JP4019350B2 - CONTROLLER WITH INTEGRATION UNIT AND ITS INTEGRATION METHOD - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学プラントや鉄鋼プラント等における温度、流量又は圧力等の物理量の制御あるいは産業用ロボット、工作機械又は情報処理関連機器等における位置決め又は速度制御等に用いられるPIDコントローラの改良に関するものであって、その積分定数を指令値と制御量の偏差の大きさにより変化させる機能を備えてなるPIDコントローラに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、PIDコントローラの積分動作による制御は、比例動作では解消することのできない定常状態での偏差を改善するのに有効であるが、一方で、例えばステップ状指令信号等の急激な指令信号の変化に対し、積分定数の値いかんによって、オーバシュート、アンダーシュートあるいはワインドアップ等の好ましくない現象を引き起こし、制御特性を悪化させる要因ともなっていた。
【0003】
また、積分動作により操作量が飽和に達した場合にも、同じように制御特性に問題を生じていた。
【0004】
そこで、従来はこれに対処するため、応答性を犠牲にしてもコントローラの積分定数を大きく設定したり、操作量が飽和した場合には、積分動作を一時的に中止し、飽和の状態が解消した段階で、積分動作を再び開始するなどの手法が採用されていた。
【0005】
また、特開平9−282005号公報記載の発明においては、図3に示すように、積分動作に係る定数を一定のものとはせず、偏差の値によっては定数を変更したり、偏差の値にある閾値を設け、実際の偏差がその閾値を超えると、積分動作に係る定数を段階的に変化させるなどの手法も採用されていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの手法では、短時間に偏差を減少させることができなかったり、積分動作に係る定数を変更するにせよ、その定数をどのように変更すれば良いのか、具体的に示されていないなどの問題があった。
【0007】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、PIコントローラ、PIDコントローラ又はこれらと等価なコントローラにおいて、その積分定数TIを、偏差の絶対値|e|の関数として、偏差が大きい時は大きく、逆に偏差が小さい時は小さく、しかも滑らかに且つ連続的に変化させることができ、従来のように積分定数を大きく設定する必要がなく、高速で精密な応答が可能なコントローラを実現することにある。
【0008】
【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記載の発明は、入力信号と帰還信号との差である偏差を算出する手段と、前記偏差に積分時定数の逆数を乗じて積分動作をさせる積分手段と、を備えたコントローラにおいて、前記偏差の絶対値を算出して出力する手段と、前記絶対値に比例定数を乗じて出力する手段と、前記絶対値に比例定数を乗じた値に1を加算する手段と、前記絶対値に比例定数を乗じて1を加算した値の逆数を算出して出力する手段と、前記偏差に前記逆数を乗じて出力する手段と、を備え、前記積分手段が、前記偏差に前記逆数を乗じた値と予め設定された初期積分定数とに基づいて前記積分時定数を算出するものである。
請求項2記載の発明は、入力信号と帰還信号との差である偏差を算出する手段と、前記偏差に積分時定数の逆数を乗じて積分動作をさせる積分手段と、を備えたコントローラの積分処理方法において、前記偏差の絶対値を算出する、偏差絶対値処理をし、前記偏差絶対値処理の出力に比例定数を乗じ、更に1を加算する、乗加算処理をし、前記乗加算処理の出力の逆数を算出する、逆数処理をし、前記逆数処理の出力に前記偏差を乗じる、乗算処理をし、前記乗算処理の出力と予め設定された初期積分定数に基づいて前記積分時定数を演算し、積分処理をするのである。
【0009】
具体的には、積分定数に対応する値T I (積分時定数)は、以下のように偏差の絶対値|e|の関数として調整するのである。
TI =TI 0 (KI |e|+1)
ただし、TI 0 は、初期設定積分定数であって、制御対象の最大時定数TL M より小さい値とする(すなわち、TI 0 <TL M )。KI は、比例ゲイン。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、第1図ないし第2図に例示するところに従い、本発明に係る好適な実施の態様を説明する。
【0011】
図1は、従来のPIDコントローラの制御系に、積分定数を偏差の関数として単調に変化させる演算機能を追加した制御系のブロック図である。
【0012】
偏差は、指令値rと制御量xの差として与えられるが、この実施例では、この偏差が絶対値演算を行うブロック1に入力され、偏差の絶対値|e|が出力される。
