JPS60251402A - プロセス制御方法 - 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】 〔発明に属する技術分野〕 本発明は入力の関係を表わす静特性曲線が変曲点をもつ
各種工業プロセスの出力を変曲点附近に制御する方法に
関する。

〔従来技術とその問題点〕

入出力関係が非線形となる各種プロセスの中には、それ
らの静特性が変曲点をもっているものが多く存在する。

例えば酸を含む水を連続的に中和するプロセスではｈ更
とアルカリの当量点でｐＨが急変するため、アルカリ注
入速度を入力、ｐＨを出力とするとこの両者の間の静特
性は当量点で変曲点をもつ曲線となる。このような関係
は酸化還元プロセスにも見られ酸化還元電位（ＯＲＰ　
）は酸化性物質と還元性物質の当量点に変曲点を廟する
。変曲点を示すプロセスは上記のような化学プロセスに
限ることなく、例えば固液分離槽において超音波またけ
光の透過量の変化を利用して汚泥界面を検出する場合な
どにも透過量が界面で急変するために、水深に附子る透
過量の特性曲線には変曲点が存在する。

以上の例から変曲点のもつ共通性として、多くの場合変
曲点は広い意味で状態の急激な変化に対応するプロセス
の限界点と見ることができる。このことからプロセスを
その限界点に制御しようとするとき、変曲点が確実に検
出できてプロセスをこの変曲点に制御することができれ
ば制御は極めて容易となシ効果的であることがわかる。

これに対して従来用いられているプロセス出力を変曲点
に制御する方法は主として次の二っである。

■変曲点における出力の値をあらかじめめておき、出力
がその値になるように制御する。

０人力に関する出力の１次微分が最大になるように、ま
たは２次微分が零になるように入力を調整する。

これらのうち■の方法は変曲点と出力値との関係が常に
一定であれば最も確実であシこの場合は変曲点をとくに
考慮することなく出力を定値制御することかできる。し
かしこのようなケースはむしろまれであると考えた方が
よい。例えば前述のｐＨもしくはＯＲＰの変曲点は共存
物質の影響を受けるし、また電極の特性が変れば変曲点
も変動する。

このことは汚泥界面を検出する場合にも当てはまシ、汚
泥密度の変化、光源の変化、受光面の汚れガと変曲点の
位置を変動させる要因が非常に多くある。したがって■
の方法は効果を期待することができない。

次に微分を用いる■の方法はノイズの問題が最も深刻で
ある。入力に関する出力の微係数をめるだめには入力お
よび出力の時間微分をめそれらの比をめなければならな
い。ところが微分演算は１棟の高域フィルタであるため
ノイズが拡大され、そのような信号から有効な情報を得
るのは極めて困難である。さらにプロセス制御の場合、
入出力とも広い範囲で変化させることができないことと
、入力の変化に対して出方は遅れをもって応答し、その
時定数も条件によって変動することなども微分演算を困
難にする要因となっでいる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上述の入点を除去し、安定した高い信頼
性をもって各種プロセス出方を変曲点に制御することが
可能な方法を提供することにある。

〔発明の要点〕

本発明はプロセス出力に基準値を設け、出力がこの基準
値よシ小さいときの入出力静特性曲線の傾きすなわちゲ
インｙｌと出力がこの基準値よシ大きいときの入出力静
特性曲線の傾きすなわちゲイン９２をオンライン同定し
、ｇｌとＩ２とが等しくなるように入力を操作すること
にょシ達成される。

〔発明の実施例〕

以下本発明を実施例に基づき詳細に説明する。

はじめに本発明における基本的な考え方について述べ次
に具体的な実施の態様を示す〇本発明者らはまず出力の
時間遅れの問題を解決することが必要であり、そのため
にプロセスの入出力関係を動特性項を含むモデル式で近
似し、このモデル式を用いて変曲点を探索する方法を検
討した。しかし実際には変曲点をもつような非線形関係
を近代するためにはモデル式も当然非線形となシしたが
ってパラメータ数も多くなり同定演算法も複雑化するの
で特性曲線をモデル式で近似する方法は実用的でないと
判断した。

