JPS6391701A - 離散時間制御装置の過渡状態制御方式 - 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】 〔発明の分野〕 本発明は連続時間制御対象を離散時間制御する離散時間
制御装置の過渡状態制御方式に関するものである。

〔発明の概要〕

本発明は連続時間制御対象の制御量が設定値と十分離れ
ている場合の過渡状態制御方式であって、制？１１対象
を一次遅れ系と見なして設定値変更時に操作量をオンと
した後、３サンプリング以上の期間操作量をオフとして
制御■対象の時定数τとその時定数τの間に予測される
制御量の変化分Ｘとを算出し、制御量が設定値と該変化
分の差で定まる値に達するまでオン制御を行い、その後
操作量をオフとすることによりオーバーシュートな（設
定値に近づけるようにしたものである。

〔従来技術とその問題点〕

（従来技術） 従来温度制御装置等の連続時間制御対象に対する離散時
間制御装置では、過渡状態及び定常状態においてＰＩＤ
制御を行うＰＩＤ制御装置が広く用いられている。又Ｐ
ＩＤ制御以外にも例えば文献１　（Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎ
ｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｓｅｌｆ−Ｔｕ
ｎｉｎｇＲｅｇｕｌａｔｏｒｓ　　　　Ｋ、Ｊ、へＳＴ
Ｒ０Ｍ、他　　Ａｕｔｏｍａｔｉｃａ。

Ｖｏｌ、１３＋ｐｐ、４５７−４７６＋　Ｐｅｒｇａｍ
ｏｎ　Ｐｒｅｓｓ、　１９７７、）に示されているよう
に、制御パラメータを逐次オンラインでチューニングし
て制御を行うセルフチューニングレギュレータが提案さ
れている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら従来のＰＩＤ制御装置では、システムを立
上げたり設定値が変更された場合の過渡状態制御にはオ
ーバーシュートが起こり易いという欠点があった。そこ
でオーバーシュートをできるだけ少なくするために遅い
応答を示す条件で手動設定やオートチューニングを行う
ことによってＰＩＤパラメータを求めることが必要とな
るが、設定値に達するまでの整定時間が長くなり、しか
もＰＩＤパラメータの設定にはあらかじめ制御対象を同
定するための試験的な立上げを必要とするという問題点
があった。

又セルフチューニングレギュレータにおいてもパラメー
タが未確定な初期の立上り時には動作が安定しないこと
があったり、過渡状態でのオーバーシュートを防ぐこと
ができないという問題点があった。

〔技術的課題〕

本発明はこのような従来の連続時間制御対象に対する過
渡状態制御方式の問題点に鑑みてなされたものであって
、立上り時や設定値を変更したときの過渡状態制御にお
いてオーバーシュートが少なく、短時間で整定する過渡
状態制御方式を実現することを技術的課題とする。

〔発明の構成と効果〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は連続時間制御対象の制御量を所定のサンプリン
グ間隔毎に検知するサンプリング手段と、連続制御対象
に対するサンプリング間隔毎にオン。

オフの二値スイッチングによる操作を行う操作手段を有
し、制御量が設定値を中心とする所定幅内を逸脱してい
る場合に行われる離散時間制御装置の過渡状態制御方式
であって、第１図に示すように、離散時間制御装置の動
作開始時及び設定値変更時に操作手段の操作量をオンと
し、制御量が設定値変更幅の所定範囲まで変化すれば３
以上のサンプリング間隔に渡って操作手段の操作量をオ
フとし、制御対象の時定数τ及び該時定数τに対応して
予測される制御量の変化分Ｘを算出し、操作手段の操作
量をオンとし、制御量が設定値と制御量の変化分Ｘとの
差で定まる値に達すれば操作量をオフとし、定常状態へ
の変化を待受けることを特徴とするものである。

（作用） このような特徴を有する本発明によれば、制御対象に対
する操作を行いつつその時定数τと時定数τの間に予測
される制御量の変化分Ｘを算出している。そして制御量
が設定値と制？’ｆｌｌｆｆｉの変化分との差で定まる
値に達したときに操作量をオフとすることによって制御
対象の一次遅れの特性に対応させた過渡状態制御を行う
ことができる。

（発明の効果） そのため本発明によれば、制御対象を一次遅れ系と見な
しその時定数τをそれに対応する制？１１ｆｆｌの変化
分Ｘを算出して制？ｆｆ１ｌを行っているため、過渡状
態で安定した制御を行うことができ、しかもオーバーシ
ュートを極めて小さく押さえることができるという効果
が得られる。

