JPH0774961B2 - オートチユーニングｐｉｄ調節計 - Google Patents

オートチユーニングｐｉｄ調節計

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JPH0774961B2
JPH0774961B2 JP63084037A JP8403788A JPH0774961B2 JP H0774961 B2 JPH0774961 B2 JP H0774961B2 JP 63084037 A JP63084037 A JP 63084037A JP 8403788 A JP8403788 A JP 8403788A JP H0774961 B2 JPH0774961 B2 JP H0774961B2
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はオートチューニングPID調節計に係り、特にプ
ロセスのフィードバック制御において、目標値変更と外
乱に対し制御応答を速やかに整定させるためのPID定数
（比例・積分・微分定数）を自動設定するのに好適なオ
ートチューニング（常数の自動調整）PID調節計に関す
る。
〔従来の技術〕
PID制御系において、PID定数の設定は、熟練調整者の経
験や勘に基づいて設定していた。しかし、手動設定で
は、プロセス立ち上げ時やプロセス特性変化時にその都
度調整者がPID定数のチューニング作業を行っていた。
このような手間を省くため、調節計自身にPID定数のオ
ートチューニング機能を設けた製品が「計装」（1987,V
ol.30No.12,第58頁〜第65頁）に記載されている。
従来、目標値変更によるものと外乱印加による制御応答
特性は異なり、それに対するPID定数のチューニング法
は、「デイジタル計装制御システム」（計装自動制御学
会偏）の第103頁〜第118頁に記載のように、例えば、チ
エン−ホロネス−レスウイック（Chien−Horones−Resw
ick）法では、設定値（目標値）変更とステップ状外乱
とではチューニング法が異なる。ジイグラー・ニコレス
（Ziegler−Nichols）法ではそれが同一であるが、減衰
比25％と規定値であり、所望の減衰比、例えば、10％，
オーバシュート量５％という調整法が得られない。
特開昭59−223803号公報に記載の制御装置では、通常は
外乱印加に対する最適制御定数（例えばPID定数）を設
定しておき、目標値変更時のみ目標値変更に対する最適
な制御定数に切り替える配慮がなされているが、この従
来方式は、該公報の（２）式にあるように、プロセスを
２次遅れプラント特性またはそれに近い特性をもつこと
が示されているが、実プラントでは高次遅れやむだ時間
を含んだプラントも存在するので、この従来技術に示す
プロセスの伝達関数に応じた最適な制御定数を求めるモ
デル式では、対応しきれないプラントも存在する。
また、最近では、PID定数の決定にファジィ推論を用い
る従来例も提案されているが（例えば特開昭62−135902
号公報）、目標値変更と外乱のいずれの場合のPID定数
決定においても、共通の知識ベースと特徴量（目標値と
制御量の偏差波形の特徴量）を用いてチューニングを行
うと、目標値変更または外乱どちらか一方のみに適した
PID定数となり、目標値変更，外乱の双方に好適なPID定
数を得らず、この点の配慮がなされていなかった。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記したように、プロセス制御系において、目標値変更
に対しても外乱印加に対しても区別なくPID定数のチュ
ーニングをはかっている方式では、目標値変更により制
御性を最適にすれば、外乱の制御性が悪くなったり、外
乱により制御性を最適にすれば、目標値変更による過渡
応答が悪くなったりすることがある。このため、設定値
変更か外乱応答かどちらか一方に対してしか最適なPID
定数が設定されないという課題が残されていた。また、
PID定数を目標値変更の場合と外乱印加の場合とで切り
替える方式であっても、従来は理論的にPID調整則が求
まらないプロセスに対して対応困難となる問題があっ
