JPS5868106A - 調節器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、フィードバック制御系において、制御対象の
制御−゛の設定値（目標１１σ）からの偏差を打消すよ
うに、制御対象に与える操作−を調節するための調節器
に関イる。

このような調節器は、基本的には、制例対染に与える操
作ｔｙｉｔ）を次式にしたがって調節する。

ｙ（ｔ）　＝ｊ＜：ｐ（Ｚ（ｔ）　土石ｆＺ（ｔ）　ｄ
ｔ　＋　Ｔｄ　−痒’　）・・・・・・式（１） ここで、Ｚ（ｔ）は制御対置の制御量θ（１）の設定値
θＳからの偏差である。また、Ｋｐ、　ｒｉ、　’Ｉ’
ｄはいわゆるＰＩＤ定数で、それぞれ比例感覚、積分時
間、微分時間と呼ばれる。

また制御の目的や制御対豐の性格によっては、式（１）
の右辺の第２項を除いた（つ筐りＴｉ−■とした）式（
２）、第３項を除いた（っまりＴｄ　＝　Ｏとした）式
（３）、または第２項および第３項の両方を除いた式（
４）にしたがって操作１Ｗｙ（ｔ）を調節する場合もあ
る。

ｙ（ｔ）　＝　Ｋｐ　Ｚ（ｔ）　　　　　　　　　　　
　・・・・・式（４）式（１）による調節器がいわゆる
Ｐ　Ｉ　Ｄ　Ｉｎ器であり、式（２）　、ｔ３）、（４
）　ニ、１：　ルモ（７）　ｉｊ：　ＰＤ調ｉ得、ＰＩ
調節器、Ｐ調節器とそれぞれ呼ばれる。しかしいずれの
調節器であっても、基本的には式（１）によって操作ｔ
ｙ（ｔ）を制御していると考えることができる。

さて、フィードバック制御系において、制御対象の制御
ｔを設定値の変化や外乱に対して適切に応答させるにン
よ、制御対象の特性に合せてＰＩＤ定数を端適値に設定
する必要がある。しかるに従来の調節器は、ＰＩｌ）定
数を自動的に最適値に設定するようにはなっていない。

したがって、周知の限界感度法やステップ応答法によっ
て制御対束の特性を別途（で測７ｉ”シ、測定結果に基
づいて周知のジ−グラ−・ニコルスの調整条件などにし
たがってＰＩＤ定数の最適値を計算し、それを調節器に
設定するという面倒な手順を踏まざるを得なかった。

このような不便全解消する）こめには、［１ｌｌｄＩ器
の内η１（に、制御対象の特性の測定とＰ　Ｉ　Ｉ）定
数の最適イり！の算出とを自動的に行ケう機構をに、Ｉ
み込むこと／）ｉ考えられる。このような考え方にイ１
つだ調節器の一例は、特開昭５５−４９’７０６号公報
に開示されている。しかしこの調節器は、周・川のステ
ップ応答法をイ１」用しているため、実用上、っきのよ
うな問題点がある。

すなわち、ステップ応答法は＋ｊｉ制御対象が平衡状態
にある時点から特性測定を開始しなけｎぼならない。例
えば制御対象としてα気炉を考えた場合、一般的には炉
の電源を切ってから炉温かほぼ室温まで下がるまで長い
時間待って、特性測定（したがってＰＩＤ定数の決定）
を開始することになる。

これでは、長時間の稼動停止が許され５ない系では稼動
中に制御対象の特性を再画定してＰＩＤ定数を設定し直
すというようなことは事実上不可能である。また、外乱
の影響を避ける午めに制御対象の特注測冗を何回か繰り
返す必要がしなずしばあるが、ｌ１ｌｌＩ定全１回行な
う度に制御対象が平衡状態になるまで待たなければなら
ないので、制御対象の性質によっＣは特性測定に織する
時１１４１が著（−＜長くなっｒＬｔう。

したがって本発明は、制御対象が非平衡状態にあると色
からでも、制御対象の特性牙短時間に測定し、ＰＩＤ定
数の最適値を迅速に設？できるようにした調節器を提供
しようとするものである。

しかして本発明による調節器は、前記の式（１）あるい
は式（２）ないし式（４）によって操作嘔會調節する手
段のほかに、操作量をｔｐ！ｆ定の２イ１ム間でオン・
オフ調節する手段を備える。また、瞭作＃をオン・オフ
社−節しでいる期間において、制御対象の１１１１匈°
険のリミットサイクルを観測して、ルｌ　４卸対凌の１
特性に１４１」係するパラメータを検出し、そのパラメ
ータからＰＩＤ足数０最適値を求める一１１股と、求め
５− られたＰＩＤ定数１直を保持する手段とを備える。

