JPH0522243B2

JPH0522243B2 -

Info

Publication number: JPH0522243B2
Application number: JP2369383A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Ichikawa; Takashi Shigemasa
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-02-17
Filing date: 1983-02-17
Publication date: 1993-03-29
Also published as: JPS59151201A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の属する技術分野〕この発明は閉ループ制御中にプロセスの動特性
を同定して、同定結果に基づいて最適な制御定数
を自動調整する機能を有するサンプル値PID制御
装置に関し、特に操業中のプロセスの特性変化を
検出して自動的に制御定数の再調整を行なうこと
のできるサンプル値PID制御装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

従来のサンプル値PID制御装置はオートチユー
ニング機能の再スタート装置がないため、人手を
介してオートチユーニング機能の再スタートを行
なわなければならない。そのため次のような問題
点があつた。

(1) プロセスの特性変化を作業員が常に監視する
必要があるので、人手が省けない。さらに、監
視のためのレコーダ、モニタテレビなど高価な
設備が要る。

(2) プロセスの特性変化に気付かないで操業した
場合、製品の品質低下、プラント効率の低下、
安全性の低下があり問題である。

(3) プロセスの特性変化に気付いても、オートチ
ユーニング機能の再スタートを人手で行なうた
め、速やかに調整することができない。

〔発明の目的〕

本発明は前記の問題点を解決するため、サンプ
ル値PID制御装置にプロセスの特性変化を検出す
る特性変化検出部を具備して、プロセスの特性変
化のオンライン監視を行なうことにより、従来必
要としていた監視員もしくは高価な監視設備を省
くことである。さらに、プロセスの特性変化のあ
つた場合にオートチユーニング機能の再スタート
を行なつて、常に最適な制御定数でプロセスを操
業することである。このようにして、操業中のプ
ロセスの特性変化のオンライン監視から、制御定
数の調整を全自動化して、製品の品質低下、プラ
ント効率低下、安全性の低下のないプラントの操
業ができ、さらに、人手を省力化することのでき
るサンプル値PID制御装置を提供することを目的
とする。

〔発明の概要〕

本発明は、制御対象となるプロセスをサンプル
値制御するサンプル値PID制御演算部と、このサ
ンプル値PID制御演算部で制御される制御ループ
内に所定の同定信号を印加し、それに基づいて前
記プロセスの動特性モデルのパラメータを同定す
ることで前記サンプル値PID制御演算部の制御定
数を自動的に算出するオートチユーニング手段と
を備えて構成されるサンプル値PID制御装置にお
いて、前記動特性モデルのパラメータとプロセスの操
作信号および出力信号とからプロセスのモデル誤
差を算出する特性変化検出手段と、前記モデル誤差の時間的な平均を求め、この平
均値の時間的な差分を演算するフイルター手段
と、このフイルター手段の出力信号にしきい値を越
えるパルスが発生した時にプロセスに異常が生じ
たと判断し、前記サンプル値PID制御演算部で制
御される制御ループ内に特性変化確認パルスを印
加し、この特性変化確認パルスを印加した直後の
前記フイルター手段の演算結果から新たなパルス
の有無を検出するとともに、しきい値を越える新
たなパルスが検出された時にプロセスの特性が変
化したと判断して、前記オートチユーニング手段
を再起動して前記サンプル値PID制御演算部の制
御定数を調整するコントロール手段と、を具備することを特徴としている。

〔発明の効果〕

本発明のサンプル値PID制御装置の効果を次に
示す。

(1) プロセスの特性変化の検出を自動的にオンラ
イン監視できるので、人手を省くことができ、
しかも高価な監視装置がいらない。

(2) プロセスの特性変化を見落しすることがない
ので、製品の高品質、プラントの安全性を常に
保つことができる。

(3) プロセスの特性が変化した場合の制御定数の
再調整作業を自動化できるので速やかな対応が
行える。しかも、このときの人手も省くことが
できる。

〔本発明の実施例〕

本発明の一実施例を第１図を用いて説明す
る。

第１図は本発明のサンプル値PID制御装置の
構成を示すブロツク図である。

なお本発明のサンプル値PID制御装置の前
提となる装置、すなわち、「制御対象となるプ
ロセスをサンプル値制御するサンプル値PID制
御演算部を備え、このサンプル値PID制御演算
部で制御される制御ループ内に所定の同定信号
を印加し、それに基づいてプロセスの動特性モ
デルのパラメータを同定することでサンプル値
PID制御演算部の制御定数を自動的に算出する
オートチユーニング機能を備えてなるサンプル
値PID制御装置」については、例えば、特開昭
57−39412号公報（特公昭63−18202号公報）に
詳細に記載されているため、本願明細書ではそ
の詳細な説明は省略する。

