JP2022112119A - 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ことができる制御装置を提供する。【解決手段】制御装置は、設定値ＳＰに対し時間遅れフィルタ処理を実行し補正設定値ＳＰ’を算出する設定値フィルタ部１と、補正設定値ＳＰ’と制御量ＰＶから基本操作量ＭＶを算出する操作量算出部２と、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設定値追従の応答前後の実操作量差に基づいてステップ要素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を推定するステップ対応推定部５と、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１の総量を算出する総量算出部６と、実操作量ＭＶ＿Ｆ’の変化量総量からフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１の総量を減算した結果に基づいてインパルス要素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を推定するインパルス対応推定部７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量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。

ここで、設定値ＳＰの変更に対する設定値追従制御において、設定値ＳＰに時間遅れフィルタ（例えば１次遅れフィルタ）を適用して補正設定値ＳＰ’を生成し、この補正設定値ＳＰ’に対してＰＩＤ制御によるフィードバック制御を実行すると、設定値ＳＰと補正設定値ＳＰ’と制御量ＰＶの変化は図１８に示すようになる。すなわち、制御量ＰＶの応答速度を、補正設定値ＳＰ’によって実質的に調整することができ、制御量ＰＶの急変動を緩和したいときに特に便利である。また、実操作量ＭＶ＿Ｆ’は図１９に示すようになる。図１８、図１９の制御量ＰＶ、実操作量ＭＶ＿Ｆ’は、ＭＶ＿Ｐ＝ＭＶ＿Ｍ＝０とし、設定値ＳＰの代わりに補正設定値ＳＰ’を操作量算出部２０１に入力した結果に相当する。

補正設定値ＳＰ’と制御量ＰＶとの偏差Ｅｒ（＝ＳＰ’－ＰＶ）は図２０に示すようになり、特許文献３における外乱応答と類似の挙動になる。すなわち、制御量ＰＶをさらに補正設定値ＳＰ’に一致するように追従させるために、補正設定値ＳＰ’に対する制御量ＰＶの偏差Ｅｒを外乱のように見なして、特許文献３における外乱応答のフィードフォワード制御を適用することが有効である。

このように、補正設定値ＳＰ’を入力とするフィードバック制御に対して、特許文献３で提案したフィードフォワード制御を適用することは有効な手法となり得る。
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。特に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、設定値に時間遅れフィルタを適用する形態において、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、設定値に対し時間遅れフィルタ処理を実行して補正設定値を算出するように構成された設定値フィルタ部と、前記補正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、前記設定値の変更前に有意の値となる、フィードフォワード開始のトリガー信号の入力に応じて、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、前記トリガー信号が入力された規定の第１の試行期間において前記第２の操作量を制御対象に出力させたときの設定値追従の応答前後の前記第２の操作量の差に基づいて、設定値追従制御のステップ要素に必要な第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、設定値追従制御のインパルス要素に必要な第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信号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、前記総量算出部は、前記トリガー信号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し、前記第２の推定部は、前記第２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の試行期間における前記第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前記第２のパラメータを更新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、ゼロから前記第１のパラメータの値へと徐々に収束する量であり、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、前記トリガー信号を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。
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のパラメータの値に近づいた後にゼロへと徐々に収束する量であり、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、前記トリガー信号を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。

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、設定値追従の応答前後の前記第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、前記減算の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、本発明の制御装置の１構成例は、前記設定値の変更幅が前記第１の試行期間のときの基準の変更幅から変わる予定のときに、前記基準の変更幅に対する前記第１、第２のパラメータの割合と新たな変更幅とに基づいて、前記第１、第２のパラメータを更新するように構成された設定変更部をさらに備えることを特徴とするものである。

