JP2844289B2

JP2844289B2 - Ｉｍｃコントローラ

Info

Publication number: JP2844289B2
Application number: JP8382693A
Authority: JP
Inventors: 雅人田中; 裕之三渕
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1993-03-19
Filing date: 1993-03-19
Publication date: 1999-01-06
Anticipated expiration: 2014-01-06
Also published as: JPH06274203A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は汎用コントローラに関
し、特にＩＭＣ（Internal Model Control）構造の制御
アルゴリズムを用いたコントローラに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より汎用コントローラとしてＰＩＤ
制御を用いたものが一般に使用されている。図８は従来
のＰＩＤコントローラを用いた制御系のブロック線図で
ある。２３は目標値（例えばこのＰＩＤコントローラが
室内空調機であれば室内温度設定値に相当する）からそ
の制御結果である制御量（室内温度）を減算する減算処
理部、２４は減算処理部２３の出力に基づいて操作量
（室内空調機から出る温風又は冷風の温度）を演算する
操作部、３０は制御対象プロセス（室内環境）である。
また、Ｇｃ、Ｇｐはそれぞれ操作部２４、制御対象プロ
セス３０の伝達関数、ｒは目標値、ｕは操作量、ｄは外
乱（室内環境に対する室外環境等）、ｙは制御量であ
る。

【０００３】このようなＰＩＤコントローラの動作を簡
単に説明すると、操作部２４には、図示しない比例動作
部でゲインがＫであるＰ動作部、同じく積分動作部で積
分時間がＴＩであるＩ動作部、同じく微分動作部で微分
時間がＴＤであるＤ動作部があり、この操作部２４の伝
達関数Ｇｃは次式となる。Ｇｃ＝Ｋ×（１＋１／（ＴＩ×ｓ）＋ＴＤ×ｓ）・・・（１）ここで、ｓはラプラス演算子である。よって、操作部２
４の出力である操作量ｕは次式のように求められる。ｕ＝Ｇｃ×（ｒ−ｙ）＝Ｋ×（１＋１／（ＴＩ×ｓ）＋ＴＤ×ｓ）×（ｒ−ｙ）・・・（２）

【０００４】すなわち、ＰＩＤコントローラは、比例動
作Ｐ、積分動作Ｉ、微分動作Ｄを加え合わせた動作を行
う操作部２４によって、減算処理部２３の出力から操作
量ｕを演算して制御対象プロセス３０へ出力し、制御対
象プロセス３０からの制御量ｙを減算処理部２３へフィ
ードバックするフィードバック制御系を構成することに
より、外乱ｄの影響を監視することができる。しかし、
ＰＩＤコントローラには、操作量ｕが出力されてから制
御対象プロセス３０における制御量ｙに変化が現れるま
での時間（例えば室内空調機ならば温風が出てから室内
温度が上昇するまでの時間）であるむだ時間が大きい場
合、本来の動作よりも過大な操作量ｕを出力し、制御量
ｙがオーバーシュートしたり振動したりするので、むだ
時間への対応が困難であるという問題点があった。

【０００５】そこで、制御対象プロセスを数式表現した
内部モデルを組み込んで制御を行うＩＭＣ構造の制御ア
ルゴリズムを用いたコントローラが提案されている。図
９はこのＩＭＣコントローラを用いた制御系のブロック
線図である。３３は目標値ｒから後述するフィードバッ
ク量を減算する第１の減算処理部、３２は第１の減算処
理部３３の出力の変化が急激に伝わらないようにするた
めのフィルタ部、３４はフィルタ部３２の出力に基づい
て操作量ｕを演算して出力する操作部、３６は制御対象
プロセス３０を数式で近似したものであって制御対象プ
ロセス３０の制御量ｙに相当する参照制御量を出力する
内部モデル、３８は制御量ｙから内部モデル３６からの
参照制御量を減算してフィードバック量を出力する第２
の減算処理部である。また、Ｆ、Ｇｍはそれぞれフィル
タ部３２、内部モデル３６の伝達関数、ｙｍは参照制御
量、ｅはフィードバック量である。

