JPS5990103A - オ−トチユ−ナ - 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】 この発明はプロセス制御で用いられるＰよりフィードバ
ックコントローラのコントロールパラメータのチューニ
ングを自動的に行左うオートチューナに関するものでお
る。

従来Ｐよりコントローラのパラメータチューニングはフ
ィールドにおいてパラメータ設定用の設定ツマミ等を変
化させ、実際の制御変数の変動を観測しながら手動によ
シ実施されていて、計装とステムの調整作業の能率を左
右していた。

この発明ではこれらの欠点を除去するために。

パラメータチューニングのタイミングを自動的に決定す
ると共に制御系設定値にわずかのヌテツプ状試験信号を
加え、コントローラの入った閉ループ状態で対象系の入
出力を計測し、これを基に対象系の同定を実施し、この
推定結果に基づいてＰよりコントロールパラメータを一
意的に設定することによシ、短い時間で安定なオートチ
ューニングを自動的に行なうことを目的としている。

以下この発明によるオートチューナについて実施例を用
いて説明する。第１図はこの発明によるオートチューナ
の用いられる状況を示したものである。図中（１）は制
御対象でありその伝達関数Ｇ　（Ｓ）は、むだ時間りを
含む１次遅れ か、むだ時間を含、む２次遅れ のいずれかで近似できるものと考える。ここでＫはゲイ
ン、Ｔは時定数、ＡとＢは２次系パラメータと呼ばれる
。多くの制御対象が第（１）式や第（２）式で表わされ
ることが知られている。対象系（１）の出力Ｃを設定値
ｒに保つために制御器（２）を用いてフィードバック制
御する。（３）は減算器で通常コントローラ（２）と１
体となっている。ｔＪｊ　ｋ’！オートチューナで、こ
れからの試験信号ｄは加算器（６）により設定値ｒに加
えられ、実効的設定値ｐとなる。ｑ＆ま制御偏差、Ｕは
操作量である。制御器（２）はＰよりコントローラで伝
達関数Ｇｃ　（Ｓ）がで与えられる。制御パラメータＫ
Ｐ、　’ｒｌ・ＴＤはオートチューナ（４）により設定
される。

第２図はこの発明によるオートチューナの構成ブロック
図である。図中、ＯＢとａ’ｂは対象系（１）への入力
と出力に対応する′Ａ／Ｄ変換器、０３１はデータバッ
ファ、αａは同定器、（Ｉ９は制御）（ラメータ計算器
、（７）は系変化検出器、　ａｉｉｌはシーケンサで、
ａりは試験信号発生器である。

また、（５）はオートチューナ開始信号、＠は同定パル
ス、（ハ）はパラメータノくルス、Ｈは試験信号ノくル
スである。

以下各構成ブロックの動作を説明し、オートチューナの
機能が達成されることを述べる。

まずＡ／Ｄ変換器圓と０２の動作について説明する。対
象系ｆｉｌの入力ＵはＡ／Ｄ変換器σＢによシ、出力Ｃ
はＡ　／　Ｄ変換器α２によシ同じ時刻毎にサンプル周
期ＴＳによシ夫々ディジタル信号ＵｍとＣｍとなる。す
なわち Ｕｍ＝ｕ（ｍＴｓ）、　　（３ｍ＝ｃ（ｍＴｓ）　　　
　　（４１を表わしている。

次に系変化検出器（７）の動作について述べる。対象系
（１）を線形近似している平衡点が変化したシ。

構造やパラメータの変化が生じると制御偏差ｑに微妙な
バイアス分が発生し、Ｐよりコントローラ（２）の積分
要素に貯えられ、操作量の動作基準を変更してゆく。電
（ａｔ図はその状況を示したものである。この動作によ
ｐＰよりコントローラ（２）は多少の対象系（１）の変
化にも追従して一応の制御性能を示す特質をもっている
。ここで用いている系変化検出器（７）はこの性質を利
用したものである。すなわち偏差信号ｑよりその積分信
号 を計算する。対象系（１）が変化しなければ、　１ｕＩ
Ｉは一定の正数すを越えることはない。そこでオートチ
ューナ開始信号（５）を によシ生成し、この信号がＯＮとなればオートチューナ
（４）を起動する。

