JPH08314503A - 適応制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】適応制御装置の制御性能を向上すると共に、定
常偏差を無くすことができるようにする。 【構成】 プロセス１の制御量と目標値との制御偏差
（ｅp (t) ）５２を基に比例微分積分制御を行なってプ
ロセスの操作量を得るＰＩＤ調節器５１を有する適応制
御装置において、制御偏差（ｅp (t) ）５２を係数器５
６に入力し、係数値ｋを掛けた後、乗算器５８でτ倍
し、更に微分器６０で微分して加算器５７により係数器
５６の出力と加算する。この加算器５７の出力より位相
遅れ補償器６３の出力が減算器６２で減算され、更に、
ゲイン演算器６７によりゲイン演算される。ゲイン演算
器６７の出力（Ｋ(t) ）６８は、減算器６２の出力（ｅ
a(t)）６５と乗算器６６で乗算され、その乗算結果が加
算器５５でＰＩＤ調節器５１の出力（ｕ′(t) ）５３と
加算されてプロセス１の操作量（ｕ(t) ）３となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プロセス、機械製品等
に適用される適応制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３に、プロセス、機械製品等に適用さ
れる従来の適応制御装置の代表例を示す。プロセス１
は、既知外乱（ｄ(t) ）２と操作量（ｕ(t) ）３を入力
とし、制御量（ｙp(t)）４を出力する。この制御量（ｙ
p(t)）４は、規範モデル５の出力（ｙm(t)）６に追従す
る必要がある。なお、規範モデル５の入力（ｕm(t)）７
は、別途、指令値として与えられる。また、規範モデル
５の第２の出力（ｘm(t)）８は、規範モデル５の中間変
数である。本来であれば制御量（ｙp(t)）４と出力（ｙ
m(t)）６を比較して、その制御偏差を小さくするように
操作量（ｕ(t) ）３を動かすわけであるが、ここでは制
御安定化のためにＧb(s)なる伝達関数部９をプロセス１
に並行して配置し、制御量（ｙp(t)）４とＧb(s)なる伝
達関数部９の出力１０を加算器１１で加算した、いわゆ
る拡張したプロセスの制御量の値を（ｙa(t)）１２とし
たときの出力（ｙm(t)）６と（ｙa(t)）１２との偏差
（ｅz(t)）１３を減算器１４で求めて、この偏差（ｅz
(t)）１３を大きくするための操作量（ｕ(t) ）３を以
下の手法で求めている。

【０００３】操作量（ｕ(t) ）３を算出するための構成
要素は、大きくは３つに分けられる。その一つは次の通
りである。偏差（ｅz(t)）１３を乗算器１５，１６の片
側入力とし、乗算器１５の他方には後述の積分器１７の
出力（ＫIe(t) ）１８を入力し、乗算器１６の他方には
後述の係数器１９の出力（Ｋpe(t) ）２０を入力する。
そして、乗算器１５，１６の各出力は、加算器２１に供
給されて加算される。

【０００４】ここで、積分器１７の出力（ＫIe(t) ）１
８は、係数器２２を介して減算器２３の負側に入力され
る。そして、減算器２３の出力は積分器１７の入力とな
る。また、減算器２３の正側には係数器２４の出力が入
力される。係数器１９，２４には共に乗算器２５の出力
が入力され、この乗算器２５には両入力端子に減算器１
４から出力される偏差（ｅz(t)）１３が入力される。

【０００５】同様に、操作量（ｕ(t) ）３を算出するた
めの二つめの構成要素について説明する。規範モデル５
の第２の出力（ｘm(t)）８を乗算器２６，２７の片側入
力とし、乗算器２６の他方には後述の積分器２８の出力
（ＫIx(t) ）２９を入力し、乗算器２７の他方には後述
の係数器３０の出力Ｋpx(t) ３１を入力する。そして、
乗算器２６，２７の各出力は、加算器３２に供給されて
加算される。

【０００６】ここで、積分器２８の出力（ＫIx(t) ）２
９は、係数器３３を介して減算器３４の負側に入力され
る。そして、減算器３４の出力は積分器２８の入力とな
る。また、減算器３４の正側には、係数器３５の出力が
入力される。係数器３０，３５には共に乗算器３６の出
力が入力され、乗算器３６には減算器１４から出力され
る偏差（ｅz(t)）１３と規範モデル５の第２の出力（ｘ
m(t)）８が入力される。

