JPS59223803A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はプロセス制御装置に係り、特に、制御装置の制
御定数を最適値に自動調整する鴎能を有する制御装置に
関する。

〔発明の背景〕

従来技術の概略と欠点を第１図と第２図を用いて説明す
る。

第１図に、従来の一般的なＰＩＤ制御系の制御ブロック
線図を示す。１は制御装置、２は制御対象となるプロセ
スである。ｙはプロセス２の制御量、ｙｒは該制御量ｙ
の目標値、３は目標値ｙ。

と制＃ｔｙの偏差ε（＝ｙｒ−ｙ）を演算する減算器、
Ｕは制御装置１の出力でありプロセス２の操作量である
。ｄはプロセス２に印加する外乱である。

制御装置１を比例・積分動作（ＰＩ動作）とした場合、
制御装置１の伝達関数Ｇ、（８１は次のようになる。

Ｋ＋ Ｇ　、ｔ８）＝Ｋ　Ｐ　（１＋　−）　　　　　　　・
・・・・・・・・・・・・・・（１）ここで、Ｋ、は比
例ゲイン、Ｋ１は積分ゲインである。制御装置１は、制
御量ｙが目標値ｙｒに一致するよう、すなわち偏差εが
零となるに（１）式に基ついて制御演算をする。目標値
ｙｒを変更した場合、あるいは外乱ｄが印加した場合に
、制御量ｙが目標値ｙｒに致達するまでの時間や偏差ε
（＝ｙ、　　ｙ）の変化幅のような制御特性は、（１）
式の制御定数である比例ゲインＫｐ１積分ゲインに１に
依存する。目標値ｙ、変更時の理想的な制御特性は、制
御量ｙが目標値ｙ、にすみやかに追従しテｙ　カｙ　、
　ＩＩＣ一致し、かつ、オーバーシュート量（ｙ　ｙｒ
）が小さいことである。また、外乱ｄが印加した場合の
理想的な制御特性は、制御量ｙがすみやかに目標値ｙ、
に戻って一致することである。

次に従来技術の具体的制御特性の例を述べる。

制御装置１の伝達関数が（１）式、プロセス２の伝達関
数Ｇ、（Ｓ）が次式の場合について考える。

第２図に、このときの制御特性の例を示す。同図の破線
は目標値ｙ　ｒ　（Ｓｅｔ　ｐａｉｎｔ　）を示す。５
ｐＹｒはｙｒをＯから１にステップ状増加したときｙ、
の信号レベルを示し、ＤＹｒは外乱ｄが印加した場合の
ｙｒを示す（ｙｒは０で変化がない）。５Ｐ−ｙは目標
値ｙ、をステッ゛プ状に変化したときの制御ｔｙの特性
であり、実線で示す５Ｐ−ｙｃ１３Ｐ）は目標値ｙｒ変
更に対して制御装置１の制御定数Ｋ　ｐ　、　Ｋ　Ｉを
最適にした場合の制御量ｙの特性である。また、Ｄ−ｙ
は外乱ｄが印加した場合の制御量ｙの特性を示し、一点
鎖線で示すＤ−ｙ（Ｏｉｌは外乱印加に対して制御定数
に、ＩＫ＋を最適にした場合の制御量ｙの特性である。

一方、５Ｐ−ｙＯ］は外乱印加に対して最適な制御定数
Ｋ　ｐ　、　Ｋ　＋を設定しているときに目標値ｙ。

をステップ状に変化したときの制御量ｙの特性であり、
Ｄ−ｙ（ＳＰ）は目標値変更に対して最適な制御定数Ｋ
　ｐ　、　Ｋ　ｒを設定しているときに外乱ｄを印加し
たときの制御量ｙの特性である。目標値変更時の制御特
性としては、オーバーシュート量（ｙ　　ｙｒ）が小さ
いという点から５Ｐ−ＩＣ８Ｐ）の方が５Ｐ−ｙ（１）
ｌよりも良い。また、外乱印加時の制御特性としては、
制御量ｙが目標値ｙｒにすみやかに戻るという点からＤ
−ｙＱ）ｌの方がＤ−）’（ＳＰ）よりも良い。

すなわち、従来の方法では目標値変更に対して最適な制
御定数を設定すると外乱が印加した場合の制御特性が悪
くなり、外乱印加に対して最適な制御定数を設定すると
目標値ｙ更時の制御特性が悪くなるという欠点がある。

なお、制御装置１がＰＩＤ動作である場合も上記のよう
な欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、目標値を変更したり外乱が印加された
時に、常に最良な制御特性が得られる制御装置を提供す
ることである。

〔発明の概要〕

本発明は、ＰＩＤ制御装置の最適な制御定数が目標値変
更時と外乱印加時で異なることに着目して生まれたもの
である。本発明の特徴は、ＰＩまたはＰＩＤ制御装置に
おいて、通常は外乱印加に対する最適な制御定数を設定
しておき、目標値変更時のみ目標値変更に対する最適な
制御定数に切□替えるようにしたことである。この理由
は、外乱□の印加はいつ起こるかわからないが、目標値
を変更するときは目標値信号の変化より容易にこれを検
出できるからである。

