JPH10171504A - バックラッシュ系制御器用調整装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】常に適切なリミットサイクル状況に維持するこ
とで、作業工数と経費を削減するバックラッシュ系制御
器用調整装置を提供すること。 【解決手段】非線形システム制御に特有のリミットサイ
クルの振幅と周期を分析するリミットサイクル分析手段
（１２）と、このリミットサイクル分析手段（１２）で
分析して得たリミットサイクルの振幅と周期からバック
ラッシュ幅を同定する同定手段（１３）と、この同定手
段（１３）で同定したバックラッシュ幅から記述関数を
定め、これを用いて所定の制御器（３）のパラメータを
安定交点が適切な振幅と周期を表わす位置に在る様に調
整するチューニング手段（１４）と、から構成されてい
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、発電プラントにお
ける制御弁を用いた流量制御系等のバックラッシュを含
むシステムの制御系に適用されるバックラッシュ系制御
器用調整装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は、従来のバックラッシュを含むシ
ステムの制御系の構成を示す図である。図３に示す制御
系は、制御対象５の運転状況に応じた値として出力され
る被制御変数ｙを設定器１により設定される目標値ｒに
対して負帰還する制御を、コントローラ（制御器）３に
より行なう。減算器２では目標値ｒと被制御変数ｙとの
制御偏差ｅを算定してコントローラ３へ送る。コントロ
ーラ３は、偏差ｅに対して周知の比例・積分制御演算を
行ない操作変数ｕを算出し、制御を行なう。コントロー
ラ３の典型的な演算式を下式（１）に示す。

【０００３】

【数１】

【０００４】ここで、Ｋ…比例ゲイン Ｒ…リセット率
である。コントローラ３と制御対象５との間に操作
端４が存在し、コントローラ３から出力された操作変数
ｕが制御対象５に及ぶ前に、操作端４に入力される。操
作端４にはバックラッシュ特性があり、操作端４が作動
することで、はじめて制御対象５への真の操作ｕ′が作
用することになる。

【０００５】図４は、前述したバックラッシュ特性を示
す図である。ここでは操作端４の例として調節弁を取り
あげる。コントローラ３から出力される弁開度指令ｕに
対して弁駆動機構が作動する際に、図４に示すようなバ
ックラッシュ特性により、実弁開度指令ｕ′が発生され
る。制御対象５は実弁開度指令ｕ′が与えられることで
応答し、流量を示す被制御変数ｙを発生し、再び負帰還
される。このようなフィードバック制御により、被制御
変数ｙと目標値ｒとの偏差が０になるよう、常に制御さ
れることになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図５は、上記制御系に
よる制御状況を示す図であり、図６は許容できる制御状
況を示す図である。図５は、ゲインが大きいすなわち振
動大のリミットサイクル波形の例を示しており、図６は
ゲインが小さいすなわち良好なリミットサイクル波形の
例を示している。

【０００７】上述した制御系によれば制御状況は図５に
示すようになり、一応の制御は行なわれ、被制御変数ｙ
は目標値ｒの近傍に制御されるが、バックラッシュが存
在するときに特徴的なリミットサイクルが生ずる。リミ
ットサイクルが生ずることは不都合であるため、コント
ローラゲインを下げる等の対策により振幅と周期を極力
低減し、図６に示す如き許容できる状態にする必要があ
る。

