特許 5769416 初期化操作方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5769416

(24)【登録日】2015年7月3日

(45)【発行日】2015年8月26日

(54)【発明の名称】初期化操作方法

(51)【国際特許分類】

   G05B 11/36 20060101AFI20150806BHJP

   G05B 7/02 20060101ALI20150806BHJP

【ＦＩ】

   G05B11/36 501B

   G05B7/02 G

   G05B7/02 M

【請求項の数】2

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2010-294199(P2010-294199)

(22)【出願日】2010年12月28日

(65)【公開番号】特開2012-141795(P2012-141795A)

(43)【公開日】2012年7月26日

【審査請求日】2012年12月21日

【審判番号】不服2014-16895(P2014-16895/J1)

【審判請求日】2014年8月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100118913

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 邦生

(72)【発明者】

【氏名】岩崎 聡

(72)【発明者】

【氏名】洞 雄大

【合議体】

【審判長】 栗田 雅弘

【審判官】 石川 好文

【審判官】 原 泰造

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５３−７９１７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２０７０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平５−１５０８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１１０７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

G05B 11/36

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

積分器と該積分器と並列に設けられた比例器とを備える制御器を用いてフィードバック制御を開始する際、その時点での目標値と制御量との差である制御偏差を無くすようにする初期化操作方法であって、
前記目標値、前記制御量、前記比例器の比例ゲイン、及び前記積分器の出力を要素として含み、制御対象部に与えられる操作量を表す数理モデルを導出する第１過程と、
前記数理モデルを前記積分器の出力について解いて、前記積分器の出力を多項式で表す第２過程と、
前記多項式を積分ゲインの影響を受ける項と、積分ゲインの影響を受けない項である積分バイアス量とに分ける第３過程と、
前記積分バイアス量の絶対値が順次減少してゼロになるように前記積分バイアス量を制御する第４過程と
を含み、
前記第３過程において、前記積分ゲインの影響を受ける項には前記操作量が含まれ、前記積分バイアス量には前記比例器の比例ゲインが含まれ、
前記第４過程において、前記積分バイアス量は、前記積分器の積分ゲインとは独立して設定された所定の係数によって決まる割合で、ゼロになるように制御されることを特徴とする初期化操作方法。

【請求項2】

前記積分バイアス量は、前記比例器の比例ゲインによる変化量を打ち消すように設定される請求項１に記載の初期化操作方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、初期化操作方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

制御器では、たとえば、特許文献１に示されるように、目標値と制御量との差である制御偏差を無くすために比例制御に加えて積分制御が用いられている。
これらの制御器では、制御開始時や、制御ゲインを切り替えたときに、制御ロジックに、たとえば、その時の制御偏差である初期値を与える初期化を実施して制御を開始し、その後、与えられた制御偏差を無くすように制御対象が操作される（初期化操作）。
この初期化操作には、制御対象の操作量の変化を小さくして目標操作量まで滑らかに変化するように接続する方法と、初期化時に目標値応答を改良し、短時間で目標操作量まで変化させる方法がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−７６０９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、制御対象の操作量の変化を小さくして目標操作量まで滑らかに変化するように接続する方法では、初期化時に設定される制御偏差が大きい場合には、制御偏差をゼロにするまでに時間がかかるという課題（目標値応答が悪化する）がある。
一方、初期化時に目標値応答を改良し、短時間で目標操作量まで変化させる方法では、操作量が突変してしまい、切替時に操作量を滑らかにつなぐことができないという課題がある。

【0005】

本発明は、上記課題に鑑み、目標操作量まで滑らかに変化するように接続できるとともに応答性を改善し得る初期化操作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】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の一態様は、積分器と該積分器と並列に設けられた比例器とを備える制御器を用いてフィードバック制御を開始する際、その時点での目標値と制御量との差である制御偏差を無くすようにする初期化操作方法であって、前記目標値、前記制御量、前記比例器の比例ゲイン、及び前記積分器の出力を要素として含み、制御対象部に与えられる操作量を表す数理モデルを導出する第１過程と、前記数理モデルを前記積分器の出力について解いて、前記積分器の出力を多項式で表す第２過程と、前記多項式を積分ゲインの影響を受ける項と、積分ゲインの影響を受けない項である積分バイアス量とに分ける第３過程と、前記積分バイアス量の絶対値が順次減少してゼロになるように前記積分バイアス量を制御する第４過程とを含み、前記第３過程において、前記積分ゲインの影響を受ける項には前記操作量が含まれ、前記積分バイアス量には前記比例器の比例ゲインが含まれ、前記第４過程において、前記積分バイアス量は、前記積分器の積分ゲインとは独立して設定された所定の係数によって決まる割合で、ゼロになるように制御する初期化操作方法である。

