JPH04601A - ２自由度調節装置 - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、ＰＩまたはＰＩＤ（Ｐ：比例、Ｉ：積分、Ｄ
＝微分）動作によって制御対象をフィードバック制御す
る調節装置に係わり、特に最も少ない時間要素の機能ブ
ロックを用いて外乱抑制特性と目標値追従特性の双方を
同時に最適化する２自由化度を実現する２自由度調節装
置に関する。

（従来の技術） 従来の２自由度ＰＩ調節装置は第１１図に示すように目
標値の変化に追従動作する目標値フィルタを付加しＰＩ
の２自由度ＰＩ調節を行っている。具体的には、目標値
Ｓｖを受けて比例ゲインと積分時間を２自由度化する演
算処理を行って調節用目標値ＳＶ０を得る目標値フィル
タ１が設けられ、この目標値フィルタ１から得られた調
節用目標値ＳＶｏと制御対象２からの制御量ＰＶとを偏
差演算手段３に導き、ここで（Ｓ　Ｖ　ｏ　　Ｐ　Ｖ　
）なる演算を行って偏差Ｅを求めた後、この偏差Ｅを伝
達係数Ｋｐ　　（１＋１／　（Ｔ＋　　・Ｓ　）ｌ　で
表されるＰ’Ｉｊ！９節演算手段４に導入する。Ｋ、は
比例ゲイン、Ｔ、は積分時間、Ｓはラプラス演算子であ
る。このＰＩ調節演算手段４は、前記伝達関数にに基づ
きＰＩ調節演算を実行し、得られた操作信号ＭＶを加算
手段５に導き、ここで操作信号Ｍｖと外乱信号りとを加
算合成した後に制御対象２に印加し、目標値５Ｖｏ−制
ｇＢ１ｐｖとなるように制御する構成となっている。

前記目標値フィルタ１は、目標値ＳＶを受けてプロセス
時定数を考慮しながら所望の進み・遅れによって補償タ
イミングを合せる進み・遅れ要素１１と、目標値ＳＶを
受けて１次遅れを持たせる１次遅れ要素１２と、この１
次遅れ要素１２の出力を受けて不完全微分動作を行う不
完全微分手段１、と、前記進み・遅れ要素１．の出力か
ら不完全微分手段１３の出力を減算する減算手段１４と
によって構成されている。

従って、このような目標値フィルタ１の構成によれば、
ＰＶ−ＭＶ間の伝達関数ｃｐｖ（ｓ）は、となり、また
ＳＶ−ＭＶ間の伝達関数ｃｓｖ（ｓ）は、となる。但し
、αは比例ゲインの２自由度化係数（０〜１の間で設定
可能な定数）、β。は積分時間の２自由度化係数（Ｏ〜
１の間で設定可能な定数）である。従って、上式から外
乱抑制特性か最適となるようにＫｐ、Ｔ＋を決めた後、
目標値追従特性か最適となるようにα、β。を決定すれ
ば、２自由度化を実現できる。

次に、第１２図は従来の２自由度ＰＩＤ調節装置の構成
を示す図であって、これは目標値の変化に追従動作する
目標値フィルタ１０を付加しＰＩＤに関する完全２自由
度ＰＩＤ調節を行うものである。具体的には、目標値Ｓ
Ｖを受けて比例ゲインに１、積分時間Ｔ１および微分時
間ＴＤの３項を完全２自由度化する演算処理を行って調
節用目標値ＳＶｏを得る目標値フィルタ１０か設けられ
、この目標値フィルタ１０から得られた調節用目標値Ｓ
Ｖｏと制御対象２からの制御量ＰＶとを偏差演算手段３
に導き、ここで（ＳＶｏ−ＰＶ）なる演算を行って偏差
Ｅを求めた後、この偏差Ｅを非線形処理手段６を介して
伝達関数Ｋｐ　　（１＋１／　（Ｔ＋　　−８））で表
されるＰＩ調節演算手段４に導入する。ＫＰは比例ゲイ
ン、Ｔ１は積分時間、Ｓはラプラス演算子である。この
ＰＩ調節演算手段４は、前記伝達関数に基づきＰＩ調節
演算を実行し、得られた操作信号Ｍ　Ｖを減算手段７に
導き、ここで操作信号ＭＶから制御ｆｆ１ＰＶに基づき
不完全微分動作を行う不完全微分手段８の出力を減算し
、得られた信号を加算手段５に供給する。この加算手段
５では減算手段７にて得られた信号と外乱信号りとを加
算合成した後、制御対象２に印加し、目標値５Ｖｏ−制
御ＲＰＶとなるように制御する構成となっている。

