JPH0573104A - Method for automatically tuning pid parameter - Google Patents

Method for automatically tuning pid parameter

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JPH0573104A
JPH0573104A JP25978691A JP25978691A JPH0573104A JP H0573104 A JPH0573104 A JP H0573104A JP 25978691 A JP25978691 A JP 25978691A JP 25978691 A JP25978691 A JP 25978691A JP H0573104 A JPH0573104 A JP H0573104A
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JP
Japan
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transfer function
pid
parameters
parameter
unit
Prior art date
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Application number
JP25978691A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideyuki Tadokoro
秀之 田所
Masanori Kobari
昌則 小針
Mikio Yoda
幹雄 依田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

PURPOSE:To present the transfer function of a controlled system and to finally unnecessitate the addition of test signals by a learning function in the case of changing parameters by adaptive operations. CONSTITUTION:While containing a PID loop defining a P (proportion) operation, I (integration) operation and D (differentiation) operation as the basic elements of control operations, this method is equipped with a process parameter calculation part 12 and a PID parameter calculating mechanism to decide the parameters of the respective PID operations based on calculated process parameters, and the process parameter calculation part 12 is composed of a transfer function tuning part to tune the transfer functions of processes by observing the responded waveforms of a control system when stepwise inputs are impressed to the control system, and a gain scheduling part to describe relation between various environmental parameters and process parameters, selects one of the process parameters outputted from both parts, and calculates the respective parameters of the PID operations.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、化学プラント、発電プ
ラント、上下水プラント等のプロセス制御に多く用いら
れるPID制御装置のPIDパラメータチューニング方
式に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a PID parameter tuning method for a PID controller which is often used for process control of chemical plants, power plants, water and sewage plants and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、PIDパラメータのオートチュー
ニング方法としては、次の方法がある。 (1)STRまたはMRACSといった適応制御理論に
基ずく方法 (2)プロセスの応答波形を観測し、ルールベースによ
ってP,I,Dパラメータを決定する方法 (1)の方法としては、計測自動制御学会論文集、第2
0巻第7巻p20〜p27「ディジタルプロセス制御系
の閉ループ形オートチューニング方法」、特公昭63−
65964などがある。これらの引用例は、STRに基
ずく方法であって、対象プロセスをARMAモデルとし
て、モデルのパラメータを推定することにより、パルス
伝達関数の同定を行う。上記引用例では、さらに、パル
ス伝達関数→伝達関数変換を行うことによって、PID
パラメータのチューニングそのものを連続系の考え方に
帰着させている。これらの適応制御理論的なアプローチ
では、適応制御理論がその適用可能な条件としている、
対象システムの線形性、時不変性、持続的励振条件が、
実際の適用例において、必ずしも成立するとは言い難
く、おのずと適用範囲が限定されてしまう。 (2)の方法は、ステップ応答もしくはノイズ付加時の
プロセスの応答波形をパターン認識し、あらかじめ記憶
させておいたルールにもとずいて、P,I,D各動作要
素のパラメータを変更していくものである。本方法の先
行技術としては、たとえば「計測技術」1986年9月
号、p66〜p72において、エキスパートシステムを
もちいてルールベースを構築しており、特開昭63−2
47801、特開昭62−241006では、ルールの
記述に、ファジィロジックを用いている。これらの方法
では、直接にPIDコントローラのパラメータが算出さ
れるため、プロセスの伝達関数が陽に示されいないため
に、制御系の設計者にプロセスに対する情報を与えるこ
とができず、チューニングされたPIDパラメータが、
妥当なものであるか否かが分かりずらく、制御系を改良
する場合に、設計者に有用な情報を与えにくい。さら
に、(1)、(2)に共通する問題点として、チューニ
ングをおこなう際に、何らかのテスト信号を加える必要
がある点である。すなわち(1)では適応機能を動作さ
せるためには、M系列パルス信号を付加させることが必
要であり、(2)においても、パルス状もしくはステッ
プ状のテスト信号もしくは設定値変更、ノイズ付加を期
待している。プラント試運転時は問題とはならないが、
ひとたび実運転に入った場合は、テスト信号を加えるこ
とは好ましくなく、また、チューニングをしたいタイミ
ングと設定値変更やノイズ付加のタイミングが必ずしも
一致するとは限らない。
2. Description of the Related Art Conventionally, the following methods have been known as PID parameter auto-tuning methods. (1) Method based on adaptive control theory such as STR or MRACS (2) Method for observing response waveform of process and determining P, I, D parameters by rule base Proceedings, second
Volume 0 Volume 7 p20-p27 "Closed-loop type auto-tuning method for digital process control system", Japanese Patent Publication No. 63-
65964 and the like. These cited examples are methods based on STR, and the pulse transfer function is identified by estimating the parameters of the model using the ARMA model as the target process. In the above cited example, by further converting the pulse transfer function to the transfer function, the PID
The parameter tuning itself is reduced to the idea of a continuous system. In these adaptive control theoretical approaches, adaptive control theory makes it applicable.
The linearity, time invariance, and continuous excitation conditions of the target system are
In an actual application example, it is hard to say that it is always established, and the application range is naturally limited. In the method (2), the step response or the response waveform of the process at the time of adding noise is pattern-recognized, and the parameters of the P, I, and D operating elements are changed according to the rule stored in advance. It goes. As a prior art of this method, for example, in "Measurement Technology", September 1986, p66 to p72, a rule base is constructed using an expert system.
47801 and JP-A-62-241006 use fuzzy logic to describe rules. In these methods, since the parameters of the PID controller are directly calculated, the control system designer cannot be informed of the process because the transfer function of the process is not explicitly shown. The parameter is
It is difficult to know whether it is appropriate or not, and it is difficult to give useful information to the designer when improving the control system. Further, a problem common to (1) and (2) is that some kind of test signal needs to be added when tuning is performed. That is, in (1), in order to operate the adaptive function, it is necessary to add an M-sequence pulse signal, and in (2), a pulse-like or step-like test signal or a change in set value and noise addition are expected. is doing. It doesn't matter during the plant commissioning,
Once the actual operation is started, it is not preferable to add the test signal, and the timing for tuning and the timing for changing the set value or adding noise are not always the same.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の従来技術における適応制御を用いた場合のような適用
の限界を緩和し、エンジニアに対して有益な情報とな
る、制御対象の伝達関数を提示することを可能にすると
ともに、学習機能によって、最終的には適応動作による
パラメータ変更に際して、テスト信号の付加を不要とす
ることにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to transfer the controlled object, which is useful information for an engineer, by relaxing the application limit as in the case of using the adaptive control in the above-mentioned prior art. In addition to making it possible to present a function, the learning function ultimately makes it unnecessary to add a test signal when changing the parameters by the adaptive operation.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、適応制御を用いた場合のような数学モデル的なアプ
ローチは採らずに、試運転中や運転の初期段階において
は、制御系の応答波形観測によって伝達関数を同定する
とともに、学習機能によって環境変数とプロセスパラメ
ータの関係を学習し、実運転時においては、特別なテス
ト信号を付加することなしに、制御対象の時変特性にあ
わせたPIDパラメータのフィティングを行う。また、
応答波形より直接にPIDパラメータを算出せずに、制
御対象の伝達関数を同定する部分とPIDパラメータを
上記の伝達関数を用いて算出する部分に分ける。応答波
形によって伝達関数を同定する際には、伝達関数がG
(s)=1/(1+a1・s+a2・s2+a3・s3+a4
・s4+……)により表される系において、ステップ応
答波形をとった場合の立上り時間がsの1次の項によっ
て決まり、立上り時の傾きがsの2次までの項によって
決まる性質、すなわち、ステップ応答波形の特徴量が上
記の伝達関数の分母系列の係数a1,a2,a3,a4……
にあらわれることを利用し、種々の応答波形と上記特徴
量との関係をパターン認識させることによって、伝達関
数の同定を行う。
[Means for Solving the Problems] In order to solve the above-mentioned problems, the response of the control system is not taken during the trial run or in the initial stage of the run without taking a mathematical model approach as in the case of using the adaptive control. The transfer function is identified by observing the waveform, and the relationship between the environment variable and the process parameter is learned by the learning function. In actual operation, the time-varying characteristics of the controlled object are matched without adding a special test signal. Fit PID parameters. Also,
Instead of directly calculating the PID parameter from the response waveform, the PID parameter is divided into a part for identifying the transfer function of the controlled object and a part for calculating the PID parameter using the above transfer function. When the transfer function is identified by the response waveform, the transfer function is G
(S) = 1 / (1 + a 1 s + a 2 s 2 + a 3 s 3 + a 4
In the system represented by s 4 + ...), the rise time when a step response waveform is taken is determined by the first-order term of s, and the slope at the time of rise is determined by the second-order terms of s, That is, the feature quantity of the step response waveform is the coefficients a 1 , a 2 , a 3 , a 4 of the denominator sequence of the above transfer function.
The transfer function is identified by recognizing the relationship between various response waveforms and the above-mentioned characteristic amount by utilizing the fact that the above appears.

