(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標値と制御対象からの制御量との偏差から少なくとも比例および積分演算した演算出力を出力するＰＩＤ演算部と、
前記制御対象の制御量に関係する諸量の測定値に基づくフィードフォワード量および基準値の比率を用いて前記演算出力をフィードフォワード処理して操作量を前記制御対象側へ出力するフィードフォワード処理部と、
前記目標値が変更されたか否か検出する目標値変更検出部と、
前記フィードフォワード量に関する所定の値を前記基準値として出力するとともに、前記目標値の変更を前記目標値変更検出部が検出したとき前記基準値をその検出時に測定された前記フィードフォワード量に変更して出力するフィードフォワード基準値変更出力部と、
前記目標値の変更を前記目標値変更検出部が検出したとき、前記ＰＩＤ演算部からの演算出力が前記目標値の変更時における前記フィードフォワード処理部からの前記操作量になるよう前記ＰＩＤ演算部の積分演算を変更させる積分値変更部と、
を具備することを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は制御装置に係り、目標値と制御対象からの制御量との偏差からＰＩＤ演算出力した操作量に対してフィードフォワード処理し、これを制御対象側へ出力する制御装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の制御装置としては、図４に示すように、減算部１で目標値ＳＶと後述するヒータ１９からの制御量ＰＶとの偏差ｅを出力し、この偏差ｅをＰＩＤ演算部３の比例演算部５、微分演算部７および積分演算部９で比例、微分および積分演算するとともに加算部１１で加算してＰＩＤ演算出力を出力し、このＰＩＤ演算出力を出力リミッタ１３で上限値および下限値に制限し、フィードフォワード処理部１５では後述する測定部２５からのフィードフォワード量およびフィードフォワード基準値出力部１７からの基準値に基づきフィードフォワード処理して操作量を出力する構成を有していた。
【０００３】
そして、例えば制御量に関係する諸量としてヒータへ印加する交流操作信号を考えた場合、図５に示すように、交流電源２１からヒータ１９へ印加する交流操作信号を、操作器２３にてフィードフォワード処理部１５からの操作量で切換える一方、測定部２５にて実際の印加交流操作信号レベル（例えば電圧）を検出してフィードフォワード量として図４のフィードフォワード処理部１５およびフィードフォワード基準値出力部１７へ加え、フィードフォワード基準値出力部１７では予め設定された固定値又は制御装置自体の電源投入時や動作の停止／開始時に測定されたフィードフォワード量などを基準値としてフィードフォワード処理部１５へ出力し、フィードフォワード処理部１５では出力リミットのかけられたＰＩＤ演算出力をそれら基準値とフィードフォワード量とによってフィードフォワード処理して出力していた。
なお、制御量ＰＶは、ヒータ１９に配置された図示しないセンサから出力される。
【０００４】
このような制御装置では、交流電源２１からヒータ１９へ印加する交流操作信号の変動影響が小さくなるよう、そのフィードフォワード量に基づきフィードフォワード処理部１５にてそのＰＩＤ演算出力がフィードフォワード処理され、このフィードフォワード処理された操作量を所定期間内のオン（ＯＮ）／オフ（ＯＦＦ）比に変換した時間比例出力として出力し、この時間比例出力に基づき操作器２３を切換えてヒータ１９を加熱制御し、その交流操作信号に電圧変動があっても、フィードバック制御よりも早く安定した加熱制御が可能になっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した制御装置では、フィードフォワード基準値出力部１７からの上述した基準値と、実際にヒータ１９へ印加された交流操作信号の測定結果に基づくフィードフォワード量とから、ヒータ１９へ印加する交流操作信号の変動影響が小さくなるようフィードフォワード処理されて操作量が出力されるから、例えば電源電圧が上昇してフィードフォワード量が大きくなり、上昇した電源電圧の影響が小さくなるようＰＩＤ演算出力がフィードフォワード処理される状況下で目標値ＳＶを変更すると、次のような不都合が生じ易い。
【０００６】