【０００６】次に、このようなＩＭＣコントローラの動
作を説明する。まず、第１の減算処理部３３にて目標値
ｒからフィードバック量ｅが減算され、この結果が目標
値ｒの急激な変化が伝わらないようにするためのフィル
タ部３２に出力される。次いで、操作部３４にてフィル
タ部３２の出力から操作量ｕが演算され、制御対象プロ
セス３０及びコントローラの内部モデル３６へ出力され
る。そして、第２の減算処理部３８にて制御対象プロセ
ス３０の制御量ｙから制御対象プロセス３０の近似的な
動作をする内部モデル３６からの参照制御量ｙｍが減算
され、この結果がフィードバック量ｅとして第１の減算
処理部３３へフィードバックされるフィードバック制御
系が構成されている。

【０００７】このようなＩＭＣコントローラの内部モデ
ル３６は、制御対象プロセス３０と全く同一になるよう
に数式表現されるのが理想的であり、また操作部３４
は、内部モデル３６の伝達関数の逆特性（１／Ｇｍ）に
なるのが理想的であるが、内部モデル３６にあるむだ時
間の要素については逆数化は不可能なので、通常はむだ
時間の要素は無視する。よって、制御量ｙは、このよう
な構成により目標値ｒ、外乱ｄから次式にて求めること
ができる。ｙ＝Ｆ×Ｇｐ×Ｇｃ×ｒ／｛１＋Ｆ×Ｇｃ×（Ｇｐ−Ｇｍ）｝＋（１−Ｆ×Ｇｍ×Ｇｃ）×ｄ／｛１＋Ｆ×Ｇｃ×（Ｇｐ−Ｇｍ）｝・・・（３）ここで、内部モデル３６の伝達関数Ｇｍが制御対象プロ
セス３０の伝達関数Ｇｐに等しく、操作部３４の伝達関
数Ｇｃが内部モデル３６の伝達関数の逆数（１／Ｇｍ＝
１／Ｇｐ）に等しい理想的な状態を仮定すると、式
（３）は次式のようになる。ｙ＝Ｆ×ｒ＋（１−Ｆ）×ｄ・・・（４）

【０００８】更に、目標値ｒに急激な変化がない理想的
な条件であればフィルタ部３２は不要となり、Ｆ＝１に
できるので、制御量ｙは目標値ｒと等しくなり（ｙ＝
ｒ）、外乱ｄの影響が全くない制御を実現できることに
なる。また、図９の制御系で外乱ｄに着目すると、制御
対象プロセス３０と内部モデル３６に大きなむだ時間が
あったとしても、両者は操作量ｕに対して同じ特性を示
すので、第２の減算処理部３８の出力であるフィードバ
ック量ｅは外乱ｄのみとなり、外乱ｄを抑制できること
が分かる。このようなＩＭＣコントローラは、通常、制
御対象プロセス３０と内部モデル３６の誤差が大きくな
ったときの安定性を示すロバスト安定性、及び同様に誤
差が大きくなったときの性能を示すロバスト性能につい
ての設計条件に基づいて設計される。また、フィルタ部
３２は、このようなモデル同定技術によって内部モデル
３６が決定された後に、内部モデル３６の制御対象プロ
セス３０とのモデル同定精度に基づいて調整される。

【０００９】ところが、フィルタ部３２の伝達関数Ｆ
は、式（３）に示すように目標値ｒにかかる右辺第１項
［Ｆ×Ｇｐ×Ｇｃ×ｒ／｛１＋Ｆ×Ｇｃ×（Ｇｐ−Ｇ
ｍ）｝］、及び外乱ｄにかかる右辺第２項［（１−Ｆ×
Ｇｍ×Ｇｃ）×ｄ／｛１＋Ｆ×Ｇｃ×（Ｇｐ−Ｇ
ｍ）｝］の両方に含まれている。つまり、右辺第１項、
右辺第２項、すなわちそれぞれ目標値ｒに関する特性、
外乱ｄに関する特性をフィルタ部３２で調整する場合
は、それぞれを独立して調整することができない。した
がって、目標値ｒに対して制御量ｙがどう追従するかを
示す目標値追従性と、外乱ｄをどれだけ抑制できるかを
示す外乱抑制性とを両立させることは難しい。また、目
標値追従性と外乱抑制性を両立させた２自由度ＩＭＣの
設計手法が提案されているが、最適な制御性能を得るこ
とを目的としたものであって汎用的に利用できるコント
ローラとしては実現されていない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来のＩＭＣコントロ
ーラは以上のように構成されているので、汎用的に利用
できるコントローラとしては不適当であり、目標値追従
性と外乱抑制性の両立を前提としたＩＭＣ構造の利点を
活かした汎用コントローラは実現されていないという問
題点があった。また、従来の汎用ＰＩＤコントローラで
は、むだ時間の大きな制御対象プロセスに対しては有効
に制御できないという問題点があった。

