JPS60218104A - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、制御対象を安定にコントロールする制御装置
において、とくに制御対象の動特性変化に対して、制御
系の制御性能の劣化の少表い制御装置に関する。

□〔発明の背景技術とその問題点〕 プラントの流量、温度、圧力などのプロセスを安定に制
御するには、制御装置の制御定数をプロセスの動特性に
応じて適切に設定する必要がある。さらに最近では、プ
ラントの省エネルギ、高効率運転にともない、制御対象
の動特性が大きく変化する場合が増加している。このよ
うなとき、これまで制御の現場では、最も安全側の制御
定数で固定して用いるケースと、動特性変化に応じて制
御定数を変化させて用いるケースとが採用されて゛いる
。前者の制御定数固定　７方式の場合は、動特性変化に
よシ、安定性や外　゛乱抑制力などが劣化するばかりで
永り、ハンチングや発振が生じ、プラントの一部を破損
してしまうことがある。

このような事態を避けるために用いられてきたのが、後
者の動特性変化に対する適応制御方式である。この適応
制御方式についても、第１図に示すような２つの方式が
知られている。第１図（、）は、ゲインスケジュール制
御方式であシ、一方（ｂ）はモデル規範形適応制御方式
である。第１図（、）のダインスケジュール制御方式は
、目標信号ｒ（ｔ）によって制御対象Ａ’ｔコントロー
ラＢで制御するのに、制御対象Ａからの補助信号を入力
してゲインスケジー−ルＣによシ、コントローラＢの制
御定数を制御するもので、事前に制御対象Ａの動特性変
化の因果関係が知られており、さらに、動特性変化に対
応した信号が測定できる場合に採用される方法である。

あらかじめ、作成しであるグインスケジー−ル朗にシタ
がって、制御定数を変化させることによシ、良好な制御
性能を維持することができる利点はあるが、予想外の動
特性変化があった場合とか制御対象の動特性変化が測定
できない場合には使用できなりという問題点がある。

一方、第１図（ｂ）のモデル規範形適応制御系は、制御
対象の動特性が未知の場合に用いる制御方式であり、制
御系のモデルＤｉ備え、そのモデル出力と、制御系の出
力との誤差が零に収束するようにコントローラＢの制御
定数を適応制御部Ｅで適応的に訴整する制御方式である
。このモデル規範形適応制御系は、動特性が未知の場合
に用いることができる利点はあるが適応するのに、ある
程度の時間がかかるばかシでなく、適応動作が始まった
直後に、操作信号が大きく変動する。また、未知外乱や
観測ノイズを受ける場合には、適応調節部Ｅが動特性変
化であると、あやまって判断して動作し、コントローラ
Ｂの制御定数が誤修正される危険があるなど、未解決の
問題も少なくない。

〔発明の目的〕

この発明は、制御対象の動特性の上限値と下限値が与え
られたとき、この範囲内の動特性変化に制御性能の劣化
が低感度（または口・々スト）な制御装置を提供するこ
とを目的としている。

〔発明の概要〕

本発明は、通常の制御系を構成するコントローラの他に
、制御系の望ましい応答を行ガうダイナミックモデルを
陽に用い、通常の制御系の出力と、ダイナミックモデル
の出力との誤差すなわち、出力誤差信号を積分、比例、
微分演算からなる出力誤差補償器により補償された信号
を制御対象の操作信号に重畳するようにフィードバック
するように構成した制御装置である。

しかも、制御対象の動特性ノ４ラメータの上限値と下限
値を入力して、この制御系に適したダイナミックモデル
の係数と、コントローラの制御定数と、出力誤差補償器
の補償定数とが自動的に規定できる機能が付加された制
御装置である。

〔発明の効果〕

通常の制御系の他に、制御系のダイナミックモデルを設
け、制御系の出力とモデル出力との５− 出力誤差を出力誤差補償器でめ、この出力誤差補償器の
出力信号を操作信号に重畳するようにフィードバックす
る構成となっているので、制御系全体が、制御対象の動
特性変化に対して低感度（あるいはロバスト）となるば
かシでガく、制御系に印加される外乱に対しても、その
抑制力が強化される。また、目標値から出力間の伝達特
性を常に、用いたダイナミックモデルの動特性に漸近さ
せることができる。しかも、制御対象の動特性パラメー
タの上限値と下限値にもとづして、ダイナミックモデル
とコントローラと出力誤差補償器とで制御するようにし
ているので、制御対象の動特性の上限値と下限値内の変
化に対して、ロバストに々る。したがって、コントロー
ラのｒインスケジュールを行なう必要もなければ、モデ
ル規範形適応制御系のように動特性変化に時々刻々適応
させる必要もないので、過渡変化もおだやかで、しかも
、なめらかな応答が得られる。

