JPS63204402A - Ｐｉまたはｐｉｄ調節器 - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は制御対象に合わせて動作特性上の各パラメータ
が自動的に最適値に決定きれるようにしたＰＩまたはＰ
ＩＤ調節器に関するものである。

（ロ）従来の技術 従来例えば工業用の恒温槽の温度制御の如く、オーバー
シュートを少なく、出来る丈早く精密な温度制御を要求
される対象に対してはマイクロロンピユータで構成する
ＰＩ（比例十積分動作）調節器、或いはＰＩＤ（比例＋
積分十微分動作）調節器が良く用いられている。即ち、
表現式の一般形が以下の（ｉ）、（ｉ）またはく宥）で
表わされる何れかの式で与えられるｙを操作量として前
記制御対象に印加するのである。

ｙ　＝　Ｋ　ｐ　（α＋　’Ｉ”Ｉｓ”　　・・・・・
・・・・（１）ここでｅは制御量Ｃと目標値ｒの偏差、
Ｋ、は比例感度、Ｔ１は積分時間、Ｔ４は微分時間及び
Ｓはラプラス演箕子である。又、α及びβは比例帯によ
って決定される変数である。

この様な調節器において良好な制御結果を得るためには
前記式（ｉ）、（ｉ）または（ｉ）における各パラメー
タＫｐ、’ｒ、、’ｒａ（以下ＰＩＤ定数と称す。）を
制御対象の特性に合わせた最適値に調整しなければなら
ない。従来の調節器は前記ＰＩＤ定数を可変するための
摘み等が設けられているのみで、最適調整は制、御対象
の特性を別途に測定してそれに応じて手動で調整、設定
しなければならない。即ち、限界感度法に従って制御対
象（−、適当な操作量を与えて系の特性を測定し、その
測定値に基づいてＰＩＤ定数の適正値を計算し、それを
調節器に設定するのみである。この様に従来は最適調整
のために非常に面倒な操作を必要とした。

これを解決するために、従来では例えば特開昭５６−３
６７０１号公報に示される如く、制御対象に一定の操作
量をステップ状に与え、そのステップ応答を測定してむ
だ時間及び制御量の最大傾斜を算出すると共に目標値近
くにおける制御対象の応答性が目標値によって変化する
ので目標値が変更された場合のために目標値近くの応答
遅れを補正用のむだ時間として検出して、それらの値か
ら決定したＰＩＤ定数を自動設定する調節器が開発され
ている。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 前記公報の如くステップ応答性のむだ時間、最大傾斜及
び目標値付近における第２のむだ時間からＰＩＤ定数を
決定する場合は最大傾斜を測定するために随時傾斜を算
出し更にそれらを比較しなければならず、調節器を構成
するマイクロコンピュータのプログラムが複雑となると
共に最大傾斜の値は制御量の初期値によって変化してし
まう。又、第２のむだ時間を測定するため、目標値を通
過した後もＰＩＤ定数が定まらず、ＰＩＤ制御への移行
が遅れる等の問題があった。

本発明は斯かる問題点を解決したＰＩまたはＰＩＤ調節
器を提供することを目的とする。

（ニ）問題点を解決するための手段 本発明は制御対象から検出される制御量と目標値との偏
差を増幅する増幅手段と偏差を積分する積分手段、また
は増幅手段と積分手段と偏差を微分する微分手段とから
構成し、それによって得られる操作量を制御対象に印加
するＰＩまたはＰＩＤ調節器において、制御対象に所定
の操作量をステップ状に印加する手段と、このステップ
入力に対する制御対象のステップ応答による制御量の変
化を測定し、該ステップ応答特性のむだ時間を算出する
手段と、制御量が目標値に至るまでの目標値近傍の傾斜
を算出する手段と、求められたむだ時間及び傾斜に基づ
いて比例感度と積分時間または比例感度と積分時間と微
分時間を算出する手段とを構成し、該手段によって決定
きれた各パラメータが与えられて調節器は前述の式（ｉ
）（ｉ）或いはく１ｉ）から操作量を算出し動作するよ
うにしたものである。

