JP5009184B2 - 制御機器および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、温調計などの制御機器に係り、特に制御量目標値のランプ入力時等における操作量の急変を抑制する制御機器および制御方法に関するものである。

温調計などの制御機器では、制御量目標値ＳＰを制御周期毎に一定のＳＰ変化率で継続的に変化させていくランプ入力と言われる方式が採用される。この方式とは別に一般的な制御量目標値ＳＰの変化の与え方としてステップ入力と言われる方式があるが、この方式では制御量目標値ＳＰが急激に変化する。ランプ入力は、制御量目標値ＳＰの急激な変化を回避する必要のある場合に有用である。

ただし、制御量目標値ＳＰをランプ入力により一定のＳＰ変化率で継続的に変化させた後は、ＳＰ変化率を変更しなければならない。例えば、ＳＰ変化率をゼロにして一定の制御量目標値ＳＰに制御量ＰＶを安定化させるなどの操作を行う必要がある。このとき、ＳＰ変化率を変更した時点において、制御量目標値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差の変化率が急変する（すなわち、不連続動作になる）ため、制御アルゴリズムとしてＰＩＤを利用している場合、微分動作Ｄの効果などにより操作量ＭＶが急変することが避けられない。仮に制御のためのアクチュエータとしてバルブなどメカニカルな機器を利用している場合、操作量ＭＶの急変は好ましくなく、機器の寿命にも悪い影響を与えてしまう。

一方、従来より、操作量ＭＶの出力を抑制する方式として、操作量ＭＶに上下限値を設定して無効な出力値を抑制する方式がある（例えば特許文献１参照）。制御の専門家によれば、特許文献１に開示された技術に基づいて、操作量変化率ΔＭＶに上下限値を設定する方式を容易に想到できる。

特開２００３−３３０５０４号公報

以上のように、制御量目標値ＳＰのランプ入力を行うと、操作量ＭＶが急変する可能性があった。
また、操作量変化率ΔＭＶに上下限値を設定すれば、操作量ＭＶの急変を抑制することができるが、制御量目標値ＳＰの変化を伴わない制御動作（例えば外乱抑制時）においても、操作量ＭＶの変化が抑制されることになる。外乱抑制時の操作量ＭＶの急変は、外乱抑制という目的のために生じる止むを得ない急変のはずであり、このような必要な急変は抑制してはならない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、通常の目標値追従制御時は操作量ＭＶの急変を抑制し、外乱抑制時などの緊急時には必要とされる操作量ＭＶの急変を抑制しないようにする制御機器および制御方法を提供することを目的とする。

本発明の制御機器は、外部から入力された制御量目標値の変化率の変化率を上限値と下限値の範囲内に制限する上下限処理を行い、上下限処理後の制御量目標値を算出する制限手段と、この制限手段で算出された制御量目標値と制御量との偏差に基づいて操作量を算出して制御対象に出力する制御演算手段とを備え、前記制御演算手段の制御アルゴリズムは、ＰＩＤであり、前記制限手段は、前記上限値と下限値をＰＩＤパラメータに応じて設定する上下限値設定手段を備えるものである。

また、本発明の制御方法は、外部から入力された制御量目標値の変化率の変化率を上限値と下限値の範囲内に制限する上下限処理を行い、上下限処理後の制御量目標値を算出する制限手順と、この制限手順で算出された制御量目標値と制御量との偏差に基づいて操作量を算出して制御対象に出力する制御演算手順とを備え、前記制御演算手順の制御アルゴリズムは、ＰＩＤであり、前記制限手順は、前記上限値と下限値をＰＩＤパラメータに応じて設定する上下限値設定手順を含むものである。

本発明によれば、制御量目標値の変化率の変化率に対して上下限処理を行い、上下限処理後の制御量目標値を算出するようにしたので、１回の制御周期あたりの制御量目標値の変化率の変化率を制限することができ、結果的に制御量目標値の変化率の変更を数周期に分割することができる。したがって、本発明では、制御量目標値のランプ入力時等における操作量の急変を抑制することができる。また、本発明では、操作量の変化率には制限をかけていないので、外乱抑制時などの緊急時に制御演算部が必要とされる操作量を算出したときに、この操作量の急変が抑制されることはない。

