(57)【要約】【課題】応答性及びロバスト性の向上を容易にできる経済性に有利なＰＩＤフィードバック制御システムを提供する。【解決手段】図１に示すような、制御機能１１０、減算機能１１２、及び目標値設定機能１１４を備えたＰＩＤフィードバック制御システムにおいて、前記目標値と前記制御量を取得して、前記制御量を、ランプ状に変化する前記目標値に追従させる追値制御中であるか否かを示す信号を出力する機能と制御量の微分に応じて出力する機能などにより偏差を調整する偏差補償プログラムを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標値と制御量の差分に応じて出力する減算機能と、前記減算機能の出力が入力される比例・積分・微分機能の各要素を少なくとも有するＰＩＤ制御機能を備えるコンピュータにより構成されたＰＩＤフィードバック制御システムにおける前記減算機能の出力の偏差量を補償するための偏差量補償プログラムであって、前記コンピュータに、
前記目標値と前記制御量を取得して、前記制御量をランプ状に変化する前記目標値に追従させる追値制御中であるか否かを示す信号を出力する追値制御補償機能と、
前記目標値と前記制御量と前記追値制御補償機能により出力される信号に応じた信号を、  前記偏差量を補正すべき信号として出力する信号変換機能と、を実現させることを特徴とする偏差量補償プログラム。
【請求項２】
請求項の第１項に記載の偏差量補償プログラムであって、
前記追値制御補償機能は、
前記目標値と前記制御量の差分に応じて出力する第１の減算機能と、
前記第１の減算機能の出力を絶対値に変換する第１の絶対値変換機能と、
前記制御量の変化に応じた無駄時間要素及び遅れ時間要素を含んだ変換の出力をする無駄時間・遅れ時間変換機能と、
前記目標値と前記無駄時間・遅れ時間変換機能の出力の差分に応じて出力する第２の減算機能と、
前記第２の減算機能の出力を絶対値に変換する第２の絶対値変換機能と、
前記第１の絶対値変換機能の出力と前記第２の絶対値変換機能の出力の差分に応じて出力する第３の減算機能と、
前記目標値の変化に応じた微分要素及び絶対値変換機能を含んだ変換の出力をする微分・絶対値変換機能と、
前記第３の減算機能の出力の変化と前記微分・絶対値変換機能の出力の変化に応じて出力する信号変換機能と、を有することを特徴とする偏差量補償プログラム
【請求項３】
請求項の第１項又は第２項に記載の偏差補償プログラムであって、
前記信号変換機能は、
前記目標値と前記制御量と前記追値制御補償機能により出力される信号を入力として
前記目標値と前記制御量の差分に応じて出力する第４の減算機能と、
前記第４の減算機能の出力の変化に応じて出力する第１の信号変換機能と、
前記制御量の微分した出力をする微分機能と、
前記微分機能の出力の変化に応じて出力する第２の信号変換機能と、
前記第４の減算機能の出力の変化と前記第１の信号変換機能の出力の変化と前記第２の信号変換機能の出力の変化と前記追値制御補償プログラムの出力の変化に応じた信号を前記偏差量に加えるべき信号として出力する第３の信号変換機能と、を有することを特徴とする偏差量補償プログラム
【請求項４】
請求項の第１項〜第３項のうち何れかに記載の偏差補償プログラムであって、前記コンピュータに、
前記目標値と前記制御量との差分に応じて出力する前記減算機能の出力を絶対値に変換する第３の絶対値変換機能と、
前記目標値と前記制御量との差分に応じて出力する前記減算機能の出力を前記偏差量補償プログラムの出力で補正する補正機能の出力を絶対値に変換する第４の絶対値変換機能と、
前記第３の絶対値変換機能の出力と前記第４の絶対値変換機能の出力との差分に応じて出力する第５の減算機能と、
前記第５の減算機能の出力を絶対値に変換して積分する積分機能および外部からの入力信号で積分値をリセットする機能を備えたリセット付積算機能と、
前記リセット付積算機能の出力を表示する表示機能と、を有する制御改善検出機能を更に実現させることを特徴とする偏差量補償プログラム
【請求項５】
請求項の第３項に記載の偏差量補償プログラムであって、前記信号変換機能が有する前記第１の信号変換機能は、
任意の設定または外部からの入力信号に応じて出力する偏差量ゲイン設定機能と、
前記目標値と前記制御量の差分に応じて出力する前記第４の減算機能の出力と前記偏差量ゲイン設定機能の出力を乗算する乗算機能と、を有することを特徴とする偏差補償プログラム
【請求項６】
請求項の第５項に記載の偏差量補償プログラムであって、前記信号変換機能が有する前記第１の信号変換機能は、前記偏差量ゲイン設定機能への外部からの入力信号を、前記目標値、前記制御量、前記ＰＩＤ制御機能の出力、前記第４の減算機能の出力の信号の少なくとも１つ以上の信号と相関のある信号に変換する機能であることを特徴とする偏差補償機能プログラム。
【請求項７】
請求項の第３項に記載の偏差量補償プログラムであって、前記信号変換機能が有する前記第２の信号変換機能は、
任意の設定または外部からの入力信号に応じて出力する先行微分ゲイン設定機能と、
前記制御量の微分した出力をする前記微分機能の出力と前記先行微分ゲイン設定機能の出力を乗算する乗算機能と、を有することを特徴とする偏差補償機能プログラム
【請求項８】
請求項の第７項に記載の偏差量補償プログラムであって、前記信号変換機能が有する前記第２の信号変換機能は、前記先行微分ゲイン設定機能への外部からの入力信号を前記目標値、前記制御量、前記ＰＩＤ制御機能の出力、前記第４の減算機能の出力の信号の少なくとも１つ以上の信号と相関のある信号にすることを特徴とする偏差補償機能プログラム。
【請求項９】
請求項の第３項に記載の偏差量補償プログラムであって、前記信号変換機能が有する前記第３の信号変換機能は、
前記第１の信号変換機能の出力と前記第２の信号変換機能の出力と前記追値制御補償プログラムの出力を加算または減算する加減算機能と、
任意の設定または外部からの入力信号に応じて出力する偏差量分配設定機能と、
前記加減算機能の出力と前記偏差量分配設定機能の出力を乗算する第１の乗算機能と、
前記第４の減算機能の出力と前記偏差量分配設定機能の出力を乗算する第２の乗算機能と、
前記第１の乗算機能の出力と前記第２の乗算機能の出力の差分に応じて出力する第５の減算機能と、を有することを特徴とする偏差補償機能プログラム。
【請求項１０】
請求項の第５項に記載の偏差量補償プログラムであって、前記信号変換機能が有する前記第１の信号変換機能は、
任意の設定または外部からの入力信号に応じて出力する前記偏差量ゲイン設定機能の出力は、前記第４の減算機能の出力を１〜５倍の出力とすることを、
特徴とする偏差補償機能プログラム。
【請求項１１】
請求項の第７項に記載の偏差量補償プログラムであって、前記信号変換機能が有する前記第２の信号変換機能は、前記先行微分ゲイン設定機能の出力を、前記微分機能の出力の１〜５倍の出力とすることを、特徴とする偏差補償機能プログラム。
【請求項１２】
請求項の第３項に記載の偏差量補償プログラムであって、
前記信号変換機能が有する前記第１の信号変換機能は、任意の設定または外部からの入力信号に応じて出力する偏差量ゲイン設定機能と、前記目標値と前記制御量の差分に応じて出力する前記第４の減算機能の出力と前記偏差量ゲイン設定機能の出力を乗算する乗算機能と、を有し、
前記信号変換機能が有する前記第２の信号変換機能は、任意の設定または外部からの入力信号に応じて出力する先行微分ゲイン設定機能と、前記制御量の微分した出力をする前記微分機能の出力と前記先行微分ゲイン設定機能の出力を乗算する乗算機能と、を有し、
前記偏差量ゲイン設定機能の出力と前記先行微分ゲイン設定機能の出力の比率を、１対１〜５対１とすることを特徴とする偏差補償機能プログラム。
【請求項１３】
請求項の第９項に記載の偏差量補償プログラムであって、前記信号変換機能が有する前記第３の信号変換機能における前記偏差量分配設定機能は、０〜１の値を出力することを、
特徴とする偏差補償機能プログラム。
【請求項１４】
請求項の第９項に記載の偏差量補償プログラムであって、前記信号変換機能が有する前記第３の信号変換機能における前記偏差量分配設定機能の出力は、任意の設定または外部からの入力信号に応じて出力することを、
特徴とする偏差補償機能プログラム。
【請求項１５】
請求項の第１４項に記載の偏差量補償プログラムであって、前記信号変換機能が有する前記第３の信号変換機能おける前記偏差量分配設定機能の出力の外部からの入力信号は、前記目標値、前記制御量、前記ＰＩＤ制御機能の出力、前記減算機能の出力の信号の少なくとも１つ以上の信号と相関のある信号にすることを特徴とする偏差補償機能プログラム。
