JPH079602B2

JPH079602B2 - 制御装置

Info

Publication number: JPH079602B2
Application number: JP31127587A
Authority: JP
Inventors: 龍一桑田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-12-09
Filing date: 1987-12-09
Publication date: 1995-02-01
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPH01152504A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は各種プラントの制御対象をフィードバック制御
する制御装置の改良に関する。

（従来の技術）一般にこの種の制御装置は、第３図に示す如く制御対象
から得られた制御量ｐと，予め設定された目標値ｒとを
比較要素１で比較して制御偏差ｅを出力し、この制御偏
差ｅに対して縦続補償要素２が（比例Ｐ＋積分Ｉ＋微分
Ｄ）演算等の縦続補償制御演算を行なって操作量ｍを制
御対象に対して出力し、フィードバック制御を行なうも
のである。

ところで、制御対象によっては、例えばボイラにおける
ドラム水位や排ガスO₂濃度のように、制御量が目標値に
完全に一致していなくとも目標値近傍にあれば特にフィ
ードバック制御をする必要がないものがある。このよう
な場合、従来装置では第３図（ａ）に示すように、比較
要素１と縦続補償要素２との間に、ギャップ要素等の非
線形要素３を挿入することにより対処している。なお、
図中ｗは非線形要素３の出力を示している。

一方近年では、制御対象の目標値ｒ変化時の制御性と外
乱に対する制御性を共に良好とするために、第３図
（ｂ）に示すように、制御偏差ｅではなく制御量ｐを直
接に入力して，比例または微分もしくは（比例Ｐ＋微分
Ｄ）演算等のフィードバック補償制御演算を行なうフィ
ードバック補償要素４を付加し、このフィードバック補
償要素４の出力ｚを減算要素５で縦続補償要素２の出力
から減じて操作量ｍを求めるようにした、微分先行形PI
D制御装置やＩ−PD制御装置や積分器付最適レギュレー
タ等の制御装置が用いられてきている。

しかるに、フィードバック補償要素４を付加した第３図
（ｂ）のような制御装置では、前述した非線形要素３の
効果は比較要素１を介して縦続補償要素２に入力される
制御量ｐに対して発揮されるのみであり、フィードバッ
ク補償要素４に入力される制御量ｐに対しては何ら効果
を有していなかった。このため、制御量ｐが目標値ｒ近
傍にあって操作量ｍを変化させたくない場合には、縦続
補償要素２からの出力は一定値に保持できるが、フィー
ドバック補償要素４からの出力は制御量ｐの変動に応じ
て変化してしまうので、結果的に非線形要素３を設けて
いることの意義が減殺されてしまう。

また、縦続補償要素２として積分要素を用い、フィード
バック補償要素４として（比例＋微分）要素を用いたＩ
−PD制御装置では、制御量ｐの偏位を（比例＋微分）要
素で，また目標値ｒ近傍の定常制御偏差を積分要素で夫
々補償することが意図される。しかるに、非線形要素３
としてギャップ要素を用いる場合、制御偏差ｅがギャッ
プ幅よりも大きい時は積分要素で，またギャップ幅より
も小さい時は（比例＋微分）要素で夫々補償しようとす
る形になり、前述したＩ−PD制御の本来の意図とは逆に
なってしまい、意図した良好な制御を行なうことができ
ない。

（発明が解決しようとする問題点）以上のように、従来の制御装置においては、制御量が目
標値近傍にある場合には制御を行なわないという非線形
要素を用いることの効果、および制御量の偏位をフィー
ドバック補償要素で，また目標値近傍の定常制御偏差を
縦続補償要素で夫々補償するという縦続補償要素とフィ
ードバック補償要素との組合せにより発揮される効果が
減殺されてしまい、良好な制御性が得られないという問
題があった。