【0005】[0005]

【作用】試運転時は、設定値変更を行った際の計測値の
時系列(ステップ応答)を用いて、閉ループ伝達関数を
同定するために、入力層が上記の時系列データ、出力層
がPIDコントローラとプラントを含む閉ループ伝達関
数G(s)=1/(1+a1・s+a2・s2+a3・s3
+a4・s4+……)の分母系列の係数a1,a2,a3
4……であるようなニューラルネットワークを伝達関
数同定部とし、この同定された伝達関数を用いて、制御
対象とするプロセスの伝達関数Gp(s)=1/(c1
+c2・s+c3・s2)のプロセスパラメータc1
2、c3を算出する。PIDパラメータ算出機構は、得
られたGp(s)によりPIDパラメータを決定する。
また、環境変数p1〜pmとプロセスパラメータc1
2、c3の関係は、前者を入力層、後者を出力層とする
ニューラルネットワーク(ゲインスケジューリング部)
において記述され、試運転時には同定されたプロセスパ
ラメータc1、c2、c3を学習データとして学習する。
環境変数とプロセスパラメータの相関は、因果性尺度を
計算することによって求め、ゲインスケジューリング部
の学習の妥当性を判断できるようにする。実運転時に
は、ゲインスケジューリング部の学習結果が因果性尺度
からみて良好の場合は、ゲインスケジューリング部のニ
ューラルネットワークが、環境変数の値より算出したプ
ロセスパラメータを用いて、PIDパラメータをPID
パラメータ算出機構において算出する。伝達関数同定部
およびゲインスケジュール部のニューラルネットワーク
は、同定モードと学習モードを有する。伝達関数同定部
は、学習モードにおいて、G(s)の伝達関数で表され
るステップ応答波形と、分母系列の係数a1,a2
3,a4……の関係を学習させておくことによって、ま
た、同定モードにおいて、設定値変更がなされた際の時
系列データを入力することにり、a1,a2,a3,a4
…を求める。また、ゲインスケジュール部では、学習モ
ードにおいて、上記のプロセスパラメータc1、c2、c
3と環境変数p1〜pmの関係を学習する。逆に、同定
モードにおいて、環境変数からプロセスパラメータを求
める。このように、制御対象のプロセスパラメータとプ
ロセスパラメータに影響を与える環境変数の関係を自己
学習することによって、プロセス特性の変化に対して適
応的にPIDパラメータを調整し、常に良好な制御性能
が得られる。また、制御対象の伝達関数を同定する部分
とPIDパラメータをこの伝達関数を用いて算出する部
分に分けることによって、制御対象の伝達関数を設計者
に提示することができ、制御系改善のための基礎データ
とすることができる。また、学習機能によって、最終的
には適応動作によるパラメータ変更に際して、テスト信
号の付加を不要とすることができる。
In the test run, the time series data of the input layer and the PID of the output layer are used to identify the closed loop transfer function by using the time series (step response) of the measured values when the set value is changed. Closed loop transfer function including controller and plant G (s) = 1 / (1 + a 1 s + a 2 s 2 + a 3 s 3
+ A 4 · s 4 + ...) Coefficients a 1 , a 2 , a 3 , of the denominator series
A neural network such as a 4 ... Is used as the transfer function identifying unit, and the identified transfer function is used to transfer the transfer function Gp (s) = 1 / (c 1 of the process to be controlled.
+ C 2 · s + c 3 · s 2 ) process parameter c 1 ,
Calculate c 2 and c 3 . The PID parameter calculation mechanism determines the PID parameter based on the obtained Gp (s).
Also, the environment variables p1 to pm and the process parameter c 1 ,
The relationship between c 2 and c 3 is the neural network (gain scheduling unit) with the former as the input layer and the latter as the output layer.
The process parameters c 1 , c 2 and c 3 described in 1 above and identified at the time of test operation are learned as learning data.
The correlation between the environment variable and the process parameter is obtained by calculating the causality measure so that the validity of the learning of the gain scheduling unit can be judged. When the learning result of the gain scheduling unit is good in terms of the causality scale during actual operation, the neural network of the gain scheduling unit uses the process parameter calculated from the value of the environment variable to set the PID parameter to PID.
It is calculated by the parameter calculation mechanism. The neural network of the transfer function identification unit and the gain schedule unit has an identification mode and a learning mode. The transfer function identification unit, in the learning mode, has a step response waveform represented by the transfer function of G (s) and the coefficients a 1 , a 2 ,
By learning the relationship of a 3 , a 4 ... And by inputting the time series data when the set value is changed in the identification mode, a 1 , a 2 , a 3 , a 4 ...
Ask for ... Also, in the learning mode, the gain schedule section uses the above process parameters c 1 , c 2 , c
Learn the relationship between 3 and environment variables p1 to pm. Conversely, in the identification mode, the process parameter is obtained from the environment variable. In this way, by self-learning the relationship between the process parameter to be controlled and the environment variable that affects the process parameter, the PID parameter is adjusted adaptively to changes in the process characteristics, and good control performance is always obtained. Be done. Further, by dividing the part for identifying the transfer function of the controlled object and the part for calculating the PID parameter using this transfer function, it is possible to present the transfer function of the controlled object to the designer and improve the control system. It can be basic data. In addition, the learning function makes it unnecessary to add a test signal when changing the parameters by the adaptive operation.

