JP5108554B2 - Ｐｉｄパラメータ調整装置および調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、プロセス制御技術に係り、特に制御対象に一定振幅の操作量を繰り返し出力するリミットサイクルを発生させて、この操作量の出力に応じた制御対象の応答に基づいてＰＩＤ制御機器のＰＩＤパラメータを調整するオートチューニングの機能を備えたＰＩＤパラメータ調整装置および調整方法に関するものである。

温調計などの制御機器では、リミットサイクル方式のオートチューニング（以下、ＡＴとする）機能が広く採用されており、これによりＰＩＤ制御演算のためのＰＩＤパラメータ値が自動決定される（例えば特許文献１参照）。このリミットサイクル式のＡＴは、制御対象に出力する操作量ＭＶに上限値と下限値を予め設定し、操作量振幅が一定のリミットサイクルを発生させて、ＰＩＤパラメータ値を調整するようにしたものである。

特許文献１に開示された従来のＡＴでは、操作量が指定された回数だけ上下動するリミットサイクルを発生させてＡＴを終了するようになっている。そして、制御量ＰＶの上下動の幅Ａｈと上下動の時間に関する情報Ｔｈに基づいてＰＩＤパラメータ値を決定するようにしている。しかし、従来のＡＴでは、厳密に言えば少ない情報に基づいて、最良と考えられるＰＩＤパラメータの推定値を算出しているので、制御対象によっては不適切なＰＩＤパラメータ値が算出される場合もある。

この場合、ＡＴ実行後に、制御機器による制御を実行しながら、オペレータがＰＩＤパラメータを手動調整することになる。しかし、手動調整が不調の場合には、再びＡＴを実行しなければならないという問題がある。
従来、ＰＩＤパラメータ調整を支援する技術として、特許文献２に開示されたＰＩＤパラメータ調整装置がある。このＰＩＤパラメータ調整装置は、制御機器の制御アルゴリズムと制御対象のモデリング結果（数式モデル）とを組み合わせた制御系を調整装置上に作成し、制御系のシミュレーションの結果と理想の制御応答特性との差異を評価関数値として与え、評価関数値が最適な値に近づくように制御系のシミュレーションを繰り返して、最適なＰＩＤパラメータを探索するようにしたものである。

特開２００６−１０６９２５号公報 特開２００５−７０９４０号公報

特許文献１に開示された従来のＡＴでは、算出されたＰＩＤパラメータが不適切で、オペレータによるＰＩＤパラメータの手動調整も不調な場合、ＡＴを再実行する必要があり、パラメータの調整工数がかかるという問題点があった。
また、特許文献２に開示されたＰＩＤパラメータ調整装置によれば、ＰＩＤパラメータを最適な値に調整することができるが、特許文献１に開示されたＡＴを実行する場合に比べて手間と時間が格段に多くなるという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、パラメータ調整の工数を削減することができるＰＩＤパラメータ調整装置および調整方法を提供することを目的とする。

本発明のＰＩＤパラメータ調整装置は、オートチューニングの実行を指示するオートチューニング実行信号を入力するオートチューニング実行信号入力手段と、前記オートチューニング実行信号が入力されると、制御対象に一定振幅の操作量を繰り返し出力するリミットサイクルを発生させて、この操作量の出力に応じた制御応答と算出係数に基づきＰＩＤパラメータを算出してＰＩＤ制御機器に設定するオートチューニング実行手段と、このオートチューニング実行手段で検出された前記制御応答の情報を記憶する第１の記憶手段と、前記算出係数を予め記憶する第２の記憶手段と、前記オートチューニング実行手段によるオートチューニングを実行せずに前記ＰＩＤパラメータの再設定を行うことを指示する再設定信号を生成する再設定信号生成手段と、前記再設定信号が入力されたときに、前記第１の記憶手段に制御応答の情報が記憶されている場合、前記リミットサイクルを発生させずに、この制御応答の情報と前記第２の記憶手段に記憶されている算出係数に基づきＰＩＤパラメータを算出して前記ＰＩＤ制御機器に設定するＰＩＤパラメータ値再設定手段とを備えるものである。
また、本発明のＰＩＤパラメータ調整装置の１構成例において、前記制御応答の情報は、制御量の上下動の幅Ａｈと上下動の時間に関する情報Ｔｈである。
また、本発明のＰＩＤパラメータ調整装置の１構成例において、前記再設定信号生成手段は、前記ＰＩＤパラメータの再設定を指示する操作が行われたときに、前記再設定信号を前記ＰＩＤパラメータ値再設定手段に出力するものである。
また、本発明のＰＩＤパラメータ調整装置の１構成例において、前記第２の記憶手段は、前記算出係数の複数の組を予め記憶し、これら複数の組のうち指定された算出係数の組を前記オートチューニング実行手段と前記ＰＩＤパラメータ値再設定手段に出力するものであり、前記再設定信号生成手段は、前記算出係数の指定を変更する操作が行われたときに、前記再設定信号を前記ＰＩＤパラメータ値再設定手段に出力するものである。
また、本発明のＰＩＤパラメータ調整装置の１構成例において、前記再設定信号生成手段は、前記第２の記憶手段に記憶されている算出係数を書き換える操作が行われたときに、前記再設定信号を前記ＰＩＤパラメータ値再設定手段に出力するものである。
また、本発明のＰＩＤパラメータ調整装置の１構成例は、さらに、前記算出係数の更新を指示する操作が行われたときに、前記第１の記憶手段に記憶されている制御応答の情報と前記ＰＩＤ制御機器に設定されているＰＩＤパラメータに基づき前記算出係数の更新値を算出して前記第２の記憶手段の算出係数を更新する算出係数更新手段を備えるものである。

