JPWO2020003403A1 - 制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

測定値が変化した場合に、測定値と設定値との差を小さくしつつ測定値を設定値に収束させる。ＰＩＤ制御により、制御対象の測定値が予め定められた設定値になるように制御するＰＩＤ制御部（２０）と、測定値が設定値又は設定値付近に安定した状態において測定値が予め定められた閾値以上変化した場合に、設定値を、測定値の変化方向と逆向きに、所定時間、所定量変更する設定値変更部（１０）を備える。設定値を変更する所定量は、ＰＩＤ制御の比例帯に基づいて定められ、設定値を変更する所定時間は、ＰＩＤ制御の積分時間に基づいて定められる。

Description

本発明は、制御装置及び制御方法に係り、特にＰＩＤ制御を行う制御装置及び制御方法に関する。

制御対象を制御する制御装置として、比例（Ｐ）、積分（Ｉ）、微分（Ｄ）の各要素を有するＰＩＤ制御装置が知られている。ＰＩＤ制御装置の比例、積分、微分の各要素に対するパラメータを適切な値に設定することで、制御対象からの出力（測定値）を設定値に維持する。このようなＰＩＤ制御装置を用いた制御系では、外乱が入力されることにより測定値が変化すると、ＰＩＤ制御装置は測定値が設定値に戻るように制御する。

また、特許文献１には、定常速度偏差に基づき目標値を補正する温度制御装置が開示されている。

国際公開２０１７／０８５７８１号公報

しかしながら、測定値（ＰＶ）が変化して設定値（ＳＶ）から差が生じる場合、できるだけその差が大きくならないように設定値に収束させることが望まれる。例えば、温度制御の場合、すなわち測定値が温度の場合、温度の変化量が大きいと生成物の仕上がりに影響を及ぼす場合がある。また、温度制御などのむだ時間の長い系でのＰＩＤ制御においては、温度などの測定値を補正するのに時間がかかり、その間に測定値と設定値の差が大きくなる場合がある。

本発明は以上の点に鑑み、測定値が変化した場合に、測定値と設定値との差を小さくしつつ測定値を設定値に収束させる制御装置及び制御方法を提供することを目的のひとつとする。

本発明の第１の解決手段によると、（ａ）ＰＩＤ制御により、制御対象の測定値が予め定められた設定値になるように制御するＰＩＤ制御部と、（ｂ）測定値が設定値又は設定値付近に安定した状態において測定値が予め定められた閾値以上変化した場合に、設定値を、測定値の変化方向と逆向きに、所定時間、所定量変更する設定値変更部とを備えた制御装置が提供される。

本発明の第２の解決手段によると、（Ａ）ＰＩＤ制御により、制御対象の測定値が予め定められた設定値になるように制御する制御系における設定値変更方法であって、（Ｂ）測定値が設定値又は設定値付近に安定した状態において測定値が予め定められた閾値以上変化した場合に、設定値を、測定値の変化方向と逆向きに、所定時間、所定量変更するステップを備えた設定値変更方法が提供される。

本発明によると、測定値が変化した場合に、測定値と設定値との差を小さくしつつ測定値を設定値に収束させる制御装置及び制御方法を提供することができる。

図１は、本実施の形態における制御系のブロック図である。 図２は、設定値の変更を説明するための図である。 図３は、本実施の形態の変形例における制御系のブロック図である。 図４は、従来の制御手法による制御系のおける設定値と測定値の波形を示す。 図５は、本実施の形態における制御系において、設定値変更部により設定値を変更した場合の波形を示す。 図６は、本実施の形態における制御系において、設定値変更部により設定値を変更し、調整部により制御パラメータを変更した場合の波形を示す。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

（システム構成）
図１は、本実施の形態における制御系のブロック図である。

制御系１は、設定値変更部（ＳＶ変更部）１０と、ＰＩＤ制御装置２０と、制御対象４０とを備える。制御系１は、調整部５０をさらに備えてもよい。また、制御系１は、リミッタ３０をさらに備えてもよい。制御系１は、図１に示すようにフィードバック制御系を構成している。

ＰＩＤ制御装置２０は、比例要素（比例帯、Ｐ）２０ａ、積分要素（積分時間、Ｉ）２０ｂ及び微分要素（微分時間、Ｄ）２０ｃの各パラメータが設定され、制御対象４０を制御する。例えば、ＰＩＤ制御装置２０は、制御対象４０から出力され、適宜の測定器で測定される測定値（ＰＶ）が、与えられる設定値（ＳＶ）になるように制御する。なお、設定値は、目標値と称する場合もある。