【0007】

本態様にかかる初期化操作方法では、初期化時に、積分器からの出力が表わされる比例成分項を含む多項式の内、初期化時に、少なくとも１つの比例成分項を積分バイアス量として分離し、独立した比例項式として設定するので、積分器からの出力は、積分ゲインの影響を受ない比例項式と、積分ゲインの影響を受ける項が存在する残余の多項式とに分離されて取り扱われる。
これにより、積分器は、たとえば、積分ゲインを調整して目標操作量まで滑らかに変化するように設定することができる。このように、積分器が目標操作量まで滑らかに変化するように設定されていたとしても、その出力の一部である比例項式は積分ゲインに関係なく調整することができるので、単独で減少させることができ、短時間で目標操作量まで変化させることができる。
更に、本態様によれば、前記積分バイアス量は、絶対値が順次減少し、ゼロになるように操作されるので、積分バイアス量が正であろうと負であろうと影響なく同様な条件で減少させることができる。

【0008】

上記態様では、前記積分バイアス量は、前記比例器の比例ゲインによる変化量を打ち消すように設定されることとしてもよい。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、目標操作量まで滑らかに変化するように接続できるとともに応答性を改善することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態にかかる初期化操作方法を用いる制御器の一例を示すブロック図である。

【図2】本発明の一実施形態にかかる初期化操作方法のフローを示すフロー図である。

【図3】本発明の一実施形態にかかる初期化操作方法の動作を示すグラフである。

【図4】従来の初期化操作方法のフローを示すフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に、本発明にかかる一実施形態にかかる初期化操作方法について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態にかかる初期化操作方法を用いる制御器１の一例を示すブロック図である。
制御器１には、積分器３と、積分器３の積分ゲインＫｉを設定する積分ゲイン設定部５、積分器３と並列され、第一比例ゲインＫｐ1を設定する第一比例ゲイン設定部７と、制御対象部９と、第二比例ゲインＫｐ2を設定する第二比例ゲイン設定部１１と、信号を加減算する複数の演算器１３，１５，１７とが備えられている。

【0013】

制御器１は、以下のような動作を行う。
演算器１３は、目標値ｒから制御量ｙを減算する。この減算された値は、それぞれ一方は積分ゲインＫｉで積分され、他方は、第一比例ゲインＫｐ1を乗算され、演算器１５で加算される。演算器１５で加算された値は、演算器１７で、制御量ｙに第二比例ゲインＫｐ２を乗算した値を減算され、制御対象部９を操作する操作量ｕが算出される。制御対象部９は、操作量ｕで動作され、その結果として制御量ｙとなる。

【0014】

したがって、積分器３の出力をxとすると、操作量ｕは、ｕ＝x＋Ｋｐ1＊（ｒ−ｙ）−Ｋｐ2＊ｙと表わされるので、出力ｘは、ｘ＝ｕ−Ｋｐ1＊（ｒ−ｙ）＋Ｋｐ2＊ｙとなる。
したがって、出力ｘは、積分ゲインＫｉに影響される項である操作量ｕと、積分ゲインＫｉに影響されない項であるＫｐ1＊（ｒ−ｙ）およびＫｐ2＊ｙとで構成される多項式である。Ｋｐ1＊（ｒ−ｙ）およびＫｐ2＊ｙは、いずれも比例ゲインが乗算されているので、比例項と称することとする。

【0015】

このように構成された制御器１を用いた本実施形態にかかる初期化操作方法について図２および図３を用いて説明する。
初期化操作方法は、制御開始時や、制御ゲインを切り替えたときに、制御器１に初期値を与える初期化を実施して制御を開始し、その後、与えられた制御偏差を無くすように制御対象が操作されるものである。
図２は、本実施形態にかかる初期化操作方法のフローを示すフロー図である。図３は、本実施形態にかかる初期化操作方法の動作を例示するグラフである。

