JPH0323835B2

JPH0323835B2 -

Info

Publication number: JPH0323835B2
Application number: JP16374482A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Nakamura; Kazuo Kagawa
Original assignee: Showa Electric Wire and Cable Co
Current assignee: SWCC Corp
Priority date: 1982-09-20
Filing date: 1982-09-20
Publication date: 1991-03-29
Also published as: JPS5956084A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は複数炉の制御方式に関し、特に炉温の
ような制御量が多変数である複数炉の制御方式に
係わる。

従来から、例えば１つのガス燃焼装置あるいは
電熱装置から複数個の炉（あるいは複数のゾーン
に仕切られた１つの炉）に熱風を供給して各炉
（あるいは各ゾーン）を所望の温度に制御するこ
とは極めてむずかしくほとんど実施されていな
い。従来行なわれている一般的な一実施例を第１
図ａ，ｂに示す。ダンパー１を介してダクト２に
より連通する燃焼炉３と、複数炉４ａ〜４ｃ（あ
るいは複数のゾーン４a′〜４c′に仕切られた１つ
の炉４）に熱風を矢印方向に供給するブロア５
と、各炉４ａ〜４ｃ（あるいは各ゾーン４a′〜４
c′）とそれぞれ直列に連結された各ダンパー６ａ
〜６ｃおよび冷却装置（図示せず）が付設された
例えば三方弁からなる各非干渉装置７ａ〜７ｃ
と、ダクト２の温度、各炉４ａ〜４ｃ（あるいは
各ゾーン４a′〜４c′）の温度をそれぞれ検出する
各熱電対８，９ａ〜９ｃとから構成されている。

まず、ダンパー１を所定の開度にして熱風をブ
ロア５により各ダンパ６ａ〜６ｃを介して各炉４
ａ〜４ｃ（あるいは各ゾーン４a′〜４c′）へ供給
する。そして熱電対９ａ〜９ｃにより温度T₂〜
T₄を検出し、ダンパー６ａ〜６ｃの開度を調整
して、各炉（あるいは各ゾーン４a′〜４c′）の温
度を所望の値に制御するため、各冷却装置によつ
て温度T₂〜T₄をコントロールし、各ダンパー６
ａ〜６ｃの１つのダンパー開閉による各炉温（あ
るいは他のゾーンの温度）への影響を非干渉装置
７ａ〜７ｃにより防止して、各炉温（あるいは各
ゾーンの温度）が所望の設定値になるよう、PID
制御することによつて温度制御を行なつていた。

しかしながら上述のように、冷却装置が付設さ
れた非干渉装置を介して経験的に手動により制御
することはできても、操作が煩雑で効率的に操作
することはきわめてむずかしい。しかも余計な熱
量を消費して省エネルギーにも反し、冷却装置が
付設された高価な非干渉装置を必要とするためコ
スト高となる要因となつていた。また、ダンパー
１の開度によつては非干渉装置を介しても制御で
きない場合も生じていた。

従つて、非干渉装置を介在せずに、多数の制御
量（本実施例の場合、各熱電対８，９ａ〜９ｃに
よる温度T₁〜T₄）を含む多数の測定量（本実施
例の場合、各熱電対９ａ〜９ｃによる温度T₂〜
T₄）が、多数の操作量（本実施例の場合、ダン
パー１，６ａ〜６ｃの開度）の何れか１つを操作
した時、それぞれ変動する場合の制御（多変数制
御）において、測定量の測定により、各制御量が
所望の値になるようにそれぞれの操作量を同時
に、かつ自動的に制御することは従来技術では不
可能であつた。また、このような多変数の制御量
と操作量の相関関係で、このような各対の制御量
−操作量に依る制御方式では制御量の安定性が悪
く、かつ応答性に劣るという難点があつた。

本発明の目的は非干渉装置を介在せずに複数炉
の多変数制御を行なうにあたり、炉温の制御量を
含む測定量の検出要素により、各制御量がそれぞ
れ所望の値（設定目標値）になるようにダンパー
の開度の操作量を同時に、かつ自動的に制御し
て、熱効率のよい省エネルギーとなる複数炉の制
御方式（系）および、安定性と応答性の一段と向
上した制御手段を提供することを目的とする。

