JPS6128103A - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、制御すべきプロセス変数（制御量）とその目
標値との偏差量に基づき手動操作又は自動制御により操
作量を得て、プロセスの制御を実行するプロセス制御装
置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来、プロセス制御においては、ＰＩＤ調節計などの自
動制御器が装備され、通常は人手を介すことなく自動制
御している。しかも、プラントの起動・停止時や、計装
機器あるいはプラント異常などによる緊急時、あるいは
最短時間で制御量をある目標値に整定させようとする場
合などには、人間の高度の判断能力を最高度に生かし、
通常の自動調節計ではできない高度の制御を実施したい
場合がある。

このときは、操作員が手動で操作量を調節し、プロセス
を制御していることが多い。例えば、操作員はプロセス
変数（制御量）を示す指示調節計の指針の位置とその動
きあるいはトレンド記録計でのプロセス変数のトレンド
記録を参照にして、操作量を調節し、制御対象であるプ
ロセスを制御している。

この操作に際して、操作量決定の判断要因となる目標値
と制御量との偏差は、１次元の、距離（長さ）で表示さ
れていて、容易にしかも正確に直読できる。しかし、過
渡的状態のプロセスを制御する際に、現在の制御の状況
及び将来の動向を把握する上で重要な要因である偏差量
の微分値（偏差量の変化状況）は、通常制御量を示す指
針の動きから操作員が主観点に把えているにすぎない。

このため、偏差量の微分値の読み取シは客観的な正確さ
精密さに欠け、操作員の個人差や同一人でも時により変
動する。

この結果、定量的な要素がないため、標準化・統一化さ
れた操作によって制御性の均一化を図ることが難かしい
欠点があった。また、これがプロセス操作に熟練を要す
る一つの要因ともなっていた。

〔発明の目的〕

本発明は、上記した欠点を除去し、制御が定量化され容
易にプロセスを整定でき、大幅に制御性を向上させ得る
プロセス制御装置を提供するものである。

〔発明の概要〕

本発明は、偏差量とその偏差量の微分値とに基づき両者
が共に零になるように手動操作又は自動制御を施し操作
量を得ることによって、上記目的を達成するものである
。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を一実施例を用いて図面を参照しながら説
明する。

第１図において温度・圧力・流量・液面・成分などの制
御したいプロセス変数（制御量）を監視したい対象プロ
セス１ｏに設置した検出端１１で検出し、本装置への入
力信号とする。この制御量は入力部１２で連続ないしは
周期的に読み込まれ、別途、目標値設定記憶部１３に設
定されたその制御ループの目標値と、偏差演算部１４で
比較され、偏差量′ｅとして算出される。

この偏差量は微分演算部１５で、その時点での微分値ｅ
′が算出される。　偏差量ｅ及びその微分値ｅ′は共に
制御部１ｏｏに出方され、ここで手動操作又は自動制御
が施され両者を共に零にするような操作量を得ている。

では、１ず手動操作による場合について説明する。

制御部１００では、偏差量ｅと偏差量の微分値ｅ′が表
示制御部１６で位相平面上の座標点（例えばｅを横座標
、ｅ′を縦座標）を示すデータに変換され、座標軸情報
と共に表示部１７に送られ、位相平面上の位相点として
表示される。

操作員はこの位相点が位相平面上の原点に近づくように
制御部１００の手動操作部１８を調節し、得られる操作
量を出力部１９を介してプロセス１００制御弁等の操作
端に供給してプロセスに対し制御を実行する。

なお、位相平面上の原点は、偏差量ｅ及びその微分値ｅ
′が共に零となる点であシ、プロセスが整定状態にある
ことを委すものである。

また、手動操作部１８は、個々の操作端２゜に１対１で
対応するユニットから構成されるいてもよいし、あるい
は表示部１７゛に表示される位相面と１対１あるいは１
対ｎ（ここでｎは、１つの位相面に同時に表示される位
相点の数である。）で対応していて、個々の操作端２０
専用のものでなく、複数の操作端が共用できるものであ
ってもよい。後者の場合には、出力部１９でその時位相
面に表示されている制御ループに対応する操作端２０へ
出力が伝達されるように、位相面光示に連動した各操作
端との接続の自動切換機構を出力部１９が備えている。