また、本発明のＰＩＤパラメータ調整方法は、オートチューニングの実行を指示するオートチューニング実行信号を入力するオートチューニング実行信号入力手順と、前記オートチューニング実行信号が入力されると、制御対象に一定振幅の操作量を繰り返し出力するリミットサイクルを発生させて、この操作量の出力に応じた制御応答と算出係数に基づきＰＩＤパラメータを算出してＰＩＤ制御機器に設定するオートチューニング実行手順と、このオートチューニング実行手順で検出された前記制御応答の情報を第１の記憶手段に記憶させる情報記憶手順と、前記オートチューニング実行手順によるオートチューニングを実行せずに前記ＰＩＤパラメータの再設定を行うことを指示する再設定信号を生成する再設定信号生成手順と、前記再設定信号が生成されたときに、前記第１の記憶手段に制御応答の情報が記憶されている場合、前記リミットサイクルを発生させずに、この制御応答の情報と第２の記憶手段に記憶されている前記算出係数に基づきＰＩＤパラメータを算出して前記ＰＩＤ制御機器に設定するＰＩＤパラメータ値再設定手順とを備えるものである。
また、本発明のＰＩＤパラメータ調整方法の１構成例において、前記再設定信号生成手順は、前記ＰＩＤパラメータの再設定を指示する操作が行われたときに、前記再設定信号を生成するものである。
また、本発明のＰＩＤパラメータ調整方法の１構成例において、前記第２の記憶手段は、前記算出係数の複数の組を予め記憶し、これら複数の組のうち指定された算出係数の組を前記オートチューニング実行手順と前記ＰＩＤパラメータ値再設定手順で利用させるものであり、前記再設定信号生成手順は、前記算出係数の指定を変更する操作が行われたときに、前記再設定信号を生成するものである。
また、本発明のＰＩＤパラメータ調整方法の１構成例において、前記再設定信号生成手順は、前記第２の記憶手段に記憶されている算出係数を書き換える操作が行われたときに、前記再設定信号を生成するものである。
また、本発明のＰＩＤパラメータ調整方法の１構成例は、さらに、前記算出係数の更新を指示する操作が行われたときに、前記第１の記憶手段に記憶されている制御応答の情報と前記ＰＩＤ制御機器に設定されているＰＩＤパラメータに基づき前記算出係数の更新値を算出して前記第２の記憶手段の算出係数を更新する算出係数更新手順を備えるものである。

本発明によれば、オートチューニングを実行したときの制御応答の情報を記憶しておき、ＰＩＤパラメータの再設定を行う場合には、記憶している制御応答の情報を再利用することにより、オートチューニングを再実行することなく、ＰＩＤパラメータを再設定することができる。その結果、本発明では、従来に比べてパラメータ調整の工数を削減することができる。

また、本発明では、再設定信号を生成するタイミングとして、ＰＩＤパラメータの再設定を指示する操作が行われたときと、算出係数の組の指定を変更する操作が行われたときと、算出係数を書き換える操作が行われたときの３つを規定している。特に、算出係数の組の指定を変更する操作が行われたとき、あるいは算出係数を書き換える操作が行われたときには、同時にＰＩＤパラメータの再設定を指示する操作が行われたと見なして、再設定信号を生成するようにしたので、オペレータの利便性を向上させることができる。

また、本発明では、算出係数の更新を指示する操作が行われたときに、第１の記憶手段に記憶されている制御応答の情報とＰＩＤ制御機器に設定されているＰＩＤパラメータに基づき算出係数の更新値を算出して第２の記憶手段の算出係数を更新するようにしている。したがって、オペレータは良好な制御特性が得られた場合に算出係数の更新を指示しておけば、制御対象の特性が微妙に変化してオートチューニングの再実行の必要性が発生したときに、１回のオートチューニング再実行のみで良好な制御特性が得られる可能性が高くなる。

［発明の原理１］
ＰＩＤ制御機器に設定されているＰＩＤパラメータ値は、ＡＴによる結果であったり、オペレータの手動調整による結果であったりして、設定の経緯が多様である。例えば、ＡＴを実行して得られたＰＩＤパラメータ値であったとしても、必ずしも最適な制御特性が得られるとは限らないので、手動調整によりＰＩＤパラメータ値を何度も修正して制御特性を確認することがある。手動調整による確認の結果、当初のＡＴによるＰＩＤパラメータ値が妥当であったとなった場合、そのＡＴによるＰＩＤパラメータ値が記録されていなければ、ＡＴを再実行しなければならない。このようなケースにおいて、ＡＴを再実行する時間を削減することが可能であることに、発明者は着眼した。

そして、ＡＴを実行したときの制御応答の情報、具体的には制御量ＰＶの上下動の幅Ａｈ（ピークトゥピーク）と上下動の時間に関する情報Ｔｈ（概ね半周期）を記憶しておくと共に、「ＡＴ実行」と「ＡＴ再設定」を区別する操作が可能なように装置を構成し、「ＡＴ再設定」の操作が選択された場合には、ＡＴの動作は実施せず、前回ＡＴを実行したときの制御応答の情報を再利用してＰＩＤパラメータ値を再設定するようにすれば、課題解決のために有効であることに、発明者は想到した。ここで特に、ＰＩＤパラメータ値自体を記憶しておくのではなく、制御応答の情報を記憶しておくことの意義については、後述する。なお、上記において、「ＡＴ実行」の操作が選択された場合には、従来と同様にＡＴを行う。

