(57)【要約】【課題】応答性及びロバスト性を改善できると共に、調整が容易で、経済性に有利なフィードバック制御システムを提供する。【解決手段】ＰＩＤ制御装置１０を備えた１入力、１出力の単ループＰＩＤフィードバック制御システム１であって、制御量の微分値を検出する微分検出器３４と、微分検出器３４により検出された微分値を補正した値を制御量に加算してフィードバック信号を生成する加算器４０と、制御対象のむだ時間をオンラインで検出するむだ時間検出器３０と、制御対象１６の遅れ時間をオンラインで検出する遅れ時間検出器３２と、むだ時間検出器３０及び遅れ時間検出器３２による検出信号に基づいて、上記微分値を補正すべき値及び前記ＰＩＤ制御装置のゲインを調整する調整器３６と、を備える。【選択図】      図２
2006227754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微分・積分・比例の各要素を有するＰＩＤ制御装置を備えた１入力、１出力の単ループＰＩＤフィードバック制御システムであって、
制御量の微分値を検出する微分検出器と、
前記微分検出器により検出された微分値を補正値で補正した値を制御量に加算してフィードバック信号を生成する加算器と
制御対象のむだ時間をオンラインで検出するむだ時間検出器と、
制御対象の遅れ時間をオンラインで検出する遅れ時間検出器と、
前記むだ時間検出器及び前記遅れ時間検出器による検出信号に基づいて、前記補正値及び前記ＰＩＤ制御装置のゲインを調整する調整器と、を備えることを特徴とするＰＩＤフィードバック制御システム。
【請求項２】
微分・積分・比例の各要素を有するＰＩＤ制御装置を備えた１入力、１出力の単ループＰＩＤフィードバック制御システムであって、
目標値と操作量の差である目標値偏差が規定値以上になったこと検出する目標値偏差検出器と、
目標値偏差検出器の検出結果に基づいて、前記目標値偏差に応じた出力を生成する目標値偏差調整器と、
前記目標値偏差調整器の出力を、前記ＰＩＤ制御装置の出力に基づいて調整する操作量調整器と、
前記ＰＩＤ制御装置の出力から前記操作量調整器の出力を減算した値を操作量として出力する減算器と、を備えることを特徴とするＰＩＤフィードバック制御システム。
【請求項３】
微分・積分・比例の各要素を有するＰＩＤ制御装置を備えた１入力、１出力の単ループＰＩＤフィードバック制御システムであって、
目標値と前記ＰＩＤ制御装置の出力の差であるＰＩＤ出力偏差が規定値以上になったこと検出するＰＩＤ出力偏差検出器と、
前記ＰＩＤ出力偏差検出器が、前記ＰＩＤ出力偏差が規定値以上になったことを検出した場合に、前記ＰＩＤ制御装置の出力を補正値で補正した値から目標値を減算した値である制御不安定調整値を生成し、前記ＰＩＤ制御装置の出力から前記制御不安定調整値を減算して操作量として出力する制御不安定防止器と、を備えることを特徴とするＰＩＤフィードバック制御システム。
【請求項４】
請求項１記載のＰＩＤフィードバック制御システムにおいて、
目標値と操作量の差である目標値偏差が規定値以上になったこと検出する目標値偏差検出器と、
目標値偏差検出器の検出結果に基づいて、前記目標値偏差に応じた出力を生成する目標値偏差調整器と、
前記目標値偏差調整器の出力を、前記ＰＩＤ制御装置の出力に基づいて調整する操作量調整器と、
前記ＰＩＤ制御装置の出力から前記操作量調整器の出力を減算した値を操作量として出力する減算器と、を更に備えることを特徴とするＰＩＤフィードバック制御システム
【請求項５】
請求項１、２、又は４記載のＰＩＤフィードバック制御システムにおいて、
目標値と前記ＰＩＤ制御装置の出力の差であるＰＩＤ出力偏差が規定値以上になったこと検出するＰＩＤ出力偏差検出器と、
前記ＰＩＤ出力偏差検出器が、前記ＰＩＤ出力偏差の値が規定値以上になったことを検出した場合に、前記ＰＩＤ制御装置の出力を補正値で補正した値から目標値を減算した値である制御不安定調整値を生成し、前記ＰＩＤ制御装置の出力から前記制御不安定調整値を減算して操作量として出力する制御不安定防止器と、を更に備えることを特徴とするＰＩＤフィードバック制御システム。
【請求項６】
請求項１又は４記載のＰＩＤフィードバック制御システムにおいて、
前記むだ時間検出器は、制御対象と相関のある少なくとも１以上の値に基づいて、むだ時間に応じた時間巾を有するパルス信号を生成し、このパルス信号に基づいてむだ時間と相関のある信号を出力する機能を有することを特徴とするＰＩＤフィードバック制御システム。
【請求項７】
請求項１、４、又は６記載のＰＩＤフィードバック制御システムにおいて、
前記遅れ時間検出器は、制御対象と相関のある少なくとも１以上の値に基づいて、遅れ時間に応じた時間幅を有するパルス信号を生成し、このパルス信号に基づいて遅れ時間と相関のある信号を出力する機能を有することを特徴とするＰＩＤフィードバック制御システム。
【請求項８】
請求項２又は４記載のＰＩＤフィードバック制御システムにおいて、
