JP4361884B2 - 制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、プロセス制御技術に関するものであり、特に少なくとも２個の制御ループを有する制御系において計測される状態量差などの相対量を制御対象とする制御方法および制御装置に関するものである。

図１０（ａ）に、従来の制御装置である温度調節計の構成を示す（例えば特許文献１参照）。炉１００１内には、熱処理ワーク１０１６が搬入され、またヒータ１０１１と、制御温度ＴＣ１を検出する検出手段１０１２と、ワーク１０１６の表面温度ＴＣ２を検出する検出手段１０１３と、ワーク１０１６の最深温度ＴＣ３を検出する検出手段１０１４とが配設されている。１００２は電力調整器を示している。制御部１００３は、制御温度ＴＣ１と実行プログラムパターン設定値１０３３とを比較する比較器１０３１と、比較器１０３１の出力により制御されるＰＩＤ等の制御演算部１０３２と、ワーク１０１６の表面温度ＴＣ２と最深温度ＴＣ３との差を検出する温度差検出器１０３４と、予め定められた温度差を設定する温度差設定器１０３５と、温度差検出器１０３４の出力と温度差設定器１０３５の出力とを比較する比較器１０３６と、最深温度ＴＣ３の温度変化率を検出する変化率検出器１０３８と、変化率検出器１０３８の出力と予め定められた温度変化率を設定する変化率設定器１０３９の出力とを比較する比較器１０４０と、比較器１０３６の出力と比較器１０４０の出力に基づいて傾斜演算し実行プログラムパターン設定値１０３３を制御する傾斜演算器１０３７とを有している。

温度差設定器１０３５には許容可能な最大の温度差が設定され、また変化率設定器１０３９には許容可能な最大の温度変化率が設定される。図１０（ａ）の構成により、熱処理ワーク１０１６内の温度差、温度変化率の一方もしくは両方が指定された温度許容値以内に入るように、実行プログラムパターン設定値１０３３中の傾斜が常時修正される。
図１０（ａ）中の破線で囲まれている部分に着目すると、計測された複数の温度ＴＣ１，ＴＣ２，ＴＣ３に基づき温度差（ＴＣ２−ＴＣ３）および温度変化率ｄＴＣ３／ｄｔを算出する状態量変換が行なわれていることが理解できる。すなわち、図１０（ａ）の温度調節計は、温度差（ＴＣ２−ＴＣ３）および温度変化率ｄＴＣ３／ｄｔを算出する状態量変換部１０４１を備えていることになる（図１０（ｂ））。

図１１（ａ）に、従来の他の制御装置である温度調整装置の構成を示す（例えば特許文献２参照）。図中の２００２は縦型熱処理装置２０２０の反応管であり、この反応管２００２の内部には、ウエハボ−ト２０２１に搭載された半導体ウエハの近傍の温度を検出する温度センサＡが設けられると共に、反応管２００２の外面の温度を検出する温度センサＢが設けられている。偏差回路部２０３１は、温度センサＡの目標値から後述する補正値を引いた偏差、すなわち温度センサＢの目標値を出力する。偏差回路部２０３２は、温度センサＢの目標値から温度センサＢの検出値を引いた偏差をＰＩＤ調節部２００４に出力する。ＰＩＤ調節部２００４は、入力された偏差に基づいてＰＩＤ演算を行い、その演算結果を電力制御部２００５に出力し、電力制御部２００５は、ＰＩＤ調節部２００４の出力値に基づいて縦型熱処理装置２０２０の加熱源であるヒ−タ２００６への電力供給量を制御する。一方、補正値出力部２００７は、温度センサＢの検出値が目標値に収束したとき、この収束した時点の温度センサＡの検出値と温度センサＢの検出値との差（Ａ−Ｂ）を補正値とし、温度センサＢの目標値を補正値分だけ修正する。図１１（ａ）の構成により、温度センサＡの検出値が目標値に収束する。

図１１（ａ）中の破線で囲まれている部分に着目すると、計測された複数の温度Ａ，Ｂに基づき温度差（Ａ−Ｂ）を算出する状態量変換が行なわれていることが理解できる。すなわち、図１１（ａ）の温度調整装置は、温度差（Ａ−Ｂ）を算出する状態量変換部２００８を備えていることになる（図１１（ｂ））。
以上のように、実際の状態量そのものだけではなく、状態量差を制御系に取り込む努力は従来から行なわれており、特に状態量差を制御対象として制御系を構成するケースでは、制御系に前記状態量変換部が設けられる。

ここで、２個の制御ループにおいて、状態量ＰＶ１，ＰＶ２そのものではなく、状態量平均値ＰＶ１’と状態量差ＰＶ２’とを制御対象とすることを考える。この場合の制御装置を図１２に示す。図１２の制御装置は、状態量平均値ＰＶ１’に対する設定値ＳＰ１’と状態量平均値ＰＶ１’との差を出力する減算器３００１と、状態量差ＰＶ２’に対する設定値ＳＰ２’と状態量差ＰＶ２’との差を出力する減算器３００２と、減算器３００１，３００２の出力に基づいてそれぞれ操作量ＭＶ１，ＭＶ２を算出するコントローラＣ１，Ｃ２と、制御対象プロセスＰ１，Ｐ２に対してそれぞれ操作量ＭＶ１，ＭＶ２に応じた操作を行うアクチュエータＡ１，Ａ２と、状態量変換部３００３とを有する。

状態量変換部３００３は、制御対象プロセスＰ１，Ｐ２の状態量ＰＶ１，ＰＶ２に対してそれぞれ０．５を乗算する乗算器３００４，３００５と、状態量ＰＶ１，ＰＶ２に対してそれぞれ−１，１を乗算する乗算器３００６，３００７と、乗算器３００４と３００５の出力を加算する加算器３００８と、乗算器３００６と３００７の出力を加算する加算器３００９とから構成される。このような状態量変換部３００３により、状態量平均値ＰＶ１’と状態量差ＰＶ２’とは次式のようになる。
ＰＶ１’＝０．５ＰＶ１＋０．５ＰＶ２ ・・・（１）
ＰＶ２’＝ＰＶ２−ＰＶ１ ・・・（２）
また、状態量変換部３００３の入出力の関係をマトリックスで表現すると、以下のようになる。

コントローラＣ１は状態量平均値ＰＶ１’を対象とし、コントローラＣ２は状態量差ＰＶ２’を対象とする。コントローラＣ１は、設定値ＳＰ１’と状態量平均値ＰＶ１’との偏差に基づき操作量ＭＶ１を算出し、コントローラＣ２は、設定値ＳＰ２’と状態量差ＰＶ２’との偏差に基づき操作量ＭＶ２を算出する。このとき、状態量平均値ＰＶ１’と状態量差ＰＶ２’とがそれぞれ制御可能な状態になるために、コントローラＣ１で算出される操作量ＭＶ１はアクチュエータＡ１に送られ、コントローラＣ２で算出される操作量ＭＶ２はアクチュエータＡ２に送られるように構成される。これにより、アクチュエータＡ１は状態量平均値ＰＶ１’を制御するために動作し、アクチュエータＡ２は状態量差ＰＶ２’を制御するために動作することになる。このように、図１０（ｂ）や図１１（ｂ）に示したものと同様の状態量変換部３００３を適用するだけで、状態量平均値ＰＶ１’を直接制御するコントローラＣ１と状態量差ＰＶ２’を直接制御するコントローラＣ２とを含むマルチループの制御系を構成でき、状態量平均値ＰＶ１’と状態量差ＰＶ２’とを所望の値に制御することができる。

しかし、アクチュエータＡ１の動作により状態量ＰＶ１に変化が与えられると、この変化は状態量変換部３００３の作用により状態量差ＰＶ２’にも影響を与える。同様に、アクチュエータＡ２の動作により状態量ＰＶ２に変化が与えられると、この変化は状態量変換部３００３の作用により状態量平均値ＰＶ１’にも影響を与える。すなわち、図１２に示した制御装置では、状態量変換部３００３により人工的にループ間干渉が発生する構成となってしまう。

状態量平均値ＰＶ１’を算出するために状態量ＰＶ１，ＰＶ２に乗算する係数は共に０．５であるため、制御対象プロセスＰ１のプロセスゲインＫｐ１と制御対象プロセスＰ２のプロセスゲインＫｐ２とが同程度だと仮定すると、アクチュエータＡ１が動作することによる状態量平均値ＰＶ１’への影響度と、アクチュエータＡ２が動作したときのループ間干渉による状態量平均値ＰＶ１’への影響度（アクチュエータＡ２により状態量平均値ＰＶ１’が乱れる影響度）とは、同程度ということになる。同様に、状態量差ＰＶ２’を算出するために状態量ＰＶ１，ＰＶ２に乗算する係数の絶対値は共に１であるため、アクチュエータＡ２が動作することによる状態量差ＰＶ２’への影響度と、アクチュエータＡ１が動作したときのループ間干渉による状態量差ＰＶ２’への影響度（アクチュエータＡ１により状態量差ＰＶ２’が乱れる影響度）とは、同程度ということになる。したがって、状態量変換部を単純に適用するだけでは、本質的に人工的なループ間干渉が強くなる傾向にあるので、制御性が劣化しやすくなるという問題が発生する。

