JP3224941B2 - ディジタルｐｉｄ制御装置 - Google Patents
ディジタルｐｉｄ制御装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、各種のプロセス計装制
御システム等に利用されるディジタルＰＩＤ（Ｐ：比
例、Ｉ：積分、Ｄ：微分）制御装置に係わり、特に制御
演算周期の変化に応じて微分時間を修正するディジタル
ＰＩＤ制御装置に関する。
御システム等に利用されるディジタルＰＩＤ（Ｐ：比
例、Ｉ：積分、Ｄ：微分）制御装置に係わり、特に制御
演算周期の変化に応じて微分時間を修正するディジタル
ＰＩＤ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＰＩＤ制御装置は、制御の有史以来あら
ゆる産業分野で多用されており、もはや各産業分野の制
御装置にはＰＩＤ制御装置無しには成り立たなくなって
きている。
ゆる産業分野で多用されており、もはや各産業分野の制
御装置にはＰＩＤ制御装置無しには成り立たなくなって
きている。
【０００３】従来，種々の制御方式が提案されており、
また時代の推移とともに制御演算もアナログ演算方式か
らディジタル演算方式に移行してきているが、今後とも
ＰＩＤ制御装置の王座は変わりそうにない。
また時代の推移とともに制御演算もアナログ演算方式か
らディジタル演算方式に移行してきているが、今後とも
ＰＩＤ制御装置の王座は変わりそうにない。
【０００４】ＰＩＤ制御の基本式は、偏差に比例する演
算を行う比例動作（Ｐ動作）と、偏差の積分に比例する
演算を行う積分動作（Ｉ動作）と、偏差の微分に比例す
る演算を行う微分動作（Ｄ動作）との和で表現され、伝
達関数の形で表すと（１）式のようになる。
算を行う比例動作（Ｐ動作）と、偏差の積分に比例する
演算を行う積分動作（Ｉ動作）と、偏差の微分に比例す
る演算を行う微分動作（Ｄ動作）との和で表現され、伝
達関数の形で表すと（１）式のようになる。
【０００５】 Ｃ(s) ＝ＭＶ(s) ／Ｅ(s) ＝ＫP ｛１＋（１／ＴI ・ｓ）＋ ［（ＴD ・ｓ）／（１＋η・ＴD ・ｓ）］｝ ……（１） 但し、Ｃ(s) ：ＰＩＤの伝達関数，ＭＶ(s) ：操作量，
Ｅ(s) ：偏差，ＫP ：比例ゲイン，ＴI ：積分時間，Ｔ
D ：微分時間，ｓ：ラプラス演算子，１／η：微分ゲイ
ンである。
Ｅ(s) ：偏差，ＫP ：比例ゲイン，ＴI ：積分時間，Ｔ
D ：微分時間，ｓ：ラプラス演算子，１／η：微分ゲイ
ンである。
【０００６】この（１）式を制御演算周期Δｔごとのデ
ータを用いて速度形ディジタル演算式で表すと、（２）
式ないし（５）式のようになる。 ΔＭＶｎ＝Ｋp｛（ｅn−ｅn-1）＋（Δｔ／ＴI）ｅn＋Δｄn｝ …（２） ＭＶn＝ＭＶn-1＋ΔＭＶn …（３） Δｄn＝｛ＴD／（Δｔ＋η・ＴD）｝（ｅn−ｅn-1） −｛Δｔ／（Δｔ＋η・Ｔ D ）｝・ｄn-1 …（４） ｄn＝ｄn-1＋Δｄn …（５） 上式においてＭＶn：現時点の操作量，ＭＶn-1：前回の
制御演算周期時点の操作量，ΔＭＶn：前回から現時点
までの操作量の変化分，ｅn：現時点の偏差の大きさ，
ｅn-1：前回の制御演算周期時点の偏差の大きさ，ｄ
ｎ：現時点の微分動作出力，ｄn-1：前回の制御演算周
期時点までの微分の変化分，Δｄn：前回から現時点ま
での微分動作出力の変化分である。また、実効微分ゲイ
ンをβとすると、 β＝ＴD／（Δｔ＋η・ＴD）となる。
ータを用いて速度形ディジタル演算式で表すと、（２）
式ないし（５）式のようになる。 ΔＭＶｎ＝Ｋp｛（ｅn−ｅn-1）＋（Δｔ／ＴI）ｅn＋Δｄn｝ …（２） ＭＶn＝ＭＶn-1＋ΔＭＶn …（３） Δｄn＝｛ＴD／（Δｔ＋η・ＴD）｝（ｅn−ｅn-1） −｛Δｔ／（Δｔ＋η・Ｔ D ）｝・ｄn-1 …（４） ｄn＝ｄn-1＋Δｄn …（５） 上式においてＭＶn：現時点の操作量，ＭＶn-1：前回の
制御演算周期時点の操作量，ΔＭＶn：前回から現時点
までの操作量の変化分，ｅn：現時点の偏差の大きさ，
ｅn-1：前回の制御演算周期時点の偏差の大きさ，ｄ
ｎ：現時点の微分動作出力，ｄn-1：前回の制御演算周
期時点までの微分の変化分，Δｄn：前回から現時点ま
での微分動作出力の変化分である。また、実効微分ゲイ
ンをβとすると、 β＝ＴD／（Δｔ＋η・ＴD）となる。
【０００７】図４は前記（２）式〜（５）式を用いた従
来のディジタルＰＩＤ制御装置の構成を示す図である。
この制御装置は、目標値ＳＶn および制御量ＰＶn を偏
