JPH02206801A - 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、制御対象のプロセス量を目標値に一致するよ
うに制御するフィードバック制御系と、プロセス量に影
響を与える外乱量を検出しその外乱量が制御対象に影響
を与える前に先回りして外乱の影響を抑制するように制
御するフィードフォワード制御系とを組合せたプロセス
制御装置に係わり、特に非ランダム外乱の影響を除去す
るプロセス制御装置に関する。

（従来の技術） 近年、生産量等を含む種々の負荷が変動するが、これら
変動の影響を如何に高速、高精度、かつ、安定に抑制制
御するかが１つの重要なテーマとなっている。特に、１
９９０年から２１世紀にかけて、ユーザによる多品種化
、生産量の変動。

高品質化などの要求が高まっており、これからも益々そ
の要求が高まりつつあり、それに柔軟に追従しうる本格
的なフレキシブルオートメーションの実現が強く要望さ
れている。

そこで、従来装置では、上記要望を満足させるために制
御対象のプロセス量が目標値に一致するように制御する
フィードバック（以下、ＦＢと略称する）制御系と、品
種、生産量２品質の１種または複数種の負荷変化による
外乱量を検出しその外乱の影響を打消す信号を先まわり
して与えるフィードフォワード（以下、ＦＦと略称する
）制御系とを組合せた。いわゆるＦ　Ｆ／Ｆ　Ｂ制御が
採用されている。

ところで、このＦ　Ｆ／Ｆ　Ｂ制御においては、常時Ｆ
Ｂ制御で得られる出力とＦＦ制御で得られる出力とを加
算合成し制御対象への操作出力を得る方式をとっている
。しかし、外乱の変化として例えば第３図に示すよにス
テップ状（イ）またはランプ状（ロ）に変化し、かつ、
それ以外のときに定常状態（ハ）に戻る非ランダム外乱
１例えば生産量の変更とか或いは連続焼鈍炉による板厚
変化等による負荷変化の場合、外乱変化時にＦＦ制御に
よって予測した操作量の変化がプロセス量に現われるま
での間に応答遅れやＦＦモデルの動的誤差などによる制
御偏差が生じ、これにより理論的に計算されたＦＦ制御
出力に不要なＦＢ制御出力が重畳され、ＦＦ＃御の効果
を大きく減殺する問題がある。

そこで、非ランダム外乱の場合、つまりＦＦ制御の動特
性補償信号が所定のレベル範囲を越えた過度状態のとき
ＦＢ制御を切離してＦＦ制御のみとし、かつ、動特性補
償信号が所定のレベル範囲のときＦＦ制御十ＦＢ制御と
することにより、ＦＦ制御とＦＢ制御との選択組合せに
より対処している。

第４図はかかる従来装置のブロック構成を示す図である
。すなわち、この制御装置は、制御対象１からのプロセ
ス量をプロセス量検出手段２で検出し、この検出プロセ
ス量と目標値設定手段３で設定されたプロセス量の目標
値とを偏差演算手段４に導入し、この偏差演算手段４に
て偏差信号ｅｎ　＝ＳＶｎ−ＲＶｎを得る。この偏差信
号ｅｎは速度形ＰＩ調節演算手段５に導入し、ここで速
度形Ｐｌ：Ａ節演算出演算出力信号として、ΔＣｎ　−
ｋｐ　１（ｅｎ　−ｅｎ−１）＋（ｒ／Ｔ＋　）　・ｅ
ｎ　）を得る。この式においてｋｐ：比例ゲイン、Ｔ１
　：積分時間、τ：制御周期、ｅｎ：今回の制御偏差、
ｅｎ−１：前回の制御偏差である。

一方、ＦＦ制御系においては、外乱量検出手段１１で負
荷変化などの外乱量Ｄｎを検出した後、この外乱量Ｄｎ
に対し係数手段１２にてフィードフォワードゲインｋを
乗じてフィードフォワード制御信号ＦＦｎを得た後、こ
のフィードフォワード制御信号ＦＦｎを静特性補償系と
動特性補償系に２分する。この静特性補償系は、位置形
フィードフォワード制御信号ＦＦｎを位置形／速度影信
号変換手段１３で速度影信号に変換した後加算手段６へ
導入し、ここで速度影信号と前記速度形ＰＩ調節演算手
段５からの速度影信号ΔＣｎとを加算合成して６Ｍ　Ｖ
　ｎを得、さらに後続の速度形／位置形信号変換手段７
へ導入し、 ＭＶｎ−ＭＶｎ−１＋ΔＭ　Ｖ　ｎ なる演算を行って位置形信号Ｍ　Ｖ　ｎに変換する機能
を持っている。一方、動特性補償系は、前記位置形フィ
ードフォワード制御信号ＦＦｎを動特性補償手段１４に
より不完全微分し、得られた信号Ｘｎを前記速度形／位
置形信号変換手段７の出力ＭＶｎと共に加算手段８に導
入して加算合成して操作信号を得、この操作信号を制御
対象１に印加して目標値ＳＶｎとプロセス量ＰＶｎとが
一致するように制御する。

