JPS63182705A - Ｐｉｄ定数の自動設定装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は制御系によって異なる制御対ｉに最適なＰＩＤ
定数を自動設定することができるＰＩＤ定数の自動設定
装置に関するものである。

［従来の技術］ フィードバック制御系として、最も汎用的に使用されて
いる制御装置としてＰＩＤ制御装置がある。これを一般
式で表現すると、 Ｖ（Ｔ）　−ＫＥ）　（ｅ（ｔ） ＋１／Ｔｉ　−ｆ　ｅ　（ｔ）　＋Ｔｄ　−ｄｅ　（ｔ
）　／ｄｔ）となる。

ここで、ｅ　（ｔ）は目標値ｒ　（ｔ）と制ｉ１１！ｔ
ｙ（ｔ）の差、即ち、制御偏差ｅ（ｔ）　＝ｒ（ｔ）−
ｙ（ｔ）で必る。また、Ｋｐは比例感度、Ｔｉは積分時
間、Ｔｄは微分時間で、これらはそれぞれ定数でおり、
フィードバック制御系においては目標値の変更、外乱に
対して制御対象の制御量の応答が最適なものとなるよう
に、制御対象の特性に合せてＰＩＤ定数を決定する必要
がある。

この種のＰＩＤ定数の自動設定装置の従来例として、特
許公報でそれを求めると、特開昭６０−８３１０３号公
報に開示された技術を挙げることができる。

第６図は従来のＰＩＤ定数の自動設定装置の構成説明図
、第７図はその動作説明用の特性図である。

制御対象１はムダ時間りをもつ電気炉である。

温度調節装置２は制御対象１の温度の制御量Ｅ１が入力
され、ＰＩＤ演算等を行い調節のための出力ＥＯを制御
対象に出力するもので、制御対象１の状態量を制御ＩＥ
ｉから測定する測定手段２１、前記測定手段２１の測定
量からＰＩＤ定数を演算する演算手段２２、前記演算手
段２２のＰＩＤ定数を設定値とし、制御対象１の制御Ｉ
Ｅｉと比較して調節出力ＥＯを発生する制御手段２３等
から構成されている。なお、制御手段２３にはオン・オ
フ制御も可能とされ、調節装置２はマイクロコンピュー
タ等で構成されている。

上記構成の従来のＰＩＤ定数の自動設定装置は、次のよ
うに動作することができる。

制御手段２３により、設定値をＥｓとし、オン・オフ制
御を行うと、制御量Ｅｉは上昇し、第７図の実線で拡大
近似して示すように、設定値ＥＳ附近でリミットサイク
ルが生じる。

制御対象１はムダ時間りをもち、動作すきまが２ｄある
ため、出力ＥＯがオンからオフとなるのは、Ｅａ　＝Ｅ
Ｓ＋Δであり、その時点よりＬ時間、傾きＲｎで上昇を
続けた後に、傾きＲｆで下降する。そして、Ｅｂ　＝Ｅ
ｓ−１１で出力ＥＯがオフからオンとなり、その時点よ
りＬ時間、傾きＲｆで下降を続けた後に、傾きＲｎで上
昇する。

ここで、オン時間をｔ　ｏｎ、オフ時間をｔｏｆｆ。

周期ｔ　＝　ｔ　ｏｎ＋　ｔ　ｏｆｆとすれば、次式が
成り立つ。

ｔｏｎ＝Ｌ＋　（Ｒｆ−Ｌ＋２Δ）　／　Ｒｎ　　　−
・・　　■ｔｏｆｆ　＝１＋（Ｒｎ−Ｌ＋２Δ）／Ｒｆ
　　・・・　　■両式より、傾きＲｆを消去して、傾き
Ｒｎを求めると次式となる。

