JPS6266301A - オ−トチユ−ニングコントロ−ラ - 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、フィードバック制御系において制御対象（プ
ロセス）からフィードバックされた制御量（ｐｖ）と設
定値（ｍｐ）との偏差（ｅ）に対して比例積分微分（Ｐ
ＩＤ）演算を行ない、得られた操作量←）をプロセスに
与えるコントローラに関する。

〔従来の技術〕

このようなＰＩＤコントローラは工業上広く使用されて
いるが、その最適制御の前提となるＰＴＤＩＤパラメー
タ整は、従来手動で行なわれるのが普通であり、そのた
め運転中にプロセスの特性が変化したような場合に、最
適パラメータを速やかに求め直すということが困難であ
った。

また、ＰＩＤコントローラの自動調整用の装置もあるが
、この装置は高価であり、しかも簡単には使いこなせな
い。さらに、自動適応形のＰＩＤコントローラもあるが
、この種の装置は通常のＰＩＤコントローラより一層構
成が複雑であり、実現にはコンピュータを用いるのが普
通であるが、演算周期（サンプリング・タイム）が長く
なったシ、プログラム用メモリ容量の増大を招いてしま
う。

これに対し、コントローラに非線形要素を付加１〜、プ
ロセスの特性を求める時には、当該非線形要素を信号路
に挿入し、偏差に対し不連続制御動作（２位置制御が代
表的である）を行なわせるようにしたものも古くから提
案されている。リミット・サイクルが発生すれば、その
波形からプロセスの特性および最適パラメータを求める
ことは容易である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、この場合、非線形要素の２位置の値が大きく、
それによる操作量の変動の幅が大きすぎ、一部の温度制
御系等のあまり早い応答性を必要とし彦い場合を除き、
不向きである。

一方、リミット・サイクルはプロセスの平衡点（ｓｐ＝
ｐｖの時のｍ）を動作基点としているため、上記２位置
の値を小さくとると、プロセスに外乱が発生したり、ｉ
ｐが大きく変化したような時にリミット・サイクルが発
生しなくなることがあった。またその時のｐｖｌｉａｐ
とはかなり離れたところにとどまってしまい、望ましく
ない。

結局、従来のこのようなコントローラはオートチューニ
ングコントローラ、つまり最適ＰＩＤパラメータを自動
的に決定するコントローラとしては実用性に乏しかった
。

〔問題点を解決するだめの手段〕

本発明は、非線形要素を設けるとともに、この非線形要
素を比例演算部の前段に挿入すると同時にこれらに並列
に積分演算部を接続したチューニング状態に移行させる
スイッチ手段を設け、さらにチューニング状態で発生す
るリミット・サイクルの観測器、観測結果から最適ＰＩ
Ｄパラメータを決定して各演算部へ送出する調整器およ
び通常運転状態における所定のチューニング開始条件成
立で上記スイッチ手段を動作させるとともにチューニン
グ状態でのＰＩＤパラメータ決定後に上記スイッチ手段
を復旧させる制御手段とを設けたものでめる。

〔作用〕

通常運転中は通常のＰＩＤコントロールを行なうが、例
えば偏差が所定値を越えた場合、自動的にチューニング
状態に移行し、プロセスの最適制御を達成するためにＰ
ＩＤパラメータを求め直し、その後更新したパラメータ
による通常運転に戻る。

チューニング中も、プロセスのフィードバック制御は維
持される。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図である。同
図において、本実施例のオートチューニングコントロー
ラ１０は、３個のスイッチＳＷ１　。

ＳＷ２　、８Ｗ３を含んでいる。これらのスイッチは連
動して切換えられ、Ａ側（Ａｕｔｏ）に倒れているとき
が通常運転状態、Ｔ側（Ｔｕｎｉｎｇ）に倒れていると
きがチューニング状態である。

コントローラ１０は、比例演算部１１、積分演算部１２
、微分演算部１３およびこれらの各演算部の出力を加算
して得られた操作量ｍをプロセス１に出力する出力部１
４ならびにプロセス１からフィードバックされた制御量
ｐｖと設定値ａｐとの偏差ｅを求めて上記各演算部に与
える入力部１５とを有し、通常運転状態において、上記
偏差ｅを消去するように（１）式で与えられる操作量ｍ
を出力する。

