JPS60215206A - 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】 発明の分野 本発明は制御対象を時間的に制御するＰＩＤ制御装置に
関し、特にＰＩＤ定数のチューニングに特徴を有するＰ
ＩＤ制御装置に関するものである。

発明の背景 各種の制御装置、例えば温度調節装置等にあっては、温
度を単−設定温度に制御する制御装置やプログラム機能
を有し、所定の制御パターンによって時間的に温度制御
を行うプログラム制御装置がある。これらの制御装置は
制御対象をＰＩＤ制御するためにあらかじめＰＩＤ定数
を決定しておく必要がある。又制御対象が異なればその
対象に応じたＰＩＤ定数に変更する必要があり、その定
数を決定するためにチューニング操作が必要となる。こ
のチューニング法としてはステップ応答法と限界感度法
（周波数応答法）が用いられている。

ステップ応答法は第１図に示すように現在値、例えば現
在の温度が設定温度ｓ１より充分に低い場合に１００％
の操作量によって制御対象を制御したときに、その応答
が図に示す曲線で表されるものとするとその制御時にお
ける最大傾斜を応答速度Ｒとし、その応答速度の接線ま
での時間を無駄時間りとし、Ｒ，Ｌの値から所定の式に
従ってＰＩＤ定数をめるものである。このステップ応答
法によれば１００％の操作量によって制御対象を制御す
るだけで短時間にＰＩＤ定数を得ることができるが、応
答速度Ｒをめるために設定値ｓ１と現在値の間にある程
度の差が必要になるという問題点があった。

一方限界感度法は第２図に示す制御対象の応答曲線にお
いて、設定値Ｓ１で定常的に発振する限界の比例ゲイン
である限界感度Ｋｃとその周期ＴｃからＰＩＤ定数をめ
るものである。この方法によれば制御中にＰＩＤ定数を
チューニングできるため高精度のチューニングが可能と
なる。しかしながら現在値と設定値とが異なっている場
合には限界感度を実施するために現在値を設定値に近づ
ける必要があるが、制御対象は一般的には二次遅れ系で
あるために現在値を設定値に近づけるに従って設定値近
傍で振動し、限界感度の振動と識別することが困難にな
るという問題点がある。又初めて制御対象を制御する場
合にどの程度のゲインとすれば定常的な発振が起こるか
が不明であり、限界感度に設定し図示のように定常的な
発振に達するまでの操作に熟練を要すると共にＰＩＤ定
数を得るまでに長時間を要するという問題点があった。

発明の目的 本発明はこのようなＰＩＤ制御装置の周波数応答法での
問題点に鑑みて成されたものであって、前述したステッ
プ応答法を用いることによりプロセス値を設定値近傍に
近づけ所定期間板のＰＩＤ定数でＰＩＤ制御を実行し、
続いて周波数応答により正確にチューニングを行うこと
ができるＰＩＤ制御装置を提供するものである。

発明の構成と効果 本発明は被制御対象における被測定情報を検出する検出
手段と、制御対象に制御操作を行う出力手段と、制御対
象を設定値に基づいてＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御装置
であって、出力手段を動作させ制御対象のステップ応答
により応答速度と無駄時間を測定するステップ応答手段
と、制御対象の周波数応答から限界感度と振動周期を測
定する周波数応答手段と、前回の制御条件又はステップ
応答手段より得られる応答速度と無駄時間の値から仮Ｐ
ＩＤ定数をめると共に、ステップ応答の無駄時間又はＰ
ＩＤ定数より一律に定まる制御時間だけ制御対象をＰＩ
Ｄ制御する制御手段とを具備し、周波数応答手段は、Ｐ
ＩＤ制御後に限界感度と振動周期をめるものであること
を特徴とするものである。

