JPS61249103A - Ｐｉｄ制御装置における調節装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明はＰＩＤ制御装置において、ＰＩＤ係数の初期設
定及び最適なＰＩＤ係数への修正を自動的に行う調節装
置に関し１例えばプラスチック押出成形機等に利用され
る。

（従来の技術） 従来、ＰＩＤ制御におけるＰＩＤ係数は手動によって適
宜変更する方式の他に例えば特開昭５８−６８１０６号
公報に示す方式が提案されている。

この方式は、制御対象を１強制的に０Ｎ１０ＦＦ　して
リミットサイクルを発生させ、以下の式（Ａ）で示すＰ
ＩＤ係数（Ｋｐ、Ｔ　ｉ、Ｔｄ）を決定している。

ここでＺ　（ｔ）は偏差を示している。

具体的には、リミットサイクル振巾（ａ）、リミットサ
イクル周期（τ）、負荷率（Ｋ＝τ。Ｈ／τ）を測定し
、以下の式（Ｂ）によって前記ＰＩＤ係数を算出してい
る。

（発明が解決しようとする問題点） しかるに１強制的にリミットサイクルを発生させると、
制御対象を乱すことになり、さらにＰＩＤ係数を算出す
るためには、数サイクルのリミットサイクルにわたって
測定をしなければならない。

また、修正ができず常に最適値とならない場合もあった
。

′（問題点を解決するための手段） 本発明は、設定値と制御対象の出力との偏差をなくすよ
うに制御係数によって決定される制御演算式に従って制
御量を演算し、この制御量を前記制御対象に出力するＰ
ＡＤ制御装置において、サンプリング時に制御対象の特
性を同定する同定手段と、この同定結果に応じて制御係
数を初期設定する設定手段と、制御対象の動作を観察し
て前記制御係数を修正する修正手段とを備え、前記制御
係数と前記修正手段での修正値とがキー操作によって予
め変更可能となされたＰＩＤ＊ＪＩ装置における調節装
置であり、前記同定手段は、サンプリング時における制
御対象の出力変化率の最大値と。

この出力変化率の傾きを有する直線によって切りとられ
る時間軸切片の最大値とを同定する手段からなり、前記
設定手段は、複数パターンの制御係数を収納した係数テ
ーブルから予め選択したパターンが設定される手段であ
り、前記修正手段は。

前記制御係数が初期設定された後の制御対象の出力値と
前記設定値との差に対応して、修正値の異なる複数の修
正グループに区分されてなる手段からなる。前記制御対
象とは１例えばプラスチック押出成形機における温度、
圧力等である。

（作用） 制御対象は、予め設定された設定値に向けて。

設定値と制御対象の出力との偏差をなくすようにＰＩＤ
制御されている。このＰＩＤ制御は制御対象の特性値を
同定後、同定結果によって例えば複数パターンの制御係
数（比例係数、積分係数、微分係数）を収納した係数テ
ーブルから予め指定したパターンを選択し、このパター
ンの制御係数と予め指定した制御演算式とから前記制御
対象に対する制御量が決定される。

前記係数テーブルには２例えばジグラーニコラスによる
推奨値や、この推奨値を経験則に基いて変更した値が設
定されている。

一方、上述のようにして、制御係数が選択後の制御対象
の外乱又は設定値変更に対する変化が観察され、オーバ
ーシュートかアンダーシュートか。

さらに、それらのオーバーシュートやアンダーシュート
の割合を評価して、評価結果によってＰＩＤ制御を最適
化するように前記制御係数を修正する。

この修正としては１例えばアンダーシュートの場合前記
比例係数を大きくなし、オーバーシュートの場合は、こ
の比例係数を小さくする。

（実施例） 以下９本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

調節装置１は制御対象２の出力値ｘ７を検出する検出器
３と制御対象２の目標値ｘ０を設定する設定部４の出力
を比較し、その偏差Ｚ、（・ｘ　ｏ−ｘ　ｎ）をなくす
様に、制御部５で以下に示す指定制御演算式（１）に従
って制御量ｙ７を演算し、制御対象２に出力してＰＩＤ
ＩＩＪ御を行う。

なお、添字、はサンプリング時における値をそれぞれ示
している。

）’ｎ＝Ｋ　（Ｚａ”　ＩΣＺ　ｎ　＋　Ｄ　（Ｚ　ｍ
−Ｚ　＊−＋）　）・・・（１）但し、に、Ｉ、Ｄは制
御係数であり、には比例係数、■は積分係数、Ｄは微分
係数を示している。