【請求項１６】
請求項の第２項に記載の偏差量補償プログラムであって、前記追値制御補償機能が有する前記信号変換機能は、
前記第３の減算機能の出力と前記微分・絶対値変換機能の出力を乗算する第３の乗算機能と、
前記第３の乗算機能の出力を制限する信号制限機能と、
任意の設定または外部からの入力信号に応じて出力する追値制御ゲイン設定機能と、
前記信号制限機能の出力と前記追値制御ゲイン設定機能の出力を乗算する第４の乗算機能と、を有することを特徴とする偏差補償機能プログラム。
【請求項１７】
請求項の第１〜４項のうち何れかにに記載の偏差補償プログラムであって、前記コンピュータに、
前記目標値の変化および前記制御対象の特性の変化により、前記目標値と前記制御量との差分が大きくなり制御が不安定となった現象を検出する制御不安定検出機能と、
前記目標値と前記制御量の差の信号と、前記制御不安定検出機能と、外部からの入力信号とに応じた信号を、前記偏差量を補償すべき信号として出力する信号変換機能と、を有する制御安定機能を更に実現させることを特徴とする偏差補償プログラム
【請求項１８】
請求項の第１７項に記載の偏差補償プログラムであって、
前記制御不安定検出機能は、
前記目標値と前記制御量の差分に応じて出力する第６の減算機能と、
前記第６の減算機能の出力を絶対値に変換する第５の絶対値変換機能と、
前記制御量の変化の応じた無駄時間要素及び遅れ時間要素を含んだ変換の出力をする第１の無駄時間・遅れ時間変換機能と、
前記目標値と前記第１の無駄時間・遅れ時間変換機能の出力の差分に応じて出力する第７の減算機能と、
前記第７の減算機能の出力を絶対値に変換する第６の絶対値変換機能と、
前記第５の絶対値変換機能の出力と前記第６の絶対値変換機能の出力の差分に応じて出力する第８の減算機能と、
前記第８の減算機能の出力の変化に応じて出力する信号変換機能と、を有することを特徴とする偏差補償プログラム
【請求項１９】
請求項の第１７項に記載の偏差補償プログラムであって、
前記信号変換機能は、
前記第６の減算機能の出力と前記制御不安定検出機能の出力と外部からの入力信号を入力として、
前記制御不安定検出プログラムの出力が規定値の範囲に入れば、所定の信号を出力して、この信号を一定値に保持する信号セット機能と、外部からの入力信号により、前記制御不安定機能の出力が前記規定値の範囲から外れていれば、一定値に保持された信号を解除する信号リセット機能を備えたセット・リセット機能と、
前記第６の減算機能の出力の変化に応じて出力する信号変換機能と、
任意の信号を設定できる信号設定機能と、
前記セット・リセット機能の出力により、前記第６の減算機能の出力の変化に応じて出力する前記信号変換機能の出力と任意の信号を設定できる前記信号設定機能の出力とを切換えて出力する信号切換機能と、を有することを特徴とする偏差補償プログラム
【請求項２０】
請求項の第１〜１６項の何れかに記載の偏差補償プログラムであって、前記コンピュータに、
前記目標値と前記制御量と前記減算機能の出力を取得して、前記制御量を、ランプ状に変化する前記目標値に追従させる追値制御中であるか否かを示す信号を出力する追値制御補償機能と、
前記目標値と前記制御量と前記追値制御補償機能により出力される信号に応じた信号を、前記偏差量に加えるべき信号として出力する信号変換機能と、を実現させることを特徴とする偏差量補償プログラム
【請求項２１】
目標値と制御量の差分に応じて出力する減算機能と、前記減算機能の出力が入力される比例・積分・微分機能の各要素を少なくとも有するＰＩＤ制御機能を備えるコンピュータにより構成されたＰＩＤフィードバック制御システムにおける前記減算機能の出力の偏差量を補償するための偏差量補償プログラムであって、前記コンピュータに、
前記目標値と前記制御量を取得して、前記制御量を、ランプ状に変化する前記目標値に追従させる追値制御中であるか否かを示す信号を出力する追値制御補償機能と、
前記目標値と前記制御量と前記追値制御補償機能により出力される信号に応じた信号を、前記偏差量を補正する信号として出力する信号変換機能と、
任意の設定または外部からの入力信号に応じて第１の出力と第２の出力をする偏差量分配設定機能と、
前記信号変換機能の出力と前記偏差量分配設定機能の第１の出力を乗算する乗算機能と、
前記減算機能の出力と前記偏差量分配設定機能の第２の出力を乗算する乗算機能と、
前記信号変換機能の出力と前記偏差量分配設定機能の第１の出力を乗算する乗算機能の出力と前記減算機能の出力と前記偏差量分配設定機能の第２の出力を乗算する乗算機能の出力を加算する加算機能と、を実現させることを特徴とする偏差量補償プログラム
【請求項２２】
目標値と制御量の差分に応じて出力する減算機能と、前記減算機能の出力が入力される比例・積分・微分機能の各要素を少なくとも有するＰＩＤ制御機能を備えるコンピュータにより構成されたＰＩＤフィードバック制御システムにおける前記減算機能の出力の偏差量を補償するための偏差量補償プログラムであって、前記コンピュータに、
前記目標値と前記制御量を取得して、前記制御量を、ランプ状に変化する前記目標値に追従させる追値制御中であるか否かを示す信号を出力する追値制御補償機能と、
前記目標値と前記制御量と前記追値制御補償機能により出力される信号に応じた信号を、前記偏差量を補正する信号として出力する信号変換機能と、
任意の設定または外部からの入力信号に応じて第１の出力と第２の出力をする偏差量分配設定機能と、
前記信号変換機能の出力と前記偏差量分配設定機能の第１の出力を乗算する乗算機能と、
前記目標値と前記制御量の差分に応じて出力する減算機能の出力と前記偏差量分配設定機能の第２の出力を乗算する乗算機能と、
前記信号変換機能の出力と前記偏差量分配設定機能の第１の出力を乗算する乗算機能の出力を入力とする第１のＰＩＤ制御機能と、
前記減算機能の出力と前記偏差量分配設定機能の第２の出力を乗算する乗算機能の出力を入力とする第２のＰＩＤ制御機能と、
第１のＰＩＤ制御機能の出力と第２のＰＩＤ制御機能出力を加算する加算機能と、を実現させることを特徴とするＰＩＤ制御出力補償プログラム
【請求項２３】
目標値と制御量の差分に応じて出力する減算部と、前記減算部の出力が入力される比例・積分・微分機能の各要素を少なくとも有するＰＩＤ制御部を備えるＰＩＤフィードバックシステムにおける前記減算部の出力の偏差量を補償するための偏差量補償装置であって、
前記目標値と前記制御量を取得して、前記制御量を、ランプ状に変化する前記目標値に追従させる追値制御中であるか否かを示す信号を出力する追値制御補償部と、
前記目標値と前記制御量と前記追値制御補償部により出力される信号に応じた信号を、前記偏差量を補償すべき信号として出力する信号変換部と、を備えることを特徴とする偏差量補償装置。
【請求項２４】
請求項の第２３項に記載の偏差量補償装置であって、
前記追値制御補償部は、
前記目標値と前記制御量を入力として前記目標値と前記制御量の差分に応じて出力する第１の減算部と、
前記第１の減算部の出力を絶対値に変換する第１の絶対値変部と、
前記制御量の変化に応じた無駄時間要素及び遅れ時間要素を含んだ変換の出力をする無駄時間・遅れ時間変換部と、
前記目標値と前記無駄時間・遅れ時間変換部の出力の差分に応じて出力する第２の減算部と、
前記第２の減算部の出力を絶対値に変換する第２の絶対値変換部と、
前記第１の絶対値変換部の出力と前記第２の絶対値変換部の出力の差分に応じて出力する第３の減算部と、
前記目標値の変化に応じた微分要素及び絶対値変換部を含んだ変換の出力をする微分・絶対値変換部と、
前記第３の減算部の出力の変化と前記微分・絶対値変換部の出力の変化に応じて出力する信号変換部と、を有することを特徴とする偏差量補償装置
【請求項２５】
請求項の第２３項又は第２４項に記載の偏差補償装置であって、
前記信号変換部は、
前記目標値と前記制御量と前記追値制御補償部により出力される信号を入力として
前記目標値と前記制御量の差分に応じて出力する第４の減算部と、
前記第４の減算部の出力の変化に応じて出力する第１の信号変換部と、
前記制御量の微分した出力をする微分部と、
前記微分部の出力の変化に応じて出力する第２の信号変換部と、
前記第４の減算部の出力の変化と前記第１の信号変換部の出力の変化と前記第２の信号変換部の出力の変化と前記追値制御補償部の出力の変化に応じた信号を前記偏差量に加えるべき信号として出力する第３の信号変換部と、を有することを特徴とする偏差量補償装置。
【請求項２６】
