特許 6974142 制御装置および制御方法

(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】6974142

(24)【登録日】2021年11月8日

(45)【発行日】2021年12月1日

(54)【発明の名称】制御装置および制御方法

(51)【国際特許分類】

   G05B 11/36 20060101AFI20211118BHJP

   F24F 11/62 20180101ALN20211118BHJP

   G05D 23/00 20060101ALN20211118BHJP

   G05D 23/19 20060101ALN20211118BHJP

   H05B 3/00 20060101ALN20211118BHJP

【ＦＩ】

   G05B11/36 507F

   !F24F11/62

   !G05D23/00 F

   !G05D23/19 J

   !H05B3/00 350

【請求項の数】7

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2017-233248(P2017-233248)

(22)【出願日】2017年12月5日

(65)【公開番号】特開2019-101846(P2019-101846A)

(43)【公開日】2019年6月24日

【審査請求日】2020年9月11日

(73)【特許権者】

【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

【審査官】 松本 泰典

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０８５７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−２４８２０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０２９６２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第５５０４６７２（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０５Ｂ １１／３６

Ｆ２４Ｆ １１／６２

Ｇ０５Ｄ ２３／００

Ｇ０５Ｄ ２３／１９

Ｈ０５Ｂ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

設定値と制御量とを入力としてＰＩＤ制御演算により操作量を算出するように構成された操作量算出部と、
この操作量算出部で算出された操作量を操作量限界値に基づいて制限するリミット処理を行なうように構成されたリミット処理部と、
このリミット処理された操作量を制御対象に出力するように構成された操作量出力部と、
フィードフォワードを実行しない通常の制御時に適用される前記操作量限界値の通常値を予め記憶するように構成された通常限界値記憶部と、
前記通常値にフィードフォワード分の変更を施した値である操作量限界目標値を取得するように構成された限界値取得部と、
前記通常値と異なる前記操作量限界目標値を取得したときに、前記操作量限界目標値に近づいた後に前記通常値へと徐々に収束する前記操作量限界値を算出して前記リミット処理部に設定する限界値変更部とを備え、
前記限界値変更部は、前記操作量限界値の時間に関する第１のパラメータを、前記操作量算出部のＰＩＤパラメータに連動して自動決定することを特徴とする制御装置。

【請求項2】

設定値と制御量とを入力としてＰＩＤ制御演算により操作量を算出するように構成された操作量算出部と、
この操作量算出部で算出された操作量を操作量限界値に基づいて制限するリミット処理を行なうように構成されたリミット処理部と、
このリミット処理された操作量を制御対象に出力するように構成された操作量出力部と、
フィードフォワードを実行しない通常の制御時に適用される前記操作量限界値の通常値を予め記憶するように構成された通常限界値記憶部と、
前記通常値にフィードフォワード分の変更を施した値である操作量限界目標値を取得するように構成された限界値取得部と、
前記通常値と異なる前記操作量限界目標値を取得したときに、前記操作量限界目標値に近づいた後に前記通常値へと徐々に収束する前記操作量限界値を算出して前記リミット処理部に設定する限界値変更部とを備え、
前記操作量限界目標値は、前記通常値をフィードフォワード分だけステップ変更した値であることを特徴とする制御装置。

【請求項3】

請求項１または２記載の制御装置において、
前記操作量限界値は、操作量上限値であり、
前記リミット処理部は、前記操作量算出部で算出された操作量を前記操作量上限値以下の値に制限するリミット処理を行ない、
前記通常限界値記憶部は、前記操作量限界値の通常値として操作量上限通常値を予め記憶し、
前記限界値取得部は、前記操作量限界目標値として操作量上限目標値を取得し、
前記限界値変更部は、前記限界値取得部が前記操作量上限通常値と異なる前記操作量上限目標値を取得したときに、前記操作量上限目標値に近づいた後に前記操作量上限通常値へと徐々に収束する前記操作量上限値を算出して前記リミット処理部に設定することを特徴とする制御装置。

【請求項4】

請求項１または２記載の制御装置において、
前記操作量限界値は、操作量下限値であり、
前記リミット処理部は、前記操作量算出部で算出された操作量を前記操作量下限値以上の値に制限するリミット処理を行ない、
前記通常限界値記憶部は、前記操作量限界値の通常値として操作量下限通常値を予め記憶し、
前記限界値取得部は、前記操作量限界目標値として操作量下限目標値を取得し、
前記限界値変更部は、前記限界値取得部が前記操作量下限通常値と異なる前記操作量下限目標値を取得したときに、前記操作量下限目標値に近づいた後に前記操作量下限通常値へと徐々に収束する前記操作量下限値を算出して前記リミット処理部に設定することを特徴とする制御装置。

【請求項5】

請求項１記載の制御装置において、
前記限界値変更部は、前記フィードフォワードの大きさを規定する第２のパラメータを、前記第１のパラメータに連動して自動決定することを特徴とする制御装置。

【請求項6】

設定値と制御量とを入力としてＰＩＤ制御演算により操作量を算出する第１のステップと、
前記操作量を操作量限界値に基づいて制限するリミット処理を行なう第２のステップと、
このリミット処理した操作量を制御対象に出力する第３のステップと、
フィードフォワードを実行しない通常の制御時に適用される前記操作量限界値の通常値に、フィードフォワード分の変更を施した値である操作量限界目標値を取得する第４のステップと、
前記通常値と異なる前記操作量限界目標値を取得したときに、前記操作量限界目標値に近づいた後に前記通常値へと徐々に収束する前記操作量限界値を算出して設定する第５のステップとを含み、
前記第５のステップは、前記操作量限界値の時間に関する第１のパラメータを、前記ＰＩＤ制御演算のＰＩＤパラメータに連動して自動決定するステップを含むことを特徴とする制御方法。