ｍ＝ｍＩ＋ｍ２　十ｍｇ ＫＩＴｉ、Ｔｄはそれぞれ比例ゲイン、積分時間、微分
時間で、これらがＰＴＤパラメータと呼ばれるものであ
る。右辺第１項が比例演算部１１の出力ｍ１１第２項が
積分演算部１２の出力ｍ！、第３項が微分演算部１３の
出力ｍ、でらる。プロセスの性質、制御の目的に応じて
微分項を無くしたり（ＰＩコントロール）、比例・微分
項ｅｐｖにのみ作用させたり（ＩＰＤコントロール）の
種々の変形が可能であるが、総称してこのような制御動
作をＰＴＤコントローラと呼ぶ。

このようにコントローラ１０は、通常運転時は一般的な
ＰＩＤコントロールを行なうが、その時、観測器１６Ｆ
ｉ偏差ｅの動きを監視している。そして、この観測器１
６で監視される偏差の絶対値が所定の値を越えて大きく
なったシ、あるいはその応答性が好ましくなくかったか
ど、所定のチューニング開始条件が成立した場合、状態
切換制御部１Ｔは、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３をＴ側に切
換え、コントローラ１０はチューニング状態に移行する
。

チューニング状態では、比例演算部１１の前段に２位置
の非線形特性を持つ非線形要素１８が挿入され、かつこ
れらに並列に積分演算部１２が接続された構成をとる。

すなわち、Ｋ、Ｔｉ　　はそのままでＴｄ＝Ｏとして微
分動作は消え、操作量ｍは次の（２）　＋　（３）式に
よる出力の和となる。

ｍＩ＝十に−Ｍ（符号はｅの符号による）・・・（２）
この時でも、偏差・を消去するように働くことに変わり
はない。すなわち、依然としてプロセスのフィードバッ
ク制御系は維持される。

この時の操作量ｍと偏差ｅおよび上記両演算部の出力ｍ
Ｉ＋　ｍｌの波形の状態を第２図に示す。同図（−）中
、０）がｍ、（ロ）がｅを示し、同図（ｂ）中、（イ）
がｎｉｌ、←）がｍ２を示すが、観測器１６において、
これらの動きを監視する。

すなわち、ｍ、の振動がｍｌに比べて十分に小さいか、
またｅの振動がｍに比べて十分に小さいかを監視し、こ
れらの両条件が満足しかいときには調整器１９を介して
Ｋを小さく、Ｔｌを大きくする。これは、Ｋ、Ｔｉが異
常がときにプロセスの状態を安全サイドに保ったので、
特に、運転開始時においては、上記パラメータとしてど
の程度の値が適当か全くわからない場合があり、このよ
うな場合には上記の動作は重要である。

監視した動きが上記各条件を満たしていれば、偏差ｅの
振動が安定した持続振動、すなわちリミット・サイクル
になるのを待ち、その後、その振動の振幅Ｘおよび周期
Ｔｃを観測し、そのデータを調整器１９に送出する。

調整器１９では、次の演算により、従来の限界感度Ｋｅ
およびその時の振動周期’ｒｃｏ’　ｉａ、、求められ
る。

Ｋｃ＝　４ＫＭ／παＸ・凹曲・・曲（４）Ｔｏ。、＝
αＴｃ　　　　　・・・凹曲・・・・（５）ａ＝Ｉ　　
Ｘ＠ＴＬ・・町・・・・（６）４πＭＴｌ ここでＭは非線形要素１８の２位置の値である。

このようにＫｃおよびＴｅ＋１’　が上式で示されるこ
とについて、次に説明する。

第３図は、リミット・サイクル発生点を示す図で、同図
中（イ）はプロセスの伝達関数Ｇｐ（ｊω）、（ロ）は
Ｔｉ　を適当な値にとったときのコントローラ１゜の記
述関数Ｎ（Ｘ、ω）から求めた一１／Ｎのナイキスト線
図である。図中○印で示した（イ）と（ロ）の交点がリ
ミット・サイクルの発生点であるが、一方、同図中Ｏ印
で示したＧｐの位相−１８００の点が、非線形要素１８
と比例演算部１１のみによる制御系におけるリミット・
サイクル（これを理想リミット・サイクルという）の発
生点である。理想リミット・サイクルの振幅Ｘ。と周期
Ｔｅｏが求まれば、ＫｃおよびＴｏｏＩは次式で求まる
。