目標値と制御量の差分に応じて出力する減算部と、前記減算部の出力が入力される比例・積分・微分機能の各要素を少なくとも有するＰＩＤ制御部を備えるＰＩＤフィードバックシステムにおける前記減算部の出力の偏差量を補償するための偏差量補償装置であって、
前記目標値と前記制御量と前記減算部の出力を取得して、前記制御量を、ランプ状に変化する前記目標値に追従させる追値制御中であるか否かを示す信号を出力する追値制御補償部と、
前記目標値と前記制御量と前記追値制御補償部により出力される信号に応じた信号を、前記偏差量を補償すべき信号として出力する信号変換部と、を備えることを特徴とする偏差量補償装置
【請求項２７】
目標値と制御量の差分に応じて出力する減算部と、前記減算部の出力が入力される比例・積分・微分機能の各要素を少なくとも有するＰＩＤ制御部を備えるＰＩＤフィードバックシステムにおける前記減算部の出力の偏差量を補償するための偏差量補償装置であって、
前記目標値と前記制御量を取得して、前記制御量を、ランプ状に変化する前記目標値に追従させる追値制御中であるか否かを示す信号を出力する追値制御補償部と、
前記目標値と前記制御量と前記追値制御補償部により出力される信号に応じた信号を、前記偏差量を補正する信号として出力する信号変換部と、
任意の設定または外部からの入力信号に応じて第１の出力と第２の出力をする偏差量分配設定部と、
前記信号変換部の出力と前記偏差量分配設定部の第１の出力を乗算する乗算部と、
前記減算部の出力と前記偏差量分配設定部の第２の出力を乗算する乗算部と、
前記信号変換部の出力と前記偏差量分配設定部の第１の出力を乗算する乗算部の出力と前記減算部の出力と前記偏差量分配設定部の第２の出力を乗算する乗算部の出力を加算する加算部と、を備えることを特徴とする偏差量補償装置
【請求項２８】
目標値と制御量の差分に応じて出力する減算部と、前記減算部の出力が入力される比例・積分・微分機能の各要素を少なくとも有するＰＩＤ制御部を備えるＰＩＤフィードバック制御システムにおける前記ＰＩＤ制御部の出力を補償するためのＰＩＤ制御出力補償装置であって、
前記目標値と前記制御量を取得して、前記制御量を、ランプ状に変化する前記目標値に追従させる追値制御中であるか否かを示す信号を出力する追値制御補償部と、
前記目標値と前記制御量と前記追値制御補償部により出力される信号に応じた信号を、前記偏差量を補正する信号として出力する信号変換部と、
任意の設定または外部からの入力信号に応じて第１の出力と第２の出力をする偏差量分配設定部と、
前記信号変換部の出力と前記偏差量分配設定部の第１の出力を乗算する乗算部と、
前記目標値と前記制御量の差分に応じて出力する減算部の出力と前記偏差量分配設定部の第２の出力を乗算する乗算部と、
前記信号変換部の出力と前記偏差量分配設定部の第１の出力を乗算する乗算部の出力を
入力とする第１のＰＩＤ制御部と、
前記減算部の出力と前記偏差量分配設定部の第２の出力を乗算する乗算部の出力を
入力とする第２のＰＩＤ制御部と、
第１のＰＩＤ制御部の出力と第２のＰＩＤ制御部出力を加算する加算部と、を備えることを特徴とするＰＩＤ制御出力補償装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、比例・積分・微分機能の各要素を有するＰＩＤ制御機能を備えた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（以下ＰＩＤと記す）制御機能１１０、減算機能１１２、及び目標値設定機能１１４を備えた基本構成を有している。この構成では、目標設定機能１１４で設定した目標値１４１と制御対象１１６の制御量１５０との差分６５９（以下偏差量と記す）を減算機能１１２で演算し、この偏差量６５９をＰＩＤ制御機能１１０へ入力し、ＰＩＤ制御機能１１０により制御対象１１６の操作量を生成する。
【０００３】
以下の記載において、図１に示す制御システムを、従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムと記す。
【０００４】
この従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムにおいて、目標値に対する制御量の応答性の向上と、制御対象の特性が変化しても良い応答性を維持するロバスト性の向上とを実現するための方法が各種提案されている。
【０００５】
代表的な方法として、無駄時間が大きい制御対象に対して応答性の向上に有効なスミス法の無駄時間補償法や第２図に示す構成例のような応答性の向上に有効な２自由度ＰＩＤフィードバック制御システムがある。
【０００６】
更に、現代制御理論などの方法による応答性、ロバスト性の向上の方法が提案されている。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機能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２００５−３３９００４号公報
【特許文献２】特開２００３−３０７２７３号公報
【特許文献３】特開２００３−１９５９０５号公報
【特許文献４】特開２０００−５１４２１７号公報
【特許文献５】特開平９−８５４０７号公報
【特許文献６】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】
【０００７】
図１に示すような従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムは、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ので実用的であり、家電製品、産業設備などの小規模から大規模の制御システムにおいて、あらゆる方面で採用されている。反面、外乱に対応する定置制御と目標値に対応する追値制御の双方の応答性を良くすることは出来ない。また、制御対象の特性変化に対してロバスト性が悪いという短所がある。
【０００８】
従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムのこれらの短所を改善する方法として各種方法が提案されている。  
これらの主な方法として、
第１の方法：目標値の調整をする、
第２の方法：偏差量の調整をする、
第３の方法：PID制御機能の比例、積分、微分のゲインの調整をする、
第４の方法：PID制御機能の出力（制御対象の入力）の調整をする、
がある。
【０００９】
第２の方法による代表的な方法として無駄時間補償法としてスミス法がある。この方法は、制御対象の近似モデルが必要なので制御対象の特性が変化しない場合は、応答性は向上するが、制御対象の特性が変化すると応答性は低下するロバスト性が悪い短所を持っており、実用面で使い難いので特殊な制御対象を除き使われていない。
【００１０】
第１の方法と第２の方法による代表的な方法として、図２に示す２自由度ＰＩＤフィードバック制御システムがある。
【００１１】
この２自由度ＰＩＤフィードバック制御システムは、従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムに、定置制御に対して応答性の向上効果がある先行微分機能２２１を備えて、追値制御に対して応答性の向上効果がある微分要素を備えた目標値フィルタ２２０を備えている。定置制御、追値制御とも従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムより応答性は向上するが、従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムの比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインの再調整が必要な上、先行微分機能２２１と目標値フィルタ２２０の調整要素も多く、調整に複雑な面を持っているので、制御対象の特性により、再調整も必要になるなどロバスト性が悪く、実用面で使い難い。
【００１２】
一方、特許文献１〜６に例示される現代制御理論などによる方法は、第１、２、３、４の方法に関連する種々の方法である。これらは、図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムに比べて、定置制御と追値制御の応答性、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、遺伝的アルゴリズム、カオス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ため実用面で使い難いので特殊な制御対象を除き使われていない。
