JP7050582B2

JP7050582B2 - 調節装置

Info

Publication number: JP7050582B2
Application number: JP2018106725A
Authority: JP
Inventors: 彰好本; 和之佐伯
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-06-04
Filing date: 2018-06-04
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2038-06-04
Also published as: JP2019211945A

Description

本願は、各種プロセス計装制御システムに利用される調節装置に関するものである。

ＰＩ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＩｎｔｅｇｒａｌ）またはＰＩＤ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＩｎｔｅｇｒａｌＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）による調節装置（以下調節装置と略称する）は、自動制御のあらゆる分野で使用されており、各種制御に組み込まれている。
ＰＩＤによる調節装置を用いた制御では、例えば目標値の大幅変更が行われた場合、又は制御対象に急激な変化があった場合には、制御結果にオーバーシュートが発生することがある。

従来では、このようなオーバーシュートを抑制する手段として、例えばＰＩＤ調節演算の比例、積分または比例、積分、微分調節演算出力を加算合成して得られる調節信号（ＭＶ）が所定の信号制限値に達したとき、積分動作を停止して、積分調節演算成分のみをホールドするものがあった。これにより目標値または外乱変化時に積分調節演算動作による蓄積効果がなくなり、オーバーシュートを軽減するものである（特許文献１参照）。

また、オーバーシュートを抑制する他の手段として、ＰＩＤによる調節演算における比例、積分または比例、積分、微分調節演算出力を加算合成して得られる調節信号（ＭＶ）における前回入力信号と前回出力信号の差信号（ΔＭＶ_ｎ－１）を取得し、更に比例調節演算出力と微分調節演算出力との加算信号を変化分演算手段に導入して得られた変化分信号Δ（Ｐ＋Ｄ）ｎを前記差信号に加え、この差信号と変化分信号との加算信号を変化率逸脱判断手段で判断し、変化率が制限値を逸脱していた場合は、積分調節演算出力を強制的に停止し、前回の積分調節成分をホールドすることで通常積分と積分動作停止を選択的に使い分けるものがあった。これにより積分調節成分の蓄積効果を除去してオーバーシュートを軽減することができる（特許文献２参照）。

特開平２－３０７１０１号公報特開平３－６７０１号公報

上記のように従来のＰＩＤによる調節装置においては、様々な手法が提案されているが、調節信号が所定の信号制限値に達したとき、積分動作を停止して、積分調節演算成分のみをホールドする場合においては、例えば急激な制御量の変化で目標値から離れていく方向に対して操作量を変化させたい場合、あるいは逆に制御量が目標値から離れたところから目標値に向かって操作量を変化させたい場合において、操作量の変化量に対して制限がかかるため、結果として制御対象を目標値に近づけるための時間が多くかかるという問題があった。また時間短縮のため応答性を上げると、目標値付近で制御が安定しているとき、外乱による微分項の影響を受け、安定しない場合があった。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、急激に変化する制御対象に対しても、制御量が目標値の近辺に近づくまでの時間を従来の技術よりも短縮しながら、オーバーシュートを抑制するものであり、更に目標値付近での制御の安定化を図ることを目的とする。

本願に開示される調節装置は、制御対象の制御量と目標値との偏差に基づいて比例、積分または比例、積分、微分調節演算により調節信号を出力し、上記調節信号を変化率制御部を通して得られる操作量を上記制御対象に対して出力して上記制御対象を制御するものであって、
上記制御量と上記目標値との上記偏差の変化量を取得する変化量取得部と、
上記制御量と上記目標値との上記偏差から上記制御量の変化方向を判断する変化方向判断部と、
上記変化量取得部からの入力、及び上記変化方向判断部からの上記制御量が上記目標値に近づいているか遠のいているかの入力に基づき、上記変化量が設定した数値よりも大きく且つ上記変化方向において上記制御量が上記目標値に近づいている方向であると判断した場合に、上記積分による演算を中止させる変化量及び変化方向判断部を設けたものである。

本願に開示される調節装置によれば、急激に変化する制御対象に対しても、制御量が目標値の近辺に近づくまでの時間を短縮しながら、オーバーシュートを抑制することができる。

