JPH02206803A - 調節装置 - 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、速度形比例積分（ＰＩ）または速度形比例積
分微分（Ｐ　Ｉ　Ｄ）演算方式を用いたディジタル制御
形調節装置に係わり、特に操作信号が予め定めた上下限
制限値を越えた後の制御性。

応答性を改良した調節装置に関する。

（従来の技術） この種のＰＩＤ調節装置は、産業のあらゆる分野で非常
に多く使用されており、プラント運転制御の基盤となっ
ている。

一般に、このＰＩＤｆ／ｉｆｉ御アルゴリズムの基本式
は、連続系では、 ＭＶ＝　ＫｐｌＢ＋　（１／Ｔｌ）　ｆ　　Ｅｄｔ＋　
ＴＤ（ｄＥ／ｄｔ）ｌ　＋　ＭＹ□　、、、　（１）で
表わされる。上式においてＭＶ：操作量、Ｅ：偏差、ｋ
ｐ：比例ゲイン、Ｔ！　：積分時間、ＴＤ：微分時間、
ＭＶｏ：操作量の初期値である。

ところで、この（１）式で表わす連続系のＰＩＤ演算式
に基づいてディジタル制御を実現する場合、サンプリン
グ周期△を毎の取得データを用いて操作信号を得ること
になる。因みに、現時点をｎ争Δｔ　（ｎは整数）とし
、その１つ前の時点を（ｎ−１）φΔｔとすれば、現時
点の偏差をＥｎ、前回サンプリング時点の偏差をＥ　ｎ
−１で表わすことができる。

なお、ディジタル制御の場合には位置形ディジタル演算
方式と速度形ディジタル演算方式があるが、そのうち特
に多用されている後者の速度形ディジタル演算方式につ
いて説明する。

すなわち、この速度形ディジタルＰＩＤ演算式は、上記
（１）式を時間微分すると、 で表わせる。ここで、（２）式について各微分項は次の
ように近似できる。

そして、これらの（３）式〜（５）式を（２）式に代入
すれば、 ’Ｖｎ　”’Ｖｎ−１＋ΔＭＶｎ　　　　　　　　　　
　　−（７）なる速度形ディジタルＰＩＤ演算式が得ら
れる。

すなわち、この速度形ディジタルＰＩＤ演算式は、（６
）式を用いてサンプリング周期Δを毎の操作量変化分Δ
Ｍ　Ｖ　ｎを計算し、得られた操作量変化分ΔＭ　Ｖ　
ｎを（７）式で前回の操作量Ｍ　Ｖ　ｎ−１に加算して
今回の操作量Ｍ　Ｖ　ｎを得るものである。

従って、以上のようにして得られた速度形ディジタルＰ
ＩＤ演算式は、サンプリング周期毎に総和の積分値を求
める必要がないので積分項の演算が非常に簡単であるこ
と、通常の調節装置は手動から自動に切換える場合があ
るが、この切換時点の手動操作量を（７）式のＭ　Ｖ　
ｎ−１に代入して自動コントロールを始めれば良く、手
動→自動切換時のバランスレスバンプレス切換が簡単に
できること、また操作量Ｍ　Ｖ　ｎに例えば０〜１００
％の制限を加えておけば積分項によるリセットワインド
アップが簡単に防止できること、さらに操作量の変化分
ΔＭ　Ｖ　ｎを求めるために１回の出力変化の大きさを
制限したり、ゲインを修正したり、或いは他の信号との
複合演算処理を行うときに非常に容易であること等の利
点があり、このためディジタル制御には速度形が多く用
いられている。

