説明

プロセス制御装置

【課題】目標値変化に対する追従性を向上させると共に、外乱応答性を向上させる。
【解決手段】制御目標値SVに対して比例演算を行う比例演算器3と、無駄時間経過後予測制御量に対して比例演算を行う比例演算器5と、制御対象7の制御量PVと操作量MVとを入力して無駄時間経過後予測制御量を求める制御量予測器9と、制御目標値と無駄時間経過後予測制御量との偏差eを求める偏差演算器11と、制御量予測器9で過去に予測された現時点の制御量予測値と制御対象7における現時点の制御量PVとの差分を演算する予測制御量補正器13と、偏差演算器11の出力である偏差eと予測制御量補正器13の出力である差分とを加算する加算器15と、加算器15の出力を積分する積分演算器17と、比例演算器3と比例演算器5と積分演算器17の各出力を加算して制御対象7に対する操作量MVを生成する加算器19とを備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、無駄時間を含むプロセスを制御対象とするプロセス制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
プロセスの制御方法としては従来、PID制御が使用されており、無駄時間を含むプロセスに対しても適用されている。図5は従来の一般的なPID制御器の構成例を示している。
【0003】
図5において、PID制御装置101は、制御目標値SVと制御対象103からフィードバックされた制御量PVとの偏差eを演算する加算部105と、この加算部105で求められた偏差eを入力し、この偏差eに対して比例(P)演算・積分(I)演算・微分(D)演算を実行して操作量MVを生成して制御対象103に出力する制御部107とを備えている。
【0004】
演算部107では、次式に基づいてPID制御を実行する。この場合、制御対象を一次遅れ+無駄時間で近似して制御パラメータを決定するようにしている。
【0005】
[数1]
Kp(1+1/Ts+Ts/(1+γTs)) …(1)
但し、Kp:比例ゲイン
:積分時間
:微分時間
s:ラプラス演算子
γ:微分係数
以上が、従来のプロセス制御で使用されている一般的なPID制御装置である。
【0006】
プロセス制御方法としては、他にプロセスの状態方程式から最適制御を行う最適レギュレータを用いる方法もある。図6は最適レギュレータの基本構成を示している。
【0007】
同図に示すように、最適レギュレータ111は、制御目標値SVに対する比例演算器113と、フィードバックされた制御量PVに対する比例演算器115と、2つの比例演算器113,115の出力を加算して操作量MVを生成し制御対象103に出力する加算器117とを備えている。この場合、比例演算器113,115の各比例係数値は評価関数を最小にする最適解を解くことによって求められる。
【特許文献1】特開昭61−21505号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
上述したように、図5に示す従来のPID制御装置101では、制御対象を一次遅れ+無駄時間で近似して制御パラメータを決定するようにしている。
【0009】
しかし、一次遅れ時定数に比較して無駄時間が長いプロセスを制御対象とする場合には、制御パラメータを調整しても、設定値変更に対して立ち上がり時間を短くすることはできず、オーバーシュートを少なくすることも困難である。
【0010】
また、図6に示す従来の最適レギュレータ111は、目標値の変更に対する応答性は優れているものの、プロセス制御特有の外乱に対する追従性は良くないという課題がある。
【0011】
一般に、制御対象103を次の(2)式で与えられるゲイン+一次遅れ+無駄時間で近似したモデルで表すことが広く行われている。
【0012】
[数2]
制御対象のモデル=(K/(1+Ts))e−Ls …(2)
(2)式において、K:プロセスゲイン、T:時定数、L:無駄時間
ここで、K=2、T=1、L=1の場合を例として考える。
【0013】
従来のPID制御では、CHR(Chien-Hrones-Reswick)法のパラメータ決定法が一般的に活用されている。これに基づき、PIDパラメータを決定したときの操作量MV、制御量PVの応答を図7、図8に示す。図7は従来のPID制御における対外乱最適調整の制御応答を、図8は従来のPID制御における対目標値最適調整の制御応答をそれぞれ示す。ここでは、時刻0で目標値を1.0に変化させ、時刻6で操作量に対して0.2の外乱を与えている。PID制御では、偏差に応じて制御量PVを決定するので、図7に示すように、外乱を与えた時点から少し遅れてなだらかに制御量PVも変化しており、外乱応答性が悪いことが分かる。また、図8に示すように、目標値変化に対する追従性も悪く、オーバーシュートも大きい。
