JP2919572B2

JP2919572B2 - 自動チューニングｐｉｄ制御装置

Info

Publication number: JP2919572B2
Application number: JP2191540A
Authority: JP
Inventors: 立片山
Original assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 1990-07-19
Filing date: 1990-07-19
Publication date: 1999-07-12
Anticipated expiration: 2014-07-12
Also published as: JPH0476702A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野本発明は、PID定数を状態に応じて自動的にチューニ
ングし、チューニングしたPID定数に基づいて制御を行
う自動チューニングPID制御装置に関するものである。

（ロ）従来の技術従来、PID（比例，積分，微分）制御系におけるPID定
数は、多くの場合、熟練技術者の経験や勘に基づいて設
定されていた。しかし、人手によるため、チューニング
にばらつきが生じて制御性能に差がでたり、チューニン
グ作業が負担となっていた。

そこで、例えば、特開平１−258003号公報に開示され
ているように、PID定数を制御応答に応じて適当な値に
自動チューニングする自動チューニングPID制御装置が
提案されている。

この特開平１−258003号公報は、設定値（目標値）と
制御量の偏差の発生が設定値変更によるものか外乱やプ
ロセスの特性変化によるものかを判断し、その判断結果
に応じて、制御の設定値の変更によるときには過度応答
特性が良くなるように、外乱やプロセスの特性変化によ
るときには減衰特性が良くなるように、PID定数のチュ
ーニングを行うものである。

（ハ）発明が解決しようとする課題しかしながら、上述の自動チューニングPID制御装置
では、過渡応答特性を重視したチューニングと減衰特性
を重視したチューニングを行うために、夫々のチューニ
ングに応じたチューニング用知識ベースを備える必要が
あった。

また、通常、これらのチューニング用知識ベースは、
設定値とは別に、例えばオーバシュート量２％とか振幅
減衰比（減衰比率）５％というように、制御の評価基準
の目標値（以下、制御目標値という）が予め設定されて
おり、この制御目標値を達成するように構築されてい
る。

従って、制御対象が変わったり、同じ制御対象であっ
てもプロセス特性が変わった場合に、従来の制御目標値
が予め設定されて構築されているチューニング用知識ベ
ースでは、制御目標値を変更してのPID定数のチューニ
ングはできなかった。

異なる制御目標値に対応してPID定数をチューニング
するためには、制御目標値に対応したチューニング用知
識ベースを、制御目標値の数だけ（通常、複数種類の制
御目標値があり、それらの制御目標値の組み合わせの数
だけ）必要とする。

しかし、全ての制御目標値に対応したチューニング用
知識ベースを構築するのは、非常に困難であり、多大な
労力を必要とする。また、PID制御装置に構築したチュ
ーニング用知識ベースを記憶させるための大容量の記憶
手段が必要となる。

本発明は、斯様な点に鑑みて成されたもので、制御対
象が変わったり、同じ制御対象であってもプロセス特性
が変わった場合に、過渡応答特性を重視したり減衰特性
を重視したするような、制御目標値を変更してのPID定
数のチューニングを、多くのチューニング用知識ベース
を必要とせずに自動的に行い、異なる制御性能を達成す
るようなPID制御装置を提供するものである。

（ニ）課題を解決するための手段本発明は、制御対象からの制御応答に応じてPID定数
に基づくPID演算を行い制御対象の制御を行うPID演算手
段と、制御対象の制御応答から制御の評価のための特徴
量を求め該特徴量と任意に設定できる制御目標値との差
である制御目標偏差を出力する制御評価手段と、制御目
標偏差に基づいて、PID定数をチューニングするよう構
成されたファジィルールを記憶したチューニング用知識
ベースと、制御評価手段からの制御目標偏差に応じてチ
ューニング用知識ベースに記憶されたファジィルールに
よりファジィ推論を行ってPID定数の修正を行ファジィ
推論手段とを備える自動チューニングPID制御装置であ
る。

（ホ）作用ファジィ推論手段によるPID定数の修正を行う場合
に、制御応答から求められる特徴量と制御目標値との差
である制御目標偏差をファジィ推論手段の入力とし、チ
ューニング用知識ベースに記憶されたファジィルールに
従って、制御目標偏差を解消するようにPID定数の修正
を行う。これにより、一種類のチューニング用知識ベー
スだけで、制御対象あるいはその特性プロセスに合った
任意の制御目標を達成するようにPID定数のチューニン
グが行える。

