JPH07210203A - むだ時間補償制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 制御の安定化を図るとともにむだ時間の補償
を可能にしたものである。 【構成】 減算器１１から出力される動作信号は目標応
答要素２３に入力される。この目標応答要素２３はむだ
時間補償部２３Ａ、応答部２３Ｂおよびむだ時間補償部
２３Ａと応答部２３Ｂの出力を加算する加算部２３Ｃか
らなる。目標応答要素２３の出力は加算部１３の一端に
供給される。加算部１３の他端には外乱オブザーバから
の推定外乱が供給される。むだ時間補償要素２４は制御
対象の時定数Ｔ_pとオブザーバの時定数Ｔ_fとの積をオブ
ザーバのノミナル値Ｔ_mで除算した補償機能部２４Ａ
と、オブザーバの一次遅れ要素と微分要素とからなるフ
ィルタ部２４Ｂと、応答部２４Ｃおよび応答部２４Ｃの
出力とフィルタ部２４Ｂの出力を加算する加算部２４Ｄ
から構成される。むだ時間補償要素２４の出力は制御対
象部１５に供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はプラントの適応制御等
に使用されるむだ時間を補償した制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】制御対象としては、機械、プロセス、シ
ステム等が考えられるが、ここでは特に、制御対象がプ
ラントである場合について説明する。但し、制御対象を
プラントに限定する必要はなく、外乱の抑制を主目的と
するプロセス制御を行う必要のあるシステムに適用可能
である。

【０００３】周知のように、このようなプラントの制御
は制御器（調節計とも呼ばれる）を用いて行われる。こ
のような場合において、最良の制御性能を期待できるよ
うに、制御器の制御パラメータを調整することが必要と
なる。

【０００４】当該技術分野で周知のように、このような
制御器には種々の形式のものがあるが、比例動作（Ｐ動
作）、積分動作（Ｉ動作）、積分動作（Ｄ動作）の３つ
が基本であり、これらが単独あるいは組み合わせて用い
られる。すなわち、 ａ）Ｐ動作のみを行うもので、制御パラメータとして比
例ゲインＫ_Pのみをもつ。このような制御器をＰ制御器
と呼ぶ。

【０００５】ｂ）Ｉ動作のみを行うもので、制御パラメ
ータとして積分項ゲインＫ_Iのみをもつ。このような制
御器をＩ制御器と呼ぶ。

【０００６】ｃ）Ｐ動作とＩ動作とを組み合わせたもの
で、制御パラメータとして比例ゲインＫ_Pと積分項ゲイ
ンＫ_Iとをもつ。このような制御器をＰＩ制御器と呼
ぶ。

【０００７】ｄ）Ｐ動作とＤ動作とを組み合わせたもの
で、制御パラメータとして比例ゲインＫ_Pと微分項ゲイ
ンＫ_Dとをもつ。このような制御器をＰＤ制御器と呼
ぶ。

【０００８】ｅ）Ｐ，Ｉ，Ｄの各動作を組み合わせたも
ので、制御パラメータとして比例ゲインＫ_P、積分項ゲ
インＫ_I、および微分項ゲインＫ_Dをもつ。このような制
御器をＰＩＤ制御器と呼ぶ。

【０００９】どの制御器を採用するかは、プラントに対
してどのような応答性を持たせるかによる。一般には、
Ｐ制御器、ＰＩ制御器、およびＰＩＤ制御器のうちのい
ずれかが用いられ、そのうちでもＰＩＤ制御器が多用さ
れる。何故なら、ＰＩＤ制御器は定常特性と速応性とを
同時に改善できるからである。

