(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度形ＰＩＤ（Ｐ：比例，Ｉ：積分，Ｄ：微分、以下同じ）調節演算手段の出力側に、リセット・ワインドアップを阻止する第１上・下限制限値をもつ第１の上下限制限手段およびこの第１の上下限制限手段の第１上・下限制限値よりも低レベルのリセット・ワインドアップを許容する第２上・下限制限値をもつ第２の上下限制限手段を設け、
前記第１上下限制限手段の第１上・下限制限値に対する前記速度形ＰＩＤ調節演算手段の出力の逸脱有無信号を用いて前記速度形ＰＩＤ調節演算手段のうちの速度形Ｉ調節演算手段による積分動作を制御し、この制御による積分動作の停止時および前記リセット・ワインドアップの解消時に前記第２上・下限制限値で制限される位置形調節信号を保持することにより、制御対象を含む制御系の応答特性を上げることを特徴とする速度形ＰＩＤ調節装置。
【請求項２】
速度形ＰＩＤ調節演算手段の調節演算出力を用いて、逆動作特性の操作端を調節し制御対象を制御する速度形ＰＩＤ調節装置において、
前記制御対象の制御量とこの制御量の目標値との偏差を用いて、速度形Ｐ＋Ｄ調節演算および速度形Ｉ調節演算を実行する速度形Ｐ＋Ｄ調節演算手段および速度形Ｉ調節演算手段と、
これら両調節演算手段の出力を加算合成して得られる速度形ＰＩＤ調節信号を位置形ＰＩＤ調節信号に変換する信号変換手段と、
この信号変換手段によって得られる位置形ＰＩＤ調節信号を第１上・下限制限値で制限する第１の上下限制限手段と、
この第１の上下限制限手段の出力を、当該第１上・下限制限値よりも低レベルの第２上・下限制限値で制限する第２上下限制限手段と、
前記位置形ＰＩＤ調節信号が前記第１上・下限制限値を越えたか否かを判断し、越えているときに制限逸脱信号を出力する制限逸脱信号出力手段と、
この制限逸脱信号出力手段の制限逸脱信号と前記速度形Ｉ調節演算手段の出力との符号が同符号のとき、当該速度形Ｉ調節演算手段による積分動作を停止する積分動作制御手段と、
を備え、前記第２上・下限制限値を越えるリセット・ワインドアップの解消時に制御対象を含む制御系の応答性を上げることを特徴とする速度形ＰＩＤ調節装置。
【請求項３】
速度形ＰＩＤ調節演算手段の調節演算出力を用いて、逆動作特性の操作端を調節し制御対象を制御する速度形ＰＩＤ調節装置において、
前記制御対象の制御量とこの制御量の目標値との偏差を用いて、速度形Ｐ＋Ｄ調節演算および速度形Ｉ調節演算を実行する速度形Ｐ＋Ｄ調節演算手段および速度形Ｉ調節演算手段と、
これら両調節演算手段の出力を加算合成して得られる速度形ＰＩＤ調節信号を位置形ＰＩＤ調節信号に変換する信号変換手段と、
この信号変換手段によって得られる位置形ＰＩＤ調節信号を第１上・下限制限値で制限する第１の上下限制限手段と、
この第１の上下限制限手段の出力を、当該第１上・下限制限値よりも低レベルの第２上・下限制限値で制限する第２の上下限制限手段と、
前記位置形ＰＩＤ調節信号が前記第１上・下限制限値を越えたか否かの信号を出力する制限逸脱信号演算手段と、
この制限逸脱信号演算手段の出力と前記速度形Ｉ調節演算手段の出力とが異符号またはゼロのとき、或いは何れかがゼロのとき、前記速度形Ｉ調節演算手段による積分動作を実行する積分動作制御手段と、
を備えたことを特徴とする速度形ＰＩＤ調節装置。
【請求項４】
速度形ＰＩＤ調節演算手段の調節演算出力を用いて、正動作特性の操作端を調節し制御対象を制御する速度形ＰＩＤ調節装置において、
前記制御対象の制御量とこの制御量の目標値との偏差を用いて、速度形Ｐ＋Ｄ調節演算および速度形Ｉ調節演算を実行する速度形Ｐ＋Ｄ調節演算手段および速度形Ｉ調節演算手段と、
これら両調節演算手段の出力を加算合成して得られる速度形ＰＩＤ調節信号を位置形ＰＩＤ調節信号に変換する信号変換手段と、
この信号変換手段によって得られる位置形ＰＩＤ調節信号を第１上・下限制限値で制限する第１の上下限制限手段と、
この第１の上下限制限手段の出力を、当該第１上・下限制限値よりも低レベルの第２上・下限制限値で制限する第２の上下限制限手段と、
前記位置形ＰＩＤ調節信号が前記第１上・下限制限値を越えたか否かを判断し、越えているときに制限逸脱信号を出力する制限逸脱信号出力手段と、
この制限逸脱信号出力手段の制限逸脱信号と前記速度形Ｉ調節演算手段の出力との符号が異符号のとき、当該速度形Ｉ調節演算手段による積分動作を停止する積分動作制御手段と、
を備え、前記第２上・下限制限値を越えるリセット・ワインドアップの解消時に制御対象を含む制御系の応答性を上げることを特徴とする速度形ＰＩＤ調節装置。
【請求項５】
速度形ＰＩＤ調節演算手段の調節演算出力を用いて、正動作特性の操作端を調節し制御対象を制御する速度形ＰＩＤ調節装置において、
