JPH02264302A - 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、各種プラントの計装制御システムに利用され
るプロセス制御装置に係わり、特に外乱の発生によるフ
ィードフォワード制御モデルの動特性補償分の大きさに
応じてＰＩＤ調ｗＪ演算を適切な状態で動作させて外乱
による影響を抑制するプロセス制御装置に関する。

（従来の技術） 近年、種々の要望により生産量、負荷等が変動するが、
これら変動の影響を如何に高速、高精度１かつ、安定に
抑制制御するかが重要な１つのテーマとなっている。特
に、１９９０年から２１世紀にかけて、ユーザによる多
品種化、生産量の変動、高品質化などの要求が高まって
おり、これからも益々その要求が高まりつつあり、それ
に柔軟に追従しうる本格的なフレキシブルオートメーシ
ョンの実現が強く要望されている。

そこで、従来装置においては、上記要望を満足するため
に制御対象のプロセス量が目標値に一致するように制御
するフィードバック（以下、ＦＢと略称する）制御系と
、品種、生産量１品質の１種または複数種の負荷変化に
よる外乱量を検出しその外乱の影響を打消す信号を先ま
わりして与えるフィードフォワード（以下、ＦＦと略称
する）制御系とを組合せた。いわゆるＦ　Ｆ／Ｆ　Ｂ制
御が採用されている。すなわち、このＦＦ／ＦＢ制御は
、常時ＦＢ制御で得られる出力とＦＦ制御で得られる出
力とを加算合成し制御対象への操作出力を得る方式をと
っている。

ところで、外乱の種類は、生産量のように、ある期間一
定量を維持し、ある時点で計画的に増加または減少させ
、その後また一定量を維持するといった性質を・もつ第
３図（ａ）のような非ランダム外乱と、不特定負荷に供
給する蒸気量のように、全くランダムに変化する第３図
（ｂ）のようなランダム外乱とに分けることができる。

特に、本装置では非ランダム外乱を対象とするものであ
り、例えば連続焼鈍炉の板温＄ＩＪ　ｍにおける負荷（
板厚。

板幅、ライン速度等）とか化学加熱炉出口温度制御にお
ける負荷（生産量の変更等）などがある。

このようなプロセスでは、生産量、つまり炉の負荷を変
更させたときの影響が出口温度に現われると、その影響
を受けて直接に品質が低下したり、さらに下流工程に影
響が伝播して最終製品の品質を著しく低下させる問題が
あり、また需要に対応してフレキシブルに生産量を変え
たり、あるいは同一ライン速度を維持しながら板厚や板
幅を自動的に変化させるときには、プロセスの外乱は第
３図（ａ）のように変化するので、この変化の過度的影
響を如何に抑制するかが非常に重要な問題となってくる
。

そこで、従来、非ランダム外乱の場合、ＦＦ制御の動特
性補償信号が所定のレベル範囲を越えた状態のときにＦ
Ｂ制御を切離してＦＦ制御のみとし、また動特性補償信
号が所定のレベル範囲内のときにｒＦＦ制御十ＦＢ＄ｌ
ｌＪの組合せにより対処している。

第４図はかかる従来装置の構成を示すブロック図である
。この制御装置は、制御対象１からのプロセス量をプロ
セス量検出手段２で検出した後、この検出プロセス量と
目標値設定手段３で設定されたプロセス量の目標値とを
偏差演算手段４に導入し、この偏差演算手段４にて偏差
信号ｅ　Ｑ’　−８Ｖｎ−ＰＶｎを得る。この偏差信号
ｅｌは速度形Ｐ１．ｉ節演算手段５に導き、ここで下式
に基づいて速度形ＰＩ調節演算を行って、 ΔＣｎ　−ｋｐ　１（ｅｎ　−ｅｎ−１）＋（ｒ／Ｔｔ
　）・ｅｎｌ−（１）なる速度形ＰＩ調節演算出力信号
ΔＣｎを得る。