【００１１】本発明は、上記課題を解決するために、目
標値追従性と外乱抑制性を両立させた汎用性の高いＩＭ
Ｃコントローラを提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、入力された制
御の目標値を伝達関数が１次遅れの特性で出力する目標
値フィルタ部と、目標値フィルタ部の出力からフィード
バック量を減算する第１の減算処理部と、第１の減算処
理部の出力を伝達関数が１次遅れの特性で出力する目標
値・外乱フィルタ部と、内部モデルのパラメータに基づ
いて、むだ時間の要素を除いた内部モデルの伝達関数の
逆数により目標値・外乱フィルタ部の出力から操作量を
演算する操作部とからなる操作量演算部と、内部モデル
のパラメータを記憶する内部モデル記憶部と、内部モデ
ルのパラメータに基づいて操作量演算部から出力された
操作量から参照制御量を演算する内部モデル出力演算部
と、制御対象プロセスの制御量から内部モデル出力演算
部から出力された参照制御量を減算してフィードバック
量を出力する第２の減算処理部とを有するものである。

【００１３】

【作用】本発明によれば、目標値が目標値フィルタ部に
入力され、第１の減算処理部にて目標値フィルタ部の出
力からフィードバック量が減算され、この結果が操作量
演算部に出力される。次いで、操作量演算部にて第１の
減算処理部の出力から操作量が演算され、制御対象プロ
セス及び内部モデル出力演算部へ出力される。そして、
第２の減算処理部にて制御対象プロセスの制御量から内
部モデル出力演算部からの参照制御量が減算され、この
結果がフィードバック量として第１の減算処理部へフィ
ードバックされるフィードバック制御系が構成されてい
る。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の１実施例を示す目標値追従性
と外乱抑制性を両立させた２自由度ＩＭＣコントローラ
のブロック図、図２はこのＩＭＣコントローラを用いた
制御系のブロック線図である。図１において、１は図示
しないオペレータによって設定された目標値ｒをこのコ
ントローラに入力する目標値入力部、２は目標値入力部
１からの目標値ｒを伝達関数が１次遅れの特性で出力す
る目標値フィルタ部、３は目標値フィルタ部２の出力か
らフィードバック量ｅを減算する第１の減算処理部、４
は後述する内部モデル記憶部からのパラメータに基づい
て第１の減算処理部３の出力から操作量ｕを演算する操
作量演算部、５は操作量演算部４から出力された操作量
ｕを図１では図示しない制御対象プロセスへ出力する信
号出力部である。

【００１５】また、６ａはこのＩＭＣコントローラの内
部モデルのパラメータを記憶する内部モデル記憶部、６
ｂは内部モデル記憶部６ａから出力されたパラメータに
基づいて内部モデルとしての演算を行い参照制御量ｙｍ
を出力する内部モデル出力演算部、７は制御対象プロセ
スからの制御量ｙをこのＩＭＣコントローラに入力する
制御量入力部、８は制御量入力部７から出力された制御
量ｙから内部モデル出力演算部６ｂから出力された参照
制御量ｙｍを減算してフィードバック量ｅを出力する第
２の減算処理部である。