差演算手段５１に導き、ここで（ＳＶn −ＰＶn ）なる
演算を行って偏差ｅn を求めた後、当該偏差ｅn を速度
形比例制御手段５２、速度形積分制御手段５３および速
度形微分制御手段５４に印加する。この速度形比例制御
手段５２では△Ｐn ＝（ｅn −ｅn-1 ）なる演算を実行
し、速度形積分制御手段５３では△Ｉn ＝（△ｔ／Ｔ
I ）ｅn なる演算を実行し、また速度形微分制御手段５
４では前記（４）式の演算を実行して△ｄn を求めると
ともに、これら演算結果を加算手段５５により加算合成
して比例ゲイン手段５６に導く。
来のディジタルＰＩＤ制御装置の構成を示す図である。
この制御装置は、目標値ＳＶn および制御量ＰＶn を偏
差演算手段５１に導き、ここで（ＳＶn −ＰＶn ）なる
演算を行って偏差ｅn を求めた後、当該偏差ｅn を速度
形比例制御手段５２、速度形積分制御手段５３および速
度形微分制御手段５４に印加する。この速度形比例制御
手段５２では△Ｐn ＝（ｅn −ｅn-1 ）なる演算を実行
し、速度形積分制御手段５３では△Ｉn ＝（△ｔ／Ｔ
I ）ｅn なる演算を実行し、また速度形微分制御手段５
４では前記（４）式の演算を実行して△ｄn を求めると
ともに、これら演算結果を加算手段５５により加算合成
して比例ゲイン手段５６に導く。
【０００８】この比例ゲイン手段５６では、加算合成出
力に比例ゲインＫP を乗ずることにより、 △ＭＶn ＝ＫP （△Ｐn ＋△Ｉn ＋△ｄn ） ……（６） なる速度形制御信号を求めて速度形／位置形信号変換手
段５７に印加し、ここで前記（３）式の演算を行って位
置形信号に変換した後、制御対象５８に印加する。そし
て、制御量検出手段５９によって制御対象５８の制御量
ＰＶn を検出し、前記偏差演算手段５１に導入する。従
って、この制御装置は、制御量検出手段５９によって検
出される制御量ＰＶn と目標値ＳＶn とが等しくなるよ
うに，つまり偏差ｅn ＝ＳＶn −ＰＶn が零となるよう
に制御する。
力に比例ゲインＫP を乗ずることにより、 △ＭＶn ＝ＫP （△Ｐn ＋△Ｉn ＋△ｄn ） ……（６） なる速度形制御信号を求めて速度形／位置形信号変換手
段５７に印加し、ここで前記（３）式の演算を行って位
置形信号に変換した後、制御対象５８に印加する。そし
て、制御量検出手段５９によって制御対象５８の制御量
ＰＶn を検出し、前記偏差演算手段５１に導入する。従
って、この制御装置は、制御量検出手段５９によって検
出される制御量ＰＶn と目標値ＳＶn とが等しくなるよ
うに，つまり偏差ｅn ＝ＳＶn −ＰＶn が零となるよう
に制御する。
【０００９】ところで、ＰＩＤ制御演算においては、ア
ナログ演算方式が連続的であるのに対し、ディジタル演
算方式では不連続データを用いて一定時間間隔ごとにＰ
ＩＤ演算を行うものである。その結果、ＰＩＤ制御演算
は、不連続演算の影響を受け易いが、その中でも最も影
響を受けるのが急峻な変化を取り扱う微分制御演算であ
る。
ナログ演算方式が連続的であるのに対し、ディジタル演
算方式では不連続データを用いて一定時間間隔ごとにＰ
ＩＤ演算を行うものである。その結果、ＰＩＤ制御演算
は、不連続演算の影響を受け易いが、その中でも最も影
響を受けるのが急峻な変化を取り扱う微分制御演算であ
る。
【００１０】そこで、微分制御演算は、前記（４）式お
よび（５）式の演算を実行するが、このとき微分動作出
力ｄn が制御演算周期△ｔの大きさによってどのような
影響を受けるかを考えてみる。
よび（５）式の演算を実行するが、このとき微分動作出
力ｄn が制御演算周期△ｔの大きさによってどのような
影響を受けるかを考えてみる。
【００１１】このアナログ演算方式の場合の微分ゲイン
ＫA ，つまり偏差の単位ステップ信号が入力されたとき
の微分制御演算の出力の大きさは、前記（１）式の微分
項から、
ＫA ，つまり偏差の単位ステップ信号が入力されたとき
の微分制御演算の出力の大きさは、前記（１）式の微分
項から、
【００１２】
【数１】 となる。
【００１３】一方、ディジタル演算方式の場合の微分ゲ
インＫD は、前記（４）式のβが相当するものであっ
て、 ＫD ＝ＴD ／（△ｔ＋η・ＴD ） ……（８） となる。
インＫD は、前記（４）式のβが相当するものであっ
て、 ＫD ＝ＴD ／（△ｔ＋η・ＴD ） ……（８） となる。
【００１４】この（８）式においてアナログ演算方式で
は△ｔ＝０となるので、前記（７）式と同じ値となる。
一方、ディジタル演算方式では△ｔ≠０となるので、制
御演算周期△ｔの影響を受けることになる。
