JPH09244704A - プロセス制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、制御系の安定時に２自由度ＰＩＤ
制御方式における補償演算部のパラメータを変化させて
もその出力を変化させず、ひいては操作量ＭＶに変化を
生じないようにすることを可能としたプロセス制御装置
を提供する。 【解決手段】 サンプリング周期毎の目標値に対して補
償演算を行い、その補償演算の結果を用いて制御対象に
対する制御演算を行う２自由度ＰＩＤ方式を用いたプロ
セス制御装置において、目標値が入力され、入力された
目標値を１サンプリング周期間保持する第１の遅れ要素
手段と、目標値と、第１の遅れ要素部で保持された１サ
ンプリング周期前の目標値との目標値差を算出する目標
値差算出手段と、目標値差が入力され、当該目標値差に
基づいて補償演算を実行する補償演算手段とを備えたプ
ロセス制御装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はプロセス制御装
置、更に詳しくは２自由度ＰＩＤ演算方式における目標
値フィルタの部分に特徴のあるプロセス制御装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】各種プロセス制御には、ＰＩＤ制御方式
が広く用いられている。このような制御方式では多くの
場合、制御対象に外乱が加わった場合にその影響を早急
に抑制し得る状態，すなわち外乱抑制最適特性状態に調
整されている。

【０００３】しかし、この外乱抑制最適特性状態に制御
定数が設定されていると、目標値ＳＶを変更した場合に
制御が行き過ぎてしまい、目標値ＳＶを変化に制御量Ｐ
Ｖが追随せずオーバーシュートを生じてしまう。一方、
目標値ＳＶ変化に制御量ＰＶが最適に追随する状態，す
なわち目標値追随最適特性状態に制御定数を設定してお
くと、外乱に対する抑制特性が非常に甘くなり、応答性
が長時間化してしまう。

【０００４】このような場合でも、制御定数を、外乱抑
制および目標値追随の双方に最適化させて各々独立に最
適な特性状態へと調整することができる制御方法とし
て、２自由度ＰＩＤ演算方式が特公平５−７０８４１号
公報にて提案されている。

【０００５】２自由度ＰＩＤ演算方式は種々の提案がな
されているが基本的には図４のような形が提唱されてい
る。図４は２自由度ＰＩＤ演算方式を用いた基本的なプ
ロセス制御装置の構成例を示すブロック図である。

【０００６】同図に示すプロセス制御装置においては、
操作量ＭＶを制御対象３０に出力するコントローラ２０
の前段に補償演算部１０が設けられている。補償演算部
１０は、目標値ＳＶを追随するのに最適な特性状態、す
なわち目標値追随最適特性状態に制御定数が設定されて
いる。この補償演算部１０には、目標値ＳＶが入力さ
れ、リファレンスＲが出力される。

【０００７】コントローラ２０は、外乱抑制に最適な特
性状態，すなわち外乱抑制最適特性状態に制御定数が設
定されている。コントローラ２０には、リファレンスＲ
と制御対象３０からの制御量ＰＶが入力され、操作量Ｍ
Ｖが出力される。

【０００８】制御対象３０には、コントローラ２０から
の操作量ＭＶが入力されるとともに、外乱Ｄが入力さ
れ、制御量ＰＶが出力される。上記したように、補償演
算部１０のＨ（ｓ）としては、種々の演算方式が提案さ
れているが、その演算式の例を以下の（１）〜（３）に
示す。

【０００９】 Ｈ（ｓ）＝１−（β／（１＋Ｔｉ・ｓ）） ×（Ｔｉ・ｓ／（１＋Ｔｉ・ｓ）） …（１） Ｈ（ｓ）＝（１＋α・Ｔｉ・ｓ）／（１＋Ｔｉ・ｓ） −（β／（１＋Ｔｉ・ｓ））×（Ｔｉ・ｓ／（１＋Ｔｉ・ｓ））…（２） Ｈ（ｓ）＝（１＋α・Ｔｉ・ｓ）／（１＋Ｔｉ・ｓ） ＋（−β／（１＋Ｔｉ・ｓ）＋γ・Ｔｉ・ｓ／（１＋η・Ｔｉ・ｓ）） ×（Ｔｉ・ｓ／（１＋Ｔｉ・ｓ）） …（３） ここで、具体的例の１つとして、式（３）の場合を図示
すると、図５のような形となる。

