JPS5957303A - プロセス制御装置 - 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】 この発明は、フィードバック制御系とフィードフォワー
ド制御系とを組合せてなるプロセス制御装置に係り、特
にフィードバック制御系の調節出力により、フィードフ
ォワード制御系の係数を修正し、常にフィードフォワー
ド制御を最適化するプロセス制御装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

従来、プロセスを制御する場合、フィードバック制御が
重要な役割を果しているが、このフィードバック制御方
式は制御結果のみに着目しており、結果を見て、制御偏
差が出てから、始めて修正制御するので負荷−動などの
外乱に対して制御が乱れてしまうという大きな不可避的
欠陥を持っている。

そこで外乱を測定して、外乱の影響が制御量に現われる
前に、先廻りして外乱の影響を補償するフィードフォワ
ード制御系をフィードバック制御系に組み込んで外乱に
対する制御特性を向上するようなプロセス制御装置があ
る。一般的には第１図に示すような回路構成をとる。

比較部１０で設定値Ｖと制御量Ｘを比較し節演算した結
果を加算部工３に導く。

一方外乱信号りは外乱の伝達関数部１４を通じて、制？
ｉｌ’ＵｔＸに影響を及ぼすので、この影響を打消すよ
うに補償するフィードフォワード伝達関数部１５を経由
して、外乱補償信号を前記加算部１３で先のフィードバ
ック制御系の調節出力信号に加算したのち、操作信号と
して制御対象１６に加えて制御し、　この割面ｊ対象１
６の出力と外乱の影響が合成されて制御量Ｘとなる。

ここで外乱りの影響を完全に打消すためにはフィードフ
ォワード伝達関数部１５は但し　ＧＦ・・フィードフォ
ワード伝達関数ＧＤ・外乱→制御附間の伝達関数 ｃ＋ｐ・・・操作歌−制御暇の伝達関数となり、外乱・
制御対象ともに、−次遅れで表わすと、 但しＫＤ、ＫＰ・・・係数 ’Ｌ’Ｐ　、　ＴＤ・一時遅れ Ｓ・・・・・・・・・・・ラプラス変換数子となりフィ
ード・フォワード伝達関数ＧＦは（１）式により となり、実用的にはこの（２）式で充分で、こ（伝達関
数ＧＦが一般的に用いられる。

常状軸における物質収支・１、熱収支で求めらｒプロセ
スのある定常状岬における値を代表した定値となってい
る。

〔背景技術の問題点〕

しかしながら実際のプロセスでは、この外乱補償係数Ｋ
が定値をとらず、必ず不規則的に変化する。つまり間接
的外乱要素である経時的特性変化・内外の物理量、化学
成分量の変化、周囲温度の変化、測定していない外乱要
素の影響などにより、外乱補償要素には不規則に大きく
変化し、折角のフィードフォワード制御の効果を最大限
に発揮できないという致命的な欠陥を持っている。

外乱補償をフィードフォワード制御が最適に行なわれて
いる場合は、フィードバック制御の調節出力信号、つま
りフィードバック制）　　御による修正は零となる。し
かしフィードフォワード制御が上記のような要因で最適
値からズレれば、ズレるほどフィードバック制御による
修正が大きくなって来て、これより、し、　　外乱が変
化したとき、フィードフォワード制御では、外乱の変化
を補償しきれず、どうしても、フィードバック制御側で
の修正が増して行くので、外乱の影響が出るとともに、
これをフィードバック制御で修正することになり、整定
に時間を要することになる。

結局、折角のフィードフォワード制御の効果が完全に生
かし切れず、制御の質が低下し、負荷変化などのときに
、制御が乱れ、過渡品質の低下をまねく。

最近は、原料・燃料の多様化、製品の多様化、経済環境
変化による操業率の変化にともなう負荷変化、プロセス
の多目的化などにより、特にフレキシブルな生産手段が
要望される。

