JP7388849B2

JP7388849B2 - 制御パラメータ調整装置および方法

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Publication number: JP7388849B2
Application number: JP2019154378A
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Inventors: 雅人田中
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Publication date: 2023-11-29
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Description

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。

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）。

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。

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）。

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）

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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、偏差の絶対値の比率ＲＥ＝｜Ｅｒ２｜／｜Ｅｒ１｜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ＲＥ＝｜Ｅｒ２｜／｜Ｅｒ１｜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、極値偏差Ｅｒ１が極大値で、極値偏差Ｅｒ２が極小値の場合は、ＲＥ＝｜Ｅｒ２｜／｜Ｅｒ１｜とするが、極値偏差Ｅｒ１が極小値で、極値偏差Ｅｒ２が極大値の場合は、ＲＥ＝｜Ｅｒ１｜／｜Ｅｒ２｜とする。ＲＥ＝｜Ｅｒ１｜／｜Ｅｒ２｜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。

比率ＲＥ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）（ＲＥ－１）
／（ＲＥ＋１）・・・（５）
ＯＨ＿ＡＴ＿ｎｅｗ＝ＯＨ＿ＡＴ＋（ＯＨ＿ＡＴ－ＯＬ＿ＡＴ）（ＲＥ－１）
／（ＲＥ＋１）・・・（６）

特許文献２に開示された方法では、例えばＲＥ＞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ＲＥ＜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。ＲＥ＝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。

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。

特開２００３－３３０５０４号公報特許第４５４６４３７号公報

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。

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、制御の設定値と制御量との偏差のうち、前記操作量の出力によって生じた前記制御量の最初の２つの極値のそれぞれにおける前記偏差の絶対値の比率を算出するように構成された比率算出部と、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と、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、前記補正係数は、１より小さい値に設定されており、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、制御の設定値と制御量との偏差のうち、前記操作量の出力によって生じた前記制御量の最初の２つの極値のそれぞれにおける前記偏差の絶対値の比率を算出する第２のステップと、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のステップとを含み、前記補正係数は、１より小さい値に設定されていることを特徴とするものである。

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２つの極値偏差の絶対値の比率を算出して、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。

また、本発明では、２つの極値偏差の絶対値の比率と、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は、本発明の参考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は、本発明の参考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は、本発明の参考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は、本発明の参考例の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は、本発明の参考例の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は、本発明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は、本発明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は、本発明の実施例の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は、本発明の実施例の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は、本発明の参考例および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の最初の極値（極大値、極小値）は信頼性が低い。

発明者は、リミットサイクルの最初の極値は信頼性が低いが、極値比ＲＥ（極大値と極小値の比率ＲＥ）については高い信頼性で現れることに着眼した。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）で得られる極値比ＲＥ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。

［参考例］
以下、本発明の参考例について図面を参照して説明する。図２は本発明の参考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。本参考例では、極値比ＲＥの分母が制御量ＰＶの極大側（昇温により生じる極値）の偏差の絶対値、極値比ＲＥの分子が制御量ＰＶの極小側（降温により生じる極値）の偏差の絶対値になる数式を採用する。

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、制御の設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差のうち、操作量ＭＶの出力によって生じた制御量ＰＶの最初の２つの極値のそれぞれにおける偏差の絶対値の比率ＲＥを算出する比率ＲＥ算出部８と、比率ＲＥ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。

図３は図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。

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）。

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。

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。

次に、比率ＲＥ算出部８は、ＡＴ実行中の操作量ＭＶの出力に応じた制御量ＰＶの最初の上下動から得られる制御量ＰＶの２つの極値偏差を検出する（図４ステップＳ１０４）。設定値ＳＰと制御量ＰＶの極値との偏差である極値偏差Ｅｒは、式（１）により得られる。本参考例では、２つの極値偏差のうち、新しい方の極値における偏差を第１の極値偏差Ｅｒ１ｘ、１つ前の極値における偏差を第２の極値偏差Ｅｒ２ｘとする。

ステップＳ１０１～Ｓ１０３の処理を制御周期毎に繰り返し、極値偏差Ｅｒ１ｘ，Ｅｒ２ｘ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。