【請求項7】

設定値と制御量とを入力としてＰＩＤ制御演算により操作量を算出する第１のステップと、
前記操作量を操作量限界値に基づいて制限するリミット処理を行なう第２のステップと、
このリミット処理した操作量を制御対象に出力する第３のステップと、
フィードフォワードを実行しない通常の制御時に適用される前記操作量限界値の通常値に、フィードフォワード分の変更を施した値である操作量限界目標値を取得する第４のステップと、
前記通常値と異なる前記操作量限界目標値を取得したときに、前記操作量限界目標値に近づいた後に前記通常値へと徐々に収束する前記操作量限界値を算出して設定する第５のステップとを含み、
前記操作量限界目標値は、前記通常値をフィードフォワード分だけステップ変更した値であることを特徴とする制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、フィードバックコントローラにフィードフォワード制御を追加適用する技術に係り、特に、オペレータの操作により任意の操作量加算あるいは操作量減算を実行する場合に適した制御装置および制御方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

１個または複数の制御ループを備える装置を扱うために、多機能の汎用フィードバックコントローラ（温調計）が使用されることがある（特許文献１参照）。汎用フィードバックコントローラ（温調計）が対象とする加熱装置の例を図２７に示す。

【0003】

図２７の例では、加熱装置は、被加熱物を加熱するための加熱処理炉１００と、加熱処理炉１００の内部に設置された複数のヒータＨ１〜Ｈ４と、それぞれヒータＨ１〜Ｈ４によって加熱される加熱処理炉１００内の温度制御ゾーンＺ１〜Ｚ４の温度を測定する複数の温度センサＳ１〜Ｓ４と、ヒータＨ１〜Ｈ４に出力する操作量ＭＶ１〜ＭＶ４を算出する調節計１０１と、調節計１０１から出力された操作量ＭＶ１〜ＭＶ４に応じた電力をヒータＨ１〜Ｈ４に供給する電力調整器１０２−１〜１０２−４とから構成される。調節計１０１は、温度センサＳ１〜Ｓ４が計測した温度ＰＶ１〜ＰＶ４が温度設定値ＳＰ１〜ＳＰ４と一致するように操作量ＭＶ１〜ＭＶ４を算出する。この図２７に示した加熱装置においては、温度ＰＶ１〜ＰＶ４を制御する制御ループが４個形成されていることになる。

【0004】

複数の制御ループを備える装置では、制御ゾーン間の干渉の発生により、フィードバック制御だけでは所望の制御結果を得られなくなることがある。また、１個の制御ループのみであっても、強非線形性の影響などにより、フィードバック制御だけでは所望の制御結果を得られなくなることがある。

【0005】

そこで、代表的なフィードバック制御であるＰＩＤ制御に、フィードフォワード分を加算する方法が提案されている（特許文献２参照）。特許文献２に開示されているフィードフォワード制御＋ＰＩＤ制御は、特にオーバーシュートを発生させないこと（制御結果についての改善）を課題としている。

【0006】

フィードフォワード制御＋ＰＩＤ制御を実現する場合、温度制御のための市販の汎用フィードバックコントローラ（温調計）を、フィードバック制御機能部分（ＰＩＤ制御機能部分）として利用するのが、現実的には得策である。この場合、温調計内部のＰＩＤ演算における中間変数などは操作できないので、フィードフォワード制御を単純に追加適用できるとは限らず、不具合も発生し得るので、改善が求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１２−０４８３７０号公報

【特許文献2】特開２００７−１０２８１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、汎用フィードバックコントローラ（例えばＰＩＤ制御の温調計）にフィードフォワード制御を追加適用する場合に、不具合の発生を低減することができる制御装置および制御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】

【0009】

本発明の制御装置は、設定値と制御量とを入力としてＰＩＤ制御演算により操作量を算出するように構成された操作量算出部と、この操作量算出部で算出された操作量を操作量限界値に基づいて制限するリミット処理を行なうように構成されたリミット処理部と、このリミット処理された操作量を制御対象に出力するように構成された操作量出力部と、フィードフォワードを実行しない通常の制御時に適用される前記操作量限界値の通常値を予め記憶するように構成された通常限界値記憶部と、前記通常値にフィードフォワード分の変更を施した値である操作量限界目標値を取得するように構成された限界値取得部と、前記通常値と異なる前記操作量限界目標値を取得したときに、前記操作量限界目標値に近づいた後に前記通常値へと徐々に収束する前記操作量限界値を算出して前記リミット処理部に設定する限界値変更部とを備え、前記限界値変更部は、前記操作量限界値の時間に関する第１のパラメータを、前記操作量算出部のＰＩＤパラメータに連動して自動決定することを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置は、設定値と制御量とを入力としてＰＩＤ制御演算により操作量を算出するように構成された操作量算出部と、この操作量算出部で算出された操作量を操作量限界値に基づいて制限するリミット処理を行なうように構成されたリミット処理部と、このリミット処理された操作量を制御対象に出力するように構成された操作量出力部と、フィードフォワードを実行しない通常の制御時に適用される前記操作量限界値の通常値を予め記憶するように構成された通常限界値記憶部と、前記通常値にフィードフォワード分の変更を施した値である操作量限界目標値を取得するように構成された限界値取得部と、前記通常値と異なる前記操作量限界目標値を取得したときに、前記操作量限界目標値に近づいた後に前記通常値へと徐々に収束する前記操作量限界値を算出して前記リミット処理部に設定する限界値変更部とを備え、前記操作量限界目標値は、前記通常値をフィードフォワード分だけステップ変更した値である。

