JP3470197B2 - 自己調節型コントローラー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、プロセスを制御するための自己調節型適応
コントローラーに関し、更に詳しくは、パターン認識自
己調節型コントローラーに関する。

発明の背景 パターン認識は、自己同調に対するユニークなアプロ
ーチ法である。これは、モニターしているプロセス変数
の直接動作フィードバックを利用して、プロセスを最適
化するために必要な作動条件を求めるものである。更に
詳しく説明すると、パターン認識自己調節型コントロー
ラーは、目標値あるいは負荷の変化によって引き起こさ
れる自然発生的で測定不可能なアプセットに対するプロ
セス変数測定の閉ループ応答パターンを、継続的にモニ
ターし、自動的に評価するものである。アプセットが起
こる毎に、行き過ぎ量や減衰等の閉ループエラー応答特
性値を同定して、所望の特性値と比較する。所望の特性
値と測定特性値との間の相違を利用して、プロセスの要
件に応じてコントローラーを調節する新しい同調値を自
動的に発生させて、エラー応答の目標形状を達成する。
この目標形状は、エラーの積算絶対値を最小にするよう
に選択される。

閉ループ応答パターンのプロセス応答特性を自動的に
同定して評価する適応プロセス制御システムの最初の成
功例は、Edgar H.Bristol.II（ブリストル）によって発
明されたもので、米国特許第3,798,426号に開示されて
いる。

ブリストルの方法によると、予め選択されたノイズ帯
を越える大きさを持つアプセットに起因する閉ループ応
答パターンを検出することにより、適応システムが起動
される。システムが起動されると、その最初の半周期の
間に、応答パターンがアプセットの極値の所定の割合ま
で到達するために必要な時間を測定することにより、む
だ時間及び立ち上がり時間を求める。むだ時間は、変数
応答測定の初期に一番はっきりと現れるプロセスむだ時
間と密接な関係を持つと考えられ、立ち上がり時間は、
プロセス閉ループ自然周期と密接な関係を持つと考えら
れる。

測定された立ち上がり時間を縮尺することにより、適
応プロセスの評価間隔を設定する。共振応答の最初の半
周期が一回の評価間隔の間に発生し、最初の全周期が別
の評価間隔の間に完全に発生するように、評価間隔を設
定するために用いられる縮尺定数を選択する。第一エラ
ー応答ピークの大きさによって正規化されたプロセス制
御エラー測定値と各評価間隔の目標値との間の差の積算
値を計算することにより、応答パターンを評価する。更
に、差の積算値を用いて、コントローラーの作動パラメ
ータを修正して、次のプロセス・アプセットの間の制御
動作を改善する。

適応プロセス制御システムを有効に機能させるために
は、オペレーターがいくつかの臨界パラメータを指定す
る必要がある。例えば、適切な評価間隔を規定するため
には、縮尺定数の正しい選択が必要不可欠である。普遍
的な縮尺定数を様々な型のプロセスに用いることはでき
ない。更に、この制御システムの正常な作動のために、
オペレータは、各評価間隔の適当な目標値を選択する必
要がある。目標値は、通常、所定のプロセスに対するオ
ペレータの経験から割り出される。

Thomas W.Kraus（クラウス）は、改良型のパターン認
識自己調節型コントローラーを開発した。クラウスの方
法によると、エラーが公称ノイズしきい値より大きくな
った場合に適応プロセスが起動される。プロセスが起動
されると、閉ループ応答パターンをモニターすることに
より、最初の連続した３つの極値即ち「ピーク」、並び
に、第一のピークに対するこれらのピークの発生時間を
検出する。

この場合、３つもピークを持たない過制動制御ループ
応答がしばしば観察されるため、クラウスの適応プロセ
スでは、第一のピークを確認後、所定の待機時間が経過
しても第二のピークが見つからなかった場合に、その応
答は過制動である、と自動的に認識される。第二のピー
クが見つかった場合には、第一のピークと第二のピーク
との間隔に比例する時間だけ、第三のピークを探す。第
二あるいは第三のピークが検出されない場合には、ピー
クのサーチングを終了して、「疑似」ピーク値を割り当
てる。

次に、応答パターンの測定極値を用いて、行き過ぎ
量、減衰、周期等の閉ループ応答パターンの特性値を計
算する。これらの測定特性値と所望の特性値との間の差
を利用して、制御動作を最適化する新しい制御動作パラ
メータを計算する。この方法に関しては、Thomas kraus
（クラウス）による米国特許第4,602,326号「パターン
認識自己調節型コントローラー」に詳述されている。本
発明の参照文献として挙げられるブリストルとクラウス
の特許に記載されているように、このシステムは、一番
最近発生した外乱に対して、コントローラーを同調させ
る。即ち、プロセスが非直線的である場合には、コント
ローラーは、次に発生する外乱に対して最適に調節され
ているというわけではない。

クラウスのシステムでも、オペレータは臨界パラメー
タを指定する必要がある。例えば、特に、幅広い範囲の
条件でプロセス作動を行う場合には、クラウスのシステ
ムの所定待機周期を選択することが大変重要になる。こ
の待機周期が、ピークのサーチングを開始するまでの待
機時間も決定することになるため、大変重要となる。こ
の待機周期が正しく設定されないと、システムが効率よ
く作動しない場合がある。また、このシステムでは、第
二ピーク及び第三ピークがノイズ帯に埋没してしまう場
合、プロセスの同調を強める傾向にある。いくつか外乱
が発生した後には、応答が大きく振動して、システムが
プロセスを過剰に補正し、応答が過制動される結果とな
る。また、ノイズ帯のしきい値は、開ループ条件下にお
ける前調節操作の間に、ユーザーにより選択される、あ
るいは、決定されるため、閉ループプロセスにおける条
件変化に応じることができない。

発明の概要 本発明は、外乱に対するエラー応答のパターン特性に
鋭敏に反応し、外乱の型や形状及び主要プロセスの遅れ
に対する外乱の相対的な位置関係にはそれほど左右され
ない、調節アルゴリズムを持つ適応コントローラーを提
供する、ことを目的とする。

本発明は、更に、屈曲点を検出することにより疑似第
二ピークあるいは第三ピークの位置を決めて、過制動状
態からすばやく回復させる、ことを目的とする。

また、本発明は、所望の最適制御を行うためにオペレ
ーターが指定しなければならない臨界パラメータの数を
減らす、ことを別の目的とする。

本発明の更に別の目的は、第二の型の外乱が生じたり
目標値が変化した場合に、第一の型の外乱に対する離調
が起こらないようにすることである。

本発明は、更に、目標及び測定制御エラーパターン特
性値の両方をノイズから区別することができない場合に
適応同調を行わないようにする、ことを目的とする。

また、本発明は、ピークを一本検出してから、別のピ
ークのサーチングを終了して、別のピークが見つからな
いことを確認するための待機時間を求める、ことを目的
とする。

本発明の更に別の目的は、過去に成功した調節データ
を用いて、応答の変化開始時に、非直線プロセスを同調
させることである。

本発明は、更に、独立したエラー応答の間の静止時間
にノイズ帯を更新するための方法を提供する、ことを目
的とする。

また、本発明は、主遅れと主遅延とにプロセスを分類
するプロセス型パラメータを決定して、その決定に基づ
いて、所定の型のプロセスに適した調節パラメータを選
択する自己調節型コントローラーを提供する、ことを更
に別の目的とする。

本発明は、閉ループエラー応答により制御パラメータ
を適当に変化させて、外乱に応じてプロセス性能を改善
する自己調節型コントローラーを提供する。コントロー
ラーの比例帯等、一つのパラメータだけを適応させれば
よい場合には、このエラー応答、即ち、エラー信号を直
接プロセス制御変数から計算することができる。が、コ
ントローラーの２つ以上のパラメータを自動的に調整す
るために、エラー信号を目標値とプロセス変数信号測定
値との差として計算する、ことが望ましい。本発明は、
エラー信号からパターン特性を適切に選択することによ
り、外乱の形状や位置に余り左右されないように制御パ
ラメータを適応させる、ことを特徴とする。

本発明は、また、測定プロセス変数信号を有するプロ
セスを制御するために用いられる自己調節型コントロー
ラーの制御パラメータを自動的に調節する方法を提供す
る。本発明の方法では、アプセット条件に対するプロセ
スの閉ループ応答を示すエラー信号を発生させる。エラ
ー信号の連続した３つの振幅値を選択・測定して、減衰
特性測定値並びに行き過ぎ特性測定値を設定する。この
場合、減衰特性測定値が行き過ぎ特性測定値よりも大き
くなるように、連続した３つの振幅値を選択する。次
に、コントローラーの制御パラメータの内少なくとも一
つを自動的に調節して、一つあるいは両方の測定特性値
と目標特性値との間の差を減少させる。

