(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスの設定値線とプロセス制御値曲線、プロセスを制御する制御出力曲線とを重畳表示するとともに、前記プロセスのチューニング後のプロセス制御値曲線の立上がりを設定値到達時間を表示し設定する設定直線、オーバーシュート量を上限値直線、下限値直線を表示し設定する設定直線及び制御安定時間を指定量以内の振動幅となる時間を表示し設定する設定直線をそれぞれ重畳表示し、これら各設定直線の位置をオペレータの操作により移動設定することが可能な表示・設定手段を用い、この表示・設定手段により移動設定された前記各設定直線の位置を検出して、この位置に対応するＰ、Ｉ、Ｄの各パラメータをパラメータ決定手段で決定し、このパラメータ決定手段により決定されたＰ、Ｉ、Ｄの各パラメータによりＰＩＤ制御を行うことを特徴とするＰＩＤチューニング方法。
【請求項２】
プロセスの設定直線とプロセス制御値曲線、プロセスを制御する制御出力曲線とを重畳表示するとともに、前記プロセスのチューニング後のプロセス制御値曲線の立上がりを設定値到達時間を表示し設定する設定直線、オーバーシュート量を上限値直線、下限値直線を表示し設定する設定直線及び制御安定時間を指定量以内の振動幅となる時間を表示し設定する設定直線をそれぞれ重畳表示し、これら各設定直線の位置をオペレータにより変更し得るように構成された表示・設定部と、この表示・設定部の前記各設定直線の位置を検出して、この位置に対応するＰ、Ｉ、Ｄの各パラメータを決定するパラメータ決定部と、このパラメータ決定部により決定されたＰ、Ｉ、Ｄの各パラメータが供給されるＰＩＤ制御演算部とを備えたことを特徴とするＰＩＤチューニング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動制御システムにおけるＰＩＤ制御方法に関し、特にＰＩＤの各パラメータを制御対象に応じて最適にチューニングする方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＰＩＤ制御におけるチューングは、Ｐ（比例項）、Ｉ（積分項）およびＤ（微分項）のそれぞれのパラメータを個別または組み合わせで設定し、その応答を見て制御システムの追い込みを行っている。これらのパラメータの持つ意味は、単なる数学的なものでしかなく、実プラントには全く関係していない。従って、チュ−ニングに際しては、Ｐ、Ｉ、Ｄの各パラメータの「どれ」を「どのくらい」に設定すれば良いかは感覚的にわからず、チュ−ニングをする人の経験だけに頼っているのが現状である。
【０００３】
制御性の応答を監視する手段としては、ディジタル・コントロール・システム（ＤＣＳ）メーカそれぞれかいろいろな工夫をしている。例えば、設定値（ＳＶ）／プロセス値（ＰＶ）／制御出力（ＭＶ）のバーグラフ表示やＳＶ／ＰＶ／ＭＶのトレンド表示などが一般的なチュ−ニング画面の構成要素である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
自動制御システムにおける制御のチュ−ニングとは、そのシステムに含まれるループの制御性を高めるために行うものであり、その本来の目的はＳＶに対するＰＶの応答性／追従性の良さと、外乱に対するＰＶの乱れ抑制にある。しかしながら、従来の自動制御システムにおけるチュ−ニング画面では、これらの応答性／追従性や外乱抑制については、トレンド画面などで監視が可能であるが、これらの画面が制御パラメータであるＰ、Ｉ、Ｄのそれぞれにどのように関連しているかはオペレータにとっては、感覚的には全く分からない。従って、チュ−ニングに慣れていないオペレータにとっては、どのような時にどのパラメータをどのくらい変更すればいいのか判断することは極めて困難であった。
【０００５】
したがって本発明の目的は、上記した課題を解決することにあり、具体的にはＰ、Ｉ、Ｄの各パラメータのチュ−ニングをオペレータの経験だけに頼らず、感覚的・直感的に設定変更できるようなチュ−ニング方法および装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のＰＩＤチューニング方法は、プロセスの設定値線とプロセス制御値曲線、プロセスを制御する制御出力曲線とを重畳表示するとともに、前記プロセスのチューニング後のプロセス制御値曲線の立上がりを設定値到達時間を表示し設定する設定直線、オーバーシュート量を上限値直線、下限値直線を表示し設定する設定直線及び制御安定時間を指定量以内の振動幅となる時間を表示し設定する設定直線をそれぞれ重畳表示し、これら各設定直線の位置をオペレータの操作により移動設定することが可能な表示・設定手段を用い、この表示・設定手段により移動設定された前記各設定直線の位置を検出して、この位置に対応するＰ、Ｉ、Ｄの各パラメータをパラメータ決定手段で決定し、このパラメータ決定手段により決定されたＰ、Ｉ、Ｄの各パラメータによりＰＩＤ制御を行うことを特徴とする方法である。
