JPS63262703A - 制御系の汎用性時間差比較補償方法及び装置 - Google Patents

制御系の汎用性時間差比較補償方法及び装置

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JPS63262703A JP62098067A JP9806787A JPS63262703A JP S63262703 A JPS63262703 A JP S63262703A JP 62098067 A JP62098067 A JP 62098067A JP 9806787 A JP9806787 A JP 9806787A JP S63262703 A JPS63262703 A JP S63262703A
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    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00Automatic controllers
    • G05B11/01Automatic controllers electric
    • G05B11/36Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.

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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、特に、サーボ系、次いで定値制御系
、並びにプロセス制御系等の制御機器及び制御システム
に対する制御系の汎用性時間差比較補償法に関するもの
である。
〔従来の技術〕
制御機器及び制御システムを構成しているフィードバッ
ク制御系で従来用いられている補償法は、応答の速溶性
の向上4分散性の軽減、利得余裕及び/又は位相余裕の
向上、外乱に対する応答の軽減、操作量の抑制等のいず
れかを計るため、アナログ制御では、例えば、タコメー
タ・フィードバックのようなフィードバック補償(原島
文雄・塚本修巳 共著:電気制御の基礎9日刊工業新聞
社(1975)117/118参照)2位相遅れ補償(
原島文雄・塚本修巳 共著:電気制御の基礎。
日刊工業新聞社(1975)112/114参照及び位
相進み補償(原島文雄・塚本修巳 共著;電気制御の基
礎9日刊工業新聞社(1975)109/112参照)
、PID調整計による補償(ジエイ・ディ・シイグラ及
びエヌ・ビー・ニコルス(J 、 G、 Ziegle
r and N、 B 、 N1chols) :自動
制御装置の最適設定(Opti@um Setting
s forAntomatic Controller
s) : I rans、 A S M E 、VoL
64 、768 / 796 (1942)参照)、ス
ミス法(オー・ジエイ・エム・スミス(0,J、M。
Sm1th)  :むだ時間補償制御器(A Cont
rollerto Overcome Dead Ti
me) : I S A Journal、 6−2.
28/33 (1959)参照)等があり、ディジタル
制御では、デッドビート制御(美多勉著:デイジタル制
御理論、昭晃堂(1986)第5章及び第6章参照)、
最適制御(森下巖・上野数行共著:デイジタル制御工学
、オーム社(1987)第6章参照)、適応制御(高橋
安人著:デイジタル制御、岩波書店(1985)第8章
参照)及び補償限界型制御器による補償法(アール・タ
ガワ(R。
Tagava) :l型フィードバック制御系における
補償について(実現性のある線型補償によって到達でき
る伝達関数) On the compensatio
n 1nlinear feedback contr
ol systems (Transferfunct
ions attainable by raaliz
able Linearcompensation) 
、  I F ACWorld Congress/’
81.Kyoto (1981)、参照)等、数多くの
方法があって、それら各方法にはそれぞれ互いに異った
特徴を持ち、適用する制御系の目的に応じて適性適所に
