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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2021-33738(P2021-33738A)
(43)【公開日】2021年3月1日
(54)【発明の名称】制御パラメータ調整装置および方法
(51)【国際特許分類】
   G05B 11/36 20060101AFI20210201BHJP
【FI】
   G05B11/36 503C
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】OL
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2019-154375(P2019-154375)
(22)【出願日】2019年8月27日
(71)【出願人】
【識別番号】000006666
【氏名又は名称】アズビル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100098394
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 茂樹
(74)【代理人】
【識別番号】100064621
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
(72)【発明者】
【氏名】田中 雅人
【テーマコード(参考)】
5H004
【Fターム(参考)】
5H004GA21
5H004HA01
5H004HB01
5H004KB02
5H004KB04
5H004KB06
5H004KB18
5H004KC48
(57)【要約】
【課題】リミットサイクル方式のオートチューニング実行時間を短縮する。
【解決手段】制御パラメータ調整装置は、予め設定された上限値の操作量MVと下限値の操作量MVとを交互に制御対象に出力するリミットサイクルAT演算部6と、操作量MVの出力によって生じた制御量PVの最初の上下動から得られる制御量PVの上昇時間と下降時間との比率RTを算出する比率RT算出部8と、比率RTに基づいて操作量MVの上限値または下限値の適切と推測される値を算出して、上限値または下限値を算出した値に修正する2位置操作量修正部9とを備える。リミットサイクルAT演算部6は、操作量MVの上限値または下限値が修正された後の制御量PVの応答に基づいてコントローラの制御パラメータを算出し、算出した制御パラメータをコントローラに設定する。
【選択図】 図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
コントローラの制御パラメータを設定するリミットサイクルオートチューニングの機能を備えた制御パラメータ調整装置において、
予め設定された上限値の操作量と下限値の操作量とを交互に制御対象に出力するように構成されたリミットサイクルオートチューニング演算部と、
前記操作量の出力によって生じた制御量の最初の上下動から得られる前記制御量の上昇時間と下降時間との比率を算出するように構成された比率算出部と、
前記比率に基づいて前記上限値または前記下限値の適切と推測される値を算出して、前記上限値または前記下限値を算出した値に修正するように構成された修正部とを備え、
前記リミットサイクルオートチューニング演算部は、前記上限値または前記下限値が修正された後の前記制御量の応答に基づいて前記コントローラの制御パラメータを算出し、算出した制御パラメータを前記コントローラに設定することを特徴とする制御パラメータ調整装置。
【請求項2】
請求項1記載の制御パラメータ調整装置において、
前記上限値または前記下限値の修正量の補正係数を設定するように構成された補正係数設定部をさらに備え、
前記修正部は、前記比率と前記補正係数とに基づいて、前記上限値または前記下限値の適切と推測される値を算出することを特徴とする制御パラメータ調整装置。
【請求項3】
請求項2記載の制御パラメータ調整装置において、
前記補正係数は、1より大きい値に設定されていることを特徴とする制御パラメータ調整装置。
【請求項4】
リミットサイクル方式によりコントローラの制御パラメータを設定する制御パラメータ調整方法において、
予め設定された上限値の操作量と下限値の操作量とを交互に制御対象に出力する第1のステップと、
前記操作量の出力によって生じた制御量の最初の上下動から得られる前記制御量の上昇時間と下降時間との比率を算出する第2のステップと、
前記比率に基づいて前記上限値または前記下限値の適切と推測される値を算出して、前記上限値または前記下限値を算出した値に修正する第3のステップと、
前記上限値または前記下限値が修正された後の前記制御量の応答に基づいて前記コントローラの制御パラメータを算出し、算出した制御パラメータを前記コントローラに設定する第4のステップとを含むことを特徴とする制御パラメータ調整方法。
