(57)【要約】【課題】オートチューニングの終了時間を短縮する。【解決手段】オートチューニング実行手段１３は、制御対象に一定振幅の操作量を出力する操作量出力手段と、操作量が変化したときから制御量が極大値又は極小値に達するまでの所要時間であるむだ時間、及び極大値又は極小値と制御の設定値との差である制御量の振幅を取得する取得手段と、むだ時間が１サイクル前の値と略一致し、かつむだ時間と同時に取得した制御量の振幅が１サイクル前の値と略一致した場合に、操作量出力手段にリミットサイクルを終了させる判定手段と、操作量がオンからオフに変化したときのむだ時間及び振幅と操作量がオフからオンに変化したときのむだ時間及び振幅に基づいて、ＰＩＤパラメータを算出するＰＩＤパラメータ算出手段とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象に一定振幅の操作量を繰り返し出力するリミットサイクルを発生させて、この操作量の出力に応じた前記制御対象の応答に基づいてＰＩＤパラメータを算出するオートチューニングの機能を備えたＰＩＤ制御装置において、
前記オートチューニングの実行時に前記制御対象に一定振幅の操作量を出力する操作量出力手段と、
前記オートチューニングの実行時の制御量を観測して、前記操作量が変化したときから前記制御量が極大値又は極小値に達するまでの所要時間であるむだ時間、及び前記極大値又は極小値と制御の設定値との差である前記制御量の振幅を取得する取得手段と、
前記むだ時間が１サイクル前の値と略一致し、かつこのむだ時間と同時に取得した前記制御量の振幅が１サイクル前の値と略一致した場合に、前記操作量出力手段に前記リミットサイクルを終了させる判定手段と、
前記リミットサイクルが終了したときに、前記操作量がオンからオフに変化したときの前記むだ時間及び振幅と前記操作量がオフからオンに変化したときの前記むだ時間及び振幅に基づいて、ＰＩＤパラメータを算出するＰＩＤパラメータ算出手段とを備えることを特徴とするＰＩＤ制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のＰＩＤ制御装置において、
前記取得手段は、前記オートチューニングの実行時に前記操作量が最初の値から変化した初回変化時と前記操作量が前記初回変化時と同極性の変化をした時の前記制御量の傾きを取得し、
前記判定手段は、前記制御量の傾きが１サイクル前の値と略一致した場合に、前記操作量出力手段に前記リミットサイクルを終了させることを特徴とするＰＩＤ制御装置。
【請求項３】
制御対象に一定振幅の操作量を繰り返し出力するリミットサイクルを発生させて、この操作量の出力に応じた前記制御対象の応答に基づいてＰＩＤパラメータを算出するオートチューニングの機能を備えたＰＩＤ制御装置において、
前記オートチューニングの実行時に前記制御対象に一定振幅の操作量を出力する操作量出力手段と、
前記オートチューニングの実行時の制御量を観測して、前記オートチューニングの実行時に前記操作量が最初の値から変化した初回変化時と前記操作量が前記初回変化時と同極性の変化をした時の前記制御量の傾き、前記操作量が変化したときから前記制御量が極大値又は極小値に達するまでの所要時間であるむだ時間、及び前記極大値又は極小値と制御の設定値との差である前記制御量の振幅を取得する取得手段と、
前記リミットサイクルが所定のサイクル数に達したときに、前記操作量出力手段に前記リミットサイクルを終了させる判定手段と、
前記リミットサイクルの終了時に取得した前記制御量の傾きと、前記操作量が過去に前記終了時と同極性の変化をしたときの前記むだ時間とから、前記終了時の後に現れるはずの前記制御量の振幅を推定する推定手段と、
前記リミットサイクルが終了したときに、前記過去のむだ時間と前記推定した制御量の振幅と、前記操作量が前記終了時と逆極性の変化をしたときの前記むだ時間及び振幅に基づいて、ＰＩＤパラメータを算出するＰＩＤパラメータ算出手段とを備えることを特徴とするＰＩＤ制御装置。
【請求項４】
請求項３記載のＰＩＤ制御装置において、
