JPH0876805A - プロセス制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、制御対象となるプロセスがむだ時
間を有し、このむだ時間が時変であっても、オンライン
またはオフラインで、むだ時間を直接的に推定し、むだ
時間に起因する安定性の劣化を補償する。 【構成】 一定期間毎に、同定信号発生器６を動作させ
て、プロセス８に同定信号を印加し、同定機構７によっ
て前記同定信号の印加したタイミング及びその周波数特
性と、プロセス８の出力値の変化タイミングおよびその
周波数特性とに基づき、前記プロセス８のむだ時間Ｌｍ
と、伝達関数Ｇｍとをオンラインで、かつリアルタイム
で求めて、これをむだ時間補償器５のむだ時間補償特性
Ｇｍ（１−ｅ^-Lms）を更新する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラントなどのプロセス
を制御するプロセス制御装置に係わり、特にオンライン
でプロセスが持っているむだ時間を同定する機能を有す
るプロセス制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラントなどのプロセスを制御するプロ
セス制御装置として、従来、図５に示す装置が知られて
いる。

【０００３】この図に示すプロセス制御装置１０１は設
定値とプロセス１０４の出力値との差分を演算する減算
器１０２と、制御対象となるプロセス１０４の動特性Ｇ
ｐ、むだ時間ｅ^-Ls に応じた特性Ｇｃを有し、前記減算
器１０２から出力される差分値と前記特性Ｇｃとに基づ
きプロセス１０４の入力値を演算する制御補償器１０３
とを備えており、設定値とプロセス１０４の出力値とに
応じて減算器１０２および制御補償器１０３を動作させ
てむだ時間を有するプロセス１０４の入力値を演算し、
制御対象となるプロセス１０４を制御する。

【０００４】また、このプロセス制御装置１０１では、
プロセス１０４が持っているむだ時間ｅ^-Ls を補償する
のが難しいことから、このようなむだ時間ｅ^-Ls を補償
することができるプロセス制御装置として、図６に示す
如くスミスの補償法を使用したプロセス制御装置１１０
も開発されている。

【０００５】この図に示すプロセス制御装置１１０は設
定値とプロセス１１５の出力値との差分値を演算する減
算器１１１と、この減算器１１１から出力される差分値
とフィードバックされたむだ時間補償値との差分値を演
算する減算器１１２と、制御対象となるプロセス１１５
の動特性Ｇｐ、むだ時間ｅ^-Ls に応じた特性Ｇｃを有
し、前記減算器１１２から出力される差分値と前記特性
Ｇｃとに基づき、プロセス１１５の入力値を演算する制
御補償器１１３と、前記プロセス１１５の動特性Ｇｐ、
むだ時間ｅ^-Ls に応じたむだ時間補償特性Ｇｐ（１−ｅ
^-Ls ）を有し、前記制御補償器１１３から出力される前
記プロセス１１５の入力値と前記むだ時間補償特性Ｇｐ
（１−ｅ^-Ls ）とに基づき、むだ時間補償値を演算して
これを前記減算器１１２にフィードバックするむだ時間
補償器１１４とを備えている。

【０００６】そして、設定値とプロセス１１５の出力値
との差分値を演算するとともに、フィードバックされた
むだ時間補償値に基づき、前記差分値を補償した後、補
償済みの差分値に応じて制御補償器１１３を動作させ
て、むだ時間を有するプロセス１１５の入力値を演算
し、さらにこのプロセス１１５の入力値に応じてむだ時
間補償器１１４を動作させてフィードバック用のむだ時
間補償値を更新しながら、前記プロセス１１５の入力値
に基づき、制御対象となるプロセス１１５を制御する。

【０００７】また、このようなプロセス制御装置１１０
では、むだ時間補償値を演算するむだ時間補償器１１４
がフィードバックループの中に入っており、安定性が劣
化してしまうことがあることから、前記プロセス制御装
置１１０を等価変換し、これによって安定性を向上させ
たプロセス制御装置として、図７に示す如くむだ時間補
償値を演算するむだ時間補償器１１４をフィードバック
ループの外側に出したプロセス制御装置も開発されてい
る。