【請求項5】
請求項4記載の制御パラメータ調整方法において、
前記第3のステップは、前記比率と、前記上限値または前記下限値の修正量の補正係数とに基づいて、前記上限値または前記下限値の適切と推測される値を算出するステップを含むことを特徴とする制御パラメータ調整方法。
【請求項6】
請求項5記載の制御パラメータ調整方法において、
前記補正係数は、1より大きい値に設定されていることを特徴とする制御パラメータ調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、PID等のコントローラのパラメータ調整に関する技術であり、特にリミットサイクル方式によりコントローラの制御パラメータを調整する制御パラメータ調整装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
PIDコントローラのPIDパラメータの調整は、通常の場合、コントローラ自体が備えるオートチューニング(AT)機能により簡易に行なわれる。このAT機能の代表的な手法には、操作量MVを2位置(OH_AT,OL_AT)に予め設定し、これによりリミットサイクルを発生させるリミットサイクル方式がある(特許文献1参照)。
【0003】
以下、リミットサイクル方式について簡単に説明する。図15は従来のリミットサイクル方式を説明するための波形図、図16は従来のリミットサイクル方式の処理の流れを説明するフローチャートである。ただし、説明を簡素化するため、リミットサイクルの切換点としては、PID制御を実行する際の設定値SPを用いるが、リミットサイクルの切換点が設定値SPであることは必須ではない。
【0004】
ATの実行時には、制御量PVと設定値SPを比較し(図16ステップS300)、制御量PVが設定値SPより大きい場合、操作量MVの下限値OL_ATを制御対象に出力し(図16ステップS301)、制御量PVが設定値SP以下の場合、操作量MVの上限値OH_ATを制御対象に出力する(図16ステップS302)。
【0005】
次に、制御量PVの極値を検出する上下動極値検出処理を行う(図16ステップS303)。ステップS300〜S303の処理を制御周期毎に行い、制御量PVの極値を4つ検出すると、上下動極値の検出完了となる。ここで、設定値SPと制御量PVとの偏差Erは次式により得られる。
Er=SP−PV ・・・(1)
【0006】
そして、図15に示すように、検出した4つの極値のうち、最新の極値における偏差を第1の極値偏差Er1、2番目に新しい極値における偏差を第2の極値偏差Er2、3番目に新しい極値における偏差を第3の極値偏差Er3とする。また、第1の極値偏差Er1の直前に偏差Erの正負が逆転した時刻t5から第1の極値偏差Er1が得られた時刻t6までの時間を第1の操作量切換経過時間Th1とし、また、第2の極値偏差Er2の直前に偏差Erの正負が逆転した時刻t3から第2の極値偏差Er2が得られた時刻t4までの時間を第2の操作量切換経過時間Th2とする。
【0007】
最後に、比例帯Pb、積分時間Ti及び微分時間TdからなるPIDパラメータを次式のように算出し、算出したPIDパラメータをコントローラに設定する(図16ステップS304)。
Pb=250.0|Er2−Er1|/(OH_AT−OL_AT) ・・・(2)
Ti=6.0(Th1+Th2) ・・・(3)
Td=1.2(Th1+Th2) ・・・(4)
以上で、ATが終了する。
【0008】
前述のように、予め内部に設定された2位置操作量(OH_AT,OL_AT)によりATを実行するコントローラがある。市販されているコントローラの多くは、実際の制御中に利用する操作量上限値OHと操作量下限値OLをそのまま2位置操作量として利用する。通常は、OH=100%,OL=0%ということが多く、ゆえにAT時の2位置操作量は、OH_AT=100%,OL_AT=0%のようになることが多い。
【0009】
温度制御において保温性の高い制御対象では、設定値SP付近に制御量PVを維持するために必要な操作量MVは、概ねMV=20%以下というようにかなり低い。この状況でOH_AT=100%の設定のままMV=0%〜100%のATを実行すると、温度上昇が速くて温度下降が遅い(保温性が高くて冷え難い)ので、ATに多大な時間を要するという問題が生じる(図17)。図17に示した例では、制御対象の保温性が高く冷え難いため、AT中に操作量上限値OH_ATが出力される時間T_OHに比べて、操作量下限値OL_ATが出力される時間T_OLが長いことが分かる。
【0010】
