JPH02110703A - プロセス制御装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は積分特性を有する制御対象を制御するプロセス
制御装置に係り、特に外乱抑制特性と目標値追従特性と
の双方の特性を同時に最適化し得るようにしたプロセス
制御装置に関する。

（従来の技術） 従来から、積分特性を有するプロセス（制御対象）には
、タンク、槓類等のレベル制御系や、ボイラ蒸気圧力制
御系等かある。これらの積分特性を有するプロセスの制
御を行なう場合には、後述するように制御アルゴリズム
としては、１」標値変化に対しては比例（Ｐ）または比
例・微分（ＰＤ）動作が最適で、また外乱変化に対して
は比例・積分（ＰＩ）または比例・積分・微分（Ｐ　Ｉ
　Ｄ）動作が最適である。そして従来、積分特性を有す
るプロセスの場合は、はとんどが定値制御であるために
、制御アルゴリズムとしては、比例・積分（ＰＩ）また
は比例・積分・微分（Ｐ　Ｉ　Ｄ）動作で十分であった
。

一方最近では、今後の２１世紀に向けて、プラント運転
の最適化やフレキシブル化が進み、積分特性を有するプ
ロセスにおいても、目標値を変化させる必要性が非常に
多くなってきている。特にボイラ蒸気圧力制御では、タ
ービン、発電機を組合わせた全体ンステムの最適化のた
めに、ボイラ蒸気圧力の目標値を変化させて制御する変
圧運転の例も多くなってきている。

しかしながら、従来の制御アルゴリズムを適用したプロ
セス制御装置では、１］標値変化に対しては積分（Ｉ）
動作を除去し、また外乱変化に対しては積分（１）動作
を入れるということか行なえないことから、外乱変化抑
制特性を最適にすると１」標値追従特性が振動的となり
、逆に１」標値追従特性を最適にすると外乱変化に対し
て定常偏差（オフセット）が残るという大きな問題があ
る。

以下、制御対象が積分特性を有するプロセスである場合
に、どのように制御すればよいかについて、第３図に示
す一般的な制御系で考えてみる。

第３図において、制御対象（Ｐ　（ｓ）　）　］からの
プロセス瓜Ｐ■とプロセス量の１］標値信号Ｓ■とを、
減算手段２に導いてその制御偏差信号Ｅ（Ｓ）を求め、
これを調節演算手段（Ｃ（ｓ）　）３に導いて当該制御
偏差信号Ｅ　（ｓ）か零となるように調節演算を行ない
、その出力Ｍ（ｓ）を減算手段４に導いて外乱信号Ｄ　
（ｓ）を減じた後これを制御対象（Ｐ　（ｓ））１に印
加し、その結果のプロセス量ＰＶを取出してフィードバ
ックをかけるように構成されている。

まず、第３図を用いて制御偏差信号Ｅ　（ｓ）の応答式
を求めると、 次に、これらの式から制御偏差信号Ｅ　（ｓ）を求める
と、 となる。（２）式において、右辺の第１項が“目標値変
化時の偏差成分゛°てあり、第２項が“外乱変化時の偏
差成分”である。

まず、目標値変化に対する定常偏差ｅｓｖを求める。こ
の定常偏差ｅｓｖを求めるためには、“最終値の定理゛
°を用いるのが良い。いま、目標値のみステップ的にａ
だけ変化させた時は、５Ｖ＝ａ／Ｓ、Ｄ　（ｓ）＝Ｏで
あるので、″最終値の定理“を用いて、 ・・（３） を得る。この目標値変化によるオフセットｅｓｖを小さ
くするためには、Ｐ（０）・Ｃ（ｏ）　、つまり直流に
対する一巡ゲインを大きくすればよく、積分特性を有す
るプロセスの場合には、Ｐ　（ｓ）　−Ｐｏ　（ｓ）／
Ｓ　　（Ｐｏ　（ｓ）　”ｑＯ）　　　＝１４）である
ために、Ｐ　（ｏ）　＝”となり、コントローｅ　（ｓ
）のＣ（ｏ）は有限でよく、積分特性を持たない方が良
い。すなわち、コントローラｅ（Ｓ）が積分特性を持っ
ていると、２重積分となって制御性が劣化する。従って
、Ｃ（ｓ）は比例（Ｐ）または比例・微分（Ｐ　Ｄ）動
作で良いことになる。

