JP2651153B2 - Pid制御装置 - Google Patents

Pid制御装置

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JP2651153B2
JP2651153B2 JP62189459A JP18945987A JP2651153B2 JP 2651153 B2 JP2651153 B2 JP 2651153B2 JP 62189459 A JP62189459 A JP 62189459A JP 18945987 A JP18945987 A JP 18945987A JP 2651153 B2 JP2651153 B2 JP 2651153B2
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哲也 余田
昭彦 黒田
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光彦 荒木
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、PID制御装置に関する。
(従来の技術) 従来、PIDパラメータを自動的に調整するオートチュ
ーニング機能を備えたPID制御装置が提供されている。
そして、この種のオートチューニングの方法として、
限界感度法とステップ応答法の2種類の方法が用いられ
ている。限界感度法とは、制御装置を比例動作のみとし
て、制御系が安定限界となる比例限界ゲインの値及び持
続振動周期の値より最適なPIDパラメータを求める方法
であり、ステップ応答法とは制御系にステップ状の目標
値変化を与え、応答波形からむだ時間及び応答速度を演
算して最適なPIDパラメータを求める方法である。
(発明が解決しようとする問題点) しかるに、これら2種のオートチューニングの方法で
は、制御系に同定信号を与えて始めて調整されるもので
あるので、最適なPIDパラメータを求めた後の制御対象
の特性変化に対しては、再度同定信号を与えて最適値を
求めるか又は操作員が手動により最適値を再設定する必
要がある。
(問題点を解決するための手段) 本発明に係わるPID制御装置は、設定値が実測値より
大きい正側領域に対して、設定された正側PIDパラメー
タに従って正側の制御対象を定値制御する正側制御部
と、設定値が実測値より小さい負側領域に対して設定さ
れた負側PIDパラメータに従って負側の制御対象を定値
制御する負側制御部と、制御結果の後に発生する出力波
形における振動の正側行き過ぎ量、負側行き過ぎ量及び
振動周期を測定するとともに、これらの値から振動の平
均周期、行き過ぎ量の平均減衰比及び行き過ぎ量の最大
値を算出する特性把握部と、この特性把握部によって算
出された行き過ぎ量の最大値及び平均減衰比とこれらの
値に対して予め与えられた評価値との比較を行うことに
より、修正の必要の有無を評価する特定評価部と、この
特性評価部によって修正の必要有りと評価されたとき、
前記特性把握部より得られた振動の平均周期より求めた
振動周波数の値と積分時間の逆数値との比較を行うこと
により、振動周波数の値が積分時間の逆数値より大きい
場合には前記正側PIDパラメータ又は前記負側PIDパラメ
ータのいずれかのパラメータのうちの比例帯をゲイン差
に対応した比例帯修正率を用いて修正し、振動周波数の
値が積分時間の逆数値より小さい場合には前記正側PID
パラメータ及び前記負側PIDパラメータのうちの積分時
間をゲイン余裕補正値を用いて修正する修正値演算設定
部とを備えたものである。
(作用) 特性把握部は、PID制御装置の制御結果の後に発生す
る出力波形における振動の正側行き過ぎ量、負側行き過
ぎ量及び振動周期を常に監視し、測定している。そし
て、その測定結果に基づいて、振動の平均周期、行き過
ぎ量の平均減衰比及び行き過ぎ量の最大値を算出してい
る。
特性評価部は、この特性把握部によって算出された行
き過ぎ量の最大値及び平均減衰比と、これらの値に対し
て予め与えられた評価値との比較を行うことにより、修
正の必要の有無を評価する。
修正値演算設定部は、この特性評価部によって修正の
必要有りと評価されたとき、前記特性把握部より得られ
た振動の平均周期より求めた振動周波数の値と積分時間
の逆数値との比較を行うことにより、振動周波数の値が
積分時間の逆数値より大きい場合には、正側PIDパラメ
ータ又は負側PIDパラメータのいずれかのパラメータの
うちの比例帯の修正値を、ゲイン差に対応した比例帯修
正率を用いて算出し、振動周波数の値が積分時間の逆数
値より小さい場合には、正側PIDパラメータ及び負側PID
パラメータのうちの積分時間の修正値を、ゲイン余裕補
正値を用いて算出する。得られた修正値は制御部に自動
設定される。この自動設定はPIDパラメータの少なくと
も1つのパラメータに対して設定される。
(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。
