| 【発明の名称】 |
熱系プラントの温度制御装置及び温度制御方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】横山 修一
【氏名】濱根 洋人
【氏名】小野垣 仁
【氏名】若林 栄次
【氏名】岩谷 征
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| 【要約】 |
【課題】熟練者の勘や経験に頼らず、かつ、ワインドアップを生じさせることなく簡単に温度制御を行い得る熱系プラントの温度制御装置を提供する。
【解決手段】ＰＩＤ制御部１００と、制御対象Ｐを操作するための操作量を出力する操作量付加部１１０と、規範モデルＰｍを有するとともに、この規範モデルＰｍからむだ時間要素ｅ-Lsを取り除くむだ時間除去手段１２０ａを有する規範モデル部１２０と、操作量付加部１１０からの操作量を制御対象Ｐに入力する側と、ＰＩＤ制御部１００による操作量を入力する側との間で回路を切り換える第１の切換部１３０とを有し、規範モデル部１２０は、むだ時間除去手段１２０ａによってむだ時間要素ｅ-Lsが除去された規範モデルＰｍの出力を測定し、この測定結果が予め定められた目標値に到達したときに第１の切換部１３０を操作して操作量付加部１１０からの操作量が制御対象Ｐに入力しないようにした。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 制御対象の温度を目標値に整定させるための熱系プラントの温度制御装置において、目標値と前記熱系プラントにおける制御対象から出力された出力値との偏差に応じた所定の操作量を出力し、前記制御対象の温度を制御するＰＩＤ制御部と、このＰＩＤ制御とは別に設けられ、前記制御対象を操作するための操作量を出力する操作量付加部と、規範モデルを有するとともに、この規範モデルからむだ時間要素を取り除くむだ時間除去手段を有する規範モデル部と、前記操作量付加部から出力された操作量を前記制御対象に入力する側と、前記ＰＩＤ制御部からの操作量を入力する側との間で回路を選択的に切り換える第１の切換部とを有し、前記規範モデル部は、前記むだ時間除去手段によって前記むだ時間要素が除去された前記規範モデルの出力を測定し、この測定結果が予め定められた目標値に到達したときに前記第１の切換部を操作して、前記操作量付加部から前記制御対象への操作量の入力を遮断すること、を特徴とする熱系プラントの温度制御装置。
【請求項２】 前記規範モデル部の規範モデルの同定が完了していない場合に、オンラインによって前記規範モデルの同定を行う規範モデルオンライン同定手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の熱系プラントの温度制御装置。
【請求項３】 前記操作量付加部からの操作量を前記規範モデル部に入力する側と、前記ＰＩＤ制御部からの制御結果を入力する側との間で回路を選択的に切り換える第２の切換部を設けるとともに、外乱が作用したときに、この外乱による影響を抑制する外乱オブザーバ部を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱系プラントの温度制御装置。
【請求項４】 前記外乱オブザーバ部を前記規範モデル部とレギュレータとから構成し、前記外乱に加えて前記規範モデルのモデル変動を生じさせる要因が作用したときに、この要因による影響を前記レギュレータで補正するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の熱系プラントの温度制御装置。
【請求項５】 前記外乱オブザーバ部はＨ∞制御理論又はμ制御理論に基づくものであることを特徴とする請求項４に記載の熱系プラントの温度制御装置。
【請求項６】 前記操作量付加部から入力する操作量を、前記制御対象に入力することのできる最大の操作量としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱系プラントの温度制御装置。
【請求項７】 前記制御対象に非干渉化を適用するために、前記制御対象に非干渉化部を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の熱系プラントの温度制御装置。