は△ｔ＝０となるので、前記（７）式と同じ値となる。
一方、ディジタル演算方式では△ｔ≠０となるので、制
御演算周期△ｔの影響を受けることになる。
【００１５】そこで、具体的な事例を上げて、どの程度
の影響を受けるかについて検討してみる。今、伝達関数
Ｇ(s) ＝｛１／（１＋５ｓ）｝ｅ-2s をもつ制御対象モ
デルをＰＩＤ制御する場合、△ｔ＝０．０１sec でＰＩ
Ｄパラメータの最適値を求めると、比例ゲインＫP ＝
３．０４，積分時間ＴI ＝３．２４sec ，微分時間ＴD
＝０．８６３sec となる。ηは一般的にη＝０．１が用
いられる。
の影響を受けるかについて検討してみる。今、伝達関数
Ｇ(s) ＝｛１／（１＋５ｓ）｝ｅ-2s をもつ制御対象モ
デルをＰＩＤ制御する場合、△ｔ＝０．０１sec でＰＩ
Ｄパラメータの最適値を求めると、比例ゲインＫP ＝
３．０４，積分時間ＴI ＝３．２４sec ，微分時間ＴD
＝０．８６３sec となる。ηは一般的にη＝０．１が用
いられる。
【００１６】ところで、微分演算は、前記（４）式から
みると明らかなように、制御演算周期△ｔと微分時間Ｔ
D との関係によって大きな影響を受ける。因みに、図５
は制御演算周期△ｔの大きさによって制御応答がどのよ
うに変化するかの制御応答の制御演算周期依存度を表す
図である。また、図６は各制御演算周期における下記式
に基づく制御性評価関数ＩＴＡＥ（Ｉntegral of Ｔim
e multiplied Ａbsolute value of Ｅrror）を示す図
である。
みると明らかなように、制御演算周期△ｔと微分時間Ｔ
D との関係によって大きな影響を受ける。因みに、図５
は制御演算周期△ｔの大きさによって制御応答がどのよ
うに変化するかの制御応答の制御演算周期依存度を表す
図である。また、図６は各制御演算周期における下記式
に基づく制御性評価関数ＩＴＡＥ（Ｉntegral of Ｔim
e multiplied Ａbsolute value of Ｅrror）を示す図
である。
【００１７】
【数２】
【００１８】図６から言えることは、前記（４）式の微
分動作を理論通りに演算しても、制御演算周期△ｔが大
きくなると、ＩＴＡＥが大きくなって徐々に制御性が悪
化する。
分動作を理論通りに演算しても、制御演算周期△ｔが大
きくなると、ＩＴＡＥが大きくなって徐々に制御性が悪
化する。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】従って、以上のような
ディジタルＰＩＤ制御装置においては、制御演算周期△
ｔの大きさによって微分動作が大きく影響を受け、制御
応答が大きく異なってくる。その結果、従来のディジタ
ルＰＩＤ制御装置では、次のような問題点をもってい
る。 （１） アナログ式調節計や制御演算周期△ｔの異なる
ディジタル制御装置をリプレースするとき、ＰＩＤパラ
メータをそのまま適用設定できず、微分時間を再チュー
ニングする必要がある。 （２） 微分時間については、ＰＩＤパラメータ調整時
にジーグラ ニコルス法やＣＨＲ法（実戦ディジタル制
御技術，発行所 工業技術社，広井和男著，１９９２年
１０月１日発行）などの一般調整公式が適用できないこ
とから、個々に試行錯誤を繰り返しながらＰＩＤパラメ
ータの調整作業を行っており、非常に時間がかかるだけ
でなく、その調整作業の間プラントをムダに運転し、経
済的な損失が大きくなる。 （３） シミュレーションなどもディジタルＰＩＤ制御
装置の制御演算周期△ｔを一致させた場合の結果でない
と利用できない。
ディジタルＰＩＤ制御装置においては、制御演算周期△
ｔの大きさによって微分動作が大きく影響を受け、制御
応答が大きく異なってくる。その結果、従来のディジタ
ルＰＩＤ制御装置では、次のような問題点をもってい
る。 （１） アナログ式調節計や制御演算周期△ｔの異なる
ディジタル制御装置をリプレースするとき、ＰＩＤパラ
メータをそのまま適用設定できず、微分時間を再チュー
ニングする必要がある。 （２） 微分時間については、ＰＩＤパラメータ調整時
にジーグラ ニコルス法やＣＨＲ法（実戦ディジタル制
御技術，発行所 工業技術社，広井和男著，１９９２年
１０月１日発行）などの一般調整公式が適用できないこ
とから、個々に試行錯誤を繰り返しながらＰＩＤパラメ
ータの調整作業を行っており、非常に時間がかかるだけ
でなく、その調整作業の間プラントをムダに運転し、経
済的な損失が大きくなる。 （３） シミュレーションなどもディジタルＰＩＤ制御
