JPS63126001A - 制御装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野）　。

本発明は、種々のプラントの制御に利用する制御装置に
係わり、特に目標値信号の変化に対して振動しにくい制
御系とした制御装置に関する。

（従来の技術） 従来のプラント制御方式には、ＰＩＤ制御。

ＡＦＩ定値微分先行形ＰＩＤ制御、Ｉ−ＰＤ制御等の種
々の制御方式があるが、以下、それらの中の１つである
Ｉ−ＰＤ制御方式について説明する。

第８図はかかるＩ−ＰＤ制御系のブロック構成を示す図
である。すなわち、この制御系はＩ−ＰＤ制御装置１と
制御対象２とから成っている。

このＩ−ＰＤ制御装置１は、目標値信号ＳＶとフィード
バック信号との偏差を求める減算演算要素３、この減算
演算要素３により得られた偏差ｅを積分演算する積分演
算手段４．前記偏差ｅを（比例＋微分）演算する比例・
微分演算手段５．前記積分演算手段４の出力から比例・
微分演算手段５の出力を減算する減算演算要素６．この
減算演算要素６の出力に比例ゲインに、を乗じて制御対
象２の操作量を得る係数乗算手段７等によって構成され
ている。

ところで、以上のような制御装置のＩ−ＰＤ制御アルゴ
リズムは、連続系では次式をもって表わすことができる
。

ＭＶ−Ｋｐ　　（（１／ＴＩ　・５）Ｘｅ−（１−ＴＤ
　＠５）ＰＶＩ ・・・・・・（１） 但し、Ｋ、は比例ゲイン、ＴＩは積分時間、ＴＤは微分
時間である。つまり、この制御系は目標値信号°Ｓｖと
制御量Ｐｖであるフィードバック信号との偏差が零とな
るように（１）式に基づいて演算を行って操作ＱＭＶを
得るものである。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、以上のようなＩ−ＰＤ制御装置１は次のような
欠点を存している。

■、目標値信号Ｓｖの変化に対して積分動作が遅いこと
。

すなわち、上記装置は制御Ｂ量の変化に対してＰ（比例
）十工　（積分）＋Ｄ（微分）動作とじて働くが、目標
値信号の変化に対しては！（積分）動作だけであるので
、目標値信号の変化に対する制御量の応答性が遅い。

■、目標値信号の変化に対して操作量ＭＶが一義的に決
まらない。

この点は、（１）式から明らかなように制御偏差ｅがあ
る限り、積分動作で修正することになり、操作ｆｆｉＭ
Ｖが変化し続ける。このため、目標値追従特性を速くし
ようとすると振動的となってしまう。

従って、以上のように従来装置は、目標値追従特性が遅
く、かつ、振動的であるという欠陥を持っており、これ
がプラントの制御性向上に大きな障害となっている。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、目標値信号
の変化に対して速応し得、かつ、振動しにくい難振動性
の制御系として実現し得る制御装置を提供することを目
的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明による制御装置は、制御対象から得られた制御量
のフィードバック信号と予め設定された前記制御対象の
目標値信号とを用いて演算により操作量信号を求めて前
記制御対象に供給する制御装置において、前記目標値信
号に所定のフィードフォワード制御ゲインを与えてフィ
ードフォワード操作量信号を得る目標値フィードフォワ
ード制御手段と、目標値信号の変化に対する比例ゲイン
として前記フィードフォワード制御ゲインと分担して受
は持つフィードバック制御用比例ゲインが設定され、前
記目標値信号とフィードバック信号の偏差が零となるよ
うなに調節演算を行うフィードバック制御手段と、前記
目標値信号の変化に応じて前記フィードバック制御手段
を制限するフィードバック制限手段とを備えたものであ
る。

（作用） 従って、以上のような手段とすることにより、少なくと
も比例ゲインを目標値追従特性および外乱抑制特性が最
適になるように２自由度化した上で、目標値フィードフ
ォワード制御手段とフィ−ドパツク制御手段とを分離す
るとともに、目ｍ値変化に対する比例ゲインをフィード
フォワード制御ゲインとフィードバック制御用比例ゲイ
ンとに分割し、目標値信号の変化に対して前記フィード
バック制限手段の出力を制限することにより、目標値信
号の変化に対して速応でき、かつ、振動しにくい安定な
制御系を得ることができる。