応用されている。
〔発明の解決しようとする問題点〕
しかしながら、アナログ制御に於てはどの方法も応答の
速溶性の向上2分散性の軽減、利得余裕及び/又は位相
余裕の向上のより一層の改善は難かしく、ディジタル制
御に於ては、その制御理論の拡充9発展、整備に伴ない
窓数に近い制御方式が確立されつつあるが1.応答の速
溶性の向上9分散性の軽減、操作量の抑制、安定性の確
保等の諸要請を同時に満足させることは本質的に不可能
であり、どの要請をより良く満たすことが肝要であるか
、又は、諸要請のバランスをいかに設定するかによって
種々のディジタル制御法が考えられてきた。しかし、い
ずれのディジタル制御法に於ても設計及び構築にあたっ
ては系の複雑さと数学的・解析の票解さのために多くの
日数と多大の労力を要し、しかも、制御対象のわずかな
変更に対して往々にして設計・構築を最初からやり直す
必要があるなど、各制御法又は各補償法を含む制御装置
の設定・調整及び再調勉は一般に困難である。その上、
多くの制御対象に付随するむだ時間及び/又はマイクロ
プロセッサの処理時間による遅れを考慮に入れたディジ
タル制御の制御法又は補償法は確立されているとは言い
盟い、また、アナログ制御及びディジタル制御ともに、
従来の各補償法又は各制御法は、各種の制御機器及び制
御システムに対して汎用性があるとは言い震い。
本発明はこれらの問題点を除去し、アナログ制御及びデ
ィジタル制御ともにあらゆる種類の制御機器及び制御シ
ステムに適用できる制御系の汎用性時間差比較補償法の
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〕 以上の問題点を解決するためにとられた本発明の構成を
第1図の原理説明図に基づいて説明する。
この図で、1は基準値、2,3.4・・・は分岐、5は
帰還量、6は分岐2における帰還量5との比較。
7は第1偏差量、8,9はそれぞれ分岐3,4における
遅れ要素、10,11は分岐3,4におけるそれぞれ帰
還量5とめ時間差比較、12.13はそれぞれ第2偏差
量、第3偏差量、14,15゜16はそれぞれ分岐2,
3.4における重み要素、17は総和、18はゲイン調
整要素、19は操作量を示している。
すなわち、本発明の構成は、フィードバック制御目標値
又は、基準値1を幾つかに分岐2,3及び4させ、分岐
の1っ2と帰還量5との直接比較6を行って第1偏差量
7を得、他の分岐3及び4の各々に種々の遅れ時間をも
つ遅れ要素8及び9を通して目標値又は基準値1と帰還
量5どの時間差比較10及び11を行って第2偏差量1
2及び第3偏差量13の等を得、この第1偏差量7をも
含めた各偏差量7,12及び13に種々の重み要素14
,15及び16を通すことによって各偏差量7,12及
び13に種々の重みを付けて得られる各信号の総和17
をとり、この総和によって得る信号をゲイン調整要素1
8を通すことにより、制御対象に適合するゲインの再調
整を施して操作量19を造り出すことを特徴とするもの
で、制御しようとする多くの制御対象に対して分岐2及
び3の数が2個、すなわち、偏差量として第1偏差量7
と第2偏差量12の2個を設定するだけでも十分その目
的を達成することができる。
本発明はアナログ制御の各補償法を利用する場合よりも
応答の速溶性の向上、及び分散性の軽減、及び利得余裕
の向上の点でいづわをもはるかに俊ぎ、ディジタル制御
の各制御法又は各補償法と同等の応答の速溶性と分散性
の優れた特性を持ち、しかも、設計・構築に関しては、
ディジタル制御の各制御法又は各補償法に比べて比較に
ならない程簡単に行え、その上、制御系内にむだ時間要
素が存在する場合でも有効に、かつ簡単に調節すること
ができ、さらに、従来のディジタル制御に組み込むこと
によりディジタル制御の優れた特性を一層向上させる可
能性を持っている。
〔作用〕 本発明の制御系の汎用性時間差比較補較法は、目標値又
は基準値1と帰還量5との直接的な比懐6をとって第1
偏差量7を得るのに加えて、制御対象の応答時間遅れ及
゛びマイクロプロセッサの演算時間遅れ等が原因となっ
て生じ、る全制御系の前向き応答時間遅れに伴なう規還
量5の応答時間遅れに応じて、目標値又は基準値1その