【0010】

また、本発明の制御装置の１構成例において、前記操作量限界値は、操作量上限値であり、前記リミット処理部は、前記操作量算出部で算出された操作量を前記操作量上限値以下の値に制限するリミット処理を行ない、前記通常限界値記憶部は、前記操作量限界値の通常値として操作量上限通常値を予め記憶し、前記限界値取得部は、前記操作量限界目標値として操作量上限目標値を取得し、前記限界値変更部は、前記限界値取得部が前記操作量上限通常値と異なる前記操作量上限目標値を取得したときに、前記操作量上限目標値に近づいた後に前記操作量上限通常値へと徐々に収束する前記操作量上限値を算出して前記リミット処理部に設定することを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記操作量限界値は、操作量下限値であり、前記リミット処理部は、前記操作量算出部で算出された操作量を前記操作量下限値以上の値に制限するリミット処理を行ない、前記通常限界値記憶部は、前記操作量限界値の通常値として操作量下限通常値を予め記憶し、前記限界値取得部は、前記操作量限界目標値として操作量下限目標値を取得し、前記限界値変更部は、前記限界値取得部が前記操作量下限通常値と異なる前記操作量下限目標値を取得したときに、前記操作量下限目標値に近づいた後に前記操作量下限通常値へと徐々に収束する前記操作量下限値を算出して前記リミット処理部に設定することを特徴とするものである。

【0011】

また、本発明の制御装置の１構成例において、前記限界値変更部は、前記フィードフォワードの大きさを規定する第２のパラメータを、前記第１のパラメータに連動して自動決定することを特徴とするものである。

【0012】

また、本発明の制御方法は、設定値と制御量とを入力としてＰＩＤ制御演算により操作量を算出する第１のステップと、前記操作量を操作量限界値に基づいて制限するリミット処理を行なう第２のステップと、このリミット処理した操作量を制御対象に出力する第３のステップと、フィードフォワードを実行しない通常の制御時に適用される前記操作量限界値の通常値に、フィードフォワード分の変更を施した値である操作量限界目標値を取得する第４のステップと、前記通常値と異なる前記操作量限界目標値を取得したときに、前記操作量限界目標値に近づいた後に前記通常値へと徐々に収束する前記操作量限界値を算出して設定する第５のステップとを含み、前記第５のステップは、前記操作量限界値の時間に関する第１のパラメータを、前記ＰＩＤ制御演算のＰＩＤパラメータに連動して自動決定するステップを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の制御方法は、設定値と制御量とを入力としてＰＩＤ制御演算により操作量を算出する第１のステップと、前記操作量を操作量限界値に基づいて制限するリミット処理を行なう第２のステップと、このリミット処理した操作量を制御対象に出力する第３のステップと、フィードフォワードを実行しない通常の制御時に適用される前記操作量限界値の通常値に、フィードフォワード分の変更を施した値である操作量限界目標値を取得する第４のステップと、前記通常値と異なる前記操作量限界目標値を取得したときに、前記操作量限界目標値に近づいた後に前記通常値へと徐々に収束する前記操作量限界値を算出して設定する第５のステップとを含み、前記操作量限界目標値は、前記通常値をフィードフォワード分だけステップ変更した値である。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、通常限界値記憶部と限界値取得部と限界値変更部とを設けることにより、操作量算出部によるフィードバック制御にフィードフォワード制御を追加適用する場合に、フィードバック制御にとっての不具合の発生を低減することができる。

【0014】

また、本発明では、操作量限界値の時間に関する第１のパラメータを、操作量算出部のＰＩＤパラメータに連動して自動決定することにより、操作量限界値のフィードフォワード分の変化を、制御の上下動が発生する際の周期と概ね一致させ、また操作量限界値の変化の開始時点からフィードフォワード分が最大印加量に到達するまでの経過時間を、第１のパラメータの時間に概ね一致させることができる。

【0015】

また、本発明では、フィードフォワードの大きさを規定する第２のパラメータを、第１のパラメータに連動して自動決定することにより、フィードフォワード分の最大印加量を、操作量限界目標値に概ね一致させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、本発明の実施例に係る制御装置の構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、本発明の実施例に係る制御系のブロック線図である。

【図3】図３は、本発明の実施例に係る制御装置の操作量算出部とリミット処理部と操作量出力部の動作を示すフローチャートである。

【図4】図４は、本発明の実施例に係る制御装置のＦＦ上限値取得部と上限値変更部の動作を説明するフローチャートである。

【図5】図５は、本発明の実施例に係る制御装置のＦＦ下限値取得部と下限値変更部の動作を説明するフローチャートである。

【図6】図６は、フィードフォワードを実行せずに温度制御した場合の制御量と操作量の変化の１例を示す図である。

【図7】図７は、フィードフォワードを実行せずに温度制御した場合の操作量下限値と操作量上限値の１例を示す図である。

【図8】図８は、操作量上限値にフィードフォワード分の変更を施し、一定時間経過後に１００％に戻した場合の制御量と操作量の変化の１例を示す図である。

【図9】図９は、操作量上限値にフィードフォワード分の変更を施し、一定時間経過後に１００％に戻した場合の制御量と操作量の変化の他の例を示す図である。

【図10】図１０は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の制御量と操作量の変化の１例を示す図である。