また、本発明を、制御されるプロセスの型を決定し、
決定されたプロセスの型を利用して、制御パラメータの
変化を計算し、目標特性値に迅速に近づける、ように構
成してもよい。この場合、ユーザーがプロセスの型を指
定することもできるし、あるいは、エラー応答と現在の
コントローラーのパラメータから得られる情報に基づい
て自動的にプロセス型を決定するようにしてもよい。ま
た、プロセス型パラメータを、内挿あるいは外挿因子と
して用いて、少なくとも２つの異なったプロセスから得
られた所定のデータに基づいて、コントローラーのパラ
メータを応答特性値に関係づけるようにしてもよい。

振幅値を測定するステップは、更に、エラー信号の極
値の４つあるいはそれ以上の連続した振幅値を測定する
ステップを備える。第四の振幅値が必要であるにも関わ
らず検出できない場合には、先に測定した振幅値から第
四の振幅値を概算することができる。連続した４つの振
幅値の内３つを合成して、減衰特性値及び行き過ぎ特性
値を求めて、少なくとも一つの制御パラメータを調節す
る。また、振幅値を位置決めして測定するステップで、
エラー信号の屈曲点を時間的に第一極値の後に位置づけ
るようにしてもよい。この場合、第一極値と屈曲点との
間の時間間隔に基づき、エラー信号応答の時間スケール
を決定する。この時間間隔を用いて、第二の極値を探す
ための所定時間を決める。極値の位置決めがなされる前
に、所定の時間が経過した場合には、屈曲点を振幅値と
して用い、ピークのサーチングを終了する。

本発明の別の適用例では、自己調節型コントローラー
の制御パラメータを自動的に調節する方法が、更に、新
しい外乱応答が検出された場合に、ユーザー指定のプロ
セス変数をサンプリングするステップを備える。また、
ユーザー指定のプロセス変数をサブレンジに細分化して
もよい。この場合、各サブレンジは、先に適応された一
連の制御パラメータに対応する。ユーザー指定変数のサ
ブレンジにより、格納されている制御パラメータの内い
ずれのセットが、直前に検出された外乱に最も適してい
るかが、決定される。初期エラー応答の符号を用いて、
先に格納した複数の制御パラメータのセットから選択す
るようにしてもよい。

更に、目標値信号をリード／ラグ・フィルターを用い
てフィルターにかけ、コントローラーが負荷アプセット
に対して適切に調節されている場合に、目標値の変化に
応じたエラー行き過ぎ量が過剰にならないように妨害す
る、ように構成してもよい。この場合、リード−ラグ比
を調節して、所望の行き過ぎ目標値を達成するようにし
てもよい。

なお、本発明においては、「行き過ぎ量」および「減
衰」が、それぞれ、以下のように定義される。

行き過ぎ量＝E_(2+N)/E_(1+N) 減衰＝｛E_(3+N)−E_(2+N)｝／｛E_(1+N)−E_(2+N)｝ （ただし、Ｅはエラー信号の測定値、Ｎは極値の番
号） 図面の簡単な説明 本発明の前記及びその他の目的、特徴並びに利点を更
に明らかにするために、図面に基づいて、本発明の好適
な実施例を詳述する。図面に記載されている同じ番号、
アルファベット等は、同じ部品、部分を示す。

図１は、本発明に従う適応プロセス制御システムのブ
ロック図である。

図２は、図１の適応プロセス制御システムの閉ループ
応答を示すエラー信号を示す。

図３は、図１の適応プロセス制御システムの詳細なブ
ロック図である。

図４ないし図６は、図３で示すプロセッサーの作業状
況を示すフローチャートである。

図７は、位置決め及び確認可能なピークをただ一つだ
け持つ過制動応答を示す屈曲点を有するエラー信号を示
す。

図８及び図９は、プロセスの補正制御パラメータを求
めるためのプロセッサーの動作を示すフローチャートで
ある。

図10ないし図12は、それぞれ、単純遅延プロセスのPI
制御、積分遅延プロセスのPI制御、及び積分遅延プロセ
スのPID制御に用いられる、実験データから作成される
動作マップである。

発明の適用の詳細な説明 本発明は、自然発生的な外乱によって有意の制御エラ
ーが生じた場合に、動作フィードバックを利用して、PI
Dコントローラーのパラメータを更新するものである。
振幅及び時間スケールに無関係な、エラー応答、行き過
ぎ量及び減衰比のパターン形状特性を利用して、動作測
定を行う。独立エラー応答が振動し、減衰が行き過ぎ量
に等しくない場合、独立エラー応答のパターン特性のみ
によって、制御パラメータが更新される。エラー応答特
性の目標を選択して、比例、積分時間、微分時間等のコ
ントローラーパラメータを適切に調整することによって
その目標を実現するために、応答時間を最適化する。こ
こで、微分時間と積分時間との比は、制御されるプロセ
スの型を知ることによって、プログラム可能である。プ
ロセスの型は、測定された積分時間−周期比のデータを
単純遅延あるいは積分遅延等の周知の極値プロセス型に
関する同様なデータを用いて内挿あるいは外挿すること
により求められる。あるいは、ユーザーやオペレータが
プロセス型を設定することもできる。プロセス型を知る
ことにより、微分時間をプログラム適応させることが可
能になるばかりでなく、所定のプロセス型に対する同調
定数と動作測定値との関係を示すデータを内挿あるいは
外挿することによって、比例帯及び積分時間の収束率を
改善することができる。

振動応答に関しては、連続した２つのピークの高さの
比から、行き過ぎ量を計算する。また、減衰比は、連続
した３つのピークの高さに関する半周期ピーク−ピーク
比として表される。同様に、微分時間を、連続した４つ
のピーク−ピーク比に関する全周期減衰比を用いた動作
フィードバックによって求めることができる。但し、こ
の動作測定はノイズに対して非常に鋭敏であるため、プ
ロセス型の測定に基づいて、微分時間のプログラム適応
を行うことが望ましい。

更に、本発明では、応答開始の認識を利用して、前も
って適応されたPID同調の複数の格納セットの中からい
ちばん適切なセットを選択する。応答の終了時に、格納
されたPID同調セットの内この選択されたセットを更新
する。PID同調は、エラー応答の方向及び／あるいはユ
ーザーが指定する変数のサブレンジに相関する。

図１に示されるように、適応プロセス制御システム10
は、自己調節型制御システム12と、温度、圧力、レベ
ル、濃度等のプロセス制御変数16によって特徴づけられ
るプロセス14を備える。自己同調型制御システム12は、
望ましくは、PIDコントローラー18と、コントローラー
の制御パラメータを自動的に調節・同調させて、閉ルー
プ動作を最適化するアダプター20と、を備える。一般的
に、（後に詳述する）調節パラメータ25は、プロセス制
御変数16の値、目標値26、（エラー信号29として規定さ
れ、加算増幅機23によって生成される）これらの値の
差、コントローラー出力22、及びユーザー指定変数31を
用いて計算される。制御パラメータは、比例帯（Ｐ）、
積分時間（Ｉ）、微分時間（Ｄ）、目標値補償器のリー
ド／ラグ比を含む調節「定数」である。これらの制御パ
ラメータの一部あるいは全部を用いて、コントローラー
18は、制御信号を出力する。バルブ等の制御素子24がこ
の出力された制御信号を受け取り、プロセス14を制御す
る。

プロセス制御変数16の値が、負荷妨害28が存在しない
ときに目標値26によって示される所望の値と、ほぼ等し
くなるように、プロセス14は、制御素子24の変化に反応
する。この結果、プロセス制御システム10が、プロセス
14における目標値26あるいは負荷28の変化に起因するエ
ラーを制御するように働く。例えば、負荷変化の大きさ
が充分に大きく、プロセス14がプロセス制御変数16の値
を著しく変化させるような場合には、パラメータがうま
く調整されていれば、コントローラー18が、出力22を補
正することにより、妨害の影響を排除する。エラー応答
の形状が、最適ではない外乱阻止を示している場合に
は、アダプター20が、コントローラーのパラメータを更
新して、次の外乱に対処できるようにコントローラーを
調節する。

本発明に従う適応プロセス制御システム10を概説する
目的で、図２に示すように、時間の関数としてエラー信
号29の挙動を説明する。このエラー信号は、目標値26と
プロセス制御変数16の値とが異なるアプセット条件に対
する適応プロセス制御システム10の閉ループ応答を示し
ている。ここで示されているアプセット条件は、プロセ
ス制御変数16の値を著しく妨害する（生産率の変化等
の）負荷妨害28によって生じる。しかし、前述したよう
に、目標値26の急変によってアプセット条件が引き起こ
される可能性もある。図２のグラフの縦軸は、エラー信
号の測定値（Ｅ）を示し、横軸には、任意ベースの時間
（Ｔ）をとっている。独立振動の場合には、エラー信号
29は、それぞれ時間T1、T2、T3、並びにT4に生じるピー
ク値E1、E2、E3、E4を有する（通常極値と称される）４
つのピークにより特徴づけられている。最終的には、エ
ラー信号の測定値が、ゼロにほぼ等しくなるように、コ
ントローラー18の積分により、バルブ24の位置が決めら
れる。このエラー信号の測定値がゼロにほぼ等しくなる
場合は、プロセス制御変数16が所望の値に復帰あるいは
変化した状態に対応する。水平時間軸を中心として、ノ
イズ帯（NB）が存在するが、ノイズ帯の値は、独立アプ
セット間の静止時間の間に、エラー信号（PPNB）の予期
されるピーク−ピーク変化を示す。システム10が作動し
ている間、以下に説明するように、ノイズ帯の値を適応
させる。