次に、外乱のみをステップ的にｂだけ変化させた時には
、Ｄ　（ｓ　）　＝　ｂ　／　Ｓ　、　Ｓ　Ｖ　＝　０
であるので、外乱変化によるオフセットをｅＤとすると
、“最終値の定理”を用いて、 ・・・（５） ヲ得る。ここで、積分特性を有するプロセスであるので
、（４）式からＰ　（ｏ）−■となり、（５）式はｅＤ
≧ｂ／Ｃ（０）となり、これを小さくするためには、必
ずＣ（ｏ）を小さくしなければならない。従って、コン
トローラの伝達関数Ｃ（ｓ）が Ｃ（ｓ）＝Ｃｏ（ｓ）／Ｓ　　［ｃｏ（ｏ）＝ｏ）　　
　　−−−（６）の形、つまり積分特性を持っていなけ
ればならないことになる。

さて次に、以上のような点から、従来の積分特性を有す
るプロセス用の制御装置についてみてみる。第４図は、
この種のプロセス制御装置の一例を示す機能ブロック図
である。第４図は、一般的な比例・積分（ＰＩ）制御装
置であり、積分特性を有する制御対象５からのプロセス
ｍ　Ｐ　Ｖとプロセス量の１］標値信号ＳＶとを、減算
手段６に導いてその差をとって制御偏差信号ｅｎ　＝Ｓ
Ｖ−ＰＶを求め、これをＰＩ調節演算手段７に導いて当
該制御偏差信号ｅｎが零となるように比例・積分（ＰＩ
）調節演算を行ない、その出力を操作信号ＭＶとして制
御対象５に印加して、プロセス量ＰＶが目標値信号Ｓ■
と一致するように制御をかけるように構成されている。

ところで、このようなプロセス制御装置では、前述した
ように定値制御の場合は問題ないが、目標値変化が加わ
ると問題となる。すなわち、前述したように外乱変化に
対しては比例・積分（ＰＩ）動作が最適であるが、目標
値変化に対しては比例（Ｐ）動作が最適であり、積分（
Ｉ）動作は邪魔となる。従って、積分特性を有するプロ
セスの制御においても、最近のように目標値変化をさせ
るケースが不可欠になってくると、上述のような問題を
何とか解消して、積分特性を有するプロセスの高度化を
図ることが必要となってくる。特に、今後のプラント運
転はフレキシブル化、最適化に重点移行しつつあり、そ
のために積分特性を有するプロセスにおいても、従来の
定値制御からボイラ蒸気圧力の変圧運転化等のように、
−目標値を自在に変化させるニーズが強くなってきてい
る。

（発明か解決しようとする課題） 以上のように、従来の積分特性を有するプロセス用の制
御装置では、外乱抑制特性と目標値追従特性との双方の
特性を同時に最適化することができないという問題かあ
った。

本発明の目的は、外乱抑制特性と目標値追従特性との双
方の特性を同時に最適化することができ、目標値変化に
対する制御性の向上を図ることが可能なプロセス制御装
置を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記の１」的を達成するために、 第１の本発明では、積分特性を有する制御対象からのプ
ロセス量と、このプロセス量の目標値信号との偏差信号
に基づいて比例調節演算を行なう比例演算手段と、比例
演算手段からの出力信号に基づいて少なくとも積分調節
演算を行なう調節演算手段と、比例演算手段からの出力
信号と調節演算手段からの出力信号とを加算合成し、こ
れを制御対象への操作信号として出力する加算手段と、
プロセス量の目標値信号の変化を検出したことを条件に
、当該目標値信号の変化中および変化がなくなってから
所定時間内は、調節演算手段に対する比例演算手段から
の出力信号の人力を阻止する手段とを備えて構成し、 また第２の本発明では、積分特性を有する制御対象から
のプロセス量と、このプロセス量の目標値信号との偏差
信号に基づいて少なくとも比例・積分調節演算を行ない
、この調節演算信号を制御対象への操作信号として出力
する調節演算手段と、プロセス量の目標値信号の変化を
検出したことを条件に、当該ｌ」標値信号の変化中およ
び変化がなくなった後所定時間たけ、調節演算手段の積
分時間を上記以外の状態における正規の積分時間よりも
大きい時間に変更設定する手段とを備えて構成している
。