〔実施例の説明〕

（実施例の全体構成） 第２図は本発明の一実施例による過渡状態制御′１■を
実現する離散時間制御装置の概念的構造を示すブロック
図である。本図において制御対象１は例えば加熱炉とし
操作部２によって操作量が加えられる。操作部２は例え
ば加熱手段であり、オンオフの二値スイッチング制御及
び連続操作量による制？’［Ｉｌが行われる。そして制
御対象１の温度等の制御量が加え合わせ点３より外乱が
加わった状態で計測部４によって検知され、所定周期で
サンプリングされてスイッチ５を介して過渡状態制御機
能ブロック６、定常状態制御機能ブロック７及び制？Ｉ
１機能切換機構８に与えられる。又端子９には制御対象
１に対する設定値が与えられており、設定値は制御機能
切換機構８及びスイッチ１０に与えられる。過渡状態制
御機能ブロック６は計測部４より制御量のサンプリング
計測値が与えられ、又スイッチ１０を介して設定値が与
えられ制御対象１に対して二値スイッチング操作を所定
のサンプリング間隔毎に行う制御機構ブロックである。

過渡状態制御機能ブロンクロは過渡状態における制御に
用いられ、その出力がスイッチ１１に与えられる。又定
常状態制御機能プロ・ツク７は例えばＰＩＤ＊ＩＪ？ｉ
機能による定常状態の制御を行うものであって、定常状
態でのＰｒＤパラメータはあらかじめ設定されているも
のとする。定常状態での連続した操作量はスイッチ１１
に与えられる。制御機能切換機構８は設定値と計測部４
より得られる制御量に基づいて過渡状態と定常状態とを
判別し、スイッチ５，１０とスイッチ１１とを同時に切
換えることによってこれらの出力を択一的に操作部２に
与えて過渡状態制御機能ブロック６及び定常制御機能ブ
ロック７を選択的に動作させるものである。

第３図は本実施例の離散時間制御装置の電気的構成を示
すブロック図であって、第２図と同一部分は同一符号を
用いて示している。計測部４は温度センサ及びＡ／Ｄ変
換器を有し所定時間毎にへ／Ｄ変換値が制御手段である
中央演算装置（以下ＣＰＵという）１２に与えられる。

ＣＰＵＩ　２には記憶手段としてリードオンリメモリ　
（以下ＲＯＭという）１３及びランダムアクセスメモリ
　（以下ＲＡＭという）１４が接続されている。又制御
対象１の設定値である温度や定常状態でのＰＩＤパラメ
ータを設定する設定器１５が設けられ、現在の制御状態
が表示器１６に表示される。ｃｐｕ１２の出力は操作部
２を介して制御対象１に与えられている。

さてＲＡＭ１４には過渡状態制御時に用いられるフラグ
Ｆｌ、Ｆ２と制御開始時の制御ｉＹを記憶する領域、設
定値ｗ　（ｔ）を記憶する領域、設定値の変更幅Ｒを記
憶する領域とカウンタ領域Ｎ１及び各数ステップの計測
部４から得られる制御ｆｆ１ｙ（Ｕ、　　ｙ　（ｔ−１
）　−・−・を記憶する領域を有しており、更にこれら
の制御■から演算される時定数τ及び時定数τの間に予
測される制御量の変化分Ｘを記憶する領域を有している
。

（本実施例の動作） 次に本実施例の動作について第１図のフローチャー１・
及び第４図のタイムチャートを参照しつつ説明する。過
渡状態制御を開始すると、まずステップ２１においてフ
ラグＦ１をオフとしステップ２２に進んで現在の制御量
Ｙ　（ｔ）及び設定値ｗ　（ｔ）を更新する。第４図（
ａ）の時刻ｔ、においでここで設定された設定値Ｗ　（
ｔｌ）が現在の制御量ｙ　（ｔｌ）より高く設定され制
御対象１の加熱を開始する場合には、ステップ２３に進
んで定常状態に達しているかどうかを判別する。定常状
態の判別は制′４Ｂ４２ｔｙ（ｔ）が設定値ｗ（ｔ）を
中心とする所定範囲、例えば０．５％の範囲ε内にある
かどうかによって判別するものとする。定常状態になけ
ればステップ２４に進んでフラグＦ１がセットされてい
るかどうかをチェックし、セットされていなければステ
ップ２５に進んで現在の制御量ｙ　（ｔｌ）をＹとし、
設定値ｗ（ｔｏと制御量ｙ　（ｔｌ）との差をＲとして
夫々ＲＡＭ１４に記憶させる。そしてフラグＦ１をオン
とし、フラグＦ２をオフとしカウンタＮをクリアする。

