JP5465515B2 - Pid制御装置及びpid制御方法 - Google Patents
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図中81は目標値と制御量との差を演算して偏差を出力する加算器、82は偏差に基づいて操作量を算出し制御対象83に出力するPID制御部、83はPID制御部82から出力される操作量に応じて動作が制御される制御対象である。PID制御部82は、偏差をPI(P:比例、I:積分)制御演算、又は、PID(P:比例、I:積分、D:微分)制御演算することによって、制御量を目標値に一致させるような操作量を算出し、前記制御対象83を制御する。
PIDパラメータの設定方法として、(1)ステップ応答法、(2)限界感度法、(3)周波数応答法、及び、(4)リミットサイクル法などが知られている。また、PIDパラメータの設定に関する多くの提案がなされている(特許文献1〜特許文献7)。
図12は限界感度法について説明するための図であり、図12の(a)は入力される方形波信号、図12の(b)〜(d)は、比例ゲインKpを増大させていったときの制御量の信号波形を示す図である。
このように、限界感度法では、PID制御システムに目標値として方形波信号を入力し、その方形波のエネルギーによりオーバーシュートを発生させ、その減衰を目視することにより持続振動状態を検出し、そのときの比例ゲインとリンギング周期に基づいてPIDパラメータを算出する。
図13の(a)〜(d)は、PID制御部82の比例ゲインKpが増大されていくときの制御量の信号波形の変化を示す図である。なお、この場合には、目標値入力がゼロであるので、制御量と偏差の波形は同一となる。
前記図11に示したPID制御システムにおいて、比例動作だけを行う制御状態(P制御状態)に設定し、目標値として方形波信号を入力せず入力をゼロにした状態で比例ゲインKpを増大させていく。
油圧サーボ系では、固有振動周波数が数10Hz以上になるので、比例ゲインKpを増大させながら、持続振動から発散への変化点を目視で検出し、比例ゲインKpの増大を停止させようとしても、操作が遅れ、異常発振を引き起こしてしまうこととなる。
また、油圧サーボ装置や油圧サーボ試験機などの高速応答性が必要な制御システムにおいては、固有振動周波数が高いため、手動による限界感度法では、前述のように異常発振を起こしてしまうこととなる。そこで、このような制御システムでは、オープンループ状態でPIDパラメータの設定を行う手法が採用されていた。
なお、特許文献7において、限界感度法によるオートチューニング法が提案されており、この方法では、制御量の第1のピークと第2のピークとを比較することにより、持続振動を検出するようになされている。しかしながら、ノイズの影響が大きいため、制御量のピークを高精度に検出することは困難である。
さらに、前記偏差の周波数解析を行い、前記比例ゲインの増大に応じて前記偏差に発生する振動の周波数を検出するFFT解析部と、前記偏差が入力され、前記FFT解析部により検出された振動周波数成分を前記RMS処理部に通過させるフィルタとを有するものである。
(1)整定時間を大幅に削減することができる。
(2)出力機器や試験体にダメージを与える危険が無くなる。
(3)入力装置に特別な信号発生装置を用いることがないため、PID制御装置の小型化を達成することができる。
図1は、本発明のPID制御装置の一実施の形態を用いた油圧サーボ試験機の構成を示すブロック図である。
この図において、1は目標値と検出値との差を検出して偏差を出力する加算器、2は本発明のPID制御装置、3はPID制御装置2からの操作量により駆動される油圧アクチュエータ、4は油圧アクチュエータ3により載荷される試験体である。変位、荷重あるいは加速度などを制御対象とすることができるが、この実施の形態では、前記油圧アクチュエータ3に接続された振動計を制御対象とし、その出力を検出値として前記加算器1に入力している。
前記オートチューニング部12は、前記PID制御部11における比例ゲインKpを徐々に増大させるとともに、前記RMS処理部15から発振限界を検出したときに出力される前記トリガー信号に応じて比例ゲインKpの増大を停止させるとともに、前記FFT解析部13により検出された振動の周期Tc(=1/fc)及び発振限界における比例ゲインの値Kpcに基づいてPIDパラメータ(比例ゲインKp、積分時間TI、微分時間TD)を決定する処理を行う。
オートチューニング処理が開始される前に、PID制御部11は比例動作だけを行うP制御状態に設定されているものとする。これは、オートチューニング処理の開始時に自動的に設定するようにしてもよいし、オペレータが設定するようにしてもよい。
前記トリガー信号が発生されていないときは、ステップS2に進み、前記PID制御部11における比例ゲインKpを所定値だけ増加させる。そして、増加させた比例ゲインKpの値が予め定められた最大値に達していないときは、前記ステップS1に戻る。一方、最大値に達したときには、処理を終了する。このように、前記トリガー信号が発生されていないときは、比例ゲインKpを漸増させていく。
