JPH01213701A - 自己増殖型制御装置および同型制御方法，ならびに同制御装置で使用される増殖型コントローラ，その動作方法，その制御方法およびスーパーバイザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の要約 この発明の自己増殖型制御装置は、増殖型コントローラ
（比例積分要素と複数の位相補償要素を持つ）とスーパ
ーバイザ（制御系の状態を判定し増殖型コントローラに
指令を出す）とから構成される。現場蓄積のあるＰＩＤ
動作からスタートし、スーパーバイザの管理下で増殖型
コントローラを増殖させて性能を改善してゆく点に特徴
がある。現場経験を生かしかつ、設計、再調整に高度な
知識なしでＰＩＤ制御の限界を越え得る。

発明の背景 技術分野 この発明は、目標値および制御対象からの制御はを人力
とし、比例積分９位相進み、遅れ等の演算ののち制御対
象の操作量を出力するタイプの制御装置、とくに上記演
算処理について自己増殖機能を持つ制御装置および制御
方法に関する。さらにこの発明は、上記の自己増殖型制
御装置の構成要素である増殖型コントローラ、スーパー
バイザ、増殖型コントローラの動作方法およびその制御
方法に関する。

従来技術とその問題点 従来のＰＩＤ型コントローラの構成は比例、積分および
微分の三動作の組み合せに固定されており、各動作のパ
ラメータは現場のノウハウを持った技術者によって調整
されていた。このＰＩＤ型コントローラにおいてはその
構成が固定されているために制御性能に限界があり、ま
たパラメータの百２整には熟練した技術者が必要とされ
るために、それをプラント等の制御対象の状態、操業条
件の変化等に応じた最適値に保持するのが困難であった
。

ＰＩＤ型コントローラの欠点を補うための技術としては
、自動調整機能を持つＰＩＤ型制御装置および現代制御
理論に基づく制御方式がある。現代制御理論に基づく制
御方式としては、最適制御方式と適応制御方式の２つが
代表的である。

自動調整機能を持つＰＩＤ型制御装置とは。

比例、積分および微分の三動作を行うＰＩＤ型コントロ
ーラのパラメータを自動的に調整して良好な制御性能を
保持しようとするものである。パラメータのＪ３整則と
しては現論的に導出された調整剤、経験的に導出された
調整剤、ファジィ型の調整則、知識工学型の調整量等が
ある。使用されるコントローラには従来型のＰＩＤコン
トローラ、！−ＰＤコントローラ、２自由度ＰＩＤコン
トローラ等がある。

この自動調整機能を持つＰＩＤ型制御装置は。

あらかじめ組込まれたコントローラの型式の範囲内でパ
ラメータを最適値に保持するという機能を何している。

しかしながら、この装置では、コントローラの構造が比
例、積分および微分の三動作の特定の組み合せに固定さ
れており、制御対象の複雑さに応じてコントローラの構
造それ自体を変化させる機能を持つものではない。した
がって。

この制御装置はＰ　Ｉ　Ｄ型コントローラとしての機能
の限界を越えた性能を発揮することはできない。

現代制御理論に基づく制御方式のうちの最適制御方式は
、制御対象の動特性を最初に正確に求め、それに応じて
必要な複雑さを持つコントローラの構造を決定し、一定
の評価基準に基づいてパラメータを決定するというもの
である（たとえば伊藤、木村、細江「線形制御系の設計
理論」計測自動制御学会、昭和５３年、を参照）。この
最適制御方式によればＰＩＤ型コントローラの限界を越
えた性能を当初より得ることができる。しかし、この制
御方式を一般的な形で実装できるコントローラを作ると
すると構成のｍｌさのために非常に高価なものとなる。

これまでに公表された応用例ではすべて制御対象ごとに
制御装置が製作されている。またこの制御装置の設計、
再調整のためには、制御対象の動特性の正確な同定のた
めの試験が必要であり、また調整に携わる技術者が。

最適ゲインの決定法やオブザーバの構成法などについて
の高度な理論的知識を持つことが要求される。ｐ想され
る制御装置自体の価格と、設計、再調整に要求される労
力および技術レベルを考慮すると、最適制御方式に基づ
いた汎用の産業用コントローラを製作したとしても、そ
れは高価かつ高級に過ぎ、平均的技術力しか持たず９時
間的余裕のない現場においては導入が困難なものとなる
ことは明らかである。

現代制御理論に基づく適応制御方式の中で実用化例の多
いモデル規範型適応制御方式は、制御対象の特性変動幅
をあらかじめ予測し、最悪の変動があった場合でも達成
可能な制御性能を規範モデルという形で制御装置の中に
内蔵し、制御系が常に規範モデルと同じ性能を保つよう
にパラメータを調整するものである（たとえば、市川、
金片。

鈴木９国村「適応制御」昭美堂、昭和５９年、を２照）
。この方式については、入力のりッチネス条件および制
御対象の特性変動に関する条件が満足されればｑ効に動
作することが理論的に証明されており、この方式によれ
ば制御対象の特性変動や操業条件によらない一定の制御
性能を保つことができる。しかし、！適制御方式の場合
と同じく、この種の制御方式を一般的に実装できるコン
トローラは高価なものとなるので５発表されてぃる応用
例は個別装置を用いているものが主である。また設計、
再調整において、入力のりッチネス条件の検証、規範モ
デルの選定、安定条件の検証等のために高度な理論的知
識が要求される。したがって、汎用の産業用コントロー
ラとして実現し、平均的技術レベルの現場で使用するこ
とはやはり困難である。

以上を約すると、自動調整機能を有するＰＩＤ型制御装
置は、コントローラの構成を固定しパラメータだけを調
整するため、ＰＩＤ型コントローラとしての性能の限界
を突破できないという欠点がある。一方、現代制御理論
に基づく制御方式は、始めから最適な制御を行うことを
目標としたり、あらかじめ制御性能の目標を定めておい
たりするため、汎用コントローラとしては高価になりす
ぎ、また設計、再調整に高度の理論的知識が要求される
という欠点がある。