このような問題については、実際の制御中に利用する操作量上限値OHと操作量下限値OLをAT時の2位置操作量として利用する場合に限らず、予め内部で設定された2位置操作量(OH_AT,OL_AT)が、図17と同様に不適切な波形を与えるものに該当してしまえば、同様の問題が生じる。問題の対処方法としては、ATが不適切であると判断できる専門家が、記録計などを用いてAT時の制御量PVの動きを見ることによって、操作量上限値OHと操作量下限値OLを適切な値に変更して、ATを再実行するしかなかった。したがって、多くの場合にATが不適切であることが見逃されてしまう可能性があった。
【0011】
そこで、リミットサイクル方式によるAT時の2位置操作量(OH_AT,OL_AT)のバランスが不適切な場合に、適切なバランスになる2位置操作量(OH_AT,OL_AT)を自動的に算出し、適切なバランスの2位置操作量(OH_AT,OL_AT)によるATを自動的に再実行するAT方法が提案されている(特許文献2参照)。
【0012】
以下、特許文献2に開示された方法についてその要点を説明する。リミットサイクル方式によるAT時の2位置操作量(OH_AT,OL_AT)のバランスが不適切な場合、AT波形は図17のようになる。
【0013】
例えば、温度制御において温度上昇が速くて温度下降が遅い場合、操作量MV=OL_ATで温度下降中に操作量MV=OH_ATが出力されると、急勾配で温度上昇が始まるため、温度PVが設定値SPを下回る時間は短い。すなわち、温度PVが設定値SPを超えた時点で操作量MV=OL_ATに切り換わるので、操作量MV=OH_ATが出力される時間は相対的に短時間になる。また、急勾配での温度上昇に伴い、温度PVは設定値SPを大きく超える。すなわち、温度PVが設定値SPを上回る量(偏差Er1)の絶対値は相対的に大きくなる。
【0014】
一方、温度下降は緩い勾配になるため、温度PVが設定値SPに戻るまでには時間がかかり、温度PVが設定値SPを上回る時間は長くなる。温度PVが設定値SPを上回っている間は操作量MV=OL_ATになっており、操作量MV=OL_ATが出力される時間は相対的に長時間になる。また、温度下降は緩い勾配であるため、温度PVが設定値SPを下回る量(偏差Er2)の絶対値は相対的に小さくなる。
【0015】
上記の例では、2位置操作量(OH_AT,OL_AT)のOH_ATがOL_ATに比べて相対的に高過ぎることにより、バランスが不適切な状態になっている。ゆえに、操作量OH_ATが出力される時間T_OHと操作量OL_ATが出力される時間T_OLの比率RT=T_OH/T_OLが特定の閾値以下であれば、操作量OH_ATが相対的に高過ぎると判定できる。逆に、比率RT=T_OH/T_OLが別の特定の閾値以上であれば、操作量OL_ATが相対的に低過ぎると判定できる。なお、RT=T_OL/T_OHとした場合でも、等価な判定が可能であることは言うまでもない。
【0016】
比率RTのアンバランスな分だけ、リニアな関係を想定して2位置操作量(OH_AT,OL_AT)を修正することは可能であり、より適切な2位置操作量(OH_AT,OL_AT)が次式にて算出可能である。
OL_AT_new=OL_AT+(OH_AT−OL_AT)(RT−1)
/(RT+1) ・・・(5)
OH_AT_new=OH_AT+(OH_AT−OL_AT)(RT−1)
/(RT+1) ・・・(6)
【0017】
特許文献2に開示された方法では、例えばRT>1.0の場合に、式(5)により操作量下限値OL_ATを修正し、操作量上限値OH_ATは修正しない。逆にRT<1.0の場合に、式(6)により操作量上限値OH_ATを修正し、操作量下限値OL_ATは修正しない。RT=1.0の場合は、操作量下限値OL_AT、操作量上限値OH_ATのどちらも修正しない。
【0018】
以上のように、特許文献2に開示された方法によれば、適切なバランスになる2位置操作量(OH_AT,OL_AT)を自動的に算出し、適切なバランスの2位置操作量(OH_AT,OL_AT)によるATを自動的に再実行することができるが、AT自体は実質的にやり直しになるので、AT実行時間(完了までの所要時間)が長くなるという課題があり、改善が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0019】
【特許文献1】特開2003−330504号公報
【特許文献2】特許第4546437号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0020】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、リミットサイクル方式のAT実行時間を短縮することができる制御パラメータ調整装置および方法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】
【0021】
