JPWO2019106782A1 - Ｐｉｄ制御装置及びｐｉｄ制御方法 - Google Patents

Abstract

制御対象のＰＩＤ制御を開始する前に、前記ＰＩＤ制御に用いるＰＩＤパラメータを算出するスタートアップチューニング機能を有するＰＩＤ制御装置であって、前記制御対象の温度の速度変化を測定する速度変化測定部と、前記速度変化測定部で測定した温度の速度変化の応答特性に基づいて、前記算出されるＰＩＤパラメータを用いるＰＩＤ制御のレベルの境界を判断するレベル分割判断部と、を備える。

Description

この発明は、制御対象の温度のＰＩＤ制御を開始する前に、ＰＩＤ制御に用いるＰＩＤパラメータを算出するスタートアップチューニング機能を有するＰＩＤ制御装置及びＰＩＤ制御方法に関するものである。

従来において、制御対象の特性に合わせてＰＩＤ制御を行うために、プログラムパターンのステップ毎に異なるＰＩＤ値を設定する制御を行うＰＩＤ制御装置が提案されている。以下の特許文献１には、複数に分割された制御範囲の区間（レベル）毎にＰＩＤ値が設定され、この区間内で設定された各目標値に応じてＰＩＤ制御値を自動的に選択し、この選択結果に基づいてプログラムパターンにおける目標値を含む区間のＰＩＤ演算がなされる構成を有する調節計が開示されている。

特開平２−２５９８０６号公報

しかしながら、従来におけるＰＩＤ制御装置においては、ＰＩＤ制御値が選択される各レベルの境界が予め設定されている。この設定は、オペレータがＰＩＤ定数を修正しながら変更設定することにより行われる場合があり、設定された境界が必ずしも適切ではない場合がある。例えば、設定された境界内で制御対象が異なる応答特性を示す場合には、設定されるＰＩＤ値を適切に選択することが困難となり、応答性や制御性が低下するおそれがあるという課題があった。一方で、予め設定された境界に隣接するレベルにおいて、応答特性がさほど変化しない場合には、選択されるＰＩＤ選択値がほぼ同一な場合であってもレベルの切り替え処理が必要となり、応答性や制御性が低下するおそれがあるという課題があった。また、従来においては、設定されたレベル毎にＰＩＤ制御値を求めるオートユーニングを必要としており、設定が煩雑となるという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、スタートアップチューニング処理とともに、ＰＩＤ制御のレベルの境界を適切に判断でき、制御性や応答性を向上することができるＰＩＤ制御装置及びＰＩＤ制御方法を得ることを目的とする。

（構成１）
制御対象のＰＩＤ制御を開始する前に、前記ＰＩＤ制御に用いるＰＩＤパラメータを算出するスタートアップチューニング機能を有するＰＩＤ制御装置であって、
スタートアップチューニング処理とともに、前記制御対象の温度の速度変化を測定する速度変化測定部と、
前記速度変化測定部で測定した温度の速度変化の応答特性に基づいて、前記算出されるＰＩＤパラメータを用いるＰＩＤ制御のレベルの境界を判断するレベル分割判断部と、を備えることを特徴とするＰＩＤ制御装置。

（構成２）
前記レベル分割判断部は、前記測定された前記温度の速度変化が極値をとる箇所で、前記レベルの境界を判断することを特徴とする構成１に記載のＰＩＤ制御装置。

（構成３）
前記レベル分割判断部は、前記測定された前記温度の速度変化が極小値をとる箇所で、前記レベルの境界を判断することを特徴とする構成２に記載のＰＩＤ制御装置。
（構成４）
前記レベル分割判断部により判断されたレベルの境界によって制御範囲を複数のレベルに分割し、該分割したレベル毎にＰＩＤ値を設定するＰＩＤ値設定部を、さらに備えることを特徴とする構成１から構成３のいずれかに記載のＰＩＤ制御装置。

（構成５）
前記レベル分割判断部は、前記測定された温度の速度変化が極値をとる箇所以外の箇所で設定されたレベルの境界を、前記極値をとる箇所で判断されたレベルの境界に置き換えることを特徴とする構成４に記載のＰＩＤ制御装置。

