JPH0431901A - むだ時間を含む系の制御装置 - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、制御対象の時定数に対してむだ時間が相対的
に大きく制御性に悪影響を与えるむだ時間を含む系の制
御装置に係わり、特にむだ時間の大きな系であっても制
御性の高精度化を実現可能とするむだ時間を含む系の制
御装置に関する。

・（従来の技術） ＰＩまたはＰＩＤ制御装置は、プロセス制御の有史以来
あらゆる産業分野で広く利用され、もはや計装分野では
ＰＩまたはＰＩＤ制御装置なしには成り立たなくなって
きている。

ところで、従来から種々の制御方式か提案されており、
その制御演算方式もアナログ式からディジタル式に移行
して来ているが、ＰＩまたはＰＩＤ制御装置の王座は少
しも変わっておらず、プラント運転制御システムの基盤
をなしている。

今後もこの王座は少しも変わりそうにない。

しかし、以上のような優れたＰＩＤ制御であっても次の
ような問題点をもっている。一般に、制御対象の伝達関
数Ｇ　（ｓ）は、制御対象のゲインをＫ、制御対象の時
定数をＴ、ラプラス演算子を５１制御対象のむだ時間を
Ｌとすると、 Ｇ（ｓ）　＝　ｆＫ／　（１＋Ｔ−ｓ）　ｌ　　ｅ−Ｌ
Ｓ・・・　（１） で表されるか、このような伝達関数を持つ制御対象の場
合には、 ■　その制御対象の時定数に対するむだ時間、つまりＬ
／Ｔか相対的に大きくなると、制御が非常に難しくなり
、しかも調節演算結果が制御対象に直ちに反映しないこ
とから制御性が悪くなる。

■　しかも、むだ時間りが変化すると、更に制御性が難
しくなる、 といった問題がある。

一般に、フィードバック制御の基本は、調節演算結果で
ある操作量の変化に応答する制御量と目標値との制御偏
差によって操作量の妥当性を判断し、次の操作量を決定
することになる。しかし、むだ時間りの大きな制御対象
にＰＩＤ制御をそのまま適用したとき、操作量の変化に
対する制御量の変化状態を確認しないうちに次々と操作
量を更新するので、フィードバック制御の基本原理に反
し、制御量か振動的となり、その制御量を目標値に整定
させることが難しい。

そこで、以上のような制御装置においては０、Ｊ、Ｍ、
Ｓｍｉ　ｔｈによるスミス補償法が用いられている。こ
のスミス補償法は操作量の変化が制御量にどのような影
響を与えるかを予測し、その制御量予測値に基づいて次
の操作量を計算し出力する方法である。

第３図はかかるスミス補償法を用いた従来のむだ時間を
含む系の制御装置のブロック構成を示す図である。この
むだ時間を含む系の代表例には、熱量を混合する温度制
御系や物質を混合反応する成分制御系があるが、ここで
は後者の例を取り上げて説明する。すなわち、この制御
装置は、Ａ流体配管１のＡ流体にＢ流体配管２のＢ流体
を添加して反応槽３に導びき、ここで所要の時間の間反
応させた後、その反応後のＣ流体をＣ流体配管４から取
り出し、成分計５にて反応結果を検出する構成を基本と
している。

しかし、この制御装置は、成分調節手段６にて成分計５
の成分検出値ＰＶｎと成分目標値Ｓｖとの制御偏差を零
とするような操作量を求め、この操作量を流量目標値と
して流量調節手段７に導き、ここで流量目標値と流量計
８からのＢ流体の検出流量とに基づいて調節演算を実行
し、得られた操作量を調節弁９に印加してＢ流体の流量
を可変するものであるので、この操作量の変化から実際
に成分計５で反応結果を検出するまでに相当大きなむだ
時間（反応時間）か発生する。しかも、成分調節手段６
ては操作量の変化に対する効果を確認しないうちに次々
と調節演算を実行して流量調節手段７の流量目標値を求
め、この流量目標値に基づいて流量調節手段７が操作量
を更新するので、どうしても操作量がオーバー状態とな
り、結果として制御量が振動的となり、制御性の低下は
避けられない。