また、本発明の制御方法は、設定値に対し時間遅れフィルタ処理を実行し補正設定値を算出する第１のステップと、前記補正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２のステップと、前記設定値の変更前に有意の値となる、フィードフォワード開始のトリガー信号の入力に応じて、第１の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の操作量に前記第１の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５のステップと、前記トリガー信号が入力された規定の第１の試行期間において前記第２の操作量を制御対象に出力させたときの設定値追従の応答前後の前記第２の操作量の差に基づいて、設定値追従制御のステップ要素に必要な第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６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７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、設定値追従制御のインパルス要素に必要な第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８のステップとを含み、前記第３のステップは、前記第１の試行期間の後に前記トリガー信号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構成例は、前記トリガー信号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９のステップと、前記第９のステップで算出した前記第２のフィードフォワード量の総量を前記第２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減算した結果に基づいて前記第２のパラメータを更新する第１０のステップとをさらに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、ゼロから前記第１のパラメータの値へと徐々に収束する量であり、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、前記トリガー信号を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。
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のパラメータの値に近づいた後にゼロへと徐々に収束する量であり、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、前記トリガー信号を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。

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、前記設定値追従の応答前後の前記第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、前記減算の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、本発明の制御方法の１構成例は、前記設定値の変更幅が前記第１の試行期間のときの基準の変更幅から変わる予定のときに、前記基準の変更幅に対する前記第１、第２のパラメータの割合と新たな変更幅とに基づいて、前記第１、第２のパラメータを更新する第１１のステップをさらに含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、第１の推定部と総量算出部と第２の推定部とを設けることにより、設定値追従制御の実行結果（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。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。

また、本発明では、第２の推定部が、第２の試行期間における第２の操作量の変化量の総量から第２の試行期間における第２のフィードフォワード量の総量を減算して、この減算結果に基づいて第２のパラメータを更新することにより、第１のフィードフォワード量をさらに高精度に推定することができる。

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設定値と補正設定値と制御量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設定値と補正設定値と制御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、本発明の実施例に係る制御装置の設定変更部の動作を説明するフローチャートである。 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。 図１８は、補正設定値を入力とするフィードバック制御を実行した場合の制御量のシミュレーション結果を示す図である。 図１９は、補正設定値を入力とするフィードバック制御を実行した場合の実操作量のシミュレーション結果を示す図である。 図２０は、補正設定値を入力とするフィードバック制御を実行した場合の補正設定値と制御量との偏差のシミュレーション結果を示す図である。

［発明の原理１］
適用対象の設定値追従制御には、大きく分けてインパルス要素とステップ要素の２種類がある。
インパルス要素は、設定値追従制御の過渡状態に影響を及ぼす要素であり、一時的かつ衝撃のような実操作量ＭＶ＿Ｆの変化である。ステップ要素は、設定値追従の応答の前後で整定時の実操作量ＭＶ＿Ｆに変化が生じる要素であり、整定状態という平衡点自体が変化する要素である。なお、特許文献３にはインパルス要素の動作が記載されている。

発明者は、鋭意研究の結果、以下の（I）～（III）の手順でほぼ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、設定値ＳＰ変更のタイミングが既知であることにより、設定値ＳＰ変更前に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。

（I）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）Ｔｆを、設定値ＳＰに適用する時間遅れフィルタ（例えば１次遅れフィルタ）の時定数Ｔ＿ｓｐに比例して、Ｔｆ＝ηＴ＿ｓｐ（例えばη＝０．５５）というように一意的に決定する。

（II）少なくともフィードバック制御による設定値追従制御（フィードバック制御のみの設定値追従制御、あるいはフィードバック制御＋調整前のフィードフォワード制御）を実行し、設定値追従の応答前後の実操作量差ΔＭＶ＿ｓｔｐを目安にステップ要素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。

（III）上記（II）で実行した設定値追従制御において、実操作量ＭＶ＿Ｆの変化量総量ΔＭＶ＿ａｌｌを算出し、（II）で推定したステップ要素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要素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。

本発明では、上記のように１回の設定値追従制御を確認すればよい。なお、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１およびフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２は、設定値ＳＰの変更幅に比例して増減するので、基準となる設定値ＳＰ変更幅に対する割合の量として規定するのが実用的で好ましい。すなわち、設定値ＳＰ変更幅を任意に切り替えて使用する場合であっても、設定値ＳＰ変更幅に応じて基準となる設定値ＳＰ変更幅との倍率で換算することにより、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ１およびフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２を自動決定できる。

