JP2839626B2 - 2自由度調節装置 - Google Patents
2自由度調節装置Info
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Description
自動的に最適な比例ゲイン2自由度化係数を選択設定す
る機能をもった2自由度調節装置に関する。
らゆる産業分野で広く利用されており、もはや計装分野
ではPID調節装置なしには成り立たなくなって来てい
る。
り、またアナログ式からディジタル式の調節演算方式に
移行した現在においてもPID調節装置の王座は少しも変
わっておらず、プラント運転制御の基盤をなしている。
差、KPは比例ゲイン、TIは積分時間、TDは微分時間、s
はラプラス演算子、(1/η)は微分ゲインである。
呼ばれ、PIDパラメータが1組しか設定できない,いわ
ゆる1自由度方式であり、当然外乱抑制特性と目標値追
従特性との両方を同時に最適化させることはできない。
は、外乱抑制特性と目標値追従特性との両機能を満足さ
せる必要がある。前者の外乱抑制特性は外乱が変化した
ときに外乱の影響をいかに最適に抑制するかであり、後
者の目標値追従特性は目標値を変化させたときにプロセ
ス値がいかに最適に目標値に追従するかを示すものであ
る。通常のPIまたはPID制御系は、外乱変化の影響を最
適に抑制するPIまたはPIDパラメータ値と目標値変化に
対して最適に追従するPIまたはPIDパラメータ値とは大
きく異なっており、この両者の特性を同時に最適化する
ことができず、二律背反の関係にある。つまり、外乱変
化の影響を最適に抑制するようにPIDパラメータ値を設
定すると目標値追従特性が振動的となり、逆に目標値変
化に対して最適に追従するようにPIDパラメータ値を設
定すると外乱抑制特性が非常に甘くなってしまう。
特性と目標値追従特性とを同時に最適化する技術の出現
が望まれている。
組のPIDパラメータをそれぞれ独立して設定できる2自
由度PIまたはPIDアルゴリズム(TwO Degrees PI(また
はPID)Algorithm:以下、2DOF PIDと総称する)の基本
概念が発表され、近年、我が国でも上記基本概念の下に
2DOF PIDが実用化されてきており、プラント運転制御
の高度化に大きく貢献しつつある。
PID調節装置の構成を示す図である。この装置は、比
例ゲインと微分時間とを2自由度化する演算処理を行う
目標値フィルタ1が設けられ、目標値SVを受けて目標値
フィルタ1から得られたフィルタ出力(以下、演算目標
値と呼ぶ)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を求めてPI調整演算手段4に導入する。このPI調
節演算手段4では偏差Eを受けてPI調節演算によって操
作信号MVを得、後続の加算手段5に導入する。この加算
手段5は操作信号MVと外乱信号Dとを加算合成し、得ら
れた加算合成信号を制御対象2に印加することにより、
演算目標値SV0=制御量PVとなるように制御する。
ンの2自由度化係数部11の係数αを乗算して得られた信
号(SV・α)を加算手段12に導入し、また後続の減算手
段13にて目標値SVから係数部11の出力(SV・α)を減算
し、得られた減算出力SV(1−α)を次の減算手段14に
供給する。
自由化係数部15に導き、ここで出力(SV・α)に微分時
間の2自由度化係数γを乗算し、得られた乗算出力(SV
・α・γ)を減算手段16に導入する。この減算手段16で
は乗算出力(SV・α・γ)から制御量PVを減算し、得ら
れた減算出力(SV・α・γ)−PVを係数手段17に導き、
ここで減算出力(SV・α・γ)−PVに微分ゲイン1/ηを
乗算する。この係数手段17の出力は2分岐され、その一
方は直接に減算手段18に入力され、他方は微分時間要素
TDをもつ1次遅れ要素19を経由して減算手段18に入力さ
