JP7069702B2 - 制御システム、制御方法、制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、温度制御、モータ制御等の対象装置への制御技術に関する。

従来、温度調整器等の制御系機器では、特許文献１に示すようなＰＩＤ制御が多く利用されている。

ＰＩＤ制御機器は、特許文献１に示すように、ＰＩＤ制御部とＰＩＤ調整部とを備える。ＰＩＤ調整部は、適応制御またはオートチューニングを用いて、ＰＩＤ値（比例帯Ｐ、積分時間ＴＩ、微分時間Ｔｄ等）を算出し、ＰＩＤ制御部に与える。

ＰＩＤ制御部は、ＰＩＤ値、ＰＩＤ制御の目標値、および現在値を用いて、制御対象に対する操作量を決定する。

操作量は、ＰＩＤ調整部にフィードバックされ、ＰＩＤ調整部は、この操作量を用いて、ＰＩＤ値を再算出して更新し、ＰＩＤ制御部に与える。

特開２００５－２８４８２８号公報

しかしながら、特許文献１の装置は、ＰＩＤ制御の異常を判定する構成を備えていないので、ＰＩＤ制御の異常を判断することができなかった。すなわち、特許文献１の装置は、ＰＩＤ制御の異常により、制御性能が低下するのを抑制できなかった。

したがって、本発明の目的は、ＰＩＤ制御の状態を（異常であるかどうかを）判断し、ＰＩＤ制御の異常による制御性能の低下を抑制することにある。」

この発明の制御システムは、ＰＩＤ値を算出するＰＩＤ算出部と、ＰＩＤ値、制御対象の目標値、および、制御対象の実測値を用いて、ＰＩＤ制御を実行し、制御対象に対する操作量を算出するＰＩＤ制御部と、ＰＩＤ値の変化が閾値以上であれば、通知部へ変化を通知する判定部と、ＰＩＤ値の過去の値とＰＩＤ値の現在の値との差分を用いて閾値を設定する設定部と、を備える。

この構成では、ＰＩＤ制御に用いる各値を用いて、ＰＩＤ制御の異常検出用の閾値が算出される。

また、この発明の制御システムでは、ＰＩＤ値の変動率を算出する変動率算出部を備え、該変動率を用いて、閾値を算出する。

この構成では、ＰＩＤ値の変動率から閾値を算出することができ、より状況に応じた閾値が算出される。

また、この発明の制御システムにおける変動率は、ＰＩＤ値の基準値と、ＰＩＤ値の現在の値との差分から算出してもよい。

この構成では、ＰＩＤ値の実測値を用いて、システムに応じた閾値を設定できる。

また、この発明の制御システムは、差分の平均値を算出する平均値算出部を備え、該平均値を用いて、閾値を算出してもよい。

この構成では、より安定した変動率を算出できる。

また、この発明の制御システムにおける判定部は、ＰＩＤ値を用いるときに、ＰＩＤ値の初期値と現在値との差分を算出する。判定部は、差分が閾値より大きいことを検出すると、通知部へ変化を通知する。

この構成では、ＰＩＤ値の変動量からＰＩＤ制御の異常が検出される。

この発明によれば、ＰＩＤ制御の制御性能の低下を抑制できる。

本発明の第１の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムの機能ブロック図である。 本発明の第１のＰＩＤ値の通知部への通知要否の判定方法を示すフローチャートである。 本発明の第１のＰＩＤ値の閾値を算出する方法を示すフローチャートである。 本発明の第１のＰＩＤ値の閾値の算出結果を示す表である。 本発明の第２の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムの機能ブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムの機能ブロック図である。

以下、本発明の実施形態を、図を参照して説明する。

・適用例
まず、図１を用いて、本発明が適用される一例について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムの機能ブロック図である。

図１に示すように、温度調整装置１０は、目標値設定部１１、ＰＩＤ算出部１２、入力部１３、ＰＩＤ制御部１４、変動率算出部１５、平均値算出部１６、判定部１７、および、通知部１８を備える。