また、動特性補償系は、動特性補償手段１４の出力側に
信号レベル判別手段１５が設けられ、ここで動特性補償
信号Ｘｎと所定のレベル範囲を持つ信号とを比較し、動
特性補償信号Ｘｎが所定レベル範囲内のとき前記速度形
ＰＩ調節演算手段５と加算手段６との間のスイッチ９を
オンしてＦＦ制御＋Ｆ　Ｂ　＠ＩＩ御とし、前記動特性
補償信号ｘｎが所定のレベル範囲外のとき、っまり外乱
の発生による過度状態のときにはスイッチ９をオフし、
ＦＢ制御系の出力を制限しＦＦ制御のみにより制御対象
１を制御する構成である。

（発明が解決しようとする課題） しかし、以上のようなプロセス制御装置においては、次
のような点が問題とされている。

（１）　先ず、従来装置は、偏差演算手段４からの偏差
を速度形ＰＩ調節演算を行っているが、実際のコントロ
ーラでは操作量変化ΔＭＶの上下域値や速度形／位置形
信号変換手段７での上下限値を設定しているので、速度
形ＰＩ調節演算出力がこれら上下限値に引掛かると、そ
の上下限値を越えた分が切捨てとなり、これが制御性お
よび安定性を著しく低下させる原因となっている。その
理由は、例えばＰ成分の調節演算出力は偏差零のときに
は必ず零にならなければならないという「Ｐ動作の本質
」があるが、変動性の強いＰ成分が切捨てられている限
りＰ成分が零に戻らなくなり、そのためＰ動作の本質が
歪曲され、それを１成分で補償することになるので速度
が遅くなって制御性、安定性および安全性が著しく低下
する。

（２）　また、制御偏差を有する状態で外乱が入ってく
ると、信号レベル判別手段１５でスイッチ９をオフとす
るためＦＢ制御が完全に切離され、その結果、いくらＦ
Ｂ制御を理想的に実行しても、当初あった制御偏差がス
イッチ９のオフによりそのまま残っている。その結果、
ＦＢ制御が生きた後に制御偏差が零となるように制御す
るため、どうしても制御偏差を除去するのが遅れる。

このように従来の装置では、Ｐ１制御の本質を歪曲した
不完全なＦＢ制御を行っており、これにＦＦ制御を組合
せているので、制御性、安定性および安全性の点で問題
がある。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、ＰＩ制御で
のＰ動作および！動作の特質を有効に生かしつつ、ＦＢ
制御とＦＦ制御とを適切な状態で組合せることにより、
外乱の変化に対して制御性、安全性および安定性を高め
うるプロセス制御装置を提供することを目的とする。

Ｃ発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明は上記課題を解決するために、制御対象のプロセ
ス量と目標値との偏差を偏差演算手段で取出しこの偏差
を零とする調節演算を行うフィードバック制御系と、外
乱量にフィードフォワード係数を乗じて得られた位置形
フィードフォワード制御信号を用いて外乱補償を行うフ
ィードフォワード制御系とを組合せてなるプロセス制御
装置において、前記偏差演算手段からの偏差を用いて速
度形積分：Ａ節演算を行う速度形積分調節演算手段と、
前記偏差演算手段からの偏差を用いて位置形比例調節演
算を行う位置形比例調節演算手段と、前記前外乱量から
得られた位置形フィードフォワード制御信号を速度形信
号に変換しこの速度形信号を前記速度形積分調節演算手
段の出力に加算合成する静特性補償手段と、この静特性
補償手段によって得られた加算合成信号を位置形信号に
変換する速度形／位置形信号変換手段と、前記位置形フ
ィードフォワード制御信号を用いて動特性補償信号を得
、この信号を前記速度形／位置形信号変換手段の出力に
加算合成する動特性補償手段と、この動特性補償手段に
よって得られた加算合成信号と前記位置形比例調節演算
手段の出力とを加算合成し得られた加算合成信号を操作
信号として前記制御対象に印加する加算手段と、前記動
特性補償手段から出力された動特性補償信号のレベルを
判別し外乱の発生による過度状態のとき前記速度形積分
調節演算手段の出力を制限する積分調節演算出力制限手
段とを備えたものである。

