JP2772106B2 - ２自由度調節装置 - Google Patents

２自由度調節装置

Info

Publication number
JP2772106B2
JP2772106B2 JP2102632A JP10263290A JP2772106B2 JP 2772106 B2 JP2772106 B2 JP 2772106B2 JP 2102632 A JP2102632 A JP 2102632A JP 10263290 A JP10263290 A JP 10263290A JP 2772106 B2 JP2772106 B2 JP 2772106B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
target value
freedom
adjustment
degree
filter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2102632A
Other languages
English (en)
Other versions
JPH04601A (ja
Inventor
和男 広井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2102632A priority Critical patent/JP2772106B2/ja
Priority to US07/684,181 priority patent/US5195028A/en
Priority to AU75033/91A priority patent/AU624042B2/en
Priority to EP91303417A priority patent/EP0453259B1/en
Priority to DE69106031T priority patent/DE69106031T2/de
Priority to CN91102511A priority patent/CN1026622C/zh
Priority to KR1019910006226A priority patent/KR940007129B1/ko
Publication of JPH04601A publication Critical patent/JPH04601A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP2772106B2 publication Critical patent/JP2772106B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、PIまたはPID（P:比例、I:積分、D:微分）
動作によって制御対象をフィードバック制御する調節装
置に係わり、特に最も少ない時間要素の機能ブロックを
用いて外乱抑制特性と目標値追従特性の双方を同時に最
適化する２自由化度を実現する２自由度調節装置に関す
る。
（従来の技術） 従来の２自由度PI調節装置は第11図に示すように目標
値の変化に追従動作する目標値フィルタを付加しPIの２
自由度PI調節を行っている。具体的には、目標値SVを受
けて比例ゲインと積分時間を２自由度化する演算処理を
行って調節用目標値SV0を得る目標値フィルタ１が設け
られ、この目標値フィルタ１から得られた調節用目標値
SV0と制御対象２からの制御量PVとを偏差演算手段３に
導き、ここで（SV0−PV）なる演算を行って偏差Ｅを求
めた後、この偏差Ｅを伝達係数KP｛１＋1/（TI・Ｓ）｝
で表されるPI調節演算手段４に導入する。KPは比例ゲイ
ン、TIは積分時間、Ｓはラプラス演算子である。このPI
調節演算手段４は、前記伝達関数に基づきPI調節演算を
実行し、得られた操作信号MVを加算手段５に導き、ここ
で操作信号MVと外乱信号Ｄとを加算合成した後に制御対
象２に印加し、目標値SV0＝制御量PVとなるように制御
する構成となっている。
前記目標値フィルタ１は、目標値SVを受けてプロセス
時定数を考慮しながら所望の進み・遅れによって補償タ
イミングを合せる進み・遅れ要素11と、目標値SVを受け
て１次遅れを持たせる１次遅れ要素12と、この１次遅れ
要素12の出力を受けて完全微分動作を行う不完全微分手
段13と、前記進み・遅れ要素11の出力から不完全微分手
段13の出力を減算する減算手段14とによって構成されて
いる。
従って、このような目標値フィルタ１の構成によれ
ば、PV→MV間の伝達関数CPV（Ｓ）は、 となり、またSV→MV間の伝達関数CSV（Ｓ）は、 となる。但し、αは比例ゲインの２自由度化係数（０〜
１の間で設定可能な定数）、β０は積分時間の２自由度
化係数（０〜１の間で設定可能な定数）である。従っ
て、上式から外乱抑制特性が最適となるようにKP、TIを
決めた後、目標値追従特性が最適となるようにα、β０
を決定すれば、２自由度化を実現できる。
次に、第12図は従来の２自由度PID調節装置の構成を
示す図であって、これは表目標値の変化に追従動作する
目標値フィルタ10を付加しPIDに関する完全２自由度PID
調節を行うものである。具体的には、目標値SVを受けて
比例ゲインKP、積分時間TIおよび微分時間TDの３項を完
全２自由度化する演算処理を行なって調節用目標値SV0
を得る目標値フィルタ10が設けられ、この目標値フィル