【０００８】この図に示すプロセス制御装置１２０は設
定値とプロセス１２５の中間値との差分を演算する減算
器１２１と、制御対象となるプロセス１２５内の動特性
Ｇｐを持つ動プロセス１２３および前記プロセス１２５
内のむだ時間ｅ^-Ls を持つむだ時間プロセス１２４に応
じた特性Ｇｃを有し、前記減算器１２１から出力される
差分信号と前記特性Ｇｃとに基づきプロセス１２５の入
力値を演算する制御補償器１２２とを備えており、設定
値とプロセス１２５の中間値とに応じて減算器１２１お
よび制御補償器１２２を動作させて、動特性Ｇｐを持つ
動プロセス１２３およびむだ時間ｅ^-Ls を持つむだ時間
プロセス１２４によって構成される、制御対象となるプ
ロセス１２５の入力値を演算し、これよって前記プロセ
ス１２５を制御する。

【０００９】なお、図６および図７に示すプロセス制御
装置１１０、１２０では、制御対象となるプロセス１１
５、１２５の動特性Ｇｐおよびむだ時間ｅ^-Ls が時不変
であることを前提としている。

【００１０】ところで、上述した各プロセス制御装置１
０１、１１０、１２０では、プロセス１０４、１１５、
１２５の動特性Ｇｐおよびむだ時間ｅ^-Ls を測定して、
制御補償器１０３、１１３、１２２の特性Ｇｃなどを決
定しなければならない。

【００１１】そして、従来、このようなプロセス１０
４、１１５、１２５の動特性Ｇｐおよびむだ時間ｅ^-Ls
を測定する方法として、ステップ応答法や周波数応答法
などの方法が提案されている。

【００１２】この場合、ステップ応答法では、動特性Ｇ
ｐおよびむだ時間ｅ^-Ls の設定対象となるプロセス制御
装置が上述した各プロセス制御装置１０１、１１０、１
２０のいずれか、例えば図５に示すプロセス制御装置１
０１であれば、図８に示す如く制御対象となるプロセス
１０４に対し、時刻“０”で、十分な大きさのステップ
入力を印加し、前記プロセス１０４が応答を始めるまで
の時間ｔｄを測定し、この時間ｔｄをむだ時間とすると
ともに、時刻“０”から時間ｔｄが経過した後における
プロセス１０４の応答から制御対象となっているプロセ
ス１０４の動特性Ｇｐを求める。この際、一般的には、
ステップ入力信号の周波数特性および出力信号の周波数
特性から制御対象となるプロセス１０４の動特性（伝達
関数）Ｇｐを求めている。

【００１３】また、周波数応答法では、制御対象となる
プロセス１０４、１１５、１２５に対し、種々の周波数
を持つ信号を入力しながら、プロセス１０４、１１５、
１２５の応答特性を測定し、この測定結果からボード線
図を作成し、このボード線図から制御対象となっている
プロセス１０４、１１５、１２５の動特性Ｇｐおよびむ
だ時間ｅ^-Ls を求める。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た各プロセス制御装置１０１、１１０、１２０では、次
ぎに述べるような問題があった。

【００１５】すなわち、プロセス１０４、１１５、１２
５にステップ入力を加え、制御対象となるプロセス１０
４、１１５、１２５が応答するまでの時間から、むだ時
間を求める場合、プロセス１０４、１１５、１２５が稼
動しているときには、プロセス１０４、１１５、１２５
の状態を乱すことになるので、十分な応答が得られる程
のステップ入力を加えることができないという問題があ
る。

【００１６】そこで、このような問題が発生しない方法
として、プロセス１０４、１１５、１２５にＭ系列信号
を印加する方法で、プロセス１０４、１１５、１２５の
特性を測定する方法もあるが、図９（ａ）、（ｂ）に示
す如く周波数領域でのモデリングでは、時間情報が欠落
してしまうので、むだ時間をパティ近似して表現するこ
とができるものの、直接的に、推定することが難しいと
いう問題がある。

