JP5549112B2 - Ｐｉｄ調整装置およびｐｉｄ調整プログラム - Google Patents

Description

本発明は、制御対象を閉ループにて制御するＰＩＤ調節器のＰＩＤパラメータを求めるＰＩＤ調整装置等に関する。

ＰＩＤ（Proportional Integral Derivate）制御は、石油、化学、鉄鋼、紙パルプ、水環境等のいわゆるプロセス産業における制御方式において、９０％以上を占めるといわれている基盤的制御技術であり、ＰＩＤ制御は、実用上不可欠な制御方式となっている。従来、制御対象の同定方法とその同定方法から得られたモデルである伝達関数をもとにＰＩＤ調節器の制御パラメータを決定するＰＩＤ調節器の調整方法、調整に用いるプログラムおよびＰＩＤ調節装置に関しては、シミュレーションにより試行錯誤的に実施する方法が提案されてきた（特許文献１参照）。特許文献１に記載されているように、制御器シミュレーション部は作業者との対話処理に従って制御パラメータ（ＰＩＤパラメータ）の値を設定し、作業者は当該ＰＩＤパラメータが適切なものである場合、制御器シミュレーション部へシミュレーションの終了指示を発行していた。

上述のように、シミュレーションにより試行錯誤的にＰＩＤパラメータを調整する場合、作業者は制御対象に関する経験・ノウハウを必要とする。このため、ＰＩＤ調節器の調整方法およびＰＩＤ調節装置等に関して、シミュレーションにより試行錯誤的に実施する方法は広く現場のエンジニアに普及させるには困難であるという問題があった。さらに、シミュレーションにより試行錯誤的に実施する方法は、調整労力と時間とを極めて要するという問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、ＰＩＤ調節器の調整方法およびＰＩＤ調節装置等に関して、広く現場のエンジニアに普及させることが可能であり、且つ調整労力と時間とを著しく短縮することができるＰＩＤ調整装置等を提供することにある。

この発明のＰＩＤ調整装置は、制御対象を閉ループにて制御するＰＩＤ調節器のＰＩＤパラメータを求めるＰＩＤ調整装置であって、記録部に記録された制御対象に入力する操作量の時系列データと該操作量に応じて制御対象から出力される制御量の時系列データとに基づき、制御対象を表現する複数の伝達関数のパラメータを求める伝達関数パラメータ取得手段と、前記伝達関数パラメータ取得手段により求められたパラメータを有する各伝達関数が出力した推定制御量と実際の制御量との適合性を求める適合性取得手段と、前記適合性取得手段により求められた適合性に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択する又は選択させる最良伝達関数選択手段と、前記最良伝達関数選択手段により選択された又は選択させた伝達関数を対象として、設定値応答及び外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標を満たすべくＰＩＤ調節器のＰＩＤパラメータを探索する最適ＰＩＤパラメータ探索手段とを備え、前記最適ＰＩＤパラメータ探索手段が用いる設定値応答及び外乱応答の結果は、制御量に白色ノイズを注入した状態の設定値応答及び外乱応答の結果であることを特徴とする。

ここで、この発明のＰＩＤ調整装置において、前記最適ＰＩＤパラメータ探索手段が用いる評価指標は、制御量とステップ状の設定値との差の２乗を時間で積分した指標とすることができる。

ここで、この発明のＰＩＤ調整装置において、前記適合性取得手段が用いる適合性は、推定制御量、実際の制御量及び実際の制御量の平均値に基づく所定の適合率とすることができる。

この発明のＰＩＤ調整プログラムは、制御対象を閉ループにて制御するＰＩＤ調節器のＰＩＤパラメータを求めるＰＩＤ調整プログラムであって、ＰＩＤ調整御プログラムを実行するＰＩＤ調整装置のコンピュータに、記録部に記録された制御対象に入力する操作量の時系列データと該操作量に応じて制御対象から出力される制御量の時系列データとに基づき、制御対象を表現する複数の伝達関数のパラメータを求める伝達関数パラメータ取得ステップ、前記伝達関数パラメータ取得ステップで求められたパラメータを有する各伝達関数が出力した推定制御量と実際の制御量との適合性を求める適合性取得ステップ、前記適合性取得ステップで求められた適合性に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択する又は選択させる最良伝達関数選択ステップ、前記最良伝達関数選択ステップで選択された又は選択させた伝達関数を対象として、設定値応答及び外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標を満たすべくＰＩＤ調節器のＰＩＤパラメータを探索する最適ＰＩＤパラメータ探索ステップを実行させるためのＰＩＤ調整プログラムであって、前記最適ＰＩＤパラメータ探索ステップで用いる設定値応答及び外乱応答の結果は、制御量に白色ノイズを注入した状態の設定値応答及び外乱応答の結果であることを特徴とするＰＩＤ調整プログラムである。

