JPH04215104A - フィードバック制御装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種制御対象を自動制
御するためのフィードバック制御装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】積分要素、微分要素及び比例要素を具え
た一般的なＰＩＤ制御装置においては、３つのパラメー
タ、即ち積分時間、微分時間及び比例ゲインを夫々調整
する際、外乱に対する安定を迅速化せんとすると、図５
に破線で示す様に過大な行過ぎ量Ｑ（所謂オーバーシュ
ート）が生じる。又、オーバーシュートを防止せんとす
ると、外乱が加わった場合の安定動作が遅くなるという
問題があった。

【０００３】そこで、図６の如き比例微分先行形のＰＩ
Ｄ制御装置が提案されている。該装置においては、制御
対象（１）から出力される制御量Ｈと基準入力信号Ｒと
の偏差Ｅが積分要素（１１）へ送られると共に、前記制
御量Ｈが微分要素（１２）へ送られ、更に積分要素（１
１）の出力から微分要素（１２）の出力を減算した信号
が比例ゲイン（１３）へ送られて、制御対象（１）に対
する操作量Ｙが作成される。この様な装置では、外乱に
対しては微分要素（１２）によって制御量Ｈの変化を抑
制することが出来、また基準入力信号Ｒに変更があって
も、積分要素（１１）の積分動作によってオーバーシュ
ートが抑制されるという利点があった。

【０００４】しかしながら、このような比例微分先行形
のＰＩＤ制御では逆に、目標値への応答性が悪化し、図
５の鎖線の如く目標値に達するまでの時間が長くなる問
題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、外乱
に対する応答性を維持したまま、従来よりも目標値に対
する応答性に優れ、然も行過ぎ量を充分に抑制出来るフ
ィードバック制御装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決する為の手段】本発明に係るフィードバッ
ク制御装置は、制御ループ中に比例動作部、積分動作部
及び微分動作部を有しており、積分動作部は、制御ルー
プの動作信号に積分処理を施す積分手段と、該積分手段
の出力を増幅する増幅手段と、前記積分手段の出力と増
幅手段の出力の何れか一方を選択して制御ループに接続
する第１の切換え手段とを具え、微分動作部は、制御ル
ープの動作信号に微分処理を施す微分手段と、該微分手
段の出力の制御ループへの接続、切離しを行なう第２の
切換え手段とを具えている。

【０００７】前記第１及び第２の切換え手段は夫々演算
切換判定部によって制御され、第１の切換え手段は、偏
差Ｅが所定の範囲内であるとき、又は積分動作部及び比
例動作部の出力Ｚが所定の飽和状態であるとき、積分手
段の出力を選択し、それ以外の場合は増幅手段の出力を
選択し、第２の切換え手段は、偏差Ｅが所定の範囲内で
あるとき、又は積分動作部及び比例動作部の出力Ｚが所
定の飽和状態でないとき、微分手段の出力を制御ループ
へ接続し、それ以外の場合は微分手段の出力を制御ルー
プから切り離すものである。

【０００８】

【作用】第１切換え手段については、偏差Ｅが所定範囲
から逸脱しており且つ積分動作部及び比例動作部の出力
Ｚが所定の飽和状態でないときは、第１の切換え手段が
増幅手段の出力を制御ループに接続する。これによって
積分手段の出力が増幅され、積分動作が強められる。従
って操作量Ｙが増大して、制御量は目標値に向って迅速
に接近することになる。この場合、積分動作部及び比例
動作部の出力Ｚが飽和状態に達すると、第１切換え手段
が積分手段の出力を直接に制御ループへ接続し、これに
よって過積分が防止される。

【０００９】第２切換え手段については、偏差Ｅが所定
範囲から逸脱しており且つ積分動作部及び比例動作部の
出力Ｚが所定の飽和状態に達しているときは、第２切換
え手段は微分手段の出力を制御ループから切り離す。こ
れによって微分動作が制御動作から外される。従って、
偏差Ｅを零に接近させる制御動作に対する抑制が解除さ
れ、制御量は目標値に向って迅速に接近することになる
。この場合、偏差Ｅが所定範囲内に収まると、第２切換
え手段が微分動作の出力を制御ループに接続する。これ
によって通常のＰＩＤ制御ループが構成され、外乱に対
する応答性が発揮される。

【００１０】

【発明の効果】本発明に係るフィードバック制御装置に
よれば、偏差Ｅが大きいときは微分動作が切り離される
と共に積分動作が強められるから、制御量Ｈは急速に目
標値へ接近し、偏差Ｅが零或いは略零となったときは通
常のＰＩＤ制御動作が実現される。従って、外乱に対す
る応答性を従来のＰＩＤ制御と同じに維持したまま、従
来よりも優れた目標値応答が得られると同時に、行過ぎ
量は充分に抑制される。