【０００８】
また、プロセスの設定値線とプロセス制御値曲線、プロセスを制御する制御出力曲線とを重畳表示するとともに、前記プロセスのチューニング後のプロセス制御値曲線の立上がりを設定値到達時間を表示し設定する設定直線、オーバーシュート量を上限値直線、下限値直線を表示し設定する設定直線及び制御安定時間を指定量以内の振動幅となる時間を表示し設定する設定直線をそれぞれ重畳表示し、これら各設定直線の位置をオペレータにより変更し得るように構成された表示・設定部と、この表示・設定部の前記各設定直線の位置を検出して、この位置に対応するＰ、Ｉ、Ｄの各パラメータを決定するパラメータ決定部と、このパラメータ決定部により決定されたＰ、Ｉ、Ｄの各パラメータが供給されるＰＩＤ制御演算部とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は本発明のＰＩＤチューニング方法に使用する装置構成を示すブロック図で、表示・設定部１１、パラメータ決定部１２およびＰＩＤ制御演算部１３から構成されている。表示・設定部１１はチュ−ニングをしようとするオペレータに対するいわゆるマンマシンインターフェース（ＭＭＩ）部であり、制御の応答性、追従性や外乱に対する応答特性の変動状況などを表示する機能を持つ。パラメータ決定部１２は表示・設定部１１で設定された情報をＰＩＤ制御演算部１３に伝える機能を持っている。ＰＩＤ制御演算部１３は、制御対象プロセス１４を制御するためのループ内に設けられ、入力として設定値ＳＶとプロセス値ＰＶとの差分が与えられ、これから従来公知の制御演算部と同じＰＩＤアルゴリズム機能によりＰ、Ｉ、Ｄの各パラメータを演算し、その結果を制御出力ＭＶとして制御対象プロセス１４に供給する。制御対象プロセス１４からはプロセス値ＰＶが出力され、前述のようにＰＩＤ制御演算部１３の入力側にフィードバックされる。
【００１２】
図２は図１に示した表示・設定部１１における画面を示している。Ｔ−Ｙ座標上に描かれた曲線ＰＶは、直線ＳＶで表わされる設定値に対するプロセス値を表わしている。すなわち、直線ＳＶは時間軸Ｔ上の点Ｔ１でＹ軸上の値が０からＹ１に立ち上がるステップ入力情報を示しており、曲線ＰＶはこのステップ入力情報に対する自動制御システムのステップ応答特性を表わしている。また、曲線ＭＶは上記ステップ入力情報に対する自動制御システムの制御出力（ＭＶ）を示している。これらの直線および曲線は、ＳＶ／ＰＶ／ＭＶそれぞれのリアルタイムなトレンドを表示している。
【００１３】
表示・設定部１１における画面には、さらに、これらの直線および曲線に重畳して破線で示す直線Ａ、Ｂ、Ｃが表示されている。本発明の特長は、これらの破線で囲まれた曲線ＰＶ部分にある。すなわち、ステップ応答を示すプロセス値曲線ＰＶに関しては、制御応答性を示す本来のパラメータは、（Ａ）ＰＶの立ち上がり時間、（Ｂ）オーバーシュート量、（Ｃ）制御安定時間などである。図２における曲線ＰＶに重畳表示された破線Ａ、Ｂ、Ｃはこれらのパラメータを視覚的に表わしている。すなわち、垂直な破線Ａは設定値ＳＶが値０からＹ１に変更されてから、プロセス値ＰＶが設定値ＳＶのＸ％に到達するまでの時間（Ｔ２−Ｔ１）である、プロセス値ＰＶの立ち上がり時間を表わしている。また、プロセス値ＰＶ曲線の上下に配置された水平な破線Ｂは、ＰＶの応答がＳＶを越えてしまう量である、オーバーシュート量を表わしている。さらに、破線Ｃは、プロセス値曲線ＰＶの振動幅が指定量以内になるまでの時間である、制御安定時間を表わしている。
【００１４】
次に、表示・設定部１１は、その画面上で、これらの破線Ａ、Ｂ、Ｃをオペレータの操作により、それらの位置を自由に移動することができるように構成されている。例えば、破線Ａを時間軸Ｔ上で左右に移動することができる。この破線Ａの移動は、後述するように、ＰＶの立ち上がり時間を変化するように作用する。また、破線Ｂの位置を上下に移動して、上下の破線の間隔を変化させることができるが、これはＰＶのオーバーシュート量を変化するように作用する。さらに、破線Ｃの位置を時間軸Ｔに沿って左右に移動することができるが、これはＰＶの制御安定時間を伸縮するように作用する。
【００１５】
パラメータ決定部１２は、表示・設定部１１の画面上での破線Ａ、Ｂ、Ｃの移動を検出し、それぞれの破線の移動に対応したＰ、Ｉ、Ｄパラメータ値を決定する。すなわち、例えば破線Ａの位置を画面上で左側に移動した場合、パラメータ決定部１２は、ＰＶ曲線が破線Ａの位置に対応した、より短い立ち上がり時間を有するようにＰ、Ｉ、Ｄパラメータ値を決定する。また、破線Ｂの位置を上下に移動して、破線の間隔を狭くすると、パラメータ決定部１２は、ＰＶ曲線が、より小さなオーバーシュート量を有するようにＰ、Ｉ、Ｄパラメータ値を決定する。さらに、破線Ｃの位置を例えば画面上で右方向に移動すると、パラメータ決定部１２は、ＰＶ曲線が、より長い制御安定時間を有するようにＰ、Ｉ、Ｄパラメータ値を決定する。
