CN107250929B - 控制系统、控制装置、控制方法以及非暂时性存储介质 - Google Patents

Abstract

提供一种能够抑制对设备运用带来的影响、并且能够进行极值控制的控制系统。实施方式的控制系统(100)具有干扰信号取得部、控制量信息取得部、高频振动信号生成部(130)、评价值计算部(140)以及极值控制部(150)。高频振动信号生成部(130)在控制对象工艺的控制中参照干扰信号生成用于使向控制对象工艺提供的操作量变动的高频振动信号。评价值计算部(140)基于控制量信息，计算成为对控制对象工艺的控制量进行评价的指标的评价值。极值控制部(150)进行以下极值控制：基于由高频振动信号生成部生成的高频振动信号使操作量变动，一边搜索评价值的极值一边控制操作量。

Description

控制系统、控制装置、控制方法以及非暂时性存储介质

技术领域

本发明的实施方式涉及控制系统、控制装置、控制方法以及非暂时性存储介质。

背景技术

以往，在水处理设备、环境设备等的设备控制中，向作为控制对象的工艺(以下，称为“控制对象工艺”。)输入的操作量通常是基于对控制对象工艺的控制量进行推测的推测模型来控制的。相对于此，近年来，在操作量的控制中不利用控制对象工艺的推测模型的被称作极值控制的技术备受关注。

极值控制是通过有意地使操作量变化而搜索操作量以使控制对象工艺的控制量接近最优值的方法。在极值控制中，不利用控制对象工艺的推测模型，因此，针对用复杂的推测模型表示的控制对象工艺，也能够容易地进行操作量的控制。

但是，从设备运用的观点来看，为了搜索操作量的最优值而使实际的操作量无限制地变化并不是优选的。究其原因是因为使实际的操作量变化有可能搅乱设备运用。因此，要求抑制对设备运用带来的影响、并且进行极值控制的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5300827号公报

非专利文献

非专利文献1：Y.Tan et al，On the choice of dither in extremum seekingsystems：A case study，Automatica，44，pp.1446-1450(2008)

非专利文献2：J.Copp eds，‘The COST simulation benchmark A product ofCOST action 624and COST action 682ISBN 92-894-1658-0

非专利文献3：O.Yamanaka et al，‘Total cost minimization control schemefor biological wastewater treatment process and its evaluation based on theCOST benchmark process’，Water Science&Technology Vol 53No4-5pp 203-214 2006

非专利文献4：今野、山下著“ORライブラリー非線形計画法”日科技连(1978)

发明内容

发明要解决的问题

本发明要解决的问题是提供一种能够抑制对设备运用带来的影响、并且能够进行极值控制的控制系统、控制装置、控制方法以及非暂时性存储介质。

用于解决问题的手段

实施方式的控制系统，基于干扰对向控制对象工艺提供的操作量进行控制，具有干扰信号取得部、控制量信息取得部、高频振动信号生成部、评价值计算部以及极值控制部。干扰信号取得部取得表示所述干扰的干扰信号。控制量信息取得部取得表示所述控制对象工艺的控制量的控制量信息。高频振动信号生成部参照所述干扰信号，生成在所述控制对象工艺的控制中用于使对所述控制对象工艺提供的操作量变动的高频振动信号。评价值计算部基于所述控制量信息，计算成为对所述控制对象工艺的控制量进行评价的指标的评价值。极值控制部进行以下极值控制：基于由所述高频振动信号生成部生成的所述高频振动信号使所述操作量变动，一边搜索所述评价值的极值一边控制所述操作量。

附图说明

图1是表示第1实施方式的控制系统100的功能结构的功能框图。

图2A是用于说明极值控制的概念的概要图。

图2B是用于说明极值控制的概念的概要图。

图2C是用于说明极值控制的概念的概要图。

图2D是用于说明极值控制的概念的概要图。

图3是表示通常的极值控制系统的框线图。

图4是表示第1实施方式的控制系统100中的极值控制系统的框线图。

图5是表示第1实施方式的控制系统100进行的极值控制的流程的流程图。

图6是表示利用第1实施方式的控制系统100来控制的水处理设备的具体例的图。

图7是表示第2实施方式的控制系统100a的功能结构的功能框图。

图8是表示基于履历信息来生成的转变模式的具体例的图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式的控制系统、控制装置、控制方法以及非暂时性存储介质进行说明。