Ｒｎ　＝２ｄ　−ｔｏｆｆ　／　（ｔｏｎ−ｔｏｆｆ　
−Ｌ　−ｔ　）・・・　■ ここで、ジ−グラ−・ニコルスの最適調整剤は次式で与
えられる。

Ｋｌ）　＝１　、２／Ｒｎ　−Ｌ　　　　　　　　・・
・　　■Ｔｉ＝２１　　　　　　　　　　　　　　　・
・・　■Ｔｄ＝０．５１　　　　　　　　　　　　・・
・　■したがって、測定手段２１により制御ＩＥｉのリ
ミットサイクルから、オン時間ｔｏｎ、オフ時間ｔｏｆ
ｆ、周期主のうちの少なくとも２個及びムダ時間りを測
定し、次いで、この測定手段２１の測定量に基いて、演
算手段２２は、上記■式によりＲｎを演算し、傾きＲｎ
、ムダ時間りを上記■、■、０式に代入して、最適なＰ
ＩＤ定数を計算するものである。

そして、このようにして求めたＰＩＤ定数により、制御
対象１のＰＩＤ制御或いはＰ制御、ＰＩ制御、ＰＤ副制
御の制御を行うことができる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、前記ＰＩＤ定数は■、■、０式のムダ時間りは
、オン時間ｔｏｎから傾きＲｆで下降を続けた後に傾き
Ｒｎで上昇を開始するまでの時間、またはオフ時間ｔｏ
ｆｆから傾きＲｎで下降を続けた後に傾きＲｆで上昇を
開始するまでの時間を測定しており、このときの、制御
対象１の傾きＲｆと傾きＲｎまたは傾きＲ１１と傾きＲ
ｆの交点は、第７図の特性図に示すような急激に変化す
るものではなく、実際には、第７図の破線で示すように
、所定の設定値ＥＳでオン・オフした場合には、オン時
間ｔｏｎの開始から傾きＲｆで下降を続けた後に傾きＲ
ｎで上昇を開始する交点、及びオフ時間ｔ　ｏｆｆの開
始から傾きＲｎで下降を続けた後に傾きＲｆで上昇を開
始する交点は、緩かな変化を行っている。

したがって、この時点で測定するムダ時間りはドリフト
、雑音等に弱く、そこに測定誤差が入り易いという問題
点があった。

また、このムダ時間りの測定においては、設定値ＥＳか
ら離れた制御対象１の温度を測定しているから、制御対
象１の制御の状態とは、必ずしも、一致しないという問
題点を有していた。

そして、この測定は制御が平衡状態になったことを確認
した後に、更に、入力をオン・オフ制御することにより
行う必要があったから、特性測定に要する時間が相当長
時間になるという問題点があった。

そこで、本発明は上記問題点を除去すべくなされたもの
で、所望の目標値附近で制御対象の特性を簡単しかも短
時間に求めることのできるＰＩＤ定数の自動設定装置の
提供を目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明にがかるＰＩＤ定数の自動設定装置は、ＰＩＤ定
数の測定用に使用するオン・オフ制御手段から制御対象
に供給した制御量を、目標値から減算して得た制御偏差
を微分する微分手段と、前記微分手段の出力及び前記制
御偏差を入力し、制御対象のＰＩＤ定数を算出する演算
手段と、前記演算手段で算出されたＰＩＤ定数を設定さ
れ制御を行うＰＩＤ制御要素とを具備するものである。

［作用］ 本発明においては、制御対象を目標値または目標値附近
の条件で定常化させ、そこで、オン・オフ制御手段によ
ってオン・オフ制御を行う。そして、演算手段でｅ（ｔ
）＝Ｏのときのｄｅ（ｔ）　／ｄｔを測定し、第４図及
び第５図に示す６丁及び６０を得る。また、ｅ（ｔ）＝
ｏからｄｅ（ｔ）　／ｄｔ＝０になるまでの時間、即ち
、ムダ時間りを測定している。

このとき、遅れ時間Ｔ１静ゲインにに、は、Ｔ−ｒ（ｔ
）／ｅｏ　　　　　　　　　・・・（１）に＝（ｒ（ｔ
）−Ｔ−ｅｆ）／Ａ　　　・・・　（２）の関係がある
。但し、Ａはオン時の入力、ｒ　（ｔ）は目標値である
。

したがって、上記（１）及び（２）式から、次の式（３
）〜（６）に代入することにより、遅れ時間Ｔ、静ゲイ
ンにが求まる。故に、次式 ％式％（３） により、比例感度Ｋｐ１積分時間Ｔｉｓ微分時間Ｔｄを
得ることができる。