（作用） 従って、第１の発明においては、プロセス瓜］０ の目標値信号の変化中および変化がなくなってから所定
時間内は、調節演算手段の積分動作が停止されることに
より、外乱変化に対しては比例動作と積分動作の双方で
、また目標値変化に対しては比例動作のみでそれぞれ制
御が行なわれる。また、第２の発明においては、プロセ
ス量の目標値信号の変化中および変化がなくなってから
所定時間内は、調節演算手段の積分時間が正規の積分時
間よりも大きい時間に変更設定されることによって、等
価的に積分動作が行なイつれないことにより、同様に外
乱変化に対しては比例動作と積分動作の双方で、また目
標値変化に対しては比例動作のみてそれぞれ制御が行な
われる。

これにより、外乱抑制特性と目標値追従特性とを同時に
最適にすることができ、目標値変化に対する制御性の向
上を図ることが可能となる。

（実施例） 本発明のプロセス制御装置は、積分特性を有するプロセ
スが、本来プロセスの蓄積効果を有効利用するものであ
ることから、その目標値変化と絶えずランダムに変化す
るのではなく、ステップ状またはランプ状に変化させて
から定値に保つというような変化を繰返すため、このよ
うな積分特性を有するプロセスの特質を利用し、目標値
変化を検出して目標値が変化中および変化がなくなった
後所定時間内と、これ以外の正規の状態とで積分動作を
切換えることにより、目標値変化と外乱変化に対して最
適に制御しようとするものである。

以下、上記のような考え方に基づく本発明の一実施例に
ついて、図面を参照して詳細に説明する。

第１図は、本発明による積分特性を有するプロセス用の
制御装置の構成例を示す機能ブロック図である。すなわ
ち、本実施例のプロセス制御装置は第１図に示す如く、
減算手段８と、比例演算手段である比例ゲイン手段９と
、調節演算手段である積分手段１０と、加算手段１１と
、変化検出手段１２と、オフデイレイ手段１３およびそ
の出力接点１３ｂとから構成している。

ここで、減算手段８は、積分特性を有する制御対象１４
からのプロセスｆｉＰＶと、このプロセス量の目標値信
号ＳＶとの偏差信号ｅｎ　＝ＳＶＰＶを得るものである
。また、比例ゲイン手段９は比例ゲインＫ　ｐを有して
おり、減算手段８からの偏差信号ｅ　１１に基づいて比
例調節演算を行ない比例ゲインＫ　ｐを乗じるものであ
る。さらに、積分手段１０は積分時間Ｔ、を有しており
、接点１３ｂを介して入力される比例ゲイン手段９から
の出力信号に基づいて積分調節演算を行なうものである
。さらにまた、加算手段１１は、比例ゲイン手段９から
の出力信号と積分手段１０からの出力信号とを加算合成
し、これを制御対象１４への操作信号ＭＶとして出力す
るものである。

一方、変化検出手段１２は、プロセス量の目標値信号Ｓ
■の変化を検出すると動作するものである。また、オフ
デイレイ手段１３は、変化検出手段１２からの動作（５
号により動作し、かつ当該動作信号がなくなってから所
定時間（Ｔ）経過するまでその動作を保持するものであ
る。さらに、接点１３ｂは、オフデイレイ手段１３が動
作している時にのみ開路し、それ以外の時は閉路するも
のである。

次に、以上のように構成したプロセス制御装置の作用に
ついて説明する。

第１図において、プロセス量の目標値信号ＳＶの変化が
ない場合には、変化検出手段１２が動作しないためオフ
デイレイ手段１３も動作せず、その出力接点１３ｂは閉
路している。よってこの場合には、比例ゲイン手段９か
らの出力信号が接点１３ｂを通して積分手段１０に入力
されるため、積分手段１０では比例ゲイン手段９からの
出力信号に基づいて積分調節演算が行なわれる。そして
、加算手段１１では、比例ゲイン手段９からの出力信号
と積分手段１０からの出力信号とが加算合成され、これ
が制御対象１４へ操作信号ＭＶとして与えられる。従っ
て、かかる状態で外乱変化が発生した場合には、比例（
Ｐ）動作と積分（１）動作の双方で、制御対象１４の制
御が行なわれる。