一方、前記ステップS1において、前記RMS処理部15から発振限界の検出時に出力されるトリガー信号が発生されていると判定された場合は、ステップS4に進み、その時点(発振限界)における比例ゲインの値Kpcを記録するとともに、前記FFT解析部13により検出された固有振動周波数fcに対応する振動周期Tc(=1/fc)を記録する。
そして、ステップS5に進み、前記比例ゲインKpcと振動周期Tcにより、PIDパラメータを決定する。例えば、限界感度法に適用するジーグラ・ニコルスの公式に基づいて、比例ゲインKp=0.6Kpc、積分時間TI=0.5Tc、微分時間TD=0.125Tcと決定する。そして、この決定したPIDパラメータを前記PID制御部11に設定する。
FFT解析部13は、ステップS11において、偏差をフーリエ変換し、その周波数成分を検出する。そして、ステップS12において、検出した周波数成分からピークとなる周波数成分を検出することができるか否かを判定する。例えば、周波数解析結果の全周波数成分の平均に対し、数デシベル以上大きいピークが検出されたときに、ピークとなる周波数成分が検出されたと判定する。
そして、ピークとなる周波数成分が検出されないときは、前記ステップS11に戻り、FFT処理を繰り返す。
そして、ステップS14に進み、決定した固有振動周波数fcに所定の値を加算した周波数をローパスフィルタ14のカットオフ周波数とするフィルタ定数を決定し、ローパスフィルタ14に設定する。
前記ローパスフィルタ14は、前記偏差を入力して、前記FFT解析部13により設定されたカットオフ周波数よりも低い周波数の信号を通過させ、前記RMS処理部15に出力する(ステップS21)。これにより、偏差からノイズ成分が除去される。
1周期内のサンプル数をM、該1周期内の偏差の振幅のサンプル値をxk(k=1,2,...,M)としたとき、偏差の振幅の実効値xrmsは次の式(1)で表される。
ステップS24では、オートチューニング部12に対して比例ゲインKpの増大を停止するトリガー信号を送出する。そして、ステップS25に進み、前記PID制御部11に対して、比例ゲインKpを低下させる制御信号を送出する。例えば、比例ゲインの値をその1/2程度の値とする制御信号を送信し、これにより、限界振動がすみやかに停止される。
なお、上記においては、ローパスフィルタ14を設けてノイズを除去するようにしたが、RMS計算の中に平均を計算する処理が含まれており、ノイズを除去する性質を有しているため、ローパスフィルタ14を省略することも出来る。また、ローパスフィルタではなく、バンドパスフィルタなどを用いることもできる。
始めに、前記PID制御部11を比例動作のみを行う制御状態(P制御状態)に設定し、目標値入力は一定値(例えば、ゼロ入力)とする。
この状態で、前記オートチューニング部12は、前記PID制御部11における比例ゲインKpを徐々に増大させていく。これにより、前記加算器1から出力される偏差には、前記図13の(b)に示したように、ノイズの状態から徐々に固有振動周波数fcによる振動が含まれるようになる。前記図13の(c)〜(d)に示したように、比例ゲインKpが大きくなるに従い、この振動は次第に振幅を増していき、最後は発散する。
RMS処理部15は、前記ローパスフィルタ14から出力される偏差の振幅の変動を検出するために、振動の1周期ごとに実効値を算出し、偏差の振幅がN周期にわたって連続して増加していることを検出すると、限界発振であると認識し、比例ゲインKpの増大を停止するトリガー信号を前記オートチューニング部12に送出する。そして、これと同時に、前記PID制御部11に対して比例ゲインKpの値を減少させる。これにより、偏差の振動が停止される。複数N周期の期間という非常に短い期間(例えば、20msec程度)で、偏差の振幅の増大を検出することができ、検出後にすみやかに振動を停止させているために、試験体に負荷が印加される時間は非常に短時間であり、試験体にダメージが与えられることがない。
図5は前述した従来の限界感度法の場合において比例ゲインKpが小さいときの(a)操作量、(b)制御量(=偏差)及び(c)制御量の周波数成分を示す図、図6は前述した従来の限界感度法の場合において比例ゲインKpが発振限界の手前の大きさであるときの上記(a)〜(c)を示す図、図7は本発明の方法の場合において比例ゲインKpが小さいときの上記(a)〜(c)を示す図、図8は本発明の方法の場合において比例ゲインKpが発振限界の手前の大きさであるときの上記(a)〜(c)を示す図である。図5〜図8において、(a)及び(b)の図の縦軸は振幅、横軸は時間を示している。また、(c)の図の縦軸は信号強度(dB)、横軸は周波数を示している。
このように、本発明の方法によれば、試験体に大きな力を加えることなくPIDパラメータを決定することができる。
図9は、本発明のPID制御装置のこの実施の形態を用いた油圧サーボ試験機の構成を示すブロック図である。
図9と前述した図1とを比較すると明らかなように、この実施の形態のPID制御装置2には、前記FFT解析部13及びローパスフィルタ14が設けられておらず、前記加算器1から出力される偏差は、RMS処理部15に直接に入力されるようになされている。なお、その他の構成は前記図1に示した構成と同じであるので説明は省略する。