このような特徴を有する本発明によれば、一定期間板Ｐ
ＩＤ定数でＰＩＤ制御が実行されるので現在値、を設定
値近傍に近づけることが可能となる。

従ってその後周波数応答を行えば限界感度での振動と設
定値の急激な変動に伴う振動とを識別することができ、
測定対象の初期状態の如何にかかわらず精密なＰＩＤ定
数を得ることができ、精密に制御することが可能となる
。又測定対象が変更される際には新にステップ応答によ
る仮ＰＩＤ定数をめた後にＰＩＤ制御を実行しつつ周波
数応答により精密なチューニングをすれば、迅速に制御
対象の変更に対応して制御することが可能となる。

実施例の説明 第３図は本発明の一実施例を示すプログラム温度調節装
置の全体構成図である。本図において温度調節装置１は
温度の制御ステップの設定、チューニング要求等の操作
を行うキー人力部２、ステップの番号や設定温度、現在
の温度を表示する表示部３、制御対象４に設けられその
温度を検知するセンサ及びそれに得られるデータをディ
ジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器を有する温度検知部５
、温度検知部５より得られるデータに基づいて所定の処
理手順に従って制御対象４を制御する制御部６、ヒータ
やモータ等から成り制御部６に接続されて制御対象４を
直接制御する出力部７が設けられる。制御部６は中央演
算装置（以下ＣＰＵという）から成り、記憶装置として
リードオンリメモリ　（以下ＲＯＭという）８、及びラ
ンダムアクセスメモリ（以下ＲＡＭという）９が接続さ
れる。

ＲＯＭ８は制御部６の演算処理手順を記憶するものであ
り、ＲＡＭ９はキー人力部２より与えられる各種の制御
データ及びチューニング時に用いられるデータを記憶す
る領域を有している。

第４図はＲＡＭ９のチューニング時に用いる記憶領域を
示すメモリマツプである。本図においてＲＡＭ９には設
定値を記憶する領域が設けられ、温度検知部５から得ら
れる現在の被測定情報を記憶する被測定データ領域、あ
る制御対象に対してステップ応答によるチューニングが
実施されたときに立てられるステップ応答実施済フラグ
、チューニング時に立てられるチューニング中フラグ、
仮のＰＩＤ定数によってＰＩＤ制御を実行するＰＩＤ！
ＩＪｍ時間Ｔ、仮のＰＩＤ制御実施時に歩進されるＰＩ
Ｄタイマｔ１仮ＰＩＤ制御の完了時に立てられるＰＩＤ
完了フラグ、ステップ応答によって得られる応答速度Ｒ
及び無駄時間りを記憶する領域、限界感度法による限界
感度Ｋｃ、周期Ｔｃ及びこれらのチューニング法によっ
てめた比例定数Ｋｐ、積分定数Ｋｉ、微分定数Ｋｄを夫
々記憶する領域を有している。尚ＲＡＭ９のチューニン
グに用いる記憶領域は電源停止後も記憶させておくため
にバッテリー等によってパンクアンプされたメモリを用
いることが好ましい。

第５図はキー人力部２及び表示部３に用いられるプログ
ラム温度調節装置のフロントパネル面を示すものである
。パネル面上部のｒＲＵＮＪ、ｒＡＴＪ　、ｒＴＩＭＥ
Ｊは夫々運転表示ランプ、オートチューニングランプ及
び時間値表示ランプであり、ｒＢＪはバンク表示、ｒｓ
ＴＥＰＪはステップ表示の表示部、ｒＰＶＪは現在値を
表示する表示部、ｒｓＶＪは設定値を表示する表示部で
ある。又その下部のｒｃＯＮＴＲＯＬＪスイッチは通常
の動作モードと時間進行を停止し制御出力を停止するス
トップモードとを切り換える出力操作スイッチ、ｒＭＯ
ＤＥＪスイッチは各種プログラム内容を設定、変更する
ときに変更種類に応じて選択するスイッチ、ｒＥＮＤＪ
スイッチは操作を中止させて現在値表示モードに戻るた
めのスイッチ、「ＰＲＯＧＲＡＭ」スイッチはプログラ
ムの書込みを可能にし又書込みを禁止するスイッチ、ｒ
ＡＴＪスイッチは制御中にチューニングを実行するとき
に押下されるスイッチ、「↑」、「↓」。

