JPH01276202A

JPH01276202A - オートチューニング調節計

Info

Publication number: JPH01276202A
Application number: JP10496288A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kitagawa; 伸一北川
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1988-04-27
Filing date: 1988-04-27
Publication date: 1989-11-06

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】（イ）産業上の利用分野この発明は、プロセス制′４：［Ｉｌで用いられる調節
計、特に、その制御パラメータ（ＰＩＤ定数）を自動３
Ｐ１節するオートチューニング調節計に関する。

（ロ）従来の技術従来、制御パラメータを自動調節する方法として、 ■プラントのパルス応答やインデシャル応答の定数から
ジーグラ・ニコルスの公式で決定する方法。

■比例制御を行わせて、ゲインを上げてゆき、振動を発
生させ、丁度、ねり衰しない限界点で、振動の周期等を
ジーグラ・ニコルスの公式にあてはめて決定する、いわ
ゆる限界感度法。

■プラントに、同定信号を入力信号に重畳して加え、得
られる出力を統計的に処理し、プラントの状態を推定し
て、それに達するパラメータに決定する方法。

■Ｊ常の制御系に非線系の要素を入れると、振動を発す
るので、これを検出して決定する方法、いわゆるリミッ
トサイクル法等がある。

（ハ）発明が解決しようとする課題上記従来の■の方法では、プラントの立上り時に、パラ
メータが決定され、その後のプラントの特性変化に対し
て、パラメータを再調整するには、プラントを開ループ
にした上で、ステップまたはパルス入力、つまり外乱を
印加しなければならない。したがって、非制御状態にな
る上、制御系を乱すという問題がある。また、上記■の
方法では、制御状態（閉ループ）ではあるが、−旦パラ
メータを変えてプラントに限界振動を発生させる必要が
あり、制御■系を乱す。限界振動は、プラント出力発散
の一歩手前であり、大振幅で、あるいは長時間この状態
を継続すると危険であり、好ましくない。また、プラン
トの特性変化に対応するには、その都度限界振動を発生
する必要がある。また、上記■の方法ではプラントを正
確に同定するために、大振幅の同定信号を長時間印加す
る方が有利であるが、これは制御系に外乱を与えること
になり、好ましくないという矛盾がある。さらに、■の
方法では、■の方法と同様の問題点がある。

この発明は、上記問題点に着目してなされたものであり
、プラントを非制御状Ｉ！μにすることなく、またプラ
ントの出力を危険な振動状態にもせず、しかも、特別な
信号（例えば同定信号やステップ入力）を印加すること
なく、パラメータを自動調整し得るオートチューニング
調節計を提供することを目的としている。

（ニ）課題を解決するための手段及び作用この発明のオ
ートチューニング調節計は、比例演算手段、積分演算手
段及び微分演算手段を備え、プロセス里と設定量とから
比例制御または比例・積分制御または比例・積分・微分
制御を行う調節計において、プロセス量と設定量とから
被制御出力の振幅減衰率を算出する振幅減衰率算出手段
と、プロセス量と設定量とから被制御出力の振動周期を
算出する振動周！ｔＩ′Ｉ算出手段と、算出された振幅
減衰率に基づいて、前記演算手段のパラメータを更新す
るための更新係数を算出する更新係数算出手段と、算出
された更新係数でパラメータを更新するパラメータ更新
手段と、適正なパラメータが未知の時に、比例制御を実
行し、前記振幅減衰率算出、振動周期算出、更新係数算
出及び比例パラメータ更新を、更新係数が所定（ｉｆｆ
となるまで繰り返し、更新係数が所定値になると、積分
及び若しくは微分パラメータを決定し、さらに積分及び
若しくは微分パラメータを同定したまま前記振幅減衰率
算出、振動周ｇＪｊＩ算出、更新係数算出及び比例パラ
メータ更新を更新係数が所定値となるまで繰り返す初！
ｔ１調整制御手段と、初期調整後に、パラメータが適正
値からずれた時に、積分及び若しくは微分パラメータを
固定し、更新係数が所定値となるまで、前記振幅減衰算
出、振動周期算出、更新係数算出及び比例パラメータの
更新を繰り返す運転中調整制御手段とを特徴的に備えて
いる。