本発明は、コントローラの制御パラメータを設定するリミットサイクルオートチューニングの機能を備えた制御パラメータ調整装置において、予め設定された上限値の操作量と下限値の操作量とを交互に制御対象に出力するように構成されたリミットサイクルオートチューニング演算部と、前記操作量の出力によって生じた制御量の最初の上下動から得られる前記制御量の上昇時間と下降時間との比率を算出するように構成された比率算出部と、前記比率に基づいて前記上限値または前記下限値の適切と推測される値を算出して、前記上限値または前記下限値を算出した値に修正するように構成された修正部とを備え、前記リミットサイクルオートチューニング演算部は、前記上限値または前記下限値が修正された後の前記制御量の応答に基づいて前記コントローラの制御パラメータを算出し、算出した制御パラメータを前記コントローラに設定することを特徴とするものである。
また、本発明の制御パラメータ調整装置の1構成例は、前記上限値または前記下限値の修正量の補正係数を設定するように構成された補正係数設定部をさらに備え、前記修正部は、前記比率と前記補正係数とに基づいて、前記上限値または前記下限値の適切と推測される値を算出することを特徴とするものである。
また、本発明の制御パラメータ調整装置の1構成例において、前記補正係数は、1より大きい値に設定されていることを特徴とするものである。
【0022】
また、本発明は、リミットサイクル方式によりコントローラの制御パラメータを設定する制御パラメータ調整方法において、予め設定された上限値の操作量と下限値の操作量とを交互に制御対象に出力する第1のステップと、前記操作量の出力によって生じた制御量の最初の上下動から得られる前記制御量の上昇時間と下降時間との比率を算出する第2のステップと、前記比率に基づいて前記上限値または前記下限値の適切と推測される値を算出して、前記上限値または前記下限値を算出した値に修正する第3のステップと、前記上限値または前記下限値が修正された後の前記制御量の応答に基づいて前記コントローラの制御パラメータを算出し、算出した制御パラメータを前記コントローラに設定する第4のステップとを含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0023】
本発明によれば、リミットサイクルの最初の上下動で検出される制御量の上昇時間と下降時間とから比率を算出して、この比率に基づいて2位置操作量を修正することにより、修正後の2位置操作量で制御量の適正な上下動が迅速に得られるようになるので、AT実行時間を短縮することができる。
【0024】
また、本発明では、制御量の上昇時間と下降時間の比率と、補正係数とに基づいて2位置操作量を修正することにより、2位置操作量の修正誤差を補正することができ、制御対象の次数が高次の場合であってもATの精度の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
図1図1は、AT実行時の操作量と制御量の変化の1例を示す波形図である。
図2図2は、本発明の第1の実施例に係る制御パラメータ調整装置の構成を示すブロック図である。
図3図3は、本発明の第1の実施例に係る制御パラメータ調整装置が調整対象とするコントローラの構成を示すブロック図である。
図4図4は、本発明の第1の実施例に係る制御パラメータ調整装置のAT実行時の動作を説明するフローチャートである。
図5図5は、従来のAT実行時の操作量と制御量の変化の1例を示す波形図である。
図6図6は、従来のAT実行時の操作量と制御量の変化の1例を示す波形図である。
図7図7は、本発明の第1の実施例のAT実行時の操作量と制御量の変化の1例を示す波形図である。
図8図8は、本発明の第1の実施例のAT実行時の操作量と制御量の変化の1例を示す波形図である。
図9図9は、本発明の第2の実施例に係る制御パラメータ調整装置の構成を示すブロック図である。
図10図10は、本発明の第2の実施例に係る制御パラメータ調整装置のAT実行時の動作を説明するフローチャートである。
図11図11は、高次の制御対象の場合に発生する2位置操作量の修正誤差について説明する図である。
図12図12は、本発明の第2の実施例のAT実行時の操作量と制御量の変化の1例を示す波形図である。
図13図13は、本発明の第2の実施例のAT実行時の操作量と制御量の変化の1例を示す波形図である。
図14図14は、本発明の第1、第2の実施例に係る制御パラメータ調整装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。
図15図15は、従来のリミットサイクル方式を説明するための波形図である。
図16図16は、従来のリミットサイクル方式の処理の流れを説明するフローチャートである。
図17図17は、従来のリミットサイクル方式の問題点を説明するための波形図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
[発明の原理]