すなわち、オートチューニング部12は、PID制御部11が比例動作のみを行うP制御状態に設定されている状態で、前記RMS処理部15からの比例ゲインKpの増大を停止するトリガー信号の発生が検出されるまで、PID制御部11における比例ゲインKpを増大させていき、RMS処理部15からのトリガー信号を検出したときに、その時点における比例ゲインKpcの値を記録するとともに、RMS処理部15により決定された振動周期Tcを記録し、該比例ゲインKpと振動周期Tcを用いて前述と同様にPIDパラメータを決定する。
前記RMS処理部15は、前記加算器1からの偏差を入力し、前記式(1)に示した実効値xrmsを算出する。すなわち、ステップS31で入力される偏差の振幅のサンプル値xkの2乗を計算して先行するサンプル値の2乗に加算する処理を行い、ステップS32でゼロクロスが検出されたか否か、すなわち、偏差の振動の1周期を検出したか否かを判定して、ゼロクロスを検出するまで、ステップS31を繰り返す。例えば、偏差の振幅のサンプル値が正から負に変化するゼロクロス、又は、負から正へ変化するゼロクロスのいずれか一方の種類のゼロクロスを検出することにより、1周期を検出することができる。
そして、ゼロクロスを検出すると、ステップS33に進み、その1周期に対応するサンプルの数Mを確定し、その1周期分の偏差の振幅のサンプル値の2乗の和、すなわち実効値xrmsを確定する。
その判定結果が「いいえ」であるときは、前記ステップS31に戻って上述の処理を繰り返す。
一方、「はい」のときは、ステップS36に進み、オートチューニング部12に対して比例ゲインKpの増大を停止するトリガー信号を送出する。次に、ステップS36に進み、前記PID制御部11に対して、比例ゲインKpを低下させる制御信号を送出し、限界振動をすみやかに停止させる。
この振動の周期Tcは、例えば、次の式(2)により決定することができる
なお、前記ステップS33で求める振幅の実効値xrmsについては、各周期においてサンプル数Mkの値が異なっていても、前記式(1)に示すように、サンプル数Mで除算をしているため、それほどの影響を受けることはなく、また、振幅の増加が認められればよいので、正確なサンプル数Mkの値を用いる必要はない。
このように、この実施の形態においては、FFT解析部13及びローパスフィルタ14を設けること無く、前記図1に示した実施の形態と同様にPIDパラメータを自動設定することができる。
また、上述の実施の形態においては、目標値入力をゼロとして処理を行うようにしたが、目標値入力をゼロ以外の一定値として上述の処理を行うようにしてもよい。
さらにまた、上述の実施の形態では、本発明を油圧サーボ試験機に適用した場合を例にとって説明したがこれに限られることはなく、油圧サーボ装置、電気サーボ装置、電気サーボ試験機などの高速応答と高精度が要求されるシステムにも全く同様に適用することができる。
Claims (3)
- 目標値と制御対象からの検出値との偏差に基づいてPID演算又はPI演算により制御対象に対する操作量を算出するPID制御部と、
前記PID制御部を比例動作だけを行うP制御状態とし、前記目標値を一定とした状態で、前記PID制御部の比例ゲインを徐々に増大させるオートチューニング部と、
前記比例ゲインの増大に応じて前記偏差に発生する振動の1周期ごとにその実効値を算出し、該算出した実効値が複数周期にわたって単調増加していることを検出したときに、前記オートチューニング部による前記比例ゲインの増大を停止させるとともに、前記PID制御部の比例ゲインを低下させる機能を有するRMS処理部とを有し、
前記オートチューニング部は、前記偏差の振動周期と、前記RMS処理部により前記偏差の実効値の複数周期にわたる単調増加が検出された時点における前記PID制御部の比例ゲインとに基づいて、PIDパラメータを決定し、該決定したパラメータを前記PID制御部に設定することを特徴とするPID制御装置。 - 前記偏差の周波数解析を行い、前記比例ゲインの増大に応じて前記偏差に発生する振動の周波数を検出するFFT解析部と、
前記偏差が入力され、前記FFT解析部により検出された振動周波数成分を前記RMS処理部に通過させるフィルタとを有することを特徴とする請求項1記載のPID制御装置。 - 目標値と制御対象からの検出値との偏差に基づいてPID演算又はPI演算により制御対象に対する操作量を算出するPID制御部におけるPIDパラメータを自動設定するPID制御方法であって、
前記PID制御部を比例動作だけを行うP制御状態とする工程と、
前記目標値を一定とした状態で、前記PID制御部の比例ゲインを徐々に増大させる工程と、
前記比例ゲインの増大に応じて前記偏差に発生する振動の1周期ごとにその実効値を算出し、該算出した実効値が複数周期にわたって単調増加していることを検出したときに、前記PID制御部の比例ゲインの増大を停止する工程と、
前記PID制御部の比例ゲインの増大を停止したときの該比例ゲインの値を記録するとともに、前記PID制御部の比例ゲインを低下させる工程と、
前記偏差の実効値の複数周期にわたる単調増加が検出された時点の振動周期と前記記録した比例ゲインの値とに基づいてPIDパラメータを決定し、該決定したPIDパラメータを前記PID制御部に設定する工程と
を含むことを特徴とするPID制御方法。
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