前記制御対象の制御量とこの制御量の目標値との偏差を用いて、速度形Ｐ＋Ｄ調節演算および速度形Ｉ調節演算を実行する速度形Ｐ＋Ｄ調節演算手段および速度形Ｉ調節演算手段と、
これら両調節演算手段の出力を加算合成して得られる速度形ＰＩＤ調節信号を位置形ＰＩＤ調節信号に変換する信号変換手段と、
この信号変換手段によって得られる位置形ＰＩＤ調節信号を第１上・下限制限値で制限する第１の上下限制限手段と、
この第１の上下限制限手段の出力を、当該第１上・下限制限値よりも低レベルの第２上・下限制限値で制限する第２の上下限制限手段と、
前記位置形ＰＩＤ調節信号が前記第１上・下限制限値を越えたか否かの信号を出力する制限逸脱信号演算手段と、
この制限逸脱信号演算手段の出力と前記速度形Ｉ調節演算手段の出力とが正符号またはゼロのとき、或いは何れかがゼロのとき、前記速度形Ｉ調節演算手段による積分動作を実行する積分動作制御手段と、
を備えたことを特徴とする速度形ＰＩＤ調節装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種産業の制御システムなどに利用される速度形ＰＩＤ調節装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＩＤ（Ｐ：比例，Ｉ：積分，Ｄ：微分）調節装置は、プロセス制御の歴史が始まって以来、あらゆる産業分野で広く利用されており、いまや各種産業分野の制御システムにはＰＩＤ調節装置無しには成り立たなくなっている。
【０００３】
ところで、連続時間系におけるＰＩＤ制御の基本式は、
Ｃ（ｓ）＝ＫＰ  ［１＋｛１／（ＴＩ  ・ｓ）｝＋｛ＴＤ  ・ｓ／（１＋ηＴＤ  ・ｓ）｝］      ……（１）
で表せる。但し、ＫＰ  ：比例ゲイン、ＴＩ  ：積分時間、ＴＤ  ：微分時間、ｓ：ラプラス演算子、η：微分係数（１／η：微分ゲイン）である。
【０００４】
そこで、以上のようなＰＩＤ制御の基本式をディジタル速度形ＰＩＤ演算式に変換すると、下記式のようになる。
△ＭＶｎ  ＝ＫＰ  ｛（ｅｎ  −ｅｎ−１  ）＋（△ｔ／ＴＩ  ）・ｅｎ  ＋△ｄｎ  ｝……    （２）
ここで、
△ｄｎ  ＝ｄｎ−１  ＋［｛ＴＤ  ／（△ｔ＋ηＴＤ  ）｝・（ｅｎ  −ｅｎ−１  ）］−｛△ｔ／（△ｔ＋ηＴＤ  ）｝・ｄｎ−１  ……    （３）
であり、また、
ＭＶｎ  ＝ＭＶｎ−１  ＋△ＭＶｎ                            ……    （４）
で表すことができる。
【０００５】
但し、上式においてＭＶｎ  ：調節信号の現在値、△ＭＶｎ  ：調節信号の変化分、ＭＶｎ−１  ：調節信号の前回値、ｅｎ  ：偏差の現在値、ｅｎ−１  ：偏差の前回値、△ｔ：制御周期、△ｄｎ  ：速度形微分調節演算出力、ｄｎ−１  ：微分調節演算出力の前回値である。
【０００６】
そして、後の説明のために、前記（２）式〜前記（４）式から次のような式を定義することができる。
速度形（Ｐ＋Ｄ）調節演算信号△（Ｐ＋Ｄ）ｎ  ＝ＫＰ  ｛（ｅｎ  −ｅｎ−１  ）＋△ｄｎ  ｝  ……  （５）
速度形Ｉ（積分）調節演算信号△Ｉｎ  ＝ＫＰ  （△ｔ／ＴＩ  ）・ｅｎ            ……  （６）
次に、前記（２）式〜前記（４）式を用いた構成された従来の速度形ＰＩＤ調節装置について図５を参照して説明する。
【０００７】
すなわち、この調節装置においては、偏差演算手段１にて目標値ＳＶｎ  と制御対象２の制御量ＰＶｎ  とから偏差ｅｎ  （＝ＳＶｎ  −ＰＶｎ  ）を求めた後、この偏差ｅｎ  を速度形（Ｐ＋Ｄ）調節演算手段３および速度形Ｉ調節演算手段４に導入し、次式のような調節演算出力を取り出す。つまり、
△（Ｐ＋Ｄ）ｎ  ＝ＫＰ  ｛（ｅｎ  −ｅｎ−１  ）＋△ｄｎ  ｝        ……  （７）
なるＰＤ調節演算出力△（Ｐ＋Ｄ）ｎ  を求め、一方、速度形Ｉ調節演算手段４は、偏差ｅｎ  に基づいてＩ調節演算を実行し、
△Ｉｎ  ＝ＫＰ  （△ｔ／ＴＩ  ）・ｅｎ                          ……  （８）
なるＩ調節演算出力△Ｉｎ  を求める。
【０００８】
そして、速度形（Ｐ＋Ｄ）調節演算手段３の出力であるＰＤ調節演算出力△（Ｐ＋Ｄ）ｎ  はそのまま加算手段５に導き、一方、速度形Ｉ調節演算手段４の出力であるＩ調節演算出力△Ｉｎ  はスイッチ手段１０ａによる積分処理を介して加算手段５に導き、ここで両出力を用いて、
速度形ＰＩＤ調節信号△ＭＶｎ  ＝△（Ｐ＋Ｄ）ｎ  ＋処理後の△Ｉｎ  ……  （９）
なる加算合成を実行し、速度形−位置形信号変換手段６に供給する。
【０００９】
この信号変換手段６では、