そこで、ループ間の非干渉化を実現するために、非特許文献１に開示されたクロスコントローラを適用することが容易に想到できる。非特許文献１に開示された制御装置の構成を図１３に示す。図１３の制御装置は、設定値ＳＰ１と状態量ＰＶ１との差を出力する減算器４００１と、設定値ＳＰ２と状態量ＰＶ２との差を出力する減算器４００２と、減算器４００１，４００２の出力に基づいてそれぞれ操作量ＭＶ１，ＭＶ２を算出するコントローラ４００３，４００４と、操作量ＭＶ１，ＭＶ２をそれぞれ変換した操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’を出力するクロスコントローラ４００５とを有する。

クロスコントローラ４００５は、ループ間干渉による影響分を予め打ち消す処理を操作量ＭＶ１，ＭＶ２に対して行うものであり、操作量ＭＶ１に係数Ｍ１２を乗算する乗算器４００７と、操作量ＭＶ２に係数Ｍ２１を乗算する乗算器４００８と、操作量ＭＶ１と乗算器４００８の出力との差を操作量ＭＶ１’として出力する減算器４００９と、操作量ＭＶ２と乗算器４００７の出力との差を操作量ＭＶ２’として出力する減算器４０１０とから構成される。ここでは説明を簡単にするため、プロセス時定数やプロセスむだ時間などの動的特性は無視することにする。操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’に対する制御対象プロセス４００６のプロセスゲインをそれぞれＫｐ１，Ｋｐ２とすると、非特許文献１によれば、非干渉化のためのクロスコントローラ４００５は以下のように設計できる。
ＭＶ１’＝ＭＶ１＋（−０．５Ｋｐ２／０．５Ｋｐ１）ＭＶ２ ・・・（４）
ＭＶ２’＝（Ｋｐ１／Ｋｐ２）ＭＶ１＋ＭＶ２ ・・・（５）
また、クロスコントローラ４００５の入出力の関係をマトリックスで表現すると、以下のようになる。

すなわち、前述の係数Ｍ１２は−Ｋｐ１／Ｋｐ２、係数Ｍ２１は０．５Ｋｐ２／０．５Ｋｐ１となる。コントローラ４００３により算出された操作量ＭＶ１は、クロスコントローラ４００５により操作量ＭＶ１’に変換された後に図示しないアクチュエータを介して制御対象プロセス４００６に送られ、コントローラ４００４により算出された操作量ＭＶ２は、クロスコントローラ４００５により操作量ＭＶ２’に変換された後にアクチュエータを介して制御対象プロセス４００６に送られる。

図１３に示したクロスコントローラ４００５を図１２の制御装置に適用した構成を図１４に示す。状態量変換部３００３とクロスコントローラ４００５とを用いることにより、状態量平均値ＰＶ１’のみを専用的に制御するコントローラＣ１を中心とする第１制御ループと、状態量差ＰＶ２’のみを専用的に制御するコントローラＣ２を中心とする第２制御ループとを有するマルチループの制御系を実現できる。状態量平均値ＰＶ１’のみを専用的に制御するコントローラＣ１の応答特性を安定性重視の方向（低感度）で調整し、状態量差ＰＶ２’のみを専用的に制御するコントローラＣ２の応答特性を即応性重視の方向（高感度）で調整すれば、状態量平均値ＰＶ１’が設定値ＳＰ１’に追従するよりも前に、状態量差ＰＶ２’が設定値ＳＰ２’に追従するようになるので、状態量差ＰＶ２’を所望の値に維持しながら、状態量平均値ＰＶ１’を所望の値に変更するような制御が可能になる。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開平８−０９５６４７号公報 特開平９−１９９４９１号公報 広井和男，「ディジタル計装制御システムの基礎と応用」，工業技術社，１９８７年１０月，ｐ．１５２−１５６，ＩＳＢＮ４−９０５９５７−００−１

［第１の課題］
実際のアクチュエータには出力の上下限があり、コントローラはこの上下限を考慮した操作量算出をしなければならない。つまり、アクチュエータの出力が上限値あるいは下限値に達して状態量の変化に限界が生じている状態においては、コントローラは必要以上に操作量の算出結果を高くしたり低くしたりしてはならない。ＰＩＤ等のコントローラがアクチュエータの物理的な上下限を考慮しない場合、積分ワインドアップという問題が生じる。

以下、この積分ワインドアップについて具体的に説明する。例えば、状態量が温度であり、アクチュエータがヒータである場合、一般的にヒータ出力には下限値０％、上限値１００％という制約が与えられる。コントローラで算出される操作量ＭＶが上昇して１００％に達すると、ヒータ出力も１００％に達する。このとき、温度設定値ＳＰに対して温度計測値ＰＶが低い場合、仮にコントローラがヒータ出力の上限値１００％を無視していると、コントローラは１００％よりも大きな操作量ＭＶを算出することになる。ところが、ヒータ出力は１００％で飽和するため、ヒータ出力の上昇に応じた温度計測値ＰＶの上昇は限界に達し、その結果、コントローラは操作量ＭＶをさらに大きな値へと上げていくことになる。

そして、操作量ＭＶの算出値が上昇し続けて例えば５００％に達した時点で、温度設定値ＳＰが温度計測値ＰＶよりも低い値に変更されたと仮定する。温度設定値ＳＰの変更により、コントローラは、操作量ＭＶを５００％から下げていくことになるので、ヒータ出力の上限値１００％よりも低い操作量ＭＶがコントローラから出力されるようになるまでに長い時間がかかる。したがって、温度設定値ＳＰを温度計測値ＰＶよりも低い値に変更したにもかかわらず、コントローラからは長時間にわたって操作量１００％が出力され、結果的に温度降下の開始が大きく遅れることになる。以上のように操作量ＭＶの算出結果が必要以上に高くなり、設定値ＳＰが小さい値に変更されたときに操作量ＭＶの降下が遅れる現象が積分ワインドアップと呼ばれる現象であり、コントローラがアクチュエータの物理的な上下限を考慮して操作量を算出しないことに起因する。

図１４に示した制御装置では、コントローラＣ１，Ｃ２において算出される操作量ＭＶ１，ＭＶ２がクロスコントローラ４００５により操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’に変換される。言い換えれば、コントローラＣ１，Ｃ２が算出する操作量ＭＶ１，ＭＶ２は、複数のアクチュエータＡ１，Ａ２への合成操作量として算出されるわけであり、コントローラＣ１，Ｃ２の操作量ＭＶ１，ＭＶ２とアクチュエータＡ１，Ａ２の出力とが１対１に対応しなくなる。したがって、コントローラＣ１，Ｃ２がアクチュエータＡ１，Ａ２の出力の上下限を考慮した操作量ＭＶ１，ＭＶ２の算出を行ったとしても、アクチュエータＡ１，Ａ２に実際に出力されるのは操作量ＭＶ１，ＭＶ２を合成した操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’なので、結果としてアクチュエータＡ１，Ａ２の出力の上下限を考慮していない操作量出力がアクチュエータＡ１，Ａ２に対して行われる可能性がある。このため、図１４に示した制御装置では、前述のＰＩＤコントローラと同様の積分ワインドアップが発生するという問題点があった。

［第２の課題］
また、通常のコントローラでは、制御対象の特性に合わせてパラメータの調整を行なわなければならない。パラメータ調整の例としては、ＰＩＤコントローラにおけるＰＩＤパラメータ調整がある。従来、このようなパラメータ調整を実現するための調整方法や自動調整機能などが考案されているが、この調整方法や自動調整機能は基本的にコントローラとアクチュエータと制御対象と計測手段とが物理的に対応していることが必要条件になる。

以下、従来のパラメータ調整について具体的に説明する。例えば、状態量が温度であり、アクチュエータがヒータであり、制御対象が炉であり、計測手段が熱電対などの温度センサである場合を考える。このとき、図１５に示すように、２個の制御ループを想定し、コントローラ５００３，５００４と、アクチュエータであるヒータ５００５，５００６と、制御対象である炉５００７，５００８と、計測手段である温度センサ５００９，５０１０とを備えるものとする。図１５において、５００１は温度設定値ＳＰ１と温度計測値ＰＶ１との差を出力する減算器、５００２は温度設定値ＳＰ２と温度計測値ＰＶ２との差を出力する減算器である。