そこで、むだ時間を含む系の制御装置には次のようなス
ミスむだ時間補償制御手段が設けられる。

すなわち、このスミスむだ時間補償制御手段は、流量計
８によって得られたＢ流体の流量ｆ。を位置形−速度影
信号変換手段１１に導き、ここでΔｆ・−ｆ・−ｆ・−
１・・・（２） なる演算を行ってＢ流体の流量変化分Δｆ、を求める。

さらに、この流量変化分Δｆ、を乗算手段１２に導き、
ここで流量変化分Δｆ、に予測係数設定手段１３に設定
された操作量変化分から制御量（成分）変化分を予測す
る予測係数Ｋを乗じて制御量変化分子測値Ｋ・Δｆ０を
得、速度形−位置影信号変換手段１４にて積分演算、つ
まりＰ　Ｖ　ｐ、、−Ｐ　Ｖ　、、、＋　Ｋ・Δｆ、　
　　−（３）なる演算を行って操作量変化分から制御量
変化分予測値ｐｖ、、を得た後、減算手段１５に導入す
る。

この減算手段１５では制御量変化分子測値ＰＶ。

から制御対象のむだ時間りのむだ時間手段１６を介した
信号を減算し、 Ｐ　Ｖ　ｐｅ　（１ｅ　−”’　）　　　　　　　　・
・・（４）を求めた後、これを制御対象の時定数Ｔを設
定した遅れ手段１７に導き、 ＰＶ、、”ＰＶｐｆｉ’　　（１／　（１＋Ｔｅ　５）
）（１−ｅ−Ｌ５）　　・・・（５） なる演算式に基づいて遅れ処理を行って制御量補償値ｐ
ｖ、ｆｉを得、後続の加算手段１８に導入する。

この加算手段１８では成分計５の制御量に制御量補償値
ｐｖ、ｆｉを加算合成して制御量予測値を求め、この制
御量予測値をフィードバック信号ＰＶｅとして成分調節
手段６に供給する。

この成分調節手段６においては制御量補償値ｐｖ、ｎを
考慮したフィードバック信号Ｐｖｏと目標値Ｓｖとが一
致するような調節演算を実行し、得られた制御演算出力
を流量目標値として流量調節手段７に導き、ここでＢ流
体の流量ｆ。と一致するように調節演算を行い、得られ
た操作量を調節弁９に印加してＢ流体を調整し、成分調
節手段６の成分目標値ＳＶとフィードバック信号Ｐｖ１
とが一致するように制御する。

（発明が解決しようとする課題） 従って、以上のようなむだ時間を含む制御装置において
は、操作量の変化に予測係数を乗じて制御量変化予測値
を求め、この制御量変化予測値を積分した信号に、むだ
時間りを除いた制御対象の単位伝達関数を乗じた値から
制御量変化予測値に制御対象の単位応答特性を乗じた値
を減じた制御量補償値とを加算合成して制御量予測値を
求め、成分調節手段６にフィードバック信号として供給
する構成であるので、操作量の変化に対し制御対象が応
答したとき、その実測制御量が操作量の変化に対する正
しい値として示すことになり、むだ時間を含む制御系の
制御性を改善することができる。

しかし、操作量の変化から制御量の変化を予測する予測
係数Ｋが定数となっているので、第３図に示す反応プロ
セスの場合にはＡ流体の成分やＢ流体の成分が変動した
とき、固定の予測係数にでは制御量予測値に誤差が生じ
、制御を正確に行えない問題がある。

特に、むだ時間を含む制御系の場合には、温度、濃度お
よび成分など、製品の品質を決定する重要なプロセスが
多いことから、以上のような不具合を解決することが要
望されていた。

