JP3875112B2 - Ｐｉｄ選択機能を備えた調節計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＰＩＤ値を変更する際に安定したＰＩＤ制御を実現できるＰＩＤ選択機能を備えた調節計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来のＰＩＤ選択機能を備えた調節計の構成を示すブロック図である。図において、１００はＰＩＤ選択機能を備えた調節計、２００は制御対象、１０１はＰ値（比例値）、Ｉ値（積分値）、Ｄ値（微分値）の組を選択するＰＩＤ組選択手段、１０２はＰ値、Ｉ値、Ｄ値を格納するＰＩＤ値格納手段、１０３はＰ値、Ｉ値、Ｄ値を入力するためのＰＩＤ値入力手段、１０４はＰ値、Ｉ値、Ｄ値を決定するためのＰＩＤ値決定手段、１０５は測定値ＰＶ−設定値ＳＰである偏差量をもとにＰＩＤ制御を行い操作量ＭＶを出力するＰＩＤ演算手段、１０６は前記設定値ＳＰを出力する設定値入力手段、１０７は測定値ＰＶ−設定値ＳＰの減算を行う減算器である。
【０００３】
次に動作について説明する。
この調節計は、制御対象の測定値ＰＶをＳに一致させるように偏差量（ＰＶ−ＳＰ）に基づいてＰＩＤ演算手段１０５ＰＩＤ演算を行い、操作量ＭＶを算出する。例えば調節計は高温槽の温度を所定の設定温度に一致させるために、制御対象２００に設けられたヒータ（図示せず）に対して相当の操作量ＭＶの電流を供給するように動作する。
一般に、制御対象２００において制御されるワーク（対象物）が異なる場合や、目標となる設定値ＳＰが異なる場合には、制御対象２００の環境が異なるため、それぞれ異なるＰＩＤ値が使用される。つまり、ワークや設定値ＳＰを変更するごとにＰＩＤ値も変更する必要がある。このため従来の調節計ではＰ，Ｉ，Ｄの各値の変更はＰＩＤ値決定手段１０４がＰＩＤ組選択手段１０１により選択された組番号に対応するＰＩＤ値を、ＰＩＤ組番号ごとに格納されたＰＩＤ値格納手段１０２から取り出して決定し、ＰＩＤ演算手段１０５へ出力することにより実現している。このＰＩＤ値格納手段１０２に格納されたＰＩＤ組番号ごとのＰＩＤ値は、調節計に設けられたＰＩＤ値入力手段１０３によりあらかじめ入力された値である。また、ＰＩＤ組選択手段１０１は、例えば外部入力スイッチにより、または調節計に設けられたＰＩＤ組番号入力手段により入力することにより、ＰＩＤ組番号を決定するものであり、前記外部入力スイッチにより決定する場合には、例えば外部入力スイッチがオンのときにはＰＩＤ組番号“１”、オフのときにはＰＩＤ組番号“２”を選択する。
【０００４】
図７は、ＰＩＤ値変更時の従来の調節計のＰＩＤ値決定処理の動作を示すフローチャートであり、ＰＩＤ組選択手段１０１から組番号を読み出し（ステップＳＴ１００）、次に前記読み出した組番号が“１”であるか“２”であるかを判定し（ステップＳ１０１）、組番号が“１”であればＰＩＤ値格納手段１０２から組番号“１”のＰＩＤ値を読み出す（ステップＳ１０２）。一方、ステップＳ１０１において判定した組番号が“２”であれば、ＰＩＤ値格納手段１０２から組番号“２”のＰＩＤ値を読み出す（ステップＳ１０３）。そして、前記ステップＳＴ１０２またはステップＳＴ１０３で読み出したＰＩＤ値をＰＩＤ演算手段１０５へ出力し、前記ＰＩＤ値をもとに制御して新たな操作量ＭＶを求め（ステップＳＴ１０４）、制御対象２００へ出力する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＰＩＤ選択機能を備えた調節計は上記のように構成されていたので、ＰＩＤ値の変更時、ＰＩＤ演算手段へ供給されるＰＩＤ値は即座に変化し、これに伴って操作量ＭＶが急激に変化し、ＰＩＤ値の変更時における制御が正常に行われないという課題があった。