【0013】
そして、この出力信号は、KI倍の乗算演算を行うブロック2に入力され、さらに、1を加算する処理が行われた後、ブロック3において1/(KI|e|+1)の演算が行われる。
【0014】
この出力信号は、乗算演算を行うブロック4に入力され、偏差eとの積が求められた後、初期設定の積分定数であるTI0とともに積分器としてのブロック5に入力され、(1/(TI0(KI|e|+1)))∫edtの演算が行われる。
【0015】
そして、最終的には、操作量uが、ブロック5、ブロック6及びブロック7の各出力を加算した後、KP倍することにより求められる。
【0016】
すなわち、この実施例では、従来のPIDコントローラを基本構成とし、その従来のPIDコントローラの内の積分動作だけを、単調に変化する偏差の関数で積分演算する値に置き換え、操作量uを
KP(e+(1/(TI0(KI|e|+1)))∫edt+KDde/dt)として演算するものである。
【0017】
なお、上述の実施例における演算は、すべてマイクロプロセッサで実行することができる。
【0018】
次に、上述の実施例において、積分定数を偏差の関数として単調に変化させるようにした理由を、以下に説明する。
【0019】
従来のPIDコントローラでは、前述のように、PID演算のゲインKP、KI、KDを一定とするか、あるいは積分動作に係る定数を段階的に切り替える手法が用いられてきた。
【0020】
しかし、ゲインが一定の手法では、積分動作により却ってオーバーシュート等の問題を引き起こすことから、コントローラの積分定数を大きく設定するのが一般的であって、高速応答と小偏差の要求される制御仕様を満足させることはできなかった。
【0021】
また、積分動作に係る定数を切り替える手法では、切り替え時点を予め決定しておかなければならないうえ、積分動作に係る定数の切り替えに起因する操作量の急変により、制御対象に振動や急激なショックを発生させる怖れがあった。
【0022】
これに対し、上記実施例では、上述のように積分定数をTI0(KI|e|+1)とすることにより、同積分定数を偏差が大きい時は大きく、逆に偏差が小さい時は小さく、しかも滑らかに且つ連続的に変化させることができる。
【0023】
したがって、従来のように積分定数を大きく設定する必要はなく、従来の数分の1程度に設定することが可能となり、高速で精密な応答が可能なPIDコントローラを実現することができる。
【0024】
図2は、積分定数TIを一定値50×10−6とした従来のPIDコントローラと、KPを100、TI0を10×10−6、KIを50、KDを0とした上記実施例のものとの応答と操作量を比較した結果である。
【0025】
上記実施例の場合、図から明らかなように、従来のPIDコントローラのようなオーバーシュートやアンダーシュート等の問題はなく、整定時間が大幅に改善されているのを確認することができる。
【0026】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、PIコントローラ、PIDコントローラ又はこれらと等価なコントローラにおいて、その積分定数TIを、偏差の絶対値|e|の関数として、偏差が大きい時は大きく、逆に偏差が小さい時は小さく、しかも滑らかに且つ連続的に変化させることができ、従来のように積分定数を大きく設定する必要がなく、高速で精密な応答が可能な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】 本発明の方法を実施するPIDコントローラの構成を示すブロック図
【図2】 本発明の方法と従来の方法を比較したステップ応答
【図3】 従来の積分ゲインを変化させる位置制御ルーチンのフローチャート[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement of a PID controller used for control of a physical quantity such as temperature, flow rate or pressure in a chemical plant or a steel plant, or for positioning or speed control in an industrial robot, machine tool or information processing related equipment. The present invention relates to a PID controller having a function of changing the integral constant according to the magnitude of a deviation between a command value and a control amount.
