JP2022061664A

JP2022061664A - 制御装置および制御方法

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Publication number: JP2022061664A
Application number: JP2020169728A
Authority: JP
Inventors: 雅人田中; Masahito Tanaka
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2020-10-07
Filing date: 2020-10-07
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2040-10-07
Also published as: JP7553310B2

Abstract

【課題】フィードフォワード制御のトリガーが入力されなかった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、制御量ＰＶの変化に基づいて外乱印加を検出する外乱印加検出部５と、フィードフォワード制御の開始のためのトリガー信号ＦＦ＿Ｘが入力されていない状態で外乱印加が検出された場合に、フィードフォワード制御の初期時点におけるフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘの配分がトリガー信号ＦＦ＿Ｘが入力された状態で外乱が印加された場合よりも多くなるように、フィードフォワード算出部２の設定変更を行なうフィードフォワード修正部６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１５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１５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１６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１６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１７に示す。図１７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外乱印加前に開始する場合、外乱印加の予定（あるいは予測）を通知する信号の役割を果たす操作量加算値ＦＦ＿Ｐ、操作量減算値ＦＦ＿Ｍを、フィードフォワード制御のトリガーとして入力する必要がある。しかしながら、通信障害などによりトリガーが入力され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、フィードフォワード制御のトリガーが入力されなかった場合に、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、前記制御量の変化に基づいて外乱印加を検出するように構成された外乱印加検出部と、前記トリガー信号が入力されていない状態で前記外乱印加が検出された場合に、フィードフォワード制御の初期時点における前記フィードフォワード量の配分が前記トリガー信号が入力された状態で前記外乱が印加された場合よりも多くなるように、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設定変更を行なうように構成されたフィードフォワード修正部とを備え、前記フィードフォワード算出部は、前記トリガー信号が入力されていない状態で前記外乱印加が検出された場合に、前記設定変更がなされた後に前記フィードフォワード量の算出を開始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、予め規定された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としたとき、前記時定数Ｔｆの設定をＫｘ／（２．７１８ＭＶ＿Ｃ）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、前記制御量の変化に基づいて外乱印加を検出する第５のステップと、前記トリガー信号が入力されていない状態で前記外乱印加が検出された場合に、フィードフォワード制御の初期時点における前記フィードフォワード量の配分が前記トリガー信号が入力された状態で前記外乱が印加された場合よりも多くなるように、前記第１の操作量の余裕に応じて設定変更を行なう第６のステップと、前記トリガー信号が入力されていない状態で前記外乱印加が検出された場合に、前記設定変更がなされた後に前記フィードフォワード量の算出を開始する第７のステップとを含むことを特徴とするものである。

また、本発明の制御方法の１構成例において、前記第２のステップと前記第７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、予め規定された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としたとき、前記時定数Ｔｆの設定をＫｘ／（２．７１８ＭＶ＿Ｃ）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、外乱印加検出部とフィードフォワード修正部とを設けることにより、トリガー信号が入力されていない状態で外乱が印加された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、外乱印加から遅れてフィードフォワード制御を開始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１０は、本発明の実施例においてトリガー信号が入力されずに外乱印加を検出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１１は、本発明の実施例においてトリガー信号が入力されずに外乱印加を検出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１２は、外乱印加から遅れてフィードフォワード制御を開始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１３は、外乱印加から遅れてフィードフォワード制御を開始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１４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１５は、加熱装置の構成を示すブロック図である。図１６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１７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）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、全てのフィードフォワード量を外乱印加前に配分するものではないことに着眼した。

つまり、フィードフォワード量の時系列的な配分には特定の時点に集中させる余地（パラメータＴｆを短くできる余地）がある。一方で、フィードフォワード量の１制御周期における可能な最大量は、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）との差で決まる。この差は、フィードフォワード量を加えられる余裕量に相当する。

そこで、発明者は、フィードフォワード制御のトリガーが入力されなかった場合に、外乱印加に対して事後にはなるが、制御量ＰＶの外乱による変化を検出するようにして、外乱による変化を検出した時点で、操作量ＭＶの余裕に応じて制御周期毎のフィードフォワード量の配分を前倒しにした変更（パラメータＴｆを短くする変更）を行ない、フィードフォワード制御を実行することに想到した。これにより、全てのフィードフォワード制御の実行が手遅れ傾向にな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、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、外乱印加の前にトリガー信号ＦＦ＿Ｘが入力されるトリガー信号入力部４と、制御量ＰＶの変化に基づいて外乱印加を検出する外乱印加検出部５と、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが入力されていない状態で外乱印加が検出された場合に、フィードフォワード制御の初期時点におけるフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘの配分がトリガー信号ＦＦ＿Ｘが入力された状態で外乱が印加された場合よりも多くなるように、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の設定変更を行なうフィードフォワード修正部６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７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８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）となるトリガー信号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Ｓ１０５）。
トリガー信号ＦＦ＿Ｘが０の状態で外乱印加を検出した場合の動作（図３ステップＳ１０４，Ｓ１１４～Ｓ１１９）については後述する。

