JPS61198302A

JPS61198302A - 調節装置

Info

Publication number: JPS61198302A
Application number: JP3833885A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hiroi; 広井　和男
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-02-27
Filing date: 1985-02-27
Publication date: 1986-09-02

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〕本発明は、プロセス制御に用いられる調節装置に関し、
特に目標値追従特性および外乱抑制特性の双方にすぐれ
た調節装置に関する。

〔技術的背景〕

プロセス制御は、（１）省資源・省エネルギー、（２）
省人化、省力化、（３）均質化、高品質化、（４）安全
化、（５）フレキ°シブル化など、プロセス運転のニー
ズの高度化により、ますます高い制御性が求められ、極
限を１差して種々の工夫がなされている。

プラントの運転で、特に連続プロセスなどでは、上流に
おける生産量の変化、各種外乱や、最適化やカスケード
制御などによる目標値変更などの変動要因により、制御
が少しでも乱れると、Ｆ流に対して、その影響が連鎖的
に波及する。従って制御は個々の制御系の制御性を極限
まで向上させることが基本となる。最近では、プラント
運転のフレキシブル化、省エネルギー化にともない、運
転中に負荷変化などの大きな外乱が発生したり、最適化
とか、カスケード制御、設定値制御などによる目標値が
ひんばんに、大きく変化するケースが多くなってきてい
る。このようなとき、従来の調節装置では、外乱抑制に
最適かまたは目標値追従に最適か、または、その中間か
の１組のＰＩＤパラメータしか設定できず、いずれにし
ても、中途半端で、制御性の限界をきわめていない。

これらの問題を解決するために、対外乱制御と対目標値
追従の双方に最適なパラメータが設定できる調節装置が
開発された。

ところで、最も、多用されている制御系としては、第６
図に示す、ＰＩｉｌｌｔＩＩ系と、第７図に示すＰＩＤ
制御系が代表的なものとして知られている。

この２つの制御系の構成と動作を簡単に説明すると、以
下の通りである。まず、第６図において、目標値ＳＶと
測定値ＰＶを減算手段３に入れて偏差ΔＰ■を取り出し
、これをＰＩ演算手段５に導入して、１１調節演算して
、その出力信号を操作信号ＭＶとして、制御対象７に印
加し、測定値ＰＶが目標値Ｓｖに等しくなるように制御
するよう構成する。これは標準形Ｐ１ｍ節装置である。

第７図は、第６図の標準形ＰＩ調節装置のＰＩ演算手段
５に、Ｄ（微分）動作を付加して、ＰＩＤ演算手段１１
として、目標値や測定値の変化に対する応答性を向上さ
せたものである。これは、いわゆる標準形ＰＩＤ調節装
置である。この標準形ＰＩ調節装置と、標準形ＰＩＤＩ
Ｉ節装置の中間的存在として、測定値Ｐ　Ｖのみに微分
動作を付加した第８図に示すＰＶ微分先行形ＰＩＤ調節
装置がある。これは第８図に示すように、目標値Ｓ■と
測定値ＰＶの偏差ΔＰＶに対してＰＩ演算手段２１で、
ＰＩ演算した出力から、微分演算手段２３で測定値ＰＶ
を微分演算した出力を減算手段２２で減算して得られる
出力を比例ゲイン手段２４に入れて、比例ゲインに、を
乗じた信号を操作信号ＭＶとして、制御対象７に印加し
、測定値ＰＶが目標ｍｓｖと一致するように制御するよ
う構成されている。

これまで、制御の現場で使用されている調節装置の大部
分は、前記の３つの調節装置で占められている。従って
、プラントの制御性を改善するに当たっては、これらの
慣れ親しんだ且つ、現在プラントの中で、圧倒的に多く
稼動している調節装置に、簡単に付加でき、調整容易で
、効果の大きいことが基本的要件となる。

