JP6751244B2 - オートチューニング装置 - Google Patents

Description

この発明は、カスケード制御系における制御パラメータを調整するオートチューニング機能を有するオートチューニング装置に関するものである。

従来、カスケード制御系におけるＰＩＤパラメータを算出しオートチューニングを行うＰＩＤ制御装置が提案されている。以下の特許文献１には、スレーブ側閉ループ伝達関数を一次遅れ＋むだ時間モデルで近似することによりマスタＰＩＤコントローラのＰＩＤパラメータを算出するＰＩＤ制御装置が開示されている。

一方、シングルループによるＰＩＤ制御装置において、ＰＩＤ制御を開始するまでの段取りを立てるため、ＰＩＤオートチューニングの終了時間を知りたいという要望があった。以下の特許文献２には、シングルループによるＰＩＤオートチューニングの終了時間を予測可能なＰＩＤ制御装置が開示されている。

特開２０１２−８９００４号公報 国際公開ＷＯ２０１４／０８７８０５号公報

しかし、カスケード制御系においてはその制御の複雑さから、制御パラメータのオートチューニング終了時間を予測することは困難であった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、カスケード制御系における制御パラメータのオートチューニング終了時間を予測することができるオートチューニング装置を得ることを目的とする。

（構成１）
ＰＩＤ制御を行うマスタコントローラと、少なくともＰ制御を行うスレーブコントローラとがカスケード接続されたカスケード制御系において使用され、前記マスタコントローラの制御パラメータであるマスタパラメータと前記スレーブコントローラの制御パラメータであるスレーブパラメータを調整するオートチューニングを行うためのオートチューニング機能を有するオートチューニング装置であって、
オートチューニングの実効指令を受けるオートチューニング管理部と、
制御対象の温度の制御を開始する前に、前記制御対象の温度が設定温度より低い期間では、前記制御対象に熱を加える加熱器をオン状態に設定し、前記制御対象の温度が前記設定温度以上の期間では、前記加熱器をオフ状態に設定することで、前記制御対象の温度を制御する温度制御部と、
前記温度制御部により制御されている制御対象の温度の計測値から前記マスタパラメータと前記スレーブパラメータを算出する制御パラメータ算出部と、
前記制御対象の温度の計測値を監視して、前記制御対象の温度が前記設定温度を通過するタイミングを検出する処理を実施し、前回の通過のタイミングから今回の通過のタイミングに至るまでの経過時間を計測する経過時間計測部と、
前記経過時間計測部により計測された経過時間を用いて、オートチューニングの終了時間を算出する時刻算出部と、
前記時刻算出部により算出されたオートチューニングの終了時間を提示する時刻提示部と、
を備えたオートチューニング装置。

（構成２）
前記経過時間計測部は、前記通過のタイミングを検出する毎に、前回の通過のタイミングから今回の通過のタイミングに至るまでの経過時間を計測し、
前記時刻算出部は、前記経過時間計測部により経過時間が計測される毎に、当該経過時間を用いて、オートチューニングの終了時間を算出し、
前記時刻提示部は、前記時刻算出部によりオートチューニングの終了時間が算出される毎に、当該終了時間を提示することを特徴とする構成１記載のオートチューニング装置。

（構成３）
前記時刻提示部は、前記時刻算出部によりオートチューニングの終了時間が算出される毎に、現在の時刻から当該終了時間に至るまでの時間をタイマーのカウント値に設定して、前記カウント値の減数処理を開始し、減数処理中のカウント値を提示することを特徴とする構成２記載のオートチューニング装置。

（構成４）
前記オートチューニング機能においてリミットサイクル法を用いる場合に、
前記経過時間算出部が、前記オートチューニングの終了時間に対して前記設定温度を切換える前の前記経過時間に基づき補正を行うことを特徴とする構成１から３の何れかに記載のオートチューニング装置。

（構成５）
前記オートチューニング機能においてリミットサイクル法を用いる場合に、
前記経過時間算出部が、前記設定温度の切換えにかかる時間を、前記設定温度切換前の前記経過時間に基づき予測することを特徴とする構成１から３の何れかに記載のオートチューニング装置。

（構成６）
前記オートチューニング機能においてリミットサイクル法を用いる場合に、
前記経過時間算出部が、前記設定温度の切換後、前記設定温度の切換えまでにかかった時間と、前記経過時間に基づき、前記オートチューニングの終了時間を算出することを特徴とする構成１から３の何れかに記載のオートチューニング装置。

この発明によれば、カスケード制御系におけるオートチューニングの終了時間を予測することができるオートチューニング装置を得ることができる。

本発明の実施の形態によるオートチューニング装置を示した概要図である。 本発明の実施の形態によるカスケード接続時のオートチューニング動作の概要を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態によるカスケード接続時のオートチューニング残り時間予測方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態によるカスケード接続時のオートチューニング残り時間予測方法の詳細を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態によるカスケード接続時のマスタＡＴにおける測定値と時間の関係を示した概念図である。 本発明実施の形態によるカスケード接続時のオートチューニング実施時における、マスタ制御対象の設定温度と測定値、スレーブ制御対象の設定温度と測定値及びオートチューニング残り時間のシミュレーション結果を示す図である。

実施の形態
図１はこの発明の実施の形態によるオートチューニング装置を示す構成図である。
図１のオートチューニング装置１００は、カスケード制御系において、マスタコントローラ９とスレーブコントローラ１０における制御パラメータを算出するオートチューニング機能を有する。また、オートチューニング装置１００は、当該オートチューニングの終了時間を予測する機能を有する。なお、カスケード制御系とは、図１におけるマスタコントローラ９、スレーブコントローラ１０、温度制御部４、加熱器２、マスタ制御対象１＿１、スレーブ制御対象１＿２、スレーブ温度計測部３＿２、マスタ温度計測部３＿１等によって構成される制御ループのことを指す。

