JPH04227501A - 比例積分制御器の積分項のランナウエイを防止する装置及び方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大略、プログラム可能
論理制御器に関するものであって、更に詳細には、プロ
セス、即ち処理を制御するためのプログラム可能、即ち
書込み可能の論理制御器と関連して使用されるフィード
バックシステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】プログラム可能論理制御器（ＰＬＣ）は
、プロセス制御技術において比較的最近開発されたもの
である。プロセス制御の一部として、プログラム可能論
理制御器は、制御プロセスにおいて発生するイベント及
び条件を報告する多様な入力モジュール（入力センサ）
からの入力信号をモニタするために使用される。例えば
、ＰＬＣは、モータ速度、温度、圧力、体積流量などの
ような入力条件をモニタすることが可能である。特定の
入力信号又は条件に遭遇した場合にどの様な態様を行な
うかということをＰＬＣへ命令するために、制御プログ
ラムがＰＬＣ内のメモリ内に格納されている。入力セン
サによって供給されるこれらの入力信号に応答して、Ｐ
ＬＣは、出力信号を派生し且つ発生させ、該信号は、該
プロセスを制御するために種々の出力装置へ送給される
。例えば、ＰＬＣは、モータの速度を上げたり下げたり
するための出力信号を発生し、リレーを開閉するための
出力信号を発生し、温度を上下させるための出力信号を
発生し、又圧力及びその他の可能な制御機能を調節する
ための出力信号を発生する。

【０００３】フィードバックシステムは、しばしば、こ
の様なプログラム可能論理制御器と共に又はその内部に
おいて使用される。この様な従来のフィードバックシス
テムの一例を、フィードバックシステム１０として図１
において簡単化したブロック図の形態で示してある。シ
ステム１０においては、モータ１５を選択した速度で駆
動することが所望されていると仮定する。モータ１５を
選択した速度で回転させることの命令を与えるために、
命令信号が発生される。しかしながら、モータ１５へ印
加される前に、この命令信号はプロセシング、即ち処理
を必要とする。この命令信号は、加算接続点２０の正ポ
ートへ印加される。加算接続点２０の出力は、それらの
間に結合されている比例積分微分（ＰＩＤ）制御器２５
を介して、モータ１５の制御入力端へ印加される。モー
タ１５の速度は、センサ３０によって検知され、該セン
サは、モータ１５の速度の表示を加算接続点２０の負ポ
ートへ供給する。モータ１５の実際の速度と命令信号に
よって与えられる速度との間に差異が存在する場合には
、加算接続点２０の出力端において対応する誤差信号が
発生される。しかしながら、モータ１５の速度が命令信
号によって指示された速度に到達すると、加算接続点２
０の出力端にはほとんど又は全く誤差信号が発生される
ことはない。

【０００４】フィードバックシステム１０の例において
は、ＰＩＤ制御器２５が、この誤差信号を解釈し、且つ
モータ１５が命令信号によって指示されたものと関連す
る速度で回転すべく指示を与える。より詳細に説明する
と、どの様なものであっても、誤差信号がＰＩＤ制御器
１５へ印加されることに基づいて、制御器１５は制御変
数信号（ＣＶ）を発生し、該信号は、比例項と、積分項
と、微分項とを有している。その比例項は、任意の時刻
における誤差信号の大きさと比例的に関係している。そ
の積分項は、該誤差信号が正である場合に時間と共に寸
法が増加し、且つ該誤差信号が負である場合に時間と共
に寸法が減少する。誤差がゼロに減少すると、積分項に
起因するＣＶ信号の部分は、実際には、モータを該選択
した速度に保持する。微分項は、例えばモータの始動時
において大きな初期的な衝撃が所望される場合又は小さ
な誤差信号を強調する場合などにおいて使用される。特
定のＰＩＤ制御器の比例項と、積分項と、微分項の特定
の関係は、当業者にとって公知のＰＩＤ制御アルゴリズ
ムで便宜的に表現される。

【０００５】上述した如きＰＩＤ制御器２５は、プログ
ラム可能論理制御器の動作を制御する制御プログラムに
おいて実現することが可能である。スリューレート制限
型出力を必要とする典型的なＰＩＤ適用においては、制
御変数ＣＶに関するクランプの形態で別個のスリューレ
ート限界が制御変数（ＣＶ）の出力に課される。この機
能は、制御プロセス（図１の例におけるモータ１５）へ
印加する前に制御信号を制限すること以外、どの様な形
態においてもＰＩＤ制御アルゴリズムと干渉することは
ない。

