JPH01152504A

JPH01152504A - 制御装置

Info

Publication number: JPH01152504A
Application number: JP31127587A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Kuwata; 桑田　龍一
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-12-09
Filing date: 1987-12-09
Publication date: 1989-06-15
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPH079602B2

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は各種プラントの制御対象をフィードバック制御
する制御装置の改良に関する。

（従来の技術）一般にこの種の制御装置は、第３図に示す如く制御対象
から得られた制御；ｐと、予め設定された目標値ｒとを
比較要素１で比較して制御偏差ｅを出力し、この制御偏
差ｅに対して縦続補償要素２が（比例Ｐ十積分Ｉ十微分
Ｄ）演算等の縦続補償制御演算を行なって操作Ｑｍを制
御対象に対して出力し、フィードバック制御を行なうも
のである。

ところで、制御対象によっては、例えばボイラにおける
ドラム水位や排ガス０２濃度のように、制御量が目標値
に完全に一致していなくとも目標値近傍にあれば特にフ
ィードバック制御をする必要がないものがある。このよ
うな場合、従来装置では第３図（ａ）に示すように、比
較要素１と縦続補償要素２との間に、ギャップ要素等の
非線形要素３を挿入することにより対処している。なお
、図中Ｗは非線形要素３の出力を示している。

一方近年では、制御対象の目標値ｒ変化時の制御性と外
乱に対する制御性を共に良好とするために、第３図（ｂ
）に示すように、制御偏差ｅではなく制御ｆｆ１ｐを直
接に入力して、比例または微分もしくは（比例Ｐ十微分
Ｄ）演算等のフィードバック補償制御演算を行なうフィ
ードバック補償要素４を付加し、このフィードバック補
償要素４の出力２を減算要素５で縦続補償要素２の出力
から減じて操作ｆ：Ｌｍを求めるようにした、微分先行
形ＰＩＤ制御装置やＩ−ＰＤ制御装置や積分器付最適レ
ギュレータ等の制御装置が用いられてきている。

しかるに、フィードバック補償要素４を付加した第３図
（ｂ）のような制御装置では、前述した非線形要素３の
効果は比較要素１を介して縦続補償要素２に入力される
制御量ｐに対して発揮されるのみであり、フィードバッ
ク補償要素４に入力される制御量ｐに対しては何ら効果
を有していなかった。このため、制御ｉｐが目標値ｒ近
傍にあって操作ｆ１ｍを変化させたくない場合には、縦
続補償要素２からの出力は一定値に保持できるが、フィ
ードバック補償要素４からの出力は制御２ｐの変動に応
じて変化してしまうので、結果的に非線形要素３を設け
ていることの意義が減殺されてしまう。

また、縦続補償要素２として積分要素を用い、フィード
バック補償要素４として（比例＋微分）要素を用いたＩ
−ＰＤ制御装置では、制御＝ｐの偏位を（比例＋微分）
要素で、また目標値ｒ近傍の定常制御偏差を積分要素で
夫々補償することが意図される。しかるに、非線形要素
３としてギャップ要素を用いる場合、制御偏差ｅがギャ
ップ幅よりも大きい時は積分要素で、またギャップ幅よ
りも小さい時は（比例＋微分）要素で夫々補償しようと
する形になり、前述したＩ−ＰＤ制御の本来の意図とは
逆になってしまい、意図した良好な制御を行なうことが
できない。

（発明が解決しようとする問題点）以上のように、従来の制御装置においては、制御量が目
標値近傍にある場合には制御を行なわないという非線形
要素を用いることの効果、および制御量の偏位をフィー
ドバック補償要素で、また目標値近傍の定常制御偏差を
縦続補償要素で夫々補償するという縦続補償要素とフィ
ードバック補償要素との組合せにより発揮される効果が
減殺されてしまい、良好な制御性が得られないという問
題があった。