本発明のＰＩＤ調整装置等によれば、ＰＩＤ調整装置の最適ＰＩＤパラメータ探索部が、最良伝達関数選択部により選択されたまたは選択させた伝達関数を対象として、設定値ＳＶに対する設定値応答および外乱ｄに対する外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標を満たすように、ＰＩＤ調節器のＰＩＤパラメータを探索することができる。この結果、作業者が制御対象に関する経験・ノウハウに基づき、ＰＩＤパラメータの決定を試行錯誤的に行う必要がなくなるため、ＰＩＤ調節器の調整方法およびＰＩＤ調節装置等に関して、広く現場のエンジニアに普及させることが可能となり、加えて調整労力と時間とを著しく短縮することができるという効果がある。

本発明の実施例１におけるＰＩＤ調整装置を示す図である。 伝達関数パラメータ取得部３２の構成を示す図である。 最良伝達関数選択部３６が適合性ＦＩＴ（％）に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択するまたは選択させる状態を示す図である。 最適ＰＩＤパラメータ探索部３８の機能を説明するための図である。 図４で説明した設定値ＳＶ、外乱ｄおよび制御量ＰＶのタイムチャートである。 ＰＩＤ調整装置３０の各機能をすべてソフトウェアにより実現した場合の処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施例２におけるＰＩＤ調整装置を示す図である。 実施例２における最適ＰＩＤパラメータ探索部３８の機能を説明するための図である。 図８で説明した設定値ＳＶ、外乱ｄおよび制御量ＰＶのタイムチャートを示す図である。 本発明のＰＩＤ調整プログラムを実行するＰＩＤ調整装置３０内のコンピュータの内部回路４０を示すブロック図である。

以下、各実施例について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１におけるＰＩＤ調整装置を示す。図１において、符号１０は制御対象、２０は制御対象１０を閉ループにて制御するＰＩＤ調節器、３０はＰＩＤ調節器２０のＰＩＤパラメータを求めるＰＩＤ調整装置である。図１に示されるように、ＰＩＤ調節器２０から制御対象１０へ操作量ＭＶが入力され、当該操作量ＭＶと外乱ｄとに応じて制御対象１０から制御量ＰＶが出力される。ＰＩＤ調整装置３０は、図１に示されるように、伝達関数パラメータ取得部（伝達関数パラメータ取得手段）３２、適合性取得部（適合性取得手段）３４、最良伝達関数選択部（最良伝達関数選択手段）３６および最適ＰＩＤパラメータ探索部（最適ＰＩＤパラメータ探索手段）３８の各機能を有している。以下、図１および他の図面を適宜参照しながら説明する。

図１に示されるように、伝達関数パラメータ取得部３２は、記録部（後述するディスク等の記録装置４８）に記録された制御対象１０に入力する操作量ＭＶの時系列データ（点線で示される方のＭＶ）とこの操作量ＭＶに応じて制御対象１０から出力される制御量ＰＶの時系列データ（点線で示される方のＰＶ）とに基づき、制御対象１０を表現する複数の伝達関数のパラメータを求める。

図２は、伝達関数パラメータ取得部３２の構成を示す。図２において、符号１１ないし１７はオフラインにて予め構造を決めておいた制御対象１０を表現する複数の伝達関数である。図２に示されるように、伝達関数１１は一次系（または一次おくれ要素）＋むだ時間（またはむだ時間要素）、伝達関数１２は二次系（または二次おくれ要素）＋むだ時間、伝達関数１３は一次系＋積分系（積分要素）＋むだ時間、伝達関数１４は二次系＋積分系、伝達関数１５は二次系（振動系：二次おくれ要素の減衰係数ζが０＜ζ＜１であり、ステップ応答が振動的）＋むだ時間、伝達関数１６は積分系＋むだ時間、伝達関数１７は非最小位相系である。以上のように、図２では７種類の伝達関数１１ないし１７の例を示したが、他の伝達関数を用いてもよいことは勿論である。伝達関数パラメータ取得部３２は、操作量ＭＶの時系列データと操作量ＭＶに応じて制御対象１０から出力される制御量ＰＶの時系列データとから、各伝達関数１１ないし１７のパラメータである、ゲイン定数Ｇ^＊、時定数Ｔ^＊、Ｔ_１ ^＊、Ｔ_２ ^＊、Ｔ_３ ^＊、むだ時間Ｌ^＊、減衰係数ζ^＊、固有角周波数ω^＊を求める。これらの各伝達関数１１ないし１７のパラメータは、以下の式１で示される目的関数Ｊの最小値を求めることにより得ることができる。

