JP5112843B2 - 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ＰＩＤ制御装置のＰＩＤパラメータを調整する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。

特開２００６−１０６９２５号公報

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、操作量出力に対する制御応答、具体的には制御量ＰＶの上下動の幅に関する情報Ａｈと時間に関する情報Ｔｈとに基づいてＰＩＤパラメータ値を決定する。このため、厳密に言えば少ない情報に基づく「最良と考えられる推定値」を算出しているので、制御対象によっては、適切なＰＩＤパラメータ値が算出される場合もあれば、不適切なＰＩＤパラメータ値が算出される場合もあり得る。

このとき、従来のＡＴでは、不適切とは言え過剰に安定な制御特性となるＰＩＤパラメータ値が算出された場合は、制御が不安定化するという最悪な状態は回避されることになるが、即応性が過剰になり不安定な制御特性となるＰＩＤパラメータ値が算出された場合は、ハンチングと言われる状態が発生するという問題点があった。ハンチングは、温度や圧力などの制御量ＰＶが設定値ＳＰに整定しない状態であり、製造プロセスにおける歩留まり低下や制御機器の短寿命化などの悪影響の原因にもなってしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ハンチングの発生を確実に回避することができる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、制御対象に一定振幅の操作量を出力し、この操作量出力に応じた制御応答と予め設定された算出係数に基づきＰＩＤパラメータを算出してＰＩＤ制御装置に設定するオートチューニング実行手段と、前記ＰＩＤ制御装置が前記ＰＩＤパラメータに基づいて制御対象に対する制御を開始した後に、制御量にハンチングが発生した場合に、このハンチングを抑制すべく前記ＰＩＤ制御装置のＰＩＤパラメータを修正するハンチング抑制手段と、前記制御の整定状態を検出したときに、前記ハンチング抑制手段によるハンチング検出とハンチング抑制とを終了させる整定検出手段と、前記ＰＩＤ制御装置の修正前のＰＩＤパラメータと前記ハンチング抑制手段によって修正された修正後のＰＩＤパラメータとの変化比率に基づき、前記オートチューニング実行手段の算出係数を修正する算出係数修正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構成例は、さらに、前記制御の整定状態を検出したときに、制御の安定性が確認されたことをユーザに通知する通知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、制御対象に一定振幅の操作量を出力し、この操作量出力に応じた制御応答と予め設定された算出係数に基づきＰＩＤパラメータを算出してＰＩＤ制御装置に設定するオートチューニング実行手順と、前記ＰＩＤ制御装置が前記ＰＩＤパラメータに基づいて制御対象に対する制御を開始した後に、制御量にハンチングが発生した場合に、このハンチングを抑制すべく前記ＰＩＤ制御装置のＰＩＤパラメータを修正するハンチング抑制手順と、前記制御の整定状態を検出したときに、前記ハンチング抑制手順によるハンチング検出とハンチング抑制とを終了させる整定検出手順と、前記ＰＩＤ制御装置の修正前のＰＩＤパラメータと前記ハンチング抑制手順によって修正された修正後のＰＩＤパラメータとの変化比率に基づき、前記オートチューニング実行手順の算出係数を修正する算出係数修正手順と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の動作が終了した後、制御の整定状態を検出するまでの限られた時間のみハンチング検出とハンチング抑制とを実行するようにしたので、必要に応じてハンチング抑制のためのＰＩＤパラメータ修正を、制御外乱の影響を受けることなく適切に行うことが可能となる。結果として、本発明では、オートチューニング機能とハンチング抑制機能を併用することができ、ハンチングの発生を確実に回避することができる。

また、本発明では、ＰＩＤ制御装置の修正前のＰＩＤパラメータとハンチング抑制手段によって修正された修正後のＰＩＤパラメータとの変化比率に基づき、オートチューニング実行手段の算出係数を修正するようにしたので、何らかの事情によりオートチューニングを再実行しなければならなくなったときに、ハンチング抑制機能を頼りにせずに、安定な制御特性となるＰＩＤパラメータをオートチューニング実行手段で算出することが可能になる。

また、本発明では、ＰＩＤ制御の整定状態を検出したときに、制御の安定性が確認されたことをユーザに通知することにより、ユーザは制御対象を本稼働状態にしてよいことを認識できる。