［実施例コ 第１図は本発明の一実施例のＰＩＤ定数の自動設定装置
の全体構成図である。また、第２図は第１図に示す実施
例のステップ応答特性図、第３図はオン・オフ制御によ
る制御系を位相面解析すべく図示した説明図、第４図は
第１図に示す実施例のオン・オフ制御による特性線及び
状況点の、説明図、第５図は第１図に示す実施例の制御
対象の特性図である。

第１図において、制御対象１４は制御の対象となる炉、
温水槽等の制御の対象物である。ＰＩＤ定数の測定用に
使用するオン・オフ制御手段１１は、前記制御対象１４
に入力する操作量をオン・オフ制御し、ステップ応答を
求めるものである。

切替手段１２は前記制御対象１４に入力する操作量を切
替える機械的開閉器またはアナログゲート等の電気的切
替回路等からなる切替スイッチで構成され、通常状態で
、切替手段１２はＰＩＤ制御要素１３側に切替えられて
使用される。ＰＩＤ制御要素１３は制御動作信号を操作
量に変換する要素で、基本的には調節部と操作部からな
るものである。ここでは、前記制御対象１４に対して、
演算手段１６で設定されたＰＩＤ定数でＰＩＤ制御を行
うものである。微分手段１５はオン・オフ制御手段１１
から制御対象１４に供給した制御量ｙ　（ｔ）を目標値
ｒ　（ｔ）から減算して得た制御偏差ｅ　（ｔ）を微分
するもので、その出力は演算手段１６に出力される。前
記演算手段１６は前記微分手段１５の出力及び前記制御
偏差ｅ　（ｔ）を入力し、制御対象のＰＩＤ定数を算出
するもので、通常、マイクロコンピュータで構成される
。

このように構成された本実施例のＰＩＤ定数の自動設定
装置は、次のように動作するものである。

まず、切替手段１２をＰＩＤ定数の測定用に使用するオ
ン・オフ制御手段１１側に切替える。そして、第２図の
ステップ応答特性図に示すように、制御対象１４を目標
値ｒ　（ｔ）または目標値附近の条件で定常化させるべ
く、オン・オフ制御手段１１のオフ状態で特定の操作量
ｕ（ｔ）を供給する。

そして、制御ｆｆｌ　ｙ　（ｔ）が定常状態になったと
き、即ち、制御対象１４が平衡状態になったとき、オン
・オフ制御手段１１をオン状態とし、オフ状態の操作量
ｕ　Ｂ）を増加させる。

このとき、の制御系を位相面解析すべく図示すると、第
３図のように表現される。なお、制御対象１４はムダ時
間と一次遅れ系により、 Ｇ（ｓ）＝に−ｅ−［Ｓ／（１＋ＴＳ）で近似する。

そして、オン・オフ制御での制御方程式は、Ｔ’ｄｙ（
ｔ）／ｄｔ＋ｙ（ｔ）　−に−ｕ（ｔ−Ｌ）　　−（１
１）ここで、ｅ（ｔ）＝ｒ（ｔ）−ｙｍであるから、（
１１）式は、 Ｔ−ｄｅ（ｔ）／ｄｔ＋ｅ（ｔ）＝ｒ（ｔ）−に−ＩＪ
（↑−［）・・・（１３） となり、ｅ（ｔ）＝Ｏのときのｄｅ　（ｔ）／ｄｔの値
から次式を得る。

Ｔ−ｅｏ　＝　ｒ　（ｔ）　　　　　　　　　・（１４
）Ｔ−ｅｆ　＝　ｒ　（ｔ）　−に・Ａ　　　　　　＝
４１５）したがって、前記（１４）、　（１５）式にｅ
ｏ、ｅｆを代入すれば、遅れ時間Ｔ、静ゲインにが得ら
れる。

これを、制御対象Ｇ　（Ｓ）が純粋ムダ時間と一次遅れ
系とするならば、第４図の特性線及び状況点の説明図の
ようになる。なお、ムダ時間りは状況点がｅ（ｔ）＝Ｏ
を切る時間から別の特性線に移行するまでの時間となる
。また、制御対象の特性は第５図の如くなる。

