JP2632575B2 - 改善された比例積分微分動作制御器 - Google Patents

改善された比例積分微分動作制御器

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JP2632575B2 JP1067756A JP6775689A JP2632575B2 JP 2632575 B2 JP2632575 B2 JP 2632575B2 JP 1067756 A JP1067756 A JP 1067756A JP 6775689 A JP6775689 A JP 6775689A JP 2632575 B2 JP2632575 B2 JP 2632575B2
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    • G05B11/01Automatic controllers electric
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    • G05B11/42Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.

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Description

【発明の詳細な説明】 [技術分野] 本発明は、一般的には比例積分差分動作制御器に関す
るものであり特に、複数のアルゴリズムを発生する能力
が利用されるハードウエアによって制限されないPID制
御器に関するものである。
[従来の技術] 比例積分微分動作制御の一般的な考え方は当分野でよ
く知られている。この種類の制御は、時間機構および蒸
気エンジン調整器で使用されたが、20世紀初頭、数学の
関係で最初に提唱された。PID制御の利用によって、ほ
とんど大多数のプロセス制御応用にPID制御器を使用す
る考え方が形成された。
PID制御器の進展によって、基本アルゴリズムの種々
の豊富な変形物が現在流通せられている。これらの変形
物は、利用可能なハードウエアが課す種々の制限による
ものである。PIDアルゴリズムの3つの原理形式は、以
下の並列アルゴリズム(式1)、非交互作用のアルゴリ
ズム(式2)および相互作用のアルゴリズム(式3)で
ある。
ここで、 U(t): 時間tでPIDにより算定される制御信号、 e(t): 時間tでの基準軌道とプロセス変量測定値
と間の誤差、 kC 全体の制御器のゲイン(出力単位/誤差単
位) kP 比例ゲイン(出力単位/誤差単位) kI 積分ゲイン(出力単位/分−誤差単位) kD 微分ゲイン(出力単位/分/誤差単位) S ラプラス演算子 である。
これら基本PIDアルゴリズムの3つの変形物が存在す
る。これらのアルゴリズム変形物は、位置タイプおよび
速度タイプのいずれでも可能であり、導関数は誤差信号
または実際の測定値で計算できそして導関数は先行遅れ
(リードラグ)の使用を通じてまたは直接的に計算でき
る。
上述の式(1)、(2)、(3)は位置形式で書かれ
ている。対応する速度式において、誤差信号は、誤差信
号の変化と置換されそして制御作用力の変化が標準式
(1)、(2)、(3)に従って計算される。制御作用
力のこの変化は、ある制御作用力を発生するために時間
にわたって積分される。通常の動作モードでは、位置的
アルゴリズムとその速度等価物との間に性能の差はな
い。しかし、飽和時間中、制御作用力が、その複数の制
限のうちの一つにより束縛されることとなるとき、先の
2つのアルゴリズムの振る舞いは全く異なる。速度タイ
プのアルゴリズムは、それが動作しているところの誤差
信号の絶対値が減少するとすぐにその束縛から離れる。
これと対照的に、位置タイプのアルゴリズムは誤差信号
の符号が変化するまで、その束縛から離れない。
式(1)、(2)、(3)は、微分動作を誤差信号に
適用するよう書かれている。これらのアルゴリズムの一
つの通常の変形は、誤差信号を微分計算でプロセス測定
値と置換することである。この変形により、擾乱拒否に
悪影響を与えることなく、設定点値間でのプロセスのス
ムーズな転換が生ずる。
さらに、式(1)、(2)、(3)は微分寄与分を直
接計算する形式で記載されている。標準的には、この計
算は、微分時間の10%の時定数で動作する第1次のフィ
ルタと結合して実行される。以下の式(4)は言、この
微分計算の実行を例示する。この補正は制御信号に対す