本発明は上記実情にかんがみてなされたもので、操作量
の変化から制御量の変化を予測する予測係数を最適値に
自動修正可能とし、よってむだ時間の大きな系であって
も高精度に制御を実行しうるむだ時間を含む制御装置を
提供す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） 本発明に係わるむだ時間を含む制御装置は上記課題を解
決するために、予め予測係数を与えて操作量出力の変化
に伴って制御量に影響を与えるべき制御量補償値を求め
た後、むだ時間を含む制御対象から得られる制御量に前
記制御量補償値を加えて制御量予測値を求めるとともに
、この制御量子１ｊｌｌ値とこの制御量予測値の目標値
との偏差に基づいてＰ（比例）、Ｉ　（積分）およびＤ
（微分）調節のうち少なくともＰＩ調節演算を実行し、
得られた調節演算出力を前記むだ時間を含む制御対象に
印加し、前記制御量予測値が前記目標値に等しくなるよ
うに制御するむだ時間を含む系の制御装置において、 前記制御対象のむだ時間に少なくとも前記制御対象の時
定数の２倍以上を加えた時間となる区間毎に前記制御量
補償値の平均値または積分値を求める平均・積分手段と
、この平均・積分手段によって求めた２区間前の制御量
補償値の平均値または積分値と１区間前の制御量補償値
の平均値または積分値との差が所定の範囲内にあるとき
、前記１区間前の制御量補償値の平均値または積分値が
零となるように前記予測係数を修正する予測係数修正手
段とを備えた構成である。

（作用） 従って、本発明は以上のような手段を講じたことにより
、むだ時間を含む系が完全に応答する時間をもって１区
間とし、この区間毎の制御量補償値の平均値または積分
値を求めた後、２区間前の制御量補償値の平均値または
積分値と１区間前の制御量補償値の平均値または積分値
との差が所定の範囲内にあるとき、つまり制御系が安定
なとき、前記１区間前の制御量補償値の平均値または積
分値に修正係数を乗じた値を用いて予測係数を修正する
ことにより、１区間前の制御量補償値の平均値または積
分値を零となるようにし、むだ時間が大きい系であって
も正確に制御するものである。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について第１図を参照して説明
する。なお、同図において第３図と同一部分には同一符
号を付してその詳しい説明は省略する。

この制御装置は、制御対象のむだ時間に少なくとも制御
対象の時定数の２倍以上を加えた時間となる区間毎に制
御量補償値の平均値または積分値を求める現（Ｎ）区間
積分手段３１と、この現区間積分手段３１によって求め
た現区間の制御量補償値の平均値または積分値を記憶す
る（Ｎ−１）区間積分値メモリ手段３２と、前記現区間
積分手段３１が前記現区間の制御量補償値の平均値また
は積分値を（Ｎ−１）区間積分値メモリ手段３２に記憶
した後に次の区間の制御量補償値の平均または積分動作
を始めてタイムアツプしたとき、例えばシフトなどによ
って（Ｎ−１）区間積分値メモリ手段３２から出力され
る値を記憶する（Ｎ−２）区間積分値メモリ手段３３が
設けられている。このとき、（Ｎ−２）区間積分値メモ
リ手段３３への記憶時、現区間積分手段３１の値が（Ｎ
−１）区間積分値メモリ手段３２に記憶され、以上の処
理を各区間毎に繰り返し行う。

また、（Ｎ−２）区間積分値メモリ手段３３の出力側に
は減算手段３４を介して判定手段３５か設けられている
。この判定手段３５は（Ｎ−２）区間積分値メモリ手段
３３の値と（Ｎ−１）区間積分値メモリ手段３２の値と
の差が予め設定された所定の値（例えば零近傍）の範囲
内にあるときスイッチ手段３６を導通し、（Ｎ−１）区
間積分値メモリ手段３２の出力に係数手段３７にて所定
の係数を乗じて得られた値ΔＫＮ−，を積分手段３８に
導入する。この積分手段３８は、所定の周期Ｔ、毎に、 ＫＮ−、ｍ１ＫＮ−２−ΔＫＮ−１・・・（６）（初期
値に−２−に−、−１）なる演算を実行し、乗算手段１
２と信号変換手段１４との間に設けた乗算手段３９に導
入する。この乗算手段３９では乗算手段１２の出力であ
る制御量変化分子測値ｐｖ、、に積分手段３８の出力Ｋ
Ｎ−１を乗算することにより、前記予測係数Ｋを自動的
に修正して信号変換手段１４に導入する構成である。