一方、目標値フィルタ１０は、目標値フィルタ１と同様
な機能を持った進み・遅れ要素１０１１次遅れ要素１０
２および不完全微分手段１０゜の他、微分時間の２自由
度化を実現するために目標値ＳＶを伝達関数 （（γＴＤ−８）／（１＋ηＴＤ−８））で表される不
完全微分手段１０４が設けられ、さらに減算手段１０．
にて不完全微分手段１０４の出力から前記１次遅れ要素
１０２の出力を減算した後、不完全微分手段１０３に供
給する。そして、この不完全微分手段１０．の出力と前
記進み・遅れ要素１０□の出力とを加算手段１０６にて
加算し調節用目標値ＳＶｏを得ている。

従って、以上のような目標値フィルタ１０のＰＶ−ＭＶ
間の伝達関数Ｃｐｖ（Ｓ）は、となり、またＳｖ→ＭＶ
間の伝達関数ｃ　５ｖ（ｓ）は、となる。但し、ηは０
．１〜１の間の設定可能な定数、αは比例ゲインの２自
由度化係数（Ｏ〜１の間で設定可能な定数）、β。は積
分時間の２自由度化係数（０〜１の間で設定可能な定数
）、γは微分時間の２自由度化係数（０〜２の間の設定
可能な定数）である。

ゆえに、この（３）式よび（４）式に基づき、外乱抑制
特性が最適となるようにＫＰ、Ｔ。

ＴＤを決定した後、目標値追従特性が最適となるように
α、β。、γを決定すれば、ＰＩＤの２自由度化を実現
できる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、以上のようなＰＩまたはＰＩＤ調節装置
においては種々の特長を有していながら、次のような問
題点が指摘されている。

■　２自由度化を実現するために付加すべき時間に係わ
る機能ブロックが３個以上であり、ひいてはプラント計
装システム全体では非常に多くの機能ブロックを必要と
すること。

通常、ＰＩＤ調節ループはプラント計装システムに多数
使用するが、１つのＰＩＤＩＤ調節ループリ１以上の機
能ブロックを削減できれば、システムの負荷が大幅に軽
減され、それだけ演算速度も速くなる。このことは、で
きるだけ少ない機能ブロックを用いてＰＩの２自由度化
を実現すれば、実用上のメリットは非常に大きい。

■　積分時間の２自由度化係数β。の最適値が制御対象
のＬ／Ｔ　（Ｌ　：むだ時間、Ｔ：時定数）の大きさに
依存する度合いが大きいこと。

つまり、比例ゲインの２自由度化係数αの値はＰＩＤパ
ラメータの最適調整法の中のＣＨＲ（Ｃｈｉｅｎ　Ｈｒ
ｏｎｅｓ　Ｒｅｓｗｊｃｋ）などによって特定できるが
、積分時間の２自由度化係数β。の値は特定できないの
で、制御対象２の特性毎に試行錯誤によって特定しなけ
ればならない。しかし、積分時間の２自由度化係数β。

のゲインが高いことから、β０のゲインを調整したとき
プロセス特性が大きく変化し、ファインチューニングか
非常に難しく、調整に手間がかかる。

■　目標値フィルタの２自由度化の役割か不明確である
こと。

一般に、ＰＩＤ調節ループは、プラント計装システム全
体にちりばめて数十〜数千個使用するので、−見してそ
の役割分担が明確になれば工業上非常に有益なことであ
る。特に、異常時の解析や種々の変形適用する場合、分
かり易い機能構成であることが必要不可欠である。しか
し、現在のＰＩＤ調節ループでは、目標値フィルタかど
のようにして２自由度化されているか、その役割分担か
明確化されていない。

■　非線形処理か不正確である。

従来のＰＩＤ調節装置では、制御ｌｉｔ　Ｐ　Ｖを受け
て不完全微分手段８の不完全微分出力をＰＩＥ節演算演
算手段４力側に与えているので、偏差Ｅに付加している
非線形処理手段６をバイパスしてしまい、その結果、非
線形処理か正確、簡単、かつ、自由自在に実行できす、
制御性に限界か生する。

従って、１自由度ＰＩＤから完全に２自由度ＰＩＤ時代
に移行するためには、以上のような問題点を完全に克服
することが非常に重要なことである。

本発明は上記実情にかんがみてなされたもので、目標値
フィルタの２自由度化を実現する時間に係わる機能ブロ
ックを極少化し得、かつ、積分時間の２自由度化係数の
調整が容易であり、目標値フィルタの役割分担を分かり
易い究極のＰＩ形またはＰＩＤ形の２自由度調節装置を
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） 請求項１に対応する発明は上記課題を解決するために、
目標値を受けて目標値フィルタによって得られる調節用
目標値と制御対象からフィードバックされてくる制御量
との偏差に基づき、少なくともＰＩ（Ｐ：比例、Ｉ：積
分）調節演算を実行し、このＰＩ調節演算によって得ら
れた操作出力を前記制御対象に印加する２自由度調節装
置において、 伝達関数として、 １＋αβＴ】・Ｓ ｌ十βＴ１・Ｓ または フィルタによって目標値の変化に追従動作する調節用目
標値を得る構成である。

