JP2913135B2 - コントローラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＩＭＣ（Internal Model
Control）構造の制御アルゴリズムを用いたコントロー
ラに関し、特に内部モデルの同定誤差による制御の不安
定化を修正することができる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おり、
このＩＭＣコントローラを用いれば制御対象プロセス
（例えばこのコントローラが室内空調機であれば室内環
境に相当する）に大きなむだ時間（空調機から温風が出
てから室内温度が上昇するまでの時間）が存在しても対
応が可能という優れた利点がある。

【０００３】図１４は従来のＩＭＣコントローラを用い
た制御系のブロック線図である。３３は目標値（室内温
度設定値）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の出力に基づいてこのコントロー
ラの出力である操作量（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、３６は制御対象プロセス
を数式で近似したものであって制御結果である制御量
（室内温度）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、４０は制御対象プロセスである。

【０００４】また、Ｆ、Ｇｃ、Ｇｍ、Ｇｐはそれぞれフ
ィルタ部３２、操作部３４、内部モデル３６、制御対象
プロセス４０の伝達関数、ｒは目標値、ｕは操作量、ｄ
は例えば室内環境に対する室外環境等に相当する外乱、
ｙは制御量、ｙｍは参照制御量、ｅはフィードバック量
である。

【０００５】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４０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４０の制御量ｙから制御対象プロセス４０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。

【０００６】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４０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のむだ時間の
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）｝ ・・・（１）

【０００７】ここで、内部モデル３６の伝達関数Ｇｍが
制御対象プロセス４０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（１）は次式のようになる。 ｙ＝Ｆ×ｒ＋（１−Ｆ）×ｄ ・・・（２）

【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、外乱ｄに着目すると、制御対象プロセス４
０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。

【０００９】このようなＩＭＣコントローラは、通常、
制御対象プロセス４０と内部モデル３６のモデル同定誤
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、このようなモデル同定技術によって内部モデル３６
を決定したときに、内部モデル３６の制御対象プロセス
４０に対するモデル同定誤差はある程度避けられない
が、このモデル同定誤差の見積を誤ったときの制御は想
定通りの動作にならないので、その場合の対策は制御の
知識を有する専門家によって行われる。

【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、内部モデル同
定に誤差があってその見積が不適当な場合、コントロー
ラは想定通りの動作にならず不安定となり、制御の知識
を有する専門家以外のオペレータはＩＭＣコントローラ
の利用を断念しなければならないという問題点があっ
た。また、内部モデル同定に誤差がある場合は内部モデ
ルのゲインを修正することが特に有効であるが、ゲイン
修正のための具体的な指標はなく、試行錯誤によらなけ
ればならないという問題点があった。本発明は、上記課
題を解決するために、内部モデル同定に誤差が含まれる
場合でも内部モデルのゲインを自動的に修正して制御の
安定化を図ることができるＩＭＣ構造のコントローラを
提供することを目的とする。

【００１１】

【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時間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時間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
いて目標値・外乱フィルタ部の出力から操作量を演算し
て出力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し、内部モデルの修正ゲインが入
力されたときはパラメータ中の内部モデルのゲインをこ
の修正ゲインに更新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、目標値、制御量、参照制御量に基づいて制御量及
び参照制御量の初期値と整定値との差であるステップ幅
を算出するステップ幅算出部と、制御量及び参照制御量
のステップ幅に基づいて制御量及び参照制御量が変化を
始める応答開始領域を検出し、この応答開始領域の制御
量及び参照制御量を出力する応答開始領域検出部と、応
答開始領域の制御量及び参照制御量に基づく制御量及び
参照制御量の変化量から内部モデルの修正ゲインを算出
するモデルゲイン算出部とを有するものである。

【００１２】また、モデルゲイン算出部から出力された
修正ゲインが所定の範囲を外れたときはこの修正ゲイン
を所定の範囲に収まるように変更して内部モデル記憶部
に出力するモデルゲインリミッタ部を有するものであ
る。

【００１３】また、操作量演算部から出力された操作量
の変化量が所定の上限値を超えたときはこの変化量を所
定の上限値で抑える操作量リミッタ部を有するものであ
る。

【００１４】また、モデルゲイン算出部の代わりに、応
答開始領域の制御量及び参照制御量に基づく制御量及び
参照制御量の変化量から内部モデルの修正ゲインを算出
する際に安全係数を乗じてこの修正ゲインを算出する非
線形対応モデルゲイン算出部を有するものである。

