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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】P2025037386
(43)【公開日】2025-03-18
(54)【発明の名称】制御システムおよび制御方法
(51)【国際特許分類】
G05B 13/02 20060101AFI20250311BHJP
G05B 11/32 20060101ALI20250311BHJP
【ＦＩ】
G05B13/02 B
G05B11/32 F
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023144292
(22)【出願日】2023-09-06
(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
(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）】
5H004GA08
5H004JA04
5H004KB01
5H004KB31
(57)【要約】
【課題】強非線形特性の制御対象に対して良好な制御特性を得る。
【解決手段】産業用ＰＣ１は、理想的な制御応答に相当する制御量と操作量の時系列データを生成し、制御量のデータを送信すると同時に、操作量のデータから算出した操作量変化幅のデータを送信する。ＰＩＤコントローラ２は、送信された制御量を参照設定値として受信し、操作量変化幅をフィードフォワード制御操作量の変化幅として受信する受信部２９と、１制御周期前の第１の操作量にフィードフォワード制御操作量の変化幅を加算して第２の操作量とするフィードフォワード加算部２５と、参照設定値と制御量の計測値に基づいて速度型ＰＩＤ演算を行ってフィードバック制御操作量の変化幅を算出し、この変化幅に第２の操作量を加算して第１の操作量とするフィードバック加算部２６と、第１の操作量を制御対象に出力する操作量出力部２８を備える。
【選択図】 図１
【解決手段】産業用ＰＣ１は、理想的な制御応答に相当する制御量と操作量の時系列データを生成し、制御量のデータを送信すると同時に、操作量のデータから算出した操作量変化幅のデータを送信する。ＰＩＤコントローラ２は、送信された制御量を参照設定値として受信し、操作量変化幅をフィードフォワード制御操作量の変化幅として受信する受信部２９と、１制御周期前の第１の操作量にフィードフォワード制御操作量の変化幅を加算して第２の操作量とするフィードフォワード加算部２５と、参照設定値と制御量の計測値に基づいて速度型ＰＩＤ演算を行ってフィードバック制御操作量の変化幅を算出し、この変化幅に第２の操作量を加算して第１の操作量とするフィードバック加算部２６と、第１の操作量を制御対象に出力する操作量出力部２８を備える。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ホスト装置とＰＩＤコントローラとから構成され、
前記ホスト装置は、
理想的な制御応答に相当する制御量の時系列データと操作量の時系列データとを生成するように構成された理想応答生成部と、
前記制御量の時系列データと前記操作量の時系列データとを記憶するように構成された記憶部と、
規定のタイミングになったときに、前記記憶部に記憶された時系列データから制御周期毎の制御量のデータを順次取り出して前記ＰＩＤコントローラに順次送信すると同時に、前記記憶部に記憶された時系列データから制御周期毎の操作量のデータを順次取り出して、取り出したデータから算出した操作量変化幅のデータを前記ＰＩＤコントローラに順次送信するように構成された送信部とを備え、
前記ＰＩＤコントローラは、
前記ホスト装置から送信された制御量を参照設定値の新たな値として受信すると共に、前記ホスト装置から送信された操作量変化幅をフィードフォワード制御操作量の変化幅の新たな値として受信するように構成された受信部と、
制御量の計測値を取得するように構成された制御量取得部と、
１制御周期前の第１の操作量に、前記受信部が受信した前記フィードフォワード制御操作量の変化幅を加算した値を第２の操作量として算出するように構成されたフィードフォワード加算部と、
前記参照設定値と前記制御量の計測値とを入力として、速度型ＰＩＤ演算を行ってフィードバック制御操作量の変化幅を算出し、前記第２の操作量に前記フィードバック制御操作量の変化幅を加算した値を前記第１の操作量の新たな値として算出するように構成されたフィードバック加算部と、
前記フィードバック加算部によって算出された前記第１の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を備えることを特徴とする制御システム。
前記ホスト装置は、
理想的な制御応答に相当する制御量の時系列データと操作量の時系列データとを生成するように構成された理想応答生成部と、
前記制御量の時系列データと前記操作量の時系列データとを記憶するように構成された記憶部と、
規定のタイミングになったときに、前記記憶部に記憶された時系列データから制御周期毎の制御量のデータを順次取り出して前記ＰＩＤコントローラに順次送信すると同時に、前記記憶部に記憶された時系列データから制御周期毎の操作量のデータを順次取り出して、取り出したデータから算出した操作量変化幅のデータを前記ＰＩＤコントローラに順次送信するように構成された送信部とを備え、
前記ＰＩＤコントローラは、
前記ホスト装置から送信された制御量を参照設定値の新たな値として受信すると共に、前記ホスト装置から送信された操作量変化幅をフィードフォワード制御操作量の変化幅の新たな値として受信するように構成された受信部と、
制御量の計測値を取得するように構成された制御量取得部と、
１制御周期前の第１の操作量に、前記受信部が受信した前記フィードフォワード制御操作量の変化幅を加算した値を第２の操作量として算出するように構成されたフィードフォワード加算部と、
前記参照設定値と前記制御量の計測値とを入力として、速度型ＰＩＤ演算を行ってフィードバック制御操作量の変化幅を算出し、前記第２の操作量に前記フィードバック制御操作量の変化幅を加算した値を前記第１の操作量の新たな値として算出するように構成されたフィードバック加算部と、
前記フィードバック加算部によって算出された前記第１の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を備えることを特徴とする制御システム。
【請求項2】
請求項１記載の制御システムにおいて、
前記ＰＩＤコントローラは、前記フィードバック加算部によって算出された前記第１の操作量を、操作量上限値と操作量下限値の範囲内の値に制限した第３の操作量を出力するように構成されたリミット処理部をさらに備え、
前記ホスト装置の前記送信部は、前記規定のタイミングになったときに、前記制御周期毎の操作量の誤差範囲を想定した前記操作量上限値と前記操作量下限値とを、前記制御量のデータおよび前記操作量変化幅のデータと共に前記ＰＩＤコントローラに送信し、
前記ＰＩＤコントローラの前記受信部は、前記ホスト装置から送信された前記操作量上限値と前記操作量下限値とを、前記リミット処理部で用いる新たな値として受信し、
前記ＰＩＤコントローラの前記操作量出力部は、前記第１の操作量を制御対象に出力する代わりに、前記第３の操作量を制御対象に出力することを特徴とする制御システム。
前記ＰＩＤコントローラは、前記フィードバック加算部によって算出された前記第１の操作量を、操作量上限値と操作量下限値の範囲内の値に制限した第３の操作量を出力するように構成されたリミット処理部をさらに備え、
前記ホスト装置の前記送信部は、前記規定のタイミングになったときに、前記制御周期毎の操作量の誤差範囲を想定した前記操作量上限値と前記操作量下限値とを、前記制御量のデータおよび前記操作量変化幅のデータと共に前記ＰＩＤコントローラに送信し、