れ、ここで前記係数手段17の出力から1次遅れ要素19の
出力を減算した後、前記減算手段14に供給する。そし
て、この減算手段14にて前記減算手段13の出力から減算
手段18の出力を減算した後、積分時間T1を時定数とする
1次遅れ要素110を通すことにより適宜な遅れを持た
せ、またこの1次遅れ要素110の出力と減算手段18の出
力とを加算手段111で加算し、さらに前記加算手段12に
て係数部11の出力と加算することにより、目標値フィル
タ1から演算目標値SV0を出力する。
御量PVとの間には、 なる関係が成立する。その結果、操作信号MV中の目標値
SV成分をMVSとすると、第4図および上記(2)式か
ら、 となり、一方、操作信号MV中の制御量PV成分をMVPとす
ると、同じく第4図および上記(2)式から、 が得られる。ゆえに、この(3)式と(4)式とから明
らかなように、制御量PVに対しては単純PID制御となる
が、目標値SVに対しては比例ゲインとなるαと微分ゲイ
ンとなるγとがそれぞれ独立して設定できる、いわゆる
2自由度PID制御を構成することになる。
をもっているにも拘わず、次のような点が指摘されてい
る。つまり、(3)式と(4)式に示すように、目標値
SVおよび制御量PV(外乱D)に対する微分動作の使い方
にはγとTDの設定の仕方に応じて3通り(後記する第2
表)あるが、実際の工業応用ではプロセスの特性や制御
上のニーズなどに応じて上記組合わせを選択使用し、ま
た運転中にも変更する。
自由度化係数αの値は大きく異なってくる。このため数
百から数千ループのPID制御を使用するプラントではそ
の都度比例ゲインの2自由度化係数αの値を設定変更す
る必要があり、そのため非常に手間がかかり、また設定
すべき2自由度化係数αの値を忘れることもある。
滑に行うことができれば、さらに2自由度PIDの汎用化
に大きく貢献させることができる。
例ゲインの2自由度化係数を自動的に設定し得、よって
調整容易で制御性の高い2自由度調節装置を提供するこ
とを目的とする。
に、演算目標値と制御対象からの制御量との偏差を用い
てPID調節演算を実行する調節手段と、目標値が入力さ
れ、この目標値に対するP動作およびD動作を2自由度
化するための比例ゲインの2自由度化係数部、微分時間
の2自由度化係数部と制御量に対する微分時間要素とを
有し、前記演算目標値を出力する目標値フィルタとを備
え、前記調節手段によって得られた操作出力を前記制御
対象に印加して制御量が前記演算目標値となるように制
御する2自由度調節装置において、 予め3つの比例ゲインの2自由度化係数値を設定する
2自由度化係数設定手段と、前記微分時間の2自由度化
係数部と前記微分時間要素とから、前記目標値および前
記制御量に対するD動作無しの状態と、前記目標値に対
するD動作無しで、かつ、前記制御量に対するD動作有
りの状態と、前記目標値に対するD動作有りで、かつ、
前記制御量に対するD動作有りの状態との3つの状態を
判別する判別手段と、前記3つの2自由度化係数設定手
段により設定された比例ゲインの2自由度化係数値を、
前記判別手段による判別結果に対応して選択し、前記比
例ゲインの2自由度化係数部に設定する選択手段とを備
えた2自由度調節装置である。
対象からの制御量との偏差を用いてPID調節演算を実行
する調節手段と、目標値が入力され、この目標値に対す
るP動作およびD動作を2自由度化するための比例ゲイ
ンの2自由度化係数部、微分時間の2自由度化係数部と
制御量に対する微分時間要素とを有し、前記演算目標値
を出力する目標値フィルタとを備え、前記調節手段によ
って得られた操作出力を前記制御対象に印加して制御量
が前記演算目標値となるように制御する2自由度調節装
置において、 予め2つの比例ゲインの2自由度化係数値を設定する
2自由度化係数設定手段と、前記微分時間の2自由度化