［発明の原理２］
上記の（I）～（III）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・調整が可能である。ただし、インパルス要素とステップ要素は同時に進行するので、（I）～（III）の手順を終えた段階では、インパルス要素に必要なフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ２を高精度に推定する目安が得られているとは限らない。したがって、以下の（IV）手順を追加することが好ましい。

（IV）少なくとも上記（II）で推定したステップ要素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）とフィードバック制御とで設定値追従制御を再度実行し、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要素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に比例する。

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回の設定値追従制御を確認すればよい。２回の試行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に対し時間遅れフィルタ処理（例えば１次遅れフィルタ処理）を実行して補正設定値ＳＰ’を算出する設定値フィルタ部１と、補正設定値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）をフィードバック制御演算により算出する操作量算出部２と、設定値ＳＰの変更前に有意の値となる、フィードフォワード開始のトリガー信号ＦＦ＿Ｘの入力に応じて、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ（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３と、操作量算出部２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４とを備えている。

また、制御装置は、トリガー信号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設定値追従の応答前後の実操作量差ΔＭＶ＿ｓｔｐに基づいて、設定値追従制御のステップ要素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５（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６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、設定値追従制御のインパルス要素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７（第２の推定部）とを備えている。なお、本実施例では、少なくとも基本操作量ＭＶを含む実操作量ＭＶ＿Ｆの一例として、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘがゼロの状態で基本操作量ＭＶのみを実操作量ＭＶ＿Ｆとして制御対象に出力させる形態で説明する。

さらに、制御装置は、ステップ対応推定部５とインパルス対応推定部７の推定結果をフィードフォワード算出部３に設定する推定結果出力部８と、フィードフォワード実行部４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９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１０と、設定値ＳＰの変更幅ΔＳＰが第１の試行期間のときの基準の変更幅から変わる予定のときに、基準の変更幅に対するパラメータＫｘ１，Ｋｘ２の割合と新たな変更幅とに基づいて、パラメータＫｘ１，Ｋｘ２を更新する設定変更部１１とを備えている。ただし、実操作量ＭＶ＿Ｆの動作が操作量下限値ＯＬから操作量上限値ＯＨの範囲に限られている場合は、リミット処理部は備えなくてもよいし、本発明は実操作量ＭＶ＿Ｆの動作が操作量下限値ＯＬから操作量上限値ＯＨの範囲に限られている場合に特に有効に適用できる。
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、設定値フィルタ部１に入力される（図３ステップＳ１００）。

設定値フィルタ部１は、設定値ＳＰに対し時間遅れフィルタ処理（例えば１次遅れフィルタ処理）を実行し補正設定値ＳＰ’を算出する（図３ステップＳ１０１）。具体的には、設定値フィルタ部１は、式（５）のような１次遅れフィルタ処理を実行する。
ＳＰ’＝｛１／（１＋Ｔ＿ｓｐｓ）｝ＳＰ ・・・（５）

ｓはラプラス演算子である。Ｔ＿ｓｐはフィルタ時定数であり、単位はｓｅｃ．である。フィルタ時定数Ｔ＿ｓｐは例えばオペレータの要望に基づいて予め設定される。
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２に入力される（図３ステップＳ１０２）。

操作量算出部２は、補正設定値ＳＰ’と制御量ＰＶとを入力として、制御量ＰＶが補正設定値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Ｓ１０３）。
ＭＶ＝（１００／Ｐｂ）｛１＋（１／Ｔｉｓ）＋Ｔｄｓ｝（ＳＰ’－ＰＶ）
・・・（６）
Ｐｂは比例帯、Ｔｉは積分時間、Ｔｄは微分時間である。

フィードフォワード算出部３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、設定値ＳＰの変更前に１（有意の値）となり設定値ＳＰの変更後に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Ｓ１０４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）。

フィードフォワード実行部４は、操作量算出部２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３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 ・・・（７）