【００１５】

【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、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て制御対
象プロセス及び内部モデル出力演算部へ出力される。次
いで、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
部へ出力されるフィードバック制御系が構成されてい
る。そして、ステップ幅算出部にて制御量及び参照制御
量のステップ幅が算出され、応答開始領域検出部にてこ
のステップ幅に基づき制御量及び参照制御量の応答開始
領域が検出され、モデルゲイン算出部にて応答開始領域
の制御量及び参照制御量の変化量から内部モデルの修正
ゲインが算出されて内部モデル記憶部に出力されること
により、内部モデルのゲインが修正される。

【００１６】また、モデルゲインリミッタ部によってモ
デルゲイン算出部から出力された修正ゲインが所定の範
囲に収まるように抑えられる。また、操作量リミッタ部
によって操作量演算部から出力された操作量の変化量が
所定の上限値を超えないように抑えられる。また、非線
形対応モデルゲイン算出部によって応答開始領域の制御
量及び参照制御量の変化量から内部モデルの修正ゲイン
が算出される際に安全係数を乗じた形でこの修正ゲイン
が算出される。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の１実施例を示すＩＭＣ構造の
コントローラのブロック図、図２はこのＩＭＣ構造のコ
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。

【００１８】また、６ａはこの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、６ｂ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、９は目標値ｒ、制御量ｙ、及び参照制御量ｙｍに
基づいて制御量ｙ、参照制御量ｙｍの初期値から変化終
了の整定値までの差であるステップ幅を算出するステッ
プ幅算出部である。

【００１９】また、１０は応答開始領域検出部であり、
制御量ｙ、参照制御量ｙｍのステップ幅に基づいてそれ
ぞれの応答開始領域、すなわち目標値ｒの入力に対して
操作量演算部４から操作量ｕが出力されることにより制
御量ｙ、参照制御量ｙｍが初期値から変化を始める領域
を検出する。１１は応答開始領域検出部１０から出力さ
れた応答開始領域の制御量ｙ及び参照制御量ｙｍに基づ
いて内部モデルの修正ゲインを算出して内部モデル記憶
部６ａに記憶された内部モデルのゲインを修正させるモ
デルゲイン算出部である。

【００２０】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。また、
ｄｕは操作量外乱であり、外乱ｄ＝Ｇｐ×ｄｕとするこ
とで制御量外乱ｄと等価に扱うことができる。

【００２１】なお、図２は図１の目標値フィルタ部２、
第１の減算処理部３、操作量演算部４、内部モデル記憶
部６ａ、内部モデル出力演算部６ｂ、及び第２の減算処
理部８からなるこのＩＭＣ構造のコントローラの基本構
成に、制御対象プロセス４０、外乱ｄ、及び操作量外乱
ｄｕを含めて制御系として書き直したものである。

【００２２】次に、このようなコントローラの基本構成
の動作について説明する。目標値ｒは、このコントロー
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） ・・・（３）

【００２３】そして、時定数Ｔ１は、あらかじめ設定さ
れた初期値を除いて後述する内部モデル６のむだ時間Ｌ
ｍの変更に伴い次式のように設定されるようになってい
る。 Ｔ１＝４×α×Ｌｍ ・・・（４） ここで、αは比例定数であり、例えばα＝０．３であ
る。

【００２４】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。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） ・・・（５）

【００２５】そして、時定数Ｔ２も目標値フィルタ部２
の時定数Ｔ１と同様に初期値を除いてむだ時間Ｌｍの変
更に伴い次式のように変更されるようになっている。 Ｔ２＝α×Ｌｍ ・・・（６） つまり、時定数Ｔ１は標準設定として時定数Ｔ２の４倍
に設定されている。

【００２６】また、同じく操作量演算部４内の操作部４
ｂ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６
ａ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１４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。

【００２７】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
４０へ出力され、また内部モデル出力演算部６ｂへ出力
される。

【００２８】次に、制御対象プロセス４０は、１次遅れ
とむだ時間の要素を有するものとしてその伝達関数Ｇｐ
を次式のような近似伝達関数で表現できる。 Ｇｐ＝Ｋｐ×ｅｘｐ（−Ｌｐ×ｓ）／（１＋Ｔｐ×ｓ） ・・・（９） ここで、Ｋｐ、Ｌｐ、Ｔｐはそれぞれ制御対象プロセス
４０のゲイン、むだ時間、時定数である。

【００２９】そして、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、時定数Ｔｍ、及びむだ
時間Ｌｍからなるこれらのパラメータによって、上記の
ような制御対象プロセス４０を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） ・・・（１０）

【００３０】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４０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構造のコン
トローラの基本構成であるフィードバック制御系が成立
する。