なお、積分調節演算出力制限手段には動特性補償信号の
レベルを判別し、所定のレベル範囲を越えたときにオフ
制御信号を出力して速度形積分調節演算手段の出力を完
全に切り離し、または「０」の関数信号を発生して速度
形積分調節演算手段の出力に乗算し、積分調節演算出力
を制限する構成となっている。

（作用） 従って、本発明は以上のような手段を講じたことにより
、非ランダム外乱の発生よる過度状態のとき、動特性補
償手段の出力レベルは積分調節演算出力制限手段で予め
定めた所定レベル範囲外となるので、速度形積分調節演
算手段の出力側にスイッチを設けているときオフ制御信
号を出力して前記スイッチをオフし、また速度形積分調
節演算手段の出力側に乗算手段を設けているときには「
０」なる関数信号を乗算手段に導入して速度形積分調節
演算手段の出力を制限し、積分動作なしのＦＢ制御系と
ＦＦ制御系との組合せによる制御を行う。これによって
外乱の発生による過度状態には調節演算出力を蓄積する
積分動作が停止し、比例動作だけが生きているので外乱
発生時に存在する制御偏差をこの比例動作により除去で
きる。

一方、外乱発生後の定常状態のときには速度形積分調節
演算手段の出力を制限することなくＦＢ制御系とＦＦ制
御系との組合せとすることにより、本来の制御を確実に
実行する。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について第１図を参照して説明
する。なお、同図において第４図と同一部分には同一符
合を付してその詳しい説明は省略し、以下、特に従来装
置と比較して異なる部分について説明する。すなわち、
本装置は、ＦＢ制御のＰＩ酸成分分離し、その積分動作
および比例動作の特質に応じて適宜使い分けしながら、
そのＦＢ制御出力をＦＦ制御出力に加算合成する方式で
ある。具体的には、偏差演算手段４の出力側を２分岐し
、その一方分岐端側に速度形積分調節演算手段２１を接
続するとともにこの速度形積分調節演算手段２１の出力
側にスイッチ９を接続することにより、外乱の発生によ
る過度状態時にＦＢ制御の積分成分のみを制限する構成
である。ここで、積分調節演算手段２１として速度形を
用いたのは、ＰＩ制御の本質、つまり積分動作は偏差零
のときその出力が不定位となり、上下限値を逸脱したと
きには信号を切捨ててもよいこと、速度形演算方式が他
の信号との複合組合せが容易であること、さらに過度状
態の外乱補償時には信号の蓄積作用を持つ有害な作用を
もたらす積分動作を切離す方が有効であること等による
。

一方、前記偏差演算手段４の他方分岐端側には外乱の発
生の有無に拘らず偏差を比例調節演算を行う位置形比例
調節演算手段２２を接続するとともに、前記加算手段８
と制御対象１の間に加算手段２３を設け、この加算手段
２３で前記位置形比例調節演算手段２２の出力と前記加
算手段８の出力とを加算合成して操作信号を得る構成で
ある。

なお、比例調節演算手段２２を位置形としたのは、この
比例調節演算出力のカットの有無に拘らず、偏差零のと
きには必ず零に戻るので、ＰＩ制御の、本質を歪曲する
ことがなく、また外乱が入ったときの偏差を比例動作に
より除去できるためである。

次に、以上のように構成された装置の動作を説明する。

制御対象１からのプロセス量ＰＶｎをプロセス量検出手
段２で検出し、このプロセス量ＰＶｎと目標値設定手段
３から出力されたプロセス量の目標値ＳＶｎとを偏差演
算手段４に導入し、ここで偏差信号ｅｎ　−５Ｖｎ−Ｐ
Ｖｎを得る。

この偏差信号ｅｎは後続の速度形積分調節演算手段２１
および位置形比例調節演算手段２２へ送出される。この
速度形積分調節手段２１では制御周期ごとに積分調節演
算を行うことにより、ΔＣ１ｎ−ｋｐ　　　　（ｒ／Ｔ
Ｉ　）　　―　ｅｎを得る。この式においてｋｐ：比例
ゲイン、τ：制御周期、Ｔ１　：積分時間である。