ここでは、ＭＶ＿Ｘ＝０なので、ＭＶ＿Ｆ＝ＭＶである。リミット処理部９は、フィードフォワード実行部４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）。
ＩＦ ＭＶ＿Ｆ＜ＯＬ ＴＨＥＮ ＭＶ＿Ｆ’＝ＯＬ ・・・（８）
ＩＦ ＭＶ＿Ｆ＞ＯＨ ＴＨＥＮ ＭＶ＿Ｆ’＝ＯＨ ・・・（９）
つまり、リミット処理部９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１０は、リミット処理部９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。

制御装置は、図３のステップＳ１００～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、設定値ＳＰ変更のタイミングが既知であることにより、設定値ＳＰ変更前に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、制御量ＰＶを補正設定値ＳＰ’と一致するように追従させるために、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。

例えば薬品の製造装置において、薬品製造の炉の温度を変え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、炉の温度（設定値ＳＰ）を変更する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。外部機器は、設定値ＳＰを変更した時点から所定時間後にトリガー信号ＦＦ＿Ｘを０にする。このトリガー信号ＦＦ＿Ｘを０にするタイミングは、設定値ＳＰの変更後に実操作量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、設定値ＳＰの変更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。

ステップ対応推定部５は、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが０から１になったとき（図３ステップＳ１０４においてＹＥＳ）、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが１になった１回目の設定値追従制御の期間（第１の試行期間）においては（図３ステップＳ１１０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３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Ｓ１１１）。

図３のステップＳ１１２～Ｓ１１４の処理は、ステップＳ１０６～Ｓ１０８の処理と同じである。そして、ステップ対応推定部５とインパルス対応推定部７とは、フィードフォワード実行部４によって算出されリミット処理部９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Ｓ１１５）。

ステップ対応推定部５は、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが１になった１回目の設定値追従制御において、実操作量ＭＶ＿Ｆ’が整定したと判定した場合（図３ステップＳ１１６においてＹＥＳ）、設定値追従の応答前後の実操作量差ΔＭＶ＿ｓｔｐを算出する（図３ステップＳ１１７）。実操作量差ΔＭＶ＿ｓｔｐは、ステップＳ１１６において整定したと判定したときの実操作量ＭＶ＿Ｆ’の整定値と設定値ＳＰ変更前の実操作量ＭＶ＿Ｆ’（トリガー信号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５は、ステップ要素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Ｓ１１８）。
Ｋｘ１＝ΔＭＶ＿ｓｔｐ ・・・（１０）
すなわち、本実施例では、ステップ対応推定部５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８は、ステップ対応推定部５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３に設定する（図３ステップＳ１１９）。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３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３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３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。

ステップ要素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
・・・（１１）

また、インパルス要素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
・・・（１２）

式（１１）、式（１２）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）であり、単位はｓｅｃ．である。時定数Ｔｆは、設定値ＳＰに適用される時間遅れフィルタ（例えば１次遅れフィルタ）の時定数Ｔ＿ｓｐに比例して、次式のように予め設定することができる。
Ｔｆ＝ηＴ＿ｓｐ ・・・（１３）
係数ηは、０より大きい実数であり、例えば０．５５である。

式（１１）、式（１２）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５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（１１）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（１２）のＫｘ２は、インパルス要素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（１２）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（１１）～式（１３）は、フィードフォワード算出部３に記憶されている。時定数Ｔｆについては、式（１３）によりフィードフォワード算出部３が自動的に設定してもよいし、オペレータが手動で設定してもよい。

次に、総量算出部６は、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが１になった１回目の設定値追従制御においてステップ要素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Ｓ１２０）。ステップ対応推定部５によってパラメータＫｘ１の値が推定されたので、トリガー信号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（１１）によって算出することができる。

インパルス対応推定部７は、設定値ＳＰ変更前の実操作量ＭＶ＿Ｆ’（トリガー信号ＦＦ＿Ｘが１になる直前の実操作量ＭＶ＿Ｆ’の整定値）に対して、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが１になった１回目の設定値追従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Ｓ１２１）。なお、本実施例では、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７は、ステップＳ１２１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６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Ｓ１２２）。
ΔＭＶ＿ｉｍｐ＝ΔＭＶ＿ａｌｌ－ＭＶ＿Ｘ１＿ａｌｌ ・・・（１４）