【００３１】このような制御系において、ステップ幅算
出部９、応答開始領域検出部１０、及びモデルゲイン算
出部１１は、入力された目標値ｒに対する応答の前半部
で以下のように内部モデル６のゲインＫｍを修正する。
図３（ａ）はステップ幅算出部９の動作を説明するため
の制御量ｙの目標値追従性を示す図、図３（ｂ）は同じ
く参照制御量ｙｍの目標値追従性を示す図である。

【００３２】ｙ０は制御量ｙの初期値、ｙｍ０は参照制
御量ｙｍの初期値、ｒｍは目標値ｒに相当する参照制御
量ｙｍの整定値、ＳＴは制御量ｙにおける目標値ｒと初
期値ｙ０との差であるステップ幅、ＳＴｍは同じく参照
制御量ｙｍにおける整定値ｒｍと初期値ｙｍ０との差で
あるステップ幅である。

【００３３】図３（ａ）では時間０（初期状態）におい
てステップ入力である目標値ｒが入力されてコントロー
ラから操作量ｕが制御対象プロセス４０に出力され、そ
の結果制御量ｙが初期値ｙ０から変化して最終的に目標
値ｒと一致し整定状態に移行する様子が示されている。
また、図３（ｂ）でも内部モデル出力演算部６ｂから出
力された参照制御量ｙｍが同様にして整定値ｒｍに整定
する様子が示されている。

【００３４】そして、ステップ幅算出部９はこのような
制御量ｙのステップ幅ＳＴを次式のように算出する。 ＳＴ＝｜ｒ−ｙ０｜ ・・・（１１） 同様に、参照制御量ｙｍのステップ幅ＳＴｍを次式のよ
うに算出する。 ＳＴｍ＝｜ｒｍ−ｙｍ０｜ ・・・（１２）

【００３５】ここで、制御対象プロセス４０の制御量
ｙ、内部モデル６から出力される参照制御量ｙｍは、目
標値ｒ、外乱ｄから次式にて求めることができる。 ｙ＝Ｆ１×Ｆ２×Ｇｐ×Ｇｃ×ｒ／｛１＋Ｆ２×Ｇｃ×（Ｇｐ−Ｇｍ）｝ ＋（１−Ｆ２×Ｇｍ×Ｇｃ）×ｄ／｛１＋Ｆ２×Ｇｃ×（Ｇｐ−Ｇｍ）｝ ・・・（１３） ｙｍ＝Ｆ１×Ｆ２×Ｇｍ×Ｇｃ×ｒ／｛１＋Ｆ２×Ｇｃ×（Ｇｍ−Ｇｐ）｝ ＋（−Ｆ２×Ｇｍ×Ｇｃ）×ｄ／｛１＋Ｆ２×Ｇｃ×（Ｇｍ−Ｇｐ）｝ ・・・（１４）

【００３６】そして、内部モデル６のゲインＫｍの初期
値をＫｍ０とすると、式（１３）、（１４）より参照制
御量ｙｍの初期値ｙｍ０は次式となる。 ｙｍ０＝（ｙ０−ｄ）×Ｋｍ０／Ｋｐ ・・・（１５） 式（１５）より外乱ｄ＝０であれば、制御量初期値ｙ０
と参照制御量初期値ｙｍ０との比は、次式のように制御
対象プロセス４０のゲインＫｐ（ここでは推定値）と内
部モデル６のゲイン初期値Ｋｍ０との比に一致する。 Ｋｐ／Ｋｍ０＝ｙ０／ｙｍ０ （ｙ０≠０、ｙｍ０≠０） ・・・（１６）

【００３７】よって、制御対象プロセス４０のゲインＫ
ｐは次式のように推定することができる。 Ｋｐ＝Ｋｍ０×ｙ０／ｙｍ０ ・・・（１７） また、同様にして目標値ｒと参照制御量ｙｍの整定値ｒ
ｍとの比は、ゲインＫｐとゲイン初期値Ｋｍ０との比に
一致する。 Ｋｐ／Ｋｍ０＝ｒ／ｒｍ ・・・（１８）

【００３８】したがって、式（１２）は式（１６）〜
（１８）より次式のように変形することができる。 ＳＴｍ＝｜ｒｍ−ｙｍ０｜＝｜ｒ×Ｋｍ０／Ｋｐ−ｙ０×Ｋｍ０／Ｋｐ｜ ＝｜ｒ−ｙ０｜×Ｋｍ０／Ｋｐ ＝｜（ｒ×ｙｍ０／ｙ０）−ｙｍ０｜ ・・・（１９） こうして、ステップ幅算出部９は、制御量ｙのステップ
幅ＳＴ、参照制御量ｙｍのステップ幅ＳＴｍを式（１
１）、（１９）によって算出し、これらを応答開始領域
検出部１０に出力する。