オートチューニング管理部１１は、図示しない入力部等から入力されるオートチューニング指令に基づき、オートチューニング装置１００の動作を開始させる。

マスタコントローラ９は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路やワンチップマイコンなどから構成された制御コントローラであり、図示しない入力部等より入力された設定温度とマスタ温度計測部３＿１より入力されるマスタ測定値ＰＶｍと、制御パラメータ算出部５から入力されるマスタパラメータに基づき、スレーブ設定温度ＳＶｓをスレーブコントローラ１０へと出力する。

スレーブコントローラ１０は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路やワンチップマイコンなどから構成された制御コントローラであり、マスタコントローラ９より入力されたスレーブ設定温度ＳＶｓと、スレーブ温度計測部３＿２より入力されるスレーブ測定値ＰＶｓと、制御パラメータ算出部５から入力されたスレーブパラメータに基づき、操作量ＭＶを温度制御部４へと出力する。

温度制御部４は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路やワンチップマイコンなどから構成されており、制御対象１の温度制御を開始する前に、スレーブ温度計測部３＿２から出力されたスレーブ測定値ＰＶｓが示すスレーブ制御対象１＿２の温度がスレーブコントローラ１０のスレーブ設定温度ＳＶｓより低い期間では、加熱器２をオン状態に設定し、スレーブ制御対象１＿２の温度がスレーブ設定温度ＳＶｓ以上の期間では、加熱器２をオフ状態に設定することで、スレーブ制御対象１＿２の温度を制御する温度調節器である。以下、温度制御部４にて実施される当該動作をＯＮＯＦＦ制御とも称する。
ここで、加熱器２をオン状態に設定することは、加熱器２に対する加熱の操作量を例えば１００％に設定することを意味し、加熱器２をオフ状態に設定することは、加熱器２に対する加熱の操作量を例えば０％に設定することを意味する。
加熱器２は制御対象１に熱を加えるヒータなどの機器である。

マスタ温度計測部３＿１はマスタ制御対象１＿１の温度を計測し、その計測値（ＰＶｍ）を出力する温度センサである。
スレーブ温度計測部３＿２はスレーブ制御対象１＿２の温度を計測し、その計測値（ＰＶｓ）を出力する温度センサである。

制御対象１は例えば薬液温度制御系であり、マスタ制御対象１＿１は薬液温度であり、スレーブ制御対象１＿２は薬液槽温度であり、加熱器２によりスレーブ制御対象１＿２に熱が加えられて、マスタ制御対象１＿１の温度がマスタコントローラ９にて設定されたマスタ設定温度ＳＶｍに制御される。

制御パラメータ算出部５は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、ワンチップマイコン、あるいは、乗算器や加算器などを備える計算機などから構成されており、温度計測部３より出力された計測値から、マスタコントローラ９における制御パラメータであるマスタパラメータと、スレーブコントローラ１０における制御パラメータであるスレーブパラメータと、を算出し、それぞれマスタコントローラ９とスレーブコントローラ１０へと出力する。

経過時間計測部６は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、ワンチップマイコン、あるいは、タイマーを備える計算機などから構成されており、マスタ温度計測部３＿１及びスレーブ温度計測部３＿２から入力されたそれぞれの計測値を監視して、マスタ制御対象１＿１の温度がマスタ設定温度ＳＶｍを通過するタイミングを検出する処理を実施し、通過のタイミングを検出する毎に、前回の通過のタイミングから今回の通過のタイミングに至るまでの経過時間を計測する処理を実施する。

時刻算出部７は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、ワンチップマイコン、あるいは、乗算器や加算器などを備える計算機などから構成されており、経過時間計測部６により経過時間が計測される毎に、当該経過時間を用いて、オートチューニングが終了するまでの残り時間を算出する処理を実施する。

時刻提示部８は例えば７セグメント表示器やタイマーなどから構成されており、時刻算出部７によりオートチューニングの残り時間が算出される毎に、当該終了時間を表示する処理を実施する。
また、時刻提示部８は時刻算出部７によりオートチューニングの残り時間が算出される毎に、当該残り時間をタイマーのカウント値に設定して、そのカウント値の減数処理を開始し、減数処理中のタイマーのカウント値を表示する処理を実施する。

次に、オートチューニング装置１００のカスケード制御におけるオートチューニング動作について説明する。
以下、オートチューニングのことを単にＡＴとも称する。
また、ここではマスタコントローラ９、スレーブコントローラ１０がともにＰＩＤ制御を実行する例を記載し、それぞれの制御パラメータである、マスタパラメータ、スレーブパラメータのことを、それぞれ、マスタＰＩＤパラメータ、スレーブＰＩＤパラメータとも称する。

図２はこの発明の実施の形態によるＰＩＤ制御のＡＴ動作概要を示すフローチャートである。
ここでは、スレーブコントローラ１０において２回のリミットサイクル動作（ステップＳ２０１、Ｓ２０２）を実行し、制御パラメータ算出部がスレーブコントローラ１０のＰＩＤパラメータを求める例を記載する。以下、当該動作をスレーブＡＴとも称する。
また、マスタコントローラ９において２回のリミットサイクル動作（ステップＳ２０３、Ｓ２０４）を実行し、マスタコントローラ９のＰＩＤパラメータを求める例を記載する。以下、当該動作をマスタＡＴとも称する。
まず、オートチューニング管理部１１に入力されたＡＴ実効指令によりＡＴを開始する。