実施の形態１による調節装置を示すブロック構成図である。実施の形態１の調節装置による制御状態を示すグラフである。実施の形態２による調節装置を示すブロック構成図である。実施の形態３による調節装置を示すブロック構成図である。

実施の形態１．
以下、図面を参照して、実施の形態１を説明する。図１は実施の形態１による調節装置を示すブロック構成図である。本実施形態は各種プロセス計装制御システムに利用される調節装置であり、特にＰＩ（Ｐは比例項、Ｉは積分項）またはＰＩＤ（Ｐは比例項、Ｉは積分項、Ｄは微分項）による調節装置を用いた制御分野において、目標値の大幅変更が行われた場合、及び制御対象に急激な変化があった場合に発生する制御量の行き過ぎ（以下オーバーシュートと略称する）を抑制する装置に関するものである。尚下記においては、ＰＩＤによる調節装置について説明するが、ＰＩによる調節装置についても同様に動作するものである。

図１において、本実施形態による調節装置においては、目標値（ＳＶ）と制御量（ＰＶ）との偏差を計算する偏差演算部１１を設け、求められた偏差を受けてＰＩＤ（Ｐは比例項２１、Ｉは積分項２２、Ｄは微分項２３）により調節演算を行うことにより調節信号を得るものである。ここで比例項２１においては、例えばＫ_Ｐ×ｅのような演算を行う。積分項２２においては例えばＫ_Ｐ×１／Ｔ_ｌ×∫ｅｄｔのような演算を行う。又微分項２３においては例えばＫ_Ｐ×Ｔ_Ｄ×ｄｅ／ｄｔのような演算を行う。ここでｅは偏差、Ｋ_Ｐは比例ゲイン、Ｔ_ｌは積分時間、Ｔ_Ｄは微分時間である。

そして目標値（ＳＶ）と制御量（ＰＶ）の差が大きいほど操作量（ＭＶ）が大きくなる（比例の関係となる）ので比例項２１を設ける。又積分項２２を設けることにより比例項２１による制御結果に目標値（ＳＶ）－制御量（ＰＶ）の積分値を加えた操作量（ＭＶ）を出力するため定常偏差（収束した時の目標値との誤差）がゼロになるという効果がある。但しこの場合偏差の積分値を加算するためオーバーシュートは起こりやすくなる。更に微分項２３を設けることにより、制御量（ＰＶ）の微分値を引いた操作量（ＭＶ）を出力するので、オーバーシュート及び振動現象を抑えることが出来る。

上記のようにして得られた調節信号からの出力を変化率制御部３１は操作量（ＭＶ）に変換する。この変化率制御部３１は調節信号の大きさに比例させて操作量（ＭＶ）を増減させる処理を行うものである。そして操作量（ＭＶ）により制御対象５０を制御する。ここで制御対象５０としては様々なものが考えられるが、特に効果があるものとしては化学反応を対象とした制御が考えられる。例えば風を送って反応後のアンモニア性窒素濃度を管理する場合の風量調節弁の開度を調節することが例として挙げられる。開度を調節することにより風量を制御し、空気とアンモニア性窒素の化学反応により、アンモニア性窒素濃度を変化させることが出来る。

また調節装置においては、制御量（ＰＶ）と目標値（ＳＶ）との偏差からその変化量Δ（ＳＶ－ＰＶ）を取得する変化量取得部３３が設けられ、更に制御量（ＰＶ）と目標値（ＳＶ）との偏差から制御量（ＰＶ）の変化方向を判断する変化方向判断部３４が設けられている。そして変化量及び変化方向判断部３２は、変化量取得部３３と変化方向判断部３４の出力から、その変化量の大きさと変化方向を判断し、積分項２２の調節演算を中止させ、積分項２２の出力をホールドさせる信号を出力する。そしてホールド回路４１は変化量及び変化方向判断部３２からの出力信号を受け、積分項２２の調節演算を中止し、積分項２２の出力をホールドする。

