JPS6226504A - プロセス制御装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、制御対象からフィードバックされる制御量Ｐ
ｖとこの制御量の目標値Ｓｖとの偏差εに対して、比例
、積分、微分の各演算のうち少なくとも積分演算全実行
し調節演算出力Ｕを算出するプロセス制御装置に関する
。

〔発明の技術的背景とその間曙点〕

第４図に一般的な従来のプロセス制御装置の機能ブロッ
ク図を示す。この図において、１は偏差演算部、２は制
御演算部、３は制御対象である。偏差演算部１は制御対
象３からフィードバックされる制御ｆｉＰＶとこの目標
値ＳＶとの偏差ε（＝ｓｖ−ｐｖ）を算出している。制
御演算部２は偏差εに対して例えば（１）式の伝達関数
Ｃ（Ｓ）に基づき比例、積分。

微分の各演算を実行し、制御量Ｐｖが目標値Ｓｖに一致
するような調節演算出力Ｕを求め、制御対象３に出力し
ている。制御対象３ではこの調節演算出力ｕｔ−操作量
として制御動作が実行されるが、外乱りが印加され制御
に乱れが生じるとこれが制御量Ｐｖの変動として検出さ
れている。

ここで、Ｋｐ、　Ｔｔ、　ＴＤは伝達関数Ｃ（８）の制
御定数であり、各々比例ゲイン、積分時間、微分時間を
示している。ま念Ｓは複素変数、ηは０．１〜０．３程
度の定数である。

この制御装置による応答特性に、（１）式の伝達関数よ
り解かるように、その制ａ定数ＫＰ。

Ｔ、、ＴＤの調整状態によって決定される。通常のプロ
セス制御にあっては、制御定数ＫＰｒ　Ｔ１　＋ＴＤが
制御対象３に対して外乱が加わった場合にこの影響を早
急に抑制し得る状態、即ち外乱抑制最適特性状態に調整
されている。

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全変更した場合に制御が行過ぎ
てしまい、目標値Ｓｖの変化に制御ｚｐｖが追随せずオ
ーバーシュートラ生じてしまう、１念目標値Ｓｖ変化に
制御量Ｐｖが最適に追随する状態、即ち目標値追随最適
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っ
た。

このように、（１）式の制御量ａは外乱抑制最適特性状
態と目標値追随最適特性状態とでは調整する値が太きく
ｙ４なり、このことは第５図に示すＣＨＲ法（Ｃｈｅｒ
ｎ、Ｈｒｏｎｅｓ、Ｒｅｓｗｔｃｋ　）による制御定数
の調整公式に上って理解できる。

ところが、制御演算部１の伝達関数には、各演算に対し
１種類の制御定数ｘ、、　ＴＩ＋　’ｒＤＬか設定でき
ない。このため従来装置では、制御対象３の特性（例え
ば外乱に対する対応力）や制御の種類（例えば目標値の
変更形態）を考慮し、いずれかの特性状態全選択し一方
は犠性にするか、双方ともある程度の応答で妥協してい
た。

〔発明の目的〕

本発明は、制御定数全外乱抑制、目標値追随の双方に最
適な特性状態へと各々独立に調整し得るプロセス制御装
置孕提供するものである。

〔発明の概要〕　　　　゛ 本発明は、制御量と目標値との偏差に対して比例、積分
、微分の各演算のうち少なくとも１つの演算全実行し調
節出力を得るプロセス制御装置において、前記演算の制
御定数を４ａ工□□。へ８□カ、エアう　　　１補償演
算と、前記演算の制御定数を目標値追　　　　　■随最
適特性状態へと等測的に修正する補償演　　　　　■”
°′″′−゛”°４′″″°′“′″′″″°′″″″
′″　　　　　ｌ態を修正するものである。　　　　　
　　　　　　　　　ｉ〔８１゜え、創　　　　　　　　
　　　　　　ｌ□ 以下、本発明を図面を参照し一実施例を用　　　　□い
て説明する。

ｙＸ１図乃至第３図は、一実施例の構成を示す機能７°
°７′図１あ４．ｃｏ図ｉｃ　ｋ　’ｈ　で、　　　　
　　。

第４図と同一構成について同一符号を付し説　　　　　
：１ゆ、あアあ。　　　　　　　　　　　　　　　　　
　１９．おいア、□−。、ヶユ、イ、ヮアあう、ｌ標値
、イー１．７オワー１．補償あアあ１１．え　　　　　
１１１は君二の補償演算手段である測定値フィードバッ
ク補償部である。目標値Ｓｖは目標値フィードフォワー
ド部ｌＯ及び偏差演算部１に導入され、偏差演算部ｌは
制御対象３からの制御ｚｐｖとこの目標値Ｓｖとの偏差
εを求め、制御演算部１２に出力している。制御演算部
１２はこの偏差εに対して（１）式の伝達関数Ｃ（８）
に基づき比例、積分、微分の各演算上流し、調節出力ｕ
ｆ算出している。この際伝達関数Ｃ（８）の制御定数Ｋ
Ｐ、　ＴＩ、　１ｉｔＤとしては第１３図に示すＣＨＲ
法等によって目標値追随最適特性状態に調整されており
、得られる調＃出力Ｕによって目標値ＳＶの変化に対し
て行過ぎなし・整定時間最小の状態で追随し得るものと
する。