そこで本発明者らは曲線を関数で近似するのではなく、
変曲点を検出することが合目的であるという点に着目し
、変曲点を検出するために最少限必要とするものを詳細
に検討した。その結果、出力に基準値を定め出力がその
基準値よりも小さいときのゲイン１１と出力がその基準
値よシ大きいときのゲインｙ２をめ、ｌ！１＝ｆ１２と
なるときにその基準値が変曲点に相当すると判定するの
がよいとの結論に達しこのことを本発明の方法に適用し
た。

例えば基準値としては出力の一定時間の移動平均値を用
いることができる０ 第１図は例えば変曲点を有する入出力関係曲線を示した
ものであシ、第１図において本発明の方法は静特性曲線
を基準点Ｐを折点とする折線で近似することを意味して
いる。ただし出力がＰ点よシ小さいときのゲインｇ１と
出力がＰ点よυ大きいときのゲインｇ２の区別は出力値
と基準値Ｐの大小関係のみであって近似区間は確定し々
いため１１と９２は出力の変動幅に依存して変化する。

このように以上の方法は特性曲線を関数で近似すること
はできないが変曲点を検出するためにはｇｌと９２が等
しいかどうかだけを問題としているから、出力を変曲点
に制御するために用いることができるのである。しかも
この方法は線形モデルを用いるため、パラメータ同定演
算が簡単である上に、ｇｌとｇ２の差を用いることによ
り信頼性が向上する。すなわちプロセス出力にノイズが
含まれていたシ、プロセス入力に出力からのフィードバ
ックがある場合はパラメータの同定値と真の値との間に
バイアスを生じることが多いが、これらの影響はｙｌと
Ｉ２台共通に作用するので、ｇｌとｇ２の差を用いる本
発明の方法によればバイアスの影響などを除去すること
ができるからである。

さらに本発明者らはモデル規範適応システム（Ｍｏｄｅ
ｌ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｓｙｓｔ
ｅｍ、以下ＭＲＡ　Ｓと略称する。）が本発明を実施す
るのに適していることに着目した。ＭＲＡＳは実プロセ
スおよびその１゛、− 動特性を近似するモデルとからなシ、ノ・フメータ同定
に用いる場合、プロセス出力とモデル出力が一致するよ
うにモデルのパラメータを自動調節するものである。

以下ＭＲＡＳを用いて本発明の方法を活性汚泥プロセス
の溶存酸素（以下Ｄｏと略称する）濃度制御に適用した
例について具体的に説明する。

はエアレーションを十分に行ない、ＤＯ濃度を適正なレ
ベルに維持しなければならない。しかし電力節減などの
観点から微性物の性状が悪化しない範囲でできるだけ少
ない空気量でグロセスを運転することが望ましい。

活性汚泥プロセスにおいてエアレーションタンク内のあ
る個所でＤＯ濃度Ｃを測定し、エアレーション空気流量
ｆとの関係をめると第２図に示す曲線が得られる。エア
レーション空気流量ｆの増加に対してＤＯ濃度Ｃはある
点で急激に増加するため第２図に示した静特性曲線上に
は変曲点Ｑが現われる。本発明者らはＤＯ濃度Ｃを変曲
点ＱにおけるＣの値と一致するように制御することによ
り、必要最少限の空気量が維持されることを見出し、出
力を変曲点に制御するために本発明を適用した。

第３図は本発明の適用される活性汚泥プロセスの機器構
成と機能の概要を示す系統図である。第３図では水と空
気の流れは実線、電気信号系統を破線で示しであるがい
ずれも流れの方向を矢印で表わしである。

第３図においてエアレーション１から送られる空気は流
量計２を経てエアレーションタンク３の底部から散気管
４により曝気される。また図示してない装置によシー次
処理された原水は流量計５ヲ通ってエアレーションタン
ク３に流入ＩＪＩＪ１６物質が分解された後最終沈澱氾
６に貯留され上澄水を二次処理水として放流するが沈澱
した汚泥は再びエアレーションタンク３に戻される。

一方電気信号はエアレーションタンク３内に位置するＤ
ｏセンサ７の出力を信号変換器８により伝送信号に変換
し、流量計２，５によシそれぞれ測定されたエアレーシ
ョン空気量および流入水量の信号とともに演算装置９に
入力する。演算装置９は本発明による制御演算を行って
設定値としての目標空気量を調節計１０に入力する。調
節計１０からエアレーション空気量を設定値に制御する
ための操作信号をインバータ１１に入力することにより
インバータ１１でエアレーションブロア１の回転数の調
節が行われる。