ここで、ＰＶ^＊は推定された制御量である。式１は（無制約）非線形最適化問題となるため、例えばニュートン法、準ニュートン法、最急降下法等を適用することにより式１の最小値Ｊを求めることができる。

図１に示されるように、適合性取得部３４は、伝達関数パラメータ取得部３２により求められたパラメータを有する各伝達関数が出力した推定制御量（点線で示されるＰＶ^＊）と実際の制御量（点線で示される方のＰＶ）との適合性を求める。伝達関数パラメータ取得部３２により求められたｋ番目の推定制御量をＰＶ^＊（ｋ）、ｋ番目の実際の制御量をＰＶ（ｋ）、制御量ＰＶ（ｋ）の平均値を、

とすると、適合性は、以下の式２で表される適合率ＦＩＴ（％）により求めることができる。

ここで、Ｎは時系列データのデータ数を表す。本明細書では、推定制御量ＰＶ^＊と実際の制御量ＰＶとの２つのデータ比較に上記適合率ＦＩＴ（％）を採用した。しかし、適合率ＦＩＴ（％）の代わりに２つのデータの相関を用いることも可能である。

図１に示されるように、最良伝達関数選択部３６は、適合性取得部３４により求められた適合性ＦＩＴ（％）（点線で示されるＦＩＴ）に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択するまたは選択させる。図３は、最良伝達関数選択部３６が適合性ＦＩＴ（％）に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択するまたは選択させる状態を示す。図３で図２と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図３に表形式で、伝達関数欄、適合率欄および選択欄と、各伝達関数１１ないし１７とが示されている。上記選択するまたは選択させる状態は、当該表形式により後述するディスプレイ等の表示装置４４に表示することができる。最良伝達関数選択部３６は、図３に示すように、各伝達関数１１等に対して計算された適合率ＦＩＴ（％）を各伝達関数欄に対応する適合率欄に表示し、最も適合率ＦＩＴ（％）が良い伝達関数を選択欄にチェック等を表示することにより選択する。図３では、伝達関数１１を選択した状態が表示されている。選択は最良伝達関数選択部３６が適合率ＦＩＴ（％）の値により自動的に選択するが、手動にて任意の伝達関数１１等を選択することも可能である。この場合、後述するマウス等の入力操作部５１を用いて選択欄中の所望の矩形をクリックすることにより選択することができる。

図１に示されるように、最適ＰＩＤパラメータ探索部３８は、最良伝達関数選択部３６により選択されたまたは選択させた伝達関数１１等（点線で示される１１等）を対象として、設定値（後述するＳＶ）に対する設定値応答および外乱（後述するｄ）に対する外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標を満たすように、ＰＩＤ調節器２０のＰＩＤパラメータを探索する。

図４は、最適ＰＩＤパラメータ探索部３８の機能を説明するための図である。図４で図１と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図４に示されるように、初めに設定値ＳＶにステップ状の信号を入力し、ステップ応答が収束した後、外乱ｄにステップ上の信号を入力し、出力である制御量ＰＶから評価指標を計算する。図５は、図４で説明した設定値ＳＶ、外乱ｄおよび制御量ＰＶのタイムチャートを示す。図５（Ａ）は設定値ＳＶ、図５（Ｂ）は外乱ｄ、図５（Ｃ）は制御量ＰＶ、横軸はいずれも時間であり、時間ｔ_ｄは操作量ＭＶに外乱ｄが加えられた時間を示す。図４に示される評価指標の計算では、以下の式３で表されるＩＳＥ(Integral of Squared Error)を用いて評価指標を計算する。

ここで、ｅ（ｔ）＝ＰＶ−ＳＶである。即ち、評価指標は制御量ＰＶとステップ状の設定値ＳＶとの差の２乗を時間で０から無限大まで積分した指標である。図５では、ｅ（ｔ）につき、制御量ＰＶの立ち上がり時間の部分と外乱応答が加えられた部分とを示してある。評価指標である式３は、例えば、パーティクル・スォーム・オプティマイゼイション（Particle Swarm Optimization：ＰＳＯ)等の探索手法により、ＰＩＤ調節器２０のパラメータである、比例ゲインＫ_Ｐ、積分時間Ｔ_ｉ、微分時間Ｔ_Ｄを求めることができる。