係数部と前記微分時間要素とから、前記目標値に対する
D動作無しで、かつ、前記制御量に対するD動作有りの
状態とそれ以外の状態との2つの状態を判別する判別手
段と、前記2つの2自由度化係数設定手段により設定さ
れた比例ゲインの2自由度化係数値を、前記判別手段に
よる判別結果に対応して選択し、前記比例ゲインの2自
由度化係数部に設定する選択手段とを備えた2自由度調
節装置である。
を講じたことにより、予め目標値に対するD動作の有無
と制御量に対するD動作の有無との組合わせ関係から複
数の比例ゲイン2自由度化係数を決定しておき、目標値
フィルタにおける目標値に対するD動作の状態と制御量
に対するD動作の状態に基づいて前記設定された複数の
比例ゲイン2自由度化係数の中から選択することによ
り、プロセスの特性や制御上のニーズに応じて所定の係
数手段を人手を介することなく最適な比例ゲイン2自由
度化係数を設定できる。
イン2自由度化係数をを用いてプロセスの特性や制御上
のニーズに応じて所定の係数手段に最適な比例ゲイン2
自由度化係数を設定できる。
請求項1に対応する発明の実施例について説明する。
今、外乱抑制特性に最適な比例ゲインおよびその微分時
間をそれぞれKP,TDとし、一方、目標値追従特性に最適
な比例ゲインおよびその微分時間をそれぞれKP *,TD *
とすると、上記(3)式および(4)式から、 KP *=α・KP→α=(KP */KP) …(5) KP *・TD *≒KP・α・γ・TD →γ=(TD */TD) …(6) が得られる。
から制御定数を求める方法には数多くの方法が提案され
ているが、その中でもよく用いられているものには第1
表に示すCHR法(Chien,Hrones,Reswick)が上げられ
る。
数、Lは無駄時間である。
る微分動作の有無と制御量(外乱)に対する微分動作の
有無との組合わせにより、比例ケインの2自由度化係数
αの値がどのように異なるかを調べると、第2表のよう
になる。
目標値SVに対する微分動作の有無と制御量(外乱)に対
する微分動作の有無との組合わせに応じて、比例ゲイン
の2自由度化係数αの値は0.37〜0.63と大きく異なる。
1図を参照して説明する。この発明は請求項1に対応す
る発明を具体化したものであって、従来の第4図の目標
値フィルタ1を第1図に示す如く微分時間TDと微分時間
の2自由度化係数γとの組合わせを判別する機能をもっ
た目標値フィルタ10を用いることにある。なお、この図
において第4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。
ば第3表に基づいて2個(3個でもよい)の比例ゲイン
の2自由度化係数α1,α2を設定する2自由度化係数設
定手段11,12と、前記微分時間の2自由度化係数部15に
設定されている微分時間の2自由度化係数γと前記1次
遅れ要素19に設定されている微分時間TDとの値を取り込
んで微分時間TDと微分時間の2自由度化係数γの組合わ
せを判別する判別手段13とを設け、さらに判別手段13に
よる判別結果,つまり微分時間TDと微分時間の2自由度
化係数γとの組合わせ変更に基づき予め2自由度化係数
設定手段11,12に設定された比例ゲインの2自由度化係
数の中から最適値を自動的に選択する選択手段14を設
け、この選択手段14で選択された比例ゲインの2自由度
化係数を前記係数部11に設定する構成となっている。
数部15に設定されている微分時間の2自由度化係数γと
前記1次遅れ要素19に設定されている微分時間TDとの値
を取り込んだ後、これら2自由度化係数γと微分時間TD
との間に、 (イ)γ=0、TD≠0のとき、 第2表から比例ゲインの2自由度化係数 α1=0.37 (ロ)上記以外のとき、 比例ゲインの2自由度化係数 α2=0.60 を係数部11に設定する。なお、前記(ロ)において「0.
