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公開番号2025110647
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-29
出願番号2024004595
出願日2024-01-16
発明の名称制御システムおよび制御方法
出願人アズビル株式会社
代理人個人
主分類G05B 13/02 20060101AFI20250722BHJP(制御;調整)
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、制御量の時系列データと操作量の時系列データとのデータセットのうち、第1、第2のデータセット間に矛盾があるかどうかを判定する矛盾判定部14と、矛盾がある場合に第1、第3のデータセット間に矛盾があるかどうかと、第2、第3のデータセット間に矛盾があるかどうかを判定し、第1、第2のデータセットのうち第3のデータセットと矛盾がないものに評価ポイントを与える矛盾評価部16と、記憶部11に記憶された全てのデータセットに対して評価ポイントの合計が高い順に優先順位が高くなるように優先ポイントを与える優先評価実行部17と、記憶部11に記憶されたデータセットのうち優先順位が最も高いデータセットから生成したデータをPIDコントローラ2に送信する送信部23を備える。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
制御量の時系列データと操作量の時系列データとのデータセットを複数組記憶するように構成された第１の記憶部と、
前記第１の記憶部に記憶されたデータセットのそれぞれについて、前記制御量の時系列データにおける初期制御量と、到達目標となる最終制御量と、前記操作量の時系列データにおける初期操作量と、前記最終制御量で整定した際の最終操作量とを矛盾要素として抽出するように構成された矛盾要素抽出部と、
前記第１の記憶部に記憶された第１のデータセットと第２のデータセットのそれぞれについて前記矛盾要素抽出部が抽出した前記矛盾要素を取得するように構成された第１の矛盾要素取得部と、
前記第１の矛盾要素取得部が取得した矛盾要素に基づいて前記第１のデータセットと前記第２のデータセット間に矛盾があるかどうかを判定するように構成された矛盾判定部と、
前記矛盾判定部が前記第１のデータセットと前記第２のデータセット間に矛盾があると判定した場合に、前記第１のデータセットおよび前記第２のデータセットと異なる第３のデータセットについて前記矛盾要素抽出部が抽出した矛盾要素を取得するように構成された第２の矛盾要素取得部と、
前記第１、第２の矛盾要素取得部が取得した矛盾要素に基づいて前記第１のデータセットと前記第３のデータセット間に矛盾があるかどうかを判定すると共に、前記第２のデータセットと前記第３のデータセット間に矛盾があるかどうかを判定し、前記第１のデータセットと前記第２のデータセットのうち前記第３のデータセットと矛盾がないものに規定の評価ポイントを与えるように構成された矛盾評価部と、
前記第１の記憶部に記憶されたデータセットのとり得る全ての組み合わせについて前記第１の矛盾要素取得部と前記矛盾判定部と前記第２の矛盾要素取得部と前記矛盾評価部の処理が終了した後に、前記第１の記憶部に記憶された全てのデータセットに対して前記評価ポイントの合計が高い順に優先順位が高くなるように優先ポイントを与えるように構成された優先評価実行部と、
前記第１の記憶部に記憶されたデータセットのうち、前記優先順位が最も高いデータセットをＰＩＤコントローラに送信するか、または前記優先順位が最も高いデータセットから生成したデータを前記ＰＩＤコントローラに送信するように構成された送信部とを備えることを特徴とする制御システム。
続きを表示（約 4,700 文字）【請求項２】
請求項１記載の制御システムにおいて、
前記優先評価実行部は、前記評価ポイントの合計が同一のデータセットが複数存在する場合に、これらのデータセットに対して操作量変化幅が小さい順に優先順位が高くなるように前記優先ポイントを与えることを特徴とする制御システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の制御システムにおいて、
前記矛盾判定部は、前記第１のデータセットの初期制御量と最終制御量との差を第１の基準値としたときの、前記第２のデータセットの初期制御量と最終制御量との差の前記第１の基準値に対する大小と、前記第１のデータセットの初期操作量と最終操作量との差を第２の基準値としたときの、前記第２のデータセットの初期操作量と最終操作量との差の前記第２の基準値に対する大小とが逆の関係にあるときに、前記第１のデータセットと前記第２のデータセット間に矛盾があると判定し、
前記矛盾評価部は、前記第３のデータセットの初期制御量と最終制御量との差の前記第１の基準値に対する大小と、前記第３のデータセットの初期操作量と最終操作量との差の前記第２の基準値に対する大小とが逆の関係にあるときに、前記第１のデータセットと前記第３のデータセット間に矛盾があると判定し、前記第２のデータセットの初期制御量と最終制御量との差を第３の基準値としたときの、前記第３のデータセットの初期制御量と最終制御量との差の前記第３の基準値に対する大小と、前記第２のデータセットの初期操作量と最終操作量との差を第４の基準値としたときの、前記第３のデータセットの初期操作量と最終操作量との差の前記第４の基準値に対する大小とが逆の関係にあるときに、前記第２のデータセットと前記第３のデータセット間に矛盾があると判定することを特徴とする制御システム。
【請求項４】
請求項１記載の制御システムにおいて、
