(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象からの制御量を入力し、目標値設定手段の目標値と制御量とを比較して制御偏差を形成し、この制御偏差に比例ゲインを乗算する比例回路と、この比例回路の制御信号にマニュアルリセット量を付加して操作量MVを構成するマニュアルリセット回路と、を備える比例動作調節計において、
調節計が比例動作運転しているとき、マニュアルリセット量を自動的に修正して制御偏差をゼロ方向に補正する自動MV補正手段と、を備え、
自動MV補正手段は、調節計が比例動作として運転しているとき, 制御が第１定常状態に入りオフセット量が予め定められた値以上にあることを検出する第１検出手段と、この第１検出手段によって起動し制御信号を入力して予め設定された積分時間で積分動作をする積分回路と、制御動作を比例＋積分動作に切り換えて制御対象を制御しこの制御が第２定常状態に入りオフセット量がゼロに修正されたことを検出する第２検出手段と、を備え、この第２検出手段によってマニュアルリセット回路のマニュアルリセット量を第２定常状態の操作量と第１定常状態の操作量との差分だけ補正し、積分回路をリセットする、
ことを特徴とする比例動作調節計。
【請求項２】
請求項１に記載の比例動作調節計において、
自動MV補正手段は、マニュアルリセット回路に代わってアップダウンカウンタと、積分回路に代わって積分時間を制御偏差に比例ゲインを乗算した制御信号で除算した時間に比例する間隔でパルス信号を出力するパルス発信回路と、このパルス信号を制御するゲート回路と、を備え、
第１検出手段によって制御が第１定常状態に入りオフセット量が予め定められた値以上にあるとき、パルス発信回路の出力をアップダウンカウンタに入力して調節計の動作モードを比例＋積分動作にし、第２検出手段によって制御が第２定常状態に入ったとき、パルス発信回路の出力がアップダウンカウンタへの入力を停止して調節計の動作モードを比例動作にする、
ことを特徴とする比例動作調節計。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の比例動作調節計において、
自動MV補正手段の動作を起動させない選択手段を備える、
ことを特徴とする比例動作調節計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はオフセット量を自動的に補正する手段を備える比例動作調節計に関わり、特に、比例動作温度調節計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、制御対象の操作量を連続的に制御する調節計として、比例動作調節計（Ｐ動作調節計),比例＋積分動作調節計（ＰＩ動作調節計),比例＋積分＋微分動作調節計（ＰＩＤ動作調節計) などが一般的に使用されている。
Ｐ動作調節計は、オフセット量が一般的には発生するので、オペレータが手動でマニュアルリセット量を操作・設定していた。特に、制御する目標値の設定変更や制御対象のプロセス特性が変化したときなどでは、オフセット量が発生するので、その都度マニュアルリセット量を操作している。
【０００３】
この様な理由から、プロセス制御用調節計は、ＰＩ動作調節計あるいはＰＩＤ動作調節計などの積分動作を有する調節計が一般的に使用され、Ｐ動作調節計は、無駄時間が極度に大きいとか、非線形要素が強いなどの理由で制御系の安定が取り難いなどの場合に比較的限定的に用いられていた。
しかし、積分動作を有するＰＩ、ＰＩＤ調節計は、制御系の安定を計るためには、例えば、限界感度法などＰＩＤパラメータを制御対象の特性に合わせる調整が必要であり、このための多少の専門知識を必要としている。これらの調整は、一般的にはプラントの立ち上げ時に行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、炉の温度制御などでは、制御対象の熱時定数が大きいので、高比例ゲインで制御の安定化を図ることができ、Ｐ動作調節計として使用しても、発生する最大オフセット量は比例ゲイン分の１（即ち、比例帯）以下に納まる。この様な観点と、安価に、簡便に制御系が構成できると言う点からＰ動作調節計が比較的重宝されてきた。そして、発生するオフセット量は必要によってオペレータによるマニュアルリセット量の調整で修正されてきた。
【０００５】
また、積分動作を有するＰＩ、ＰＩＤ調節計を用いた顧客からも、特に、バッチプロセスなど、炉の温度制御の起動・停止を行ったとき、積分動作によるリセットワインドアップ現象によるオーバーシュート発生（図４、操作量MVの飽和現象により、制御の起動時に目標値SVよりΔX だけ制御量PVがオーバーシュートする現象）の問題、あるいは、制御動作の動きが直観的でないので、専門知識を必要としないＰ動作調節計でマニュアルリセット量の調整を必要としないＰ動作調節計の開発の要望がある。
【０００６】
