JPH04205603A

JPH04205603A - 制御装置

Info

Publication number: JPH04205603A
Application number: JP34031490A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hiroi; 広井　和男
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1992-07-27
Anticipated expiration: 2013-06-18
Also published as: JP2766395B2

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、フィードバック制御系とフィードフォワード
制御系とを組み合せた制御装置に係わり、特に外乱信号
に追従するフィードフォワード制御モデル（以下、ＦＦ
制御モデルと呼ぶ）を改良した制御装置に関する。

（従来の技術）従来のこの種の制御装置においては、第４図に示すよう
に目標値Ｓｖと制御ｍ　Ｐ　Ｖとを偏差演算手段１に導
き、ここで（ＳＶ−ＰＶ）なる演算を行って偏差Ｅを求
めた後、この偏差ＥをＰＩＤ調節手段２に供給する。Ｐ
ＩＤ調節手段２では偏差Ｅが、零となるよ６うにＰＩま
たはＰＩＤ調節演算を実行し、得られた調節演算出力、
つまり調節信号を加算手段３に導入する。

一方、フィードフォワード制御系では、外乱信号りをＫ
　（１＋Ｔｒ　ｅ３　）　／　（１＋ＴＤ　−３）で表
される伝達関数をもつＦＦ制御モデル４によって外乱補
償信号を求めた後、この外乱補償信号を前記加算手段３
に導入する。

ここで、加算手段３は調節信号と外乱補償信号とを加算
して操作信号ＭＶを得た後、この操作信号ＭＶを制御一
対象５に印加して制御することにより制御量ＰＶを得る
構成である。

従って、この制御装置では、フィードバック制御系にフ
ィードフォワード制御系の外乱補償信号をフィードフォ
ワードすることにより、外乱による影響を抑制できる。

ところで、一般に、以上のようなＦＦ制御モ、デル４の
伝達関数ＧＦ（Ｓ）は、操作量→制御量間の伝達関数を
ＧＰ（Ｓ）、外乱−制御量間の伝達関数をＧＤ’（Ｓ）
とし、かつ、分母系列をもって表すと、Ｇｐ　（Ｓ）　”Ｋｐ　／　（１＋Ｔｐ−３＋Ｔｐ２・
Ｓ２十・・・・・・＋Ｔｐ、’Ｓ″）・・・（１）Ｇｏ　（Ｓ）　＝Ｋｏ　／　（１＋ＴＯ−−ｓ　＋ＴＤ
２−ｓ　２十・・・・・・＋ＴＰ７・５ｆｉ）・・・（２）・・・（３）のような式で表せる。但し、Ｋ、は制御対象ゲイン、Ｔ
Ｐは制御対象時定°数、Ｓはラプラス演算子、ＫＤは外
乱ゲイン、ＴＤは外乱時定数、Ｋｐ／ＫＤはＦＦ制御モ
デルゲインである。

ところで、この（３）式の伝達関数ＧＰ（Ｓ）は高次式
であるが、実際に制御装置に適用する段階では高次まで
特性を同定することは非常に難しいことであり、結局、
ＦＦ制御モデル４の実現の容易性、調整の容易性等を考
慮して１次式で近似するのが一般的である。ゆえに、実
際の制御装置では、なる１次式の伝達関数をもつＦＦ制御モデル４が使用さ
れている。

（発明が解決しようとする課題）従って、以上のような制御装置においては、ＦＦ制御モ
デル４が進み／遅れ伝達関数で表されているので、第５
図に示すように外乱信号りを前記（４）式に基づく進み
／遅れ伝達関数のＦＦ制御モデル４を通して外乱補償信
号を得、この外乱補償信号をＰＩまたはＰＩＤ調節信号
に加算合成して操作信号ＭＶを得ている。

しかし、実際のプロセス制御装置では、制御対象５の特
性が１次式で完全に近似できないこと、また制御対象ゲ
インＫＰｓ制御対象時定数Ｔ１、外乱ゲインＫＤ１外乱
時定数ＴＤ等が正確に測定できないなどの問題がある。

にも拘らず、従来のフィードフォワード制御系では、Ｆ
Ｆ制御の効果を最大限に発揮させるためにＦＦ制御モデ
ル４のＦＦ制御モデルゲインに１制御対象時定数ＴＰ％
外乱時定数ＴＤを調整することになるが、この調整が非
常に難しく、試行錯誤を繰り返さなければならない。こ
れはフィードフォワード制御の適用にあたって大きな欠
陥でもある。

