JPS63219002A

JPS63219002A - 調節装置

Info

Publication number: JPS63219002A
Application number: JP5349487A
Authority: JP
Inventors: Yoshikatsu Sakai; 酒井　芳克; Yasuo Nakai; 保夫中井; Asao Miyabe; 宮部　朝雄; Takashi Kono; 孝史河野
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1987-03-09
Filing date: 1987-03-09
Publication date: 1988-09-12
Anticipated expiration: 2009-11-24
Also published as: JPH0695284B2

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】（産業上の利用分野）本発明は、プロセス制御に用いられる調節装置に関し、
更に詳しくは、少なくとも比例（Ｐ）、積分（Ｉ）演算
パラメータを最適な値に自動的に調整するオートチュー
ニング調節装置に関するものそある。

（従来の技術）フィードバック制御に用いられるプロセス用Ｐ１訓節装
置において、Ｐ＋演算パラメータの設定は、プロセス運
転者あるいは計装エンジニアの長年の知識と経験に基づ
いて手動によって行なわれているのが現状である。しか
しながら、手動設定によるものは、プロセスのスタート
アップ時、負荷変動時、予期しない外乱混入時、あるい
は非線形ゲイン特性を持つ系等の状況の下では、一時的
あるいは定常的にプロセス運転の乱れを生じ、状況によ
っては経済的損失を及ぼすことがあった。

そこで、Ｐ＋演算パラメータをオートチューニングする
ようにした調節計が提案されている。これまで提案され
ているオートチューニング調節計として主だったものを
挙げれば次の通りである。

（ｉ）　　補助コントローラを主コントローラに対して
並列的に接続し、補助コントローラのゲインをあげ、振
動を起させ、その振幅２周波数から、２ｉｅｇｌ＠ｒ、
　Ｎｉｅｈｏｌｇによる所謂ｚ−Ｎ限界感度法に基づい
てＰ１演算パラメータを決定するもの（昭和４５年計測
自動制御学会論文集Ｖｏ１．［ｋ　ｌ’ｓｓ〜Ｐ６１１
限界感度法を利用した適応制御系の研究。

北森俊行）。

（Ｈ）　　オン、オフ発生器を使用してリミットサイク
ルを発生させ、その振幅等から最適なＰ１演算パラメー
タを決定するようにしたもの（昭和４８年計測自動制御
学会第１２回学術講演会予稿集ＨＩＴ〜ＰＨＪ　　Ｉ’
ｌ１）自動設定形アダプティブ・コントローラ　須見、
福田）。

（ｔｉｉ）　　制御量の挙動を観察するパターン認識手
段（パーフォーマンスメジャメント）を設け、ここでプ
ロセスに外乱を与えることなく、ランダムに発生する外
乱等の制御系の乱れを認識し、この認識結果を最適な応
答モデルと比較し、パターンの認識結果が応答モデルに
近づくように最適なＰ＋演算パラメータを決定するよう
にしたもの（単行本　ＡＤＡＰＴＩＶＥ　Ｃ０ＮＴＲ０
Ｌ　ＳＹＳＴＥＭＳ。

ＰＥＲＧＡＭＯＩＩ　ＰＲＥＳＳ、口１ｉ３発行　Ｐ１
〜Ｐ口）。

（ｉｖ）　　前記した（ｉｎ）の技術を用いるものであ
って、制御系の乱れによる応答パターンの認識に、オー
バシュート量（行き過ぎ量）、ピーク値より求められる
ダンピング（減衰率）及びピリオド（周期）の情報を用
いるようにしたもの（ＵＳ１’ＡＴ　Ｎｏ、　ＪＪＯ２
，３２６）。

（発明が解決しようとする問題点）前述した従来技術において、（ｉ）項及び（ｉ）項のも
のは、いずれもプロセスを振動状態にしたり、Ｐ＋演算
パラメータの決定の際に、制御系へ強制的に外乱（同定
信号）を与える必要があり、このためプロセスへ少なか
らぬ影響を与えるという問題点があった。