装置の制御演算周期△ｔを一致させた場合の結果でない
と利用できない。
【００２０】従って、以上のような種々の問題点をもっ
ていることから、従来のディジタルＰＩＤ制御装置では
微分動作機能を備えているにも拘らず、実際上，微分動
作を使用しないのが現状である。
ていることから、従来のディジタルＰＩＤ制御装置では
微分動作機能を備えているにも拘らず、実際上，微分動
作を使用しないのが現状である。
【００２１】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、制御装置の制御演算に合った微分時間に修正し、制
御性の向上を図るディジタルＰＩＤ制御装置を提供する
ことを目的とする。
で、制御装置の制御演算に合った微分時間に修正し、制
御性の向上を図るディジタルＰＩＤ制御装置を提供する
ことを目的とする。
【００２２】また、本発明の他の目的は、制御演算周期
の変化に応じて簡単に最適な微分時間を求めて微分動作
に適用可能とするディジタルＰＩＤ制御装置を提供する
ことにある。
の変化に応じて簡単に最適な微分時間を求めて微分動作
に適用可能とするディジタルＰＩＤ制御装置を提供する
ことにある。
【００２３】
【００２４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１ に対応する発明は、制御対象からの制御量
と当該制御量の目標値との偏差に対してディジタルＰＩ
制御演算を実行し、また前記偏差または前記制御量に対
して制御演算周期および微分時間を用いてディジタルＤ
制御演算を実行し、これら演算出力を合成し操作信号と
して前記制御対象に印加するディジタルＰＩＤ制御装置
において、制御演算周期Δｔ0で調整された微分時間Ｔ
D0を制御演算周期Δｔのディジタル制御演算に適用する
場合、シミュレーションおよび微分ゲイン式から得られ
る下記の演算式によって微分時間を求めて前記ディジタ
ルＤ制御演算に適用するディジタルＰＩＤ制御装置であ
る。 ＴD＝｛１＋ｋ［（Δｔ0−Δｔ）／ＴD0 ］｝・ＴD0 但し、ｋは係数（０＜ｋ≦０．１）である。
に、請求項１ に対応する発明は、制御対象からの制御量
と当該制御量の目標値との偏差に対してディジタルＰＩ
制御演算を実行し、また前記偏差または前記制御量に対
して制御演算周期および微分時間を用いてディジタルＤ
制御演算を実行し、これら演算出力を合成し操作信号と
して前記制御対象に印加するディジタルＰＩＤ制御装置
において、制御演算周期Δｔ0で調整された微分時間Ｔ
D0を制御演算周期Δｔのディジタル制御演算に適用する
場合、シミュレーションおよび微分ゲイン式から得られ
る下記の演算式によって微分時間を求めて前記ディジタ
ルＤ制御演算に適用するディジタルＰＩＤ制御装置であ
る。 ＴD＝｛１＋ｋ［（Δｔ0−Δｔ）／ＴD0 ］｝・ＴD0 但し、ｋは係数（０＜ｋ≦０．１）である。
【００２５】
【００２６】
【作用】従って、請求項１に対応する発明は、以上のよ
うな手段を講じたことにより、制御演算周期Δｔ0で調
整された微分時間ＴD0を制御演算周期Δｔのディジタル
制御演算に適用する場合、シミュレーションおよび微分
ゲイン式から得られる演算式によって微分時間を求める
ので、再チューニングせずに容易に最適な微分時間を用
いてディジタル制御演算，微分動作を実行できる。
うな手段を講じたことにより、制御演算周期Δｔ0で調
整された微分時間ＴD0を制御演算周期Δｔのディジタル
制御演算に適用する場合、シミュレーションおよび微分
ゲイン式から得られる演算式によって微分時間を求める
ので、再チューニングせずに容易に最適な微分時間を用
いてディジタル制御演算，微分動作を実行できる。
【００２７】
【実施例】以下、本発明装置の一実施例について図１を
参照して説明する。同図において１は目標値ＳＶn と制
御量ＰＶn との偏差を求める偏差演算手段であって、こ
の偏差演算手段１で得られる偏差ｅn は速度形比例制御
手段２、速度形積分制御手段３および速度形微分制御手
段４に導入される。
参照して説明する。同図において１は目標値ＳＶn と制
御量ＰＶn との偏差を求める偏差演算手段であって、こ
の偏差演算手段１で得られる偏差ｅn は速度形比例制御
手段２、速度形積分制御手段３および速度形微分制御手
段４に導入される。
【００２８】この速度形比例制御手段２では、現時点の
偏差の大きさｅn と前回の制御演算周期時点の偏差の大
きさｅn-1 とを用い、 △Ｐn ＝ｅn −ｅn-1 ……（１０） なる演算を実行し、比例演算出力△Ｐn を求める。ま
