JPH11513148A - 多変数予測コントローラに独立フィードフォワード制御を組込む方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 プロセス制御システムはフィードバックコントローラを含み且つ少なくとも１つの操作変数と、少なくとも１つの制御量とを有する。フィードフォワードループが含まれており、システムは外乱を受ける。次の過程から成る独立フィードフォワード制御がフィードバックコントローラに組込まれる。ｃｖごとにフィードフォワード制御ファネルと、フィードバック制御ファネルとを定義して、外乱を排除すべき時間Ｔ_FFと、制御量が定常状態値に到達すべき時間Ｔ_FBとをそれぞれ指定する。フィードフォワード制御ファネル及びフィードバック制御ファネルのうち短いほうを選択する。Ｔ_FFがＴ_FBより短い場合、フィードバックコントローラの速度が増さないようにフィードバック制御速度を補正する。Ｔ_FFがＴ_FB以上である場合には、補正は実行されないので、フィードフォワード制御解及びフィードバック制御解のための独立同調パラメータが有効に提供される。ｃｖの新たな値を計算し、新たに計算されたそれらのｃｖによりプロセスを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】 多変数予測コントローラに 独立フィードフォワード制御を組込む方法 発明の背景 本発明は制御システムに関し、特に、多変数予測コントローラに独立フィード フォワード制御を組込む方法に関する。 フィードフォワード制御を含む現在の制御システムにおいては、このフィード フォワード制御を処理する従来の方式の１つは、フィードバック（ＦＢ）コント ローラと、フィードフォワード（ＦＦ）コントローラという２つのコントローラ を含んでおり、各コントローラは独自の一組の同調パラメータを有する。現在利 用可能なシステムの中には、単一のフィードバックコントローラを利用し、フィ ードバックループの誤差をフィードフォワードループの外乱誤差と組合わせるも のがある。移動を出力してフィードバックの誤差とフィードフォワードの外乱の 影響を排除するＦＢコントローラにより単一の修正解が生成される。この単一の フィードバックコントローラは、１組の同調パラメータを有し、それにより、外 乱の影響を相殺できる速度を制限する。外乱を排除する速度を増すためにコント ローラの速度を上げると、フィードバックコントローラの安定性限界が劣化する 。フィードフォワードコントローラは開ループ制御であるが、すなわち、フィー ドフォワードモデルが安定している限り、本来、フィードフォワードの動作は安 定しているが、制御速度が余りにも速くなってしまうと、フィードバック制御は 不安定になる可能性があるので、フィードフォワード制御速度はフィードバック コントローラの速度を上回る速さになることがある。フィードフォワード制御の 速度が増すように指定されれば、不安定状態に陥る可能性はない。ユーザがフィ ードバックコントローラをより高速で動作させるべく同調する場合、フィードバ ックコントローラが不安定状態に入らないように保証するために注意しなければ ならない。従って、フィードバックコントローラと、フィードフォワードコント ローラとに関して、独立した同調パラメータを得ることが望ましい。単一のコン ト ローラでフィードバック制御と、フィードフォワード制御とを実行するために２ つの制御アルゴリズムを利用する多変数予測コントローラは、ＣＰＵ時間を余り にも多く消費しすぎる。そのため、フィードバックコントローラがフィードフォ ワード動作とフィードバック動作とを組合わせると共に、フィードバック制御の ための１組の同調パラメータ及びフィードフォワード制御のための１組の同調パ ラメータという別個の独立した同調を行うような多変数予測コントローラを提供 することが望まれる。 