KR101738282B1 - 조절기, 제어 방법 및 제어 프로그램 - Google Patents

조절기, 제어 방법 및 제어 프로그램 Download PDF

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오므론 가부시키가이샤
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Abstract

조절기는, 제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 제1의 조작량 또는 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 조작량 결정 수단과, 제1의 조작량 및 제2의 조작량을 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 당해 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 튜닝 수단을 포함한다. 튜닝 수단은, 제1의 조작량 및 제2의 조작량의 교대 출력에서, 출력의 전환마다 제1의 조작량의 크기를 순차적으로 변경함과 함께, 제1의 조작량에 대한 제어량의 제1의 변화가 선형성을 갖고 있다고 판단된 때에 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정한다.

Description

조절기, 제어 방법 및 제어 프로그램{ADJUSTMENT DEVICE, CONTROL METHOD, AND CONTROL PROGRAM}
본 발명은, 오토튜닝 기능을 갖는 조절기, 그 조절기에서의 제어 방법 및 그 조절기를 실현하는 제어 프로그램에 관한 것이다.
현재, PID 제어계를 비롯한 피드백 제어계는, 온도 제어, 속도 제어, 위치 제어라는 다양한 용도로 이용되고 있다. 이와 같은 피드백 제어계에서는, 목표치의 변경에 대한 응답성이나 외란에 대한 수속성을 높이기 위해, 비례 게인, 적분 시간, 미분 시간이라는 제어 파라미터를 제어 대상에 응하여 최적화하는 것이 중요하다.
그러나, 피드백 제어계에 관한 지식이 없는 유저가 제어 파라미터를 최적화하는 것은 용이하지가 않다. 그 때문에, 이와 같은 제어 파라미터를 자동적으로 최적화하는 오토튜닝 기능이 개발 및 실용화되어 있다. 이와 같은 오토튜닝 기능의 대표례로서는, 스텝 응답법, 한계감도법(비특허 문헌 1 참조), 리밋 사이클법(특허 문헌 1 및 2 참조) 등이 알려져 있다.
구체적으로는, 일본 특개평05-289704호 공보(특허 문헌 1)는, 가열 및 냉각 2종류의 PID 연산 기능을 갖는 가열 냉각 조절계를 개시한다. 이 가열 냉각 조절계는, 가열 및 냉각 오토튜닝 기능을 갖고 있다. 일본 특개2004-227062호 공보(특허 문헌 2)는, 가열 액추에이터에 조작량을 출력하는 히트 모드와 냉각 액추에이터에 조작량을 출력하는 쿨 모드를 적절히 전환하여 온도 제어를 행하는 히트 쿨 제어 기술을 개시하고 있다. 이 히트 쿨 제어 기술은, 조작량 진폭이 일정한 리밋 사이클을 발생시켜서 제어 파라미터를 조정하는 리밋 사이클 오토튜닝 방법을 포함한다.
특허 문헌 1 : 일본 특개평05-289704호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특개2004-227062호 공보
비특허 문헌 1 : J.G.Ziegler and N.B.Nichols, "Optimum Settings for Automatic Controllers", TRANSACTIONS OF THE A.S.M.E., November, 1942
피드백 제어계에 비선형 요소를 포함하는 경우, 즉, 조작량과 제어 대상에 생기는 제어량과의 사이의 비선형성이 강한 경우에는, 오토튜닝 기능에서는 제어 파라미터를 최적화할 수 없는 것도 있다. 특허 문헌 1에 기재된 가열 냉각 조절계는, 비선형의 정(靜)특성을 갖는 제어 대상에 대해, 냉각 오토튜닝시에 있어서, 제한률을 이용하여 조작량의 개개의 레벨을 제한한다는 구성을 채용한다. 그러나, 이 제한률을 어떤 값으로 결정하여야 하는지에 관해서는 전혀 개시되어 있지 않고, 제어 대상에 응하여 경험적 또는 시행 착오적으로 결정할 수 밖에 없다. 또한, 특허 문헌 2에 기재된 히트 쿨 제어 장치는, 제1의 리밋(limit) 사이클과 제2의 리밋 사이클을 발생시키고, 그 제어 응답에 의거하여 제어 파라미터를 산출한다는 구성을 채용한다. 그러나, 이 특허 문헌 2에 기재된 구성은, 히트측의 가열 능력과 쿨측의 냉각 능력에 차가 있는 경우를 상정하고 있고, 가열 능력 및/또는 냉각 능력의 각각이 비선형성을 갖는 경우에는 대응할 수가 없다.
본 발명은, 이와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로, 그 목적은, 비선형성이 강한 제어 대상에 대해서도, 오토튜닝을 적절하게 행할 수 있는 조절기, 그 조절기에서의 제어 방법, 및 그 조절기를 실현하는 제어 프로그램을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 유저 프렌들리한 오토튜닝 기능을 갖는 조절기, 그 조절기에서의 제어 방법, 및 그 조절기를 실현하는 제어 프로그램을 제공하는 것이다.
본 발명의 어느 국면에 관한 오토튜닝 기능을 갖는 조절기는, 제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 제어량에 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 조작량 결정 수단과, 제1의 조작량 및 제2의 조작량을 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 당해 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 튜닝 수단을 포함한다. 튜닝 수단은, 제1의 조작량 및 제2의 조작량의 교대 출력에서, 출력의 전환마다 제1의 조작량의 크기를 순차적으로 변경함과 함께, 제1의 조작량에 대한 제어량의 제1의 변화가 선형성을 갖고 있다고 판단된 때에 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정한다.
바람직하게는, 튜닝 수단은, 직전의 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터, 새로운 교대 출력에서의 제1의 조작량의 크기를 결정한다.
또한 바람직하게는, 튜닝 수단은, 직전의 교대 출력에서의 제1의 조작량이 출력된 기간의 길이와 제2의 조작량이 출력된 기간의 길이에 응하여, 당해 직전의 교대 출력에서의 제1의 조작량의 크기를 보정함으로써, 새로운 교대 출력에서의 제1의 조작량의 크기를 결정한다.
바람직하게는, 튜닝 수단은, 순차적으로 변경되는 제1의 조작량의 크기별로, 제1의 조작량에 대응하는 제어량의 변화 속도와의 관계를 평가함으로써, 제1의 조작량에 대한 제어량의 제1의 변화가 선형성을 갖고 있는지의 여부를 판단한다.
바람직하게는, 튜닝 수단은, 제1의 조작량에 대한 제어량의 제1의 변화가 선형성을 갖고 있다고 판단되지 않더라도, 제1의 조작량 및 제2의 조작량의 교대 출력이 미리 정하여진 회수 실행되면, 최종의 교대 출력에서 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정한다.
본 발명의 다른 국면에 관한 오토튜닝 기능을 갖는 조절기는, 제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 제어량에 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 조작량 결정 수단과, 제1의 조작량 및 제2의 조작량을 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 당해 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 튜닝 수단을 포함한다. 튜닝 수단은, 직전의 교대 출력에서의 제2의 조작량이 출력된 기간의 길이에 대한 제1의 조작량이 출력된 기간의 길이의 비의 n승(n>1)에 응하여, 당해 직전의 교대 출력에서의 제1의 조작량의 크기를 보정함으로써, 새로운 교대 출력에서의 제1의 조작량의 크기를 결정한다.
바람직하게는, 튜닝 수단은, 1.5≤n≤3.0을 충족시키는 n을 이용하여, 새로운 교대 출력에서의 제1의 조작량의 크기를 결정한다.
바람직하게는, 제어 대상은, 가열 장치 및 냉각 장치를 포함하는 압출 성형기를 포함하고, 가열 장치에 의해 제어 대상에 생기는 가열에 관한 제어량은, 대응하는 조작량에 관해 상대적으로 강한 선형성을 갖고 있고, 냉각 장치에 의해 제어 대상에 생기는 냉각에 관한 제어량은, 대응하는 조작량에 관해 상대적으로 강한 비선형성을 갖고 있다.
본 발명의 또 다른 국면에 관한 오토튜닝 기능을 갖는 조절기는, 제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 제어량에 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 조작량 결정 수단과, 제1의 조작량 및 제2의 조작량을 관측량에 응하여 교대로 1회씩 출력하고, 제1의 조작량 및 제2의 조작량의 1회씩의 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 튜닝 수단을 포함한다. 튜닝 수단은, 응답 특성으로부터 제1의 조작량에 대한 제어량의 제1의 변화가 선형성을 유지할 수 있는 제1의 조작량의 범위를 추정함과 함께, 당해 추정한 범위로부터 파라미터를 결정한다.
본 발명의 또 다른 국면에 관한 오토튜닝 기능을 갖는 조절기는, 제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 제어량에 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 조작량 결정 수단과, 제1의 조작량 및 제2의 조작량을 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 당해 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 튜닝 수단과, 현재 실행되고 있는 교대 출력의 회수를 표시하는 표시 수단을 포함한다.
본 발명의 또 다른 국면에 관한 오토튜닝 기능을 갖는 조절기는, 제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 제어량에 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 조작량 결정 수단과, 제1의 조작량 및 제2의 조작량을 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 당해 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 튜닝 수단과, 파라미터의 결정에 필요한 교대 출력이 완료되는 시기를 표시하는 표시 수단을 포함한다.
본 발명의 또 다른 국면에 관한 오토튜닝 기능을 갖는 조절기에서의 제어 방법은, 제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 제어량에 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 스텝과, 제1의 조작량 및 제2의 조작량을 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 당해 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 스텝을 포함한다. 파라미터를 결정하는 스텝은, 제1의 조작량 및 제2의 조작량의 교대 출력에서, 출력의 전환마다 제1의 조작량의 크기를 순차적으로 변경함과 함께, 제1의 조작량에 대한 제어량의 제1의 변화가 선형성을 갖고 있다고 판단된 때에 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 스텝을 포함한다.
본 발명의 또 다른 국면에 관한 오토튜닝 기능을 갖는 조절기에서의 제어 방법은, 제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 제어량에 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 스텝과, 제1의 조작량 및 제2의 조작량을 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 당해 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 스텝을 포함한다. 파라미터를 결정하는 스텝은, 직전의 교대 출력에서의 제2의 조작량이 출력된 기간의 길이에 대한 제1의 조작량이 출력된 기간의 길이의 비의 n승(n>1)에 응하여, 당해 직전의 교대 출력에서의 제1의 조작량의 크기를 보정함으로써, 새로운 교대 출력에서의 제1의 조작량의 크기를 결정하는 스텝을 포함한다.
