JPH047602A - Ｐｉｄ制御方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は制御開始時の出力率と異る出力率によって制御
量が目標値に整定される制御系のＰＩＤ制御方法に関し
、特に前記制御系を正負両方向のＰＩＤ制御によって制
御するＰＩＤ制御方法に関する。

〔従来の技術〕

一般にＰＩＤ制御系は次の２つのカテゴリーに分けるこ
とができる。

（１）制御開始時の出力率と同じ出力率によって制御量
が目標値に整定される制御系。

（２）制御開始時の出力率と異る出力率によフて制御量
が目標値に整定される制御系。

制御系（１）としては、例えば特開昭６３−６１３１１
号公報に記載された制御系（以下、公報１の制御系と記
す）がある。この制御系は水平に置かれたＸＹステージ
の移動ステージを目標位置まで移動させて位置決めする
。移動ステージは初期位置においても目標位置において
も静止するので、出力率の初期値および最終値はいずれ
もＯである。したがって、公報１の制御系においては、
積分補正値が目標位置において０になるように、偏差が
最初に０になった時点における積分補正値と逆符号の初
期値を積分補正項に与えている。

制御系（２）として、例えば磁気浮上制御系がある。こ
の場合には移動体を空中に持ち上げて静止させるために
移動体の重さを補償する磁気浮上刃が必要である。した
がって、移動体の位置を整定させるためには、前記磁気
浮上刃を生じさせる出力率が生成されていなければなら
ない。また、他の例としては、例えば電気炉を室温以上
の一定温度に整定させる温度制御系がある。この場合に
は、電気炉から周囲に逃散する熱エネルギーを補償する
ための電力が必要であり、整定時にはその電力を生成す
るための出力率が必要である。このように制御系（１）
　、　（２）の整定条件の基本的な相違は、制御系（１
）においては整定時に出力率が０でなければならないこ
とであり、一方、制御系（２）においては整定時に、制
御対象を安定状態に維持するための出力率が生成されて
いなければならないことである。

以下、制御系（２）について記述する。

制御系（２）において制御量を目標値に立上げるとき、
できるだけ急速に立上げかつ、立上げ後のオーバーシュ
ートをできるだけ少くする、すなわち、よい整定波形で
整定することが必要である。

通常、立上げの際、偏差が比例帯に入ると積分動作が開
始されるが、積分補正項の初期値を整定時における積分
補正値に等しくするとオーバーシュートがほとんどなく
、短い整定時間で制御量を整定させることができる。こ
のとき、もし積分補正項の初期値が定常状態における積
分補正値より大きければオーバーシュートが起こり、小
さければ整定時間が長くなる。このような問題を解消す
るために、例えば特開昭５９−８００１号（以下、公報
２と記す）に示されているように、定常状態に入るとそ
のときの操作量を安定操作量（アンチリセット値）とし
て記憶しておき、次にシステムを立ち上げる場合にはそ
の安定操作量に対応する積分補正値を積分補正項の初期
値として用いることによって整定特性を向上させるよう
にした制御方法が知られている。

一方、目標値に対して正方向制御、負方向制御をするそ
れぞれ第１．第２のＰＩＤ制御手段による制御方法は、
例えば特開昭６０−１６３１０１号公報および特開昭６
４−２６２０１号公報（以下、それぞれ公報３、公報４
と記す）に記載されている。公報３のＰＩＤ制御方法に
おいては正方向制御、負方向制御の選択の判断を偏差の
符号（正または負）に従って行い、公報４のＰＩＤ制御
方法においては、その判断を、それぞれのＰＩＤ制御手
段で演算されたＰＩＤ出力率の符号に従って行っている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記のアンチリセット値を設定するＰＩＤ制御方法には
次の問題点がある。

（１）制御対象が安定制御状態にあるかどうかの判断は
使用者によって行われるので、使用者は安定状態かどう
かを常にモニタする必要がある。

また、この判断基準は、使用者によって異るのでアンチ
リセット値として保持される値も使用者によって異る。

（２）　アンチリセット値が一旦設定された後恒久的な
外乱が生じたり、設定値の変更等によって系の特性が変
われば、以前に書込まれたアンチリセット値は最適な値
ではなくなる。しかしこの場合にもアンチリセット値は
変更されないため、電源の投入時に大きなオーバーシュ
ートが発生したり制御特性が乱れることがある。また、
アンチリセット値の設定方法に誤りがあっても正しい値
を設定することができない。