制御対象のプロセス１は図のようにサンプル
値制御演算部５と閉ループ系を構成する。図の
ｒ(t)は目標値、ｅ(t)は偏差、ｕ(t)は操作信号、
ｙ(t)はプロセス出力、ｄ(t)はプロセスの平衡点
の変わるような外乱を示している。なお（）の
中の文字ｔは実時間の信号を示し、ｋはサンプ
ラ４でサンプリングされた信号を示している。

操業中のプロセス１はサンプル周期ｋごとに
偏差信号e^*(k)の小さくなるようなサンプル値制
御演算部５でPID演算した操作信号Ｕ(k)｛Uo
(k)＝Ｕ(k)｝をサンプルホールド２を介して加え
られて制御される。偏差信号ｅ(t)は加算点３で
目標値ｒ(t)とプロセス出力ｙ(t)を加えて得られ
る。

次にサンプル値制御演算部の制御定数を決め
るオートチユーニング機能についても、上述し
た特開昭57−39412号公報（特公昭63−18202号
公報）に詳しく述べてある。ここでは、概略を
説明し、特に本発明に関する特性変化検出部に
ついて詳しく述べことにする。

まず、オートチユーニングを行なう場合サン
プル値制御演算部５に比例ゲイン、積分時定
数、微分時定数の初期値（Kco，Tio，Tdo）
を与え、さらにパルス伝達関数同定部９の
Forgetting Factor λ、および同定信号発生
部７の同定信号の振幅を決めて、サンプル値
PID制御装置の各ブロツクに図の点線のように
起動をかける。

このようにすると、操作信号e^*ｏ(k)に閉ルー
プ系のプロセスの可同定条件を満たすパーシス
テントリ・エキサイテングな同定信号U^*ｏ(k)
が加えられて図のようにプロセスに注入され
る。

このとき、プロセスの入力信号Ｕ(k)とサンプ
ラ８でサンプリングしたプロセス出力信号ｙ(k)
を後述するパルス伝達関数同定部９で時系列処
理することにより、Ｚ領域のパルス伝達関数を
演算し、その結果を伝達関数演算部１０でＳ領
域のパルス伝達関数のＳの低次パラメータか
ら、サンプル値制御定数演算部１１でPID制御
定数を演算して、サンプル値制御演算部５に設
定する。

以上の処理をサンプル周期ｋごとに逐次行な
うとにより、制御対象のプロセスの特性に合わ
せた最適な制御定数を決定することができる。

ここで、プロセスの同定が進んでいくに従つ
て、Ｓ領域の伝達関数のパラメータが一定値に
なるので、これを同定終了判定部１３で判定し
てオートチユーニング機能を止める。

つまり、同定信号発生部７からの同定信号
U^*(k)の注入を止めることにより、純粋に制御
演算された信号U^*(k)のみをプロセス１に加え
るようにする。さらに、パルス伝達関数同定部
９のForgetting Factor λを１にする。
（Forgetting Factorは０＜λ≦1.0の範囲で設
定する。λが大きいほど、ゆつくりと特性の変
わるプロセスを同定することができ、λ＝1.0
は特性変化のないプロセスを同定する）次に、本発明の操業中のプロセス１の特性変
化を検出する方法について詳細に説明する。

まず、本発明の前提としては、プロセスの平
衡点Ｄ(t)を含めてプロセスを同定するものであ
り、これにはパルス伝達関数同定部９を用いて
いる。

パルス伝達関数固定部９のプロセスモデルを
第２図に示す。

図のように、プロセスモデル、ノイズモデ
ル、および平衡点を変えるような外乱モデルを
定めている。ここで、Ｕ(k)は操作信号、Ｚ(k)は
白色雑音、Ｄは直流信号、Ｙ(k)はプロセス出力
とする。

第２図のプロセスモデルの同定は次式のよう
にして行なうことができる。

Ｙ(k)＝−_n 〓ⁱ⁼¹ ai＾Ｙ（ｋ−ｉ）ｐ＋_n 〓ⁱ⁼¹ bi＾Ｕ（ｋ−ｉ）＋_n 〓ⁱ⁼¹ Ci＾ｇ（ｋ−ｉ）＋ｇ(k)＋D^ …(1) D^＝（１＋_n 〓ⁱ⁼¹ ai＾）Yo＝−_n 〓ⁱ⁼¹ bi＾Uo …(2) ここで、Yoはプロセス出力の平衡点、Uoはプ
ロセス入力の平衡点を示す。

