JPH033005A - 調節計 - 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、リミットサイクル法によるオートチューニン
グ機能を有した調節計に係り、特に、特異なケースにお
いても、迅速かつ最適なＰＩＤ定数を求めることができ
るようにしたものに関する。

〈従来の技術〉 従来のリミットサイクル法によるオートチューニング機
能を有する調節計としては、例えば第１Ｏ図に示した如
きものがある。なお、この調節計では、ＰＩＤ制御部を
省略しである。

この調節計において、１は制御量（ＰＶ）が入力される
Ａ／Ｄ変換器、２は設定値（ＳＶ）を設定する設定部、
３は制御量（ＰＶ）と設定値（ＳＶ）との偏差を求める
偏差演算部、４はＰＩＤ制御のためのオートチューニン
グ部、５はオートチューニング部４のＯＮ／ＯＦＦ制御
部、６は操作信号（ＭＶ）を出力するＤ／Ａ変換器であ
る。

上記オートチューニング部４は、上記ＯＮ／ＯＦＦ制御
部５の他、チューニング管理部ｌＯと、リミットサイク
ル測定部１１と、ＰＩＤ定数算出部１２と、ＰＩＤ定数
変更部１３とからなる。

周知のように、この種の調節計では、制御対象、例えば
加熱炉等をＰＴＤ制御する場合、制御対象に対する最適
ＰＩＤ定数を知る必要があるため、先ず、オートチュー
ニング部４によりオートチューニングを実行し、最適な
ＰＩＤ定数を求め、この定数を用いて、目的とするＰＩ
Ｄ制御を行う。

〈発明が解決しようとする課題〉 そして、このオートチューニングの一手法として、制御
対象をＯＮ／ＯＦＦ！ＩＩ御して、その制御１（ＰＶ）
のサイクリング波形（リミットサイクル）から、ＰＩＤ
定数を求めるリミットサイクル法があり、良く用いられ
ているが、特異なケースの場合には、迅速にかつ最適な
ＰＩＤ定数が求められないことが生じる。

例えば、（１）制御！（ＰＶ）が設定値（ＳＶ）（７）
近傍でほぼ安定している状態からオートチューニングを
開始するケースでは、最初の偏差（ｅ）が小さいため、
リミットサイクルの振幅が、本来の振幅よりも小さくな
る状態で発生し始めるので、安定した振幅のリミットサ
イクルが得られるまでは、長時間（同周期）かかってし
まい、作業性の低下が避けられない。かといって、リミ
ットサイクルが安定しないうちに、ＰＩＤ定数の演算を
行ったのでは、最適なＰＩＤ定数が求められないという
問題が生じる。

（２）また、制御対象によっては、むだ時間の極めて短
いものがあり、これに対して、リミットサイクル法によ
るオートチューニングを行った場合、リミットサイクル
そのものが生じないか（得られないか）、あるいは生じ
たとして極めて小さな振幅のリミットサイクルしか得ら
れないケースがある。この場合には、測定が困難であっ
たり、やはり最適なＰＩＤ定数が求められないという問
題が生じる。

（３）また、リミットサイクル法によるオートチューニ
ングでは、設定値（ＳＶ）に対して偏差（ｅ）の符号（
＋または−）によって出力をＯＮ、ＯＦＦに変更させる
ＯＮ／ＯＦＦ制御を行い、これによって、生じるリミッ
トサイクルを測定して最適なＰＩＤ定数を算出するもの
であるが、このとき、大きなノイズ等があると、このノ
イズ等に影響されて、偏差（ｅ）が−瞬のうちに変わる
ケースがある。また、ノイズが小さくても、設定値（Ｓ
Ｖ）の近傍での制御量（ＰＶ）の動き（傾き）が非常に
ゆるやかな場合には、同様のことが起こり得る。この−
瞬の偏差符号の変化に対して、ＯＮ、ＯＦＦの変更を行
うと、やはり最適なＰＩＤ定数が求められないという問
題が生じる。