【０００６】
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あり、ＰＩＤ値変更時における操作量の急激な変化を抑制し、ＰＩＤ値変更時における制御を円滑かつ連続的なものにできるＰＩＤ選択機能を備えた調節計を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るＰＩＤ選択機能を備えた調節計は、ＰＩＤ値の組番号を選択するＰＩＤ組選択手段と、前記ＰＩＤ組選択手段により今回選択された組番号に対応する今回のＰＩＤ値と、前記組番号が選択される前の前回選択された組番号に対応する前回のＰＩＤ値と、前回のＰＩＤ値から今回のＰＩＤ値へ切り換わる切換時間とをもとにＰＩＤ演算を行いＰＩＤ値を決定するＰＩＤ値決定手段と、ＰＩＤ組選択手段により選択された組番号に対応するＰＩＤ値の微分時間であるＤ値に基づいて切換時間を算出するようにしたものである。
時間をパラメータとしたファジィ推論によりＰＩＤ値を決定するようにしたものである。
【０００８】
この発明に係るＰＩＤ選択機能を備えた調節計は、ＰＩＤ値決定手段が、今回選択されたＰＩＤ組番号に対応するＰＩＤ値と以前に選択されていたＰＩＤ値とに基づいて、切換時間をパラメータとしたファジィ推論によりＰＩＤ値を決定するようにしたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態について説明する。
実施の形態１．
図１は、この実施の形態１のＰＩＤ選択機能を備えた調節計の構成を示すブロック図である。図において、１はＰＩＤ選択機能を備えた調節計、２は制御対象、３はＰ値（比例値）、Ｉ値（積分値）、Ｄ値（微分値）の組を選択するＰＩＤ組選択手段、４はＰ値、Ｉ値、Ｄ値を格納するＰＩＤ値格納手段、５はＰ値、Ｉ値、Ｄ値を入力するためのＰＩＤ値入力手段、６はＰ値、Ｉ値、Ｄ値を決定するためのＰＩＤ値決定手段である。７はＰＩＤ値変更時の切換時間Ｔを手動操作で入力することが可能な切換時間入力手段である。８は測定値ＰＶ−設定値ＳＰである偏差をもとにＰＩＤ制御を行い操作量ＭＶを出力するＰＩＤ演算手段、９は前記設定値ＳＰを出力する設定値入力手段、１０は測定値ＰＶと設定値ＳＰとから偏差量“測定値ＰＶ−設定値ＳＰ”の減算を行う減算器である。
【００１１】
図２は、図１に示したＰＩＤ値決定手段６の構成を示すブロック図であり、図において、６１はＰＩＤ組選択手段３により選択されたＰＩＤ値をＰＩＤ値格納手段４から読み出すＰＩＤ値読出し手段、６２はＰＩＤ値変更時の変更前のＰＩＤ値（Ｐ_１，Ｉ_１，Ｄ_１）を格納する切換前ＰＩＤ値格納手段、６３は変更後のＰＩＤ値（Ｐ_２，Ｉ_２，Ｄ_２）を格納する切換後ＰＩＤ値格納手段、６４はファジィ演算手段であり、ＰＩＤ値のＤ値に制御系の応答性が依存していることから、このＤ値に基づいて“ｆ（Ｄ）”（ｆは切換時間Ｔを算出するための所定の関数）から切換時間Ｔを自動的に算出し決定する機能を有している。この関数ｆにより算出される切換時間Ｔは、応答の速い制御系から応答の遅い制御系へ切り換わる場合には大きい値、また、応答の遅い制御系から応答の速い制御系へ切り換わる場合には小さい値となる。そして、ファジィ演算手段６４は、切換時間入力手段７から手動操作で入力された切換時間Ｔ、または、前記自動的に算出し決定した切換時間Ｔと、切換前ＰＩＤ値格納手段６２に格納された変更前のＰＩＤ値（Ｐ_１，Ｉ_１，Ｄ_１）と、切換後ＰＩＤ値格納手段６３に格納された変更後のＰＩＤ値（Ｐ_２，Ｉ_２，Ｄ_２）とをもとにファジィ演算を行い、ＰＩＤ値（Ｐ，Ｉ，Ｄ）を演算し、ＰＩＤ演算手段８へ出力する。
【００１２】