本発明は上記の点にかんがみてなされたものであり、その目的は前記した課題を解決して、マニュアルリセット量の調整を一定の条件下で自動的に処理する比例動作調節計を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明によれば、比例動作調節計は、制御対象から制御量を入力し、目標値設定手段の目標値と制御量とを比較して制御偏差を形成し、この制御偏差に比例ゲインを乗算する比例回路と、この比例回路の制御信号にマニュアルリセット量を付加して操作量MVを構成するマニュアルリセット回路と、調節計が比例動作運転しているとき、マニュアルリセット量を自動的に修正して制御偏差をゼロ方向に補正する自動MV補正手段と、を備えて構成される。
【０００８】
この自動MV補正手段は、調節計が比例動作として運転しているとき, 制御が第１定常状態に入りオフセット量が予め定められた値以上にあることを検出する第１検出手段と、この第１検出手段によって起動し制御信号を入力して予め設定された積分時間で積分動作をする積分回路と、制御動作を比例＋積分動作に切り換えて制御対象を制御しこの制御が第２定常状態に入りオフセット量がゼロに修正されたことを検出する第２検出手段と、を備えて構成するものとする。
【０００９】
かかる構成により、この第２検出手段によってマニュアルリセット回路のマニュアルリセット量を第２定常状態の操作量と第１定常状態の操作量との差分だけ補正し、積分回路をリセットすることができる。この結果、新たに設定されたマニュアルリセット量は、この目標値で制御対象を運転するとき、制御対象に新たな擾乱が発生しない限りオフセット量がゼロに近い状態で制御を継続することができる。特に、制御がバッチプロセスなどにおいては、オフセット量の発生のない良好な制御を繰り返し行うことができる。
【００１０】
また、自動MV補正手段は、マニュアルリセット回路に代わってアップダウンカウンタと、積分回路に代わって積分時間を制御偏差に比例ゲインを乗算した制御信号で除算した時間に比例する間隔でパルス信号を出力するパルス発信回路と、このパルス信号を制御するゲート回路と、を備えて構成することができる。
かかる構成により、第１検出手段によって制御が第１定常状態に入りオフセット量が予め定められた値以上にあるとき、パルス発信回路の出力をアップダウンカウンタに入力して調節計の動作モードを比例＋積分動作にし、第２検出手段によって制御が第２定常状態に入ったとき、パルス発信回路の出力がアップダウンカウンタへの入力を停止して調節計の動作モードを比例動作にすることができる。この構成においては、調節計の動作モードが比例動作から比例＋積分動作に変わり、さらに比例動作に戻るとき、操作量に切り替わり時の衝撃を与えることなく切り替えることができる。
【００１１】
また、自動MV補正手段の動作を起動させない選択手段を備えることができる。
かかる構成により、選択手段によって自動MV補正手段を自動的に起動さるモードを選択したときは、第１検出手段によって制御が第１定常状態に入りオフセット量が予め定められた値以上にあるとき、このオフセット量を自動的に修正するマニュアルリセット量の補正動作を行うことができる。この修正動作は、目標値変更以外に、制御対象の例えば負荷変動などの定常的な擾乱に対しても有効に動作することができる。
また、選択手段によって自動MV補正手段を停止状態を選んだときは、自動MV補正手段が自動的に起動することを中止させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例による比例動作調節計のブロック回路図、図２は動作原理を説明する説明図、図３は他の実施例による比例動作調節計のブロック回路図である。
図１において、本発明による比例動作調節計１は、図示省略された制御対象から制御量PVを入力し、目標値設定手段11の目標値SVと制御量PVとを比較して制御偏差XWを形成し、この制御偏差XWに比例ゲインKpを乗算する比例回路12と、この比例回路12の制御信号KpXWにマニュアルリセット量BAL を付加して操作量MVを構成するマニュアルリセット回路26と、調節計１を比例動作運転しているとき、マニュアルリセット量BAL を自動的に修正して制御偏差XWをゼロ方向に補正する自動MV補正手段２と、を備えて構成される。
【００１３】
この自動MV補正手段２は、調節計１が比例動作として運転しているとき, 制御が第１定常状態22a に入りオフセット量が予め定められた値以上にあることを検出22b する第１検出手段22と、この第１検出手段22によって起動し制御信号KpXWを入力して予め定められた積分時間Tiで積分動作をする積分回路24と、制御動作を比例＋積分動作に切り換えて制御対象を制御しこの制御が第２定常状態23a に入りオフセット量がゼロに修正されたことを検出する第２検出手段23と、を備えて構成することができる。
【００１４】
