JPS62125401A - Ｉ−ｐｄ制御回路 - 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、操作量あるいは構成要素に飽和特性を有し、
適応性を改善するためのフィードフォワード制御を含む
積分−比例微分（Ｉ−ＰＤ）制御回路および積分−比例
（Ｉ−Ｐ）制御回路に関する。

〔従来の技術〕

第４図はこの種の積分−比例微分制御回路の従来例のブ
ロック線図（Ｋ２”０とすれば積分−比例制御回路とな
る）である。この積分−比例微分制御回路は、指令値ｒ
ｌと制御量Ｘの偏差ｅを積分する積分動作回路ｌと、比
例動作回路？（定数に＋）と、補助指令値ｒ２を入力す
る適応性改善のだめの比例動作回路７（定数にマ）と、
微分要素６と、微分動作回路３（定数に２）と、積分動
作回路１の出力と比例動作回路７の出力を加算したもの
から比例動作回路２の出力と微分動作回路３の出に２・
ｋを操作量指令値ｉｒとして入力して操作量ｉを出力す
る、飽和特性を有する要素４（ｉｍａｘ。

−ｉ　ｙａａｘはそれぞれ最大、最小操作量）と、操作
ｌｉを入力して制御量Ｘを出力する制御対象５（Ｇｐ（
Ｓ）は制御対象５の伝達関数）からなる。

要素４の飽和特性は制御対象あるいは積分動作回路１な
どの飽和特性を代表するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、通常、操作量ｉは第４図の要素４で示されるよ
うに飽和特性を有する。たとえば、モータ制御系におい
ては、最大電流（＝最大トルク）や最大速度が、このよ
うな飽和特性に相当する。

このような飽和特性を有する系では、偏差ｅが大きく、
一旦ｉｒ＞ｉｍａｘとなると操作量ｉは飽和特性のため
ｉ　＝　ｉ　ｗａｘと値が押さえられてしまうが、積分
動作回路１の出力はその後も増加するため、操作量指令
（＋ｆｊ　ｉ　ｒは急激に増加することになる。このた
め、制御量Ｘが定常状ＩＥに達した後も、積分動作回路
１の出力は過大な状態を取り続け、結果的には制御対象
５は不必要な制御を受け、制御量は望ましくない過大な
オーバーシュートを生ずることになる。

第５図は、菫来のＩ−ＰＤ制御回路においてステップ状
の指令に対する応答の一例を示す図である。

時刻１ｏにステップ人力ｒｔが入力されたものとする。

初め、偏差ｅ＝ｒ、−Ｘは大きな値を持っているので、
操作量ｉは増加していくが、時刻ｔ。

にリミッタにより操作量ｉは最大操作量ｉ　ｍａｔでク
ランプされる。この後もｒ、＞Ｘで、偏差ｅは正である
から、操作量ｉが飽和しているにも拘わらず、積分コン
デンサは正方向に充電され続け、結果的に操作量指令値
ｉ「も増大し続ける。そして１時刻ｔ２を過ぎると、偏
差ｅは負となるので操作量指令値ｉｒは減少し始め、時
刻ｔ３においてようやく飽和レベルから線形領域、つま
り非悠和レベルに移行するが、時刻Ｌ４において制御量
ｘは最大オーバーシュートＺを生じ、時刻ｔ５において
ようやく定常状態に達する。

本発明の目的は、操作量あるいは飽和特性を有する要素
が飽和した後に発生するオーバーシュートをなくし、過
渡応答性を向上させた積分−比例微分制御回路および積
分−比例制御回路を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のＩ−ＰＤ制御回路は、 操作量指令信号ｉｒを入力し、負方向、正方向の最大操
作量がそれぞれｉ　ｒｍａｘ−、ｉ　ｒｍａｘ＋である
リミッタと、 前記リミッタの入力信号である操作量指令信号ｉｒが、
ｊｒ　＞　ｉｒｍａｚ＋＋δまたはｉｒ＜−ｉ　ｒｍａ
ｘ−−δ（δが正の微小な値）になったとき、積分コン
デンサを回路より切り離し、電圧Ｖが Ｖ＝＋ｉｒｍａｘ＋　−ＫＶ・　ｒ２　＋に、ａＸ　＋
に２拳Ｘ（ｉｒ＞０のとき） ＝−ｉｒｍａｘ−−ＫＶ・　ｒ２　　＋ＫＢＸ　＋に２
−ｘ（ｉｒ＜Ｏのとき） ただし、Ｘ：制御量、交：制御量Ｘの時間微分値、 ｒ２　：補助指令値 Ｋｌ、に２．、Ｋｖ：定数 となるように、前記積分コンデンサに゛重荷をチャージ
し、再び回路に接続する制御回路を備えたことを特徴と
する。