第４図は第３図の構成における制御演算を行うだめのブ
ロック線図を示したものである。第４図において２１は
第３図に示したプロセスを表わす部分であシ入力がエア
レーション空気流量ｆ、出力がＤＯ濃度Ｃである。２２
はｆをフィルタリングする時定数Ｔｆの１次遅れ要素、
２３はＣをフィルタリングする時定数■の１次遅れ要素
、２４はゲインｇが可調節の比例要素、２５は時定数Ｔ
が可調節の１次遅れ要素、２６は２５の出力ｘｍの微２
　係数をめるための割算器、２７はＴを実プロセス忙適
合するように調節するパラメータ適応機構。

２８はＤＯ濃度が基準値より小さいときのゲイン？ ｇｌを調節するだめの適応機構、２９はＤＯ濃度が基準
値より大きいときのゲインＩ２を調節するための適応機
構、３０はプロセス出力をフィルタリングした信号Ｃｆ
の移動平均ｄをめるための移動平均演算部、３１はＣｆ
とｄを比較しそれらの大小関係に応じてスイッチＳ１．
Ｉ２．Ｉ３を開閉するための比較器、３２はＩ２−　、
ｐｌを積分し、ＤＯ濃度の設定値Ｃｒとして出力する積
分器、３３はＣｒとＣの差εおよび流入水量信号Ｗが入
力され、ＣをＣｒに制御するだめの目標空気量演算部、
３４は３３から出力される空気流量信号の基準値ｆｂに
同定過程をスムーズにするために同定用ノイズＮを加え
た信号を一定時間保持するサンプルホールド部である。

２４と２５からなる破線で囲った部分３５は適応モデル
を表わしている。

以上の制御演算は大別して主に二つの部分によシ行われ
る。すなわち第４図に示した一点鎖線から下のプロセス
出力Ｃを設定値Ｃｒに制御するためのＤｏ制御部と一点
鎖線から上のパラメータ同定およびＣｒ調節部である。

これら二つの部分のうち、前者は出力Ｃが設定値Ｃｒに
一致するようにフィードバック制御を行い、後者はｇｌ
とＩ２を演算し、Ｉ２−１□が零になるよりに（’ｒを
調節するものである。

次に本実施例における制御動作をパラメータ同定部分か
ら順を追って説明する。パラメータを同定するためには
プロセスの入力ｆおよび出力Ｃが必要である。ｆとＣを
まず１次遅れ要素２２および２３でフィルタリングしそ
れぞれの平滑化信号を得る。　−７次に ｆとＣから平滑化信号を差し引きそれぞれＵおよびｙと
する。活性汚泥プロセスの場合Ｕとｙの関係は１次遅れ
モデルで表わすことができるから、ＭＲＡ　Ｓを構成す
る適応モデル３５も２４と２５からなる１次遅れモデル
とすることができる。このＭＲＡＳの役割はプロセス信
号ｙと２５からの出力澗が一致するように適応モデル３
５の時定数Ｔおよびゲインｙを自動調整することである
。Ｔとｙの自動調整はパラメータ適応機構２７．２８お
よび２９が行う。これらのうち２７はＴの適応機構であ
り、ｙとｘｍの差ｅおよびｘｍの時間微分Ａｍが入力さ
れ積分適応アルゴリズムにしたがってＴが自動調整され
る。（１）式におけるＴＯはＴの初期値、ｋＴはＴの適
応ゲインである。ゲインｇの同定動作は本実施例では通
常の場合と異なっている。すなわち本発明の方法では出
力をフィルタリングした信号Ｃｆがその移動平均ｄよシ
小さいときと大きいときに、それぞれのゲインｇ１とＩ
２とを別々に同定できるようにこれらに対応して同定機
構を２８と２９の二つに分けである。同定アルゴリズム
はである。（２）および（３）式における１！１ｏとｇ
２ｏはそれぞれｇｌと９２の初期値、ｋｔは適応ゲイン
である。さらに本発明ではＣｆと６の大小関係によって
この二つの適応機構２８と２９の一方だけを作動するよ
うにして、適応モデル３５のゲインＪとしては作動して
いる方の適応機構が演算するゲイン（ｙｌもしくはＩ２
）を用いることによ、９、ＣｆがＥよシ小さいトキノケ
インｇ１とＣｆがδよシ大きいときのゲインＩ２とを別
々に同定することができるのである。

