JPH07182012A - コントローラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 内部モデルの設定が不適当なときに内部モデ
ルのゲインを修正して良好な制御を行う。 【構成】 目標値フィルタ部１、第１の減算処理部３、
操作量演算部４、内部モデル記憶部６ａ、内部モデル出
力演算部６ｂ、第２の減算処理部８からフィードバック
制御系が構成されている。外乱抑制開始領域検出部９は
外乱の発生に応じて制御量ｙ、参照制御量ｙｍに外乱抑
制動作が現れ始める外乱抑制開始領域を検出する。モデ
ルゲイン算出部１０はこの外乱抑制開始領域により特定
される制御量ｙ、参照制御量ｙｍの変化率から内部モデ
ルの修正ゲインＫｍ１を算出する。そして、このゲイン
Ｋｍ１が内部モデル記憶部６ａに出力されることによ
り、内部モデルのゲインが修正される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＩＭＣ（Internal Model
Control）構造の制御アルゴリズムを用いたコントロー
ラに関し、特に内部モデルの設定が不適当なときに内部
モデルのゲインを自動的に修正して良好な制御を行うこ
とができるコントローラに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より制御対象プロセスを数式表現し
た内部モデルを組み込んで制御を行うＩＭＣ構造の制御
アルゴリズムを用いたコントローラが提案されており、
このＩＭＣコントローラを用いれば制御対象プロセス
（例えばこのコントローラが室内空調機であれば室内環
境に相当する）に大きなむだ時間（空調機から温風が出
てから室内温度が上昇するまでの時間）が存在しても対
応が可能という優れた利点がある。

【０００３】図１０は従来のＩＭＣコントローラを用い
た制御系のブロック線図である。３３は目標値（室内温
度設定値）から後述するフィードバック量を減算する第
１の減算処理部、３２は第１の減算処理部３３の出力の
変化が急激に伝わらないようにするためのフィルタ部、
３４はフィルタ部３２の出力に基づいてこのコントロー
ラの出力である操作量（室内空調機から出る温風又は冷
風の温度）を演算する操作部、３６は制御対象プロセス
を数式で近似したものであって制御結果である制御量
（室内温度）に相当する参照制御量を出力する内部モデ
ル、３８は制御量から内部モデル３６からの参照制御量
を減算してフィードバック量を出力する第２の減算処理
部、４０は制御対象プロセスである。

【０００４】また、Ｆ、Ｇｃ、Ｇｍ、Ｇｐはそれぞれフ
ィルタ部３２、操作部３４、内部モデル３６、制御対象
プロセス４０の伝達関数、ｒは目標値、ｕは操作量、ｄ
は例えば室内環境に対する室外環境等に相当する外乱、
ｙは制御量、ｙｍは参照制御量、ｅはフィードバック量
である。

【０００５】次に、このようなＩＭＣコントローラの動
作を説明する。まず、第１の減算処理部３３にて目標値
ｒからフィードバック量ｅが減算され、この結果がフィ
ルタ部３２に出力される。次いで、操作部３４にてフィ
ルタ部３２の出力から操作量ｕが演算され、制御対象プ
ロセス４０及びコントローラの内部モデル３６へ出力さ
れる。そして、第２の減算処理部３８にて制御対象プロ
セス４０の制御量ｙから制御対象プロセス４０の近似的
な動作をする内部モデル３６からの参照制御量ｙｍが減
算され、この結果がフィードバック量ｅとして第１の減
算処理部３３へフィードバックされるフィードバック制
御系が構成されている。

【０００６】このようなＩＭＣコントローラの内部モデ
ル３６は、制御対象プロセス４０と全く同一になるよう
に数式表現されるのが理想的であり、また操作部３４
は、内部モデル３６の伝達関数の逆特性（１／Ｇｍ）に
なるのが理想的であるが、内部モデル３６のむだ時間の
要素については逆数化は不可能なので、通常はむだ時間
の要素は無視する。よって、制御量ｙは、このような構
成により目標値ｒ、外乱ｄから次式にて求めることがで
きる。 ｙ＝Ｆ×Ｇｐ×Ｇｃ×ｒ／｛１＋Ｆ×Ｇｃ×（Ｇｐ−Ｇｍ）｝ ＋（１−Ｆ×Ｇｍ×Ｇｃ）×ｄ／｛１＋Ｆ×Ｇｃ×（Ｇｐ−Ｇｍ）｝ ・・・（１）

【０００７】ここで、内部モデル３６の伝達関数Ｇｍが
制御対象プロセス４０の伝達関数Ｇｐに等しく、操作部
３４の伝達関数Ｇｃが内部モデル３６の伝達関数の逆数
（１／Ｇｍ＝１／Ｇｐ）に等しい理想的な状態を仮定す
ると、式（１）は次式のようになる。 ｙ＝Ｆ×ｒ＋（１−Ｆ）×ｄ ・・・（２）