タ10から得られた調節用目標値SV0と制御対象２からの
制御量PVとを偏差演算手段３に導き、ここで（SV0−P
V）なる演算を行って偏差Ｅを求めた後、この偏差Ｅを
非線形処理手段６を介して伝達関数KP｛１＋1/（TI・
Ｓ）｝で表されるPI調節演算手段４に導入する。KPは比
例ゲイン、TIは積分時間、Ｓはラプラス演算子である。
このPI調節演算手段４は、前記伝達関数に基づきPI調節
演算を実行し、得られた操作信号MVを減算手段７に導
き、ここで操作信号MVから制御量PVにも基づき不完全微
分動作を行う不完全微分手段８の出力を減算し、得られ
た信号を加算手段５に供給する。この加算手段５では減
算手段７にて得られた信号と外乱信号Ｄとを加算合成し
た後、制御対象２に印加し、目標値SV0＝制御量PVとな
るように制御する構成となっている。
一方、目標値フィルタ10は、目標値フィルタ１と同様
な機能を持った進み・遅れ要素101、１次遅れ要素102お
よび不完全微分手段103の他、微分時間の２自由度化を
実現するために目標値SVを伝達関数 ｛（γTD・Ｓ）／（１＋ηTD・Ｓ）｝ で表される不完全微分手段104が設けられ、さらに減算
手段105にて不完全微分手段104の出力から前記１次遅れ
要素102の出力を減算した後、不完全微分手段103に供給
する。そして、この不完全微分手段103の出力と前記進
み・遅れ要素101の出力とを加算手段106にて加算し調節
用目標値SV0を得ている。
従って、以上のような目標値フィルタ10のPV→MV間の
伝達関数CPV（Ｓ）は、 となり、またSV→MV間の伝達関数CSV（Ｓ）は、 となる。但し、ηは0.1〜１の間の設定可能な定数、α
は比例ゲインの２自由度化係数であって、β０は１＞β
０＞０の関係をもつ設定可能な定数、β０は積分時間の
２自由化係数（０〜１の間で設定可能な定数）、γは微
分時間の２自由度化係数（０〜２の間の設定可能な定
数）である。
ゆえに、この（３）式よび（４）式に基づき、外乱抑
制特性が最適となるようにKP、TI、TDを決定した後、目
標値追従特性が最適となるようにα、β０、γを決定す
れば、PIDの２自由度化を実現できる。
（発明が解決しようとする課題） しかしながら、以上のようなPIまたはPID調節装置に
おいては種々の特長を有していながら、次のような問題
点が指摘されている。
２自由度化を実現するために付加すべき時間に係
わる機能ブロックが３個以上であり、ひいてはプラント
計装システム全体では非常に多くの機能ブロックを必要
とすること。
通常、PID調節ループはプラント計装システムに多数
使用するが、１つのPID調節ループ当たり１以上の機能
ブロックを削減できれば、システムの負荷が大幅に軽減
され、それだけ演算速度も速くなる。このことは、でき
るだけ少ない機能ブロックを用いてPIの２自由度化を実
現すれば、実用上のメリットは非常に大きい。
積分時間の２自由度化係数β０の最適値が制御対
象のL/T（L:むだ時間、T:時定数）の大きさに依存する
度合いが大きいこと。
つまり、比例ゲインの２自由度化係数αの値はPIDパ
ラメータの最適調整法の中のCHR（Chien Hrones Reswic
k）などによって特定できるが、積分時間の２自由度化
係数β０の値は特定できないので、制御対象２の特性毎
に試行錯誤によって特定しなければならない。しかし、
積分時間の２自由度化係数β０のゲインが高いことか
ら、β０のゲインを調整したときプロセス特性が大きく
変化し、ファインチューニングが非常に難しく、調整に
手間がかかる。
目標値フィルタの２自由度化の役割が不明確であ
ること。
一般に、PID調節ループは、プラント計装システム全
体にちりばめて数十〜数千個使用するので、一見してそ
の役割分担が明確になれば工業上非常に有益なことであ
る。特に異常時の解析や種々の変形適用する場合、分か
り易い機能構成であることが必要不可欠である。しか
し、現在のPID調節ループでは、目標値フィルタがどの
ようにして２自由度化されているか、その役割分担が明
確化されていない。
非線形処理が不正確である。
従来のPID調節装置では、制御量PVを受けて不完全微
分手段８の不完全微分出力をPI調節演算手段４の出力側
に与えているので、偏差Ｅにして付加している非線形処
理手段６をバイパスしてしまい、その結果、非線形処理
が正確、簡単、かつ、自由自在に実行できず、制御性に
限界が生ずる。
従って、１自由度PIDから完全に２自由度PID時代に移
行するためには、以上のような問題点を完全に克服する
ことが非常に重要なことである。
本発明は上記実情にかんがみてなされたもので、目標
値フィルタの２自由度化を実現する時間に係わる機能ブ
ロックを極少化し得、かつ、積分時間の２自由度化係数
の調整が容易であり、目標値フィルタの役割分担を分か
り易い究極のPI形またはPID形の２自由度調節装置を提
供することを目的とする。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 請求項１に対応する発明は上記課題を解決するため
に、目標値を受けて目標値フイルタによって得られる調
節用目標値と制御対象からフィードバックされてくる制
御量との偏差に基づき、少なくともPI（P:比例,I:積
分）調節演算を実行し、このPI調節演算によって得られ
た操作出力を前記制御対象に印加する２自由度調節装置