前記制御係数を初期設定する係数設定部６は。

同定ブロック７と係数設定ブロック８とからなり。

ここで設定された制御係数は前記制御部５へ入力される
。

同定ブロック７は、同定実施条件テーブル９で予め決め
られた同定開始条件を満足したときに同定を開始するブ
ロックで、検出器３で検出された出力値Ｘ、を入力とし
てサンプリング時１ｎにおける制御対象２の時間変化率
Ｒ７を演算し、サンプリング期間でのＲ７の最大値Ｒｍ
ＡＸを制御係数を決定す−るＲ値とし、さらにこのＲ値
を用いてむだ時間り、仮時定数Ｔ０を算出し、制御対象
の特性を同定する。

係数設定ブロック８は、係数テーブル１０の中から予め
指定された係数グループを選出し、制御係数を初期設定
する。

係数修正部１１は、前記制御係数が初期設定された後の
制御対象２の稼動状態を観察して、前記係数設定ブロッ
ク８で設定された制御係数を修正するもので、評価ブロ
ック１２．修正値選出ブロック１３．妥当性チェックブ
ロック１４．係数修正ブロック１５によって構成されて
いる。

評価ブロック１２は、評価修正実施条件テーブル１６で
予め決められた評価修正条件を満足したときに、前記制
御係数を評価修正するブロックで。

前記検出器３の出力により制御対象２を観察し。

評価ルールテーブル１７の評価ルールに従って。

後述する係数修正ブロック１５で行う修正のグレードを
決定する。

修正値選出ブロック１３は、修正ルールテーブル１８か
ら前記評価ブロック１２で決定された修正グレードに対
する修正値を選び出す。

妥当性チェックブロック１４は、チェックルールテーブ
ル１９に従って、修正係数値をチェックし、前記修正値
が妥当かどうか、すなわち制御対象が暴走しないような
値でないかを判断する。

係数修正ブロック１５は、妥当性チェックブロック１４
によって決定された修正値に従って初期設定された前記
制御係数を修正する。

なお、上述した各テーブル９．　１０．　１６．１７゜
１８．１９の内容は自由に変更することができるように
なされている。

第２図は前記調節装置１のハードウェア構成を例示して
いる。

このハードウェアは各種基本ボードによって構成されて
おり、ＣＰＵボード２０は、メモリボード２１及び各種
入出力インターフェース回路の制御の中心となるボード
で、ＣＰＵの他にパルスカウント、ＣＲＴコントローラ
、キーコントローラ等のＬＳＩを収納している。このＣ
ＰＵボード２０は、各種のキーを装備したキーボード２
２及びＣＲＴディスプレイ２３の制御をするとともに、
マザーボード２４を介して前記メモリボード２１゜デジ
タル入出力信号を切換えるデジタルボード２５゜アナロ
グ入出力信号を切換えるアナログボード２６を制御して
いる。

メモリボード２１は、増設可能なボードで単位バイト（
例えば４キロバイト）毎にＲＯＭとＲＡＭの切換えが可
能となされている。

第３図は本例の調節装置１の操作部であるパネル操作面
２７を示し、前記各種テーブルへのデータ設定は、ＣＲ
Ｔディスプレイ２３を見ながらテンキー２８とファンク
ションキー２９の打鍵操作によって、対話形式で設定す
ることができるようになされている０図中３０は表示ラ
ンプ群で制御対象の正常、異常等の状態を表示する。

第４図は前記ＣＲＴディスプレイ２３に表示された係数
テーブル１０を例示している。番号欄３１と項目欄３２
とからなり２項目４ＩＩＩＩ３２は比例係数（Ｋ）欄３
２ａ、積分係数（Ｉ）　＠３２　ｂ、微分係数（Ｄ）欄
３２Ｃ９及び制御演算式を指定する式コード１ｉ３２ｄ
の４項目に区別されている。項目１１１１３２の各々に
は前記テンキー２８によって自在にデータを設定でき０
本例では、　Ｉｋｌｌｌｉｌに良べ知られたジグラーニ
コラスによる推奨値を、嵐２欄以降にこの推奨値のアレ
ンジ値を設定している。

なお、この係数テーブルＩＯ内で設定されているＲ値は
前記Ｒｓ　Ｉ　Ｘ値と同じである。

そして、使用に際しては１番号欄３１の中から１つの番
号と式コード番号を指定する。

第５図はＣＲＴディスプレイ２３に表示された評価ルー
ルテーブル１７と修正ルールテーブル１８で１判定欄３
４．評価ルールａ３５．修正ルール４ｒｉｌＩ３６とか
らなり、前記テンキー２８によって自在にデータを設定
することができる。