【００１０】図５は（３）式に示す２自由度ＰＩＤ演算
方式を用いたプロセス制御装置の構成例を示すブロック
図である。このプロセス制御装置において、補償演算部
１０は、比例相当要素１１と積分相当要素１２と微分相
当要素１３と微積共通項相当要素１４とによって構成さ
れる。

【００１１】目標値ＳＶは、まず、比例相当要素１１と
積分相当要素１２と微分相当要素１３に入力され、積分
相当要素１２及び微分相当要素１３からの出力が微積共
通項相当要素１４に入力される。そして、比例相当要素
１１と微積共通項相当要素１４との出力が加算され、リ
ファレンスＲとして出力される。

【００１２】一方、制御対象３０からの出力である制御
量ＰＶがコントローラ２０の微分要素２２に入力されて
いる。また、当該制御量ＰＶと補償演算部１０からリフ
ァレンスＲとの差が比例積分要素２１に入力されてい
る。

【００１３】そして、比例積分要素２１と微分要素２２
との差が操作量ＭＶとして制御対象３０に出力される。
このように構成され動作する従来の２自由度ＰＩＤ制御
方式においては、制御定数（パラメータ）としては、コ
ントローラ２０にある比例、積分、微分の各係数（いわ
ゆるＰＩＤパラメータ）、及び補償演算部１０の比例相
当要素１１と積分相当要素１２と微分相当要素１３とに
それぞれ設けられた目標値パラメータα、β、γがあ
る。２自由度ＰＩＤ制御方式では、ＰＩＤパラメータと
目標値パラメータを調整して、プロセスに対して最適の
応答を求めるようにしている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】このような２自由度Ｐ
ＩＤ制御方式においても、まだ、解決すべき以下のよう
な課題を有している。図５の構成からすれば、例えば制
御系が安定していて、目標値ＳＶと制御量ＰＶが等しく
なっていて、かつ、ＳＶが一定値であるときにα、β、
γを変化させるとコントローラ出力ＭＶが変化して制御
対象に余計な外乱を与えることがわかる。

【００１５】これは図５の例にあっては、微積共通項相
当要素１４への入力値を急激変化させると、その変化に
伴って当該微積共通項相当要素１４からの出力が立ち上
がるからである。つまり、βの値を変更すると、これに
比例して積分相当要素１２からの出力が変り、微積共通
項相当要素１４への入力値が急激変化し、ひいては操作
量ＭＶに変化が生じる。

【００１６】したがって、パラメータチューニングにお
いては、目標値パラメータを変更する都度プロセスに不
必要な外乱をあたえることになり好ましくない。なお、
ＰＩＤパラメータは、同様の条件（ＳＶ＝ＰＶでＳＶ一
定）で変化させたときでも、通常ＭＶに変化が生じな
い。

【００１７】本発明は、このような実情を考慮してなさ
れたもので、制御系の安定時に２自由度ＰＩＤ制御方式
における補償演算部のパラメータを変化させてもその出
力を変化させず、ひいては操作量ＭＶに変化を生じない
ようにすることを可能としたプロセス制御装置を提供す
ることを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に対応する発明は、サンプリング周期毎の
目標値に対して補償演算を行い、その補償演算の結果を
用いて制御対象に対する制御演算を行う２自由度ＰＩＤ
方式を用いたプロセス制御装置において、目標値が入力
され、入力された目標値を１サンプリング周期間保持す
る第１の遅れ要素手段と、目標値と、第１の遅れ要素部
で保持された１サンプリング周期前の目標値との目標値
差を算出する目標値差算出手段と、目標値差が入力さ
れ、当該目標値差に基づいて補償演算を実行する補償演
算手段とを備えたプロセス制御装置である。

【００１９】また、請求項２に対応する発明は、請求項
１に対応する発明において、入力された値を１サンプリ
ング周期間保持する第２の遅れ要素手段と、補償演算手
段からの出力値と、前記第２の遅れ要素部で保持された
１サンプリング周期前の値とを加算し、目標値に対応し
た補償演算値とするとともに、当該補償演算値を第２の
遅れ要素手段に入力する加算手段とを備えたプロセス制
御装置である。 （作用）したがって、まず、請求項１に対応する発明の
プロセス制御装置においては、サンプリング周期毎の目
標値に対して補償演算を行い、その補償演算の結果を用
いて制御対象に対する制御演算を行う２自由度ＰＩＤ方
式が用いられている。