次に、ＦＦ制御モデル４における制御対象時定数Ｔ、等
の調整が非常に困難な理由について第５図を用いて説明
する。今、前記（４）式に示す伝達関数を有し、かつ、
Ｋ−１とするＦＦ制御モデル４を用い、ユニットステッ
プ状の外乱（図示点線）が入力されたとき、前記（４）
式から次のような変形式、つまり・・・（５）＝　６− か得られるか、この式からも明らかなようにＦＦ制御モ
デル４からは図示実線で示す応答特性波形（イ）が出力
される。

その結果、例えば外乱時定数Ｔ。を調整するために変化
させると、第５図と前記（５）式から分かるように、Ｔ
Ｐ／ＴＤの大きさ、つまりＡ点の大きさが変化すると同
時に曲線（イ）の時定数、つまり曲線（イ）の傾きも変
化する。このことは、ＦＦ制御が最適となるように調整
したにも拘らず、これらＴ　Ｐ　％　”　Ｄの調整によ
って応答特性か複雑に変化し、最適点を探すのに非常に
困難となる。

特に最近の産業界では、外乱に弱いというＦＢ制御の不
可避的欠陥を解消する観点から、ＦＦ制御が有効な手法
として多用されているか、以上のような理由から調整が
非常に難しく手間がかかり、しかも調整に手間をかけた
割りには最適な結果が得られないというのが現状である
。

すなわち、ＦＦ制御は、外乱に弱いＦＢ制御の欠陥を克
服しプラント運転制御システムのフレキシブル化、高速
化、制御性を改善するために太きな期待をもっているに
も拘らず、以上述べた如く１次近似のＦＦ制御モデル４
ては正確に近似できないこと、また制御対象時定数ＴＰ
および外乱時定数ＴＤを正確に測定できないために制御
対象５の特性に合わせて最適になるようにプラントを見
ながら制御対象時定数ＴＰおよび外乱時定数ＴＤを調整
しているか、前述したように外乱時定数ＴＤを変更した
とき、外乱補償の初期値と外乱補償の遅れ時間ｆ１／　
（１＋Ｔｏ　−ｓ　）ｌ　の双方が変化するので非常に
調整が複雑となり、かつ、試行錯誤的に調整するので時
間がかかつている。

しかも、プラントには多数の制御装置が用いられている
か、その際、ＦＦ制御を多く適用すればする程大変であ
り、また実際のプラントの場合には時間をかけて調整す
ることや何どもプラントを変動させることは許されない
ので、不完全な調整のままで稼働させることも多い。

本発明は上記実情にかんかみてなされたもので、調整か
非常に簡単に行え、かつ、最適制御を迅速に実現しうる
制御装置を提供することを目的とする。

し発明の構成］（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、目標値と制御対象
からの制御量との偏差に基づいてＰＩまたはＰＩＤ調節
演算を行って調節信号を得るフィードバック制御系に対
し、外乱信号の影響を抑制するフィードフォワード制御
系の出力を加算して操作信号を得、この操作信号を印加
して前記制御対象を制御する制御装置において、前記フィードフォワード制御系に、の何れか１つの伝達関数をもつＦＦ制御モデルを設け、
前記外乱信号に対する追従動作を行う構成である。

（作用）従って、本発明は以上のような手段を講したことにより
、ＦＦ制御モデルにステップ状の外乱を与えたとき、応
答特性のＡに相当する「外乱補償の初期値」と同しく応
答特性の（イ）に相当する「外乱補償の初期値から最終
値に達するまでの補償遅れ時間」とか相互干渉なくそれ
ぞれ独立して設定でき、非常に簡単で短時間に最適な調
整を行うことかできる。

（実施例）以下、本発明の一大施例について第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する。本装置において
特に異なるところは、フィードフォワード制御系のＦＦ
制御モデル１０の伝達関数を改良したことにあり、以下
、第５図に示す従来の応答特性と対比しつつ本発明装置
のＦＦ制御モデル１０の伝達関数について説明する。

先ず、第２図は本発明装置のＦＦ制御モデル１０による
応答特性であるか、このＦＦ制御モデル１０の伝達関数
Ｇｐ（Ｓ）としては、・・・（６）で表わされる。但し、α：α。−ＴＰ／ＴＤ（Ｔｐ：制
御対象時定数の測定値、ＴＤ：外乱時定数の測定値）を
初期値として調整する０〜１０程度まで設定可能な定数
、β−β。−１を初期値として調整する０〜１０程度ま
で設定可能な定数、Ｋ（ＦＦ制御モデルゲイン）　＝Ｋ
ｏ　／　Ｋｐ　　（Ｋｏ　’外乱ゲイン、ＫＰ：制御対
象ゲイン）であり、第２図ではに−１としている。

