JP3137449B2 - 調節装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｐ，ＰＩまたはＰＩＤ
（Ｐ：比例，Ｉ：積分，Ｄ：微分）演算動作を実行しつ
つ制御対象をフィードバック制御する調節装置に係わ
り、特に速度形演算方式を用いたときの比例演算動作の
適正機能の実現および比例ゲインの変更に伴う応答特性
の改善を図る調節装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、この種の調節装置においては、
目標値ＳＶ_n と制御対象から得られる制御量ＰＶ_n とを
偏差演算手段に導き、ここで ｅ_n ＝ＳＶ_n −ＰＶ_n

【０００３】なる演算を行って偏差信号ｅ_n を取り出
し、速度形調節演算手段に導入する。この調節演算手段
は、所定のサンプリング周期ごとに偏差信号ｅ_n に対す
るＰ，ＰＩ等の演算動作を実行し、速度形調節演算信号
△ＭＶ_n を求めた後、この調節演算信号△ＭＶ_n を信号
変換手段に導入する。ここで、信号変換手段は、 ＭＶ_n ＝ＭＶ_n-1 ＋△ＭＶ_n

【０００４】なる演算を行うことにより位置形調節信号
に変換し、この位置形調節信号を操作信号ＭＶ_n として
制御対象に印加し、偏差信号ｅ_n ＝ＳＶ_n −ＰＶ_n ＝０
となるように制御する。つまり、目標値ＳＶ_n ＝制御量
ＰＶ_n となるように制御する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のディ
ジタル制御システムでは、前述したような速度形調節演
算方式が多用されているが、このときの基本的な速度形
演算式は以下のような式で表される。つまり、Ｐ制御の
時には、 △ＭＶ_n ′＝Ｋ（ｅ_n −ｅ_n-1 ） ……（１） で表され、一方、ＰＩ制御の時には、 △ＭＶ_n ″＝Ｋ｛（ｅ_n −ｅ_n-1 ）＋（１／Ｔ_I ）ｅ_n ｝……（２） で表される。

【０００６】上式において△ＭＶ_n ′，△ＭＶ_n ″：速
度形調節演算信号、Ｋ：比例ゲイン、ｅ_n ＝ＳＶ_n −Ｐ
Ｖ_n ：現時点の偏差、ｅ_n-1 ：前回の偏差、Ｔ_I ：積分
時間である。しかしながら、以上のような演算式をとっ
た場合、次のような問題が生じてくる。

【０００７】イ．Ｐ演算動作のみの場合には図２に示す
ような定常偏差が発生するが、このとき例えば偏差信号
のサンプリング時点△ｔ_n-1 ，△ｔ_n の各偏差ｅ_n-1 ，
ｅ_nは同じ値となり、その結果、各サンプリング時点で
は零以外のほぼ一定の偏差が継続し、（ｅ_n −ｅ_n-1 ）
＝０となるので、前記（１）式から明らかなように比例
ゲインＫを変化させても△ＭＶ_n ′＝Ｋ（ｅ_n −
ｅ_n-1 ）＝０となり、Ｐ制御のみの調節装置は実現でき
なくなる。

【０００８】ロ．ＰＩ演算動作の場合でも同様であっ
て、定常偏差があるとき、比例ゲインＫを変更しても、
前述したように比例演算動作の出力は不変状態となり、
そのゲイン変更による効果が比例演算動作に何ら現れず
に積分演算動作だけの修正となる。そのため、制御の応
答が非常に遅くなるばかりでなく、過度に比例ゲインＫ
を修正して積分演算動作を効かせることも可能である
が、その後、プロセスの負荷状態が変化したり、或いは
制御特性が変化したとき、逆に（ｅ_n −ｅ_n-1 ）が効き
過ぎて非常に危険な状態となり、事故を誘発する原因と
もなる。