るプロセス雑音の影響をできるだけ最小限にするよう行
われる。
微分寄与分=kDS/(0.1kDS+1) (4) PIDアルゴリズムの通常の別の修正が、外部リセット
によるものである。式(3)のこの変形物では、積分式
で、外部測定値でもって制御出力に替える。この修正は
カスケード制御の内側ループの飽和から生ずる積分項の
ワインドアップの回避に使用される。
従来の工業上のPID制御器は、実際のハードウエアの
選択によってのみ、使用者による種々のアルゴリズム形
式間での選択が許容される。こうして、利用されるハー
ドウェアにより、制御器で利用できるアルゴリズムの形
式が決定されてしまう。この制限によって、利用される
ハードウエアによっては制限されない複数のアルゴリズ
ム形式を発生するPID制御器を開発することが所望され
ている。
[発明の概要] 本発明は、比例積分微分動作制御器の総括的な実行能
力を提供することにより、従来技術に関連の問題やその
ほかの問題をも解決するものである。この種の制御器
は、マイケル、ピー、ルーカス(Michael P.Lukas)に
よる、フォンノストランドラインホルト社(Von−Nostr
and Reinhold Co.)が1986年に発行したDistributed Co
ntrol Systemsと標題の付された刊行物で論議されてい
る制御器またはその変更物のうちのいずれとすることも
できる。いくつかのオプションが、使用者が本発明を特
定の問題に適合して使用することが許容されるよう、本
発明よって提供される。アルゴリズムのオプションによ
り、非相互作用タイプの制御器または古典的な相互作用
タイプの制御器の選択が許容される。非相互作用タイプ
の制御器が、制御器の3つのモードの任意のものへの同
調によって残りのモードへの同調に影響を及ぼさないと
いう性質によって特徴付けられる。対照的に、古典的な
相互作用タイプの制御器は同調パラメータ間で相互作用
を呈示し、こうしてアナログ制御器の振る舞いに非常に
類似する。
アルゴリズムのオプションはまた外部リセット制御器
を選択する。このオプションは古典的な相互作用タイプ
のアルゴリズムを基礎とするもので、積分を制御するた
めの機構をPIDアルゴリズムの外部に提供する。外部リ
セットによりたとえば、カスケード構成などの組合せで
使用される制御器の動作を調整するための機構を提供す
る。
[好ましい実施例の詳細な説明] 図面を参照しつつ本発明の好ましい例について説明す
るが、本発明はこれに限定されるものではない。第1図
が古典的な相互作用タイプのアルゴリズム10(すなわ
ち、積分項は、比例項および微分項の関数である)のブ
ロック図(請求項1)である。このように、このブロッ
ク図は、積分項を表示する上側部分、比例項を表示する
中央部分および微分項を表示する下側部分から構成され
る。中央部分を参照すると、制御されるべきプロセス変
量を表示する信号が、その正入力に設定点信号が入力さ
れる加算器12の負入力へ与えられる。加算器12の出力
は、誤差信号を表示し、比例乗算器14へ入力され、ここ
で、因子kkP(請求項2、3)が誤差に乗算される。比
例乗算器14の出力は加算器16の正入力に与えられる。プ
ロセス変量を表示する信号はまた加算器18の正入力18へ
も与えられる。前のプロセス変量を表示する信号がZ変
換機能ブロック20により加算器18の負入力へ供給され
る。加算器18の出力は、入ってくる信号に因子kkAを乗
算する比例乗算器22へ入力される。比例乗算器22の出力
は、他方の正入力が前の微分項を表示する信号を提供す
るZ変換機能ブロック26へ接続された加算器24の正入力
へ印加される。加算器24の出力は、因子 60kD/(60kD+kAΔt) を表示する比例乗算器28へ印加される。比例乗算器28の
出力は微分項を表示しそして高/低リミッタ30へ与えら
れ、高/低リミッタ30の出力が加算器16の負入力へ与え
られる。
アルゴリズムの積分項について、先のアルゴリズム
は、Z変換機能ブロック34および切替手段36を通じて加
算器32の負入力へ与えられる。先の積分項はZ変換機能
ブロック38を通じて加算器32の正入力へ与えられる。加
算器32の出力は関数 60/(60+kIΔt) を表示する比例乗算器40へ与えられ、比例乗算器40の出
力は加算器42の正入力へ与えられる。加算器42の別の正
入力は切替手段36へ接続されている。加算器42の出力は
積分項を表示しそして出力が加算器16の正入力へ接続さ
れた高/低リミッタ44へ与えられる。加算器16の出力
