(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号と帰還信号との差である偏差を算出する手段と、前記偏差に積分時定数の逆数を乗じて積分動作をさせる積分手段と、を備えたコントローラにおいて、
前記偏差の絶対値を算出して出力する手段と、
前記絶対値に比例定数を乗じて出力する手段と、
前記絶対値に比例定数を乗じた値に１を加算する手段と、
前記絶対値に比例定数を乗じて１を加算した値の逆数を算出して出力する手段と、
前記偏差に前記逆数を乗じて出力する手段と、を備え、
前記積分手段が、前記偏差に前記逆数を乗じた値と予め設定された初期積分定数とに基づいて前記積分時定数を算出することを特徴とするコントローラ。
【請求項２】
入力信号と帰還信号との差である偏差を算出する手段と、前記偏差に積分時定数の逆数を乗じて積分動作をさせる積分手段と、を備えたコントローラの積分処理方法において、
前記偏差の絶対値を算出する、偏差絶対値処理をし、
前記偏差絶対値処理の出力に比例定数を乗じ、更に１を加算する、乗加算処理をし、
前記乗加算処理の出力の逆数を算出する、逆数処理をし、
前記逆数処理の出力に前記偏差を乗じる、乗算処理をし、
前記乗算処理の出力と予め設定された初期積分定数に基づいて前記積分時定数を演算し、積分処理をすることを特徴とするコントローラの積分処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学プラントや鉄鋼プラント等における温度、流量又は圧力等の物理量の制御あるいは産業用ロボット、工作機械又は情報処理関連機器等における位置決め又は速度制御等に用いられるＰＩＤコントローラの改良に関するものであって、その積分定数を指令値と制御量の偏差の大きさにより変化させる機能を備えてなるＰＩＤコントローラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＰＩＤコントローラの積分動作による制御は、比例動作では解消することのできない定常状態での偏差を改善するのに有効であるが、一方で、例えばステップ状指令信号等の急激な指令信号の変化に対し、積分定数の値いかんによって、オーバシュート、アンダーシュートあるいはワインドアップ等の好ましくない現象を引き起こし、制御特性を悪化させる要因ともなっていた。
【０００３】
また、積分動作により操作量が飽和に達した場合にも、同じように制御特性に問題を生じていた。
【０００４】
そこで、従来はこれに対処するため、応答性を犠牲にしてもコントローラの積分定数を大きく設定したり、操作量が飽和した場合には、積分動作を一時的に中止し、飽和の状態が解消した段階で、積分動作を再び開始するなどの手法が採用されていた。
【０００５】
また、特開平９−２８２００５号公報記載の発明においては、図３に示すように、積分動作に係る定数を一定のものとはせず、偏差の値によっては定数を変更したり、偏差の値にある閾値を設け、実際の偏差がその閾値を超えると、積分動作に係る定数を段階的に変化させるなどの手法も採用されていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの手法では、短時間に偏差を減少させることができなかったり、積分動作に係る定数を変更するにせよ、その定数をどのように変更すれば良いのか、具体的に示されていないなどの問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、ＰＩコントローラ、ＰＩＤコントローラ又はこれらと等価なコントローラにおいて、その積分定数ＴＩを、偏差の絶対値｜ｅ｜の関数として、偏差が大きい時は大きく、逆に偏差が小さい時は小さく、しかも滑らかに且つ連続的に変化させることができ、従来のように積分定数を大きく設定する必要がなく、高速で精密な応答が可能なコントローラを実現することにある。
【０００８】
【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記載の発明は、入力信号と帰還信号との差である偏差を算出する手段と、前記偏差に積分時定数の逆数を乗じて積分動作をさせる積分手段と、を備えたコントローラにおいて、前記偏差の絶対値を算出して出力する手段と、前記絶対値に比例定数を乗じて出力する手段と、前記絶対値に比例定数を乗じた値に１を加算する手段と、前記絶対値に比例定数を乗じて１を加算した値の逆数を算出して出力する手段と、前記偏差に前記逆数を乗じて出力する手段と、を備え、前記積分手段が、前記偏差に前記逆数を乗じた値と予め設定された初期積分定数とに基づいて前記積分時定数を算出するものである。
請求項２記載の発明は、入力信号と帰還信号との差である偏差を算出する手段と、前記偏差に積分時定数の逆数を乗じて積分動作をさせる積分手段と、を備えたコントローラの積分処理方法において、前記偏差の絶対値を算出する、偏差絶対値処理をし、前記偏差絶対値処理の出力に比例定数を乗じ、更に１を加算する、乗加算処理をし、前記乗加算処理の出力の逆数を算出する、逆数処理をし、前記逆数処理の出力に前記偏差を乗じる、乗算処理をし、前記乗算処理の出力と予め設定された初期積分定数に基づいて前記積分時定数を演算し、積分処理をするのである。