【００１３】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、外乱に対応する定置制御と目標値に対応する追値制御の双方の応答性を向上することを第１の目的とし、
制御対象の特性が変化しても良好な応答性が維持できるロバスト性の向上を第２の目的とし、
現在、多く使用されている図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムを再調整すること無しに、容易に第１の目的と第２の目的を達成できるＰＩＤフィードバック制御システムを提供することを第３の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
以上の課題を解決するために、本願第１の発明は、目標値と制御量の差分に応じて出力する減算機能と、前記減算機能の出力が入力される比例・積分・微分機能の各要素を少なくとも有するＰＩＤ制御機能を備えるコンピュータにより構成されたＰＩＤフィードバック制御システムにおける前記減算機能の出力の偏差量を補償するための偏差量補償プログラムであって、前記コンピュータに、
前記目標値と前記制御量を取得して、前記制御量を、ランプ状に変化する前記目標値に追従させる追値制御中であるか否かを示す信号を出力する追値制御補償機能と、
前記目標値と前記制御量と前記追値制御補償機能により出力される信号に応じた信号を、前記偏差量に加えるべき信号として出力する信号変換機能と、を実現させることを特徴とする
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記追値制御補償機能は、
前記目標値と前記制御量を入力として前記目標値と前記制御量の差分に応じて出力する第１の減算機能と、
前記第１の減算機能の出力を絶対値に変換する第１の絶対値変換機能と、
前記制御量の変化に応じた無駄時間要素及び遅れ時間要素を含んだ変換の出力をする無駄時間・遅れ時間変換機能と、
前記目標値と前記無駄時間・遅れ時間変換機能の出力の差分に応じて出力する第２の減算機能と、
前記第２の減算機能の出力を絶対値に変換する第２の絶対値変換機能と、
前記第１の絶対値変換機能の出力と前記第２の絶対値変換機能の出力の差分に応じて出力する第３の減算機能と、
前記目標値の変化に応じた微分要素及び絶対値変換機能を含んだ変換の出力をする微分・絶対値変換機能と、
前記第３の減算機能の出力の変化と前記微分・絶対値変換機能の出力の変化に応じて出力する信号変換機能と、を有することを特徴とする。
【００１５】
また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記信号変換機能は、
前記目標値と前記制御量と前記追値制御補償機能により出力される信号を入力として
前記目標値と前記制御量の差分に応じて出力する第４の減算機能と、
前記第４の減算機能の出力の変化に応じて出力する第１の信号変換機能と、
前記制御量の微分した出力をする微分機能と、
前記微分機能の出力の変化に応じて出力する第２の信号変換機能と、
前記第４の減算機能の出力の変化と前記第１の信号変換機能の出力の変化と前記第２の信号変換機能の出力の変化と前記追値制御補償プログラムの出力の変化に応じた信号を前記偏差量に加えるべき信号として出力する第３の信号変換機能と、を有することを特徴とする。
【００１６】
また、第４の発明は、第１〜第３の何れかの発明において、
前記コンピュータに、
前記目標値と前記制御量との差分に応じて出力する前記減算機能の出力を絶対値に変換する第３の絶対値変換機能と、
前記目標値と前記制御量との差分に応じて出力する前記減算機能の出力を前記偏差量補償プログラムの出力で補正する補正機能の出力を絶対値に変換する第４の絶対値変換機能と、
前記第３の絶対値変換機能の出力と前記第４の絶対値変換機能の出力との差分に応じて出力する第５の減算機能と、
前記第５の減算機能の出力を絶対値に変換して積分する積分機能および外部からの入力信号で積分値をリセットする機能を備えたリセット付積算機能と、
前記リセット付積算機能の出力を表示する表示機能と、を有する制御改善検出機能を更に実現させることを特徴とする。
【００１７】
また、第５の発明は、第１〜第４の何れかの発明において、
前記コンピュータに、
前記目標値と前記制御量を取得して、
前記目標値の変化および前記制御対象の特性の変化により、前記目標値と前記制御量との差分が大きくなり制御が不安定な現象を検出する制御不安定検出機能と、
前記目標値と前記制御量の差の信号と前記制御不安定検出機能と外部からの入力信号により出力される信号に応じた信号を、前記偏差量に加えるべき信号として出力する信号変換機能と、を有する制御安定機能を更に実現させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、家電製品、産業設備などの小規模から大規模の制御システムにおいて、あらゆる方面で採用されている従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムのＰＩＤゲインを再調整すること無しに、容易な方法で応答性の向上及びロバスト性の向上した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】
【００１９】
本発明は、上記した従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムの短所を改善する前記第２の方法であり、図３は、本発明の１実施形態である構成を示す。これらの図に示すように、本実施形態のＰＩＤフィードバック制御システム（以下提案ＰＩＤフィードバック制御システムと記す）は、図１に示す従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムの構成要素であるＰＩＤ制御機能３１０、減算機能３１２、及び目標値設定機能３１４に、目標値１４１と制御量３５０を入力とする偏差補償プログラム４００を付加して、減算機能３１２の出力６５７と偏差量補償プログラム４００の出力６５６を加算する加算機能３１１の出力６５８をＰＩＤ制御機能３１０の入力とする。
【００２０】
なお、偏差補償プログラム４００は、図４に示すように追値制御補償プログラム５００と信号変換プログラム６００とで構成している。
【００２１】
図３Ａは、図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムに制御改善検出プログラム３６０を追加した実施例である。
【００２２】
図３Ｂは、制御改善検出プログラム３６０の１実施形態である構成を示す。  
図に示すように、減算機能３１２の出力を絶対値に変換する絶対値変換機能３６２と、加算機能３１１の出力を絶対値に変換する絶対値変換機能３６１と、絶対値変換機能３６１の出力と絶対値変換機能３６２の出力の差分に応じて出力する減算機能３６３と、減算機能３６３の出力を積算する積算機能と外部からの入力信号で積分値をリセットする機能を備えるリセット付積算機能の出力３６４と、リセット付積算機能の出力３６４の出力を表示する表示機能３６５で構成する。
【００２３】
図４は、偏差補償プログラム４００の１実施形態である構成を示す。同図に示すように、偏差補償プログラム４００は、追値制御補償プログラム５００と、信号変換プログラム６００で構成される。
【００２４】
図５は、追値制御補償プログラム５００の１実施形態である構成を示す。同図に示すように、追値制御補償プログラム５００は、目標値と制御量の差分に応じて出力する減算機能５１０と、減算機能５１０の出力を絶対値に変換する絶対値変換機能５２０と、制御量の変化の応じた無駄時間要素及び遅れ時間要素を含んだ変換の出力をする無駄時間・遅れ時間変換機能５３０と、目標値と無駄時間・遅れ時間変換機能５３０の出力の差分に応じて出力する減算機能５４０と、減算機能５４０の出力を絶対値に変換する絶対値変換機能５５０と、絶対値変換機能５２０の出力と絶対値変換機能５５０の出力の差分に応じて出力する減算機能５７０と、目標値の変化に応じて微分要素及び絶対値変換機能を含んだ変換の出力をする微分・絶対値変換機能５６０と、減算機能５７０の出力の変化と微分・絶対値変換機能５６０の出力の変化に応じて出力する信号変換機能５８０で構成される。
【００２５】
図６は、図５の微分・絶対値変換機能５６０の１実施形態である構成を示す。同図に示すように、微分・絶対値変換機能５６０は、目標値を増幅する増幅機能５６１と、増幅機能５６１の出力を微分する微分機能５６２と、微分機能５６２の出力を絶対値に変換する絶対値変換機能５６３と、絶対値変換機能５６３の出力を制限する信号制限機能５６４で構成する。  
