JP5841795B2 - Ｐｉｄ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、制御対象の状態を示す物理量に対応する目標値と制御対象から出力される制御量との差分に基づいて操作量を演算し、該操作量を制御対象に出力して該制御対象の状態を制御するＰＩＤ制御装置に関し、特に、制御対象の状態を示す物理量に対応する目標値と制御量の組みによるＰＩＤ制御手段を２系統備え、該２系統のＰＩＤ制御手段を切替え可能にしたＰＩＤ制御装置に関する。

従来、一般的なフィードバック制御は図７のブロック図で示される。ＰＩＤ制御部分は、以下の式（１）で制御される。

ここで、ｅは偏差、Ｍｖは操作量、Ｋｐは比例ゲイン、Ｔｉ（ｓ）は積分時間、Ｔｄ（ｓ）は微分時間とする。

ところで、一部のサーボ制御系ではフィードバックの対象を切替えて使用することがある。つまり制御量が位置（ｍ）から荷重（Ｎ）に変更するなどのように制御対象の目標を切替えて使うことがある。このように制御対象切替機能を持ったシステムのブロック図を示すと図８のようになる。図において、ＰＩＤ制御装置１０は操作量Ｍｖを出力して制御対象２０を制御する。

ここで、Ｐｖ１をセンサで検出した変位を示す制御量、Ｐｖ２をセンサで検出した荷重を示す制御量、Ｓｖ１を変位の目標値、Ｓｖ２を荷重の目標値とする。今、変位についての制御状態（「変位制御」という。）のときの第１ＰＩＤ演算部（ＰＩＤ１）１１′での演算式は以下の式（２）になる。

制御切替え部１３′でＭｖをＭｖ１に設定することでＰＩＤ制御のループが構成される。荷重についての制御状態（「荷重制御」という。）のときの第２ＰＩＤ演算部（ＰＩＤ２）１２′での演算式は下の式（３）になる。

ここで、変位制御からこのまま荷重制御に切替えると、ＭｖがＭｖ１からＭｖ２に変化して制御対象２０の機械要素等でショックが発生する。ショックが発生しないようにする為には、制御切替えを行う前と後とで操作量Ｍｖが変化しないようにする必要がある。したがって、Ｍｖ２がＭｖ１になるようにＳｖ２の値やＰＩＤの内部状態を調整しなければならない。

通常ＰＩＤ制御で目標値Ｓｖが一定のときは、定常偏差ｅはゼロになるため、上の式にｅ＝０を代入すると、次式（４）のようになる。

したがって、目標値Ｓｖを制御量Ｐｖにし、さらに内部状態がＭｖになるように調整すればショックなしに切替えることができる。

なお、ＰＩＤ制御をデジタル制御で表すと図９のブロック線図で示す演算アルゴリズムになる。この演算アルゴリズムは位置型と呼ばれているもので、Ｐｎが比例項、Ｔｎが積分項、Ｄｎが微分項を表す。ショックなしにして制御を切替えるためには、Ｔｎを調整する必要がある。なお、この図９のブロック線図をＺ変換式で表現すると以下の式（５）のようになる。

また、コンピュータ処理しやすいように逐次処理系で表現すると以下の式（６）になる。

したがって、ショックなしにして制御を切替えるためには、保存されているＭｉを計算する必要がある。

一般に制御切替えを簡単にするために、デジタルＰＩＤ制御では速度型の演算アルゴリズムを使用する。速度型の演算アルゴリズムをブロック線図で表すと図１０のようになる。この演算アルゴリズムをＺ変換式で表現すると以下の式（７）のようになる。

これをコンピュータ処理しやすいように逐次処理系に変形すると以下の式（８）になる。

このように、フィードバックを切替えるときにＳｖ２＝Ｐｖ２にするとΔＭｖはゼロになるので、目標値の調整だけでフィードバック切替えができる。理想的なシステムでは以上の方法でショックなしに切替えができる。しかし、実用レベルではショックはゼロにならないことがある。制御量はセンサ入力でありノイズを含んでいることが原因している。このノイズレベルが大きいとショックが大きくなる。