すなわち、目標値ＳＶの変更に起因して、ＰＩＤ演算部３からのＰＩＤ演算出力が１００％で飽和しているにもかかわらず、フィードフォワード処理部１５からの実際の操作量はフィードフォワード処理によって飽和せずに１００％より小さく抑えられ、ヒータ１９の過渡応答が遅くなり易い。
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、ＰＩＤ演算出力に対して適切なフィードフォワード処理が可能であり、目標値変更、電源投入又は機器の一時的な停止／開始等にあっても、制御量の早い立上がりスピードが得られ、制御量の過渡応答性を改善可能な制御装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために本発明は、目標値と制御対象からの制御量との偏差から少なくとも比例および積分演算した演算出力を出力するＰＩＤ演算部と、その制御対象の制御量に関係する諸量の測定値に基づくフィードフォワード量および基準値の比率を用いてその演算出力をフィードフォワード処理して操作量をその制御対象側へ出力するフィードフォワード処理部と、目標値が変更されたか否か検出する目標値変更検出部と、そのフィードフォワード量に関する所定の値をその基準値として出力するとともにその目標値の変更を目標値変更検出部が検出したときその基準値をその時測定されたフィードフォワード量に変更して出力するフィードフォワード基準値変更出力部と、その目標値の変更を目標値変更検出部が検出したとき、ＰＩＤ演算部からの演算出力が目標値の変更時におけるフィードフォワード処理部からのその操作量になるようＰＩＤ演算部の積分演算を変更させる積分値変更部とを具備している。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、従来例と共通する部分には同一の符号を付す。
【００１０】
図１は本発明に係る制御装置の実施の形態を示すブロック図である。
図１において、減算部１は、目標値ＳＶと制御対象としてのヒータ１９（図５参照）からの制御量ＰＶとの偏差ｅを出力するものであり、比例演算部５、微分演算部７および積分演算部９に接続されている。
【００１１】
比例演算部５は偏差ｅを比例演算するもので加算部１１に接続されており、微分演算部７は偏差ｅを微分演算するもので加算部１１に接続されており、積分演算部９は偏差ｅを積分演算するもので加算部１１に接続されている。
なお、積分演算部９は積分演算値の変更が可能となっているが、詳細は後述する。
【００１２】
加算部１１はそれら比例演算結果、微分演算結果および積分演算結果を加算してＰＩＤ演算出力を出力するもので、出力リミッタ１３に接続されている。
これら比例演算部５、微分演算部７、積分演算部９および加算部１１によってＰＩＤ演算部３が形成されている。
もっとも、ＰＩＤ演算部３の微分演算部７は必須ではなく、少なくとも比例演算部５および積分演算部９に加えて加算部１１で形成されていれば良い。
【００１３】
比例演算部５および微分演算部７は、後述する積分値変更部２９にも接続されている。
出力リミッタ１３は、そのＰＩＤ演算出力を所定の上限値および下限値でリミッタをかけてレベル制限するものであり、フィードフォワード処理部１５に接続されている。出力リミッタ１３では所定の上限値又は下限値でリミッタをかけることも可能である。
【００１４】
フィードフォワード処理部１５は、上述した図５に示した測定部２５からのフィードフォワード量および後述するフィードフォワード基準値変更出力部３１からの基準値を入力し、リミッタのかけられたＰＩＤ演算出力を例えばそれらの比率に基づきフィードフォワード処理する一方、フィードフォワード処理されたＰＩＤ演算出力に応じて所定の繰返し期間をＯＮ／ＯＦＦ比に変換した時間比例出力の操作量を出力するもので、制御対象側、例えば図５に示した操作器２３に接続されるとともに、積分値変更部２９にも接続されている。
【００１５】
フィードフォワード処理部１５において、例えばフィードフォワード量をＥｎ、基準値をＥ０とすれば、フィードフォワード処理後の操作量は次のようになる。
ＭＶ＝（Ｅ０）2／（Ｅｎ）2×ＰＩＤ演算出力    ・・・・（１）
【００１６】
目標値変更検出部２７は、減算部１へ加える目標値ＳＶを入力し、これが変更されたか否か検出するもので、目標値ＳＶが変化したとき目標値ＳＶが変更されたとして検出信号を出力するもので、積分値変更部２９およびフィードフォワード基準値変更出力部３１に接続されている。