まずは１回目のスレーブＡＴを実行する（ステップＳ２０１）。スレーブコントローラ１０は、スレーブ測定値ＰＶｓと、１回目のスレーブＡＴ動作時にはあらかじめ設定されているスレーブ設定温度ＳＶｓと、に基づき、温度制御部４を通じてスレーブ制御対象１＿２のＯＮＯＦＦ制御を行う。スレーブ測定値ＰＶｓがスレーブ設定温度ＳＶｓに到達するたびに加熱器２のＯＮＯＦＦを切換え、事前に設定された切換回数に到達するまで、ＯＮＯＦＦ制御を行う。
なお、ここでは切換回数を６回としている。
制御パラメータ算出部５は、スレーブ測定値ＰＶｓを監視し、事前に設定された回数のＯＮＯＦＦ制御が完了すると、当該制御の結果により生じたリミットサイクル波形を記録し、ＡＴを終了する。１回目のスレーブＡＴが終了すると、ステップＳ２０２へと進む。

次に２回目のスレーブＡＴを実行する（ステップＳ２０２）。２回目のスレーブＡＴでは、１回目のスレーブＡＴにより得られたリミットサイクル波形の振幅に対して、事前に設定された定数であるｋ倍離れた値を２回目のスレーブ設定温度ＳＶｓとする。そして、１回目スレーブＡＴと同様に、切換回数分のＯＮＯＦＦ制御を行う。これにより制御パラメータ算出部５は、スレーブ側制御対象を一次遅れ＋むだ時間近似モデルで同定を行い、以下の式１から式３で表されるスレーブＰＩＤパラメータを得る。

但し、Ｇｓはスレーブ制御対象１＿２の伝達関数、Ｋ_ｓはスレーブ制御対象１＿２の定常ゲイン、Ｔ_ｓは等価時定数、Ｌ_ｓは等価むだ時間、ＳＶ_ｓ１は１回目のスレーブＡＴにおける目標値、θ_ｓ１は１回目のスレーブＡＴにおけるオンオフのデューティ比、ＳＶ_ｓ２は２回目のスレーブＡＴにおける目標値、θ_ｓ２は２回目のスレーブＡＴにおけるオンオフのデューティ比である。

さらにＡＴ時のリミットサイクル波形からスレーブ側制御対象の限界ゲイン：Ｋ_ｃｓと限界周期：Ｔ_ｃｓを算出し、等価時定数：Ｔ_ｓと等価むだ時間：Ｌ_ｓが以下の数３により算出される。

このようにしてスレーブＰＩＤパラメータが算出されるとスレーブＡＴを終了し、ステップＳ２０３へと進む。

次に、１回目のマスタＡＴを実行する（Ｓ２０３）。ＡＴ実効指令に基づき、マスタコントローラ９は、あらかじめ設定されたマスタ設定温度ＳＶｍと、に基づきスレーブコントローラ１０及び温度制御部４を通じてマスタ制御対象１＿１の温度を制御するＯＮＯＦＦ制御を行う。ＰＶｍがＳＶｍに到達するたびに加熱器２のＯＮＯＦＦを切換え、事前に設定された切換回数に到達するまで、ＯＮＯＦＦ制御を行う。
なお、スレーブＡＴと同様に、事前に設定された切換回数を６回としている。
制御パラメータ算出部５は、マスタ測定値ＰＶｍと、スレーブ測定値ＰＶｓを監視し、事前に設定された回数のＯＮＯＦＦ制御が完了すると、当該制御の結果により生じたリミットサイクル波形をそれぞれ記録する。事前に設定された回数のＯＮＯＦＦ制御が終了し、１回目のマスタスレーブＡＴが終了すると、ステップＳ２０４へと進む。

次に、２回目のマスタＡＴを実行する（ステップＳ２０５）。２回目のマスタＡＴでは１回目のマスタＡＴにより得られたリミットサイクル波形の振幅に対して、事前に設定された定数であるｋ倍離れた値を２回目の設定温度ＳＶｍとする。
そして１回目のマスタＡＴと同様に事前に設定された切換回数に到達するまでＯＮＯＦＦ制御を行う。制御パラメータ算出部５は、当該制御により生じるマスタ測定値ＰＶｍとスレーブ測定値ＰＶｓのリミットサイクル波形からマスタ制御対象１＿１の伝達関数の数式モデルを得る。マスタ制御対象１＿１の伝達関数をスレーブ制御対象１＿２と同様にむだ時間＋一時遅れモデルで近似した場合、以下の式４から６で表されるマスタＰＩＤパラメータを得る。

但し、Ｋ_ｍはマスタ側制御対象１＿１の定常ゲイン、Ｔ_ｍは等価時定数、Ｌ_ｍは等価むだ時間、ＳＶ_ｍ１、θ_ｍ１は、１回目のマスタＡＴの目標値とオンオフデューティ比、ＳＶ_ｍ２、θ_ｍ２は、２回目のマスタＡＴの目標値とオンオフデューティ比であり、Ｋ_ｓは式１より求まるスレーブ側制御対象１＿２の定常ゲインである。

さらに制御パラメータ算出部５は、マスタ側制御対象１＿１の限界ゲイン：Ｋ_ｃｍと限界周期：Ｔ_ｃｍを算出し、等価時定数：Ｔ_ｍと等価むだ時間：Ｌ_ｍを下式により求めマスタＰＩＤパラメータを得る。

但し、Ｔ_ｃｍはリミットサイクル周期、Ｘ_ｓはＰＶ_ｓのリミットサイクル波形の振幅、Ｘ_ｍはＰＶ_ｍのリミットサイクル波形の振幅、φはＰＶ_ｓとＰＶ_ｍのリミットサイクル波形の位相差である。
このようにしてマスタＰＩＤパラメータが算出され、本実施形態におけるＡＴ動作が終了する。

次に本実施の形態におけるオートチューニング装置１００におけるオートチューニング終了までの時間を予測する機能につき説明する。以下、当該機能について、ＡＴ終了時間予測機能とも称する。