こうした操作を行った後第４図（ｂｌに示すようにルー
チン２６に進んで１サンプリング周期の間に出力をオン
とする。過渡状態では制御切換機構８によって過渡状態
制御機能ブロック６側に切換えられているため、その出
力が操作部２に加えられ制御対象１が加熱されることに
なる。そして次のサンプリング周期ではステップ２２〜
２４を介してステップ２７に進み、現在の制御量ｙ（ｔ
）が設定値変更幅の所定範囲、例えばＹ＋０．２Ｒを越
えているがどうかをチェックする。この範囲を越えるま
ではルーチン２６に進んで操作部２をオン状態として１
００％の操作量を継続し制御対象１の加熱を続ける。

さて第４図に示すように時刻ｔ２に設定値変更の範囲Ｒ
の２０％まで制御量である温度が上昇したとすれば、ス
テップ２８に進んでフラグＦ２が立てられているかどう
かをチェックする。フラグＦ２が立てられていなければ
ステップ２９に進んでカウンタＮが２以上であるかどう
かをチェックする。カウンタＮは最初はステップ２５で
クリアされているのでステップ３０に進んでカウンタＮ
の計数値をインクリメントし、ルーチン３１において１
サンプリング期間Ｔの開操作部２の出力をオフとする。

そうすれば第４図（ｂｌに示すように制御対象１の加熱
が一旦停止される。そして３サンプリング周期の間はス
テップ２２〜２４．２７からルーチン３工までの処理を
繰り返し、カウンタＮの計数値が２に達する時刻ｔ、に
はステップ２９からルーチン３２に進んで制御対象１の
時定数τを次式によって計算する。

−−−−一・・（１） 但し　ｙ＋＝ｙｆｔ）−ｙ（ｔ−２）　　　　’ｙｚ　
−３’　（Ｌ−１）　　）’　（ｔ−２）　　　　　　
　−−−−−−−（２）そして第５図に示すように制御
対象１を一次遅れ系と仮定したときに時定数をτとして
指数関数の曲線に沿って上昇すると予測される温度差Ｘ
を次式によって演算する。尚実際には時定数τの間には
温度差Ｘの６３．２％の上昇をするものと予測される。

ここで演算された時定数をτ１．その時定数で予測され
る温度差をＸ、とする。そしてステップ３３に進んでカ
ウンタＮをクリアし、フラグＦ２をオンとしてルーチン
２６に進み出力をオンとする。

次のサンプリング周期ではフラグＦ２が立てられている
のでステップ２２〜２４．２７．２８を介してステップ
３４ニ進み、制′４′ｎ量ｙ　（ｔ）が設定値ｗ　（ｔ
ｌ　−Ｘより小さくなっているかどうかをチェックする
。制御量ｙ　（ｔ）がｗ　（ｔ）　−Ｘ以下であればル
ーチン２６に進んで出力のオン状態を保ち、ｗ　（ｔ）
　−Ｘを越える時刻ｔ４にはステップ３５に進んでカウ
ンタＮの計数値が２を越えているかどうかをチェックす
る。カウンタＮはステップ３３においてクリアされたの
でステップ３６に進んでカウンタＮの計数値をインクリ
メントすると共に、ルーチン３７に進んで１サンプリン
グ期間操作部２の出力をオフとしてこのサンプリング周
期を終了する。

そして第４図（′ｂ）に示すように３サンプリング周期
の間は同様の処理を繰り返し時刻ｔ５にカウンタＮの計
数値が２に達すれば、ステップ３５よりルーチン３８に
進んで再び時定数τ２とその時定数で予測される温度差
Ｘ２を前述した式（１）〜（３）を用いて演算する。こ
れは制御対象１の温度によって時定数τが変化するもの
と考えられるので、設定値の近傍に達したときに改めて
時定数を算出するためである。そしてステップ３９にお
いて再びカウンタＮをクリアし、ステップ４０に進んで
時定数τ、とτ２を比較する。時定数τ１がτ２よりも
大きければ制御量ｙ（ｔ）は設定値ｗ　（ｔｌに達しな
いものと考えられるので、ステップ４１に進んで時定数
τ２の値をτ、に移し、ルーチン４２に進んで１サンプ
リング期間出力をオンとする。そして同様の処理を繰り
返し時定数τ２が７１以上となれば、ステップ４０から
ルーチン３７に進んで出力をオフとする。