[0002]
[Prior art]
In general, the control by the integral operation of the PID controller is effective in improving the deviation in the steady state that cannot be eliminated by the proportional operation. On the other hand, depending on the value of the integral constant, an undesired phenomenon such as overshoot, undershoot, or windup is caused, and the control characteristic is deteriorated.
[0003]
Also, when the manipulated variable reaches saturation due to the integral operation, a problem is similarly caused in the control characteristics.
[0004]
Therefore, in the past, to deal with this, even if the responsiveness was sacrificed, if the integral constant of the controller was set large, or if the operation amount was saturated, the integration operation was temporarily stopped, and the saturation state was resolved. At this stage, a method such as restarting the integration operation has been adopted.
[0005]
Further, in the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-282005, as shown in FIG. 3, the constant related to the integration operation is not constant, and the constant may be changed or the deviation value may be changed depending on the deviation value. A method has been adopted in which a certain threshold value is provided, and when the actual deviation exceeds the threshold value, a constant related to the integration operation is changed stepwise.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in these methods, the deviation cannot be reduced in a short time, or even if the constant relating to the integration operation is changed, it is not specifically shown how to change the constant. There were problems such as.
[0007]
The present invention has been made to solve the above-described problems. The object of the present invention is to calculate the integral constant T I of the absolute value of deviation | e in a PI controller, PID controller, or an equivalent controller. As a function of |, it is large when the deviation is large, and conversely small when the deviation is small, and it can be changed smoothly and continuously. It is to realize a controller capable of precise response.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
According to a second aspect of the present invention, there is provided an integration of a controller comprising: means for calculating a deviation which is a difference between an input signal and a feedback signal; In the processing method, the absolute value of the deviation is calculated, the absolute deviation process is performed, the output of the absolute deviation process is multiplied by a proportionality constant, 1 is further added, the multiplication and addition process is performed, and the multiplication and addition process is performed. Calculate the reciprocal of the output, perform reciprocal processing, multiply the output of the reciprocal processing by the deviation, perform multiplication processing, and calculate the integration time constant based on the output of the multiplication processing and a preset initial integration constant Then, integration processing is performed.
[0009]
Specifically, the value T I (integration time constant) corresponding to the integration constant is adjusted as a function of the absolute value | e | of the deviation as follows.
T I = T I 0 (K I | e | +1)
However, T I 0 is an initial setting integral constant, and the maximum time constant T L of the control target Less than M (ie, T I 0 < TL M ). K I is, proportional gain.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A preferred embodiment according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 2.
[0011]
FIG. 1 is a block diagram of a control system in which a calculation function for monotonously changing an integral constant as a function of deviation is added to the control system of a conventional PID controller.
[0012]
The deviation is given as a difference between the command value r and the control amount x. In this embodiment, the deviation is input to the
[0013]
Then, the output signal is input to a
[0014]
This output signal is input to a block 4 for performing a multiplication operation, and after a product with the deviation e is obtained, it is input to a
[0015]
Finally, the manipulated variable u is obtained by adding the outputs of the
[0016]
That is, in this embodiment, a conventional PID controller is used as a basic configuration, and only the integration operation of the conventional PID controller is replaced with a value that is integrated with a monotonically changing deviation function, and the manipulated variable u is replaced by K P (E + (1 / (T I0 (K I | e | +1))) ∫edt + K D de / dt)
[0017]
Note that all the operations in the above-described embodiments can be executed by a microprocessor.
[0018]
Next, the reason why the integration constant is monotonously changed as a function of deviation in the above-described embodiment will be described below.
[0019]
In the conventional PID controller, as described above, a method has been used in which the gains K P , K I , and K D of the PID calculation are made constant or constants related to the integration operation are switched stepwise.
