JP5585381B2 - Auto tuning device and auto tuning method - Google Patents
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Description
本発明は、オートチューニング装置及びオートチューニング方法に係り、特に、カスケード制御系における制御パラメータを調整するオートチューニング装置及び方法に関する。 The present invention relates to an auto-tuning device and an auto-tuning method, and more particularly to an auto-tuning device and method for adjusting control parameters in a cascade control system.
フィードバック制御系において操作変数の変動などの外乱が想定される場合、外乱の検出が可能な測定点を設けて、主制御ループ内にもう一つ制御ループを作り制御を行うカスケード制御方式が知られている(例えば、特許文献1参照)。 When disturbances such as fluctuations in manipulated variables are expected in the feedback control system, a cascade control method is known in which a control point is provided in the main control loop by providing a measurement point that can detect the disturbance. (For example, refer to Patent Document 1).
このようなカスケード制御ではPIDコントローラを2台使用するため2組のPIDパラメータの調整が必要であり、これら2組のPID定数の調整は制御応答を確認しながらオペレータが手動調整するか、スレーブ側およびマスタ側それぞれのPIDコントローラに搭載されているオートチューニング(AT)機能を用いてそれぞれPIDパラメータを決定していた。
なお、制御パラメータのオートチューニングの一手法が、例えば特許文献2、3等に開示されている。
In such cascade control, since two PID controllers are used, two sets of PID parameters need to be adjusted. The two sets of PID constants need to be adjusted manually by the operator while checking the control response or on the slave side. In addition, the PID parameters are determined using the auto-tuning (AT) function mounted on each PID controller on the master side.
One method for auto-tuning control parameters is disclosed in, for example,
しかしながら、カスケード制御におけるマスタコントローラは、スレーブ側PID制御コントローラによりフィードバック制御された制御系とマスタ側制御対象とを含む制御系を制御対象とするため、マスタコントローラでオートチューニングを実行しても、例えばスレーブループ内にあるスレーブコントローラの出力飽和の影響を受けてしまい、良好なPIDパラメータを求めることは困難であった。
以上の点に鑑み、本発明は、カスケード接続されたPIDコントローラの制御パラメータをオートチューニングにより求めることを目的とする。
However, since the master controller in the cascade control is a control system including the control system feedback-controlled by the slave-side PID controller and the master-side control object, even if auto-tuning is executed by the master controller, for example, It has been affected by the output saturation of the slave controller in the slave loop, and it has been difficult to obtain a good PID parameter.
In view of the above points, an object of the present invention is to obtain control parameters of cascade-connected PID controllers by auto-tuning.
まず、スレーブPIDコントローラ及びマスタPIDコントローラの制御パラメータを求める処理の概念を説明する。
(1)オートチューニングの実行指令に基づき、スレーブ制御量:PVsまたはマスタ制御量:PVmに対して2位置制御を行う2位置制御部を有する。
まず、スレーブ制御量:PVsをあらかじめ設定されたスレーブ目標値で2位置制御し、スレーブ同定部により2位置制御により生じたリミットサイクル波形からスレーブコントローラのPIDパラメータを算出する。スレーブコントローラは、PID制御だけでなくP制御が用いられることも多い。スレーブループにおいてP制御としてスレーブ目標値に対して定常偏差が生じたとしても、重要なマスタ側のコントローラに積分動作を有していれば主制御量であるマスタ制御量の定常偏差をなくすことが出来るためである。
First, the concept of processing for obtaining control parameters of the slave PID controller and the master PID controller will be described.
(1) based on the execution command of the auto-tuning, the slave control amount: PV s or master control amount: having 2 position control unit for two-position control for PV m.
First, the slave control amount: PV s is two-position controlled with a preset slave target value, and the slave identification unit calculates the PID parameter of the slave controller from the limit cycle waveform generated by the two-position control. The slave controller often uses not only PID control but also P control. Even if a steady deviation occurs with respect to the slave target value as the P control in the slave loop, the steady deviation of the master control amount, which is the main control amount, can be eliminated if the important master controller has an integral operation. This is because it can be done.
(2)次にAT管理部は目標値を変えて再度スレーブ側の2位置制御を実行させ、これによりスレーブ同定部でスレーブ側制御対象(伝達関数をGsとする)を式2に示す一次遅れ+むだ時間近似モデルで同定を行う。
まずスレーブ側制御対象の定常ゲイン:Ksは1回目のAT動作で実行した2位置制御の目標値をSVs1、オンオフのデューティ比がθs1、2回目のAT動作で実行した2位置制御の目標値をSVs2、オンオフのデューティ比がθs2であったとき、
(3)さらにAT時のリミットサイクル波形からスレーブ側制御対象の限界ゲイン:Kcsと限界周期:Tcsを算出し、等価時定数:Tsと等価むだ時間:Lsを式3により求めマスタPIDパラメータ算出部に出力する。
(4)なお、2回目の2位置制御を行う目標値は、1回目の2位置制御で得られたリミットサイクル波形の振幅を基準に、1回目のSVs1値からリミットサイクルの振幅の係数k倍離れた値を2回目の目標値とすることで決定できる。係数kは予め定められることができる。例えば、1回目のATで得られたリミットサイクル波形の振幅をXs1とした場合、2回目の目標値:SVs2を、SVs2=SVs1−k×Xs1またはSVs2=SVs1+k×Xs1とすれば良い。 (4) The target value for performing the second two-position control is a coefficient k of the limit cycle amplitude from the first SV s1 value based on the amplitude of the limit cycle waveform obtained by the first two-position control. This can be determined by setting the value twice as the target value for the second time. The coefficient k can be predetermined. For example, when the amplitude of the limit cycle waveform obtained in the first AT is X s1 , the second target value: SV s2 is set to SV s2 = SV s1 −k × X s1 or SV s2 = SV s1 + k ×. X s1 may be used.
