JPS6252881B2 - - Google Patents

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JPS6252881B2
JPS6252881B2 JP9759980A JP9759980A JPS6252881B2 JP S6252881 B2 JPS6252881 B2 JP S6252881B2 JP 9759980 A JP9759980 A JP 9759980A JP 9759980 A JP9759980 A JP 9759980A JP S6252881 B2 JPS6252881 B2 JP S6252881B2
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JP
Japan
Prior art keywords
signal
identification
control
section
calculation
Prior art date
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Expired
Application number
JP9759980A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS5723107A (en
Inventor
Takashi Shigemasa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Tokyo Shibaura Electric Co Ltd filed Critical Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Priority to JP9759980A priority Critical patent/JPS5723107A/en
Priority to AU72725/81A priority patent/AU528431B2/en
Priority to US06/283,173 priority patent/US4451878A/en
Priority to EP81105528A priority patent/EP0045857B1/en
Priority to DE8181105528T priority patent/DE3171308D1/en
Publication of JPS5723107A publication Critical patent/JPS5723107A/en
Publication of JPS6252881B2 publication Critical patent/JPS6252881B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプロセスを制御する制御器の制御定数
を最適値に自動調整する機能を有するプロセス制
御装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a process control device having a function of automatically adjusting control constants of a controller that controls a process to optimal values.

制御対象となるプロセスを最適条件で制御する
にはそのプロセスの動特性を知る手続が必要とな
る。この手続はその動特性の同定
(Identification)と呼んでいる。この同定を行な
うには、プロセスを制御するコントローラを切離
して開ループ動作で同定する場合と、コントロー
ラをプロセスに接続し、そのプロセスを制御しな
がら同定を行なう閉ループ動作での場合とがあ
る。この同定は、経済性、品質管理上あるいは安
全上などの観点から、操業中のプロセスの動特性
変化に応じられるように、閉ループ動作中で速や
かに同定できることが望ましい。
In order to control a process to be controlled under optimal conditions, a procedure is required to know the dynamic characteristics of the process. This procedure is called identification of its dynamic characteristics. This identification can be carried out either by separating the controller that controls the process and performing open-loop operation, or by connecting the controller to the process and performing identification while controlling the process. From the viewpoint of economy, quality control, or safety, it is desirable that this identification can be performed quickly during closed-loop operation so as to be able to respond to changes in the dynamic characteristics of the process during operation.

この種の制御装置としては、データ信号をアナ
ログ量で扱うアナログ方式の制御装置と、データ
信号をサンプリングしながら制御するデジタル方
式の制御装置とがあるが、上述した制御装置の制
御定数を決定できるものにはアナログ方式のもの
しか現実にはなく(例えば、「最適制御入門」増
淵著、オーム社発行P.284に記載の適応制御方式
等)、しかも、その制御定数を計算するのに、大
型の計算機を導入しなければならず、極めて不経
済なものであつた。また、デジタル方式の制御装
置で、特に閉ループ動作中に制御対象を同定する
プロセス制御装置としては、例えば、特公昭53−
32031号公告公報に記載されているようなリミツ
トサイクルを利用したものがある。この装置は制
御対象を制御するPI制御器の出力にオンオフ信号
を重畳させてリミツトサイクルを発生させ、この
リミツトサイクルの周期と振巾により制御対象の
ムダ時間と最適比例ゲインを求めるZiegler―
Nicholsの最適調整法を用いて、PI制御器の制御
定数を設定して行なうものである。
This type of control device includes an analog type control device that handles data signals as analog quantities, and a digital type control device that controls data signals while sampling them.The control constants of the above-mentioned control devices can be determined. In reality, there are only analog methods (for example, the adaptive control method described in "Introduction to Optimal Control" by Masubuchi, published by Ohm Publishing, p. 284), and in order to calculate the control constants, large-scale This required the introduction of several computers, which was extremely uneconomical. In addition, as a digital control device, especially a process control device that identifies a controlled object during closed-loop operation, for example,
There is one that uses a limit cycle as described in Publication No. 32031. This device generates a limit cycle by superimposing an on/off signal on the output of the PI controller that controls the controlled object, and uses the period and amplitude of this limit cycle to determine the dead time and optimal proportional gain of the controlled object.
This is done by setting the control constants of the PI controller using Nichols' optimal adjustment method.

しかし、このプロセス制御装置であつては、フ
イードバツクループ内に乗つてくるプロセスノイ
ズを考慮して十分なS/N比をとるためには、か
なり大きなリミツトサイクルとする必要があり、
その結果として制御対象に対する制御量を大きく
変動させてしまうことがあるなどの欠点があつ
た。
However, with this process control device, in order to obtain a sufficient S/N ratio in consideration of the process noise that enters the feedback loop, it is necessary to use a considerably large limit cycle.
As a result, there are drawbacks such as the control amount for the controlled object may vary greatly.