本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたもの
である。

〈課題を解決するための手段〉 か−る本発明の特徴とする点は、ＰＩＤ制御のためのリ
ミットサイクル法によるオートチューニング部を備え、
制御対象に対するＰＩＤ定数をオートチューニングによ
り求め、当該定数を用いて、制御１　（ＰＶ）をＰＩＤ
制御して、操作信号（Ｍ■）を出力する調節計において
、前記オートチュニング部に、オートチューニングのＯ
Ｎ１０　ＦＦ制御部からの出力をサンプルして保持する
ＯＮ／ＯＦＦ出力サンプル／ホールド器を設け、このＯ
Ｎ１０　Ｆ　Ｆ出力サンプル／ホールド器の制御を、出
力保持時間管理部で管理されたむだ時間や時間ヒステリ
シス、入力不感時間管理部で管理された入力不感時間に
より行う点にある。

〈作用〉 従って、上記構成の本調節計では、各ケースに合わせて
、むだ時間や時間ヒステリシス、入力不感時間を利用し
てＯＮ／ＯＦＦ制御部からの出力をコントロールするた
め、上述した特異なケースの場合でも、最適なＰＩＤ制
御が求められる。

〈実施例〉 第１図は本発明に係る調節計の一実施例を示したもので
ある。

この調節計は、付加装置を除いては、上述した第１０図
の調節計と同様であり、当該調節計と同一構成部分には
、同一符号を付しである。

本調節計のオートチューニング部４０は、上記第１０図
のオートチューニング部４に、ＯＮ／ＯＦＦ制御部５の
他に、このＯＮ１０　Ｆ　Ｆ制御部５からの出力をサン
プルして保持するＯＮ／ＯＦＦ出力サンプル／ホールド
器４１と、リミットサイクル測定部１１からの測定信号
を受けてむだ時間（Ｌ）を算出するむだ時間算出部４２
と、むだ時間（Ｌ）を出力保持時間として管理する出力
保持時間管理部４３と、該出力保持時間管理部に時間ヒ
ステリシスを設定する設定部４４と、制御量（ＰＶ）と
設定値（ＳＶ）の現在の偏差（ｅ）と偏差サンプル／ホ
ールド器４５により保持された出力更新時の偏差（ｅ）
の両方が入力される入力不感時間管理部４６と、入力不
感時間を設定する設定部４７と、前記ＯＮ１０　Ｆ　Ｆ
出力サンプル／ホールド器４１、出力保持時間管理部４
３、偏差サンプル／ホールド器４５および入力不感時間
管理部４６を更新する出力更新制御部４８とを付加して
なる。

次に、このように構成された本３１Ｍ節計の動作を、第
２図のフローチャートと共に説明すると、以下の如くで
ある。

ステップＳＩで、オートチューニングが開始されると、
先ず、ステップＳ２で、オートチューニングの開始時か
否かの判断を行う。そして、開始時（最初の一回目）の
ＹＥＳの場合には、ステップＳ３で、ＯＮ１０　Ｆ　Ｆ
制御部５での出力を算出する。ステップＳ、では、この
算出値を、出力更新制御部４８から信号により、ＯＮ／
ＯＦＦ出力サンプル／ホールド器４１でサンプルして、
更新し、保持する。

次に、ステップＳ５では、むだ時間算出部４２で算出さ
れたむだ時間（Ｌ）を出力保持時間管理部４３に出力保
持時間としてセットする。また、ステップＳ６では、入
力不感時間管理部４６の入力不感時間を初期化（セット
）する。この入力不感時間は、設定部４７により行われ
る。

上記むだ時間の算出は、例えば第３図に示した条件下の
場合、次のようにして求められる。この第３図は、−船
釣なリミットサイクル法によるオートチューニングを実
施した場合の制御量（ＰＶ）のリミットサイクルと操作
信号（ＭＶ）と設定値（ＳＶ）の波形を示したものであ
る。

むだ時間（Ｌ）は、 Ｌ＝　（Ｌ、＋Ｌ４）／２・・・・・・・式（１）％式
％ ここで、Ｓｖは設定値、ＰＶは制御量、ＭＶは操作信号
、Ｌ、〜４はオートチューニングにより発生したリミッ
トサイクルを、リミットサイクル測定部１１で測定して
求めたむだ時間である。

