JPS6156522B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はデイジタル演算形のプロセス制御装置
に関するものである。

デイジタル演算形のプロセス制御装置は計算機
やマイクロ・プロセツサ（以下単にプロセツサと
いう）の演算機能を利用して構成される。プロセ
ツサはPID（比例，積分，微分）演算等を行つて
制御出力を決定するのであるが、従来、プロセツ
サにおける演算は、手動―自動バンプレス切換え
の容易さやリセツト・ワインドアツプ防止対策お
よびプロセツサ故障対策の容易さなどのために、
速度形演算が採用されることが多かつた。しかし
速度形演算はＩ動作を基本にしているので、Ｐ動
作のみまたはPD動作を行うのに適さない。また
PID動作の場合でも、制御出力の飽和点附近で
は、Ｐ，Ｄ動作に基づく出力引き戻し現象が生じ
るので不都合である。

Ｐ動作およびPD動作に適し、かつ出力引き戻
し現象を生じないものとしては位置形演算のプロ
セス制御装置が考えられる。デイジタルのプロセ
ツサにより位置形演算を行う場合には、手動―自
動バンプレス切換えやリセツト・ワインドアツプ
防止対策等を解決しなければならない。

また安全弁制御を行うような場合には、次のよ
うな動作を制御装置に必要とされる。プロセスが
通常の状態では他の制御系で制御されていて、本
制御装置から見れば入力の偏差が過大の状態が続
いており、この状態が長時間続いておれば制御出
力は100％（または０％）方向に飽和している。
プロセスが異常になるとき、プロセスからの測定
値は制御装置の制御点すなわち設定値（これは他
の制御系の上限値かまたは下限値とも言える）を
超え、偏差はその極性が変わる。この瞬間、制御
装置は安全弁の比例・積分制御を開始することに
なる。

本発明の目的は、位置形演算であつて手動―自
動バンプレス切換え、比例ゲインのバンプレス切
換えが行え、しかも安全弁制御が行えるデイジタ
ル演算形のプロセス制御装置を提供することにあ
る。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
第１図は本発明制御装置の電気回路図である。第
１図において、１はプロセツサ（例えばマイクロ
プロセツサ）、２１〜２６はその入力側に設けら
れたアナログ比較器、３は出力側に設けられたデ
イジタル・アナログ変換器（DA変換器）、４は半
導体スイツチ、５は増幅器、６はその入力端に設
けられたホールド・コンデンサ、７は半導体操作
スイツチ、８は手動―自動切換スイツチである。

アナログ比較器２１，２２，２３，２４，２
５，２６の一方の入力端子にはそれぞれ増幅器５
の出力、プロセス変数の測定値Mn、設定値SP、
比例ゲインＫ_P、積分時間Ｔ_I、および微分時間Ｔ
_Dがアナログ電圧として与えられ、他方の入力端
子にはDA変換器３の出力電圧が共通に与えられ
る。これらはアナログ入力信号をデイジタル信号
に変換してプロセツサ１に取り込むための仕掛け
を構成する。すなわち、プロセツサ１はデイジタ
ル出力信号をMSBから順番に「１」にして、逐
一これをDA変換器３でアナログ電圧に変換し、
この電圧をアナログ比較器２１〜２６においてそ
れぞれの入力電圧と比較され、所望の１つのアナ
ログ比較器の比較出力に応じて逐次デイジタル信
号の各ビツトの論理値を確定してゆく。確定した
デイジタル信号の値は所望のアナログ比較器の入
力電圧に等しい。アナログ比較器２１〜２６は１
つの入力信号の取り込みが終るたびに順番に切換
えられ、各入力信号は順次デイジタル信号に変換
されてプロセツサ１に取り込まれる。このような
構成はアナログ・デイジタル変換器が不要となる
利点を持つ。

プロセツサ１は取り込んだ入力信号に基づいて
位置形の制御出力を演算し、この制御出力をDA
変換器３でアナログ電圧に変換し、半導体スイツ
チ４を通じてホールド・コンデンサ６に充電す
る。コンデンサ６の電圧は増幅器５で増幅され、
制御対象に与えられる。増幅器５の入力インピー
ダンスは充分高く定められ、ホールド・コンデン
サ６の電荷の減衰は問題にならないようになつて
いる。

