JP4633253B2 - Pid制御装置のチューニング方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、積分プロセスを対象としたPID制御装置のチューニング方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
PID制御に関するチューニング方法、ならびにオートチューニング機能、セルフチューニング機能を備えたPID制御装置が多数提供されている。図8に一般的なオートチューニング機能を含むPID制御装置1に関する構成を示す。プラントの制御対象2を制御器3がPIDパラメータに基づいて制御し、制御対象2を制御するための操作は操作端4によって行われ、操作結果を反映した制御対象2の制御量は検出器5によって検出される。制御器3は制御量と目標値との偏差を解消するように操作端4を駆動する。チューニング機構6は同定器8と調整器7から構成され、同定器8は操作端4に同定信号を与えて制御対象2の特性を同定し、調整器7がその結果に基づき制御器3のPIDパラメータを最適となるように調整する。
【0003】
しかしながら、プラントに多数設けられたPID制御器の全てが前述のチューニング機能を用いて調整されている訳ではなく、PID制御器にオートチューニング、またはセルフチューニング機能が必ずしも備わっていないこと、プラントに直接同定用信号を与えたくないこと、チューニング機能を使うまでもなく調整ができるものも多いといった事由から、調整者の経験と勘によって調整されているものが大半を占める。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、プラントのPID制御器は調整者の経験や勘によって調整されているものも多く、ゆえに、積分プロセスのように遅れが大きいものにあっては調整が不十分となりがちな問題がある。また、オートチューニング、またはセルフチューニング機能が備わった制御器の多くは制御対象に同定用信号を与えるため、プラントに変動を与える結果となって好ましくない。特に、積分プロセスにチューニング不良が多く見られ、大半が周期的な変動を呈しているため、この周期変動を利用して制御対象に同定信号を与えることなく、積分プロセスを同定し、PID制御器のチューニング不良を解消するようなPID制御装置のチューニング方法が求められた。また、プラント運転者にとって、セルフチューニング機能で実プロセスの制御パラメータを直接変えられることに抵抗があり、前もってシミュレーションで制御性能を確認したいという要求もあった。
【0005】
本発明の目的は、チューニングが不十分となりがちな積分プロセスを対象として、プラントに同定用信号を与えることなくプロセスを同定し、前もって最適なPIDパラメータをシミュレーションで求めた後、実プロセスのチューニングに反映できるPID制御装置のチューニング方法を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、積分プロセスを対象としたPID制御装置に対し、PIDパラメータが最適となるようにチューニングする方法であって、
周期的な変動を呈している制御量、または操作量の周期を周期解析から求め、周期と、制御量および操作量の変動幅とから予め定める代数演算を施してプロセスの積分特性を算出し、
算出された積分特性に基づき、積分プロセスを同定したプロセスモデルとPID制御機能を模擬した制御モデルとを用いてPID制御のシミュレータを構成し、シミュレータにテスト用入力信号を与えてその応答波形が最適となるようにチューニングし、
チューニングによって得られたPIDパラメータ、および表示手段に表示されたテスト用入力信号に対するシミュレータの応答波形に基づいて、積分プロセスを制御するときに操作によって制御器に設定されるPIDパラメータを調整することを特徴とするPID制御装置のチューニング方法である。
【0007】
本発明に従えば、PID制御装置のチューニング方法では、積分プロセスから検出される制御量と目標値を比較し、比較結果に基づく制御に用いられ、PIDパラメータが最適となるようにチューニングすることが可能である。
【0008】
算出手段は、周期的な変動を呈している制御量、または操作量を解析して周期を求める。算出手法は制御量の自己相関関数や、制御量と操作量の相互相関関数を使ってもよいし、フーリエ解析やスペクトル解析を用いてもよい。算出手段は、プロセスを積分器とみなして、制御量の変動幅と操作量の変動面積から積分ゲインを算出する。従って、プロセスモデルは単純な積分器として表され、プロセスの積分特性を表現するパラメータが積分ゲインに対応する。操作量の変動面積は、算出手段で求めた周期を底辺、操作量の変動幅を高さとした三角形の面積演算で近似計算して求める。制御モデルは制御器のPID演算式を用い、同定したプロセスモデルと制御モデルを使って制御シミュレータを構成する。