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Ｓ１０６）。
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７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Ｓ１０７）。
ＩＦＭＶ＿Ｆ＜ＯＬＴＨＥＮＭＶ＿Ｆ’＝ＯＬ・・・（７）
ＩＦＭＶ＿Ｆ＞ＯＨＴＨＥＮＭＶ＿Ｆ’＝ＯＨ・・・（８）
つまり、リミット処理部７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８は、リミット処理部７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Ｓ１０８）。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，Ｓ１０５～Ｓ１０８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Ｓ１０９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とフィードフォワード修正部６とに入力される。

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、外乱の印加が終了した時点から所定時間後にトリガー信号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、外乱印加のタイミングに対してトリガー信号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。

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Ｓ１１０）。
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。なお、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。

次に、フィードフォワード実行部３は、ステップＳ１０６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Ｓ１１１）。
図４のステップＳ１１２，Ｓ１１３の処理は、ステップＳ１０７，Ｓ１０８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，Ｓ１１０～Ｓ１１３の処理を制御周期毎に実行する。

次に、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが０の状態で外乱印加を検出した場合の動作について説明する。外乱印加検出部５は、制御量ＰＶの変化に基づき、外乱印加を検出する。外乱印加検出部５は、制御量ＰＶが設定値ＳＰから離れる方向に変化したとき外乱が印加されたと判定するが、制御量ＰＶが設定値ＳＰから離れる状況には以下の２種類がある。

（I）設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差Ｅｒ＝ＳＰ－ＰＶが正の値で、その絶対値｜Ｅｒ｜が増大する場合（制御量ＰＶが設定値ＳＰより小さくなっていく場合）、すなわちＥｒ＞０で、かつＥｒ＞Ｅｒ’（Ｅｒ’は１制御周期前の偏差）が成立する場合。
（II）偏差Ｅｒが負の値で、その絶対値｜Ｅｒ｜が増大する場合（制御量ＰＶが設定値ＳＰより大きくなっていく場合）、すなわちＥｒ＜０で、かつＥｒ＜Ｅｒ’が成立する場合。

外乱印加検出部５は、上記（I）、（II）の何れかの状況が生じたとき外乱が印加されたと判定する。外乱印加検出部５は、このような判定を制御周期毎に実行する。なお、例えば制御量ＰＶが設定値ＳＰに整定している状態から、予め規定された整定範囲Ｅｒ＿Ｓから外れたときというように、シンプルな方法でも外乱印加を検出可能である。

フィードフォワード修正部６は、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが０の状態で外乱印加が検出された場合に、フィードフォワード制御の初期時点におけるフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘの配分がトリガー信号ＦＦ＿Ｘが１の状態で外乱が印加された場合よりも多くなるように、基本操作量ＭＶの余裕に応じて時定数Ｔｆの設定変更を行なう。

より具体的には、フィードフォワード修正部６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と外乱印加前の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Ｓ１１４）。
ＭＶ＿Ｃ＝ＯＨ－ＭＶ＿Ｓ・・・（１０）

また、フィードフォワード修正部６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、外乱印加前の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Ｓ１１４）。
ＭＶ＿Ｃ＝ＭＶ＿Ｓ－ＯＬ・・・（１１）

そして、フィードフォワード修正部６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Ｓ１１５）。
Ｔｆ＿Ｃ＝（ＭＦ＿ｍａｘ／ＭＶ＿Ｃ）Ｔｆ＝Ｋｘ／（２．７１８ＭＶ＿Ｃ）
・・・（１２）

フィードフォワード算出部２は、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが０の状態で外乱印加が検出された場合に、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、次式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Ｓ１１６）。
ＭＶ＿Ｘ＝｛Ｋｘｓ／（１＋Ｔｆ＿Ｃｓ）²｝ＦＦ＿Ｘ・・・（１３）

図３のステップＳ１１７～Ｓ１１９の処理は、ステップＳ１１１～Ｓ１１３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０の状態で外乱印加が検出された場合に、ステップＳ１００～Ｓ１０２，Ｓ１１４～Ｓ１１９の処理を制御周期毎に実行する。

なお、フィードフォワード修正部６は、外乱印加検出部５によって外乱印加が検出された時点から所定の終了時間経過後に、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を、変更前の値Ｔｆに戻す。この時定数Ｔｆを元に戻すタイミングは、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。