前記ＰＩＤコントローラの前記受信部は、前記ホスト装置から送信された前記操作量上限値と前記操作量下限値とを、前記リミット処理部で用いる新たな値として受信し、
前記ＰＩＤコントローラの前記操作量出力部は、前記第１の操作量を制御対象に出力する代わりに、前記第３の操作量を制御対象に出力することを特徴とする制御システム。
【請求項3】
請求項２記載の制御システムにおいて、
前記フィードバック加算部は、前記第２の操作量に前記フィードバック制御操作量の変化幅を加算する際に、前記フィードバック制御操作量の変化幅のうちの比例動作と微分動作の成分を前記第２の操作量に加算し、加算結果が前記操作量上限値と前記操作量下限値の範囲内にある場合のみ、前記フィードバック制御操作量の変化幅のうちの積分動作の成分を前記第２の操作量にさらに加算することを特徴とする制御システム。
前記フィードバック加算部は、前記第２の操作量に前記フィードバック制御操作量の変化幅を加算する際に、前記フィードバック制御操作量の変化幅のうちの比例動作と微分動作の成分を前記第２の操作量に加算し、加算結果が前記操作量上限値と前記操作量下限値の範囲内にある場合のみ、前記フィードバック制御操作量の変化幅のうちの積分動作の成分を前記第２の操作量にさらに加算することを特徴とする制御システム。
【請求項4】
請求項２記載の制御システムにおいて、
前記送信部は、前記制御周期毎の操作量に上昇側マージン値を加算した値を前記操作量上限値とし、前記制御周期毎の操作量から下降側マージン値を減算した値を前記操作量下限値とすることを特徴とする制御システム。
前記送信部は、前記制御周期毎の操作量に上昇側マージン値を加算した値を前記操作量上限値とし、前記制御周期毎の操作量から下降側マージン値を減算した値を前記操作量下限値とすることを特徴とする制御システム。
【請求項5】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御システムにおいて、
前記理想応答生成部は、前記制御対象の挙動をコンピュータ上で再現するための仮想的な制御対象モデルを利用して、理想的な制御応答に相当する制御量の時系列データと操作量の時系列データとを生成することを特徴とする制御システム。
前記理想応答生成部は、前記制御対象の挙動をコンピュータ上で再現するための仮想的な制御対象モデルを利用して、理想的な制御応答に相当する制御量の時系列データと操作量の時系列データとを生成することを特徴とする制御システム。
【請求項6】
ホスト装置が、理想的な制御応答に相当する制御量の時系列データと操作量の時系列データとを生成する第１のステップと、
前記ホスト装置が、前記制御量の時系列データと前記操作量の時系列データとを記憶する第２のステップと、
前記ホスト装置が、規定のタイミングになったときに、前記第２のステップで記憶した時系列データから制御周期毎の制御量のデータを順次取り出してＰＩＤコントローラに順次送信すると同時に、前記第２のステップで記憶した時系列データから制御周期毎の操作量のデータを順次取り出して、取り出したデータから算出した操作量変化幅のデータを前記ＰＩＤコントローラに順次送信する第３のステップと、
前記ＰＩＤコントローラが、前記ホスト装置から送信された制御量を参照設定値の新たな値として受信すると共に、前記ホスト装置から送信された操作量変化幅をフィードフォワード制御操作量の変化幅の新たな値として受信する第４のステップと、
前記ＰＩＤコントローラが、制御量の計測値を取得する第５のステップと、
前記ＰＩＤコントローラが、１制御周期前の第１の操作量に、前記フィードフォワード制御操作量の変化幅を加算した値を第２の操作量として算出する第６のステップと、
前記ＰＩＤコントローラが、前記参照設定値と前記制御量の計測値とを入力として、速度型ＰＩＤ演算を行ってフィードバック制御操作量の変化幅を算出し、前記第２の操作量に前記フィードバック制御操作量の変化幅を加算した値を前記第１の操作量の新たな値として算出する第７のステップと、
前記ＰＩＤコントローラが、前記第７のステップによって算出した前記第１の操作量を制御対象に出力する第８のステップとを含むことを特徴とする制御方法。
前記ホスト装置が、前記制御量の時系列データと前記操作量の時系列データとを記憶する第２のステップと、
前記ホスト装置が、規定のタイミングになったときに、前記第２のステップで記憶した時系列データから制御周期毎の制御量のデータを順次取り出してＰＩＤコントローラに順次送信すると同時に、前記第２のステップで記憶した時系列データから制御周期毎の操作量のデータを順次取り出して、取り出したデータから算出した操作量変化幅のデータを前記ＰＩＤコントローラに順次送信する第３のステップと、
前記ＰＩＤコントローラが、前記ホスト装置から送信された制御量を参照設定値の新たな値として受信すると共に、前記ホスト装置から送信された操作量変化幅をフィードフォワード制御操作量の変化幅の新たな値として受信する第４のステップと、
前記ＰＩＤコントローラが、制御量の計測値を取得する第５のステップと、
前記ＰＩＤコントローラが、１制御周期前の第１の操作量に、前記フィードフォワード制御操作量の変化幅を加算した値を第２の操作量として算出する第６のステップと、
前記ＰＩＤコントローラが、前記参照設定値と前記制御量の計測値とを入力として、速度型ＰＩＤ演算を行ってフィードバック制御操作量の変化幅を算出し、前記第２の操作量に前記フィードバック制御操作量の変化幅を加算した値を前記第１の操作量の新たな値として算出する第７のステップと、
前記ＰＩＤコントローラが、前記第７のステップによって算出した前記第１の操作量を制御対象に出力する第８のステップとを含むことを特徴とする制御方法。
【請求項7】
請求項６記載の制御方法において、
前記第７のステップによって算出された前記第１の操作量を、操作量上限値と操作量下限値の範囲内の値に制限した第３の操作量を出力する第９のステップをさらに含み、
前記第３のステップは、前記規定のタイミングになったときに、前記制御周期毎の操作量の誤差範囲を想定した前記操作量上限値と前記操作量下限値とを、前記制御量のデータおよび前記操作量変化幅のデータと共に前記ＰＩＤコントローラに送信するステップを含み、
前記第４のステップは、前記ホスト装置から送信された前記操作量上限値と前記操作量下限値とを、前記第９のステップで用いる新たな値として受信するステップを含み、
前記第８のステップは、前記第１の操作量を制御対象に出力する代わりに、前記第３の操作量を制御対象に出力するステップを含むことを特徴とする制御方法。
前記第７のステップによって算出された前記第１の操作量を、操作量上限値と操作量下限値の範囲内の値に制限した第３の操作量を出力する第９のステップをさらに含み、
前記第３のステップは、前記規定のタイミングになったときに、前記制御周期毎の操作量の誤差範囲を想定した前記操作量上限値と前記操作量下限値とを、前記制御量のデータおよび前記操作量変化幅のデータと共に前記ＰＩＤコントローラに送信するステップを含み、
前記第４のステップは、前記ホスト装置から送信された前記操作量上限値と前記操作量下限値とを、前記第９のステップで用いる新たな値として受信するステップを含み、
前記第８のステップは、前記第１の操作量を制御対象に出力する代わりに、前記第３の操作量を制御対象に出力するステップを含むことを特徴とする制御方法。
【請求項8】
請求項７記載の制御方法において、
前記第７のステップは、前記第２の操作量に前記フィードバック制御操作量の変化幅を加算する際に、前記フィードバック制御操作量の変化幅のうちの比例動作と微分動作の成分を前記第２の操作量に加算し、加算結果が前記操作量上限値と前記操作量下限値の範囲内にある場合のみ、前記フィードバック制御操作量の変化幅のうちの積分動作の成分を前記第２の操作量にさらに加算するステップを含むことを特徴とする制御方法。