前記目標値偏差検出器は、前記目標値偏差が規定値を超えている時間に応じたパルス幅を有するパルス信号を生成し、このパルス信号に基づいて目標値偏差に応じた信号を生成する機能を有することを特徴とするＰＩＤフィードバック制御システム。
【請求項９】
請求項３又は５記載のＰＩＤフィードバック制御システムにおいて、
前記ＰＩＤ出力偏差検出器は、前記ＰＩＤ出力偏差が規定値を超えている時間に応じたパルス幅を有するパルス信号を生成し、このパルス信号に基づいて目標値偏差に応じた信号を生成する機能を有することを特徴とするＰＩＤフィードバック制御システム。
【請求項１０】
請求項１、４、６、又は７記載のＰＩＤフィードバック制御システムにおいて、前記むだ時間検出器および遅れ時間検出器は、前記少なくとも１以上の値の変化に応じて出力をリセットする機能を有することを特徴とするＰＩＤフィードバック制御システム。
【請求項１１】
請求項２、４、又は８記載のＰＩＤフィードバック制御システムにおいて、
前記目標値偏差調整器は、前記目標値偏差の変化に応じて出力をリセットする機能を有することを特徴とするＰＩＤフィードバック制御システム。
【請求項１２】
請求項３、５、又は９記載のＰＩＤフィードバック制御システムにおいて、
前記制御不安定防止器は、前記ＰＩＤ出力偏差の変化に応じて前記制御不安定調整値をリセットする機能を有することを特徴とするＰＩＤフィードバック制御システム。
【請求項１３】
請求項１、４、６、７、又は１０記載のＰＩＤフィードバック制御システムにおいて、
目標値としてステップ値を与え、このステップ値を操作量とする手段と、
前記むだ時間検出器及び前記遅れ時間検出器により制御対象のむだ時間及び遅れ時間を測定する手段と、
これらの測定値に基づいて前記ＰＩＤ制御装置のゲイン及び前記微分値を補正すべき値を設定する手段とを備えることを特徴とするＰＩＤフィードバック制御システム。
【請求項１４】
請求項１、４、６、７、又は１０記載のＰＩＤフィードバック制御システムにおいて、
前記むだ時間検出器は、
目標値に一定のむだ時間を与えるむだ時間器と、
目標値から前記むだ時間器出力を減算する減算器と、
この減算器の出力を増幅する第１の増幅器と、
この第１の増幅器の出力を一定の値に制限する信号制限器と、
制御量を微分する微分器と、
前記微分器の出力を増幅する第２の増幅器と、
この第２の増幅器の出力を一定の値に制限する信号制限器と、
この信号制限器の出力を否定する否定器と、
前記信号制限器の出力と前記否定器の出力の論理積をする論理積器と、
この論理積器出力を積分するリセット付積分器と、を備えることを特徴とするＰＩＤフィードバック制御システム。
【請求項１５】
請求項１、４、６、７、１０、又は１４記載のＰＩＤフィードバック制御システムであって、
前記遅れ時間検出器は、
目標値から制御量を減算する減算器と、
この減算器の出力の零付近に一定値の不感帯を付加する不感帯調整器と、
この不感帯調整器の出力を増幅する増幅器と、
この増幅器の出力を一定の値に制限する信号制限器 と、
この信号制限器の出力を絶対値にする絶対値変換器と、
この絶対値変換器の出力を積分するリセット付積分器と、を備えることを特徴とするＰＩＤフィードバック制御システム。
【請求項１６】
請求項１〜１５のうち何れか１項記載のＰＩＤフィードバック制御システムを直列又は並列に接続することで構成されたことを特徴とする多変数入力、多変数出力の制御システム。
【請求項１７】
請求項１６記載の制御システムであって、あるＰＩＤフィードバック制御システムにおいて他のＰＩＤフィードバック制御システムで検出されたむだ時間及び遅れ時間を用いることを特徴とする制御システム。
【請求項１８】
請求項１〜１７の何れか１項記載のＰＩＤフィードバック制御システムと、このＰＩＤフィードバック制御システムにネットワーク経由で接続された監視調整装置とにより構成され、前記監視調整装置は、前記ネットワークを介して前記ＰＩＤフィードバック制御システムの監視及び調整操作を遠隔に行う機能を有することを特徴とする遠隔監視調整機能付き制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、微分・積分・比例の各要素を有するＰＩＤ制御装置を備えたＰＩＤフィードバック制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＰＩＤフィードバック制御システムは、図１に示すように、比例積分微分（ＰＩＤ）制御器１０、減算器１２、及び目標設定器１４を備えた基本構成を有している。この構成では、目標設定器１４で設定した目標値と制御対象１６の制御量との偏差（目標値偏差）を減算器１２で演算し、この目標値偏差をＰＩＤ制御装置１０へ入力し、ＰＩＤ制御装置１０により制御対象１６の操作量を生成する。なお、以下の記載において、図１に示す制御システムを、従来制御システムという。
【０００３】
また、上記の従来制御システムのほか、例えば、特許文献１〜５に示すような規範モデル、ＰＩＤ制御パラメータ検出器、プロセス情報オブザーバ等による調整回路を有するシステムも種々提案されている。