なお、増幅機能５６１、微分機能５６２、絶対値変換機能５６３の計算順序は、それぞれ入れ換わっても良い。
【００２６】
図７は、図５の信号変換機能５８０の１実施形態である構成を示す。  
同図に示すように、減算機能５７０の出力と微分・絶対値変換機能５６０の出力を乗算する乗算機能５８１と、乗算機能５８１の出力を制限する信号制限機能５８２と、任意の設定または外部からの入力信号に応じて出力する追値制御ゲイン設定機能５８３と、信号制限機能５８２の出力と追値制御ゲイン設定機能５８３の出力を乗算する乗算機能５８４で構成する。
【００２７】
図７Ａは、図５の信号変換機能５３０の１実施形態である構成を示す。  
同図に示すように、制御量に無駄時間を与える無駄時間機能５３１と、無駄時間機能５３１の出力に遅れ時間を与える遅れ時間機能５３２で構成する。
【００２８】
図８は、信号変換プログラム６００の１実施形態である構成を示す。  
同図に示すように、目標値と制御量の差分に応じて出力する減算機能６１０と、減算機能６１０の出力の変化に応じて出力する信号変換機能６２０と、制御量の微分した出力をする微分機能６３０と、微分機能６３０の出力の変化に応じて出力する信号変換機能６４０と、減算機能６１０の出力の変化と信号変換機能６２０の出力の変化と信号変換機能６４０の出力の変化と追値制御補償プログラム５００の出力の変化に応じて出力する信号変換機能６５０で構成する。
【００２９】
図９は、第８図の信号変換機能６２０の１実施形態である構成を示す。  
同図に示すように、任意の設定または外部からの入力信号に応じて出力する偏差量ゲイン設定器機能６２１と、減算機能６１０の出力と偏差量ゲイン設定器機能６２１の出力の乗算する乗算機能６２３で構成する。
【００３０】
図１０は、第８図の信号変換機能６４０の１実施形態である構成を示す。  
同図に示すように、任意の設定または外部からの入力信号に応じて出力する先行微分ゲイン設定器機能６４４と、微分機能６３０の出力と先行微分ゲイン設定器機能６４１の出力の乗算する乗算機能６４３で構成する。
【００３１】
図１１は、図８の信号変換機能６５０の１実施形態である構成を示す。  
同図に示すように、図３の偏差量補償プログラム４００の出力６５６と減算器３１２の出力６５７の比率を変える設定機能を備える偏差量分配設定機能７１０と、信号変換機能６２０の出力から信号変換機能６４０の出力と追値制御補償プログラム５００の出力を減算する加減算機能６５１と、偏差量分配設定機能７１０の出力と加減算機能６５１の出力を乗算する乗算機能７１１と、偏差量分配設定機能７１０の出力と減算機能６１０の出力を乗算する乗算機能７１２と、乗算機能７１１の出力と乗算機能７１２の出力の差分に応じて出力する減算機能減算機能７１３で構成する。
【００３２】
図１２は、偏差量分配機能を偏差量補償プログラム４００の外部に出した変形偏差量補償プログラム９００（変形偏差量補償プログラム９００は、偏差量補償プログラム４００の実施例の図１１の加減算機能６５１を出力とする構成とする）を備えた提案ＰＩＤフィードバック制御システムの１実施形態である構成を示す。  
同図に示すように、偏差分配設定機能８８０は、第１の出力ｕ（ｕは０〜1の値とする）と第２の出力１−ｕの出力を出す機能を備えて、変形偏差量補償プログラム９００の出力にｕを乗算機能８１１で乗算して、減算機能８１５の出力に１−ｕを乗算機能８１２で乗算して、乗算機能８１１の出力と乗算機能８１２の出力を加算機能８１３で加算した出力をＰＩＤ制御機能８１０の入力とする構成としている。この実施形態例でも図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムと全く同じ機能となる。
【００３３】
また、乗算機能８１１の出力を第１のＰＩＤ制御機能に入力し、乗算機能８１２の出力を第１のＰＩＤ制御機能の機能と同一の機能を持つ第２のＰＩＤ制御機能に入力して、第１のＰＩＤ制御機能の出力と第２のＰＩＤ制御機能の出力を加算して制御対象の入力としても図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムと全く同じ機能となる。
【００３４】
また、図３において、減算機能３１２に加算機能を付加して、偏差量補償プログラム４００の出力６５６を減算機能３１２に入力して、加算しても図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムと全く同じ機能となる。
【００３５】
また、図５の追値制御補償プログラム５００の１実施形態の減算機能５１０を追値制御補償プログラム５００の外に出し、図８の信号変換プログラム６００の１実施形態の減算機能６１０を信号変換プログラム６００の外に出して一つの減算機能のまとめて備え、この変更に応じて追値制御補償プログラム５００と信号変換プログラム６００を構成しても図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムと全く同じ機能となる。
【００３６】
また、図５の追値制御補償プログラム５００の１実施形態の減算機能５１０と図８の信号変換プログラム６００の１実施形態の減算機能６１０を省略して、図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの減算機能３１２の出力６５７を偏差量補償プログラム４００に入力して減算機能５１０と減算機能６１０の機能に換えても図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムと全く同じ機能となる。
【００３７】
図４Ａは、図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの偏差量補償プログラム４００に制御安定化プログラム１１００を追加した１実施形態である構成を示す。  
制御安定化プログラム１１００は、図４−２に示すように制御不安定プログラム１２００と信号変換プログラム１３００で構成している。
【００３８】
図４Ｃは、制御不安定プログラム１２００の１実施形態である構成を示す。  
同図に示すように、目標値と制御量の差分に応じて出力する減算機能１２０１と、減算機能１２０１の出力を絶対値に変換する絶対値変換機能１２０２と、制御量の変化の応じた無駄時間要素及び遅れ時間要素を含んだ変換の出力をする無駄時間・遅れ時間変換機能１２０３と、目標値と無駄時間・遅れ時間変換機能１２０３の出力の差分に応じて出力する減算機能１２０４と、減算機能１２０４の出力を絶対値に変換する絶対値変換機能１２０５と、絶対値変換機能１２０２と絶対値変換機能１２０５の差分に応じて出力する減算機能１２０６と、減算機能１２０６の出力の変化に応じて出力する信号変換機能１２０７で構成する。
【００３９】
図４Ｄは、信号変換プログラム１３００の１実施形態である構成を示す。  
同図に示すように、制御不安定プログラム１２００の出力１２１０が規定値の範囲に入れば、信号を出力して、この信号を一定値に保持する信号セット機能および外部からの入力信号１１０４により、制御不安定プログラム１２００の出力１２１０が規定値の範囲から外れていれば、一定値に保持された信号を開放する信号リセット機能を備えたセット・リセット機能１３０１と、制御不安定プログラム１２００の出力１２１１の出力の変化に応じて出力する信号変換機能１３０３と、任意の信号を設定できる信号設定機能１３０４と、
セット・リセット機能１３０１の出力により、信号変換機能１３０３の出力１１０７と
信号設定機能１３０４の出力１１０５を切換えて出力する信号切換機能１３０２で構成する。
【００４０】
制御不安定プログラム１２００の出力１１０６は、図８の信号変換プログラム６００に入力して、図１１の加減算機能６５１の出力６７０を減算する。
【００４１】
図１３〜図３０に示す本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号の符号と名称との関係は下記のとおりである。  
１４１  図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システム及び図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの目標値
１５０  図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムの制御量
３５０  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの制御量