本発明の目的は、制御量が目標値近傍にある場合には制
御を行なわないという非線形要素を用いることの効果、
および制御量の偏位をフィードバック補償要素で、また
目標値近傍の定常制御偏差を縦続補償要素で夫々補償す
るという縦続補償要素とフィードバック補償要素との組
合せにより発揮される効果を減殺することなく、良好な
制御性を得ることが可能な制御装置を提供することにあ
る。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）上記の目的を達成するために本発明の制御量・置は、制
御対象から得られた制御量と、この目標値との偏差を求
める比較手段と、比較手段がらの出力を所定の関数によ
り変更する非線形要素と、非線形要素からの出力に対し
て縦続補償の制御演算を行なう縦続補償要素と、目標値
と非線形要素からの出力との偏差を求め、この偏差に対
してフィードバック補償の制御演算を行なうフィードバ
ック補償要素と、フィードバック補償要素からの出力と
縦続補償要素からの出力との加算演算を行ない、操作量
として出力する加算要素とを備えて構成している。

（作用）従って、本発明の制御装置においては、制御対象の制御
量と目標値との偏差を入力とする非線形要素からの出力
と、目標値との偏差を、フィードバック補償要素の入力
としたことにより、制御対象の制御量が目標値の近傍に
あってその偏差が非線形要素のギャップ内にある時には
、非線形要素の出力は零となる。これにより、縦続補償
要素への入力は零となり、制御量が変動しても縦続補償
要素の出力は一定値に保持される。一方、フィードバッ
ク補償要素には目標値のみが入力されることになり、制
御量が変動してもフィードバック補償要素の出力は一定
値に保持される。従って、制御量が非線形要素のギャッ
プ内で変動していても、制御対象に対する操作量は一定
値に保持されることになる。

（実施例） ′　以下、本発明の一実施例について図面を参照して説
明する。

第１図は、本発明による制御装置の構成例を示すブロッ
ク図である。第１図に示すように、本実施例の制御装置
６は、制御対象７から得られた制御ａｐと目標値「とを
比較して制御偏差ｅ（−ｒ−ｐ）を出力する比較要素８
と、この比較要素８からの制御偏差ｅを所定の関数によ
り変更する非線形要素としてのギャップ要素９と、この
ギャップ要素９からの出力Ｗに対して縦続補償制御演算
である積分制御演算を行なう縦続補償要素としての積分
要素１０と、目標値ｒとギャップ要素９からの出力Ｗと
の減算演算を行ない、その偏差ｙ（−ｗ−ｒ）を出力す
る減算要素１１と、この減算要素１１からの偏差ｙに対
してフィードバック補償制御演算である（比例＋微分）
制御演算を行なうフィードバック補償要素としての比例
・微分要素１２と、この比例・微分要素１２からの出力
２と積分要素１０からの出力Ｘとの加算演算を行ない、
操作Ｑｍとして制御対象７に出力する加算要素１３とか
ら構成している。

ここで、ギャップ要素９としては、例えば第２図（ａ）
の実線で示すような特性を存するギャップ要素を用いる
（図中、εはギャップ値である）。

また、積分要素１０は、Ｋｐなる比例ゲインとＴＩなる
積分時定数を有している。さらに、比例・微分要素１２
は、Ｋｐなる比例ゲインとＴｄなる微分時間を有してい
る。

次に、以上の如く構成した制御器の作用について説明す
る。

第１図において、比較要素８では制御対象７からの制御
Ｏｐと目標値ｒとを比較し、制御偏差ｅ（−ｒ−ｐ）が
出力される。次にギャップ要素９では、この比較要素８
からの制御偏差ｅに基づいて次式の演算を行ない、演算
結果がＷとして積分要素１０へ入力される。

また積分要素１０では、ギャップ要素９からの出力Ｗに
対して、積分時定数Ｔｌ、比例ゲインＫｐの積分制御演
算が行なわれ、演算結果がＸとして出力される。

一方減算要素１１では、ギャップ要素９の出力Ｗから目
標値ｒを減算し、その出力ｙが比例・微分要素１２へ入
力される。ここで、ギャップ要素９は第２図（ａ）のよ
うな特性を有していることから、出力ｙとしては次式で
表わされるような信号が出力される。

