JPH0298702A - 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、各種のプロセス計装制御システムに利用する
制御装置に係わり、特にディジタルコントローラ等の速
度形ＰＩＤ（Ｐ：積分、１：積分、Ｄ：微分）演算方式
を改良して最適な制御を実現する制御装置に関する。 （従来の技術） この種のＰＩＤ演算方式を用いたｆｌ；１１　＃システ
ムはあらゆる産業分野で広く利用されており、特にプラ
ントの運転制御には必要不ｉｉｊ欠なものである。 一般に、従来からＰＩＤ演算に関し、アナログ制御方式
とディジタル制御方式の２通りが考えられており、つい
最近までは前者のアナログ制御方式がその主流をなして
いた。このアナログ、′ｌ、１１　ｍにおけるＰＩＤア
ルゴリズムは次のような基本式によって演算されている
。 ＭＶ−Ｋｐ　（ｅ＋−Ｌｆｅｄｔ＋ＴＤ！！！２）＋Ｍ
Ｖ□　　　　　−（１）Ｔ、　　　　　　　　　ｄＬ 但し、上式においてＭＶは操作Ｑ、ｅは偏差。 Ｋｐは比例ゲイン、ＴＩは積分時間、ＴＤは微分時間、
ＭＶｏは操作量の初期値である。 ところで、上記（１）式のＰＩＤ基本式を用いてディジ
タル制御方式を実現する場合、予めサンプリング周期τ
が定められ、そのサンプリング周期Ｔごとに各データを
増込んで演算を行うことになる。今、現サンプリング時
点をｎτ（ｎは整数）とし、その１つ前のサンプリング
時点を（ｎ−１）τとすれば、制御系から得られる現サ
ンプリング時点の偏差はｅｎｓ前向サンプリング時点の
偏差はｅ　ｎ−１で表すことができる。 一方、ディジタル制御方式においては２通りの演算方式
があり、その１つは各サンプリングごとに全体の操作ｉ
　Ｍ　Ｖ　ｎを求める位置形演算方式であり、他の１つ
は今回のサンプリング時点で変化量ΔＭ　Ｖ　ｎのみを
求め、この変化量ΔＭ　Ｖ　ｎを前回の操作ｍＭＶｎ−
１に加えて今回の操作Ｗ　Ｍ　Ｖ　ｎとする速度形演算
方式であるが、以下、ディジタル制御において多く用い
られ、かつ、本発明の対象とする後者の速度形演算方式
について説明する。 今、上記（１）式を時間微分すると、 なる式が得られ、ここで、各微分は次のような式をもっ
て近似できる。 ｄｅ　　Δｅ　　ｅｌｌ−ｅＲ−Ｉ ｄｔ　　Δｔ　　Δ　【 ・・・　（４） 従って、上記（２）〜（５）式より、 ６Ｍ　Ｖ　ｎ −Ｋｐ　　（（ｅｎ　−ｅｎ−１） ＋　（ｒ／Ｔ＋　）　ｅｎ　＋　（ＴＤ　　／Δｔ）（
ｅｎ　−２ｅｎ−１＋ｅｎ−２）　１−（６）が得られ
る。ここで、Δを一τとおけば、６Ｍ　Ｖ　ｎ −Ｋｐ　　（（ｅｎ　−ｅｎ−１） ＋（Δｔ／ＴＩ）ｅｎ　＋　（Ｔｏ　／τ）（ｅｎ　−
２ｅｎ−１＋ｅｎ−２）　ｌ　　−４１）ＭＶｎ−ＭＶ
ｎ−１＋ΔＭ　Ｖ　ｎ　　　　　−（８）となる。 つまり、速度形ＰＩＤ演算方式では、サンプリング周期
毎に上記（７）式に基づいて操作量の変化分ΔＭ　Ｖ　
ｎを求め、この変化分ΔＭ　Ｖ　ｎを（８）式に基づい
て前回の操作ｆｉｔＭＶｎ−１に加算して今回の操作Ｈ
Ｍ　Ｖ　ｎとするものである。 従って、この速度形ＰＩＤ演算方式は、積分項の演算が
簡単であること、ディジタルコントローラ１１体を手動
から自動に切換えるとき現時点の操作量を（８）式のＭ
Ｖｎ−１に代入して自動制御を行えばよく次のサンプリ
ング時点からそのＭＶｎ−１に変化量ΔＭ　Ｖ　ｎを加
えればよいので、いわゆる手動→自動切換のバランスレ
ス拳バンブレスＩＪＪ換が簡単に行えること、操作量Ｍ
　Ｖ　ｎに例えば０〜１００％の制限を加えておけば積
分項によるリセットワインドアップが簡単に防止できる
こと、操作量の変化分だけを求めるので、特に１回の出
力変化を制限したり、ゲイン修正すればよく、また他の
信号との曳合演算処理が簡単に行えること等の観点から
、Ｄ　Ｄ　Ｃ（Ｄｉｒｅｃｔ・Ｄｌｇｌｔａｌ　　・Ｃ
ｏｎｔｒｏｌ）では専ら速度形演算方式が用いられてい
る。 ところで、従来の速度形ＰＩＤ演算方式による制御装置
では、第４図に示す如く減算手段１で現在目標値ＳＶｎ
から現在のプロセス変数値ＰＶｎを減算し、得られた偏