(5)スレーブ側のチューニングが終了すると、2位置制御部はマスタ制御量:PVmに対して、あらかじめ設定されたマスタ目標値に対して2位置制御を実行する。マスタ制御量に対しても異なる2つの目標値に対してそれぞれ2位置制御を行い、マスタ同定部はこれにより生じるマスタ制御量:PVmとスレーブ制御量:PVsのリミットサイクル波形からマスタ側制御対象の数式モデルを得る。マスタ側制御対象:Gmを以下のむだ時間+一次遅れモデルで近似した場合、
Tm:等価時定数
Lm:等価むだ時間
マスタ側制御対象の定常ゲイン:Kmは
Km=(SVm1−SVm2)/(θm1−θm2)/Ks … 式5
となる。但し、SVm1、θm1は、1回目の2位置制御の目標値とオンオフデューティ比、SVm2、θm2は、2回目の2位置制御の目標値とオンオフデューティ比であり、Ksは式1より求まるスレーブ側制御対象の定常ゲインである。
(5) When tuning on the slave side is completed, the two-position control unit executes two-position control on a master target value set in advance with respect to the master control amount: PV m . Two-position control is performed for each of two different target values with respect to the master control amount, and the master identification unit performs master- side control from the limit cycle waveforms of the master control amount: PV m and slave control amount: PV s generated thereby. Get the target mathematical model. Master-side control object: If G m is approximated by the following dead time + first order delay model,
It becomes. Where SV m1 and θ m1 are the target value and on / off duty ratio of the first two-position control, SV m2 and θ m2 are the target value and on / off duty ratio of the second two-position control, and K s is an equation 1 is a steady gain of the slave side control target obtained from 1.
(6)さらにマスタ同定部は、マスタ側制御対象の限界ゲイン:Kcmと限界周期:Tcmを算出し、等価時定数:Tmと等価むだ時間:Lmを下式により求め同定結果をマスタPIDパラメータ算出部に出力する。
Tcm:リミットサイクル周期
Xs:スレーブ制御量:PVsのリミットサイクル波形の振幅
Xm:マスタ制御量:PVmのリミットサイクル波形の振幅
φ:スレーブ制御量:PVsとマスタ制御量:PVmのリミットサイクル波形の位相差
(6) Further, the master identification unit calculates a limit gain: K cm and a limit period: T cm of the master side control target, and obtains an identification result by obtaining an equivalent time constant: T m and an equivalent dead time: L m by the following equation. Output to the master PID parameter calculator.
T cm : limit cycle period X s : slave control amount: amplitude of limit cycle waveform of PV s X m : master control amount: amplitude of limit cycle waveform of PV m φ: slave control amount: PV s and master control amount: PV Phase difference of limit cycle waveform of m
(7)マスタPIDパラメータ算出部は、マスタ側制御対象の同定が終了するとマスタコントローラのPIDパラメータの算出を開始する。
まず、スレーブループの閉ループ伝達関数:Gs’を算出する(図6)。スレーブ側制御対象:Gsは式2で示す一次遅れ+むだ時間で近似されているが、一般的なプロセス制御系においては純粋なむだ時間よりは高次遅れ系であることが多いことを考慮し、むだ時間項を下式にて近似する。
First, the slave loop closed-loop transfer function: G s ′ is calculated (FIG. 6). Slave side control target: G s is approximated by the first order lag + dead time shown in
これにより、スレーブ側制御対象:Gsは、式8に示す高次系で表せ、この結果スレーブ側閉ループ伝達関数:Gs’は式9のように近似できる。
(8)ところでマスタコントローラは、スレーブ側閉ループ:Gs’とマスタ側制御対象:Gmが接続された式10に示す伝達関数:Wが制御対象であるから、この伝達関数:Wの限界周期と限界ゲインが求まればZiegler・Nicholsの調整則を適用することでマスタコントローラのPIDパラメータを求めることができる。
(9)いま、一次遅れ+むだ時間で表現される制御対象が直列に接続された式11のプラント:Hについて考えてみる。
なお、式14を解く手段としては、まず位相特性から限界周期:Tcまたは限界角周波数:ωcをニュートン法など数値解析手法を用いて求め、その後に求まった限界角周波数を用いて式14のゲイン特性式から限界ゲイン:Kcを求めることで、小型のPIDコントローラに搭載されているMCUでも容易に算出可能である。
以上のように、マスタコントローラの制御対象を上述のプラントHの形式で表し、限界ゲインと限界周期が求まれば、Ziegler・Nicholsの調整則を適用することでマスタコントローラのPIDパラメータを求めることができる。
As a means for solving the equation 14, first, the limit period: T c or the limit angular frequency: ω c is obtained from the phase characteristics using a numerical analysis method such as Newton's method, and then the equation 14 is used using the obtained limit angular frequency. limit from the gain characteristic equation gain: by obtaining the K c, can be easily calculated even MCU mounted on a small PID controller.
As described above, if the control target of the master controller is expressed in the above-described form of the plant H and the limit gain and the limit period are obtained, the PID parameter of the master controller can be obtained by applying the adjustment rule of Ziegler / Nichols. it can.
(10)このため、マスタPIDパラメータ算出部は式9で求まった高次遅れ系で表されるスレーブ側閉ループ伝達関数を一次遅れ+むだ時間モデルに変換する。
むだ時間を含む制御系はネガティブフィードバックを施しても、その閉ループの応答特性もむだ時間を含むものになることから、式9を
Even if a control system including a dead time is subjected to negative feedback, the response characteristic of the closed loop also includes a dead time.