本発明は上述した従来の欠点を改善したもの
で、その目的とするところは、制御対象の制御量
をフイードバツクするフイードバツク信号と目標
値を指令する目標値信号との偏差を演算して得ら
れる偏差信号から一定周期毎に制御定数にしたが
つて制御演算して上記制御対象に入力する操作信
号を得る制御器すなわち制御演算装置を有するプ
ロセス制御において、上記制御対象の動特性を同
定するために同定信号を発生するM系列同定信号
発生部と、この発生部で発生した同定信号を上記
操作信号に加算する加算部と、上記フイードバツ
ク信号を入力して第1の変数を生成する第1のフ
イルタと、上記同定信号を入力して第2の変数を
生成する第2のフイルタと、上記偏差信号を入力
して上記第3の変数を生成する第3のフイルタ
と、上記第1乃至第3のフイルタで生成された第
1乃至第3の変数の時系列データにより上記制御
対象のARMAモデルの係数を逐次同定する同定
演算部と、この同定演算部で演算した結果から上
記制御対象の制御定数を演算して上記制御器を制
御する制御定数演算部とを具備することによつ
て、サンプル周期にとらわれずに、例えば、サン
プル周期を長くして簡易な計算機を用いても制御
定数の計算が実現でき、かつ制御器の制御性能を
低下させることのないプロセス制御装置を構成
し、プロセスノイズの存在下であつても制御量を
大きく変動させることなく短時間で閉ループ制御
中の制御対象の動特性を同定でき、その結果、制
御器の制御定数を最適に自動調整することのでき
るプロセス制御装置を提供することにある。
The present invention has improved the above-mentioned conventional drawbacks, and its purpose is to calculate the deviation between the feedback signal that feeds back the control amount of the controlled object and the target value signal that commands the target value. In process control that has a controller, that is, a control calculation device that performs control calculations from signals according to control constants at regular intervals to obtain operation signals to be input to the control object, identification is performed to identify the dynamic characteristics of the control object. an M-sequence identification signal generation section that generates a signal; an addition section that adds the identification signal generated by the generation section to the operation signal; and a first filter that receives the feedback signal and generates a first variable. , a second filter that receives the identification signal to generate the second variable; a third filter that receives the deviation signal and generates the third variable; and the first to third filters. an identification calculation unit that sequentially identifies the coefficients of the ARMA model of the controlled object based on the time series data of the first to third variables generated in the above, and calculates control constants of the controlled object from the results calculated by this identification calculation unit. By including a control constant calculation unit that controls the controller, it is possible to calculate the control constants without being limited to the sampling period, for example, by increasing the sampling period and using a simple calculator. A process control device is constructed that does not degrade the control performance of the controller, and is capable of controlling the dynamic characteristics of a controlled object during closed-loop control in a short time without significantly changing the control amount even in the presence of process noise. It is an object of the present invention to provide a process control device that can identify and, as a result, automatically adjust the control constants of a controller optimally.

本発明は制御対象を操作する操作信号にM系列
信号を加算して得た信号を制御対象に印加して、
その制御対象を制御し、その制御対象をパルス伝
達関数で表わし、次に閉ループ中の目標値信号、
同定信号およびフイードバツク信号から制御器の
構成によつて決まるフイルタを用いて新しい変数
を生成し、得られた変数列により前述のパルス伝
達関数の係数を同定演算して、その同定結果から
制御対象を制御する制御器の各制御定数を最適に
調整することができるように構成したものであ
る。
The present invention applies a signal obtained by adding an M-sequence signal to an operation signal for operating the controlled object to the controlled object,
The controlled object is controlled, the controlled object is expressed by a pulse transfer function, and then the target value signal in the closed loop,
A new variable is generated from the identification signal and the feedback signal using a filter determined by the configuration of the controller, the coefficients of the pulse transfer function described above are calculated using the obtained variable sequence, and the controlled object is determined from the identification result. The configuration is such that each control constant of the controller to be controlled can be optimally adjusted.