〔発明の目的〕

この発明は以上の様な従来技術の欠点を除去しようとし
で成されたものであり、フィードフォワード制御の外乱
補償係数をフィードバック制御系の調節出力信号に乗じ
て自動的に最適修正し、フィードフォワードが常に最適
に行なえるプロセス制御装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するため、この発明によれば、プロセス
制御系の制御量および外乱を検出して外乱の変化に対応
し、しかも時間進みまたは時間遅れを有する４１号に、
制御はと設定値が一致するように比較調節演算した出力
信号を乗じた信号で、操作端を制御し、または２次調節
ループの設定信号とするように構成し、フィードフォワ
ード制御系とフィードバック制御系との組合を最゛適に
したものである○ 〔実施例〕 以下本願の発明を第２図から第５図を用いて説明する。

第１図の従来の構成と同一機能を有するブロックには同
一番号を付し、その説明を省略して説明する。

第２図において、第１図の構成と相違する部分は、加算
部１３を乗算部１７にした点である。

この乗算部１７は フィードバック制御系の調節出力信号Ｃ−×の計算演算
し、結果を操作信号あるいは２次調節ループ系の設定信
号として出力する。

つまりプロセスの状況変化により、外乱補償係数Ｋが最
適値とならなくなると、設定値と制御量に差が生じ、こ
の差が調節部１２　に入力され、この調節部１２から設
定値Ｖと制御＠Ｘとの差が零になるような調節信号が生
じる。乗算部１７はフィードフォワード成分信号に調節
信号が乗じ結果を操作信号２２　とし。

て与える。最終的には設定値と制御量との差が零に収束
する。これから明らかな通り、外乱補償係数にと調節信
号との積値がプロセスの状況変化によるフィードフォワ
ード制御系の最適な係数値であり、見掛の上で外乱補償
係数Ｋが最適値に自動修正されたのと同じことである。

修正された外、＆補償係数Ｋを用いているのでフィード
フォワード制御が最適に行なえる。以上から明らかな通
り外乱が変化したときは常に限界の制御特性が得られ、
前述のフィードフォワード制御の欠点もすべて解消され
得た。

第３図は第１図・第２図の一部を変更したもので、第２
図と同一機能をもつ回路に同一番号を付し、その説明を
省略し、相違する箇所のみ説明する。その相違する箇所
は、第２図のフィードフォワード伝達関数部を静特性補
償分と動特性補償分に分離する構成にするものである。

すなわち第２図におけるフィードフォワード伝達関数Ｇ
Ｆは として表わされ、静特性補償分のＪくと、動特のような
特性を有するようにするだめ第３図のフィードフォワー
ド伝達関数部は、外乱補償係数器に１８−１の出力を加
算回路１８−２の主回路１８−４からなる直列回路の不
完全微力回路の入力（ＩＩ＋にそれぞれ接続し、この直
列回路の出力端を前記加算回路１８−２の他方の入力端
とを接続し、この加算回路１８−２からフィードフォワ
ード成分信号を導くものである。

次にこのような構成のプロセス制陣装置の・作動を説明
する。

外乱補償を杓なう場合には、ツイードフオことかできな
い。つまり不感帯、上下限制限方向性が持たせられない
。そこでフイードフ特性補償分に分離し、その動特性補
償分が零を中心とした４Ｎ号となる９、ことを利用して
不感帯・Ｆ′、”Ｆ限制限方向性を持たせるようにして
、フィードフォワード制御をプロセスの特性おえるよう
にする。

第４図は第１、第２、＠３図の一部を変更したもので第
３図と同一機能をもつ回路に同一番号を付し、その説明
を省略し、相違する箇所のみを説明する。その相違する
箇所は、フィードフォワード伝達関数部１８と調節部１
２で、フィードフォワード伝達関数部は、動特性補償分
の大きさを上、下限判別部１９で判別し、所定範囲を越
えたとき判別信号を出力するように構成する。また調節
部１２は、速度膨潤節部１２−１と、スイッチ１２−２
を介して速度膨潤節部の調節信号を入力する速度影信号
／位置形伯号変換部１２−３とから構成され、スイッチ
１２−２は、前記判別信号に応動して開閉され、判別信
号発生時にオフとなって速度膨潤節部１２−１と速１ｆ
ｊ−影信号７位置形信号変換部１２−３とを切り離す。

