JP2002157002A - Process control unit - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば発電プラン
トや石油化学・鉄鋼等の一般産業プラントにおける制御
対象となる温度・流量・圧力等のプロセスの値を所定の
値に制御するプロセス制御装置に係り、特により幅広い
制御対象に対して適用可能なプロセス制御装置に関する
ものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a process control device for controlling process values such as temperature, flow rate and pressure to be controlled in a general industrial plant such as a power plant or petrochemical or steel to a predetermined value. In particular, the present invention relates to a process control device applicable to a wider range of controlled objects.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来から、例えば発電プラントや石油化
学・鉄鋼等の一般産業界のプラントにおいては、制御対
象となるプロセスの値を所定の値に制御するために、比
例・積分・微分動作を兼ね備えたＰＩＤ制御装置が広く
使用されてきている。2. Description of the Related Art Conventionally, in plants of general industries such as power plants and petrochemicals / steel, for example, proportional / integral / differential operations are performed in order to control a process value to be controlled to a predetermined value. A combined PID control device has been widely used.
【０００３】図６は、この種の従来のＰＩＤ補償器を用
いたＰＩＤ制御装置の構成例を示すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of a PID control device using a conventional PID compensator of this kind.
【０００４】図６において、ＰＩＤ補償器６は、制御目
標値(ＳＶ)と制御対象４の制御量(ＰＶ)との偏差(ｅ)を
入力とし、当該偏差(ｅ)に対して比例演算・積分演算・
微分演算を行ない、出力である制御対象４に対する操作
量(ＭＶ)を生成する。In FIG. 6, a PID compensator 6 receives a deviation (e) between a control target value (SV) and a control amount (PV) of a control target 4 as an input, and performs a proportional operation on the deviation (e). Integral operation
A differential operation is performed to generate an operation amount (MV) for the control target 4 as an output.
【０００５】なお、図６中、記号ＫPは比例定数、ＴIは
積分定数、ＴDは微分定数、ｓはＬａｐｌａｃｅ演算子
をそれぞれ表わしている。[0005] In FIG. 6, the symbol K P proportional constant, T I is the integral constant, T D denotes differential constant, s is a Laplace operator, respectively.
【０００６】ところで、これら発電プラントや一般産業
プロセスの多くは、制御目標値(ＳＶ)を変化させた場合
や、制御量(ＰＶ)に対して外乱が混入した場合に、これ
ら制御目標値(ＳＶ)の変化や外乱の混入タイミングか
ら、何らかの時間遅れ(以下、むだ時間と称する)をもっ
て変化するといった特性を有している。However, many of these power plants and general industrial processes change the control target value (SV) when the control target value (SV) is changed or when a disturbance is mixed in the control amount (PV). ) And the mixing timing of the disturbance, there is a characteristic that it changes with some time delay (hereinafter, referred to as dead time).
【０００７】このため、特に、制御対象４の時定数に比
べてむだ時間が長い場合、上述した従来のＰＩＤ制御装
置では、十分な制御性能を得ることができないという問
題点がある。[0007] For this reason, in particular, when the dead time is longer than the time constant of the control target 4, there is a problem that the above-described conventional PID control device cannot obtain sufficient control performance.
【０００８】そこで、最近では、このような問題点を解
決するために、ＰＩＤ制御装置に代えて、内部に１次遅
れおよびむだ時間要素の正帰還を含んだ構造を有するプ
ロセス制御装置が提案されてきている。Therefore, recently, in order to solve such a problem, a process control device having a structure including a first-order delay and positive feedback of a dead time element has been proposed instead of the PID control device. Is coming.
【０００９】図７は、この種の従来の正帰還構造を有す
るプロセス制御装置の構成例を示すブロック図であり、
図６と同一要素には同一符号を付して示している。FIG. 7 is a block diagram showing an example of the configuration of a process control apparatus having this type of conventional positive feedback structure.
The same elements as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals.
【００１０】すなわち、図７に示すように、プロセス制
御装置は、制御目標値(ＳＶ)と位相進み遅れ補償器７の
出力との偏差(ｅ)を入力とし、当該偏差(ｅ)に対して比
例演算を行なう比例器１１、制御器１本体の出力をフィ
ードバックし、当該制御器１本体の出力に対して１次遅
れフィルタとむだ時間演算を行なう補償器１２、比例器
１１の後段に設置されて比例器１１からの出力と補償器
１２からの出力とを加算し、制御器１本体の出力である
制御対象４に対する操作量(ＭＶ)を生成する加算器１３
からなる制御器１と、制御対象４の制御量(ＰＶ)を入力
とし、当該制御量(ＰＶ)に対して位相進み遅れ演算を行
なう位相進み遅れ補償器７とから構成されている。That is, as shown in FIG. 7, the process control apparatus receives a deviation (e) between the control target value (SV) and the output of the phase lead / lag compensator 7 as an input, and A proportional unit 11 for performing a proportional operation, a compensator 12 for feeding back the output of the main unit of the controller 1 and performing a first-order lag filter and a dead time operation on the output of the main unit of the controller 1, and a compensator 12 installed after the proportional unit 11 The adder 13 adds the output from the proportional unit 11 and the output from the compensator 12 to generate an operation amount (MV) for the control target 4 which is the output of the controller 1 itself.
And a phase lead / lag compensator 7 which receives a control amount (PV) of the control target 4 and performs a phase lead / lag operation on the control amount (PV).
【００１１】なお、図７中、記号ＴCは一次遅れフィル
タの時定数、ＬCはむだ時間要素の遅れ時間、Ｔ1，Ｔ2
は位相進み遅れ補償の時定数、ｓはＬａｐｌａｃｅ演算
子をそれぞれ表わしている。In FIG. 7, T C is the time constant of the first-order lag filter, L C is the delay time of the dead time element, T 1, T 2
Denotes a time constant for phase lead / lag compensation, and s denotes a Laplace operator.
【００１２】すなわち、この種のプロセス制御装置は、
制御器１本体の出力をフィードバックして加算するとい
う、正帰還構造を有していることが特徴である(正帰還
制御装置)。That is, this type of process control apparatus
It is characterized by having a positive feedback structure in which the output of the controller 1 is fed back and added (positive feedback control device).
