JP7378380B2 - 比例積分制御装置並びに比例積分制御方法 - Google Patents

Description

本発明は複数の制御信号を切り替えて１つの操作端に与える比例積分制御装置並びに比例積分制御方法に関する。

比例積分制御は、検出器やセンサーからのフィードバック値（出力）を読み取り、目標値（制御値）と比較しながら操作量（入力）を制御して目標値に近づける自動制御方式の一つであり、操作量を定めるにあたり制御量と目標値の偏差に比例した大きさを求める比例演算と、偏差の積分に比例した大きさを求める積分演算とを実行し、その和を操作量（制御信号）として操作端に与えこれを制御する制御方式である。比例積分制御について、特許文献１のものが知られている。

特許文献１は、単一の比例積分制御装置が、単一の操作端に対する操作量を決定している。図１は、係る一般的な比例積分制御装置１の構成例を示すブロック図であり、目標値Ｉｒ１とフィードバック値Ｉ１に対して、減算器２で偏差ΔＩを求め、偏差ΔＩを比例器３と積分器４に入力する。５はこの２つからの出力を加算している加算器である。なおＫｐ１は比例器３の入出力特性を示す比例ゲイン、Ｋｉ１は積分器４の積分ゲイン、Ｓは演算子であり、Ｋｉ１／Ｓは積分器４の積分特性を表している。係る比例積分制御装置１の動作については一般的によく知られているので、その説明は省略する。

これに対し、制御対象によっては複数の比例積分制御器の出力を適宜切り替えて一つの操作端の操作量とする構成の比例積分制御装置を構成する場合がある。これは例えばあるタイミングでは、温度偏差に基づく比例積分制御装置の出力を一つの操作端に対する操作量として与え、また別のタイミングでは圧力偏差に基づく比例積分制御装置の出力を同じ一つの操作端に対する操作量として与えるといった用法を採用する制御対象における比例積分制御装置の構成例である。

この場合には、比例積分制御装置は２つの比例積分制御器と切り替え器を備えて構成される。つまり、異なる二つの比例積分制御器を並列し（制御器が二つ）、切り替えて使用することになる。

図２は２つの比例積分制御器と切替器を備える比例積分制御装置の構成例を示すブロック図である。比例積分制御装置１は、並列に接続された２つの比例積分制御器１Ａ、１Ｂと切替器６により構成されている。なお、２つの比例積分制御器１Ａ、１Ｂは、記号ＡとＢを付して区別しているが、それぞれの構成は図１で述べたと同じであるので、ここでの説明を省略する。

図２の構成の場合に、切替器６は比例積分制御器１Ａの側を選択しており、この時に比例積分制御器１Ａは目標値Ｉｒ１とフィードバック値Ｉ１に対して、減算器２Ａで偏差ΔＩ１を求め、偏差ΔＩ１を比例器３Ａと積分器４Ａに入力する。加算器５Ａはこの２つからの出力を加算して、最終的に比例積分制御器１Ａの出力を操作端に与える操作量Ｉｒｅｆとしている。先の例によれば、偏差ΔＩ１は温度偏差であり、温度制御の観点から操作端を制御している状態である。

これに対し、温度制御から圧力制御に切り替える場合には、まず切替器６の切り替えを行い、比例積分制御器１Ａから比例積分制御器１Ｂの制御に移行する。比例積分制御器１Ｂの制御では、圧力についての目標値Ｉｒ２とフィードバック値Ｉ２に対して、減算器２Ｂで偏差ΔＩ２を求め、偏差ΔＩ２を比例器３Ｂと積分器４Ｂに入力する。加算器Ｂ５はこの２つからの出力を加算して、最終的に比例積分制御器１Ｂの出力を操作端に与える操作量Ｉｒｅｆとしている。

特開平５－１８１５０２号公報

図２に例示する比例積分制御装置は、切替器６を用いた切替の際に、制御の連続性を確保するために目標値とフィードバック値との偏差を時間積分した積分値の引き継ぎが必要であり、「切り替え前の比例積分制御」の積分器から「切り替え後の比例積分制御」の積分器へ積分値を引継がなければならない。