さらに、この位相面でのプロセス情報に基づく最適な手
動制御を容易にするためには、表示部１７での位相平面
上の表示を操作員に対してわがシやすいものとすること
がある。

例えば、位相点の時間経過過程の軌跡を表示させるため
に、表示制御部１６に位相点の履歴データを記憶し、こ
れを表示部に供給したシ、偏差許容限界を示す図形を座
標軸と共ｖｃｉ示させることもできる。

ま゛た、制御部１００に操作量切換曲線発生部２１を設
け、第２図に示す如く、位相平面上に座標軸と共に操作
量切換曲線を表示部１７で表示させることもできる。

この操作量切換曲線はプロセス１０の動特性データ等に
基づき求められ、プロセス１０に対し最大又は最小操作
量を加えた場合にプロセスエ０が整定状態、即ち位相平
面上の原点に到達するまでの位相点の軌跡を示すもので
ある。

この場合、操作量切換曲線発生部２１は、予じめ設定記
憶された操作量切換曲線のデータを表示制御部１６に対
して発生するものであってもよく、またプロセス動特性
同定部２２が附加され、プロセス検出端１１から入力部
１２勿介して送られてくるプロセス情報を基に、プロセ
ス動特性を同定し、その結果に基づき操作量切換曲線発
生部２１が自己に記憶されているプロセス動特性データ
を自動修正し、その時のプロセス特性に賞致した操作量
切換曲線を発生するものでもよい。

次に、このような手動制御を自動制御によって実現する
場合の構成について説明する。

この場合には、制御部１００に操作量自動判定部２２を
附設し、ここで位相面上の操作量切換曲線で分割された
いずれの領域に位相点があるかにより、最大操作量ある
いは最小操作量のいずれを出力するかを自動的に判断さ
せ、出力部１９を介して操作端２０を駆動する信号を発
生し、最適制御理論の最大原理に基づくバング・バンク
制御モードで制御対象プロセスを制御することができる
。例えば、第５図において位相点が操作量切換曲線よシ
上の領域にある場合には、最大操作量を発生し位相点が
移動して操作量切要曲線に到達した時点で最小操作量に
切換え、位相点を操作量切換曲線に沿って進ませるもの
である。この場合にあって表示部１７を制御過程のモニ
タ（位相面上の軌跡の監視）として使用することもでき
る。

なお、以上一実施例では主として１制御ループを扱う場
合について説明した。しかし、１制御ループ（１プロセ
ス変数）用に限定されるものではなく、本装置を構成す
る各部分は、時分割ないしは並列モードで複数制御ルー
ズを処理できるようになっている。

表示部１７で表示される位相面では、１制御ループの１
個の位相点あるいは軌跡を表示するだけでなく、複数制
御ループの複数個の位相点あるいは軌跡を、色あるいは
形状を変えて同時に表示できる。また表示部１７は、１
位相面を表示する１台の表示器に限定されるものではな
く、並列して表示できる複数台の表示器から構成されて
もよく、まｆｃ１台の表示器で複数個の位相面を表示領
域を分割して並列表示するものであってもよい。

また、表示部１７は、本発明の位相面表示専用のもので
あっても、他の用途にも使用できる兼用のものであって
もよい。

表示部１７で使用する表示器として−実施例ではＣＲＴ
表示器を用いて説明したが、これに限定されるものでは
なくＸ−Ｙプロッタその他の２次元平面を表示できるも
のであれば何でもよい。

また、目標値設定記憶部１３、偏差演算部１４、微分演
算部１５をリアプノフ安定判別用の位相変数演算発生手
段に置き替え、ｅ、ｅ′の代シにリアプノフ関数用位相
変数を算出・発生させ、リアプノフ安定判別用の正定値
関数の等高純を発生させるようにすれば本装置はそのま
まリアプノフ安定判別用位相面表示手段を備えた、プロ
セスの安定状況監視および安定制御・最適制御用の装置
となる。