【００１３】特に、正帰還部分で設定しなければならな
い一次遅れフィルタの時定数ＴCとむだ時間要素の遅れ
時間ＬCを、制御対象４の時定数とむだ時間に一致させ
ることにより、良好な制御性能を得ることができる。In particular, by setting the time constant T C of the first-order lag filter and the delay time L C of the dead time element, which must be set in the positive feedback portion, to coincide with the time constant of the controlled object 4 and the dead time, it is possible to obtain a good result. Control performance can be obtained.
【００１４】さらに、このプロセス制御装置を用いるこ
とにより、むだ時間が制御対象４の時定数に比べて長い
制御対象４であっても、制御目標値(ＳＶ)変更に対する
目標値追従特性を、従来のＰＩＤ制御装置を用いた場合
よりも良好に制御することができる。Further, by using this process control device, even if the dead time of the controlled object 4 is longer than the time constant of the controlled object 4, the target value following characteristic with respect to the change of the control target value (SV) can be improved. Can be controlled better than when the PID control device is used.
【００１５】しかしながら、制御対象４に加わった外乱
の影響に対する制御性、すなわち外乱抑制特性を良好に
制御することができないという問題点がある。However, there is a problem that controllability with respect to the influence of disturbance applied to the control target 4, that is, disturbance suppression characteristics cannot be controlled well.
【００１６】また、制御対象４の特性が無定位系である
場合に、その制御が困難であるといった問題点もある。In addition, when the characteristics of the control target 4 are an asymmetric system, there is a problem that the control is difficult.
【００１７】[0017]
【発明が解決しようとする課題】多くのプロセス制御で
は、制御目標値(ＳＶ)が変化した際に速やかにかつオフ
セット無しに制御目標値(ＳＶ)に追従する目標値追従特
性と、制御対象４に外乱が加わった際に速やかに外乱の
影響を除去して所定の値にプロセス値を戻す外乱抑制特
性との両特性が良好であることが要求される。In many process controls, when the control target value (SV) changes, a target value follow-up characteristic that quickly follows the control target value (SV) without offset, and the control target 4 It is required that both characteristics such as a disturbance suppression characteristic that quickly removes the influence of the disturbance when a disturbance is applied and returns the process value to a predetermined value are good.
【００１８】また、制御対象４となるプロセスの性質は
様々であり、幅広い制御対象を良好に制御できる必要が
ある。Further, the properties of the process to be controlled 4 are various, and it is necessary to control a wide range of controlled objects well.
【００１９】しかしながら、前述した従来の制御装置に
おいては、制御対象４の時定数に比較してむだ時間が長
い場合に、良好な制御を行なうことができない、または
そのような制御対象４に対して目標値追従特性のみしか
良好に制御することができない。However, in the above-described conventional control device, if the dead time is longer than the time constant of the control target 4, good control cannot be performed, or such a control target 4 cannot be controlled. Only the target value following characteristic can be controlled well.
【００２０】また、制御対象４に外乱が加わった際に、
外乱抑制特性を良好に制御することができない。When a disturbance is applied to the control target 4,
Disturbance suppression characteristics cannot be controlled well.
【００２１】さらに、制御対象４の特性が定位系であれ
ば、簡単に調整を行なうことができるが、制御対象４の
特性が無定位系であるものに対しては、制御を行なうこ
とが困難である。Further, if the characteristic of the controlled object 4 is a localized system, the adjustment can be easily performed, but if the characteristic of the controlled object 4 is a non-localized system, it is difficult to perform the control. It is.
【００２２】本発明の目的は、制御対象の時定数に比べ
てむだ時間が長い制御対象に対しても、目標値追従特性
と外乱抑制特性との両特性を良好に制御することがで
き、また制御対象の特性が定位系だけでなく無定位系に
対しても簡単な調整で良好な制御を行なうことが可能な
プロセス制御装置を提供することにある。An object of the present invention is to control both the target value follow-up characteristic and the disturbance suppression characteristic satisfactorily even for a controlled object whose dead time is longer than the time constant of the controlled object. It is an object of the present invention to provide a process control device capable of performing good control with simple adjustment not only for a localized system but also for a non-localized system in which characteristics of a control target.
【００２３】[0023]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に対応する発明のプロセス制御装置は、
制御目標値と制御対象の制御量との偏差を入力とし、当
該偏差に対して比例演算を行なう比例器、制御器本体か
らの出力をフィードバックし、当該制御器本体からの出
力に対して１次遅れ演算およびむだ時間演算を行なう補
償器、および比例器からの出力と補償器からの出力とを
加算し、制御器本体からの出力である制御対象に対する
操作量を生成する加算器からなる制御器と、制御対象の
制御量を入力とし、当該制御量に対してフィルタ演算を
行なう外乱補償器と、制御器本体からの出力である制御
対象に対する操作量から外乱補償器からの出力を減算
し、制御対象に対する最終的な操作量を生成する減算器
とを備えている。In order to achieve the above object, a process control apparatus according to the invention according to claim 1 is provided.
A proportionality device that takes a deviation between a control target value and a controlled variable of a control target as an input, performs a proportional operation on the deviation, feeds back an output from the controller main body, and outputs a first order to an output from the controller main body. A controller comprising a compensator for performing a delay operation and a dead time operation, and an adder for adding an output from the proportional unit and an output from the compensator to generate an operation amount for a control target output from the controller body. And a disturbance compensator that receives a control amount of a control target as an input and performs a filter operation on the control amount, and subtracts an output from the disturbance compensator from an operation amount for the control target that is an output from the controller body, And a subtractor for generating a final operation amount for the control target.