において、 伝達関数として、 を有する前記目標値フィルタを設け、この目標値フィル
タによって目標値の変化に追従動作する調節用目標値を
得る構成である。
次に、請求項２、請求項３に対応する発明では、目標
値から調節用目標値SV0を得るために、 の〜の何れかの演算を行う目標値フイルタを有する
構成である。
（作用） 従って、請求項１に対応する発明は以上のような手段
を講じたことにより、その伝達関数から１個の時間要素
を用いて目標値フィルタを実現できるばかりでなく、外
乱抑制特性に全く影響を与えことなく、α、βの可変に
より比例ゲインおよび積分時間を修正でき、PIの２自由
度化を実現できる。しかも、βの増減に対して時定数β
TIが増減し、βの変化に対する積分時間の等価的変化の
直線性が改善され、調整が非常に容易になる。
次に、請求項２、３に対応する発明によれば、請求項
１に対応する発明にさらに微分動作の付加により２個の
時間要素によって目標値フィルタを実現できばかりでな
く、外乱抑制特性に全く影響を与えることなく、PID3項
の完全２自由度化を実現でき、またβの増減に対しても
請求項１に対応する発明と同様な作用を行うものであ
る。
（実施例） 以下、請求項１に係わる発明の一実施例について第１
図を参照して説明する。なお、同図において第11図、第
12図と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は
省略する。すなわち、この２自由度PI調節装置は、PI調
節演算手段４の積分時間TIを含む目標値フィルタ20を設
け、この目標値フィルタ20にて目標値の変化による追従
動作を行って調節用目標値SV0を得るものである。
この目標値フィルタ20としては、例えば のような伝達関数Ｈ（Ｓ）、つまり積分時間TIと定数
（α、β）とで構成された進み・遅れ要素21を用いるも
のとする。なお、以上のような伝達関数Ｈ（Ｓ）を有す
る目標値フィルタ20は抵抗、コンデンサ、半導体素子等
からなるハードウエアによって実現でき、さらにはコン
ピュータプログラムによるソフトウェアによっても実現
可能である。
しかして、以上のような伝達関数を有する目標値フィ
ルタ20を用いて２自由度PI調節になることを説明する。
今、目標値フィルタ20の伝達関数Ｈ（Ｓ）が（５）式で
表されるとき、PV→MV間の伝達関数CPV（Ｓ）とSV→MV
間の伝達関数CSV（Ｓ）は、 で表すことができる。上式において前段下線部分はＰ
（比例）、後段下線部分はＩ（積分）、αは比例ゲイン
の２自由度化係数、βは積分時間の２自由度化係数であ
る。
ゆえに、この（６）式および（７）式から、PVの変化
に対する調節アルゴリズムに全く影響を与えることな
く、目標値SVの変化に対する調節アルゴリズムのαの可
変によって比例ゲインを修正でき、βの可変によって積
分時間を等価的に修正でき、２自由度化を実現できる。
従って、第１図に示す目標値フィルタ20では、 （ａ） α＝０、β＝１のとき …Ｉ−Ｐ調節 （ｂ） α＝０、β＝可変のとき …２自由度PI（Ｉのみ２自由度） （ｃ） α＝可変、β＝可変のとき …２自由度PI（PIが２自由度） となる。つまり、この目標値フィルタ20は、α＝０、β
＝１のＩ−Ｐ調節をベースとし、（ｂ）の如くβの可変
によってＩを２自由度化でき、さらに（ｃ）の如くαの
可変によってＰを２自由度化でき、しかも１個の進み・
遅れ要素21を用い、かつ、この進み・遅れ要素21の機能
を最大限に利用することにより究極の２自由度を実現で
きる。
次に、第２図および第３図を用いて２自由度化に関す
る定性的な説明を行う。第２図は目標値SVがステップ状
に変化したとき、α、βによって調節用目標値SV0がど
のように変化するかを示す図であり、第３図はα、βに
よって制御量PVがどのように変化しているかを示してい
る。なお、比例ゲインKP、積分時間TIとしては外乱抑制
特性に最適な値が設定されているものとする。
先ず、α＝０、β＝１のときは従来の一般的なＩ−Ｐ
制御となり、調節用目標値SV0は第２図の（イ）のよう
に相当な時間遅れをもって目標値SVに達し、一方、制御
量PVの応答は第３図の（イ）のようになり、応答が非常
に遅くなる。次に、α＝１、β＝任意のときは従来の一
般的なPI制御となり、調節用目標値SV0は第２図の
（ロ）のようにSV＝SV0となり、制御量PVの応答は第３
図の（ロ）のように速くなるが、大きくオーバシュート
する。ゆえに、このＩ−Ｐ制御と一般のPI制御との中間
部分において応答が速く、オーバシュートなしの応答を
示す最適点が存在することが理解できる。
そこで、第２図の（ハ）に示す如くαによってバイア
スを与え、その分だけ変化の速度を第２図（イ）よりも
遅らせれば、つまりβ＞１とすれば、第３図の（ハ）の
ように外乱応答特性が最適なままの状態で、目標値追従
特性を速く、かつ、オーバシュートのない理想的な応答
とすることができる。
さらに、従来技術と本発明装置のＩ（積分）との２自
由度化を比較してみる。今、従来技術の積分項をI
0（Ｓ）とし、本発明の積分項をＩ（Ｓ）とすると、
（４）式から、 となり、（７）式から本発明の積分項Ｉ（Ｓ）は、 Ｉ（Ｓ）＝｛1/（TI・Ｓ）｝ −｛（１−α）（β−１）／（１＋βTI・Ｓ）｝ …（９） となる。従って、従来技術の（８）式から明らかなよう
に、時定数TIが一定のとき、β０の大小がそのまま反映
して積分時間の２自由度化係数数のゲインの調整が難し
