TWI544295B

TWI544295B - PID controller and data collection method

Info

Publication number: TWI544295B
Application number: TW104117932A
Authority: TW
Inventors: Masato Tanaka; Eisuke Toyoda; Fumihiro Sugawara
Original assignee: Azbil Corp
Priority date: 2014-07-07
Filing date: 2015-06-03
Publication date: 2016-08-01
Also published as: US20160004246A1; TW201602742A; CN105278329B; JP6371612B2; JP2016018294A; CN105278329A

Description

PID控制器及資料收集方法

本發明係關於一種溫度控制器等PID控制器，尤其係具備資料收集功能的PID控制器。

為了控制加熱處理爐等的溫度，利用了安裝有PID控制功能的溫度調節器。在溫度調節器中，需要設定PID參數等大量的參數。溫度調節器使用PID參數來進行PID運算，輸出操作量MV以使溫度計測值PV與被設定為目標溫度的設定值SP一致。由此，能夠使溫度計測值PV(控制量PV)接近於目標溫度(設定值SP)。因此，需要設定PID參數等，並且很重要。

但是，控制結果資訊(設定值達到時間、過衝量等控制回應中的特徵量的資料)在掌握控制的不佳狀態、調整PID參數等的時候，作為針對實際的控制物件的控制結果，是有效的資訊。因此，一邊實施升溫、降溫等一系列控制動作一邊在溫度調節器內部計算控制回應的特徵量並保存到溫度調節器內部的功能被實施(參照專利文獻1)。另一方面，像資料記錄器那樣的收集並記錄全部測定資料的設備也被實用化(參照專利文獻2)。通過在這些專利文獻1、專利文獻2中公開了的資料收集功能，能夠收集PID控制的控制回應的特徵量或者全部的時序資料，並作為監視物件、分析物件來進行處理。

專利文獻1：日本特開2009-217439號公報

專利文獻2：日本特開2008-286603號公報

在溫度控制中，僅通過升溫、降溫等一系列控制動作，對於有效的資訊收集來說是不充分的。即，在專利文獻1公開了的特徵量計算功能中，保存的資訊受限，所以是不充分的。另一方面，在專利文獻2公開了的資料記錄器中，還包括作為控制動作的資訊所不需要的資訊，資料收集量過多，所以處理變得煩瑣且不便。因此，作為在控制動作中特殊化了的有效的資訊收集功能，要求為了避免過於煩瑣、且避免過度資訊不足而被改善了的功能。特別是，在升溫、降溫的回應之外，還要求擴大在特殊狀況下的有效利用的改進。

作為與作為簡易型的PID控制器的代表例子的溫度調節器並用的資料記錄裝置，有時採用以特定的週期抽取不連續的時間點來進行記錄的打點式記錄器。作為溫度調節器的控制動作，往往根據控制物件的特徵，預先較長地且以充分的精度來決定過渡狀態下的時序資料的收集週期(打點週期)。尤其是PID運算的情況下，控制動作的性質一般容易預測。因此，為了防止資料收集量過多，處理變得繁雜，首先設想採用這樣的長週期的資料收集。在該情況下，在長週期的資料收集時，在週期之間資料發生設想之外的快速變化的話，則記錄變得不充分。即，存在資料收集週期過長，資料收集錯誤在設想外發生這樣的問題點。

本發明是為了解決上述問題而提出的，其目的在於，提供一種以安裝到像溫度調節器等簡易型的PID控制器那樣的低價產品為前提，能夠減少由控制量PV發生設想外的快速變化而導致的資料收集的錯誤的PID控制器以及資料收集方法。

本發明的PID控制器具備：操作量計算手段，通過PID控制運算，根據設定值SP與控制量PV來計算操作量MV；操作量輸出手段，將通過該操作量計算手段計算出的操作量MV輸出到控制物件；長週期資料保存手段，對於每個第一週期保存所述控制量PV的時序資料；短週期資料記錄手段，對於每個比所述第一週期短的第二週期暫時記錄所述控制量PV的時序資料；以及短週期資料保存手段，僅在該短週期資料記錄手段所記錄的控制量PV具有規定以上的變化的情況下，所述短週期資料保存手段從所述短週期資料記錄手段讀出該控制量PV具有規定以上的變化的期間的資料並進行保存。