このような一連の作動に対して切換え操作を行うのが比
較器３１によって開閉する三つの切換えスイッチＳ、、
Ｓ２およびＩ３である。また本実施例では同定動作を確
実にするために三つのスイッチが切シ換る時廣および空
気流量ｆが更新される時点で適応モデル３５の出力訓を
プロセス信号ｙに一致させるようにしている。比較器３
１およびサンプルホールド部３４から適応モデル３５に
導かれる破線の矢印はこの動作を意味するものである。

以上のようにして得られたＩ２と１１の差を積分器３２
で積分しその出力をＣｒとすると積分定数を適正に選ぶ
ことによム９１と１！２が等しくなる方向にＣｒが変化
する１種の積分制御作用が行われ、Ｃｒはプロセスの入
出力関係を表わす特性曲線上の変曲、点に相当する値に
達する。このように計算された。

Ｃｒは、ＤＯ制御部に設定値として入力され、ＤＯ濃度
Ｃが設定値Ｃｒに等しくなるようにフィードバック制御
が行われる０この制御動作を行わせるために本実施例で
は通常のＰＩ制御に加えて流入水量Ｗを用いた補助動作
によシ、流入負荷の急変に対する応答を改善している０
そして制御演算によ請求めた空気量の基準値ｆｂに同定
過程がスムーズに行われるように同定用ノイズＮを加算
し、この信号を一定時間保持したものが実際の空気量ｆ
となる。

以上第３図に示した機器構成および第４図に示した制御
方式によシ実際に活性汚泥プロセスの制御を行い得られ
た結果を第５図（ａ）〜（ｄ）に示す。第５図（ａ）〜
（ｄ）はいずれも１００時間経過に対して得られた諸デ
ータの変化の様子を示した線図であるが、。

これら各線図の縦軸は適当なフ之−ル値（ＦＳ）で割っ
て規格化してあり、ＦＳ値は各線図に記しである。

第５図（、）は時定数Ｔの変化、第５図（ｂ）は出力が
基準値よシ小さいときのゲイン１１と出力が基準値よシ
大きいときのＩ２の変化、第５図（ｃ）はＤｏ濃濃度色
その設定値Ｃｒの変化、第５図（ψは空気量と流入水量
Ｗの変化をそれぞれ表わしている。これらの中で特に本
発明の効果が明らかなのは第５図（ｃ）であシ、第５図
（ｃ）によれば活性汚泥プロセスの制御をはじめＣｒ　
＝　０．５　ｍｌ／／ｌでスタートし約ｉｏｏ時間実施
したのに対して、制御開始直後ｃｒは若干減少するが５
〜６時間後には増加に転じ約４０時間経過するとほぼ一
定値に達する。その後Ｃｒは１．５〜２　ｍｇ／ｌ　Ｋ
維持されＤＯ濃度ＣはＣｒを中心に約±Ｉｍ、９／ｌの
範囲に制御されている。一定値に達した後のＣｒの値と
第２図に示した曲線の変曲点Ｑに対応するＣの値とを比
較すると両者はよく一致しておシ、このことからも本発
明の目的が十分に達成されていることがわかる。

なお以上の実施例では本発明を活性汚泥プロセスに適用
して、出力を９．−４１２となるように調整することに
よシ変曲点付近に制御することの有効性について述べた
が、本発明の方法は活性汚泥プロセスに限られることな
く、入出力関係を表わす静特性曲線が変曲点を有する各
種プロセスに対しても大きな効果が期待され、様々な分
野におけるプロセス制御に応用できるものである。

〔発明の効果〕

以上実施例で説明したように本発明は入出方間　ｌ係を
示す特性曲線に変曲点をもつプロセスに対して、出力を
その変曲点付近に制御するために、曲線上の基準点よシ
小さい出力のゲイン１１と基準点よシ大きい出力のゲイ
ンｈとを別々にめ、Ｆ２−ｙ□＝０となるように調整す
る方法であるから、特性曲線を関数で近似する必袂なく
２１と９２の大小関係のみで判定でき、したがって線形
モデルを用いてパラメータ同定演算が容易とな９、しか
も！！１とＩ２の差を用いることからこの両者に共通に
作用するノイズなどの外乱の影響を除去することができ
る。また本発明ではオンラインパラメータ同定に　゛例
えばＭＲＡＳを用いて実施するのが適していることも実
用性の点で有利となっている。