このオートチューニング調節計では、制御パラメータの
未知な状態から動作をスタートさせる場合には、先ず、
比例帯Ｂ、を所定値（例：１００％）とし、積分時間Ｔ
、を無限大、微分時間Ｔ。

をＱ　ｓｅｃとする。この状態でプラント運転を開始し
、プラント応答、つまり設定計とプロセス量から振幅減
衰率と振動周期を求める。そして、振幅減衰率から更新
係数ｋを算出し、この更新係数ｋから比例帯Ｂ、を変更
し、更新係数が適性な所定値（ｋ＝１）牟なるまで、振
幅減衰率、振動周期の算出、更新係数の算出、比例帯の
変更を繰り返す。更新係数が所定値になると、その時点
の比例帯及び振動周期より、積分時間Ｔ３、微分時間Ｔ
、を決定する。これらの設定された制御パラメータで、
プラントを制御し、再度、振幅減衰率、振動周期の算出
、更新係数の算出、比例帯の芳更を繰り返し、更新係数
が所定値となると、初ｑ　調整を終了する。そして、以
後は終了時の制御ｎパラメータで運転を継続する。

運転中に、プラントの特性等が変化すると、微分時間Ｔ
Ｉ、微分時間Ｔ。は固定したままで、振幅減衰率、振動
周期の算出、更新係数の算出Ｉｔ例帯の変更を更新係数
が所定値となるまで操り返し、更新係数が所定値になる
と、以後は、その時点の比例帯と固定の積分時間、微分
時間で運転を続行する。

（ホ）実施例以下、実施例により、この発明をさらに詳細に説明する
。

一般に、プロセス制御系は、第２図に示すように、設定
量とプラント２からのプロセス晴が調節計１に入力され
、調節計１で設定量とプロセス量の偏差が求められ、こ
の偏差に応じ所定の例えばＰＩＤ演算がなされ、調節計
１より、プラント２に操作量が入力される。

第３図に、この発明が実施される調節計１の内部構成を
示している。この調節計１は、比例演算部１１、積分演
算部１２及び微分演算部１３を備えている。比例演算部
１１は比例帯ＢＰ、積分演算部１２は積分時間Ｔ０、微
分演算部１３は微分時間Ｔ１１を、それぞれ制御パラメ
ータとして、それぞれ所定の制御演算動作を実行する。

もっとも、これら比例演算部１１、積分演算部１２及び
微分演算部１３を待つこと、及び所定の制御演算動作を
実行すること自体は、すでによく知られた３１１′Ｉ節
計とを変わることはない。

この実施例オートチューニング調節計１の特徴は、パラ
メータ変更のための応答計測・演算部１４を備え、この
パラメータ変更のための応答計測・演算部１４により、
適正な比例帯ＢＰ、積分時間ＴＩ、微分時間Ｔ。に自動
調整している。

この応答計測・演算部１４は、マイクロコンピュータで
構成され、制御動作時に、設定Ｖとプロセス量の偏差を
算出する」Ｅ第４図に示すように、偏差の第１ピークＰ
５、第２ビークＰ　２　、第３ピークＰ３、第４ビーク
Ｐ４、・・・を抽出する機能、第１ピークＰ１　と第２
ピーク、Ｐ２の差をａとし、第３ピークと第４ピークの
差をｂとし、振幅減衰率ｂ　／　ａを算出する機能、第
１ビークＰ、と第３ピークＰ３より振動周期Ｔを算出す
る機能、振幅減衰率ｂ　／　ａから、演算式に＝ｆ（ｂ
／ａ）〔例えば第５図に示す］を用いて更新係数ｋを算
出する機能、更新係数ｋから比例帯Ｂ、を算出する機能
、更新係数ｋが所定値（ｋ＝１）に達したか否かを判別
するａ能、ｋ−１に達した状態でのＢ、、Ｔ、より、制
御パラメータＢｐ、Ｔ＋　、Ｔ、を決定する機能等を備
えている。

また、応答計測・演算部１４では初！ｌＩ′Ｉ調整時と
運転中に分けて制御パラメータの恋更決定の処理を実行
し得るように構成されている。

次に、外乱の印加等により発汁するプラントの応答（出
力）が振幅減衰率Ｉ／４　（２５％）の減衰振動となる
場合の制御パラメータＢＰ、ＴＩ、Ｔ、が　適正値であ
ることを前提にして、制御パラメータ調整のΦｈ作を説
明する。