（構成６）
制御対象のＰＩＤ制御を開始する前に、前記ＰＩＤ制御に用いるＰＩＤパラメータを算出するスタートアップチューニング処理を有するＰＩＤ制御方法であって、
スタートアップチューニング処理とともに、前記制御対象の温度の速度変化を測定する速度変化測定処理と、
前記速度変化測定処理で測定した温度の速度変化の応答特性に基づいて、前記算出されるＰＩＤパラメータを用いるＰＩＤ制御のレベルの境界を判断するレベル分割判断処理と、を含むことを特徴とするＰＩＤ制御方法。

この発明によれば、スタートアップチューニング処理とともに、ＰＩＤ制御のレベルの境界を適切に判断でき、制御性や応答性を向上することができる効果がある。

この発明の実施の形態によるＰＩＤ制御装置を示す構成図である。 ある制御対象の温度変化特性を示すグラフであり、同図（ａ）はＰＩＤ制御装置によるレベル境界判断前の状態を示し、同図（ｂ）はＰＩＤ制御装置によるレベル境界判断後の状態を示す。 別の制御対象の温度変化特性を示すグラフであり、同図（ａ）はＰＩＤ制御装置によるレベル境界判断前の状態を示し、同図（ｂ）はＰＩＤ制御装置によるレベル境界判断後の状態を示す。 さらに別の制御対象の温度変化特性を示すグラフであり、同図（ａ）はＰＩＤ制御装置によるレベル境界判断前の状態を示し、同図（ｂ）はＰＩＤ制御装置によるレベル境界判断後の状態を示す。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるＰＩＤ制御装置を示す構成図である。
図１において、減算器１は、目標値ＳＶと後述する測定値ＰＶとの偏差Ｅを出力するもので、ＰＩＤ制御演算部３に接続されている。ＰＩＤ制御演算部３は、設定されたＰＩＤ定数に基づき偏差ＥをＰＩＤ演算して操作量ＭＶを出力するものであり、制御対象５に接続されている。なお、図１に示す制御対象５は、図２〜図４において制御される制御対象５ａ、５ｂ、５ｃに対応している。

これら減算器１およびＰＩＤ制御演算部３は、従来のＰＩＤ調節計の基本的構成であり、ＰＩＤ制御演算部３に予め設定されているＰＩＤ定数は、運転開始時や目標値変更前に設定されたものであり、任意に変更設定可能になっている。
制御対象５は、操作量ＭＶによって温度制御される公知のプロセスで、温度変化を測定する測定手段（ステップ応答チューニング部９、レベル分割判断部２０の速度測定部２１）に接続され、この測定手段で測定された測定値ＰＶを出力するものであり、減算器１および起動判断部７その他に接続されている。

起動判断部７は、運転開始時や目標値変更時に、目標値ＳＶと測定値ＰＶとの偏差Ｅを例えば比例帯（図示せず）と比較し、チューニングを実行するだけの偏差Ｅがあるか否か判断し、チューニングの実行が可能なときにはチューニング起動の指示信号を出力するものであり、ステップ応答チューニング部９、ＰＩＤ定数変更判断部１５に接続されている。しかも、起動判断部７は、偏差Ｅがステップ応答によるチューニング（スタートアップチューニング）が可能なとき、ステップ応答による第１のＰＩＤ定数の算出を指令するステップ応答起動の指示信号をステップ応答チューニング部９へ出力可能に形成されている。

ステップ応答チューニング部９は、公知の演算手法例えばジーグラー・ニコルス法によってＰＩＤ定数［（Ｋｐ、Ｔｉ、Ｔｄ）_S］を算出する機能を有し、チューニング観測部（図示せず）およびＰＩＤ定数変更判断部１５に接続されている。
ＰＩＤ定数変更判断部１５は、ＰＩＤ制御演算部３で用いられたＰＩＤ定数が良好かどうかを判断し、その判断結果をＰＩＤ制御演算部３に送信する。

レベル分割判断部２０は、ステップ応答起動（スタートアップ起動）の指示信号とともに入力されるレベル設定の信号に基づき、同じＰＩＤ定数で制御されるＰＩＤ制御のレベルの境界を判断する。レベル分割判断部２０は、制御対象５の温度変化の速度を測定する速度測定部２１を有しており、この速度測定部２１で測定された温度の速度変化の応答特性に基づいて、算出されるＰＩＤパラメータを用いるＰＩＤ制御のレベルの境界を判断している。レベル分割判断部２０はＰＩＤ定数変更判断部１５に接続されており、レベル分割判断部２０において判断されたレベルの境界をＰＩＤ定数変更判断部１５に通知する。
ＰＩＤ定数変更判断部１５は、レベル分割判断部２０からの判断結果に基づいて、制御範囲を新たなレベル分割若しくはレベルの変更が必要と判断した場合、その判断結果をＰＩＤ制御演算部３に送信する。ＰＩＤ制御演算部３は、ＰＩＤ定数変更判断部１５から送信された判断結果に基づいて、各レベルにおけるＰＩＤ定数を演算するように構成されている。