【０００７】三つめの構成要素は、規範モデル５の入力
（ｕm(t)）７を乗算器３７，３８の片側入力とし、乗算
器３７の他方には後述の積分器３９の出力（ＫIu(t) ）
４０を入力し、乗算器３８の他方には後述の係数器４１
の出力（Ｋpu(t) ）４２を入力する。そして、乗算器３
７，３８の各出力は、加算器４３に供給されて加算され
る。

【０００８】ここで、積分器３９の出力（ＫIu(t) ）４
０は、係数器４４を介して減算器４５の負側に入力され
る。そして、減算器４５の出力は、積分器３９の入力と
なる。また、減算器４５の正側には、係数器４６の出力
が入力される。係数器４１，４６には共に乗算器４７の
出力が入力され、この乗算器４７には減算器１４から出
力される偏差（ｅz(t)）１３と規範モデル５の入力（ｕ
m(t)）７が入力される。

【０００９】以上の各構成要素の加算器２１，３２，４
３の各出力は、加算器４８に入力され、この加算器４８
の出力がプロセス１に対する操作量（ｕ(t) ）３とな
る。なお、Ｇb(s)なる伝達関数９は、簡単なケースで
は、１次遅れ要素でよく、同様に規範モデル５も簡単な
ケースでは１次遅れ要素の出力を第１の出力（ｙm(t)）
６とし、その微分値に相当する値を第２の出力（ｘm
(t)）８とすればよい。ここで、積分器１７，２８，３
９の各出力は、最小値として零またはそれ以上の正の値
でリミットをかける必要がある。

【００１０】また、係数器１９，３０，４１の各出力に
も、最小値として零またはそれ以上の正の値でリミット
をかける必要がある。上記のように従来の適応制御装置
は、プロセス１に並行してＧb(s)なる伝達関数９を配置
することにより、制御をし易くしている。すなわち、伝
達関数Ｇb(s)として１次遅れ要素のように制御し易い特
性のものを配置し、Ｇb(s)を加算した拡張したプロセス
の制御を行なうようにしている。また、規範モデル５の
情報を使用し、規範モデル５に変動があるときには、フ
ィードバック系の可変ゲイン（ＫIe，Ｋpe）の値及びフ
ィードフォワード系の可変ゲイン（ＫIx，Ｋpx，ＫIu，
Ｋpu）の値を大きくして積極的な制御を行なう回路構成
として制御性能の向上を図っている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の適
応制御装置は、制御偏差を予測して操作量を決定するよ
うな機能を備えておらず、基本的に比例動作であるため
制御性能の向上に限界がある。また、従来装置には、積
分機能がないため、制御偏差が零になるまで操作量を動
かし続けることができず、定常偏差が残ってしまうとい
う問題がある。本発明は上記の点を考慮してなされたも
ので、制御性能を向上できると共に定常偏差を無くすこ
とができる適応制御装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、プロセスの制
御量と目標値との偏差を基に比例微分積分制御を行ない
プロセスに操作量を出力する比例積分微分調節器を有す
る適応制御装置において、偏差に所望の係数を掛ける係
数器と、同係数器の出力を入力とする位相進み補償器
と、同位相進み補償器の出力と位相遅れ補償器の出力と
の偏差を求める減算器と、同減算器の出力に基づいてゲ
インを演算するゲイン演算器と、同ゲイン演算器と前記
減算器の出力を乗算する乗算器と、同乗算器の出力を入
力とする位相遅れ補償器と、前記乗算器の出力を比例積
分微分調節器の出力に加える加算器とから成ることを特
徴とする。

【００１３】

【作用】閉ループ系のフィードバック部に位相遅れ補償
器を設けることにより、位相進み補償ができ、それによ
りプロセスの遅れを補償できるため、制御性能を向上で
きる。

【００１４】また、ゲイン演算器により、プロセスに経
時変化がある場合でも、絶えず適切なゲインの値が得ら
れる。比例積分微分調節器により、制御偏差がある限
り、その積分機能で操作量を修正し、定常偏差を徐々に
零にすることができる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。本発明装置の回路を図１及び図２にブロック線
図で示す。なお、図３に示した従来装置と同一部分に
は、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【００１６】図１において、プロセス１は、既知外乱
（ｄ(t) ）２と操作量（ｕ(t) ）３を入力とし、制御量
（ｙp(t)）４が出力される。ここで、制御量（ｙp(t)）
４は目標値（ｒ(t) ）４９に追従させる必要がある。そ
のため制御量（ｙp(t)）４と目標値（ｒ(t) ）４９を減
算器５０で比較して、ＰＩＤ調節器（比例積分微分調節
器）５１で、制御偏差（ｅp (t) ）５２を小さくできる
操作量（ｕ′(t) ）５３を求める。なお、操作量（ｕ′
(t) ）５３は、後述する乗算器６６から出力される操作
量（ｕa(t)）５４と加算器５５で加算されてプロセス１
への操作量（ｕ(t) ）３となる。

