JPS59133605A - サンプル値ｐｉｄ制御装置 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は閉ループ制御中にプロセスの動特性を同定し
て、同定結果に基づいて最適な制御定数を自動調整する
機能を有するサンプル値ＰＩＤ制御装置に関し、特に操
業中のプロセスの特性変化を検出して自動的に制御定数
の再調整を行なうことのできるサンプル値ＰＩＤ制御装
置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

便来のサンプル値ＰＩＤ制御装置は制御定数のオートチ
コーニング機能を手動で起動させていたため、操業中の
プロセスの特性変化に対応した制御定数の再調整に次の
ような問題点があった。

（１）プロセスの特性変化を作業員が常に監視する必要
があるので、人手が省けない。さらに、監視のだめのレ
コーダ、モニタテレビなど高価な設備が要る。

（２）プロセスの特性変化に気付かないで操業した場合
、製品の品質低下、プラント効率の低下、安全性の低下
があり問題である。

（３）プロセスの特性変化に気付いても、手動でオート
チコーニング機能を起動させるため、速やかに調整する
ことができない。

〔発明の目的〕

本発明は前記の問題点を解決するため、サンプル値ＰＩ
Ｄ制御装置にプロセスの特性変化を検出する特性変化検
出部を具備して、プロセスの特性変化のオンライン監視
を行なうことにより、従来必要としていた監視員もしく
は高価な監ｔＸ設備を省くことである。さらに、同定終
了後のプロセスバラメゴタから特性を変えたプロセスの
推定モデルを複数個構成し、それらの推定モデルから特
性変化検出を行なうことにより、同定テストを実施せず
に自動的に制御定数の再調整を行なうことである。この
ようにして、操業中のプロセスの特性変化のオンジイン
監視と制御定数の再調整を全自動化して、製品の品質の
低下、プラント効率低下、安全性の低下のないプラント
の操業が行なえて、しかも、人手を省力化できるサンプ
ル値ＰＩＤ制御装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

駿 本発明は、同定紙了後グロセスの未知パラメータが既知
になるので、これを基にして、複数個のプロセスの特性
変化モデルを構成し、モデル誤差を演算し、次に操業中
のプロセスの特性変化を推定したモデル誤差が零になる
プロセスの特性変化モデルより同定テストを行なわ人い
て制御定数を再調整するサンプル値ＰＩＤ制御装置であ
る。また、推定したプロセスの特性変化モデルのモデル
誤差が全て零でない場合にオートチコーニング機能を使
って制御定数を再調整するサンプル値ＰＩＤ制御装置で
ある。

〔発明の効果〕

、本発明のサンプル値ＰＩＤ制御装置の効果を次に示す
。

（１）プロセスの特性変化の検出を自動的にオンライン
監視できるので、人手を省くことができ、しかも高価な
監視装置がいらない。

（２）プロセスの特性変化を見落しすることがないので
、製品の高品質、プラントの安全性を常に保つことがで
きる。

（３）プロセスの特性が変化した場合の制御定数の再調
整作業を自動化できるので速やかな対応ができる。しか
も、このときの人手も省くことができろ。

〔本発明の実施例〕

本発明の一実施例を第１図を用いて説明する。

第１図は本発明のサンプル値ＰＩＤ制御装置の構成を示
すブロック図である。

制御対象のプロセス１は図のようにサンプル値制御演算
部と閉ループ系を構成する。図のｒ　（ｔ）は目標値、
ｅ　（ｔ）は偏差、ｕ　（ｔ）は操作信号、ｙ　（ｔ）
はプロセス出力、ｃｉ（ｔ）はプロセスの平衡点の変わ
るような外乱を示［７ている。なお０の中の文字ｔｇ実
時間の信号を示し、ｋはサンプラ４でランプリングされ
た信号を示している。

操業中のプロセス１はサンプル周期にごとに偏差信号ｅ
　（ｋ）の小さくなるようにサンプル値制御演算部５で
Ｉ）ＩＤ演算した操作信号Ｕ　（ｋ）　（Ｕｏ　（ｋ）
＝　Ｕ（ｋ）　）をサンプルホールド２を介して加えら
れて制御される。ｌ１ｉｉｉ差信号ｅ　（ｔ）は加算点
３で目標値ｒ　（ｔ）とプロセス出力ｙ（ｔ）を加えて
得られる。

このサンプル値制御演算部の制御定数を決めるオート−
１コ一ニング機能は、まず、オートチ・−ニングを行な
う場合サンプル値制御演算部５に比例ゲイン積分時定数
、微分時定数の初期値（Ｋｃｏ。

Ｔｉ□、Ｔｄｏ　）を与え、さらにパルス伝達関数同定
部９のＦ’ｏｒｇｅｔｔｉｎｇ　Ｆａｃｔｏｒλ、およ
び同定信号発生部７の同定係号の振幅を決めて、サンプ
ル値ＰＩＤ制御装置の各ブロックに図の点線で示すよう
に起動をさせる。