【００２４】従って、請求項１に対応する発明のプロセ
ス制御装置においては、制御対象の制御量を取り込み、
当該制御量に対してフィルタ演算を行なう外乱補償器を
備え、当該外乱補償器からの出力を制御器本体からの出
力である制御対象に対する操作量から差引いて、制御対
象に対する最終的な操作量を生成することにより、制御
対象に加わる外乱に対する特性を改善するように外乱補
償器を調整することで、制御器は目標値応答を改善する
ように調整すればよくなるため、目標値追従特性と外乱
抑制特性との両特性を個別に良好に制御できる２自由度
制御を実現することができる。これにより、本来の目標
値追従特性を損なうことなしに、制御対象に加わる外乱
の影響を抑制することができる。また、制御器からみた
制御対象は、実制御対象と外乱補償器との制御ループで
あり、実制御対象が無定位系であっても、制御対象と外
乱補償器とを合わせた特性（見かけの制御対象）を定位
系とすることができるため、定位系と同じロジックで良
好に制御することができる。Therefore, in the process control device according to the first aspect of the present invention, the control amount of the control target is taken in, and
A disturbance compensator that performs a filter operation on the control amount is provided, and an output from the disturbance compensator is subtracted from an operation amount for the control target, which is an output from the controller body, to obtain a final operation amount for the control target. By generating, by adjusting the disturbance compensator so as to improve the characteristic with respect to the disturbance applied to the control target, the controller can be adjusted so as to improve the target value response. It is possible to realize two-degree-of-freedom control in which both the characteristics and the characteristics can be individually and well controlled. This makes it possible to suppress the influence of disturbance applied to the control target without impairing the original target value tracking characteristic. Also, the control target viewed from the controller is a control loop between the actual control target and the disturbance compensator. Even if the real control target is an astatic system, the characteristics (apparent characteristics) of the control target and the disturbance compensator are combined. Since the (control target) can be a localization system, it can be satisfactorily controlled with the same logic as the localization system.
【００２５】また、請求項２に対応する発明のプロセス
制御装置は、上記請求項１に対応する発明のプロセス制
御装置において、外乱補償器として、比例演算および微
分演算を行なう比例・微分補償器を用いている。According to a second aspect of the present invention, in the process control apparatus according to the first aspect of the present invention, a proportional / differential compensator for performing a proportional operation and a differential operation is provided as a disturbance compensator. Used.
【００２６】従って、請求項２に対応する発明のプロセ
ス制御装置においては、外乱補償器として、比例演算お
よび微分演算を行なう比例・微分補償器を用いることに
より、外乱補償器を、比例演算と微分演算といった従来
のＰＩＤ制御で使用されている要素で構成することがで
きるため、従来の制御装置に簡単に組み込むことができ
る。Therefore, in the process control apparatus according to the second aspect of the present invention, by using a proportional / differential compensator for performing a proportional operation and a differential operation as the disturbance compensator, the disturbance compensator can be used for the proportional operation and the differential operation. Since it can be composed of elements used in the conventional PID control such as calculation, it can be easily incorporated into a conventional control device.
【００２７】さらに、請求項３に対応する発明のプロセ
ス制御装置は、上記請求項１に対応する発明のプロセス
制御装置において、外乱補償器として、微分演算を行な
う微分補償器を用いている。Further, a process control device according to a third aspect of the present invention is the process control device according to the first aspect of the present invention, wherein a differential compensator that performs a differential operation is used as a disturbance compensator.
【００２８】従って、請求項３に対応する発明のプロセ
ス制御装置においては、外乱補償器として、微分演算を
行なう微分補償器を用いることにより、外乱補償器を、
微分演算といった従来のＰＩＤ制御で使用されている要
素で構成することができるため、従来の制御装置に簡単
に組み込むことができる。また、外乱補償器における調
整用のパラメータが一つでよいため、調整のより一層の
簡単化を図ることができる。Therefore, in the process control apparatus according to the third aspect of the present invention, by using a differential compensator for performing a differential operation as the disturbance compensator,
Since it can be composed of elements used in conventional PID control such as differential operation, it can be easily incorporated into a conventional control device. Further, since only one adjustment parameter is required in the disturbance compensator, the adjustment can be further simplified.
【００２９】さらにまた、請求項４に対応する発明のプ
ロセス制御装置は、上記請求項１に対応する発明のプロ
セス制御装置において、外乱補償器として、比例演算を
行なう比例補償器を用いている。Further, a process control device according to a fourth aspect of the present invention is the process control device according to the first aspect of the present invention, wherein a proportional compensator that performs a proportional operation is used as a disturbance compensator.
【００３０】従って、請求項４に対応する発明のプロセ
ス制御装置においては、外乱補償器として、比例演算を
行なう比例補償器を用いることにより、外乱補償器を、
比例演算といった従来のＰＩＤ制御で使用されている要
素で構成することができるため、従来の制御装置に簡単
に組み込むことができる。また、外乱補償器における調
整用のパラメータが一つでよいため、調整のより一層の
簡単化を図ることができる。Therefore, in the process control device according to the present invention, a proportional compensator that performs a proportional operation is used as the disturbance compensator, so that the disturbance compensator can
Since it can be composed of elements used in conventional PID control such as proportional operation, it can be easily incorporated into a conventional control device. Further, since only one adjustment parameter is required in the disturbance compensator, the adjustment can be further simplified.
【００３１】以上により、制御対象の時定数に比べてむ
だ時間が長い制御対象に対しても、目標値追従特性と外
乱抑制特性との両特性を良好に制御することができ、ま
た制御対象の特性が定位系だけでなく無定位系に対して
も簡単な調整で良好な制御を行なうことが可能となる。As described above, even for a control object having a dead time longer than the time constant of the control object, both the target value tracking characteristic and the disturbance suppression characteristic can be favorably controlled. Good control can be performed with a simple adjustment not only for a localized system but also for a non-localized system.
【００３２】[0032]
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて図面を参照して詳細に説明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
【００３３】図１は、本実施の形態によるプロセス制御
装置の構成例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a process control device according to the present embodiment.
【００３４】すなわち、本実施の形態によるプロセス制
御装置は、図１に示すように、制御器１と、外乱補償器
２と、減算器３とから構成している。That is, the process control device according to the present embodiment comprises a controller 1, a disturbance compensator 2, and a subtractor 3, as shown in FIG.
【００３５】また、制御器１は、比例器１１と、補償器
（正帰還要素）１２と、加算器１３とからなっている。The controller 1 includes a proportional unit 11, a compensator (positive feedback element) 12, and an adder 13.
【００３６】比例器１１は、制御目標値(ＳＶ)と制御対
象４の制御量(ＰＶ)との偏差(ｅ)を入力とし、当該偏差
(ｅ)に対して比例演算を行なう。The proportional unit 11 receives the deviation (e) between the control target value (SV) and the control amount (PV) of the control target 4 as an input, and
Perform a proportional operation on (e).