〔従来技術の問題点〕

以上、説明した、現在圧倒的に多用されている調節装置
は、基本的に１自由度ＰＩ（Ｄ）調節装置であるという
基本的欠点ないし制約を持っている。即ち、先に説明し
たＰＩ　（Ｄ）１１節装置には、対外乱抑制最適ＰＩＤ
パラメータと対目標値追従最適ＰＩ（Ｄ）パラメータの
２種類の最適パラメータが存在するが、１自由度である
ために１種類のパラメータしか設定できない。従って、
カスケード制御、プログラム制御、設定値制御などの場
合は、外乱抑制最適パラメータを設定すると、目標値追
従に対しては制御性が低下するし、目標値追従最適パラ
メータを設定すると、外乱抑制特性が低下する。また両
者の中間に設定すると、外乱、目標値のいずれに対して
も中途半端となりいい加減となってしまう。また調整時
に、統一的な手法で調整できず、目的とか、ニーズに合
致した様にＰＩＤパラメータを調整しなければならず、
統一的、画一的にできず、面倒である。以上のように従
来多用されているＰＩＤ調節装置には、基本的欠点があ
り、これを解決することが強く望まれている。

〔発明の目的〕

この発明の目的は、従来技術のＰＩ（Ｄ）調節装置の目
標値に進み／遅れ要素を設け、この進み／遅れ要素を介
した目標値信号を従来のＰＩ（Ｄ）調節装置に加えるよ
うにすることにより、２自由度ＰＩ（Ｄ）調節化すると
ともに、各種構造のＰＩ（Ｄ）調節を実現できる調節装
置を提供することを目的としている。

〔発明の概要〕

第１図に本発明の１実施例を示す。同図において、目標
値ＳＶを、進み／遅れ演算手段３１に入れて演算した出
力信号と測定１１ＰＶとを減算手段３２で減算し、偏差
ΔＰｖを取り出し、この偏差ΔＰＶを少なくともＰＩ演
算を手段を含む、ＰＩ（Ｄ）演算手段３４に導入して、
ＰＩ（Ｄ）調節演算した出力信号を操作信号ＭＶとして
、副葬対象７に加えて、測定値ＰＶが、目標値ＳＶに一
致するように制御するよう構成している。

本発明における進み／遅れ演算手段３１は、第２図に示
すような組み合せで適用する。ただし、第２図で、Ｋ、
は比例ゲイン、Ｔ１は積分時間、■、は微分時間、Ｓは
複素変数、α、βは係数を表わす。第２図の表のＮ００
２の場合において、微分動作を除去し、Ｔｏ＝Ｏとする
と、Ｎｏ、　２とＮ０９１のＰＩ（Ｄ）調節手段３４の
伝達関数、進み／遅れ演算手段３１の伝達関数は同一と
なる。

第２図の表のＮ０１１のＰＩ調節モードのときについて
考えて見る。進み／遅れ演算手段３１の伝達関数は１＋Ｔ１　・Ｓとなり、まず（１，１）α＝１のとき・・・Ｈ（Ｓ）＝１となり、こ
れは従来の標準形ＰＩ調節となる。

（１，２）α＝０のとき・・・（１）式よりＨ（Ｓ）＝１＋ＴＩ　・Ｓとなり、これは目標値フィルタ付ＰＩＮ節となる。

この場合、ＰＩ調節のＰＩパラメータは、外乱抑制御ｌ
最適ＰＩパラメータを設定し、進み／遅れ演算手段３１
の時定数としても、積分時間Ｔ、を設定する。このよう
にすれば、外乱変動に対しても、目標値変化に対しても
最適となり、２自由度ＰＩ制御系となる。

測定値ＰＶ変化に対しては、となり、ＰＩ動作である。

目標値（ＳＶ）変化に対してはＨ（Ｓ）ｘＣ（Ｓ）Ｔ１　・Ｓとなり、これは、いわゆるＩ−Ｐ制御系と言うことがで
きる。

（１，３）０＜αく１のときは、となり、これは次の証明により、全体的には、Ｐ−Ｉ−
Ｐ制御となる。これは■（積分）は目標値と測定値と共
通に作動し、Ｐ（比例）は目標値変化に対する値と、測
定値変化に対する値と独立に設定できることを意味して
いる。

測定値ＰＶ変化に対しては、となり、Ｐ　Ｉ　！ｊＪ作である目標値（ＳＶ）変化に対しては、１−１　（Ｓ）　ｘＣ（Ｓ）となり、これは（２）式と比べると、目標値Ｓ■変化に
対して、比例項に、ｘＣが付加されており、αを可変す
ることにより、対外乱特性を変えないで、目標値変化に
対する追従特性を改善できる。

