と同様に整定時にパラメータＫｘ＝６５２．３がＫｘ＿Ｃ＝２７１．８に変更される。

図１１の例では、図６の場合の基準のフィードフォワード制御と同等の効果は得られず、制御量ＰＶが２９５．０℃未満になる降温状態が２４．０ｓｅｃ．継続することになるが、図５の場合よりも然るべき改善効果が得られている。

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する場合には、パラメータＫｘとフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘとが負の値となる。

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１２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…トリガー信号入力部、５…フィードフォワード緩和部、６…リミット処理部、７…操作量出力部。

Claims (6)

1. 設定値と制御量とを入力として第１の操作量をフィードバック制御演算により算出するように構成された操作量算出部と、
   外乱印加の時点よりも先行開始時間だけ前にフィードフォワード制御を開始するためのトリガー信号の入力に応じて、前記外乱の抑制に必要な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、
   想定している外乱に対する前記フィードフォワード量のピークの向きと逆方向の前記第１の操作量の余裕に応じて前記フィードフォワード算出部のフィードフォワード制御パラメータを設定するように構成されたフィードフォワード緩和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、
   前記フィードフォワード緩和部は、前記第１の操作量の余裕量が想定値より少ない場合に、前記フィードフォワード量が基準のフィードフォワード制御の場合よりも減るように前記フィードフォワード制御パラメータを変更す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、
   前記フィードフォワード算出部は、前記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パラメータをＴｆ、前記フィードフォワード量の総量を規定するパラメータをＫｘ、ラプラス演算子をｓとしたとき、前記フィードフォワード量をＫｘｓ／（１＋Ｔｆｓ）²により算出し、
   前記フィードフォワード緩和部は、前記フィードフォワード量のピークの向きと逆方向の前記第２の操作量の範囲を制限する操作量上下限値と外乱印加前の整定時の前記第１の操作量との差を余裕量ＭＶ＿Ｃ、予め規定された定数をα（０．０＜α≦１．０）としたとき、前記余裕量ＭＶ＿Ｃが想定値αＫｘ／（２．７１８Ｔｆ）より少ない場合に、前記フィードフォワード算出部のフィードフォワード制御パラメータであるＫｘをＫｘ＿Ｃ＝２．７１８ＴｆＭＶ＿Ｃ／αに変更することを特徴とする制御装置。
4. 設定値と制御量とを入力として第１の操作量をフィードバック制御演算により算出する第１のステップと、
   外乱印加の時点よりも先行開始時間だけ前にフィードフォワード制御を開始するためのトリガー信号の入力に応じて、前記外乱の抑制に必要な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、
   想定している外乱に対する前記フィードフォワード量のピークの向きと逆方向の前記第１の操作量の余裕に応じて前記第２のステップに必要なフィードフォワード制御パラメータを設定する第５のステップとを含むことを特徴とする制御方法。
5. 請求項４記載の制御方法において、
   前記第５のステップは、前記第１の操作量の余裕量が想定値より少ない場合に、前記フィードフォワード量が基準のフィードフォワード制御の場合よりも減るように前記フィードフォワード制御パラメータを変更するステップ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２のステップは、前記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パラメータをＴｆ、前記フィードフォワード量の総量を規定するパラメータをＫｘ、ラプラス演算子をｓとしたとき、前記フィードフォワード量をＫｘｓ／（１＋Ｔｆｓ）²により算出するステップを含み、
   前記第５のステップは、前記フィードフォワード量のピークの向きと逆方向の前記第２の操作量の範囲を制限する操作量上下限値と外乱印加前の整定時の前記第１の操作量との差を余裕量ＭＶ＿Ｃ、予め規定された定数をα（０．０＜α≦１．０）としたとき、前記余裕量ＭＶ＿Ｃが想定値αＫｘ／（２．７１８Ｔｆ）より少ない場合に、前記フィードフォワード制御パラメータであるＫｘをＫｘ＿Ｃ＝２．７１８ＴｆＭＶ＿Ｃ／αに変更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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