JP2735563B2

JP2735563B2 - 制御方法

Info

Publication number: JP2735563B2
Application number: JP63108365A
Authority: JP
Inventors: 徹熊坂
Original assignee: NEC Home Electronics Ltd
Current assignee: NEC Home Electronics Ltd
Priority date: 1988-04-30
Filing date: 1988-04-30
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2013-04-02
Also published as: JPH01279303A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、制御対象の制御量を検出して目標値と比較
し、制御量を目標値に一致させるフィードバック制御方
法に関する。

［従来の技術］自動制御には、予め定められた順序に従って各段階の
制御動作を順次進めていくシーケンス制御と、出力側の
信号（制御量）を入力側に戻し、制御量を目標値と比較
して制御量を目標値となるように機械が自己調節するフ
ィードバック制御とがある。

フィードバック制御は、比例動作（Ｐ動作）、積分動
作（Ｉ動作）、微分動作（Ｄ動作）、またはこれらを組
み合わせた制御動作により、制御量と目標値との偏差を
小さくしている。そして、一般に製造工程や装置の温
度、圧力、流量等を制御するプロセス制御においては、
PID動作による制御が行われている。また、制御対象を
制御する場合、装置の起動と同時に制御を開始し、制御
量が変動しうる全領域にわたって制御を実施したり、ま
た例えば所定の温度までは制御せず、所定の温度になっ
た後、一定の温度範囲となるよう制御したり、所定の温
度カーブが得られるよう制御するなど、特定の領域のみ
制御したりしている。

［発明が解決しようとする課題］しかし、制御量が変化する全領域を例えばPID動作に
より制御をする場合、制御を開始するために入力する初
期値が決まらず、一般にそのときの制御量とは異なる例
えば零を暫定的に初期値として与えるなどしていた。ま
た、目標値がステップ状に変化するなど特定領域の制御
をする場合、制御量が制御領域に入ったときに、制御動
作を開始するために入力する初期値が決定できず、一般
に制御領域にない制御量を暫定的に初期値として与えて
いた。このため、これらの制御開始時には、正確な制御
が行うことができず、制御の過不足を生ずる。

一方、操作信号を得る場合、フィードバックする制御
量のノイズによる影響を極力少なくするため、連続して
検出した複数の制御量の平均値をフィードバック量とす
ることがある。こうした場合、操作量を求めるのに入力
する制御量のすべてが制御領域になければ、正確な制御
をすることができない。このため、前記のように制御開
始時に暫定値を用いて制御をすると、制御の過不足が生
ずるのに伴って制御量が安定するまでに時間がかかり、
正確な制御が遅れる欠点があった。

また、特開昭63−71701号「フィードバック制御装
置」には、プロセス変数ｙ（ｔ）が制御領域にある場合
のみ制御モードすることで、ハンチングを防止するよう
にした制御装置が開示されている。

しかしながら、このものは、目標値から制御量を減算
して得られる偏差の絶対値が制御モード基準値以下であ
る場合に、PID制御モードを選択して比例、積分、微分
の３動作を同時に実行する構成であり、このため制御量
に対し時間領域における直接的な影響の大きさの激しさ
で見た順位、すなわち第１位に微分動作があり第２位に
比例動作があり第３位に積分動作があるという順位に関
係なく、いきなり３動作複合型の制御動作が実行され
る。このため、特に微分動作のように帰還制御量の時間
変化率に敏感に応答して過大に制御量の変化を招くよう
な過敏な制御動作が、大幅な偏差を抱えた状態で非制御
領域から制御領域に入ってきた直後にハンチングを助長
することは明らかであり、非制御領域から制御領域への
円滑かつ静穏な移行が望めないため、制御領域における
安定した帰還制御を約束することができない等の課題を
抱えるものであった。

本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであ
り、制御開始時に早期に安定な制御が実現できるように
した制御方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するために、本発明は、制御量を帰還
し、比例動作、積分動作、微分動作のうち少なくも２以
上を複合した制御動作により、目標値に一致させる制御
方法において、前記制御量が予め範囲指定した制御領域
にないとき又は前記制御量が前記制御領域にある時間が
予め定めた一定時間に満たないときは、前記制御動作を
禁止し、前記制御量が予め指定した一定時間を越えて前
記制御領域にあるときは、該一定時間に続いて予め設定
した所定時間が経過するつど積分動作制御、比例動作制
御、微分動作制御の順で追加的に該各制御動作を許可し
て実行させることを特徴とするものである。