次に本実施例の装置を用いて手動制御する場合の作用効
果について従来装置と比較しながら述べる。前述したよ
うに、従来の指示調節計で手動制御する場合には、操作
員は制御量を示す指針が目標値に一致するように手動操
作つまみを動かし操作量を調節していた。

しかし、従来の場合でいう目標値に制御量を一致させる
こととは、第２図の位相面で位相点を縦座標軸上に位置
させることを意味しており、制御において本来の目的で
ある制御量を整定させること、すなわち位相点を原点に
位置させることを意味するものではなかった。これは、
整定状態を明確に示す表示手段を備えていなかったため
で、制御対象を手動制御で整定させるのには熟練を要し
た。

しかるに一実施例の装置を用いれば、整定状態が位相面
上の点（原点）として客観的・定量的に明示される。こ
れにより操作員は現在のプロセス状態を示す位相点が座
標原点に到るように操作量を調節すればよく、非常に手
動制御が容易になる。

また、位相点が原点にあれば現在偏差が零にある状態が
整定状態であることが一見してわかり、操作の終了時点
が明確になる利点がある。

また、従来の手動制御に於いても熟練した操作員であれ
ば、その制御ループで許される最大操作量と最小操作量
を適切に切換使用し、制御量を短かい時間で目標値に整
定させるバンク・バンク制御的な操作を実施している場
合５本あった。だが本発明の装置を用いれば、このよう
な優れた制御を初心者でも容易に実施できる利点がある
。

すなわち、制御対象の動特性が２次の伝達関数で近似で
きる場合には、位相面上で原点を通る曲線例えば操作量
切換曲線によって位相面を分割し、位相点がその曲線よ
シ上の領域にあるときには、その制御ループで許される
最大操作量を、下の領域にあるときには最小操作量を位
相点が操作量切換曲線に到達するまで加え、到達した時
点で操作量を逆・転させて位相点を曲線に涜って移動さ
せることによって、制御対象を最短時間で整定させえる
（位相点を位相面の原点に到達させる）という最適制御
理論の最大原理に基づく制御方式の採用を可能にする。

この際に、位相面の座標軸を表示すると同時に、この操
作量切換曲線を表示しておけば（透明な紙またはフィル
ムなどに操作量切換曲線をあらかじめ描いておき、これ
を表示部１７に表示された位相面に重ね付せでもよい）
、操作員は現在の偏差状況を示す位相点が切換曲線を境
としたいずれの領域にあるかをオン・オフ的に判断して
操作量を決定すればよいととになる。しかも、このよう
な単純な操作によ多制御対象を最短時間で第３図に示す
如く目標値に整定させる最適制御を実施することができ
る。

このように、この実施例の装置を用いることによって、
初心者でも熟練者以上の優れた制御を容易に、しかも何
時でも再現性ある形で実施でき、最適で精密度の高いプ
ロセス制御を可能にする利点をもっている。

さらに、上述の実施例では操作量切換曲線は位相面の原
点を通るが、原点上では最大・最小のいずれの操作量を
用いるかを明確には定めていない。これは現実問題とし
て原点近傍に位相点が到達すれば、以後は例えばＰＩＤ
制御のような連続制御に切換えるか、その時の目標値に
見付った操作量（最大と最小操作量の間の値）に固定す
ることにすればよいからであるっ 以上、手動制御の例について述べたが、そこで操作員が
位相面上の位相点がどの領域に必るかを判断して操作量
を決定し操作器を動かし操作量を発信する処理を、前述
の操作量自動判定部２２において実行させ、自動制御と
して実現することもでき、これにより操作員を制御操作
から解放できる、この場合操作員は必要に応じて、表示
部１７に表示される位相点の軌跡を監視して制御過程を
モニターし自動制御性をチェックをすることもできる。

ここで、操作量自動判定部３３は位相点が操作量切換曲
線で区切られるいずれの領域にあるかの判断を、その時
の偏差状況を示すｅとｅ′を操作量切換曲線を表わす関
数に代入し、その関数値の正負で判定している。