（実施例） 以下、本発明の詳細な説明するに先立ち、本発明装置の
理解を容易にするために目標値信号の変化に対してフィ
ードバック制御に制限を加えない場合の構成について第
１図を参照して説明する。

同図において１１は制御装置、１２は制御対象である。

この制御装置は、目標値信号Ｓ■にフィードフォワード
制御ゲインに、を乗算してフィルドフォワード操作量信
号を得るゲイン乗算手段１３を有する目標値フィードフ
ォワード制御手段１４と、目標値信号Ｓｖと制御量Ｐｖ
であるフィードバック信号との偏差を零とする演算を行
うフィードバック制御手段１５とで構成されている。こ
のフィードバック制御手段１５は、目標値信号Ｓｖとフ
ィードバック信号との偏差を求める減算演算要素１６．
この減算演算要素１６で得られた偏差ｅを積分演算する
積分演算手段１７．前記偏差ｅを（比例＋微分）演算す
る比例・微分演算手段１８、目標値信号Ｓｖに所定の係
数ＫＢを乗算する係数乗算手段１９．これらの手段１７
〜１９の出力を加算演算する加算演算要素２０．　　こ
の加算演算要素２０の出力の係数ＫＰを乗算する係数乗
算手段２１等によって構成されている。そして、これら
両手段１４．１５の出力を加算演算要素２２で加算合成
して操作ｍＭＶを得、これを制御対象１２に供給するよ
うになっている。

しかして、以上のような装置によれば、少なくとも比例
動作を目標値追従特性および外乱抑制特性が最適となる
ように２自由度化し、かつ、比例ゲインをフィードフォ
ワード制御ゲインＫＦとフィードバック制御手段１５の
比例ゲインＫＢ・ＫＰとに分割したとき、これらの間に
は次に述べるような関係が成立する。つまり、外乱抑制
特性最適比例ゲインをＫＰとし、目標値追従特性最適比
例ゲインをＫＰ−α−ＫＰとすると、第１図の構成から α・ＫＰ　−（ＫＢ　−Ｋｐ　）　＋ＫＦ・・・・・・
（２） なる関係が成立する。但し、（α・ＫＰ）は目標値追従
特性最適比例ゲイン、（Ｋｎ−Ｋｐ）はフィードバック
制御手段１５の比例ゲイン、ＫＦは目標値フィードフォ
ワード制御手段１４の比例ゲインである。従って、この
（２）式からＫＢは、ＫＢ−ｔα−（ＫＦ／ＫＰ）ｌ　
　・・・・・・（３）となる。上式においてＫＰは外乱
抑制最適比例ゲイン、ＫＦは目標値フィードフォワード
制御ゲイン、パラメータαは、 ＫＰ−α・ＫＰ　　→　α麿ＫＰ／ＫＰ・・・・・・（
４） である。ＫＰは目標値追従特性最適比例ゲインである。

次に、パラメータαがプロセス特性に無関係に特定でき
ることを説明する。これにはＣＨＲ（Ｃｈｉｅｎ＊Ｈｒ
ｏｎｅｓ　　＃　Ｒｅ５ｍ１ｃｋ）のＰＩＤ調整公式を
次表で表わす。

ここで、「行過ぎなし」のときのαを求めると、（４）
式と第１表から ＫＰＰＯ２９５Ｔ／ＫＬ。

＊ ＫＰＰＯ２３５Ｔ／ＫＬ が得られ、これを（４）式に代入するととなる。次に、
「２０％行過ぎ」のときは、ＫＰ−１，２７／ＫＬ。

＊ Ｋｐ＝０．ＢＴ／ＫＬ が得られ、同様に（４）式に代入するとが得られる。従
って、一般的に使用される場合、αは制御対象１２の特
性に関係なく第２表のように特定することができる。

第　　　２　　　表　　　αの値 このようにαは制御対象１２のいかに拘らず所定の値に
特定できる。従って、（３）式を見るとα、とＫＰは決
められるから目標値フィードフォワード制御手段１４の
比例ゲインに、を決めるとＫＢは決まってしまう。つま
り、ＫＦ−１とすると、 ＫＢ−（α−１／　Ｋ　ｐ　）　　　　　　・・・・・
・（７）となる。