【0009】
チューニング手段は、テスト用入力信号に対するシミュレーションを実施し、応答波形が最適となるように制御モデルのPIDパラメータを調整する。テスト用入力信号は、ステップ信号やインパルス信号を用い、応答波形の評価は、ステップ応答にあっては、例えばオーバーシュート面積最小といった、予め定めた評価関数に従って評価を行う。チューニング過程において、制御シミュレーション、応答波形の評価、制御モデルのPIDパラメータ調整といった一連の動作を繰り返し行い、最適なPIDパラメータを求める。
【0010】
上述のチューニング手段で最適なPIDパラメータが得られるが、前もってシミュレーションで制御性能を確認したいといった要求や、実施者のノウハウを生かした微調整も加味できるよう、テスト用入力信号に対する応答波形を表示手段に画面表示する機能と、制御モデルのPIDパラメータを変更できる機能を装備する。また、内蔵する制御シミュレータを使ってチューニングされたPIDパラメータに基づき、積分プロセスを制御する制御器の制御パラメータが操作によって設定可能となる。
【0011】
【発明の実施形態】
図1に本発明の一実施形態におけるPID制御装置11の構成図を示す。図8のPID制御装置1と同様に、制御器13はPIDパラメータに基づいてプラントの制御対象12を制御し、制御対象12を制御するための操作は操作端14によって行われ、操作結果を反映した制御対象12の制御量は検出器15によって検出される。制御器13は制御量と目標値との偏差を解消するように操作端14を駆動する。
【0012】
制御器13のPIDパラメータは、制御シミュレータ16の演算結果に基づいて設定することが可能であり、制御シミュレータ16は調整器17と同定器18の一部から成る。一般的なオートチューニング、またはセルフチューニング機構は図8の調整器7と同定器8から成るが、制御モデルを持たないために制御シミュレータは備わっていない。本発明に従えば、制御モデル20を設けることで制御シミュレータ16を構成でき、オフラインの制御シミュレーションが可能となる。従って、同定器18は周期解析手段31と積分特性算出手段である簡易積分器32、プロセスモデル30、調整器17は制御モデル20と評価器21から成り、このうち制御モデル20と評価器21、プロセスモデル30で制御シミュレータ16を構成する。本発明は、制御量と操作量が周期的な変動を呈しているPID制御器を最適にチューニングすることを目的としており、積分プロセスを対象とした同定法、ならびに制御シミュレーションを基にしたチューニング法であることに特徴がある。
【0013】
本発明の積分プロセスの同定法を、図2に示すタンクの液面制御モデルに基づいて解説する。タンク40は、入口41と出口42が設けてあり、内部に液43が貯蔵されている。PID制御装置11は、出口42に設けられた操作端14である制御弁の開度を調整して液43の液面を制御する。制御量となる液面の高さは検出器15である液面計によって検出される。制御弁の弁開度を変化させると出口流量が変化し、入口流量が一定であれば、質量保存則から出口流量変化を積分したものとタンク40の液量変化は等しい。液面制御のチューニングが不良であれば、多くの場合、図3のような制御量と操作量が周期的な変動を起こす。この周期変動データを使うことによって、プラントに同定用信号を与えることなくプロセスを同定し、最終的にPID制御器をチューニングすることが可能である。
【0014】
プロセス同定において、プロセスが積分系であるために、操作量を積分したものと制御量を関連づける必要がある。操作量を積分する過程で、操作量の変動周期と変動幅を求める必要があり、周期を求める一手段として相互相関関数[数1]を用いる。図3の制御量と操作量の相互相関関数を図4に示す。位相が重なれば正相関、反転すると負相関を示し、正、負の極値から1/2周期を求めることができ、2倍して周期を求める。
【0015】
【数1】
【0016】
図4の例は、1/2周期が21分であることから1周期42分と求められた。
次に、制御量、操作量の変動幅を求める。図5に示すように、時系列データを1周期よりやや長い時刻、好ましくは1.2周期で短冊状に分割し、分割したデータに1周期分が含まれるようにする。このデータの最大値と最小値の差から変動幅が求まる。分割した個数分の変動幅を平均し、制御量、操作量の代表的な変動幅を求める。平均化することにより、ランダムな外乱が除去され、より正確な変動幅が求められる効果がある。図5の例は、液面変動幅6%、制御弁の開度変化6%と求められた。
【0017】
制御量、操作量には、計装上の遅れが含まれるが、プロセスの遅れと比較して十分小さいため無視し、むだ時間もないものとして考える。さらに、操作端である制御弁の弁開度も変動範囲内で局所線形と考えて、プロセスモデルを線形な積分器とおく。プロセスモデルを積分器とおくことにより、同定すべきモデルパラメータは1つとなって、数値計算上、見通しのよいものとなる。