リミッタ３０は、制御対象４０へ入力される操作量を制限する。例えば、リミッタ３０は、ＰＩＤ制御装置２０から出力される操作量が予め設定された上限値を上回る場合は、当該上限値を制御対象４０に出力し、操作量が下限値を下回る場合は当該下限値を制御対象４０に出力する。

制御対象４０は、ＰＩＤ制御装置２０により制御される対象である。例えば、制御対象４０の所望の部分の温度が制御されてもよい。制御対象４０としては適宜の装置を用いることができ、制御される測定値（ＰＶ）は適宜の物理量でもよい。なお、本実施の形態では、主に測定値が温度である例を説明する。

（設定値変更部）
設定値変更部１０は、外部からトリガ信号が入力されると、設定値を変更する。ここで、設定値変更部１０は設定値を、測定値の変化方向と逆向きに、所定時間、所定量変更する。

トリガ信号は、例えば、測定値が設定値又は設定値付近に安定した状態において測定値が予め定められた閾値以上変化した場合に、設定値変更部１０に入力される。ここで、設定値付近に安定した状態とは、測定値が厳密に設定値とイコールではなく、予め定められた許容誤差の範囲内にある状態をいう。なお、トリガ信号が入力される以外にも、設定値変更部１０自身が、測定値が予め定められた閾値以上変化したことを検出してもよい。このような設定値の変化は、例として、制御対象に何らかの物体又は材料が接する又は近づくこと、その他の適宜の外乱により生じる。

図２は、設定値の変更を説明するための図である。
設定値変更部１０は、設定値を図中の実線１０１のように変化させる。設定値を変更する量（設定値の変更量、変更幅）１０２は、ＰＩＤ制御の比例帯に基づいて定めることができる。例えば、設定値を変更する量１０２は、ＰＩＤ制御の比例帯の第１係数倍である。第１係数αは、予め定められ、例えば、０より大きく１より小さい値とすることができる。換言すると、設定値を変更する量１０２は、比例帯の値より小さい。

設定値を変更する方向は、測定値の変化方向と逆向きである。例えば、設定値変更部１０は、測定値が減少する方向に変化した場合は、予め定められた設定値に変更量１０２を加算し、一方、測定値が増加する方向に変化した場合は、予め定められた設定値（図１のＳＶ）から変更量を減算する。なお、変更量を減算することは、負の変更量を加算することと同義である。

このように設定値を変更することで、測定値が減少する（例えば、温度が降下する）場合には、測定値減少量が低減され、一方、測定値が上昇する（例えば、温度が上昇する）場合には、測定値上昇量が低減される。また、設定値の変更は、例えば測定値の変化が検出されたタイミングで発っせられるトリガ信号を契機に行われるため、むだ時間の長い系においても短時間で効果を得ることができる。

また、設定値を変更する時間（変更時間）１０３は、ＰＩＤ制御の積分時間に基づいて定めることができる。例えば、設定値を変更する時間１０３は、ＰＩＤ制御の積分時間の第２係数倍であり、第２係数βは予め定められ、例えば、０より大きく１より小さい値とすることができる。設定値変更部１０は、変更時間が経過した後、設定値を予め定められた当初の設定値（図１のＳＶ）に戻す。

このように設定値を変更する時間を定めることで、測定値の変化を低減しつつ、最終的には測定値を当初の設定値に収束させることができる。

（調整部）
設定値変更部１０による設定値の変更とともに、調整部５０は、ＰＩＤ制御の各パラメータを変更してもよい。調整部５０の動作は、設定値変更部１０と同様、外部からトリガ信号が入力されることで実行される（図２の１０４）。調整部５０に入力されるトリガ信号は、設定値変更部１０に入力されるトリガ信号と同じとすることができる。換言すると、調整部５０は、測定値が設定値又は測定値付近に安定した状態において測定値が予め定められた閾値以上変化した場合に動作する。

例えば、調整部５０は、（ａ）ＰＩＤ制御における比例帯を狭くすること、（ｂ）積分時間を長くすること、及び、（ｃ）微分時間を長くすることのひとつ又は複数を行う。なお、比例帯、積分時間及び微分時間は、適宜の制御系設計手法によって制御対象に応じた値が求められ、ＰＩＤ制御装置２０に設定されている。

例えば、調整部５０は、ＰＩＤ制御における比例帯を、当該比例帯の第３係数倍に変更する。第３係数γは、予め定められ、例えば０．１より大きく１より小さい値とすることができる。また、調整部５０は、ＰＩＤ制御における積分時間を、当該積分時間の第４係数倍に変更する。第４係数θは、予め定められ、例えば1より大きく１．５より小さい値とすることができる。調整部５０は、ＰＩＤ制御における微分時間を、当該微分時間の第５係数倍に変更する。第５係数ηは、予め定められ、例えば1より大きく１．５より小さい値とすることができる。