図５はこの発明の実施の形態による、マスタＡＴ時におけるマスタ測定値ＰＶｍと経過時間の関係を示す概念図である。

図３はこの発明の実施の形態によるＡＴ終了時間予測機能の概要を示すフローチャートである。ＡＴ終了時間予測機能は、ＡＴ動作と並行して動作する。そのため、図３においては、本実施の形態におけるＡＴ動作のタイミングと照合するため、図２におけるＡＴ動作のフローチャートを併記している。

最初に、オートチューニング管理部１１に入力されたＡＴ実効指令によりＡＴ動作が開始されるとともにＡＴ終了時間予測動作を開始する。
また、ＡＴの開始と同時に経過時間計測部６は、ＡＴ開始からの実際の時間をカウントし、Ｔｒｅａｌとして記録を行う。
まず、スレーブＡＴ１回目及び２回目が完了するまでは、時刻提示部８は、ＰＩＤパラメータの計算中である旨を示す“ＣＡＬＣ”を表示する（ステップＳ３０１）。スレーブＡＴ２回目が完了すると、ステップＳ３０２に移行する。
ステップＳ３０２の詳細な動作については図４を参照しながら説明する。

＜マスタＡＴ１回目＞
ステップＳ３０２では、１回目のマスタＡＴ実行中のＡＴ残り時間を予測する。
経過時間計測部６は、１回目のマスタＡＴの実行中、マスタ温度計測部３＿１から入力されたマスタ測定値ＰＶｍを監視して、ＰＶｍがマスタ設定温度ＳＶｍを通過するタイミングを検出する処理を実施する。以下、当該検出対象点をＡＴポイントと称し、そのタイミングをＡＴポイントを通過するタイミングとも称する。
前述の通り、事前に設定された切換回数は６回である。
経過時間計測部６は、１回目のマスタＡＴにおける１回目のＡＴポイントの通過を検出すると（ステップＳＴ３：Ｙｅｓ）、１回目のマスタＡＴにおける１回目のＡＴポイントの通過時刻ｔ１＿１を特定し、その通過時刻ｔ１＿１から経過時間Ｔｅｌａ１２の計測を開始する（ステップＳＴ４）。
経過時間計測部６は、２回目のＡＴポイントの通過を検出すると（ステップＳＴ５：Ｙｅｓ）、１回目のマスタＡＴにおける２回目のＡＴポイントの通過時刻ｔ１＿２を特定し、下記の式（７）のように１回目のマスタＡＴにおける１回目のＡＴポイントの通過から１回目のマスタＡＴにおける２回目のＡＴポイントの通過に至るまでの経過時間Ｔｅｌａ１２の計測を終了する（ステップＳＴ６）。
Ｔｅｌａ１２＝ｔ１＿２−ｔ１＿１ （７）

時刻算出部７は、経過時間計測部６によりＴｅｌａ１２が計測されると、１回目のマスタＡＴにおける２回目のＡＴポイント時点での当該ＡＴのみの終了までの残り時間の予測値であるＴｅｎｄ１＿２を算出する（ステップＳＴ７）。
なお、「ＡＴのみの終了」とは１回目と２回目のマスタＡＴの切換時間等を考慮しない場合のＡＴの終了時間を意味し、以下においても同様とする。

ステップＳＴ７において、１回目のマスタＡＴにおける２回目のＡＴポイントでのＡＴ終了時間を予測する。

ここで、カスケード制御におけるＡＴ終了時間を予測する際に以下の点につき考慮する必要がある。
１つは、１回目のＡＴ終了時から２回目のＡＴに移行する際のＳＶ変更に時間がかかるという点である。
もう１つは、１回目のＡＴに比べ、２回目のＡＴは負荷率が下がることにより１回目のＡＴよりも長く時間がかかる可能性が高いという点である。
これらの点に対処するため、以下のように終了時間を予測する。

ＳＶ変更の時間については、１回目のマスタＡＴのＡＴポイント通過に要した時間に基づき予測を行う。ここでは、ＳＶ変更にかかる時間ＴｓｌｅｅｐをＡＴポイント通過周期の例えば１．５周期分として以下の式（８）のように算出する。
Ｔｓｌｅｅｐ＝１．５×Ｔｅｌａ１２ （８）

また、２回目のＡＴは１回目のＡＴよりも長く時間がかかる点については、１回目のマスタＡＴにかかる時間に基づきＡＴ残り時間にバイアスをかける補正を行う。ここでは、バイアスを定数項Ｔｂｕｆｆとして扱い、ＡＴポイント通過周期の半周期分として以下の式（９）のように算出する。
Ｔｂｕｆｆ＝０．５×Ｔｅｌａ１２ （９）
このようにカスケード制御におけるＡＴの特徴を考慮し、以下の式（１０）ようにＴｅｎｄ１＿２を算出する。
Ｔｅｎｄ１＿２＝４．５×Ｔｅｌａ１２ （１０）
そして、１回目のマスタＡＴにおける２回目のＡＴポイント時点での当該ＡＴの実際の終了までの予測時間であるＴｒｅｓｔ１＿２を以下の式のように算出する。
Ｔｒｅｓｔ１＿２＝Ｔｅｎｄ１＿２＋Ｔｂｕｆｆ （１１）
なお、「ＡＴの実際の終了」とは、１回目と２回目のマスタＡＴの切換時間等を考慮した場合のＡＴの終了時間を意味し、以下においても同様とする。
更に、２回目のマスタＡＴ終了までの全オートチューニング工程の終了予測時間であるＴｌｅｆｔを以下のように算出する。
Ｔｌｅｆｔ＝２×Ｔｒｅｓｔ１＿２＋Ｔｒｅａｌ＋Ｔｓｌｅｅｐ （１２）

通常、制御開始の最初のサイクルに要する第１の経過時間Ｔｅｌａ１２は、以降の経過時間よりも大きい。従って、実際のＡＴ終了時間は、上述のように算出したＴｌｅｆｔよりも小さくなることが見込まれるが、大まかなＡＴ残り時間を算出することができる。