ところが、この調節による制御定数では、外乱ＤＶｃ工
っで制御ｔＰｖが変動した場合ににゲインが小さく制御
が仕くなってしまい、制御量Ｐ■の変動全抑制するのに
長時間装してしまう。

そこで、測定値フィードバック補償部１１は制御量ＰＶ
ｔ入力しこれに（２式の伝達関数”’（８）に基づく補
償演算を行ない、制御量ＰＶの変動による偏差εについ
ては目標値追随最適特性状態に調整された制御定数Ｋｐ
”、Ｔ、”。

ＴＤ昔金外乱抑制最適特性状態へと等価的に修正しよう
とする補償量ｆ（ｓ）　ｋ演算器１３に供給している°
。この演算器１３では制御演算部１２からの調節出力Ｕ
から補償量ｆ（ｓ）　’ｃ減算し補償調節出力ｕｆ演算
器１４に出力している。

ところが補償量ｆ（８）は外乱抑制特性のみならず、目
標値追従特性分も修正してしまうため、補償調節出力Ｕ
は外乱抑制特性は向上しているが、目標値追随特性に劣
化してしまう。目標値フィードフォワード補償部１１は
この目標値特性の劣化を回復させるため、目標’１ｌｓ
Ｖに対して測定値フィードバック補償部１１の伝達関数
Ｆ（ｓ）と相応した伝達関数Ｈ（６）に基づく補償演算
を施し得られた補償量ｈ（すを演算器１４に出力してい
る。演算器１４では補償調節出力Ｕにこの補償量ｈ（８
）　？加算し制御対象３に供給している。

次に、このように傳成し、２つの補償手段の内容を選択
すれば、目標値追従特性と外乱抑制特性の双方を最適と
することができるかその原理について説明する。まず、
制御演算部１２の制御定数は目標値追随最適特性状態に
調整されているので、両菊償部１０．１１が無補償の場
合には、（３）式に示す如く、制御量Ｐｖは目標値Ｓｖ
に変化に対して最適に追随している。

しかし、この（３）式の応答では外乱りに対する抑制特
性が弱いため、測定値フィードバック補償部１１を設け
て、（４）式に示す如く、制御定数を外乱抑制特性へと
等価的に修正し、外乱特性全向上させている。

ところが、この（４）式から屏かるように外乱抑制補償
用の伝達関数Ｆ（ａ）は外乱りに対する応答のみならず
、目標値Ｓｖに対しても影響を与えてしまう。

このため、目標値フィードフォワード補償部１３’ｉ−
設けて、外乱りに対する応答は固定にしたままで、目標
値Ｓｖに対する追随特性のみを操作している。この補償
をした結果、プロセスの制御応答は（５）式に示す如く
なる。

この（５７式によれば、外乱りに対する抑制時より調整
される。

では、次にこの（５）式の応答を踏えて、測定値フィー
ドバック補償部１１の伝達関数Ｆ（８）を求める“。即
ち外乱りの抑制特性全最適な特性状態とする念めの伝達
ｒ４Ｊｌ数ｔｃ？ｔｓ＞とじて、（６）　（７）式の如
く定義すると、伝達関数Ｆ（８）は（８３（９Ｊ式から
算出される。

ここでＫｐ、　Ｔｔ、　Ｔｏに目標値追随最適特性状態
の制御定数、　Ｋ、脣、Ｔ！＋、ＴＤ”は外乱抑制最適
特性状態の制御定数、α、β、γは調整パラメータであ
る。

Ｃ（Ｓ）十Ｆ（８）二〇１Ｂ）　　　　　　　　　　　
（８）・’−Ｆ（ｓ　）＝Ｃ？　ｓ　）　　Ｃ（ｓ　）
この伝達関数が適正なものでめる念めには、プロセスの
制御応答が最終値の定理を満足するものでなければなら
ない。即ち外乱りが一定の状態において目標値Ｓｖ七一
定値だけスキップ状に変化させ次場合に、定常状態にお
いては偏差が零にならなければならない。こｆ′Ｌ１ｆ
ｔ満足するには次のα１式が成立する必要があり、この
次めには１９式が成立しなけれげならない。