入力信号の取り込みおよび制御出力の演算は一
定のサンプリング周期で繰返し行われる。サンプ
リング周期は例えば0.1sec程度に定められる。

ホールド・コンデンサ６の電圧は手動制御時に
オペレータが任意に増減できるようになつてい
る。すなわち、手動操作スイツチ７を＋側または
−側に投入すると、直流定電流源（図略）からの
電流がホールド・コンデンサ６に流入または流出
してホールド・コンデンサ６の電圧を変える。し
たがつてこれによつて制御対象を手動制御するこ
とができる。手動制御に切換えたとき、ホール
ド・コンデンサ６にはプロセツサ１の制御出力の
最新値が保持され、そこを出発点にして手動制御
が始められるので、自動制御から手動制御への切
換えはバンプレスに行える。

さて、このように構成された装置において、プ
ロセツサ１における制御出力の演算は次式によつ
て行われる（PI動作の場合）。

ｙ_o＝Ｋ_P｛ｅ_o＋△ｔ／Ｔ_ＩΣｅ_o｝ (1) ここで、ｙ_o…制御出力 ｅ_o…偏差 △ｔ…サンプリング周期 Ｋ_P…比例ゲイン Ｔ_I…積分時間 すなわち、プロセツサ１は位置形のPI制御出力
を生じる。(1)式において、積分項をＩとすると、
次式を得る。

ｙ_o＝Ｋ_Pｅ_o＋Ｉ (2) (2)式において、手動―自動切換え時、比例ゲイ
ン切換え時にはＩの値が適宜調整される。Ｉの値
の変更に当つては実際は積分項の値が変更され
る。このような演算はプロセツサ１のプログラム
によつて行われる。

手動―自動切換え時のＩの調節は次のように行
われる。手動制御から自動制御に切換えられたと
き、プロセツサ１はその直前に読み込んだ手動制
御出力（増幅器５の出力）ｙ_Mと比例ゲインＫ_Pお
よび偏差ｅ_oを用い、次式によりＩの値を決定す
る。

Ｉ＝ｙ_M−Ｋ_Pｅ_o (3) そして自動切換後の最初の制御出力ｙ_AのＩとし
て(3)式の値を設定するようにすれば、 ｙ_A＝Ｋ_Pｅ_o＋Ｉ ＝Ｋ_Pｅ_o＋ｙ_M−Ｋ_Pｅ_o ＝ｙ_M (4) となり、手動―自動切換えの前後において制御出
力の変動が生じない。すなわち手動制御から自動
制御への切換えがバンプレスに行える。なお自動
制御から手動制御への切換えは前述のようにコン
デンサＣを利用してバンプレスに行える。したが
つて手動―自動切換えが双方向バンプレスに行え
る。

比例ゲインＫ_Pの切換え時のＩの調節は次のよ
うに行われる。比例ゲインがＫ_P′に切換えられた
とき、プロセツサ１はその直前に読み込んだ制御
出力ｙ_Aと新たな比例ゲインＫ_P′と偏差ｅ_oを用
い、次式によりＩの値を決定する。

Ｉ＝ｙ_A−Ｋ_P′ｅ_o (5) そして比例ゲイン切換え後の最初の制御出力ｙ
_A′のＢとして(5)式の値を用いれば、 ｙ_A′＝Ｋ_P′ｅ_o＋Ｉ ＝Ｋ_P′ｅ_o＋ｙ_A−Ｋ_P′ｅ_o ＝ｙ_A (6) となり、比例ゲインＫ_Pの切換えの前後において
制御出力の変動が生じない。すなわち比例ゲイン
Ｋ_Pの切換えはバンプレスに行える。

以上のような演算はプロセツサ１のプログラム
によつて行われるのであるが、これをブロツク線
図で示せば第２図のようになる。すなわち、偏差
ｅ_o＝SP−MnはＫ_P倍されたあと、信号Ｋ_Pｅ_oと
この信号を積分レジスタＩで積分されたものとの
和がリミツタを通されてｙ_oとして出力されて来
る。手動〜自動バンプレス切換え、およびＫ_P切
換えのときはそれぞれ点線のように、積分レジス
タＩに切り換え信号が行くことになる。