これにより、マスタコントローラに対する制御対象を式11の形で表現でき、式14の関係からこの制御対象の限界ゲインと限界周期を算出できるため、マスタコントローラのPIDパラメータを決定することが可能となる。
As a result, the control target for the master controller can be expressed in the form of
本発明の第1の解決手段によると、
PID制御を行うマスタコントローラと、少なくともP制御を行うスレーブコントローラとがカスケード接続されたカスケード制御系において、前記マスタコントローラと前記スレーブコントローラの制御パラメータを調整するオートチューニングを行うためのオートチューニング装置であって、
オートチューニングの実行指令を受け、オートチューニングのための目標値を決定するオートチューニング管理部と、
前記オートチューニング管理部から設定された目標値に対してスレーブ制御量およびマスタ制御量をそれぞれ2位置制御する2位置制御部と、
スレーブ側に対する2位置制御により発生したスレーブ制御量のリミットサイクル波形から、前記スレーブコントローラの制御パラメータを求め、該スレーブ制御量のリミットサイクル波形からスレーブ側制御対象を一次遅れ+むだ時間モデルで数式近似した該モデルの各パラメータを求めてスレーブ側制御対象の数式モデルを同定するスレーブ同定部と、
マスタ側に対する2位置制御により発生したマスタ制御量のリミットサイクル波形から、マスタ側制御対象を一次遅れ+むだ時間モデルで数式近似した該モデルの各パラメータを求めてマスタ側制御対象の数式モデルを同定するマスタ同定部と、
前記スレーブ同定部で求められたスレーブコントローラの制御パラメータとスレーブ側制御対象の数式モデルとに基づき、該スレーブ側制御対象と前記スレーブコントローラとのスレーブ側閉ループ伝達関数を求め、前記マスタ同定部で求められたマスタ側制御対象の数式モデルに基づき、該スレーブ側閉ループ伝達関数とマスタ側制御対象の数式モデルとの積を前記マスタコントローラの制御対象として、該マスタコントローラの制御パラメータを算出するマスタ制御パラメータ算出部と
を備えた前記オートチューニング装置が提供される。
According to the first solution of the present invention,
An auto-tuning device for performing auto-tuning for adjusting control parameters of the master controller and the slave controller in a cascade control system in which a master controller that performs PID control and at least a slave controller that performs P control are cascade-connected. And
An auto tuning management unit that receives an auto tuning execution command and determines a target value for auto tuning;
And second position control unit for each two-position control the slave control amount and the master control amount with respect to the auto-tuning target value set by the management unit,
From the slave control amount of limit cycle waveform generated by the second position control for the slave side, the slave controller obtains the control parameters of the slave system first order lag + dead time from your amount limit cycle waveform slave-side control object A slave identifying unit that identifies each mathematical model of the slave side control target by obtaining each parameter of the model that is mathematically approximated by the model;
From master control amount of limit cycle waveform generated by the two-position control for the master, the master-side control object to seek parameters of the model equation approximated by first-order lag + dead time model master-side control object mathematical model A master identification unit for identifying
Based on the control parameter of the slave controller obtained by the slave identification unit and the mathematical model of the slave side control object, a slave side closed loop transfer function between the slave side control object and the slave controller is obtained, and obtained by the master identification part. based on the obtained master side control object mathematical model, the product of the slave closed loop transfer function and the master side control object mathematical model as a control target of the master controller, the master control parameter for calculating a control parameter of the master controller There is provided the auto-tuning apparatus including a calculation unit.
本発明の第2の解決手段によると、
PID制御を行うマスタコントローラと、少なくともP制御を行うスレーブコントローラとがカスケード接続されたカスケード制御系において、マスタコントローラとスレーブコントローラの制御パラメータを調整するオートチューニングを行うためのオートチューニング方法であって、
オートチューニングの実行指令を受け、オートチューニングのための目標値を決定し、
決定された目標値に対してスレーブ制御量およびマスタ制御量をそれぞれ2位置制御し、
スレーブ側に対する2位置制御により発生したスレーブ制御量のリミットサイクル波形から、スレーブコントローラの制御パラメータを求め、該スレーブ制御量のリミットサイクル波形からスレーブ側制御対象を一次遅れ+むだ時間モデルで数式近似した該モデルの各パラメータを求めてスレーブ側制御対象の数式モデルを同定し、
マスタ側に対する2位置制御により発生したマスタ制御量のリミットサイクル波形から、マスタ側制御対象を一次遅れ+むだ時間モデルで数式近似した該モデルの各パラメータを求めてマスタ側制御対象の数式モデルを同定し、
求められたスレーブコントローラの制御パラメータとスレーブ側制御対象の数式モデルとに基づき、該スレーブ側制御対象とスレーブコントローラとのスレーブ側閉ループ伝達関数を求め、求められたマスタ側制御対象の数式モデルに基づき、該スレーブ側閉ループ伝達関数とマスタ側制御対象の数式モデルとの積をマスタコントローラの制御対象として、該マスタコントローラの制御パラメータを算出する前記オートチューニング方法が提供される。
According to the second solution of the present invention,
In a cascade control system in which a master controller that performs PID control and at least a slave controller that performs P control are cascade-connected, an auto-tuning method for performing auto-tuning that adjusts control parameters of the master controller and the slave controller,
In response to an auto tuning execution command, the target value for auto tuning is determined,
Each two-position control the slave control amount and the master control amount with respect to the determined target value,
From the slave control amount of limit cycle waveform generated by the two-position control for the slave obtains the control parameters of the slave controller, the slave control amount of the limit one slave-side control object from cycle waveform order lag + dead time model To identify each parameter of the model approximated by the mathematical formula to identify the mathematical model of the slave side control target,
From master control amount of limit cycle waveform generated by the two-position control for the master, the master-side control object to seek parameters of the model equation approximated by first-order lag + dead time model master-side control object mathematical model Identify and
Based on the calculated control parameter of the slave controller and the mathematical model of the slave side control object, a slave side closed loop transfer function between the slave side control object and the slave controller is obtained, and based on the obtained master side control object mathematical model The auto-tuning method is provided for calculating a control parameter of the master controller using a product of the slave-side closed loop transfer function and a mathematical model of the master- side control target as a control target of the master controller.