【0006】[0006]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を用いて詳細
に説明する。図1は、本発明の実施例の全体構成図であ
る。11は、サイクリックバッファであって、伝達関数
同定部が同定モードの時、制御対象の計測値PVの最新
のnサンプル周期分のデータを記憶し、伝達関数同定部
が学習モードの時、学習データとして種々のパターンの
ステップ応答波形をnサンプル周期分記憶する。サイク
リックバッファ11への入力は、切替スイッチ13によ
り切替られる。切替スイッチ13は、計測値PVおよび
学習データ(ステップ応答波形)を入力し、同定モード
においては計測値PVを、学習モードにおいては学習デ
ータを出力する。12は、プロセスパラメータ算出部で
あって、サイクリックバッファ11の時系列データ、環
境パラメータp1〜pmを入力し、プロセスパラメータ
1、c2、c3を算出する。15は、部分モデルマッチ
ング法等を用いたPIDパラメータ算出機構であって、
同定されたプロセスパラメータc1、c2、c3を入力
し、PIDパラメータKp(比例ゲイン)、Ti(積分
時間)、Td(微分時間)を算出する。算出の際に、設
定値としてσ、α1、α2、α3を設定するが、これに
ついては後述する。PIDパラメータ算出機構15によ
り算出されたKp,Ti,Tdは、PID制御ループ1
6にセットされる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram of an embodiment of the present invention. Reference numeral 11 denotes a cyclic buffer, which stores the latest n sample periods of data of the measured PV of the control target when the transfer function identification unit is in the identification mode, and learns when the transfer function identification unit is in the learning mode. Step response waveforms of various patterns are stored as data for n sample periods. The input to the cyclic buffer 11 is switched by the changeover switch 13. The changeover switch 13 inputs the measured value PV and the learning data (step response waveform), and outputs the measured value PV in the identification mode and the learning data in the learning mode. 12 is a process parameter calculating unit, the time series data of the cyclic buffer 11, enter the environment parameters P1 to Pm, calculates the process parameters c 1, c 2, c 3 . Reference numeral 15 is a PID parameter calculation mechanism using a partial model matching method or the like,
The identified process parameters c 1 , c 2 , and c 3 are input, and PID parameters Kp (proportional gain), Ti (integral time), and Td (differential time) are calculated. At the time of calculation, σ, α1, α2, and α3 are set as set values, which will be described later. Kp, Ti, and Td calculated by the PID parameter calculation mechanism 15 are PID control loop 1
Set to 6.

【0007】図2は、本実施例における制御ループのブ
ロック線図を示したものである。本実施例では、PID
制御部16に、PIDの1変形例であるフィードバック
補償の考え方を用いた、I−PD方式を採用した。21
は、制御対象となるプロセスである。本実施例では、プ
ロセスモデルを2次系、すなわち、Gp(s)=1/
(c1+c2・s+c3・s2)としている。なぜなら、I
−PD制御においては、PIDパラメータはプロセスの
2次の項までで決定でき、逆にいえば、2次の項までし
か補償できないため、それ以上の項は必要としないから
である。また、プロセス制御においては、実用的には制
御対象を2次系であるとして、ほとんどの場合問題な
い。図2において、22は比例ゲイン、23は比例項+
微分項に相当し、24は積分項になる。なお、Kp,T
i,Tdには、PIDパラメータチューニング開始前は
初期値が入っているものとする。
FIG. 2 shows a block diagram of the control loop in this embodiment. In this embodiment, the PID
The control unit 16 employs the I-PD method, which uses the idea of feedback compensation, which is a modification of PID. 21
Is a process to be controlled. In this embodiment, the process model is a secondary system, that is, Gp (s) = 1 /
(C 1 + c 2 s + c 3 s 2 ). Because I
In the PD control, the PID parameter can be determined up to the second-order term of the process, and conversely, only the second-order term can be compensated, so that no more terms are needed. In process control, practically, there is no problem in most cases, assuming that the control target is the secondary system. In FIG. 2, 22 is a proportional gain, 23 is a proportional term +
Corresponding to the differential term, 24 becomes the integral term. In addition, Kp, T
It is assumed that i and Td have initial values before starting PID parameter tuning.