【特許文献１】特開２００３−３０７２７３号公報
【特許文献２】特開２００３−１９５９０５号公報
【特許文献３】特開２０００−５１４２１７号公報
【特許文献４】特開平９−８５４０７号公報
【特許文献５】特開平５−３４０４４３号公報
【非特許文献１】「プロセス制御システム実用化と応用事例」，計測と制御，２００４年３月，第４３巻，第３号
【非特許文献２】「ＰＩ調整器学習用応用パターン」，石川島播磨技報，１９９７年、第３７巻
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１に示す単純な構成の従来制御システムによれば、システム設計にあたって高度な知識が必要なく、また、調整が比較的簡単で経済的にも有利であるという長所がある反面、応答性、ロバスト性が悪いという短所がある。
【０００５】
一方、特許文献１〜５に例示されるシステム構成では、図１の従来制御システムに比べて、応答性、ロバスト性が改善されるという長所がある反面、システム設計にあたって数理計画、ニューラルネットワーク、ファジー理論、遺伝的アルゴリズム、カオス理論など複雑な専門知識が必要であり、取り扱いが難しく、また高価であるという短所がある。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、応答性及びロバスト性を改善できると共に、調整が容易なフィードバック制御システムを提供することを課題とする。また、本発明は、制御が不安定になるのを自動的に防止する制御不安定防止機能を持つＰＩＤフィードバック制御システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決するために、本願第１の発明は、微分・積分・比例の各要素を有するＰＩＤ制御装置を備えた１入力、１出力の単ループＰＩＤフィードバック制御システムであって、
制御量の微分値を検出する微分検出器と、
前記微分検出器により検出された微分値を補正値で補正した値を制御量に加算してフィードバック信号を生成する加算器と
制御対象のむだ時間をオンラインで検出するむだ時間検出器と、
制御対象の遅れ時間をオンラインで検出する遅れ時間検出器と、
前記むだ時間検出器及び前記遅れ時間検出器による検出信号に基づいて、前記補正値及び前記ＰＩＤ制御装置のゲインを調整する調整器と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本願第２の発明は、微分・積分・比例の各要素を有するＰＩＤ制御装置を備えた１入力、１出力の単ループＰＩＤフィードバック制御システムであって、
目標値と操作量の差である目標値偏差が規定値以上になったこと検出する目標値偏差検出器と、
前記目標値偏差検出器の検出結果に基づいて前記目標値偏差に応じた出力を生成する目標値偏差調整器と、
前記目標値偏差調整器の出力を、前記ＰＩＤ制御装置の出力に基づいて調整する操作量調整器と、
前記ＰＩＤ制御装置の出力から前記操作量調整器の出力を減算した値を操作量として出力する減算器と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本願第３の発明は、微分・積分・比例の各要素を有するＰＩＤ制御装置を備えた１入力、１出力の単ループＰＩＤフィードバック制御システムであって、
目標値と前記ＰＩＤ制御装置の出力の差であるＰＩＤ出力偏差が規定値以上になったこと検出するＰＩＤ出力偏差検出器と、
前記ＰＩＤ出力偏差検出器が、前記ＰＩＤ出力偏差が規定値以上になったことを検出した場合に、前記ＰＩＤ制御装置の出力を補正値で補正した値から目標値を減算した値である制御不安定調整値を生成し、前記ＰＩＤ制御装置の出力から前記制御不安定調整値を減算して操作量として出力する制御不安定防止器と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、応答性及びロバスト性を改善できると共に、調整が容易なフィードバック制御システムを提供できる。また、制御が不安定になるのを自動的に防止する制御不安定防止機能を持つＰＩＤフィードバック制御システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図２は、本発明の一実施形態である制御システム１の構成を示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態の制御システム１は、上記図１に示す従来のＰＩＤフィードバック制御システムの構成要素であるＰＩＤ制御装置１０、減算器１２、及び目標設定器１４に加えて、減算器１２の出力と後述する調整器３６の出力とを乗算する乗算器１８と、目標値と操作量の差（以下目標値偏差と記す）が規定値以上になったこと検出する目標値偏差検出器２０と、目標値偏差に相関のある出力を生成する目標値偏差調整器２２と、目標値偏差調整器２２の出力をＰＩＤ制御装置１０の出力（以下、ＰＩＤ出力という）に基づいて調整する操作量調整器２４と、ＰＩＤ出力から操作量調整器２４の出力を減算する減算器２６とを備えており、減算器２６の出力が後述する制御不安定防止装置２８へ供給される。