以下、本発明による複数炉の制御方式を、複数
炉の温度制御に適用した実施例につき図面に基づ
き詳述する。

先ず、本実施例を第２図ａ，ｂに示す。ダンパ
ー１０を介してダクト１１により連通する１つの
燃焼装置１２と、複数炉１３ａ〜１３ｃ（あるい
は複数のゾーンに仕切られた１つの炉１３）に熱
風を矢印方向に供給するブロア１４と、各炉１３
ａ〜１３ｃ（あるいは各ゾーン１３a′〜１３c′）
内を所望の温度に調節するダンパー１５ａ〜１５
ｃと、これらのダンパー１５ａ〜１５ｃの開度を
調節するステツピングモーターM₁〜M₃と、ダク
ト１１および各炉１３ａ〜１３ｃ（あるいは各ゾ
ーン１３a′〜１３c′）に配設された熱電対１６，
１７ａ〜１７ｃとからなつている。各ステツピン
グモータM₁〜M₄は入力信号（実線で示す）が印
加され、かつ出力信号（点線で示す）が発生され
る。また、各熱電対１６，１７ａ〜１７ｃからは
出力信号が生起される。これらの信号はＩ／Ｏ
（Ａ／Ｄ）コントローラ１８でＡ／Ｄ変換されて
CPU１９（ヒユーレツトパツカード社製
HP1000Mシリーズ）へ供給され、そこで演算、
制御された信号が、再びコントローラ１８でＤ／
Ａ変換されて各ダンパー１０，１５ａ〜１５ｃの
ステツピングモータM₁〜M₄へ印加される。

次に、かかる制御方式について第３図に基づき
詳述する。

同方式において、制御対象である複数炉２０
の、温度の複数の制御量（点１７ａ，１７ｂ，１
７ｃにおける温度）Ｙ＝Y₁ Y₂ Y₃ を含む複数の測定量（点１６，１７ａ，１７ｂ，
１７ｃにおける温度 Y₁ Y₂ Y₃ Y₄ がダンパーの開度の複数の操作量（ダンパー１
０，１５ａ，１５ｂ，１５ｃの開度）Ｕ＝U₁ U₂ U₃ U₄ の何れによつても変動する場合に、該制御量がそ
の目標値 YR＝YR₁ YR₂ YR₃ に調節されるように操作量を制御せんとするもの
である。

制御量Y₁〜Y₃は、引出し点２１から引出され
て目標値Y_R1〜Y_R3の差引き点２２へそれぞれ接
続され、制御量と目標値の差 Y₁−YR₁ 〓〓 Y₃−YR₃＝ε₁ 〓 ε₃ を得ている。

これらの差ε₁…ε₃は、演算要素Ｃに印加され
る。要素Ｃは C₁₁…C₁₃ 〓〓 C₄₁…C₄₃ と記述される行列で、 C₁₁…C₁₃ 〓〓 C₄₁…C₄₃ε₁ 〓 ε₃＝U′c₁ 〓 U′c₃ の操作変数U′c₁…U′c₃を線形処理により与えるも
のである。これらの操作変数はそれぞれ積分器I₁
〜I₄に印加され、積分動作が遂行されて量Uc₁〜
Uc₄として各操作量U₁〜U₄に印加される。

この量Ucは、積分機能が遂行される結果、次
のように表わされる。

Uc（ｔ）＝Uc（ｔ−１）＋C₁₁…C₁₃ 〓〓 C₄₁…C₄₃ε₁ 〓 ε₃ この積分動作とは、積分器による線形の積分機
能のみならず、積分機能を含む、あるいはこれと
類似する動作を包含するものである。

また、積分動作には、動的補償を含ませるよう
にしてもよい。

なお、演算要素Ｃの、 C₁₁…C₁₃ 〓〓 C₄₁…C₄₃ の各要素は、制御対象としての複数炉２０を自動
制御する前に、予じめその制御対象をモデルとし
て最適制御理論と、目標値Y_R1〜Y_R3を与えると
きの、操作変数U′c₁〜U′c₃、操作量U₁〜U₃、制
御量Y₁〜Y₃の挙動のシユミレーシヨンとにより
求め、最も適切に定められるものである。
（Control System Design for Furnace by
Using）（CAD“by K.Furuta et al at the
IFAC Symposium on the Theory and
Application of Digital Control、Delhi、
Session 20、1982参照）。

また、引出し点２１は、フイードバツク要素Ｆ
を介して差引き点２３に接続されている。これに
より、制御量Y₁〜Y₃を含む測定量Y₁〜Y₄にフイ
ードバツク動作が線形処理により遂行され、操作
量U₁〜U₄へ減算的に印加される。このフイード
バツク動作には、動的補償を含ませるようにして
もよい。フイードバツクの出力U_Fは、 UF＝UF₁ 〓 UF₄＝F₁₁…F₁₃ 〓〓 F₄₁…F₄₃Y₁ 〓 Y₃ である。

