JPH03100801A

JPH03100801A - 制御装置

Info

Publication number: JPH03100801A
Application number: JP1237153A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Kurosawa; 良一黒澤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-09-14
Filing date: 1989-09-14
Publication date: 1991-04-25
Also published as: DE69029629D1; EP0417774A2; EP0417774A3; CN1050271A; EP0417774B1; KR940005028B1; CA2025338C; AU6249390A; DE69029629T2; CN1025696C; KR910006808A; AU619417B2; US5111124A; CA2025338A1

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）本発明は制御量指令値に応じて制御対象の出力を制御す
る制御装置に関する。

（従来の技術）従来から、制御量指令値に応じて制御対象の出力を制御
するためにフィードバック制御が用いられている。第１
２図にフィードバック制御の基本構成を示す、制御量指
令値ｅｉと制御対象１０の出力値（制御量）ｓｏが制御
演算部２０により比較増幅され、その出力値（操作量指
令値）　ａｃにより制御対象１０が操作され、制御量６
０が制御量指令値ｅｉに等しくなるように制御される。

制御量ｅｏを制御演算部２０の入力に戻すように構成さ
れていることからフィードバック制御と呼ばれている。

また、制御対象ｌＯには外乱ｅｄとよばれる外部から予
期しない量が加わることが多い、このような外乱ｅｄが
加おっても制御量ｅｏが変化すれば、その変化が制御演
算部２０にフィードバックされて操作量指令値ｅｅが変
化し、外乱ａｄによる制御量ｅＯの変化を抑制するよう
に作用する。

このようなフィードバック制御を行うための制御演算部
として演算増幅器などでアナログ演算する方法とマイク
ロコンピュータなどを用いてディジタル演算する方法が
ある。アナログ演算による制御は制御量指令値やフィー
ドバックする制御量などの信号に対して連続的に制御演
算が行われることから連続値系制御と呼ばれ、ディジタ
ル演算による制御はこれらの信号をある時間間隔でサン
プリング（標本化）した信号に対して離散的に制御演算
が行われることから離散系制御またはサンプリング値系
制御と呼ばれている。

（発明が解決しようとする課題）連続値系制御は、制御量指令値や外乱変化があったとき
に定常状態に落ち着くまでの時間、いわゆる整定時間が
長い欠点がある。第１３図に制御対象１０が積分器１１
（１／ｓ：ｓはラプラス変換の変数）で表される簡単な
制御系の例を示す。実際の制御では例えば、水タンクに
操作量指令値ｅＣに応じた流量の水を流してタンクの水
位を制御する場合や、モータに操作量指令値ｅＣに応じ
た電流を流してモータの速度を制御する場合などに対応
する。外乱ｅｄとしては、前者では水タンクから使用さ
れる水の流量、後者ではモータに加わる負荷トルクにな
り、加算器１２で示すように外乱ｅｄは操作量指令値ｅ
ｃに加算される形となる。

制御演算部２０としては、従来からよく用いられている
積分要素Ｉと比例要素Ｐを組み合わせたＩ−ｐ制御と呼
ばれる演算を行うとする。制御量を検出するための制御
量検出器は、説明を簡単にするため、検出ゲインを１と
して省略しである。制御量指令値ｅｉとフィードバック
信号である制御量ｓｏとの素Δｅが減算器２１で求めら
れ、積分ゲインＫｉの積分増幅器２２によって積分増幅
される。さらにその出力と、比例増幅器２３により制御
量ｅＯが比例ゲーインＫＰ倍された信号との差が操作量
指令値ｅｃとして減算器２４によって求められ、制御対
象１０が操作される。

制御量指令値ｅｉに対する制御量ｅＯの伝達関数を指令
値伝達関数Ｇｃ（ｓ）とし。

となる。

これを求めると０式ｅｉ（ｓ）　：制御量指令値のラプラス変換形ｅｏ（ｓ
）　：制御量のラプラス変換形制御量指令値ｅｉ（ｓ）
が単位ステップ関数（１／ｓ）とすると、制御量ｅｏ（
ｓ）は■式となる。

逆ラプラス変換により時間応答５ｏ（ｔ）を求めると０
式または（イ）式となる。

ｉ：１：逆ラプラス変換を示す記号またはただし　Ｋｐ”　−４Ｋｉ＜　Ｏのときまた同様に外乱
ｅｄに対する制御量ｅＯの伝達関数を外乱伝達関数Ｇｄ
（ｓ）とし、　これを求めると０式となる。　　ａｄ（
ｓ）　：外乱のラプラス変換形まただし　Ｋｐ”−４Ｋｉ≧０のとき外乱ｅｄ（ｓ）が単位ステップ関数（１／ｓ）とすると
。

