JPH09282004A

JPH09282004A - Ｐｉｄ制御装置

Info

Publication number: JPH09282004A
Application number: JP8091087A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Yoda; 哲也余田
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 1996-04-12
Filing date: 1996-04-12
Publication date: 1997-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】積分の開始タイミングの設定を容易する。【解決手段】応答出力が比例帯内の値となるとき、比例
演算に基づいて制御出力を演算する第１の演算手段（Ｓ
５，Ｓ１０）と、第１の演算手段（Ｓ５，Ｓ１０）によ
る制御時のオフセット傾向の発生を、微分値に基づいて
検出するオフセット傾向検出手段（Ｓ４，Ｓ９）と、オ
フセット傾向の発生が検出されたときには、偏差の積分
を開始し、制御出力を、積分値と偏差と微分値とに基づ
いて演算する第２の演算手段（Ｓ６）とを備え、第２の
演算手段（Ｓ６）には、目標値が上昇した場合には０を
初期値、目標値が下降した場合には目標値の下降前の積
分値を初期値とする積分を行わせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、制御対象の応答出
力と目標値との偏差、偏差の微分値、および偏差の積分
値に基づいて制御出力を演算するＰＩＤ制御装置に係
り、より詳細には、積分の開始のタイミングを偏差の微
分値に基づいて判定するＰＩＤ制御装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】プラント等のプロセスをＰＩＤ制御装置
を用いて制御する場合、予め設定された比例帯に応答出
力が入ったときには、偏差と、偏差の微分値と、偏差の
積分値とから制御出力を演算している。つまり、積分動
作は偏差が大きいときから開始される。このため、積分
値は短時間で大きな値となり、制御出力としては１００
％以上の値が算出される。

【０００３】応答出力が目標値に近づいたとき、偏差と
微分値とに基づく制御出力（以下では比例微分出力と称
する）の値は減少する。しかし、積分値は偏差の符号が
逆転しない限り減少しないので、積分値は大きな値に留
まり、制御出力は１００％の値から減少しない。このた
め応答出力は上昇を続け、目標値を大きく超える。つま
り大きなオーバーシュートが発生する。

【０００４】オーバーシュートが発生し、応答出力が目
標値を超えたときには積分値が減少するので、制御出力
が減少し、応答出力が下降を始める。そして後、応答出
力が目標値に収束するように、制御対象は制御される。

【０００５】以上説明したように、ＰＩＤ制御を行う
と、制御対象の応答出力には、目標値を超えるオーバー
シュートが必然的に発生する。このオーバーシュート
は、比例帯と積分時間とを適切に設定した場合には、そ
の量を減少させることが可能である。

【０００６】しかし、この場合には、応答出力を目標値
に収束させるのに長い整定時間が必要となる。すなわ
ち、オーバーシュート量を小さくした場合には、短時間
で応答出力を目標値に収束させることができなくなる。

【０００７】上記した現象はリセットワインダアップと
してよく知られており、この対策であるアンチ・リセッ
トワインダアップには、制御出力にリミット値を設定す
る方法と、偏差が大きいときには積分動作を禁止させる
方法との２種の方法が知られている。

【０００８】詳細に説明すると、制御出力にリミット値
を設定する従来技術では、制御出力が予め設定した出力
上限値を超えた場合、制御出力を上限値に等しい値に
し、同時に、積分動作を停止させる方法を用いている。
この状態においては、積分動作は停止しているので積分
値は一定である。

【０００９】一方、偏差は、応答出力が目標値に接近す
ると減少するので、比例微分出力は値が減少する。この
ため比例微分出力と積分値とからなる制御出力は、応答
出力が目標値を超えなくとも減少することになるので、
オーバーシュートの発生が抑制される。

【００１０】この方法をさらに改善した方法として、特
公平４−７６１２３号なる従来技術がある。この技術で
は、ＰＩＤ制御を行う調節計の出力にリミッタを設けた
構成を基本形として、リミッタが無い場合の仮想の応答
出力と、リミッタにより制御出力を限定した場合の応答
出力との差を、調節計の積分ゲインで積分する補償器を
追加した構成を用いている。そして、調節計の出力値か
ら補償器の出力値を減じ、減じた値を用いて制御対象を
制御している。

