JPH0277801A - セルフチューニングコントローラ - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、むだ時間のあるプロセスに対応するセルフチ
ューニングコントローラの改善に関する。

（従来の技術） 第４図に基づいて従来のエキスパート法によるセルフチ
ューニングコントローラの一例を説明する。

１はむだ時間を有するプロセス、２は設定値Ｒとプロセ
スの測定値Ｙの偏差ＥをＰＩＤ制御演算して操作出力Ｕ
をプロセスに供給するＰＩＤコントローラ手段である。

３はセルフチューニング機能であり、外乱又は設定値Ｒ
の変更に伴う操作出力Ｕと測定値Ｙの波形を分析する波
形分析手段、５はこの波形分析手段の出力を受けるＰＩ
Ｄパラメータ調整手段であり一分析結果と理想的なステ
ップ応答波形に対する差に基づいて知識ベース６による
エキスパート情報により理想的なステップ応答波形を実
現するためのパラメータＫｐ　、　Ｔｉ　、　’Ｉ’ｄ
の修正情報をＰＩＤコントローラ手段に発信する。この
様なセルフチューニングコントローラ、他の方式による
セルフチューニングコントローラについては、例えばオ
ーム社発行「計装システムの基礎と応用」等の文献に詳
細に紹介されている。

（発明か解決しようとする課題） この様なセルフチューニングコントローラをあるプロセ
スの制御に適用する場合には通常そのプロセスパラメー
タであるＫ（プロセスゲイン）。

１′（プロセス時定数）、■−７（むだ時間）は予め知
られていることを前提として制御パラメータの初期値を
設定するが、特にむだ時間りが大きいプロセスでは制御
パラメータのみのチューニングではよい制御結果が得ら
れない場合か多い。

むだ時間が大きいプロセスに対する補償手段としては、
第５図に示すような操作出力Ｕを入力し補償出力ｃｔ発
信するオツトースミス補償手段７をＰＩＤコントローラ
手段に並列に設けることが周知の手段としてよく用いら
れている。

しかしながら、この補償手段はプロセスのパラメータが
正確に知られていないと有効に動作しない。

一般に、プロセスのパラメータを事前に正確に知ること
は極めて歎しく、このためにプラントのスタートアップ
のときに補償手段を含めたコントローラのチューニング
を行うことになるが、むだ時間補償手段を付けたことに
より、チューニングすべきパラメータがコントローラの
Ｐ、Ｉ、Ｄパラメータに加えてむだ時間補償手段必要な
に、Ｔ。

Ｌの３パラメータが加わり、計６個のパラメータのチュ
ーニングとなり、その作業は極めて困誼で煩雑なものと
なる。

多くの場合、ファインチューニングは事実上不可能に近
く、オペレータは途中でギブアップして適当なパラメー
タ設定で諦めるケースが多い。

本発明は、オツトースミス補償手段を組み合わせたセル
フチューニングコントローラにおけるこの様なパラメー
タ同定の問題点を解消したコントローラの提供を目的と
する。

（課題を解決するための手段） 本発明の構成上の特徴は、むな時間を有するプロセスの
測定値と設定値との偏差を制御演算してその操作出力を
上記プロセスに供給するＰＩＤコントローラ手段と、上
記操作出力を入力し上記むだ時間に関連する補償信号を
上記コントローラ手段の入力側に与えるオツトースミス
補償手段と、上記操作出力と上記測定値を入力して上記
プロセスのパラメータを推定するパラメータ推定手段と
、上記偏差の大きさに関連して上記パラメータ推定手段
ご起動する推定開始検出手段と、上記パラメータ推定手
段の推定結果に基づいて上記ＰＩＤコントローラ手段に
対して最適演算パラメータをダウンロードすると共に上
記オツトースミス補償手段にプロセスパラメータ情報を
ダウンロードするチューニングパラメータ演算手段とを
具備せしめた点にある。

（作用） ＰＩＤコントローラ手段は、むだ時間を有するプロセス
の測定値と設定値との面差を制御演算してその操作出力
を上記プロセスに供給する。

オツトースミス補償手段は、操作出力を入力しむだ時間
に関連する補償信号をコントローラ手段の入力側に与え
る。

パラメータ推定手段は、操作出力と測定値を入力してプ
ロセスのパラメータを推定する。

推定開始検出手段は、偏差の大きさに関連してパラメー
タ推定手段を起動する。

チューニングパラメータ演算手段は、パラメータ推定手
段の推定結果に基づいてＰＩＤコントローラ手段に対し
て最適演算パラメータをダウンロードすると共にオツト
ースミス補償手段にプロセスパラメータ情報をダウンロ
ードする。