【請求項８】 制御対象の温度を目標値に整定させるための熱系プラントの温度制御方法において、目標値と前記熱系プラントにおける制御対象から出力された出力値との偏差に応じた所定の操作量をＰＩＤ制御によって出力し、前記制御対象の温度を制御し、前記制御対象を操作するための操作量を、同定済みの規範モデル及び前記制御対象に加え、前記規範モデルからむだ時間を取り除き、むだ時間が除去された前記規範モデルの出力を測定し、この測定結果が予め定められた目標値に到達したときに、前記操作量の前記制御対象への入力を遮断し、前記ＰＩＤ制御に基づいて前記制御対象を制御すること、を特徴とする熱系プラントの温度制御方法。
【請求項９】 前記操作量が、前記制御対象に入力することのできる操作量の最大値であることを特徴とする請求項８に記載の熱系プラントの温度制御方法。
【請求項１０】 制御系に外乱又は前記規範モデルのモデル変動を生じさせる要因が生じたときに、外乱オブザーバによりこれら要因による影響を抑制することを特徴とする請求項８又は９に記載の熱系プラントの温度制御方法。
【請求項１１】 前記外乱オブザーバは、Ｈ∞制御理論又はμ制御理論に基づくものであることを特徴とする請求項１０に記載の熱系プラントの温度制御方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱系プラントにおいて制御対象の温度を予め設定された目標値に整定させるための温度制御装置及び温度制御方法に関し、特に、ワインドアップを生じることなく短時間で前記目標値に整定させることができる熱系プラントの温度制御装置及びその温度制御方法を提供することを目的とする。
【０００２】
【従来の技術】一般に、化学反応炉や各種電気炉、成形機、ゴミ処理プラント、熱処理炉及び発電プラント等の熱系プラントにおいては、制御対象を予め設定された目標値に整定させるために温度制御が行われている。例えば、加熱シリンダ内で溶融・混練した樹脂や金属などの材料をダイに供給し、前記ダイから押し出し又は前記ダイ内に射出して所望形状の製品を成形する成形機においては、前記加熱シリンダから前記ダイに至るまでの工程の途中で、溶融した前記材料の温度の制御を行っている。
【０００３】図１２は、成形機の一例にかかり、溶融樹脂を押し出して所定形状に成形する押出成形機の構成を説明するための概略図である。押出成形機１は、樹脂を溶融するシリンダ１０と、所望形状の製品を押し出すための押出口２１が形成されたダイ２０と、シリンダ１０内の溶融樹脂をダイ２０に向けて送り出す押出機構３０と、シリンダ１０を外側から加熱するためにシリンダ１０の外周に設けられた加熱手段であるバンドヒータ４１，４２，４３と、シリンダ１０内に材料（樹脂）を供給する材料供給部であるホッパ５０とを有する。
【０００４】シリンダ１０は、筒状の３つのバレル１１，１２，１３を直列に連結してなり、各バレル１１，１２，１３ごとに加熱手段であるバンドヒータ４１，４２，４３が巻き付けられている。加熱シリンダは、シリンダ１０（バレル１１，１２，１３）とバンドヒータ４１，４２，４３とで構成される。
【０００５】押出機構３０は、バレル１１，１２，１３を貫通して設けられたスクリュー３１と、このスクリュー３１を回転させるモータ３２と、スクリュー３１とモータ３２との間に介在する減速手段としてのギヤボックス３３とから構成される。この押出成形機３０は二軸スクリュータイプであり、二本のスクリュー３１（他方のものは図に表れない）がシリンダ１０内に並設され、モータ３２の駆動によって各スクリュー３１が互いに逆方向又は正方向に回転するようになっている。そして、シリンダ１０内の溶融樹脂は、モータ３２の駆動によるスクリュー３１の回転によってダイ２０に送り出され、ダイ２０の押出口２１から所定の断面形状で押し出される。
【０００６】上記した複数個（図１２で示す例では３個）のバレル１１，１２，１３、各バレル１１，１２，１３ごとに設けられたバンドヒータ４１，４２，４３は、シリンダ１０内の溶融樹脂の温度を制御する温度制御系を構成している。そして、一般には、これらは各バレル１１，１２，１３ごとに異なる温度設定値を有する独立のものとして取り扱われ、各バレル１１，１２，１３ごとに１ループ制御が行われている。
【０００７】ところで、休日や点検・修理などにより、押出成形機１の稼働を長時間停止させた後に稼働を再開する場合、シリンダ１０内の樹脂の温度を速やかに所望の温度に制御して安定させることが望まれる。従来、このような制御を目的として、構成が簡単で操作も容易なＰＩＤ制御が一般的に用いられている。ＰＩＤ制御においては、押出成形機１の稼働開始とともにＰＩＤ制御による操作量を最大にしてシリンダ１０の加熱ヒータ４１，４２，４３の温度を急激に上昇させ、シリンダ１０の温度が所定温度まで上昇したところで、前記ＰＩＤ制御による操作量を徐々に制限していく。