ものを各遅れ要素8及び9を通すことによって時間遅れ
を生じさせ、帰還量5どの時間差比較1o及び11を行
う、こうして得た各偏差量7.12及び13に各々重み
要素14,15及び16を通して重みを付けたのち総和
1−1をとり、ゲイン調整要素18を通すことによって
制御対象に適合するゲインの再調整を施して操作量19
を造り出す、この詳しい作用は次のとおりである。ゲイ
ン調整要素18のゲインの設定には任意性があるが、利
得余裕が十分とるような適性値に設定したのち、第1偏
差量7につづく重み要素14の重み量をゲインの設定に
関連した十分大きな成る最適値に設定することによって
前向き応答時間遅れに打ち勝って全制御系の出力である
制御量を目標値又は基準値に素早く、かつ最小限の分散
性をもって追随又は一致するような過渡応答を行い、引
き続いて、第2偏差量12及び第3偏差葺13等につづ
く各重み゛要素15及び16の各重み量を、第1偏差量
7につづく重み要素14の重み量をも含めた各重み量の
合計がすべての重み要素14,15及び16を取り去っ
たときの状態、例えば各重み量を各々at。
a2及びa3とするとa1+az +aa =1になる
ような状態になるように設定すると同時に各時間差比較
1o及び11を作り出すための各遅れ要素8及び9の各
遅れ時間を前向き応答時間遅れに関連して成る最適値に
設定することにより、前向き応答時間遅れよりもはるか
に早い時刻ですでに制御量が目標値又は基準値1に一致
した定常応答を行うような操作量19を造り出すもので
ある。
〔実施例〕
以下実施例について説明する。
第2図は一実施例を実施する制御系のブロック線図で、
第1図と同一の部分には同一の符号が付しである。この
図で、20は制御対象、21は帰還要素、22は制御量
を示している。
この実施例では、目標値又は基準値1を2つに分岐させ
、分岐の1つを伝達関数H(s)の帰還要素14から取
り出される帰還量5との直接的な比較6をとって第1偏
差量7を得、分岐の他の1つに遅れ時間τ、をもつ伝達
関数1/(Sτ、+1)の1次遅れ要素を用いた遅れ要
素8を通して目標値又は基準値1との時間差比較10を
とって第2偏差量12を得、第1偏差量7と第2偏差量
12の各々に重み要素14及び15として定数a、およ
び定数1−aの各重みを付けたのち両者の和17をとり
ゲイン係数Kcのゲイン調整要素18を通して伝達関数
G (s)で与えた制御対象20の操作量19を造り出
し、これによって制御対象20を作動させて目標値又は
基準値1の追随又は一致させる制御量22を出力する状
態を示したものである。
以下、第2図で示される本発明の制御系の汎用性時間差
比較補償法の実施例による特性と従来の技術による特性
を基本的観点から比較するために、直結帰還系即ちH(
s)=1とし、’G(s)の異なる2例の各々の場合の
ステップ応答を取り上げることにする。
(例1) 最初の例は制御対象22にむだ時間τを含み伝達関数が で与えられる場合である。第3図は従来の技術の場合で
どのような補償も行わない最も単純な直結帰還系を形成
させたときのステップ応答を示し、この図から不安定で
あることが判る。第4図は第2図に示される本発明の制
御系の汎用性時間差比較補償法の実施例によるKc、a
及びτr値を最適値に調整したときのステップ応答を示
し、図中のイル二にKc、a及びτ、の各定数の最適と
考えられる組合せの例を与えているが、実際上この組合
せは無数に存在する。第5図及び第6図は従来のアナロ
グ制御技術であるPID調節計による補償、及びPD調
節計による補償、及びPID調節計を用いたスミス法、
及びPD調節計を用いたスミス法、及び位相進み補償、
及びタコメータ・フィードバック補償、及び位相遅れ補
償の各方法でそれぞれ最適と考えられる状態に調節した
場合の各ステップ応答をまとめて示したもので、第5図
中にはPID又はPD調節計の比例ゲインKc、及びG
 (s)に含まれるむだ時間τで規格化された積分時定
数TI、及びτで規格化された微分時定数TDの各デー
タを付記してあり、第6図中には各補償器の比例ゲイン
Kc、及びタコメータ・フィードバック・ゲインKh、
及び位相進み補償のτで規格化された基準時定数T1.