６一 〔発明の実施例〕 第２図は、本発明の一実施例の制御装置を用いた制御系
を示すブロック図である。

制御対象１の伝達関数をＧｐ（ｓ）とする。Ｕ（ｔ）が
制御対象１のコントロール操作信号、ｙ（ｔ）は制御対
象１の出力信号である。ｄ（ｔ）は、制御対象１の未知
外乱である。ｒ（ｔ）は、制御系の目標値信号であり、
減算器２で出力ｙ（ｔ）との偏差ｅ　（ｔ）が演算され
る。主積分演算器３は、偏差ｅ（ｔ）を入力して、次な
る演算を行ないαｅ（１）なる出力信号を生成する。

Ｕ　、（ｔ）＝−・、（１）　・・・・・・第１弐なお
、Ｋは積分子インである。

一方、フィードバック補償器４では、ｙ（ｔ）を入力し
て、次なる演算を行ないＵ、ｆｌ）なる出力信号を生成
する。

ｕ　ｆ（ｔ）　＝　Ｆ（８）　・ｙ　（ｔ）　−・・第
２弐Ｆ（ｓ）　＝　ｉ　ｏ十ｆ　１　ａ＋・・・・・・
　・・・・・・第３式制御系のダイナミックモデル演算
器５では、目標値ｒ（ｔ）を入力して、次なる演算を行
ないモデル出力ｙＭ（ｔ）を生成する。

ｙＭ（ｔ）　＝　ＧＭ（１）　・ｒ（ｔ）　−・・第４
式％式％）） ・・・・・・第５式 第２番目の減算器６は、制御対象１０出力ｙ（ｔ）とモ
デル出力ｙＭ（ｔ）との差を演算して、出力誤差信号ε
（１）を発生させる。

＃（ｔ）　−ｙ（ｔ）　ｙＭ（ｔ）　’　・・・・・・
第６式出力誤差補償器７は、出力誤差信号ε（１）を入
力して、次なる演算を行ないＬＪｇ（ｔ）信号を生成す
る。

Ｅ（８） ｕ、（ｔ）−一・ε（１）　・・・・・・第７式Ｅ（ｓ
）＝　Ｋ（１＋（Ｆｓ十α２（σ１Ｉ）２〕・ｒ・・曲
第８式ただし、ｒ、はロバスト性に関連するのでロバス
トゲインと称することにする。

次、に、加算器８は、ｕｆ（ｔ）信号とυε（１）信号
を加算して、ｕｒ（ｔ）信号を生成する。

ｕＦ（ｔ）＝ｕバｔ）　十ｔＪ　ｇ（ｔ）　””・・第
９式第３番目の減算器９では、ｕ　ｅ（ｔ）とＬＪＦ（
ｔ）との信号の差を演算して、操作信号υ（１）を生成
する。

ｕ（ｔ）　＝　ｕ、（ｔ）　−ｕｐ（ｔ）　・・曲　第
１０式設計ブロック１ｏヤは、制御対象１の伝達関数Ｇ
ｐ（ｓ）の分母系列系数ｇｉ　（ｉ＝０　、１　、２　
、川）Ｇｐ（ｓ）＝１／（ｇｏ十ｇ１ｓ＋ｇ２ｓ２＋ｇ
３ｇ’十・＝）・・・・・・第１１式 の上限値η（１＝０．１，２．・・・）と下限値！１（
ｌ＝０．１，２．・・・）および応答形状係数αと動作
条件６ＰＩＮＤＥＸを入力して、α１（１＝２．３．・
・・）、σ。

Ｋ、ｆｏ、ｆｌとロバストゲインｒを以下のように９− ただし、ＭｉｎＣ′Ｘ、ｙ〕は、Ｘ　＋　ｙのどちらか
小さい方という意味である。

６ＰＩ冊ＥＸ＝Ｉ−Ｐ動作の場合　 ５ＰＩＮＤＥＸ＝　ｒ−ｐｎ動作の場合１０− 以上第１３式〜第１５式までは、上限値と下限値のうち
、小さい方を採用した演算方式であるが、平均値方式を
採用してもよい。この小さい方を採用する方式を用いる
と、動特性の変化範囲内で安定となるので、ロバストダ
インγは、閉ループ系が不安定にならない程度で大きな
値に、例えば５〜１０程度に選んでおけばよい。

次に、この制御装置を用いた制御系の構成例を示す。制
御する、制御対象Ｇｐ（ｇ）は、次の伝達関数の間で変
化することが知られている。

そこで、応答形状係数α；０．４のＢｅ５ｓｅｌ　ｍｏ
ｄｅｌで、しかもＩ−ＰＤ動作としだ。

第１５式の演算によシ、σ＝６．２５　、　Ｋ＝１．３
７６　。

ｆ０＝’１．６０２　、　ｆｉ　＝１０．０４とな如、
ダイナミックモデルは、次のように構成さねた。

本提案の制御装置を用いた制御系の応答波形を第３図と
第４図に示す。ただし、第３図は、ロバストゲインｒ＝
ｏ、、ｏ　の場合である。しかも、第３図（、）は制御
対象がＧｐ（ａ）の場合であり、第３図（ｂ）は、旦μ
ｓ）の場合である。制御性能を見るために、時刻ｔ＝０
で、目標値ｒ（ｔ）を単位ステップ変化させるとともに
、時刻ｔ＝３０．０で外乱ｄ（ｔ）を単位ステップ変化
させている。

