PID制御では、P（比例）、I（積分）、D（微分）の働きを 組み合わせて操作量を決めます。

その働きを決める比例帯、積分時間、微分時間などの PID定数を変更すると、 温度が目標値へ近づく過程も変化します。

PID調整とは、この関係を利用して、 目的とする制御応答へ近づけていく作業です。

「正解のPID定数」を探す作業ではない

PID調整というと、 設備に対して一つの「正しいPID定数」が存在するように 思えるかもしれません。

しかし、できるだけ早く設定温度へ到達させたい場合と、 オーバーシュートをできるだけ小さくしたい場合では、 重視する制御応答が異なります。

また、同じ設備でも設定温度や負荷、 材料などの運転条件が変われば 制御応答が変化することがあります。

温度が思い通りに制御できないからといって、 必ずPID定数に原因があるとは限りません。 PIDを変更する前に、制御ループ全体を確認します。

PVは正しいか

最初に確認したいのがPVです。 温度センサが制御したい対象を正しく測れていなければ、 そのPVを使ってPIDを調整しても期待する結果にはなりません。

センサの取り付け位置、挿入深さ、応答、 周囲からの熱影響、センサや配線の状態などを確認します。

MVはどう動いているか

次に確認したいのがMVです。 PVだけを見ると「温度が上がらない」という事実しか分かりません。

しかし、PVが設定値まで上がらない一方で MVが100％付近なら、 調節計はすでに大きな操作量を要求していることが分かります。

この場合には、PID定数だけでなく、 ヒータ能力、熱損失、負荷なども確認する必要があります。

MVどおりに設備が動いているか

調節計が適切なMVを出していても、 その操作量が実際の設備へ反映されていなければ 温度は期待どおりに変化しません。

電気ヒータを使用する設備なら、 サイリスタレギュレータやSSRなどの操作機器、 電源、ヒータそのものも制御ループに含まれます。

運転条件は変わっていないか

以前は安定していたのに制御状態が変わった場合には、 材料や投入量、流量、設定温度、周囲温度、 扉の開閉などの条件が変化していないかも確認します。

PID定数が同じでも、 制御対象の条件が変われば応答も変化することがあります。

PID調整では、PVだけを見るのではなく、 できるだけMVも同じ時間軸で確認します。

PVから分かること

PVを見ることで、SVへ近づく速さ、 オーバーシュート、ハンチング、整定時間、 オフセットなどを確認できます。

PVは、制御した結果を見るための情報です。

MVから分かること

MVを見ると、その結果を得るために 制御装置がどのような操作を要求していたのかが分かります。

PID調整では、時間に対するPVやMVの変化を見ながら 制御状態を評価します。

一つの指標だけで制御の良し悪しを決めないことも重要です。 たとえば立ち上がりを速くしようとした結果、 オーバーシュートが大きくなるなど、 複数の評価項目が関係することがあります。

「設定温度までなかなか上がらない」は、 PID調整でよく意識される症状の一つです。 ただし、最初に確認したいのはPID定数ではなくMVです。

MVがすでに大きい場合

MVが100％付近まで出ているのにPVの上昇が遅いのであれば、 調節計はすでに大きな加熱を要求しています。

この場合には、ヒータ能力、電源、操作機器、 熱損失、制御対象の熱容量、負荷などを確認します。

PID定数を変更しても、 利用できる加熱能力そのものを超えることはできません。

MVに余裕がある場合

PVがSVから大きく離れているのに MVが十分に上がっていない場合には、 PID設定やその他の制御設定を確認する意味があります。

オーバーシュートとは、 PVがSVを一時的に超える現象です。

PID調整では単に「何℃超えたか」だけではなく、 SVをどのように超えたのかを確認します。

• 急速に上昇して大きく超えた
• ゆっくりSVへ近づいた後に超えた
• 超えた後すぐ安定した
• 超えた後も上下を繰り返した

同じオーバーシュートでも波形の特徴は異なります。 「オーバーシュート＝特定のPID定数を変更する」 という一つのルールで判断するのではなく、 PVとMVの波形を見ながら原因を考えます。

ハンチングとは、 PVがSV付近で周期的に上下を繰り返す状態です。

温度が設定値付近に到達していても、 上下動が続けば安定した制御になっていない場合があります。

PVとMVがともに大きく振動している

制御装置の操作そのものが 大きく変動している可能性があります。 P・I・Dの働きと波形との関係を詳しく確認します。

MVは安定しているのにPVが振動している

MVが大きく変化していないにもかかわらず PVが変動しているのであれば、 外乱や設備側の変化などPID以外の要因も確認します。

同じ「ハンチング」という症状でも、 PVとMVの関係によって確認すべき場所が変わります。

PVがSV付近まで到達しても、 その後長時間にわたって上下し、 なかなか安定しない場合があります。

このとき確認したいのが「整定時間」です。 整定時間とは、制御を開始してから PVがSV付近の安定した状態へ落ち着くまでの時間です。

ここでは、 「SVへ到達するまでが遅い」のか、 「SVへ到達してから安定するまでが長い」のかを 分けて考える必要があります。

前者であれば設備能力なども関係します。 後者であればPID設定や外乱などを含めて、 設定値付近でのPV・MVの動きを詳しく確認します。

オフセットとは、 制御が安定した後もSVとPVとの間に残る定常的な差です。

P動作だけでは、操作量を維持するために一定の偏差が必要となり、 オフセットが残ることがあります。 このような継続する偏差を小さくするためにI動作が利用されます。

ただし、SVとPVに差があるからといって すぐにIを変更するのではなく、 センサ、設定、出力の上限・下限、 設備が必要な操作を実現できているかなども確認します。

PID調整では、 変更そのものより「変更前後を比較できること」が重要です。

何を変更したのか明確にする

P・I・Dを変更した場合には、 どのパラメータを、どの値から、 どの値へ変更したのかを記録します。

一度に大きく変えすぎない

PID定数を大きく変更すると、 制御応答も大きく変化することがあります。 制御対象や調節計の仕様を確認しながら段階的に調整します。

条件をそろえて比較する

PID定数を変更する前後で、 SV、負荷、材料量、初期温度、周囲条件などが大きく異なれば、 波形の違いがPID変更によるものなのか判断しにくくなります。

調整結果を記録する

記録を残すことで、 PID調整を勘による作業ではなく、 変更と結果を比較する作業として進めやすくなります。

PIDを変更しても目的とする応答にならない場合は、 PID以外の要因を改めて確認します。

PID定数を一から決める場合などには、 オートチューニング機能を利用できる調節計もあります。

オートチューニングでは、 制御対象の応答を利用してPID定数を求めます。

ただし、求められたPID定数が すべての運転条件で最適とは限らないため、 実際の運転状態で制御応答を確認することが重要です。

オートチューニングとは？PID定数を自動調整する仕組みと注意点

ここまで説明してきたのは、 PID調整を行うときの一般的な考え方です。

CHINOでは、DBシリーズ・KPシリーズを使用した 具体的な温度制御波形をもとに、 「8種のPID調整方法」を公開しています。

温度の振動、オーバーシュート、整定時間などについて、 P・I・Dを変更したときの波形の変化を 具体例として確認できます。

8種のPID調整方法を見る