［作用］本発明は、制御量が予め範囲指定した制御領域にない
とき又は制御量が制御領域にある時間が予め定めた一定
時間に満たないときは、制御動作を禁止し、制御量が予
め指定した一定時間を越えて制御領域にあるときは、該
一定時間に続いて予め設定した所定時間が経過するつど
積分動作制御、比例動作制御、微分動作制御の順で追加
的に各制御動作を許可して実行させることにより、制御
能力が十分に発揮できる制御領域においてだけ制御動作
を許可し、かつまた離散値処理を行う速度制御型に配慮
した順序に従って個別制御動作を許可することで、制御
系の安定に寄与することができる。

［実施例］本発明に係る制御方法の好ましい実施例を、添付図面
に従って詳説する。第１図は、本発明の制御方法の一実
施例を示すフローチャート、第２図は、本発明の制御方
法を適用した制御系の一実施例を示すブロック図、第３
図は、第２図に示した主フィードバック信号の時間経過
の一例を示す図である。

第２図において、設定部10は、例えば図示しないツマ
ミなどにより目標値Ｖが設定され、基準入力信号ｒ
（ｋ）を比較部12に出力する。比較部12は、後述する主
フィードバック信号ｃ（ｋ）と基準入力信号ｒ（ｋ）と
から偏差信号ｌ（ｋ）を求め、PID動作制御によって操
作量ｕ（ｋ）を出力する調節・操作部14に送出する。調
節・操作部14は、制御対象16に操作量ｕ（ｋ）を与え、
制御対象16の出力する温度、圧力、流量、電圧などの制
御量Co（ｋ）が目標値Ｖに一致するように制御する。制
御対象16の出力する制御量Co（ｋ）は、検出部18に検出
され、主フィードバック信号ｃ（ｋ）として比較部12と
比較制御部20に帰還入力される。比較制御部20は、検出
部18からの主フィードバック信号ｃ（ｋ）を設定部10か
らの制御領域信号と比較し、調節・操作部14にPID動作
をさせる信号を与える。なお、ｋは、任意の時刻を示
す。

上記の如く構成してある制御系の操作量ｕ（ｋ）は、
一般に次式に従って求めることができる。

速度型制御とすると、ここで、目標値Ｖ、すなわち基準入力信号ｒ（ｋ）が
一定である場合、又は検出部18のサンプリング周期に対
してｒ（ｋ）の変化が極めて小さい場合には、ｒ（ｋ）
＝ｒ（ｋ−１）＝ｒ（ｋ−２）と近似でき、従って
（２）式は次の如く書き換えることができる。

Δｕ（ｋ）＝K_P｛ｃ（ｋ−１）−ｃ（ｋ）｝＋K_I｛ｒ（ｋ）−ｃ（ｋ）｝＋K_D｛2c（ｋ−１）−ｃ（ｋ）−ｃ（ｋ−２）｝・・・（３）第１図に示すフローチャートでは、積分動作制御、比
例動作制御、微分動作制御のそれぞれは、複数の主フィ
ードバック信号の平均値に基づき操作量を求めるなど、
操作量を得るのにそれぞれｆ、ｇ、ｈ個の主フィードバ
ック信号を必要とするものとし、ｆ＜ｇ＜ｈの関係があ
るものとする。

今、例えば、第３図の如く、目標値Ｖ（ｍ）に対する
基準入力信号がｒ（ｍ）であり、制御領域がｒ（ｍ）±
Δｒであったとする。そして、制御量Co（ｋ）に相当す
る主フィードバック信号ｃ（ｍ）が、制御領域ｒ（ｍ）
±Δｒの下方から制御領域ｒ（ｍ）±Δｒに入ってくる
ものとする。

比較制御部20は、時刻ｋにおける制御量Co（ｋ）に相
当する主フィードバック信号ｃ（ｋ）が検出部18から入
力してくると、その主フィードバック信号ｃ（ｋ）が制
御領域ｒ（ｍ）±Δｒに入っているか否かを判断する
（ステップ30）。主フィードバック信号ｃ（ｋ）が制御
領域ｒ（ｍ）±Δｒに入っていない場合には、ステップ
44に進み、調節・操作部14に制御をさせる信号を出力す
ることなくこのフローを終了する。

