JPH02307101A - 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ｇｆ］ 本発明は、各種のプロセス計装制御システムに利用する
：ＡＷ１装置に係わり、特にＰｌまたはＰＩＤ（Ｐ：比
例、！＝積分、Ｄ＝微分）調節演算によって得られる調
節信号が予め定めた信号制限値を越えたときの制御応答
性を改善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、あらゆる産業分野で利用さ
れているが、その中でもプラントの運転制御には必要不
可欠なものとなっている。

従来からＰＩＤ演算方式にはアナログ演算方式とディジ
タル演算方式の２通りがあり、そのうちつい最近までは
アナログ演算方式が主流をなしていたが、現在ではディ
ジタル演算方式がその主流をなすに至っている。

ところで、アナログ演算方式におけるＰＩＤアルゴリズ
ムは次のような基本式にしたがって演算を行っている。

ＭＶ−ＫＰｌｅ＋（１／Ｔ＋）、ｆｅｄｔ＋Ｔｏ（ｄｅ
／ｄｔ）ｌ＋ＭＶｏ　　　−ａ）但し、上式においてＭ
Ｖは操作量、ｅは偏差。

ＫＰは比例ゲイン、ＴＩは積分時間＋　ＴＯは微分時間
、ＭＶｏは操作量の初期値である。

そこで、この（１）式のＰＩＤアルゴリズムの基本式を
用いてディジタル演算方式を実行する場合、予めサンプ
リング周期τを定め、そのサンプリング周期τごとに必
要なデータを取込んで演算を行うことになる。例えば現
サンプリング時点をｎτ（ｎは整数）とし、その１つ前
のサンプリング時点を（ｎ−１）τとすれば、プロセス
制御系から得られる現サンプリング時点の偏差はｅＱ。

前回のサンプリング時点の偏差はｅ　ｎ−１で表わすこ
とができる。

しかも、このディジタル演算方式には２通りの演算方式
が考えられており、その１つは位置形演算方式であり、
他の１つは速度形演算方式である。

前者の位置形演算方式は各サンプリング時点ごとに全体
の操作量Ｍ　Ｖ　ｎを直接計算する方式であり、一方、
後者の速度形演算方式は今回のサンプリング時点で変化
操作量ΔＭ　Ｖ　ｎのみを求め、前回の操作量ＭＶｎ−
１に今回求めた変化操作量△Ｍ　Ｖ　ｎを加えることに
より、今回の操作ＥＩ　Ｍ　Ｖ　ｎをｊｒ′する方式で
ある。従って、速度形演算方式はＭＶｎ＝ＭＶｎ−１＋
ΔＭ　Ｖ　ｎ で表わされる。

そこで、前記（１）式のＰＩＤアルゴリズムの基本式に
したがって位置形演算方式と速度形演算方式を実行する
場合、位置形演算方式では、ＭＶｎ−Ｋｐｌｅｎ＋（ｒ
／Ｔ＋））Ｅｌ：　ｅ１＋（Ｔｏｍ）（ｅｎ−ｅｎ−１
）ｌ＋ＭＶ０・・・（２） なるＰＩＤアルゴリズムを用いて演算を行い、一方、速
度形演算方式では、 なるＰＩＤアルゴリズムに基づいて演算を行う。

ここで、（２）式と（３）式のＰＩＤアルゴリズムにつ
いて検討するかぎり、（２）式の位置形よりも（３）式
の速度形ＰＩＤアルゴリズムが種々の面で優れている。

その理由は、積分項からΣがなくなって演算が簡単にな
ること、ディジタルコントローラ自体を手動から自動に
切換えるとき、現時点の操作量を（３）式のＭ　Ｖ　ｎ
−１に代入して自動制御を行い次のサンプリング時点か
らＭＶｎ−１に変化操作量ΔＭ　Ｖ　ｎを加えればよい
ので、いわゆる手動−自動切換のバランスレス・バンプ
レス切換が簡単に行えること、予め前回の実際の操作量
ＭＶｎ−１に制限を与えておけば極端に積分項を清算し
ていくことがなくなって、いわゆる積分項によるリセッ
トワインドアップを簡単に防止できること、さらに操作
量の変化分だけを求めるので１回の出力変化を制限した
り、あるいはゲインを修正したりする必要がなく、また
他の信号との複合演算処理が容易に行えること等の利点
があり、この観点からＤ　Ｄ　Ｃ（Ｄｌｒｅｃｔ　Ｄｉ
ｇｉｔａｌＣｏｎｔｒｏｌ　）に速度形演算方式が広く
利用されている。