次に動作について説明する。
先ず、この実施の形態１のＰＩＤ選択機能を備えた調節計の全体動作について説明すると、この調節計は、制御対象の測定値ＰＶを設定値ＳＰに一致させるように、偏差（ＰＶ−ＳＰ）に基づいてＰＩＤ演算手段８においてＰＩＤ演算を行い、操作量ＭＶを算出する。この場合、制御対象において制御されるワーク（対象物）や、目標となる設定値が変更された場合には、制御対象の環境がそれまでの環境と異なるため、それぞれ異なるＰＩＤ値が使用され、ワークや設定値を変更するごとにＰＩＤ値も変更する。このように制御対象において制御されるワーク（対象物）が異なる場合や目標となる設定値が異なる場合、各状況に応じたＰＩＤ値がＰＩＤ値決定手段６で決定されＰＩＤ演算手段８へ供給される。
【００１３】
ＰＩＤ値決定手段６では、切換時間入力手段７から与えられた切換時間Ｔ、または前記自動的に算出した切換時間Ｔと、変更前のＰＩＤ値（Ｐ_１，Ｉ_１，Ｄ_１）と、変更後のＰＩＤ値（Ｐ_２，Ｉ_２，Ｄ_２）とをもとにファジィ演算を行い、ＰＩＤ演算手段８へ出力するＰＩＤ値（Ｐ，Ｉ，Ｄ）を演算する。ＰＩＤ演算手段８では、ＰＩＤ値決定手段６から出力された前記ＰＩＤ値（Ｐ，Ｉ，Ｄ）を使用し、ＰＩＤ演算を行い、偏差（ＰＶ−ＳＰ）が零になるように操作量ＭＶを算出し、制御対象２へ出力し、制御対象２の制御を行い、測定値ＰＶを設定値ＳＰに一致させる。
【００１４】
このように、ＰＩＤ値決定手段６においては、ＰＩＤ演算手段８へ出力するＰＩＤ値（Ｐ，Ｉ，Ｄ）を決定する。制御対象２において制御されるワーク（対象物）や目標となる設定値に変更が生じた場合、変更前のＰＩＤ値（Ｐ_１，Ｉ_１，Ｄ_１）と、変更後のＰＩＤ値（Ｐ_２，Ｉ_２，Ｄ_２）とに基づいて、制御系の応答性に応じて算出された切換時間Ｔをパラメータとしたファジィ推論により各状況に応じてＰＩＤ値を決定し、ＰＩＤ値変更時の操作量の急激な変動を緩やかにかつ連続的にした制御を実現する。
【００１５】
図５は、ＰＩＤ値決定手段６のＰＩＤ値決定処理を示すフローチャートであり、以下、このＰＩＤ値決定手段６の動作について説明する。なお、ＰＩＤ組選択手段３は変更前は組番号１のＰＩＤ値（Ｐ_１，Ｉ_１，Ｄ_１）を選択しており、変更後は組番号２のＰＩＤ値（Ｐ_２，Ｉ_２，Ｄ_２）を選択するものとする。このＰＩＤ値の変更は切換信号により行われる。組番号１のＰＩＤ値によるＰＩＤ制御から組番号２のＰＩＤ値によるＰＩＤ制御への切換時間Ｔは、ＰＩＤ組選択手段３により選択された組番号に対応する制御系の応答性に応じた微分時間であるＤ値から算出される。この微分時間であるＤ値は、応答の遅い制御系においては大きい値であり、また、応答の速い制御系においては小さい値が設定されるため、応答の速い制御系から応答の遅い制御系へ切り換わる場合には、切換時間Ｔは大きい値となる。また、応答の遅い制御系から応答の速い制御系へ切り換わる場合には、切換時間Ｔは小さい値となる。応答の遅い制御系から応答の速い制御系へ切り換わる場合に切換時間Ｔを大きくすると、切り換え前のＰＩＤ値の影響を受け易くなるため操作量が急変する可能性がある。このため、切換時間Ｔを小さい値にすることにより操作量の急変を防止し、安定した制御を実現する。
なお、変更後の組番号２のＤ値（Ｄ_２）が０である場合は切替時間Ｔは、予め設定された一定の値となる。
【００１６】