【００２０】また、第１の遅れ要素手段によって、入力
された目標値が１サンプリング周期間保持される。次
に、目標値差算出手段とによって、今回のサンプリング
周期の目標値と、第１の遅れ要素部で保持された前回
の，すなわち１サンプリング周期前の目標値との目標値
差が算出する。

【００２１】そして、補償演算手段に当該目標値差が入
力され、この補償演算手段において当該目標値差に基づ
く補償演算が実行される。これにより、制御系が安定時
に補償演算手段のパラメータを変化させてもその出力を
変化させず、ひいては操作量ＭＶに変化を生じないよう
にすることができる。

【００２２】また、請求項２に対応する発明のプロセス
制御装置においては、請求項１に対応する発明と同様に
作用する他、第２の遅れ要素手段によって、後述する補
償演算手段と補償演算値との和が１サンプリング周期間
保持される。

【００２３】そして、加算手段では、補償演算手段から
の出力値，すなわち目標値差に対する補償演算からの出
力値と、前記第２の遅れ要素部で保持された１サンプリ
ング周期前の補償演算値とが加算されることで、今回の
目標値に対応した補償演算値とされる。また、この今回
の補償演算値が第２の遅れ要素手段に入力される。この
今回の補償演算値を用いることで、２自由度ＰＩＤ方式
の制御演算が実行される。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。 （発明の第１の実施の形態）そもそも、操作量ＭＶが変
化するのは、補償演算部の目標値パラメータを変化させ
たときに、補償演算部の出力であるリファレンスＲ（す
なわちコントローラ２０の目標値）が変化するためであ
る。そこで、目標値ＳＶが変化したときには、本来の補
償演算部の演算効果が得られ、かつ、単に目標値パラメ
ータを変化させたときにはＲが変化しないようにするた
め、補償演算部に対する入力を前回入力値との差になる
ようにし、補償演算部の出力側で前回リファレンスＲを
用いて今回のリファレンスＲを調整すればよい。すなわ
ち目標値ＳＶの変化分のみについて補償演算を実施する
方式である。

【００２５】図１は本発明の第１の実施の形態に係るプ
ロセス制御装置の構成例を示すブロック図であり、図
４，図５に示す従来装置と同一部分には同一符号を付し
て詳細説明を省略する。

【００２６】このプロセス制御装置は、目標値ＳＶが入
力され、リファレンスＲを出力する目標値フィルタ４０
と、リファレンスＲ及び制御量ＰＶが入力され、操作量
ＭＶを出力するコントローラ２０とによって構成されて
いる。そして、制御対象３０には、コントローラ２０出
力である操作量ＭＶと外乱Ｄとが入力され、制御量ＰＶ
が出力されている。

【００２７】また、このプロセス制御装置においては、
その制御がサンプリング方式（ディジタル演算もその１
つ）で実現されており、目標値ＳＶは、サンプリング周
期毎にＳＶ₁ ，ＳＶ₂ ，．．．ＳＶ_n-1 ，ＳＶ
_n ，．．．と順次目標値フィルタ４０に入力されてい
る。

【００２８】ここで、目標値フィルタ４０は、遅れ要素
部４１と、減算部４２と、補償演算部１０と、加算部４
３と、遅れ要素部４４とによって構成されている。遅れ
要素部４１は、入力をサンプリング毎に取り込み、次の
サンプリング周期までその値を保持する。つまり、現在
をｎ回目のサンプリング周期とすると、この遅れ要素部
４１は、ｎ回目のデータであるＳＶ_n を保持し、ｎ−１
回目のデータであるＳＶ_n-1 を出力している。

【００２９】減算部４２は、今回の目標値ＳＶ_n と、遅
れ要素部４１から出力された前回の目標値ＳＶ_n-1 との
差δＳＶを取り、補償演算部１０に入力する。加算部４
３は、補償演算部１０で演算された標値ＳＶの今回の変
化分のみの演算結果δＲと、遅れ要素部４４から出力さ
れる前回のリファレンスＲ_n-1 との和を取り、今回の新
たなリファレンスＲ_n として出力する。

【００３０】遅れ要素部４４は、加算部４３で算出され
たコントローラ２０に出力すべきリファレンスＲを入力
としてサンプリング毎に取り込み、次のサンプリング周
期までその値を保持する。つまり、現在をｎ回目のサン
プリング周期とするとこの遅れ要素部４４は、今回のｎ
回目のデータであるＲ_n を保持し、前回のｎ−１回目の
データであるＲ_n-1 を出力している。