【００１７】
積分値変更部２９は、フィードフォワード処理部１５からの操作量を測定しており、目標値変更検出部２７から検出信号が入力されたとき、その操作量に一致するＰＩＤ演算出力が得られるよう、比例演算部５および微分演算部７からの比例演算結果および微分演算結果とその操作量とから、積分演算部９における積分演算結果を変更して設定する機能を有している。
【００１８】
すなわち、積分値変更部２９は、目標値ＳＶの変更を目標値変更検出部２７が検出したとき、ＰＩＤ演算部３からのＰＩＤ演算出力が目標値ＳＶの変更前におけるフィードフォワード処理部１５からの操作量に一致するよう、そのＰＩＤ演算部３における前回の積分値として内容を置き換え変更するものである。置き換え変更する前回の積分出力としては、具体的に次の式から得られる。
前回の積分出力＝操作量−（前回比例演算出力＋前回微分演算出力）
【００１９】
フィードフォワード基準値変更出力部３１は、フィードフォワード量に関する固定値（例えば固定値ＡＣ１００Ｖ）又は図５に示した測定部２５からのフィードフォワード量が入力され、電源投入時又は一時的な機器の停止／開始時のフィードフォワード量が基準値として設定されており、目標値変更検出部２７から検出信号が入力されたとき、上記入力されたフィードフォワード量を当該基準値として変更出力するものであり、フィードフォワード処理部１５に接続されている。
【００２０】
フィードフォワード基準値変更出力部３１において、固定値とフィードフォワード量の何れを基準値として予め設定するかは任意であり、何れかが選択的に出力される。もっとも、このように初期設定される基準値はフィードフォワード量に関する所定の値であれば良い。
【００２１】
そのため、検出信号が入力されると、上述した式（１）における基準値がＥ０＝Ｅｎとなってフィードフォワード処理後の操作量が次のようになり、リミッタのかけられたＰＩＤ演算出力がそのままフィードフォワード処理部１５から出力される。
ＭＶ＝（Ｅ０）2／（Ｅｎ）2×ＰＩＤ演算出力
＝（Ｅｎ）2／（Ｅｎ）2×ＰＩＤ演算出力
＝ＰＩＤ演算出力
【００２２】
フィードフォワード量を出力する測定部２５は、上述した図５に示すように、交流電源２１から実際にヒータ１９へ印加される交流操作信号の例えば電源電圧を測定し、その測定電圧値をフィードフォワード量として出力するもので、フィードフォワード処理部５およびフィードフォワード基準値変更出力部３１に接続されているのは、上述した通りである。
【００２３】
次に、上述した本発明に係る制御装置の動作を簡単に説明する。
まず、目標値ＳＶが変更されない状態の下でフィードフォワード処理する動作を説明する。
【００２４】
目標値ＳＶと制御量ＰＶが減算部１へ入力され減算され、その偏差ｅがＰＩＤ演算部３へ加えられる。
ＰＩＤ演算部３では、その偏差ｅが予め設定された定数で比例演算、微分演算および積分演算され、加算部１１で加算されたＰＩＤ演算出力が出力リミッタ１３へ出力される一方、比例演算結果および微分演算結果が積分値変更部２９へ加えられる。
【００２５】
出力リミッタ１３ではそのＰＩＤ演算出力が所定の上限値および下限値でリミッタをかけられ、フィードフォワード処理部１５へ加えられる。
フィードフォワード処理部１５には、測定部２５からのフィードフォワード量およびフィードフォワード基準値変更出力部３１からの基準値が入力されており、リミッタのかけられたＰＩＤ演算出力がそれらフィードフォワード量および基準値の比率に基づきフィードフォワード処理される。
【００２６】
例えば、基準値がＡＣ１００Ｖで、実際の測定値に基づくフィードフォワード量が１０２Ｖの場合、その変動分である２Ｖの影響を抑えるようにフィードフォワード処理によって約９６％に抑えられた操作量が、図５の操作器２３へ出力されるとともに積分値変更部２９へも出力される。
【００２７】
逆に、フィードフォワード量が９８Ｖの場合には、フィードフォワード処理によって約１０４％に増大された操作量が出力される。
そして、フィードフォワード処理された操作量によってヒータ１９が加熱制御されるから、例えば交流操作信号に電圧変動があっても、フィードバック制御よりも早く安定した制御が可能となる。
【００２８】