又，在本發明的PID控制器的一個構成例中，在所述第一週期中所述短週期資料記錄手段所記錄的控制量PV的最大值與最小值之差在規定的控制量規定值以上的情況下，所述短週期資料保存手段視作控制量PV具有規定以上的變化，從所述短週期資料記錄手段讀出具有該規定以上的變化的第一週期中的資料並進行保存。

又，在本發明的PID控制器的一個構成例中，所述第一週期是PID參數的積分時間TI的α倍的值。

又，在本發明的PID控制器的一個構成例中，用於檢測控制量PV的規定以上的變化的控制量規定值是PID參數的比例帶PB的β倍的值。

又，本發明的PID控制器的一構成例為，還具備讀入指示手段，在所述短週期資料保存手段所保存的資料達到規定時間以上的資料時，通知操作者利用上位裝置來讀入所述短週期資料保存手段所保存的資料。

又，在本發明的PID控制器的一個構成例中，所述長週期資料保存手段還對於每個所述第一週期保存所述操作量MV的時序資料和所述設定值SP的時序資料，所述短週期資料記錄手段還對於每個所述第二週期暫時記錄所述操作量MV的時序資料和所述設定值SP的時序資料，所述短週期資料保存手段還從所述短週期資料記錄手段讀出所述控制量PV具有規定以上的變化的期間的所述操作量MV的時序資料和所述設定值SP的時序資料並進行保存。

又，本發明的資料收集方法包括：操作量計算步驟，通過PID控制運算，根據設定值SP與控制量PV來計算操作量MV；操作量輸出步驟，將在該操作量計算步驟中計算出的操作量MV輸出到控制物件；長週期資料保存步驟，對於每個第一週期保存所述控制量PV的時序資料；短週期資料記錄步驟，對於每個比所述第一週期短的第二週期暫時記錄所述控制量PV的時序資料；以及短週期資料保存步驟，僅在該短週期資料記錄步驟所記錄的控制量PV具有規定以上的變化的情況下，從在所述短週期資料記錄步驟所記錄的資料中讀出該控制量PV具有規定以上的變化的期間的資料並進行保存。

根據本發明，僅在短週期資料記錄手段所記錄的控制量PV具有規定以上的變化的情況下，從短週期資料記錄手段讀出控制量PV具有規定以上的變化的期間的資料並進行保存，所以在第一週期內的控制量PV的變化量顯著的情況下、在第一週期記憶體在控制量PV的顯著的極大點或者極小點的情況下，能夠沒有遺漏地收集收據，從而能夠減少由控制量PV發生設想外的快速變化而導致的資料收集的錯誤。

又，在本發明中，通過將第一週期設為PID參數的積分時間TI的α倍的值，能夠減輕進行PID控制器的設定作業的操作者的負擔。

又，在本發明中，通過將用於檢測控制量PV的規定以上的變化的控制量規定值設為PID參數的比例帶PB的β倍的值，能夠減輕進行PID控制器的設定作業的操作者的負擔。

又，在本發明中，在短週期資料保存手段所保存的資料達到規定時間以上的資料時，通知操作者利用上位裝置來讀入短週期資料保存手段所保存的資料，從而能夠向操作者傳達短週期資料保存手段的資料保存的餘量變少的情況。

1‧‧‧控制功能部

2‧‧‧資料收集功能部

10‧‧‧設定值輸入部

11‧‧‧控制量輸入部

12‧‧‧操作量算出部

13‧‧‧操作量輸出部

14‧‧‧時鐘

15‧‧‧長週期資料保存部

16‧‧‧短週期資料記錄部

17‧‧‧短週期資料保存部

18‧‧‧讀入指示部

圖1是示出本發明的實施形態的PID控制器的構成的框圖。

圖2是示出本發明的實施形態的加熱控制裝置的構成的框圖。

圖3是示出本發明的實施形態的PID控制器的動作的流程圖。

圖4是說明本發明的實施形態的PID控制器的資料收集的動作的圖。

[發明的原理]

發明者在發現上述問題的基礎上，還著眼於設想外的狀況一般在時間上較短這一點，想到了將控制量PV發生了規定以上的變化的情況設為用於擴大特殊狀況下的利用的利用物件。以往進行的資料收集的週期即長週期、用於檢測控制量PV的規定以上的變化的規定值可以基於PID參數來決定。

