JP5071057B2 - PID control support device - Google Patents

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Description

本発明はPID制御支援装置に関し、特に、射出成形機、リフロー炉、フラットパネルディスプレイ製造装置、半導体製造装置などの温度制御などに使用されるPID調整器のパラメータ設定方法に適用して好適なものである。   The present invention relates to a PID control support device, and particularly suitable for a parameter setting method of a PID adjuster used for temperature control of an injection molding machine, a reflow furnace, a flat panel display manufacturing device, a semiconductor manufacturing device, and the like. It is.

従来の射出成形機のシリンダの温度制御ではPID制御を用いる方法がある。このPID制御では、ステップ応答法やリミットサイクル法などの手法を用いてオートチューニングを行いながらPID制御パラメータが決定され、システムの変動に対しては、オートチューニングを繰り返し行うことで、PID制御パラメータをシステム変動に対応したものに変更しながら適応制御が行われている。
また、例えば、非特許文献1には、熱的干渉が存在する制御対象の非干渉化を実現するために、複数のヒータおよびセンサを使用した傾斜温度制御方法が開示されている。
There is a method using PID control in the temperature control of a cylinder of a conventional injection molding machine. In this PID control, a PID control parameter is determined while performing auto-tuning using a method such as a step response method or a limit cycle method, and the PID control parameter is determined by repeatedly performing auto-tuning for system fluctuations. Adaptive control is performed while changing to a system corresponding to system fluctuations.
Further, for example, Non-Patent Document 1 discloses a gradient temperature control method using a plurality of heaters and sensors in order to realize non-interference of a control target in which thermal interference exists.

図12は、従来の温度制御システムの概略構成を示すブロック図である。
図12において、温度調整器100には、比例微分積分制御を行うPID調節器P0〜Pn-1、制御対象101の伝達特性を実現する前置補償器Gcおよび制御対象101の温度計測値ch0〜chn-1を平均温度計測値k0および傾斜温度計測値k1〜kn-1に変換するモード変換器Gm、平均温度設定値s0および傾斜温度設定値s1〜sn-1と、平均温度計測値k0および傾斜温度計測値k1〜kn-1との偏差をそれぞれ算出する減算器M0〜Mn-1が設けられている。
FIG. 12 is a block diagram showing a schematic configuration of a conventional temperature control system.
In FIG. 12, a temperature regulator 100 includes PID regulators P 0 to P n−1 that perform proportional differential integral control, a pre-compensator Gc that realizes transfer characteristics of the controlled object 101, and measured temperature values of the controlled object 101. ch 0 ~ch n-1 an average temperature measurement value k 0 and gradient temperature measurements k 1 to k mode converter Gm for converting the n-1, the mean temperature setpoint s 0 and gradient temperature setpoint s 1 ~s n -1 subtractor M 0 ~M n-1 to calculate an average temperature measurement value k 0 and gradient temperature measurements k 1 ~k n-1 difference between each are provided.

そして、制御対象101の温度計測値ch0〜chn-1が制御量PVとしてモード変換器Gmに入力されると、平均温度計測値k0および傾斜温度計測値k1〜kn-1に変換され、減算器M0〜Mn-1にそれぞれ入力される。また、減算器M0〜Mn-1には、目標値SVとして、平均温度設定値s0および傾斜温度設定値s1〜sn-1がそれぞれ入力される。そして、減算器M0〜Mn-1において、平均温度設定値s0および傾斜温度設定値s1〜sn-1と、平均温度計測値k0および傾斜温度計測値k1〜kn-1との偏差をそれぞれ算出された後、PID調節器P0〜Pn-1にそれぞれ入力され、PID調節器P0〜Pn-1からの出力が前置補償器Gcを介して操作量MVとして制御対象101に入力される。
OMRON TECHNICS vol.44 No,2 2004 pp112−117
When the temperature measurement values ch 0 to ch n-1 of the controlled object 101 are input to the mode converter Gm as the control amount PV, the average temperature measurement value k 0 and the gradient temperature measurement values k 1 to k n-1 are obtained. Converted and input to the subtracters M 0 to M n−1 , respectively. Further, the average temperature set value s 0 and the gradient temperature set values s 1 to s n-1 are input to the subtracters M 0 to M n-1 as the target value SV, respectively. Then, in the subtracter M 0 ~M n-1, the average temperature set point s 0 and gradient temperature setpoint s 1 ~s n-1, the average temperature measurement value k 0 and gradient temperature measurements k 1 to k n- after being calculated 1 deviation between each, are input to the PID controller P 0 to P n-1, PID controller P 0 to P output from the n-1 via the predistorter Gc operation amount It is input to the control object 101 as MV.
OMRON TECHNICS vol. 44 No, 2 2004 pp112-117

しかしながら、従来のPID制御では、複数の制御対象間で起こる干渉を考慮した制御ができないため、システム全体を最適化する制御ができないという問題があった。
また、非特許文献1に開示された方法では、各ヒータにステップ状の操作量MVを印加した時の応答波形から制御対象101の伝達特性が同定されるため、制御対象101の伝達特性を同定するために多大の工数が必要になるという問題があった。
また、平均温度計測値k0および傾斜温度計測値k1〜kn-1を対象としてPID調節器P0〜Pn-1のパラメータを調整する必要があり、パラメータを最適化するために試行錯誤を繰り返す必要があった。
そこで、本発明の目的は、PID調節器のパラメータの調節にかかる手間を軽減しつつ、複数の制御対象間で起こる干渉を考慮した制御を実現することが可能なPID制御支援装置を提供することである。
However, in the conventional PID control, there is a problem in that control that optimizes the entire system cannot be performed because control in consideration of interference occurring between a plurality of control targets cannot be performed.
Further, in the method disclosed in Non-Patent Document 1, since the transfer characteristic of the control object 101 is identified from the response waveform when the stepped operation amount MV is applied to each heater, the transfer characteristic of the control object 101 is identified. There is a problem that a great amount of man-hours are required to do this.
Moreover, it is necessary to adjust the parameters of the PID regulators P 0 to P n-1 for the average temperature measurement value k 0 and the gradient temperature measurement values k 1 to k n-1 , and trials are performed to optimize the parameters. It was necessary to repeat the mistakes.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a PID control support device capable of realizing control in consideration of interference occurring between a plurality of control objects while reducing the labor required for adjusting parameters of a PID adjuster. It is.

上述した課題を解決するために、請求項1記載のPID制御支援装置によれば、複数の制御対象に入力される操作量の時系列データと、前記操作量に応じて前記制御対象から出力される制御量の時系列データに基づいて、予め構造が設定された前記制御対象を現する伝達関数行列のパラメータを同定する伝達関数行列パラメータ同定手段と、前記伝達関数行列パラメータ同定手段にて同定された伝達関数行列のパラメータに基づいて、前記制御対象をそれぞれ制御する各PID調整器のパラメータを計算するPIDパラメータ計算手段と、前記伝達関数行列パラメータ同定手段にて同定された伝達関数行列のパラメータに基づいて、前記PID調整器の設定値をモデル予測制御にて制御するパラメータを計算するモデル予測制御パラメータ計算手段と、を備え、前記モデル予測制御パラメータ計算手段は、前記制御対象および前記PID調整器を拡大された制御対象とみなし、前記拡大された制御対象を前記制御対象間の干渉を含めて表現する伝達関数行列を内部モデルとして用い、前記伝達関数行列の非対角項は、前記複数の制御対象間の干渉項であり、前記モデル予測制御パラメータ計算手段は、前記内部モデルとして用いる伝達関数行列の対角項を一次遅れ要素とむだ時間要素に基づいて表現し、前記内部モデルとして用いる伝達関数行列の非対角項を一次遅れ要素とむだ時間要素と微分要素に基づいて表現することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, according to the PID control support device according to claim 1, the operation amount time series data input to a plurality of control targets and the control target output according to the operation amount. that control the amount of time on the basis of the sequence data, and the transfer function matrix parameter identification means for identifying the parameter of the transfer function matrix for the current advance the controlled object structure is set tables, identified by the transfer function matrix parameter identification means PID parameter calculation means for calculating the parameters of each PID adjuster that controls the controlled object based on the parameters of the transfer function matrix, and parameters of the transfer function matrix identified by the transfer function matrix parameter identification means Based on the model predictive control parameter for calculating a parameter for controlling the set value of the PID adjuster in model predictive control And the model predictive control parameter calculation unit regards the control object and the PID adjuster as an enlarged control object, and expresses the enlarged control object including interference between the control objects. The transfer function matrix is used as an internal model, the off-diagonal term of the transfer function matrix is an interference term between the plurality of control objects, and the model predictive control parameter calculation means uses the transfer function matrix used as the internal model. of the diagonal terms representing based on the primary delay element and a dead time element, that you expressed based on unpaired square section primary delay element and a dead time element and a differential element of the transfer function matrix used as the internal model Features.

また、請求項2記載のPID制御支援装置によれば、前記モデル予測制御パラメータ計算手段は、前記モデル予測制御のパラメータである参照軌道の時定数および一致点を、前記内部モデルとして用いる伝達関数行列のゲイン、時定数およびむだ時間の関数で与えることを特徴とする。 Further, according to the PID control support device according to claim 2, the model predictive control parameter calculation means uses a time constant and a coincidence point of a reference trajectory that are parameters of the model predictive control as a transfer function matrix. It is given as a function of gain, time constant and dead time .