（ヘ）実施例第１図は、本発明自動チューニングPID制御装置一実
施例の概略構成図である。

（１）は制御対象、（２）は制御対象（１）の制御応
答ｘが設定値ｒとなるように制御対象（１）を制御する
PID演算回路で、設定値ｒと制御応答ｘとの差である制
御偏差ｅを入力とし、設定されるPID定数P,T_I,T_Dに基づ
いて操作量ｍを演算して制御対象（１）に与える。

（３）は理想的な制御応答波形あるいは制御目標値を
入力する入力回路、（４）は該入力回路（３）から入力
された理想的な制御応答波形からオーバシュート量や振
幅減衰比（減衰率）、到達時間等の特徴量である制御目
標値を算出する制御目標値算出回路、（５）は入力回路
（３）から入力された制御目標値あるいは制御目標値算
出回路（４）から算出された制御目標値を複数記憶可能
な制御目標値記憶回路である。

（６）は、選択可能な制御目標値が一つしかないとき
はその制御目標値を、複数あり時は後述する偏差判定回
路における判定結果に応じて制御目標値記憶回路（５）
から選択的に一組の制御目標を出力する制御目標値記憶
回路である。

（７）は、制御対象（１）からの制御対応ｘと制御目
標値選択回路（６）から選択出力された制御目標値を入
力として、制御対応ｘからその特徴量であるオーバシュ
ート量、振幅減衰比（減衰率）、到達時間を算出し、更
に算出した夫々の特徴量を対応する制御目標値との差で
ある制御目標偏差を出力する制御評価回路である。

（８）は制御目標偏差夫々のメンバシップ関数と、制
御目標偏差に基づいて、PID定数をチューニングするよ
うに構成されたファジィルールを記憶したチューニング
用知識ベース、（９）は該チューニング用知識ベースに
記憶されたファジィルールに基づいてファジィ推論を行
い、PID定数を修正するための修正係数を出力するファ
ジィ推論回路である。

（10）はファジィ推論回路（９）から出力された修正
係数に従ってPID定数を修正更新するPID定数修正回路、
（11）は種々の制御目標値に対してPID定数修正回路（1
0）でチューニングされたPID定数を複数記憶可能なPID
定数記憶回路である。

（12）は、選択可能なPID定数が一組しかないときは
そのPID定数を、複数ある時は後述する偏差判定回路に
おける判定結果に応じてPID定数記憶回路（11）から選
択的に一組のPID定数を出力するPID定数選択回路であ
る。

（13）は、PID演算回路（２）に入力される制御偏差
ｅと予め設定される閾値との大小関係を判定する偏差判
定回路で、判定結果の出力は制御目標値選択回路（６）
とPID定数選択回路（12）に出力される。

さて、PID演算回路（２）は、PID定数の比例感度Ｐ、
積分時間T_I、微分時間T_Dが与えられた下で、設定値ｒ
（ｔ）と制御応答出力ｘ（ｔ）で定義される制御偏差ｅ（ｔ）＝ｒ（ｔ）−ｘ（ｔ）に基づいて次式で示される操作量ｍ（ｔ）を演算して出
力する。

制御対象（１）では、与えられた操作量ｍ（ｔ）によ
る制御が行われ、制御応答ｘ（ｔ）が出力される。

今、入力回路（３）からオーバシュート量OV^＊，減衰
率（振幅減衰比）DP^＊，到達時間RT^＊からなる一組の制
御目標値が入力され、選択可能な制御目標値が一組しか
ないので、この入力された制御目標値は制御目標値選択
回路（６）を介して制御評価回路（７）に与えられてい
るとする。

制御評価回路（７）は、制御応答ｘ（ｔ）から制御応
答のオーバシュート量OV,減衰率DP,到達時間RTの特徴量
を算出する。オーバシュート量は設定値ｒに対して超過
した割合、減衰率は設定値ｒに対する制御応答の振幅の
減衰する割合、到達時間は制御の開始から制御応答が設
定値ｒに達するまでの時間である。

第２図に示す制御応答ｘ（ｔ）を例に取ると、オバー
シュート量OV,減衰率DP,到達時間RTの特徴量は次のよに
様に算出される。

OV＝100×|ov1/r| （％） DP＝100×|ov2/ov1| （％） RT （sec）更に制御評価回路（７）は求めた特徴量と制御目標値
との差である制御目標偏差をオーバシュート量，減衰
率，到達時間の夫々について求める。夫々の制御目標偏
差E_OV,E_DP,E_RTは次式により求められる。

E_OV＝OV−OV^＊ E_OV＝DP−DP^＊ E_RT＝（RT−RT^＊）/RT^＊制御評価回路（７）において斯様にして求められた制
御目標値偏差E_OV,E_DP,E_RTは、ファジィ推論回路（９）
に出力される。