ＭＶｎ  ＝ＭＶｎ−１  ＋△ＭＶｎ                                ……（１０）
なる演算を実行し、速度形ＰＩＤ調節演算出力である速度形ＰＩＤ調節信号△ＭＶｎ  を位置形ＰＩＤ調節信号ＭＶｎ  に変換する。この位置形ＰＩＤ調節信号ＭＶｎ  は、上下限制限手段７および変化率制限手段８を経て最終的な調節信号ＭＶｎ  ′となり、操作端（図示せず）を介して制御対象２に印加する。
【００１０】
このとき、信号変換手段６の出力，つまり上下限制限手段７の入力側と変化率制限手段８の出力側との間に減算機能をもつ制限逸脱信号出力手段９を設け、ここで、位置形ＰＩＤ調節信号ＭＶｎ  の前回値ＭＶｎ−１  と最終的な調節信号ＭＶｎ  ′の前回値ＭＶｎ−１  ′とを用いて、下記する（１１）式に従って制限逸脱信号△Ｌｎ−１  を求めた後、積分動作制御手段１０を構成する乗算手段１０ｂに送出する。
【００１１】
△Ｌｎ−１  ＝ＭＶｎ−１  −ＭＶｎ−１  ′                          ……（１１）
この乗算手段１０ｂにおいては、制限逸脱信号出力手段９の出力△Ｌｎ−１  と速度形Ｉ調節演算出力△Ｉｎ  とを乗算し、
δｎ  ＝△Ｌｎ−１  ・△Ｉｎ                                    ……（１２）
なる乗算結果を求めた後、これを符号判別手段１０ｃに導入する。この符号判別手段１０ｃは、乗算手段１０ｂによる乗算結果δｎ  の符号が正符号の場合にはスイッチ手段１０ａをオフ状態に設定し、積分動作を停止する。
【００１２】
ここで、積分動作を制御する理由について説明する。
今、前記（１２）式に基づくδｎ  が正の意味を考えると、δｎ  ＝△Ｌｎ−１  ・△Ｉｎ  ＞０から、位置形ＰＩＤ調節信号が制限に引かかっており、かつ、速度形Ｉ調節演算出力△Ｉｎ  があり、さらに速度形Ｉ調節演算出力△Ｉｎ  が上下限制限値のオーバーを拡大する方向にあるため、かかる条件の時には積分動作を停止する。このように従来の速度形ＰＩＤ調節装置においては、位置形ＰＩＤ調節信号が上下限制限値を越えたときに積分動作を停止し、いわゆるリセット・ワインドアップ（過積分）を防止する一方、偏差が反転してリセット・ワインドアップが解消する方向にあるとき直ちに調節信号が制限値を離脱するようになっている。
【００１３】
そこで、バッチプロセスに図５に示す速度形ＰＩＤ調節装置を適用した構成について図６で示し、かつ、このバッチプロセスにおける目標値ＳＶ，制御量ＰＶ，調節信号（操作量）ＭＶの挙動について図７を用いて説明する。
【００１４】
このバッチプロセスは、熱交換機１１を設置する加熱槽１２内に原料を定量投入する一方、外部から蒸気をオン・オフ弁１３および調節弁１４を介して熱交換機１１に供給して原料を加熱した後、加熱槽１２から加熱された原料を次工程に送り出すといった一連の原料加熱処理を繰り返す。このとき、加熱槽１２の原料温度を温度検出器１５で検知し、これを制御量ＰＶとして温度コントローラ１６に導き、制御量ＰＶが目標値ＳＶと一致するように調節演算を行い、得られた調節演算出力である調節信号を調節弁１４に印加し、蒸気流量を制御する。
【００１５】
ここで、バッチプロセスは、１つのバッチが完了すると、次のバッチが開始するまでの間，オン・オフ弁１３を閉とし、蒸気を遮断する役目をもっている。
そこで、Ａ点においてバッチが完了すると、オン・オフ弁１３が閉じて蒸気が遮断すると、図７（ａ）に示すように加熱槽１２の原料温度ＰＶが低下するので、これに伴って調節信号ＭＶは同図（ｂ）の実線で示すように増加し、上限制限値Ｈに達して制限されたままの状態で進行する。
【００１６】
次に、Ｂ時点において次工程がスタートし、オン・オフ弁１３が開になると、調節信号ＭＶは図示×××の（イ）で示すように上限制限値Ｈから直ちに離脱することから、図示×××の（ロ）で示すように原料温度ＰＶの応答特性がどうしても遅れる問題がある。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、以上のような速度形ＰＩＤ調節装置は、予め上下限制限値を設定し、速度形ＰＩＤ調節演算手段の出力である速度形ＰＩＤ調節信号から信号変換によって得られる位置形ＰＩＤ調節信号が前記上下限制限値を越えたとき、速度形Ｉ調節演算出力を停止してリセット・ワインドアップの発生を防止しているが、その結果、目標値と制御対象の制御量の偏差が逆転したとき、上下限制限値から直ちに離脱し、制御量ＰＶの応答特性がどうしても遅れ、例えば図６のようなバッチプロセスの場合には加熱処理時間が長くなってしまうといった問題がある。
【００１８】