図１５の構成においては、多少のループ間干渉は許容するものの、コントローラ５００３はヒータ５００５に操作量ＭＶ１を出力し、ヒータ５００５は主に炉５００７を加熱し、温度センサ５００９は炉５００７付近の温度を計測して、コントローラ５００３は温度計測値ＰＶ１を制御するように制御演算を実行しなければならない。同様に、コントローラ５００４はヒータ５００６に操作量ＭＶ２を出力し、ヒータ５００６は主に炉５００８を加熱し、温度センサ５０１０は炉５００８付近の温度を計測して、コントローラ５００４は温度計測値ＰＶ２を制御するように制御演算を実行しなければならない。このように、コントローラ５００３，５００４とヒータ５００５，５００６と炉５００７，５００８と温度センサ５００９，５０１０とが物理的に対応していることが、従来考案されている調整方法や自動調整機能などを適用するための必要条件になる。逆に言えば、コントローラ５００３がヒータ５００５とヒータ５００６とに同等のレベルで配分される操作量ＭＶ１，ＭＶ２を１個の合成操作量として算出し、同じくコントローラ５００４がヒータ５００５とヒータ５００６とに同等のレベルで配分される操作量ＭＶ１，ＭＶ２を１個の合成操作量として算出すると、従来考案されている調整方法や自動調整機能などを適用することは不可能になる。

図１４に示した制御装置では、コントローラＣ１，Ｃ２において算出される操作量ＭＶ１，ＭＶ２がクロスコントローラ４００５により操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’に変換される。言い換えれば、コントローラＣ１，Ｃ２が算出する操作量ＭＶ１，ＭＶ２は、複数のアクチュエータＡ１，Ａ２への合成操作量として算出されるわけであり、コントローラＣ１，Ｃ２の操作量ＭＶ１，ＭＶ２とアクチュエータＡ１，Ａ２の出力とが１対１に対応しなくなる。すなわち、コントローラとアクチュエータと制御対象と計測手段とが物理的に対応するという基本的な条件が成立しなくなる。したがって、図１４に示した制御装置では、従来考案されている調整方法や自動調整機能などを適用することは不可能であり、ＰＩＤパラメータ調整等のコントローラのパラメータ調整が非常に難しくなるという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、複数の状態量間の相対量を所望の値に維持しつつ、複数の状態量の平均値等の絶対量を所望の値に変更する制御を行う制御系において、積分ワインドアップを防止することができ、かつ従来考案されているパラメータ調整方法や自動調整機能などを適用することができる制御方法および制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、少なくとも２個の並列なＰＩＤ制御ループを有する制御系の制御方法において、特定の基準となる状態量を基準状態量とし、この基準状態量との相対量が予め規定された値を維持するように制御される状態量を追従状態量としたとき、前記追従状態量を制御するための複数の制御演算用入力値のうち追従状態量設定値ＳＰｉを追従状態量内部設定値ＳＰｉ’に変換する算出手順と、前記追従状態量内部設定値ＳＰｉ’をローパスフィルタリング処理した上で、前記追従状態量を制御するＰＩＤコントローラに入力するフィルタ手順とを備え、前記算出手順は、前記制御演算用入力値として、予め設定された基準状態量設定値ＳＰｍと、計測された基準状態量計測値ＰＶｍと、予め設定された追従状態量設定値ＳＰｉと、計測された追従状態量計測値ＰＶｉとが入力されたとき、前記追従状態量計測値ＰＶｉの前記基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合を規定する第１の係数Ｂｉと、前記基準状態量計測値ＰＶｍの前記基準状態量設定値ＳＰｍへの応答性の度合を規定する第２の係数Ａｍとを用いて、前記追従状態量内部設定値ＳＰｉ’をＳＰｉ’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂｉ（ＳＰｉ−ＳＰｍ）＋（１−Ｂｉ）（ＰＶｉ−ＰＶｍ）により算出することにより、基準状態量計測値ＰＶｍの基準状態量設定値ＳＰｍへの追従性と、追従状態量計測値ＰＶｉと基準状態量計測値ＰＶｍの差分である相対量ＰＶｉ−ＰＶｍの追従状態量設定値ＳＰｉと基準状態量設定値ＳＰｍの差分である相対量ＳＰｉ−ＳＰｍへの追従性を分離して制御するようにしたものである。
また、本発明の制御方法の１構成例において、前記フィルタ手順は、時間遅れ演算により前記ローパスフィルタリング処理を行うようにしたものである。

また、本発明の制御装置は、少なくとも２個の並列なＰＩＤ制御ループを有する制御系の装置において、特定の基準となる状態量を基準状態量とし、この基準状態量との相対量が予め規定された値を維持するように制御される状態量を追従状態量としたとき、追従状態量毎に設けられ、追従状態量を制御するための操作量を算出して、算出した操作量を対応するＰＩＤ制御ループの制御対象に出力するＰＩＤコントローラと、追従状態量毎に設けられ、複数の制御演算用入力値のうち追従状態量設定値ＳＰｉを追従状態量内部設定値ＳＰｉ’に変換する追従状態量内部設定値算出部と、追従状態量毎に設けられ、前記追従状態量内部設定値ＳＰｉ’をローパスフィルタリング処理した上で前記ＰＩＤコントローラに入力するフィルタ部とを備え、前記追従状態量内部設定値算出部は、前記制御演算用入力値として、予め設定された基準状態量設定値ＳＰｍと、計測された基準状態量計測値ＰＶｍと、予め設定された追従状態量設定値ＳＰｉと、計測された追従状態量計測値ＰＶｉとが入力されたとき、前記追従状態量計測値ＰＶｉの前記基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合を規定する第１の係数Ｂｉと、前記基準状態量計測値ＰＶｍの前記基準状態量設定値ＳＰｍへの応答性の度合を規定する第２の係数Ａｍとを用いて、前記追従状態量内部設定値ＳＰｉ’をＳＰｉ’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂｉ（ＳＰｉ−ＳＰｍ）＋（１−Ｂｉ）（ＰＶｉ−ＰＶｍ）により算出することにより、基準状態量計測値ＰＶｍの基準状態量設定値ＳＰｍへの追従性と、追従状態量計測値ＰＶｉと基準状態量計測値ＰＶｍの差分である相対量ＰＶｉ−ＰＶｍの追従状態量設定値ＳＰｉと基準状態量設定値ＳＰｍの差分である相対量ＳＰｉ−ＳＰｍへの追従性を分離して制御するものである。

本発明によれば、少なくとも２個の制御ループを有する制御系において、特定の基準となる状態量を基準状態量とし、この基準状態量との相対量が予め規定された値を維持するように制御される状態量を追従状態量としたとき、追従状態量設定値ＳＰｉを追従状態量内部設定値ＳＰｉ’に変換する算出手順を実行し、この算出手順において追従状態量内部設定値ＳＰｉ’を基準状態量に対する第１の要素と相対量に対する第２の要素との和として算出することにより、基準状態量と追従状態量との状態量差などの相対量を所望の値に維持しつつ、状態量平均値などの基準状態量を所望の値に変更する制御を実現することができる。また、本発明では、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応する制御系を構成することができるので、積分ワインドアップを防止することができ、従来考案されているパラメータ調整方法や自動調整機能などを適用してコントローラを調整することができる。また、内部入力値の第２の要素として、相対量に対する制御演算用入力値の要素に第１の係数Ｂｉを掛けた値を使用することにより、相対量を優先的に制御しながら、基準状態量も同時に制御することができる。さらに、本発明では、追従状態量内部設定値ＳＰｉ’をローパスフィルタリング処理した上でコントローラに入力することにより、制御ループ間の状態量差に対する制御の効果が強くなるように係数Ｂｉを大きくした場合でも、制御の即応性を犠牲にすることなく、状態量差を小さくするという効果が得られ、かつ状態量の上下動を緩和することができる。

［発明の原理］
以下、本発明では、状態量平均値のような基準となる絶対的な状態量を基準状態量、基準状態量との相対量（例えば状態量差）が予め規定された値を維持するように制御される状態量を追従状態量と称する。また、基準状態量に対する設定値を基準状態量設定値、基準状態量の計測値を基準状態量計測値、追従状態量に対する設定値を追従状態量設定値、追従状態量の計測値を追従状態量計測値、基準状態量と追従状態量との相対量に対する設定値を追従状態量相対設定値、基準状態量と追従状態量との相対量の計測値を追従状態量相対計測値、基準状態量に対してコントローラの内部に設定される内部設定値を基準状態量内部設定値、追従状態量に対してコントローラの内部に設定される内部設定値を追従状態量内部設定値と称する。状態量としては、例えば温度、圧力、流量などがある。

本発明では、外部から与えられる状態量設定値ＳＰとは別に、コントローラの内部に設定される状態量内部設定値ＳＰ’を用いて、操作量ＭＶを算出するものとする。このとき、状態量内部設定値ＳＰ’は、基準状態量に対する要素ＳＰｍと、基準状態量と追従状態量との相対量に対する要素ΔＳＰとに分離しておく（ＳＰ’＝ＳＰｍ＋ΔＳＰ）。また、本発明では、状態量計測値との内挿外挿演算（ＳＰ’＝ＡＳＰ＋（１−Ａ）ＰＶ）により、実際に与えられている設定値ＳＰｍやΔＳＰをそのまま適用する場合よりも、実質的にコントローラの特性を低感度側にシフトさせたり、高感度側にシフトさせたりできることに着目し、基準状態量の感度と、基準状態量と追従状態量との相対量の感度とを、各々個別にシフトできる状態量内部設定値ＳＰ’に変換する。