そして、比率ＲＥ算出部８は、第１の極値偏差Ｅｒ１ｘの絶対値と第２の極値偏差Ｅｒ２ｘの絶対値との比率ＲＥを算出する（図４ステップＳ１０５）。このとき、比率ＲＥ算出部８は、制御量ＰＶの最初の２つの極値のうち、新しい方の極値が極大値で、１つ前の極値が極小値の場合は、次式のように極大値側の第１の極値偏差Ｅｒ１ｘが分母になり、極小値側の第２の極値偏差Ｅｒ２ｘが分子になるようにして比率ＲＥを算出する。
ＲＥ＝｜Ｅｒ２ｘ｜／｜Ｅｒ１ｘ｜・・・（７）

また、比率ＲＥ算出部８は、制御量ＰＶの最初の２つの極値のうち、新しい方の極値が極小値で、１つ前の極値が極大値の場合は、次式のように極小値側の第１の極値偏差Ｅｒ１ｘが分子になり、極大値側の第２の極値偏差Ｅｒ２ｘが分母になるようにして比率ＲＥを算出する。
ＲＥ＝｜Ｅｒ１ｘ｜／｜Ｅｒ２ｘ｜・・・（８）

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ＲＥ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）（ＲＥ－１）
／（ＲＥ＋１）・・・（９）

また、２位置操作量修正部９は、比率ＲＥ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）（ＲＥ－１）
／（ＲＥ＋１）・・・（１０）

２位置操作量修正部９は、比率ＲＥ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、極値偏差Ｅｒ１ｘ，Ｅｒ２ｘを検出できた時点で１回だけ実行される。

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。

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）。

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。

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）
・・・（１１）
式（１１）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。

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は図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。

図７は本参考例の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は図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４７０ｓｅｃ．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。

図７、図８の例では、リミットサイクルの最初の上下動で極値偏差Ｅｒ１ｘ，Ｅｒ２ｘが検出され、比率ＲＥ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１６．９％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。

以上のように、本参考例では、リミットサイクルの最初の上下動で検出される極値偏差Ｅｒ１ｘ，Ｅｒ２ｘから比率ＲＥを算出して、この比率ＲＥ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。

［実施例］
次に、本発明の実施例について説明する。図９は本発明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ＲＥ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ＲＥ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。

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、参考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ＲＥ算出部８の動作（図１０ステップＳ１００～Ｓ１０５）は、参考例と同じである。

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ＲＥ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多めになってしまい、修正に誤差が発生することが判明した。

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の極値近傍の曲線的な挙動が大きくなると、図１１のΔＥｒ２ｘ，ΔＥｒ１ｘで示すように極大側と極小側の各偏差の絶対値が異なる倍率で小さくなるので、比率ＲＥとしては偏りが大きい側（すなわち比率ＲＥが１．０から乖離する側）に影響する。したがって、２位置操作量（ＯＨ＿ＡＴ，ＯＬ＿ＡＴ）の修正量が多めになる。

そこで、本実施例では、補正係数αとして１．０より小さ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、参考例と同様に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）。

２位置操作量補正付修正部１１は、比率ＲＥ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）（ＲＥ－１）
／（ＲＥ＋１）・・・（１２）

また、２位置操作量補正付修正部１１は、比率ＲＥ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）（ＲＥ－１）
／（ＲＥ＋１）・・・（１３）

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、参考例と同じである。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。

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は図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４６４ｓｅｃ．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。

本実施例では、補正係数α＝０．９５を採用することで、操作量上限値ＯＨ＿ＡＴが最初の１００％から２１．０％に修正される。その結果、参考例（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４００ｓｅｃ．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。

参考例および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。

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参考例および実施例で説明した処理を実行する。

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。

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ＲＥ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。

Claims

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、
制御の設定値と制御量との偏差のうち、前記操作量の出力によって生じた前記制御量の最初の２つの極値のそれぞれにおける前記偏差の絶対値の比率を算出するように構成された比率算出部と、
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と、
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、
前記補正係数は、１より小さい値に設定されており、
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。
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、
制御の設定値と制御量との偏差のうち、前記操作量の出力によって生じた前記制御量の最初の２つの極値のそれぞれにおける前記偏差の絶対値の比率を算出する第２のステップと、
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のステップとを含み、
前記補正係数は、１より小さ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。