エラー信号の振幅測定値並びに振幅が生じた時間を用
いて、適応プロセス制御システム10の閉ループ応答を、
制御ループの挙動を説明するために通常制御エンジニア
によって用いられる周知の動作測定値である減衰、行き
過ぎ、時間周期等によって特徴づけることができる。こ
れらの動作測定値並びに制御パラメータＰ、Ｉ、Ｄを用
いて、遅延プロセス、積分遅延（主遅れ）プロセス、あ
るいはその中間等のプロセス型を決定することができ
る。そして、減衰及び行き過ぎ値がそのプロセスの目標
値に近づくように、新しい制御パラメータを計算する。
これらの動作値を測定し、適切な制御パラメータを計算
する方法の詳細については後述する。

図３に、本実施例で好適に用いられる相互作用デジタ
ルPIDコントローラー18の詳細なブロック図を示す。こ
こでは、適応制御を説明するために、デジタルPIDコン
トローラー18を同等の働きをするアナログコントローラ
ーとして示している。PIDコントローラー18は、４つの
フィルター、即ち、比例フィルター30、積分フィルター
32、微分フィルター34、及び、目標値フィルター38を備
える。比例フィルター30は、基本的には、比例帯定数Ｐ
の逆数であり、エラー29に対するコントローラー出力22
の応答を求めるために用いられる。積分フィルター32
は、制御信号22である積分フィードバック入力信号を受
け取り、正のフィードバック信号33を遅れて出力する。
積分フィルター32は、第一ラグフィルターであり、その
時間定数は積分時間定数Ｉである。微分フィルター34
は、図示されているような測定フィードバックに用いら
れ、リード−ラグフィルターとして作用する。高周波測
定ノイズを減衰させ、不必要なバルブ操作をなくすよう
に、微分フィルター34が、更に、第二ラグ手段を備えて
いてもよい。これらのフィルターの比例、積分及び微分
条件は、後述するように、ライン25a−ｃを介して、ア
ダプター20によって決定・制御される制御パラメータで
ある。また、望ましくは、コントローラー18が、更に、
出力22が制御素子24の範囲を超えないように設定された
リミタ36を備える。

システム10が作動している間、フィルター38を介し
て、目標値26が、コントローラー18に供給されるように
することが望ましい。図示されているように、このフィ
ルターは、積分時間Ｉと、「定数」ｋを有する。点線で
示されるように、フィルター38は、調整器、即ち、一定
の目標値を持つ調整器では必要とされない。但し、本実
施例では、目標値の変化によって、特に主遅れプロセス
による、過剰な行き過ぎ条件が引き起こされないように
することが望ましい。コントローラー18内の他の調節パ
ラメータと同様に、これらの条件は、予め設定されたあ
るいは調節された値またはデフォルト値によって初期設
定され、その後、ライン25dを介して、アダプター20に
よって制御される。

フィルター38の出力は、次に、加算増幅器40を介し
て、微分フィルター34の出力と合成される。合成された
信号は、その後、比例フィルター30の比例定数Ｐの逆数
と乗算され、加算増幅器42を介して、積分フィルター32
の出力と加算される。必要があれば、フィルター36で加
算値を限定して、バルブ24を調節するための制御信号22
を出力する。コントローラーの出力22がリミタ36の限界
値の間にある場合に、積分フィルター32は、制御エラー
に対して積分を行う正のフィードバック信号を出力す
る。が、コントローラーの出力22が限界値の場合には、
積分フィルター32の出力が積分ワインドアップを妨害す
る。アダプター20は、コントローラーの出力22をモニタ
ーして、出力限界を検出する。

当業者には自明のことであるが、制御信号22を用いる
代わりにバルブを直接制御し、信号22を（図示しない）
二次コントローラーの目標値として用いることもでき
る。その場合、二次コントローラーのプロセス制御変数
は、外部積分フィードバック信号として積分フィルター
32に与えられる。上述した適応プロセス制御システムと
同様に、一次プロセス測定あるいは測定値を、コントロ
ーラーの出力（あるいは積分フィードバック）及び目標
値として、微分フィルター34並びにアダプター20に対し
て供給可能である。

図３の詳細なブロック図に示されているように、アダ
プター20は、プロセッサー50を備える。プロセッサー50
は、リード・オンリー・メモリー（ROM）52に格納され
たソフトウェアに従って、コントローラーの出力22（あ
るいは積分フィードバック）、制御変数16、目標値26、
エラー信号29、及びユーザー指定変数31を受信して、処
理することにより、調節パラメータ（Ｐ、Ｉ、Ｄ、ｋ）
を生成する。これらのパラメータは、ライン25a−ｄを
介して、コントローラー18に与えられる。ランダム・ア
クセス・メモリー（RAM）54には、ROMでのソフトウェア
作動を実行するためにマイクロプロセッサーが必要とす
るデータメモリーやレジスターが備えられている。

プロセッサー50が初期化されると、（RAM54あるいは
コントローラー18の図示しないメモリーに格納される）
所定の制御パラメータがプロセッサー50に転送される。
この場合、上述のクラウス特許に記載されるような前調
節特性を用いてこれらの調節パラメータを設定すること
もできるし、あるいは、オペレータがパラメータを選択
するようにしてもよい。プロセッサー50に供給されるこ
の他の設定値には、ピーク値を探すタイム・ウィンドウ
を確立するための最小待機時間W_MIN並びに最大待機時間
W_MAX、初期ノイズ帯NB条件、及び目標動作値が含まれ
る。これらの設定値も、同様にオペレータが選択するよ
うにしてもよい。最小待機時間W_MINは、後に詳述するよ
うに、ピークの確認を行う場合に用いられる。この値
は、通常、アダプターのサンプリング時間の２ないし３
倍に設定され、過剰な微分動作によって生じたピークを
システムが識別しないようにする役割を果たす。これら
の設定値に関する詳細は後述する。

次に、図４ないし図６に示すフローチャートに従っ
て、プロセッサー50の動作を説明する。ここでは、プロ
セッサー50の動作を、初期化した後（ステップ70）の６
つの主な作動状態に分けて説明する。この主の作動状態
とは、静止状態56、プロセッサーが連続した４つのピー
クを探すための４つのサーチング状態58、60、62、64
（状態１−４）、及び整定状態68である。

静止状態並びに整定状態 静止状態56あるいは整定状態68の間、プロセッサー
は、新しいあるいは継続した変化に向けて待機状態にあ
る。静止状態の間に、エラー信号が適当な時間（半周期
あるいは全周期）ノイズ帯内にある場合には、整定状態
68が終了して、プロセッサーは静止状態56に入る（ステ
ップ74、76）。

静止状態と整定状態は以下のように区別される。即
ち、プロセッサーが整定状態にある間にエラー信号29が
ノイズ帯＋フルスケール測定値の１パーセントを越えれ
ば、エラー信号が連続振動（あるいは重複応答）である
と規定される。また、応答が静止状態から始まれば、独
立外乱と認識される。プロセッサー50は、エラー信号29
のパターン特性のサーチングを開始する（ステップ7
8）。

図２に示すように、静止状態と整定状態においては、
エラー信号の測定値が、ノイズ帯の上限レベルと下限レ
ベルとの間にある。エラー信号29の値が上限レベルと下
限レベルとの間にある限り、新しい外乱は認識されず、
制御パラメータも変化しない。適切な制動応答後、静止
状態が少なくとも一周期続いた場合（ステップ82）、ノ
イズ帯を測定し、更新する（ステップ84、86、88） 従来の自己調節型システムにおいて、ノイズ帯は、ユ
ーザーにより指定された、あるいは、開ループ測定値と
して前調節段階に測定された、固定値であった。これに
対して、本発明では、ノイズ帯は、閉ループ条件下で測
定され、プロセス条件の変化にともなって更新される。
ユーザーは、いつでも、新しい値を入力して、このノイ
ズ帯の値を無効にし、再初期化することができる。

ノイズ帯の更新には、最後のアプセット間に決められ
たように、少なくとも閉ループの自然一周期まで、静止
状態を延ばす必要がある（ステップ76、80、82）。開始
時点で、周期タイマーは、ユーザーによって選択された
最大待機時間W_MAXあるいは前調節指定待機時間に等しく
なるように設定される。次の２つの基準の内いずれかが
満たされれば、ノイズ帯の更新が行われる。