次に、第２図は本発明装置の機能的なシステムブロック
図である。すなわち、本発明装置は、速度形目標値フィ
ードフォワード制御手段１４ａと速度形フィードバック
制御手段１５ａとに分離され、さらにフィードバック制
御手段１５ａの出力を制限するためのフィードバック制
限手段３０が設けられている。このフィードバック制限
手段３０は、目標値信号Ｓｖの変化を検出する信号変化
検出手段３１と、この検出信号のレベルが所定値を越え
ているか否かを判定し、越えているときにオフ制御信号
を出力するレベル判定部３２と、このレベル判定部３２
のオフ制御信号でフィードバック制御手段１５ａの出力
を切り離すスイッチ、　回路３３等から成り、目標値信
号Ｓｖの変化が大きいときにフィードバック制御手段１
４ａの出力を切り離して一時的にフィードフォワード制
御のみを実行する。３４は加算演算要素、３５は速度形
−゛位置影信号変換手段である。

従って、第２図に示すように、制御系全体を２自由度化
した上で、目標値信号の変化に対する最適ゲインを目標
値フィードフォワード・ゲインとフィードバック制御用
ゲインとに分割し、目標値信号の変化の大きさが所定値
を越えたときにフィードバック制御手段１５ａの出力ま
たは少なくとも積分動作を制限する構成とすれば、目標
値信号が変化した時に目標値フィードフォワード制御に
より操作ｆｆｉＭＶが一義的に決まり、操作ｆｉ１ＭＶ
は目標値フィードフォワード成分が主体となり、フィー
ドバック制御手段１５ａはズレを補正する補助的なもの
となる。また、目標値信号の急変時には目標値フィード
フォワード制御が主体となり、フィードバック制御成分
は切り離されて過度的制御偏差が無視される。そして、
目標値フィードフォワード制御の応答確認後にフィード
バック制御手段１５ａを生かすことになるので振動的な
要素を大幅に減少させ得る。また、ある程度の制御偏差
のある状態ではフィードバック制御手段１５ａは生きる
ことになるが、制御系全体が２自由度化されているので
、振動性の少ない最適な制御を実現できる。

次に、第３図は本発明装置を具体化した一実施例として
の構成図である。この装置は、目標値信号Ｓｖの変化を
検出して例えばフィードバック制御手段１５の出力を制
限する例である。すなわち、本発明装置はフィードバッ
ク制限手段３０を付加するとともに、速度形演算処理方
式に鑑みて目標値フィードフォワード制御手段１４に位
置形−速度影信号変換手段４１．また係数乗算手段１９
の出力側に同様に位置形−速度影信号変換手段４２を設
け、さらに加算演算要素２２の出力側に速度形−位置影
信号変換手段４３を設けたものである。

この装置は、目標値信号Ｓｖの変化を信号変化検出手段
３１で検出するとともに、その信号変化レベルの大きさ
をレベル判定部３２で判定し、目標値信号の変化が所定
値を越えた時にスイッチ回路３３をオフとし、フィード
バック制御手段１５ａの出力を制限するものである。

従って、以上のような実施例の構成によれば、目標値追
従特性および外乱抑制特性が最適となるように少なくと
も比例ゲインを２自由度化した上で、目標値フィードフ
ォワード制御手段１４のゲインとフィードバック制御手
段１５のゲインに分割するとともに、目標値フィードフ
ォワード制御手段１４が最適に動作するように［ＩＰ４
値フィードフォワード・ゲインを設定し、残りを（３）
式に基づいてフィードバック制御手段１５のゲインとし
て自動設定することになる。

また、従来、目標値信号が変化したとき、目標値フィー
ドフォワード制御手段１４で正確に予測しこれだけ変化
させれば新しい目標値に達するという信号を出力するの
で、操作量の変化に対して制御はＰ■が応答しないうち
にフィードバック制御手段１５が動作すると、正確な予
Ａｌの目標値フィードフォワード制御手段１４ａの出力
に余分な信号を加えることにより、オーバシュートを起
こして制御性が低下し、かつ、振動的となってしまう。

