JPH0830967B2

JPH0830967B2 - セルフチューニング調節計

Info

Publication number: JPH0830967B2
Application number: JP62252659A
Authority: JP
Inventors: 春雄高津; 朝雄宮部
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1987-10-07
Filing date: 1987-10-07
Publication date: 1996-03-27
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH0195302A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、少なくとも比例（Ｐ），積分（Ｉ）演算パ
ラメータを最適な値に自動的に調整するセルフチューニ
ング調節計に関し、更に詳しくは、プロセスを同定する
のに特別な信号を用いることなく、ランダムに発生する
外乱などの乱れに波形を認識してP,I演算パラメータを
決定するようにしたセルチューニング調節計に関するも
のである。

（従来の技術）フィードバック制御に用いられるプロセス用調節計と
して、PI演算パラメータを自動的にチューニングするよ
うにしたセルフチューニング調節計が実用化されてい
る。これらのものの中で、制御量の挙動を観測するパタ
ーン認識手段を設け、ここでプロセスに外乱を与えるこ
となく、ランダムに発生する外乱等の制御系の乱れを認
識し、この認識結果を最適な応答モデルと比較し、パタ
ーンの認識結果が応答モデルに近づく様に最適なPI演算
パラメータを決定するようにしたものが脚光を浴びてい
る。

この様なセルフチューニング調節計としては、単行本
ADAPTIVE CONTROL SYSTEMS,PERGAMON PRESS,1963年発行
Ｐ〜P18や、US PATENT No.4,602,326が公知である。

（発明が解決しようとする問題点）ところで、この様なセルフチューニング調節計は、自
然に発生する制御系の乱れを利用してPI演算パラメータ
をチューニングするように構成されており、一般的にPI
演算パラメータのチューニングは、自然に発生する制御
系の乱れが、ステップ状に変化する事を想定している。

この為例えば、正弦波あるいは三角波などの周期性の
外乱が発生すると、Ｐ演算パラメータはいろいろな値を
とり、場合によってはその値を大きくし、遅れた応答を
したり、あるいはその値を小さくし、制御系をますます
発振状態にすると言う不具合を生じさせる。

本発明は、この様な点に鑑みてなされたものであっ
て、周期性の外乱が発生したような場合にも最適なチュ
ーニングが行えるセルフチューニング調節計を実現する
ことを目的とする。

（問題点を解決するための手段）第１図は、本発明装置の基本的な機能ブロック図であ
る。図において、１は制御対象（プロセス）で、生産量
の変化，制御目標値の変更，外乱等によってその動特性
が変化するものとする。２は制御対象からのプロセス量
PVと、制御目標値SVとの偏差信号DVに少なくとも比例
（Ｐ），積分（Ｉ）演算を行い得られた操作信号MVを前
記制御対象１に出力するPI制御手段、３は前記プロセス
量または偏差信号の波形を観測しその観測結果が予め設
定した応答目標になるように前記PI制御手段のP,1演算
パラメータをチューニングするパラメータチューニング
手段である。

パラメータチューニング手段３において、31は観測波
形中にステップ状に変化する外乱が発生することを想定
した第１のPI演算パラメータ計算部、32は観測波形中に
周期的に変化する外乱が発生することを想定した第２の
PI演算パラメータ計算部、33は観測波形中に発生する外
乱がステップ状に変化する外乱か周期的に変化する外乱
かを判断する外乱判断部、34は外乱判断部33の判断結果
に基づいて、第１のPI演算パラメータ計算部31と第２の
PI演算パラメータ計算部32とのいずれかの計算結果に従
って、PI手段２にPI演算パラメータを設定する設定手段
である。

（作用）外乱発生部33が制御系の乱れがステップ状に変化して
いると判断した場合は、設定手段34は第１のPI演算パラ
メータ計算部31からの計算結果にしたがってPI制御手段
にそのPI演算パラメータを設定し、制御系の乱れが周期
的に変化する場合は、第２のPI演算パラメータ計算部２
からの計算結果にしたがってPI制御手段にそのPI演算パ
ラメータを設定する。

