JPH02275501A - プロセス制御装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、プラントのプロセス値を目標値に一致するよ
うに制御するプロセス制御装置に関する。

（従来の技術） 一般に、複雑なプロセスの操作を巧妙に行う熟練したオ
ペレータの操作のノウハウといったものは、あいまいさ
を含んだ感賞的なものであるため、これを定式化して制
御規則とすることは困難な場合が多い。そこで近年、従
来の自動制御手法では、うまく制御できなかったプロセ
スに対する制御手法のひとつとしてファジィ制御が注目
されている。

ファジィ制御では、熟練したオペレータの経験や知識な
どのあいまいなプロセス操作のノウハウをメン、バーシ
ップ関数を用いてファジィルールとして構成し、ファジ
ィ推論によって操作量を決定する。第１０図にファジィ
制御を応用した従来のプロセス制御装置を示す。

ファジィ制御では、ファジィ制御規則すなわちプロセス
の制御アルゴリズムをプロセスの状態に関する情報Ｘと
プロセスへの入力（操作ｆｆ１）　ｙとの関係として、
例えば、 １Ｆ　　（ｘ　　ｉｓ　　ｓｍａｌｌ）ＴＨＥＮ　　（
ｙ　　ｉｓ　　ｍｅｄｉｕｍ）ＩＦ　　（ｘ　　ｉｓ　
　ｂｉｇ） ＴＨＥＮ　　（ｙ　　ｉ　ｓ　　ｓｍａ　１１）のよう
に、ＩＦ−ＴＨＥＮ　　形式のファジィルールとして記
述する。ファジィ制御によるプロセス制御は、これらの
ファジィルールを集約したもので構成され、制御装置に
入力（制御偏差）が与えられたときの出力（操作ｍ）は
ファジィ推論によって演算される。ファジィルールのＩ
Ｆ（・・・）の部分（条件部）や、ＴＨＥＮ　（・・・
）の部分（出力部）における”ｓｍａｌビや“ｍｅｄｉ
ｕｍ“ｂｉｇ“などは、ｘ＋ｙがとるファジィ変数であ
り、メンバーシップ関数によって表される。

第１０図中、符号２１．２２．２４はそれぞれファジィ
ルール１、ファジィルール２およファジィルールｎに対
応しており、またファジィルールの条件部は入力メンバ
ーシップ関数３１．　３２゜３４に、対応してファジィ
ルールの出力部は出力メンバーシップ関数４１，４２．
４４に、それぞれ対応している。ファジィ推論では、入
力（制御偏差）Ｘに対してそれぞれのファジィルールを
適用して、まず条件部の評価を行って、入力メンバーシ
ップ関数３１，３２．３４の出力値を得る。

次に入力メンバーシップ関数の出力値から、それぞれ出
力メンバーシップ関数４１，４２．４４を決定する。こ
れらの出力メンバーシップ関数４１゜４２．４４を合成
して１つのメンバーシップ関数を得、さらに出力変換を
行って１つの操作量を得る。

以上が従来技術によるファジィ制御手法の一例である。

ファジィ推論手法は、以上のほかにも各種あるが、いず
れもメンバーシップ関数の決定法は、オペレータの経験
に基づく一義的定義手法である。

（発明が解決しようとする課題） 従来のファジィ制御手法ではメンバーシップ関数が固定
されており、その設定はオペレータの経験に基づく一義
的定義手法によっている。そのために、制御系の制御性
能向上のためにオペレータの行うメンバーシップ関数の
調整は、系の安定度を見て、経験的に変化率の大きさを
推定し、その都度マニュアルで行っている。このように
メンバーシップ関数のマニュアル：Ａ整は経験に頼る部
分が多く、熟練したオペレータでないと、メンバーシッ
プ関数のｙＡ！が不十分になり、うまく制御することが
できない、といった事態が多々発生することになる。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、メンバ
ーシップ関数を自動的に補正するオートチューニング手
段を備えた、ファジィ推論によるプロセス制御装置を提
供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明のプロセス制御装置は
、プラントのプロセス値と目標値との間の偏差からファ
ジィ制御規則に基づきメンバーシップ関数を用いてファ
ジィ推論を行ってプロセスの操作量を決定する操作量決
定手段と、この操作量決定手段の入力および出力の少な
くとも一方に対して統計処理を行って統計量を算出する
統計処理手段と、この統計処理手段によって算出された
統計量を基にして新たなメンバーシップ関数を決定し、
操作量決定手段内のメンバーシップ関数を自動的に補正
するメンバーシップ関数チューニング手段とを備えたこ
とを特徴とする。

（作　用） 上記構成のプラント制御装置１においては、第１図に示
すように、例えばファジィっ推論による操作量決定手段
１３への入力、すなわちプラント１４のプロセス値の目
標値に対する偏差を基に統計処理手段１１によって統計
量を算出し、それをメンバーシップ関数チューニング手
段１２に入力する。このメンバーシップ関数チューニン
グ手段１２では、ファジィルールの中に現れるファジィ
変数を表すメンバーシップ関数のしきい値を統計処理手
段１１によって算出された統計量から決定し、操作量決
定手段１３に含まれているメンバーシップ関数を自動的
に補正する。このように構成することによって、制御系
が安定であれば感度を強（し、また制御系が不安定であ
れば感度を弱くするように、メンバーシップ関数を自動
的に補正しながら制御を行うことが可能となる。