前記第７のステップは、前記第２の操作量に前記フィードバック制御操作量の変化幅を加算する際に、前記フィードバック制御操作量の変化幅のうちの比例動作と微分動作の成分を前記第２の操作量に加算し、加算結果が前記操作量上限値と前記操作量下限値の範囲内にある場合のみ、前記フィードバック制御操作量の変化幅のうちの積分動作の成分を前記第２の操作量にさらに加算するステップを含むことを特徴とする制御方法。
【請求項9】
請求項７記載の制御方法において、
前記第３のステップは、前記制御周期毎の操作量に上昇側マージン値を加算した値を前記操作量上限値とし、前記制御周期毎の操作量から下降側マージン値を減算した値を前記操作量下限値とするステップを含むことを特徴とする制御方法。
前記第３のステップは、前記制御周期毎の操作量に上昇側マージン値を加算した値を前記操作量上限値とし、前記制御周期毎の操作量から下降側マージン値を減算した値を前記操作量下限値とするステップを含むことを特徴とする制御方法。
【請求項10】
請求項６乃至９のいずれか１項に記載の制御方法において、
前記第１のステップは、前記制御対象の挙動をコンピュータ上で再現するための仮想的な制御対象モデルを利用して、理想的な制御応答に相当する制御量の時系列データと操作量の時系列データとを生成するステップを含むことを特徴とする制御方法。
前記第１のステップは、前記制御対象の挙動をコンピュータ上で再現するための仮想的な制御対象モデルを利用して、理想的な制御応答に相当する制御量の時系列データと操作量の時系列データとを生成するステップを含む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、フィードバック制御とフィードフォワード制御とを併用する制御システムおよび制御方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
ＰＩＤ制御について、設定値ＳＰを変更した際の制御性能を好適に維持するためのＰＩＤパラメータの自動調整技術が開示されている（特許文献１参照）。このＰＩＤパラメータ調整技術は、温度制御を行なうためのＰＩＤコントローラである温調計に適用可能である。また、制御量ＰＶの目標軌道に追従するように、ＰＩＤパラメータを探索する方法であり、理論上は線形特性の制御対象を想定した方法である。
【0003】
線形特性とは、図２１に示すようにグラフの横軸に理論上の操作量ＭＶの出力値０％～１００％を取り、縦軸に実際の制御対象への出力作用０％～１００％を取ったときに、理論上の操作量ＭＶと実際の制御対象への出力作用との関係が直線になるような特性のことを言う。ただし、例えば図２２に示すような若干の非線形特性（弱非線形特性）は、ＰＩＤ制御の許容範囲として、特許文献１に開示された技術を適用できる。
【0004】
特許文献１に開示された手法では、理論と実際の関係が例えば図２３に示すような強非線形特性の制御対象に対しては、ＰＩＤ制御の良好な性能を維持できない。このような強非線形特性は、特殊な電気ヒータを使用する温度制御系、あるいはバルブで流体を制御する流量制御系や圧力制御系に現れる。
【0005】
そこで図２４～図２６に、操作量ＭＶ（ヒータ出力）が０％で、制御量ＰＶ（温度）が５０℃で整定している状態から、異なる目標温度（設定値ＳＰ）にＰＩＤ制御で昇温したときのシミュレーション結果を示す。これらのシミュレーションでは、図２４に示す５０℃から１５０℃へ昇温する場合において、制御量ＰＶが目標温度に追従するようにＰＩＤパラメータが調整されている。
【0006】
ここで、図２５に示すように５０℃から２５０℃へ昇温する場合に、図２４の場合と同じＰＩＤパラメータであれば、制御量ＰＶに上下動が発生してしまう。同様に、図２６に示すように５０℃から３５０℃へ昇温する場合に、図２４の場合と同じＰＩＤパラメータであれば、制御量ＰＶにさらに大きな上下動が発生してしまう。制御量ＰＶに上下動が発生する理由は、図２７に示すように、図２４～図２６の各目標温度に維持するための操作量ＭＶ（図２４の場合で約７０％、図２５の場合で約８０％，図２６の場合で約９０％）の理論と実際の傾きが異なることが原因であり、傾きが大きいほど上下動が発生し易くなる。
【0007】
以上のように、例えば強非線形特性の制御対象に対して、ＰＩＤ制御では良好な制御特性を得ることは難しい。一方で、ＰＩＤ制御ループは安定・安全な制御動作の継続を目的として、ＰＩＤ演算専用のＰＩＤコントローラ（温調計など）で実行することが、産業界の、特に製造装置内における標準的な計装コンセプトでもある。すなわち、ＰＩＤコントローラが活用されるべき理由を維持しながら、ＰＩＤ制御の限界を超えなければならないということであり、改善が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特許第４２２３８９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、強非線形特性の制御対象に対して良好な制御特性が得られる制御システム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】
【0010】
本発明の制御システムは、ホスト装置とＰＩＤコントローラとから構成され、前記ホスト装置は、理想的な制御応答に相当する制御量の時系列データと操作量の時系列データとを生成するように構成された理想応答生成部と、前記制御量の時系列データと前記操作量の時系列データとを記憶するように構成された記憶部と、規定のタイミングになったときに、前記記憶部に記憶された時系列データから制御周期毎の制御量のデータを順次取り出して前記ＰＩＤコントローラに順次送信すると同時に、前記記憶部に記憶された時系列データから制御周期毎の操作量のデータを順次取り出して、取り出したデータから算出した操作量変化幅のデータを前記ＰＩＤコントローラに順次送信するように構成された送信部とを備え、前記ＰＩＤコントローラは、前記ホスト装置から送信された制御量を参照設定値の新たな値として受信すると共に、前記ホスト装置から送信された操作量変化幅をフィードフォワード制御操作量の変化幅の新たな値として受信するように構成された受信部と、制御量の計測値を取得するように構成された制御量取得部と、１制御周期前の第１の操作量に、前記受信部が受信した前記フィードフォワード制御操作量の変化幅を加算した値を第２の操作量として算出するように構成されたフィードフォワード加算部と、前記参照設定値と前記制御量の計測値とを入力として、速度型ＰＩＤ演算を行ってフィードバック制御操作量の変化幅を算出し、前記第２の操作量に前記フィードバック制御操作量の変化幅を加算した値を前記第１の操作量の新たな値として算出するように構成されたフィードバック加算部と、前記フィードバック加算部によって算出された前記第１の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を備えることを特徴とするものである。
【0011】
また、本発明の制御システムの１構成例において、前記ＰＩＤコントローラは、前記フィードバック加算部によって算出された前記第１の操作量を、操作量上限値と操作量下限値の範囲内の値に制限した第３の操作量を出力するように構成されたリミット処理部をさらに備え、前記ホスト装置の前記送信部は、前記規定のタイミングになったときに、前記制御周期毎の操作量の誤差範囲を想定した前記操作量上限値と前記操作量下限値とを、前記制御量のデータおよび前記操作量変化幅のデータと共に前記ＰＩＤコントローラに送信し、前記ＰＩＤコントローラの前記受信部は、前記ホスト装置から送信された前記操作量上限値と前記操作量下限値とを、前記リミット処理部で用いる新たな値として受信し、前記ＰＩＤコントローラの前記操作量出力部は、前記第１の操作量を制御対象に出力する代わりに、前記第３の操作量を制御対象に出力することを特徴とするものである。
【0012】
また、本発明の制御システムの１構成例において、前記フィードバック加算部は、前記第２の操作量に前記フィードバック制御操作量の変化幅を加算する際に、前記フィードバック制御操作量の変化幅のうちの比例動作と微分動作の成分を前記第２の操作量に加算し、加算結果が前記操作量上限値と前記操作量下限値の範囲内にある場合のみ、前記フィードバック制御操作量の変化幅のうちの積分動作の成分を前記第２の操作量にさらに加算することを特徴とするものである。