【０００８】ところが従来では、調整員が現場において
図５に示すような操業波形を目視により分析し、判断を
加えてゲインを下げる等の対策を随時実施することによ
り、図６に示す許容できる状況に維持する必要があっ
た。そのため、制御対象の特性Ｇが経時変化するのにつ
れて、その都度調整を随時実施することを繰り返す必要
があり、余分な作業工数と経費が発生するという問題が
ある。本発明の目的は、常に適切なリミットサイクル状
況に維持することで、作業工数と経費を削減するバック
ラッシュ系制御器用調整装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明のバックラッシュ系制御器用調
整装置は以下の如く構成されている。 （１）本発明のバックラッシュ系制御器用調整装置は、
非線形システム制御に特有のリミットサイクルの振幅と
周期を分析するリミットサイクル分析手段と、このリミ
ットサイクル分析手段で分析して得たリミットサイクル
の振幅と周期からバックラッシュ幅を同定する同定手段
と、この同定手段で同定したバックラッシュ幅から記述
関数を定め、これを用いて所定の制御器のパラメータを
安定交点が適切な振幅と周期を表わす位置に在る様に調
整するチューニング手段と、から構成されている。 （２）本発明のバックラッシュ系制御器用調整装置は上
記（１）に記載の装置であり、かつ前記チューニング手
段で選定した前記制御器のパラメータを前記制御器にオ
ンラインで設定する。 （３）本発明のバックラッシュ系制御器用調整装置は上
記（２）に記載の装置であり、かつ前記リミットサイク
ル分析手段、前記同定手段、前記チューニング手段およ
び前記制御器をオンラインで機能させ、前記制御器を常
時調整し続ける。

【００１０】上記手段を講じた結果、それぞれ次のよう
な作用が生じる。 （１）本発明のバックラッシュ系制御器用調整装置は、
非線形システム制御に特有のリミットサイクルの振幅と
周期を分析し、その振幅と周期から同定したバックラッ
シュ幅から記述関数を定め、これを用いて所定の制御器
のパラメータを安定交点が適切な振幅と周期を表わす位
置に在る様に調整するので、バックラッシュの存在によ
りリミットサイクルが発生しても、これを低減するよう
にバックラッシュ幅同定とそれに基づくコントローラパ
ラメータの調整が行なわれるので、制御仕様にある振幅
と周期に近い制御特性へ直ちに改善される。 （２）本発明のバックラッシュ系制御器用調整装置は、
前記チューニング手段で選定した前記制御器のパラメー
タを前記制御器にオンラインで設定するので、リミット
サイクルが制御要求通りである振幅、周期の制御特性が
実現される。 （３）本発明のバックラッシュ系制御器用調整装置は、
前記リミットサイクル分析手段、前記同定手段、前記チ
ューニング手段および前記制御器をオンラインで機能さ
せ、前記制御器を常時調整し続けるので、経時変化によ
りバックラッシュ幅が増減したとしても、当該装置の機
能により常に適切なリミットサイクル状況に維持でき
る。また、プラント操業状態（流量、圧力等）が変わっ
たためにバックラッシュ幅が変化した場合でも、同様に
適応調整される。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態に係
る制御器用調整装置を上記制御系に適用した構成を示す
図である。図１において図３と同一な部分には同一符号
を付してある。

【００１２】図１において制御器用調整装置１１は、リ
ミットサイクル分析装置１２、バックラッシュ幅同定装
置１３およびパラメータチューニング装置１４から構成
され、リミットサイクル分析装置１２とバックラッシュ
幅同定装置１３は信号伝送線１６で連結され、バックラ
ッシュ幅同定装置１３とパラメータチューニング装置１
４は信号伝送線１７で連結されている。減算器２は伝送
線１５を介してリミットサイクル分析装置１２に連結さ
れている。これにより制御器用調整装置１１には、減算
器２から伝送線１５を介して制御偏差ｅが入力される。

【００１３】また、制御器用調整装置１１の出力情報で
あるゲインＫとリセット率Ｒは、パラメータチューニン
グ装置１４から出力され、伝送線１８を介してコントロ
ーラ３へ伝達される。可変パラメータ機能を有するコン
トローラ３は、受け入れたパラメータを上式（１）によ
る制御演算に適用する。

【００１４】制御器用調整装置１１におけるリミットサ
イクル分析装置１２は、操作中の制御偏差ｅの波形から
図５に示す振幅Ａと周期Ｔを分析する。なお図５におい
て、点Ｐに対応する振幅ＡはＡP で示されており、点Ｐ
に対応する周期ＴはＴP で示されている。