しかし、一般的には、アナログ演算方式、位置形ディジ
タル演算方式、速度形ディジタル演算方式のいずれを採
用するにせよ、制御対象に対して急激な変化を与えない
ために変化率制限手段を設け、あるいは過大な信号や過
少な信号を与えないために上下限制限手段を設けること
により、ＰＩＤ調節演算出力を制限する機能をもたせて
いる。これら信号制限手段は、制御対象の制約条件。

特性、制御上のニーズなどに加え、安全、かつ、安定な
制御を行うのに必要不可欠なものである。

従って、以上述べたように各種の演算方式において制限
手段を設けない場合には、全く問題なく安全性や安定性
等に欠けることになるが、本発明者によって変型なるシ
ミュレーション実験を繰返していく過程において調整信
号に制限を加えた場合でも一律に安全、かつ、安定なも
のでなく、また制限の状態に応じて制御応答性が著しく
低下することが分った。

次に、以上のような点に着目しつつ第３図を参照して従
来の複合形ディジタルＰＩＤ演算方式の調節装置につい
て説明する。すなわち、この調節装置は、減算手段１に
て現在目標値ＳＶｎから現在のプロセス変数値ＰＶｎを
減算して偏差ｅｌを得た後、この偏差ｅｎを位置形比例
調節演算手段２、速度形積分調節演算手段３および位置
形微分調節演算手段４にそれぞれ導入する。この位置形
比例調節演算手段２は前記（２）式の比例項、つまり ｋＰ　・ｅｌ なる調節演算を行い、得られた比例調節演算成分を加算
手段５に導入する。また、速度形積分調節演算手段３で
は前記（３）式の積分項、つまりＫｐ費（τ／Ｔ＋）ｅ
ｎ なる演算を行って積分調節演算成分ΔＭＶ、。を得た後
、この積分調節演算成分ΔＭ　Ｖ　１　ｍを速度形−位
置影信号変換手段６で位置影信号ＭＶ、、に変換して加
算手段５に導入する。さらに、位置形微分調節演算手段
４では前記（２）式の微分項、つまり Ｋｐ　　　・　　（Ｔｏ　　／　　ｒ）　　　’　　　
（ｅｎ　　　　　ｅｎ−１）なる演算により微分調節演
算成分を得た後、同様に加算手段５に導入する。

以上のようにして比例・積分・微分の調節演算成分を得
た後、これら調節演算成分を加算手段５で加算合成して
ｉｓｗＪ信号ＭＶｎ’を得、この調節信号ＭＶｎ　’を
変化率制限手段７に供給する。この変化率制限手段７は
調節信号ＭＶｎ’を制御対象８の制約条件０等に適合し
た操作信号Ｍ　Ｖ　ｎとした後、制御対象８に印加して
ｅｎ　＝Ｏ，つまり５Ｖｎ−ＰＶｎとなるように制御す
る。

（発明が解決しとようとする課題） 従って、一般の調節装置においては、目標値ＳＶｎや外
乱によるプロセス変数値等の急激な変化に対し、操作信
号Ｍ　Ｖ　ｎは理論的に大きな変化となって制御対象８
に加わるので、制御系を構成する各構成要素が破損、短
寿命化、製品の品質低下等を招くことになるが、第３図
の如き変化率制限手段７を設けていれば、調節演算手段
側から送られてくる調節信号の変化率が制御対象８の制
約条件の下に制限され、以上のような種々の問題を防ぐ
ことができる。