【０００９】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、定常偏差の発生時でも比例ゲインの変更によって応
答性を改善でき、Ｐ制御，ＰＩ制御およびＰＩＤ制御の
何れか１の速度形演算方式を実現可能とする調節装置を
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に対応する発明
は上記課題を解決するために、目標値と制御対象からの
制御量との偏差に基づいて速度形調節演算動作を行い、
得られた速度形調節演算信号を位置形調節信号に変換し
て操作信号として制御対象に印加する調節装置におい
て、前記速度形調節演算動作として、 △ＭＶ_n ＝Ｋ_n ・ｅ_n −Ｋ_n-1 ・ｅ_n-1 ……（３） または△ＭＶ_n ＝Ｐ_n −Ｐ_n-1 ……（４） なるＰ（比例）演算動作を行う速度形調節演算手段を設
けた調節装置である。次に、請求項２に対応する発明
は、前記速度形調節演算動作として、 △ＭＶ_n ＝（Ｋ_n ・ｅ_n −Ｋ_n-1 ・ｅ_n-1 ）＋（１／Ｔ_I ）Ｋ_n ・ｅ_n ……（５） または△ＭＶ_n ＝（Ｐ_n −Ｐ_n-1 ）＋（１／Ｔ_I ）Ｐ_n ……（６） なるＰＩ（Ｐ：比例，Ｉ：積分）演算動作を行う速度形
調節演算手段を設けた物である。

【００１１】但し、前記（３）式〜（６）式において△
ＭＶn ：速度形調節演算信号、Ｋｎ：現時点の比例ゲイ
ン、Ｋｎ−１ ：前回の比例ゲイン（Ｋｎ−１ ≠Ｋｎ
）、ｅｎ ：現時点の偏差、ｅｎ−１ ：は前回の偏
差、Ｐｎ ＝Ｋｎ ・ｅｎ ：現時点の比例演算動作出
力、Ｐｎ−１ ：前回の比例演算動作出力。

【００１２】

【作用】従って、請求項１に対応する発明は以上のよう
な手段を講じたことにより、目標値と制御量との偏差に
基づいて前記（５）式および（６）式のＰ演算動作を行
うことにより、前回の比例ゲインと今回の比例ゲインと
を変えることにより前回の比例演算動作出力よりも今回
の比例演算動作出力が大きくなり、定常偏差を除去する
方向に働くので、比例ゲインの変更により制御の応答性
を改善でき、かつ、Ｐ制御だけの速度形演算方式を実現
することが可能となる。

【００１３】次に、請求項２に対応する発明においては
も同様であって、速度形調節演算動作として前記（７）
式および（８）式のＰＩ演算動作を行えば、比例ゲイン
の変更により前回の比例演算動作出力よりも今回の比例
演算動作出力が大きくなり、制御の応答性を改善でき、
ＰＩ制御の速度形演算方式を実現できる。

【００１４】

【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。この調節装置は、図１に示すように従来と
同様な構成を有する。すなわち、目標値ＳＶ_n と制御対
象１１から得られる制御量ＰＶ_n とを偏差演算手段１２
に導き、ここで、 ｅ_n ＝ＳＶ_n −ＰＶ_n ……（７） なる演算を行って偏差信号ｅ_n を取り出し、速度形調節
演算手段１３に導入する。

【００１５】この速度形調節演算手段１３では、所定の
サンプリング（演算）周期ごとに偏差信号ｅ_n に対する
Ｐ，ＰＩ等の演算動作を実行するが、このときの演算方
式としては後記するように定常偏差の発生時でも比例ゲ
インＫの変更を行ったときに直ちに変化する比例演算動
作を実行して速度形調節演算信号△ＭＶ_n を求めるもの
である。そして、この速度形調節演算手段１３によって
得られた速度形調節演算信号△ＭＶ_n を信号変換手段１
４に導き、ここで ＭＶ_n ＝ＭＶ_n-1 ＋△ＭＶ_n ……（８）

【００１６】なる演算を行うことにより位置形調節信号
ＭＶ_n に変換し、操作信号ＭＶ_n として制御対象１１に
印加し、偏差信号ｅ_n ＝ＳＶ_n −ＰＶ_n ＝０となるよう
に制御する構成である。次に、本発明装置の要部となる
速度形調節演算手段１３の演算動作について、例えばＰ
Ｉ制御を例に上げて説明する。先ず、ＰＩ制御系全体の
基本的な演算式は、 ＭＶ＝Ｋ｛ｅ＋（１／Ｔ_I ）ｅdt｝＋ＭＶ₀ ……（９） で表される。但し、ＭＶ：位置形調節信号、ＭＶ₀ ：位
置形調節信号の初期値、ｅ：偏差（ＳＶ−ＰＶ）、
Ｔ_I ：積分時間である。