【0018】
次に、操作量の周期と変動幅から変動面積を算出し、制御量の変動幅と比較してモデルパラメータである積分ゲインを計算する。操作量の積分は、[数2]に示す、三角形の面積演算を用いて近似計算する。
【0019】
【数2】
【0020】
操作量の周期、変動幅から、周期変動している操作量の積分値が求まった。操作量の積分値と制御量の比[数3]から、プロセスの積分特性を表す積分ゲインが求まる。また、タンク内液の滞留時間は[数4]で計算する。
【0021】
【数3】
【0022】
【数4】
【0023】
図5の例は、制御量平均35[%]、操作量平均53[%]で、積分ゲイン、滞留時間は次のように求められた。
【0024】
【数5】
【0025】
従って、プロセスモデルをラプラス変換表記すれば、0.0008/sとなる。以上がプロセスモデル算出の過程となり、図1の同定器18の機能となる。
【0026】
制御モデルは、PID制御器の機能仕様書に記載されているPID演算式をそのまま用いる。実施例のPID演算式は、I−PD式と呼ばれている式[数6]で、 PIDパラメータは、比例帯、積分時間、微分時間となる。
【0027】
【数6】
【0028】
過渡応答法で、最もよく用いられる方法がステップ応答法であるため、実施例もステップ応答によるチューニング手段とする。一般に、ステップ応答によるチューニングは、制御量20%行き過ぎが良いとされているが、実プラントでは行き過ぎなしの保守的なチューニングが好まれる。実施されているチューニング法にならって、行き過ぎなしの、行き過ぎ面積が最小となる[数7]を評価関数とする。ステップ入力に対する応答波形例を図6に示す。
【0029】
【数7】
【0030】
調整すべきPIDパラメータは3つあるため、さまざまな調整法が提案されるが、一例として、比例帯固定、微分時間0秒とし、周期変動を起こさない積分時間を求める方法を考える。比例帯は、比例制御だけでタンクが空になったり、溢れない最も保守的な値を[数8]から算出し、この値で固定値とする。ただし、実際にPID制御器に設定してある値が、求めた値よりも小さい場合には、制御器側の値で固定する。
【0031】
【数8】
【0032】
微分時間も0秒と決めたため、周期変動を起こさない積分時間を、制御シミュレーションで求めてゆく。積分時間の初期値として滞留時間の2倍を与え、[数7]の評価関数を満たす積分時間を求める。プラントモデルと制御モデル、評価器で制御シミュレータを構成し、入力信号として3%のステップ信号を与える。ステップ応答シミュレーションを実行し、評価関数の値が0以下であれば積分時間の値を現在値の0.75倍に、評価関数が0よりも大きければ積分時間の値を現在値の1.25倍に調整する。繰り返しステップ応答シミュレーションと積分時間調整を行って、評価関数値が正、かつ、0に近い値となったとき処理を終了する。以上で、行き過ぎなしの制御動作が速い、最適なPIDパラメータが求まった。一連の手順を記したフローチャートを図7に示す。
【0033】
図6の最適値の例は、積分時間の初期値を1650秒とし、チューニング手段で比例帯66%、積分時間656秒を求めた、ステップ応答波形である。以上がチューニング過程であり、図1の調整器17、制御シミュレータ16に関する機能となる。
【0034】
図7では、ステップs0から手順を開始し、ステップs1では、図3に示すように、制御量の周期成分を抽出する。ステップs2では、図4に示すように、周期成分から周期を算出する。ステップs3では、図5に示すように、簡易積分演算を行い、滞留時間および積分ゲインを求める。ステップs4では、積分ゲインに基づいてプロセスモデルを生成する。ステップs5では、PIDパラメータの初期設定を行う。
【0035】
ステップs6では、図6に示すようなステップ入力でのシミュレーションを行う。ステップs7では、過渡応答特性で評価を行い、評価に不満であるときには、ステップs8でPIDパラメータを調整し、ステップs6に戻る。ステップs6からステップs8までの手順は、満足すべき過渡応答が得られるまで繰返す。過渡応答の評価は、ステップ入力に対して定型的に行うことができるので、ステップs6からステップs8までの繰返し手順は自動化することができる。
【0036】
ステップs7で満足すべき評価が得られれば、ステップs9で、求めたパラメータを見て、実際の制御器13の制御パラメータを調整する。前述のように、実際の制御パラメータは、人の要求に合わせて微調整することができる。ステップs10で手順を終了する。
【0037】