次にシーケンサα０の動作を説明する。オートチューナ
開始信号（５）がＯＮになると第４図に示した様に試験
信号パルス１２４）をＯＮにし、整定時間ＴＱの後に同
定パルス（２）をＯＮにする。この後同定器Ｉの計算時
間分の余裕をもった時間の後にパラメータパルス儲をＯ
Ｎにする。

整定時間ＴＱ　について述べておく。試験信号ｄが出力
されると対象系（１１の入出力ＵとＣは第５図のように
ステップ状に変化する。この際入出力が十分に整定し、
しかも可能な限シ短い時間を選び、・これを整定時間　
ＴＱとしである。そしてサンプル周期Ｔ９に対してのサ
ンプル点数Ｎを によ勺定義しておく。ただし〔・〕ガガラの記号である
。

次に試験信号発生器αηの動作について説明する。

試験信号パルスｔｐａがＯＮとなると第５図のように時
間ＴＢＯ後にＯレベルからｓＨのレベルまでに一定の傾
斜で立ち上るアナログ信号を発生（電圧等）する。時間
ＴＢとレベルＳＨは外部より操作者によシ設定できるよ
うにしである。

次にデータバッファαＪの動作について説明する。

サンプル周期’ｒｓ毎に更新されるディジタル信号Ｕｎ
とａｍを現在より過去（Ｎ−１）Ｔａ　までに亘りＴＯ
毎に更新させながら記憶する。ｍ　−Ｔｓ　ｔｚｒ：現
時刻とすると。

Ｘｋ　＝Ｕｍ−Ｎ−１−１−１−ｋ　　　　　　　　　
　　　（８）Ｙｋ　’＝　Ｃｍ−Ｎ−ｌ−１−１−ｋ　
　　　　　　　　　　　（９）（ｋ＝ｏ、ｉ、・・・、
Ｎ−１） によシバラフアメモリの値を更新するわけである。

ＸＮ−１はｃｍ、　　すなわち現在値を、ＸｏはＣｍ　
−Ｎ＋　１で（Ｎ−１）ＴＯだけ過去の値を表わしてい
る。データバッファ（Ｉｎの出力（２０＋はベクトル（
ｘａ、ｘｌ、・・・。

ＸＮ−１）を、出力ｔ２］＋はベクトル（Ｙｏ　１　Ｙ
’　ｔ　”’＋　ＹＮ−１）を表わしている。

次に同定器０４）の動作を説明する。同定パルス＠がＯ
Ｎとなると矢に述べる計算をする。

データバッフアロ３には対象系（１）の入力に関するデ
ータＸｏ＋　”　＋　”’＋　ｘＮ−１１対象系（１）
ノ出カニ関するデータｙｏ、　ｙｌ、・・・、ＹＮ−１
が貯えられている。

同定器α４はこれらの値を用いて対象系（１）のパラメ
ータに、　Ｔ、　Ａ、　Ｂ、　Ｌを推定する。次の様に
整数Ｂ Ｂ ＭＢ　＝、、　［五］　　　　　　　　　　０αを定義
しておく。

まず次の外、？ｍ　、　’ｆＢ、　＜ｌ＞ｎ　　を計算
する。

これらは入出力の最初と最後の整定値を与えるので、対
象系（１）のゲインＸの推定値にはで与えられる。

次に信号Ｘｋ、　３’ｋを （ｋ＝ｏ、　　１．　・・・、２Ｎ−１）により定義す
る。Ｘｋと７には夫々ＸｋとＹｌ（の値反転接続信号と
呼ばれる。

矢に角周波数ωに対するＸｌ（と７にのパワースペクト
ルの推定値↑Ｘ（ω）と％　（ω）とパワー伝送比？（
ω）を 争（ω）＝Ｐｙ（ω）／↑Ｘ（ω）　　　　　　シ０）
とする。さらに、関数 を計算する。対象系＋ｌｌの伝達関数Ｇ（ｓ）に対して
。

Ｇ　（ｉω）２−？（ω）　　　　　　　　　　ａｚと
なることが得られるので、対象系ｆｌ＋が第（１）式の
むだ時間を含む１次遅れであれば、第（１１式と第１２
１１式と第ｃ２Ｚ式とから Ｑ（ω）−Ｔ２Ｃ（８） となる。同じ様に対象系（１）が第（２）式のむだ時間
を含む２次遅れであれば ↑（ω）鴇（Ａ２−２Ｂ）十〇２Ｂ２　　　　　頴とな
る。次に観測時間ＴＱに対して角周波数分解能をω０と
して ω０＝π／ＭＴＱ　　　　　　　　　　器により定義す
る。ここでＭは１０〜３０　程度の整数とする。さらに ＭＴ　＝　３・Ｍ　　　　　　　　　　　（支））の様
に選定しておく。そして ｐｌ＝Ｐ（’ｌωｏ）（１＝１．２．・・・、　ＭＴ　
、　１へ２１ル）２７１ とする。とくに ？２Ｍ＝−！−（全２．−７十名Ｍ−Ｎ）　　　　　■
で定義する。この様にして （１＝１．２．・・・、ＭＴ） が得られる。

第一式を考慮して、対象系ｆｉ＋が第（１）式で与えら
れるものとすれば時定数Ｔの推定値Ｔはで与えられる。

また第１２舶式を考慮して対象系（１）が第（２）式で
与えられるものとすれば、４ど倉の推定値ＡとＢ＆ま（
ｏ、Ｏ）　　β〉０．　σ≦０ により与えられる。ここで７〉０の場合に。

’ａ”　＝　’；ｌ＋　２　Ｆ　　　　　　　　　　　
　”とする。αとβは次の２次式を最／ｈにするαとβ
を示している。

次にむだ時間を含まない系 Ｇｏ（°）＝１＋９ｓ０４１ ？ Ｇｏ（８）＝　１＋２ｓ＋！ｓ２”’ に入力Ｘｋ（ｋ”Ｏｒ　１　ｓ・・・、２Ｎ）を刃口え
た時の出力を夫々ｅｋｅ　　ｆｋ　とする。これら（ま
数イ直積分で求める。ＭＱを１０程度の整数として欠り
ようにオイラー法によシ逐次求める。

まず対象系（１１が第（１１式で与えられると考えた場
合には Ｊ、ｏ：：ｅｋ６ｏ＝Ｑ　　　　　（３６１（ｊ＝ｏ、
１．・・・、ＭＱ−１） ｅｋ＋１＝　ｅｋ、Ｍｑ−１ｔ３Ｂ） （””Ｏｔ　１　ｍ・・・） によシｅｋが得られる。

さらに対象系（１１が第（２）式で与えられると考えた
場合には ζに、Ｏ＝ζｋ”ｋ、［１＝ｆｋ’　　ζ。＝８．ｆｏ
＝ＯＣ１印Ｇ ’ｘ４ｏ、全４ｏ 、今〜０，１．・・・ｗ　　Ｍｏ−１）ζに＋１２ζに
、Ｍｑ−１ｆ４Ｚ ｆｋ＋１＝＝　ｆｋｌＭＱ−、ｔ４３ （””Ｏａ　１　ｍ　　・・・） によシ計算する。たたし、にく０でのｅｋとｆｋの値は
８としておく。

そして次の２式を定義する。すなわちむだ時間の無い場
合と有る場合の系の出力の誤差を表わす式である。

（ｊ＝ｏ　、　１　、　””ｔ　ｋＭＡＸ）ここでｋＭ
ＡＸはｋＭＡＸＴ８の値がむだ時間りよシ大きくなると
考えられる整数とする。工ｊとＪｊを最大とするｊを夫
々ｊｐ　、　ｊｓとする。このときＩ、ＩＦ≦、ＴＵＢ
ならば対象系は実は１次系であったとし、そうでなけれ
ば２次系とする。

そして Ｋよシむだ時間りの推定値とする。

そして同定器α少の出力は次の様に与える。すなわち ＫＥ　＝　ｆ　　　　　　　　　　　　　　　（４ηＬ
Ｅ＝＝↑　　　　　　　　　　　　　　閣とする。

次に制御パラメータ計算器（３）の動作を説明する。

パラメータパルスＯがＯＮとなると次の動作をする。コ
ントローラ（２）の伝達関数をＧａ　（Ｓ）とすると閉
ループ伝達関数Ｈ（Ｓ）は ＧＣＧ（５１ Ｈ（Ｓ）＝　１−１−Ｇｃ　Ｇ となる。このＨ（Ｓ）をλを正数として。

とするとコントローラＧｃ（Ｓ）は、　対象系（１）が
第＋１１式の場合には ＧＣ（Ｓ）＝ＫＬ（１＋ａ）（１十−）５３１Ｓ となり、対象系ｆｉｌが第（２）式の場合にはＧＣ（Ｓ
）−一に石（１＋ａ）　　（ｉ十土十ｕｓ）（５ａ＋Ｓ
Ａ となる。ここで ８＝λＬ　　　　　　　　　　　　　　　　５５１であ
る。すなわち第畷式も第（財）式もＰよりコントローラ
となる。第（５′ＩＪの右辺はＸの値に応じて過制動か
らオーバシュートを発生するような状態までのステップ
状の立ち上りを示し、ａが一定なら同じ形状を示すこと
が知られており、ａ＝０．８２５では閉ループステップ
応答がおよそ５チのオーツ（シュートを発生することが
知られている。そこで制御パラメータ計算器（３）では
次の様に制御パラメータを出力する。ただしａは ａ＝０．８２５　　　　　　　　　　　　　印を用いる
。

まず　Ｂｇ＝０の場合（１次系）。

ＴＩ：　ＴＥ　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｔ
５８１ＴＤ　：　Ｑ　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　（５９＋そしてＢＥ〜０　の場合（２次系）。

ＴＩ＝　ＡＥ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　Ｇ１１融　　　　　　　　　　　　　　曽 ＴＤ−ズｒ の様に出力しコントローラ（２）のパラメータを書きか
える。

この様な構成によυ、対象系の特性変化を自動検出シ、
シかもこの時志において対象系の特性を簡単に推定（同
定）シ、シかも単純でしかも一意的なＰよりパラメータ
の設定が可能となシ、オートチューナとしての機能が達
成できる。

以上の様に、この発明によれば計装設備におけるパラメ
ータのチューニング動作が自動的に実施できることにな
るので、計装の調整が容易になるばかりでなく、操作員
の個性に依るばらつきをおさえ信頼度の高い計装が構成
できることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はオートチューナの用いられる環境を示す図、第
２図はオートチューナ構成ブロック図。 第３図は系変化検出器の動作を説明する図、第４図はシ
ーケンサの動作説明図、第５図は試験信号と対象系入出
力信号の変化を示す図である。 図中、（１）は対象系、（２）はコントローラ、（３）
は減算器、（４）はオートチューナ、　ａｎ、　（１２
１はＡ／Ｄ変換器、　（１３はデータバッファ、αをは
同定器、　（１５１は制御パラメータ計算器、（７）は
系変化検出器、αｅはシーケンサ、　ｔ１７）は試験信
号発生器である。 なお０図中同一符号は同一または相当部分を示す。 代理人葛野信−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 各種フロセスで用いられるＰよりフィードバック制御系
   において、対象系への入力と出力の計測値を入力としこ
   れらを２つのディジタル信号に変換する第１と第２のＡ
   ’／Ｄ変換器ど、これらの２つのディジタル信号をその
   変換周期に同期して現在よシ一定の過去に亘ｐ記憶更新
   するデータバッファと５．制御量と設定値との偏差を積
   分した値を基にした対象系の特性変化検出器と、この特
   性変化検出器よシ発注するオートチューナ開始信号によ
   シ起動し、第１．第２．第３のパルスを発生するシーケ
   ンサと、第１のパルスに同期して上記データバッファの
   値を用いて制御対象パラメータを推定する同定器と、上
   記第２のパルスに同期して推定された制御対象パラメー
   タからＰより：７ントロールパラメータを出力する制御
   パラメータ計算器と、上記第３のパルスに同期して制御
   設定値に加えるべきステップ状試験信号を出力する試験
   信号発生器とからなり、Ｐよりコントロールパラメータ
   のチューニングの時期を自動的に決定し、設定値にわず
   かの変化を与えることによ多制御対象を同定し、それに
   よりＰよりコントローラのパラメータな自動設定するこ
   とを特徴とするオートチューナ。