【００１２】
図３は、目標値偏差検出器２０、目標値偏差調整器２２、及び操作量調整器２４の構成例を示す。同図に示すように、目標値偏差検出器２０は、操作量ｆから目標値ａを減算する減算器２０１と、上記規定値を設定する設定器２０２と、減算器２０１の出力（目標値偏差ｃ）が設定器２０２で設定された規定値より大きい場合にのみハイレベルとなる信号ｄを出力する比較器２０３とにより構成されている。また、目標値偏差調整器２２はリセット付積分器２２１により構成されており、比較器２０３の出力ｄはリセット付き積分器２２１のセット端子及びリセット端子に入力される。このリセット付き積分器２２１は、リセット端子への入力信号の立ち上がりで出力をリセットし、セット端子への入力信号を積分して出力する機能を有している。
【００１３】
操作量調整器２４は、乗算器２４１と増幅器２４２とにより構成されている。乗算器２４１は、リセット付き積分器２２１の出力ｅと、ＰＩＤ出力ｂを増幅器２４２によって増幅した値との乗算を行う。この乗算器２４１の出力が操作量調整器２４の出力ｇとして減算器２６に供給される。すなわち、図３に例示する構成では、操作量ｆから目標値ａを減算し、この値と設定器２０２の設定値との差をリセット付積分器２２１で積分した値と、ＰＩＤ出力を増幅した値を乗算器２４１で乗算し、この値をＰＩＤ出力ｂから減算して操作量を生成することになる。
【００１４】
図４は、上記した各信号ａ〜ｆの波形図である。同図に示すように、時刻ｔ０において目標値ａが立ち上がると、目標値偏差ｃが生じ、目標値偏差ｃが規定値を超えている間、比較器２０３の出力信号ｄがハイレベルとなり、リセット付き積分器２２１はその間の信号ｄを積分し、信号ｅを得る。この信号ｅと、ＰＩＤ出力ｂを増幅器２４２で増幅した出力とを乗算した値で、ＰＩＤ出力ｂを減算してｆとすることで、オーバーシュートを抑制する。このことにより、目標値ａが立ち上がると、ＰＩＤ出力ｂは同図に示すように増加し、これに応じた操作量ｆが発生することで制御対象１６は目標値へ向けて作動し、その結果、目標値偏差ｃは次第に減少してゼロに収束する速度が速くなり、安定な制御となる。
【００１５】
再び図２に戻ると、本実施形態の制御システム１は、また、制御不安定防止装置２８を備えている。制御不安定防止装置２８は、減算器２６の出力（すなわち、ＰＩＤ出力から操作量調整器２４の出力を減じたもの）と、目標値設定器１４で設定された目標値とに基づいて操作量を生成し、制御対象１６へ出力する。
【００１６】
図５は、制御不安定防止装置２８の構成例を示す。同図に示すように、制御不安定防止装置２８は、ＰＩＤ出力偏差検出器２８０と、ＰＩＤ出力偏差調整器２８５とを備えている。ＰＩＤ出力偏差検出器２８０は、減算器２８１、比較器２８２、及び設定器２８３を備えている。減算器２８１は目標値ａからＰＩＤ出力ｂを減算し、比較器２８２は、減算器２８１の出力ｃと、設定器２８３で設定された規定値とを比較し、前者が後者よりも大きい場合に出力信号ｄを所定のハイレベル信号とする。また、ＰＩＤ出力偏差調整器２８５はリセット付き積分器２８６により構成されている。リセット付き積分器２８６は、図３のリセット付き積分器２２１と同様の動作を行うものであり、セット端子及びリセット端子に上記信号ｄが入力されて信号ｅを出力する。乗算器２８７は、リセット付き積分器２８６の出力信号ｅと、ＰＩＤ出力ｂを増幅器２８８で増幅した信号から目標値ａを減算器２８９で減算した信号とを乗算する。そして、減算器２９０により、ＰＩＤ出力ｂから乗算器２８７の出力を減算して操作量ｆを生成する。
【００１７】
図６は、上記した制御不安定防止装置２８における各信号の波形図である。図４の波形図と同様であるため詳細説明は省略するが、制御不安定防止装置２８が設けられない場合には、ＰＩＤ出力ｂ及び操作量ｆが破線で示す振動波形となって不安定化するのに対して、制御不安定防止装置２８を設けることによって、実線で示すように安定化させることが可能となる。
【００１８】
図７及び図８は、制御不安定防止装置２８の効果をシミュレーションにより評価したものであり、図７は制御不安定防止装置２８が設けられない従来制御システムの応答を、図８は、従来制御システムに制御不安定防止装置２８が設けた構成（ＰＩＤ制御装置１０の出力を制御不安定防止装置２８に入力し、その出力を操作量として制御対象１６に供給する構成）の応答を、夫々示す。なお、制御対象のモデルとして、図７，図８の備考欄に示すものを用いた。目標値をステップ的に変化させた場合、図７に示すように、制御不安定防止装置２８が設けられない場合には制御量は振動的な波形となってシステムが不安定化しているのに対して、図８に示すように、制御不安定防止装置２８を設けることにより、制御量は目標値に追従した波形となり安定な応答が得られることがわかる。
【００１９】
