JPH01114902A - プロセス制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はプロセス量を取り込み制御すべき量を目標の値
に近付けるための演算を行いプロセスに制御量を出力す
るプロセス制御装置に係り、特に、多変数を扱う制御に
好適なプロセス制御装置に関する。

〔従来の技術〕

従来から、より高効率、高品質な制御を実現するために
種々の努力が成されているが特に最近では現代制御理論
を用いた制御システムが注目されている。その−例には
、［富士時報Ｊ　　（１９８７年、ＮＯ，６，４１８頁
〜４２１頁）記載の［産業プラントへの応用」がある、
この従来例は、産業プラントへのプログラマブル・コン
トローラ（ＰＣ）の応用に関する文献である。かかる従
来例では、制御システムとして階層化した制御システム
及び最適レギュレータ手法の応用例が、示されている。

この最適レギュレータが現代の制御理論の１つである。

現代制御理論では、状態方程式をベースとした最適制御
理論や周波数領域における多変数制御理論など、複数の
変数やパラメータを一組にして扱うところに特徴がある
。従って、これらの理論を用いた制御システムでは多変
数データを効率良く処理できる必要がある。この要求に
応えるためには、より高速、より大量のデータを扱う必
要があり、従来から採られてきたアプローチとしてマイ
クロプロセッサ−を用いたマイクロコントローラやミニ
コンピユータを複数台配置し、それらをネットワークで
結んだマルチコントローラシステムがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、制御内容に即したデータの受は渡しを
実現するコントローラ、バス、プロセス入出力装置の構
成については考慮されておらず、バス上でのデータトラ
フィックの過多による処理速度の低下やコントローラへ
の処理負荷の集中等の問題があった。

本発明はこのような点に注意を払い、より経済的、かつ
実現の容易な制御システムを構築すべくなされたもので
ある。すなわち、本発明の目的は多変数制御を経済的に
実現する制御システムを提供することにある。

〔問題を解決するための手段〕

本発明は最適レギュレータ手法等の現代制御理論を適用
するに当たりその制御内容を分析し、制御目標入力部、
制御対象モデル決定部、パラメータ決定部、制御量決定
部、プロセス入力部及びプロセス出力部に分割し、その
各部分部分に適合したコントローラを構成するとともに
、それらの構成要素間のデータ転送ができる限り単純に
なるようにデータバスを配置したものである。即ち、各
制御演算に用いる最適パラメータの決定と制御量の決定
を独立に並列処理できるとともに、制御対象の状態量を
取り込み、制御量を出力するまでのバスを短かくできる
ため、高速処理に最適な多変数制御システムを実現でき
る。

〔作用〕

本発明によれば、最適パラメータの決定と制御量の決定
とを独立に並列処理できる。

〔実施例〕

本発明の対象である現代制御理論の１つである最適レギ
ュレータ手法について述べる。

最適レギエレータ手法とは、先ず制御対象を（１）式の
ようにモデル化する。

’Ｘ−ｆ　　（Ｙ、　Ｌ９）　、Ｘ　（ｔ　ｅ　）　−
Ｎｏ・・・（１）ここでＸはｎ×１．１はｒＸｌのベク
トルである。

（１）の制御対象に対して、評価関数Ｆを導入する。

そして、評価関数Ｆを最小にするように制御対象を制御
する。

例えば、制御対象を線形にモデル化できる場合を考える
と、制御量りは Ｌ９＝Ｒ−’Ｂ　’　Ｐ　Ｘ−（３） となることが知られている。ここで、−Ｒ−’Ｂ’Ｐが
最適ゲインマトリクス、Ｕが制御出力ベクトル、！が状
態量ベクトルである。

以下の実施例は、最適レギエレータ手法のもとての線形
制御対象の制御システムに関する。

第１図は、本発明の一実施例であるプロセス制御システ
ムの構成図を示す、尚、機能的入出力装置４、及びベク
トルプロセッシングユニット２１１は、必要に応じて接
続される。この装置４、及びユニット２１１の役割と機
能については以下の説明の中で明らかにされる。また、
必要に応じて接続されるとは、両者を図のように接続し
ておき、その使用するか使用しないかによって稼動させ
るか、させないかの切替えを行う場合を含む。

制御用計算機６、ネットワーク８、プロセス制御部１−
１．１−２．　　リンケージ装置２２及びプロセス入出
力装置２．３．４からなる制御システムは、制御対象７
の出力信号及び状態信号２７を取り込み、制御信号２４
を出力する。３個の制御用計算機６は並列処理例を示し
、基本的に１個でよい。