【００３１】また、このプロセス制御装置においては、
補償演算部１０及びコントローラ２０は従来技術で説明
した補償演算部１０及びコントローラ２０と場合等と同
様に構成されている。

【００３２】次に、以上のように構成された本発明の実
施の形態に係るプロセス制御装置の動作について説明す
る。まず、目標値フィルタ４０に、順次目標値ＳＶ₁ ，
ＳＶ₂ ，．．．ＳＶ_n-1 ，ＳＶ_n ，．．が入力されてい
る。

【００３３】次に、目標値ＳＶの現在のサンプリング値
をＳＶ_n とすると、１サンプリング周期前のＳＶ値はＳ
Ｖ_n-1 である。ここで、目標値ＳＶ_n は、遅れ要素部４
１に入力され保持されると共に、一方で減算部４２に入
力される。

【００３４】一方、減算部４２には、遅れ要素部４１か
らの前回の目標値ＳＶ_n-1 が入力されている。また、減
算部４２により、目標値ＳＶ_n とＳＶ_n-1 との差δＳＶ
が求められ、その差δＳＶのみがＨ（ｓ）である補償演
算部１０に入力される。

【００３５】補償演算部１０において、Ｈ（ｓ）の内容
に従って、目標値ＳＶの変化分のみについて補償演算が
実施され、今回の変化分のみの演算結果δＲが出力され
る。この出力値δＲには、遅れ要素部４４から出力Ｒ
_n-1 が、加算部４３において加算され、今回のリファレ
ンスＲ_n として出力される。また、この今回のリファレ
ンスＲ_n は、その遅れ要素部４４の入力とされる。

【００３６】このようにして、リファレンスＲ_n がコン
トローラ２０の入力として使用される。このように目標
値の差δＳＶのみを補償演算部１０に入力するようにす
れば、目標値に変化がないときは差δＳＶ＝０となる。
したがって、補償演算部１０のＨ（ｓ）式の形に関わら
ず、そのＨ（ｓ）内の目標値パラメータを変更しても、
演算結果δＲはパラメータ変更の影響を受けることはな
い。

【００３７】また、このようにすればＨ（ｓ）中のパラ
メータを変更しても、目標値ＳＶが一定値のときは、リ
ファレンスＲが変動することなく、操作量ＭＶの変動を
避けられる。

【００３８】上述したように、Ｈ（ｓ）の前後に信号を
１サンプリング周期間保持する遅れ要素部４１，４４及
び減算部４２，加算部４３を設け、補償演算部１０にお
いて今回入力値と前回入力値との差について補償演算を
実行し、その補償演算値に前回リファレンスを加算して
今回リファレンスとなるようにしたので、目標値パラメ
ータの変更によってリファレンス出力が影響を受けるこ
とをなくし、ひいてはコントローラ２０からの操作量Ｍ
Ｖの変動を抑制することができる。 （発明の第２の実施の形態）この第１の実施の形態場合
は、補償要素，すなわち補償演算部１０の各要素がコン
トローラの制御演算要素と分離している場合であった
が、２自由度ＰＩＤ方式には、例えば図２（ａ）に示す
ように補償要素が１つの部分ではなくいくつかに分かれ
ている場合や、コントローラ２０の制御演算要素と混在
している場合もある。

【００３９】つまり、２自由度ＰＩＤ方式の種々の変形
例に対応し、フィルタ係数（α、β、γのいずれかまた
は全部）を含む演算部分（補償要素）で、その静的ゲイ
ンが１以外となる要素については第１の実施形態の場合
と同様にその前後に各々遅れ要素となる部分を付加す
る。すなわち補償要素毎に遅れ要素部４１及び減算部４
２と、加算部４３及び遅れ要素４４とを設ける。

【００４０】これにより、第１の実施形態と同様な効果
を得ることができ、パラメータα、β、γの変更による
操作量ＭＶへの影響を避けることができる。これらの変
形例を以下に説明する。 （変形例１）図２（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態
に係るプロセス制御装置の第１構成例を示すブロック図
であり、図１と同一部分には同一符号を付して説明を省
略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。

【００４１】同図のプロセス制御装置も、提唱されてい
る２自由度ＰＩＤの変形例の一つである。この場合も、
目標値ＳＶが一定でプロセスが落ちついているときに
α、βを変更すると、操作量ＭＶが変化する。