ＰＳＯは、簡単化した社会モデルのシミュレーションを通して開発されたモダン・ヒューリスティック（Modern heuristic : ＭＨ）手法の１つであり、鳥の群れの動きを連続変数の２次元空間で表現することを通して開発された。

ＰＳＯについては、J.Kennedy and R.Eberhartによる“Partic1e Swarm Optimization”(Proc. of IEEE International Ｃonference on Neural Networks, Vol. IＶ，pp.1942-1948, Perth, Australia, 1995．）または吉田・福山他による「電圧信頼度を考慮したParticle Swarm Optimizationによる電圧無効電力制御方式の検討」（電気学会論文誌B, 119巻12号, 1999年12月）、特開２０００−１１６００３「電圧無効電力制御方法」、特開２００２−５１４６４「配電系統における状態推定法」等を参照されたい。

ＰＳＯでは、各エージェント（ＰＳＯでは、群れの個々をエージェントと呼ぶ。）の位置（状態量）をｘ、ｙ座標で表し、各エージェントの速度をｖｘ(ｘ方向の速度）、ｖｙ（ｙ方向の速度）で表現する。各エージェントの位置および速度の情報から、次時点における各エージェントの位置を更新することができる。

上記エージェントの概念に基づき、鳥の群れ全体が何らかの目的関数を最適化するような行動をとると考えると、以下のような最適化が考えられる。即ち、各エージェントは、各々の探索における目的関数の従前における最も評価の高い最良値ｐｂｅｓｔと、その時の位置（状態量）を示すｘ、ｙ座標とを覚えている。各エージェントは、各エージェントが保有する最良値ｐｂｅｓｔの集団の中で最も評価の高い値、即ち、当該集団の従前の目的関数の最良値ｇｂｅｓｔを共有している。各エージェントは、現在の位置（ｘ、ｙ座標）および現在の速度（ｖｘ、ｖｙ）を持っている。各エージェントは、現在の位置（ｘ、ｙ座標）および速度（ｖｘ、ｖｙ）と、最良値ｐｂｅｓｔ、ｇｂｅｓｔとの間の距離に応じて、最良値ｐｂｅｓｔ、ｇｂｅｓｔの存在する位置へ進むように方向を変更しようとする。

上記変更しようとする行動は速度で表現される。各エージェントの速度は、現在の速度と最良値ｐｂｅｓｔ、ｇｂｅｓｔとを用いて、式４のように修正することができる。

Ｖ_ｉ ^ｋ＋１＝ｗ×Ｖ_ｉ ^ｋ＋ｃ_１×ｒａｎｄ（）×（ｐｂｅｓｔ_ｉ−ｓ_ｉ ^ｋ）
＋ｃ_２×ｒａｎｄ（）×（ｇｂｅｓｔ_ｉ−ｓ_ｉ ^ｋ） （４）

但し、Ｖ_ｉ ^ｋは、エージェントｉの速度、ｒａｎｄ（）は、０〜１までの一様乱数、ｓ_ｉｋは、エージェントｉの探索ｋ回目の位置（探索点）、ｐｂｅｓｔ_ｉは、エージェントｉの最良値p b e s t、ｗはエージェント速度に対する重み関数、ｃ_１、ｃ_２は、各項に対する重み係数である。

上記式４を用いることにより、各エージェントｉの従前の最良値ｐｂｅｓｔ_ｉおよび集団の最良値ｇｂｅｓｔに確率的に近づくような速度Ｖ_ｉ ^ｋ＋１を求めることができ、速度Ｖ_ｉ ^ｋ＋１により、各エージェントｉの現在の位置（探索点）ｓ_ｉ ^ｋを式５のように修正することができる。

ｓ_ｉ ^ｋ＋１＝ｓ_ｉ ^ｋ＋Ｖ_ｉ ^ｋ＋１ （５）

具休的には、ＰＳＯのエージェントの状態変数は、ＰＩＤパラメータである比例ゲインＫ_Ｐ、積分時間Ｔ_ｉ、微分時間Ｔ_Ｄとする。

次に、エージェントの初期値として、エージェントの位置ｓ_ｉおよび速度ｖ_ｉを設定する。なお、エージェントの数ｉは事前に設定しておく。

続いて、式４および式５の計算を繰り返すことにより、最適解を探索する。ここで、繰り返し回数ｋは事前に設定しておく。最適解を探索する際に、繰返しの各ステップ毎に、各エージェントｉの評価と、各探索点の最良値ｐｂｅｓｔ_ｉおよび集団の最良値ｇｂｅｓｔの更新を行う。

