JP5101172B2 - 制御安定化プログラム、制御安定化装置 - Google Patents

Description

この発明は、比例・積分・微分の各要素を有するＰＩＤ制御機能を備えたＰＩＤフィードバック制御システムの制御安定化に関する。

従来のＰＩＤフィードバック制御システムは、図１に示すように、比例・積分・微分（以下ＰＩＤと記す）制御機能１１０、減算機能１１２、及び目標値設定機能１１４を備えた基本構成を有している。この構成では、目標値設定機能１１４で設定した目標値１４１から制御対象１１６の制御量１５０との差分６５９（以下偏差量と記す）を減算機能１１２で演算し、この偏差量６５９をＰＩＤ制御機能１１０へ入力し、ＰＩＤ制御機能１１０により制御対象１１６の操作量を生成する。

図１に示す制御システムの制御対象１１６の特性変化に対しては、特許文献１、特許文献２のように予混合式触媒脱臭、高炉原料など特定の制御対象に対しての方法、また、特許文献３、特許文献４のような不安定を防止するＰＩＤの比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインの調整方法は数多く提案されているが、機器の異常現象などで制御対象の特性が大きく変わった場合やＰＩＤの比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインの調整ミスなどで大きく変わった場合に制御量１５０は、振動現象を起こして発散するが、この不安定現象を防止することには対応していない。
特開２００６−６１８３６号公報 特開平５−３２０７２９号公報 特開平５−１３４７０８号公報 特開平７−３３４２０４号公報

機器の異常現象などで、制御対象の特性が大きく変わった場合やＰＩＤの比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインの調整ミスなどで大きく変わった場合に、制御量１５０は、制御振動現象を起こして、機器が異常な動作をする。この防止のため、制御対象の機器は緊急停止させる。制御振動現象を検出して制御を安定させて、制御対象の機器の運転の継続させ、機器の損傷防止や機器緊急停止に伴う生産停止、品質低下など、経済的損失の回避をすることは、重要な課題である。図１に示すＰＩＤフィードバック制御システムでは、機器の監視している人間が、制御振動現象の異常の告知により、ＰＩＤ制御機能１１０から制御対象１１６へ操作量を入力する自動モードから、人間の判断で操作量を決める手動モードに切り替えて制御の安定化を図る方法が多く取られている。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、上記のような、制御振動現象を検出して制御を安定させて、制御対象の機器の運転の継続をさせて、機器の損傷防止や機器緊急停止に伴う生産停止、品質低下など経済的損失を回避するＰＩＤフィードバック制御システムを提供することである。

以上の課題を解決するために、本願第１の発明は、目標値と制御量の差分に応じて出力する減算機能と、前記減算機能の出力である偏差量を補償した信号が入力される比例・積分・微分機能の各要素を少なくとも有するＰＩＤ制御機能を備えるコンピュータにより構成されたＰＩＤフィードバック制御システムにおける前記偏差量を補償するための制御安定化プログラムであって、前記コンピュータに、
前記目標値と前記制御量を取得して、前記目標値と前記制御量との差分が大きくなり制御が不安定な制御振動現象を検出する制御不安定検出機能と、
前記目標値と前記制御量の差の信号と前記制御不安定検出機能と外部からの入力信号により出力される信号に応じた信号を、前記偏差量を補正すべき信号として出力する信号変換機能と、を実現させることを特徴とする。

また、第２の発明は、
第１の発明の制御安定化プログラムであって、
前記制御不安定検出機能は、
前記目標値と前記制御量を入力として、
前記目標値と前記制御量の差分に応じて出力する第１の減算機能と、
前記第１の減算機能の出力を絶対値に変換する第１の絶対値変換機能と、
前記制御量の変化に応じた無駄時間要素及び遅れ時間要素を含んだ変換の出力をする無駄時間・遅れ時間変換機能と、
前記目標値と前記無駄時間・遅れ時間変換機能の出力の差分に応じて出力する第２の減算機能と、
前記第２の減算機能の出力を絶対値に変換する第２の絶対値変換機能と、
前記第１の絶対値変換機能の出力と前記第２の絶対値変換機能の出力の差分に応じて出力する第３の減算機能と、
前記第３の減算機能の出力の変化に応じて出力する減算出力変換機能と、を
有することを特徴とする。