差ｅｎを速度形ＰＩＤ調節演算手段２に導入し、ここで
（７）式に従って操作量の変化分ムＭ　Ｖ　ｎを求めた
後、この変化分ΔＭＶｎを上下限制限機能付速度形−位
置影信号変換手段３に導き、（８）式に基づく演算によ
り速度形変化分ΔＭ　Ｖ　ｎから位置形操作信号Ｍ　Ｖ
　１１に変換し１．この操作信号ＭＶｎを制御対１３に
印加して５Ｖｎ−ＰＶｎとなる様に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、以上のような制御装置の速攻形ＰＩＤ演算方式
には多くの特長を有しながらも、次のような問題を持っ
ている。 ■、その１つは、微分動作において操作信号Ｍ　Ｖ　ｎ
が信号変換手段３の上下限設定値を越えた場合、その回
復時に設定値を越えた分だけ逆方向に引き戻される。 ■、他の１つは、目標値ＳＶｎが変化したとき、１・■
作信号が−Ｌ下限設定値を超えると、その越えた分はカ
ットされ、これにより目標値ＳＶｎの変化に対する応答
性が遅くなる。 これらの問題は速度形がサンプリング演算した時点の変
化分のみを演算しているので、上下限設定値にひかっか
ってカットされると以降は消滅するためである。 第５図はかかる操作信号ＭＶの挙動を示す図であって、
現時点ｎで偏差ｅｎに変化が生ずると、ｆ！分成分に１
％する比例成分または微分成分の斐動によって操作信号
ＭＶが急激に変化する。このとき、比例士微分士積分の
合成である操作信号ＭＶが図示点線（イ）の如く推移す
るのが望ましいが、実際にはｎ時点で上限設定値Ｉ（を
越えた分ａはカットされ、ピーク値Ｐを過ぎて減少方向
に向かうときには何ら制限されていないので、上限設定
値Ｈから減算されて引き戻されるために図示実線（ロ）
の如く推移してしまう。これでは微分動作または比例動
作がａ効にならないのみならず、逆方向に引き戻される
ために実状と合わない制御となってしまう。 今後、特にプラントの運転制御は連応性、高精度および
フレキシブル化の方向が強くなっているが、速度形演算
方式の特長を生かしつつ前記問題を解決することが非常
に重要な課題となっている。 本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、微分動作ま
たは比例動作に起因して操作信号が上下限設定値を越え
た場合でも制御機能が正しく動作し、よって制御性が高
く、信頼性の高い制御装置を提（！（することを［１的
とする。 〔発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明による制御装置は上記目的を達成するために、制
御対象からのプロセス変数値と１］標値との偏差に、！
みづいて速攻形積分演算を行う速度形積分調節演算手段
と、この速度形積分調節演算手段の出力を位置形信号に
変換する上下限制限機能付積分用信号変換手段と、前記
偏差に基づいて速度形比例演算および速度形微分演算の
うち少なくとも速度形比例演算を行う速攻形調節演算手
段と、この速度形調節演算手段の演算出力を位置形信号
に変換する比例・微分用信号変換手段と、前記両信号変
換手段の出力を加算する加算手段と、この加算手段の出
力を上下限設定値で制限して操作信号として制御対象へ
送出すると共にこの上下限設定値に一致するように前記
積分用信号変換手段の１−下限設定値を可変する上下限
制限手段とを備えたものである。 （作用） 従って、本発明は以上のうな手段を講じたことにより、
積分動作と比例動作（または比例動作＋微分動作）にそ
れぞれ速度形ユリ節演算手段を設け、これら演算出力を
それぞれ位置形信号に変換した後加算して上下限制限手
段を通して操作信号を得るが、特に速度形積分調節演算
手段の演算出力を信号変換する信号変換手段に、Ｌ下限
制限機能を設けてこの上下限設定値を前記上下限制限手
段の上下限設定値に一致するように可変設定し、これに
より積分演算出力に対してリセットワインドアップを生
じないようにし、かつ、比例演算出力または微分演算出
力に対しては速度影信号をそのまま位置形信号に変換し
た後、前記位置形積分信号と加算することにより、例え