しかし、本発明者において実際に変化率制限手段７を設
けてシミュレーション実験を重ねてみると、以外にも第
４図に示すように変化率の制限状態に応じて制御応答に
大きな影響が出ていることが分った。つまり、第４図に
示す（イ）は変化率制限値ΔＭＶｎ−１０％とした状態
で目標値ＳＶｎを２０％変化させたときのＰｖ応答、（
イ）′は同じ条件下のＭＶ応答を示し、同図（ロ）は変
化率制限値ΔＭＶｎ　−３％とした状態で目標値ＳＶｎ
を２０％変化させたときのＰｖ応答、（ロ）′　は同じ
条件下のＭＶ応答を示す。従って、この応答特性から明
らかなように、ＰＩＤパラメータを同一とした場合でも
、変化率制限値に応じてｆｆｉ１ｇａ応答が大きく変化
し、しかも一般的推測とは逆に大きくオーバーシュート
してしまう。

従って、以上のような従来装置では、 ■、変化率制限値の大きさに応じて制御応答が変化し、
特に制限値を小さくしたときにオーバーシュートが大き
くなってしまう。これはプラントの安全性や製品の品質
に悪影響を与える問題がある。

■、そこで、変化率制限値の大きさに応じて最適ＰＩＤ
パラメータを調整する必要があるが、かかる変化率制限
値との関係から一般的なＣＨＲ法などのＰＩＤパラメー
タ調整公式が適用できないので、ＰＩＤパラメータの調
整作業が非常に厄介なものとなる。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、ＰＩＤパラ
メータの調整を不要として信号制限値の大きさに応じて
最適な制御を実現でき、よって制御応答性に優れ、計装
システムの安定性、安全性に寄与しうる調節装置を提供
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、請求項１記載の発
明においては比例・積分または比例・積分・微分調節演
算を行って調節信号を得、この調節信号を信号制限手段
を通して得られる操作信号を前記制御対象に印加して制
御する調節装置において、前記信号制限手段の入力値と
出力値との差の信号を得る差信号取得手段を設け、かつ
、この差信号取得手段の出力側に前記差信号が前記信号
制限手段で定めた変化率または上下限の制限値に到達し
たか否かを判別する信号判別手段を設け、この信号判別
手段で信号制限値に到達していると判別したとき積分調
節演算出力を停止して積分調節出力成分をホールド状態
に設定する積分出力ホールド設定手段を設けた構成であ
る。

次に、請求項２記載の発明は、信号制限手段の入力値と
出力値とを比較する比較判別手段と、この比較判別手段
で前記入力値と出力値が不一致のとき積分調節演算出力
を停止して積分調節出力成分をホールド状態に設定する
積分出力ホールド設定手段とを設けた構成である。

（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
、偏差演算手段でプロセス変数値と目障値との偏差を求
めた後、この偏差を比例・積分または比例・積分・微分
調節演算を行って調節信号を得、さらにこの調節信号を
信号制限手段で制限しながら制御対象に印加するための
操作信号を得るが、このとき差信号取得手段にて信号制
限手段の人力信号と出力信号との差を求めた後前記信号
判別手段に導入する。この信号判別手段では前記差信号
が信号制限値に到達したと判別したとき、前記積分調節
演算出力を停止して積分調節出力成分をホールドするこ
とにより、ＰＩＤパラメータを変えることなく積分調節
演算成分による蓄積効果を除去してオーバーシュートを
なくすことができる。

次に、他の発明においては、比較判別手段で前記信号制
限手段の入力信号と出力信号とを比較し、両信号が不一
致の場合には同様に前記積分調節演算出力を停止して積
分調節出力成分をホールドするものである。

（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３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する。特に、本装置に
おいて従来装置と比較して異なるところは、変化率制限
手段７の入力信号と出力信号とを取込んでこれら両信号
の差の信号を得る差信号取得手段１１を設けたこと。こ
のような構成とした理由は、入力信号−出力信号か、ま
たは入力信号キ出力信号かを判断することにある。