比例・微分要素１２では、減算要素１１からのこのよう
な出力ｙに対して、比例ゲインＫｐ、微分時間Ｔｄの比
例・微分制御演算が行なわれ、演算結果が２として出力
される。さらに加算要素１３では、比例・微分要素１２
からの出力２と積分要素１０からの出力Ｘとの加算演算
が行なわれ、操作、Ｑｍとして出力することにより制御
対象７が操作される。

すなわちこの場合、制御対象７の制御ｕｐが目標値ｒの
近傍にあってその制御偏差ｅがギャップ要素９のギャッ
プ値ε内にある時には、ギャップ要素９の出力Ｗは零と
なる。これにより、積分要素１０への入力は零となり、
制御Ｈｐが変動しても積分要素１０の出力Ｘとしては、
今まで積分して保持した一定値が出力され続ける。一方
、比例・微分要素１２には目標値ｒを反転した信号のみ
が人力されることになり、制御ｕｐが変動しても比例・
微分要素１２の出力は一定値に保持される。

従って、制御＝ｐがギャップ要素９のギャップ値ε内で
変動していても、制御対象７に対する操作Ｑｍは一定値
に保持されることになる。

なお、制御対象７の制御＝ｐと目標値ｒとの制御偏差ｅ
がギャップ要素９のギャップ値ε外にある時には、比例
・微分要素１２の入力ｙは−ｐではなく、−ｐ±εとな
り−ｐとは幾分相違する。

そして、この相違を無くする必要がある場合には、ギャ
ップ要素９として例えば第２図（ａ）の破線で示すよう
な特性を有するギャップ要素を用いればよい。そしてこ
の場合には、ｅ±εで出力にジャンプが生じることから
、レートリミーツタ等を挿入して急激な変化を緩和する
ことが望ましい。

一方、比例・微分要素１２の微分時間Ｔｄを零にしてお
き、目標値ｒを微少ステップ変化させると、制御ｕｐが
ギャップ要素９のギャップ値ε内に留まっている限りフ
ィードバック制御されない開ループ状態となることから
、制御対象７のステップ応答をとるのに利用することが
できる。なお、ギャップ要素９のギャップ値εを零とす
ると、比例・微分要素１２への人力ｙは−ｐとなり、非
線形特性を含まない通常のＩ−ＰＤ制御装置となる。

上述したように、本実施例の制御装置６では、制御対象
７の制御量ｐと目標値ｒとの制御偏差ｅを入力とするギ
ャップ要素９からの出力Ｗと、目標値ｒとの偏差ｙを、
比例・微分要素１２の入力とするようにしたので、非線
形要素であるギャップ要素９を用いることの効果、すな
わち制御Ｈｐが目標値「近傍にある場合には制御を行な
わない（操作Ｑｍを変化させない）という効果、および
縦続補供要素である積分要素１０とフィードバック補償
要素である比例・微分要素１２との組合せにより発揮さ
れる効果、すなわち制御量ｐの偏位を比例・微分要素１
２で、また目標値ｒ近傍の定常制御偏差を積分要素１０
で夫々補償するという効果が減殺されることがなく、極
めて良好な制御性を得ることが可能となる。また、比例
・微分要素１２の微分時間Ｔｄを零にした状態で、目標
値ｒを微少ステップ変化させることにより、制御器６を
手動側に切換えることなく、制御対象７のステップ応答
を調べることも可能となる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、次
のようにしても同様に実施することができるものである
。

（ａ）上記実施例では、非線形要素としてギャップ要素
を用いたが、これに限らず状況に応じて例えば第２図（
ｂ）〜（ｄ）に示すような特性を有する、種々の非線形
要素を使用することも可能である。