【００１６】図２において、４ａは操作量演算部４の内
部にあって、第１の減算処理部３の出力を伝達関数が１
次遅れの特性で出力する目標値・外乱フィルタ部、４ｂ
は同じくその内部にあって目標値・外乱フィルタ部４ａ
の出力から操作量ｕを演算する操作部、６は内部モデル
記憶部６ａ及び内部モデル出力演算部６ｂからなる内部
モデル、Ｆ１は目標値フィルタ部２の伝達関数、Ｆ２は
目標値・外乱フィルタ部４ａの伝達関数である。なお、
図２は図１のＩＭＣコントローラを制御対象プロセス３
０と外乱ｄを含めて制御系として書き直したものであ
る。

【００１７】次に、このようなＩＭＣコントローラの動
作を説明する。目標値ｒは、このＩＭＣコントローラの
オペレータ等によって設定され、目標値入力部１を介し
て目標値フィルタ部２に入力される。目標値フィルタ部
２は、目標値ｒをその時定数をＴ１とする次式のような
伝達関数Ｆ１の特性で出力する。Ｆ１＝１／（１＋Ｔ１×ｓ）・・・（５）次に、第１の減算処理部３は、この目標値フィルタ部２
の出力から第２の減算処理部８から出力されるフィード
バック量ｅを減算する。

【００１８】そして、操作量演算部４内の目標値・外乱
フィルタ部４ａは、第１の減算処理部３の出力をその時
定数をＴ２とする次式のような伝達関数Ｆ２の特性で出
力する。Ｆ２＝１／（１＋Ｔ２×ｓ）・・・（６）また、同じくその内部の操作部４ｂは、目標値・外乱フ
ィルタ部４ａの出力から操作量ｕを演算するが、その伝
達関数Ｇｃは内部モデル記憶部６ａから出力された内部
モデル６のゲイン及び時定数により次式となり、図９の
例と同様にむだ時間Ｌｍの要素を除いた内部モデル６の
伝達関数Ｇｍの逆数となっている。Ｇｃ＝（１＋Ｔｍ×ｓ）／Ｋｍ・・・（７）ここで、Ｋｍ、Ｔｍはそれぞれ内部モデル６のゲイン、
時定数である。よって、操作量演算部４全体としての伝
達関数は次式となる。Ｆ２×Ｇｃ＝（１＋Ｔｍ×ｓ）／｛Ｋｍ×（１＋Ｔ２×ｓ）｝・・・（８）このようにして、第１の減算処理部３の出力から操作量
ｕが演算されて信号出力部５を介して制御対象プロセス
３０へ出力され、また内部モデル出力演算部６ｂへ出力
される。

【００１９】次に、内部モデル６は、内部モデル記憶部
６ａに記憶されたゲインＫｍ、むだ時間Ｌｍ、及び時定
数Ｔｍからなるこれらのパラメータによって、制御対象
プロセス３０を１次遅れとむだ時間の要素を有するもの
として数式表現したものであり、内部モデル出力演算部
６ｂにて操作量演算部４から出力された操作量ｕから参
照制御量ｙｍを演算する。その伝達関数Ｇｍは次式とな
る。Ｇｍ＝Ｋｍ×ｅｘｐ（−Ｌｍ×ｓ）／（１＋Ｔｍ×ｓ）・・・（９）次に、第２の減算処理部８は、制御量入力部７を介して
入力された制御対象プロセス３０からの制御量ｙから内
部モデル出力演算部６ｂからの参照制御量ｙｍを減算し
てフィードバック量ｅを出力する。そして、このフィー
ドバック量ｅが上記のように第１の減算処理部３に入力
される。これで、このＩＭＣコントローラからなるフィ
ードバック制御系が成立する。