［発明の原理２］
前述したように、ＰＩＤ制御機器に設定されているＰＩＤパラメータ値は、設定の経緯が多様である。過去にＡＴを実行したことがあったとしても、現在のＰＩＤパラメータ値の設定の経緯が不明であり、ＰＩＤパラメータ値を確実に設定したいという状況になれば、ＡＴを再実行する必要がある。特許文献１に開示された従来のＡＴでは、前記制御応答の情報にＰＩＤパラメータ値算出のための算出係数（以下、ＡＴ係数とする）を掛けてＰＩＤパラメータ値を算出するが、このＡＴ係数を変更した後に、ＡＴを再実行することがある。

例えば、ＡＴ実行後に制御特性を確認した結果、このＡＴによるＰＩＤパラメータ値では制御の即応性が過剰であり、制御の安定性に余裕がなかったという確認結果が得られた状況では、ＡＴ係数を変更してＡＴを再実行することになる。このとき、発明の原理１で説明したような構成で「ＡＴ再設定」を操作すれば済むことになるが、過去にＡＴを実行したときの情報として、算出したＰＩＤパラメータ値を記憶しておくだけでは不十分であり、過去のＡＴで使われたＡＴ係数を併せて記憶しておく必要性が発生する。

これに対し、ＡＴを実行したときの制御応答の情報（制御量ＰＶの上下動の幅Ａｈと上下動の時間に関する情報Ｔｈ）を記憶しておけば、この情報はＡＴ実行に関する普遍の情報であるので常に有用であることに、発明者は着眼した。そして、ＡＴを実行したときの制御応答の情報を特別に備えた記憶手段に記憶しておけば、ＡＴ係数が変更された場合であっても、記憶されている制御応答の情報に基づき即座にＰＩＤパラメータ値を修正することができるので、課題解決のために有効であることに、発明者は想到した。

［発明の原理３］
ＰＩＤパラメータ値算出のためのＡＴ係数を変更する操作は、過去のＡＴによるＰＩＤパラメータ値を修正して再設定したいというユーザの意図が背景にあるものと理解するのが妥当である。したがって、ＡＴ係数を変更する操作が行なわれたときは、同時に「ＡＴ再設定」の操作が選択されたと認識して、過去にＡＴを実行したときの制御応答の情報を再利用してＰＩＤパラメータ値を再設定するようにすれば、さらに便利である。

［発明の原理４］
ＡＴ実行後に、ＰＩＤ制御機器２による制御を実行しながらＰＩＤパラメータを手動調整し、この手動調整で良好な制御特性が得られた場合には、記憶されている制御応答の情報（制御量ＰＶの上下動の幅Ａｈと上下動の時間に関する情報Ｔｈ）を用いて、ＡＴ係数を逆算して更新するようにする。このようにすれば、制御対象の特性が微妙に変化してＡＴ再実行の必要性が発生したときに、この更新されたＡＴ係数によりＰＩＤパラメータ値が算出されることになるので、１回のＡＴ再実行のみで良好な制御特性が得られる可能性が高くなる。

［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。図１は本発明の第１の実施の形態に係るＰＩＤパラメータ調整装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、上記発明の原理１〜３に対応するものである。ＰＩＤパラメータ調整装置１は、ＡＴの実行を指示するＡＴ実行信号を入力するＡＴ実行信号入力部３と、制御対象に一定振幅の操作量ＭＶを繰り返し出力するリミットサイクル式のＡＴによりＰＩＤパラメータを算出してＰＩＤ制御機器２に設定するＡＴ実行部４と、ＰＩＤパラメータ値算出のためのＡＴ係数を記憶するＡＴ係数記憶部５と、ＡＴを実行したときの制御応答の情報（制御量ＰＶの上下動の幅Ａｈと上下動の時間に関する情報Ｔｈ）を記憶するＡＴ情報記憶部６と、ＡＴ係数の組み合わせを変更する指定変更信号を入力する指定変更信号入力部７と、ＡＴ係数を書き換える数値変更信号を入力する数値変更信号入力部８と、ＡＴ実行部４によるＡＴを実行せずにＰＩＤパラメータの再設定を行うことを指示するＡＴ再設定信号を生成するＡＴ再設定信号生成部９と、ＡＴ再設定信号が入力されたときに、ＡＴ情報記憶部６に記憶されている制御応答の情報とＡＴ係数記憶部５に記憶されているＡＴ係数に基づきＰＩＤパラメータを算出してＰＩＤ制御機器２に設定するＰＩＤパラメータ値再設定部１０とを有する。

図２は本実施の形態のＰＩＤパラメータ調整装置１およびＰＩＤ制御機器２を適用する温度制御系の１例を示す図である。図２の例では、加熱処理炉１１１の内部にヒータ１１２と温度センサ１１３とが設置されている。温度センサ１１３は、ヒータ１１２によって加熱される空気の温度ＰＶを測定する。温調計１００は、温度ＰＶが設定値ＳＰと一致するように操作量ＭＶを算出する。電力調整器１１４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１１５を通じてヒータ１１２に供給する。こうして、温調計１００は、加熱処理炉１１１内の温度を制御する。ＰＩＤパラメータ調整装置１およびＰＩＤ制御機器２は、この温調計１００の内部に設けられるものである。