制御量ｅｏ（ｓ）は０式となる。

逆ラプラス変換により時間応答５ｏ（ｔ）を求めると０
式または（８）式となる。

：逆うプラス変換を示す記号ただし　にｐ”−４Ｋｉ≧０のときまたはｅｏ（ｔ）＝Ｐ −ａ”５ｉｎｃ＋ｚｔ（へ）ただし　ｇｐ２−４にｉ＜Ｏのとき ■、（至）、■、０式で示されるように、いずれの場合
も制御量ｅｏ　（ｔ　）は時間ｔに対しての負の指数関
数（ε−ロ：又は正の係数）を含む、理論的には、制御
量指令値ｅｉや外乱ａｄに変化があったとき。

制御量ｅｏが制御量指令値ｅｉに等しく整定するには無
限大の時間を必要とする。実用的には、制御量指令値に
制御量が完全に一致しなくても問題ないが、はぼ等しく
なる時間を考えても長い時間を要する。第１４図に代表
的な応答波形を示す、応答波形がほとんど振動しないよ
うに比例ゲインにｐを３、積分ゲインＫｉを３に調整し
、時刻１＝Ｑ秒で制御量指令値ｅｉが０から１にステッ
プ状に変化し１時刻ｔ＝５秒で外乱ｅｄがＯから−１に
変化した場合の制御量ｅｏ（ｔ）と操作量指令値ｅｃ（
ｔ）の波形を示した。

連続値系制御には以上説明したように整定時間が長い欠
点があるが、一方、制御対象のパラメータ変化などに対
して比較的応答が変化しにくい特徴がある。第１５図に
制御対象が単位ゲインの積分器（１／ｓ）から２５％変
化して（１，２５／　８　）になった場合の応答波形を
示す０条件などは第１４図と同じである。制御対象のパ
ラメータ変化に対してほとんど応答波形が変化しない。

制御演算部２０．制御対象１０が異なる場合も、基本的
には制御量ｅｏの応答は時間ｔに対しての負の指数関数
（ε−ｘｔ）を含み、同様なことが言える。

サンプル値系制御では有限整定制御、あるいはプツトビ
ートコントロールと呼ばれる制御方法があり、制御量指
令値、外乱に変化があったときの制御量の応答をサンプ
リング周期の整数倍の時間で整定させることが可能であ
る。連続値系制御の例と同じように制御対象が積分器（
１／　ｓ　）で表される簡単なサンプル値系の制御系の
例を第１６図に示す、Ｚ−１は無駄時間、−ＢＴを表す
、Ｔはサンプリング周期である。制御演算部２０は、サ
ンプル値制御をするために制御量指令値ｅｉやフィード
バック信号である制御量ｅｏのサンプル値信号を得るサ
ンプラ２５．２６、減算器２１．２４．積分演算、比例
演算サンプル値演算する積分増幅器２７、比例増幅器２
８、サンプル値演算した時間的に飛び飛びの値を制御対
象ｌＯに連続的な操作量指令値として出力するためのサ
ンプル値系制御２９で構成される。この制御系を解析す
るために２変換すると第１７図となる。ｅｉ（ｚ）、ｅ
ｏ（ｚ）、ａｄ　（ｚ）はそれぞれ制御量指令値ｅｉ、
制御量ｅｏ、外乱ｅｄのＺ変換形である。制御量指令値
ａｉ　（ｚ）に対する制御量ｅｏ（ｚ）のパルス伝達関
数を指令値パルス伝達関数ＧＯ（Ｚ）とし、　これを求
めると０）式となる。

ここで■）式の分母が１になるように比例ゲインＫｐ、
積分ゲインＫｉを（１０）、　（１１）式の関係に選ぶ
と、指令値パルス伝達関数Ｇｃ（ｚ）は（１２）式とな
る。

Ｔ：サンプリング周期Ｔ−Ｋｐ＝１Ｔ（Ｋｐ＋ＴＫｉ）　＝　２（１０）（１１）Ｇｃ（ｚ）＝Ｚ−１（１２）（１２）式の指令値パルス伝達関数Ｇｃ（ｚ）は、制御
量指令値ｅｉに対して、ｚ−１で表されるサンプリング
周期Ｔの遅れで制御量ｅｏが応答することを示しており
、１サンプリング周期で制御が整定する。

また同様に外乱ａｄ（ｚ）に対する制御量５ｏ（ｚ）の
パルス伝達関数を外乱パルス伝達関数Ｇｄ（ｚ）とし、
これを求めると（１３）式となる。

さらに（１０）、　（１１）式の関係を代入すると（１
４）式となる。

Ｇｃ（ｚ）＝ＴＺ−’−ＴＺ−”　　　　　　　　　　
　　　（１４）外乱パルス伝達関数Ｇｄ（ｚ）はｚ−１
と２−で表すことができ、２サンプリング周期で制御が
整定する。

外乱がステップ状に変化した場合は、外乱による制御量
変化が２サンプリング周期でもとに戻る。

サンプリング周期１゛を０．５秒、比例ゲインＫＰを２
、積分ゲインＫｉを４とした場合の応答波形を第１８図
に示す０時刻１＝Ｑ秒で制御量指令値ａｉが０から１に
ステップ状に変化し１時刻ｔ＝５秒で外乱ｅｄがＯから
−１に変化した場合の制御量ｅｏと操作量指令値ｅｃの
波形である。