この式においてｋｐ：比例ゲイン、Ｔｌ　：積分時間、
Ｔ：制御周期、ｅｎ：今回の制御偏差、ｅｎ−１：前回
の制御偏差である。

一方、ＦＦ制御系においては、外乱量検出手段１１で負
荷変化などの外乱ｍ　Ｄ　ｎを検出した後、この外乱Ｈ
ｋ　Ｄ　ｎに対し係数手段１２にてフィードフォーワー
ドゲインｋを乗じてフィードフォワードＨａ信号ＦＦｎ
を得た後、このフィードフォワード制御信号ＦＦｎを静
特性補償系と動特性補償系に分けて補償を行う。この静
特性補償系は、位置゛形フィードフォワード制御信号Ｆ
Ｆｎを位置形／速度影信号変換手段１３で（Ｆ　Ｆ　ｎ
　−Ｆ　Ｆ　ｎ−１）なる演算を行って速度影信号ΔＦ
Ｆｎ変換した後加算手′段６へ導入し、ここで速度影信
号と前記速度形Ｐ１調節演算手段５からの速度影信号Δ
Ｃｎとを加算合成して６Ｍ　Ｖ　ｎを得、さらに後続の
速度形／位置形信号変換手段７へ導き、 ＭＶｎ−ＭＶｎ−１＋ΔＭ　Ｖ　ｎ なる演算を行って位置影信号Ｍ　Ｖ　ｎに変換する機能
を持っている。−・方、動特性補償系は、前記位置形フ
ィードフォワード制御信号ＦＦｎを動特性補償手段１４
で不完全微分して動特性補償信号Ｘｎを得、これを前記
速度形／位置形信号変換手段７の出力ＭＶｎと共に加算
手段８へ導入する。

ここで、ＦＦＦＦ御モデルｐ（ｓ）の一般式がら動特性
補償信号Ｘｎを求める例について述べる。

今、外乱伝達関数をＧ　ｏ　（Ｓ）　、プロセス伝達関
数をＧｐ（ｓ）とすると、前記ＦＦ制御モデルＧ。

（ｓ）は、 Ｇ□（Ｓ） Ｇ　ｐ　（Ｓ）　＝　に　Ｐ（ｓ） 細ｋＩＩ　ｆ（ｓ） −ｋ　（１＋　（ｆ（ｓ）−１）） ・・・（２） なる式により得られる。この（２）式において前段の下
線部分は静特性補償分を表わし、後段の下線部分は動特
性補償分を表わす。従って、動特性補償信号Ｘｎ（ｓ）
は、 Ｘｎ（ｓ）＝　　１ｆ（ｓ）−１）　　・Ｄｎｘ　Ｄ　
（Ｓ） ・・・（３） なる式により求めることができる。このようにして求め
た動特性補償信号Ｘｎを前述したように加算手段８に導
入し、信号変換手段７からの位置影信号Ｍ　Ｖ　ｎと加
算合成して操作信号Ｍｖｎ　’を得、この操作信号を制
御対象１に印加して目標値ＳＶｎとプロセスｆｆ１Ｐｖ
ｎとが一致するように制御する。

また、動特性補償系は、動特性補償手段１４の出力側に
信号レベル判別手段１５が設けられ、ここで動特性補償
信号Ｘｎと所定のレベル信号δとを比較し、 イ、　　δ＜１Ｘｎｌのとき、 スイッチ９をオフとし、 口、　　−δ≦Ｘｎ≦δのとき、 スイッチ９をオンとする。

つまり、非ランダム外乱の発生時、動特性補償が大きく
作用しているときにスイッチ９をオフ制御してＦＦ制御
のみを用い、動特性補償が小さい定常状態時にはスイッ
チ９をオン制御して（ＦＦ制御十ＦＢ制御）を組合せる
ことに、より、外乱の影響を抑制している。

（発明が解決しようとする課題） しかし、以上述べた従来のＦＦ制御による外乱補償状況
と、ＦＦ制御およびＦＢ制御の組合せ方式とを用いた制
御装置では次のような問題が指摘されている。

■、制御偏差が存在する状態で負荷などの変化で外乱が
入ると、動特性補償信号ｘｎが所定のレベル信号δより
も大きいときには、スイッチ９がオフしてＦＢ制御が切
離されるために、その分だけ制御整定か遅れる問題があ
る。

■、また、動特性補償分が大きく作用してＦＢ制御が切
離されている間に、検知不能な外乱や目標値の変更等が
発生すると制御偏差が大きくなり、本来ＦＦ制御中に偏
差を零にしておきたいにも拘らず、その大きな偏差がそ
のまま残ってしまい、この点でも制御整定か遅れる。