次に、請求項２、請求項３に対応する発明では、目標値
から調節用目標値ＳＶｏを得るために、・・■ 但し、 または を有する前記目標値フィルタを設け、この目標値または の■〜■の何れかの演算を行う目標値フィルタを有する
構成である。

（作用） 従って、請求項１に対応する発明は以上のような手段を
講したことにより、その伝達関数から１個の時間要素を
用いて目標値フィルタを実現できばかりでなく、外乱抑
制特性に全く影響を与えことなく、α、βの可変により
比例ゲインおよび積分時間を修正でき、ＰＩの２自由度
化を実現できる。しかも、βの増減に対して時定数βＴ
１か増減し、βの変化に対する積分時間の等確約変化の
直線性か改善され、調整か非常に容易になる。

次に、請求項２．３に対応する発明によれば、請求項１
に対応する発明にさらに微分動作の付加により２個の時
間要素によって目標値フィルタを実現できばかりでなく
、外乱抑制特性に全く影響をＬｊ、えことなく、ＰＩＤ
３項の完全２自由度化を実現でき、またβの増減に対し
ても請求項１に対応する発明と同様な作用を行うもので
ある。

（実施例） 以下、請求項］に係わる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１１図、第
１２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。すなわぢ、この２自由度ＰＩ調節装置は、
ＰＩ調節演算手段４の積分時間Ｔ１を含む目標値フィル
タ２０を設け、この目標値フィルタ２０にて目標値の変
化による追従動作を行って調節用目標値ＳＶｏを得るも
のである。

この目標値フィルタ２０としては、例えば１＋αβＴ１
・Ｓ トβＴｌ−８ ・・・（５） のような伝達関数Ｈ（Ｓ）、つまり積分時間ＴＩと定数
（α、β）とで構成された進み・遅れ要素２１を用いる
ものとする。なお、以上のような伝達関数Ｈ（Ｓ）を有
する目標値フィルタ２０は抵抗、コンデンサ、半導体素
子等からなる／Ｘ−ドウエアによって実現でき、さらに
はコンピュータプログラムによるソフトウェアによって
も実現可能である。

しかして、以上のような伝達関数を有する目標値フィル
タ２０を用いて２自由度ＰＩ調節になることを説明する
。今、目標値フィルタ２０の伝達関数Ｈ（Ｓ）か（５）
式で表されるとき、ｐｖ−ＭＶ間の伝達関数Ｃｐｖ（Ｓ
）とＳＶ−ＭＶ間の伝達関数Ｃ５ｖ（Ｓ）は、 て表すことができる。上式において前段下線部分はＰ（
比例）、後段下線部分は■　（積分）、αは比例ゲイン
の２自由度化係数、βは積分時間の２自由度化係数であ
る。

ゆえに、この（６）式および（７）式から、Ｐ■の変化
に対する調節アルゴリズムに全く影響を与えることなく
、目標値ＳＶの変化に対する調節アルゴリズムのαの可
変によって比例ゲインを修正でき、βの可変によって積
分時間を等確約に修正でき、２自由度化を実現できる。

従って、第１図に示す目標値フィルタ２ｏては、（ａ）
　　σ＝０１β−１のとき ・・・Ｉ−Ｐ調節 （ｂ）　　α−０、β＝可変のとき ・・・２自由度ＰＩ（Ｉのみ２自由度）（ｃ）　　ａ−
可変、β＝可変のとき ・・・２自由度ＰＩ（ＰＩが２自由度）となる。つまり
、この目標値フィルタ２ｏは、α−０、β−１のＩ−Ｐ
調節をベースとし、（ｂ）の如くβの可変によって１を
２自由度化でき、さらに（Ｃ）の如くαの可変によって
Ｐを２自由度化でき、しかも１個の進み・遅れ要素２１
を用い、かつ、この進み・遅れ要素２１の機能を最大限
に利用することにより究極の２自由度を実現できる。

次に、第２図および第３図を用いて２自由度化に関する
定性的な説明を行う。第２図は目標値ＳＶがステップ状
に変化したとき、α、βによって調節用目標値ＳＶｏか
どのように変化するかを示す図であり、第３図はα、β
によって制御量ＰＶかどのように変化しているかを示し
ている。

なお、比例ゲインＫＰ１積分時間Ｔ】としては外乱抑制
特性に最適な値が設定されているものとする。

先ず、α−０、β−１のときはＩ−Ｐ制御となり、調節
用目標値ＳＶｏは第２図の（イ）のように相当な時間遅
れをもって目標値ＳＶに達し、方、制御量ＰＶの応答は
第３図の（イ）のようになり、応答が非常に遅くなる。