また、前記差信号取得手段１１の出力側に信号判別手段
１２を設け、前記差信号取得手段１１の入・出力状態が
零のとき、すなわち入力信号−出力信号のとき操作信号
に全く変化がないと判断し、この場合には積分動作によ
る蓄積効果を行っていないことを知ることができ、一方
、入力信号キ出力信号の関係のときその差信号がら変化
率の大きさ、ひいては変化率制限手段７で予め定めた変
化率制限値を越えたことを判断し、この場合には積分動
作による蓄積効果によって制御応答が目障値をオーバー
シュートする危険があることを知ることにある。

さらに、前記信号判別手段１２によって変化率制限値を
越えた判別したとき前記積分調節演算出力を停止して積
分調節出力成分をホールド状態に設定する積分出力ホー
ルド設定手段を設けたものである。この積分出力ホール
ド設定手段は、具体的には速度形積分調節演算手段３と
速度形−位置影信号変換手段６の間にスイッチング手段
１３を設け、信号判別手段１２で差信号取得手段１１か
らの差信号が変化率制限値を越えたと判別したとき前記
スイッチング手段１３を非導通開状態にし、速度形積分
調節演算手段３からの積分調節演算出力を停止して信号
変換手段６にて積分調節出力成分をホールドする構成で
ある。

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１では目標＠　Ｓ　Ｖ　ｎと制御対象８の
プロセス変数＠　Ｐ　Ｖ　ｎを取込んで（ＳＶｎ　−Ｐ
Ｖｎ　）なる演算を行って偏差信号ｅｎを得た後、速度
形積分調節演算手段３１位置形比例調節演算手段２およ
び位置形微分調節演算手段４に送出する。これらの演算
手段３，２．４では偏差信号ｅｌを受けてそれぞれ個別
に速度形積分調節演算１位置形比例調節演算および位置
形微分調節演算を実行する。そのうち、速度形積分調節
演算手段３で得られた積分調節演算出力Δ！ｎはスイッ
チング手段１３を経て速度形−位置影信号変換手段５で
位置形信号Ｉｎに変換された後、位置形比例調節演算手
段２の出力および位置形微分調節演算手段４の出力とと
もに加算手段５へ導入される。この加算手段５は積分。

比例、微分調節演算出力を加算合成して調節信号ＭＶｎ
　’を得、後続の変化率制限手段７に送出するが、ここ
では操作信号Ｍ　Ｖ　ｎに対する調節信号ＭＶｎ’の変
化率が予め定めた変化率制限値に達したとき変化率制限
値で制限された状態の操作信号Ｍ　Ｖ　ｎを、また変化
率が予め定めた変化率制限値内のとき何ら制限されずに
調節信号をそのまま操作信号Ｍ　Ｖ　ｎとして制御対象
８に印加し、ｅｎ−０，つまりＳ　Ｖｎ　−Ｐ　Ｖｌと
なるように制御する。

ところで、この制御対象８の制御時、差信号取得手段１
１は変化率制限手段７の入力信号ＭＶｎ’　と出力信号
Ｍ　Ｖ　ｎとを取込んでその両信号の差の信号を求めて
信号判別手段１２へ送出すると、ここでは差信号取得手
段１１の出力ＥｎがＥ　ｎｚ　Ｑのとき、つまりＭＶｎ
　’　ｘＭＶｎのとき スイッチング手段１３を非導通状態とし、一方、Ｅｎ　
＃Ｏ（Ｄとき、つまりＭＶｎ”ｐＭＶｎのとき スイッチング手段１３を導通状態に設定する。すなわち
、ｌ：１ａＱ、つまりＭＶｎ　’　ｚＭＶｎ　（１）と
き調節信号ＭＶｎ　’が変化率制限手段７の変化率制限
値に引掛っておらず、スイッチング手段１３は導通状態
に設定されている。このとき、速度形積分調節演算手段
３では前記（３）式の速度形積分調節演算に基づき、 ΔＩｎ−１（ｋｐ・ｒ）／Ｔ＋ｌｅｎ　　・＝（４）な
る積分調節演算出力を得、この演算出力△Ｉｎがそのま
まスイッチング手段１３を経て信号変換手段６へ導き、
ここで同じく前記（３）式に基づき、 Ｉ　ｎ　−Ｉ　ｎ−１＋ΔＩｎ　　　　　　　　−Ｃ５
）により位置形積分信号Ｉｎに変換した後、後続の加算
手段５に導入する。