（実施例）以下図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

第２図は、本発明の一実施例の構成ブロック図であ
る。図において、４はセルフチューニング調節計であ
り、制御対象１からのプロセス量PV,制御目標値SVを入
力し、操作信号MVを制御対象１に対して出力する。この
調節計において、41はプロセス量PV,各種アナログ信号e
i,制御目標値SVを順次選択して入力するマルチプレク
サ、42はマルチプレクサ41で選択した信号を一つの入力
するコンパレータ、43はマイクロプロセッサで、コンパ
レータ42からの信号等をを入力している。44はプロセッ
サからのデジタル信号をアナログ信号に変換するD/A変
換器、45はD/A変換器の出力を所定のタイミングで保持
するサンプルホールド回路で、その出力が制御対象１へ
の操作信号MVとなる。46はI/Oポート、47は各種データ
等を格納したRAM、48はマイクロプロセッサ43が行う主
要動作のプログラムを格納したROM、49は例えばユーザ
がプロセスに応じて作成したプログラムを格納したRO
M、50は表示キーボードで、これらはデータバスBSを介
してマイクロプロセッサ43に結合している。

ここでシステムROM48には、マイクロプロセッサ43が
第１図に示すPI制御手段２、パラメータチューニング手
段３、第１及び第２のPI演算パラメータ計算部31,32、
外乱判断部33、設定手段34としての機能を行うためのプ
ログラムや、制御対象１の最適応答モデルのデータ等が
格納されている。なお、システムROM48,ROM49は一つのR
OMで共用してもよい。

第３図は、このように構成した装置の動作の一例を示
すフローチャートである。

マイクロプロセッサ43は、初めにシステムROM48に格
納されているシステムプログラムに従ってマルチプレク
サ41に印加されているプロセス量PV,制御目標値SV、そ
の他のアナログ信号eiを順次選択して取出し、これらの
信号をコンパレータ42、マイクロプロセッサ43、D/A変
換器44で形成されるA/D変換ループによって、それぞれ
デジタル信号に変換する（ステップ１）。

次にプロセス量PVと制御目標値SVとの偏差DVが所定の
設定値幅DB内にはいっているかどうか判断する（ステッ
プ２）。ここでDV＞DBの時、次のステップ３に移る。ス
テップ３では、第１図におけるパラメータチューニング
手段３として機能するシステムプログラムに従って、プ
ロセス量PVまたは偏差DVの波形観測を行い、観測波形の
パターン分析を行う。また、パターン分析が完了する
と、観測波形の評価指標の算出をし、それに基づいてPI
演算パラメータを算出し、このPI演算パラメータをPI制
御手段に設定（チューニング）する（ステップ4,5,
6）。

次にPI制御手段２は、パラメータチューニング手段３
によって設定，変更されたPI演算パラメータを用いPI演
算を行い（ステップ７）、演算結果を操作信号MVとして
制御対象１に出力する（ステップ８）。

ステップ２において、DV＜DBのとき（偏差DVが所定の
設定値幅内に入っているとき）は、制御良好であるとし
てステップ７に移る。

なお、ここで示すフローチャートは、概略フローチャ
ートであって、そのサイクル周期（制御周期）は、例え
ば100mSで起動されるようになっていて、波形観測やPI
制御演算、その演算結果のプロセスへの出力などの動作
がこの制御周期で行われる。

この様な一連の動作を行っている中で、波形観測の分
析が終了する（観測波形のピークがいくつか観測される
と分析が完了する）と、PI演算パラメータを算出するた
めのステップ5,6が起動されることとなる。

第４図は、第３図においてステップ６の詳細を示すフ
ローチャートである。

マイクロプロセッサ43は、後で説明する外乱フラグが
オンかどうか判断する（ステップ61）。ここでNOの場
合、その周期が所定の時間（例えば10・TLただしTL＝Ｌ
＋（T/2）で、Ｌはプロセスのむだ時間、Ｔはプロセス
の時定数）より大きいかどうか判断し（ステップ62）、
ここでN0の場合、外乱はステップ状に変化するものであ
るとして、第１のPI演算パラメータ計算部31によって、
PI演算パラメータを計算する（ステップ63）。ステップ
61において、YESの場合、振幅が小さくなったかどうか
判断し（ステップ64）、ここでNOであれば次に外乱フラ
グをオフにし（ステップ65）、この場合も外乱は危険な
方向に振動しているものとして、ステップ63で、第１の
PI演算パラメータ33によってPI演算パラメータを計算す
る。