発明の概要 発明の目的 この発明は、ＰＩＤ型コントローラの制御性能の限界を
越える能力を持ち、かつその設計、再調整に高度な理論
的知識を必要としない比較的安価な汎用制御装置および
制御方法を実現することを目的とする。

この発明はまた上記汎用制御装置すなわち自己増殖型制
御装置を構成する増殖型コントローラおよびこのコント
ローラを制御するスーパーバイザも提供することを目的
とする。

この発明の目的はさらに、上記増殖型コントローラの動
作方法および制御方法を提供することにある。

発明の構成 この発明による自己増殖型制御装置は、所与の目標値と
制御対象から得られる制御量とを入力とし、制御対象に
対する操作量を算出して出力する増殖型コントローラと
、この増殖型コントローラを制御するスーパーバイザと
から構成される。

増殖型コントローラは、比例積分要素と複数の位相要素
、およびスーパーバイザからの指令に応じて、比例積分
要素と指令された数の位相要素との直列配置構造を作成
するとともにこれらの要素に指令されたパラメータを与
え、目標値と制御量との偏差に対する上記直列配置構造
の応答を操作量として出力する制御手段を備えている。

またスーパーバイザは、与えられた目標値と制御量とに
基づいて制御系の状態を判定する手段、および一定の状
態判定があったときに制御系の特性量を算出し、それに
基づいて、または入力された初期指令に基づいて位相要
素の数および各要素のパラメータに関する指令を増殖型
コントローラに与える増殖制御ｆ１段を備えている。

この発明による自己増殖型制御方法は、入力装置を通し
て入力された初期指令に応答して、比例積分要素と複数
の位相要素のうちの所要のものとの直列接続構造を作成
するとともにそれらの要素にパラメータを与え、与えら
れた目標値と制御量とに基づいて制御系の特性量を算出
し、それに基づいて位相要素を増加すべきかどうかを判
定し。

増加すべきと判定したときには、増加する位相要素のパ
ラメータを作成して上記直列接続構造に新たな位相要素
を追加して接続することを特徴とする。

この発明はさらに、所与の目標値と制御対象から得られ
る制御量とを入力とし、制御対象に対する操作量を算出
して出力する増殖型コントローラも提供する。この増殖
型コントローラはスーパーバイザによって制御され、比
例積分要素と複数の位相要素、およびスーパーバイザか
らの指令に応じて、比例積分要素と指令された数の位相
要素との直列配置構造を作成するとともにこれらの要素
に指令されたパラメータを与え、目標値と制御量との偏
差に対するト記直列配置構造の応答を操作量として出力
する制御手段を備えていることを特徴とする。

この発明による上記増殖型コントローラの動作方法は、
スーパーバイザからの指令を解読し。

それが増殖指令を含むときに、メモリに記憶している位
相要素の数を増加させるとともにそのパラメータを設定
し、入力する目標値と制御量との偏差に対して、増加さ
れた位相要素を含めて比例積分要素と位相要素による演
算を実行して操作量を出力することを特徴とする。

さらに１−記自己増殖型制御装置で用いられ、比例積分
要素と零を含む所要数の位相要素とが直列的に配列され
た構造の増殖型コントローラを制御するスーパーバイザ
についてもこの発明は提供する。

この発明によるスーパーバイザは、入力する制御量に基
づいて制御系が安定しているかどうかを判定する手段、
安定であると判定されたときに。

収束性判定、振動性判定および最大値範囲判定を含む状
態判定を行なう手段１判定された状態が所与の条件を満
足しているときに制御系の特性量を算定する手段、およ
び算定された特性量に基づいて位相要素を増加すべきか
どうかを判定して、増加すべき場合にそのパラメータを
決定する手段を備えていることを特徴とする。

＼　　　さらに、比例積分要素と零を含む所要数の位を
口要素とが直列的に配列された構造の増殖型コントロー
ラを制御するための制御方法についてもこの発明は提供
する。この制御方法は、入力する制御量に基づいて制御
系が安定しているかどうかを判定し、安定であると判定
されたときに、収束性判定、振動性判定および最大値範
囲判定を含む状態判定を行ない９判定された状態が所与
の条件を満足しているときに制御系の特性量を算定し、
算定された特性量に基づいて位相要素を増加すべきかど
うかを判定して、増加すべき場合にそのパラメータを決
定することを特徴とする。

好ましくは安定でないと判定されたときに、緊急動作指
令を発生するステップを含ませておく。

また判定された状態が所与の条件を満足していないとき
に、一定の条件であれば加速動作指令を発生するステッ
プを含ませておくと望ましい。

発明の効果 この発明の自己増殖型制御装置によると増殖型コントロ
ーラとスーパーバイザが９機的に動作することによって
次の効果をあげることができる。

使用ｉＪ１期においては９通常のＰＩＤ型制御装置と同
じ制御性能を４し、ＰＩＤパラメータの設定においてオ
ペレータの経験、知慮を反映させることができる。

使用開始後、コントローラが増殖し、制御性能が徐々に
改善される。制御性能の改善の限界は。

増殖型コントローラの規模（すなわち位相要素の個数の
上限）、および制御系が置かれる環境（主として、観測
ノイズの大きさと周波数帯域）によって定まる 増殖型コントローラは位相要素を増加させることによっ
てその次数（伝達関数の次数）が増加するが、その次数
が制御対象の次数（伝達関数の次数）を越えると、現代
制御理論でいうところの動的安定化補償器と同等の性能
を達成できる可能性を有する。