【００３９】次に、応答開始領域検出部１０は、ステッ
プ幅ＳＴ、ＳＴｍに基づいて制御量ｙ及び参照制御量ｙ
ｍの応答開始領域、すなわち目標値ｒの入力に対して操
作量演算部４から操作量ｕが出力されることにより制御
量ｙ、参照制御量ｙｍがそれぞれ初期値ｙ０、ｙｍ０か
ら変化を始める領域を検出する。

【００４０】図４（ａ）は応答開始領域検出部１０の動
作を説明するための制御量ｙの応答開始領域を示す図、
図４（ｂ）は同じく参照制御量ｙｍの応答開始領域を示
す図であり、ｙ１、ｙ２はそれぞれ応答開始領域の開始
時点、終了時点における制御量、ｙｍ１、ｙｍ２は同じ
く開始時点、終了時点における参照制御量である。ま
た、１、２・・・Ｎｙ、Ｎｙ＋１・・・ｎ、ｎ＋１の各
数字は本制御系のサンプリング時点であり、応答開始領
域の開始時点を１としている。図４（ａ）、（ｂ）はそ
れぞれ図３（ａ）、（ｂ）における変化開始部分を拡大
した図に相当する。

【００４１】まず、応答開始領域検出部１０は、次式に
よって検出するサンプリング時点を制御量ｙの応答開始
領域の開始時点とする。 ｜ｙ−ｙ０｜＞β×ＳＴ ・・・（２０） ここで、βは比例定数であり、例えばβ＝０．０５であ
る。つまり、制御量ｙの応答開始領域の開始時点は、図
４（ａ）のようにβ×ＳＴをしきい値とし現在の制御量
ｙと初期値ｙ０との差がこのしきい値を超えた最初のサ
ンプリング時点である。こうして、開始時点の制御量ｙ
１が求められる。

【００４２】そして、参照制御量ｙｍの応答開始領域の
開始時点を同様に検出する。 ｜ｙｍ−ｙｍ０｜＞β×ＳＴｍ ・・・（２１） すなわち、参照制御量ｙｍの応答開始領域の開始時点
は、図４（ｂ）のようにβ×ＳＴｍをしきい値とし現在
の参照制御量ｙｍとその初期値ｙｍ０との差がこのしき
い値を超えた最初のサンプリング時点である。こうし
て、開始時点の参照制御量ｙｍ１が求められる。

【００４３】次に、制御量ｙの応答開始領域の終了時点
は、制御量ｙの応答開始領域の開始時点からｎサンプリ
ング後の時点か（例えばｎ＝９）、あるいは次式を満た
す最初のサンプリング時点のうちどちらか先に検出した
方とする。 ｜ｙ−ｙ０｜＞δ×ＳＴ ・・・（２２） ここで、δは比例定数であり、例えばδ＝０．２０であ
る。そして、式（２２）によるサンプリング時点を終了
時点とする場合は、開始時点からこの終了時点までのサ
ンプリング数をＮｙとする。

【００４４】すなわち、制御量ｙの応答開始領域の終了
時点は、本実施例では９サンプリング後の時点か（図４
（ａ）ではｎ＋１時点）、あるいは現在の制御量ｙとそ
の初期値ｙ０との差がステップ幅ＳＴの２０％を超えた
最初のサンプリング時点（図４（ａ）ではＮｙ＋１時
点）のうちの早い方なので、図４（ａ）ではＮｙ＋１時
点を応答開始領域の終了時点としている。こうして、終
了時点の制御量ｙ２が求められる。

【００４５】そして、参照制御量ｙｍの応答開始領域の
終了時点は、参照制御量ｙｍの応答開始領域の開始時点
からｎサンプリング後の時点か、あるいは上記で得られ
たサンプリング数Ｎｙによる同じく開始時点からＮｙサ
ンプリング後の時点のうちどちらか早い方とする。こう
して、終了時点の参照制御量ｙｍ２が求められる。

【００４６】よって、制御量ｙの応答開始領域の開始時
点から終了時点までのサンプリング数と参照制御量ｙｍ
の応答開始領域の開始時点から終了時点までのサンプリ
ング数が一致するようになっている。また、上記のよう
に終了時点の検出を２点のうち早い方としているのは、
固定サンプリング数ｎによる検出のみでは、制御量ｙが
早めに整定状態に近づいてしまい後述するゲインＫｍの
修正が間に合わなくなってしまうことがあるからであ
る。