【００２０】そして、この制御系は、図９の例の制御系
において、フィルタ部３２を目標値・外乱フィルタ部４
ａにし、目標値ｒに対して目標値フィルタ部２を追加し
た制御系に相当するので、式（３）から制御量ｙは次式
となる。ｙ＝Ｆ１×Ｆ２×Ｇｐ×Ｇｃ×ｒ／｛１＋Ｆ２×Ｇｃ×（Ｇｐ−Ｇｍ）｝＋（１−Ｆ２×Ｇｍ×Ｇｃ）×ｄ／｛１＋Ｆ２×Ｇｃ×（Ｇｐ−Ｇｍ）｝・・・（１０）すなわち、式（１０）に示すように外乱ｄにかかる右辺
第２項［（１−Ｆ２×Ｇｍ×Ｇｃ）×ｄ／｛１＋Ｆ２×
Ｇｃ×（Ｇｐ−Ｇｍ）｝］には目標値・外乱フィルタ部
４ａの伝達関数Ｆ２のみが関係しているので、外乱ｄに
ついては目標値・外乱フィルタ部４ａで調整する。ま
た、右辺第１項［Ｆ１×Ｆ２×Ｇｐ×Ｇｃ×ｒ／｛１＋
Ｆ２×Ｇｃ×（Ｇｐ−Ｇｍ）｝］から、目標値ｒについ
ては目標値・外乱フィルタ部４ａの調整後に伝達関数Ｆ
１の目標値フィルタ部２を調整する。

【００２１】したがって、内部モデル６を決定した後
に、式（５）、（６）に示すような少ないパラメータ設
定で必要十分な特性を有する目標値フィルタ部２及び目
標値・外乱フィルタ部４ａを調整すれば、目標値追従性
と外乱抑制性とを両立でき、一般的なプラントを対象と
して汎用的に利用できるＩＭＣ構造のコントローラを実
現することができる。なお、本実施例の２自由度ＩＭＣ
コントローラは、外乱ｄに対しては目標値・外乱フィル
タ部４ａにより伝達関数Ｆ２という１次遅れの特性とな
り、目標値ｒに対しては目標値フィルタ部２と目標値・
外乱フィルタ部４ａにより伝達関数Ｆ１×Ｆ２という２
次遅れの特性となる。

【００２２】図３は本実施例のＩＭＣコントローラをタ
ンク内の液面の高さの制御に使用したときの目標値追従
性を示す図、図４は同じく外乱抑制性を示す図である。
図３、４において、縦軸は液面の高さ（制御量ｙ）、横
軸は時間、ｙｐは従来のＰＩＤコントローラによって制
御した場合の制御量である。図３は、０秒にて目標値ｒ
（一点鎖線）を液面の高さ４ｃｍとして入力し、本実施
例のＩＭＣコントローラによる制御結果の液面の高さで
ある制御量ｙ（実線）と、同じく従来のＰＩＤコントロ
ーラによる制御量ｙｐ（破線）とを求めたシミュレーシ
ョン結果である。

【００２３】ここで、タンク内の液体という制御対象プ
ロセス３０のゲインを４．０、むだ時間を５０秒、時定
数を１０秒と仮定し、本実施例の内部モデル６のゲイン
Ｋｍ、むだ時間Ｌｍ、時定数Ｔｍをそれぞれ制御対象プ
ロセス３０と同じにし、目標値フィルタ部２の時定数Ｔ
１を１５秒、目標値・外乱フィルタ部４ａの時定数Ｔ２
を１５秒としている。また、ＰＩＤコントローラのゲイ
ンＫを０．０３、Ｉ動作の積分時間ＴＩを１０秒、Ｄ動
作の微分時間ＴＤを２５秒としている。図３に示すよう
に、従来のＰＩＤコントローラの制御量ｙｐのように目
標値ｒを超えることもなく、本実施例の目標値追従性が
向上していることが分かる。

【００２４】図４では、操作量ｕ＝０、制御量ｙ＝０の
安定している状態で、０秒にて突然高さ１ｃｍの液面の
上昇という外乱ｄ（一点鎖線）が発生したときの結果を
図３と同様に比較したものである。また、内部モデル６
及び制御対象プロセス３０のパラメータは図３と同じで
あるが、ＰＩＤコントローラのゲインＫを０．０４７
５、積分時間ＴＩを１２０秒、微分時間ＴＤを２０秒と
している。図４に示すように、むだ時間が大きい制御対
象プロセス３０に対して、従来のＰＩＤコントローラは
外乱ｄを抑制しきれておらず、それに対して本実施例の
ＩＭＣコントローラは外乱抑制性が向上していることが
分かる。