（実施例） 第１図に基づいて本発明の詳細な説明する。

第４図、第５図で説明した要素と同一要素には同一符号
を付して説明を省略し、本発明の特徴部についての説明
を追加する。

８はパラメータ推定手段であり、操作出力Ｕと測定値Ｙ
を入力してプロセスのパラメータに、Ｔ。

Ｌを推定する。

９は推定開始検出手段であり〜偏差Ｅの大きさを監視し
、一定値以上に大きくなったときにパラメータ推定手段
８を起動する。

１０はチューニングパラメータ演算手段であり、パラメ
ータ推定手段８の推定結果に基づいてＰＩＤコントロー
ラ手段２に対して最適演算パラメータＫ　、′■゛　、
Ｔｄをダウンロードすると共にオｐ　　　　　　１ ットースミス補償手段７にプロセスパラメータＫ。

’Ｉ’、Ｌをダウンロードして前回値を更新する。

１１はプロセスのパラメータを推定している期間オフに
制御されるスイッチ手段であり、推定アルゴリズムご簡
単にするなめにむだ時間補償出力Ｃの供給を中断するた
めの機能を有する。

次に、１次遅れ士むな時間プロセスのパラメータに、”
Ｉ’、Ｌ推定の手法につき説明する。プロセス特性Ｇｐ
（ｓ）は、 Ｇｐ　　（ｓ　）　＝Ｙ　（ｓ　）　／’ＬＪ　（ｓ　
）−　Ｋ　　・　　ｅ　　　　　　　　／（ゴｓ　　＋
　　１．　　）　　　　　　　　　（１）これを微分方
程式表現で、 ’Ｉ’−ｄｙ／ｄｔ、　　＋　ｙ＝Ｋｕ　　　（ｔ−１
−）ｙ＝−ｙ／１”＋Ｋｕ　　（’ｒ−Ｌ）／Ｔ＝Ａｙ
＋ｂｕ（ｔ−１、）　　　　　　　　　　　　　（２）
となる。第１図の制御系は実際にはディジタル制御装置
で実現され。サンプル値制御系となるので、（２ン式を
離散時間形式に書き換える。（２）式は簡単な１次系で
あるが、高次系の一般化を考えて変形の過程を示すと、 ｙ　（ｋ）−Φ（θ）ｙ（ｋ−１） ＋Ｄ（θ）　ｕ　（ｋ−１−ｅ　）　　　　　＜３＞こ
こで、θはサンプリング間隔、ｇ＝Ｌ／θの整数である
。

状態遷移行列Φ（１）は、 Φ（ｔ）−ｅＡｔ＝ｅ−↑／■より、 Φ（θ）−ｅ−θ／Ｔ　　　　　　　　　　　　（４）
またＤ（θ）は、 Ｄ（θ）−ｆ′Φ（λ）Ｂｄλ θ　−ｔ／Ｔ ＝ｆ、ｅ　　　　−Ｋｄλ／Ｔ θ　−ｔ／Ｔ ＝Ｋｆ、ｅ　　　−ｃｌλ／Ｔ づ／■ρ ＝Ｋ（−入）〔ｅ　　〕 一θ／■ −Ｋ（１−ｅ　　　　）　　　　　　　（５）（４）、
（５）式より、（３）式は、 −θ／■ ｙ　　（ｋ）　　＝ｅ　　　　　　ｙ　　（ｋ−１）−
〇／１ 十Ｋ　（１−ｅ　　　　）　ｕ　（ｋ−１−ｅ　）＝ａ
１ｙ　（ｋ−１） 十ｂ　１ｕ　（ｋ　　１　　ｅ　）　　　　　　（６）
となる。

次に、（６）式の係数ａ１．ｂ１を推定することにより
フ゛ロセスパラメーター゛、Ｋを推定する手順について
説明する。く６）式をパラメータ推定のために次のよう
に書き換える。

ｙ（ｋ）＝７’　（ｋ）Ａ（ｋ）＋ｅ　　（ｋ＞「 ここで、 Ｚ”　　（ｋ）　−［：ｙ　（ｋ−１＞　、　ｕ　（ｋ
−１−（１）　〕■ ｔＡ　（ｋ）＝［ａｌ　　（ｋ）、ｂｌ　Ｎｃ））ｅ　
　（ｋ）−ノイズ項 である。

