JPH0713608A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】制御対象の状態に応じてメンバーシップ関数の
上下限値を定め、最適な制御を行う。 【構成】制御手段２により制御対象１をオンオフ制御
し、その時の応答を測定手段３で求め、ＰＩＤ算出手段
４でＰＩＤ定数を求める。他方、ファジイ演算手段５で
測定手段３による偏差の最大値、偏差の偏化率の最大値
をメンバーシップ関数の上下限値とし補正値ｈｖを求
め、制御時、制御手段２の出力ｍｖに操作量補正手段６
で修正し、操作量ＭＶを制御対象１に出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電気炉その他の制御
対象の温度等のプロセス量の制御を行うような制御装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】出願人は、特願平３−８１２８４号（特
開平４−２９４４０号）で、ＰＩＤ制御手段の後段に、
予め定められたファジイルールにしたがって設定値、測
定値の状態から操作量を補正するファジイ演算手段を設
けた制御装置を提案している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ファジ
イルールを適用するメンバーシップ関数の横軸の上下限
値はあらかじめ実験で求め、固定した値とされたいるた
め、ＰＩＤ定数や、設定値の変更に対し、必ずしも適当
な値とされているとは限らなかった。

【０００４】この発明の目的は、以上の点に鑑み、制御
対象の状態に応じて、メンバーシップ関数の上下限値を
定め、最適な制御を可能とした制御装置を提供すること
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、あらかじめ
設定された設定値と制御対象からの測定値との偏差に基
いて操作量を出力する制御装置において、制御対象に所
定の操作量を与えたときの偏差の最大値または偏差の変
化率の最大値を測定する測定手段と、この測定手段によ
り求めた偏差の最大値または偏差の変化率の最大値から
メンバーシップ関数の上下限値を定め制御対象からの測
定値の偏差の大きさまたは偏差の変化率から操作量の修
正量を演算するファジイ演算手段と、このファジイ演算
手段の修正量に基き操作量を補正して出力する操作量補
正手段とを備えるようにした制御装置である。

【０００６】

【実施例】図１は、この発明の一実施例を示す構成説明
図である。

【０００７】図において、１はムダ時間Ｌをもつ電気炉
その他の制御対象、２は、制御対象１の測定値ＰＶと設
定値ＳＶとに基いて制御対象１に所定の操作量ｍＶ（Ｍ
Ｖ）を出力し制御を行う制御手段である。また、測定手
段３は、制御対象１の状態量を測定し、この測定手段３
の出力からＰＩＤ算出手段３はＰＩＤ定数を算出し制御
手段２に与える。ファジイ演算手段５は、測定手段２の
測定量から操作量の修正量を演算し、この修正量に基き
操作量補正手段６は制御手段２の操作量を補正して出力
する。制御対象１を除く上記制御装置はマイクロコンピ
ュータ等で構成されている。

【０００８】次に、まず、図２を参照して動作を説明す
る。この種の制御装置は、あらかじめＰＩＤ定数を求め
るため、制御対象１に操作量補正手段５を無視し所定の
操作量ＭＶを与え、その応答波形からＰＩＤ定数を決定
する。これには種々の手法があるが、出願人の提案した
特開昭６０−８３１０３号公報を以下参照して説明す
る。

【０００９】制御手段２により、設定値をＳＶとし、オ
ン・オフ制御を行うと、制御量（測定値）ＰＶは上昇
し、設定値ＳＶ付近でサイクリング（リミットサイク
ル）を生じる応答を示す。制御対象１はムダ時間Ｌをも
ち、動作すきま２Δ（Δ＝０としてもよい）があるため
操作量ＭＶがＯＮからＯＦＦとなるのは、ＰＶａ＝ＳＶ
＋Δであり、その時点よりＬ時間、傾きＲｎで上昇を続
けた後に、最大値となり傾きＲｆで下降する。そしてＰ
Ｖｂ＝ＳＶ−Δで操作量ＭＶがＯＦＦからＯＮとなり、
その時点よりＬ時間傾きＲｆで下降を続けた後に、最低
値となり傾きＲｎで上昇する。

【００１０】操作量ＭＶが１００％のオン時間をｔｏ
ｎ、操作量０％のオフ時間をｔｏｆｆとすれば次式が成
り立つ。

【００１１】 ｔｏｎ＝Ｌ＋（ＲｆＬ＋２Δ）／Ｒｎ （１） ｔｏｆｆ＝Ｌ＋（ＲｎＬ＋２Δ）／Ｒｆ （２） 両式よりＲｆを消去してＲｎを求めると次式となる。

【００１２】 Ｒｎ＝２Δｔｏｆｆ／（ｔｏｎｔｏｆｆ−Ｌｔ） （３） ここで、ｔ＝ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ、ムダ時間Ｌは、操作量
ＭＶがＯＮからＯＦＦとなったときから傾きＲｎが無く
なる時までの時間を測定すればよく、そして、たとえ
ば、ジーグラー・ニコラスの調整則は次式で与えられ
る。