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、リセット・ワインドアップを積極的に利用し、制御対象を含む制御系の応答特性を改善する速度形ＰＩＤ調節装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に対応する発明は、速度形ＰＩＤ調節演算手段の出力側に、リセット・ワインドアップを阻止する第１上・下限制限値をもつ第１の上・下限制限手段およびこの第１の上・下限制限手段の前記第１上・下限制限値よりも低レベルのリセット・ワインドアップを許容する第２上・下限制限値をもつ第２の上・下限制限手段を設け、
前記速度形ＰＩＤ調節演算手段の出力による前記第１の上・下限制限手段の第１上・下限制限値の逸脱有無信号を用いて前記速度形ＰＩＤ調節演算手段のうちの速度形Ｉ調節演算手段による積分動作を制御し、この制御による積分動作の停止時および前記リセット・ワインドアップの解消時に前記第２上・下限制限値で制限される位置形調節信号を保持することにより、制御対象を含む制御系の応答特性を上げる速度形ＰＩＤ調節装置である。
【００２０】
この請求項１に対応する発明は、以上のような手段を講じたことにより、位置形調節信号が第２上・下限制限値よりも高レベルの第１上・下限制限値を越えたときに積分動作を停止するが、位置形ＰＩＤ調節信号が２上・下限制限値に保持し、かつ、目標値と制御対象の制御量との偏差の反転時であるリセット・ワインドアップの解消時にも同様に位置形ＰＩＤ調節信号が２上・下限制限値に保持するので、制御対象を含む制御系の応答特性を改善できる。
【００２１】
次に、請求項２に対応する発明は、速度形ＰＩＤ調節演算手段の調節演算出力を用いて、逆動作特性の操作端を調節し、制御対象を制御する速度形ＰＩＤ調節装置において、
前記制御対象の制御量とこの制御量の目標値との偏差を用いて、速度形Ｐ＋Ｄ調節演算および速度形Ｉ調節演算を実行する速度形Ｐ＋Ｄ調節演算手段および速度形Ｉ調節演算手段と、これら両調節演算手段の出力を加算合成して得られる速度形ＰＩＤ調節信号を位置形ＰＩＤ調節信号に変換する信号変換手段と、この信号変換手段によって得られる位置形ＰＩＤ調節信号を第１上・下限制限値で制限する第１の上下限制限手段と、この第１の上下限制限手段の出力を、当該第１上・下限制限値とほぼ等しいか、それよりも低レベルの第２上・下限制限値で制限する第２の上下限制限手段と、前記位置形ＰＩＤ調節信号が前記第１上・下限制限値を越えたか否かを判断し、越えているときに制限逸脱信号を出力する制限逸脱信号出力手段と、この制限逸脱信号出力手段の制限逸脱信号と前記速度形Ｉ調節演算手段の出力との符号が同符号のとき、当該速度形Ｉ調節演算手段の出力を停止する積分動作制御手段とを設けた速度形ＰＩＤ制御装置である。
【００２２】
この請求項２に対応する発明は、以上のような手段を講じたことにより、第２の上下限制限手段の第２上下限制限値と第１の上下限制限手段の第１上下限制限値との間にリセット・ワインドアップを許容する過積分幅を設け、位置形ＰＩＤ調節信号が前記第２上・下限制限値を越えて過積分となり、さらに第１上下限制限値を越えたとき、制限逸脱信号出力手段から制限逸脱信号を積分動作制御手段に送出する。ここで、積分動作制御手段では、制限逸脱信号と前記速度形Ｉ調節演算出力との符号が同符号であれば、積分動作によって位置形ＰＩＤ調節信号が益々拡大する方向にあると判断して積分動作を停止する。この積分動作の停止時、位置形ＰＩＤ調節信号は第２上下限制限値を保持しつつ制御対象を制御する。
【００２３】
しかる後、前記制御対象の制御量とこの制御量の目標値との偏差が反転したとき、位置形ＰＩＤ調節信号の過積分に相当する分が第２上・下限制限値まで低下するまで、位置形ＰＩＤ調節信号は第２上下限制限値を保持しつつ制御対象を制御するので、その分だけ制御量が迅速に立つ上がり、応答特性を速めることができる。
【００２４】
次に、請求項３に対応する発明は、速度形ＰＩＤ調節演算手段の調節演算出力を用いて、逆動作特性の操作端を調節し、制御対象を制御する速度形ＰＩＤ調節装置において、
前記制御対象の制御量とこの制御量の目標値との偏差を用いて、速度形Ｐ＋Ｄ調節演算および速度形Ｉ調節演算を実行する速度形Ｐ＋Ｄ調節演算手段および速度形Ｉ調節演算手段と、これら両調節演算手段の出力を加算合成して得られる速度形ＰＩＤ調節信号を位置形ＰＩＤ調節信号に変換する信号変換手段と、
この信号変換手段によって得られる位置形ＰＩＤ調節信号を第１上・下限制限値で制限する第１の上下限制限手段と、この第１の上下限制限手段の出力を、当該第１上・下限制限値とほぼ等しいか、それよりも低レベルの第２上・下限制限値で制限する第２の上下限制限手段と、前記位置形ＰＩＤ調節信号が前記第１上・下限制限値を越えたか否かの信号を出力する制限逸脱信号演算手段と、この制限逸脱信号演算手段の出力と前記速度形Ｉ調節演算手段の出力とが異符号またはゼロのとき、或いは何れかがゼロのとき、前記速度形Ｉ調節演算手段による積分動作を実行する積分動作制御手段とを設けた速度形ＰＩＤ調節装置である。
