JPS63126002A - 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、特に目標値追従特性および外乱抑制特性を最適
化できる２自由度化制御方式を採用した雑振動性制御装
置に関する。

（従来の技術） 従来、この種の制御系、特にＩ　　（ｖ１分）−ＰＤ（
比例・微分）制御系は、一般的には第７図に示すような
制御ブロック線図により構成されている。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
制御対象２の制御ＲＰＶである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
り得られた偏差を積分演算する積分演算手段４．前記フ
ィードバック信号を（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で得られた積分出力か
ら比例・微分演算手段５で得られた比例・微分演算出力
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ＫＰを乗じる係数乗算手段７等により構成
され、この係数乗算手段７で減算演算要素６の出力に係
数を乗じて得られた操作量信号Ｍ　Ｖは制御対象２に供
給される。

そして、このＩ−ＰＤ制御装置１のアルゴリズムは、連
続系では次式をもって表わすことができる。

ＭＶ−Ｋｐ　　Ｉ　（１／Ｔｌ−５）ｘｅ−（１＋Ｔｐ
　　−５）ｘＰＶｌ ・・・・・・（１） −Ｋｐ　　（（１／Ｔｒ　　・５）ｘｓｖ−（１＋　（
Ｌ／　Ｔ　ｒ　　・　ｓ）＋ＴＤ　　−５）ｘＰＶｌ・
・・・・・（２） ここで、ＫＰは比例ゲイン、ＴＩは積分時間。

ＴＤは微分時間である。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、従来のＩ−ＰＤ制御装置１は、第７図および
上記（２）式から明らかなように優れた制御方式である
が、次の２つの大きな欠陥を持っている。

■、目標値信号ＳＶの変化に対する制御量の応答性が遅
いこと。

すなわち、上記装置においては、制御量Ｐｖの変化に対
してＰ（比例）十工　（積分）＋Ｄ（微分）動作として
働くが、目標値信号ＳＶの変化に対してはＩ　（積分）
動作だけであるので、目標値信号Ｓ■の変化に対する応
答性が遅くなる。

■、目標値信号ＳＶを変化させた時、ＫＰ、ＴＩ。

ＴＤを決めても操作ｍＭＶが一義的に定まらず、これが
振動性の原因となる。

この点は、第７図および（１）式から明らかなように目
標値信号ＳＶを変化させた時、ＫＰ。

ＴＩ、ＴＤを決めても一義的に定まらず、偏差ｅが零と
なるまで操作ｍＭＶが変化し続けることである。この結
果、制御対象２の特性を包含して目標値信号Ｓｖの変化
に対して振動的となる要因となっていた。

従って、従来のＩ−ＰＤ制御装置は、以上述べたように
目標値信号Ｓｖの変化に対して応答性が遅く、かつ、振
動的であると言う大きな欠陥を持っており、これがプラ
ントの制御性の改善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、２自由化制
御力式を採り入れて目標値追従特性と外乱抑制特性との
最適化を図りつつ目標値追従特性を改善するとともに、
目標値信号の変化時に各制御パラメータを決めると一義
的に操作量を決定できて雑損動性を実現し得る制御装置
を提供することをｌ］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
号を直接または所定の目標値フィードフォワード・ゲイ
ンを乗じてフィードフォワード操作量信号として出力す
る目標値フィードフォワード制御手段と、前記目標値信
号と前記フィードバック１３号の偏差を積分演算して得
られた出力信号から前記フィードバック信号を比例演算
または（比例＋微分）演算して得られた出力信号を減算
して出力する調節手段とを備え、前記目標値フィードフ
ォワード制御手段から出力されたフィードフォワード操
作量信号に前記調節手段の出力信号を加算して前記操作
量信号を得、これを前記制御対象に供給するものである
。