また、本発明の制御システムの１構成例において、前記送信部は、前記制御周期毎の操作量に上昇側マージン値を加算した値を前記操作量上限値とし、前記制御周期毎の操作量から下降側マージン値を減算した値を前記操作量下限値とすることを特徴とするものである。
また、本発明の制御システムの１構成例において、前記理想応答生成部は、前記制御対象の挙動をコンピュータ上で再現するための仮想的な制御対象モデルを利用して、理想的な制御応答に相当する制御量の時系列データと操作量の時系列データとを生成することを特徴とするものである。
また、本発明の制御システムの１構成例において、前記送信部は、前記制御周期毎の操作量に上昇側マージン値を加算した値を前記操作量上限値とし、前記制御周期毎の操作量から下降側マージン値を減算した値を前記操作量下限値とすることを特徴とするものである。
また、本発明の制御システムの１構成例において、前記理想応答生成部は、前記制御対象の挙動をコンピュータ上で再現するための仮想的な制御対象モデルを利用して、理想的な制御応答に相当する制御量の時系列データと操作量の時系列データとを生成することを特徴とするものである。
【0013】
また、本発明の制御方法は、ホスト装置が、理想的な制御応答に相当する制御量の時系列データと操作量の時系列データとを生成する第１のステップと、前記ホスト装置が、前記制御量の時系列データと前記操作量の時系列データとを記憶する第２のステップと、前記ホスト装置が、規定のタイミングになったときに、前記第２のステップで記憶した時系列データから制御周期毎の制御量のデータを順次取り出してＰＩＤコントローラに順次送信すると同時に、前記第２のステップで記憶した時系列データから制御周期毎の操作量のデータを順次取り出して、取り出したデータから算出した操作量変化幅のデータを前記ＰＩＤコントローラに順次送信する第３のステップと、前記ＰＩＤコントローラが、前記ホスト装置から送信された制御量を参照設定値の新たな値として受信すると共に、前記ホスト装置から送信された操作量変化幅をフィードフォワード制御操作量の変化幅の新たな値として受信する第４のステップと、前記ＰＩＤコントローラが、制御量の計測値を取得する第５のステップと、前記ＰＩＤコントローラが、１制御周期前の第１の操作量に、前記フィードフォワード制御操作量の変化幅を加算した値を第２の操作量として算出する第６のステップと、前記ＰＩＤコントローラが、前記参照設定値と前記制御量の計測値とを入力として、速度型ＰＩＤ演算を行ってフィードバック制御操作量の変化幅を算出し、前記第２の操作量に前記フィードバック制御操作量の変化幅を加算した値を前記第１の操作量の新たな値として算出する第７のステップと、前記ＰＩＤコントローラが、前記第７のステップによって算出した前記第１の操作量を制御対象に出力する第８のステップとを含むことを特徴とするものである。
【0014】
また、本発明の制御方法の１構成例は、前記第７のステップによって算出された前記第１の操作量を、操作量上限値と操作量下限値の範囲内の値に制限した第３の操作量を出力する第９のステップをさらに含み、前記第３のステップは、前記規定のタイミングになったときに、前記制御周期毎の操作量の誤差範囲を想定した前記操作量上限値と前記操作量下限値とを、前記制御量のデータおよび前記操作量変化幅のデータと共に前記ＰＩＤコントローラに送信するステップを含み、前記第４のステップは、前記ホスト装置から送信された前記操作量上限値と前記操作量下限値とを、前記第９のステップで用いる新たな値として受信するステップを含み、前記第８のステップは、前記第１の操作量を制御対象に出力する代わりに、前記第３の操作量を制御対象に出力するステップを含むことを特徴とするものである。
【0015】
また、本発明の制御方法の１構成例において、前記第７のステップは、前記第２の操作量に前記フィードバック制御操作量の変化幅を加算する際に、前記フィードバック制御操作量の変化幅のうちの比例動作と微分動作の成分を前記第２の操作量に加算し、加算結果が前記操作量上限値と前記操作量下限値の範囲内にある場合のみ、前記フィードバック制御操作量の変化幅のうちの積分動作の成分を前記第２の操作量にさらに加算するステップを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の制御方法の１構成例において、前記第３のステップは、前記制御周期毎の操作量に上昇側マージン値を加算した値を前記操作量上限値とし、前記制御周期毎の操作量から下降側マージン値を減算した値を前記操作量下限値とするステップを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の制御方法の１構成例において、前記第１のステップは、前記制御対象の挙動をコンピュータ上で再現するための仮想的な制御対象モデルを利用して、理想的な制御応答に相当する制御量の時系列データと操作量の時系列データとを生成するステップを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の制御方法の１構成例において、前記第３のステップは、前記制御周期毎の操作量に上昇側マージン値を加算した値を前記操作量上限値とし、前記制御周期毎の操作量から下降側マージン値を減算した値を前記操作量下限値とするステップを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の制御方法の１構成例において、前記第１のステップは、前記制御対象の挙動をコンピュータ上で再現するための仮想的な制御対象モデルを利用して、理想的な制御応答に相当する制御量の時系列データと操作量の時系列データとを生成するステップを含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、ホスト装置に理想応答生成部と記憶部と送信部とを設け、ＰＩＤコントローラに受信部と制御量取得部とフィードフォワード加算部とフィードバック加算部と操作量出力部とを設けることにより、ＰＩＤコントローラを効率的に活用しつつ、強非線形特性の制御対象に対して良好な制御特性を得ることができる。また、本発明では、ＰＩＤコントローラの演算量と記憶量の増大を抑えつつ、良好な制御特性を得ることができるので、安定継続を維持し易い計装を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【発明を実施するための形態】
【0018】
［発明の原理］
強非線形特性を含み得る制御対象モデル（微分方程式などの数式をベースとして、制御対象の挙動をコンピュータ上で再現するための仮想的な制御対象）を利用するシミュレーションか、あるいは実際の制御対象を利用する制御試行により、理想的な制御応答に近い制御量ＰＶの変化と操作量ＭＶの変化とを求めることは、実現可能である。
強非線形特性を含み得る制御対象モデル（微分方程式などの数式をベースとして、制御対象の挙動をコンピュータ上で再現するための仮想的な制御対象）を利用するシミュレーションか、あるいは実際の制御対象を利用する制御試行により、理想的な制御応答に近い制御量ＰＶの変化と操作量ＭＶの変化とを求めることは、実現可能である。
【0019】
そこで、シミュレーションあるいは制御試行によって得られた制御量ＰＶの時系列データを参照設定値ＳＰとし、操作量ＭＶの時系列データをフィードフォワード制御の操作量ＭＶ＿ｆとすれば、強非線形特性の制御対象であっても参照設定値ＳＰに追従するフィードバック制御（ＰＩＤ制御）を実現することは原理的に可能である。
【0020】
ところで、制御対象モデルによるシミュレーションの実行や、諸条件を想定した多数の時系列データセットの記憶は、温調計のようなＰＩＤコントローラ（安定継続を目的として演算機能などを限定したローカルコントローラ）よりも上位の産業用ＰＣ（Industrial Personal Computer：ＩＰＣ）などで実施するべきなので、各機能ブロックの分散配置が必須になる。