た、速度形積分制御手段３では、制御演算周期△ｔ、積
分時間ＴI および偏差ｅn に基づいて、 △ＴI ＝（△ｔ／ＴI ）ｅn ……（１１） なる演算を実行し、積分演算出力△ＴI を求める。さら
に、速度形微分制御手段４では、前記（４）式に示すよ
うに微分時間ＴD 、制御演算周期△ｔ、微分ゲイン１／
η、前回の制御演算周期時点の微分の変化分ｄn-1 とす
ると、 △ｄn ＝｛ＴD ／（△ｔ＋η・ＴD ）｝（ｅn −ｅn-1 ） −｛△ｔ／（△ｔ＋η・ＴD ）｝ｄn-1 ……（１２） なる演算を実行し、微分分演算出力△ｄn を求める。
偏差の大きさｅn と前回の制御演算周期時点の偏差の大
きさｅn-1 とを用い、 △Ｐn ＝ｅn −ｅn-1 ……（１０） なる演算を実行し、比例演算出力△Ｐn を求める。ま
た、速度形積分制御手段３では、制御演算周期△ｔ、積
分時間ＴI および偏差ｅn に基づいて、 △ＴI ＝（△ｔ／ＴI ）ｅn ……（１１） なる演算を実行し、積分演算出力△ＴI を求める。さら
に、速度形微分制御手段４では、前記（４）式に示すよ
うに微分時間ＴD 、制御演算周期△ｔ、微分ゲイン１／
η、前回の制御演算周期時点の微分の変化分ｄn-1 とす
ると、 △ｄn ＝｛ＴD ／（△ｔ＋η・ＴD ）｝（ｅn −ｅn-1 ） −｛△ｔ／（△ｔ＋η・ＴD ）｝ｄn-1 ……（１２） なる演算を実行し、微分分演算出力△ｄn を求める。
【００２９】これら制御手段２〜４で求めた各演算出力
△Ｐn ，△ＴI ，△ｄn は、それぞれ加算手段５に導入
され、ここで、 △Ｐn ＋△ＴI ＋△ｄn ……（１３） なる演算を行って加算合成値を求めた後、比例ゲイン手
段６に導き、加算合成値と比例ゲインＫP とに基づい
て、 △ＭＶn ＝ＫP （△Ｐn ＋△ＴI ＋△ｄn ） ……（１４） なる演算を行って速度形制御信号△ＭＶn を求める。そ
して、この速度形制御信号△ＭＶn を速度形／位置形信
号変換手段７に導入し、ここで ＭＶn ＝ＭＶn-1 ＋△ＭＶn ……（１５） なる演算を行って位置形信号に変換し、この位置形信号
を用いて制御対象を制御する構成である。９は制御対象
８の制御量ＰＶn を検出する制御量検出手段である。
△Ｐn ，△ＴI ，△ｄn は、それぞれ加算手段５に導入
され、ここで、 △Ｐn ＋△ＴI ＋△ｄn ……（１３） なる演算を行って加算合成値を求めた後、比例ゲイン手
段６に導き、加算合成値と比例ゲインＫP とに基づい
て、 △ＭＶn ＝ＫP （△Ｐn ＋△ＴI ＋△ｄn ） ……（１４） なる演算を行って速度形制御信号△ＭＶn を求める。そ
して、この速度形制御信号△ＭＶn を速度形／位置形信
号変換手段７に導入し、ここで ＭＶn ＝ＭＶn-1 ＋△ＭＶn ……（１５） なる演算を行って位置形信号に変換し、この位置形信号
を用いて制御対象を制御する構成である。９は制御対象
８の制御量ＰＶn を検出する制御量検出手段である。
【００３０】さらに、この制御装置には制御演算周期に
対して最適に調整された微分時間を設定した後、制御演
算周期を変化させるとき、当該制御演算周期に適する微
分時間を自動的に決定し、速度形微分制御手段４の用に
供する修正微分時間演算手段１１が設けられている。
対して最適に調整された微分時間を設定した後、制御演
算周期を変化させるとき、当該制御演算周期に適する微
分時間を自動的に決定し、速度形微分制御手段４の用に
供する修正微分時間演算手段１１が設けられている。
【００３１】すなわち、この修正微分時間演算手段１１
は、先にディジタルＰＩＤ制御装置が制御演算周期△ｔ
0 によって最適調整された微分時間ＴD0で微分動作を行
っているが、制御演算周期△ｔで作動するようにしたと
き、当該制御演算周期△ｔに適する微分時間ＴD を求め
るが、この微分時間ＴD を演算するにあたってはシミュ
レーション結果と前記（４）式，（５）式の微分ゲイン
式とから修正微分時間演算式を決定し、修正微分時間を
求める。
は、先にディジタルＰＩＤ制御装置が制御演算周期△ｔ
0 によって最適調整された微分時間ＴD0で微分動作を行
っているが、制御演算周期△ｔで作動するようにしたと
き、当該制御演算周期△ｔに適する微分時間ＴD を求め
るが、この微分時間ＴD を演算するにあたってはシミュ
レーション結果と前記（４）式，（５）式の微分ゲイン
式とから修正微分時間演算式を決定し、修正微分時間を
求める。
【００３２】先ず、シミュレーション結果から次のよう
なことが判明された。 （イ） 制御演算周期△ｔが大きくなるに従って微分が