【００１７】従って、上式から言えることは、調節演算
手段１３の調節演算出力は、偏差ｅに比例した比例演算
動作出力と偏差ｅの積分に比例した積分演算動作出力と
を加算合成したものとなる。そこで、前記（９）式に基
づいて数式の解析を行い、従来装置と本発明装置との違
いについて説明する。従来装置の場合には比例ゲインＫ
を１つの定数として取り扱っているが、この考えに基づ
いて前記（９）式を時間微分すると、 ｄＭＶ／ｄｔ＝Ｋ｛（ｄｅ／ｄｔ）＋（１／Ｔ_I ）ｅ｝……（１０） で表される。ここで、上式について時間軸の微小区間△
ｔで近似すると、

【００１８】

【数１】 で表される。但し、サフィックスｎは現時点を示し、ｎ
−１は前回時点を示している。さらに、前記（１１）式
を前記（１０）式に代入すると、 △ＭＶ_n ″＝Ｋ｛（ｅ_n −ｅ_n-1 ）＋（１／Ｔ_I ）ｅ_n ｝…（１２） となり、これは従来装置において説明した（２）式と同
様な演算式となる。一方、本発明装置においては、比例
ゲインＫを１つの変数として取り扱い、従来装置と同様
に時間微分を行うと、 ｄＭＶ／ｄｔ＝｛ｄ（Ｋ・ｅ）／ｄｔ｝ ＋（１／Ｔ_I ）・（Ｋ・ｅ）…（１３） となる。そこで、この（１３）式について時間軸の微小
区間で近似すると、

【００１９】

【数２】 で表され、さらに得られた前記（１４）式を（１３）式
に代入すると、 △ＭＶ_n ＝（Ｋ・ｅ）_n −（Ｋ・ｅ）_n-1 ＋（１／Ｔ_I ）・（Ｋ・ｅ）_n ……（１５） で表される。そして、この（１５）式は、

【００２０】

【数３】 という形で展開できるので、この（１６）式を（１５）
式に代入すると、 △ＭＶ_n ＝Ｋ_n ・ｅ_n −Ｋ_n-1 ・ｅ_{n-1 +(1/T I} ）Ｋ_n ・ｅ_n ……（１７） となる。さらに、Ｋ_n ・ｅ_n ＝Ｐ_n とおき、その前回値
をＰ_n-1 とおくと、 △ＭＶ＝Ｐ_n −Ｐ_n-1 ＋（１／Ｔ_I ）Ｐ_n ……（１８） のようになる。従って、以上のような実施例の構成によ
れば、従来装置の問題点イ，ロを解消することができ
る。先ず、問題点イについては、Ｐ制御のみの場合には
前記（１７）式から、 △ＭＶ_n ＝Ｋ_n ・ｅ_n −Ｋ_n-1 ・ｅ_n-1 ……（１９）

【００２１】で表される。ここで、定常偏差が発生して
いると考えると、ｅ_n およびｅ_n-1 はともに零以外のほ
ぼ一定値であるが、比例ゲインＫを演算周期ごとに可変
すれば、前記（１９）式から比例ゲインＫを大きくする
と、 Ｋ_n ・ｅ_n ＞Ｋ_n-1 ・ｅ_n-1 ……（２０）

【００２２】となり、比例ゲインＫの変化が正しくＰ制
御に反映されることになる。つまり、速度形調節演算手
段１３においてＰ制御単独の速度形演算方式を実現する
ことができる。