1.新しいノイズ帯の値が、前のノイズ帯の値よりも小さ
い。

2.a）前もって求められた行き過ぎ値が、ゼロ以上であ
る。

ｂ）エラーが連動振動ではない（即ち、最後に観察さ
れた振動が、静止条件から始まっている）。

ｃ）前の測定減衰比が、目標減衰比＋0.1以下であ
る。

第二の基準を満足させる場合には、ノイズ帯を、より
大きな、あるいは、より小さな値に更新することが可能
である。望ましくは６つの標準偏差に設定されている任
意のファクターを（静止状態の間に発生した）測定ノイ
ズの２乗平均（RMS）に乗算した値として、新しいピー
ク−ピークノイズ帯を計算する（ステップ84、86、8
8）。これらの基準を課すことにより、ノイズ帯を増加
させた場合にループが過制動にもあるいは不足制動にも
ならないことを確認することができる。

第一ピークのサーチング エラー信号29がノイズ帯に関係するしきい値と交わる
と（ステップ74）、プロセッサーが、ピークあるいはエ
ラー信号のピークであるかのように扱われる振幅を位置
決めするための４つの状態の内の第一状態に入る。ここ
で、しきい値が、ノイズ帯＋測定レンジの１パーセント
に等しくなるように設定されていることが望ましい。第
一状態58では、周期タイマー（新しいエラーがサンプリ
ングされる毎に増加するカウンター）の初期化、エラー
信号の符号の決定、エラー信号の第一ピークのサーチン
グ、が行われる（ステップ90）。ここでは、エラー信号
の符号が最初に負である場合に、符号補正エラーのノイ
ズ帯からの初期偏差が正になるように、符号を補正す
る。エラー信号が最初に検出された時に、未補正エラー
符号とユーザー指定変数31を用いて、新しい応答に関し
て可能性の高いプロセス作動条件を求める。最初のエラ
ー符号の値及び／あるいはユーザー指定変数の値に基づ
いて、このプロセス作動条件を処理する際に過去の経験
を最大限に利用可能な格納調節値を、コントローラーに
入力する（ステップ78）。

ユーザー指定変数に、新しい最終作動条件を予期する
目標値26あるいは測定負荷28を含むようにしてもよい。
例えば、目標値を、プロセス制御変数の将来設定される
であろう値を示すユーザー指定変数として用いることが
できる。非直線的プロセスの挙動が、制御測定値に大き
く依存している場合には、（制御変数を予期する）目標
値を選択する必要がある。また別のプロセスでは、測定
負荷変数（あるいはコントローラー出力）が望ましい選
択肢となる。過去の調節成功例から最も適したものを選
択することによって、システムがプロセスの非直線性に
より効果的に対処することが可能になる。これは、同定
あるいは指定プロセスモデルに基づく開ループ・プログ
ラミングというよりも、むしろ、動作フィードバックに
よって決定される適応ゲインスケジューリングの一形態
である。

適応調節パラメータＰ、Ｉ、Ｄ及びリード／ラグ比の
過去の値を、エラー応答の方向及びユーザー指定変数の
大きさに応じて記憶し、分類しておくことが望ましい。
ユーザー指定変数の範囲を複数のサブレンジに細分化し
て、分類するようにしてもよい。例えば、望ましくは、
各サブレンジが２セットの調節PIDパラメータを持つよ
うに、指定変数の範囲を３つのサブレンジに分ける。
（この場合、用いられるセットは、エラー信号の最初の
符号とユーザー指定変数のサブレンジによって決ま
る。）これらの調節値を選択・更新して、過去の経験に
必要な補正を加えて、新しい外乱に対処する。もちろ
ん、この考え方を、いくつかの変数の複合サブレンジに
拡張利用することも可能である。また、ユーザーの選択
肢として、「いかなる変数も選択しない」という道も可
能であることに留意する必要がある。この場合、選択さ
れる調節値のセットは、最初のエラー信号の符号によっ
てのみ決まる。例えば、プロセスが直線的である場合に
は、ユーザーが変数を選択しなくてもよい。

第一ピークE1の位置は、測定されたエラー信号の現在
の大きさを、前の測定値（以下、「暫定的第一ピーク」
と称する）と比較することにより決められる。測定され
たエラー信号の現在の大きさが暫定的第一ピークより大
きい場合には、暫定的第一ピークの値を現在測定されて
いるエラー信号の大きさに置き換え、周期タイマーをゼ
ロにリセットする。この新しい暫定値を、次々に測定さ
れるエラー信号の大きさと比較する。最大待機時間W_MAX
が終了するまで、あるいは、暫定的第一ピークが真のピ
ークであることが確認されるまで、このステップを繰り
返す。第一ピークが確認される前に暫定的第一ピークか
らの時間がW_MAXを越えた場合には、暫定的第一ピークを
第一ピークとして確認し、最後に測定されたエラー値を
未確認第二ピークE2とする（ステップ92、94）。コント
ローラーの調節に非常に時間がかかる場合には、この基
準を用いてピークのサーチングを停止する。この場合、
後述するように、プロセッサー50は、この不完全情報を
用いて、PID調節ができるだけ速やかに行われるように
する（ステップ98）。

ピークタイマーの値がW_MAXに達する前に、暫定的ピー
クが第一ピークE1であり、疑似ノイズではない、ことを
確認する（ステップ96）。下記の表１に、ピークを確認
する場合に用いる望ましい基準を挙げてある。これらの
基準を選択して、局地的なノイズピーク及び過剰な（誤
って調節された）微分動作によって生じる短周期ピーク
を排除する。ここで、t_MINは、第一ピークから所定のピ
ークに関する情報収集開始までに、周期タイマーt1がと
ることのできる最小値である。この「待機」時間を用い
て、単純遅延プロセスに間違って適用された微分動作の
結果生じる可能性のある高周波振動ピークを検出しない
ようにしてもよい。暫定的第一ピーク値と現在のエラー
値との間の差がノイズ帯の範囲外にあり、現在のエラー
値が暫定的第一ピーク値の0.6倍より小さい場合には、
暫定的第一ピークを第一ピークとして確認する。上述の
第一ピークの位置決め・確認の方法を他のピークの位置
決定・確認にも用いる。

第二ピークのサーチング 第一ピークの位置決め・確認が完了すると、プロセッ
サー50は、（図５に示す）ステップ100ないし112によっ
て一般的に示される状態２に入る。まず、第一ピークE1
のところで、周期タイマーt1をゼロにセットし、第一ピ
ークからの時間の測定を行う。このタイマーの値がW_MAX
を超えると、暫定的第二ピーク値を第二ピークE2として
設定し、コントローラー調節のスピードアップをはかる
（ステップ100、102）。この状態で、プロセッサー50
は、（図７に示すような）エラー曲線の第二ピークE2、
あるいは、未確認第二ピークとして扱うことのできる屈
曲点114になる可能性のある振幅を探す。ここで、屈曲
点は、たった一つのピーク（E1）しか持たない過制動応
答のパターン特性を示す。

暫定的屈曲点は、エラー応答曲線29に対して引かれ
た、t1＝０で第一ピークE1の0.6倍の振幅を有する点を
通る接線115上に位置する。また、暫定的半周期を、第
一ピークから暫定的屈曲点までの時間の1.5倍に設定す
る（ステップ106）。この暫定的半周期の２倍に等しい
時間が、第二ピークのサーチングと確認に割り当てられ
る。この最大サーチング時間は、前記クラウスの特許に
記載されているように、前の応答測定値あるいは所定の
待機時間とは、無関係である。このため、第二ピークが
存在する場合でも、第二ピークの位置決めを行うための
所定のサーチング時間が設定される。エラー応答値29
が、負のノイズ帯の大きさよりも小さくなった場合に
は、第二ピークの位置が決定されるので、暫定的屈曲点
を放棄し、暫定的半周期を、第一ピークから暫定的第二
ピークまでの時間間隔に変更する。一方、暫定的半周期
の２倍の時間以内に第二ピークの確認が行われなかった
場合には、ピークのサーチングを終了して、PID計算ス
テップに移行する（ステップ102）。待機時間W_MAXの間
に、現在測定されているエラー応答値29と接線115上の
対応する点との間の振幅の相違がノイズ帯の大きさに等
しくなれば、屈曲点を確認し、未確認第二ピークとして
PID計算に用いる（ステップ108、112）。

表１ ピーク確認のためのテスト 1.現在測定されているエラー応答値が、比較されるピー
クの0.6倍よりもゼロに近い。

2.現在測定されているエラー応答値が、少なくともNBだ
け、確認されるピークよりもゼロに近い。

3.次のピークの確認を開始するために、最後のピークか
ら充分な時間が経過した。

ａ）t_MIN＝0:第一ピークE1用 ｂ）t_MIN＝W_MIN:第二ピークE2用 ｃ）t_MIN＝E1とE2との間の時間間隔の２倍：第三ピー
クE3用 第三ピーク及び第四ピークのサーチング 第二ピークが確認されると、ピークあるいは屈曲点と
なる可能性のある第三の振幅のサーチングを始める（状
態３）。このサーチングは、上述した第二ピークの位置
決めと同様の方法で行うが、確認された半周期は、それ
以上変更されない。サーチングの間に暫定的第三ピーク
が第一ピークを越え、且つ、第二ピークが正である場合
には、最初の２つのピークを捨てて、第一ピークのサー
チングを最初からやり直す（ステップ114、116）。第三
ピークのサーチングの間にプロセス制御変数が所定の範
囲を越えた場合には、サーチングを終了して、その所定
の範囲の限界値を、新しいPID計算に、未確認第三ピー
ク概算値として用いる（ステップ118、120）。あるい
は、暫定的第三ピークが第一ピークよりも大きく、その
一方で第二ピークが負であり、第一ピークと第三ピーク
との積が第二ピークの２乗以上である場合には、応答が
不安定であるとみなされ（ステップ120）、ピークのサ
ーチングを終了して、この情報に基づいて新しいPID計
算を行う。一方、応答が静止状態ではなく整定状態から
スタートしている場合、即ち、継続あるいは重複応答の
場合には、第三ピークのサーチングを終了して、この情
報を用いて計算したPID調節パラメータをコントローラ
ーに入力する（ステップ121）。