【００２５】上記の如くＩＭＣコントローラは、制御対
象プロセスが大きなむだ時間を有する場合にも対応が容
易であるが、むだ時間の小さな制御対象プロセスに対す
る外乱抑制性に限っては最適に調整されたＰＩＤよりも
ＩＭＣの方が劣っている。そこで、ＩＭＣとＰＩＤの長
所を使い分けることによりむだ時間の小さい制御対象プ
ロセスにも対応することができる。

【００２６】図５は本発明の参考例を示すＩＭＣコント
ローラのブロック図であり、図１の例と同様の部分には
同一の符号が付してある。９は切替信号に基づいて第１
の減算処理部３の出力を後述する第１の操作量演算部と
第２の操作量演算部のどちらに出力するかを切り替える
信号伝達切替部、１０ａはＰＩＤ制御のパラメータを記
憶するＰＩＤ記憶部、１０ｂはＰＩＤ記憶部１０ａから
出力されたパラメータに基づいて、ＰＩＤコントローラ
の操作部として信号伝達切替部９の出力から操作量ｕを
演算する第２の操作量演算部、１１は目標値入力部１か
らの目標値ｒと制御量入力部７からの制御量ｙとに基づ
いて制御対象プロセスの整定状態を判定し、その結果を
判定信号として出力する整定状態判定部、１２は整定状
態判定部１１からの判定信号と内部モデル記憶部６ａか
らのパラメータに基づいて切替信号を出力する切替制御
部、１４は図１の実施例の操作量演算部４と同様の第１
の操作量演算部である。

【００２７】本参考例では、信号伝達切替部９が切替制
御部１２から出力された切替信号に基づいて第１の減算
処理部３の出力を切り替えており、第１の操作量演算部
１４に出力されるように切り替えれば、図１の操作量演
算部４に相当する第１の操作量演算部１４を始めとして
その構成、動作は図１の例と同様となる。また、第１の
減算処理部３の出力が第２の操作量演算部１０ｂに出力
されるように切り替えれば、内部モデル出力演算部６ｂ
からの参照制御量ｙｍは出力されなくなるので、第２の
減算処理部８の減算結果であるフィードバック量ｅは制
御量ｙのみとなり、図８の操作部２４に相当するＰＩＤ
記憶部１０ａ及び第２の操作量演算部１０ｂを始めとし
てその構成、動作は図８の例と同様となる。なお、後述
するが、第２の操作量演算部１０ｂ側に切り替えるの
は、整定状態のときで目標値ｒに変化はないので、この
ときは目標値フィルタ部２はないに等しい。

【００２８】次に、このような切替アルゴリズムとし
て、始めに整定状態判定部１１の動作を説明する。整定
状態判定部１１は、目標値入力部１からの目標値ｒと制
御量入力部７からの制御量ｙに基づいて制御対象プロセ
スが整定状態かどうかを判定し、その結果を判定信号と
して出力する。まず、目標値入力部１から出力された目
標値ｒが変化したときは、整定状態ではないと判定して
判定信号の値を「１」とする。

【００２９】次に、目標値ｒが変化したときの変化量ｄ
ｒ、目標値ｒと制御量ｙの差ｈ＝ｙ−ｒをこの制御系の
サンプリング時間ごとに算出する。また、１サンプリン
グ前の制御量をｙ２とし、現在の制御量ｙとの差ｄｙ＝
ｙ−ｙ２を１サンプリングごとに算出する。そして、判
定信号が「１」で、かつ次式の条件を同時に満たしたと
きに、制御対象プロセスが整定状態と判定して判定信号
の値を「０」にする。｜ｈ｜＜Ｘ１×｜ｄｒ｜・・・（１１）｜ｄｙ｜＜Ｘ２×｜ｄｒ｜／ｄｔ・・・（１２）ここで、ｄｔは例えば１．０秒というサンプリング時間
であり、しきい値Ｘ１、Ｘ２はそれぞれ例えば０．０
２、０．０１とする。