【０００８】更に、目標値ｒに急激な変化がない理想的
な条件であればフィルタ部３２は不要となり、Ｆ＝１に
できるので、制御量ｙは目標値ｒと等しくなり（ｙ＝
ｒ）、外乱ｄの影響が全くない制御を実現できることに
なる。また、外乱ｄに着目すると、制御対象プロセス４
０と内部モデル３６に大きなむだ時間があったとしても
両者は操作量ｕに対して同じ特性を示すので、第２の減
算処理部３８の出力であるフィードバック量ｅは外乱ｄ
のみとなり、外乱ｄを抑制できることが分かる。

【０００９】このようなＩＭＣコントローラは、通常、
制御対象プロセス４０と内部モデル３６のモデル同定誤
差が大きくなったときの安定性を示すロバスト安定性、
及び同様に誤差が大きくなったときの性能を示すロバス
ト性能についての設計条件に基づいて設計される。ま
た、このようなモデル同定技術によって内部モデル３６
を決定したときに、内部モデル３６の制御対象プロセス
４０に対するモデル同定誤差はある程度避けられない
が、このモデル同定誤差の見積を誤ったときの制御は想
定通りの動作にならないので、その場合の対策は制御の
知識を有する専門家によって行われる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来のＩＭＣコントロ
ーラは以上のように構成されており、内部モデルが制御
対象プロセスと大きく異なるコントローラにおいて、制
御の平衡点が移動する外乱等の要因が発生すると、制御
量に振動が発生してこの制御の不安定化を抑えることが
できなくなり、制御の知識を有する専門家以外のオペレ
ータはＩＭＣコントローラの利用を断念しなければなら
ないという問題点があった。本発明は、上記課題を解決
するために、内部モデルの設定が不適当なときに内部モ
デルのゲインを自動的に修正して良好な制御を行うこと
ができるＩＭＣ構造のコントローラを提供することを目
的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、入力された制
御の目標値を伝達関数が時間遅れの特性で出力する目標
値フィルタ部と、この目標値フィルタ部の出力からフィ
ードバック量を減算する第１の減算処理部と、この第１
の減算処理部の出力を伝達関数が時間遅れの特性で出力
する目標値・外乱フィルタ部と、内部モデルのパラメー
タに基づいて目標値・外乱フィルタ部の出力から操作量
を演算して出力する操作部とからなる操作量演算部と、
内部モデルのパラメータを記憶する内部モデル記憶部
と、内部モデルのパラメータに基づいて操作量から参照
制御量を演算する内部モデル出力演算部と、制御対象プ
ロセスの制御量から内部モデル出力演算部から出力され
た参照制御量を減算してフィードバック量を出力する第
２の減算処理部と、外乱の発生に応じて制御量及び参照
制御量に外乱抑制動作が現れ始める外乱抑制開始領域の
開始時点と終了時点を検出する外乱抑制開始領域検出部
と、開始時点と終了時点により特定される制御量及び参
照制御量の変化率から内部モデルの修正ゲインを算出し
内部モデル記憶部に記憶されたパラメータ中のゲインを
この修正ゲインに変更させるモデルゲイン算出部とを有
するものである。

【００１２】また、外乱抑制開始領域検出部の代わり
に、目標値が変更された目標値追従動作のときは目標値
の変更に応じて制御量及び参照制御量に変化が現れ始め
る応答開始領域の開始時点と終了時点を検出し、目標値
追従動作以外のときは外乱の発生に応じて制御量及び参
照制御量に外乱抑制動作が現れ始める外乱抑制開始領域
の開始時点と終了時点を検出する応答開始領域検出部を
有するものである。

【００１３】

【作用】本発明によれば、目標値が目標値フィルタ部に
入力され、第１の減算処理部にて目標値フィルタ部の出
力からフィードバック量が減算され、操作量演算部にて
第１の減算処理部の出力から操作量が演算されて制御対
象プロセス及び内部モデル出力演算部へ出力される。次
いで、第２の減算処理部にて制御対象プロセスの制御量
から内部モデル出力演算部からの参照制御量が減算さ
れ、この結果がフィードバック量として第１の減算処理
部へ出力されるフィードバック制御系が構成されてい
る。そして、外乱抑制開始領域検出部にて外乱の発生に
応じた制御量及び参照制御量の外乱抑制開始領域が検出
され、モデルゲイン算出部によって内部モデルの修正ゲ
インが算出されて内部モデル記憶部に出力されることに
より、内部モデルのゲインが修正される。

【００１４】また、目標値追従動作のときは応答開始領
域検出部にて目標値の変更に応じた制御量及び参照制御
量の応答開始領域が検出され、モデルゲイン算出部によ
って内部モデルのゲインが修正される。そして、目標値
追従動作以外のときは応答開始領域検出部にて外乱の発
生に応じた制御量及び参照制御量の外乱抑制開始領域が
検出され、モデルゲイン算出部によって内部モデルのゲ
インが修正される。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の１実施例を示すＩＭＣ構造の
コントローラのブロック図、図２はこのＩＭＣ構造のコ
ントローラを用いた制御系のブロック線図である。図１
において、１は図示しないオペレータによって設定され
た目標値ｒをこのコントローラに入力する目標値入力
部、２は目標値入力部１からの目標値ｒを伝達関数が１
次遅れの特性で出力する目標値フィルタ部、３は目標値
フィルタ部２の出力からフィードバック量ｅを減算する
第１の減算処理部、４は後述する内部モデル記憶部から
のパラメータに基づいて第１の減算処理部３の出力から
操作量ｕを演算する操作量演算部、５は操作量演算部４
から出力された操作量ｕを図１では図示しない制御対象
プロセスへ出力する信号出力部である。

