JPH0643907A - オートチューニング機能付ファジイ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】目標値の設定とオートチューニング機能の起動
設定とをするだけで広範囲の制御対象の制御が簡単に行
えるオートチューニング機能付ファジイ制御装置を提供
する。 【構成】ステップ応答法によるオートチューニングによ
って制御対象の必要なデータの収集を行うデータ収集部
１２と、収集されたデータに基づいて制御対象のむだ時
間とゲインと時定数とを演算によって求めるむだ時間算
出部２１、ゲイン演算部２２、時定数演算部２３と、む
だ時間に基づいて制御対象の制御周期を算出する制御周
期算出部２４と、むだ時間とゲインと時定数とに基づい
てメンバーシップ関数の変数の幅を算出するメンバーシ
ップ関数値算出部２５と、算出された変数の値によって
その横幅が設定されたメンバーシップ関数を用いてファ
ジイ演算を行うファジイ演算部１４とを備えた構成とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ステップ応答法による
オートチューニングによって制御対象の必要なデータを
収集し、このデータに基づいてメンバーシップ関数の変
数の幅を設定することにより、制御対象をファジイ推論
によって適正に制御するようにしたオートチューニング
機能付ファジイ制御装置に関し、例えば押出成形機にお
ける温度調節装置に適用される。

【０００２】

【従来の技術】押出成形機における温度調節装置として
従来よりＰＩＤ制御が一般に知られているが、本発明者
らは、近時注目されているファジイ推論を用いて押出成
形機の温度調節をより効率的に行えるようにしたファジ
ィ温度調整装置を提供している。

【０００３】この押出成形機におけるファジイ温度調節
装置では、ルールの内容やメンバーシップ関数の値等は
全て固定とし、制御対象をある程度限定したものとして
いる。

【０００４】また、このときのメンバーシップ関数は、
作成者の経験等により試行錯誤して決める必要があり、
また制御対象毎にメンバーシップ関数のデータを持つ必
要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、本発明者
らが提供した押出成形機におけるファジイ温度調整装置
は、メンバーシップ関数を作成者の経験等により試行錯
誤して決める必要があることから、多大の時間と労力と
を必要とする。また、制御対象毎にメンバーシップ関数
のデータを持つ必要があることから、十分な保存データ
エリアが必要となり、データが膨大なものとなる。ま
た、人が設定すべきパラメータの数が多くなるといった
種々の問題があった。

【０００６】本発明はかかる実情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、多くのデータを持つ必要がなく、目標
値の設定とオートチューニング機能の起動設定とをする
だけで広範囲の制御対象の制御が簡単に行えるオートチ
ューニング機能付ファジイ制御装置を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のオートチューニング機能付ファジイ制御装
置は、ステップ応答法によるオートチューニングによっ
て制御対象の必要なデータの収集を行うデータ収集部
と、このデータ収集部によって収集されたデータに基づ
き、制御対象のむだ時間とゲインと時定数とを演算によ
って求めるデータ演算部と、このデータ演算部によって
求めた制御対象のむだ時間に基づいて制御対象の制御周
期を算出する制御周期算出部と、前記データ演算部によ
って求めた制御対象のむだ時間とゲインと時定数とに基
づいてメンバーシップ関数の変数の幅を算出する変数算
出部と、前記制御周期算出部によって算出された制御周
期で制御を行うとともに、前記変数算出部によって算出
された変数の値によってその横幅が設定されたメンバー
シップ関数を用いてファジイ演算を行い、制御対象を制
御するファジイ演算制御部とを備えた構成とする。

【０００８】

【作用】押出成形機の金型温度を調整する温度調整装置
を制御対象とすると、この押出成形機の定常制御状態か
らステップ応答法によるオートチューニングによって、
目標温度に対する実際の金型温度データ等をデータ収集
部によって収集する。

【０００９】データ演算部では、データ収集部によって
収集された金型温度データ等に基づき、温度調整装置の
むだ時間とプロセスゲインと時定数とを演算によって求
める。 制御周期算出部では、データ演算部によって求
めたむだ時間と、経験的に求めた係数とから制御周期を
求める。

【００１０】また、変数算出部では、データ演算部によ
って求めたむだ時間とプロセスゲインと時定数とに基づ
いてメンバーシップ関数の変数として使用される偏差の
値及び偏差の変化の値を算出する。これにより、メンバ
ーシップ関数の変数の幅が決定されることになる。

【００１１】そして後、ファジイ演算制御部では、制御
周期算出部によって算出された制御周期で制御を行うと
ともに、変数算出部によって算出された偏差の値及び偏
差の変化の値によってその横幅が設定されたメンバーシ
ップ関数を用いてファジイ演算を行い、立ち上げ後の押
出成形機の温度調整装置を制御する。