第３図（ａ）は、目標値Ｓｖがステップ状に変化したと
きの進み／遅れ演算手段３１の出力を、異なるα、即ち
α＝０．α＝１、Ｏくα〈１に対して示している。一方
、第３図（ｂ）はそのときの測定値ＰＶの変化を示して
いる。

次に第２図の表ＮＯ，２のＰＩＤ調節モードの場合につ
いて考えて見る。

進み／遅れ演算手段３１の伝達関数はとなり、まず、（２，１）α＝１、β＝１のとき、）−１（Ｓ）＝１と
なり、これは従来の標準形ＰＩＤｒＡ節となる。

（２，２）α＝Ｏ１β＝Ｏのとき、（４）式よりとなり
、これは目標値フィルタ付ＰＩＤＩ節となる。この場合
、Ｐ４Ｏ１０節のＰＩＤパラメータは外乱抑制最適ＰＩ
Ｄパラメータを設定し、進み／遅れ演算手段３１のパラ
メータも、ＰＩＤパラメータと同じものを設定する。こ
のようにすれば、外乱変動に対しても、目標値変化に対
しても最適となり、２自由度ＰＩＤ制御系となる。

測定値（ＰＶ）変化に対しては、となり、ＰＩＤ動作である。

目標値（ＳＶ）変化に対しては、Ｈ（Ｓ）ＸＣ（Ｓ）となり、これは、いわゆるＩ−ＰＤ制御系と言う式に一
つとなり、これは次の証明により、全体的には、Ｐ−Ｉ−
ＰＤ制御となる。これはＩ（積分）は目標値と測定値に
対し共通的に作動し、Ｐ（比例）は、目標値変化に対す
る値に、測定値変化に対する値と独立して設定でき、Ｄ
（微分）動作は測定値に対してのみ作動することを意味
している。

測定値変化に対しては、となりＰＩＤ動作である。

目標値変化に対しては１−１　（Ｓ）　ＸＣ（Ｓ）１＋ＴＩ・Ｓ＋７１・Ｔ、・Ｓ′ となり、（５）式と比べると、目標値変化に対して、比
例項に、ｘαが付加されており、αを可変することによ
り、対外乱抑制特性を変えないで、目標値変化に対する
追従特性を改善できる。

つまり、Ｐ−Ｉ−ＰＤＩＮＥ系となっている。

（２，４）α−〇、０くβく１のとき、（４）式となり
、次の証明により、全体的にはＤ−１−ＰＤ制御系とな
る。つまり測定値変化に対しては、となり、ＰＩＤ動作
である。

目標値に対してはＨ（Ｓ）ｘＣ（Ｓ）となり、目標値変化に対しては１０動作となっている。

従って、これらをまとめると総合的にはＤ−１−・ＰＤ
制御系となっている。

（２，５）０＜αく１．０くβく１のとき、（４）とな
り次の証明により、全体的にはＰＤ−１−ＰＤ制御系と
なる。

つまり、測定値変化に対しては、となり、ＰＩＤ動作である。

目標値変化に対しては、Ｈ（Ｓ）ＸＣ（Ｓ）１＋α・Ｔ　　−８＋β・Ｔ　−Ｔ　−８２Ｉ　　　　
　　　ＩＤ１＋Ｔ１・Ｓ＋Ｔ１・Ｔ、・Ｓ２となり目標値変化に対してはＰＩＤ動作となっている。

従って、これらをまとめると、ＰＤ−Ｉ−ＰＤυ制御系
となっている。

第４図は本発明の他の実施例を示したものである。この
実施例では、進み／遅れ演算手段３１が２つの要素３１
ａ、３１ｂを縦続接続したものから成る。

この場合の、進み／遅れ演算手段の伝達関数等も第２図
の表に示されている。ただし同表でＨ−β・Ｔ。

Ｈ２＝γ・β−Ｔ、＝γ・Ｈｌ（γ＝０．１〜０．３）アナログ調節計の場合はγ；０．１であるが、ディジタ
ル演算の場合はγ−０，３程疾が適当である。

（３，１）　　　　ＮＯ，３，Ｉ　　ＰＶ　　　　　　
３Ｐ！（α−１、β＝０と設定した場合） α−１、β−〇のとき、進み／遅れ要素の伝達関数はＨ
（Ｓ）−１となり、これは従来のＰ■微分先行形ＰＩＤ
ＩＩＩｔＥとなる。

