JPS63191202A - バツチプロセス制御方式 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、プロセス制御のオートチューニング方式に係
り、特に、同一処理を繰り返すバッチプロセスの制御方
式に関する。

〔従来の技術〕

従来、プロセス制御のオートチューニング方式は、連続
プロセス又はバッチプロセスでも１回の処理を対象に考
えたものであり、バッチプロセスのバッチごとに同じ処
理を繰り返し行うという点を利用して、前回処理による
情報を使って行う方法はなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のオートチューニング方式において、操作量・制御
量の入出力情報によりプロセスを逐次同定しながら制御
する方式がある。これは、プロセスの特性が非線形・時
変系であり、たえずプロセスの状態変化が予想されるも
のに有効な方式である。しかしこの方式においては、プ
ロセス同定開始直後やプロセス特性が急変するところで
、どうしてもプロセス同定にある程度時間がかかるため
。

制御性能が劣化するなどの問題があった。

本発明の目的は、バッチプロセスを対象としオートチュ
ーニング方式により制御する揚台２において、同定開始
時やプロセス特性が急変する部分における制御性の劣化
を、バッチプロセスの特徴である同一処理を繰り返すこ
とに注目して、前回処理のときの情報を利用することに
より制御性が劣化する部分の制御性能向上を計ることで
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、前回処理の情報の蓄積と、活
用をつぎのようにおこなう。

まず、同定部で逐次推定され操作量演算部に送△ られる推定パラメータ０を推定する方法としては一般に
最小二乗法などが用いられ、そのアルゴリ・・・（２） Δ ここで０は、対象プロセスが ｉ＝１ で記述できたときの未知パラメータの推定値を、・・・
（４） Ｚは（５）式で表わされる観測ベクトルである。

ｚ”（ｔ）＝　（ｙ（ｔ−ｔ）ｔｙ（ｔ−２で）ｔ−ｗ
ｙ（ｔ−ｎ　τ）ｔｕ（ｔ−ｄ　ｔ）、ｕ（ｔ−ｔ　−
ｄ　ｔ）、−、ｕ（ｔ−ｍｓ　−ｄ　ｔ））・・・（５
） またρは、過去の入出力情報が推定値へ寄与する割合を
表わす忘れ係数で、Ｐは入出力情報の関係を示す適応ゲ
インと呼ばれるものである。

一方、操作量演算部では、プロセスの遅れ時間ｄを考慮
して制御量ｙ（ｔ＋ｄτ）が目標値ｒ（ｔ＋ｄτ）と一
致するように、すなわち ｒ（ｔ＋ｄ　ｔ）　　ｙ（ｔ＋ｄ　ｔ）＝Ｏ”（６）八 が満されるように、同定部で推定したθを用いて操作Ｍ
ｕ　（ｔ）を決定する。式で具体化すると、（３）式よ
りｙ（ｔ＋ｄτ）は、 ｙ（ｔ＋ｄ　ｔ）＝−ａｌｙ（ｔ＋ｄ　ｔ−ｖ）−ａｚ
ｙ（ｔ＋ｄ　τ−２τ）−−−−−ａｎｙ（ｔ＋ｄｘ−
ｎｔ）＋ｂｏｕ（ｔ；）＋ｂｔｕ（ｔ−τ）十・・・＋
ｂ、ｕ（ｔ−ｍτ）　　　　　　　　　　　−（７）で
あり、　（６）式と（７）式よりｕ　（ｋ）を求める式
は次式となる。