60」としたのは、第3表に示す0.58と0.63とが互いに近
似しているので、それらの中間値をとって1つにまとめ
たものである。
施例によれば、目標値SVに対する微分動作の有無と制御
量(外乱)に対する微分動作の有無との組合わせに応じ
て、比例ゲインの2自由度化係数αの値が大きく異なる
ことを突き止めるとともに、予め2自由度化係数設定手
段11,12に最適な比例ゲインの2自由度化係数を設定
し、判別手段13にて微分時間の2自由度化係数γと微分
時間TDとを判別して前記2自由度化係数設定手段11また
は12から最適な比例ゲインの2自由度化係数を取り出し
て係数部11に自動的に設定するので、従来のように微分
時間の2自由度化係数γと微分時間TDとの組合わせによ
って比例ゲイン2自由度化係数の値をその都度設定変更
するといった面倒な手間を省くことができ、特に大型プ
ラントのように数百から数千の制御ループを用いるもの
ではその設定作業が飛躍的に改善できる。
設定できるので、全体の2自由度PID制御を最適状態に
保持することができる。
であって、これは目標値フィルタ10の減算手段13と減算
手段14との間に1次遅れ要素15を挿入し、その時定数β
・TIの係数βを用いることにより等価的に積分時間TIを
2自由度化した完全2自由度PID制御を得る例である。
に微分時間の2自由度化係数γと微分時間TDとの組合わ
せによって最適な比例ゲインの2自由度化係数の値を係
数部11に設定できることは言うまでもない。
を示す図である。この装置は、目標値フィルタ10の減算
手段13の出力側に1次遅れ要素16を設け、かつ、前記減
算手段18の出力から当該1次遅れ要素16の出力を減算す
る減算手段17を設け、その1次遅れ要素16のβの係数を
用いることにより等価的に積分時間TIを2自由度化した
完全2自由度PID制御を得る例であって、この場合にも
同様に微分時間の2自由度化係数γと微分時間TDとの組
合わせによって最適な比例ゲインの2自由度化係数の値
を係数部11に設定できるものである。
形して実施できる。
由度化係数γと微分時間TDとの組合わせ状態に応じて自
動的に最適な比例ゲインの2自由度化係数を選択設定で
き、よって調整容易で制御性が高く、汎用性に富んだ2
自由度調節装置を提供できる。
例を示すブロック構成図、第2図および第3図は請求項
2の発明に係わるPID調節装置の他の実施例を示すブロ
ック構成図、第4図は従来のPID調節装置のブロック構
成図である。 11,15,17……係数部、19,110,15,16……1次遅れ要素、
10……目標値フィルタ、11,12……2自由度化係数設定
手段、13……判別手段、14……選択手段。
Claims (2)
- 【請求項1】演算目標値と制御対象からの制御量との偏
差を用いてPID(P:比例,I:積分,D:微分)調節演算を実
行する調節手段と、目標値が入力され、この目標値に対
するP動作およびD動作を2自由度化するための比例ゲ
インの2自由度化係数部および微分時間の2自由度化係
数部と制御量に対する微分時間要素とを有し、前記演算
目標値を出力する目標値フィルタとを備え、前記調節手
段によって得られた操作出力を前記制御対象に印加して
制御量が前記演算目標値となるように制御する2自由度
調節装置において、 予め3つの比例ゲインの2自由度化係数値を設定する2
自由度化係数設定手段と、 前記微分時間の2自由度化係数部と前記微分時間要素と
から、前記目標値および前記制御量に対するD動作無し
の状態と、前記目標値に対するD動作無しで、かつ、前
記制御量に対するD動作有りの状態と、前記目標値に対
するD動作有りで、かつ、前記制御量に対するD動作有
りの状態との3つの状態を判別する判別手段と、 前記2自由度化係数設定手段により設定された3つの比
例ゲインの2自由度化係数値を、前記判別手段による判
別結果に対応して選択し、前記比例ゲインの2自由度化
係数部に設定する選択手段とを備えたことを特徴とする
2自由度調節装置。 - 【請求項2】演算目標値と制御対象からの制御量との偏
差を用いてPID(P:比例,I:積分,D:微分)調節演算を実
行する調節手段と、目標値が入力され、この目標値に対
するP動作およびD動作を2自由度化するための比例ゲ
インの2自由度化係数部および微分時間の2自由度化係
数部と制御量に対する微分時間要素とを有し、前記演算
目標値を出力する目標値フィルタとを備え、前記調節手
段によって得られた操作出力を前記制御対象に印加して
制御量が前記演算目標値となるように制御する2自由度
調節装置において、 予め2つの比例ゲインの2自由度化係数値を設定する2
自由度化係数設定手段と、 前記微分時間の2自由度化係数部と前記微分時間要素と
から、前記目標値に対するD動作無しで、かつ、前記制
御量に対するD動作有りの状態とそれ以外の状態との2
つの状態を判別する判別手段と、 前記2自由度化係数設定手段により設定された2つの比
例ゲインの2自由度化係数値を、前記判別手段による判
別結果に対応して選択し、前記比例ゲインの2自由度化
係数部に設定する選択手段とを備えたことを特徴とする
2自由度調節装置。
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