JPS59151201A - サンプル値ｐｉｄ制御装置 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 との虻明は閉ループ制御中にプロセスの動特性を同定し
て、１ｆｆｉｌ定結果に基づいて最適な制御定数を自動
調整する機能を有するサンプル値ＰＩＤ制御装置に関し
、特に操業中のプロセスの特性変化を検出して自動的に
制御定数の再調整を行なうことのできるサンプル値ＰＩ
Ｄ制御装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

従来のサンプル値ＰＩＤ制御装置はオートチューニング
機能の再スタート装置がないため、人手ヲ介シてオート
チューニング機能の再スタートを行なわなければならな
い。そのため次のような問題点があった。

（１）　　プロセスの特性変化を作業員が常に監視する
必要があるので、人手が省けない。さらに、監視ノタメ
のレコーダ、モニタテレビなど高価な設備が要る。

（２）　　プロセスの特性変化に気付かないで操業した
場合、製品の品質低下、プラント効率の低下。

安全性の低下があり問題である。

（３）　　プロセスの特性変化に気（＝１いても、」−
トチューニング機能の再スタートを人手で行なうため、
速やかに調整することができない。

〔発明の目的〕

本発明は前記の問題点を解決するため、サンプル値Ｐ　
Ｉ　、Ｄ制御装置にプロセスの特性変化を検出する特性
変化検出部を具備して、プロセスの特性変化のオンライ
ン監視を行なうことによシ、従来必要としていた監視員
もしくは高価な監視設備を省くことである。さらに、プ
ロセスの特性変化のあった場合にオートチューニング機
能の再スタートを行々つて、常に最適な制御定数でプロ
セスを操業することである。このようにして、操業中の
プロセスの特性変化のオンライン監視から、制御定数の
調整を全自動化して、製品の品質低下、プラント効率低
下、安全性の低下のないプラントの操業ができ、さらに
、人手を省力化することのできるサンプル値ＰＩＤ制御
装置を提供することを目的とす、る。

〔発明の概要〕

本発明は、プロセスの特性が変化した時に目標値をパル
ス状に変化させると、モデル誤差が大きく変動し、プロ
セスの平衡点のみ変化した時に目標値をパルス状に変化
しても、モデル誤差が変わらないことを利用して分離す
る。さらに、この時ノ状態によりオートチューニング機
能の再スタートを行なわせるサンプル値ＰＩＤ制御装置
である。

〔発明の効果〕

本発明のサンプル値ＰＩＤ制御装置の効果を次に示す。

（１）　　プロセスの特性変化の検出を自動的にオンラ
イン監視できるので、人手を省くことができ、しか′も
高価な監視装置がいらない。

（２）　　プロセスの特性変化を見落しすることがない
ので、製品の高品質、プラントの安全性を常に保つこと
ができる。

（３）　　プロセスの特性が変化した場合の制御定数の
再調整作業を自動化できるので速やかな対応が行なえる
。しかも、このときの人手も省くことができる。

〔本発明の実施例〕

本発明の一実施例を第１図を用いて説明する。

第１図は本発明のサンプル値Ｐ　Ｉ　Ｄ　ｔｎｌＪ御装
置の構成を示すブロック図である。

制御対象のプロセス１は図のようにサンプル値１ｂ１」
御演算都と閉ループ系を構成する。図の、　（１）は目
標値、ｅ（１）は偏差、ｕ（１）は操作信号、ｙ（１）
はプロセス出力、ｄ（ｔ）はプロセスの平衡点の変わる
ような外乱を示している。なお０の中の文字ｔは実時間
の信号を示し、ｋはサンプラ４でサンプリングされた信
号を示している。

操業中のプロセス１はサンプル周期にごとに偏苦 差信号、　（ｋ）の小さくなるようにサンプル値制御演
算部５でＰＩＤ演算した操作信号Ｕ　（ｋ）　（ｕｏ（
ｋ）　＝Ｕ　（ｋ）　）をサンプルホールド２を介して
加えられて制御される。偏差信号ｅ（１）は加算点３で
目標値「（ｔ）とプロセス出力ｙ　（ｔ）を加えて得ら
れる。

次にサンプルｒ＋Ｋ　ｉＵ御演算ｇＩＳの制御定数を決
めるオートチューニング機能につしへては、「サンプル
値ＰＩＤ制御装置」特願昭５５−１１８０８０に詳しく
述べである。ここでは、概略を説明し、特に本発明に関
する特性変化検出部について詳しく述べることにする。