ここで、ヒータ１９を操作する交流操作信号が基準値より例えば高めに変動している状況下で、目標値ＳＶを大きなレベル方向に変更した場合を説明する。
この状況下では、目標値変更検出部２７が目標値ＳＶの変更を検出し、その検出信号を積分値変更部２９およびフィードフォワード基準値変更出力部３１へ出力する。
【００２９】
この検出信号を受けたフィードフォワード基準値変更出力部３１は、入力したフィードフォワード量を当該基準値として設定し、フィードフォワード処理部１５へ出力する。
フィードフォワード処理部１５では、上述した式（１）から分かるように、リミッタのかけられたＰＩＤ演算出力がそのまま操作器２３へ出力される。すなわち、レベルを抑えられるようなフィードフォワード処理がなされずにそのままのレベルで出力される。
【００３０】
他方、積分値変更部２９は、目標値変更検出部２７から検出信号が入力されると、ＰＩＤ演算部３からのＰＩＤ演算出力がフィードフォワード処理部１５からの操作量に一致するように、比例演算部５および微分演算部７からの比例演算結果および微分演算結果、並びにフィードフォワード処理部１５からの操作量とから、ＰＩＤ演算部３の積分演算部９における積分演算結果を置き換え変更設定する。
【００３１】
そのため、フィードフォワード基準値変更出力部３１から出力される基準値がフィードフォワード量による新しい値に変更されたとしても、基準値の変更に伴うフィードフォワード処理部１５からの操作量の変化が抑えられ、目標値変更に対応した適正なＰＩＤ演算結果が出力される。
【００３２】
もし、ＰＩＤ演算部３からのＰＩＤ演算出力をフィードフォワード処理部１５からの操作量に一致させないと、基準値の変更に伴う操作量の変化があり、その状態で目標値変更に起因するＰＩＤ演算結果を算出することになる。
【００３３】
操作量が安定し制御量が一定の値で制御されている状態下では、基準値の変更に伴い操作量が変化して制御量を一定値で制御する操作量が出力されない状態からの目標値変更となり、過渡特性が本来の制御安定時からの目標値変更の特性と違うものとなり、制御応答がどのような応答になるかが不明になる。
このような状態を回避する上で、積分変更部２９によるＰＩＤ演算部３の積分演算部９の演算状態の変更設定が重要である。
【００３４】
このように発明の制御装置は、減算部１で目標値ＳＶと制御量ＰＶからの偏差ｅを出力し、ＰＩＤ演算部３でその偏差ｅに基づきＰＩＤ演算出力を出力し、ヒータ１９を実際に操作する交流操作信号の測定値に基づくフィードフォワード量およびこれに関する基準値の比率を用いてそのＰＩＤ演算出力をフィードフォワード処理部１５でフィードフォワード処理して操作量をヒータ１９側へ出力し、目標値変更検出部２７で目標値ＳＶの変更の有無を検出し、フィードフォワード基準値変更出力部３１では固定値又は電源投入時や動作の停止／開始時に測定されたフィードフォワード量などをその基準値として予め設定するとともに出力し、目標値ＳＶの変更が検出されたとき、フィードフォワード基準値変更出力部３１がその基準値として目標値ＳＶ変更時の測定フィードフォワード量に変更し出力する一方、目標値ＳＶの変更が検出されたとき、ＰＩＤ演算部３からのＰＩＤ演算出力が目標値ＳＶの変更前におけるフィードフォワード処理部１５からの操作量になるよう、積分値変更部２９でＰＩＤ演算部３の積分演算を変更させるよう構成した。
【００３５】
そのため、時間経過によるフィードフォワード量の変化があっても、その後に変更される各目標値ＳＶで適切な基準値を使用してフィードフォワード処理を確保できる。
しかも、目標値ＳＶが変更されても、フィードフォワード処理部１５からの操作量が抑えられるようなフィードフォワード処理がなされず、また基準値の変化に起因する操作量の変化がない状態でＰＩＤ演算されるため、制御量の早い立上がりスピードを確保でき、フィードフォワード処理時の制御量の過渡応答性を改善できる。
【００３６】
図２は上述した本発明の制御装置におけるシミュレーション結果を示す図であり、目標値ＳＶが変更されても、ＰＩＤ演算出力およびフィードフォワード処理後の操作量が一致するとともに早く安定することが分かる。
【００３７】
他方、図４に示した従来の制御装置では、図３のシミュレーション結果に示すように、目標値ＳＶが変更されると、ＰＩＤ演算出力とフィードフォワード処理後の操作量との間にはレベル差が生じるうえ、これらが遅れて変化しており、本発明の制御装置の効果が分かる。