この状態では制御量ｙ（ｔ）はオーバーシュートはほと
んど起こらずに設定値ｗ　（ｔ）に近づくものと考えら
れる。そして同様の処理を継続し、ステップ２３に進ん
で制御量ｙ　（ｔｌが設定値ｗ　（ｔｌにほとんど等し
く偏差ε以内となる時刻Ｌ６には定常状態に移りフラグ
Ｆ１をオフとして（ステップ４３）、ルーチン４４に進
んで定常状態での制′４１ｎを行う。定常状態の制御は
前述したようにあらかじめ定常状態で正しいパラメータ
が設定された定常状態制御機能ブロック７のＰＩＤ制御
によって連続操作量の制１１ｆｌを行うものとする。

又設定値ｗ　（ｔ）が更新されれば同様の処理を操り返
して過渡状態での制御を行い、オーバーシュートがほと
んどなく制御量を設定値に整定させた後に定常状態の制
御に移行するようにしている。

百本実施例はステップ３５において制御ｌ　ｙ（ｔ）が
設定値ｗ　（ｔｌと制御量の変化分Ｘとの差で定まる値
に達した後、操作量をオフとして再び時定数を演算し元
の時定数と比較するようにしているが、このような処理
を行うことなく出力をオフとして定常状態の制御に入る
まで制御量が上昇するのを待受けるようにしてもよい。

この場合には処理を簡略化することができる。

又本実施例は定常状態の制御機構としてＰＩＤ制御装置
を用いているが、他の定常状態の制御装置例えばＩ−Ｐ
Ｄ制御装置や前述した文献１に示されている最適分散制
御のオートチューニングレギュレータを用いて定常状態
での制御を行うようにすることも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による離散時間制御装置の動
作を示すフローチャート、第２図は本実施例の概念的構
造を示すブロック図、第３図はその電気的構成を示すブ
ロック図、第４図（ａ）は設定値と制御量の変化を示す
タイムチャート、第４図（ｂｌは操作量の変化を示すタ
イムチャート、第５図は時定数τとそれに対応する制？
Ｉｌ量の変化分Ｘを示すグラフである。 １−一一−−−・制御対象　　２−・−−−−一操作部
（操作手段）４−・−計測部（サンプリング手段）　　
５，１０゜１１−・・−・−切換スイソチ　　６・・−
一一一一過渡状態制御機能プロック　　７−・・一定常
状態制御機能ブロック８−−−−−−一制御機能切換機
構　　１２−−−−−ＣＰ　Ｕ１３−・・・−・ＲＯＭ
　　　１４−−−−−−−ＲＡＭ特許出願人　　　立石
電機株式会社 代理人　弁理士　岡本宜喜（他１名） ゛（３、；、”−・ 第２図 第３図 第４図 ↑１　ｔ２　ｔ３　　　ｔ４　ｔ５　ｔ’６第５図 ｙ（ｔ）４

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）連続時間制御対象の制御量を所定のサンプリング
   間隔毎に検知するサンプリング手段と、前記連続制御対
   象に対する前記サンプリング間隔毎にオン、オフの二値
   スイッチングによる操作を行う操作手段を有し、制御量
   が設定値を中心とする所定幅内を逸脱している場合に行
   われる離散時間制御装置の過渡状態制御方式であって、 前記離散時間制御装置の動作開始時及び設定値変更時に
   前記操作手段の操作量をオンとし、前記制御量が設定値
   変更幅の所定範囲まで変化すれば３以上のサンプリング
   間隔に渡って前記操作手段の操作量をオフとし、 前記制御対象の時定数τ及び該時定数τに対応して予測
   される制御量の変化分Ｘを算出し、前記操作手段の操作
   量をオンとし、前記制御量が前記設定値と制御量の変化
   分Ｘとの差で定まる値に達すれば操作量をオフとし、定
   常状態への変化を待受けることを特徴とする離散時間制
   御装置の過渡状態制御方式。