このむだ時間（Ｌ）の算出にあたって、むだり１．Ｌ４
を用いたのは、リミットサイクルが安定期に入ったとき
の値であるからである。

このようにオートチューニングを終了すると、むだ時間
（Ｌ）は算出され、２回目以降は前回算出したむだ時間
（Ｌ）を利用するが、未だオートチューニングが１回も
実行されていないときには、制御対象によって概略妥当
な値を設定しておく。

ステップＳ７では、オートチューニングのリミットサイ
クルの測定が行われ、ステップＳ８で、オートチューニ
ング終了の判断を行い、終了しないＮｏの場合は、ステ
ップＳ９の終了に至り、引き続き、オートチューニング
の実行を繰り返し行う。一方、終了したＹＥＳの場合は
、ステップＳ１゜で、目的とするＰＩＤ定数と、むだ時
間を算出する。

また、上記ステップＳ２で、オートチューニングが開始
時でないＮＯの場合（２回目以降）は、ステップ３１１
に進み、出力保持時間管理部４３で管理されている出力
保持時間が経過したか否かを判断し、ＮＯの場合は、ス
テップＳ７のリミットサイクル測定に進む。

出力保持時間が経過したＹＥＳの場合は、ステップＳ＋
Ｚに進み、入力不感時間管理部４６で、制御１ｔ（ＰＶ
）と設定値（ＳＶ）の現在の偏差（ｅ）と偏差サンプル
／ホールド器４５により保持された前回の出力更新時の
偏差（ｅ）の両方の符号が比較され、同符号である「＝
」のＹＥＳの場合には、ステップＳ１３で、人力不感時
間の初期化を行い、ステップＳ、のりミツトサイクル測
定に進む。

両者が異符号「≠」のＮｏの場合には、ステップＳ１４
に進み、ここで、入力不問時間の経過を判断する。入力
不問時間が不経過のＮＯの場合は、ステップＳ？のりミ
ツトサイクル測定に進む。

入力不感時間が経過したＹＥＳの場合は、ステップＳｔ
Ｓで、ＯＮ１０　Ｆ　Ｆ制御部５での出力を算出する。

そして、ステップＳＩ６で、この算出値を、出力更新制
御部４８からの信号により、ＯＮ／ＯＦＦ出力サンプル
／ホールド器４１でサンプルして、更新し、保持する。

一方、ステップ５ｌｆｆでは、設定部４４から時間ヒス
テリシスを、出力保持時間として、出力保持時間管理部
４３にセットする。

次に、ステップｓｒｓでは、入力不感時間管理部４６の
入力不感時間を初期化し、この後、ステップＳ、のりミ
ツトサイクル測定に進む。

つまり、本調節計では、通常のオートチューニングは勿
論のこと、オートチューニング部４の０Ｎ１０　Ｆ　Ｆ
制御部５からの出力を、出力保持時間管理部で管理され
たむだ時間や時間ヒステリシス、人力不感時間管理部で
管理れれた入力不感時間を利用して、コントロールする
ものであるため、制御１ｔ（ＰＶ）が設定値（ＳＶ）の
近傍でほぼ安定している状態でオートチューニングを開
始するケース、制御対象のむだ時間が極めて短いケース
、制御量（ＰＶ）に種々のノイズがあるケース等の特異
なケースの場合にも、最適に対応することができる。

以下、この点についてより具体的に述べる。

（１）制御量（ＰＶ）が設定値（ＳＶ）の近傍でほぼ安
定している状態でオートチューニングを開始するケース
。

例えば、最初の偏差（ｅ）が小さい場合、従来のＵＲ節
計では、第５図に示したように制御量（ＰＶ）が設定値
（Ｓ　Ｖ）の偏差（ｅ）の符号が変わる毎に、直ちにＯ
Ｎ／ＯＦＦ制御が繰り返されるため、リミットサイクル
が安定化するまでには、長時間（何周期）かかる、当然
、このリミットサイクルの安定化が不十分な段階で、Ｐ
ＩＤ定数を求めた場合、最適なＰＩＤ定数は得られない
ことになる。