したがッテ、ｅ（ｔ）＝Ｏのときのｄｅ（ｔ）／ｄｔの
値である６ｏ、６ｆの測定、及びｅ（ｔ）＝Ｏからｄｅ
　（ｔ）　／ｄｔ＝　Ｏになるまでのムダ時間りを測定
することにより、 Ｔ−ｅｏ＝ｒ（ｔ）　　　　　　　　　・・・　（１４
）Ｔ−ｅｆ　＝ｒ（ｔ）　−に・Ａ　　　　　−（１５
）に６ｏ、（ｊｆを代入すれば、遅れ時間Ｔ１静ゲイン
にが得られる。そして、前記遅れ時間Ｔ、静ゲインにを Ｋｐ　＝１．２　（Ｔ／Ｌ）／に　　　　・・・　（３
）Ｔｉ　＝２１　　　　　　　　　　　　・・・　（４
）Ｔｄ　＝０．５１　　　　　　　　　　　・・・　（
５）に代入すれば、比例感度Ｋｐ、積分時間Ｔｉ１微分
時間Ｔｄを得ることができる。

故に、前記（１４）式及び（１５）式、（３）式及び（
５）式の計算結果を演算手段１６からＰＩＤ制御要素１
３ニ出力サレ、切替ｎ　１２　カＰ　Ｉ　Ｄ　！１ｗＪ
要ｉ１３側に切替えられることにより、制御対象１４を
ＰＩＤ制御することができる。

このように、本実施例のＰＩＤ定数の自動設定装置は、
ＰＩＤ定数の測定用に使用するオン・オフ制御手段１１
と、オン・オフ制御手段１１から制御対象１４に供給し
た制御量ｙ（ｔ）を目標値ｒ　（ｔ）から減算して得た
制御偏差ｅ　（ｔ）を微分する微分手段１５と、前記微
分手段１５の出力及び前記制御偏差ｅ　（ｔ）を入力し
、制御対象１４のＰＩＤ定数を算出する演算手段１６と
、前記演算手段１６で算出されたＰＩＤ定数を設定され
制御を行うＰＩＤ制御要素１３とを具備するものでおり
、前記演算手段１６で制御偏差ｅ（ｔ）−０のときを判
断し、そのときの制御ｆＪａ差ｅ　（ｔ）を微分する微
分手段１５の出力、即ち、制御偏差ｅ　（ｔ）の下降時
のｄｅ　（ｔ）／ｄｔの値でおるｅｆ、及び制御偏差ｅ
　（ｔ）の上昇時のｄｅ　（ｔ）／ｄｔの値で必るｄＯ
を測定し、それを（１４）式及び（１５）式に代入する
ことにより、遅れ時間Ｔ１静ゲインにが得られる。或い
は、制御偏差ｅ（ｔ）＝Ｏの時点から微分手段１５の出
力がｄｅ　（ｔ）　／ｄｔ　−０になるまでの時間を測
定することにより、ムダ時間りを得ることができる。

そして、前記遅れ時間Ｔ１静ゲインにを（３）、（４）
　、（５）式に代入すれば、比例感度Ｋｐ、積分時間Ｔ
ｉ１微分時間Ｔｄを得ることができる。

したがって、本実施例では、制御偏差ｅ（ｔ）＝０の時
点の制御偏差ｅ　（ｔ）を微分した微分手段１５の出力
を得ているから、目標値ｒ　（ｔ）附近で前記制御偏差
ｅ　（ｔ）の下降時のｄｅ　（ｔ）／ｄｔの値である？
３ｆ、及び制御偏差ｅ　（ｔ）の上昇時のｄｅ（ｔ）／
ｄｔの値である６０を測定すれば、制御対象１４の状態
下のＰＩＤ定数を得ることができる。