以下、ＰＩＤパラメータ調整装置１およびＰＩＤ制御機器２の動作を説明する。図３はＰＩＤパラメータ調整装置１の動作を示すフローチャート、図４は本実施の形態で用いるリミットサイクル式のＡＴを説明するための波形図である。
設定値ＳＰは、オペレータによって設定され、ＰＩＤパラメータ調整装置１とＰＩＤ制御機器２に入力される。制御量ＰＶは、図示しないセンサによって検出され、ＰＩＤパラメータ調整装置１とＰＩＤ制御機器２に入力される。

例えばオペレータがＡＴの実行を指示すると、ＡＴ実行信号入力部３は、ＡＴ実行信号をＡＴ実行部４に入力する（図３ステップＳ１においてＹＥＳ）。これにより、ＡＴ機能が起動し、ＡＴ実行部４は、リミットサイクルを発生させる（ステップＳ２）。つまり、ＡＴ実行部４は、制御量ＰＶが設定値ＳＰより大きい場合、予め定められた操作量下限設定値ＡＬを操作量ＭＶとして制御対象に出力し、制御量ＰＶが設定値ＳＰ以下の場合、予め定められた操作量上限設定値ＡＵを操作量ＭＶとして制御対象に出力することを、操作量ＭＶの上下動が所定回数に達するまで繰り返し行う。こうして、図４に示すように操作量ＭＶの振幅が一定のリミットサイクルが発生する。なお、図２の例の場合、操作量ＭＶの出力先が電力調整器１１４であることは言うまでもない。

続いて、ＡＴ実行部４は、操作量ＭＶの出力に応じた制御応答を検出し、制御応答の情報を取得する（ステップＳ３）。この検出処理では、ＡＴ実行部４は、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差Ｅｒを次式のように計算する。
Ｅｒ＝ＳＰ−ＰＶ ・・・（１）

ＡＴ実行部４は、図４に示すように、設定値ＳＰと制御量ＰＶの最新の極値との偏差の絶対値である第１の最大偏差絶対値Ｅｒ１、設定値ＳＰと制御量ＰＶの２番目に新しい極値との偏差の絶対値である第２の最大偏差絶対値Ｅｒ２、第１の最大偏差絶対値Ｅｒ１の直前に偏差の正負が逆転した時刻ｔ５から第１の最大偏差絶対値Ｅｒ１が得られた時刻ｔ６までの時間である第１の操作量切換経過時間Ｔｈ１、第２の最大偏差絶対値Ｅｒ２の直前に偏差の正負が逆転した時刻ｔ３から第２の最大偏差絶対値Ｅｒ２が得られた時刻ｔ４までの時間である第２の操作量切換経過時間Ｔｈ２を求める。

そして、ＡＴ実行部４は、制御量ＰＶの上下動の幅Ａｈと上下動の時間に関する情報Ｔｈを次式により算出する。
Ａｈ＝Ｅｒ１＋Ｅｒ２ ・・・（２）
Ｔｈ＝Ｔｈ１＋Ｔｈ２ ・・・（３）
これでステップＳ３の処理が終了する。

ＡＴ実行部４は、ステップＳ３で取得した制御応答の情報（制御量ＰＶの上下動の幅Ａｈと上下動の時間に関する情報Ｔｈ）をＡＴ情報記憶部６に格納する（ステップＳ４）。ＡＴ情報記憶部６は、制御応答の情報を長期にわたって記憶する。したがって、ＡＴ情報記憶部６としては、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）等の不揮発性メモリを用いることが好ましい。

次に、ＡＴ実行部４は、ステップＳ３で取得した制御応答の情報と、ＡＴ係数記憶部５に記憶されているＡＴ係数α０，β０，γ０により、ＰＩＤパラメータＰ０，Ｉ０，Ｄ０を以下のように算出する（ステップＳ５）。
Ｐ０＝α０Ａｈ ・・・（４）
Ｉ０＝β０Ｔｈ ・・・（５）
Ｄ０＝γ０Ｔｈ ・・・（６）

そして、ＡＴ実行部４は、算出した比例帯Ｐ０、積分時間Ｉ０および微分時間Ｄ０をＰＩＤ制御機器２に設定する。これで、ステップＳ５の処理が終了する。ＰＩＤ制御機器２はＰＩＤパラメータを長期にわたって記憶する必要がある。したがって、ＰＩＤパラメータは、ＰＩＤ制御機器２内部のＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリに格納されることは言うまでもない。以上でＡＴが完了する。ＡＴの詳細については、例えば特許文献１や特開２００３−３３０５０４号公報などに開示されている。

なお、ＡＴ係数記憶部５は、ＡＴ係数の複数の組を予め記憶しており、オペレータから指定変更信号入力部７を介してＡＴ係数の組の指定を受けると、オペレータから指定されたＡＴ係数の組をＡＴ実行部４とＰＩＤパラメータ値再設定部１０に出力する。ＡＴ係数記憶部５もＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリを使うことが好ましい。本実施の形態では説明を簡略化するために、制御の即応性重視のＡＴ係数α０，β０，γ０の組と、安定性重視のＡＴ係数α１，β１，γ１の組がＡＴ係数記憶部５に記憶されており、ステップＳ５の時点では、オペレータからの指定により即応性重視のＡＴ係数α０，β０，γ０の組が予め採用されていたとする。ＡＴ係数α０，β０，γ０の組が即応性重視でＡＴ係数α１，β１，γ１の組が安定性重視であれば、通常はα０＜α１，β０＜β１，γ０＞γ１の関係になるように設定される。ただし調整ノウハウによっては、α０＜α１，β０＜β１，γ０＜γ１の関係になることがあってもよい。