また、前記第１．第２のＰＩＤ制御手段によって正・負
方向制御を行う従来のＰＩＤ制御方法には次の問題点が
ある。

（１）公報３に記載されているＰＩＤ制御方法において
は、過渡応答中に制御量が設定値近傍で上下を縁り返し
た場合、正方向と負方向の出力が交互に繰り返し出力さ
れるためハンチングが発生し易い。

（２）公報４に記載されているＰＩＤ制御方法において
は、設定値近傍でＰＩＤ演算部によフて演算された出力
率は、設定値に整定した時の積分補正値に近い値となる
。したがって、制御系（１）（（従来の技術）の項参照
）のように、制御量が目標値に整定されたときの出力率
が０である場合には、出力率の正負による正方向制御、
負方向制御の切換えは、ハンチングを防ぐために有効な
方法である。しかし、制御系（２）のように、制御量が
目標値に整定されたときの出力率が０でない場合には、
出力率の正負による制御方向の切換えは、制御量の、目
標値付近の変動を補償する動作にはなり得ない。その結
果、制御量が目標値に整定した状態において外乱が発生
しても、外乱修正のための制御方向の切換えが行われな
い不感帯が生じ、しかもこの不感帯は、外乱の大きさに
よっては制御範囲全域にねたって存在する。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の第１のＰＩＤ制御方法は、 制御開始時の出力率と異る出力率によって制御量が目標
値に整定される制御系のＰＩＤ制御方法であって、 制御量を、任意に定めた第１．第２の目標値に整定させ
たときの積分補正値をそれぞれ第１．第２の積分補正値
とし、第１．第２の積分補正値を予め測定し、 制御量を所望の目標値に整定させるときには、制御量が
当該所望の目標値に整定したときにおける積分補正値を
、第１および第２の積分補正値から直線近似によって演
算し、 ノ 前記演算された積分補正値を積分補正項の初期値として
ＰＩＤ演算手段に与え、該ＰＩＤ演算手段によって生成
される出力率によって制御量を制御する。

本発明の第２のＰＩＤ制御方法は、制御対象からフィー
ドバックされた制御量の、目標値に対する偏差に応答し
て制御量の正方向の変化を制御する第１の出力率を生成
する第１のＰＩＤ制御手段と、前記偏差に応答して制御
量の負方向の変化を制御する第２の出力率を生成する第
２のＰＩＤ制御手段を有し、各ＰＩＤ制御手段は制御開
始時の出力率と異る出力率によって制御量を目標値に整
定するＰＩＤ制御方法であって、 制御量が目標値に整定されているときに生成されるべき
、第１．第２のＰＩＤ制御手段の積分補正値をそれぞれ
第１．第２のバイアスとし、第１゜第２のＰＩＤ制御手
段はそれぞれ第１．第２のバイアスを各々の積分補正項
の初期値としてそれぞれ第１．第２の出力率を生成し、 偏差が正の第１の所定値以上のときには第１の出力率に
よって制御量を制御し、偏差が負の第２の所定値以下の
ときには第２の出力率によって制御量を制御し、 偏差が第２の所定値より大きく第１の所定値よりも小さ
い場合において、第１の出力率が第１のバイアス以上の
ときには、制御を第１の出力率による制御に切換え、第
１の出力率が第１のバイアスより小さいときには、第１
の出力率を制御から切離し、第２の出力率が第２のバイ
アスより大きいときには、第２の出力率を制御から切離
し、第２の出力率が第２のバイアス以下のときには、制
御を第２の出力率による制御に切換える。