【００１７】また、むだ時間系を持つプロセス１０４、
１１５、１２５を制御する場合には、スミスの補償法が
有効であるものの、むだ時間の大きさが既知である必要
がある。

【００１８】このため、むだ時間が時変であるプロセス
にスミスの補償法を適用するのが難しく、プロセスを稼
動させている最中に、むだ時間を推定し、これを適応的
に補償しようとすると、その制御構造が複雑なものにな
ってしまうという問題があった。

【００１９】本発明は上記の事情に鑑み、制御対象とな
るプロセスがむだ時間を有し、このむだ時間が時変であ
っても、オンラインまたはオフラインで、むだ時間を直
接的に推定することができ、むだ時間に起因する安定性
の劣化を補償することができるプロセス制御装置を提供
することを目的としている。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明は、請求項１では、制御対象となるプロセス
の出力値と、このプロセスの設定値との差分を演算する
とともに、この差分と、前記プロセスの特性に対応する
演算式とに基づいて入力値を演算して前記プロセスに印
加し、このプロセスを制御するプロセス制御装置におい
て、前記プロセスに悪影響を与えない特性を持つ同定信
号を生成し、これを前記プロセスに印加する同定信号発
生器と、前記プロセスの入力値と出力値とを取り込むと
ともに、時間・周波数解析手法を用いて前記入力値の時
間・周波数変化と出力値の時間・周波数変化との関係を
求め、これらの関係に基づき、前記プロセスの特性値を
演算し、前記演算式を更新する同定機構とを備えたこと
を特徴としている。

【００２１】また、請求項２では、請求項１に記載のプ
ロセス制御装置において、前記同定機構により、前記プ
ロセスの入力値と出力値とを取り込むとともに、時間・
周波数解析手法を用いて前記入力値の時間・周波数変化
と出力値の時間・周波数変化との時間差関係を求め、こ
の時間差関係に基づき、前記プロセスのむだ時間を直
接、演算することを特徴としている。

【００２２】また、請求項３では、請求項１に記載のプ
ロセス制御装置において、前記同定機構により、前記プ
ロセスの入力値と出力値とを取り込むとともに、時間・
周波数解析手法を用いて前記入力値の時間・周波数変化
と出力値の時間・周波数変化との周波数関係を求め、こ
の周波数関係に基づき、むだ時間を零としたときの前記
プロセスの動特性を演算することを特徴としている。

【００２３】

【作用】上記の構成において、請求項１では、制御対象
となるプロセスの出力値と、このプロセスの設定値との
差分を演算するとともに、この差分と、前記プロセスの
特性に対応する演算式とに基づいて入力値を演算して前
記プロセスに印加し、このプロセスを制御するプロセス
制御装置において、同定信号発生器によって前記プロセ
スに悪影響を与えない特性を持つ同定信号を生成し、こ
れを前記プロセスに印加しながら、同定機構によって前
記プロセスの入力値と出力値とを取り込むとともに、時
間・周波数解析手法を用いて前記入力値の時間・周波数
変化と出力値の時間・周波数変化との関係を求め、これ
らの関係に基づき、前記プロセスの特性値を演算し、前
記演算式を更新することにより、制御対象となるプロセ
スがむだ時間を有し、このむだ時間が時変であっても、
オンラインまたはオフラインで、むだ時間を直接的に推
定し、むだ時間に起因する安定性の劣化を補償する。

【００２４】また、請求項２では、請求項１に記載のプ
ロセス制御装置において、前記同定機構により、前記プ
ロセスの入力値と出力値とを取り込むとともに、時間・
周波数解析手法を用いて前記入力値の時間・周波数変化
と出力値の時間・周波数変化との時間差関係を求め、こ
の時間差関係に基づき、前記プロセスのむだ時間を直
接、演算することにより、制御対象となるプロセスがむ
だ時間を有し、このむだ時間が時変であっても、オンラ
インまたはオフラインで、むだ時間を直接的に推定し、
むだ時間に起因する安定性の劣化を補償する。