次に、ＡＴ完了後、ＰＩＤ制御機器２は、設定値ＳＰと制御量ＰＶに基づいて、次式のように操作量ＭＶを算出して制御対象に出力することを制御周期毎に行う。
ＭＶ＝（ζ／Ｐ０）｛１＋（１／Ｉ０ｓ）＋Ｄ０ｓ｝（ＳＰ−ＰＶ） ・・・（７）
式（７）において、ｓはラプラス演算子、定数ζは例えば１００である。ＡＴと同様に、図２の例の場合、操作量ＭＶの出力先が電力調整器１１４であることは言うまでもない。

ここでは、ＰＩＤ制御機器２による制御特性を確認した結果、制御の即応性重視が過剰であって、安定性重視に変更すべきだとオペレータが判断するものとする。オペレータは、とりあえず手動調整によりＰ，Ｉ，Ｄの各パラメータ値を直接修正して、再びＰＩＤ制御機器２に制御を実行させ、制御特性を確認することが可能である。そして仮に手動調整によりＰ，Ｉ，Ｄの各パラメータ値を修正して制御特性を確認した後に、結果的に、安定性重視のＡＴ係数α１，β１，γ１を採用したＡＴによるＰＩＤパラメータ値を設定したいと判断したとする。従来であれば、安定性重視のＡＴ係数α１，β１，γ１を指定して、ＡＴを再実行しなければならず、ＡＴが再実行されて終了するまでの所要時間も再度必要になる。

これに対して、本実施の形態では、オペレータは、制御の安定性重視のＡＴ係数α１，β１，γ１を採用するよう指定するだけでよい。指定変更信号入力部７は、オペレータからＡＴ係数α１，β１，γ１の組を採用するよう指定を受けると（図３ステップＳ６においてＹＥＳ）、ＡＴ係数記憶部５に対してＡＴ係数α１，β１，γ１の組を指定する指定変更信号を出力すると共に、ＡＴ係数に変更があったことをＡＴ再設定信号生成部９に通知する。ＡＴ係数記憶部５は、指定変更信号入力部７からの指定により、ＡＴ係数α１，β１，γ１の組を採用し、このＡＴ係数α１，β１，γ１をＡＴ実行部４とＰＩＤパラメータ値再設定部１０に出力する（ステップＳ７）。こうして、ＡＴ係数が変更される。

ＡＴ再設定信号生成部９は、指定変更信号入力部７または数値変更信号入力部８からＡＴ係数に変更があった旨の通知を受けると、「ＡＴ再設定」の操作が選択されたと見なし、ＰＩＤパラメータ値再設定部１０に対してＰＩＤパラメータの再設定を指示するＡＴ再設定信号を出力する（ステップＳ８）。

ＡＴ再設定信号を受けたＰＩＤパラメータ値再設定部１０は、ＡＴ情報記憶部６に制御応答の情報（制御量ＰＶの上下動の幅Ａｈと上下動の時間に関する情報Ｔｈ）が記憶されているかどうかを確認する（ステップＳ９）。ＡＴ情報記憶部６に制御応答の情報が記憶されていない場合は、過去にＡＴが実行されていないことになるので、ステップＳ２に進み、上記のとおりＡＴを実行する。

一方、ＰＩＤパラメータ値再設定部１０は、ＡＴ情報記憶部６に制御応答の情報（制御量ＰＶの上下動の幅Ａｈと上下動の時間に関する情報Ｔｈ）が記憶されている場合（ステップＳ９においてＹＥＳ）、この制御応答の情報とＡＴ係数記憶部５から出力されたＡＴ係数α１，β１，γ１により、ＰＩＤパラメータＰ１，Ｉ１，Ｄ１を以下のように算出する（ステップＳ１０）。
Ｐ１＝α１Ａｈ ・・・（８）
Ｉ１＝β１Ｔｈ ・・・（９）
Ｄ１＝γ１Ｔｈ ・・・（１０）

そして、ＰＩＤパラメータ値再設定部１０は、算出した比例帯Ｐ１、積分時間Ｉ１および微分時間Ｄ１をＰＩＤ制御機器２に設定する。これで、ステップＳ１０の処理が終了し、ＰＩＤ制御機器２のＰＩＤパラメータが修正される。ＰＩＤ制御機器２の動作は上記と同様である。すなわち、式（７）においてＰＩＤパラメータＰ０，Ｉ０，Ｄ０をそれぞれＰ１，Ｉ１，Ｄ１に置き換えればよい。
以上のようなステップＳ１〜Ｓ１０の処理がＰＩＤパラメータ調整装置１の動作が終了するまで（ステップＳ１１においてＹＥＳ）、必要に応じて繰り返される。

こうして、本実施の形態では、過去にＡＴを実行したときの制御応答の情報（制御量ＰＶの上下動の幅Ａｈと上下動の時間に関する情報Ｔｈ）を再利用することにより、ＡＴを再実行することなく（すなわち、実行時間をかけることなく）、ＰＩＤパラメータを修正することができる。修正する前に既に記憶されているＰＩＤパラメータ値は、ＡＴにより得られたＰＩＤパラメータ値である必要はなく、手動調整による設定値であってもかまわない。さらに言えば、ＰＩＤパラメータ値が設定されている経緯が不明な状況であってかまわない。