次に、実施者が実プラント適用前にPIDパラメータの変更が可能な、制御シミュレータを使った微調整機能について述べる。プロセスの要求に応じて、チューニング手段で求めた制御動作よりもやや速くしたい場合や、鈍くしたい場合がある。しかし、一般のオートチューニング、またはセルフチューニングは、自動チューニングを適用した後でなければ微調整することができない。従って、チューニング手段で求めたPIDパラメータは、制御面では最適なものであってもプロセスの要求に合っていない場合や、最適にチューニングされていても、後に不適当な微調整がされる恐れがある。本発明は、この点に配慮し、制御シミュレータを用いることによりプロセスに影響を与えることなく、事前の微調整を可能としている。実施者が変更したパラメータに基づき、制御シミュレーションを実行し、ディスプレイ画面上にステップ応答波形を表示することにより、理解しやすいものとした。実施者は、その応答波形を見て評価し、満足な結果が得られたならば、PID制御器の制御パラメータとして設定することが可能である。
【0038】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、積分プロセスの、制御量、操作量が周期的な変動を呈しているPID制御器の最適なチューニングが可能である。周期変動データを用いることで、実プラントに同定用信号を与える必要がなく、プラントが変動する恐れがない。また、プロセスモデルを積分器とおくことでモデル構造が簡単となり、積分演算を三角形の面積演算で近似するため、迅速にプロセスモデルを生成することが可能である。
【0039】
さらに、内部にPID制御機能を模擬した制御モデルも設けることにより、制御シミュレータを構成でき、理解しやすい過渡応答法によるPIDチューニングが可能である。応答波形は、表示手段であるディスプレイ画面上に表示されるため、事前に制御性能を確認することも可能である。
【0040】
また、本発明は、プラント運転者しか知り得ないような、プロセスの要求に応じた調整も考慮し、実施者が、シミュレーション段階でPIDパラメータの微調整ができる環境を装備している。本機能により、調整ノウハウを事前に盛り込むことができ、実プラントへのより安全な制御パラメータの設定が可能である。
【0041】
本発明によれば、周期的な変動を呈している、液面制御、圧力制御のPIDチューニングが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態におけるPID制御装置11の概略的な構成を示すブロック図である。
【図2】 図1のPID制御装置11を用いて液面制御を行うプラントモデルを簡略化して示した配管系統図である。
【図3】 図2のプラントモデルから得られる制御量および操作量の時系列データのグラフである。
【図4】 図3の時系列データから得られる相互相関関数のグラフである。
【図5】 図3の時系列データに基づく簡易積分演算の考え方を示すグラフである。
【図6】 図1のプラントモデル30にステップ入力信号を与えた、制御シミュレータの過渡応答を示すグラフである。
【図7】 図1のPID制御装置11に制御パラメータを設定する手順を示すフローチャートである。
【図8】 一般的なオートチューニング機能を含むPID制御装置の概略的な構成を示したブロック図である。
Claims (4)
- 積分プロセスを対象としたPID制御装置に対し、PIDパラメータが最適となるようにチューニングする方法であって、
周期的な変動を呈している制御量、または操作量の周期を周期解析から求め、周期と、制御量および操作量の変動幅とから予め定める代数演算を施してプロセスの積分特性を算出し、
算出された積分特性に基づき、積分プロセスを同定したプロセスモデルとPID制御機能を模擬した制御モデルとを用いてPID制御のシミュレータを構成し、シミュレータにテスト用入力信号を与えてその応答波形が最適となるようにチューニングし、
チューニングによって得られたPIDパラメータ、および表示手段に表示されたテスト用入力信号に対するシミュレータの応答波形に基づいて、積分プロセスを制御するときに操作によって制御器に設定されるPIDパラメータを調整することを特徴とするPID制御装置のチューニング方法。 - 前記PID制御のシミュレータは、求められた制御モデルのPIDパラメータを変更することができ、
変更したPIDパラメータに基づくシミュレーションをシミュレータによって実施し、表示手段に表示される応答波形を確認して、チューニングによって得られたPIDパラメータの調整を行うことを特徴とする請求項1記載のPID制御装置のチューニング方法。 - 前記代数演算は、周期を底辺、操作量の変動幅を高さとする三角形の面積として近似計算することを特徴とする請求項1または2記載のPID制御装置のチューニング方法。
- 前記積分プロセスは、液面制御または圧力制御のうちの少なくとも一方が対象であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のPID制御装置のチューニング方法。
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