第二ピーク確認後、半周期の２倍の時間が、第三ピー
クの確認に割り当てられる。この時間内に確認が行われ
なかった場合には、サーチングを終了して、PID計算ス
テップに移行する。第二ピークからの時間が、半周期の
２倍以内で、エラー信号29が負のままであれば、プロセ
ッサー50は、上述と同様の方法で、屈曲点を探す（ステ
ップ122、124、126）。屈曲点の値を確認できれば、未
確認第三ピークとして、これを用いる（ステップ128、1
30）。

第三ピークが確認されると、第三ピークの後、半周期
の間に、上記と同様の方法で、第四ピークのサーチング
が行われる（状態４）（図６のステップ134、136）。望
ましくは、暫定的第四ピークの値が第二ピーク値よりも
小さければ、第三ピークの確認を取り消して、プロセス
が制御不能に振動していることを示す情報に基づいて、
新しいPID同調値を計算する。この場合、第四のピーク
の確認は行われない。

新しい制御パラメータの算出 測定振幅値を用いて、エラー信号のパターン特性値を
求め、直前に完了した応答のためのPID制御パラメータ
の設定値を更新する（図４のステップ98）。半周期
（Ｔ）、並びに、行き過ぎ量（OVR）及び減衰（DECAY）
を含む無次元パターン特性は、以下の式に従って、求め
られる。

（１）OVR＝E_(2+N)/E_(1+N) （２）DECAY＝｛E_(3+N)−E_(2+N)｝／ ｛E_(1+N)−E_(2+N)｝ （３）Ｔ＝T_(2+N)−T_(1+N) 変数Ｎは、連続した３つの振幅値を選択して、上述のパ
ターン特性を計算する前に見つけられ、スキップされた
（飛ばされた）ピークの数に応じて変化する。ピークの
スキップ処理に関しては後述する。第四ピークがノイズ
帯内に埋没して見つからなかったり、第五ピークが必要
な場合には、次の式に従って、ピークを概算する。

（４）E_(3+N)＝｛E_(1+N)＊E_(2+N)｝/E_(N) この式は、エラー信号が、３つの主要閉ループの極の実
部分が同一であるような最適近似減衰を示すという仮定
に基づくものである。

プロセッサー50によって位置決めされた最初の連続し
た３つのピーク（Ｎ＝０）に基づいて、減衰値及び行き
過ぎ値を比較することにより、制御パラメータの更新に
用いられる一連の連続ピークを求める（図８のステップ
140）。減衰値が行き過ぎ値未満の場合には、プロセッ
サー50は、「ピークスリップ」を行う。即ち、次の連続
した３つのピーク（Ｎ＝１）に基づいて、新しい減衰値
と行き過ぎ値を計算し、第二ピークのスリップ（Ｎ＝
２）が必要かどうかを決める。言い替えれば、ピークス
リップによって、第二のピークを第一のピークに、第三
のピークを第二のピークに、等の置き換えが行われる。
これは、連続したピークを選択して、補正制御パラメー
タを求めるための新しい減衰値及び行き過ぎ値を計算す
る、ことを目的とする。もっと簡単に言えば、下の
（５）式が成り立てば、ピークスリップが行われる。

（５）E_(1+N)＊E_(3+N)＜E_(2+N) ² 式（５）の第一の積が第二の積以上になるようなＮを
見つけた場合に、連続した３つのピークの内の最初のピ
ークをテストして、このピークにより、ピークのサーチ
ングが開始されるかどうかを調べる。PID制御パラメー
タを計算するためには、第一ピークがフルスケール制御
変数の１パーセント＋ノイズ帯よりも大きくなければな
らない（ステップ142）。この条件が満たされない場合
には、応答が充分大きくないため、PIDの更新を行わ
ず、アダプターが整定状態に切り替えられる。一方、エ
ラー応答が目標値の妨害によって始まった場合には、ピ
ークスリップの前の行き過ぎ値に基づいて、目標値補償
ファクターｋを調節することができる。目標値補償ファ
クターｋは、主遅れプロセスの0.2から主遅延プロセス
の1.0までの範囲で変化する。このファクターは、ピー
クスリップの前の目標行き過ぎ値を越えた行き過ぎ値の
値だけ減少し、また、ゆっくりとした独立目標値応答
（負の行き過ぎ値）に従って、行き過ぎ値の偏差に等し
い値だけ増加する。減衰目標値並びに行き過ぎ目標値
も、ピークスリップ後でＰ、Ｉ、Ｄの更新前に、適当に
（一時的に）調節される（ステップ144、146、148）。
ピークスリップを必要とするインパルス、あるいは、ス
リップを必要としないステップのいずれによってでもプ
ロセスが妨害された場合には、PID調節値が変化しない
ように調節を行う。

この時点で、エラー信号の行き過ぎ値、減衰値及び積
分−半周期比が求められており、これらを用いて、エラ
ー信号から得られる情報の完成度に基づいて、PID調節
プロセスをカテゴリーに分類することができる。ステッ
プ150、152で示す第一カテゴリーでは、以下のように情
報が処理される。即ち、減衰値が1.2より大きいか、あ
るいは、第二または第三ピークが測定レンジを越える場
合には、制御ループが非常に不安定であると認識される
（ステップ150）。この場合には、比例項を２倍にし、
積分項を半周期に等しく設定し、微分項をゼロに設定す
る（ステップ152）。更に、プロセス型（ptype）を1.2
に設定する。

第二カテゴリーでは、ステップ154ないし159に示すよ
うに、たった一つの確認ピークしか持たない過制動応答
を示す情報が処理される。半周期がW_MAX以上である場合
には、比例項を半分にして、微分項をゼロに設定する
（ステップ155、156）。あるいは、比例項を以下の式に
従って更新する（ステップ157）。

（６）Ｐ＝Ｐ＊（１＊1.5（DECAY−目標DECAY）） 更に、行き過ぎ値がマイナス0.075未満である場合に
は、積分時間に0.8を乗ずる（ステップ158、159）。

この場合には、未確認第二ピークE2は、屈曲点137あ
るいは第二ピークE2のサーチングの間に測定された最低
値となる。更に、第三ピークE3が、未確認第二ピークE2
を越えるピーク−ピーク・ノイズ帯（PPNB）より大きな
振幅を持たないため、（減衰値がその目標値を越えてい
ない限り）この極端な場合に基づいて減衰値を計算す
る。式６で減衰値がゼロであると仮定すると、比例帯が
今までより大きくなる。この結果、応答が非常に小さく
て、第二及び第三ピークをノイズから区別できない場合
でも、制御が過剰に強められることがない。

第三カテゴリーは、ステップ162ないし174で示される
もので、減衰値と行き過ぎ値との差が0.02未満である場
合、即ち、閉ループ応答が減衰２次方程式で近似される
場合（ステップ162）にこのカテゴリーが適用される。
この場合、比例項並びに積分項は、以下のように計算さ
れる。プロセス型が0.2未満である場合、あるいは、減
衰値が0.3より大きい場合には、積分項に1.4を乗ずる
（ステップ164、166）。上記の0.2という値は、単純遅
延と積分遅延との間の（単純遅延に近い）値であり、過
去の適応の結果決定された、あるいはユーザーにより設
定されたものである。プロセス型の決定に関しては、後
に詳述する。微分ファクター、即ち、積分項に適用して
微分時間を求めるファクターを1.4で割り、微分時間を
一定に保つ。減衰値が0.3以下である場合には、比例項
に0.8を乗ずる（ステップ168、170）。あるいは、積分
項が半周期の1.5倍より大きい場合には、比例項に1.2を
乗ずる（ステップ169、171）。また、減衰値が0.9より
大きい場合には、比例項に1.4を乗ずる（ステップ172、
174）か、あるいは、比例項をそのままにしておく。