このよう圧すると、操作信号ＵＯ（ｋ）に閉ループ系の
プロセスの可同定条件を満たすパーシスチントリ・エキ
サイテングな同定信号ｖ　Ｏ（ｋ）が加えられて図のよ
うにプロセスに注入される。

このとき、プロセスの入力信号Ｕ　（ｋ）とサンプラ８
でサンプリングしたプロセス出力信号ｙ（ｋ）を後述す
るパルス伝達関数同定部９で時系列処理することにより
、２領域のパルス伝達関数を演算し、その結果を伝達関
数演算部１０でＳ領域のパルス伝達関数に直し、さらに
その結果をサンプル値制御定数演算部１１でＰＩＤ制御
定数を演算して、サンプル値制御演算部５に設定する。

以上の処理をサンプル周期にごとに逐次行なうことによ
り、制御対象のプロセスの特性に合わせた最適な制御定
数を決定することができる。

ここで、プロセスの同定が進んでいくに従って、Ｓ領域
の伝達関数のパラメータが一定値になるのチューニング
を止める。

つ筐シ、同定信号発生部７をらの同定信号ｖｏ（ｋ）の
注入を止め、純粋制御演算された操作信号ＵＯ（ｋ）の
みをプロセス１に加えるようにする。さらに、パルス伝
達関数同定部９と伝達関数演算部１０およびサンプル値
制御定数演算部１１を止めて、同定終了後の制御定数（
Ｋｃ　、Ｔｉ’、Ｔｄ　）を保持する。

したがって、入力信号がパーシスチントリ、エギザイテ
ィングな信号でないので操業中のプロセス１の特性が変
化してもプロセス１の特性を同定することができなｉｏ 次に、本発明ではプロセス１の平衡点Ｄ　（ｔ）を含め
て同定する。パルス伝達関数同定部９を用いている。パ
ルス伝達関数１？Ｊ１定部９のプロセスモデルを第２図
に示す。図のように、プロセスモデル、ノイズモデル、
および平衡点を変えるような外乱モデルを定めている。

ここで、Ｕ（ｋ）は操作信号、ε（ｋ）は白色雑音、Ｄ
は直流信号、ｙ（ｋ）はプロセス出力とする。

第２図のプロセスモデルの同定は次式のように合ε（ｋ
−ｉ）＋ε（ｋ）＋官　　　　　（１）ここで、ＹＯは
プロセス出力の平衡点、ｄｏはプロセス入力の平衡点を
示す。

（１）式を変形して Ｙ（ｋ）＝似ψ（’に−１）＋ε（ｋ）　’　　　　　
　＜３１”？’　＝　（Ω＋　”’　＋　Ｑ　＋ｂｌ　
＋　・・・Ｉ　Ｑ　、Ｅ＋　＋　・・・、　ａ、Ｄ）　
（４）ψ（）ｃ）＝（−Ｙ（ｋ−１）　、−・、　−Ｙ
、（−に−ｍ）　、Ｕ（ｋ−ｉ−１）。

−、Ｕ（ｋ−１１−ｍ）　、・＋＋、　Ｕ（ｋ−１１−
ｍ　）　、　ｔ　（ｋ−１）−、−。

ε（ｋ−ｍ）　、１）　　　　　　　　　　　　（５）
のようにして同定を行なう。

プロセスのパルス伝達関数Ｇｐ　（Ｚ　”）は次のよう
になる。

サンプル値ＰＩＤ制御定数はパラメータ＝ａｉ（ｉ＝１
・・・ｍ）　、　ｂｘ　（１＝Ｌ−ニーｎ　）によって
決定される。

次に、本発明のプロセスの特性変化検出の方法を詳細に
説明する。上記のように、プロセスの同定終了後はパラ
メータｋ（ｚ　’）冷＜ｚ　’）、Ｄは既知になり、し
かもプロセスの特性が変化しないかぎり、あるいはプロ
セスの平衡点の変わらないかぎり、変化しない。なお、
（Ｙ（ｋ））　、　（Ｕ（ｋ）ｌのプロセ□　ス出力及
び入力は測定できるので、同定終了後の公（Ｚ二１）、
（令（Ｚ’）＋と令と（÷（ｋ））、（晶（ｋ））を使
って、次のようにモデル誤差を計算できる。

（７） 第１図の特性変化検出部１．．３が（９式を演算するブ
ロックである。

操業中のプロセスに特性変化のある場合はモデル誤差に
直流分が発生するもので、特性変化のオンライン監視を
行なうことができる。

次に、操業中のプロセスの特性が変わった場合の制御定
数の再調整の方法を詳細に説明する。

前記（６）式は伝達関数演算部１０で次のようにＳ領域
のパルス伝達関数に変換することができる。

ここで、Ｓのパラメータ（ｇｏ’＋’シー＋ｇ２＋ｇ３
＋・・・）がプロセスのゲイン、時定数を表わしている
。例えばゲインは１／ｇｏｓ時定数はｇｔ、／ｇｏであ
る。

なお、一般に操業中のプロセスの特性が１０係程変わっ
た場合には制御定数の再調整が必要になる。

そこで、一般にプロセス特性の変化は連続であるので本
発明ではプロセスのゲインのみ±１０チ変わった場合、
時定数のみ±１０１変わった場合、さらにゲインと時定
数が±１０％変わった場合等のグＰセスの特性変化の組
み合わせを推定して、プロセスモデルを作る。