「←Ｊ、ｒ−Ｊスイッチは夫々パラメータの値を上げ、
下げ２桁上げ及び桁下げする数値制御スイッチであり、
ｒＷＲＩＴＥ／ＮＥＸＴＪスイッチは表示データを設定
してＲＡＭ９に記憶させ、次のステップに設定動作を移
すスイッチである。

次に本実施例のプログラム温度調節装置のＰＩＤ定数算
出動作についてフローチャートを参照しつつ説明する。

第６図のフローチャートにおいて引出線を用いて示す番
号は制御部６の処理ルーチン又は動作ステップを示すも
のである。まずチューニングを行う前にキー人力部２よ
り設定値と設定時間の書込みを行う。これはｒＰＲＯＧ
ＲＡＭＪキーをセント位置とじｒＭＯＤＥＪキーをプロ
グラム設定とした後、設定ステップに対応した値を「↑
」、「↓」、「←」、「→」の数値制御スイッチを用い
て入力し、ｒＷＲＩＴＥ／ＮＥＸＴＪキーによって書込
むことによって行う。プログラム制御装置である場合に
は各制御ステップ毎に一連の設定データを書込む。ここ
では各制御ステップとそれに対応する一連の設定値がＲ
ＡＭ９のステップ領域にあらかじめ書込まれているもの
とする。

さて第６図において動作を開始するとまずステップ２１
においてその設定値を読込む。そしてステップ２２にお
いて温度検知部５より制御部６を介してＲＡＭ９の被測
定データ領域に検知温度データを読込む。そしてステッ
プ２３に進んでｒＡＴＪキーが押下されチューニング中
フラグが立っているかどうかをチェックする。制御を開
始する場合にはチューニングを行う必要があるので、電
源投入時には自動的にこのフラグが立てられているので
ステップ２４に進んでステップ応答実施済フラグが立っ
ているかどうかを更にチェックする。このフラグが立っ
ていなければステップ応答はまだ行われておらず、初め
て温度制御が行われるため制御対象のＰＩＤ定数は全く
不明の状態となっている。

そのためステップ２５に進んで操作量Ｍを１００％とし
て出力部７を介して制御対象４を制御し加熱操作を行う
。そして制御対象４から温度検知部５を介して得られる
温度データの変化を読取り、第１図に示すように無駄時
間りと温度変化の最大傾斜値である応答速度Ｒを算出す
る（ステップ２６）。

そしてステップ２７においてステップ応答実施済フラグ
を立てて、ステップ２８に進んでサンプリングの完了を
待ち受けた後ステップ２１に戻る。この場合にはまだチ
ューニングが終了していないのでステップ２４に進んで
ステップ応答が既に実施されているかどうかをチェック
する。この場合にはステップ２７でこのフラグが既に立
てられているのでステップ２９に進み、ステップ２６で
めた無駄時間り。

応答−速度Ｒに基づいて限界感度法よる比例ゲインを算
出する。そしてルーチン３０においてその比例ゲインの
値を順次わずかに変更しつつ限界感度法による発振を検
出する。そしてステップ３１においてその状態のＰＩＤ
定数を算出してＲＡＭ９にストアし、ステップ３２に進
んでチューニング中フラグをオフとする。

ここで理想化されたアナログＰＩＤ制御装置の制御式は
次式によって与えられる。

τ ＝Ｋｐｅｎ　＋Ｋｉ　Σｊ１１ ＋　Ｋ　ｄ　（ｅ　ｎ　ｅ　１１−１　）　−−−−−
−（１）ここでＭｎ：操作量ｒ　ｅｎ’偏差（Ｔｓ　−
Ｔｎ　）（Ｔ：設定温度、　Ｔｎ　：測定温度）Ｋｐ　
：比例定数、Ｋｉ　：積分定数、　Ｋｄ　：微分定数、
τ：サンプリング周期 である。そしてステップ応答によって得られる無駄時間
り、応答速度ＲとＰＩＤの比例定数、積分時間、微分時
間Ｋｐ　、Ｔｉ　、Ｔｄとは以下のような関係にある。