（実施例） 第２図は本発明によるプロセス制御装置のより具体的な
実施例を示すものである。このプロセス制御装置におい
ては、プラント１４のプロセス値Ｚと目標値との間の偏
差Ｘ　と、この！＠差Ｘ。１をさらに微分回路１５を通
して得られる変化量Ｘ。２との２人力をファジィ推論に
よる操作量決定手段１３に入力し、ファジィ推論によっ
て出力操作量ｙを決定する制御系を構成すると共に、偏
差Ｘ。１と変化量Ｘ。２の両人力に対してそれぞれ統計
処理手段１１ａ、ｌｌｂおよびメンバーシップ関数チュ
ーニング手段１２ａ、１２ｂを直列に接続し、操作量決
定手段１３にその内部に設定されているメンバーシップ
関数の補正のために、メンバーシップ関数チューニング
手段１２ａ、１２ｂの出力を入力する。偏差Ｘ。１が入
力される統計処理手段１１ａおよび変化量Ｘ。２が入力
される統計処理手段１１ｂは同一構成を持っており、ま
た、両メンバーシップ関数チューニング手段１２ａ、１
２ｂは同−構成を持っている。そこで、両統針処理手段
１１ａおよびｌｌｂを統計処理手段１１とし、両メンバ
ーシップ関数チューニング手段１２ａ。

１２ｂをメンバーシップ関数チューニング手段１２とし
て、その内部構成を、第３図を参照して説明する。

第３図に示すように、統計処理手段１１は、平均値演算
手段６１、標準偏差演算手段６２およびデータ記憶手段
６３によって構成されている。

データ記憶手段６３に記憶されている入力Ｘに関する過
去のｎ個のサンプリング値（Ｘｌ、Ｘｌ。

・・・、ｘ）および入力Ｘの現在値Ｘ。から、平均値演
算手段６１は次式（１）で示す演算を行って平均値Ｘを
求める。

また、標準偏差演算手段６２では、次式（２）で示す演
算を行って標準偏差σを求める。

統計処理手段１１により以上の演算式に基づいて算出さ
れた統計量Ｘ、σは、メンバーシップ関数チューニング
手段１２に人力され、ここで補正のためのメンバーシッ
プ関数が決定される。

次に、統計量ｘ、σに基づいて補正のためのメンバーシ
ップ関数を決定する方法について、第４図を参照して説
明する。

第４図には、入力Ｘに関し、その平均値Ｘおよび標準偏
差σに基づいて５つのファジィ変数ＮＢ。

ＮＳ、Ｚ、ＰＳ、ＰＢを表すメンバーシップ関数のしき
い値を決定する状況が示されている。ここで、ファジィ
変数ＮＢは入力Ｘに関し「負の大」を：α味し、同様に
、ファジィ変数ＮＳは「負の小」を、ファジィ変数Ｚは
「ゼロ」を、ファジィ変数ＰＳは「正の小」を、ファジ
ィ変数ＰＢは「正の大」を意味している。つまり、各フ
ァジィ変数のピーク値をとる点の人力Ｘの値に関して言
えば、ＮＢ＜ＮＳ＜Ｚ＜ＰＳ＜ＰＢ である。

このようにメンバーシップ関数を決定すると、制御系が
安定な場合には第５図（ａ）に示すようにメンバーシッ
プ関数の感度が相対的に強くなり、制御系が不安定な場
合には第５図（ｂ）に示すようにメンバーシップ関数の
感度が相対的に弱くなる。

以下の説明においては、操作量決定手段１３に一例とし
て次のファジィルールが適用されているものとして、そ
の推論動作について説明する。

Ｉ　Ｆ　　（ｘ−ＰＢ）　　ＴＨＥＮ　　（ｙ−ＮＢ）
Ｉ　Ｆ　　（ｘ−ＰＳ）　　ＴＨＥＮ　　（ｙ−ＮＳ）
ＩＦ　　（ｘ−Ｚ）　　　ＴＨＥＮ、（ｙ＝Ｚ）ＩＦ　
　（ｘ−ＮＳ）　　ＴＨＥＮ　　（ｙ−ＰＳ）ＩＦ　　
（ｘ−ＮＢ）　　ＴＨＥＮ　　（ｙ−ＰＢ）第６図はフ
ァジィ推論部を持っている操作瓜決足手段１３の一構成
例を示すものである。

第６図に示すように、各ファジィルールの条件部および
出力部に現れるファジィ変数ＮＢ、ＮＳ。

Ｚ、ＰＳ、ＰＢを表すメンバーシップ関数をファジィル
ールごとにそれぞれ入力メンバーシップ関数と出力メン
バーシップ関数とに分けて並列に接続している。また、
各入力メンバーシップ関数には、メンバーシップ関数チ
ューニング手段１２からメンバーシップ関数補正出力が
人力されている。