時刻提示部８は、時刻算出部７によりＴｅｎｄ１＿２が算出されると、現在時刻と当該時点におけるＴｌｅｆｔに基づきＡＴが終了する予想時刻を表示する。
また、時刻提示部８は、当該時点におけるＴｌｅｆｔをタイマーのカウント値に設定して、そのカウント値の減数処理を開始する。
さらに、時刻提示部８は、減数処理中のタイマーのカウント値を表示する（ステップＳＴ８）。
ここでのタイマーのカウント値の減数処理と、減数処理中のカウント値の表示処理は、後述するステップＳＴ１２でＴｅｎｄ１＿３が算出されるまで繰り返される。

次に、経過時間計測部６は、１回目のマスタＡＴにおける２回目のＡＴポイントの通過時刻ｔ１＿２からの経過時間Ｔｅｌａ１３の計測を開始する（ステップＳＴ９）。
経過時間計測部６は、１回目のマスタＡＴにおける３回目のＡＴポイントの通過を検出すると（ステップＳＴ１０：Ｙｅｓの場合）、１回目のマスタＡＴにおける３回目のＡＴポイントの通過時刻ｔ１＿３を特定し、下記の式（１３）のように１回目のマスタＡＴにおける２回目のＡＴポイントの通過から１回目のマスタＡＴにおける３回目のＡＴポイントの通過に至るまでの経過時間Ｔｅｌａ１３の計測を終了する（ステップＳＴ１１）。
Ｔｅｌａ１３＝ｔ１＿３−ｔ１＿２ （１３）

時刻算出部７は、経過時間計測部６によりＴｅｌａ１３が計測されると、１回目のマスタＡＴにおける３回目のＡＴポイントにおけるＡＴのみの終了までの残り時間の予測値であるＴｅｎｄ１＿３を下記の式（１４）のように算出する（ステップＳＴ１２）。
Ｔｅｎｄ１＿３＝２．０×Ｔｅｌａ１２＋１．５×Ｔｅｌａ１３（１４）
そして、１回目のマスタＡＴにおける３回目のＡＴポイント時点での当該ＡＴの実際の終了までの時間であるＴｒｅｓｔ１＿３を以下の式のように算出する。
Ｔｒｅｓｔ１＿３＝Ｔｅｎｄ１＿３＋Ｔｂｕｆｆ （１５）
更に、２回目のマスタＡＴ終了までの全オートチューニング工程の終了予測時間であるＴｌｅｆｔを以下の式のように算出する。
Ｔｌｅｆｔ＝２×Ｔｒｅｓｔ１＿３＋Ｔｒｅａｌ＋Ｔｓｌｅｅｐ （１６）
更に、３回目以降のＡＴポイント切換においては、現在の予測値を再計算し、予測値が現在までに実際にかかった時間に基づく推定値ｔｅｍｐ＿ｌｅｆｔよりも大きな場合にのみ、上記のように算出したＴｌｅｆｔを、以下の式のように算出したｔｅｍｐ＿ｌｅｆｔに置き換える。
ｔｅｍｐ＿ｌｅｆｔ＝Ｔｒｅａｌ＋（６−ｎ）×Ｔｅｎｄ１＿ｎ＋Ｔｓｌｅｅｐ （１７）
なお、ｎは当該マスタＡＴにおけるＡＴポイントの残り切換回数であり、ここではｎ＝３となる。

時刻提示部８は、時刻算出部７によりＴｅｎｄ１＿３が算出されると、現在時刻と当該時点におけるＴｌｅｆｔに基づきＡＴが終了する予想時刻を算出する。
時刻提示部８は、時刻算出部７により当該時点におけるＴｌｅｆｔが算出されると、先に表示している終了予想時刻及びカウントを消して、新たな終了予想時刻を表示する。
また、時刻提示部８は、Ｔｌｅｆｔをタイマーの新たなカウント値に設定して、そのカウント値の減数処理を開始する。
さらに、時刻提示部８は、減数処理中のタイマーのカウント値を表示する（ステップＳＴ１３）。
ここでのタイマーのカウント値の減数処理と、減数処理中のカウント値の表示処理は、後述するステップＳＴ１７でＴｅｎｄ１＿４が算出されるまで繰り返される。

ここで、Ｔｅｎｄ１＿３はＴｅｎｄ１＿２を算出した段階よりも制御パラメータ算出部５によるＰＩＤパラメータの算出処理が進んでいるため、Ｔｅｎｄ１＿３に含まれている誤差はＴｅｎｄ１＿２と比較して減少していると想定される。

ここまで、ＡＴ終了時間予測機能について、１回目のマスタＡＴにおける３回目のＡＴポイント通過までの動作を説明した。以降、１回目のマスタＡＴにおける４〜６回目のＡＴポイント通過における動作（ステップＳ１５〜ステップＳ２９）については、ＡＴ終了時間予測値の算出以外は、３回目のＡＴポイント通過における動作と同様の動作であるので説明を省略する。