【0021】
そこで、発明者は、温調計では、温度制御自体が装置筐体の保温性などによる任意の平衡点で整定する理由などから、速度型ＰＩＤ演算則であることが一般的であることに着眼した。そして、温調計側には、操作量変化幅ΔＭＶ＿ｆの外部入力を有する構成が好適であることに想到した。この構成を基礎にすることで、ＰＩＤコントローラ（温調計など）自体の演算量と記憶量を極力減らせるので、強非線形特性に対応しつつ、安定継続を維持し易い計装へと改善できる。
【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。本実施例は、発明の原理に対応するものであるが、基礎となる構成以外にも、安定継続の支障にならず、むしろ好適な機能を追加した構成として説明する。
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。本実施例は、発明の原理に対応するものであるが、基礎となる構成以外にも、安定継続の支障にならず、むしろ好適な機能を追加した構成として説明する。
【0023】
図１は本実施例に係る制御システムの構成を示すブロック図である。制御システムは、産業用ＰＣ１（ホスト装置）と、ＰＩＤコントローラ２とから構成される。産業用ＰＣ１は、理想的な制御応答に相当する制御量ＰＶの時系列データと操作量ＭＶの時系列データとを生成する理想応答生成部１０と、制御量ＰＶの時系列データを記憶する制御量変化記憶部１１と、操作量ＭＶの時系列データを記憶する操作量変化記憶部１２と、規定のタイミングになったときに、記憶部１１に記憶された時系列データから制御周期毎の制御量ＰＶのデータを順次取り出してＰＩＤコントローラ２に順次送信する制御量出力部１３と、規定のタイミングになったときに、記憶部１２に記憶された時系列データから制御周期毎の操作量ＭＶのデータを順次取り出して、取り出したデータから算出した操作量変化幅ΔＭＶのデータをＰＩＤコントローラ２に順次送信する操作量変化幅出力部１４と、規定のタイミングになったときに、制御周期毎の操作量ＭＶの誤差範囲を想定した操作量上限値ＯＨ＿ｘをＰＩＤコントローラ２に送信する操作量上限値出力部１５と、規定のタイミングになったときに、制御周期毎の操作量ＭＶの誤差範囲を想定した操作量下限値ＯＬ＿ｘをＰＩＤコントローラ２に送信する操作量下限値出力部１６とを備えている。
【0024】
制御量変化記憶部１１と操作量変化記憶部１２とは、記憶部１７を構成し、制御量出力部１３と操作量変化幅出力部１４と操作量上限値出力部１５と操作量下限値出力部１６とは、送信部１８を構成している。
【0025】
ＰＩＤコントローラ２は、産業用ＰＣ１から送信された制御量ＰＶを参照設定値ＳＰ＿ｒの新たな値として受信する設定値入力部２０と、産業用ＰＣ１から送信された操作量変化幅ΔＭＶをフィードフォワード制御操作量の変化幅ΔＭＶ＿ｆの新たな値として受信する操作量変化幅入力部２１と、産業用ＰＣ１から送信された操作量上限値ＯＨ＿ｘを受信する操作量上限値入力部２２と、産業用ＰＣ１から送信された操作量下限値ＯＬ＿ｘを受信する操作量下限値入力部２３と、制御量ＰＶの計測値を取得する制御量取得部２４と、１制御周期前の操作量ＭＶ＿ｘ’（第１の操作量）に、フィードフォワード制御操作量の変化幅ΔＭＶ＿ｆを加算した値を操作量ＭＶ＿ｚ（第２の操作量）として算出するフィードフォワード加算部２５と、参照設定値ＳＰ＿ｒと制御量ＰＶの計測値とを入力として、速度型ＰＩＤ演算を行ってフィードバック制御操作量の変化幅ΔＭＶ＿ｂを算出し、フィードフォワード加算部２５で得られた操作量ＭＶ＿ｚにフィードバック制御操作量の変化幅ΔＭＶ＿ｂを加算した値を操作量ＭＶ＿ｘ’の新たな値として算出するフィードバック加算部２６と、フィードバック加算部２６によって算出された操作量ＭＶ＿ｘ’を、操作量上限値ＯＨ＿ｘと操作量下限値ＯＬ＿ｘの範囲内の値に制限した操作量ＭＶ（第３の操作量）を出力するリミット処理部２７と、リミット処理部２７で得られた操作量ＭＶを制御対象に出力する操作量出力部２８とを備えている。
【0026】
設定値入力部２０と操作量変化幅入力部２１と操作量上限値入力部２２と操作量下限値入力部２３とは、受信部２９を構成している。
送信部１８と受信部２９とは、有線通信でデータを送受信してもよいし、無線通信でデータを送受信してもよい。また、本発明は、特定の通信規格に限定されるものではなく、適切な通信規格を適宜選択して、産業用ＰＣ１とＰＩＤコントローラ２との通信を実現すればよい。
送信部１８と受信部２９とは、有線通信でデータを送受信してもよいし、無線通信でデータを送受信してもよい。また、本発明は、特定の通信規格に限定されるものではなく、適切な通信規格を適宜選択して、産業用ＰＣ１とＰＩＤコントローラ２との通信を実現すればよい。
【0027】
【0028】
産業用ＰＣ１の理想応答生成部１０は、理想的な制御応答に相当する制御量ＰＶの時間変化のデータと、この制御応答時に制御対象に出力される操作量ＭＶの時間変化のデータとを生成する（図３ステップＳ１００）。理想応答生成部１０は、強非線形特性を含み得る制御対象モデルを利用するシミュレーションでの最適解探索、あるいは実際の制御対象を利用する制御の自動試行指示などにより、理想的な制御応答に近い制御量ＰＶの変化と操作量ＭＶの変化とを求めるようにすればよい。本発明において、理想応答生成部１０によるデータの生成手法は特に限定されない。
【0029】
理想応答生成部１０は、予め設定された制御の条件毎に制御量ＰＶの時系列データと操作量ＭＶの時系列データとを生成する。制御の条件とは、通常は、例えばＰＩＤコントローラ２（温調計）を利用した昇温制御において想定される設定値ＳＰ変更の条件（変更前の設定値ＳＰと変更後の設定値ＳＰ）のことを言う。
【0030】
生成された制御量ＰＶの時系列データと操作量ＭＶの時系列データのそれぞれには、制御動作の開始時点を時刻０とする時刻の情報（タイムスタンプ）が付加されている。生成される時系列データの時間間隔は、ＰＩＤコントローラ２の制御周期と同じことが望ましいが、制御周期より細かい時間間隔でもよい。
【0031】
制御量変化記憶部１１は、理想応答生成部１０によって制御の条件毎に生成された制御量ＰＶの時系列データのセットを記憶する（図３ステップＳ１０１）。制御の条件毎に生成されたデータセットには、制御の条件に対応するＩＤが理想応答生成部１０によって付加されている。制御量変化記憶部１１は、このＩＤをデータセットと共に記憶する。
【0032】
一方、操作量変化記憶部１２は、理想応答生成部１０によって制御の条件毎に生成された操作量ＭＶの時系列データのセットを記憶する（図３ステップＳ１０２）。上記のとおり、制御の条件毎に生成されたデータセットには、制御の条件に対応するＩＤが理想応答生成部１０によって付加されている。操作量変化記憶部１２は、このＩＤをデータセットと共に記憶する。
【0033】
なお、理想応答生成部１０は、データの生成を、設定値ＳＰ変更後に制御量ＰＶが整定した時点から規定の終了時間が経過した時点で終了する必要がある。その理由は、データの生成を継続すると、制御量変化記憶部１１と操作量変化記憶部１２の記憶量が膨大な量になるためである。
【0034】
次に、制御量出力部１３は、規定のタイミングになったときに（図３ステップＳ１０３においてＹＥＳ）、制御量変化記憶部１１に記憶された制御量ＰＶの時系列データセットのうち、規定のデータセットを選択する。制御量出力部１３は、選択したデータセットからＰＩＤコントローラ２の制御周期毎の制御量ＰＶのデータを順次取り出してＰＩＤコントローラ２に順次送信する。このとき、制御量出力部１３は、自身が順次送信するデータのタイムスタンプ値が示す時刻の間隔とＰＩＤコントローラ２の制御周期とが一致するように、制御周期毎の制御量ＰＶのデータを送信する（図３ステップＳ１０４）。
【0035】
