JPH02183301A - プロセス制御装置 - Google Patents

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、無駄時間の長いプロセスに有効なサンプルＰ
Ｉ制御装置やファジィ制御装置に利用されるプロセス制
御装置に係わり、特に設定値変更や外乱の発生に対する
制御量の改善を図ったプロセス制御装置に関する。

（従来の技術） 一般に、「無駄時間」の長いプロセスを制御するプロセ
ス制御系では、制御量が設定値に整定するまでに相当な
時間がかかり、また通常のＰＩＤ制御のみを用いて操作
量を変更しても無駄時間を経過するまでは制御量が全く
変化しないので、操作量と制御量との位相ずれによって
ハンチング現象を引起すことが多く、このときのＰＩＤ
パラメータの調整が非常に難しく、またローパス）（Ｒ
ｏｂｕｓｔ）性も低い。

そこで、従来１以上のような不都合を回避するために種
々の無駄時間補償法が考えられており、例えばスミス法
やサンプルＰＩ制御等が上げられる。以下１本発明装置
と直接関係するサンプルＰＩ制御について説明する。こ
のサンプルＰＩ制御は、ＰＩ副制御基づいて操作量を変
更したとき、無駄時間に相当する時間の間その操作出力
をそのまま保持し、その操作量に対する確度の高いフィ
トバック信号が戻ってきた時点で次の操作量を決定する
手法である。つまり、サンプルＰＩ制御は、第６図に示
す如くサンプルＰＩ周期ｔ。ごとに始めのｔｌ　（制御
実行時間）だけＰＩ副制御実行し、そのＰＩ演算出力を
（ｔｏ−ｔｌ）期間保持してＰＩ副制御結果を待つもの
であって、（ｔｏ　　ｔ＋　）を制御休止中と呼んでい
る。

そこで、先ず、最初に、制御休止を持たない通常のＰＩ
副制御アルゴリズムについて述べ、その後、前述した制
御休止を持ったサンプルＰＩアルゴリズムについて具体
的に説明する。すなわち、この通常のＰＩ副制御アルゴ
リズムを連続式で表すと、 ＭＶ＝ｋｐ　　ｆｅ＋　　（１／Ｔ＋　　）ｆ　ｅｄｉ
ｔ・・・・・・　（１） 上式においてｋＰは比例ゲイン、Ｔ、は積分時間、ＭＶ
は操作量、ｅは偏差（−設定値ｓｖ−制御量ｐｖ）を示
す。

ところで、デジタルコントローラを用いて上記（１）式
によるＰＩ演算を実行する場合、一定の制御周期△ｔご
とに得られる偏差ｅを用いて行うことになる。今、現時
点をｎ・△ｔ　（ｎは整数）とすれば、１つ前の時点は
（ｎ　−１）　　・△ｔとなる。従って、上記（１）式
の偏差ｅに関し、現時点の偏差をｅｌ、前回の制御時点
の偏差をｅ　ｎ−１で表すと、現時点の偏差ｅｎは、 ｅ　ｎ　＝　Ｓ　Ｖ　ｎ　−Ｐ　Ｖ　ｎ　　　　　　−
−（２）となる。一方、比例項ｋＰは、 ｋｐ−ｅ＝ｋｐ　＃　ｅｎ　　　　　　＋＋＋・＋　（
３）となる。また、偏差の積分子ｅ−ｄｔは、Ｊ’ｅ−
ｄｉ ＝ｅ１△ｔ＋ｅ２△を十・・・・・・十ｅｎ△ｔによっ
て計算できる。よって、上記（１）式をデジタル的に計
算する場合、 　Ｖ　ｎ で表すことができる。