特に、最近のプラントでは、生産量が多くなったり、生
産スピードが高速になっており、このような過度的なバ
ラツキが品質に大きな影響を与える。そこで、かかる欠
陥を克服しフレキシブル・オートメーション時代に充分
に対処しうる装置とする必要がある。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、動特性補償
分の大きさに応じて調節演算動作を適切に機能させるこ
とにより、ＦＢ＄１１の空白をなくし制御整定を迅速に
行って制御性を改善す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） 本発明は上記課題を解決するために、フィードバック制
御系に、偏差に基づいて比例・積分または比例・積分・
微分調節演算を行う第１の調節演算手段と、前記偏差に
基づいて少なくとも積分を除く比例または比例・微分調
節動作を行う第２の調節演算手段と、前記動特性補償信
号のレベルが予め定めた所定のレベル範囲内にある定常
状態のときの信号を受けて前記第１の調節演算手段の出
力を選択し、前記動特性補償信号のレベルが前記所定の
レベル範囲内を越えた過度状態のときの信号を受けて積
分・微分動作または積分動作を停止するために前記第２
の調節演算手段の出力を選択する信号選択手段とを設け
た構成である。

さらに、本発明は、第１の調節演算手段と第２の調節演
算手段に最適値となる異なる比例ゲインを設定する構成
としたものである。

（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、外乱の発生に対し、その動特性補償信号が所定のレ
ベル範囲を越えた過度状態のとき、信号選択手段は第２
の調節演算手段を選択する。従って、この第２の調節演
算手段は少なくとも積分動作を除く比例または比例・微
分調節演算動作を行うことにより、過度状態時に有害と
なる積分動作を確実に停止でき、しかもＦＢ制御の空白
をなくして制御整定を速めることができる。

また、第１の調節演算手段と第２の調節演算手段にそれ
ぞれ定常状態および過度状態に合った比例ゲインを設定
することにより、過度状態時にＦＢ制御の偏差が大きく
なることがなくなり、制御性を改善できる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について第１図を参照して説明
する。なお、同図において第４図と同一部分には同一符
号を付してその詳しい説明は省略し、以下、特に従来装
置と比較して異なる部分について説明する。すなわち、
本装置では、偏差演算手段４の出力側に速度形ＰＩまた
は速度形ＰＩＤ（以下、これらを速度形ＰＩと総称する
）調節演算手段２１のほかに、速度形Ｐまたは速度形Ｐ
Ｄ（以下、これらを速度形Ｐと総称する）が設けられ、
かつ、外乱発生時に動特性補償手段１４で得られる動特
性補償信号Ｘｎの大きさに応じて前記両調節演算手段２
１．２２の出力を選択的に取出して前゛記加算手段６に
供給する信号選択手段２３が設けられている。

すなわち、本装置は、外乱発生を含む定常状態時に信号
選択手段２３が速度形ＰＩ：Ａ＠演算手段２１の出力を
選択して加算手段６に供給し、また、外乱の発生に対し
動特性補償信号が所定のレベル範囲を越えた。いわゆる
過度状態時に少なくとも偏差の蓄積効果を持つＩ動作ま
た゛はＩＤ動作を停止するとともにＦＢ＄１１１の空白
をなくすために少なくともＰ動作を生かすべく速度形Ｐ
調節演算手段２２の出力を選択して加算手段６に供給す
る構成である。

さらに、本装置は、定常状態と過度状態とに応じて速度
形ＰｌａｗＢ演算手段２１と速度形Ｐ調節演算手段２２
とに分けて個別にＦＢｉｌ；ｍ１ｌｌを実行できること
にがんがろ、各調節演算手段２１．２２の比例ゲインを
異なる値、つまりそれぞれの状態に応じて最適値を設定
す°るものである。すなわち、ＦＢ、＄−Ｉ１ｍの比例
ゲインは外乱補償の過度状態時の最適値と定常状態時の
最適値とは異なるものであり、以下、その比例ゲインの
最適値について述べる。