【００１１】一方、偏差が大きいときに積分動作を禁止
する従来技術では、応答出力が比例帯に入った直後は、
比例微分出力のみで制御対象の制御を行っている。そし
て、予め設定されている偏差の範囲に応答出力が到達し
たときに、偏差の積分動作を自動的に開始させる方法を
用いている。このため、オーバーシュートの発生が防止
されると共に、オフセットの発生が防止されることにな
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記したリミット値を
設定する方法（特公平４−７６１２３号なる従来技術を
含む）においては、リミット値が最適値に設定された場
合、オーバーシュートの発生を防止することが可能とな
っている。しかしリミット値を最適値に設定するには、
制御対象の特性を同定する必要があり、現場における習
熟した操作者のプラント制御に関するノウハウが不可欠
である。このため、リミット値を最適値に設定すること
がしばしば困難となり、オーバーシュートの発生を回避
することができないといった問題があった。

【００１３】また偏差が予め設定された値となったとき
積分動作を開始する方法では、積分動作を開始させる偏
差の値を大きくすると、積分の開始タイミングが速くな
り、積分値が大きくなる。つまり、リセットワインダア
ップに近似した状態が生じ、大きなオーバーシュートが
発生する。

【００１４】この事態を避けるためには、積分動作を開
始する偏差の値を小さくすればよい。しかし、この場
合、比例微分出力のみによる制御では、積分が開始され
る偏差の範囲内に応答出力をもっていくことができない
場合がある。このような事態が生じたときには、積分動
作が開始されないことからオフセットが解消されないと
いった問題を生じていた。

【００１５】本発明は上記課題を解決するため創案され
たものであって、請求項１記載の発明の目的は、積分動
作の開始のタイミングを、応答出力の変化速度に基づい
て検出することにより、積分の開始タイミングの設定を
容易にすることのできるＰＩＤ制御装置を提供すること
にある。

【００１６】また、請求項２および３記載の発明の目的
は、積分動作の開始タイミングの検出を容易にすること
のできるＰＩＤ制御装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項１記載の発明に係るＰＩＤ制御装置は、制御対象
の応答出力と目標値との偏差と、前記偏差の微分値と、
前記偏差の積分値との３種の値に基づいて制御出力を演
算するＰＩＤ制御装置に適用し、前記応答出力が予め設
定された比例帯内の値となったときには、比例演算に基
づいて前記制御出力を演算する第１の演算手段と、前記
第１の演算手段による制御時のオフセット傾向の発生
を、前記微分値に基づいて検出するオフセット傾向検出
手段と、前記オフセット傾向の発生が検出されたときに
は、前記偏差の積分を開始すると共に、開始した積分に
よる積分値と前記偏差と前記微分値とに基づいて前記制
御出力を演算する第２の演算手段とを備え、前記第２の
演算手段を、前記目標値が上昇させられた場合には０を
初期値として積分を開始し、前記目標値が下降させられ
た場合には前記目標値の下降前の積分値を初期値として
積分を開始する構成としている。

【００１８】また請求項２記載の発明に係るＰＩＤ制御
装置は、請求項１記載の発明の構成に加え、前記オフセ
ット傾向検出手段を、前記微分値により示される勾配が
予め設定された勾配より小さくなったとき、前記オフセ
ット傾向の発生を検出する構成としている。

【００１９】また請求項３記載の発明に係るＰＩＤ制御
装置は、請求項１記載の発明の構成に加え、前記オフセ
ット傾向検出手段を、前記応答出力にピークが現れたと
き前記オフセット傾向の発生を検出する構成としてい
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例の形態を、
図面を参照しつつ説明する。

【００２１】図２は、本発明に係るＰＩＤ制御装置の実
施形態の電気的構成を示すブロック線図である。

【００２２】図において、減算器１５は、目標値と応答
出力との差異である偏差を演算するブロックとなってい
る。すなわち、図示されない設定装置によって設定され
た目標値を示す出力２１から、制御対象１２から送出さ
れる応答出力２３を減算し、減算結果を偏差としてＰＩ
Ｄ演算部１１に出力する。