しかし、殆んどのコントローラは下記に示すように制御
周期ごとに操作量の変化量△Ｍ　Ｖ　ｎを計算し、得ら
れた今回の変化量△ＭＶｎを前回の操作出力ＭＶｎ−１
に加える。いわゆる速度形アルゴリズムを用いて制御を
実行する。そこで、この（５）式より（ｎ−１）時点の
操作量ＭＶを求めると、 ・・・・・・　（６） で表わせる。そこで、（５）式から（６）式を引いて△
Ｍ　Ｖ　ｎを求めると、 △ＭＶｎ　＝ＭＶｎ　−ＭＶｎ−１ ＝ｋｐ　（（ｅｎ　−ｅｎ−１）　＋　（△ｔ／ＴＩ）
ｅｎｌとなる。この（７）式から現時点の操作ｆａｔ　
Ｍ　Ｖ　ｎは、 ＭＶｎ＝ＭＶｎ−１＋△ＭＶｎ　　　　　−・−（８）
となり、このＭ　Ｖ　ｎ−１はメモリに格納されている
前回の操作出力値である。ここで、特に注目に値するの
は（７）式の演算から積分項Σが無くなったことである
。

次に、サンプルＰＩ制御について説明する。このサンプ
ルＰＩ制御系は第７図に示すような構成をもって表すこ
とができる。図中１はサンプルＰＩ制御装置、２は制御
対象となる実プロセス部、３は外乱関数特性部である。

つまり、このサンプルＰＩ制御系は、制御実行時間ｔ１
中は通常のＰＩ副制御同様な下記式が用いられる。

ΔＭ　Ｖ　ｎ ＝ｋｐ　（ｅｎ　−ｅｎ−１）　＋（△ｔ／ＴＩ）ｅｎ
・・・・・（９） 但し、制御休止中はｅｎを強制的に零に設定する。

ここで、サンプルＰＩ制御アルゴリズムを表す（９）式
と通常のＰＩ制御アルゴリズムを表す（７）式との違い
は（９）式に積分項に比例ゲインｋＰがかかっていない
ことである。すなわち。

サンプルＰＩ制御ではｋＰ＝Ｏが許される。

次に、サンプルＰＩ制御における制御パラメタの決定法
について述べる。先ず、実プロセス部２は次の「無駄時
間」と−次遅れの特性を持つものとする。

Ｇｐ　　（ｓ　）　＝　（ｋ／　（１＋Ｔ−ｓ）　ｌ　
　ｅ−””・・・・・・（１０） 上式においてｋはプロセスゲイン、Ｔは一次遅れ時定数
（ｓｅｃ　）　、Ｌは無駄時間（ｓｅｅ）である。

従って、以上の式に基づき、 ■、サンプルＰＩ制御周期ｔｏは（無駄時間り十−次遅
れ時定数Ｔ）より少なくとも長く設定する。

■、制御実行時間ｔ１はｔｏの（１／３）〜（１１５）
程度に設定する。

■、積分時間は Ｔ■山ｌ（・ｔｌ　　　　　　　　・・・・・・（１１
）の式により求める。なお、（１１）式の場合ｋＰ＝０
がよい。

そこで、以上のようなパラメータ決定法にそって具体的
に、Ｉｃ−１，Ｔ＝０．９５ｓｅｃ。

Ｌ　＝　１０　ｓｅｃの場合について考えてみると、（
Ｌ＋Ｔ）はほぼ１ｌｓｅｃなので、ｔｏとしては１１ｓ
ｅｃより大きい１５ｓｅｃとする。制御実行時間ｔ１は
ｔｏの（１−、／　５　）とすれば、（１１）式よりＴ
＋　−３ｓｅｃ　、　　ｋｐ−０となる。なお、制御周
期△ｔは０．５ｓｅｃとする。

その結果、従来のサンプルＰＩ制御における実行タイミ
ングおよび制御特性は第８図および第９図に示すように
なる。なお、第９図のノ々ルス波形ＴＭＣは制御実行時
間中と制御休止中とを区別するために表したタイムチャ
ートである。従つて、このＴＭＣと縦軸の数値とは無関
係であり、他の制御応答特性も同じである。すなわち、
（１１）式に基いてｋＰ、Ｔ、を設定した後、第９図に
示すようにステップ状に設定値Ｓｖを変更したとき、最
初の制御実行時間（ＴＭＣ参照）において始めて操作量
ＭＶが制御周期３．５ｓｅｃごとに段階的に増加しなが
ら設定値ＳＶに到達する。逆に言うと、これがパラメー
タの調整公式である（１１）式を導いた理由でもある。