(1)式を変形してＹ(k)＝θ^^T ^T（ｋ−１）＋ｇ(k) …(3) θ^^T＝〔ai＾，…a^_n，b^₁、…b^_n，c^₁，…，c^_n
，
D^〕 …(4) ^T(k)＝〔−Ｙ（ｋ−１），…，−Ｙ（ｋ−ｍ），Ｕ
（ｋ−ｌ−１），…，Ｕ（ｋ−ｌ−ｍ），ｇ（ｋ−
１），…，ｇ（ｋ−ｍ），１〕 …(5) のようにして、同定を行なう。

プロセスのパルス伝達関数Gp＾（Z^-1）は次の
ようになる。

サンプル値PID制御定数はパラメータ ai＾（ｉ＝１…ｍ），bi＾（ｉ＝１…ｎ）によつ
て決定される。本発明で用いたパラメータモデル
の同定ではこの他にプロセスの平衡点Ｄも同定で
きる次に、本発明のプロセスの特性変化検出の方法
を詳細に説明する。

前記のように、プロセスの同定終了後はパラメ
ータA^（Z^-1，B^（Z^-1），D^は既知になり、しかもプ
ロセスの特性が変化しないかぎり、あるいはプロ
セスの平衡点の変わらないかぎり変化しない。さ
らに、｛Y^*(k)｝，｛B^*(k)｝のプロセス出力及び入
力は測定できる。

そこで、同定終了後のA^（Z^-1）、B^（Z^-1），D^と
｛Y^*(k)｝，｛U^*(k)｝を使つて、次のようにモデル
誤差（モデルから推定した予測値と実際に観測さ
れた制御量との差に基づいて特性変化を検出する
ためにモデル誤差を定義する。このモデル誤差は
予測残差、同定残差等とも呼ばれているが本明細
書ではモデル誤差と称する。）を計算できる。

η(k)＝−Y^*(k)−_N 〓ⁱ⁼¹ a^i（ｋ−ｉ）＋_N 〓ⁱ⁼¹ b^iU^*（ｋ−ｉ）＋D^ …(7) 第１図の特性変化検出部１３が(7)式を演算する
ブロツクである。

更に、本発明では、モデル誤差に含まれるノイ
ズの影響を除去するために、モデル誤差の時間的
な平均化を次の(8)式を用いて実行する。さらに、
後述するようにプロセスの特性が変化したのか、
単に平衡点のみが変化したのかを判断（分離）す
るために次の(9)式を用いて、(8)式で求められた平
均値のさらに時間的な差を算出する。(9)式により
モデル誤差の平均値の時間的な差分（時間的な変
化率）、つまり、後述する第３図に示されるモデ
ル誤差の出力信号の変化の様子（出力信号の傾
き）を求めることになり、この処理はすなわち微
分処理に相当する。

そして、これらの(8)式の平均化処理におよび
（11）式のさ差分処理はフイルタ演算部１示しに
て実行される。

(k)＝_N 〓ⁱ⁼¹ η（ｋ−ｉ）／Ｎ（Ｎ＝プロセスの時定数／サンプル時間） …(8) △η(k)＝(k)−（ｋ−Ｎ） …(9) 操業中のプロセスに特性変化のある場合はモデ
ル誤差に直流分が発生する。またプロセスの平衡
点が変つた場合にもモデル誤差に直流分が発生す
る。

プロセスの平衡点のみ変わつた場合にはPIDコ
ントローラによりレギユレーシヨンされるので問
題はないが、プロセスのゲインや時定数の変つた
（プロセスの特性変化）場合は再チユーニングす
る必要がある。

そこで、モデル誤差の発生したとき、プロセス
のゲインや時定数の変化とプロセスの平衡点のみ
の変化を分離する必要がある。

この分離方法を第３図で説明する。図は本発明
の特性変化検出部１３で得られたモデル誤差信号
とフイルタ演算部１４で得られたフイルタ出力を
示す。このモデル誤差信号とフイルタ出力との関
連は、モデル誤差の変化率（モデル誤差信号の傾
き）がフイルタ出力として表われので、モデル誤
差信号の値が、例えば、一定〜変化〜一定と変化
すると変化した時点でフイルタ出力がパルス状に
表れる。

そして、第３図から次のことが理解できる。こ
とが判る。

つまり、モデル誤差はプロセスの特性変化のあるとき、目標値をパ
ルス状に変化すると、モデル誤差に大きな変動
がある。

プロセスの平衡点のみ変化したとき、目標値
をパルス状に変化しても、モデル誤差に変化が
ない。

さらに、フイルタ出力はプロセスの特性変化、あるいは平衡点のステ
ツプ変化時はパルスになる。定常時はゼロであ
る。

目標値にパルス的変化を与えた場合、プロセ
スの特性が変つたときのみパルスが発生する。
平衡点変化ではパルスが発生しない。

のようになることがわかる。

つまり、本発明では第３図の特徴を使つて、ま
ずフイルタ演算部の出力が規定レベルを逸脱する
パルスが発生したかをコントロール部（以下コン
トローラと称す）１５で判定する。