次に、α−０、β−任意のときは一般のＰＩ副制御なり
、調節用目標値ＳＶ０は第２図の（ロ）のように５Ｖ−
８Ｖ　ｏとなり、制御量ＰＶの応答は第３図の（ロ）の
ように速くなるが、大きくオーバシュートする。

ゆえに、このＩ−Ｐ制御と一般のＰＩ副制御の中間部分
において応答か速く、オーバシュートなしの応答を示す
最適点が存在することが理解できる。

そこで、第２図の（ハ）に示す如くαによってバイアス
を与え、その分たけ変化の速度を第２図（イ）よりも遅
らせれば、つまりβ〉１とすれば、第３図の（ハ）のよ
うに外乱応答特性か最適なままの状態で、目標値追従特
性を速く、かつ、オーバシュートのない理想的な応答と
することができる。

さらに、従来技術と本発明装置の１　（積分）との２自
由度化を比較してみる。今、従来技術の積分項をＩ。（
Ｓ）とし、本発明の積分項をＩ　（Ｓ）とすると、（６
）式から、 となり、（１４）式から本発明の積分項１　（Ｓ）は、
となる。従って、従来技術の（８）式から明らかなよう
に、時定数ＴＩが一定のとき、β０の大小かそのまま反
映して積分時間の２自由度化係数数のゲインの調整が難
しくなるが、本発明の積分項１　（Ｓ）を示す（９）式
の場合にはβの増減に対し分母のβＴ、も増減すること
になり、βの変化に対する積分時間ＴＩの等確約変化の
直線性が改善され、またαの大きさも反映されており、
制御対象２の特性つまりＬ／Ｔ　（Ｌ　：むだ時間、Ｔ
：時定数）がβの最適値に与える影響は１／１．７５と
ほぼ半減し、大きく改善されていることがシュミレーシ
ョンからも確認できる。

次に、第４図は同じく請求項１に係わる発明の他の実施
例を示すブロック図である。この２自由度ＰＩ調節装置
は、第１図と同様にＰＩ調節演算手段４の積分時間ＴＩ
を含む目標値フィルタ３０を設けたものであり、この目
標値フィルタ３０は前記（５）式を変形することにより
、下記する（１０）式に示す伝達関数Ｈ（Ｓ）、つまり
積分時間Ｔ１と定数βとの積を時定数とする１次遅れフ
ィルタを用いたものである。

この目標値フィルタ３０は、具体的には目標値ＳＶに定
数αを乗算する係数手段３１と、目標値Ｓｖから係数手
段３１の出力を減算する減算手段３２と、この減算手段
３２の出力に対して１次遅れ演算を行う１次遅れ要素３
３と、この１次遅れ要素３３の出力と前記係数手段３１
の出力とを加算する加算手段３４とて構成され、この加
算手段３４から得られた調節用目標値ＳＶ０を偏差演算
手段３に供給する構成である。

従って、この装置の構成によれば、（５）式と（１０）
式とが機能的に全く同じであり、むしろ（１０）式の方
か１次遅れ要素のみで構成されているので演算か容易で
あり、かつ、Ｄ動作機能ブロック（図示せず）を容易に
結合できる利点がある。

さらに、第５図は請求項１に係わる発明の他の実施例を
示すブロック図である。この２自由度ＰＩ調節装置の目
標値フィルタ４０は、前記（５）式を変形することによ
り、下記（１１）式に示す伝達関数Ｈ（Ｓ）、つまり積
分時間ＴＩと定数βとの積を時定数とする１次遅れフィ
ルタにより容易に実現できる。

すなわち、この目標値フィルタ４０は、目標値ＳＶに定
数αを乗算する係数手段４１と、この係数手段４１の出
力から目標値ＳＶを減算する減算手段４２と、この減算
手段４２の出力に対して１次遅れ演算を行う１次遅れ要
素４３と、前記減算手段４２の出力から１次遅れ要素４
３の出力を減算する減算手段４４と、この減算手段４４
の出力と目標値ＳＶとを加算する加算手段４５とで構成
され、この加算手段４５から得られた調節用目標値ＳＶ
ｏを偏差演算手段３に供給する構成である。

従って、この目標値フィルタ４０の伝達関数である（１
１）式は、（５）式を最終値基準で変形したものであり
、機能的に（５）式の伝達関数をもつ目標値フィルタ２
０と等価であるが、第４図と同様に１次遅れ要素のみで
構成することになり、非常に演算が容易となる。

次に、第６図は請求項２に係わる発明の〜実施例を示す
ブロック図であって、微分動作を付加してＰＩＤ３項の
完全２自由度化を図ったものである。なお、同図におい
て第１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。この調節装置は、目標値Ｓｖの変化に対
しＰＩ調節演算手段４の積分時間ＴＩを含む目標値フィ
ルタ５０にて目標値追従動作を行って調節用目標値ＳＶ
０を得、この調節用目標値ＳＶｏを偏差演算手段３に供
給する構成である。