（ｍ）項、（Ｋ）項のものは、同定信号を使用するもの
でなく、プロセスに何んらの影響も与えないという点で
優れている。ここで、（ｉｖ）項のものは、（ｉｉ）項
のものを具体的に実現するためのひとつの手法を提供す
るが、制御系の乱れによる応答パターンの認識に、第８
図に示すように、制御設定値とプロセス入力値との偏差
の第１．第２．第３のピーク値Ｅ、、　Ｅ、、　Ｌを検
出し、オーバシュート量は−Ｌ／Ｌ、ダンピングは（Ｌ
−Ｌ）／（Ｅ、　−Ｅ２）を演算して求め、また、周期
は第１ピークと第３ピークとの時間から求めるようにし
ている。

このために、第３のピークの探索を行なう必要があるが
、第３ピークの探索にはそれだけ時間がかかるうえに、
第３ピークが現れない場合、推測により疑似ピークを定
めることになるので、応答パターンを必ずしも忠実に認
識することができないという問題点がある。また、第３
ピークは、第１ｊ第２ピークに比べてその振幅値が一般
的に小さいので、制御系からの乱れとは関係のないノイ
ズによる影響を受けやすくなるという問題点もある。

本発明は、前述した（ｉｎ）項の技術を基本的に利用す
るものであって、制御系の乱れによる応答パターンの認
識に、第３のピークを検索する必要のないようにするこ
とによって、短時間に、かつノイズ等に影響されないで
正確に応答パターンを認識できるようにし、最適なＰ１
演算定数を設定することの可能なオートチューニング調
節装置を提供するものである。

（問題点を解決するための手段）第１図は、本発明装置の基本的な機能ブロック図である
。図において、ｌは制御対象（プロセス）を示すブロッ
ク痩で、生産量の変化、制御目標値の変更、各種外乱な
どによってその動特性が変化するものとする。２は制御
対象１からのプロセス量Ｐｖと、制御目標値Ｓｖとの偏
差信号ＤＶに少なくとも比例（Ｐ）、ｌｆ１分（１）演
算を行ない得られた操作量（ＭＹ）を制御対象１に出力
するＰＩｆｔ＋制御手段、３はプロセス量ＰＶ又は偏差
信号ＤＶの波形パターンに応じてＰ１制御手段２のＰ、
Ｉ演算パラメータをチューニングするパラメータチュー
ニング手段である。

このパラメータチューニング手段３において、３１はプ
ロセス信号又は偏差信号Ｄｖの波形観測を行ない、信号
波形の第１のピークＤｖｌの発生時点ｔ１゜第２のピー
クＤＶ、の発生時点ｔ、を検出し、所定の演算を行なっ
て観測波形のパターンを代表する評価指標を出力する波
形観測手段、３２は制御性の目標となる目標値（モデル
）を設定した目標設定手段、３３は波形観測手段３１か
らの評価指標が、目標設定手段３２に予じめ設定した応
答目標になるようなＰＩ演算パラメータを演算するパラ
メータ演算手段である。

（作用）パラメータチューニング手段３内の波形観測手段３１は
、プロセス量Ｐｖ又は偏差信号Ｄｖの波形観測を行ない
、信号波形の第１のピークの発生時点ｔ１（ｔ、−ｔ１
）時点までのプロセス量又は偏差信号に求め、これを波
形パターンを代表する評価指標のひとつとして出力する
。

パラメータ演算手段３３は、波形観測手段３１から与え
られる面積レシオＡＲを含むいくつかの評価指標に基づ
いて、Ｐ、Ｉ演算パラメータを算出する。

（実施例）以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明す゛る
。

第２図は本発明に係る調節装置の構成ブロック図である
。図において、４は調節装置であり、制御対象１からの
プロセス量ＰＶ、制御目標伯Ｓｖを入力し、操作信号Ｍ
ｖを制御対象１に対して出力する。