〔作　用〕

本発明の第１のＰＩＤ制御方法においては、目標値と、
制御量が目標値に整定されたときの積分補正値（以下、
バイアスと記す）との間に線形関係を仮定することによ
り、良い整定波形で制御量を任意の目標値に整定するた
めに積分補正項に与えるべき初期値、すなわちバイアス
を簡単に演算することができる。したがってバイアスを
定めるために制御量の整定状態をモニタする必要はなく
、その結果、制御量が整定したかどうかを判断する基準
が使用者によフて異ることから生ずる問題をも克服する
ことができる。また、目標値を変更するとき、それにと
もなうバイアスを推定算出することにより、系の特性変
化によらず最適の初期値を与えることができる。

本発明の第２のＰＩＤ制御方法は、正方向制御、負方向
制御の切換えを、バイアスを基準にして判断する。

一般に制御対象が時間遅れ特性をもつ場合には、現在の
出力率に応答する偏差は遅れ時間τ後に生成される。換
言すれば現在の偏差は遅れ時間τだけ以前の出力率に対
応する。したがって、現在の偏差によフて正・負方向制
御を切換えると出力率がオーバーシュートし、その結果
、制御量がオーバーシュートする。

第２のＰＩＤ制御方法においては、出力率が整定時の出
力率、すなわちバイアスを越すと、偏差の如何に関わら
ず、ＰＩＤ制御の正、負方向を切換えるのでオーバーシ
ュートや不感帯を生ずることなく、制御系（２）（（従
来の技術〕参照）を整定させることができる。

〔実施例〕

次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。

第１図は本発明のＰＩＤ制御方法を適用するＰＩＤ制御
系の第１の実施例のブロック図である。

本実施例のＰＩＤ制御系は正方向制御および負方向制御
を行う両方向制御系で、制御対象は電気炉である。正方
向ＰＩＤ演算部２．負方向ＰＩＤ演算部４はそれぞれ偏
差ｅ。を入力し、ＰＩＤ演算を行い、正方向ＰＴＤ演算
値、負方向ＰＩＤ演算埴ｙミ、バを出力する。正方向バ
イアス演算部３．負方向バイアス演算部５はそれぞれ、
制御量（温度）が目標値に整定されたときに正方向ＰＩ
Ｄ演算部２．負方向ＰＩＤ演算部４が生成すべき積分補
正値を演算しそれぞれ正方向バイアスＡ＋、負方向バイ
アスへ−として出力する。加算器６は正方向ＰＩＤ演算
値’ｉｎと正方向バイアス八〇とを加算し、正方向出力
率ｙ＋を生成する。加算器７は負方向ＰＩＤ演算値ｙλ
と負方向バイアスＡ−とを加算し、負方向出力率ｙ−を
生成する。制御対象８は正方向出力率ｙ＋。

負方向出力率ｙ−によって制御される。検出器９は、制
御対象８が出力した制御量を検出し、検出値Ｘ・を出力
する。減算器１０は設定ブロック１が生成した目標値Ｘ
。から検出値ｘｎを減算し、偏差ｅｎを生成する。

次に本実施例の動作を説明する。

第２図は、本実施例の動作を説明するための、制御量の
設定値と正方向バイアスとの関係を示すグラフである。

先ず、正方向バイアス演算部３．負方向バイアス演算部
５を、それ−ぞれ加算器６．７から切離す。

次に、設定ブロック１に、最大の正方向ＰＩＤ演算値に
ほぼ対応する制御量の整定偵（第１の設定値）ｘ、８を
設定し、制御を正方向制御に切換えてＰＩＤ制御を実行
する。そして、電気炉の温度が整定したとき正方向ＰＩ
Ｄ演算値Ｖｎ、　ｍ１１Ｍ＋負方向ＰＩＤ演算値Ｙｎ、
＋ｍ□を測定する。整定時には、正、負方向ＰＩＤ演算
値はそれぞれ正、負方向バイアスに等しい。

次に、設定ブロック１に最小の正方向ＰＩＤ演算値にほ
ぼ対応する制御量の整定値（第２の設定値）Ｘｍ＋ｎを
設定して正方向ＰＩＤ制御を実行する。

そして電気炉の温度が整定したとき、正方向ＰＩＤ演算
値ｙＴｌ　９ｍ　ｉ　ｎ　＋負方向ＰＩＤ演算値！／ｎ
、ｍｉｎを測定する。この正、負方向ＰＩＤ演算値Ｖｎ
、ａ＋＋ｎ＋　Ｖｎ、ヨ、ｎもそれぞれ正、負方向ＰＩ
Ｄ演算部のバイアスに等しい。