マスタＡＴ１回目における各ＡＴポイント通過におけるＴｅｎｄ１＿４〜Ｔｅｎｄ１＿６の算出方法は以下の式（１８）〜（２０）の通りである。
Ｔｅｎｄ１＿４＝１．５×Ｔｅｌａ１３＋Ｔｅｌａ１４ （１８）（ステップＳ１７）
Ｔｅｎｄ１＿５＝Ｔｅｌａ１４＋０．５×Ｔｅｌａ１５ （１９）（ステップＳ２２）
Ｔｅｎｄ１＿６＝０．５×Ｔｅｌａ１５ （２０）（ステップＳ２７）
上記それぞれの式に基づき、Ｔｒｅｓｔ１＿４〜Ｔｒｅｓｔ１＿６について算出し、それぞれの時点におけるＡＴ終了時間予測値であるＴｌｅｆｔを以下の式のように算出する。
Ｔｒｅｓｔ１＿４＝Ｔｅｎｄ１＿４＋Ｔｂｕｆｆ （２１）
Ｔｌｅｆｔ＝２×Ｔｒｅｓｔ１＿４＋Ｔｒｅａｌ＋Ｔｓｌｅｅｐ （２２）
Ｔｒｅｓｔ１＿５＝Ｔｅｎｄ１＿５＋Ｔｂｕｆｆ （２３）
Ｔｌｅｆｔ＝２×Ｔｒｅｓｔ１＿５＋Ｔｒｅａｌ＋Ｔｓｌｅｅｐ （２４）
Ｔｒｅｓｔ１＿６＝Ｔｅｎｄ１＿６＋Ｔｂｕｆｆ （２５）
Ｔｌｅｆｔ＝２×Ｔｒｅｓｔ１＿６＋Ｔｒｅａｌ＋Ｔｓｌｅｅｐ （２６）

＜マスタＡＴ２回目＞
ステップＳＴ２４においてＴｅｌａ１６の計測を開始した後、１回目のマスタＡＴが完了し、制御パラメータ算出部５にて算出された新たなマスタ設定温度ＳＶｍがマスタコントローラ９に入力され、マスタ設定温度ＳＶｍが新たなマスタ設定温度に切り替えられる。その後、２回目のマスタＡＴが開始され、２回目のマスタＡＴにおけるＡＴ終了時間予測動作へと移行する（ステップＳ３０３）。

時刻提示部８は、ステップＳ３０２からステップＳ３０３への移行の間も、マスタＡＴ１回目における６回目のＡＴポイント通過時に算出した終了予想時刻を表示し、タイマーのカウント値の減数処理と、減数処理中のカウント値の表示処理を継続する。

ステップＳ３０２において、１回目のマスタＡＴから引き続き、２回目のマスタＡＴ実効中のマスタＡＴ終了までの予測時間を予測する。ステップＳ３０３の詳細な動作は図４を参照しながら説明する。

経過時間計測部６は、２回目のマスタＡＴの実行中、マスタ温度計測部３＿１から入力されたマスタ測定値ＰＶｍを監視して、ＰＶｍがマスタ設定温度ＳＶｍを通過するタイミング（ＡＴポイントを通過するタイミング）を検出する処理を実施する。２回目のマスタＡＴについても、事前に設定された切換回数は６回である。
経過時間計測部６は、２回目のマスタＡＴにおける１回目のＡＴポイントの通過を検出すると（ステップＳＴ３３：Ｙｅｓの場合）、２回目のマスタＡＴにおける１回目のＡＴポイントの通過時刻ｔ２＿１を特定し、その通過時刻ｔ２＿１からの経過時間Ｔｅｌａ２２の計測を開始する（ステップＳＴ３４）。

時刻提示部８は、ステップＳＴ３３からステップＳＴ３５への移行の間も、マスタＡＴ１回目における６回目のＡＴポイント通過時に算出した終了予想時刻を表示し、タイマーのカウント値の減数処理と、減数処理中のカウント値の表示処理を継続する。

経過時間計測部６は、２回目のマスタＡＴにおける２回目のＡＴポイントの通過を検出すると（ステップＳＴ３５：Ｙｅｓの場合）、２回目のマスタＡＴにおける２回目のＡＴポイントの通過時刻ｔ２＿２を特定し、下記の式（２７）のように２回目のマスタＡＴにおける１回目のＡＴポイントの通過からマスタＡＴ２回目における２回目のＡＴポイントの通過に至るまでの経過時間Ｔｅｌａ２２の計測を終了する（ステップＳＴ３６）。
Ｔｅｌａ２２＝ｔ２＿２−ｔ２＿１ （２７）

時刻算出部７は、経過時間計測部６により２回目のマスタＡＴにおける１回目のＡＴポイントの通過から２回目のマスタＡＴにおける２回目のＡＴポイントの通過に至るまでの経過時間Ｔｅｌａ２２が計測されると、２回目のマスタＡＴにおける２回目のＡＴポイントにおけるＡＴ残り時間の予測値であるＴｅｎｄ２＿２を下記の式（２８）のように算出する（ステップＳＴ３７）。
Ｔｅｎｄ２＿２＝４．５×Ｔｅｌａ２２（２８）
そして、２回目のマスタＡＴにおける全オートチューニング工程の終了予測時間であるＴｌｅｆｔを以下の式ように算出する。
Ｔｌｅｆｔ＝Ｔｅｎｄ２＿２ （２９）

時刻提示部８は、時刻算出部７によりＴｅｎｄ２＿２が算出されると、現在時刻と当該時点におけるＴｌｅｆｔに基づきＡＴが終了する予想時刻を算出する。
時刻提示部８は、時刻算出部７によりＴｌｅｆｔが算出されると、先に表示している終了予想時刻及び残り時間Ｔｌｅｆｔ（ここでは、１回目のマスタＡＴにおけるＴｅｎｄ１＿６に基づく終了予想時刻及び残り時間）を消して、新たな終了予想時刻を表示する。また、時刻提示部８は、Ｔｌｅｆｔをタイマーのカウント値に設定して、そのカウント値の減数処理を開始する。
さらに、時刻提示部８は、減数処理中のタイマーのカウント値を表示する（ステップＳＴ３８）。
ここでのタイマーのカウント値の減数処理と、減数処理中のカウント値の表示処理は、後述するステップＳＴ４２でＴｅｎｄ２＿３が算出されるまで繰り返される。