【００３０】次に、切替制御部１２の動作は、整定状態
判定部１１から出力された判定信号と内部モデル記憶部
６ａから出力されたむだ時間Ｌｍ及び時定数Ｔｍに基づ
いて、切替条件を判定して切替信号を出力する。このと
き、判定信号が「１」か、あるいは次式が成立するとき
は切替信号を「０」にする。Ｌｍ／Ｔｍ≧Ｘ３・・・（１３）すなわち、整定状態判定部１１によって制御対象プロセ
スが整定状態でないと判定されたか、あるいはむだ時間
Ｌｍ／時定数Ｔｍがしきい値Ｘ３以上で制御対象プロセ
スのむだ時間が大きいと判定したときは、ＩＭＣ制御の
方が適しているとして切替信号を「０」にする。なお、
しきい値Ｘ３は例えば０．２５とする。よって、信号伝
達切替部９は、切替制御部１２から出力された切替信号
により第１の減算処理部３の出力を第１の操作量演算部
１４に出力し、本参考例のコントローラは、図１の例の
２自由度ＩＭＣコントローラと全く同じ動作をする。

【００３１】また、切替制御部１２は、整定状態判定部
１１から出力された判定信号が「０」で、かつ次式が成
立するときは切替信号を「１」にする。Ｌｍ／Ｔｍ＜Ｘ３・・・（１４）すなわち、整定状態判定部１１によって制御対象プロセ
スが整定状態であると判定され、かつむだ時間Ｌｍ／時
定数Ｔｍがしきい値Ｘ３より小さくて制御対象プロセス
のむだ時間が小さいと判定したときは、ＰＩＤ制御の方
が適しているとして切替信号を「１」にする。よって、
信号伝達切替部９は、切替制御部１２から出力された切
替信号により第１の減算処理部３の出力を第２の操作量
演算部１０ｂに出力し、本参考例のコントローラは、図
８の例のＰＩＤコントローラと同様の動作をする。

【００３２】したがって、制御が整定状態でないかある
いは制御対象プロセスのむだ時間が大きい場合はＩＭＣ
構造のコントローラとして動作し、制御が整定状態でか
つ制御対象プロセスのむだ時間が小さい場合はＰＩＤ構
造のコントローラとして動作することによって、目標値
追従性と外乱抑制性とを両立でき、むだ時間の小さい制
御対象プロセスに対しても汎用コントローラとして対応
することができる。なお、本参考例のＩＭＣコントロー
ラは、ＩＭＣの構造を図１の例と同様に構成したが、そ
の他のＩＭＣ構造とすることもできる。

【００３３】図６は本参考例のＩＭＣコントローラを図
３と同様にタンク内の液面の高さの制御に使用したとき
の目標値追従性を示す図、図７は同じく図４と同様に外
乱抑制性を示す図である。図６は、図３と同様に０秒に
て目標値ｒ（一点鎖線）を液面の高さ４ｃｍとして入力
し、本参考例のＩＭＣコントローラによる制御量ｙ（実
線）と、従来のＰＩＤコントローラによる制御量ｙｐ
（破線）とを求めたものである。

【００３４】ここで、制御対象プロセスのゲインを４．
０、むだ時間を１．０秒、時定数を２２．３６０７秒と
仮定し、本参考例の内部モデル記憶部６ａのゲインＫ
ｍ、むだ時間Ｌｍ、時定数Ｔｍをそれぞれ制御対象プロ
セスと同じにし、目標値フィルタ部２の時定数Ｔ１を
１．０秒、図５では図示しない第１の操作量演算部１４
内の目標値・外乱フィルタ部の時定数Ｔ２を１．０秒と
している。また、ＰＩＤ記憶部１０ａに記憶されたＰＩ
ＤコントローラのゲインＫ２を５．３１１、Ｉ動作の積
分時間ＴＩ２を２．４秒、Ｄ動作の微分時間ＴＤ２を
０．４秒としている。また、従来のＰＩＤコントローラ
のゲインＫを３．３５４、Ｉ動作の積分時間ＴＩを２
２．３６０７秒、Ｄ動作の微分時間ＴＤを０．５秒とし
ている。図６において、本参考例のＩＭＣコントローラ
は、０秒からの目標値ｒの変化に対してＩＭＣ制御とし
て動作しており、制御量ｙが安定した後にＰＩＤ制御に
移行することにより、目標値追従性が向上している。

