JPS63126003A - 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］ （服業上の利用分野） 本発明は、種々のプラント制御に利用する制御装置に係
わり、特に振動しにくい無振動性制御装置に関する。

（従来の技術） 従来の一般的なＰＩＤ制御系は第８図に示すような制御
ブロック線図によって構成されている。

すなわち、この制御系は減算演算要素１．調節手段２等
から成る制御装置３と制御対象４とで構成され、目標値
Ｓｖと制御対象４から出力された制御量ＰＶとを減算演
算要素１で減算演算を行って偏差ｅ　（−ＳＶ−ＰＶ）
を求めた後、調節手段２はかかる偏差ｅが零となるよう
にＰＩ演算動作またはＰＩＤ演算動作を行って操作ｆｆ
ｉＭＶを求め、これを制御対象４に与えて操作する構成
となっている。

この調節手段２がＰＩ演算動作、つまり（比例＋積分）
演算動作を行った場合、調節手段２の伝達関数ＧＣ（ｓ
）は次のような式で表わすことができる。

Ｇｃ　　（ｓ）−Ｋｐ　　（１＋１／Ｔｗ　・ｓ）・・
・・・・（１） ここで、Ｉ（Ｐは比例ゲイン、ＴＩは積分時間、Ｓはラ
プラス演算子である。

ところで、調節手段２は偏差ｅが零となるように（１）
式に基づいて調節演算を行うものであるが、目標値Ｓｖ
が変化したとき、操作ｆｆ１ＭＶはパラメータＫＰ、Ｔ
、を決めても一義的に定まらず、偏差ｅが零になるまで
変化し続ける。フィードバック制御の基本は、操作−Ｍ
Ｖの正当性を、その結果である偏差ｅによって判断し、
さらに次の操作量を決定することにあるが、これはフィ
ードバック制御の基本的な考え方から来る不可避な問題
である。つまり、調節手段２は、一般的には目標値の変
化に最適なＰＩパラメータを設定し、それに基づいてＰ
Ｉ演算動作を行うものであるが、第９図に示すように目
標値Ｓ■を変化させると、制御対称４自体の持っている
無駄時間２時定数により制御量ＰＶはどうしても遅れて
応答することになる。この応答の遅れ、つまり第９図の
斜線部分の偏差により、ＰＩパラメータを外乱抑制最適
に合致させておくと、制御ｆｉＰＶが目標値の変化に対
し大きくオーバシュートして振動的な変化を呈すること
になる。第１０図は一般的なＰＩＤ制御系においてＰＩ
Ｄパラメータを外乱抑制最適に調整して目標値を変化さ
せたときの目標値追従特性を示す。この図から明らかな
ように、目標値追従特性は大きくオーバシュートして振
動的な変化を呈し、このままで２段とか３段のカスケー
ド制御系を構成すると、持続振動が生じてしまい、この
振動を止めようとしてゲインを低くすると外乱抑制特性
を劣化させる欠陥を持っており、これがプラントの制御
特性の改善に大きな障害となっている。

（発明が解決しようとする問題点） 従って、以上のような制御系では、外乱抑制最適に合致
するようにＰＩまたはＰＩＤパラメータを設定して調節
制御を行ったとき、目標値の変化に対してオーバシュー
トを起して振動的な変化を繰返し、この振動を止めよう
としてゲインを下げると外乱抑制特性が劣化するという
相矛盾する問題があり、目標値追従特性を改善すること
が困難であった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、目標値フィ
ードフォワード制御系のフィードフォワードゲインが変
更しても制御系全体のゲインが変わらないようにし、よ
って、目標値信号が変化してもそれに充分適応し得るよ
うにし、かつ、振動しにくい安定な制御を実現する制御
装置を提供することを目的とする。

［発明の構成コ （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係数を乗じて前記操作量信号とし
て出力する目標値フィードフォワード制御手段と、前記
目標値信号を目標値フィルタを介した後、前記フィード
バック信号との偏差を求めるとともに、前記目標値フィ
ルタによって比例、積分および微分の少なくとも１つ以
上の制御定数を自動的に変更しながら前記偏差が零にな
るように演算し、この演算出力に基づき前記目標値フィ
ードフォワード制御手段の出力信号を補正する補正調節
手段とを備えたたものである。