ステップ62において、周期とは、観測波形ののピーク
間隔などから推定される振動周期である。この振動周期
は、無駄時間＋一次遅れ要素で表されるプロセスの場
合、経験的にそのプロセスの固有振動周期は、およそ２
＊TL〜５＊TLの範囲であり、10＊TL以上の周期で振動し
ている場合は、これまでの経験からプロセスの固有振動
周期ではなく、外乱の影響を受けていると推定するよう
にしている。従って、ステップ62では、この振動周期が
10＊TL以上で振動している場合は、外乱が発生している
と判断するようにしている。

また、ステップ64において、観測波形の振幅が小さく
なったか否かによる判断は、前回に実施した外乱時のPI
Dの計算（ステップ68）に基づくチューニングが良好で
制御性が改良されたか否かを判断している。

即ち、固有振動より長い周期性外乱に対しては、例え
ば比例ゲインを上げると制御性が改善され、その結果と
して観測波形の振幅が小さくなるのに対して、比例ゲイ
ンを下げ過ぎると発振しだしてその振幅が大きくなるこ
とが実験で分かっている。従って、ここでは、観測波形
の振幅が小さくなった場合は、制御性が改善されたと判
断し、振幅が大きくなった場合は、制御性が悪化したと
判断して、ステップ68への移行と、ステップ65への移行
とに分けるようにしている。

次に前回比例ゲイン（PB）を下げたのに、振幅が小さ
くならない場合（ステップ66でYES、ステップ67でNOの
場合）、ステップ62でYESの場合、ステップ64でYESの場
合は、ステップ68に移り、外乱は周期的に変化するもの
であるとして、第２のPI演算パラメータ計算部32によっ
て、PI演算パラメータを計算する。

続いて外乱フラグをオンとしする（ステップ69）。こ
のフローにおいて、ステップ62,64,66,67は、いずれも
外乱判断部33が判断する。

ステップ63、ステップ68において行われるPID演算パ
ラメータの算出は、例えば、特開昭62−108306号公報に
開示されているような手法が適用される。

即ち、観測波形のピーク値を検出し、振動周期（T
P）、オーバシュート量（OVS）、ダンピング値（DMP）
を求めると共に、PI制御手段に設定されている積分定数
（TI）と振動周期（TP）との比Ｒ（＝TI/TP）を求め、
ダンピング値（DMP）と、比（Ｒ）の大きさによって選
択される所定の演算式を用いて比例定数や積分定数が算
出される。

ここで、ステップ68において適用される外乱時のPID
算出の為に用いられる演算式は、ステップ63で行われる
通常のPID算出の為に用いられる演算式に対して、例え
ば比例定数（ゲイン）を上げる方向の演算式となってい
る。なお、これらの各演算式は、各種の実験等に基づき
適宜決めることができる。

以上の動作によって、（ａ）観測波形の振動周期が大きい。

（ｂ）前回、比例ゲインを下げたのに観測波形の振動が
小さくならない。

のいずれかの条件が成立したら、周期的に変化する外乱
であるとして、第２のPI演算パラメータ計算部32によっ
て、PI演算パラメータを計算する。また、（ａ），
（ｂ）のいずれの条件も成立しないときは、第１のPI演
算パラメータ33によってPI演算パラメータを計算する。

ここでステップ68では、次回に設定する比例ゲインを
現在設定されている比例ゲインに対して、上げる（大き
くする）ようにＰパラメータが計算される。なお、積分
定数Ｉあるいは微分定数Ｄはそのままとする。

一方このステップ68で比例ゲイン（Ｐパラメータ）を
どんどん大きくするようにしていくと、制御系は発振す
る可能性が生ずるので制御性の監視をする必要がある。
ステップ64はこの監視をするためのステップであって、
観測波形が大きくなる場合、ステップ63側に分岐させ、
Ｐパラメータを下げるようにしている。