そこで、本発明により、多変数予測コントローラのフィードバックコントロー ラに独立フィードフォワード制御を組込む方法が提供される。 発明の概要 従って、本発明により、多変数予測コントローラに独立フィードフォワード制 御を組込む方法が提供される。プロセス制御システムはフィードバックコントロ ーラを含むと共に、少なくとも１つの操作変数（ｍｖ）と、少なくとも１つの制 御量（ｃｖ）とを含む。プロセス制御システムはフィードフォワードループをさ らに含み、プロセス制御システムは外乱を受ける。本発明の方法はフィードバッ クコントローラに独立フィードフォワード制御を組込むもので、制御量ごとのフ ィードフォワード制御ファネルと、ｃｖごとのフィードバック制御ファネルとを 定義する過程を含む。フィードフォワード制御ファネルは外乱を排除すべき第１ の時間Ｔ_FFと、入力変化に応答して制御量が定常状態値に到達すべき第２の時間 Ｔ_FBとを指定する。ｃｖごとに、フィードフォワード制御ファネルとフィードバ ック制御ファネルのうち短いほうを選択する。第１の時間Ｔ_FFが第２の時間Ｔ_FB より短い場合、フィードバックコントローラの速度が増さないようにフィードバ ック制御速度を補正する。Ｔ_FFがＴ_FB以上である場合には、補正は実行されず、 それにより、フィードフォワードＦ制御解及びフィードバック制御解のための独 立した同調パラメータを有効に得る。制御量の新たな値をフィードバックコント ローラの制御手順に従って計算し、新たに計算された解に従ってプロセスを制御 する。 従って、本発明の目的は、コントローラにフィードフォワード制御を組込む方 法を提供することである。 本発明の別の目的は、コントローラに独立フィードフォワード制御を組込む方 法を提供することである。 本発明のさらに別の目的は、多変数予測コントローラに独立フィードフォワー ド制御を組込む方法を提供することである。 本発明のこれらの目的及びその他の目的は以下の説明及び添付の図面と関連さ せることによりさらに明白になるであろう。図面中、同じ図中符号は同じ部分を 指示し、図面は本出願の一部を成す。 図面の簡単な説明 図１は、本発明を利用できるプロセス制御システムの機能ブロック線図を示す 。 図２は、プロセス変数とセットポイントの変化の応答曲線を示す。 図３は、図３Ａ及び図３Ｂから構成されており、フィードバック制御ファネル の１例と、フィードフォワード制御ファネルの１例とをそれぞれ示す。 図４は、本発明の好ましい一実施形態の機能ブロック線図を示す。 詳細な説明 本発明の方法を説明する前に、本発明が利用されるシステム環境について理解 しておくと有用であろう。 図１を参照すると、本発明を利用しうるプロセス制御システムの機能ブロック 線図が示されている。コントローラ１０は、入力変数ｕとしてプロセス２０に結 合される複数の出力を有する。プロセス２０は、たとえば、弁，ヒータのように 制御が可能である複数の要素を含むことができる。プロセス２０のプロセス変数 ｙには、製品の品質を左右する温度，圧力，レベル，流量などがある。入力変数 （又は操作変数）ｕは次のように定義され： また、出力変数（又は制御量）ｃｖは次のように定義されている： 従って、プロセス２０はｍ個の操作変数と、ｎ個の制御量とを有する動的プロ セスＰ（ｓ）である。制御量（ｃｖ）はｎ₁個の調整ｃｖと、ｎ₂個の抑制ｃｖと 、ｎ₃個の最適化ｃｖとを含む。一般に、 ｎ ≧ ｍ ＞ ｎ₁ 本発明においては、制御仕様ｒ（以前のシステムでは、これをセットポイント と呼んでいた）を次のように定義する： は上限のいずれか一方しか存在しない。最後に、最適化ｃｖの場合には、上下限 は全く存在しない。 コントローラ１０の範囲制御システムは、下記の式に従って先に確定した３つ のケースを処理するように公式化されている。 ただし、ｘ、ｙは である。 式中、Ｗはユーザ重み付けマトリクスであり；Ａは出力のプロセスダイナミクス を入力と関連づける動的モデルマトリクス（ａ_ij個の係数）であり；ｙ（最適範 囲軌跡）は範囲変数（セットポイントの拡張）であり；ｘ（制御解）はアプリケ ーションに応じた操作変数Δｕ（すなわち、Δｕ＝ｕ_CURRENT−ｕ_LAST）である ある。 