なお、切替え時の制御対象でのショックを低減する技術として、例えば特開平１０−１９００８号公報（特許文献１）、特開平７−１３６２９号公報（特許文献２）、特開平６−１９０８８９号公報（特許文献３）及び実開平５−４０９０１号公報（特許文献４）に開示されたものがある。なお、これらの公知文献のものと、本願発明のものとではその要部の構成が異なっている。

特開平１０−１９００８号公報 特開平７−１３６２９号公報 特開平６−１９０８８９号公報 実開平５−４０９０１号公報

本発明は、２系統のＰＩＤ制御手段を切替え可能にしたＰＩＤ制御装置において、制御対象からの制御量のフィードバック信号にノイズが含まれる環境でも、２系統の切替えを行う際に目標値の変更だけで制御対象でショックが発生しないようにすることを課題とする。

請求項１のＰＩＤ制御装置は、制御対象の状態を示す物理量に対応する目標値と、該状態を示す物理量に対応して該制御対象から出力される制御量との差分に基づいて、ＰＩＤ制御手段で操作量を演算し、該操作量を前記制御対象に出力して該制御対象の状態を制御するＰＩＤ制御装置であって、前記制御対象の状態を示す物理量に対応する前記目標値と前記制御量の組みによるＰＩＤ演算を行うＰＩＤ制御手段を複数系統備え、該複数系統の系統間でＰＩＤ制御手段を切替え可能にしたＰＩＤ制御装置において、第１系統のＰＩＤ制御手段におけるＰＩＤ演算アルゴリズムの過程で、微分項Ｄｎと比例項Ｐｎを除いた積分項Ｔｎのみで、Ｚ変換式で表した次式（９）のＭｖｔの値を演算し、その値Ｍｖｔをメモリに逐次記憶し、第１系統のＰＩＤ制御手段から第２系統のＰＩＤ制御手段に切り替えるとき、切替え直前に記憶したＭｖｔを操作量Ｍｖとして前記制御対象に出力するようにしたことを特徴とする。

ここで、ｅは偏差、Ｋｐは比例ゲイン、Ｔｉは積分時間、Δｔは制御周期である。
なお、複数系統のうちの任意の２系統間で制御を切り替えるが、切り替え前の系統が第１系統であり、切り替え後の系統が第２系統である。

請求項１のＰＩＤ制御装置によれば、第１系統のＰＩＤ制御手段から第２系統のＰＩＤ制御手段に切り替えるとき、ＰＩＤ制御手段で積分項のみにより演算した操作量を前記制御対象に出力するようにしたので、操作量のノイズ成分も小さくなり、制御対象でショックが発生しない。

本発明のＰＩＤ制御装置を適用したシステム例を示す図である。 実施形態のＰＩＤ制御装置の要部機能ブロック図である。 実施形態におけるＰＩＤ演算アルゴリズムを示すブロック線図である。 参考例のＰＩＤ制御装置の要部機能ブロック図である。 参考例における速度型のＰＩＤ演算アルゴリズムで表すブロック線図である。 他の実施形態のＰＩＤ制御装置の要部機能ブロック図である。 従来の一般的なフィードバック制御のブロック図である。 従来のＰＩＤ制御装置の要部機能ブロック図である。 従来のＰＩＤ制御の位置型の演算アルゴリズムのブロック線図である。 従来のＰＩＤ制御の速度型の演算アルゴリズムのブロック線図である。

次に、本発明のＰＩＤ制御装置の実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明のＰＩＤ制御装置を適用したシステム例を示す図であり、このシステムは実施形態のＰＩＤ制御装置１を制御対象２に接続したものである。ＰＩＤ制御装置１は例えばコントローラである。制御対象２は例えば材料試験機であり、電動モータ、サーボバルブ、ピストン、センサ等を備えている。ＰＩＤ制御装置１は、制御対象２の電動モータを駆動制御する。これにより、制御対象２では、サーボバルブが制御され、ピストンを駆動する油圧が制御される。このピストンによってワークＷに荷重等が加えられ、試験が行われる。この一連の試験動作の間に、制御対象２（材料試験機）では、センサによってピストンの変位や、荷重、あるいは加速度等の物理量が検出され、その物理量を示す制御量（データ信号）がＰＩＤ制御装置１へ出力される。そしてＰＩＤ制御装置１はその制御量に基づいて制御対象２の電動モータをフィードバック制御する。