ここで、理解を助けるために、従来のＡＴを利用した場合のパラメータ調整の処理の流れと本実施の形態のＰＩＤパラメータ調整装置を利用した場合の処理の流れの違いを以下に示す。

［従来の処理の流れ］
（ａ）ＰＩＤパラメータ調整装置がＡＴを実行→累積ＡＴ実行回数１回。
（ｂ）ＰＩＤパラメータ調整装置がＡＴ係数と検出した制御応答の情報を用いてＰＩＤパラメータを算出。
（ｃ）ＰＩＤパラメータ調整装置がＰＩＤパラメータをＰＩＤ制御機器に設定。
（ｄ）ＰＩＤ制御機器により制御を実行しながら、オペレータがＰＩＤパラメータを手動調整。
（ｅ）手動調整が不調。
（ｆ）オペレータがＡＴ係数を変更。
（ｇ）ＰＩＤパラメータ調整装置がＡＴを再実行→累積ＡＴ実行回数２回。
（ｈ）ＰＩＤパラメータ調整装置が変更されたＡＴ係数と検出した制御応答の情報を用いてＰＩＤパラメータを算出。
（ｉ）ＰＩＤパラメータ調整装置がＰＩＤパラメータをＰＩＤ制御機器に設定。

［本実施の形態の処理の流れ］
（ａ）ＰＩＤパラメータ調整装置がＡＴを実行（ステップＳ２）→累積ＡＴ実行回数１回。
（ｂ）ＰＩＤパラメータ調整装置が検出した制御応答の情報を記憶（ステップＳ３，Ｓ４）。
（ｃ）ＰＩＤパラメータ調整装置がＡＴ係数と検出した制御応答の情報を用いてＰＩＤパラメータを算出（ステップＳ５）。
（ｄ）ＰＩＤパラメータ調整装置がＰＩＤパラメータをＰＩＤ制御機器に設定（ステップＳ５）。
（ｅ）ＰＩＤ制御機器により制御を実行しながら、オペレータがＰＩＤパラメータを手動調整。
（ｆ）手動調整が不調。
（ｇ）オペレータがＡＴ係数を変更（ステップＳ６，Ｓ７）。
（ｈ）ＰＩＤパラメータ調整装置が変更されたＡＴ係数と記憶している制御応答の情報を用いてＰＩＤパラメータを修正（ステップＳ１０）。
（ｉ）ＰＩＤパラメータ調整装置がＰＩＤパラメータをＰＩＤ制御機器に設定（ステップＳ１０）。

従来の処理の流れと本実施の形態の処理の流れを比較すると、本実施の形態では、ＡＴを再実行せずに、記憶している制御応答の情報を再利用してＰＩＤパラメータを修正するため、累積ＡＴ実行時間はＡＴ起動１回分となり、従来に比べてパラメータ調整の工数を削減することができる。

なお、本実施の形態では、ＡＴ係数記憶部５がＡＴ係数の複数の組を記憶している例を説明したが、これに限るものではなく、ＡＴ係数記憶部５が記憶するＡＴ係数α，β，γの組み合わせを１組としてもよい。この場合、ＡＴ係数記憶部５は、オペレータから数値変更信号入力部８を介してＡＴ係数α，β，γのうち少なくとも１個の数値指定を受けると、記憶しているＡＴ係数α，β，γのうち当該係数をオペレータから指定された係数に更新する。こうして、ＡＴ係数の数値を自由に変更することも可能である。

ＡＴ係数記憶部５が記憶するＡＴ係数α，β，γの組み合わせを１組とする場合、オペレータは、ステップＳ５以前の時点で設定されているＡＴ係数α０，β０，γ０を変更するために、ＡＴ係数α１，β１，γ１を直接数値入力する。数値変更信号入力部８は、オペレータからＡＴ係数α１，β１，γ１の入力を受けると（図３ステップＳ６においてＹＥＳ）、ＡＴ係数記憶部５に対してＡＴ係数α１，β１，γ１を指定する数値変更信号を出力すると共に、ＡＴ係数に変更があったことをＡＴ再設定信号生成部９に通知する。ＡＴ係数記憶部５は、数値変更信号入力部８からの指定により、記憶しているＡＴ係数α０，β０，γ０を指定されたＡＴ係数α１，β１，γ１に更新し、このＡＴ係数α１，β１，γ１をＡＴ実行部４とＰＩＤパラメータ値再設定部１０に出力する（ステップＳ７）。

また、本実施の形態では、ＡＴ係数の変更が可能であることを前提としており、ＡＴ係数を変更する操作が行われたときに、同時に「ＡＴ再設定」の操作が選択されたと認識するようにしている。ただし、「ＡＴ再設定」をオペレータが直接指示することが可能な構成も備えるものとする。この場合、指定変更信号入力部７または数値変更信号入力部８は、オペレータからＡＴ係数の変更の指定を受けた場合でも、ＡＴ再設定信号生成部９に対してＡＴ係数に変更があったことを通知する必要はない。オペレータは、ＡＴ係数の変更操作を行った後に（ステップＳ６，Ｓ７）、「ＡＴ再設定」の操作を行う。ＡＴ再設定信号生成部９は、オペレータが「ＡＴ再設定」の操作を行うと、ＰＩＤパラメータ値再設定部１０に対してＰＩＤパラメータの再設定を指示するＡＴ再設定信号を出力する（ステップＳ８）。