ステップ30において主フィードバック信号ｃ（ｋ）が
制御領域ｒ（ｍ）±Δｒに入っていると判断した場合
は、検出部18の出力した主フィードバック信号（デー
タ）が、積分動作制御によって操作量ｕ（ｋ）を求める
のに必要なｆ個連続して制御領域に入っているか否かを
判断する（ステップ32）。比較制御部20は、主フィード
バック信号がｆ回連続して制御領域になければ、ステッ
プ44に進んで制御せずにフローを終了し、ｆ回連続して
制御領域に入っているときには、ステップ34において比
例動作制御に必要なデータの数ｇだけ、主フィードバッ
ク信号が連続して制御領域に入っているか否かを判断す
る。ただし、ここにｆ＜ｇとする。

主フィードバック信号がｇ回連続して制御領域に入っ
ていない場合には、比較制御部20はステップ42に進み、
積分動作制御だけを行わせる制御信号を調節・操作部14
に与え、フローを終了する。また、主フィードバック信
号がｇ回連続して制御領域に入っている場合には、主フ
ィードバック信号が微分動作制御に必要なデータの数ｈ
だけ連続して制御領域に入っているか否かを判断する
（ステップ36）。ただし、ここにｇ＜ｈである。

主フィードバック信号がｈ回連続して制御領域に入っ
ていない場合には、比較制御部20はステップ40、42に進
み、比例動作制御と積分動作制御とを行わせる信号を調
節・操作部14に与え、フローを終了する。また、主フィ
ードバック信号がｈ回連続して制御領域に入っている場
合には、比較制御部20は微分動作制御、比例動作制御、
積分動作制御を行わせる制御信号を調節・操作部14に出
力し（ステップ38、40、42）、フローを終了する。

（３）式の速度型制御を例にとって具体的に説明す
る。ただし、各制御動作は、検出部18が出力する主フィ
ードバック信号をそのまま用いて操作量を求めるものと
する。

（３）式に示したように、積分動作制御を行わせる場
合には、必要な主フィードバック信号の数は１つでよい
ので、ステップ30で主フィードバック信号ｃ（ｋ）が第
３図の如く制御領域ｒ（ｍ）±Δｒに有れば、ステップ
32からステップ34に進み、前回検出部18が出力した主フ
ィードバック信号ｃ（ｋ−１）が制御領域か否かを判断
する。主フィードバック信号ｃ（ｋ−１）が制御領域に
なければ、ステップ42に進んで積分動作制御のみを行
う。

一方、主フィードバック信号ｃ（ｋ−１）が制御領域
に入っていればステップ36に進み、検出部18がさらに１
つ前に出力した主フィードバック信号ｃ（ｋ−２）が制
御領域にあるか否かを判断する。ｃ（ｋ−２）が第３図
の如く制御領域になければステップ40に進み、比例動作
制御、積分動作制御を行ってフローを終了する。ｃ（ｋ
−２）が制御領域に入っている場合には、ステップ36か
らステップ38に進み、微分動作制御、比例動作制御、積
分動作制御の各制御動作が行われる。

このように、実施例の制御方法によれば、サンプリン
グ周期をτとしたときに、主フィードバック信号ｃ
（ｋ）すなわち制御量Co（ｋ）が予め範囲指定した制御
領域にないとき又は制御量が制御領域にある時間が予め
定めた一定時間ｆτに満たないときは、制御動作を禁止
し、制御量が予め指定した一定時間ｆτを越えて制御領
域にあるときは、この一定時間ｆτに続いて予め設定し
た所定時間（ｇ−ｆ）τ，（ｈ−ｇ）τが経過するつ
ど、積分動作制御、比例動作制御、微分動作制御の順で
制御動作を許可するようにしたから、目標値Ｖすなわち
基準入力信号ｒ（ｋ）に対する制御量Co（ｋ）の乖離が
著しく、制御量Co（ｋ）が予め範囲指定した制御領域ｒ
（ｍ）±Δｒを逸脱する場合は、制御動作自体を禁止
し、過大偏差を承知で制御動作を敢行することに伴う制
御量の大幅な行き過ぎや、行き過ぎを修正することの反
動が継続するハンチング等の不具合の発生を未然に防止
することができる。