これに対して、本調節計では、第４図に示したように、
出力保持時間管理４３の出力保持時間（むだ時間（Ｌ）
）の間だけ、制御量（ＰＶ）と設定値（ＳＶ）の偏差（
ｅ）の符号が変わっても、オートチューニング開始時の
第１回目のＯＮ／ＯＦＦ制御部５の出力が、ＯＮ／ＯＦ
Ｆ出力サンプル／ホールド器４１によってむだ時間（Ｌ
）の期間中保持されるため、リミットサイクルの迅速な
安定化を達成することができる。

従って、極めて迅速かつ最適なＰＩＤ定数を求めること
ができる。

（２）制御対象のむだ時間が極めて短いケース。

例えば、むだ時間が極めて短い制御対象に対して従来の
調節計でオートチューニングを実行すると、第７図に示
したように、リミットサイクルの振幅は非常に小さくな
る。また、このような調節計はマイコンを用いて実現さ
れるので、むだ時間がサンプリング周期（制御周期）に
近づくと、リミットサイクルは、サンプリング周期に依
存して振幅および周期が不安定にあり、安定した測定が
困難になり、正常なＰＩＤ定数は求められない。

これに対して、本調節計では、第６図に示したように、
ＯＮ１０　Ｆ　Ｆ制御部５の出力が、ＯＮ／ＯＦＦ出力
サンプル／ホールド器４１で保持されている出力と異な
るときの入力条件、すなわち０Ｎ１０　Ｆ　Ｆ出力サン
プル／ホールド器４１が前回更新されたときに、偏差サ
ンプル／ホールド器４５に保持された偏差の符号と、現
在の偏差の符号が異なる場合でも、その状態が人力不感
時間管理部４６の入力不感時間以上連続していないと、
０Ｎ１０　Ｆ　Ｆ制御部５の出力は、ＯＮ１０　Ｆ　Ｆ
出力サンプル／ホールド器４１に与えられず、この０Ｎ
１０　Ｆ　Ｆ出力サンプル／ホールド器４１の出力は更
新されないので、妥当な振幅のリミットサイクルが安定
して得られる。

これは、言い換えると、制御対象に対して、安定なリミ
ットサイクルを得るための最少銀のむだ時間として、入
力不感時間を挿入したことと等価である。

なお、入力不感時間としては、サンプリング周期が無視
でき、かつあまりＰＩＤ定数に影響しない程度の小さな
値（目安としてサンプリング周期のｌＯ倍程度）を与え
ておく。

これにより、やはりリミットサイクルの安定化および妥
当なＰＩＤ定数の算出が可能となる。

（３）ノイズがあるケース。

例えば、第８図に示したように制御量（ＰＶ）に大きな
ノイズが載っている場合、従来の調節計では、偏差（ｅ
）が−瞬のうちに変わり、これに対応して、直ちにＯＮ
／ＯＦＦ！ＩＩ御が繰り返されるため、ＯＮ／ＯＦＦ制
御部５の出力は、波形６０の形をとり、これでは、正常
なリミットサイクルが得られなかった。

これに対して、本調節計では、同図の波形６１で示した
ように、制御量（ＰＶ）と設定値（ＳＶ）の偏差（ｃ）
の符号が変わっても、それが入力不感時間管理部４６の
入力不感時間（図中Ｔ１）以上連続しないと、その間の
ＯＮ／ＯＦＦ制Ｇ１１部５の出力は、ＯＮ１０　Ｆ　Ｆ
出力サンプル／ホールド器４１に与えられず、操作信号
（ＭＶ）は更新されない。

さらに、偏差（ｅ）の符号が入力不感時間（図中ＴＩ）
以上連続して、操作信号（ＭＶ）が更新されると、その
時点から出力保持時間管理４３の出力保持時間（時間ヒ
ステリシス、図中Ｔ２）経過しないと、その間のＯＮ１
０　Ｆ　Ｆ制御部５の出力は、ＯＮ／ＯＦＦ出力サンプ
ル／ホールド器４１に与えられず、操作信号（ＭＶ）は
更新されないため、ノイズに影響されず、最適なＰＩＤ
定数を求めることができる。