（３，２）　　　ＮＯ，３，２１−ＰＤ制御（α−β−
０と設定した場合） α＝β−〇のとき、進み／遅れ要素の伝達関数はＨ（Ｓ）　　＝１＋ＴＩ　・Ｓとなり、これは目標値フィルタはＰＶ微分先行形ＰＩＤ
制御となるが、次の証明により、Ｉ−ＰＤ制御となる。

目標値（ＳＶ）変化に対しては、１−１　（Ｓ）　ＸＣ（Ｓ）となり、■動作である。

従って、これは総合的には、いわゆるＩ−ＰＤ制御とな
っている。

３、３）　　　ＮＯ，３，３Ｐ−１−ＰＤＩＩＩＩＤ（
０くα〈１、β＝０と設定した場合）０〈α〈１、β−
〇のとき、進み／遅れ要素の伝達関数は１　十ｌ　Ｉ幸）となり、これは次の証明により、総合的にはＰ−Ｉ−Ｐ
Ｄ！ｌ１１１１となる。

目標値（ＳＶ）変化に対しては、Ｈ（Ｓ）ＸＣ（Ｓ）となり、ＰＩ釣動作なっ・ている。

従って、総合的には、Ｐ−１−ＰＤ制御となる。

３、４　　　　ＮＯ，３，４０−Ｉ−ＰＤ　制御（α＝
０．０＜βく２と設定した場合）α＝０、Ｏくβ〈２の
とき、准み７Ｍれ要素の伝達関数は、１＋ＴＩ　・Ｓ　　　　１＋Ｈ２Ｓとなり、これは次の証明により、Ｄ−１−ＰＤ制御とな
る。

測定値（ＰＶ）変化に対しては、となり、ＰＩＤ動作となっている。

目標値（ＳＶ）変化に対しては、Ｈ（Ｓ）ＸＣ（Ｓ）１　＋ＴＩ　・Ｓ　　　　Ｉ十Ｈ−８１＋Ｔ、−８１＋１−１２・Ｓ１＋γ・β・Ｔ、・Ｓとなり、【Ｄ動作となっている。

従って、総合的にはＤ−１−ＰＤ制御となる。

３．５　　ＮＯ，３，５ＰＤ−Ｉ−ＰＤ制御（ｅくαく
１．０くβく２と設定した場合）Ｏ〈αく１．０くβく
２のときの進み／遅れ要素の伝達関数は１＋Ｔ■　・Ｓ１＋Ｈ２・Ｓとなり、この場合は、次の１明により、ＰＤ−１−ＰＤ
副制御なる。

目標値（ＳＶ）変化に対しては、Ｈ（Ｓ）ｘＣ（Ｓ）１＋Ｔ１−ｓ　　　　　１＋Ｈ２・Ｓ１＋ＴＩ・Ｓ　　　　１十Ｈ２・Ｓ１＋γ・β・ＴＤ　−８となり、干渉形ＰＩＤ動作となっている。

従って、総合的には、ＰＤｉ−ＰＤ副制御なる。

（３，６）量定ＮＯ，３，６３ｐ　Ｉ［）（α＝１、β
＝１と設定のとき） α＝１、β＝１のとき、進み／遅れ要素の伝達関数１＋Ｈ２・Ｓとなり、これは次の証明により、総合的には標準形ＰＩ
Ｄ制御となる。