第２図はかかる速度形ディジタルＰＩＤ演算方式を用い
た調節装置のブロック構成を示す図である。すなわち、
この装置は、偏差演算手段１にて制御対象２からの制御
量ＰＶｏとこの制御量の目標値ＳＶｎとの偏差Ｅｎ　−
３Ｖｎ−ＰＶｎを求めた後、この偏差Ｅｎを速度形ディ
ジタルＰＩＤ調節演算手段３に導入し、ここで前記（６
）式に従って演算を行って速度形操作量変化分つまり速
度形調節演算出力ΔＭ　Ｖ　ｎを求めて上下限制限機能
付速度形／位置形信号変換手段４に送出する。この信号
変換手段４では（７）式に基づいて速度形調節演算出力
ΔＭ　Ｖ　ｎを位置影信号に変換し、これを操作信号Ｍ
　Ｖ　ｎとして制御対象２に印加し、目標値５Ｖｎ−制
御量ＰＶｎとなるように制御する構成である。

（発明が解決しようとする課題） 従って、速度形ディジタルＰＩＤ演算方式を採用した調
節装置は上述したように種々の特長を持っているが、一
方では次に述べるような欠陥を冑している。

■、先ず、調節演算手段３の微分動作（Ｄ動作）により
操作信号Ｍ　Ｖ　ｎが予め信号変換手段４で定めた上下
限制限値Ｈを越えた場合、その越えた分だけ逆方向に引
き戻されるので、その後積分動作（Ｉ動作）等によって
所望とする定常状態に移行するまでに相当な時間がかか
り制御性や応答性が悪化する。

■、また、目標値ＳＶｎを増える方向に変化させること
により操作信号Ｍ　Ｖ　ｎが上限制限値Ｈを越えたとき
、その越えた分だけカットされて消滅するので、その後
目標値ＳＶｎが低下したとき上限制限値Ｈより減少して
いくので、結局、上記消滅した分だけ逆方向に引き戻さ
れ、これによって制御性や応答性が悪化するのみならず
、極端な引き戻し１例えば弁を開けておくべきにも拘ら
ず弁を極端に閉じてしまうと、非常に危険な状態となり
事故を誘起する恐れが出てくる。

■、さらに、偏差Ｅｎが正で、操作信号Ｍ　Ｖ　ｎが上
限制限値Ｈを越えている状態で、偏差Ｅｎが少しでも小
さくなれば、操作信号Ｍｖｎはその少なくなった分だけ
必ず比例動作が先行して上限制限値Ｈ以下となるので、
これが制御性や応答性を低下させる。

このような欠陥が生ずる原因は、速度形ディジタルＰＩ
Ｄ調節演算手段３が操作信号変化分ΔＭ　Ｖ　ｎのみを
演算しているので、操作信号ＭＶｎが制限値に引かかっ
て切捨てられると、それ以降切捨てられた分は消滅し、
復元されないことに起因する。すなわち、制御の途中経
過がどうであろうと、比例動作は偏差Ｅｎが零になると
零にならねばならず、微分動作は偏差が変化しなくなる
と零にならねばならないと言うｒＰＩ＄Ｉｍの本質」が
あるにも拘らず、操作信号ＭＶｎが上下限制限値Ｈ，Ｌ
に引かかった場合には歪曲されてしまう。

第３図は以上述べた操作信号ＭＶの挙動を示す図である
。つまり、ｔｎ時点で目標値ＳＶｎを変更して偏差Ｅｎ
が変化すると、瞬時的には比例動作と微分動作で操作信
号ＭＶが大きく変化して上限制限値Ｈを越えたとき、比
例十積分十微分の合成値である操作信号ＭＶは理論的に
は曲線（イ）の如く変化するが、信号変換手段４に上限
制限値Ｈが設定されているので、この上限制限値Ｈに制
限されながら図示（ロ）に示すような特性となることが
望ましい。

しかし、前記■、■で説明した理由により、操作信号Ｍ
Ｖのうち上限制限１ｉｉＩＨを越えた分ａは切り捨てら
れ、一方、ピーク値を過ぎて減少方向に向かう操作信号
は何ら制限されていないので、上限制限値Ｈから微分動
作によって引き戻されて低下し、その後、積分動作によ
って徐々に上昇して定常状態に回復する図示（ハ）のよ
うな特性となり、定常状態に戻るまでに相当な時間がか
かる。