そして当該調節器の連館の動作時、つオリ（１）式ある
いは式（２）　、’ｘいし式（４）によって操作量を調
節する期間においては、上記の保持手段に保持されてい
るＬ）ＬＤ定数の最適値を用いる。

以下、添付図面を参照１７ながら本発明の一実施例につ
いて詐明する。

第１図は、本発明にかかる調節器を示すグロック図であ
う。なお、本発明の調節器の各機能プロによっても、容
易に＄現でき、ｂが、説明を簡単にするた′６（ハード
ウェア手段のみで実現した場合を想定して以下説明する
。

第１図において、調節器１の出力を操作量ｙ　ｔｔ）と
し゛Ｃ制御対象２に入力し、制御対堰２の制御量θ＜１
）を検出器３によって検出して調節器１の入力側・ｌこ
戻すことにより、全体としてフィードバック制傳系會Ｎ
膚・戊している。っ 調節器１は、ＰＩＤ凋廂部１０、オン・オフ調節６一 部１１、定数演算部１２、偏差検出部１３、不揮発性メ
モ１月４を有する制御部１５、キー人力部１６、および
表示部１１から構成されている。

偏差検出部１３は検出器３より人力されるｄｔｌｌ　ｌ
５ｔｌ量θ（１）と、制御部１５より与えられる設定値
（目標値）θ８との偏差Ｚ（シ）を検出する。この偏差
２（１）はＰＩＤＩＤ調節部上０ン・オフ調節部１１、
および定数演算部１２にそれぞれ入力される。

当該ｖ４節器１の通常動作中は、制御部１５の制御下で
ＰＩＤＩＤ調節部上０（１）ないし式（４）にしたがっ
て操作前ｙ（ｔ）を調節する。との際、式（１）ないし
式（４）のｉ）　Ｉ　Ｄ定数として不揮発性メモリ１４
の特定アドレスに保持されているＰＩＤ定数＜ｉＬが用
いられるが、とのＰＩＤ定数値はキー人力部１６から入
力されたものか、あるいけ定数演′し）１部１２によっ
て算出されたものである。

ここで、式（１）によって操作１ｙ（ｔ）が調節される
モードをＰＩＤ　（比例＋積分十微分）動作、式（２）
によるモードをＰＤ（比例十微分）動作、式（３）によ
るモードをＰ■　（比例士積分）動作、式（４）　（ｔ
ｃよるモードをＰ（比例）動作と呼ぶ。どの動作モード
を選ぶかは、キー人力部１６より制御部１５に指定する
。制御ｓ１５は、指定の動作モードでＰＩＤＩＩＭ節部
１１が動作するように制御する。

オン・オフ調節部１１は制御部１５の制御下で、偏差Ｚ
（ｔ）を打消丁ように操作ｔｙｔｔｌを％宇の２値間で
オン・オフ調節する（このモードをオン・オフ動作と称
する）。制御部１５けキー人力部１６よりオン・オフ動
作モードが指定系扛だ時のみオン・オフ調幀部１１を作
動させ、後述のＰＩＤ定数の算出が終了するとオン・オ
フ調節部１１の作動を市める。

オン・オフ調節＃１１の作動中は、制御部１５によって
ＰＩＤＩＤ調節部上０辿は１Ｅめられる。

定赦演′ｑ部１２ば、オン・オフ調節部１１の作動中の
み制御部１５の制御ｆで作動し、偏差Ｚ（ｔ）によって
間接的に制御量θ［１）のリミットサイクルを４測し、
観測結果に基ついてＰＩＤ定数の般適値を算出する。乙
の最適値はどの動作モードで用いるかによって変ってく
るので、制御部１５より該当する動作モードの種類が定
数演算部１２に予め指定される。ｌ）　Ｉ　Ｄ定数の演
算が終了すると、その旨が定数演算部１２より制御部１
５へ通知される。との通知を９けると、制御部１５は定
数演算部１２より出力される定数値を不揮発性メモ１月
４の咳当勅作モードに対応のアドレスへ格納Ｌ７？のち
、オン・オフ調節部１１および定数演算部１２を停止さ
せ、ついでＰＩＤＩＤ調節部上０動する。

このように、キー入力部１６オン・オフ動作を指示する
と、調節器１の内部でＰＩＤ定数が自動的に算定されて
ＰＩＤ；ＩＪ１１節部１０に自動的に設定されその後、
指定のモードによる制御対象２の制御動作が始まるわす
である。