一般に、比例ゲインの最適値は、ＣＨＲ法（Ｋ。

Ｌ、Ｃｈｉｅｎ、Ｊ、Ａ、ＨｒｏｎｅｓＳＪ、Ｂ。

Ｒｅ５ｗ１ｃｋのＰＩＤ：Ｊ！Ｊ［公式）などにより求
めて初期値として設定した後、最終的には実際のｌ１ａ
Ｉ性を見ながら微ＩＲＭＩを行って決定している。

因みに、ＣＨＲ法による行過ぎなし、整定時間最小の外
乱抑制最適比例ゲインは下表のようになる。

但し、上表においてＴはプロセス時定数、ｋはプロセス
ゲイン、Ｌはプロセスの無駄時間を表わす。上表がらｒ
ＰＩＤ制御またはＰ！副制御とＰ制御とはその最適比例
ゲインが２〜３倍と大きく異なっており、従っ°て、定
常状態でのＰＩＤ制御またはＰＩ副制御過度状態でのＰ
制御に応じて個別に比例ゲインを設定することにより最
適制御を実現する。

次に、以上のように構成された装置の動作を説明する。

制御対象１からのプロセスＩｋ　Ｐ　Ｖ　ｎをプロセス
量検出手段２で検出し、このプロセス量ＰＶｎと目標値
設定手段３から出力されプロセス量の目標値ＳＶｎとを
偏差演算手段４に導き、ここで偏差信号ｅｎ　ｍ５Ｖｎ
−ＰＶｎを得る。

この偏差信号ｅｎは後続の速度形ＰＩ調節演算手段２１
および速度形Ｐ調節演算手段２２に送出されるが、この
とき定常状態時には信号選択手段２３は図示する如く位
置関係となっているので、ＦＢ制御系には速度形ＰＩ調
節演算手段２１が介挿されることになる。そこで、この
速度形ＰＩ調節演算手段２１は制御周期ごとにＰＩまた
はＰＩＤ調節演算を行って調節演算出力ΔＣｎを求めた
後、この調節演算出力ΔＣｎを加算手段６を介して速度
形／位置形信号変換手段７へ送出する。

この信号変換手段７では速度影信号を位置影信号に変換
した後、加算手段８を経由して操作信号ＭＶ’を得、こ
の操作信号ＭＶ’を用いて制御対象１を制御する。

ところで、生産量の変化または負荷の変化などによって
外乱が生じたとき、外乱量検出、手段１１はその外乱ｆ
ｆｉ　Ｄ　ｎを検出した後、この外乱Ｑ　Ｄ　ｎに係数
手段１２でフィードフォワードゲインｋを乗じて位置形
フィードフォワード制御信号ＦＦｎを得る。しかる後、
この位置形フィードフォワード制御信号ＦＦｎは静特性
補償分と動特性補償骨に２分され、そのうち前者の静特
性補償分では位置形フィードフォワード制御信号ＦＦｎ
を位置形／速度影信号変換手段１３へ導入し、前回値と
今回値との差分、つまり速度影信号△ＦＦｎを得、これ
を加算手段６に導き、ここで速度影信号ΔＦＦｎと速度
形調節演算出力△Ｃｎとを加算し得られた加算信号ΔＭ
　Ｖ　ｎを速度形／位置形信号変換手段７に供給する。

一方、後者の動作特性補償分では、動作特性補償手段１
４にて位置形フィードフォワード制御信号ＦＦｎを不完
全微分し、得られた不完全微分値。

つまり動特性補償信号Ｘｎを信号レベル判別手段１５お
よび加算手段８に供給する。この信号レベル判別手段１
５は、予め所定の上下限レベル値±δが設定され、前記
動特性補償信号Ｘｎと所定の上下限レベル値±δ（δ〉
０）とを比較し動特性補償信号Ｘ１が所定の上下限レベ
ル値±６を越えたと判断したとき・、過度状態である旨
の信号を信号選択手段２３に送出し、これにより信号選
択手段２３は速度形Ｐ調節演算手段２２を選択する。

つまり、信号選択手段２３は、−δ≦Ｘｎ≦δのとき（
定常状態時）ｂｃ間を接続し、一方、δくＸｎ　ｌのと
き（過度状態時）ａｃ間を接続する。

その結果、過度状態時、過度状態の制御にとって有害な
夏動作が停止され、速度形Ｐ調節演算手段２２によりＰ
またはＰＤ調節演算を行って調節演算出力△Ｃｎを得、
これを加算手段６に送出する。しかも、定常状態時に機
能する速度形ＰＩ調節演算手段２１と過度状態時で機能
する速度形Ｐ調節演算手段２２１ごそれぞれの状態に応
じて最適な比例ゲインを設定するので、制御整定の遅れ
がなくなり制御性を大幅に改善できる。