この目標値フィルタ５０は、目標値ｓＶのみをフィルタ
するものではなく、制御対象２がらの制御量ＰＶをも取
り込んで、ＰＩ調節演算手段４の調節用目標値Ｓｖ０を
得るものであり、下記（１２）式の演算式に基づいて構
成されている。

この式の （１＋αβＴ１・Ｓ）／（１＋βＴ１　・Ｓ）は積分時
間Ｔ、と定数βとの積を時定数とする進み・遅れ要素で
あり、また （ＴＤ−６）／（１＋ηＴＤ−８） は時間微分をＴＤとする不完全微分であって、ηは０．
１〜１の間で設定可能な定数であり、何れも容易に調整
可能である。

すなわち、この目標値フィルタ５０は、目標値ＳＶを受
けて進み／遅れ演算を行う進み・遅れ要素５１と、この
目標値Ｓｖに予め設定された係数α、βを乗する係数手
段５２と、この係数手段５２の出力から制御量ＰＶを減
算する減算手段５３と、この減算手段５３の出力に対し
て不完全微分演算を行う不完全微分手段５４と、この不
完全微分手段５４の出力と進み・遅れ要素５１の出力と
を加算する加算手段５５とによって構成され、この加算
手段５５から調節用目標値ＳＶｏを得る構成となってい
る。

しかして、この目標値フィルタ５０の構成により２自由
度化できることを説明する。目標値フィルタ５０の伝達
関数Ｈ（Ｓ）が（５）式で表されるとき、ＰＶ−ＭＶ間
の伝達関数Ｃｐｖ（ｓ）とＳｖ→ＭＶ間の伝達関数Ｃ３
ｖ（ｓ）は、 となる。なお、αは比例ゲインの２自由度化係数、βは
積分時間の２自由度化係数、γは微分時間の２自由度化
係数である。

そこで、この（１３）式と（１４）式の微分項か妥当で
あるか否かを証明する。この証明に際し、第７図に示す
従来の一般的な実用・干渉形偏差ＰＩＤ調節装置の機能
構成を示し、この微分項の式と比較しながら証明する。

この調節装置は、（１＋ＴＤ　−８）　／　（１＋ηＴ
Ｄ’Ｓ）なる伝達関数を有する進み／遅れ要素９とＰＩ
調節演算手段４とを直列に接続した構成である。

従って、この調節装置全体の伝達関数 Ｆ　（Ｓ）　　・Ｃ（Ｓ）は、 となる。この（１５）式のηは一般的に０．１に設定さ
れるので、（１−η）となり、他の式は全く同一であり
、ＴＤくＴ１かつ定常状態値は積分動作によって打ち消
されるので、（１３）式および（１４）式中の微分動作
は実用・干渉形部差ＰＩＤ制御の微分動作と等価である
と言える。このことは、第６図に示す如く、従来のＰＩ
Ｄ調節機能に１個の進み／遅れ要素５１のみを付加し、
α、β、γの設定によりＰＩＤＢ項の完全２自由度化を
実現できる。

次に、第８図は請求項３の発明の一実施例を示す２自由
度ＰＩ調節装置のブロック図である。この調節装置は、
目標値ＳＶおよび制御量ＰＶを取り込んでＰＩ調節演算
手段４の積分時間Ｔ１や微分時間Ｔいを含む目標値フィ
ルタ６０を介して偏差演算手段３に供給する構成である
。

この目標値フィルタ６０は、目標値ＳＶのみをフィルタ
するものではなく、制御ｍ　Ｐ　Ｖをも取り込んで、Ｐ
Ｉ調節演算手段４の目標値Ｓ　Ｖ　ｏを演算するという
意味で用いるもので、下記（１６）式の演算式で構成さ
れている。

■ ＳＶｏ”’ＳＶ”α＋（ＳＶ（１−ａ）−Ｄ（Ｓｌ　　
　　　　　＋Ｄ（Ｓ）　　　　　−（１６）１＋βＴ１
・Ｓ ここで、 である。この（１６）式の１／　（１＋βＴ１　・Ｓ）
は積分時間Ｔ１と定数βとの積を時定数とする１次遅れ
要素であり、また （ＴＤ−８）／　（１＋ηＴＤ−９） は時間微分をＴＤとする不完全微分であって、ηは０．
１〜１の間で設定可能な定数であり、何れも容易に調整
可能である。

この目標値フィルタ６０は、前記（１６）式に基づいて
構成したものであって、具体的には目標値Ｓ■に係数α
を乗算して係数手段６１から得られた出力に対し、さら
に係数手段６２にて微分時間ＴＤの２自由度化係数γを
乗算し、得られた乗算信号を減算手段６３に導入する。