尚、制御評価回路（７）に与えられる制御目標値は、
例えば目標値近傍の安定性（対外乱特性重視）やプラン
ト起動時の速応性や過渡特性などを考慮して、第10図に
示す如く種々のものが与えられる。

また、これらの種々の制御目標値（の組）を予め制御
目標値記憶回路（５）に記憶させておき、偏差判定回路
（13）から出力される制御偏差ｅと予め設定される閾値
δ₁,δ_２（０＜δ_１＜δ_２）との大小関係の判定結果に
従って（第10図参照）、制御目標値選択回路（６）が現
在の状況に応じた制御目標値を制御目標値記憶回路
（５）から選択的に出力するようにしても良い。但し、
PID定数のチューニングを行う際には、一旦ある制御目
標に対応した制御目標値の組が選択されると、選択され
た制御目標値の組に対するPID定数のチューニングが終
了するまで、制御目標値選択回路（６）からは同じ制御
目標値の組が制御評価回路（７）に出力される。

そして、チューニング時には、良好な制御状態が得ら
れるようになるまで、各制御目標に応じて、例えば第10
図における制御偏差ｅの値の範囲を満足するような設定
値ｒ（ｔ）が、その値を変化させて（通常は鋸歯状に変
化させて）加えられ、チューニングが繰り返される。

制御評価回路（７）から出力された制御目標偏差E_OV,
E_DP,E_RTは、入力変数としてファジィ推論回路（９）に
入力される。

ファジィ推論回路（９）では、入力された制御目標偏
差E_OV,E_DP,E_RTを前件部変数とし、チューニング用知識
ベース（８）に記憶されたメンバシップ関数、及びファ
ジィルールに基づいて前件部変数（入力変数：制御目標
偏差）が解消（ゼロとなる）するようにファジィ推論を
行い、PID定数の修正係数K_P、K_I、K_Dを出力する。

第３図、第４図、第５図にチューニングのためのファ
ジィルールの前件部変数（入力変数）E_OV,E_DP,E_RTのメ
ンバシップ関数の一例を、第６図、第７図、第８図に後
件部変数（出力変数：修正係数）K_P、K_I、K_Dのメンバシ
ップ関数の一例を示す。この例においては、後件部変数
は実数（シングルトン）であるが、前件部変数ようにフ
ァジィ分割されメンバシップ関数で表されるものであっ
てもよい。

更に、チューニング用のファジィルールの一例を第９
図に示す。この図において、例えば最初のファジィルー
ルは、 IF E_OV＝PB AND E_OV＝PB THEN K_P＝PB AND K_I＝PB AND K_D＝NB を意味する。

制御評価回路（７）から制御目標偏差E_OV,E_DP,E_RTが
与えられたとき、ファジィ推論回路（９）は、後件部が
実数であるこの例においては、以下の式により修正係数
K_P、K_I、K_Dを算出する。

但し、ｎはファジィルールの総数、制御目標偏差E_OV,
E_DP,E_RTが与えられたときのw_iはｉ番めのファジィルー
ルの成立度、h_Pi、h_Ii、h_Diは夫々ｉ番めのファジィル
ールの後件部におけるK_P、K_I、K_Dに関するラベル（実数
値）である。尚、後件部が実数値でなく、メンバシップ
関数で表現されるような場合には、たとえばMIN/MAX−
重心法などの推論アルゴリズムにより出力変数値（修正
係数K_P、K_I、K_D）が計算される。

ファジィ推論回路（９）において修正係数K_P、K_I、K_D
が求められると、PID定数修正回路（10）は、その修正
係数によりPID定数の修正更新を行う。

Ｎ回めの制御サイクルにおけるPID定数をP^N、T_I ^N、T_D
^Nとし、修正係数をK_P ^N、K_I ^N、K_D ^Nとすれば、（Ｎ＋１）
回めの制御サイクルにおけるPID定数P^N+1、T_I ^N+1、T_D
^N+1は以下のように計算され修正される。

P^N+1＝K_P ^N・P^N T_I ^N+1＝K_I ^N・T_I ^N T_D ^N+1＝K_D ^N・T_D ^N PID定数修正回路（10）により修正されたPID定数
P^N+1、T_I ^N+1、T_D ^N+1はPID定数選択回路（12）に送ら
れ、PID定数選択回路（12）は、PID定数のチューニング
が終了していない（終了判定がされない）間は、そのま
ま、修正されたPID定数P^N+1、T_I ^N+1、T_D ^N+1をPID演算回
路（２）に送る。