【図11】図１１は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の操作量下限値と操作量上限値の変化の１例を示す図である。

【図12】図１２は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の制御量と操作量の変化の他の例を示す図である。

【図13】図１３は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の操作量下限値と操作量上限値の変化の他の例を示す図である。

【図14】図１４は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の制御量と操作量の変化の他の例を示す図である。

【図15】図１５は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の操作量下限値と操作量上限値の変化の他の例を示す図である。

【図16】図１６は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の制御量と操作量の変化の他の例を示す図である。

【図17】図１７は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の操作量下限値と操作量上限値の変化の他の例を示す図である。

【図18】図１８は、操作量上限値の時間に関するパラメータを本発明の実施例よりも小さい値として温度制御した場合の制御量と操作量の変化の１例を示す図である。

【図19】図１９は、操作量上限値の時間に関するパラメータを本発明の実施例よりも小さい値として温度制御した場合の操作量下限値と操作量上限値の変化の１例を示す図である。

【図20】図２０は、操作量上限値の時間に関するパラメータを本発明の実施例よりも大きい値として温度制御した場合の制御量と操作量の変化の１例を示す図である。

【図21】図２１は、操作量上限値の時間に関するパラメータを本発明の実施例よりも大きい値として温度制御した場合の操作量下限値と操作量上限値の変化の１例を示す図である。

【図22】図２２は、フィードフォワードを実行せずに温度制御した場合の制御量と操作量の変化の１例を示す図である。

【図23】図２３は、フィードフォワードを実行せずに温度制御した場合の操作量下限値と操作量上限値の１例を示す図である。

【図24】図２４は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の制御量と操作量の変化の他の例を示す図である。

【図25】図２５は、本発明の実施例に係る制御装置によって温度制御した場合の操作量下限値と操作量上限値の変化の他の例を示す図である。

【図26】図２６は、本発明の実施例に係る制御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27】図２７は、複数の制御ループを備えた加熱装置の構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

［発明の原理１］
オペレータによる任意の操作量加算分（減算分も含む）は、制御の構造としてはフィードフォワード分として位置付けることができる。
温調計のＰＩＤ演算による操作量出力は、温調計で算出される操作量ＭＶのみにより出力飽和を判断して、積分動作に対するアンチリセットワインドアップの処理が行なわれる。したがって、定常的に残留するフィードフォワード分をフィードバック分（ＰＩＤ演算による操作量ＭＶ）に加算したままにしておくと、温調計側では正常に機能しなくなるという課題を解決する必要がある。例えば、出力飽和には十分に余裕のある操作量ＭＶ＝６０％を温調計が出力しているときに、５０％のフィードフォワード分が加算されると１１０％になり、１００％を超える出力飽和状態になるが、温調計としてはアンチリセットワインドアップの処理が実行されないという不整合が発生する。

【0018】

そこで、発明者は、フィードフォワード分を操作量下限値ＯＬあるいは操作量上限値ＯＨに対して適用し、フィードバック分が操作量下限値ＯＬと操作量上限値ＯＨの範囲内に追従できる速度で操作量下限値ＯＬあるいは操作量上限値ＯＨを元の値に徐々に（段階的に，略連続的に）収束させれば、フィードフォワード分はフィードバック分への加算の構造ではなくなり、理論上はフィードバック制御のみの連続的な操作量ＭＶが出力される制御として動作させられることに想到した。これにより、ＰＩＤ演算にとっての不都合は発生させずに済む。

【0019】

［発明の原理２］
操作量下限値ＯＬあるいは操作量上限値ＯＨの時間に関するパラメータＴｆ（第１のパラメータ）を、ＰＩＤパラメータ（例えば積分時間Ｔｉ）に連動して自動決定する。これにより、操作量下限値ＯＬあるいは操作量上限値ＯＨのフィードフォワード分の変化が、制御の上下動が発生する際の周期と、概ね一致するように維持し易くできる。

【0020】

また、オペレータが設定するパラメータ値が、オペレータにとっての視覚的に分かり易い物理量に維持されるように、時間に関するパラメータＴｆに連動してフィードフォワードの大きさを規定するパラメータＫｘ（第２のパラメータ）を自動変更するのが好適である。例えば、オペレータが設定するパラメータ値が、常にフィードフォワードの最大印加量に対応するように、各パラメータを内部処理することが考えられる。

【0021】

［発明の原理３］
フィードフォワード分は操作量下限値ＯＬあるいは操作量上限値ＯＨのステップ的な変更を意味するように指定させることで、オペレータがフィードフォワード分をマニュアル操作することが容易になる。また、この操作を自動的に再現するための指示内容も簡素化できる。

【0022】

［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１は本発明の実施例に係る制御装置の構成を示すブロック図である。本実施例は、上記発明の原理１、発明の原理２、発明の原理３に対応する例である。ここでは、汎用フィードバックコントローラ（ＰＩＤ制御の温調計）への適用例として説明する。