本発明の目的は、制御量が目標値近傍にある場合には制
御を行なわないという非線形要素を用いることの効果、
および制御量の偏位をフィードバック補償要素で，また
目標値近傍の定常制御偏差を縦続補償要素で夫々補償す
るという縦続補償要素とフィードバック補償要素との組
合せにより発揮される効果を減殺することなく、良好な
制御性を得ることが可能な制御装置を提供することにあ
る。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）上記の目的を達成するために本発明の制御装置は、制御
対象から得られた制御量と，この目標値との偏差を求め
る比較手段と、比較手段からの出力を所定の関数により
変更する非線形要素と、非線形要素からの出力に対して
縦続補償の制御演算を行なう縦続補償要素と、目標値と
非線形要素からの出力との偏差を求め，この偏差に対し
てフィードバック補償の制御演算を行なうフィードバッ
ク補償要素と、フィードバック補償要素からの出力と縦
続補償要素からの出力との加算演算を行ない，操作量と
して出力する加算要素とを備えて構成している。

（作用）従って、本発明の縦続補償要素とフィードバック補償要
素とからなる制御装置においては、制御対象の制御量が
目標値の近傍にあってその制御偏差が微小で非線形要素
のギャップ内にある時には出力が零となる非線形要素を
用いている。そして、この非線形要素の出力を積分特性
の縦続補償要素に入力することにより、制御偏差が微小
でギャップ内にある時にはこの入力が零となり、制御量
が変動しても縦続補償要素の出力は一定値に保持され
る。また、非線形要素の出力から目標値を減じた偏差を
フィードバック補償要素の入力とすることにより、制御
偏差が微小で非線形要素の出力が零の時には、フィード
バック補償要素には変動する制御量の代わりに通常は一
定値である目標値だけが入力されることになり、制御量
が変動してもフィードバック補償要素の出力は一定値に
保持される。従って、縦続補償要素とフィードバック補
償要素とから構成される制御装置においても、制御量が
非線形要素のギャップ内で微小量だけ変動しても、縦続
補償要素の出力とフィードバック補償要素出力の和であ
る制御対象に対する操作量は、一定値に保持されること
になる。

一方、制御対象の制御量が目標値から離れて制御偏差が
非線形要素のギャップ外にある時には、非線形要素の出
力は制御量に比例する。これにより、制御量の偏位をフ
ィードバック補償要素で補償することができる。

このように、非線形要素の出力に基づいてフィードバッ
ク補償要素及び縦続補償要素を動作させるように各要素
を組合せたことにより、制御偏差がギャップ外にある時
に該制御偏差をフィードバック補償要素で補償し、制御
偏差がギャップ内にある時に該制御偏差を縦続補償要素
で補償するので、縦続補償要素とフィードバック補償要
素との組合せにより発揮される効果を減殺することな
く、良好な制御性を得ることができる。

（実施例）以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は、本発明による制御装置の構成例を示すブロッ
ク図である。第１図に示すように、本実施例の制御装置
６は、制御対象７から得られた制御量ｐと目標値ｒとを
比較して制御偏差ｅ（＝ｒ−ｐ）を出力する比較要素８
と、この比較要素８からの制御偏差ｅを所定の関数によ
り変更する非線形要素としてのギャップ要素９と、この
ギャップ要素９からの出力ｗに対して縦続補償制御演算
である積分制御演算を行なう縦続補償要素としての積分
要素10と、目標値ｒとギャップ要素９からの出力ｗとの
減算演算を行ない，その偏差ｙ（＝ｗ−ｒ）を出力する
減算要素11と、この減算要素11からの偏差ｙに対してフ
ィードバック補償制御演算である（比例＋微分）制御演
算を行なうフィードバック補償要素としての比例・微分
要素12と、この比例・微分要素12からの出力ｚと積分要
素10からの出力ｘとの加算演算を行ない，操作量ｍとし
て制御対象７に出力する加算要素13とから構成してい
る。

ここで、ギャップ要素９としては、例えば第２図（ａ）
の実線で示すような特性を有するギャップ要素を用いる
（図中、εはギャップ値である）。また、積分要素10
は、Kpなる比例ゲインとTiなる積分時定数を有してい
る。さらに、比例・微分要素12は、Kpなる比例ゲインと
Tdなる微分時間を有している。

次に、以上の如く構成した制御器の作用について説明す
る。

第１図において、比較要素８では制御対象７からの制御
量ｐと目標値ｒとを比較し、制御偏差ｅ（＝ｒ−ｐ）が
出力される。次にギャップ要素９では、この比較要素８
からの制御偏差ｅに基づいて次式の演算を行ない、演算
結果がｗとして積分要素10へ入力される。