Ｋｃ＝４ＫＭ／π為　曲・・・・・・・曲　（７）′Ｔ
ＯＯ””　’Ｔｏｏ　　　　　　　・・・・・・・・・
・・川　（８）しかし、実際のプロセスから、つｔ９プ
ロセス制御を続行し々がらこれらのデータを直接求める
ことは事実上困難であることは先に述べた通りである。

そこで、本発明では上述したチューニング状態における
リミット・サイクルの発生点のデータから、理想リミッ
ト・サイクル発生点のデータを求めるようにしたもので
ある。

はじめに、プロセスの特性を示す伝達関数Ｇｐ（Ｉｔ）
（ＩＦｉラプラス演算子）は、平衡点からの動きに着目
し、次のように近似して示される。

Ｇｐ（ａ）＝　ｅ　　、／Ｔ８　　・＝・−・−・・・
（９）Ｌ：遅れ時間 Ｔ：応答傾き 一方、発生するリミット・サイクルを正弦波で近似し、
次式で表わす。

ｅ　＝　Ｘ画ωｔ　　・・・・・・・・・・・・・・・
　Ｑｌ前述したよりな２位置の非線形特性を有する非線
形要素の記述関数が４Ｍ／πＸであることから、出力ｍ
Ｉ＋ｍ２および操作量ｍはそれぞれ次のように示される
。

、−−４１見５１Ｔｌ　、、、ｔ　−０００，−９，−
３１，Ｑυｍ＝ｍ１＋ｍｌ　　　　・・・・・・・・・
・・　（１３制御量ｐｖの振動成分を・。とすると、（
９）、Ｑ４式％式％ ここで偏差ａ−−６０であるため、Ｑｌ　、　（１４）
式から、角周波数ωをω−２π／Ｔｃにより周期Ｔｃに
変法に、チューニング状態の構成において積分動作も消
去した（すなわちＴｌ　−（Ｘ）　）とすると、その時
のリミット響サイクルが理想リミット・サイクルであり
、 ｅ　：Ｘｏｓｉｎωｏｔ　　°°′°°゛゛°゛°　翰
周期をＴ。。（−２π／ω０）として Ｔｃｏ＝４Ｌ　　　　・・・・・・・・・・　　０１）
であることがわかる。

ここで、プロセスのり、Ｔ自体を求める代りに、Ｘ　ｏ
　、　Ｔ　ｃｏを求めると、（ｔＱ　、　（１神式およ
び（ホ）、ｃ！υ式より、 ＸＯ−αＸ　　　　　・・・・・・・・・・　　（２り
Ｔｅａ””αＴｃ　　　　　・・・・・・・・・　（ハ
）として簡単にＸｏ、Ｔｃｏが求まる。ただし、ψり〜
Ｃ２４）導出の過程でｍ−１０−〇（θは十分に小さい
任意の角度）の近似を行なっている。この近似は、シス
π　　　Ｘ テムが安定であるとき（つまり４Ｍ”Ｔｌｃｕの値が十
分に小さいとき）には十分有効である。

これらの理想リミット響サイクルのデータＸｏ。

Ｔｃｏを（７）　、　（８）式に代入することにより、
前述した（４）〜（６）が得られる。

調整器１９は、（４）　、　（５）式により求めたＫＣ
＋　Ｔｅｏ〆から、さらに最適ＰＩＤパラメータを求め
、各演算部に送出する。それには、例えは次表に示すよ
うなジーグラ・ニコルスの方法等の周知の方法による。

なお、ＰＩ、ＰＩＤ　の選択は前述したようにプロセス
の性質に応じて人為的あるいけ自動的に行なうようにす
る。

Ｋ、Ｔｌが、既にほぼ適当な値であった場合、つまり安
定した通常運転が継続している場合におけるチューニン
グなどでは、αの値はほぼ】になることが多く、その場
合には（４）　、　（５）式９計算速度はさらに速めら
れる。