実施例の説明 （１）全体的な構成の概要 制御系の構成の概要が第１図に示されている。

自己増殖機能をもつ制御装置２は基本的には増殖型コン
トローラ３とスーパーバイザ４とから構成される。

増殖型コントローラ３は、所与の目標値と制御対象１の
制御量との偏差を人力とし、所定の演算を行なって操作
量を出力し制御対象１に与える。

増殖型コントローラ３は１個の比例積分（ＰＩ）要素と
複数個の位相進み遅れ要素（−括していう場合には位相
要素という）を制御対象１に直列に配置する構造を持ち
、スーパーバイザ４からの指令にしたがって使用する位
相要素の個数を増減（一般的には増加であるが、特殊な
場合すなわち緊急動作においては減少）させる機能を持
つ。比例積分要素および使用される位相要素のパラメー
タはスーパーバイザ４によって設定または変更される。

増殖型コントローラ３は具体的にはＣＰＵを含むコンピ
ュータ・システムによって実現される。

したがって比例積分要素９位相要素はプログラムによる
演算ルーチンである。増殖型コントローラには１個の比
例積分演算ルーチンと多数個の位相演算ルーチンがあら
かじめ用意されており、スーパーバイザ４によって、実
行されるべき位トロ演算ルーチンの数が決定される。増
殖型コントローラ３はまた。スーパーバイザ４によって
指令された用いるべき位相要素の数ｍを含む各種パラメ
ータを；己憶するメモリを備えている。

スーパーバイザ４は後に詳述するように自己増殖モード
と固定モードとをもつ。これらのモードはスーパーバイ
ザ４に付随する人力装置５を通してオペレータによって
設定される。自己増殖モードにおいては、スーパーバイ
ザ４は目標値を入力し、かつ制御対象１の制御量を観測
し、観測結果に基づいて制御系の状態を判定すると共に
必要な特性量を算出し、その判定結果および算出結果に
基づいて増殖型コントローラ３に対する増殖指令および
パラメータ設定、変更指令を出力する機能を達成する。

固定モードにおいてはスーパーバイザ４は入力装置５を
通して与えられるパラメータ指令（使用する位相要素の
数ｍを含む）を増殖型コントローラ３に伝える。入力装
置５としてはたとえば数値キー、ファンクションキー等
を含むキーボードが好適に用いられる。

スーパーバイザ４はまた所与の目標値に微小変化を与え
る機能をもつ。これは性能改善を急ぐ場合に使用される
。

スーパーバイザ４もＣＰＵを含むコンピュータ・システ
ムによって実現される。第１図では制御装置２を増殖型
コントローラ３とスーパーバイザ４とに分けて示してい
るが、コントローラ３とスーパーバイザ４とを１つのコ
ンピュータφシステムで実現できるのはいうまでもない
。逆に、コントローラ３とスーパーバイザ４とをそれぞ
れマルチＣＰＵシステムで実現してもよい。

（２）増殖型コントローラの構成と機能増殖型コントロ
ーラ３は上記のように比例積分要素と複数の位相要素を
備えている。

比例積分要素（ＰＩ要索）の伝達関数Ｇ、、（ｓ）は次
の通りである。

（積分要素が加わり比例積分要素となる）・・・（１） パラメータにおよびＴ　　（Ｋ；ゲイン、Ｔ　；時Ｏ 定数）の値はスーパーバイザ４によって定められる。

位相要素の伝達関数Ｇ、（ｓ）は、Ｔ　、γ　をＩｈ　
　　　　　１　　１ パラメータとして次式で示され、パラメータγｌの値に
したがって次の形となる。

・・・（２） ここでｉは位相要素の番号であり、パラメータＴ、およ
びγｌの値はスーパーバイ４ザによって定められる。０
くγ　く１のときＧ　ｐｔ　（ｓ）は位相進みとして働
き、γ、〉１のとき位相遅れとして働く。

増殖型コントローラ３全体の伝達関数Ｇ　　（ｓ）は Ｇ　　　（ｓ）　　＝Ｋ　　［１＋　　（１／Ｔ　　　
ｓ）］［（１／Ｔｌ　ｓ）／　　（１＋γｌ　Ｔ１　Ｓ
）コＯ ・・・［（１／Ｔ　　ｓ）／（１＋γ　Ｔ　　ｓ）］　
　　　　　　・・・（３）１　　　　　　　　　１ｍ！
１ となる。ここでｍは使用されている位相要素の数であり
、スーパーバイザ４の増殖指令に従って増減する。

増殖型コントローラ３全体の動作特性はパラメータｍ、
Ｔｏの値によって次のように変化する。

■　ｍ−Ｑのとき、伝達関数Ｇ　　（ｓ）はＧ、、（ｓ
）と等しい。したがってＴｏ−０とすれば比例要素、Ｔ
ｏ＞０とすれば比例積分要素となる。

■　ｍ−１、Ｔ　ｏ　＞　０のとき、伝達関数Ｇｃ（ｓ
）は Ｇ　　（ｓ）　−Ｋ　［１＋＜１／Ｔ　　ｓ）］［（１
／Ｔ１５）　／　（１＋７１７１ｓ）］Ｏ ・・・（４） となる。

ここでパラメータを Ｔ−（１／２）（Ｔ＋τ−［（Ｔ、−τ）　２−４Ｔ、
　ＴＤ］　’／２１１　　　　　　！ γｌ−τ／Ｔｌ ｘ　＝　ＫＰＴｏ　／Ｔ　ｔ （Ｋ、Ｔ、Ｔ　　はそれぞれ比例ゲイ ＩＤ ン、！ａ分時間、微分時間を表わす） ・・・（５） と設定すればＧ　　（ｓ）は近似微分を使った次のよう
なＰＩＤ要素になる。

Ｇｏ（ｓ）−ＫＰ　［１＋　（１／Ｔ、ｓ）＋ＴＤ　（
ｓ／１＋τｓ）］　　・・・（６）ただしＴ　　＞　４
　Ｔ　ｏ　＞＞τ τ：近似微分時定数 ｍ−１でＴ−０のときは位相補償（比例要素を含む）の
みとなる。

■　ｍ　＞　１のとき、Ｇ（ｓ）は第（３）式で示した
一般形となる。これは、実数極を持つ積分型（Ｔ　　＞
０）または比例型（Ｔｏ−０）の動的安定化補償器（上
記文献、伊藤ら「線形制御系の設計理論」参照）に他な
らない。