ここで、各エージェントｉの評価は、以下の手順で行うことができる。まず、エージェントｉの状態変数ｓ_ｉを、ＰＩＤパラメータである比例ゲインＫ_Ｐ、積分時間Ｔ_ｉ、微分時間Ｔ_Ｄに設定する、次に、設定値ＳＶに対する設定値応答および外乱ｄに対する外乱応答の結果から、評価指標（式３）を評価する。すべてのエージェントの評価結果に基づいて、各探索点の最良値ｐｂｅｓｔ_ｉおよび集団の最良値ｇｂｅｓｔを決定する。指定された繰り返し回数ｋが終了した後、集団の最良値ｇｂｅｓｔの状態量をＰＩＤパラメータである比例ゲインＫ_Ｐ、積分時間Ｔ_ｉ、微分時間Ｔ_Ｄとしたものを、最適なＰＩＤパラメータとする。以上により、ＰＩＤ調節器２０の最適なＰＩＤパラメータを求めることができる。

図１に示されるＰＩＤ調整装置３０の伝達関数パラメータ取得部３２等の各機能は、ソフトウェアまたはハードウェアを一部または全部に用いて実現することができる。図６は、ＰＩＤ調整装置３０の各機能をすべてソフトウェアにより実現した場合の処理の流れをフローチャートで示す。ソフトウェアまたはハードウェアを一部または全部に用いて実現した場合も同様のフローチャートにより説明することができる。

図６に示されるように、制御対象１０を閉ループにて制御するＰＩＤ調節器２０のＰＩＤパラメータを求めるＰＩＤ調整プログラムは、当該ＰＩＤ調整御プログラムを実行するＰＩＤ調整装置のコンピュータ（後述するＣＰＵ４１）に、以下の各ステップを実行させる。まず、記録部（後述する記録装置４８等）に記録された制御対象１０に入力する操作量ＭＶの時系列データと操作量ＭＶに応じて制御対象１０から出力される制御量ＰＶの時系列データとに基づき、制御対象１０を表現する複数の伝達関数１１等のパラメータを求める（伝達関数パラメータ取得ステップ。ステップＳ１０）。次に、伝達関数パラメータ取得ステップ（ステップＳ１０）で求められたパラメータを有する各伝達関数１１等が出力した推定制御量ＰＶ^＊と実際の制御量ＰＶとの適合性（適合率ＦＩＴ（％））を求める（適合性取得ステップ。ステップＳ１２）。続いて、適合性取得ステップ（ステップＳ１２）で求められた適合性に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択するまたは選択させる（最良伝達関数選択ステップ。ステップＳ１４）。最後に、最良伝達関数選択ステップ（ステップＳ１４）で選択されたまたは選択させた伝達関数を対象として、設定値ＳＶに対する設定応答および外乱ｄに対する外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標（式３）を満たすように、ＰＩＤ調節器２０のＰＩＤパラメータを探索する（最適ＰＩＤパラメータ探索ステップ。ステップＳ１６）。