【0014】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、一次遅れ時定数に比較して無駄時間が長いプロセスを制御対象とする場合にあっても、目標値変化に対して素早く対応することができ、目標値追従性を向上させ、かつ、外乱に対しても追従性の良いプロセス制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0015】
上記の目的を達成するために請求項1の発明は、制御目標値に対して比例演算を行う第1の比例演算器と、無駄時間経過後予測制御量に対して比例演算を行う第2の比例演算器と、制御対象からフィードバックされた制御量と操作量とを入力し制御対象を線形モデルとして前記無駄時間経過後予測制御量を求める制御量予測器と、前記制御目標値と前記無駄時間経過後予測制御量との偏差を求める偏差演算器と、前記制御量予測器で過去に予測された現時点の制御量予測値と前記制御対象からフィードバックされた現時点の制御量との差分を演算する予測制御量補正器と、前記偏差演算器の出力である偏差と予測制御量補正器の出力である差分とを加算する第1の加算器と、第1の加算器の出力を積分する積分演算器と、前記第1の比例演算器と第2の比例演算器と積分演算器の各出力を加算して制御対象に対する操作量を生成する第2の加算器とを備えることを特徴としている。
【0016】
また、請求項2の発明は、制御目標値に対して比例演算を行う第1の比例演算器と、無駄時間経過後予測制御量に対して比例演算を行う第2の比例演算器と、制御対象からフィードバックされた制御量と操作量とを入力し制御対象を線形モデルとして前記無駄時間経過後予測制御量を求める制御量予測器と、前記制御目標値と前記無駄時間経過後予測制御量との偏差を求める偏差演算器と、制御量予測器で過去に予測された現時点の制御量予測値と制御対象からフィードバックされた現時点の制御量との差分を演算する予測制御量補正器と、偏差演算器の出力である偏差と予測制御量補正器の出力である差分とを加算する第1の加算器と、第1の加算器の出力を積分する積分演算器と、第1の比例演算器と第2の比例演算器と積分演算器の各出力を加算して制御対象に対する操作量を生成する第2の加算器と、第2の比例演算器に出力される前記無駄時間経過後予測制御量に対して予測制御量補正器の出力である差分を加算することによって補正する第3の加算器とを備えることを特徴としている。
【0017】
上記構成において、目標値に対して比例演算を行う第1の比例演算器と、制御量予測値に対して比例演算を行う第2の比例演算器によって最適レギュレータを構成し、制御対象を線形モデルとして制御パラメータを決定する。しかし、制御対象に無駄時間を含む場合には、そのままの構成では適用できない。
【0018】
そこで、本発明では、制御量の代わりに、無駄時間経過後の予測制御量を用いている。
【0019】
また、制御対象に加えられる外乱は予測ができないので、制御対象モデルと目標値から求めた操作量だけでは外乱に対して制御量を目標値に保つことができない。制御量を目標値に保つには偏差を積分することが通常行われているが、制御対象に無駄時間を含むため、測定された制御量と制御目標値との偏差を積分する通常の方式では良好な制御応答を得ることができない。
【0020】
そこで、本発明では、制御目標値と制御量予測値との偏差に、外乱による影響を検出した現在制御量と無駄時間前の予測制御量の差を加えた量を積分した値を求め、これを比例器から求めた操作量に加えることにより、外乱に対しても制御量を目標値に保つことができるようにしている。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、目標値変化に対しても迅速に対応することができ目標値変化に対する追従性が向上すると共に、外乱に対しても迅速に対応することができ、外乱応答性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
〈第1の実施形態〉