ま−だ、本実施例の装置を制御に利用する場合、制御対
象の特性が一定でおる場合に限定されるものではなく、
変化する場合にも適用できる。例えば、プロセス特性が
例えば目標値の値によって変化する場合には、操作量切
換曲線も変えなければならないが、このような場合には
操作量切換曲線発生部２１に何種類かの切換曲線パター
ンを記憶させておき、そのときの状況に最も適した操作
量切換曲線を選択して操作量自動判定部２３に供給させ
自動制御（ｉ：実現できるようにもできる。

また、プロセス動特性を示す伝達関数のパラメータ変化
として検知できる場合には、プロセス動特性同定部２２
でそれを検知し、操作量切換曲線発生部２１に記憶して
いる操作量切換曲線のパラメータを連動して自動修正し
、その時点時点でプロセス特性にせ致した操作量切換曲
線を発生させることもできる。

これによりプロセス動特性が変化する制御ループの制御
にも本装置を適用できる利点をもっている。

また一実施例では位相面として偏差量とその微分値から
構成される平面について記述したが、これに限定される
ものではなくプロセス変数及びその微分値から構成され
る位相面であってもよく、あるいはそれらの変数を直交
変換した変数から構成される位相面であってもよい。例
えば、前記したように第２図に示すようなリアプノフの
方式によるプロセスの安定判別用の位相面を用いてもよ
い。

この位相面を用いれば、例えば位相点の動きがＱｌのよ
うな軌跡を描いていれば漸近安定だと判定でき、またｑ
２であれは安定、ｑ３であれば不安定と判断できろうこ
れによりプロセスを安定性の面から監視可能にし、また
不安定な制御ループに対しては安定にするよう制御操作
の判定基準が得られるっ また図示したように、リアプノフの安定判別の正定値関
数の等高線を同時に表示又は制御基準とすれば、位相点
がｑｏ　のようにこの等高線を直角に切って内側に向く
ように操作量を制御することにより、最適制御をも実施
できる利点をもっている。

以上説明したように本発明によれば、プロセスの整定状
態を定量的・客観的に把握し制御し得るので、制御性の
向上やプロセス操業の効率化、安全性の向上をもたらす
ことができる。

【図面の簡単な説明】

実施例の動作を説明するだめの図である。 １０・・・プロセス １１・・・検出端 １２・・・入力部 １３・・・目標値設定記憶部 １４・・・偏差演算部 １５・・・微分演算部 １６・・・表示制御部 １７・・・表示部 １８パ・手動操作部 １９・・・出力部 ２０・・・操作端 ２】・・・操作量切換曲線発生部 ２２・・・プロセス動特性同定部 ２３・・・操作量自動判定部 １００・・・制御部 代理人　弁理士　則近憲佑　（ほか−名）第　　１　　
図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）プロセス変数を入力する入力部と、前記プロセス
   変数に対する目標値を設定する目標値設定記憶部と、前
   記入力部からのプロセス変数と前記目標値設定記憶部か
   らの目標値とを比較し偏差量を算出する偏差演算部と、
   この偏差演算部からの偏差量を微分し現在の偏差におけ
   る微分値を算出する微分演算部と、前記偏差演算部から
   の偏差量及び前記微分演算部からの微分値を共に零にす
   る操作量を手動操作又は自動制御により得る制御部と、
   この制御部の操作量を操作端に出力する出力部とを備え
   たことを特徴とするプロセス制御装置。
2. （２）制御部が、偏差量及び微分値からこれらを座標軸
   とする位相平面上での位相点を求め、この位相点が予じ
   めプロセスを整定するための位相点の軌跡として前記位
   相平面に対応し設定された操作量曲線に追従して変化し
   前記位相平面の原点に至る値に操作量を決定することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプロセス制御装
   置。
3. （３）制御部が操作量曲線を入力部からのプロセス変数
   に基づきプロセス動特性を同定した結果によって自動修
   正することを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のプ
   ロセス制御装置。
4. （４）制御部が、偏差量及び微分値を、リアプノフ関数
   用位相変数に変換し、この変数が予じめ設定されるリア
   プノフの安定判別用正定値関数の等高線に直交し内側に
   向う値に操作量を決定することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のプロセス制御装置。