【００４７】応答開始領域検出部１０は、このようにし
て検出した応答開始領域における制御量ｙ１、ｙ２、参
照制御量ｙｍ１、ｙｍ２をモデルゲイン算出部１１に出
力する。次に、モデルゲイン算出部１１は、応答開始領
域検出部１０から出力されたこれらの値から内部モデル
６の修正ゲインＫｍ１を次式のように算出する。 Ｋｍ１＝Ｋｍ０×（ｙ２−ｙ１）／（ｙｍ２−ｙｍ１） ・・・（２３）

【００４８】そして、この修正ゲインＫｍ１が内部モデ
ル記憶部６ａに出力されることにより、内部モデル記憶
部６ａに記憶されているゲイン初期値Ｋｍ０がこの修正
ゲインＫｍ１に更新される。このようなゲインＫｍ（Ｋ
ｍ０）の修正は、制御量ｙ、参照制御量ｙｍ共に応答開
始領域が終了した時点で１回行われる。よって、ステッ
プ幅算出部９、応答開始領域検出部１０、モデルゲイン
算出部１１によるゲインＫｍの修正は、目標値ｒの入力
に対する応答の前半部で行われることになる。

【００４９】ここで、上記のように内部モデル６のゲイ
ンＫｍを修正するのは以下の理由による。ステップ入力
である目標値ｒが１〜２次遅れ程度の伝達関数のフィル
タ部（実施例では目標値フィルタ部２、目標値・外乱フ
ィルタ部４ａによって２次遅れとなる）を通して操作部
４ｂに入力される場合、目標値ｒに含まれる入力高周波
に対する応答となる前半部は、応答全般において最も不
安定な状態である。

【００５０】よって、ＩＭＣコントローラでは、応答開
始領域を含む応答の前半部において内部モデル６と制御
対象プロセス４０の誤差が小さいことがその安定性にと
って重要となる。そこで、式（２３）のように応答前半
部での制御対象プロセス４０の制御量ｙの変化率と内部
モデル６の参照制御量ｙｍの変化率が近づくように内部
モデル６のゲインＫｍを修正する。そして、このゲイン
Ｋｍの修正は応答開始領域の検出結果に応じて応答前半
で行えば十分に効果が得られる。

【００５１】なお、このゲインＫｍの修正により応答の
後半部から最終的な整定時までは制御量ｙと参照制御量
ｙｍの変化率が合わなくなることが有り得るが、整定状
態に近づく応答後半部における操作部４ｂへの目標値ｒ
の入力は応答前半部に比べて十分に低周波になるため
に、制御の安定性には余り影響しない。よって、内部モ
デル６のゲインＫｍの修正は１回だけである。したがっ
て、制御対象プロセス４０のモデル同定に誤差が含まれ
る場合でも安定な応答を得ることができる。

【００５２】図５は本実施例の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６は同様にＰＩＤコントローラの目標値追従性
を示す図、図７は従来のＩＭＣコントローラの目標値追
従性を示す図である。図５〜７は０秒にて目標値ｒ（一
点鎖線）を液面の高さ４ｃｍというステップ入力として
入力し、その制御結果の液面の高さである制御量ｙ（実
線）を求めたシミュレーション結果である。また、ここ
での従来のＩＭＣコントローラは、本実施例のコントロ
ーラにおいて内部モデル６のゲインＫｍの修正を行わな
いものを用いている。

【００５３】ここで、タンク内の液体という制御対象プ
ロセス４０のゲインＫｐを１８、時定数Ｔｐを６秒、む
だ時間Ｌｐを１０秒とし、本実施例と従来のＩＭＣコン
トローラの内部モデル６のゲインＫｍを１２、時定数Ｔ
ｍを１２秒、むだ時間Ｌｍを１０秒とし、ＰＩＤコント
ローラを調整するためのモデルパラメータも内部モデル
６と同じとする。よって、ゲインＫｍと時定数Ｔｍにモ
デル同定誤差が存在することになる。また、本実施例及
び従来のＩＭＣコントローラの目標値フィルタ部２の時
定数Ｔ１を２４秒、目標値・外乱フィルタ部４ａの時定
数Ｔ２を６秒とする。

【００５４】そして、本実施例の応答開始領域検出部１
０が検出する応答開始領域の終了時点は開始時点からｎ
サンプリング後の時点としている。また、ＰＩＤコント
ローラのゲインを０．０６、積分時間を１２秒、微分時
間を５秒とし、全てのコントローラのサンプリング周期
は１秒である。図５〜７の比較で明らかなように、本実
施例のコントローラによればモデル同定に誤差が含まれ
る場合でもＰＩＤコントローラや従来のＩＭＣコントロ
ーラに比べて安定な応答が得られることが分かる。