上記構成において、変化量取得部３３は、制御量（ＰＶ）と目標値（ＳＶ）との偏差を入力としその変化量を取得する。すなわち現在の入力（ＳＶｎ－ＰＶｎ）に対して直前の入力（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）との偏差からΔ（ＳＶｎ－ＰＶｎ）を出力する。
即ちΔ（ＳＶｎ－ＰＶｎ）＝（ＳＶｎ－ＰＶｎ）－（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）なる演算を行う。ここで現在の制御量をＰＶｎ、目標値をＳＶｎとし、等間隔の時間で検出を行う場合、現在（ｎ）に対して直前の時刻に検出した場合の制御量をＰＶ_ｎ－１、目標値をＳＶ_ｎ－１と定義する。但し目標値は変わらないのでＳＶｎ＝ＳＶ_ｎ－１である。

変化方向判断部３４は、制御量（ＰＶ）と目標値（ＳＶ）との偏差を入力し、その入力から制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）に近づいているか遠のいているかの判断を行う。すなわち現在の入力（ＳＶｎ－ＰＶｎ）に対して、直前の入力（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）が（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）＞０である場合において、現在の制御量（ＰＶ）と目標値（ＳＶ）の変化量が正となった場合、つまりΔ（ＳＶｎ－ＰＶｎ）＞０の時には制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）から遠のいていると判断する。
即ちΔ（ＳＶｎ－ＰＶｎ）＝（ＳＶｎ－ＰＶｎ）－（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）＞０なので、（ＳＶｎ－ＰＶｎ）＞（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）＞０となり、制御量と目標値との差が大きくなっており、制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）から遠のいていると判断する。

更に（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）＞０であり、制御量（ＰＶ）と目標値（ＳＶ）の変化量が負となった場合、つまりΔ（ＳＶｎ－ＰＶｎ）＜０の時には、制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）に近づいていると判断する。
即ちΔ（ＳＶｎ－ＰＶｎ）＝（ＳＶｎ－ＰＶｎ）－（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）＜０なので、（ＳＶｎ－ＰＶｎ）＜（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）となり、制御量と目標値との差が小さくなっているので、制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）に近づいていると判断する。

次に（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）＜０である場合において、現在の制御量（ＰＶ）と目標値（ＳＶ）の変化量が正となった場合、つまりΔ（ＳＶｎ－ＰＶｎ）＞０の時には制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）に近づいていると判断する。
即ちΔ（ＳＶｎ－ＰＶｎ）＝（ＳＶｎ－ＰＶｎ）－（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）＞０なので、（ＳＶｎ－ＰＶｎ）＞（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）となり、
（ＳＶｎ－ＰＶｎ）＞（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）であり、かつ（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）＜０であるから、制御量と目標値との差が小さくなっているので、制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）に近づいていると判断する。

更に（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）＜０であり、かつΔ（ＳＶｎ－ＰＶｎ）＜０の時には制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）から遠のいていると判断する。
即ちΔ（ＳＶｎ－ＰＶｎ）＝（ＳＶｎ－ＰＶｎ）－（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）＜０なので、
（ＳＶｎ－ＰＶｎ）＜（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）＜０となり、かつ（ＳＶ_ｎ－１－ＰＶ_ｎ－１）＜０なので、制御量と目標値との差が大きくなっており、制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）から遠のいていると判断する。

変化量及び変化方向判断部３２は、変化量取得部３３からの入力、すなわちΔ（ＳＶｎ－ＰＶｎ）と、変化方向判断部３４からの入力、すなわち制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）に近づいているか遠のいているかの入力を受け、変化量が大で且つ変化方向において制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）に近づいている方向であると判断した場合に、積分項２２の調節演算を中止し、積分項２２の出力をホールドする信号をホールド回路４１に対して出力する。

ここで変化量及び変化方向判断部３２が行う変化量の大小判断は、予め設定した数値（以降変化量パラメータと称す）とΔ（ＳＶｎ－ＰＶｎ）とを比較して判断する。すなわち、変化量をΔ（ＳＶｎ－ＰＶｎ）、変化量パラメータを±αとすると、一例として、－α≦Δ（ＳＶｎ－ＰＶｎ）≦αを満足する場合は、変化量が小と判断し、満足しない場合は変化量が大と判断する。