この減算手段６３では係数手段６２の出力から制御量Ｐ
ｖを減算した後、不完全微分手段６４にて不完全微分を
行って減算手段６５に導入する。

また、減算手段６６では目標値ＳＶから係数手段６１の
出力を減算して得られた信号か前記減算手段６５に導き
、ここで減算手段６６の出力から不完全微分手段６４の
出力を減算ｔ、　１次遅れ要素６７に導入する。そして
、この１次遅れ要素６７の出力と前記不完全微分手段６
４の出力とを加算手段６８にて加算し、さらに加算手段
６９に導き前記係数手段６１の出力と加算して調節用目
標値ＳＶ０を得る構成である。

従って、この実施例の目標値フィルタ６０は前記（１６
）式の演算式を具体化したもので、請求項１に係わる第
４図に微分動作を付加してＰＩＤ３項の完全２自由度化
を実現したものである。つまり、微分動作の付加に当た
って、第１２図に示す従来技術と異なって微分動作を全
て目標値側に移行し、付加要素数を削減するとともに非
線形処理手段６への入力を一本化し、従来のようにバイ
パスすることがないように非線形処理の正確化、簡単化
を図っている。

次に、第８図の目標値フィルタ６０が完全２自由度化と
なることを証明する。目標値フィルタ６０の伝達関数Ｈ
（Ｓ）が（１６）式で表されるとき、ｐｖ→ＭＶ間の伝
達関数Ｃｐｖ（Ｓ）とＳＶ−Ｍ　Ｖ間の伝達関数Ｃ５ｖ
（Ｓ）は、 （１７）式および（１８）式の２自由度化係数を除いた
純粋な微分式の部分の伝達関数をｙ（ｓ）として抜き出
すと、 となり、なお、αは比例ゲインの゛２２自由化係数、β
は積分時間の２自由度化係数、γは微分時間の２自由度
化係数である。

そこで、（１７）式および（１８）式の微分項が微分動
作としての妥当性を検討する。今、となり、第１項（前
段類）は完全な不完全微分式であり、第２項（後段項）
は初期値か１であり、最終値かβとなるが、一般的には
η〈β（η−〇、１、β≧１）であって、かつ、ＴＤ　
＜Ｔ、の関係となっているので、第１項と第２項の時定
数の間には、 ηＴＤ＜βＴ１ のような関係かある。その結果、目標値ＳＶかステップ
状に変化したとき、第２項の出力は１−β（一般に、β
は１．４程度）に向かってゆっくり変化するという係数
的役割を果たすか、第１項の時定数が小さいために短時
間で零となるので、第２項は実質の微分動作には殆んど
影響を与えないことになる。従って、（１７）式および
（１８）式から、αの可変により比例ゲイン、βの可変
により積分時間、γの可変により微分時間をそれぞれ２
自由度化できることになる。

次に、第９図は請求項３の発明の他の実施例を示す２自
由度ＰＩ調節装置の構成図である。この調節装置は、目
標値Ｓｖおよび制御量ＰＶを取り込んでＰＩ調節演算手
段４の積分時間Ｔ１や微分時間ＴＤを含む目標値フィル
タ７０を介して偏差演算手段３に供給する構成である。

この目標値フィルタ７０は、目標値Ｓｖのみをフィルタ
するものではなく、制御量ＰＶをも取り込んで、ＰＩ調
節演算手段４の目標値ＳＶｏを演算するという意味で用
いるもので、下記（２１）式の演算式で構成されている
。

５Ｖｏ−３Ｖ・α＋ｌ５Ｖ（１−α）　−Ｄ（Ｓｌ　　
　　　＋Ｄ（Ｓ）　　　　−（２１）１＋βＴＪ−８ ここで、 Ｄ（Ｓ）−（ＳＶ・α・γ−ｐｖ）・７・（１−面六で
ある。この（２１）式の１／（１＋βＴ＋”Ｓ）は積分
時間Ｔ１と定数βとの積を時定数とする１次遅れ要素で
あり、また１／（１＋ηＴＤ−８）は時間微分子りと定
数ηとの積を時定数とする１次遅れ要素であって、何れ
も容易に調整可能である。

この目標値フィルタ７０は、前記（２１）式に基づいて
構成したものであって、具体的には目標値ＳＶに係数α
を乗算して係数手段７１から得られた出力に対【７、さ
らに係数手段７２にて微分時間ＴＤの２自由度化係数γ
を乗算し、得られた乗算信号を減算手段７３に導入する
。この減算手段７３では係数手段７２の出力から制御量
ｐｖを減算した後、除算付手段７４に入れて０．１〜］
の間で設定可能な定数ηで除し、その結果を１次遅れ要
素７５を介して減算手段７６に導き、１次遅れ要素７５
では微分時間ＴＤと定数ηとの積を時定数とする１次遅
れ演算演算を行い、その出力信号を当該減算手段７６に
供給する。この減算手段７６では除算付手段７４の出力
から１次遅れ要素７５の出力を減算する。