以上説明したようにサンプル値系制御では有限の時間で
制御量を整定させることが可能である。

しかしながら、第１８図の操作量指令値ｅｃの波形から
れかるように階段状に変化し、制御対象にとって好まし
くない０例えばモータの制御の場合では、モータに負荷
として接続されている機械に大きなショックを与えるこ
とになる。

また、制御演算がサンプラによりサンプリングされたあ
る瞬間の信号を用いて行われるため、この瞬間に制御量
をフィードバックするための制御量検出器の信号などに
ノイズが混入した場合、制御に対する影響が非常に大き
い。

さらに、制御演算部の積分ゲインＫｉ、比例ゲインＫｐ
などが制御対象に対して適切に選ばれた場合は有限整定
させることができるが、制御対象が変化するなどして、
制御ゲインと制御対象との関係が適切な関係からずれた
場合は、単に有限整定できなくなるだけでなく大幅に制
御応答が悪化する。

第１９図に制御対象が単位ゲインの積分器（１／　ｓ　
）から２５％変化して（１，２５／　８　）になった場
合の応答波形を示す０条件などは第１８図と同じである
。連続値系制御の場合には第１４図から第１５図式と制
御応答がほとんど変わらなかったのに比べて、サンプル
値系制御の場合には第１８図から第１９図へと制御応答
が大きく悪化することがわかる。

最近ではサンプリング周期を短くシ、比較的多くのサン
プリング回数で整定するようにし、制御対象のパラメー
タ変化などに対して強い（ロバスト）制御とする方法が
提案されているが、制御演算部が複雑になり、制御演算
部の調整しなければならないゲインも多くなり、実現す
るのがたいへんである。

本発明は以上述べた点を考慮してなされ、連続値系制御
の滑らかで制御系のパラメータ変化に強い特徴と、サン
プル値系制御の有限時間で整定できる特徴を合わせ持っ
た、構成が簡単で実現しやすい制御装置を得ることを目
的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明は、制御装置を構成する制御演算部に従来から用
いられていた積分要素や比例要素などのほかに遅延要素
が加えられている。この遅延要素の遅延時間は、整定時
間、すなわち制御量指令値の変化に対して制御量を追従
させたい時間、もしくは制御対象に外乱が加わったとき
に制御量を制御量指令値に復帰させたい時間を基本とし
、制御演算部に演算遅れ時間、制御対象に無駄時間、制
御量検出器に検出遅れ時間が存在する場合は。

これらの時間に等しいか、これらの時間を組み合わせた
時間に等しい遅延時間である。

−（作用）本発明は、基本的に整定させたい時間に等しい遅延要素
を制御演算部に加えたことにより、従来の制御では整定
させたい時間以降にも残存しようとする応答を遅延要素
を通した信号により打ち消す作用が生じ、整定させたい
時間に等しい時間で応答を整定させることができる。

連続値系制御に適用することにより、サンプル値系制御
の特徴である有限整定制御を実現でき、サンプル値系制
御に適用すれば有限整定制御でありながら連続値系制御
の特徴である滑らかでパラメータ変化などに強い制御が
実現できる。

（実施例）第１図は本発明の第１の実施例の構成図である。制御対
象としては従来技術として示した例と同じ積分器で表さ
れる制御系である。　１Ｇは制御対象で、積分器１１と
外乱ｅｄが加わる加算器１２で表される。２０は制御演
算部で、２１．２４は減算器、２２は積分増幅器、２３
は比例増幅器で以上は第１３図に示した従来例と同じ構
成要素である。３０は比例増幅器、３１は遅延要素、３
２は積分増幅器、３３は減算器、３４は加算器であり、
本発明として新たに付加した要素である。

制御量検出器（図示していない）で検出された制御量ｅ
ｏと積分増幅＠３２の出力との差ａｘが減算器３３によ
って求められ、この差ｅＫは減算器２１に入力されると
ともに比例増幅器２３．遅延要素３１に入力される。遅
延要素３１は図中に示したように、遅延（無駄）時間の
伝達関数ε−１１Ｔｅを含む伝達関数［Ｋｄ（１、−ｇ
ｔｃ）］を有し、その出力ｅｙは、そのときの入力と遅
延時間Ｔｃだけ遅らされた入力（言い換えればＴｃ時間
過去の入力）との差が比例ゲインＫｄ倍された値である
。遅延時間Ｔｃは制御量を整定させたい時間に等しく選
ばれている。この遅延要素３１の出力ａｙは積分器３２
に入力され、制御演算部２０の中に遅延要素３１と積分
増幅器３２で構成されるループが形成されている。制御
量指令値ｅｉは比例増幅器３０により比例ゲインＫａ倍
される。この比例増幅器３０の出力は減算器２１に入力
され、減算器３３の出力ａｘとの差Δｅが求められ、　
さらに積分ゲインＫｉの成分増幅器２２によって積分増
幅される。この積分増幅器２２の出力から、比例増幅器
２３によって差信号ａｘが比例ゲインに２倍に増幅され
た値が減算器２４で引算され、さらに遅延要素３１の出
力ｅｙが加算器３４で加算されて、操作量指令値ｅｃが
求められる。この操作量指令値ｅＣにしたがって制御対
象１０が操作される。