〔発明の実施例］ 本発明の一実施例を、第３図〜第５図を用いて説明する
。第３図において、２のプロセス、３の減算器、及びｙ
ｌ、ｙ、ε、！は第１図の従来の場合と同じである。１
０は、制御定数を変更することができるＰＩ動作の制御
装置である。１１は、目標値ｙ、に基づいて制御装置１
０の制御定数Ｋ　、　、　Ｋ　Ｉを変更する制御定数変
更装置である。

制御装置１０の伝達関数が（１）式、プロセス２の伝達
関数が（２）式の場合の制御定数変更装置１１の演算フ
ローを第４図に示す。目標値ｙ、変更中または目標値変
更後一定時間（例えば１０秒）経過しないうちは、制御
装置１００制御定数に、、Ｉ（。

を、目標値変更に対する最適制御定数に設定する。

また、それ以外の目標値ｙ、を一定値に維持している場
合は、Ｋｐ、に＋を外乱印加に対する最適制御定数に設
定しておく。なお、制御装置１０、制御定数変更装置１
１、減算器３はマイクロコンピュータで実現する。制御
定数変更装置１１の演算は第４図に示すように、スター
トからエンドまで一定周期毎に演算が繰り返されている
。゛また、制御装置１０の演算は、制御定数変更装置１
１の演算が終ってから実施されるようにする。

次に本笑施例の動作を説明する。′！、ず目標値変更時
の動作を説明する。目標値ｙ１を変更すると、制御定数
変更装置１１ではｙ、が変化したことを検出して、制御
装置１０の制御定数Ｋ　、　、　Ｋ　ｒを目標値変更に
対する最適制御定数に設定する。制御装置１０では、目
標値ｙ、と制御＋ｉｙの偏差ε（＝ｙｔ−ｙ）を入力し
て、設定された制御定数に、。

ＫＩにしたがって比例・積分動作の演算をし、操作量Ｕ
を出力する。プロセス２は操作ｉｉｕを入力して制ｔｉ
ｌｌｔｙを出力する。目標値’／ｒを変更すると制御装
置１０の動作により、制御量ｙＦｉｙ　ｒに追従して変
化しｙ、と一致するようになる。目標値ｙア変更後一定
時間（１０秒間）経過すると、制御定数Ｋｐ、Ｋｔは外
乱印加に対する最適制御定数に再び設定される。第５図
に制御特性を示す。

目標値ｙ、を０からＩＫスステップ状変更したときのｙ
、を、５Ｐ−ｙ、として示す。とのときの制御量ｙの変
化を５Ｐ−ｙで示すように、第２図で示した５Ｐ−ｙ（
ＳＰ）と同じ特性になる。なお、１０秒後に制御定数Ｋ
　ｐ　、　Ｋ　＋を変更しても制御ｊｉｌ：ｙの変化は
非常に小さく問題はない。次に外乱印加時の制御特性を
述べる。目標値ｙ、を一定に維持している通常時は、制
御装置１０の制御定数Ｋｐ、に＋は外乱印加に対する最
適な制御定数に設定されている。第５図のＤ−ｙｒは一
定に維持している目標値ｙ、を示している。外乱ｄを０
秒で０から１にステップ状に加えたときの制御量ｙの変
化をＤ−ｙで示すが、第２図に示すＤ−ｙＱ）１と同じ
特性となる。なお、第５図のシミュレーション実験では
、操作量Ｕと外乱ｄを加算する値がプロセス２の入力と
なるように計算している。

なお、制御定数の最適化についてここで簡単に述べる。

制御装置１０の伝達関数Ｇ、（Ｓ）をＱＳ）／　ｓと置
く。（１１式より次の関数が成り立つ。

また、プロセス２゛の伝達関数Ｇ、（Ｓ）を次のような
一般的な形で表現する（ここでは（２）式と同じに２次
式とする）。

目標値ｙｒから制御量ｙまでの伝達関数ｙ／　ｙ　ｒは
次のようになる。

一方、外乱ｄから制御量ｙまでの伝達関数ｙ／ｄは次の
ようになる。

なお（６）式の導出に当っては、目標値ｙｒを零に、プ
ロセス２への入力を操作量Ｕと外乱ｄの加算した値とし
ている。また（３）式で示したＣｏ）を次式と置く。

Ｃ（Ｓ）＝Ｃｏ＋ＣｔＳ＋ＣｚＳ”＋Ｃｓ５３・”−・
・、”・”・・（７）ＰＩ動作であるから当然、Ｃｏ＝
Ｋ　、Ｋ　Ｉ’ｓ　ｅｔ＝Ｋｐ。

Ｃｚ　＝０　、　Ｃ３＝０　である。プロセス２の伝達
関数に応じた最適な制御定数Ｋ　、　、　Ｋ　Ｉを求め
るための参照モデルＧ、（Ｓ）は次のようになる。

ここで、σは目標値ｙ、をステップ状に増加したときの
制御ｔｙの立ち上がり時間である。制御量ｙのオーバー
シュート量をほぼ零にするための係数（α２．α３）は
（０，３７５，０，０６２５）である。