た。
本発明の目的は、プロセス制御のPID調整を行う場合に
目標値変更による偏差の発生，外乱印加（プロセスの特
性変化を含む）による偏差発生のいずれにも良好に対応
できるようにPID調整に選択性をもたせ、しかも、理論
的にPID調整則が求まらないプロセスにも目標値変更，
外乱印加の両方の制御応答に対して良好なPID定数を設
定することができるオートチューニングPID調節計を提
供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、上記目的を達成するために、基本的には次の
ように構成する。
すなわち、プロセスのフィードバック制御に用いるPID
定数をファジィ推論により自動調節するオートチューニ
ングPID調節計において、 目標値と制御量との偏差が所定のしきい値以上になる
と、その偏差が目標値変更によるものか外乱によるもの
か判断する偏差要因判断部と、 目標値と制御量との偏差の波形からオーバシュート量，
振幅減衰比，前回の偏差波形に対する今回の偏差波形の
振動周期比，前回の偏差波形に対する今回の偏差波形の
整定時間比等の特徴量を求める特徴量導出部と、 前記偏差が目標値変更によるものと判断されると、前記
特徴量導出部で求めた特徴量の中から少なくともオーバ
シュート量，振幅減衰比，整定時間比を選択してPID定
数決定用のファジィ推論部に出力し、前記偏差が外乱に
よるものと判断されると、前記特徴量導出部で求めた特
徴量の中から少なくともオーバシュート量，振幅減衰
比，振動周期比を選択してPID定数決定用のファジィ推
論部に出力する特徴量選択部とを備え、 且つ前記ファジィ推論部は、前記目標値変更の判断によ
り選択される特徴量に対応したPID調整規則及びメンバ
ーシップ関数を用意した目標値変更用の知識ベースと、
前記外乱の判断により選択される特徴量に対応したPID
調整規則及びメンバーシップ関数を用意した外乱用の知
識ベースとを備えて，前記偏差が目標値変更によるもの
と判断されると、前記目標値変更用の知識ベースを選択
し、前記偏差が外乱によるものと判断されると、前記外
乱用の知識ベースを選択して、この選択された知識ベー
ス及び前記特徴量選択部で選択された特徴量を用いてPI
D定数をファジィ推論により調節する構成として成るこ
とを特徴とする。
〔作用〕 上記構成によれば、プロセス制御において、目標値と制
御量との偏差が所定のしきい値を超えると、偏差要因判
断部がそれが目標値変更によるものか外乱によるものか
判断し、判断した結果に基づき、次のようにしてPID定
数の自動調節がなされる。
すなわち、プロセス制御の過程において、特徴量導出部
によって目標値と制御量との偏差の波形からオーバシュ
ート量，振幅減衰比，前回の偏差波形に対する今回の偏
差波形の振動周期比，前回の偏差波形に対する今回の偏
差波形の整定時間比等の特徴量が求められるが、 偏差が目標値変更によるものと判断されると、前記特徴
量導出部で求めた特徴量の中から、目標値変更に適した
データ（特徴量）として、少なくともオーバシュート
量，振幅減衰比，整定時間比を選択してPID定数決定用
のファジィ推論部に出力する。また、ファジィ推論部
は、目標値変更用の知識ベースを選択し、換言すれば、
上記目標値変更の判断により選択される特徴量（オーバ
シュート量，振幅減衰比，整定時間比）に対応したPID
調整規則及びメンバーシップ関数を選択し、このPID調
整規則，メンバーシップ関数及び上記選択した特徴量
（オーバシュート量，振幅減衰比，整定時間比）を用い
てファジィ推論することで、目標値変更に応じたPID定
数の修正（自動調節）を行う。これにより、プロセス制
御の過渡応答波形がよくなるように速やかに整定させ
る。
一方、偏差が外乱によるものと判断されると、前記特徴
量導出部で求めた特徴量の中から、外乱印加に適したデ
ータとして、少なくともオーバシュート量，振幅減衰
比，振動周期比を選択してPID定数決定用のファジィ推
論部に出力する。また、ファジィ推論部は、外乱用の知
識ベースを選択し、換言すれば上記外乱の判断により選
択される特徴量（オーバシュート量，振幅減衰比，振動