ば微分動作によって操作信号が上下限制限手段の上下限
設定値を越えてもその越えた分だけ逆方向に引き戻され
、あるいは目標値の変化によって操作信号が」−下限設
定値を越えても安定に制御を維持させるものである。 （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。同図において１１は現在目標値ＳＶｎと現在のプ
ロセス変数値ＰＶｎとを比較しその両値の偏差ｅｎを得
る減算手段であって、この減算手段１１で得られた偏差
ｅ　１１は速度形積分調節演算手段１２と速度形比例ま
たは速度形比例・微分調節演算手段１３に送出される。 この速度形積分調節演算手段１２の出力側には積分演算
出力を位置影信号に変換する上下限制限機能付積分用信
号変換手段１４が設けられ、また速度形比例・微分調節
演算手段１３の出力側に比例・微分演算出力を位置影信
号に変換する比例・微分用信号変換手段１５が設けられ
ている。１６は両信号変換手段１４．１５の出力を加算
する加算手段であって、この出力側に上下限制限手段１
７が設けられている。この上下限制限手段１７は上下限
設定値Ｈ，Ｌを付し、かつ、この上下限設定値Ｈ，Ｌに
一致するように前記積分用信号変換手段１４の上下限設
定値Ｈ，Ｌを可変設定する機能をもっている。１８は制
御対象である。 次に、以上のように構成された装置の動作を説明する。 先ず、減算手段１１において現在の目標値ＳＶｎから現
在のプロセス変数値ＰＶｎを減算して現在偏差ｅ　１１
を得た後、この現在偏差ｅｎをそれぞれ速度形積分調節
演算手段１２および速度形比例・微分調節演算手段１３
へ送出する。ここで、速度形積分調節演算手段１２は、 △ＭＶ１ｎ　−ｋｐ　　　（ｒ／ＴＩ　）　　・ｅｎな
る演算を行った後、上下限制限機能付積分用信号変換手
段１４に導き、 ＭＶＩ　ｎ−１ｖｌｖ＋　１−１＋△ＭＶ、ｎなる演算
を行って位置影信号ｔｖｔｖＩｎをｊ！７、後続の加算
手段１６へ送出する。 一方、速度形比例・微分調節演算手段１３においては、 ΔＭＶｐｎ −ｋｐ　　（（ｅｎ　　−ｅｎ−１）＋　　（ＴＤ　　
／　ｒ）（ｅｎ　−２ｅｎ−１＋ｅｎ−２）　１なる演
算を行った後、比例・微分用１ｇ　Ｊ＋変換手段１５へ
導入し、ここで Ｍ　Ｖ　ｐｎ　−Ｍ　Ｖ　ｐｎ−１＋ΔＭＶｐｎの演１
′＞４を行うことにより位置影信号ＭＶｐｎに変換し、
同様に加算手段１６へ送出する。この加算手段１６では
両信号変換手段１４．１５の出力を加算した後、上下限
制限手段１７を通して操作信号〜Ｉ　Ｖ　１１として制
御対象１８に印加し、ＰＶＩＩがＳＶ＋＋と一致するよ
うに制御する。そして、以上のような一連の処理におい
て上下限制限手段１７の−１−下限設定ＩｆｉＨ，Ｌに
一致するように信号変換手段】４の上下限設定値Ｈ，Ｌ
を可変設定する。 なお、１−記実施例では微分項を完全微分子　、）Ｓと
したが、実際に用いられる微分項は不完全微分で（”ｐ
”ＴＬＩ　・ｓ）　／　（１＋　７７　・Ｔｐ−ｓ）で
表される。この式においてＴＤは微分時間。 （１／η）は微分ゲイン、ηは通常０．１〜０゜３程度
、Ｓはラプラス演算子である。従って、速度形不完全微
分にすると、その出力△Ｍ　Ｖ　Ｄ　ｎおびＭ　Ｖ　Ｄ
　ｎは、 Ｍ　　Ｖ　　Ｄ　ｎ　　　−Ｍ　　Ｖｏ　　ｎ−＋　　
＋　Δ　ＭＶＤｌｌとなる。なお、微分動作が完全微分
であろうと、不完全微分であろうと、積分動作とは分離
して位置影信号に変換している。 次に、第２図は本発明装置の他の実施例を示す構成図で
あって、微分演算手法を変形した。いわゆる測定値微分
先ｊ′７形ＰＩＤ演算方式を採用したものである。すな
わち、この装置は、現在１１．２差ｅ　１１を微分演算
するものでなく、現在のプロセスｔ！ｉ数値ＰＶｎのみ
を速度形微調節節ｆａ算手段２０を設けて微分した後、
この微分演算出力と速度形比例・微分調節演算手段１３
の比例・微分演算出力とを減算手段２１で減算し、この
減算出力を前記加算手段１６へ供給する構成である。 このような構成によれば、口′ＩｊＡ値ＳＶｎが変更さ