【０００６】プロセスにおけるモータ及びその他の被制
御装置は、しばしば、被制御装置へ損傷が与えられる虞
れのために、超えるべきでない有限の動作限界を有して
いる。例えば、モータは、それと関連する定格の速度限
界を有している。モータの定格速度を超えることがない
ように確保する一つの方法は、モータによって受取られ
る被制御変数信号がモータを過剰な速度とするように大
きくなることがないようにモータの入力をクランプする
ことである。このことは、モータが過剰速度条件となる
ことを防止するが、この様な最大信号限界によってその
他の問題が発生される場合がある。例えば、命令信号に
よって表わされる選択したモータ速度が最大許容可能モ
ータ速度よりも大きい場合には、モータ速度が制限され
ることとなる。モータは選択した速度に到達することは
なく、且つ加算接続点の出力端における誤差信号が存在
したままとなる。ＰＩＤ制御器内の積分器は、ＰＩＤ制
御器が飽和状態となるまで誤差信号を積分し続ける。こ
の場合、積分項は非常に大きな量に成長し且つそれは非
常に大きくなるので、最終的にモータ速度を減少するた
めの命令信号が与えられると、モータ速度を減少させる
ために適宜のＣＶ信号が最終的に発生される前に、積分
項の蓄積した値を相殺するために不当に長い時間が必要
とされる場合がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の１目的とする
ところは、フィードバックシステムを制御するために使
用されるプログラム可能論理制御器内での比例積分制御
器実現によって発生される積分項のランナウエイを防止
するための装置及び方法を提供することである。本発明
の別の目的とするところは、ＰＬＣと関連して使用され
るフィードバックシステムが、制御変数ＣＶのクランプ
条件から一層迅速に回復することを可能とする装置及び
方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、被制御
プロセスと関連するフィードバックシステムにおいて使
用するための、比例積分制御器乃至は比例積分微分制御
器が提供される。このフィードバックシステムは、該制
御器へ供給される誤差信号を発生するために、被制御プ
ロセスにおいて検知されるプロセス変数を設定点から減
算するための加算接続点を具備している。該制御器は、
該誤差信号から比例項及び積分項を発生する。該制御器
は、制御変数出力信号を発生するために該比例項と該積
分項とを加算する加算接続点を具備している。該制御器
は、更に、制御変数出力信号にスリューレート限界を課
すための制限器を具備している。該制御器が該スリュー
レート限界を超えるために該制御変数出力信号を駆動せ
んとする場合を検知するための検知器が該制御器内に設
けられている。該制御器は、更に、該制御変数出力信号
を該積分項のランナウエイを防止する値ヘ強制的にさせ
る所定の値へ該積分項を調節するための調節装置を具備
している。

【０００９】

【実施例】図２は、ＰＬＣ３５として本発明において使
用される典型的なプログラム可能論理制御器（ＰＬＣ）
のブロック図を示している。ＰＬＣ３５は、制御される
プロセスを制御するのに必要な計算を実施するためのマ
イクロプロセサ４０を有している。マイクロプロセサ４
０は、制御されるプロセスを監督するために使用される
制御プログラムに対する一時的な格納を与えるＰＬＣ３
５内のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）４５へ結合さ
れている。キーボード又はその他のプログラム器などの
ような入力装置５０が、ＰＬＣ３５へ結合されており、
ユーザが制御プログラム及びその他の情報でＰＬＣ３５
を容易にプログラムすることを可能としている。ディス
プレイ５５がＰＬＣ３５へ結合されており、ユーザが制
御されるプロセスをモニタすることを可能としている。

【００１０】ＰＬＣ３５は、出力バス６０を有しており
、その上において、ＰＬＣ３５は、出力バス６０へ結合
されている被制御装置（出力装置）６５を制御するため
の被制御変数信号（ＣＶ）を発生する。被制御装置６５
は、モータ、サーモスタット、体積流量制御器、又は事
実上その他の任意の出力装置とすることが可能である。 本発明のこの特定の実施例においては、センサ７０など
のような入力装置が、被制御装置６５の性能をモニタす
る。センサ７０は、ＰＬＣ３５の入力バス７５へ結合さ
れており、入力情報をＰＬＣ３５へ供給する。従って、
入力バス７５は、センサ７０によって発生されるフィー
ドバック信号に対してＰＬＣ３５へのフィードバック経
路を提供している。