（作用） 従って、以上のような手段とすることにより、１−ＰＤ
調節手段と目標値フィードフォワード制御手段とを組合
せてＩ−ＰＤ調節手段の比例ゲインと目標値フィードフ
ォワード・ゲインとを特定係数で結合することにより、
制御系全体の調整すべきパラメータ数はＩ−ＰＤ調節手
段と同じになり、かつ、目標値追従特性と外乱抑制特性
とを最適化し得る２自由度化を実現でき、目標値追従特
性の改善および目標値信号の変化時にパラメータを決め
ると操作量を一義的に決めることができる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について第１図を参照して説明
する。同図において１１は制御装置であって、これは目
標値信号Ｓｖに目標値フィードフォワード・ゲインＫＦ
を乗算してフィードフォワード操作量信号を得るゲイン
乗算手段１２を有する目標値フィードフォワード制御手
段と、第７図と同様な構成、つまり減算演算要素１３．
積分演算手段１４．（比例＋微分）演算手段１５．減算
演算要素１６．係数乗算手段１７等によって構成された
Ｉ−ＰＤ調節手段１８と、前記ゲイン乗算手段１２の出
力に前記１−ＰＤ調節手段１８の出力を加算合成して操
作ｍＭＶとして出力する加算演算要素１９とで構成され
ている。２０は制御装置１１からの操作量ＭＶに外乱り
を加算して制御対象２１に供給する加算演算要素である
。すなわち、この制御システムは、従来のＩ−ＰＤ制御
手段の出力と目標値フィードフォワード制御手段の出力
とを加算して操作Ｑ　Ｍ　Ｖを取得し、この操作量を制
御対象２１に供給する構成である。

従って、以上のような構成によれば、目標値フィードフ
ォワード制御手段を付加し、目標値信号Ｓｖの変化を目
標値フィードフォワード制御手段により直接（Ｉ（Ｆ＝
１）または所定の目標値フィードフォワード・ゲインＫ
Ｆ−１以上を乗算してフィードフォワード操作量信号と
し、制御対象２１に供給するようにしたので、目標値信
号ＳＶの変化に対する操作量の追従特性を改善すること
が可能となる。しかも、１−ＰＤ調節手段１８の比例ゲ
インＫ　Ｐと目標値フィードフォワード制御手段のフィ
ードフォワード・ゲインＫＦとがＫＦ−αＸ　Ｋ　ｐと
いう関係で結合され、α−Ｋ　Ｆ　／　Ｋ　ｐ　　　　
　　　　　・・・・・・（３）とすることができる。こ
の結果、パラメータαはプロセスに関係なく特定できる
ことになる。但し、ＫＰは外乱抑制最適比例ゲイン、Ｋ
　Ｆは目標値追従最適比例ゲインである。すなわち、パ
ラメータαはプロセス特性に関係なく特定できることに
より、２自由度化を実現することができる。また、目標
値信号ＳＶが決まると、基本的には操作量Ｍ　Ｖが決ま
るようになっており、この結果、振動しにくい制御系と
することができる。

以下、特に、制御対象２１に関係なくパラメータαを決
定できる点について述べる。そこで、先ず、制御量ＰＶ
の応答式を求める。すなわち、本装置の制御系は第１図
に示すように、 との関係にある。そこで、上式からＰＶを求めるとなる
。つまり、制御ｆ：ＬＰＶは「目標値信号Ｓ■に関する
成分」と「外乱りに関する成分」とで構成されることに
なる。ここで、希望合成制御アルゴリズム指定法を用い
て、（５）式の外乱に関する右辺第２項から、 対外乱制御アルゴリズム −Ｉ（Ｐ　　（Ｃ＋　　（Ｓ）＋Ｃ’２　　（Ｓ）ｌ　
　・・−−（６）＝Ｋｐ　　（１＋　（１／ＴＸ−ｓ）
＋ＴＤ−ｓ）・・・・・・（６′） が得られる。すなわち、ＰＩ制御と指定し、次に対目標
値制御アルゴリズムＣ（ｓ）とすると、（５）式の右辺
第１項から、 対目標値制御アルゴリズム ＊ Ｃ（ｓ）＝Ｋｐ　＋Ｋｐ　―Ｃ１（ｓ）　・・・・・・
（７）ＫＦ　＋　（ＫＰ／ＴＩ　　（ｓ））　　　　・
・・・・・（７′）が得られる。つまり、ＰＩ制御と指
定する。

（６′）式と（７′）式においてＫＰは外乱抑制用比例
ゲイン、ＫＰは目標値追従用比例ゲインということにな
る。この両者を用いて前記（３）式に基づいてαを求め
る。因みに、ＣＨＲ（Ｃｈｉｅｎ＊ＨｒｏｎｅｓＩＩＲ
ｅｓｗｉｃｋ）のＰｉｌｌ！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。そこで、
（６）式、（７）式および上表から、Ｋｐ＝０．９５Ｔ
／ＫＬ。

