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JP2791011B2 - プラント制御系の制御定数設定装置 - Google Patents

プラント制御系の制御定数設定装置

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Publication number
JP2791011B2
JP2791011B2 JP61194578A JP19457886A JP2791011B2 JP 2791011 B2 JP2791011 B2 JP 2791011B2 JP 61194578 A JP61194578 A JP 61194578A JP 19457886 A JP19457886 A JP 19457886A JP 2791011 B2 JP2791011 B2 JP 2791011B2
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JP
Japan
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control system
control
margin
gain
reference model
Prior art date
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JP61194578A
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JPS6349901A (ja
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隆 重政
穣 飯野
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Priority to DE3750203T priority patent/DE3750203T2/de
Priority to KR1019870008826A priority patent/KR900005546B1/ko
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、プラントの温度、流量、圧力などを制御す
るプラント制御系の制御定数設定装置に関する。 (従来の技術) 従来よりプラントの制御系においては、比例(P)動
作,積分(I)動作,微分(D)動作などの補償形態を
適宜組み合わせた制御装置が広く用いられている。例え
ばPID制御系では、目標値信号r(t)と制御量y
(t)との偏差e(t)から、操作信号u(t)を、次
のPID演算式 により求めるようにしている。ここで、C0,C1,C2は制御
定数であり、それぞれ積分ゲイン,比例ゲイン,微分ゲ
インである。また、I−PD制御系では、操作信号u
(t)を、次のI−PD演算式 により求めている。ここで、K,0,は制御定数であ
り、それぞれ積分ゲイン,比例ゲイン,微分ゲインであ
る。 制御系においては、通常これらの制御定数を制御対象
の動特性に応じて適切に設定する必要がある。従来、PI
D制御系、I−PD制御系の双方に共通な制御定数の設定
方法として、制御対象の部分的知識に基づく制御系の設
計法(北森俊行著、計測自動制御学会論文集、Vol.15,N
o.4昭和54年8月,P549〜555)が知られている。この方
法は、制御対象の分母糸列表現した伝達関数と制御系の
望ましい特性を表わす参照モデルとから、制御装置の制
御定数を簡単な演算式により求めることができる利点が
ある。 しかしながら、この方法では、ゲイン余裕及び位相余
裕に基づいた設計がなされていない為、制御対象のステ
ップ応答波形がオーバーシュートあるいは逆応答するよ
うな制御系については、必ずしも良好に設計されないと
いう欠点があった。また、設計された制御定数を用いた
場合、制御系の安定性が保証されないという問題もあっ
た。 これに対し、PID制御系に限れば、ゲイン余裕位相余
裕に基づいた設計法が古くから知られているが、この方
法はボード線図を用いた試行錯誤的な方法によらなけれ
ばならず、しかも制御系の仕様通りにゲイン余裕、位相
余裕を設定する方法が明らかになっておらず経験に基づ
きなされていた。このため制御定数の設定の自動化は不
可能であった。 (発明が解決しようとする問題点) このように、プラント制御系における従来の制御定数
設定法では、例えばPID、I−PD等のあらゆる補償動作
形態について、望ましい制御系の特性通りに制御定数を
設計することができず、設計後の制御系の安定性を保証
することができなかった。 本発明は、上述した従来の制御定数の自動設計方法の
欠点を改良するもので、種々の補償動作形態について、
制御定数を望ましい制御系の特性通りに設計でき、さら
に設計後の制御系の安定性を保証できるプラント制御系
