JP2022061663A - 制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィードフォワード量を加えることができる余裕量が少ない場合にフィードフォワード制御の効果が損なわれるのを抑制する。【解決手段】制御装置は、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、外部機器から通知された外乱印加予定時刻ｔｐ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を出力するトリガー信号起動部４と、予め規定された操作量上下限値に対する操作量ＭＶの余裕に応じてトリガー信号起動部４と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修正部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、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、フィードフォワード制御実行前の操作量ＭＶと操作量上限値ＯＨ（あるいは操作量下限値ＯＬ）との差（フィードフォワード量を加えられる余裕量に相当）が、本来の想定よりも少ない場合があり得る。その場合、フィードフォワード制御の効果が十分に得られなくなるので、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、基本操作量にフィードフォワード量を加えることができる余裕量が少ない場合に、フィードフォワード制御の効果が損なわれる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、外部機器から通知された外乱印加予定時刻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を出力するように構成されたトリガー信号起動部と、前記トリガー信号に応じて、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、予め規定された操作量上下限値に対する前記第１の操作量の余裕に応じて前記トリガー信号起動部と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修正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修正部は、操作量上下限値に対する前記第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の配分が基準のフィードフォワード制御の場合よりも前倒しになるように、前記トリガー信号起動部と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フィードフォワード制御パラメータである時定数を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修正部は、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、前記トリガー信号起動部のフィードフォワード制御パラメータである前記先行開始時間をＦＦ＿ｉｎとしたとき、前記余裕量ＭＶ＿Ｃが想定値より少ない場合に、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前記時定数ＴｆをＴｆ＿Ｃ＝Ｋｘ／（２．７１８ＭＶ＿Ｃ）に変更し、前記トリガー信号起動部のフィードフォワード制御パラメータである前記先行開始時間ＦＦ＿ｉｎをＦＦ＿ｉｎ＿Ｃ＝ＦＦ＿ｉｎ＋２．０（Ｔｆ＿Ｃ－Ｔｆ）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、外部機器から通知された外乱印加予定時刻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を出力する第２のステップと、前記トリガー信号に応じて、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する第４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５のステップと、予め規定された操作量上下限値に対する前記第１の操作量の余裕に応じて前記第２のステップと前記第３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６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６のステップは、操作量上下限値に対する前記第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の配分が基準のフィードフォワード制御の場合よりも前倒しになるように、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３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フィードフォワード制御パラメータである時定数を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６のステップは、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、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である前記先行開始時間をＦＦ＿ｉｎとしたとき、前記余裕量ＭＶ＿Ｃが想定値より少ない場合に、前記第３のステップのフィードフォワード制御パラメータである前記時定数ＴｆをＴｆ＿Ｃ＝Ｋｘ／（２．７１８ＭＶ＿Ｃ）に変更し、前記第２のステップのフィードフォワード制御パラメータである前記先行開始時間ＦＦ＿ｉｎをＦＦ＿ｉｎ＿Ｃ＝ＦＦ＿ｉｎ＋２．０（Ｔｆ＿Ｃ－Ｔｆ）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修正部を設けることにより、基本操作量にフィードフォワード量を加えることができる余裕量が少ない場合にフィードフォワード制御の効果が損なわれる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７は、本発明の実施例において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８は、本発明の実施例において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９は、余裕量が本来の想定よりも少ない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１０は、本発明の実施例において余裕量が本来の想定よりも少ない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１１は、本発明の実施例において余裕量が本来の想定よりも少ない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１２は、余裕量が本来の想定よりも少ない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１３は、本発明の実施例において余裕量が本来の想定よりも少ない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１４は、本発明の実施例において余裕量が本来の想定よりも少ない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］
発明者は、フィードフォワード制御を外乱印加前に開始する場合、フィードフォワード量の時系列的な配分（時間を規定するパラメータＴｆにより設定される配分）が、外乱印加後の経過のフィードバック制御との協調も踏まえたものになっており、フィードフォワード量の配分はフィードフォワード制御を加えるタイミングとの関係で調整可能であることに着眼した。

つまり、フィードフォワード量の配分を長めの時間に分配させる側（パラメータＴｆを長くする側）に修正し、外乱印加前にフィードフォワード制御を実行するタイミングを前倒し側に修正すれば、全体的なフィードフォワード量の配分（フィードフォワード量のピーク位置など）は概ね維持したまま、フィードフォワード量の１制御周期での最大量を抑えることができる。