制御量指令値ｅｉに対する制御量ｅｏの伝達関数である
指令値伝達関数Ｇｃ（ｓ）を求めると（１５）式となる
。

ｉ外乱ａｄに対する制御量ｅＯの伝達関数である外乱伝達
関数Ｇｄ（ｓ）を求めると（１６）式となる。

（１５）式と（１６）式を比べれば、（１７）式の関係
が成りたっている。

すなわち、制御量指令値ｅｉに対する制御量ｅｏの時間
応答は、同じ関数の外乱ａｄが加わった場合の制御量ｓ
ｏの時間応答を時間積分して係数（ＫａＫｉ）倍すれば
よい、従って外乱に対する時間応答が時刻Ｔｃ以降０に
できれば、制御量指令値に対する時間応答も時刻Ｔｃ以
降は変化せず、外乱に対する時間応答も制御量指令値に
対する時間応答も有限時間子Ｃで整定させることができ
る。

外乱ａｄ（ｓ）が単位ステップ関数（１７ｓ）とすると
。

制御量ｅｏ（ｓ）は（１８）式となる。

逆ラプラス変換により時間応答５ｏ（ｔ）を求める。

０≦ｔ≦Ｔｃでは、−！ｌＴｅの項は逆ラプラス変換す
ると０になることを考慮すれば（１９）式となり、１）
Ｔｃにおいては（２０）式となる。

０≦ｔ≦Ｔｃにおいてはｔ）Ｔｃにおいてはただしく２０）式の時間応答ｇｏ（ｔ）の右辺（）内のｓｉｎ
ωｔの係数αとｃｏｓωｔの係数βが共にＯとなるよう
に調整すれば、ｔ＞Ｔｃにおいて時間応答５ｏ（ｔ）が
常に０となる。すなわち、外乱ａｄのステップ状変化２
に対して制御量ｓｏは時刻Ｔｃまでは外乱に対応した（
１９）式で表されるｅｏ（ｔ）時間応答を示すが、時刻
ＩＣ以降は外乱に対応した応答はＯとなり、遅延要素３
１の遅延時間Ｔｃの時間で有限整定する。

また、制御量指令値ｅｉが単位ステップ関数で変化した
場合の制御量ｇｏの時間応答も、（１７）式の関係から
１時刻Ｔｃまでに変化が終わり、時刻Ｔｃ以降は時刻Ｔ
ｃにおける値を保持することになり、やはり有限整定す
る。　（１５）式で示された指令値伝達関数Ｇｃ（ｓ）
から制御量指令値ｅｉに単位ステップ関数（１／　ｓ　
）が入力された場合の制御量ｅｏの整定値を最終値定理
を用いて求めると（２１）式となる。

＝Ｋａ（１÷ＫｄＴｃ）（２１）したがって、Ｋａを（２２）式の関係にすれば、制御量
指令値に対して制御量を等しく制御できる。

Ｋａ＝　（１＋ＫｄＴｃ）−’　　　　　　　　　　　
　　　（２２）（２０）式の右辺（）内のｓｉｎ　＆＋
　ｔの係数αとｃｏｓ　ωｔの係数βをともにＯとする
比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ、遅延時間Ｔｃ、遅延
要素のゲインＫｄの調整値は無限に存在する。整定させ
たい時間を１秒として遅延時間Ｔｃをこれと同じ１秒に
し、比例ゲインＫｐを従来例で示したサンプル値系制御
の有限整定制御と同じ値である２とした場合の、各調整
値の一例を以下に示す。

Ｔｃ＝１秒、ＫＰ＝２においてＫｄ　＝　１．８２００２５１５４Ｋｉ＝２４．８０３７４４７Ｋａ＝（１＋にｄＴｃ）−”＝０．３５４６０６７６６
第２図にこの調整値における実施例の応答波形を示す０
時刻１＝Ｑ秒で制御量指令値ｅｉが０から１にステップ
状に変化し、時刻ｔ＝５秒で外乱ｅｄがＯから−１に変
化した場合の制御量ｅｏ（ｔ）と操作量指令値ｅｃ（ｔ
）の波形である。制御量指令値ｅｉ、外乱ａｄの変化に
対して遅延時間Ｔｃに等しい１秒間で整定している。