【0008】図3は、プロセスパラメータ算出部12の
詳細構成である。31は、伝達関数同定部であって、同
定モードにおいては、サイクリックバッファ11に記憶
されているnサンプル周期分の計測値をニューラルネッ
トワークの入力層に入力データとして入力し、出力とし
て、ニューラルネットワークの出力層から得られた閉ル
ープ伝達関数G(s)の分母系列係数a1,a2,a3
出力する。また、学習モードにおいては、逆に、出力側
からG(s)の分母系列係数a1,a2,a3を学習デー
タ37としてニューラルネットワークの出力層へ入力
し、サイクリックバッファ11から入力された、上記分
母系列係数を用いた伝達関数G(s)=1/(1+a1
・s+a2・s2+a3・s3)のステップ応答波形を用い
て学習する。この学習は、PIDパラメータチューニン
グをはじめる前に行なわれているものとする。32は、
プロセスパラメータ算出機能であって、伝達関数同定部
31において同定された、PID制御部16とプロセス
を含んだ閉ループ伝達関数G(s)=1/(1+a1
s+a2・s2+a3・s3)より、制御対象プロセスの伝
達関数Gp(s)=1/(c1+c2・s+c3・s2)を
計算する処理である。本処理の計算式は、次の3式であ
たえられる。 c1={(Kp・a1)/Ti}−Kp c2={(Kp・a2)/Ti}−Kp・Td c3=(Kp・a3)/Ti 33は、同定制御機能であり、PID制御ループの設定
値SVを入力とし、設定値の変更の有無をチェックす
る。設定値の変更、すなわち、プロセスとPID制御ル
ープからなる閉ループ系に対してステップ状の入力が付
加されたと判断した際に、伝達関数同定部31に対して
同定処理を開始するように、同定制御機能が操作する。
34は、ゲインスケジューリング部であり、同定モード
においては、環境変数p1〜pmを入力層、プロセスパ
ラメータc1、c2、c3を出力層としたニューラルネッ
トワークにより構成されている。学習モードにおいて
は、伝達関数同定部31、プロセスパラメータ算出機能
32において得られたプロセスパラメータを学習データ
として、伝達関数同定部31が伝達関数を同定した時点
の各環境変数の値を用いて学習する。ここで、環境変数
は、PIDパラメータチューニング開始時には必ずしも
明確になっていないため、可能性として考えられるもの
を全て入力層に入力する。どの環境変数がプロセスパラ
メータに影響を与えるかは、因果性尺度算出機能35に
おいて計算される因果性尺度によって判断す。また、同
定モードでは、学習された環境変数とプロセスパラメー
タの関係から、各環境変数の現在値より、プロセスパラ
メータを算出する。ここでは、学習モードの因果性尺度
を設計者に提示し、設計者によって環境変数と相関が低
いと判定されたプロセスパラメータは、入力層から省く
ことを妨げない。因果性尺度の計算法は後述する。36
は、切換スイッチであり、ゲインスケジューリング部3
4もしくは伝達関数同定部31、プロセスパラメータ算
出機能32において算出されたプロセスパラメータのい
ずれかをを選択してPIDパラメータ算出機構15へ渡
す。
FIG. 3 shows a detailed configuration of the process parameter calculation unit 12. Reference numeral 31 denotes a transfer function identification unit that, in the identification mode, inputs measured values for n sample periods stored in the cyclic buffer 11 to the input layer of the neural network as input data and outputs the neural network as an output. The denominator series coefficients a 1 , a 2 , and a 3 of the closed-loop transfer function G (s) obtained from the output layer are output. In the learning mode, conversely, the denominator sequence coefficients a 1 , a 2 and a 3 of G (s) are input as learning data 37 from the output side to the output layer of the neural network and input from the cyclic buffer 11. Further, the transfer function G (s) using the above denominator series coefficient = 1 / (1 + a 1
・ S + a 2 · s 2 + a 3 · s 3 ) step response waveform is used for learning. It is assumed that this learning is performed before starting the PID parameter tuning. 32 is
A closed-loop transfer function G (s) = 1 / (1 + a 1 ···) which is a process parameter calculation function and which includes the PID control unit 16 and the process identified by the transfer function identification unit 31.
s + a 2 · s 2 + a 3 · s 3 ) is a process of calculating the transfer function Gp (s) = 1 / (c 1 + c 2 · s + c 3 · s 2 ) of the process to be controlled. The calculation formula of this process is given by the following three formulas. c 1 = {(Kp · a 1 ) / Ti} -Kp c 2 = {(Kp · a 2 ) / Ti} -Kp · Td c 3 = (Kp · a 3 ) / Ti 33 is an identification control function. Yes, the setting value SV of the PID control loop is input, and it is checked whether the setting value has been changed. When the setting value is changed, that is, when it is determined that a step-like input is added to the closed loop system including the process and the PID control loop, the identification control is performed so that the transfer function identification unit 31 starts the identification process. The function operates.
34 is a gain scheduling unit, in the identification mode, the input layer of the environment variables P1 to Pm, are constituted by the process parameters c 1, c 2, c 3 Neural Network as an output layer. In the learning mode, learning is performed by using the process parameters obtained by the transfer function identifying unit 31 and the process parameter calculating function 32 as learning data and using the values of the respective environment variables at the time when the transfer function identifying unit 31 identifies the transfer function. .. Here, since the environment variables are not always clear at the start of PID parameter tuning, all possible possibilities are input to the input layer. Which environment variable affects the process parameter is determined by the causality scale calculated by the causality scale calculation function 35. In the identification mode, the process parameter is calculated from the current value of each environment variable from the learned relationship between the environment variable and the process parameter. Here, the causality measure of the learning mode is presented to the designer, and the process parameter determined to have low correlation with the environment variable by the designer can be omitted from the input layer. The method of calculating the causality scale will be described later. 36
Is a changeover switch, and the gain scheduling unit 3
4 or the process parameter calculated by the transfer function identification unit 31 or the process parameter calculation function 32 is selected and passed to the PID parameter calculation mechanism 15.