また、第３の発明は、
第２の発明の制御安定化プログラムであって、
前記信号変換機能は、
前記第１の減算機能の出力と前記減算出力変換機能の出力と外部からの入力信号を入力として、
前記減算出力変換機能の出力が規定値の範囲に入れば、信号を出力して、この信号を一定値に保持する信号セット機能と、外部の入力信号により、前記減算出力変換機能の出力が前記規定値の範囲から外れていれば、一定値に保持された信号を開放する信号リセット機能を備えたセット・リセット機能と、
前記第１の減算機能の出力の変化に応じて出力する変換機能と、
任意の信号を設定できる信号設定機能と、
前記セット・リセット機能の出力により、前記第１の減算機能の出力の変化に応じて出力する前記変換機能の出力と任意の信号を設定できる前記信号設定機能の出力とを切換えて出力する信号切換機能と、を
有することを特徴とする。

本発明によれば、制御振動現象を検出して制御を安定させて、制御対象の機器の運転の継続が出来る機器の損傷防止や機器緊急停止に伴う生産停止、品質低下など経済的損失を回避するＰＩＤフィードバック制御システムを提供することである。

図２は、図1のＰＩＤフィードバック制御システム（以下基本ＰＩＤフィードバック制御システムと記す）に本発明の制御安定化プログラムを付加させた本発明の一実施形態であるＰＩＤフィードバック制御システム（以下提案ＰＩＤフィードバック制御システムと記す）の構成を示す。同図に示すように、本実施形態の提案ＰＩＤフィードバック制御システムは、図１に示す基本ＰＩＤフィードバック制御システムの構成要素であるＰＩＤ制御機能３１０、減算機能３１２、及び目標値設定機能３１４に、目標値１４１と制御量３５０を入力とする制御安定化プログラム１１００を付加して、減算機能３１２の出力６５７から制御安定化プログラム１１００の出力１１０６を減算する減算機能３１１の出力６５８をＰＩＤ制御機能３１０の入力とする。

なお、制御安定化プログラム１１００は、図３に示すように制御不安定検出プログラム１２００と信号変換プログラム１３００とで構成している。

図４は、制御不安定検出プログラム１２００の構成例を示す。
図に示すように、目標値と制御量の差分に応じて出力する減算機能１２０１と、
減算機能１２０１の出力を絶対値に変換する絶対値変換機能１２０２と、
制御量の変化に応じた無駄時間要素及び遅れ時間要素を含んだ変換の出力をする無駄時間・遅れ時間変換機能１２０３と、
目標値と無駄時間・遅れ時間変換機能１２０３の出力の差分に応じて出力する減算機能１２０４と、
減算機能１２０４の出力を絶対値に変換する絶対値変換機能１２０５と、
絶対値変換機能１２０２と絶対値変換機能１２０５の差分に応じて出力する減算機能１２０６と、
減算機能１２０６の出力の変化に応じて出力する減算出力変換機能１２０７で構成する。

図５は、信号変換プログラム１３００の構成例を示す。
図に示すように、制御不安定検出プログラム１２００の出力１２１０が規定値の範囲に入れば、信号を出力して、この信号を一定に保持する信号セット機能と、外部の入力信号１１０４により、制御不安定検出プログラム１２００の出力１２１０が規定値の範囲から外れていれば、一定に保持された信号を開放するセット・リセット機能１３０１と、
制御不安定検出プログラム１２００の出力１２１１の出力の変化に応じた出力をする変換機能１３０３と、
任意の信号を設定できる信号設定機能１３０４と、
セット・リセット機能１３０１の出力により、変換機能１３０３の出力１１０７と
信号設定機能１３０４の出力１１０５を切換えて出力する信号切換機能１３０２とで構成する。

図６〜図８の本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図の応答信号の名称は下記とする。
１４１ 図１の基本ＰＩＤフィードバック制御システム及び図２の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの目標値
１５０ 図１の基本ＰＩＤフィードバック制御システムの制御量
３５０ 図２の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの制御量
１２１０ 図４の制御不安定検出プログラム１２００の出力
１１０３ 図５のセット・リセット機能１３０１の出力
１１０６ 図５の信号変換プログラム１３００の出力
本発明の動作を、図１の基本ＰＩＤフィードバック制御システムと図２の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの実施例で説明する。