この（【９式にＦ（ｓ）、Ｃ（ｓ）の伝達関数を代入す
ると分母は無限下とな９、Ｆ（ｓ）は（１１）式を満足
していることが解かる。

次に目標値フィードフォワード補償部１０の伝達関数Ｈ
（８）を導出する。この関数に、測定値フィードバック
補償部１１の作用によって（４）式の如く省化しｔ目標
値ＳＶの追随特性を、（３）式の如く回復させるための
ものであり、（５）式の目標値応答が（３）式の如くな
るように修正すると次式の如くなる。

しかし、この（２）式の関係では（５）式から解かるよ
うに目標値の応答がオーバーシュート的になってしまう
。このｔめ（２）式を（至）式の如く、係数Ｋ（Ｑ≦に
≦１）を関与させ、ｋの値によって目標値追随特性のみ
で操作できるようにしている。

１（（１）　＝　ｋ　Ｘ　Ｆ（８）　　　　　　　　　
　　　　Ｑ；１このようにして、外乱抑制、目標値追随
の双方に最適な特性が得られるように、制御定数ＫＰ、
　Ｔ、、　Ｔ、　４相互に独立し次補償動作によって等
価的に修正している。

次に、測定値フィードバック補償部の伝達関数Ｆ（３）
及び目標値フィードフォワード補償部の伝達関数Ｈ（８
）の値孕設定する調整パラメータα、β、ｒの算出法の
一例を説明−ｒる。

即ち、（６）式と（７）式と・の各演算を比較すれば、
比例では、 Ｋｐ　Ｘ　ａ　＝　Ｋｐ”　　　　、’、　α＝　Ｔ、
−６４１β　　　　　β０ また（６）式で（〒１−８　＋１＋’Ｉ’ｌ　−８）を
野可　とおくと、積分は ■ さらに微分では　　　　　　　　　　　　　　　　　１
としてα、β、ｒは算定され、Ｋ、、　Ｔ！、　Ｔ、。

Ｋｐ”、　Ｔｔ”、　Ｔｏ”　ＩｔｌＭ　５　図ニ示ス
ＣＨＲ法’４　Ｋ　ヨ１って求めらｎ１各値が求められ
る。

。。！５１Ｃ＊＊、、ケアよ１，１．ユ、お１２　　　
　’の匍１＠ヶ数に、、Ｔ、、Ｔ、カー目標値６．最適
特性　　　　　［状態に調整されている場合に、外乱変
動に対　　　　ｌしては測定値フィードバック補償部１
１の伝　　　　　）連関数Ｆ（８）に基づく補償動作に
より外乱抑制最適特性へと等価的に制御定数を修正して
　　　　　（７４、、ヵ、ｔ、ｚ、）、、。工よっ７．
□　　　ｉ追随特性が劣化してしまう之め、こｆ″Ｌ全
回復補償するように目標値Ｓ■の変化分に対しては目標
値フィードフォワード補償部ｌＯの伝達関数Ｈ（ＩＩ）
に基づく補償演算を施し、常に外乱抑制、目標値追随の
両特性に最適な状態ｔ−実現し得、かつ目標値追随にあ
っては（至）式のに＝２調整することによって独立にオ
ーバーシュート全調節し得、外乱抑制にあってはα。

β、　ｒｆｉｌ−変更することに応答を独立で自由に最
適化できる。

この本実施例の応答例として第２図に測定値フィードバ
ック補償部１１の伝達関数Ｆ（８）が比例補償のみ（Ｋ
ｐｘ（α−１））の場合の例を示す。この例では目標値
追随応答を変えないで（ｋ＝一定）、αの値をα＝１（
補償なし）から大きくすることによって外乱抑制特性を
改善しているものである。

また、第３図に示すように、βの値は外乱抑制特性の積
分時間を等測的に変更するものであり、これによって変
動の最大値を少なくすることができ、ｒは微分時間を変
化させ得るもので、これにより外乱全早急に抑制できる
ようになる。

以上説明したよグに本実施例によれば、（１）外乱抑制
状態に調帯された制御定数を目標値に対しては仮想的に
目標値追随状態に補正し得、外乱抑制、目標値追随の両
特性全同時に実現できる。ま友（２）外乱抑制状態、目
標値追随の両定数とも、相互に独立して調整し得るため
、双方自由に最適な状態全選定できる。