積分値の引継ぎを行わないと、制御を切り替えた瞬間に２つの積分値の差分により出力が変化してしまい、予期せぬ出力変動を発生させ不安定な出力となる場合がある。また、積分値の引継ぎは、ソフトロジック的にも煩雑であり、正しく動作できない場合には制御が不安定となる場合もある。

以上のことから本発明の目的は、比例積分制御を切替える場合、切替え前後の比例積分制御器間で積分値の引継ぎが不要になる制御切替手法を採用した比例積分制御装置並びに比例積分制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の比例積分制御装置は、「第１の目標値と第１のフィードバック値から第１の偏差を求める第１の減算器と、第２の目標値と第２のフィードバック値から第２の偏差を求める第２の減算器と、第２の比例ゲインを有する比例器と、第２の積分ゲインを有する積分器と、比例器と積分器の出力を加算して操作端に対する操作量とする加算器と、第１の偏差に第２の比例ゲインに対する第１の比例ゲインの比を乗じる比例ゲイン変換器と、第１の偏差に第２の積分ゲインに対する第１の積分ゲインの比を乗じる積分ゲイン変換器を備え、第１の制御状態に置いて比例器は第１の偏差を入力するとともに積分器は第１の偏差を入力し、第２の制御状態に置いて比例器は比例ゲイン変換器を介して第１の偏差を入力するとともに積分器は積分ゲイン変換器を介して第１の偏差を入力する」ことを特徴とする。

また本発明の比例積分制御方法は、「第１の目標値と第１のフィードバック値から第１の偏差を求める第１の減算ステップと、第２の目標値と第２のフィードバック値から第２の偏差を求める第２の減算ステップと、第２の比例ゲインを有する比例ステップと、第２の積分ゲインを有する積分ステップと、比例ステップと積分ステップの出力を加算して操作端に対する操作量とする加算ステップと、第１の偏差に第２の比例ゲインに対する第１の比例ゲインの比を乗じる比例ゲイン変換ステップと、第１の偏差に第２の積分ゲインに対する第１の積分ゲインの比を乗じる積分ゲイン変換ステップを備え、第１の制御状態に置いて比例ステップは第１の偏差を入力するとともに積分ステップは第１の偏差を入力し、第２の制御状態に置いて比例ステップは比例ゲイン変換ステップを介して第１の偏差を入力するとともに積分ステップは積分ゲイン変換ステップを介して第１の偏差を入力する」ことを特徴とする。

本発明の手法によれば、制御を切り替えた瞬間に予期せぬ出力変動が発生せず、制御の安定性を向上することで、制御対象が異なる場合に、即座に適した制御方式に切り替えることが可能である。

一般的な比例積分制御装置１の構成例を示すブロック図。 ２つの比例積分制御器と切り替え器を備える比例積分制御装置の構成例を示すブロック図。 本発明の実施例に係る比例積分制御装置の構成例を示す図。 本発明の実施例に係る比例積分制御方法の構成例を示す図。 本発明を無効電力制御装置に適用する事例を示す図。 本発明を周波数変換制御装置に適用する事例を示す図。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。

図３は、本発明の実施例に係る比例積分制御装置の構成例を示す図である。図３の構成を図２の構成と比較すると、まず比例器３と積分器４は１組であり、そのうえで図２では切替器６が２つの比例積分制御器１Ａ、１Ｂの出力側で行われていたものが、図３では１組の比例器３と積分器４の入力側で切替器６Ａ、６Ｂにより行われている。さらに入力側での切り替えは、適宜ゲイン変換器８Ａ、８Ｂを介して行われる。

この構成は要するに、第１の目標値Ｉｒ１と第１のフィードバック値Ｉ１から第１の偏差ΔＩ１を求める第１の減算器２Ａと、第２の目標値Ｉｒ２と第２のフィードバック値Ｉ２から第２の偏差ΔＩ２を求める第２の減算器２Ｂと、第２の比例ゲインＫｐ２を有する比例器３と第２の積分ゲインＫｉ２を有する積分器４と、比例器３と積分器４の出力を加算して操作端に対する操作量とする加算器５と、第１の偏差ΔＩ１に第２の比例ゲインＫｐ２に対する第１の比例ゲインＫｐ１の比を乗じる比例ゲイン変換器８Ａと、第１の偏差ΔＩ１に第２の積分ゲインＫｉ２に対する第１の積分ゲインＫｉ１の比を乗じる積分ゲイン変換器８Ｂを備えて、第１の制御状態に置いて比例器３は第１の偏差ΔＩ１を入力するとともに積分器４は第１の偏差ΔＩ１を入力し、第２の制御状態に置いて比例器３は比例ゲイン変換器８Ａを介して第１の偏差ΔＩ１を入力するとともに積分器４は積分ゲイン変換器８Ｂを介して第１の偏差ΔＩ１を入力するように構成したものである。