【0023】

制御装置は、設定値ＳＰと制御量ＰＶとを入力としてＰＩＤ制御演算により操作量ＭＶを算出する操作量算出部１と、操作量算出部１で算出された操作量ＭＶを操作量限界値（操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨ）に基づいて制限するリミット処理を行なうリミット処理部２と、リミット処理された操作量ＭＶを制御対象に出力する操作量出力部３と、フィードフォワードを実行しない通常の制御時に適用される操作量限界値の通常値のうち、操作量上限通常値ＯＨ＿Ｒを予め記憶する通常上限値記憶部４と、フィードフォワードを実行しない通常の制御時に適用される操作量限界値の通常値のうち、操作量下限通常値ＯＬ＿Ｒを予め記憶する通常下限値記憶部５と、操作量上限通常値ＯＨ＿Ｒにフィードフォワード分の変更を施した値である操作量上限目標値ＯＨ＿Ｆ（操作量限界目標値）を取得するＦＦ（feedforward）上限値取得部６と、操作量下限通常値ＯＬ＿Ｒにフィードフォワード分の変更を施した値である操作量下限目標値ＯＬ＿Ｆ（操作量限界目標値）を取得するＦＦ下限値取得部７と、操作量上限通常値ＯＨ＿Ｒと異なる操作量上限目標値ＯＨ＿Ｆを取得したときに、操作量上限目標値ＯＨ＿Ｆに近づいた後に操作量上限通常値ＯＨ＿Ｒへと徐々に収束する操作量上限値ＯＨを算出してリミット処理部２に設定する上限値変更部８と、操作量下限通常値ＯＬ＿Ｒと異なる操作量下限目標値ＯＬ＿Ｆを取得したときに、操作量下限目標値ＯＬ＿Ｆに近づいた後に操作量下限通常値ＯＬ＿Ｒへと徐々に収束する操作量下限値ＯＬを算出してリミット処理部２に設定する下限値変更部９とを備えている。

【0024】

通常上限値記憶部４と通常下限値記憶部５とは、通常限界値記憶部１０を構成している。ＦＦ上限値取得部６とＦＦ下限値取得部７とは、限界値取得部１１を構成している。上限値変更部８と下限値変更部９とは、限界値変更部１２を構成している。
図２は本実施例の制御系のブロック線図である。図２のＰは制御対象を示している。

【0025】

次に、本実施例の制御装置の動作を図３〜図５を参照して説明する。図３は操作量算出部１とリミット処理部２と操作量出力部３の動作を示すフローチャート、図４はＦＦ上限値取得部６と上限値変更部８の動作を説明するフローチャート、図５はＦＦ下限値取得部７と下限値変更部９の動作を説明するフローチャートである。

【0026】

設定値ＳＰ（例えば温度設定値）は、制御装置のオペレータなどによって設定され、操作量算出部１に入力される（図３ステップＳ１００）。
制御量ＰＶ（例えば温度計測値）は、図示しない計測器（例えば被加熱物の温度を計測する温度センサ）によって計測され、操作量算出部１に入力される（図３ステップＳ１０１）。

【0027】

操作量算出部１は、設定値ＳＰと制御量ＰＶとを入力として、制御量ＰＶが設定値ＳＰと一致するように、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を算出する（図３ステップＳ１０２）。
ＭＶ＝（１００／Ｐｂ）｛１＋（１／Ｔｉｓ）＋Ｔｄｓ｝（ＳＰ−ＰＶ）
・・・（１）
Ｐｂは比例帯、Ｔｉは積分時間、Ｔｄは微分時間、ｓはラプラス演算子である。

【0028】

リミット処理部２は、操作量算出部１で算出された操作量ＭＶを所定の操作量下限値ＯＬ以上の値に制限する下限リミット処理と、操作量ＭＶを操作量上限値ＯＨ以下の値に制限する上限リミット処理とを行なう（図３ステップＳ１０３）。
ＩＦ ＭＶ＜ＯＬ ＴＨＥＮ ＭＶ’＝ＯＬ ・・・（２）
ＩＦ ＭＶ＞ＯＨ ＴＨＥＮ ＭＶ’＝ＯＨ ・・・（３）
つまり、リミット処理部２は、操作量ＭＶが操作量下限値ＯＬより小さい場合、操作量ＭＶ’＝ＯＬとし、操作量ＭＶが操作量上限値ＯＨより大きい場合、操作量ＭＶ’＝ＯＨとする。

【0029】

操作量出力部３は、リミット処理部２でリミット処理された操作量ＭＶ’を制御対象に出力する（図３ステップＳ１０４）。操作量ＭＶ’の出力先は、ヒータやバルブなどの操作部（不図示）である。ヒータの場合には、操作量ＭＶ’の実際の出力先は、ヒータに電力を供給する電力調整器（不図示）となる。

【0030】

制御装置は、図３のステップＳ１００〜Ｓ１０４の処理を例えばオペレータの指示によって制御が終了するまで（図３ステップＳ１０５においてＹＥＳ）、制御周期毎に実行する。

【0031】

次に、通常上限値記憶部４には、フィードフォワードを実行しない通常の制御時に適用する操作量上限値ＯＨ（以下、操作量上限通常値ＯＨ＿Ｒ）が予め記憶されている。通常下限値記憶部５には、フィードフォワードを実行しない通常の制御時に適用する操作量下限値ＯＬ（以下、操作量下限通常値ＯＬ＿Ｒ）が予め記憶されている。

【0032】

ＦＦ上限値取得部６は、操作量上限通常値ＯＨ＿Ｒにフィードフォワード分の変更を施した値である操作量上限目標値ＯＨ＿Ｆを取得する。具体的には、ＦＦ上限値取得部６は、外部から入力された操作量上限目標値ＯＨ＿Ｆを取得するが、予め規定されたタイミングで通信により送られた値を取得する形態や、オペレータが入力機能を利用して適宜入力した値を取得する形態や、操作量算出部１に入力される設定値ＳＰの変更に伴い自動生成される値を取得する形態などがある。