さらに（３）目標値Ｓｖに対する制御ＫｌｔＰＶの応答
が最適化するように制御定数’ｒ’１１ｇ１ｔ、念後、
調整パラメータを選定するだけ、現場での調整が可能と
なり、ｖ！４整の確実性、容易性が高まり、短時間化が
図れる。また（４）構成としても、制御演算部１１に対
して補償演算部１０の機能全増設するのみ実現でき、既
設のコン°トローラにも容易に適用可能である。さらに
１ｉｍ　　　１ （５）従前より８．０π丁カ無限下となってしまうため
、最終値の定理の関係から補償は不可能と考えられてき
ｔ積分時間Ｔ！ヲ等価的ではあるが１次遅れ要素−と−
によって補償１＋Ｔ１−８ し得るので、積分プロセス（無定位プロセス）に対して
も制御性を大きく向上させ得る。こｎは積分プロセスで
は外乱抑制最適特性状態の積分時間が有限であるのに対
し、目標値追随最適特性状態では無限下としなければな
らず、両状態で最適な制御性を得る之めにはどうしても
この積分時間を変更できる構成にする必要があるためで
ある。また第５図に示すＣＨＲ法によっても積分時間の
みは、外乱抑制に対しては制御対象のむだ時間り、目標
値に対しては制御対象の時定数Ｔと各々異なるパラメー
タによって決定されるものでろＶ＞この補償は制御性の
改善する上でどうしても必要となるものである。

なお、以上説明した一実施例では、制御演算部１２が比
例、積分、微分の各演算全実行し、かつ目標値フィード
フォワード補償部１０、測定値フィードフォワード補償
部１１とも各々対応する比例、積分、微分の各演算Ｋ１
行するものとして説明した。しかし翫本発明では制御演
算部１２としては、少なくとも１つの演算全実行する構
成にあればよく、また補償演算部１０についても希望す
る目標値追随応答に応じ、比例、積分、微分の各々単独
又は選択的に組み合せ構成にすることができる。

また、一実施例においては目標値フィードフォワード補
償部１０の伝達関数Ｈ（ｓ）　ｆ測定値フィードバック
補償部１１の伝達関数Ｆ（８）の相関を保ちなからα［
有］式に示す如く、算定していた。しかし本発明では伝
達関数Ｈ（Ｉりは伝達関数Ｆ（ｓ）によって劣化さ７″
した目標値追随特性を回復補償し得るものであれば経験
的に調整される値であってもよい。またこの関数Ｈ（ｇ
）によって予じめ調整設定された目標値追随最適特性の
制御定数を、定数の値は固定したままでゲイン修正等が
できる構成が実現できる。

そして、一実施例では予じめ制御演算部１２の制御定数
全目標値追随最適特性状態に調整し、こｒＬを測定値フ
ィードバック補償部１１で修正し比こと劣化分で目標値
フィードフォワード補償部１０で補償していた。しかし
本発明は、測定値フィードバック補償部１１が制＃定数
を外乱抑制最適状態へと、目標値フィードフォワード補
償部１０が目標値追随最適状態へと各々独立に等測的修
正補償できる構成であればよく、七の几めの伝達関数等
の構成は、適宜変更できる。

さらに、−実施例では制御演算！１１の微分演ｑとして
一般に多用されている不完全微分を用いて説明し友が、
本発明では完全微分でも同様なことは言うに及ばず、微
分の意味としては両者ｋ　’Ｆ＆含するものとして使用
している。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、目標値追随最適
特性状態に調整された制御定数を、外乱による制御量の
変動に対しては外乱抑制最適特注状態へと等測的に修正
するとともに、この修正によって劣化される目標値追随
特性を補償することにより、外乱・目標値の双方に対し
て最適な特性状頭金容易にかつ自由に調整さ７１実現し
得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図、第
２図及び第３１ワは本発明の一実施′列の作用を説明す
る之めの図、第４図は従来例を、説明するためのブロッ
ク図、第５図はＣＪ−Ｉ　Ｒ法の制御定数の調整公式を
示す図である。 １・・・偏差演算部 １０・・・目標値フィードフォワード補償部１１・・・
測定値フィードバック補償部１２・・・制御演算部 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　三俣弘文

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）制御対象からの制御量とこの目標値との偏差を算
   出する偏差演算手段と、この偏差演算手段からの偏差に
   対して、比例、積分、微分の各演算のうち少なくとも１
   つの演算を実行して調節演算出力を算出する制御演算手
   段と、この制御演算手段が実行する制御定数を、前記制
   御量の外乱による変動を最適に抑制する特性状態へと等
   価的に修正する第１の補償演算手段と、この制御演算手
   段が実行している演算の制御定数を前記目標値の変化に
   最適に追随する特性状態へと等価的に修正する第２の補
   償演算手段とを備え、これら第１、第２の補償演算手段
   を組み合せて前記制御演算手段の制御定数の特性状態を
   等価的に修正することを特徴とするプロセス制御装置。
2. （２）制御演算手段は、前記目標値の変化に最適に追随
   する特性状態に調整された制御定数に基づき、比例、積
   分、微分の各演算のうち少なくとも１つの演算を実行す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプロセ
   ス制御装置。
3. （３）第２の補償演算手段は、前記制御演算手段の制御
   定数が第１の補償演算手段の等価的な修正により劣化し
   た前記目標値の変化に最適に追随する特性状態を回復さ
   せる修正を等価的に実行することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のプロセス制御装置。