規定レベルを逸脱するパルスは発生した場合、
コントローラ１５より特性変化確認パルスをサン
プル値制御演算部５の偏差信号の成生点３に印加
して、前記フイルタ演算部１４の出力に新たに規
定レベルを逸脱するパルスが発生するか否か検出
する。つまり、特性変化確認パルスを印加するこ
とによつてフイルタ出力にパルスが発生した場合
はプロセスの特性が変わつたと判定して、前記オ
ートチユーニング機能をトリガーして再チユニン
グを行なわせるように構成したものである。この
処理を第４図に示す。図から最初に手動でチユー
ニングすれば、操業中にプロセスの特性が変わつ
た場合でも速やかに再チユーニングを行なうこと
ができる。

コントローラ１５に具備した本発明のぱるす判
定回路を第５図に示す。図のように、フイルタ演
算部１４の出力を全波整流器１６で全波整流して
コンパレータ１７で規定レベルと比較し、２進カ
ウンタ１８のクロツクパルスを生成する。同定終
了後のプロセスに異常があれば、まずひとつめの
クロツクパルスで２進カウンタの低位ビツト
（LSB）がオンになるので、この信号でワンシヨ
ツトトリガー１；19をオンしてアナログスイツチ
２０のゲート信号を作り、同定信号の振幅と同じ
特性変化確認パルスを発生する。次にプロセスの
特性が変わつていれば前記コンパレータ１７から
のふたつめのクロツクパルスによつて２進カウン
タ１８の上位ビツト（MSB）がオンになるので、
この信号をワンシヨツトトリガー３；21に入力し
てチユーニング再スタート信号を発生する。な
お、特性変化確認パルスを発生した後にふたつめ
のクロツクパルスが発生しない場合（つまり平衡
点の変化であつた場合）、ワンシヨツトトリガー
２；22によつて一定時間後に２進カウンタ１８を
クリヤする。さらにチユーニングを再スタートし
た場合も２進カウンタ１８をクリヤすることにな
つている。

また、図の規定レベルはントローラ１５を介し
て外部から設定するが、同定終了後のモデル誤差
の値及びプロセスの同定パラメータから演算して
設定することもできる。

以上、詳細な説明で明らかなように、本発明の
サンプル値PID制御装置は、プロセスの特性変化
に応じて自動的にオートチユーニングを行なえる
ので、常に最適な制御定数の設定ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のサンプル値PID制御装置の構
成を示すブロツク図、第２図は本発明のサンプル
値PID制御装置で用いたパラメータ同定のプロセ
スモデルの説明図、第３図は本発明のプロセスの
特性変化検出の説明図、第４図は本発明のサンプ
ル値PID制御装置のタイムチヤート図、第５図は
本発明の特性変化判定回路の説明図である。１……プロセス、２……サンプルホールド、５
……サンプル値制御演算部、７……同定信号発生
部、９……パルス伝達関数同定部、１０……伝達
関数演算部、１１……サンプル値制御定数演算
部、１２……同定終了判定部、１３……特性変化
検出部、１４……フイルター演算部、１５……コ
ントロール部。

Claims

【特許請求の範囲】１制御対象となるプロセスをサンプル値制御す
るサンプル値PID制御演算部と、このサンプル値
PID制御演算部で制御される制御ループ内に所定
の同定信号を印加し、それに基づいて前記プロセ
スの動特性モデルのパラメータを同定することで
前記サンプル値PID制御演算部の制御定数を自動
的に算出するオートチユーニング手段とを備えて
構成されるサンプル値PID制御装置において、前記動特性モデルのパラメータとプロセスの操
作信号および出力信号とからプロセスのモデル誤
差を算出する特性変化検出手段と、前記モデル誤差の時間的な平均を求め、この平
均値の時間的な差分を演算するフイルター手段
と、このフイルター手段の出力信号にしきい値を越
えるパルスが発生した時にプロセスに異常が生じ
たと判断し、前記サンプル値PID制御演算部で制
御される制御ループ内に特性変化確認パルスを印
加し、この特性変化確認パルスを印加した直後の
前記フイルター手段の演算結果から新たなパルス
の有無を検出するとともに、しきい値を越える新
たなパルスが検出された時にプロセスの特性が変
化したと判断して、前記オートチユーニング手段
を再起動して前記サンプル値PID制御演算部の制
御定数を調整するコントロール手段と、を備えてなることを特徴とするサンプル値PID
制御装置。