【００２３】ＰＩＤ演算部１１は、制御対象１２を制御
するための主たるブロックとなっている。詳細には、減
算器１５から出力される偏差と、偏差の微分値と、偏差
の積分値との３種の値に基づいて制御出力２２を演算
し、演算した制御出力２２を制御対象１２に与える。

【００２４】より詳細に説明すると、偏差に基づき、応
答出力２３が予め設定された比例帯内の値になったと判
定したときには、比例演算に基づいて制御出力２２を演
算する第１の演算手段を備えている。

【００２５】また第１の演算手段による制御時に、積分
オンオフ制御部１４から所定の指示が与えられたときに
は、偏差の積分を開始すると共に、開始した積分による
積分値、および偏差と偏差の微分値とに基づいて制御出
力２２を演算する第２の演算手段を備えている。

【００２６】そして第２の演算手段は、目標値の値が高
い側に変更されたときには、０を初期値として積分を開
始し、目標値が低い側に変更されたときには、目標値の
下降前の積分値を初期値として積分を開始する波形観測部１３は、応答出力２３の時間的変化に対する
微分値を監視することにより、オフセット傾向を検出す
るオフセット傾向検出手段となっている。そしてオフセ
ット傾向を検出したときには、オフセット傾向が生じた
ことを示す出力を積分オンオフ制御部１４に送出する。

【００２７】詳細には、応答出力２３の微分値により示
される勾配と、予め設定された勾配とを比較する。そし
て微分値の示す勾配が予め設定された勾配より小さくな
ったときに、オフセット傾向が生じたことを積分オンオ
フ制御部１４に知らせる。

【００２８】積分オンオフ制御部１４は、波形観測部１
３からオフセット傾向が生じたことを示す出力が送出さ
れたとき、積分動作を開始させるための指示をＰＩＤ演
算部１１に送出するブロックとなっている。

【００２９】図１は、本実施形態の動作を示すフローチ
ャート、図３は、応答出力２３の時間的変化を示す説明
図となっている。必要に応じて各図を参照しつつ、本実
施形態の動作を説明する。

【００３０】目標値が変更された場合、ステップＳ１に
おいて、目標値が高い側に変更されたか、あるいは低い
側に変更されたかが判定される。

【００３１】目標値が高い側に変更された場合、ＰＩＤ
演算部１１は、偏差に基づき、応答出力２３が、比例帯
内の値となっているかどうかを判定する（ステップＳ
２）。

【００３２】期間ｔ１１では、応答出力２３が比例帯外
の値となるので、制御出力２２の値を１００％とする制
御（ステップＳ３）と、判定動作（ステップＳ２）とを
繰り返す。期間ｔ１１が終了し、時刻Ｔ１１となったと
きには、応答出力２３が比例帯内の値になるので、ステ
ップＳ２からステップＳ４に動作を移行する。このため
波形観測部１３による判定動作が開始される。すなわ
ち、応答出力２３の微分値により示される勾配と、予め
設定された勾配との比較が開始される。

【００３３】図３の期間ｔ１３を拡大した図４を参照し
つつ、波形観測部１３における比較動作を詳細に説明す
る。

【００３４】微小単位時間ｔ１〜ｔ６，・・・毎に、応
答出力２３の変化分（上昇偏差）ｄ１〜ｄ４，・・・が
検出される。次いで、検出された値と微小単位時間とに
基づき、ｄｎ／ｔｎ（ｎ：１，２，３，・・・）として
示される微分値が、予め設定された値以下となる状態が
連続するかどうかが調べられる。微分値が設定値以下と
なる状態が連続する場合、波形観測部１３はオフセット
傾向が生じていると判定する。

【００３５】波形観測部１３の判定結果により、オフセ
ット傾向が生じていないことが判明した場合（期間ｔ１
２）、ＰＩＤ演算部１１に設けられた第１の演算手段に
より、比例演算に基づいて比例微分出力が演算され、演
算結果（制御出力２２）が制御対象１２に送出される
（ステップＳ５）。ステップＳ４とステップＳ５との動
作の繰り返しにおいて、オフセット傾向の発生が検出さ
れる（時刻Ｔ１２）と、動作はステップＳ６に移行す
る。