このように、本発明では、状態量内部設定値ＳＰ’を基準状態量に対する要素ＳＰｍと基準状態量と追従状態量との相対量に対する要素ΔＳＰとに分離し、この状態量内部設定値ＳＰ’を状態量設定値ＳＰと状態量計測値ＰＶとの内挿外挿演算により求めて操作量ＭＶの算出に用いる構成とする。これにより、本発明では、状態量平均値のような基準状態量については応答特性を低感度側にシフトさせ、状態量差のような、基準状態量と追従状態量との相対量については応答特性を高感度側にシフトさせれば、基準状態量計測値ＰＶｍが基準状態量設定値ＳＰｍに追従するよりも前に、追従状態量相対計測値ΔＰＶが追従状態量相対設定値ΔＳＰに追従するようになるので、基準状態量と追従状態量との相対量を所望の値に維持しながら、基準状態量を所望の値に変更するような制御が可能になる。

また、本発明の構成によれば、通常の制御系との相違点は、状態量設定値ＳＰが状態量内部設定値ＳＰ’に変換されることだけになる。すなわち、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応する形式で、基準状態量と追従状態量との相対量を優先的に制御しながら、基準状態量も同時に制御する制御方法を提供することができる。

ここで、上記の２つの着眼点のうち、状態量設定値ＳＰと状態量計測値ＰＶとの内挿外挿演算による状態量内部設定値ＳＰ’の算出（以下、第１の着眼点と呼ぶ）について説明する。状態量設定値ＳＰと状態量計測値ＰＶとを参照し、特定の係数Ａを用いて、以下の数式によりコントローラの内部に設定される状態量内部設定値ＳＰ’に変換することを考える。
ＳＰ’＝ＡＳＰ＋（１−Ａ）ＰＶ ・・・（７）
ただし、係数Ａは０より大きい実数とする。このとき、Ａ＝１とすれば、ＳＰ’＝ＳＰとなり、状態量設定値ＳＰは全く変換されないことを意味する。

式（７）において係数Ａの値を０＜Ａ＜１とすれば、変換された状態量内部設定値ＳＰ’は、元の状態量設定値ＳＰと状態量計測値ＰＶとの間の数値（内挿関係）になる。したがって、例えばＰＩＤコントローラなどで偏差を算出する場合、図１に示すように、状態量設定値ＳＰと状態量計測値ＰＶとの偏差Ｅｒ＝ＳＰ−ＰＶよりも、状態量内部設定値ＳＰ’と状態量計測値ＰＶとの偏差Ｅｒ’＝ＳＰ’−ＰＶの方が、絶対値が小さい値になる。その結果、コントローラが偏差Ｅｒに基づいて操作量ＭＶを算出する場合よりも、偏差Ｅｒ’に基づいて操作量ＭＶ’を算出する場合の方が、操作量の変化は緩くなる。すなわち、係数Ａの値を０＜Ａ＜１とすれば、コントローラの応答特性は安定性重視の方向（低感度）の特性にシフトする。

一方、係数Ａの値をＡ＞１とすれば、変換された状態量内部設定値ＳＰ’は、元の状態量設定値ＳＰよりも更に状態量計測値ＰＶから離れた数値（外挿関係）になる。したがって、例えばＰＩＤコントローラなどで偏差を算出する場合、図２に示すように、状態量設定値ＳＰと状態量計測値ＰＶとの偏差Ｅｒ＝ＳＰ−ＰＶよりも、状態量内部設定値ＳＰ’と状態量計測値ＰＶとの偏差Ｅｒ’＝ＳＰ’−ＰＶの方が、絶対値が大きい値になる。その結果、コントローラが偏差Ｅｒに基づいて操作量ＭＶを算出する場合よりも、偏差Ｅｒ’に基づいて操作量ＭＶ’を算出する場合の方が、操作量の変化は激しくなる。すなわち、係数Ａの値をＡ＞１とすれば、コントローラの応答特性は即応性重視の方向（高感度）の特性にシフトする。

次に、上記の２つの着眼点のうち、状態量内部設定値ＳＰ’を基準状態量に対する要素と基準状態量と追従状態量との相対量に対する要素とに分離する点（以下、第２の着眼点と呼ぶ）について説明する。基準状態量と、基準状態量と追従状態量との相対量とを同時に制御する場合、状態量設定値ＳＰは、次式のように、基準状態量に対する要素ＳＰｍと、基準状態量と追従状態量との相対量に対する要素ΔＳＰｍとに分離できる。
ＳＰ＝ＳＰｍ＋ΔＳＰｍ ・・・（８）

また、状態量設定値ＳＰに合わせて、状態量計測値ＰＶについても、次式のように、基準状態量計測値ＰＶｍと、追従状態量相対計測値ΔＰＶｍとに分離できる。
ＰＶ＝ＰＶｍ＋ΔＰＶｍ ・・・（９）

ここで、第１の着眼点と第２の着眼点とをまとめると、式（７）〜式（９）より以下のようになる。
ＳＰ’＝Ａ（ＳＰｍ＋ΔＳＰｍ）＋（１−Ａ）（ＰＶｍ＋ΔＰＶｍ）
＝ＡＳＰｍ＋（１−Ａ）ＰＶｍ＋ＡΔＳＰｍ＋（１−Ａ）ΔＰＶｍ
・・・（１０）

このとき、式（１０）中のＡＳＰｍ＋（１−Ａ）ＰＶｍは基準状態量に関する要素であり、ＡΔＳＰｍ＋（１−Ａ）ΔＰＶｍは基準状態量と追従状態量との相対量に関する要素である。すなわち、両者は各々個別に内挿関係と外挿関係を与える線形結合式に分離されている形になるので、以下のように個別の係数Ａ，Ｂにより、内挿関係と外挿関係を与えることが可能になる。
ＳＰ’＝ＡＳＰｍ＋（１−Ａ）ＰＶｍ＋ＢΔＳＰｍ＋（１−Ｂ）ΔＰＶｍ
・・・（１１）

式（１１）において、Ａは基準状態量に関する係数、Ｂは基準状態量と追従状態量との相対量に関する係数となる。複数の制御ループがある場合、基準状態量と追従状態量との相対量に関する係数Ｂは特に各制御ループ個別に与えられることが好ましく、その場合、複数の制御ループにおけるｉ（ｉは１，２，３・・・・）番目の追従状態量について、以下のような状態量設定値ＳＰｉの変換を実施すれば良い。
ＳＰｉ’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋ＢｉΔＳＰｉｍ
＋（１−Ｂｉ）ΔＰＶｉｍ ・・・（１２）

式（１２）において、ＳＰｉ’はｉ番目の追従状態量に対する内部設定値、ΔＳＰｉｍは基準状態量とｉ番目の追従状態量との相対量の設定値である追従状態量相対設定値、ΔＰＶｉｍは基準状態量とｉ番目の追従状態量との相対量の計測値である追従状態量相対計測値、Ｂｉは基準状態量とｉ番目の追従状態量との相対量に関する係数である。なお、基準状態量に関する係数Ａｍは、各制御ループ共通に与えても各制御ループ個別に与えてもかまわない。

また式（１２）において、ΔＳＰｉｍ＝ＳＰｉ−ＳＰｍ、ΔＰＶｉｍ＝ＰＶｉ−ＰＶｍであることは言うまでもなく、以下のような等価な置換は容易に可能である。
ＳＰｉ’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋ＢｉΔＳＰｉｍ
＋（１−Ｂｉ）（ＰＶｉ−ＰＶｍ） ・・・（１３）
ＳＰｉ’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂｉ（ＳＰｉ−ＳＰｍ）
＋（１−Ｂｉ）（ＰＶｉ−ＰＶｍ） ・・・（１４）

なお、追従状態量相対計測値ΔＰＶｉｍを採用する場合と、追従状態量計測値ＰＶｉと基準状態量計測値ＰＶｍとの差ＰＶｉ−ＰＶｍを採用する場合とでは、単純に制御装置内部の処理が異なるだけである。これに対して、追従状態量相対設定値ΔＳＰｉｍを採用する場合には、オペレータがユーザインタフェースを通して基準状態量設定値ＳＰｍと追従状態量相対設定値ΔＳＰｉｍとを設定することになり、一方、追従状態量設定値ＳＰｉと基準状態量設定値ＳＰｍとの差ＳＰｉ−ＳＰｍを採用する場合には、オペレータがユーザインタフェースを通して基準状態量設定値ＳＰｍと追従状態量設定値ＳＰｉとを設定することになり、この両者の場合は相違があるので、敢えて別な構成として扱うものとする。

また、式（１３）、式（１４）は、以下のような等価な数式に整理することも容易に可能である。
ＳＰｉ’＝ＰＶｉ＋Ａｍ（ＳＰｍ−ＰＶｍ）
＋Ｂｉ｛ΔＳＰｉｍ−（ＰＶｉ−ＰＶｍ）｝ ・・・（１５）
ＳＰｉ’＝ＰＶｉ＋Ａｍ（ＳＰｍ−ＰＶｍ）
＋Ｂｉ｛（ＳＰｉ−ＳＰｍ）−（ＰＶｉ−ＰＶｍ）｝ ・・・（１６）