次に、正、負方向バイアス演算部３．５をそれぞれ加算
器６．７に接続し、正方向バイアス演算部にはＸｍａｘ
＋　Ｘｍ１ｎ＋　ｙｎ、ｒａａｗ＋　ｙｎ、＋ａｉｎを
記憶させ、負方向バイアス演算部５にはＸ１ｌｌａに・
Ｘｍ１ｎ・ｙλ、　ｆｆ１ａＸ＋　Ｖｎ、　ｌ１ｌｉｎ
を記憶させる。

電気炉の温度を目標値Ｘに整定するときには、正、負方
向バイアス演算部３．５にそれぞれ次の演算をさせ、そ
れぞれ正、負方向バイアスＡ”、　Ａ−とじて出力させ
る。

これらの正、負方向バイアスＡ”、　Ａ−は直線近似で
求められた、整定時における正、負方向積分補正値であ
る。また、正、負方向出力率ｙ“＝ｙス＋Ａ”、　ｙ−
＝バ＋Ａ−は、それぞれ正、負方向積分補正値Ａ”、　
Ａ−を初期値とする、整定時における出力率であって、
整定時にはｙＡ＝ｙλ＝０、したがってｙ′″＝Ａ”、
　ｙ−＝Ａ−である。

第３図は本発明のＰＩＤ制御方法を通用するＰＩＤ制御
系の第２の実施例のブロック図である。

本実施例のＰＩＤ制御系は第１図のＰＩＤ制御系に、正
方向判断ブロック１１．負方向判断ブロック１２を付加
したものである。

正、負方向判断ブロック１１．１２は、偏差ｅｎを人力
すると共に、正、負方向出力率ｙ”、　ｙ−をそれぞれ
入力し、偏差ｅｎを比例帯ＰＢと比較し、かつ、正、負
方向出力率ｙ”、　ｙ−をそれぞれ正、負方向バイアス
Ａ”、　Ａ−と比較し、制御を正方向ＰＩＤ制御または
負方向ＰＩＤ制御を切換え、それぞれ出力率ζ１．ζ−
を出力する。

次に本実施例の動作を説明する。

正、負方向ＰＩＤ演算部２，４は、それぞれ次の演算を
行い、正、負方向ＰＩＤ演算値Ｖｎ＋６を生成する。

たたし、 ＫＷ、　Ｋｐはそれぞれ正、負方向比例ゲイン、Ｔ；、
　Ｔ、はそれぞれ正、負方向積分時間、Ｔ：、　ＴＤは
それぞれ正、負方向微分時間、Ｔ：、　Ｔ、はそれぞれ
正、負方向演算周期である。

正方向判断ブロック１１は比例帯ＰＨおよび正方向バイ
アスＡ＋を記憶し、次の判断および正方向出力率ｙ＋の
切換え動作を行う。

（ｉ）　　ｅｎ＞Ｐａ／２　　のときη”　＝ｙ”　　
　　　（４）（ｉｉ）　−（Ｐａ／２）≦ｅｏ≦ＰＢ／
２　　のとき、ｙ９≧Ａ＋　の場合にはη”＝ｙ”　　
（５）ｙ′″くＡ　のときη”＝０　　　　　（６）（
ｉ　ｉｉ）　　ｅ、＜　−Ｐａ／２　　の場合にはη”
＝０（７）同様に負方向判断ブロック１２は、比例帯Ｐ
Ｂおよび負方向バイアスＡ−を記憶し、次の判断および
負方向出力率ｙ−の切換え動作を行う。