また、温度調整装置１０は、温度調整システム１の構成要素である。温度調整システム１は、温度調整装置１０、操作器２０、対象装置３０、センサ４０、および、上位装置５０を備える。温度調整装置１０に接続される上位装置５０は、設定部５１、および、表示部５２を備える。対象装置３０は、例えばヒータ（図示を省略）を備える。計測データＳＳは、温度調整装置１０の入力部１３に入力される。したがって、この場合、制御対象は、対象装置３０の所定位置の温度である。

操作器２０は、例えば、ＳＳＲ、電磁開閉器、または、電力調整器である。操作器２０は、温度調整装置１０からの操作量ＭＶに応じて動作し、対象装置３０のヒータへの通電を制御する。センサ４０は、例えば、熱電対等からなり、対象装置３０の温度を計測し、計測データＳＳを出力する。温度調整システム１は、本発明の「制御システム」に対応する。

入力部１３は、計測データＳＳから実測値ＰＶを算出する。実測値ＰＶは、後述の目標値ＳＰと同じ単位の値である。例えば、目標値ＳＰが摂氏温度（℃）であれば、実測値ＰＶも摂氏温度（℃）である。

入力部１３は、算出した実測値ＰＶを、ＰＩＤ制御部１４および判定部１７に出力する。

目標値設定部１１は、目標値ＳＰを設定する。目標値ＳＰは、オペレータ等によって設定される。なお、目標値設定部１１は、目標値ＳＰの記憶手段を備えていれば、記憶された目標値ＳＰを用いることもできる。目標値ＳＰは、例えば温度である。目標値設定部１１は、目標値ＳＰをＰＩＤ制御部１４に出力する。

ＰＩＤ算出部１２は、リミットサイクル法等のオートチューニングを実行し、温度波形情報から、ＰＩＤ値を設定する。ＰＩＤ値は、比例帯Ｐ、積分時間ＴＩ、および、微分時間Ｔｄを含んでいる。具体的には、ＰＩＤ算出部１２は、むだ時間Ｌを、リミットサイクル周期Ｔｃから算出する。ＰＩＤ算出部１２は、積分時間ＴＩおよび微分時間Ｔｄを、むだ時間Ｌから算出する。また、ＰＩＤ算出部１２は、比例帯Ｐをリミットサイクルの振幅から算出する。

ＰＩＤ算出部１２は、操作量ＭＶを用いた適応制御によってＰＩＤ値を算出する。ＰＩＤ算出部１２は、算出したＰＩＤ値をＰＩＤ制御部１４に与える。また、ＰＩＤ算出部１２は、比例帯Ｐを変動率算出部１５に出力する。

ＰＩＤ制御部１４は、ＰＩＤ値、目標値ＳＰ、および、実測値ＰＶを用いて、既知のＰＩＤ制御演算を実行することで操作量ＭＶを算出する。ＰＩＤ制御部１４は、操作量ＭＶを操作器２０に出力する。

なお、ＰＩＤ制御部１４は、デジタルフィルタよって構成されている。より具体的には、目標値ＳＰおよび実測値ＰＶは、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部（図示を省略）によって、ＰＩＤ制御部１４に入力され、操作量ＭＶは、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換部（図示を省略）によって操作器２０に出力される。

変動率算出部１５は、ＰＩＤ算出部１２からの比例帯Ｐと、基準の比例帯Ｐとを用いて、変動率を算出する。変動率算出部１５は、算出した変動率を平均値算出部１６に出力する。

平均値算出部１６は、変動率算出部１５で算出した変動率を積和し、平均値を算出する。平均値算出部１６は、算出した平均値を設定部５１に出力する。

設定部５１は、平均値算出部１６で算出した平均値を取得する。設定部５１は、変動率の平均値を用いて、閾値を算出する。設定部５１は、判定部１７に比例帯Ｐの閾値を出力する。

判定部１７は、設定部５１から閾値を取得する。判定部１７は、ＰＩＤ値の初期値と現在値との差分を算出する。判定部１７は、差分と閾値とを比較し、結果を通知部１８に出力する。

通知部１８は、判定部１７から受信した結果を元に、ＬＥＤ等によって、警報を表示しても良い。また、通知部１８は、表示部５２に結果を出力してもよい。なお、温度調整システム１が上位システムに接続されている場合は、結果を電圧等で通知する機能を有していてもよい。