[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。図５は本発明の第２の実施の形態に係るＰＩＤパラメータ調整装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、上記発明の原理４に対応するものである。本実施の形態のＰＩＤパラメータ調整装置１ａは、第１の実施の形態のＰＩＤパラメータ調整装置１に対して、ＡＴ係数の更新を指示するＡＴ係数更新信号を入力するＡＴ係数更新信号入力部１１と、ＡＴ係数更新信号が入力されたときに、ＡＴ情報記憶部６に記憶されている制御応答の情報とＰＩＤ制御機器２に設定されているＰＩＤパラメータに基づきＡＴ係数の更新値を算出してＡＴ係数記憶部５のＡＴ係数を更新するＡＴ係数更新部１２とを追加したものである。

以下、ＰＩＤパラメータ調整装置１ａの動作を説明する。図６はＰＩＤパラメータ調整装置１ａの動作を示すフローチャートである。ステップＳ１〜Ｓ１１の処理は第１の実施の形態と同じである。
ステップＳ５の処理によってＰＩＤ制御機器２にＰＩＤパラメータＰ０，Ｉ０，Ｄ０が設定され、ＰＩＤ制御機器２がＰＩＤ制御を実行する。

ここでは、ＰＩＤ制御機器２による制御特性を確認した結果、制御の即応性重視が過剰であって、制御特性を変更すべきだとオペレータが判断したものとする。オペレータは、とりあえず手動調整によりＰ，Ｉ，Ｄの各パラメータ値を直接修正して、再びＰＩＤ制御機器２に制御を実行させ、制御特性を確認する。そして仮に手動調整によりＰ，Ｉ，Ｄの各パラメータ値を修正して制御特性を確認した後に、結果的に、良好な制御特性が得られたとする。

この場合、オペレータは「ＡＴ係数更新」の操作を行う。ＡＴ係数更新信号入力部１１は、オペレータが「ＡＴ係数更新」の操作を行うと（ステップＳ１２においてＹＥＳ）、ＡＴ係数更新部１２に対してＡＴ係数の更新を指示するＡＴ係数更新信号を出力する（ステップＳ１３）。

ＡＴ係数更新信号を受けたＡＴ係数更新部１２は、ＡＴ情報記憶部６に記憶されている制御応答の情報（制御量ＰＶの上下動の幅Ａｈと上下動の時間に関する情報Ｔｈ）とＰＩＤ制御機器２に設定されているＰＩＤパラメータＰ０，Ｉ０，Ｄ０により、ＡＴ係数の更新値α２，β２，γ２を以下のように算出する（ステップＳ１４）。
α２＝Ｐ０／Ａｈ ・・・（１１）
β２＝Ｉ０／Ｔｈ ・・・（１２）
γ２＝Ｄ０／Ｔｈ ・・・（１３）

そして、ＡＴ係数更新部１２は、ＡＴ係数記憶部５に記憶されているＡＴ係数α０，β０，γ０の値を、算出したＡＴ係数α２，β２，γ２に更新する。これで、ステップＳ１４の処理が終了する。

以上のように、本実施の形態では、良好な制御特性が得られた場合に、記憶している制御応答の情報（制御量ＰＶの上下動の幅Ａｈと上下動の時間に関する情報Ｔｈ）を用いて、ＡＴ係数を逆算して更新するようにしている。これにより、本実施の形態では、制御対象の特性が微妙に変化してＡＴ再実行の必要性が発生したときに、この更新したＡＴ係数によりＰＩＤパラメータ値を算出することになるので、１回のＡＴ再実行のみで良好な制御特性が得られる可能性が高くなる。

なお、第１、第２の実施の形態で説明したＰＩＤパラメータ調整装置１，１ａおよびＰＩＤ制御機器２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２の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、ＰＩＤ制御機器のパラメータ調整に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るＰＩＤパラメータ調整装置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ＰＩＤパラメータ調整装置およびＰＩＤ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ＰＩＤパラメータ調整装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態で用いるリミットサイクル式のオートチューニングを説明するための波形図である。 本発明の第２の実施の形態に係るＰＩＤパラメータ調整装置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ＰＩＤパラメータ調整装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１，１ａ…ＰＩＤパラメータ調整装置、２…ＰＩＤ制御機器、３…ＡＴ実行信号入力部、４…ＡＴ実行部、５…ＡＴ係数記憶部、６…ＡＴ情報記憶部、７…指定変更信号入力部、８…数値変更信号入力部、９…ＡＴ再設定信号生成部、１０…ＰＩＤパラメータ値再設定部、１１…ＡＴ係数更新信号入力部、１２…ＡＴ係数更新部。

Claims (12)