前記推定手段は、前記リミットサイクルの終了時に取得した前記制御量の傾きから、前記終了時における前記制御量の接線を求め、前記終了時から前記過去のむだ時間分だけ経過したときの前記接線上の点の高さを求めて、この高さに所定の割合をかけた値を推定すべき前記制御量の振幅とすることを特徴とするＰＩＤ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロセス制御技術に関するものであり、特に制御対象に一定振幅の操作量を繰り返し出力するリミットサイクルを発生させて、この操作量の出力に応じた制御対象の応答に基づいてＰＩＤパラメータを算出するオートチューニングの機能を備えたＰＩＤ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＰＩＤ制御装置のＰＩＤパラメータを適切な値に設定する技術としてオートチューニング機能が提案されている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１３５４２号公報
【特許文献２】特許第２５８８２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
オートチューニングによれば、制御対象の特性に合わせてＰＩＤパラメータを最適な値に設定することができる。しかしながら、例えば電気炉などの温度制御のように制御対象の応答が遅い場合、オートチューニングを一度実行すると終了するまでに多大な時間を要するという問題点があった。特に、最近は省エネルギーが謳われ、電気炉などでも断熱性が高いために昇温は速いが降温が非常に遅い装置が増えてきており、オートチューニングの終了までに例えば数時間かかるため、オートチューニングが早く終了することが望まれていた。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、オートチューニングの終了時間を短縮することができるＰＩＤ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、制御対象に一定振幅の操作量を繰り返し出力するリミットサイクルを発生させて、この操作量の出力に応じた前記制御対象の応答に基づいてＰＩＤパラメータを算出するオートチューニングの機能を備えたＰＩＤ制御装置において、前記オートチューニングの実行時に前記制御対象に一定振幅の操作量を出力する操作量出力手段と、前記オートチューニングの実行時の制御量を観測して、前記操作量が変化したときから前記制御量が極大値又は極小値に達するまでの所要時間であるむだ時間、及び前記極大値又は極小値と制御の設定値との差である前記制御量の振幅を取得する取得手段と、前記むだ時間が１サイクル前の値と略一致し、かつこのむだ時間と同時に取得した前記制御量の振幅が１サイクル前の値と略一致した場合に、前記操作量出力手段に前記リミットサイクルを終了させる判定手段と、前記リミットサイクルが終了したときに、前記操作量がオンからオフに変化したときの前記むだ時間及び振幅と前記操作量がオフからオンに変化したときの前記むだ時間及び振幅に基づいて、ＰＩＤパラメータを算出するＰＩＤパラメータ算出手段とを備えるものである。
また、本発明のＰＩＤ制御装置の１構成例において、前記取得手段は、前記オートチューニングの実行時に前記操作量が最初の値から変化した初回変化時と前記操作量が前記初回変化時と同極性の変化をした時の前記制御量の傾きを取得し、前記判定手段は、前記制御量の傾きが１サイクル前の値と略一致した場合に、前記操作量出力手段に前記リミットサイクルを終了させるものである。
【０００７】
また、本発明のＰＩＤ制御装置は、前記オートチューニングの実行時に前記制御対象に一定振幅の操作量を出力する操作量出力手段と、前記オートチューニングの実行時の制御量を観測して、前記オートチューニングの実行時に前記操作量が最初の値から変化した初回変化時と前記操作量が前記初回変化時と同極性の変化をした時の前記制御量の傾き、前記操作量が変化したときから前記制御量が極大値又は極小値に達するまでの所要時間であるむだ時間、及び前記極大値又は極小値と制御の設定値との差である前記制御量の振幅を取得する取得手段と、前記リミットサイクルが所定のサイクル数に達したときに、前記操作量出力手段に前記リミットサイクルを終了させる判定手段と、前記リミットサイクルの終了時に取得した前記制御量の傾きと、前記操作量が過去に前記終了時と同極性の変化をしたときの前記むだ時間とから、前記終了時の後に現れるはずの前記制御量の振幅を推定する推定手段と、前記リミットサイクルが終了したときに、前記過去のむだ時間と前記推定した制御量の振幅と、前記操作量が前記終了時と逆極性の変化をしたときの前記むだ時間及び振幅に基づいて、ＰＩＤパラメータを算出するＰＩＤパラメータ算出手段とを備えるものである。