次に、以上のように構成された装置の動作について第２
図を参照して説明する。スミスむだ時間補償制御手段の
最終段である遅れ手段１７によって得られた制御量補償
値ｐｖ、、は前記加算手段１８のほか、現区間積分手段
３１に供給される。

ここで、現区間積分手段３１は制御周期Δｔと予測係数
にとを修正するために制御量補償値の平均値または積分
値を求めるものであるが、その平均・積分区間Ｔ、は第
２図に示す通りである。ここで、制御周期Δｔは一般に
０．１〜１．０程度の短い周期で行い、また積分区間Ｔ
、は次式に示すように操作量の変化が完全に応答までの
時間、例えば、 Ｔ、≧Ｌ十（２〜３）・Ｔ　　　　・・・（７）なる区
間とする。つまり、現区間積分手段３１は制御対象のむ
だ時間りに少なくとも制御対象の時定数Ｔの２倍以上を
加えた時間をもって積分区間Ｔ、とじ、この積分区間Ｔ
６毎に制御量補償値の平均値または積分値を求めるもの
である。

一般に、 Ｔ、＞Δｔ　　　　　　　　　　　　・・・（８）の関
係になっている。

従って、以上のようにして積分区間Ｔ、にわたって積分
すると、 （１）　予測係数Ｋが最適なとき、 （Ｎ−２）区間積分値はΣＰｖ、ｌＮ−２≧０（Ｎ−１
）区間積分値はΣｐｖ□ｌＮ−１−〇となり、また （２）　予測係数Ｋが最適でないとき、（Ｎ−２）区間
積分値はΣｐｖ□ＩＮ−□−〇（Ｎ−１）区間積分値は
ΣＰＶ、、ＩＮ−＋≠０となる。なお、（Ｎ−２）区間
積分値は（Ｎ−２）区間積分値メモリ手段３３に、また
（Ｎ−１）区間積分値は（Ｎ−１）区間積分値メモリ手
段３２に格納されている。

そこで、前記（２）の場合には予測係数Ｋを自動修正し
なければならない。しかも、この修正時には（Ｎ−２）
区間に操作した結果が（Ｎ−１）区間に現れることにな
るので、判定手段３５では（Ｎ−２）区間積分値と（Ｎ
−１）区間積分値との差が所定の範囲内にあるか否かを
判断し、所定の範囲外の場合には制御対象に大きな変化
が入った過度状態であると判断し、スイッチ手段３６を
非導通とし、積分手段３８の出力をそのまま使用し修正
係数Ｋ　Ｎ−、の更新を行わない。

一方、制御対象が安定しているとき、つまり判定手段３
５において（Ｎ−２）区間積分値と（Ｎ−１）区間積分
値との差が所定の範囲内にあるとき、スイッチ手段３５
を導通し、（Ｎ−１）区間積分値メモリ手段３２の出力
ΣＰＶ□ｌＮ−１に係数手段３７に設定された係数αを
乗じ、つまり、 ΔＫＮ−１−Ｑ　　・　ΣＰ　Ｖｐｎｌ　　Ｎ−ｒ　　
　　　”’　　（９）なる演算式に基づき修正係数ΔＫ
　Ｎ−＋を求める。

