JP4272229B2 - プロセス制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、無駄時間を含むプロセスを制御対象とするプロセス制御装置に関する。
プロセスの制御方法としては従来、ＰＩＤ制御が使用されており、無駄時間を含むプロセスに対しても適用されている。図５は従来の一般的なＰＩＤ制御器の構成例を示している。
図５において、ＰＩＤ制御装置１０１は、制御目標値ＳＶと制御対象１０３からフィードバックされた制御量ＰＶとの偏差ｅを演算する加算部１０５と、この加算部１０５で求められた偏差ｅを入力し、この偏差ｅに対して比例（Ｐ）演算・積分（Ｉ）演算・微分（Ｄ）演算を実行して操作量ＭＶを生成して制御対象１０３に出力する制御部１０７とを備えている。
演算部１０７では、次式に基づいてＰＩＤ制御を実行する。この場合、制御対象を一次遅れ＋無駄時間で近似して制御パラメータを決定するようにしている。
［数１］
Ｋｐ（１＋１／ＴＩｓ＋ＴＤｓ／（１＋γＴＤｓ）） …（１）
但し、Ｋｐ：比例ゲイン
ＴＩ：積分時間
ＴＤ：微分時間
ｓ：ラプラス演算子
γ：微分係数
以上が、従来のプロセス制御で使用されている一般的なＰＩＤ制御装置である。
Ｋｐ（１＋１／ＴＩｓ＋ＴＤｓ／（１＋γＴＤｓ）） …（１）
但し、Ｋｐ：比例ゲイン
ＴＩ：積分時間
ＴＤ：微分時間
ｓ：ラプラス演算子
γ：微分係数
以上が、従来のプロセス制御で使用されている一般的なＰＩＤ制御装置である。
プロセス制御方法としては、他にプロセスの状態方程式から最適制御を行う最適レギュレータを用いる方法もある。図６は最適レギュレータの基本構成を示している。
同図に示すように、最適レギュレータ１１１は、制御目標値ＳＶに対する比例演算器１１３と、フィードバックされた制御量ＰＶに対する比例演算器１１５と、２つの比例演算器１１３，１１５の出力を加算して操作量ＭＶを生成し制御対象１０３に出力する加算器１１７とを備えている。この場合、比例演算器１１３，１１５の各比例係数値は評価関数を最小にする最適解を解くことによって求められる。
特開昭６１−２１５０５号公報
上述したように、図５に示す従来のＰＩＤ制御装置１０１では、制御対象を一次遅れ＋無駄時間で近似して制御パラメータを決定するようにしている。
しかし、一次遅れ時定数に比較して無駄時間が長いプロセスを制御対象とする場合には、制御パラメータを調整しても、設定値変更に対して立ち上がり時間を短くすることはできず、オーバーシュートを少なくすることも困難である。
また、図６に示す従来の最適レギュレータ１１１は、目標値の変更に対する応答性は優れているものの、プロセス制御特有の外乱に対する追従性は良くないという課題がある。
一般に、制御対象１０３を次の（２）式で与えられるゲイン＋一次遅れ＋無駄時間で近似したモデルで表すことが広く行われている。
［数２］
制御対象のモデル＝（Ｋ／（１＋Ｔｓ））ｅ−Ｌｓ …（２）
（２）式において、Ｋ：プロセスゲイン、Ｔ：時定数、Ｌ：無駄時間
ここで、Ｋ＝２、Ｔ＝１、Ｌ＝１の場合を例として考える。
制御対象のモデル＝（Ｋ／（１＋Ｔｓ））ｅ−Ｌｓ …（２）
（２）式において、Ｋ：プロセスゲイン、Ｔ：時定数、Ｌ：無駄時間
ここで、Ｋ＝２、Ｔ＝１、Ｌ＝１の場合を例として考える。
従来のＰＩＤ制御では、ＣＨＲ（Chien-Hrones-Reswick）法のパラメータ決定法が一般的に活用されている。これに基づき、ＰＩＤパラメータを決定したときの操作量ＭＶ、制御量ＰＶの応答を図７、図８に示す。図７は従来のＰＩＤ制御における対外乱最適調整の制御応答を、図８は従来のＰＩＤ制御における対目標値最適調整の制御応答をそれぞれ示す。ここでは、時刻０で目標値を１．０に変化させ、時刻６で操作量に対して０．２の外乱を与えている。ＰＩＤ制御では、偏差に応じて制御量ＰＶを決定するので、図７に示すように、外乱を与えた時点から少し遅れてなだらかに制御量ＰＶも変化しており、外乱応答性が悪いことが分かる。また、図８に示すように、目標値変化に対する追従性も悪く、オーバーシュートも大きい。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、一次遅れ時定数に比較して無駄時間が長いプロセスを制御対象とする場合にあっても、目標値変化に対して素早く対応することができ、目標値追従性を向上させ、かつ、外乱に対しても追従性の良いプロセス制御装置を提供することを目的としている。