この結果、切替器６Ａ、６Ｂが端子ａ側に位置するとき（第２の制御状態）に比例器３と積分器４は、比例ゲイン変換器８Ａ、積分ゲイン変換器８Ｂを介して第１の偏差ΔＩ１を入力し、それぞれ比例演算と積分演算を実施することになる。また切替器６Ａ、６Ｂが端子ｂ側に位置するとき（第１の制御状態）に比例器３と積分器４は、比例ゲイン変換器８Ａ、積分ゲイン変換器８Ｂを介することなく、直接第２の偏差ΔＩ２を入力し、それぞれ比例演算と積分演算を実施することになる。

この構成によれば、積分器４は例えば切替器６Ｂが端子ａ側に位置する、第２の制御状態のときに第１の偏差ΔＩ１を入力とする積分処理を実行しており、切替器６Ｂが端子ｂ側に位置する、第１の制御状態に移行する直前ではその最終値を出力している。そして第１の制御状態に移行したときに積分器４は新たに第２の偏差ΔＩ２を入力とする積分処理を実行することになるが、この積分処理は第２の制御状態のときの積分値を初期値として実行されることになる。したがって、積分出力は第２の制御状態のときの積分値を初期値として新たな積分出力を積分時定数に従い移行することになり、いわゆる切替え時の変動を生じることはない。かつこの処理では積分器４の積分時定数により滑らかな移行が実現されているので、積分値の引継ぎといった処理が不要である。なお、第１の制御状態から第２の制御状態に切替える場合にも、同様に切り替え時の変動を生じることはないことは言うまでもない。

図１のブロック図はアナログ的な処理をイメージしているが、同様の処理は計算機を用いてソフト的な処理を行う場合にも適用可能である。図４は、この場合のソフト処理を行うフローチャート例であり、本発明の実施例に係る比例積分制御方法の構成例を示す図である。

図４のフローにおいて、処理ステップＳ１では制御状態の変動の有無を確認する。これは一方の制御状態が温度制御状態であり、他方の制御状態が圧力制御状態であるとき、この切替え指令が発生したことをもって確認することができる。制御状態の変動が有るとき、処理ステップＳ２では新たな制御状態の開始にあたり、その積分初期値を前の制御状態の時の積分最終値に設定する処理を行う。

処理ステップＳ３では新たな制御状態が、第１の制御状態か第２の制御状態かを判別し、第２の制御状態であるときには処理ステップＳ４において、ΔＩ１＊Ｋｐ１／ＫＰ２を用いて比例ゲインＫｐ２の比例演算を実施する。また処理ステップＳ５においてΔＩ１＊Ｋｐ１／ＫＰ２を用いて積分ゲインＫｐ２の積分演算を実施し、また処理ステップＳ６において、処理ステップＳ４で求めた比例分と、処理ステップＳ５で求めた積分分を加算して、これを操作端に対する操作量として出力する。

処理ステップＳ３では新たな制御状態が、第２の制御状態であるときには処理ステップＳ７において、ΔＩ２を用いて比例ゲインＫｐ２の比例演算を実施する。また処理ステップＳ８においてΔＩ２を用いて積分ゲインＫｐ２の積分演算を実施し、また処理ステップＳ９において、処理ステップＳ７で求めた比例分と、処理ステップＳ８で求めた積分分を加算して、これを操作端に対する操作量として出力する。

以上述べた本発明に係る比例積分制御装置は、比例器を三つと積分器を一つの組み合わせとしたものである。制御を切り替える際には、積分器が一つであるため積分値の引き継ぎは不要であり、二箇所の切替器を切り替え、異なる二つの比例積分制御を一つの比例積分制御装置で実現することが可能となる。