（３）スーパーバイザの動作原理 スーパーバイザ４は上記のように固定モードと自己増殖
モードとを持つ。固定モードでは増殖型コントローラ３
のパラメータの値は入力装置５を通して外部から設定さ
れる。自己増殖モードでは、増殖型コントローラ３のパ
ラメータの値はスーパーバイザ４の後述する処理に基づ
く判断によって自動的に変更される。

固定モードと自己増殖モードの間の切替はオペレータに
よって入力装置５を通して行なわれる。

この制御装置ｆ２を通常の態様で使用する場合に。

オペレータはまずスーパーバイザ４を固定モードにして
パラメータの初期設定を行ない、制御動作開始後に自己
増殖モードに切替える。もちろん固定モードを保持して
オペレータ自身が各パラメータを適宜変更しながら運転
することも可能である。自己増殖モードにある制御装置
を固定モードに切替えた場合には、外部から新たなパラ
メータ設定を行なわない限り切替え時点のパラメータ値
が保持される。

固定モードにおいては次の４種類のうちのいずれかを入
力装置５を通して設定することによりパラメータが設定
される。

■　Ｐ設定 Ｐ設定があるとスーパーバイザ４内でｍ−１゜Ｔｏ−０
と設定される。オペレータはさらに入力装置５によりゲ
インにの値を設定する必要かある。

■　ＰＩ段設 定−１と設定される。さらに入力装置５によりゲインに
と時定数Ｔ。を設定する必要がある。

■　ＰＩＤ設定 ｍ−２と設定される。

オペレータはさらに入力装置５により上述した通常のＰ
ＩＤパラメータに、ＴＩ、ＴＤおよび近似微分時定数τ
を設定する必要がある。スーパーバイザ４は上記の第（
５）式に従ってパラメータＴ。、Ｔ１．γｌ、Ｋを計算
し、それらの値を増殖型コントローラ３に与える。

■　任意設定 オペレータが増殖型コントローラの位相要素数ｍおよび
他のパラメータに、Ｔ、Ｔ１．　　Ｔ１をすべて入力装
置５から設定するものである。

上記の４種類の設定を選択することにより、オペレータ
の経験、知識に応じた初期設定が行なわれる。すなわち
、熟練オペレータは任意設定またはＰＩＤ設定を用いて
その経験、知識を運転当初から生かすことができる。ま
た未熟練オペレータはＰ設定を用い、かつゲインＫを十
分小さく指定することにより、安全な初期値から出発し
、制御性能の改善をすべて制御装置２の自己増殖機能に
委ねることができる。

自己増殖モードにおいては、オペレータは入力装置５か
ら次の事項について入力しておく必要がある。

■　積分要素の使用の可否および微小目標値変化信号の
使用の可否： 制御対象１の特性上不適当と考えられる場合には積分要
素の使用を禁することができる。微小目標値変化信号の
使用を可とすれば、スーパーバイザ４は微小目標値変化
信号を用いて制御系の状態を推定するので制御時間が早
期に改善されるが。

その間制御系に不要な擾乱を与えることになる。

■　最にσ整定時間ｔ　と初期整定時間ｔ２：最短整定
時間１１が経過すればスーパーバイザ４は連応性が十分
改みされたものと判断する。この時間ｔ１としては期待
しうる最短時間を入力すればよいが、最初ある程度長い
値を入力し、途中で変更してもよい。初期整定時間ｔ２
としては制御対象１の時定数の数倍程度とすればよい。

■　定常偏差の基準ａおよび行き過ぎ量の基準ｂ　： いずれも目標値に対する百分率で与えられる。

特に指示がなければこの実施例ではａ−＝２％。

ｂ＝２０９６とするが、もちろん任意の値を採用しうる
。

■　緊急行き過ぎ限界Ｃおよび緊急監視周期ｔ　　　　
： 緊急動作を行うときに用いられる。

自己増殖モードにおいて、スーパーバイザ４は制御系の
人、出力を観測し、それに基づいて制御系の状態を推定
する。これを観測動作とよぶ。

観測動作の結果に基づいて制御装置の設計を行ないその
結果を増殖指令およびパラメータ指令としてコントロー
ラ３に与える。これを設計動作という。

制御系が不安定になったと判断した場合は緊急措ｉηを
とる。これを緊急動作とよぶ。

観測動作及び設計動作は、古典制御理論における制御性
能の推定法および直列補償法に基づいて行なわれる（近
藤文治編「基礎制御工学」第６章および第７章、森北出
版、昭和５２年、を；照）。

その動作方式には、古典制御理論の適用法の種類に応じ
て幾通りかのものが存在するがその基本形を次項で説明
する。

（４）０己増殖モードにおけるスーパーバイザの動作方
式の基本形 スーパーバイザ４の状態の推移および動作状況の絶倒を
第２図に示す。

」―述の機能を達成するため、自己増殖モードのスーパ
ーバイザ４は通常状態、緊急状態のいずれかをとる。通
常状態では観測動作と設計動作が行なわれる。

観測動作の開始時刻は、目標値にステップ状変化があっ
た時刻、前回の観測動作が終了した時刻、または直前の
緊急動作実行が終了した時刻である。観測動作の終了時
刻は設計動作の終了時刻または緊急状態への移行時刻で
ある。

観測動作は制御量に関する収束性、振動性。

最大値範囲および安定性の４項口の判定および付帯的パ
ラメータの決定からなる。上記の各項目の判定は、観測
動作の開始時刻からの経過時間をｔとして次のように行
なわれる。観測単位時間ｔ３は、上記の初期設定時間ｔ
２を用いてスーパーバイザ作動開始後にｔａ−ｔ２とセ
ットされ、その後以ドに述べる規則で変更される。