判定欄３４は「オーバー２」　「オーバー１」　「ＯＫ
Ｊ　ｒアンダー１」　「アンダー２」の５段階評価によ
って行われ、評価ルール欄３５はオーバーシュート率、
減衰率、整定時間、目標達成率の４項目で評価できるよ
うになされている。また、修正ルール欄３６には制御係
数（Ｋ、Ｉ、Ｄ）及びその他の係数を修正できるように
なされている。

なお１本例では評価ルール欄３５の中でオーバーシュー
ト率と目標達成率に限って設定され、修正ルール欄の中
では比例係数（Ｋ）に限って設定されている。

第６図は、前記メモリボード２１のＲＯＭ内に収納され
ているマルチタスク型オペレーティングシステムの概略
を示し、このシステムは予め設定した単位時間毎に多数
のプログラムが並列的に動作するように管理するシステ
ムである。同図ではリアルタイムオペレーティングシス
テム３７の管理のもとに以下に示す６つのプログラムが
例示されている。

１）測定プログラム３８ ２）同定プログラム３９ ３）係数設定プログラム４０ ４）制御プログラム４１ ５）制御結果評価プログラム４２ ６）係数修正プログラム４３ 測定プログラム３８は、１秒毎に走るプログラムで制御
対象２の出力値を測定し前記メモリボード２１内に設け
られた測定バッファメモリヘセットする。

同定プログラム３９は、５秒毎に走るプログラムで、制
御対象２の最大出力変化率Ｒ３むだ時間り。

仮時定数Ｔ０を推定し、制御対象２の特性（第８図（Ａ
）〜（Ｄ）参照）を同定する。この同定プログラムを第
７図に示している。

まず、第８図（Ａ）〜（Ｄ）を参照して制御係数の求め
方について説明する。

第８図（Ａ）は、制御対象２の出力曲線４５を示し、横
軸が時間軸、縦軸が出力値Ｘを示し、設定値をｘｏで示
している。第８図（Ｂ）は前記出力曲線４５を発生させ
るちととなる制御量ｙの時間変化曲線４６を示し、同図
（Ｃ）は、各サンプリング時”ｎ　（Ｆｌ　”　ｌ＋！
０．’）毎に演算した出力変化率曲線４７を例示し、同
図（Ｄ）は、この出力変化率４７曲線と同様にして各サ
ンプリング時において求めた出力変化率の傾きを有する
直線によって切りとられる時間軸切片（むだ時間りと定
義する）をプロットしたむだ時間曲線４８を例示してい
る。そして、前記出力変化率曲線４７及びむだ時間曲線
４８は通常図示の如く平坦な最大値が現れる。そして、
本例め同定では、出力変化率曲線４７の最大値ＲＩＩａ
Ｘ及びむだ時間曲線４８の最大値Ｌ　ｓａｗをそれぞれ
前記係数テーブル１０上におけるＲ値、Ｌ値として決定
する。

第７図において、ステップ■で同定の指令が確認される
と、ステップ■でサンプリング間隔Δｔ７（＝ｔ、−ｊ
＊−４）における制御対象２の出力値の変化量ΔＸｓ　
　（＝　Ｘ１％　−Ｘ＋ｓ、ａ　）を演算し、ついでス
テップ■で出力変化率Ｒ７（＝Δｘｎ／ΔｔＪを演算す
る。ステップ■ではステップ■で演算された出力変化率
Ｒ７が最大値Ｒ１ｌｌａＫかどうかを判断し、最大値で
あればステップ■で最大値Ｒ＠１１＋１を前記ＲＡＭの
特定アドレスに保存してＲ値となし、ステップＯでむだ
時間Ｌ　（ｔｎ　　Ｘ、　／Ｒｎ）を演算し、ステップ
■で仮時定数Ｔｏ（ｔｎ＋（ｘ。

−ｘ、　）　／Ｒｆｉで定義する〕を演算す゛る。そし
て。

むだ時間り、仮時定数Ｔ０は前記Ｒ値と同様にＲＡＭの
特定アドレスに保存される。

上述の各ステップによって同定が完了するとステップ■
で同定完了フラグをオンして終了する。

一方、前記ステップ■で同定の指令がない場合と、ステ
ップ■で最大値Ｒ＋ｓｍｘが確認されないとステップ■
で同定完了フラグをオフして終了する。

係数設定プログラム４０は、前記同定プログラム３９の
終了後作動するプログラムで同定結果に従って制御係数
を設定する。この係数設定プログラム４０を第９図に示
している。

第９図において、ステップ［相］で前記同定完了フラグ
のオンを確認すると、ステップ■で係数テーブル１０上
の予め選択された演算式を確認し、ステップ［相］でこ
の演算式に従って制御係数を演算し。