多変数予測コントローラ（ＭＰＣ）のさらに詳細な説明については、本出願と 同一の譲受人に譲渡され且つ本明細書にも参考として取り入れられている１９９ ４年９月２７日発行の名称「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｂｌｅ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｒａｎｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ」による米国特許第５，３５１，１８４号を参照のこと。 次に、本発明を説明する。本発明の好ましい実施形態においては、フィードバ ックコントローラを利用するプロセス制御システムにフィードフォワード制御を 含めている。先に挙げた特許である米国特許第５，３５１，１８４号の中に詳細 に説明されているコントローラ１０の二（２）つの範囲制御手順（レンジコント ロールアルゴリズム（ＲＣＡ）ともいう）を使用しないことが望ましい。これは 、２つの手順を使用するとＣＰＵ時間が倍増するであろうと考えられるからであ る。本発明の好ましい実施形態は同じＲＣＡを利用し且つ同じ１つのコントロー ラ１０を使用するが、２つの異なる独立したコントローラを有するという効果を 実現する。 図２を参照すると、セットポイントｓｐの変化に対するプロセス変数ｐｖ（制 御量ｃｖともいう）の応答曲線が示されている。ファネルは、時間Ｔ₁のときに プロセス変数が所望の値（定常値）に到達するように、ファネルの上限（ＦＵＮ て定義されている。このファネルは応答曲線に関して上下限を規定する。本発明 の好ましい実施形態の多変数予測コントローラは先に挙げた特許の中にさらに詳 細に説明されている範囲制御を利用するため、図２の曲線は範囲δを示している が、本発明に関しては範囲制御が要求されないことは当業者には認められるであ ろう。 本発明を実現する際には、フィードバック制御ファネル及びフィードフォワー ド制御ファネルという二（２）つのファネルを定義する。２つのファネルを定義 することにより、ユーザは外乱の影響を拒絶することを望む時間を指定できると 共に、セットポイントの変化に応答してｃｖをその動作（定常）値に到達させる ことを望む別の時間を指定することもできる。 ファネルは、図３Ａ及び図３Ｂから成る図３に示すように定義されている。図 ３のＡは、ｃｖがシステム開ループ応答時間の時間 ．８（すなわち、８０％） でその動作値に到達するようなフィードバック（ＦＢ）制御ファネルの１例を示 す。すなわち、ｃｖ性能比は次のように定義される。 この例では、 ．８値はユーザにより指定されるであろう。フィードフォワー ド（ＦＦ）対フィードバック（ＦＢ）性能比を定義するフィードフォワード制御 ファネルもユーザにより指定される。図３のＢの例においては、図３Ａの ．８ のｃｖ性能比が選択されている先に挙げた例については、開ループ応答時間の４ ０％以内でフィードフォワード外乱が拒絶されることを意味する ．５ のＦＦ／ ＦＢ性能比が指定される。 コントローラ１０は、外乱の影響を排除すべき時間Ｔ_FFと、プロセス変数の動 作値を達成する時間Ｔ_FB（短いほうの時間が「短いファネル」を定義する）とを 含むファネルの特性を入力していた。本発明の好ましい実施形態のコントローラ １０は２つのファネルのうち、短いほうのファネルを使用する。そこで、外乱の 影響を拒絶するというユーザの要求は満たされる。（この例では、ＦＦ制御ファ ネルが短いほうのファネルである。）しかしながら、今日のコントローラはセッ トポイント追跡のためのＣＶ応答時間を満たすというユーザの要求を満たさない 。 ２つの時間要求を満たすために、すなわち、独立した同調パラメータをもたせ るために、プロセス制御システムを図４に示すように変形する。