【００２５】また、請求項３では、請求項１に記載のプ
ロセス制御装置において、前記同定機構により、前記プ
ロセスの入力値と出力値とを取り込むとともに、時間・
周波数解析手法を用いて前記入力値の時間・周波数変化
と出力値の時間・周波数変化との周波数関係を求め、こ
の周波数関係に基づき、むだ時間を零としたときの前記
プロセスの動特性を演算することにより、制御対象とな
るプロセスがむだ時間を有し、このむだ時間が時変であ
っても、オンラインまたはオフラインで、むだ時間を直
接的に推定し、むだ時間に起因する安定性の劣化を補償
する。

【００２６】

【実施例】図１は本発明によるプロセス制御装置の一実
施例を示すブロック図である。

【００２７】この図に示すプロセス制御装置１は設定値
とプロセス８の出力値との差分値を演算する減算器２
と、この減算器２から出力される差分値とフィードバッ
クされたむだ時間補償値との差分値を演算する減算器３
と、制御対象となるプロセス８の動特性Ｇｐ、むだ時間
ｅ^-Ls に応じた特性Ｇｃを有し、前記減算器３から出力
される差分値と前記特性Ｇｃとに基づき、プロセス８の
入力値を演算する制御補償器４と、前記プロセス８の動
特性Ｇｐ、むだ時間ｅ^-Ls に応じたむだ時間補償特性Ｇ
ｍ（１−ｅ^-Lms）を有し、前記制御補償器４から出力さ
れる前記プロセス８の入力値と前記むだ時間補償特性Ｇ
ｍ（１−ｅ^-Lms）とに基づき、むだ時間補償値を演算し
てこれを前記減算器３にフィードバックするむだ時間補
償器５とを備えている。

【００２８】さらに、このプロセス制御装置１は所定の
タイミングで、前記制御補償器４から出力される前記プ
ロセス８の入力値の周波数成分と十分識別可能な周波数
のサイン波などによって構成される同定信号を発生して
前記プロセス８に印加する同定信号発生器６と、この同
定信号発生器６から出力され、前記プロセス８に入力さ
れる同定信号と前記プロセス８の出力値（応答値）とを
取り込み、図２に示す如く同定信号を印加したとき、時
間・周波数解析を開始して、前記プロセス８のむだ時間
Ｌｍと伝達関数Ｇｍとを演算して、前記むだ時間補償器
５のむだ時間補償特性Ｇｍ（１−ｅ^-Lms）を設定する同
定機構７とを備えている。なお、この同定機構７につい
ては、後で詳細に説明する。

【００２９】そして、各減算器２、３によって設定値と
プロセス８の出力値との差分値を演算するとともに、フ
ィードバックされたむだ時間補償値に基づき、前記差分
値を補償した後、補償済みの差分値に応じて制御補償器
４を動作させて、むだ時間を有するプロセス８の入力値
を演算し、さらにこのプロセス８の入力値に応じてむだ
時間補償器５を動作させて、フィードバック用のむだ時
間補償値を演算しながら、前記プロセス８の入力値に基
づき、制御対象となるプロセス８を制御する。

【００３０】また、この動作と並行し、一定期間毎に、
同定信号発生器６を動作させて、同定信号を前記プロセ
ス８に入力しながら、同定機構７によって前記プロセス
８に入力される同定信号の入力タイミングおよび周波数
特性と、前記プロセス８から出力される出力値の変化タ
イミングおよび周波数特性とを比較して前記プロセス８
のむだ時間Ｌｍと伝達関数Ｇｍとを演算して、前記むだ
時間補償器５のむだ時間補償特性Ｇｍ（１−ｅ^-Lms）を
更新する。