［発明の原理１］
特開平９−１６０６０４号公報、特開平１０−１０５２０１号公報などには、温調計などの制御機器に実装可能なハンチング抑制機能（振動判断機能と抑制機能）が開示されている。このハンチング抑制機能は、制御実行中に制御対象の特性が変化してハンチングが発生した場合に、ハンチングを自動検出してＰＩＤパラメータ値を自動修正する機能である。この機能があれば、従来のＡＴの問題点は解消されることになる。しかし、多くの制御系では、制御実行中に連続的に制御量外乱が印加されてハンチングと区別の付き難い状況が発生すると、結果的にハンチング抑制機能の誤動作によるＰＩＤパラメータ値の自動修正が起こる可能性があるため、ＡＴとハンチング抑制機能の併用は実用されていない。

発明者は、このような事情を把握、考察した。その上で、温調計などの制御機器の多くのオペレータが制御量外乱が印加されていない状態でＡＴを起動することに、本発明の発明者は着眼した。すなわち、ＡＴを起動する場合は強制的に操作量ＭＶを上下動させ、これに伴い制御量ＰＶも強制的に上下動させられるので、製造プロセスにおける悪影響が発生することは明らかである。オペレータはそのことを承知しているので、製造プロセスの本稼動中にはＡＴを起動しない。製造プロセスが本稼働していない場合は、周辺機器などの関連動作もないので、結果的に外乱が印加されないことなる。発明者は、このことに着眼し、ＡＴを起動しＡＴが終了した後、ハンチングが検出されないことを自動確認する（整定検出）までの限られた時間のみハンチング抑制機能を実行することで、外乱の影響を受けない適切なハンチング抑制が必要に応じて行なわれるようにすれば、課題解決のために有効であることに想到した。

［発明の原理２］
ＡＴによって算出されるＰＩＤパラメータ値は、例えば特許文献１などに開示されているように、特定の算出係数を用いて算出される。一方で、ハンチング抑制機能によるＰＩＤパラメータ値の修正では、修正前後のＰＩＤパラメータ値の変化比率を与えることが可能である。したがって、この変化比率を上記算出係数に反映すれば、算出係数自体も自動修正することが可能になる。その場合、何らかの事情によりＡＴを再実行しなければならなくなったときに、基本的にはハンチング抑制機能を頼りにせずに、安定な制御特性となるＰＩＤパラメータ値を算出することが可能になる。

［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。
ＰＩＤパラメータ調整装置１は、リミットサイクル式のＡＴによりＰＩＤパラメータを算出し、算出したＰＩＤパラメータをＰＩＤ制御装置２に設定するＡＴ実行部３と、ＡＴ完了通知を出力するＡＴ完了処理部４と、ＰＩＤ制御装置２がＰＩＤパラメータに基づいて制御対象に対する制御を開始した後に、制御量ＰＶにハンチングが発生した場合に、このハンチングを抑制すべくＰＩＤパラメータを修正するハンチング抑制部５と、制御の整定状態を検出したときに、ハンチング抑制部５によるハンチング検出とハンチング抑制とを終了させる整定検出部６と、ＰＩＤ制御装置２の修正前のＰＩＤパラメータとハンチング抑制部５によって修正された修正後のＰＩＤパラメータとの変化比率に基づき、ＡＴ実行部３の算出係数を修正するＡＴ算出係数修正部７とを有する。整定検出部６は、制御の整定状態を検出したときに、制御の安定性が確認されたことをユーザに通知する通知手段を構成している。

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制御装置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１１の内部にヒータ１２と温度センサ１３とが設置されている。温度センサ１３は、ヒータ１２によって加熱される空気の温度ＰＶを測定する。温調計１０は、温度ＰＶが設定値ＳＰと一致するように操作量ＭＶを算出する。電力調整器１４は、操作量ＭＶに応じた電力を決定し、この決定した電力を電力供給回路１５を通じてヒータ１２に供給する。こうして、温調計１０は、加熱処理炉１１内の温度を制御する。ＰＩＤパラメータ調整装置１およびＰＩＤ制御装置２は、この温調計１０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制御装置２の動作を説明する。図３はＰＩＤパラメータ調整装置１およびＰＩＤ制御装置２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制御装置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制御装置２に入力される。

例えばオペレータの指示によりＡＴ機能が起動すると（図３ステップＳ１）、ＡＴ実行部３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３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１４であることは言うまでもない。

続いて、ＡＴ実行部３は、上下動極値検出処理を行う（ステップＳ３）。この上下動極値検出処理では、ＡＴ実行部３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（ＳＰ−ＰＶ）である第１の極値偏差Ｅｒ１、設定値ＳＰと制御量ＰＶの２番目に新しい極値との偏差である第２の極値偏差Ｅｒ２、第１の極値偏差Ｅｒ１の直前に偏差の正負が逆転した時刻ｔ５から第１の極値偏差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の極値偏差Ｅｒ２の直前に偏差の正負が逆転した時刻ｔ３から第２の極値偏差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。