また積分要素10では、ギャップ要素９からの出力ｗに対
して、積分時定数Ti,比例ゲインKpの積分制御演算が行
なわれ、演算結果がｘとして出力される。

一方減算要素11では、ギャップ要素９の出力ｗから目標
値ｒを減算し、その出力ｙが比例・微分要素12へ入力さ
れる。ここで、ギャップ要素９は第２図（ａ）のような
特性を有していることから、出力ｙとしては次式で表わ
されるような信号が出力される。

比例・微分要素12では、減算要素11からのこのような出
力ｙに対して、比例ゲインKp,微分時間Tdの比例・微分
制御演算が行なわれ、演算結果がｚとして出力される。
さらに加算要素13では、比例・微分要素12からの出力ｚ
と積分要素10からの出力ｘとの加算演算が行なわれ、操
作量ｍとして出力することにより制御対象７が操作され
る。

すなわちこの場合、制御対象７の制御量ｐが目標値ｒの
近傍にあってその制御偏差ｅがギャップ要素９のギャッ
プ値ε内にある時には、ギャップ要素９の出力ｗは零と
なる。これにより、積分要素10への入力は零となり、制
御量ｐが変動しても積分要素10の出力ｘとしては、今ま
で積分した保持した一定値が出力され続ける。一方、比
例・微分要素12には目標値ｒを反転した信号のみが入力
されることになり、制御量ｐが変動しても比例・微分要
素12の出力は一定値に保持される。従って、制御量ｐが
ギャップ要素９のギャップ値ε内で変動していても、制
御対象７に対する操作量ｍは一定値に保持されることに
なる。

なお、制御対象７の制御量ｐと目標値ｒとの制御偏差ｅ
がギャップ要素９のギャップ値ε外にある時には、比例
・微分要素12の入力ｙは−ｐではなく、−ｐ±εとなり
−ｐとは幾分相違する。そして、この相違を無くする必
要がある場合には、ギャップ要素９として例えば第２図
（ａ）の破線で示すような特性を有するギャップ要素を
用いればよい。そしてこの場合には、ｅ±εで出力にジ
ャンプが生じることから、レートリミッタ等を挿入して
急激な変化を緩和することが望ましい。

一方、比例・微分要素12の微分時間Tdを零にしておき、
目標値ｒを微少ステップ変化させると、制御量ｐがギャ
ップ要素９のギャップ値ε内に留まっている限りフィー
ドバック制御されない開ループ状態となることから、制
御対象７のステップ応答をとるのに利用することができ
る。なお、ギャップ要素９のギャップ値εを零とする
と、比例・微分要素12への入力ｙは−ｐとなり、非線形
特性を含まない通常のＩ−PD制御装置となる。

上述したように、本実施例の制御装置６では、制御対象
７の制御量ｐと目標値ｒとの制御偏差ｅを入力とするギ
ャップ要素９からの出力ｗと，目標値ｒとの偏差ｙを、
比例・微分要素12の入力とするようにしたので、非線形
要素であるギャップ要素９を用いることの効果、すなわ
ち制御量ｐが目標値ｒ近傍にある場合には制御を行なわ
ない（操作量ｍを変化させない）という効果、および縦
続補償要素である積分要素10とフィードバック補償要素
である比例・微分要素12との組合せにより発揮される効
果、すなわち制御量ｐの偏位を比例・微分要素12で，ま
た目標値ｒ近傍の定常制御偏差を積分要素10で夫々補償
するという効果が減殺されることがなく、極めて良好な
制御性を得ることが可能となる。また、比例・微分要素
12の微分時間Tdを零にした状態で、目標値ｒを微少ステ
ップ変化させることにより、制御器６を手動側に切換え
ることなく、制御対象７のステップ応答を調べることも
可能となる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、次
のようにしても同様に実施することができるものであ
る。

（ａ）上記実施例では、非線形要素としてギャップ要素
を用いたが、これに限らず状況に応じて例えば第２図
（ｂ）〜（ｄ）に示すような特性を有する、種々の非線
形要素を使用することも可能である。