ここまで、ＡＴ終了時間予測機能について、２回目のマスタＡＴにおける２回目のＡＴポイント通過までの動作を説明した。以降、２回目のマスタＡＴにおける３〜６回目のＡＴポイント通過における動作（ステップＳ４０〜ステップＳ５８）については、ＡＴ終了時間予測値の算出以外は、２回目のマスタＡＴにおける２回目のＡＴポイント通過における動作と同様の動作であるので説明を省略する。

２回目のマスタＡＴにおける各ＡＴポイント通過におけるＡＴ終了時間予測値Ｔｅｎｄ２＿３〜Ｔｅｎｄ２＿６の算出方法は以下の式（３０）〜（３３）の通りである。
Ｔｅｎｄ２＿３＝２．０×Ｔｅｌａ２２＋２．５×Ｔｅｌａ２３ （３０）（ステップＳ４２）
Ｔｅｎｄ２＿４＝１．５×Ｔｅｌａ２３＋Ｔｅｌａ２４ （３１）（ステップＳ４７）
Ｔｅｎｄ２＿５＝Ｔｅｌａ２４＋０．５×Ｔｅｌａ２５ （３２）（ステップＳ５２）
Ｔｅｎｄ２＿６＝０．５×Ｔｅｌａ２５ （３３）（ステップＳ５７）
また、以下の式のように、それぞれの時点におけるＡＴ終了時間予測値であるＴｌｅｆｔを算出する。
Ｔｌｅｆｔ＝Ｔｅｎｄ２＿３ （３４）
Ｔｌｅｆｔ＝Ｔｅｎｄ２＿４ （３５）
Ｔｌｅｆｔ＝Ｔｅｎｄ２＿５ （３６）
Ｔｌｅｆｔ＝Ｔｅｎｄ２＿６ （３７）

制御パラメータ算出部５は、マスタＡＴ２回目の６回目のＡＴポイントの通過が検出されると、算出したＰＩＤパラメータをマスタコントローラ９及びスレーブコントローラ１０に出力する。
そして、時刻算出部７におけるタイマーカウント、すなわちＴｅｎｄ２＿６の減数処理が０になると、加熱器２のＯＮ／ＯＦＦ制御を終了して、算出されたＰＩＤパラメータに基づいて制御対象１のＰＩＤ制御を開始する。

図６はマスタ制御対象の伝達関数を、１／（１＋８ｓ）（１＋８ｓ）（１＋２５３ｓ）とし、スレーブ制御対象の伝達関数を１／（１＋３２ｓ）とし、マスタ、スレーブのＳＶ値を５０％とした場合において、本実施形態のオートチューニング装置１００を用いた、シミュレーション結果を示している。
ＡＴ残り予想時間が線形に近く、ＡＴ残り時間を精度良く予測できていることがわかる。

以上のように、この実施の形態によれば、カスケード制御系におけるオートチューニングの終了時間を予測することができるオートチューニング装置を得ることができる。
このため、例えば、制御対象１の負荷容量が大きく応答性が遅いために、オートチューニング機能によるＰＩＤパラメータの算出時間が長くなる場合でも、ＰＩＤ制御を開始するまでの段取りを容易に立てることができる。
また、１回目のマスタＡＴにおけるＡＴポイント間の経過時間に基づき終了時間を補正するように構成したため、カスケード制御におけるＡＴ終了時間予測の精度をあげることができる。
また、１回目のマスタＡＴと２回目のマスタＡＴとの間におけるＳＶｍを切換える際の時間を、１回目のマスタＡＴにおけるＡＴポイント間の経過時間に基づき予測するように構成したため、カスケード制御におけるＡＴ終了時間予測の精度をあげることができる。
また、１回目のＡＴ実効時間を２回目のＡＴ残り時間の推定に使用するように構成したため、カスケード制御におけるＡＴ終了時間予測の精度をあげることができる。

また、この実施の形態によれば、経過時間計測部６が、通過のタイミングを検出する毎に前回の通過のタイミングから今回の通過のタイミングに至るまでの経過時間を計測し、時刻算出部７が、経過時間計測部６により経過時間が計測される毎に当該経過時間を用いてＡＴ残り時間を算出し、時刻提示部８が、時刻算出部７によりＡＴ残り時間が算出される毎に当該終了時間及び残り時間のカウントを表示するように構成したので、オートチューニングの処理が終了に近づくにつれて、算出精度の高いＡＴ残り時間を表示することができる。

この実施の形態では、６回目の通過のタイミングが検出された時点で、ＰＩＤパラメータの算出処理が完了する例を示したが、これは一例に過ぎず、６回目以上の通過のタイミングが検出された時点で、ＰＩＤパラメータの算出処理が完了する場合もあれば、４回目以下の通過のタイミングが検出された時点で、ＰＩＤパラメータの算出処理が完了する場合もある。以下、ＡＴポイントにおける動作をＡＴ切替とも称する。
なお、そのような場合は以下のように残り時間Ｔｌｅｆｔを算出する。
残りＡＴ切替回数：remain_cycle_count＝全体の切替回数−現在の切替回数とする。
残りＡＴ切替の周期回数：remain_cyc=remain_cycle_count/２(あまりは切り捨てる）とする。
そして、残り時間算出時点でのＡＴ切替回数により計算方法を変える。
ＡＴ切替２回目では、ＡＴ切替１回目に測定したＡＴ切替周期の半周期分の時間(time_count)×残り切替数(remain_cycle_count)＋前回のＡＴポイントから１／４周期分の時間である終了時間(at_xtime)とする。
また、ＡＴ切替３回目以降では、まず、残り周期に半周期の「あまり」があるか確認する。半周期の「あまり」とは、残り切替回数（remain_cycle_count）を２で割ったあまりである。なお、計算では残りの切替が１回の場合、「あまり」はゼロになる。
そして、「あまり」がある場合は、
Ｔｌｅｆｔ＝直前１周期の時間である(ct_cyc)×(remain_cyc)+１周期前の半周期分の時間である(ct_old)＋(at_xtime)として計算する。
「あまり」がない場合は、
Ｔｌｅｆｔ＝直前１周期時間(ct_cyc)×(remain_cyc)+１周期前の１／４周期分の時間である(xt_old)として計算する。