【００１５】振幅Ａを分析する方法として、十分長い評
価時間範囲における最大値から最小値を差し引く、等の
計算が適用できる。周期Ｔを波握する方法として、波形
と目標値ｒとが交差する時点を常時記録しておき、評価
時点から溯った直近の１点目の交差時点と、さらに溯っ
た２点目の交差時点との時間差を得る方法がある。周期
Ｔにばらつきがある場合は、周期Ｔの平均値Ｔ′を用い
る。

【００１６】振幅Ａと平均値Ｔ′の値は、リミットサイ
クル分析装置１２から伝送線１６を介してバックラッシ
ュ幅同定装置１３へ伝送される。図４に示す如き片幅ｘ
0 のバックラッシュ特性では、その記述関数Ｘは次式
（２）で計算される。このため、振幅Ａを変化させたと
き、−１／Ｘの複素平面上の軌跡（振幅軌跡と呼ばれ
る）は、後述する図２に示したようなものが得られる。

【００１７】

【数２】

【００１８】なお上式（２）は、例えば計測自動制御学
会編自動制御ハンドブック基礎編ｐ．２７６等に記載さ
れている公知のものである。図２は、バックラッシュを
含む制御系の安定性を判別するために使用する非線形制
御系の安定判別図である。バックラッシュを除く制御ル
ープの一巡伝達関数は、制御対象５の伝達関数Ｇとコン
トローラ３の伝達関数Ｃとの積Ｇ・Ｃで示されるが、ω
を変化させた場合にベクトルＧ・Ｃの先端が描くベクト
ル軌跡を同じ複素平面上に描くと図２に示すような軌跡
になる。

【００１９】あるコントローラパラメータ（Ｋ，Ｒ）の
場合のＧ・Ｃのベクトル軌跡が、図２にて実線イで表わ
されている（ゲインＫが大きい場合）。このときの振幅
軌跡（−１／Ｘ）との安定交点はＰであり、交点Ｐにお
ける振幅はＡp 、角周波数はωp である。

【００２０】振幅がＡp より小さい場合には、振幅軌跡
（−１／Ｘ軌跡）は、Ｇ・Ｃベクトル軌跡の外側になる
ため不安定で、振幅は次第に大きく成る。反対に振幅が
Ａpより大きい場合には、振幅軌跡はＧ・Ｃベクトル軌
跡の内側になり安定で、振幅は次第に小さくなり減衰す
る。かくして振幅Ａp に結局は落ち着き持続するので、
リミットサイクルとして持続することになる。

【００２１】このときリミットサイクルの振幅はＡp で
あり、周期はＴp ＝２π／ωp である。このようなリミ
ットサイクルが持続するとき、振幅Ａp と周期Ｔp が図
５に示す実プラント操業データＡ，Ｔと一致するよう
に、バックラッシュ幅ｘ0 をパラメータとして、−１／
Ｘの振幅軌跡を描いて探索を行ない、リミットサイクル
分析装置１２から伝送された操業データＡ，Ｔと一致す
るｘ0 を見出す。このようにして同定されたｘ0 が実プ
ラントのバックラッシュ幅に他ならない。このようなｘ
0 の同定をバックラッシュ幅同定装置１３で行なう。

【００２２】次に、同定されたｘ0 および振幅軌跡−１
／Ｘ(A) は、バックラッシュ幅同定装置１３から伝送線
１７を介してパラメータチューニング装置１４に伝送さ
れる。現状の操業状況が図５に示した如く、振幅Ａ＝Ａ
p と大きく、周期Ｔ＝Ｔp と短かく、振動が顕著である
とすると、コントローラパラメータ（Ｋ，Ｒ）の調整に
より解消する必要がある。本実施の形態では、パラメー
タ（Ｋ，Ｒ）の２次元平面上で探索を行ない、各探索点
毎に図２中に破線で示すベクトル軌跡Ｇ・Ｃ（ω）を描
き振幅軌跡との交点Ｑ（ＡQ ，ωQ ）を求める。