（作用） 従って、以上のような手段とすることにより、目標値フ
ィードフォワード制御手段と目標値フィルタ２自由度Ｐ
ＩＤ制御とを組合わせて、目標値フィードフォワード制
御を主体としてフィードバック制御を補正用として用い
ることにより、目標値フィードフォワード制御のフィー
ドフォワードゲインが変更しても、これに関連してフィ
ードバック制御の目標値信号の変化に対するゲインを変
更し、よって、目標値フィードフォワードゲインが変更
しても全体として目標値信号の変化に対するゲインが変
化しないようにし、これにより操作量中のフィードバッ
ク制御成分を最小限に抑えるようにし、目標値信号の変
化に連窓させて振動しにくい雑損動性の制御装置を実現
するものである。

（実施例） 以下、本発明装置の一実施例を説明するに先立ち、先ず
、本発明装置の制御系の基本的なシステム構成について
第１図を参照して説明する。すなわち、この装置の制御
系は制御装置１０と制御対象１１とから成り、制御装置
１０は外乱フィードフォワード制御（以下、外乱ＦＦ制
御と指称する）１２と、目標値フィードフォワード制御
（以下、目標値ＦＦ制御と指称する）１３と、フィード
バック制御（以下、ＦＢ制御と指称する）１４と、加算
演算要素１５とで構成されている。１６は加算演算要素
である。このような制御系において目標値信号Ｓ■とフ
ィードバック信号ＰＶとの間に差が生じる要因は、「目
標値信号の変化」および「外乱の変化」の２つに大別さ
れる。この２つの要因については、フィードフォワード
制御により外乱ＦＦ制御１２と目標値ＦＦ制御１３とを
正確に実施し、それらの変化に対して先回りして予測制
御すれば、後は僅かなズレをＦＢ制御１４によって補正
すれば良いことが分る。つまり、両ＦＦ制御１２．１３
による僅かなズレ、すなわち。

定常偏差はＦＢ制御１４によって補正することが考えら
れる。ここで、外乱ＦＦ制御１２については既に技術的
に確立しているので、特に目標値ＦＦ制御１３とＦＢ制
御１４との関係について明確にし、上記変化に対して連
窓できる構成とする必要がある。

本発明装置は以上のような考えの下に実現したものであ
り、以下、本発明装置の一実施例について第２図を参照
して説明する。同図において制御装置１０は、目標値信
号ＳＶに所定の係数ＫＦを乗算して出力する係数乗算手
段２１．目標値フィルタ２２．この目標値フィルタ２２
の出力と制御対象１１から出力された制御量のフィード
バック信号ＰＶとの偏差を求める減算演算要素２３．こ
の減算演算要素２３からの偏差信号が零となる様に比例
・積分・微分の少なくとも１つの演算を行う調節手段２
４．前記係数乗算手段２１の出力と調節手段２４の演算
出力とを加算する加算演算要素２５等によって構成され
、この加算演算要素２５から出力された操作量ＭＶは加
算演算要素２６で外乱りととともに加算されて制御対象
１１に供給される。すなわち、この制御装置１０は目標
値ＦＦ制御出力と目標値形２自由度Ｐ　１．Ｄ制御出力
とを加算演算要素２５で加算合成して操作量ＭＶを得、
この操作量を制御対象１１に供給する構成である。

ところで、本装置は、第１図に示すような構成を用いて
目標値信号Ｓｖに所定の係数を乗じてフィードフォワー
ド制御信号を得るとともに、前記所定の係数に応じて目
標値フィルタ２２のパラメータを変更し、前記所定の係
数が変更されても制御系全体として目標値信号の変化に
対するゲインが変わらないようにするものであり、以下
、この点について説明する。

そこで、先ず、制御装置１０におけるフィードバック信
号Ｐ■の応答式について求める。

が成立し、これらの式からＰＶを求めると、となる。つ
まり、フィードバック信号ＰＶは上式から目標値Ｓｖに
関する成分と外乱りに関する成分とで構成される。ここ
で、希望合成制御アルゴリズム指定法を用いて、（３）
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Ｃ（ｓ） −Ｋｐ　　［１＋　（１／Ｔｌ−５）ｌ　　・・・・・
・（４）が得られる。すなわち、ＰＩ制御を指定し、次
に対目標値制御アルゴリズムをＣ（ｓ）とすると、（３
）式の右辺第１項から、 対目標値制御アルゴリズムＣ（ｓ） ＝ＫＦ＋Ｈ（ｓ）ＸＣ（ｓ）　　　　・・・・・・（５
）が得られる。ここで、Ｃ（ｓ）をＰ（比例）動作のみ
を２自由度とすると、 Ｃ（ｓ）＝Ｋｐ　　ｉａ十（１／Ｔｒ−ｓ）１・・・・
・・（６） と置くことができる。ここで、（３）式、（４）式、（
５）式から目標値フィルタ２２の伝達関数Ｈ（ｓ）につ
いて求めると、 Ｋｐ　＋Ｈ（ｓ）ＸＫｐ　Ｘ（１＋（１／Ｔｔ　ｅ　５
）１−Ｋｐ　　Ｉａ＋（１／Ｔｔ−ｓ）１ となり、よって、この式から を得ることができる。上式においてＫＰは外乱抑制最適
比例ゲイン、Ｉ（Ｆは目標値ＦＦ制御ゲインであり、ま
た、パラメータαは Ｋ　Ｐ膳α令Ｋ　Ｐ→α−Ｋ　ｐ　／　Ｋ　ｐ・・・・
・・（８） ＊ から求められる。Ｋ　Ｐは目標値追従最適比例ゲインで
ある。