かかる構成により、この第２検出手段23によってマニュアルリセット回路26の新マニュアルリセット量BAL2を第２定常状態23a の操作量MV2 と第１定常状態の操作量MV1 との差分(MV2−MV1)だけ旧マニュアルリセット量BAL1に補正し、積分回路24の積分値をゼロにリセットする。この結果、新たに設定されたマニュアルリセット量BAL2は、この目標値SVで制御対象を運転するとき、制御対象に新たな擾乱が発生しない限りオフセット量がゼロに近い状態で制御を継続することができる。特に、制御がバッチプロセスなどにおいては、オフセット量の発生のない良好な制御を繰り返し行うことができる。
【００１５】
【実施例】
（実施例１）
図１および図２を併用して本発明の比例動作調節計の詳細を追加説明する。
本発明による調節計は、基本的にはＰＩ動作で制御を行うＰＩ動作調節部を備え、常時はＰ動作で制御を行い、第１検出手段で定常的にオフセット量が規定値以上発生いているとき、ＰＩ動作に切り換えて制御してオフセット量をゼロに修正し、マニュアルリセット回路26を新マニュアルリセット量BAL2に補正して積分動作を停止し、Ｐ動作制御に戻すものである。
【００１６】
図１はかかる構成の一実施例を示すものである。図１において、Ｐ動作調節部は、制御対象から制御量PVを入力し、目標値設定手段11（例えば、ディジタル調節計ではキーボードによる数値設定あるいは押しボタンとカウンタによる設定と表示装置による表示）の目標値SVと制御量PVとを比較して制御偏差XWを形成し、この制御偏差XWに比例ゲインKpを乗算する比例回路12と、この比例回路12の制御信号KpXWにマニュアルリセット量BAL を付加して操作量MVを構成するマニュアルリセット回路26と、を備えて構成される。
【００１７】
また、ＰＩ動作調節部は、上述のＰ動作調節部に、第１検出手段22が作動したことによって切換制御回路25を切り換え、制御信号KpXWを入力して予め設定された積分時間Tiで積分動作をする積分回路24を備え、この積分回路24の出力24a を加算点14で制御信号KpXWと加算してＰＩ動作回路を構成し、さらにマニュアルリセット量BAL を付加して操作量MVが構成される。
【００１８】
自動MV補正手段２は、目標値SVと、制御量PVあるいは制御偏差XWと、を監視し、制御系の応答時間を検出する応答時間検出部21と、調節計１が比例動作運転しているとき, 制御系が第１の定常状態(22a) に入りオフセット量が予め定められた値以上にあることを検出(22b) する第１検出手段22と、制御動作をＰＩ動作に切り換えて制御対象を制御しこの制御が第２の定常状態(23a) に入りオフセット量がゼロに修正されたことを検出する第２検出手段23と、第１検出手段22と第２検出手段23によって積分回路24の動作を切り換えかつマニュアルリセット回路26のマニュアルリセット量BAL を新マニュアルリセット量BAL2に書き換える切換制御回路25と、を備えて構成される。
【００１９】
図２を併用して動作を説明する。図２において、横軸に時間軸をとり、図２の(A) の縦軸に目標値SVと制御量PVを同一スケール上にとり、図２の(B) の縦軸に操作量をとる。今、時刻t0で目標値SVを変更する、あるいは、調節計１をＰ動作で自動運転に投入する。目標値SVと制御量PVとの偏差は大幅にあるので、操作量MVは最大値をとり飽和状態にある。この状態で一定時間Ｌ経過すると、制御量PVは変化してくる。この一定時間Ｌは後述する制御系が定常状態に入ったか否かの判定条件に利用するので、少なくとも、運転開始の初期段階に測定して記憶回路にデータを保持する。この一定時間Ｌの測定は、応答時間検出部21で、例えば、制御量の変化分ΔPVが目標値SVの変化量の５％変化するまでの時間として測定される。
【００２０】
そして、Ｐ動作運転で時刻t1で制御量PVと操作量MVの変化率が減少し、２Ｌで図示される時刻t1〜t2の間ほぼ一定の値をとることにより、第１の定常状態22a にあることが検出され、このときのオフセット量ΔXWが予め定められた閾値より大であることを検出することにより、第１検出手段22は定常的オフセット発生を検知する。
【００２１】
そして時刻t2で切換制御回路25は、調節計１の制御動作をＰＩ動作に切り換え、具体的には、制御信号KpXWを積分回路24に入力し、この積分出力24a と制御信号KpXWとマニュアルリセット回路26のマニュアルリセット量BAL1の和信号によって制御し、オフセット量ΔXWがゼロになる様に制御する。第２検出手段23は、このオフセット量ΔXWがほぼゼロになり一定時間（例えば２Ｌ）継続したことで、第２検出手段23は第２の定常状態23a にあることを検出し、切換制御回路25を切り換えて、マニュアルリセット回路26の新マニュアルリセット量BAL2を第２定常状態23a の操作量MV2 と第１定常状態の操作量MV1 との差分(MV2−MV1)だけ旧マニュアルリセット量BAL1に補正し、積分回路24の積分値をゼロにリセットし、調節計１の制御動作を、再び、Ｐ動作に切り換える。
【００２２】
この結果、新たに設定されたマニュアルリセット量BAL2は、目標値SVで制御対象を運転するとき、制御対象に新たな擾乱発生がない限りオフセット量がゼロに近い状態で制御を継続することができる。特に、制御がバッチプロセスなどにおいては、オフセット量の発生のない良好な制御を繰り返し行うことができる。