このような構成によって、実測値に基づいて算出されたＰＩＤ値に基づいた統計的な閾値を算出することができ、ＰＩＤ制御の状態を的確に判断できる。そして、ＰＩＤ制御が異常状態である場合は、ＰＩＤ値の更新をユーザに促す。これにより、ＰＩＤ制御の異常による制御低下を抑制できる。

・構成例１
次に、本発明の第１の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムについて、図を参照して説明する。上述のように、図１は、本発明の第１の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムの機能ブロック図である。図２は、本発明の第１の通知部への通知要否の判定方法を示すフローチャートである。図３は、本発明の第１のＰＩＤ値の閾値を算出する方法を示すフローチャートである。図４は、本発明の第１のＰＩＤ値の閾値の算出結果を示す表である。

上述のように、本実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムでは、ＰＩＤ値更新の有無を、閾値を用いて判定する。判定方法は、例えば、図２に示すフローチャートによって実現される。

図２に示すように、判定部１７は、ＰＩＤ算出部１２から今回のＰＩＤ値（比例帯Ｐ）を取得する（Ｓ１０１）。また、判定部１７は、比例帯Ｐに対する閾値を設定部５１から取得する。なお、設定部５１での閾値の設定方法については、後述する。

判定部１７は、今回のＰＩＤ値と、基準となるＰＩＤ値の差分を算出する（Ｓ１０２）。判定部１７は、差分が閾値Ｔｈｐ以上であることを検出すると（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、ＰＩＤ値の更新を促す通知を通知部１８へ通知する（Ｓ１０４）。

より具体的に、閾値の算出方法について、図３のフローチャートを元に説明する。

ＰＩＤ算出部１２は、ＰＩＤ値を算出する（Ｓ１１１）。変動率算出部１５は、予め設定した基準となるＰ比例帯を設定し、今回の比例帯Ｐを比較し、変動率を算出する（Ｓ１１２）。

平均値算出部１６は、変動率算出部１５から取得した今回の変動率と、前回までに算出した変動率を積和して、平均値を算出する（Ｓ１１３）。なお、初めて平均値を取得する場合は、Ｓ１１３のステップで取得した変動率を平均値とする。また、ステップＳ１１１、ステップＳ１１２、ステップＳ１１３は、複数回（ｍ回）繰り返して算出してもよい。

設定部５１は、平均値算出部１６から取得した平均値（変動平均偏差）を元に、閾値を算出する（Ｓ１１４）。この際、ユーザは、任意の値を加えることにより、閾値を更新してもよい。

設定部５１は、閾値を判定部１７にフィードバックする（Ｓ１１５）。

このことにより、判定部１７は、統計的な結果を元に算出された閾値を元に、実際の環境に応じた閾値を設定できる。

表示部５２は、設定部５１で設定した閾値を表示する。

図４において、より具体的な数値を用いて、図３のステップＳ１１２における変動率の算出結果を示す。

変動平均偏差Ｓｃａｄ［ｎ］は、以下の計算式を用いて算出される。なお、ｎをＰ比例帯算出実行回数とし、Ｐｂｆｓを基準Ｐ比例帯とし、Ｐｂｆ［ｎ］を現在の比例帯Ｐとする。

Ｐ比例帯算出実行回数ｎを今回とした場合、１回前のＰ比例帯算出実行回数ｎ－１を前回とする。ｎ回目と、ｎ－１回目との変動平均偏差Ｓｃａｄ［ｎ］は、以下の計算式を用いて、算出される。

なお、ユーザは、該計算式において、ｎ回目と、ｎ－１回目とにそれぞれ重み係数α、βを設定してもよい。重み係数α、βを設定することにより、前回の変動値を重視するか、現在の変動値を重視するかを選択できる。

また、ｎ－１回目の変動平均偏差Ｓｃａｄ［ｎ－１］が０である場合は、以下の計算式を用いて算出される。

一例として、上述の数式に、基準Ｐ比例帯Ｐｂｆｓに「１００」を、Ｐｂｆ［ｎ］に「２００」を代入する。このことにより、今回偏差は１００となる。なお、以下の計算結果については、重み係数α、βを設定せずに、算出している。