ここで、負荷変動に伴ってステップ状またはランプ状の
外乱が生じたとき、外乱量検出手段１１はその外乱量Ｄ
ｎを検出した後、この外乱量Ｄｎに係数手段１２でフィ
ードフォワードゲインｋを乗じて位置形フィードフォワ
ード制御信号ＦＦｎを得る。しかる後、この位置形フィ
ードフォワード制御信号ＦＦｎは静特性補償分と動特性
補償分に２分され、そのうち後者の動特性補償分では動
特性補償手段１４にて位置形フィードフォーワード制御
信号ＦＦｎを不完全微分し、得られた不完全微分値Ｘｎ
を信号レベル判別手段１５および加算手段８に供給する
。この信号レベル判別手段１５は予め定常状態にランダ
ムノイズを除去する程度の所定の上下限値±δが設定さ
れており、前記不完全微分値Ｘｎが上下限値±δを越え
たとき。

つまり外乱発生時の過度状態のときにオフ制御信号を出
力してスイッチ９をオフ状態に設定する。

その結果、偏差信号ｅｎを用いて制御周期τごとに速度
形積分調節演算手段２１で得られる積分調節演算出力Δ
Ｃ１ｎが制限され、加算手段６には静特性補償信号のみ
が入力される。すなわち、位置形フィードフォワード制
御信号ＦＦｎを位置形／速度影信号変換手段１３で速度
影信号に変換され、これが加算手段６を経てΔＭＶ１ｎ
として速度形７位ば影信号変換手段７に送られる。ここ
で、・速度形／位置形信号変換手段７は、 Ｍ　Ｖ　ｉｎ　−Ｍ　Ｖ　１ｎ−１＋ΔＭＶ１ｎなる演
算を行って位置形信号ＭＶｉｎに変換した後加算手段８
に導入する。従って、この加算手段８では位置形信号Ｍ
Ｖ１ｎと動特性補償手段１４からの不完全微分値Ｘｎと
を加算し、この加算値を更に後続の加算手段２３に導入
する。この加算手段２３では前記加算手段８からの加算
合成値と前記偏差信号ｅｎを用いて位置形比例調節演算
手段２２で得た比例調節演算出力とを加算合成し、この
加算合成値を操作信号Ｍ　Ｖ　ｎとして制御対象１に印
加することにより、目標値ＳＶｎとプロセスｊｌ　Ｐ　
Ｖ　ｎとが一致するように制御する。

しかして、非ランダム外乱の過度状態経過後、つまり定
常状態には動特性補償手段１４で得られる不完全微分値
Ｘｎは所定の上下限値内に入っており、スイッチ９はオ
ン状態にあるので、速度形積分調節演算手段２１の出力
ΔＣ１ｎはスイッチ９を通って加算手段６に送られ、Ｆ
Ｆ制御系の静特性補償出力、つまり位置形／速度影信号
変換手段１３の出力とで加算合成されてΔＭＶ１ｎが得
られ、これが速度形／位置形信号信号変換手段７で位置
信号Ｍ　Ｖ　ｉｎに変換された後、加算手段８に導入さ
れる。この加算手段８では位置信号ＭＶ１ｎとＦＦ制御
系の動特性補償出力Ｘｎとを加算し、さらに加算手段２
３にて加算合成値に比例調節演算出力を加算合成して制
御対象１への操作信号Ｍ　Ｖ　ｎを得るものである。

従って、以上のような実施例の構成によれば、ＰＩ副制
御速度形積分調節演算手段２１と位置形比例調節演算手
段２２に分離し、外乱量に応じて得られ動特性補償手段
１４の出力Ｘｎを信号レベル判別手段１５にて所定の上
下限範囲内に有るか否かを判別し、外乱発生時の過度状
態のときに信号レベル判別手段１５から信号を出力して
前記速度形積分調節演算手段２１の出力を制限し、積分
動作なしのＦＢ制御十ＦＦ制御としたことにより、調節
動作の中の蓄積効果を持つ有害な積分動作を停止させる
ことができ、一方、位置形比例調節演算手段２２が生き
ているので、外乱が入ったときの偏差を比例動作によっ
て除去でき、制御偏差をそのまま残留させることはない
。また、積分動作を速度形調節演算とし、かつ、比例動
作を位置形調節演算とすることにより、積分動作と比例
動作の特質を十分に生かしつつ最適な演算を行うことが
でき、完全なＦＢ制御とＦＦ制御とを結合させて制御性
、安定性および安全性を高めることができる。