以上のように、変化量及び変化方向判断部３２が変化を判断し、制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）へ近づいていると判断し且つその変化量が大と判断した場合は、積分項２２の調節演算を中止し、積分項２２の出力をホールドする信号をホールド回路４１に対して出力することにより、積分項２２の調節演算による蓄積で操作量（ＭＶ）が必要以上に大きくなることが防止され、オーバーシュートが抑制される。

上記のようなＰＩＤを用いた調節装置によれば、制御対象５０を制御する調節装置において、変化量取得部３３において求められる偏差の変化量Δ（ＳＶ－ＰＶ）の変化を監視するとともに、制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）から遠のいている場合においては、通常のＰＩＤ制御を行い、積分項２２の調節演算を加味した操作量（ＭＶ）を出力することにより、制御量（ＰＶ）をより早く目標値（ＳＶ）に向かうよう制御する。

さらに、変化量取得部３３において求められた偏差の変化量Δ（ＳＶ－ＰＶ）からその変化を判断し、制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）へ近づいていると判断した場合においては、変化量及び変化方向判断部３２が入力された変化量Δ（ＳＶ－ＰＶ）から変化量Δ（ＳＶ－ＰＶ）の大きさを判断し、その変化量Δ（ＳＶ－ＰＶ）の大きさが設定条件を満たしている場合においては、変化量及び変化方向判断部３２からの出力で、積分項２２の調節演算を中止し、積分項２２出力をホールドする。
すなわち本実施形態によれば、制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）から遠のいている場合においては、より早く制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）に向かうように積分項２２の調節演算を加味した通常のＰＩＤ調節機能による操作量（ＭＶ）制御を行うことができる。

図２は実施の形態１の調節装置による制御状態を示すグラフであり、縦軸は制御量、横軸は経過時間を示している。図において、Ａは調節装置に入力される制御偏差、Ｂは本実施形態とは異なり、制御量の変化方向を判断しないＰＩＤ調節装置における調節装置に入力される制御偏差による操作量ＭＶ、Ｃは実施の形態１のＰＩＤ調節装置における調節装置に入力される制御偏差による操作量ＭＶ、Ｄは調節装置に入力される制御偏差が目標値に近づいている時間帯、Ｅは目標値を示している。

図２において、制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）に近づいている時間帯、すなわち調節装置に入力される制御偏差Ａが、目標値（ＳＶ）に近づいている時間帯Ｄであると判断した場合においては、その変化量Δ（ＳＶ－ＰＶ）の大きさを判断し、その変化量が大きく、積分項２２の調節演算による蓄積で操作量（ＭＶ）が必要以上に大きくなり、制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）を超えて制御する現象、すなわちオーバーシュートを抑制することが必要となる。そこで変化量及び変化方向判断部３２からの出力で、積分項２２の調節演算を中止し、積分項２２の出力をホールドする。これにより操作量（ＭＶ）を示す曲線が、調節装置に入力される制御偏差により曲線Ｃに示すようになり、調節装置に入力される制御偏差による従来のＰＩＤ調節装置における操作量（ＭＶ）を示す曲線Ｂと比較して操作量（ＭＶ）が必要以上に大きくなることを防止し、オーバーシュートの発生を抑制することができる。

実施の形態２．
図３は実施の形態２による調節装置を示すブロック構成図である。実施の形態２では実施の形態１の構成に加えて、制御量（ＰＶ）と目標値（ＳＶ）との偏差に基づき制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）に十分近づいたことを判断するための閾値判断部２４を備えたものである。この閾値判断部２４からの出力で変化量及び変化方向判断部３２からの出力信号を解除する。更には閾値が一定時間範囲内にとどまっていると判断するためのタイマー３５と、積分項２２の調節演算を再開することができるようにするための回路４２を設ける。