本実施形態において、レベル分割判断部２０は、速度測定部２１で測定された温度の速度に基づき速度変化を測定し、この速度変化が極値をとる箇所で、レベルの境界を判断している。温度の速度変化が極値をとる箇所において、制御対象５の温度特性が変化しているためである。

次に動作について説明する。図１のＰＩＤ制御装置は、ＰＩＤ制御に用いるＰＩＤパラメータを算出するスタートアップチューニング機能を有しており、制御対象５の温度のＰＩＤ制御を開始する前に、ＰＩＤ制御に用いるＰＩＤパラメータを算出するスタートアップチューニングを実行する。

スタートアップチューニングが実行されると、起動判断部７は、偏差Ｅがステップ応答によるチューニングが可能なとき、ステップ応答による第１のＰＩＤ定数の算出を指令するステップ応答起動の指示信号をステップ応答チューニング部９へ出力する。
そして、レベル分割判断部２０は、スタートアップチューニングの実行中、速度測定部２１によって制御対象５の温度の速度変化を測定し、その速度変化の応答特性に基づいて、ＰＩＤ制御のレベルの境界を判断する。この動作について、図２〜図４を用いて説明する。

図２は、ある制御対象５ａの温度変化特性を示すグラフであり、同図（ａ）はＰＩＤ制御装置によるレベル境界判断前の状態を示し、同図（ｂ）はＰＩＤ制御装置によるレベル境界判断後の状態を示す。
同図（ａ）に示されるように、この制御対象５ａにおいては、予め所定間隔毎に設定された３つのレベルＬｖ１、Ｌｖ２、Ｌｖ３に区分されている。従来までのスタートアップチューニングでは、スタートアップチューニング機能とレベルを分割する機能とが独立して構成されていたため、同図（ａ）のように所定間隔毎に区分されたレベルＬｖ１、Ｌｖ２、Ｌｖ３にまたがって一括でＰＩＤ定数を算出することができない。このため、それぞれのレベルＬｖ１、Ｌｖ２、Ｌｖ３毎に、複数回にわたってチューニングを行っている（後述する図３（ａ）、図４（ａ）においても同様である）。レベルＬｖ１においては、高次遅れ系として温度の速度が測定されるとともに、このレベルにおけるＰＩＤ定数が算出される。また、レベルＬｖ２においても、高次遅れ系として温度の速度が測定されるとともに、このレベルにおけるＰＩＤ定数が算出される。そして、レベルＬｖ３においては、一次遅れ系として温度の速度が測定されるとともに、このレベルにおけるＰＩＤ定数が算出される。

実施の形態１によるＰＩＤ制御装置では、レベル分割判断部２０における速度測定部２１により測定された温度の変化速度を、レベル分割の判断に使用している。また、ＰＩＤ制御装置では、ステップ応答チューニング部９において、ＰＩＤ算出の過程として温度の変化速度を監視している。このため、実施の形態１によるＰＩＤ制御装置は、このような制御対象５ａに対し、ステップ応答チューニング部９および速度測定部２１において測定された温度の変化速度に基づき、スタートアップチューニング制御を行うとともに、レベル分割判断部２０によりレベル分割の判断処理を並行して行うことが可能となる。なお、説明の便宜上、ステップ応答チューニング部９と、レベル分割判断部２０における速度測定部２１とを別部材として示しているが、同一部材を用いて構成することもできる。
図２（ｂ）は、ＰＩＤ制御装置のレベル分割判断部２０の速度測定部２１において、スタートアップチューニング制御時に測定された制御対象５ａにおける温度特性である。同図に示されるように、この制御対象５ａにおいては、制御開始時において温度速度が緩やかに上昇し（速度が遅い）、略中央部分において温度速度が急激に上昇し（速度が速い）、そして再び温度速度の上昇が緩やか（速度が遅い）になっている。すなわち、この制御対象５ａにおいては、測定された温度の速度変化が、略中央部分において極大値をとるような特性を有している。そこで、レベル分割判断部２０は、この測定された温度の速度変化が極大値をとる箇所で、レベルの境界を判断し、境界よりも下の領域をレベルＬｖ１’とし、境界よりも上の領域をレベルＬｖ２’としている。このように境界を置き換えることにより、各レベルＬｖ１’、Ｌｖ２’に応じたより適切なＰＩＤ設定値を設定することが可能となる。また、従来までのスタートアップチューニングとは異なり、一度のスタートアップチューニングで各レベルＬｖ１’、Ｌｖ２’に応じたＰＩＤ設定値を設定することが可能となる。このように、本実施形態のＰＩＤ制御装置によれば、スタートアップチューニング処理とともに、ＰＩＤ制御のレベルの境界を適切に判断でき、応答性や制御性を向上することができる。