また、ＳＰｉ＝ＳＰｉ'''＋ΔＳＰｉ'''、ＰＶｉ＝ＰＶｉ'''＋ΔＰＶｉ'''のように考えると、式（１４）は以下のような等価変換も容易に可能である。
ＳＰｉ’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂｉ（ＳＰｉ−ＳＰｍ）
＋（１−Ｂｉ）（ＰＶｉ−ＰＶｍ）
＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ
＋Ｂｉ（ＳＰｉ'''＋ΔＳＰｉ'''−ＳＰｍ）
＋（１−Ｂｉ）（ＰＶｉ'''＋ΔＰＶｉ'''−ＰＶｍ）
＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂｉ（ＳＰｉ'''−ＳＰｍ'''）
＋（１−Ｂｉ）（ＰＶｉ'''−ＰＶｍ'''） ・・・（１７）

式（１７）において、ＳＰｉ'''、ΔＳＰｉ'''は追従状態量設定値ＳＰｉをさらに別の絶対量と相対量に分離したときの絶対量に対応する要素ＳＰｉ''' と相対量に対応する要素ΔＳＰｉ''' であり、ＰＶｉ'''、ΔＰＶｉ'''は追従状態量計測値ＰＶｉを同様に別の絶対量と相対量に分離したときの絶対量に対応する要素ＰＶｉ''' と相対量に対応する要素ΔＰＶｉ''' である。ここで、ＳＰｍ'''＝ＳＰｍ−ΔＳＰｉ'''、ＰＶｍ'''＝ＰＶｍ−ΔＰＶｉ'''である。すなわち、基準状態量と追従状態量との相対量に関する要素において、ＳＰｍやＰＶｍを別のＳＰｍ'''やＰＶｍ'''に置換することは、両者の関係が明確である限りは等価な線形結合式であり、実質的に本発明の基本的技術思想の範囲から外れるものではない。
以上の原理により、基準状態量の感度と、基準状態量と追従状態量との相対量の感度とを、各々個別にシフトできる状態量内部設定値ＳＰ’が得られる。

続いて、基準状態量と追従状態量との相対量を優先的に制御する原理について説明する。式（１４）において、基準状態量に関する係数Ａｍと基準状態量と追従状態量との相対量に関する係数Ｂｉとの関係をＡｍ＝Ｂｉ＝１とすれば、ＳＰｉ’＝ＳＰｉになる。このときの状態量内部設定値ＳＰｉ’は状態量設定値ＳＰｉから全く変化しておらず、感度についても通常の制御と全く変化はない。

ここで、特に重要なのは基準状態量と追従状態量との相対量に関する係数Ｂｉであり、Ｂｉ＞１とすることで基準状態量と追従状態量との相対量について特に感度が向上するので、相対量を優先的に制御するように制御装置を動作させることができる。したがって、基準状態量に関する係数Ａｍについては常時Ａｍ＝１としても、本発明における課題解決は達成されることになるので、以下のような状態量内部設定値ＳＰｉ’への変換でも良い。
ＳＰｉ’＝ＳＰｍ＋ＢｉΔＳＰｉｍ＋（１−Ｂｉ）（ＰＶｉ−ＰＶｍ） ・・（１８）
ＳＰｉ’＝ＳＰｍ＋Ｂｉ（ＳＰｉ−ＳＰｍ）＋（１−Ｂｉ）（ＰＶｉ−ＰＶｍ）
・・・（１９）
ＳＰｉ’＝ＰＶｉ＋（ＳＰｍ−ＰＶｍ）＋Ｂｉ｛ΔＳＰｉｍ−（ＰＶｉ−ＰＶｍ）｝
・・・（２０）
ＳＰｉ’＝ＰＶｉ＋（ＳＰｍ−ＰＶｍ）
＋Ｂｉ｛（ＳＰｉ−ＳＰｍ）−（ＰＶｉ−ＰＶｍ）｝ ・・・（２１）

ただし、基準状態量と追従状態量との相対量について感度を向上させるだけでは、相対量について十分な制御特性が得られる以前に、高感度化が過度な状態になり制御系が不安定化することもあり得る。このような場合には、基準状態量と追従状態量との相対量に関する係数Ｂｉを小さな値に戻すのではなく、基準状態量に関する係数ＡｍをＡｍ＜１とすることにより不安定化を解消することも可能であり、基準状態量と追従状態量との相対量の優先度を犠牲にすることも回避できる。したがって、基準状態量に関する係数Ａｍが調整可能な変換式を採用することがより好ましい。

発明者は、以上の原理を用いて、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応する形式で、状態量差のような相対量を優先的に制御しながら、状態量平均値のような基準状態量も同時に制御できる制御方法を提案した（特願２００４−１２８２２７）。この先行出願の制御方法では、状態量差を積極的に制御する場合、相対量に関する係数Ｂ（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３・・・・）を１．０よりも大きな値に設定する。このとき、状態量差に対する制御の効果をより強くする場合は、係数Ｂを可能な限り大きな値に設定すればよい。

しかし、状態量差に対する制御の効果を過度に強くすると、制御応答の上下動が継続する不安定な状態となるため、係数Ｂを大きな値にするには実質的な限界がある。以下、係数Ｂの増大による制御の不安定化とこの不安定化に対する先行出願の対処法について図を用いて説明する。

図３〜図５は、先行出願の制御方法において、制御ループが３個で、基準状態量として３個の制御ループの状態量平均値を採用し、追従状態量として３個の制御ループの各状態量を採用する場合のシミュレーション結果を示す図である。図３（ａ）、図４（ａ）、図５（ａ）は、追従状態量設定値ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３を３０．０％に変更したときの制御系のステップ応答を示し、図３（ｂ）、図４（ｂ）、図５（ｂ）は、ＳＰ１＝ＳＰ２＝ＳＰ３＝３０．０％で整定している状態で外乱が印加されたときの制御系の外乱応答を示している。なお、シミュレーションの詳細な条件については後述する。

図３（ａ）、図３（ｂ）に示すシミュレーション結果は、先行出願の制御方法において、状態量差を制御しない通常の制御と等価な設定としたものであり、追従状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３は揃わない。
図４（ａ）、図４（ｂ）に示すシミュレーション結果は、係数Ｂの値を大きくして、状態量差に対する制御の効果が過剰になる設定としたものであり、図３（ａ）、図３（ｂ）の場合に比べて追従状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３が揃うようになるが、これらの状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３に上下動が発生する。このように、係数Ｂを大きな値にするには実質的な限界があり、限界に近づくと制御応答が乱れる。

そこで、先行出願の制御方法では、基準状態量に関する係数Ａｍを１．０よりも小さな値に設定することにより、図４（ａ）、図４（ｂ）に示した追従状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３の上下動の発生を緩和している（図５（ａ）、図５（ｂ））。しかしながら、このような係数Ａｍの設定は、制御の応答の速さ（即応性）を犠牲にするものであり、状況によっては採用できない等の問題点があった。

本発明では、前述の状態量の上下動の発生要因が、制御演算自体ではなく、追従状態量内部設定値の上下動であることに着眼する。追従状態量内部設定値が上下動することにより、この上下動に追従しようとする制御動作の結果として状態量自体が上下動する。
また、本発明では、基準状態量に関する係数Ａｍを１．０よりも小さな値に設定する手法が、基準状態量設定値ＳＰｍと基準状態量計測値ＰＶｍとの偏差ＳＰｍ−ＰＶｍの絶対値を小さな値に修正しようとする手法であり、状態量の上下動を直接的に操作する手法ではないことに着眼する。係数Ａｍを１．０よりも小さな値に設定する手法により状態量の上下動を緩和できる理由は、基準状態量の設定値追従性（即応性）が抑制されることにより、全体的に操作量ＭＶの変動が遅くなり、操作量ＭＶの上下動幅が小さくなるからである。ゆえに、この手法は、制御の即応性を犠牲にして、状態量の上下動を抑制する手法ということになる。

先行出願の問題点を解決するには、前述の着眼点に基づき、状態量の上下動を直接的に緩和できるようにすればよい。そこで、本発明では、追従状態量内部設定値に対してローパスフィルタ（時間遅れフィルタ）を適用する。追従状態量内部設定値が制御演算に取り込まれる前にその上下動を緩和することで、状態量自体の上下動も緩和することができる。このフィルタとしては、例えば一般的な１次遅れフィルタがある。制御の即応性を左右する低周波領域のゲインに大きな影響を与えずに、状態量の上下動の周波数帯である高周波領域のゲインを低下させるようにフィルタの時定数を選べば、制御の即応性をほとんど犠牲にせずに、状態量の上下動を緩和することができる。