【００１６】また、６ａはこのコントローラの内部モデ
ルのパラメータを記憶する内部モデル記憶部、６ｂは内
部モデル記憶部６ａから出力されたパラメータに基づい
て内部モデルとしての演算を行い参照制御量ｙｍを出力
する内部モデル出力演算部、７は制御対象プロセスから
の制御量ｙをこのコントローラに入力する制御量入力
部、８は制御量入力部７から出力された制御量ｙから内
部モデル出力演算部６ｂから出力された参照制御量ｙｍ
を減算してフィードバック量ｅを出力する第２の減算処
理部である。

【００１７】また、９は外乱の発生に応じて制御量ｙ及
び参照制御量ｙｍに外乱抑制動作が現れ始める外乱抑制
開始領域の開始時点と終了時点を検出する外乱抑制開始
領域検出部、１０はこの開始時点と終了時点により特定
される制御量ｙ及び参照制御量ｙｍの変化率から内部モ
デルの修正ゲインを算出し内部モデル記憶部６ａに記憶
された内部モデルのゲインをこの修正ゲインに変更させ
るモデルゲイン算出部である。

【００１８】図２において、４ａは操作量演算部４の内
部にあって、第１の減算処理部３の出力を伝達関数が１
次遅れの特性で出力する目標値・外乱フィルタ部、４ｂ
は同じくその内部にあって目標値・外乱フィルタ部４ａ
の出力から操作量ｕを演算する操作部、６は内部モデル
記憶部６ａ及び内部モデル出力演算部６ｂからなる内部
モデル、Ｆ１は目標値フィルタ部２の伝達関数、Ｆ２は
目標値・外乱フィルタ部４ａの伝達関数である。また、
ｄｕは操作量外乱であり、外乱ｄ＝Ｇｐ×ｄｕとするこ
とで制御量外乱ｄと等価に扱うことができる。

【００１９】なお、図２は図１の目標値フィルタ部２、
第１の減算処理部３、操作量演算部４、内部モデル記憶
部６ａ、内部モデル出力演算部６ｂ、及び第２の減算処
理部８からなるこのＩＭＣ構造のコントローラの基本構
成に、制御対象プロセス４０、外乱ｄ、及び操作量外乱
ｄｕを含めて制御系として書き直したものである。

【００２０】次に、このようなコントローラの基本構成
の動作について説明する。目標値ｒは、このコントロー
ラのオペレータ等によって設定され、目標値入力部１を
介して目標値フィルタ部２に入力される。目標値フィル
タ部２は、目標値ｒをその時定数をＴ１とする次式のよ
うな伝達関数Ｆ１の特性で出力する。 Ｆ１＝１／（１＋Ｔ１×ｓ） ・・・（３）

【００２１】そして、時定数Ｔ１は、あらかじめ設定さ
れた初期値を除いて後述する内部モデル６のむだ時間Ｌ
ｍの変更に伴い次式のように設定されるようになってい
る。 Ｔ１＝４×α×Ｌｍ ・・・（４） ここで、αは比例定数であり、例えばα＝０．３１８で
ある。

【００２２】次に、第１の減算処理部３は、この目標値
フィルタ部２の出力から第２の減算処理部８から出力さ
れるフィードバック量ｅを減算する。操作量演算部４内
の目標値・外乱フィルタ部４ａは、第１の減算処理部３
の出力をその時定数をＴ２とする次式のような伝達関数
Ｆ２の特性で出力する。 Ｆ２＝１／（１＋Ｔ２×ｓ） ・・・（５）

【００２３】そして、時定数Ｔ２も目標値フィルタ部２
の時定数Ｔ１と同様に初期値を除いてむだ時間Ｌｍの変
更に伴い次式のように変更されるようになっている。 Ｔ２＝α×Ｌｍ ・・・（６） つまり、時定数Ｔ１は標準設定として時定数Ｔ２の４倍
に設定されている。

【００２４】また、同じく操作量演算部４内の操作部４
ｂは、目標値・外乱フィルタ部４ａの出力から操作量ｕ
を演算するが、その伝達関数Ｇｃは内部モデル記憶部６
ａから出力された内部モデル６のゲイン及び時定数によ
り次式となり、図１０の例と同様にむだ時間Ｌｍの要素
を除いた内部モデル６の伝達関数Ｇｍの逆数となってい
る。 Ｇｃ＝（１＋Ｔｍ×ｓ）／Ｋｍ ・・・（７） ここで、Ｋｍ、Ｔｍはそれぞれ内部モデル６のゲイン、
時定数である。

【００２５】よって、操作量演算部４全体としての伝達
関数は次式となる。 Ｆ２×Ｇｃ＝（１＋Ｔｍ×ｓ）／｛Ｋｍ×（１＋Ｔ２×ｓ）｝・・・（８） このようにして、第１の減算処理部３の出力から操作量
ｕが演算されて信号出力部５を介して制御対象プロセス
４０へ出力され、また内部モデル出力演算部６ｂへ出力
される。