【００１７】また、上記減算器５０で求められた制御偏
差（ｅp (t) ）５２は、係数器５６に入力されて所望の
係数ｋが掛けられ、その出力が加算器５７及び乗算器５
８の一方の入力端子に入力される。また、この乗算器５
８の他方の入力端子には、後述する定数（τ）５９が入
力され、その出力は微分器６０に入力される。上記乗算
器５８、微分器６０及び加算器５７により、位相進み補
償器を構成している。

【００１８】上記微分器６０の出力は、上記加算器５７
に入力されて係数器５６の出力と加算される。この加算
器５７の加算出力（ｅp ^* (t) ）６１は、減算器６２の
正側に入力され、その負側には位相遅れ補償器６３の出
力（ｙm(t)）６４が入力される。この出力（ｙm(t)）６
４の算出法については後述する。そして、上記減算器６
２の出力（ｅa(t)）６５は、乗算器６６及びゲイン演算
器６７に入力される。このゲイン演算器６７の機能は後
述するが、その出力である可変ゲイン（Ｋ(t) ）６８
は、乗算器６６に入力されて減算器６２の出力（ｅa
(t)）６５と乗算されて操作量（ｕa(t)）５４となる。
この操作量（ｕa(t)）５４は、位相遅れ補償器６３に入
力されると同時に加算器５５に入力される。

【００１９】そして、上記ゲイン演算器６７及び位相遅
れ補償器６３は、図２に示すように構成される。減算器
６２の出力（ｅa(t)）６５は、ゲイン演算器６７に送ら
れて乗算器７０の一方の入力端子に入力される。この乗
算器７０の他方の入力端子には、後述する積分器９２の
出力（λ(t) ）６９が入力される。乗算器７０の出力
は、乗算器７１で自乗された後、後述の定数発生器７２
の出力（μ）７３と乗算器７４で乗算される。この乗算
器７４の出力は、減算器７５の正側に入力され、その負
側に積分器７６の出力（Ｋｅ(t) ）７７が入力される。
減算器７５の出力は、乗算器７８の一方の入力端子に入
力され、他方の入力端子には後述する除算器８６の出力
（μ^-1）７９が入力され、その乗算出力は積分器７６に
入力される。この積分器７６は、上下限のリミット値が
設定できるもので、図２では上限値（ＵＬ）として「５
０」、下限値（ＬＬ）として「０」を設定した場合につ
いて示しているが、この値に限定されるものではない。

【００２０】そして、積分器７６の出力（Ｋｅ(t) ）７
７と、他の制御系統の出力（Ｋｅ(t) ）７７′が加算器
８０に入力される。本実施例では、１つの制御系統につ
いて説明しているが、多数の制御系統からなる場合に
は、他の制御系統も同様にして構成されるもので、この
場合における他の制御系統の出力が（Ｋｅ(t) ）７７′
である。また、上記積分器７６の出力（Ｋｅ(t) ）７７
は、他の制御系統にも出力される。

【００２１】上記加算器８０の出力（Ｋ(t) ）６８は、
上下限のリミット値が設定できるもので、図２では上限
値（ＵＬ）として「５０」、下限値（ＬＬ）として
「０」を設定した場合について示しているが、この値に
限定されるものではない。上記加算器８０の出力（Ｋ
(t) ）６８がゲイン演算器６７の出力として図１の乗算
器６６に入力される。

【００２２】また、上記乗算器６６から出力される操作
量（ｕa(t)）５４は、位相遅れ補償器６３へ送られて係
数器８１に入力される。この係数器８１は、計数値が
「０．５」に設定されており、その出力は第１の１次遅
れ要素（１／（１＋τｓ））８２に入力され、その出力
が第２の１次遅れ要素（１／（１＋τｓ））８３に入力
される。また、上記１次遅れ要素８２，８３の時定数τ
は、外部から指定できるもので、後述する係数器８５の
出力（τ）５９が入力される。上記第１の１次遅れ要素
８２と第２の１次遅れ要素８３の出力は、加算器８４で
加算され、その出力が位相遅れ補償器６３の出力（ｙm
(t)）６４となる。