理想的な制御応答に相当する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のデータセットを複数組生成するように構成された理想応答生成部をさらに備え、
前記第１の記憶部は、前記理想応答生成部によって生成されたデータセットを記憶することを特徴とする制御システム。
【請求項５】
請求項１記載の制御システムにおいて、
前記送信部は、規定のタイミングになったときに、前記第１の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、前記第１の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し、
前記ＰＩＤコントローラは、
前記送信部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、前記送信部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６】
請求項１記載の制御システムにおいて、
前記送信部は、前記第１の記憶部に記憶された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前記ＰＩＤコントローラに送信し、
前記ＰＩＤコントローラは、
前記送信部から送信された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受信するように構成された受信部と、
前記受信部が受信した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第２の記憶部と、
外部から制御動作の開始を指示する開始信号を受信するように構成された開始信号入力部と、
前記開始信号入力部が前記開始信号を受信し、制御動作が開始されたときに、前記第２の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、参照設定値の新たな値として制御周期毎に順次読み出すと同時に、前記第２の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、フィードフォワード制御操作量の新たな値として制御周期毎に順次読み出すように構成された読出部と、
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、
前記参照設定値と前記制御量の計測値とを入力として、ＰＩＤ演算を行って第１の操作量を算出するように構成されたフィードバック演算部と、
前記フィードフォワード制御操作量を前記第１の操作量に加算して第２の操作量を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、
前記フィードフォワード加算部によって算出された前記第２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７】
請求項１記載の制御システムにおいて、
前記第１の記憶部に記憶された前記操作量の時系列データを２階微分が連続になる関数によって近似するように構成された関数式近似置換部をさらに備え、
前記送信部は、規定のタイミングになったときに、前記第１の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共に、前記関数式近似置換部が求めた近似式のパラメータ値を前記ＰＩＤコントローラに送信し、
前記ＰＩＤコントローラは、
前記送信部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、前記送信部から送信された近似式のパラメータ値を、フィードフォワード制御操作量の近似式のパラメータ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、
前記参照設定値と前記制御量の計測値とを入力として、ＰＩＤ演算を行って第１の操作量を算出するように構成されたフィードバック演算部と、
前記受信部が受信したパラメータ値に基づいてフィードフォワード制御操作量を算出し、このフィードフォワード制御操作量を前記第１の操作量に加算して第２の操作量を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、
前記フィードフォワード加算部によって算出された前記第２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８】
制御量の時系列データと操作量の時系列データとのデータセットを複数組記憶する記憶部を参照し、前記データセットのそれぞれについて、前記制御量の時系列データにおける初期制御量と、到達目標となる最終制御量と、前記操作量の時系列データにおける初期操作量と、前記最終制御量で整定した際の最終操作量とを矛盾要素として抽出する第１のステップと、
前記記憶部に記憶された第１のデータセットと第２のデータセットのそれぞれについて前記第１のステップで抽出した前記矛盾要素を取得する第２のステップと、
前記第２のステップで取得した矛盾要素に基づいて前記第１のデータセットと前記第２のデータセット間に矛盾があるかどうかを判定する第３のステップと、
前記第１のデータセットと前記第２のデータセット間に矛盾があると判定した場合に、前記第１のデータセットおよび前記第２のデータセットと異なる第３のデータセットについて前記第１のステップで抽出した矛盾要素を取得する第４のステップと、
前記第２、第４のステップで取得した矛盾要素に基づいて前記第１のデータセットと前記第３のデータセット間に矛盾があるかどうかを判定すると共に、前記第２のデータセットと前記第３のデータセット間に矛盾があるかどうかを判定し、前記第１のデータセットと前記第２のデータセットのうち前記第３のデータセットと矛盾がないものに規定の評価ポイントを与える第５のステップと、