■　収束性判定： ＜ｔ　　／２）≦ｔ≦ｔ３の間における制御量の変動幅
が目標値の２ａ％以内（ａは上記したように定常偏差の
基準）であれば収束したものとし。

上の期間の平均値を定常値ｙ　とする。収束している例
および収束していない例が第３図に示されている。

■　振動性判定： 観測単位時間ｔ３の間において、制御量に極大値が現わ
れれば振動的、現われなければ非振動的と判定する。観
測操作開始後の極大、極小の出現回数をＮ　ＰＥＡＫと
する。振動的でＮ　ＰＥＡＫが１の例。

２の例および非振動的の例が第４図に示されている。

■　最大値範囲判定： 観測単位時間ｔ３の間において、制御量の最大値ｙ　　
の範囲に応じて、最大値範囲指数Ｉ　ＮＡＸａＸ を次のように決定してセットする。ここでｒは目標値で
ある。

ＩＭＸ”２　　　　　ｙ　　　≧ＣＩ）ときａｘ （Ｃ：上述した緊急行き過ぎ限界） ＝Ｉ　　　　　Ｃ＞ｙ　　　≧Ｈ＋　（２ｂ／１００）
］　ｒのときａＸ （ｂ：上述した行き過ぎ量の基準） ＝０　　　　　　［１＋　（２ｂ／１００）］　　ｒ≧
ｙ　　≧０．６３　ｒのときａｘ −−１ｙ＜０．８３ｒのとき 毎ａｘ Ｉ　ＮＡＸが２．１．０．　−１の場合のそれぞれの例
か第５図に示されている。

■　安定性判定： 観測単位時間ｔ３の間において９次の３事象のいずれか
が発生したとき不安定であると判定する。

（４−１）　　Ｉ　ＮＡＸ　−２テある。

（４−２）振動的でＮ　ＰＥＡＫ≧２であって、制御量
ｙに目標値ｒより大きな極大値ｙ、が現われ。

その後出力が減少した後で再びｙ≧ｙＰとなった場合。

（４−３）非振動的で、ｙ≧ｒとなり、さらにｙの２階
微分が正であるとき。

観Ｍ１動作中に不安定の判定がでれば、その時点でスー
パーバイザ４は緊急状態に移行する。

観測動作開始後９時間ｔ３を経過したとき。

スーパーバイザ４は判定結果を次の４通りの場合に分類
する。

■　収束した。

■　収束せず、振動的であってＮ　ＰＥＡＫ≧３である
。

■　収束せず、振動的であってＮＰＥＡＫ＜３である。

■　収束せず、非振動的である。

■、■の場合には設計動作を開始する。■、■の場合に
はさらに時間ｔ３だけ観測動作を続け。

再度■、■、■、■の場合分けを行なう。

好ましくはｌ　ＭＡＸが１または−１のときには。

スーパーバイザ４はコントローラ３に対して加速動作と
して次のパラメータ指令を発する。

（ＡＣＣＩ）　　　Ｉ　ＮＡＸ　−−１（７）ときは、
ゲイＺ／Ｋをｐ、ｄＢ上げる。

（ＡＣＣ２）　　Ｉ　ＮＡＸ　−１（７）ときは、ゲイ
ンＫをｐ２ｄＢ下げる。

ｐｌ、ｐ２の値については後述する。このパラメータ指
令により制御量が目標値に収束する時間が短縮される。

設計動作開始までに上記の加速動作を行なった回数をそ
れぞれＮＡＣＣｌ、　ＮＡＣＣ２として記憶する。

設計動作を開始する時点で、観測開始時刻からの経過時
間を算定し、それを次回観測動作のための単位ｔ３とし
て記憶する。設計動作中は観測動作として安定性の判定
だけを継続する。観測動作中に目標値が変化したときに
は観測動作をあらためて開始する。

設計動作は、特性量の算定、補償要素の決定およびそれ
に応じた増殖指令、パラメータ指令の発生からなる。算
定する特性量は第１表の通りである。

第１表　特性量の算定 Ｉ　ＮＡＸは−１，０，１，２（７）値をとり、ＩＮＡ
Ｘ−２は不安定と判定されるために、「収束していてＩ
ＮＡＸ＞ＩＪはあり得ない。

これらの特性量のうち整定時間ｔ　、オフセラトε、お
よび行き過ぎ量Ａ　は目標値ｒと制御量の測定データｙ
から次のようにして直ちに求められる。ここでｔ　、ε
、Ａ　は次式で与えられｐ る。

１　−（制御量が２ａ％以内におさまった時刻）−（観
測動作開始時刻） ε　　　翼　　　ｙ−ｒ Ａ　　＝Ｉ（ｙ−ｒ）　／ｒｌ　ｘ　　ｔｏｏ　（％）
閉ループ共振角周波数ω　は近似式を使って次のように
推定される。

（ＷＰＩ）振動的であってＮ　ＰＥＡＫ≧３であり、し
かも減衰比が５％以上のときには、第１極大時刻（第１
番目の極大値が現われる時刻）をτ１．第２極大時刻（
第２番目の極大値が現われる時刻）をτ２として。

ω　　−２π／　（τ　　−τ　　）　　　　・・・（
７）ｐ　　　　　　　　　　　　２１ と推定される。

（ＷＰ２）上記以外の場合には、第１極大値をｙＩｌＩ
ａｘよ、第１極大時刻をτ１として、上述した平均値（
定常値）ｙｓを用いて。

ｑ−１ｏｇ（ｙ　　　−ｙ　　）／ｙＳａ＋ａｘｌ　　
　　　ｓ ξ−ｑ／　（ｑ　　＋π２　、１／２ ω　−π／τ　（１−ξ２　）　１／２・・・（８） と推定する。ｙ　は収束した場合にのみ意味をもつ定常
値である。収束しなくても設計動作に入る場合があり得
る（上記■の場合）。