ただし、本発明は、制御不安定防止装置２８を必須とするものではなく、制御不安定防止装置２８が設けられない場合は、減算器２６の出力が操作量として制御対象１６へ供給される。
【００２０】
再び図２を参照すると、本実施形態の制御システム１は、更に、むだ時間検出器３０、遅れ時間検出器３２、微分検出器３４、調整器３６、乗算器３８、及び加算器４０を備えている。
【００２１】
図９は、むだ時間検出器３０の構成例を示す。同図に示すように、むだ時間検出器３０は、目標値aに一定のむだ時間を与えるむだ時間器３０５と、目標値aから前記むだ時間器３０５の出力を減算する減算器３０１と、この減算器３０１の出力を増幅する増幅器３０２と、この増幅器３０２の出力を一定の値に制限する信号制限器３０３と、制御量bを微分する微分器３０６と、この微分器３０６の出力を増幅する増幅器３０２と、この増幅器３０２の出力を一定の値に制限する信号制限器３０９と、この信号制限器３０９の出力を否定する否定器３０７と、信号制限器３０３の出力cと否定器３０７の出力dとの論理積をする論理積器３０８と、この論理積器３０８の出力信号eがセット端子とリセット端子に入力されるリセット付積分器３０４とにより構成され、リセット付積分器３０４の出力の信号がむだ時間fを示す信号として調整器３６へ供給される。
【００２２】
図１０は、むだ時間検出器３０の動作を説明するための図であり、図９における信号ａ〜ｆの時間波形示している。同図に示すように、目標値ａが立ち上がると、それに応じて、目標値を一定時間（むだ時間器３０５により与えられるむだ時間）だけ保持した後、零になる目標値パルス信号ｃが、信号制限器３０３から出力される。また同時に、制御量ｂが変化している間、零となる制御量パルス信号ｄが否定器３０７から出力される。これらの目標値パルス信号ｃと制御量パルス信号ｄが論理積器３０８に入力されることで、論理積器３０８からむだ時間ＴＤに応じた時間幅のパルス信号ｅが出力される。そして、このパルス信号ｅが、リセット付き積分器３０４のセット端子及びリセット端子に同時に入力されることにより、リセット付き積分器３０４からむだ時間ＴＤに応じたレベルの信号ｆが出力される。また、制御対象のむだ時間が変化した場合には、リセット付き積分器３０４のリセット端子に入力される信号レベルが高くなることで、リセット付き積分器３０４の出力信号ｆはリセットされ新たなレベルの信号となる。この例として、図１０には、時刻Ｔ１以降にむだ時間が大きくなった場合の信号 a〜f の時間波形を示している。
【００２３】
図１１は、遅れ間検出器３２の構成例を示す。同図に示すように、遅れ時間検出器３２は、目標値ａから制御量ｂを減算する減算器３２４と、この減算器３２４の出力の零付近に一定値の不感帯を付加する不感帯調整器３２５と、この不感帯調整器３２５の出力を増幅する増幅器３２１と、この増幅器３２１の出力を一定の値に制限する信号制限器３２２と、この信号制限器３２２の出力を絶対値にする絶対値変換器３２６と、この絶対値変換器３２６の出力信号ｃがセット端子とリセット端子に入力されるリセット付積分器３２３とにより、リセット付積分器３２３の出力信号が遅れ時間ｄを示す信号として調整器３６へ供給される。
【００２４】
図１２は、遅れ時間検出器３２の動作を説明するための図であり、図１１における信号ａ〜ｄの時間波形を示している。同図に示すように、目標値ａが立ち上がると、制御量ｂがこの目標値変化に追従する速度と相関のある遅れ時間ＴＬに応じたパルス幅のパルス信号ｃが、絶対値変換器３２６から出力される。このパルス信号ｃがリセット付き積分器３２３のセット端子及びリセット端子に同時に入力されることにより、リセット付き積分器３２３から遅れ時間ＴＬに応じたレベルの信号dが出力される。また、制御対象１６の遅れ時間が変化した場合には、目標値が変化したときにリセット付き積分器３２３のリセット端子の入力信号レベルが高くなることで、信号ｄはリセットされ新たなレベルの信号ｄとなる。図１２には、この例として、時刻Ｔ２以降に遅れ時間が大きくなった場合の信号 ａ〜ｄの時間波形の例を示している。
【００２５】
図１３は、調整器３６の構成例を示す。同図に示すように、調整器３６は、むだ時間調整関数器３６１、遅れ時間調整関数器３６２、制御量微分値調整関数器３６３、及び、乗算器３６４により構成されている。図１４（ａ）〜（ｃ）に、は夫々関数器３６１，３６２，３６３が発生する関数の例を示す。これらの図に示すように、むだ時間関数及び遅れ時間関数は、夫々、むだ時間及び遅れ時間に対して単調に減少する関数に設定し、制御量微分値調整関数は遅れ時間に対して単調に増加する関数に設定する。
【００２６】
乗算器３６４は、むだ時間調整関数器３６１の出力信号ｌと遅れ時間調整関数器３６２の出力信号ｎとを乗算する。この乗算信号ｇは、ＰＩＤゲイン調整値として制御システム１の乗算器１８へ出力される。すなわち、制御対象１６のむだ時間ＴＤに応じた関数値と、制御対象１６の遅れ時間ＴＬに応じた関数との積に応じたＰＩＤ制御装置のゲインが設定されることになる。また、制御量微分値調整関数器３６３の出力ｈは乗算器３８へ供給される。乗算器３８は、微分検出器３４による微分値に、制御量微分値調整関数器３６３の出力ｈを掛けて加算器４０へ出力し、加算器４０は乗算器３８の出力と制御対象１６の制御量とを加算して、減算器１２へフィードバックする。