また、請求項3記載のPID制御支援装置によれば、前記モデル予測制御パラメータ計算手段は、前記モデル予測制御のパラメータである参照軌道の時定数および一致点を、前記内部モデルとして用いる伝達関数行列の時定数の線形関数で与えることを特徴とする。
また、請求項4記載のPID制御支援装置によれば、前記制御対象の構造は、一次遅れ要素とむだ時間要素に基づいて設定されることを特徴とする。
Further, according to the PID control support device of claim 3, the model predictive control parameter calculation means uses a time constant and a coincidence point of a reference trajectory that are parameters of the model predictive control as a transfer function matrix. The time constant is given by a linear function .
According to the PID control support apparatus of the fourth aspect, the structure of the control target is set based on a first-order lag element and a dead time element .

また、請求項5記載のPID制御支援装置によれば、前記伝達関数行列パラメータ同定手段は、前記操作量の時系列データと、前記制御量の時系列データとして、閉ループ制御中のデータを用いることを特徴とする。
また、請求項6記載のPID制御支援装置によれば、前記伝達関数行列パラメータ同定手段は、前記操作量の時系列データと、前記制御量の時系列データとして、起動時のデータを用いることを特徴とする。
Further, according to the PID control support device according to claim 5, the transfer function matrix parameter identification means uses time series data of the manipulated variable and data during closed loop control as the time series data of the controlled variable. It is characterized by.
Further, according to the PID control assistance device according to claim 6, wherein the transfer function matrix parameter identification means comprises a time-series data of the operation amount, as time-series data of the control amount, and Mochiiruko data at startup It is characterized by.

また、請求項7記載のPID制御支援装置によれば、前記PIDパラメータ計算手段は、前記PID調節器のパラメータを前記制御対象のパラメータの関数として与えることを特徴とする。
また、請求項8記載のPID制御支援装置によれば、前記PIDパラメータ計算手段は、前記伝達関数行列パラメータ同定手段にてパラメータが同定される伝達関数行列の非対角項を無視して、前記PID調節器のパラメータを計算することを特徴とする。
Further, according to the PID control support apparatus of the seventh aspect, the PID parameter calculation means gives the parameter of the PID adjuster as a function of the parameter to be controlled .
According to the PID control support device of claim 8, the PID parameter calculation means ignores the off-diagonal term of the transfer function matrix whose parameter is identified by the transfer function matrix parameter identification means, and PID controller parameters are calculated .

以上説明したように、本発明によれば、伝達関数行列にて制御対象を表現することが可能となり、制御対象間の干渉を伝達関数行列に取り込むことが可能となるとともに、制御対象のパラメータの関数としてPID調節器のパラメータを与えることができ、PID調節器のパラメータの調節にかかる手間を軽減しつつ、複数の制御対象間で起こる干渉を考慮した制御を実現することが可能となる。
また、制御対象およびPID調節器を拡大された制御対象として表現した伝達関数行列をモデル予測制御の内部モデルとして用いながら、PID調節器の設定値をモデル予測制御にて制御することで、制御対象間の干渉を考慮することなくPID調節器のパラメータを調整した場合においても、複数の制御対象間で起こる干渉を考慮した制御を実現することが可能となり、システム全体を最適化する制御を実現することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to represent a control object using a transfer function matrix, and it is possible to incorporate interference between control objects into the transfer function matrix, and to control the parameter of the control object. A parameter of the PID regulator can be given as a function, and it is possible to realize control in consideration of interference occurring between a plurality of controlled objects while reducing the effort for adjusting the parameter of the PID regulator.
Further, by using the transfer function matrix expressing the control object and the PID regulator as an enlarged control object as an internal model of the model predictive control, the set value of the PID regulator is controlled by the model predictive control, Even when the parameters of the PID adjuster are adjusted without considering the interference between them, it is possible to realize the control that takes into account the interference that occurs between a plurality of control objects, and realize the control that optimizes the entire system be able to.

以下、本発明の実施形態に係るPID制御支援装置について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るPID制御システムの概略構成を示すブロック図、図2は、図1のPID制御システムにおけるパラメータ設定方法を示すフローチャートである。
図1において、制御対象13には、制御対象13をPID制御するPID調節器12が接続され、PID調節器12の前段には、PID調節器12の設定値SVPIDをモデル予測制御にて制御するモデル予測制御手段11が接続されている。
なお、制御対象13としては、例えば、射出成形機、リフロー炉、フラットパネルディスプレイ製造装置、半導体製造装置などを挙げることができる。
Hereinafter, a PID control support apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a PID control system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a flowchart showing a parameter setting method in the PID control system of FIG.
In FIG. 1, a PID adjuster 12 that performs PID control of the control target 13 is connected to the control target 13, and the set value SV PID of the PID adjuster 12 is controlled by model predictive control at the preceding stage of the PID adjuster 12. The model prediction control means 11 to be connected is connected.
Examples of the control target 13 include an injection molding machine, a reflow furnace, a flat panel display manufacturing apparatus, and a semiconductor manufacturing apparatus.

ここで、モデル予測制御手段11は、制御対象13に対応した内部モデル11aを用いて未来の制御量PVの予測値を求め、予測区間において予測値が目標値SVMPC(あるいは参照軌道)に近づくように制御入力区間の設定値SVPIDを決定し、得られた設定値SVPIDのうちの現時刻に対応する設定のみを入力することができる。
また、PID制御システムには、モデル予測制御パラメータ計算手段14、PIDパラメータ計算手段15および伝達関数行列パラメータ同定手段16が設けられている。
Here, the model prediction control means 11 obtains a predicted value of the future control amount PV using the internal model 11a corresponding to the control target 13, and the predicted value approaches the target value SV MPC (or reference trajectory) in the prediction section. Thus, it is possible to determine the setting value SV PID of the control input section, and to input only the setting corresponding to the current time among the obtained setting values SV PID .
Further, the PID control system is provided with model predictive control parameter calculation means 14, PID parameter calculation means 15, and transfer function matrix parameter identification means 16.

ここで、伝達関数行列パラメータ同定手段16は、制御対象13に入力される操作量MVの時系列データと、操作量MVに応じて制御対象13から出力される制御量PVの時系列データに基づいて、予め構造が設定された制御対象13を制御対象13間の干渉を含めて表現する伝達関数行列のパラメータを同定することができる。なお、制御対象13の構造は、一次遅れ要素とむだ時間要素に基づいて設定することができる。また、伝達関数行列パラメータ同定手段16は、操作量MVの時系列データと、制御量PVの時系列データとして閉ループ制御中のデータを用いるようにしてもよいし、起動時のデータを用いるようにしてもよい。   Here, the transfer function matrix parameter identifying means 16 is based on the time series data of the manipulated variable MV input to the controlled object 13 and the time series data of the controlled variable PV output from the controlled object 13 according to the manipulated variable MV. Thus, it is possible to identify the parameters of the transfer function matrix that expresses the control target 13 having the structure set in advance including the interference between the control targets 13. The structure of the control target 13 can be set based on the first-order lag element and the dead time element. Further, the transfer function matrix parameter identification means 16 may use the data during the closed loop control as the time series data of the manipulated variable MV and the time series data of the controlled variable PV, or use the data at the time of activation. May be.

PIDパラメータ計算手段15は、伝達関数行列パラメータ同定手段16にて同定された伝達関数行列のパラメータに基づいて、制御対象13を制御するPID調節器12のパラメータを計算することができる。なお、PIDパラメータ計算手段15は、PID調節器12のパラメータを制御対象13のパラメータの関数として与えることができる。また、PIDパラメータ計算手段15は、伝達関数行列パラメータ同定手段16にてパラメータが同定される伝達関数行列の非対角項を無視して、PID調節器12のパラメータを計算することができる。   The PID parameter calculation means 15 can calculate the parameters of the PID adjuster 12 that controls the control target 13 based on the parameters of the transfer function matrix identified by the transfer function matrix parameter identification means 16. The PID parameter calculation means 15 can give the parameters of the PID adjuster 12 as a function of the parameters of the control target 13. Further, the PID parameter calculation means 15 can calculate the parameters of the PID adjuster 12 ignoring the off-diagonal terms of the transfer function matrix whose parameters are identified by the transfer function matrix parameter identification means 16.

モデル予測制御パラメータ計算手段14は、伝達関数行列パラメータ同定手段16にて同定された伝達関数行列のパラメータに基づいて、PID調節器12の設定値SVPIDをモデル予測制御にて制御するパラメータを計算することができる。なお、モデル予測制御パラメータ計算手段14は、制御対象13およびPID調節器12を拡大された制御対象18とみなし、その拡大された制御対象18を制御対象間の干渉を含めて表現する伝達関数行列を内部モデル11aとして用いることができる。また、モデル予測制御パラメータ計算手段14は、内部モデル11aとして用いる伝達関数行列の対角項を一次遅れ要素とむだ時間要素に基づいて表現し、内部モデル11aとして用いる伝達関数行列の非対角項を一次遅れ要素とむだ時間要素と微分要素に基づいて表現することができる。また、モデル予測制御パラメータ計算手段14は、モデル予測制御のパラメータである参照軌道の時定数および一致点を、内部モデル11aとして用いる伝達関数行列のゲイン、時定数およびむだ時間の関数で与えることができ、例えば、内部モデル11aとして用いる伝達関数行列の時定数の線形関数で与えることができる。 Based on the parameters of the transfer function matrix identified by the transfer function matrix parameter identifying means 16, the model predictive control parameter calculating means 14 calculates parameters for controlling the set value SV PID of the PID regulator 12 by model predictive control. can do. Note that the model predictive control parameter calculation means 14 regards the control target 13 and the PID adjuster 12 as an enlarged control object 18 and expresses the enlarged control object 18 including interference between the control objects. Can be used as the internal model 11a. The model predictive control parameter calculation means 14 expresses the diagonal terms of the transfer function matrix used as the internal model 11a based on the first order lag element and the dead time element, and the off-diagonal terms of the transfer function matrix used as the internal model 11a. Can be expressed based on a first-order lag element, a dead time element, and a differential element. Further, the model predictive control parameter calculating means 14 gives the time constant and coincidence point of the reference trajectory, which are parameters of the model predictive control, as a function of the gain, time constant and dead time of the transfer function matrix used as the internal model 11a. For example, it can be given as a linear function with a time constant of a transfer function matrix used as the internal model 11a.