さらに、インパルス対応推定部７は、インパルス要素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Ｓ１２３）。
Ｋｘ２＝ΔＭＶ＿ｉｍｐ×ｄｔ ・・・（１５）

式（１５）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８は、インパルス対応推定部７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３に設定する（図３ステップＳ１２４）。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３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３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３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Ｓ１００～Ｓ１０４，Ｓ１１０～Ｓ１２４までの処理が上記の（I）～（III）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。したがって、推定に基づく調整もできる。ステップＳ１１７～Ｓ１２４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、設定値ＳＰが変更された後の規定のタイミングでトリガー信号ＦＦ＿Ｘは１から０に戻る。

次に、フィードフォワード算出部３は、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが０から１になったとき（ステップＳ１０４においてＹＥＳ）、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが１になった２回目の設定値追従制御の期間（第２の試行期間）においては（図４ステップＳ１２５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（１１）によりステップ要素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Ｓ１２６）。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３は、式（１２）によりインパルス要素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Ｓ１２７）。

そして、フィードフォワード算出部３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Ｓ１２８）。
ＭＶ＿Ｘ＝ＭＶ＿Ｘ１＋ＭＶ＿Ｘ２ ・・・（１６）

図４のステップＳ１２９～Ｓ１３１の処理は、ステップＳ１０６～Ｓ１０８の処理と同じである。そして、ステップ対応推定部５とインパルス対応推定部７とは、フィードフォワード実行部４によって算出されリミット処理部９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４ステップＳ１３２）。

総量算出部６は、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが１になった２回目の設定値追従制御において、実操作量ＭＶ＿Ｆ’が整定したときに（図４ステップＳ１３３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３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を算出する（図４ステップＳ１３４）。

インパルス対応推定部７は、２回目の設定値ＳＰ変更の前の実操作量ＭＶ＿Ｆ’（トリガー信号ＦＦ＿Ｘが１になる直前の実操作量ＭＶ＿Ｆ’の整定値）に対して、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが１になった２回目の設定値追従制御における実操作量ＭＶ＿Ｆ’の変化量総量ΔＭＶ＿ａｌｌ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４ステップＳ１３５）。

続いて、インパルス対応推定部７は、ステップＳ１３５で算出した実操作量ＭＶ＿Ｆ’の変化量総量ΔＭＶ＿ａｌｌからステップＳ１３４で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４ステップＳ１３６）。

さらに、インパルス対応推定部７は、ステップＳ１３６で算出した変化量総量ΔＭＶ＿ｉｍｐに基づいて、パラメータＫｘ２の適正値を式（１５）により推定する（図４ステップＳ１３７）。

推定結果出力部８は、フィードフォワード算出部３に設定されているパラメータＫｘ２の値を、インパルス対応推定部７によって新たに推定された値に更新する（図４ステップＳ１３８）。このようにパラメータＫｘ２の値を自動更新してもよいし、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更新してもよい。

ステップＳ１２５～Ｓ１３８までの処理が上記の（IV）の手順に相当する処理フローになる。ステップＳ１３４～Ｓ１３８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。

トリガー信号ＦＦ＿Ｘが１になった３回目以降の設定値追従制御の場合におけるステップＳ１３９～Ｓ１４４の処理は、ステップＳ１２６～Ｓ１３１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Ｋｐ＝１０．０、プロセス時定数Ｔｐ＝２００．０ｓｅｃ．、プロセスむだ時間Ｌｐ＝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＋２００．０ｓ） ・・・（１７）

設定値フィルタ部１のフィルタ時定数Ｔ＿ｓｐについては、Ｔ＿ｓｐ＝７０．０ｓｅｃ．とする。また、操作量算出部２に設定されるＰＩＤパラメータを、比例帯Ｐｂ＝１５０％、積分時間Ｔｉ＝７０．０ｓｅｃ．、微分時間Ｔｄ＝１２．０ｓｅｃ．とした。制御周期ｄｔは１．０ｓｅｃ．である。