これに対し、本装置は、目標値信号の変化の大きさを検
出し、過度状態ではフィードバック制御手段１５の出力
をスイッチ回路３３を用いて切り離し、目標値フィード
フォワード制御のみにしてオーバシュートをなくシ、振
動なしで応答できるようにする。

よって、目標値信号の変化に対してオーバシュートの生
じない振動のない制御系が得られ、従来のＰＩＤ制御方
式の大きな欠陥を解消できる。また、２自由度化してい
るので、制御偏差がある状態でフィードバック制御を生
かしても最適な制御結果が、得られる。従って、以上の
装置をプラントの各制御系に適用すれば、振動しにくい
安定な制御が実現でき、かつ、制御性を向上し得、品質
の向上および品質の均質化が図れ、省資源、省エネルギ
ーおよびプラントの長寿命化に、威力を発揮し産業界に
大きく貢献できる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。

例えば上記実施例の装置は混合プロセスにも容易に適用
できるものである。例えば熱量混合を行う熱交換器の如
く混合プロセスでは、熱交換器に与えるべき熱量Ｑｌは
、 Ｑｉｏｃ　１（Ｔｓ−ＴＩ）　＋ｆｅ　（Ｔｓ−Ｔｏ）
ｌ　ｘＦｔとなる。但し、Ｔｓは熱交換器出口の目標温
度。

Ｔｉは熱交換器入口の流体温度、Ｔｏは熱交換器出口の
流体す温度、Ｆｌは被加熱流体流量。

ｆｅ（Ｔｓ−Ｔｏ）はフィードバック制御出力信号であ
る。従って、この混合プロセスにおける目標値フィード
フォワード制御出力は目標値Ｔｓ　（ＳＶ）ではなく、
Ｔｓ（目標値信号）−Ｔｉ（混合前の制御量）となる。

第４図はかかる混合プロセスに適用したシステム構成図
である。

同図において４１は減算演算要素であって、目標値信号
Ｔｓから混合前の制御量信号Ｘｔを減算して目標値フィ
ードフォワード制御出力を得るようにしている。なお、
この装置におけるフィードバック制限手段３０はフィー
ドバック制御手段１５の出力ではなく、積分演算手段１
７の入力側にスイッチ回路３３を設け、積分動作を制限
するようにしたものである。

また、第５図は同じく本発明装置の他の実施例であって
、これは目標値フィードフォワード制御手段１４に進み
／遅れ演算手段５１を設けて目標値信号の変化に対する
応答を速くするとともに、フィードバック制限手段３０
における目標値信号の変化を検出する機能を持たせたも
のである。

５２は減算演算要素である。つまり、進み／遅れ演算手
段５１の入出力差を減算演算要素５２で求め、その出力
レベルをレベル判定部３２で判定する。ここで、進み／
遅れ演算手段５１の伝達関数について求めてみる。今、
ＫＦ−１，プロセスゲインに−ｙｌとすれば、 制御対象１２の特性 ・・・・・・（９） 希望応答特性 ・・・・・・（１０） となり、進み／遅れ演算手段５１の伝達関数Ｇ（ｓ）と
すると、 Ｇ　（ｓ）＝Ｇ　（ｓ）　　・Ｇｐ　　（ｓ）・・・・
・・（１１） ＊ Ｇ　（ｓ）−Ｇ　（ｓ）／Ｇｐ　　（ｓ）＝　（１＋Ｔ
ｐ−ｓ）／　（１＋Ｔ−ｓ）・・・・・・（１２） となる。実際の場合、Ｔ−Ｔｐ／３　〜Ｔｐ／４程度が
適当である。

また、フィードバック制御手段１５として例えば第６図
に示すように係数乗算手段１９の出力側に加算演算要素
６１を設け、この加算演算要素６１により係数乗算手段
１９の出力と係数乗算手段２１の出力とを加算してフィ
ードバック制御出力を得るようにしてもよい。因みに、
目標値追従特性最適比例ゲインＫｐ、ＫＦ、ＫＢ’　、
Ｋｐとの関係は、 ＫＰ−α・ＫＰ−に、＋ＫＢ’・・・・・・（１３）Ｋ
　Ｂ／　−α・Ｋ、−ＫＦ　　　　・・・・・・（１４
）となる。