第1図は、本発明に係わるPID制御装置の構成を示す
ブロック図である。
このPID制御装置は、設定値と実測値との偏差に対し
て、制御演算ブロック1を構成する正側PID制御演算ブ
ロック1a及び負側PID制御演算ブロック1bにおいて、設
定されたPIDパラメータ(比例帯,積分時間,微分時
間)を用いて、所定のPID演算式に従ってy0+,y0-を演算
し、出力判定ブロック2により正側又は負側の制御対象
3a,3bへ演算値を出力する。この制御対象3a,3bは、例え
ばむだ時間を有する一次遅れ要素である。制御対象3a,3
bの出力である前記実測値は特性把握ブロック4に取り
込まれ、ここで制御対象3a,3bの制御特性が振動特性
(第2図参照)になった時に測定される2種のデータ、
すなわち実測値が設定値より大きくなった正側行き過ぎ
量AH1,AH2,…AHi…と実測値が設定値より小さくなった
負側行き過ぎ量AC1,AC2,…ACi…と該正側行き過ぎ量の
ピーク間距離である振動周期PH1,PH2,…が測定され、こ
れらの値から振動の平均周期P、前記正側行き過ぎ量の
平均減衰比Γ、及びAHi…に対応する負側PID制御演算ブ
ロック1bにおける積分項値(ACi%)とACiに対応する
正側PID制御演算ブロック1aにおける積分項値AHi%
の比で定義される積分項比% の平均値%HCが算出される(第3図参照)。このΓ及び
HCの算出方法の一例を第4図の流れ図に示している。
第4図において、ステップ,は実測値の採取ステ
ップであり、実測値が設定値を中心に振動を開始してか
らのn個の振動周期PHi、正側行き過ぎ量AHi、負側行き
過ぎ量ACi、正側積分項値AHi%、負側積分項値ACi%
(i=1〜n)をそれぞれ取り込む。そして、ステップ
では取り込んだn個の振動周期PHiの平均値Pを演算
し、またステップでは隣合う正側行き過ぎ量AHiの比
をとって減衰比Γi-1を算出し、ステップで平均減衰
比Γを算出する。さらに、ステップで積分項比%
求め、ステップで平均値%HCを求める。
また、前記特性把握ブロック4では、平均周期P及び
平均減衰比Γの算出の他に行き過ぎ量Aiの最大値Amax
求める。そして、この行き過ぎ量の最大値Amaxと平均減
衰比Γは特性評価ブロック5に入力され、ここでこれら
値は特性評価データテーブル6に与えられた評価値と比
較される。下表は、この特性評価データテーブル6に与
えられている評価値とその評価方法を例示している。
この表中で「OK」に評価されると、実測値の振動特性
が小さいので、前記制御ブロック1で設定されているPI
Dパラメータは良好であるので修正を行わないが、「O
K」でない時には修正値演算・設定ブロック7におい
て、修正ルールデータテーブル8の内容に従って制御ブ
ロック1において、すでに設定されているPIDパラメー
タの内、比例帯若しくは積分時間の一方の値を修正す
る。この修正方法の一例を第6図の流れ図に示してい
る。なお、本例では積分時間の修正に際しては、微分時
間の修正も行っている。
第6図において、ステップは上述したように比例帯
若しくは積分時間のどちらを修正するのかを判断するた
めの判断量を演算するステップである。すなわち、前記
平均周期Pより振動周波数ωOHC(2π/P)を求め、こ
の値をゲイン余裕補正値GHC(GHCは例えば1〜10の値)
で除算した値をαHCとし、積分時間TiH(又はTiC)の逆
数をβHCとする。そして、ステップにおいてαHCの値
とβHCの値とを比較し、αHC≧βHCであればステップ
で前記積分項比%HCの値によって3つのモード、すなわ
ち、 (i)正側モード (ii)負側モード (iii)正負混合モード の判定を行う。具体的には、ステップ,においてMH
<MCの関係にある2つの定数と%HCとの比較によってモ
ード判定を行い、 (i)%HCMHの時、正側モード (ii)MCHCの時、負側モード (iii)MH<%HC<MCの時、正負混合モード とする。そして、区別されたモードによって、ステップ
〜において正側比例帯PBH及び負側比例帯PBCを比例
帯修正率PKで修正する。修正後の比例帯を添字Nを付し
てそれぞれPBHN,PBCNとする。一方、αHC<βHCであれ
ばステップで積分時間をαHCの逆数値に修正する(修
正後の積分時間をTiHNとする)。ステップでは、ジー
グラ・ニコルスの最適調整の関係式により、この修正後
の積分時間TiHNに係数aを乗じた値を修正微分時間TDHN
とする。しかして、ステップではステップ〜で求
めた修正後の比例帯PBHN,PBCN、積分時間TiHN,TiCN、微
分時間TDHN,TDCNを前記制御演算ブロック1に設定す
る。なお、本例では上述した一連の動作を担う各ブロッ
ク4〜8は自動修正起動指示ブロック9の指令によって
起動される。
次に、制御ブロック1及び制御対象3a,3bの伝達関数
を下式(1),(2)とし、前記ゲイン余裕補正値GH