周期比）に対応したPID調整規則及びメンバーシップ関
数を選択し、このPID調整規則，メンバーシップ関数及
び上記選択した特徴量（オーバシュート量，振幅減衰
比，振動周期比）を用いてファジィ推論することで、外
乱に応じたPID定数の修正（自動調節）を行う。これに
より、プロセス制御の減衰特性がよくなるように速やか
に整定される。
〔実施例〕
本発明の一実施例を第１図〜第５図を用いて説明する。
第１図は本発明のオートチューニングPID調節計の一実
施例を示す構成図であり、マイクロプロセツサを搭載し
たPID調節計11は、プロセス10に対し目標値と制御量が
一致するようにPID制御のための演算を行うPID演算部１
と、目標値と制御量との偏差の波形からオーバシュート
量，振幅減衰比，前回の偏差波形に対する今回の偏差波
形の振動周期比，前回の偏差波形に対する今回の偏差波
形の整定時間比等の特徴量を求める特徴量導出部（偏差
特徴量導出部）２と、目標値変更を検出する目標値変更
演出部３と、偏差が目標値変更か外乱かによるものかを
判断する偏差要因判断部４と、判断部４の結果に基づき
特徴量を選択する特徴量選択部５と、ファジイ推論に用
いる知識ベースを選択する知識処理選択部６と、ファジ
ィ推論に用いる目標値変更用のPID調節規則及びメンバ
ーシツプ関数を含む目標値変更用知識ベース７と、ファ
ジィ推論に用いる外乱用のPID調節規則及びメンバーシ
ップ関数を含む外乱用知識ベース８と、選択された知識
ベース及び特徴量よりPID定数を設定するフアジー推論
部９より構成されている。
PID演算部１は、目標値ｒ（ｔ）とプロセス10からの制
御量ｙ（ｔ）との偏差ｅ（ｔ）に対し、比例帯PR,積分
時間TI,微分時間TDを変数とする次式の演算を行い、操
作量MVを出力する。
ここに、S;ラプラス演算子 特徴量導出部２は、偏差ｅ（ｔ）の信号波形から特徴量
を求める。
第２図に偏差波形信号と特徴量を示す。特徴量導出部２
は、測定したピーク値，ピーク発生時間などからオーバ
シュート量OV,振幅減衰比DP,振動周期Dt,整定時間Stを
算出する。次に、振動周期Dt及び整定時間Stについて
は、前回の偏差発生時の値を今回求まった値で割算した
振動周期比DR,整定時間比SRを求めて特徴量とする。特
徴量の計算式として、下記の（２）式にオーバシュート
量OV,（３）式に振幅減衰比DP,（４）式に振動周期比D
R,（５）式に整定時間比SRを求める式を示す。
OV＝PEAK2/PEAK1 ……（２） DP＝PEAK3/PEAK2 ……（３） SR＝St（Ｎ）/St（Ｎ−１） ……（４） DR＝Dt（Ｎ）/Dt（Ｎ−１） ……（５） ここに、St（Ｎ）；今回求まった整定時間 Dt（Ｎ）；今回求まった振動時間 St（Ｎ−１）；前回求まった整定時間 Dt（Ｎ−１）；前回求まった振動時間 PEAK1/PEAK3;第２図参照 これらの諸量は、制御応答のよしあしを決定するものな
らよく、他に立ち上がり時間，ピーク検出数などがあ
る。偏差波形信号よりピークの検出を開始するのは、人
が設定した所定値が偏差の絶対値を越えたときより行
う。越えない場合は、ピーク検出を行わず、特徴量を算
出せず、PID定数の変更はしない。
目標値変更検出部３は、目標値ｒ（ｔ）に対し、次式に
より目標値変化幅ΔSVを計算する。
ΔSV＝ｒ（ｔ）−ｒ（ｔ−Δｔ） ……（６） ここに、ｒ（ｔ）；今回の目標値 ｒ（ｔ−Δｔ）；サンプリング周期Δｔ秒前の目標値 判断部４は、偏差信号ｅ（ｔ）の変化を検出し、変化が
所定値（しきい値）を越えた場合、目標値変化幅ΔSVに
変化があったかどうかを判定し、変化有りの場合は目標
値変化モードの、変化なしの場合は外乱印加モードの切
替信号を出力する。
特徴量選択部５は、モード切替信号を受け、目標値変更
モードのときは、オーバシュート量，振幅減衰比，整定
時間比を特徴量導出部２より選択して出力する。外乱印
加モードのときは、オーバシュート量，振幅減衰比，振
動周期比を選択し、特徴量として出力する。なお、特徴
量選択部５と特徴量導出部２とを一体とし、あらかじめ
特徴量導出部２において求める特徴量を選択することも
実現できる。