以下本発明の実施例について詳細に説明する。
図は本発明によるプロセス制御装置の一実施例を
示すブロツク図である。このプロセス制御装置
は、制御対象となるプロセス1を制御するに際
し、その制御量の応答が最適となるように制御器
の制御定数を調整することができるように構成し
たもので、具体的は目標値信号発生装置2からの
目標値信号rkとプロセス1からのフイードバツ
ク信号ykとから偏差信号ekを得て、この信号ek
を制御器3たとえばPID制御演算装置に入力し
て、この制御器3の制御定数で制御演算を行なつ
て操作信号ukでプロセス1を操作するように構
成してある。
Examples of the present invention will be described in detail below.
The figure is a block diagram showing one embodiment of a process control device according to the present invention. This process control device is configured so that when controlling the process 1 to be controlled, the control constants of the controller can be adjusted so that the response of the controlled variable is optimal. A deviation signal ek is obtained from the target value signal rk from the value signal generator 2 and the feedback signal yk from the process 1, and this signal ek
is input to a controller 3, for example, a PID control calculation device, control calculations are performed using control constants of the controller 3, and the process 1 is operated using an operation signal uk.

この時の操作信号ukには同定信号発生部4で
発生する2値のM系列信号からなる同定信号vk
が加算されている。このようにして得られる偏差
信号ek、同定信号vkおよびフイードバツク信号
ykは各々フイルタ6、フイルタ7およびフイル
タ8に入力する。フイルタ6とフイルタ7の出力
は加算されて、MA同定モデル部9に入力し、フ
イルタ8の出力はAR同定モデル部10に入力す
る。このMAおよびAR同定モデル部9,10の
出力は減算されて同定演算部11に入力され、こ
の同定演算部11の出力は制御定数演算部12に
入力するよう構成されている。この制御定数演算
部12はその出力信号に制御演算装置3の制御定
数d1を得る。この制御定数d1の信号は制御演算装
置3の制御定数として用いて閉ループ制御を行な
うことにより、その閉ループ動作中に制御対象の
動特性を同定し、その制御定数を調整することが
できるようになつている。
At this time, the operation signal uk is an identification signal vk consisting of a binary M-sequence signal generated by the identification signal generator 4.
is added. Deviation signal ek, identification signal vk and feedback signal obtained in this way
yk is input to filter 6, filter 7, and filter 8, respectively. The outputs of filter 6 and filter 7 are added and input to MA identification model section 9, and the output of filter 8 is input to AR identification model section 10. The outputs of the MA and AR identification model units 9 and 10 are subtracted and input to an identification calculation unit 11, and the output of this identification calculation unit 11 is configured to be input to a control constant calculation unit 12. This control constant calculation section 12 obtains the control constant d 1 of the control calculation device 3 as its output signal. This signal with the control constant d1 is used as a control constant of the control calculation device 3 to perform closed-loop control, so that the dynamic characteristics of the controlled object can be identified during the closed-loop operation, and the control constant can be adjusted. It's summery.

なお同定信号発生部4、同定演算部11および
制御定数演算部12は中央制御部5によつて制御
されて動作する。
Note that the identification signal generation section 4, the identification calculation section 11, and the control constant calculation section 12 operate under the control of the central control section 5.

以上の構成をさらに詳しく詳述すると、制御対
象となるプロセス1はサンプル周期τ毎の操作信
号ukを入力して操作され、このプロセス1は制
御量x(t)を出力する。ここで操作信号ukは
第1式で示すように、サンプル周期τ時間の間だ
けホールドされている信号である。
To explain the above configuration in more detail, the process 1 to be controlled is operated by inputting the operation signal uk every sampling period τ, and this process 1 outputs the control amount x(t). Here, the operation signal uk is a signal held only during the sampling period τ time, as shown in the first equation.

k=u(t) ……第1式 ただし、k・τ≦t<(k+1)・τである。 u k =u(t) . . . 1st equation However, k·τ≦t<(k+1)·τ.

制御量x(t)は、プロセス内に設けられた図
示しない検出器により検出されて、サンプル周期
τ時間毎にサンプリングされフイードバツク信号
kとなる。このフイードバツク信号ykにはサン
プリング誤差を含む測定できない観測ノイズζが
含まれている。
The control amount x(t) is detected by a not-shown detector provided within the process, and sampled at every sampling period τ time to become a feedback signal yk . This feedback signal y k contains unmeasurable observation noise ζ including sampling error.

制御量ukの目標値rkは目標値信号発生装置2
で発生し、制御器3に入力する。この時の目標値
rkとフイードバツク信号ykとの偏差ekは第2式
に示す。
The target value r k of the controlled variable u k is the target value signal generator 2
is generated and input to the controller 3. Target value at this time
The deviation ek between rk and the feedback signal yk is shown in the second equation.

k=rk−yk ……第2式 制御器3は偏差ekにもとづいてPID(比例、積
分、微分)制御演算を行なうように構成されてい
る。この制御器3の出力する演算出力信号uk′は
第3式で示ように、 ただし、Kcは比例ゲイン、T1は積分時定数、
Tdは微分時定数である。
e k =r k −y k ...Second equation The controller 3 is configured to perform PID (proportional, integral, differential) control calculations based on the deviation ek. The calculation output signal u k ' outputted by the controller 3 is as shown in the third equation, where Kc is the proportional gain, T 1 is the integral time constant,
Td is the differential time constant.