第３図に、制御対象が単位ゲインの積分器（１／ｓ）か
ら２５％変化して（１，２５／　ｓ　）になった場合の
応答波形を示す０条件などは第２図と同じである。サン
プル値系制御における有限整定制御の場合の第１８図か
ら第１９図への制御応答の変化に比べて悪化の度合が少
なく、連続値系制御としてパラメータ変化に強い特徴は
失われていない。

以上、説明したように本発明の実施例によれば、連続値
系制御において、制御量指令値、外乱に対する応答を有
限時間で整定させることができ、滑らかで制御系のパラ
メータ変化に強い連続値系制御の特徴と、サンプル値系
制御の有限時間で整定できる特徴を合わせ持った制御が
実現できる。

（第２の実施例）第４図は本発明の第２の実施例の構成図である。

第１の実施例が連続値系制御であったのを、サンプル値
系制御に実施した例である。制御対象としては今までと
同様に積分器で表される制御系である。１０は制御対象
で、積分器１１と外乱ａｄが加わる加算器Ｉ２で表され
る。２０は制御演算部で、２５．２６はサンプル値制御
をするために制御量指令値ｅｉやフィードバック信号で
ある制御量ｅＯのサンプル値信号を得るサンプラ、２１
．２４は減算器、２７は積分増幅器、２８は比例増幅器
で積分演算、比例演算をサンプル値演算する。２９はサ
ンプルホールダである。以上はサンプル値系制御の従来
例として示した第１６図と同じ構成である。３５は比例
増幅器、３６は遅延要素、３７は積分増幅器、３８は減
算器、３９は加算器で、３５〜３９が本発明のために新
たに付加されている。

制御量検出器（図示していない）で検出された制御量ｅ
ｏと積分増幅器３７の出力との差８Ｘが減算器３８によ
って求められ、この差ａｘは減算器２１に入力されると
ともに比例増幅器２８、遅延要素３６に入力される。遅
延要素３１は図中に示したように、サンプリング周期Ｔ
のｎ倍（ｎは整数）の遅延（無駄）時間要素を表すパル
ス伝達関数ｚ−ｎを含む伝達関数［Ｋｄ　（１−Ｚ−ｎ
）　］を有し、その出力ｅｙは、そのときの入力と遅延
時間ｎＴだけ遅らされた入力との差が比例ゲインＫｄ倍
された値である６遅延時間ｎＴは制御量を整定させたい
時間に等しく選ばれている。この遅延要素３６の出力ｅ
ｙは積分増幅器３７に入力され、制御演算部２０の中に
遅延要素３６と積分増幅器３７で構成されるループが形
成されている。制御量指令値ａｉは比例増幅器３５によ
り比例ゲインＫａ倍される。

この比例増幅器３０の出力は減算器２１に入力され、減
算器３８の出力ａｘとの差Δｅが求められ、　さらに積
分ゲインにｉの積分増幅器２７によって積分増幅される
−６この積分増幅器２７の出力から、比例増幅器２８に
よって差信号ａｘが比例ゲインＫｐ倍された値が減算器
２４で引算され、さらに遅延要素３６の出力ｅｙが加算
器３９で加算されて、この結果がサンプルホールダ２９
に入力され、サンプル値演算した時間的に飛び飛びの値
が連続的な信号に直されて操作量指令値ｅｃとして出力
される。この操作量指令値ｅＣにしたがって制御対象１
０が操作される。

この構成は第１の実施例をサンプル値系制御に置き換え
た構成であり、第１の実施例と同様に比例ゲインＫＰ、
積分ゲインＫｉ、遅延時間ｎＴ、遅延要素のゲインＫｄ
を調整することにより有限整定する。

整定させたい時間を１秒として、遅延時間ｎＴをこれと
同じ１秒にするため、サンプリング周期Ｔを０．１秒、
ｎ＝１０に選び、比例ゲインＫＰは第１の実施例と同じ
値である２とした場合の、各調整値の一例を以下に示す
。

Ｔ＝０．１秒、ｎ＝１０、にｐ＝２においてＫｄ　＝　
１．３０４９７６２３７に１＝１９．２８３５２２１６Ｈａ　＝　（１＋Ｋｄ−ｎＴ）−１＝　０．４３３８４
３９５２１第５図にこの調整値における実施例の応答波
形を示す。時刻１＝０秒で制御量指令値ｅｉがＯから１
にステップ状に変化し、時刻ｔ＝５秒で外乱ａｄがＯか
ら−１に変化した場合の制御量ｅｏ（ｔ）と操作量指令
値ｅｃ（ｔ）の波形である。制御量指令値ｅｉの変化に
対して９回のサンプリング周期（（ｎ−１）Ｔ）に等し
い０．９秒間で整定し、外乱ｅｄの変化に対して１０回
のサンプリング周期（ｎＴ）に等しい１秒間で整定して
いる。

第６図に、制御対象が単位ゲインの積分器（１／ｓ）か
ら２５％変化して（１，２５／　ｓ　）になった場合の
応答波形を示す。条件などは第５図と同じである。第１
の実施例とほとんど同じ傾向である。