また、モデル予測制御手段11はパネルコンピュータ1上で実現することができ、モデル予測制御パラメータ計算手段14、PIDパラメータ計算手段15および伝達関数行列パラメータ同定手段16はパーソナルコンピュータ2上で実現することができる。
そして、PID調節器12から出力された操作量MVおよび制御対象13から出力された制御量PVが伝達関数行列パラメータ同定手段16に入力されると、伝達関数行列パラメータ同定手段16は、操作量MVの時系列データと、制御量PVの時系列データに基づいて、制御対象13を表現する伝達関数行列のパラメータを同定し、PIDパラメータ計算手段15に出力する(ステップS11)。
The model prediction control means 11 can be realized on the panel computer 1, and the model prediction control parameter calculation means 14, the PID parameter calculation means 15, and the transfer function matrix parameter identification means 16 can be realized on the personal computer 2. it can.
When the manipulated variable MV output from the PID adjuster 12 and the controlled variable PV output from the controlled object 13 are input to the transfer function matrix parameter identifying unit 16, the transfer function matrix parameter identifying unit 16 selects the manipulated variable MV. Based on the time series data and the time series data of the control amount PV, the parameters of the transfer function matrix expressing the control target 13 are identified and output to the PID parameter calculation means 15 (step S11).

そして、PIDパラメータ計算手段15は、制御対象13を表現する伝達関数行列のパラメータを伝達関数行列パラメータ同定手段16から受け取ると、その伝達関数行列のパラメータに基づいて、制御対象13を制御するPID調節器12のパラメータを計算し、PID調節器12に設定するとともに、モデル予測制御パラメータ計算手段14に出力する(ステップS12)。   When the PID parameter calculation means 15 receives the parameter of the transfer function matrix representing the control target 13 from the transfer function matrix parameter identification means 16, the PID adjustment for controlling the control target 13 based on the parameter of the transfer function matrix. The parameter of the device 12 is calculated, set in the PID adjuster 12, and output to the model predictive control parameter calculating means 14 (step S12).

そして、モデル予測制御パラメータ計算手段14は、PID調節器12のパラメータをPIDパラメータ計算手段15から受け取ると、PID調節器12のパラメータに基づいて内部モデル11aを設定するとともに、モデル予測制御のパラメータを計算し、モデル予測制御手段11に設定する(ステップS13)。
そして、モデル予測制御パラメータ計算手段14にてモデル予測制御手段11の内部モデル11aおよびパラメータが設定されると、モデル予測制御手段11は、内部モデル11aを用いて未来の制御量PV*を予測し、予測区間において予測値が目標値SVMPCに近づくように制御入力区間の設定値SVPIDを決定し、得られた設定値SVPIDのうちの現時刻に対応する設定値SVPIDのみを減算器17に出力する。
When the model predictive control parameter calculating unit 14 receives the parameters of the PID adjuster 12 from the PID parameter calculating unit 15, the model predictive control parameter calculating unit 14 sets the internal model 11a based on the parameters of the PID adjuster 12, and sets the parameters of the model predictive control. Calculate and set in the model prediction control means 11 (step S13).
When the model predictive control parameter calculation means 14 sets the internal model 11a and parameters of the model predictive control means 11, the model predictive control means 11 predicts the future control amount PV * using the internal model 11a. , the predicted value is determined set value SV PID control input area so as to approach the target value SV MPC in the prediction interval, only the setting value SV PID corresponding to the current time of the obtained set value SV PID subtractor 17 to output.

図3は、図1のモデル予測制御手段の動作を概念的に示す図である。
図3において、現在時刻kにおいて、目標値SVMPCを変化させた場合を考える。この場合、一致点Psetにおいて、予め設定された参照軌道RTと、内部モデル11aから求めた未来の制御量PV*との差が最小になるように、未来の設定値SV* PIDを求める。この時、未来の設定値SV* PIDは、制御ホライズンHuと呼ばれる区間のみ動作すると仮定する。
FIG. 3 is a diagram conceptually showing the operation of the model prediction control means of FIG.
In FIG. 3, the case where the target value SV MPC is changed at the current time k is considered. In this case, the future set value SV * PID is obtained at the coincidence point Pset so that the difference between the reference trajectory RT set in advance and the future control amount PV * obtained from the internal model 11a is minimized. At this time, it is assumed that the future set value SV * PID operates only in a section called a control horizon Hu.

次に、計算した未来の設定値SV* PIDのうち、時刻t+1における設定値SV* PID(t+1)を現在の設定値SVPIDとし、減算器17に出力する。この動作を逐次繰り返すことにより、未来を予測しつつ、常に最適な制御を行うことができる。
そして、減算器17において、PID調節器12の設定値SVPIDと制御量PVとの偏差が算出され、PID調節器12に出力される。そして、PID調節器12は、PID調節器12の設定値SVPIDと制御量PVとの偏差がゼロになるように操作量MVを算出し、制御対象13に出力する。
Next, among the calculated future set values SV * PID , the set value SV * PID (t + 1) at time t + 1 is set as the current set value SV PID and is output to the subtractor 17. By sequentially repeating this operation, it is possible to always perform optimal control while predicting the future.
Then, in the subtractor 17, a deviation between the set value SV PID of the PID adjuster 12 and the control amount PV is calculated and output to the PID adjuster 12. Then, the PID adjuster 12 calculates the operation amount MV so that the deviation between the set value SV PID of the PID adjuster 12 and the control amount PV becomes zero, and outputs it to the control target 13.

これにより、伝達関数行列にて制御対象13を表現することが可能となり、制御対象13間の干渉を伝達関数行列に取り込むことが可能となるとともに、制御対象13のパラメータの関数としてPID調節器12のパラメータを与えることができ、PID調節器12のパラメータの調節にかかる手間を軽減しつつ、複数の制御対象13間で起こる干渉を考慮した制御を実現することが可能となる。   As a result, the control target 13 can be expressed by a transfer function matrix, interference between the control targets 13 can be taken into the transfer function matrix, and the PID adjuster 12 can be used as a function of the parameters of the control target 13. Thus, it is possible to realize control in consideration of interference occurring between the plurality of control objects 13 while reducing the labor for adjusting the parameters of the PID adjuster 12.

また、制御対象13およびPID調節器12を拡大された制御対象18として表現した伝達関数行列をモデル予測制御の内部モデル11aとして用いながら、PID調節器12の設定値SVPIDをモデル予測制御にて制御することで、制御対象13間の干渉を考慮することなくPID調節器12のパラメータを調整した場合においても、複数の制御対象13間で起こる干渉を考慮した制御を実現することが可能となり、システム全体を最適化する制御を実現することができる。 The set value SV PID of the PID adjuster 12 is used in the model predictive control while the transfer function matrix expressing the control target 13 and the PID adjuster 12 as the enlarged control target 18 is used as the internal model 11a of the model predictive control. By controlling, even when the parameters of the PID adjuster 12 are adjusted without considering the interference between the controlled objects 13, it is possible to realize the control considering the interference occurring between the plurality of controlled objects 13. Control that optimizes the entire system can be realized.

図4は、図1のPID制御システムの制御対象として射出成形機を用いた場合の概略構成の一例を示すブロック図である。
図4において、射出成形機20には樹脂を射出するシリンダ21が設けられ、シリンダ21は4個のゾーンZ1、Z2、Z3、Z4に分割されている。そして、シリンダ21には、樹脂をシリンダ21内に供給するホッパ22、樹脂をシリンダ21内で攪拌するスクリュー23およびスクリュー23を回転させるモータ24が設けられている、また、シリンダ21をゾーンZ1、Z2、Z3、Z4ごとにそれぞれ加熱するヒータH1〜H4が設けられるとともに、シリンダ21の温度をゾーンZ1、Z2、Z3、Z4ごとにそれぞれ計測する温度計測手段J1〜J4が設けられている。なお、温度計測手段J1〜J4としては、例えば、熱電対を用いることができる。
FIG. 4 is a block diagram showing an example of a schematic configuration when an injection molding machine is used as a control target of the PID control system of FIG.
In FIG. 4, the injection molding machine 20 is provided with a cylinder 21 for injecting resin, and the cylinder 21 is divided into four zones Z 1 , Z 2 , Z 3 , and Z 4 . Then, the cylinder 21, the resin hopper supplied into the cylinder 21 22, the motor 24 for rotating the screw 23 and the screw 23 for stirring the resin in the cylinder 21 is provided, also, the zone Z 1 cylinder 21 , Z 2 , Z 3 and Z 4 are provided with heaters H 1 to H 4 , respectively, and temperature measuring means J 1 to measure the temperature of the cylinder 21 for each of the zones Z 1 , Z 2 , Z 3 and Z 4. J4 is provided. For example, thermocouples can be used as the temperature measuring means J1 to J4.