上記の目的を達成するために請求項１の発明は、制御目標値に対して比例演算を行う第１の比例演算器と、無駄時間経過後予測制御量に対して比例演算を行う第２の比例演算器と、制御対象からフィードバックされた制御量と操作量とを入力し制御対象を線形モデルとして前記無駄時間経過後予測制御量を求める制御量予測器と、前記制御目標値と前記無駄時間経過後予測制御量との偏差を求める偏差演算器と、前記制御量予測器で過去に予測された現時点の制御量予測値と前記制御対象からフィードバックされた現時点の制御量との差分を演算する予測制御量補正器と、前記偏差演算器の出力である偏差と予測制御量補正器の出力である差分とを加算する第１の加算器と、第１の加算器の出力を積分する積分演算器と、前記第１の比例演算器と第２の比例演算器と積分演算器の各出力を加算して制御対象に対する操作量を生成する第２の加算器とを備えることを特徴としている。
また、請求項２の発明は、制御目標値に対して比例演算を行う第１の比例演算器と、無駄時間経過後予測制御量に対して比例演算を行う第２の比例演算器と、制御対象からフィードバックされた制御量と操作量とを入力し制御対象を線形モデルとして前記無駄時間経過後予測制御量を求める制御量予測器と、前記制御目標値と前記無駄時間経過後予測制御量との偏差を求める偏差演算器と、制御量予測器で過去に予測された現時点の制御量予測値と制御対象からフィードバックされた現時点の制御量との差分を演算する予測制御量補正器と、偏差演算器の出力である偏差と予測制御量補正器の出力である差分とを加算する第１の加算器と、第１の加算器の出力を積分する積分演算器と、第１の比例演算器と第２の比例演算器と積分演算器の各出力を加算して制御対象に対する操作量を生成する第２の加算器と、第２の比例演算器に出力される前記無駄時間経過後予測制御量に対して予測制御量補正器の出力である差分を加算することによって補正する第３の加算器とを備えることを特徴としている。
上記構成において、目標値に対して比例演算を行う第１の比例演算器と、制御量予測値に対して比例演算を行う第２の比例演算器によって最適レギュレータを構成し、制御対象を線形モデルとして制御パラメータを決定する。しかし、制御対象に無駄時間を含む場合には、そのままの構成では適用できない。
そこで、本発明では、制御量の代わりに、無駄時間経過後の予測制御量を用いている。
また、制御対象に加えられる外乱は予測ができないので、制御対象モデルと目標値から求めた操作量だけでは外乱に対して制御量を目標値に保つことができない。制御量を目標値に保つには偏差を積分することが通常行われているが、制御対象に無駄時間を含むため、測定された制御量と制御目標値との偏差を積分する通常の方式では良好な制御応答を得ることができない。
そこで、本発明では、制御目標値と制御量予測値との偏差に、外乱による影響を検出した現在制御量と無駄時間前の予測制御量の差を加えた量を積分した値を求め、これを比例器から求めた操作量に加えることにより、外乱に対しても制御量を目標値に保つことができるようにしている。
本発明によれば、目標値変化に対しても迅速に対応することができ目標値変化に対する追従性が向上すると共に、外乱に対しても迅速に対応することができ、外乱応答性が向上する。
〈第１の実施形態〉
図１は本発明に係るプロセス制御装置の第１の実施形態を示すブロック図である。同図に示すように、このプロセス制御装置１ａは、制御目標値ＳＶに対して比例演算を行う第１の比例演算器３と、無駄時間経過後予測制御量に対して比例演算を行う第２の比例演算器５と、制御対象７からフィードバックされた制御量ＰＶと操作量ＭＶとを入力して前記無駄時間経過後予測制御量を求める制御量予測器９と、前記制御目標値ＳＶと前記無駄時間経過後予測制御量との偏差ｅを求める偏差演算器１１と、制御量予測器９で過去に予測された現時点の制御量予測値と制御対象７からフィードバックされた現時点の制御量ＰＶとの差分を演算する予測制御量補正器１３と、偏差演算器１１の出力である偏差ｅと予測制御量補正器１３の出力である差分とを加算する第１の加算器１５と、第１の加算器１５の出力を積分する積分演算器１７と、第１の比例演算器３と第２の比例演算器５と積分演算器１７の各出力を加算して制御対象７に対する操作量ＭＶを生成する第２の加算器１９とを備えている。