及び位相進み補償の2つの時定数の間の比率α、及び位
相遅れ補償のτで規格化された基準時定数T2、及び位
相遅れ補償の2つの時定数の間の比率βの各データを付
記しである。以上の各図のグラフの横軸は該τで規格化
された時刻t/τで、縦軸はでで規格化された制御量y
 (t/τ)/τである。
第5図及び第6図と第4図との比較から、この(例1)
の場合、従来の各補償法は全く歯が立たないのに対して
1本発明の制御系の汎用性時間差比較補償法は、応答の
適応性及び分散性がはるかに優れていることがわかる。
その上、本発明の制御系の汎用性時間差比較補償法はK
c値がはるかに小さく取れ、これは利得余裕が大きいこ
とを示しており、十分な安定性が保償されることを意味
する。しかも、最適Kc値は第4図中に付記されたデー
タをみても判るように広範囲に選べることにも特徴があ
る。
ディジタル制御は制御対象20にむだ時間τを含む(例
1)のような場合、その設計法が確立されているとは言
い難く、ディジタル制御との比較は以下のτを含まない
(例2)について行う。
(例2) 制御対象20の伝達関数が の場合を(例2)とする。第7図は従来の技術の場合で
どのような補償も行わない最も単純な直結帰還系を形成
させたときのステップ応答を示し、この図から制御性が
悪いことが判る。第8図は第2図に示される本発明の制
御系の汎用性時間差比較補償法の実施例に基づき、目標
値又は基準値及び帰還量をサンプル時間T=1でサンプ
ルホールド化し、構築をディジタル信号処理化し、Kc
a及びτ、値を最適値に調整したときのステップ応答を
示し、図中のイと口にKc、a及びτrの各定数の最適
と考えられる組合せの2例を与えているが、実際上この
組合せは無数に存在する。なお第8図及び第10図のグ
ラフの横軸、縦軸にはそれぞれ時間(1)と及び応答y
 <t)がとっである。
本発明の制御系の時間差比較補償法による第8図の応答
は、後述の従来の最適制御法による第10図の応答曲線
口と酷似し同等の特性を示しており、本発明の方法が窓
数に近い制御法の1つであるということができ、Kc値
を1より小さい値に選ぶことにより利得余裕を大きくと
ることができる。その上、設計・構築及び調整は本発明
の制御系の汎用性時間差比較補償法の方が比較にならな
い位に簡単に行え、゛調整するべき各定数の最適と考え
られる組合せが広範囲に亘って存在するので設計及び調
整に余裕と融通性を持たせることができる。
第9図は他の実施例を実施するための制御系で従来のデ
ィジタル制御技術である最適制御法に組入れた場合のブ
ロック線図で、f□t f2t f3 は完全な状態変
数ベクトルフィードバックによる最適レギュレータで、
前述と同様に目標値又は基準値及び帰還量をサンプルホ
ールド化し、1/(sτY+1)で表わされる遅れ要素
8も差分方程式に表現し直してディジタル信号処理化し
ている。図のA、Bはそれぞれ時間差比較補償器、最適
レギュレータを示している。サンプル時間T=1の場合
の第9図のブロック線図に基づくステップ応答の最適な
応答の1例を第10図の応答曲線イに示す。
第10図の応答曲線口は従来のディジタル制御のうちで
最も標準的に使用される最適制御法によるステップ応答
で、完全な状態変数ベクトルフィードバックによる最適
レギュレータ(f1+f2yfa)を使用し、サジプル
時間T=1の場合における速溶性と分散性の最適な場合
を示す。ここで、評価関数の状態変数ベクトルおよび入
力変数に開状態変数ベクトルx” = (X 1 + 
X 2 + X a )のうちxlは制御量にとり、入
力変数は操作量である。
サンプル時間T=1に設定したときの応答の速溶性と分
散性の最適値はQ=1.R=1であり、これが第10図
の応答曲線口に与えた条件であって、このようにサンプ
ル時間を決めると応答の最適な速溶性と分散性を得るQ
とRの値が決まってしまい、設計の融通性に欠けること
が副次的にわかる。
第10図の層性曲線イを従来技術による最適応答曲線口