次に、プロセス量の目標値信号Ｓｖが変化した場合には
、変化検出手段１２が動作するためオフデイレイ手段１
３も動作し、この時点で接点１３ｂか開路する。そして
この接点１３ｂは、変化検出手段１２か動作している間
、および動作信号がなくなってから所定時間（Ｔ）経過
するまで継続して開路している。よってこの場合には、
比例ゲイン手段９からの出力信号が積分手段１０に入力
されないため、積分手段１０での積分調節演算動作が強
制的に停止される。従って、このような１」標値信号Ｓ
Ｖの変化が発生した場合には、比例（Ｐ）動作のみで制
御対象１４の制御が行なわれる。

上述したように、本実施例によるプロセス制御装置では
、プロセス量の目標値信号Ｓｖの変化中および変化がな
くなってから所定時間（Ｔ）内は、積分手段１０の積分
（Ｉ）動作を停止して比例ゲイン手段９による比例（Ｐ
）動作のみを行ない、上記以外の状態では比例・積分（
ＰＩ）動作を行なうことにより、外乱変化に対しては比
例（Ｐ）動作と積分（１）動作の双方で、また目標値変
化に対しては比例（Ｐ）動作のみでそれぞれ制御を行な
うようにしたものである。

従って、積分特性を有するプロセスに対して、外乱抑制
特性と目標値追従特性との双方の特性を同時に最適化す
ることができ、目標値変化に対する制御性の向上を図る
ことが可能となる。これにより、積分特性を有するボイ
ラ蒸気圧力の変圧運転等を、安定にかつ高精度に実現す
ることができるようになり、プラントのフレキシブル化
や最適化に十分対処することが可能となり、プラント運
転の高度化に最適な、積分特性を有するプロセス用のプ
ロセス制御装置を得ることができる。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

第２図は、本発明による積分特性を有するプロセス用の
制御装置の他の構成例を示す機能ブロック図であり、第
１図と同一要素には同一符号を付して示している。すな
わち、本実施例のプロセス制御装置は第２図に示す如く
、減算手段８と、調節演算手段である比例・積分手段１
５と、変化検出手段１２と、オフデイレイ手段１３と、
積分時間設定手段１６および１７と、切換スイッチ１８
とから構成している。

１　に こで、減算手段８は、積分特性を有する制御対象１４か
らのプロセス量ＰＶと、このプロセス量の目標値信号Ｓ
Ｖとの偏差信号ｅｎ　−８ＶＰ■を得るものである。ま
た、比例・積分手段１５は比例ゲインＫｐ、および変更
設定自在な積分時間ＴＩを有しており、減算手段８から
の偏差信号ｅｎに基づいて比例・積分調節演算を行ない
、この調節演算信号を制御対象１４への操作信号として
出力するものである。

一方、変化検出手段１２は、プロセス量の目標値信号Ｓ
Ｖの変化を検出すると動作するものである。また、オフ
デイレイ手段１３は、変化検出手段１２からの動作信号
により動作し、かつ当該動作信号がなくなってから所定
時間（Ｔ）経過するまでその動作を保持するものである
。さらに、積分時間設定手段１６は、正規の積分時間Ｔ
１１を設定し、積分時間設定手段１７は、正規の積分時
間Ｔ１、よりも大きい積分時間Ｔ１２を設定するもので
ある。さらにまた、切換スイッチ１８は、オフデイレイ
手段１３が動作している時は積分時間設定手段１６側に
、オフデイレイ手段１３が動作していない時は積分時間
設定手段１７側にそれぞれ切換わるものである。

以上のように構成したプロセス制御装置において、プロ
セス量の目標値信号Ｓｖの変化がない場合には、変化検
出手段１２が動作しないためオフデイレイ手段１３も動
作せず、切換スイッチ１８は積分時間設定手段１６側に
切換わっている。よってこの場合には、比例・積分手段
１５の積分時間Ｔ、として、積分時間設定手段１６によ
りＴなる正規の積分時間が設定されるため、比例・積分
手段１５では減算手段８からの偏差信号ｅｎに基づいて
、比例ゲインＫｐおよび積分時間Ｔ１１に応じた比例・
積分（ＰＩ）調節演算が行なわれ、この調節演算信号が
制御対象１４へ操作信号として与えられる。従って、か
かる状態で外乱変化が発生した場合には、比例（Ｐ）動
作と積分（Ｉ）動作の双方で、制御対象１４の制御が行
なわれる。

次に、プロセス量の目標値信号ＳＶが変化した場合には
、変化検出手段１２が動作するためオフデイレイ手段１
３も動作し、この時点で切換スイッチ］８は積分時間設
定手段１７側に切換わる。