この状態量の上下動の周波数帯は、コントローラの制御演算がＰＩＤであれば、設定されているＰＩＤパラメータに依存して変化する。したがって、フィルタの時定数は、ＰＩＤパラメータに基づき大まかに決定することが可能であり、制御の即応性をほとんど犠牲にせずに、状態量の上下動を緩和できる目安としては、微分時間Ｔｄの１．５倍以上２．５倍以下が妥当である。
なお、制御の即応性を左右する周波数帯が低周波領域であり、状態量の上下動の周波数帯が高周波領域であることは、図４（ａ）、図４（ｂ）に示したように、本来の制御応答（追従状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３の大まかな動き）に比べると、計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３の上下動がかなり短い周期で発生していることからも明らかである。

［実施の形態］
図６は、本発明の実施の形態となる制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、制御ループが３個で、基準状態量として３個の制御ループの状態量平均値を採用し、追従状態量として３個の制御ループの各状態量を採用する場合の例であるが、２個以上の制御ループであれば同様の原理で、同様の制御系を構成できる。

図６の制御装置は、第１の追従状態量に関する第１の制御系の構成として、追従状態量設定値ＳＰ１入力部１−１と、追従状態量計測値ＰＶ１入力部２−１と、操作量ＭＶ１出力部３−１と、ＰＩＤ制御演算部（ＰＩＤコントローラ）４−１と、係数Ｂ１記憶部５−１と、追従状態量内部設定値ＳＰ１’算出部６−１と、内部設定値フィルタ部１０−１とを備える。また、図６の制御装置は、第２の追従状態量に関する第２の制御系の構成として、追従状態量設定値ＳＰ２入力部１−２と、追従状態量計測値ＰＶ２入力部２−２と、操作量ＭＶ２出力部３−２と、ＰＩＤ制御演算部（ＰＩＤコントローラ）４−２と、係数Ｂ２記憶部５−２と、追従状態量内部設定値ＳＰ２’算出部６−２と、内部設定値フィルタ部１０−２とを備える。また、図６の制御装置は、第３の追従状態量に関する第３の制御系の構成として、追従状態量設定値ＳＰ３入力部１−３と、追従状態量計測値ＰＶ３入力部２−３と、操作量ＭＶ３出力部３−３と、ＰＩＤ制御演算部（ＰＩＤコントローラ）４−３と、係数Ｂ３記憶部５−３と、追従状態量内部設定値ＳＰ３’算出部６−３と、内部設定値フィルタ部１０−３とを備える。

また、図６の制御装置は、基準状態量に関する構成として、追従状態量設定値ＳＰ１とＳＰ２とＳＰ３の平均値を基準状態量設定値ＳＰｍとして算出する基準状態量設定値ＳＰｍ算出部７と、追従状態量計測値ＰＶ１とＰＶ２とＰＶ３の平均値を基準状態量計測値ＰＶｍとして算出する基準状態量計測値ＰＶｍ算出部８と、係数Ａｍ記憶部９とを備える。

図７は本実施の形態における制御系のブロック線図である。図７において、ＳＰ１”，ＳＰ２”，ＳＰ３”はそれぞれ第１、第２、第３の追従状態量の内部設定値ＳＰ１’，ＳＰ２’，ＳＰ３’をフィルタリング処理した追従状態量フィルタリング内部設定値、Ｅｒ１’は追従状態量フィルタリング内部設定値ＳＰ１”と第１の追従状態量の計測値ＰＶ１との偏差、Ｅｒ２’は追従状態量フィルタリング内部設定値ＳＰ２”と第２の追従状態量の計測値ＰＶ２との偏差、Ｅｒ３’は追従状態量フィルタリング内部設定値ＳＰ３”と第３の追従状態量の計測値ＰＶ３との偏差である。

また、図７において、Ａｍは基準状態量に関する係数、Ｂ１は第１の追従状態量と基準状態量との状態量差に関する係数、Ｂ２は第２の追従状態量と基準状態量との状態量差に関する係数、Ｂ３は第３の追従状態量と基準状態量との状態量差に関する係数、Ａ１は第１の追従状態量を制御するアクチュエータ、Ａ２は第２の追従状態量を制御するアクチュエータ、Ａ３は第３の追従状態量を制御するアクチュエータ、Ｐ１は第１の追従状態量に係る制御対象プロセス、Ｐ２は第２の追従状態量に係る制御対象プロセス、Ｐ３は第３の追従状態量に係る制御対象プロセス、Ｇｐ１はアクチュエータＡ１とプロセスＰ１とを含むブロックの伝達関数、Ｇｐ２はアクチュエータＡ２とプロセスＰ２とを含むブロックの伝達関数、Ｇｐ３はアクチュエータＡ３とプロセスＰ３とを含むブロックの伝達関数である。

追従状態量設定値ＳＰ１入力部１−１と、追従状態量計測値ＰＶ１入力部２−１と、操作量ＭＶ１出力部３−１と、ＰＩＤ制御演算部４−１と、追従状態量内部設定値ＳＰ１’算出部６−１と、内部設定値フィルタ部１０−１と、アクチュエータＡ１と、プロセスＰ１とは、第１の制御系（第１の制御ループ）を構成している。追従状態量設定値ＳＰ２入力部１−２と、追従状態量計測値ＰＶ２入力部２−２と、操作量ＭＶ２出力部３−２と、ＰＩＤ制御演算部４−２と、追従状態量内部設定値ＳＰ２’算出部６−２と、内部設定値フィルタ部１０−２と、アクチュエータＡ２と、プロセスＰ２とは、第２の制御系（第２の制御ループ）を構成している。そして、追従状態量設定値ＳＰ３入力部１−３と、追従状態量計測値ＰＶ３入力部２−３と、操作量ＭＶ３出力部３−３と、ＰＩＤ制御演算部４−３と、追従状態量内部設定値ＳＰ３’算出部６−３と、内部設定値フィルタ部１０−３と、アクチュエータＡ３と、プロセスＰ３とは、第３の制御系（第３の制御ループ）を構成している。

次に、本実施の形態の制御装置の動作を図８を用いて説明する。まず、追従状態量設定値ＳＰ１は、制御装置のオペレータによって設定され、追従状態量設定値ＳＰ１入力部１−１を介して追従状態量内部設定値ＳＰ１’算出部６−１と基準状態量設定値ＳＰｍ算出部７とに入力される（図８ステップＳ１０１）。追従状態量設定値ＳＰ２は、オペレータによって設定され、追従状態量設定値ＳＰ２入力部１−２を介して追従状態量内部設定値ＳＰ２’算出部６−２と基準状態量設定値ＳＰｍ算出部７とに入力される（ステップＳ１０２）。追従状態量設定値ＳＰ３は、オペレータによって設定され、追従状態量設定値ＳＰ３入力部１−３を介して追従状態量内部設定値ＳＰ３’算出部６−３と基準状態量設定値ＳＰｍ算出部７とに入力される（ステップＳ１０３）。

追従状態量計測値ＰＶ１は、図示しない第１の検出手段によって検出され、追従状態量計測値ＰＶ１入力部２−１を介してＰＩＤ制御演算部４−１と追従状態量内部設定値ＳＰ１’算出部６−１と基準状態量計測値ＰＶｍ算出部８とに入力される（ステップＳ１０４）。追従状態量計測値ＰＶ２は、図示しない第２の検出手段によって検出され、追従状態量計測値ＰＶ２入力部２−２を介してＰＩＤ制御演算部４−２と追従状態量内部設定値ＳＰ２’算出部６−２と基準状態量計測値ＰＶｍ算出部８とに入力される（ステップＳ１０５）。追従状態量計測値ＰＶ３は、図示しない第３の検出手段によって検出され、追従状態量計測値ＰＶ３入力部２−３を介してＰＩＤ制御演算部４−３と追従状態量内部設定値ＳＰ３’算出部６−３と基準状態量計測値ＰＶｍ算出部８とに入力される（ステップＳ１０６）。

続いて、基準状態量設定値ＳＰｍ算出部７は、次式のように、追従状態量設定値ＳＰ１と追従状態量設定値ＳＰ２と追従状態量設定値ＳＰ３との平均値を基準状態量設定値ＳＰｍとして算出し、この基準状態量設定値ＳＰｍを追従状態量内部設定値ＳＰ１’算出部６−１と追従状態量内部設定値ＳＰ２’算出部６−２と追従状態量内部設定値ＳＰ３’算出部６−３とに出力する（ステップＳ１０７）。
ＳＰｍ＝（ＳＰ１＋ＳＰ２＋ＳＰ３）／３ ・・・（２２）

基準状態量計測値ＰＶｍ算出部８は、次式のように、追従状態量計測値ＰＶ１と追従状態量計測値ＰＶ２と追従状態量計測値ＰＶ３との平均値を基準状態量計測値ＰＶｍとして算出し、この基準状態量計測値ＰＶｍを追従状態量内部設定値ＳＰ１’算出部６−１と追従状態量内部設定値ＳＰ２’算出部６−２と追従状態量内部設定値ＳＰ３’算出部６−３とに出力する（ステップＳ１０８）。
ＰＶｍ＝（ＰＶ１＋ＰＶ２＋ＰＶ３）／３ ・・・（２３）