くなるが、本発明の積分項Ｉ（Ｓ）を示す（９）式の場
合にはβの増減に対し分母のβTIも増減することにな
り、βの変化に対する積分時間TIの等価的変化の直線性
が改善され、またαの大きさも反映されており、制御対
象２の特性つまりL/T（L:むだ時間、T:時定数）がβの
最適値に与える影響は1/1.75とほぼ半減し、大きく改善
されていることがシュミレーションからも確認できる。
次に、第４図は同じく請求項１に係わる発明の他の実
施例を示すブロック図である。この２自由度PI調節装置
は、第１図と同様にPI調節演算手段４の積分時間TIを含
む目標値フィルタ30を設けたものであり、この目標値フ
ィルタ30は前記（５）式を変形することにより、下記す
る（10）式に示す伝達関数Ｈ（Ｓ）、つまり積分時間TI
と定数βとの積を時定数とする１次遅れフィルタを用い
たものである。
この目標値フィルタ30は、具体的には目標値SVに定数
αを乗算する係数手段31と、目標値SVから係数手段31の
出力を減算する減算手段32と、この減算手段32の出力に
対して１次遅れ演算を行う１次遅れ要素33と、この１次
遅れ要素33の出力と前記係数手段31の出力とを加算する
加算手段34とで構成され、この加算手段34から得られた
調節用目標値SV0を偏差演算手段３に供給する構成であ
る。
従って、この装置の構成によれば、（５）式と（10）
式とが機能的に全く同じであり、むしろ（10）式の方が
１次遅れ要素のみで構成されているので演算が容易であ
り、かつ、Ｄ動作機能ブロック（図示せず）を容易に結
合できる利点がある。
さらに、第５図は請求項１に係わる発明の他の実施例
を示すブロック図である。この２自由度PI調節装置の目
標値フィルタ40は、前記（５）式を変形することによ
り、下記（11）式に示す伝達関数Ｈ（Ｓ）、つまり積分
時間TIと定数βとの積を時定数とする１次遅れフィルタ
により容易に実現できる。
すなわち、この目標値フィルタ40は、目標値SVに定数
αを乗算する係数手段41と、この係数手段41の出力から
目標値SVを減算する減算手段42と、この減算手段42の出
力に対して１次遅れ演算を行う１次遅れ要素43と、前記
減算手段42の出力から１次遅れ要素43の出力を減算する
減算手段44と、この減算手段44の出力と目標値SVとを加
算する加算手段45とで構成され、この加算手段45から得
られた調節用目標値SV0を偏差演算手段３に供給する構
成である。
従って、この目標値フィルタ40の伝達関数である（1
1）式は、（５）式を最終値基準で変形したものであ
り、機能的に（５）式の伝達関数をもつ目標値フィルタ
20と等価であるが、第４図と同様に１次遅れ要素のみで
構成することになり、非常に演算が容易となる。
次に、第６図は請求項２に係わる発明の一実施例を示
すブロック図であって、微分動作を付加してPID3項の完
全２自由度化を図ったものである。なお、同図において
第１図と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明
は省略する。この調節装置は、目標値SVの変化に対しPI
調節演算手段４の積分時間TIを含む目標値フィルタ50に
て目標値追従動作を行って調節用目標値SV0を得、この
調節用目標値SV0を偏差演算手段３に供給する構成であ
る。
この目標値フィルタ50は、目標値SVのみをフィルタす
るものではなく、制御対象２からの制御量PVをも取り込
んで、PI調節演算手段４の調節用目標値SV0を得るもの
であり、下記（12）式の演算式に基づいて構成されてい
る。
この式の （１＋αβTI・Ｓ）／（１＋βTI・Ｓ） は積分時間TIと定数βとの積を時定数とする進み・遅れ
要素であり、また （TD・ｓ）／（１＋ηTD・Ｓ） は時間微分をTDとする不完全微分であって、ηは0.1〜
１の間で設定可能な定数であり、何れも容易に調整可能
である。
すなわち、この目標値フィルタ50は、目標値SVを受け
て進み／遅れ演算を行う進み・遅れ要素51と、この目標
値SVに予め設定された係数α、βを乗ずる係数手段52
と、この係数手段52の出力から制御量PVを減算する減算
手段53と、この減算手段53の出力に対して不完全微分演
算を行う不完全微分手段54と、この不完全微分手段54の
出力と進み・遅れ要素51の出力とを加算する加算手段55
とによって構成され、この加算手段55から調節用目標値
SV0を得る構成となっている。
しかして、この目標値フィルタ50の構成により２自由
度化できることを説明する。目標値フィルタ50の伝達関
数Ｈ（Ｓ）が（12）式で表されるとき、PV→MV間の伝達
関数CPV（ｓ）とSV→MV間の伝達関数CSV（ｓ）は、 となる。なお、αは比例ゲインの２自由度化係数、βは
積分時間の２自由度化係数、γは微分時間の２自由度化
係数である。
そこで、この（13）式と（14）式の微分項が妥当であ
るか否かを証明する。この証明に際し、第７図に示す従
来の一般的な実用・干渉形偏差PID調節装置の機能構成
を示し、この微分項の式と比較しながら証明する。この
調節装置は、（１＋TD・Ｓ）／（１＋ηTD・Ｓ）なる伝
達関数を有する進み／遅れ要素９とPI調節演算手段４と
を直列に接続した構成である。
従って、この調節装置全体の伝達関数 Ｆ（Ｓ）・Ｃ（Ｓ）は、 となる。この（15）式のηは一般的に0.1に設定される