上述した第3式は時間の推移演算子をZとする
と(ただしZ-1fk=fk-1である)第4式のように
なる。
The third equation described above becomes the fourth equation when the time transition operator is Z (however, Z -1 f k =f k-1 ).

u′k=D(Z−1)/C(Z−1)・ek……第4
式 ただし、C(Z-1)=1−Z-1 D(Z-1)=d0+d1Z-1+d2Z-2 d0=Kc(1+τ/2Ti+T/τ) d1=−Kc(1−τ/2Ti+2T/τ) d2=KcT/τ また、サンプル周期τ時間毎の制御量のサンプ
ル出力を制御量xkとすると、制御対象(1)の動特
性は第5式に示すようにARMAモデル(自己回
帰移動平均モデル)いわゆるパルス伝達関数で表
わすことができる。
u' k =D(Z -1 )/C(Z -1 )・e k ...4th
Formula: C(Z -1 )=1-Z -1 D(Z -1 )=d 0 +d 1 Z -1 +d 2 Z -2 d 0 =Kc(1+τ/2Ti+T d /τ) d 1 =- Kc (1-τ/2Ti+2T d /τ) d 2 =KcT d /τ Furthermore, if the sample output of the controlled variable at each sample period τ time is the controlled variable x k , the dynamic characteristic of the controlled object (1) is the fifth It can be expressed by the ARMA model (autoregressive moving average model), a so-called pulse transfer function, as shown in the equation.

k=B(Z−1)/A(Z−1)uk=G(Z-1)uk
……第5式 ただし、A(Z-1)=1+a1Z-1+a2Z-2
+…+an-m B(Z-1)=b1Z-1+b2Z-2+…bn-m 制御対象1は制御器3からのPID制御演算出力
uk′に同定信号発生部4で発生した同定信号vk
重畳して同定される。この時の操作信号ukは第
6式のようになる。
x k =B(Z -1 )/A(Z -1 )u k =G(Z -1 )u k
...Equation 5 However, A(Z -1 ) = 1 + a 1 Z -1 + a 2 Z -2
+...+a n Z -m B (Z -1 ) = b 1 Z -1 +b 2 Z -2 +...b n Z -m Controlled object 1 is the PID control calculation output from controller 3
Identification is performed by superimposing the identification signal v k generated by the identification signal generating section 4 on uk'. The operation signal u k at this time is as shown in equation 6.

k=u′k+vk …第6式 この同定信号vkとしては、2値のM系列信号
を用いる。この時のM系列信号の振巾をaMとす
る。
u k =u' k +v k ...Equation 6 A binary M-sequence signal is used as this identification signal v k . Let the amplitude of the M sequence signal at this time be a M.

同定信号発生部4は、各機能をコントロールす
る中央制御部のコマンドにより、M系列信号の発
生、停止が行なわれる。なお同定信号停止時には
k=0となる。
The identification signal generating section 4 generates and stops the M-sequence signal according to commands from a central control section that controls each function. Note that when the identification signal is stopped, v k =0.

上記した偏差信号ek、同定信号vk、フイード
バツク信号ykの各信号はPID制御演算部3の構
造によつて決定される特性(前述の第4式で示し
たD(Z-1)、C(Z-1),C(Z-1))を有するフイ
ルタ6,7,8に入力し、その出力信号を各々R
k,Vk,Ykとすると次式のように表わされる。
Each of the above-mentioned deviation signal e k , identification signal v k , and feedback signal y k has characteristics determined by the structure of the PID control calculation section 3 (D(Z -1 ) shown in the above-mentioned formula 4, C(Z -1 ), C(Z -1 )), and the output signals are input to filters 6, 7, and 8 having R
When k , Vk , and Yk , it is expressed as the following equation.

k=D(Z-1)・ek ……第7式 Vk=C(Z-1)・vk ……第8式 Yk=C(Z-1)・yk ……第9式 フイルタ6とフイルタ7の各出力信号、Rk
kには加算されて、MA(移動平均)同定モデ
ル部9に入力されている。このMA同定モデル部
9は制御対象1のARMAモデルの第5式で示す
分子側の同定モデルであり、そのMA同定モデル
信号B(Z)は次式のようになる。
R k = D (Z -1 )・e k ...7th formula V k = C (Z -1 )・v k ...8th formula Y k = C (Z -1 )・y k ...9th Equation Each output signal of the filter 6 and the filter 7, R k and V k , are added and inputted to the MA (moving average) identification model section 9. This MA identification model section 9 is an identification model on the molecule side shown by the fifth equation of the ARMA model of the controlled object 1, and its MA identification model signal B(Z) is expressed by the following equation.