と比較すると、応答の速溶性と分散性の軽減に格段の向
上が達成されることがわかる。その上、Kc値を広範囲
に選ぶことができるので前述と同様に利得余裕が大きく
取れ、かつ、設計及び調整に余裕と融通性を持たせるこ
とができる。
以上の如く、実施例の制御系の汎用性時間差比較補償法
は、構築をアナログ系にすることによりアナログ制御に
適用することができ、目標値又は基準値及び帰還量をサ
ンプルホールド化し、構築をディジタル信号処理化する
ことによりディジタル制御に適用することができ、さら
に従来のディジタル制御に組入れることにより制御特性
を一層向上させることができる。当然ブロック図の等価
変換によりブロック線図の再編成も可能である。
以上、すなわち、実施例の制御系の汎用性時間差比較補
償法は上述した構成を有するものであって、従来使用さ
れていなかった目標値又は基準値の分岐による帰還量と
の時間差比較を利用して制御対像の応答遅れを補償する
ことによりフィードバック制御を行うため、従来のアナ
ログ制御のような比較偏差をとった後の種々多様の補正
又は調整機能を具備したどの補償法に比べても飛羅的に
応答の速溶性を向上させ且つ応答の分散性を軽減させる
ことができ、さらに、これらの目的に向けての調整の方
向が利得余裕を大幅に広げることにもつながって制御性
の安定性を高めることができ、また、従来のディジタル
制御法と比べても、対等の優れた特性を示し、多く制御
対象に封隙するむだ時間及び/又はマイクロプロセッサ
の処理時間による遅れを群視できない場合のディジタル
制御の制御法又は補償法は確立されているとは言い難い
状況でも適用することができ、ディジタル制御の設計及
び構築には多くの日数と多大の労力を要するだけでなく
、制御対象のわずかの変更に対して応々にして設計及び
構築を最初からやり直す必要があるなど従来のディジタ
ル制御の取り扱いが大変困難なのに比べて、上述の優れ
た特性を保持しつつ、あらゆる種類の制御機器及び制御
システムに対して汎用的に適用でき且つ比較にならない
程簡単に設計及び構築ができ且つ簡便な操作により調整
又は再調整することができる効果がある。
すなわち、産業上の利用分野に限ることなく、サーボ系
はもとより定値制御系並びにプロセス制御系等のあらゆ
る種類の制御機器及び制御システムに対して、これらを
構成しているフィードバック制御系の応答に関する速溶
性の向上と分散性の軽減を行わせ、かつ安定性の格段の
向上を行えるようにし、しかもこれらの目的を達成する
ための調整及び設定を簡単に行うことができる。
〔発明の効果〕
本発明は、−アナログ制御及びディジタル制御ともにあ
らゆる種類の制御機器及び制御システムに適用できる制
御系の汎用性時差比較補償法を提供可能とするもので、
産業上の効果の大なるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の制御系の汎用性時間差比較補償法の原
理説明図、第2図は同じく一実施例を実施するための制
御系のブロック線図、第3図は制御対象の伝達関数G 
(s)が(1)式で表わされる場合の補償のない直結帰
還系におけるステップ応答図、第4図は同じく第2図の
本発明の実施例によるステップ応答図、第5図及び第6
図は同じ〈従来の各補償法によるステップ応答図、第7
図は制御対象の伝達関数G−(s)が(2)式で表わさ
れる場合の補償のない直結帰還系におけるステップ応答
図、第8図は同じく第2図の本発明の実施例によるステ
ップ応答図、第9図は同じく他の実施例を実施するため
の制御系で、最適制御に組入れた場合のブロック線図、
第10図は第9図の場合のステップ応答を従来の最適制
御法の場合のステップ応答と比較して示すステップ応答
図である。 1・・・目標値又は基準値、2,3.4・・・分岐、5
・・・帰還量、6・・・比較器、7・・・第1偏差量、
8,9・・・遅れ要素、10.11・・・比較器、12
・・・第2偏差量、13・・・第3偏差量、14,15
,16・・・重み要素、17・・・加算器、18・・・