【００２３】そして、上記の探索点（Ｋ，Ｒ）の中か
ら、制御パラメータを（Ｋ，Ｒ）とした場合に予想され
るリミットサイクルの振幅ＡQ が現状のリミットサイク
ルの振幅ＡP に比べて十分に小さく、予想されるリミッ
トサイクルの周期ＴQ ＝２π／ωQ が現状のリミットサ
イクルの周期ＴP に比べて十分に長く、予想されるリミ
ットサイクルの様子が制御要求仕様に近く満足し得るも
のを選択する。これが本実施の形態における調整の一手
法である。

【００２４】次に、選定したコントロールパラメータ
（Ｋ，Ｒ）をパラメータチューニング装置１４から伝送
線１８を介してコントローラ３へ伝送し、制御演算に適
用する。すると調整の効果により、図６に示すようにリ
ミットサイクルが制御要求の通りである振幅ＡQ 、周期
ＴQ の制御特性が実現される。以上の動作を、オンライ
ンで常時、実行し続ける。

【００２５】以上のように本実施の形態では、図１に示
すように制御器用調整装置１１にてバックラッシュ系を
対象とするコントローラ３をオンラインで自動的に調整
する。本実施の形態の要点および特徴は以下の通りであ
る。 (1) リミットサイクル分析装置１２を設け、振幅と周期
を分析、把握する。 (2) バックラッシュ幅同定装置１３にて、上記(1) で分
析して得た振幅と周期からバックラッシュ幅を同定す
る。 (3) パラメータチューニング装置１４により、上記(2)
で同定したバックラッシュ幅から記述関数を定め、コン
トローラ（制御器）３のパラメータ（ゲインＫ、リセッ
ト率Ｒ）を安定交点が適切な振幅と周期を表わす位置に
存在する様に調整する。 (4) 上記(3) で選定した制御器パラメータを制御器３に
オンラインで設定し、当該パラメータにより制御演算を
行なわせる。 (5) 上記(1) 〜(4) の動作をオンラインで機能させ、常
時調整して継続する。

【００２６】上記手段(1) 〜(4) は、この順番に作用す
る。つまり、最初に(1) でリミットサイクル分析装置１
２が図５に示す操業中の波形ｙまたはｅから振幅および
周期を分析し把握する。次に、(2) で振幅と周期を手が
かりにバックラッシュ幅を同定する。続いて(3) では、
バックラッシュ幅を用いて記述関数Ｘを算定し、バック
ラッシュ以外の一巡伝達関数のベクトル軌跡と−１／Ｘ
の振幅軌跡との原点寄りの交点（安定交点）が、制御目
的からみて適切な振幅と周期を表わす位置に変わる様に
コントローラパラメータ（Ｋ，Ｒ）を調整する。これに
より、リミットサイクルの振幅を十分に小さくして、か
つ周期も十分に長い制御特性に変化させ、制御上の好ま
しい状態を実現し得るコントローラパラメータ（Ｋ，
Ｒ）を得る。

【００２７】そして(4) で、上記のようにして求めたコ
ントローラパラメータ（Ｋ，Ｒ）をコントローラ３に設
定して演算に適用する。(5) の特徴は、上記(1) 〜(4)
をオンラインで常時実行することであり、これにより、
リミットサイクルの振幅と周期が許容できる好適なもの
に常に維持される様に、コントローラパラメータが常
時、調整され続けることになる。

【００２８】なお、本発明は上記実施の形態のみに限定
されず、要旨を変更しない範囲で適時変形して実施でき
る。 （実施の形態のまとめ）実施の形態に示された構成およ
び作用効果をまとめると次の通りである。 ［１］実施の形態に示されたバックラッシュ系制御器用
調整装置は、非線形システム制御に特有のリミットサイ
クルの振幅と周期を分析するリミットサイクル分析手段
（１２）と、このリミットサイクル分析手段（１２）で
分析して得たリミットサイクルの振幅と周期からバック
ラッシュ幅を同定する同定手段（１３）と、この同定手
段（１３）で同定したバックラッシュ幅から記述関数を
定め、これを用いて所定の制御器（３）のパラメータを
安定交点が適切な振幅と周期を表わす位置に在る様に調
整するチューニング手段（１４）と、から構成されてい
る。