【００１６】
このようにしてパラメータ決定部１２により決定されたＰ、Ｉ、Ｄパラメータ値は図１のＰＩＤ制御演算部１３に供給され、自動制御システムのＰ、Ｉ、Ｄチューニングが行われる。この結果、ＰＶ曲線はオペレータによる破線Ａ、Ｂ、Ｃの移動に対応してその形状が変化し、変化したＰＶ曲線が表示・設定部１１の画面上に表示される。
【００１７】
図３は、例えば制御対象の関数として
Ｆ（ｓ）＝２．９ｅ−0.2S／（１＋０．２１９ｓ）2 
のような関数を用いるものとし、立ち上がり時間を変化した場合のＰＶ曲線がどのように変化するかを示すグラフである。(1) 〜(10)の各曲線に対する立上がり時間σ、Ｐ、Ｉ、Ｄパラメータ値Ｋｐ、ＴI 、ＴD は北森法を用いて計算すると下表のようになる。
【００１８】
0003905949.tif 000002
したがって、画面上で破線Ａ左右に移動することにより、σの値が変化し、これに対応してＰ、Ｉ、Ｄパラメータ値Ｋｐ、ＴI 、ＴD が上記の表のように変化し、これらの値は図１のＰＩＤ制御演算部１３に供給され、自動制御システムのＰ、Ｉ、Ｄチューニングが行われる。この結果、プロセス値曲線ＰＶの形状を(1) 〜(10)のように所望の形状に変化させることができる。
【００１９】
上記の説明は破線Ａを移動した場合についての説明であるが、破線Ｂ、Ｃを移動した場合も同様にプロセス値曲線ＰＶの形状を変化できる。したがって、オペレータは表示・設定部１１の画面上で破線Ａ、Ｂ、Ｃを移動することにより、プロセス値曲線ＰＶの形状を所望の形状に変化することができ、これによって、Ｐ、Ｉ、Ｄの各パラメータのチュ−ニングをオペレータが画面上のプロセス値曲線ＰＶの形状を見ながら、感覚的・直感的に設定変更できる。
【００２０】
以上の説明は「ＳＶのステップ応答」に関してであるが、制御性を判断する場合はもうーつの応答である、「外乱に対するＰＶ乱れ抑制」も重要である。図４は、図２と同様に、表示・設定部１１の画面表示を示す図で、横軸は時間軸Ｔで縦軸はプロセス値曲線ＰＶの振幅を示している。プロセス値曲線ＰＶは時刻Ｔ１において外乱が与えられたことにより、設定値ＳＶの上下に振動を繰り返しながら、その振幅が徐々に減衰していく。図２と同様に、このプロセス値曲線ＰＶに重畳して破線Ａ、Ｂ、Ｃが表示されている。破線Ａはその位置を左右に移動することにより、外乱が与えられるタイミングを決定し、２本の破線Ｂは上下に移動することにより、外乱に対して許容し得るＰＶの揺れ、すなわち、変動幅を決定し、破線Ｃは、その位置を左右に移動することにより、プロセス値ＰＶの変動幅が指定された値以内になるまでの時間Ｔ３−Ｔ１である、抑制時間を決定する。
これらの破線Ａ、Ｂ、Ｃ位置のオペレータによる調整により、プロセス値ＰＶ曲線の許容される変動幅あるいは抑制時間が所望の値に設定され、この結果は、前述と同様に、図１のパラメータ決定部１２によりＰ、Ｉ、Ｄパラメータ値Ｋｐ、ＴI 、ＴD に変換される。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、チュ−ニングに際しては、Ｐ、Ｉ、Ｄのパラメータ自体の調整では無く、表示・設定部の画面上においてプロセス値ＰＶ曲線により表わされるステップ応答における立上がり時間、オーバーシュート量、制御安定時間、外乱に対する変動幅、抑制時間などの期待値を直接設定できるようになる。したがって、オペレータは、画面上に表示されたプロセス値ＰＶ曲線を見ながら、実際の制御対象プロセスの動きに対応した制御量によりチュ−ニングを行うことができるため、チュ−ニング操作がより的確で、容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すＰＩＤ自動制御装置のブロック図である。
【図２】図１に示すＰＩＤ自動制御装置の表示・設定部における画面表示を示す図である。
【図３】図１に示すＰＩＤ自動制御装置のパラメータ決定部における動作を説明するための表示・設定部画面を示す図である。
【図４】本発明の他の実施形態を示すＰＩＤ自動制御装置の表示・設定部における画面表示を示す図である。
【符号の説明】
１１…表示・設定部
１２…パラメータ決定部
１３…ＰＩＤ制御演算部
１４…制御対象プロセス
【図１】
0003905949.tif 000003
【図２】
0003905949.tif 000004
【図３】
0003905949.tif 000005
【図４】
0003905949.tif 000006