【００２６】次に、制御対象プロセス４０は、１次遅れ
とむだ時間の要素を有するものとしてその伝達関数Ｇｐ
を次式のような近似伝達関数で表現できる。 Ｇｐ＝Ｋ×ｅｘｐ（−Ｌ×ｓ）／（１＋Ｔ×ｓ） ・・・（９） ここで、Ｋ、Ｌ、Ｔはそれぞれ制御対象プロセス４０の
ゲイン、むだ時間、時定数である。

【００２７】そして、内部モデル６は、内部モデル記憶
部６ａに記憶されたゲインＫｍ、時定数Ｔｍ、及びむだ
時間Ｌｍからなるこれらのパラメータによって、上記の
ような制御対象プロセス４０を数式表現したものであ
り、内部モデル出力演算部６ｂにて操作量演算部４から
出力された操作量ｕから参照制御量ｙｍを演算する。そ
の伝達関数Ｇｍは次式となる。 Ｇｍ＝Ｋｍ×ｅｘｐ（−Ｌｍ×ｓ）／（１＋Ｔｍ×ｓ） ・・・（１０）

【００２８】次に、第２の減算処理部８は、制御量入力
部７を介して入力された制御対象プロセス４０からの制
御量ｙから内部モデル出力演算部６ｂからの参照制御量
ｙｍを減算してフィードバック量ｅを出力する。そし
て、このフィードバック量ｅが上記のように第１の減算
処理部３に入力される。これが、このＩＭＣ構造のコン
トローラの基本構成であるフィードバック制御系として
の動作である。

【００２９】このような制御系において、外乱抑制開始
領域検出部９は目標値ｒが一定の状態で外乱抑制開始領
域を検出する。この外乱抑制開始領域は、図２に示す外
乱ｄ、操作量外乱ｄｕ、又は制御対象プロセス４０のゲ
インＫが急変したことによる外乱の発生に応じてフィー
ドバック量ｅが変化し、操作量演算部４からそれに応じ
た操作量ｕが出力されることにより、制御量ｙ、参照制
御量ｙｍに外乱抑制動作が現れ始める領域である。

【００３０】図３（ａ）は外乱抑制開始領域検出部９の
動作を説明するための制御量ｙの外乱抑制開始領域を示
す図、図３（ｂ）は同じく参照制御量ｙｍの外乱抑制開
始領域を示す図である。ｙ０、ｙｍ０はそれぞれ制御量
ｙ、参照制御量ｙｍの初期値、ｉ１、ｉ２はそれぞれ制
御量ｙの外乱抑制開始領域の開始時点、終了時点、ｉｍ
１、ｉｍ２は参照制御量ｙｍの外乱抑制開始領域の開始
時点、終了時点である。また、１、２・・・ｎ、ｎ＋１
の各数字はサンプリング時刻であり、外乱抑制開始領域
の開始時点を１としている。

【００３１】図３（ａ）では、整定状態において外乱が
発生した結果、制御量ｙが初期値ｙ０から図３の下方向
に急激に変化し、そしてこの変化に応じた操作量ｕが制
御対象プロセス４０に出力されることにより、制御量ｙ
を上方向に戻して外乱を抑制しようとする外乱抑制動作
が現れる様子が示されている。また、同様に操作量ｕが
内部モデル出力演算部６ｂに出力されることにより、参
照制御量ｙｍに外乱抑制動作が現れる様子が図３（ｂ）
に示されている。

【００３２】外乱抑制開始領域検出部９は、まず次式に
よって参照制御量ｙｍに外乱抑制動作が現れたかどうか
を判定し、外乱抑制開始領域の開始時点ｉｍ１を決定す
る。 ｜ｙｍ−ｙｍ０｜＞λ ・・・（１１） ここで、λはしきい値である開始領域検出基準値であ
り、想定される外乱に応じてその値が設定される。

【００３３】つまり、図３（ｂ）のように現在の参照制
御量ｙｍとその初期値ｙｍ０との差がしきい値λを超え
たときに参照制御量ｙｍに外乱抑制動作が現れたと判定
し、外乱抑制開始領域の開始時点ｉｍ１をしきい値λを
超えた最初のサンプリング時点とする。

【００３４】そして、制御量ｙの外乱抑制開始領域の開
始時点ｉ１は、内部モデル６のむだ時間Ｌｍの誤差が小
さいことを前提として参照制御量ｙｍの外乱抑制動作と
連動しているとし、参照制御量ｙｍの開始時点ｉｍ１が
検出された時点とする。次に、参照制御量ｙｍの外乱抑
制開始領域の終了時点ｉｍ２は、開始時点ｉｍ１からｎ
サンプリング後の時点とする（例えばｎ＝４）。これ
が、図３（ｂ）におけるｎ＋１時点である。

【００３５】そして、制御量ｙの外乱抑制開始領域の終
了時点ｉ２も同様に開始時点ｉ１からｎサンプリング後
の時点とする（図３（ａ）ではｎ＋１時点）。外乱抑制
開始領域検出部９は、このようにして検出した外乱抑制
開始領域の開始時点ｉ１、ｉｍ１、終了時点ｉ２、ｉｍ
２をモデルゲイン算出部１０に出力する。