【００１２】すなわち、ステップ応答法によるオートチ
ューニングによって得られたデータに基づいて、ファジ
イ推論で必要なメンバーシップ関数の横幅を決定するの
で、制御対象が変わっても、目標温度の設定とオートチ
ューニング機能の起動設定とをするだけでその制御対象
の制御が簡単に行えるものである。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。

【００１４】図１は、本発明のオートチューニング機能
付ファジイ制御装置の電気的構成を示すブロック図、図
２は本発明のオートチューニング機能付ファジイ制御装
置を押出成形機の金型温度を調整する温度調整装置に適
用した場合の概略構成図である。

【００１５】図２において、この押出成形機１は、パイ
プやフィルム等を成形する成形機であって、複数段に接
続された金型２と、この金型２のそれぞれに設けられた
加熱用ヒータ３及び冷却用クーラ４と、各金型２の温度
を測定する温度センサ５と、ファジイ温度制御装置６と
を備えており、温度センサ５からの温度情報をファジイ
温度制御装置６に取り込み、各種の演算を行ってファジ
イ制御に必要な各パラメータを設定して、金型２の温度
調節を行うようになっている。

【００１６】図１において、本発明のファジイ制御装置
（温度調整装置）は、装置全体の動作制御を行う温調制
御部１１を備えており、温調制御部１１の出力は、オー
トチューニング用データを収集するデータ収集部１２
と、ステップ応答波作成部１３と、ファジイ演算部１４
とに導かれている。

【００１７】ステップ応答波作成部１３の出力は切換ス
イッチ２６の一方の固定端子ａに、ファジイ演算部１４
の出力は切換スイッチ２６の他方の固定端子ｂにそれぞ
れ接続されており、切換スイッチ２６の可動端子ｃは操
作部１５に接続されている。また、切換スイッチ２６の
切換制御入力には、温調制御部１１からの切換制御信号
が導かれている。

【００１８】操作部１５の出力は、加熱側操作部１６及
び冷却側操作部１７に導かれており、加熱側操作部１６
の出力及び冷却側操作部１７の出力は、制御対象（本実
施例では、各金型２の図示しない温度調整部）１８に導
かれている。

【００１９】一方、データ収集部１２の出力は、むだ時
間算出部２１と、ゲイン演算部２２と、時定数演算部２
３とに導かれている。また、むだ時間算出部２１の出力
は、ゲイン演算部２２に導かれており、ゲイン演算部２
２の出力は、時定数演算部２３に導かれている。

【００２０】また、制御周期を算出する制御周期算出部
２４には、むだ時間算出部２１の出力が導かれており、
メンバーシップ関数の値を算出するメンバーシップ関数
値算出部２５には、むだ時間算出部２１の出力と、ゲイ
ン演算部２２の出力と、時定数演算部２３の出力とが導
かれている。

【００２１】そして、制御周期算出部２４の出力は温調
制御部１１に、メンバーシップ関数値算出部２５の出力
はファジイ演算部１４にそれぞれ導かれている。

【００２２】また、金型２に取り付けられた温度センサ
５の出力が、データ収集部１２と、ステップ応答波作成
部１３と、ファジイ演算部１４とに導かれた構成となっ
ている。

【００２３】次に、上記構成のオートチューニング機能
付ファジイ制御装置の動作を、図３乃至図５を適宜参照
して説明する。

【００２４】押出成形機１の立ち上げ時、温調制御部１
１は、切換スイッチ２６に切換制御信号を出力して可動
端子ｃを固定端子ａ側に接続させ、ステップ応答波作成
部１３及びデータ収集部１２においてオートチューニン
グを実施させる。

【００２５】ステップ応答法によるオートチューニング
の実施に当たっては、定常制御状態からステップ入力を
強制的に与え、ステップ応答実施時と同様の概念により
サンプリングを行う。すなわち、定常制御状態から加熱
用ヒータ３（又は冷却用クーラ４）のステップ入力を行
い、その入力に対する制御対象の応答（温度）をサンプ
リングする。

【００２６】図３は、このようなステップ応答法によっ
て得られた温度センサ５の温度実測値の波形と、加熱出
力の波形（ステップ応答波形作成部１３から出力される
波形）との関係を示している。

【００２７】すなわち、制御対象には、加熱用ヒータ３
（又は冷却用クーラ４）をオン状態（すなわち、出力１
００％の状態）とした時刻Ｔ１から無駄時間を経て温度
変化が現れる。その温度変化が現れてから最大温度変化
を計測するまで加熱用ヒータ３（又は冷却用クーラ４）
の出力をオン状態にしておき、最大温度変化を記録した
時点（時刻Ｔ２）で加熱用ヒータ３（又は冷却用クーラ
４）の出力をオフ状態（ただし、ここで言うオフ状態と
は、定常制御時の出力状態のことであって、例えば出力
６０％等の状態のことである）とする。このような動作
を任意の回数繰り返す。

【００２８】そのため、ステップ応答波作成部１３から
は、図３の下段に示すように、時刻Ｔ１にまずオン状態
（出力１００％）を指示する「Ｈ」レベルの信号が出力
され、次に最大温度変化を記録した時刻Ｔ２にオフ状態
（定常制御時の出力状態である例えば出力６０％）を指
示する「Ｌ」レベルの信号が出力される。このように、
ステップ応答開始時に「Ｌ」から「Ｈ」に切り換わり、
最大温度変化を記録した時点で「Ｈ」から「Ｌ」に切り
換わる信号が出力される。

【００２９】操作部１５では、このステップ応答波作成
部１３からの指示が加熱のみの場合には、「Ｈ」レベル
時にオン、「Ｌ」レベル時にオフを示す信号を加熱側操
作部１６に与え、制御対象である各金型２の温度調整部
をオン／オフ制御する。

【００３０】このとき、冷却側操作部１７は非動作状態
となっている。

【００３１】なお、ステップ応答波作成部１３からの指
示が加熱と冷却との両方を示している場合には、操作部
１５は、「Ｈ」レベル時にオン、「Ｌ」レベル時にオフ
を示す信号を加熱側操作部１６に与えるとともに、
「Ｈ」レベル時にオフ、「Ｌ」レベル時にオンを示す信
号を冷却側操作部１７に与える。これにより、制御対象
である各金型２の温度調節部は、加熱時には出力１００
％で加熱され、冷却時には出力−１００％で冷却される
ことになる。ただし、本実施例では、加熱のみの場合を
示している。

【００３２】ここで、出力１００％とは、例えば加熱の
場合であれば、出力周期を２０秒とすると、２０秒間加
熱用ヒータ３をオンしたときが出力１００％である。因
みに、１２秒間加熱用ヒータ３をオンし、８秒間加熱用
ヒータ３をオフしたときが出力６０％である。

【００３３】データ収集部２では、図３の上段に示す温
度センサ５の温度実測値の波形データ、及び図３の下段
に示す加熱用ヒータ３（又は冷却用クーラ４）のオン／
オフのタイミングデータを収集する。

【００３４】そして、この収集した温度実測値データ及
びオン／オフのタイミングデータは、むだ時間算出部２
１、ゲイン演算部２２、及び時定数演算部２３にそれぞ
れ与えられる。

【００３５】むだ時間算出部２１では、図４に示すよう
に、与えられた温度実測値データの波形から、サンプリ
ング周期毎に傾きＲ（ｔ）〔＝今回の温度実測値θ
（ｔ）−前回の温度実測値θ（ｔ−１）〕を計算する。
そして、計算した今回の傾きＲ（ｔ）と前回の傾きＲ
（ｔ−１）との比較を行い、Ｒ（ｔ）≦Ｒ（ｔ−１）が
成立した時点でのθ（ｔ）を求める。この後、むだ時間
算出部２１では、下式に基づいて無駄時間の算出を行
う。

【００３６】

【数１】 無駄時間Ｌ＝〔Ｒ（ｔ）＊ｔ−θ（ｔ）〕／Ｒ（ｔ） このようにして算出した無駄時間Ｌのデータは、ゲイン
演算部２２に与えられる。

【００３７】ゲイン演算部２２では、データ収集部１２
から与えられた温度実測値データと、むだ時間算出部２
１から与えられた無駄時間Ｌとに基づき、下式に基づい
てプロセスゲインＧｐを演算する。

【００３８】

【数２】Ｇｐ＝θ（ｔ）／〔１−ｅｘｐ（−ｔ＋Ｌ）〕 このようにして演算したプロセスゲインＧｐのデータ
は、時定数演算部２３に与えられる。

【００３９】時定数演算部２３では、データ収集部１２
から与えられた温度実測値データと、ゲイン演算部２２
から与えられたプロセスゲインＧｐとに基づき、下式に
基づいて時定数Ｔを演算する。

【００４０】

【数３】Ｔ＝Ｇｐ／Ｒ（ｔ） このようにして、むだ時間算出部２１において算出され
たむだ時間Ｌ、ゲイン演算部２２において演算されたプ
ロセスゲインＧｐ、時定数演算部２３において演算され
た時定数Ｔの各値がメンバーシップ関数値算出部２５に
与えられるとともに、むだ時間算出部２１において算出
されたむだ時間Ｌが制御周期算出部２４に与えられる。

【００４１】制御周期算出部２４では、むだ時間算出部
２１から与えられた時間Ｌと、経験的に求めた係数αと
から、Ｌ／αの式によって制御周期（演算周期）を求
め、これを温調制御部１１に与える。

【００４２】ここで、係数αは２〜４程度とするのが良
い。これは、制御周期がＬよりも長くなると制御不能と
なり、また制御周期をＬの１／４を越えて短くしても精
度的にはあまり変わらないからである。

【００４３】一方、メンバーシップ関数値算出部２５で
は、むだ時間算出部２１から与えられた時間Ｌと、ゲイ
ン演算部２２から与えられたプロセスゲインＧｐと、時
定数演算部２３から与えられた時定数Ｔとに基づき、下
式に示す近似式によって２種類の変数（偏差Ｅ＝実測値
−目標温度、偏差の変化ΔＥ＝Ｅ_n −Ｅ_n-1 ）を算出す
る。

【００４４】

【数４】Ｅ＝Ｇｐ＊〔１−ｅｘｐ（−３Ｌ／Ｔ）〕

【００４５】

【数５】ΔＥ＝Ｇｐ＊〔１−ｅｘｐ（−τ／Ｔ）〕 ここで、τは演算周期である。

【００４６】メンバーシップ関数値算出部２５では、こ
れらの算出結果Ｅ，ΔＥの値をファジイ演算部１４に与
える。

【００４７】温調制御部１１は、制御周期算出部２４か
ら制御周期τが与えられると、切換スイッチ２６に切換
制御信号を出力して可動端子ｃを固定端子ｂ側に接続さ
せる。

【００４８】これにより、ファジイ演算部１４では、温
調制御部１１を介して与えられた制御周期τ、Ｅの幅、
ΔＥの幅を従来より構築しているルールに適用し、以後
操作部１５、加熱側操作部１６、冷却側操作部１７を介
して制御対象である金型２の温度調節部をオン／オフ制
御することになる。

【００４９】なお、上記実施例では、ステップ応答波作
成部１３の出力につていは、ステップ応答時の出力を１
００％として説明しているが、例えば９０％、８０％等
とすることが可能である。

【００５０】

【発明の効果】本発明のオートチューニング機能付ファ
ジイ制御装置は、データ収集部によりステップ応答法に
よるオートチューニングによって制御対象の必要なデー
タの収集を行い、この収集されたデータに基づいて制御
対象のむだ時間とプロセスゲインと時定数とを求め、こ
の求めたむだ時間とプロセスゲインと時定数とに基づい
て制御周期と偏差の値と偏差の変化の値とを求め、この
求めた偏差の値と偏差の変化の値とによって横幅が設定
されたメンバーシップ関数を用いてファジイ演算を行う
ことにより、制御対象を制御するように構成したので、
未知の制御対象に対してもオペレーションの工数をほと
んど必要とせず、短時間で最適な制御を行うことができ
るといった効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のオートチューニング機能付ファジイ制
御装置の電気的構成を示すブロック図である。

【図２】本発明のオートチューニング機能付ファジイ制
御装置を押出成形機の金型温度を調整する温度調整装置
に適用した場合の概略構成図である。

【図３】ステップ応答法によって得られた温度センサか
らの温度実測値の波形と、ステップ応答波作成部の出力
波形との関係を示した図である。

【図４】むだ時間算出部での無駄時間の算出処理を説明
するための、図３に示す波形の一部拡大図である。

【図５】メンバーシップ関数の一例を示す図である。

【符号の説明】

１ 押出成形機 ２ 金型 ５ 温度センサ １１ 温調制御部 １２ データ収集部 １３ ステップ応答波作成部 １４ ファジイ演算部 １８ 制御対象 ２１ むだ時間算出部 ２２ ゲイン演算部 ２３ 時定数演算部 ２４ 制御周期算出部 ２５ メンバーシップ関数値算出部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステップ応答法によるオートチューニン
   グによって制御対象の必要なデータの収集を行うデータ
   収集部と、 このデータ収集部によって収集されたデータに基づき、
   制御対象のむだ時間とゲインと時定数とを演算によって
   求めるデータ演算部と、 このデータ演算部によって求めた制御対象のむだ時間に
   基づいて制御対象の制御周期を算出する制御周期算出部
   と、 前記データ演算部によって求めた制御対象のむだ時間と
   ゲインと時定数とに基づいてメンバーシップ関数の変数
   の幅を算出する変数算出部と、 前記制御周期算出部によって算出された制御周期で制御
   を行うとともに、前記変数算出部によって算出された変
   数の値によってその横幅が設定されたメンバーシップ関
   数を用いてファジイ演算を行い、制御対象を制御するフ
   ァジイ演算制御部とを備えたことを特徴とするオートチ
   ューニング機能付ファジイ制御装置。