そしてこの切換スイッチ］８は、変化検出手段１２が動
作している間、および動作信号がなくなってから所定時
間（Ｔ）経過するまで継続して積分時Ｅ設定手段１７側
に切換わっている。よってこの場合には、比例・積分手
段１５の積分時間ＴＩとして、積分時間設定手段１７に
より正規の積分時間Ｔ１．よりも大きいＴ１２なる積分
時間が設定されるため、積分動作は実質」二行なわれず
、結果として比例・積分手段１５では減算手段８がらの
偏差信号ｅＱに基づいて比例（Ｐ）調節演算が行なわれ
、この調節演算信号か制御対象１４へ操作信号として与
えられる。従って、このような目標値信号ＳＶの変化が
発生した場合には、等測的に比例（Ｐ）動作のみで制御
対象１４の制御が行なわれる。

以上により、本実施例のプロセス制御装置においても、
積分特性を有するプロセスに対して、外乱抑制特性と目
標値追従特性との双方の特性を同時に最適化することが
でき、目標値変化に対する制御性の向上を図ることが可
能となる。

尚、上記実施例では、積分特性を有するプロセスの制御
として、ボイラ蒸気圧力制御に本発明を適用した場合に
ついて述べたが、これに限らず例えばタンク、檜のレベ
ル制御等、その他各種の積分特性を有するプロセスの制
御全般について、同様に本発明を適用することができる
ものである。

また、上記第１図の実施例では、調節演算手段が積分調
節演算を行なう積分手段１０である場合について述べた
が、これに代えて調節演算手段として積分・微分（ＩＤ
）調節演算を行なう積分・微分手段を備えるようにして
もよい。

さらに、上記第２図の実施例では、調節演算手段が比例
・積分調節演算を行なう比例・積分手段１５である場合
について述べたが、これに代えて調節演算手段として比
例（Ｐ）　　・積分・微分（ＩＤ）調節演算を行なう比
例・積分・微分手段を備えるようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、目標値変化を検出
して目標値が変化中および変化がなくなった後所定時間
内と、これ以外の正規の状態とで積分動作を切換えるよ
うにしたので、外乱抑制特性と目標値追従特性との双方
の特性を同時に最適化することができ、目標値変化に対
する制御性の向上を図ることが可能なプロセス制御装置
が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるプロセス制御装置の一実施例を示
す機能ブロック図、第２図は本発明によるプロセス制御
装置の他の実施例を示す機能ブロック図、第３図は積分
特性を有するプロセスの制御の特徴を説明するための図
、第４図は従来のプロセス制御装置の一例を示す機能ブ
ロック図である。 ８・・減算手段、９・・・比例ゲイン手段、１０・・・
積分手段、１１・・・加算手段、１２・・変化検出手段
、１３・・オフデイレイ手段、］４・制御対象、１５・
・・比例・積分手段、１６．１７・・・積分時間設定手
段、１８・・・切換スイッチ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）積分特性を有する制御対象からのプロセス量と、
   このプロセス量の目標値信号との偏差信号に基づいて比
   例調節演算を行なう比例演算手段と、 前記比例演算手段からの出力信号に基づいて少なくとも
   積分調節演算を行なう調節演算手段と、前記比例演算手
   段からの出力信号と調節演算手段からの出力信号とを加
   算合成し、これを前記制御対象への操作信号として出力
   する加算手段と、前記プロセス量の目標値信号の変化を
   検出したことを条件に、当該目標値信号の変化中および
   変化がなくなってから所定時間内は、前記調節演算手段
   に対する比例演算手段からの出力信号の入力を阻止する
   手段と、 を備えて成ることを特徴とするプロセス制御装置。
2. （２）積分特性を有する制御対象からのプロセス量と、
   このプロセス量の目標値信号との偏差信号に基づいて少
   なくとも比例・積分調節演算を行ない、この調節演算信
   号を前記制御対象への操作信号として出力する調節演算
   手段と、 前記プロセス量の目標値信号の変化を検出したことを条
   件に、当該目標値信号の変化中および変化がなくなった
   後所定時間だけ、前記調節演算手段の積分時間を前記以
   外の状態における正規の積分時間よりも大きい時間に変
   更設定する手段と、を備えて成ることを特徴とするプロ
   セス制御装置。