（検出部）
図３は、本実施の形態の変形例における制御系２のブロック図である。

制御系２は、上述の制御系１に加えて、検出部６０を備える。検出部６０は、測定値と設定値を監視し、測定値が設定値又は設定値付近に安定した状態において、測定値が予め定められた閾値以上変化したことを検出する。検出部６０は、測定値が予め定められた閾値以上変化したことを検出すると、設定値変更部１０にトリガ信号を与える。
他の構成は、上述の制御系１と同様であるので、詳細な説明を省略する。

（効果）
本実施の形態によると、測定値が変化した場合に、測定値と設定値との差を小さくしつつ測定値を設定値に収束させることができる。また、測定値が低下する場合、測定値が上昇に転じる波形上の位置（ボトム）までの測定値の変化量を小さくすることができる。測定値が上昇する場合も同様である。さらに、本実施の形態は、むだ時間の長い系に、特に有効である。本実施の形態によると、むだ時間の長い系であっても、測定値の変化に早期に応答して測定値の変化を改善することができる。なお、むだ時間の長い系とは、例えば、系のむだ時間をＬ、時定数をＴで表した場合に、例えばＬ：Ｔが１：１０又は１：５のような系をいうが、これらに限定されるものではない。

また、本実施の形態によると、測定値の変化に対して操作量の立ち上がりを早くでき、上限のある操作量を効率的に使用できる。例えば、通常のＰＩＤ制御を行う場合、測定値の変化に対して操作量が飽和すると測定値が収束するまでの時間が想定よりも長くなる場合があるが、本実施の形態によると、例えば、測定値の変化に対して早期に操作量が最大で上限値まで上昇し、以後の操作量飽和を回避し得るとともに、測定値が収束するまでの時間が長くなるのを防ぎ得る。

図４〜図６は、本実施の形態における制御系のシミュレーション結果を示す図である。図４に、比較対象として、従来の制御手法による制御系における設定値３１と測定値３２の波形を示す。換言すれば、図４の波形は、本実施の形態における設定値変更部１０及び調整部５０、上記変形例における検出部６０を具備していない制御系における波形である。例として、測定値を温度とし、設定値を２００度としている。測定値が設定値２００度に安定した状態において、外乱を与えることで温度を低下させた。

図５に、本実施の形態における制御系１において、設定値変更部１０により設定値を変更した場合の設定値（本来の設定値）を破線で示し、測定値の波形を実線で示す。設定値は設定値変更部１０により変更されるが、図５では、設定値変更部１０に入力される設定値（図１のＳＶ）を示す。図５には、設定値の変更量（変更幅）１０２を求めるための上記第１係数αと、設定値の変更時間１０３を求めるための上記第２係数βを種々の値に設定した場合の各波形を示している。例えば、第１係数αとして、０．１０、０．２５、０．５０、０．８０とし、第２係数βとして、０．２５、０．５０とした場合の各波形を示す。

図５に示すように、いずれの場合においても、測定値のボトム（測定値の最小値）の位置は図４の例に比べて改善されている。換言すれば、測定値の降下幅は図４に比べて小さくなっている。また、設定値の変更量（変更幅）１０２を求めるための第１係数αが０．１、０．２５の場合、及び、第１係数αが０．５、０．８であって設定値の変更時間１０３を求めるための第２係数βが０．２５の場合、オーバーシュートの振幅も図４の例に比べて低減されている。換言すれば、測定値の降下幅及びオーバーシュートの振幅の双方が小さくなっており、測定値の変動幅が低減されている。なお、第１係数αが０．５、０．８であって第２係数βが０．５０の例が示すように、第２係数βが大きくなるとオーバーシュートの振幅が大きくなる。ただし、図５の例では、オーバーシュートの振幅が図４の例に比べて大きくなるが、オーバーシュートの振幅は図４の例の測定値降下幅よりも小さく、波形全体でみると測定値と設定値の差（偏差）の絶対値は、図４の例に比べて小さくなっている。換言すれば、測定値の変動幅が低減されている。