この場合には第１極小値と第２極大値の平均をｙ　とす
る。

ここで減衰比とは、振動する制御量の前回の振動振幅を
ａ　、今回の振動振幅をａ２とした場合に、　　（ａ２
／ａ１）　Ｘ　　１００％で与えられる。

とする。またｐｌ　−ｐ６の値については後述する。

ｈｔｉ償要索（比例積分要素および位相要素をいう）の
決定は第２表にしたがって行なわれる。

第２表中の＜ＤＩ）および（Ｄ２）は補償要素の増殖を
伴うもので、その内容は次の通りである。

（ＤＩ）　　比例積分要素または位相遅れ要素の挿入を
行う。オペレータの指示内容および増殖型コントローラ
３の現状によって次の２つの場合に分れる。

（ＤＩ−ＬＡＧ）　　オペレータによって積分要素の使
用が禁じられている場合、または既にＴ。＞Ｏとなって
いる（すなわち（比例）積分要素を使用している）場合
には９位相要素を１個増加させる。増加させる位相要素
のパラメータはＴ、−２０／ω　、γ、−５ １ｐ　　　　　　１ とする。（この位相要素は位相遅れとして働く。） （Ｄｉ−ＰＩ）積分要素の使用が許可されていて。

しかもＴ。−〇である（すなわちまだ（比例）積分要素
を使用していない）場合には。

Ｇ、、（ｓ）を比例要素から比例積分要素に変更する。

パラメータＴｏの値は Ｔｏ鴫２０／ωｐ とする。

（Ｄ２）位相要素を１個増加させる。増加させる位相要
素のパラメータは Ｔ　　−２，２３／ｃｃ＞　　、　　’！、−０，２ｉ
　　　　　　　ｐ　　　！ とする。（この位相要素は位相進み要素として働く。） Ｔｏ、γ、、Ｔｏ等についての上記の値は一例＋　　　
　　　　　１ を示しており、これらはシュミレーション等に基づいて
適宜室めればよい。

設計動作が終了したとき、　（Ｄ２）を実行していれば
記憶している観測単位時間ｔ３の値をその１／４の値に
、また出力が収束している場合には、このｔ３の値をｔ
Ｓの２倍または先に使用したいくつかのｔ３のうちの最
も小さい値に設定し直す。上記１７４等は一例であって
他の適当な倍率を選定できるのはいうまでもない。

緊急状態に入ったとき、スーパーバイザはまず次の緊急
動作を行う。

（Ｅ旧）直前の設計動作で（ＤＩ）を実行していない場
合にはゲインをｐ、ｄｎ下げる。

（■２）直前の設計動作で（ＤＩ）を実行している場合
には、　（ＤＩ＞において増殖させた要素をとり去る。

上の緊急動作を行なった後でｔ。ごとに制御量の発散状
態についての次の判定を行う。ここでｔ　はオペレータ
によって定められた監視のための時間である。

（ＤＩＶＩ）　　ｙ＞Ｃ（Ｃ：緊急行き過ぎ限界）であ
りｙの微分が正である。

（ＤＩＶ２）　　Ｃ≧ｙ　＞　２　ｂでありｙの２階微
分が正である。

（ＤＩＶ３）　　２　ｂ　＞　ｙ　＞　２　ａでありｙ
の２階微分が正である。

判定条件の（ＤＩＶＩ）が満たされたときはゲインＫを
ｐ　８ｄＢ、　（ＤＩＶ２）が満たされたときはｐ　９
ｄＢ、（ＤＩＶ３）が満たされたときは１）　１ｏｄＢ
下げる。（ＤＩＶＩ）、　（ＤＩＶ２）、　（ＤＩＶ３
）ノイずれもが３回続けて満たされることがなければ緊
急状態を解除する。

上記動作中のゲイン変更幅ｐｌ−ｐ１０はオペレータが
入力装置５を通して設定することもできるが５通常は次
の２種類の中のいずれかを選定すればよい。

（遠志型設定） ｐ′輿１．５．　Ｉ）　２　＝　２　。

１）３−ｐ４−３ｊｐ５−ｐｇ　−３１ｐ７−６ｊｐ−
ｐ−１，５，ｐｌｏ−０ （安全型設定） １）１鴫１．０．１）２−１．５，１）３禦ｐ４−２゜
ｐ５　””　ｐｇ　−３・１）　７−　ｐｇ−ｐｇ　−
ｐｌｏ−にこで遠志型設定とは、目標値に近づく時間を
短縮させることを目的にした設定であり、安全型設定と
は、制御対象に対してオペレータが未熟練な場合に盲動
であり、不安定現象が起りにくい設定を意味する。また
上記のｐ−ｐｌｏの値は一例を示すものである。

（５）制御装置における全体的な動作の流れ第６図はス
ーパーバイザ４の自己増殖モードにおけるｌ−述した動
作を一連の流れとして示したものである。

通常状態において制御対象ｌにおける制御量の観測動作
において（ステップ１１）　、上記（４−１）　。

（４−３）の条件の判定によって安定性の判定が行なわ
れる（ステップ１２．１３）。安定であれば収束性、振
動性および最大値範囲の規定によって設計動作の開始条
件（上記■、■）が整ったかどうかがチエツクされる（
ステップ１４．１５．１６．１７）。

この条件が満たされていれば、観測単位時間ｔ３の記憶
、設計動作が行なわれ（ステップ１８゜１９）、第２表
にしたがって増殖型コントローラ３に対するパラメータ
指令および／または増殖指令が必要であればその旨の指
令を発生し、また必要ならば時間ｔ３を変更する（ステ
ップ２０）。以上の処理は、自己増殖モードが設定され
ている限り繰返し続けられる（ステップ２１）。

設計動作の開始条件が整っていない場合でも加速動作が
必要であると判定されると（ステップ２２）、それに応
じた加速動作が行なわれかつその回数ＮＡＣＣＩ　、　
ＮａＣＯ３が記憶され（ステップ２４）。

観測動作に戻る。加速動作が必要でなければ観測動作に
戻る。ステップ２２〜２４の処理は必ずしも必要ではな
い。

ステップ１３で不安定である場合には緊急動作に移りコ
ントローラ３に対して上記（ＥＭＩ）または（ＥＭ２）
の指令を与える（ステップ２５）。解除条件が満たされ
るまで緊急動作は続けられる（ステップ２Ｂ）。