まず、第２図（ｂ）は折線関数要素であり、制御偏差ｅ
がギャップ値ε内にある時は、通常よりもゲインを下げ
て操作量ｍの動きを鈍くしたい場合に用いる。すなわ
ち、いまギャップ値ε内の折線の勾配をαとすると（α
＜１）、制御偏差ｅがギャップ値ε内にある時の比例・
微分要素12への入力ｙは、従来のものでは−ｐであるの
に対して−αｐ−（１−α）ｒとなり、変動する制御量
ｐの影響を弱めた形となる。

一方、制御偏差ｅの値に応じて連続的にゲインを変化さ
せたい場合には、第２図（ｃ）または（ｄ）に示すよう
な２次以上の高次連続関数要素を用いる。ここで、第２
図（ｃ）は２次連続関数要素，第２図（ｄ）は３次連続
関数要素であり、次数の高い連続関数要素を用いる程
（２次または３次に限らない）、第２図（ａ）に示した
ギャップ要素的特性に近くなる。

（ｂ）上記実施例では、縦続補償要素２として積分要素
を用い、またフィードバック補償要素として比例・微分
要素を用いてＩ−PD制御装置を構成したが、これに限ら
ず例えば縦続補償要素として積分要素を用い，フィード
バック補償要素として比例要素を用いてＩ−Ｐ制御装置
を構成したり、あるいは縦続補償要素として比例・積分
要素を用い，フィードバック補償要素として微分要素を
用いて微分先行形制御装置を構成することも可能であ
り、制御系の性格に応じてこれらの制御装置を適宜適用
すればよい。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば、制御対象の制御量
と目標値との偏差を入力とする非線形要素からの出力
と，目標値との偏差を、フィードバック補償要素の入力
とするようにしたので、制御量が目標値近傍にある場合
には制御を行なわないという非線形要素を用いることの
効果、および制御量の偏位をフィードバック補償要素
で，また目標値近傍の定常制御偏差を縦続補償要素で夫
々補償するという縦続補償要素とフィードバック補償要
素との組合せにより発揮される効果を減殺することな
く、良好な制御性を得ることが可能な制御装置が提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による制御装置の一実施例を示すブロッ
ク図、第２図（ａ）は同実施例におけるギャップ要素の
一例を示す特性図、第２図（ｂ）〜（ｄ）はギャップ要
素のその他の例を夫々示す特性図、第３図（ａ）（ｂ）
は従来の制御装置の一例を夫々示すブロック図である。６……制御装置、７……制御対象、８……比較要素、９
……ギャップ要素、10……積分要素、11……減算要素、
12……比例・微分要素、13……加算要素。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制御対象から得られた制御量と，この目標
値との偏差を求める比較手段と、前記比較手段からの出力を所定の関数により変更する非
線形要素と、前記非線形要素からの出力に対して縦続補償の制御演算
を行なう縦続補償要素と、前記目標値と前記非線形要素からの出力との偏差を求
め，この偏差に対してフィードバック補償の制御演算を
行なうフィードバック補償要素と、前記フィードバック補償要素からの出力と前記縦続補償
要素からの出力との加算演算を行ない，操作量として出
力する加算要素と、を備えて成ることを特徴とする制御装置。
【請求項２】非線形要素として折線関数要素を用いるよ
うにした特許請求の範囲第（１）項記載の制御装置。
【請求項３】非線形要素として２次以上の高次連続関数
要素を用いるようにした特許請求の範囲第（１）項記載
の制御装置。
【請求項４】縦続補償要素として積分要素を用いるよう
にした特許請求の範囲第（１）項記載の制御装置。
【請求項５】縦続補償要素として（比例＋積分）要素を
用いるようにした特許請求の範囲第（１）項記載の制御
装置。
【請求項６】フィードバック補償要素として微分要素を
用いるようにした特許請求の範囲第（１）項記載の制御
装置。
【請求項７】フィードバック補償要素として（比例＋微
分）要素を用いるようにした特許請求の範囲第（１）項
記載の制御装置。