【００１１】本発明を、比例セクションと、微分セクシ
ョンと、積分セクションとを具備する制御器に関して説
明するが、ほとんどのこの様な制御器は単に比例セクシ
ョンと積分セクションのみを使用するものであることを
理解すべきである。なぜならば、微分セクションは不安
定性を発生する場合があるからである。図示したシステ
ムは、プログラム可能積分微分（ＰＩＤ）制御器８０を
使用しており、それは、ＰＬＣ３５へ与えられる制御プ
ログラム内において実現されている。即ち、本発明にお
いては、ＰＩＤ制御器は、ＲＡＭ４５内にロードされて
いるＲＡＭロード機能ブロックで実現されている。この
ＰＩＤ機能ブロック（ＰＩＤ制御器）がユーザに対して
どの様に表われるかの図形的表示を図３に示してある。 図３のＰＩＤ機能ブロックの表示は、以下の表１に定義
されるパラメータＥＮ，ＳＰ，ＰＶ，ＭＡＮ，ＵＰ，Ｄ
Ｎ，ＬＯＣＡＴＩＯＮ，ＯＫ，ＣＶを有している。

【００１２】 図３に示した機能ブロックのＯＫ出力は、該機能ブロッ
クがイネーブルされると、電力の流れを供給する。自動
乃至は手動モード選択入力（ＭＡＮ）は、図３の機能ブ
ロック内へのブール入力であり、それは、命令変数ＣＶ
を、ＲＡＭ４５内の手動レジスタ内の値を追従させる。 この手動レジスタは、該機能ブロックのデータ構成内に
存在するレジスタであり、この様なレジスタは、該機能
ブロックが手動モードにある場合に、該機能ブロックへ
の「ＵＰ」又は「ＤＮ」入力によってインクリメント又
はデクリメントされる。入力ＵＰは手動モード上昇調節
であり、一方入力ＤＮは手動モード下降調節である。そ
うでない場合には、該機能ブロックが自動モードである
場合には、手動レジスタがＣＶ出力を追従する。

【００１３】ＥＮにおいて電力の流れが存在し（即ち、
活性入力）及びＭＡＮにおいて電力の流れが存在しない
場合には、前述したＰＩＤ入力がＳＰ及びＰＶへ印加さ
れ、その結果がＣＶへ供給される。ＰＩＤ機能が適切に
実行を行なう場合にはＯＫが真に設定され、且つＰＩＤ
機能が適切に実行されない場合には、ＯＫが偽へ設定さ
れる。ＥＮ及びＭＡＮにおいて電力の流れが存在する場
合には、ＣＶ出力はＵＰ及びＤＮ入力によって制御され
る。項９５，１００，１０５によって表わされる公知の
ＰＩＤアルゴリズムが実行され、従って計算結果は手動
制御されるＣＶ値と共に追従する。後により詳細に説明
する如く、プロセスが手動的に制御されている場合には
、ＰＩＤ機能が積分成分を蓄積することが防止される。

【００１４】図４は、図３のＰＩＤ制御器８０の動作を
示したブロック図である。プロセス変数（ＰＶ，被制御
プロセスからのフィードバック項）が、加算接続点８５
において設定点（ＳＰ）から減算される。その結果得ら
れる誤差出力（ＳＰ−ＰＶ）が、参照番号９０で示した
如く、デッドバンド乃至はデッドゾーンへ露呈される。 より詳細に説明すると、二つのデッドバンドレジスタ（
不図示）がＲＡＭ４５内に設けられており、一方のレジ
スタは高レンジレジスタであり且つ他方のレジスタは低
レンジレジスタである。該高レンジ及び低レンジレジス
タは、それぞれの限界を収納しており、該限界は、誤差
出力（ＳＰ−ＰＶ）の値に影響を与える。デッドバンド
が選択されると、該誤差信号は、該エラーが制御変数Ｃ
Ｖ出力に影響を与えるためには選択したデッドバンド限
界の間のレンジの外側でなければならない。該誤差が高
レンジ及び低レンジレジスタ内に格納されているデッド
バンド限界の内側である場合には、ＰＩＤ制御器へ印加
される実際の誤差は０である。

【００１５】次いで、その結果得られる誤差信号が、本
発明に従ってＰＩＤ制御器８０によって処理される。し
かしながら、後に説明する差異の場合、該結果的に得ら
れる誤差信号が処理されて、ＰＩＤ制御器をハードウエ
アか又はソフトウエアの何れかで実現する当業者によっ
て典型的に使用されるのと同一の態様で、比例項９５、
積分項１００及び微分項１０５を派生する。この様にし
て発生された比例項、積分項及び微分項が、図４に示し
た如く、加算接続点１１０において加算される。その結
果得られる和は、１１５において利得係数Ｐによって増
幅され且つ１２０において適宜バイアスされる。