また、本発明のＰＩＤ制御装置の１構成例において、前記推定手段は、前記リミットサイクルの終了時に取得した前記制御量の傾きから、前記終了時における前記制御量の接線を求め、前記終了時から前記過去のむだ時間分だけ経過したときの前記接線上の点の高さを求めて、この高さに所定の割合をかけた値を推定すべき前記制御量の振幅とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、オートチューニングの実行時に取得したむだ時間が１サイクル前の値と略一致し、かつこのむだ時間と同時に取得した制御量の振幅が１サイクル前の値と略一致した場合に、リミットサイクルを終了させて、操作量がオンからオフに変化したときのむだ時間及び振幅と操作量がオフからオンに変化したときのむだ時間及び振幅に基づいてＰＩＤパラメータを算出するようにしたので、オートチューニングに要する時間を短縮することができる。
【０００９】
また、本発明では、オートチューニングの実行時に取得した制御量の傾きが１サイクル前の値と略一致した場合に、リミットサイクルを終了させるようにしたので、オートチューニングに要する時間を更に短縮することができる。
【００１０】
また、本発明では、リミットサイクルが所定のサイクル数に達したときにリミットサイクルを終了させて、リミットサイクルの終了時に取得した制御量の傾きと、操作量が過去に終了時と同極性の変化をしたときのむだ時間とから、終了時の後に現れるはずの制御量の振幅を推定し、過去のむだ時間と推定した制御量の振幅と、操作量が終了時と逆極性の変化をしたときのむだ時間及び振幅に基づいてＰＩＤパラメータを算出するようにしたので、オートチューニングに要する時間を短縮することができる。
【００１１】
また、本発明では、リミットサイクルの終了時に取得した制御量の傾きから、終了時における制御量の接線を求め、終了時から過去のむだ時間分だけ経過したときの接線上の点の高さを求めて、この高さに所定の割合をかけた値を推定すべき制御量の振幅とすることにより、この推定した振幅を用いて実用上問題のないＰＩＤパラメータを算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
［第１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は本発明の第１の実施の形態に係るＰＩＤ制御装置の構成を示すブロック図である。ＰＩＤ制御装置１は、制御量ＰＶと設定値ＳＰとの偏差を算出する減算手段１０と、偏差を零にすべく操作量ＭＶを算出するＰＩＤ演算手段１１と、ＰＩＤ演算手段１１で使用されるＰＩＤパラメータを記憶するパラメータ格納手段１２と、オートチューニングを行なうことで最適なＰＩＤパラメータをパラメータ格納手段１２に記憶させるオートチューニング実行手段１３と、通常のＰＩＤ制御とオートチューニングのいずれかを選択する切替器１４と、切替器１４から出力された操作量を電気信号に変換して制御対象であるヒータＨに出力する操作量変換手段１５と、外部から設定された制御の設定値ＳＰを記憶する設定値格納手段１６とを備えている。
【００１３】
本実施の形態のＰＩＤ制御装置１は、制御対象である加熱炉２内の温度を制御するものである。温度センサＳは、制御対象の制御量ＰＶ（加熱炉２内の温度）を測定する。設定値格納手段１６には、例えばＰＩＤ制御装置１のオペレータによって設定値ＳＰ（温度設定値）が設定されている。減算手段１０は、制御量ＰＶと設定値ＳＰとの偏差を算出し、ＰＩＤ演算手段１１は、偏差を零にすべくＰＩＤ制御演算を行って操作量ＭＶを算出する。通常の制御時において切替器１４は、ＰＩＤ演算手段１１の出力を選択している。操作量変換手段１５は、ＰＩＤ演算手段１１から切替器１４を介して出力された操作量ＭＶを電気信号に変換してヒータＨに出力する。こうして、加熱炉２内の温度を温度設定値に一致させるようにヒータＨの加熱量が制御される。