【0033】

ＦＦ下限値取得部７は、操作量下限通常値ＯＬ＿Ｒにフィードフォワード分の変更を施した値である操作量下限目標値ＯＬ＿Ｆを取得する。ＦＦ上限値取得部６と同様に、ＦＦ下限値取得部７は、外部から入力された操作量下限目標値ＯＬ＿Ｆを取得する。操作量下限目標値ＯＬ＿Ｆを取得する形態としては、ＦＦ上限値取得部６と同様に、予め規定されたタイミングで通信により送られた値を取得する形態や、オペレータが入力機能を利用して適宜入力した値を取得する形態や、操作量算出部１に入力される設定値ＳＰの変更に伴い自動生成される値を取得する形態などがある。

【0034】

つまり、本実施例の制御装置が適用されるシステムにおいて、例えば制御中に想定される外乱を抑制するために、上位装置から制御装置に対して規定のタイミングまたは設定値ＳＰの変更のタイミングで操作量上限目標値ＯＨ＿Ｆ、操作量下限目標値ＯＬ＿Ｆを自動的に入力したり、制御中にオペレータが操作量上限目標値ＯＨ＿Ｆ、操作量下限目標値ＯＬ＿Ｆを手動で入力したりすることが考えられる。

【0035】

上限値変更部８は、ＦＦ上限値取得部６が操作量上限通常値ＯＨ＿Ｒと異なる操作量上限目標値ＯＨ＿Ｆを取得したときに（図４ステップＳ２００においてＹＥＳ）、操作量上限目標値ＯＨ＿Ｆに近づいた後に操作量上限通常値ＯＨ＿Ｒへと徐々に収束する操作量上限値ＯＨを算出し（図４ステップＳ２０１）、算出した操作量上限値ＯＨをリミット処理部２に設定する（図４ステップＳ２０２）。具体的には、上限値変更部８は、下記のような伝達関数式で操作量上限値ＯＨを算出する。
ＯＨ＝ＯＨ＿Ｒ＋｛Ｋｘｓ／（１＋Ｔｆｓ）²｝（ＯＨ＿Ｆ−ＯＨ＿Ｒ）
・・・（４）

【0036】

式（４）のＴｆは、操作量上限値ＯＨの時間に関するパラメータである。上限値変更部８は、操作量算出部１に設定されているＰＩＤパラメータ、具体的には積分時間Ｔｉのα倍の値をＴｆとすればよい（Ｔｆ＝αＴｉ、所定値αは例えば０．１〜２．０）。これにより、操作量上限値ＯＨのフィードフォワード分の変化が、制御の上下動が発生する際の周期と概ね一致するようになる。また、操作量上限値ＯＨの変化の開始時点からフィードフォワード分が最大印加量に到達するまでの経過時間が、パラメータＴｆの時間に概ね一致するようになる（後述する図１１、図１３、図１５、図１７の操作量上限値ＯＨ）。

【0037】

式（４）のＫｘはフィードフォワードの大きさを規定するパラメータである。上限値変更部８は、パラメータＴｆのβ倍の値をＫｘとすればよい（Ｋｘ＝βＴｆ、所定値βは例えば２．７５）。これにより、フィードフォワード分の最大印加量が、操作量上限目標値ＯＨ＿Ｆに概ね一致するようになる（後述する図１１、図１３、図１５、図１７の操作量上限値ＯＨ）。

【0038】

一方、下限値変更部９は、ＦＦ下限値取得部７が操作量下限通常値ＯＬ＿Ｒと異なる操作量下限目標値ＯＬ＿Ｆを取得したときに（図５ステップＳ３００においてＹＥＳ）、操作量下限目標値ＯＬ＿Ｆに近づいた後に操作量下限通常値ＯＬ＿Ｒへと徐々に収束する操作量下限値ＯＬを算出し（図５ステップＳ３０１）、算出した操作量下限値ＯＬをリミット処理部２に設定する（図５ステップＳ３０２）。具体的には、下限値変更部９は、下記のような伝達関数式で操作量下限値ＯＬを算出する。
ＯＬ＝ＯＬ＿Ｒ＋｛Ｋｘｓ／（１＋Ｔｆｓ）²｝（ＯＬ＿Ｆ−ＯＬ＿Ｒ）
・・・（５）

【0039】

上限値変更部８と同様に、下限値変更部９は、積分時間Ｔｉのα倍の値をＴｆとすればよい（Ｔｆ＝αＴｉ、所定値αは例えば０．１〜２．０）。また、下限値変更部９は、パラメータＴｆのβ倍の値をＫｘとすればよい（Ｋｘ＝βＴｆ、所定値βは例えば２．７５）。これにより、フィードフォワード分の最大印加量が、操作量下限目標値ＯＬ＿Ｆに概ね一致するようになる。

【0040】

なお、ＦＦ上限値取得部６が操作量上限通常値ＯＨ＿Ｒと異なる操作量上限目標値ＯＨ＿Ｆを取得した後は、上限値変更部８は、操作量上限値ＯＨの算出と設定を繰り返し実行する。操作量上限値ＯＨは最終的には操作量上限通常値ＯＨ＿Ｒに収束する。同様に、ＦＦ下限値取得部７が操作量下限通常値ＯＬ＿Ｒと異なる操作量下限目標値ＯＬ＿Ｆを取得した後は、下限値変更部９は、操作量下限値ＯＬの算出と設定を繰り返し実行する。操作量下限値ＯＬは、最終的には操作量下限通常値ＯＬ＿Ｒに収束する。