【００１１】

【実施例】実施例は本発明を説明するためのものであっ
て、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を
減縮する様に解すべきではない。

【００１２】図１は本発明を比例微分先行形のＰＩＤ制
御に応用した一例のブロック線図を示している。制御対
象（１）から出力される制御量Ｈと基準入力信号Ｒとの
偏差Ｅは所定の積分時間Ｔｉを有する積分要素（２）へ
接続される。該積分要素（２）の出力は第１切換え要素
（４）へ接続され、該切換え要素（４）の切換え動作に
よって、積分要素（２）の出力は所定の比例ゲインＫｐ
を有する第１比例ゲイン（６）へ直接に加えられ、或い
は所定のゲインαを有する増幅要素（３）を経て比例ゲ
イン（６）へ加えられる。従って、第１切換え要素（４
）がａ側へ切換えられたときは、積分時間Ｔｉによる通
常の積分動作が実現され、第１切換え要素（４）がｂ側
へ切換えられたときは、通常のα倍に強調された積分動
作が実現される。

【００１３】更に制御対象（１）からの制御量Ｈがゲイ
ン１の比例要素（５）へ接続されると共に、所定の微分
時間Ｔｄを有する微分要素（７）へ接続されている。前
記比例要素（５）の出力は比例ゲイン（６）の入力端へ
減算値として接続される。一方、微分要素（７）の出力
は比例ゲインＫｐの第２比例ゲイン（８）を経て第２切
換え要素（９）へ接続され、該切換え要素（９）の切換
え動作によって、第２比例ゲイン（８）の出力が制御対
象（１）の入力端へ減算値として接続され、或いは接続
が切り離される。　　従って、第２切換え要素（９）が
ａ側へ切換えられたときは、微分時間Ｔｄによる微分動
作が実現され、第２切換え要素（９）がｂ側へ切換えら
れたときは、微分動作が制御ループから除外されること
になる。

【００１４】偏差Ｅ及び比例ゲイン（６）の出力は演算
切換判定部（１０）へ供給され、これによって前記第１
及び第２切換え要素（４）（９）に対する切換え制御信
号が作成される。第１切換え要素（４）に対する演算切
換判定部（１０）の動作は、偏差Ｅが第１の規定範囲内
であるとき、又は比例ゲイン（６）の出力Ｚが第１の飽
和状態であるとき、第１切換え要素（４）をａ側へ切り
換え、それ以外の場合は第１切換え要素（４）をｂ側へ
切り換えるものである。 又、第２切換え要素（９）に対する演算切換判定部（１
０）の動作は、偏差Ｅが所定の第２の規定範囲内である
とき、又は比例ゲイン（６）の出力Ｚが第２の飽和状態
でないとき、第２切換え要素（９）をａ側へ切り換え、
それ以外の場合は第２切換え要素（９）をｂ側へ切り換
えるものである。

【００１５】偏差Ｅの規定範囲は図４に示す如く、例え
ば制御量のフルスケールを１００％とした場合の制御量
Ｈの目標値からのずれＤの範囲（例えば±１０％）を意
味し、上記第１及び第２の規定範囲は、例えば比例帯幅
として、周知のオートチューニング等の手法によって求
めることが出来、互いに同一又は異なる範囲に設定され
る。又、比例ゲイン（６）の出力Ｚの飽和状態は、制御
対象（１）に対する実際の操作量として１００％に達し
た状態を意味するが、上記第１及び第２の飽和状態は、
演算処理上１００％の近傍の値として、実験的或いは経
験的に規定出来、互いに同一又は異なる状態値に設定さ
れる。

【００１６】第１及び第２切換え要素（４）（９）の切
換えによって実現される４つの制御ループにおいて、制
御量の変化は次の４つの式で表わすことが出来る。ここ
で、Ｙ０は操作量Ｙの初期値である。

【００１７】第１及び第２切換え要素（４）（９）がと
もにａ側の場合

【数１】

【００１８】第１切換え要素（４）がａ側、第２切換え
要素（９）がｂ側の場合

【数２】

【００１９】第１切換え要素（４）がｂ側、第２切換え
要素（９）がａ側の場合

【数３】

【００２０】第１及び第２切換え要素（４）（９）がと
もにｂ側の場合

【数４】

【００２１】図５の実線の如く制御量Ｈが零から目標値
まで変化する過程において、第１及び第２切換え要素（
４）（９）の切換わり状態の一例、及び各切換え状態に
おける制御ループの作用、効果について説明する。