そこで、発明者は、フィードフォワード制御実行前の操作量ＭＶと操作量上限値ＯＨ（あるいは操作量下限値ＯＬ）との差（フィードフォワード量を加えられる余裕量に相当）に応じてフィードフォワード量の配分とフィードフォワード制御を実行するタイミングとを適応的に変更することに想到した。これにより、フィードフォワード制御の実行が操作量上限値ＯＨあるいは操作量下限値ＯＬによって無効化されるのを緩和することができる。

［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、トリガー信号ＦＦ＿Ｘ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）から通知された外乱印加予定時刻ｔｐ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を出力するトリガー信号起動部４と、予め規定された操作量上下限値に対する基本操作量ＭＶの余裕に応じてトリガー信号起動部４と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修正部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、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修正部５の動作（図３ステップＳ１０３～Ｓ１０８）については後述する。
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外乱印加予定時刻ｔｐが通知される。

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）よりも前の時点で本実施例の制御装置に対して外乱印加予定時刻ｔｐを通知する。

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外乱印加予定時刻ｔｐを通知する。

トリガー信号起動部４は、外部機器から通知された外乱印加予定時刻ｔｐと予め規定された先行開始時間ＦＦ＿ｉｎとに応じて、トリガー信号ＦＦ＿Ｘをフィードフォワード算出部２に出力する。トリガー信号起動部４は、外乱印加予定時刻ｔｐよりも先行開始時間ＦＦ＿ｉｎだけ前のフィードフォワード制御開始時点になったときに（図３ステップＳ１０９においてＹＥＳ）、トリガー信号ＦＦ＿Ｘを１（有意の値）にする（図３ステップＳ１１０）。

また、トリガー信号起動部４は、外部機器から外乱印加予定時刻ｔｐの通知がないとき、フィードフォワード制御開始時点よりも前の時点のとき、フィードフォワード制御開始時点から所定時間が経過したとき、のいずれかのときには（ステップＳ１０９においてＮＯ）、トリガー信号ＦＦ＿Ｘを０（非有意の値）にする（図３ステップＳ１１１）。フィードフォワード制御開始時点の後でトリガー信号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’が整定すると想定されるタイミングよりも十分に後のタイミングに設定する必要がある。

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）となるトリガー信号ＦＦ＿Ｘが０の場合（図４ステップＳ１１２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４ステップＳ１１３）。

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４ステップＳ１１４）。
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４ステップＳ１１５）。
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４ステップＳ１１６）。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，Ｓ１１１，Ｓ１１３～Ｓ１１６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Ｓ１１７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。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Ｓ１０３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４ステップＳ１１８）。
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５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の例では、Ｋｘ＝３２６２．０、Ｔｆ＝１５．０ｓｅｃ．としている。前述の総量（各制御周期の積算値）とは、図５における曲線により囲まれる面積に相当する量である。

なお、後述のようにフィードフォワード修正部５によって時定数ＴｆがＴｆ＿Ｃに変更された場合、フィードフォワード算出部２は、式（９）ではなく下記の式（１０）によりフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを算出する（ステップＳ１１８）。
ＭＶ＿Ｘ＝｛Ｋｘｓ／（１＋Ｔｆ＿Ｃｓ）²｝ＦＦ＿Ｘ ・・・（１０）

次に、フィードフォワード実行部３は、ステップＳ１１４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４ステップＳ１１９）。
図４のステップＳ１２０，Ｓ１２１の処理は、ステップＳ１１５，Ｓ１１６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，Ｓ１０９，Ｓ１１０，Ｓ１１８～Ｓ１２１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修正部５の動作について説明する。フィードフォワード修正部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）、基本操作量ＭＶの余裕に応じてトリガー信号起動部４と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修正部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、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（図３ステップＳ１０４）。
ＭＶ＿Ｃ＝ＯＨ－ＭＶ＿Ｓ ・・・（１１）

また、フィードフォワード修正部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、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（ステップＳ１０４）。
ＭＶ＿Ｃ＝ＭＶ＿Ｓ－ＯＬ ・・・（１２）