〈初叩調整〉ＬＬ例帯Ｂｐ、積分時間Ｔ１、微分時間Ｔ、が全く未知
の場合にこの初！ｔＪＩ３１１！整が適用される。その
処理手＋１１ｉを第１図（Ａ）に示している。

動作がスタートすると、先ず比例帯Ｂ、を任意の値、例
えば１００％とし、積分時間Ｔ、を■、微分時間Ｔ、を
Ｏ’ｓｅｃとする〔ステップＳＴ（以下ＳＴと略す）１
〕。すなわち比例制御状態とする。次に、外乱の印加や
設定値の変更の際生じるプラントの応答から、偏差＝プ
ロセス量一般定量を算出し、振幅減衰率ｂ　／　ａ　、
周期Ｔ（第４図参！Ｉｉ’）を求める（ＳＴ２）。続い
て、振幅減衰率ｂ　／　ａから弐に−「（ｂ／ａ）（第
５図参照〕を用いて、更新係数ｋを算出しく５Ｔ３）、
比例帯Ｂ。

を元の値Ｂ、に対しｋＢ、に置き替える（ＳＴ４）。こ
こで、更新係数には振幅減衰率が２５％前後で１、振幅
減衰率が大きいときは、それに応して１より大きく、逆
に振幅）成衰率が小さいときは、それに応して１より小
さい。ＳＴ５で°“ｋ−Ｉか°”判定され、ｋ　＝＝　
１でない場合はＳＴに戻り、ｋ＝１となるまでＳＴ２〜
ＳＴ５をくり返す。ｋ−１となると、ＳＴ５の判定がＹ
、Ｆ、Ｓとなり、くり返しをやめて、Ｔ１及びＴ、が決
定済か否かを判定する（ＳＴ６）。頭初は’ｒｔ＆びＴ
、が未決定なのでＳＴ７に移り、くり返し完了時の比例
帯Ｂ、の値Ｂ。と周期Ｔ。をもとに、第６図に示す関係
より、比例帯Ｂ６、積分時間Ｔ１及び微分時間Ｔ、を決
定し、ＳＴ２に戻る。そして以彷は再びＳＴ２〜ＳＴ５
をくり返し、決定したＴ、、Ｔ、は変更せず、プラント
応答に応じ振幅減衰率、振動周期を求め、振幅減衰率か
ら更新係数ｋを求め、側帯Ｂ２のみを変更する。そして
ＳＴ５でに＝］となるとくり１反しをやめ、ＳＴ６でＴ
、及びＴ、が決定済か否か判定するが、今度は判定ＹＥ
Ｓなのでこれで初期調整を完了する。

く運転中調整〉初！ｔＪＩ調整完了後の制御パラメータの調整にこのｉ
軍転中調整が適用される。その処理手順を第１図（Ｂ）
に示している。

初ＨＢ１　調整完了時の比例帯Ｂｐ、積分時間Ｔ、、微
分時間Ｔ。（ＰＴ副制御はＴ、なし）で、Ｐ■Ｄ制御状
態としている（ＳＴＩＩ）。そしてプラント応答より振
幅減衰率ｂ　／　ａ、振動用！！ＪＩＴを算出しく５Ｔ
１２）、振幅減衰率から更新係数ｋを求め（ＳＴ１３）
、求めた更新係数によりＢ、＝ＫＢ、で新たな比例帯Ｂ
２を得（ＳＴ１４）、ｋ＝１か否か判定しく５Ｔ１５）
、ｋ＝１となるまで５Ｔ１２〜５Ｔ１５の処理をくり返
す。この５Ｔ１２〜５Ｔ１５のくり返しは、初期調整の
時のＳＴ２〜ＳＴ５のくり返しと同じである。ｋ＝１と
なると、外部から調整を終了する指令等が入力されない
限り、５Ｔ１６を経て５Ｔ１２に戻り、５Ｔ１２〜５Ｔ
１６の処理をくり返す。この運転中調整は、初期調整完
了後プラントの特性の変化等に対応するために行われ、
パラメータのずれを補う働きをする。そのため積分時間
ＴＩ、微分時間Ｔ、は変更せず比例帯Ｂｐのみを変更し
ている。