【００３６】次に、モデルゲイン算出部１０は初期値ｙ
０以後の制御量ｙを記憶しており、外乱抑制開始領域の
開始時点ｉ１、終了時点ｉ２によって特定される制御量
ｙ、すなわち外乱抑制開始領域における制御量ｙ（ｉ
１）〜ｙ（ｉ２）を最小２乗法により分析し、制御量変
化率（傾き）Ａｙを算出する。また、同様に初期値ｙｍ
０以後の参照制御量ｙｍを記憶しており、外乱抑制開始
領域における参照制御量ｙｍ（ｉｍ１）〜ｙｍ（ｉｍ
２）を最小２乗法により分析し、参照制御量変化率Ａｙ
ｍを算出する。

【００３７】続いて、モデルゲイン算出部１０は、内部
モデル６の修正ゲインＫｍ１を次式のように算出する。 Ｋｍ１＝ρ×Ｋｍ０×Ａｙ／Ａｙｍ ・・・（１２） ここで、Ｋｍ０は現在内部モデル記憶部６ａに記憶され
ている内部モデル６のゲインの値、ρは安全係数であり
例えばρ＝２．０である。

【００３８】そして、この修正ゲインＫｍ１が内部モデ
ル記憶部６ａに出力されることにより、内部モデル記憶
部６ａに記憶されているゲイン現在値Ｋｍ０がこの修正
ゲインＫｍ１に更新されるが、このとき修正実行条件と
してＫｍ１＞Ｋｍ０の場合のみこのようなゲイン修正を
行う。このゲインＫｍの修正は、外乱抑制開始領域が終
了した時点で１回行われる。よって、外乱抑制開始領域
９、及びモデルゲイン算出部１０によるゲインＫｍの修
正は、外乱の発生に応じた外乱抑制応答の初めに行われ
ることになる。

【００３９】このように内部モデル６のゲインＫｍを修
正するのは、外乱抑制開始領域を含む最初の応答におい
て内部モデル６と制御対象プロセス４０の誤差が小さい
ことがその安定性にとって重要なことから、式（１２）
のように外乱抑制開始領域での制御対象プロセス４０の
制御量ｙの変化率と内部モデル６の参照制御量ｙｍの変
化率が近づくように内部モデル６のゲインＫｍを修正し
て制御の安定性を得るためである。また、修正ゲインＫ
ｍ１の算出に安全係数ρを用いてより安全な動作が得ら
れるようになっている。

【００４０】したがって、以上のように外乱抑制動作中
に内部モデル６のゲインＫｍを自動的に修正するので、
内部モデルの設定が不適当なコントローラにおいて外乱
ｄ、操作量外乱ｄｕ、又は制御対象プロセス４０のゲイ
ンＫが急変したことによる外乱が発生しても良好な制御
を行うことができる。

【００４１】図４は本実施例のコントローラをタンク内
の液面の高さの制御に使用したときの目標値追従性を示
す図、図５は同様に従来のＩＭＣコントローラの目標値
追従性を示す図である。図４、５は制御量ｙ（実線）が
０ｃｍという整定状態にあるときに例えばバルブが故障
した等の操作量外乱ｄｕが加わったときの制御量ｙを求
めたシミュレーション結果である。また、従来のＩＭＣ
コントローラは、本実施例のコントローラにおいて内部
モデル６のゲインＫｍの修正を行わないものを用いてい
る。

【００４２】ここで、タンク内の液体という制御対象プ
ロセスのゲインＫを１５、時定数Ｔを１４秒、むだ時間
Ｌを１２秒とし、本実施例のコントローラ及び従来のＩ
ＭＣコントローラの内部モデル６のゲインＫｍを１０、
時定数Ｔｍを２０秒、むだ時間Ｌｍを１２秒とする。よ
って、ゲインＫｍと時定数Ｔｍにモデル同定誤差が存在
することになる。また、これらのコントローラの目標値
フィルタ部２の時定数Ｔ１を１５．２６４秒、目標値・
外乱フィルタ部４ａの時定数Ｔ２を３．８１６秒とし、
制御周期Δｔを１秒とする。

【００４３】図５から明らかなように、従来のＩＭＣコ
ントローラでは内部モデルの設定が不適当なときに外乱
ｄｕが加わると制御量ｙに発生する振動を抑制すること
ができず、これは通常のＰＩＤコントローラでも同様で
ある。これに対して、本実施例のコントローラによれば
モデル同定に誤差が含まれる場合でも外乱を抑制するこ
とができ、安定な応答が得られることが分かる。

【００４４】図６は本実施例のコントローラを図４の例
と同様にタンク内の液面の高さの制御に使用したときの
目標値追従性を示す図、図７は同様に従来のＩＭＣコン
トローラの目標値追従性を示す図を示す図である。図
６、７は０秒にて液面の高さ４ｃｍという目標値ｒ（一
点鎖線）を入力し、その制御の途中で制御対象プロセス
４０のゲインＫが急変したときの制御量ｙを求めたシミ
ュレーション結果である。