操作量変化幅出力部１４は、規定のタイミングになったときに、操作量変化記憶部１２に記憶された操作量ＭＶの時系列データセットのうち、規定のデータセットを選択する。操作量変化幅出力部１４は、選択したデータセットからＰＩＤコントローラ２の制御周期毎の操作量ＭＶのデータを順次取り出して、取り出したデータから算出した１制御周期あたりの操作量変化幅ΔＭＶをＰＩＤコントローラ２に順次送信する。このとき、操作量変化幅出力部１４は、制御量出力部１３が送信する制御量ＰＶのデータのタイムスタンプ値が示す時刻と自身が送信するデータのタイムスタンプ値（データセットから取り出した操作量ＭＶのタイムスタンプ値）が示す時刻とが同一になるように、制御周期毎の操作量変化幅ΔＭＶのデータを送信する（図３ステップＳ１０５）。これにより、操作量変化幅出力部１４が順次送信するデータのタイムスタンプ値が示す時刻の間隔とＰＩＤコントローラ２の制御周期とが一致する。
【0036】
操作量変化幅ΔＭＶは、１制御周期前の操作量ＭＶとの差である。操作量変化幅出力部１４は、操作量変化幅ΔＭＶを、選択したデータセットから逐一算出すればよい。例えば、時刻ｔにおける操作量ＭＶが０、時刻ｔ＋１における操作量ＭＶが１、時刻ｔ＋２における操作量ＭＶが３、時刻ｔ＋３における操作量ＭＶが４、時刻ｔ＋４における操作量ＭＶが２とすれば、時刻ｔ，ｔ＋１，ｔ＋２，ｔ＋３，ｔ＋４における操作量変化幅ΔＭＶを、ΔＭＶ＝０，１，２，１，－２と算出できる。
【0037】
なお、ＰＩＤコントローラ２にデータバッファがある場合、制御量出力部１３と操作量変化幅出力部１４とは、データバッファに格納し得る複数の制御量ＰＶのデータと複数の操作量ＭＶのデータとをまとめて送信するようにしてもよい。
【0038】
操作量上限値出力部１５は、規定のタイミングになったときに、規定のデータセットから操作量変化幅出力部１４が取り出した制御周期毎の操作量ＭＶ（操作量変化幅ΔＭＶの基になった操作量ＭＶであり、制御量出力部１３が送信する制御量ＰＶと同じタイムスタンプ値の操作量ＭＶ）の誤差範囲を想定した操作量上限値ＯＨ＿ｘを算出する。操作量上限値出力部１５は、制御量出力部１３が送信する制御量ＰＶのデータのタイムスタンプ値が示す時刻と自身が送信する操作量上限値ＯＨ＿ｘに付加されるタイムスタンプ値（操作量変化幅出力部１４がデータセットから取り出した操作量ＭＶのタイムスタンプ値）が示す時刻とが同一になるように、操作量上限値ＯＨ＿ｘをＰＩＤコントローラ２に送信する（図３ステップＳ１０６）。これにより、操作量上限値出力部１５が順次送信するデータのタイムスタンプ値が示す時刻の間隔とＰＩＤコントローラ２の制御周期とが一致する。
【0039】
最もシンプルな処理としては、操作量ＭＶを中心とする上昇側マージンを予め規定しておく。操作量上限値出力部１５は、規定のデータセットから操作量変化幅出力部１４が取り出した制御周期毎の操作量ＭＶに上昇側マージン値を加算した値を、操作量上限値ＯＨ＿ｘとして送信すればよい。
【0040】
操作量下限値出力部１６は、規定のタイミングになったときに、規定のデータセットから操作量変化幅出力部１４が取り出した制御周期毎の操作量ＭＶ（操作量変化幅ΔＭＶの基になった操作量ＭＶであり、制御量出力部１３が送信する制御量ＰＶと同じタイムスタンプ値の操作量ＭＶ）の誤差範囲を想定した操作量下限値ＯＬ＿ｘを算出する。操作量下限値出力部１６は、制御量出力部１３が送信する制御量ＰＶのデータのタイムスタンプ値が示す時刻と自身が送信する操作量下限値ＯＬ＿ｘに付加されるタイムスタンプ値（操作量変化幅出力部１４がデータセットから取り出した操作量ＭＶのタイムスタンプ値）が示す時刻とが同一になるように、操作量下限値ＯＬ＿ｘをＰＩＤコントローラ２に送信する（図３ステップＳ１０７）。これにより、操作量下限値出力部１６が順次送信するデータのタイムスタンプ値が示す時刻の間隔とＰＩＤコントローラ２の制御周期とが一致する。
【0041】
最もシンプルな処理としては、操作量ＭＶを中心とする下降側マージンを予め規定しておく。操作量下限値出力部１６は、規定のデータセットから操作量変化幅出力部１４が取り出した制御周期毎の操作量ＭＶから下降側マージン値を減算した値を、操作量下限値ＯＬ＿ｘとして送信すればよい。
【0042】
なお、上昇側マージン値と下降側マージン値を固定値にする必要はなく、後述のように設定値ＳＰ変更時点からの経過時間に応じて上昇側マージン値と下降側マージン値のそれぞれを変更するようにしてもよい。
【0043】
制御量出力部１３と操作量変化幅出力部１４と操作量上限値出力部１５と操作量下限値出力部１６とは、制御量変化記憶部１１と操作量変化記憶部１２とに記憶された規定のデータセットを送信し終えるまで（図３ステップＳ１０８においてＹＥＳ）、ステップＳ１０４～Ｓ１０７の処理を繰り返し実行する。
【0044】
データの同期、すなわちタイムスタンプ値が同一であることが必要とされる制御量ＰＶと操作量変化幅ΔＭＶと操作量上限値ＯＨ＿ｘと操作量下限値ＯＬ＿ｘとは、ＰＩＤコントローラ２に同時に到着することが望ましいが、到着に時間差があっても構わない。この時間差がＰＩＤコントローラ２の制御周期（例えば１秒）に対して僅かな時間であれば、実用上問題ない。
以上で、産業用ＰＣ１側の動作が終了し、産業用ＰＣ１は次の規定のタイミングになるまで待機する。
以上で、産業用ＰＣ１側の動作が終了し、産業用ＰＣ１は次の規定のタイミングになるまで待機する。
【0045】
ここで、上記の規定のタイミングと規定のデータセットについて説明する。例えば産業用ＰＣ１のオペレータがＰＩＤコントローラ２の設定値ＳＰを手動で変更する場合、オペレータが設定値ＳＰ変更を指示したタイミングが規定のタイミングとなり、オペレータが指示したデータセット（制御の条件）が規定のデータセットとなる。
【0046】
また、例えば加熱炉等の温度制御が予め定められたスケジュール情報に従って自動実行される場合、スケジュール情報で定められた設定値ＳＰ変更のタイミングが規定のタイミングとなり、スケジュール情報で定められたデータセット（制御の条件）が規定のデータセットとなる。
【0047】
図４はＰＩＤコントローラ２の動作を説明するフローチャートである。ＰＩＤコントローラ２の設定値入力部２０は、産業用ＰＣ１から送信された制御量ＰＶを参照設定値ＳＰ＿ｒの新たな値として受信する（図４ステップＳ２００）。最もシンプルな処理としては、ＰＩＤコントローラ２の制御周期毎に、１個の制御量ＰＶのデータを受信する形態になる。
【0048】
操作量変化幅入力部２１は、産業用ＰＣ１から送信された操作量変化幅ΔＭＶをフィードフォワード制御操作量の変化幅ΔＭＶ＿ｆの新たな値として受信する（図４ステップＳ２０１）。最もシンプルな処理としては、ＰＩＤコントローラ２の制御周期毎に、１個の操作量変化幅ΔＭＶのデータ値を受信する形態になる。
【0049】
操作量上限値入力部２２は、産業用ＰＣ１から送信された操作量上限値ＯＨ＿ｘをリミット処理部２７で用いる新たな値として受信する（図４ステップＳ２０２）。操作量下限値入力部２３は、産業用ＰＣ１から送信された操作量下限値ＯＬ＿ｘをリミット処理部２７で用いる新たな値として受信する（図４ステップＳ２０３）。ＰＩＤコントローラ２に事前に設定されている操作量上限値ＯＨ＿ｘの初期値は１００％、操作量下限値ＯＬ＿ｘの初期値は０％である。
【0050】
なお、ＰＩＤコントローラ２にデータバッファが設けられており、制御量出力部１３と操作量変化幅出力部１４と操作量上限値出力部１５と操作量下限値出力部１６とが、データバッファに格納し得る複数の制御量ＰＶのデータと複数の操作量ＭＶのデータと複数の操作量上限値ＯＨ＿ｘのデータと複数の操作量下限値ＯＬ＿ｘのデータとをまとめて送信する場合、設定値入力部２０と操作量変化幅入力部２１と操作量上限値入力部２２と操作量下限値入力部２３とは、データバッファに格納された制御量ＰＶと操作量変化幅ΔＭＶと操作量上限値ＯＨ＿ｘと操作量下限値ＯＬ＿ｘの各データをＰＩＤコントローラ２の制御周期毎に１つずつ取り出すようにすればよい。