【００１４】
次に、ＰＩＤ制御装置１のオートチューニング実行時の動作を図２〜図４を用いて説明する。図２はオートチューニング実行手段１３の構成例を示すブロック図、図３はＰＩＤ制御装置１のオートチューニング実行時の動作を示すフローチャート、図４はオートチューニング実行時にオートチューニング実行手段１３が出力する操作量ＭＶとこの操作量ＭＶに応じた制御量ＰＶの変化の１例を示す波形図である。
【００１５】
オートチューニング実行手段１３は、オートチューニングの実行時に制御対象に一定振幅の操作量ＭＶを繰り返し出力するリミットサイクルを発生させる操作量出力手段１３０と、オートチューニングの実行時に制御量ＰＶの傾き、むだ時間及び振幅を取得する取得手段１３１と、リミットサイクルの終了条件が成立したときにリミットサイクルを終了させる判定手段（取得手段）１３２と、判定手段１３２が取得した制御量ＰＶの傾き、むだ時間及び振幅を記憶する記憶手段１３３と、リミットサイクルが終了したときに、記憶手段１３３に記憶されているむだ時間と振幅に基づいてＰＩＤパラメータを算出するＰＩＤパラメータ算出手段１３４とから構成される。
【００１６】
オートチューニング実行手段１３は、例えばオペレータの指示に応じてオートチューニングを開始する。
操作量出力手段１３０は、オートチューニング実行時、センサＳによって測定された制御量ＰＶと設定値格納手段１６に設定された設定値ＳＰとを比較し（図３ステップＳ１００）、制御量ＰＶが設定値ＳＰ以下の場合、予め設定された操作量上限値ＭＶＨ（例えば１００％）を操作量ＭＶとして出力し（ステップＳ１０１）、制御量ＰＶが設定値ＳＰより大きい場合、予め設定された操作量下限値ＭＶＬ（例えば０％）を操作量ＭＶとして出力する（ステップＳ１０２）。図４の例では、オートチューニングの開始時刻ｔ１において制御量ＰＶが設定値ＳＰ以下のため、操作量出力手段１３０は、操作量ＭＶ＝ＭＶＨを出力する。
【００１７】
オートチューニング実行時には切替器１４は、オートチューニング実行手段１３の出力を選択する。これにより、操作量出力手段１３０から出力された操作量ＭＶが切替器１４を介して操作量変換手段１５に出力される。
【００１８】
次に、判定手段１３２は、制御量ＰＶの傾きを求める傾き取得条件が成立したかどうかを判定する（ステップＳ１０３）。傾き取得条件は、オートチューニングの開始後に操作量ＭＶが最初の値（図４の例ではＭＶＨ）から変化した初回変化時と、操作量ＭＶが初回変化時と同極性の変化をしたときに成立する。図４の例では、オートチューニング開始後の時刻ｔ２で操作量ＭＶがＭＶＨからＭＶＬ（オンからオフ）に変化しているため、傾き取得条件が成立する。同様に、時刻ｔ６においても傾き取得条件が成立する。
取得手段１３１は、傾き取得条件が成立したときに制御量ＰＶの傾きを求め、求めた傾きの値を記憶手段１３３に格納する（ステップＳ１０４）。
【００１９】
また、判定手段１３２は、制御対象のむだ時間Ｌを求めるむだ時間取得条件、及び制御量ＰＶの振幅Ａを求める振幅取得条件が成立したかどうかを判定する（ステップＳ１０５）。むだ時間取得条件及び振幅取得条件は、制御量ＰＶが極大値又は極小値をとるときに成立する。ただし、オートチューニング開始後の最初の極値については、これらの条件が成立しないものとする。最初の極値を除外する理由は、最初の極値がパラメータ算出にとって不適切な値の可能性があるからである。
取得手段１３１は、むだ時間取得条件及び振幅取得条件が成立したときに、むだ時間Ｌと制御量ＰＶの振幅Ａとを求め、求めたむだ時間Ｌと振幅Ａとを記憶手段１３３に格納する（ステップＳ１０６）。
【００２０】
図４の例では、時刻ｔ３において制御量ＰＶが極大値に達するため、取得手段１３１は、操作量ＭＶがオンからオフに移行した時刻ｔ２から制御量ＰＶが極大値に達した時刻ｔ３までの所要時間をむだ時間Ｌ１として取得し、また時刻ｔ３における制御量ＰＶの振幅Ａ１を取得して、むだ時間Ｌ１と振幅Ａ１とを記憶手段１３３に格納する。
【００２１】