【0016】

本実施形態では、ある制御量ｙ（操作量ｕ）で手動操作を行っていた状態からある目標値ｒとなるように自動制御を行う場合について説明する。
制御が開始される（ステップＳ１）と、初期化オンされる（ステップＳ２）。
初期化オンされると、最初の設定である初期化であるかが判定される（ステップＳ３）。
初期化である（ＹＥＳ）場合、積分器３の出力ｘは、２つの多項式に分割されて設定される（ステップＳ４）。すなわち、積分ゲインＫｉの影響を受ける項（ｕ）が存在する多項式であるｘ_ａ＝ｕ＋Ｋｐ２＊ｙで表わされる出力量ｘ_ａと、積分ゲインＫｉの影響を受ない比例項式であるｘ_ｂ＝−Ｋｐ１＊（ｒ−ｙ）で表わされる積分バイアス量ｘ_ｂと、に分割して算出され、算出されたその時点での出力量ｘ_ａ及び積分バイアス量ｘ_ｂがそれぞれ出力量ｘ_ａｏｌｄおよび積分バイアス量ｘ_ｂｏｌｄとして設定される。

【0017】

ステップＳ４で、出力量ｘ_ａｏｌｄおよび積分バイアス量ｘ_ｂｏｌｄが設定されると、その時点の積分バイアス量ｘ_ｂが、ｘ_ｂ＝ｘ_ｂｏｌｄ＋Ｋｉｎｉ＊｜（ｒ−ｙ）｜で算出される（ステップＳ５）。
このとき、積分バイアス量ｘ_ｂが正の値かが判定される（ステップＳ６）。
積分バイアス量ｘ_ｂが正の値である（ＹＥＳ）場合、積分バイアス量ｘ_ｂが、新たに、ｘ_ｂ＝ｘ_ｂｏｌｄ−Ｋｉｎｉ＊｜ｒ−ｙ｜と算出される（ステップＳ７）。
係数Ｋｉｎｉは、積分バイアス量ｘ_ｂを低減させる割合であり、これを適当な値に設定することによって積分バイアス量ｘ_ｂの低減割合を調整することができる。

【0018】

算出された積分バイアス量ｘ_ｂが、ゼロ（０）以下、すなわち、０あるいは負であるかが判定される（ステップＳ８）。積分バイアス量ｘ_ｂがゼロ以下（ＹＥＳ）の場合には、積分バイアス量ｘ_ｂが正の値からゼロ以下の値になったと判断し、積分バイアス量ｘ_ｂ，ｘ_ｂｏｌｄはゼロと設定される（ステップＳ９）。

【0019】

ステップＳ６で、積分バイアス量ｘ_ｂがゼロ以下の値である（ＮＯ）場合、積分バイアス量ｘ_ｂが負の値かが判定される（ステップＳ１０）。
積分バイアス量ｘ_ｂが負の値である（ＹＥＳ）場合、積分バイアス量ｘ_ｂが、新たに、ｘ_ｂ＝ｘ_ｂｏｌｄ＋Ｋｉｎｉ＊｜ｒ−ｙ｜と算出される（ステップＳ１１）。
算出された積分バイアス量ｘ_ｂが、ゼロ（０）以上、すなわち、０あるいは正であるかが判定される（ステップＳ１２）。積分バイアス量ｘ_ｂがゼロ以上（ＹＥＳ）の場合には、積分バイアス量ｘ_ｂ，ｘ_ｂｏｌｄはゼロと設定される（ステップＳ１３）。

【0020】

ステップＳ１０，Ｓ８，Ｓ１２がＮＯの場合およびステップＳ９，Ｓ１３で積分バイアス量ｘ_ｂがゼロと設定された場合、積分バイアス量ｘ_ｂは、ｘ_ｂ＝ｘ_ｂｏｌｄ＋Ｋｉｎｉ＊｜ｒ−ｙ｜で算出される。操作量ｕは、ｕ＝ｘ＋Ｋｐ１＊（ｒ−ｙ）−Ｋｐ２＊ｙで算出される。そして、出力ｘ_ｏｌｄ＝ｘ＝ｘ_ａｏｌｄ＋ｘ_ｂｏｌｄとされる（ステップＳ１４）。
その後、初期化操作が終了しているかが判定され（ステップＳ１５）、継続している場合には、ステップＳ３に戻って、上記した手順が繰り返し行われる。