■ ｕ（ｔ）＝　　　　（ｒ（ｔ＋ｄ　　τ）＋ａ１ｙ（ｔ
＋ｄ　　ｖ−ｔ）＋−・−ｂ。

＋ａｎ３’（ｔ＋ｄ　ｆ−ｎ　ｙ）−ｂｔｕ（ｔ−ｙ）
−−ｂｍｕ（ｔ−ｍτ））・・・（８） さて、ここで注目すべきことは、同定部と操作量演算部
における入出力情報の違いである。操作量演算部では、
ｕ　（ｋ）を決定するために用いる入出力情報は、（８
）式から （ｙ（を十ｄｔ）、−、ｙ（ｔ＋ｄ　τ−ｎｔ）、ｕ（
ｔ＋ｔ）、−ｕ（ｔ−ｍτ））・・・（９） 八 であるから、ここで用いる推定パラメータ０は、（９）
式にｕ　（ｔ）を加えて、 （ｙ（ｔ＋ｃｌ　？　）＋・−・ｔｙ（ｔ＋ｄｆ−ｎ　
ｔ）＊　ｕ　（ｔ）、　−ｕ　（ｔ−ｍ　で））　＝（
ｔ０）により推定されるべきである。しかし実際に同定
Δ 部より送られてくる０は （ｙ（ｔ）＋”’ｔｙ（ｔ−ｎ　ｔ）、ｕ（ｔ−ｄ　ｔ
）＋　・・’ｕ（ｔ−ｄｔ−ｍτ））・・・（ｔ１） 使っていることになる。そこで１本発明ではこの八 ような０の時間のずれをなくすために、前回処理へ で各時刻ごとに推定した０をデータとして保存し、次の
処理においてｔ時刻の操作量ｕ　（ｔ）の計算式 に前回の時刻ｔ＋ｄτの（？（ｔ＋ｄτ）を用いるよう
にした。これにより、前回と次の処理の間に、時間軸に
対して、プロセスの状態が同じであれば△ ０の時間ずれが解消され制御性能が向上する。

この場合、時刻ｔにおける操作量ｕ　（ｔ）は前回とそ
の次の処理では値が変り、当然制御量ｙ（ｔ）も変わる
。したがって、プロセスの状態が前回と次では時間軸に
対し同じではなく時間的にずれることが考えられるので
、上記処理により望Δ ましい０を持ってくるためにも、この時間のずれを補正
する必要がある。そのために、後の実施例であげるよう
に、制御ｂｔｙ　（ｔ）の大きさによりプロセスの状態
が変化する速度が変わることが経験によってわかってい
るから、前回と今回の制御Ｉｔｙ　（ｔ）の差を求め、
その差により経験に基づいて作ったテーブルから時間の
補正量を読み出し、時間軸を補正する。

次に、従来の方式で同定が不完全な部分で起りつる制御
量の振動を抑制する処理について述べる。

まず、前回処理時の操作量ｕ　（ｋ）を蓄積し、それに
フィルタをかけたｕｆ（ｋ）を作り、これを今回の操作
量の基準値としておく、そこに、基準値ｕｆ（ｔ）に対
しての今回操作量ｕ　（ｔ）の許容範囲Δｕを設定し、
ｕｆ（ｔ）±Δｕの範囲内に今△ 回の操作量がはいるように上記の前回の０（ｔ＋ｄτ）
を用いて計算した操作′Ｉｔｕ　（ｔ）を修正する。操
作量の許容範囲Δｕは、今回の制御量ｙ　（ｔ）と目標
値ｒ　（ｔ）の偏差の大きさにより変化するようにし、
偏差が小さいほど許容範囲が小さくなるようにした。こ
れにより、操作量ｕ　（ｔ）の振動を抑えることができ
、それにより制御量ｙ　（ｔ）の振動を抑えることがで
きる。

以上述べた処理によれば、処理回数を重ねるにつれて制
御性能が向上する。

（作用〕 八 まず、操作量ｕ　（ｔ）の決定に前回処理のθ（ｔ＋ｄ
τ）を用いる方法においては、前回と今回の処理におけ
るプロセス状態が時間軸に対して同じ八 であれば、操作Ｊｔｕ（ｔ）の決定に望ましい０が使用
される。それにより前回の処理時よりも制御性能が向上
するはずで、劣下することはない。

また、前回と今回とでプロセス状態に時間軸のずれが生
じた場合に時間軸を補正する方法においでは、経験的な
処理であるので正確に時間軸を一致させることはできな
いが、時間軸のずれをある程度改善できる。