最初に、目標値変更に対する制御定数Ｋｐ。

ＫＩを求める。（５）式で示したｙｒからｙｔでの伝達
関数ｙ／ｙ、が（８）式で示した理想的な参照モデルの
伝達関数Ｇ、（Ｓ）とできるだけ一致するようにＣｏの
係数を決める。（５）式と（８）式が一致したとすると
次式が成り立つ。

したがって次式が成り立つ。

（７）式より０２＝０であるから（１２１式を満たす最
小の正のσを求め（立ち上がり時間は小さい方が当然良
い）、これを凹成、（１１１式に代入してＫ　、　、　
Ｋ　ｔを求める。（２１式で示したように、ｇｏ　＝ｌ
　ｌ　ｇｌ　＝４＋ｇ２＝２．４としたときαり式を満
たす正の最小のσはσ＝１．７６となり、これを凹成、
α０式に代入すると第４図に示すようにに、＝１．８９
８．Ｋｔ＝０．２９９が求まる。

次に外乱印加に対する最適な制御定数を決定する。この
場合、（６）式と（８）式が次の関係を満たすようにＣ
（Ｓ）の係数を決める。

α淘式より次式が成り立つ。

Ｃ■）＝ＣＯ（１＋σＳ＋α２σ２Ｓ２＋α３σ３Ｓ３
）−８（ｇｏ＋ｇｘ’ｓ＋ｇｚ　８２） ”Ｃｏ　＋　（Ｃｏσ−ｇｏ　）　Ｓ　＋　（Ｃｏ　ａ
２σ２−ｇｌ）８２＋（Ｃｏ＝α３σ３−ｇｚ）Ｓ”十
・・・　　　　　　・・・・・・・・・Ｉ（７）式と０
．４１式より次式が成り立つ。

Ｃｔ　”＝　Ｋ　ｐ　Ｋｔ　＝　Ｃｏσ−ｇｏ　　　　
　　・・・・・・・・・・・・・・・（ｌωＣ２＝　Ｃ
ｏα２σ”　　ｇ１＝０　　　　　　　・・・・・・・
・・・・・・・・（１６）Ｃ３＝ＣＯα３σ３ｇ２＝０
　　　　　　＋＋＋＋＋＋＋・Ｈｌ・＋＋（１７）α０
式と＜１７）式よりＣｏ　、σを求めると次のようにな
る。

上式を（へ）式に代入し自を求め、Ｋ　、　、　Ｋ　ｌ
を求める。ｇｏ　””Ｌ　ｇｘ　−４＋　ｇｚ　＝２．
４　　としたとき、Ｋ　ｐ　、　Ｋ　＋は第４図に示す
ように次のようになる。

Ｋ、−１，９６３，Ｋ　＋＝０．４１９なお、（４）式
で示したようなプロセス２の伝達関数が不明の場合は、
カルマンフィルタ、ア、ルプリズムなどを用いて伝達関
数を同定する。

本実施例によれば、目標値変更時でも外乱印加時でも、
制御装置の制御定数を常にそれに対応した最適値にする
ことができるので、常に最良の制ｗＪｆｉ８性を得るこ
とができるという効果がある。

上記した実施例では、ＰＩ動作の制御装置について述べ
たが、ＰＩＤ動作の制御装置でも本発明を適用すること
ができる。

また、ＰＩＤ動作をする制＃装置以外に、ノイズフィル
タ、進み遅れ補償回路のような補償回路がある場合にも
、本発明を適用するととができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、制御装置の制御定数を常に最適な値に
設定することができるので、目標」直変更時で−も外乱
が印加された場合でも常に最良の制御特性を得ることが
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術における制御フ頴ツク線図、第２図は
従来技術による制御特性を説明する図。 第３図は本発明一実施例の制御ブロック線図、第４図は
第３図を補足説明する図、第５図は本発明一実施例の制
御特性を説明する図である。 １０・・・ＰＩ動作の制御装置、２・・・制御対象のプ
ロセス、３・・・減算器、１１・・・制御定数変更装置
、ｙ、・・・目標値、ｙ・・・制御量、ε・・・偏差（
＝ｙ、−ｙ）、第１ｍ 第２０ 任１　　間　（耳Ｆン 茅３（２） よ 華４関 業５０ Ｉ？ｔｒＱｉ（社）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、制御対象となるプロセスの制御量をフィードバック
   するフィードバック信号ｙと曲射プロセスの制御量の目
   標値である目標値信号ｙ１との偏差を演算して得られる
   偏差値信号（ｙ、ｙ）　　から、制御定数にしたがって
   制御演算して前記プロセスに入力する操作信号を発生す
   る制御装置を具備してなるものにおいて、比例、積分、
   微分の各演算のうち少なくても１つ以上の演算をする前
   記制御装置と、目標値信号ｙ１に基づいて比例、積分、
   微分の各演算に係る制御定数を変更する制御定数変更装
   置を具備してなることを特徴とする制御装置。