ゲイン調整要素、19・・・操作量、20・・・制御対
象、21・・・帰還要素、22・・・制御量。 手続補正帯(自発) 昭和62年特許願第098067号 2、発明の名称 制御系の汎用性時間差比較補償法 3、補正をする者 事件との関係   特許出願人 4、代理人 居所(〒103)東京都中央区日本橋茅場町二丁目9番
5号日進ビル 6、補正の内容 (1)明細書第4頁第5行目のrAntomaticJ
をr AutomaticJに訂正する。 (2)明細書第4頁第5〜第6行目のr Irans、
ASME。 Vol、64.JをrTrans、AsME、Vol、
64. Jに訂正する・(3)明細書第7頁第12行目
の「御目標値又は、Jを「御の目標値又は」に訂正する
。 (4)明細書第7頁第18行目「13の等」を「13等
」に訂正する。 (5)明細書第9頁第3行目のr補較法」を「補償法」
に訂正する。 (6)明細書第11頁第6行目の「1つ」の次に「2」
を加入する。 (7)明細書第11頁第7行目の「14」を「21」に
訂正する。 (8)明細書第11頁第9行目の「に遅れ」の前に「3
」を加入する。 (9)明細書第11頁第18行目の「1の追随」を「1
に追随」に訂正する。 (10)明IIl杏第18頁第1行目の「層性曲線」を
「応答曲線」に訂正する。 (11)明細書第19頁第16行目の「応々」を「往々
」に訂正する。 (12)第2図及び第9図を別紙の補正図面(第2図及
び第9図)の如く訂正する。(何れの図も2及び3を加
入した。) 手続補正書(自発) 昭和63年6月10日

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、フィードバック制御の目標値又は基準値を幾つかに
    分岐させ、分岐の1つと帰還量との直接比較を行つて第
    1偏差量を得、他の分岐の各々に種々の遅れ時間をもつ
    遅れ要素を通して前記目標値又は前記基準値と前記帰還
    量との時間差比較を行つて第2偏差量及び第3偏差量等
    を得、前記第1偏差量をも含めた各偏差量に種々の重み
    要素を通すことによつて該各偏差量に種々の重みを付け
    て得られる各信号の総和をとり、該総和によつて得る信
    号をゲイン調整要素を通すことにより、制御対象に適合
    するゲインの再調整を施して操作量を造り出すことを特
    徴とする制御系の汎用性時間差比較補償法。 2、前記偏差量が、第1偏差量と第2偏差量との2個の
    み設定される特許請求の範囲第1項記載の制御系の汎用
    性時間差比較補償法。 3、前記各遅れ要素が、一次遅れ要素及びむだ時間要素
    等の信号の遅れ現像を生ぜしめる各種の要素のうちから
    選ばれた少なくとも1つの要素によつて設定される特許
    請求の範囲第1項又は第2項記載の制御系の汎用性時間
    差比較補償法。 4、前記各重み要素および前記ゲイン調整要素の少なく
    も1つが、PID調節計、PD調節計、積分器等の外乱
    対策機能を包含可能なものである特許請求の範囲第1項
    又は第2項記載の制御系の汎用性時間差比較補償法。 5、前記各遅れ要素の遅れ時間と、前記各重み要素の重
    み量と、前記ゲイン調整要素のゲイン係数等が設定・調
    整可能である特許請求の範囲第1項又は第2項記載の制
    御系の汎用性時間差比較補償法。 6、前記制御系が、汎用性制御器として、又は、アナロ
    グIC又はディジタルIC等の汎用性制御用ICとして
    構成されている特許請求の範囲第1項又は第2項記載の
    制御系の汎用性時間差比較補償法。
JP62098067A 1987-04-20 1987-04-20 制御系の汎用性時間差比較補償方法及び装置 Expired - Lifetime JP2716437B2 (ja)

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