ので、（１−η）となり、他の式は全く同一であり、TD
＜TIかつ定常状態値は積分動作によって打ち消されるの
で、（13）式および（14）式中の微分動作は実用・干渉
形偏差PID制御の微分動作と等価であると言える。この
ことは、第６図に示す如く、従来のPID調節機能に１個
の進み／遅れ要素51のみを付加し、α、β、γの設定に
よりPID3項の完全２自由度化を実現できる。
次に、第８図は請求項３の発明の一実施例を示す２自
由度PID調節装置のブロック図である。この調節装置
は、目標値SVおよび制御量PVを取り込んでPI調節演算手
段４の積分時間T1や微分時間TDを含む目標値フィルタ60
を介して偏差演算手段３に供給する構成である。
この目標値フィルタ60は、目標値SVのみをフィルタす
るものではなく、制御量PVをも取り込んで、PI調節演算
手段４の目標値SV0を演算するという意味で用いるもの
で、下記（16）式の演算式で構成されている。
である。この（16）式の1/（１＋βTI・Ｓ）は積分時間
TIと定数βとの積を時定数する１次遅れ要素であり、ま
た （TD・Ｓ）／（１＋ηTD・Ｓ） は時間微分をTDとする不完全微分であって、ηは0.1〜
１の間で設定可能な定数であり、何れも容易に調整可能
である。
この目標値フィルタ60は、前記（16）式に基づいて構
成したものであって、具体的には目標値SVに係数αを乗
算して係数手段61から得られた出力に対し、さらに係数
手段62にて微分時間TDの２自由度化係数γを乗算し、得
られた乗算信号を減算手段63に導入する。この減算手段
63では係数手段62の出力から制御量PVを減算した後、不
完全微分手段64にて不完全微分を行って減算手段65に導
入する。
また、減算手段66では目標値SVから係数手段61の出力
を減算して得られた信号が前記減算手段65に導き、ここ
で減算手段66の出力から不完全微分手段64の出力を減算
し１次遅れ要素67に導入する。そして、この１次遅れ要
素67の出力と前記不完全微分手段64の出力とを加算手段
68にて加算し、さらに加算手段69に導き前記係数手段61
の出力と加算して調節用目標値SV0を得る構成である。
また、第８図から（16）式が導き出されるが、（16）
式から下記式を導き出すことにより、同様に調節用目標
値SV0を得ることができる。
すなわち、前述する（16）式の中のＤ（Ｓ）は、 Ｄ（Ｓ）＝（SV・α・γ−PV）・｛（TD・Ｓ）／（１＋ηTD・Ｓ）｝ で表わすと、このＤ（Ｓ）を（16）式に代入すると、 SV0＝SV・α＋［SV（１−α）−（SV・α・γ−PV） ・｛（TD・Ｓ）／（１＋ηTD・Ｓ）｝］・｛1/（１＋β
TI・Ｓ）｝＋（SV・α・γ−PV）・｛（TD・Ｓ）／（２
＋ηTD・Ｓ）｝ この式を整理すると、 ＝SV・α＋SV（１−α）・｛1/（１＋βTI・Ｓ）｝ −（SV・α・γ−PV）・｛（TD・Ｓ）／（１＋ηTD・Ｓ ）｝・｛1/（１＋βTI・Ｓ）｝＋（SV・α・γ−PV） ・｛（TD・Ｓ）／（１＋ηTD・Ｓ）｝ さらに、整理すると、 ＝SV｛α＋（１−α）・｛1/（１＋βTI・Ｓ）｝ ＋（SV・α・γ−PV）・｛（TD・Ｓ）／（１＋ηTD・
Ｓ）｝・［１−｛1/（１＋βTI・Ｓ）｝］ ＝SV｛（１＋αβTI・Ｓ）／（１＋βTI・Ｓ）｝ ＋（SV・α・γ−PV）・｛（TD・Ｓ）／（１＋ηTD・
Ｓ）｝・｛（βTI・Ｓ）／（１＋βTI・Ｓ）｝ …（16）′ 従って、（16）′式は（16）式と等価であり、この
（16）′式の演算によって調節用目標値SV0を得るよう
にしてもよい。
従って、この実施例の目標値フィルタ60は前記（16）
式の演算式を具体化したもので、請求項１に係わる第４
図に微分動作を付加してPID3項の完全２自由度化を実現
したものである。つまり、微分動作の付加に当たって、
第12図に示す従来技術と異なって微分動作を全て目標値
側に移行し、付加要素数を削減するとともに非線形処理
手段６への入力を一本化し、従来のようにバイパスする
ことがないように非線形処理の正確化、簡単化を図って
いる。
次に、第８図の目標値フィルタ60が完全２自由度化と
なることを証明する。目標値フィルタ60の伝達関数Ｈ
（Ｓ）が（16）式で表されるとき、PV→MV間の伝達関数
CPV（Ｓ）とSV→MV間の伝達関数CSV（Ｓ）は、 となり、なお、αは比例ゲインの２自由度化係数、βは
積分時間の２自由度化係数、γは微分時間の２自由度化
係数である。
そこで、（17）式および（18）式の微分項が微分動作
としての妥当性を検討する。今、（17）式および（18）
式の２自由度化係数を除いた純粋な微分式の部分の伝達
関数をＹ（Ｓ）として抜き出すと、 となり、第１項（前段項）は完全な不完全微分式であ
り、第２項（後段項）は初期値が１であり、最終値がβ
となるが、一般的にはη＜β（η＝0.1、β≧１）であ
って、かつ、TD＜TIの関係となっているので、第１項と
第２項の時定数の間には、 ηTD＜βTI …（20） のような関係がある。その結果、目標値SVがステップ状
に変化したとき、第２項の出力は１→β（一般に、βは
1.4程度）に向かってゆっくり変化するという関係的役
割を果たすが、第１項の時定数が小さいために短時間で
零となるので、第２項は実質の微分動作には殆んど影響
を与えないことになる。従って（17）式および（18）式
から、αの可変により比例ゲイン、βの可変により積分