次に、αがプロセス特性に無関係に決定できることを示
す。このためにＣＨＲ（Ｃｈｉｅｎ・Ｈｒｏｎｅｓ争Ｒ
ｅ５ｗ１ｃｋ）のＰＩＤ調整公式について次表をもって
表わす。

ここで、「行過ぎなし」のときのαを求める。そこで、
（８）式と第１表から Ｋｐ　＝０．９５　（Ｔ／ＫＬ）。

Ｋｐ＝０．３５　（Ｔ／ＫＬ） が得られ、従って、これらの式から となる。また「２０％行過ぎ」のときはＫｐ　−１，２
（Ｔ／ＫＬ）。

Ｋｐ＝０．６　（Ｔ／ＫＬ） となり、従って、 が得られる。従って、αは制御対象１１の特性に関係な
く例えば第２表のように定めることができる。

第　　　２　　　表　　　　　αの値 従って、以上のような結果から一般的に多用されている
Ｐ−１−ＰＤ制御と、目標値ＦＦ制御を組合わせると、
第３図に示すような具体的な構成で表わすことができる
。

すなわち、目標値フィルタ２２として進み／遅れ補償手
段２２ａが使用され、目標値ＦＦ制御の係数乗算手段２
１の係数ＫＦが変更したとき、目標値フィルタの進み／
遅れ補償手段２２ａのパラメータとなるＫＦが自動的に
変更されるようにしている。従って、この係数乗算手段
２１の係数をＫＦ−１としたとき、目標値信号ｓｖが直
接加算演算要素２５に供給される。このとき、目標フィ
ルタ２２の伝達関数はＨ（ｓ）は、 Ｈ（ｓ）　　＝　　（１＋　　（α−１／Ｋｐ））／　
（１＋ＴＩ−Ｓ） ・・・・・・　（１１） となる。

そこで、目標値ＦＦ制御ゲインＫＦ−１としたときの制
御装置１０の目標値信号Ｓｖの変化に対するゲインをＫ
　ｓｗとすると、 Ｋ　ｓ−＝　Ｋ　Ｆ　　（目標値ＦＦ制御ゲイン）＋α
・Ｋｐ−ＫＦ（ＦＢ制御の目標値信号の変化に対するゲ
イン） ＝Ｋｐ＋（α・Ｋ　ｐ　−Ｋ　Ｆ　）−α・ＫＰ・・・
・・・（１２） となる。

従って、以上のような第２図および第３図の構成によれ
ば、目標値信号ＳＶの変化に対するゲインがα・Ｋｐ（
Ｋｐは外乱抑制最適比例ゲイン）となるように２自由度
にするとともに、目標値信号ＳＶの変化に対するゲイン
を目標値ＦＦ制御ゲインＫＦと、ＦＢ制御の目標値信号
ＳＶの変化に対するゲイン（α・Ｋｐ−Ｋｐ）とが分解
されている。そこで、例えば目標値ＦＦ制御ゲインＫＦ
−１とすると、操作量Ｍｖは目標値信号Ｓｖの変化に対
して一義的に決定するとともに、目標値ＦＦ制御出力が
支配的となり、ＦＢ制御出力はズレ補正の役目を持った
部分的なものとなる。従って、目標値信号の変化に対し
て操作量Ｍｖが定まり、ＦＢ制御出力は補正のための微
少出力となるために、このＦＢ制御出力に変化率制限機
能などを入れて自由に制御を加えることができる。この
結果、制御装置１０の目標値信号Ｓ■の変化に対して雑
振動性とすることができる。つまり、本装置においては
２自由化でき、かつ、無振動性化できる。従って、本装
置をプラントの各制御系に適用すれば、制御性の向上と
振動しにくい安定な運転制御が実現でき、産業界に大き
く貢献させ得るものである。