続いて、判定手段１３２は、リミットサイクル終了条件が成立したかどうかを判定する（ステップＳ１０７）。リミットサイクル終了条件は、ステップＳ１０６で取得したむだ時間Ｌと１サイクル前に取得したむだ時間Ｌとが略一致し、かつステップＳ１０６で取得した振幅Ａと１サイクル前に取得した振幅Ａとが略一致したときに成立する。また、リミットサイクル終了条件は、ステップＳ１０４で取得した制御量ＰＶの傾きと１サイクル前に取得した制御量ＰＶの傾きとが略一致したときに成立する。なお、判定手段１３２は、ステップＳ１０６で取得したむだ時間と１サイクル前に取得したむだ時間との差の絶対値が所定の範囲内であるときにむだ時間が略一致したと判定し、ステップＳ１０６で取得した振幅と１サイクル前に取得した振幅との差の絶対値が所定の範囲内であるときに振幅が略一致したと判定し、ステップＳ１０４で取得した制御量ＰＶの傾きと１サイクル前に取得した制御量ＰＶの傾きとの差の絶対値が所定の範囲内であるときに傾きが略一致したと判定する。
【００２２】
時刻ｔ３では制御量ＰＶの傾き、むだ時間Ｌ、振幅Ａのいずれについても１つずつしか取得できていない。つまり、時刻ｔ３の時点では、信頼に足り得るむだ時間Ｌと振幅Ａとが得られたかどうかが定かではない。そこで、判定手段１３２は、ステップＳ１０７においてリミットサイクル終了条件が成立していないと判定し、次のサイクルに移るべくステップＳ１００に戻る。こうして、リミットサイクル終了条件が成立するまでステップＳ１００〜Ｓ１０７の処理が一定の周期毎に繰り返し実行される。
【００２３】
次に、時刻ｔ５において制御量ＰＶが極小値に達するため、取得手段１３１は、操作量ＭＶがＭＶＬからＭＶＨ（オフからオン）に移行した時刻ｔ４から制御量ＰＶが極小値に達した時刻ｔ５までの所要時間をむだ時間Ｌ２として取得し、また時刻ｔ５における制御量ＰＶの振幅Ａ２を取得して、むだ時間Ｌ２と振幅Ａ２とを記憶手段１３３に格納する（ステップＳ１０６）。時刻ｔ５で得られるむだ時間Ｌ２と振幅Ａ２とは一般に安定しているため、リミットサイクルの測定結果として採用することが可能である。時刻ｔ５の時点では、１サイクル前のむだ時間Ｌ及び振幅Ａが取得できておらず、制御量ＰＶの傾きも時刻ｔ２で求めた値だけなので、リミットサイクル終了条件は成立しない。
【００２４】
時刻ｔ６に達すると、操作量ＭＶがオンからオフに移行するため、傾き取得条件が成立する。取得手段１３１は、時刻ｔ６における制御量ＰＶの傾きを求め、求めた傾きの値を記憶手段１３３に格納する（ステップＳ１０４）。判定手段１３２は、時刻ｔ６で取得した制御量ＰＶの傾きと１サイクル前の時刻ｔ２で取得した制御量ＰＶの傾きとを比較して、リミットサイクル終了条件が成立するかどうかを判定するが（ステップＳ１０７）、ここでは仮に傾きが一致しないものとする。
【００２５】
次に、時刻ｔ７において制御量ＰＶが極大値に達するため、取得手段１３１は、操作量ＭＶがオンからオフに移行した時刻ｔ６から制御量ＰＶが極大値に達した時刻ｔ７までの所要時間をむだ時間Ｌ３として取得し、また時刻ｔ７における制御量ＰＶの振幅Ａ３を取得して、むだ時間Ｌ３と振幅Ａ３とを記憶手段１３３に格納する（ステップＳ１０６）。そして、判定手段１３２は、時刻ｔ７で取得したむだ時間Ｌ３と１サイクル前の時刻ｔ３で取得したむだ時間Ｌ１とが略一致し、かつ時刻ｔ７で取得した振幅Ａ３と時刻ｔ３で取得した振幅Ａ１とが略一致した場合、リミットサイクル終了条件が成立したと判定し（ステップＳ１０７においてＹＥＳ）、操作量出力手段１３０とＰＩＤパラメータ算出手段１３４に対してリミットサイクルの終了を指示する。
【００２６】
ＰＩＤパラメータ算出手段１３４は、リミットサイクルが終了した場合、記憶手段１３３に格納されているむだ時間Ｌ１又はＬ３と、むだ時間Ｌ２と、振幅Ａ１又はＡ３と、振幅Ａ２とを用いてＰＩＤパラメータを算出し、このＰＩＤパラメータをパラメータ格納手段１２に格納する（ステップＳ１０８）。ＰＩＤパラメータとしては、ゲインと積分時間と微分時間とがある。以上でオートチューニングが終了する。
ステップＳ１０７においてむだ時間Ｌ１とＬ３とが略一致して振幅Ａ１とＡ３とが略一致した場合には、むだ時間Ｌ１とＬ３のうちどちらかを用いればよく、同様に振幅Ａ１とＡ３のうちどちらかを用いればよい。むだ時間Ｌと振幅ＡからＰＩＤパラメータを算出する方法は、例えば上記の特許文献２に開示されている。