時間、γの可変により微分時間をそれぞれ２自由度化で
きることになる。
次に、第９図は請求項３の発明の他の実施例を示す２
自由度PI調節装置の構成図である。この調節装置は、目
標値SVおよび制御量PVを取り込んでPI調節演算手段４の
積分時間TIや微分時間TDを含む目標値フィルタ70を介し
て偏差演算手段３に供給する構成である。
この目標値フィルタ70は、目標値SVのみをフィルタす
るものではなく、制御量PVをも取り込んで、PI調節演算
手段４の目標値SV0を演算するという意味で用いるもの
で、下記（21）式の演算式で構成されている。
である。この（21）式の1/（１＋βTI・Ｓ）は積分時間
TIと定数βとの積を時定数とする１次遅れ要素であり、
また1/（１＋ηTD・Ｓ）は時間微分TDと定数ηとの積と
を時定数とする１次遅れ要素であって、何れも容易に調
整可能である。
この目標値フィルタ70は、前記（21）式に基づいて構
成したものであって、具体的には目標値SVに係数αを乗
算して係数手段71から得られた出力に対し、さらに係数
手段72にて微分時間TDの２自由度化係数γを乗算し、得
られた乗算信号を減算手段73に導入する。この減算手段
73では係数手段72の出力から制御量PVを減算した後、除
算分手段74に入れて0.1〜１の間で設定可能な定数ηで
除し、その結果を１次遅れ要素75を介して減算手段76に
導き、１次遅れ要素75では微分時間TDと定数ηとの積を
時定数とする１次遅れ演算手段を行い、その出力信号を
当該減算手段76に供給する。この減算手段76では除算分
手段74の出力から１次遅れ要素75の出力を減算する。
また、減算手段77では目標値SVから係数手段71の出力
を減算して得られた信号を１次遅れ要素78を介して前記
減算手段79に導入され、ここで減算手段77の出力から１
次遅れ要素78の出力を減算する。そして、この減算手段
79の出力と減算手段76の出力とを加算手段80にて加算
し、さらに加算手段81に導いて前記係数手段71の出力と
加算し調節用目標値SV0を得る構成である。
従って、この第９図に示す実施例の構成によれば、第
６図に示す進み／遅れ要素51として不完全微分手段54と
の双方をともに変形して１次遅れ要素のみで構成したの
で、機能および全体の伝達関数も第６図に示す方式と全
く同一であるので、その詳細は省略する。
さらに、第10図は請求項３の発明の他の実施例を示す
２自由度PI調節装置の構成図である。この調節装置は、
目標値SVおよび制御量PVを取り込んでPI調節演算手段４
の積分時間TIや微分時間TDを含む目標値フィルタ90を介
して偏差演算手段３に供給する構成である。
この目標値フィルタ90は目標値SVのみではなく、制御
量PVをも取り込んで、PI調節演算手段４に目標値SV0を
演算するという意味に用いられる。
つまり、目標値フィルタ90の構成は第８図の目標値フ
ィルタ60の構成の不完全微分手段64の伝達関数を次式の
ように変形して構成したものである。
この目標値フィルタ90においては、第９図とほぼ同様
であり、特に異なるところは減算手段77と１次遅れ要素
78との間に減算手段91を設け、この減算手段91にて減算
手段77の出力から減算手段76の出力を減算し、その減算
結果を１次遅れ要素78に供給すること、また１次遅れ要
素78の出力と減算手段76の出力とを加算手段92にて加算
しこの加算結果の信号を加算手段81に供給する構成であ
る。
従って、以上述べた各発明の実施例では、目標値フィ
ルタ形Ｉ−Ｐ調節を基本とし、目標値フィルタ機能を複
合使用することにより、１次遅れ要素などの時間要素を
１個のみを付加することにより、PIの２自由度化を図
り、PIDにおいても上記に加えて微分演算を全て目標値
フィルタ側に移行し、１次遅れ要素などの時間遅れ要素
などの時間要素を１個のみを付加することにより、PID
の完全２自由度化を実現できる。
従って、PIまたはPIDの完全２自由度化のために付加
する時間要素が１個のみとなり、極小化することができ
る。また、微分演算を全て目標値フィルタ側に移行させ
ることにより、従来のバイパス回路がなくなり、非線形
処理が正確、簡単、かつ、自由自在に実行できる。さら
に、積分時間の２自由度化係数の最適値が制御対象２の
L/Tの大きさに依存する度合が1/1.75と小さくなり、ほ
とんど固定値でよく調整の必要性がない。さらに、構成
が簡単であり、かつ、目標値フィルタ形Ｉ−Ｐ制御を基
本としているので、それぞれの役割が一目瞭然であっ
て、α、β、γをどのように調整すれば良いかが明確と
なった。
なお、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形
して実施できる。
［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、目標値フィルタ
の２自由度化を実現する時間に係わる機能ブロックを極
少化でき、かつ、積分時間の２自由度化係数の調整が非
常に容易となり、さらに目標値フィルタの役割分担が分
り易くなり、これによってプラント運転特性の革新化が
図れ、産業界に大きな貢献を果たし得る２自由度調節装
置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
第１図ないし第５図は請求項１に係わる発明の実施例を
示すために示したもので、第１図は一実施例を示すブロ