また、減算手段７７では目標値ＳＶから係数手段７１の
出力を減算して得られた信号を１次遅れ要素７８を介し
て前記減算手段７９に導入され、ここで減算手段７７の
出力から１次遅れ要素７８の出力を減算する。そして、
この減算手段７９の出力と減算手段７６の出力とを加算
手段８０にて加算し、さらに加算手段８１に導いて前記
係数手段７１の出力と加算し調節用目標値Ｓ　Ｖ　ｏを
得る構成である。

従って、この第９図に示す実施例の構成によれば、第６
図に示す進み／遅れ要素５１と不完全微分手段５４との
双方をともに変形して１次遅れ要素のみで構成したので
、機能および全体の伝達関数も第６図に示す方式と全く
同一であるので、その詳細は省略する。

さらに、第１０図は請求項３の発明の他の実施例を示す
２自由度ＰＩ調節装置の構成図である。

この調節装置は、目標値ＳＶおよび制御量ＰＶを取り込
んでＰＩ調節演算手段４の積分時間ＴＩや微分時間ＴＤ
を含む目標値フィルタ９０を介して偏差演算手段３に供
給する構成である。

この目標値フィルタ９０は目標値ＳＶのみてはなく、・
制御量ＰＶをも取り込んで、ＰＩ調節演算手段４の目標
値Ｓ　Ｖ　ｏを演算するという意味に用いられる。

つまり、目標値フィルタ９０の構成は第８図の目標値フ
ィルタ６０の構成の不完全微分手段６４の伝達関数を次
式のように変形して構成したものである。

この目標値フィルタ９０においては、第９図とほぼ同様
であり、特に異なるところは減算手段７７と１次遅れ要
素７８との間に減算手段９１を設け、この減算手段９１
にて減算手段７７の出力から減算手段７６の出力を減算
し、その減算結果を１次遅れ要素７８に供給すること、
また１次遅れ要素７８の出力と減算手段７６の出力とを
加算手段９２にて加算しこの加算結果の信号を加算手段
８１に供給する構成である。

従って、以上述べた各発明の実施例では、目標値フィル
タ形Ｉ−Ｐ調節を基本とし、目標値フィルタ機能を複合
使用することにより、１次遅れ要素などの時間要素を１
個のみを付加することにより、ＰＩの２自由度化を図り
、ＰＩＤにおいても上記に加えて微分演算を全て目標値
フィルタ側に移行し、１次遅れ要素などの時間遅れ要素
などの時間要素を１個のみを付加することにより、ＰＩ
Ｄの完全２自由度化を実現できる。

従って、ＰＩまたはＰＩＤの完全２自由度化のために付
加する時間要素が１個のみとなり、極小化することがで
きる。また、微分演算を全て目標値フィルタ側に移行さ
せることにより、従来のバイパス回路がなくなり、非線
形処理か正確、簡単、かつ、自由自在に実行できる。さ
らに、積分時間の２自由度化係数の最適値が制御対象２
のＬ／Ｔの大きさに依存する度合が１／１．７５と小さ
くなり、はとんど固定値でよく調整の必要性がない。

さらに、構成が簡単であり、かつ、目標値フィルタ形１
−Ｐ制御を基本としているので、それぞれの役割が一目
瞭然であって、α、β、γをどのように調整すれば良い
かが明確となった。