そして、射出成形機20には、シリンダ21のゾーンZ1、Z2、Z3、Z4の温調制御をPID(比例積分微分)制御にてそれぞれ行うPID調節器P1〜P4が接続されている。
なお、シリンダ21のゾーンZ1、Z2、Z3、Z4の温調制御を行う方法としては、PID制御の他、比例制御、積分制御、比例積分制御などの他の制御方法を用いるようにしてもよい。
そして、シリンダ21は、各ヒータH1〜H4にてゾーンZ1、Z2、Z3、Z4ごとに加熱され、各ゾーンZ1、Z2、Z3、Z4の温度が温度計測手段J1〜J4にてそれぞれ計測される。そして、温度計測手段J1〜J4にてそれぞれ計測された温度は制御量PV1、PV2、PV3、PV4としてPID調節器P1〜P4にそれぞれ送られる。
The injection molding machine 20 is connected with PID regulators P1 to P4 that perform temperature control of the zones Z 1 , Z 2 , Z 3 , and Z 4 of the cylinder 21 by PID (proportional integral derivative) control, respectively. Yes.
In addition, as a method of performing the temperature control of the zones Z 1 , Z 2 , Z 3 , and Z 4 of the cylinder 21, other control methods such as proportional control, integral control, proportional integral control are used in addition to PID control. It may be.
Then, the cylinder 21, at each heater H1~H4 heated per zone Z 1, Z 2, Z 3 , Z 4, each zone Z 1, Z 2, Z 3 , the temperature of Z 4 is a temperature measuring means J1 ~ Measured at J4. The temperatures measured by the temperature measuring means J1 to J4 are sent to the PID adjusters P1 to P4 as control amounts PV1, PV2, PV3, and PV4, respectively.

そして、PID調節器P1〜P4は、制御量PV1、PV2、PV3、PV4を温度計測手段J1〜J4からそれぞれ受け取ると、制御量PV1、PV2、PV3、PV4が設定値SV1、SV2、SV3、SV4にそれぞれ一致するように操作量MV1、MV2、MV3、MV4を算出する。そして、PID調節器P1〜P4は、制御量PV1、PV2、PV3、PV4が設定値SV1、SV2、SV3、SV4にそれぞれ一致するように操作量MV1、MV2、MV3、MV4を算出すると、その操作量MV1、MV2、MV3、MV4に基づいてヒータH1〜H4の出力を制御することにより、ヒータH1〜H4をゾーンZ1、Z2、Z3、Z4ごとに加熱制御する。なお、PID調節器P1〜P4によるPID制御は各ゾーンZ1、Z2、Z3、Z4ごとに独立して行うことができる。 When the PID adjusters P1 to P4 receive the control amounts PV1, PV2, PV3, and PV4 from the temperature measuring means J1 to J4, respectively, the control amounts PV1, PV2, PV3, and PV4 are set values SV1, SV2, SV3, and SV4. The operation amounts MV1, MV2, MV3, and MV4 are calculated so as to coincide with each other. Then, the PID adjusters P1 to P4 calculate the operation amounts MV1, MV2, MV3, and MV4 so that the control amounts PV1, PV2, PV3, and PV4 respectively match the set values SV1, SV2, SV3, and SV4. By controlling the outputs of the heaters H1 to H4 based on the amounts MV1, MV2, MV3, and MV4, the heaters H1 to H4 are controlled to be heated for each of the zones Z 1 , Z 2 , Z 3 , and Z 4 . Note that PID control by the PID adjusters P1 to P4 can be performed independently for each of the zones Z 1 , Z 2 , Z 3 , and Z 4 .

また、図1のモデル予測制御手段11は、制御量PV1、PV2、PV3、PV4をヒータH1〜H4からそれぞれ受け取ると、射出成形機20に対応した内部モデル11aに対して未来の制御量PV1、PV2、PV3、PV4を予測しながら一定時刻毎に最適制御問題を解き、未来の制御量PV1、PV2、PV3、PV4が目標値SVMPCにできるだけ近くなるようにその時刻での設定値SV1、SV2、SV3、SV4を決定し、減算器17に出力することができる。 1 receives the control amounts PV1, PV2, PV3, and PV4 from the heaters H1 to H4, respectively, the model predictive control means 11 of FIG. While predicting PV2, PV3, and PV4, the optimal control problem is solved at a certain time, and the set values SV1 and SV2 at that time are set so that the future control amounts PV1, PV2, PV3, and PV4 are as close as possible to the target value SV MPC. , SV3, SV4 can be determined and output to the subtractor 17.

例えば、モデル予測制御手段11は、予測ホライズンにおける出力が参照軌道と一致するように、設定値SV1、SV2、SV3、SV4を算出することができる。
ここで、現時刻kにおけるプラント出力をy(k)、そのプラント出力y(k)が従うべき任意の時刻tにおける設定値軌道をs(t)で表す。そして、iステップ後のプラント出力y(k+i)と設定値軌道をs(t+i)との誤差をε(k+i)とすると、参照軌道r(k+i|k)は以下の式で表すことができる。
r(k+i|k)=s(k+i)−ε(k+i)
=s(k+i)−e-iεTs/Tref(k)
なお、Tsはサンプリング周期、Trefは参照軌道の時定数である。また、r(k+i|k)という表記は、参照軌道は時刻kにおける条件に依存することを意味する。
For example, the model prediction control unit 11 can calculate the set values SV1, SV2, SV3, and SV4 so that the output in the prediction horizon matches the reference trajectory.
Here, the plant output at the current time k is represented by y (k), and the set value trajectory at an arbitrary time t that the plant output y (k) should follow is represented by s (t). If the error between the plant output y (k + i) after i steps and the set value trajectory is s (t + i) is ε (k + i), the reference trajectory r (k + i | k) can be expressed by the following equation.
r (k + i | k) = s (k + i) −ε (k + i)
= S (k + i) -e- i [ epsilon] Ts / Tref (k)
Ts is a sampling period, and Tref is a time constant of the reference trajectory. The notation r (k + i | k) means that the reference trajectory depends on the condition at time k.

そして、プラント出力y(k)を予測する区間を予測ホライズンHPと呼ぶと、予測ホライズンHPの間に入力軌道u(k+i|k)(i=0,1,..,HP−1)が印加されると仮定し、プラント出力y(k)が予測ホライズンHPの間に参照軌道r(k+i|k)にできるだけ近づくように入力軌道u(k+i|k)を選択することができる。そして、未来の入力軌道u(k+i|k)が選択されると、その軌道の一番目の要素だけを入力信号としてプラントに印加することができる。 When the section to predict the plant output y (k) is called a prediction horizon H P, the input trajectory u between the prediction horizon H P (k + i | k ) (i = 0,1, .., H P -1 ) is assumed to be applied, the plant output y (k) is the prediction horizon H reference trajectory between P r (k + i | can select k) | k) to as close as possible to the input trajectory u (k + i . When the future input trajectory u (k + i | k) is selected, only the first element of the trajectory can be applied to the plant as an input signal.

ここで、図1の制御対象13が図3の射出成形機20の場合、図1の伝達関数行列パラメータ同定手段16は、ヒータH1〜H4にそれぞれ入力される操作量MV1、MV2、MV3、MV4の時系列データと、操作量MV1、MV2、MV3、MV4にそれぞれ応じて温度計測手段J1〜J4からそれぞれ出力される制御量PV1、PV2、PV3、PV4の時系列データに基づいて、予め構造が設定された射出成形機20をゾーンZ1、Z2、Z3、Z4間の干渉を含めて表現する伝達関数行列のパラメータを同定する。
ここで、射出成形機20の各ゾーンZ1、Z2、Z3、Z4ごとの伝達関数が一次遅れ要素とむだ時間要素に基づいて表現されるものとすると、射出成形機20の伝達関数行列は以下の(1)式で表すことができる。
Here, when the control target 13 in FIG. 1 is the injection molding machine 20 in FIG. 3, the transfer function matrix parameter identification unit 16 in FIG. 1 operates the operation amounts MV1, MV2, MV3, and MV4 respectively input to the heaters H1 to H4. Based on the time series data and the time series data of the control amounts PV1, PV2, PV3, and PV4 output from the temperature measuring means J1 to J4 according to the operation amounts MV1, MV2, MV3, and MV4, respectively. The parameters of the transfer function matrix that express the set injection molding machine 20 including the interference between the zones Z 1 , Z 2 , Z 3 , Z 4 are identified.
Here, assuming that the transfer function for each zone Z 1 , Z 2 , Z 3 , Z 4 of the injection molding machine 20 is expressed based on the primary delay element and the dead time element, the transfer function of the injection molding machine 20 is assumed. The matrix can be expressed by the following equation (1).