閾値判断部２４は、制御量（ＰＶ）と目標値（ＳＶ）との偏差を入力し、その入力すなわち（ＳＶｎ－ＰＶｎ）があらかじめ設定した範囲内にあるか否かを常に監視している。すなわち、制御量（ＰＶ）と目標値（ＳＶ）との偏差（ＳＶｎ－ＰＶｎ）があらかじめ設定した範囲（±β）内にあるかを、－β＜（ＳＶｎ－ＰＶｎ）＜＋βを満足するか否かで判断し、－β＜（ＳＶｎ－ＰＶｎ）＜＋βである期間が予め設定した時間（一定時間）より長ければ出力を行う。

閾値判断部２４からの出力を受けたタイマー３５のタイムアップ信号を受けて、回路４２は、変化量及び変化方向判断部３２からの出力信号を解除し、積分項２２の調節演算を再開する。これにより、オーバーシュートを抑制し終えた後の制御が通常のＰＩＤ制御に戻り、通常のＰＩＤ制御とオーバーシュートを抑制するための制御との切替が可能となる。

本実施形態による調節装置によれば、制御量（ＰＶ）と目標値（ＳＶ）との偏差から制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）に十分近づいたことを判断するための閾値判断部２４を有し、この閾値判断部２４は、制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）に十分近づいたと認識するために、制御量（ＰＶ）と目標値（ＳＶ）との偏差があらかじめ設定した設定値以下にあるかを常に監視する。そして制御量（ＰＶ）と目標値（ＳＶ）との偏差があらかじめ設定した範囲内にあると判断した場合タイマカウントを開始し、一定時間範囲内にとどまっていると判断した場合に変化量及び変化方向判断部３２から出力される積分項２２の停止出力信号を解除する。これにより積分項２２の調節演算を再開することとなり、制御が安定したのちに通常のＰＩＤによる調節制御に戻り、次の急変等に備えるようにしたものである。

実施の形態３．
図４は実施の形態３による調節装置を示すブロック構成図である。本実施形態では実施の形態２の構成に加えて、閾値判断部２４の出力により微分項２３の調節演算を中止させるものであり、微分項２３の出力をホールドする回路４３を設けたものである。
図４において、閾値判断部２４からの出力を受け取ることにより、回路４３によって微分項２３の出力を停止させ、ホールドする。このように構成することにより、目標値（ＳＶ）の閾値領域内におけるノイズなどを微分項２３により演算した値の影響を受けなくなる。従って目標値（ＳＶ）付近における外乱により制御が乱れることを防止することができる。

本実施形態においては、閾値判断部２４は、制御量（ＰＶ）と目標値（ＳＶ）との偏差があらかじめ設定された特定値以下になった場合、微分項２３の調節演算を中止し、微分項２３の出力をホールドする機能を備えたものである。尚積分項２２の演算が中止されているか、あるいは実施の形態２に示したように積分項２２の演算が再開されているかに関わらず、制御量（ＰＶ）と目標値（ＳＶ）との偏差が特定値以下になった場合、微分項２３の調節演算を中止することができる。
又本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

３１変化率制御部、３２変化量及び変化方向判断部、３３変化量取得部、
３４変化方向判断部、５０制御対象。

Claims

制御対象の制御量と目標値との偏差に基づいて比例、積分または比例、積分、微分調節演算により調節信号を出力し、上記調節信号を変化率制御部を通して得られる操作量を上記制御対象に対して出力して上記制御対象を制御する調節装置において、
上記制御量と上記目標値との上記偏差の変化量を取得する変化量取得部と、
上記制御量と上記目標値との上記偏差から上記制御量の変化方向を判断する変化方向判断部と、
上記変化量取得部からの入力及び上記変化方向判断部からの上記制御量が上記目標値に近づいているか遠のいているかの入力に基づき、上記変化量が設定した数値よりも大きく且つ上記変化方向において上記制御量が上記目標値に近づいている方向であると判断した場合に、上記積分による演算を中止させる変化量及び変化方向判断部を設けたことを特徴とする調節装置。
上記制御量と上記目標値との上記偏差が設定範囲内にある期間が一定時間より長い場合に上記積分による調節演算を再開することを特徴とする請求項１記載の調節装置。
上記制御量と上記目標値との上記偏差が特定値以下になった場合、上記微分による調節演算を中止することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の調節装置。