以上より、本発明の実施例１によれば、ＰＩＤ調整装置３０は、伝達関数パラメータ取得部３２、適合性取得部３４、最良伝達関数選択部３６および最適ＰＩＤパラメータ探索部３８の各機能を有している。伝達関数パラメータ取得部３２は、記録部（後述する記録装置４８等）に記録された制御対象１０に入力する操作量ＭＶの時系列データとこの操作量ＭＶに応じて制御対象１０から出力される制御量ＰＶの時系列データとに基づき、制御対象１０を表現する複数の伝達関数のパラメータ（ゲイン定数Ｇ^＊、時定数Ｔ^＊、Ｔ_１ ^＊、Ｔ_２ ^＊、Ｔ_３ ^＊、むだ時間Ｌ^＊、減衰係数ζ^＊、固有角周波数ω^＊）を求める。伝達関数は、オフラインにて予め構造を決めておいた制御対象１０を表現する複数（例えば図２に示される７つの伝達関数１１等）を用いることが好適であるが、これらの伝達関数１１等に限定されるものではない。各伝達関数１１ないし１７のパラメータは、式１で示される目的関数Ｊの最小値を求めることにより得ることができる。適合性取得部３４は、伝達関数パラメータ取得部３２により求められたパラメータを有する各伝達関数が出力した推定制御量（点線で示されるＰＶ^＊）と実際の制御量（点線で示される方のＰＶ）との適合性を求める。適合性は、式２で表される適合率ＦＩＴ（％）により求めることができる。適合率ＦＩＴ（％）の代わりに２つのデータの相関を用いることも可能である。最良伝達関数選択部３６は、適合性取得部３４により求められた適合性ＦＩＴ（％）に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択するまたは選択させる。上記選択するまたは選択させる状態は後述するディスプレイ等の表示装置４４に表示することができる。選択は最良伝達関数選択部３６が適合率ＦＩＴ（％）の値により自動的に選択するが、手動にて任意の伝達関数１１等を選択することも可能である。最適ＰＩＤパラメータ探索部３８は、最良伝達関数選択部３６により選択されたまたは選択させた伝達関数１１等を対象として、設定値ＳＶに対する設定値応答および外乱ｄに対する外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標を満たすように、ＰＩＤ調節器２０のＰＩＤパラメータを探索する。評価指標の計算は、式３で表されるＩＳＥを用いて行うことができる。評価指標である式３は、例えば、ＰＳＯ等の探索手法を有する探索手段により、ＰＩＤ調節器２０のパラメータである、比例ゲインＫ_Ｐ、積分時間Ｔ_ｉ、微分時間Ｔ_Ｄを求めることができる。

以上のように本発明の実施例１によれば、ＰＩＤ調整装置３０の最適ＰＩＤパラメータ探索部３８が、最良伝達関数選択部３６により選択されたまたは選択させた伝達関数１１等を対象として、設定値ＳＶに対する設定値応答および外乱ｄに対する外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標を満たすように、ＰＩＤ調節器２０のＰＩＤパラメータを探索することができる。この結果、作業者が制御対象１０に関する経験・ノウハウに基づき、ＰＩＤパラメータの決定を試行錯誤的に行う必要がなくなるため、ＰＩＤ調節器の調整方法およびＰＩＤ調節装置等に関して、広く現場のエンジニアに普及させることが可能となり、加えて調整労力と時間とを著しく短縮することができる。

図７は、本発明の実施例２におけるＰＩＤ調整装置を示す。図７で図１と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。実施例２が実施例１と異なる点は、図７に示されるように、制御量ＰＶに白色ノイズｗ（上記式４の重み関数とは異なる。）が注入した状態となっている点にある。

図８は、実施例２における最適ＰＩＤパラメータ探索部３８の機能を説明するための図である。図８で図７と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図８に示されるように、制御量ＰＶに白色ノイズｗを注入した状態で、初めに設定値ＳＶにステップ状の信号を入力し、ステップ応答が収束した後、外乱ｄにステップ上の信号を入力し、出力である制御量ＰＶから評価指標を計算する。図９は、図８で説明した設定値ＳＶ、外乱ｄおよび制御量ＰＶのタイムチャートを示す。図９（Ａ）は設定値ＳＶ、図９（Ｂ）は外乱ｄ、図９（Ｃ）は制御量ＰＶ、横軸はいずれも時間であり、時間ｔｄは操作量ＭＶに外乱ｄが加えられた（＋）時間を示す。図９（Ｃ）に示されるように、制御量ＰＶに白色ノイズｗが注入された状態がわかる。制御量ＰＶに白色ノイズｗを注入することで、ＰＩＤパラメータのハイゲイン化（最適ＰＩＤパラメータのゲインが大きくなる現象）を防ぐことができる。以上のように、実施例２では、ＰＩＤ調整装置３０の最適ＰＩＤパラメータ探索部３８が用いる設定値ＳＶに対する設定値応答および外乱ｄに対する外乱応答の結果は、制御量ＰＶに白色ノイズｗを注入した状態の設定値応答および外乱応答の結果である。最適ＰＩＤパラメータ探索部３８は、制御量ＰＶに白色ノイズｗを注入した状態の設定値応答および外乱応答の結果から、予め決めておいた評価指標を満たすように、ＰＩＤ調節器２０のパラメータを探索する。図８に示される評価指標の計算では、実施例１と同様に、式３で表されるＩＳＥを用いて評価指標を計算する。図９では、実施例１と同様に、ｅ（ｔ）につき、制御量ＰＶの立ち上がり時間の部分と外乱応答が加えられた部分とを示してある。評価指標である式３は、実施例１と同様に、ＰＳＯ等の探索手法により、ＰＩＤ調節器２０のパラメータである、比例ゲインＫ_Ｐ、積分時間Ｔ_ｉ、微分時間Ｔ_Ｄを求めることができる。