【０００９】
具体的には、積分定数に対応する値ＴＩ（積分時定数）は、以下のように偏差の絶対値｜ｅ｜の関数として調整するのである。
ＴＩ ＝ＴＩ ０ （ＫＩ ｜ｅ｜＋１）
ただし、ＴＩ ０ は、初期設定積分定数であって、制御対象の最大時定数ＴＬ Ｍ より小さい値とする（すなわち、ＴＩ ０ ＜ＴＬ Ｍ ）。ＫＩ は、比例ゲイン。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、第１図ないし第２図に例示するところに従い、本発明に係る好適な実施の態様を説明する。
【００１１】
図１は、従来のＰＩＤコントローラの制御系に、積分定数を偏差の関数として単調に変化させる演算機能を追加した制御系のブロック図である。
【００１２】
偏差は、指令値ｒと制御量ｘの差として与えられるが、この実施例では、この偏差が絶対値演算を行うブロック１に入力され、偏差の絶対値｜ｅ｜が出力される。
【００１３】
そして、この出力信号は、ＫＩ倍の乗算演算を行うブロック２に入力され、さらに、１を加算する処理が行われた後、ブロック３において１／（ＫＩ｜ｅ｜＋１）の演算が行われる。
【００１４】
この出力信号は、乗算演算を行うブロック４に入力され、偏差ｅとの積が求められた後、初期設定の積分定数であるＴＩ０とともに積分器としてのブロック５に入力され、（１／（ＴＩ０（ＫＩ｜ｅ｜＋１）））∫ｅｄｔの演算が行われる。
【００１５】
そして、最終的には、操作量ｕが、ブロック５、ブロック６及びブロック７の各出力を加算した後、ＫＰ倍することにより求められる。
【００１６】
すなわち、この実施例では、従来のＰＩＤコントローラを基本構成とし、その従来のＰＩＤコントローラの内の積分動作だけを、単調に変化する偏差の関数で積分演算する値に置き換え、操作量ｕを
ＫＰ（ｅ＋（１／（ＴＩ０（ＫＩ｜ｅ｜＋１）））∫ｅｄｔ＋ＫＤｄｅ／ｄｔ）として演算するものである。
【００１７】
なお、上述の実施例における演算は、すべてマイクロプロセッサで実行することができる。
【００１８】
次に、上述の実施例において、積分定数を偏差の関数として単調に変化させるようにした理由を、以下に説明する。
【００１９】
従来のＰＩＤコントローラでは、前述のように、ＰＩＤ演算のゲインＫＰ、ＫＩ、ＫＤを一定とするか、あるいは積分動作に係る定数を段階的に切り替える手法が用いられてきた。
【００２０】
しかし、ゲインが一定の手法では、積分動作により却ってオーバーシュート等の問題を引き起こすことから、コントローラの積分定数を大きく設定するのが一般的であって、高速応答と小偏差の要求される制御仕様を満足させることはできなかった。
【００２１】
また、積分動作に係る定数を切り替える手法では、切り替え時点を予め決定しておかなければならないうえ、積分動作に係る定数の切り替えに起因する操作量の急変により、制御対象に振動や急激なショックを発生させる怖れがあった。
【００２２】
これに対し、上記実施例では、上述のように積分定数をＴＩ０（ＫＩ｜ｅ｜＋１）とすることにより、同積分定数を偏差が大きい時は大きく、逆に偏差が小さい時は小さく、しかも滑らかに且つ連続的に変化させることができる。
【００２３】
したがって、従来のように積分定数を大きく設定する必要はなく、従来の数分の１程度に設定することが可能となり、高速で精密な応答が可能なＰＩＤコントローラを実現することができる。
【００２４】
図２は、積分定数ＴＩを一定値５０×１０−６とした従来のＰＩＤコントローラと、ＫＰを１００、ＴＩ０を１０×１０−６、ＫＩを５０、ＫＤを０とした上記実施例のものとの応答と操作量を比較した結果である。
【００２５】
上記実施例の場合、図から明らかなように、従来のＰＩＤコントローラのようなオーバーシュートやアンダーシュート等の問題はなく、整定時間が大幅に改善されているのを確認することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ＰＩコントローラ、ＰＩＤコントローラ又はこれらと等価なコントローラにおいて、その積分定数ＴＩを、偏差の絶対値｜ｅ｜の関数として、偏差が大きい時は大きく、逆に偏差が小さい時は小さく、しかも滑らかに且つ連続的に変化させることができ、従来のように積分定数を大きく設定する必要がなく、高速で精密な応答が可能なコントローラを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の方法を実施するＰＩＤコントローラの構成を示すブロック図
【図２】  本発明の方法と従来の方法を比較したステップ応答
【図３】  従来の積分ゲインを変化させる位置制御ルーチンのフローチャート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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