の制御定数設定装置を提供することを目的とする。 [発明の構成] (問題を解決するための手段) 本発明は、制御系の望ましい応答を示す参照モデルの
特性係数を入力し該参照モデルのゲイン余裕(PM:Phase
Margin)及び位相余裕(GM:Gain Margin)を算出する
第1の演算手段と、この第1の演算手段により算出され
たゲイン余裕および位相余裕と、制御対象の伝達関数
と、PID,I−PD等の制御対象の補償動作形態情報とを入
力し、前記制御系のゲイン余裕及び位相余裕が前記算出
された参照モデルのゲイン余裕及び位相余裕に一致する
ように前記制御系に対する制御定数を算出する第2の演
算手段とを具備したことを特徴としている。 (作用) これまで、プロセス制御系では位相余裕が16〜80゜、
ゲイン余裕が3〜9dB、サーボ制御系では、位相余裕が4
0〜65゜、ゲイン余裕が12〜20dBと、割に広い許容幅を
持っていた。このような位相余裕とゲイン余裕に基づい
ていたため制御系の安定性は維持されるが、制御系の応
答波形が意図した望ましい応答を持つかどうかが、設計
時には分らず、そのために位相余裕とゲイン余裕をを少
しずつ変えて設計する試行錯誤になっていた。 本発明では制御系の望ましい特性を表わす参照モデル
の特性係数から正確な位相余裕とゲイン余裕とを演算し
ている。また、与えられた補償動作形態(PID制御系か
I−PD制御系)と入力した制御対象の伝達関数とから、
演算された位相余裕とゲイン余裕になるように制御定数
が演算できるので、設計後の制御系の動特性は、設定し
た参照モデルの特性通りになると同時に安定性も保証さ
れる。 (実施例) 以下、本発明を図示の実施例に従って詳細に説明す
る。 第1図は、本発明の一実施例に係るプラント制御系制
御定数設定装置の構成を示す図である。 即ち、本装置は、第1の演算手段であるPM・GM演算部
1と、第2の演算手段である制御定数演算部2とで構成
されている。 PM・GM演算部1は、望ましい応答を示す参照モデルの
特性係数α12を入力して、参照モデルの位相余
裕PMと、ゲイン余裕GMとを算出するものである。また、
制御定数演算部2は、上記PM・GM演算部1で算出された
位相余裕PM,ゲイン余裕GMと、補償動作形態情報(制御
系がPID制御系かI−PD制御系かを示す情報)と、制御
系の伝達関数G(S)とを入力して制御定数C0,C1,C2
はK,を算出するものである。 今、例えば制御系の望ましい動特性を示す参照モデル
Gm(S)が、で示されるとする。なお、ここでSは微分演算子、σは
ステップ応答の立上り時間に関する係数である。 参照モデルの特性係数α12を次の(4)式の
ように表し、αの値を種々変えたときのステップ応答波
形群は、第2図に示される。 α=0.0に設定すると、オーバーシュートのない応答が
得られ、α=0.4でオーバーシュートが殆んどなく立上
りの最も早い応答が得られる。αを0.4より大きくして
ゆくと、これにつれてオーバーシュート量が増大し、α
=1.0では約10%のオーバーシュート量となる。 PM・GM演算部1には、第2図に示す応答波形に基づい
て選択された特性係数α23が入力される。 PM・GM演算部1では、次のような演算により位相余裕
(PM)とゲイン余裕(GM)とが算出される。即ち、参照
モデルの一巡伝達関数 は(3)式より、 で示すことができ、その周波数応答はS=jωとおくこ
とにより と表すことができる、第3図は、この を複素平面上に描いたベクトル軌跡を示している。この
第3図のベクトル軌跡において、原点を中心とした半径
1の円と交わる点Pと負の実軸とのなす角が位相余
裕PMである。 いま、P点における交差角周波数をωとすると、P
点ではゲインが1であるから、(7)式より、 {σω−α(σω +{α(σω −α(σω)=1 ……(8) の関係が得られ、x=(σωとおいて(8)式を
展開し整理すると、 1−x+(2α−α2 2)x2 +(2αα− α3 2)x3−α4 2x4=0 …(9) となる。この(9)式よりxの正の最大解xmを求める。
そして、(7)式と第3図とより、位相余裕は、 COS -1(α2xm−α4xm 2) ……(10) によって求めることができる。 同様に、第3図に示す のベクトル軌跡が負の実軸と交わる点Gがゲイン余裕GM
を規定する点であるから、ゲイン余裕GMは、と表わすことができる。従ってPM・GM演算部1は、入力
された参照モデルの特性係数α12から(9)式
の正の最大解xmを求め、(10)式より位相余裕PMを算出
し、(11)式に基づいてゲイン余裕GMを算出する。 次に制御定数演算部2では次のようにして制御定数が
算出される。 まず、入力された制御対象の伝達関数G(S)を、 とする。ここでlはむだ時間、ai(i=0,1,2,…)は分
母多項式の係数、bi(i=0,1,2,…)は分子多項式の係
数である。この周波数応答はS=jωとおいて、 G(jω)=|G(jω)|・e−jθ(ω) ……(13) と表わせる。ここで|G(jω)|はゲイン特性であり、
θ(ω)は位相特性である。 いま入力された制御対象の補償動作形態がI−PD制御