【００１０】図２はＰ制御器（コントローラ）を持った
２自由度制御（外乱オブザーバ付加）装置で、図２にお
いて、１１は入力指令ｘから制御対象（例えばプラン
ト）出力ｙを減算して、偏差を表す動作信号として出力
する減算器で、この減算器１１の出力はＰ制御器１２に
供給される。Ｐ制御器１２は制御パラメータとしてコン
トローラ比例ゲインＫｐを持っている。また、Ｐ制御器
１２は入力された動作信号に比例ゲインＫｐを掛けて、
出力に制御信号を送出する。この制御信号は第１の加算
器１３に供給される。第１の加算器１３には後述する外
乱オブザーバ１４から推定外乱∧Ｔ_L（以下推定外乱に
は記号∧を付す）が供給され、第１の加算器１３は制御
信号と推定外乱∧Ｔ_Lとを加算して、第１の加算結果信
号を出力する。この加算結果信号は制御対象部１５へ制
御対象入力として供給される。この制御対象入力は実際
の場合、これに減算器１６で外乱Ｔ_Lが除去された状態
で制御対象１７（Ｔ_pＳ）に供給される。Ｔ_pは制御対象
の時定数である。制御対象入力と制御対象出力は外乱オ
ブザーバ１４に供給される。この外乱オブザーバ１４は
制御対象入力と制御対象出力とに基づいて、制御対象１
７に作用する外乱Ｔ_Lを推定し、推定外乱∧Ｔ_Lを出力す
る。すなわち、外乱オブザーバ１４は外乱推定ユニット
として動作する。

【００１１】外乱オブザーバ１４は第１及び第２のフィ
ルタ１８及び１９と、減算器２０とから構成される。第
１のフィルタ１８はオブザーバの時定数Ｔ_fを持つ一次
遅れ要素として表される。換言すれば、第１のフィルタ
１８の伝達関数Ｇｆ１（Ｓ）は下記の数式１で表され
る。

【００１２】

【数１】

【００１３】第１のフィルタ１８には制御対象入力が供
給され、この制御対象入力に応答して、第１のフィルタ
１８は第１のフィルタ出力を送出する。また、第２のフ
ィルタ１９はオブザーバの時定数Ｔ_fを持つ一次遅れ要
素とオブザーバのノミナル値Ｔ_mを持つ微分要素とが直
列接続された要素で表される。すなわち、第２のフィル
タ１９の伝達関数Ｇｆ（Ｓ）は下記の数式２で表され
る。

【００１４】

【数２】

【００１５】第２のフィルタ１９には制御対象出力が供
給され、この制御対象出力に応答して第２のフィルタ１
９は第２のフィルタ出力を送出する。第１のフィルタ出
力と第２のフィルタ出力とは減算器２０に供給される。
減算器２０は、第１のフィルタ出力から第２のフィルタ
出力を減算し、推定外乱∧Ｔ_Lを出力する。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】図２における制御対象
は１／Ｔ_pＳの形であるが、実際のプラント等の制御対
象は殆どむだ時間を含んだ構成になっている。図３は制
御対象１７にむだ時間要素２１が設けられた２自由度制
御装置の構成図である。この図３のように制御対象にむ
だ時間要素が入った時、外乱オブザーバを付加すると、
図示符号２２で囲んだ部分の伝達関数は次の数式３のよ
うになる。

【００１７】

【数３】

【００１８】また、入力ｘから出力ｙまでの伝達関数は
次式の数式４のようになる。

【００１９】

【数４】

【００２０】数式４の分母の特性方程式にむだ時間が入
った形となるため、制御が不安定になるとともに、外乱
オブザーバを用いた場合むだ時間を補償することができ
なかった。なお、図３において、図２と同一部分は同一
符号を付して示した。

【００２１】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、制御の安定化を図るとともにむだ時間の補償を可
能にしたむだ時間補償制御装置を提供することを目的と
する。

【００２２】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、入力指令に基づいて制御対象を制御
するものにおいて、前記入力指令から制御対象出力を減
算して偏差を表す動作信号を送出する減算器と、この減
算器から出力される動作信号が供給され、この動作信号
が目標とする応答の一定値に達するようにする目標応答
要素と、前記制御対象への入力と制御対象からの出力と
の基づいて前記制御対象に作用する外乱を推定し、推定
外乱を出力する外乱推定手段と、この外乱推定手段から
の推定外乱と前記目標応答要素からの出力とを加算し
て、その加算結果信号を前記制御対象の入力とする加算
器と、この加算器から出力される加算結果信号が入力さ
れて演算され、出力にむだ時間を補償した信号を得て前
記制御対象へ供給するむだ時間補償要素とを備えたこと
を特徴とするものである。

【００２３】

【作用】減算器から出力される動作信号が目標応答要素
に入力されると、ここで、目標の例えば６３％応答にな
るようにする。この応答出力を推定外乱と加算し、この
加算結果信号をむだ時間補償して制御対象に入力する
と、外乱推定手段を用いた場合でもむだ時間を補償する
ことができる。