次に安全弁制御のような場合の、本制御装置の
動作原理をブロツク線図で示せば第３図のように
なる。第３図において、偏差ｅ_o＝SP−MnはＫ_P
倍され、積分レジスタＩに入力される。積分レジ
スタＩによる積分項（△_t／Ｔ_I）ΣＫ_Pｅ_oと比例
演算項Ｋ_Pｅ_oは加算されて、リミツタを介して制
御信号として出力される。第４図は、動作説明の
ためのタイムチヤートを示したもので、第４図ａ
は設定値SP，測定値Mnおよび比例帯の関係を表
わしたものである。第４図ｂは制御出力ｙの波
形、第４図ｃは積分レジスタＩの内容を示してい
る。いずれも横軸右向きを時間ｔにとつてある。
さて、プロセスが正常の通常状態では、プロセツ
サ１のプログラムによつて第３図にスイツチSW
が開いている状態にあり、積分レジスタＩの内容
を、上限値Ｈとなるようにすると、偏差ｅ_o＝SP
−Mnが正である限り、リミツタの入力にはy′＝
Ｈ＋Ｋ_Pｅ_oで、制御出力ｙはＨに保たれている。
さて、プロセスの測定値Mnが上昇してきて設定
値SPを超えプロセスの異常が発生すると、偏差
ｅ_oの極性が反転してy′＜Ｈとなり制御出力ｙは
リミツト値をはずれ、このためスイツチSWはプ
ロセツサ１のプログラムによつて閉じられる形に
なり比例・積分制御動作を直ちに開始する。安全
弁制御で言えば、安全弁が閉じている状態から制
御出力に応じて開くようになる。さらにまた、プ
ロセスの異常状態が消失するようになり、測定値
が下がつて、偏差ｅ_oが正に増大してくると、演
算出力y′がリミツタの上限値Ｈに達し、制御出力
ｙは上限値Ｈで制限されると同時にスイツチSW
はオフの状態になつて、積分レジスタは、上限値
Ｈに向かつてある時定数たとえば積分時間Ｔ_Iで
実線のように一次遅れで近づく。スイツチSWが
オフの瞬間の積分レジスタＩの内容はＨ−Ｋ_Pｅ_o
でこれから同じ方向に変化してＨに達する。その
後演算出力y′＝Ｈ＋Ｋ_Pｅ_oとなるので制御出力ｙ
＝Ｈで保たれている。

なお、リミツタは下限値Ｌについても働き、上
述の例の場合、下限値Ｌは安全弁が全開の状態に
相当する。

以上の説明においてはアナログ・デイジタル変
換器を節約した形式のプロセツサの例を挙げた
が、プロセツサは第５図のようにアナログ・デイ
ジタル変換器とデイジタル・アナログ変換を用い
る一般構成のものでもよい。また単ループ調節計
の例を挙げたが、本発明は複数ループを制御する
装置にも適用できる。

以上に説明したように、本発明によれば、位置
形演算であつて手動―自動バンプレス切換え、比
例ゲインのバンプレス切換えが行え、しかも安全
弁制御をプロセスに衝撃を与えることなく安定に
行える、デイジタル演算形のプロセス制御装置を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるプロセス制御装置の一実
施を示す電気回路図、第２図および第３図は本発
明装置の動作原理を説明するためのブロツク線
図、第４図は動作説明のためのタイムチヤート、
第５図は本発明装置の他の実施例を示す電気回路
図である。 １……マイクロプロセツサ、２１，２１，〜２
６……アナログ比較器、３……デイジタル・アナ
ログ変換器、４……半導体スイツチ、５……増幅
器、６……ホールドコンデンサ、７……半導体操
作スイツチ、８……手動―自動切換スイツチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ プロセツサ、少なくとも測定値と設定値と比
   例ゲインとを前記プロセツサに読み込ませるため
   の信号読み込み手段を具備し、前記プロセツサ
   は、前記信号読み込み手段を介して測定値と設定
   値とを読み込むとともに、この測定値と設定値と
   の偏差信号に位置形演算を用いて少なくとも比
   例・積分演算を施し自動制御出力を求め、当該自
   動制御出力が所定の限度値を越えた時積分動作を
   中止し、積分項を前記限度値に所定の時定数によ
   る遅れをもつて一致させ、前記比例ゲインの切換
   時に制御出力Ｙ_Aと切換後の新たな比例ゲイン
   K′_pと偏差ｅ_oとを用い積分項Ｉの値を次式に従つ
   て再設定するようにしたプロセス制御装置。 Ｉ＝Ｙ_A−K′_pe_o。