【００３７】補償器１２は、１次遅れ要素とむだ時間と
の積で構成され、制御器１本体の出力をフィードバック
し、当該制御器１本体の出力に対して１次遅れ演算およ
びむだ時間演算を行なう。The compensator 12 is composed of a product of a first-order lag element and a dead time, feeds back the output of the controller 1 body, and performs a first-order lag operation and a dead time operation on the output of the controller 1 body. Perform
【００３８】加算器１３は、比例器１１からの出力と補
償器１２からの出力とを加算し、上記制御器１本体の出
力である制御対象４に対する操作量(ＭＶ)を生成する。The adder 13 adds an output from the proportional unit 11 and an output from the compensator 12 to generate an operation amount (MV) for the control target 4 which is an output of the controller 1.
【００３９】外乱補償器２は、制御対象４の制御量(Ｐ
Ｖ)を入力とし、当該制御量(ＰＶ)に対してフィルタ演
算を行なう。The disturbance compensator 2 controls the control amount (P
V), and performs a filter operation on the control amount (PV).
【００４０】減算器３は、制御器１本体の出力である制
御対象４に対する操作量(ＭＶ)から外乱補償器２からの
出力を減算し、制御対象４に対する最終的な操作量(Ｍ
Ｖ)を生成して制御対象４に与える。The subtractor 3 subtracts the output from the disturbance compensator 2 from the manipulated variable (MV) for the control target 4 which is the output of the controller 1 itself, and outputs the final manipulated variable (M
V) is generated and given to the control target 4.
【００４１】次に、以上のように構成した本実施の形態
によるプロセス制御装置の作用について説明する。Next, the operation of the process control device according to the present embodiment configured as described above will be described.
【００４２】図１において、制御対象１には、操作量
(ＭＶ)が入力され、その入力の結果制御量(ＰＶ)が出力
される。In FIG. 1, the controlled object 1 includes an operation amount.
(MV) is input, and as a result of the input, the control amount (PV) is output.
【００４３】制御器１の比例器１１には、制御目標値
(ＳＶ)と制御対象４の制御量(ＰＶ)との偏差(ｅ)が入力
され、その偏差(ｅ)に対して比例演算を行なった後の出
力が送出される。A control target value is stored in the proportional unit 11 of the controller 1.
A deviation (e) between (SV) and the control amount (PV) of the control target 4 is input, and an output after performing a proportional operation on the deviation (e) is transmitted.
【００４４】制御器１の補償器１２には、制御器１本体
の出力がフィードバックされ、その制御器１本体の出力
に対して１次遅れ演算およびむだ時間演算を行なった後
の出力が送出される。The output of the main body of the controller 1 is fed back to the compensator 12 of the controller 1, and the output after the first-order lag operation and the dead time operation are performed on the output of the main body of the controller 1 is sent out. You.
【００４５】制御器１の加算器１３には、比例器１１の
出力と補償器１２の出力とが入力されて加算され、本制
御器１の出力である制御対象４に対する操作量(ＭＶ)が
生成されて出力される。The output of the proportional unit 11 and the output of the compensator 12 are input to the adder 13 of the controller 1 and added, and the manipulated variable (MV) for the control target 4 which is the output of the controller 1 is calculated. Generated and output.
【００４６】一方、外乱補償器２には、制御対象４の制
御量(ＰＶ)が入力され、その制御量(ＰＶ)に対して所定
のフィルタ演算を行なった後の出力が送出される。On the other hand, the control amount (PV) of the control target 4 is input to the disturbance compensator 2, and an output after performing a predetermined filter operation on the control amount (PV) is transmitted.
【００４７】減算器３では、制御器１の出力である制御
対象４に対する操作量(ＭＶ)から、外乱補償器２の出力
が減算され、制御対象４に対する最終的な操作量(ＭＶ)
が生成されて制御対象４に与えられ、制御対象４の制御
が行なわれる。In the subtracter 3, the output of the disturbance compensator 2 is subtracted from the manipulated variable (MV) of the control object 4 which is the output of the controller 1, and the final manipulated variable (MV) of the controlled object 4 is subtracted.
Is generated and given to the control target 4, and the control of the control target 4 is performed.
【００４８】この場合、制御対象４に加わる外乱に対す
る特性を改善するように外乱補償器２を調整することに
より、制御器１は目標値応答を改善するように調整すれ
ばよくなるため、目標値追従特性と外乱抑制特性との両
特性を個別に良好に制御することができ、２自由度制御
を実現することができる。これにより、本来の目標値追
従特性を損なうことなしに、制御対象４に加わる外乱の
影響を抑制することができる。In this case, by adjusting the disturbance compensator 2 so as to improve the characteristic with respect to the disturbance applied to the control target 4, the controller 1 only has to adjust so as to improve the target value response. Both the characteristic and the disturbance suppression characteristic can be individually and satisfactorily controlled, and two-degree-of-freedom control can be realized. As a result, the influence of disturbance applied to the control target 4 can be suppressed without impairing the original target value tracking characteristic.
【００４９】また、制御器１からみた制御対象４は、実
制御対象４と外乱補償器２との制御ループであり、実制
御対象４が無定位系であっても、制御対象４と外乱補償
器２とを合わせた特性（見かけの制御対象）を定位系と
することができるため、定位系と同じロジックで良好に
制御することができる。Further, the control target 4 as viewed from the controller 1 is a control loop of the real control target 4 and the disturbance compensator 2. Even if the real control target 4 is a non-localized system, the control target 4 and the disturbance compensation Since the characteristic (apparent control target) combined with the device 2 can be used as a localization system, it can be controlled well with the same logic as the localization system.
【００５０】以下、かかる点についてより具体的に説明
する。Hereinafter, such a point will be described more specifically.
【００５１】一般に、制御対象に接続された制御装置の
目的は、制御対象の出力を所定の制御目標値に保つこと
である。In general, the purpose of a control device connected to a control target is to keep the output of the control target at a predetermined control target value.
【００５２】すなわち、これは、制御目標値が変化した
場合に、速やかにかつオフセット無く目標値に制御量を
追従させること(目標値追従特性)、制御対象に外乱信号
が加わって制御量が制御目標値から変動した場合に、速
やかにその変動を抑制すること(外乱抑制特性)である。That is, when the control target value changes, the control amount follows the target value promptly and without offset (target value follow-up characteristic), and the control amount is controlled by adding a disturbance signal to the control target. This is to quickly suppress the fluctuation when the value fluctuates from the target value (disturbance suppression characteristic).