これでは、比例動作や微分動作が適切に働かないばかり
か、逆方向に引き戻されて有害となり、ゲインが高いと
きには前述したように弁を開けておくべき所を極端な引
き戻しにより閉じ込んでしまうために、異常を誘発する
こともありうる。特に、今後益々プラント運転制御の適
応高精度化。

フレキシブル化、安全化が求められるが、速度形ディジ
タルＰＩＤ演算方式の特長を生かしつつ前述する欠陥を
除去することが強く要望されている。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、比例動作、
微分動作によって操作信号が上下限制限値を逸脱した場
合でも適切に制御機能を発揮し得、よって制御性に優れ
た信頼性の高い調節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） 本発明は上記課題を解決するために、制御量と目標値と
の偏差を用いてＰＩまたはＰＩＤ調節演算を行う速度形
調節演算手段および速度形調節演算出力を位置形信号に
変換して操作信号とする上下限制限機能付速度形／位置
形信号変換手段を持った調節装置において、前記速度形
調節演算手段と前記上下限制限機能付速度形／位置形信
号変換手段との間にスイッチング手段を設け、また偏差
の方向と前記信号変換手段から出力された前回サンプリ
ングの操作信号での所定の上下限レベル値に達したとき
の信号とに基づいて前記スイッチング手段をオフ制御し
前記速度形調節演算手段を強制的に制限する制限手段を
設けたものである。

そして、この制限手段は、前記偏差が正負の所定レベル
範囲を越えたか否かを判断し越えている場合には偏差が
正方向または負方向と判別する偏差方向判別手段と、前
記上下限制限機能付速度形／位置形信号変換手段から出
力された前回サンプリングでの操作信号が所定の上下限
レベル値を越えているか否かを判断する操作信号レベル
判別手段と、前記操作信号が前記上限レベル値に達し、
かつ、前記偏差方向判別手段により偏差が正方向と判別
したとき、または前記操作信号が前記下限レベル値に達
し、かつ、前記偏差が負方向と判別したとき、前記スイ
ッチング手段をオフ制御する制限条件判定手段とから構
成されている。

（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
、上下限制限機能付速度形／位置形信号変換手段から出
力された前回サンプリングの操作信号が操作信号レベル
判別手段にて上限レベル値に達していると判別し、この
とき偏差方向判別手段により偏差が正方向であると判別
したとき、制限条件判定手段で操作信号を更新する必要
があると判断し、スイッチング手段をオフ制御して速度
形調節演算出力を強制的に制限する。また、操作信号が
下限レベル値に達していると判別し、かつ、偏差が負方
向であると判別したとき、前述と同様にスイッチング手
段をオフ制御して速度形調節演算出力を強制的に制限す
る。

すなわち２前回サンプリングによる操作信号ＭＶ　ｎ−
１が操作信号レベル判別手段での上、限レベル値に達し
ているとき、つまりＭＶｎ−１７Ｈのときには（６）式
で計算されたΔＭＶｎが正負いずれであっても、偏差Ｅ
ｎ≧δ（δは零より大きい所定のレベル値）の場合には
強制的に６Ｍ　Ｖ　ｎ　−０＊つまりＭ　Ｖ　ｎ　−Ｍ
　Ｖ　ｎ−１−Ｈとし、偏差Ｅｎ＜δとなったとき、６
Ｍ　Ｖ　ｎの負の値を初めて受入れる。