そして、フィードフォワード修正部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以上の場合（図３ステップＳ１０５においてＹＥＳ）、トリガー信号起動部４に設定されている先行開始時間ＦＦ＿ｉｎと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とをそれぞれ基準値のままとする（図３ステップＳ１０６）。

つまり、基本操作量ＭＶにフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを加えることができる（あるいは基本操作量ＭＶからフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを引くことができる）余裕量が本来の想定値ＭＦ＿ｍａｘ以上であれば、フィードフォワード制御パラメータ（先行開始時間ＦＦ＿ｉｎ、時定数Ｔｆ）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、フィードフォワード制御パラメータ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修正部５は、ステップＳ１０４で算出した余裕量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より少ない（ＭＦ＿ｍａｘ＞ＭＶ＿Ｃ）場合（ステップＳ１０５においてＮＯ）、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘの配分が基準のフィードフォワード制御の場合よりも前倒しになるように、トリガー信号起動部４と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修正部５は、上記のパラメータＫｘと余裕量ＭＶ＿Ｃとに基づいて時定数Ｔｆの変更値Ｔｆ＿Ｃを次式により算出して、フィードフォワード算出部２に設定されている時定数Ｔｆを変更値Ｔｆ＿Ｃに変更する（図３ステップＳ１０７）。
Ｔｆ＿Ｃ＝（ＭＦ＿ｍａｘ／ＭＶ＿Ｃ）Ｔｆ＝Ｋｘ／（２．７１８ＭＶ＿Ｃ）
・・・（１３）

また、フィードフォワード修正部５は、トリガー信号起動部４に設定されている基準の先行開始時間ＦＦ＿ｉｎとフィードフォワード算出部２に設定されていた基準の時定数Ｔｆと時定数Ｔｆの変更値Ｔｆ＿Ｃとに基づいて先行開始時間ＦＦ＿ｉｎの変更値ＦＦ＿ｉｎ＿Ｃを次式により算出して、トリガー信号起動部４に設定されている先行開始時間ＦＦ＿ｉｎを変更値ＦＦ＿ｉｎ＿Ｃに変更する（図３ステップＳ１０８）。
ＦＦ＿ｉｎ＿Ｃ＝ＦＦ＿ｉｎ＋２．０（Ｔｆ＿Ｃ－Ｔｆ） ・・・（１４）

ただし、フィードフォワード修正部５は、式（１４）により算出したＦＦ＿ｉｎ＿Ｃが制御周期の整数倍にならない端数がある場合には、ＦＦ＿ｉｎ＿Ｃが制御周期の整数倍の値になるように端数を切り上げる。
このように、本実施例では、基本操作量ＭＶにフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを加えることができる（あるいは基本操作量ＭＶからフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを引くことができる）余裕量が本来の想定値ＭＦ＿ｍａｘよりも少ない場合には、時定数Ｔｆと先行開始時間ＦＦ＿ｉｎをそれぞれの基準値よりも長くする。

先行開始時間ＦＦ＿ｉｎがＦＦ＿ｉｎ＿Ｃに変更された場合、トリガー信号起動部４は、外乱印加予定時刻ｔｐよりもＦＦ＿ｉｎ＿Ｃだけ前のフィードフォワード制御開始時点になったときに（ステップＳ１０９においてＹＥＳ）、トリガー信号ＦＦ＿Ｘを１にする（ステップＳ１１０）。
時定数ＴｆがＴｆ＿Ｃに変更された場合、フィードフォワード算出部２は、式（１０）によりフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを算出する（ステップＳ１１８）。

フィードフォワード修正部５は、外乱印加後に制御量ＰＶが整定し、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以上になると（ステップＳ１０５においてＹＥＳ）、トリガー信号起動部４に設定されている先行開始時間ＦＦ＿ｉｎ＿Ｃと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＿Ｃとをそれぞれの基準値に戻す（ステップＳ１０６）。

なお、本実施例では、外乱印加予定時刻ｔｐよりもＦＦ＿ｉｎまたはＦＦ＿ｉｎ＿Ｃだけ前の時点からフィードフォワード制御を開始するので、外部機器は、外乱印加予定時刻ｔｐよりも十分に前の時点で本実施例の制御装置に対して外乱印加予定時刻ｔｐを通知する必要があることは言うまでもない。