【００３１】この場合、前記同定機構７は図３に示す如
く前記プロセス８から出力される出力値を取り込み、こ
れをウエーブレット変換して、時間・周波数特性を求め
るウエーブレット変換器１０と、前記同定信号発生器６
から出力される同定信号および前記プロセス８から出力
される出力値に基づいて得られる同期信号と前記ウエー
ブレット変換器１０から出力される周波数・スペクトル
値とに基づいてむだ時間Ｌｍを推定するむだ時間推定器
１１と、前記同定信号発生器６から出力される同定信号
を取り込み、これをＦＦＴ（高速フーリェ変換）して周
波数特性を求めるＦＦＴ器１２と、このＦＦＴ器１２か
ら出力される周波数・スペクトル値と前記ウエーブレッ
ト変換器１０から出力される周波数・スペクトル値のう
ち、前記むだ時間Ｌｍが経過した後の周波数・スペクト
ル値とを比較する比演算器１３と、この比演算器１３の
比較結果に基づいて前記プロセス８の伝達関数Ｇｍを求
める伝達関数演算器１４とを備えている。

【００３２】そして、この同定機構７では、前記同定信
号発生器６から同定信号が出力されていないときには、
プロセス８の出力値が変化せず、図４（ａ）に示す如く
時間が経過しても、ウエーブレット変換器１０から出力
される周波数・スペクトル値がほぼ一定の値になり、前
記同定信号発生器６から同定信号が出力され、これがプ
ロセス８に印加されたとき、図４（ｂ）に示す如く前記
同定信号がプロセス８に印加されてから、むだ時間分Ｌ
ｍだけ、時間が経過したとき、前記プロセス８の出力値
の周波数が変化することを利用して、むだ時間Ｌｍを推
定する。

【００３３】さらに、前記同定信号発生器６から同定信
号が出力され、これがプロセス８に印加されてから、む
だ時間Ｌｍが経過した後、周波数“０”から所定周波数
ｆまでの範囲の周波数ωについて、プロセス８の出力値
の周波数特性と、前記プロセス８の入力値とを比較し、
次式に示す演算式で、前記プロセス８の伝達関数Ｇｍを
求める。

【００３４】

【数１】 Ｇｍ＝｜プロセス８の出力値の周波数特性 ／プロセス８の入力値の周波数特性｜ …（１） これによって、このプロセス制御装置１では、各減算器
２、３、制御補償器４、むだ時間補償器５によってプロ
セス８を制御しながら、一定期間毎に、同定信号発生器
６を動作させて、プロセス８に同定信号を印加し、同定
機構７によって前記同定信号の印加したタイミングおよ
びその周波数特性と、プロセス８の出力値の変化タイミ
ングおよびその周波数特性とに基づき、前記プロセス８
のむだ時間Ｌｍと、伝達関数Ｇｍとをオンラインで、か
つリアルタイムで求めて、むだ時間補償器５のむだ時間
補償特性Ｇｍ（１−ｅ^-Lms）を更新することができる。

【００３５】このように、この実施例においては、各減
算器２、３、制御補償器４、むだ時間補償器５によって
プロセス８を制御しながら、一定期間毎に、同定信号発
生器６を動作させて、プロセス８に同定信号を印加し、
同定機構７によって前記同定信号の印加したタイミング
およびその周波数特性と、プロセス８の出力値の変化タ
イミングおよびその周波数特性とに基づき、前記プロセ
ス８のむだ時間Ｌｍと、伝達関数Ｇｍとをオンライン
で、かつリアルタイムで求めて、むだ時間補償器５のむ
だ時間補償特性Ｇｍ（１−ｅ^-Lms）を更新するようにし
たので、制御対象となるプロセス８がむだ時間を有し、
このむだ時間が時変であっても、オンラインまたはオフ
ラインで、むだ時間を直接的に推定することができ、む
だ時間に起因する安定性の劣化を補償することができ
る。