まず、オートチューニングを行なう場合サンプル値演算
部６に比例ゲイン、積分時定数、微分時定数の初期値（
Ｋｃｏ、　Ｔｉｏ、　Ｔｄｏ）を与え、さらにパルス伝
達関数同定部９のＦｏｒｇｅｔｔｉｎｇ　Ｆａｃｔｏｒ
λ、および同定信号発生部７の同定信号の振幅を決めて
、サンプル１ｔｈｐ　Ｉ　Ｄ制御装置の各ブロックに図
の点線のように起動をかける。

このようにすると、操作信号Ｕ。（ｋ）に閉ループ系の
プロセスの可同定条件を満たすバーシスチントリ・エキ
サイテングな同定信号Ｖ。（ｋ）が加えられて図のよう
にプロセスに注入される。

このとき、プロセスの入力信号Ｕ　（ｋ）とサンプラ８
でザングリンダしたプロセス出力信号ｙ　（ｋ）を後述
するパルス伝過関数同定部９で時系列処理することによ
り、２領域のパルス伝達関数を演算し、その結果を伝達
関数演算部１０でＳ領域のパルス伝達関数のＳの低次パ
ラメータから、サンプル値制御定数演算部１１でＰＩＤ
制御定数を演算して、サンダル値制御演算部５に設定す
る。

以上の処理をサンプル周期にごとに逐次性なうことによ
υ、制御対象のプロセスの特性に合わせた最適な制御定
数を決定することができる。

ここで、プロセスの同定が進んでいくに従って、Ｓ領域
の伝達関数のパラメータが一定値になるので、これを同
定終了判定部１８で判定してオートチューニング機能を
止める。

つまり、同定信号発生部７からの同定信号Ｖ。（ｋ）の
注入を止めることによシ、純粋に制御演算された信号Ｕ
ｏ（ｋ）のみをプロセス１に加えるようにする。

さらに、パルス伝達関数同定部９のｌｉ’ｏｒｇｅｔｔ
ｉｎｇＦａｃｔｏｒλを１．にする。（Ｆｏｒｇｅｔｔ
ｉｎｇ　Ｆａｃｔｏｒは０くλ≦１，０の範囲で設定す
る。λが大きいほど、ゆっくりと特性の変わるプロセス
を同定することができ、λ＝１．０は特性変化のないプ
ロセスを同定する） したがって、操業中のプロセスｌにはバーシスチントリ
・エキサイテングな信号がないのでプロセスの特性を同
定することができない。

次に、本発明の操業中のプロセス１の特性変化を検出す
る方法について詳細に説明する。

まず、本発明ではプロセス１の平衡点Ｄ　（ｔ）　ヲｔ
めて同定する、パルス伝達関数部９を用いている。

パルス伝達関数同定部９のプロセスモデルヲ第２図に示
す。

図のように、プロセスモデル、ノイズモデル。

および平衡点を変えるような外乱モデルを定めている。

ここで、Ｕ（ｋ）は操作信号ＮＺ（ｋ）は白色雑音、Ｄ
は直流信号、Ｙ　Ｑｃ）はプロセス出力とする。

第２図のプロセスモデルの同定は次式のようにして行な
うことができる。

凰−１ ｍＡ　　　ｍへ １）＝（１−ト　Σ　ａｉ）Ｙｏ　−Σ　ｂ　ｉ　Ｕｏ
　　　−−−−−−−・・　　（２）盪−】　　　　　
　　　ム−１ ここで、Ｙｏはプロセス出力の平衡点、Ｕｏはプロセス
入力の平衡点を示す。

（１）式を変形して ｙ（ｋ）−／ｊＴψＴ（ｋ−１）　＋ｇ（ｋ）・・・・
・・・・・（３）ン一（ａｌ　＋　”’　＊　ａｍ’　
ｂ＋　＋　”・＋　ｂｃＩ　＋　”’　Ｔ　ｃｌｌｌｌ
　Ｄ］”’（４１ｍ′ ψ（ｋ）＝（−ｙ　（ｓｃ−１）、・、　−ｙ（ｋ−ｍ
）、　ｕ（ｋ−Ｊｌ−１）。