【００４５】ここで、制御対象プロセス４０の時定数Ｔ
を１０秒、むだ時間Ｌを１０秒とし、ゲインＫは初め１
０で１５０秒にて３０に変化したものとする。また、本
実施例のコントローラ及び従来のＩＭＣコントローラの
内部モデル６のゲインＫｍを１０、時定数Ｔｍを１０
秒、むだ時間Ｌｍを１０秒とし、これらのコントローラ
の目標値フィルタ部２の時定数Ｔ１を１２．７２秒、目
標値・外乱フィルタ部４ａの時定数Ｔ２を３．１８秒と
する。

【００４６】図６、７から明かなように、本実施例のコ
ントローラによれば制御対象プロセス４０のゲインＫが
急変したことにより実質的にモデル同定が生じても外乱
を抑制することができ、安定な応答が得られることが分
かる。

【００４７】図１の例では外乱が発生したときに外乱抑
制開始領域を検出して内部モデル６のゲインＫｍを修正
したが、これは目標値ｒが一定のときに行うものであっ
て、制御の平衡点が移動する他の要因である目標値ｒの
変更に対しては対応することができず、外乱の発生と目
標値ｒの変更の両方に対応するには図１とは別の処理が
必要となる。

【００４８】図８は本発明の他の実施例を示すＩＭＣ構
造のコントローラのブロック図であり、図１と同一の部
分には同一の符号を付してある。９ａは目標値ｒが変更
された目標値追従動作のときは後述する応答開始領域の
開始時点と終了時点を検出し、目標値追従動作以外のと
きは外乱抑制開始領域の開始時点と終了時点を検出する
応答開始領域検出部、１０ａは検出された応答開始領域
又は外乱抑制開始領域の開始時点と終了時点に基づいて
図１の例のモデルゲイン算出部１０と同様に内部モデル
６のゲインＫｍを修正するモデルゲイン算出部である。

【００４９】本実施例においても、目標値入力部１、目
標値フィルタ部２、第１の減算処理部３、操作量演算部
４、信号出力部５、内部モデル記憶部６ａ、内部モデル
出力演算部６ｂ、制御量入力部７、及び第２の減算処理
部８からなるコントローラの基本構成の動作は図１の例
と全く同じである。

【００５０】次に、応答開始領域検出部９ａは、目標値
ｒが変更された目標値追従動作のときを除いて常に外乱
抑制動作に設定されている。この外乱抑制動作では外乱
が発生したときに外乱抑制開始領域を検出するためのし
きい値として開始領域検出基準値λ１を用いる。この開
始領域検出基準値λ１は図１の例と同様に想定される外
乱に応じて設定されている。

【００５１】そして、λ＝λ１とすることにより、図１
の例の外乱抑制開始領域検出部９と全く同様に制御量ｙ
及び参照制御量ｙｍの外乱抑制開始領域を検出し、外乱
抑制開始領域の開始時点ｉ１、ｉｍ１、終了時点ｉ２、
ｉｍ２をモデルゲイン算出部１０ａに出力する。また、
後述する修正実行条件のための比例定数としてλ３＝１
をモデルゲイン算出部１０ａに出力する。

【００５２】モデルゲイン算出部１０ａは、図１の例の
モデルゲイン算出部１０と同様に式（１２）によって内
部モデル６の修正ゲインＫｍ１を算出する。そして、こ
の修正ゲインＫｍ１を内部モデル記憶部６ａに出力する
ことにより、内部モデル６のゲインＫｍが修正される
が、この修正を実行するかどうかを決定する修正実行条
件は次式となる。 Ｋｍ１＞λ３×Ｋｍ０ ・・・（１３） ここではλ３＝１であり、したがって外乱抑制動作にお
けるモデルゲイン算出部１０ａはモデルゲイン算出部１
０と全く同じ動作となる。

【００５３】また、応答開始領域検出部９ａは、目標値
ｒが変更された時点から制御量ｙ、参照制御量ｙｍの応
答開始領域の検出が終了するまでは目標値追従動作とな
る。この応答開始領域は、目標値ｒの変更に対して操作
量演算部４からそれに応じた操作量ｕが出力されること
により、制御量ｙ、参照制御量ｙｍがそれぞれ初期値ｙ
０、ｙｍ０から変化を始める領域である。

【００５４】図９（ａ）はこの目標値追従動作における
応答開始領域検出部９ａの動作を説明するための制御量
ｙの目標値追従性を示す図、図９（ｂ）は同じく参照制
御量ｙｍの目標値追従性を示す図であり、ｙ１は制御量
ｙの整定値、ｙｍ１は参照制御量ｙｍの整定値、ＳＴｍ
は参照制御量ｙｍにおける整定値ｙｍ１と初期値ｙｍ０
との差であるステップ幅である。

【００５５】図９（ａ）では時間０において目標値ｒが
入力された結果、制御量ｙが初期値ｙ０から変化して整
定値ｙ１となり、整定状態に移行する目標値追従の様子
が示されている。また、同様に参照制御量ｙｍが整定値
ｙｍ１に整定する様子が図９（ｂ）に示されている。