５８１  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの追値制御補償プログラムの出力
６２２  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの図１１の信号変換機能６２０の出力
６４２  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの図１１の信号変換機能６４０の出力
６５６  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの偏差補償プログラム４００の出力
６７０  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの図１１の減算機能６５１の出力
６５７  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの減算機能３１２の出力
６５８  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの加算機能３１１の出力
６５９  図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムの減算機能１１２の出力
１０００  図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムの偏差６５９と図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの補正後の偏差６５８の絶対値の差分の積算値を１００秒毎にリセットした値
２０００  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの偏差６５７と補正後の偏差６５８の絶対値の差分の積算値を１００秒毎にリセットした値
【００４２】
本発明の動作を、図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムと図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムで説明する。図１３〜図１３に示す本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号の符号と名称の関係は下記のとおりである。  
１４１  図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システム及び図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの目標値
１５０  図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムの制御量
３５０  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの制御量
５８１  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの追値制御補償プログラムの出力
６２２  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの図１１の信号変換機能６２０の出力
６４２  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの図１１の信号変換機能６４０の出力
６５６  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの偏差補償プログラム４００の出力
６７０  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの図１１の減算機能６５１の出力
６５７  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの減算機能３１２の出力
６５８  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの加算機能３１１の出力
６５９  図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムの減算機能１１２の出力
１０００  図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムの偏差６５９と図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの補正後の偏差６５８の絶対値の差分の積算値を１００秒毎にリセットした値
２０００  図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの偏差６５７と補正後の偏差６５８の絶対値の差分の積算値を１００秒毎にリセットした値
【００４３】
図１および図３のＰＩＤ機能と制御対象の特性は、下記とする。  
図１の記号を用いて、伝達関数の形で、
ＰＩＤ機能は、
ｕ（ｓ）＝ｅ（Ｐ＋Ｉ／ｓ＋Ｄ＊ｓ）
ただし、Ｐは、比例ゲイン定数、Ｉは、積分ゲイン定数、Ｄは、微分ゲイン定数である。
【００４４】
制御対象の特性は、
Ｇ＊ｅ−ＬＳ／（１＋Ｔ１ｓ）（１＋Ｔ２ｓ）
ただし、Ｇは、制御対象のゲイン定数、Ｌは、無駄時間、Ｔ１，Ｔ２は、１次遅れ時間である。
【００４５】
図３の偏差量補償プログラム４００の追値制御補償プログラム５００の構成は、図５、図６、図７、７Ａの構成例とし、また、信号変換プログラム６００構成は、図８、図９、図１０、図１１の構成例とする。
【００４６】
制御対象は、制御対象のゲイン定数Ｇ＝１，無駄時間Ｌ=１秒、一次遅れ時間はＴ１=１０秒、Ｔ２=０秒、ＰＩＤ制御機能の比例ゲイン定数Ｐ=２．７、積分ゲイン定数Ｉ=０．７、微分ゲイン定数Ｄ=０は、図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムと図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムは同じ値とする。
【００４７】
図１１の偏差量分配設定機能７１０の出力ｕ＝０．５として、図９の偏差量ゲイン設定機能６２１の出力ＧをＧ=２、図１０の先行微分量ゲイン設定機能６４４の出力ＳをＳ=０に設定して偏差量を先行微分量より相対的に大きくすると制御は早く応答するが、図１３に示すように目標値に対する応答は、過剰制御になりオ-バーシュートするが、外乱にたいする応答は、改善される。一方、偏差量ゲイン設定機能６２１の出力Ｇ=０、先行微分量ゲイン設定機能Ｓ=６４１の出力Ｓ=２に設定して先行微分量を偏差量より相対的に大きくすると、図１４に示すように制御不足（過剰制御の防止の効果がある）となる。Ｇ=２おびＳ=２とすると、図１５に示すように外乱に対応する定値制御および目標値のステップ応答に対して早い応答制御と過剰制御の防止の双方の目的は達せられるが、目標値に対するランプ応答の追値制御の制御不足を生じる。この理由は、定値制御および目標値のステップ応答に比較して、相対的に追値制御中の偏差が適正な値より小さくなり不足制御になるためである。
【００４８】
この不足制御を改善するために、追値制御補償プログラム５００は、追値制御中に信号を出力して、追値制御中以外は、追値制御中に信号を出力する信号とは差異のある信号を出力する機能により、追値制御補償プログラム５００の出力を図８の信号変換機能６５０に入力し、追値制御中の偏差量を調整する。
【００４９】
図１６は、目標値１４１がランプ状に変化するに応じて制御量３５０がランプ状の応答する追値制御中は、追値制御補償プログラムの出力５８１の信号は、−０．０５の負の出力信号とし、追値制御中以外は追値制御補償プログラムの出力５８１の信号は、零の出力信号を示している例である。
【００５０】
追値制御補償プログラムの出力５８１の信号で、追値制御中の偏差量が大きくなるように調整すると、追値制御中の制御不足を改善出来る。図１７は、本発明の第１の課題である外乱に対応する定置制御と目標値に対応する追値制御の双方の応答性が向上していることを示している。
【００５１】
図１７Ａは、ゲイン±０．１程度のランダムの外乱信号を制御対象に与えた場合であり、同様に良好な応答を示している。  
図１８、図１９，図２０は、図１７に示す制御応答の場合の信号変換プログラム６００の主要機能の偏差量調整の動作を示している。  
図１８は、図１１の偏差量を調整する加減算機能６５１の入力６２２と入力６４２と入力５８１を示している。  