・・・実施例の条件・・・
図１および図２のＰＩＤの機能と制御対象の特性の例は、下記とする。
図１の記号を用いて、伝達関数の形で、
ＰＩＤの機能は、 ｕ（ｓ）＝ｅ（Ｐ＋Ｉ／ｓ＋Ｄ＊ｓ）
なお、Ｐは、比例ゲイン定数、Ｉは、積分ゲイン定数、Ｄは、微分ゲイン定数とする。
制御対象の特性は、 Ｇ＊ｅ^−Ｌｓ／（１＋Ｔ１・ｓ＋Ｔ２・ｓ）
なお、Ｇは、制御対象のゲイン定数、Ｌは、無駄時間、Ｔ１，Ｔ２は、１次遅れ時間とする。

図２の実施例の制御不安定検出プログラム１２００の構成は、第４図の構成例とし、また、信号変換プログラム１３００の構成は、第５図の構成例とする。
制御対象は、制御対象のゲイン定数Ｇ＝１，無駄時間L=１秒、一次遅れ時間はT1=１０秒、T２=０秒、PID制御機能の比例ゲイン定数P=２．７、積分ゲイン定数I=０．７、微分ゲイン定数D=０は、図１と図２は同じ値とする。なお、図５の信号変換プログラム１３００の信号設定機能１３０４の設定は、０とする。

図６は、図２の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの実施例において、制御対象は正常であり、制御不安定検出プログラム１２００の不安定防止機能は、動作せず、制御量３５０は、良好な制御をしていることを示す。

図７は、制御対象の機器の異常などで制御対象の特性が大きく変化した場合の模擬として、無駄時間をL=４秒にした例を示す。図１の基本ＰＩＤフィードバック制御システムの応答は、不安定となり制御量１５０は発散している。この場合は、実用システムでは、制御対象の機器は緊急停止させる。一方図２の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの実施例は、制御不安定検出プログラム１２００の不安定防止機能が動作して制御量３５０を安定させていることを示している。この場合は、実用システムでは、制御対象の機器の運転は継続が出来る。

図８は、制御不安定検出プログラム１２００の出力１２１０とセット・リセット機能１３０１の出力１１０３と信号変換プログラム１３００の出力１１０６を示す。

以上説明したように、本発明は、制御対象の機器の異常や人間の誤操作などで制御対象の特性が大きく変化した場合でも安定した運転継続が出来るＰＩＤフィードバック制御システムを提供出来るので、現在、家電製品、産業設備などの小規模から大規模の制御システムにおいて、あらゆる方面で採用されているＰＩＤフィードバック制御システムに本発明の機能を付加すれば、生産効率向上、品質向上、省エネルギー、環境保全、などに多大な貢献をすることが可能になる。

公知のＰＩＤフィードバック制御システムを示す図である。 本実施形態に係わるＰＩＤフィードバック制御システムを示す図である。 本実施形態に係わる制御安定化プログラムの構成を示す図である。 本実施形態に係わる制御不安定検出プログラムの構成を示す図である。 本実施形態に係わる制御安定化プログラム内の信号変換プログラムの構成を示す図である。 本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号の第１の例を示す図である。 本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号の第２の例を示す図である。 本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号の第３の例を示す図である。

３１０ ＰＩＤ制御機能
３１２ 減算機能
３１４ 目標値設定機能
１１００ 制御安定化プログラム
１２００ 制御不安定検出プログラム
１２０１ 減算機能
１２０２ 絶対値変換機能
１２０３ 無駄時間・遅れ時間変換機能
１２０４ 減算機能
１２０５ 絶対値変換機能
１２０６ 減算機能
１２０７ 減算出力変換機能
１３００ 信号変換プログラム

Claims (6)