効き過ぎとなるので、制御演算周期△ｔが大きくなるに
従って微分時間を小さくする必要があること。 （ロ） ηの大きさは、通常，η＝０．０９〜０．１３
の範囲内で使用されているが、この使用範囲では制御性
にほとんど影響を与えないので、ηの変化は無視しても
よいこと。
なことが判明された。 （イ） 制御演算周期△ｔが大きくなるに従って微分が
効き過ぎとなるので、制御演算周期△ｔが大きくなるに
従って微分時間を小さくする必要があること。 （ロ） ηの大きさは、通常，η＝０．０９〜０．１３
の範囲内で使用されているが、この使用範囲では制御性
にほとんど影響を与えないので、ηの変化は無視しても
よいこと。
【００３３】そこで、以上のようなシミュレーションに
よる知見と前記（８）式などとの関係から下記の（１
６）式の修正微分時間演算式を決定し、この演算式に従
って今回の制御演算周期△ｔに適する微分時間ＴD を求
める。
よる知見と前記（８）式などとの関係から下記の（１
６）式の修正微分時間演算式を決定し、この演算式に従
って今回の制御演算周期△ｔに適する微分時間ＴD を求
める。
【００３４】 ＴD＝｛１＋ｋ［（Δｔ0−Δｔ）／ＴD0 ］｝・Ｔ D0 …（ １６） 但し、上式においてｋ：係数（０≦ｋ≦０．１であり、
ｋ＝０．０５９近傍が最適である）。
ｋ＝０．０５９近傍が最適である）。
【００３５】そこで、本装置は、修正微分時間演算手段
１１を設け、ここで速度形微分制御手段４で使用してい
る制御演算周期△ｔを取り込み、さらに制御演算周期△
ｔ0によって求めた微分時間ＴD0および係数ｋ（ｋ＝０
〜０．１）を設定し、前記（１６）式を用いて修正微分
時間ＴD を求めた後、この修正微分時間ＴD を速度形微
分制御手段４で使用する微分時間として設定するもので
ある。
１１を設け、ここで速度形微分制御手段４で使用してい
る制御演算周期△ｔを取り込み、さらに制御演算周期△
ｔ0によって求めた微分時間ＴD0および係数ｋ（ｋ＝０
〜０．１）を設定し、前記（１６）式を用いて修正微分
時間ＴD を求めた後、この修正微分時間ＴD を速度形微
分制御手段４で使用する微分時間として設定するもので
ある。
【００３６】因みに、図２および図３は、制御演算周期
△ｔが変化したとき、前記（１６）式に従って微分時間
ＴD を求めて微分動作を実行したときの応答図である。
図２の応答条件は、制御対象８の伝達関数Ｇ(s) ｛１／
（１＋５ｓ）｝ｅ-2sに対して、△ｔ0 ＝０．０１sec
、η＝０．１でＰＩＤパラメータの最適値を求める
と、比例ゲインＫP ，積分時間ＴI ＝３．２４sec ，微
分時間ＴD0＝０．８６３sec が得られる。△ｔ＝０．４
sec での最適微分時間から係数ｋを求めると、ｋ＝０．
０５９が得られる。
△ｔが変化したとき、前記（１６）式に従って微分時間
ＴD を求めて微分動作を実行したときの応答図である。
図２の応答条件は、制御対象８の伝達関数Ｇ(s) ｛１／
（１＋５ｓ）｝ｅ-2sに対して、△ｔ0 ＝０．０１sec
、η＝０．１でＰＩＤパラメータの最適値を求める
と、比例ゲインＫP ，積分時間ＴI ＝３．２４sec ，微
分時間ＴD0＝０．８６３sec が得られる。△ｔ＝０．４
sec での最適微分時間から係数ｋを求めると、ｋ＝０．
０５９が得られる。
【００３７】一方、図３は、前記（１６）式を用い、か
つ、図２によって得られる微分時間ＴD0を用いたときの
従来装置と本発明装置との制御性評価関数ＩＴＡＥの比
較図である。この図３から明らかなように、制御演算周
期△ｔ0 で調整された微分時間ＴD0から制御演算周期△
ｔに対応する微分時間ＴD を求めて速度形微分制御手段
４に適用することにより、従来装置よりも制御性評価関
数ＩＴＡＥを大幅に改善できる。
つ、図２によって得られる微分時間ＴD0を用いたときの
従来装置と本発明装置との制御性評価関数ＩＴＡＥの比
較図である。この図３から明らかなように、制御演算周
期△ｔ0 で調整された微分時間ＴD0から制御演算周期△
ｔに対応する微分時間ＴD を求めて速度形微分制御手段
４に適用することにより、従来装置よりも制御性評価関
数ＩＴＡＥを大幅に改善できる。
【００３８】従って、ディジタル微分演算では、本質的
に制御演算周期△ｔの影響を受けるが、本装置によれ
ば、修正微分時間演算式を用いて制御演算周期△ｔに適
する微分時間ＴD を得るので、従来装置の問題点を完全
に解消でき、ディジタルＰＩＤ制御装置の微分動作を効
率的に活用できる。
に制御演算周期△ｔの影響を受けるが、本装置によれ
ば、修正微分時間演算式を用いて制御演算周期△ｔに適