【００４２】このプロセス制御装置は、目標値フィルタ
４０とコントローラ２０とで構成されている。コントロ
ーラ２０には、各制御要素２３，２４，２５（微分要
素，比例要素，積分要素）が設けられている。

【００４３】一方、目標値フィルタ４０には、補償要素
１５及び補償要素１６が設けられている。そして、各補
償要素１５，１６の前後には第１の実施形態の場合と同
様に、それぞれ遅れ要素部４１及び減算部４２と、加算
部４３及び遅れ要素４４とが設けられている。

【００４４】このような構成により、各補償要素１５，
１６毎に、今回入力値と前回入力値との差の補償演算が
実行され、その補償演算値に前回リファレンスが加算さ
れて各補償要素毎の今回リファレンスが出力され、コン
トローラ２０内の対応制御要素２３，２４に入力され
る。 （変形例２）図３は、本発明の第２の実施の形態に係る
プロセス制御装置の第２構成例を示すブロック図であ
り、図１，図２（ｂ）と同一部分には同一符号を付して
説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べ
る。

【００４５】この変形例２は、変形例１と同様に図２
（ａ）の２自由度ＰＩＤのプロセス制御装置に適用する
ものである。同図に示すように、各補償要素１５，１６
の前には、第１の実施形態の場合と同様な遅れ要素部４
１及び減算部４２が１対のみ設けられ、各補償要素１
５，１６の後には、第１の実施形態の場合と同様な加算
部４３及び遅れ要素４４とがそれぞれに設けられてい
る。

【００４６】このような構成の場合でも変形例１の場合
と同様に動作し、同様な効果が得られる。上述したよう
に、本発明の実施の形態に係るプロセス制御装置は、静
的ゲインが１以外となる要素について、第１の実施形態
の場合と同様にその前後に遅れ要素を持つ部分を付加す
るようにしたので、補償要素が１つの部分ではなくいく
つかに分かれている場合や、コントローラ２０の制御演
算要素と混在している場合であっても、第１の実施の形
態の場合と同様な効果を得ることができる。

【００４７】このようにα、βの演算の前後に遅れ要素
部を設けることにより、不必要な操作量の変動を避ける
ことができる。なお、本発明は、上記各実施の形態に限
定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々
に変形することが可能である。

【００４８】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、補
償要素の前後に遅れ要素を持つ部分を付加するようにし
たので、制御系の安定時に２自由度ＰＩＤ制御方式にお
ける補償演算部のパラメータを変化させてもその出力を
変化させず、ひいては操作量ＭＶに変化を生じないよう
にすることができるプロセス制御装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプロセス制御
装置の構成例を示すブロック図。

【図２】本発明の第２の実施の形態に係るプロセス制御
装置の第１構成例を示すブロック図。

【図３】同実施の形態に係るプロセス制御装置の第２構
成例を示すブロック図。

【図４】２自由度ＰＩＤ演算方式を用いた基本的なプロ
セス制御装置の構成例を示すブロック図。

【図５】２自由度ＰＩＤ演算方式を用いたプロセス制御
装置の構成例を示すブロック図。

【符号の説明】

１０…補償演算部 ２０…コントローラ ３０…制御対象 ４０…目標値フィルタ ４１…遅れ要素部 ４２…減算部 ４３…加算部 ４４…遅れ要素部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サンプリング周期毎の目標値に対して補
   償演算を行い、その補償演算の結果を用いて制御対象に
   対する制御演算を行う２自由度ＰＩＤ方式を用いたプロ
   セス制御装置において、 前記目標値が入力され、入力された目標値を１サンプリ
   ング周期間保持する第１の遅れ要素手段と、 前記目標値と、前記第１の遅れ要素部で保持された１サ
   ンプリング周期前の目標値との目標値差を算出する目標
   値差算出手段と、 前記目標値差が入力され、当該目標値差に基づいて前記
   補償演算を実行する補償演算手段とを備えたことを特徴
   とするプロセス制御装置。
2. 【請求項２】 入力された値を１サンプリング周期間保
   持する第２の遅れ要素手段と、 前記補償演算手段からの出力値と、前記第２の遅れ要素
   部で保持された１サンプリング周期前の値とを加算し、
   前記目標値に対応した補償演算値とするとともに、当該
   補償演算値を前記第２の遅れ要素手段に入力する加算手
   段とを備えたことを特徴とする請求項１記載のプロセス
   制御装置。