そして、PID演算回路（２）は、与えられたPID定数P
^N+1、T_I ^N+1、T_D ^N+1を用いて（Ｎ＋１）回目のPID制御を
実行する。

PID制御の結果、その制御応答ｘは、上述の通り、制
御評価回路（７）に入力されて制御目標偏差が求めら
れ、ファジィ推論回路（９）でPID定数の修正係数が算
出され、PID定数の修正更新がされてチューニングが進
められる。

そして、チューニングが終了した時点（上式が満足さ
れた時点）で、最初に与えられた制御目標値の組（O
V^＊、DP^＊、RT^＊）に対応した最適なPID定数の組
（Ｐ^＊、T_I ^＊、T_D ^＊）が決定（チューニングが終了）
し、そのPID定数Ｐ^＊、T_I ^＊、T_D ^＊がPID定数記憶回路
（11）に記憶される。第11図に、チューニングが終了し
たPID定数Ｐ^＊、T_I ^＊、T_D ^＊の記憶形式の一例を示す。
ここでは、制御偏差ｅの閾値δ₁,δ_２に対する大小関係
に対応して記憶される。

PID定数記憶回路（11）に記憶されたPID定数は、偏差
判定回路（13）からの制御偏差ｅの閾値δ₁,δ_２に対す
る大小関係の判定結果に応じて、PID定数選択回路（1
2）により選択出力される。

今、様々な制御状態における制御目標値（の組）に対
して、その制御目標値を達成するようにチューニングが
された最適なPID定数の組が複数、制御偏差の大きさに
対応してPID定数記憶回路（11）に記憶されているとす
る。

PID定数記憶回路（11）に記憶された、既にチューニ
ングされている複数の組のPID定数を用いての、実際に
様々な制御状況に対応したPID制御は、以下のように行
われる。

PID定数記憶回路（11）においては、上述のように、
制御偏差ｅの閾値δ₁,δ_２に対する大小関係に応じて、
チューニング済みの最適なPID定数が記憶されている。
（第11図参照）。

偏差判定回路（13）は、設定値ｒと制御応答ｘとの差
である制御偏差ｅを入力して、その絶対値の閾値δ₁,δ
_２に対する大小関係を判定して判定結果をPID定数選択
回路（12）に出力する。この場合は、第11図におけるPI
D定数P_i,T_Ii,T_Diのｉ（＝1,2,3）の値を出力する。

PID定数選択回路（12）は、判定結果に従い、制御偏
差ｅの閾値δ₁,δ_２に対する大小関係に応じたPID定数
を、PID定数記憶回路（11）から選択的に読み出す。そ
して、読み出されたPID定数P_i,T_Ii,T_Di（ｉ＝1,2,3）
は、PID演算回路（２）に送られて、操作量ｍが演算出
力される。

このようにして、制御状況に応じて最適なPID定数が
選択され、単一のPID定数を用いる場合よりも、より精
密な制御を行うことが可能となる。

ところで、所望の制御目標値が与えられてPID定数の
チューニングが行われるが、直接、制御目標値を与える
ことが困難なことである。そのような場合でも、設定値
ｒに対する理想的な制御応答波形を与えることは比較的
容易であるので、制御目標値の代わりに、理想的な制御
応答波形を入力回路（３）から入力する。入力回路
（３）からの理想的な制御応答波形の入力は、例えば、
図示しないディスプレイ上に座標軸と設定値を描き、図
示しないキーボードから応答波形の代表的な座標を入力
して補間処理（例えばスプライン補間）を行わせるもの
や、マウスあるいはライトペン等により表示画面上に直
接理想的な制御応答波形を描くようにして行ってもよ
い。

このようにして、設定者によって与えられた思想的な
制御応答波形ｘ^＊（ｔ）から、制御目標値算出回路
（４）にて、制御評価回路（７）で制御応答から特徴量
を算出するのと同じ式により、理想的な制御応答波形か
ら制御目標値（理想的な制御応答波形の特徴量）OV^＊、
DP^＊、RT^＊を算出する。そして、算出された制御目標値
は、上述と同時に、制御目標値記憶回路（５）あるいは
制御目標値選択回路（６）へと出力される。

（ト）発明の効果本発明は、以上の説明から明らかなように、ファジィ
推論によりPID定数の修正を行う場合に、制御応答から
求められる特徴量と制御目標値との差である制御目標偏
差をファジィ推論の入力とし、チューニング用知識ベー
スに記憶された制御目標値偏差を解消するようなファジ
ィルールに従ってPID定数の修正係数を得、修正係数に
よりPID定数の修正を行っている。