第５図は動作の一例を示すタイムチャートである。こ
こでは観測波形として制御対象１からのプロセス信号PV
を用いている場合であって、Ｐパラメータ（比例ゲイ
ン）がどの様にチューニングされていくかを示してい
る。T1では振動が大きいので比例ゲインを下げ、T2で
は、T1でのチューニングの結果、振動が小さくならない
ので周期性の外乱であると判断し、比例ゲインを上げて
いる。T3ではT2でのチューニングの結果、振動が小さく
なったので良好と判断し、引き続き、比例ゲインを上げ
る。T4〜T6では、T3での動作と同じ動作を繰り返してい
る。

T7では、振動が大きくなったので危険と判断し、比例
ゲインを下げる第１の演算パラメータ計算部によるチュ
ーニングに戻っている。

T8では、振動が大きいので比例ゲインを下げるT1と同
じチューニングを行っている。

T9,T10では、T2と同じチューニングを行っている。

なお、第４図に示すフローチャートにおいては、ステ
ップ66,67において、前回比例ゲインを下げたのに観測
波形の振幅が小さくならない場合、ステップ68に移るよ
うにしたが、周期性の外乱が発生してないのに、偶然に
ステップ66,67の条件が成立し、比例ゲインを上げるの
は危険である。そこで、ステップ66,67の条件が２回以
上続けて成立したときステップ68に移るようにしてもよ
い。

また、上記の説明では周期性外乱の場合、比例ゲイン
だけを変えるようにしたものであるが、Ｉパラメータあ
るいはＤパラメータもきめ細かく変えるようにしてもよ
い。

（発明の効果）以上詳細に説明したように、本発明によれば、周期性
の外乱が発生したような場合であっても最適なPI演算パ
ラメータをチューニングすることのできるセルフチュー
ニング調節計が実現できる。

即ち、従来、波形観測を分析した結果に基づいてPI演
算パラメータを算出するような調節計は、一般にステッ
プ状外乱が発生することを前提としてPI演算パラメータ
算出の演算式が組み込まれていたが、この場合、周期性
の外乱発生に対しては、必ずしも最適な演算パラメータ
ではないことが次第に明らかになってきた。

本発明では、これらの調節計を種々のプロセスに適用
した結果得られた多くの現象から、周期性の外乱の場合
は、別に用意する演算パラメータ算出式（例えば比例ゲ
インを上げる方向の演算式）を適用して、演算パラメー
タを算出しそれをPI制御手段に設定し、再び波形観測を
行うことを繰り返すことで、最終的に周期性外乱を抑え
るのに最適なPI演算パラメータをチューニングすること
ができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の基本的な機能ブロック図、第２図
は本発明の一実施例の構成ブロック図、第３図は本発明
装置の動作の一例を示すフローチャート、第４図は第３
図のフローチャートにおけるステップ６の詳細を示すフ
ローチャート、第５図は動作の一例を示すタイムチャー
トである。１…制御対象２…PI制御手段３…パラメータチューニング手段 31…第１の演算パラメータ計算手段 32…第２の演算パラメータ計算手段 33…外乱判断手段 34…設定手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制御対象からのプロセス量と制御目標値と
の偏差信号に少なくとも比例（Ｐ），積分（Ｉ）演算を
行い得られた操作信号を前記制御対象に出力するPI制御
手段と、前記プロセス量または偏差信号の波形を観測し
その観測結果が予め設定した応答目標になるように前記
PI制御手段のP,I演算パラメータをチューニングするパ
ラメータチューニング手段とを備えた制御対象に外乱を
強制的に与えない形式の調節計であって、前記パラメータチューニング手段内に、観測波形中にステップ状に変化する外乱が発生すること
を想定した第１のPI演算パラメータ計算部と、観測波形中に周期的に変化する外乱が発生することを想
定した第２のPI演算パラメータ計算部と、観測波形中に発生する外乱がステップ状に変化する外乱
か周期的に変化する外乱かを判断する外乱判断部と、この外乱判断部の判断結果に基づいて前記第１のPI演算
パラメータ計算部と前記第２のPI演算パラメータ計算部
とのいずれかの計算結果に従って前記PI制御手段にPI演
算パラメータを設定する設定手段とを設けたことを特徴とするセルフチューニング調節計。