본 발명의 또 다른 국면에 관한 오토튜닝 기능을 갖는 조절기에서의 제어 방법은, 제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 제어량에 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 스텝과, 제1의 조작량 및 제2의 조작량을 관측량에 응하여 교대로 1회씩 출력하고, 제1의 조작량 및 제2의 조작량의 1회씩의 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 스텝을 포함한다. 파라미터를 결정하는 스텝은, 응답 특성으로부터 제1의 조작량에 대한 제어량의 제1의 변화가 선형성을 유지할 수 있는 제1의 조작량의 범위를 추정함과 함께, 당해 추정한 범위로부터 파라미터를 결정하는 스텝을 포함한다.
본 발명의 또 다른 국면에 관한 오토튜닝 기능을 갖는 조절기에서의 제어 방법은, 제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 제어량에 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 스텝과, 제1의 조작량 및 제2의 조작량을 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 당해 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 스텝과, 현재 실행되고 있는 교대 출력의 회수를 표시하는 스텝을 포함한다.
본 발명의 또 다른 국면에 관한 오토튜닝 기능을 갖는 조절기에서의 제어 방법은, 제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 제어량에 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 스텝과, 제1의 조작량 및 제2의 조작량을 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 당해 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 스텝과, 파라미터의 결정에 필요한 교대 출력이 완료되는 시기를 표시하는 스텝을 포함한다.
본 발명의 또 다른 국면에 관한 오토튜닝 기능을 갖는 조절기를 실현하는 제어 프로그램은, 프로세서에, 제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 제어량에 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 스텝과, 제1의 조작량 및 제2의 조작량을 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 당해 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 스텝을 실행시킨다. 파라미터를 결정하는 스텝은, 제1의 조작량 및 제2의 조작량의 교대 출력에서, 출력의 전환마다 제1의 조작량의 크기를 순차적으로 변경함과 함께, 제1의 조작량에 대한 제어량의 제1의 변화가 선형성을 갖고 있다고 판단된 때에 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 스텝을 포함한다.
본 발명의 또 다른 국면에 관한 오토튜닝 기능을 갖는 조절기를 실현하는 제어 프로그램은, 프로세서에, 제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 제어량에 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 스텝과, 제1의 조작량 및 제2의 조작량을 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 당해 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 스텝을 실행시킨다. 파라미터를 결정하는 스텝은, 직전의 교대 출력에서의 제2의 조작량이 출력된 기간의 길이에 대한 제1의 조작량이 출력된 기간의 길이의 비의 n승(n>1)에 응하여, 당해 직전의 교대 출력에서의 제1의 조작량의 크기를 보정함으로써, 새로운 교대 출력에서의 제1의 조작량의 크기를 결정하는 스텝을 포함한다.
본 발명의 또 다른 국면에 관한 오토튜닝 기능을 갖는 조절기를 실현하는 제어 프로그램은, 프로세서에, 제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 제어량에 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 스텝과, 제1의 조작량 및 제2의 조작량을 관측량에 응하여 교대로 1회씩 출력하고, 제1의 조작량 및 제2의 조작량의 1회씩의 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 스텝을 실행시킨다. 파라미터를 결정하는 스텝은, 응답 특성으로부터 제1의 조작량에 대한 제어량의 제1의 변화가 선형성을 유지할 수 있는 제1의 조작량의 범위를 추정함과 함께, 당해 추정한 범위로부터 파라미터를 결정하는 스텝을 포함한다.
본 발명의 또 다른 국면에 관한 오토튜닝 기능을 갖는 조절기를 실현하는 제어 프로그램은, 프로세서에, 제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 제어량에 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 스텝과, 제1의 조작량 및 제2의 조작량을 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 당해 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 스텝과, 현재 실행되고 있는 교대 출력의 회수를 표시하는 스텝을 실행시킨다.
본 발명의 또 다른 국면에 관한 오토튜닝 기능을 갖는 조절기를 실현하는 제어 프로그램은, 프로세서에, 제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 제어량에 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 스텝과, 제1의 조작량 및 제2의 조작량을 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 당해 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 파라미터를 결정하는 스텝과, 파라미터의 결정에 필요한 교대 출력이 완료되는 시기를 표시하는 스텝을 실행시킨다.
본 발명의 어느 국면에 의하면, 비선형성이 강한 제어 대상에 대해서도, 오토튜닝에 의해 제어 파라미터를 적절하게 결정할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 국면에 의하면, 유저에게 친숙한 오토튜닝 기능을 제공할 수 있다.
도 1은 본 실시의 형태에 관한 피드백 제어계를 도시하는 모식도.
도 2는 본 실시의 형태에 관한 피드백 제어계를 실현하는 시스템 구성을 도시하는 모식도.
도 3은 도 2에 도시하는 제어 대상 프로세스에서의 조작량과 가열 능력 및 냉각 능력과의 특성례를 도시하는 도면.
도 4는 도 2에 도시하는 제어 대상 프로세스에서의 조작량과 가열 능력 및 냉각 능력과의 다른 특성례를 도시하는 도면.
도 5는 일반적인 오토튜닝의 실행시에 있어서의 제어 대상의 온도(관측량) 및 조작량의 시간 변화의 한 예를 도시하는 도면.
도 6은 도 5에 도시하는 오토튜닝의 실행에 의해 결정된 PID 파라미터를 이용하여 피드백 제어를 행한 경우의 제어 대상의 온도(관측량) 및 조작량의 시간 변화의 한 예를 도시하는 도면.
도 7은 본 실시의 형태에 관한 조절기에 의한 오토튜닝 실행시의 시간 파형례를 도시하는 도면.
도 8은 본 실시의 형태에 관한 조절기에 의한 오토튜닝 실행시의 조작량의 냉각 능력의 특성상에서의 변화를 도시하는 도면.
도 9는 본 실시의 형태에 관한 조절기에 의한 오토튜닝에서의 오차의 평가 방법을 설명하기 위한 도면.
도 10은 실시의 형태에 관한 조절기에서 실행되는 오토튜닝의 처리 순서를 도시하는 플로 차트.
도 11은 본 실시의 형태에 관한 조절기에 탑재되는 오토튜닝 기능을 실현하는 제어 구성을 도시하는 모식도.
도 12는 본 실시의 형태에 관한 오토튜닝에 관한 각 부분의 시간 파형을 도시하는 한 예.
도 13은 도 12에 도시하는 오토튜닝의 실행에 의해 산출된 PID 파라미터를 이용한 제어성능의 비교례를 도시하는 도면.
도 14는 본 실시의 형태에 관한 조절기가 제공하는 유저 인터페이스의 한 예를 도시하는 모식도.
도 15는 본 실시의 형태에 관한 조절기가 제공하는 유저 인터페이스의 다른 한 예를 도시하는 모식도.
도 16은 본 실시의 형태의 변형례 1에 관한 오토튜닝에 관한 각 부분의 시간 파형을 도시하는 한 예.
도 17은 도 2에 도시하는 제어 대상 프로세스에서의 가열 능력 및 냉각 능력과 조작량(가열 및 냉각)과의 사이의 관계의 한 예를 도시하는 도면.
도 18은 본 실시의 형태의 변형례 3에 관한 파라미터를 결정하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 19는 본 변형례에 관한 오토튜닝 기능에 의해 산출된 PID 파라미터의 오차율의 평가 결과례를 도시하는 도면.
본 발명의 실시의 형태에 관해, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 도면 중의 동일 또는 상당 부분에 관해서는, 동일 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.
[A. 제어 대상 프로세스]
우선, 본 실시의 형태에 관한 조절기의 제어 대상에 관해 설명한다. 도 1은, 본 실시의 형태에 관한 피드백 제어계(1)를 도시하는 모식도이다. 도 1을 참조하면, 피드백 제어계(1)는, 조절기(100)와, 제어 대상 프로세스(200)를 포함한다. 제어 대상 프로세스(200)는, 액추에이터로서 가열 장치(210) 및 냉각 장치(220)를 포함하고, 이들의 장치가 제어 대상(230)에 대해 가열 또는 냉각을 행한다.
조절기(100)는, 제어 대상(230)으로부터 취득되는 관측량(온도)이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 제어 대상(230)의 제어량에 제1의 변화(냉각)를 발생시키기 위한 제1의 조작량(냉각측의 조작량), 또는, 제어량에 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화(가열)를 발생시키기 위한 제2의 조작량(가열측의 조작량)을 선택적으로 결정한다. 즉, 기본적으로는, 가열과 냉각이 동시에 이루어지는 일은 없고, 제어 대상(230)의 온도가 미리 설정된 목표치와 일치하도록, 가열 장치(210)에 의한 제어 대상(230)에 대한 가열, 및, 냉각 장치(220)에 의한 제어 대상(230)에 대한 냉각이 선택적으로 실행된다.
이와 같은 제어를 실현하기 위해, 조절기(100)는, 피드백되는 제어 대상(230)의 온도와 미리 설정된 목표치를 비교하여, 가열 신호 또는 냉각 신호를 선택적으로, 가열 장치(210) 또는 냉각 장치(220)에 각각 출력한다. 즉, 조절기(100)는, 가열 장치(210) 및 냉각 장치(220)를 제어함으로써, 제어 대상(230)의 온도를 일정하게 유지한다.
이하의 설명에서는, 제어 대상(230)에 속하는 양(量) 중에서 제어 목적을 대표하는 것을 「제어량」이라고 칭하고, 제어 대상(230)에 마련된 온도 센서 등의 검출부에 의해 취득된 양을 「관측량」이라고 칭한다. 엄밀하게 말하면, 「관측량」은 「제어량」에 어떠한 오차를 포함하는 값으로서 정의되지만, 이 오차를 무시하면, 「관측량」은 제어 대상(230)의 「제어량」으로 간주할 수 있다. 그 때문에, 이하의 설명에 있어서, 「관측량」과 「제어량」을 동의(同義)로 이용하는 일도 있다.
도 1에 도시하는 제어 대상 프로세스(200)로서는, 임의의 프로세스를 포함할 수 있지만, 전형적으로는, 압출 성형기에서의 원료의 온도 제어나 항온조 내의 온도 제어 등을 들 수 있다. 이하, 압출 성형기에서의 원료의 온도 제어를 한 예로 하여, 본 실시의 형태의 상세한 내용에 관해 설명하지만, 본 발명의 적용 범위는 이 프로세스로 한정되는 것이 아니다.
본 실시의 형태에 관한 조절기(100)를 포함하는 피드백 제어계(1)는, PID 제어계를 포함한다. 본 명세서에 있어서, 「PID 제어계」는, 비례 동작(Proportional Operation : P 동작)을 행하는 비례 요소, 적분 동작(Integral Operation : I 동작)을 행하는 적분 요소, 및 미분 동작(Derivative Operation : D 동작)을 행하는 미분 요소 중, 적어도 하나의 요소를 포함하는 제어계를 의미한다. 즉, 본 명세서에서, PID 제어계는, 비례 요소, 적분 요소 및 미분 요소의 어느 것도 포함하는 제어계에 더하고○ 일부의 제어 요소, 예를 들면 비례 요소 및 적분 요소만을 포함하는 제어계(PI 제어계) 등도 포함하는 개념이다.