(第1实施方式)

图1是表示第1实施方式的控制系统100的功能结构的功能框图。

图1的控制对象200表示安装有作为控制系统100的控制对象的控制对象工艺的工厂、设备等设施。控制对象200中包括控制对象工艺的控制量、对作用于控制对象工艺的干扰进行计测的各种计测器械。控制对象200将通过各种计测器械的计测而取得的计测信息输出给控制系统100。控制系统100基于从控制对象200输出的计测信息，决定向控制对象工艺提供的操作量。控制对象200通过将由控制系统100决定的操作量输入到控制对象工艺，使控制对象工艺的控制量变化。

控制系统100具备通过总线来连接的CPU(Central Processing Unit)、存储器、辅助存储装置等。控制系统100执行存储在存储器或辅助存储装置中的控制程序。控制系统100通过控制程序的执行，作为具备计测信息取得部110(干扰信号取得部以及控制量信息取得部的一例)、操作量输出部120、高频振动信号生成部130、评价量计算部140(评价值计算部的一例)以及极值控制部150的装置发挥功能。另外，控制系统100的各功能的全部或一部分也可以使用ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、PLD(ProgrammableLogic Device)、FPGA(Field Programmable Gate Array)等硬件来实现。控制程序也可以记录在计算机可读取的记录介质中。计算机可读取的记录介质是例如软盘、光磁盘、ROM、CD－ROM等可移动介质、内置于计算机系统的硬盘等存储装置。控制程序也可以经由电气通信线路而被发送。

计测信息取得部110以及操作量输出部120包括用于连接到例如LAN(Local AreaNetwork)等网络的通信接口而构成。计测信息取得部110与控制对象200进行通信，从控制对象200取得计测信息。计测信息取得部110将所取得的计测信息中包含的表示干扰的信号(以下，称为“干扰信号”。)输出给高频振动信号生成部130。此外，计测信息取得部110将所取得的计测信息中包含的表示控制量的信息(以下，称为“控制量信息”。)输出给评价量计算部140。

操作量输出部120与控制对象200进行通信，将由极值控制部150生成的操作量输出给控制对象200。

高频振动信号生成部130取得从计测信息取得部110输出的干扰信号。高频振动信号生成部130参照所取得的干扰信号，生成用于使向控制对象工艺提供的操作量变化的高频振动信号。高频振动信号生成部130将所生成的高频振动信号输出给极值控制部150。

评价量计算部140基于从计测信息取得部110输出的控制量信息，计算极值控制部150进行的极值控制所需要的评价量。评价量计算部140将表示计算出的评价量的评价量信息输出给极值控制部150。

极值控制是搜索操作量以使控制对象工艺的控制量接近最优值的控制方法。极值控制中，基于与控制对象工艺的目的相应的任意的评价基准来评价控制对象工艺的控制量，并基于其评价结果来控制向控制对象工艺输入的操作量。评价量信息是表示基于该评价基准计算的评价量的信息，基于针对控制对象工艺计测的控制量信息来计算。例如，评价量既可以被作为设备的运用所需要的运用成本来计算，也可以被作为其他评价值来计算。

例如，在评价量被作为运用成本来计算的情况下，控制操作量，以使控制对象工艺的控制量减少运用成本。通过重复执行这样的操作量的控制，控制对象工艺的控制量收敛于最优值。由此，极值控制不需要直接对控制对象工艺的控制量进行推测的推测模型，因此能够容易地控制任意的控制对象工艺的操作量。

极值控制部150基于从评价量计算部140输出的评价量信息和从高频振动信号生成部130输出的高频振动信号来决定操作量，以使控制对象工艺的控制量向最优值转变。极值控制部150将表示所决定的操作量的操作量信息输出给操作量输出部120。

图2A～图2D是用于说明极值控制的概念的概要图。

图2A中，横轴表示操作量，纵轴表示评价量。极值控制中，向控制对象工艺提供的操作量与根据所提供的操作量而变化的控制量之间的关系是未知的。因此，操作量与评价量之间的关系也是未知的，但是这里为了使说明容易理解，假设某定时的评价量与操作量之间的关系被表示为如曲线10那样而进行说明。用曲线10表示的评价量在点11上具有极小点。在将评价量作为成本来考虑的情况下，优选的是以使成本变得更小的控制量对控制对象工艺进行控制，因此成为目标的操作量是点11中的操作量。