（７）式をベースにパラメータ　を最小自乗法及び逐次
的に推定する方法については従来技術の欄で引用した文
献などにも解説されている周知の手法であるので、結果
だけを示せば、一般的に、久（ｋ）−代（ｋ−１＞ ＝Ｔ（ｋ）（ｇ”　（ｋ）久（ｋ−１）−ｙ（ｋ’））
　　　　　　（８） ここで、 γ（ｋ＞＝Ｐ　（ｋ−１）Ｚ　　（ｋ）　　＋　１十ｉ
ｒ、”　　（ｋ）Ｆ’　（ｋ−１）ｇ　（ｋ）　ｌ　−
１ＩＰ　（ｋ）　＝Ｐ　（ｋ−１）−γ（ｋ＞＝Ｐ　（
ｋ−１）　−Ｐ　（ｋ−１）ＩＥ　（ｋ）Ｘ（１＋！”
　　（ｋ）！Ｐ　（ｋ−１，）Ｚ　（ｋ））”ｘ！’　
　（ｋ）Ｐ　（ｋ−１）　　　　　　　　（１０）であ
る。

（８）、＜９）、（１０）の一般を式を本例に適用すれ
ば、（８）式は、 　ｉｏ− （９）式は、 （１０）式は、 となる。

これら（８）、（９＞、（１０）を実行するパラメータ
推定計算フローチャートを第２図に示す。

Ｂｉ、、Ｂ２は推定計算実行で使用されるバッファ手段
である。Ｂ１は常時更新ポツプタウン形バッファであり
、むな時間を含む過去一定期間における操作量Ｕと測定
値ｙの実測値が常に更新されている。Ｂ２は後述するむ
だ時間推定において用いられる試行錯誤用のポツプタウ
ン形バッファであり、推定スタートにより常時更新バッ
ファ手段Ｂ１の全内容かシフトされ、推定終了で更新が
終了してその内容を保持する。

推定開始検出手段からの起動が発生するとプログラムが
スタートし、先ず初期に予測されるむな時間１及び時定
数１゛、ゲインに、より（６）式により　（０）、Ｐ　
（０）を計算して設定する。こであり、２回目からは前
回推定結果を初期値とする。

次に一常時更新バッファ手段Ｂ１からｙ（０）。

ｕ（−１＞を取り込み、Ｚ（１）を算出して初期の処理
を完了する。

次にに＝１として、常時更新バッファ手段Ｂ１から３’
　（ｋ）　、　ｕ　（ｋ−１）を取り込み、次のステッ
プで（９）式により１（ｋ）を計算し、更にこれに基づ
いて（８）式により、ｉ（ｋ＞を計算する。

次の判断ステップでは、ｇ（ｋ）と前回の推定結果のｇ
（ｋ−１）の差か一定値以下になったか否かの集束判定
が実行され、集束と判定された場合には９ｕｃ＞が出力
されて推定作業が終了し、試行錯誤用バッファ手段Ｂ２
の内容か更新停止となる。

集束と判定されない場合には〈１０）式によりＰ　（ｋ
）が計算され、ｙ　（ｋ）　、　ＩＪ　（ｋ−１）から
Ｚ（ｋ＋１）が計算され、ｋ　＝　ｋ　＋　１として（
９）式、（８）式を計算するルーチンに戻り同様のの象
束判定か実行される。

このようなパラメータ推定計算により求められた　（ｋ
）に基づいて、むな時間を初期推定値１とした場合の時
定数ＴとゲインＫが推定される。

次にこの結果並びに試行錯誤用バッファの内容を用い、
プロセスのむだ時間１を推定する手法について説明する
。

＊ステップ■ 推定開始前に予測されるむだ時間の大きさをｅ。

とするとき、 ｅ＋、”’ｅｏ” ｅｓ＝ｅｏ　　　’ とし、ｅｏ、ｅｌ−１ｅ、の３種のむだ時間で第２図の
フローにより、リアルタイムにプロセスのパラメータを
推定する。

＊ステップ■ パラメータの集束が判定された時、夫々のむだ時間に対
して得られた結果を夫々、 ｇｏに対して皮。

、１に対して父。

１に対して衾。

とすし、これをストアする。

＊ステップ■（以後はバッチ処理／となる）上記で得ら
れた結果をもとにプロセスの推定モデルを作成し、これ
に■、■の過程でストアされている入力列ごモデルに加
え、出力応答列ｙＨ（ｋ）を求める。