B(Z)=b1Z-1+b2Z-2+…+bnZ-n ……第10式 フイルタ8の出力信号Ykは制御対象1の
ARMAのモデルの第5式で示す分母側のAR(自
己回帰)部の同定モデルとなるAR同定モデル部
10に入力される。
B(Z)=b 1 Z -1 +b 2 Z -2 +...+bnZ -n ...Formula 10 The output signal Y k of the filter 8 is the
The signal is input to an AR identification model section 10 which is an identification model for the AR (autoregressive) section on the denominator side shown by Equation 5 of the ARMA model.

このAR同定モデル部10は次式で示されるAR
同定モデル信号A(Z-1)を出力する。
This AR identification model section 10 is an AR expressed by the following equation.
The identified model signal A(Z -1 ) is output.

A(Z-1)=1+aZ-1+a2Z-2+…+amZ-m
…第11式 次にここれらの同定モデル信号A(Z-1),^B
(Z-1)を加減して、次式で表わされる同定残差信
号εkを得る。
A (Z -1 ) = 1 + aZ -1 + a 2 Z -2 +...+amZ -m
…Equation 11 Next, these identification model signals A(Z -1 ), ^B
(Z -1 ) is added or subtracted to obtain the identified residual signal ε k expressed by the following equation.

εk=−A(Z-1)Yk+^B(Z-1) ・(Rk+Vk) ……第12式 この同定残差信号εkは、同定演算部11に入
力して、信号εkの2乗の和が最少となるように
A(Z-1)、^B(Z-1)の各パラメータの値を修正
し、同定演算を行なう。
ε k =-A(Z -1 )Y k +^B(Z -1 ) ・(R k +V k ) ...Formula 12 This identification residual signal ε k is input to the identification calculation section 11, and The values of the parameters A(Z -1 ) and ^B(Z -1 ) are corrected so that the sum of the squares of the signal ε k is minimized, and an identification calculation is performed.

今、同定すべき未知パラメータペクトルをθと
すると第13式で示され、 θT=(a1,a2,…,am,b1,b2,…,bm)
…第13式 ただしTは転置を表わす。
Now, if the unknown parameter spectrum to be identified is θ, it is expressed by equation 13, θ T = (a 1 , a 2 ,..., am, b 1 , b 2 ,..., bm)
...Formula 13, where T represents transposition.

各フイルタ6,7,8により生成された変数に
よるベクトルをkとすると、第14式に示すよう
=(−Yk-1,−Yk-2,…,−Yk-n, Rk-1+Vk-1,…,Rk-o+Vk-o
……第14式 となる。未知パラメータベクトルθを遂次同定す
る演算はカルマンフイルタのアルゴリズムを用い
る。このアリゴリブムを用いると、前述の第13式
および第14式から、良く知られている次式のよう
な演算をすれば良い。
Letting k be the vector of variables generated by each filter 6, 7, 8, T k = (-Y k-1 , -Y k-2 , ..., -Y kn , R k -1 +V k-1 ,..., R ko +V ko )
...This will be the 14th ceremony. A Kalman filter algorithm is used to sequentially identify the unknown parameter vector θ. When this algorithm is used, calculations such as the well-known following equation can be performed from the above-mentioned equations 13 and 14.

θk=θk-1+Pk-1 k(σ k-1 k-1 k-1 (Yk ・θk-1) ……第15式 Pk=Pk-1−Pk-1 k(σ k-1 k-1 k-1 ……第16式 ただしσは観測ノイズの分散であり、一般に
は特定しないが、使用環境を考慮して10-4〜10-6
程度の値で良い。またPkは(n+m)・(n+
m)の共分散行列である。
θ k = θ k-1 + P k-1 k2 + T k P k-1 k-1 k ) -1 (Y kT k・θ k-1 ) ...Equation 15 P k = P k-1 −P k-1 k2 + T k P k-1 k ) -1 T k P k-1 ...Equation 16 However, σ 2 is the variance of observation noise, and is generally not specified. , 10 -4 to 10 -6 considering the usage environment
A moderate value is fine. Also, P k is (n+m)・(n+
m) is the covariance matrix of

なお同定開始時の初期値はθ=0、P0=Iと
し、もし前回の同定値が変化していない場合には
θを前回の値とすれば同定するまでの時間を短
縮することが、以上のように同定演算部11で
は、第15式および第16式に従つて、未知パラメー
タの値の同定演算を行なうよう構成されている。
Note that the initial values at the start of identification are θ 0 = 0 and P 0 = I, and if the previous identified value has not changed, the time until identification can be shortened by using θ 0 as the previous value. However, as described above, the identification calculation section 11 is configured to perform the identification calculation of the value of the unknown parameter according to the 15th and 16th equations.