従って、以上のような実施例の構成によれば、非ランダ
ム外乱の発生に対し、ＦＦ制御の動作特性補償分が所定
のレベル範囲内にある。いわゆる定常状態にはｒＦＦ制
御十ＦＢ制御のＰＩまたはＰＩＤ制御」という組合せと
し、一方、動特性補償骨が所定のレベル範囲外にある。

いわゆる過度状態ではｒＦＦ＠御＋ＦＢ制御のＰまたは
ＰＤ制御」という組合せで制御することにより、過度状
態時にＦＢ＄ｉｌＩ＃の空白がなくなるばかりか、過度
状態の制御に有害な！動作がなくなり、速やかに制御整
定を実施できる。しかも、定常状態と過度状態ではそれ
ぞれＦＢ制御の比例ゲインが異なる最適値に設定してい
るので、制御性を改善セきる。

なお、上記実施例では、特に制御対象１の応答性につい
て問題にしなかったが、例えば応答性が非常に遅い場合
には第２図に示すように信号レベル判別手段１５の出力
側にタイマ手段３１を設け、動特性補償信号Ｘｎが所定
のレベル範囲外から所定のレベル範囲内に入ったとき、
タイマ手段３１で所定時間経過後に過度状態時の速度Ｐ
調節演算子段２２から定常状態時の速度形ＰＩ調節演算
手段２１を選択するように信号選択手段２３を制御する
ことにより、定常状態移行時にＦＦ制御が完全に応答を
示す時からＦＢ制御を生かすことができる。

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。

Ｃ発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、動特性補償分の大
きさに応じて調節演算動作を適切に機能させることによ
り、ＦＢ＄１ｍの空白をなくしつつ制御整定を迅速に行
うことができ、かつ、制御性を改善できるプロセス＄制
御装置を提供できる。

４、　ｒｌ！Ｊ面の簡単な説明 第１図は本発明に係わるプロセス制御装置の一実施例を
示す構成図、第２図は本発明の他の実施例を示す構成図
、第３図は外乱の種類を説明する外乱波形図、第４図は
従来装置の構成図である。

１・・・制御対象、３・・・目標値設定手段、４・・・
偏差演算手段、６・・・加算手段、７・・・速度形／位
置形信号変換手段、８・・・加算手段、１１・・・外乱
量検出手段、１２・・・係数手段、１３・・・位置形／
速度影信号変換手段、１４・・・動特性補償手段、１５
・・・信号レベル判別手段、２１・・・速度形ＰＩ調節
演算手段、２２・・・速度形Ｐ、３１節演算手段、２３
・・・信号選択手段、３１・・・タイマ手段。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）制御対象のプロセス量と目標値との偏差を偏差演
   算手段で取出しこの偏差に基づいて調節演算を行うフィ
   ードバック制御系と、外乱量にフィードフォワード係数
   を乗じて得られるフィードフォワード制御信号を用いて
   静特性補償および動特性補償を行うフィードフォワード
   制御系とを組合せてなるプロセス制御装置において、 前記フィードバック制御系は、前記偏差に基づいて比例
   ・積分または比例・積分・微分調節演算を行う第１の調
   節演算手段と、前記偏差に基づいて少なくとも積分を除
   く比例または比例・微分調節動作を行う第２の調節演算
   手段と、前記動特性補償信号のレベルが予め定めた所定
   のレベル範囲内にある定常状態のときの信号を受けて前
   記第１の調節演算手段の出力を選択し、前記動特性補償
   信号のレベルが前記所定のレベル範囲を越えた過度状態
   のときの信号を受けて少なくとも積分動作を停止するた
   めに前記第２の調節演算手段の出力を選択する信号選択
   手段とを備えたことを特徴とするプロセス制御装置。
2. （２）定常状態で調節演算を行う第１の調節演算手段お
   よび過度状態で調節演算を行う第２の調節演算手段のそ
   れぞれの比例ゲインを、前記状態ごとに最適となる値に
   設定する請求項１記載のプロセス制御装置。