次に、第２図は本発明装置の他の実施例を示す構成図で
ある。すなわち、この装置は速度形積分調節演算手段２
１の出力を制限する手段を改良したものであって、具体
的には前記スイッチ９に代えて乗算手段３１を設け、ま
た信号レベル判別手段１５に代えて関数発生手段３２を
設け、動特性補償手段１４の出力Ｘｎが、 ■　−δ≦Ｘｎ≦十δのとき・・・・・・・・・　　　
関数発生手段出力Ｋｎ　−１ ■　Ｘｎ＜δまたは＋δ＜Ｘｎのとき・・・・・・関数
発生手段出力Ｋｎ　−０ なる関係にあるとき、その関数発生手段３２の出力を乗
算手段３１に導き、ここで速度積分調節演算手段２１の
出力ΔＣ１ｎに乗することにより、ＦＢ制御の積分動作
を制限する構成である。

以上のような構成であれば、第１図と同様な効果を有す
る。

なお、本発明はＰＩ制御について述べたが、実際にはＦ
Ｂ制御に微分（Ｄ）を付加したＰＩＤ制御であっても、
同様な技術手段に基づいて実現できる。その他、本発明
その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、ＰＩ制御において
Ｐ動作と１動作を分離し、Ｐ動作を位置形演算とし、か
つ、！動作を速度形演算とすることにより、ＰＩ制御の
本質を生かしつつ、複合組合せ演算が容易であるとする
速度形演算の特長を継承し、完全なＦＢ制御とＦＦ制御
との完全な形の組合せにより制御を実行でき、また動特
性補償が行われている過度状態においては調節動作の中
の蓄積効果を持つ有害なＩ動作のみを停止することによ
り、外乱入力時の偏差をＰ動作で完全に除去できる。よ
って、非ランダム外乱に対して制御性、安定性および安
全性の高め得、今後のプラント運転システムのフレキシ
ブル化のニーズに大きく貢献するプロセス制御装置を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例を説明する機能ブロック
構成図、第２図は本発明の他の実施例を説明する機能ブ
ロック構成図、第３図は非ランダム外乱を説明する図、
第４図は従来装置の機能ブロック図である。 １・・・制御対象、２・・・プロセス量検出手段、３・
・・目標値設定手段、４・・・偏差演算手段、７・・・
速度形／位置形信号変換手段、９・・・スイッチ、１１
・・・外乱量検出手段、１２・・・係数手段、１３・・
・位置形／速度影信号変換手段、１４・・・動特性補償
手段、１５・・・信号レベル判別手段、２１・・・速度
積分調節演算手段、２２・・・位置形比例調節演算手段
、２３・・・加算手段、３１・・・乗算手段、３２・・
・関数発生手段。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）制御対象のプロセス量と目標値との偏差を偏差演
   算手段で取出しこの偏差を零とする調節演算を行うフィ
   ードバック制御系と、外乱量にフィードフォワード係数
   を乗じて得られた位置形フィードフォワード制御信号を
   用いて外乱補償を行うフィードフォワード制御系とを組
   合せてなるプロセス制御装置において、 前記偏差演算手段からの偏差を用いて速度形積分調節演
   算を行う速度形積分調節演算手段と、前記偏差演算手段
   からの偏差を用いて位置形比例調節演算を行う位置形比
   例調節演算手段と、前記外乱量から得られた位置形フィ
   ードフォワード制御信号を速度形信号に変換しこの速度
   形信号を前記速度形積分調節演算手段の出力に加算合成
   する静特性補償手段と、この静特性補償手段によって得
   られた加算合成信号を位置形信号に変換する速度形／位
   置形信号変換手段と、前記位置形フィードフォワード制
   御信号を用いて動特性補償信号を得、この信号を前記速
   度形／位置形信号変換手段の出力に加算合成する動特性
   補償手段と、この動特性補償手段によって得られた加算
   合成信号と前記位置形比例調節演算手段の出力とを加算
   合成し得られた加算合成信号を操作信号として前記制御
   対象に印加する加算手段と、前記動特性補償手段から出
   力された動特性補償信号のレベルを判別し外乱の発生に
   よる過度状態のとき前記速度形積分調節演算手段の出力
   を制限する積分調節演算出力制限手段とを備えたことを
   特徴とするプロセス制御装置。
2. （２）積分調節演算出力制限手段は、前記動特性補償信
   号のレベルが定常状態のときに重畳されるノイズを除く
   所定のレベル範囲外となったとき、オフ制御信号または
   零の関数信号を出力する手段と、前記速度形積分調節演
   算手段の出力側にスッチまたは乗算手段が設けられ、前
   記オン制御信号のときに前記スイッチをオフ状態とし、
   また零の関数信号のとき前記乗算手段に乗算信号として
   入力する手段とを有する特許請求の範囲第１項記載のプ
   ロセス制御装置。