また、逆に操作信号Ｍ　Ｖ　ｎ−１が下限レベル値り以
下になったとき、つまりＭ　Ｖ　ｎ−１のときには上記
（６）式で計算された６Ｍ　Ｖ　ｎが正負いずれであっ
ても、偏差Ｅｎ≦−δの場合には強制的にΔＭｖｎ−Ｑ
、　つまりＭ　Ｖ　ｎ　−Ｍ　Ｖ　ｎ−１−Ｌとし、偏
差Ｅｎ＞−δになったとき、６Ｍ　Ｖ　ｎの正の値を初
めて受入れることにより、比例動作、微分動作を有効に
生かしつつ常に安定な制御を実現する。

（実施例） 以下、本発明装置の一実施例について第３図を参照して
説明する。同図において１１は制御対象１２からの制御
量ＰＶｎとこの制御量の目標値ＳＶｎとの偏差Ｅｎを求
める偏差演算手段、１３は偏差Ｅｎを用いて速度形ＰＩ
またはＰＩＤ調節演算を行って速度形調節演算出力ΔＭ
　Ｖ　ｎを得る速度形調節演算手段、１４は速度形調節
演算出力ΔＭＶｎを位置形信号に変換し操作信号ＭＶｎ
として制御対象１２に印加する上下限制限機能付速度形
／位置形信号変換手段である。

さらに、速度形調節演算手段１３と上下限制限機能付速
度形／位置形信号変換手段１４の間にスイッチング手段
２１が設けられ、このスイッチング手段２１は操作信号
および偏差が所定の条件のとき制限手段２２によつてオ
フ制御されるようになっている。

この制限手段２２は、具体的には前記偏差Ｅｎが正負の
所定レベル範囲を越えたか否かを判断し越えていると判
断した場合には偏差が正方向または負方向と判別する偏
差方向判別手段２３と、前記上下限制限機能付速度形／
位置形信号変換手段１４から出力される前回サンプリン
グでの操作信号ＭＶｎが所定の上下限レベル値Ｈ，Ｌに
達したか否かを判断する操作信号レベル判別手段２４と
、前記操作信号Ｍ　Ｖ　ｎが前記上限レベル値Ｈに達し
、かつ、前記偏差方向判別手段２３で偏差Ｅｎが正方向
と判別したとき、または前記操作信号Ｍ　Ｖ　ｎが前記
下限レベル値しに達し、かつ、前記偏差Ｅｎが負方向と
判別したとき、前記スイッチング手段２１をオフ制御す
る制限条件判定手段２５からなる。なお、操作信号レベ
ル判別手段２４の上下レベル値Ｈ，Ｌは例えば信号変換
手段１４の上下限制限値と同じレベルが用いられ、また
偏差方向判別手段２３の正負の所定レベルは偏差の方向
が分る程度の正負レベル±δであればよい。

前記制限条件判定手段２５は、Ｍ　Ｖ　ｎ−１≧Ｈ１Ｅ
ｎ≧δときオフ制御信号を出力する第１の論理回路２５
１、ＭＶｎ−１≦Ｌ、Ｅｎ≦−δときオフ制御信号を出
力する第２の論理回路２５２およ限びこれら論理回路２
５１．２５２からのオフ制御信号を通してスイッチング
手段２１に供給するオア回路２５３等によって構成され
ている。

次に、以上のように構成された装置の動作を説明する。

偏差演算手段１１で制御対象１２からの制′ａ量Ｐ　Ｖ
、ｎと制御量に対する目標値ＳＶｎとから現在の偏差 Ｅｎ　＝ＳＶｎ　−ＰＶｎ を求めた後、この偏差Ｅｎを速度形調節演算手段１３に
導入する。この速度形調節演算手段１３では、前記（６
）式に基づいて少なくともＰＩ演算を行って速度形調節
演算出力ΔＭ　Ｖ　ｎを得る。