なお、 F₁₁…F₁₃ 〓〓 F₄₁…F₄₃ の各要素も、前述の最適制御理論と、シユミレー
シヨンとにより予じめ求められるものである。

更に、引出し点２４は、フイードフオワード要
素Ｎを介して加合せ点２３へ接続されている。こ
れにより、目標値Y_R1〜Y_R3にフイードフオワー
ド動作即ち比例動作が線形処理により遂行されて
操作量U₁〜U₄へ加算的に印加される。このフイ
ードフオワード動作には、動的補償を含ませるよ
うにしてもよい。フイードフオワードの出力U_N
は、 UN＝UN₁ 〓 UN₄＝N₁₁…N₁₃ 〓〓 N₄₁…N₄₃YR₁ 〓 YR₃ である。

この場合、 N₁₁…N₁₃ 〓〓 N₄₁…N₄₃ の各要素も、前述と同様に最適制御理論と、シユ
ミレーシヨンとによつて予じめ求められるもので
ある。

このように、操作量Ｕには、３種類の操作入力
が供給される結果、最終的には操作量Ｕは次のよ
うになる。

Ｕ＝Uc−U_F＋U_N 操作量へ供給されるこれらの和出力 Uc−U_F＋U_N が所定の範囲を越えるときに、前記積分動作を停
止させるリミツタＬが各操作ラインに介在されて
いる（第３図）。

第３図において、点線で囲む部分はCPUを表
わし、目標値Y_R1〜Y_R3の入力インターフエース
にはＡ／Ｄ変換のための入出力装置Ｉ／Ｏ−１、
操作量U₁〜U₄の出力インターフエースにはＤ／
Ａ変換のための入出力装置Ｉ／Ｏ−２、制御量
Y₁〜Y₃を含む測定量Y₁〜Y₄の後向き径路への入
力インターフエースにはＡ／Ｄ変換のための入力
装置Ｉ／Ｏ−３が介在されている（第３図）。

このように構成されて成る多変数自動制御系は
次のように動作する。

先ず複数炉２０を働らかせて、制御量Y₁〜Y₃
を含む測定量Y₁〜Y₄に応じて積分動作の初期値
を設定する（第４図）。次いで、CPUは目標値
Y_R1〜Y_R3、制御量Y₁〜Y₃を含む測定量Y₁〜Y₄の
データを読み取る。CPUの演算要素Ｃ、フイー
ドバツク要素Ｆ、フイードフオワード要素Ｎはそ
れぞれ前述の行列式で表わされる値に従つてその
演算を遂行し、 U′c＝U′c₁ 〓 U′c₄＝C₁₁…C₁₃ 〓〓 C₄₁…C₄₃ε₁ 〓 ε₃ UF＝UF₁ 〓 UF₄＝F₁₁…F₁₃ 〓〓 F₄₁…F₄₃Y₁ 〓 Y₃ UN＝UN₁ 〓 UN₄＝N₁₁…N₁₃ 〓〓 N₄₁…N₄₃YR₁ 〓 YR₃ を計算する。

この操作量出力は、所定の範囲内に維持されて
制御される必要がある。このため、各操作量出力
値は、その範囲にあるか否かが判断され、若しも
その範囲内にあるときは、積分動作を遂行し、範
囲を越えるときは、リミツタＬを介して出力せし
める（第４図）。

このようにして、各操作変数U′c₁…はそれぞれ
積分器I₁…I₄が働らき、積分動作が遂行されて Uc（ｔ）＝Uc（ｔ−１）＋U′c₁ 〓 U′c₄ の積分出力を生じる。

このような機能を導入すれば、本実施例のよう
に操作量としてのダンパーの開度が０〜100％で
あるにもかかわらず、動作開始時から積分動作を
遂行すれば、当初は操作量と目標値との差ε₁…ε₃
が大きいので、ダンパーの開度が事実上200ある
いは300％という不都合な操作量信号を発生する
ということが回避される。

こうして、積分器は目標値と制御量の差 ε＝YR₁ 〓 YR₃−Y₁ 〓 Y₃ が零になるまで積分動作を繰返し、制御量が目標
値に可及的に接近するように制御ループを形成す
るものである。