なお、定数演算部１２で算出されたρＩＤ定数値、キー
人力部１６から入力されたＰ　Ｉ　Ｄ定数値や設定値θ
ｓ１その他のデータは不揮発性メモ１月４に保持される
。したがって、調節器１の電源を切ってもこれらのデー
タは保存され、改めて人力する必要はない。不揮発性メ
モ１月４の内容や制御量θｉｔ）け、表示部１Ｔに任意
に表示させることができる。

つぎに、定数演算Ｗ５１２におけるＰＩＴ）定数の演９
− 算について、第２図を参照して説明する。

市１１ｔＩ叩系の解析では、ＩＩＴＩＩ御対束を“むだ
時間ｊ、十時定数Ｔの１次遅れ２．の要業として近似す
ることが多い。そこで、ここでもこの例にならって説明
する。

仮に、制御！　’１１ｆｔ＞がゼロの時点からオン・オ
フ調節部１１（第Ｈ’４）＋て起動がかけられたとする
。

ただし、あく寸で説明の便宜上でとのように仮宇し÷も
ので、任意の制１ｆｉｉｌ−ＩＮの時点から起動させて
もよ（八。

制御量θ（１）は時間ｔの峰］＠　ＩｙＣｊ、たがって
、第２ト■の実線２０に７おすように推移する。すなわ
ち、オン・オフ調節部１１が操作ｔ＃ｙ（ｔ）をオンし
て特定値ｙｏ、に設定すると、むだ時間り後から破線２
１で示す１次遅れの」カーブ〔θ（ｔ）＝θｍ（１−ｅ
″″砦）〕にしたがって制御−〇（１１が上昇する。制
御量θ（１）が設定＋Ｊｉυ３（θＳは本７「的に任意
の哨でよい）に到達すると（時刻ｔ１・）、偏差Ｚｔｔ
）がゼロになるから、オン・オフ調節部１１は操作１ｙ
（ｔ）をオフして特定値ｙｌ　（ｙｅ＞　ｙｔ’　）に
設定量ろ。この時刻からむだ時間りだけ経５１後の時刻
ｔ２士では制御項θ＋１）はｌ入違れの上昇カーブに沿
っ゛Ｃ上シ”Ｌを続、するが、時刻ｔ２からは１次遅九
の減資カーブに６１って卸−１１鎗θ（１）は下降する
。制御１＋（θ（１）が設定値θ８−土で下降すると（
時刻ｔ３）、オン・オフ調節部１１布操作ｍｙ（ｔ）を
再びオンする。むだ時間Ｔ、を、梯遇するまでは制御）
仕１７（ｔ）は−ド降しつづけるが、時刻ｔ４から再び
上昇に転じる。このようにして、制御Ｍθ（１）は三角
波状のリミットサイクルを貌ける。

ここで、リミットサイクルの（騒幅ａ１周期τ、負荷率
Ｉ（とのｊｉｉｌには次式の関係；うに成り立つ。ただ
し、負荷率１（けオン時間τ。１と周期τの比Ｔｏｎ／
。

である。

Ｌ＝Ｋ（１−１（）　　τ　　　　　　　・・・・式（
５）Ｖｒ＝ａ／θ□　　　　　　　　　　・・・・式（
６）また、周知のジ−グラ−・ニコルスの調整条件より
、ＰＩＩ）動作モードに対するＰＩＤ定数の最適条件は
次式で与えら１する。

Ｋｐ＝１．２／ＲＬ　　　　　　　　・・・・・式（７
）ｆ’１＝２Ｌ　　　　　　　　　　　　　・・・・・
式（８）ｒｄ　＝　０．５　Ｌ　　　　　　　　　　　
　・”＝式（９）ここで、１え＝０シｒで、らる。

式（５）　、（６１＜代入すると、式（７）〜・（９）
はつき゛のように変形される。

Ｋｐ　＝　１．２／ａ　　　　　　　　　　　・・・・
・式（７）Ｔｉ　　＝　２Ｋ　（１−［０τ　　　　　
　　　・・・・・式（８）′Ｔｄ　＝　０．５　Ｋ　（
１−Ｋ）τ　　　　　　・・・・・式（９）１つまり、
リミットサイクルからａｌ　τ、［（の各パラメータを
検出すれば、制御対象をＰＩＤ動作モードで制御するた
めのＰＩＤ定数の最適値が来着るということである。