Ｔｉ＝２Ｌ Ｔｄ＝０．５Ｌ　−・−・・（２） 従ってステップ応答法によって一応は比例定数Ｋｐをめ
ることができるが、限界感度法によって更に詳細にＰＩ
Ｄ定数を算出している。第２図において限界感度Ｋｃの
ときの比例帯をＰｃ　（％）とするとＫｃとＰｃとは反
比例の関係にあり、そこでめた比例帯Ｐｃ　（％）より
次式 ％式％（３１ が成立ち、比例定数Ｋｐは次式 Ｋ　ｐ＝　Ａ　／　Ｐ　−−−−−−一（４１（Ａは制
御装置の特性により定まる定数）となる。更に発振周期
Ｔｃより Ｔｉ　−０，５Ｔｃ Ｔｄ　＝　０．１２５Ｔｃ　−−−−−−−（５）によ
って限界感度法によるＰＩＤ定数をめる。

そしてステップ３２よりステップ２８に進んでサンプリ
ングの完了を待ち受ける。制御対象４より所定のＡ／Ｄ
変換周期で温度検知部５は温度を検知しており、そのサ
ンプリングが完了すればステップ２８からステップ２１
に戻って設定値と温度入力を読込み、チューニング中か
どうかをチェックして同様の処理を繰り返す。この場合
には既にチューニングが完了しているのでステップ３３
に飛んでＲＡＭ９に保持されているＰＩＤ定数を読取り
、ステップ３４においてその値に基づいて出力部７を介
して制御対象４をＰＩＤ制御し設定温度に保つ。

次に限界感度法を実施する動作について更に詳細に説明
する。第７図はルーチン３０の限界感度法の動作を示す
フローチャートであり、第８図はそれに対応して変化す
るプロセス値の状態を示すグラフである。これらの図に
おいてまず動作を開始すると、ステップ４１に進んで限
界感度の投入がなされたかどうかをチェックする。最初
はこの投入がなされるのでステップ４２に進んでステッ
プ応答法でめた応答速度Ｒ及び無駄時間りから（２）式
に従って仮のＰＩＤ定数を定める。そしてステンプ４３
に進んで無駄時間りより次式 Ｔ＝ＢＸＬ　（Ｂは定数） によりＰ　Ｉ　Ｄｉｉｌ１ｍ時間Ｔを時間ＲＡＭ９のＰ
ＩＤ制御時間領域に記憶する。ＰＩＤＩＤ制御時間路ロ
セス値が比例帯Ｐ内に入った後設定値近傍で落ちつくま
での時間とする。そしてステップ４４に進んで時刻ｔ１
より限界感度法の実行を行ってステップ４１に戻る。そ
うすれば既に限界感度法を開始しているのでステップ４
５に進みＰＩＤ完了フラグが立っているかどうかをチェ
ックする。これが立っていなければステップ４６に進ん
でステップ４１でめた仮のＰＩＤ定数によってＰＩＤ制
御を行う。

そしてステップ４７に進んで温度検知部５より得られる
現在値が第８図に示すように比例帯Ｐ内にあるかどうか
をチェックする。これが比例帯Ｐ内になければステップ
４５に戻って同様の処理を行いステップ４５から４７の
ループを繰り返す。そして第８図に示すようにＰＩＤ制
御を開始した時刻ｔ１以後、比例帯の範囲に入る時刻ｔ
２に達するとステップ４７からステップ４８に進んであ
らかじめ設定したＰＩＤタイマｔを歩進する。そしてス
テップ４９に進んでタイマｔとＰＩＤＩＤ制御期間上り
この期間が終了するかどうかをチェックし、終了しなけ
ればステップ４５に戻ってステップ４５からステップ４
９のループを繰り返す。このときにはプロセス値が第８
図に示すように時刻ｔ２以後所定の比例帯内に入ってお
り、その範囲内でのＰＩＤＩＤ制御時間路了を待ち受け
る。この期間Ｔが終了する時刻ｔ３には現在のプロセス
値が設定値ｓ２付近でほぼ安定しているので、ステップ
４９からステップ５０に進んでＰＩＤ完了フラグをセッ
トしてステップ４５に戻る。