また、本発明では、上限値と下限値をＰＩＤパラメータに応じて設定することにより、制御の即応性重視の度合いが強いほど操作量の急変の抑制効果が大きくなるようにすることができる。

また、本発明では、制御量目標値の変化率の変化率を複数制御周期の個数に分割する分割処理を行い、分割処理後の制御量目標値を算出するようにしたので、制御量目標値の変化率の変更を複数制御周期に分割することができる。したがって、本発明では、制御量目標値のランプ入力時等における操作量の急変を抑制することができる。また、本発明では、外乱抑制時などの緊急時に制御演算部が必要とされる操作量を算出したときに、この操作量の急変が抑制されることはない。

［発明の原理］
図１（Ａ）に制御量目標値ＳＰのランプ入力の１例を示し、図１（Ｂ）に図１（Ａ）の制御量目標値ＳＰに応じた操作量ＭＶの変化を示す。図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、ＳＰ変化率が変化したときに、操作量ＭＶが急変していることが分かる。

制御量目標値ＳＰのランプ入力におけるＳＰ変化率の変更は、ＳＰ変化率自体の急激な変化である。すなわち、そのＳＰ変化率の変化が操作量ＭＶの急変の要因であるので、ＳＰ変化率の変化の度合を緩和することで操作量ＭＶの急変を抑制できることに、発明者は着眼した。そして、ＳＰ変化率の変化率に上下限値を予め設定してＳＰ変化率の変化を制限すれば、課題解決のために有効であることに、発明者は想到した。あるいは、ＳＰ変化率の変更を数周期に分割すれば、課題解決のために有効であることに、発明者は想到した。従来の制御機器が備えるＳＰフィルタでは、制御量目標値ＳＰのランプ入力に対してＳＰフィルタ通過後の数値に遅れが発生する。本実施の形態の方法では、従来のＳＰフィルタのような遅れが発生しないところに、重要な技術的特徴がある。

また、制御アルゴリズムとしてＰＩＤを利用している場合、操作量ＭＶの急変は、ＰＩＤパラメータの設定値にも依存する。すなわち、操作量ＭＶの急変の程度は、ＰＩＤパラメータの即応性重視の程度によって異なるものであり、即応性重視の度合いが強いほど操作量ＭＶの急変の抑制効果を大きくするのが実用的であることに、発明者は着眼した。そして、ＳＰ変化率の変化率を、ＰＩＤパラメータに連動して可変にすればよいことに、発明者は想到した。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、離散化した制御動作としての説明になるので、上記「変化率」と実質的に等価な数量として「変化量」という表現を用いる。１制御周期あたりの変化量なので、この変化量は実質的に変化率になる。
図２は本発明の第１の実施の形態に係る制御機器の構成を示すブロック図である。制御機器は、制御量目標値入力部１と、制御量入力部２と、目標値変化量変化量制限部３と、ＰＩＤ制御演算部４とを有する。

図３は本実施の形態の制御機器を適用する温度制御系の１例を示す図である。図３の例では、加熱処理炉１１の内部にヒータ１２と温度センサ１３とが設置されている。温度センサ１３は、ヒータ１２によって加熱される空気の温度ＰＶを測定する。温調計１０は、温度ＰＶが制御量目標値ＳＰと一致するように操作量ＭＶを算出する。電力調整器１４は、操作量ＭＶに応じた電力を決定し、この決定した電力を電力供給回路１５を通じてヒータ１２に供給する。こうして、温調計１０は、加熱処理炉１１内の温度を制御する。本実施の形態の制御機器は、この温調計１０の内部に設けられるものである。

以下、本実施の形態の制御機器の動作を説明する。図４は制御機器の動作を示すフローチャートである。
制御量目標値ＳＰは、制御機器のオペレータによって設定され、制御量目標値入力部１を介して目標値変化量変化量制限部３に入力される（図４ステップＳ１）。
制御量ＰＶは、センサ（図３の例では温度センサ１３）によって検出され、制御量入力部２を介してＰＩＤ制御演算部４に入力される（ステップＳ２）。