は、高/低リミッタ46へ与えられ、高/低リミッタ46の
出力は加算器48の正入力へ接続され、加算器48の別の正
入力はフィードフォワード信号を受容する。加算器48の
出力は古典的な相互作用タイプの比例積分微分アルゴリ
ズムである。
第2図を参照すると、ラプラス領域の第1図に図示さ
れるアルゴリズムのブロック図が図示されている。第1
図で図示されると同様の要素は同一の参照番号が付さ
れ、これ以上説明しないこととする。この図で、第1図
の微分項を発生する要素は、関数 60kkDS および 1/{60kD/kA)S+1} を表示する比例乗算器50、52(請求項4、5)により置
換される。積分項を発生する要素は関数60Ki/S(請求項
7)を表示する比例乗算器54により置換される。加算器
32の出力は制御出力を表示する信号COとして図示されて
いる。
非相互作用タイプのアルゴリズム60のブロック図が第
3図に図示される。ここで再び、第1図に図示されると
同様の要素には同一の参照番号を付しこれ以上説明しな
いものとする。こと図は積分項を発生する上側部分が別
の構成要素からなる点で第1図と異なる。この図で、誤
差信号を表示する加算器12の出力は比例乗算器14および
関数kki△t/60を表示しその出力が加算器64の一方の正
入力へ与えられる比例乗算器62へ与えられる。先の積分
項はZ変換機能ブロック66を通じて加算器64の他方の正
入力へ与えられる。加算器64の出力は、出力が加算器16
の正入力へ接続された高/低リミッタ68へ入力される。
比例積分微分アルゴリズムを表示する加算器16の出力
は、制御出力信号COを発生する加算器48へその出力が与
えられる高/低リミッタ46へ与えられる。
第4図を参照すると、第3図に図示されるアルゴリズ
ムのブロック図がラプラス領域で表示されている。ここ
でもまた、先の図の要素と同様の要素には同一の参照番
号が付されこれ以上説明しないこととする。この図は、
上側ループ(すなわち、アルゴリズムの積分項)の表示
において、第2図と異なる。この場合、加算器12の出力
は、関数kkI/S(請求項8)を表示する比例乗算器68お
よび比例乗算器14の両方に与えられる。比例乗算器68の
出力は制御信号COを発生する加算器16の正入力へ印加さ
れる。
第5図は、切替手段36がマニュアルリセット位置にあ
る場合の第1図に図示されるアルゴリズム10のブロック
図である。ここでもまた、第1図の要素と同様の要素に
は同一の参照番号が付されこれ以上説明しないこととす
る。この図では、切替手段を外部リセット位置に置くこ
とにより、Z変換機能ブロック34がバイパスされる。こ
うして、この図は、その上側部分(すなわち、アルゴリ
ズムの積分項を発生する部分)についてだけ、第1図と
異なる。リセット位置にある切替手段36から得られるア
ルゴリズムは、フィードフォワード出力およびアルゴリ
ズム仕様が2に設定されるときのアルゴリズムを算定す
るのに使用される。
上記から、生成されるアルゴリズムのタイプは同様の
ものの適当な選択に依存する。0の選択により、第1図
および第2図に図示されるように、PID出力は、古典的
な相互作用アルゴリズムを使用して計算される。このア
ルゴリズムは、比例項、積分項または微分項のいずれの
一つの同調動作も別の項の有効値を変化するという意味
で相互作用を行っている。対照的に、1の選択により、
PID出力は、第3図および第4図に図示されるように、
非相互作用制御アルゴリズムを使用して計算される(請
求項9)。このタイプのアルゴリズムについて、比例
項、積分項または微分項の個々の同調動作は別の項に何
らの影響も与えない。さらに,2の選択により、PID出力
は第1図に図示されるような古典的な相互作用アルゴリ
ズムを使用して計算されるが、この選択について、積分
項は第5図に図示されるように外部リセット信号の機能
として計算される(請求項1)。最後に、3の選択によ
り、PID出力は比例項および微分項のみから計算され
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は、古典的な相互作用タイプのアルゴリズムのブ
ロック図である。 第2図は、ラプラス領域の第1図で図示されるアルゴリ
ズムのブロック図である。 第3図は、非相互作用タイプのアルゴリズムのブロック
図である。 第4図は、ラプラス領域の第3図に図示されるアルゴリ
ズムのブロック図である。 第5図はリセットモードの動作での第1図に図示される
アルゴリズムのブロック図である。