【００２５】
この請求項３に対応する発明は、位置形ＰＩＤ調節信号が第１上下限制限値をどれだけ超過しているかを示す制限超過量と速度形Ｉ調節信号との関係をみながら、これら両者が異符号またはゼロのとき、或いは何れかがゼロのとき、前記速度形Ｉ調節演算手段による積分動作を実行するもので、逆に当該速度形Ｉ調節演算手段による積分動作を停止したときに請求項２に対応する発明と同様な作用を有する。
【００２６】
次に、請求項４に対応する発明は、速度形ＰＩＤ調節演算手段の調節演算出力を用いて、正動作特性の操作端を調節し、制御対象を制御する速度形ＰＩＤ調節装置において、
前記制御対象の制御量とこの制御量の目標値との偏差を用いて、速度形Ｐ＋Ｄ調節演算および速度形Ｉ調節演算を実行する速度形Ｐ＋Ｄ調節演算手段および速度形Ｉ調節演算手段と、これら両調節演算手段の出力を加算合成して得られる速度形ＰＩＤ調節信号を位置形ＰＩＤ調節信号に変換する信号変換手段と、この信号変換手段によって得られる位置形ＰＩＤ調節信号を第１上・下限制限値で制限する第１の上下限制限手段と、この第１の上下限制限手段の出力を、当該第１上・下限制限値と等しいか、それよりも低レベルの第２上・下限制限値で制限する第２の上下限制限手段と、前記位置形ＰＩＤ調節信号が前記第１上・下限制限値を越えたか否かを判断し、越えているときに制限逸脱信号を出力する制限逸脱信号出力手段と、この制限逸脱信号出力手段の制限逸脱信号と前記速度形Ｉ調節演算手段の出力との符号が異符号のとき、当該速度形Ｉ調節演算手段の出力を停止する積分動作制御手段とを設けた速度形ＰＩＤ制御装置である。
【００２７】
この請求項４に対応する発明は、請求項２に対応する発明では操作端が逆作動特性であるのに対し、この請求項４では正作動特性の操作端を用いたものであり、請求項２に対応する発明と同様な作用を奏する。
【００２８】
さらに、請求項５に対応する発明は、速度形ＰＩＤ調節演算手段の調節演算出力を用いて、正動作特性の操作端を調節し、制御対象を制御する速度形ＰＩＤ調節装置において、
前記制御対象の制御量とこの制御量の目標値との偏差を用いて、速度形Ｐ＋Ｄ調節演算および速度形Ｉ調節演算を実行する速度形Ｐ＋Ｄ調節演算手段および速度形Ｉ調節演算手段と、これら両調節演算手段の出力を加算合成して得られる速度形ＰＩＤ調節信号を位置形ＰＩＤ調節信号に変換する信号変換手段と、この信号変換手段によって得られる位置形ＰＩＤ調節信号を第１上・下限制限値で制限する第１の上下限制限手段と、この第１の上下限制限手段の出力を、当該第１上・下限制限値と等しいか、それよりも低レベルの第２上・下限制限値で制限する第２の上下限制限手段と、前記位置形ＰＩＤ調節信号が前記第１上・下限制限値を越えたか否かの信号を出力する制限逸脱信号出力手段と、この制限逸脱信号出力手段の出力と前記速度形Ｉ調節演算手段の出力とが正符号またはゼロのとき、或いは何れかがゼロのとき、前記速度形Ｉ調節演算手段による積分動作を実行する積分動作制御手段とを設けた速度形ＰＩＤ調節装置である。
【００２９】
この請求項５に対応する発明は、請求項３に対応する発明と比較し、操作端の特性が全く逆の場合であって、それによる構成および作用を除けば、請求項３に対応する発明と全く同様の作用を有する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は請求項１，２に係わる速度形ＰＩＤ調節装置の一実施形態を示す構成図である。
【００３１】
この調節装置は、目標値信号ＳＶｎ  と制御対象２１からの制御量ＰＶｎ  との偏差ｅｎ  （＝ＳＶｎ  −ＰＶｎ  ）を求める偏差演算手段２２と、この偏差ｅｎ  を用いて速度形（Ｐ＋Ｄ）調節演算を実行し、△（Ｐ＋Ｄ）ｎ  を出力する速度形（Ｐ＋Ｄ）調節演算手段２３と、前記偏差ｅｎ  を用いて速度形Ｉ調節演算を実行し、△Ｉｎ  を出力する速度形Ｉ調節演算手段２４と、この速度形Ｉ調節演算手段２４の出力系のスイッチ手段３０ａを経由してくるＩ調節演算出力△Ｉｎ  と前記速度形（Ｐ＋Ｄ）調節演算手段２３の調節演算出力△（Ｐ＋Ｄ）ｎ  とを加算合成する加算手段２５と、この加算手段２５で加算合成された速度形ＰＩＤ調節信号を位置形ＰＩＤ調節信号ＭＶｎ  に変換する信号変換手段２６と、この信号変換手段２６の位置形ＰＩＤ調節信号ＭＶｎ  をリセット・ワインドアップを防止する第１上・下制限値Ｈ１・Ｌ１で制限する第１の上下限制限手段２７ａと、この第１の上下限制限手段２７ａの出力を変化率制限を施した制限付き調節信号ＭＶｎ  ′として発信する変化率制限手段２７ｂと、前記第１の上下限制限手段２７ａの第１上・下限制限値Ｈ１・Ｌ１よりも低レベルのリセット・ワインドアップを許容する第２上・下限制限値Ｈ２・Ｌ２をもち、最終的に位置形ＰＩＤ調節信号を操作端（図示せず）に印加する第２の上下限制限手段２８とが設けられている。