【００３６】また、上述した実施例においては、同定機
構７内にウエーブレット変換器１０を配置し、ウエーブ
レット変換によってプロセス８の出力値の時間・周波数
解析するようにしているが、このようなウエーブレット
変換以外の時間・周波数解析方法、例えばＳＴＦＴやウ
ィグナー分布関数などの時間・周波数解析方法を用い
て、プロセス８の出力値の時間・周波数解析を行うよう
にしても良い。

【００３７】また、上述した実施例においては、制御補
償器４の特性Ｇｃを固定するようにしているが、前記同
定機構７によってむだ時間補償器５のむだ時間補償特性
Ｇｍ（１−ｅ^-Lms）を更新する際、これに合わせて制御
補償器４の特性Ｇｃのパラメータを適応的に調整するよ
うにしても良い。

【００３８】また、上述した実施例においては、制御補
償器４のフィードバックループ内にむだ時間補償器５を
配置するようにしているが、従来から知られているスミ
ス補償法の変形型（図７に示すプロセス制御装置１２０
を参照）と同様な手法で、フィードバックループ内から
むだ時間補償器５を無くすようにしたり、これに対応し
て制御補償器４のパラメータ調整を行うようにしたりし
ても良い。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、請
求項１〜３では、制御対象となるプロセスがむだ時間を
有し、このむだ時間が時変であっても、オンラインまた
はオフラインで、むだ時間を直接的に推定することがで
き、むだ時間に起因する安定性の劣化を補償することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプロセス制御装置の一実施例を示
すブロック図である。

【図２】図１に示す同定機構の動作タイミング例を示す
タイミング図である。

【図３】図１に示す同定機構の詳細な構成例を示すブロ
ック図である。

【図４】図１に示す同定機構の時間・周波数解析例を示
す模式図である。

【図５】従来から知られているプロセス制御装置の第１
例を示すブロック図である。

【図６】従来から知られているプロセス制御装置の第２
例を示すブロック図である。

【図７】従来から知られているプロセス制御装置の第３
例を示すブロック図である。

【図８】従来から知られている同定方法の一例を示す図
である。

【図９】従来から知られている同定方法の他の一例を示
す周波数・スペクトル図である。

【符号の説明】

１ プロセス制御装置 ２ 減算器 ３ 減算器 ４ 制御補償器 ５ むだ時間補償器 ６ 同定信号発生器 ７ 同定機構 ８ プロセス １０ ウエーブレット変換器 １１ むだ時間推定器 １２ ＦＦＴ器 １３ 比演算器 １４ 伝達関数演算器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御対象となるプロセスの出力値と、こ
   のプロセスの設定値との差分を演算するとともに、この
   差分と、前記プロセスの特性に対応する演算式とに基づ
   いて入力値を演算して前記プロセスに印加し、このプロ
   セスを制御するプロセス制御装置において、 前記プロセスに悪影響を与えない特性を持つ同定信号を
   生成し、これを前記プロセスに印加する同定信号発生器
   と、 前記プロセスの入力値と出力値とを取り込むとともに、
   時間・周波数解析手法を用いて前記入力値の時間・周波
   数変化と出力値の時間・周波数変化との関係を求め、こ
   れらの関係に基づき、前記プロセスの特性値を演算し、
   前記演算式を更新する同定機構と、 を備えたことを特徴とするプロセス制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のプロセス制御装置にお
   いて、 前記同定機構は前記プロセスの入力値と出力値とを取り
   込むとともに、時間・周波数解析手法を用いて前記入力
   値の時間・周波数変化と出力値の時間・周波数変化との
   時間差関係を求め、この時間差関係に基づき、前記プロ
   セスのむだ時間を直接、演算する、 ことを特徴とするプロセス制御装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のプロセス制御装置にお
   いて、 前記同定機構は前記プロセスの入力値と出力値とを取り
   込むとともに、時間・周波数解析手法を用いて前記入力
   値の時間・周波数変化と出力値の時間・周波数変化との
   周波数関係を求め、この周波数関係に基づき、むだ時間
   を零としたときの前記プロセスの動特性を演算する、 ことを特徴とするプロセス制御装置。