(11)本発明によれば、カスケード接続された2台のPIDコントローラに対する制御パラメータの自動算出が可能になる。 (11) According to the present invention, it is possible to automatically calculate control parameters for two cascade-connected PID controllers.
(12)本発明の実施の形態を以下に説明する。
図1は、本発明の一つの実施の形態を示す、カスケード制御システム(カスケード制御系)のブロック図である。
カスケード制御システムは、例えば、制御部1と、オートチューニング処理部(AT処理部)2と、パラメータ決定部3と、制御対象9及び10とを備える。制御対象は、スレーブ側制御対象9:Gsと、マスタ側制御対象10:Gmとして記載されている。
(12) An embodiment of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a block diagram of a cascade control system (cascade control system) showing an embodiment of the present invention.
The cascade control system includes, for example, a control unit 1, an auto tuning processing unit (AT processing unit) 2, a parameter determination unit 3, and
図1において制御部1は、目標値:SVとマスタ制御量:PVmとの差に基づいて操作量を出力するマスタPIDコントローラ4:Cmと、マスタPIDコントローラ4の操作量を目標値としてこの目標値とスレーブ制御量:PVsの差をなくすように制御演算を行い操作量:MVを算出するスレーブPIDコントローラ5:Csと、PID制御とオートチューニングで操作量を切り替える切換スイッチ6とを有する。この切換スイッチ6は、後述のオートチューニング管理部(AT管理部)7にて操作され、通常制御の時はスイッチの接点をa側(コントローラ側)に、オートチューニングの時は接点をb側(AT処理部側)に切り替える動作を行う。
Control unit 1 in FIG. 1, the target value: SV and the master control amount: master PID controller for outputting an operation amount based on a difference between the PV m 4: and C m, as a target value the operation amount of the master PID controller 4 A slave PID controller 5: C s which performs control calculation so as to eliminate the difference between the target value and the slave control amount: PV s and calculates an operation amount: MV, and a
(13)つぎにAT処理部2は、オペレータが操作する管理装置等からのAT指令に基づき動作し、オートチューニングにおける2位置制御の目標値を決定するAT管理部7と、AT管理部7で決定された目標値に対して2位置制御を行う2位置制御部8とを有する。なお、2位置制御の目標値の初期値は予め定められることができ、制御目標SVと同じでもよいし、異なる値でもよい。
(13) Next, the
(14)また、パラメータ決定部3は、スレーブ制御量:PVsに対する2位置制御結果からスレーブPIDコントローラ5のPIDパラメータを決定して出力すると共にスレーブ側制御対象9を一次遅れ+むだ時間モデルで近似して、該モデルの各パラメータを同定するスレーブ同定部11と、マスタ制御量:PVmに対する2位置制御結果からマスタ側制御対象10を一次遅れ+むだ時間モデルで近似して、該モデルの各パラメータを同定するマスタ同定部12と、スレーブ側およびマスタ側制御対象の近似モデルを入力しマスタPIDコントローラのPIDパラメータを算出し出力するマスタPIDパラメータ算出部(マスタ制御パラメータ算出部)13とを有する。
(14) Further, the parameter determination unit 3 determines and outputs the PID parameter of the
なお、本実施の形態において、スレーブPIDコントローラ5は、PID制御に限らず、例えば、P制御、PI制御、PD制御のいずれかを行う、少なくともP制御を伴うコントローラであってもよい。スレーブPIDコントローラ5、マスタPIDコントローラ4を、本実施の形態において単にスレーブコントローラ、マスタコントローラと称する場合もある。求められるPIDパラメータ(制御パラメータ)は、例えば、比例ゲイン(P要素)、積分時間(I要素)、微分時間(D要素)等のパラメータであり、スレーブコントローラが例えばP制御のみを行う場合には、対応するP要素の制御パラメータが求められる。
In the present embodiment, the
(15)以下、フローチャートに従って処理を説明する。
図2にカスケードオートチューニングの処理フロー、図3にカスケードオートチューニング時の動作を示す。図4に、スレーブ側のオートチューニングの動作を示す。図4は、図3の左端部分の拡大図である。
(15) Processing will be described below according to the flowchart.
FIG. 2 shows the processing flow of cascade auto tuning, and FIG. 3 shows the operation during cascade auto tuning. FIG. 4 shows the operation of auto tuning on the slave side. FIG. 4 is an enlarged view of the left end portion of FIG.
まず、スレーブ側のオートチューニング処理と動作(図4)を説明する。
AT処理部2のAT管理部7がオートチューニングの実行指令を受けると、AT管理部7は切換スイッチ6をb側(AT処理部2側)に設定し、2位置制御部8は、あらかじめ設定されている目標値:SVS1に対してスレーブ制御量:PVsを2位置制御する(フローf1)。2位置制御のオンオフ切換回数はあらかじめ設定されているため、この設定回数のオンオフ切換が終了した時点で1回目のスレーブ側チューニング処理を終了する(フローf2)。図3および図4の例では、オンオフ切換回数を一例として5回としている。
First, the slave side auto-tuning process and operation (FIG. 4) will be described.