【００３２】
さらに、この調節装置においては、第１の上下限制限手段２７ａの入力側と変化率制限手段２７ｂの出力側との間に設けられ、信号変換手段２６の位置形ＰＩＤ調節信号ＭＶｎ  の前回値ＭＶｎ−１  と変化率制限手段２７ｂの出力信号ＭＶｎ  ′の前回値ＭＶｎ−１  ′との差，つまり前回の制限を越えている量を求める制限逸脱信号出力手段２９と、この制限逸脱信号出力手段２９からの信号を用いてスイッチ手段３０ａをオン・オフ制御し、速度形Ｉ調節演算手段２４の出力，つまり積分動作を制御する積分動作制御手段３０とが設けられている。
【００３３】
この積分動作制御手段３０は、制限逸脱信号出力手段２９の出力と前記速度形Ｉ調節演算手段２４の出力とを乗算する乗算手段３０ｂと、この乗算手段３０ｂの出力から符号を判別し、正符号，つまり両者が同符号と判別したときには積分動作によって益々逸脱量が拡大する方向にあると判断し前記スイッチ手段３０ａをオフ状態に設定して積分動作を停止させる符号判別手段３０ｃとが設けられている。
【００３４】
次に、以上のように構成された装置の動作につき、特に請求項１，２との関係で重要な部分について説明する。
先ず、第１の上下限制限手段２７ａの第１上下限制限値Ｈ１・Ｌ１と第２の上下限制限手段２８の第２上下限制限値Ｈ２・Ｌ２は、Ｈ１＞Ｈ２，Ｌ２＞Ｌ１なる関係に設定する。この第１上・下限制限値Ｈ１・Ｌ１は、速度形Ｉ調節演算手段２４の積分動作によって位置形ＰＩＤ調節信号の増大化を阻止しリセット・ワインドアップを回避するための設定値であり、一方、第２上下限制限値Ｈ２・Ｌ２は、第１上・下限制限値よりも低レベルに設定してリセット・ワインドアップを許容するが、位置形ＰＩＤ調節信号が第２上下限制限値Ｈ２・Ｌ２を越えたときには制御対象２１を保護する観点から当該第２上下限制限値Ｈ２・Ｌ２で制限するとともに、リセット・ワインドアップの解消時に第２上下限制限値Ｈ２・Ｌ２を保持出力するので、制御量の立ち上げ，ひいては制御系の応答特性を改善することができる。
【００３５】
具体的には、速度形（Ｐ＋Ｄ）調節演算手段２３の調節演算出力△（Ｐ＋Ｄ）ｎ  および速度形Ｉ調節演算手段２４の調節演算出力△Ｉｎ  を加算手段２５に導入し、ここで、
△ＭＶｎ  ＝△（Ｐ＋Ｄ）ｎ  ＋△Ｉｎ                      ……  （１３）
なる演算によって速度形ＰＩＤ調節信号△ＭＶｎ  を求める。しかる後、信号変換手段２６にて速度形ＰＩＤ調節信号△ＭＶｎ  を位置形ＰＩＤ調節信号に変換した後、第１の上下限制限手段２７ａ，変化率制限手段２７ｂおよび第２の上下限制限手段２８を経て制御対象２１に印加する。
【００３６】
このとき、速度形Ｉ調節演算手段２４の積分動作によって位置形ＰＩＤ調節信号ＭＶｎ  が増加し、第２上下限制限値Ｈ２，Ｌ２を越える、いわゆるリセット・ワインドアップの発生を許容するが、第１上・下限制限値Ｈ１またはＬ１に達したときには、リセット・ワインドアップを防止するために、制限逸脱信号出力手段２９が位置形ＰＩＤ調節信号ＭＶｎ  の前回値ＭＶｎ−１  と制限出力後の位置形ＰＩＤ調節信号ＭＶｎ  ′の前回値ＭＶｎ−１  ′との差から制限値を逸脱していると判断し、下記式による制限逸脱信号△Ｌｎ−１  を積分動作制御手段３０の乗算手段３０ｂに送出する。
【００３７】
△Ｌｎ−１  ＝ＭＶｎ−１  −ＭＶｎ−１  ′                      ……  （１４）
この乗算手段３０ｂでは、制限逸脱信号△Ｌｎ−１  と速度形Ｉ調節信号△Ｉｎ  とを乗算し、正符号の場合にはスイッチ手段３０ａをオフ状態に設定するので、速度形Ｉ調節演算手段２４の積分動作が停止し、リセット・ワインドアップを回避することができる。
【００３８】
このとき、第１の上下限制限手段２７ａおよび変化率制限手段２７ｂから出力される位置形ＰＩＤ調節信号ＭＶｎ  ′は第２上下限制限値Ｈ２，Ｌ２を越えた値となっているが、当該第２上下限制限値Ｈ２，Ｌ２で制限され、制御対象２１に印加される。
【００３９】