ロバストゲインがγ＝０．０ということは、単なるＩ−
ＰＤ制御系が構成されていることになっている。しかも
、第１５式による設計結果と匂８）の設計結果は一致す
るので、制御系の応答ｙ（ｔ）は、ダイナミックモデル
の応答ｙ、（ｔ）と一致している。

しかしながら、（ｂ）では制御対象がａ（Ｓ＋）となる
ため、制御系の応答ｙ（ｔ）は、ダイナミックモデルの
応答ｙＭ（ｔ）とかなシずれが生じているし、外乱に対
する抑制力も弱い。

次に、ロバストダインをγ＝１０．０とした場合の制御
系の応答波形を第４図に示した。第４図（、）は、Ｇｐ
（ａ）の場合の応答波形である。同様に第１５式の設計
結果と１ｐ（８）の設計結果が一致するので、ｙ（ｔ）
の応答波形とｙ、（ｔ）の応答波形は良く一致している
。しかしながらγ＝１０．０となっているため、ｔ＝３
０．０以降、印加されている外乱に対しては、その出力
ｙ（ｔ）への影響がほとんど見られない位に抑制してい
ることがわかる。

一方、第４図６）は、ＧＰ（１）の場合のこの制御系の
応答波形である。第３図の６）では、ｙ（ｔ）の応答が
大きく、くずれていたのに対して、第４図の（ｂ）では
ダイナミックモデルの応答ｙ、（ｔ）に近づいている。

また、外乱の印加に対しても、はとんど影響がない位に
抑制している。このように、ロバストゲインＴを制御系
が不安定にならない程度に大きな値に設定しておくこと
によシグインスケジ、−ルや適応制御を害施しなくとも
動特性変化に対して低感度すなわちロバストであるばか
りでカ＜、外乱に対しても抑制力が向上し、目標値から
出力間の動特性が、参照モデルの伝達関数に漸近する、
良好な制御系が構成されていることがわかる。

１３− なお、本実施例では、ロバストなＩ−ＰＤ制御装置につ
いて説明したが、第５図のような、演算器、？ａ　、３
ｂで構成する、ＰＩＤ制御器を主制御器としたロバスト
なＰＩＤ制御装置において、ｃ（ｆｌ）；ｃｏ十ｃ、＠
十ｃ２Ｂ２・旧・・　第１９式に対し、第８式、第１３
式、第１４式、第１５式でＫをｅ（１に・ｆｏをｃｌに
・ｆｌをｃ２に置きかえることにより、全く同じ効果を
得ることができる。

また、ロバストなＩ−ＰＤ制御装置とＰＩＤ制御装置と
をマイクロコンビーータを用いたデジタル制御装置で構
成するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のゲインスケジー−ル制御系および従来の
モデル規範形適応制御系を示すブロック図、第２図は本
発明の実施例に係るダイナミックモデルを有するロバス
トＩ−ＰＤ制御装置を含む制御系のブロック図、第３図
および第４図は本発明の詳細な説明するための応答波形
を示す図、第５図は本発明の他の実施例として１４− ＰＩＤ制御器を主制御器としたロパス）ＰＩＤ制御装置
を示すプロ、り図である。 １・・・制御対象、５・・・ダイナミックモデル、６・
・・出力誤差減算器、７・・・出力誤差補償器、１０・
・・設計ブロック 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦１５− 渠１図 （ａ） （ｂ） 第３図 （ｂ） 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　目標値信号と制御対象の出力信号とから制御演
   算出力信号を演算する積分演算器を含む制御演算器と、
   前記目標値信号を入力し制御系のモデル出力信号を演算
   する制御系のダイナミックモデルと、前記制御対象の出
   力信号と前記モデル出力信号との出力誤差信号を演算す
   る第１の減算器と、前記出力誤差信号を入力して出力誤
   差フィードパ、り信号を積分、比例、′微分演算する出
   力誤差補償器と、前記制御演算出力信号から前記出力誤
   差フィード・クック信号を減算して操作信号を演算する
   第２の減算器とから、　構成され、前記制御対象の動特
   性に関する変化゛：　の上限データと下限データと、制
   御系の応答形状を規定する係数とから、前記制御演算器
   で用いる制御定数と前記出力誤差補償器の補償定数と前
   記制御系のダイナミックモデルの定数とを′演算し、そ
   の演算結果を各補償器、演算器に設定する機能を備えた
   ことを特徴とする制御装置。