この調節装置４において、４１はプロセス量Ｐｖ、各種
アナログ信号ｅｌ＋制御目標値Ｓｖを順次選択して入力
するマルチプレクサ、４２はマルチプレクサ４１で選択
した信号をひとつの入力とするコンパレータ、４３はマ
イクロプロセッサで、コンパレータ４ｚからの信号等を
入力している。４４はプロセッサ４３からのディジタル
信号をアナログ信号に変換するＤハ変換器、４５はＤハ
変換器の出力を所定のタイミングで保持するサンプルホ
ールド回路で、その出力が制御対象１への操作信号Ｍｖ
となる。４６は１１０ポート、４７は各種データ等を格
納したＲＡＭ、　　４８はマイクロプロセッサ４３が行
なう主要動作のプログラムを格納したシステムＲＯＭ、
　　４９は例えばユーザがプロセスに応じて作成したプ
ログラムを格納したＲＯＭ、　　５０は表示キーボード
で、これらはデータバスＢＳを介してマイクロプロセッ
サ４３に結合している。

ここで、システムＲＯＭ　４ｇには、マイクロプロセッ
サ４３が、第１図に示す波形観測手段３１、パラメータ
演算手段３３、Ｐ１制御手段２．とじての機能を行なう
ためのプログラムや、制御対象ｌの最適応答モデルのデ
ータ等からなる目標設定手段３２として機能するデータ
が格納されている。なお、システＡＲＯＭ　４８．　Ｒ
ＯＭ　４９はひと”）　（７）　ＲＯＭで共用シテもよ
い。

第３図は、このように構成した装置の動作の一例を示す
フローチャートである。

マイクロプロセッサ４３は、はじめにシステムＲＯＭ　
４８に格納されているシステムプログラムに従って、マ
ルチプレクサ４１に印加されているプロセス量ＰＶ、制
御目標値Ｓｖ、その他アナログ信号ｅ、を順次選択して
取り出し、これらの信号をコンパレータ４２、マイクロ
プロセッサ４３、Ｄ／Ａ変換器４４で形成されるＡ／Ｄ
変換ループによって、それぞれディジタル信号に変換す
る（ステップ１）。

次にプロセス量ＰＶと制御目標値Ｓｖとの偏差ＤＶが所
定の設定（１ｉ１１１ＤＢ内に入っているかどうか判断
しくステップ２　）　、　ＤＶ＞ＤＢの時、次のステッ
プ３に移る。ステップ３では、第１図における波形観測
手段３１として機能するシステムプログラムに従って、
プロセス量ＰＶ又はプロセスｆｉＰＶと制御目標値Ｓｖ
との偏差ｎｖの波形観測を行ない、観測波形のパターン
を分析する。また、パターン分析が完了すると、観測波
形の評価指標の算出を行なう（ステップ４．ステップ５
）。

第４図はこの波形観測手段３１における波形観測手法の
説明図である。ここでは負荷が変動ルた場合の偏差信号
ＤＶの応答波形を示しており、負荷変動時には大きく変
化するが、ＰＩ制御手段２の動作によって次第に変化が
小さくなってやがて零に収束する。

波形観測手段３Ｉは、この偏差信号ＤＶの挙動を観測し
ており、この信号波形の第１のピーク（ＤＶＩ）が観測
された時点（第１ピークの発生時点）　１＋から続（、
第２のピーク（ｎｖ２）が観測される時点（第２ピーク
の発生時点）　１１までの偏差信号ＤＶに係る面積＾１
と、第２ピークの発生時点ｔ、から続く、ｔｓ　＋　（
ｔｓ−Ｌｔ）の時点（ｔｓから　Ｌｓ−Ｌｔだけ経過し
た時点）までの偏差信号ＤＶに係る面積Ａ、とを演算す
る。そして、これらの面積Ａ、ム、を用いて、ＡＩ＋Ａ
、のレシオ（ＡＲ）を算゛出す。面積Ａ、、　Ａ、及び
面積レシオ＾Ｒの算出式の一例を（１）式、（２）式、
（３）式に示す。