본 실시의 형태에 관한 조절기(100)는, PID 제어계에 필요한 제어 파라미터(이하, 「PID 파라미터」로도 기재한다)를 최적화하기 위한 오토튜닝 기능을 갖고 있다. 이 오토튜닝 기능으로서, 조절기(100)는, 제1의 조작량(냉각측의 조작량) 및 제2의 조작량(가열측의 조작량)을 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 당해 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 PID 파라미터를 결정한다. 즉, 조절기(100)는, 냉각측의 조작량과 가열측의 조작량을 교대로 출력하여 리밋 사이클을 발생시키고, 이 발생한 리밋 사이클의 응답 특성에 의거하여, PID 파라미터가 결정된다. 이 오토튜닝 기능의 상세에 관해서는, 후술한다.
[B. 시스템 구성]
다음에, 도 1에 도시하는 피드백 제어계(1)를 압출 성형기의 프로세스에 적용한 실장례에 관해 설명한다. 도 2는, 본 실시의 형태에 관한 피드백 제어계(1)를 실현하는 시스템 구성을 도시하는 모식도이다.
도 2를 참조하면, 조절기(100)는, 제어 대상 프로세스(200)로부터 측정된 온도(관측량 : Process Value ; 이하 「PV」로도 기재한다)가, 입력된 목표치(설정치 : Setting Point ; 이하 「SP」로도 기재한다.)와 일치하도록, 조작량(Manipulated Value ; 이하 「MV」로도 기재한다)을 출력한다. 조절기(100)는, 이 조작량으로서, 가열에 관한 가열 신호 및 냉각에 관한 냉각 신호를 출력한다.
구체적으로는, 조절기(100)는, 제어부(110)와, 아날로그·디지털(A/D) 변환부로 이루어지는 입력부(120)와, 2개의 디지털·아날로그(D/A) 변환부로 된 출력부(130)와, 설정부(140)와, 표시부(150)를 포함한다.
제어부(110)는, 통상의 PID 제어 기능 및 오토튜닝 기능 등을 실현하기 위한 연산 주체이고, CPU(Central Processing Unit)(112)와, 프로그램 모듈(118)을 불휘발적으로 격납하는 FlashROM(Read Only Memory)(114)과, RAM(Random Access Memory)(116)을 포함한다. CPU(112)는, 프로세서이고, FlashROM(114)에 격납된 프로그램 모듈(118)을 실행함으로써, 후술하는 바와 같은 처리를 실현한다. 이 때, 판독된 프로그램 모듈(118)의 실행에 필요한 데이터(PV 및 SP 등)는, RAM(116)에 1차적으로 격납된다. CPU(112)에 대신하여, 디지털 신호 처리용으로서의 DSP(Digital Signal Processor)를 이용하여 구성하여도 좋다. 프로그램 모듈(118)에 관해서는, 각종의 기록 매체를 통하여, 업데이터 할 수 있도록 구성되어도 좋다. 그 때문에, 프로그램 모듈(118) 자체도 본 발명의 기술적 범위에 포함될 수 있다. 또한, 제어부(110)의 전체를 FPGA(Field-Programmable Gate Array)나 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등을 이용하여 실현하여도 좋다.
입력부(120)는, 후술하는 온도 센서로부터의 측정 신호를 수신하고, 그 값을 나타내는 신호를 제어부(110)에 출력한다. 예를 들면, 온도 센서가 열전대인 경우에는, 입력부(120)는, 그 양단에 발생한 열기전력을 검출하는 회로를 포함한다. 또는, 온도 센서가 저항 측온체인 경우에는, 입력부(120)는, 당해 저항 측온체에 생기는 저항치를 검출하는 회로를 포함한다. 또한, 입력부(120)는, 고주파 성분을 제거하기 위한 필터 회로를 포함하고 있어도 좋다.
출력부(130)는, 제어부(110)에서 산출되는 조작량에 따라, 가열 신호 또는 냉각 신호를 선택적으로 출력한다. 구체적으로는, 디지털·아날로그 변환부를 포함하는 가열측 출력부(132)는, 제어부(110)에서 산출된 조작량을 나타내는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하고, 가열 신호로서 출력한다. 한편, 디지털·아날로그 변환부를 포함하는 냉각측 출력부(134)는, 제어부(110)에서 산출된 조작량을 나타내는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하고, 냉각 신호로서 출력한다.
설정부(140)는, 유저의 조작을 접수하는 버튼이나 스위치 등을 포함하고, 접수한 유저 조작을 나타내는 정보를 제어부(110)에 출력한다. 전형적으로는, 설정부(140)는, 유저로부터 목표치(SP)의 설정이나 오토튜닝의 시작 지령을 접수한다.
표시부(150)는, 디스플레이나 인디케이터 등을 포함하고, 제어부(110)에서의 처리의 상태 등을 나타내는 정보를 유저에게 통지한다.
한편, 제어 대상 프로세스(200)는, 제어 대상(230)(도 1)의 한 예인 압출 성형기(232)를 포함한다. 압출 성형기(232)는, 튜브 섹션인 배럴(236) 내의 축 중심에 마련된 스크루(234)의 회전에 의해, 그 내부에 삽입된 원료(예를 들면, 플라스틱)를 압출한다. 이 원료의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(240)가 압출 성형기(232)의 내부에 마련되어 있다. 온도 센서(240)는, 한 예로서, 열전대나 저항 측온체(백금 저항 온도계)로 이루어진다.
압출 성형기(232)에서는, 새로운 원료의 삽입에 의해 흡열하는 한편으로, 스크루(234)의 회전에 의한 원료의 이동에 의해 발열한다. 그 때문에, 이 흡열 반응과 발열 반응에 따른 온도 변동을 억제하기 위해, 가열 장치(210) 및 냉각 장치(220)(모두 도 1)가 마련된다.
도 2에 도시하는 피드백 제어계(1)에서, 가열 장치(210)의 한 예로서, 압출 성형기(232)의 내부에 발열체를 마련한 구성을 채용한다.
보다 구체적으로는, 가열 장치(210)는, 솔리드 스테이트 릴레이(Solid State Relay : SSR)(212)와, 저항체인 전열 히터(214)를 포함한다. 솔리드 스테이트 릴레이(212)는, AC 전원과 전열 히터(214)와의 전기적인 접속/차단을 제어한다. 보다 구체적으로는, 조절기(100)는, 가열 신호로서, 조작량에 응한 듀티비를 갖는 PWM 신호를 출력한다. 솔리드 스테이트 릴레이(212)는, 조절기(100)로부터의 PWM 신호에 따라, 회로를 ON/OFF 한다. 이 회로의 ON/OFF의 비율에 응한 전력이 전열 히터(214)에 공급된다. 전열 히터(214)에 공급된 전력은 열이 되어 원료에 주어진다.
한편, 냉각 장치(220)는, 압출 성형기(232)의 주위에 배치된 냉각 배관(222)과, 냉각 배관(222)에 공급되는 냉각 매체(전형적으로는, 물이나 기름)의 유량을 제어하는 전자밸브(224)와, 냉각 배관(222)을 통과한 후의 냉각 매체를 냉각하기 위한 수온 조정 설비(226)를 포함한다. 전자밸브(224)가 냉각 배관(222)을 흐르는 냉각 매체의 유량을 조정함으로써, 냉각 능력을 제어한다. 보다 구체적으로는, 조절기(100)는, 냉각 신호로서, 조작량에 응한 크기의 전압치 또는 전류치를 갖는 신호를 전자밸브(224)에 출력한다. 전자밸브(224)는, 조절기(100)로부터의 냉각 신호에 따라, 밸브의 개방도를 조정한다. 이 개방도 조정에 의해, 압출 성형기(232)가 제거되는 열량이 제어된다. 또한, 2위치 동작(개방 또는 폐쇄)만이 가능한 전자밸브를 채용한 경우에는, 상술한 가열 신호와 마찬가지로, 냉각 신호로서 조작량에 응한 듀티비를 갖는 PWM 신호를 출력하고, 전자밸브(224)의 개방시간과 폐쇄시간을 조정함으로써, 냉각 매체의 유량을 제어한다.
[C. 과제]
다음에, 도 2에 도시하는 피드백 제어계(1)에서 생길 수 있는, 조작량과 제어 대상에 생기는 제어량과의 사이의 비선형성(非線形性)에 유래하는 제어상의 과제에 관해 설명한다. 특히, 오토튜닝을 실행한 경우에 생기는 과제에 관해 설명한다.
도 3은, 도 2에 도시하는 제어 대상 프로세스(200)에서의 조작량과 가열 능력 및 냉각 능력과의 특성례를 도시하는 도면이다. 본 명세서에서, 「가열 능력」 및 「냉각 능력」을 비율로 나타내는 경우에는, 이하와 같이 정의된다.
가열 능력[%] = 임의 조작량으로의 가열 온도[℃/sec]/최대 가열 온도[℃/sec]×100[%]
냉각 능력[%] = 임의 조작량으로의 냉각 온도[℃/sec]/최대 냉각 온도[℃/sec]×100[%]
우선, 가열 특성(가열의 조작량에 대한 가열 능력의 관계)에 관해서는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 거의 리니어하다. 즉 선형성을 갖고 있다고 말할 수 있다. 이것은, 가열 장치(210)로서 전열 히터(214)가 사용되고 있고, 조작량에 비례한 전류(전력)를 공급함으로써, 발열량을 리니어하게 제어할 수 있기 때문이다.
이에 대해, 냉각 특성(냉각의 조작량에 대한 냉각 능력의 관계)은, 냉각 장치(220)를 구성하는 냉각 배관(222)을 흐르는 냉각 매체에 응하여, 다른 특성을 갖는다. 예를 들면, 냉각 매체로서 기름을 이용한 경우에는, 상(相) 변화가 없고 안정되어 있기 때문에, 냉각의 조작량에 대한 냉각 능력은 거의 리니어하게 된다. 즉 선형성을 갖고 있다고 말할 수 있다. 이에 대해, 냉각 매체로서 물을 이용한 경우나, 공기를 이용한 경우(공냉 방식)에는, 냉각의 조작량에 대한 냉각 능력은 비선형으로 된다. 이와 같이, 냉각 특성은, 냉각 매체나 냉각 방식에 의해 크게 달라지게 된다.
특히, 물을 이용한 수냉 방식에서는, 액상으로부터 기상으로 변화할 때의 기화열이 상대적으로 크고, 이와 같은 기화열이 생기는 영역에서는 냉각 능력이 매우 커진다. 그 때문에, 물을 이용한 냉각 방식(수냉 방식)에서는, 이 기화열이 크게 영향을 주어, 비선형성이 강해진다. 이와 같은 수냉 방식에 관해, 그 능력의 특성을 사전에 파악하는 것은 용이하지가 않다.
