JPH0391801A - 非線形動特性を有する対象の制御装置 - 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） この発明は制御対象を制御する装置に関し、更に詳しく
は非線形動特性を有する制御対象を制御する装置に関す
る。

（従来の技術） 飼えばプロセス制御系は、そのプロセスが目的とする品
質又は対応する操業条件を、目標値を設定し、制御量と
目標値との間に偏２が認められるときは修正操作により
、操作量をコントロールして、制御量を目標に一致する
ように操作する。

したがって、対象のプロセス制御は、当該制御対象のプ
ロセスに対する種々の外乱の影響をできる限り小さくし
、同時に与えられた目標値に忠実に追従できるように構
成する必要がある。特に制御対象プロセスが非線形動特
性を有し、目標値が大幅に変化するようなものである場
合は、良好な制御性能をもつためには制御対象プロセス
の非線形動特性を重視する必要がある。

しかるに、従来のプロセスの制御装置１０は、第５図に
示すごとく、制御対象の操作部２と操作部２へ制御動作
指令を出力する調節部３とから構威されており、さらに
調節部３は線形制御器８ａのみ、又は線形制御器８ａと
操作部２へ出力する動作指令値を変更する非線形補償器
４及びリミッタ（図示せず。）により構成され、目標値
と制御対象プロセス１の出力信号ｙとの間の偏差を換算
し、偏差があれば線形制御器１０あるいは非線形補償器
４から修正操作量を操作部２へ出力し、当該プロセス１
の制御量と目標値が一致するようにコントロールしてい
た。

しかしながら、制御対象が非線形動特性を有するもので
あるときは、所望の動特性を得るための調節部５のパラ
メータの決め方が確立していなかった。

このようなパラメータを決める場合、従来は、制御対象
動特性（つまり、非線形動特性）を主要線形動特性に対
し、線形制御理論を適用して制御パラメータを決めてい
た。

また、制御対象プロセスの非線形性に対しては、非線形
補償器４として制御量と操作量との間の静的な関係の逆
関数演算器（図示せず。）を設ける方法が一般的に広く
行なわれている。しかし、この方法により対処できる非
線形特性は静的なものに限られ、動的なものに対して対
処し難いという不具合がある。

（発明が解決しようとする課題） そこで、この発明は上述した従来の制御装置の不具合な
点を除去し、非線形動特性を有する対象プロセスに対し
、設計点近傍での制御性能のみでなく、大幅でしかも迅
速に変化する目標値の変化にも対応できる非線形動特性
を有する制御対象の制御装置を提供しようとするもので
ある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 以上の課題を達戊するために、この発明にかかる非線形
動特性を有する制御対象の制御装置１０ａ　　（請求項
（１））は、原理的に第１図のブロック図に示す構成を
有している。

すなわち、制御対象１の動作を操作する操作部２と、こ
の動作部２へ制御対象動作指令Ｕを出力する調節部３と
から成る制御装置であって、調節部３を、制御対象１の
制御量信号ｙを入力して仮想制御量信号Ｚに変換して出
力する変換演算器５及び線形化フィードバッグ信号を出
力する線形化演算器６と、 制御量の目標値を入力して仮想出力の目標値信号を出力
する仮想出力の目標値演算器７と、この目標値演算器７
から出力される仮想出力の目標値信号と前記変換演算器
５から出力される仮想制御量信号を入力して仮想動作指
令値を出力する制御器８と、 この制御器８から出力される仮想動作指令値と前記線形
化演算器６から出力される線形化フィードバック信号出
力を入力して動作指令値Ｕを出力する入力変換器９によ
り構成したものである。

また、この発明にかかる非線形動特性を有する制御対象
の制御装置のもう一つ（請求項＜２））は、上述した制
御装置１０ａの変換演算器５、線形化演算器６及び変換
器９のうちの少くとも一つにより非線形演算を行うよう
に構成したものである。

（作用） この発明にかかる非線形動特性を有する制御対象の制御
装置は、請求項（１）の装置も、また請求項（２）の装
置も以上のように操作部と調節部とから構成され、調節
部は線形化部と制御器部から構成され、線形化部は動作
指令信号Ｕと制御量Ｙの間の非線形動特性を仮想動作指
令Ｖと仮想制御量信号Ｚの間の線形動特性に変換し、制
御器部はこの線形動特性をコントロールする。したがっ
て、本発明によるプロセスの制御装置１０ａでは従来の
制御装置１０において対象プロセスが非線形動特性を有
しているにかかわらず、線形とみなして線形制御理論を
適用してコントロールするためにもたらされる誤差は生
ぜず、目標値変化に対して速応性や安定性の高い制御装
置を得ることができる。

（実施例） 次に、図面に基づいて本発明の非線形動特性を有する制
御対象を制御する装置の一実施例について説明する。

第２図は、本発明の実施例に係る非線形動特性を有する
制御対象システムを制御する装置の概略構成を示すブロ
ック図である。

本実施例の制御装置１０ａの調節部３は、制御対象シス
テム１ａを操作する操作部２（第２図では図示せず）と
調節部３とから構成されており、調節部３は制御対象シ
ステム１ａの制御信号Ｘを入力して仮想制御量信号Ｚを
出力する変換演算器５及び線形化フィードバック信号を
出力する線形化演算器６と、制御量の目標値を入力して
仮想出力の目標値信号ＳＺを出力する目標値演算器７と
、目標値演算器７から出力される仮想出力の目標値信号
と前記変換演算器５から出力される仮想制御量信号Ｚを
入力して仮想動作指令値Ｖを出力するサーボ系１３と、
このサーボ系１３から出力される仮想動作指令値Ｖと前
記線形化演算器６から出力される線形化フィードバック
信号出力を入力して動作指令値Ｕを出力する入力変換器
９とから構成されており、前記サーボ系１３は目標値演
算器７から出力される仮想出力の目標値信号ＳＺと変換
演算器５から出力される仮想制御量信号Ｚを入力して仮
想動作指令値Ｖ１を出力する偏差積分器１１と、前記変
換演算器５から出力される仮想制御量信号Ｚを入力し仮
想動作指令値Ｖ２を出力する状態フィードバック器ｌ２
とからなっている。

本実施例の制御装置は、（１ａ）及び（１ｂ）式に示す
非線形動特性を持つ制御対象システム１ａの変数Ｙを制
御する。

（以下余白） Ｙ＝Ｘ， ２ （１ｂ） 本実施例では、 変数変換器５は次式の漬算を行 また、 指令値変換器７は （３） 式の演算を行う。

線形演算器６はＵ２ を次式により求め出力する。

本調節部３の動作指令値Ｕは（３）式及び（４）式から
求められる。

Ｕ　＝　Ｕ　１＋　Ｕ２　　　　　　　　　（５）《２
）式から（４）式の関数は、状態空間の線形化法（１）
により求めた。また本発明の制御装置１０の調節部３の
制御器８として本実施例では、サーボ１３を用いている
。そしてサーボ系１３を構成する偏差積分器１１では、
次式の演算を行なっている。

Ｖ＋　＝Ｆ２　　・．１’　（ｒｚ−ｚ　Ｈ　）　ｄｔ
　　　（６）Ｆ２　：積分ゲイン ｒＺ：Ｚ１の目標値 また状態フィードバック器１２では次の演算を行なう。

Ｖ２＝Ｆ，　　●Ｚ（７） Ｆ１　：フィードバックゲイン この制御器の出力Ｖは《６）式、（７）式を用いて次式
で現される。

Ｖ＝Ｖ，−ｖ２　　　　　　　　（８）ここでＦ，，Ｆ
２は、最適レギュレー夕問題を解くことにより容易に求
められる。

さらに、Ｚ１の目標値ｒｚは、目標値変換部７により ｒｚシ５Ｖ　　　　　　（９） により求める。

第３図に示す従来構成のサーボ系を調節部に有する制御
器との応答の比較を第４図に示す。第４図の（ａ）及び
（ｂ　）は、それぞれ従来の制御装置及び本実施例の制
御装置による設計動作点における制御応答の特性曲線図
、第４図（Ｃ）及び（ｄ）は低動作点における従来の制
御装置及び本実施例の制御装置による制御応答の特性助
線図である。

第４図から明らかなごとく本実施例では、動作点が設計
点からずれても制御量Ｘ１の応答は変化なく良好な応答
が得られ、従来構造の制御装置では動作指令値Ｕが振動
気味となり、制御性能が低下していることが判る。

なお、本実施例では調節部を制御器、変換演算器等個別
の部品で構成したが、ソフトウエアとして構成しても同
様の効果が得られるのは明らかである。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなごとく、本発明の非線形動特性
を有する制御対象の制御装置によれば、従来の制御装置
では困難であった非線形動特性を有するプロセスに対す
る制御系が、本発明の調節部のように構成することによ
り、容易に解決できる。

また、大部分のプロセスは非線形の特性を有するので、
本発明に従ってプロセス制御系を構成することにより、
従来構成の制御装置に比べて、制御性能、特に速応性や
安定性に優れた制御装置を作ることができる。

また、実施例と従来例との比較で述べたように幅広い目
標値変化に対応できる。

また、本発明の制御装置による制御性能の向上は自明な
ので、その詳細な説明は省略するが、ここでは容易に非
線形プロセスに対し調節計が構成できることを示す。従
来より線形制御対象の制御器は容易に設計できた。また
線形化変換も、以下に示す様に変換演算器と、指令値変
換器と、入力変換器と線形化演算器により容易に実施可
能である。まず、線形化変換が可能な条件はＨｕｎｔ　
，　ＳＵ等により証明されており、この条件は、初期値
Ｘ０を含む近傍Ｖに次の関数ψ：Ｖ−Ｒが存在すること
である。

Ｌ，ψ”’　Ｌ　，　Ｌ　ｔ　ψ＝　，・，　Ｌ　，　
Ｌ　，　Ｉ１−２ψ：０（１０） Ｌ，Ｌ，’−２ψ（ｘ０）≠０　　　　　　　　＜１１
）ここに、ｎはシステムの次数、Ｌｉはｇについてのリ
ー微分を表わす。

この条件は、適当な対象プロセスのモデルを作れば容易
に満足される条件である。そして、このψを用いて、変
換演算器５の出力Ｚは （ｌ２）式の演算により求めればよい。また入力変換器
の出力Ｕ，と線形化演算器の出力Ｕ２は次式で？めれば
良い。

Ｙ＋＝１／Ｌ■Ｌ，′″−ｌψＶ ■は指令値変換器への出力 Ｕ２　−　（　　’Ｌ　ｔ　　ψ）／Ｌ，Ｌ，−ｌ　ψ
以上述べた如く容易に調節部が構成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかる非線形動特性を有する制御対
象の制御装置の原理構成を示すブロック図、第２図は本
発明の一実施例の概略構成を示すブロック図、第３図は
比較例の従来制御系の概略構成を示すブロック図、第４
図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は本発明の実施例と
比較列による制御応答を示す特性ＩＩｌＪ線図、第５図
は従来のプロセス制御系の構成を示すブロック図である
。 １・・・制御対象（プロセス） ２・・・制御装置の操作部 ３・・・制御装置の調節部 ５・・・変換演算器 ６・・・線形化演算器 ７・・・目標値演算器 （１４） （１３） ８・・・制御器 ９・・・入力変換器 １０・・・従来の制御器 １０ａ・・・本発明の制御器 １３・・・サーボ系

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）制御対象の動作を操作する操作部と、この操作部
   へ制御対象動作指令を出力する調節部とから成る制御装
   置であって、 調節部を、制御対象の制御量信号を入力して仮想制御量
   信号に変換して出力する変換演算器及び線形化フィード
   バッグ信号を出力する線形化演算器と、 制御量の目標値を入力して仮想出力の目標値信号を出力
   する仮想出力の目標値演算器と、 この目標値演算器から出力される仮想出力の目標値信号
   と前記変換演算器から出力される仮想制御量信号を入力
   して仮想動作指令値を出力する制御器と、 この制御器から出力される仮想動作指令値と前記線形化
   演算器から出力される線形化フィードバック信号出力を
   入力して動作指令値を出力する入力変換器により構成し
   たことを特徴とする非線形動特性を有する対象の制御装
   置。
2. （２）請求項（１）記載において、変換演算器、線形化
   演算器及び入力変換器のうちの少なくとも一つにより非
   線形演算を行うように構成したことを特徴とする非線形
   動特性を有する対象の制御装置。