その後、目標値ＳＶｎ  と制御量ＰＶｎ  との偏差が反転すると、位置形ＰＩＤ調節信号ＭＶｎ  は第１上・下限制限値Ｈ１またはＬ１から離脱し、制限逸脱信号出力手段２９による制限逸脱信号無しによってスイッチ手段３０ａがオン状態に設定され積分動作が働くが、位置形ＰＩＤ調節信号ＭＶｎ  は、依然として第２上下限制限値Ｈ２，Ｌ２を越えている限り、第２上下限制限値Ｈ２，Ｌ２を保持して制御対象２１に印加しているので、この位置形ＰＩＤ調節信号ＭＶｎ  によって制御量ＰＶｎ  が速かに目標値ＳＶｎ  に整定し、応答特性を改善できる。
【００４０】
図２は請求項１，３に係わる速度形ＰＩＤ調節装置の一実施形態を示す構成図である。なお、同図において図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００４１】
この調節装置は、図１とは反対に積分動作を実行する条件を判断し、当該条件の成立時に積分動作を実行するものであり、具体的には、制限逸脱信号出力手段２９に代えて、当該制限逸脱信号出力手段２９とほぼ同じ減算機能をもつ制限逸脱量演算手段４１を用い、また当該制限逸脱量演算手段４１の出力側に改良を施した積分動作制御手段４０を設けたものである。
【００４２】
この制限逸脱量演算手段４１は、位置形ＰＩＤ調節信号が第１上下限制限値Ｈ１，Ｌ１をどの程度超えたか、つまり制限逸脱量の他、制限逸脱量△Ｌｎ−１  ＝０の場合も出力する機能をもっている。一方、積分動作制御手段４０は、制限逸脱量演算手段４１の出力と速度形Ｉ調節演算手段２４の出力△Ｉｎ  とを乗算する乗算手段４０ｂと、この乗算手段４０ｂの乗算出力の符号が異符号か、または両者がゼロか、或いは何れかがゼロの場合を判別し、スイッチ手段４０ａをオン状態に設定し、積分動作を実行させる符号判別手段４０ｃとが設けられている。
【００４３】
次に、図２に示す調節装置の動作について説明する。
この調節装置においては、制限逸脱量演算手段４１が位置形ＰＩＤ調節信号ＭＶｎ  の前回値ＭＶｎ−１  と上下限制限手段２７ａ，変化率制限手段２７ｂを通って出力される位置形ＰＩＤ調節信号ＭＶｎ  ′の前回値ＭＶｎ−１  ′とを用いて、
△Ｌｎ−１  ＝ＭＶｎ−１  −ＭＶｎ−１  ′                        ……  （１５）
なる演算を行って制限逸脱量△Ｌｎ−１  を求めて乗算手段４０ｂに導入する。この乗算手段４０ｂは、制限逸脱量演算手段４１の制限逸脱量△Ｌｎ−１  と速度形Ｉ調節演算手段２４の出力△Ｉｎ  とを取り込んで乗算し、
δｎ  ＝△Ｌｎ−１  ・△Ｉｎ                                  ……  （１６）
なる演算を行った後、符号判別手段４０ｃに導入する。この符号判別手段４０ｃでは、δｎ  ≦０のとき、つまり
１．制限逸脱量△Ｌｎ−１  と速度形Ｉ調節演算手段２４の出力△Ｉｎ  とが異符号のとき（積分動作が制限逸脱量を解消する方向のとき）、
２．△Ｌｎ−１  と△Ｉｎ  とがゼロのとき、または△Ｌｎ−１  ，△Ｉｎ  の何れかがゼロのとき（制限逸脱量△Ｌｎ−１  ＝０の場合は調節信号が制限を超えていないことを示すとき）には、スイッチ手段４０ａをオン状態に設定し、積分動作を実行する。
【００４４】
この装置においては、積分動作が制限逸脱量を解消する方向のとき、または位置形ＰＩＤ調節信号が制限を超えていないとき、スイッチ手段４０ａをオン状態に設定して積分動作を実行するものであって、積分動作が制限逸脱量を解消する方向にないとき、つまり位置形ＰＩＤ調節信号が第１上下限制限値を逸脱し、かつ、速度形Ｉ調節演算手段２４の出力△Ｉｎ  によって逸脱を拡大する方向の場合には、図１と同様にスイッチ手段４０ａをオフ状態に設定して積分動作を停止し、かつ、第２の上下限制限手段２８の第２上・下限制限値を利用して位置形ＰＩＤ調節信号を制限し、積分動作が制限逸脱量を解消する方向のとき、制御量ＰＶｎ  の応答特性を上げるものである。
【００４５】
次に、図３は請求項１，４に係わる速度形ＰＩＤ調節装置の一実施形態を示す構成図である。同図において図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００４６】
図１は制御対象２１の操作端が逆作動特性であったのに対し、図３は制御対象２１の操作端が正作動特性の場合である。この場合には操作端の逆作動特性に合わせて、積分動作制御手段５０としては、制限逸脱信号出力手段２９の出力△Ｌｎ−１  と速度形ＰＩＤ調節演算手段２４の出力△Ｉｎ  とを乗算する乗算手段５０ｂと、この乗算手段５０ｂの出力δｎ  の符号が図１と反対に負符号のとき、スイッチ手段５０ｂをオフ状態に設定し、積分動作を停止するものであり、その他の構成および動作は図１と同じである。
【００４７】
さらに、図４は請求項１，５に係わる速度形ＰＩＤ調節装置の一実施形態を示す構成図である。同図において図２と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００４８】