また、変化率の高い制御偏差ｅ　（ｔ）を微分した微分
手段１５の出力を得ているから、それだけ誤差の少ない
計測を行うことができる。

なお、上記実施例では、制御対象のＰＩＤ定数を算出す
る演算手段はマイクロコンピュータＣＰＵで構成されて
いる旨説明したが、本発明を実施する場合には、オン・
オフ制御手段から制御対象に供給した制御量を目標値か
ら減算して得た制御偏差を微分する微分手段、前記微分
手段の出力及び前記制御偏差を入力し、制御対象のＰＩ
Ｄ定数を算出する演算手段、前記演算手段で算出された
ＰＩＤ定数を設定され制御を行うＰＩＤ制御要素の全部
または一部を必要に応じてＡ／Ｄ変換器を用い、コンピ
ュータに置換することができ、そのコンピュータで信号
処理させることができる。

また、上記実施例では、ＰＩＤ定数の測定用に使用する
オン・オフ制御手段と、前記演算手段で算出されたＰＩ
Ｄ定数を設定され制御を行うＰＩＤ制御要素とを別々に
設け、切替手段でその切替えを行っているが、本発明を
実施する場合には、前記ＰＩＤ定数の測定用に使用する
オン・オフ制御手段は、前記演算手段で算出されたＰＩ
Ｄ定数を設定され制御を行うＰＩＤ制御要素にその機能
を持たせることもできる。

そして、上記実施例のＰＩＤ制御要素では、ＰＩＤ制御
することを前提に説明したが、本ｉ明を実施する場合に
は、特定の定数のみを零に設定し、Ｐ制御、ＰＩ副制御
ＰＤｌｔＩＩＩＩＩｌ等の制御を行うことができる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明のＰＩＤ定数の自動設定装置は、
ＰＩＤ定数の測定用に使用するオン・オフ制御手段から
制御対象に供給した制御量を目標値から減算して得た制
御偏差を微分する微分手段と、前記微分手段の出力及び
前記制御偏差を入力し、制御対象のＰＩＤ定数を算出す
る演算手段と、前記演算手段で算出されたＰＩＤ定数を
設定され制御を行うＰＩＤ制御要素とを具備するもので
あるから、制御偏差が零になる時点の制御偏差を微分し
た微分手段の出力を得ているから、目標値附近で前記制
御偏差の下降時の微分値、及び制御偏差の上昇時の微分
値を測定すれば、制御対象の状態下のＰＩＤ定数を得る
ことができる。

また、変化率の高い制御偏差を微分した微分手段の出力
を得ているから、それだけ誤差の少ない計測を行うこと
ができる。

したがって、所望の目標値附近で制御対象の特性を簡単
しかも短時間で求めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のＰＩＤ定数の自動設定装置
の全体構成図、第２図は第１図に示す実施例のステップ
応答特性図、第３図はオン・オフ制御による制御系を位
相面解析すべく図示した説明図、第４図は第１図に示す
実施例のオン・オフ制御による特性線及び状況点の説明
図、第５図は第１図に示す実施例の制御対象の特性図、
第６図は従来のＰＩＤ定数の自動設定装置の構成説明図
、第７図は第６図の従来のＰＩＤ定数の自動設定装置の
動作説明用の特性図である。 図において、 １１：オン・オフ制御手段、　１２：切替手段、１３：
ＰＩＤ１１１１１１要素、　　　１４：制御対象、１５
：微分手段、　　　　　　１６：演算手段、である。 なお、図中、同−符号及び同一記号は、同一または相当
部分を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　ＰＩＤ定数の測定用に使用するオン・オフ制御
   手段と、前記オン・オフ制御手段から制御対象に供給し
   た制御量を目標値から減算して得た制御偏差を微分する
   微分手段と、前記微分手段の出力及び前記制御偏差を入
   力し、制御対象のＰＩＤ定数を算出する演算手段と、前
   記演算手段で算出されたＰＩＤ定数を設定され制御を行
   うＰＩＤ制御要素とを具備することを特徴とするＰＩＤ
   定数の自動設定装置。
2. （２）　前記ＰＩＤ定数の測定用に使用するオン・オフ
   制御手段は、オフ状態で制御対象に所定の操作量を供給
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のＰ
   ＩＤ定数の自動設定装置。
3. （３）　前記ＰＩＤ定数の測定用に使用するオン・オフ
   制御手段は、前記演算手段で算出されたＰＩＤ定数を設
   定され制御を行うＰＩＤ制御要素にその機能を持たせた
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に
   記載のＰＩＤ定数の自動設定装置。