【０００８】しかし、上記したようなＰＩＤ制御においては、操作量の減少を徐々に収束させながら長時間にわたって制御する必要があり、その間、シリンダ１０の温度は、前記目標の温度を境として振動しながら収束したり、オーバシュートを引き起こす。そのため、操作量を最適にしながら、目標の設定温度に収束させるための制御は、熟練者の勘と経験に頼っているのが現状である。また、ＰＩＤ制御においては、外乱や、成形機が設置される場所や季節、稼働条件、システム変更などによって生じるモデル変動が、制御性能に大きな影響を与え、このような要因が作用する場合には長時間を経過しても、温度が目標値に整定しないという問題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記状況にかんがみてなされたもので、制御目標にワインドアップを生じることなく迅速に整定させることができ、かつ、熟練者の勘や経験に頼らず簡単に温度制御を行うことができる熱系プラントの温度制御装置及びその温度制御方法を提供すること、及び、外乱やモデル変動を生じさせる要因が作用しても、これら要因による影響を抑制しながら短時間で目標値に整定させることができる熱系プラントの温度制御装置及びその温度制御方法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】上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、溶融材料を所定形状の製品に成形する熱系プラントの温度制御装置において、目標値と前記成形機における制御対象から出力された出力値との偏差に応じた所定の操作量を出力し、前記制御対象の温度を制御するＰＩＤ制御部と、このＰＩＤ制御部とは別に設けられ、前記制御対象を操作するための操作量を出力する操作量付加部と、規範モデルを有するとともに、この規範モデルからむだ時間要素を取り除くむだ時間除去手段を有する規範モデル部と、前記操作量付加部から出力された操作量を前記制御対象入力する側と、前記ＰＩＤ制御部からの操作量を入力する側との間で回路を選択的に切り換える第１の切換部とを有し、前記規範モデル部は、むだ時間除去手段によってむだ時間要素が除去された前記規範モデルの出力を測定し、この測定結果が予め定められた目標値に到達したときに前記第１の切換部を操作して、前記操作量付加部から前記制御対象への操作量の入力を遮断する構成としてある。
【００１１】この構成によれば、熱系プラントの稼働開始とともに、第１の切換部を操作して操作量付加部から任意の操作量を制御対象に対して付加する。同時に、同じ操作量を規範モデル部に入力する。これにより、加熱温度等の制御対象が、前記操作量に応じて急速に目標値に向かう。制御対象にむだ時間が含まれていると、むだ時間分の過剰な熱供給により、オーバーシュートを生じる。そこで、これを回避するために、規範モデルからむだ時間を取り除き、むだ時間を取り除いた時刻で操作量の切り換えを行う。すなわち、むだ時間を取り除いた時刻で第１の切換手段を切り換えて操作量付加部を制御系から切り離し、ＰＩＤ制御部に基づいて制御を行う。このようにして、制御目標にワインドアップを生じることなく、短時間で到達することができる。
【００１２】請求項２に記載の発明は、前記規範モデル部の規範モデルの同定が完了していない場合に、オンラインによって前記規範モデルの同定を行う規範モデルオンライン同定手段を設けた構成としてある。この構成によれば、規範モデルのパラメータ同定とそれに基づくコントローラのパラメータ調整をオンラインで同時に実行することができる。
【００１３】請求項３に記載の発明は、前記操作量付加部からの操作量を前記規範モデル部に入力する側と、制御部からの制御結果を入力する側との間で回路を選択的に切り換える第２の切換部を設けるとともに、外乱が作用したときに、この外乱による影響を抑制する外乱オブザーバ部を設けた構成としてある。
【００１４】また、請求項４に記載するように、前記外乱オブザーバ部を前記規範モデル部とレギュレータとから構成し、前記外乱に加えて前記規範モデルのモデル変動を生じさせる要因が作用したときに、この要因による影響を前記外乱オブザーバで抑制するようにしてもよい。この構成によれば、外乱やモデル変動による影響を抑制して、前記制御対象を前記規範モデルに迅速に追随させることが可能になる。前記外乱オブザーバ部は、請求項５に記載するように、Ｈ∞外乱オブザーバ又はμ設計外乱オブザーバを含んでいるとよい。【００１５】請求項６に記載の発明は、前記操作量付加部から入力される操作量が、前記制御対象に入力することのできる操作量の最大値である構成としてある。前記操作量付加部から入力する操作量は任意であるが、制御対象に入力することのできる操作量を最大とすることで、制御目標値に最も速やかに達することができる。