その結果、ΣＰ　Ｖｐ−Ｉ　Ｎ−１〉０のとき予測係数
Ｋが大き過ぎ、ΣＰＶｐａｌＮ−＋く０のとき予測係数
Ｋが小さ過ぎるので、 Ｋ　Ｎ−（−Ｋ　Ｎ−２−ΔＫＮ−１ ＝　Ｋ　Ｎ−２−α・ΣＰ　Ｖ　ｐａ　ｌ　Ｎ−１・・
・（１０） なる演算を行って予測係数にの修正係数ＫＮ−，を求め
、この修正係数ＫＮ−，を乗算手段３９で乗じ、現Ｎ区
間の予測係数Ｋを自動修正する。

従って、以上のような実施例の構成によれば、むだ時間
を含む系が完全に応答する時間をベースとする区間毎に
制御量補償値の平均値または積分値の状態から系が安定
と判断したとき、（Ｎ−１）区間積分値メモリ手段３２
の出力ΣＰ　Ｖ　ｐｆｉｌ　Ｎ−１に係数手段３７の係
数αを乗算して修正係数ΔＫ　Ｎ−＋を求め、この修正
係数ΔＫＮ−，を用いて予測係数Ｋを自動修正するよう
にしたので、定常状態では操作量変化から予測した制御
量補償値を零にすることができ、よって制御量を正確に
目標値に一致させることができ、しかも非常に簡単な構
成によりプラントにとって非常に重要な役割を果たすむ
だ時間を含む系の制御精度を大幅に改善でき、従来の欠
陥を完全に除去することができる。

従って、むだ時間を含む系は温度、濃度、成分などに多
くあり、何れも製品の品質に大きな影響を及はすプロセ
ス量であるが、これらの制御精度を大幅に向上できるこ
とから産業界に大きく貢献させることができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されずその要旨を逸脱
しない範囲で種々変形して実施できる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、操作量の変化から
制御量の変化を予測する予測係数を最適値に自動修正で
き、しかる制御系が安定なときに予測係数を自動修正す
るので、常に高精度な制御を実行できるむだ時間を含む
制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わるむだ時間を含む系の制御装置の
一実施例を示す構成図、第２図は第１図のスミス補償法
によって得られる制御量補償値の平均値または積分値を
求める区間を説明する図、第３図は従来の制御装置を示
す構成図である。 １．２．４・・・流体配管、３・・・反応槽、５・・・
成分計、６・・・成分調節手段、７・・・流量調節手段
、１１・・・位置形−速度影信号変換手段、１３・・・
予測係数設定手段、１４・・・速度形−位置影信号変換
手段、１５・・・減算手段、１６・・・むだ時間設定手
段、１７・・・遅れ手段、１８・・・加算手段、３１・
・・現区間積分手段、３２・・・（Ｎ−１）区間積分値
メモリ手段、 ３・・・ （Ｎ−２） 区間積分値メモリ 手段、 ５・・・判定手段、 ６・・・スイ ッチ手段、 ・・・係数手段、 ８・・・積分手段、 ９・・・乗算 手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 予め予測係数を与えて操作量出力の変化に伴って制御量
   に影響を与えるべき制御量補償値を求めた後、むだ時間
   を含む制御対象から得られる制御量に前記制御量補償値
   を加えて制御量予測値を求めるとともに、この制御量予
   測値とこの制御量予測値の目標値との偏差に基づいてＰ
   （比例）、Ｉ（積分）およびＤ（微分）調節のうち少な
   くともＰＩ調節演算を実行し、得られた調節演算出力を
   前記むだ時間を含む制御対象に印加し、前記制御量予測
   値が前記目標値に等しくなるように制御するむだ時間を
   含む系の制御装置において、前記制御対象のむだ時間に
   少なくとも前記制御対象の時定数の２倍以上を加えた時
   間となる区間毎に前記制御量補償値の平均値または積分
   値を求める平均・積分手段と、 この平均・積分手段によって求めた２区間前の制御量補
   償値の平均値または積分値と１区間前の制御量補償値の
   平均値または積分値との差が所定の範囲内にあるとき、
   前記１区間前の制御量補償値の平均値または積分値が零
   となるように前記予測係数を修正する予測係数修正手段
   とを備えたことを特徴とするむだ時間を含む系の制御装
   置。