1 (57)【特許請求の範囲】【請求項１】所定の制御範囲を超えたとき飽和特性を有する制御対象をフィードバック制御するアンチワインドアップコントローラであって、前記制御対象の状態量を検出する状態量検出手段と、該状態量検出手段で検出された状態量の値を帰還させ目標値と比較し、第１の偏差を出力する第１偏差出力手段と、該第１偏差出力手段で出力された第１の偏差を帰還信号と比較し、第２の偏差を出力する第２偏差出力手段と、該第２偏差出力手段から出力された第２の偏差に対し積分を含む演算を行 10 い、補償信号を出力する補償手段と、該補償手段より出力された補償信号から高周波成分を除去するフィルタと、該フィルタの出力信号が所定の制御範囲及び飽和特性に基づく制限を受けた後、前記制御対象に入力される飽和要素と、該飽和要素の出力信号を前記補償手段の出 2 力信号と比較し、第３の偏差を出力する第３偏差出力手段と、該第３偏差出力手段の出力信号に対し定数倍及び／又は所定の伝達要素を掛け、前記帰還信号を出力する増幅手段とを備えたことを特徴とするアンチワインドアップコントローラ。【発明の詳細な説明】【０００１】【発明の属する技術分野】本発明はアンチワインドアップコントローラに係わり、特に制御対象に飽和特性が存在するために生じるワインドアップ現象を抑制可能なアンチワインドアップコントローラに関する。【０００２】【従来の技術】フィードバック制御システムでは、追従性を確保するために、積分演算を含む補償器を使用する。ところが、通常、補償器の後段に配置されるアクチ (2) 3 ュエータや駆動回路の飽和特性により、ワインドアップと呼ばれる振動や行き過ぎ現象が引き起こされる。【０００３】この現象は、例えばアクチュエータ等を制御中に制御可能領域から飽和領域に移行したような場合、制御対象が指令値に追従出来ず、このためいくら指令値が大きくなっても、検出信号は飽和値を維持し続けることになる。従って、指令値と帰還された検出信号（飽和値）との間に偏差を生じ、この偏差は、補償器の積分演算によりどんどん累積してしまう等により生ずる。【０００４】ここに、その対策を施した補償器をアンチワインドアップコントローラ（ＵＷＣ）と言う。従来から知られている代表的なアンチワインドアップコントローラには２種類のものがある。【０００５】１）積分を停止する方法飽和要素が飽和した時点で積分演算を停止する方法であり、積分器への入力を０にすれば実現できる。【０００６】２）フィードバックを用いる方法従来のアンチワインドアップコントローラのこの方法に基づく回路例を図２に示す。図２において、加算器３では、信号発生器１より出力された目標値Ｒと制御対象（Ｐｌａｎｔ）５から検出された観測出力Ｄの偏差ｅ１を求める。この偏差ｅ１は加算器７に入力され、帰還信号Ｆ１との間で偏差ｅ２が求められる。【０００７】偏差ｅ２はＰＩＤ制御等を用いた補償器９に入力される。この補償器９では、例えばＰＩＤ制御を用いる場合には、偏差ｅ２が定数倍された数値１と、偏差ｅ２が時間積分された後に他の定数が乗じられた数値２と、偏差ｅ２が時間微分されたのちに、また別の定数倍された数値３が演算され、この数値１、２、３を全て加算した数値４が補償器出力される。【０００８】また、補償器９における微分演算は偏差ｅ２の高周波成分を無限に増幅してしまうことから、数値４をローパスフィルタ１１に入力する。ローパスフィルタ１１の出力は飽和要素１３を経て制御対象５に入力される。【０００９】通常のアクチュエータやアクチュエータの駆動回路には、前述のように、必ず出力最大値が存在し、その値を越える出力を出すことはできない。これが飽和要素としてシステムに作用する。【００１０】そして、この飽和要素１３の入力からは、帰還信号Ｆ２が抽出され、飽和要素１３の出力からは、帰還信号Ｆ３が抽出される。加算器１５では、この帰還信号Ｆ２と帰還信号Ｆ３の偏差ｅ３が算出される。偏差ｅ３には、増幅器１７で飽和要素１３の前段の補償器全体のＤＣゲインの逆数が乗じられる。【００１１】この増幅器１７の出力信号は、帰還信号Ｆ１として加算器７に負帰還される。図２において、点線で示した範囲がアンチワインドアップコントローラ１０である。このとき、補償器９の積分回路の入力が０に収 10 20 30 40 50 特許３５１３４５０ 4 束するため、収束後の積分演算を停止させる働きを持つ。