具體來說，在長週期間隔暫時記錄短週期的資料，僅在該長週期之間控制量PV具有規定以上的變化的情況下，對暫時記錄的短週期的資料進行保存。通過這樣處理，能夠減少由控制量PV發生設想外的快速變化而導致的資料收集的錯誤。

另外，通過利用溫度調節器等簡易型的PID控制器內的資料收集功能，能夠可靠地捕捉到控制系統的快速變化，但另一方面，PID控制器的存儲容量受到限制。因此，優選為並用以下兩功能，即通知操作者利用能夠充分地確保存儲容量的上位裝置(例如PC(Personal Computer，個人電腦))來讀入資料的功能、將資料自動轉送到上位裝置並返回到允許PID控制器的資料區域的蓋寫的狀態的功能。

[實施形態]

下面，參照附圖，說明本發明的實施形態。圖1是示出本發明的實施形態所涉及的PID控制器的構成的框圖。PID控制器具備作為以往以來在PID控制器中設置的一般結構的控制功能部1、以及作為本實施形態的特徵結構的資料收集功能部2。

控制功能部1具備：從控制器外部輸入設定值SP的設定值輸入部10；從計測器輸入控制量PV的控制量輸入部11；通過PID控制運算，根據設定值SP與控制量PV來計算操作量MV的操作量計算部12；以及將操作量MV輸出到控制器外部的操作量輸出部13。

資料收集功能部2具備：對當前的日期時間進行計時的時鐘 14；針對每個第一週期保存控制量PV的時序資料、操作量MV的時序資料和設定值SP的時序資料的長週期資料保存部15；針對每個比第一週期短的第二週期暫時記錄控制量PV的時序資料、操作量MV的時序資料和設定值SP的時序資料的短週期資料記錄部16；僅在第一週期中短週期資料記錄部16所記錄的控制量PV發生了規定以上的變化的情況下，從短週期資料記錄部16讀出該控制量PV具有規定以上的變化的第一週期中的資料並進行保存的短週期資料保存部17；以及在短週期資料保存部17所保存的資料達到規定時間以上的資料時，通知操作者利用上位裝置來讀入短週期資料保存部17所保存的資料的讀入指示部18。

圖2是示出成為本實施形態的應用物件的加熱控制裝置的構成的框圖。加熱控制裝置包括：對作為處理對象的被加熱物進行加熱的加熱處理爐100、電加熱器101、計測加熱處理爐100內的溫度的溫度感測器102、控制加熱處理爐100內的溫度的PID控制器103、電力調整器104、以及電力供給電路105。

PID控制器103計算操作量MV以使溫度感測器102所計測到的控制量PV(溫度)與設定值SP一致。設定值SP例如通過操作者來設定。電力調整器104決定與操作量MV相應的電力，通過電力供給電路105向電加熱器101供給該決定了的電力。這樣，PID控制器103控制加熱處理爐100內的被加熱物的溫度。圖1的控制功能部1與資料收集功能部被2被安裝在PID控制器103中。

接著，參照圖3，說明本實施形態的動作。設定值SP通過操作者等來設定，並經由設定值輸入部10而被輸入到操作量計算部12、長週期資料保存部15和短週期資料記錄部16(圖3步驟S1)。

控制量PV通過計測器(在圖2的例子中是溫度感測器102)來計測，並經由控制量輸入部11而被輸入到操作量計算部12、長週期資料保存部15和短週期資料記錄部16(圖3步驟S2)。

操作量計算部12通過如以下的傳遞函數式那樣的PID控制運算，根據設定值SP與控制量PV來計算操作量MV(圖3步驟S3)。

MV=(100/PB){1+(1/TIs)+TDs}(SP-PV)．．．(1)

在式(1)中，PB是比例帶，TI是積分時間，TD是微分時間，s是拉普拉斯運算元。

操作量輸出部13將通過操作量計算部12計算出的操作量MV輸出到控制物件(圖3步驟S4)。在圖2的例子中，電力調整器104成為操作量MV的實際的輸出目的地。

接下來，在為應該保存長週期資料的時間點(圖3步驟S5中的“是”)時，長週期資料保存部15將從控制量輸入部11輸入的控制量PV、由操作量算出部12算出的操作量MV和從設定值輸入部10輸入的設定值SP作為應收集的資料進行保存(圖3步驟S6)。此時，長週期資料保存部15在由控制量PV、操作量MV與設定值SP構成的資料集中，附加地記錄由時鐘14得到的當前時刻的資訊。

長週期資料保存部15在比控制週期長的每個第一週期T1都保存資料。因此，控制動作繼續，步驟S5、S6的處理在每個第一週期T1都被反復執行，控制量PV的時序資料、操作量MV的時序資料和設定值SP的時序資料被保存於長週期資料保存部15。

另一方面，在為應該記錄短週期資料的時間點(圖3步驟S7中的“是”)時，短週期資料記錄部16將從控制量輸入部11輸入的控制量PV、由操作量算出部12算出的操作量MV和從設定值輸入部10輸入的設定值SP作為應該收集的資料暫時進行記錄(圖3步驟S8)。此時，短週期資料記錄部16在由控制量PV、操作量MV與設定值SP構成的資料集中，附加地記錄由時鐘14得到的當前時刻的資訊。

短週期資料記錄部16在與控制週期相同或者比控制週期長、且比第一週期T1短的每個第二週期T2(T2<T1)記錄資料。因此，控制動作繼續，步驟S7、S8的處理在每個第二週期T2都被反復執行，控制量PV的時序資料、操作量MV的時序資料和設定值SP的時序資料被記錄於短週期資料記錄部16。

接下來，僅在所述第一週期T1中短週期資料記錄部16所記錄的控制量PV具有規定以上的變化的情況下(圖3步驟S9中的“是”)，短週期資料保存部17從短週期資料記錄部16讀出該控制量PV具有規定以上的變化的第一週期T1中的資料(控制量PV的時序資料、操作量MV的時序資料和設定值SP的時序資料)並進行保存(圖3步驟S10)。即，原則上保存於短週期資料保存部17的時間點可以是與應該保存長週期資料的時間點相同或者稍稍延遲的程度，保存於短週期資料保存部17的資料為在第一週期T1的期間短週期資料記錄部16所記錄的所有資料。

在此，控制量PV的規定以上的變化是指，在第一週期T1中短週期資料記錄部16所記錄的控制量PV的最大值和最小值之差為規定的控制量規定值PVth以上的情形。因此，在第一週期T1中短週期資料記錄部16所記錄的控制量PV存在極大值的情況下，該極大值為最大值的候補，在其與最小值的差為控制量規定值PVth以上時，短週期資料保存部17視作控制量PV具有規定以上的變化，從短週期資料記錄部16讀出在該第一週期T1中短週期資料記錄部16所記錄的資料(控制量PV的時序資料、操作量MV的時序資料和設定值SP的時序資料)並進行保存。

又，在第一週期T1中短週期資料記錄部16所記錄的控制量PV存在極小值的情況下，該極小值成為最小值的候補，在其與最大值之差為控制量規定值PVth以上時，短週期資料保存部17視作控制量PV具有規定以上的變化，從短週期資料記錄部16讀出在該第一週期T1中短週期資料記錄部16所記錄的資料並進行保存。

又，如果在第一週期T1中短週期資料記錄部16所記錄的控制量PV的資料為單調減少的資料的話，則不存在極大值以及極小值，所以短週期資料保存部17在該第一週期T1中短週期資料記錄部16所記錄的控制量PV的最大值與最小值之差為控制量規定值PVth以上時，視作控制量PV具有規定以上的變化，從短週期資料記錄部16讀出從最大值到最小值為止的期間所包含的資料並進行保存。

又，如果在第一週期T1中短週期資料記錄部16所記錄的控制量PV的資料為單調增加的資料的話，則短週期資料保存部17在該第一週期T1中短週期資料記錄部16所記錄的控制量PV的最小值與最大值之差在控制量規定值PVth以上時，視作控制量PV具有規定以上的變化，從短週期資料記錄部16讀出從最小值到最大值為止的期間所包含的資料並進行保存。

通過短週期資料記錄部16進行的資料的暫時記錄與通過長週期資料保存部15以及短週期資料保存部17進行的資料的保存的不同點為：在短週期資料記錄部16中，允許資料的蓋寫，在達到短週期資料記錄部16的存儲容量的上限時，從最舊的資料開始依次蓋寫為新的資料，相對於此，在長週期資料保存部15以及短週期資料保存部17中，資料的蓋寫被禁止，在達到存儲容量的上限時，只要不刪除所保存的資料，就不能保存新的資料。短週期資料記錄部16和短週期資料保存部17的存儲容量只要是至少比長週期(第一週期T1)的時間的短週期資料的容量大的容量即可。

讀入指示部18在短週期資料保存部17所保存的資料達到規定時間以上的資料時(圖3步驟S11)，通知操作者利用上位裝置(例如PC)來讀入短週期資料保存部17所保存的資料(圖3步驟S12)。作為通知方法，存在有例如使LED閃爍或者亮燈以使得操作者能夠識別催促等方法。

在每個控制週期中反復執行以上那樣的步驟S1~S12的處理，直到例如根據來自操作者的指令而控制結束為止(在圖3步驟S13中為“是”)。

圖4的(A)、圖4的(B)是說明本實施形態的PID控制器的資料收集的動作的圖，圖4的(A)示出了控制量PV的變化的一個例子，圖4的(B)示出了操作量MV的變化的一個例子。圖4的(A)的縱軸是控制量PV，橫軸是時間，圖4的(B)的縱軸是操作量MV，橫軸是時間。在這裡，將設定值SP設為溫度設定值，將控制量PV設為溫度計測值，說明例如在圖2所示的加熱控制裝置中收集資料的情況。如上所述，T1是長週期資料保存部15保存資料的第一週期(長週期)。

在圖4的(A)、圖4的(B)的例子中，在設定值SP從150℃變更為300℃時控制量PV上升，產生設想外的干擾，在從時刻t1到時刻t2為止的第一週期T1(長週期)中，最大值(時刻t1的控制量PV)與最小值(時刻t2的控制量PV)之差為控制量規定值PVth以上，在從時刻t1到時刻t2為止的第一週期T1中的所有資料被保存於短週期資料保存部17。又，在從時刻t2到時刻t3為止的第一週期T1(長週期)中，作為最小值的極小值與最大值(時刻t3的控制量PV)之差為控制量規定值PVth以上，在從時刻t2到時刻t3為止的第一週期T1中的所有資料被保存於短週期資料保存部17。

在施加了頻率比控制動作的頻率特性(PID運算的性質方面能夠計算)高的干擾等的情況下等，需要保存短週期資料。因此，如果將PID參數的積分時間TI的α倍(例如α=0.5)設為長週期(第一週期T1)(T1=α TI)，將PID參數的比例帶PB的β倍(例如β=0.2)設為控制量規定值PVth(PVth=β PB)，則操作者在進行適當的設定時能夠果斷地完成。

在本實施形態中，僅在第一週期T1中短週期資料記錄部16所記錄的控制量PV具有規定以上的變化的情況下，從短週期資料記錄部16讀出該控制量PV具有規定以上的變化期間的資料並進行保存，因此在長週期內的控制量PV的變化量顯著的情況下、在長週期記憶體在控制量PV的顯著極大點或者極小點的情況下，能夠沒有遺漏地收集資料。即，能夠減少由控制量PV發生設想外的快速變化而導致的資料收集的錯誤。

又，在本實施形態中，在資料收集功能部2中設置了讀入指示部18，但也可以設置自動轉送手段。該自動轉送手段在短週期資料保存部17所保存的資料達到規定時間以上的資料時，將短週期資料保存部17所保存的資料經由通信網路自動地轉送到上位裝置，刪除短週期資料保存部17所保存的資料。由此，能夠使短週期資料保存部17返回到能夠進行資料的蓋寫的狀態。

又，在本實施形態中，短週期資料記錄部16記錄控制量PV的時序資料、操作量MV的時序資料和設定值SP的時序資料，長週期資料保存部15和短週期資料保存部17保存控制量PV的時序資料、操作量MV的時序資料和設定值SP的時序資料，但記錄/保存操作量MV的時序資料和設定值SP的時序資料並非本發明的必要要件。也可以是短週期資料記錄部16僅記錄控制量PV的時序資料，長週期資料保存部15和短週期資料保存部17僅保存控制量PV的時序資料。

在本實施形態中說明了的PID控制器能夠通過具備CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)、存儲裝置和介面的電腦、以及控制這些硬體資源的程式來實現。CPU依照在存儲裝置中所儲存的程式，執行本實施形態中所說明的處理。

本發明能夠應用於具備資料收集功能的PID控制器。