次に、ＡＴ実行部３は、上下動極値検出処理で検出した制御応答の結果と、ＰＩＤパラメータ値算出用に予め定められた算出係数α０，β０，γ０（例えばα０＝１、β０＝１、γ０＝１）により、ＰＩＤパラメータを以下のように算出する（ステップＳ４）。
Ｐｂ０＝１００．０α０｜Ｅｒ２−Ｅｒ１｜／｛０．９（ＡＵ−ＡＬ）｝ ・・（１）
Ｔｉ０＝β０（Ｔｈ１＋Ｔｈ２） ・・（２）
Ｔｄ０＝０．２１γ０（Ｔｈ１＋Ｔｈ２） ・・（３）
そして、ＡＴ実行部３は、算出した比例帯Ｐｂ０、積分時間Ｔｉ０及び微分時間Ｔｄ０をＰＩＤ制御装置２に設定する。以上でＡＴが完了する。なお、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。

ＡＴ完了処理部４は、ＡＴが完了すると、ＰＩＤ制御装置２とハンチング抑制部５と整定検出部６にＡＴが完了したことを通知する（ステップＳ５）。
ＡＴ完了通知を受けたＰＩＤ制御装置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（ステップＳ６）。
ＭＶ＝（ζ／Ｐｂ０）｛１＋（１／Ｔｉ０ｓ）＋Ｔｄ０ｓ｝（ＳＰ−ＰＶ）
・・・（４）
式（４）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１４であることは言うまでもない。

一方、ＡＴ完了処理部４からＡＴ完了の通知を受けると、ハンチング抑制部５と整定検出部６が起動する。
ハンチング抑制部５は、制御量ＰＶにハンチング（振動）が発生していることを検出すると（ステップＳ７においてＹＥＳ）、ＰＩＤ制御装置２のＰＩＤパラメータ（比例帯Ｐｂ０、積分時間Ｔｉ０、微分時間Ｔｄ０）を修正し、ハンチングを抑制する（ステップＳ８）。ハンチング抑制方法については、例えば特開平９−１６０６０４号公報、特開平１０−１０５２０１号公報に開示されている。

次に、整定検出部６は、設定値ＳＰと制御量ＰＶに基づき、制御が整定しているかどうかを判定する（ステップＳ９）。こうして、ステップＳ６〜Ｓ９の処理が制御周期毎に繰り返される。なお、整定判定方法については、例えば特開平９−１６０６０４号公報などに開示されている。

整定検出部６は、制御が整定状態になったことを検出すると、ハンチング抑制部５の動作（ハンチング検出とハンチング抑制）を終了させると共に（ステップＳ１０）、制御の安定性が確認されたことをユーザに通知する（ステップＳ１１）。このときの通知は、文字表示でもよいし、音声通知でもよいし、ＬＥＤを点滅させてもよい。この通知により、ユーザは、制御対象を本稼動状態にしてもよいことを確認できる。すなわち本実施の形態では、本稼動状態になる以前に、外乱の影響を受けない適切なハンチング抑制が必要に応じて行なわれるようになる。

最後に、ＡＴ算出係数修正部７は、ＡＴ実行部３に設定された算出係数α０，β０，γ０を修正する（ステップＳ１２）。ハンチング抑制部５によって修正された最新のＰＩＤパラメータ（整定状態検出時点またはその直前に修正されたＰＩＤパラメータ）のうち、比例帯をＰｂ１、積分時間をＴｉ１、微分時間をＴｄ１とし、修正後の算出係数をα１，β１，γ１とする。このとき、算出係数α１，β１，γ１は、以下のように計算される。
α１＝α０（Ｐｂ１／Ｐｂ０） ・・・（５）
β１＝β０（Ｔｉ１／Ｔｉ０） ・・・（６）
γ１＝γ０（Ｔｄ１／Ｔｄ０） ・・・（７）

そして、ＡＴ算出係数修正部７は、ＡＴ実行部３に設定されている算出係数α０，β０，γ０をそれぞれα１，β１，γ１に修正する。ここで、Ｐｂ１／Ｐｂ０、Ｔｉ１／Ｔｉ０、Ｔｄ１／Ｔｄ０は、ＰＩＤパラメータ値の変化比率に相当する。
以上で、ＰＩＤパラメータ調整装置１の処理が終了する。以後は、ＰＩＤ制御装置２がステップＳ６と同様のＰＩＤ制御を行う。