【００２７】
図１５は、図１に示す従来制御システムの単位ステップ応答を、また、図１６は、本実施形態の制御システム１の単位ステップ応答を、夫々シミュレーションによって求めた結果を示す。なお、図１５，図１６には、制御対象の遅れ時間ＴＬ（Ｔ１，Ｔ２）が０．１，０．２，０．３秒の場合と、むだ時間ＴＤが０，０．１，０．２秒の各組み合わせについての単位ステップ応答波形を示している。また、図１７及び図１８は、夫々、図１５及び図１６に示す単位ステップ応答における目標値に達するまでの時間（単位：秒）と最大制御偏差をまとめたものであり、各欄の上段に目標値に達するまでの時間を、下欄に最大制御偏差を記載している。図１７と図１８とを比較して分かるように、本実施形態の制御システム１では、従来制御システムに比べて、目標値に達するまでの時間及び最大偏差が全般的に小さくなっており、応答性、ロバスト性とも顕著に向上している。
【００２８】
図１９〜図２１は、図１の従来制御システムと本実施形態の制御システム１について、単位ステップの目標値に対して制御偏差０．２以内になるように最適調整が可能な制御対象１６の特性（具体的には、遅れ時間Ｔ１，Ｔ２及びむだ時間ＴＤ）の範囲（つまり、安定な制御が可能な特性の範囲）を、横軸を遅れ時間Ｔ１，Ｔ２、縦軸をむだ時間ＴＤとして示すものである。従来制御システム及び本実施形態の制御システム１におけるＰＩＤ制御のＰ，Ｉ，Ｄの値は図中に記載した通りである。なお、図１９及び図２０は、制御対象の特性が大きく変化するプロセスを想定して制御安定範囲を広く調整した例であり、図２１は、制御対象の特性変化が小さい場合に制御安定範囲を狭くすると応答性の高い性能が得られる例である。また、図２２〜図２４は、図１９〜２１に夫々示す、Ａ点・Ｂ点、Ｃ点・Ｄ点、及び、Ｅ点・Ｆ点での従来制御システム及び本実施形態の制御システム１のステップ応答を示す。
【００２９】
図１９に示す例の場合、従来制御システムでは、遅れ時間が０．１秒のときは、むだ時間が０．１秒まで安定範囲であるが、遅れ時間が０．２秒以上でむだ時間が０秒以上になると制御偏差は０．２を以上となり不安定領域に入る。一方、本実施形態の制御システム１では、遅れ時間０．１秒のとき、むだ時間０．２秒まで安定範囲であり、遅れ時間１秒でも、むだ時間０．５秒まで安定範囲である。このように、本実施形態の制御システム１は従来制御システムに比べて安定範囲が広くロバスト性も大幅に向上し、さらに制御性も向上している。上記した本実施形態の制御システム１の安定範囲があれば、多くのプロセスに対して常に安定範囲での制御が可能である。
【００３０】
図１９〜図２１に示すように、制御対象の特性に応じて、ロバスト性を重視するか、応答性を重視するかにより最適になる調整をする。従来制御システムでは、一般的にＰＩＤのゲインを低く調整して、不安定にならないように応答性を犠牲にして調整するが、本実施形態の制御システム１では、ロバスト性が大幅に向上するので、制御対象の特性が変化しても安定性と応答性とを両立した調整が可能となる。
【００３１】
また、図２などに示した構成から分かるように、本実施形態の制御システム１は、加算器、減算器、乗算器など、四則演算等の簡易な処理回路により構成されているので、システム構築コストが安くて経済性に優れ、また、調整も容易であるというメリットがある。
【００３２】
図２５は、図２に示す制御システム１を２つ並列に接続し、さらにそれを２組直列に接続することで構成した２入力、２出力の制御システムの構成例である。同図に示すように、第１の目標値設定器１４Ａから目標値が入力される制御システム１Ａの出力と、第２の目標値設定器１４Ｂの出力とを乗算器５０で乗算し、その乗算値を制御システム１Ｃ及び１Ｄの目標値として並列に入力し、制御システム１Ｃ及び１Ｄの出力を制御対象１６Ａ及び１６Ｂの操作量としている。制御対象１６Ａ及び１６Ｂの制御量は加算器５２で加算され、制御システム１Ａ及び１Ｂにフィードバックされる。
【００３３】
図２６は、図２５に示すシステムにおいて、ある制御システム１において他の制御システム１で検出されたむだ時間及び遅れ時間を用いる構成の例を示す。この図２６に示す例では、制御システム１Ａのむだ時間信号及び遅れ時間信号を制御システム１Ｂ及び１Ｃに用いている。そして、制御システム１Ａの出力を制御システム１Ｂ及び１Ｃの夫々の目標値とし、制御対象１６Ａ及び１６Ｂの制御量を加算器４００で加算し、その加算値を制御システム１Ａにフィードバックしている。かかる構成によれば、制御対象１６Ａ及び１６Ｂを同時に制御する場合に、目標値を直接受ける制御システム１Ａのむだ時間信号及び遅れ時間信号を用いることでシステムの制御性が向上する。
【００３４】