また、ベクトルプロセッシングユニット２１も３個ある
が、並列処理の例であり、１個でもよい。

ここで、リンケージ装置２２とは、データ転送を高速に
行う装置であり、このリンケージ装置２２に接続される
複数のプロセス制御部１−１．１−２に各プロセス入力
装置２．出力装置３．入出力装置４のデータ全てをサイ
クリックに供給するとともにデータの更新ができる。さ
らに本リンケージ装置２２は、プロセス制御部１−１．
１−２の保有する制御データもプロセス入出力装置２，
３．４のデータと同様に他のプロセス制御部１−１．１
−２にサイクリックに供給するとともに、データの更新
ができる。（このリンケージ装置の具体例としては、特
開昭５８−１２３１４８がある。）さて、制御用計算機
６は、制御対象７の運転条件により変化する制御対象モ
デルの決定、修正等を行い、対象モデルのパラメータ及
びゲイン等を決定し、ネットワーク８を介してプロセス
制御部１−１．１−２へ伝達する。

プロセス制御部１−１．１−２は、制御対象７よりプロ
セス入力装置２を介して入力された状態１２７と制御用
計算機６から与えられた最適ゲインマトリクスから制御
出力ベクトルを計算し、プロセス出力装置３を介して制
御対象７に出力する。

また、制御対象７の状態量が未知の場合には、プロセス
制御装置１−１．１−２で状態量の推定を行う。

以上のようにプロセス制御部１−１．１−２ではベクト
ル量の計算を行うが、その実行はベクトルプロセッシン
グユニット（以下ＶＰＵ−Ａと略す）２１にて行われる
。（プロセス制御部１−１．１−２内の構成と動作につ
いては後述する。）一方、リンケージ装置２２に直接接
続されるベクトルプロセッシングユニット（以下ＶＰＵ
−Ｂと略す）２１１は、状態推定や状態量変換を伴わな
い閉ループ系の計算に使用される。すなわち、ＶＰＵ−
８２１１は制御対象７からプロセス入力装置２を介して
取り込んだ制御対象７の状態量２７とプロセス制御部１
−１．１−２または制御用計算機６から与えられる最適
ゲインマトリクス及び目標値オフセット量を含む等との
演算を行い、制御信号２４としてプロセス出力装置３を
介して制御対象７に出力する。

（ＶＰＵ−８２１１の内部構成と動作については後述す
る。） またさらに、機能・的プロセス入出力装置４は、それ自
体にベクトル演算機能を有し、自らが取り込んだ制御対
象７の状態量２７とプロセス制御部１−１．１−２また
は制御用計算機６から与えられるゲインマトリクス及び
目標値を含むオフセット量等との演算を行い、制御信号
２４として制御対象７に出力する。（機能的プロセス入
出力装置４の内部構成と動作については後述する。）（
プロセス制御部１−１．１−２の構成及び動作）プロセ
ス制御部１−１．１−２は、ＣＰＵ２０及び複数のベク
トルプロセッシングユニット（ＶＰＵ−Ａ　）２１、デ
ータリンクメモリ２３がバス２８で接続されている。こ
れらの動作の１つは下記の通りである。

（動作１） ＣＰＵ２０は、ネットワーク８を介し制御用計算機６か
ら最適ゲインマトリクス等の制御パラメータマトリクス
を受けとり、ＶＰＵ−Ａ　２１に分配する。−方、デー
タリンクメモリ２３上にはプロセス入力装置２から入力
される制御対象７の状態量ベクトルが格納されている。

各ＶＰＵ−Ａ　２１上では、最適ゲインマトリクス等の
制御パラメータマトリクスと状態量マトリクスの乗算を
行い、その結果をデータリンクメモリ２３に格納する。

格納した内容はリンケージ装置２２．プロセス出力装置
３を介して制御対象７の制御信号（制御出力ベクトル）
２４として出力される。

（動作２） 他の動作として、コントローラ１−１又は１−２内で、
最適ゲインマトリクス等のパラメータを演算する動作が
ある。

例えば、リカッチ方程式を、漸化式を用いて解くために
は（例えば、狩野、西村：最適推定制御問題におけるマ
トリクス・リカッチ方程式「計測と制御Ｊ　ＶＯ１２０
，Ｎｏ、　６昭和５６年６月号参照）制御用計算機６か
ら与えられるマトリクスをＣＰＵ２０からＶＰＵ−Ａ　
２１に与え、サイクリックに演算を行い、その演算結果
を周期的にデータリンクメモリ２３に格納する。格納し
た内容は、リンケージ装置２２を介して、機能プロセス
入出力装置４に与えられる。