次に、第１０図は、Ｔ、　＝２．８ｓｅｃｋｐ＝０に調
整したときの制御応答特性を示している。この場合には
積分が少しきき過ぎて操作量ＭＶが設定値ＳＶを越えて
いることが分る。また、第１１図（制御パラメータは第
９図と同じ）は制御実行時間中に設定値ＳＶが変更され
た場合の制御応答特性図であって、この場合には設定値
の変更から制御量Ｐｖが整定するまで相当な時間がかか
っている。さらに、第１２図はサンプルＰＩのパラメー
タが第９図と同じで、かつ、設定値ＳＶが常に一定（５
０％）としたとき、外乱りが５ｓｅｃのところで０％か
ら１０％に変化したときの制御応答特性図である。但し
、外乱伝達関数ＧＤ（Ｓ）は、１／（１＋１・Ｓ）であ
る。

（発明が解決しようとする課題） 従って、以上べたように従来のサンプルＰＩ制御におい
ては、例えば第９図のように制御休止中の始めごろに設
定値ＳＶの変更があった場合、次の制御実行時間に達す
るまでサンプルＰＩ制御装置１は操作ｆｆ１ＭＶを固定
したまま何もしないので、制御量Ｐｖが設定値ＳＶに整
定されるまで、はぼ制御休止時間相当分だけ余分な制御
の遅れが生じる。さらに、第９図について具体的に述べ
ると、１５ｓｅｃのところで制御実行開始が行われ、そ
の結果、制御量Ｐｖが１５ｓｅｃで整定しているにも拘
らず、設定値Ｓｖの変更が制御休止中の始めごろ、つま
り５　ｓｅｃのところで行われるために、次の実際の制
御実行開始までに１０ｓｅｃ余分に長くかかる。すなわ
ち、設定値変更が生じてから制御量ＰＶが整定するまで
に（１０＋１５）ｓｅｅの時間を要している。一方、第
１１図は、確率的には（３／１５）と少ないが、制御実
行時間中に設定値が変更された場合には第９図と制御パ
ラメータが同じでありながら、第９図とだいぶ違った制
御特性となり、設定値Ｓｖが変更されてから制御量Ｐｖ
が整定するまで約２８ｓｅｃかかる。

このように従来のサンプルＰＩ制御装置１においては、
ＰＩパラメータを最適に調整したとしても、設定値変更
のタイミングいかんにより、制御量Ｐｖが整定するまで
に時間が大きく変動する。

例えば上述の例では一番良好なタイミングで設定値の変
更が行われた場合には１５ｓｅｃで整定するので、実際
的には整定時間は１５ｓｅｃからほぼ３０　ｓｅｃの間
で変動する。また、第９図と第１１図とを比較すれば明
かなように、制御特性の波形も大きく変わる。

以上のような問題は第１２図のように外乱りが印加され
た場合でも同じである。例えば第１２図のように制御実
行時間が終わってから直後に外乱りが加わり、次の制御
実行時間まで１０ｓｅｃもあるため、外乱による偏差最
大の時間が長時間続いており、非常に悪い制御結果とな
っている。

本発明は以上のような点に鑑みてなされたもので、何れ
のタイミングで設定値か変更され、あるいは外乱が加わ
っても、常に最少の時間で制御量を整定し得、安定、か
つ、最良の制御を確保しうるプロセス制御装置を提供す
ることを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明によるプロセス制御装置は上記課題を解決するた
めに、無駄時間を含む制御対象に対してサンプルＰ１制
御装置を用いて制御するプロセス制御装置において、サ
ンプルＰＩ周期を管理するタイマと、前記設定値と制御
量との偏差の絶対値が予め定めた所定値を越えたか否か
を判断し、偏差の絶対値が前記所定値を越えたときタイ
マを初期化することにより現在制御実行中であるか否か
にかかわらず新たに制御実行時間の間制御実行を行わせ
る制御実行判断手段と、この制御実行判断手段によって
タイマが初期化されたときそれとほとんど同時に制御実
行中である旨のフラグが立てられるフラグ部とを有する
タイマ監視装置を備えたものである。