Ａ、＝７″　（ＤＶ−ＤＶｓ）　ｄｔ　　　　　　　（
２）ｔ！ここで、（１）式の演算式は、第４図において斜線で施
した面積Ａ、を求めるものであり、（２）式の演算式は
、第４図において斜線で施した面積Ａ、を求めるもので
ある。

また、最大行き過ぎ量（オーバシュート）　ＯＶＳを（
４）式の演算式によって求める。

また、振動周期ＴＰを（５）式の演算式によって求める
。

Ｔｐ＝　２・　（ｔ２−ｔ＋）　　　　　　　　　　（
５）このようにして求められた面積レシオＡＲ，オーバ
ショートＯＶＳ、振動周期ＴＰの各ｔｉ１報を観測波形
を代表する評価指標としてパラメータ演算手段３ズに与
える。

本発明の装置においては、このように波形観測手段３１
が、観測波形の第１．第２のピークの発生時点から続く
観測波形に係る面積Ａｌ＃＾、を用いた面積レシオＡＲ
を、観測波形の評価指標のひとつとして、パラメータ演
算手段ゴ２に与えるようにしたもので、第３のピークを
検出する必要はなく、従って、ノイズの影響を受けなく
なるという効果をもたらしている。

第５図は、観測波形に含まれるノイズの影響について説
明するための波形図である。フィードバック制御されて
いる制御系において、一般に負荷変動や制御目標値の変
更、その他外乱に伴って生ずるプロセス量ＰＶ又は偏差
口ｖの応答波形は、最初は大きく変化するので、第１．
第２ピーク偵ＤＶ、。

Ｄｖ、は比較的検出しやすいが、第３ピーク付近になる
とその振幅も小さくなる。このために、第３ピークを検
出する場合、混入するノズＮＳの振幅を第３のピークと
して検出してしまうことがあり、誤まった評価指標を与
えることになる。

本発明のように、第１．第２のピークの発生時点１．、
１．から続く観測波形に係る面積ＡＩ、　Ａ２を用いて
算出される面積レシオ＾藺を評価指標とすると、観測波
形ＤＶ中にノイズＭＳが第５図破線に示すように混入し
たとしても、その信号波形の面積、例えば斜線を施した
面１ｌｌｓは、ノイズ混入がない時の信号波形より大き
くなった部分と、小さくなった部分とが互いに相殺され
るので、ノイズ混入に影響されることはない。

第３図において、ステップ５で前述したように観測波形
の評価指標（ＡＲ，ＯＶＳ、　ＴＰ）の算出を終えると
、パラメータ演算手段３３は、波形観測手段３１から与
えられる各評価指標と、目標設定手段３２に予じめ記憶
させである最適応答モデルの各データとを比較し、Ｐ１
演算パラメータを算出し、このＰＩ演算パラメータをＰ
１制御手段２に設定（チューニング）する（ステップ６
）。このステップ６の詳細は後述する。

ＰＩ制御手段２は、パラメータ演算手段３３によって設
定、変更されるＰＩ演算パラメータを用いＰ１演算を行
ない（ステップ７）、演算結果を操作信号Ｍｖとして制
御対象１に出力する（ステップ８）。

なお、ステップ２において、偏差ＤＶが所定の設定値幅
（セルフチューニング起動用偏差設定値）ＤＢ内に入っ
ている時（ＤＶ＜　ＤＢ）は、制御良好であるとして、
ステップ７に移り、既に設定されているＰ１演算パラメ
ータを用いてＰ１制御演算が行なわれる。ステップ４に
おいて、観測波形のパターン分析が完了してない場合（
第１．第２のピークが観測されるまでには、相応の時間
が必要であり、分析の途中にあるような場合）も、同様
にステップ７に移る。