図６に、本実施の形態における制御系１において、設定値変更部１０により設定値を変更し、調整部５０により制御パラメータを変更した場合の設定値（本来の設定値）を破線で示し、測定値の波形を実線で示す。この例では、調整部５０により、比例帯を変更するための上記第３係数γを０．６とし、積分時間を変更するための上記第４係数θ及び微分時間を変更するための上記第５係数ηを１．４としている。換言すれば、調整部５０により、比例帯を、設定された比例帯の０．６倍に変更し、積分時間及び微分時間を、設定された積分時間及び微分時間の１．４倍に変更した例である。また、図５と同様、設定値の変更量（変更幅）を求めるための上記第１係数αを０．１０、０．２５、０．５０、０．８０とし、設定値の変更時間を求めるための上記第２係数βを０．２５、０．５０とした場合の各波形を示す。

図６に示すように、いずれの場合においても、図５と同等以上の効果がある。また、測定値が設定値に収束する時間も、図４の例と比べて短くなっている。さらに、第２係数βが０．５０の各例においてオーバーシュートの振幅が図５と比べて低減されている。

なお、上述の例では、特定の値の第１乃至第５係数について図を参照して効果を説明したが、第１乃至第５係数を特にこれらの値に限定するものではない。第１乃至第５係数が上述の範囲でこれら以外の値をとった場合も同様の効果が得られる。

（その他）
上述の設定値変更部１０、調整部５０及び検出部６０は、処理部と記憶部を有するコンピュータで実現することも可能である。処理部は、設定値変更部１０、調整部５０及び検出部６０の各処理を実行する。記憶部は、処理部が実行するプログラムを記憶する。

上述の処理は、処理部が実行する制御方法、設定値変更方法及び制御パラメータ変更方法としても実現可能である。また、処理部に上述の処理を実行させるための命令を含むプログラム又はプログラム媒体、該プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体及び非一時的な記録媒体等により実現可能である。

本発明は、ＰＩＤ制御により例えば温度を制御する装置など、ＰＩＤ制御を行う制御系を用いる産業に利用可能である。

１０ 設定値変更部
２０ ＰＩＤ制御装置
３０ リミッタ
４０ 制御対象
５０ 調整部
６０ 検出部

Claims (11)

1. ＰＩＤ制御により、制御対象の測定値が予め定められた設定値になるように制御するＰＩＤ制御部と、
   測定値が設定値又は設定値付近に安定した状態において測定値が予め定められた閾値以上変化した場合に、設定値を、測定値の変化方向と逆向きに、所定時間、所定量変更する設定値変更部と
   を備えた制御装置。
2. 設定値を変更する前記所定量は、前記ＰＩＤ制御の比例帯に基づいて定められた請求項１に記載の制御装置。
3. 設定値を変更する前記所定時間は、前記ＰＩＤ制御の積分時間に基づいて定められた請求項１に記載の制御装置。
4. 設定値を変更する前記所定量は、前記ＰＩＤ制御の比例帯に対して予め定められた第１係数倍であり、
   設定値を変更する前記所定時間は、前記ＰＩＤ制御の積分時間に対して予め定められた第２係数倍であり、
   前記第１係数及び前記第２係数は、０より大きく１より小さい請求項１に記載の制御装置。
5. 測定値が設定値又は設定値付近に安定した状態において測定値が予め定められた閾値以上変化した場合に、前記ＰＩＤ制御における比例帯を狭くすること、積分時間を長くすること、及び、微分時間を長くすることの少なくともひとつを行う調整部
   をさらに備える請求項１に記載の制御装置。
6. 前記調整部は、前記ＰＩＤ制御における比例帯を、設定された比例帯の予め定められた第３係数倍に変更し、
   前記第３係数は、０．１より大きく１より小さい請求項５に記載の制御装置。
7. 前記調整部は、前記ＰＩＤ制御における積分時間を、設定された積分時間の予め定められた第４係数倍に変更し、
   前記第４係数は、1より大きく１．５より小さい請求項５に記載の制御装置。
8. 前記調整部は、前記ＰＩＤ制御における微分時間を、設定された微分時間の予め定められた第５係数倍に変更し、
   前記第５係数は、1より大きく１．５より小さい請求項５に記載の制御装置。
9. 前記設定値変更部は、前記所定時間経過後、設定値を前記予め定められた設定値に戻す請求項１に記載の制御装置。
10. 測定値が設定値に安定した状態において、測定値が予め定められた閾値以上変化したことを検出し、前記設定値変更部にトリガ信号を与える検出部
    をさらに備え、
    前記設定値変更部は、トリガ信号に応答して設定値を変更する請求項１に記載の制御装置。
11. ＰＩＤ制御により、制御対象の測定値が予め定められた設定値になるように制御する制御系における設定値変更方法であって、
    測定値が設定値又は設定値付近に安定した状態において測定値が予め定められた閾値以上変化した場合に、設定値を、測定値の変化方向と逆向きに、所定時間、所定量変更するステップ
    を備えた設定値変更方法。

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