しかし、特性変化が非常に大きくなったような場合には
適宜な判断によりＳＴＩの初Ｉ！Ｊｌ調整からやり直せ
ばよい。

また、プラント応答計測において応答が例えば第７図に
示すように振動が継続しない場合には、振幅減衰率をＯ
とみなせばよい。この場合は周期Ｔは不要である。

また、プラント応答に１ｉｌｉ常の応答より周波数の高
いノイズ成分が重畳されている時は、アナログやデジタ
ルのフィルタをかけてノイズを除去してから振幅減衰率
や周期を求めればよい。

なお、上記実施例において振幅減衰率２５％を農適とみ
なしているが、本発明はこれに限定されるものでなく、
プラントの性質、制御系への要求によっては適宜に選択
すればよく、例えば１０％等としてもよい。

また、プラント応答からの振幅減衰率、振動周期の計測
は、数回の計測の平均を採用してもよいし、また第１と
第２ピーク値の差と第２と第３のピーク値の差との比か
ら振幅轄衰率を換算したり、第１と第２のピークの時間
差より周期を換算してもよい。

また、更新係数の算出は第５図の演算式に限るものでは
なく、初期調整におけるパラメータ決定も第６図に示す
ものに限定されずプロセス制御系に応じ適宜選択すれば
よい。

（へ）発明の効果この発明によれば、調整中にプラントを非制御状態（開
ループ）にすることがない。常に理想的と仮定された振
幅減衰率に近づけるように調整動作するので、ｔｌ振Φ
１１等を継続して系を不安定にするおそれがない。自然
に発生するプラントの応答を計測して調整する系に不用
な外乱を与えない。

調整完了後にパラメータの適正値からのずれが生じても
自動に再調整される。数回のくり返し手り１１ａ実行で
パラメータは適正値に収束させることができる等の種々
の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は、この発明の実施例オートチ、−ニング
調節計の初期調整の処理手順を示すフロ−図、第１図（
Ｂ）は同オートチューニング誦箭計の運転中の処理手順
を示すフロー図、第２図はプロセス制御系を示すプロ・
ツク図、第３図は′１゛施例オートヂューニング調節計
の構成を示すブロフク図、第４図は拡幅減衰率及び派動
周ｒｕＩＴγ出を説明するためのプランＩ一応答を示す
図、第５ｃ７１は更新係数算出を説明するための図、第
６図は制御パラメータの算出決定を説明するための図、
第７図は掠ΦＪ＋が継続しない応答例を示す図である。１：調節計、　　　　　２ニブラント、１３：比例演算
部、　　　１４：積分演算部、１５：微分演算部、１６：パラメータ変ｒＪ７のだめの応答；１Ｈｔｉ演算
部特許出願人　　　　　　株式会社島津製作所代理人　　
　弁理士　　中　村　茂　信第１図（Ａ）　　　　　第
１図（Ｂ）第２図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）比例演算手段、積分演算手段及び微分演算手段を
備え、プロセス量と設定量とから比例制御または比例・
積分制御または比例・積分・微分制御を行う調節計にお
いて、プロセス量と設定量とから被制御出力の振幅減衰率を算
出する振幅減衰率算出手段と、プロセス量と設定量とか
ら被制御出力の振動周期を算出する振動周期算出手段と
、算出された振幅減衰率に基づいて、前記演算手段のパ
ラメータを更新するための更新係数を算出する更新係数
算出手段と、算出された更新係数でパラメータを更新す
るパラメータ更新手段と、適正なパラメータが未知の時
に、比例制御を実行し、前記振幅減衰率算出、振動周期
算出、更新係数算出及び比例パラメータ更新を、更新係
数が所定値となるまで繰り返し、更新係数が所定値にな
ると、積分及び若しくは微分パラメータを決定し、さら
に積分及び若しくは微分パラメータを固定したまま前記
振幅減衰率算出、振動周期算出、更新係数算出及び比例
パラメータ更新を更新係数が所定値となるまで繰り返す
初期調整制御手段と、初期調整後に、パラメータが適正
値からずれた時に、積分及び若しくは微分パラメータを
固定し、更新係数が所定値となるまで、前記振幅減衰率
算出、振動周期算出、更新係数算出及び比例パラメータ
の更新を繰り返す運転中調整制御手段とを備えたことを
特徴とするオートチューニング調節計。