【００２７】
むだ時間Ｌ１とＬ３とが略一致し、かつ振幅Ａ１とＡ３とが略一致するということは、制御応答が安定しているということであり、信頼に足り得る測定結果が得られたということである。つまり、時刻ｔ７以降のリミットサイクルを実行したとしても、同じ結果が得られることになり、これ以上のリミットサイクルを繰り返してもむだな時間を浪費するだけである。そこで、本実施の形態では、時刻ｔ７でリミットサイクル終了条件が成立した時点でリミットサイクルを終了し、それまでのリミットサイクルで得られた測定結果を用いてＰＩＤパラメータを算出することで、オートチューニングに要する時間を短縮することができる。したがって、例えば２．５サイクルや３サイクルのリミットサイクルのサイクル数が予め指定されている場合でも、明らかに再現性の高いむだ時間Ｌと振幅Ａとが得られた時点で、以降のリミットサイクルを省略してオートチューニングを終了することができる。時刻ｔ７でリミットサイクルを終了した場合には、最短で２サイクル弱でオートチューニングを終了できることになる。
【００２８】
また、時刻ｔ６で取得した制御量ＰＶの傾きと１サイクル前の時刻ｔ２で取得した制御量ＰＶの傾きとが略一致した場合には、時刻ｔ７においてむだ時間Ｌ３と振幅Ａ３とを求めるまでリミットサイクルを続けるまでも無く、測定結果が同じになることは明白である。そこで、判定手段１３２は、時刻ｔ６で取得した制御量ＰＶの傾きと時刻ｔ２で取得した制御量ＰＶの傾きとが略一致した場合、リミットサイクル終了条件が成立した判定し（ステップＳ１０７においてＹＥＳ）、操作量出力手段１３０とＰＩＤパラメータ算出手段１３４に対してリミットサイクルの終了を指示する。この場合、ＰＩＤパラメータ算出手段１３４は、むだ時間Ｌ１，Ｌ２と振幅Ａ１，Ａ２とを用いてＰＩＤパラメータを算出することになる。
【００２９】
このように、本実施の形態では、制御量ＰＶの傾きの一致をリミットサイクルの終了条件とすることにより、オートチューニングに要する時間を更に短縮することができる。時刻ｔ６でリミットサイクルを終了した場合には、最短で１．５サイクルでオートチューニングを終了できることになる。実行すべきリミットサイクルのサイクル数として最初から１．５サイクルが指定されている場合とサイクル数は結果的に同じになるが、１．５サイクルでは確実に再現性のある測定結果が得られるとは限らないため、安全のため２．５サイクルもしくは３サイクルを指定するのが一般的である。このような指定を行った場合に、１．５〜２サイクルで安定した測定結果が得られていることが明らかな場合、それ以降のむだなリミットサイクルを繰り返すことなく、最小限のサイクル数でオートチューニングを終了することが可能である。
【００３０】
本実施の形態では、オートチューニングに要する時間を短縮することで調整工数を大幅に減らすことができ、また従来のオートチューニングの時間と同じ時間でＰＩＤパラメータの値を変更した実験回数を増やすことができるため、制御品質の向上を図ることができる。
【００３１】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態においてもＰＩＤ制御装置１の全体構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１の符号を用いて説明する。図５はオートチューニング実行手段１３の構成例を示すブロック図、図６はＰＩＤ制御装置１のオートチューニング実行時の動作を示すフローチャート、図７はオートチューニング実行時にオートチューニング実行手段１３が出力する操作量ＭＶとこの操作量ＭＶに応じた制御量ＰＶの変化の１例を示す波形図である。
本実施の形態のオートチューニング実行手段１３は、第１の実施の形態の構成に対して、制御量ＰＶの振幅を推定する推定手段１３５を追加したものである。
【００３２】
次に、本実施の形態のＰＩＤ制御装置１のオートチューニング実行時の動作を説明する。図６のステップＳ２００〜Ｓ２０６の動作は、それぞれ第１の実施の形態で説明したステップＳ１００〜Ｓ１０６の動作と同じである。