また、第９図に示したようにノイズが小さくても、設定
値（ＳＶ）の近傍での制御量（ＰＶ）の動き（傾き）が
非常にゆるやかな場合には、やはり従来の調節計では、
偏差（ｅ）の符号が変わるごとに、これに対応して、直
ちにＯＮ１０　Ｆ　Ｆ制御が繰り返されるため、ＯＮ１
０　Ｆ　Ｆ制御部５の出力は、波形６２の形をとり、正
常なリミットサイクルが得られなかった。

これに対して、本調節計では、同図の波形６３で示した
ように、制御１ｔ（ＰＶ）と設定値（ＳＶ）の偏差（ｅ
）の符号が変わっても、それが入力不感時間管理部４６
の入力不感時間（図中ＴＩ）以上連続しないと、その間
のＯＮ／ＯＦＦ制御部５の出力は、ＯＮ１０　Ｆ　Ｆ出
力サンプル／ホールド器４１に与えられず、操作信号（
ＭＶ）は更新されないので、ノイズに影響されない。

従って、上記と同様、正常なリミットサイクルが得られ
、最適なＰＩＤ定数を求めることができる。

なお、本発明の調節計には、図示されていないが、種々
の演算や制御用のコントローラとして、マイコンが組み
込まれている。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかなように本発明の調節計によれば
、リミットサイクル法によるオートチュニング部を備え
た調節計のオートチューニング部に、オートチューニン
グのＯＮ１０　Ｆ　Ｆ制御部からの出力をサンプルして
保持するＯＮ／ＯＦＦ出力サンプル／ホールド器を設け
、このＯＮ／ＯＦＦ出力サンプル／ホールド器の制御を
、出力保持時間管理部で管理されたむだ時間や時間ヒス
テリシス、入力不感時間管理部で管理れれた入力不感時
間により行うものであるため、通常のオートチューニン
グの実行は勿論のこと、次のような優れた効果かえられ
る。

（１）制御ｆｆ１（ＰＶ）が設定値（ＳＶ）の近傍でほ
ぼ安定している状態からオートチューニングを開始する
ケースにあっても、迅速に安定したリミットサイクルを
得、最適なＰＩＤ定数を求めることができる。