しかして定数演算部１２は、偏差Ｚ（ｔ）から間接的に
制御量θ（１）のリミットサイクルを観測し、上記のパ
ラメータａ１　τ、Ｋを検出する。ただし、リミットサ
イクルは開始直後は不安定にケリやすいので、２サイク
ル目以降よりパラメータ全検出するのが一般的に望まし
い。また、外乱の影Ｉｉ！を゛６カ避けるために、リミ
ットサイクルの数サイクル分についてパラメータを検出
し、その平均値をとるのが一般ｖｃ　＊ｔ　ｔしい。そ
してこのようにして検出したパラメータａ１　τ、Ｋを
用いて式（７）７〜式（９）′の演′体全実行し、Ｉ’
）ＩＤ動作モードに対するＰＩＤ定数にρ、　’ｒｉ、
　Ｔｄの榊適値を算出する。ただし、Ｋ２Ｏ代りに比例
帯（１４ｐ）を呻：出するようにしてもよい。

なお、前述の式（７）’〜（９）′はＰより動作モード
に対するＰＩＤ定数の算出式であるが、他の動作モード
についても、ジ−グラ−・ニコルスの調整条件から同様
にして、パラメータａ１　τ、Ｋを用いてＰＩＤ定数を
書出する式を得ることができることは明らかであるので
、その詳細は省略すｂｏ−デた、以上の説明では“むだ
時間＋１次遅れ、。

の要素として制＄１対象を近イ１″Ｊしだ′ｔ＋ｘＸ高
次遅れの制御面対象（ｒｃ　ｒ）　ｌ〜で（４式（７）
′〜（９）′に多少の補正を加える必要がある。

以、ヒに述べたよう：て本発明の調節器にあっては制御
対象をオン・オフ４ｔＪ＋作で制御したときのリミット
サイクルから、制御対象の特性に関係−トるバ１３− ラメータを検出し、そのパラメータを用１ハてＰＩＤ定
数の愉適倣を算出してｒｔ安定する。かかる操作（・ま
制御対象がどのＬ′５な状態にある時からでも開始でき
、まだステップ応答法よりもはるかに短い時間で行なう
ことができる。しかも、操作時間が短いので本質的に外
乱の影響・デ受けにくい上、リミットサイクルの故ナイ
クル分に対する平均ｆ＋ｆ＋とじてパラメータを（を出
すれば、外乱の影響をほぼ完全１・で排除できる。

このよう（で、本発明は従来にない亨めて優れた調節器
を提供するも、って、その効果は絶大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の−’ｑ癩例を説明する走りのブロック
図、第２ｆｌｔ・ま“むだ時間＋１次ぶれ２．の”ｉＭ
御対束をオン・オフ動作モードで制御したとへのｉ１制
御着のレスポンスをイｉ）明するためのタイムチャート
である。 １　・・・調節’ＡＧ−，２・・・制御対象、３・・・
検出器１０・・・ＰＩＤ調節部、１１・・・オン・オフ
調節部、１２・・・定数演算部、１３・・・偏差検出部
、１４・・・不揮発性メモリ、１５・・・制御部、１６
・・・キー人力部、１７・・・表示部。 ％ｆ杵出出願人理化工簗株式会社 １５− ￥１３１図 手続補正書（自発） 昭和５６年１１月２０日 特許庁長官　島　田春樹殿 １．４１件の表示 昭和５６　年　　特許願第１６６１４８号２、名　称　
　　調節器 ３、　補正をする者 事件との関係特許出願人 ４、　代　　理　　人　　　１０５　　Ｐｆｋｔ０３　
　（５９１）−３８３３６、補正により増加する発明の
数 ７、補正の対象　発明の詳細な説明の欄（１）、明細書
中、第１２頁第１６行目〜第１７行目の「不安定になり
やすいので」を、「振幅、周期が安定しないので」と訂
正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 制御対象の制御量の設定値からの偏差ｚＢ）に対し、演
   算式 にしだがって　該制御対象に与える操作量ｙｔｔ）を調
   節する第１の手段と、該偏差Ｚ（ｔ）を打消すように該
   制御対象に与える操作量を特定の２値間でオン・オフ調
   節する第２の手段と、該第１と第２の手段を選択的に作
   動させる５１ｃ３の手段と、該第２の手段の作動中（（
   該制御対象の制＠責のリミットサイクルを隻測して該制
   儒対査の特性に関係するパラメータを検出し、そのパラ
   メータから上記演算式中の定数ｉ（ｐ、　Ｔｉ、　Ｔｄ
   の核制叫対象に対する最適・直を求める耳４の手段と、
   該第４の子役で求められた定数１′直を採番する第５の
   手段とを具備し、核部１の手段は核部３の手段で遺訳さ
   秩ると、上記演探式の各定数の値として該第５の手段に
   保持されている定数値を用いるようにして成るトｉＱ節
   器。