第６図は、第３図におけるステップ６の詳細を示すフロ
ーチャートである。

パラメータ演算手段３３は、はじめに、波形観測手段３
１で得られた面積レシオ値ＡＩが「０」より小さいか判
断する（ステップ＄１）。これによって、Ｐ１制御手段
２に現在設定されているＰ、Ｉ演算パラメータが後述す
るへ区分にあるかどうか判断する。すなわち、面積レシ
オム父が「０」より小さい場合、非振動的な応答特性を
示しており、現在のＰ、Ｉ演算パラメータによる制御性
はＡ区分にあるものと判断し、目標設定手段３２に設定
した目標値に近ずくようにＰ、Ｉ演算パラメータを変更
する演算を行なう（ステップ６２）。面積レシオＡＲ≧
０の場合（ステップ６１で“ＮＯ“の場合）、（積分演
算定数Ｔ１）／（振動周期Ｔｐ）の値Ｒを演算しくステ
ップＧ３）、この値Ｒの大きさを判断する（ステップ６
４）、すなわち、Ｒ＜８．２であれば、現在設定されて
いるＰ１演算パラメータは、８区分にあるものと判断し
、ステップ６５に移る。また、０．２≦Ｒ≦０．４であ
れば、Ｃ区分にあるものと判断し、ステップ６６に、Ｒ
＞０．４であれば、０区分にあるものと判断し、ステッ
プ６７にそれぞれ移る。このように、面積レシオＡＲ，
ｌａ動周期Ｔｐ、　Ｒの大きさによって、Ａ、Ｂ、Ｃ，
Ｄの４区分に分けたのは、これまでの経験則に基づくも
ので、各区分の概念と、各区分における演算式の一例を
第７図に示す。

第７図において、横軸はＲの値であり、縦軸は、面積レ
シオＡＲをとっである。この図でハツチングを施した付
近（面積レシオＡＲ＝　１１．２．　Ｒ＝　１．２付近
）が目標値となる領域で、各区分ごとに示しである比例
演算パラメータＰＢ、積分演算パラメータＴｉを求める
ための所定の演算を行なうことによって、どの区分から
も制御性が目標値に向かうような、Ｐ演算パラメータ、
■演算パラメータが求められる。なお、本発明は、微分
（Ｄ）演算をも含む調節計にも同様に適用できるもので
あって、第７図には、微分演算パラメータＴｄを得るた
めの演算式についても参考までに示しである。

第７図に示す各演算式において、ＦＢＩ、　ＰＩＮは今
回１次回の比例演算パラメータ、　Ｔｉｌ、　Ｔｉ２は
今回。

次回の積分演算パラメータ（積分時間）　、Ｅｏｖｓは
誤差オーバシュート、ＥＡＲは誤差面積レシオである。

区分Ａにおける（１＾）式、（２Ａ）式は、ステップε
２において適用され、比例演算パラメータＰＢ２　。

積分演算パラメータＴｉ２は、誤差面積レシオＥＡＲ。

誤差オーバーシュートＥｏｖｇの値に応じてそれぞれ今
回のパラメータよりいずれも増大するような値が求めら
れる。ＥＡＲ，ＲｏｗｓがＯであれば、ＰＩ３．　Ｔｉ
ｎは、今回のＦＢＩ、　Ｔｉｌと同じ値となる。

区分Ｂにおける（ＩＢ）式、　　（２Ｂ）式は、ステッ
プ６５において適用され、比例演算パラメータＰＢ２゜
積分演算パラメータＴｉ２は、Ｒ１０，２（ここではＲ
は０．２より小さい）の割合でそれぞれ今回のパラメー
タより減少するような値が求められる。

以下、同じように、区分Ｃにおける（ＩＣ）式。

（２Ｃ）式は、ステップ６６において適用され、区分り
における（ＩＤ）式、　　（２Ｄ）式は、ステップ６７
において適用される。

ステップ６８では、ステップ６２．６５．６５．６７の
いずれかにおいて得られた比例演算パラメータ、積分演
算パラメータを、Ｐ１制御手段２に再設定する。

以上のような動作によって、ＰＩ制御手段２には、そこ
に設定されている比例演算パラメータ、積分演算パラメ
ータがどのような伯であっても、最終的に制御性が最適
な目標ｆ山になるように自動的に調整されることになる
。