ΔＭＹ、１　＝　Ｋｐ（Ｅｎ−Ｅ（１−１）＋　（Δｔ
／Ｔｌ）Ｅｎ）　　　−（８）このようにして得られた
速度形調節演算出力ΔＭＶｎは常時は閉成状態にあるス
イッチング手段１２を介して上下限制限機能付速度形／
位置形信号変換手段１４に送られ、ここで、 ＭＶｎ−ＭＶｎ−１＋ΔΔＭＶｏ’ なる演算を行って位置影信号に変換しこれを操作信号Ｍ
　Ｖ　ｎとして制御対象１２に印加し、制御量ＰＶｎが
目標値ＳＶｎと一致するように制御する。

しかして、以上のような調節演算制御の実行時、偏差演
算手段１１で得られた偏差Ｅｎは偏差方向判別手段２３
に送られ、また現在の偏差Ｅｎの出力時またはそれ以前
に信号変換手段１４から操作信号レベル判別手段２４へ
前回サンプリング周期での操作信号ＭＶｎ−１が導入さ
れている。ここで、操作信号レベル判別手段２４は信号
変換手段１４からの操作信号ＭＶｎ−１と予め定めた上
下限レベル値Ｈ，Ｌとを比較し、操作信号Ｍ　Ｖ　ｎ−
１が、Ｍ　Ｖ　ｎ−ｆ≧ＨまたはＭＶｎ−１≦Ｌの関係
にあるかを調べ、例えば目標値等の変化によってＭ　Ｖ
　ｎ−１≧Ｈなる関係にあるとき、ハイレベル信号を出
力し第１の論理回路２５１に供給する。一方、このとき
偏差方向判別手段２３では偏差の変化による偏差方向を
調べ、偏差が正側方向に所定レベルを越えたとき、つま
りＥｎ≧δのとき、偏差正方向信号を出力し前記第１の
論理回路２５１に供給する。この第１の論理回路２５１
では操作信号Ｍ　Ｖ　ｎ−１が所定の上限レベル値Ｈに
達し、かつ、偏差Ｅｎが正方向にあるとき、オフ制御信
号を出力しオア回路２５３を介してスイッチング手段２
１をオフ制御し、速度形調節演算出力ΔＭ　Ｖ　ｎを強
制的に制限する。その結果、上下限制限機能付速度形／
位置形信号変換手段１４にはΔＭＶｎ’　−０なる速度
形調節演算出力が導入され、今回の信号変換手段１４に
よる操作信号Ｍ　Ｖ　ｎは第３図に示す上限制限値Ｈに
止どまるので希望出力（ロ）を制御対象１２に印加でき
る。

このような速度形調整演算出力ΔＭ　Ｖ　ｎの処理は、
操作信号レベル判別手段２４でＭ　Ｖ　ｎ−１≦Ｌと判
別し、かつ、偏差方向判別手段２３にてＥｎ≦−δと判
別したときも第２の論理回路２５２で条件が成立したと
判定し、前述と同様にスイッチング手段２１をオフ制御
して速度形調節演算出力ΔＭ　Ｖ　ｎを強制的に制限し
、速度形調節演算出力ΔＭ　Ｖ　ｎをΔＭＶｎ’＝Ｏと
して信号変換手段１４に供給する。

従って、以上の説明から明らかなように制限手段２−５
は、 従って、以上のような実施例の構成によれば、前回のサ
ンプリング時の信号変換手段１４からの操作信号ＭＶｎ
−１が操作信号レベル判別手段２４で予め定めた所定の
レベル値Ｈに達し、かつ、偏差が正方向のとき、または
操作信号Ｍ　Ｖ　ｎ−１が所定のレベル値しに達し、か
つ、偏差が負方向のとき、速度形調節演算出力を強制的
に制限することにより、上下限制限機能付速度形／位置
形信号変換手段１４の操作信号を前回値の状態、つまり
Ｍ　Ｖ　ｎ−１とすることにより、例えば微分動作で操
作信号が信号変換手段の上下限制限値を逸脱してもその
逸脱した分だけ逆方向に引き戻したり、或いは目標値Ｓ
Ｖｎを変化させたために操作信号が上下限制限値を逸脱
した場合でも逆方向に引き戻したり、さらには操作信号
が上下限制限値に引かかって偏差Ｅｎが反対方向に大き
く出ているにも拘らず操作信号が偏差を拡大するように
働くことがなくなり、制御性が高く、かつ、応答性に優
れた安定な制御を実現できる。