フロントページの続き (72)発明者 ジョゼフ・ガブリエル・パテラ 米国オハイオ州メントール、フース・ロ ード10217 (72)発明者 トマス・ジェイ・シャイブ 米国オハイオ州チェスタランド、ウッド サイド・ドライブ12865 (56)参考文献 特開 昭60−163101(JP,A) 特開 昭64−44503(JP,A) 実開 昭60−47001(JP,U)

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】相互に作用し合う比例、微分および積分の
    プロセス制御信号をプロセス変量信号から発生するかあ
    るいは比例、微分および外部リセットの信号をプロセス
    変量信号から発生するための装置において、 プロセス変量信号を、プロセス変量信号に比例する第1
    の信号に変換する手段と、 プロセス変量信号を、プロセス変量信号の微分の関数で
    ある第2の信号に変換する手段と、 プロセス変量信号を、プロセス変量信号の積分の関数で
    ある第3の信号に変換する手段と、 プロセス制御信号を発生するために、前記第1信号、第
    2信号および第3信号を組み合わせる手段と、 前記第3信号を前記の組合せ手段から除去しそして第3
    信号を外部リセット信号で置換するための切替手段とを
    備え、 前記第1、第2、および第3の信号の任意の一つの変化
    が、相互作用アルゴリズムにより前記第1および第2お
    よび第3の信号のうちの残余のものに変化を生じさせる
    装置。
  2. 【請求項2】前記第1信号を発生する記プロセス変量信
    号変換手段はラプラス領域におけるアルゴリズムを備え
    る請求項1の装置。
  3. 【請求項3】ラプラス領域の前記アルゴリズムはkkP
    ある請求項2の装置。
  4. 【請求項4】前記第2信号を発生する前記プロセス変量
    信号変換手段はラプラス領域におけるアルゴリズムを備
    える請求項1の装置。
  5. 【請求項5】ラプラス領域の前記アルゴリズムは、 である請求項2の装置。
  6. 【請求項6】前記第3信号を発生する前記プロセス変量
    信号変換手段はラプラス領域のアルゴリズムを備える請
    求項1の装置。
  7. 【請求項7】前記ラプラス領域の前記アルゴリズムは60
    kI/Sである請求項6の装置。
  8. 【請求項8】前記ラプラス領域の前記のアルゴリズムは
    kkI/Sである請求項6の装置。
  9. 【請求項9】相互に作用し合わない比例、微分および積
    分のプロセス制御信号をプロセス変量信号から発生する
    ための装置において、 プロセス変量信号を、プロセス変量信号に比例する第1
    の信号に変換する手段と、 プロセス変量信号を、プロセス変量信号の微分の関数で
    ある第2の信号に変換する手段であって、 のごときラプラス領域のアルゴリズムに従って前記第2
    の信号を発生する手段と、 プロセス変量信号を、前記プロセス変量信号の積分の関
    数である第3の信号に変換する手段と、 プロセス制御信号を発生するために、前記第1信号、第
    2信号および第3信号を組み合わせる手段とを具備し、 前記第1、第2、および第3の信号の任意の一つの変化
    が、非相互作用型のPIDアルゴリズムによって変化され
    ず一定のままであるこれら第1および第2および第3の
    信号を生ずる装置。
JP1067756A 1988-03-21 1989-03-22 改善された比例積分微分動作制御器 Expired - Lifetime JP2632575B2 (ja)

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EP (1) EP0334476B1 (ja)
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KR (1) KR970003872B1 (ja)
CN (1) CN1029263C (ja)
AU (1) AU613401B2 (ja)
BR (1) BR8901256A (ja)
CA (1) CA1335211C (ja)
DE (1) DE68918885T2 (ja)
ES (1) ES2061970T3 (ja)
IN (1) IN171701B (ja)
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