ック図、第２図は目標値フィルタの応答特性図、第３図
は外乱抑制特性をそのままの状態にしたときの目標値追
従特性を示す図、第４図ないし第５図は請求項１に係わ
る発明の他の実施例を示すブロック図、第６図は請求項
２に係わる発明の一実施例を示すブロック図、第７図は
第６図の装置と比較するために示した従来の実用・干渉
形偏差PID調節装置を示すブロック図、第８図は請求項
２に係わる発明の他の実施例を示すブロック図、第９図
は請求項３に係わる発明の一実施例を示すブロック図、
第10図は請求項３に係わる発明の他の実施例を示すブロ
ック図、第11図および第12図はそれぞれ従来の調節装置
を示すブロック図である。 ２……制御対象、３……偏差演算手段、４……PI調節演
算手段、20、30、40、50、60、70、90……目標値フィル
タ、21……進み・遅れ要素、31、41、52、61、62、71、
72……係数手段、32、42、44、53、63、65、66、73、7
6、77、91……減算手段、33、43、67、75、78……１次
遅れ要素、34、45、55、68、69、79、81、92……加算手
段、54、64……不完全微分手段、74……除算分手段。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】目標値を受けて目標値フィルタによって得
    られる調節用目標値と制御対象からフィードバックされ
    てくる制御量との偏差に基づき、少なくともPI（P:比
    例,I:積分）調節演算を実行し、このPI調節演算によっ
    て得られた操作出力を前記制御対象に印加する２自由度
    調節装置において、 前記目標値に追従動作する下記する（イ）式ないし
    （ハ）式の何れか１つの伝達関数を有する前記目標値フ
    ィルタを設けたことを特徴とする２自由度調節装置。 （１＋αβTI・Ｓ）／（１＋βTI・Ｓ） …（イ） α＋（１−α）・｛1/（１＋βTI・Ｓ）｝ …（ロ） １−（１−α）・｛１−1/（１＋βTI・Ｓ）｝…（ハ） 但し、上式においてTIは積分時間、Ｓはラプラス演算
    子、αは１＞α＞０の関係をもつ設定可能な定数、βは
    ２＞β＞１の関係をもつ設定可能な定数
  2. 【請求項２】目標値を受けて目標値フィルタによって得
    られる調節用目標値と制御対象からフィードバックされ
    てくる制御量との偏差に基づき、PI（P:比例,I:積分）
    調節演算を実行し、このPI調節演算によって得られた操
    作出力を前記制御対象に印加する２自由度調節装置にお
    いて、 前記目標値を受けて下記する（ニ）式または（ホ）式の
    演算によって調節用目標値SV0を得る前記目標値フィル
    タを設けたことを特徴とするPID形２自由度調節装置。 SV0＝SV・｛（１＋αβTI・Ｓ）／（１＋βTI・Ｓ）｝
    ＋（SV・α・γ−PV）・｛（TD・Ｓ）／（１＋ηTD・
    Ｓ）｝ …（ニ） SV0＝SV・［α＋（１−α）・｛1/（１＋βTI・
    Ｓ）｝］＋（SV・α・γ−PV）・（1/η）｛１−1/（１
    ＋ηTD・Ｓ）｝ …（ホ） 但し、上式においてSVは目標値、PVは制御量、γは２＞
    γ＞０の関係をもつ設定可能な定数、ηは１＞η≧0.1
    の関係をもつ設定可能な定数
  3. 【請求項３】目標値を受けて目標値フィルタによって得
    られる調節用目標値と制御対象からフィードバックされ
    てくる制御量との偏差に基づき、PI（P:比例,I:積分）
    調節演算を実行し、このPI調節演算によって得られた操
    作出力を前記制御対象に印加する２自由度調節装置にお
    いて、 前記目標値を受けて下記する（ヘ）式または（ト）式の
    演算によって調節用目標値SV0を得る前記目標値フィル
    タを設けたことを特徴とするPID形２自由度調節装置。 SV0＝SV・α＋｛SV（１−α）−Ｄ（Ｓ）｝ ・｛1/（１＋βTI・Ｓ｝＋Ｄ（Ｓ） …（へ） 但し、 Ｄ（Ｓ）＝（SV・α・γ−PV） ・｛（TD・Ｓ）／（１＋ηTD・Ｓ）｝ または Ｄ（Ｓ）＝（SV・α・γ−PV）・（1/η） ・｛１−1/（１＋ηTD・Ｓ）｝ SV0＝SV・｛（１＋αβTI・Ｓ）／（１＋βTI・Ｓ）｝ ＋（SV・α・γ−PV）・｛（TD・Ｓ）／（１＋ηTD・
    Ｓ）｝・｛（βTI・Ｓ）／（１＋βTI・Ｓ）｝…（ト）
JP2102632A 1990-04-18 1990-04-18 ２自由度調節装置 Expired - Fee Related JP2772106B2 (ja)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2102632A JP2772106B2 (ja) 1990-04-18 1990-04-18 ２自由度調節装置
US07/684,181 US5195028A (en) 1990-04-18 1991-04-12 Two degree of freedom controller
AU75033/91A AU624042B2 (en) 1990-04-18 1991-04-16 2dof controller
DE69106031T DE69106031T2 (de) 1990-04-18 1991-04-17 Regler mit zwei Freiheitsgraden.