【００５３】しかしながら、この目標値追従特性と外乱
抑制特性とは、トレードオフの関係にあり、単一の制御
装置では両特性を良好に制御することはできない。However, the target value tracking characteristic and the disturbance suppression characteristic are in a trade-off relationship, and a single control device cannot control both characteristics satisfactorily.
【００５４】この点、本実施の形態のプロセス制御装置
においては、従来の正帰還構造を有する制御装置では、
制御器１のみを有する構造であったことに対して、主と
して外乱抑制特性を向上させるための外乱補償器２を新
たに追加していることにより、制御器１では目標値追従
特性が向上するように調整し、外乱に対する特性が向上
するように外乱補償器２を調整することによつて、両特
性を良好に制御することが可能となる。In this regard, in the process control device of the present embodiment, the conventional control device having a positive feedback structure
In contrast to the structure having only the controller 1, a disturbance compensator 2 for mainly improving the disturbance suppression characteristic is newly added, so that the controller 1 can improve the target value tracking characteristic. By adjusting the disturbance compensator 2 so as to improve the characteristics with respect to the disturbance, both characteristics can be controlled well.
【００５５】また、制御器１からみた等価的制御対象
は、制御対象４と外乱補償器２とから構成される閉ルー
プ系であり、仮に制御対象４が無定位系の特性を有して
いても、等価的に制御対象４は定位系の特性を有する。The equivalent control target viewed from the controller 1 is a closed loop system composed of the control target 4 and the disturbance compensator 2, and even if the control target 4 has the characteristics of the asymmetric system. , Equivalently, the controlled object 4 has the properties of a localization system.
【００５６】この外乱補償器２としては、制御量(ＰＶ)
を入力とし、操作量(ＭＶ)に加わった外乱による操作量
変動を除去するための操作量(ＭＶ)を出力するものであ
ればよく、例えば下式に示されるような、比例ゲイン要
素、微分要素、比例ゲイン要素と微分要素との和を用い
ることができる。The disturbance compensator 2 includes a control amount (PV)
And an output of the manipulated variable (MV) for removing the manipulated variable fluctuation due to disturbance added to the manipulated variable (MV). For example, a proportional gain element, a differential Element, the sum of the proportional gain element and the differential element can be used.
【００５７】[0057]
【数１】 (Equation 1)
【００５８】上式において、記号ｓはＬａｐｌａｃｅ演
算子を表わす。In the above expression, the symbol s represents a Laplace operator.
【００５９】上記比例ゲイン要素は、制御量(ＰＶ)の大
きさに比例した操作量(ＭＶ)を出力する。The proportional gain element outputs an operation amount (MV) proportional to the magnitude of the control amount (PV).
【００６０】例えば、外乱の影響によって制御量(ＰＶ)
が増加した場合、比例ゲイン要素からの出力は大きくな
る。For example, the control amount (PV) is controlled by the influence of disturbance.
Increases, the output from the proportional gain element increases.
【００６１】その結果、制御対象４に加えられる操作量
(ＭＶ)は小さくなり、制御量(ＰＶ)の変動を抑えること
ができる。As a result, the amount of operation applied to the control target 4
(MV) becomes small, and the fluctuation of the control amount (PV) can be suppressed.
【００６２】比例ゲイン要素は、制御量(ＰＶ)の大きさ
に比例した操作量を出力するが、微分要素は、制御量
(ＰＶ)の変化割合に合わせた操作量を出力する。The proportional gain element outputs an operation amount proportional to the magnitude of the control amount (PV), while the differential element outputs the control amount
An operation amount corresponding to the change rate of (PV) is output.
【００６３】そのため、外乱の影響が大きく急激に制御
量(ＰＶ)が変化した場合には大きな操作量を、外乱の影
響が小さく制御量(ＰＶ)の変化が小さい場合には小さな
操作量を出力するといった、きめ細かな制御を行なうこ
とが可能となる。Therefore, a large manipulated variable is output when the influence of the disturbance is large and the control amount (PV) changes rapidly, and a small manipulated variable is output when the influence of the disturbance is small and the control amount (PV) is small. It is possible to perform fine control such as performing
【００６４】純粋な微分要素は、Ｋdｓのみで実現でき
るが、実際のプラントで計測される制御量(ＰＶ)にはノ
イズが混入しており、一般に高周波成分を多く含んでい
る。Although a pure differential element can be realized only by Kds, the control amount (PV) measured in an actual plant contains noise and generally contains many high-frequency components.
【００６５】そのため、高周波ノイズが含まれた制御量
(ＰＶ)を、純粋な微分要素に加えた場合には、高周波帯
域の変化量が大きくなり、非常に大きな操作量が出力さ
れてしまう。Therefore, the control amount including high-frequency noise
When (PV) is added to a pure differential element, the amount of change in the high frequency band increases, and a very large amount of operation is output.
【００６６】そして、これは、本来の外乱抑制に必要以
上の操作量となり、正しい制御を行なうことができい。This results in an operation amount that is more than necessary for the original disturbance suppression, so that correct control cannot be performed.
【００６７】そこで、上式のように、ある一定以上の周
波数では変化の割合に寄らず一定の出力となるようなフ
ィルタを併用した近似微分器を用いているのが通常であ
る。Therefore, as shown in the above equation, it is usual to use an approximate differentiator that uses a filter that produces a constant output regardless of the rate of change at a certain frequency or higher.
【００６８】以上のように、外乱補償器２を用いること
により、外乱抑制特性を良好に制御することができる。As described above, the use of the disturbance compensator 2 enables good control of the disturbance suppression characteristics.
【００６９】そして、この外乱補償器２を従来の正帰還
構造を有する制御装置に追加して、従来の制御装置では
目標値追従特性が良好となるように制御することで、目
標値追従特性と外乱抑制特性の両特性が良好な制御装置
を得ることができる。Then, the disturbance compensator 2 is added to a conventional control device having a positive feedback structure, and the conventional control device controls the target value tracking characteristic to be good. It is possible to obtain a control device having both excellent disturbance suppression characteristics.
【００７０】次に、本実施の形態のプロセス制御装置の
調整方法について説明する。Next, a method of adjusting the process control device according to the present embodiment will be described.