図1は本発明に係るプロセス制御装置の第1の実施形態を示すブロック図である。同図に示すように、このプロセス制御装置1aは、制御目標値SVに対して比例演算を行う第1の比例演算器3と、無駄時間経過後予測制御量に対して比例演算を行う第2の比例演算器5と、制御対象7からフィードバックされた制御量PVと操作量MVとを入力して前記無駄時間経過後予測制御量を求める制御量予測器9と、前記制御目標値SVと前記無駄時間経過後予測制御量との偏差eを求める偏差演算器11と、制御量予測器9で過去に予測された現時点の制御量予測値と制御対象7からフィードバックされた現時点の制御量PVとの差分を演算する予測制御量補正器13と、偏差演算器11の出力である偏差eと予測制御量補正器13の出力である差分とを加算する第1の加算器15と、第1の加算器15の出力を積分する積分演算器17と、第1の比例演算器3と第2の比例演算器5と積分演算器17の各出力を加算して制御対象7に対する操作量MVを生成する第2の加算器19とを備えている。
【0023】
制御量予測器9では、無駄時間経過後制御量予測値をフィードバックされた制御量PVと現在までの操作量MVと下記(3)式で示されるプロセスモデルから求める。求められた無駄時間経過後制御量予測値は記憶され、予測制御量補正器13における補正の際に使用される。
【数3】

【0024】
上記(3)式に示すように、無駄時間経過後制御量“x(t+L)”は、フィードバックされた制御量PVである“x(t)”と無駄時間L前から現在までの操作量MVである“u(t+β)”(−L≦β≦0)とから求めることができる。
【0025】
予測制御量補正器13は、現在の制御量と現在から無駄時間前の時点で予測した現時点の予測制御量の差分を求める。
【0026】
積分演算器17は、偏差演算器11の出力と、予測制御量補正器13の出力とを加算する第1の加算器15の加算結果を係数した値を積分する。第2の加算器19は、第1の比例演算器3、第2の比例演算器5.積分演算器17の各出力の総和を求める。
【0027】
この場合、本実施形態では、制御対象7に無駄時間があるプロセスを対象としているので、無駄時間経過後の制御量を予測して、操作量MVを決定する。比例演算器3、比例演算器5の出力の和は目標値追従型の最適レギュレータを構成しており、PID制御と比較して、目標値変化に対して迅速な制御応答となる。外乱が発生した場合は、制御目標値SVと制御量PVとの間に偏差が発生するので、操作量MVを積分演算器17により補正する。
【0028】
次に、本実施の形態のプロセス制御装置1aと従来のPID制御装置の制御応答とを比較して説明する。
【0029】
本実施の形態のプロセス制御装置1aにおいても、制御対象7を前述した(2)式で与えられるゲイン+一次遅れ+無駄時間で近似したモデルで表すことにする。
【0030】
ここで、プロセスゲインK=2、時定数、T=1、無駄時間L=1の場合を例とし、時刻0で目標値を1.0に変化させ、時刻6で操作量に対して0.2の外乱を与えた場合を考える。
【0031】
従来のPID制御では、偏差に応じて制御量を決定するので、応答が遅い。目標値追従性も悪いという欠点があった。
【0032】
これに対して第1の実施形態では、同じ制御対象に対して、図2に示す操作量MV、制御量PVの応答となり、目標値変化に対する応答が迅速になり、オーバーシュートが少なくなり、かつ外乱も抑制されていることが分かる。
【0033】
このように、第1の実施形態によれば、一次遅れ時定数に比較して無駄時間が長いプロセスを制御対象とする場合にあっても、目標値変化に対して立ち上がり時間を短くでき目標値追従性を向上させることができると共にオーバーシュートを少なくすることができ、かつ、制御対象7に加えられる外乱に対しても追従性の良いプロセス制御装置を提供することが可能となる。
【0034】
〈第2の実施形態〉
図3は本発明に係るプロセス制御装置の第2の実施形態を示すブロック図である。なお、図1と同一構成部分には同一符号が付されている。
【0035】
同図に示すように、このプロセス制御装置1bは、制御目標値SVに対して比例演算を行う第1の比例演算器3と、無駄時間経過後予測制御量に対して比例演算を行う第2の比例演算器5と、制御対象7からフィードバックされた制御量PVと操作量MVとを入力して前記無駄時間経過後予測制御量を求める制御量予測器9と、制御目標値SVと前記無駄時間経過後予測制御量との偏差eを求める偏差演算器11と、制御量予測器9で過去に予測された現時点の制御量予測値と制御対象7からフィードバックされた現時点の制御量PVとの差分を演算する予測制御量補正器13と、偏差演算器11の出力である偏差eと予測制御量補正器13の出力である差分とを加算する第1の加算器15と、第1の加算器15の出力を積分する積分演算器17と、第1の比例演算器3と第2の比例演算器5と積分演算器17の各出力を加算して制御対象7に対する操作量MVを生成する第2の加算器19とを備えている。