図１は本発明に係るプロセス制御装置の第１の実施形態を示すブロック図である。同図に示すように、このプロセス制御装置１ａは、制御目標値ＳＶに対して比例演算を行う第１の比例演算器３と、無駄時間経過後予測制御量に対して比例演算を行う第２の比例演算器５と、制御対象７からフィードバックされた制御量ＰＶと操作量ＭＶとを入力して前記無駄時間経過後予測制御量を求める制御量予測器９と、前記制御目標値ＳＶと前記無駄時間経過後予測制御量との偏差ｅを求める偏差演算器１１と、制御量予測器９で過去に予測された現時点の制御量予測値と制御対象７からフィードバックされた現時点の制御量ＰＶとの差分を演算する予測制御量補正器１３と、偏差演算器１１の出力である偏差ｅと予測制御量補正器１３の出力である差分とを加算する第１の加算器１５と、第１の加算器１５の出力を積分する積分演算器１７と、第１の比例演算器３と第２の比例演算器５と積分演算器１７の各出力を加算して制御対象７に対する操作量ＭＶを生成する第２の加算器１９とを備えている。
制御量予測器９では、無駄時間経過後制御量予測値をフィードバックされた制御量ＰＶと現在までの操作量ＭＶと下記（３）式で示されるプロセスモデルから求める。求められた無駄時間経過後制御量予測値は記憶され、予測制御量補正器１３における補正の際に使用される。
上記（３）式に示すように、無駄時間経過後制御量“ｘ（ｔ＋Ｌ）”は、フィードバックされた制御量ＰＶである“ｘ（ｔ）”と無駄時間Ｌ前から現在までの操作量ＭＶである“ｕ（ｔ＋β）”（−Ｌ≦β≦０）とから求めることができる。
予測制御量補正器１３は、現在の制御量と現在から無駄時間前の時点で予測した現時点の予測制御量の差分を求める。
積分演算器１７は、偏差演算器１１の出力と、予測制御量補正器１３の出力とを加算する第１の加算器１５の加算結果を係数した値を積分する。第２の加算器１９は、第１の比例演算器３、第２の比例演算器５．積分演算器１７の各出力の総和を求める。
この場合、本実施形態では、制御対象７に無駄時間があるプロセスを対象としているので、無駄時間経過後の制御量を予測して、操作量ＭＶを決定する。比例演算器３、比例演算器５の出力の和は目標値追従型の最適レギュレータを構成しており、ＰＩＤ制御と比較して、目標値変化に対して迅速な制御応答となる。外乱が発生した場合は、制御目標値ＳＶと制御量ＰＶとの間に偏差が発生するので、操作量ＭＶを積分演算器１７により補正する。
次に、本実施の形態のプロセス制御装置１ａと従来のＰＩＤ制御装置の制御応答とを比較して説明する。
本実施の形態のプロセス制御装置１ａにおいても、制御対象７を前述した（２）式で与えられるゲイン＋一次遅れ＋無駄時間で近似したモデルで表すことにする。
ここで、プロセスゲインＫ＝２、時定数、Ｔ＝１、無駄時間Ｌ＝１の場合を例とし、時刻０で目標値を１．０に変化させ、時刻６で操作量に対して０．２の外乱を与えた場合を考える。
従来のＰＩＤ制御では、偏差に応じて制御量を決定するので、応答が遅い。目標値追従性も悪いという欠点があった。
これに対して第１の実施形態では、同じ制御対象に対して、図２に示す操作量ＭＶ、制御量ＰＶの応答となり、目標値変化に対する応答が迅速になり、オーバーシュートが少なくなり、かつ外乱も抑制されていることが分かる。
このように、第１の実施形態によれば、一次遅れ時定数に比較して無駄時間が長いプロセスを制御対象とする場合にあっても、目標値変化に対して立ち上がり時間を短くでき目標値追従性を向上させることができると共にオーバーシュートを少なくすることができ、かつ、制御対象７に加えられる外乱に対しても追従性の良いプロセス制御装置を提供することが可能となる。
〈第２の実施形態〉
図３は本発明に係るプロセス制御装置の第２の実施形態を示すブロック図である。なお、図１と同一構成部分には同一符号が付されている。
図３は本発明に係るプロセス制御装置の第２の実施形態を示すブロック図である。なお、図１と同一構成部分には同一符号が付されている。
同図に示すように、このプロセス制御装置１ｂは、制御目標値ＳＶに対して比例演算を行う第１の比例演算器３と、無駄時間経過後予測制御量に対して比例演算を行う第２の比例演算器５と、制御対象７からフィードバックされた制御量ＰＶと操作量ＭＶとを入力して前記無駄時間経過後予測制御量を求める制御量予測器９と、制御目標値ＳＶと前記無駄時間経過後予測制御量との偏差ｅを求める偏差演算器１１と、制御量予測器９で過去に予測された現時点の制御量予測値と制御対象７からフィードバックされた現時点の制御量ＰＶとの差分を演算する予測制御量補正器１３と、偏差演算器１１の出力である偏差ｅと予測制御量補正器１３の出力である差分とを加算する第１の加算器１５と、第１の加算器１５の出力を積分する積分演算器１７と、第１の比例演算器３と第２の比例演算器５と積分演算器１７の各出力を加算して制御対象７に対する操作量ＭＶを生成する第２の加算器１９とを備えている。