固定モードの場合には２図示は省略しであるが、スーパ
ーバイザ４は入力装置５から入力されたパラメータをそ
のままパラメータ指令としてコントローラ３に与える。

第７図は増殖型コントローラ３における処理手順を示し
ている。

スーパーバイザ４が自己増殖モードにある場合にはスー
パーバイザ４は増殖指令（パラメータ指令を含む）、パ
ラメータ指令または緊急状態であることを示す指令をコ
ントローラ３に与えるので、コントローラ３はこれらの
指令を解読する。

増殖指令の場合には（ステップ３１）、指令された内容
を実行する。すなわち比例要素を比例積分要素に変更す
るかまたは位相要素の数を増加する（変更または増加を
メモリに記憶する）とともに、これらの要素に関するパ
ラメータをメモリに記憶する（ステップ３２．３３）。

そして既に設定されている。変更したまたは増加した比
例積分要素および位相要素について順次直列的に演算を
行ない、その結果前られる操作量を出力する（ステップ
３４．３５）。

パラメータの場合には（ステップ３７）、メモリのパラ
メータを変更して（ステップ３８）、上記演算処理およ
び操作量の出力処理を行なう（ステップ３４．３５）。

緊急状態の場合には（ステップ３７）、指令に応じて上
述の（ＥＭＩ）または（ＥＭ２）の処理が行なわれる（
ステップ４０）。

スーパーバイザ４が固定モードの場合には上述のように
Ｐ設定、ＰＩ段設定ＰＩＤ設定、任意設定か行なわれる
とともに必要なパラメータが入力されるので、設定され
た要素の種類、数、パラメータがスーパーバイザ４から
コントローラ３に与えられる。コントローラ３はこの与
えられた指令に応じてステップ３２．３３の処理を行な
い、一定の周期でステップ３４．３５の処理を行なう。

途中でパラメータの変更があったときにはその旨がスー
パーバイザ４からコントローラ３に与えられるので、コ
ントローラ３はステップ３８の処理を行なう。

（６）シミュレーション結果 ディジタル・シミュレータ上で上述の自己増殖型制御装
置を動作させた結果は次の通りである。

第８図から第１１図のグラフにおいて実線は制御量０点
線は目標値である。横軸は時間で正規化されており、縦
軸は任意目盛である。

（８，１）代表的動作例 制御対象の伝達関数が Ｇ（ｓ）　−［０，４（ｓ　＋０．７５）］／［（ｓ　
＋０．３）　（ｓ　＋０．５）　（ｓ　＋　Ｉ　Ｘ　ｓ
　＋２）］の場合の動作例を第８図に示す。ただしａ−
２％、ｂ−２０％、　　ｔ　ｔ　””　５秒、ｔ２−５
秒とし積分要素の使用を可としている。第８図（ａ）に
制御性能の改濤過程を、同図（ｂ）に最終的に得られた
インディシャル応答波形を示す。最終段階では１個のＰ
Ｉ要素と３個の位相要素を使用している。

（６，２）　Ｐ　Ｉ　Ｄ、ｉ節計との比較（１）第９図
（ａ）は制御対象の伝達関数が Ｇ（ｓ）　＝　［３／　（１＋　５　ｓ）　］　　ｅ−
０°Ｏ５ｓである場合に自己増殖型制御装置によって達
成された応答波形であり、同図（ｂ）はＣｈｉｅｎ−Ｈ
ｒｏｎｅｓ−Ｒｃｓｗｉｃｋの方法（計測臼動制御学会
編「自動制御便覧」、第２編１章、　　４８１−４７９
頁、コロナ社。

昭和３２年、を参照）で設計されたＰＩＤ調節計による
応答波形である。自己増殖型制御装置の方が優れている
ことがわかる。

（８，３）　Ｐ　Ｉ　Ｄ調節計との比較（２）第１θ図
（ａ）は制御対象の伝達関数がＧ（ｓ）＝５／　（ｓ　
　＋６　ｓ２＋ｌｌｓ＋６）である場合に自己増殖型制
御装置によって達成された応答波形であり、同図（ｂ）
はＺｌｅｇｌｅｒ−Ｎｉｃｈｏｌｓの過渡応答法（上記
「自動制御便覧」を参照）で設計されたＰＩＤ調節計に
よる応答波形である。前者の方が優れていることがわか
る。