また、本発明は前記サンプルＰＩ制御装置をサンプル・
ファジィ制御装置に置換えて構成してもよい。

（作用） 従って、本発明は以上のような手段を講じたことにより
、制御実行判断手段において設定値と制御量との偏差の
絶対値が予め定めた所定値を越えたか否かを判断し、偏
差の絶対値が前記所定値を越えたとき現在制御実行中で
あるか否かにかかわらずタイマを初期化すると共にフラ
グ部にフラグを立てる。その結果、現在制御休止中であ
れば直ちに制御実行を開始し、既に制御実行中であれば
現時点より新たに制御実行を開始し、何れの場合も既定
の制御実行時間の量制御を続行させる。

そして、このフラグ部のフラグはサンプルＰＩ周期が経
過するまでリセットせず、かつ、フラグが立っている間
は前記偏差の絶対値が所定値を越えてもタイマを強制的
に初期化しないことにより、設定値の変更に対して常に
制御量が最少の時間で設定値に整定するものである。外
乱の発生においても同様な作用を有する。

また、サンプルＰＩ制御装置に代えて・サンプル・ファ
ジィ制御装置を用いても同様な作用を有するものである
。

（実施例） 以下、本発明装置の一実施例について第１図を参照して
説明する。図中１１は制御量Ｐｖが設定値ＳＶに一致す
るようにサンプルＰＩ演算を実行するサンプルＰＩ制御
装置、１２は制御装置１１によって得られた操作量ＭＶ
によって制御される制御対象となる実プロセス部であっ
て、この実プロセス部１２はプロセス特性の中に例えば
−次遅れや２次遅れ等の時定数に較べて十分に長い無駄
時間を持っている。１３は外乱関数特性部を示す。

また、この装置にはサンプルＰＩ制御用タイマ監視装置
１４が設けられている。このタイマ監視袋ｆｉｆ１４は
、サンプルＰＩ周期ｔｏを刻時するタイマ１４１、偏差
（ＳＶ−ＰＶ）の絶対値が所定の値を越えたか否かを判
断し、絶対値が所定値を越えている場合にはタイマを強
制的に初期化し、制御休止中であれば直ちに制御実行開
始指令を出力し、既に制御実行中であれば現時点より新
たに制御実行時間ｔ１を確保する制御実行判断手段１４
２およびこの制御実行判断手段１４２によってタイマ初
期化とほとんど同時に制御実行中のフラグが立てられる
フラグ部１４３およびタイマカウント部１４４等で構成
されている。このフラグ部１４３のフラグはサンプルＰ
Ｉ周期ｔｏが経過するまで制御実行判断手段１４２によ
ってリセットされず、一方、フラグ部１４３にフラグが
立っている間前記制御実行判断手段１４２では前記偏差
の絶対値の監視結果に基づいてタイマ１４１を強制的に
初期化しないようになっている。

次に、以上のように構成された装置の動作について第２
図のフローチャートを用いて説明する。

なお、同図は制御周期△Ｔごとに行われる。まず、電源
を立上げるとスタート部から始まり、次のような初期化
処理を行う。すなわち、タイマカウント部１４４のカウ
ント値ＮＴ＝Ｏ，フラグ部１４３のフラグＩ　ＦＹ＝Ｏ
に設定される（ステップＳｌ）。次に、タイマ時間ＴＩ
Ｍがタイマカウント値ＮＴを使って計算される（ステッ
プＳ２）。