【0036】
特に、本実施形態では、制御量予測器9で演算された無駄時間経過後予測制御量を予測制御量補正器13で演算された差分とを加算しその加算値を第2の比例演算器5に出力する第3の加算器21を備え、無駄時間経過後予測制御量を予測制御量補正器13で演算された差分によって補正するようにしている。
【0037】
図4に第2の実施形態のプロセス制御装置1bの制御応答を示す。第1の実施形態の制御応答を示す図2の特性と比較しても、外乱に対する応答性が更に改善されていることがわかる。
【0038】
このように、第2の実施形態によれば、一次遅れ時定数に比較して無駄時間が長いプロセスを制御対象とする場合にあっても、目標値変化に対して素早く対応することができ、目標値追従性を向上させ設定値変更に対して立ち上がり時間を短くでき、オーバーシュートを少なくすることができ、かつ、外乱に対してもより一層、追従性の良いプロセス制御装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】本発明に係るプロセス制御装置の第1の実施形態の構成を示すブロック図。
【図2】図1に示すプロセス制御装置の制御応答を示す説明図。
【図3】本発明に係るプロセス制御装置の第2の実施形態の構成を示すブロック図。
【図4】図3に示すプロセス制御装置の制御応答を示す説明図。
【図5】従来のPID制御を含むプロセス制御装置の構成を示すブロック図。
【図6】最適レギュレータの基本構成を示すブロック図。
【図7】従来のPID制御における対外乱最適調整の制御応答を示す説明図。
【図8】従来のPID制御における対目標値最適調整の制御応答を示す説明図。
【符号の説明】
【0040】
1a,1b プロセス制御装置
3 (第1の)比例演算器
5 (第2の)比例演算器
7 制御対象
9 制御量予測器
11 偏差演算器
13 予測制御量補正器
15 (第1の)加算器
17 積分演算器
19 (第2の)加算器
21 (第3の)加算器

【特許請求の範囲】
【請求項1】
制御目標値に対して比例演算を行う第1の比例演算器と、
無駄時間経過後予測制御量に対して比例演算を行う第2の比例演算器と、
制御対象からフィードバックされた制御量と操作量とを入力し制御対象を線形モデルとして前記無駄時間経過後予測制御量を求める制御量予測器と、
前記制御目標値と前記無駄時間経過後予測制御量との偏差を求める偏差演算器と、
前記制御量予測器で過去に予測された現時点の制御量予測値と前記制御対象からフィードバックされた現時点の制御量との差分を演算する予測制御量補正器と、
前記偏差演算器の出力である偏差と予測制御量補正器の出力である差分とを加算する第1の加算器と、
第1の加算器の出力を積分する積分演算器と、
前記第1の比例演算器と第2の比例演算器と積分演算器の各出力を加算して制御対象に対する操作量を生成する第2の加算器と
を備えることを特徴とするプロセス制御装置。
【請求項2】
制御目標値に対して比例演算を行う第1の比例演算器と、
無駄時間経過後予測制御量に対して比例演算を行う第2の比例演算器と、
制御対象からフィードバックされた制御量と操作量とを入力し制御対象を線形モデルとして前記無駄時間経過後予測制御量を求める制御量予測器と、
前記制御目標値と前記無駄時間経過後予測制御量との偏差を求める偏差演算器と、
制御量予測器で過去に予測された現時点の制御量予測値と制御対象からフィードバックされた現時点の制御量との差分を演算する予測制御量補正器と、
偏差演算器の出力である偏差と予測制御量補正器の出力である差分とを加算する第1の加算器と、
第1の加算器の出力を積分する積分演算器と、
第1の比例演算器と第2の比例演算器と積分演算器の各出力を加算して制御対象に対する操作量を生成する第2の加算器と、
第2の比例演算器に出力される前記無駄時間経過後予測制御量に対して予測制御量補正器の出力である差分を加算することによって補正する第3の加算器と
を備えることを特徴とするプロセス制御装置。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate