濱根研　multi controller

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AuToMaTiC CoNtRoL Lab. (Hamane Lab Homepage)
自動制御研究室（濱根研）

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更新日 2007-10-08 | 作成日 2007-09-15

多チャンネル制御コントローラ

複数のチャンネル間の影響を考慮した制御

産業機械は、複数の入出力を同時に制御しなくてはなりません。ところが、チャンネル間で干渉が発生して、さまざまな問題を発生します。我々は、非干渉化制御、均一化制御、多チャンネル用のＰＩＤ自動調整法を提案しています。

製品化の新聞報道より

濱根洋人と東邦電子株式会社の産学連携研究チームは、多チャンネルの温度を同調制御する技術「フォロワー制御」を開発しました。この技術は温度を扱うさまざまな装置や機器に、ワンチップ化されて低コストで製品等に組み込めます。いくつかの箇所の温度変化を自動的に判別し、これに他の箇所の温度変化を同調することで、均一な温度変化が実現できます。また、機械内部の温度上昇を均一にすることから、省エネルギーのほか、材料や食品などの加熱ムラによる劣化・分解・炭化を防ぐことができるうえ、装置のセットアップが容易なため、従来セットアップの3分の2から半分の時間に短縮できるようになります。今後はオーブン調理器や成形機械など、さまざまな装置への応用が期待されています。

フォロワー制御について研究グループは、半導体製造装置・部品材料の国際展示会「セミコン・ジャパン」（主催：SEMI）、神奈川県下最大の工業技術・製品見本市である「テクニカルショウヨコハマ」などに展示を行いました。すでに同技術は製品化され、いくつかの工場で稼動中です。同社は温度制御装置を成型機メーカーなどに納入しており、同技術を搭載した製品ならば、生産開始前の材料空出に伴う清掃作業が不必要で、材料消費費を抑えられる、省エネになるなどの利点があります。

均一化制御

Follower制御（製品化されました）

「ボタンひとつ」で複数チャンネルの軌道を、自動的に一本にまとめます。過渡時の応答を制御することで、産業機械の省エネやさまざまな操業問題を解決することができるようになります。

この図では、６チャンネルのバラバラの軌道が、１本にまとまります！

たとえ、不均一な構造でも、軌道が一本にまとまります！

パン焼きオーブンの温度分布制御を例にすると、たくさんのメリットがあります。

メリット０）　ボタンひとつでＯＫ！　いままでの設定はそのままで！　「おまかせ」で均一化。

メリット１）　オーブン内のどんな所でも、同じ焼き色のパンが焼けます。　なぜなら、どの箇所の温度も同じく上昇するので、
　　　　　　　焼きすぎを防止できます。今度は焼きすぎのパンを捨てることがなくなります。

メリット２）　温度が早く暖まった箇所はずっと待っているので、エネルギーロスでした。
　　　　　　　今度はどの箇所も待つことがないので、省エネになります！。

メリット３）　早く温度が暖まった箇所の温度を下げようとすると、全体の温度が低くくなりパンに生焼けを生じてしまいます。
　　　　　　　いままでは調整が難しかったものを、今度は調整が簡単になります！

メリット４）　たとえ、どんなに不均一の構造をしていても、すべての箇所の温度が一緒になります！

メリット５）　たとえ、どんな外乱が入っても、すべての箇所の温度が一緒になります！

ttm200[1].jpg
東邦電子　TTM２００シリーズで、均一化が可能です。

成形機の場合は、以前に運転したときのバレルに残った材料が局部加熱のために炭化して製品に含まれてしまいます。そこで、成形前に、材料を無駄に流して清掃する空出し作業が必要でした。我々のFollower制御を使うと、局部加熱が無くなるので、空出し作業は必要なくなります。すなわち、材料の浪費が抑えられ、ヒータの省エネになります。また、調整も簡単になり、タクトタイム向上になります。

非干渉化制御

非干渉化ＰＩＤ制御

非干渉化制御は、均一化制御と異なり、複数のチャンネルを異なる目標値へ収束させる方法をいいます。従来から多くの非干渉化理論がありますが、その調整は非常に複雑でした。一方、本研究の提案法は、チャンネル毎の各コントローラが相互に通信を行い、運転中に干渉量を補正することで、高有用な制御を実現します。応用例として、温度制御系に温度分布を簡単に作ることができます。

干渉のイメージ不均一構造に温度分布をつける

従来の非干渉制御理論は、チャンネル間の干渉の影響を相殺するための項をフィードバック内に導入します。これは、系の収束スピードを大幅に遅くさせ、外乱の影響も受けやすくなります。非干渉化を実現するためのＰＩＤパラメータ空間もいままで利用していたものと異なります。産業機械には、調整が簡単で、システムの起動時間が速くしたいニーズがあります。従来の非干渉化制御では産業界のニーズを実現できないケースが多くあります。

一方、提案法は、ＰＩＤパラメータを変更する必要はなく、立ち上がりスピードは速いままで、非干渉化を達成することができます。さらには、制御対象の構造が不均一であっても、温度分布をつけることができます。上図の実験結果は、不均一の構造をもつ制御対象に非干渉化を実現した例です。ワンパラメータの調整で非干渉化と従来のＰＩＤ制御の運転に切り換えることができます。

ＰＩＤ自動調整法

多チャンネル用の調整法

8チャンネルコントローラ多チャンネルの補償器調整法は、どのようにすればよいのでしょうか？　多チャンネルの場合は、複数台の単チャンネルコントローラを設置する場合と、写真の多チャンネル用の１つのモジュールを設置する場合があります。いずれの場合でも、多チャンネルの場合にはチューニングする順番や、どのチャンネルをロバストよりに、どのチャンネルを外乱重視に設定するかによって、全体のバランスや産業機械の特性が変わってきます。

本研究の目的は、上記の項目をかんがみて、多チャンネル用のＰＩＤ調整理論を構築することです。我々のいままでの研究結果では、多チャンネルの調整法を変えることによって、機械全体の調整時間やシステムの起動時間が変わってきます。調整技師への明確な指標を提示することで、いままでに勘や経験で頼ってきた点を明らかにして、機械自身の性能を引き出します。