（実施例２）
図３において、本発明による他の実施例として、自動MV補正手段2Aは、図１のマニュアルリセット回路26に代わってアップダウンカウンタ(U/DC)27と、積分回路24に代わって積分時間Tiを制御信号KpXWで除算した時間を操作量の１パルス分に換算したルス間隔のパルス信号を出力するパルス発信回路24A と、このパルス信号を制御するゲート回路28と、を備えて構成することができる。
【００２３】
かかる構成により、第１検出手段22によって制御系が第１定常状態22a に入りオフセット量が予め定められた閾値以上にあるとき、パルス発信回路24A の出力を図示例ではスイッチで示したゲート回路28を介してアップダウンカウンタ27に入力して調節計１の動作モードを比例＋積分動作にすることができる。
そして、第２検出手段23によって制御系が第２定常状態23a に入ったとき、パルス発信回路24A の出力をゲート回路28で阻止しアップダウンカウンタへの入力を停止して調節計の動作モードを比例動作にすることができる。この構成においては、調節計１の動作モードが比例動作から比例＋積分動作に切り換え、さらに比例動作に戻すとき、この切り換え動作は、単に、カウンタ27へのパルス入力を制御するだけででき、操作量を切り替える時の衝撃を出力OUT に与えることなく切り替えることができる。
【００２４】
また、自動MV補正手段２,2A の動作を起動させないスイッチ29で図示される選択手段29を備えることができる。
かかる構成により、選択手段29によって自動MV補正手段２,2A を自動的に起動さるモードを選択したときは、第１検出手段22によって制御系が第１定常状態22a に入りオフセット量ΔXWが予め定められた値22b 以上にあるとき、このオフセット量ΔXWを自動的に修正するマニュアルリセット量BAL の補正動作を行うことができる。この修正動作は、目標値SV変更以外に、制御対象の例えば負荷変動などの定常的な擾乱に対しても有効に動作することができる。
【００２５】
また、選択手段29によって自動MV補正手段２,2A を停止状態を選んだときは、自動MV補正手段２,2A が自動的に起動することを中止させることができる。
また、本発明の調節計１を、例えば、マイコンなどの中央処理装置CPU とメモリ装置を用いて構成したとき、上述の設定手段11、比例回路12、加算点13,14 、マニュアルリセット回路26、自動MV補正手段２,2A 、応答時間検出部21、第１検出手段22、第２検出手段23、積分回路24、パルス発信回路24A 、切換制御回路25、アップダウンカウンタ27、ゲート回路28はソフトウェアで処理することができる。従って、図１や図３では、出力部15で図示したが、調節計１の出力が、例えば、 4〜20mAの電流出力などでは、操作量MVのデータをディジタルアナログ変換器DAC を介してアナログ量に変換して操作端を制御することができる。また、電気炉の温度制御などでは、操作量MVのデータを用いてON-OFFの導通比を制御してリレーなどの制御機器のON-OFF比制御でヒータ部への加熱電力を制御することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように本発明による比例動作調節計を用いることにより、常時は比例動作調節計として用い、定常状態でオフセットが発生したときのみ比例＋積分動作調節計に切り換えてオフセット修正を行い、このときの操作量にマニュアルリセット量を修正して比例動作調節計に戻り、オフセット発生を防止する比例動作調節計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての比例動作調節計のブロック回路図
【図２】動作原理を説明する説明図
【図３】他の実施例による比例動作調節計のブロック回路図
【図４】従来技術による制御特性図
【符号の説明】
１    比例動作調節計
11    目標値設定手段
12    比例回路
13,14     加算点
15    出力部
２,2A     自動MV補正手段
21    応答時間検出部
22    第１検出手段
22a   第１定常状態検出
22b   オフセット検出
23    第２検出手段
24    積分回路
24A   パルス発信回路
25    切換制御回路
26    マニュアルリセット回路
27    アップダウンカウンタ
28    ゲート回路
29    選択手段
SV    目標値
PV    制御量
BAL,BAL1,BAL2     マニュアルリセット量
MV,MV1,MV1    操作量
Kp    比例ゲイン
Ti    積分時間
ΔXW    オフセット量
Ｌ    応答時間
t0,t1,t2,t3     時間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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