Figure 0005071057
Figure 0005071057

ただし、G11〜G44はゲイン、T11〜T44は時定数、L11〜L44はむだ時間である。また、(1)式の伝達関数行列の対角項は各ゾーンZ1、Z2、Z3、Z4間の非干渉項を示し、(1)式の伝達関数行列の非対角項は各ゾーンZ1、Z2、Z3、Z4間の干渉項を示す。例えば、(1)式の伝達関数行列の1行1列目の伝達関数G11-sL11/(1+sT11)は、ゾーンZ1のヒータH1が駆動された時のゾーンZ1の温度上昇を示し、(1)式の伝達関数行列の2行1列目の伝達関数G21-sL21/(1+sT21)は、ゾーンZ1のヒータH1が駆動された時のゾーンZ2の温度上昇を示し、(1)式の伝達関数行列の3行1列目の伝達関数G31-sL31/(1+sT31)は、ゾーンZ1のヒータH1が駆動された時のゾーンZ3の温度上昇を示し、(1)式の伝達関数行列の4行1列目の伝達関数G41-sL41/(1+sT41)は、ゾーンZ1のヒータH1が駆動された時のゾーンZ4の温度上昇を示す。 However, G 11 ~G 44 gain, T 11 through T 44 is a time constant, L 11 ~L 44 a dead time. The diagonal term of the transfer function matrix in equation (1) indicates a non-interference term between the zones Z 1 , Z 2 , Z 3 , and Z 4, and the non-diagonal term in the transfer function matrix of equation (1) is each zone Z 1, Z 2, Z 3 , showing the interference term between Z 4. For example, the transfer function G 11 e −sL11 / (1 + sT 11 ) in the first row and the first column of the transfer function matrix of the equation (1) indicates the temperature rise in the zone Z 1 when the heater H1 in the zone Z 1 is driven. The transfer function G 21 e −sL21 / (1 + sT 21 ) in the second row and first column of the transfer function matrix of equation (1) indicates the temperature rise in the zone Z 2 when the heater H1 in the zone Z 1 is driven. The transfer function G 31 e −sL31 / (1 + sT 31 ) in the third row and first column of the transfer function matrix of the equation (1) indicates the temperature rise in the zone Z 3 when the heater H1 in the zone Z 1 is driven. The transfer function G 41 e −sL41 / (1 + sT 41 ) in the 4th row and the 1st column of the transfer function matrix of the equation (1) indicates the temperature rise of the zone Z 4 when the heater H1 of the zone Z 1 is driven. Show.

そして、(1)式の伝達関数行列の伝達関数のパラメータであるゲインG11〜G44、時定数T11〜T44、むだ時間L11〜L44は、以下の(2)式〜(5)式の目的関数J1〜J4を最小化することで求めることができる。
minJ1=∫(PV1*−PV1)2dt ・・・(2)
minJ2=∫(PV2*−PV2)2dt ・・・(3)
minJ3=∫(PV3*−PV3)2dt ・・・(4)
minJ4=∫(PV4*−PV4)2dt ・・・(5)
ただし、PV1*〜PV4*は、推定された制御量である。
The gains G 11 to G 44 , the time constants T 11 to T 44 , and the dead times L 11 to L 44 that are transfer function parameters of the transfer function matrix of the expression (1) are expressed by the following expressions (2) to (5 ) can be obtained by minimizing the objective function J 1 through J 4 of formula.
minJ 1 = ∫ (PV1 * −PV1) 2 dt (2)
minJ 2 = ∫ (PV2 * −PV2) 2 dt (3)
minJ 3 = ∫ (PV3 * −PV3) 2 dt (4)
minJ 4 = ∫ (PV4 * −PV4) 2 dt (5)
However, PV1 * to PV4 * are estimated control amounts.

(2)式〜(5)式は、非線形最適化問題であり、例えば、ニュートン法を用いることにより、目的関数J1〜J4を最小化するパラメータを求めることができる。なお、操作量MV1、MV2、MV3、MV4の時系列データと、制御量PV1、PV2、PV3、PV4の時系列データとしては、閉ループ制御中のデータを用いるようにしてもよいし、起動時のデータを用いるようにしてもよい。 Equations (2) to (5) are nonlinear optimization problems. For example, parameters that minimize the objective functions J 1 to J 4 can be obtained by using the Newton method. The time series data of the manipulated variables MV1, MV2, MV3, and MV4 and the time series data of the controlled variables PV1, PV2, PV3, and PV4 may be the data during the closed loop control, or at the time of startup. Data may be used.

図5〜図8は、図1の伝達関数行列パラメータ同定手段の構成例を示すブロック図である。
図5において、ブロックB11には、G* 11exp(−sL* 11)/(1+sT* 11)という伝達関数が設定され、ブロックB12には、G* 12exp(−sL* 12)/(1+sT* 12)という伝達関数が設定され、ブロックB13には、G* 13exp(−sL* 13)/(1+sT* 13)という伝達関数が設定され、ブロックB14には、G* 14exp(−sL* 14)/(1+sT* 14)という伝達関数が設定されているものとする。
5 to 8 are block diagrams showing configuration examples of the transfer function matrix parameter identification means of FIG.
In FIG. 5, a transfer function of G * 11 exp (−sL * 11 ) / (1 + sT * 11 ) is set in the block B11, and G * 12 exp (−sL * 12 ) / (1 + sT) is set in the block B12. * 12) is the transfer function is set as the block B13 is, G * 13 exp (-sL * 13) / (1 + sT * 13) that the transfer function is set, the block B14 is, G * 14 exp (-sL It is assumed that a transfer function of * 14 ) / (1 + sT * 14 ) is set.

そして、操作量MV1、MV2、MV3、MV4と制御量PV1とから、(1)式の伝達関数行列の伝達関数のパラメータであるゲインG11〜G14、時定数T11〜T14、むだ時間L11〜L14を同定する場合、操作量MV1、MV2、MV3、MV4の時系列データをブロックB11〜B14にそれぞれ入力し、各ブロックB11〜B14からの出力を加算器Q1にて加算することで、推定された制御量PV1*を算出する。
そして、減算器R1において、推定された制御量PV1*と実測された制御量PV1との偏差を算出し、(2)式の目的関数J1を最小化することでゲインG11〜G14、時定数T11〜T14、むだ時間L11〜L14を求めることができる。
Then, from the manipulated variables MV1, MV2, MV3, MV4 and the controlled variable PV1, gains G 11 to G 14 , time constants T 11 to T 14 , and dead time, which are parameters of the transfer function of the transfer function matrix of equation (1). When identifying L 11 to L 14 , the time series data of the manipulated variables MV1, MV2, MV3, and MV4 are input to the blocks B11 to B14, respectively, and the outputs from the blocks B11 to B14 are added by the adder Q1. Thus, the estimated control amount PV1 * is calculated.
Then, in the subtracter R1, calculates the deviation between the estimated control quantity PV1 * and actually measured control quantity PV1, the gain G 11 ~G 14 by minimizing the objective function J 1 (2) below, The time constants T 11 to T 14 and dead time L 11 to L 14 can be obtained.

また、図6において、ブロックB21には、G* 21exp(−sL* 21)/(1+sT* 21)という伝達関数が設定され、ブロックB22には、G* 22exp(−sL* 22)/(1+sT* 22)という伝達関数が設定され、ブロックB23には、G* 23exp(−sL* 23)/(1+sT* 23)という伝達関数が設定され、ブロックB24には、G* 24exp(−sL* 24)/(1+sT* 24)という伝達関数が設定されているものとする。 In FIG. 6, a transfer function G * 21 exp (−sL * 21 ) / (1 + sT * 21 ) is set in the block B21, and G * 22 exp (−sL * 22 ) / A transfer function of (1 + sT * 22 ) is set, a transfer function of G * 23 exp (−sL * 23 ) / (1 + sT * 23 ) is set in the block B23, and G * 24 exp ( It is assumed that a transfer function of -sL * 24 ) / (1 + sT * 24 ) is set.

そして、操作量MV1、MV2、MV3、MV4と制御量PV2とから、(2)式の伝達関数行列の伝達関数のパラメータであるゲインG21〜G24、時定数T21〜T24、むだ時間L21〜L24を同定する場合、操作量MV1、MV2、MV3、MV4の時系列データをブロックB21〜B24にそれぞれ入力し、各ブロックB21〜B24からの出力を加算器Q2にて加算することで、推定された制御量PV2*を算出する。
そして、減算器R2において、推定された制御量PV2*と実測された制御量PV2との偏差を算出し、(3)式の目的関数J2を最小化することでゲインG21〜G24、時定数T21〜T24、むだ時間L21〜L24を求めることができる。
Then, from the manipulated variables MV1, MV2, MV3, MV4 and the controlled variable PV2, gains G 21 to G 24 , time constants T 21 to T 24 which are parameters of the transfer function of the transfer function matrix of equation (2), dead time If the identification of L 21 ~L 24, the operation amount MV1, MV2, MV3, respectively input series data in the block B21~B24 when MV4, adding the outputs from each block B21~B24 by an adder Q2 Thus, the estimated control amount PV2 * is calculated.
Then, in the subtracter R2, calculates the deviation between the estimated control quantity PV2 * and actually measured control quantity PV2, the gain G 21 ~G 24 by minimizing the objective function J 2 (3) below, The time constants T 21 to T 24 and dead time L 21 to L 24 can be obtained.