れても過度的な過大出力が出ることがなく、ひいては制
御対象１８での乱れを防止することができる。 第３図は同じく本発明装置の他の実施例を示す構成図で
ある。すなわち、この装置はいわゆる目標値フィルタ形
２自由度ＰｒＤ制御方式であって、目標値出力側に目標
値フィルタ手段３０を設け、ＰＩＤパラメータとして外
乱に最適な値を設定し、Ｌ１標鎮フィルタのパラメータ
の設定による口＋ｓ　ｒ変更に対してＰＩＤパラメータ
を自動変更して外乱に対する制御特性を改善したもので
ある。 なお、これら第２図および第３図の装置は、制御対象１
８のニーズや１、制御１−のニーズ、制約条件等を考慮
しつつ微分のかけ方を変形し、あるいはｒ”］　４３　
ｆｉｉフィルタを挿入したりして、偏差ＰＩＤ演算に変
形を加えているが、基本的には速度形−位置影信号に変
換する信号変換手段として、積分専用と、その他のグル
ープの２系統に分けて／１ｌＩｆ算した後、両者の位置
影信号を加算合成し、これを上下限制限手段１７に入れ
、この上下限制限手段１７の］：下限設定値１１．Ｌと
信号変換手段１４の上下限設定値を同一に可変する点で
は変わらない。 従って、このような実施例の購成によれば、速度形−位
置影信号変換手段を、積分専用と比例（または比例＋微
分）用との２系統に分け、この両者の演算出力を加算合
成した後、」−下限制限手段１７に挿入し、この上下限
制限手段１７の上下限設定値Ｈ，Ｌと前記信号変換手段
１４の上下限設定値Ｈ，Ｌを一致させるようにｉ”ｉＪ
　＋することにより、本来の速度形演算方式の特長をフ
ルに生かすことができ、しかも微分動作によって１■作
信号が上下限制限手段１７の上下限設定値Ｈ，Ｌを越え
ても、信号変換手段１４の一トド限設定値Ｈ，Ｌが上下
限制限手段１７のＬ下限設定値Ｈ，Ｌに致しているので
、回ｉ（時に実状にマツチした積分演算出力に応じて（
・°φ作倍信号変化するので制御性を向」−でき、また
ト°崎作出力のカットう）が少なくｆｊ：り目標値変化
に対する応答性を高めることができる。勿論、リセッｉ
・ワインドアップら防止できる。 ［発明の効果］ 以上詳記したように本発明によれば、微分動作または比
例動作に起因して操作信号か上下限設定値を越えた場合
でも制御機能が正しく動作させることができ、よって制
御性を向にでき、信頼性の尚い制御装置を提供できる。 ４、図面のロシｉ　ｔｌｉな説明 第１図ないし第３図は本発明装置の実施例を示すもので
、第１図は本発明装置の一実施例を示す構成図、第２図
および第３図はそれぞれ本発明装置の他の実施例を示す
ｔｊｌ成図成因４図は従来の速Ｉヶ形演算方式を採用し
たディジクル制御装置の（１に成因、第５図は従来装置
の作用効果を説明する特性図である。 １１・・・減算手段、１２・・・速度形積分調節演算り
段、１３・・・速度形比例・微分調節演算手段、１４・
・上下限制限機能付積分用信号変換手段、１５・・比例
・微分用信号変換手段、１６・・・加算手段、１７・・
・」−下限制限手段、１８・・・制御対象、２０・・・
速度形微分調節演算手段、２１・・・減算手段、３０・
・・１−１標値フィルタ手段。 ε：’：　５　　ｃＩ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）制御対象からのプロセス変数値と目標値との偏差
   に基づいて速度形積分演算を行う速度形積分調節演算手
   段と、この速度形積分調節演算手段の出力を位置形信号
   に変換する上下限制限機能付積分用信号変換手段と、前
   記偏差に基づいて速度形比例演算および速度形微分演算
   のうち少なくとも速度形比例演算を行う速度形調節演算
   手段と、この速度形調節演算手段の演算出力を位置形信
   号に変換する比例・微分用信号変換手段と、前記両信号
   変換手段の出力を加算する加算手段と、この加算手段の
   出力を上下限設定値で制限して操作信号として制御対象
   へ送出すると共にこの上下限設定値に一致するように前
   記積分用信号変換手段の上下限設定値を可変する上下限
   制限手段とを備えたことを特徴とする制御装置。