また、上記実施例では、目標地信号の変化をフィードバ
ック制限手段３０に入力し、目標地信号の変化が所定地
を越えたときにスイッチ回路３３をオフ制御し、フィー
ドバック制御を制限するようにしたが、例えば第７図に
示すように第５図の減算演算要素５２の出力側に折線関
数発生手段７１を設けるとともに、積分演算手段手段１
７の入力側に乗算演算要素７２を設け、減算演算要素５
２から目標値信号の変化の大きさを表わす量δの絶対値
を取り出して折線関数発生手段７１に入力し、ここで、
０〜１の係数ｋに変換した後乗算演算手段７２に人力し
、目標値信号の変化が大きいときに目標値信号とフィー
ドバック信号の偏差に“０°を乗じ、変化が小さいとき
に“１”を乗じながら連続的に制御する構成でもよい。

その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形
して実施できる。

［発明の効果］ 以上詳記したように本発明によれば、目標値信号の変化
に対して速応し得、かつ、振動しにくい安定な制御を実
現し得、プラントの各制御系に適用して品質の向上、プ
ロセスの均質化、省エルルギー化等に寄与させ得る制御
装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の基本的な構成を示す図、第２図お
よび第３図は本発明装置の一実施例を説明するために示
したもので、第２図は機能的にシステムブロック図、第
３図は第２図を具体化した一実施例としての構成図、第
４図ないし第７図はそれぞれ本発明装置の他の実施例を
示す構成図、第８図は従来装置の構成図である。 １１・・・制御装置、１２・・・制御対象、１３・・・
ゲイン乗算手段、１４．１４ａ・・・目標値フィードフ
ォワード制御手段、１５．１５ａ・・・フィードバック
制御手段、１６・・・減算演算要素、１７・・・積分演
算手段、１８・・・比例・微分演算手段、１９・・・係
数乗算手段、２０・・・加算演算要素、２１・・・係数
乗算手段、２２・・・加算演算要素、３０・・・フィー
ドバック制限手段、３１・・・信号変化検出手段、３２
・・・レベル判定部、３３・・・スイッチ回路、３５・
・・速度形−位置影信号変換手段、４１・・・減算演算
要素、５１・・・進み／遅れ演算手段、５２・・・減算
演算要素、７１・・・折線関数発生手段。 出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 １コａ 第２図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）制御対象から得られた制御量のフィードバック信
   号と前記制御対象の目標値信号とを用いて演算により操
   作量信号を求める制御装置において、前記目標値信号に
   所定のフィードフォワード制御ゲインを与えてフィード
   フォワード操作量信号を得る目標値フィードフォワード
   制御手段と、目標値信号の変化に対する比例ゲインを、
   前記フィードフォワード制御ゲインとは分割されてフィ
   ードバック制御用比例ゲインが設定され、前記目標値信
   号とフィードバック信号の偏差が零となるように調節演
   算を行うフィードバック制御手段と、前記目標値信号の
   変化に応じて前記フィードバック制御手段を制限するフ
   ィードバック制限手段とを備えたことを特徴とする制御
   装置。
2. （２）目標値フィードフォワード制御手段は、混合プロ
   セスに適用する場合、目標値信号を混合前の制御量信号
   で減算して前記目標値フィードフォワード操作量信号を
   得るものである特許請求の範囲第１項記載の制御装置。
3. （３）フィードバック制限手段は、目標値信号の変化が
   所定値を越えたときにフィードバック制御手段の少なく
   とも積分動作を制限するものである特許請求の範囲第１
   項記載の制御装置。
4. （４）フィードバック制限手段は、目標値フィードフォ
   ワード制御手段に進み／遅れ演算手段を設け、この演算
   手段の入出力差の大きさに応じて前記フィードバック制
   御手段を制限するものである特許請求の範囲第１項記載
   の制御装置。
5. （５）フィードバック制限手段は、目標値フィードフォ
   ワード制御手段に進み／遅れ演算手段を設け、この演算
   手段の入出力差の絶対値に応じて所定の乗算用関数を発
   生してフィードバック制御手段を制限するものである特
   許請求の範囲第１項記載の制御装置。