特に、本実施形態では、制御量予測器９で演算された無駄時間経過後予測制御量を予測制御量補正器１３で演算された差分とを加算しその加算値を第２の比例演算器５に出力する第３の加算器２１を備え、無駄時間経過後予測制御量を予測制御量補正器１３で演算された差分によって補正するようにしている。
図４に第２の実施形態のプロセス制御装置１ｂの制御応答を示す。第１の実施形態の制御応答を示す図２の特性と比較しても、外乱に対する応答性が更に改善されていることがわかる。
このように、第２の実施形態によれば、一次遅れ時定数に比較して無駄時間が長いプロセスを制御対象とする場合にあっても、目標値変化に対して素早く対応することができ、目標値追従性を向上させ設定値変更に対して立ち上がり時間を短くでき、オーバーシュートを少なくすることができ、かつ、外乱に対してもより一層、追従性の良いプロセス制御装置を提供することが可能となる。
１ａ，１ｂ プロセス制御装置
３ （第１の）比例演算器
５ （第２の）比例演算器
７ 制御対象
９ 制御量予測器
１１ 偏差演算器
１３ 予測制御量補正器
１５ （第１の）加算器
１７ 積分演算器
１９ （第２の）加算器
２１ （第３の）加算器
３ （第１の）比例演算器
５ （第２の）比例演算器
７ 制御対象
９ 制御量予測器
１１ 偏差演算器
１３ 予測制御量補正器
１５ （第１の）加算器
１７ 積分演算器
１９ （第２の）加算器
２１ （第３の）加算器
Claims (2)
- 制御目標値に対して比例演算を行う第１の比例演算器と、
無駄時間経過後予測制御量に対して比例演算を行う第２の比例演算器と、
制御対象からフィードバックされた制御量と操作量とを入力し制御対象を線形モデルとして前記無駄時間経過後予測制御量を求める制御量予測器と、
前記制御目標値と前記無駄時間経過後予測制御量との偏差を求める偏差演算器と、
前記制御量予測器で過去に予測された現時点の制御量予測値と前記制御対象からフィードバックされた現時点の制御量との差分を演算する予測制御量補正器と、
前記偏差演算器の出力である偏差と予測制御量補正器の出力である差分とを加算する第１の加算器と、
第１の加算器の出力を積分する積分演算器と、
前記第１の比例演算器と第２の比例演算器と積分演算器の各出力を加算して制御対象に対する操作量を生成する第２の加算器と
を備えることを特徴とするプロセス制御装置。 - 制御目標値に対して比例演算を行う第１の比例演算器と、
無駄時間経過後予測制御量に対して比例演算を行う第２の比例演算器と、
制御対象からフィードバックされた制御量と操作量とを入力し制御対象を線形モデルとして前記無駄時間経過後予測制御量を求める制御量予測器と、
前記制御目標値と前記無駄時間経過後予測制御量との偏差を求める偏差演算器と、
制御量予測器で過去に予測された現時点の制御量予測値と制御対象からフィードバックされた現時点の制御量との差分を演算する予測制御量補正器と、
偏差演算器の出力である偏差と予測制御量補正器の出力である差分とを加算する第１の加算器と、
第１の加算器の出力を積分する積分演算器と、
第１の比例演算器と第２の比例演算器と積分演算器の各出力を加算して制御対象に対する操作量を生成する第２の加算器と、
第２の比例演算器に出力される前記無駄時間経過後予測制御量に対して予測制御量補正器の出力である差分を加算することによって補正する第３の加算器と
を備えることを特徴とするプロセス制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2006301858A JP4272229B2 (ja) | 2006-11-07 | 2006-11-07 | プロセス制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006301858A JP4272229B2 (ja) | 2006-11-07 | 2006-11-07 | プロセス制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| JP2008117295A JP2008117295A (ja) | 2008-05-22 |
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| JP7275492B2 (ja) * | 2018-08-03 | 2023-05-18 | 富士電機株式会社 | 制御装置、制御方法及びプログラム |
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