情報が不完全であることを理由に、PID調節プロセス
が上述の３つのカテゴリーに基づいて分類されていない
場合には、プロセッサーは、応答が静止状態からスター
トしているかどうか、減衰値と行き過ぎ値の差が0.6未
満であるかどうか、また、半周期がW_MAX未満であるかど
うか、を判断する（ステップ176）。これらの基準が満
たされる場合には、完全であると判断された新しい情報
に基づいてプロセス型を更新する（ステップ178）。プ
ロセス型は、単純遅延の値0.0から微分遅延の値1.0まで
変化する。また、静電的に不安定なプロセスにおいて
は、更にそれより大きな値をとる。プロセス型（ptyp
e）を以下の式に従って求めることが望ましい。

（７）In（I/T）＝ ptype測定値＊In（I/T）積分遅延＋ （１−ptype）＊In（I/T）遅延 Ｉが現在の積分時間コントローラー値であり、Ｔが半
周期測定値であるため、式（７）の左辺の比In（I/T）
は周知である。式（７）の右辺の積分遅延プロセスの比
及び遅延プロセスの比In（I/T）は、図３のROM52に記憶
されている比の値から内挿される。例えば、図10ないし
図12のプロットに示すように、３つの極端なプロセスコ
ントローラーの組み合わせの各々について、総計27の比
の値が格納されている。単純遅延プロセス及び積分遅延
プロセスのPI制御とPID制御に関する図10ないし図12に
示すプロット上のＡ−Ｉで示される９つの点の各々にお
いて、In（P/P₀）、In（I/I₀）、並びに、In（I/T）が
存在する。（最適な微分項Ｄがゼロであるため、単純遅
延プロセスのPI制御とPID制御を図10に併せて示し
た。）これらの比の値は、実験的に求められている。下
付きの０（ゼロ）は、行き過ぎ値が0.1であり減衰値が
0.2である、任意に選択された参照点Ａを示している。
比例帯Ｐ、積分時間Ｉ、及びD/I比を用いて、減衰値と
行き過ぎ値を求める。これらの値の代わりに、同様の情
報を与える他の比から得られた実験データを用いること
もできる。本実施例では、減衰値と（減衰値−行き過ぎ
値）のグラフにおいて、等しい間隔でデータをとってい
るが、異なった間隔あるいは異なったデータ数で内挿あ
るいは外挿を行ってもよい。

プロセスの減衰測定値と行き過ぎ測定値を用いて、図
10ないし図12に示す３枚のグラフ上に、例えば、点Ｍを
プロットする。当業者には周知の４次方程式による内挿
を行い、記録されているデータ点の各々に関する重み関
数を求め、これを用いて、各プロセスコントローラーの
組み合わせに関して、比の値In（P/P₀）、In（I/I₀）、
並びに、In（I/T）を求める。実験データから得られた
曲線が放物線に近似しているため、４次方程式による内
挿を行った。コントローラーが微分動作を行わない場合
には、図10及び図11にＡ−Ｊで示されている点における
In（I/T）のデータ値を用いて、上述の式（７）に従っ
てプロセス型（ptype）を決めることができる。

積分遅延プロセスと遅延プロセスの両方に関して、現
在の積分時間Ｉ、比例帯Ｐ、プロセス型、並びに、In
（P/P₀）及びIn（I/I₀）の比の値が決まれば、現在の減
衰値と行き過ぎ値を参照点Ａにおけるそれぞれの減衰値
と行き過ぎ値（行き過ぎ値0.1、減衰値0.2）に変更する
ために必要な比例帯P₀及び積分時間I₀を求めることがで
きる。ここで、参照点Ａにおける行き過ぎ値と減衰値
は、望ましい目標値として選択されている。次に示す式
８及び式９の左辺をP₀及びI₀に関して解くことにより、
これらの新しいパラメータ値を計算する（図９のステッ
プ180）。

（８）In（P/P₀）＝ ptype＊In（P/P₀）積分遅延＋ （１−ptype）＊In（P/P₀）遅延 （９）In（I/I₀）＝ ptype＊In（I/I₀）積分遅延＋ （１−ptype）＊In（I/I₀）遅延 ユーザーが参照値とは異なる目標減衰値及び行き過ぎ
値を選択した場合には、以下に示すように、式８及び９
のＰ、Ｉを、それぞれ、P_T、I_Tに置き換えることによ
り、比例帯P_T及び積分時間I_Tを計算することができる。
その後、以下の式に示すように、P₀、I₀を消去する。

（10）In（P_T/P₀）−In（P/P₀）＝In（P_T/P）＝r₁ （11）P_T＝Pe^r1 （12）In（I_T/I₀）−In（I/I₀）＝In（I_T/I）＝r₂ （13）I_T＝Ie^r2 上述の計算においては、微分項Ｄが存在しないと仮定
した。コントローラーが微分動作を行う場合には、ま
ず、後述する微分ファクター（dfact）を用いて、図11
及び図12から得たデータを内挿あるいは外挿し、式７な
いし式９で用いられるIn（I/T）積分遅延、In（P/P₀）
積分遅延、In（I/I₀）積分遅延の値を求める必要があ
る。

これらの内挿した比の値を用いて、次の式に従って、
上述と同様の方法で、測定された減衰値及び行き過ぎ値
を目標値に変更する新しい制御パラメータを計算する。
測定条件において、dfactは、Ｉに対するＤの比であ
る。

（14）In（I/T）積分遅延＝ dfact＊In（I/T）積分遅延 PID＋ （１−dfact）＊In（I/T）積分遅延 PI （15）In（P/P₀）積分遅延＝ dfact＊In（P/P₀）積分遅延 PID＋ （１−dfact）＊In（P/P₀）積分遅延 PI （16）In（I/I₀）積分遅延＝ dfact＊In（I/I₀）積分遅延 PID＋ （１−dfact）＊In（I/I₀）積分遅延 PI 目標条件において、新しい微分ファクターdfactを、
経験的に求められたD/Iとptypeとの関係に基づいて、求
めてもよい（ステップ178）。ptypeが0.03未満（主遅延
プロセス）の場合には、微分ファクターは、ユーザーが
これを変更するまで、恒久的にゼロに設定される。そう
でなければ、行き過ぎ値がゼロより大きい場合に、次の
（17）式が成立する。

（17）dfact＝2.2−1.25＊ptype 減衰測定値と行き過ぎ測定値の何れもがその目標値に等
しい場合には、内挿法により微分ファクターが変化する
可能性はあるが、比例帯や積分時間は変化しない。積分
遅延プロセスに関してコントローラーが微分動作を行う
場合も行わない場合も、参照値P₀及びI₀における変位に
基づいて補正を行う。即ち、微分ファクターの変化とpt
ypeの積に基づいて、比例処理を行う。

エラー信号が整定状態からスタートするか、あるい
は、減衰値と行き過ぎ値との差が0.6より大きい場合に
は、パラメータの変化を２で割る（ステップ182、184、
186）。

半周期に対して所望の範囲内に入るように積分時間を
調節することにより、非常にずれた調節状態から迅速に
回復させることができる。この条件を決める基準をステ
ップ188ないしステップ198に示す。行き過ぎ値がゼロよ
り大きい場合には、積分時間が半周期の1.5倍を越えて
はならない（ステップ187、188、190）。少なくとも一
本のピークが確認された場合には、積分時間は、少なく
とも半周期の0.25倍でなければならない（ステップ19
2、194）。３本のピークが確認された場合には、応答は
２次方程式の項には依存せず、積分時間は、第二ピーク
と第三ピークとの間の時間の（1.0＋ptype）倍の0.35倍
未満となり、積分時間には1.4のファクターを乗ずる
（ステップ196、198）。これらのステップにより、外乱
の影響が徐々に現れる場合に積分時間が小さくなりすぎ
ないように調節することができる。次に、微分ファクタ
ーに積分値と0.16を乗ずることにより、微分値を計算す
る（ステップ200）。但し、微分時間は、半周期の0.25
倍を越えることはできない。図３のコントローラーにお
ける制御パラメータを更新した（ステップ202）後、プ
ロセッサーは、図４の68に示す整定状態に戻る。

以上、本発明を好適な実施例に基づいて説明したが、
以下のクレームによって規定される本発明の本質や主旨
を逸脱しない範囲で様々な変更を加えることができる。
例えば、比相互作用型PIDコントローラーに本発明の原
理を適用することもできる。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−39406（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−240102（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−276202（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−205202（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−50704（ＪＰ，Ａ) 米国特許4602326（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05B 11/00 - 13/04