なおこのとき速度形４Ｍ　？ｉ　７位置形信号変換部１
２−３の作用により調節部の出力はスイッチがオフとな
る直前の速度膨潤節部の出力にロックされ、直前の定値
に保持される。

次にこのように構成されたプロセス制御装置の作動を説
明する。外乱がステップ状に急変した場合には、フィー
ドバック制御の調節出力による修正が邪魔になる。つま
りフィードフォワード制卸の係数は、常にフィードバッ
ク制御の調節出力で自動修正され、最適状態に保たれて
いる状態でステップ状の外乱が入ったときに現状の安定
状態から次の安定状態に必要な、操作出力信号はフィー
ドフォワード制御部分から求められ、フィードフォワー
ド制御の調節出力信号は余計な修正を与えることになる
。従って、動特性補償分の不完導通となり、フィードバ
ック制御の調節出力信号をロックしてフィード、バック
制御を切りはなし、シイードフォワード制御のみとする
。

このように動特性補償信号の大きさによって、フィード
バック制御とフィードフォワード制御を選択組み合せす
ることより外乱の急変に対する過渡制御特性を大きく改
善する。

第５図は８４図の一部を変更したもので第４図と同一機
能をもつ回路に同一番号を付し、その説明を省略し、相
違する箇所のみを説明する。その相違する箇所は、判別
信号か生じている間に１度だけ速度＃　（ｉ　Ｑ　／位
置形４ｇ号変換部の入力端に設定値と１ｔｉｌｌ　ｒｉ
Ｒ１量との差または速度膨潤節部の出力を加えるように
したものである。第４図に示される調節部に次の内容の
機能を追加する。

スイッチ１２−２と速／＆　形（、ｊ　号／　位、影信
号変換部１２−３との間に加林部１２−４を設ける。

設定値と制１１ｉ１との偏差信号に係数部２０　　で係
ａ％乗じて得た信号をオン・オフするワンショットスイ
ッチ２１−１を介してきた信号とスイッチ１２−２を介
してきた速度影信号とを加えた値を速度形”　号／　位
ＩＮ形信号変換部の入力側に与える。そして、判別信号
によって作動するワンショット回路２１によって前記ワ
ンショットスイツｙ−２１−］を一時閉じるようにする
。

次にこのように構成されたプロセス制御装置の作動を説
明する。

第４図のプロセス制御ｌｉ１装置では：１ｉｌｌ　ｒｉ
［’、］偏差のある状態で、ステップ状の外乱が人って
、フィードバック制御を切りはなし、フィルドフォワー
ド制置のみとすると、現在の安定状１−リから次の安定
状態に移ったとき、やはり制１）１１偏差はそのまま残
ってしまけ、その分だけ、整定時間が遅れてしまうこと
になる。

この欠点を除去するために、動特性補償出力信号が所定
範囲をこえると、」二下限判別が作動し、その接点が非
導通となるとともに、同家４１ ワンショット’ｑ−ａｒ仝作動さぜ、　そのワンショッ
ト・スイッチをパルス的に作動させ、制御を修正するこ
とにより、制御偏差が残留し７ないようにし、整定時間
を短縮し、過渡制御特性を大きく向上させる作用効果が
ある。

〔発明の効果〕

この発明によれば■、フィードバック１１？！Ｉ　１ｉ
ｌｌｌ系の調節用カイｑ号によってフィードフォワード
制６１１１系の外乱補償係数値が自動的に修正されて最
適な値に維持され、フィードフォワードの欠点が解決で
きた。■、フィードフォワードの伝達部を静特性補償分
と不完全微分の動特性補償部に分離し、動特性補償部が
零を中心とした信号となることを利用して不感帯。

北限ｆｌｌｌ限、方向性を持たせることができ、フィー
ドツメワード制６１１ｊをプロセスの特性および割部１
のニーズに合せて限界制御が行なえる。

■、外乱かステップ状に急変した場合には、フィードバ
ック制御ｆｌｌｌの調節出力による修正が邪魔になる。

つまりフィードフォワード制約の係数は、常にフィード
バック制御の調節出力で自動修正され、最適状態に保た
れている状態でステップ状の外乱が入ったときに現状の
安定状態から次の安定状態に必要な操作出力信号はフィ
ードフォワードＦｌｉｌｌ仰部分から求められ、フィー
ドフォワード制御の調節出力信号は余計な修正を与える
ことになる。しだがって上下限判別回路が作動し、その
接点が非導通となってフィードバック制６川の調節出力
信号をロックしてフィードバック制簡を切り離し、フィ
ードフォヮ−１・°制簡のみとする。

このようにして動特性補償信号の大きさによってフィー
ドフォワード制御とフィードバック制御を選択組み合せ
することにより、外乱の急変に対する過渡制御特性を大
きく改善する。■、動特性補償出力信号がＩツ「定範囲
を越えると上下限判別回路が作動し、その接点が非導通
となるとともにワンショット回路を作動させ、そのワン
ショット回路のスイッチをパルス的に作動させ、制御偏
差に係数を乗じた信号を１回のみ加算部で加所するよう
にして、制御偏差が残留しないようにし、整定時間を灼
縮し、過渡制御特性を大きく向ヒさせる等の効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のフィードフォワード制（財）系とフィー
ドツメワード制＠ｊ系との組み合せたプロセス制御装置
のブロック構成図、第２図は本願発明のプロセス制御装
置の構成をブロック的に示す図、第３図乃至第５図は本
防４発明のプロセス制御［ｌｊ装置の他の実施例をブロ
ック構成にして示す図である。 １３・・加算部、　　　　１７・乗垢部、１８　　・不
完全微分の動特性補償部、１９・・・ｈ’Ｆ限判別回路
、　　２０・・係数回路、２１　　・ワンショット回路 代理人　弁理士 則近憲佑 ばか１名 第　　　１　　　図 第２図 第３図 り 第　　４　　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　プロセス制御系の制御量と設定値が一致するよう
   な調節信号を出力する調節部と、外乱を検出し、この外
   乱の変化に対応したフィードフォワード成分信号を出力
   するフィードフォワード伝達関数手段と、前記調節部の
   調節信号をフィードフォワード成分の信号に乗じたフィ
   ードフォワード成分信号を出力する演算部とを備え、演
   算部の出力を操作端の制御信号あるいは２次調節ループ
   の設定信号とすることを特徴とするプロセス制御装置。 ２、　フィードフォワード伝達関数手段は外乱に対する
   静特性補償を行なう外乱の変化に対応した信号と、外乱
   に対する動特性補償を行なう外乱の変化に対し時間進み
   または時間遅れを有する信号とに分離し、この動特性補
   償分の信号に不感帯、上下限制限、方向性等を持させて
   たのち上記静特性補償分の信号に加算してなる信号をフ
   ィードフォワード成分信号とした特許請求の範囲第１項
   記載のブ【アセス割部ｊ装置。 ３、調節部は動特性補償成分が所定範囲を越えた場合に
   、調節信号を直前の値にロックするようにしたことを特
   徴とする特許請求の範囲第２項記載のプロセス制御装置
   。 ４　調節部は、動特性補償分が所定範囲を越えた場合に
   調節部の出力をロックするとき、制御偏差に比例した信
   号を１回のみ加算した信号を調節信号とする特許請求の
   範囲第３項記載のプロセス制御装置。 ５　フィードフォワード手段は、外乱を検出し、外乱の
   変化に対応し、時間進みまたは時間遅れを有する信号を
   出力する特許請求の範囲第１項記載のプロセス制御装置
   。