（ホ）作用 本発明によれば予めステップ応答時の制御量上昇カーブ
の適当な目標値に対するむだ時間と前記目標値に至るま
での目標値近傍の傾斜をｊ：す定し、ＰＩＤ制御時のオ
ーバーシュート、前記目標値への収束時間を最小とする
ＰＩＤ定数と前記測定結果との関係を決定しておくこと
により、本発明の調節器は種々の目標値及び制御対象の
変化に対して、その時のステップ応答特性におけるむだ
時間及び目標値に至るまでの目標値近傍の傾斜を検出し
て最適なＰＩＤ定数を自動決定できる。

又、最大傾斜の測定も不要で初期値によって影響を受け
ず、目標値に至る近傍の傾斜を測定するからＰＩＤ制御
への移行が早くできる。

（へ）実施例 次に図面において実施例を説明する。第１図は本発明を
適用したＰＩＤ調節器（１）のブロック図を示す。調節
器（１）はマイクロコンピュータ（２）、目標値設定部
（３）、Ａ／Ｄ変換部（４）及び出力制御部（５）から
成り、更にマイクロコンピュータ（２）はその機能とし
ての主演算部（６）、ＰＩＤ定数演Ω部（７）、ステッ
プ応答測定部（８）及び切換えスイッチ（９）（１０）
（１１）を有する。

主演算部（６）はスイッチ（９）（１０）が（９ａ）（
１０ａ）にそれぞれ閉じている状態で、目標値設定部（
３）で適宜設定される目標値ｒと制御対象（１３）から
検出される制御量ＣがＡ／Ｄ変換部（４）を介して入力
され、両者の偏差ｅを求めると共にＰＩＤ定数演算部（
７）で後述する如く求められたＰＩＤ定数に、、Ｔ、、
Ｔ、と前記偏差ｅにより前記式（ｉ）或いは（ｉｉ）の
演算を行ない、その演算結果ｙを操作量として出力する
。主演算部（６）の出力側にはスイッチ（１１）があり
・、（ｌｌａ）に閉じている状態で操作量ｙは出力制御
部（５）を介して制御対象（１３〉に印加される。出力
制御部（５）は電源とスイッチング手段等から成る。こ
れによって周知のＰＩＤ制御が行なわれる。（１５）は
起動スイッチで、起動スイッチ（１５）が操作されると
スイッチ（９）（１０）（１１）がそれぞれ（９ｂバ１
０ｂ）（ｌｌｂ）に閉じ、又、ステップ応答測定部（８
）が所定の操作量ｙ０をステップ状に出力し、スイッチ
（１１）、出力制御部（５）を介して制御対象（１３）
に印力目する。このステップ応答時の制御量Ｃ及び目標
値ｒはステップ応答測定部（８）に入力きれ、内部の傾
斜測定部（１６）及びむだ時間測定部（１７）にてそれ
ぞれ測定された傾斜Ｒ及びＬをＰＩＤ定数演算部（７）
に出力し、ここでＲ及びＬに基づいてＰＩＤ定数たる比
例感度に１、積分時間Ｔ、及び微分時間Ｔ６の最適値を
決定し主演算部（６）に入力せしめる。同時にスイッチ
（９）（１０）（１１）を（９ａ）（１０ａ）（１ｌａ
）にそれぞれ閉じて以後は通常のＰＩＤ制御に移行する
。