【００２４】

【実施例】以下この発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１はこの発明の一実施例を示すブロック図
で、図２および図３と同一部分は同一符号を付して示
す。減算器１１から出力される動作信号は目標応答要素
２３に入力される。この目標応答要素２３はオブザーバ
のノミナル値Ｔ_mと微分要素の積を一次遅れ要素で割っ
た応答部２３Ａ、むだ時間を一次遅れ要素で割ったむだ
時間補償部２３Ｂおよび応答部２３Ａとむだ時間補償部
２３Ｂの出力を加算する加算部２３Ｃからなる。目標応
答要素２３の出力は加算部１３の一端に供給される。加
算部１３の他端には外乱オブザーバからの推定外乱が供
給される。２４はむだ時間補償要素で、このむだ時間補
償要素２４は制御対象の時定数Ｔ_pとオブザーバの時定
数Ｔ_fとの積をオブザーバのノミナル値Ｔ_mで割った機能
部２４Ａと、微分要素をオブザーバの一次遅れ要素で割
った機能部２４Ｂと、むだ時間を一次遅れ要素で割った
むだ時間補償部２４Ｃおよびこのむだ時間補償部２４Ｃ
の出力と機能部２４Ｂの出力を加算する加算部２４Ｄか
ら構成される。むだ時間補償要素２４の出力は制御対象
部１５に供給される。制御対象部１５は減算器１６とむ
だ時間を制御対象の時定数Ｔ_pと積分要素の積で割った
むだ時間部１５Ａから構成される。

【００２５】上記のように構成すると、２自由度制御に
おいて、外乱オブザーバを用いた場合、むだ時間を補償
することができないとされていたことが可能となる。す
なわち、むだ時間補償要素２４を制御対象部１５の入力
側に設けたときの伝達関数Ｇ１（Ｓ）は次式で表され
る。

【００２６】

【数５】

【００２７】また、目標の６３％応答がＴ（Ｓ）になる
ような目標応答要素２３を全体の閉ループに設けたの
で、目標の応答Ｔで設計できるようになった。ここで、
全体の閉ループ伝達関数Ｇ２（Ｓ）を次式に示す。

【００２８】

【数６】

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
むだ時間が入った場合でも、制御が不安定になることな
く、２自由度制御において、外乱オブザーバも用いても
むだ時間を補償することができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すブロック構成図。

【図２】従来の２自由度制御を示すブロック構成図。

【図３】むだ時間入りの制御対象での２自由度制御を示
すブロック構成図。

【符号の説明】

１１…減算器 １３…加算器 １５…制御対象部 １８…第１フィルタ １９…第２フィルタ ２０…減算器 ２３…目標応答要素 ２４…むだ時間補償要素

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力指令に基づいて制御対象を制御する
   ものにおいて、前記入力指令から制御対象出力を減算し
   て偏差を表す動作信号を送出する減算器と、この減算器
   から出力される動作信号が供給され、この動作信号が目
   標とする応答の一定値に達するようにする目標応答要素
   と、前記制御対象への入力と制御対象からの出力との基
   づいて前記制御対象に作用する外乱を推定し、推定外乱
   を出力する外乱推定手段と、この外乱推定手段からの推
   定外乱と前記目標応答要素からの出力とを加算して、そ
   の加算結果信号を前記制御対象の入力とする加算器と、
   この加算器から出力される加算結果信号が入力されて演
   算され、出力にむだ時間を補償した信号を得て前記制御
   対象へ供給するむだ時間補償要素とを備えたことを特徴
   とするむだ時間補償制御装置。
2. 【請求項２】 目標応答要素はオブザーバのノミナル値
   Ｔ_mと微分要素の積を一次遅れ要素で割った応答部と、
   むだ時間を一次遅れ要素で割ったむだ時間補償部および
   応答部とむだ時間補償部の出力を加算する加算部とから
   構成されていることを特徴とする請求項１記載のむだ時
   間補償制御装置。
3. 【請求項３】 むだ時間補償要素は制御対象の時定数Ｔ
   _pとオブザーバの時定数Ｔ_fとの積をオブザーバのノミナ
   ル値Ｔ_mで割った第１機能部と、微分要素をオブザーバ
   の一次遅れ要素で割った第２機能部と、むだ時間を一次
   遅れ要素で割ったむだ時間補償部およびこのむだ時間補
   償部の出力と第２機能部の出力を加算する加算部から構
   成されていることを特徴とする請求項１記載のむだ時間
   補償制御装置。