[0020]
However, the constant gain method causes problems such as overshoot due to the integral operation, so it is common to set the controller's integral constant to a large value, and control specifications that require high-speed response and small deviation. Could not be satisfied.
[0021]
In addition, in the method of switching the constant related to the integral operation, the switching time must be determined in advance, and the control target is subjected to vibration or sudden shock due to a sudden change in the operation amount resulting from the switching of the constant related to the integral operation. There was a fear of generating.
[0022]
On the other hand, in the above embodiment, by setting the integral constant to T I0 (K I | e | +1) as described above, the integral constant is large when the deviation is large, and conversely small when the deviation is small. Moreover, it can be changed smoothly and continuously.
[0023]
Therefore, it is not necessary to set the integral constant as large as in the prior art, and it can be set to a fraction of the conventional value, and a PID controller capable of high-speed and precise response can be realized.
[0024]
Figure 2 is a conventional PID controller in which the integral constant T I and a
[0025]
In the case of the above embodiment, as is apparent from the drawing, there is no problem of overshoot or undershoot as in the conventional PID controller, and it can be confirmed that the settling time is greatly improved.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, PI controller, the PID controller or any equivalent controllers, the integral constant T I, the absolute value of the deviation | e | as a function of, when the deviation is large is large, reverse When the deviation is small, it can be changed smoothly and continuously, and it is not necessary to set a large integral constant as in the conventional case, and a controller capable of high-speed and precise response can be realized. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a PID controller for implementing the method of the present invention. FIG. 2 is a step response comparing the method of the present invention with a conventional method. FIG. 3 is a conventional position control routine for changing an integral gain. Flowchart
Claims (2)
前記偏差の絶対値を算出して出力する手段と、
前記絶対値に比例定数を乗じて出力する手段と、
前記絶対値に比例定数を乗じた値に1を加算する手段と、
前記絶対値に比例定数を乗じて1を加算した値の逆数を算出して出力する手段と、
前記偏差に前記逆数を乗じて出力する手段と、を備え、
前記積分手段が、前記偏差に前記逆数を乗じた値と予め設定された初期積分定数とに基づいて前記積分時定数を算出することを特徴とするコントローラ。 In a controller comprising: means for calculating a deviation which is a difference between an input signal and a feedback signal; and an integrating means for performing an integration operation by multiplying the deviation by an inverse of an integration time constant.
Means for calculating and outputting an absolute value of the deviation;
Means for multiplying the absolute value by a proportional constant and outputting,
Means for adding 1 to a value obtained by multiplying the absolute value by a proportionality constant;
Means for calculating and outputting the reciprocal of a value obtained by multiplying the absolute value by a proportionality constant and adding 1;
Means for multiplying the deviation by the reciprocal and outputting,
The controller, wherein the integration means calculates the integration time constant based on a value obtained by multiplying the deviation by the reciprocal and a preset initial integration constant.
前記偏差の絶対値を算出する、偏差絶対値処理をし、
前記偏差絶対値処理の出力に比例定数を乗じ、更に1を加算する、乗加算処理をし、
前記乗加算処理の出力の逆数を算出する、逆数処理をし、
前記逆数処理の出力に前記偏差を乗じる、乗算処理をし、
前記乗算処理の出力と予め設定された初期積分定数に基づいて前記積分時定数を演算し、積分処理をすることを特徴とするコントローラの積分処理方法。In an integration processing method of a controller, comprising: means for calculating a deviation which is a difference between an input signal and a feedback signal; and integration means for performing an integration operation by multiplying the deviation by an inverse of an integration time constant.
Deviation absolute value processing for calculating the absolute value of the deviation,
Multiplying the output of the deviation absolute value processing by a proportionality constant, adding 1 further, and multiplying and adding,
Reciprocal processing for calculating the reciprocal of the output of the multiplication and addition processing;
Multiply the output of the reciprocal process by the deviation,
An integration processing method for a controller, wherein the integration time constant is calculated based on an output of the multiplication process and a preset initial integration constant, and the integration process is performed.
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