【００１２】【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の１）及び２）に述べた方法では次のような欠点があった。１）の方法は、原理的には最も有効とされているものの、積分器入力である偏差ｅを突然に０と見立てるため、不連続演算が実施される。また、再度、積分を開始する際にも積分器の入力を０から突然に偏差ｅに変更するために、やはり不連続演算を行うこととなる。【００１３】積分機能により、両者は連続に変化する結果となるが、最終的に求められる補償器の出力はこの積分結果を含むものである。制御入力、即ち、補償器出力は可能な限り、連続かつ滑らかに変化することが、制御対象に振動を誘起させないために望ましいことが知られており、そのことから１）の方法は欠点を持つ。【００１４】一方、２）の方法は、１）の欠点を補う特性を持ち、飽和要素が飽和すると、積分入力が漸近的に０に収束し、また、飽和から解除されるとやはり漸近的に偏差ｅに収束する働きを持つ。【００１５】しかしながら、本方法は、積分入力が０に収束するまでの間、積分器は積分演算を続けるため、積分停止時には、過大な積分出力値を持つこととなる。前述した通り、積分結果は補償器出力に含まれるために、補償器出力も過大な値となる。このことから、ワインドアップ現象は改善はされるものの、なくならない。【００１６】本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、制御対象に飽和特性が存在するために生じるワインドアップ現象を抑制可能なアンチワインドアップコントローラを提供することを目的とする。【００１７】【課題を解決するための手段】このため本発明は、所定の制御範囲を超えたとき飽和特性を有する制御対象をフィードバック制御するアンチワインドアップコントローラであって、前記制御対象の状態量を検出する状態量検出手段と、該状態量検出手段で検出された状態量の値を帰還させ目標値と比較し、第１の偏差を出力する第１偏差出力手段と、該第１偏差出力手段で出力された第１の偏差を帰還信号と比較し、第２の偏差を出力する第２偏差出力手段と、該第２偏差出力手段から出力された第２の偏差に対し積分を含む演算を行い、補償信号を出力する補償手段と、該補償手段より出力された補償信号から高周波成分を除去するフィルタと、該フィルタの出力信号が所定の制御範囲及び飽和特性に基づく制限を受けた後、前記制御対象に入力される飽和要素と、該飽和要素の出力信号を前記補償手段の出力信号と比較し、第３の偏差を出力する第３偏差出力手段と、該第３偏差出力手段の出力信号に対し定数倍及び／又は所定の伝達要素を掛け、前記帰還信号を出力する増幅手段とを備えて構成した。 (3) 5 【００１８】状態量検出手段では、制御対象の状態量を検出する。状態量は、例えば温度や圧力等である。第１偏差出力手段では、状態量検出手段で検出された状態量の値を帰還させ目標値と比較し、第１の偏差を出力する。第２偏差出力手段は、第１偏差出力手段で出力された第１の偏差を帰還信号と比較し、第２の偏差を出力する。【００１９】補償手段は、第２偏差出力手段から出力された第２の偏差に対し積分を含む演算を行い、補償信号を出力する。補償手段は例えばＰＩＤ制御である。フィルタは、補償手段より出力された補償信号から高周波成分を除去する。【００２０】飽和要素では、フィルタの出力信号が所定の制御範囲及び飽和特性に基づく制限を受けた後、制御対象に入力される。第３偏差出力手段では、飽和要素の出力信号を補償手段の出力信号と比較し、第３の偏差を出力する。【００２１】このように、補償手段の出力信号と比較するようにしたのは、従来のように、フィルタの出力信号と比較する場合には、このフィルタの伝達特性による位相の遅れが生ずるため、偏差の収束がその分遅れることが想定されるためである。【００２２】増幅手段では、第３偏差出力手段の出力信号に対し定数倍及び／又は所定の伝達要素を掛け、帰還信号を出力する。伝達要素を通すことで、一層の偏差の収束の迅速化を図ることが出来る。【００２３】以上により、制御システムの即応性が向上し、安全性をも向上させる働きを持つ。また、従来のアンチワインドアップコントローラと比して、コントローラの入出力信号が安定かつ滑らかに変化する他、飽和要素の入力が飽和値を大きく超えないために、飽和状態から非飽和状態への遷移が短時間で、よりスムーズに行われる。