【００１６】請求項７に記載の発明は、前記制御対象に非干渉化を適用するための状態フィードバック部を設けた構成としてある。この構成によれば、制御対象において、例えば熱干渉等の問題を除去して、非干渉化を行うことができる。
【００１７】請求項８に記載の発明は、制御対象の温度を目標値に整定させるための熱系プラントの温度制御方法において、目標値と前記成形機における制御対象から出力された出力値との偏差に応じた所定の操作量をＰＩＤ制御によって出力し、前記制御対象の温度を制御し、前記制御対象を操作するための操作量を、同定済みの規範モデル及び前記制御対象に加え、前記規範モデルからむだ時間を取り除き、むだ時間が除去された前記規範モデルの出力を測定し、この測定結果が予め定められた目標値に到達したときに、前記操作量の前記制御対象への入力を遮断し、前記ＰＩＤ制御に基づいて前記制御対象を制御する方法である。
【００１８】この方法によれば、制御目標にワインドアップを生じることなく、迅速に到達させることができる。前記操作量は、請求項９に記載するように、操作可能な最大の操作量とするとよい。
【００１９】また、請求項１０に記載するように、制御系に外乱又は前記規範モデルのモデル変動を生じさせる要因が生じたときに、外乱オブザーバによりこれら要因による影響を抑制するとよい。これにより、外乱やモデル変動のような要因が作用しても、これら要因による影響を取り除いて、短時間で目標値に到達することができる。
【００２０】なお、上記した本発明のＰＩＤ制御は、１自由度系又は２自由度系のいずれであってもよい。制御対象等に応じて、１自由度系又は２自由度系のいずれかを適宜に選択するとよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を、図面にしたがって詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態にかかる温度制御装置の制御ブロック図である。なお、以下の実施形態では、熱系プラントの温度制御として、図１２に示した押出成形機のシリンダ１０の温度制御を例に挙げて説明するが、本発明はこのような押出成形機及びシリンダに限らず、温度制御の必要なあらゆる分野に適用が可能である。
【００２２】本発明の制御装置はＰＩＤ制御（比例微分積分制御）を前提とし、図１に示すようにＰＩＤ制御部１００を有している。このＰＩＤ制御部１００は、目標値（Ref）と制御対象Ｐから出力された出力値（ｙ）との偏差（制御信号）に応じて、操作量（Ｕ）を出力し、バレル１１，１２，１３の温度を制御する。ＰＩＤパラメータは、例えばリターンスイッチやコントロールパネル等を用いることによって、稼働中はいつでも変更できるように構成するのが好ましい。なお、このＰＩＤ制御部１００には、ＰＩＤパラメータのオートチューニング機構又はセルフチューニング機構を付加してもよい。また、図中仮想線で示すように、測定可能な外乱及び操作量の変化に対して偏差を予測し、操作量を決定するフィードフォワード制御部１０５をこのＰＩＤ制御部１００に付加し、ＰＩＤ制御部を２自由度系とすることも可能である。フィードフォワード制御部１０５をこのＰＩＤ制御部１００に付加する場合には、フィードフォワードＫFFは、目標値追随性を考慮して、以下の式により決定することができる。
【００２３】
【数１】
【００２４】ここで、Ｈｚｒは目標値から操作量への伝達関数で、この伝達関数Ｈｚｒをなるべく広い周波数帯域で１にすると良い。
【００２５】この実施形態におけるシリンダ１０は、上記したように制御温度の異なる３つのバレル１１，１２，１３からなっている。これらバレル１１，１２，１３の制御温度がそれぞれ異なる場合には、隣接するバレル１１とバレル１２及びバレル１２とバレル１３間で互いに熱干渉が生じる。
【００２６】そのため、この場合には、状態フィードバックＨを導入したクロスコントローラ１５０に制御対象Ｐの出力結果を入力して、バレル１１〜１３の非干渉化を行う。
【００２７】一方、バレル１１，１２，１３の制御温度が同一である場合のように、シリンダ１０が干渉系を構成しないような場合には、制御対象Ｐの出力をクロスコントローラ１５０に入力して非干渉化を適用する必要はない。したがって、制御目標が干渉系か非干渉系かを判断して自動的に、あるいは、作業者の判断によって手動で制御対象Ｐの出力をクロスコントローラ１５０に入力できるようするスイッチを、制御対象Ｐと非干渉部１５０の間に設けるとよい。