以上説明したように本発明の第２の実施例によれば、サ
ンプル値系制御において制御量指令値、外乱に対する応
答を有限時間で整定させながら、滑らかで制御系のパラ
メータ変化に強い連続値系制御の特徴を合わせ持った制
御が実現できる。

（第３の実施例）第７図は本発明の第３の実施例の構成図である。

第１．第２の実施例の制御対象が積分器のみで表される
制御系であったのに対し、１次遅れと積分器が直列にな
っている。モータの速度制御において、モータの電流を
制御するマイナーループがあり、操作量指令値に対して
１次遅れでモータ電流が追従する場合に対応する。　１
０は制御対象で、積分器１１、外乱ｅｄに加わる加算器
１２と１次遅れ要素１３で表される。１次遅れ要素１３
の遮断角周波数はωｃｃである。２０は制御演算部で、
２１．２４．３３は減算器、３４は加算器、２２．３２
は積分増幅器、２３．３０は比例増幅器、３１は遅延要
素で、以上は第１図に示した第１の実施例と同じ構成要
素である。４０は比例増幅器、４１は加算器であり、４
２は１次遅れ要素であり、第１の実施例に新たに付加し
た要素である。

制御量検出器（図示していない）で検出された制御量ｅ
Ｏと積分増幅器３２の出力との差ｅｘが減算器３３によ
って求められ、この差ａｘは減算器２１に入力されると
ともに比例増幅器２３、遅延要素３１に入力される。遅
延要素３１は図中に示したように、遅延（無駄）時間の
伝達関数ε−８Ｔｅを含む伝達関数［Ｋｄ（１−ｔ−”
’）］を有し、その出力ｅｙは、そのときの入力と遅延
時間Ｔｃだけ遅らされた入力との差が比例ゲインＫｄ倍
された値である。遅延時間Ｔｃは制御量を整定させたい
時間に等しく選ばれている。この遅延要素３１の出力ｅ
ｙは制御対象１０に含まれる１次遅れ要素１３になるべ
く等しく調整された１次遅れ要素４２を介して積分増幅
器３２に入力され、制御演算部２０の中に遅延要素３１
と１次遅れ要素４２と積分増幅器３２で構成されるルー
プが形成されている。

制御量指令値ｅｉは比例増幅器３０により比例ゲインに
８倍される。この比例増幅器３０の出力は減算器２１に
入力され、減算器３３の出力８ｘとの差Δｅが求められ
、さらに積分ゲインＫｉの積分増幅器２２によって積分
増幅される。また比例増幅器３０の出力は比例増幅器４
０にも入力され、比例ゲインＫｂ倍される。

積分増幅器２２の出力と比例増幅器４０の出力とが加算
器４１によって加算され、この加算信号から、比例増幅
器２３によって差信号ａｘが比例ゲインＫｐ倍に増幅さ
れた値が減算器２４で引算され、さらに遅延要素３１の
出力ａｙが加算器３４で加算されて、操作量指令値ｅｃ
が求められる。この操作量指令値ｅＧにしたがって制御
対象１０が操作される。

詳しい説明は省略するが、以上述べた構成によって、制
御対象が１次遅れ要素と積分器で表される場合でも、制
御対象が積分器のみで表される場合と同様に、有限整定
制御ができる。第８図に第３の実施例の応答波形を示す
。制御対象の１次遅れ要素の遮断角周波数ωｃｃは１０
ｒａｄ／ｓで、制御演算部の１次遅れ要素の遮断角周波
数ωｃｃ’をωｃｃに等しく調整した。時刻１＝０秒で
制御量指令値ｅｉが０から１にステップ状に変化し、時
刻ｔ＝５秒で外乱ａｄがＯから−１に変化した場合の制
御量ｅｏ（ｔ）と操作量指令値ｅｃ（ｔ）の波形である
。制御量指令値ｅｉ、外乱ｅｄの変化に対して遅延時間
Ｔｃに等しい１秒間で整定している。

また第２の実施例と同様に、第３の実施例をサンプル値
系制御に適用することもできる。

（第４の実施例）第９図は本発明の第４の実施例の構成図である。

第１．第２の実施例の制御対象が積分器のみで表される
制御系であったのに対し、無駄時間要素と積分器が直列
になっている。水タンクの水位制御において、水の流量
を加減する流量バルブに無駄時間がある場合に対応する
。１０は制御対象で、積分器１１．外乱ｅｄが加わる加
算器１２と無駄時間要素１４で表される。無駄時間要素
１４の無駄時間はＴｄである。２０は制御演算部で、２
１．２４．３３は減算器、３４は加算器、２２．３２は
積分増幅器、２３．３０は比例増幅器、３１は遅延要素
で、以上は第１図に示した第１の実施例と同じ構成要素
である。ただし、遅延要素３１は第１の実施例とは遅延
時間が異なっている。４３は積分増幅器、４４は比例増
幅器、４５は加算器、４６．４７は遅延要素、４８は加
算器であり、第１の実施例に新たに付加した要素である
。

