JPS60215209A - 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
るだけで短時間で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
度の差が必要と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。この方法によれば設定値ｓ１の近傍でＰＩＤ
定数をめることが可能であり、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。

しかしながら制御対象から得られる被測定データは図示
のようにノイズや誘導等の外乱によって雑音が重畳され
た信号となることが多く、この信号を被測定データとし
て周波数応答を測定する場合には、発振周期の検出に誤
りを生ずる恐れがあり、誤ったＰＩＤ定数を算出してし
まうことがあ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ＰＩＤ定数のチュ
ーニング時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と限界感度法とを併用し、ステッ
プ応答法より得られる無駄時間と限界感度法の発振周期
との間に一定の相関関係があることに着目してその発振
の検出を正確に行い、精密なＰＩＤ定数をめることがで
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、を具備し、周波数応答手段は、ステップ
応答手段より得られる無駄時間に基づいて検出手段より
被検出情報を検出するサンプリング周期を定め発振周期
を測定す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、ステップ応答
による無駄時間と限界感度法を実行したときの振動周期
とは一定の相関関係があることから、それに基づいて被
測定情報のサンプリング周期を定め限界振動の有無とそ
の周期を検出するようにしている。従って被測定情報に
ノイズ等が重畳されている場合にもその影響を受け難く
、正しい周期を測定することが可能となる。従って正確
なＰＩＤ定数をめることができ、制御対象を正確に制御
することが可能である。

′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。

ＲＯ’Ｍ８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、
サンプリング時間を記憶するサンプリング時間ＴＳ領域
及びサンプリング時に計数されるサンプリングタイマ、
サンプリングの有無を記憶するサンプリングフラグ、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。更にＲＡＭ９はサンプリング毎に検知する検知
プロセス値を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バンクアップされた
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はステップ応答の表示部、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、ｒＰＲＯＧＲＡＭＪスイッチはプログラ
ムの書込みを可能にし文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、「↑」、「↓」。

ｒ−Ｊ、ｒ−Ｊスイッチは夫々パラメータの値を上げ、
下げ５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「↑
」、「↓Ｊ、ｒ−Ｊ、ｒ−Ｊ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。そして後述するルーチン３０において無駄時間り
に基づいて限界感度での発振状態を検知するためのサン
プリングタイムを定め、限界感度法により発振の有無を
検出する。そしてステップ３１においてその状態のＰＩ
Ｄ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 ＝Ｋｐ　ｅｆｉ　＋Ｋｉ　Σｅ７ ＋　Ｋ　ｄ　（ｅ　ｆｌｅ　ｎｑ　）　−−−−−−（
１）ここでＭｎ：操作量、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ＰＩＤ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％（３） が成立ち、比例定数Ｋｐは次式 Ｋｐ＝Ａ／Ｐ　−−−−（４） （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
どうかをチェックする。

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ＰｒＤ制御し設定温度に保つ
。

第７図はルーチン３０の限界感度法の動作を詳細に示す
フローチャートである。このルーチンではまずステップ
４１において算出した比例ゲインにより限界振動を開始
させる。そしてステップ４２において既にめたステップ
応答の無駄時間りよりサンプリングタイムを算出する。

サンプリングタイムは（２）式及び（５）式より発振周
期Ｔｃが無駄時間りと比例している（４倍）ことからそ
のＬに基づいて発振周期Ｔｃの推定値をめ、それを例え
ば４分割して発振周期検出用のサンプリング時間Ｔｓと
している。この分割は６分割、又は８分割としてもよい
。こうしてステップ４２においてサンプリング時間Ｔｓ
を算出してＲＡＭ９に記憶した後、ステップ４３に進ん
でサンプリングフラグが立っているかどうかをチェック
する。最初はサンプリングフラグが立っていないのでス
テップ４４に進んでＲＡＭ９のサンプリングタイマを更
新する。そしてステップ４５においてそのタイマがタイ
ムアツプしたかどうかをチェックし、タイムアンプして
いなければステップ４３に戻って同様の処理を繰り返し
タイムアツプを待ち受ける。そしてタイムアツプがあれ
ばステップ４６に進んでサンプリングフラグをセットす
る。そうすればステップ４３よりステップ４７に進んで
そのときのプロセスの状態を温度検知部５より検出して
ＲＡＭ９の検知データ領域にストアする。そしてステッ
プ４８に進んでＲＡＭ９に保持されているデータから振
動の有無をチェックし、振動が検知されなければステッ
プ４９においてサンプリングフラグをリセットすると共
にタイマをリセットする。そしてステップ４４において
再びサンプリングタイマを更新してタイムアツプを待ち
受け、第８図に示すように所定の号ンプリング時間毎に
プロセスの状態をＲＡＭ９にストアする。そしてステッ
プ４８において振動が検出されればこのループを脱して
ステップ５０に進み、振動周期Ｔｃを測定してこのルー
チンを終了する。

このように本発明では、新な制御対象に対してステップ
応答法によって無駄時間に基づいて限界振動の周期の推
定値を算出し、それに基づいてサンプリングの間隔を定
めて限界感度法における正確な振動周期を測定している
。このようにすれば未知の制御対象に対して迅速に制御
を行うことができ、しかも温度検知部ＲＡＭから雑音が
重畳されて制御部に加わる場合にも正確な振動周期を測
定することが可能となる。

尚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
御装置に本発明を適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
は本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振
動周期測定を示すフローチャート、第８図はそのときの
サンプリング状態を示すグラフである。 １−−−−−−一温度調節装置　２−−−−−−−キー
人力部　３−−−−一−−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−−−・・・−Ｒ
ＡＭ 特許出願人　立石電機株式会社 代理人　弁理士　岡本宜喜（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 (3)

【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ＰＴＤ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
   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、を具備し、前記周波数応答手段は、前記ステッ
   プ応答手段より得られる無駄時間に基づいて前記検出手
   段より被検出情報を検出するサンプリング周期を定め発
   振周期を測定することを特徴とするＰＩＤ制御装置。
2. （２）前記周波数応答手段は無駄時間に基づいて得られ
   る限界感度での発振周期の推定値の気をサンプリング周
   期することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のＰ
   ｌ、Ｄ制御装置。
3. （３）前記ＰＩＤ制御装置はプログラム温度調節装置で
   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。