なお、図２および図３において横軸は時間を、縦軸は制御装置の入出力を０〜１で正規化した値を示している。
【００３８】
上述した実施例では、操作量の出力形態として時間比例出力を例にして説明したが、操作量に応じたレベルで連続的に出力する電圧や電流も可能であるし、これらによって操作される操作器についても、ゼロクロス方式の他にリレーや位相制御装置のものを用いることが可能である。
すなわち、フィードフォワード処理後の操作出力を受けて出力する構成部分に関して本発明は影響されない。
【００３９】
また、上述した実施の形態では、制御量に関係する諸量として電源電圧を例にして説明したが、これ以外にも、例えば冷却制御の冷却媒体の温度など制御対象の制御特性に影響を与える要素の測定値をフィードフォワード量とすることが可能である。
もっもと、制御量に関係する諸量に応じて、フィードフォワード処理部での上述した式（１）や積分演算の変更式を変更する必要がある。
【００４０】
ところで、本発明に係る制御装置は、一般には所定のプログラムで演算や判断動作するＣＰＵ、このＣＰＵの動作プログラムを格納したＲＯＭ、演算動作結果を一時的に格納するＲＡＭ、外部とのインターフェースであるＩ／Ｏを主体としたマイクロコンピュータで構成する場合が多いが、電子部品を組合せた電子回路で構成することも可能であり、デジタル構成の機器ではＣＰＵで扱うデジタル信号が上述した制御出力信号となり、アナログ構成の機器では電圧信号や電流信号等のアナログ信号が制御出力信号となる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の制御装置は、目標値と制御量との偏差から少なくとも比例および積分演算して操作量を出力するＰＩＤ演算部と、制御対象の制御量に関係する諸量の測定値に基づくフィードフォワード量および基準値の比率を用いてＰＩＤ演算出力をフィードフォワード処理して操作量を制御対象側へ出力するフィードフォワード処理部と、目標値変更の有無を検出する目標値変更検出部と、そのフィードフォワード量に関する予め設定された所定の値をその基準値として出力するとともにその目標値変更が検出されたときその基準値としてその時点の測定フィードフォワード量に変更し出力するフィードフォワード基準値変更出力部と、目標値変更が検出されたときそのＰＩＤ演算部からの演算出力がフィードフォワード処理部からの操作量に一致するようその積分演算結果を変更させる積分値変更部とを具備したから、時間経過によるフィードフォワード量の変化があっても、適切なフィードフォワード処理を確保できる。
しかも、制御対象を操作する操作信号に変動がある状態下で、目標値が変更されても、フィードフォワード処理部によって操作量が抑えられないし、基準値を変化させることによる制御特性の変化を防ぐことにより、制御量の早い立上がりスピード確保できるうえ、制御量の過渡応答性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る制御装置の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】図１の制御装置のシミュレーション結果を示す図である。
【図３】従来の制御装置のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】従来の制御装置を示すブロック図である。
【図５】本発明および図４の制御装置に関連する構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  減算部
３  ＰＩＤ演算部
５  比例演算部
７  微分演算部
９  積分演算部
１１  加算部
１３  出力リミッタ
１５  フィードフォワード処理部
１７  フィードフォワード基準値出力部
１９  ヒータ（制御対象）
２１  交流電源
２３  操作器
２５  測定部
２７  目標値変更検出部
２９  積分値変更部
３１  フィードフォワード基準値変更出力部
【図１】
0003546424.tif 000002
【図２】
0003546424.tif 000003
【図３】
0003546424.tif 000004
【図４】
0003546424.tif 000005
【図５】
0003546424.tif 000006