図１９は、図１１の偏差量を調整する加減算機能６５１の出力６７０と減算機能７１３の出力６５６を示している。  
図２０は、図３の偏差量補償プログラム４００の出力６５６と減算機能３１２の出力６５７と加算機能３１１の出力６５８を示している。
【００５２】
図２１は、図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムとの偏差６５９と図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの偏差６５８を示している。提案ＰＩＤフィードバック制御システムの偏差６５８の動作は、従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムとの偏差６５９の動作に比べて位相が進んだ、変化率が大きい動きをしている。  
この偏差量の動作の違いが、本発明の第１の課題である外乱に対応する定置制御と目標値に対応する追値制御の双方の応答性の向上と第２の課題である制御対象の特性が変化しても良好な応答性が維持できるロバスト性の向上をさせる。
【００５３】
図２２，図２３，図２４は、第２の課題である制御対象の特性が変化しても良好な応答性が維持できるロバスト性の向上の制御応答を示す。  
図２２は、制御対象のゲイン定数Ｇ＝１，無駄時間Ｌ=０秒、一次遅れ時間はＴ１=５秒、Ｔ２=０秒の動作を示す。  
図２３は、制御対象のゲイン定数Ｇ＝１、無駄時間Ｌ=２秒、一次遅れ時間はＴ１=１５秒、Ｔ２=０秒の動作を示す。  
図２４は、制御対象のゲイン定数Ｇ＝１、無駄時間Ｌ=１秒、一次遅れ時間はＴ１=７秒、Ｔ２=１秒の動作を示す。  
図２５は、制御対象のゲイン定数Ｇ＝１、無駄時間Ｌ=４秒、一次遅れ時間はＴ１=１０秒、Ｔ２=０秒の動作を示す。  
図２２，図２３，図２４は，いずれの場合でも図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムの応答より図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの方が、応答性が良いこと示しておりロバスト性が向上していることを示している。
【００５４】
また、図２５は、制御対象の特性が大きく変化した場合は、図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムの応答は、不安定となり制御は発散している。この場合は、実用システムでは、制御対象の機器は緊急停止させる。一方図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムは、偏差量補償プログラム内の不安定防止機能が動作して制御を安定させていることを示している。この場合は、実用システムでは、制御対象の機器の運転は継続出来るので機器の損傷防止や機器緊急停止に伴う損失防止などが出来るので大きな経済効果がある。この機能もロバスト性の向上と言える。
【００５５】
次に前記の説明例と同一条件における制御対象の特性変えて、制御対象の特性に適正な比例ゲイン定数Ｐ＝０．７、積分ゲイン定数Ｉ＝０．２４、微分ゲイン定数Ｄ＝０を与えた場合のケースの応答性の向上とロバスト性の向上の例を説明する。  
図２６は、制御対象の特性が、制御対象のゲイン定数Ｇ＝１，無駄時間Ｌ=１秒、一次遅れ時間、Ｔ１=５秒、Ｔ２=１秒、の場合の応答例を示す。  
図２７は、制御対象の特性が、制御対象のゲイン定数Ｇ＝１，無駄時間Ｌ=１秒、一次遅れ時間、Ｔ１=５秒、Ｔ２=１秒、の場合でゲイン±０．１程度のランダムの外乱信号を制御対象に与えた場合の応答を示す。  
図２８は、制御対象のゲイン定数Ｇ＝１，無駄時間Ｌ=１．５秒、一次遅れ時間、Ｔ１=６秒、Ｔ２=２秒、の場合の応答を示す。
【００５６】
図２６，図２７，図２８は，いずれの場合でも図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムの応答より図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの方が、応答性の向上とロバスト性の向上していることを示している。
【００５７】
以上の説明ように、本発明は、広範囲な制御対象に応答性の向上とロバスト性の向上したＰＩＤフィードバック制御システムが提供出来る。
【００５８】
第３の課題は、現在、多く使用されている図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムを再調整すること無しに、容易に第１の課題と第２の課題を解決できるＰＩＤフィードバック制御システム（提案ＰＩＤフィードバック制御システムと記す）を提供することである。
【００５９】
この第３の課題について説明する。  
第１の特徴は、偏差量補償プログラム４００は、従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムと同じ目標値と制御量の２入力であり、出力は、１出力と単純であり、従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムを図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの実施形態に変更するには、偏差６５７と偏差量補償プログラム４００の出力６５６を加算する加算機能３１１の追加であり、容易である。
【００６０】
第２の特徴は、従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムの比例・積分・微分のゲイン定数（以下ＰＩＤゲイン定数と記す）は変更しなくて良い、また、偏差量補償プログラム４００の調整要素である図１１の偏差量分配設定機能７１０の出力ｕ＝０．５、図９の偏差量ゲイン設定機能６２１の出力Ｇ=２、図１０の先行微分量ゲイン設定機能６４４の出力Ｓ=２、追値制御補償プログラムの出力５８１の信号−０．０５は、制御対象が大幅に変わる以外は、ほとんど変更する必要は無いので調整は容易である。
【００６１】
既に稼動中の多数の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムで構成されている発電プラント、石油プラントなど大規模制御システムの変更は、容易ではない。特にＰＩＤゲイン定数の再調整は、難しい。
【００６２】
また、新設のＰＩＤ制御システムのＰＩＤゲイン定数は、経験則で得たＰＩＤゲイン定数を初期設定することが多く、この点でも従来基本ＰＩＤシステムのＰＩＤゲイン定数を、変更する必要がないことは有利である。このため、従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムのＰＩＤゲイン定数を変更する必要がないことは、新しい機能を追加する上で非常に重要な課題である。
【００６３】
第３の特徴は、図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムと図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの実施形態は、目標値機能、偏差量演算機能、ＰＩＤ制御機能とで構成されており、機能構成が同じであることから、図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムで採用されているカスケード制御、フィードフォワード制御などは、全く同じ構成で使用出来る。
【００６４】
第５の特徴は、応答性とロバスト性の確認機能を備えており、効率的な作業が出来る。  
図１１の偏差量分配設定機能７１０を備えており、この出力ｕ＝０とすれば、偏差量補償プログラム４００の出力６５６は、０となり、従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムと全く同じ応答をする。ｕ＝１とすれば、従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムの偏差６５７は０となり、偏差量補償プログラム４００の出力６５６での制御応答となる。  
このことは、ｕの値を初期値として０にしておき、図２３の構成例の制御改善検出プログラム３６０の表示機能３６５で制御性の改善の確認しながらｕを増加させることが出来る。
【００６５】
図９の偏差量ゲイン設定機能６２１の出力Gおよび図１０の先行微分量ゲイン設定機能６４１の出力Sの設定値とＧ対Ｓの比は、応答性とロバスト性のどちらを重視するかで決めるが、ＧとＳの設定値は、２．０付近の値、Ｇ対Ｓの比は１．０付近が応答性とロバスト性とも同等な重視となる。  