ステップ０でこの係数を前記制御部５での制御係数とし
て設定する。

制御プログラム４１は、１０秒毎に走るプログラムで制
御対象２に対して制御量ｙ７を出力する。

この制御プログラム４１を第１０図に示している。

第１０図においてステップ［相］で偏差Ｚ７を演算し、
ステップ■では、上述した制御演算式（１）で制御量ｙ
７を演算し、この値をステップ［相］で前記制御部５へ
出力する。

制御結果評価プログラム４２は、１秒毎に走るプログラ
ムで制御対象２を観察し制御結果を予め決めた評価ルー
ルによって評価する。まず、この評価方法における変数
の定義を第１２図の各々に示す出力曲線４５ａ、４５ｂ
、４５ｃを参照して説明する。

第１２図（Ａ）は適正ゲインの場合の出力曲線４５ａを
示し、オーバーシュートもアンダーシュートもなく出力
変化率Ｒ７が０のときに設定目標値Ｘ、であり、この場
合は「ＯＫ」評価となる。

同図（Ｂ）は過大ゲインの場合の出力曲線４５ｂを示し
、出力変化率Ｒ７が０のときの出力値Ｘから前記設定値
ｘ０を引いた値がオーバーシュート量βである。

同図（Ｃ）は不足ゲインの場合の出力曲線４５Ｃを示し
、パラメータαに前記仮時定数Ｔ０を乗算した値（α’
ｒｅ）を規定時間Ｔｃと定義し、　（Ｌ＋’ｒｃ）の時
点での出力値をｘ　（Ｌ　＋　Ｔｃ　）として、目標達
成率をｘ　（Ｌ＋Ｔｃ　）／ｘｏで定義する。

そして、制御結果評価プログラム４２では、前記オーバ
ーシュート量βの設定目標値ｘ０に対すル比率をオーバ
ーシュート率（β／ｘｏ）ト定１！し、この値が０〜５
％の場合を「オーバー１」と評価し、５％以上の場合を
「オーバー２」と評価し、さらに前記目標達成率が０．
７以下の場合を「アンダー２」と評価し、０．７０〜０
．８５の場合を「アンダー１」と評価する。

なお９本例では行っていないが、評価ルールテーブル１
７上で図示した減衰率や整定時間によって制御結果を評
価してもよい。

第１１図に上述した制御結果評価プログラム４２の流れ
図を示している。

ステップ■で評価ルールの開始を命じる評価トリガを確
認すると、ステップ［相］で出力変化率Ｒ７がＯの値を
とるかどうかを判断し、Ｏの値をとればステップ［相］
へ移り、この場合ゲインが過大か適正かのいずれかであ
るのでステップ［相］で前記オーバーシュート量βを演
算する。一方、ステップ［相］で出力変化率Ｒ７がＯの
値をとらなければ不足ゲインの場合であるのでステップ
［相］で前記規定時間Ｔｃ経過を確認し、経過しておれ
ば前記ステップ［相］で目標達成率を演算する。このよ
うにしてステップ［相］でオーバーシュート量βもしく
は目標達成率の演算後ステップ■で修正グレードを判定
する。

係数修正プログラム４３は、前記係数結果評価プログラ
ム４２の終了後作動するプログラムで。

評価結果に応じて、制御係数を修正するとともに。

新たに決定された制御係数の妥当性をチェックする。こ
の修正は、前記修正ルールテーブル１８に予め設定した
データに基いてなされ、特に本例では比例係数にのみを
変更している。

すなわち、「オーバー２」であれば比例係数Ｋを０．５
倍にし、「オーバー１」であれば０．７５倍にして、ゲ
インを下げるように修正する。一方。

「アンダー１」であれば比例係数Ｋを１．２５倍にし、
「アンダー２」であれば２．０倍にして、ゲインを上げ
るように修正する。

第１３図に、この係数修正プログラム４３の流れ図を示
している。

ステップ［相］で修正トリガがオンされたのを確認する
と、ステップ◎で修正グレードを判別し、ステップ［相
］で修正ルールテーブル１８に記憶されている修正値（
本例の場合は、比例係数Ｋ）を選出し、後述する係数値
チェックプログラム４４によって、この修正値が妥当か
どうかを判断する。そして、ステップ［相］へ戻り、こ
こで修正後の比例係数値が予め決めておいた規定値を越
えるかどうかを判断し、越えるとステップ■で規定値を
比例係数としてセントするとともにアラーム表示する。