【００５５】図８は本発明の他の実施例を示すＩＭＣ構
造のコントローラのブロック図であり、図１と同様の部
分には同一の符号を付してある。１２はモデルゲイン算
出部１１から出力された修正ゲインＫｍ１が所定の範囲
である最小値より小さいときはこの修正ゲインＫｍ１を
所定の範囲に収まるように変更して内部モデル記憶部６
ａに出力するモデルゲインリミッタ部である。

【００５６】本実施例のコントローラの構成は、モデル
ゲインリミッタ部１２を除いて図１の例と全く同様であ
る。その基本的な動作も図１の例と全く同様であり、制
御応答の前半部でモデルゲイン算出部１１によって内部
モデル６の修正ゲインＫｍ１が算出される。しかし、図
１の例における修正ゲインＫｍ１は過小な値に算出され
る場合があり、このような場合は制御の安全性を損な
う。

【００５７】そこで、モデルゲインリミッタ部１２は、
モデルゲイン算出部１１から出力された修正ゲインＫｍ
１が次式のような最小値より小さいときは安全性の限界
を外れたと判断して限界内に収まるように修正ゲインＫ
ｍ１を制限する。 Ｋｍ１＜Ｒ×Ｋｍ０ ・・・（２４） ここで、Ｒは比例定数であり、例えばＲ＝０．１であ
る。

【００５８】すなわち、修正ゲインＫｍ１が内部モデル
記憶部６ａに記憶された内部モデル６のゲイン初期値Ｋ
ｍ０の１０％より小さいときは限界を外れたと判断す
る。そして、このときは修正ゲインＫｍ１をＫｍ１＝Ｒ
×Ｋｍ０とし、この限界内に収められた修正ゲインＫｍ
１を内部モデル記憶部６ａに出力する。

【００５９】したがって、図１の例に示す修正ゲインＫ
ｍ１の算出が行われたときに過小な修正ゲインＫｍ１が
算出されても安全性を確保することができる。なお、本
実施例では修正ゲインＫｍ１に所定の範囲として下限の
みを設けているが、制御対象プロセス４０の変動を考慮
して下限のみでなく上限リミッタを設けると更に安全な
制御を行うことができる。

【００６０】図１、図８の例では応答の前半部において
内部モデル６のゲインＫｍの修正を行うが、この修正時
はゲインＫｍの急変のために制御推移が不連続となり、
ゲインＫｍの修正量が大きいと操作量ｕに過大な変化が
発生する。このとき、この変化量の過大な操作量ｕが制
御機器、例えば液面の制御であればバルブに出力される
とそのバルブの損傷を招くことがある。そこで、操作量
ｕの変化量を制限するリミッタが必要となる。

【００６１】図９は本発明の他の実施例を示すＩＭＣ構
造のコントローラのブロック図であり、図１と同様の部
分には同一の符号を付してある。１３は操作量演算部４
から出力された操作量ｕの変化量が所定の上限値を超え
たときはこの変化量が所定の上限値より小さくなるよう
に抑えて操作量ｕを信号出力部５及び内部モデル出力演
算部６ｂに出力する操作量リミッタ部である。本実施例
のコントローラの構成は、操作量リミッタ部１３を除い
て図１の例と全く同様である。

【００６２】その基本的な動作も図１の例と同様である
が、操作量リミッタ部１３は、まず次式のように所定の
上限値である操作量ｕの１サンプリング間における変化
量△ｕの上限値△ＵＬを算出する。 △ＵＬ＝ε×△Ｕ１×Ｔ２² ・・・（２５）

【００６３】ここで、εは比例定数であり、例えばサン
プリング周期が１秒であれば、ε＝０．０５である。ま
た、△Ｕ１はこのコントローラに目標値ｒが入力されて
応答した最初の操作量ｕと操作量ｕの初期値との差、す
なわち操作量ｕの最初の変化量、Ｔ２は前述した目標値
・外乱フィルタ部４ａの時定数である。

【００６４】次に、操作量リミッタ部１３は、制御動作
中の操作量ｕの変化量△ｕをチェックし、△ｕ＞△ＵＬ
のときは変化量△ｕを△ｕ＝△ＵＬとし、△ｕ＜−△Ｕ
Ｌのときは△ｕ＝−△ＵＬとする。そして、このように
変化量△ｕを抑制した結果の操作量ｕを信号出力部５及
び内部モデル出力演算部６ｂに出力する。よって、操作
量ｕの過大な変化による制御機器の破壊やエネルギーの
浪費等を回避することができる。

【００６５】なお、上記のように変化量△ｕを最初の変
化量△Ｕ１に基づいて抑えるのは、操作量ｕが図２に示
すように目標値ｒに対して目標値フィルタ部２及び目標
値・外乱フィルタ部４ａという２つのフィルタにより２
次遅れの特性となっており、結果として一番最初の操作
量ｕの変化は制御機器から見ると上限値の設定に適当な
量に収まっているからである。