なお、上記実施例では信号変換手段１４からの操作信号
Ｍ　Ｖ　ｎが増加したとき制御対象１２１例えばバルブ
の開度を大きくする方向に制御するが、制御目的により
制御対象１４が逆動作するものでは操作信号がＭＶｎ−
１≦Ｌであり、かつ、偏差ＥｎがＥｎ≧δのとき、また
操作信号がＭ　Ｖ　ｎ−１≧Ｈであり、かつ、偏差Ｅｎ
がＥｎ≦−６のとき、速度形調節演算出力ΔＭ　Ｖ　ｎ
を強制的に制限することは言うまでもない。また、操作
信号レベル判別手段２４の上下限レベル値Ｈ，Ｌは信号
変換手段１４の上下限界制限値に一致するようにしたが
、それよりも多少低いレベルに設定してもよい。その他
、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実
施できる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、操作信号の大きさ
と偏差の方向とから速度形調節演算出力をそのまま位置
影信号に変換し、或いは強制的に零に制限するようにし
たので、従来の種々の欠陥を除去して制御性および応答
性を大幅に改善でき、プラント運転制御のファンダメン
タルズを高度化することにより、各産業界への期待に大
きく貢献しうる調節装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる調節装置の一実施例を示す機能
ブロック図、第２図は従来装置の機能ブロック図、第３
図は操作信号の挙動状態を示す図である。 １１・・・偏差演算手段、１２・・・制御対象、１３・
・・速度形調節演算手段、１４・・・上下限制限機能付
速度形／位置形信号変換手段、２１・・・スイッチング
手段、２２・・・制限手段、２３・・・偏差方向判別手
段、２４・・・操作信号レベル判別手段、２５・・・制
限条件判定手段、２５１．２５２・・・論理回路、２５
３・・・オア回路。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）制御対象からの制御量とこの制御量の目標値との
   偏差を速度形比例積分または速度形比例積分微分調節演
   算手段によって速度形調節演算を行い、得られた速度形
   調節演算出力を上下限制限機能付速度形／位置形信号変
   換手段で位置形信号に変換しこの位置形信号を操作信号
   として前記制御対象へ印加する調節装置において、 前記速度形調節演算手段と前記上下限制限機能付速度形
   ／位置形信号変換手段との間に設けられたスイッチング
   手段と、前記偏差の方向と前記信号変換手段で得られた
   前回サンプリングの操作信号での所定の上下限レベル値
   を越えたときの信号とが所定の条件を満たすとき前記ス
   イッチング手段をオフ制御して前記速度形調節演算出力
   を強制的に制限する制限手段とを備えたことを特徴とす
   る調節装置。
2. （２）制限手段は、前記偏差が正負の所定レベル範囲を
   越えたか否かを判断し越えていると判断したときに偏差
   が正方向または負方向と判別する偏差方向判別手段と、
   前記上下限制限機能付速度形／位置形信号変換手段から
   出力された前回サンプリングの操作信号が所定の上下限
   レベル値に達しているか否かを判別する操作信号レベル
   判別手段と、前記操作信号が前記上限レベル値または制
   御対象が逆動作を行う場合には下限レベル値に達し、か
   つ、前記偏差方向判別手段で偏差が正方向と判別したと
   き、または前記操作信号が前記下限レベル値または制御
   対象が逆動作を行う場合には上限レベル値に達し、かつ
   、前記偏差が負方向と判別したとき、前記スイッチング
   手段をオフ制御して速度形調節演算出力を強制的に制限
   する制限条件判定手段とを有する特許請求の範囲第１項
   記載の調節装置。