まず、第２図（ｂ）は折線関数要素であり、制御偏差ｅ
がギャップ値ε内にある時は、通常よりもゲインを下げ
て操作量ｍの動きを鈍くしたい場合に用いる。すなわち
、いまギャップ値ε内の折線の勾配をαとすると（αく
１）、制御偏差ｅがギャップ値ε内にある時の比例・微
分要素１２への入力ｙは、従来のものでは−ｐであるの
に対して−αｐ　−（１−α）ｒとなり、変動する制御
量ｐの影響を弱めた形となる。

一方、制御偏差ｅの値に応じて連続的にゲインを変化さ
せたい場合には、第２図（Ｃ）または（ｄ）に示すよう
な２次以上の高次連続関数要素を用いる。ここで、第２
図（ｃ）は２次連続関数要素、第２図（ｄ）は３次連続
関数要素であり、次数の高い連続関数要素を用いる程（
２次または３次に限らない）、第２図（ａ）に示したギ
ヤッブ要素的特性に近くなる。

（ｂ）上記実施例では、縦続補償要素２として積分要素
を用い、またフィードバック補償要素として比例・微分
要素を用いてＩ−ＰＤ制御装置を構成したが、これに限
らず例えば縦続補償要素として積分要素を用い、フィー
ドバック補償要素として比例要素を用いてＩ−Ｐ制御装
置を構成したり、あるいは縦続補償要素として比例・積
分要素を用い、フィードバック補償要素として微分要素
を用いて微分光行形制御装置を構成することも可能であ
り、制御系の性格に応じてこれらの制御装置を適宜適用
すればよい。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば、制御対象の制御量
と目標値との偏差を入力とする非線形要素からの出力と
、目標値との偏差を、フィードバック補償要素の入力と
するようにしたので、制御量が目標値近傍にある場合に
は制御を行なわないという非線形要素を用いることの効
果、および制御量の偏位をフィードバック補償要素で、
また目標値近傍の定常制御偏差を縦続補償要素で夫々補
償するという縦続補償要素とフィードバック補償要素と
の組合せにより発揮される効果を減殺することなく、良
好な制御性を得ることが可能な制御装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による制御装置の一実施例を示すブロッ
ク図、第２図（ａ）は同実施例におけるギャップ要素の
一例を示す特性図、第２図（ｂ）〜（ｄ）はギャップ要
素のその他の例を夫々示す特性図、第３図（ａ）（ｂ）
は従来の制御装置の一例を夫々示すブロック図である。６・・・制御装置、７・・・制御対象、８・・・比較要
素、９・・・ギャップ要素、１０・・・積分要素、１１
・・・減算要素、１２・・・比例・微分要素、１３・・
・加算要素。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 ε　　　　　　　　　　α （ａ）（Ｃ）第２（ｂ）（ｄ）口

Claims

【特許請求の範囲】

（１）制御対象から得られた制御量と、この目標値との
偏差を求める比較手段と、前記比較手段からの出力を所定の関数により変更する非
線形要素と、前記非線形要素からの出力に対して縦続補償の制御演算
を行なう縦続補償要素と、前記目標値と前記非線形要素からの出力との偏差を求め
、この偏差に対してフィードバック補償の制御演算を行
なうフィードバック補償要素と、前記フィードバック補
償要素からの出力と前記縦続補償要素からの出力との加
算演算を行ない、操作量として出力する加算要素と、を備えて成ることを特徴とする制御装置。
（２）非線形要素として折線関数要素を用いるようにし
た特許請求の範囲第（１）項記載の制御装置。
（３）非線形要素として２次以上の高次連続関数要素を
用いるようにした特許請求の範囲第（１）項記載の制御
装置。
（４）縦続補償要素として積分要素を用いるようにした
特許請求の範囲第（１）項記載の制御装置。
（５）縦続補償要素として（比例＋積分）要素を用いる
ようにした特許請求の範囲第（１）項記載の制御装置。
（６）フィードバック補償要素として微分要素を用いる
ようにした特許請求の範囲第（１）項記載の制御装置。
（７）フィードバック補償要素として（比例＋微分）要
素を用いるようにした特許請求の範囲第（１）項記載の
制御装置。