技術解説

オートチューニング機能とセルフチューニング機能について

　ＰＩＤ調節計で良好な制御を行うためには、制御対象に合った適切なＰＩＤ定数を設定する必要があります。一般に、ＰＩＤ定数の調整を行うことを「チューニング」と呼んでおり、アナログ調節計が全盛の頃は、このチューニングをオペレータが手動にて行っていました。しかし、調節計がアナログ式からディジタル式に移行するに伴い、制御対象に応じたＰＩＤ定数の自動算出と設定を行う「オートチューニング機能」が搭載されるようになり、さらに、最近ではオートチューニングよりさらにインテリジェントなチューニング機能も搭載されています。　セルフチューニング機能も、オートチューニングよりも操作性や性能をさらに向上させるために開発された機能の一つで、当社調節計ではＣＢシリーズ，ＳＡ１００，ＳＡ２００に搭載されています。そこで、今回はオートチューニングとセルフチューニングの違いを示し、さらに、ＣＢシリーズ，ＳＡ１００，ＳＡ２００に搭載されているセルフチューニング機能の特徴と概要を紹介したいと思います。　なお、ここではオートチューニング機能のことを「ＡＴ」、セルフチューニング機能のことを「ＳＴ」と表しますのでご了承ください。

 

１．「ＡＴ」と「ＳＴ」の違い

下表にＲＫＣの「ＡＴ」と「ＳＴ」の相違点を示します。

  オートチューニング(ＡＴ) セルフチューニング(ＳＴ)
基本動作 ・オン／オフ制御の応答からPID定数を算出・設定する。 ・特別な操作なしで、コントローラ自身が制御応答を観測し、PID定数を適切な値に変更する。
算出結果 ・１回のﾁｭｰﾆﾝｸﾞで最適なPID値が求まる。 ・１回のﾁｭｰﾆﾝｸﾞで最適なPID定数値に収束しない場合がある
チューニングの実行 ・手動にてオートチューニングの実行を指令する必要がある。 ・コントローラにて自動実行する。
・目標値変更や、応答が振動的になるなど制御状態が変化しないと実行されない。
チューニング中の応答 ・オン／オフ制御を行うため制御が乱れる。 ・オン／オフ制御をしないので、制御を乱さない。
制御対象の特性変動時 ・再度オートチューニングを実行
　する必要がある。		 ・コントローラにて自動的にPID定数を算出・設定を行う。

 

　セルフチューニング機能はオートチューニング機能とは異なり、通常の制御応答波形を観測して、ＰＩＤ定数を自動算出・自動設定する機能であることがおわかり頂けると思います。

 

２．セルフチューニング機能の特徴

　それでは、当社セルフチューニング機能の動作の概要についてご紹介したいと思います。
当社セルフチューニング機能は、下記のように日常の運転時における操作や、制御状態が良好でなくなった場合に自動的に実行し、ＰＩＤ定数の算出と設定を行います。
　◆［電源投入、目標値変更、STOP→RUN の操作を行った
　◆［制御応答が振動した］

１）電源投入、目標値変更、STOP→RUN変更時のセルフチューニング

　電源投入・目標値変更・STOP→RUN　時の目標値応答波形を観測し、ＰＩＤ定数を自動算出します。
特徴は、「ＰＩＤ定数の算出」と同時に「波形観測処理」により目標値応答波形を評価し、応答が良好でない場合にのみ算出されたＰＩＤ定数をセットするところにあります。
（目標値応答波形が良好の場合には、算出されたＰＩＤ定数のセットは行いません。）

従って、目標値変更時の応答は目標値変更時に設定されているＰＩＤ定数に依存します。
（このとき、目標値応答が良好でない場合は、立ち上げＡＴによりＰＩＤパラメータの修正が行われるので、次回の目標値変更時からは良好な目標値応答が得られます。）

  • セルフチューニングによるＰＩＤ定数の算出について
    セルフチューニング機能は、目標値変更または電源投入が行われた時点から目標値に安定するまでの観測量の応答からＰＩＤ定数を算出します。
    算出されたＰＩＤ定数は、目標値に対する応答が悪いときのみコントローラに設定されます。
  • 目標値応答の評価について
    「応答速度」「行き過ぎ量」「減衰量」を評価します。
  • セルフチューニングによりＰＩＤ定数が変更されるタイミング
    応答評価の結果「応答不良」と評価されたタイミングで新しいＰＩＤ定数をセットします。 

２）制御応答が振動したときのセルフチューニング

　制御対象の特性変動や運転条件の変化などにより、制御応答が振動的になったときに、振動を収束させるようにＰＩＤパラメータを自動修正するセルフチューニング機能です。

  • 振動時セルフチューニングによるＰＩＤ定数の算出について
    セルフチューニング機能は、観測量の応答波形（振動応答）よりＰＩＤ定数を算出します。

  • 振動時セルフチューニングによりＰＩＤ定数が変更されるタイミング
    観測量が持続的に振動しており、振動の減衰率が良好でないと判断されたタイミングで新しいＰＩＤ定数をセットします。

３．セルフチューニング機能を使用するにあたって

１）コントローラの電源投入時には、ヒータ電源など制御対象の電源を、あらかじめ投入しておいてください。

「電源投入・目標値変更時」のセルフチューニング機能は、目標値変更または電源投入が行われた時点から目標値に安定するまでの観測量の応答からＰＩＤ定数を算出します。

このため、コントローラの電源投入時にヒータ電源など制御対象の電源が投入されていないと、[測定された応答]と[本来の応答]が異なったものになるため、セルフチューニングにより不適当なＰＩＤ定数が算出・設定される場合があります。

２）以下のような制御対象は、セルフチューニングによって不適当なＰＩＤ定数がセットされる場合がありますので、セルフチューニング機能を使用しないでください。

　（１）周期的に大きな外乱（制御不能外乱）が入るような制御対象
（例：射出成型器の金型温調、半導体製造装置のホットプレートの温調）


　（２）相互干渉の非常に強い制御対象
ただし、押出機シリンダ部分の温度制御など、相互干渉がそれほど大きくない制御対象であれば問題ありません。

 

「振動時」のセルフチューニング機能は、PID定数のミスマッチ（Ｐ：小、I：小、D：大　など）が原因で振動した場合に、PID定数のゲインを適切に緩めて、振動が収まるように動作します。

したがって、上記１，２のような周期的な外乱の影響で見かけ上振PID動しているように見える応答に対しても同様に動作してしまうため、結果的にセルフチューニングによってPID定数がゆるく修正されてしまいます。

一般に、上記１，２などによる影響を抑制するためには、PID定数をきつめに修正する必要があることから、振動時のセルフチューニングではこれらの条件での最適定数は算出されません。

また、上記した条件でセルフチューニング機能を動作させた場合、PID定数が緩く設定されるため、目標値変更や外乱に対して応答が緩慢になります。

４．おわりに

　セルフチューニング機能が搭載される、シングルループコントローラCBシリーズ，SA１００，SA２００には、「AT」と「ST」の２つのチューニング機能が搭載されます。

従って、CBシリーズ，SA１００，SA２００では、装置立ち上げ時の最初のチューニングには１回で良好な定数が求まる「AT」を用い、「AT」以降の特性変動については「ST」で対応するという使い方ができると思います。