実施例２では、具体的な適用事例として電力系統の無効電力制御装置（ＳＴＳＣＯＭ）への適用事例を説明する。図５は、無効電力制御装置４０３が系統インピーダンス４０２を介して電源４０１に接続された構成例を示している。

無効電力制御装置４０３の運用状態には、力率制御状態と電圧制御状態があり、適宜これらを切り替えて、操作端である無効電力制御装置４０３の電力用半導体の点弧を制御する。ここでは操作端が電力用半導体のみであるので、力率制御系と電圧制御系の出力を切替え、いずれかにより制御する。この場合には、図３の比例積分制御装置１において第１の目標値Ｉｒ１を力率（無効電力）の制御指令、第１のフィードバック値Ｉ１を力率（無効電力）のフィードバック値とし、第２の目標値Ｉｒ２を電圧の制御指令、第２のフィードバック値Ｉ２を電圧のフィードバック値として採用する。

このときには、一定の電圧値を逸脱すると電圧制御に切り替え、一定の力率（無効電力）を逸脱すると力率（無効電力）制御に切り替えるという運用がされる。

実施例３では、具体的な適用事例として電力系統の周波数変換制御装置（ＦＣ）への適用事例を説明する。図６は、周波数の異なる電源５０１と５０９が系統インピーダンス５０２、５０８を介して周波数変換所で連系されたものである。ここでの周波数変換所は２つの変換器５０３、５０７が直流回路５０５を介して接続されている。

この２つの変換器５０３、５０７の制御装置は、それぞれに対して設けられており、一方の変換器５０３の運用状態には、力率制御状態（ＡＱＲ）と電圧制御状態（ＡＶＲ）があり、適宜これらを切り替えて、操作端である変換器５０３の電力用半導体の点弧を制御する。また他方の変換器５０７の運用状態には、周波数制御状態（ＡＦＲ）と有効電力制御状態（ＡＰＲ）があり、適宜これらを切り替えて、操作端である変換器５０７の電力用半導体の点弧を制御する。ここではそれぞれの変換器５０３、５０７の操作端がそれぞれ電力用半導体のみであるので、力率制御系と電圧制御系、また周波数制御系と有効電力制御系の出力を切替え、いずれかにより制御する。

この場合には、変換器５０３の比例積分制御装置１Ｌに関して、図３の第１の目標値Ｉｒ１を電圧の制御指令、第１のフィードバック値Ｉ１を電圧のフィードバック値とし、第２の目標値Ｉｒ２を力率（無効電力）の制御指令、第２のフィードバック値Ｉ２を力率（無効電力）のフィードバック値として採用する。

また変換器５０７の比例積分制御装置１Ｒに関して、図３の第１の目標値Ｉｒ１を周波数の制御指令、第１のフィードバック値Ｉ１を周波数のフィードバック値とし、第２の目標値Ｉｒ２を有効電力の制御指令、第２のフィードバック値Ｉ２を有効電力のフィードバック値として採用する。

この具体的な運用としては、変換器５０３の比例積分制御装置１Ｌに関して、一定の電圧値を逸脱すると電圧制御に切り替え、一定の力率（無効電力）を逸脱すると力率制御に切り替える。また変換器５０７の比例積分制御装置１Ｒに関して、一定の周波数を逸脱すると電圧制御に切り替え、一定の有効電力を逸脱すると有効電力制御に切り替える。

Ｉｒ１、Ｉｒ２：目標値
Ｉ１、Ｉ２：フィードバック値
１、１Ｌ、１Ｒ：比例積分制御装置
２、２Ａ、２Ｂ：減算器
３、３Ａ、３Ｂ：比例器
４、４Ａ、４Ｂ：積分器
５、５Ａ、５Ｂ：加算器
６、６Ａ、６Ｂ：切替器
８Ａ：比例ゲイン変換器
８Ｂ：積分ゲイン変換器
４０１、５０１、５０９：電源
４０２、５０２、５０８：系統インピーダンス
４０３：無効電力制御装置
５０３、５０７：変換器
５０５：直流回路

Claims (6)