また、図7において、ブロックB31には、G* 31exp(−sL* 31)/(1+sT* 31)という伝達関数が設定され、ブロックB32には、G* 32exp(−sL* 32)/(1+sT* 32)という伝達関数が設定され、ブロックB33には、G* 33exp(−sL* 33)/(1+sT* 33)という伝達関数が設定され、ブロックB34には、G* 34exp(−sL* 34)/(1+sT* 34)という伝達関数が設定されているものとする。 In FIG. 7, a transfer function of G * 31 exp (−sL * 31 ) / (1 + sT * 31 ) is set in the block B31, and G * 32 exp (−sL * 32 ) / A transfer function of (1 + sT * 32 ) is set, a transfer function of G * 33 exp (-sL * 33 ) / (1 + sT * 33 ) is set in the block B33, and G * 34 exp ( It is assumed that a transfer function of -sL * 34 ) / (1 + sT * 34 ) is set.

そして、操作量MV1、MV2、MV3、MV4と制御量PV3とから、(1)式の伝達関数行列の伝達関数のパラメータであるゲインG31〜G34、時定数T31〜T34、むだ時間L31〜L34を同定する場合、操作量MV1、MV2、MV3、MV4の時系列データをブロックB31〜B34にそれぞれ入力し、各ブロックB31〜B34からの出力を加算器Q3にて加算することで、推定された制御量PV3*を算出する。
そして、減算器R3において、推定された制御量PV3*と実測された制御量PV3との偏差を算出し、(4)式の目的関数J3を最小化することでゲインG31〜G34、時定数T31〜T34、むだ時間L31〜L34を求めることができる。
Then, from the manipulated variables MV1, MV2, MV3, MV4 and the controlled variable PV3, gains G 31 to G 34 , time constants T 31 to T 34 which are parameters of the transfer function of the transfer function matrix of equation (1), dead time When identifying L 31 to L 34 , the time series data of the manipulated variables MV1, MV2, MV3, and MV4 are input to the blocks B31 to B34, respectively, and the outputs from the blocks B31 to B34 are added by the adder Q3. Thus, the estimated control amount PV3 * is calculated.
Then, in the subtracter R3, calculates the deviation between the estimated control quantity PV3 * and actually measured control quantity PV3, the gain G 31 ~G 34 by minimizing the objective function J 3 of (4), The time constants T 31 to T 34 and dead time L 31 to L 34 can be obtained.

また、図8において、ブロックB41には、G* 41exp(−sL* 41)/(1+sT* 41)という伝達関数が設定され、ブロックB42には、G* 42exp(−sL* 42)/(1+sT* 42)という伝達関数が設定され、ブロックB43には、G* 43exp(−sL* 43)/(1+sT* 43)という伝達関数が設定され、ブロックB44には、G* 44exp(−sL* 44)/(1+sT* 44)という伝達関数が設定されているものとする。 Further, in FIG. 8, in block B41, the transfer function of G * 41 exp (-sL * 41 ) / (1 + sT * 41) is set, the block B42 is, G * 42 exp (-sL * 42) / A transfer function of (1 + sT * 42 ) is set, a transfer function of G * 43 exp (−sL * 43 ) / (1 + sT * 43 ) is set in the block B43, and G * 44 exp ( It is assumed that a transfer function of -sL * 44 ) / (1 + sT * 44 ) is set.

そして、操作量MV1、MV2、MV3、MV4と制御量PV4とから、(1)式の伝達関数行列の伝達関数のパラメータであるゲインG41〜G44、時定数T41〜T44、むだ時間L41〜L44を同定する場合、操作量MV1、MV2、MV3、MV4の時系列データをブロックB41〜B44にそれぞれ入力し、各ブロックB41〜B44からの出力を加算器Q4にて加算することで、推定された制御量PV4*を算出する。 Then, the operation amount MV1, MV2, MV3, from MV4 and the controlled variable PV4 Prefecture, (1) a transfer gain G 41 ~G 44 is a parameter of the transfer function of the function matrix, the time constant T 41 through T 44, dead time If the identification of L 41 ~L 44, the operation amount MV1, MV2, MV3, respectively input series data in the block B41~B44 when MV4, adding the outputs from each block B41~B44 by an adder Q4 Thus, the estimated control amount PV4 * is calculated.

そして、減算器R4において、推定された制御量PV4*と実測された制御量PV4との偏差を算出し、(5)式の目的関数J4を最小化することでゲインG41〜G44、時定数T41〜T44、むだ時間L41〜L44を求めることができる。
そして、(1)式の伝達関数行列の伝達関数のパラメータであるゲインG11〜G44、時定数T11〜T44、むだ時間L11〜L44が図1の伝達関数行列パラメータ同定手段16にて算出されると、PIDパラメータ計算手段15は、PID調節器P1〜P4のパラメータを(1)式の伝達関数行列の対角項から計算する。
Then, in the subtracter R4, calculates the deviation between the estimated control quantity PV4 * and actually measured control quantity PV4, the gain G 41 ~G 44 by minimizing the objective function J 4 of equation (5), The time constants T 41 to T 44 and dead time L 41 to L 44 can be obtained.
Then, gains G 11 to G 44 , time constants T 11 to T 44 , and dead times L 11 to L 44 that are parameters of the transfer function of the transfer function matrix of equation (1) are the transfer function matrix parameter identification means 16 of FIG. Is calculated, the PID parameter calculation means 15 calculates the parameters of the PID adjusters P1 to P4 from the diagonal terms of the transfer function matrix of equation (1).

ここで、PID調節器P1〜P4の伝達関数C(s)は、以下の(6)式にて表すことができる。
C(s)=KP(1+1/(TIs)+TDs) ・・・(6)
ただし、KPは比例定数、TIは積分定数、TDは微分定数である。
そして、PID調節器P1〜P4のパラメータである比例定数KP、積分定数TI、微分定数TDは、(1)式の伝達関数行列の伝達関数のパラメータの関数として与えることができる。
例えば、chien,Hrones and Reswickの調整則を用いた場合、PID調節器P1のパラメータは、表1のように与えることができる。
Here, the transfer function C (s) of the PID adjusters P1 to P4 can be expressed by the following equation (6).
C (s) = K P (1 + 1 / (T I s) + T D s) (6)
Here, K P is a proportional constant, T I is an integral constant, and T D is a differential constant.
Then, the proportional constant K P , the integral constant T I , and the differential constant T D that are parameters of the PID adjusters P1 to P4 can be given as functions of transfer function parameters of the transfer function matrix of the equation (1).
For example, when the adjustment rules of chien, Hrones and Rewick are used, the parameters of the PID controller P1 can be given as shown in Table 1.

Figure 0005071057
Figure 0005071057

また、Ziegler and Nicholsの調整則を用いた場合、PID調節器P1のパラメータは、表2のように与えることができる。   Further, when the adjustment rule of Ziegler and Nichols is used, the parameters of the PID adjuster P1 can be given as shown in Table 2.

Figure 0005071057
Figure 0005071057

なお、PID調節器P2〜P4のパラメータも、chien,Hrones and Reswickの調整則またはZiegler and Nicholsの調整則を用いて同様に設定することができる。
次に、PID調節器P1〜P4のパラメータがPIDパラメータ計算手段15にて設定されると、モデル予測制御パラメータ計算手段14は、PID調節器12のパラメータに基づいて内部モデル11aを設定するとともに、モデル予測制御のパラメータを計算し、モデル予測制御手段11に設定する。
The parameters of the PID adjusters P2 to P4 can be set in the same manner using the adjustment rules of chien, Hrones and Rewick, or the adjustment rules of Ziegler and Nichols.
Next, when the parameters of the PID adjusters P1 to P4 are set by the PID parameter calculating means 15, the model predictive control parameter calculating means 14 sets the internal model 11a based on the parameters of the PID adjuster 12, and Parameters for model predictive control are calculated and set in the model predictive control means 11.

ここで、図1の制御対象13の伝達関数をP(s)、PID調節器12の伝達関数をC(s)とおくと、PID調節器12の設定値SVPIDから制御量PVまでの閉ループ伝達関数は、以下の(7)式で表すことができる。
PV/SVPID=C(s)P(s)/(1+C(s)P(s)) ・・・(7)
(7)式を時定数Texdの一次遅れ系で近似すると、以下の(8)式が成り立つ。
C(s)P(s)/(1+C(s)P(s))=1/(1+sTexd)・・・(8)
ただし、PID調節器12には、積分要素があると仮定し、(8)式のゲインは1とした。
Here, when the transfer function of the control target 13 in FIG. 1 is P (s) and the transfer function of the PID regulator 12 is C (s), the closed loop from the set value SV PID of the PID regulator 12 to the control amount PV is shown. The transfer function can be expressed by the following equation (7).
PV / SV PID = C (s) P (s) / (1 + C (s) P (s)) (7)
When the equation (7) is approximated by a first order lag system of the time constant T exd , the following equation (8) is established.
C (s) P (s) / (1 + C (s) P (s)) = 1 / (1 + sT exd ) (8)
However, it is assumed that the PID controller 12 has an integral element, and the gain of the equation (8) is set to 1.