（機能プロセス入出力装置の動作は後述。）（動作３） また、さらに他の動作として、制御対象７の状態推定を
行う場合がある。

例えば、オブザーバを漸化式を用いて解くためにはく例
えば「多変数システムのためのオブザーバ」　（ロイン
バルガー著）　Ｄ、Ｇ’、　Ｌｕｅｎｂｕｒｇｅｒ　；
０ｂｓｅｒｖｅｒ　　ｆｏｒ　　Ｍｕｌｔ　　；　　ｖ
ａｒｉａｂｌｅ　　Ｓｙｓｔｅｍｓ、ＩＥＥＢＴｒａｎ
ｓ、　　ＯＮ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ、
ＡＣ−１１−２１９０／１９７（１９６６）参照）制御
用計算ｍ６から与えられるマトリクスと、プロセス入力
装置２からリンケージ装置２２を介して、データリンク
メモリ２３に格納されている既知の状態量ベクトルをＶ
ＰＵ−Ａ　２１にて演算し、その結果を周期的にデータ
リンクメモリ２３に格納する。格納した内容は、（動作
１）で述べた制御対象の状態量と同等に取り扱われる。

（ＶＰＵ−８２１１の内部構成と動作）次にＶＰＵ−８
２１１の構成と動作を説明する。第２図はＶＰＵ−８２
１１の構成を示したものである。

データリンクメモリ２１１２には上位計算機６又はプロ
セス制御部１−１．１−２から、データリンク装置２２
．データリンクインターフェイス２１１１を介して入力
される最適ゲインマトリクスや目標値を含むオフセット
ベクトル量等の制御パラメータとプロセス入力装置２か
ら与えられる制御対象の推定された状態量ベクトルが格
納される。

ベクトル乗算器２１１３は制御対象の状態ベクトルに最
適ゲインマトリクスを乗じ、その結果がベクトル加算器
２１１４により目標値を含むオフセット量と加算され、
制御出力ベクトル・とじてデータリンクメモリに格納さ
れる。

格納された結果はデータリンク２２．プロセス出力３を
介し制御対象７に出力される。これによって、制御対象
７は、目標値となるように制御する。

（機能的プロセス入出力装置４の内部構成と動作）第３
図は、第１図の制御システムに接続されている機能的プ
ロセス入出力装置４の内部構成図である。図中、２２は
リンケージ装置、２３０はリンケージインタフェース装
置である。１０１は、最適ゲインマトリクスを記憶する
データリンクメモリ、１０２はプロセス状態量を記憶す
るバッファメモリ、１０３は、最適ゲインマトリクスと
プロセス状態量マトリクスを用いて行列演算を高速に行
うベクトル・プロセッシングユニット（以降ＶＰＵ−Ｃ
と略す）、１０４はＡ／Ｄ変換器、１０６はＤ／Ａ変換
器、１１０は入力インタフェース、１１１は出力インタ
フェース、１２０〜１２３は、データバス、アドレスバ
ス、コントロールバスで構成されるシステムバスであり
、図のように各装置間を結合する。

これらの動作の１つは下記の通りである。

プロセスからの状態信号２７は入力インタフェース１１
０を通じてプロセス入出力装置内部に取り込まれ、Ａ／
Ｄ変換器１０４にてディジタル信号に変えられる。本デ
ィジタル信号はＡ／Ｄ変換器１０４からシステムバス１
２０を通じて、１０２のバッファメモリとリンケージイ
ンタフェース装置２３０へ転送される。

リンケージインタフェース装置２３０は、本プロセス状
態信号をリンゲージ装置２２へ送出し、プロセス制御装
置１　（第１図の１−１又は１−２）にて、最適ゲイン
マトリクスを決定する。プロセス制御部１は、本最適ゲ
インマトリクスをリンケージ装置２２、リンケージイン
タフェース装置２３０、システムバス１２１を通じて、
データリンクメモリ１０１へ書き込む。プロセス制御部
１は、最適ゲインマトリクスをデータリンクメモリへ書
き込み終了後、システムバス１２１内のコントロールバ
スを通じて、ｖＰＵ−０１０３へ起動信号を送る。ＶＰ
Ｕ−Ｃ１０３は、本起動信号を受信すると、データリン
クメモＩＪＩＯＩ、バッファメモリ１０２か・らそれぞ
れ、最適ゲインマトリクス、プロセス状態量マトリクス
を読み出し、行列演算を行ってプロセス制御量ベクトル
を決定し、これをシステムバス１２３を通じて、Ｄ／Ａ
変換器１０６へ送信すると共に、システムバス１２２を
通じてＡ／Ｄ変換器１０４内のマルチプレクサ１０５ヘ
プロセス状態量の読み出し信号を送信する。