リミットサイクルを再実行とする慎重な処理の必要性の背景には、リミットサイクルが安定するまでに制御量PVの何回かの上下動が必要という認識がある。制御量PVの最初の上下動は、AT開始時の条件次第で、例えば図1のように大きめの上下動になることもあれば、小さめの上下動になることもある。特に2位置操作量(OH_AT,OL_AT)のバランスが不適切な場合、最初の上下動はほぼ確実に妥当性のない上下動が現れる。すなわち、AT開始時の制御量PVの最初の上下動の所要時間は信頼性が低い。
【0027】
発明者は、リミットサイクルの最初の時間は信頼性が低いが、時間比RT(所要時間T_OHと所要時間T_OLの比率RT)については高い信頼性で現れることに着眼した。さらにその場合、制御量PVの上昇時間T_UPと下降時間T_DWが同等の比率になるので、比率RTを上昇時間T_UPと下降時間T_DW(図17)の比率で代替すれば、少ない上下動回数で比率RTを決定できることに着眼した。
【0028】
そして、発明者は、AT開始時の早い段階(例えば最初の上下動)で得られる時間比RT=T_UP/T_DWを用いて操作量上限値OH_ATあるいは操作量下限値OL_ATを修正すれば、修正後の2位置操作量(OH_AT,OL_AT)で適正な上下動が迅速に得られるようになるので、AT実行時間を短縮できることに想到した。
【0029】
[第1の実施例]
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図2は本発明の第1の実施例に係る制御パラメータ調整装置の構成を示すブロック図である。本実施例では、時間比RTの分母が制御量PVの下降時間T_DW、時間比RTの分子が制御量PVの上昇時間T_UPになる数式を採用する。
【0030】
制御パラメータ調整装置は、AT実行のための切換点SP(設定値SP)を取得する設定値SP取得部1と、AT実行時の制御量PVを取得する制御量PV取得部2と、AT実行のための操作量MVを制御対象に出力する操作量MV出力部3と、リミットサイクルATの操作量下限値OL_ATを設定するための2位置操作量下側設定部4と、リミットサイクルATの操作量上限値OH_ATを設定するための2位置操作量上側設定部5と、操作量上限値OH_ATの操作量MVと操作量下限値OL_ATの操作量MVとを交互に出力して、操作量上限値OH_ATまたは操作量下限値OL_ATが修正された後の制御量PVの応答に基づいてコントローラのPIDパラメータを算出するリミットサイクルAT演算部6と、リミットサイクルATの起動指示命令を外部から入力しリミットサイクルAT演算部6に送る起動指示部7と、操作量MVの出力によって生じた制御量PVの最初の上下動から得られる制御量PVの上昇時間T_UPと下降時間T_DWとの比率RTを算出する比率RT算出部8と、比率RTに基づいて操作量上限値OH_ATまたは操作量下限値OL_ATの適切と推測される値を算出して、操作量上限値OH_ATまたは操作量下限値OL_ATを算出した値に修正する2位置操作量修正部9とを備えている。
【0031】
図3図2の制御パラメータ調整装置が調整対象とするコントローラの構成を示すブロック図である。コントローラは、設定値SP入力部20と、制御量PV入力部21と、操作量MV出力部22と、AT後の通常の制御動作時に、設定値SPと制御量PVとの偏差に対して制御パラメータに基づくPID制御演算を行って操作量MVを算出するPID制御演算部23とを備えている。
【0032】
図4は制御パラメータ調整装置のAT実行時の動作を説明するフローチャートである。2位置操作量下側設定部4には、リミットサイクルATの操作量下限値OL_ATの初期値が予め設定され、2位置操作量上側設定部5には、リミットサイクルATの操作量上限値OH_ATの初期値が予め設定されている。
起動指示部7は、例えばオペレータからリミットサイクルATの起動指示命令を受けると、リミットサイクルAT演算部6に起動指示命令を送る。これにより、リミットサイクルAT演算部6が起動して、リミットサイクルATが開始される(図4ステップS100)。
【0033】
起動したリミットサイクルAT演算部6は、制御量PVと設定値SPを比較する(図4ステップS101)。設定値SPは、オペレータによって設定され、設定値SP取得部1を介してリミットサイクルAT演算部6に入力される。制御量PVは、図示しないセンサによって検出され、制御量PV取得部2を介してリミットサイクルAT演算部6に入力される。
【0034】
リミットサイクルAT演算部6は、制御量PVが設定値SPより大きい場合、2位置操作量下側設定部4によって設定された操作量下限値OL_ATを操作量MVとして操作量MV出力部3に出力する(図4ステップS102)。また、リミットサイクルAT演算部6は、制御量PVが設定値SP以下の場合、2位置操作量上側設定部5によって設定された操作量上限値OH_ATを操作量MVとして操作量MV出力部3に出力する(図4ステップS103)。操作量MV出力部3は、リミットサイクルAT演算部6から出力された操作量MVを制御対象に出力する。
【0035】
