JPH0413722B2

JPH0413722B2 -

Info

Publication number: JPH0413722B2
Application number: JP55177364A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Nakane; Hiroshi Fujeda; Tooru Kobayashi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1980-12-16
Filing date: 1980-12-16
Publication date: 1992-03-10
Also published as: JPS57100503A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、プロセス制御方法に関し、目標値変
更時のオーバーシユートを大幅に抑制ないしは零
にすると共に、整定時間の早い制御方法を提供し
ようとするものである。ここでは、温度制御プロ
セスを例に挙げて説明する。

従来のプロセス制御方法のブロツク構成を第１
図に示す。ここで温度制御対象として水を例にと
り、入水温度をTWi，出湯温度すなわちプロセ
ス変数信号をTWOとする。システム系の制御部
１には、設定温度TWRと前記入水温度TWiとの
差TUPと、前記出湯温度TWOが入力され、その
偏差TER＝TUP−TWOが、比例・積分・微分
演算部２，３，４にそれぞれ入力して処理され、
出力VK，VTi，VTDとなり、TC₁＝VK＋VTi
＋VTDが出力リミツタ５を介しTCとして制御部
から出される。この出力が、時定数項，むだ時間
項，ゲイン項を含んだ負荷プロセス６に加えられ
て出湯温度TWOが制御される。また、このシス
テムはフイードバツクループとなつており、前述
のようにTWOは制御部１に入力している。

次に、第２図で従来の制御方法の第１図各部の
応答特性を示す。制御部１への入力TUP，TWO
はサンプリング周期毎に取り込まれ、例えば位置
形比例，積分，微分演算処理の場合には、 TC₁＝K_p×TER＋K_p／Ti×Δt×_o 〓^m=1 TER_n＋K_p×Td×１／Δt×（TER_o−TER_o-1 でTC₁が演算され、比例項，積分項，微分項はそ
れぞれ、 VK＝K_p×TER VTi＝K_p／Ti×Δt×_o 〓^m=1 TER_n VTD＝K_p×Td×１／Δt×（TER_o−TER_o-1）で示される。K_pは、制御部の比例ゲイン、Tiは
積分時間、Tdは微分時間、Δtはサンプリング時
間を示す。第２図Ｂは、前記各項VK，VTi，
VTDの応答特性で、目標値変更と共に積分項
VTiも演算処理されている。Ｃは、リミツタ５を
出た後のTCで、TC_nioTC₁TC_naxで制限され
たTC₁の値である。この従来の制御方法では、あ
る負荷プロセス範囲において調整された制御器パ
ラメータT_i，Tdでは、第２図ＡのようなTWO特
性が存在する。プロセスゲイン最大の点で制御器
パラメータを調整し、Ａのようなオーバーシユー
トを無くした場合には、最大負荷、つまりプロセ
スゲイン最小時の整定時間が長くなり過ぎてしま
う。そこで、被制御プロセス範囲全般に対して同
一調整パラメータを用い、オーバーシユートを極
端に抑制ないし零にすると共に、整定時間を短く
することは不可能であるという欠点を有してい
た。

本発明は、目標値変更時、比例項と微分項のみ
で制御を開始すると共に、出力偏差が前記変更目
標値に対してその変更量よりも小さいある値ｘ％
以下になつた時点か、前記目標値変更後、比例と
微分演算処理のみでほぼ定常状態に達する所定時
間が経過した時点かのいづれか早い方の時点か
ら、積分項を付加したPID制御を実施すること
で、上記従来の欠点を解消するものである。

以下、本発明の一実施例について、第３図・第
４図に基づいて説明する。

第３図は、本発明のプロセス制御方法のブロツ
ク構成図である。従来例を示した第１図と異なる
点は、７の選択部が積分演算項に付して追加され
ていることと、８の目標値変更検出部が前記選択
部７に起動信号等を伝達していることで、これら
の働きを、以下第４図を混じえて説明する。設定
温度が、TWR0からTWR1に変更されれば、入
水温度TWiはほぼ同一なので、目標値TUPも
TUP0＝０からTUP1に変更されたことが制御部
１内の目標値変更検出部８にて検知出来る。前記
目標値変更検出部８にて目標値の変更が検出され
ると、選択部７内の偏差判定部９及び計時部１０
に信号が伝達される。偏差判定部９では、前記信
号を受けて、積分演算部３への入力信号をTERi
＝０に固定すると共に、目標値変更量ΔTUP＝
TUP1−TUP0より小さいある値ｘ％を演算保持
し、入力信号である偏差TERが前記ｘ％以下か
否かの判定を繰り返す。また、前記計時部１０
は、目標値変更検出部８からの信号を受けて、所
定時間のカウントを開始する。この所定時間は、
積分演算を除いた、比例・微分制御のみで制御を
開始した後、プロセスの出力、すなわち、TWO
がほぼ安定状態に達するまでの時間とする。前記
のほぼ安定状態とは、比例・微分制御のみでは、
プロセス負荷により異なるが偏差TERは必ず残
るので、それ以上減少しないTERに達した状態
をいう。

上記の方法で制御を開始た後、偏差TERが前
記ｘ％以下に達するか、あるいは、計時部１０で
所定時間が経過すると、選択部７は積分演算部に
入力信号として、TERi＝TERを与え、制御部と
しては比例・積分・微分演算処理を実施するので
ある。

ところで、前述したように、負荷のプロセスゲ
インK_GがTUPよりも小さい範囲では、ｘ％の設
定の仕方によつては、TERがΔTUPのｘ％以下
に達しないこともある。そこで、このように負荷
時の制御に対して、所定時間で積分制御を付加す
る時間制限を設け、偏差TERが無くなるように
しているのである。すなわち、給湯機を例にとれ
ば大流量の水を流すような負荷の大きな場合で
も、設定温度の湯が得られるまでの時間が約１分
以内が望ましく、積分制御を加え始めるタイミン
グのリミツト（所定時間）を30秒程度としてい
る。

これらの特性を第４図に示す。Ｂでは積分項
VTiがｔt₁が動作している様子が分かる。時刻
t₁は、Ａで出湯温度TWOが、TUP_xに達したタ
イミングである。TUP_xは、ΔTUP×ｘ％＝
TUP₁−TUP_xの関係になつている。Ａの図から、
出湯温度TWOは、時刻t₁を過ぎてから一度低下
方向に移行しており、この時に極値を通過してい
る。また、この極値に到達するまで微分演算項が
負の値であり、極値で零となつている。Ｃは、リ
ミツタを通つた後の出力TCを示している。

このように、本発明によれば、目標値変更時、
ある条件まで比例・微分制御（PD）をし、前記
条件が満足された時点で積分制御を加えてPID制
御に移行すれば、出湯温度TWOのオーバーシユ
ートを極端に抑制、ないしは零に出来ると共に、
整定時間も長くすることなく、対象とするプロセ
スの負荷範囲全域の制御を実施することが可能で
ある。ここで、比例・微分制御のみで出力制御
（TC）を開始した後、第４図のＣでTCが一度低
下していき、極小値を通過して微分演算項が次第
に零に近づくことにより、出力TCはまた増加し
始める。この極小値通過時点から、出力結果
TWOは、定常状態、すなわち、比例項の飽和に
よる出力結果安定状態に移行し始める。それ故、
この極小点を通過し終えた点が、ほぼ定常状態に
達するタイミングと判断することが出来る。

第５図のＡは、プロセス部６の負荷とオーバー
シユートΔTとの関係を示しており、アはΔTUP
＝TUP2、イはΔTUP＝TUP3のときで目標変更
と同時にPID演算処理を実施した場合である。ウ
は、ｘ＝75％のとき、プロセスゲイン高い領域で
オーバーシユートの発生している様子を示してい
る。Ｂは、負荷Ｑと、従来の制御方法での整定時
間t_r-PIDと本発明の制御方法での整定時間t_r-PDXと
の比を示しており、ア，イの特性はそれぞれ
TUP2，TUP3に対応している。アでは、Ｑ＜Ｑ
アの領域で、また、イでは、Ｑ＜Ｑイの負荷領域
で整定時間において本発明の制御方法の有利性が
分かる。Ｂではｘを50％とした場合である。ま
た、Ｃでは、ｘをパラメータに取つてあり、75
％，50％，25％がそれぞれウ，エ，オの特性に対
応している。積分項を付加する時刻が早い程（ｘ
％が大きい程）、あるTUPに対して大きなプロセ
ス負荷の領域まで、整定時間において本発明の制
御方法の有利性がうかがえる。但し、Ａから分か
るように、ウではオーバーシユートが生じている
ので、制御仕様によつてはｘを大きくして、目標
変更当初からPID制御に近づける方法が適切とは
限らない。そこで、プロセスの負荷範囲Q₁から
Q₂において前述の時定数，むだ時間，プロセス
ゲインの特性が明らかなものに対しては、変更目
標値量TUPの大きさによつて積分動作を付加す
る点ｘ％を可変すれば、整定時間を極端に長くす
ることなくオーバーシユートを無くした目標値変
更特性とすることが可能である。

また、前述のように、負荷のプロセスゲイン
K_GがTUP以下の範囲では、ｘ％の設定値によつ
てTERがΔTUPのｘ％以下に達しないことがあ
る。そこで、プロセス負荷を検出する手段を設け
（すなわち、給湯機では流量を検出する）、この検
出手段からの信号に応じて、目標値変更後、積分
演算動作を追加する所定時間や、変更目標値量の
ｘ％値を可変することにより、オーバーシユート
を大幅に抑制することが出来る上、整定時間を通
常のPID制御よりも短縮することが可能である。

以上の説明から明らかなように、本発明のプロ
セス制御方法によれば、目標値変更時、比例と微
分演算処理のみで制御を開始すると共に、出力偏
差が前記変更目標値に対してその変更量よりも小
さいある値ｘ％以下になつた時点から、前記目標
値変更後、比例と微分演算処理のみでほぼ定常状
態に達する所定時間が経過した時点かのいづれか
早い方の時点から積分演算処理を付加したPID動
作にすることで、プロセスのむだ時間に起因した
積分項によるオーバーシユートを極端に抑制ない
し、零に出来る上に、ある整定条件を満足するま
での到達時間（整定時間）を従来のPID制御方法
に対して短縮出来る効果が得られるものである。

また、上記説明ではオーバーシユートに関して
のみ言及してきたが、アンダーシユートが生ずる
ような目標値変更に対しても適用すれば、上記同
様に整定時間を短縮出来る上、アンダーシユート
を零ないし大幅に抑制することができるのであ
る。

本発明の方法は、計算機を用いても実現出来る
ことは当然である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のプロセス制御方法のブロツク構
成図、第２図は従来の方法による目標値変更時の
第１図各部の応答特性図、第３図は本発明のプロ
セス制御方法のブロツク構成図、第４図Ａ，Ｂ，
Ｃは本発明の方法による目標値変更時の第２図各
部の応答特性図、第５図Ａはプロセス部６の負荷
とオーバーシユートΔTとの関係図、ＢはTUPを
パラメータに、またＣはｘ％をパラメータにとつ
た場合のプロセス部６の負荷に対する、従来の制
御方法での整定時間t_r-PIDと本発明の制御方法で
の整定時間t_r-PDXとの比を示す関係図である。２……比例演算処理部、３……積分演算処理
部、４……微分演算処理部、６……プロセス、７
……選択部、TWO……プロセス変数信号、TUP
……目標値、TER……出力偏差。

Claims

【特許請求の範囲】１目標値とプロセス変数信号の偏差に比例・積
分・微分演算処理を施した後の結果を出力してプ
ロセスを制御する方法において、目標値変更時、
比例と微分演算処理のみで制御を開始すると共
に、出力偏差が前記変更目標値に対してその変更
量よりも小さいある値ｘ％以下になつた時点か、
前記目標値変更後、比例と微分演算処理のみでほ
ぼ定常状態に達する所定時間が経過した時点かの
いづれか早い方の時点から積分演算処理を付加し
た制御を実施することを特徴とするプロセス制御
方法。２変更目標値量に応じて、出力偏差に対するあ
る値ｘ％を変更することを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載のプロセス制御方法。３変更目標値量に応じて、積分演算処理を付加
する前記目標値変更後の所定時間を変更すること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプロセ
ス制御方法。４プロセスの負荷に応じて、変更目標値量のあ
る値ｘ％を変更することを特徴とする特許請求の
範囲第２項記載のプロセス制御方法。