1. オートチューニングの実行を指示するオートチューニング実行信号を入力するオートチューニング実行信号入力手段と、
   前記オートチューニング実行信号が入力されると、制御対象に一定振幅の操作量を繰り返し出力するリミットサイクルを発生させて、この操作量の出力に応じた制御応答と算出係数に基づきＰＩＤパラメータを算出してＰＩＤ制御機器に設定するオートチューニング実行手段と、
   このオートチューニング実行手段で検出された前記制御応答の情報を記憶する第１の記憶手段と、
   前記算出係数を予め記憶する第２の記憶手段と、
   前記オートチューニング実行手段によるオートチューニングを実行せずに前記ＰＩＤパラメータの再設定を行うことを指示する再設定信号を生成する再設定信号生成手段と、
   前記再設定信号が入力されたときに、前記第１の記憶手段に制御応答の情報が記憶されている場合、前記リミットサイクルを発生させずに、この制御応答の情報と前記第２の記憶手段に記憶されている算出係数に基づきＰＩＤパラメータを算出して前記ＰＩＤ制御機器に設定するＰＩＤパラメータ値再設定手段とを備えることを特徴とするＰＩＤパラメータ調整装置。
2. 請求項１記載のＰＩＤパラメータ調整装置において、
   前記制御応答の情報は、制御量の上下動の幅Ａｈと上下動の時間に関する情報Ｔｈであることを特徴とするＰＩＤパラメータ調整装置。
3. 請求項１記載のＰＩＤパラメータ調整装置において、
   前記再設定信号生成手段は、前記ＰＩＤパラメータの再設定を指示する操作が行われたときに、前記再設定信号を前記ＰＩＤパラメータ値再設定手段に出力することを特徴とするＰＩＤパラメータ調整装置。
4. 請求項１記載のＰＩＤパラメータ調整装置において、
   前記第２の記憶手段は、前記算出係数の複数の組を予め記憶し、これら複数の組のうち指定された算出係数の組を前記オートチューニング実行手段と前記ＰＩＤパラメータ値再設定手段に出力するものであり、
   前記再設定信号生成手段は、前記算出係数の指定を変更する操作が行われたときに、前記再設定信号を前記ＰＩＤパラメータ値再設定手段に出力することを特徴とするＰＩＤパラメータ調整装置。
5. 請求項１記載のＰＩＤパラメータ調整装置において、
   前記再設定信号生成手段は、前記第２の記憶手段に記憶されている算出係数を書き換える操作が行われたときに、前記再設定信号を前記ＰＩＤパラメータ値再設定手段に出力することを特徴とするＰＩＤパラメータ調整装置。
6. 請求項１記載のＰＩＤパラメータ調整装置において、
   さらに、前記算出係数の更新を指示する操作が行われたときに、前記第１の記憶手段に記憶されている制御応答の情報と前記ＰＩＤ制御機器に設定されているＰＩＤパラメータに基づき前記算出係数の更新値を算出して前記第２の記憶手段の算出係数を更新する算出係数更新手段を備えることを特徴とするＰＩＤパラメータ調整装置。
7. オートチューニングの実行を指示するオートチューニング実行信号を入力するオートチューニング実行信号入力手順と、
   前記オートチューニング実行信号が入力されると、制御対象に一定振幅の操作量を繰り返し出力するリミットサイクルを発生させて、この操作量の出力に応じた制御応答と算出係数に基づきＰＩＤパラメータを算出してＰＩＤ制御機器に設定するオートチューニング実行手順と、
   このオートチューニング実行手順で検出された前記制御応答の情報を第１の記憶手段に記憶させる情報記憶手順と、
   前記オートチューニング実行手順によるオートチューニングを実行せずに前記ＰＩＤパラメータの再設定を行うことを指示する再設定信号を生成する再設定信号生成手順と、
   前記再設定信号が生成されたときに、前記第１の記憶手段に制御応答の情報が記憶されている場合、前記リミットサイクルを発生させずに、この制御応答の情報と第２の記憶手段に記憶されている前記算出係数に基づきＰＩＤパラメータを算出して前記ＰＩＤ制御機器に設定するＰＩＤパラメータ値再設定手順とを備えることを特徴とするＰＩＤパラメータ調整方法。
8. 請求項７記載のＰＩＤパラメータ調整方法において、
   前記制御応答の情報は、制御量の上下動の幅Ａｈと上下動の時間に関する情報Ｔｈであることを特徴とするＰＩＤパラメータ調整方法。
9. 請求項７記載のＰＩＤパラメータ調整方法において、
   前記再設定信号生成手順は、前記ＰＩＤパラメータの再設定を指示する操作が行われたときに、前記再設定信号を生成することを特徴とするＰＩＤパラメータ調整方法。
10. 請求項７記載のＰＩＤパラメータ調整方法において、
    前記第２の記憶手段は、前記算出係数の複数の組を予め記憶し、これら複数の組のうち指定された算出係数の組を前記オートチューニング実行手順と前記ＰＩＤパラメータ値再設定手順で利用させるものであり、
    前記再設定信号生成手順は、前記算出係数の指定を変更する操作が行われたときに、前記再設定信号を生成することを特徴とするＰＩＤパラメータ調整方法。
11. 請求項７記載のＰＩＤパラメータ調整方法において、
    前記再設定信号生成手順は、前記第２の記憶手段に記憶されている算出係数を書き換える操作が行われたときに、前記再設定信号を生成することを特徴とするＰＩＤパラメータ調整方法。
12. 請求項７記載のＰＩＤパラメータ調整方法において、
    さらに、前記算出係数の更新を指示する操作が行われたときに、前記第１の記憶手段に記憶されている制御応答の情報と前記ＰＩＤ制御機器に設定されているＰＩＤパラメータに基づき前記算出係数の更新値を算出して前記第２の記憶手段の算出係数を更新する算出係数更新手順を備えることを特徴とするＰＩＤパラメータ調整方法。

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