次に、比率RT算出部8は、リミットサイクルの最初の上下動で検出される制御量PVの上昇時間T_UPと下降時間T_DWとを検出する(図4ステップS104)。制御量PVの上昇時間T_UPとは、制御量PVが設定値SPから極大値に到達するまでの時間、または極小値から設定値SPに到達するまでの時間である。下降時間T_DWとは、制御量PVが設定値SPから極小値に到達するまでの時間、または極大値から設定値SPに到達するまでの時間である。
【0036】
図17の例では、AT起動後に制御量PVが上昇して下降する最初の上下動が現れているので、上昇時間T_UPは制御量PVが設定値SPから極大値に到達するまでの時間となり、下降時間T_DWは制御量PVが極大値から設定値SPに到達するまでの時間となる。反対に、AT起動後に制御量PVが下降して上昇する最初の上下動が現れた場合には、下降時間T_DWは制御量PVが設定値SPから極小値に到達するまでの時間となり、上昇時間T_UPは制御量PVが極小値から設定値SPに到達するまでの時間となる。
【0037】
ステップS101〜S103の処理を制御周期毎に繰り返し、上昇時間T_UPと下降時間T_DWとを検出できた時点で(ステップS104においてYES)、ステップS105に進む。
【0038】
そして、比率RT算出部8は、上昇時間T_UPと下降時間T_DWの比率RTを次式のように算出する(図4ステップS105)。
RT=T_UP/T_DW ・・・(7)
【0039】
次に、2位置操作量修正部9は、2位置操作量(OH_AT,OL_AT)の設定が適切か否かを判定する(図4ステップS106)。2位置操作量修正部9は、比率RTが1より大きい場合(図4ステップS107においてYES)、操作量下限値OL_ATが不適切と判定し、次式のように操作量下限値の修正値OL_AT_newを算出し、この修正値OL_AT_newを2位置操作量下側設定部4に出力する。2位置操作量下側設定部4は、修正値OL_AT_newを操作量下限値OL_ATの新たな値としてリミットサイクルAT演算部6に設定する(図4ステップS108)。
OL_AT_new=OL_AT+(OH_AT−OL_AT)(RT−1)
/(RT+1) ・・・(8)
【0040】
また、2位置操作量修正部9は、比率RTが1より小さい場合(図4ステップS109においてYES)、操作量上限値OH_ATが不適切と判定し、次式のように操作量上限値の修正値OH_AT_newを算出し、この修正値OH_AT_newを2位置操作量上側設定部5に出力する。2位置操作量上側設定部5は、修正値OH_AT_newを操作量上限値OH_ATの新たな値としてリミットサイクルAT演算部6に設定する(図4ステップS110)。
OH_AT_new=OH_AT+(OH_AT−OL_AT)(RT−1)
/(RT+1) ・・・(9)
【0041】
2位置操作量修正部9は、比率RTが1の場合、2位置操作量(OH_AT,OL_AT)の設定が適切と判定し、2位置操作量(OH_AT,OL_AT)を修正しない。
ステップS105〜S110の処理は、制御量PVの上昇時間T_UPと下降時間T_DWとを検出できた時点で1回だけ実行される。
【0042】
なお、式(7)の代わりに、上昇時間T_UPを分母とし、下降時間T_DWを分子として比率RTを算出する場合には、比率RTが1より小さい場合に式(8)の(RT−1)を(1−RT)に置換した式により操作量下限値OL_ATを修正し、比率RTが1より大きい場合に式(9)の(RT−1)を(1−RT)に置換した式により操作量上限値OH_ATを修正すればよい。
【0043】
2位置操作量(OH_AT,OL_AT)が修正された後も、ステップS101〜S103の処理が制御周期毎に繰り返し実行され、ATが継続する。
次に、リミットサイクルAT演算部6は、2位置操作量(OH_AT,OL_AT)の修正後に制御量PVの極値を3つ検出する上下動極値検出処理を行う(図4ステップS111)。制御量PVの極値を3つ検出すると、上下動極値の検出完了となる。リミットサイクルAT演算部6は、上記のように、最新の極値における偏差を極値偏差Er1、2番目に新しい極値における偏差を極値偏差Er2、3番目に新しい極値における偏差を極値偏差Er3とする。また、リミットサイクルAT演算部6は、極値偏差Er1の直前に偏差Erの正負が逆転した時刻から極値偏差Er1が得られた時刻までの時間を操作量切換経過時間Th1とし、極値偏差Er2の直前に偏差Erの正負が逆転した時刻から極値偏差Er2が得られた時刻までの時間を操作量切換経過時間Th2とする。
【0044】
そして、リミットサイクルAT演算部6は、比例帯Pb、積分時間Ti及び微分時間TdからなるPIDパラメータを式(2)〜式(4)により算出し、算出したPIDパラメータをコントローラに設定する(図4ステップS112)。
【0045】