すなわち、これ が本発明の好ましい実施形態である。コントローラ１０のＲＣＡアルゴリズムは 、ｃｖごとに２つのファネルのうち短いほうのファネルを使用するように変形さ れている。従って、より速いコントローラ速度を選択することになる。さらに、 システムは、フィルタＦ_i（ｉ＝ｃｖの数）を有する対角フィルタ３０を含むよ うに変形されている。ｃＶごとに１つずつのフィルタは、レンジコントロールア ルゴリズムによるスピードアップがないかのようにフィードバックコントローラ １０の速度を補正する。それらのフィルタは次のような形態を有する： この式において、ＦＦとＦＢの比が１未満の場合、サンプリング時間をＴ_sとす るとき、 となり、 ＦＦとＦＢの比が１以上の場合には、 τ_i ＝ ０ となる。外乱は（当業者には良く知られているように）ＦＦモデル５０に結合し 、その出力はｃｖごとのフィルタの出力に加算され、その合計はコントローラ１ ０に入力される。プロセスに対する外乱の影響、すなわち、ｃｖに対する影響を 表 わすＦＦプロセス５０が含まれている。これにより、ＦＦプロセス５０の出力は プロセス２０の出力ｃｖに加算されて、当業者には良く知られているように、複 数のｃｖに対する合成影響を得る。従って、独立フィードフォワード制御を多変 数予測コントローラに組込む方法を含むプロセス制御システムを示したことにな る。 本発明の好ましい実施形態であると考えられるものを示したが、本発明の本質 的な趣旨から逸脱することなく、この実施形態に関して数多くの変更や変形を実 施できることは明白であろう。従って、添付の請求の範囲においては、本発明の 真の範囲内に含まれる全てのそのような変更及び変形を包含するものとする。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 請求項１． フィードバックコントローラを有し、少なくとも１つの操作変数 （ｍｖ）と少なくとも１つの制御量（ｃｖ）とをさらに有し、かつフィードフォ ワードループをさらに含む、外乱を受けるプロセス制御システムで、独立フィー ドフォワード制御をフィードバックコントローラに組込む方法において、 ａ）制御変数ごとに、外乱を排除すべき第１の時間Ｔ_FFと、入力変化に対応し て制御量が定常状態に到達すべき第２の時間Ｔ_FBとを指定するフィードフォワー ド制御ファネルを決めると共に、ｃｖごとにフィードバック制御ファネルを決め る過程と； ｂ）ｃｖごとにフィードフォワード制御ファネル及びフィードバック制御ファ ネルのうち短いほうを選択する過程と； ｃ）第１の時間Ｔ_FFが第２の時間Ｔ_FBより短い場合、 ｉ）フィードバックコントローラの速度が増さないかのようにフィードバッ ク制御の速度を補正し；そうではなく、Ｔ_FF≧Ｔ_FBである場合には、次の過程へ 進むことにより、独立同調パラメータを有効に提供する過程と； ｄ）コントローラ手順に従って制御量の新たな値を計算して、解を生成する過 程と； ｅ）指定時間以内の外乱の排除をも含む解に従ってプロセスを制御する過程と から成る方法。 請求項２ プロセス制御システムにおいて、プロセス制御システムは多変数予 測コントローラである請求項１記載の独立フィードフォワード制御を組込む方法 。 請求項３ プロセス制御システムにおいて、フィードバックコントローラのコ ントローラ手順は範囲制御手順である請求項２記載の独立フィードフォワード制 御を組込む方法。 請求項４ プロセス制御システムにおいて、補正する過程は、ｃｖの索引をｉ とするとき、制御量ｃｖ_iごとに、 フィリタリングする過程から成り、フィードフォワード／フィードバック比が１ 未満である場合、サンプリング時間をＴ_sとし、開ループ応答時間をＯＬＲＴと するとき、 であり、フィードフォワード／フィードバック比が１以上である場合には、 τ_i ＝ ０ である請求項３記載の独立フィードフォワード制御を組込む方法。