−、Ｕ（ｋ−β−ｍ）　、　ｇ　（ｋ−１）、　”・、
　ｇ　（ｋ−ｍ）。

１〕　・・・・・・・・・（５） のようにして、同定を行なう。

ヘ プロセスのパルス伝達関数Ｇｐ（Ｚ−”）は次のように
なる。

Σ　ｂｉ　　Ｚ−’ ｍＡ　−１ １＋Σａ＋Ｚ −１ サンプル値ＰＩＤ動御定数はパラメータａｔ（ｉ＝１・
・・ｍ）　＋　Ｇ　（１＝＝　１・・・ｎ）によって決
定される。

本発明で用いたパラメータモデルの同定ではこの他にプ
ロセスの平衡点りも同定できる。

次に、本発明のプロセスの特性変化検出の方法を詳細に
説明する。

１】１■紀のように、プロセスの同定終了後はパラメー
タλ（ｚ−’）、　？３（ｚ−’）、　”６は既知にな
り、しかもプロセスの％件が変化しないかぎ９、あるい
はグ人力は測定できる。

（Ｙ（ｋ）　ｌ　、　（ｔＪ（ｋ）　）を使って、次の
ようにモデル誤差第１図の特性変化検出部１８が（力式
を演算するブロックである。

更に、本発明ではフィルタ演算部１４でモデル誤差を次
式を使って平均化し、さらにまた微分する。

τ（ｋ）−Σ゛η（ｋ−ｉ）／Ｎ −１ （Ｎ＝プロセスの時定ａ／サンプル時間）・・（８）△
η（ｋ）＝η（ｋ）−η（ｋ−Ｎ）　　・・・・・・・
・・　（９）操業中のプロセスに特性変化のある場合は
モデル誤差に直流分が発生する。またプロセスの平衡点
が変った場合にもモデル誤差に、直流分が発生する。

プロセスの平衡点のみ変わった鳴急にはＰＩＤコントロ
ーラによシレギュレーションサレるので問題はないが、
プロセスのケインや時定数の変った（プロセスの特性変
化）場合は再チユーニングする必要がある。

そこで、モデル誤差の発生したとき、プロセスのゲイン
や時定数の変化とプロセスの平衡点のみの変化を分離す
る必要がある。

この分離方法を第８図で説明する。図は本発明の特性変
化検出部１Ｂで得られたモデル誤差信号とフィルタ演算
部１４で得られたフィルタ出力を示す。図からつきのこ
とが判る。

つまり、モデル誤差は Ｏ）　プロセスの特・跣変化のあるとき、目標値をパル
ス状に変化すると、モデル誤差に大きな変動がある１ （リ　プロセスの一′ｌＬ衡点のみ変化したとき、目標
値？パルス状に変化しても、モデル誤差に変化がない。

さらに、フィルタ出力は （の　／ロヒスの特性変化、あるいは平衡点のスデソプ
変化時はパルスになる。定常時はゼロである。

（リ　目標値にパルス的変化を与えた場合、プロセスの
特性が変ったときのみパルスが発生する。

平衡点変化ではパルスが発生しない。

のようになることがわかる。

つまり、本発明では第８図の特徴を使って、壕ずフィル
タ演算部の出力が規定レベルを逸訳する／Ｓ）レスが発
生したかをコンローラ１６で判定する。

規定レベルを逸脱するパルスが発生した場合、コントロ
ーラ１５よシ特性変化確認パルスをＰＩＤコントローラ
の偏差１ｇ号の成虫点３に印加して、＋ｉｉｌ記フィル
タ演算部の出力に新たに規定レベルを逸脱するパルスが
発生するか否か検出する。つまり、特性変化確認パルス
を印加することによってフィルタ出力にパルスが発生し
た場合はプロセスの特性が変わったと判定して、前記オ
ー　トチューニング機能をトリガーして再チユーニング
を行なわせるように構成したものである。この処理を第
４図に示す。因から最初に手動でチューニングすれば、
操業中にプｒｆｆ−＋−スの特性が変わった場合でも速
やかに再チユーニングを行なうことができる。