この同定演算部11で得られた同定結果a1,b1
(ただしi=1〜m,j=1〜n)は、この結果
から閉ループ制御時の応答が最適となるように
PID制御定数を演算する最適制御定数演算部12
に入力する。この最適制御定数演算部12で演算
する最適制御定数は次の第17式乃至第25式で示さ
れるような一連の演算を行なうことにより得られ
る。
Identification results a 1 , b 1 obtained by this identification calculation unit 11
(however, i = 1 to m, j = 1 to n) is determined from this result so that the response during closed loop control is optimal.
Optimal control constant calculation unit 12 that calculates PID control constants
Enter. The optimum control constant calculated by the optimum control constant calculation section 12 is obtained by performing a series of calculations as shown in the following equations 17 to 25.

ここで、同定したパルス伝達関数をG(Z-1)と
して示すと第17式のようになる。
Here, when the identified pulse transfer function is expressed as G(Z -1 ), it becomes as shown in Equation 17.

この時のパルスの大きさg1は第18式に示すよう
な演算で求める。
The magnitude g 1 of the pulse at this time is determined by the calculation shown in Equation 18.

この中から最大パルスを発生する時刻max τ
とパルスの大きさgmaxから制御対象の時定数T
とムダ時間Lを次の第19式および第20式のように
演算する。
The time when the maximum pulse is generated from among these max τ
From the pulse size gmax and the time constant T of the controlled object
and the waste time L are calculated as shown in the following equations 19 and 20.

また同定結果からプラントゲインKを第21式に
示すように演算する。
Also, the plant gain K is calculated from the identification result as shown in Equation 21.

T=τ/gmax・K ……第19式 これらの時定数T、ムダ時間Lおよびプラント
ゲインKによつて制御対象の伝達関数G(S)は G(S)=Ke−LS/TS+1 ……第22式 で近似することができる。故にこれらから所定の
調整値を採用して演算すると、比例ゲインKc、
積分時定数Tiおよび微分時定数Tdは Kc=0.7T/KL(1/1+0.8τ/L)……第23
式 Ti=T ……第24式 Td=0.5L(1+5τ/L)(ただしτ<L)
……第25式 となり、PID制御演算部3で用いる最適な制御定
数uk′が得られる。これらの一連の演算は制御定
数演算部12で行なわれ、この設定値に基づいて
PID制御演算部3が制御対象に対し閉ループ制御
を行なうのである。
T=τ/gmax・K...Equation 19 Using these time constant T, dead time L, and plant gain K, the transfer function G(S) of the controlled object can be approximated by the following formula: G(S)=Ke −LS /TS+1 . . . Therefore, when calculating by adopting predetermined adjustment values from these, the proportional gain Kc,
Integral time constant Ti and differential time constant Td are Kc = 0.7T/KL (1/1 + 0.8τ/L)...23rd
Formula Ti=T...24th formula Td=0.5L (1+5τ/L) (however, τ<L)
. . . Equation 25 is obtained, and the optimum control constant u k ' used in the PID control calculation unit 3 can be obtained. These series of calculations are performed in the control constant calculation section 12, and based on these set values,
The PID control calculation section 3 performs closed loop control on the controlled object.

なお上述した実施例では、閉ループ制御につい
て示したが、制御定数d1の制御ゲインKを零とし
て制御した場合には開ループ制御となる。しかし
このような開ループ制御であつても同定信号vk
を操作信号ukに重畳しているので、特に回路構
成を変えることなく、このような開ループ動作で
あつても制御対象を同定することができる。
In the above-described embodiment, closed-loop control was shown, but when control is performed with the control gain K of the control constant d1 set to zero, open-loop control is achieved. However, even with such open-loop control, the identification signal v k
Since this is superimposed on the operation signal u k , it is possible to identify the controlled object even in such an open-loop operation without changing the circuit configuration.

上述した実施例で、同定演算にARMA(自己
回帰移動平均)モデルを設定して行なつたのは、
AR(自己回帰)モデルあるいはMA(移動平
均)モデルを設定して行なつた場合と比べ、同定
すべきパラメータの数が少なくてすむことから同
定パラメータ用の記憶領域を少なく構成すること
ができ、更にカルマンフイルタ部の演算所要時間
を短縮するためである。
In the above example, the ARMA (autoregressive moving average) model was set for the identification calculation.
Compared to the case where an AR (autoregressive) model or MA (moving average) model is set, the number of parameters to be identified is smaller, so the storage area for identified parameters can be configured to be smaller. Furthermore, this is to reduce the time required for calculation of the Kalman filter section.