Claims (59)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定プロセス変数信号を有するプロセスを
   制御するために用いられる自己調節型コントローラーの
   制御パラメータを自動的に調節するための方法で、 外乱に対する前記プロセスの閉ループ応答を示すエラー
   信号を発生させるステップと、 前記エラー信号のパターン特性を特徴づけ、行き過ぎ量
   未満の減衰を示す極値の振幅値を示す箇所を特定し、測
   定するステップと、 連続した３つの振幅値を選択して、前記エラー信号の減
   衰の特性測定値及び行き過ぎ量の特定測定値を、前記減
   衰の特性測定値が前記行き過ぎ量の特性測定値よりも大
   きくなるように設定するステップと、 前記コントローラーの複数の制御パラメータの内少なく
   とも一つを自動的に調節することにより、前記特性測定
   値の内少なくとも一つと目標特性値との間の相違を改善
   するステップと、 を備えることを特徴とする方法。
2. 【請求項２】前記エラー信号が、前記プロセス変数信号
   と目標値信号との差に等しい、ことを特徴とする請求項
   １記載の方法。
3. 【請求項３】前記制御パラメータを自動的に調節するス
   テップが、制御されるプロセスの型を決めて、前記プロ
   セス型の関数として、前記制御パラメータの変化を求め
   るステップを更に備える、ことを特徴とする請求項１記
   載の方法。
4. 【請求項４】前記自動的に調節するステップが、更に、
   測定データを、少なくとも２つの所定のプロセスから得
   られた内挿データと比較して、制御されるプロセスの型
   を示す内挿因子を決定するステップを備える、ことを特
   徴とする請求項３記載の方法。
5. 【請求項５】前記内挿データが、制御パラメータを含
   む、ことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 【請求項６】前記制御パラメータが、比例及び積分時間
   データを含む、ことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 【請求項７】前記自動的に調節するステップが、更に、
   測定データを、少なくとも２つの所定のプロセスから得
   られた内挿データと比較して、前記制御パラメータの適
   当な変化を求めるステップを備える、ことを特徴とする
   請求項３記載の方法。
8. 【請求項８】前記自動的に調節するステップが、更に、
   測定データを、少なくとも２つの所定のプロセスから得
   られた外挿データと比較して、前記制御パラメータの適
   当な変化を求めるステップを備える、ことを特徴とする
   請求項１記載の方法。
9. 【請求項９】前記振幅値を示す箇所を特定し、測定する
   ステップが、前記エラー信号の極値の少なくとも４つの
   連続する振幅値を示す箇所を特定し、測定するステップ
   を備える、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 【請求項１０】前記振幅値を示す箇所を特定し、測定す
    るステップが、第四の振幅値が測定不可能な場合に、前
    記第四の振幅値を概算するステップを備える、ことを特
    徴とする請求項９記載の方法。
11. 【請求項１１】前記振幅値を示す箇所を特定し、測定す
    るステップが、時間的に第一の極値の後に、前記エラー
    信号の屈曲点を位置づけるステップを備える、ことを特
    徴とする請求項１記載の方法。
12. 【請求項１２】前記第一の極値と前記屈曲点との間の時
    間間隔を求め、エラー信号応答の時間スケールを決定す
    るステップを更に備える、ことを特徴とする請求項９記
    載の方法。
13. 【請求項１３】前記第一の極値を、連続した３つの振幅
    値の第一のものとして選択し、前記スケールを用いて、
    第二の振幅を位置決めするための最大待機時間を求め
    る、ことを特徴とする請求項12記載の方法。
14. 【請求項１４】前記振幅値を測定するためのステップ
    が、第二の極値を示す箇所が測定される前に、前記最大
    待機時間が終了した場合に、前記屈曲点を前記振幅値の
    一つとして用いるステップを備える、ことを特徴とする
    請求項13記載の方法。
15. 【請求項１５】前記時間スケールを用いて、第三の振幅
    を位置決めするための最大待機時間を計算する、ことを
    特徴とする請求項12記載の方法。
16. 【請求項１６】前記屈曲点を、時間的に、第二の極値の
    後に位置づける、ことを特徴とする請求項９記載の方
    法。
17. 【請求項１７】前記エラー信号の屈曲点が有効であるこ
    とを実証するステップを更に備える、ことを特徴とする
    請求項９記載の方法。
18. 【請求項１８】前記振幅値を示す箇所を特定して測定す
    る前に、ユーザー指定のプロセス変数をサンプリングし
    て、前記ユーザー指定のプロセス変数のサンプリング値
    に基づいて、前もって格納された一連の制御パラメータ
    の中から、前もって適応された制御パラメータを選択し
    て、現在のプロセス条件に合致した調整を行うステップ
    を更に備える、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
19. 【請求項１９】プロセス変数の範囲をサブレンジに細分
    化し、各サブレンジを、前もって適応された一連の制御
    パラメータに適応させる、ことを特徴とする請求項18記
    載の方法。
20. 【請求項２０】連続した３つの振幅値を選択するステッ
    プが、更に、第一の振幅値の符号を指示し、正であるか
    負であるかを決め、前記第一の振幅値の符号が負であっ
    た場合に、前記３つの振幅値の値を逆にして、前記振幅
    値を測定するステップを簡略化するステップを備える、
    ことを特徴とする請求項１記載の方法。
21. 【請求項２１】前記目標値信号をリード／ラグ・フィル
    ターを用いてフィルターにかけ、前記コントローラーが
    負荷外乱に対して適切に調節されている場合に、目標値
    の変化に応じたエラー行き過ぎ量が過剰にならないよう
    に妨害するステップを更に備える、ことを特徴とする請
    求項１記載の方法。
22. 【請求項２２】前記リード／ラグ・フィルターのリード
    −ラグ比を調節して、目標行き過ぎ値を達成するステッ
    プを更に備える、ことを特徴とする請求項21記載の方
    法。
23. 【請求項２３】エラー・ノイズを測定するステップと、
    前記エラー信号が静止状態の間にノイズ帯を更新するス
    テップと、を更に備える、ことを特徴とする請求項１記
    載の方法。
24. 【請求項２４】極値の振幅測定値が正当であることを実
    証するステップを更に備える、ことを特徴とする請求項
    １記載の方法。
25. 【請求項２５】測定プロセス変数信号を有するプロセス
    を制御するために用いられる自己調節型コントローラー
    の制御パラメータを自動的に調節するための方法で、 外乱に対する前記プロセスの閉ループ応答を示すエラー
    信号を発生させるステップと、 前記エラー信号の極値の振幅値を測定するステップと、 第二の極値（E2）の自乗が、第一の極値（E1）と第三の
    極値（E3）との積以下になるように、前記極値（E1、E
    2、及びE3）の連続した３つの振幅値を選択するステッ
    プと、 前記連続した極値をつなぐことにより、少なくとも一つ
    の動作特性測定値を与えるステップと、 前記コントローラーの複数の制御パラメータを内少なく
    とも一つを自動的に調節することにより、前記少なくと
    も一つの動作特性測定値と動作特性目標値との間の相違
    を改善するステップと、 を備えることを特徴とする方法。
26. 【請求項２６】前記連続した極値をつなぐステップが、
    更に、前記一連の動作特性値の一つとして行き過ぎ量の
    値を生成するステップを備える、ことを特徴とする請求
    項25記載の方法。
27. 【請求項２７】前記連続した極値をつなぐステップが、
    更に、前記動作特性測定値の一つとして減衰の値を生成
    するステップを備える、ことを特徴とする請求項25記載
    の方法。
28. 【請求項２８】前記振幅値を測定するステップが、更
    に、時間的に第一の極値の後に、前記エラー信号の屈曲
    点を位置決めし、これを測定するステップを備える、こ
    とを特徴とする請求項25記載の方法。
29. 【請求項２９】エラー・ノイズを測定し、前記エラー信
    号が静止状態の間にノイズ帯を更新するステップを更に
    備える、ことを特徴とする請求項25記載の方法。
30. 【請求項３０】前記目標値信号をリード／ラグ・フィル
    ターを用いてフィルターにかけ、前記コントローラーが
    負荷外乱に対して適切に調節されている場合に、目標値
    の変化に応じたエラー行き過ぎ量が過剰にならないよう
    に妨害するステップを更に備える、ことを特徴とする請
    求項25記載の方法。
31. 【請求項３１】測定プロセス変数信号を有するプロセス
    を制御するために用いられるコントローラーの制御パラ
    メータを自動的に調節するための方法で、 外乱に対する前記プロセスの閉ループ応答を示すエラー
    信号を発生させるステップと、 前記エラー信号のパターン特性値を求めて、制御される
    プロセスの型を同定するステップと、 前記同定されたプロセス型と前記求められたパターン特
    性値に応じて、前記コントローラーの複数の制御パラメ
    ータの内少なくとも一つを自動的に計算し、且つ、前記
    コントローラーの制御パラメータを調節することによ
    り、前記求められた特性値と目標特定値との間の相違を
    改善するステップと、 を備えることを特徴とする方法。
32. 【請求項３２】前記パターン特性値を求めるステップ
    が、更に、行き過ぎ量の比を求めるステップを備える、