以上のことから本発明の方法は従来の定値制御法や微分
法に比べて著しく信頼性の高い安定した制御動作を可能
とした。特に安定性、信頼性の向上が望まれているプロ
セス制御の目的を十分に満すものであシ、極めて実用的
価値の高い方法ということができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は変曲点をもつ入出力の静特性曲線およびＩ！１
とＩ２の関係を示した線図、第２図は活性汚泥プロセス
のエアレーション空気［ｆとＤｏ濃濃度色関係を示す線
図、第３図は本発明の適用される活性汚泥プロセスの機
器構成と機能を示す系統図。 第４図は本発明の方法による制御演算を示すプロツク線
図、第５図（ａ）〜（ｄ）は本発明の方法による活性汚
泥プロセスの制御で得られた諸データの時間経過に対す
る変化を示し、それぞれ（ａ）は時定数Ｔ。 （ｂ）は１１とｇ２．（ｃ）はＤＯ濃濃度色設定値Ｃｒ
　＋’＊塙空気耐ｆと流入水量Ｗの変化を表わす線図で
ある。 １・・・・・・エアレーションプロア、２・・・・・・
空気流量計。 ３・・・・・・エアレーションタンク、４・・・・・・
散気’ｆ、５・・・・・・流入水流量計、６・・・・・
・最終沈澱池、７・・・・・・ＤＯセンサ、８・・・・
・・信号変換器、９・・・・・・演算装置、１０・・・
・・・調節計、１１・・・・・・インバータ、２１・・
・・・・活性汚泥プロセス、２２，２３．２５・・・・
・・１次遅れ要素、２４・・・・・・比例要素、２６・
・・・・・割算器、２７，２８．２９・・・・・・パラ
メータ適応機構、３０・・・・・・移動平均演算部、３
１・・・・・・比較器、３２・・・・・・積分器、３３
・・・・・・目標空気量演算部、３４・・・・・・サン
プルホールド部、３５・旧・・適応モデル、Ｃ・・・・
・・ＤＩＩＩＩＩ、ｆ・・・・・・エアレーション空気
量、ｌｌｘ・・・・・・出力が基準値よシ小さいときの
ゲイン。 ｙ２・・・・・・出力が基準値よシ大きいときのゲイン
、ｘｍ・・・・・・適応モデルの出力、ｙ・・・・・・
プロセス（ｉ号、Ｐ・・・・・・出力の基準点、Ｑ・・
・・・・変曲点、Ｗ・・・・・・流入水量。 １１図 ″ｊ２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 工）入力と出力の関係を表わす静特性曲線が変曲のゲイ
   ン（１１）と出力が基準値よシ大きいときのゲイン（ｇ
   ２）を同定し、９１と１２とが等しくなるように出力レ
   ベルを調整することによシ、出力を変曲点付近に制御す
   ることを特徴とするプロセス制御方法０ ２）ｌ￥ｊ許梢求の範囲第１項記載の方法において、基
   準値は一定期間の出力の移動平均値とすることを特徴と
   するプロセス制御方法０ ３）特許請求の範囲第１項もしくは第２項記載の方法に
   おいて、１１同定用適応機構（２８）とＩ２２同定用適
   応ｍ（２９）とを有するパラメータ同定用モデル規範適
   応システム（ＭＲＡＳ）を用いて、出力が基準値より小
   さいときは適応＊＃（２８）のみが作動しかつＭＲＡＳ
   の適応モデル（３５）のゲインωには１１を入力し、出
   力が基準値よシ大きいときには適応機構（２９）のみが
   作動しかつＭＲＡ　Ｓの適応モデル（３５）のゲイン＆
   ）にはｇ２を入力することによＬＪ’１およびｇ２を同
   定することを特徴とするプロセス制御方法。 ４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
   載の方法において、プロセスの入力が急変する時点また
   はプロセスの出力が基準値を通過する時点で、ＭＲＡＳ
   の適応モデル（３５）の出力信号ＯＩｍ）と直流成分を
   除いたプロセス信号０）とを一致させることを特徴とす
   るプロセス制御方法。