また、むだ時間を無視し、制御対象13の伝達関数P(s)をG11/(1+sT11)とし、(8)式を整理すると、以下の(9)式が得られる。
C(s)=−T11/(G11exd)(1+1/(sT11)) ・・・(9)
従って、以下の(10)式および(11)式に示すようにPID調節器12のパラメータを設定すると、制御対象13およびPID調節器12を拡大された制御対象18とみなした時の伝達関数行列の対角項は、1/(1+sTexd)と近似することができる。
P=−T11/(G11exd) ・・・(10)
I=T11 ・・・(11)
Further, when the dead time is ignored, the transfer function P (s) of the control target 13 is G 11 / (1 + sT 11 ), and the formula (8) is arranged, the following formula (9) is obtained.
C (s) = − T 11 / (G 11 T exd ) (1 + 1 / (sT 11 )) (9)
Therefore, when the parameters of the PID regulator 12 are set as shown in the following equations (10) and (11), the transfer function matrix when the control object 13 and the PID regulator 12 are regarded as the enlarged control object 18 is shown. Can be approximated as 1 / (1 + sT exd ).
K P = −T 11 / (G 11 T exd ) (10)
T I = T 11 (11)

一方、制御対象13およびPID調節器12を拡大された制御対象18とみなした時の伝達関数行列の非対角項は、PID調節器12の影響を考慮し、sGexnd-sLexnd/(1+sTexnd)と表現することができる。ただし、Gexndは拡大された制御対象18の伝達関数行列の非対角項のゲイン、Texndは拡大された制御対象18の伝達関数行列の非対角項の時定数、Lexndは拡大された制御対象18の伝達関数行列の非対角項のむだ時間である。
そして、拡大された制御対象18の伝達関数行列の対角項を1/(1+sTexd)とし、拡大された制御対象18の伝達関数行列の非対角項をsGexnd-sLexnd/(1+sTexnd)とした場合、図4の射出成形機20およびPID調節器P1〜P4を拡大された制御対象18とみなした時の伝達関数行列は以下の(12)式で表すことができる。
On the other hand, the non-diagonal terms of the transfer function matrix when the control object 13 and the PID regulator 12 are regarded as the enlarged control object 18 are considered in consideration of the influence of the PID regulator 12 and sG exnd e -sLexnd / (1 + sT exnd ). Where G exnd is the gain of the off-diagonal term of the transfer function matrix of the controlled object 18, T exnd is the time constant of the off-diagonal term of the transfer function matrix of the enlarged control object 18, and L exnd is enlarged. It is the dead time of the off-diagonal term of the transfer function matrix of the controlled object 18.
The diagonal term of the transfer function matrix of the expanded control object 18 is 1 / (1 + sT exd ), and the non-diagonal term of the transfer function matrix of the expanded control object 18 is sG exnd e −sLexnd / (1 + sT exnd ), The transfer function matrix when the injection molding machine 20 and the PID adjusters P1 to P4 in FIG. 4 are regarded as the enlarged control object 18 can be expressed by the following equation (12).

Figure 0005071057
Figure 0005071057

ただし、Gexnd12〜Gexnd43はゲイン、Texd11〜Texd44およびTexnd12〜Texnd43は時定数、Lexnd12〜Lexnd43はむだ時間である。
図9は、図1のモデル予測制御手段の内部モデルの構成方法を説明する図である。
図9において、設定値SV1としてステップ入力が与えられたものとすると、PID調節器P1は、射出成形機20のゾーンZ1の制御量PV1が設定値SV1に近づくように操作量MV1を出力するため、射出成形機20およびPID調節器P1〜P4を拡大された制御対象18とみなした時の伝達関数行列の対角項は、Tを時定数とすると、一次遅れ要素1/(1+sT)で表現することができる。
Where G exnd12 to G exnd43 are gains, T exd11 to T exd44 and T exnd12 to T exnd43 are time constants, and L exnd12 to L exnd43 are dead times.
FIG. 9 is a diagram for explaining a configuration method of the internal model of the model prediction control means of FIG.
In FIG. 9, assuming that a step input is given as the set value SV1, the PID adjuster P1 outputs the operation amount MV1 so that the control amount PV1 of the zone Z1 of the injection molding machine 20 approaches the set value SV1. The diagonal term of the transfer function matrix when the injection molding machine 20 and the PID controllers P1 to P4 are regarded as the expanded control object 18 is expressed by a first-order lag element 1 / (1 + sT), where T is a time constant. can do.

一方、設定値SV1としてステップ入力が与えられたものとすると、ゾーンZ1の温度上昇がゾーンZ2に伝わり、設定値SV2が一定の場合においても、ゾーンZ2の温度が上昇しようとする。ここで、PID調節器P2は、射出成形機20のゾーンZ2の制御量PV2が設定値SV2に近づくように操作量MV2を出力するため、ゾーンZ2の温度が上昇しようとすると、ゾーンZ2の温度上昇が抑制されるようにPID調節器P2にて制御され、ゾーンZ2の温度は元に戻ろうとする。このため、射出成形機20およびPID調節器P1〜P4を拡大された制御対象18とみなした時の伝達関数行列の非対角項は、Tを時定数とすると、一次遅れ微分要素s/(1+sT)で表現することができる。
なお、拡大された制御対象18の伝達関数行列のパラメータは、伝達関数行列パラメータ同定手段16にて同定された制御対象13の伝達関数行列のパラメータから決めることができる。
On the other hand, if a step input is given as the set value SV1, the temperature rise in the zone Z1 is transmitted to the zone Z2, and the temperature in the zone Z2 tends to rise even when the set value SV2 is constant. Here, since the PID controller P2 outputs the operation amount MV2 so that the control amount PV2 of the zone Z2 of the injection molding machine 20 approaches the set value SV2, if the temperature of the zone Z2 increases, the temperature of the zone Z2 It is controlled by the PID regulator P2 so that the rise is suppressed, and the temperature of the zone Z2 tries to return to the original value. For this reason, the non-diagonal term of the transfer function matrix when the injection molding machine 20 and the PID regulators P1 to P4 are regarded as the enlarged control object 18 is the first-order lag differential element s / ( 1 + sT).
Note that the parameters of the transfer function matrix of the controlled object 18 that has been expanded can be determined from the parameters of the transfer function matrix of the control object 13 that are identified by the transfer function matrix parameter identifying means 16.

図10は、図1のモデル予測制御手段の内部モデルのパラメータ設定方法を示す図である。
図10において、図1の拡大された制御対象18にステップ状の設定値SVPIDが入力された場合、制御量PVが63%になるまでにかかる時間を時定数Texdとすることができ、Texd=T11/20とすることができる。
そして、モデル予測制御パラメータ計算手段14は、モデル予測制御のパラメータである参照軌道RTの時定数Trefおよび一致点Psetを、以下の(13)式および(14)式で示すように、内部モデル11aとして用いる伝達関数行列のゲイン、時定数およびむだ時間の関数で与えることができる。
Tref=f1(Texd,Gexd,Lexd,Texnd,Gexnd,Lexnd)・(13)
Pset=f2(Texd,Gexd,Lexd,Texnd,Gexnd,Lexnd)・(14)
FIG. 10 is a diagram showing a parameter setting method for the internal model of the model prediction control means of FIG.
In FIG. 10, when the step-like set value SV PID is input to the enlarged control object 18 of FIG. 1, the time taken until the control amount PV becomes 63% can be set as the time constant T exd . can be a T exd = T 11/20.
Then, the model predictive control parameter calculating means 14 indicates the time constant Tref and the coincidence point Pset of the reference trajectory RT, which are parameters of the model predictive control, as shown in the following formulas (13) and (14), the internal model 11a. As a function of the gain, time constant, and dead time of the transfer function matrix used as
Tref = f 1 (T exd , G exd , L exd , T exnd , G exnd , L exnd ), (13)
Pset = f 2 (T exd , G exd , L exd , T exnd , G exnd , L exnd ) (14)

また、モデル予測制御のパラメータである参照軌道RTの時定数Trefおよび一致点Psetを、以下の(15)式および(16)式で示すように、内部モデル11aとして用いる伝達関数行列の時定数の線形関数で与えることができる。
Tref=α1exd+β1exnd ・・・(15)
Pset=α2exd+β2exnd ・・・(16)
ただし、α1、α2、β1、β2は定数である。また、Texndは実験などによって適正な値を決定することができる。
あるいは、β1=β2=0とおき、以下の(17)式および(18)式にて参照軌道RTの時定数Trefおよび一致点Psetを求めるようにしてもよい。
Tref=α1exd ・・・(17)
Pset=α2exd ・・・(18)
Further, the time constant Tref of the reference trajectory RT and the coincidence point Pset, which are parameters of the model predictive control, are expressed by the time constant of the transfer function matrix used as the internal model 11a as shown in the following equations (15) and (16). It can be given as a linear function.
Tref = α 1 T exd + β 1 T exnd (15)
Pset = α 2 T exd + β 2 T exnd (16)
However, α 1 , α 2 , β 1 , β 2 are constants. Further, T exnd can be determined as an appropriate value by experimentation or the like.
Alternatively, β 1 = β 2 = 0 may be set, and the time constant Tref and the coincidence point Pset of the reference trajectory RT may be obtained by the following equations (17) and (18).
Tref = α 1 T exd (17)
Pset = α 2 T exd (18)

図4の射出成形機20の起動時の設定量SV1、SV2、SV3、SV4、操作量MV1、MV2、MV3、MV4および制御量PV1、PV2、PV3、PV4を図11に示すように設定した場合、伝達関数行列パラメータ同定手段16、PIDパラメータ計算手段15およびモデル予測制御パラメータ計算手段14に計算を行った。
その結果、伝達関数行列パラメータ同定手段16の計算結果として表3の値が得られ、PIDパラメータ計算手段15の計算結果として表4の値が得られ、モデル予測制御パラメータ計算手段14の計算結果として表5の値が得られた。
ただし、表4の値は、表1のchien,Hrones and Reswickの調整則の外乱、行き過ぎなしとした。また、表5の値は、(15)式および(16)式において、α1=0.3、α2=0.4、β1=0.0、β2=0.0とした。
When the set amounts SV1, SV2, SV3, SV4, operation amounts MV1, MV2, MV3, MV4 and control amounts PV1, PV2, PV3, PV4 at the time of starting the injection molding machine 20 in FIG. 4 are set as shown in FIG. The transfer function matrix parameter identification unit 16, the PID parameter calculation unit 15, and the model predictive control parameter calculation unit 14 were calculated.
As a result, the value of Table 3 is obtained as the calculation result of the transfer function matrix parameter identification means 16, the value of Table 4 is obtained as the calculation result of the PID parameter calculation means 15, and the calculation result of the model predictive control parameter calculation means 14 is obtained. The values in Table 5 were obtained.
However, the values in Table 4 are assumed to be no disturbance of the adjustment rules of chien, Hornes and Resick in Table 1 and no overshoot. The values in Table 5 were set to α 1 = 0.3, α 2 = 0.4, β 1 = 0.0, β 2 = 0.0 in the equations (15) and (16).