【0041】

本実施例で採用している式（４）、式（５）の伝達関数は、上記発明の原理１、発明の原理２に適合する典型例であり、これに限られない。例えば伝達関数の分母の２次遅れを同一の時定数Ｔｆにしているが、異なる時定数に変更することや、次数を変更することは可能である。また、時定数の次数やバランスの選び方に応じて係数βを調整すれば、必ず発明の原理２に適合させられる。

【0042】

本実施例におけるＦＦ上限値取得部６と上限値変更部８の構成、あるいはＦＦ下限値取得部７と下限値変更部９の構成であれば、オペレータが入力機能を利用して、任意のタイミングにて操作量下限値ＯＬあるいは操作量上限値ＯＨのステップ的な変更を意味するように指定すれば、本発明のフィードフォワードの処理を適切に開始できる。すなわち、発明の原理３に該当する。

【0043】

以下、シミュレーションにより本実施例の効果を検証する。以下の例では、制御対象を、プロセスゲインＫｐ＝８、プロセス時定数Ｔｐ＝２００秒、プロセスむだ時間Ｌｐ＝５０秒の１次遅れ伝達関数で近似できる加熱制御系とする。すなわち、制御対象のモデル数式Ｇｐは次式のように記述できる。
Ｇｐ＝Ｋｐｅｘｐ（−Ｌｐｓ）／（１＋Ｔｐｓ） ・・・（６）

【0044】

また、操作量算出部１に設定されるＰＩＤパラメータを、比例帯Ｐｂ＝２００℃、積分時間Ｔｉ＝１５０秒、微分時間Ｔｄ＝０秒（すなわちＰＩ制御）とし、設定値ＳＰを１００℃から３５０℃に変更する昇温とした。なお、操作量上限値ＯＨのみ変更する場合を示すが、後述のように操作量下限値ＯＬを変更してもよい。

【0045】

図６、図７は本実施例の効果を確認するための比較対象を示す図であり、図６はフィードフォワードを実行せずに温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図７はこの場合の操作量下限値ＯＬ＝０％、操作量上限値ＯＨ＝１００％を示す図である。図６の例では、４００秒付近で制御量ＰＶ（温度）が大きく下降することに連動して、６００秒以降でも制御量ＰＶの下降が目立ち、明確な整定とは言えない状態が発生している。

【0046】

図８、図９は操作量上限値ＯＨにフィードフォワード分の変更を施し、一定時間経過後に直ちに１００％に戻した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図であり、不連続なフィードバック制御の問題点を示す図である。図８の例では、設定値ＳＰの１００℃から３５０℃への変更と同時に操作量上限値ＯＨを１００％から６５％に変更して１２５秒間維持した後に１００％に戻し、図９の例では、設定値ＳＰの変更と同時に操作量上限値ＯＨを１００％から６５％に変更して８５秒間維持した後に１００％に戻している。

【0047】

図８の例では、操作量上限値ＯＨ＝６５％を１２５秒間維持するので、４００秒付近で制御量ＰＶ（温度）が大きく下降することをある程度抑制できており、６００秒以降での制御量ＰＶの下降が目立たなくなり、図６に比べると早い時間に整定状態に到達したと言える。一方、図９の例では、操作量上限値ＯＨ＝６５％を８５秒間だけ維持するので、図８に比べると操作量上限値ＯＨを６５％に変更した効果が明らかに不十分であり、むしろ図６に近い結果と言える。

【0048】

このように、操作量上限値ＯＨを一定時間経過後に直ちに１００％に戻す場合、操作量ＭＶの大きさが不連続かつ極端に異なる時点を生じさせることになるので、一定時間の長さの選び方次第で制御結果が大きく異なることが起こり得る。換言するならば、図８のように操作量上限値ＯＨ＝６５％を１２５秒間維持することで一旦は良好な制御結果を得られたとしても、制御対象の特性が若干でも変化したときに、制御結果が急激かつ明確に劣化することも起こり得る。

【0049】

図１０は本実施例においてパラメータＴｆ＝６０．０秒（Ｔｆ＝０．４Ｔｉに相当）として温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図１１はこの場合の操作量上限値ＯＨの変化を示す図である（操作量下限値ＯＬは０％で固定）。この例では、操作量上限目標値ＯＨ＿Ｆ＝６５％、パラメータＫｘ＝１６５．０、パラメータＴｆ＝６０．０秒とした。

【0050】

図８の例と同様に、４００秒付近で制御量ＰＶ（温度）が大きく下降することをある程度抑制できているので、６００秒以降での制御量ＰＶの下降が目立たなくなり、図６に比べると早い時間に整定状態に到達したと言える。

【0051】

図１２は本実施例においてパラメータＴｆ＝８０．０秒（Ｔｆ＝０．５３Ｔｉに相当）として温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図１３はこの場合の操作量上限値ＯＨの変化を示す図である（操作量下限値ＯＬは０％で固定）。この例では、操作量上限目標値ＯＨ＿Ｆ＝６５％、パラメータＫｘ＝２２０．０、パラメータＴｆ＝８０．０秒とした。図１２によれば、図１０の場合と同等の制御結果が得られていることが分かる。

【0052】

図１４は本実施例においてパラメータＴｆ＝１００．０秒（Ｔｆ＝０．６７Ｔｉに相当）として温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図１５はこの場合の操作量上限値ＯＨの変化を示す図である（操作量下限値ＯＬは０％で固定）。この例では、操作量上限目標値ＯＨ＿Ｆ＝６５％、パラメータＫｘ＝２７５．０、パラメータＴｆ＝１００．０秒とした。図１４によれば、図１０、図１２の場合と同等の制御結果が得られていることが分かる。