【００７１】いま、制御対象４として、その伝達関数が
下式で与えられる１次遅れ＋むだ時間システムを考え
る。Now, as the controlled object 4, a first-order lag + dead-time system whose transfer function is given by the following equation is considered.
【００７２】発電プラントや産業プラントの多くの制御
対象は、この１次遅れ＋むだ時間によりその特性を表わ
すことができる。Many controlled objects of a power plant or an industrial plant can express their characteristics by this first-order delay + dead time.
【００７３】[0073]
【数２】 (Equation 2)
【００７４】上式において、Ｋpを定常ゲイン、Ｔpを時
定数、Ｌpをむだ時間と呼ぶ。In the above equation, Kp is called a steady gain, Tp is a time constant, and Lp is a dead time.
【００７５】調整手順は、まず外乱補償器２を調整し、
その後、制御器１を調整する。In the adjustment procedure, first, the disturbance compensator 2 is adjusted.
Thereafter, the controller 1 is adjusted.
【００７６】外乱補償器２の調整は、制御対象４と外乱
補償器２とで構成されるフィードバックループにおい
て、外乱から制御量(ＰＶ)までの閉ループ伝達関数が安
定となる範囲内で、できるだけ外乱補償器２の性能が良
くなるように設定する。すなわち、できるだけ安定限界
に近づくように調整する。The adjustment of the disturbance compensator 2 is performed as much as possible within a range in which the closed loop transfer function from the disturbance to the control amount (PV) becomes stable in the feedback loop composed of the controlled object 4 and the disturbance compensator 2. The compensator 2 is set so that its performance is improved. That is, the adjustment is made so as to approach the stability limit as much as possible.
【００７７】また、制御器１の調整は、既に求めた外乱
補償器２と制御対象４との閉ループ全体を、制御対象と
見立てて行なう。Further, the adjustment of the controller 1 is performed by regarding the entire closed loop between the disturbance compensator 2 and the control target 4 which has already been determined as the control target.
【００７８】この外乱補償器２と制御対象４とからなる
閉ループ全体を、１次遅れ＋むだ時間で近似することに
より、従来の正帰還構造を有する制御装置に対する調整
方法をそのまま適用することができる。By approximating the entire closed loop composed of the disturbance compensator 2 and the control target 4 by a first-order lag + dead time, the conventional adjustment method for a control device having a positive feedback structure can be applied as it is. .
【００７９】ここで、近似された１次遅れ＋むだ時間の
定常ゲインをＫ、時定数をＴ、むだ時間をＬとした場
合、制御器１の各パラメータは、次のように定めればよ
い。Here, when the stationary gain of the approximated first-order lag + dead time is K, the time constant is T, and the dead time is L, each parameter of the controller 1 may be determined as follows. .
【００８０】[0080]
【数３】 (Equation 3)
【００８１】これらＫ,Ｔ,Ｌの３パラメータは、外乱補
償器２と制御対象４とからなる閉ループの伝達関数のス
テップ応答から簡単に求めることができる。The three parameters K, T, and L can be easily obtained from the step response of the transfer function of the closed loop including the disturbance compensator 2 and the control target 4.
【００８２】次に、例を使用して、本実施の形態のプロ
セス制御装置と従来の制御装置との比較を行ない、本実
施の形態の有効性について説明する。Next, the effectiveness of the present embodiment will be described by comparing the process control device of the present embodiment with a conventional control device using an example.
【００８３】なお、制御対象４は、むだ時間と時定数が
同じである１次遅れ＋むだ時間システムとしている。The control target 4 is a first-order lag + dead time system having the same time constant as the dead time.
【００８４】また、制御対象４の各パラメータは、Ｋp
＝１、Ｔp＝１、Ｌp＝１としている。Each parameter of the controlled object 4 is Kp
= 1, Tp = 1, Lp = 1.
【００８５】外乱補償器２として、比例ゲイン要素を用
いた場合について、従来のＰＩＤ制御装置との比較を図
２に、従来の正帰還構造を有する制御装置との比較を図
３にそれぞれ示す。FIG. 2 shows a comparison with a conventional PID control device and FIG. 3 shows a comparison with a control device having a conventional positive feedback structure when a proportional gain element is used as the disturbance compensator 2.
【００８６】制御目標値は、時刻０で０から１に変化
し、時刻３０で振幅−０.５の外乱が加えられた場合の
シミュレーション結果である。The control target value changes from 0 to 1 at time 0, and is a simulation result when a disturbance having an amplitude of -0.5 is applied at time 30.
【００８７】太線で示されているのが本実施の形態のプ
ロセス制御装置による応答であり、従来の制御装置に比
べて、目標値追従特性、外乱抑制特性ともに改善されて
いることがわかる。The response indicated by the thick line is the response of the process control device of the present embodiment, and it can be seen that both the target value follow-up characteristic and the disturbance suppression characteristic are improved as compared with the conventional control device.
【００８８】一方、同じ条件で、外乱補償器２として、
比例ゲイン要素＋微分要素を用いた場合の結果を、図４
および図５にそれぞれ示す。On the other hand, under the same conditions, the disturbance compensator 2
FIG. 4 shows the result when the proportional gain element + the differential element is used.
And FIG. 5 respectively.
【００８９】この場合にも、従来の制御装置に比べて、
目標値追従特性、外乱抑制特性ともに改善されているこ
とがわかる。Also in this case, compared to the conventional control device,
It can be seen that both the target value tracking characteristic and the disturbance suppression characteristic are improved.
【００９０】すなわち、外乱補償器２として、比例ゲイ
ン要素のみを用いた場合の制御特性よりも、比例ゲイン
要素＋微分要素を用いた場合の制御特性の方が、より一
層向上している。That is, the control characteristic when the proportional gain element + the differential element is used is more improved than the control characteristic when only the proportional gain element is used as the disturbance compensator 2.
【００９１】なお、本例では、制御対象４として定位系
を用いて説明を行なっているが、制御対象４が無定位系
であっても、外乱補償器２と併せた特性が定位系となる
ため、正帰還構造を有する制御器１の調整は、定位系の
場合と同じ手順で行なうことができる。In this example, the description is made by using a localization system as the control target 4. However, even if the control target 4 is a non-localization system, the characteristics combined with the disturbance compensator 2 become a localization system. Therefore, adjustment of the controller 1 having the positive feedback structure can be performed in the same procedure as in the case of the localization system.
