近年、生産現場では、製品の多品種化によりモノづくりが複雑かつ高度になる中、最適地生産の観点から新興国への生産移管が進み、オペレータの技能不足に起因する不良発生や生産性の低下が深刻になっている。そのため、生産品目の変更ごとに行うべき調整ができないことによる品質低下を避けるために、装置の運転速度を落としたり、検査工数を増やしたりと、生産性が犠牲にされている状態である。
このような背景の中で、生産現場の装置ユーザから温度制御に対して以下のことが求められている。
生産性を上げるために、装置立ち上げ時や段取り替え時に目標温度へ速く追従する温度制御を実現できる。
生産現場の環境が変わっても、高度な調整を必要とせずに安定した温度制御を実現できる。
今回紹介するオムロン（株）の温度調節器 形E5□Dは、上記の要求を満たすために開発した商品であり、本記事ではその機能の一部を紹介する。
形E5□Dは、前述の要求に対して、自動調整機能の高度化による解決を目指した商品である。
形
E5□Dで実現している自動調整機能には、包装機、成形機といった装置の個別課題の解決により要求の達成を容易にする機能と、装置を特定せずに基本的な制御性能の向上により要求の達成を容易にする機能とがある。
本記事では後者の基本的な制御性能の向上のために採用した適応制御機能について紹介する。適応制御では、以下二つの特徴を実現している。特徴を実現するための仕組みについては次章で詳しく説明する。
目標値応答および外乱応答の両方の性能について従来制御方式（オートチューニング結果に基づく2自由度PID制御）を上回る制御性能を実現することで、要求の達成を容易にする。
生産現場の移転による環境の変動、劣化による装置自身の変動、材料のばらつきによる変動などに対して制御性能を安定させることで、複雑な調整を不要とする。
写真1 形E5CD、形E5ED 外観
制御性能の調整時に、トレードオフの関係にある目標値応答性能と外乱応答性能に対して、従来制御では2自由度PID制御と呼ばれる方式を採用することでトレードオフの解消を実現していた。
今回の適応制御機能の採用にあたっては、従来制御で実現している性能をさらに進化させるために、まず幅広い特性の制御対象に対して、それらの特徴を把握した。制御対象のシミュレーション結果から、応答性能を最大限に引き出すための細やかなルールを導き出し、適応制御機能のパラメータ設計部に実装している。ここでのルールとは、制御対象の非線形性に起因する事項、むだ時間に起因する事項などである。
形E5□Dでは、ルールを活用して目標値応答性能と外乱応答性能を両立させるために、2種類のPID定数を設ける方式を採用し、制御対象に対するモデルの表現力を高めることで、細やかな調整能力を実現した。
特徴1の効果をシミュレーション波形により、図1に示す。図1は従来制御と適応制御の波形を目標値応答と外乱応答で比較している。
シミュレーションで用いた制御対象は、ヒータ加熱による温度制御システムを想定しており、3-1.で述べた制御対象の中で今回新たに広げた領域に含まれる制御対象である。
今回の応答性能の評価指標は整定時間としている。シミュレーションの結果、適応制御は従来制御に比べ、目標値応答では3,000秒、外乱応答では1,500秒速く目標値に整定していることから、目標値応答、外乱応答共に適応制御の方が高い応答性能を実現できていると言える。
図1 従来制御と適応制御の温度波形
特徴2を実現するためには、「変動に対して適応的にPID定数を変更する機能」および「変動後も応答性能を維持する機能」が必要となった。
以下にこれらの機能について説明する。
環境、装置、材料が変動した場合、変動前に使用していたPID定数では温度制御性能を維持できなくなる場合がある。この場合に制御性能を維持するためには、変動に応じてPID定数が適応的に変更する機構を備えていることが望ましい。従来の温度調節器では、品質や制御性能が劣化してからユーザが変動に気付き、オートチューニングの再実施等の対策をする必要があった。
一方、適応制御機能では、温調器が変動を捉えて自動的にPID定数を変更する仕組みを備えている。具体的には、事前に装置の特徴を把握する学習部と、変動を捉えPID定数を変更する推論部という機構を有している。図2に適応制御システムの構成イメージを示す。
学習部は、最初に1度だけオートチューニングを実施することで、装置をモデル化し、そのモデルのパラメータを保存しておく役割を持っている。
推論部は、学習部のモデルと立ち上げ時の温度制御のデータからPID定数を推論し、過去のPID定数と比較することで変動を捉え、適切なPID定数に変更する役割を持っている。以上のことから、適応制御機能では、変動に応じてPID定数を自動的に変更することができるようになった。
図2 適応制御システムの構成イメージ
3-3.(1)では、環境、装置、材料が変動した際に適応制御機能が働くことで、PID定数が変更される機構を説明した。しかしながら、生産現場では変更後のPID定数によって応答が著しく変わってしまう状態は望ましくない。
そこで適応制御機能では、変動の発生前後で応答が変わらないような設計にするために、学習部のモデルから目指すべき応答波形を設計し、実際の温度推移が常にその応答波形に沿うようなPID定数を推論している。
このように変動の前後で応答が変わらないことを考慮した設計により、たとえ変動が起こっても可能な限り応答性能を維持できる仕組みとなっている。
特徴2の効果をシミュレーション波形により図3に示す。図3は変動発生前後の目標値応答の波形を適応制御の有無で比較している。
シミュレーションで用いた制御対象は、3-2.と同様にヒータ加熱による温度制御システムを想定しており、装置の変動としてヒータ電源電圧が低下し、ヒータ能力が落ちてしまった状況を再現させている。
ヒータ電源電圧の低下後に適応制御がない場合は、変動前と応答性能が変化しており、整定時間は変わらないが、オーバーシュートが発生している。変動後に適応制御がある場合は、変動前と近い波形となっており、応答性能を繰り返し維持することが実現できている。
図3 変動前後の温度波形
以上が形E5□Dシリーズに搭載されている適応制御機能の説明である。まとめると本機能の特徴は下記2点である。
本機能によって、生産現場から要求される生産性の向上と高度な調整を必要としない温度制御を実現できる。