【００２３】次に、問題点ロについても同様であること
は言うまでもない。すなわち、比例ゲインＫを定数と考
えたとき、各演算時点の比例ゲインはＫ＝Ｋ_n ＝Ｋ_n-1
となり、それぞれ等価の関係となるが、定常偏差が発生
しているとき、つまりｅ_n およびｅ_n-1 が零以外の一定
値のとき、ｎとｎ＋１の時間区間内で比例ゲインＫを増
加方向に変化させると、Ｋ_n ＞Ｋ_n-1 となり、ひいては
Ｋ_n ・ｅ_n ＞Ｋ_n-1 ・ｅ_n-1 なる関係となる。従って、
定常偏差時、比例ゲインＫを変更したとき、直ちに比例
演算動作が働き、定常偏差を除去する方向に機能するの
で、積分演算動作を含めて制御の速応化を図ることがで
き、比例ゲインを過度に修正して思わぬ事故を引き起こ
す問題を解消することができる。なお、上記実施例で
は、Ｐ制御，ＰＩ制御について述べたが、Ｐ演算動作を
含むＰＩＤ演算動作についても同様に適用できることは
言うまでもない。その他、本発明はその要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実施できる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、定
常偏差時、比例ゲインを変更すればＰまたはＰＩ演算動
作出力が定常偏差を除去する方向に機能し、よって比例
ゲインの変更による制御特性の速応化を図ることがで
き、Ｐ制御、ＰＩ制御およびＰＩＤ制御の何れか１つの
速度形演算方式で実現できる。従って、かかる調節装置
をプラントの随所に適用すれば、プラントの運転性能を
高度化でき、種々の制御分野において大きく貢献するも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる調節装置の一実施例を示す制御
系の構成図。

【図２】従来装置における定常偏差発生時の制御特性を
示す図。

【符号の説明】

１１…制御対象、１２…偏差演算手段、１３…速度形調
節演算手段、１４…信号変換手段。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】目標値と制御対象からの制御量との偏差に
   基づいて速度形調節演算動作を行い、得られた速度形調
   節演算信号を位置形調節信号に変換して操作信号として
   前記制御対象に印加する調節装置において、 前記速度形調節演算動作として、 △ＭＶｎ ＝Ｋｎ ・ｅｎ −Ｋｎ−１ ・ｅｎ−１ また
   は△ＭＶｎ ＝Ｐｎ −Ｐｎ−１ なるＰ（比例）演算動作を行う速度形調節演算手段を設
   けたことを特徴とする調節装置。 但し、上式において△ＭＶｎ ：速度形調節演算信号、
   Ｋｎ ：現時点の比例ゲイン、Ｋｎ−１ ：前回の比例ゲ
   イン（Ｋｎ−１ ≠Ｋｎ ）、ｅｎ ：現時点の偏差、ｅ
   ｎ−１ ：は前回の偏差、Ｐｎ ＝Ｋｎ ・ｅｎ ：現時点
   の比例演算動作出力、Ｐｎ−１ ：前回の比例演算動作
   出力。
2. 【請求項２】目標値と制御対象からの制御量との偏差に
   基づいて速度形調節演算動作を行い、得られた速度形調
   節演算信号を位置形調節信号に変換して操作信号として
   前記制御対象に印加する調節装置において、 前記速度形調節演算動作として、 △ＭＶｎ ＝（Ｋｎ ・ｅｎ −Ｋｎ−１ ・ｅｎ ）＋
   （１／ＴＩ ）Ｋｎ ・ｅｎ または △ＭＶｎ ＝（Ｐｎ −Ｐｎ−１ ）＋（１／ＴＩ ）Ｐｎ なるＰＩ（Ｐ：比例，Ｉ：積分）演算動作を行う速度形
   調節演算手段を設けたことを特徴とする調節装置。 但し、上式において△ＭＶｎ ：速度形調節演算信号、
   Ｋｎ ：現時点の比例ゲイン、Ｋｎ−１ ：前回の比例ゲ
   イン（Ｋｎ−１ ≠Ｋｎ ）、ｅｎ ：現時点の偏差、ｅ
   ｎ−１ ：は前回の偏差、ＴI ：積分時間、Ｐｎ ＝Ｋｎ
   ・ｅｎ ：現時点の比例演算動作出力、Ｐｎ−１ ：前
   回の比例演算動作出力。