【００９２】上述したように、本実施の形態によるプロ
セス制御装置では、応答の時定数に比べてむだ時間が長
い制御対象４に対し、制御目標値と制御対象４の制御量
との偏差を制御器１に入力し、当該偏差を比例器１１で
比例演算して得られた出力と、制御器１からの出力を補
償器１２にフィードバックし１次遅れ演算およびむだ時
間演算して得られた出力との和を求め、制御器１からの
出力を構成する正帰還構造を有するプロセス制御装置に
おいて、制御対象４の制御量を取り込み当該制御量に対
してフィルタ演算を行ない外乱抑制性能を向上させる外
乱補償器２を設け、当該外乱補償器２からの出力を制御
器１からの出力から差引いて、制御対象４に対する最終
的な操作量を生成するようにしているので、制御器１は
目標値応答を改善するように調整すればよくなるため、
本来の目標値追従特性を損なうことなしに、制御対象４
に加わる外乱の影響を抑制して、目標値追従特性と外乱
抑制特性との両特性を個別に良好に制御できる２自由度
制御を実現することができる。As described above, in the process control device according to the present embodiment, the deviation between the control target value and the control amount of the control target 4 is controlled for the control target 4 whose dead time is longer than the response time constant. And an output obtained by performing a proportional operation on the deviation by a proportional unit 11 and an output obtained by feeding back an output from the controller 1 to a compensator 12 to perform a first-order lag operation and a dead time operation. In a process control device having a positive feedback structure for obtaining an output from the controller 1, a control amount of the control target 4 is taken, a filter operation is performed on the control amount, and a disturbance for improving disturbance suppression performance is obtained. Since the compensator 2 is provided and the output from the disturbance compensator 2 is subtracted from the output from the controller 1 to generate a final manipulated variable for the controlled object 4, the controller 1 has a target value response. Improve To become well be adjusted to so that,
The control target 4 can be controlled without impairing the original target value tracking characteristic.
In this case, it is possible to realize two-degree-of-freedom control in which both the target value follow-up characteristic and the disturbance suppression characteristic can be individually and favorably controlled by suppressing the influence of disturbance applied to the motor.
【００９３】これにより、現在広く使用されているＰＩ
Ｄ制御装置や、従来の正帰還構造を有するプロセス制御
装置に比べて、目標値追従特性および外乱抑制特性の両
特性を改善することが可能となる。その結果、プラント
をこれまでよりも一層効率よく運用することができる。Thus, the currently widely used PI
Compared with a D control device or a conventional process control device having a positive feedback structure, it is possible to improve both the target value tracking characteristic and the disturbance suppression characteristic. As a result, the plant can be operated more efficiently than before.
【００９４】また、制御器１からみた制御対象４は、実
制御対象４と外乱補償器２との制御ループであり、実制
御対象４が無定位系であっても、制御対象４と外乱補償
器２とを合わせた特性（見かけの制御対象）を定位系と
することができるため、定位系と同じロジックで良好に
制御することができる。Further, the control target 4 as viewed from the controller 1 is a control loop of the real control target 4 and the disturbance compensator 2. Even if the real control target 4 is a non-localized system, the control target 4 and the disturbance compensation Since the characteristic (apparent control target) combined with the device 2 can be used as a localization system, it can be controlled well with the same logic as the localization system.
【００９５】これにより、従来型の正帰還構造を有する
プロセス制御装置では調整が困難であった無定位系に対
しても、定位系と同じ簡単な調整方法によって良好な制
御性能を得ることができ、より幅広い制御対象４に対し
て適用することが可能となる。As a result, good control performance can be obtained by the same simple adjustment method as that of the localization system even for the non-localization system, which is difficult to adjust with the conventional process control device having the positive feedback structure. , Can be applied to a wider range of the control target 4.
【００９６】さらに、外乱補償器２として、比例演算お
よび微分演算を行なう比例・微分補償器を用いることに
より、外乱補償器２を、比例演算と微分演算といった従
来のＰＩＤ制御で使用されている要素で構成することが
できるため、従来の制御装置に簡単に組み込むことが可
能となる。Further, by using a proportional / differential compensator for performing a proportional operation and a differential operation as the disturbance compensator 2, the disturbance compensator 2 can be used as an element used in conventional PID control such as a proportional operation and a differential operation. , It can be easily incorporated into a conventional control device.
【００９７】さらにまた、外乱補償器２として、比例演
算または微分演算を行なう比例補償器または微分補償器
を用いることにより、外乱補償器２を、比例演算または
微分演算といった従来のＰＩＤ制御で使用されている要
素で構成することができるため、従来の制御装置に簡単
に組み込むことが可能となると共に、外乱補償器２にお
ける調整用のパラメータが一つでよいため、調整のより
一層の簡単化を図ることが可能となる。Furthermore, by using a proportional compensator or a differential compensator that performs a proportional operation or a differential operation as the disturbance compensator 2, the disturbance compensator 2 can be used in the conventional PID control such as a proportional operation or a differential operation. Can be easily incorporated into a conventional control device, and since only one parameter is required for adjustment in the disturbance compensator 2, further simplification of adjustment can be achieved. It becomes possible to plan.
【００９８】以上により、制御対象４の時定数に比べて
むだ時間が長い制御対象に対しても、目標値追従特性と
外乱抑制特性との両特性を良好に制御することができ、
また制御対象４の特性が定位系だけでなく無定位系に対
しても簡単な調整で良好な制御を行なうことが可能とな
り、もってより幅広い制御対象に対して短い時間での調
整を行なうことができる。As described above, even for a controlled object whose dead time is longer than the time constant of the controlled object 4, both the target value tracking characteristic and the disturbance suppression characteristic can be favorably controlled.
In addition, it is possible to control the characteristics of the controlled object 4 not only in the localized system but also in the non-localized system with a simple adjustment, thereby making it possible to perform the adjustment in a short time for a wider controlled object. it can.
【００９９】[0099]
【発明の効果】以上説明したように、本発明のプロセス
制御装置によれば、制御対象の制御量を取り込み、当該
制御量に対してフィルタ演算を行なうことで、制御対象
に対する操作量に加わる外乱を抑制するための外乱補償
器を備え、当該外乱補償器からの出力を制御器本体から
の出力である制御対象に対する操作量から差引いて、制
御対象に対する最終的な操作量を生成するようにしてい
るので、制御対象の時定数に比べてむだ時間が長い制御
対象に対しても、目標値追従特性と外乱抑制特性との両
特性を良好に制御することができ、また制御対象の特性
が定位系だけでなく無定位系に対しても簡単な調整で良
好な制御を行なうことが可能となる。これにより、より
幅広い制御対象に対して短い時間での調整を行なうこと
ができる。As described above, according to the process control device of the present invention, the control amount of the controlled object is fetched, and the filter operation is performed on the controlled amount, whereby the disturbance added to the operation amount of the controlled object is obtained. The disturbance compensator for suppressing the, the output from the disturbance compensator is subtracted from the manipulated variable for the control target that is the output from the controller body, so as to generate the final manipulated variable for the control target Therefore, even for a controlled object whose dead time is longer than the time constant of the controlled object, both the target value tracking characteristic and the disturbance suppression characteristic can be controlled well, and the characteristics of the controlled object can be localized. It is possible to perform good control with simple adjustment not only for the system but also for the non-localized system. Thus, adjustment can be performed in a short time for a wider range of control targets.
【図１】本発明によるプロセス制御装置の一実施の形態
を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a process control device according to the present invention.
【図２】同実施の形態のプロセス制御装置において外乱
補償器として比例ゲインを用いた場合とＰＩＤ制御装置
を使用した場合の制御量の応答比較結果の一例を示す特
性図。FIG. 2 is a characteristic diagram showing an example of a response comparison result of a control amount between a case where a proportional gain is used as a disturbance compensator and a case where a PID control device is used in the process control device of the embodiment.
【図３】同実施の形態のプロセス制御装置において外乱
補償器として比例ゲインを用いた場合と従来の正帰還構
造を有する制御装置を使用した場合の制御量の応答比較
結果の一例を示す特性図。FIG. 3 is a characteristic diagram showing an example of a response comparison result of a control amount between a case where a proportional gain is used as a disturbance compensator and a case where a control device having a conventional positive feedback structure is used in the process control device of the embodiment; .
【図４】同実施の形態のプロセス制御装置において外乱
補償器として比例ゲイン＋微分要素を用いた場合とＰＩ
Ｄ制御装置を使用した場合の制御量の応答比較応答比較
結果の一例を示す特性図。FIG. 4 shows a case where a proportional gain + differential element is used as a disturbance compensator in the process control device according to the embodiment, and PI
FIG. 9 is a characteristic diagram illustrating an example of a response comparison result of a control amount when a D control device is used.
【図５】同実施の形態のプロセス制御装置において外乱
補償器として比例ゲイン＋微分要素を用いた場合と従来
の正帰還構造を有する制御装置を使用した場合の応答比
較応答比較結果の一例を示す特性図。FIG. 5 shows an example of a response comparison result between a case where a proportional gain + differential element is used as a disturbance compensator and a case where a conventional control device having a positive feedback structure is used in the process control device of the embodiment. Characteristic diagram.
【図６】ＰＩＤ補償器を用いたＰＩＤ制御装置の構成例
を示すブロック図。FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of a PID control device using a PID compensator.
【図７】正帰還構造を有するプロセス制御装置の構成例
を示すブロック図。FIG. 7 is a block diagram showing a configuration example of a process control device having a positive feedback structure.
１…制御器 １１…比例器 １２…１次遅れ＋むだ時間からなる補償器（正帰還要
素） １３…加算器 ２…外乱補償器 ３…減算器 ４…制御対象 ６…ＰＩＤ補償器 ７…位相進み遅れ補償器。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Controller 11 ... Proportioner 12 ... Compensator (positive feedback element) consisting of 1st-order lag + dead time 13 ... Adder 2 ... Disturbance compensator 3 ... Subtractor 4 ... Control target 6 ... PID compensator 7 ... Phase Lead / lag compensator.
Claims (4)
を入力とし、当該偏差に対して比例演算を行なう比例
器、 制御器本体からの出力をフィードバックし、当該制御器
本体からの出力に対して１次遅れ演算およびむだ時間演
算を行なう補償器、 および前記比例器からの出力と前記補償器からの出力と
を加算し、前記制御器本体からの出力である前記制御対
象に対する操作量を生成する加算器からなる制御器と、 前記制御対象の制御量を入力とし、当該制御量に対して
フィルタ演算を行なう外乱補償器と、 前記制御器本体からの出力である前記制御対象に対する
操作量から前記外乱補償器からの出力を減算し、前記制
御対象に対する最終的な操作量を生成する減算器と、 を備えて成ることを特徴とするプロセス制御装置。An input device receives a deviation between a control target value and a control amount of a control object, and performs a proportional operation on the deviation, feeds back an output from a controller main body, and outputs an output from the controller main body. And a compensator for performing a first-order delay calculation and a dead time calculation with respect to a control unit, and an output from the proportional unit and an output from the compensator, and an operation amount for the control target, which is an output from the controller main body. A disturbance compensator that receives a control amount of the control target as an input and performs a filter operation on the control amount, and an operation on the control target that is an output from the controller body A subtractor for subtracting an output from the disturbance compensator from a quantity to generate a final manipulated variable for the controlled object.
において、 前記外乱補償器として、比例演算および微分演算を行な
う比例・微分補償器を用いたことを特徴とするプロセス
制御装置。2. The process control device according to claim 1, wherein a proportional / differential compensator that performs a proportional operation and a differential operation is used as the disturbance compensator.
において、 前記外乱補償器として、微分演算を行なう微分補償器を
用いたことを特徴とするプロセス制御装置。3. The process control device according to claim 1, wherein a differential compensator that performs a differential operation is used as the disturbance compensator.
において、 前記外乱補償器として、比例演算を行なう比例補償器を
用いたことを特徴とするプロセス制御装置。4. The process control device according to claim 1, wherein a proportional compensator that performs a proportional operation is used as the disturbance compensator.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000354589A JP2002157002A (en) | 2000-11-21 | 2000-11-21 | Process control unit |
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| JP (1) | JP2002157002A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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