なお、本発明は上記一実施例に限定されるものではない
。本発明装置の目標値ＦＦ制御の構成は混合プロセスに
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
、熱交換器で与えるべき熱ΩＱｉは、Ｑｉｏｃ　ｆ（Ｔ
ｓ−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ＦＦ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ｆｆ１）となる。

第５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Ｘｉを減算
して目標値ＦＦ制御出力を得るようにしている。４２は
補正調節演算手段である。

また、上記一実施例および第５図の他の実施例において
は位置形演算方式の制御装置について述べたものである
が、例えば第５図の混合プロセス等について第６図に示
すように速度形演算方式の制御装置にも同様に適用でき
るものである。５１は位置形信号−速度形信号変換手段
、５２は速度形補正調節手段、５３は速度形信号−位置
形信号変換手段である。すなわち、減算演算要素４１に
おいて目標値信号ＳＶから混合前制御量信号Ｘｉを減算
して得られた位置形信号は位置形信号−速度形信号変換
手段５１で速度形信号に変換される。

この速度形信号は速度形補正調節手段５２で演算して得
られた速度形信号とともに加算演算要素２５で加算合成
され、これを速度形−位置形信号変換手段５３に導入し
て位置形信号化しこれを操作ｍ　Ｍ　Ｖとして制御対象
１１に供給するものである。

従って、以上のように速度形演算方式をとると、位置形
演算方式に比べて他の信号との組合せおよび複合化が容
易であること、制御装置に必須である制御の手動−自動
切換時にバランスレス−バンプレス切換が容易であるな
どの実用上優れた効果を有する。

また、上記一実施例は第７図に示す如く目標値フィルタ
２２の入出力偏差を減算演算要素６１で検出し、この偏
差信号がレベル判定部６２で所定値を越えたと判定した
とき、つまり目標値信号Ｓ■の変化が大きい時に調節手
段２４をロックするような構成であってもよい。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、目標値フィードフ
ォワード制御のフィードフォワードゲインが変更しても
制御系全体のゲインが変わらないようにし、よって、目
標値信号が変化してもそれに充分連窓し得るようにし、
かつ、振動しにくい安定な制御を実現する制御装置を提
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システムブロック図、第
２図は本発明装置の一実施例を示す構成図、第３図は第
２図を具体化して構成図、第４図は本発明装置の効果を
説明する図、第５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図ないし第１０図は従
来装置の構成および目標値追従特性を説明する図である
。 １０・・・制御装置、１１・・・制御対象、２１・・・
係数乗算手段、２２・・・目標値フィルタ、２３・・・
減算演算要素、２４・・・調節手段、２５・・・加算演
算要素、２６・・・加算演算要素、２２ａ・・・進み／
遅れ補償手段、４１・・・減算演算要素、４２・・・補
正調節演算手段、５１・・・位置形信号−速度形信号変
換手段、５２・・・速度形補正調節演算手段、速度形信
号−位置形信号変換手段。

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、前記目標値信号を
   直接または所定の係数を乗じて前記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
   値信号を目標値フィルタを介した後、前記フィードバッ
   ク信号との偏差を求めるとともに、前記目標値フィルタ
   により前記比例、積分および微分の少なくとも１つ以上
   の制御定数を自動的に変更しながら前記偏差信号が零と
   なるように演算し、この演算出力に基づき前記目標値フ
   ィードフォワード制御手段の出力信号を補正する補正調
   節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
   セスの場合、目標値信号を混合前の制御量信号で減算し
   て操作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）補正調節手段は、目標値フィードフォワード制御
   手段が前記目標値信号に所定の係数を乗じて操作量信号
   を得るとき、前記係数に応じて前記目標値フィルタのパ
   ラメータを変更し、目標値信号の変化により制御系全体
   のゲインが変わらないようにした特許請求の範囲第１項
   記載の制御装置。
4. （４）速度形演算方式とした制御装置の場合、目標値フ
   ィードフォワード制御手段は目標値信号を信号変換手段
   で速度形信号に変換し、補正調節手段は速度形演算を行
   い、これら信号変換手段の速度信号と前記補正調節手段
   の速度形演算出力とを加算合成し、これを位置形信号に
   変換して操作量信号と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）補正調節手段は、目標値フィルタの入出力偏差が
   所定値を越えたとき前記フィードバック系の調節手段を
   ロックするようにした特許請求の範囲第１項記載の制御
   装置。