目標値変化量変化量制限部３は、制御量目標値ＳＰの変化量の変化量を算出し（ステップＳ３）、制御量目標値ＳＰの変化量の変化量に対する上下限処理を行い（ステップＳ４）、変化量の変化量を制限した制御量目標値ＳＰ’を算出する（ステップＳ５）。
図５は目標値変化量変化量制限部３の構成を示すブロック図である。目標値変化量変化量制限部３は、目標値変化量変化量算出部３０（第１の算出手段）と、目標値変化量変化量上下限処理部３１と、制御量目標値算出部３２（第２の算出手段）とから構成される。

目標値変化量変化量算出部３０は、以下の式により、現在の制御周期の制御量目標値ＳＰ_nの変化量の変化量Δ²ＳＰ_nを算出する（ステップＳ３）。式（１）〜式（３）において、ＳＰ_nは現在の制御周期の制御量目標値、ＳＰ_n-1は１制御周期前の制御量目標値、ＳＰ_n-2は２制御周期前の制御量目標値である。また、ΔＳＰ_nは現在の制御周期の制御量目標値の変化量、ΔＳＰ_n-1は１制御周期前の制御量目標値の変化量である。
ΔＳＰ_n＝ＳＰ_n−ＳＰ_n-1 ・・・（１）
ΔＳＰ_n-1＝ＳＰ_n-1−ＳＰ_n-2 ・・・（２）
Δ²ＳＰ_n＝ΔＳＰ_n−ΔＳＰ_n-1 ・・・（３）

続いて、目標値変化量変化量上下限処理部３１は、制御量目標値ＳＰ_nの変化量の変化量Δ²ＳＰ_nに対して以下の式のような上下限処理を行う（ステップＳ４）。式（４）〜式（５）において、Ｔｈ（Ｔｈ＞０）は予め定められた上限値である。
ｉｆ Δ²ＳＰ_n＞Ｔｈ ｔｈｅｎ Δ²ＳＰ_n＝Ｔｈ ・・・（４）
ｉｆ Δ²ＳＰ_n＜−Ｔｈ ｔｈｅｎ Δ²ＳＰ_n＝−Ｔｈ ・・・（５）

すなわち、目標値変化量変化量上下限処理部３１は、ステップＳ３で算出された制御量目標値ＳＰ_nの変化量の変化量Δ²ＳＰ_nが上限値Ｔｈより大きい場合は、Δ²ＳＰ_n＝Ｔｈとし、ステップＳ３で算出された制御量目標値ＳＰ_nの変化量の変化量Δ²ＳＰ_nが下限値（−Ｔｈ）より小さい場合は、Δ²ＳＰ_n＝−Ｔｈとする。

制御量目標値算出部３２は、ステップＳ４で上下限処理された制御量目標値ＳＰ_nの変化量の変化量Δ²ＳＰ_nに基づいて、以下の式により、変化量の変化量を制限した制御量目標値ＳＰ_n’を算出する（ステップＳ５）。式（６）〜式（７）において、ΔＳＰ_n’はステップＳ４の上下限処理により制限された制御量目標値の変化量である。
ΔＳＰ_n’＝ΔＳＰ_n-1＋Δ²ＳＰ_n ・・・（６）
ＳＰ_n’＝ＳＰ_n-1＋ΔＳＰ_n’ ・・・（７）

次に、ＰＩＤ制御演算部４は、目標値変化量変化量制限部３から入力された制御量目標値ＳＰ_n’、制御量入力部２から入力された制御量ＰＶに基づいて、次式のようなフィードバック制御演算を行い操作量ＭＶを算出する（ステップＳ６）。
ＭＶ＝（ａ／Ｐｂ）｛１＋（１／Ｔｉｓ）＋Ｔｄｓ｝（ＳＰ_n’−ＰＶ）
・・・（８）

式（８）において、Ｐｂは比例帯、Ｔｉは積分時間、Ｔｄは微分時間、ｓはラプラス演算子である。また、ａは定数で、例えばａ＝１００である。そして、ＰＩＤ制御演算部４は、算出した操作量ＭＶを図示しない制御対象（実際の出力先はヒータ１２等のアクチュエータ）に出力する。
以上のようなステップＳ１〜Ｓ６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Ｓ７においてＹＥＳ）、制御周期毎に繰り返し実行される。