【0053】

図１６は本実施例においてパラメータＴｆ＝１２０．０秒（Ｔｆ＝０．８Ｔｉに相当）として温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図１７はこの場合の操作量上限値ＯＨの変化を示す図である（操作量下限値ＯＬは０％で固定）。この例では、操作量上限目標値ＯＨ＿Ｆ＝６５％、パラメータＫｘ＝３３０．０、パラメータＴｆ＝１２０．０秒とした。図１６によれば、図１０、図１２、図１４の場合と同等の制御結果が得られていることが分かる。

【0054】

このように、本実施例によれば、不連続なフィードバック制御の問題点を緩和するという効果が得られる。すなわち、フィードフォワード制御を追加適用する場合に、不具合の発生を低減することができ、オペレータにとっての利便性を向上させることができる。

【0055】

図１８は上記発明の原理２の効果を確認するため、パラメータＴｆを本実施例よりも小さい値Ｔｆ＝８．０秒（Ｔｆ＝０．０５３Ｔｉに相当）として温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図１９はこの場合の操作量上限値ＯＨの変化を示す図である（操作量下限値ＯＬは０％で固定）。この例では、操作量上限目標値ＯＨ＿Ｆ＝６５％，Ｋｘ＝２２．０，Ｔｆ＝８．０秒とした。

【0056】

この図１８、図１９の例は、積分時間Ｔｉに対しパラメータＴｆが小さ過ぎて、実質的に積分時間Ｔｉを参照しない設定例と見なせる。制御の挙動に対し、フィードフォワードの動作が短時間で完了してしまうため、フィードフォワードの効果がほとんど得られない。

【0057】

図２０は上記発明の原理２の効果を確認するため、パラメータＴｆを本実施例よりも大きい値Ｔｆ＝８００．０秒（Ｔｆ＝５．３Ｔｉに相当）として温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図２１はこの場合の操作量上限値ＯＨの変化を示す図である（操作量下限値ＯＬは０％で固定）。この例では、操作量上限目標値ＯＨ＿Ｆ＝６５％、パラメータＫｘ＝２２００．０、パラメータＴｆ＝８００．０秒とした。

【0058】

この図２０、図２１の例は、積分時間Ｔｉに対しパラメータＴｆが大き過ぎて、実質的に積分時間Ｔｉを参照しない設定例と見なせる。制御の挙動に対し、フィードフォワードの動作が長時間で遅れ傾向になるため、フィードフォワードの効果がほとんど得られない。

【0059】

次に、別のシミュレーションにより本実施例の効果を検証する。以下の例では、制御対象を、プロセスゲインＫｐ＝８、プロセス時定数Ｔｐ＝２００秒、プロセスむだ時間Ｌｐ＝５０秒の１次遅れ伝達関数に近似できる加熱制御系とし、操作量算出部１に設定されるＰＩＤパラメータを、比例帯Ｐｂ＝６００℃、積分時間Ｔｉ＝２００秒、微分時間Ｔｄ＝０秒（すなわちＰＩ制御）とした。そして、設定値ＳＰ＝制御量ＰＶ＝３００℃で整定している状態で降温外乱が発生したものとする。なお、操作量下限値ＯＬのみ変更する場合を示すが、上記のように操作量上限値ＯＨを変更してもよい。

【0060】

図２２は本実施例の効果を確認するための比較対象を示す図であり、図２２はフィードフォワードを実行せずに温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図２３はこの場合の操作量下限値ＯＬ＝０％、操作量上限値ＯＨ＝１００％を示す図である。図２２の例では、１００秒付近から制御量ＰＶ（温度）が大きく下降し、約２２０℃まで到達する。外乱応答により整定するのは１０００秒付近になる。

【0061】

図２４は本実施例においてパラメータＴｆ＝２０．０秒（Ｔｆ＝０．１Ｔｉに相当）として温度制御した場合の制御量ＰＶと操作量ＭＶの変化の例を示す図、図２５はこの場合の操作量下限値ＯＬの変化を示す図である（操作量上限値ＯＨは１００％で固定）。この例では、操作量上限目標値ＯＬ＿Ｆ＝１００％、パラメータＫｘ＝５５．０、パラメータＴｆ＝２０．０秒とした。

【0062】

図２４によれば、図２２の場合と同様に１００秒付近で制御量ＰＶ（温度）が大きく下降することを、２５５℃程度までに抑制できていることが分かる。さらに、外乱応答により整定するのは７００秒付近であり、図２２の場合に比べると早い時間に整定状態に到達できると言える。

【0063】

本実施例で説明した制御装置は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタ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２６に示す。コンピュータは、ＣＰＵ６００と、記憶装置６０１と、インターフェース装置（以下、Ｉ／Ｆと略する）６０２とを備えている。Ｉ／Ｆ６０２には、例えば温度センサや電力調整器が接続される。このようなコンピュータにおいて、本実施例の制御方法を実現させるためのプログラムは記憶装置６０１に格納される。ＣＰＵ６００は、記憶装置６０１に格納されたプログラムに従って本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】

本実施例は、制御装置に適用することができる。

【符号の説明】

【0065】

１…操作量算出部、２…リミット処理部、３…操作量出力部、４…通常上限値記憶部、５…通常下限値記憶部、６…ＦＦ上限値取得部、７…ＦＦ下限値取得部、８…上限値変更部、９…下限値変更部、１０…通常限界値記憶部、１１…限界値取得部、１２…限界値変更部。

【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】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】