係数Ａｍ記憶部９は、基準状態量に関する係数Ａｍを予め記憶しており、係数Ｂ１記憶部５−１は、第１の追従状態量と基準状態量との状態量差に関する係数Ｂ１を予め記憶している。追従状態量内部設定値ＳＰ１’算出部６−１は、係数Ａｍ，Ｂ１と基準状態量設定値ＳＰｍと基準状態量計測値ＰＶｍと追従状態量設定値ＳＰ１と追従状態量計測値ＰＶ１とに基づき、追従状態量内部設定値ＳＰ１’を次式のように算出して内部設定値フィルタ部１０−１に出力する（ステップＳ１０９）。
ＳＰ１’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂ１（ＳＰ１−ＳＰｍ）
＋（１−Ｂ１）（ＰＶ１−ＰＶｍ） ・・・（２４）

係数Ｂ２記憶部５−２は、第２の追従状態量と基準状態量との状態量差に関する係数Ｂ２を予め記憶している。追従状態量内部設定値ＳＰ２’算出部６−２は、係数Ａｍ，Ｂ２と基準状態量設定値ＳＰｍと基準状態量計測値ＰＶｍと追従状態量設定値ＳＰ２と追従状態量計測値ＰＶ２とに基づき、追従状態量内部設定値ＳＰ２’を次式のように算出して内部設定値フィルタ部１０−２に出力する（ステップＳ１１０）。
ＳＰ２’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂ２（ＳＰ２−ＳＰｍ）
＋（１−Ｂ２）（ＰＶ２−ＰＶｍ） ・・・（２５）

係数Ｂ３記憶部５−３は、第３の追従状態量と基準状態量との状態量差に関する係数Ｂ３を予め記憶している。追従状態量内部設定値ＳＰ３’算出部６−３は、係数Ａｍ，Ｂ３と基準状態量設定値ＳＰｍと基準状態量計測値ＰＶｍと追従状態量設定値ＳＰ３と追従状態量計測値ＰＶ３とに基づき、追従状態量内部設定値ＳＰ３’を次式のように算出して内部設定値フィルタ部１０−３に出力する（ステップＳ１１１）。
ＳＰ３’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂ３（ＳＰ３−ＳＰｍ）
＋（１−Ｂ３）（ＰＶ３−ＰＶｍ） ・・・（２６）

次に、内部設定値フィルタ部１０−１は、追従状態量内部設定値ＳＰ１’に対して次式の伝達関数式のような１次遅れフィルタリング処理を実行し、追従状態量フィルタリング内部設定値ＳＰ１”を算出する（ステップＳ１１２）。
ＳＰ１”＝｛１／（１＋Ｔｆ１ｓ）｝ＳＰ１’ ・・・（２７）
式（２７）において、Ｔｆ１は予め設定されたフィルタ時定数、ｓはラプラス演算子である。

内部設定値フィルタ部１０−２は、追従状態量内部設定値ＳＰ２’に対して次式の伝達関数式のような１次遅れフィルタリング処理を実行し、追従状態量フィルタリング内部設定値ＳＰ２”を算出する（ステップＳ１１３）。
ＳＰ２”＝｛１／（１＋Ｔｆ２ｓ）｝ＳＰ２’ ・・・（２８）
式（２８）において、Ｔｆ２は予め設定されたフィルタ時定数である。

内部設定値フィルタ部１０−３は、追従状態量内部設定値ＳＰ３’に対して次式の伝達関数式のような１次遅れフィルタリング処理を実行し、追従状態量フィルタリング内部設定値ＳＰ３”を算出する（ステップＳ１１４）。
ＳＰ３”＝｛１／（１＋Ｔｆ３ｓ）｝ＳＰ３’ ・・・（２９）
式（２９）において、Ｔｆ３は予め設定されたフィルタ時定数である。

次に、ＰＩＤ制御演算部４−１は、次式の伝達関数式のようなＰＩＤ制御演算を行って操作量ＭＶ１を算出する（ステップＳ１１５）。
ＭＶ１＝（１００／Ｐｂ１）｛１＋（１／Ｔｉ１ｓ）＋Ｔｄ１ｓ｝（ＳＰ１”
−ＰＶ１） ・・・（３０）
式（３０）において、Ｐｂ１は比例帯、Ｔｉ１は積分時間、Ｔｄ１は微分時間である。なお、ＰＩＤ制御演算部４−１は、算出した操作量ＭＶ１がアクチュエータＡ１の出力の下限値ＯＬ１より小さい場合、操作量ＭＶ１＝ＯＬ１とし、算出した操作量ＭＶ１がアクチュエータＡ１の出力の上限値ＯＨ１より大きい場合、操作量ＭＶ１＝ＯＨ１とする操作量上下限処理を積分ワインドアップの対策として行う。

ＰＩＤ制御演算部４−２は、次式の伝達関数式のようなＰＩＤ制御演算を行って操作量ＭＶ２を算出する（ステップＳ１１６）。
ＭＶ２＝（１００／Ｐｂ２）｛１＋（１／Ｔｉ２ｓ）＋Ｔｄ２ｓ｝（ＳＰ２”
−ＰＶ２） ・・・（３１）
式（３１）において、Ｐｂ２は比例帯、Ｔｉ２は積分時間、Ｔｄ２は微分時間である。ＰＩＤ制御演算部４−２は、算出した操作量ＭＶ２がアクチュエータＡ２の出力の下限値ＯＬ２より小さい場合、操作量ＭＶ２＝ＯＬ２とし、算出した操作量ＭＶ２がアクチュエータＡ２の出力の上限値ＯＨ２より大きい場合、操作量ＭＶ２＝ＯＨ２とする操作量上下限処理を積分ワインドアップの対策として行う。

ＰＩＤ制御演算部４−３は、次式の伝達関数式のようなＰＩＤ制御演算を行って操作量ＭＶ３を算出する（ステップＳ１１７）。
ＭＶ３＝（１００／Ｐｂ３）｛１＋（１／Ｔｉ３ｓ）＋Ｔｄ３ｓ｝（ＳＰ３”
−ＰＶ３） ・・・（３２）
式（３２）において、Ｐｂ３は比例帯、Ｔｉ３は積分時間、Ｔｄ３は微分時間である。ＰＩＤ制御演算部４−３は、算出した操作量ＭＶ３がアクチュエータＡ３の出力の下限値ＯＬ３より小さい場合、操作量ＭＶ３＝ＯＬ３とし、算出した操作量ＭＶ３がアクチュエータＡ３の出力の上限値ＯＨ３より大きい場合、操作量ＭＶ３＝ＯＨ３とする操作量上下限処理を積分ワインドアップの対策として行う。

操作量ＭＶ１出力部３−１は、ＰＩＤ制御演算部４−１によって算出された操作量ＭＶ１をアクチュエータＡ１に出力する（ステップＳ１１８）。アクチュエータＡ１は、操作量ＭＶ１に基づいて第１の追従状態量を制御するために動作する。操作量ＭＶ２出力部３−２は、ＰＩＤ制御演算部４−２によって算出された操作量ＭＶ２をアクチュエータＡ２に出力する（ステップＳ１１９）。アクチュエータＡ２は、操作量ＭＶ２に基づいて第２の追従状態量を制御するために動作する。操作量ＭＶ３出力部３−３は、ＰＩＤ制御演算部４−３によって算出された操作量ＭＶ３をアクチュエータＡ３に出力する（ステップＳ１２０）。アクチュエータＡ３は、操作量ＭＶ３に基づいて第３の追従状態量を制御するために動作する。

以上のようなステップＳ１０１〜Ｓ１２０の処理が例えばオペレータによって制御の終了が指示されるまで（ステップＳ１２１においてＹＥＳ）、制御周期毎に繰り返し実行される。

図９は、本実施の形態の制御装置のシミュレーション結果を示す図である。図９（ａ）は、追従状態量設定値ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３を３０．０％に変更したときの制御系のステップ応答を示し、図９（ｂ）は、ＳＰ１＝ＳＰ２＝ＳＰ３＝３０．０％で整定している状態で外乱が印加されたときの制御系の外乱応答を示している。シミュレーションの条件は以下の通りである。

まず、アクチュエータＡ１とプロセスＰ１とを含むブロックの伝達関数Ｇｐ１、アクチュエータＡ２とプロセスＰ２とを含むブロックの伝達関数Ｇｐ２、アクチュエータＡ３とプロセスＰ３とを含むブロックの伝達関数Ｇｐ３を次式のように設定する。ここでは、制御ループ間の干渉はないものとする。
Ｇｐ１＝１．２ｅｘｐ（−２．０ｓ）／｛（１＋７０．０ｓ）（１＋１０．０ｓ）｝
・・・（３３）
Ｇｐ２＝１．６ｅｘｐ（−２．０ｓ）／｛（１＋６０．０ｓ）（１＋１０．０ｓ）｝
・・・（３４）
Ｇｐ３＝２．０ｅｘｐ（−２．０ｓ）／｛（１＋５０．０ｓ）（１＋１０．０ｓ）｝
・・・（３５）