次に別の例について、図３を用いて説明する。図３は、別の制御対象５ｂの温度変化特性を示すグラフであり、同図（ａ）はＰＩＤ制御装置によるレベル境界判断前の状態を示し、同図（ｂ）はＰＩＤ制御装置によるレベル境界判断後の状態を示す。
同図（ａ）に示されるように、この制御対象５ｂにおいては、予め所定間隔毎に設定された３つのレベルＬｖ１、Ｌｖ２、Ｌｖ３に区分されている。図２（ａ）の場合と同様に、各レベルＬｖ１、Ｌｖ２、Ｌｖ３毎にチューニングを行い、レベルＬｖ１においては、一次遅れ系として温度の速度が測定されるとともに、このレベルにおけるＰＩＤ定数が算出される。また、レベルＬｖ２においても、一次遅れ系として温度の速度が測定されるとともに、このレベルにおけるＰＩＤ定数が算出される。そして、レベルＬｖ３においても、一次遅れ系として温度の速度が測定されるとともに、このレベルにおけるＰＩＤ定数が算出される。

このような制御対象５ｂに対し、スタートアップチューニング制御を行うとともに、レベル分割判断部２０によりレベル分割の判断処理を行う。図（ｂ）に示されるように、この制御対象５ｂにおいては、制御開始時において温度速度が比較的速やかに上昇し（速度が速い）、略中央部分において温度速度が緩やかに上昇し（速度が遅い）、そして温度速度の上昇がさらに緩やか（速度が遅い）になっている。すなわち、この制御対象５ｂにおいては、測定された温度の速度変化が、極値をとるような特性を有しておらず、速度変化の応答特性はいずれも一次遅れであり変化していない。そこで、レベル分割判断部２０は、この測定された温度範囲において、レベルの境界を有さないと判断し、全ての温度領域をレベルＬｖ１’としている。このように境界を置き換えることにより、単一の制御（この場合は一次遅れ系での制御）を行うことができるため、不要なレベルの切り替え処理が無くなり、応答性や制御性を向上することができる。

さらに別の例について、図４を用いて説明する。図４は、別の制御対象５ｃの温度変化特性を示すグラフであり、同図（ａ）はＰＩＤ制御装置によるレベル境界判断前の状態を示し、同図（ｂ）はＰＩＤ制御装置によるレベル境界判断後の状態を示す。
同図（ａ）に示されるように、この制御対象５ｃにおいては、オペレータにより手動で３つのレベルＬｖ１、Ｌｖ２、Ｌｖ３に区分されている。図２（ａ）、図３（ａ）の場合と同様に、各レベルＬｖ１、Ｌｖ２、Ｌｖ３毎にチューニングを行い、レベルＬｖ１においては、一次遅れ系として温度の速度が測定されるとともに、このレベルにおけるＰＩＤ定数が算出される。また、レベルＬｖ２においては、高次遅れ系として温度の速度が測定されるとともに、このレベルにおけるＰＩＤ定数が算出される。そして、レベルＬｖ３においても、一次遅れ系として温度の速度が測定されるとともに、このレベルにおけるＰＩＤ定数が算出される。

このような制御対象５ｃに対し、スタートアップチューニング制御を行うとともに、レベル分割判断部２０によりレベル分割の判断処理を行う。同図（ｂ）に示されるように、この制御対象５ｃにおいては、制御開始時において温度速度が比較的速やかに上昇し（速度が速い）、略中央部分において温度速度が緩やかに上昇し（速度が遅い）、そして温度速度の上昇が再度速くなり（速度が速い）、さらに温度速度の上昇が再度緩やか（速度が遅い）になっている。すなわち、この制御対象においては、測定された温度の速度変化が、略中央部分において極小値をとり、その後に極大値をとるような特性を有している。そこで、レベル分割判断部２０は、この測定された温度の速度変化が極小値をとる箇所と、極大値をとる箇所とで、レベルの境界を判断し、極小値をとる境界よりも下の領域をレベルＬｖ１’とし、極小値をとる境界と極大値をとる境界との間の領域をレベルＬｖ２’とし、極大値をとる境界よりも上の境界をＬｖ３’としている。このように境界を置き換えることにより、各レベルＬｖ１’、Ｌｖ２’、Ｌｖ３’に応じたより適切なＰＩＤ設定値を設定することが可能となり、応答性や制御性を向上することができる。