以下のシミュレーションでは、設定値ＳＰを、ＳＰ＝５０．０℃からＳＰ＝４００．０℃に変更する（設定値ＳＰ変更幅ΔＳＰ＝３５０．０℃）。
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、設定値フィルタ部１やフィードフォワード量の時定数要素を考慮して、予め確認できる制御対象のプロセスむだ時間Ｌｐに基づいて設定できる。具体的には、設定値ＳＰの変更時点よりαＬｐ前（係数αは０より大きい実数であり、例えば２．０）であることが妥当である。プロセスむだ時間Ｌｐ＝２０．０ｓｅｃ．の場合、フィードフォワード制御の開始タイミングは、設定値ＳＰの変更時点より４０．０ｓｅｃ．前となる。ただし、係数αは、適宜微調整され得る値である。

フィルタ時定数Ｔ＿ｓｐ＝７０．０ｓｅｃ．としたので、フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘを算出するための時定数Ｔｆは、式（１３）よりＴｆ＝３８．５ｓｅｃ．になる。

以下のシミュレーションでは、いずれも設定値ＳＰ変更前の操作量ＭＶ＝０．０％を基準に、０．０％よりも上昇した面積が実操作量ＭＶ＿Ｆ’の変化量総量ΔＭＶ＿ａｌｌであり、設定値追従後の実操作量ＭＶ＿Ｆ’の整定値が０．０％よりも高くなっている場合の０．０％との差が実操作量差ΔＭＶ＿ｓｔｐである。

図８、図９は、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設定値ＳＰと補正設定値ＳＰ’と制御量ＰＶと実操作量ＭＶ＿Ｆ’の変化の例を示す図である。このシミュレーション結果は、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが１になった１回目の設定値追従制御の結果に相当する。ステップ要素により、設定値追従の応答の前後で整定時の実操作量ＭＶ＿Ｆ’（フィードフォワード量ＭＶ＿Ｘ＝０．０なので基本操作量ＭＶと同等）に顕著な変化が生じている。

図８、図９の例では、設定値ＳＰ変更前の実操作量ＭＶ＿Ｆ’＝０．０％に対して設定値追従の応答後の実操作量ＭＶ＿Ｆ’の整定値が３５．０％なので、実操作量差ΔＭＶ＿ｓｔｐ＝３５．０％となる。ステップ対応推定部５は、式（１０）によりパラメータＫｘ１＝３５．０と推定する（図３ステップＳ１１８）。

ただし、設定値ＳＰの変更幅ΔＳＰに対する割合の量として規定するのが実用的なので、例えば１℃あたりの割合をパラメータＫｘ１＿Ｒとし、次式のように規定する。
Ｋｘ１＝Ｋｘ１＿ＲΔＳＰ ・・・（１８）
Ｋｘ１＿Ｒ＝３５．０／３５０．０＝０．１０ ・・・（１９）
これにより、設定値ＳＰの変更幅ΔＳＰを任意に切り替えて使用する場合であっても、設定値ＳＰの変更幅ΔＳＰに応じて、基準となる１℃あたりの割合であるパラメータＫｘ１＿Ｒとの倍率で換算することにより、パラメータＫｘ１の値を自動決定できる。

また、図８、図９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＝６７９４．２％となる。インパルス対応推定部７は、式（１５）によりパラメータＫｘ２＝６７９４．２と推定する（図３ステップＳ１２３）。

ただし、設定値ＳＰの変更幅ΔＳＰに対する割合の量として規定するのが実用的なので、例えば１℃あたりの割合をパラメータＫｘ２＿Ｒとし、次式のように規定する。
Ｋｘ２＝Ｋｘ２＿ＲΔＳＰ ・・・（２０）
Ｋｘ２＿Ｒ＝６７９４．２／３５０．０＝１９．４１２ ・・・（２１）
これにより、設定値ＳＰの変更幅ΔＳＰを任意に切り替えて使用する場合であっても、設定値ＳＰの変更幅ΔＳＰに応じて、基準となる１℃あたりの割合であるパラメータＫｘ２＿Ｒとの倍率で換算することにより、パラメータＫｘ２の値を自動決定できる。