【００３５】図７は、図４と同様に操作量ｕ＝０、制御
量ｙ＝０の安定している状態で、０秒にて突然高さ１ｃ
ｍの液面の上昇という外乱ｄ（図示せず）が発生したと
きの結果であり、外乱抑制性については従来のＰＩＤと
同様の結果になるので、従来のＩＭＣコントローラによ
る制御量ｙｉと比較している。図７において、外乱ｄが
発生する前は制御対象プロセスは整定状態であり、外乱
ｄが発生した後も目標値ｒには変化がないので、本参考
例のＩＭＣコントローラはＰＩＤ動作をしており、従来
のＩＭＣコントローラに比べて外乱抑制性が向上してい
ることが分かる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、最低限のパラメータ設
定で必要十分な特性を有する目標値フィルタ部及び目標
値・外乱フィルタ部を設けることにより、目標値追従性
と外乱抑制性とを両立でき、一般的なプラントを対象と
して汎用的に利用できるＩＭＣ構造のコントローラを実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例を示す２自由度ＩＭＣコント
ローラのブロック図である。

【図２】図１のＩＭＣコントローラを用いた制御系のブ
ロック線図である。

【図３】図１のＩＭＣコントローラの目標値追従性を示
す図である。

【図４】図１のＩＭＣコントローラの外乱抑制性を示す
図である。

【図５】本発明の参考例を示すＩＭＣコントローラのブ
ロック図である。

【図６】図５のＩＭＣコントローラの目標値追従性を示
す図である。

【図７】図５のＩＭＣコントローラの外乱抑制性を示す
図である。

【図８】従来のＰＩＤコントローラを用いた制御系のブ
ロック線図である。

【図９】従来のＩＭＣコントローラを用いた制御系のブ
ロック線図である。

【符号の説明】

２目標値フィルタ部３第１の減算処理部４操作量演算部４ａ目標値・外乱フィルタ部４ｂ操作部６ａ内部モデル記憶部６ｂ内部モデル出力演算部８第２の減算処理部９信号伝達切替部１０ａＰＩＤ記憶部１０ｂ第２の操作量演算部１１整定状態判定部１２切替制御部１４第１の操作量演算部ｅフィードバック量ｒ目標値ｕ操作量ｙ制御量ｙｍ参照制御量

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−182705（ＪＰ，Ａ) 計装、ｖｏｌ．34 Ｎｏ．６（1991) ｐ．77−82 システムと制御、ｖｏｌ．28 Ｎｏ. ５（1984）ｐ．269−277 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G05B 13/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】制御の目標値から制御対象プロセスに出
力する操作量を演算し、制御対象プロセスを１次遅れと
むだ時間の要素を有する伝達関数で表現した内部モデル
にて制御結果である制御対象プロセスの制御量に相当す
る参照制御量を演算し、制御量と参照制御量との差をフ
ィードバックすることにより制御を行うＩＭＣコントロ
ーラにおいて、入力された制御の目標値を伝達関数が１次遅れの特性で
出力する目標値フィルタ部と、前記目標値フィルタ部の出力からフィードバック量を減
算する第１の減算処理部と、前記第１の減算処理部の出力を伝達関数が１次遅れの特
性で出力する目標値・外乱フィルタ部と、内部モデルの
パラメータに基づいて、むだ時間の要素を除いた前記内
部モデルの伝達関数の逆数により前記目標値・外乱フィ
ルタ部の出力から操作量を演算する操作部とからなる操
作量演算部と、前記内部モデルのパラメータを記憶する内部モデル記憶
部と、前記内部モデルのパラメータに基づいて前記操作量演算
部から出力された操作量から参照制御量を演算する内部
モデル出力演算部と、制御対象プロセスの制御量から前記内部モデル出力演算
部から出力された参照制御量を減算して前記フィードバ
ック量を出力する第２の減算処理部とを有することを特
徴とするＩＭＣコントローラ。