続いて、判定手段１３２は、リミットサイクル終了条件が成立したかどうかを判定する（ステップＳ２０７）。本実施の形態のリミットサイクル終了条件は、リミットサイクルのサイクル数が１．５サイクルに達したときに成立する。したがって、図７の例では時刻ｔ６に達したときにリミットサイクル終了条件が成立する。
【００３３】
推定手段１３５は、リミットサイクル終了条件が成立した場合、時刻ｔ６で取得した制御量ＰＶの傾きと時刻ｔ３で取得したむだ時間Ｌ１とから、時刻ｔ６の後に現れるはずの制御量ＰＶの振幅Ａ３を推定し、推定した振幅Ａ３を記憶手段１３３に格納する（ステップＳ２０８）。
本実施の形態では、時刻ｔ３で取得した制御量ＰＶの振幅Ａ１を、信頼に足り得る値かどうか定かでない値としている。これに対して、時刻ｔ３で取得したむだ時間Ｌ１については、信頼に足り得る値であるとしている。むだ時間Ｌ１が信頼に足り得る値である理由は、オートチューニング開始時に制御量ＰＶが制御可能な範囲内にあれば、制御量ＰＶがどのような過渡状態であってもむだ時間を測定できるからである。
【００３４】
時刻ｔ３でむだ時間Ｌ１を正しく測定することができれば、むだ時間Ｌ１と同様に、操作量ＭＶがオンからオフに移行した時刻ｔ６から制御量ＰＶが極大値に達した時刻ｔ７までの所要時間であるむだ時間Ｌ３は、むだ時間Ｌ１と同じ値となる。したがって、むだ時間Ｌ３や振幅Ａ３を測定しなくても、むだ時間Ｌ１を用いることで制御量ＰＶの振幅Ａ３を高い精度で推定することが可能である。
【００３５】
制御量ＰＶの振幅Ａ３を推定するには、時刻ｔ６で取得した制御量ＰＶの傾きから、図７に示すように時刻ｔ６の時点で制御量ＰＶの波形と接する接線Ｃを計算する。このとき、時刻ｔ６からＬ１時間後には制御量ＰＶの上昇が終わって下降に移行しているはずなので、時刻ｔ６からむだ時間Ｌ１が経過したときの接線Ｃ上の点の高さＨ（設定値ＳＰとの差）を計算すれば、この高さＨよりも小さい値が制御量ＰＶの振幅Ａ３になることが分かる。振幅Ａ３は制御対象の応答特性によっても異なるが、高さＨの８０〜９０％の値となる場合が一般的であり、例えば振幅Ａ３を高さＨの８０％として決めて計算しても、実用的なＰＩＤパラメータを求めるにあたって、この値で問題ないことが経験的に分かっている。こうして、推定手段１３５は、制御量ＰＶの振幅Ａ３を推定することができる。
【００３６】
ＰＩＤパラメータ算出手段１３４は、推定手段１３５による振幅Ａ３の推定後に、記憶手段１３３に格納されているむだ時間Ｌ１，Ｌ２と振幅Ａ２，Ａ３とを用いてＰＩＤパラメータを算出し、このＰＩＤパラメータをパラメータ格納手段１２に格納する（ステップＳ２０９）。
【００３７】
図７に示した波形は実際に制御量ＰＶを測定した結果であるが、高さＨの８０％の値を振幅Ａ３として採用しても、ＰＩＤのパラメータを求めるにあたって実用上の問題が無いことが分かる。図７の例の場合、制御対象の応答特性Ｇ（ｓ）が式（１）の伝達関数式で表されるとすると、制御量ＰＶのレンジ＝０〜６００℃、設定値ＳＰ＝３００℃、制御対象のゲインＧ＝２、制御対象の時定数Ｔ１＝６０秒、Ｔ２＝２秒、むだ時間Ｌ＝３秒の場合、従来のオートチューニング機能でＰＩＤパラメータを求めると、比例帯＝５７．６％、積分時間＝２９秒、微分時間＝７秒となった。
Ｇ（ｓ）＝（Ｇｅ−Ls）／｛（１＋Ｔ１ｓ）（１＋Ｔ２ｓ）｝        ・・・（１）
【００３８】
これに対して、本実施の形態のＰＩＤ制御装置１によりＰＩＤパラメータを求めた場合には、比例帯＝５５．０％、積分時間＝２９秒、微分時間＝７秒となり、ＰＩＤ演算の実用上問題のない値を得ることができた。この程度の誤差の場合、ＰＩＤによる制御結果は実用上の差が無い。
【００３９】
以上のように、本実施の形態では、リミットサイクルを１．５サイクルで自動的に終了し、１．５サイクルより後の時刻ｔ７で現れるはずの制御量ＰＶの振幅Ａ３を推定して、ＰＩＤパラメータを算出するので、オートチューニングに要する時間を更に短縮することができる。実行すべきリミットサイクルのサイクル数として最初から１．５サイクルが指定されている場合とサイクル数は結果的に同じになるが、最初の１サイクル目で取得する制御量ＰＶの振幅Ａ１が信頼に足り得る値かどうか定かではないため、安全のため２．５サイクルもしくは３サイクルを指定するのが一般的である。これに対して、本実施の形態では、信頼に足り得る値と考えられるむだ時間Ｌ１と時刻ｔ６の制御量ＰＶの傾きとを用いて振幅Ａ３を推定するので、振幅Ａ１が信頼に足り得る値か否かに関係なく、最小限のサイクル数でオートチューニングを終了することが可能である。