【００５６】まず、応答開始領域検出部９ａは、応答開
始領域を検出するしきい値を求めるために参照制御量ｙ
ｍのステップ幅ＳＴｍを次式のように算出する。 ＳＴｍ＝｜ｙｍ１−ｙｍ０｜ ・・・（１４）

【００５７】ここで、制御対象プロセス４０の制御量
ｙ、内部モデル６から出力される参照制御量ｙｍは、目
標値ｒ、外乱ｄから次式にて求めることができる。 ｙ＝Ｆ１×Ｆ２×Ｇｐ×Ｇｃ×ｒ／｛１＋Ｆ２×Ｇｃ×（Ｇｐ−Ｇｍ）｝ ＋（１−Ｆ２×Ｇｍ×Ｇｃ）×ｄ／｛１＋Ｆ２×Ｇｃ×（Ｇｐ−Ｇｍ）｝ ・・・（１５） ｙｍ＝Ｆ１×Ｆ２×Ｇｍ×Ｇｃ×ｒ／｛１＋Ｆ２×Ｇｃ×（Ｇｍ−Ｇｐ）｝ ＋（−Ｆ２×Ｇｍ×Ｇｃ）×ｄ／｛１＋Ｆ２×Ｇｃ×（Ｇｍ−Ｇｐ）｝ ・・・（１６）

【００５８】式（１５）、（１６）より参照制御量ｙｍ
の初期値ｙｍ０は次式となる。 ｙｍ０＝（ｙ０−ｄ）×Ｋｍ０／Ｋ ・・・（１７） 式（１７）より外乱ｄ＝０であれば、制御量初期値ｙ０
と参照制御量初期値ｙｍ０との比は、次式のように制御
対象プロセス４０のゲインＫ（ここでは推定値）と内部
モデル６のゲイン現在値Ｋｍ０との比に一致する。 Ｋ／Ｋｍ０＝ｙ０／ｙｍ０ （ｙ０≠０、ｙｍ０≠０） ・・・（１８）

【００５９】また、同様にして制御量整定値ｙ１と参照
制御量整定値ｙｍ１との比は、ゲインＫとゲイン現在値
Ｋｍ０との比に一致する。 Ｋ／Ｋｍ０＝ｙ１／ｙｍ１ ・・・（１９） また、制御量整定値ｙ１は目標値ｒに一致する。 ｙ１＝ｒ ・・・（２０）

【００６０】したがって、式（１４）は式（１８）〜
（２０）より次式のように変形することができる。 ＳＴｍ＝｜ｙｍ１−ｙｍ０｜＝｜ｙ１×Ｋｍ０／Ｋ−ｙ０×Ｋｍ０／Ｋ｜ ＝｜ｙ１−ｙ０｜×Ｋｍ０／Ｋ ＝｜（ｒ×ｙｍ０／ｒ０）−ｙｍ０｜ ・・・（２１）

【００６１】そして、応答開始領域を検出するためのし
きい値として開始領域検出基準値λ２を次式のように決
定する。 λ２＝λ０×ＳＴｍ ＝λ０×｜（ｒ×ｙｍ０／ｒ０）−ｙｍ０｜ ・・・（２２） λ０は比例定数であり、例えばλ０＝０．０５である。
よって、ここでは開始領域検出基準値λ２を参照制御量
ｙｍのステップ幅ＳＴｍの５％に設定することになる。

【００６２】次に、応答開始領域検出部９ａは、λ＝λ
２とすることにより、図１の例の外乱抑制開始領域検出
部９とほぼ同様の手順で応答開始領域を検出する。すな
わち、まず式（１１）によって参照制御量ｙｍに目標値
追従動作が現れたかどうかを判定し、しきい値λを超え
た最初のサンプリング時点を参照制御量ｙｍの応答開始
領域の開始時点ｉｍ１とする。また、制御量ｙの応答開
始領域の開始時点ｉ１は参照制御量ｙｍの開始時点ｉｍ
１が検出された時点とする。

【００６３】そして、参照制御量ｙｍの応答開始領域の
終了時点ｉｍ２は、開始時点ｉｍ１からｎサンプリング
後の時点とし、制御量ｙの終了時点ｉ２も同様に開始時
点ｉ１からｎサンプリング後の時点とする。ただし、こ
の目標値追従動作ではｎ＝９とする。そして、このよう
にして検出した応答開始領域の開始時点ｉ１、ｉｍ１、
終了時点ｉ２、ｉｍ２と修正実行条件のための比例定数
λ３＝０．３をモデルゲイン算出部１０ａに出力する。

【００６４】目標値追従動作におけるモデルゲイン算出
部１０ａは、外乱抑制動作のときとほぼ同様の動作を
し、動作の違いは応答開始領域検出部９ａの出力により
修正実行条件の比例定数λ３がλ３＝０．３となってい
るだけである。こうして、内部モデル６のゲインＫｍの
修正が行われる。また、応答開始領域検出部９ａは、応
答開始領域の開始時点ｉ１、ｉｍ１、終了時点ｉ２、ｉ
ｍ２、比例定数λ３のモデルゲイン算出部１０ａへの出
力が終了した時点で、目標値追従動作から外乱抑制動作
に復帰し、外乱の発生又は次の目標値変更に備える。