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） ・・・（１５）

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。

基準の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＝αＴｄ（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、基準のフィードフォワード制御の開始時点は、外乱印加予定時刻ｔｐ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、基準のフィードフォワード制御の時定数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６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６の例は、１００ｓｅｃ．の時点で降温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。

図７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８は、図７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７、図８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．が設定され、トリガー信号起動部４に先行開始時間ＦＦ＿ｉｎ＝７．０ｓｅｃ．が設定されていた場合を示している。基準のフィードフォワード制御の開始時点、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、外乱印加予定時刻ｔｐ＝１００ｓｅｃ．より７．０ｓｅｃ．前の９３ｓｅｃ．の時点である。

図９は、外乱印加前の整定時の基本操作量ＭＶが５５．０％で、余裕量ＭＶ＿Ｃが本来の想定（基準のフィードフォワード制御）よりも少ない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ている。図９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．が設定され、トリガー信号起動部４に先行開始時間ＦＦ＿ｉｎ＝７．０ｓｅｃ．が設定されていた場合を示している。すなわち、本実施例と異なり、時定数はＴｆ＝４．０ｓｅｃ．、先行開始時間はＦＦ＿ｉｎ＝７．０ｓｅｃ．のままであり、Ｔｆ＿Ｃ、ＦＦ＿ｉｎ＿Ｃへの変更は行なっていない。

図１０は、外乱印加前の整定時の基本操作量ＭＶが５５．０％で、余裕量ＭＶ＿Ｃが本来の想定（基準のフィードフォワード制御）よりも少ない場合の本実施例における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ている。図１１は、図１０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１０、図１１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．が設定され、トリガー信号起動部４に先行開始時間ＦＦ＿ｉｎ＝７．０ｓｅｃ．が設定されていた場合を示している。
フィードフォワード修正部５は、制御量ＰＶの整定時に以下の計算を行なう。
ＭＶ＿Ｃ＝ＯＨ－ＭＶ＿Ｓ＝１００．０％－５５．０％＝４５．０％ ・・（１６）
Ｔｆ＿Ｃ＝Ｋｘ／（２．７１８ＭＶ＿Ｃ）
＝６５２．３／（２．７１８×４５．０）＝５．３ｓｅｃ． ・・（１７）
ＦＦ＿ｉｎ＿Ｃ＝ＦＦ＿ｉｎ＋２．０（Ｔｆ＿Ｃ－Ｔｆ）
＝７．０＋２．０（５．３－４．０）＝９．６ｓｅｃ．・・（１８）

式（１８）の計算結果は１０．０ｓｅｃ．に切り上げとなる。フィードフォワード修正部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＝４．０ｓｅｃ．をＴｆ＿Ｃ＝５．３ｓｅｃ．に変更し、トリガー信号起動部４に設定されている先行開始時間ＦＦ＿ｉｎ＝７．０ｓｅｃ．をＦＦ＿ｉｎ＿Ｃ＝１０．０ｓｅｃ．に変更する。こうして、外乱印加予定時刻ｔｐ＝１００ｓｅｃ．より１０．０ｓｅｃ．前からフィードフォワード制御が開始される。本実施例では、操作量上限値ＯＨまでの基本操作量ＭＶの余裕に応じてフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘの配分が基準のフィードフォワード制御の場合よりも前倒しになるようにフィードフォワード制御パラメータを変更している。その結果、図９の場合よりもフィードフォワード制御の効果が損なわれるのを抑制できている。

図１２は、外乱印加前の整定時の基本操作量ＭＶが７０．０％で、余裕量ＭＶ＿Ｃが本来の想定（基準のフィードフォワード制御）よりも少ない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ている。図１２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．が設定され、トリガー信号起動部４に先行開始時間ＦＦ＿ｉｎ＝７．０ｓｅｃ．が設定されていた場合を示している。すなわち、本実施例と異なり、時定数はＴｆ＝４．０ｓｅｃ．、先行開始時間はＦＦ＿ｉｎ＝７．０ｓｅｃ．のままであり、Ｔｆ＿Ｃ、ＦＦ＿ｉｎ＿Ｃへの変更は行なっていない。