実施例２におけるＰＩＤ調整装置３０の他の機能については実施例１と同様であるため、説明は省略する。ＰＩＤ調整装置３０の各機能は、実施例１と同様に、ソフトウェアまたはハードウェアを一部または全部に用いて実現することができる。ＰＩＤ調整プログラムの機能についても、最適ＰＩＤパラメータ探索ステップ（ステップＳ１６）で用いる設定値応答および外乱応答の結果は、制御量ＰＶに白色ノイズｗを注入した状態の設定値応答および外乱応答の結果である点を除き実施例１と同様であるため、説明は省略する。

以上より、本発明の実施例２によれば、制御量ＰＶに白色ノイズｗを注入した状態で、初めに設定値ＳＶにステップ状の信号を入力し、ステップ応答が収束した後、外乱ｄにステップ上の信号を入力し、出力である制御量ＰＶから評価指標を計算する。最適ＰＩＤパラメータ探索部３８は、制御量ＰＶに白色ノイズｗを注入した状態の設定値応答および外乱応答の結果から、予め決めておいた評価指標を満たすように、ＰＩＤ調節器２０のパラメータを探索する。以上により、実施例１の効果に加えて、制御量ＰＶに白色ノイズｗを注入することで、ＰＩＤパラメータのハイゲイン化（最適ＰＩＤパラメータのゲインが大きくなる現象）を防ぐことができるという効果を得ることができる。

上述したように、本発明のＰＩＤ調整装置３０は全体をハードウェアとして実現することもでき、あるいは一部または全体をソフトウェアとして実現することも可能である。図１０は、本発明のＰＩＤ調整プログラムを実行するＰＩＤ調整装置３０内のコンピュータの内部回路４０を示すブロック図である。図１０に示されるように、ＣＰＵ４１、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、画像制御部４６、コントローラ４７、入力制御部５０および外部Ｉ／Ｆ部５２はバス５３に接続されている。図１０において、上述の本発明のＰＩＤ調整プログラムは、ＲＯＭ４２、ディスク４８またはＤＶＤ若しくはＣＤ−ＲＯＭ４９等の記録媒体（脱着可能な記録媒体を含む。）に記録されている。ディスク４８（記録部）には、伝達関数パラメータ取得部３２が用いる操作量ＭＶの時系列データファイル６１および制御量の時系列データファイル６２等を記録しておくことができる。これらの時系列データファイル６１等はＤＶＤ若しくはＣＤ−ＲＯＭ４９等の記録媒体４９に記録されていてもよい。伝達関数パラメータ取得部３２が求めた複数の伝達関数のパラメータ、適合性取得部３４が求めた適合率ＦＩＴ（％）、最良伝達関数選択部３６が選択したまたは選択させた伝達関数等は一時的にＲＡＭ４３に記録しておくことができる。ＰＩＤ調整プログラムは、ＲＯＭ４２からバス５３を介し、あるいはディスク４８またはＤＶＤ若しくはＣＤ−ＲＯＭ４９等の記録媒体からコントローラ４７を経由してバス５３を介しＲＡＭ４３へロードされる。画像制御部４６は、所望の画像データ、例えば図３に示される最良伝達関数選択部３６が適合性ＦＩＴ（％）に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択するまたは選択させる状態を示す画像データをＶＲＡＭ４５へ送出する。ディスプレイ等の表示装置４４はＶＲＡＭ４５から送出された上記画像データ等を表示する。ＶＲＡＭ４５は表示装置４４の一画面分のデータ容量に相当する容量を有している画像メモリである。入力操作部５１はコンピュータに入力を行うためのマウス、テンキー等の入力装置であり、入力制御部５０は入力操作部５１と接続され入力制御等を行う。外部Ｉ／Ｆ部５２はコンピュータの外部と接続する際のインタフェース機能を有している。

上述のようにＣＰＵ４１が本発明のＰＩＤ調整プログラムを実行することにより、本発明の目的を達成することができる。ＰＩＤ調整プログラムは上述のようにＤＶＤ若しくはＣＤ−ＲＯＭ４９等の記録媒体の形態でコンピュータＣＰＵ４１に供給することができ、ＰＩＤ調整プログラムを記録したＤＶＤ若しくはＣＤ−ＲＯＭ４９等の記録媒体も同様に本発明を構成することになる。ＰＩＤ調整プログラムを記録した記録媒体としては上述された記録媒体の他に、例えばメモリ・カード、メモリ・スティック、光ディスク、ＦＤ等を用いることができる。