【0051】
制御量取得部２４は、制御量ＰＶの計測値を取得する（図４ステップＳ２０４）。ＰＩＤコントローラ２（温調計）を利用する温度制御であれば、温度センサから制御量ＰＶの値を取得することになる。
【0052】
次に、フィードフォワード加算部２５は、式（１）に示すように、フィードバック加算部２６が１制御周期前に算出した操作量ＭＶ＿ｘ（後述するＭＶ＿ｘ’の１制御周期前の値）に、操作量変化幅入力部２１が受信したフィードフォワード制御操作量の変化幅ΔＭＶ＿ｆを加算した値を、操作量ＭＶ＿ｚとする（図４ステップＳ２０５）。
ＭＶ＿ｚ＝ＭＶ＿ｘ＋ΔＭＶ＿ｆ ・・・（１）
ＭＶ＿ｚ＝ＭＶ＿ｘ＋ΔＭＶ＿ｆ ・・・（１）
【0053】
フィードバック加算部２６は、参照設定値ＳＰ＿ｒと制御量ＰＶの計測値とを入力として、制御量ＰＶの計測値が参照設定値ＳＰ＿ｒと一致するように、式（２）に示す伝達関数式のような速度型ＰＩＤ演算を行ってフィードバック制御操作量の変化幅ΔＭＶ＿ｂを算出する（図４ステップＳ２０６）。
ΔＭＶ＿ｂ＝Ｋｐ｛ΔＥｒ＋（１／Ｔｉ）Ｅｒ＋ＴｄΔ２Ｅｒ｝ ・・・（２）
ΔＭＶ＿ｂ＝Ｋｐ｛ΔＥｒ＋（１／Ｔｉ）Ｅｒ＋ＴｄΔ２Ｅｒ｝ ・・・（２）
【0054】
式（２）において、Ｅｒは制御偏差であり、参照設定値ＳＰ＿ｒと制御量ＰＶの計測値との差ＳＰ＿ｒ－ＰＶである。また、ΔＥｒは制御偏差Ｅｒの１階差分（１制御周期あたりの偏差Ｅｒの変化量）、Δ２Ｅｒは制御偏差Ｅｒの２階差分（１制御周期あたりの偏差Ｅｒの変化量の変化量）、ＫｐはＰＩＤパラメータのうちの比例ゲイン、ＴｉはＰＩＤパラメータのうちの積分時間、ＴｄはＰＩＤパラメータのうちの微分時間である。なお、比例ゲインＫｐは、比例帯ＰｂとはＫｐ＝１００／Ｐｂの関係にある。
【0055】
フィードバック加算部２６は、式（３）に示すように、フィードフォワード加算部２５によって算出された操作量ＭＶ＿ｚに、フィードバック制御操作量の変化幅ΔＭＶ＿ｂを加算した値を操作量ＭＶ＿ｘ’とする（図４ステップＳ２０７）。
ＭＶ＿ｘ’＝ＭＶ＿ｚ＋ΔＭＶ＿ｂ ・・・（３）
ＭＶ＿ｘ’＝ＭＶ＿ｚ＋ΔＭＶ＿ｂ ・・・（３）
【0056】
なお、フィードバック加算部２６は、操作量ＭＶ＿ｚにフィードバック制御操作量の変化幅ΔＭＶ＿ｂを加算する際に、比例動作（Ｐ動作）と微分動作（Ｄ動作）の加算を積分動作（Ｉ動作）の加算に先行して実行し、比例動作と微分動作の加算結果が、操作量上限値入力部２２と操作量下限値入力部２３が受信した操作量上限値ＯＨ＿ｘと操作量下限値ＯＬ＿ｘの範囲内にある場合に積分動作の加算を実行することで、アンチリセットワインドアップ処理（積分動作の不要な蓄積を防止する処理）の作用が得られるようにするのが好適である。
【0057】
すなわち、フィードバック制御操作量の変化幅ΔＭＶ＿ｂのうちの比例動作と微分動作の成分ΔＭＶ＿ｂ＿ｐｄは、式（４）のようになり、積分動作（Ｉ動作）の成分ΔＭＶ＿ｂ＿ｉは、式（５）のようになる。
ΔＭＶ＿ｂ＿ｐｄ＝Ｋｐ（ΔＥｒ＋ＴｄΔ２Ｅｒ） ・・・（４）
ΔＭＶ＿ｂ＿ｉ＝Ｋｐ（１／Ｔｉ）Ｅｒ ・・・（５）
ΔＭＶ＿ｂ＿ｐｄ＝Ｋｐ（ΔＥｒ＋ＴｄΔ２Ｅｒ） ・・・（４）
ΔＭＶ＿ｂ＿ｉ＝Ｋｐ（１／Ｔｉ）Ｅｒ ・・・（５）
【0058】
したがって、操作量ＭＶ＿ｚとΔＭＶ＿ｂ＿ｐｄとの加算結果ＭＶ＿ｚ’は、式（６）のようになる。
ＭＶ＿ｚ’＝ＭＶ＿ｚ＋ΔＭＶ＿ｐｄ ・・・（６）
ＭＶ＿ｚ’＝ＭＶ＿ｚ＋ΔＭＶ＿ｐｄ ・・・（６）
【0059】
フィードバック加算部２６は、加算結果ＭＶ＿ｚ’が操作量下限値ＯＬ＿ｘ以上で操作量上限値ＯＨ＿ｘ以下の場合に、式（７）に示すように、フィードバック制御操作量の変化幅ΔＭＶ＿ｂのうちの積分動作の成分ΔＭＶ＿ｂ＿ｉを加算結果ＭＶ＿ｚ’にさらに加算した結果を操作量ＭＶ＿ｘ’とする。
ＭＶ＿ｘ’＝ＭＶ＿ｚ’＋ΔＭＶ＿ｂ＿ｉ ・・・（７）
ＭＶ＿ｘ’＝ＭＶ＿ｚ’＋ΔＭＶ＿ｂ＿ｉ ・・・（７）
【0060】
また、フィードバック加算部２６は、加算結果ＭＶ＿ｚ’が操作量下限値ＯＬ＿ｘ未満または操作量上限値ＯＨ＿ｘより大の場合に、ΔＭＶ＿ｂ＿ｉを加算せず、加算結果ＭＶ＿ｚ’をそのまま操作量ＭＶ＿ｘ’とする。
ＭＶ＿ｘ’＝ＭＶ＿ｚ’ ・・・（８）
ＭＶ＿ｘ’＝ＭＶ＿ｚ’ ・・・（８）
【0061】
式（１）の処理により本発明に特有のフィードフォワード制御操作量の変化幅ΔＭＶ＿ｆも加算済みなので、式（４）～式（８）で説明した処理により、後段のリミット処理との整合を取るために必要な演算量を極力減らす効果が得られる。ただし、積分動作の加算条件を適宜追加してもよい。
【0062】
リミット処理部２７は、フィードバック加算部２６によって算出された操作量ＭＶ＿ｘ’を、操作量下限値ＯＬ＿ｘ以上で操作量上限値ＯＨ＿ｘ以下の値に制限した操作量ＭＶを出力する（図４ステップＳ２０８）。つまり、リミット処理部２７は、操作量ＭＶ＿ｘ’が操作量下限値ＯＬ＿ｘより小さい場合（ＭＶ＿ｘ’＜ＯＬ＿ｘ）、操作量ＭＶ＝ＯＬ＿ｘとし、操作量ＭＶ＿ｘ’が操作量上限値ＯＨ＿ｘより大きい場合（ＭＶ＿ｘ’＞ＯＨ＿ｘ）、操作量ＭＶ＝ＯＨ＿ｘとし、操作量ＭＶ＿ｘ’が操作量下限値ＯＬ＿ｘ以上で操作量上限値ＯＨ＿ｘ以下の場合（ＯＬ＿ｘ≦ＭＶ＿ｘ’≦ＯＨ＿ｘ）、操作量ＭＶ＝ＭＶ＿ｘ’とするリミット処理を行う。
【0063】
なお、通常は温調計の標準的な操作量上限値１００％と操作量下限値０％のリミット処理をさらに実行する。すなわち、リミット処理部２７は、操作量ＭＶが操作量下限値０％より小さい場合、操作量ＭＶを０％とし、操作量ＭＶが操作量上限値１００％より大きい場合、操作量ＭＶを１００％とする。
【0064】
操作量出力部２８は、リミット処理部２７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４ステップＳ２０９）。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。
【0065】
ＰＩＤコントローラ２は、例えばオペレータからの指令によって制御が終了するまで（図４ステップＳ２１０においてＹＥＳ）、ステップＳ２００～Ｓ２０９の処理を制御周期毎に実行する。
【0066】
ただし、設定値入力部２０と操作量変化幅入力部２１と操作量上限値入力部２２と操作量下限値入力部２３とは、制御量ＰＶの計測値が整定した時点から一定の継続時間が経過した時点で（図４ステップＳ２１１においてＹＥＳ）、参照設定値ＳＰ＿ｒとフィードフォワード制御操作量の変化幅ΔＭＶ＿ｆと操作量上限値ＯＨ＿ｘと操作量下限値ＯＬ＿ｘの更新を停止する（図４ステップＳ２１２）。
【0067】
これにより、参照設定値ＳＰ＿ｒとフィードフォワード制御操作量の変化幅ΔＭＶ＿ｆと操作量上限値ＯＨ＿ｘと操作量下限値ＯＬ＿ｘとは、それぞれ１制御周期前に受信した値に固定される。ただし、操作量上限値入力部２２は、操作量上限値ＯＨ＿ｘを初期値（１００％）に戻し、操作量下限値入力部２３は、操作量下限値ＯＬ＿ｘを初期値（０％）に戻すようにしてもよい。
【0068】
上記の継続時間は、産業用ＰＣ１からのデータ送信が終了する前に、参照設定値ＳＰ＿ｒとフィードフォワード制御操作量の変化幅ΔＭＶ＿ｆと操作量上限値ＯＨ＿ｘと操作量下限値ＯＬ＿ｘの更新が停止するように設定しておく必要がある。
【0069】
以後は、次の規定のタイミングになって、ステップＳ２００～Ｓ２０３の処理が再開されるまで、ステップＳ２０４～Ｓ２０９の処理が制御周期毎に実行される。
【0070】
次に、本実施例の効果を、図２３に示した強非線形特性の制御対象への適用例（シミュレーション）で説明する。ここでは、理想応答生成部１０は、制御対象モデルを利用するシミュレーションにより、理想的な制御応答に相当する制御量ＰＶの時系列データと操作量ＭＶの時系列データとを生成するものとする。
【0071】