【００１６】その結果得られるバイアスされた信号は、
ＰＩＤ制御器出力信号ＰＩＤＯＵＴとして指定され、そ
れは、中間スリュー限界項１２５、クランプ１３０及び
極性調節１３５によって、図４に示しており且つより詳
細に説明する如く、処理した後に制御変数信号（ＣＶ）
となる。クランプ１３０は、制御変数ＣＶが所定値を超
えることがないことを絶対的に確保している。このこと
は、例えば被制御プロセスにおいて許容不可能な過剰速
度や、過剰温度又はその他の条件などのような不所望の
条件を防止するのに有用である。極性項１３５は、被制
御プロセスによって必要とされる如く、制御変数信号Ｃ
Ｖの極性を調節乃至は反転させる。

【００１７】スリュー限界項１２５は、供給されたＰＩ
Ｄ制御器出力信号ＰＩＤＯＵＴが予め選択したスリュー
レート限界に到達する場合を検知する。このことの発生
に関する情報は、図４に示した如く、アンチリセットワ
インドアップ線１４０上を該積分項へフィードバックさ
れる。ＰＩＤ出力信号ＰＩＤＯＵＴがスリューレート限
界項１２５の選択したスリューレート限界によって許容
される最大値を超えると、積分項１０５は、比例項１０
０と微分項９５とバイアス項１２０とが１２５における
スリューレート制限出力と等しいような値とされる。こ
の様に、積分項は、継続して積分動作を行ない且つ誤差
を蓄積することは許容されることがない。スリュー限界
項１２５と関連するスリューレート限界は、クランプ１
３０と関連するクランプの値と等しいか又はそれより低
い値に選択される。換言すると、この様な方法で積分項
を制限するために本発明が使用される場合には、被制御
プロセスがスリューレート限界にある場合に積分項がラ
ンナウエイ、即ち無拘束状態となることは不可能である
。このことは、本発明によって与えられるようなアンチ
リセットワインドアップ作用が存在しない場合と比較し
て、閉ループリニア動作へ一層迅速に復帰するための制
御を可能としている。

【００１８】本発明によれば、ＰＩＤ制御器がユーザに
よって選択されたスリューレート限界よりも大きな値へ
ＣＶ出力信号をスリューすることを試みる場合、ＰＩＤ
出力信号ＰＩＤＯＵＴが最大スリューレート制限値へ制
限される。実際のスリューレート限界が課されると、Ｐ
ＩＤ制御器は、ＣＶ信号が強制的に該スリューレート制
限値とされるように制御変数信号ＣＶを計算し且つ発生
させる場合に使用される積分項１０５を調節する。この
技術は、アンチリセットワインドアップと呼称され、且
つ主に、前述した手動制御モード（閉ループ制御ではな
い）において、即ち絶対レベルクランプに到達した場合
にＰＩＤ機能に対して適用可能なものである。

【００１９】換言すると、アンチリセットワインドアッ
プは、ＰＩＤＯＵＴ出力限界に到達した場合、即ち機能
ブロックが手動モードにある場合に積分項１０５に対し
て適用される。この様な動作は、積分項１０５が飽和す
ることを防止する。積分項１０５は、出力ＰＩＤＯＵＴ
、従ってＣＶ信号をそのクランプした値に保持する値へ
調節される。

【００２０】ＰＩＤ制御器の積分項のランナウエイを防
止する装置について上に説明したが、この様な積分項の
ランナウエイを防止するための方法についても説明した
ことを理解すべきである。より詳細に説明すると、フィ
ードバックシステムにおいて使用可能な比例積分微分制
御器の積分項のランナウエイを防止する方法について説
明した。該フィードバックシステムは、被制御プロセス
に関して動作可能であり、且つ該制御器へ供給される誤
差信号を発生するために、該被制御プロセスにおいて検
知されるプロセス変数を設定点から減算するための加算
接続点を有している。該制御器は、該誤差信号から制御
変数信号を発生する。本方法は、制御変数出力信号にス
リューレート限界を課し、且つ該スリューレート限界を
超えるために該制御器が制御変数出力信号を駆動せんと
する場合を検知する各ステップを有している。本方法は
、更に、該制御変数出力信号を該スリユーレート限界へ
強制させる値へ該制御器と関連する積分項を調節するス
テップを有している。

【００２１】以上、被制御プロセスにおけるフィードバ
ックシステム内の比例積分微分制御器の積分項の不所望
なランナウエイを防止する装置及び方法について説明し
た。一般化したＰＩＤ制御に関して説明したが、本発明
は、比例積分制御器（ＰＩ制御）と共に使用可能なもの
であり、且つ被制御装置が機械的又は電気的の何れかの
限界値へ露呈される場合における任意のシステムに適用
することが可能である。例えば、モータ１５は、定格限
界ではなく最大機械的限界速度を有する場合がある。