図５のフローチャートによれば、このＰＩＤ値決定処理では、先ずＰＩＤ組選択手段３で選択された組番号を読み出す（ステップＳＴ１）。そして、今回読み出した前記組番号が前回読み出した組番号に対し変更されているか判定し（ステップＳＴ２）、この結果、変更されていれば前回読み出した組番号に対応するＰＩＤ値（変更前のＰＩＤ値）を切換前ＰＩＤ値格納手段６２へ格納する（ステップＳＴ３）。次に、今回読み出した組番号に対応するＰＩＤ値（変更後のＰＩＤ値）を、前記組番号をもとにＰＩＤ値格納手段４から読み出す（ステップＳＴ４）。そして、今回読み出した組番号に対応する前記ＰＩＤ値を切換後ＰＩＤ値格納手段６３へ格納し（ステップＳＴ５）、前回の組番号のＰＩＤ値（Ｐ_１，Ｉ_１，Ｄ_１）と、今回読み出した組番号のＰＩＤ値（Ｐ_２，Ｉ_２，Ｄ_２）と、切換時間Ｔとから、図３および図４で示すようにファジィ演算手段６４でファジィ推論を用いてＰＩＤ値（Ｐ，Ｉ，Ｄ）を算出し、ＰＩＤ演算手段８へ出力する（ステップＳ６）。このＰＩＤ値（Ｐ，Ｉ，Ｄ）の算出は、図４に示すように、切換時間Ｔ内で時刻ｔにおけるＰ値、Ｉ値、Ｄ値を、ｔ／Ｔ＝ａとして、Ｐ値＝Ｐ_１ａ＋Ｐ_２（１−ａ）、Ｉ値＝Ｉ_１ａ＋Ｉ_２（１−ａ）、Ｄ値＝Ｄ_１ａ＋Ｄ_２（１−ａ）のように演算する。
また、ステップＳＴ２において、今回読み出した組番号が前回読み出した組番号に対し変更なければ、前回の組番号のＰＩＤ値と、今回読み出した組番号のＰＩＤ値と、切換時間Ｔとからファジィ演算手段６４でＰＩＤ値（Ｐ，Ｉ，Ｄ）を算出し、ＰＩＤ演算手段８へ出力する（ステップＳＴ６）。
【００１７】
このＰＩＤ値決定手段６においてＰＩＤ値の組の切り換えを行う切換信号は、このＰＩＤ選択機能を備えた調節計が有しているイベント情報をもとに生成される。このイベント情報とは、計器で測定したＰＶ値／ＳＰ値、偏差（ＰＶ−ＳＰ）、または内部タイマ、その他状態を示す情報である。例えば、イベント情報としての前記偏差によりＰＩＤ値の組を切り換える場合、偏差が大きいときは組番号１のＰＩＤ値、偏差が小さいときには組番号２のＰＩＤ値を用いる。そのため制御対象の状況に応じた組番号のＰＩＤ値を自動で選択することが可能である。また、どの組番号のＰＩＤ値を選択するかをあらかじめユーザにより設定することが可能である。具体例としては、組番号１のＰＩＤ値はＰ＝５％、Ｉ＝４０ｓ、Ｄ＝１０ｓであり偏差が５０℃以上のときに使用（イベント情報１を条件）、組番号２のＰＩＤ値はＰ＝４％、Ｉ＝８０ｓ、Ｄ＝２０ｓであり偏差が５０℃〜２０℃のときに使用（イベント情報１とイベント情報２との組み合わせを条件）、組番号３のＰＩＤ値はＰ＝１０％、Ｉ＝８０ｓ、Ｄ＝２０ｓであり偏差が２０℃未満のときに使用（イベント情報２を条件）などのようにあらかじめ設定することが可能である。
なお、以上説明した具体例では、測定したイベント情報１、イベント情報２などのオン、オフ信号をＰＩＤ値の切り換えのトリガ／条件に用いるのもとして説明したが、ＰＶ値、ＳＰ値などのアナログ信号を条件に用いることも出来る。
【００１８】
また、ＰＩＤ値決定手段６において行われるＰＩＤ値の組の切り換えは、切り換え条件が生じたときにその瞬間からＰＩＤ値を切り換えるのではなく、操作量の急変がないようにＰＶ値の安定した制御が実現されるようにファジィ演算を用いて滑らかに切り換える。このファジィ演算によるＰＩＤ値の切り換えは、現在のＰＩＤ値（らしさ）から次のＰＩＤ値（らしさ）へ切り換わる条件と、経過時間ｔの２つをパラメータとして次のＰＩＤ値へ切り換わる。
【００１９】
以上のように、この実施の形態１によれば、現在のＰＩＤ値の組番号が選択される前の前回選択された組番号のＰＩＤ値を考慮してＰＩＤ値が決定され、さらにＰＩＤ値の決定にファジィ演算が利用されるため、ＰＩＤ値に変更が生じたときに操作量に急激な変化が発生することがなく、連続的な円滑な制御を実現できるＰＩＤ選択機能を備えた調節計が得られる効果がある。
【００２０】
【発明の効果】