When the AT management unit 7 of the
1回目のスレーブ側チューニング処理が終わると、スレーブ同定部11は、今回の処理における操作量:MV及びスレーブ制御量:PVsに基づき、スレーブコントローラ5のPIDパラメータを算出しスレーブコントローラ5にセット(フローf3)し、さらに、オンオフデューティ比:θS1を算出し、少なくとも2回目のスレーブ側チューニング処理が終了しスレーブ側制御対象Gsの近似モデルの算出が終了するまで記憶しておく(フローf4)。
When the first slave tuning process is completed, the
なお、スレーブ側のPIDパラメータは、Ziegler・Nicholsの調整則を適用することで求めることができる。オンオフデューティ比は、リミットサイクル部分を用いて、例えば、図4のta、tbについて、θs1=tb/(ta+tb)で算出できる。なお、カスケード制御のスレーブ側は、外乱に対する動的な補償を行うことが主な目的であるため、P制御を用いてもよい。 Note that the PID parameter on the slave side can be obtained by applying the adjustment rule of Ziegler / Nichols. The on / off duty ratio can be calculated by using, for example, θ s1 = tb / (ta + tb) for ta and tb in FIG. The slave side of cascade control is mainly intended to perform dynamic compensation for disturbances, so P control may be used.
(16)さらに、2位置制御部8は1回目の2位置制御により生じたスレーブ制御量:PVsのリミットサイクル波形の振幅:XS1に基づき、2回目のスレーブ側2位置制御を行う目標値:SVS2を算出する(フローf5)。
なお、図3の例では、1回目のスレーブ側2位置制御により生じたリミットサイクル波形の振幅の2倍の値を減算した制御点、SVS2=SVS1−2XS1を2回目の目標値としている。
(16) Further, the 2-position control unit 8 performs the second slave-side 2-position control based on the slave control amount: PV s limit cycle waveform amplitude: X S1 generated by the first 2-position control. : SV S2 is calculated (flow f5).
In the example of FIG. 3, the control point SV S2 = SV S1 −2X S1 obtained by subtracting a value twice the amplitude of the limit cycle waveform generated by the first slave-side two-position control is set as the second target value. Yes.
(17)スレーブ側2回目のオートチューニングの目標値SVs2が決まると、2位置制御部8は、この目標値に対して1回目と同様にあらかじめ設定されたオンオフ回数だけ再度スレーブ制御量:PVsの2位置制御を実行する(フローf6、フローf7)。
2回目のスレーブ側オートチューニングが終了すると、スレーブ同定部11は、今回の処理における2位置制御のオンオフデューティ比:θS2およびリミットサイクル波形から算出したスレーブ側制御対象の限界ゲイン:Kcsと限界周期:Tcsからスレーブ側制御対象の数式モデルを算出する(フローf8)。より具体的には、スレーブ同定部11は一次遅れ+むだ時間モデル(式2)における定常ゲインKs、等価時定数Ts、等価むだ時間Lsの各パラメータの近似値を式1および式3によりそれぞれ算出し、マスタPIDパラメータ算出部13に出力する。
(17) when the target value SV s2 slave second auto-tuning is determined, two-position control unit 8, the first as well as preset by off times again slave control amount with respect to the target value : Two-position control of PV s is executed (flow f6, flow f7).
When the second slave-side auto-tuning is completed, the
なお、定常ゲイン:Ks>0、限界ゲイン:Kcs>0、限界周期:Tcs>0であるため、時定数:Ts>0となり、さらに、tan−1(x)<π/2であるため、むだ時間:Ls>0となる。
2位置制御により生じたリミットサイクル波形から限界ゲインと限界周期を求める方法は、記述関数を用いた方法が知られており、例えば本実施の形態においてもこれを用いることができる。
Since the steady gain: K s > 0, the limit gain: K cs > 0, and the limit period: T cs > 0, the time constant: T s > 0, and tan −1 (x) <π / 2. Therefore, the dead time: L s > 0.
As a method for obtaining a limit gain and a limit period from a limit cycle waveform generated by two-position control, a method using a description function is known. For example, this method can also be used in this embodiment.
また、式3は一次遅れ+むだ時間モデルが持続振動している条件、つまりスレーブループの一巡伝達関数のゲイン特性が0db、位相特性が180度遅れることに着目し、時定数:Tsとむだ時間Lsを求めたものである。
以上の処理により、スレーブ側で2回の2位置制御を行うことでスレーブコントローラの制御パラメータと、スレーブ側制御対象の一次遅れ+むだ時間モデルの近似式における各パラメータを求めることができた。
Further, Expression 3 pays attention to the condition that the first order delay + dead time model is continuously oscillating, that is, the gain characteristic of the loop transfer function of the slave loop is 0 db and the phase characteristic is delayed by 180 degrees, and the time constant is T s . The time L s is obtained.
With the above processing, the two-position control is performed twice on the slave side, whereby the control parameters of the slave controller and the parameters in the approximate expression of the first order delay + dead time model of the slave side control target can be obtained.
(18)スレーブ側のチューニング処理が終了すると、AT管理部7はマスタ制御量:PVmに対して2位置制御を行うために、あらかじめ設定された目標値:SVm1を2位置制御部8に出力する。目標値SVm1は、スレーブ側のチューニングでのSVs1と同じ値を用いてもよいし、異なる値が予め設定されてもよい。 (18) When the tuning process on the slave side ends, the AT management unit 7 sets the preset target value: SV m1 to the two-position control unit 8 in order to perform two-position control on the master control amount: PV m . Output. As the target value SV m1 , the same value as the SV s1 in the tuning on the slave side may be used, or a different value may be set in advance.
2位置制御部8は、この目標値:SVm1に対してマスタ制御量:PVmを規定回数だけ操作量がオンオフするように2位置制御を行う(フローf9、フローf10)。
マスタ制御量に対して規定回数のオンオフが終了すると、マスタ同定部12は、今回の処理における操作量MV及びマスタ制御量PVmに基づく2位置制御時のオンオフデューティ比:θm1を算出し、記憶する(フローf12)。また、2位置制御部8は、マスタ制御量:PVmのリミットサイクル波形の振幅:Xm1から、2回目のマスタ側2位置制御を行う目標値:SVm2を算出する(フローf13)。図3の例では、2回目の目標値:SVm2は、SVm2=SVm1−2Xm1としている。
The two-position control unit 8 performs two-position control on the target value: SV m1 so that the manipulated variable is turned on and off the master control amount: PV m a specified number of times (flow f9, flow f10).