また、フィードフォワード算出部２は、外乱印加検出部５によって外乱印加が検出された時点から所定の終了時間経過後に、式（１３）の算出を停止してフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを０にする。こうして、制御装置は、フィードバック制御のみの動作（ステップＳ１００～Ｓ１０２，Ｓ１０５～Ｓ１０８）に戻る。
なお、実際にはフィードフォワード算出部２が式（１３）の算出を停止する前に、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘは０に収束しているので、終了時間が経過する前に制御装置はフィードバック制御のみの動作に戻る。

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）・・・（１４）

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ｄｔは１．０ｓｅｃ．である。

正常な場合の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、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．が予め設定されていた場合を示している。正常な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９は、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが入力されずに（ＦＦ＿Ｘ＝０）、１００ｓｅｃ．の時点で外乱が印加され、外乱印加から１．０ｓｅｃ．遅れてフィードフォワード制御を開始した場合の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．が予め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．のままであり、Ｔｆ＿Ｃへの変更は行なっていない。

図１０は、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが入力されずに（ＦＦ＿Ｘ＝０）、１００ｓｅｃ．の時点で外乱が印加されたときに、本実施例の動作によって外乱印加から１．０ｓｅｃ．遅れてフィードフォワード制御を開始した場合の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修正部６は、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが０の状態で外乱印加が検出されたことにより、以下の計算を行う。
ＭＶ＿Ｃ＝ＯＨ－ＭＶ＿Ｓ＝１００．０％－５．０％＝９５．０％・・・（１５）
Ｔｆ＿Ｃ＝Ｋｘ／（２．７１８ＭＶ＿Ｃ）
＝６５２．３／（２．７１８×９５．０）＝２．５ｓｅｃ．・・・（１６）

フィードフォワード修正部６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＝２．５ｓｅｃ．に変更する。こうして、外乱印加の検出に応じて時定数が変更され、外乱印加から１．０ｓｅｃ．遅れてフィードフォワード制御が開始される。

本実施例によれば、外乱印加から１．０ｓｅｃ．遅れてフィードフォワード制御が開始されるが、フィードフォワード制御の初期時点におけるフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘの配分がトリガー信号ＦＦ＿Ｘが入力された状態で外乱が印加された場合（図７、図８の場合）よりも多くなるように時定数Ｔｆ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、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが入力されずに（ＦＦ＿Ｘ＝０）、１００ｓｅｃ．の時点で外乱が印加されたときに、外乱印加から１．０ｓｅｃ．遅れてフィードフォワード制御を開始した場合の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１３は、図１２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１２、図１３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、外乱印加から１．０ｓｅｃ．遅れて時定数をＴｆ＝０．５ｓｅｃ．に変更してフィードフォワード制御を開始した場合を示している。この図１２、図１３の例では、本実施例と比較して時定数Ｔｆが過剰に修正されており、操作量上限値ＯＨまでの操作量ＭＶの余裕を超えてフィードフォワード量の配分を前倒しにしているため、結果的に図１０、図１１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ことになる。

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１４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…外乱印加検出部、６…フィードフォワード修正部、７…リミット処理部、８…操作量出力部。

Claims

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、
前記制御量の変化に基づいて外乱印加を検出するように構成された外乱印加検出部と、
前記トリガー信号が入力されていない状態で前記外乱印加が検出された場合に、フィードフォワード制御の初期時点における前記フィードフォワード量の配分が前記トリガー信号が入力された状態で前記外乱が印加された場合よりも多くなるように、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設定変更を行なうように構成されたフィードフォワード修正部とを備え、
前記フィードフォワード算出部は、前記トリガー信号が入力されていない状態で前記外乱印加が検出された場合に、前記設定変更がなされた後に前記フィードフォワード量の算出を開始することを特徴とする制御装置。
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、予め規定された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としたとき、前記時定数Ｔｆの設定をＫｘ／（２．７１８ＭＶ＿Ｃ）に変更することを特徴とする制御装置。
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、
前記制御量の変化に基づいて外乱印加を検出する第５のステップと、
前記トリガー信号が入力されていない状態で前記外乱印加が検出された場合に、フィードフォワード制御の初期時点における前記フィードフォワード量の配分が前記トリガー信号が入力された状態で前記外乱が印加された場合よりも多くなるように、前記第１の操作量の余裕に応じて設定変更を行なう第６のステップと、
前記トリガー信号が入力されていない状態で前記外乱印加が検出された場合に、前記設定変更がなされた後に前記フィードフォワード量の算出を開始する第７のステップとを含むことを特徴とする制御方法。
請求項３記載の制御方法において、
前記第２のステップと前記第７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、予め規定された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としたとき、前記時定数Ｔｆの設定をＫｘ／（２．７１８ＭＶ＿Ｃ）に変更するステップを含むことを特徴とする制御方法。