도 4는, 도 2에 도시하는 제어 대상 프로세스에서의 조작량과 가열 능력 및 냉각 능력의 다른 특성례를 도시하는 도면이다. 도 4에 도시하는 특성례는, 도 3에 도시하는 수냉 방식을 채용한 경우에, 그 냉각 능력을 발휘하기 위한 수량(水量)을 다르게 할 수 있었던 경우의 냉각 능력의 특성을 각각 나타낸다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 수량을 다르게 함으로써, 비선형성이 생기는 조작량도 변화함을 알 수 있다.
이와 같은 비선형성이 강한 피드백 제어계에 대해, 일반적인 오토튜닝을 실행하여 PID 파라미터를 결정하면, 제어성능이 악화할 수 있다. 이와 같은 제어성능이 악화한 이유에 관해 이하 설명한다.
도 5는, 일반적인 오토튜닝 실행시에 있어서의 제어 대상의 온도(관측량) 및 조작량의 시간 변화의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 6은, 도 5에 도시하는 오토튜닝의 실행에 의해 결정된 PID 파라미터를 이용하여 피드백 제어를 행한 경우의 제어 대상의 온도(관측량) 및 조작량의 시간 변화의 한 예를 도시하는 도면이다. 보다 구체적으로는, 도 6(a)에는, 냉각측의 조작량과 냉각 능력과의 관계를 나타내고, 도 6(b)에는, 피드백 제어시의 제어 대상의 온도(관측량) 및 조작량의 시간 변화의 한 예를 나타낸다.
도 5에는, 리밋 사이클법을 이용한 오토튜닝 기능의 예를 나타낸다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 통상의 리밋 사이클법을 적용한 경우에는, 가열측의 조작량 및 냉각측의 조작량을 모두 최대치(즉, 100% 및 -100%)로 하여, 교대로 이들의 조작량을 제어 대상에 준다. 이와 같이 하여 발생한 응답 특성에 의거하여, 제어 대상에 응한 PID 파라미터가 결정된다.
이와 같이 결정된 PID 파라미터를 이용하여 피드백 제어를 행함에 있어서, 실제로 사용되는 조작량이 오토튜닝 실행시와 떨어져 있는 경우에는, 비선형성의 영향을 받아서 제어성능이 악화한다. 즉, 오토튜닝 실행시에, 도 5에 도시하는 바와 같이, 냉각 능력이 최대가 되는 조작량이 출력되어 있기 때문에, 냉각 장치(220)의 냉각 능력의 최대치를 전제로 하여 냉각 능력의 특성이 추정된다. 즉, 오토튜닝 기능에 의해, 도 6(a)의 파선으로 도시하는 바와 같은 특성이 추정된다. 그 추정된 특성에 응한 PID 파라미터가 결정된다.
그러나, 실제의 특성은, 추정된 특성이라고는 괴리되어 있는 영역도 있고, 도 6(b)에 도시하는 바와 같이, 조작량이 상대적으로 작은 영역에서 피드백 제어를 행하는 경우에는, 추정된 특성에 대해, 실제의 특성은 크게 괴리되는 것이 된다. 그 때문에, 상대적으로 작은 조작량을 이용하여 제어 대상(230)을 제어하면, 오토튜닝 기능에 의해 설정된 PID 파라미터가 전제로 하는 상정(想定)보다 현실의 냉각 능력이 높아지고, 제어 대상(230)을 너무 식힌다는 사태가 생긴다.
구체적으로는, 냉각측의 조작량을 상대적으로 작은 영역(예를 들면, 10∼30%)으로 제어 대상(230)을 냉각하면, 도 6(b)에 도시하는 바와 같이, 어떠한 외란에 응답하여 냉각이 시작되면, 목표치에 대해 온도가 지나치게 내려가 버림과 과 함께, 진동적인 온도 변동이 생겨 버리고, 그 수속에 시간을 필요로 한다. 이와 같이, 오토튜닝 기능에 의해 추정된 냉각 능력과 실제의 냉각 능력과의 괴리에 의해, 제어성능이 악화한다.
[D. 해결 수단의 개요]
상술한 바와 같은 강한 비선형성을 갖는 제어 대상(230)을 포함하는 피드백 제어계에 대해, 보다 적절한 PID 파라미터를 설정할 수 있는 오토튜닝 기능에 관해 설명한다.
본 실시의 형태에서는, 오토튜닝에서 사용하는 조작량을 단계적으로 변경하면서, 가장 바람직한 조작량의 크기를 탐색한다. 그리고, 가장 바람직한 조작량에서의 응답 특성에 의거하여 PID 파라미터를 결정한다.
보다 구체적으로는, 조절기(100)는, 그 오토튜닝 기능으로서, 제1의 조작량(냉각측의 조작량) 및 제2의 조작량(가열측의 조작량)의 교대 출력에서, 출력의 전환마다 제1의 조작량(냉각측의 조작량)의 크기를 순차적으로 변경함과 함께, 제1의 조작량(냉각측의 조작량)에 대한 제어량의 제1의 변화가 선형성을 갖고 있다고 판단된 때에 취득된 응답 특성으로부터 PID 파라미터를 결정한다. 즉, 조절기(100)는, 냉각측의 조작량을 단계적으로 변경하면서, 리밋 사이클을 복수회 실행한다. 그리고, 각 리밋 사이클의 결과가 미리 정하여진 조건을 충족시킨다고 판단되면, 조절기(100)는, 그 때의 냉각 특성(응답 특성)으로부터, 냉각측의 PID 파라미터를 산출하다. 또한, 가열 특성(응답 특성)으로부터, 가열측의 PID 파라미터도 산출된다.
도 7은, 본 실시의 형태에 관한 조절기(100)에 의한 오토튜닝 실행시의 시간 파형례를 도시하는 도면이다. 도 8은, 본 실시의 형태에 관한 조절기(100)에 의한 오토튜닝 실행시의 조작량의 냉각 능력의 특성상에서의 변화를 도시하는 도면이다.
본 실시의 형태에서는, 냉각 능력에 비선형성이 존재하기 때문에, 조절기(100)는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 오토튜닝의 각 사이클에서, 냉각측의 조작량의 크기를 순차적으로 변경하여 간다. 또한, 가열 능력에 비선형성이 존재하는 제어계라면, 가열측의 조작량의 크기에 대해서도 순차적으로 변경하여 가면 좋다.
보다 구체적으로는, 1회째의 리밋 사이클에서의 냉각측의 조작량(MVc_1)을 100%로 설정하고, 2회째의 리밋 사이클에서의 냉각측의 조작량(MVc_2)을 1회째의 조작량(MVc_1)을 ρ_1배한 값으로 설정하고, 3회째의 리밋 사이클에서의 냉각측의 조작량(MVc_3)을 2회째의 조작량(MVc_2)을 ρ_2배한 값으로 설정한다. 이하 마찬가지로 하여, 냉각측의 조작량(MVc)을 리밋 사이클마다 변경한다. 이와 같이 냉각측의 조작량(MVc)을 순차적으로 변경함으로써, 오토튜닝에서 고려된 냉각 능력의 크기는, 도 8에 도시하는 바와 같이 순차적으로 변화한다.
여기서, 냉각측의 조작량(MVc)의 변경 계수(ρ_i)(0<ρ_i<1)에 관해서는, 미리 정하여진 일정치를 채용하여도 좋지만, 직전의 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터, 새로운 교대 출력에서의 냉각측의 조작량(MVc)의 크기를 결정하는 것이 바람직하다. 이와 같은 직전의 교대 출력의 응답 특성을 이용한 한 예로서, 본 실시의 형태에서는, 가열과 냉각과의 시스템 게인비(능력비)를 나타내는 이하의 비를 이용한다.
변경 계수(ρ_i) = 냉각 출력시간(Toff_i-1)/가열 출력시간(Ton_i-1)
단, 냉각 출력시간(Toff_i-1)은, (i-1)회째(전회)의 리밋 사이클에서의 냉각측의 조작량(MVc)이 0에 유지된 시간의 길이를 나타내고, 가열 출력시간(Ton_i-1)은, (i-1)회째(전회)의 리밋 사이클에서 냉각측의 조작량(MVc)이 출력되는 시간의 길이를 나타낸다(도 7 참조).
이 때, 냉각 출력시간(Toff_i-1)과 가열 출력시간(Ton_i-1)과의 크기의 관계에 의해서는, 상술한 식에서, 변경 계수(ρ_i)가 1을 초과한 경우도 있기 때문에, 산출된 변경 계수(ρ_i)가 변경 계수 상한치(ρ_max) 이하가 되도록 제한하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 조절기(100)는, 그 오토튜닝 기능으로서, 직전의 교대 출력에서 제1의 조작량(냉각측의 조작량)이 출력된 기간(냉각 출력시간(Toff))의 길이와 제2의 조작량(가열측의 조작량)이 출력된 기간(가열 출력시간(Ton))의 길이에 응하여, 당해 직전의 교대 출력에서의 제1의 조작량의 크기를 보정함으로써, 새로운 교대 출력에서의 제1의 조작량의 크기를 결정한다.
다음에, 상술한 바와 같은, 냉각측의 조작량(MVc)을 순차적으로 변경한 탐색을 종료하는 조건으로서는, 냉각 특성(냉각의 조작량에 대한 냉각 능력의 관계)상에서, 선형성을 갖고 있는 영역의 조작량이라고 판단된 것을 채용하여도 좋다. 여기서, 조절기(100)는, 그 오토튜닝 기능으로서, 순차적으로 변경되는 제1의 조작량(냉각측의 조작량)의 크기별로, 제1의 조작량에 대응하는 제어량의 변화 속도와의 관계를 평가함으로써, 제1의 조작량에 대한 제어량의 제1의 변화가 선형성을 갖고 있는지의 여부를 판단한다.
보다 구체적으로는, 이 냉각 특성상에서의 선형성에 관해서는, 이하에 설명하는 바와 같은 오차를 이용하여 평가할 수 있다. 즉, 리밋 사이클의 종료 조건은, 산출된 오차가 미리 설정한 임계치 이하가 된 것을 포함한다.
그리고, 최종의 리밋 사이클에서 관측된 냉각 특성 및 가열 특성(응답 특성)에 의거하여, Ziegle 및 Nichols의 한계감도법(限界感度法) 등을 이용하여, PID 파라미터가 산출된다. 또한, PID 파라미터의 산출 방법에 관해서는, 공지의 임의의 방법을 채용할 수 있다.
