JP2561332B2 - カスケードオートチューニング調節計 - Google Patents

カスケードオートチューニング調節計

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JP2561332B2 JP63291939A JP29193988A JP2561332B2 JP 2561332 B2 JP2561332 B2 JP 2561332B2 JP 63291939 A JP63291939 A JP 63291939A JP 29193988 A JP29193988 A JP 29193988A JP 2561332 B2 JP2561332 B2 JP 2561332B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、カスケードオートチューニング調節計に関
する。
〔従来の技術〕
たとえば、PID等の演算制御器が組み込まれる制御回
路において、前記演算制御器を、その制御対象に合わせ
て動作特性上の各パラメータを自動的に最適値に決定す
るようにして、調節する調理器が知られている。
第3図は、上記調理器を示す構成図である。同図にお
いて、PID演算器31の出力側にスイッチSW1を介してステ
ップ信号を出力するステップ信号発生器32が取付けられ
ている。このステップ信号発生器32からのステップ信号
はプロセス33に入力されるようになっているとともに、
プロセス33からの出力は前記PID演算器31の入力側に設
けたスイッチSW2を介して適応器34を介して前記PID演算
器31に入力され、前記PID演算器31の調整が行なわれる
ようになっている。
前記適応器34の動作、機能の詳細はたとえば特公昭55
−49706号公報に詳細に記載されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、上述した従来の技術は、いわゆる単一ループ
フィードバック制御系におけるPID制御に係るものであ
る。
しかし、実際のプロセス制御の分野では、単一フィー
ドバック制御のみで構成される制御系でなく、制御性改
善のため、いわゆるカスケード制御、比率制御、オート
セレクタ制御等を行なうため、2台のPID制御演算器を
使用して構成するのが通常である。
この場合、各PID制御演算器毎に上述した調整器を取
り付けることが考えられるが操作を各PID制御演算器等
に2回行なわなければならないという煩雑さをともなう
ものであった。
それ故、本発明の目的は、このような事情に基づいて
なされたものであり、一回の同定信号で、カスケードに
接続した2個のPID制御演算器の動作特性上の各パラメ
ータを自動的に設定し得るようにし、これによるパラメ
ータ設定にかかる時間、および煩雑さを軽減するカスケ
ードオートチューニング調節計を提供するものである。
〔課題を解決するための手段〕
このような目的を達成するために、本発明は、ステッ
プ信号が入力されたプロセスの出力信号は、その立ち上
がりが前記ステップ信号と比較して若干なまるが、ほと
んど次段のプロセスに入力させるステップ信号として用
いることができるということに着目してなされたもので
ある。
すなわち、本発明は、第1、第2制御演算器が直列接
続され、その出力が第2プロセスに入力され、かつ第2
プロセスの出力が第1プロセスに入力されるとともに前
記第2制御演算器の入力に加算され、第1プロセスの出
力が前記第1制御演算器の入力に加算される制御回路に
おいて、前記第1、第2制御演算器系と前記第1、第2
プロセス系とを電気的に切り離し前記第2プロセスにス
テップ信号を入力させるステップ信号発生器と、前記第
2プロセスの出力に基づいて前記第2制御演算器の調整
を行なう第2調整器と、前記第1プロセスの出力に基づ
いて前記第1制御演算器の調整を行なう第1調整器と、
を備えてなることを特徴とするものである。
また、本発明は、上述の基本的構成に加え、第1調整
器内に第1プロセスの測定量の応答特性を示す時定数及
びむだ時間を補正する補正手段を設けるようにしたもの
である。
〔作用〕
このように構成したカスケードオートチューニング調
節計によれば、第2制御演算器の調整は第2プロセスの
出力によって、また第1制御演算器の調整は第1プロセ
スの出力によってなされるようになっている。そして、
これらの各出力は、ステップ信号発生器の出力を入力と
する第2プロセスの出力、およびこの第2プロセスの出
力を入力とする第1プロセスの出力となる。このこと
は、第2プロセスからの出力は、若干なまったものとな
るがほぼ前記ステップ信号発生器の出力と同じものとし
て使用できることに基づくものである。
したがって、このようにすれば、一回の同定信号で、
カスケードに接続した2個の制御演算器の動作特性上の
各パラメータを設定することができるようになる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第1図により説明する。同
図において、まず、1次PID制御演算器3があり、このP
ID制御演算器3は、P動作、PI動作、PD動作、PID動作
が可能となっている。前記1次PID制御演算器3には、
設定値16と1次プロセス5の出力の差をとる第1減算器
1の出力である偏差が入力されるようになっている。ま
た2次PID制御演算器4には、前記1次PID制御演算器3
の出力である操作量と2次プロセス6の出力の差をとる
第2減算器2の出力である偏差が入力されるようになっ