Ｋｒ＝０．３５Ｔ／ＫＬ ・・・・・・（８） が得られ、これを（３）式に代入すると、となる。また
、「２０％行過ぎ」のときは、（６）式、（７）式およ
び上表から、 Ｋｐ＝１．２７／ＫＬ。

ＫＦ−０，６７／ＫＬ ・・・・・・（１０） が得られ、これらを（３）式に代入すると、が得られる
。つまり、ＰＩＤ調節手段１８の比例ゲインＫＰ、目標
値フィードフォワード制御手段のフィードフォワード−
ゲインＫ（６）との関係は制御対象２１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　　Ｋ　ＰとＫＦの関係 従って、以上のような実施例の構成によれば、従来のＩ
−ＰＤ制御装置に目標値フィードフォワード制御手段を
付加し、両手段の出力を加算して操作量を取得するよう
にしたので、目標値を変化させたとき、パラメータを決
めると操作１１ＭＶが一義的に定まり、全体の制御系を
振動しにくいものに実現することができる。つまり、従
来のＩ−ＰＤ制御装置１では操作ｍＭＶの１００％がフ
ィードバック信号成分で構成、されていたのでフィード
バック信号である制御量が目標値に追従するために振動
的となりやすかったが、本発明装置では目標値フィード
フォワード制御成分が主体的となり、フィードバック制
御成分は偏差の補正という補助的な機能を持つことによ
り全体的に振動しにくい制御系を実現できる。また、目
標値フィードフォワード制御手段を追加し、第２表のよ
うにフィードフォワード・ゲインを設定することにより
、従来のＩ−ＰＤ制御装置と：Ａ整すべきパラメータの
数は同じであり、目標値追従特性を大幅に改善し得、目
標値追従特性と外乱抑制特性の双方に対して最適制御特
性が得られる２自由度化を実現できる。因みに、第３図
はＧｐ　　（ｓ）＝ｆ　１　／　（１＋　５　ｓ　）　
）　　ｅ　　　の伝達関数を持った制御対象２１におい
て、ＰＩＤパラメータを外乱抑制最適Ｋｐ＝２．５９．
Ｔｒ−３，４１秒。

ＴＤ−０，５６秒としたときの目標値変化に対する応答
特性を示す図である。同図において（イ）は従来の一般
的なＩ−ＰＤ制御の応答特性を示し、（ロ）および（ハ
）は本発明装置による目標値変化に対する応答特性を示
すもので、（ロ）はパラメータａ−０，３６８，（ハ）
はａ−０，３６８゜β−０，１５の場合を示す。この図
から明らかなように、本発明装置の応答特性が非常に速
いことが分る。

従って、以上のように本発明装置においては、雑振動性
装置を実現できるとともに、従来の制御装置と調整すべ
きパラメータは同じであって２自由度化し得、目標値変
化に対する応答性を非常に速くすることができる。よっ
て、プラント制御において例えばカスケード制御、プロ
グラム制御および上位装置からの指令制御等の場合に、
外乱抑制特性を最適としたまま雑損動性と目標値変化に
対する連応性が得られるとともに、制御性の向上によっ
て省エネルギー、高品質化、フレキシブル生産等に大き
く貢献させることができる。

なお、本発明装置は上記実施例に限定されるものではな
い。すなわち、上記実施例では位置影信号演算処理方式
を前提にして説明しているが、一般的に多用されている
速度影信号処理演算方式を取り採れたディジタル制御シ
ステムにも同様に適用できる。

また、本発明装置においてはＩ−ＰＤ調節手段１８の積
分動作を第４図および第５図に示すように２自由度化す
ることができる。例えば（７）式％式％（） と指定し、上式のβを可変して等価的に積分時間ＴＩを
可変するものである。第４図は（１２）式に基づいてパ
ラメータβを可変して積分時間Ｔ。

を変更できることを示している。なお、Ｃ２（ｓ）は（
６）式および（１２）式に基づいて次式のようにして求
めることができる。

Ｋ、（Ｃ１（ｓ）　十Ｃ２（ｓ）ｌ−に、（１＋（ｔ／
Ｔ、−ｓ＞　＋”ｒ、−５）Ｃ（ｓ）＝１＋Ｔ　　−ｓ
＋β／（１＋Ｔ　　−６）　　　　　・・・・・・（１
３）２　　　　　　　　　　Ｄ　　　　　　　　　　　
　　Ｉとなる。第６図は上記（１２）式および（１５）
式に基づいてＩ−ＰＤ調節手段１８に具体化した構成図
である。図中、１４ａは積分−１次遅れ演算手段、１５
ａは比例＋微分＋１次遅れ演算手段である。