When the specified number of on / off operations for the master control amount are completed, the
(19)マスタ側2回目の目標値が決まると、2位置制御部8は、1回目と同様に目標値:SVm2に対してマスタ制御量:PVmを規定回数だけ2位置制御を行う(フローf14、フローf15)。
2回目のマスタオートチューニングが終了すると、マスタ同定部12は、今回の処理における操作量MV、マスタ制御量PVm及びスレーブ制御量PVsに基づき、図5に示す2位置制御のオンオフデューティ比:θm2、リミットサイクル周期:Tcm、マスタ制御量の振幅:Xm、スレーブ制御量の振幅:Xs、スレーブ制御量とマスタ制御量の位相差:φの測定結果を求め、それらの測定結果から、マスタ側制御対象10を一次遅れ+むだ時間モデル(式4)で近似したときの定常ゲイン:Km、時定数:Tm、むだ時間:Lmを式5および式6に従い算出し、マスタPIDパラメータ算出部13に出力する(フローf16)。
(19) when the target value of the master-side second time determined, two-position control unit 8, the first as well as the target value: the master control amount to the SV m @ 2: performing predetermined number of times by two position control PV m ( Flow f14, flow f15).
When the second master auto-tuning is completed, the
(20)マスタPIDパラメータ算出部13は、スレーブ同定部11から出力された式2に示すスレーブ側制御対象の数式モデルの各パラメータと、マスタ同定部12から出力された式4に示すマスタ側制御対象の数式モデルの各パラメータから、マスタコントローラ4のPIDパラメータを導出する。
(20) Master PID
まず始めに、式2で示されるスレーブ側制御対象9の伝達関数のむだ時間項を式7で近似し、むだ時間項を高次遅れ系で近似したスレーブ側制御対象9の伝達関数を用いて式9に示すスレーブ側閉ループ伝達関数の導出を行う。
スレーブコントローラを比例ゲイン:KpsのP制御とした場合、式9で示される閉ループ伝達関数:Gs’は、式17のようになる(フローf17)。
When the slave controller is set to P control with proportional gain: K ps , the closed-loop transfer function: G s ′ expressed by Expression 9 is expressed by Expression 17 (flow f17).
(21)次にマスタPIDパラメータ算出部13は、式17で示されるスレーブ側閉ループ伝達関数を一次遅れ+むだ時間形式に変形するために、式17の分母を式7の分母で除算することで式7のむだ時間相当分の抽出と低次元化を行う(式18、式19)(フローf18)。
但し、スレーブ側閉ループ伝達関数Gs’の分子がラプラス演算子Sの多項式となる場合には、スレーブ側閉ループ伝達関数Gs’は一次遅れ+むだ時間形式にならないが、限界周期、限界ゲインをニュートン法により算出することができる。例えば、スレーブコントローラがPID制御の場合にスレーブ側閉ループ伝達関数Gs’のむだ時間抽出、分母の低次元化を行った結果を示す。 However, the slave closed loop transfer function G s 'if the molecule is a polynomial of Laplace operator S is the slave closed loop transfer function G s' is not a first-order lag + dead time format, limit cycle, the limit gain It can be calculated by the Newton method. For example, when the slave controller is PID controlled, the result of extracting the dead time of the slave-side closed loop transfer function G s ′ and reducing the denominator is shown.
スレーブコントローラを比例ゲイン:Kps、積分時間:Tis、微分時間:TdsのPID制御とした場合、スレーブ側閉ループ伝達関数Gs’は式20となる。
(22)前記の処理により、スレーブコントローラがP制御の場合には、マスタコントローラが制御する制御対象:Hは、式19と式4より
スレーブコントローラがPID制御の場合には、マスタコントローラが制御する制御対象:Hは、
(23)まず、スレーブコントローラがP制御の場合には、制御対象:Hの周波数方程式より式23が成り立つので、これより限界角周波数:ωcを算出する。
また、スレーブコントローラがPID制御の場合には、制御対象:Hの周波数方程式より式26が成り立つので、これより限界角周波数:ωcを算出する。
(24)次に、スレーブコントローラがP制御の場合には、制御対象:Hのゲイン方程式より式29が成り立つため、式29に求まった限界角周波数:ωcを代入し、式14を用いることで、限界ゲイン:Kcを求めることができる(フローf20)。
(25)伝達関数:Hの限界周期Tcと限界ゲインKcが求まれば例えばZiegler・Nicholsの調整則を適用することでマスタPIDコントローラのPIDパラメータを求めることができるため、マスタPIDパラメータ算出部13はこのように求めたPIDパラメータをマスタPIDコントローラ4にセットしオートチューニングの処理を終了する(フローf21)。
(25) the transfer function: it is possible to obtain the PID parameters of the master PID controller by limiting the period T c and the limit gain K c is applicable to for example the adjustment rule Ziegler · Nichols Motomare of H, master PID parameter calculation The
(構成例)
本実施の形態のカスケードオートチューニング方法は、例えば、システムが、
カスケード接続された、マスタPIDコントローラおよびスレーブPIDコントローラを具備し、
オートチューニング:ATの実行指令を受けて、ATのための操作量が制御対象に出力するように操作量の切換スイッチを操作し、また、ATを実行する目標値を決定するAT管理部と、
AT管理部から設定された目標値に対してスレーブ制御量およびマスタ制御量を2位置制御する2位置制御部と、
スレーブ側に対する2位置制御により発生したリミットサイクル波形から、スレーブPIDコントローラのPIDパラメータとスレーブ側制御対象を一次遅れ+むだ時間モデルで数式近似するスレーブ同定部と、
マスタ側に対する2位置制御により発生したリミットサイクル波形から、マスタ側制御対象を一次遅れ+むだ時間モデルで数式近似するマスタ同定部と、
スレーブ側制御対象の数式モデルとマスタ側制御対象の数式モデルからマスタPIDコントローラのPIDパラメータを算出するマスタPIDパラメータ算出部を具備し、
スレーブ側制御対象を一次遅れ+むだ時間モデルで近似する。
(Configuration example)
In the cascade auto-tuning method of the present embodiment, for example, the system
A master PID controller and a slave PID controller connected in cascade;
Auto-tuning: Upon receipt of an AT execution command, an operation amount selector switch is operated so that an operation amount for the AT is output to the control target, and an AT management unit that determines a target value for executing the AT;
And second position control unit for two-position control the slave control amount and the master control amount to the target value set by the AT management unit,
A slave identification unit that mathematically approximates the PID parameter of the slave PID controller and the slave-side control target by a first order delay + dead time model from a limit cycle waveform generated by two-position control on the slave side;
A master identification unit that mathematically approximates a master side control target with a first order delay + dead time model from a limit cycle waveform generated by two-position control on the master side ;
Comprising a master PID parameter calculation unit for calculating a PID parameter of the master PID controller from the mathematical model and the master side control object mathematical model of the slave-side control object,
The slave side control target is approximated by a first order delay + dead time model.