Ｇ，Ｓの設定およびＧ対Ｓの比についても図２３図の構成例の制御改善検出プログラム３６０の表示機能３６５で制御性の違いが確認できる。
【００６６】
図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムの偏差６５９と図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの補正後の偏差６５８の絶対値の差分を積算値１０００が正確な制御の改善の効果を表す。積算値１０００と図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの偏差６５７と補正後の偏差６５８の絶対値の差分の積算値２０００は、良く近似しており、積算値２０００で応答性の効果を把握することが出来る。積算値２０００が正の方向であれば、応答性の改善がされており、負の方向であれば、応答性は、悪くなっていることを表す。
【００６７】
図２９は、図１７の場合の応答の向上の表示機能を３６５リセット付積分機能で１００秒毎にリセットした場合の表示例である。図３０は、図１４の場合で、図１の従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムの応答より図３の提案ＰＩＤフィードバック制御システムの方が、応答性が悪いことを示している。
【００６８】
以上記したように、現在、家電製品、産業設備などの小規模から大規模の制御システムにおいて、あらゆる方面で採用されている従来基本ＰＩＤフィードバック制御システムを、本発明のように応答性の向上とロバスト性が向上し、さらに制御不安定防止機能での機器停止の防止が可能な、ＰＩＤ制御システムに、安価で容易に改善出来ることは、生産効率向上、品質向上、省エネルギー、環境保全、などに多大な貢献をする。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】公知のＰＩＤフィードバック制御システムを示す図である。
【図２】公知の２自由度ＰＩＤフィードバック制御システムを示す図である。
【図３】本実施形態に係わるＰＩＤフィードバック制御システムを示す図である。
【図３Ａ】本実施形態に係わるＰＩＤフィードバック制御システムを示す図である。
【図３Ｂ】本実施形態に係わる制御改善検出プログラムの構成を示す図である。
【図４】本実施形態に係わる偏差補償プログラムの構成を示す図である。
【図４Ａ】本実施形態に係わる偏差量補償プログラムに制御安定化プログラムを追加した構成を示す図である。
【図４Ｂ】本実施形態に係わる制御安定化プログラムの構成を示す図である。
【図４Ｃ】本実施形態に係わる制御不安定検出プログラムの構成を示す図である。
【図４Ｄ】本実施形態に係わる制御安定化プログラム内の信号変換プログラムの構成を示す図である。
【図５】本実施形態に係わる追値制御補償プログラムの構成を示す図である。
【図６】本実施形態に係わる追値制御補償プログラム内の微分・絶対値変換機能の構成を示す図である。
【図７】本実施形態に係わる追値制御補償プログラム内の無駄時間・遅れ時間変換機能の構成を示す図である。
【図７Ａ】本実施形態に係わる追値制御補償プログラム内の信号変換機能の構成を示す図である。
【図８】本実施形態に係わる偏差量補償プログラム内の信号変換機能の構成を示す図である。
【図９】本実施形態に係わる偏差量補償プログラム内の信号変換機能の中の偏差量ゲイン設定機能の構成を示す図である。
【図１０】本実施形態に係わる偏差量補償プログラム内の信号変換機能の中の先行微分ゲイン設定機能の構成を示す図である。
【図１１】本実施形態に係わる偏差量補償プログラム内の信号変換機能の中の信号変換機能の構成を示す図である。
【図１２】本実施形態に係わるＰＩＤフィードバック制御システムを示す図である。
【図１３】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図１４】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図１５】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図１６】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図１７】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図１７Ａ】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図１８】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図１９】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図２０】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図２１】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図２２】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図２３】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図２４】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図２５】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図２６】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図２７】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図２８】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図２９】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【図３０】本実施形態に係わる制御システムにおける応答信号を示す図である。
【符号の説明】
【００７０】
１１０、２１０、３１０、８１０                              ＰＩＤ制御機能
１１２、２１２、２１３、３１２、３６３                      減算機能
５１０、５４０、５７０、６１０、６５１                      減算機能
７１３、８１５、１２０１、１２０４、１２０６                減算機能
１１４、２１４、３１４、８１４                              目標値設定機能
１１６、２１６、３１６、８１６                              制御対象
２２０  目標値フィルタ機能
２２１  先行微分機能
３１１、８１３  加算機能
３６０  制御改善検出プログラム
３６１、３６２、５２０、５５０、５６３、１２０２、１２０５  絶対値変換機能
３６４  リセット付積算機能
３６５  表示機能
４００  偏差補償プログラム
５００  追値制御補償プログラム
５３０  無駄時間・遅れ時間変換機能
５３１  無駄時間機能
５３２  遅れ時間機能
５６０  微分・絶対値変換機能
５６１  増幅機能
５６２、６３０  微分機能
５６４、５８２  信号制限機能
５８０、６２０、６４０、６５０、１２０７、１３０３          信号変換機能
５８３  追値制御ゲイン設定機能
５８１、５８４、６２３、６４３、７１１、７１２、８１１、８１２  乗算機能
６００、１３００  信号変換プログラム
６２１  偏差量ゲイン設定機能
６４４  先行微分ゲイン設定機能
７１０、８８０  偏差量分配設定機能
９００  変形偏差補償プログラム
１２００  制御不安定検出プログラム
１２０３  無駄時間・遅れ時間機能
１３０１  セット・リセット機能
１３０２  信号切換機能
１３０４  信号設定機能
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図７Ａ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１７Ａ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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