以上のように、本発明の内容を実施形態に基づいて説明したが、本発明の内容は実施形態の内容のみに限定されるものではなく、請求項に記載された内容及びその均等の範囲内において、変更可能であることはもちろんである。
上記の例では、レベル分割の判断処理を行うよりも以前に設定された境界を、レベル分割の判断処理によって判断された境界に置き換えるようにしているが、以前に設定された境界を残しつつ、レベル分割の判断処理によって判断された境界を追加するようにしてもよい。また、スタートアップチューニング制御を行う装置構成として、図１に示すものを説明したが、これらの構成が全て必要な訳ではなく、請求項に記載された内容の機能を実現できる構成を備えたものであればよい。また、図１に示す構成をさらに変更してもよく、例えば、レベル分割の判断処理によって判断されたレベルにおける応答特性に応じて、使用する速度測定部（温度センサ）を応答特性に応じて好適なものに切り替えるようにしてもよい。

また、上記の例では、既に所定の境界が設定された制御対象について、レベル分割の判断処理を行う場合について説明したが、これに限られない。すなわち、境界が設定されていない制御対象についても、本発明を適用することができる。境界が設定されていない制御対象についても、レベル分割の判断処理を行うことで、ＰＩＤ制御のレベルの境界を適切に設定することが可能となる。なお、本発明におけるスタートアップチューニングは、上述したステップ応答によるチューニングやセルフチューニングを含むものである。

１ 減算器、２ 加熱器、３ ＰＩＤ制御演算部（ＰＩＤ値設定部）、
５（５ａ―５ｃ） 制御対象、７ 起動判断部、９ ステップ応答チューニング部、
１５ ＰＩＤ定数変更判断部、２０ レベル分割判断部、２１ 速度測定部。

Claims (6)

1. 制御対象のＰＩＤ制御を開始する前に、前記ＰＩＤ制御に用いるＰＩＤパラメータを算出するスタートアップチューニング機能を有するＰＩＤ制御装置であって、
   スタートアップチューニング処理とともに、前記制御対象の温度の速度変化を測定する速度変化測定部と、
   前記速度変化測定部で測定した温度の速度変化の応答特性に基づいて、前記算出されるＰＩＤパラメータを用いるＰＩＤ制御のレベルの境界を判断するレベル分割判断部と、を備えることを特徴とするＰＩＤ制御装置。
2. 前記レベル分割判断部は、前記測定された前記温度の速度変化が極値をとる箇所で、前記レベルの境界を判断することを特徴とする請求項１に記載のＰＩＤ制御装置。
3. 前記レベル分割判断部は、前記測定された前記温度の速度変化が極小値をとる箇所で、前記レベルの境界を判断することを特徴とする請求項２に記載のＰＩＤ制御装置。
4. 前記レベル分割判断部により判断されたレベルの境界によって制御範囲を複数のレベルに分割し、該分割したレベル毎にＰＩＤ値を設定するＰＩＤ値設定部を、さらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のＰＩＤ制御装置。
5. 前記レベル分割判断部は、前記測定された温度の速度変化が極値をとる箇所以外の箇所で設定されたレベルの境界を、前記極値をとる箇所で判断されたレベルの境界に置き換えることを特徴とする請求項４に記載のＰＩＤ制御装置。
6. 制御対象のＰＩＤ制御を開始する前に、前記ＰＩＤ制御に用いるＰＩＤパラメータを算出するスタートアップチューニング処理を有するＰＩＤ制御方法であって、
   スタートアップチューニング処理とともに、前記制御対象の温度の速度変化を測定する速度変化測定処理と、
   前記速度変化測定処理で測定した温度の速度変化の応答特性に基づいて、前記算出されるＰＩＤパラメータを用いるＰＩＤ制御のレベルの境界を判断するレベル分割判断処理と、を含むことを特徴とするＰＩＤ制御方法。

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