【００３６】時刻Ｔ１２では、オフセット傾向の検出を
示す出力が波形観測部１３から積分オンオフ制御部１４
に送出される。このため積分オンオフ制御部１４は、Ｐ
ＩＤ演算部１１に、積分動作の開始の指示を与える。動
作開始の指示が与えられたＰＩＤ演算部１１では、第２
の演算手段が動作を開始する。

【００３７】すなわち、時刻Ｔ１２において、初期値を
０とする偏差の積分動作が開始され、期間ｔ１４では、
制御出力２２は、偏差と微分値と積分値とに基づいて演
算される。このため、応答出力２３が目標値とは異なる
値に収束しようとするオフセット傾向は、演算が開始さ
れた積分値によって補正されるので、応答出力２３は目
標値に収束する。

【００３８】上記したように、積分動作は、応答出力２
３が目標値とは異なる値に収束しようとするタイミング
に合わせて開始されるので、積分値は最小の値に制限さ
れることになる。その結果、制御対象１２は、オーバー
シュートすることなく、目標値に向かって速やかに収束
するように制御される。

【００３９】次に、目標値が低い側に変更になった場合
の動作を、応答出力２３の時間的変化を示す図５を参照
しつつ説明する。

【００４０】ステップＳ１の判定において、目標値が低
い側に変更になったと判定された場合、ＰＩＤ演算部１
１の第２の演算手段は、そのときの積分値を内部に記憶
する。次いで、ＰＩＤ演算部１１は、偏差に基づき、応
答出力２３が、比例帯内の値となっているかどうかを判
定する（ステップＳ７）。

【００４１】期間ｔ２１では、応答出力２３が比例帯外
の値となるので、制御出力２２の値を０％とする制御
（ステップＳ８）と、判定動作（ステップＳ７）とを繰
り返す。期間ｔ２１が終了し、時刻Ｔ２１となったとき
に、応答出力２３が比例帯内の値となるので、ステップ
Ｓ７からステップＳ９に動作を移行する。このため波形
観測部１３によるオフセット傾向の判定動作が開始され
る。

【００４２】波形観測部１３による判定動作は、目標値
が高い側に変更された場合と略同様の方法で行われる。
すなわち、微小単位時間毎に、応答出力２３の変化分
（下降偏差）が検出される。検出された変化分と微小単
位時間とに基づいて微分値が演算され、演算された微分
値が、予め設定された値以下となる状態が連続するかど
うかが調べられる（絶対値を用いて調べる）。演算され
た微分値が設定値以下となる状態が連続する場合、オフ
セット傾向が生じていると判定される。

【００４３】波形観測部１３の判定結果により、オフセ
ット傾向が生じていないことが判明した場合（期間ｔ２
２）、ＰＩＤ演算部１１に設けられた第１の演算手段に
より、比例演算に基づいて比例微分出力が演算され、演
算結果（制御出力２２）が制御対象１２に送出される
（ステップＳ１０）。ステップＳ９，Ｓ１０の動作の繰
り返しにおいて、オフセット傾向の発生が検出されたと
き（時刻Ｔ２２）には、動作はステップＳ６に移行す
る。

【００４４】つまり、時刻Ｔ２２では、波形観測部１３
からはオフセット傾向の検出を示す出力が送出され、積
分オンオフ制御部１４は積分動作の開始の指示を出力す
る。積分動作の開始の指示が与えられたＰＩＤ演算部１
１では、第２の演算手段が動作を開始する。すなわち、
内部に記憶した積分値（目標値の変更前の積分値）を初
期値とする積分動作が開始される。

【００４５】また制御出力２２は、期間ｔ２４では、偏
差と、微分値と、積分値とに基づいて演算される。この
ため、オフセット傾向は積分値によって補正されること
になり、応答出力２３は目標値に向かって収束する。

【００４６】上記したように、目標値が低い側に変更と
なった場合でも、積分動作は、応答出力２３が目標値と
異なる値に収束しようとするタイミングに合わせて開始
される。また積分の初期値には、目標値の変更以前の値
が使用される。このため積分値は最小の値に制限される
ことになり、制御対象１２は、アンダーシュートするこ
となく、目標値に向かって速やかに収束するように制御
される。