ている。ここに、2次PID制御演算器4も前記1次PID制
御演算器3と同様にP動作、PI動作、PD動作、PID動作
が可能となっている。
第1切換スイッチ10は、前記2次PID制御演算器4の
出力である操作量とステップ信号発生器7の出力信号を
切換えるものであり、前記ステップ信号発生器7の出力
信号は、第1切換スイッチ10が‘1'のときステップ信号
を発し、このステップ信号は、第1切換スイッチ10が切
換わったときの2次PID制御演算器4の操作量に加え
て、プロセスへの影響が比較的少いΔMV(ΔMVは5%程
度が良い。)のステップ幅をもっている。
1次プロセス5と第2プロセス6は直列に接続され、
前記2次プロセスの入力は、調節計17内の第1スイッチ
10を介して出力される操作信号である。この操作信号
は、電気信号であるが、プロセスに伝わるときは、途中
で、たとえば、液体の量や試薬の量といった物理量に変
換されるものである。前記1次プロセス5と2次プロセ
ス6の出力量は、共に調節計17に電気信号に変換されて
から戻されるようになっている。
ここで、1次プロセス5の出力量を示す測定値PV1と
2次プロセス6の出力量を示す測定値PV2は、それぞれ
第2切換スイッチ8を介して第1減算器1へ、第3スイ
ッチ9を介して第2減算器2へ送られるようになってい
る。第2切換スイッチ8と第3切換スイッチ9は、第1
切換スイッチ10と同期して駆動し、第1切換スイッチが
“0"のとき、つまり、2次PID制御演算器4の操作量が
調節計17より出力されるとき、第2切換スイッチ8と第
3切換スイッチ9は“0"側となり、カスケード制御系が
構成できることになる。また、第1切換スイッチが“1"
のとき、ステップ信号発生器7に接続され、第2切換ス
イッチ8と第3切換スイッチ9が“1"となり、系は開か
れる。この状態で、プロセスの動特性を測定し、最適PI
Dパラメータを決定することができるようになる。
1次同定器13は、1次プロセスの測定量PV1を入力
し、また、2次同定器14は、2次プロセスの測定量PV2
を取り込むようになっている。1次同定器13と2次同定
器14は、第1切換スイッチが1となり、ステップ信号発
生器7からステップ信号が発せられたとき、ステップ信
号発生器7から送られた同定開始信号を受けて、前記測
定量PV1とPV2の観測を行うようになっている。
ここで、第2図は、前記ステップ信号ΔMVを調節計か
ら出力したときの前記測定量PV1とPV2の時間応答の関係
を示した図である。
次に、このようにして構成されるカスケードオートチ
ューニング調節計の動作を以下説明する。
最初に、2次同定器14の動作説明を行う。同定開始信
号を受けたとき、このときは第2図のt1に相当するもの
である測定量PV2の値▲▼を記憶し、タイマーで
時間を計数し始める。その後、この▲▼と各時間
に得た測定量PV2を周期Δtごとに比較を行い、次の条
件を始めて満足したときに、その時間を記憶する。
|PV2−▲▼|ε (ε=0.5%) タイマーが計数した時間をむだ時間L2として設定す
る。むだ時間L2確認後、測定量PV2を St=St_1+PV2t×Δt で積算し始める。ここで、St_1の初期値は0で、PV2t
はt時刻におけるPV2のサンプリング値で、Δtは、サ
ンプリング周期を表す。PV2t,PV2t_1,PV2t_2,PV2t_3
各サンプリング値の変化の積算値Qが次の条件を満足し
たとき、 Q=|PV2t−PV2t_1|+|PV2t_2−PV2t_1| +|PV2t_3−PV2t_2|<ε (εは十分小さい数) 整定したと判断を下す。第2図のtAが整定時間でそのと
きのPV2を▲▼とする。整定時間までのPV2の積
算値Ssとすれば、第2図に示す時定数T2が次式で基ま
る。
T2=tA−L2−Ss/▲▼ また、2次プロセス6のゲインK2は K2=(▲▼−▲▼)/ΔMV により求まる。
次に、1次同定器14の動作説明をする。1次同定器14
が、同定開始信号を受けたとき、このとき第2図のt1
当たるが、測定値PV1の値▲▼を記憶すると同時
にタイマーで時間を計数し始める。調節計に1次同定器
14と2次同定器15を構成するときは、計数開始時間が等
しいため、同一タイマーで計数すればよい。▲▼
を記憶後、▲▼と各時間に得た測定量PV1を周期
Δtごとに比較を行い、次の条件を満足したとき、その
時間をL1として記憶する。
|PV1−▲▼|ε (ε=0.5%) むだ時間L1を確認後、測定量PV1を S1t=S1t_1+PV1t×Δt で積算する。ここで、S1t_1の初期値は0でPV1tは、t
時刻におけるPV1のサンプリング値で、Δtはサンプリ
ング周期を表す。PV1t,PV1t_1,PV1t_2,PV1t_3の各サン
プリング値の積算値Q1が次の条件を満たしたとき整定と
判断する。
Q1=|PV1t−PV1t_1|+|PV1t_2−PV1t_1| +|PV1t_3−PV1t_2|<ε (εは十分小さい数) 第2図のtBが整定時間で、そのときのPV1を▲
▼で表す。整定時間までのS1tの積算値S1sが得られた
ところで、第2図に示す時定数T1が次式で求まる。
T1=tB−L1−S1s/▲▼ また、1次プロセス5のゲインK1は、 K1=(▲▼−▲▼)/ΔMV で求まる。
第4図は、1次同定器13と2次同定器14および1次PI
D導出器11と2次PID導出器12の動作をフローチャートに
示したものである。この第4図のブロックB1,B2,B3,B5,
B6が、同定信号開始信号が発せられた後の同定器の動作