制御量検出器（図示していない）で検出された制御量ｅ
ｏと積分増幅器３２の出力との差ｅＫが減算器３３によ
って求められ、この差ｅｘは減算器２１に入力されると
ともに比例増幅器２３、遅延要素３１．４６に入力され
る。遅延要素３１は図中に示したように、制御対象１０
の無駄時間Ｔｄになるべく等しく調整された遅延（無駄
）時間の伝達関数ε−５ｔｄ　　を含む伝達関数（１−
、−１１Ｔｄ　）を有し、　その出力は、そのときの入
力と遅延時間Ｔｄ”だけ遅らされた入力との差である。

この遅延要素３１の出力は積分増幅器２２と同じ積分ゲ
インＫｉを有する積分増幅器４３により積分されるとと
もに、比例増幅器２３と同じ比例ゲインＫｐ倍を有する
比例増幅器４４によって比例増幅され、この積分値と比
例増幅された値が加算器４５により加算され、和信号ｅ
ｚが求められる。一方。

遅延要素４６は図中に示したように、遅延（無駄）時間
の伝達関数、　−５（ｒｃ−ｒｄ　）を含む伝達関数［
Ｋｃε−５（ｔｃ−ｒｄ　）１を有し、その出力ｅｙは
、入力である差イコ号ｅｘが遅延時間（Ｔｃ−Ｔｄ’）
だけ遅らされ、負の比例ゲイン−Ｋｃ倍された値である
０時間Ｔｃは制御量を整定させたい時間に選ばれている
。この遅延要素３１の出力ａｙは、さらに遅延要素４７
に入力される。遅延要素４７は図中に示したように、遅
延（無駄）時間の伝達関数ｉ　−ｓ　Ｔ　ｄを有し、遅
延要素４５の出力がさらに遅延時間Ｔｄ”だけ遅らされ
、遅延要素４６と遅延要素４７を合わせると遅延要素４
７の出力は差信号ａｘが遅延時間Ｔｃだけ遅らされた値
に比例することになる。和信号ｅｚと遅延要素４７の出
力との差が減算器４８によって求められ、積分増幅器３
２に入力される。制御演算部２ｏの中に、遅延要素３１
．積分増幅器４３、比例増幅器４４、遅延要素４６゜４
７、積分増幅器３２で構成されるループが形成されてい
る。制御量指令値ｅｉは比例増幅器３０により比例ゲイ
ンＫａ倍される。この比例増幅器３０の出力は減算器２
１に入力され、減算器３３の出力ａｘとの差Δｅが求め
られ、　さらに積分ゲインＫｉの積分増幅器２２によっ
て積分増幅される。積分増幅器２２の出力と、比例増幅
器２３によって差信号ａｘが比例ゲインＫｐ倍に増幅さ
れた値が減算器２４で引算され、さらに遅延要素４６の
出力ｅｙが加算器３４で加算されて、操作量指令値ｅｃ
が求められる。この操作量指令値ｅｃにしたがって制御
対象１０が操作される。

以上述べた構成によって、制御対象に無駄時間要素を含
む場合でも有限整定制御ができる。第１０図に第４の実
施例の応答波形を示す。制御対象の無駄時間要素の無駄
時間Ｔｄは０．１秒で、制御演算部の無駄時間要素の無
駄時間ＴｄにをＴｄに等しく調整した０時刻１＝０秒で
制御量指令値ｅｉがＯから１にステップ状に変化し、時
刻ｔ＝５秒で外乱ａｄがＯから−１に変化した場合の制
御量ｅｏ（ｔ）と操作量指令値ｅｃ（ｔ）の波形である
。制御量指令値ｅｉの変化に対しては、制御量ｅｏは（
Ｔｃ＋Ｔｄ）に等しい１．１秒間で整定し、外乱ａｄの
変化に対しては遅延時間Ｔｃに等しい１秒間で整定して
いる。

第４の実施例は制御対象に無駄時間を含む場合であるが
、制御演算部に演算遅れ時間がある場合、制御量検出器
に検出遅れ時間がある場合などに対しても、制御演算部
の無駄時間要素に含まれる時間Ｔｄ”をこれらの無駄時
間、遅れ時間の和になるべく等しく調整すれば、同様な
有限整定制御が可能である。第９図において、制御対象
ｌＯの無駄時間要素１４が制御演算部２０のなかに演算
遅れ時間として存在すると考えても制御系としては全く
変わらず、同じ有限整定制御が可能なことは明らかであ
る。制御量検出器に検出遅れ時間がある場合は。