【００４０】
本実施の形態では、オートチューニングに要する時間を短縮することで調整工数を大幅に減らすことができ、また従来のオートチューニングの時間と同じ時間でＰＩＤパラメータの値を変更した実験回数を増やすことができるため、制御品質の向上を図ることができる。
【００４１】
なお、本実施の形態では、振幅Ａ３を推定する際に高さＨにかける割合を８０％としたが、制御対象の応答特性が極端な場合などに応じて、この割合を８０％から適宜設定変更できるようにしても良い。
また、予め制御量ＰＶの代表的な応答波形を推定手段１３５に登録しておき、推定手段１３５が時刻ｔ６の制御量ＰＶの傾きに当てはまる制御量ＰＶの波形を検索して、検索した波形から制御量ＰＶの振幅Ａ３を推定するようにしてもよい。
また、振幅Ａ３の推定が困難と判断した場合（例えばノイズなどの影響でむだ時間Ｌ１の測定に失敗した場合）、推定をあきらめて振幅Ａ３の実測を行ってもよい。
【００４２】
また、第１、第２の実施の形態において、オートチューニングの進捗状況を表示し、さらにＰＩＤパラメータが算出できた時点で、ＰＩＤパラメータが決定した旨を知らせる表示を行うようにしてもよい。
なお、第１、第２の実施の形態では、オートチューニングの開始時の操作量ＭＶがＭＶＨ（オン）から始まっているが、制御量ＰＶと設定値ＳＰとの関係によってはＭＶＬ（オフ）から始まることは言うまでもない。
【００４３】
第１、第２の実施の形態で説明したＰＩＤ制御装置は、ＣＰＵ、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施の形態で説明した処理を実行する。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、オートチューニング機能を備えたＰＩＤ制御装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＰＩＤ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１のＰＩＤ制御装置のオートチューニング実行手段の構成例を示すブロック図である。
【図３】図１のＰＩＤ制御装置のオートチューニング実行時の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施の形態においてオートチューニング実行時にオートチューニング実行手段が出力する操作量とこの操作量に応じた制御量の変化の１例を示す波形図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るＰＩＤ制御装置のオートチューニング実行手段の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るＰＩＤ制御装置のオートチューニング実行時の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第２の実施の形態においてオートチューニング実行時にオートチューニング実行手段が出力する操作量とこの操作量に応じた制御量の変化の１例を示す波形図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…ＰＩＤ制御装置、２…加熱炉、１０…減算手段、１１…ＰＩＤ演算手段、１２…パラメータ格納手段、１３…オートチューニング実行手段、１４…切替器、１５…操作量変換手段、１６…設定値格納手段、１３０…操作量出力手段、１３１…取得手段、１３２…判定手段、１３３…記憶手段、１３４…ＰＩＤパラメータ算出手段、１３５…推定手段。
【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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