【００２３】そして、上ゲイン演算器６７及び位相遅れ
補償器６３で必要な値、すなわち、（τ）５９、λ(t)
６９、（μ）７３、（μ^-1）７９を定数発生器７２，８
８等を含む回路で作成している。この場合、上記各値
は、物理的な意味を持つ振動周期や指定値から求められ
るようにしている。すなわち、上記定数発生器７２は、
定数値（μ）の設定が可能なものであり、その出力
（μ）７３は係数器８５に入力される。この係数器８５
は、その値が例えば「０．０８３３」に設定されるもの
で、その出力が（τ）５９となる。また、定数発生器７
２の出力（μ）７３は、除算器８６の分母（Ｂ）に入力
され、その分子（Ａ）には定数発生器８７で発生した定
数「１」が入力される。この除算器８６の出力が
（μ^-1）７９となる。ここで、定数発生器７２には、μ
の値を設定する必要があるが、このμの値は、プロセス
１とＰＩＤ調節器５１からなるループの振動周期の値を
採用すればよい。

【００２４】また、定数発生器８８は、定数値の設定が
可能なものであり、例えばｅp ＾^*max の値を設定す
る。このｅp ＾^* max とは、加算器５７の出力（ｅp ^*
(t) ）６１の最大偏差の指定値を意味している。上記定
数発生器８８の出力は除算器８９の分母（Ｂ）に入力さ
れ、その分子（Ａ）には定数発生器９０で発生した定数
値「５１」が入力される。この定数値「５１」は、積分
器７６の上限値「５０」に「１」を加算した値である。
除算器８９の出力は、減算器９１の正側に入力され、そ
の負側には積分器９２の出力（λ(t) ）６９が入力され
る。そして、減算器９１の出力と上記除算器８６の出力
（μ^-1）７９とが乗算器９３で乗算され、その出力が積
分器９２に入力される。ここで、積分器９２の初期値
（ＩＣ）は、計算する際のショックを和らげるために零
に設定できるようになっている。

【００２５】次に上記実施例の動作を説明する。減算器
５０により、プロセス１の制御量（ｙp(t)）４と目標値
（ｒ(t) ）４９との制御偏差（ｅp (t) ）５２が求めら
れ、ＰＩＤ調節器５１に入力される。このＰＩＤ調節器
５１は、上記制御偏差（ｅp (t) ）５２に基づいて比例
微分積分制御を行ない、操作量（ｕ′(t) ）５３を得
る。

【００２６】また一方、上記減算器５０から出力される
制御偏差（ｅp (t) ）５２は、係数器５６で係数値ｋが
掛けられた後、乗算器５８でτ倍され、更に微分器６０
で微分される。この微分器６０で微分された値は、加算
器５７により係数器５６の出力と加算されて位相進み補
償される。この加算器５７の出力（ｅp ^* (t) ）６１
は、減算器６２に入力されて位相遅れ補償器６３の出力
（ｙm(t)）６４が減算され、その減算値（ｅa(t)）６５
がゲイン演算器６７に入力される。このゲイン演算器６
７は、減算器６２の出力（ｅa(t)）６５に基づいてゲイ
ン演算を行ない、（Ｋ(t) ）６８を出力する。そして、
このゲイン演算器６７の出力（Ｋ(t) ）６８と減算器６
２の出力（ｅa(t)）６５が乗算器６６で乗算され、その
乗算結果（ｕa(t)）５４が加算器５５によりＰＩＤ調節
器５１から出力される操作量（ｕ′(t) ）５３と加算さ
れてプロセス１の操作量（ｕ(t) ）３となる。

【００２７】ここで、位相遅れ補償器６３は、図２に示
すように構成され、その出力（ｙm(t)）６４は、次の関
係式で求められる。 ｙm （ｓ）＝０．５｛（１／（１＋τｓ））＋（１／
（１＋τｓ））×（１／（１＋τｓ））｝ｕa （ｓ） 但し、上式はｓ領域で表している。ここで、ｓはラプラ
ス演算子である。