【００４７】なお、本発明は上記実施例に限定されず、
波形観測部１３における微分値に基づいたオフセット傾
向の検出方法には、応答出力２３にピークが現れるかど
うかに基づいた検出方法、すなわち、微分値の符号が変
化したとき、オフセット傾向を検出したと判定する方法
を用いることが可能である。

【００４８】

【発明の効果】請求項１記載の発明に係るＰＩＤ制御装
置は、応答出力が比例帯内の値となったときには、比例
演算に基づいて制御出力を演算する第１の演算手段と、
第１の演算手段による制御時のオフセット傾向の発生
を、微分値に基づいて検出するオフセット傾向検出手段
と、オフセット傾向の発生が検出されたときには、偏差
の積分を開始すると共に、開始した積分による積分値と
偏差と微分値とに基づいて制御出力を演算する第２の演
算手段とを備え、第２の演算手段を、目標値が上昇させ
られた場合には０を初期値として積分を開始し、目標値
が下降させられた場合には目標値の下降前の積分値を初
期値として積分を開始する構成としている。このため、
積分動作は、制御対象に応じて自動で最適時刻に開始さ
れるので、積分の開始タイミングの設定を容易すること
が可能となっている。

【００４９】また請求項２記載の発明に係るＰＩＤ制御
装置では、請求項１記載の発明の構成に加え、オフセッ
ト傾向検出手段を、微分値により示される勾配が予め設
定された勾配より小さくなったとき、オフセット傾向の
発生を検出する構成としている。

【００５０】また請求項３記載の発明に係るＰＩＤ制御
装置では、請求項１記載の発明の構成に加え、オフセッ
ト傾向検出手段を、応答出力にピークが現れたときオフ
セット傾向の発生を検出する構成としている。

【００５１】このため、請求項２および３記載の発明に
係るＰＩＤ制御装置では、積分動作の開始タイミングの
検出を容易にすることが可能となっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るＰＩＤ制御装置の実施形態の動作
を示すフローチャートである。

【図２】本発明に係るＰＩＤ制御装置の実施形態の電気
的構成を示すブロック線図である。

【図３】目標値を高い側に変更した場合の応答出力の時
間的変化を示す説明図である。

【図４】図３の一部分を詳細に示す説明図である。

【図５】目標値を低い側に変更した場合の応答出力の時
間的変化を示す説明図である。

【符号の説明】

１２制御対象２１目標値を示す出力２２制御出力２３応答出力Ｓ４，Ｓ９オフセット傾向検出手段を構成するステッ
プＳ５，Ｓ１０第１の演算手段を構成するステップＳ６第２の演算手段を構成するステップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制御対象の応答出力と目標値との偏差
と、前記偏差の微分値と、前記偏差の積分値との３種の
値に基づいて制御出力を演算するＰＩＤ制御装置におい
て、前記応答出力が予め設定された比例帯内の値となったと
きには、比例演算に基づいて前記制御出力を演算する第
１の演算手段と、前記第１の演算手段による制御時のオフセット傾向の発
生を、前記微分値に基づいて検出するオフセット傾向検
出手段と、前記オフセット傾向の発生が検出されたときには、前記
偏差の積分を開始すると共に、開始した積分による積分
値と前記偏差と前記微分値とに基づいて前記制御出力を
演算する第２の演算手段とを備え、前記第２の演算手段は、前記目標値が上昇させられた場
合には０を初期値として積分を開始し、前記目標値が下
降させられた場合には前記目標値の下降前の積分値を初
期値として積分を開始することを特徴とするＰＩＤ制御
装置。
【請求項２】前記オフセット傾向検出手段は、前記微
分値により示される勾配が予め設定された勾配より小さ
くなったとき、前記オフセット傾向の発生を検出するこ
とを特徴とする請求項１記載のＰＩＤ制御装置。
【請求項３】前記オフセット傾向検出手段は、前記応
答出力にピークが現れたとき前記オフセット傾向の発生
を検出することを特徴とする請求項１記載のＰＩＤ制御
装置。