【００２２】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論である
。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　簡単化したフィードバックシステムを示し
たブロック図。

【図２】　　基本的なプログラム可能諭理制御器のブロ
ック図。

【図３】　　本発明の比例積分微分制御器の機能ブロッ
ク図。

【図４】　　本発明の１形態における比例積分微分制御
器のブロック図。

【符号の説明】

３５　　プログラム可能論理制御器（ＰＬＣ）４０　　
マイクロプロセサ ４５　　メモリ（ＲＡＭ） ５０　　入力装置 ５５　　モニタ ６５　　被制御装置 ７０　　センサ ７５　　フィードバックシステム

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　制御プロセスと関連するフィードバッ
   クシステムにおいて使用する比例積分制御器において、
   前記フィードバックシステムが前記制御器へ供給される
   誤差信号を発生するために前記制御プロセスにおいて検
   知されたプロセス変数を設定点から減算するための加算
   接続点を具備しており、前記誤差信号から比例項及び積
   分項を発生する手段が設けられており、制御変数出力信
   号を発生するために前記比例項と前記積分項とを加算す
   る加算手段が設けられており、前記制御変数出力信号に
   最大スリューレート限界値を課す制限手段が設けられて
   おり、前記最大スリューレート限界値を超えるために前
   記制御器が前記制御変数出力信号を駆動せんとする場合
   を検知する検知手段が設けられており、前記積分項のラ
   ンナウエイを防止するために前記制御変数出力信号を追
   従する値ヘ前記積分項の変化割合を調節する調節手段が
   設けられていることを特徴とする比例積分制御器。
2. 【請求項２】　　制御プロセスと関連するフィードバッ
   クシステムにおいて使用する比例積分制御器において、
   前記フィードバックシステムが前記制御器へ供給される
   誤差信号を発生するために前記制御プロセスにおいて検
   知されるプロセス変数を設定点から減算するための加算
   接続点を具備しており、前記誤差信号から比例項及び積
   分項を発生する手段が設けられており、制御変数出力信
   号を発生するために前記比例項及び前記積分項を加算す
   る加算手段が設けられており、前記制御変数出力信号を
   バイアスするバイアス手段が設けられており、前記制御
   変数出力信号に最大限界値を課す制限手段が設けられて
   おり、前記最大限界値を超えるために前記制御器が前記
   制御変数出力信号を駆動せんとする場合を検知する検知
   手段が設けられており、前記比例項と前記積分項と前記
   バイアス項とが前記積分項のランナウエイを防止するた
   めに前記制御変数出力信号と等しいように前記積分項を
   所定の値に調節する調節手段が設けられていることを特
   徴とする比例積分制御器。
3. 【請求項３】　　フィードバックシステムにおいて使用
   可能な比例積分制御器の積分項のランナウエイを防止す
   る方法において、前記フィードバックシステムは制御プ
   ロセスに関して動作可能であり且つ前記制御器へ供給さ
   れる誤差信号を発生するために前記制御プロセスにおい
   て検知されたプロセス変数を設定点から減算する加算接
   続点を具備しており、前記制御器は前記誤差信号から制
   御変数信号を発生するものであって、前記制御変数出力
   信号に最大限界を課し、前記最大限界を超えるために前
   記制御器が前記制御変数出力信号を駆動しようとする場
   合を検知し、且つ前記制御器と関連する前記積分項を前
   記制御変数出力信号を前記最大限界へ強制的にさせる値
   へ調節する、上記各ステップを有することを特徴とする
   方法。
4. 【請求項４】　　フィードバックシステムにおいて使用
   可能な比例積分微分制御器の積分項のランナウエイを防
   止する方法において、前記フィードバックシステムは制
   御プロセスに関して動作可能であり旦つ前記制御器へ供
   給される誤差信号を発生するために前記制御プロセスに
   おいて検知されるプロセス変数を設定点から減算するた
   めの加算接続点を具備しており、前記制御器は比例項と
   積分項とバイアス項とを包含しており、前記制御器は前
   記誤差信号から制御変数信号を発生するものであって、
   前記制御変数出力信号にスリューレート限界を課し、前
   記スリューレート限界を超えるために前記制御器が前記
   制御変数出力信号を駆動せんとする場合を検知し、前記
   比例項と前記積分項と前記バイアス項とが前記スリュー
   レート限界と等しいように前記制御器と関連する前記積
   分項を所定の値へ調節する、上記各ステップを有するこ
   とを特徴とする方法。