단, 제어계의 특성에 따라서는, 산출되는 오차가 미리 설정한 임계치 이하가 되지 않는 경우도 상정되기 때문에, 발생한 리밋 사이클의 수가 상한치(N회)에 도달하면, 리밋 사이클을 종료시켜도 좋다. 즉, 조절기(100)는, 그 오토튜닝 기능으로서, 제1의 조작량(냉각측의 조작량)에 대한 제어량의 제1의 변화가 선형성을 갖고 있다고 판단되지 않더라도, 제1의 조작량 및 제2의 조작량의 교대 출력이 미리 정하여진 회수 실행되면, 최종의 교대 출력에서 취득된 응답 특성으로부터 PID 파라미터를 결정한다.
이와 같은 오토튜닝 방법을 채용함으로써 제어 대상이 선형성을 갖고 있는 경우라도, 비선형성을 갖고 있는 경우라도, 적절한 PID 파라미터를 산출할 수 있다. 예를 들면, 도 1에 도시하는 제어계에서는, 냉각 매체의 종류(물이나 기름) 등에 응하여, 오토튜닝의 순서 등을 변경할 필요가 없다.
[E. 오차 평가]
다음에, 선형성을 갖고 있는 영역의 조작량인지의 여부를 판단하기 위한 오차에 관해 설명한다. 도 9는, 본 실시의 형태에 관한 조절기(100)에 의한 오토튜닝에서의 오차의 평가 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 9에 도시하는 바와 같이, 본 실시의 형태에서의 「오차」는, 냉각 특성(냉각의 조작량에 대한 냉각 능력의 관계)에서, 전회의 리밋 사이클에서 이용한 조작량에 대응하는 냉각 능력으로 정의된 직선에 대해, 금회의 리밋 사이클에서 이용한 조작량에 대응하는 냉각 능력이 어느 정도 떨어져 있는가 라는 정도를 나타내는 값에 상당한다.
구체적으로는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 원점을 P0로 하고, 리밋 사이클 i회째의 냉각 능력점을 Pi(Pi. x, Pi. y)로 정의한다. 여기서, Pi. x는, 냉각측 조작량을 나타내고, Pi. y는, 냉각 능력을 나타낸다. 또한, 냉각 능력(Pi. y)은, 리밋 사이클 1회째에서의 온도 저하시의 기울기(변화 속도)(R1)에 대한, 리밋 사이클 i회째에서의 온도 저하시의 기울기9Ri)의 비로부터 산출된다(즉, Pi. y = Ri/R1). 그리고, 리밋 사이클 i회째의 각각에서, 냉각 능력(Pi)과 원점(P0)을 잇는 직선(Li)이 설정된다. 오차(hi)는, 직선(L(i-1))과 i회째의 냉각 능력(Pi)(Pi. x, Pi. y)과의 거리로서 산출된다. 즉, 이 거리는, 리밋 사이클 i회째에서의 선형 판정의 지표인 오차(hi)로서 산출된다. 도 9에는, 2회째의 리밋 사이클에 관한 오차(h2)의 산출례를 나타낸다.
[F. 처리 순서]
다음에, 본 실시의 형태에 관한 조절기(100)에서 실행되는 오토튜닝의 처리 순서에 관해 설명한다. 도 10은, 실시의 형태에 관한 조절기(100)에서 실행되는 오토튜닝의 처리 순서를 도시하는 플로 차트이다. 도 10에 도시하는 각 스텝은, 전형적으로는, 조절기(100)의 CPU(112)가 FlashROM(114)에 격납된 프로그램 모듈(118)에 포함되는 명령 코드를 실행함으로써 실현된다. 도 10에 도시하는 처리 순서는, 유저 등이 오토튜닝의 시작을 지시하면, 미리 정하여진 연산 주기(예를 들면, 100msec마다)로 반복 실행된다.
도 10을 참조하면, CPU(112)는, 가열측의 조작량으로서 100%를 출력하고(스텝 S100), 제어 대상 프로세스(200)로부터 측정된 온도(제어 대상의 온도)(PV)가 설정된 목표치(설정 온도)(SP)에 도달하였는지의 여부를 판단한다(스텝 S102). 제어 대상의 온도(PV)가 설정 온도(SP)에 도달하지 않으면(스텝 S102에서 NO인 경우), 스텝 S100 이하의 처리가 반복되다.
제어 대상의 온도(PV)가 설정 온도(SP)에 도달하여 있으면(스텝 S102에서 YES인 경우), 스텝 S104 이하의 처리가 실행된다. 이 스텝 S100 및 S102의 처리는, 오토튜닝에 관한 리밋 사이클을 발생시키기 위한 전처리이다.
CPU(112)는, 카운터(i)에 「1」을 세트하고(스텝 S104), 1회째의 리밋 사이클의 발생을 지시한다(스텝 S106). 이 카운터(i)는, 리밋 사이클 회수를 나타낸다. 1회째의 리밋 사이클에서의 냉각측 및 가열측의 조작량은 모두 100%로 한다. 리밋 사이클의 발생 지시는, 제어 대상의 온도(PV)가 설정 온도(SP)와 일치할 때까지 냉각측의 조작량(이 경우는, 100%)을 출력하고, 제어 대상의 온도(PV)가 설정 온도(SP)와 일치하면, 가열측의 조작량(이 경우는, 100%)을 출력한다는 일련의 처리를 포함한다.
1회분의 리밋 사이클의 발생이 완료되면, CPU(112)는, 카운터(i)를 1만큼 잉크리먼트한다(스텝 S108). 그리고, CPU(112)는, 전회의 리밋 사이클에서의 냉각측의 조작량에 관한 냉각 출력시간(Toff_i-1) 및 가열 출력시간(Ton_i-1)을 이용하여, 변경 계수(ρ_i)(=Toff_i-1/Ton_i-1)를 산출함과 함께, 산출한 변경 계수(ρ_i)를 이용하여 금회의 냉각측의 조작량(MVc_i)(= MVc_i-1×ρ_i)을 산출한다(스텝 S110).
계속해서, CPU(112)는, i회째의 리밋 사이클의 발생을 지시한다(스텝 S112). i회째의 리밋 사이클에서의 냉각측의 조작량은 MVc_i%로 하고, 가열측의 조작량은 100%로 한다. 리밋 사이클의 발생 지시는, 제어 대상의 온도(PV)가 설정 온도(SP)와 일치할 때까지 냉각측의 조작량(이 경우는, MVc_i%)을 출력하고, 제어 대상의 온도(PV)가 설정 온도(SP)와 일치하면, 가열측의 조작량(이 경우는, 100%)을 출력한다는 일련의 처리를 포함한다. 그리고, CPU(112)는, 금회의 냉각 특성(응답 특성)과 전회의 냉각 특성(응답 특성)으로부터 오차(hi)를 산출한다(스텝 S114).
그 후, CPU(112)는, 산출한 오차(hi)가 임계치(γ) 이하인지의 여부를 판단한다(스텝 S116). 산출한 오차(hi)가 임계치(γ)를 초과하고 있으면(스텝 S116에서 NO인 경우)에는, CPU(112)는, 현재의 카운터(i)의 값이 리밋 사이클의 최대치(N)에 도달하고 있는지의 여부를 판단한다(스텝 S118).
현재의 카운터(i)의 값이 리밋 사이클의 최대치(N)에 도달하지 않았으면(스텝 S118에서 NO인 경우)에는, CPU(112)는, 스텝 S108 이하의 처리를 실행한다.
이에 대해, 산출한 오차(hi)가 임계치(γ) 이하의 경우(스텝 S116에서 YES인 경우), 또는, 현재의 카운터(i)의 값이 리밋 사이클의 최대치(N)에 도달하고 있는 경우(스텝 S118에서 YES인 경우)에는, CPU(112)는, i회째의 리밋 사이클에서 응답 특성으로부터, PID 파라미터를 산출한다(스텝 S120). 그리고, 처리는 종료한다.
[G. 제어 구성]
다음에, 본 실시의 형태에 관한 조절기(100)에 탑재된 오토튜닝 기능을 실현하는 제어 구성에 관해 설명한다. 도 11은, 본 실시의 형태에 관한 조절기(100)에 탑재된 오토튜닝 기능을 실현하는 제어 구성을 도시하는 모식도이다.
도 11을 참조하면, 조절기(100)는, 그 제어 구성으로서, 센서 출력 접수부(162)와, 유저 설정 접수부(164)와, 가열측 PID 연산부(166)와, 냉각측 PID 연산부(168)와, 전환부(170)와, PID 파라미터 산출부(172)와, 오토튜닝 제어부(174)와, 스위치(180)를 포함한다.
센서 출력 접수부(162)는, 온도 센서(240)로부터의 출력 신호를 접수하여, 소정의 레인지 조정 등을 행하고 나서, 제어 대상의 온도(PV)를 출력한다. 유저 설정 접수부(164)는, 유저 조작에 따라 설정 온도(SP)의 설정을 접수한다. 또한, 외부 장치(예를 들면, PLC(Programmable Logic Control) 등)로부터 설정 온도(SP)가 설정되는 일도 있다.
가열측 PID 연산부(166) 및 냉각측 PID 연산부(168)는, 통상의 PID 제어를 실행하기 위한 부위이고, 각각 PID 파라미터(176 및 178)에 따라, 제어 대상의 온도(PV)와 설정 온도(SP)로부터, 조작량(MVh 및 MVc)을 각각 산출 및 출력한다. PID 파라미터(176 및 178)는, 유저가 직접적으로 입력하여도 좋지만, 본 실시의 형태에서는, 후술하는 PID 파라미터 산출부(172)에 의해 자동적으로 설정된다.
전환부(170)는, 가열측 PID 연산부(166) 및 냉각측 PID 연산부(168)로부터 각각 출력된 조작량(MVh 및 MVc)을 상황에 응하여 전환하여 출력한다. 도 1에 도시하는 피드백 제어계(1)에서는, 가열측 PID 연산부(166) 및 냉각측 PID 연산부(168)의 양방이 액티브하게 될 필요는 없기 때문에, 조작량을 직접적으로 전환하는 방식에 대신하여, 가열측 PID 연산부(166) 및 냉각측 PID 연산부(168)의 일방만을 선택적으로 액티브화하는 구성을 채용하여도 좋다.
PID 파라미터 산출부(172) 및 오토튜닝 제어부(174)는, 오토튜닝을 실행하기 위한 부위이다. 오토튜닝 제어부(174)는, 상술한 바와 같은 리밋 사이클을 발생시키기 위한 조작량(조작량(MVh 및 MVc))을 발생한다. PID 파라미터 산출부(172)는, 최종의 리밋 사이클에서 관측된 가열 특성 및 냉각 특성(응답 특성)에 의거하여, PID 파라미터(176 및 178)를 결정한다.
스위치(180)는, 통상의 제어시와 오토튜닝 실행시와의 사이에서, 조작량의 출력원(出力元)을 전환한다. 즉, 통상의 제어시에는, 전환부(170)로부터의 조작량이 제어 대상 프로세스(200)에 출력되고, 오토튜닝 실행시에는, 오토튜닝 제어부(174)로부터의 조작량이 제어 대상 프로세스(200)에 출력된다.