（２）制御対象のむだ時間が極めて短いケースであって
も、安定した振幅のリミットサイクルを得、妥当なＰＩ
Ｄ定数を求めることができる。

（３）制御量（ＰＶ）に種々のノイズ等があるケースに
あっても、当８亥ノイズに影響されることなく、最適な
ＰＩＤ定数を求めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る調節計の一実施例を示したブロッ
ク図、第２図は本調節計の動作の流れを示したフローチ
ャート、第３図はむだ時間を求めるためのグラフ、第４
図は本調節計の偏差の小さいときの動作状態を示したグ
ラフ、第５図は従来の調節計の偏差の小さいときの動作
状態を示したグラフ、第６図は本調節計の制御対象のむ
だ時間が小さいときの動作状態を示したグラフ、第７図
は従来の調節計の制御対象のむだ時間が小さいときの動
作状態を示したグラフ、第８図は大きなノイズがあると
きの本調節計と従来の調節計との動作状態を併示したグ
ラフ、第９図はノイズが小さく、かつ制御量（ＰＶ）の
動きが非常にゆるやかなときの本調節計と従来の調節計
との動作状態を併示したグラフ、第１０図は従来例に係
る調節計を示したブロック図である。 図中、 ２・・・・ ３・・・・ ４・・・・ ５・・・・ ４１・・・ 設定部、 偏差演算部、 オートチューニング部、 ＯＮ／ＯＦＦ制御部、 ＯＮ／ＯＦＦ出力サンプル／ホール ド器、 むだ時間算出部、 出力保持時間管理部、 時間ヒステリシスの設定部、 偏差サンプル／ホールド器、 入力不感時間管理部、 入力不感時間の設定部、 出力変更制御部、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＰＩＤ制御のためのリミットサイクル法によるオ
   ートチューニング部を備え、制御対象に対するＰＩＤ定
   数をオートチューニングにより求め、当該定数を用いて
   、制御量（ＰＶ）をＰＩＤ制御して、操作信号（ＭＶ）
   を出力する調節計において、前記オートチューニング部
   に、オートチューニングのＯＮ／ＯＦＦ制御部からの出
   力をサンプルして保持するＯＮ／ＯＦＦ出力サンプル／
   ホールド器と、リミットサイクルの測定からむだ時間を
   算出するむだ時間算出部と、むだ時間を出力保持時間と
   して管理する出力保持時間管理部と、前記ＯＮ／ＯＦＦ
   出力サンプル／ホールド器および出力保持時間管理部を
   更新する出力更新制御部とを付加し、オートチューニン
   グを開始する際、上記ＯＮ／ＯＦＦ制御部の第１回目の
   出力を、ＯＮ／ＯＦＦ出力サンプル／ホールド器により
   、出力保持時間管理部によって管理されているむだ時間
   が経過するまで保持することを特徴とする調節計。
2. （２）ＰＩＤ制御のためのリミットサイクル法によるオ
   ートチューニング部を備え、制御対象に対するＰＩＤ定
   数をオートチューニングにより求め、当該定数を用いて
   、制御量（ＰＶ）をＰＩＤ制御して、操作信号（ＭＶ）
   を出力する調節計において、前記オートチューニング部
   に、オートチューニングのＯＮ／ＯＦＦ制御部からの出
   力をサンプルして保持するＯＮ／ＯＦＦ出力サンプル／
   ホールド器と、制御量（ＰＶ）と設定値（ＳＶ）の現在
   の偏差（ｅ）と偏差サンプル／ホールド器により保持さ
   れた前回の出力更新時の偏差（ｅ）の両方が入力される
   入力不感時間管理部と、入力不感時間を設定する設定部
   と、前記ＯＮ／ＯＦＦ出力サンプル／ホールド器、前記
   偏差サンプル／ホールド器および入力不感時間管理部を
   更新する出力更新制御部とを付加し、オートチューニン
   グの実行中に上記ＯＮ／ＯＦＦ制御部の出力が反転した
   際に、当該ＯＮ／ＯＦＦ制御部の反転前の出力を、ＯＮ
   ／ＯＦＦ出力サンプル／ホールド器により、入力不感時
   間管理部によって管理されている入力不感時間が経過す
   るまで保持することを特徴とする調節計。
3. （３）ＰＩＤ制御のためのリミットサイクル法によるオ
   ートチューニング部を備え、制御対象に対するＰＩＤ定
   数をオートチューニングにより求め、当該定数を用いて
   、制御量（ＰＶ）をＰＩＤ制御して、操作信号（ＭＶ）
   を出力する調節計において、前記オートチューニング部
   に、オートチューニングのＯＮ／ＯＦＦ制御部からの出
   力をサンプルして保持するＯＮ／ＯＦＦ出力サンプル／
   ホールド器と、時間ヒステリシスを設定する設定部と、
   時間ヒステリシスを出力保持時間として管理する出力保
   持時間管理部と、制御量（ＰＶ）と設定値（ＳＶ）の現
   在の偏差（ｅ）と偏差サンプル／ホールド器により保持
   された前回の出力更新時の偏差（ｅ）の両方が入力され
   る入力不感時間管理部と、入力不感時間を設定する設定
   部と、前記ＯＮ／ＯＦＦ出力サンプル／ホールド器、出
   力保持時間管理部、偏差サンプル／ホールド器および入
   力不感時間管理部を更新する出力更新制御部とを付加し
   、オートチューニングの実行中に上記ＯＮ／ＯＦＦ制御
   部の出力が反転した際に、当該ＯＮ／ＯＦＦ制御部の反
   転前の出力を、ＯＮ／ＯＦＦ出力サンプル／ホールド器
   により、出力保持時間管理部によって管理されている時
   間ヒステリシスおよび入力不感時間管理部によって管理
   されている入力不感時間の両方の時間が経過するまで保
   持することを特徴とする調節計。