〔作用〕

第３図は本発明のＩ−ＰＤ制御回路におけるステップ状
人力ｉｔに対する応答の例を示す図である。

時刻ｔ０にステップ入力ｒが入力されたものとする。時
刻ｔ１を過ぎると、ｉ　’ｒ＞　ｉ　ｒｆｆｌａ！＋と
なって操作量指令ｉ′ｒは最大値ｉ　ｒｏ＋ａｘ＋に飽
和するが、ｉ　’ｒ＝　ｉ　ｒｍａｘ＋＋δとなる時刻
に操作量指令ｉ’ｒが最大値ｉ　ｒｍａｘ＋にセットさ
れ、δは十分に小さいので、操作量指令ｉｒは過大とな
ることもなく、好ましい形で時刻Ｌ２において、線形領
域に入り、制御量Ｘはオーバーシュートを生ずることも
なく理想的な応答となる。

〔実施例〕

本発明の実施例について図面を参照して説明する。

第１図は本発明のＩ−ＰＤ制御回路の一実施例の構成図
である。第４図と同符号、同番号の要素は同じ要素を示
している。

リミッタ８は操作量指令ｉｒのリミッタ（ｉ　ｒｍａｘ
は最大出力）で、 ｌ　　ｉ　ｒ　　ｌ　＜　ｉ　ｒｍａｘのとき　ｉ　’
ｒ＝　ｉ　ｒ１ｉｒｌ≧ｉ　ｒｍａｘのとき　ｉ　’ｒ
＝　ｉ　ｒｉａｘなる出力ｉ’ｒを出力する。

レベル判定回路９は、操作量指令ｉｒが１ｉｒｌ＝ｉｒ
＋ｗａｘ＋δ となった瞬間にパルスを出力する。ここでδは正の微小
な値で、制御系の応答遅れを生じない程度の小さな値を
選定する。積分コンデンサ充電回路１０は、レベル判定
回路９からパルスが出力される度に、積分動作回路１内
の積分コンデンサにＶ＝　＋　ｉ　ｒｍａｘ−ＫＶ・　
ｒ２　＋に１・■　＋に２＊　Ｘ（ｉｒ＞Ｏのとき） ＝　−ｉ　ｒｍａｘ−ＫＶ・　ｒ２　＋に１１Ｉ　Ｘ　
＋に２　ａ　Ｘ（ｉｒ＜Ｏのとき） なる電圧になるように電荷をチャージする。

第２図は第１図のＩ−ＰＤ制御回路の具体例の回路図（
ただし、要素４および制御対象５は図示せず）である。

第２図において第１図、第４図と同番号、同符号の要素
は同じ要素を示している。

可変抵抗器２１により最大操作量指令ｉ　ｒｍａｘが、
ｉ　ｒｍａｘ≦ｉ　ｗａｘとなるように設定される。リ
ミッタ８は、抵抗Ｒ１演算増幅器１？、ダイオードブリ
ッジ１８で構成され、その出力ｉ′ｒは最大操作量±ｉ
　ｒｍａｘ以内に制限される。絶対値回路２３は操作量
指令ｉｒの絶対値１ｉｒｌを出力する。可変抵抗器２５
によりδの値が設定される。加算器２６は（ｉ　ｒｍａ
ｘ＋δ）を出力する。コン７くレータ２４は（ｉ　ｒｍ
ａｘ＋δ）とｌ１ｒｌを比較し、（ｉ　ｒｒａａｘ＋δ
）＞１ｉｒｌのときローレベル、（ｉ　ｒｍａｘ＋δ）
＜１ｉｒｌのときハイレベルの信号を出力する。単安定
マルチバイブレータ２４はコン７くレータ２４の出力が
ローレベルからハイレベルへ遷移する瞬間に１つの正の
パルスを出力する。つまり。

ｌ　ｉ　ｒ　　ｌ　＜　（ｉｒｍａｘ＋δ）の状態から
１ｉｒｌ＞（ｉ　ｒｍａｘ＋δ）の状態に遷移する瞬間
にノくルスが出力されることになる。コンパレータ１９
は操作量指令ｉｒの符号を判定し、ｉ「〉０のときノ＼
イレベル、ｉｒ＜０のときローレベルのコントロール信
号ａを出力する。アナログスイッチ２０はコントロール
信号ａがノ＼イレベルのとき端子Ｔ、　−Ｔ２間が接続
されて加算器１Ｂには正の最大操作量指令ｉ　ｒｍａｘ
が入力され、コントロール信号ａがローレベルのとき端
子Ｔ３−　Ｔ２間が接続されて加算器１６には負の最大
操作量指令−ｉ　ｗａｘが入力される。つまり、゛加算
器１８の出力Ｖは Ｖ＝＋　ｉｒｍａｘ−ＫＶ・　ｒ２　＋に、ａｘ　＋に
２・■（ｉｒ＞０） Ｖ＝　−ｉｒｍａｘ−Ｋｖ拳　ｒ２　　＋に１・■　　
＋に２＋＋Ｘ（ｉｒ　＜Ｏ） となる。アナログスイッチ１３．１４は単安定マルチバ
イブレータ２７の出力信号であるコントロール信号すが
ローレベルのときは端子Ｔ１−　Ｔ２間が接続され、こ
れにより積分動作回路１は通常の積分動作を行なう。コ
ントロール信号すがハイレベルのときは端子Ｔ２−　Ｔ
３間が接続され、積分コンデンサ１２は加算器１６の出
力と接地の間に接続され、一旦、演算増幅器１１から切
離され、■＝±ｉｒｍａｘ−にマ・ｒ２＋Ｋｌ・Ｘ＋に
２・ンなる電圧になるように電荷がチャージされた後、
アナログスイッチ１３．１４により再び演算増幅器１１
に接続される。