Figure 0005071057
Figure 0005071057

Figure 0005071057
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Figure 0005071057
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本発明の一実施形態に係るPID制御システムの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the PID control system which concerns on one Embodiment of this invention. 図1のPID制御システムにおけるパラメータ設定方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the parameter setting method in the PID control system of FIG. 図1のモデル予測制御手段の動作を概念的に示す図である。It is a figure which shows notionally the operation | movement of the model prediction control means of FIG. 図1のPID制御システムの制御対象として射出成形機を用いた場合の概略構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of schematic structure at the time of using an injection molding machine as a control object of the PID control system of FIG. 図1の伝達関数行列パラメータ同定手段の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the transfer function matrix parameter identification means of FIG. 図1の伝達関数行列パラメータ同定手段の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the transfer function matrix parameter identification means of FIG. 図1の伝達関数行列パラメータ同定手段の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the transfer function matrix parameter identification means of FIG. 図1の伝達関数行列パラメータ同定手段の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the transfer function matrix parameter identification means of FIG. 図1のモデル予測制御手段の内部モデルの構成方法を説明する図である。It is a figure explaining the structure method of the internal model of the model prediction control means of FIG. 図1のモデル予測制御手段の内部モデルのパラメータ設定方法を示す図である。It is a figure which shows the parameter setting method of the internal model of the model prediction control means of FIG. 図4の射出成形機の起動時の設定量、操作量および制御量の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the setting amount at the time of starting of the injection molding machine of FIG. 4, the operation amount, and the control amount. 従来の温度制御システムの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the conventional temperature control system.

符号の説明Explanation of symbols

1 パネルコンピュータ
2 パーソナルコンピュータ
11 モデル予測制御手段
11a 内部モデル
12、P1〜P4 PID調節器
13 制御対象
14 モデル予測制御パラメータ計算手段
15 PIDパラメータ計算手段
16 伝達関数行列パラメータ同定手段
17 減算器
18 拡大された制御対象
20 射出成形機
21 シリンダ
22 ッパ
23 スクリュー
24 モータ
H1〜H4 ヒータ
J1〜J4 温度計測手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Panel computer 2 Personal computer 11 Model prediction control means 11a Internal model 12, P1-P4 PID regulator 13 Control object 14 Model prediction control parameter calculation means 15 PID parameter calculation means 16 Transfer function matrix parameter identification means 17 Subtractor 18 Enlarged controlled object 20 injection molding machine 21 cylinder 22 Ho Tsu Pas <br/> 23 screw 24 motor H1~H4 heater J1~J4 temperature measuring means

Claims (8)

複数の制御対象に入力される操作量の時系列データと、前記操作量に応じて前記制御対象から出力される制御量の時系列データに基づいて、予め構造が設定された前記制御対象を表現する伝達関数行列のパラメータを同定する伝達関数行列パラメータ同定手段と、
前記伝達関数行列パラメータ同定手段にて同定された伝達関数行列のパラメータに基づいて、前記制御対象をそれぞれ制御する各PID調整器のパラメータを計算するPIDパラメータ計算手段と、
前記伝達関数行列パラメータ同定手段にて同定された伝達関数行列のパラメータに基づいて、前記PID調整器の設定値をモデル予測制御にて制御するパラメータを計算するモデル予測制御パラメータ計算手段と、を備え、
前記モデル予測制御パラメータ計算手段は、前記制御対象および前記PID調整器を拡大された制御対象とみなし、前記拡大された制御対象を前記制御対象間の干渉を含めて表現する伝達関数行列を内部モデルとして用い、前記伝達関数行列の非対角項は、前記複数の制御対象の干渉項であり、
前記モデル予測制御パラメータ計算手段は、前記内部モデルとして用いる伝達関数行列の対角項を一次遅れ要素とむだ時間要素に基づいて表現し、前記内部モデルとして用いる伝達関数行列の非対角項を一次遅れ要素とむだ時間要素と微分要素に基づいて表現することを特徴とするPID制御支援装置。
Based on time-series data of operation amounts input to a plurality of control targets and time-series data of control amounts output from the control targets according to the operation amounts, the control targets whose structures are set in advance are expressed. Transfer function matrix parameter identifying means for identifying parameters of the transfer function matrix to be performed;
PID parameter calculation means for calculating parameters of each PID adjuster for controlling the control object based on the parameters of the transfer function matrix identified by the transfer function matrix parameter identification means;
Model predictive control parameter calculating means for calculating a parameter for controlling the set value of the PID adjuster in model predictive control based on the parameter of the transfer function matrix identified by the transfer function matrix parameter identifying means. ,
The model predictive control parameter calculation means regards the control object and the PID adjuster as an enlarged control object, and represents a transfer function matrix expressing the enlarged control object including interference between the control objects as an internal model. And the off-diagonal term of the transfer function matrix is an interference term between the plurality of controlled objects,
The model predictive control parameter calculation means expresses a diagonal term of a transfer function matrix used as the internal model based on a first-order lag element and a time delay element, and a non-diagonal term of the transfer function matrix used as the internal model A PID control support device, characterized by being expressed based on a delay element, a dead time element, and a differential element.
前記モデル予測制御パラメータ計算手段は、前記モデル予測制御のパラメータである参照軌道の時定数および一致点を、前記内部モデルとして用いる伝達関数行列のゲイン、時定数およびむだ時間の関数で与えることを特徴とする請求項記載のPID制御支援装置。 The model predictive control parameter calculation means provides a time constant and a coincidence point of a reference trajectory that are parameters of the model predictive control as a function of a gain, a time constant, and a dead time of a transfer function matrix used as the internal model. The PID control support device according to claim 1 . 前記モデル予測制御パラメータ計算手段は、前記モデル予測制御のパラメータである参照軌道の時定数および一致点を、前記内部モデルとして用いる伝達関数行列の時定数の線形関数で与えることを特徴とする請求項1または2記載のPID制御支援装置。 The model predictive control parameter calculation means provides a time constant and a coincidence point of a reference trajectory that are parameters of the model predictive control as a linear function of a time constant of a transfer function matrix used as the internal model. The PID control support apparatus according to 1 or 2 . 前記制御対象の構造は、一次遅れ要素とむだ時間要素に基づいて設定されることを特徴とする請求項1からのいずれか1項記載のPID制御支援装置。 The PID control support device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the structure to be controlled is set based on a first-order lag element and a dead time element. 前記伝達関数行列パラメータ同定手段は、前記操作量の時系列データと、前記制御量の時系列データとして、閉ループ制御中のデータを用いることを特徴とする請求項1からのいずれか1項記載のPID制御支援装置。 The transfer function matrix parameter identification means comprises a time-series data of the operation amount, as time-series data of the control amount, to any one of claims 1, which comprises using the data in closed loop control 4 PID control support device. 前記伝達関数行列パラメータ同定手段は、前記操作量の時系列データと、前記制御量の時系列データとして、起動時のデータを用いることを特徴とする請求項1からのいずれか1項記載のPID制御支援装置。 The transfer function matrix parameter identification means comprises a time-series data of the operation amount, as time-series data of the control quantity, according to any one of claims 1 to 4, which comprises using the data at the time of starting PID control support device. 前記PIDパラメータ計算手段は、前記PID調節器のパラメータを前記制御対象のパラメータの関数として与えることを特徴とする請求項1からのいずれか1項記載のPID制御支援装置。 The PID parameter calculation means, PID control assisting apparatus according to any one of 6 claim 1, wherein the providing a parameter of the PID controller as a function of the control target parameter. 前記PIDパラメータ計算手段は、前記伝達関数行列パラメータ同定手段にてパラメータが同定される伝達関数行列の非対角項を無視して、前記PID調節器のパラメータを計算することを特徴とする請求項1からのいずれか1項記載のPID制御支援装置。 The PID parameter calculating unit calculates a parameter of the PID regulator ignoring a non-diagonal term of a transfer function matrix whose parameter is identified by the transfer function matrix parameter identifying unit. The PID control support apparatus according to any one of 1 to 7 .
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