【００６５】このように目標値追従動作のときも、応答
開始領域を含む制御応答の前半において、内部モデル６
と制御対象プロセス４０の誤差が小さいことがその安定
性にとって重要なことから、応答開始領域での制御量ｙ
の変化率と参照制御量ｙｍの変化率が近づくように内部
モデル６のゲインＫｍを修正して制御の安定性を得てい
る。

【００６６】したがって、以上のように目標値追従動作
中又は外乱抑制動作中に内部モデル６のゲインＫｍを自
動的に修正するので、内部モデルの設定が不適当なコン
トローラにおいて制御の平衡点が移動する要因である目
標値ｒの変更と外乱の発生の両方に対応することができ
る。

【００６７】

【発明の効果】本発明によれば、外乱の発生に応じた外
乱抑制動作中に内部モデルのゲインを自動的に修正して
制御量の振動現象を抑えるので、内部モデルの設定が不
適当な場合に外乱が発生しても精度と信頼性の高い制御
を行うことができ、制御対象プロセスの特性変化にも対
応することができる。また、制御対象プロセスの同定誤
差によるトラブルの発生を防ぐことができるので、制御
の専門的知識のないオペレータの作業負担を軽減するこ
とができる。

【００６８】また、外乱抑制開始領域検出部の代わりに
応答開始領域検出部を設けることにより、目標値の変更
による目標値追従動作中又は外乱抑制動作中に内部モデ
ルのゲインを自動的に修正して制御量の振動現象を抑え
るので、内部モデルの設定が不適当な場合に目標値の変
更や外乱が発生しても精度と信頼性の高い制御を行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例を示すＩＭＣ構造のコントロ
ーラのブロック図である。

【図２】図１のＩＭＣ構造のコントローラを用いた制御
系のブロック線図である。

【図３】制御量及び参照制御量の外乱抑制開始領域を示
す図である。

【図４】図１のコントローラの目標値追従性を示す図で
ある。

【図５】従来のＩＭＣコントローラの目標値追従性を示
す図である。

【図６】図１のコントローラの目標値追従性を示す図で
ある。

【図７】従来のＩＭＣコントローラの目標値追従性を示
す図である。

【図８】本発明の他の実施例を示すＩＭＣ構造のコント
ローラのブロック図である。

【図９】制御量及び参照制御量の目標値追従性を示す図
である。

【図１０】従来のＩＭＣコントローラを用いた制御系の
ブロック線図である。

【符号の説明】

２ 目標値フィルタ部 ３ 第１の減算処理部 ４ 操作量演算部 ４ａ 目標値・外乱フィルタ部 ４ｂ 操作部 ６ａ 内部モデル記憶部 ６ｂ 内部モデル出力演算部 ８ 第２の減算処理部 ９ 外乱抑制開始領域検出部 ９ａ 応答開始領域検出部 １０、１０ａ モデルゲイン算出部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御の目標値から制御対象プロセスに出
   力する操作量を演算し、制御対象プロセスを数式表現し
   た内部モデルにて制御結果である制御対象プロセスの制
   御量に相当する参照制御量を演算し、制御量と参照制御
   量との差をフィードバックすることにより制御を行うＩ
   ＭＣ構造のコントローラにおいて、 入力された制御の目標値を伝達関数が時間遅れの特性で
   出力する目標値フィルタ部と、 この目標値フィルタ部の出力からフィードバック量を減
   算する第１の減算処理部と、 この第１の減算処理部の出力を伝達関数が時間遅れの特
   性で出力する目標値・外乱フィルタ部と、内部モデルの
   パラメータに基づいて前記目標値・外乱フィルタ部の出
   力から操作量を演算して出力する操作部とからなる操作
   量演算部と、 前記内部モデルのパラメータを記憶する内部モデル記憶
   部と、 前記内部モデルのパラメータに基づいて前記操作量から
   参照制御量を演算する内部モデル出力演算部と、 制御対象プロセスの制御量から前記内部モデル出力演算
   部から出力された参照制御量を減算して前記フィードバ
   ック量を出力する第２の減算処理部と、 外乱の発生に応じて前記制御量及び参照制御量に外乱抑
   制動作が現れ始める外乱抑制開始領域の開始時点と終了
   時点を検出する外乱抑制開始領域検出部と、 前記開始時点と終了時点により特定される制御量及び参
   照制御量の変化率から前記内部モデルの修正ゲインを算
   出し前記内部モデル記憶部に記憶されたパラメータ中の
   ゲインをこの修正ゲインに変更させるモデルゲイン算出
   部とを有することを特徴とするコントローラ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のコントローラにおいて、 外乱抑制開始領域検出部の代わりに、目標値が変更され
   た目標値追従動作のときは前記目標値の変更に応じて制
   御量及び参照制御量に変化が現れ始める応答開始領域の
   開始時点と終了時点を検出し、前記目標値追従動作以外
   のときは外乱の発生に応じて前記制御量及び参照制御量
   に外乱抑制動作が現れ始める外乱抑制開始領域の開始時
   点と終了時点を検出する応答開始領域検出部を有するこ
   とを特徴とするコントローラ。