なお、上記の説明では、波形観測手段３Ｉは、プロセス
量ＰＶと制御目標値ｓｖとの偏差信号ＤＶの波形を観測
するようにしたものであるが、制御目標値が一定である
ものとすれば、プロセス量ＰＶの波形を観測するように
してもよい。また、上記の説明では、ＰＩ制御手段を有
する調節手段を例にとって説明したが、ＰＩＤ制御手段
を有する調節手段に適用してもよい。

（発明の効果）以上詳細に説明したように、本発明は、制御目標値の変
更やプロセスにおける負荷変動などに伴うプロセス量又
は偏差信号の応答パターンを把握する指標のひとつに、
応答波形の第１．第２のピ一りの発生時点に続くプロセ
ス量又は偏差、信号に係る面積＾１．Ａ、のレシオを導
入し、この面積レシオを含む評価指標に基づいて、ＰＩ
演算パラメータを最適値となるように変更するようにし
たものである。従って、本発明によれば、ノイズ等に影
響されないで、かつ短かい時間で最適なＰ１演算パラメ
ータを設定することのできるオートチューニング調節装
置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の基本的な機能ブロック図、第２図
は本発明に係る装置の構成ブロック図、第３図は第２図
装置の動作の一例を示すフローチャート、第４図は波形
観測手段における波形観測手法の説明図、第５図は観測
波形に含まれるノイズの影響について説明するための波
形図、第６図は第３図におけるステップ６の詳細を示す
フローチャート、第７図はパラメータ演算手段において
定められる各区分の概念と各区分における演算式を示す
説明図、第８図は従来装置における応答パターンの認識
手法の一例を示す説明図である。１・・・制御対象（プロセス）、２・・・ＰＩ制御手段
。３・・・パラメータチューニング手段、３１・・・波形
観測手段、３２・・・目標設定手段、３３・・・パラメ
ータ演算手段。第６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）制御対象からのプロセス量と制御目標値との偏差
信号に少なくとも比例（Ｐ）、積分（Ｉ）演算を行ない
得られた操作量を前記制御対象に出力するＰＩ制御手段
と、前記プロセス量又は偏差信号の波形を観測しその観
測結果が予じめ設定した応答目標になるように前記ＰＩ
制御手段のＰ、Ｉ演算パラメータをチューニングするパ
ラメータチューニング手段とを備えた調節装置であって
、前記パラメータチューニング手段は、プロセス量又は偏
差信号（ＤＶ）の第１のピーク（ＤＶ＿１）の発生時点
（ｔ＿１）から続く第２のピーク（ＤＶ＿２）の発生時
点（ｔ＿２）までのプロセス量又は偏差信号（ＤＶ）に
係る面積（Ａ＿１）と、前記発生時点（ｔ＿２）から続
くｔ＿２＋（ｔ＿２−ｔ＿１）時点までのプロセス量又
は偏差信号（ＤＶ）に係る面積（Ａ＿２）とを演算する
とともに、得られた面積（Ａ＿１）、（Ａ＿２）の面積
レシオ（ＡＲ）を前記波形パターンを代表するひとつの
評価指標として出力する波形観測手段と、この波形観測
手段から与えられる面積レシオを含む評価指標に基づい
てＰ、Ｉ演算パラメータを演算するパラメータ演算手段
とを含むことを特徴とする調節装置。
（２）波形観測手段において、面積（Ａ＿１）、面積（
Ａ＿２）及び面積レシオ（ＡＲ）は（１）式、（２）式
、（３）式に従って演算される特許請求の範囲第１項記
載の調節装置。 ▲数式、化学式、表等があります▼（１） ▲数式、化学式、表等があります▼（２）ＡＲ＝Ａ＿２／Ａ＿１（３）