また、例えば、上述のカスケードオートチューニング方法で、マスタ側制御対象を一次遅れ+むだ時間モデルで近似することを特徴とする。
また、例えば、上述のカスケードオートチューニング方法で、スレーブ側制御対象のむだ時間項を高次遅れ系で近似してスレーブ側閉ループ伝達関数をもとめ、求まった閉ループ伝達関数から高次遅れ系で近似したむだ時間項の抽出を行い閉ループ伝達関数を一次遅れ+むだ時間モデルで近似することを特徴とする。
In addition, for example, the master side control target is approximated by a first order delay + dead time model by the above-described cascaded auto tuning method.
Also, for example, in the above cascaded auto-tuning method, the slave- side control target dead time term is approximated by a high-order delay system to obtain the slave-side closed loop transfer function, and the obtained closed-loop transfer function is approximated by a high-order delay system. It is characterized by extracting the dead time term and approximating the closed-loop transfer function with a first order delay + dead time model.
また、例えば、上述のカスケードオートチューニング方法で、マスタおよびスレーブ側制御対象が一次遅れ+むだ時間モデルである時に、制御対象の周波数特性からニュートン法による数値解析手法を用いて限界ゲインおよび限界周期をもとめPIDパラメータを算出することを特徴とする。 Further, for example, in the above-described cascade autotuning method, when the master and slave control object is the first-order lag + dead time model, the limit gain and limit cycles using a numerical analysis method according to Newton's method from the frequency characteristics of the controlled object It is characterized in that a calculation PID parameter is calculated.
本発明は、例えば、2台のコントローラをカスケード接続するカスケード制御系に利用可能である。 The present invention can be used, for example, in a cascade control system in which two controllers are cascade-connected.
1 制御部
2 オートチューニング処理部(AT処理部)
3 パラメータ決定部
4 マスタPIDコントローラ
5 スレーブPIDコントローラ
6 切換スイッチ
7 オートチューニング管理部(AT管理部)
8 2位置制御部
9 スレーブ側制御対象
10 マスタ側制御対象
11 スレーブ同定部
12 マスタ同定部
13 マスタPIDパラメータ算出部(マスタ制御パラメータ算出部)
1
3
8 2-position control unit 9 slave-
Claims (5)
オートチューニングの実行指令を受け、オートチューニングのための目標値を決定するオートチューニング管理部と、
前記オートチューニング管理部から設定された目標値に対してスレーブ制御量およびマスタ制御量をそれぞれ2位置制御する2位置制御部と、
スレーブ側に対する2位置制御により発生したスレーブ制御量のリミットサイクル波形から、前記スレーブコントローラの制御パラメータを求め、該スレーブ制御量のリミットサイクル波形からスレーブ側制御対象を一次遅れ+むだ時間モデルで数式近似した該モデルの各パラメータを求めてスレーブ側制御対象の数式モデルを同定するスレーブ同定部と、
マスタ側に対する2位置制御により発生したマスタ制御量のリミットサイクル波形から、マスタ側制御対象を一次遅れ+むだ時間モデルで数式近似した該モデルの各パラメータを求めてマスタ側制御対象の数式モデルを同定するマスタ同定部と、
前記スレーブ同定部で求められたスレーブコントローラの制御パラメータとスレーブ側制御対象の数式モデルとに基づき、該スレーブ側制御対象と前記スレーブコントローラとのスレーブ側閉ループ伝達関数を求め、前記マスタ同定部で求められたマスタ側制御対象の数式モデルに基づき、該スレーブ側閉ループ伝達関数とマスタ側制御対象の数式モデルとの積を前記マスタコントローラの制御対象として、該マスタコントローラの制御パラメータを算出するマスタ制御パラメータ算出部と
を備えた前記オートチューニング装置。 An auto-tuning device for performing auto-tuning for adjusting control parameters of the master controller and the slave controller in a cascade control system in which a master controller that performs PID control and at least a slave controller that performs P control are cascade-connected. And
An auto tuning management unit that receives an auto tuning execution command and determines a target value for auto tuning;
And second position control unit for each two-position control the slave control amount and the master control amount with respect to the auto-tuning target value set by the management unit,
From the slave control amount of limit cycle waveform generated by the second position control for the slave side, the slave controller obtains the control parameters of the slave system first order lag + dead time from your amount limit cycle waveform slave-side control object A slave identifying unit that identifies each mathematical model of the slave side control target by obtaining each parameter of the model that is mathematically approximated by the model;
From master control amount of limit cycle waveform generated by the two-position control for the master, the master-side control object to seek parameters of the model equation approximated by first-order lag + dead time model master-side control object mathematical model A master identification unit for identifying
Based on the control parameter of the slave controller obtained by the slave identification unit and the mathematical model of the slave side control object, a slave side closed loop transfer function between the slave side control object and the slave controller is obtained, and obtained by the master identification part. A master control parameter that calculates a control parameter of the master controller based on the master-side control target mathematical model, with the product of the slave-side closed loop transfer function and the master-side control target mathematical model as the control target of the master controller The auto-tuning apparatus comprising a calculation unit.