以上のように、本実施の形態では、制御量目標値ＳＰ_nの変化量の変化量に対して上下限処理を行い、上下限処理後の制御量目標値ＳＰ_n’を算出するようにしたので、１回の制御周期あたりの制御量目標値ＳＰ_nの変化量の変化量を制限することができ、結果的に制御量目標値ＳＰ_nの変化量の変更を数周期に分割することができる。したがって、本実施の形態では、制御量目標値ＳＰ_nのランプ入力時等における操作量ＭＶの急変を抑制することができる。また、本実施の形態では、操作量ＭＶの変化率には制限をかけていないので、外乱抑制時などの緊急時にＰＩＤ制御演算部４が必要とされる操作量ＭＶを算出したときに、この操作量ＭＶの急変が抑制されることはない。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態において、制御量目標値ＳＰの変化量の変化量に対する上下限値を、ＰＩＤパラメータに連動する可変な数値としたものである。本実施の形態においても、制御機器の全体の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図２の符号を用いて説明する。

図６は本実施の形態の目標値変化量変化量制限部３の構成を示すブロック図である。本実施の形態の目標値変化量変化量制限部３は、図５の構成に対して上下限値設定部３３を追加したものである。
上下限値設定部３３は、以下の式により、上限値Ｔｈを算出し、算出した上限値Ｔｈを目標値変化量変化量上下限処理部３１に設定する。
Ｔｈ＝αＰｂ＋βＴｉ−γＴｄ＋Ｔｈ０ ・・・（９）

式（９）において、α，β，γは予め規定される定数（正値）、Ｔｈ０はＰＩＤパラメータ（比例帯Ｐｂ、積分時間Ｔｉ、微分時間Ｔｄ）と独立のバイアス成分である。なお、第１の実施の形態では、制御量目標値ＳＰの変化量の変化量に対する下限値を（−Ｔｈ）としているので、上限値Ｔｈを設定すれば、同時に下限値（−Ｔｈ）も設定されることは言うまでもない。

ＰＩＤでは、比例帯Ｐｂ、積分時間Ｔｉの値が小さいほど即応性重視の制御特性となり、また微分時間Ｔｄが大きいほど即応性重視の制御特性となる。
本実施の形態によれば、制御量目標値ＳＰの変化量の変化量に対する上下限値を、ＰＩＤパラメータに連動させることにより、制御の即応性重視の度合いが強いほど操作量ＭＶの急変の抑制効果が大きくなるようにすることができる。なお、上下限値設定部３３による上下限値の設定は、制御周期毎にステップＳ４の前で行ってもよいが、例えば制御機器の動作開始後の最初の制御周期やＰＩＤパラメータの変更時に実施すればよく、必ずしも制御周期毎に行う必要はない。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、制御量目標値ＳＰの変化量の変更を数周期に分割するようにしたものである。本実施の形態においても、制御機器の全体の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図２の符号を用いて説明する。

図７は本実施の形態の目標値変化量変化量制限部３の構成を示すブロック図である。本実施の形態の目標値変化量変化量制限部３は、目標値変化量変化量算出部３４（第１の算出手段）と、目標値変化量変化量分割処理部３５と、制御量目標値算出部３６（第２の算出手段）とから構成される。

図８は本実施の形態の制御機器の動作を示すフローチャートであり、図４と同一の処理には同一の符号を付してある。ステップＳ１，Ｓ２の処理は、第１の実施の形態と同じである。
目標値変化量変化量算出部３４は、第１の実施の形態の目標値変化量変化量算出部３０と同様に式（１）〜式（３）により、制御量目標値ＳＰ_nの変化量の変化量Δ²ＳＰ_nを算出する（ステップＳ９）。

目標値変化量変化量分割処理部３５は、以下の式により、制御量目標値ＳＰ_nの変化量の変化量Δ²ＳＰ_nを分割した分割量Δ²ＳＰ_nxを算出する（ステップＳ１０）。式（１０）において、ｋは予め定められた分割数であり、２以上の整数である。
Δ²ＳＰ_nx＝Δ²ＳＰ_n／ｋ ・・・（１０）

次に、制御量目標値算出部３６は、ステップＳ１０で算出された分割量Δ²ＳＰ_nxに基づいて、以下の式により、変化量の変化量を制限した制御量目標値ＳＰ_n’を算出する（ステップＳ１１）。式（１１）〜式（１２）において、ΔＳＰ_n-1’は１制御周期前の式（１１）の演算により算出された制御量目標値の変化量、ＳＰ_n-1’は１制御周期前の式（１２）の演算により算出された制御量目標値である。
ΔＳＰ_n’＝ΔＳＰ_n-1’＋Δ²ＳＰ_nx ・・・（１１）
ＳＰ_n’＝ＳＰ_n-1’＋ΔＳＰ_n’ ・・・（１２）