本発明の活用例として、石油、化学、鉄鋼、紙パルプ、水環境等のいわゆるプロセス産業におけるＰＩＤ制御方式に適用することができる。

１０ 制御対象、 １１、１２、１３、１４、１５、１６、１７ 伝達関数、 ２０ ＰＩＤ調節器、 ３０ ＰＩＤ調整装置、 ３２ 伝達関数パラメータ取得部、 ３４適合性取得部、 ３６ 最良伝達関数選択部、 ３８ 最適ＰＩＤパラメータ探索部、 ４０ 内部回路、 ４１ ＣＰＵ、 ４２ ＲＯＭ、 ４３ ＲＡＭ、 ４４ 表示装置、 ４５ ＶＲＡＭ、 ４６ 画像制御部、 ４７ コントローラ、 ４９ ＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、 ５０ 入力制御部、 ５１ 入力操作部、 ５２ 外部Ｉ／Ｆ部、 ５３ バス、 ６１ 操作量ＭＶの時系列データファイル、 ６２ 制御量の時系列データファイル。

特開２００４−３８４２８号公報

Claims (4)

1. 制御対象を閉ループにて制御するＰＩＤ調節器のＰＩＤパラメータを求めるＰＩＤ調整装置であって、
   記録部に記録された制御対象に入力する操作量の時系列データと該操作量に応じて制御対象から出力される制御量の時系列データとに基づき、制御対象を表現する複数の伝達関数のパラメータを求める伝達関数パラメータ取得手段と、
   前記伝達関数パラメータ取得手段により求められたパラメータを有する各伝達関数が出力した推定制御量と実際の制御量との適合性を求める適合性取得手段と、
   前記適合性取得手段により求められた適合性に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択する又は選択させる最良伝達関数選択手段と、
   前記最良伝達関数選択手段により選択された又は選択させた伝達関数を対象として、設定値応答及び外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標を満たすべくＰＩＤ調節器のＰＩＤパラメータを探索する最適ＰＩＤパラメータ探索手段とを備え、
   前記最適ＰＩＤパラメータ探索手段が用いる設定値応答及び外乱応答の結果は、制御量に白色ノイズを注入した状態の設定値応答及び外乱応答の結果であることを特徴とするＰＩＤ調整装置。
2. 請求項１記載のＰＩＤ調整装置において、前記最適ＰＩＤパラメータ探索手段が用いる評価指標は、制御量とステップ状の設定値との差の２乗を時間で積分した指標であることを特徴とするＰＩＤ調整装置。
3. 請求項１又は２記載のＰＩＤ調整装置において、前記適合性取得手段が用いる適合性は、推定制御量、実際の制御量及び実際の制御量の平均値に基づく所定の適合率であることを特徴とするＰＩＤ調整装置。
4. 制御対象を閉ループにて制御するＰＩＤ調節器のＰＩＤパラメータを求めるＰＩＤ調整プログラムであって、ＰＩＤ調整御プログラムを実行するＰＩＤ調整装置のコンピュータに、
   記録部に記録された制御対象に入力する操作量の時系列データと該操作量に応じて制御対象から出力される制御量の時系列データとに基づき、制御対象を表現する複数の伝達関数のパラメータを求める伝達関数パラメータ取得ステップ、
   前記伝達関数パラメータ取得ステップで求められたパラメータを有する各伝達関数が出力した推定制御量と実際の制御量との適合性を求める適合性取得ステップ、
   前記適合性取得ステップで求められた適合性に基づき、最良の適合性を有する伝達関数を選択する又は選択させる最良伝達関数選択ステップ、
   前記最良伝達関数選択ステップで選択された又は選択させた伝達関数を対象として、設定値応答及び外乱応答の結果から予め決めておいた評価指標を満たすべくＰＩＤ調節器のＰＩＤパラメータを探索する最適ＰＩＤパラメータ探索ステップを実行させるためのＰＩＤ調整プログラムであって、
   前記最適ＰＩＤパラメータ探索ステップで用いる設定値応答及び外乱応答の結果は、制御量に白色ノイズを注入した状態の設定値応答及び外乱応答の結果であることを特徴とするＰＩＤ調整プログラム。

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