知識処理選択部６は、モード切替信号を受け、目標値変
更用か外乱印加時の知識ベースを選択する。第３図に目
標値変更用及び外乱印加用のPID調整規則を示し、第４
図に目標値変更用及び外乱印加用のファジィ推論用のメ
ンバーシップ関数の一例を示す。第３図のPID調整規則
は、例えば 「IF OV＝PB,DP＝PB,SR＝PB THEN CPR＝UP,CTI＝UP,
CTD＝DW」 という条件文で記録しており、これは、「もし、オーバ
シュート量が大きく、振幅減衰比も大きく、整定時間比
も大きいとき、比例帯PRを大きくし、積分時間TIを大き
くし、微分時間TDを小さくしなさい。」という意味であ
る。
ここで、PB（ポジティブビツク）は「大きい」,PMは
「中ぐらい」,NB（ネガティブビック）は「小さい」,ZO
は「適度」,UPは「大きくする」,DWは「小さくする」,N
Cは「変えない」という言語変数を表わす。
CPR,CTI,CTDはそれぞれ比例帯，積分時間，微分時間に
対する修正係数を示す。UP,DW,NCの命令は、熟練調整者
またはシミュレーションなどにより決定する。PID調整
規則及びメンバーシップ関数は、熟練調整者が異なると
相違することもある。
ファジィ推論部９は、求まった特徴量と知識ベースを基
にPID定数を決定する。ファジィ推論には、イ．エツ
チ．マンダニィ（E.H.Mandani）の方法によるアルゴリ
ズムを使用する。ファジィ推論過程をを第５図に示す。
求めた特徴量からファジィ集合OV,DP,SRまたはDRの所属
度GRADEを求め、それぞれの所属度で最も小さいものを
求めｇ＊とする。ｇ＊とファジィ集合CPR,CTI,CTDのそ
れぞれのメンバーシツプ関数とを比較し、所属度の小さ
な方を選択すれば、図示斜線のファジィ集CPR＊,CTI＊,
CTD＊となる。ファジィ集合は、各PID調整規則によって
選択される。各PID調整規則毎に求まったCPR＊,CTI＊,C
TD＊を個々に集合和を取り、 ▲▼，▲▼，▲▼とする。▲
▼，▲▼及び▲▼のそれぞれの重心を求
め、それをPID定数の修正係数KPR,KTI,KTDとする。求ま
った修正係数より次の（７），（８），（９）式に従が
い、現在のPID定数に修正係数を乗算し、新しいPID定数
が求まる。
PR（Ｎ）＝KPR×PR（Ｎ−１） ……（７） TI（Ｎ）＝KTI×TI（Ｎ−１） ……（８） TD（Ｎ）＝KTD×TD（Ｎ−１） ……（９） ただし、PR（Ｎ）,TI（Ｎ）,TD（Ｎ）は新しく設定する
PID定数を、PR（Ｎ−１）,TI（Ｎ−１）,TD（Ｎ−１）
は現在のPID定数とする。これらの推論はハイブリツドI
Cを用いても実現可能である。さらに、モード切替信号
の種別を増やし、それに対応して知識ベースを増やせ
ば、例えば、ステップ状，ランプ状の目標値変更と種別
を増やせばさらに詳細なPID定数の設定が可能となる。
本実施例によれば、プロセス制御に所定以上の偏差が生
じると、その偏差要因が目標値変更か外乱印加か判断
し、その判断結果により、PIDを決定（調整）するため
に用いるファジィ推論の知識ベースと特徴量として、目
標値変更用，外乱印加用のそれぞれに適したものを選択
するので、目標値変更に対しても外乱抑制に対してもPI
D定数を適切な値にして、プロセス制御応答性を高める
ことができる。すなわち、目標値変更による偏差の発生
には過渡応答波形がよくなるようにPID定数を調節し、
目標値変更によらない外乱印加による偏差の発生には、
減衰特性がよくなるようにPID定数を設定する。
〔発明の効果〕
本発明によれば、プロセス制御のオートチューニングPI
D調節を行う場合に、目標値変更による偏差の発生，外
乱引火による偏差発生のいずれにの場合にも、ファジィ
推論によりPID定数を決定するが、この調節を行うのに
必要な知識ベース及び特徴量として、目法値変更の制御
応答に適したものと外乱印加の制御応答に適したものと
を、適切な判断結果に基づき選択できるようにしたの
で、PID調節に選択をもたせ、しかも理論的にPID調整則
が求まらないプロセスにも目標値変更，外乱印加の両方
の制御応答に対して良好なPID定数を設定することがで
き、目標値変更，外乱のいずれに対してもプロセス制御