で、詳しくは、B1とB2とB3は、2次同定器の動作にかか
わり、B1とB5とB6は1次同定器の動作にかかわる。
1次同定器13と2次同定器14の整定判別時刻は一般的
に異なるが早く整定した方の同定器から同定終了の信号
と導出したむだ時間、時定数、プロセスゲインをPID導
出器に送ることになる。多くの場合2次同定器14の方が
先に整定することになる。2次同定器14から同定終了信
号を2次PID導出器12に送り、この信号を受けとった2
次PID導出器12は、プロセス特性量、むだ時間L2、時定
数T2、プロセスゲインK2から、Ziegler−Nichols法やCH
R法といった最適PID算出法を用いてPIDパラメータを決
定するようになる。決定したPIDパラメータは、2次PID
制御演算器4に設定する。そして同定終了信号を1次同
定器から発せられるまで、2次同定器と2次PID導出器
は、初期化して待機するようになる。1次同定器13が同
定を終了したら、同定終了信号を1次PID導出器11に発
し、1次PID導出器11は、2次と同様に、むだ時間L1、
時定数T1、プロセスゲインK1から、Ziegler−Nichols法
などを用いて最適PID値を算出後、1次PID制御演算器3
に設定する。
1次PID制御演算器3と2次PID制御演算器4の両方に
PIDパラメータが設定されたら、オートチューニング動
作を終了させる。その後、ステップ信号発生器から加え
たΔMVをもとにもどし、第1切換スイッチ10を‘0'にし
て、カスケード制御系を構成して制御を行うようにな
る。
上述した実施例では、特に補正手段を備えていないも
のについて説明したものである。しかし、2次プロセス
の時定数T2およびむだ時間L2が1次プロセスの時定数T1
およびむだ時間L1に比べて無視できないくらいで(たと
えば約1/4となった場合)あったなら、1次同定器13内
に補正手段を設けるようにして、1次プロセスのむだ時
間と時定数を補正するようにすることもできる。この場
合において、該補正手段では、たとえば、むだ時間を
(L1−L2)に、時定数を、 と設定すればよい。ここで、f(T2)はT2による補正関
数を示す。
〔発明の効果〕
以上説明したことから明らかなように、本発明による
カスケードオートチューニング調節計によれば、第2制
御演算器の調整は第2プロセスの出力によって、また第
1制御演算器の調整は第1プロセスの出力によってなさ
れるようになっている。そして、これらの各出力は、ス
テップ信号発生器の出力を入力とする第2プロセスの出
力、およびこの第2プロセスの出力を入力とする第1プ
ロセスの出力となる。このことは、第2プロセスからの
出力は、若干なまったものとなるがほぼ前記ステップ信
号発生器の出力と同じものとして使用できることに基づ
くものである。
したがって、このようにすれば、一回の同定信号で、
カスケードに接続した2個の制御演算器の動作特性上の
各パラメータを設定することができるようになる。
それ故、従来と比べて、パラメータ設定にかかる時
間、および煩雑さを大幅に軽減することができるように
なる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明によりカスケードオートチューニング調
節計の一実施例を示すブロック図、第2図は第1図の動
作波形を示す図、第3図はカスケード接続していない場
合の従来の調整法の一例を示すブロック図、第4図は本
発明のカスケードオートチューニング調節計の動作フロ
ーを示す図である。 1……第1減算器、2……第2減算器、 3……1次PID制御演算器、 4……2次PID制御演算器、5……1次プロセス、 6……2次プロセス、7……ステップ信号発生器、 8……第2切換スイッチ、9……第3切換スイッチ、 10……第1切換スイッチ、 11……1次PID導出器、 12……2次PID導出器、13……1次同定器、 14……2次同定器。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1、第2制御演算器が直列接続され、そ
    の出力が第2プロセスに入力され、かつ第2プロセスの
    出力が第1プロセスに入力されるとともに前記第2制御
    演算器の入力に加算され、第1プロセスの出力が前記第
    1制御演算器の入力に加算される制御回路において、 前記第1、第2制御演算器系と前記第1、第2プロセス
    系とを電気的に切り離し前記第2プロセスにステップ信
    号を入力させるステップ信号発生器と、前記第2プロセ
    スの出力に基づいて前記第2制御演算器の調整を行なう
    第2調理器と、前記第1プロセスの出力に基づいて前記
    第1制御演算器の調整を行なう第1調整器と、を備えて
    なることを特徴とするカスケードオートチューニング調
    節計。
  2. 【請求項2】前記第1調整器内に前記第1プロセスの測
    定量の応答特性を示す時定数及びむだ時間を補正する補
    正手段を有することを特徴とする請求項1に記載のカス
    ケードオートチューニング調節計。
JP63291939A 1988-11-18 1988-11-18 カスケードオートチューニング調節計 Expired - Lifetime JP2561332B2 (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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