[H. 오토튜닝 결과례]
다음에, 본 실시의 형태에 관한 오토튜닝 기능의 효과를 시뮬레이션에 의해 평가한 결과에 관해 설명한다.
도 12는, 본 실시의 형태에 관한 오토튜닝에 관한 각 부분의 시간 파형을 도시하는 한 예이다. 도 12에 도시하는 시뮬레이션 결과에 있어서, 냉각측의 조작량(MVc)의 변경 계수(ρ_i)는, 변경 계수(ρ_i) = 냉각 출력시간(Toff_i-1)/가열 출력시간(Ton_i-1)에 따라, 각 사이클에서 산출하였다. 단, 도 1에 도시하는 피드백 제어계(1)에 포함되는 제어 대상 프로세스(200)(즉, 수냉 방식 또는 공냉 방식의 압출 성형기)에서는, 비선형점(특성이 급격하게 변화한 부분)은, 일반적으로, 조작량이 5∼20%의 영역에 있기 때문에, 변경 계수 상한치(ρ_max)를 0.4로 설정하였다.
도 12에 도시하는 시뮬레이션 결과에서는, 5회째의 리밋 사이클에서, 그 오차(hi)가 임계치(γ) 이하로 되었다. 그 때문에, 5회째의 리밋 사이클에서 관측된 냉각 특성 및 가열 특성(응답 특성)에 의거하여, PID 파라미터가 결정된다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 가열측의 조작량(MVh)은 100%로 유지되어 있음에 대해, 냉각측의 조작량(MVc)이 순차적으로 작아지고 있음을 알 수 있다. 제어 대상의 온도(PV)에 생기는 리밋 사이클에 의거하여, 한계감도법 등을 이용하여 PID 파라미터가 결정된다.
도 13은, 도 12에 도시하는 오토튜닝의 실행에 의해 산출된 PID 파라미터를 이용한 제어성능의 비교례를 도시하는 도면이다. 도 12에는, 종래의 오토튜닝을 이용하여 결정한 PID 파라미터를 이용하여 피드백 제어를 행하는 결과와, 본 실시의 형태에 관한 오토튜닝을 이용하여 결정한 PID 파라미터를 이용하여 피드백 제어를 행하는 결과를 나타낸다.
도 13으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시의 형태에 관한 오토튜닝에 의해 결정한 PID 파라미터를 이용함으로써, 제어 대상의 온도(PV)를 설정 온도(SP)보다 고정밀도로 일치시킬 수 있다고 말할 수 있다.
또한, 리밋 사이클의 최대치(N)를 「3」으로 설정한 경우에는, 도 12에 도시하는 단계적으로 변경되는 냉각측의 조작량(MVc) 중, 3회째의 변경이 이루어진 시점에서 오토튜닝은 완료하게 된다. 이 경우라도, 3회째의 리밋 사이클에서의 냉각측의 조작량(MVc_3)과 5회째의 리밋 사이클에서의 냉각측의 조작량(MVc_5)은, 비교적 가까운 값을 나타내기 때문에, 대강 적절한 PID 파라미터를 결정할 수 있다. 즉, 오토튜닝에 필요로 하는 시간과 PID 파라미터의 정밀도와의 관계는, 일종의 트레이드 오프의 관계에 있지만, 통상의 PID 제어에서 사용되는 범위의 조작량을 이용하여 오토튜닝을 실행하면, 비선형성의 영향을 회피한 PID 파라미터를 결정할 수 있다.
[I. 유저 인터페이스]
오토튜닝에서는, 제어 대상에 대해 실제로 어떠한 조작량을 주어서, 그 응답 특성에 의거하여 PID 파라미터를 산출한다. 특히, 리밋 사이클법에서는, 관측량(PV)을 진동시켜서 제어계의 특성치를 추정하기 때문에, 시정수가 긴 제어계에서는, 필요한 응답 특성을 관측하기 위해 비교적 긴 시간을 필요로 한다. 그 때문에, 오토튜닝의 실행중에 있어서, 그 실행 상태나 완료 시기(예측치) 등을 유저에게 통지하는 것이, 보다 유저 프렌들리하다.
이하, 이와 같은 오토튜닝에 관한 유저 지원을 위한 유저 인터페이스의 한 예에 관해 설명한다.
(i1 : 오토튜닝의 실행 상태의 통지)
우선, 오토튜닝의 실행 상태를 통지하는 유저 인터페이스에 관해 설명한다. 도 14는, 본 실시의 형태에 관한 조절기(100)가 제공하는 유저 인터페이스의 한 예를 도시하는 모식도이다. 도 14에 도시하는 조절기(100)는, 표시부(150)를 갖고 있다. 표시부(150)에는, 제어 대상의 온도(PV) 및 설정 온도(SP)의 현재치가 표시되어 있다. 또한, 표시부(150)에 근접하여 배치된 버튼이나 스위치 등을 유저가 조작함으로써, 설정 온도(SP) 등이 변경된다.
도 14에는, 오토튜닝의 실행중의 어느 상태를 나타낸다. 도 14에 도시하는 바와 같이, 오토튜닝의 실행 상태의 값으로서, 현재 발생하고 있는 리밋 사이클의 회수, 즉 몇회째의 리밋 사이클이 실행되고 있든지가 표시된다. 표시부(150)는, 현재의 리밋 사이클의 회수를 나타내는 인디케이터(152)를 포함한다. 즉, 조절기(100)는, 현재 실행되고 있는 교대 출력의 회수를 표시하는 표시 수단으로서의 표시부(150)를 포함한다.
리밋 사이클의 최대치(N)가 미리 설정되어 있기 때문에, 유저는, 이와 같은 현재의 리밋 사이클의 회수를 봄으로써, 오토튜닝이 이후 어느 정도로 완료하는지를 알 수 있다.
(i2 : 오토튜닝의 완료 시기의 통지)
도 14에 도시하는 현재의 리밋 사이클의 회수에 대신하여, 또는, 이에 더하여, 오토튜닝의 완료까지 필요로 하는 시간을 통지하도록 하여도 좋다. 즉, 조절기(100)는, PID 파라미터의 결정에 필요한 교대 출력이 완료되는 시기를 표시하는 표시 수단으로서의 표시부(150)를 포함하도록 하여도 좋다.
도 15는, 본 실시의 형태에 관한 조절기(100)가 제공하는 유저 인터페이스의 다른 한 예를 도시하는 모식도이다.
도 15(a)에는, 오토튜닝의 완료까지 필요로 하는 잔여 시간을 나타내는 인디케이터(154)를 포함하는 표시부(150)의 예를 나타낸다. 오토튜닝의 완료까지 필요로 하는 잔여 시간을 예측한 방법으로서는, 우선, 1회분의 리밋 사이클을 발생시켜서, 그에 필요로 한 시간을 계측함과 함께, 그 계측한 시간에 리밋 사이클의 최대치(N)를 곱한 시간을, 잔여 시간으로서 산출할 수 있다. 또는, 리밋 사이클의 반(半)사이클(냉각측 또는 가열측)의 발생에 필요로 하는 시간으로부터 잔여 시간을 산출하여도 좋다. 또한, 이전에 오토튜닝을 실행한 일이 있는 경우에는, 그 때에 취득된 응답 특성에 의거하여, 잔여 시간을 산출하여도 좋다.
또한, 오토튜닝의 완료까지 필요로 하는 잔여 시간이 아니라, 오토튜닝이 완료되는 시각을 표시하도록 하여도 좋다. 도 15(b)에 도시하는 표시부(150)는, 오토튜닝이 완료되는 것이 예측되는 시각을 나타내는 인디케이터(156)를 포함한다.
이와 같이, 비교적 시간이 걸리는 오토튜닝에 관해, 완료하는 타이밍을 사전에 알 수 있기 때문에, 유저는, 시간을 유효하게 활용할 수 있다.
[J. 변형례 1]
상술한 실시의 형태에서는, 가열과 냉각의 시스템 게인비(능력비)를 나타내는 변경 계수(ρ_i)를 곱함으로써, 냉각측의 조작량(MVc)을 순차적으로 변경한 구성례에 관해 설명하였다. 이 변경 계수(ρ_i)에 관해서는, 이것으로 한정하지 않고 임의의 값으로 설정할 수 있다. 또한, 각 리밋 사이클에서 변경 계수(ρ_i)를 동적으로 결정하는 구성에 대신하여, 일련의 오토튜닝에서 변경 계수(ρ)로서 고정치를 채용하여도 좋다.
이와 같이 변경 계수(ρ_i)(또는, 변경 계수(ρ)(고정치))에 관해서는, 제어 대상 등에 응하여 적절히 설정하면 좋다. 한편으로, 오토튜닝에 필요로 하는 시간을 가능한 한 단축하고 싶다는 요구도 있다. 그래서, 변경 계수에 관한 하나의 변형례로서, 상술한 가열과 냉각과의 시스템 게인비(능력비)라는 기술적 의의를 잃어버리지 않고, 또한, 보다 단시간에 오토튜닝이 완료되기 위한 구성에 관해 설명한다.
본 변형례에서는, 각 리밋 사이클이 종료되면, 다음 리밋 사이클에 이용되는 새로운 조작량으로서, 현재의 조작량에 변경 계수(ρ_i)의 제곱(二乘)을 곱한 값을 이용한다. 즉, 이하와 같은 수식에 따라, 조작량(MVc_i)을 순차적으로 변경한다.
변경 계수(ρ_i) = 냉각 출력시간(Toff_i-1)/가열 출력시간(Ton_i-1)
조작량(MVc_i) = MVc_1-1×ρ_i×ρ_i
이와 같이, 변경 계수(ρ_i)의 제곱을 이용함으로써, 도 12에 도시하는 바와 같은 냉각측의 조작량(MVc)을 단계적으로 변경하는 처리에 있어서, 실질적으로 하나 건너뛰어 조작량(MVc)을 변경하게 된다. 즉, 조절기(100)는, 그 오토튜닝 기능으로서, 직전의 교대 출력에서의 제2의 조작량(가열측의 출력)이 출력된 기간(가열 출력시간(Ton))의 길이에 대한 제1의 조작량(가열측의 출력)이 출력된 기간(냉각 출력시간(Toff))의 길이의 비(ρ)의 제곱에 응하여, 당해 직전의 교대 출력에서의 제1의 조작량의 크기를 보정함으로써, 새로운 교대 출력에서의 제1의 조작량의 크기를 결정한다.