図１３は、外乱印加前の整定時の基本操作量ＭＶが７０．０％で、余裕量ＭＶ＿Ｃが本来の想定（基準のフィードフォワード制御）よりも少ない場合の本実施例における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ている。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。

図１３、図１４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．が設定され、トリガー信号起動部４に先行開始時間ＦＦ＿ｉｎ＝７．０ｓｅｃ．が設定されていた場合を示している。
フィードフォワード修正部５は、制御量ＰＶの整定時に以下の計算を行なう。
ＭＶ＿Ｃ＝ＯＨ－ＭＶ＿Ｓ＝１００．０％－７０．０％＝３０．０％ ・・（１９）
Ｔｆ＿Ｃ＝Ｋｘ／（２．７１８ＭＶ＿Ｃ）
＝６５２．３／（２．７１８×３０．０）＝８．０ｓｅｃ． ・・（２０）
ＦＦ＿ｉｎ＿Ｃ＝ＦＦ＿ｉｎ＋２．０（Ｔｆ＿Ｃ－Ｔｆ）
＝７．０＋２．０（８．０－４．０）＝１５．０ｓｅｃ．
・・・（２１）

フィードフォワード修正部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＝４．０ｓｅｃ．をＴｆ＿Ｃ＝８．０ｓｅｃ．に変更し、トリガー信号起動部４に設定されている先行開始時間ＦＦ＿ｉｎ＝７．０ｓｅｃ．をＦＦ＿ｉｎ＿Ｃ＝１５．０ｓｅｃ．に変更する。こうして、外乱印加予定時刻ｔｐ＝１００ｓｅｃ．より１５．０ｓｅｃ．前からフィードフォワード制御が開始される。本実施例では、操作量上限値ＯＨまでの基本操作量ＭＶの余裕に応じてフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘの配分が基準のフィードフォワード制御の場合よりも前倒しになるようにフィードフォワード制御パラメータを変更している。その結果、図１２の場合よりもフィードフォワード制御の効果が損なわれるのを抑制できている。

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…トリガー信号起動部、５…フィードフォワード修正部、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、
   外部機器から通知された外乱印加予定時刻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を出力するように構成されたトリガー信号起動部と、
   前記トリガー信号に応じて、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、
   予め規定された操作量上下限値に対する前記第１の操作量の余裕に応じて前記トリガー信号起動部と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修正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修正部は、操作量上下限値に対する前記第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の配分が基準のフィードフォワード制御の場合よりも前倒しになるように、前記トリガー信号起動部と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フィードフォワード制御パラメータである時定数を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修正部は、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、前記トリガー信号起動部のフィードフォワード制御パラメータである前記先行開始時間をＦＦ＿ｉｎとしたとき、前記余裕量ＭＶ＿Ｃが想定値より少ない場合に、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前記時定数ＴｆをＴｆ＿Ｃ＝Ｋｘ／（２．７１８ＭＶ＿Ｃ）に変更し、前記トリガー信号起動部のフィードフォワード制御パラメータである前記先行開始時間ＦＦ＿ｉｎをＦＦ＿ｉｎ＿Ｃ＝ＦＦ＿ｉｎ＋２．０（Ｔｆ＿Ｃ－Ｔｆ）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、
   外部機器から通知された外乱印加予定時刻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を出力する第２のステップと、
   前記トリガー信号に応じて、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する第４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５のステップと、
   予め規定された操作量上下限値に対する前記第１の操作量の余裕に応じて前記第２のステップと前記第３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６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６のステップは、操作量上下限値に対する前記第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の配分が基準のフィードフォワード制御の場合よりも前倒しになるように、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３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フィードフォワード制御パラメータである時定数を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６のステップは、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、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である前記先行開始時間をＦＦ＿ｉｎとしたとき、前記余裕量ＭＶ＿Ｃが想定値より少ない場合に、前記第３のステップのフィードフォワード制御パラメータである前記時定数ＴｆをＴｆ＿Ｃ＝Ｋｘ／（２．７１８ＭＶ＿Ｃ）に変更し、前記第２のステップのフィードフォワード制御パラメータである前記先行開始時間ＦＦ＿ｉｎをＦＦ＿ｉｎ＿Ｃ＝ＦＦ＿ｉｎ＋２．０（Ｔｆ＿Ｃ－Ｔｆ）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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