図１０～図１２は、フィードフォワード制御とフィードバック制御により温度制御した場合の設定値ＳＰと補正設定値ＳＰ’と制御量ＰＶと実操作量ＭＶ＿Ｆ’とフィードフォワード量ＭＶ＿Ｘの変化の例を示す図である。これらのシミュレーション結果は、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが１になった２回目の設定値追従制御の結果に相当する。

１回目の設定値追従制御の結果、Ｋｘ１＝３５．０（Ｋｘ１＿Ｒ＝０．１０）、Ｋｘ２＝６７９４．２（Ｋｘ２＿Ｒ＝１９．４１２）となっている。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、設定値ＳＰを変更する１００ｓｅｃ．の時点より４０．０ｓｅｃ．前の６０ｓｅｃ．の時点になっている。また、前述のように時定数Ｔｆ＝３８．５ｓｅｃ．である。

図１０～図１２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＝６４７４．７％となる。インパルス対応推定部７は、式（１５）によりパラメータＫｘ２＝６４７４．７と推定する（図４ステップＳ１３７）。トリガー信号ＦＦ＿Ｘが１になった１回目の制御と比較して、より高精度な推定値を算出することができる。

ただし、設定値ＳＰの変更幅ΔＳＰに対する割合の量として規定するのが実用的なので、１℃あたりの割合としてＫｘ２＿Ｒ＝１８．４９９のように規定する。

なお、本実施例では、第２の試行期間における調整を実施しているが、この調整を実施しなくてもよい。第２の試行期間における調整を実施しない場合には、ステップＳ１２６～Ｓ１３８の処理を無くし、トリガー信号ＦＦ＿Ｘが１になった２回目以降の設定値追従制御においてステップＳ１３９～Ｓ１４４の処理を実行すればよい。

本実施例では、第１、第２の試行期間における設定値ＳＰの変更幅ΔＳＰ（基準の変更幅）が３５０．０℃の場合で説明しており、この場合には上記で推定したパラメータＫｘ１＝３５．０、Ｋｘ２＝６７９４．２をそのまま設定して使用することが可能である。一方、上記の説明から明らかなように、設定値ＳＰの変更幅ΔＳＰが３５０．０℃以外の場合には、パラメータＫｘ１，Ｋｘ２の設定を変更する必要がある。この設定変更について以下に説明する。

図１３は制御装置の設定変更部１１の動作を説明するフローチャートである。制御装置のオペレータは、次回の制御から設定値ＳＰの変更幅ΔＳＰが変わる予定の場合、新たな変更幅ΔＳＰｎｅｗを制御装置に入力する。

設定変更部１１は、設定値ＳＰの変更幅ΔＳＰｎｅｗが入力され（図１３ステップＳ２００においてＹＥＳ）、入力された変更幅ΔＳＰｎｅｗが上記の第１、第２の試行期間のときの変更幅ΔＳＰｏｌｄと異なる場合（図１３ステップＳ２０１においてＹＥＳ）、フィードフォワード算出部３に設定されている現在のパラメータＫｘ１，Ｋｘ２の１℃あたりの割合Ｋｘ１＿Ｒ，Ｋｘ２＿Ｒを次式により算出する（図１３ステップＳ２０２）。
Ｋｘ１＿Ｒ＝Ｋｘ１／ΔＳＰｏｌｄ ・・・（２２）
Ｋｘ２＿Ｒ＝Ｋｘ２／ΔＳＰｏｌｄ ・・・（２３）

続いて、設定変更部１１は、新たな変更幅ΔＳＰｎｅｗに応じたパラメータＫｘ１，Ｋｘ２の修正値Ｋｘ１ｎｅｗ，Ｋｘ２ｎｅｗを次式により算出する（図１３ステップＳ２０３）。
Ｋｘ１ｎｅｗ＝Ｋｘ１＿ＲΔＳＰｎｅｗ ・・・（２４）
Ｋｘ２ｎｅｗ＝Ｋｘ２＿ＲΔＳＰｎｅｗ ・・・（２５）