【００２８】ＰＩＤ制御部１００と制御対象Ｐとの間には、規範モデル部１２０が設けられ、この規範モデル部１２０と制御対象Ｐとに、制御対象Ｐに入力することのできる操作量の最大値（飽和値：Ｕmax）を入力する操作量付加部１１０が設けられる。操作量付加部１１０と制御対象Ｐとの間には、第１の切換部としてのスイッチ１３０が設けられ、ＰＩＤ制御部１００側と操作量付加部１１０側との間で入力回路を切り換えることができるようになっている。
【００２９】また、この実施形態では、規範モデル部１２０と操作量付加部１１０との間に第２の切換部としてのスイッチ１４０が設けられている。このスイッチ１４０は、後述する規範モデル部１２０の切換操作手段の作用によって、スイッチ１３０の切換のタイミングと同期するタイミングで、スイッチングが行われるようになっている。そして、このスイッチングにより、スイッチ１４０は、規範モデル部１２０から操作量付加部１１０を切り離し可能にしている。
【００３０】これらスイッチ１３０，１４０は、手動でも操作可能にして、作業者が任意に切換を行うことができるようにすることが好ましい。このようにすることで、操作量付加部１１０及び規範モデル部１２０を制御系から切り離して、通常のＰＩＤ制御によって制御を行うことが可能である。
【００３１】規範モデル部１２０は、オンライン同定されたパラメータからなる規範モデルＰｍ又は、予めシステム同定を行った公称値からなる規範モデルＰｍを有している。この規範モデルＰｍには、むだ時間要素ｅ-Lsが含まれる。Ｇｍは、規範モデルＰｍからむだ時間要素ｅ-Lsを除去した残りの部分である。規範モデル部１２０には、規範モデルＰｍからむだ時間要素ｅ-Lsを除去するむだ時間除去手段１２０ａと、むだ時間を除去した所定の時刻ｔswで第１の切換部１３の切換操作を行う図示しない切換操作手段とが設けられる。以下、時刻ｔswの決定手順について説明する。
【００３２】制御対象Ｐは大きなむだ時間Ｌを含む。したがって、制御対象Ｐが目標値に達した時点で操作量の切り換えを行うと、オーバーシュートを生じることになる。むだ時間Ｌを含む制御対象Ｐが目標値まで必要とする入力熱量Ｕinは次式で表される。
【００３３】
【数２】
【００３４】ここで、ｔ１は、むだ時間Ｌのない制御対象Ｐが目標値に達する時間を表している。むだ時間Ｌ分の過剰な熱供給によるオーバーシュートを回避するためには、時刻ｔ１より前の時刻ｔswにて操作量の切り換えを行うとよい。しかしながら、実際の制御対象の応答からこの時刻ｔswを予測することはできない。そこで、規範モデル部１２０のむだ時間除去手段１２０ａを用い、ブロック線図上でむだ時間要素ｅ-Lsを分離する。このようにすれば、むだ時間要素ｅ-Lsを含まない規範モデルの出力ｙgを得ることができ、この出力ｙgが目標値に達した時刻から、第１の切換部１３の切り換えに最適な時刻ｔswを得ることができる。
【００３５】今、一次遅れ＋むだ時間系の制御対象Ｐ０（ｓ）＝Ｋ０／（Ｔ０Ｓ＋１）・ｅ(-L0s)を考える。このときのステップ応答は、【００３６】
【数３】
【００３７】但し、０＜Ｌ０＜Ｔ０，目標入力ref＝y０＝Ｋ０ｕ０である。ここで、０＜ya＜ybかつ０＜Ｌ０＜ｔｙaが成立するとき、ｔ＝０、ｙ＝０でref＝ｙbに対するステップ入力Ｕb（操作量の飽和値 Ｕmax）を印加すると、【００３８】
【数４】
【００３９】になる時刻tyaが唯一存在する。この時刻tyaを計算すると、【００４０】
【数５】
【００４１】を得る。以上を考慮して、第３式に示したように、スイッチを切り換えるので、切換のタイミングｔswは、【００４２】
【数６】
【００４３】と決まり。したがって、このタイミングでステップ入力Ｕaに切り換えると、目標値ｙaに速く整定できる。このタイミングの時刻が、第１の切換部１３を切り換えるべき時刻ｔswである。上記した規範モデルＰｍは予め同定されている必要があるが、同定されていない場合には、オンラインを介して同定を行うことが可能である。
【００４４】図２に、この実施形態における制御装置の制御の手順を、フローチャートで示す。押出成形機１の稼働開始（ステップＳ１）と同時に、制御装置は、各入力関係の非干渉化が必要かどうかを判断する（ステップＳ２）。シリンダ１０の各バレル１１，１２，１３の制御温度が異なる場合のように、制御目標が干渉系であると判断した場合には、制御目標Ｐの出力を非干渉部１５０に入力して、非干渉化を適用する（ステップＳ３）。