する微分時間ＴD を得るので、従来装置の問題点を完全
に解消でき、ディジタルＰＩＤ制御装置の微分動作を効
率的に活用できる。
【００３９】また、従来装置の制御応答を表す図５と、
本発明装置による微分時間の修正を行った制御応答を表
す図２とを比較すると、本発明装置の場合が従来装置に
比べて目標値ＳＶの変化および外乱Ｄの変化に対して、
乱れが少なくなっていること。また、本発明装置は、目
標値ＳＶの変化による完全整定時間が約１０sec 早くな
っていること（制御対象の時定数の２倍分）。さらに、
本発明装置は、外乱変化時の完全整定時間が約５sec 早
くなっていること（制御対象の時定数分）。
本発明装置による微分時間の修正を行った制御応答を表
す図２とを比較すると、本発明装置の場合が従来装置に
比べて目標値ＳＶの変化および外乱Ｄの変化に対して、
乱れが少なくなっていること。また、本発明装置は、目
標値ＳＶの変化による完全整定時間が約１０sec 早くな
っていること（制御対象の時定数の２倍分）。さらに、
本発明装置は、外乱変化時の完全整定時間が約５sec 早
くなっていること（制御対象の時定数分）。
【００４０】この図２に示す応答は、ほぼディジタルＰ
ＩＤアルゴリズムが制御演算周期△ｔによって影響を受
ける限界を示しているが、本発明装置によって微分時間
を演算修正するようにすれば、制御演算周期の異なる制
御装置で求めた微分時間を設定しても、再チューニング
の必要性がなくなる。特に、この種のディジタルＰＩＤ
制御装置は、各種のプラント制御に多用されていること
を考えれば、その工業的意義は非常に大きなものがあ
る。
ＩＤアルゴリズムが制御演算周期△ｔによって影響を受
ける限界を示しているが、本発明装置によって微分時間
を演算修正するようにすれば、制御演算周期の異なる制
御装置で求めた微分時間を設定しても、再チューニング
の必要性がなくなる。特に、この種のディジタルＰＩＤ
制御装置は、各種のプラント制御に多用されていること
を考えれば、その工業的意義は非常に大きなものがあ
る。
【００４１】なお、上記実施例では、速度形微分制御手
段４が偏差に基づいて微分演算動作を行うようにした
が、例えば偏差に代えて制御量ＰＶn を直接取り込んで
微分動作演算を行う，いわゆる測定値微分先行形のもの
でもよい。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲
で種々変形して実施できる。
段４が偏差に基づいて微分演算動作を行うようにした
が、例えば偏差に代えて制御量ＰＶn を直接取り込んで
微分動作演算を行う，いわゆる測定値微分先行形のもの
でもよい。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲
で種々変形して実施できる。
【００４２】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、前
回まで使用されている制御演算周期とは異なる制御演算
周期の変化に対応して微分時間を演算修正することによ
り、制御演算周期の変化に伴なう制御性の劣化を解消で
きるとともに、迅速に最適な微分時間を用いて微分動作
を行うことができ、微分動作の有効活用を図ることがで
きる。
回まで使用されている制御演算周期とは異なる制御演算
周期の変化に対応して微分時間を演算修正することによ
り、制御演算周期の変化に伴なう制御性の劣化を解消で
きるとともに、迅速に最適な微分時間を用いて微分動作
を行うことができ、微分動作の有効活用を図ることがで
きる。
【００４３】その結果、ディジタルＰＩＤ制御装置は、
プラント制御システムに多用されるものであることか
ら、プラント全体の制御性を革新でき、ひいては産業界
に大きな貢献をもたらす。
プラント制御システムに多用されるものであることか
ら、プラント全体の制御性を革新でき、ひいては産業界
に大きな貢献をもたらす。
【図１】本発明に係わるディジタルＰＩＤ制御装置の一
実施例を示す構成図。
実施例を示す構成図。
【図２】従来装置と本発明に係わる装置による微分時間
修正後の制御応答の比較図。
修正後の制御応答の比較図。
【図３】従来装置と本発明装置との制御性評価関数の比
較図。
較図。
【図４】従来のディジタルＰＩＤ制御装置を示す構成
図。
図。
【図５】従来装置の制御演算周期を変化させたときの制
御応答の変化を示す図。
御応答の変化を示す図。
【図６】従来装置の制御性評価関数図。
２…速度形比例制御手段、３…速度形積分制御手段、４