【００２４】【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態は、本発明を冷凍システムにおける温度制御に応用した例を示すものである。冷凍システムは、例えば可変容量型の気体圧縮機を用いて車室内の温度を制御するような場合である。図１に、本発明の実施形態の構成図を示す。尚、図２と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。【００２５】図１において、制御対象５は、４次系等、高次の伝達関数に近似される。ローパスフィルタ１１の入力より帰還信号Ｆ４が抽出され、加算器１５に入力される。加算器１５では、この帰還信号Ｆ４と帰還信号Ｆ３の偏差ｅ４が算出される。【００２６】偏差ｅ４には、増幅器２７で補償器９のＤＣゲインの逆数が乗じられ帰還信号Ｆ１として加算器７に負帰還される。あるいは、ＤＣゲインの他に伝達要素を加味し、補償器９等を通過することに伴う位相遅れを 10 20 30 40 50 特許３５１３４５０ 6 相殺する等してもよい。【００２７】この偏差ｅ４は、飽和要素１３の入力値が飽和値を越えない範囲では、０となる。入力値が飽和値を越えると飽和要素１３の出力である帰還信号Ｆ３は一定の飽和値に固定されるが、他方の帰還信号Ｆ４は固定されない。【００２８】両者の偏差ｅ４が定数倍または、伝達関数を経由して、加算器７の入力に負帰還され、補償器９への入力を０に収束させる。このとき、ローパスフィルタ１１の入力より帰還信号Ｆ４を抽出したことで、ローパスフィルタ１１による位相遅れがない状態で信号帰還させることが出来る。【００２９】図１において、点線で示した範囲がアンチワインドアップコントローラ２０である。アンチワインドアップコントローラ２０は、上記構成を採用することにより、飽和要素１３が存在するために生じるワインドアップ現象を抑制する働きを有し、そのために、制御したい物理量が過大に変化したり、振動的に変化することを抑えるものである。その結果、システムの即応性が向上し、安全性をも向上させる働きを持つ。【００３０】また、従来のアンチワインドアップコントローラと比して、コントローラの入出力信号が安定かつ滑らかに変化する他、飽和要素の入力が飽和値を大きく越えないために、飽和状態から非飽和状態への遷移が短時間で、よりスムーズに行われる。【００３１】なお、カーエアコンにおける外部容量制御型圧縮機を有する冷凍システムでは、熱負荷の変動が大きく、高い熱負荷では、最大容量で飽和し、低熱負荷では、最小容量で飽和する。このような飽和は極めて頻繁に生じるため、本発明は、システムの安定性を維持するために特に有効である。【００３２】また、本発明は、ロボット、工作機械、ステッパー、ハードディスクドライブ、ＤＶＤ等のメカトロ機器や科学プラントや冷凍システム等の温度制御、圧力制御等のフィードバック制御が用いられるあらゆる機器に適用可能なものである。【００３３】なお、アンチワインドアップコントローラ２０における演算アルゴリズムはコンピュータ上で動作するプログラムとして実現されるか、電子回路により実現される。前者の場合に、演算アルゴリズムは、メモリ回路、ディスク、ＣＤ、ＤＶＤ等の記録機器に保存される。【００３４】【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、第３偏差出力手段で飽和要素の出力信号を補償手段の出力信号と比較するように構成したので、制御システムの即応性が向上し、安全性をも向上させる働きを持つ。【図面の簡単な説明】【図１】本発明の実施形態の構成図【図２】従来のアンチワインドアップコントローラの (4) 7 回路例【符号の説明】１信号発生器３、７、１５加算器５制御対象９補償器２０アンチワインドアップコントローラ特許３５１３４５０ 8 ＊１１ローパスフィルタ１３飽和要素２７増幅器Ｒ目標値Ｄ観測出力Ｆ１、Ｆ３、Ｆ４帰還信号＊ｅ１、ｅ２、ｅ４偏差【図１】【図２】 ───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−58102（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−236002（ＪＰ，Ａ) 特開平６−203498（ＪＰ，Ａ) 7 (58)調査した分野(Int.Cl. ，ＤＢ名) G05B 11/36 B60H 1/32