【0021】

参考までに、図４に示される従来の初期化操作方法のフローについて説明する。
制御が開始される（ステップＳ２１）と、初期化オンされる（ステップＳ２２）。
初期化オンされると、最初の設定である初期化であるかが判定される（ステップＳ２３）。
初期化である（ＹＥＳ）場合、積分器３の出力ｘは、ｘ_ｏｌｄ＝ｕ−Ｋｐ１＊（ｒ−ｙ）＋Ｋｐ２＊ｙで算出された値に設定される（ステップＳ２４）。
ステップＳ２３でＮＯの場合、あるいはステップＳ２４で出力ｘが設定された場合、出力ｘは、ｘ＝ｘ_ｏｌｄ＋Ｋｉ＊（ｒ−ｙ）で算出される。算出された出力ｘは出力ｘ_ｏｌｄとされる。そして、操作量ｕは、ｕ＝ｘ＋Ｋｐ１＊（ｒ−ｙ）−Ｋｐ２＊ｙで算出される（ステップＳ２５）。その後、初期化操作が終了しているかが判定され（ステップＳ２６）、継続している場合には、ステップＳ２３に戻って、上記した手順が繰り返し行われる。

【0022】

図３には、本実施形態にかかる初期化操作方法と従来の初期化操作方法で初期化操作を行った場合の制御量ｙ、操作量ｕ、出力ｘ等の変化が例示されている。
図３では、本実施形態にかかる初期化操作方法にかかるものを太い実線で、従来のものを一点鎖線で示している。

【0023】

従来の場合、出力ｘに含まれる比例項分ｐが減少するのであるが、この減少分は積分ゲインＫｉによって吸収され、出力ｘの変化にほとんど寄与しない。このため、出力ｘの変化は積分ゲインＫｉの設定に依存される。
したがって、目標操作量ｕまで滑らかに変化するように積分ゲインＫｉを設定すると、目標操作量ｕ（制御量ｙの目標値ｒ）まで到達する時間が長くなる。

【0024】

本実施形態の場合、積分バイアス量ｘ_ｂが、第一比例ゲインＫｐ1による変化量を打ち消すように設定される。積分バイアス量ｘ_ｂは、係数Ｋiniによって設定された割合でゼロに近づくことになる。係数Ｋiniは積分ゲインＫｉとは独立して設定できるので、大きく設定することができる。
係数Ｋiniを大きく設定すると、操作量ｕを早く速く変化させることができるので、制御量ｙを速く目標値ｒに到達させることができる。

【0025】

なお、本実施形態では、制御器１が手動操作から自動制御に切り替えられた際の初期化操作について説明しているが、初期化操作が行われるケースは、これに限定されない。
たとえば、制御器１の積分ゲインＫｉ、第一比例ゲインＫｐ１および第二比例ゲインＫｐ２が切り替えられて、目標値ｒが変更される場合、制御器１をオンオフする場合、複数の制御器１が備えられ、それらの制御器１が切り替えられ、目標値ｒが変化する場合等に用いられる。

【0026】

制御器１の制御対象部９としては、たとえば、無人潜水艦・潜水艇（ＵＵＶ）における深度制御、方位制御、ピッチ制御、速度制御等、発電用ボイラの主蒸気温度制御、ＲＨ温度制御等、車両の方位制御、速度制御、姿勢制御、各種バルブ制御等が用いられる。
この場合、各制御を行うそれぞれの制御器１を備えていてもよく、それらを切り替えて用いる際に、初期化操作が行われる。

【0027】

また、本実施形態では、積分器３ならびに積分ゲインＫｉ、第一比例ゲインＫｐ１および第二比例ゲインＫｐ２を備えている制御器１を対象としているが、制御器１としては、積分器３と比例ゲインを備えていればよく、制御器１の構成はこれに限定されない。

【符号の説明】

【0028】

１ 制御器
３ 積分器
ｒ 目標値
ｘ 出力
ｘ_ａ 出力量
ｘ_ｂ 積分バイアス量
ｙ 制御量

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】