EP91303417A EP0453259B1 (en) 1990-04-18 1991-04-17 2Dof controller
CN91102511A CN1026622C (zh) 1990-04-18 1991-04-18 两自由度控制装置
KR1019910006226A KR940007129B1 (ko) 1990-04-18 1991-04-18 2자유도 제어기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2102632A JP2772106B2 (ja) 1990-04-18 1990-04-18 ２自由度調節装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH04601A JPH04601A (ja) 1992-01-06
JP2772106B2 true JP2772106B2 (ja) 1998-07-02

Family

ID=14332617

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2102632A Expired - Fee Related JP2772106B2 (ja) 1990-04-18 1990-04-18 ２自由度調節装置

Country Status (7)

Country Link
US (1) US5195028A (ja)
EP (1) EP0453259B1 (ja)
JP (1) JP2772106B2 (ja)
KR (1) KR940007129B1 (ja)
CN (1) CN1026622C (ja)
AU (1) AU624042B2 (ja)
DE (1) DE69106031T2 (ja)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0635505A (ja) * 1992-07-16 1994-02-10 Osayasu Sato 自動制御装置
JP3164667B2 (ja) * 1992-10-08 2001-05-08 株式会社東芝 調節装置
EP0626753B1 (en) * 1993-05-25 1996-08-21 Nobuyasu Satou Control device for induction motor
US5404289A (en) * 1993-08-30 1995-04-04 National University Of Singapore Controller apparatus having improved transient response speed by means of self-tuning variable set point weighting
JPH07200002A (ja) * 1993-12-28 1995-08-04 Canon Inc フィードバック制御装置
WO1996005541A1 (en) * 1994-08-10 1996-02-22 Motorola Inc. Cascade tuning controller and method of use therefor
CN1134630C (zh) * 1997-03-21 2004-01-14 气体研究院 对吸收式制冷机的改进控制
US5848535A (en) * 1997-03-24 1998-12-15 Gas Research Institute Control system having a binomial setpoint filter
JP2002073106A (ja) * 2000-09-01 2002-03-12 Yokogawa Electric Corp プロセス制御方法
JP2003072299A (ja) * 2001-08-31 2003-03-12 Hamanaka Kk 立体的なおし花ならびに該おし花を利用した立体的なおし花額絵
JP2005011036A (ja) * 2003-06-18 2005-01-13 Honda Motor Co Ltd プラントの制御装置
JP2008517404A (ja) * 2004-10-20 2008-05-22 フィッシャー コントロールズ インターナショナル リミテッド ライアビリティー カンパニー 電空制御ループのためのリード・ラグ入力フィルタ装置
US7920929B2 (en) 2005-09-29 2011-04-05 Honeywell International Inc. On-demand auto-tuner for a plant control system
US8200347B2 (en) * 2009-01-22 2012-06-12 Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. Method and apparatus for hybrid resetting states proportional-integral-derivative and lag controllers
JP5644409B2 (ja) * 2010-11-19 2014-12-24 株式会社明電舎 電動機の位置制御装置
JP5966308B2 (ja) * 2011-10-13 2016-08-10 富士電機株式会社 誘導性負荷制御装置
CN108732924B (zh) * 2018-08-21 2021-03-12 广东电网有限责任公司 一种超前串级控制方法和装置
CN112422005A (zh) * 2020-11-11 2021-02-26 潍柴动力股份有限公司 一种抑制超调的pi调节器以及控制方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2914732C2 (de) * 1978-04-21 1986-01-23 VEB Elektroprojekt und Anlagenbau Berlin, DDR 1140 Berlin Verfahren zur strukturoptimalen Regleranpassung stochastisch gestörter elektrischer Regelkreise
JPH0738128B2 (ja) * 1984-10-03 1995-04-26 株式会社東芝 制御装置
JPS629405A (ja) * 1985-07-06 1987-01-17 Toshiba Corp プロセス制御装置
US4755924A (en) * 1985-02-19 1988-07-05 Kabushiki Kaisha Toshiba Process controller having an adjustment system with two degrees of freedom
JPS6346503A (ja) * 1986-08-14 1988-02-27 Yokogawa Electric Corp Ｐｉｄ調節装置
JPH07104681B2 (ja) * 1988-03-18 1995-11-13 株式会社東芝 プロセス制御装置
JPH0298701A (ja) * 1988-10-05 1990-04-11 Toshiba Corp 制御装置

Also Published As

Publication number Publication date
JPH04601A (ja) 1992-01-06
DE69106031T2 (de) 1995-05-04
AU7503391A (en) 1991-10-24
DE69106031D1 (de) 1995-02-02
US5195028A (en) 1993-03-16
CN1026622C (zh) 1994-11-16
KR940007129B1 (ko) 1994-08-06
CN1056355A (zh) 1991-11-20
EP0453259A1 (en) 1991-10-23
AU624042B2 (en) 1992-05-28
EP0453259B1 (en) 1994-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2772106B2 (ja) ２自由度調節装置
EP0192245B1 (en) Process controller having an adjustment system with two degrees of freedom
JPH07104681B2 (ja) プロセス制御装置
JPH06119001A (ja) 調節装置
KR940003149B1 (ko) 2자유도 제어기
US5796608A (en) Self controllable regulator device
JP2839626B2 (ja) ２自由度調節装置
JP2507613B2 (ja) フィ―ドフォワ―ド制御装置
JP2766395B2 (ja) 制御装置
JPS61198302A (ja) 調節装置
JPH03296802A (ja) ２自由度調節装置
JP3034404B2 (ja) ２自由度ｐｉｄ調節装置
JP2845534B2 (ja) ２自由度調節装置
KR910000610B1 (ko) 조절방식을 갖는 프로세스 제어장치
JP2752230B2 (ja) ２自由度制御装置
SU1173390A1 (ru) Самонастраивающа с система автоматического управлени дл объектов с запаздыванием
JP3571952B2 (ja) ２自由度制御装置
JPS629404A (ja) プロセス制御装置
JPH07311601A (ja) ２自由度ｐｉｄ調節装置
JP2635786B2 (ja) ２自由度調節装置
JP3124169B2 (ja) ２自由度調節装置
JPH02112001A (ja) ゲイン適応形制御装置
JPH10312201A (ja) Ｐｉｄ調整器を含む閉ループ系のプロセス制御装置
JPH0738124B2 (ja) フィードバック・フィードフォワード制御装置
Hung Practical techniques for industrial control

Legal Events

Date Code Title Description
LAPS Cancellation because of no payment of annual fees