一方、Ｅｌ＊Ｑ、つまりＭＶｎ　’　＃ＭＶｎ　のとき
、信号判別手段１２は少なくとも目標値ＳＶｎまたは外
乱等の変化により調節信号ＭＶｎ’が変化率制限手段７
で定めた変化率制限値に引掛っていると判断し、このと
きにはスイッチング手段１３を非導通状態に設定する。

その結果、信号変換手段５の人力信号△Ｉｎは、 △Ｉｎ　−０・・・（６） となるので、当該信号変換手段５からは前記（５）式に
基づいて、 Ｉｎ−Ｉｎ−１・・・（７） なる位置形信号が出力する。つまり、速度形積分調節演
算手段３の積分調節演算出力が停止し、積分１週節出力
成分はホールド状態となって加算手段５へ送られる。

従って、以上のような実施例の構成によれば、変化率制
限手段７の入・出力信号の差信号を取込み、信号判別手
段１２にてその差信号が変化率制限値に引掛っている場
合には積分動作を停止して調節信号中の積分調節成分を
ホールド状態に設定するので、例えば第４図に示す如く
目障値のステップ応答に対してオーバーシュートさせず
に整定できる。すなわち、従来装置においては第４図（
ａ）、（ｂ）から明らかなように、変化率制限手段７の
変化率制限値を小さくしていくと、制御応答におけるオ
ーバーシュートが徐々に増大していく。例えば変化率制
限値が１０％のとき図示（イ）に示すような目標値のス
テップ応答を示し、そのときの操作量は（イ）′となる
のに対し、変化率制限値が３％のときには図示（ロ）に
示す目標値のステップ応答１因示（ロ）′のような操作
量が得られる。このことは、本来、目標値を変化させた
とき、操作信号ＭＶｎは大きく変化したいが変化率の制
限を受けるために徐々に増加していくことになる。この
間、偏差演算手段１で得られる偏差ｅｎは大きくなって
いくが、これは速度形積分調節演算手段３で積分調節演
算を行って偏差ｅｎを積分しながら蓄積していくためで
ある。従って、時間の経過ととともに偏差ｅｎが小さく
なっていくと、比例および微分調節演算成分が零になっ
てしまうが、積分調節演算動作による蓄積性だけが残り
、これが目標値のステップ応答を大きくオーバーシュー
トさせてしまうことになる。

また、前記（１）式に基づきＰＩＤ制御の本質について
考えたとき、次のような表をまとめることができる。

従って、上表から調節信号ＭＶｎ　’が変化率制限値に
引かかったとき、積分調節演算動作に限り信号の切捨て
が可能であるが、比例および微分調節演算動作の場合に
は信号の切捨ては不可能である。

そこで、以上の観点からも本装置は、変化率制限値に引
かかったとき積分調節演算動作による蓄積動作を解除す
ることにより、第４図に示す（ハ）の如く変化率制限値
３％の場合には従来装置と同様なステップ応答で増加す
るも、信号判別手段１２によりスイッチング手段１３を
非導通状態とするので、比例・微分調節成分に追随して
増加するが、ある時間を経過したときには比例・微分調
節成分が零となるのでそれに応じて目標値に落着く。す
なわち、目標値の変化に対して偏差を蓄積する機能がな
くなり、しかも容易に切捨て可能な積分調節演算成分を
切捨てることによってＰＩＤ制御の本質を適切に継承す
ることができる。