【００２２】図５の実線の如く制御量Ｈが零から目標値
まで変化する過程において、当初は偏差Ｅが大きく、第
１及び第２切換え要素（４）（９）が夫々ｂ側に設定さ
れると、積分要素（２）の積分動作が増幅要素（３）に
よってα倍に強調されると共に、微分要素（７）による
微分動作が切り離れる。微分動作の切離しによって、制
御量Ｈが目標値へ接近する際の変化を抑制する作用は働
かず、同時に積分動作が強調されることによって、制御
量Ｈは図６の実線の如く急速に目標値へ接近する。この
過程で、比例ゲイン（６）の出力Ｚが第１の飽和状態に
達すると、第１切換え要素（４）がａ側へ切換えられて
、増幅要素（３）による積分動作の強調が外され、通常
の積分動作に設定される。これによって過積分が防止さ
れるから、過大な行過ぎ量が生じることはない。

【００２３】その後、偏差Ｅが第１の規定範囲に収まる
ことによって切換え要素（４）がａ側に、更に偏差Ｅが
第２の規定範囲に収まることによって第２切換え要素（
９）がａ側に切換えられる。これによって図６と同様の
通常のＰＩＤ制御ループが構成され、整定状態における
外乱に対し、充分な応答性が発揮されることになる。こ
のとき、整定状態にて外乱が作用しても、微分要素（７
）による微分動作によって出力Ｈの変動は抑制されるが
、外乱による出力Ｈの変動が大きくなって、比例ゲイン
（６）の出力Ｚが第２の飽和状態に達したときは、第２
切換え要素（９）がｂ側に切り換えられて、微分要素（
７）による微分動作が切り離される。これによって、外
乱による制御量の変化に対して迅速に安定状態へ復帰す
る。

【００２４】従って、上記フィードバック制御装置によ
れば、図５の実線の如く目標値に対して迅速な応答が得
られ、然も行過ぎ量は僅かな値に抑えることが出来、外
乱応答性にも優れた効果が得られる。尚、上記フィード
バック制御装置の動作は切換え要素（４）（９）の動作
を含めて全てマイクロコンピュータのソフトウエアによ
る演算処理によって実現しているが、ハードウエアを一
部に含めた構成も可能であるのは勿論である。図１は本
発明に係るフィードバック制御装置を比例微分先行形の
制御ループとして構成した例であるが、図２に示す微分
先行形の制御ループ、或いは図３に示す通常のＰＩＤ制
御ループとして構成することも可能であり、これらの場
合においても同様の優れた効果が得られる。

【００２５】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは
勿論である。

【００２６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るフィードバック制御装置を比例微
分先行形のＰＩＤ制御ループとして構成した例を示すブ
ロック線図である。

【図２】本発明に係るフィードバック制御装置を微分先
行形のＰＩＤ制御ループとして構成した例を示すブロッ
ク線図である。

【図３】本発明に係るフィードバック制御装置を基本的
なＰＩＤ制御ループとして構成した例を示すブロック線
図である。

【図４】制御量の規定範囲を説明する図である。

【図５】制御量の目標値応答を示す図である。

【図６】従来のＰＩＤ制御装置を示すブロック線図であ
る。

【符合の説明】

（１）　　制御対象 （２）　　積分要素 （３）　　増幅要素 （４）　　第１切換え要素 （６）　　比例ゲイン （７）　　微分要素 （９）　　第２切換え要素

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　制御ループ中に比例動作部、積分動作
   部及び微分動作部を具えたフィードバック制御装置にお
   いて、積分動作部は、制御ループの動作信号に積分処理
   を施す積分手段と、該積分手段の出力を増幅する増幅手
   段と、前記積分手段の出力と増幅手段の出力の何れか一
   方を選択して制御ループに接続する第１の切換え手段と
   を具え、前記微分動作部は、制御ループの動作信号に微
   分処理を施す微分手段と、該微分手段の出力の制御ルー
   プへの接続、切離しを行なう第２の切換え手段とを具え
   、前記第１及び第２の切換え手段は夫々演算切換判定部
   によって制御され、第１の切換え手段は、偏差Ｅが所定
   の範囲内であるとき、又は積分動作部及び比例動作部の
   出力Ｚが所定の飽和状態であるとき、積分手段の出力を
   選択し、それ以外の場合は増幅手段の出力を選択し、第
   ２の切換え手段は、偏差Ｅが所定の範囲内であるとき、
   又は積分動作部及び比例動作部の出力Ｚが所定の飽和状
   態でないとき、微分手段の出力を制御ループへ接続し、
   それ以外の場合は微分手段の出力を制御ループから切り
   離すことを特徴とするフィードバック制御装置。