而して、操作量ＵＵ＝Uc−U_F＋U_N が計算され、制御対象２０へ出力される。

この場合、フイードバツク要素Ｆのフイードバ
ツク出力U_Fは、制御系の固有の特性を安定化さ
せる機能をもつものである。

一方、フイードフオワード要素Ｎの出力U_Fは、
目標値Y_Rに制御量Ｙが迅速に接近するようにそ
の立上りを早めるもので、特に炉の動作開始時に
大きな効果を有する。この要素Ｎにより制御系の
応答性（レスポンス）は一段と向上する。

こうして、操作量Ｕが制御対象２０へ出力され
ると、次のサンプリングまで所定時間遅延させ、
再び次の動作が繰返される。

上記実施例において、制御量、目標値は３個、
操作変数、操作量は４個、測定量に４個の場合に
ついて説明したが、それぞれｌ個、ｎ個、ｍ個
（ｌ、ｎ、ｍは正の整数で、ｎ、ｍ≧ｌ）の場合
にも、本発明は等しく適用できるものである。

以上の実施例からも明らかなように、本発明に
よれば、非干渉装置を介在せずに、制御対象とし
ての複数炉の温度の複数の制御量を含む測定量
が、ダンパーの開度の複数の操作量の何れによつ
ても変動する場合に、制御量をその目標値に調整
されるように操作量を制御するにあたり、制御量
と目標値の差から得られる操作変数のそれぞれに
積分動作を遂行して各操作量に印加するようにし
たから、各操作量が相互にかつ独立して機能を遂
行し制御量が目標値に接近するように多変数制御
される。また、この制御系にフイードフオワード
動作および（または）フイードバツク動作を遂行
させることによりレスポンスが向上し安定性が増
大し、しかも最も効率よく最小の熱量で各炉の炉
温を設定することができる。

付言するに、上述の複数炉とは、第２図ａに示
すような複数個の炉のみならず、同図ｂに示す単
一の炉を複数ゾーンに仕切つて実質的に複数炉を
形成する場合をも含むものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは複数炉（あるいは複数のゾーン
に仕切られた１つの炉）の従来の実施例を示す説
明図、第２図ａ，ｂは制御対象としての複数炉
（あるいは複数のゾーンに仕切られた１つの炉）
の説明図、第３図は該制御対象へ本発明を適用し
た自動制御方式のブロツクダイヤグラム、第４図
は該方式の動作フローチヤートを示す。２０……複数炉、Y₁〜Y₃……制御量、Y₁〜Y₄
……測定量、U₁〜U₄……操作量、Y_R1〜Y_R3……
目標値、ε₁〜ε₃……制御量と目標値の差、U′c₁〜
U′c₄……操作変数。

Claims

【特許請求の範囲】１加熱装置において加熱された熱風をそれぞれ
ダンパーを介して接続された複数炉に直接供給し
て各炉内をそれぞれ所望の温度に調節する複数炉
の温度制御方式において、複数炉の温度の複数の
制御量Ｙ＝Y₁ 〓 Yl を含む複数の測定量 Y₁ 〓 Ym が、ダンパーの開度の複数の操作量Ｕ＝U₁ 〓 Un （但し、ｌ、ｎ、ｍは２以上の正の整数でｎ、ｍ
≧ｌ）の何れによつても変動する場合に、前記制御量が
その目標値 Y_R＝YR₁ 〓 YRl に調節されるように前記操作量を制御するにあた
り、前記制御量と前記目標値の差 YR−Ｙ＝YR₁−Y₁ 〓〓 YRl−Yl＝ε₁ 〓 εl を、前記目標値を与えるときの前記操作量および
前記制御量の挙動のシユミレーシヨン評価して予
じめ決定された演算要素 C₁₁…C₁l 〓〓 Cn₁…Cnl に乗じて算出させる操作変数 U′c＝U′c₁ 〓 U′cn のそれぞれに積分動作を遂行した出力 Uc＝Uc₁ 〓 Ucn を各操作量とし、前記制御量を含む複数個の測定量 Y₁ 〓 Ym にフイードバツク動作を遂行した出力 UF＝UF₁ 〓 UFn を前記各操作量へそれぞれ印加すると共に、前記
各操作量へそれぞれ供給される前記出力Uc−前
記出力U_Fの和出力が所定の範囲を越えるときに、
前記積分動作をそれぞれ停止させることを特徴と
した複数炉の温度制御方式。