一方また、制御量Co（ｋ）が制御領域ｒ（ｍ）±Δｒ
に入ったときは、時間の経過を追って積分動作制御、比
例動作制御、微分動作制御の順序に従って制御動作を許
可するため、離散値に基づく速度制御型の演算形式に従
った制御動作において、離散値の取り込みに必要な時間
経過に配慮した制御量の取り込みが可能である。また、
制御量Co（ｋ）に対し時間領域における直接的な影響の
大きさの激しさで見た順位、すなわち第１位に微分動作
があり第２位に比例動作があり第３位に積分動作がある
という順位に逆行する形で所定時間を置いて順次動作許
可するため、大幅な偏差±Δｒを抱えた状態から制御領
域に入ってきた直後にハンチングを助長するような過敏
な制御動作を謹むことができ、これにより非制御領域か
ら制御領域への円滑かつ静穏な移行を図り、制御領域に
おける安定した帰還制御を助長することができる。

なお、前記実施例においては、比例動作制御、積分動
作制御、微分動作制御のすべてを複合したPID動作によ
る制御方法について説明したが、本発明は、比例動作制
御、積分動作制御、微分動作制御のうちの２つの動作を
複合した制御方法に適用することもできる。

［発明の効果］以上に説明した如く、本発明によれば、制御量を帰還
し、比例動作、積分動作、微分動作のうち少なくも２以
上を複合した制御動作により、目標値に一致させる制御
方法において、前記制御量が予め範囲指定した制御領域
にないとき又は制御量が制御領域にある時間が予め定め
た一定時間に満たないときは、制御動作を禁止し、制御
量が予め指定した一定時間を越えて制御領域にあるとき
は、該一定時間に続いて予め設定した所定時間が経過す
るつど積分動作制御、比例動作制御、微分動作制御の順
で追加的に各制御動作を許可して実行させるようにした
から、目標値に対する制御量の乖離が著しく、制御量が
予め範囲指定した制御領域を逸脱する場合は、比例動
作、積分動作、微分動作のうち少なくも２以上を複合し
た制御動作自体を禁止し、過大偏差を承知で制御動作を
敢行することに伴う制御量の大幅な行き過ぎや、行き過
ぎを修正することの反動が継続するハンチング等の不具
合の発生を未然に防止することができ、一方また制御量
が制御領域に入ったときは、時間の経過を追って積分動
作制御、比例動作制御、微分動作制御の順序に従って制
御動作が許可されるため、離散値に基づく速度制御型の
演算形式に従った制御動作において、離散値の取り込み
に必要な時間経過に配慮した制御量の取り込みが可能で
あり、また制御量に対し時間領域における直接的な影響
の大きさの激しさで見た順位、すなわち第１位に微分動
作があり第２位に比例動作があり第３位に積分動作があ
るという順位に逆行する形で所定時間を置いて順次動作
許可するため、大幅な偏差を抱えた状態から制御領域に
入ってきた直後にハンチングを助長するような過敏な制
御動作を謹むことができ、これにより非制御領域から制
御領域への円滑かつ静穏な移行を図り、制御領域におけ
る安定した帰還制御を助長することができる等の優れた
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の制御方法の一実施例を示すフローチ
ャート、第２図は、本発明の制御方法を適用した制御系
の一実施例を示すブロック図、第３図は、第２図に示し
た主フィードバック信号の時間経過の一例を示す図であ
る。 10……設定部 14……調節・操作部 16……制御対象 10……検出部 20……比較制御部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】制御量を帰還し、比例動作、積分動作、微
分動作のうち少なくも２以上を複合した制御動作によ
り、目標値に一致させる制御方法において、前記制御量
が予め範囲指定した制御領域にないとき又は前記制御量
が前記制御領域にある時間が予め定めた一定時間に満た
ないときは、前記制御動作を禁止し、前記制御量が予め
指定した一定時間を越えて前記制御領域にあるときは、
該一定時間に続いて予め設定した所定時間が経過するつ
ど積分動作制御、比例動作制御、微分動作制御の順で追
加的に該各制御動作を許可して実行させることを特徴と
する制御方法。