＊ステップ■ ■、■の過程でストアされている試行錯誤用バッファの
出力応答列ｙ（ｋ）と■のモデル出力応答列ｙＨ（ｋ）
を比較して次式により応答誤差自乗面積Ｊご求める。

夫々のむだ時間に対して得られた値を夫々、ｅＱに対し
てＪ。

ｅ、に対して５１ ｅｓに対して３Ｊ８ とする。

＊ステップ■（山登り法による推定） Ｊ、Ｊ、、Ｊ　　の比較を行う。

Ｌｓ 第３図（Ａ）のごとく、Ｊ　　＜Ｊｏ＜Ｊ、ならば、ｇ
ｓ＋−ｇｓ−１としてＪｓ再計算 ｅｏ”ｅｏ−１としてＪｏ＋Ｊ。

２［←ｅ［−１としてＪ１←−Ｊ　。

としてステップ■へ移る。

第３図（Ｂ）のごとく、Ｊ　　＞Ｊｏ＞Ｊ、ならば、１
！ｓ”ｅｓ”としてＪ　　−Ｊ。

ｅｏ”−ｇｏ”としてＪ　ｏ　”−Ｊ　＋ｅ［←４［＋
１としてＪ［再計算 としてステップ■へ移る。

第３図（Ｃ）のごとく、Ｊ、≧Ｊｏ≦Ｊ［ならば、ｅｏ
を終了推定値として推定を完了し、チューニングパラメ
ータ演算手段１０を起動し、得られたプロセスパラメー
タＴ、に、Ｌをオツトースミス補償手段にダウンロード
し、補償演算で用いるパラメータ値を更新する。

＊ステップ■ ｅ、又はｅｌでストアされている入出力列を用いてパラ
メータを推定する。

＊ステップ■ モデル出力応答列を計算する。

ステップ■ 自乗誤差面積を計算してステップ■へ移り、同様な判定
を実行する。

第１図の実施例では、プロセスのパラメータを推定して
いる期間、推定アルゴリズムを簡単にするためにむだ時
間補償出力Ｃのスイッチ１１をオフとしているが、アル
ゴリズムを工夫することによりスイッチをオンのままで
推定することも可能である。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば簡便手法によりオ
ツトースミス補償手段を具倫したセルフチューニングコ
ントローラを実現することができる。これにより、スタ
ートアップ時のパラメータチューニングに要するオペレ
ータあるいはエンジニアの負荷が大幅に軽減できるとと
共に、従来困難であったチューニングか精度よく実現で
き、むだ時間の大きいプロセス制御の制御性を向上させ
ることかできる。

またプロセス特性か変化した場合でも、制御偏差ある値
を越えたときにはプロセスパラメータ推定手段か自動的
に起動され、パラメータ修正が実行されるので、プロセ
ス特性変化に対してもリアルタイムに追従した良好な制
御が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す構成図、第２図はパラメ
ータ推定の手順を説明するフローチャート図、第３図は
むだ時間の推定の過程を説明する山登り手法の説明図、
第４図、第５図は従来技術の一例を示す構成図である。 １・・・プロセス　　２・・・ＰＩＤコントローラ手段
３・・・セルフチューニング機能　　７・・・オツトー
スミス補償手段　　８・・・プロセスパラメータ推定手
段　　９・・・推定開始検出手段　　１０・・・チュー
ニ第３図 工　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｒ第４
図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. むだ時間を有するプロセスの測定値と設定値との偏差を
   制御演算してその操作出力を上記プロセスに供給するＰ
   ＩＤコントローラ手段と、上記操作出力を入力し上記む
   だ時間に関連する補償信号を上記コントローラ手段の入
   力側に与えるオットースミス補償手段と、上記操作出力
   と上記測定値を入力して上記プロセスのパラメータを推
   定するパラメータ推定手段と、上記偏差の大きさに関連
   して上記パラメータ推定手段を起動する推定開始検出手
   段と、上記パラメータ推定手段の推定結果に基づいて上
   記ＰＩＤコントローラ手段に対して最適演算パラメータ
   をダウンロードすると共に上記オットースミス補償手段
   にプロセスパラメータ情報をダウンロードするチューニ
   ングパラメータ演算手段とよりなるセルフチューニング
   コントローラ。