ＰＩＤ制御演算部４−１の操作量下限値ＯＬ１を０％、上限値ＯＨ１を１００％とし、ＰＩＤ制御演算部４−２の操作量下限値ＯＬ２を０％、上限値ＯＨ２を１００％とし、ＰＩＤ制御演算部４−３の操作量下限値ＯＬ３を０％、上限値ＯＨ３を１６％とする。
操作量ＭＶ１，ＭＶ２，ＭＶ３に応じて追従状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３は、次式のように定まる。
ＰＶ１＝Ｇｐ１ＭＶ１ ・・・（３６）
ＰＶ２＝Ｇｐ２ＭＶ２ ・・・（３７）
ＰＶ３＝Ｇｐ３ＭＶ３ ・・・（３８）

ＰＩＤ制御演算部４−１のＰＩＤパラメータである比例帯Ｐｂ１を５０．０、積分時間Ｔｉ１を３５．０、微分時間Ｔｄ１を２０．０とし、ＰＩＤ制御演算部４−２のＰＩＤパラメータである比例帯Ｐｂ２を６６．７、積分時間Ｔｉ２を３５．０、微分時間Ｔｄ２を２０．０とし、ＰＩＤ制御演算部４−３のＰＩＤパラメータである比例帯Ｐｂ３を１００．０、積分時間Ｔｉ３を３５．０、微分時間Ｔｄ３を２０．０とする。なお、前述の図１〜図３についても、以上の条件でシミュレーションを行っている。

前述のとおり、図３（ａ）、図３（ｂ）に示したシミュレーション結果は、先行出願の制御方法において、状態量差を制御しない通常の制御と等価な設定としたものであり、追従状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３は揃わない。
図４（ａ）、図４（ｂ）に示したシミュレーション結果は、先行出願の制御方法において、状態量差に対する制御の効果が過剰になる設定（Ａｍ＝１．０、Ｂ１＝７．０、Ｂ２＝７．０、Ｂ３＝７．０）としたものであり、上下動発生の限界を超えた制御により得られた結果であるため、追従状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３に高周波の小さな上下動が発生している。

図５（ａ）、図５（ｂ）に示したシミュレーション結果は、先行出願の制御方法において、状態量差に対する制御の効果が過剰になる設定（Ａｍ＝０．３、Ｂ１＝７．０、Ｂ２＝７．０、Ｂ３＝７．０）としたものであり、上下動発生の限界を超えた制御により得られた結果であるが、係数Ａｍを１．０よりも小さな値に設定することにより、図４（ａ）、図４（ｂ）の場合に比べて追従状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３の上下動が緩和されている。ただし、図４（ａ）、図４（ｂ）の場合に比べて制御の即応性は大幅に犠牲になっている。

図９（ａ）、図９（ｂ）に示すシミュレーション結果は、本実施の形態においてＡｍ＝１．０、Ｂ１＝７．０、Ｂ２＝７．０、Ｂ３＝７．０、Ｔｆ１＝３０．０、Ｔｆ２＝３０．０、Ｔｆ３＝３０．０と設定したことにより得られたものであり、制御ループ間の状態量差を小さくするという効果が得られ、かつ状態量の上下動も緩和されており、さらに図５（ａ）、図５（ｂ）の場合に比べて制御の即応性が改善されており、図４（ａ）、図４（ｂ）の場合と大差ない即応性が得られている。

なお、本実施の形態で説明した制御装置は、演算装置、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。

本発明は、プロセス制御技術に適用することができる。

本発明の状態量内部設定値によるコントローラの応答特性の変化について説明するための図である。 本発明の状態量内部設定値によるコントローラの応答特性の変化について説明するための図である。 先行出願の制御方法の動作のシミュレーション結果を示す図である。 先行出願の制御方法の動作のシミュレーション結果を示す図である。 先行出願の制御方法の動作のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施の形態となる制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態における制御系のブロック線図である。 本発明の実施の形態における制御装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における制御装置の動作のシミュレーション結果を示す図である。 従来の制御装置の構成を示すブロック図である。 従来の他の制御装置の構成を示すブロック図である。 状態量平均値と状態量差とを制御対象とする従来の制御装置の構成を示すブロック図である。 クロスコントローラを用いた従来の制御装置の構成を示すブロック図である。 図１３のクロスコントローラを図１２の制御装置に適用した構成を示すブロック図である。 従来のパラメータ調整について説明するための図である。

符号の説明

４−１、４−２、４−３…ＰＩＤ制御演算部、５−１…係数Ｂ１記憶部、５−２…係数Ｂ２記憶部、５−３…係数Ｂ３記憶部、６−１…追従状態量内部設定値ＳＰ１’算出部、６−２…追従状態量内部設定値ＳＰ２’算出部、６−３…追従状態量内部設定値ＳＰ３’算出部、７…基準状態量設定値ＳＰｍ算出部、８…基準状態量計測値ＰＶｍ算出部、９…係数Ａｍ記憶部、１０−１、１０−２、１０−３…内部設定値フィルタ部。

Claims (4)

1. 少なくとも２個の並列なＰＩＤ制御ループを有する制御系の制御方法において、
   特定の基準となる状態量を基準状態量とし、この基準状態量との相対量が予め規定された値を維持するように制御される状態量を追従状態量としたとき、
   前記追従状態量を制御するための複数の制御演算用入力値のうち追従状態量設定値ＳＰｉを追従状態量内部設定値ＳＰｉ’に変換する算出手順と、
   前記追従状態量内部設定値ＳＰｉ’をローパスフィルタリング処理した上で、前記追従状態量を制御するＰＩＤコントローラに入力するフィルタ手順とを備え、
   前記算出手順は、前記制御演算用入力値として、予め設定された基準状態量設定値ＳＰｍと、計測された基準状態量計測値ＰＶｍと、予め設定された追従状態量設定値ＳＰｉと、計測された追従状態量計測値ＰＶｉとが入力されたとき、前記追従状態量計測値ＰＶｉの前記基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合を規定する第１の係数Ｂｉと、前記基準状態量計測値ＰＶｍの前記基準状態量設定値ＳＰｍへの応答性の度合を規定する第２の係数Ａｍとを用いて、前記追従状態量内部設定値ＳＰｉ’をＳＰｉ’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂｉ（ＳＰｉ−ＳＰｍ）＋（１−Ｂｉ）（ＰＶｉ−ＰＶｍ）により算出することにより、
   基準状態量計測値ＰＶｍの基準状態量設定値ＳＰｍへの追従性と、追従状態量計測値ＰＶｉと基準状態量計測値ＰＶｍの差分である相対量ＰＶｉ−ＰＶｍの追従状態量設定値ＳＰｉと基準状態量設定値ＳＰｍの差分である相対量ＳＰｉ−ＳＰｍへの追従性を分離して制御することを特徴とする制御方法。
2. 請求項１記載の制御方法において、
   前記フィルタ手順は、時間遅れ演算により前記ローパスフィルタリング処理を行うことを特徴とする制御方法。
3. 少なくとも２個の並列なＰＩＤ制御ループを有する制御系の装置において、
   特定の基準となる状態量を基準状態量とし、この基準状態量との相対量が予め規定された値を維持するように制御される状態量を追従状態量としたとき、
   追従状態量毎に設けられ、追従状態量を制御するための操作量を算出して、算出した操作量を対応するＰＩＤ制御ループの制御対象に出力するＰＩＤコントローラと、
   追従状態量毎に設けられ、複数の制御演算用入力値のうち追従状態量設定値ＳＰｉを追従状態量内部設定値ＳＰｉ’に変換する追従状態量内部設定値算出部と、
   追従状態量毎に設けられ、前記追従状態量内部設定値ＳＰｉ’をローパスフィルタリング処理した上で前記ＰＩＤコントローラに入力するフィルタ部とを備え、
   前記追従状態量内部設定値算出部は、前記制御演算用入力値として、予め設定された基準状態量設定値ＳＰｍと、計測された基準状態量計測値ＰＶｍと、予め設定された追従状態量設定値ＳＰｉと、計測された追従状態量計測値ＰＶｉとが入力されたとき、前記追従状態量計測値ＰＶｉの前記基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合を規定する第１の係数Ｂｉと、前記基準状態量計測値ＰＶｍの前記基準状態量設定値ＳＰｍへの応答性の度合を規定する第２の係数Ａｍとを用いて、前記追従状態量内部設定値ＳＰｉ’をＳＰｉ’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂｉ（ＳＰｉ−ＳＰｍ）＋（１−Ｂｉ）（ＰＶｉ−ＰＶｍ）により算出することにより、
   基準状態量計測値ＰＶｍの基準状態量設定値ＳＰｍへの追従性と、追従状態量計測値ＰＶｉと基準状態量計測値ＰＶｍの差分である相対量ＰＶｉ−ＰＶｍの追従状態量設定値ＳＰｉと基準状態量設定値ＳＰｍの差分である相対量ＳＰｉ−ＳＰｍへの追従性を分離して制御することを特徴とする制御装置。
4. 請求項３記載の制御装置において、
   前記フィルタ部は、時間遅れ演算により前記ローパスフィルタリング処理を行うことを特徴とする制御装置。

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