上記ＰＩＤパラメータの決定後、状態切換制御回路１７
はスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を復旧させ、以後更新され九
ＰＩＤパラメータを用いて通常運転が行なわれる。

ところで、チューニング時も、コントローラ１０は偏差
ｅを打消すように、つまりフィードバックによる閉ルー
プ制御系を維持して働くことは先に述べた通りであるが
、その時、積分演算部１２が接続されているところから
、例えばプロセスに外乱が発生した’）％’Ｐが大きく
変化したりして、Ｍの値が小さい場合に非線形要素１８
のみでは追随が不可能となるような場合でも、上記積分
演算部１２が有効に働いて非線形要素１６による振動の
基点自体を変化させるととにより、偏差ｅを打消すこと
が可能である。換言すれば、非線形要素１８のＭの値は
小さく、例えば操作量の全移動域（スパン）の１〜１０
％程度で十分であるため、チューニング時にプロセスに
与える変動は少なく、速い応答性が確保できる。

このようなコントローラ１０は、具体的には例えばマイ
クロコンピュータを利用して、予めメモリにストアされ
たプログラムの実行により実現できる。もちろん、比例
、積分および微分の各演算部、非線形要素、入・出力部
ならびに各スイッチ８Ｗ１〜８Ｗ３および制御部、観測
器、調整器等をそれぞれそのような単一機能を有する個
別の構成要素によって実現してもよいことは言うまでも
ない。

第４図は、マイクロコンピュータ２０を用いた例で、２
１はマイクロプロセッサ等のプロセッサユニット（ｃｐ
ｏ）、２２は固定メモリ（ＲＯＭ）、２３は可変メモリ
（ＲＡＭ）、２４は入出力ポートであり、２５は各種定
数等の設定用操作子およびディスプレイを備えた設定／
表示器である。

ＣＰＵ２１は、固定メモリ２２に予めストアされたプロ
グラムを時系列的に実行することにより、コントローラ
１０としての機能を果たす。これを第５図および第６図
を用いて説明する。

第５図は、ＣＰＵ・２１において処理されるメインプロ
グラムの一例を示すフローチャートである。

同図において、ＣＰＵ２１は、初期化処理の後（ステッ
プ１０１）、入力処理において（ステップ１０２）、通
信路を介して、または設定／表示器２５から与えられる
設定値＠ｐとプロセス１からフィードバックされる制御
量ｐｖを入出力ポート２４を介してディジタル変換して
取込む。次いでＣＰＵ２１Ｆｉ、制御演算処理を行なっ
て操作量ｍを決定しくステップ１０３）、出力処理にお
いて（ステップ１０４）入出力ポート２４を介して上記
操作量ｍをアナログ変換しプロセス１に出力する。以上
の入力処理ステップ１０２から出力処理ステップ１０４
含一定のサンプリング周期で繰返し実行する。

第６図は、上述した制御演算処理プログラムの一例を示
すフローチャートである。プログラムの実行がこの制御
演算処理に移行するとＣＰＵ１は、可変メモリ２３０所
定エリアを利用して設けたフラグによりチューニングモ
ードであるか否かをチェックシ（ステラ７’　２０１　
）、チューニングモードでなければ設定値ｓｐと制御量
ｐｖとの偏差ｅを求め（ステップ２０２）、それが所定
のチューニング開始条件を満たしているか否か管判定し
くステップ２０３）、満たしていなければ、現在可変メ
モリ２３の所定エリアにストアされているＰＩＤパラメ
ータを用い、通常のＰＩＤ演算によシ操作量ｍを算出す
る（ステップ２０４）。す々わちこの場合が第１図にお
いてスイッチＳＷ１〜８Ｗ３をＡ側に倒した場合に相当
すムこれに対し、チューニング開始条件を満たしている
場合には（ステップ２０３）、チューニングモードを設
定した後（ステップ２０５）、非線形要素１８を比例演
算部１１の前段に挿入しそれらに並列に積分演算部１２
を接続した構成を想定してＩＪ　ミツト・サイクルを求
める（ステップ２０６）。この時、当然に操作量ｍも求
められる。そしてリミット・サイクルからＨ，鱈式のＸ
およびＴｏが求まったら（ステップ２０７Ｘこれはリミ
ット・サイクルが安定したことに相当する）、さらにそ
れらのデー−１７−。