1. 目標値と制御量の差分に応じて出力する減算機能と、前記減算機能の出力である偏差量を補償した信号が入力される比例・積分・微分機能の各要素を少なくとも有するＰＩＤ制御機能を備えるコンピュータにより構成されたＰＩＤフィードバック制御システムにおける前記偏差量を補償するための制御安定化プログラムであって、前記コンピュータに、
   前記目標値と前記制御量を取得して、前記目標値と前記制御量との差分が大きくなり制御が不安定な制御振動現象を検出する制御不安定検出機能と、
   前記目標値と前記制御量の差の信号と前記制御不安定検出機能と外部からの入力信号により出力される信号に応じた信号を、前記偏差量を補償すべき信号として出力する信号変換機能と、を実現させることを特徴とする制御安定化プログラム。
2. 請求項の第１項に記載の制御安定化プログラムであって、
   前記制御不安定検出機能は、
   前記目標値と前記制御量を入力として、
   前記目標値と前記制御量の差分に応じて出力する第１の減算機能と、
   前記第１の減算機能の出力を絶対値に変換する第１の絶対値変換機能と、
   前記制御量の変化に応じた無駄時間要素及び遅れ時間要素を含んだ変換の出力をする無駄時間・遅れ時間変換機能と、
   前記目標値と前記無駄時間・遅れ時間変換機能の出力の差分に応じて出力する第２の減算機能と、
   前記第２の減算機能の出力を絶対値に変換する第２の絶対値変換機能と、
   前記第１の絶対値変換機能の出力と前記第２の絶対値変換機能の出力の差分に応じて出力する第３の減算機能と、
   前記第３の減算機能の出力の変化に応じて出力する減算出力変換機能と、を
   有することを特徴とする制御安定化プログラム。
3. 請求項の第２項に記載の制御安定化プログラムであって、
   前記信号変換機能は、
   前記第１の減算機能の出力と前記減算出力変換機能の出力と外部からの入力信号を入力として、
   前記減算出力変換機能の出力が規定値の範囲に入れば、信号を出力して、この信号を一定値に保持する信号セット機能と、外部の入力信号により、前記減算出力変換機能の出力が前記規定値の範囲から外れていれば、一定値に保持された信号を開放する信号リセット機能を備えたセット・リセット機能と、
   前記第１の減算機能の出力の変化に応じて出力する変換機能と、
   任意の信号を設定できる信号設定機能と、
   前記セット・リセット機能の出力により、前記第１の減算機能の出力の変化に応じて出力する前記変換機能の出力と任意の信号を設定できる前記信号設定機能の出力とを切換えて出力する信号切換機能と、を
   有することを特徴とする制御安定化プログラム。
4. 目標値と制御量の差分に応じて出力する減算部と、前記減算部の出力である偏差量を補償した信号が入力される比例・積分・微分機能の各要素を少なくとも有するＰＩＤ制御部を備えるコンピュータにより構成されたＰＩＤフィードバック制御システムにおける前記偏差量を補償するための制御安定化装置であって、
   前記目標値と前記制御量を取得して、前記目標値と前記制御量との差分が大きくなり制御が不安定な制御振動現象を検出する制御不安定検出部と、
   前記目標値と前記制御量の差の信号と前記制御不安定検出部と外部からの入力信号により出力される信号に応じた信号を、前記偏差量を補償すべき信号として出力する信号変換部と、を有することを特徴とする制御安定化装置。
5. 請求項の第４項に記載の制御安定化装置であって、
   前記制御不安定検出部は、
   前記目標値と前記制御量を入力として、
   前記目標値と前記制御量の差分に応じて出力する第１の減算部と、
   前記第１の減算部の出力を絶対値に変換する第１の絶対値変換部と、
   前記制御量の変化に応じた無駄時間要素及び遅れ時間要素を含んだ変換の出力をする無駄時間・遅れ時間変換部と、
   前記目標値と前記無駄時間・遅れ時間変換部の出力の差分に応じて出力する第２の減算部と、
   前記第２の減算部の出力を絶対値に変換する第２の絶対値変換部と、
   前記第１の絶対値変換部の出力と前記第２の絶対値変換部の出力の差分に応じて出力する第３の減算部と、
   前記第３の減算部の出力の変化に応じて出力する減算出力変換部と、を
   有することを特徴とする制御安定化装置。
6. 請求項の第５項に記載の制御安定化装置であって、
   前記信号変換部は、
   前記第１の減算部の出力と前記減算出力変換部の出力と外部からの入力信号を入力として、
   前記減算出力変換部の出力が規定値の範囲に入れば、信号を出力して、この信号を一定値に保持する信号セット機能と、外部の入力信号により、前記減算出力変換部の出力が前記規定値の範囲から外れていれば、一定値に保持された信号を開放する信号リセット機能を備えたセット・リセット部と、
   前記第１の減算部の出力の変化に応じて出力する変換部と、
   任意の信号を設定できる信号設定部と、
   前記セット・リセット部の出力により、前記第１の減算部の出力の変化に応じて出力する前記変換部の出力と任意の信号を設定できる前記信号設定部の出力とを切換えて出力する信号切換部と、を
   有することを特徴とする制御安定化装置。

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