なお、本実施形態の制御システム１では、図２に示す従来制御システムに、むだ時間検出器３０、遅れ時間検出器３２、微分検出器３４、調整器３６、乗算器３８、及び加算器４０からなる構成（Ａ）と、目標値偏差検出器２０、目標値偏差調整器２２、操作量調整器２４、及び減算器２６からなる構成（Ｂ）と、制御不安定防止装置２８からなる構成（Ｃ）とを設けた構成としているが、本発明はこれに限らず、図１に示す従来制御システムに、上記構成（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のうち少なくとも何れかが設けられた構成を全て包含するものである。すなわち、構成（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の何れかを単独で用いた場合にも、従来制御システムに比べて制御の応答性及びロバスト性の向上効果が得られる。
【００３５】
また、図２に示す制御システム１において、ＰＩＤゲインを高くすると、目標値が操作出力になり、手動又は自動で目標値としてステップ値を与えることにより、むだ時間検出器３０及び遅れ時間検出器３２でむだ時間及び遅れ時間を測定できる。これらの測定値により、予めシミュレーション等により用意したむだ時間及び遅れ時間に対するＰＩＤゲイン及び微分値に掛ける補正値の最適値を手動又は自動で選択することにより、制御対象の特性が広範囲に変化しても、応答性・ロバスト性を維持することが可能となる。また、手動によりＰＩＤ制御装置１０の調整を容易に短時間で行うことも可能となる。さらに、全て自動的に行えば、人間による調整は不要となり、ＰＩＤ制御システムのオンライン全自動調整も可能となる。
【００３６】
図２７は、図２に示す制御システム１を遠隔で監視・調整するためのシステム構成を示す。同図に示すように監視調整センター６０と制御システム１とをインターネット等のネットワーク経由で接続し、監視調整センター６０により各制御システム１の監視と調整が行えるようにしている。図１に示したような従来制御システムでは、調整不良、運転員の操作ミスおよび機器異常時の外乱等時に応答性、ロバスト性が悪いため制御システムを調整するための調整員が現地対応しなければならず、調整に多くの時間と調整員の人材確保の必要がであった。これに対して、本実施形態の制御システム１によれば、ロバスト性に優れているため、図２７に示すように、遠隔で監視・調整を行うことが可能となり，少人数で質の高い調整をオンラインで行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来のＰＩＤフィードバック制御システムの基本的な構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態である制御システムの構成を示す図である。
【図３】本実施形態の制御システムが備える目標値偏差検出器、目標値偏差調整器、及び操作量調整器の構成例を示す図である。
【図４】図３における各信号ａ〜ｆの波形図である。
【図５】本実施形態の制御システムが備える制御不安定防止装置の構成例を示す図である。
【図６】図５における各信号ａ〜ｆの波形図である。
【図７】制御不安定防止装置が設けられない従来制御システムの応答をシミュレーション計算した結果を示す図である。
【図８】従来制御システムに本実施形態の制御不安定防止装置を設けたシステムの応答をシミュレーション計算した結果を示す図である。
【図９】本実施形態の制御システムが備えるむだ時間検出器の構成例を示す図である。
【図１０】むだ時間検出器の動作を説明するための図であり、図９に示す信号ａ〜ｆの時間波形を示す。
【図１１】本実施形態の制御システムが備える遅れ時間検出器の構成例を示す図である。
【図１２】遅れ時間検出器の動作を説明するための図であり、図１１に示す信号ａ〜ｄの時間波形を示す。
【図１３】本実施形態の制御システムが備える調整器の構成例を示す図である。
【図１４】図１４（ａ）〜（ｃ）は夫々むだ時間調整関数器、遅れ時間調整関数器、制御量微分値調整関数器が発生する関数の例を示す図である。
【図１５】従来制御システムの単位ステップ応答をシミュレーション計算した結果を示す図である。
【図１６】本実施形態の制御システムの単位ステップ応答をシミュレーション計算した結果を示す図である。
【図１７】図１５に示す単位ステップ応答における目標値に達するまでの時間（単位：秒）と最大制御偏差をまとめた図である。
【図１８】図１６に示す単位ステップ応答における目標値に達するまでの時間（単位：秒）と最大制御偏差をまとめた図である。
【図１９】従来制御システムと本実施形態の制御システムについて、単位ステップの目標値に対して制御偏差０．２以内になるように最適調整が可能な制御対象の遅れ時間Ｔ１，Ｔ２及びむだ時間ＴＤの範囲を、横軸を遅れ時間Ｔ１，Ｔ２、縦軸をむだ時間ＴＤとして示す図（その１）である。