この発明によれば、ＰＩＤ値の組番号を選択するＰＩＤ組選択手段と、前記ＰＩＤ組選択手段により今回選択された組番号に対応する今回のＰＩＤ値と、前記組番号が選択される前の前回選択された組番号に対応する前回のＰＩＤ値と、前回のＰＩＤ値から今回のＰＩＤ値へ切り換わる切換時間とをもとにＰＩＤ演算を行いＰＩＤ値を決定するＰＩＤ値決定手段とを備えるように構成したので、現在選択されているＰＩＤ値の組番号の前に選択された組番号に対応するＰＩＤ値を考慮してＰＩＤ演算を行いＰＩＤ値が決定されるため、ＰＩＤ値が変更されたときの操作量の急激な変化が抑制され、連続的かつ円滑な制御を実現できる効果がある。
【００２１】
この発明によれば、今回選択されたＰＩＤ組番号に対応するＰＩＤ値と以前に選択されていたＰＩＤ値とに基づいて、切換時間をパラメータとしたファジィ推論によりＰＩＤ値を決定するように構成したので、ＰＩＤ値が変更されたときの操作量の急激な変化が抑制され、より連続的かつ円滑な制御を実現できる効果がある。
【００２２】
この発明によれば、ＰＩＤ組選択手段により選択された組番号に対応するＰＩＤ値の微分時間であるＤ値に基づいて切換時間を算出するように構成したので、前記切換時間は制御系の応答性に応じた長さとなり、制御系の応答速度が速いときには小さくなり、また制御系の応答速度が遅いときには大きくなって、ＰＩＤ値が変更されたときの操作量の急激な変化が抑制され、より連続的かつ円滑な制御を実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１のＰＩＤ選択機能を備えた調節計の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１のＰＩＤ選択機能を備えた調節計におけるＰＩＤ値決定手段の構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態１のＰＩＤ選択機能を備えた調節計におけるＰＩＤ値決定手段の動作を示す概念図である。
【図４】この発明の実施の形態１のＰＩＤ選択機能を備えた調節計のＰＩＤ値決定手段のファジィ演算手段におけるＰＩＤ値の算出処理動作を示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１のＰＩＤ選択機能を備えた調節計におけるＰＩＤ値決定処理を示すフローチャートである。
【図６】従来のＰＩＤ選択機能を備えた調節計の構成を示すブロック図である。
【図７】従来のＰＩＤ選択機能を備えた調節計におけるＰＩＤ値決定処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ ＰＩＤ選択機能を備えた調節計
３ ＰＩＤ組選択手段
６ ＰＩＤ値決定手段
７ 切換時間入力手段

Claims (2)

1. 測定値が設定値に一致するようにＰＩＤ演算を行い操作量を算出するＰＩＤ選択機能を備えた調節計において、
   ＰＩＤ値の組番号を選択するＰＩＤ組選択手段と、
   前記ＰＩＤ組選択手段により今回選択された組番号に対応する今回のＰＩＤ値と、前記組番号が選択される前の前回選択された組番号に対応する前回のＰＩＤ値と、前回のＰＩＤ値から今回のＰＩＤ値へ切り換わる切換時間とをもとにＰＩＤ演算を行いＰＩＤ値を決定するＰＩＤ値決定手段と、
   切換時間は、前記ＰＩＤ組選択手段により選択された組番号に対応するＰＩＤ値の微分時間であるＤ値に基づいて算出されることを特徴とするＰＩＤ選択機能を備えた調節計。
2. ＰＩＤ値決定手段は、今回選択されたＰＩＤ組番号に対応するＰＩＤ値と以前に選択されていたＰＩＤ値とに基づいて、切換時間をパラメータとしたファジィ推論によりＰＩＤ値を決定することを特徴とする請求項１記載のＰＩＤ選択機能を備えた調節計。

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