    ことを特徴とする請求項31記載の方法。
33. 【請求項３３】前記パターン特性値を求めるステップ
    が、更に、減衰の比を求めるステップを備える、ことを
    特徴とする請求項31記載の方法。
34. 【請求項３４】測定プロセス変数信号を有するプロセス
    を制御するために用いられる自己調節型コントローラー
    の制御パラメータを自動的に調節するための方法で、 外乱に対する前記プロセスの閉ループ応答を示すエラー
    信号を発生させるステップと、 前記エラー信号のパターン特性を特徴づける第一振幅値
    と、前記エラー信号のパターン特性を特徴づけ、且つ、
    前記エラー信号の屈曲点である第二振幅値と、を測定し
    て、前記エラー信号の行き過ぎ量の特性測定値を求める
    ステップと、 目標減衰値と、前記振幅値を用いて計算した計算減衰値
    のいずれか小さいほうを減衰の特性値として選択し、 前記コントローラーの複数の制御パラメータの内少なく
    とも一つを自動的に調節することにより、前記特性測定
    値の内少なくとも一つと目標特性値との間の相違を改善
    するステップと、 を備えることを特徴とする方法。
35. 【請求項３５】前記計算減衰特性値が、前記第一のピー
    クの振幅値と前記屈曲点の振幅値との差で測定ノイズ帯
    を割った値に等しい、ことを特徴とする請求項34記載の
    方法。
36. 【請求項３６】測定プロセス変数信号を有するプロセス
    を制御するために用いられる自己調節型コントローラー
    の制御パラメータを自動的に調節するための方法で、 外乱に対する前記プロセスの閉ループ応答を示すエラー
    信号を発生させるステップと、 前記エラー信号のノイズ成分信号を測定して、ノイズ帯
    を確立するステップと、 前記エラー信号のパターン特性を示し、且つ、前記ノイ
    ズ帯より大きな極値である第一振幅値と、前記エラー信
    号のパターン特性を示す第二振幅値と、を測定し、前記
    エラー信号の行き過ぎ量の特性測定値を求めるステップ
    と、 前記コントローラーの複数の制御パラメータの内少なく
    とも一つを自動的に調節することにより、前記行き過ぎ
    量の特性値の内一つと目標行き過ぎ特性値との間の相違
    を改善し、前記エラー信号が静止状態の間に前記ノイズ
    帯を更新するステップと、 を備えることを特徴とする方法。
37. 【請求項３７】第三の振幅値を概算するステップと、目
    標減衰値と、前記振幅値を用いて計算した計算減衰値
    の、いずれか小さいほうを減衰の特性値として選択する
    ステップと、を更に備える、ことを特徴とする請求項36
    記載の方法。
38. 【請求項３８】前記振幅値を測定するステップが、前記
    エラー信号の極値の少なくとも４つの連続した振幅値を
    測定するステップを更に備える、ことを特徴とする請求
    項36記載の方法。
39. 【請求項３９】前記振幅値を測定するステップが、第四
    の振幅値が測定不能な場合に、前記第四の振幅値を概算
    するステップを備える、ことを特徴とする請求項38記載
    の方法。
40. 【請求項４０】第三の振幅値を測定するステップと、減
    衰の特性値を計算するステップと、を更に備える、こと
    を特徴とする請求項36記載の方法。
41. 【請求項４１】前記振幅値を測定するステップが、連続
    した３つの振幅値を選択して、行き過ぎ量の特性値と、
    前記行き過ぎ量の特性値より大きな減衰の特性値とを求
    めるステップを更に備える、ことを特徴とする請求項40
    記載の方法。
42. 【請求項４２】前記振幅値が前記エラー信号の極値であ
    る、ことを特徴とする請求項41記載の方法。
43. 【請求項４３】前記第二の振幅値を測定するステップ
    が、前記エラー信号の屈曲点を、時間的に前記第一の振
    幅値の後に位置づけるステップを更に備える、ことを特
    徴とする請求項36記載の方法。
44. 【請求項４４】前記第一の振幅値と前記屈曲点との間の
    時間間隔を求めて、エラー信号応答の時間スケールを決
    定するステップを更に備える、ことを特徴とする請求項
    43記載の方法。
45. 【請求項４５】前記時間スケールを用いて、第二の極値
    を探すための時間間隔を決める、ことを特徴とする請求
    項44記載の方法。
46. 【請求項４６】前記時間スケールを用いて、第三の振幅
    値を示す箇所を特定し、確認するための時間間隔を求め
    る、ことを特徴とする請求項44記載の方法。
47. 【請求項４７】前記振幅値を測定するステップが、前記
    第二の振幅値として前記屈曲点を選択するステップを更
    に備える、ことを特徴とする請求項43記載の方法。
48. 【請求項４８】前記エラー信号の屈曲点を位置決めする
    ステップが、前記屈曲点を時間的に前記第二の振幅値の
    後に位置づけるステップを更に備える、ことを特徴とす
    る請求項43記載の方法。
49. 【請求項４９】前記自動的に調節するステップが、制御
    されるプロセスの型を決定するステップと、前記決定さ
    れたプロセス型に適した制御パラメータを選択するステ
    ップと、を更に備えることを特徴とする請求項36記載の
    方法。
50. 【請求項５０】前記自動的に調節するステップが、更
    に、測定データを、少なくとも２つの所定プロセスから
    得られた内挿データと比較して、少なくとも一つの制御
    パラメータを調節するために、制御されるプロセスの型
    を示す内挿因子を決定するステップを備える、ことを特
    徴とする請求項49記載の方法。
51. 【請求項５１】前記自動的に調節するステップが、更
    に、測定データを、少なくとも２つの所定のプロセスか
    ら得られた外挿データと比較して、制御されるプロセス
    の型を示す外挿因子を決定するステップを備える、こと
    を特徴とする請求項49記載の方法。
52. 【請求項５２】前記振幅値を測定する前に、ユーザー指
    定のプロセス変数をサンプリングするステップと、前も
    って格納された一連の制御パラメータの中から選択し
    て、現在のプロセス条件に合致した調整を行うステップ
    と、を更に備える、ことを特徴とする請求項36記載の方
    法。
53. 【請求項５３】時間変化プロセス変数をサブレンジに細
    分化し、各サブレンジを、前もって適応された一連の制
    御パラメータに適応させる、ことを特徴とする請求項52
    記載の方法。
54. 【請求項５４】前記目標値信号をリード／ラグ・フィル
    ターを用いてフィルターにかけ、前記コントローラーが
    負荷外乱に対して適切に調節されている場合に、目標値
    の変化に応じたエラー行き過ぎ量が過剰にならないよう
    に妨害するステップを更に備える、ことを特徴とする請
    求項36記載の方法。
55. 【請求項５５】前記リード／ラグ・フィルターの比を調
    節して、目標行き過ぎ値を達成するステップを更に備え
    る、ことを特徴とする請求項54記載の方法。
56. 【請求項５６】自己調節型制御システムで、 測定プロセス変数信号を有するプロセスを制御するため
    の制御パラメータを備えるコントローラと、 外乱に対する前記プロセスの閉ループ応答を示すエラー
    信号を発生させるための手段と、 前記コントローラの制御パラメータを自動的に調節する
    ためのアダプターと、を備え、 前記アダプターが、更に、 前記エラー信号のパターン特性を特徴づけ、行き過ぎ量
    未満の減衰を示す極値の振幅値を測定する手段と、 連続した３つの振幅値を選択して前記エラー信号の減衰
    の特性測定値および行き過ぎ量の特性測定値を発生する
    手段であって、 前記減衰の特性測定値が行き過ぎ量の特性測定値よりも
    大きくなるように選択される、発生手段で、 （ｉ）前記連続した３つの振幅値の減衰の特性測定値お
    よび行き過ぎ量の特性測定値を特定するステップと、 （ii）前記連続した３つの振幅値の減衰の特性測定値が
    前記行き過ぎ量の特性測定値より大きくなければ、前記
    第一の振幅値を放棄して、新たな第三の振幅値を示す箇
    所を特定するステップと、 （iii）前記減衰の特性測定値が前記行き過ぎ量の特性
    測定値より大きいことを前記連続した３つの振幅値が示
    すまで（ｉ）から（ii）のステップを繰り返すステップ
    と、 からなる発生手段と、 前記コントローラの複数の制御パラメータの内少なくと
    も１つを自動的に調節することにより、前記特定測定値
    の内１つと目標特性値との間の相違を改善するための手
    段と、 を備える、 ことを特徴とする自己調節型制御システム。
57. 【請求項５７】自己調節型制御システムで、 測定プロセス変数を有する前記プロセスの閉ループ応答
    を示すエラー信号を発生させるための手段と、 コントローラーの制御パラメータを自動的に調節するた
    めのアダプターと、を備え、 前記アダプターが、更に、 前記エラー信号のパターン特性値を決定するための手段
    と、 決定されたパターン特性値に応じて、制御されるプロセ
    スの型を同定するための手段と、 制御されるプロセスの型に対応する前記求められたパタ
    ーン特性値に応じて、前記コントローラーの複数の制御
    パラメータの内少なくとも一つを自動的に計算するため
    の手段と、 前記コントローラーの制御パラメータを調節することに
    より、前記求められた特性値と目標特性値との間の相違
    を改善するための手段と、を備える、 ことを特徴とする自己調節型制御システム。
58. 【請求項５８】前記パターン特性値を求めるための手段
    が、前記エラー信号の行き過ぎ減衰比を求める、ことを
    特徴とする請求項57記載の自己調節型制御システム。
59. 【請求項５９】前記エラー信号が、前記プロセス変数信
    号と目標値信号との間の差に等しい、ことを特徴とする
    請求項57記載の自己調節型制御システム。