【図２０】従来制御システムと本実施形態の制御システムについて、単位ステップの目標値に対して制御偏差０．２以内になるように最適調整が可能な制御対象の遅れ時間Ｔ１，Ｔ２及びむだ時間ＴＤの範囲を、横軸を遅れ時間Ｔ１，Ｔ２、縦軸をむだ時間ＴＤとして示す図（その２）である。
【図２１】従来制御システムと本実施形態の制御システムについて、単位ステップの目標値に対して制御偏差０．２以内になるように最適調整が可能な制御対象の遅れ時間Ｔ１，Ｔ２及びむだ時間ＴＤの範囲を、横軸を遅れ時間Ｔ１，Ｔ２、縦軸をむだ時間ＴＤとして示す図（その３）である。
【図２２】図１９に示すＡ点・Ｂ点での従来制御システム及び本実施形態の制御システムのステップ応答を示す図である。
【図２３】図２０に示すＣ点・Ｄ点での従来制御システム及び本実施形態の制御システムのステップ応答を示す図である。
【図２４】図２１に夫々示すＥ点・Ｆ点での従来制御システム及び本実施形態の制御システムのステップ応答を示す図である。
【図２５】図２に示す制御システム１を２つ並列に接続し、さらにそれを２組直列に接続することで構成した２入力、２出力の制御システムの構成例を示す図である。
【図２６】図２５において、ある制御システムにおいて他の制御システムで検出されたむだ時間及び遅れ時間を用いる構成の例を示す。
【図２７】図２に示す制御システムを遠隔で監視・調整するためのシステム構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１      制御システム              １０    ＰＩＤ制御装置
１２    減算器                    １４    目標設定器
１６    制御対象                  １８    乗算器
２０    目標値偏差検出器          ２０１  減算器
２０２  設定器                    ２０３  比較器
２２    目標値偏差調整器          ２２１  リセット付き積分器
２４    操作量調整器
２４１  乗算器                    ２４２  増幅器
２６    減算器                    ２８    制御不安定防止装置
２８０  ＰＩＤ出力偏差検出器      ２８５  ＰＩＤ出力偏差調整器
２８１  減算器                    ２８２  比較器
２８３  設定器                    ２８６  リセット付き積分器
２８７  乗算器                    ２８８  増幅器
２８９  減算器                    ２９０  乗算器
３０    むだ時間検出器
３０１  減算器                    ３０２  増幅器
３０３  信号制限器                ３０４  リセット付き積分器
３２    遅れ時間検出器            ３２１  増幅器
３２２  制限器                    ３２３  リセット付き積分器
３４    微分検出器                ３６    調整器
３６１  むだ時間調整関数器        ３６２  遅れ時間調整関数器
３６３  制御量微分値調整関数器    ３６４  乗算器
３８    乗算器                    ４０    加算器
６０    監視調整センター
【図１】
2006227754.tif 000003
【図２】
2006227754.tif 000004
【図３】
2006227754.tif 000005
【図４】
2006227754.tif 000006
【図５】
2006227754.tif 000007
【図６】
2006227754.tif 000008
【図７】
2006227754.tif 000009
【図８】
2006227754.tif 000010
【図９】
2006227754.tif 000011
【図１０】
2006227754.tif 000012
【図１１】
2006227754.tif 000013
【図１２】
2006227754.tif 000014
【図１３】
2006227754.tif 000015
【図１４】
2006227754.tif 000016
【図１５】
2006227754.tif 000017
【図１６】
2006227754.tif 000018
【図１７】
2006227754.tif 000019
【図１８】
2006227754.tif 000020
【図１９】
2006227754.tif 000021
【図２０】
2006227754.tif 000022
【図２１】
2006227754.tif 000023
【図２２】
2006227754.tif 000024
【図２３】
2006227754.tif 000025
【図２４】
2006227754.tif 000026
【図２５】
2006227754.tif 000027
【図２６】
2006227754.tif 000028
【図２７】
2006227754.tif 000029