以上詳述したように、本発明によるプロセス制
御装置は2値のM系列信号を既知とした同定信号
を操作信号に加算した信号で制御対象を制御し、
更に目標値信号とフイードバツク信号からPID制
御演算部の構造によつて決まるフイルタ出力の時
系列データより制御対象のARMA(自己回帰移
動平均)モデルの係数を最小2乗法によるカルマ
ンフイルタを用いて同定し、制御サンプル周期の
如何を問わずパルス伝達関数を同定してから、S
領域の伝達関数に変換し、このS領域の伝達関数
から制御器の制御定数を決定しているので、制御
サンプル周期を長くして制御定数を簡単な演算手
段でゆつくりと計算することで格別に高速演算可
能な大型計算機を使用することなく制御器の制御
定数を決ることが可能となり決定された制御定数
によつて制御器の制御定数は最適に調整されプロ
セスは安定に制御される。
As detailed above, the process control device according to the present invention controls a controlled object with a signal obtained by adding an identification signal using a known binary M-sequence signal to an operation signal,
Furthermore, the coefficients of the ARMA (autoregressive moving average) model of the control target are identified using a Kalman filter using the least squares method from the time series data of the filter output determined by the structure of the PID control calculation unit from the target value signal and feedback signal. , after identifying the pulse transfer function regardless of the control sample period, S
Since the control constants of the controller are determined from the transfer function of the S domain, the control constants can be easily calculated using simple calculation means by increasing the control sample period. It is possible to determine the control constants of the controller without using a large-scale computer capable of high-speed calculation, and the determined control constants allow the control constants of the controller to be optimally adjusted and the process to be stably controlled.

すなわちPIDコントローラなどの制御演算装置
で用いる制御定数をすでに使用実績のある調整側
により決定し、この仮りに設定した制御定数を用
いて制御対象の動特性を同定し、同定後にその制
御定数を最適に調整するので、閉ループ制御中に
その制御を続行させながら、適確な制御定数の調
整が自動的に行なわれる。すなわちプロセスの試
運転期間をほとんど必要としないので、行き成り
本運転に入ることができ、結果としてプロセスの
試運転調整期間の経費を大幅に削減することがで
きる。
In other words, the control constants used in a control calculation device such as a PID controller are determined by the adjustment side that has already been used, the dynamic characteristics of the controlled object are identified using these temporarily set control constants, and the control constants are optimized after identification. Therefore, while the control is continued during closed-loop control, appropriate adjustment of the control constants is automatically performed. In other words, since there is almost no need for a trial run period for the process, actual operation can begin immediately, and as a result, costs during the trial run adjustment period for the process can be significantly reduced.

更に本発明のプロセス制御装置ではその同定信
号として自己相関関数が白色ノイズに極めて近い
M系列信号を用いているので、あらゆる周波数成
分を持つていることから、従来の過渡応答法、周
波数応答法、リミツトサイクル法などによるこの
種装置と比べ、より短時間に制御対象の主時定数
程度の時間でインパルス応答が同定でき、しかも
この同定信号は2値に制限されたM系列信号を用
いているので制御対象の出力(制御量)を乱すこ
とが少ない。また同定演算部に用いたカルマンフ
イルタは、統計的な最小2乗法の時系列処理を行
なつているので、制御対象からフイードバツクさ
れるフイードバツク信号がノイズに乱されても、
そのノイズによる同定結果の乱れの効果を軽減す
る働きがあり、また逐次データが入力する毎にそ
の同定結果を修正していくので、従来装置の相関
法のような処理を行なう場合の多量のデータ格納
領域を必要とせず、従つてハードウエアの量を小
規模におさえることができる。
Furthermore, since the process control device of the present invention uses an M-sequence signal whose autocorrelation function is extremely close to white noise as its identification signal, it has all kinds of frequency components, so conventional transient response methods, frequency response methods, Compared to this type of device using the limit cycle method, the impulse response can be identified in a shorter time, about the time of the main time constant of the controlled object, and this identification signal uses an M-sequence signal that is limited to two values. Therefore, the output (control amount) of the controlled object is less likely to be disturbed. In addition, the Kalman filter used in the identification calculation section performs time series processing using the statistical least squares method, so even if the feedback signal fed back from the controlled object is disturbed by noise,
It works to reduce the effect of disturbance in the identification results caused by noise, and the identification results are corrected each time data is input sequentially, so it is possible to use large amounts of data when performing processing such as the correlation method of conventional equipment. No storage area is required, so the amount of hardware can be kept small.