まず、ｎ＝１の場合、前回平均を０．１、および上述の値を数式１に代入し、今回平均を求めると、Ｓｃａｄ［１］＝５０．０５となる。

次に、Ｓｃａｄ［２］を算出する。Ｓｃａｄ［２］は、前回（ｎ＝１）のＳｃａｄ［１］の値をＳｃａｄ［２］の前回平均に代入することにより、Ｓｃａｄ［２］＝７５．０２５となる。

偏差がステップ状に変化することを前提として、ｎの値を１ずつインクリメントし、ｎの値が７となった場合、Ｓｃａｄ［７］＝９９．２１９５３となり、相対偏差は１％以下となる。

このことから、Ｐ比例帯算出実行回数ｎ≧７となった場合に、Ｓｃａｄ［ｎ］の相対偏差の変動が小さくなる。ここでは、Ｓｃａｄ［７］の値を用いて、閾値を算出する。

なお、ユーザは、変動平均偏差Ｓｃａｄ［７］に上位システムであるラダー等を用いて、任意の値Ｘ（％）を加えることにより、閾値を更新する。例えば、閾値（％）＝Ｓｃａｄ［７］＋Ｘの計算式に、Ｓｃａｄ［７］＝９９．２１９５３、Ｘ＝３を代入することにより、閾値（％）は、「１０２．２１９５３」となる。この値を判定部１７にフィードバックすることにより、より詳細な閾値を設定できる。

このような構成とすることで、実測値に基づいた統計的な閾値を算出することができ、ＰＩＤ制御の状態を的確に判断できる。

すなわち、ＰＩＤ制御が異常状態である場合は、ＰＩＤ値の更新をユーザに促す。これにより、ＰＩＤ制御の異常による制御低下を抑制できる。

なお、上述の説明では、ＰＩＤ値の比例帯Ｐに対する閾値を算出する例について、説明した。しかしながら、積分時間に対する閾値を算出しても良い。

・構成例２
次に、本発明の第２の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムについて、図を参照して説明する。上述のように、図５は、本発明の第２の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムの機能ブロック図である。

第２の実施形態においては、第１の実施形態と比較して、変動率、および、平均値を算出する順序が異なる。その他の点については、第１の実施形態と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。

図５に示すように、温度調整装置１０Ａは、目標値設定部１１、ＰＩＤ算出部１２、入力部１３、ＰＩＤ制御部１４、変動率算出部１５Ａ、平均値算出部１６Ａ、判定部１７、および、通知部１８を備える。

また、温度調整装置１０Ａは、温度調整システム１Ａの構成要素である。温度調整システム１Ａは、温度調整装置１０Ａ、操作器２０、対象装置３０、および、センサ４０を備える。温度調整装置１０Ａに接続される上位装置５０は、設定部５１、および、表示部５２を備える。

平均値算出部１６Ａは、算出した比例帯Ｐの平均値を算出する。平均値算出部１６Ａは、算出した平均値を変動率算出部１５Ａに出力する。

変動率算出部１５Ａは、算出した比例帯Ｐの平均値と、基準の比例帯Ｐとを用いて、変動率を算出する。変動率算出部１５Ａは、算出した変動率を設定部５１に出力する。

設定部５１は、変動率算出部１５Ａで算出した変動率を取得する。設定部５１は、変動率を用いて、閾値を算出する。設定部５１は、判定部１７に比例帯Ｐの閾値を出力する。

判定部１７は、設定部５１から閾値を取得する。判定部１７は、ＰＩＤ値の初期値と現在値との差分を算出する。判定部１７は、差分が閾値より大きいことを検出すると、通知部１８に対して、ＰＩＤ値の更新が必要であることを通知する。

このような構成であっても、実測値に基づいた統計的な閾値を算出することができ、ＰＩＤ制御の状態を的確に判断できる。

ＰＩＤ制御が異常状態である場合は、ＰＩＤ値の更新をユーザに促す。これにより、ＰＩＤ制御の異常による制御低下を抑制できる。

・構成例３
次に、本発明の第３の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムについて、図を参照して説明する。上述のように、図６は、本発明の第３の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムの機能ブロック図である。

第３の実施形態においては、第１の実施形態と比較して、温度調整装置１０Ｂが、設定部５１Ｂ、および、表示部５２Ｂを備えている点で異なる。その他の点については、第１の実施形態と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。