（ｉ）　　ｅｎ＞Ｐａ／２　　の場合にはｎ−＝０　　
　　（８）（ｉｉ）　　（Ｐａ／２）≦ｅ、≦ＰＢ／２
　　の場合、ｙ−＞Ａ−のとき、η−＝０　　　　（９
）ｙ−≦へ−のとき、η−＝ｒ　　　（１０）（ｉｉｉ
）　　ｅｎ（−（Ｐａ／２）　　の場合にはη−＝　ｙ
−（１１） このように、偏差の大きさ１ｅｎｔがＰａ／２より大き
いときには偏差によって、正、負方向ＰＩＤ制御の切換
えを判断し、偏差の大きさＩｅｎｌがＰａ／２より小さ
いときには、出力率ｙ”、　ｙ−をそれぞれ正、負方向
バイアス八“、八−と比較し、その切換えを判断する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、制御開始時の出力率と異
る出力率によって整定される制御系において次の効果を
達成する。

（１）簡単な近似式によってバイアスを自動的に演算し
、このバイアスを積分補正項の初期値として演算された
出力率によって制御対象を制御することにより、アンチ
リセットを必要とせずに、短い時間にオーバーシュート
なく制御量を整定させることができる。

（２）正方向ＰＩＤ制御、負方向ＰＩＤ制御の切換えを
、正、負方向出力率と正、負方向バイアスとを比較して
判断することにより、外乱に対する不感帯が除かれ、短
い整定時間で外乱を修正することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３図はそれぞれ本発明のＰＩＤ制御方法を適
用するＰＩＤ制御系の第１．第２の実施例のブロック図
、第２図は第１の実施例の動作を説明するための、制御
量の設定値と正方向バイアスとの関係を示すグラフであ
る。 １・・・設定ブロック、 ２・・・正方向ＰＩＤ演算部、 ３・・・正方向バイアス演算部、 ４−・負方向ＰＩＤ演算部、 ５−・負方向バイアス演算部、 ６．７−・加算器、 ８・・・制御対象、 ９−・検出器、 １０−・・減算器、 １１−・・正方向判断ブロック、 １２−・・負方向判断ブロック。 特許出願人　株式会社安川電機製作所

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）制御開始時の出力率と異る出力率によって制御量
   が目標値に整定される制御系のＰＩＤ制御方法において
   、 制御量を、任意に定めた第１，第２の目標値に整定させ
   たときの積分補正値をそれぞれ第１，第２の積分補正値
   とし、第１，第２の積分補正値を予め測定し、 制御量を所望の目標値に整定させるときには、制御量が
   当該所望の目標値に整定したときにおける積分補正値を
   、第１および第２の積分補正値から直線近似によって演
   算し、 前記演算された積分補正値を積分補正項の初期値として
   ＰＩＤ演算手段に与え、該ＰＩＤ演算手段によって生成
   される出力率によって制御量を制御することを特徴とす
   るＰＩＤ制御方法。
2. （２）制御対象からフィードバックされた制御量の、目
   標値に対する偏差に応答して制御量の正方向の変化を制
   御する第１の出力率を生成する第１のＰＩＤ制御手段と
   、前記偏差に応答して制御量の負方向の変化を制御する
   第２の出力率を生成する第２のＰＩＤ制御手段を有し、
   各ＰＩＤ制御手段は制御開始時の出力率と異る出力率に
   よって制御量を目標値に整定するＰＩＤ制御方法におい
   て、制御量が目標値に整定されているときに生成される
   べき、第１，第２のＰＩＤ制御手段の積分補正値をそれ
   ぞれ第１，第２のバイアスとし、第１、第２のＰＩＤ制
   御手段はそれぞれ第１，第２のバイアスを各々の積分補
   正項の初期値としてそれぞれ第１，第２の出力率を生成
   し、 偏差が正の第１の所定値以上のときには第１の出力率に
   よって制御量を制御し、偏差が負の第２の所定値以下の
   ときには第２の出力率によって制御量を制御し、 偏差が第２の所定値より大きく第１の所定値よりも小さ
   い場合において、第１の出力率が第１のバイアス以上の
   ときには、制御を第１の出力率による制御に切換え、第
   １の出力率が第１のバイアスより小さいときには、第１
   の出力率を制御から切離し、第２の出力率が第２のバイ
   アスより大きいときには、第２の出力率を制御から切離
   し、第２の出力率が第２のバイアス以下のときには、制
   御を第２の出力率による制御に切換えることを特徴とす
   るＰＩＤ制御方法。