ゆえに、前記（６）式から言えることは、αについては
制御対象時定数の測定値Ｔ１、外乱時定数の測定値ＴＤ
から初期値α。−Ｔ　ｐ　／　Ｔ　ｏを設定できる一方
、βについてはβ。−１を初期値として設定する。従っ
て、この状態ではβを変化させても、αの値、つまり第
２図に示す外乱補償の初期値であるＢ点は不変であり、
外乱補償の初期値Ｂ点から最終値に達するまでの遅れ時
間が（ロ）式の１／（１＋βＴＤ−８）によって変化す
るだけとなる。

このことは、αによって「外乱補償の初期値」が決定さ
れ、βによって［外乱補償の初期値から最終値に達する
までの遅れ時間」が決定され、ざらにβを変化させた場
合でもαの値は不変である。

一般に、プロセスの制御上、第２図のαは初期段階で定
めればその後可変することが少なく、専ら（ロ）の傾き
を必要に応じて変えることが多いが、このときでもαの
値は何ら変わらない。

ゆえに、α、βはそれぞれ目的をもって設定することが
可能となり、かつ、βを変えても従来技術のように初期
値αには全く影響を与えないので、調整が非常に簡単に
なる。

因みに、前記（６）式からＦＦ制御モデル１０の伝達関
数要素は第３図に示すような構成となる。

すなわち、外乱信号りに係数αを乗算する係数手段１１
と、外乱信号りから係数手段１１の出力を減算する減算
手段１２と、この減算手段１２の出力に遅れを持たせる
１次遅れ要素１３と、前記係敵手段１１の出力に１次遅
れ要素１３の出力を加算する加算手段１４とによって構
成される。

さらに、前記（６）式に示すＦＦ制御モデル１０の伝達
関数を等価変換すれば、・・・（８）を得ることができる。

従って、第１図に示すＦＦ制御モデル１０は第４図に示
す（７）式の伝達関数をもって構成したものであるが、
前記（６）式または前記（８）式を用いた場合でも、第
１図と全く同様な機能を達成できる。

なお、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、ＦＦ制御モデルと
して、「外乱補償の初期値」と「外乱補償の初期値から
最終値に達するまでの遅れ時間」を相互干渉なしに独立
に設定でき、調整が非常に簡単に行うことができ、ひい
ては最適制御を迅速に実現できる。

その結果、プラント制御システムへのフィードフォワー
ド制御の適用を拡大でき、フィードフォワード制御を最
適状態に調整して使用することにより、プラント運転の
フレキシブル化、高速化、制御性の向上に大きく貢献さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明に係わる制御装置の一実施
例を説明するために示したもので、第１図は本発明装置
の構成図、第２図は本発明によるＦＦ制御モデルとその
応答特性を説明する図、装置によるＦＦ制御モデルとそ
の応答特性を説明する図である。ＳＶ・目標値、ＰＶ・・・制御量、ＭＶ・・・操作量、
１・・・偏差演算手段、２・・調節演算手段、３・・・
加算手段、５・・制御対象、１０・・・ＦＦ制御モデル
。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims

【特許請求の範囲】目標値と制御対象からの制御量との偏差に基づいてＰＩ
（Ｐ：比例、Ｉ：積分）またはＰＩＤ（Ｄ：微分）調節
演算を行って調節信号を得るフィードバック制御系に対
し、外乱信号の影響を抑制するフィードフォワード制御
系の出力を加算して操作信号を得、この操作信号を印加
して前記制御対象を制御する制御装置において、前記フィードフォワード制御系に前記外乱信号に追従動
作するための下記（イ）式ないし（ハ）式の何れか１つ
の伝達関数をもつフィードフォワード制御モデルを設け
たことを特徴とする制御装置。Ｋ（１＋αβＴ＿Ｄ・Ｓ）／Ｋ＋βＴ＿Ｄ・Ｓ・・・（
イ）Ｋ｛α＋（１−α）［１／１＋βＴ＿Ｄ・Ｓ］｝・
・・（ロ）Ｋ｛１＋［（α−１）βＴ＿Ｄ・Ｓ／１＋β
Ｔ＿Ｄ・Ｓ］｝・・・（ハ）但し、上式においてＫ（フ
ィードフォワード制御モデルゲイン）＝Ｋ＿Ｄ／Ｋ＿Ｐ
（Ｋ＿Ｄ：外乱ゲイン、Ｋ＿Ｐ：制御対象ゲイン）、α
＝Ｔ＿Ｐ／Ｔ＿Ｄ（Ｔ＿Ｐ：制御対象時定数）を初期値
とする０〜１０程度まで設定可能な定数、β＝１を初期
値とする０〜１０程度まで設定可能な定数、Ｔ＿Ｄ：外
乱時定数、Ｓ：ラプラス演算子である。