図２は制御対象２１の操作端が逆作動特性であったのに対し、図４は制御対象２１の操作端が正作動特性の場合である。この場合には操作端の逆作動特性に合わせて、積分動作制御手段６０としては、制限逸脱量演算手段４１の出力△Ｌｎ−１  と速度形ＰＩＤ調節演算手段２４の出力△Ｉｎ  とを乗算する乗算手段６０ｂと、この乗算手段６０ｂの出力δｎ  の符号が図２と反対に正符号またはゼロとき、スイッチ手段６０ａをオン状態に設定し、積分動作を実行するものであり、その他の構成および動作は図１と同じである。
【００４９】
次に、図６に示すバッチプロセスにおける温度コントローラ２６に、例えば図１に示す速度形ＰＩＤ調節装置を適用した場合の制御量ＰＶ，調節信号（操作量）ＭＶの挙動について図７を参照して説明する。
【００５０】
図７のＡ点でバッチが完了すると、オン・オフ弁１３で蒸気を遮断し、加熱槽１２内の原料を次工程に送出すると、図７（ａ）に示すように加熱槽１２の原料温度は低下し、これに伴って図示実線に示すように位置形ＰＩＤ調節信号ＭＶが増加して第２上限制限値Ｈ２に達すると、当該第２上限制限値Ｈ２で制限されたまま進行する。このとき、第２の上下限制限手段２８は、リセット・ワインドアップを許容しているので、位置形ＰＩＤ調節信号ＭＶｎ  ，ＭＶｎ  ′は第２上限制限値Ｈ２を越え、さらに第１上限制限値Ｈ１に向かって増加するリセット・ワインドアップ分となり、ついには第１上限制限値Ｈ１を越えると、スイッチ手段３０ａをオフ状態に設定して積分動作を停止する。
【００５１】
次に、Ｂ点において次工程がスタートし、オン・オフ弁１３が開となると、調節信号ＭＶは第２上限制限値Ｈ２となっているので、これに応じて迅速に蒸気が加熱槽１２の熱交換機１１に供給される。その結果、制御量ＰＶが従来装置よりも立ち上り特性が速くなり、一方、調節信号ＭＶは図７（ｂ）に示すようにリセット・ワインドアップ（ＲＷ）のために第２上限制限値Ｈ２から開放されず、従来装置に比べて長く第２上限制限値Ｈ２を保持する。その結果、温度，つまり制御量ＰＶの立ち上がり時間が図示（ロ′）に示すように大幅に短縮することができる。
【００５２】
なお、上記実施形態では、バッチプロセスを例に上げたが、例えばリセット・ワインドアップを利用して安全弁の不要な動作を回避し、安全弁の安定動作を実現する場合にも同様に適用可能である。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、リセット・ワインドアップを阻止する第１上・下限制限値をもつ第１の上・下限制限手段と、この第１の上・下限制限手段の前記第１上・下限制限値よりも低レベルのリセット・ワインドアップを許容する第２上・下限制限値をもつ第２の上・下限制限手段とを設け、第１の上・下限制限手段の第１上・下限制限値に対する速度形ＰＩＤ調節演算手段の出力の制限逸脱信号を用いて速度形Ｉ調節演算手段による積分動作を停止するとともに、この積分動作の停止時および前記リセット・ワインドアップの解消時に第２上・下限制限値で制限される位置形調節信号を保持出力するので、リセット・ワインドアップを積極的に利用しつつ、制御対象を含む制御系の応答特性を改善できる。その結果、所要とする処理を繰り返し実行するバッチプロセスのような制御系に際し、制御量の立ち上がり時間を大幅に短縮でき、設備効率を大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１，２に係わる速度形ＰＩＤ調節装置の一実施形態を示す構成図。
【図２】請求項１，３に係わる速度形ＰＩＤ調節装置の一実施形態を示す構成図。
【図３】請求項１，４に係わる速度形ＰＩＤ調節装置の一実施形態を示す構成図。
【図４】請求項１，５に係わる速度形ＰＩＤ調節装置の一実施形態を示す構成図。
【図５】従来の速度形ＰＩＤ調節装置の構成図。
【図６】従来装置をバッチプロセスに適用した構成図。
【図７】従来装置と本発明装置とを比較する制御量および調節信号の特性図。
【符号の説明】
２１…制御対象、２３…速度形（Ｐ＋Ｄ）調節演算手段、２４…速度形Ｉ調節演算手段、２６…信号変換手段、２７ａ…第１の上下限制限手段、２７…第２の上下限制限手段、２９…制限逸脱信号出力手段、３０，４０，５０，６０…積分動作制御手段、３０ａ，４０ａ，５０ａ，６０ａ…スイッチ手段、３０ｂ，４０ｂ，５０ｂ，６０ｂ…乗算手段、３０ｃ，４０ｃ，５０ｃ，６０ｃ…符号判別手段、４１…制限逸脱量演算手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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