以上のように、操作量指令ｉｒが１ｉｒｌ＞ｉ　ｒｍａ
ｘ＋δとなった瞬間ごとに、積分コンデンサ１２は±ｉ
　ｒｍａｘ−ＫＶ・　ｒ２　＋に１　＊　Ｘ　＋に２　
ｍ　Ｘ　　（＋はｉｒ＞Ｏのとき、−はｉｒ＜０のとき
）に充電されるので、操作量指令ｉｒは最大操作量指令
上ｉ　ｒｍａｘ　（符号は同様）にセットされる。

なお、積分コンデンサ１２を演算増幅器１１から切離す
とき、演算増幅器５が大きな解放利得で動作するため急
激な出力電圧の変化が起こる。このような飽和が好まし
くない場合は、積分コンデンサ１２に並列に十分の容量
の小さな補助コンデンサを接続しておき、積分コンデン
サ１２を演算増幅器１１から切離す場合でもこの補助コ
ンデンサだけは演算増幅器１１に接続したままにしてお
けばよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、操作量指令が最大操作量
をわずかに越えたときに積分コンデンサに、操作量指令
が丁度最大操作量となるような電荷をチャージすること
により、フィードクトータード制御を含むＩ−ＰＤ制御
の操作量指令が飽和した後のオーバーシュートを防止し
、制御系の過度応答特性を向上させるという効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＩ−ＰＤ制御回路の一実施例を示すブ
ロック図、第２図は第１図のＩ−ＰＤ制御回路の具体例
の回路図、第３図は本発明のＩ−ＰＤ制御回路における
ステップ状の指令に対する応答の例を示す図、第４図は
Ｉ−ＰＤ制御回路の従来例のブロック図、第５図は従来
のＩ−ＰＤ制御回路におけるステップ状の指令に対する
応答の例を示す図である。 ｌ・・・積分動作回路、２，７・・・比例動作回路、３
・・・微分動作回路、 ４・・・飽和特性を有する要素、 ５・・・制御対象、　　　６・・・微分要素、８・・・
リミッタ、　　　９・・・レベル判定回路、１０・・・
積分コンデンサ充電回路。 特許出願人　株式会社安川電機製作所 代　　理　　人　　若　　　林　　　　　忠で５ヱ図 ×

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 操作量あるいは回路要素に飽和特性を有し、演算増幅器
   、抵抗、コンデンサにより構成され、フィードフォワー
   ド制御を含むＩ−ＰＤ制御回路において、 操作量指令信号ｉｒを入力し、負方向、正方向の最大操
   作量がそれぞれｉｒｍａｘ＾−、ｉｒｍａｘ＾＋である
   リミッタと、 前記リミッタの入力信号である操作量指令信号ｉｒが、
   ｉｒ＞ｉｒｍａｘ＾＋＋δまたはｉｒ＜−ｉｒｍａｘ＾
   −−δ（δは正の微小な値）になったとき、積分コンデ
   ンサを回路より切り離し、電圧Ｖが Ｖ＝＋ｉｒｍａｘ＾＋−Ｋ＿Ｖ・ｒ＿２＋Ｋ＿１・Ｘ＋
   Ｋ＿２・■（ｉｒ＞０のとき） ＝−ｉｒｍａｘ＾−−Ｋ＿Ｖ・ｒ＿２＋Ｋ＿１・Ｘ＋Ｋ
   ＿２・■（ｉｒ＜０のとき） ただし、Ｘ：制御量、■：制御量Ｘの時間微分値ｒ＿２
   ：補助指令値 Ｋ＿１、Ｋ＿２、Ｋ＿Ｖ：定数 となるように、前記積分コンデンサに電荷をチャージし
   、再び回路に接続する制御回路を備えたことを特徴とす
   るＩ−ＰＤ制御回路。