【００１３】 Ｋｐ＝１．２／ＲｎＬ （４） ｐ＝１００／Ｋｐ （５） Ｔｉ＝２Ｌ （６） Ｔｄ＝０．５ （７） このようにＰＩＤ定数は、測定手段３で、測定値ＰＶの
サイクリングから、オン時間ｔｏｎ、オフ時間ｔｏｆ
ｆ、周期ｔの少くとも２個およびムダ時間Ｌを測定し、
Ｒｎを算出し、これら測定量からＰＩＤ算出手段４で
（４）、（５）、（６）、（７）のような演算を行いＰ
ＩＤ定数を求め、制御手段２に与え、制御手段２はＰＩ
Ｄ算定動作終了後、オンオフ制御からＰＩＤ制御となり
制御を行う。

【００１４】他方、測定手段３は、制御対象１をオンオ
フ制御したときの上記の状態のうち、偏差（ＳＶ−Ｐ
Ｖ）が正のときの最大値ＲｆＬ、負の時の最大値ＲｎＬ
を求め、これをファジイ演算手段５の偏差についてのル
ールの部分の変化幅（上下限値）に用いる。また、偏差
の変化率を次式から求め、偏差の変化率についての上下
限値に用いる。

【００１５】正の偏差の変化率の最大値 ＝−ＲｎＬ／（ｔｏｆｆ−Ｌ）＝＋ΔＥｎ （８） 負の偏差の変化率の最大値 ＝−ＲｆＬ／（ｔｏｎ−Ｌ）＝−ΔＥｎ （９） 負の偏差の変化率の最大値は操作量ＭＶがＯＮ（１００
％）のときが最大で、正の偏差の変化率の最大値は、操
作量ＭＶがＯＦＦ（０％）のときが最大である。操作量
の変化幅（上下限値）は、取り得る値の最大をとり、−
１００％〜＋１００％とすればよい。

【００１６】こうして求めた測定手段３の出力に基い
て、ファジイ演算手段５は、図３で示すように、メンバ
ーシップ関数の横軸の上下限値（スケーリング変化幅）
を定め、制御対象１についての偏差も、偏差の変化率Δ
Ｅから操作量ｍＶの修正量ｈｖを演算し、次いで操作量
補正手段５に出力して最終操作量ＭＶとするのに用いら
れる。

【００１７】つまり、図３を参照し、測定手段２で求め
た偏差の最大値ＲｎＬ＜０、ＲｆＬ＞０に基いて、メン
バーシップ関数の偏差Ｅについての前件部の上下限値を
たとえば−１０、＋１０とする。また、偏差の最大値、
最小値＋ΔＥｎ、−ΔＥｎに基く、メンバーシップ関数
の偏差の変化率ΔＥについての前件部の上下限値をたと
えば−５、＋５とする。メンバーシップ関数の修正操作
量ｈｖについての後件部は、−１００％、＋１００％と
する。つまり、制御対象１の測定値ＰＶの偏差Ｅ、偏の
変化率ΔＥから図３のファジイ演算を行い、修正操作量
ｈｖを求める。

【００１８】今、ファジイルールの一例として、 （１）もし、偏差Ｅが負で大きく、かつ偏差Ｅの変化率
Ｅが零ならば、操作量を正で上げる。 （２）もし、偏差Ｅが零で、かつ偏差Ｅの変化率ΔＥが
負で大きければ、操作量を負で上げる。 （３）もし、偏差Ｅが正で大きく、かつ偏差Ｅの変化率
ΔＥが正で大きければ、操作量をそのまま維持する。 の３つのルールを与え、制御手段２に入力される測定値
ＰＶと設定値ＳＶとの間に偏差Ｅ＝＋５、偏差Ｅの変化
率ΔＥ＝＋１が生じたとする。

【００１９】すると、ファジイ演算手段４では、各ルー
ルの一致度を求め、偏差Ｅの度合と偏差Ｅの変化率ΔＥ
の度合を比べて小さい方の度合を修正操作量ｈｖの度合
とする。