【００２８】また、時定数τは、次式で求められる値で
ある。 τ＝０．０８３３μ 上記μは、補完する前のプロセス１とＰＩＤ調節器５１
からなる閉ループ系の振動周期の推定値で、予め指定す
る必要がある。図２では、定数発生器７２によりμの値
を与えている。

【００２９】次にゲイン演算器６７は、図２に示すよう
に構成され、その出力（Ｋ(t) ）６８の値は、減算器６
２の出力（ｅa(t)）６５と積分器９２の出力（λ(t) ）
６９とを乗算して得られる値を自乗し、その値に、更に
μの値を乗算し、そして、その値を上下限付き１次遅れ
特性要素（積分器７６）を介して得られる値（Ｋｅ(t)
）７７を他の系統に供給すると共に、自身の系統にも
他の系統の値（Ｋｅ(t)）７７′を加算器８０で加算
し、その加算器８０の出力にも上下限を付けて出力（Ｋ
(t) ）６８の値を算出する。

【００３０】なお、上記（λ(t) ）６９は、次式で求め
る。 λ（ｓ）＝（１／（１＋μｓ））φｅp ＾^* max ^-1 但し、上式はｓ領域で表している。ここで、ｅp ＾^* ma
x は、ｅp ^* (t) の最大値の推定値で、φは上下限付き
１次遅れ特性要素（積分器７６）の上限値の値に「１」
を加えたものである。また、１／（１＋μｓ）の１次遅
れ特性の初期値は零にする。

【００３１】上記のようにプロセス１とＰＩＤ調節器５
１からなるフィードバック制御系においては、ＰＩＤ調
節器５１の積分機能によって定常偏差を除去することが
できる。すなわち、制御系に制御偏差がある限り、ＰＩ
Ｄ調節器５１の積分機能により、プロセス１の操作量を
修正して定常偏差を徐々に零にすることができる。

【００３２】また、ゲイン演算器６７の部分で、減算器
６２の出力（ｅa(t)）６５が大きな時には可変ゲインＫ
(t) ６８が大きくなるような演算が行なわれる。従っ
て、このゲイン演算器６７により、プロセス１に経時変
化がある場合でも、絶えず適切なゲインを得ることがで
きる。そして、乗算器６６から出力される操作量（ｕa
(t)）５４を位相遅れ補償器６３を介してフィードバッ
クすることにより、加算器５７の出力（ｅp ^* (t) ）６
１に対する操作量（ｕa(t)）５４は位相進みになって制
御性が改善される。更に、減算器５０と減算器６２との
間に係数器５６を介して位相進み補償器を設けることに
より、制御偏差（ｅp (t) ）５２から操作量（ｕa(t)）
５４の間に、２段階の進み要素が入ることになり、制御
性能を改善することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、制
御性能を向上できると共に定常偏差を無くすことができ
る適応制御装置を提供し得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る適応制御装置の主要部
を示すブロック図。

【図２】同実施例における位相遅れ補償器及びゲイン演
算器の詳細を示すブロック図。

【図３】従来の適応制御装置を示すブロック図。

【符号の説明】

１ プロセス ２ 既知外乱（ｄ(t) ） ３ 操作量（ｕ(t) ） ４ 制御量（ｙp(t)） ４９ 目標値（ｒ(t) ） ５１ ＰＩＤ調節器（比例積分微分調節器） ５２ 制御偏差（ｅp (t) ） ５３ 操作量（ｕ′(t) ） ５４ 操作量（ｕa(t)） ５６，８１，８５ 係数器 ６０ 微分器 ６３ 位相遅れ補償器 ６７ ゲイン演算器 ７２，８７，８８，９０ 定数発生器 ７６ 上下限付積分器 ８６，８９ 除算器 ９２ 積分器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プロセスの制御量と目標値との偏差を基
   に比例微分積分制御を行ないプロセスに操作量を出力す
   る比例積分微分調節器を有する適応制御装置において、 偏差に所望の係数を掛ける係数器と、同係数器の出力を
   入力とする位相進み補償器と、同位相進み補償器の出力
   と位相遅れ補償器の出力との偏差を求める減算器と、同
   減算器の出力に基づいてゲインを演算するゲイン演算器
   と、同ゲイン演算器と前記減算器の出力を乗算する乗算
   器と、同乗算器の出力を入力とする位相遅れ補償器と、
   前記乗算器の出力を比例積分微分調節器の出力に加える
   加算器とから成ることを特徴とする適応制御装置。