Ｄ／Ａ変換器１０６では、プロセス制御量をアナログ値
に変換し、出力インタフェース１１１を通じて出力され
る。

本実施例によれば、ＶＰＵ−Ａ、　ＶＰＵ−Ｂ、　ＶＰ
Ｕ−Ｃにより、最適パラメータの決定を行う部分と制御
量の決定を行う部分を分離させることができ、更に、制
御対象の状態量を取り込み、制御量を出力するまでのバ
スを最短にできるため、多変数制御を経済的に実現でき
る。

また、制御システムの構成によっては、例えば当該ＶＰ
Ｕ−Ａ、　ＶＰＵ−Ｂ、　ｖｐｕ−ｃの３種のうち、Ｖ
ＰＵ−Ａ、　ＶＰＵ−Ｂのみを具備するというように、
必ずしも当該ＶＰＵ−Ａ、　ＶＰＵ−Ｂ、　ＶＰＵ−Ｃ
（７）３種を具備しなくとも同様の効果を得られること
は言うまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、制御目標入力、制御対象モデルの決定
、パラメータの決定を行う部分と制御量の決定を行う部
分を分離させ、更に、制御対象の状態量を取り込み、制
御量を出力するパスを最短にできるため、高精度の制御
ができる。

さらに、プロセス制御部内に配置したベクトル・プロセ
ッシングユニットは、多変数演算を高速化できるため高
速制御分野に適用できる。

さらに、必要に応じ複数のプロセス入出力装置と複数の
プロセス制御部をリンケージ装置で結合することにより
、各プロセス制御部間で制御対象の出力や状態量を供用
化できるため、データ転送のオーバヘッドが軽減できる
。

さらに、必要に応じ、上記リンケージ装置にベクトル・
プロセッシングユニットを直結することにより、単純な
演算はプロセス制御部を介さすに行えるため、プロセス
制御部のオーバヘッドを軽減できる。

さらに、リンケージ装置に出力演算部を持つ機能的プロ
セス入出力装置を接続することにより、単純な演算はプ
ロセス制御部を介さずとも行えるため、プロセス制御部
のオーバヘッドを軽減できる。

また、上記機能をもつ機能的プロセス入出力装置により
、データ転送のパスを短かくできるため高速制御を実現
できる。

さらに、上記構成を採ることにより、制御の分散化が容
易になるため、システム設計が簡単化される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるプロセス制御システム
の構成図、第２図は第１図の構成要素の１つであるリン
ケージ装置２２上に接続されるＶＰＵ−Ｂ２１１の構成
図、第３図は同じくリンケージ装置２２上に接続される
機能的プロセス入出力装置４の構成図を示す。 １．１−１．１−２・・・プロセス制御装置、２・・・
プロセス入力装置、３・・・プロセス出力装置、４・・
・機能的プロセス入出力装置、２１，１０３．２１１・
・・ベクトル・プロセッシングユニット、２２・・・リ
ンケージ装置、６・・・制御用計算機。 代理人　弁理士　秋　本　正　実 第　１　図 １−１〜１−２７゛口で人！’ＪＧｐＬ、ｊ　　６酬制
御用劃１１艦２２リングーン長！２１．２１１　ベクト
ル７゛ロゼブンンブ・ユニット　７伜翳岬文ｉｔ　　　
２０ＣＰＵ２〜４１七人人払刀ＵＩ　　　８矛−ノトワ
ーク　　２８バ人第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、プロセス量を取り込み制御すべき量を目標の値に近
   付けるための演算を行いプロセスに制御量を出力するプ
   ロセス制御装置において、取り込んだプロセス量に演算
   を施し出力すべき制御量を求める出力演算手段と該演算
   に使用するパラメータを制御目標と取り込んだプロセス
   量により求めるパラメータ演算手段とを独立に持ち、制
   御量の決定とパラメータの決定を上記両手段で並列的に
   行うことを特徴としたプロセス制御装置。