1とした場合の制御例について説明する。
第5図はかかるPID制御を行っている時の制御ブロッ
ク1の制御特性を示すボード線図であり、2種のβHC
値(βHC2<ωOHC<βHC1)を有する制御特性10,11を例
示している。
前記振動周波数ωOHCよりも大きいβHC1を有する場合
に制御系が振動(不安定)の時には(制御特性11)、ゲ
イン余裕を所定(例えば3dB)以上負とするためにβHC
の値を小さく、すなわち積分時間を大きくする制御をな
し、一方振動周波数ωOHCよりも小さいβHC2を有する場
合に制御系が振動(不安定)の時には(制御特性10)制
御ブロック1のゲインkCを小さくする制御をなす。
ところで上式(1)及び(2)で表される伝達関数を
有する制御系では、閉ループの伝達関数は高次系である
が、これを下式(3)の2次系の伝達関数G0(S)で近
似し、この伝達関数G0(S)中の減衰係数ζと前記減衰
比Γとの関係を用いて、開ループの伝達関数Gを表す
と下式(4)(但し、このとき開ループ伝達関数の位相
を−180゜とする。)になる。
但し、k:ゲイン数 ωn:固有周波数 この式(4)によれば、制御系の減衰比を実プロセス
の観測により求めれば、開ループ伝達関数のゲインGを
求めることができる。特に、この場合のゲイン調整はニ
コルス線図を用いて、所定の共振値MPをとる時の開ルー
プ伝達関数のゲインと、前記平均減衰比Γを式(4)に
代入して求めたゲインが等しくなるように制御ブロック
1のゲインkCが調整される。
例えばΓ=0.75のとき開ループゲインは約−0.76dBと
なり、Γ=0.25まで改善したい場合は、Γ=0.25のとき
の開ループゲイン(約−3.05dB)を求め、比例帯のゲイ
ンを−3.05−(−0.76)=2.29dB下げればよいことにな
る。このようなゲイン差(Γ−Γ)と比例帯の修正率
PKの関係を第7図に示している。
(発明の効果) 以上述べたように、本発明によれば、制御対象の特性
変化の結果、制御系に振動状態が発生してもPIDパラメ
ータを自動的に修正するので、常に最適な条件で自動運
転することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係わるPID制御装置の構成例を示すブ
ロック図、第2図は制御特性の一例を示すグラフ、第3
図は正側、負側積分項値の推移を示すグラフ、第4図は
制御特性のデータ採取の手順を示す流れ図、第5図は制
御ブロックのボード線図を例示する図、第6図はPIDパ
ラメータの修正値の算出手段を示す流れ図、第7図はゲ
イン差と比例帯修正率の関係を示すグラフである。 1a……正側PID制御演算ブロック 1b……負側PID制御演算ブロック 2……出力判定ブロック 3a……正側制御対象 3b……負側制御対象 4……特性把握ブロック 5……特性評価ブロック 6……特性データテーブル 7……修正値演算・設定ブロック 8……修正ルールデータテーブル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−108306(JP,A) 特開 昭60−163101(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】設定値が実測値より大きい正側領域に対し
    て、設定された正側PIDパラメータに従って正側の制御
    対象を定値制御する正側制御部と、 設定値が実測値より小さい負側領域に対して、設定され
    た負側PIDパラメータに従って負側の制御対象を定値制
    御する負側制御部と、 制御結果の後に発生する出力波形における振動の正側行
    き過ぎ量、負側行き過ぎ量及び振動周期を測定するとと
    もに、これらの値から振動の平均周期、行き過ぎ量の平
    均減衰比及び行き過ぎ量の最大値を算出する特性把握部
    と、 この特性把握部によって算出された行き過ぎ量の最大値
    及び平均減衰比とこれらの値に対して予め与えられた評
    価値との比較を行うことにより、修正の必要の有無を評
    価する特定評価部と、 この特性評価部によって修正の必要有りと評価されたと
    き、前記特性把握部より得られた振動の平均周期より求
    めた振動周波数の値と積分時間の逆数値との比較を行う
    ことにより、振動周波数の値が積分時間の逆数値より大
    きい場合には前記正側PIDパラメータ又は前記負側PIDパ
    ラメータのいずれかのパラメータのうちの比例帯をゲイ
    ン差に対応した比例帯修正率を用いて修正し、振動周波
    数の値が積分時間の逆数値より小さい場合には前記正側
    PIDパラメータ及び前記負側PIDパラメータのうちの積分
    時間をゲイン余裕補正値を用いて修正する修正値演算設
    定部とを備えたことを特徴とするPID制御装置。
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