図２３の非線形特性がモデル化されていれば、図２４～図２６に示した昇温制御について、昇温後の整定状態での操作量ＭＶがモデルからも得られるので、例えば図５～図７のようなシンプルなデータが生成できる。図５は、図２４のように５０℃から１５０℃へ昇温する場合の理想的な制御応答に相当する制御量ＰＶ（温度）の変化と操作量ＭＶの変化とを示している。図６は、図２５のように５０℃から２５０℃へ昇温する場合の理想的な制御応答に相当する制御量ＰＶの変化と操作量ＭＶの変化とを示している。図７は、図２６のように５０℃から３５０℃へ昇温する場合の理想的な制御応答に相当する制御量ＰＶの変化と操作量ＭＶの変化とを示している。
【0072】
制御量変化記憶部１１は、理想応答生成部１０によって制御の条件毎に生成された制御量ＰＶの時系列データのセットを記憶する。操作量変化記憶部１２は、理想応答生成部１０によって制御の条件毎に生成された操作量ＭＶの時系列データのセットを記憶する。制御の条件毎に生成されたデータセットには、制御の条件に対応するＩＤが理想応答生成部１０によって付加されている。図５～図７の例では、５０℃から１５０℃へ昇温する場合のデータセットと５０℃から２５０℃へ昇温する場合のデータセットと５０℃から３５０℃へ昇温する場合のデータセットのそれぞれには異なるＩＤが付与される。
なお、図５～図７では、設定値ＳＰの変化も便宜上記載しているが、設定値ＳＰを記憶する必要はない。
なお、図５～図７では、設定値ＳＰの変化も便宜上記載しているが、設定値ＳＰを記憶する必要はない。
【0073】
ここで、図５～図７に示した操作量ＭＶの変化をフィードフォワード制御だけで実行する場合、つまりＰＩＤコントローラ２のフィードバック制御と組合せない場合の、実用上の問題点についても説明しておく。制御対象の強非線形特性は、一般的には数種類の複雑な特性が重なることで現れる特性であり、高精度な再現性を伴うものではない。そこで、モデルと実対象に３％の誤差を与えてフィードフォワード制御のみを実行した結果を、図８～図１０に示す。
【0074】
図８は、５０℃から１５０℃へ昇温するときにフィードフォワード制御のみを実行した結果を示している。図９は、５０℃から２５０℃へ昇温するときにフィードフォワード制御のみを実行した結果を示している。図１０は、５０℃から３５０℃へ昇温するときにフィードフォワード制御のみを実行した結果を示している。フィードフォワード制御のみを実行した場合、昇温後の整定状態での操作量ＭＶに誤差が生じるので、図８～図１０に示すように設定値ＳＰと制御量ＰＶにオフセットが残ってしまうことが分かる。
【0075】
次に、本実施例を適用した場合について説明する。図２にも示しているように、理想的な制御応答のデータセットが産業用ＰＣ１に記憶され、上位側から制御量ＰＶのデータを、ＰＩＤコントローラ２の参照設定値ＳＰ＿ｒのデータとして送信する点が、本実施例の重要な特徴部分である。また、速度型ＰＩＤ演算への適合のために、上位側から操作量変化幅ΔＭＶを、ＰＩＤコントローラ２のフィードフォワード制御操作量の変化幅ΔＭＶ＿ｆとして送信する点も、重要な特徴部分である。
【0076】
なお、図５～図７の例であれば、時刻１００秒の時点での操作量上昇の変化幅と、時刻１５０秒の時点での操作量下降の変化幅の２回以外は、ΔＭＶ＿ｆ＝０．０である。現実にはほぼ起こり得ないことであるが、モデル誤差が０％であれば、図５～図７と完全に同じ結果が得られる。すなわち、フィードバック制御は不要な制御になる。
【0077】
そこで、理想応答生成部１０がシミュレーションで用いた制御対象モデルと実対象との誤差を５％として、フィードフォワード制御とフィードバック制御が同時に動作するようにする。フィードバック制御については、図２４～図２６に示したように、目標温度次第では操作量ＭＶに不必要な上下動が発生するので、操作量上限値ＯＨ＿ｘと操作量下限値ＯＬ＿ｘにより規制するのが好適である。
【0078】
具体的には、時刻１５０秒の時点（設定値ＳＰの変更時点から５０秒の時点）までは理想的な制御応答の操作量ＭＶに対して上昇側マージン値と下降側マージン値をそれぞれ１０％とし、時刻１５０秒の時点以降は上昇側マージン値と下降側マージン値をそれぞれ５％とする。これらの処理も含めて実行した本実施例の結果を、図１１～図１６に示す。
【0079】
図１１は、５０℃から１５０℃へ昇温するときの参照設定値ＳＰ＿ｒと制御量ＰＶの計測値と操作量出力部２８が出力する操作量ＭＶの変化を示している。図１２は、５０℃から２５０℃へ昇温するときの参照設定値ＳＰ＿ｒと制御量ＰＶの計測値と操作量出力部２８が出力する操作量ＭＶの変化を示している。図１３は、５０℃から３５０℃へ昇温するときの参照設定値ＳＰ＿ｒと制御量ＰＶの計測値と操作量出力部２８が出力する操作量ＭＶの変化を示している。
【0080】
図１４は、５０℃から１５０℃へ昇温するときに操作量出力部２８が出力する操作量ＭＶと操作量上限値ＯＨ＿ｘと操作量下限値ＯＬ＿ｘの変化を示している。図１５は、５０℃から２５０℃へ昇温するときに操作量出力部２８が出力する操作量ＭＶと操作量上限値ＯＨ＿ｘと操作量下限値ＯＬ＿ｘの変化を示している。図１６は、５０℃から３５０℃へ昇温するときに操作量出力部２８が出力する操作量ＭＶと操作量上限値ＯＨ＿ｘと操作量下限値ＯＬ＿ｘの変化を示している。
【0081】
図１１～図１６によれば、本実施例では、強非線形特性の制御対象にも対応できており、かつＰＩＤコントローラ２自体の演算量と記憶量とを極力減らしているので、安定継続を維持し易い計装を実現できることが分かる。
【0082】
参考のために、操作量上限値ＯＨ＿ｘと操作量下限値ＯＬ＿ｘによるリミット処理を実行しない場合の結果を、図１７～図１９に示す。リミット処理による規制の効果がないので、図１１～図１６の場合よりも制御対象の強非線形特性に起因する不必要な上下動が発生するが、図２４～図２６よりはかなり改善された制御応答が得られる。
【0083】
このように、本発明においてリミット処理部２７は必須の構成要件ではない。リミット処理部２７を設けない場合、操作量出力部２８は、フィードバック加算部２６によって算出された操作量ＭＶ＿ｘ’を制御対象に出力する。リミット処理部２７を設けない場合には、産業用ＰＣ１からの操作量上限値ＯＨ＿ｘと操作量下限値ＯＬ＿ｘの送信が不要となり、また式（４）～式（８）で説明したアンチリセットワインドアップ処理を実行しないことになる。
【0084】
本実施例で説明した産業用ＰＣ１とＰＩＤコントローラ２の各々は、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２０に示す。
【0085】
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（Ｉ／Ｆ）２０２とを備えている。産業用ＰＣ１の場合、Ｉ／Ｆ２０２には、ＰＩＤコントローラ２との通信のための通信回路のハードウェア等が接続される。ＰＩＤコントローラ２の場合、Ｉ／Ｆ２０２には、制御量ＰＶを計測するセンサと、産業用ＰＣ１との通信のための通信回路のハードウェアと、電力調整器等が接続される。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。産業用ＰＣ１とＰＩＤコントローラ２の各々のＣＰＵ２００は、記憶装置２０１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】
【0086】
本発明は、制御システムに適用することができる。
【符号の説明】
【0087】
１…産業用ＰＣ、２…ＰＩＤコントローラ、１０…理想応答生成部、１１…制御量変化記憶部、１２…操作量変化記憶部、１３…制御量出力部、１４…操作量変化幅出力部、１５…操作量上限値出力部、１６…操作量下限値出力部、１７…記憶部、１８…送信部、２０…設定値入力部、２１…操作量変化幅入力部、２２…操作量上限値入力部、２３…操作量下限値入力部、２４…制御量取得部、２５…フィードフォワード加算部、２６…フィードバック加算部、２７…リミット処理部、２８…操作量出力部、２９…受信部。
【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】