そうすればＰＩＤ完了フラグが立っているのでステップ
５１に進んで、時刻ｔ３以以後側ゲインを所定の計数を
乗じて増大させると共に、積分要素及び微分要素を除い
て第８図に示すように限界振動を発生させその検知を行
う。限界振動が検知されればステップ５２に進んで振動
周期Ｔｃの測定を行って限界感度法の実施を終了する。

このように本発明では、ＰＩＤ制御中にチューニングを
実施する場合や設定の変更がなされた場合にステップ応
答を実施し、又は既にＰＩＤ制御されているＰＩＤ定数
を仮のＰＩＤ定数として無駄時間りより定まる一定期間
ＰＩＤ制御を行い、それによって現在値を新な設定値近
傍の所定範囲内にすると共に、安定した制御を行わせそ
れ以後限界感度法によるチューニングを実施している。

従って誤りなく限界感度での限界振動を検知することが
でき迅速に適切な制御を行うことが可能となる。

尚本実施例はプロセス値が比例帯Ｐ内に入ってからの時
間をＰＩＤＩＤ制御時間路ているが、比例帯に限らず設
定値近傍の任意の範囲内に入ったときからＰＩＤ制御時
間を定めるようにしてもよい。又本実施例ではステップ
応答法によって仮ＰＩＤ定数をめているが、既にＰＩＤ
制御が実施されている場合にはそのＰＩＤ定数を用いて
新な設定値に近づくようにプロセス状態を制御してもよ
い。その場合にも既に実施されているＰＩＤ定数から（
２）式に従って無駄時間りをめ、無駄時間ニ基ツいてＰ
ＩＤＩＤ制御時間路めてプロセス状態を安定させる。

更に本実施例はプログラム温度制御装置について説明し
たが、これに限らず単−設定方式のＰＩＤ制御装置に適
用することができ、又温度制御装置以外の種々のＰＩＤ
制御装置に本発明を通用することも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はステップ応答法によるＰＩＤ定数をめる際の操
作に追従するプロセス値を示すグラフ、第２図は限界感
度法による設定値とプロセス値の関連を示すグラフ、第
３図は本発明によるＰＩＤ制御装置の一実施例を示す温
度制御装置のブロック図、第４図はそのチューニング操
作に用いるメモリの内容を示すメモリマツプ、第５図は
設定部２と表示部３のフロントパネルを示す図、第６図
は実施例によるプログラム温度制御装置の動作を示すフ
ローチャート、第７図は限界感度法を実施する際の動作
を示すフラグ、第８図はそのときの操作に追従するプロ
セス値を示すグラフである。 １−・−−−−−一温度調節装Ｗ２−・−−−−−−キ
ー人力部　３・−・−表示部　４−・−・制御対象　５
−・−・一温度検知部　６・・−・−制御部　７−・−
出力部　８−・・−ＲＯＭ　９−−−−−−−ＲＡＭ 特許出願人　立石電機株式会社 代理人　弁理士　岡本官喜（化１名） 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被制御対象における被測定情報を検出する検出手
   段と、制御対象に制御操作を行う出力手段と、制御対象
   を設定値に基づいてＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御装置に
   おいて、 前記出力手段を動作させ制御対象のステップ応答により
   応答速度と無駄時間を測定するステップ応答手段と、 制御対象の周波数応答から限界感度と振動周期を測定す
   る周波数応答手段と、 前回の制御条件又は前記ステップ応答手段より得られる
   応答速度と無駄時間の値から仮ＰＩＤ定数をめると共に
   、前記ステップ応答の無駄時間又は前記ＰＩＤ定数より
   一律に定まる制御時間だけ制御対象をＰＩＤ制御する制
   御手段とを具備し、前記周波数応答手段は、前記ＰＩＤ
   制御後に限界感度と振動周期をめるものであることを特
   徴とするＰＩＤ制御装置。
2. （２）前記ＰＩＤ制御装置はプログラム温度関節装置で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のＰＩ
   Ｄ制御装置。