タから前述したように例えばジーグラ・ニコルス法に従
って最適ＰＩＤパラメータを決定し、可変メモリ２３０
所定エリアにストアされていたそれまでのＰＩＤパラメ
ータの値を更新する（ステップ２０Ｂ）。その後、チュ
ーニングモードを解除する（ステップ２０９）。したが
って、次のＰＩＤ演算ステップ２０４の実行においては
新しいＰＩＤパラメータにより演算が行々われる。

このようにして、適宜ＰＩＤパラメータの更新をしかが
ら、最適制御が維持される。

なお、偏差ｅを監視しその状態によって自動的にチュー
ニング状態に移行する場合について説明したが、他の条
件、例えば所定時間の経過をチューニング開始条件とし
、定期的にＰＩＤパラメータの更新動作を行々うように
してもよい。ｔｆｃ、例えば設定／表示部２５からの操
作入力により、随時チューニング状態に移行できる機能
を付加してもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、非線形要素、こ
の非線形要素を比例演算部の前段に挿入するとともにこ
れらに並列に積分演算部をしたチューニング状態に移行
させるスイッチ手段、チューニング状態で発生するリミ
ット・サイクルの観測器、その観測結果から最適ＰＩＤ
パラメータ管決定して各演算部へ送る調整器および通常
運転状態におけるチューニング開始条件の成立で上記ス
イッチ手段を動作させるとともにＰＩＤパラメータ決定
後に復旧させる制御手段を設けたことにより、取扱いが
簡単で早い応答性を必要とするプロセスにも使用可能な
オートチューニングコントローラが安価に実現できる。

すなわち、従来の高価々自動ｐｌ整用装置等は一切不要
であり、また従来の自動適応形コントローラに比較して
構成が簡単で、コンピュータにより実現する場合でも計
算が簡単なためメモリ容量の増大を招くこともない。

また、チューニングのためにプロセスに与える操作量の
変化が小さく、サンプリングタイムは通常のＤＤＣ（ダ
イレクト・ディジタル・コントローラ）と同等である。

さらに、使用に際してはＰＩＦ）パラメータの初期値と
して適尚々値（やや大きめの値でよい）をセットしてお
くだけで、手動操作で適尚なところへ持っていくなどし
た後、通常運転状態に切換えるだけでよい。手動操作機
能が無い場合は、直ちに通常運転状態から始めてもよい
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
チューニング時に発生するリミット・サイクルを示す図
、第３図はその発生点を示す図、第４図はコントローラ
をマイクロコンピュータで構成した具体例を示すブロッ
ク図、第５図および第６図はＣＰＵにおける処理プ凸グ
ラムの一例を示すフローチャートである。 １＠・・拳プロセス、１０１１曇−・コントローラ、１
１・・・・比例演算部、１２・・・・積分演算部、１３
・・・・微分演算部、１４・・・φ出力部、１５・・Φ
・入力部、１６・・・φ観測器、１Ｔ・・・・状態切換
制御部、１８・・・・非線形要素、１９・・・・調整器
、ＳＷ１〜ＳＷ３・・・・スイッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 設定値とプロセスからフィードバックされた制御量との
   偏差に対してそれぞれ比例、積分および微分の演算を行
   なう各演算部と、これら各演算部の演算結果を加算して
   得られた操作量をプロセスに供給する出力部とを備えた
   コントローラにおいて、非線形要素と、この非線形要素
   を比例演算部の前段に挿入するとともにこれらに並列に
   積分演算部を接続したチューニング状態に移行させるス
   イッチ手段と、チューニング状態においてプロセスに発
   生するリミット・サイクルを観測する観測器と、その観
   測結果からプロセス制御に用いる最適なＰＩＤパラメー
   タを決定して各演算部へ送出する調整器と、通常運転状
   態における所定のチューニング開始条件の成立で上記ス
   イッチ手段を動作させるとともにチューニング状態にお
   けるＰＩＤパラメータの決定後に上記スイッチ手段を復
   旧させる制御手段とを備えたことを特徴とするオートチ
   ューニングコントローラ。