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、目標値フィルタの
２自由度化を実現する時間に係わる機能ブロックを極少
化でき、かつ、積分時間の２自由度化係数の調整か非常
に容易となり、さらに目標値フィルタの役割分担が分り
易くなり、これによってプラント運転特性の革新化が図
れ、産業界に大きな貢献を果たし得る２自由度調節装置
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は請求項１に係わる発明の実施例を
示すために示したもので、第１図は一実施例を示すブロ
ック図、第２図は目標値フィルタの応答特性図、第３図
は外乱抑制特性をそのままの状態にしたときの目標値追
従特性を示す図、第４図ないし第５図は請求項１に係わ
る発明の他の実施例を示すブロック図、第６図は請求項
２に係わる発明の一実施例を示すブロック図、第７図は
第６図の装置と比較するために示した従来の実用・干渉
形偏差ＰＩＤ調節装置を示すブロック図、第８図は請求
項２に係わる発明の他の実施例を示すブロック図、第９
図は請求項３に係わる発明の一実施例を示すブロック図
、第１０図は請求項３に係わる発明の他の実施例を示す
ブロック図、第１１図および第１２図はそれぞれ従来の
調節装置を示すブロック図である。 ２・・・制御対象、３・・・偏差演算手段、４・・・Ｐ
Ｉ調節演算手段、２０．３０，４０．５０．６０．７０
．９０・・・目標値フィルタ、２１・・・進み・遅れ要
素、３１．４１．５２．６１．６２．７１．７２・・・
係数手段、３２．４２．４４．５３．６３．６５．６６
．７３．７６．７７．９１・・・減算手段、３３．４３
．６７．７５．７８・・・１次遅れ要素、３４．４５．
５５．６８．６９．７９．８１．９２・・・加算手段、
５４．６４・・・不完全微分手段、７４・・・除算分手
段。 第７図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）目標値を受けて目標値フィルタによって得られる
   調節用目標値と制御対象からフィードバックされてくる
   制御量との偏差に基づき、少なくともＰＩ（Ｐ：比例、
   Ｉ：積分）調節演算を実行し、このＰＩ調節演算によっ
   て得られた操作出力を前記制御対象に印加する２自由度
   調節装置において、 前記目標値に追従動作する下記する（イ）式ないし（ハ
   ）式の何れか１つの伝達関数を有する前記目標値フィル
   タを設けたことを特徴とするＰＩ形またはＰＩＤ（Ｄ：
   微分）形の２自由度調節装置。 （１＋αβＴ＿１・Ｓ）／（１＋βＴ＿１・Ｓ）・・・
   （イ）α＋（１−α）・（１／１＋βＴ＿１・Ｓ）・・
   ・（ロ）１−（１−α）・（１−［１／１＋βＴ＿１・
   Ｓ］）・・・（ハ）但し、上式においてＴ＿１：積分時
   間、Ｓ：ラプラス演算子、α：０〜１の間で設定可能な
   定数、β：０〜１０程度まで設定可能な定数
2. （２）目標値を受けて目標値フィルタによって得られる
   調節用目標値と制御対象からフィードバックされてくる
   制御量との偏差に基づき、ＰＩ（Ｐ：比例、Ｉ：積分）
   調節演算を実行し、このＰＩ調節演算によって得られた
   操作出力を前記制御対象に印加する２自由度調節装置に
   おいて、前記目標値を受けて下記する（ニ）式または（
   ホ）式の演算によって調節用目標値ＳＶ＿０を得る前記
   目標値フィルタを設けたことを特徴とするＰＩＤ形２自
   由度調節装置。 ＳＶ＿０＝ＳＶ・（［１＋αβＴ＿１・Ｓ］／［１＋β
   Ｔ＿１・Ｓ］）＋（ＳＶ・α・γ−ＰＶ）・（Ｔ＿Ｄ・
   Ｓ／１＋ηＴ＿Ｄ・Ｓ）・・・（ニ）ＳＶ＿０ ＝ＳＶ｛α＋（１−α）・（１／１＋βＴ＿１・Ｓ）｝
   ＋（ＳＶ・α・γ−ＰＶ）・（１／η）・（１−［１／
   １＋ηＴ＿Ｄ・Ｓ］）・・・（ホ） 但し、上式においてＳＶ：目標値、ＰＶ：制御量、γ：
   ０〜２の間で設定可能な定数、η：０．１〜１の間で設
   定可能な定数
3. （３）目標値を受けて目標値フィルタによって得られる
   調節用目標値と制御対象からフィードバックされてくる
   制御量との偏差に基づき、ＰＩ（Ｐ：比例、Ｉ：積分）
   調節演算を実行し、このＰＩ調節演算によって得られた
   操作出力を前記制御対象に印加する２自由度調節装置に
   おいて、前記目標値を受けて下記する（へ）式または（
   ト）式の演算によって調節用目標値ＳＶ＿０を得る前記
   目標値フィルタを設けたことを特徴とするＰＩＤ形２自
   由度調節装置。 ＳＶ＿０＝ＳＶ・α＋｛ＳＶ（１−α）−Ｄ（Ｓ）｝・
   （Ｔ＿Ｄ・Ｓ／１＋βＴ＿Ｄ・Ｓ）＋Ｄ（Ｓ）・・・（
   ヘ）但し、 Ｄ（Ｓ）＝（ＳＶ・α・γ−ＰＶ）・（Ｔ＿Ｄ・Ｓ／１
   ＋ηＴ＿Ｄ・Ｓ）または Ｄ（Ｓ）＝（ＳＶ・α・γ−ＰＶ）・（１／η）・（１
   −［１／１＋ηＴ＿Ｄ・Ｓ］）ＳＶ＿０ ＝ＳＶ・（１＋αβＴ＿１・Ｓ／１＋βＴ＿１・Ｓ）＋
   （ＳＶ・α・γ−ＰＶ）・（Ｔ＿Ｄ・Ｓ／１＋ηＴ＿Ｄ
   ・Ｓ）・（βＴ＿１・Ｓ／１＋βＴ＿１・Ｓ）・・・（
   ト）