（８，４）適応制御装置との比較 第１１図＜ａ）は制御対象の伝達関数がと変動したとき
の自己増殖型制御装置による応答波形であり、同図（ｂ
）はモデル規範型制御装置による応答波形である。前者
の方が追随特性に優れていることがわかる。モデル規範
型制御装置は上記した文献（市川ら「適応制御」）にあ
る標準的方法によって時刻ｔ−０のときの制御対象に対
して設計したもので、使用した規範モデルはＧ　　（ｓ
）＝　［６／　（ｓ＋２）（ｓ＋３）］で表わされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は制御系の全体の構成を概略的に示すブロック図
である。 第２図は自己増殖モードにおけるスーパーバイザの動作
絶倒を示すタイム・チャートである。 第３図は収束性判定を説明するためのグラフ。 第４図は振動性判定を説明するためのグラフ、第５図は
最大値範囲の判定を説明するためのグラフである。 第６図は自己増殖モードにおけるスーパーバイザの動作
を示すフロー・チャートである。 第７図はスーパーバイザが自己増殖モードであるときの
増殖型コントローラの動作を示すフローＱチャートであ
る。 第８図は自己増殖型制御装置の適用例を示すグラフで、
同図（ａ）は制御性能の改善過程を、同図（ｂ）は最終
段階のインディシャル応答をそれぞれ示している。 第９図はＰＩＤ、ｍｉｍ計との比較（その１）を示すグ
ラフで、同図（ａ）は自己増殖型制御装置により達成さ
れた応答波形を、同図（ｂ）はＣｈｉｅｎ−！Ｉｒｏｎ
ｃｓ−Ｒｃｓｖｉｃｋの方法によって設計されたＰＩＤ
調節計による応答波形をそれぞれ示している。 第１０図はＰＩＤ調節計との比較（その２）を示すグラ
フで、同図（ａ）は自己増殖型制御装置により達成され
た応答波形を、同図（ｂ）はＺｉｃｇｌｅｒ−Ｎｌｃｈ
ｏｌｓの過渡応答法により設計されたＰ　Ｉ　Ｄ：Ｊ３
節計による応答波形をそれぞれ示している。 第１１図は適応制御装置との比較を示すグラフで、同図
（ａ）は自己増殖型制御装置による応答波形を、同図（
ｂ）はモデル規範型適応制御系の応答波形をそれぞれ示
している。 １・・・制御対象。 ２・・・自己増殖型制御装置。 ３・・・増殖型コントローラ。 ４・・・スーパーバイザ。 ５・・・人力装置。 以　　上 特許出願人　　　荒　木　光　彦 同　　　　立石電機株式会辻 代　理　人　　　弁理士　牛　久　健　司（外１名） 第８図 ・コ　　　　　　　　　　３°ゝ ０　　　　１　　　　２　　　　３　　　　１４　　　
　ｂ　　　　　５　　　　７　　　　　Ｂ　　　　　９
　　　１０第９図 ０８口　０．２　０．１！　　０．５　０．８　　１．
０　　＋、２　．１．Ｌｌ　　１．５　　　＋、８　２
．０第１０図 ２二 （ｂ） と＝ コ つ１２シ４５５７巳９：フ 第１１図 （ａ） コ （ｂ） ２］

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）所与の目標値と制御対象から得られる制御量とを
   入力とし、制御対象に対する操作量を算出して出力する
   増殖型コントローラと、この増殖型コントローラを制御
   するスーパーバイザとから構成され、 増殖型コントローラは、 比例積分要素と複数の位相要素、および スーパーバイザからの指令に応じて、比例積分要素と指
   令された数の位相要素との直列配置構造を作成するとと
   もにこれらの要素に指令されたパラメータを与え、目標
   値と制御量との偏差に対する上記直列配置構造の応答を
   操作量として出力する制御手段を備え、 スーパーバイザは、 与えられた目標値と制御量とに基づいて制御系の状態を
   判定する手段、および 一定の状態判定があったときに制御系の特性量を算出し
   、それに基づいて、または入力された初期指令に基づい
   て位相要素の数および各要素のパラメータに関する指令
   を増殖型コントローラに与える増殖制御手段を備えてい
   る、 自己増殖型制御装置。
2. （２）入力装置を通して入力された初期指令に応答して
   、比例積分要素と複数の位相要素のうちの所要のものと
   の直列接続構造を作成するとともにそれらの要素にパラ
   メータを与え、 与えられた目標値と制御量とに基づいて制御系の特性量
   を算出し、それに基づいて位相要素を増加すべきかどう
   かを判定し、 増加すべきと判定したときには、増加する位相要素のパ
   ラメータを作成して上記直列接続構造に新たな位相要素
   を追加して接続する、 自己増殖型制御方法。
3. （３）所与の目標値と制御対象から得られる制御量とを
   入力とし、制御対象に対する操作量を算出して出力する
   増殖型コントローラであって、スーパーバイザによって
   制御され、 比例積分要素と複数の位相要素、および スーパーバイザからの指令に応じて、比例積分要素と指
   令された数の位相要素との直列配置構造を作成するとと
   もにこれらの要素に指令されたパラメータを与え、目標
   値と制御量との偏差に対する上記直列配置構造の応答を
   操作量として出力する制御手段を備えている、 増殖型コントローラ。
4. （４）所与の目標値と制御対象から得られる制御量とを
   入力とし、制御対象に対する操作量を算出して出力する
   、スーパーバイザによって制御される増殖型コントロー
   ラの動作方法であって、 スーパーバイザからの指令を解読し、それが増殖指令を
   含むときに、メモリに記憶している位相要素の数を増加
   させるとともにそのパラメータを設定し、 入力する目標値と制御量との偏差に対して、増加された
   位相要素を含めて比例積分要素と位相要素による演算を
   実行して操作量を出力する、増殖型コントローラの動作
   方法。
5. （５）比例積分要素と零を含む所要数の位相要素とが直
   列的に配列された構造の増殖型コントローラを制御する
   スーパーバイザであって、 入力する制御量に基づいて制御系が安定しているかどう
   かを判定する手段、 安定であると判定されたときに、収束性判定、振動性判
   定および最大値範囲判定を含む状態判定を行なう手段、 判定された状態が所与の条件を満足しているときに制御
   系の特性量を算定する手段、および算定された特性量に
   基づいて位相要素を増加すべきかどうかを判定して、増
   加すべき場合にそのパラメータを決定する手段、 を備えているスーパーバイザ。
6. （６）比例積分要素と零を含む所要数の位相要素とが直
   列的に配列された構造の増殖型コントローラを制御する
   ための次のステップからなる制御方法： 入力する制御量に基づいて制御系が安定しているかどう
   かを判定する、 安定であると判定されたときに、収束性判定、振動性判
   定および最大値範囲判定を含む状態判定を行なう、 判定された状態が所与の条件を満足しているときに制御
   系の特性量を算定する、そして 算定された特性量に基づいて位相要素を増加すべきかど
   うかを判定して、増加すべき場合にそのパラメータを決
   定する。
7. （７）安定でないと判定されたときに、緊急動作指令を
   発生するステップを含む特許請求の範囲第（６）項に記
   載の増殖型コントローラの制御方法。
8. （８）判定された状態が所与の条件を満足していないと
   きに、一定の条件であれば加速動作指令を発生するステ
   ップを含む特許請求の範囲第（６）項に記載の増殖型コ
   ントローラの制御方法。