制御量ｙ　（ｔ）の振動を抑制する方法においては、制
御量ｙ　（ｔ）の振動をその原因である操作量ｕ　（ｔ
）の振動を抑えることによっておこなっており、また操
作量の基準値として前回の操作量をフィルタリングした
ものを使っているので、極端に制御を乱すような操作Ｍ
ｕ　（ｔ）をプロセスに加えられることはない。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を説明する。

第１図は１本発明を適用する制御装置のブロック構成図
である。第１図において、制御装置５は、制御信号ｙ　
（ｔ）と操作信号ｕ　（ｔ）の各時系列データよりプロ
セス１のパルス伝達関数を同定する同定部３と制御目標
値ｒ　（ｔ）と制御信号ｙ　（ｔ）との偏差ｅ　（ｔ）
と同定部３で同定した八 係数０（ｔ）から操作信号ｕ　（ｔ）を発生する操作量
演算部２と、バッチプロセス用の前回処理を行ったとき
の各種情報を蓄え、？＃積した情報を処理して、それに
より次のパッチ処理の制御を援助する学習部４により構
成される。

本実施例における制御対象のプロセス１は第２図に示す
ポリビニル塩化物重合反応（ｐｖｃ）プロセスを用いた
。このプロセスは、初めに昇温していき、ある温度に達
すると急激な自己発熱をおこす。その後、反応が終りに
近づくと急激に発熱が低下するというように、高い非線
形性・時変特性を持っている。

第２図は、反応缶内１９のモノマーを重塔反応させてポ
リビニール塩化物（上下水のパイプ、窓枠等に使用され
ているもの）を生成すプロセスを示すものである。モノ
マーは常温では反応を開始せず、反応の初期段階ではジ
ャケット１４から熱を収吸して反応が開始される。ジャ
ケット１４には、熱水あるいは冷水が第２１ｇの反応缶
右上から流れ込み、左下に流れ出るようになっている。

モノマーが反応を開始すると今度は、自己発熱し、反応
が急速に進んでしまうため、ジャケットには、冷水を流
し込まなければならない、つまり１反處の温度を一定値
に保持するようジャケットへの流入水の温度および量を
調節することが必要となる。

反応湿度を一定値にすると茜品質のポリビニールが生成
されるため、このような制御が不可欠となる。また、生
成物の均一性を確保するためモーター１１で反応物を攪
拌する。

ミキシクグタンク１５では、熱水１７と冷水１８を混合
し、ジャケットに流入させることができる。熱水の量を
調節するバルブ１６を操作することにより、ジャケット
流入温度と量を調節できる。

制御装置５は、温度センサ１３より得られる反応缶内温
度ｙ　（ｔ）を計測し、バルブ１６を操作して熱水ｆｉ
ｋｕ　（ｔ）を調節することにより、反応缶内温度を一
定に保持するよう制御する。

制御装置５の中の同定部３．学習部４．操作量演算部２
について動作手順に沿って説明する。

バッチ反応処理によって生成されたポリマーは別の工程
に移され１次にはまた、同じようにモノマーを反応缶に
入れて反応させるという繰り返しが行われる。このくり
返しの回数を０回目というようにここでは表現し、バッ
チ処理１サイクルの処理中の時間を一般的にｔ時刻とい
うように表すす。

１サイクル中のバッチ反応処理の手順について説明する
。同定部は、第７図のブロック７１に示すようにまず、
観測ベクトルｚＴ（ｔ）を作る（前記（５）式にも表わ
した）。ここで、ｙはプロセスからの出力であり、Ｕは
、操作量である。次に、適応ゲインＰ　（ｔ）を（２）
式のように求める（第７図のブロック７２）、更に、推
定パラターΔ タベクトル０（ｔ）は、１回目のバッチ処理の場合には
、第７図の７３のように求める。但し、２１１回目以降
ときは、後述するように、第８図のブロック８１か、あ
るいは、第９図のブロック９１のように推定パラメータ
を演算する。ここで、学習部には、前回（Ｑ−１）のバ
ッチを推定されたΔ パラメータθｍ−ｘ（ｔ　）が、１サイクルの全時刻ｔ
について記憶されている。