制御対象ｌＯの無駄時間要素１４を積分器１１の出力と
制御演算部２０の減算器３３との間に移動させた制御系
となるが、基本的には同一の制御系と考えてよく、やは
り同様の有限整定制御が可能である。制御対象が積分器
のみで表され、制御量検出器の検出遅れ時間Ｔｄが０．
１秒の場合に、第４の実施例と同じ制御演算部を適用し
た実施例の応答波形を第１１図に示す１時刻ｔ＝Ｑ秒で
制御量指令値ｅｉが０から１にステップ状に変化し、時
刻ｔ＝５秒で外乱ａｄがＯから−１に変化した場合の制
御量ｅｏ（ｔ）と操作量指令値ｅｃ（ｔ）の波形である
。制御量指令値ｅｉ、外乱ｅｄの変化に対して制御量５
ｏ（ｔ）は共にＴｃに等しい１秒間で整定している。第
１Ｏ図とは制御量指令値に対する応答が０．１秒だけ早
く応答していることのみが異なっている。したがって演
算遅れ時間、制御対象の無駄時間、制御量検出器の検出
遅れ時間などが複合して存在する場合でも、整定させた
い時間とこれらの無駄時間、遅れ時間とを組み合わせて
遅延時間ＴｃとＴｄにを調整すれば同じ一制御演算部を
適用できる。また第２の実施例と同様に、第４の実施例
もサンプル値系制御に適用することができる。

なお、比例増幅器、積分増幅器、１次遅れ要素、加減算
器などは従来から制御装置に用いられている演算増幅器
やマイクロコンピュータなどの手段で容易に実現でき、
遅延要素は、連続値系制御においては電気的な伝搬遅延
を利用した同軸ケーブル、物体の音響的伝搬を利用した
表面波伝搬素子などを用いることができ、サンプル値系
制御においてはシフトレジスタや、メモリーを利用して
容易に実現できる。

以上、本発明のいくつかの実施例を示したが、さらに異
なる制御対象に対しても同様な制御が可能であり、また
同一制御対象に対しても実施例に示した構成のみでなく
種々の構成が可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、制御装置の制御演算部に整定させ
たい時間を基本とした遅延要素を構成要素として加えた
本発明によれば、従来はサンプル値系制御のみで可能と
されていた有限整定制御が連続値系制御でも可能となり
、理論的には無限時間かかる整定時間を有限時間とする
ことができ、実用的な意味での整定時間として非常に短
くすることができる。またサンプル値系制御に適用すれ
ば、任意の複数回のサンプリング周期で整定させる制御
が容易に実現でき、有限整定制御でありながら連続値系
制御の特徴である滑らかで、ノイズに影響されにくく、
パラメータ変化などにも強い制御（ロバスト制御）が実
現できる０本発明はフィードバック制御を行うあらゆる
分野の制御装置に適用することができ、その効果は絶大
である。

【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図は実施例
の応答波形、第３図は実施例においてパラメータ変化が
あったときの応答波形である。第４図は本発明の第２の実施例を示す構成図、第５図は
第２の実施例の応答波形、第６図は第２の実施例におい
てパラメータ変化があったときの応答波形である。第７
図は本発明の第３の実施例を示す構成図、第８図は第３
の実施例の応答波形、第９図は本発明の第４の実施例を
示す構成図、第１０図、第１１図は第４の実施例の応答
波形、第１２図はフィードバック制御の基本構成図、第
１３図は従来例の連続値系制御の構成図、第１４図は従
来例の応答波形、第１５図は従来例においてパラメータ
変化があったときの応答波形、第１６図は他の従来例の
サンプル値系制御の構成図、第１７図は他の従来例を説
明するための図、第１８図は他の従来例の応答波形、第
１９図は他の従来例においてパラメータ変化があったと
きの応答波形である。ＩＯ・・・制御対象　　　　１１・・・積分器１２・・
・加算器　　　　　１３・・・１次遅れ要素１４・・・
無駄時間要素　　２０・・・制御演算部２１、２４．３
３．３８．３９・・・減算器２２、２７．３２．３７．
４３・・・積分増幅器２３、２８．３０．３５．４０．
４４・・・比例増幅器２５、２６・・・サンプラ　　２
９・・・サンプル値系制御３１、３６．４６．４７・・
・遅延要素３４、４１．４５．４８・・・加算器　４２
・・・１次遅れ要素第１図

Claims

【特許請求の範囲】

操作量指令値に応じて操作される制御対象と、前記制御
対象の制御量を検出する制御量検出器と、前記制御量検
出器の出力である制御量検出値と制御量指令値を入力と
して前記操作量指令値を演算して出力する制御演算部と
を備え、前記制御量指令値に対して前記制御量が等しく
なるように制御する制御装置において、前記制御量指令
値の変化に対して前記制御量を追従させたい時間、もし
くは前記制御対象に外乱が加わったときに前記制御量を
前記制御量指令値に復帰させたい時間、及び前記制御演
算部の演算遅れ時間、前記制御対象の無駄時間、前記制
御量検出器の検出遅れ時間、さらにサンプル値系制御に
おいてサンプリング周期に等しいか、これらの時間を組
み合わせた時間に等しい遅延時間の遅延要素を前記制御
演算部に有することを特徴とする制御装置。