電源立上げ時は前述の８１の処理によりＮＴ−０なので
タイマ１４１は初期状態（ＴＩＭ−０）になる。

次に、タイマ監視装置１４の制御実行判断手段１４２は
、偏差の絶対値が予め定めた所定値ＣＥＫを越えたか否
かを判断する（ステップＳ３）。この所定値ＣＥＫは対
象としているプロセス制御系で制御量が整定した安定状
態で、ノイズで変動する幅よりもある程度大きめの値に
予め設定しておく。このステップＳ３において偏差の絶
対値が所定値ＣＥＫを越えたと判断した場合にはステッ
プＳ４に移行し、フラグＩＦＹ−０か否か、つまり未だ
タイマ１４１が偏差の絶対値がＣＥＫを越えたことによ
って初期化させているが否かを判断し、ＩＦＹ−０の場
合にはフラグ部１４３にフラグＩＦＹに「１」を立てる
と同時にタイマカウンタ部１４４のカウント値ＮＴを「
０」に設定し、タイマ１４１の初期化処理を実行する（
ステップ８５）。つまり、タイマ時間ＴＩＭ−０に設定
する。その後、ステップＳ６に移行し、ここでタイマ時
間ＴＩＭがサンプルＰＩ周期ｔｏを越えたか否かを判断
する。なお、ステップＳ３，４においてそれぞれの条件
が成立しない場合にはステップＳ６に移行し同様の判断
を行う。

このステップＳ６においてタイマ時間ＴＩＭがサンプル
ＰＩ周期ｔ。を越えたと判断した場合にはフラグを「０
」とし、かつ、タイマカウント値を「０」とし、タイマ
時間を初期状態を戻す（ステップＳ７）。未だ、タイマ
時間ＴＩＭがサンプルＰＩ周期ｔ。を越えていない場合
にはステップＳ７を飛び越えてステップＳ８に移行する
。ここで、タイマ時間ＴＩＭが制御実行時間ｔ１を越え
たか否かを判断し、越えていない場合にはそのまま制御
実行を行い、一方、越えている場合には休止状態を作る
ためにフラグＩ　ＦＭＳのセット。

リセットを行う（ステップＳ　９．　　Ｓ　１０）。引
き続き、タイマカウント値ＮＴ−ＮＴ＋１の処理を行っ
た後（ステップ５１１）、現時点の偏差ｅｎ　＝ＳＶ−
ＰＶから偏差の変化分ＤＥＫを求める（ステップ５１２
）。その後、制御休止中か否かを判断し、制御休止中で
あれば現時点の偏差ｅｎｓ偏差の変化分ＤＥＫをそれぞ
れ零としくステップ５１４）、また制御休止中でない場
合にはステップＳ１４を飛越えてそれぞれステップＳ１
５に移行し、ここで操作量の変化分ＤＭＶを求めた後、
第（８）式における現時点の操作量ＭＶを計算しくステ
ップ５１６）、未だ制御周期△Ｔに達していない場合に
はΔＴまで待機した後、ステップＳ２に戻って同様の処
理を繰返す。

従って、以上のような実施例の構成によれば、第９図と
同じ条件で実プロセス部１２およびサンプルＰＩ制御パ
ラメータを用いた場合、第３図ないし第５図のような制
御応答特性が得られる。まず、実プロセス部１２の伝達
関数特性Ｇｐ（ｓ）は、 Ｇｐ　　（ｓ　）−（１／　（１＋０．９５　・５））
ｅ−”°８となる。一方、サンプルＰＩ制御パラメータ
としては、ｋｐ−０，Ｔ１−３ｓｅｃ、ｔ、）−１５ｓ
ｅｃ。

ｔ＋−３ｓｅｃ、△ｔ−０，５ｓｅｃとする。また、偏
差の絶対値を判定する所定値ＣＥＫ＝２％とする。

その結果、第３図においては、従来の制御結果例である
第９図と同じタイミングで設定値Ｓ■が変更された場合
、設定値変更から制御量Ｐ■が整定するまで１５ｓｅｃ
となり、従来に較べて整定時間が非常に短くなっている
。これは、設定値Ｓｖの変更による偏差が生じたために
タイマ監視装置１４の制御実行制御手段１４２が働いて
タイマ１４１を初期化することにより、直ちに操作量Ｍ
Ｖを出力して制御実行中に移行したためである。