【0009】図4は、伝達関数同定部31およびゲイン
スケジューリング部34に使用されているニューラルネ
ットワークの構成を模式的に示したものである。41
は、出力ユニットであって、伝達関数同定部31では、
閉ループ伝達関数G(s)=1/(1+a1・s+a2
2+a3・s3)のパラメータ(a1,a2,a3)を各々
出力ユニットに対応させ、ゲインスケジューリング部3
4では、プロセス伝達関数Gp(s)=1/(c1+c2
・s+c3・s2)のパラメータを各々出力ユニットに対
応させている(すなわち出力ユニット数は3)。42
は、入力ユニットであり、伝達関数同定部ではサイクリ
ックバッファ11に記憶されている時系列データの1個
毎に対応させ(したがって入力ユニット数はn個とな
る。図4では簡単のため入力ユニットを3個のみ記して
いる。)、ゲインスケジューリング部34では、環境変
数p1〜pmに各々対応(したがって入力ユニット数は
m個)させている。43は、隠れ層のユニットであり、
ユニット数は設計者が任意に選ぶことができ、ユニット
数が多いほど複雑なネットワークが構成できる。44
は、入力層と隠れ層の間の接続であり、入力層の各ユニ
ットから隠れ層の各ユニットに接続されている。同様に
45は、隠れ層と出力層の間の接続であり、隠れ層の各
ユニットから出力層の各ユニットに接続されている。本
ニューラルネットワークは、Rumelhart型のネ
ットワークを用いており、入力層、隠れ層、出力層各々
の同一層内の相互間の接続は無い。また、本例では3層
構造のニューラルネットワークを用いているが、隠れ層
を増やして4層以上のネットワークとしても同様に扱う
ことができる。接続44、45はすべて重み係数を持っ
ており、ニューラルネットワークの学習とは、これらの
重み係数の値を決定することにほかならない。
FIG. 4 schematically shows the structure of the neural network used in the transfer function identifying section 31 and the gain scheduling section 34. 41
Is an output unit, and in the transfer function identification unit 31,
Closed loop transfer function G (s) = 1 / (1 + a 1 · s + a 2 ·
The parameters (a 1 , a 2 , a 3 ) of (s 2 + a 3 · s 3 ) are made to correspond to the respective output units, and the gain scheduling unit 3
4, the process transfer function Gp (s) = 1 / (c 1 + c 2
・ S + c 3・ s 2 ) parameters are made to correspond to each output unit (that is, the number of output units is 3). 42
Is an input unit, and in the transfer function identification unit, it corresponds to each one of the time series data stored in the cyclic buffer 11 (therefore, the number of input units is n. In FIG. In the gain scheduling unit 34, the environment variables p1 to pm are associated with each other (therefore, the number of input units is m). 43 is a hidden layer unit,
The designer can arbitrarily select the number of units, and the larger the number of units, the more complex the network can be configured. 44
Is a connection between the input layer and the hidden layer, and each unit of the input layer is connected to each unit of the hidden layer. Similarly, 45 is a connection between the hidden layer and the output layer, which is connected from each unit of the hidden layer to each unit of the output layer. This neural network uses a Rumelhart type network, and there is no mutual connection in the same layer of each of the input layer, the hidden layer, and the output layer. Further, in this example, a neural network having a three-layer structure is used, but a hidden layer can be increased and a network having four or more layers can be handled in the same manner. The connections 44 and 45 all have weighting factors, and learning the neural network is nothing but determining the values of these weighting factors.

【0010】次に、このニューラルネットワークのアル
ゴリズムについて説明する。図5は、図4におけるユニ
ット1個分を示したものである。51は第iユニット、
52a,52b,52cは各々、ユニットk〜ユニット
i,ユニットj〜ユニットi,ユニットl〜ユニットi
への接続、53はユニットiの出力を示す。ユニットi
の動作は、 Oi=f(neti)=f(ΣWij・Oj) ………(1) なる式で表される。ここで、Oiはユニットjの出力、
Wijはユニットiからの接続の重み係数、f(x)
は、シグモイド関数であり、f(x)=1/(1+ex
p(−x))により表される。同定モードにおいては、
(1)式で表される演算を、入力層から出力層へ向かっ
て全ユニットに対して行うことによって、出力(a1
2,a3)が算出される。一方、学習モードにおいて
は、デルタルールにもとずくバックプロパゲーションの
アルゴリズムによって、ネットワーク内の全重み係数W
ijを算出することができる。バックプロパゲーション
においては、各接続の重み係数の1試行あたりの変化量
ΔWijは次式で与えられる。 ΔWij=ηδi・Oj ……(2) ここで、ηは定数、δiは学習時の教師データとの偏
差、Oiは第iユニットの出力である。なお、δiは第
iユニットが出力層であるか、隠れ層であるかによって
異なる。出力層のユニットであれば、 δi=(ti−Oi)・f'(neti) ……(3)
(tiは、ユニットiの教師データ)となり、隠れ層の
ユニットであれば、 δi=f'(neti)・Σk(δk・Wki) ……(4) となる。(2)〜(4)式により表される計算を、全て
の教師データに対して、出力層から入力層に向かって1
通り行うと、1試行となる。本試行をWijが、収束す
るまで繰り返すことによって学習する。たとえば、伝達
関数同定部31では、教師データtiとしてG(s)の
分母系列(a1,a2,a3)の種々のケースを用いる。
このときの入力層への入力は、伝達関数G(s)=1/
(1+a1・s+a2・s2+a3・s3)であらわされる
系のステップ応答となる。
Next, the algorithm of this neural network will be described. FIG. 5 shows one unit in FIG. 51 is the i-th unit,
52a, 52b, and 52c are unit k to unit i, unit j to unit i, and unit 1 to unit i, respectively.
, 53 indicates the output of unit i. Unit i
The operation of is expressed by the equation: Oi = f (neti) = f (ΣWij · Oj) (1) Where Oi is the output of unit j,
Wij is the weighting factor of the connection from unit i, f (x)
Is a sigmoid function, and f (x) = 1 / (1 + ex
It is represented by p (-x)). In identification mode,
By performing the operation represented by the equation (1) on all units from the input layer to the output layer, the output (a 1 ,
a 2 , a 3 ) is calculated. On the other hand, in the learning mode, the back-propagation algorithm based on the delta rule is used to calculate all weighting factors W in the network.
ij can be calculated. In backpropagation, the variation ΔWij per trial of the weighting factor of each connection is given by the following equation. ΔWij = ηδi · Oj (2) where η is a constant, δi is the deviation from the training data during learning, and Oi is the output of the i-th unit. Note that δi differs depending on whether the i-th unit is the output layer or the hidden layer. If it is a unit of the output layer, δi = (ti−Oi) · f ′ (neti) (3)
(Ti is teacher data of the unit i), and in the case of a hidden layer unit, δi = f ′ (neti) · Σk (δk · Wki) (4) The calculation expressed by the equations (2) to (4) is performed from the output layer to the input layer by 1 for all the teacher data.
If you follow along, it will be one trial. Learning is performed by repeating this trial until Wij converges. For example, the transfer function identification unit 31 uses various cases of the denominator sequence (a 1 , a 2 , a 3 ) of G (s) as the teacher data ti.
The input to the input layer at this time is the transfer function G (s) = 1 /
The step response of the system is represented by (1 + a 1 s + a 2 s 2 + a 3 s 3 ).