そして、設定変更部１１は、フィードフォワード算出部３に設定されているパラメータＫｘ１を修正値Ｋｘ１ｎｅｗに更新し、フィードフォワード算出部３に設定されているパラメータＫｘ２を修正値Ｋｘ２ｎｅｗに更新する（図１３ステップＳ２０４）。
こうして、変更幅ΔＳＰｎｅｗに応じてパラメータＫｘ１，Ｋｘ２の設定を変更することができる。変更後の制御は、ステップＳ１３９～Ｓ１４４で説明したとおりである。

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…設定値フィルタ部、２…操作量算出部、３…フィードフォワード算出部、４…フィードフォワード実行部、５…ステップ対応推定部、６…総量算出部、７…インパルス対応推定部、８…推定結果出力部、９…リミット処理部、１０…操作量出力部、１１…設定変更部。

Claims (14)

1. 設定値に対し時間遅れフィルタ処理を実行して補正設定値を算出するように構成された設定値フィルタ部と、
   前記補正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、
   前記設定値の変更前に有意の値となる、フィードフォワード開始のトリガー信号の入力に応じて、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、
   前記トリガー信号が入力された規定の第１の試行期間において前記第２の操作量を制御対象に出力させたときの設定値追従の応答前後の前記第２の操作量の差に基づいて、設定値追従制御のステップ要素に必要な第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、設定値追従制御のインパルス要素に必要な第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信号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、
   前記総量算出部は、前記トリガー信号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し、
   前記第２の推定部は、前記第２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の試行期間における前記第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前記第２のパラメータを更新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、
   前記第２のフィードフォワード量は、ゼロから前記第１のパラメータの値へと徐々に収束する量であり、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、前記トリガー信号を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。
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３のフィードフォワード量は、前記第２のパラメータの値に近づいた後にゼロへと徐々に収束する量であり、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、前記トリガー信号を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。
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、設定値追従の応答前後の前記第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、前記減算の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. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の制御装置において、
   前記設定値の変更幅が前記第１の試行期間のときの基準の変更幅から変わる予定のときに、前記基準の変更幅に対する前記第１、第２のパラメータの割合と新たな変更幅とに基づいて、前記第１、第２のパラメータを更新するように構成された設定変更部をさらに備えることを特徴とする制御装置。
8. 設定値に対し時間遅れフィルタ処理を実行し補正設定値を算出する第１のステップと、
   前記補正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２のステップと、
   前記設定値の変更前に有意の値となる、フィードフォワード開始のトリガー信号の入力に応じて、第１の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の操作量に前記第１の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５のステップと、
   前記トリガー信号が入力された規定の第１の試行期間において前記第２の操作量を制御対象に出力させたときの設定値追従の応答前後の前記第２の操作量の差に基づいて、設定値追従制御のステップ要素に必要な第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６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７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、設定値追従制御のインパルス要素に必要な第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８のステップとを含み、
   前記第３のステップは、前記第１の試行期間の後に前記トリガー信号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するステップを含む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、
   前記トリガー信号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９のステップと、
   前記第９のステップで算出した前記第２のフィードフォワード量の総量を前記第２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減算した結果に基づいて前記第２のパラメータを更新する第１０のステップとをさらに含むことを特徴とする制御方法。
10. 請求項８または９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、ゼロから前記第１のパラメータの値へと徐々に収束する量であり、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、前記トリガー信号を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８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３のフィードフォワード量は、前記第２のパラメータの値に近づいた後にゼロへと徐々に収束する量であり、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、前記トリガー信号を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。
12. 請求項８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６のステップは、前記設定値追従の応答前後の前記第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。
13. 請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の制御方法において、
    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、前記減算の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方法。
14. 請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の制御方法において、
    前記設定値の変更幅が前記第１の試行期間のときの基準の変更幅から変わる予定のときに、前記基準の変更幅に対する前記第１、第２のパラメータの割合と新たな変更幅とに基づいて、前記第１、第２のパラメータを更新する第１１のステップをさらに含むことを特徴とする制御方法。

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