【００４５】次に、本発明による制御を適用するかどうかを判断し、適用しない場合には、スイッチ１３０及びスイッチ１４０をともに切り換えて、操作量付加部１１０及び規範モデル部１２０を制御系から切り離す（ステップＳ４）。これにより、ＰＩＤ制御のみによる制御が可能になる（ステップＳ１１）。
【００４６】本発明の制御を適用する場合には、スイッチ１３０，１４０を操作して、操作量付加部１１０と制御対象Ｐ及び操作量付加部１１０と規範モデル部１２０を接続状態にし、飽和操作量Ｕmaxを制御対象Ｐと規範モデル部１２０に適用する（ステップＳ５）。このとき、規範モデル部１２０の規範モデルＰｍが同定済みかどうかが判断され（ステップＳ６）、同定が完了していなければ、オンラインを使って規範モデルＰｍの同定を行う（ステップＳ７）。
【００４７】次いで、むだ時間要素ｅ-LSを取り除いた規範モデルＰｍの出力をオンラインで測定し（ステップＳ８）、この測定値が予め決定された目標値に到達したかどうかが判断される（ステップＳ９）。目標値に到達していなければ、継続して操作量Ｕmaxが規範モデル部１２０及び制御対象Ｐに入力され（ステップＳ５）、ステップＳ６〜Ｓ９の手順が繰り返される。
【００４８】目標値に到達すれば、規範モデル部１２０の切換操作手段が切換指令をスイッチ１３０及びスイッチ１４０に出力し、操作量付加部１１０及び規範モデル部１２０が制御系から切り離される（ステップＳ１０）。これにより、以後、制御目標ＰはＰＩＤ制御によって制御される（ステップＳ１１）。
【００４９】次に、本発明の第２の実施形態を図３にしたがって説明する。この実施形態では、外乱及びモデル変動を生じさせる要因が作用した場合に、これらの影響を抑制するための外乱オブザーバ部２６０を有している。ＰＩＤ制御部１００、操作量付加部１１０等他の部位については第１の実施形態と同じであるので、同一の符号を付して詳しい説明は省略する。外乱オブザーバ部２６０は、規範モデルＰｍとレギュレータＫＯＢとから構成される。この外乱オブザーバ部２６０は、公知のＨ∞制御理論又はμ設計法に基づくものであるのが好ましい。第１の実施形態と同様に、規範モデルＰｍからはむだ時間要素ｅ−Ｌｓが取り除かれる。【００５０】この実施形態では、規範モデルＰｍの出力と制御目標Ｐの出力との偏差が求められ、この偏差をレギュレータＫＯＢが補正する。第１の実施形態と同様の手順で得られた時刻ｔsw（式６）のタイミングでスイッチ１３０を切り換えてステップ入力Ｕaに切り換えると、目標値ｙaに速く整定できるが、このとき、出力ｙgは実際の制御対象より早く目標値に到達する。
【００５１】そこで、規範モデルＰｍと制御対象Ｐの出力差をＫＯＢが補正することによって、実際の制御対象Ｐを規範モデルＰｍに追従させることができる。制御対象Ｐを規範モデルＰｍに追従させた後は、レギュレータＫＯＢはＨ∞外乱オブザーバの役割を果たすことになる。
【００５２】次に、この第２の実施形態における制御装置の制御手順を、図４のフローチャートにしたがって説明する。なお、図２のフローチャートと同一のステップについては、同一の符号を付して詳しい説明は省略する。この実施形態の制御装置では、規範モデルＰｍが目標値に達してスイッチ１３０，１４０が切り換えられ、操作量付加部１１０が制御系から切り離されるとともに、規範モデルＰｍにＰＩＤ制御部１００の出力が入力される。これにより、外乱オブザーバ部２６０が、ＰＩＤ制御部１００の補償器の積分項と、規範モデルＰｍの出力と制御目標Ｐの出力との差を補正し、目標値整定が完了する（ステップＳ１０′）。以後、ＰＩＤ制御に外乱オブザーバが加味されて制御が行われる（ステップＳ１１′）。
【００５３】［実験結果］本発明の発明者らは、本発明の制御装置における目標整定能を、アンチワインドアップ非干渉化ＰＩＤ制御系の制御装置の目標整定能と比較して検討した。以下、その検討結果について説明する。まず、アンチワインドアップ制御の特徴について簡単に説明する。アンチワインドアップ制御とは、ワインドアップ現象問題を解決するための制御理論で、制御器がＰＩあるいはＰＩＤのように構成が簡単で、積分項だけを他の項から分離して実現できる場合には、直接積分項の状態のみを操作することにより、ワインドアップ現象を抑圧できるという特徴を有している。