スレーブ側制御対象のむだ時間項を高次遅れ系で近似してスレーブ側閉ループ伝達関数を求め、求められた閉ループ伝達関数から高次遅れ系で近似したむだ時間項の抽出を行い該スレーブ側閉ループ伝達関数を一次遅れ+むだ時間モデルでさらに近似し、
前記マスタコントローラの制御対象が、ともに一次遅れ+むだ時間モデルで近似された該スレーブ側閉ループ伝達関数とマスタ側制御対象の数式モデルとの積で表されることを特徴とする請求項1に記載のオートチューニング装置。 The master control parameter calculation unit
The slave-side controlled loop is approximated by a high-order delay system to obtain a slave-side closed-loop transfer function, and the slave-side closed loop is extracted from the obtained closed-loop transfer function by approximating the dead-time term approximated by a high-order delay system. Further approximate the transfer function with a first order delay + time delay model,
2. The control target of the master controller is represented by a product of the slave side closed loop transfer function approximated by a first order delay + dead time model and a mathematical model of the master side control target. Oh-tuning device.
前記マスタコントローラの制御対象に対し、該マスタコントローラの制御対象の周波数特性からニュートン法又は他の数値解析手法を用いて限界ゲインおよび限界周期を求め、前記マスタコントローラの制御パラメータであるPIDパラメータを算出することを特徴とする請求項2に記載のオートチューニング装置。 The master control parameter calculation unit
For the control object of the master controller, a limit gain and a limit period are obtained from the frequency characteristics of the control object of the master controller using a Newton method or other numerical analysis method, and a PID parameter that is a control parameter of the master controller is calculated. O-tuning device according to claim 2, characterized in that.
をさらに備え、
前記オートチューニング管理部は、
前記オートチューニングの実行指令を受けると、オートチューニングのための前記2位置制御部からの操作量が前記制御対象に出力されるように前記切換スイッチを操作し、
オートチューニングの後に、前記スレーブコントローラからの操作量が前記制御対象に出力されるように前記切換スイッチを操作する請求項1乃至3のいずれかに記載のオートチューニング装置。 It further includes a changeover switch for switching the connection destination for inputting the operation amount to the control target,
The auto tuning management unit
When receiving the auto tuning execution command, the switch is operated so that the operation amount from the two-position control unit for auto tuning is output to the control target,
After auto-tuning, O-tuning device according to any one of claims 1 to 3 operation amount from the slave controller operates the change-over switch so as to be output to the controlled object.
オートチューニングの実行指令を受け、オートチューニングのための目標値を決定し、
決定された目標値に対してスレーブ制御量およびマスタ制御量をそれぞれ2位置制御し、
スレーブ側に対する2位置制御により発生したスレーブ制御量のリミットサイクル波形から、スレーブコントローラの制御パラメータを求め、該スレーブ制御量のリミットサイクル波形からスレーブ側制御対象を一次遅れ+むだ時間モデルで数式近似した該モデルの各パラメータを求めてスレーブ側制御対象の数式モデルを同定し、
マスタ側に対する2位置制御により発生したマスタ制御量のリミットサイクル波形から、マスタ側制御対象を一次遅れ+むだ時間モデルで数式近似した該モデルの各パラメータを求めてマスタ側制御対象の数式モデルを同定し、
求められたスレーブコントローラの制御パラメータとスレーブ側制御対象の数式モデルとに基づき、該スレーブ側制御対象とスレーブコントローラとのスレーブ側閉ループ伝達関数を求め、求められたマスタ側制御対象の数式モデルに基づき、該スレーブ側閉ループ伝達関数とマスタ側制御対象の数式モデルとの積をマスタコントローラの制御対象として、該マスタコントローラの制御パラメータを算出する前記オートチューニング方法。 In a cascade control system in which a master controller that performs PID control and at least a slave controller that performs P control are cascade-connected, an auto-tuning method for performing auto-tuning that adjusts control parameters of the master controller and the slave controller,
In response to an auto tuning execution command, the target value for auto tuning is determined,
Each two-position control the slave control amount and the master control amount with respect to the determined target value,
From the slave control amount of limit cycle waveform generated by the two-position control for the slave obtains the control parameters of the slave controller, the slave control amount of the limit one slave-side control object from cycle waveform order lag + dead time model To identify each parameter of the model approximated by the mathematical formula to identify the mathematical model of the slave side control target,
From master control amount of limit cycle waveform generated by the two-position control for the master, the master-side control object to seek parameters of the model equation approximated by first-order lag + dead time model master-side control object mathematical model Identify and
Based on the calculated control parameter of the slave controller and the mathematical model of the slave side control object, a slave side closed loop transfer function between the slave side control object and the slave controller is obtained, and based on the obtained master side control object mathematical model The auto-tuning method for calculating a control parameter of the master controller using a product of the slave-side closed loop transfer function and a mathematical model of the master-side control target as a control target of the master controller.
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