次に、操作量演算部においては、前記（８）式のように
操作量ｕ　（ｔ）を求める。１回目のバッチでは、（８
）式を一般化して表わすと５次のようになる。

Δ ｕｘ（ｔ）＝ｆ　（０ｔ（ｔＬ　ｙ（ｔ）、Ｌｌ（ｔ）
）−・（ｔ３）ここでｕｚ（ｔ）は、１回目のバッチの
七時刻の操作量、関数ｆは（８）式の形式、ｙ（ｔ）は
、時刻を十ｄτ−ｎτからｔ＋ｄτ−τまでの観測値、
ｕｌ（ｔ）は時刻ｔ−ｍτからｔ−τまでの操作量であ
る。

２回目以降のバッチ処理の場合には、後述するように、
操作ｔｕＤ）の決定に前回処理時のΔ ０□−、（ｔ＋ｄτ）を用いる方法では、次のようにな
る。

八 ｕａ（ｊ）＝　ｆ　（Ｏｎ−ｚ（ｔ　＋ｄ’ｔＬ　　ｙ
ｍ（ｔ）、ｕｎ（ｔ））・・・（ｔ４） また、２回目以降の場合に、プロセス状態の時間軸のず
れを補正する方法では５次のようになる。

八 ｕｓ（ｔ）＝ｆ（θｍ−ｔ（ｔ　＋　ｄ　τ十ｄ　τ）
、ｙｍ（ｔ　）＋ｕｍ（ｔ　））・・・（ｔ５） ここでαについては後述する。

このプロセス１に対して上記制御装置５を用い。

本発明により制御した場合の効果を以下に示す。

まず、操作量ｕ　（ｔ）の決定に前回処理時の八 〇　ａ−ｔ（ｔ　＋　ｄτ）を用いる方法について説明
する。

１回目の処理のときの操作量ｕｒ（ｔ）の計算は、従来
の方式により同定部３で推定された（Ｉｓ（ｔ）により
行う。これは第７図の手順で行う、２回目へ 以降は、学習部４にＶＩ積された前回のθｍ−ｔ（ｔ＋
ｄで）を用いる。また同定部３において、（ｔ）八 式によるθ處（ｔ）の計算に２回目以降は、τ時刻へ 前のａ　ｍ−ｓ　（を−τ）を用いるのではなく１代り
に学習部４に蓄積された前回処理のときのθｍ、−ｎ（
ｔ　）を用いる。第７図のブロック７３を第８図のブロ
ック８１に置き換え実行すること毒こ相当する。この方
法を用いて制御を行った結果を第３図に示す。

本実施例では、立上りの制御性能の向上が顕著であるの
で第３図では、全処理工程のうち、始めの昇温から発熱
プロセスの部分を示す、つまり、ＰＶＣプロセスの温度
を一定に維持するように制御したときの制御性能を示す
、（ａ）は処理回数１回目、（ｂ）は２回目、（ｃ）は
５回目のときである。それぞれを比較してわかるように
、従来方式による１回目より本発明による方式を用いた
２回目のほうが立上りが良くなっており、さらに２回目
より５回目の哄うが良く、制御性能が向上されたことが
わかる。

次に、前回と今回のブロス状態の時間軸のずれを補ｉＥ
する方法について説明する。本実施例のＰｖＣプロセス
の場合、制御量である反応物の温度が高ければプロセス
状態の変化が速くなり、逆に低いと変化は遅くなること
がわかっている。そこで、前回と今回の時刻ｔにおける
制御ｆｔｋｙ　（ｔ）の差を求め、第６図のようなテー
ブルを用意しておき、それによって今回のほうが高けれ
ば時間軸を進ませ、低くければ遅らせるようにし、また
制御量の差の大きさによりその補正する量を決めるよう
にした。