次に、請求項２記載の発明の一実施例について第２図を
参照して説明する。この実施例は、変化率制限手段７の
入・出力側に比較判別手段２１を設け、この比較判別手
段２１にて変化率制限手段７の入力信号ＭＶｎ　’　と
出力信号Ｍ　Ｖ　ｎとを比較し、 ＭＶｎ’　１Ｍ　Ｖ　ｎのとき・・・・・・スイッチン
グ手段１３を導通状態、 ＭＶｎ　’　却ＭＶｎのとき・・・・・・スイッチング
手段１３を非導通状態 に設定する構成である。

従って、この装置によれば、第１図と同様にスイッチン
グ手段１３が導通状態のときには正常な積分調節演算成
分が作用し、スイッチング手段１３が非導通状態のとき
には積分調節演算出力が阻止され、信号変換手段５から
は操作信号がそのままホールドされて出力することにな
る。

なお、上記実施例ではＰＩＤ調節演算について述べたが
、ＰＩ調節演算を行う制御系であっても同様に適用でき
る。また、信号制限手段として、変化率制限値を用いて
説明したが、例えば上下限で制限してもよい。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、比例・積分または
比例・積分・微分調節演算出力を加算合成して得られる
調節信号が所定の信号制限値に達したとき、積分動作を
停止して積分調節演算成分のみをホールドするので、目
標値または外乱の変化時に積分調節演算動作による蓄積
効果がなくなり、ひいては制御応答でのオーバーシュー
トをなくすことができ、操作信号の行き過ぎを防いで高
精度で安定、かつ、安全な制御を実現でき、よってプラ
ントのフレキシブル運転制御に十分に対処できる。しか
も、調節信号に対する制限状態に応じて最適な制御を行
うためにＰＩまたはＰＩＤパラメータを変える必要がな
く、このことは一般に使用されるＣＨＲ法などのＰＩＤ
パラメータ調整公式を使用でき、変化率制限値に応じて
ＰＩＤパラメータの再チユーニングが不要となる。

【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従来装置と
本発明装置との制御応答を説明する図である。 １・・・偏差演算手段、２・・・位置形比例調節演算手
段、３・・・速度形積分調節演算手段、４・・・位置形
微分調節演算手段、５・・・加算手段、６・・・信号変
換手段、７・・・変化率制限手段、８・・・制御対象、
１１・・・差信号取得手段、１２・・・信号判別手段、
１３・・・スイッチング手段、２１・・・比較判別手段
。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 図面の浄書（内容に変更な切 第４図 手続補正書坊式） ％式％ １、事件の表示 特願平１−１２８３０８号 ２、発明の名称 調節装置 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 （３０７）　　株式会社　東芝 ４、代理人 東京都千代田区霞が関３丁目７番２号 ７、補正の内容 （１）図面第４図に別紙の通り付図番号ｒ（ａ、）」、
ｒ　（ｂ）Ｊを加入する。（内容に変更なし）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）制御対象からのプロセス変数値と目標値との偏差
   を用いて比例・積分または比例・積分・微分調節演算を
   行って調節信号を得、この調節信号を信号制限手段を通
   して得られる操作信号を前記制御対象に印加して制御す
   る調節装置において、前記信号制限手段の入力値と出力
   値との差の信号を得る差信号取得手段と、この差信号取
   得手段によって得られた差信号が前記信号制限手段で定
   めた信号制限値に到達したか否かを判別する信号判別手
   段と、この信号判別手段で信号制限値に到達したと判別
   したとき前記積分調節演算出力を停止して積分調節演算
   出力成分をホールド状態に設定する積分出力ホールド設
   定手段とを備えたことを特徴とする調節装置。
2. （２）制御対象からのプロセス変数値と目標値との偏差
   を用いて比例・積分または比例・積分・微分調節演算を
   行って調節信号を得、この調節信号を信号制限手段を通
   して得られる操作信号を前記制御対象に印加して制御す
   る調節装置において前記信号制限手段の入力値と出力値
   とを比較する比較判別手段と、この比較判別手段で前記
   入力値と出力値が不一致であると判別したとき前記積分
   調節演算出力を停止して積分調節演算出力成分をホール
   ド状態に設定する積分出力ホールド設定手段とを備えた
   ことを特徴とする調節装置。