次に第２図のマイクロコンピュータ（１）ノブログラム
を示すフローチャート及び第３図の制御量Ｃのステップ
応答特性を示すグラフに基づいてＰＩＤ定数の最適調整
動作を説明する。第３図は例えば恒温槽であればその加
熱手段の通電々流が零で槽内の温度が初期値Ｃ０に安定
している状態でステップ状の操作量ｙ０が印加きれた状
態の制御量Ｃの変化を示し、制御量Ｃは図の如き曲線で
増加する。次に第２図のフローチャートはＰＩＤ定数の
最適値を決定するためのプログラムの概略を示す。起動
スイッチ（１５）が操作されてスタートし、ステップ（
Ｓ＋）で初期値Ｃ０と目標値ｒを読み込み設定きれる。

次にステップ（Ｓ２）でＣ６よりも所定の小なる値Ｐだ
け上昇したむだ時間測定のためのしきい値ａを決定し、
次にステップ（Ｓ、）で目標値ｒよりも所定の小なる値
Ｕだけ下の傾斜測定値すを決定する。ｂはステップ応答
時の制御量Ｃが目標値ｒに至るまでの目標値ｒ近傍の値
である。次にステップ（Ｓ４）でステップ出力命令を発
して前述の操作量ｙ０を出力し、内部に機能として有す
るカウンタのカウントを開始する。この時点が第３図の
時間軸上の零点であり、制御量Ｃは最初変化がないがそ
の後上昇を始める。次にステップ（Ｓ６）では制御量Ｃ
が前述のしきい値ａに達したか判断し、達するまで判断
を繰り返し、達したらステップ（Ｓ６）でカウンタを停
止してその積算値からむだ時間りを算出する。次にステ
ップ（Ｓ、）で制御量Ｃが前述の傾斜測定値すに達した
か判断し、達するまで待ってステップ（Ｓハでｂにおけ
る制御量Ｃの変化率である傾斜Ｒをｍ出する。次にステ
ップ（Ｓ、）で測定したむだ時間り及び傾斜Ｒに基づい
てＰＩＤ定数たる比例感度に６、積分時間Ｔ。

及び微分時間Ｔ、を算出する。

Ｋｐ＝　　　　、　Ｔ＋＝ｇ−Ｌ　　Ｔａ＝ｈ−Ｌ・・
・（ｉｖ＞この式（ｉｖ）はステップ応答のむだ時間り
と傾斜ＲからＰＩＤ定数の最適値を算出する論理式とし
て知られている。これらの定数ｒ、ｇ、ｈは予めステッ
プ応答時の制御量Ｃの上昇カーブのむだ時間り及び適当
な目標値ｒに対する前述の傾斜Ｒを４！１１定し、ｒ、
ｇ、ｈを種々変更することによって最もオーバーシュー
トが少なく目標値ｒへの収束時間が短いＰＩＤ制御を行
なう値を見つけ出しておく。これによってステップ（Ｓ
、）でＰＩＤ定数の最適値が決定され、次にステップ（
Ｓ＋。）に進んで算出されたＰＩＤ定数を用いて式（ｉ
）或いは（ｉｉｉ＞に基づきＰＩＤ制御を実行する。

第３図から明らかな如く目標値ｒｌに対応する傾斜測定
値ｂ１における傾斜Ｒ１と目標値ｒ２に対応するｂ！に
おける傾斜Ｒ２とは異なった値となる。この相違により
、目標値ｒが変更された場合でも、前述の式（ｉｖ）に
よってその目標値に対して最適なＰＩＤ定数を決定でき
る。従って目標値の変更により、その付近の制御対象の
応答性が変化しても、式（ｉｖ）によって最適値に補正
される事になる。更に槽内の負荷状態が変化しても傾斜
Ｒとむだ時間りが変化して同様に補正される。これによ
って高精度なＰＩＤ制御が実現できることになる。しか
もＰＩＤ定数の最適調整は単に起動スイッチ（１５）を
操作するのみで自動的に行なわれるので、目標値が変更
きれても、常に最適な制御が実現できる。