以上のように、本実施の形態では、ＡＴが終了した後、制御の整定状態を検出するまでの限られた時間のみハンチング検出とハンチング抑制とを実行するようにしたので、必要に応じてハンチング抑制のためのＰＩＤパラメータ修正を、制御外乱の影響を受けることなく適切に行うことが可能となる。外乱の影響を受けない理由は、一般にＡＴ実行時の制御対象は本稼働状態ではないからである。例えば図２の加熱処理炉１１の場合、本稼働状態では加熱処理炉１１内に加熱対象の製品を搬入するが、本稼働状態以前の状態では製品を搬入しない。結果として、本実施の形態では、ＡＴ機能とハンチング抑制機能を併用することができ、ハンチングの発生を確実に回避することができる。

また、本実施の形態では、ＰＩＤ制御装置２の修正前のＰＩＤパラメータとハンチング抑制部５によって修正された修正後のＰＩＤパラメータとの変化比率に基づき、ＡＴ実行部３の算出係数を修正するようにしたので、何らかの事情によりＡＴを再実行しなければならなくなったときに、ハンチング抑制機能を頼りにせずに、安定な制御特性となるＰＩＤパラメータをＡＴ実行手段で算出することが可能になる。すなわち、ＡＴを再実行する場合には、ハンチング抑制機能を再実行しなくてもよいし、ハンチング抑制を再実行する場合でも整定状態までの所要時間を短縮することができる。

なお、本実施の形態で説明したＰＩＤパラメータ調整装置１およびＰＩＤ制御装置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本実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、ＰＩＤ制御装置のパラメータ調整に適用することができる。

本発明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。 図１のＰＩＤパラメータ調整装置およびＰＩＤ制御装置を適用する温度制御系の１例を示す図である。 本発明の実施の形態に係るＰＩＤパラメータ調整装置およびＰＩＤ制御装置の動作を示すフローチャートである。 本発明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。

符号の説明

１…ＰＩＤパラメータ調整装置、２…ＰＩＤ制御装置、３…ＡＴ実行部、４…ＡＴ完了処理部、５…ハンチング抑制部、６…整定検出部、７…ＡＴ算出係数修正部。

Claims (4)

1. 制御対象に一定振幅の操作量を出力し、この操作量出力に応じた制御応答と予め設定された算出係数に基づきＰＩＤパラメータを算出してＰＩＤ制御装置に設定するオートチューニング実行手段と、
   前記ＰＩＤ制御装置が前記ＰＩＤパラメータに基づいて制御対象に対する制御を開始した後に、制御量にハンチングが発生した場合に、このハンチングを抑制すべく前記ＰＩＤ制御装置のＰＩＤパラメータを修正するハンチング抑制手段と、
   前記制御の整定状態を検出したときに、前記ハンチング抑制手段によるハンチング検出とハンチング抑制とを終了させる整定検出手段と、
   前記ＰＩＤ制御装置の修正前のＰＩＤパラメータと前記ハンチング抑制手段によって修正された修正後のＰＩＤパラメータとの変化比率に基づき、前記オートチューニング実行手段の算出係数を修正する算出係数修正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、
   さらに、前記制御の整定状態を検出したときに、制御の安定性が確認されたことをユーザに通知する通知手段を備えることを特徴とするＰＩＤパラメータ調整装置。
3. 制御対象に一定振幅の操作量を出力し、この操作量出力に応じた制御応答と予め設定された算出係数に基づきＰＩＤパラメータを算出してＰＩＤ制御装置に設定するオートチューニング実行手順と、
   前記ＰＩＤ制御装置が前記ＰＩＤパラメータに基づいて制御対象に対する制御を開始した後に、制御量にハンチングが発生した場合に、このハンチングを抑制すべく前記ＰＩＤ制御装置のＰＩＤパラメータを修正するハンチング抑制手順と、
   前記制御の整定状態を検出したときに、前記ハンチング抑制手順によるハンチング検出とハンチング抑制とを終了させる整定検出手順と、
   前記ＰＩＤ制御装置の修正前のＰＩＤパラメータと前記ハンチング抑制手順によって修正された修正後のＰＩＤパラメータとの変化比率に基づき、前記オートチューニング実行手順の算出係数を修正する算出係数修正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。
4. 請求項３記載のＰＩＤパラメータ調整方法において、
   さらに、前記制御の整定状態を検出したときに、制御の安定性が確認されたことをユーザに通知する通知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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