【００６６】図１０は本実施例のコントローラを図５の
例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１１は図１の例のコントロ
ーラの目標値追従性を示す図である。ここで、制御対象
プロセス４０のゲインＫｐを８、時定数Ｔｐを２０秒、
むだ時間Ｌｐを１０秒とし、本実施例と図１のコントロ
ーラの内部モデル６のゲインＫｍを２０、時定数Ｔｍを
８秒、むだ時間Ｌｍを１０秒とする。よって、ゲインＫ
ｍと時定数Ｔｍにモデル同定誤差が存在することにな
る。

【００６７】また、その他のパラメータについては図５
の例と同様とする。図１１ではゲインＫｍの修正による
操作量ｕの急峻な変化が認められるが、図１０ではその
変化が抑えられていることが分かる。

【００６８】図１、８、９の例では制御対象プロセス４
０のゲインＫｐが応答の途中から大きく変化する場合、
すなわちゲインＫｐに制御量ｙに応じて変化する非線形
性や時間に応じて変化する時変性がある場合は制御が不
安定になることがある。これは、内部モデル６のゲイン
Ｋｍの修正が応答の前半部にある応答開始領域の検出に
よって行われているので、応答開始領域の変化と応答後
半部の制御対象プロセス４０の特性との整合性が悪いと
ゲインＫｍの修正の効果が維持できないからである。

【００６９】そこで、図１のモデルゲイン算出部１１の
代わりに非線形の制御対象プロセス４０に対応した非線
形対応モデルゲイン算出部を設けることにより、制御の
安定化を図ることができる。本実施例におけるコントロ
ーラの構成は、モデルゲイン算出部１１の代わりの非線
形対応モデルゲイン算出部以外は図１の例と全く同様な
ので、これを非線形対応モデルゲイン算出部１１ａとし
その他の符号は図１と同じ符号を使用してその動作を説
明する。

【００７０】この非線形対応モデルゲイン算出部１１ａ
は、図１の例と同様にして応答開始領域検出部１０から
出力された応答開始領域における制御量ｙ１、ｙ２、参
照制御量ｙｍ１、ｙｍ２から内部モデル６の修正ゲイン
Ｋｍ１を次式のように算出する。 Ｋｍ１＝ρ×Ｋｍ０×（ｙ２−ｙ１）／（ｙｍ２−ｙｍ１） ・・・（２６） ここで、ρは安全係数であり、例えばρ＝２．０であ
る。

【００７１】そして、この修正ゲインＫｍ１が内部モデ
ル記憶部６ａに出力されるが、以後の動作は図１の例と
全く同様である。よって、コントローラの安全性を確保
する安全係数ρを用いることにより、応答後半部におけ
る制御対象プロセス４０のゲインＫｐの変動に対して余
裕のあるゲイン修正が実行され、非線形の制御対象プロ
セス４０に対しても良好な制御を行うことができる。

【００７２】このとき、制御対象プロセス４０のゲイン
Ｋｐが変動しない場合や時間の経過と共に減少する場合
には逆効果になることが考えられるが、実際には安全係
数ρ＝２．０としたときに上記のような逆効果による制
御特性の劣化はあまり顕著に現れない。したがって、制
御対象プロセス４０がほとんど線形でゲインＫｐの変動
が少ないと考えられる場合でも本実施例のようにρ＝
１．５〜２．０程度の安全係数ρを用いても問題がな
い。

【００７３】図１２は本実施例のコントローラを図５の
例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１３は図１の例のコントロ
ーラの目標値追従性を示す図である。ここで、制御対象
プロセス４０のゲインＫｐはＫｐ＝０．８×ｙ＋６．
４、すなわち制御量ｙに連動して変化するものとする。

【００７４】また、制御対象プロセス４０の時定数Ｔｐ
を２０秒、むだ時間Ｌｐを１０秒とし、本実施例と図１
のコントローラの内部モデル６のゲインＫｍを２０、時
定数Ｔｍを８秒、むだ時間Ｌｍを１０秒とする。また、
その他のパラメータについては図５の例と同様とする。
図１２、１３の比較で明らかなように、本実施例のコン
トローラによれば図１のコントローラに比べてより良好
な特性が得られることが分かる。