도 16은, 본 실시의 형태의 변형례 1에 관한 오토튜닝에 관한 각 부분의 시간 파형을 도시하는 한 예이다. 변경 계수(ρ_i)를 곱하여 조작량(MVc)을 순차적으로 변경한 경우(도 12)에는, 5회의 리밋 사이클을 발생시키지 않으면, 오차(hi)가 임계치(γ) 이하가 되지 않았지만, 도 16에 도시하는 바와 같이, 변경 계수(ρ_i)의 제곱을 곱하여 조작량(MVc)을 순차적으로 변경함으로써, 리밋 사이클을 3회의 발생시킴으로써, 오차(hi)를 임계치(γ) 이하로 할 수 있다. 이와 같이, 제어 대상이 비선형성을 갖고 있는 것이 미리 알고 있는 경우에는, 조작량(MVc)을 변경시키는 정도를 보다 크게 함으로써, 오토튜닝에 관한 시간을 단축화할 수 있다.
[K. 변형례 2]
상술한 변형례 1에서는, 가열과 냉각과의 시스템 게인비(능력비)를 나타내는 변경 계수(ρ_i)의 제곱을 곱함으로써, 조작량(MVc)을 순차적으로 변경하는 예에 관해 설명하였다. 그러나, 변경 계수(ρ_i)의 제곱으로 한정되는 일 없이, 변경 계수(ρ_i)의 n승(n>1)을 곱하여, 조작량(MVc)을 순차적으로 변경하여도 좋다. 이하, 이와 같은 변경 계수(ρ_i)의 n승(n>1)을 곱하여, 조작량(MVc)을 순차적으로 변경하여도 좋은 이유에 관해 설명한다.
상술한 바와 같은 압출 성형기(232)에서, 냉각 능력은, 가열 능력보다 크고, 또한, 비선형성을 갖고 있다. 또한, 리밋 사이클법을 이용한 오토튜닝 기능에서는, 발생시키는 리밋 사이클을 정현파에 가깝게 할수록, 그 정밀도를 높일 수 있다.
도 17은, 도 2에 도시하는 제어 대상 프로세스에서의 가열 능력 및 냉각 능력과 조작량(가열 및 냉각)과의 사이의 관계의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 17에 도시하는 특성례에 있어서, 제1 상한은, 가열 능력(종축)과 조작량(가열)(횡축)과의 관계를 나타낸다. Ah는, 조작량(가열)이 100%일 때의 가열 능력[℃/sec]의 크기를 나타낸다. 또한, 제3 상한은, 냉각 능력(종축)과 조작량(냉각)(횡축)과의 관계를 나타낸다. Ac는, 조작량(냉각)이 100%일 때의 냉각 능력[℃/sec]의 크기를 도시하다. 또한, 냉각 능력은, 설비의 설치 조건이나 설정 조건에 따라 변화하기 때문에, 도 17에는, 설정 조건을 3개로 다르게 한 경우의 냉각 능력의 특성을 각각 나타낸다.
여기서, 도 17에서, 냉각 능력의 특성이 변화하는 점(도 17에 있어서 ●표시로 나타내는 점)을 비선형점이라고 정의한다.
상술한 실시의 형태에서 설명한 가열과 냉각과의 시스템 게인비(능력비)를 나타내는 변경 계수(ρ_2)(= 냉각 출력시간(Toff_1)/가열 출력시간(Ton_1))을 이용하여, 2회째의 리밋 사이클에서의 냉각측의 조작량(MVc_2)을 산출하는 경우에는, 이하와 같은 수식에 따라 산출된다.
MVc_2 = 100%×변경 계수(ρ_2)
도 17에서, 이 수식에 따라 산출된 2회째의 리밋 사이클에서의 냉각측의 조작량(MVc_2)을 ○표시로 나타낸다. 즉, 위의 수식은, 냉각 능력의 특성을 선형으로 한 경우에, 가열의 능력과 냉각의 능력과의 밸런스를 갖추기 위한 계산식에 상당한다.
여기서, 도 17에 도시하는 바와 같이, 예를 들면, 냉각 특성(1)에 관해 산출하여야 할 냉각 특성(선형 특성)의 범위는, 조작량이 ○표시로 나타내는 점보다 작은 영역이다. 그 때문에, 가열과 냉각과의 비(능력비)를 곱하는 것만으로는, 2회째의 리밋 사이클에서의 냉각측의 조작량(MVc_2)이, 비선형점(●표시로 나타내는 위치)보다 크기 때문에, 도 17의 화살표로 나타내는 범위(선형 부분)의 특성을 파악할 수가 없게 된다. 또한, 도 17에 도시하는 다른 냉각 특성에 대해서도, 각각의 비선형점(●표시로 나타내는 위치)이 변화하기 때문에, 가열과 냉각과의 시스템 게인비(능력비)를 곱하는 것만으로는, 선형 부분을 파악할 수가 없다.
그래서, 도 17에 도시하는 바와 같은 냉각 특성을 갖는 제어 대상에 대해서는, 상술한 바와 같은 수식에 대해, 비선형점보다 작은 범위의 선형 특성을 파악하기 위해, 보정 계수(Xc)(0<Xc<1)를 도입한다. 즉, 가열과 냉각과의 시스템 게인비(능력비)를 나타내는 변경 계수(ρ_2)(= 냉각 출력시간(Toff_1)/가열 출력시간(Ton_1))을 이용하여, 2회째의 리밋 사이클에서의 냉각측의 조작량(MVc_2)을 산출한 경우에는, 이하와 같은 수식에 따라 산출된다.
MVc_2 = 100%×변경 계수(ρ_2)×보정 계수(Xc)
이와 같은 수식을 이용함으로써, 도 17에서, ○표시로 나타내는 위치(변경 계수(ρ_1)를 곱함으로써 산출되는 2회째의 리밋 사이클에서의 냉각측의 조작량)은, 다시 Xc배되어, 비선형점(●표시로 나타내는 위치)보다 작은 점(즉, 제로 측)으로 보정되게 된다(파선의 동그라미표시).
도 17의 냉각 능력(1∼3)에 나타내는 바와 같이, 비선형점(●표시로 나타내는 위치)는, 냉각 능력(도 17에 도시하는 Ac)이 커질수록 Y축에 근접하는 경향이 있다. 즉, 비선형점(●표시로 나타내는 위치)의 X좌표치는, 냉각 능력의 역수(1/Ac)와 인과관계가 있다고 말할 수 있다.
여기서, 냉각 능력의 역수(1/Ac) ∝ 가열과 냉각과의 시스템 게인비(능력비 : Ah/Ac) ∝ 능력비(변경 계수(ρ))의 관계가 성립한다고 생각되기 때문에, 비선형점(●표시로 나타내는 위치)의 횡축의 좌표치는, 능력비(변경 계수(ρ))와 인과관계가 있다고 말할 수 있다.
도 17에 도시하는 바와 같은 특성은, 가열 장치(210) 및 냉각 장치(220)를 포함하는 압출 성형기(232)에서 얻어진다. 단, 가열 장치(210)에 의해 제어 대상에 생기는 가열에 관한 제어량은, 대응하는 조작량에 관해 상대적으로 강한 선형성을 갖고 있고, 냉각 장치(220)에 의해 제어 대상에 생기는 냉각에 관한 제어량은, 대응하는 조작량에 관해 상대적으로 강한 비선형성을 갖고 있다. 그리고, 이와 같은 압출 성형기(232)를 제어 대상으로 한 경우에는, 보정 계수(Xc)와 능력비(변경 계수(ρ))와의 사이의 인과관계를 Xc = ρm(0.5≤m≤2.0)로 모델화함으로써, 산출되는 2회째의 리밋 사이클에서의 냉각측의 조작량(파선의 동그라미표시)이 비선형점(●표시로 나타내는 위치)보다 종축에 보다 가까워지고, 선형 부분의 특성을 파악할 수 있다. 이 관계는, 냉각 능력의 크기가 변화하여도, 압출 성형기(232)에서는 성립한다고 생각된다.
따라서 보정 계수(Xc)를 포함하는 윗식은, 이하와 같이 변형할 수 있다.
MVc_2 = 100%×변경 계수(ρ_2)×변경 계수(ρ_2m)
= 100%×변경 계수(ρ_2(m+1)) = 100%×변경 계수(ρ_2n)
이와 같이, 현재의 조작량에 변경 계수(ρ_i)의 n승을 곱한 값을 이용함으로써, 조작량(MVc_i)이 순차적으로 변경된다. 이 n승의 n으로서는, 2의 부근의 값을 이용하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 조절기(100)는, 1.5≤n≤3.0을 충족시키는 n을 이용하여, 새로운 교대 출력에서의 제1의 조작량(냉각측의 조작량)의 크기를 결정한다.
이와 같이, 제어 대상이 비선형성을 갖고 있음을 미리 알고 있는 경우에는, 조작량(MVc)의 변경 계수의 n승을 곱하여, 새로운 리밋 사이클에서의 조작량(MVc)을 산출함으로써, 오토튜닝에 관한 시간을 단축화할 수 있다.
[L. 변형례 3]
상술한 실시의 형태에서는, 리밋 사이클을 복수회 발생시키는 예에 관해 설명하였지만, 어떤 종류의 제어 대상에 관해서는, 1회의 리밋 사이클에 의해 취득된 응답 특성만으로부터 적절한 파라미터를 결정할 수도 있다. 이하, 1회의 리밋 사이클을 발생, 즉 제1의 조작량(냉각측의 조작량) 및 제2의 조작량(가열측의 조작량)을 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 그에 의해 취득된 응답 특성만으로부터 파라미터를 결정하는 방법에 관해 설명한다.
도 18은, 본 실시의 형태의 변형례 3에 관한 파라미터를 결정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 18을 참조하면, 우선, 냉각측의 조작량(MVc)을 100%로 하여 리밋 사이클(1회째)을 발생시킨다. 이 때, 가열측의 조작량(MVh)도 동일하게 100%라고 한다. 리밋 사이클의 발생에 의해 취득된 응답 특성(시간 파형)으로부터 냉각 능력(Yc)[℃/sec]를 산출한다. 냉각측의 조작량(MVc)을 변화시켰다고 하여도, 냉각 능력(Yc)이 변화하지 않는다고 가정하고, 만약 2회째의 리밋 사이클을 발생시켰던 것이면, 얻어지는 것이다 특성을 추정한다.