図２は実施形態のＰＩＤ制御装置（コントローラ）１の機能ブロック図であり、ＰＩＤ制御装置１は第１ＰＩＤ演算部（ＰＩＤ１）１１、第２ＰＩＤ演算部（ＰＩＤ２）１２，制御切替え部１３を有している。ＰＩＤ制御装置１は図示しないＣＰＵやメモリを備えたコンピュータを備えており、このＰＩＤ制御装置１におけるコンピュータが所定の制御プログラムを実行することにより、第１ＰＩＤ演算部（ＰＩＤ１）１１、第２ＰＩＤ演算部（ＰＩＤ２）１２，制御切替え部１３の機能が得られる。

ＰＩＤ制御装置１には、例えば変位（第１物理量）の目標値Ｓｖ１と荷重（第２物理量）の目標値Ｓｖ２が設定されている。第１ＰＩＤ演算部１１は、制御対象２から入力される変位の制御量Ｐｖ１と目標値Ｓｖ１との偏差ｅ１に基づいてＰＩＤ演算を行い、その演算結果を制御切替え部１３に出力する。同様に、第２ＰＩＤ演算部１２は、制御対象２から入力される荷重の制御量Ｐｖ２と目標値Ｓｖ２との偏差ｅ２に基づいてＰＩＤ演算を行い、その演算結果を制御切替え部１３に出力する。制御切替え部１３は第１ＰＩＤ演算部１１または第２ＰＩＤ演算部１２の出力を選択的に操作量Ｍｖとして制御対象に出力する。なお、この例では、操作量Ｍｖは制御対象２における電動モータの駆動用信号である。そして、制御切替え部１３は変位の制御量Ｐｖ１により制御対象の切替えタイミングを判定して、操作量Ｍｖの内容を切り替える。

なお、この実施形態では、第１ＰＩＤ演算部１１、第２ＰＩＤ演算部１２、制御切替え部１３の動作において、制御量Ｐｖ１と目標値Ｓｖ１とによりＰＩＤ演算を行う機能が第１系統のＰＩＤ制御手段であり、制御量Ｐｖ２と目標値Ｓｖ２とによりＰＩＤ演算を行う機能が第２系統のＰＩＤ制御手段である。

ここで、制御切替え時のショックの発生原因を分析していくと、ＰＩＤ演算アルゴリズムの微分項Ｄｎがノイズに大きくかかわっていることが分かった。信号は微分することにより周波数に比例して振幅が増大する。したがってノイズ成分も微分されることにより大きくなってしまう。しかし逆に積分項Ｔｎでは周波数に比例して振幅は減少する。したがってノイズ成分も小さくなる。したがって操作量Ｍｖからノイズ成分を除去するためには（操作量をフィルタリングするのではなく）、操作量Ｍｖから微分項Ｄｎおよび比例項Ｐｎを取り除けばよく、実施形態の演算アルゴリズム及び制御アルゴリズムは以下のようになっている。

図３は第１ＰＩＤ演算部１１及び第２ＰＩＤ演算部１２におけるＰＩＤ演算アルゴリズムを示すブロック線図である。このＰＩＤ演算アルゴリズムによる最終的なＭｖの値は、前掲の式（１），（２）と同じである。

このＰＩＤ演算アルゴリズムの過程で、微分項Ｄｎと比例項Ｐｎを除いた積分項Ｔｎのみで次式（９）のＭｖｔの値を演算し、その値Ｍｖｔをメモリに逐次記憶しておく。

そして、制御切替え時に、切替え直前に記憶したＭｖｔを操作量Ｍｖとして出力する。すなわち、切替え後のＰＩＤ演算は、ＰＩＤ演算部１２により行われるが、切替え時点では、直前のＭｖｔを操作量として制御対象２が制御され、その操作量に基づくフィードバック信号によってＰＩＤ演算部１２による演算及び制御に切り替わるので、ノイズが含まれる環境でも目標値の変更だけでショックの発生しない制御切替えを行うことができる。さらに制御ループ演算の負担はほとんど増えず、フィルタ制御等を行う場合のようなタイムラグも発生しない。