一方、規定値を越えなければ妥当な修正であると判断し
て、ステップ［相］で新たな比例係数となしてステップ
［相］へ移る。ステップ［相］は修正回数をカウントし
、この修正回数に応じて異常状態を判別するステップで
、規定修正回数をオーバーするとステップ［相］でアラ
ーム表示する。

係数値チェックプログラム４４の流れ図は第１４図に示
している。

なお、ここで係数探索範囲というのは、修正後の制御係
数の値が妥当であると予想される領域であり、この範囲
は制御係数を修正する毎に順次小さくなるのが通常であ
り、大きくなると異常が発生していると考えられる。こ
の係数探索範囲としては２例えばＫ　（Ｋは比例係数）
とに−Ｉ（Ｉは積分係数）とを座標軸とした２次元範囲
である。

そこで、この係数値チェックプログラム４４は。

制御係数の修正が完了する毎に係数探索範囲を決定し、
新たな修正値がこの係数探索範囲に入っているかを判断
する。

すなわち、第１４図においてステップ［相］で選出した
修正値が上述した係数探索範囲を拡大しないかどうかを
判断し、拡大する場合でもステップ＠でこの拡大領域が
許容範囲内であれば問題なく。

許容範囲外であればステップ０で新たな制御係数が規定
値をオーバーしたと判定する。一方、ステップ［相］で
探索範囲を拡大しない場合及びステップ＠で許容値をオ
ーバーしなければ係数を設定して次の評価を待つ。

（発明の効果） 以上述べたように１本発明によれば制御対象の出力値を
観察しながらＰＩＤＩＩＪ？ｌＩの制御演算式に用いる
制御係数を設定するので、制御対象を乱さず、設定に要
する時間も短く効率が良い。

又、初期設定された制御係数は適宜修正されるので制御
対象の特性変化にも十分対応することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係るＰＩＤ制御装置の調節装置の構成
を例示するブロック図、第２図は同調節装置のハードウ
ェア構成を示すブロック図、第３図は操作パネルを示す
正面図、第４図はＣＲＴディスプレイ上に表示される係
数テーブルを示す図２第５図は同ＣＲＴディスプレイ上
に表示される評価ルールテーブル及び修正ルールテーブ
ルを示す図、第６図はオペレーティングシステムが制御
するプログラムを示す図、第７図は同定プログラムの内
容を説明する流れ図、第８図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）ＣＤ）
は出力変化率、むだ時間、仮時定数の定義を説明するグ
ラフ、第９図は係数設定プログラムの内容を説明する流
れ図、第１０図は制御プログラムの内容を説明する流れ
図、第１１図は制御結果評価プログラムの内容を説明す
る流れ図、第１２図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）はオーバーシュ
ート量及び目標達成率の定義を説明するグラフ、第１３
図は係数修正プログラムの内容を説明する流れ図、第１
４図は係数値チェックプログラムの内容を説明する流れ
図である。 記号の説明 １・・・調節装置　　　　　２・・・制御対象３・・・
検出器　　　　　　５・・・制御部６・・・係数設定部
　　　　７・・・同定ブロック８・・・係数設定ブロッ
ク　１１・・・係数修正部特許出願人　積水化学工業株
式会社 代表者　　廣１）　馨 第７図 第８図 第９囚　　　　　　　ｌｌ７０ツ 第７７図 第７２図 第１３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）設定値と制御対象の出力との偏差をなくすように制
   御係数によって決定される制御演算式に従って制御量を
   演算し、この制御量を前記制御対象に出力するＰＩＤ制
   御装置において、 サンプリング時に制御対象の特性を同定す る同定手段と、この同定結果に応じて制御係数を初期設
   定する設定手段と、制御対象の動作を観察して前記制御
   係数を修正する修正手段とを備え、 前記制御係数と前記修正手段での修正値と がキー操作によって予め変更可能となされたことを特徴
   とするＰＩＤ制御装置における調節装置。 ２）前記同定手段は、サンプリング時における制御対象
   の出力変化率の最大値と、この出力変化率の傾きを有す
   る直線によって切りとられる時間軸切片の最大値とを同
   定する特許請求の範囲第１項記載のＰＩＤ制御装置にお
   ける調節装置。 ３）前記設定手段は、複数パターンの制御係数を収納し
   た係数テーブルから予め選択したパターンが設定される
   特許請求の範囲第１項記載のＰＩＤ制御装置における調
   節装置。 ４）前記修正手段は、前記制御係数が初期設定された後
   の制御対象の出力値と前記設定値との差に対応して、修
   正値の異なる複数の修正グループに区分されてなる特許
   請求の範囲第１項記載のＰＩＤ制御装置における調節装
   置。