【００５４】アンチワインドアップ制御を非干渉化ＰＩＤ制御装置に適用したブロック図を図５（ａ）に示す。この制御系では、制御対象ＰとＰＩＤ制御器３００の間に飽和特性（リミッタ制限）３２０が設けられ、この飽和特性３２０で、飽和量を超えた入力（操作量）Ｕrとリミッタにより抑制された入力Ｕの差を直接ＰＩＤ制御器３００の積分項（１／Ｓ）にフィードバックすることによって、ワインドアップを抑えている。制御対象Ｐにはクロスコントローラ３５０が接続され、状態フィードバックによる非干渉化が適用されている。押出成形機のようなプラントの制御においては、現場技術者の判断にる比例帯の調整によって、前記補償器の比例動作を決定している。発明者らは、まず、上記したアンチワインドアップ制御における適正な比例帯の限界を求めた。
【００５５】最初に、アンチワインドアップを施さない一般のＰＩＤ制御と非干渉化ＰＩＤ制御に関して検討する。この場合、シミュレーションから、比例帯は１７％まで狭くすることができた。しかし、それ以上に比例帯を狭くした場合、システムは不安定となった。比例帯を１７％からさらに狭くすればするほどオーバーシュートは大きくなり、目標値整定時間は長くなった。
【００５６】図５（ｂ）に、比例帯が１７％の場合のＰＩＤ制御と非干渉化ＰＩＤ制御シミュレーション結果を示す。この表からわかるように、比例帯が１７％のときに比例帯の調整限界を示し、オーバーシュートは生じておらずシステムは安定している。目標値の±１℃以内に整定する時間は、非干渉化ＰＩＤ制御の場合４５分である。これに対して、ＰＩＤ制御の場合は、バレル１１〜１３間に熱干渉が存在するため、８時間が経過しても目標値に整定することはできなかった。以下では熱干渉問題を解決するために非干渉化を施した非干渉化ＰＩＤ制御のみに限定して検討を行う。
【００５７】アンチワインドアップ制御を非干渉化ＰＩＤ制御に適用し、比例帯の調整限界がどこまで狭くできるか、シミュレーションを行った。アンチワインドアップを適用した場合のシミュレーション結果を図６に示す。図５の非干渉化ＰＩＤ制御の場合、比例帯は１７％までしか狭くできなかった。これは、操作量が飽和状態となり、ＰＩＤ制御器３００の積分項が過剰に誤差情報を積算してしまうため、オーバシュートを引き起こしてしまうからである。アンチワインドアップ制御の適用によって、比例帯は５％まで狭くすることができた。このときバレル１１，１２，１３は、目標値の±１℃以内に、それぞれ１７分・１９分・２２分で目標値整定を完了する。
【００５８】本発明の制御によるシミュレーション結果を図７に示す。図７に関しては、バレル１１，１２，１３は、それぞれ２２・１８・２０分で、目標値の±１℃以内で目標値整定を完了する。これより目標値整定に関しては、アンチワインドアップ制御と本発明の制御方法は同様な立ち上がり時間を得ていることがわかる。
【００５９】［モデル変動の影響の検討］例えば熱系のプラントは，装置が設置される場所・季節・操業条件・システム変更などによってモデル変動を起こし，制御性能に大きく影響を及ぼす。そこで、発明者らは、システム同定から得られた各パラメータ変動の最大値・最小値を用いて、モデルの最大変動を表す最大値プラント・最小値プラントを作成し，モデル変動の影響を受けた場合の各制御系の応答結果を解析した。
【００６０】図８と図９に、各パラメータ変動に対するアンチワインドアップ制御と本発明の制御方法における時間応答のシミュレーション結果を示す。アンチワインドアップ非干渉化ＰＩＤ制御の場合、モデル変動の影響を受けて目標値に整定できないケースが出てくる。特に、最大値プラントの時間応答は、図８に示すように、５℃以上の定常偏差を残している。これに対して本発明の場合は、図９に示すように、すべてのバレル１１〜１３において、目標値の±１℃以内に整定している。このことから本発明は、アンチワインドアップ制御に比べ、モデル変動が起ころうとも目標値整定を必ず得ることができるという利点がある。
【００６１】また、本発明は、立ち上がり時間が速く、同時にロバストな制御系を構成することが分かる。これにより、外的要因を受けやすくモデル変動が起こりやすい熱系プラントにおいては、ロバストな系を持つ本発明の制御装置及び制御方法の方が適していると考えられる。
【００６２】比例帯を狭めること（比例ゲインを上げること）は、ハードフェア（機械）自身に対して大きな負担を与える。同時に、ゲインが高いと制御系の感度が高まり、さまざまな雑音や外乱等に影響しやすい。このため，実際現場にて使用される比例動作は適当な比例帯幅を使用する。代表的な例では，産業用ロボットハンドにおいてゲインを高く設定して作業を行わせると、ハンドに振動が伴いながら動作する。機械自身の仕様（スペック）に対し、仕様の限界点で動作させることは好ましくない。比例帯を狭め速応性を向上させることと、ハードフェアへの負担の２点はトレードオフの関係にあると言ってよい。
