手動と PID 制御の間のバンプレス制御移行

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モデルの説明

この例では、手動制御から PID 制御へ切り替える際にバンプレス制御移行を行う方法を示します。Simulink® の PID Controller ブロックを使用してむだ時間を含む 1 次プロセスを制御します。

まず、モデルを開くことから始めます。

図 1: バンプレス切り替えを使用した PID 制御の Simulink モデル

このモデルを開くには、MATLAB® 端末に「sldemo_bumpless」と入力します。

PID Controller は、Simulink® Control Design™ の PID 調整器を使用して、飽和を無視して調整されています。

制御対象のプラントは、以下によって記述されるむだ時間を含む 1 次プロセスです。

$P(s)=\frac{4}{2.5s+1}e^{-s}$

操作上のいくつかの理由から、エンジニアは、開ループ方式で制御プロセスを開始することにしました。そのため、プラントの出力を、望ましい定常値 40 まで緩やかに制御するために、飽和ランプ信号でプラント入力を送ります。制御移行は、t = 150 の時点で起こる予定です。開ループ制御と閉ループ制御間のこの遷移には、以下の 2 つの操作制御フェーズが含まれています。

手動: 飽和ランプ信号が、t = 150 まで起動時にプラント入力を送ります。
自動: PID コントローラーが t = 150 の時点でプラントを起動します。また、PID コントローラーは、プラント入力時にバンプをもたらすことなくプロセスを引き継がなければなりません。

スムーズな制御遷移をサポートするために、PID Controller ブロックは、"トラッキングモード" と "制御モード" という 2 つの動作モードに対応しています。制御モードでは、PID Controller ブロックは通常の PID コントローラーとして動作します。これに対しトラッキングモードでは、ブロックに特別な入力があるため、PID ブロックがその積分器出力を変更することで内部状態を調整できます。その結果、ブロック出力が、この特別な入力端子を送る所定の信号に追従するようになります。

バンプレス制御移行を達成するには、プラントが手動制御フェーズ (開ループ制御) にあるときは PID Controller ブロックがトラッキングモードでなければならず、プラントが自動制御フェーズ (閉ループ制御) にあるときは制御モードでなければなりません。

トラッキングモード向けのブロックの設定

信号トラッキングを実行するには、ブロックのダイアログで [初期化] タブに移動して、[トラッキングモードを有効にする] を選択し、ゲイン Kt を指定します。このゲインの逆数は、トラッキングループの時定数です。このゲインを選択する方法の詳細は、参照 [1] を参照してください。

図 2: PID Controller ブロックの tracking mode の有効化。

図 1 に示したように、トラッキングモードが有効になっていれば、ブロックは TR で示される 2 番目の入力端子をもちます。内部では、この新しい端子が、マスク内で示されているように結線されます。

図 3: トラッキングモードを使用した PID Controller ブロックのマスク内表示

切り替え機能の設定

制御移行を実行するには、PID Controller ブロックのトラッキングモードを有効にするだけでなく、切り替え機能も必要です。Switch 1 は、どの信号をプラント入力に接続し、PID Controller ブロックのトラッキング端子に接続するかを決めます。

t = 0 の時点で、Switch 1 は手動制御信号をプラント入力と、PID Controller ブロックのトラッキング端子に送ります。これにより、PID Controller ブロックの内部積分器を調整することで、手動フェーズ中に PID Controller ブロックの出力が手動制御信号に追従できます。このため、制御移行の実行時に、PID Controller の出力が手動制御信号とほぼ同じになります。

t = 150 の時点で、Switch 1 は、PID Controller ブロックの出力の送り先を、プラント入力と PID Controller ブロックのトラッキング入力に切り替えます。これで、PID Controller ブロックが自身の出力に追従するようになります (制御モードに相当)。