ステップS101〜S103,S111,S112のリミットサイクルAT演算部6の処理は、例えば特許文献1、特許文献2に開示されている。PIDパラメータの算出・設定の終了により、リミットサイクルATが終了する。
【0046】
AT終了後の通常の制御動作では、コントローラのPID制御演算部23は、設定値SP入力部20から入力された設定値SPと、制御量PV入力部21から入力された制御量PVとを入力として、例えば以下の伝達関数式のようなPID制御演算を行って操作量MVを制御周期毎に算出する。
MV=(100/Pb){1+(1/Tis)+Tds}(SP−PV)
・・・(10)
式(10)において、sはラプラス演算子である。PID制御演算部23によって算出された操作量MVは、操作量MV出力部22を介して制御対象に出力される。
【0047】
図5は従来のAT実行時の操作量MVと制御量PVの変化の1例を示す波形図であり、図6図5の拡大図である。図5図6の例では、時刻20sec.の最初の設定値SP変更と同時にATを起動し、時刻520sec.の時点でATが終了する。そして、AT終了後の時刻800sec.の時点で設定値SPを再び変更し、コントローラによる昇温制御を行っている。
【0048】
図7は本実施例のAT実行時の操作量MVと制御量PVの変化の1例を示す波形図であり、図8図7の拡大図である。図7図8の例では、時刻20sec.の最初の設定値SP変更と同時にATを起動し、時刻335sec.の時点でATが終了する。そして、AT終了後の時刻800sec.の時点で設定値SPを再び変更し、コントローラによる昇温制御を行っている。
【0049】
図7図8の例では、リミットサイクルの最初の上下動で制御量PVの上昇時間T_UPと下降時間T_DWとが検出され、比率RTが算出されたことにより、操作量上限値OH_ATが最初の100%から38.1%に修正される。その結果、図5図6の場合と比較して、2位置操作量(OH_AT,OL_AT)修正後の制御量PVの上下動時間が短縮され、AT実行時間(完了までの所要時間)が短縮されている。
【0050】
以上のように、本実施例では、リミットサイクルの最初の上下動で検出される制御量PVの上昇時間T_UPと下降時間T_DWとから比率RTを算出して、この比率RTに基づいて2位置操作量(OH_AT,OL_AT)を修正することにより、修正後の2位置操作量(OH_AT,OL_AT)で制御量PVの適正な上下動が迅速に得られるようになるので、AT実行時間を短縮することができる。
【0051】
[第2の実施例]
次に、本発明の第2の実施例について説明する。図9は本発明の第2の実施例に係る制御パラメータ調整装置の構成を示すブロック図であり、図2と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施例の制御パラメータ調整装置は、設定値SP取得部1と、制御量PV取得部2と、操作量MV出力部3と、2位置操作量下側設定部4と、2位置操作量上側設定部5と、リミットサイクルAT演算部6と、起動指示部7と、比率RT算出部8と、2位置操作量(OH_AT,OL_AT)の修正量の補正係数αを設定する補正係数設定部10と、比率RTと補正係数αとに基づいて操作量上限値OH_ATまたは操作量下限値OL_ATの適切と推測される値を算出して、操作量上限値OH_ATまたは操作量下限値OL_ATを算出した値に修正する2位置操作量補正付修正部11とを備えている。
【0052】
制御パラメータ調整装置が調整対象とするコントローラについては、第1の実施例で説明したとおりである。
図10は本実施例の制御パラメータ調整装置のAT実行時の動作を説明するフローチャートである。
設定値SP取得部1と制御量PV取得部2と操作量MV出力部3と2位置操作量下側設定部4と2位置操作量上側設定部5とリミットサイクルAT演算部6と起動指示部7と比率RT算出部8の動作(図10ステップS100〜S105)は、第1の実施例と同じである。
【0053】
補正係数設定部10には、2位置操作量(OH_AT,OL_AT)の修正量を適宜補正するための補正係数αが予め設定されている。発明者が鋭意研究した結果、比率RTを用いて2位置操作量(OH_AT,OL_AT)を修正する場合、高次の制御対象などでは修正量が少なめになってしまい、修正に誤差が発生することが判明した。
【0054】
制御パラメータ調整装置またはコントローラから出力される操作量MVに対する制御量PVの上下動は、制御対象の次数が高次になるほど、上下動の極値近傍の挙動が、図11の110で示すような直線的な挙動から、111,112で示すような曲線的な挙動へと変化する。制御量PVの極値近傍の挙動が曲線的になると、極大値、極小値いずれの場合でも図11の矢印113で示すように極値の時点が上下動時間の偏りが少なくなる側にずれることになるので、比率RTとしては偏りが小さい側(すなわち比率RTが1.0に近づく側)に影響する。したがって、2位置操作量(OH_AT,OL_AT)の修正量が少なめになる。