測定値（ＰＶ）変化に対しては、目標値（ＳＶ）変化に対しては、Ｈ（Ｓ）ＸＣ（Ｓ）１＋Ｈ２・Ｓ１＋γ・Ｔ、−３となり、干渉形ＰＩＤ動作となっている。

従って、総合的には、標準形ＰＩＤ制御となっている。

（４）ＰＩＤパラメータのチューニン　　法ＰＩＤパラ
メータは次のように調整する。

（調整方法１）（１）　　Ｋ　　、Ｔ１．Ｔｏは外乱制御最適パラメー
りをステップ応答法または限界感度法で求めて設定する
。

（２）　　α＝０１β＝Ｏと設定し、Ｓｖステップ応答
を見ながらファインチューニングをする。

（３）　　α、βは、積分プロセス制御、プログラム制
御、設定値制御などの時１、目標値変化に対する追従特
性を改善するために使用する。（理論的にはβ＝１．２
５となる。）（調整方法２）（１）　　α＝０１β＝０と設定し、Ｓ■ステップ応答
を見ながら調整する。（ＳＶステップ応答が最適となっ
ておれば、外乱抑制特性も最適となっている。）（２）　　α、βは、積分プロセス制御、プログラム制
御、設定値制御などの時、目標値変化に対する追従特性
を改善するために使用する。（理論的にはβ＝１．２５
となる。）第５図は異なるαに対する応答性を示したものである。

（５）マルチモードＰＩＤ制御　式の適　とメリット以上説明したようにマルチモードＰＩＤ制御は、汎用性
と変動に対して強靭性を持った制御方式で、プロセス制
御の従来のＰＩＤをすべてＭ−ＰＩＤに置換することに
よって、個別の制御ループの（１）Ｗ４整容易（２）制御性向上を実現することができ、これによりプラント全体の制御
性、運転特性を大きく高度化できる。

たとえて言えば従来のＰＩＤを適用したシステムはガタ
のある歯車を組み合せた機械の如きプラント制御システ
ムであるのに対し、Ｍ−ＰＩＤを適用したシステムは、
精密で、ガタのない歯車を組み合せた機械の如きプラン
ト制御システムである。

以上の結果は、第２図の表にまとめられている。

以上位置形演算方式で説明したが、ＤＤＣ（ダイレクト
・ディジタル・コントロール）で多用されている速度形
演算方式についても、本発明は適用できるものである。

また微分動作については完全微分子、・Ｓ（Ｓ：複素変
数）で説明したが、実際の場合は不完全微分を用いる。つまり、上記の説明の微分動作は広義の微分
を意味し、不完全微分も含まれる。

以上説明したように、従来多用されている、標準ＰＩ、
標準ＰＩＤ、微分先行形ＰＩＤに１次または２次の進み
／遅れ要素を付加することにより、非常に簡単に（１）２自由度ＰＩＤ調節装置を実現できる。

（２）　　各種構造のＰＩＤＩ節が実現でき、現場で自
由自在に対応できる。

（３）　　従来“の調節装置に１次または２次の進み／
遅れ要素のみを付加するだけなので、新規はもちろん、
既設の調節装置の高度化が非常に簡単に、低コストで実
現できる。従って、工業的効果が大である。

（４）　　従来技術の延艮轢上にあり、わかりやすく現
場に受は入れられやすい。

（５）２自由度ＰＩＤとなり、制御性向上とともに調整
もやりやす（、調整手法を統一化できる。

このようにすぐれた効果を発揮し、プラントの制御系に
ちりばめて適用すれば、個々の制御性を限界まで改善で
き、全体のプラントの運転特性を生まれ変らせることが
でき、（１）省資源・省エネルギー、（２）省力化、省
人化、（３）均質化、高品質化、（４）安全化、（５）
フレキシブル化の限界にアプローチすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例の調節装置を組込ｌυだ制御系
を示すブロック図、第２図は各調節モードに適した進み７Ｍれ演算手段の伝
達関数、そのときの総合調節モード等を示す図表、第３図（ａ）および（ｂ）は異なるαに対する応答を示
す図、第４図は本発明の他の実施例を示すブロック図、第５図
は異なるαに対づる応答を示す図、第６図、第７図およ
び第８図は従来のＰＩＤｌｉ１節装置を示す図である。７・・・制御対象、３１・・・進み／ｉｆ！れ演算手段
、３２・・・減算手段、３４・・・ＰＩ（Ｄ）演算手段
。出願人代理人　　猪　　股　　　　清し−＋　　　　　　　　＋＋　　　　＋＋＋＋−第３図第５図第６図Ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　Ｊ第７図苓８図

Claims

【特許請求の範囲】

少なくとも比例および積分演算手段を有する調節装置に
おいて、目標値に進み／遅れ演算手段を設け、測定値と
前記進み／遅れ演算手段を介した目標値との偏差を前記
比例および積分演算手段に加えて演算した出力を操作出
力とするようにしたことを特徴とする調節装置。