…速度形微分制御手段、５…加算手段、６…比例ゲイン
手段、７…速度形／位置形信号変換手段、８…制御対
象、１１…修正微分時間演算手段。
…速度形微分制御手段、５…加算手段、６…比例ゲイン
手段、７…速度形／位置形信号変換手段、８…制御対
象、１１…修正微分時間演算手段。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−292503（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−11850（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−151604（ＪＰ，Ｕ) 菅野智司、外２名、「制御系設計・解 析パッケージＳＡＰＬシリーズ」、富士 時報、株式会社富士電機、平成６年４月 10日、第67巻、第４号、Ｐ．215−220 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G05B 13/00 G05B 13/02 G05B 21/00 G05B 21/02 G05B 11/42
Claims (1)
- 【請求項１】 制御対象からの制御量と当該制御量の目
標値との偏差に対してディジタルＰＩ（Ｐ：比例，Ｉ：
積分）制御演算を実行し、また前記偏差または前記制御
量に対して制御演算周期および微分時間を用いてディジ
タルＤ（Ｄ：微分）制御演算を実行し、これら演算出力
を合成し操作信号として前記制御対象に印加するディジ
タルＰＩＤ制御装置において、 制御演算周期Δｔ0で調整された微分時間ＴD0を制御演
算周期Δｔのディジタル制御演算に適用する場合、シミ
ュレーションおよび微分ゲイン式から得られる下記の演
算式によって微分時間を求めて前記ディジタルＤ制御演
算に適用することを特徴とするディジタルＰＩＤ制御装
置。 ＴD＝｛１＋ｋ［（Δｔ0−Δｔ）／ＴD0 ］｝・ＴD0 但し、ｋは係数（０＜ｋ≦０．１）である。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12746694A JP3224941B2 (ja) | 1994-06-09 | 1994-06-09 | ディジタルｐｉｄ制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12746694A JP3224941B2 (ja) | 1994-06-09 | 1994-06-09 | ディジタルｐｉｄ制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07334205A JPH07334205A (ja) | 1995-12-22 |
| JP3224941B2 true JP3224941B2 (ja) | 2001-11-05 |
Family
ID=14960634
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12746694A Expired - Lifetime JP3224941B2 (ja) | 1994-06-09 | 1994-06-09 | ディジタルｐｉｄ制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3224941B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH096404A (ja) * | 1995-06-20 | 1997-01-10 | Toshiba Corp | ディジタルｐｉｄ制御装置 |
| JP6321581B2 (ja) * | 2015-06-08 | 2018-05-09 | 日本特殊陶業株式会社 | センサ制御装置及びガス検知システム |
-
1994
- 1994-06-09 JP JP12746694A patent/JP3224941B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 菅野智司、外２名、「制御系設計・解析パッケージＳＡＰＬシリーズ」、富士時報、株式会社富士電機、平成６年４月１０日、第６７巻、第４号、Ｐ．２１５−２２０ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07334205A (ja) | 1995-12-22 |
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