次に、参考例について説明する。前述のように、理想的なシステムでは、フィードバックを切替えるときにＳｖ２＝Ｐｖ２にすると同様にΔＭｖはゼロになるので、目標値の調整だけでフィードバック切替えができるが、実際には制御量がノイズを含んでいることが原因し、このノイズレベルが大きいとショックが大きくなる。そこで、このショックをなくすために操作量をフィルタリングすることで要因を取り除くことができる。この例の機能ブロック図を図４に示す。第１ＰＩＤ演算部１１′、第２ＰＩＤ演算部１２′及び制御切替え部１３′は図８と同様である。

この例では、制御切替え部１３′の操作量Ｍｖをスイッチ部１４を介して制御対象２に出力する。また、制御切替え部１３′の操作量Ｍｖに対してフィルタリングするローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５を備えている。そして、スイッチ部１４を切り替えることにより、このフィルタリングしたデータを操作量Ｍｖとして制御対象２に出力する。

この方法によりノイズによるショックを低減することができる。この方式を速度型の演算アルゴリズムで表すと図５のブロック線図のようになる。制御切替え部１３′からＭｖの出力をローパスフィルタ１５でノイズを除去したＭｖ´を求め、制御切替えのときＭｖをＭｖ´の値で置き換え、制御対象２に出力する。

以上の実施形態では、第１ＰＩＤ演算部（ＰＩＤ１）１１と第２ＰＩＤ演算部（ＰＩＤ２）１２による２系統の制御の例について説明したが、３系統以上による制御にも適用できる。例えば図６は３系統の例であり、第１ＰＩＤ演算部（ＰＩＤ１）、第２ＰＩＤ演算部（ＰＩＤ２）、第３ＰＩＤ演算部（ＰＩＤｎ（ｎ＝３））を備え、例えば、制御の切り替えを変位制御→荷重制御→加速度制御→変位制御→…のようにする場合にも適用できる。さらに、異なる制御対象に対応して、４系統、５系統、…のように４系統以上の場合にも適用できる。いずれの場合も、切り替え前の系統が請求項の「第１の系統」、切り替え後の系統が請求項の「第２の系統」であることは言うまでもない。

１ ＰＩＤ制御装置
２ 制御対象
１１ 第１ＰＩＤ演算部
１２ 第２ＰＩＤ演算部
１３ 制御切替え部

Claims (1)

1. 制御対象の状態を示す物理量に対応する目標値と、該状態を示す物理量に対応して該制御対象から出力される制御量との差分に基づいて、ＰＩＤ制御手段で操作量を演算し、該操作量を前記制御対象に出力して該制御対象の状態を制御するＰＩＤ制御装置であって、前記制御対象の状態を示す物理量に対応する前記目標値と前記制御量の組みによるＰＩＤ演算を行うＰＩＤ制御手段を複数系統備え、該複数系統の系統間でＰＩＤ制御手段を切替え可能にしたＰＩＤ制御装置において、
   第１系統のＰＩＤ制御手段におけるＰＩＤ演算アルゴリズムの過程で、微分項Ｄｎと比例項Ｐｎを除いた積分項Ｔｎのみで、Ｚ変換式で表した次式（９）のＭｖｔの値を演算し、その値Ｍｖｔをメモリに逐次記憶し、第１系統のＰＩＤ制御手段から第２系統のＰＩＤ制御手段に切り替えるとき、切替え直前に記憶したＭｖｔを操作量Ｍｖとして前記制御対象に出力するようにしたことを特徴とするＰＩＤ制御装置。
   

   

   ここで、ｅは偏差、Ｋｐは比例ゲイン、Ｔｉは積分時間、Δｔは制御周期である。

Images