なお、この実施の形態ではマスタループとスレーブループの２段で構成している例を記載したが、これに限るものではなく、複数のスレーブループで構成されていてもよい。その場合は、スレーブループの数だけスレーブコントローラが必要となる。
また、時刻提示部８は７セグメント表示器等で構成される例について記載したが、これに限るものではなく、例えば、終了時間や残り時間を音声出力することで提示するものであってもよい。
また、図１では、オートチューニング装置１００の外部に加熱器２及びマスタ温度計測部３＿１、スレーブ温度計測部３＿２が設けられている例を示しているが、全て、又は何れかの組み合わせがオートチューニング装置１００の内部に設けられているものであってもよい。
また、図１の例では、ＰＩＤ制御装置の構成要素である温度制御部４、制御パラメータ算出部５、経過時間計測部６、時刻算出部７及び時刻提示部８のそれぞれが専用のハードウェアで構成されているものを想定しているが、全て、又は何れかの組み合わせがソフトウェアにより構成されているものであってもよい。
また、本実施の形態においてはスレーブコントローラ１０がＰＩＤ制御を行う場合について記載したが、ＰＩＤ制御ではなくＰ制御やＰＩ制御等の制御を行う場合も同様の処理を実施すればよい。
また、ＳＶ変更にかかる時間ＴｓｌｅｅｐをＡＴポイント通過周期の１．５周期としたが、装置特性などに応じて適切な数値を用いるようにしてもよい。また、ＡＴポイント通過毎に最新の周期時間の係数（例えば１．５）倍で更新するようにしてもよい。
また、ＴｂｕｆｆについてもＡＴポイント通過周期の半周期として、Ｔｓｌｅｅｅｐ同様に、装置特性などに応じて適切な数値を用いるようにしてもよい。また、ＡＴポイント通過毎に最新の周期時間の係数（例えば、０．５）倍で更新するようにしてもよい。

以上のように、本発明の内容を実施形態に基づいて説明したが、本発明の内容は実施形態の内容のみに限定されるものではなく、請求項に記載された内容及びその均等の範囲内において、変更可能であることはもちろんである。

１ 制御対象
２ 加熱器
３＿１ マスタ温度計測部
３＿２ スレーブ温度計測部
４ 温度制御部
５ 制御パラメータ算出部
６ 経過時間計測部
７ 時刻算出部
８ 時刻提示部
９ マスタコントローラ
１０ スレーブコントローラ
１１ オートチューニング管理部
１００ オートチューニング装置

Claims (5)

1. ＰＩＤ制御を行うマスタコントローラと、少なくともＰ制御を行うスレーブコントローラとがカスケード接続されたカスケード制御系において使用され、前記マスタコントローラの制御パラメータであるマスタパラメータと前記スレーブコントローラの制御パラメータであるスレーブパラメータを調整するオートチューニングを行うためのオートチューニング機能を有するオートチューニング装置であって、
   オートチューニングの実効指令を受けるオートチューニング管理部と、
   制御対象の温度の制御を開始する前に、前記制御対象の温度が設定温度より低い期間では、前記制御対象に熱を加える加熱器をオン状態に設定し、前記制御対象の温度が前記設定温度以上の期間では、前記加熱器をオフ状態に設定することで、前記制御対象の温度を制御する温度制御部と、
   前記温度制御部により制御されている制御対象の温度の計測値から前記マスタパラメータと前記スレーブパラメータを算出する制御パラメータ算出部と、
   前記制御対象の温度の計測値を監視して、前記制御対象の温度が前記設定温度を通過するタイミングを検出する処理を実施し、前回の通過のタイミングから今回の通過のタイミングに至るまでの経過時間を計測する経過時間計測部と、
   前記経過時間計測部により計測された経過時間を用いて、オートチューニングの終了時間を算出する時刻算出部と、
   前記時刻算出部により算出されたオートチューニングの終了時間を提示する時刻提示部と、
   を備え、
   前記オートチューニング機能においてリミットサイクル法を用いる場合に、
   前記時刻算出部が、前記オートチューニングの終了時間に対して前記設定温度を切換える前の前記経過時間に基づき補正を行う、
   オートチューニング装置。
2. 前記経過時間計測部は、前記通過のタイミングを検出する毎に、前回の通過のタイミングから今回の通過のタイミングに至るまでの経過時間を計測し、
   前記時刻算出部は、前記経過時間計測部により経過時間が計測される毎に、当該経過時間を用いて、オートチューニングの終了時間を算出し、
   前記時刻提示部は、前記時刻算出部によりオートチューニングの終了時間が算出される毎に、当該終了時間を提示することを特徴とする請求項１記載のオートチューニング装置。
3. 前記時刻提示部は、前記時刻算出部によりオートチューニングの終了時間が算出される毎に、現在の時刻から当該終了時間に至るまでの時間をタイマーのカウント値に設定して、前記カウント値の減数処理を開始し、減数処理中のカウント値を提示することを特徴とする請求項２記載のオートチューニング装置。
4. 前記オートチューニング機能においてリミットサイクル法を用いる場合に、
   前記時刻算出部が、前記設定温度の切換えにかかる時間を、前記設定温度切換前の前記経過時間に基づき予測することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のオートチューニング装置。
5. 前記オートチューニング機能においてリミットサイクル法を用いる場合に、
   前記時刻算出部が、前記設定温度の切換後、前記設定温度の切換えまでにかかった時間と、前記経過時間に基づき、前記オートチューニングの終了時間を算出することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のオートチューニング装置。

Images