JP5010717B2 - Ｐｉｄ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、積分プロセスを対象としたＰＩＤ制御装置に関する。

ＰＩＤ制御に関する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。

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。

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。

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制御装置を提供することである。

本発明は、積分プロセスを対象としたＰＩＤ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可能なＰＩＤ制御装置であって、
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する算出手段と、
算出手段によって算出される積分特性に基づき、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制御モデルのＰＩＤパラメータをチューニングするチューニング手段と、
チューニング手段によってチューニングされたＰＩＤパラメータに基づいて、積分プロセスを制御するときに用いられるＰＩＤパラメータを設定可能な制御器とを含むことを特徴とするＰＩＤ制御装置である。

本発明に従えば、ＰＩＤ制御装置は、算出手段、チューニング手段、および制御器を含み、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。

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。

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。

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設定可能とする。

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。

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。

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。

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。

本発明の一実施形態としての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１のプロセスモデル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。 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。

図１に本発明の一実施形態としての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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明は、以下の実施の形態が可能である。
（１）積分プロセスを対象としたＰＩＤ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可能なＰＩＤ制御装置であって、
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、制御量と操作量の変動幅から簡単な代数演算を施してプロセスの積分特性を算出する算出手段と、
算出手段によって算出される積分特性に基づき、モデル化されたプロセスモデルとＰＩＤ制御機能を模擬した制御モデルを用いてＰＩＤ制御のシミュレータを構成し、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制御モデルのＰＩＤパラメータをチューニングするチューニング手段と、
チューニング手段によってチューニングされたＰＩＤパラメータに基づいて、積分プロセスを制御する制御パラメータが設定可能な制御器とを含むことを特徴とするＰＩＤ制御装置。

（２）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、制御量と操作量の変動幅から簡単な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、モデル化されたプロセスモデルとＰＩＤ制御機能を模擬した制御モデルを用いてＰＩＤ制御のシミュレータを構成し、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パラメータに基づいて、ＰＩＤ制御器の制御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。

（３）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、
変更したパラメータに基づくシミュレーションを実施し、プロセスの要求に応じた微調整がシミュレーション段階で検討できる環境を装備することを特徴とするＰＩＤ制御装置のチューニング方法。

（４）前記周期解析結果に基づくプラントモデルの生成で、操作量を積分演算する過程において、周期を底辺、操作量の変動幅を高さとする三角形の面積演算で積分演算を近似計算することを特徴とするＰＩＤ制御装置のチューニング方法。

（５）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ＰＩＤ制御装置のチューニング方法。

１ ＰＩＤ制御装置
２ 制御対象
３ 制御器
４ 操作端
５ 検出器
６ チューニング機構
７ 調整器
８ 同定器
１１ ＰＩＤ制御装置
１２ 制御対象
１３ 制御器
１４ 操作端
１５ 検出器
１６ シミュレータ
１７ 調整器
１８ 同定器
２０ 制御モデル
２１ 評価器
３０ プロセスモデル
３１ 周期解析手段
３２ 積分特性算出手段
４０ タンク
４１ 入口
４２ 出口
４３ 液

Claims (4)

1. 積分プロセスを対象としたＰＩＤ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可能なＰＩＤ制御装置であって、
   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する算出手段と、
   算出手段によって算出される積分特性に基づき、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制御モデルのＰＩＤパラメータをチューニングするチューニング手段と、
   チューニング手段によってチューニングされたＰＩＤパラメータに基づいて、積分プロセスを制御するときに用いられるＰＩＤパラメータを設定可能な制御器とを含むことを特徴とするＰＩＤ制御装置。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

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