【００２９】このように上記バックラッシュ系制御器用
調整装置においては、非線形システム制御に特有のリミ
ットサイクルの振幅と周期を分析し、その振幅と周期か
ら同定したバックラッシュ幅から記述関数を定め、これ
を用いて所定の制御器（３）のパラメータを安定交点が
適切な振幅と周期を表わす位置に在る様に調整するの
で、バックラッシュの存在によりリミットサイクルが発
生しても、これを低減するようにバックラッシュ幅同定
とそれに基づくコントローラパラメータの調整が行なわ
れるので、制御仕様にある振幅と周期に近い制御特性へ
直ちに改善される。 ［２］実施の形態に示されたバックラッシュ系制御器用
調整装置は上記［１］に記載の装置であって、かつ前記
チューニング手段（１４）で選定した前記制御器（３）
のパラメータを前記制御器（３）にオンラインで設定す
る。

【００３０】このように上記バックラッシュ系制御器用
調整装置においては、前記チューニング手段（１４）で
選定した前記制御器（３）のパラメータを前記制御器
（３）にオンラインで設定するので、リミットサイクル
が制御要求通りである振幅、周期の制御特性が実現され
る。 ［３］実施の形態に示されたバックラッシュ系制御器用
調整装置は上記［２］に記載の装置であって、かつ前記
リミットサイクル分析手段（１２）、前記同定手段（１
３）、前記チューニング手段（１４）および前記制御器
（３）をオンラインで機能させ、前記制御器（３）を常
時調整し続ける。

【００３１】このように上記バックラッシュ系制御器用
調整装置においては、前記リミットサイクル分析手段
（１２）、前記同定手段（１３）、前記チューニング手
段（１４）および前記制御器（３）をオンラインで機能
させ、前記制御器（３）を常時調整し続けるので、経時
変化によりバックラッシュ幅が増減したとしても、当該
装置の機能により常に適切なリミットサイクル状況に維
持できる。また、プラント操業状態（流量、圧力等）が
変わったためにバックラッシュ幅が変化した場合でも、
同様に適応調整される。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、常に適切なリミットサ
イクル状況に維持することで、作業工数と経費を削減す
るバックラッシュ系制御器用調整装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る制御器用調整装置を
制御系に適用した構成を示す図。

【図２】本発明の実施の形態に係る安定判別図。

【図３】従来例に係るバックラッシュを含むシステムの
制御系の構成を示す図。

【図４】本発明の実施の形態および従来例に係る、バッ
クラッシュ特性を示す図。

【図５】本発明の実施の形態および従来例に係る、制御
系による制御状況を示す図。

【図６】本発明の実施の形態および従来例に係る、許容
できる制御状況を示す図。

【符号の説明】

１…目標値設定器 ２…減算器 ３…コントローラ（制御器） ４…操作端 ５…制御対象 ６，７，８，９，１０…伝送線 １１…制御器用調整装置 １２…リミットサイクル分析装置 １３…バックラッシュ幅同定装置 １４…パラメータチューニング装置 １５，１６，１７，１８…伝送線

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】非線形システム制御に特有のリミットサイ
   クルの振幅と周期を分析するリミットサイクル分析手段
   と、 このリミットサイクル分析手段で分析して得たリミット
   サイクルの振幅と周期からバックラッシュ幅を同定する
   同定手段と、 この同定手段で同定したバックラッシュ幅から記述関数
   を定め、これを用いて所定の制御器のパラメータを安定
   交点が適切な振幅と周期を表わす位置に在る様に調整す
   るチューニング手段と、 を具備したことを特徴とするバックラッシュ系制御器用
   調整装置。
2. 【請求項２】前記チューニング手段で選定した前記制御
   器のパラメータを前記制御器にオンラインで設定するこ
   とを特徴とする請求項１に記載のバックラッシュ系制御
   器用調整装置。
3. 【請求項３】前記リミットサイクル分析手段、前記同定
   手段、前記チューニング手段および前記制御器をオンラ
   インで機能させ、前記制御器を常時調整し続けることを
   特徴とする請求項２に記載のバックラッシュ系制御器用
   調整装置。