尚、主演算部（６）、において式（ｉ）の演算を行なう
ＰＩ制御の場合は微分時間Ｔ、のデータが不要となるだ
けであるので説明を省略する。

次に第４図には初期値Ｃ０が第３図と異なり、操作量ｙ
がｙＩで安定している状態から操作Ｍｙをｙｏまでステ
ップ状に上昇せしめた場合の制御量Ｃの応答特性を示す
。この場合も槽内の負荷等の条件が同一であればむだ時
間り及び各制御量における傾斜Ｒは第３図の場合と同様
であるため本発明によればＰＩＤ定数の決定に初期値Ｃ
０の影響を受けない。これに対して前述の公報の如く最
大傾斜にてＰＩＤ定数を決定するものでは、最大傾斜点
が例えば第４図の００よりも小さい制御量で与えられる
場合は、その最大傾斜が変化してしまい、これによって
ＰＩＤ定数が最適値とならなくなる。即ち初期値による
影響を受けるが本発明によれば斯かる問題は無い。

又、ＰＩＤ定数を決定するための最終的なデータである
傾斜Ｒは制御量Ｃが目標値ｒに至るまでの目標値ｒの近
傍であるｂで決定するので、第５図に示す如く起動時の
ステップ応答は制御量Ｃがｂに至るまでの時間ｔ０で終
了することができ、その後は決定されたＰＩＤ定数を用
いて直ぐにＰＩＤ制御に移行できるので、ＰＩＤ定数の
最適化と相俟ってオーバーシュートと目標値ｒへの収束
時間を極力少なくすることができることになる。

（ト）発明の効果 本発明によれば制御量のステップ応答時の最大傾斜を算
出する必要がないので随時測定比較を行なう為のマイク
ロコンビコータのプログラム等が不要となり、簡素化が
図れる。又、目標値が変化した場合でも目標値近傍の傾
斜によってＰＩＤ定数を決定する為、その目標値に対し
て最適なＰＩＤ定数の決定が可能となる。更にそれによ
って初期値による影響も受けずに済むようになる。更に
又、目標値に至るまでの目標値近傍でＰＩＤ定数を決定
する最終データたる傾斜を測定するので、その後のＰＩ
Ｄ制御への移行が早くでき、制御量のオーバーシュート
及び目標値への収束時間を最少とすることが可能となる
ものである。

【図面の簡単な説明】

各図は本発明の実施例を示すもので、第１図はＰＩＤ調
節器のブロック図、第２図はマイクロコンピュータのプ
ログラムを示すフローチャート、第３図乃至第５図は制
御量のステップ応答特性を示す図である。 （１）・・・調節器、　（６）・・・主演算部、　（７
）・・・ＰＩＤ定数演箕都、　（８）・・・ステップ応
答測定部、（１３）・・・制御対象、　（Ｃ）・・・制
御量、　（ｒ）・・・目標値、　（ｙ）・・・操作量。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、制御対象から検出される制御量と目標値との偏差を
   増幅する増幅手段と前記偏差を積分する積分手段とを具
   備し、または前記増幅手段と積分手段と前記偏差を微分
   する微分手段とを具備し、それによって得られる操作量
   を前記制御対象に印加するＰＩまたはＰＩＤ調節器にお
   いて、前記制御対象に所定の操作量をステップ状に印加
   すると共に該ステップ入力に対する前記制御対象のステ
   ップ応答による制御量の変化を測定し、該ステップ応答
   特性のむだ時間を算出し、制御量が前記目標値に至るま
   での目標値近傍の傾斜を算出するステップ応答測定手段
   と、求められた前記むだ時間及び傾斜に基づいてＰＩＤ
   定数としての比例感度と積分時間または比例感度と積分
   時間及び微分時間を算出するＰＩＤ定数演算手段とを有
   し、該ＰＩＤ定数演算手段によって決定された前記ＰＩ
   Ｄ定数を用いてＰＩまたはＰＩＤ制御により制御量を目
   標値に導く主演算手段とを具備したＰＩまたはＰＩＤ調
   節器。