보다 구체적으로는, 비선형점(도 18에서 ●표시로 나타내는 점)에 상당하는 냉각측의 조작량(Xc)을 상술한 변형례 2에 관한 방법에 의해 산출한다. 즉, 1회째의 리밋 사이클에서 생긴 응답 특성에 의거하여, 가열 출력시간(Ton)에 대한 냉각 출력시간(Toff)의 비로부터 변경 계수(ρ)를 결정하고, 이 결정된 변경 계수(ρ)를 n승(단, 1.5≤n≤3.0)하여 얻어지는 값을 비선형점에 상당하는 냉각측의 조작량(Xc)으로서 결정한다. 또한, 정적 또는 동적으로 결정된 보정 계수를 곱한 값을 채용하여도 좋다. 비선형점에서, 1회째의 리밋 사이클로부터 결정된 냉각 능력과 동일한 냉각 능력(Yc)[℃/sec]가 유지되어 있다고 가정하고, 상술한 바와 같은 순서에 의해 결정된 조작량(Xc)[%]를 이용하여, 비선형점의 특성치를 추정한다. 즉, 도 18에 도시하는 좌표계에서의 비선형점의 좌표는 [Xc, Yc]가 된다. 이 비선형점[Xc, Yc]과 원점[0, 0]를 잇는 직선(추정선)에 관한 기울기(Ac)[℃/sec]를 선형성이 유지된 조작량(Xc)의 범위에서의 냉각 능력으로서 결정한다. 그리고, 이 냉각 능력(Ac)[℃/sec]를 이용하여, PID 파라미터가 결정된다.
이와 같이, 본 변형례에서는, (1) 1회째의 리밋 사이클 응답 특성(시간 파형)으로부터 냉각 능력(Yc)[℃/sec]를 산출하고, (2) 비선형점의 냉각 조작량(Xc)[%]를 추정하고, (3) 냉각 능력은 냉각측의 조작량이 100%인 경우와 동등하게 유지된다고 가정하여 비선형점[Xc, Yc]을 결정하고, (4) 비선형점[Xc, Yc]과, 원점을 통과하는 추정선의 기울기(Ac)를 냉각 능력으로서 산출하고, (5) 냉각 능력(Ac)을 이용하여 PID 파라미터를 산출한다.
본 변형례에서는, 조절기(100)는, 오토튜닝 기능으로서, 제1의 조작량(냉각측의 조작량) 및 제2의 조작량(가열측의 조작량)을 관측량에 응하여 교대로 1회씩 출력하고, 제1의 조작량(냉각측의 조작량) 및 제2의 조작량(가열측의 조작량)의 1회씩의 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성(시간 파형)으로부터 PID 파라미터를 결정한다. 이 오토튜닝 기능에서, 조절기(100)는, 응답 특성으로부터 제1의 조작량(냉각측의 조작량)에 대한 제어량의 제1의 변화가 선형성을 유지할 수 있는 제1의 조작량(냉각측의 조작량)의 범위(즉, 비선형점)를 추정함과 함께, 당해 추정한 범위로부터 PID 파라미터를 결정한다.
본 변형례에 관한 오토튜닝 기능의 유효성을 확인하기 위해, 상술한 본 실시의 형태에 관한 오토튜닝 기능과 비교한 결과를 나타낸다. 보다 구체적으로는, 본 실시의 형태에 관한 오토튜닝 기능(비선형점의 특성을 실제로 계측)과 본 변형례에 관한 오토튜닝 기능(비선형점의 특성을 추정)에서 각각 산출한 PID 파라미터(한 예로서, 비례 게인(비례대)) 사이의 괴리 정도(오차율)를 비교하였다.
도 19는, 본 변형례에 관한 오토튜닝 기능에 의해 산출된 PID 파라미터의 오차율의 평가 결과례를 도시하는 도면이다. 도 19에 도시하는 평가 결과례에서는, 추정된 비선형점(냉각측의 조작량)마다 산출된 오차율(e)을 플롯하고 있다. 이 오차율(e)은, 본 실시의 형태에 관한 오토튜닝 기능을 이용하여 산출된 비례대(比例帶)(Pb0)와, 본 변형례에 관한 오토튜닝 기능을 이용하여 산출된 비례대(Pb)를 이용하여, 이하에 표시하는 식에 따라 산출된다.
오차(e) = (Pb-Pb0)/Pb0×100[%]
도 19에는, 도 2에 도시하는 냉각 장치(220)에 나타내는 바와 같은, 주입 히터 냉각 방식에 적용한 경우의 평가 결과를 도시한다. 도 19에 도시하는 평가 결과에 의하면, 상술한 본 실시의 형태에 관한 오토튜닝 기능(비선형점의 특성을 실제로 계측)에 비교하여, 그 오차율은, 평균이 약 10%이고, 최대치라도 25% 이내에 수속되어 있다. 그 때문에, 충분히 실용적인 정밀도를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 변형례에서는, 2회째의 리밋 사이클은 발생시키는 일 없고, 1회째의 리밋 사이클에 의해 취득된 응답 특성(시간 파형)으로부터 비선형점을 추정하고, 그리고 PID 파라미터를 결정한다. 리밋 사이클을 1회만 발생시키고, 그 결과로부터 PID 파라미터를 결정한다는 방법을 채용함으로써 리밋 사이클을 복수회 발생시키는 경우에 비교하여, 약간 추정 정밀도는 저하될 가능성은 있지만, 실용상의 문제는 없는 정도의 정밀도 저하이고, 심지어, 오토튜닝에 필요로 하는 시간을 단축할 수 있기 때문에, 튜닝 작업의 시간 효율을 높일 수 있다.
금회 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 설명이 아니라, 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1 : 피드백 제어계 100 : 조절기
110 : 제어부 112 : CPU
114 : ROM 116 : RAM
118 : 프로그램 모듈 120 : 입력부
130 : 출력부 132 : 가열측 출력부
134 : 냉각측 출력부 140 : 설정부
150 : 표시부 152, 154, 156 : 인디케이터
162 : 센서 출력 접수부 164 : 유저 설정 접수부
166 : 가열측 PID 연산부 168 : 냉각측 PID 연산부
170 : 전환부 172 : PID 파라미터 산출부
174 : 오토튜닝 제어부 176 : PID 파라미터
180 : 스위치 200 : 제어 대상 프로세스
210 : 가열 장치 212 : 솔리드 스테이트 릴레이
214 : 전열 히터 220 : 냉각 장치
222 : 냉각 배관 224 : 전자밸브
226 : 수온 조정 설비 230 : 제어 대상
232 : 압출 성형기 234 : 스크루
236 : 배럴 240 : 온도 센서

Claims (21)

  1. 오토튜닝 기능을 갖는 조절기에 있어서,
    제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 상기 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 상기 제어량에 상기 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 조작량 결정 수단과,
    상기 제1의 조작량 및 상기 제2의 조작량을 상기 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 당해 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 상기 파라미터를 결정하는 튜닝 수단을 구비하고,
    상기 튜닝 수단은, 상기 제1의 조작량 및 상기 제2의 조작량의 교대 출력에서, 출력의 전환마다 상기 제1의 조작량의 크기를 순차적으로 변경함과 함께, 상기 제1의 조작량에 대한 상기 제어량의 제1의 변화가 선형성을 갖고 있다고 판단된 때에 취득된 응답 특성으로부터 상기 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 하는 조절기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 튜닝 수단은, 직전의 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터, 새로운 교대 출력에서의 상기 제1의 조작량의 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는 조절기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 튜닝 수단은, 직전의 교대 출력에서 상기 제1의 조작량이 출력된 기간의 길이와 상기 제2의 조작량이 출력된 기간의 길이에 응하여, 당해 직전의 교대 출력에서의 상기 제1의 조작량의 크기를 보정함으로써, 새로운 교대 출력에서의 상기 제1의 조작량의 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는 조절기.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜닝 수단은, 순차적으로 변경되는 상기 제1의 조작량의 크기별로, 상기 제1의 조작량에 대응하는 상기 제어량의 변화 속도와의 관계를 평가함으로써, 상기 제1의 조작량에 대한 상기 제어량의 제1의 변화가 선형성을 갖고 있는지의 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 조절기.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜닝 수단은, 상기 제1의 조작량에 대한 상기 제어량의 제1의 변화가 선형성을 갖고 있다고 판단되지 않더라도, 상기 제1의 조작량 및 상기 제2의 조작량의 교대 출력이 미리 정하여진 회수 실행되면, 최종의 교대 출력에서 취득된 응답 특성으로부터 상기 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 하는 조절기.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    현재 실행되고 있는 교대 출력의 회수를 표시하는 표시 수단을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 조절기.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파라미터의 결정에 필요한 교대 출력이 완료되는 시기를 표시하는 표시 수단을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 조절기.
  8. 오토튜닝 기능을 갖는 조절기에서의 제어 방법에 있어서,
    제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 상기 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 상기 제어량에 상기 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 스텝과,
    상기 제1의 조작량 및 상기 제2의 조작량을 상기 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 당해 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 상기 파라미터를 결정하는 스텝을 구비하고,
    상기 파라미터를 결정하는 스텝은, 상기 제1의 조작량 및 상기 제2의 조작량의 교대 출력에서, 출력의 전환마다 상기 제1의 조작량의 크기를 순차적으로 변경함과 함께, 상기 제1의 조작량에 대한 상기 제어량의 제1의 변화가 선형성을 갖고 있다고 판단된 때에 취득된 응답 특성으로부터 상기 파라미터를 결정하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    현재 실행되고 있는 교대 출력의 회수를 표시하는 스텝을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 파라미터의 결정에 필요한 교대 출력이 완료되는 시기를 표시하는 스텝을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  11. 오토튜닝 기능을 갖는 조절기를 실현하는 제어 프로그램이 기록된 기록 매체에 있어서,
    프로세서에 제어 대상으로부터 취득되는 관측량이 목표치와 일치하도록, 미리 설정된 파라미터에 따라, 상기 제어 대상의 제어량에 제1의 변화를 발생시키기 위한 제1의 조작량, 또는, 상기 제어량에 상기 제1의 변화와는 반대의 제2의 변화를 발생시키기 위한 제2의 조작량을 선택적으로 결정하는 스텝과,
    상기 제1의 조작량 및 상기 제2의 조작량을 상기 관측량에 응하여 교대로 출력하고, 당해 교대 출력에 의해 취득된 응답 특성으로부터 상기 파라미터를 결정하는 스텝을 실행시키고,
    상기 파라미터를 결정하는 스텝은, 상기 제1의 조작량 및 상기 제2의 조작량의 교대 출력에서, 출력의 전환마다 상기 제1의 조작량의 크기를 순차적으로 변경함과 함께, 상기 제1의 조작량에 대한 상기 제어량의 제1의 변화가 선형성을 갖고 있다고 판단된 때에 취득된 응답 특성으로부터 상기 파라미터를 결정하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 프로그램이 기록된 기록 매체.
  12. 제 11항에 있어서,
    현재 실행되고 있는 교대 출력의 회수를 표시하는 스텝을 또한 실행시키는 것을 특징으로 하는 제어 프로그램이 기록된 기록 매체.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 파라미터의 결정에 필요한 교대 출력이 완료되는 시기를 표시하는 스텝을 또한 실행시키는 것을 특징으로 하는 제어 프로그램이 기록된 기록 매체.
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