一方、第４図は、従来の制御結果例である第１１図と同
様のタイミングで設定値が変更された場合である。この
設定値の変更は制御実行時間３　ｓｅｃの途中である２
　ｓｅｃのところで設定値変更があったので、従来装置
では十分な制御出力が出せないまま制御休止中になって
しまい、２段階の制御特性となったものである。

これに対し、本発明装置においては、以上のような場合
では偏差の絶対値が所定値を越えたときタイマ１４１が
初期化されるので、その時点から当初の制御実行時間１
１　（この場合には３ｓｅｃ）を必ず確保するので、制
御量Ｐｖが第３図と同じ＜１５ｓｅｃの時間で整定され
、良好な制御特性を得ることができる。

次に、第５図においては、従来の制御結果例である第１
２図と同様に外乱りが同じタイミングで加わった場合の
制御応答特性図である。この場合も外乱りによって偏差
の絶対値が所定値（２％）以上になると同時にタイマ監
視装置１４の制御実行判断手段１４２が動作してタイマ
１４１を初期化するので、直ちに制御実行の開始がなさ
れる。

その結果、従来の第１２図と較べて、偏差がピーク値（
この場合１０％）を保持する時間が半分以下となり、良
好な制御応答特性を得ることができる。

なお、本発明装置は上記実施例に限定されるものではな
い。例えば第１図においてサンプルＰＩ制御装置１１を
サンプル・ファジィ制御装置に置き換えてもよい。この
場合には操作量の変化分の計算式、つまり（９）式がフ
ァジィ演算に置換えられることになり、同時にサンプル
ＰＩ制御用タイマ監視装置１４はサンプル・ファジィ制
御タイマ監視装置となる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、何れのタイミング
で設定値が変更され、あるいは外乱が加わっても、従来
に比較して常に短い時間で制御量を安定に整定でき、最
良の制御を実行できるプロセス制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の詳細な説明するために示
したもので、第１図は本発明装置の概略的な構成図、第
２図は本□発明装置の動作を説明するフローチャート、
第３図および第４図はそれぞれ設定値変更タイミングを
変えた場合の制御応答特性図、第５図は外乱を加えた場
合の制御応答特性図、第６図ないし第１２図は従来装置
を説明するために示したもので、第６図はサンプルＰＩ
制御における操作量の変化の状態を示す図、第７図は従
来装置の概略構成図、第８図はサンプルＰＩ制御におけ
るパラメータ決定法に基づいて設定した場合の操作量の
変化を示す図、第９図ないし第１１図は設定値変更タイ
ミング等を変えたときの制御応答特性図、第１２図は外
乱を加えた場合の制御応答特性図である。 １１・・・サンプルＰＩ制御装置、１２・・・実プロセ
ス部、１３・・・外乱関数特性部、１４・・・タイマ監
視装置、１４１・・・タイマ、１４２・・・制御実行判
断手段、１４３・・・フラグ部、１４４・・・タイマカ
ウント部。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）無駄時間を含む制御対象に対して、サンプルＰＩ
   制御装置により制御量が設定値に一致するように算出さ
   れた操作量を与えて制御するプロセス制御装置において
   、 サンプルＰＩ周期を管理するタイマと、前記設定値と制
   御量との偏差の絶対値が予め定めた所定値を越えたか否
   かを判断し、偏差の絶対値が前記所定値を越えたときタ
   イマを初期化し現在制御実行中であるか否かにかかわら
   ず新たに制御実行時間の間制御実行を行わせると共にサ
   ンプルＰＩ周期が経過するまでは新たに前記タイマの初
   期化を行わない制御実行判断手段とを有するタイマ監視
   装置を備えたことを特徴とするプロセス制御装置。
2. （２）サンプルＰＩ制御装置に代えてサンプル・ファジ
   ィ制御装置を用いた請求項１記載のプロセス制御装置。