【００７５】

【発明の効果】本発明によれば、ステップ幅算出部、応
答開始領域検出部、及びモデルゲイン算出部を設けるこ
とにより、制御対象プロセスのモデル同定に誤差が含ま
れる場合でも目標値追従制御動作中に内部モデルのゲイ
ンを自動修正するので、精度と信頼性の高い制御を行う
ことができ、制御対象プロセスの特性変化にも対応する
ことができる。また、制御対象プロセスの同定誤差によ
るトラブルの発生を防ぐことができるので、制御の専門
的知識のないオペレータの作業負担を軽減することがで
きる。

【００７６】また、モデルゲインリミッタ部を設けるこ
とにより、モデルゲイン算出部で算出された修正ゲイン
が安全動作の限界範囲である所定の範囲に収まるように
するので、より安全な制御を行うことができる。

【００７７】また、操作量リミッタ部を設けることによ
り、内部モデルのゲイン修正による操作量の過大な変化
を抑えるので、制御機器の破壊やエネルギーの浪費等を
回避することができる。

【００７８】また、モデルゲイン算出部の代わりに非線
形対応モデルゲイン算出部を設け、制御の安全性を確保
する安全係数を用いて修正ゲインを算出し内部モデルの
ゲインを修正するので、非線形の制御対象プロセスに対
する制御特性の劣化を回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例を示すＩＭＣ構造のコントロ
ーラのブロック図である。

【図２】図１のＩＭＣ構造の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】制御量及び参照制御量の目標値追従性を示す図
である。

【図４】制御量及び参照制御量の応答開始領域を示す図
である。

【図５】図１のＩＭＣ構造のコントローラの目標値追従
性を示す図である。

【図６】ＰＩＤコントローラの目標値追従性を示す図で
ある。

【図７】従来のＩＭＣコントローラの目標値追従性を示
す図である。

【図８】本発明の他の実施例を示すＩＭＣ構造のコント
ローラのブロック図である。

【図９】本発明の他の実施例を示すＩＭＣ構造のコント
ローラのブロック図である。

【図１０】図９のＩＭＣ構造のコントローラの目標値追
従性を示す図である。

【図１１】図１のＩＭＣ構造のコントローラの目標値追
従性を示す図である。

【図１２】非線形対応モデルゲイン算出部を用いたＩＭ
Ｃ構造のコントローラの目標値追従性を示す図である。

【図１３】図１のＩＭＣ構造のコントローラの目標値追
従性を示す図である。

【図１４】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 ６ 内部モデル 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 ステップ幅算出部 １０ 応答開始領域検出部 １１ モデルゲイン算出部 １２ モデルゲインリミッタ部 １３ 操作量リミッタ部

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−134705（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−106103（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−100714（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−100704（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−98202（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−93507（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−35309（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−146901（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G05B 13/04 G05B 13/02

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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数式表現し
   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Ｉ
   ＭＣ構造の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時間遅れの特性で
   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、 第１の減算処理部の出力を伝達関数が時間遅れの特性で
   出力する目標値・外乱フィルタ部と、内部モデルのパラ
   メータに基づいて前記目標値・外乱フィルタ部の出力か
   ら操作量を演算して出力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し、内部モデルの修
   正ゲインが入力されたときは前記パラメータ中の内部モ
   デルのゲインをこの修正ゲインに更新する内部モデル記
   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、 前記目標値、制御量、参照制御量に基づいて制御量及び
   参照制御量の初期値と整定値との差であるステップ幅を
   算出するステップ幅算出部と、 前記制御量及び参照制御量のステップ幅に基づいて制御
   量及び参照制御量が変化を始める応答開始領域を検出
   し、この応答開始領域の制御量及び参照制御量を出力す
   る応答開始領域検出部と、 前記応答開始領域の制御量及び参照制御量に基づく制御
   量及び参照制御量の変化量から前記内部モデルの修正ゲ
   インを算出するモデルゲイン算出部とを有することを特
   徴とするコントローラ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のコントローラにおいて、 モデルゲイン算出部から出力された修正ゲインが所定の
   範囲を外れたときはこの修正ゲインを所定の範囲に収ま
   るように変更して内部モデル記憶部に出力するモデルゲ
   インリミッタ部を有することを特徴とするコントロー
   ラ。
3. 【請求項３】 請求項１記載のコントローラにおいて、 操作量演算部から出力された操作量の変化量が所定の上
   限値を超えたときはこの変化量を所定の上限値で抑える
   操作量リミッタ部を有することを特徴とするコントロー
   ラ。
4. 【請求項４】 請求項１記載のコントローラにおいて、 モデルゲイン算出部の代わりに、応答開始領域の制御量
   及び参照制御量に基づく制御量及び参照制御量の変化量
   から内部モデルの修正ゲインを算出する際に安全係数を
   乗じてこの修正ゲインを算出する非線形対応モデルゲイ
   ン算出部を有することを特徴とするコントローラ。