【0055】
そこで、本実施例では、補正係数αとして1.0より大きい値が予め設定されている。2位置操作量補正付修正部11は、第1の実施例と同様に2位置操作量(OH_AT,OL_AT)の設定が適切か否かを判定する(図10ステップS106)。
【0056】
2位置操作量補正付修正部11は、比率RTが1より大きい場合(図10ステップS107においてYES)、操作量下限値OL_ATが不適切と判定し、次式のように操作量下限値の修正値OL_AT_newを算出し、この修正値OL_AT_newを2位置操作量下側設定部4に出力する。2位置操作量下側設定部4は、修正値OL_AT_newを操作量下限値OL_ATの新たな値としてリミットサイクルAT演算部6に設定する(図10ステップS108a)。
OL_AT_new=OL_AT+α(OH_AT−OL_AT)(RT−1)
/(RT+1) ・・・(11)
【0057】
また、2位置操作量補正付修正部11は、比率RTが1より小さい場合(図10ステップS109においてYES)、操作量上限値OH_ATが不適切と判定し、次式のように操作量上限値の修正値OH_AT_newを算出し、この修正値OH_AT_newを2位置操作量上側設定部5に出力する。2位置操作量上側設定部5は、修正値OH_AT_newを操作量上限値OH_ATの新たな値としてリミットサイクルAT演算部6に設定する(図10ステップS110a)。
OH_AT_new=OH_AT+α(OH_AT−OL_AT)(RT−1)
/(RT+1) ・・・(12)
【0058】
2位置操作量(OH_AT,OL_AT)の修正後のリミットサイクルAT演算部6の動作(図10ステップS111,S112)は、第1の実施例と同じである。PIDパラメータの算出・設定の終了により、リミットサイクルATが終了する。
【0059】
なお、式(7)の代わりに、上昇時間T_UPを分母とし、下降時間T_DWを分子として比率RTを算出する場合には、比率RTが1より小さい場合に式(11)の(RT−1)を(1−RT)に置換した式により操作量下限値OL_ATを修正し、比率RTが1より大きい場合に式(12)の(RT−1)を(1−RT)に置換した式により操作量上限値OH_ATを修正すればよい。
【0060】
図12は本実施例のAT実行時の操作量MVと制御量PVの変化の1例を示す波形図であり、図13図12の拡大図である。図12図13の例では、時刻20sec.の最初の設定値SP変更と同時にATを起動し、時刻330sec.の時点でATが終了する。そして、AT終了後の時刻800sec.の時点で設定値SPを再び変更し、コントローラによる昇温制御を行っている。
【0061】
本実施例では、補正係数α=1.10を採用することで、操作量上限値OH_ATが最初の100%から31.9%に修正される。その結果、第1の実施例(図7図8)の場合よりも制御量PVの挙動がバランスの良い上下動(時刻300sec.付近の上下動)に改善される。
こうして、本実施例では、高次の制御対象の場合に発生する2位置操作量(OH_AT,OL_AT)の修正誤差を補正することができる。
【0062】
第1、第2の実施例で説明した制御パラメータ調整装置は、CPU(Central Processing Unit)、記憶装置及びインター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。このコンピュータの構成例を図14に示す。
【0063】
コンピュータは、CPU200と、記憶装置201と、インターフェース装置(以下、I/Fと略する)202とを備えている。I/F202には、例えば温度センサやコントローラ等が接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の制御パラメータ調整方法を実現させるためのプログラムは記憶装置201に格納される。CPU200は、記憶装置201に格納されたプログラムに従って第1、第2の実施例で説明した処理を実行する。
【産業上の利用可能性】
【0064】
本発明は、リミットサイクル方式によりコントローラの制御パラメータを調整する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【0065】
1…設定値SP取得部、2…制御量PV取得部、3,22…操作量MV出力部、4…2位置操作量下側設定部、5…2位置操作量上側設定部、6…リミットサイクルAT演算部、7…起動指示部、8…比率RT算出部、9…2位置操作量修正部、10…補正係数設定部、11…2位置操作量補正付修正部、20…設定値SP入力部、21…制御量PV入力部、23…PID制御演算部。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
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図16
図17