【００２０】まず、ルール（１）では、偏差Ｅが＋５で
あるから、メンバーシップ関数Ａ１１より度合Ｗは０で
あり、また、偏差Ｅの変化率ΔＥが＋１であるから、メ
ンバーシップ関数Ａ１２より度合Ｗは０．５５となる。
そして、偏差Ｅの度合の方が小さいから、修正操作量の
度合は０となる（図３（ａ）参照）。

【００２１】次に、ルール（２）では、偏差Ｅが＋５で
あるから、メンバーシップ関数Ａ２１より度合Ｗは０で
あり、また、偏差Ｅの変化率ΔＥが＋１であるから、メ
ンバーシップ関数Ａ２２より度合Ｗは０となる。そし
て、偏差Ｅおよび偏差Ｅの変化率ΔＥの度合が同じであ
るから、修正操作量の度合は０となる（図３（ｂ）参
照）。

【００２２】さらに、ルール（３）では、偏差Ｅが＋５
であるから、メンバーシップ関数Ａ３１より度合Ｗは１
であり、また、偏差Ｅの変化率ΔＥが＋１であるから、
メンバーシップ関数Ａ３２より度合Ｗは０．４となる。
そして、偏差Ｅの変化率ΔＥの度合の方が小さいから、
修正操作量の度合は０．４となる（図３（ｃ）参照）。

【００２３】すなわち、各ルール（１）、（２）、
（３）の結論部に求めた度合を当てはめると、結論部の
メンバーシップ関数は、ちょうど度合Ｗでカットされた
メンバーシップ関数Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３になる。

【００２４】次に、度合Ｗでカットされた結論部の各ル
ール（１）、（２）、（３）のメンバーシップ関数Ｂ
１、Ｂ２、Ｂ３を１つに合成し、囲まれた境界部分の面
積の重心を求める（図３（ｃ）参照）。

【００２５】そして、求めた重心を操作量軸（Ｘ軸）に
向かって垂直に下ろし、操作量軸との交点が修正操作量
ｈｖ（＝０）となる。この修正操作量ｈｖは操作量補正
手段６において制御手段１で演算された操作量ｍｖに加
算等され操作量ｍｖに修正が施された後、最終的な操作
量ＭＶが出力される。

【００２６】なお、以上のファジイ演算手段５は、偏差
または偏差の変化率の両方でもよいし、そのいずれかの
みによりファジイ演算するようにしてもよい。

【００２７】また、ＰＩＤ定数の算出のオートチューニ
ングの方法は、上記以外の従来の限界感度法、リミット
サイクル法等の手段でもよく、これらのチューニングと
並行してその応答波形からファジイ演算手段４のメンバ
ーシップ関数の偏差または偏差の変化率についてのスケ
ーリング・パラメータ（横軸の上下限値）を求めてお
き、次いで実際の制御に入るようにする。このパラメー
タの変更は、制御開始時、あるいは、設定値変更時、あ
るいは制御対象の状態の変化時等の必要時に制御対象の
応答から求めて変更すればよい。

【００２８】また、上記の例では、後件部として操作量
の補正値としたが、直接、操作量を求めてもよい。ま
た、ファジイ演算手段５で、測定値ＰＶ、または設定値
ＳＶ、ＰＩＤ定数を後件部とし、修正するようにしても
よい。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、この発明は、制御対
象に所定の操作量を与えたときの応答からファジイ演算
手段で用いるメンバーシップ関数の上下限値パラメータ
等を求めて用いるようにしているので、さまざまな制御
対象の状態に最適なファジイ演算による操作量制御が可
能となり、また、ＰＩＤパラメータのチューニングのた
めの応答波形を用いて並行して求めることができ、簡素
でしかも、高速に最適なファジイ演算定数を求めること
ができ、変更、更新も容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す構成説明図である。

【図２】この発明の一実施例についての説明図である。

【図３】この発明の一実施例についての説明図である。

【符号の説明】

１ 制御対象 ２ 制御手段 ３ 測定手段 ４ ＰＩＤ算出手段 ５ ファジイ演算手段 ６ 操作量補正手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】あらかじめ設定された設定値と制御対象か
   らの測定値との偏差に基いて操作量を出力する制御装置
   において、制御対象に所定の操作量を与えたときの偏差
   の最大値または偏差の変化率の最大値を測定する測定手
   段と、この測定手段により求めた偏差の最大値または偏
   差の変化率の最大値からメンバーシップ関数の上下限値
   を定め制御対象からの測定値の偏差の大きさまたは偏差
   の変化率から操作量の修正量を演算するファジイ演算手
   段と、このファジイ演算手段の修正量に基き操作量を補
   正して出力する操作量補正手段とを備えたことを特徴と
   する制御装置。