1. 第１の目標値と第１のフィードバック値から第１の偏差を求める第１の減算器と、第２の目標値と第２のフィードバック値から第２の偏差を求める第２の減算器と、第２の比例ゲインを有する比例器と、第２の積分ゲインを有する積分器と、前記比例器と前記積分器の出力を加算して操作端に対する操作量とする加算器と、前記第１の偏差に前記第２の比例ゲインに対する第１の比例ゲインの比を乗じる比例ゲイン変換器と、前記第１の偏差に前記第２の積分ゲインに対する第１の積分ゲインの比を乗じる積分ゲイン変換器を備え、
   前記第２の偏差から前記操作量を定める第２の制御状態において前記比例器は前記第２の偏差を入力するとともに前記積分器は前記第２の偏差を入力し、前記第１の偏差から前記操作量を定める第１の制御状態において前記比例器は前記比例ゲイン変換器を介して前記第１の偏差を入力するとともに前記積分器は前記積分ゲイン変換器を介して前記第１の偏差を入力するように切り替えることを特徴とする比例積分制御装置。
2. 電力系統に接続された無効電力制御装置の電力用半導体の点弧を制御するための請求項１に記載の比例積分制御装置であって、
   前記第１の目標値を力率（無効電力）の制御指令、前記第１のフィードバック値を力率（無効電力）のフィードバック値とし、前記第２の目標値を電圧の制御指令、前記第２のフィードバック値を電圧のフィードバック値として用いることを特徴とする比例積分制御装置。
3. 請求項２に記載の比例積分制御装置であって、
   一定の電圧値を逸脱するときに電圧制御に切り替え、一定の力率（無効電力）を逸脱するときに力率（無効電力）制御に切り替えることを特徴とする比例積分制御装置。
4. 異なる電力系統に接続された第１と第２の変換器が直流回路を介して接続されて周波数変換を行う周波数変換所の第１と第２の変換器の点弧を制御するための請求項１に記載の比例積分制御装置であって、
   前記第１の変換器について、これを制御するための第１の比例積分制御装置は、前記第１の目標値を電圧の制御指令、前記第１のフィードバック値を電圧のフィードバック値とし、前記第２の目標値を力率（無効電力）の制御指令、前記第２のフィードバック値を力率（無効電力）のフィードバック値として用い、
   前記第２の変換器について、これを制御するための第２の比例積分制御装置は、前記第１の目標値を周波数の制御指令、前記第１のフィードバック値を周波数のフィードバック値とし、前記第２の目標値を有効電力の制御指令、前記第２のフィードバック値を有効電力のフィードバック値として用いることを特徴とする比例積分制御装置。
5. 請求項４に記載の比例積分制御装置であって、
   前記第１の変換器について、これを制御するための第１の比例積分制御装置は、一定の電圧値を逸脱すると電圧制御に切り替え、一定の力率（無効電力）を逸脱すると力率制御に切り替え、
   前記第２の変換器について、これを制御するための第２の比例積分制御装置は、一定の周波数を逸脱すると電圧制御に切り替え、一定の有効電力を逸脱すると有効電力制御に切り替えることを特徴とする比例積分制御装置。
6. 第１の目標値と第１のフィードバック値から第１の偏差を求める第１の減算ステップと、第２の目標値と第２のフィードバック値から第２の偏差を求める第２の減算ステップと、第２の比例ゲインを有する比例ステップと、第２の積分ゲインを有する積分ステップと、前記比例ステップと前記積分ステップの出力を加算して操作端に対する操作量とする加算ステップと、前記第１の偏差に前記第２の比例ゲインに対する第１の比例ゲインの比を乗じる比例ゲイン変換ステップと、前記第１の偏差に前記第２の積分ゲインに対する第１の積分ゲインの比を乗じる積分ゲイン変換ステップを備え、
   前記第２の偏差から前記操作量を定める第２の制御状態において前記比例ステップは前記第２の偏差を入力するとともに前記積分ステップは前記第２の偏差を入力し、前記第１の偏差から前記操作量を定める第１の制御状態において前記比例ステップは前記比例ゲイン変換ステップを介して前記第１の偏差を入力するとともに前記積分ステップは前記積分ゲイン変換ステップを介して前記第１の偏差を入力するように切り替えることを特徴とする比例積分制御方法。

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