つまり１％性変化した場合のプロセスの伝達関数を次の
ように推定する。

ここで、ゲインに、遅れ時１１ＪＩＬ　、時定数１’ｆ
　＋Ｔ２１Ｔ３を推定することにより、ｇｏ　＋ｇ１′
ｔｇ２′９ｇ３’　を推定する。

第１図の特性推定演算部１５がこれを行なうブロックで
あり、特性変化推定係数はコントローラ１４から初期設
定されろ。

さらに、（９）式から次のようなＺ領域への２変換を行
なって、プロセスの推定パラメータ’に’（ｚ’＞。

ｌ＾ｔ Ｂ（Ｚ’）を求める。

このようにして、求めた推定パラメータを用いて複数個
のプロセスの特性変化モデルを構成して前記特性変化検
出部１３と同様にそれぞれのそデル誤差を演算する。

１＝１ Ｙｏ＝一定 第１図の推定誤差演算部１６が（８）式のプロセスモデ
ルから求めた（１１）式のモデル誤差を演算するブロッ
クである。

このようにすれば、操業中のプロセスの特性が変わらな
い場合、前記特性変化検出部のモデル誤差は零であり、
推定したモデル誤差信号はずれているので、全て直流分
がある。

しかし、操業中のプロセスの特性が、例えばゲインのみ
１０チ変わったとすると特性変化検出部に直流成分が発
生し、推定したモデル誤差のうちゲインが１０係変わっ
たケースのモデル誤差は零になり、他のケースは零にな
らない。

つまり、推定したケースのモデル誤差が零になったこと
により、操業中のプロセスの特性変化がわかる。さらに
、そのケースを推定した（９）式を基にして速かに制御
定数がきまる。従って、オーチーーニングしないで制御
定数の再調整ができる。

以上の説明を第３図にモデル誤差の関係で示す。

図より操作中のプロセスの特性変化のケースがモデル誤
差から速やかに決定できることがわかる。

以上のように、本発明はプロセスの特性変化を推定して
モデル誤差を演算することにより、操業中のプロセスの
特性変化に対応して制御定数を調整することのできるサ
ンプル値ＰＩＤ制御装置である。

また、プロセスの特性変化が推定よりも大きく変わった
場合は、特性変化検出部のモデル誤差が推定した特性変
化の初期モデル誤差より大きくなるので、これを検出し
て、サンプル値ＰＩＤ制御装置のオートチコーニング機
能を自動スタートさせることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のサンプル値ＰＩＤ制御装置の構成を示
すブロック図、第２図は本発明のサンプル値ＰＩＤ制御
装置で用いたパラ゛メータ同定のプロセスモデルの説明
図、第３図は本発明の特性変化検出およびその説明図で
ある。 １・・・プロセス、２・・・ザンプルホールド、５・・
・サンプル値制御演算部、７・・・同定信号発生部、９
・・・パルス伝達関数演算部、１０・・・伝達関数演算
部、１１・・・サンプル値制御定数演算部、１２・・・
同定終了判定部、１３・・・特性変化検出部、１４・・
・コントロール部、１５・・・特性推定演算部、１６・
・・推定誤差演算部。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 （ｌ・１か１名） 第　　１　　図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 制御対象となるプロセスをす・ンプル値制御するサンプ
   ル値ＰＩＤ制御演算部を有するものにおいて、前記サン
   プル値ＰＩＤ制御演算部で制御される制御ループ内にバ
   ーシスチントリ舎エキサイテイング信号からなる同定信
   号を印加する同定信号発生部と、この同定信号発生部で
   発生した同定信号を前記サンダル値ＰＩＤ制御演算部の
   出力信号に加算して得られる操作信号および、前記プロ
   セスの制御量をサンプリングして得られるプロセス信号
   を入力して、これらの操作信号とプロセス信号から前記
   プロセスのパラメータを同定するパルス伝達関数同定部
   と、このパルス伝達関数同定部で得られるプロセスのパ
   ルス伝達関数からラプラス演算子Ｓの領域の伝達関数を
   演算する伝達関数演算部と、この伝達関数演算部の演算
   結果から前記サンプル値ＰＩＤ制御演算部の制御定数を
   算出するサンプル値制御定数演算部・と、前記伝達関数
   演算部の結果から同定終了を判定する同定終了判定部と
   、同定終了後の前記パルス伝達関数同定部のパラメータ
   と同定終了後のプロセスの操作信号とプロセスの出力信
   号から、プロセスのモデル誤差を演算する特性変化検牝
   部と、前記同定終了後の伝達関数演算部のパラメータを
   変えてプロセスの変化軸を推定演算する特性推定演算部
   と、この推定ノ（ラメータと前記プロセスの操作信号と
   プロセスの出力信号から、推定したプロセスのモデル誤
   差を演算する推定誤差演算部を具備したサンプル値ＰＩ
   Ｄ制御装置。