すなわち、このＩ−ＰＤ調節手段１８は、積分−１次遅
れ演算手段１４ａにより偏差の積分演算値から１次遅れ
（β／（１＋Ｔｔ　・ｓ）ｌを減算処理し、また比例＋
微分＋１次遅れ演算手段１５ａによりフィードバック信
号に基づく（比例＋微分）演算値に１次遅れ（β／（１
＋Ｔｉ　・ｓ）１を加算演算処理する構成にすれば、積
分動作を２自由度化することができる。なお、シミュレ
ーションの結果、β−０，１５が適当な値である。つま
り、この調節手段１８では外乱に対する積分はに、ｐ／
（Ｔ！・Ｓ）となり、目標値に対する積分は（（１／Ｔ
ｔ−ｓ）−β／　（１＋Ｔｔ　・ｓ）　１となり、βの
設定により目標値変化に対する積分のみを変化させるこ
とができ、■動作を２自由度化することができる。

また、第１図はＰ（比例）動作のみを２自由度化し、か
つ、第５図は■　（積分）動作）を２自由変化したが、
これらの機能を組合せてＰＩ動作を２自由度化すること
もできる。第３図の（ハ）はその応答特性を示す。従っ
て、この装置にあっては、外乱抑制特性を最適としたま
ま、目標値を変化させたときの応答性を速くでき、かつ
、オーバーシュートを小さくできるメリットがある。

さらに、本発明装置の目標値フィードフォワード制御手
段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Ｑｉは、 Ｑｉｏｅ　Ｉ（Ｔｓ−Ｔｉ）　＋ｆｅ　（Ｔｓ−Ｔｏ）
ｌ　ＸＦｉ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
流体温度、Ｆｉ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ではなく、Ｔｓ（目標
値信号）−Ｔｉ（混合前の制御量）となる。第６図はか
かる混合プロセスに適用したシステム構成を示す図であ
る。同図において３１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Ｘｉ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。

その他１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、２自由化制御力式
を採り入れて目標値追従特性と外乱抑制特性との最適化
を図って目標値追従特性を改善するとともに、目標値信
号の変化時に各制御パラメータを決めると一義的に操作
量を決定できて雑損動性を実現し得る制御装置を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の係わる制御装置の一実施例を示す構成
図、第２図および第３図は本発明装置と従来装置の制御
方式および制御結果の比較図、第４図および第５図は本
発明の他の実施例を説明する図、第６図は同じく本発明
装置の他の実施例を示す構成図、第７図は従来装置の構
成図□である。 １１・・・制御装置、１２・・・ゲイン乗算手段、１３
・・・減算演算要素、１４・・・積分演算手段、１５・
・・（比例＋微分）演算手段、１６・・・減算演算要素
、１７・・・係数乗算手段、１８・・・調節手段、１９
゜２０・・・加算演算要素、２１・・・制御対象。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　３第３図 第４図

Claims (4)

【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、前記目標値信号を
   直接または所定の目標値フィードフォワード・ゲインを
   乗じてフィードフォワード操作量信号として出力する目
   標値フィードフォワード制御手段と、前記目標値信号と
   前記フィードバック信号の偏差を積分演算して得られた
   出力信号から前記フィードバック信号を比例演算または
   （比例＋微分）演算して得られた出力信号を減算して出
   力する調節手段とを備え、前記目標値フィードフォワー
   ド制御手段より出力されたフィードフォワード操作量信
   号に前記調節手段の出力信号を加算して前記操作量信号
   を得、これを前記制御対象に供給することを特徴とする
   制御装置。
2. （２）目標値フィードフォワード制御手段は、前記調節
   手段の比例ゲインを利用して自己の制御系の目標値フィ
   ードフォワード・ゲインを自動的に変更するものである
   特許請求の範囲第１項記載の制御装置。
3. （３）調節手段は、前記目標値信号と前記フィードバッ
   ク信号との偏差の積分演算出力から前記偏差の１次遅れ
   演算出力を減算し、また前記フィードバック信号の比例
   演算または（比例＋微分）演算出力に１次遅れ演算出力
   を加算し、前記減算出力から前記加算出力を減算して出
   力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）目標値フィードフォワード制御手段は、混合プロ
   セスの場合には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。