応答性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明のオートチューニングPID調節計の一実
施例を示す構成図、第２図は偏差波形信号と特徴量を算
出する手段の説明図、第３図は目標値変更用及び外乱印
加用のPID調整規則を示す図、第４図は目標値変更用及
び外乱印加用のファジィ推論用のメンバーシツプ関数の
一例を示す図、第５図はファジィ推論によってPIDパラ
メータの修正係数が求まる過程を示す図である。 １……PID演算部、２……特徴量導出部、３……目標値
変更検出部、４……偏差要因判断部、５……特徴量選択
部、６……知識処理選択部、７……目標値変更用知識ベ
ース、８……外乱用知識ベース、９……ファジィ推論
部、10……プロセス、11……PID調節計。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−135902（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−223803（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−245203（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−241005（ＪＰ，Ａ) 自動制御ハンドブック（基礎編）、昭 58．10．30，オーム社，ＰＰ．95

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】プロセスのフィードバック制御に用いるPI
    D定数をファジィ推論により自動調節するオートチュー
    ニングPID調節計において、 目標値と制御量との偏差が所定のしきい値以上になる
    と、その偏差が目標値変更によるものか外乱によるもの
    か判断する偏差要因判断部と、 目標値と制御量との偏差の波形からオーバシュート量，
    振幅減衰比，前回の偏差波形に対する今回の偏差波形の
    振動周期比，前回の偏差波形に対する今回の偏差波形の
    整定時間比等の特徴量を求める特徴量導出部と、 前記偏差が目標値変更によるものと判断されると、前記
    特徴量導出部で求めた特徴量の中から少なくともオーバ
    シュート量，振幅減衰比，整定時間比を選択してPID定
    数決定用のファジィ推論部に出力し、前記偏差が外乱に
    よるものと判断されると、前記特徴量導出部で求めた特
    徴量の中から少なくともオーバシュート量，振幅減衰
    比，振動周期比を選択してPID定数決定用のファジィ推
    論部に出力する特徴量選択部とを備え、CR且つ前記ファ
    ジィ推論部は、前記目標値変更の判断により選択される
    特徴量に対応したPID調整規則及びメンバーシップ関数
    を用意した目標値変更用の知識ベースと、前記外乱の判
    断により選択される特徴量に対応したPID調整規則及び
    メンバーシップ関数を用意した外乱用の知識ベースとを
    備えて、前記偏差が目標値変更によるものと判断される
    と、前記目標値変更用の知識ベースを選択し、前記偏差
    が外乱によるものと判断されると、前記外乱用の知識ベ
    ースを選択して、この選択された知識ベース及び前記特
    徴量選択部で選択された特徴量を用いてPID定数をファ
    ジイ推論により調節する構成として成ることを特徴とす
    るオートチューニングPID調節計。
JP63084037A 1988-04-07 1988-04-07 オートチユーニングｐｉｄ調節計 Expired - Lifetime JPH0774961B2 (ja)

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CN89102070A CN1023841C (zh) 1988-04-07 1989-04-07 自动设定pid常数的方法和仪器

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