前回と次の制御量ｙ　！（ｔ　）　、　ｙ　ｚ（ｔ　）
を比較する場合に、それらが振動的である場合を考えて
いるので、次のような観測値にフィルタをかけたものを
比較する。

ｙｚ（ｔ）＝ｈｌｙ（ｔ）＋（ｈｚ−ｈｘ）ｙ（ｔ−τ
）＋（）ｔａ−ｈｌ）ｙ（ｔ−２τ）＋　（ｔ，０−ｈ
　ａ）　ｙ　（ｔ　−３τ）　　　　　　　・・・（ｔ
６）ここでｈｌ”ｈａは、１以下の定数 法のようにフィルタをかけたものの差を求める。

ｙｚｔ（ｔ）　　ｙｚ（ｔ）　　　　　　　　　　”’
（ｔ７）この値が、温度差であり、第６図の第１カラム
に相当する。第６図の表に基づき、第９図の９１、およ
び（ｔ５）式のαを次のように求める。ここで。

ｙｚｌ（ｔ）−ｙｚ＊（ｔ）が、正がまたは負が連続し
て続いたときに、第６図の数値を加算して°“１”以上
になったならば１時刻ｔをτ時叩進めるかまたは、１時
間遅らせる０例えば、ｖ　ａｎ（ｔ）　　ｙ　ｘｚ（ｔ
）の値が正で２°にである場合が連続して２回起った場
合は、 ０．６７＋０．６７＝１．３４　　　　　　・・・（ｔ
８）となり、１時刻が前記したαとして求められる。

この方法を用いた結果を第４図に示す、第４図は第：３
図と同じく昇温から発熱プロセスの部分で。

前回と今回のプロセス状態の時間軸のずれを補正する方
法を用いたときの制御性能を示す図である。

（ａ）は処理回数２回目、（ｂ）は５回目のときである
。第３図の時間軸の補正を行なわなかった場合と比べ、
２回目、５回目とも制御性能が向上し、効果があること
がわかる。

最後に、制御量が振動的習ある場合にその振動を抑制す
る方法について説明する。今回の操作域の基準値となる
ｕｚ（ｔ）は、学習部に蓄積した前回の操作量より、次
式のようにして求める。

ｕｎ（ｔ）＝ｈｔｕ（ｔ）＋（ｈａ−ｈｔ）Ｘ（ｕ　（
ｔ　−τ）＋　ｕ　（ｔ　＋　τ））／　２＋・＝”・
＋（ｔ，０−ｈｎ）Ｘ（ｕ（ｔ　−ｎ　ｔ）＋ｕ（ｔ＋
ｎ　で））／２．０・・・（ｔ９） 操作量の許容範囲Δｕは、今回のｔ時刻の制御量ｙ　（
ｔ）と目標値ｒ　（ｔ）より（ｔ３）式で求めるように
した。

Δｕ＝　Ｉ　ｒ（ｔ）−ｙ（ｔＮ　Ｘβ　　　　・・・
（２０）（βは変換係数） （ｔ６）式で求めたｕｊ（ｔ）とと記で求めた△ Δｕにより、前に述べた前回処理の０　（ｔ　＋　ｄτ
）を用いて計算したｕ　（ｔ）を次に示すように修止す
ることとした。（ｔ９）式のｕｚ（ｔ）と（２０）式の
Δｕを用いて、 ｕｔ（ｔ）−Δｕ＜：ｕ（ｔ）≦ｕ、（ｔ）＋Δｕであ
ればｕ（ｔ）＝ｕ１（ｔ）ｕ（ｔ）＜ｕｎ（ｔ）−Δｕ
であればｕ（ｔ）＝ｕｚ（ｔ）−Δｕｕ（ｔ）＞ｕｆ（
ｔ）＋Δｕであれば−ｕ（ｔ）＝ｕｔ（ｔ）＋Δｕとす
る。このように、操作量の許容範囲を設け。