【００６３】アンチワインドアップ制御と本発明の制御方法は、共に同様の短い時間で目標値に立ち上がる。しかし，アンチワインドアップ制御では比例帯は５％であり、本発明の制御方法では５0％である。本発明の制御方法の方が、装置自身に余裕を持たせていることから、装置に負担を与えずとも、希望する早い目標値整定が得られる長所が得られる。
【００６４】シミュレーションの確認のため、テスト機において実験を行った。まず、アンチワインドアップ制御実験結果を図１０に示す。操作量の飽和特性を考慮するため、比例帯は５％とした。非干渉化ＰＩＤアンチワインドアップ制御の結果、バレル１１，１２，１３の目標値の±１％以内にする時間は、それぞれ約２６・２７・２５分であり、早い目標値整定が得られている。
【００６５】しかし、比例帯が５％であり機械自身に負担がかかっていること、また、シミュレーションから得られているようにモデル変動が生じたときに目標値整定が得られない場合がある。本実験は基礎加熱実験のため大きなモデル変動を仮定できないことから、図８の公称値プラントに対する結果に近い形となっている。実機へ適用する際は、システムの安全のため稼動方法に細心の注意が必要であることがわかる。
【００６６】図１１に、テスト機における本発明の制御方法実験結果を示す。比例帯は５０％とした。本発明の制御方法においてバレル１１，１２，１３における目標値の±１℃以内に整定する時間は、それぞれ約３２・３8・４５分である。また，定常状態においても安定している。比較のために、装置自身の余裕を残した比例帯５０％における非干渉化ＰＩＤ制御についても同様の実験を行った。これを、図１１のグラフで点線で示す。バレル１１，１２，１３のすべて２時間後においても目標値の±１℃以内に整定しない。これにより、現在使用されているＰＩＤ補償器のみで構成される制御系では２時間の整定時間を要することが分かった。
【００６７】本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態により何ら限定されるものではない。例えば、上記の実施形態は、熱系プラントとして溶融樹脂の押出成形を例に挙げて説明したが、本発明は押出成形に限らず射出成形にも適用が可能で、樹脂に限らず金属の押出や射出成形にも適用が可能である。また、制御対象の温度を目標値に整定させる必要のある他の熱系プラントにも本発明を適用することが可能である。さらに、シリンダの温度制御を例に挙げて説明したが、本発明は温度制御を行う必要のある他の部位にも適用が可能である。
【００６８】
【発明の効果】本発明によれば、成形機の稼働開始とともに、ワインドアップを生じることなく、迅速に制御目標に到達することのできる制御装置及び制御方法を得ることができる。また、ＰＩＤ制御を基本としているので、熟練した作業者でなくても、また、制御に関する専門的な知識のない作業者であっても簡単に操作を行うことが可能である。さらに、従来のＰＩＤ制御系に簡単な改良を加えるだけで、本発明を適用することが可能であり、低廉なコストで実施することができる。さらに、システムに変更があっても、簡単に対応することが可能である。また、機械的余裕を有し早い目標値整定が得られ、同時に定常状態において安定した制御性能が得られる。さらに、本発明は、アンチワインドアップ制御より優れたロバスト性を得ることができ、モデル変動が起ころうとも安定した温度制御を行える。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５００１２８４４６
【氏名又は名称】横山 修一
【識別番号】００００００１０３
【氏名又は名称】株式会社池貝
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| 【出願日】 |
平成１２年３月２２日（２０００．３．２２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８６７５９
【弁理士】
【氏名又は名称】渡辺 喜平
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２６５４０８（Ｐ２００１−２６５４０８Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年９月２８日（２００１．９．２８） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−８０８７８（Ｐ２０００−８０８７８） |
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