これにより、異なる制御状況に応じた異なる制御目標
が与えられた場合でも、従来の様に夫々の制御目標に対
して予めチューニング用知識ベースを複数準備しておく
ことなく、１種類のチューニング用知識ベースだけで、
制御対象あるいはその特性プロセスに合った任意の制御
目標を達成するようにPID定数のチューニングが行え
る。従って、比較的簡便に、かつ低コストの自動チュー
ニングPID制御装置を実現することが可能となる。

また、制御目標値を直接与えられない場合でも、理想
的な制御応答波形を入力し、入力された理想的な制御応
答波形から制御目標値を算出するので、所望の制御が可
能なようにPID定数のチューニングができる。

更に、制御偏差の大きさに応じて、過渡特性重視か安
全性重視かといった夫々の制御目標値を選択し、場合に
応じて適応的に最適なPID定数をチューニングすること
が可能となる。

そして、このように種々の場合に応じてチューニング
されたPID定数を記憶しておき、チューニングが終了し
た通常運転の状態で、制御偏差の大きさに応じて過渡特
性を重視するようにチューニングされたPID定数や、安
定性や対外乱特性を重視するようにチューニングされた
PID定数に切り換えてPID制御を行うことにより、より精
密な制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明自動チューニングPID制御装置一実施例
の概略構成図、第２図は本発明一実施例に係る制御出力
の応答波形の一例と特徴量を示す模式図、第３図乃至第
５図は本発明一実施例に係る入力変数のメンバシップ関
数の一実施例を示す図、第６図乃至第８図は本発明一実
施例に係る出力変数のメンバシップ関数の一実施例を示
す図、第９図は本発明一実施例に係るチューニング用フ
ァジィルールの一例を示す図、第10図は本発明一実施例
に係る制御偏差の大きさに対する制御目標値を示す図、
第11図は本発明一実施例に係る制御偏差の大きさに対す
るPID定数を示す図である。（１）……制御対象、（２）……PID演算回路（PID演算
手段）、（３）……入力回路（入力手段）、（４）……
制御目標値算出回路（制御目標値算出手段）、（５）…
…制御目標値記憶回路（制御目標値記憶手段）、（６）
……制御目標値選択回路、（制御目標選択手段）、
（７）……制御評価回路（制御評価手段）、（８）……
チューニング用知識ベース、（９）……ファジィ推論回
路（ファジィ推論手段）、（10）……PID定数修正回
路、（11）……PID定数記憶回路（PID定数記憶手段）、
（12）……PID定数選択回路（PID定数選択手段）、（1
3）……偏差判定回路。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−135902（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−46101（ＪＰ，Ａ) 特開平１−258003（ＪＰ，Ａ) 計測自動制御学会論文集前田幹夫、村上周太「自己調査ファジィコントローラ（計測自動制御学会，Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．２，昭和63年２月）第191頁〜第197 頁

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】制御対象からの制御応答に応じてPID定数
に基づくPID演算を行い制御対象の制御を行うPID演算手
段と、該PID演数手段の制御による制御対象からの制御目標値
に代わる理想的な制御応答波形を入力する入力手段と、制御対象の制御応答から制御の評価のための特微量を求
め該特徴量と任意に設定できる制御目標値との差である
制御目標偏差を出力する制御評価手段と、制御目標偏差に基づいて、PID定数をチューニングする
よう構成されたファジィルールを記憶したチューニング
用知識ベースと、制御評価手段からの制御目標偏差に応じてチューニング
用知識ベースに記憶されたファジィルールによりファジ
ィ推論を行ってPID定数の修正を行うファジィ推論手段
と、を備えることを特徴とする自動チューニングPID制御装
置。
【請求項２】前記入力手段から入力された制御目標値に
代わる理想的な制御応答波形から制御目標値を求め前記
制御評価手段に出力する制御目標値算出手段を備えるこ
とを特徴とする請求項１記載の自動チューニングPID制
御装置。
【請求項３】複数の制御目標値を記憶する制御目標値記
憶手段と、制御対象からの制御応答に応じて制御目標値記憶手段に
記憶された制御目標値を選択して前記制御評価手段に出
力する制御目標選択手段とを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項２記載の
自動チューニングPID制御装置。
【請求項４】前記ファジィ推論手段で修正されたPID定
数を複数記憶するPID定数記憶手段と、制御対象からの制御応答に応じてPID定数記憶手段に記
憶されたPID定数を選択してPID演算手段に出力するPID
定数選択手段とを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の
自動チューニングPID制御装置。