その範囲内で、操作量を決定する。この方法を用いた結
果を第５図に示す、第５図は第３図と同じく昇温から発
熱プロセスの部分であり、縦軸の温度について拡大した
ものである。（ａ）は処理回数１回目、（ｂ）は２回目
、（Ｃ）は５回目のときである。１回目で起きている振
動は、本方式を用いたことにより２回目では抑制されて
おり、５回目においても振動は抑えられ効果があること
がわかる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、バッチプロセスを対象にオートチュー
ニング方式により制御する場合において、バッチごとに
同じ処理を繰り返す点に着目し前回の処理の情報を前記
手段により次の処理に反映させることで、従来の方式に
おいて制御が不完全であった部分を改善することができ
、処理回数を重ねるごとに制御性能が向上していくとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用する制御装置のブロック構成図、
第２図は本発明の実施例に用いたポリビニル塩化物重合
反応プロセスの概略図、第３〜５図は第１図の制御装置
により第２図のプロセスを制御したときの結果で、第３
図は前回処理の八 ０　ｍ−５ｃ　ｔ　＋　ｄτ）により操作量ｕ　（ｔ）
を計算する方法を用いたときの制御ｘｉ（温度）の時間
変化を示す図、第４図は、制御量ｙ　（ｔ）により時間
軸を補正する方法を用いたときの制御性能を示すｖ４．
第５図は、制御量ｙ　（ｔ）の振動を抑制する方法を用
いたときの制御性能を示す回、第３図。 第５図における各（ａ）は処理回数１回目、（ｂ）は２
回目、（Ｃ）は５回目であり、第４図における各（ａ）
は処理回数２回目、（ｂ）は５回目である。第６図は時
間軸補正に用いるテーブルの一例である。第７図は、１
回目の制御を行うときの同定部の動作手順を示すフロー
チャート、第８図へ は、前回処理のＯｍ−ｚ（ｔ＋ｄτ）より今回の推定パ
ラメータを求める図、第９図は１時間軸を補正する場合
の推定パラメータを求める図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、制御対象となるプロセスの操作量ｕ（ｔ）と制御量
   ｙ（ｔ）の入出力情報によりプロセスパラメータの推定
   値■（ｔ）を得る同定部と、上記制御量ｙ（ｔ）とプロ
   セスの目標値ｒ（ｔ）との偏差ｅ（ｔ）および上記推定
   されたパラメータ■（ｔ）を用いて操作量ｕ（ｔ）を演
   算する操作量演算部を具備するオートチューニング方式
   のプロセス制御装置において、前回処理を行ったときの
   制御情報を蓄え、該制御情報を次回処理に利用できるか
   たちに変換する学習部を設け、変換された情報を基に次
   回処理を行うことを特徴とするバッチプロセス制御方式
   。 ２、処理回数２回目以降の次回処理において、上記操作
   量ｕ（ｔ）の計算には、現時刻ｔよりプロセスの遅れ時
   間ｄτだけ後の時刻（ｔ＋ｄτ）に前回処理で推定した
   プロセスパラメータ ■（ｔ＋ｄτ）を用いることを特徴とする第１項のバッ
   チプロセス制御方式。 ３、前回処理と今回処理のプロセス状態の時間に対する
   ずれを、前回処理と今回処理の上記制御量ｙ（ｔ）の偏
   差の大きさから、あらかじめ与えられたテーブルを用い
   て補正することを特徴とする第１項のバッチプロセス制
   御方式。 ４、前回処理時の操作量ｕ（ｔ）にフィルタをかけた量
   ｕ＿ｆ（ｔ）を今回処理の操作量の基準値とし、また今
   回処理の制御量ｙ（ｔ）と目標値ｒ（ｔ）の偏差から今
   回処理の操作量の基準値ｕ（ｔ）からの許容範囲Δｕを
   算出して、 ｕ＿ｆ（ｔ）±Δｕ内に操作量ｕ（ｔ）がおさまるよう
   に、上記プロセスパラメータ■（ｔ＋ｄτ）により求め
   た操作量を修正することを特徴とする第２項のバッチプ
   ロセス制御方式。