【0011】つぎに因果性尺度の計算法について説明す
る。因果性尺度は、隠れ層が1層の場合、次式で定義さ
れる。 CO=Σj(W1kj・W2ji) ……(5) ここで、COは出力ユニットkに対する入力ユニットi
の因果性尺度、W1kjは出力ユニットkと隠れ層ユニ
ットj間の重み係数、W2jiは隠れ層ユニットjと入
力ユニットi間の重み係数である。COの絶対値の大小
は相関関係の大小を示し、符号は相関関係の正負を示
す。因果性尺度算出機能35では、全入出力ユニットに
ついて(5)式の計算を行う。
Next, the calculation method of the causality scale will be described. The causality measure is defined by the following equation when the hidden layer is one layer. CO = Σj (W1kj · W2ji) (5) where CO is the input unit i with respect to the output unit k
, W1kj is a weight coefficient between the output unit k and the hidden layer unit j, and W2ji is a weight coefficient between the hidden layer unit j and the input unit i. The magnitude of the absolute value of CO indicates the magnitude of the correlation, and the sign indicates whether the correlation is positive or negative. The causality measure calculating function 35 calculates the equation (5) for all input / output units.

【0012】最後に、PIDパラメータ算出機構15の
処理について説明する。プロセスパラメータ算出部12
においてプロセス伝達関数Gp(s)が同定されるた
め、以降のPIDパラメータの算出は、種々の公知の算
出方法を適用することができる。本適用例では、部分モ
デルマッチング法によりPIDパラメータを算出してい
る。すなわち、望ましき応答を示す伝達関数をGm
(s)=1/(1+σ・α1・s+σ2・02・s2+σ3
・α3・s3)として、閉ループ伝達関数G(s)が、G
m(s)に一致するようにPIDパラメータを算出す
る。ここで、σは立上り時間である。σ、α1、α2、α
3は、望ましき制御系を規定するためのPIDパラメー
タ算出機構への設定値である。PIDパラメータは、次
式によって算出される。(なお、本実施例では簡単のた
めα1=1としてある。) Kp={c3/(α3・σ2)}−c1 Ti=(1−α3・c1・σ2/c3)σ Td=(c3・α2−c2・α3・σ)σ/(c3−α3・c1・σ2) なお、本PIDパラメータ・オートチューニング方法
は、上記のようなアルゴリズムにより実現されているた
め、制御用計算機、ディジタル計装システムのワンルー
プまたはマルチループ・コントローラなどの上に容易に
構築できる。
Finally, the PID parameter calculation mechanism 15
The processing will be described. Process parameter calculation unit 12
The process transfer function Gp (s) was identified at
Therefore, the subsequent calculation of PID parameters is performed by various known
The delivery method can be applied. In this application example,
PID parameters are calculated by the Dell matching method
It That is, the transfer function showing the desired response is Gm
(S) = 1 / (1 + σ · α1・ S + σ2・ 02・ S2+ Σ3
・ Α3・ S3), The closed loop transfer function G (s) is
Calculate PID parameters to match m (s)
It Here, σ is the rise time. σ, α1, Α2, Α
3Is a PID parameter for defining a desired control system.
This is the set value for the data calculation mechanism. The PID parameters are
It is calculated by a formula. (Note that in this embodiment,
Me α1= 1. ) Kp = {c3/ (Α3・ Σ2)}-C1  Ti = (1-α3・ C1・ Σ2/ C3) Σ Td = (c3・ Α2-C2・ Α3・ Σ) σ / (c33・ C1・ Σ2) In addition, this PID parameter auto-tuning method
Is realized by the above algorithm.
For control computer and digital instrumentation system
Easily on top of a loop or multi-loop controller etc.
Can build

【0013】図6に、本発明を下水処理プロセス(活性
汚泥法)のDO(溶存酸素量)制御に適用した例を示
す。図中、61はエアレーションタンクであって、タン
ク内の汚水中の有機物がバクテリアによって処理され
る。本処理は、バクテリアに対して酸素を供給すること
によって進められるため、ブロワー62からエアレーシ
ョンタンク61に、配管63を通して空気を供給するこ
とによって、促進させる。DO制御とは、調節弁64に
よって、エアレーションタンク61内の溶存酸素量を定
値制御しようとするものである。本実施例では、一次調
節系としてDO計67の計測値ををPVとするDOルー
プ65と、2次調節系として風量計68の計測値をPV
とする2つのPIDループ66のカスケード系として構
成されている。PIDループ65、66に、本発明のP
IDオートチューニング方法を適用する。下水処理プロ
セスは、微生物処理を含むため、その動特性は液温、微
生物、流入汚水の状態といった要因で変動することが知
られている。そこで、動特性の変動は、制御ループ構築
上は、ゲイン、時定数の変化と考えてよいため、1次調
節系では、環境変数として、上記要因の指標となる液温
60、MLSS69、流入汚水の吸光度601を用い、
これらの計測値とゲイン、時定数の関係をゲインスケジ
ューリング部34において学習させる。この学習は、プ
ロセスパラメータ算出機能32において得られたプロセ
スパラメータを学習データとして、伝達関数同定部31
が伝達関数を同定した時点の液温60、MLSS69、
流入汚水の吸光度601の値を全て入力層に入力して学
習する。そして、どの環境変数がプロセスパラメータに
影響を与えるかは、因果性尺度算出機能35において計
算される因果性尺度によって判断する。また、同定モー
ドでは、学習された環境変数とプロセスパラメータの関
係から、各環境変数の現在値より、プロセスパラメータ
を算出する。2次調節系は、動特性の変動はないとみな
せるため、ゲインスケジューリング部34は使わずに、
伝達関数同定部31のみによってPIDパラメータを決
定する。本実施例では、プラント運転開始初期の学習終
了後は、MLSS、液温、吸光度よりプラントの伝達関
数を決定できるため、PIDパラメータ算出機構15
が、特別なテスト信号を付加することなしに、動特性の
変動に追従してPIDパラメータを変更し、常に良好な
制御性能を得ることができる。
FIG. 6 shows an example in which the present invention is applied to DO (dissolved oxygen content) control in a sewage treatment process (activated sludge method). In the figure, reference numeral 61 is an aeration tank in which organic substances in wastewater in the tank are treated by bacteria. This process is performed by supplying oxygen to the bacteria, and therefore is accelerated by supplying air from the blower 62 to the aeration tank 61 through the pipe 63. The DO control is to control the dissolved oxygen amount in the aeration tank 61 to a constant value by the control valve 64. In the present embodiment, the DO loop 65 in which the measured value of the DO meter 67 is PV is used as the primary adjustment system, and the measured value of the air flow meter 68 is used as the secondary adjustment system in PV.
Is configured as a cascade system of two PID loops 66. In the PID loops 65 and 66, the P
Apply the ID auto-tuning method. Since the sewage treatment process includes microbial treatment, it is known that its dynamic characteristics fluctuate depending on factors such as liquid temperature, microorganisms, and the state of influent sewage. Therefore, the fluctuation of the dynamic characteristics can be considered as a change of the gain and the time constant in the construction of the control loop. Absorbance 601 of
The gain scheduling unit 34 learns the relationship between these measured values, the gain, and the time constant. In this learning, the transfer function identification unit 31 uses the process parameters obtained by the process parameter calculation function 32 as learning data.
Liquid temperature at the time when the transfer function was identified by MLSS69,
All the values of the absorbance 601 of the inflowing wastewater are input to the input layer for learning. Then, which environment variable influences the process parameter is determined by the causality scale calculated by the causality scale calculation function 35. In the identification mode, the process parameter is calculated from the current value of each environment variable from the learned relationship between the environment variable and the process parameter. Since the secondary adjustment system can be regarded as having no fluctuation in the dynamic characteristics, the gain scheduling unit 34 is not used,
The PID parameter is determined only by the transfer function identification unit 31. In this embodiment, since the transfer function of the plant can be determined from the MLSS, the liquid temperature, and the absorbance after the end of learning at the beginning of the plant operation, the PID parameter calculation mechanism 15
However, without adding a special test signal, the PID parameter can be changed by following the fluctuation of the dynamic characteristics, and a good control performance can always be obtained.

【0014】[0014]

【発明の効果】本発明によれば、ニューラルネットワー
クを用いて、プラント試運転中はステップ応答波形のパ
ターン認識的なアプローチによって、伝達関数を同定す
るため、従来の適応制御的なアプローチでは適用が難し
かった時変形や非線形系に対しても、PIDパラメータ
を適応させることが可能になるとともに、試運転中にあ
わせて、環境変数とプロセスパラメータの関係を学習さ
せることができるために、実運転時は、ゲインスケジュ
ーリング法と同様の考え方によって、運転上好ましくな
いテスト信号を付加せずに、PIDパラメータの適応的
なフィッティングによる良好な制御性能が実現できる。
また、制御対象の伝達関数を同定する部分とPIDパラ
メータをこの伝達関数を用いて算出する部分に分けるこ
とによって、制御対象の伝達関数を設計者に提示できる
ために、制御系改善のための基礎データとすることがで
きる。また、ゲインスケジューリング部に因果性尺度算
出機能を持たせたので、学習モードの因果性尺度を設計
者に提示でき、設計者が環境変数と相関が低いと判定し
たプロセスパラメータは、入力層から省くことができ
る。
According to the present invention, since the transfer function is identified by the pattern recognition approach of the step response waveform during the plant commissioning using the neural network, it is difficult to apply the conventional adaptive control approach. It is possible to adapt the PID parameters even to time deformation and non-linear systems, and to learn the relationship between environmental variables and process parameters during test operation. By the same idea as the gain scheduling method, good control performance can be realized by adaptive fitting of PID parameters without adding a test signal that is not preferable for operation.
In addition, since the transfer function of the controlled object can be presented to the designer by dividing it into a part for identifying the transfer function of the controlled object and a part for calculating the PID parameter using this transfer function, it is a basis for improving the control system. It can be data. In addition, since the gain scheduling part has a causality measure calculation function, the causality measure of the learning mode can be presented to the designer, and the process parameter determined by the designer to have a low correlation with the environment variable is omitted from the input layer. be able to.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明のPIDパラメータ・オータチューニン
グ方法の全体構成図
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a PID parameter / order tuning method of the present invention.

【図2】制御系のブロック線図FIG. 2 is a block diagram of a control system

【図3】本発明のプロセスパラメータ算出部構成FIG. 3 is a configuration of a process parameter calculation unit of the present invention

【図4】ニューラルネットワーク模式図[Fig. 4] Schematic diagram of neural network

【図5】ニューラルネットワークの個別ユニットFIG. 5: Individual unit of neural network

【図6】本発明を下水処理プロセス(活性汚泥法)のD
O(溶存酸素量)制御に適用した例
[Fig. 6] D of the sewage treatment process (activated sludge method) according to the present invention
Example applied to O (dissolved oxygen content) control

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 サイクリックバッファ 12 プロセスパラメータ算出部 13 切替スイッチ 15 PIDパラメータ算出機構 16 PID制御ループ 11 cyclic buffer 12 process parameter calculation unit 13 changeover switch 15 PID parameter calculation mechanism 16 PID control loop

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 比例動作(P動作)、積分動作(I動
作)、微分動作(D動作)を、制御動作の基本要素とす
るPID制御ループを含むプロセス制御方法において、
プロセスパラメータ算出部と、算出されたプロセスパラ
メータに基づいて、P動作、I動作、D動作各々のパラ
メータを決定するPIDパラメータの算出機構を有し、
上記プロセスパラメータ算出部は、制御系に対してステ
ップ状の入力が印加されたときに、制御系の応答波形を
観測することによって、プロセスの伝達関数を同定する
伝達関数同定部と、各種の環境変数とプロセスパラメー
タの関係を記述するゲインスケジューリング部からな
り、両者の出力するプロセスパラメータのうちいずれか
一方を選択し、このいずれか一方の出力に基づいてP動
作、I動作、D動作各々のパラメータを算出することを
特徴とするPIDパラメータオートチューニング方法。
1. A process control method including a PID control loop having a proportional action (P action), an integral action (I action), and a derivative action (D action) as basic elements of the control action.
And a process parameter calculation unit, and a PID parameter calculation mechanism that determines the parameters of each of P operation, I operation, and D operation based on the calculated process parameter.
The process parameter calculation unit includes a transfer function identification unit that identifies a process transfer function by observing a response waveform of the control system when a stepwise input is applied to the control system, and various environment. The gain scheduling unit describes the relationship between variables and process parameters, selects one of the process parameters output by both, and based on the output of either one, the parameters of P operation, I operation, and D operation. A PID parameter auto-tuning method characterized by:
【請求項2】 請求項1において、伝達関数同定部は、
制御系にステップ状の設定値変更が印加されたときに、
自動的にPID制御装置と制御対象を含んだ閉ループ伝
達関数を同定するチューニング動作を開始する機能を有
し、上記閉ループ伝達関数を同定する際に、プロセス計
測値の最新のnサンプル周期の時系列を入力層とし、上
記閉ループ伝達関数の係数を出力層とした、少なくとも
隠れ層を一層有するニューラルネットワークによって構
成されることを特徴とするPIDパラメータオートチュ
ーニング方法。
2. The transfer function identification unit according to claim 1,
When a step-like set value change is applied to the control system,
It has a function of automatically starting a tuning operation for identifying a closed loop transfer function including a PID controller and a controlled object, and when identifying the closed loop transfer function, a time series of the latest n sample periods of process measurement values. Is an input layer, and the coefficient of the closed loop transfer function is an output layer, and the PID parameter auto-tuning method is configured by a neural network having at least one hidden layer.
【請求項3】 請求項1または請求項2において、伝達
関数同定部は、同定対象をPID制御装置と制御対象か
らなる閉ループ伝達関数G(s)=1/(1+a1・s
+a2・s2+a3・s3)であると仮定し、プロセス計測
値の最新のnサンプル周期を入力層とし、閉ループ伝達
関数G(s)の分母系列の係数a1,a2,a3を出力層
とした、隠れ層を少なくとも一層有するニューラルネッ
トワークからなり、前記ニューラルネットワークを構成
する各ユニット間の結合の強さは、上記閉ループ伝達関
数G(s)の分母系列の係数a1,a2,a3の種々の組
み合わせパターンのスッテプ応答波形を学習させること
によって決定することを特徴とするPIDパラメータオ
ートチューニング方法。
3. The closed transfer function G (s) = 1 / (1 + a 1 · s) according to claim 1 or 2, wherein the transfer function identification unit includes an identification target including a PID controller and a control target.
+ A 2 · s 2 + a 3 · s 3 ), the latest n sample periods of the process measurement value are used as the input layer, and the coefficients a 1 , a 2 , a of the denominator sequence of the closed-loop transfer function G (s) are used. 3 is an neural network having at least one hidden layer as an output layer, and the strength of the coupling between the units forming the neural network is the coefficient a 1 of the denominator sequence of the closed loop transfer function G (s), A PID parameter auto-tuning method characterized in that it is determined by learning step response waveforms of various combination patterns of a 2 and a 3 .
【請求項4】 請求項1において、ゲインスケジュール
部は、プロセスパラメータに影響を与える環境変数を入
力層とし、制御対象のプロセス伝達関数がGp(s)=
1/(c1+c2・s+c3・s2)であらわされると仮定
したときのプロセスパラメータc1、c2、c3を出力層
とした、隠れ層を少なくとも一層有するニューラルネッ
トワークからなり、前記ニューラルネットワークの教師
データは、伝達関数同定部において同定されたプロセス
パラメータとすることを特徴とするPIDパラメータオ
ートチューニング方法。
4. The gain scheduling unit according to claim 1, wherein an environment variable affecting a process parameter is used as an input layer, and a process transfer function of a control target is Gp (s) =
A neural network having at least one hidden layer, the output parameters of which are process parameters c 1 , c 2 , and c 3 on the assumption that they are represented by 1 / (c 1 + c 2 · s + c 3 · s 2 ). The PID parameter auto-tuning method, wherein the training data of the neural network is the process parameter identified by the transfer function identification unit.
【請求項5】 請求項1において、ゲインスケジュール
部は、環境変数とプロセスパラメータの相関を評価する
因果性尺度を算出する機能を有することを特徴とするP
IDパラメータオートチューニング方法。
5. The gain scheduling section according to claim 1, wherein the gain scheduling section has a function of calculating a causality measure for evaluating a correlation between an environment variable and a process parameter.
ID parameter auto tuning method.
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