図６に示すように、温度調整装置１０Ｂは、目標値設定部１１、ＰＩＤ算出部１２、入力部１３、ＰＩＤ制御部１４、変動率算出部１５、平均値算出部１６、判定部１７、通知部１８、さらに、設定部５１Ｂ、表示部５２Ｂを備える。

設定部５１Ｂと、表示部５２Ｂとが、温度調整装置１０Ｂに含まれることにより、シームレスな温度調整システム１Ｂが構築される。また、上位装置との接続機器が省略できるため、省スペース化を実現できる。

このような構成であっても、実測値に基づいた統計的な閾値を算出することができ、ＰＩＤ制御の状態を的確に判断できる。

Ｌ…時間
ＭＶ…操作量
ｎ…比例帯算出実行回数
Ｐｂｆｓ…比例帯
ＰＶ…実測値
ＳＰ…目標値
ＳＳ…計測データ
Ｔｃ…リミットサイクル周期
Ｔｄ…微分時間
ＴＩ…積分時間
１、１Ａ、１Ｂ…温度調整システム
１０、１０Ａ、１０Ｂ…温度調整装置
１１…目標値設定部
１２…ＰＩＤ算出部
１３…入力部
１４…ＰＩＤ制御部
１５、１５Ａ…変動率算出部
１６、１６Ａ…平均値算出部
１７…判定部
１８…通知部
２０…操作器
３０…対象装置
４０…センサ
５０…上位装置
５１、５１Ｂ…設定部
５２、５２Ｂ…表示部

Claims (5)

1. ＰＩＤ値を算出するＰＩＤ算出部と、
   前記ＰＩＤ算出部により算出されたＰＩＤ値、制御対象の目標値、および、前記制御対象の実測値を用いて、ＰＩＤ制御演算を実行し、前記制御対象に対する操作量を算出するＰＩＤ制御部と、
   前記ＰＩＤ算出部によって算出されたＰＩＤ値と、基準ＰＩＤ値とを用いて変動率を算出する変動率算出部と、
   前記変動率算出部が算出した変動率の平均値を用いて、閾値を算出する設定部と、
   前記ＰＩＤ算出部が算出したＰＩＤ値の初期値と現在値との差分が、前記設定部により算出された閾値より大きければ、ＰＩＤ制御が異常であると判定する判定部と、
   を備える、制御システム。
2. 前記閾値を表示する表示部を備えた、
   請求項１に記載の制御システム。
3. 前記判定部がＰＩＤ制御が異常であると判定した場合、その旨を出力する通知部を備えた、
   請求項１、または２に記載の制御システム。
4. ＰＩＤ値を算出するＰＩＤ算出ステップと、
   前記ＰＩＤ算出ステップで算出されたＰＩＤ値、制御対象の目標値、および、前記制御対象の実測値を用いて、ＰＩＤ制御演算を実行し、前記制御対象に対する操作量を算出するＰＩＤ制御ステップと、
   前記ＰＩＤ算出ステップで算出されたＰＩＤ値と、基準ＰＩＤ値とを用いて変動率を算出する変動率算出ステップと、
   前記変動率算出ステップで算出した変動率の平均値を用いて、閾値を算出する設定ステップと、
   前記ＰＩＤ算出ステップで算出したＰＩＤ値の初期値と現在値との差分が、前記設定ステップで算出した閾値より大きければ、ＰＩＤ制御が異常であると判定する判定ステップと、
   をコンピュータが実行する制御方法。
5. ＰＩＤ値を算出するＰＩＤ算出ステップと、
   前記ＰＩＤ算出ステップで算出されたＰＩＤ値、制御対象の目標値、および、前記制御対象の実測値を用いて、ＰＩＤ制御演算を実行し、前記制御対象に対する操作量を算出するＰＩＤ制御ステップと、
   前記ＰＩＤ算出ステップで算出されたＰＩＤ値と、基準ＰＩＤ値とを用いて変動率を算出する変動率算出ステップと、
   前記変動率算出ステップで算出した変動率の平均値を用いて、閾値を算出する設定ステップと、
   前記ＰＩＤ算出ステップで算出したＰＩＤ値の初期値と現在値との差分が、前記設定ステップで算出した閾値より大きければ、ＰＩＤ制御が異常であると判定する判定ステップと、
   をコンピュータに実行させる制御プログラム。

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