以上の構成に従い、プロセス値の統計量に基づいて決定
されたメンバーシップ関数となるように入力メンバーシ
ップ関数を補正することができる。

入力Ｘに対して操作量決定手段１３では、まず、適用可
能なファジィルールの条件部の評価を行い、その結果に
従って出力部を実行して１つのメンバーシップ関数を得
る。

第７図に、１つのファジィルールの適用方法例を示す。

図示の例の場合、入力ｘ””ｘｏｌに対してメンバーシ
ップ関数ＰＳによって評価を行い、ａという値を得る。

この値ａを出力メンバーシップ関数ＮＳに適用し、３以
上の値の部分を削除することによって新たなメンバーシ
ップ関数を得る。

次に、このようにして得られた複数のメンバーシップ関
数を合成手段１３ａ（第６図）により合成して１つのメ
ンバーシップ関数とし、さらに出力変換手段１３ｂによ
り出力変換を行って１つの出力操作量ｙを得る。

第８図に、合成と出力変換の一例を示す。この例の場合
、合成では複数（２つ）のメンバーシップ関数Ｚ、ＮＳ
を重ね合わせによって１つのメンバーシップ関数とし、
出力変換は、そのメンバーシップ関数の重心値ｙＧを求
め、その重心値ｙＧを出力操作量とするものであ′る。

以上詳述したメンバーシップ関数のオートチュニングは
、適当な制御周期、例えば１００制御周期ごとに行えば
よい。

上記実施例においては、プロセス値の統計量に基づき入
力メンバーシップ関数をオートチューニングする例を示
したが、それとは異なり、第９図に示すように、操作量
の統計量に基づき出力メンバーシップ関数をオートチュ
ーニングするものであってもよい。また、入力メンバー
シップ関数と出力メンバーシップ関数を同時にオートチ
ューニングするものであってもよい。

メンバーシップ関数が固定されている従来のファジィ制
御手法では、オペレータは系の安定の度合から経験的に
変化率の大きさを推定してメンバーシップ関数をマニュ
アルで調整し、制御性能の向上を図っていた。このオペ
レータの経験によるメンバーシップ関数の調整は、プロ
セス値の長期的な統計量に基づく方法と本質的に変わり
がない。

そこで本発明においては、従来のファジィ制御に加えて
、プロセス値の統計量を自動的に算出する手段を設け、
統計量によってメンバーシップ関数をオートチューニン
グする手段を加えたプロセス制御装置としたものである
。

〔発明の効果〕

本発明のプロセス制御装置によれば、オペレータの経験
に頼らなくても、プロセス値と目標値との間の偏差の統
計量、および／または操作量の統計量に基づいて操作量
決定手段が持っているメンバーシップ関数を自動的に補
正するので、系の安定度が長期的に変化しても同一のフ
ァジィルールの下で制御性能の向上を図ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的機能を説明するためのブロック
図、第２図はより具体的な実施例を示すブロック図、第
３図は第１図および第２図における統計処理手段および
メンバーシップ関数チューニング手段の一具体例を示す
ブロック図、第４図はプロセス値の統計量からメンバー
シップ関数を決定する方法の一例を説明するための説明
図、第５図は安定な制御系で決定されるメンバーシップ
関数と不安定な制御系で決定されるメンバーシップ関数
とを比較対照する説明図、第６図は第１図および第２図
における操作量決定手段の一興体例を示すブロック図、
第７図はファジィルールの適用例を示す図、ｍ８図はメ
ンバーシップ関数の合成および出力変換の一例を示す説
明図、第９図は本発明の池の実施例を示すブロック図、
第１０図は従来のファジィ推論によるプロセス制御装置
を示すブロック図である。 １・・・プラント制御装置、１１．　１１　ａ、　　１
　ｌ　ｂ・・・統計処理手段、１２．１２ａ、１２ｂ・
・・メンバーシップ関数チューニング手段、１３・・・
操作量決定手段、１４・・・プラント、１５・・・微分
回路、５１・・・出力メンバーシップ関数合成手段、５
２・・・出力変換手段、６１・・・平均値演算手段、６
２・・・標準偏差演算手段、６３・・・データ記憶手段
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 プラントのプロセス値を目標値に一致するように制御す
   るプロセス制御装置において、 プラントのプロセス値と目標値との間の偏差からファジ
   ィ制御規則に基づきメンバーシップ関数を用いてファジ
   ィ推論を行いプロセスの操作量を決定する操作量決定手
   段と、この操作量決定手段の入力および出力の少なくと
   も一方に対して統計処理を行い統計量を算出する統計処
   理手段と、この統計処理手段によって算出された統計量
   を基にして新たなメンバーシップ関数を決定し、前記操
   作量決定手段内のメンバーシップ関数を自動的に補正す
   るメンバーシップ関数チューニング手段とを備えたこと
   を特徴とするプロセス制御装置。