コントローラ１５に具備した本発明のパルス判定回路を
第５図に示す１、図のように、フィルタ演算部の出力を
全波整流器１６で全波整流してコンパレータ１７で規定
レベルと比較し、２進カウンタ１８のクロックパルスを
生成する。同定終了後のプロセスに異常があれば、まず
ひとつめのクロックパルスで２進カウンタの低位ピット
（ｒ、　Ｓ　Ｂ　）がオン（・ζなるので、この信号で
ワンショットトリガー１　；　］、　９　’にオンして
アナログスイッチ２０ｆ７）ゲート１ｇ号ン作り、同定
信号の振幅と同じ特性変化確認パルスを発生する。次に
プロセスの特性が変わってい九ば前記コンパノー夕１７
からのふたつめのクロックパルスによって゛２進カウン
タ１８のに１位ビット（ＭＳＢ）がオンになるので、こ
の１号をワンショットトリガー３；２１に入力してチュ
ーニング内スタート信号を発生する。なお、特性変化確
認パルスを発生した後にふたっめのクロックパルスが発
生しない場合（つ捷り平衡点の変化であった」ｋ）合）
、ワンショットトリガー２；２２ｅＣよって一定時間後
に２進カウンタ１８をクリヤする。ざらにチューニング
を再スタートした場合も２進カウンタ１８をクリヤする
ようになっているー。

止た、図の規定レベルはコントローラ】５を介して夕１
部から設定するが　同定終了後のモデル誤差の値及びプ
ロセスの同定パラメータから演Ｘｔ。

て設定することもできる。

［：）上、詳ハ１１な説明で明らかなように、本発明の
ザンゾル値Ｐ　ｒ　Ｄ　Ｈｉｌｌ　ｍｌ置はプロセスの
特性変化にＸｉ、）〕てｔ目り、１的にオートチューニ
ングを行なえるので、常に最適な制御定数の設定ができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のサンプル値Ｐ　Ｉ　Ｄ開側ｌ装置の構
成を示すブロック図、第２図は本発明のサンプルｉ直Ｐ
　Ｉ　Ｄ　？ｌ１ｌＪ御装置で用いたパラメータ同定の
プロセスモデルの説明図、第３図は本発明のプロセスの
特性変化検出の説明図、第４図は本発明のサンプル値Ｐ
’ＩＤ制御装置のタイムチャート図、第５図は本発明の
特性変化判定回路の説明図である。 １・・・プロセス　　　２・・・サンプルホールド５・
・サンプル値制＠１演譜部 ７・・・同定１百号発生部 ９・・・パルス伝４関数同定部 １０・・・伝達関数演算部 １１・・・サンプル値制御定数演算部 １２・・・同定終了判定部 １３・・・特性変化検出部 １４・・・フィルター演算部 １５・・・コントロール部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）制御対象となるプロセスをサンプル値制御するサ
   ンプル値ＰＩＤ制御演算部を有するものにおいて、前記
   サンプル値ＰＩＤ制御演算部で制御される制御ループ内
   にバーシスチントリ・エキサイテイング信号からなる同
   定信号を印加する同定信号発生部と、この同定信号発生
   部で発生した同定信号を前記サンプル値ＰＩＤ制御演算
   部の出力信号に加算して得られる操作信号および、前記
   プロセスの制御量をサンプリングして得られるプロセス
   信号を入力して、これらの操作信号とプロセス信号から
   Ｍ記プロセスのパラメータを同定するパルス伝達関数同
   定部と、このパルス伝達関数同定部で得られるプロセス
   のパルス伝達関数のステノブ応答をラプラス変換した結
   果からラグラス演算子Ｓの領域の伝達関数を演算する伝
   達関数演算部と、この伝達関数演算部の演算結果から前
   記サンプル値ＰＩＤｔ１１１制御演算都のｉｌｉ制御定
   数を昇高するサンプル値制御定数演算部と、前記伝達関
   数演算部の□結果から同定終了を判定する同定終了判定
   部と、同定終了後の前記パルス伝達関数同定部のパラメ
   ータと同定終了後のプロセスの操作信号とプロセス信号
   から、プロセスのモデル誤差を演算する特性変化検出部
   と、この特性変化検出部の演算結果を平均化し、さらに
   微分するフィルター演算部と、このフィルター演算部の
   演算結果においてパルスの発生によりプロセスの真常を
   判定し、前記サンプル値ＰＩＤ制御演算部の入力信号で
   ある偏差信号を成牛ずる目標信号とプロセス出力信号の
   加算点に特性変化確認パルスを加えるコントロール部を
   具備し、さらに、このコントロール部で特性変化確認パ
   ルスを印加した直後の前記フィルター演算部の演算結果
   に新たなパルスの発生の有無を検出する手段およびパル
   スの発生した場合に制御定数を調整する機能をトリガー
   する手段を具備した構成を特徴としたサンプル値Ｐ　Ｉ
   　Ｄ　ｉｔｉ制御装置。