前記記憶部に記憶されたデータセットのとり得る全ての組み合わせについて前記第２のステップと前記第３のステップと前記第４のステップと前記第５のステップの処理が終了した後に、前記記憶部に記憶された全てのデータセットに対して前記評価ポイントの合計が高い順に優先順位が高くなるように優先ポイントを与える第６のステップと、
前記記憶部に記憶されたデータセットのうち、前記優先順位が最も高いデータセットをＰＩＤコントローラに送信するか、または前記優先順位が最も高いデータセットから生成したデータを前記ＰＩＤコントローラに送信する第７のステップとを含むことを特徴とする制御方法。
【請求項９】
請求項８記載の制御方法において、
前記第６のステップは、前記評価ポイントの合計が同一のデータセットが複数存在する場合に、これらのデータセットに対して操作量変化幅が小さい順に優先順位が高くなるように前記優先ポイントを与え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８または９記載の制御方法において、
前記第３のステップは、前記第１のデータセットの初期制御量と最終制御量との差を第１の基準値としたときの、前記第２のデータセットの初期制御量と最終制御量との差の前記第１の基準値に対する大小と、前記第１のデータセットの初期操作量と最終操作量との差を第２の基準値としたときの、前記第２のデータセットの初期操作量と最終操作量との差の前記第２の基準値に対する大小とが逆の関係にあるときに、前記第１のデータセットと前記第２のデータセット間に矛盾があると判定するステップを含み、
前記第５のステップは、前記第３のデータセットの初期制御量と最終制御量との差の前記第１の基準値に対する大小と、前記第３のデータセットの初期操作量と最終操作量との差の前記第２の基準値に対する大小とが逆の関係にあるときに、前記第１のデータセットと前記第３のデータセット間に矛盾があると判定し、前記第２のデータセットの初期制御量と最終制御量との差を第３の基準値としたときの、前記第３のデータセットの初期制御量と最終制御量との差の前記第３の基準値に対する大小と、前記第２のデータセットの初期操作量と最終操作量との差を第４の基準値としたときの、前記第３のデータセットの初期操作量と最終操作量との差の前記第４の基準値に対する大小とが逆の関係にあるときに、前記第２のデータセットと前記第３のデータセット間に矛盾があると判定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、制御量の時系列データと操作量の時系列データのライブラリーを使用して制御を行う制御システムおよび制御方法に関するものである。
続きを表示（約 1,800 文字）【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１６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１７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１８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１９～図２１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１９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２０に示すように５０℃から２５０℃へ昇温する場合に、図１９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２１に示すように５０℃から３５０℃へ昇温する場合に、図１９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２２に示すように、図１９～図２１の各目標温度に維持するための操作量ＭＶ（図１９の場合で約７０％、図２０の場合で約８０％，図２１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。
【０００８】
そこで、発明者は、試行錯誤で得られた理想的な過渡応答結果を再現させる制御を提案した（特願２０２３－１４４２９２、特願２０２３－１４９００６、特願２０２３－１４９００７）。この制御では、例えば制御量ＰＶの時系列データを参照設定値ＳＰ＿ｒ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とする。このような制御を行う場合、制御量ＰＶの時系列データと操作量ＭＶの時系列データのデータセットを多数収集することで、強非線形特性を含む多くのケースに対応可能なライブラリーを形成できる。
【０００９】
ただし、多数のデータセットを収集すると、例えば加熱装置の温度制御の原因を特定できない外乱などにより、データセット間に矛盾が生じることもあり得る。したがって、データセットを多数収集してライブラリー化することを前提とする場合、データセット間で矛盾が生じていると、実際に制御を実行する際にデータセットの選択が困難になるので、データセット間で矛盾が生じたときの対処を自動化することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
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】
（【００１１】以降は省略されています）

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