系であるとすると、偏差e(t)と制御量y(t)との
間の一巡伝達関数T(S)は、 となり、S=jωとし、(13)式を代入することにより を得る。この一巡伝達関数T(jω)のベクトル軌跡に
ついても、第3図の軌跡と同様P点で位相余裕とな
る条件より、 を得る。ただし、ωは、P点を通過するときの交差角
周波数である。 次にG点のゲイン余裕がGMである条件より を得る。ここで、ωは、G点を通過するときの角周波
数である。そして、I−P動作では、=0とし、I
−PD動作では、として、(16),(17),(18)式を満たすωが見つ
かったときのK,0,が設定したゲイン余裕GM、位相
余裕を満たす制御定数である。 次に、入力された補償動作形態がPID制御系である場
合の偏差e(t)と制御量y(t)との間の一巡伝達関
数T(S)は、 となり、S=jωとして(13)式を代入することにより を得る。同様に、P点で位相余裕となる条件より、 を得る。 また、G点のゲイン余裕がGMであることより、 を得る。 PI動作では、C2=0とし、PID動作では として(21),(22)式を満たすωが見つかったとき
のC0,C1,C2が設定したゲイン余裕GMと位相余裕を満
たす制御定数である。 以上のように、制御定数演算部2では、I−PD制御系
の場合に(16),(17),(18)式を演算し、PID制御
系の場合に(21),(22)式を演算することにより、望
ましい制御系の特性に合致した制御定数を算出すること
ができる。 [発明の効果] このように本発明によれば、制御系の望ましい動特性
をあらわす参照モデルの特性係数よりゲイン余裕GMと位
相余裕とを演算するようにしたので、応答波形イメ
ージに一致する正確なゲイン余裕と位相余裕が演算され
る。そして、次に制御対象の伝達関数のゲイン特性と位
相特性とから、設定したゲイン余裕と位相余裕に一致す
る制御定数を求めているため、制御対象の零点、ムダ時
間も自動的に考慮されている形になり、従来の制御対象
の部分的知識に基づく制御系の設計法(前記)に比べ、
適用範囲を格段に広げることができる。また、従来の方
法では制御系の安定性を保証できないという問題も、ゲ
イン余裕、位相余裕により十分な安定度を残せることか
ら解決され、安定度は保証される。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の一実施例に係るプラント制御系の制御
定数設定装置を示すブロック図、第2図は参照モデルの
応答波形図、第3図は参照モデルの一巡伝達関数のベク
トル軌跡を示す図である。 1……PM・GM演算部、2……制御定数演算部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−42003(JP,A) 特開 昭60−105006JP,A) 計測自動学会編「自動制御ハンドブッ ク機器、応用編」昭58.10.30 393頁 〜396頁 オーム社発行

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.制御系の望ましい応答を示す参照モデルの特性係数
    を入力し該参照モデルのゲイン余裕及び位相余裕を算出
    する第1の演算手段と、 この第1の演算手段により算出されたゲイン余裕および
    位相余裕と、制御対象の伝達関数と、前記制御対象の補
    償動作形態情報とを入力し、前記制御系のゲイン余裕及
    び位相余裕が前記算出された参照モデルのゲイン余裕及
    び位相余裕に一致するように前記制御系に対する制御定
    数を算出する第2の演算手段と を具備してなるプラント制御系の制御定数設定装置。
JP61194578A 1986-08-12 1986-08-20 プラント制御系の制御定数設定装置 Expired - Fee Related JP2791011B2 (ja)

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EP87307109A EP0256842B1 (en) 1986-08-12 1987-08-11 Adaptive process control system
DE3750203T DE3750203T2 (de) 1986-08-12 1987-08-11 Adaptives Prozessregelungssystem.
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JP2613156B2 (ja) * 1992-08-27 1997-05-21 株式会社マキタ 卓上丸鋸盤

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計測自動学会編「自動制御ハンドブック機器、応用編」昭58.10.30 393頁〜396頁 オーム社発行

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