なお上述した本発明の実施例では、閉ループ制
御中で制御対象の動特性を同定している例を示し
たが、制御定数の制御ゲインをゼロとした場合は
制御対象に対し、開ループモードとなる。この時
の開ループでも操作信号には同定信号が加算され
ているので、制御対象を同定することができる。
In the embodiment of the present invention described above, an example was shown in which the dynamic characteristics of the controlled object are identified during closed-loop control, but if the control gain of the control constant is set to zero, the controlled object will be in open-loop mode. Become. Even in the open loop at this time, since the identification signal is added to the operation signal, the controlled object can be identified.

更に本発明によるプロセス制御装置は、制御対
象を同定する際の時系列データに目標値信号成分
が入つており、同定中に目標値の変更があつても
その目標値の変化に対する制御対象の変化を含め
て処理するので、得られる同定結果に何ら影響を
与えることがない。
Furthermore, the process control device according to the present invention includes a target value signal component in the time series data used when identifying the controlled object, and even if the target value changes during identification, the change in the controlled object in response to the change in the target value is Since the process includes the following, it does not affect the obtained identification results in any way.

なお本発明の装置を構成する各ブロツクは、デ
ジタルシステムで構成でき、簡単にマイクロコン
ピユータを用いてデジタルプロセスコントローラ
化することができる。またプロセスは、その動特
性が安定であれば、常に同定操作をする必要はな
く、同定完了と思われる時期に同定信号を停止
し、通常の制御を行なえば良い。
Each block constituting the apparatus of the present invention can be constructed as a digital system, and can be easily converted into a digital process controller using a microcomputer. Further, if the dynamic characteristics of the process are stable, there is no need to constantly perform the identification operation, and it is sufficient to stop the identification signal when the identification is thought to be completed and perform normal control.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

図は本発明の一実施例であるプロセス制御装置
を示すブロツク図である。 1……制御対象(プロセス)、2……目標値信
号発生装置、3……PID制御演算装置、4……同
定信号発生部、5……中央制御部、6,7,8…
…フイルタ、9……MA同定モデル部、10……
RA同定モデル部、11……同定演算部、12…
…制御定数演算部。
The figure is a block diagram showing a process control device that is an embodiment of the present invention. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1...Controlled object (process), 2...Target value signal generation device, 3...PID control calculation device, 4...Identification signal generation section, 5...Central control section, 6, 7, 8...
...Filter, 9...MA identification model section, 10...
RA identification model section, 11...Identification calculation section, 12...
...Control constant calculation section.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 制御対象となるプロセスの制御量の目標値を
設定する目標値信号発生装置と、前記プロセスの
制御量をフイードバツクするフイードバツク信号
と前記目標値信号発生装置からの目標値信号との
偏差を演算して偏差信号を得る演算部と、この演
算部で得られる偏差信号からサンプル制御周期毎
に制御定数にしたがつて制御演算して前記プロセ
スに入力する操作信号を発生する制御演算装置
と、前記プロセスの動特性を同定するためのM系
列信号からなる同定信号を発生する同定信号発生
部と、前記同定信号を前記操作信号に加算する加
算部と、前記フイードバツク信号を入力してAR
同定モデル信号を出力するAR同定モデル部と、
前記同定信号と前記偏差信号との加算信号を入力
してMA同定モデル信号を出力するMA同定モデ
ル部と、前記AR同定モデル信号とMA同定モデ
ル信号を加減算して得た同定残差信号を入力して
前記プロセスのARMAモデルの係数を最小2乗
法によるカルマンフイルタを用いて同定する同定
演算部と、この同定演算部で同定した前記
ARMAモデルからS領域の伝達関数を得た後に
この伝達関数から制御定数を演算して前記制御演
算装置の制御定数を調整するよう構成した制御定
数演算部とを具備してなることを特徴とするプロ
セス制御装置。
1. A target value signal generating device that sets a target value of a controlled variable of a process to be controlled, a feedback signal that feeds back the controlled variable of the process, and a deviation between the target value signal from the target value signal generating device. a calculation unit that obtains a deviation signal from the calculation unit; a control calculation device that performs a control calculation based on the deviation signal obtained by the calculation unit in accordance with a control constant every sample control period to generate an operation signal to be input to the process; an identification signal generation section that generates an identification signal consisting of an M-sequence signal for identifying the dynamic characteristics of an AR; an addition section that adds the identification signal to the operation signal;
an AR identification model section that outputs an identification model signal;
an MA identification model section that inputs a sum signal of the identification signal and the deviation signal and outputs an MA identification model signal; and inputs an identification residual signal obtained by adding and subtracting the AR identification model signal and the MA identification model signal. an identification calculation unit that identifies the coefficients of the ARMA model of the process using a Kalman filter based on the least squares method;
and a control constant calculation unit configured to obtain a transfer function in the S region from the ARMA model and then calculate a control constant from this transfer function to adjust the control constant of the control calculation device. Process control equipment.
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