制御量目標値算出部３６は、式（１１）、式（１２）の算出を行った制御周期から１制御周期後では、以下の式により、変化量の変化量を制限した制御量目標値ＳＰ_n+1’を算出する。
ΔＳＰ_n+1’＝ΔＳＰ_n’＋Δ²ＳＰ_nx ・・・（１３）
ＳＰ_n+1’＝ＳＰ_n’＋ΔＳＰ_n+1’ ・・・（１４）

また、制御量目標値算出部３６は、式（１１）、式（１２）の算出を行った制御周期から（ｋ−１）制御周期後では、以下の式により、変化量の変化量を制限した制御量目標値ＳＰ_n+k-1’を算出する。
ΔＳＰ_n+k-1’＝ΔＳＰ_n+k-2’＋Δ²ＳＰ_nx ・・・（１５）
ＳＰ_n+k-1’＝ＳＰ_n+k-2’＋ΔＳＰ_n+k-1’ ・・・（１６）

以上のように、制御量目標値算出部３６は、制御量目標値ＳＰ_n’，ＳＰ_n+1’，・・・・，ＳＰ_n+k-1’を順番に算出する。式（１１）、式（１２）の算出を行った制御周期からｋ制御周期後では、再び式（１１）、式（１２）の算出を行う。

なお、式（１１）、式（１２）の算出を行った制御周期から（ｋ−１）制御周期の間は、ステップＳ８において判定ＹＥＳとなり、ステップＳ９，Ｓ１０の処理を行う必要はない。目標値変化量変化量算出部３４と目標値変化量変化量分割処理部３５は、式（１１）、式（１２）の算出を行った制御周期からｋ制御周期後に、再びステップＳ９，Ｓ１０の処理を行う。ステップＳ６，Ｓ７の処理は、第１の実施の形態と同じである。
こうして、本実施の形態では、制御量目標値ＳＰの変化量の変更を数周期に分割することにより、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、第１〜第３の実施の形態で説明した制御機器は、ＣＰＵ、記憶装置及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。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１〜第３の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、温調計などの制御機器に適用することができる。

制御量目標値のランプ入力の１例を示す図および制御量目標値のランプ入力に応じた操作量の変化を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る制御機器の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る制御機器を適用する温度制御系の１例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る制御機器の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態に係る制御機器の目標値変化量変化量制限部の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る目標値変化量変化量制限部の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る目標値変化量変化量制限部の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る制御機器の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１…制御量目標値入力部、２…制御量入力部、３…目標値変化量変化量制限部、４…ＰＩＤ制御演算部、３０…目標値変化量変化量算出部、３１…目標値変化量変化量上下限処理部、３２…制御量目標値算出部、３３…上下限値設定部、３４…目標値変化量変化量算出部、３５…目標値変化量変化量分割処理部、３６…制御量目標値算出部。

Claims (2)

1. 外部から入力された制御量目標値の変化率の変化率を上限値と下限値の範囲内に制限する上下限処理を行い、上下限処理後の制御量目標値を算出する制限手段と、
   この制限手段で算出された制御量目標値と制御量との偏差に基づいて操作量を算出して制御対象に出力する制御演算手段とを備え、
   前記制御演算手段の制御アルゴリズムは、ＰＩＤであり、
   前記制限手段は、前記上限値と下限値をＰＩＤパラメータに応じて設定する上下限値設定手段を備えることを特徴とする制御機器。
2. 外部から入力された制御量目標値の変化率の変化率を上限値と下限値の範囲内に制限する上下限処理を行い、上下限処理後の制御量目標値を算出する制限手順と、
   この制限手順で算出された制御量目標値と制御量との偏差に基づいて操作量を算出して制御対象に出力する制御演算手順とを備え、
   前記制御演算手順の制御アルゴリズムは、ＰＩＤであり、
   前記制限手順は、前記上限値と下限値をＰＩＤパラメータに応じて設定する上下限値設定手順を含むことを特徴とする制御方法。

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