在这样的假设下，极值控制部150例如将曲线10上的点12作为初始值，以图2B所示的高频振动信号使操作量变化。结果，如图2C所示，在评价量呈现与高频振动信号反相位的变化的情况下，即随着操作量的增加而评价量减少的情况下，极值控制部150使操作量增加，以使成本变得更小。

此外，如图2D所示，在评价量呈现与高频振动信号同相位的变化的情况下，即随着操作量的增加而评价量也增加的情况下，极值控制部150使操作量减少，以使成本变得更小。通过重复进行这样的操作量的增减，极值控制部150一边搜索最优的操作量(图中的点11中的操作量)一边控制操作量。这是极值控制的基本思路。通过这样的极值控制进行控制的极值控制系统通常通过如下的图3所示的框线图来表示。

图3是表示通常的极值控制系统的框线图。

图3中s表示拉普拉斯算子。“s/(s+ω2)”是高通滤波器，“ω1/s+ω1”是低通滤波器。“k/s”表示积分器，k是积分器的增益。“a×sinωt”是高频振动信号发生器。高频振动信号作用于操作量以及控制量双方。若适用到图2A～图2D的例中，则使高频振动信号作用到控制量而得到的信号为表示图2C、图2D所示的评价量的信号。并且，该表示评价量的信号对积分器提供使操作量增减的方向。积分器根据操作量的增减的方向和表示评价量的信号的强度，输出表示操作量的信号。高频振动信号作用于从积分器输出的表示操作量的信号，使操作量微小地变动。

另外，为了使上述的极值控制有效地动作，需要将与极值控制相关的各种参数设定为适当的值。与极值搜索相关的各种参数是指积分器的增益k、低通滤波器的截止频率ω1、高通滤波器的截止频率ω2、高频振动信号的振幅a、以及高频振动信号的频率ω。并且，关于这些参数的设定，例如已知如下的五个准则。

[准则1]

将高频振动信号的频率ω设定为比设备的响应速度充分小。即，在将设备的时间常数设为T的情况下，设定为成为ω＜＜2π/T。

[准则2]

将高频振动信号的振幅设定为比操作量的通常的动态充分小，并且比高频振动信号的频率充分小。即，设定为成为a＜＜ω。

[准则3]

将积分器的增益设定为比高频振动信号的频率充分小。即，设定为成为k＜＜ω。

[准则4]

极值搜索的收敛速度比例于k×ω×a²×P。这里，P是高频振动信号的强度。因而，为了使极值搜索的收敛速度更快，在满足准则1～3的范围内，将k、ω以及a设定为尽可能大的值。

[准则5]

将低通滤波器的截止频率设定为比高频振动信号的频率充分大，将高通滤波器的截止频率设定为比高频振动信号的频率充分小。即，设定为成为ω2＜＜ω＜＜ω1。

另外，准则4记载于非专利文献1中，指出了用于极值搜索的高频振动信号可以不是正弦波状。此外，通过数值例来示出了在信号强度P较大的情况下，在高频振动信号为矩形状时，与高频振动信号为正弦波状时相比极值搜索的收敛速度更快。

如以上那样，高频振动信号是极值搜索中的重要的信号。但是，从设备运用的观点来看，从外部对控制对象工艺强制地输入高频振动信号并不是优选的。因为，高频振动信号是用于搜索设备运用中的操作量的最优值的信号，而不是在设备运用上必须需要的信号。将这样的信号提供给控制对象工艺反而会搅乱设备的动作，有可能成为设备运用的风险。为了避免这样的风险，在本实施方式的控制系统100中，利用原来施加到设备上的干扰来生成高频振动信号。

图4是表示第1实施方式的控制系统100中的极值控制系统的框线图。

图3所示的通常的极值控制系统与本实施方式的控制系统100中的极值控制系统的差异是作为高频振动信号发生器的高频振动信号生成部130参照干扰信号来生成高频振动信号这一点。例如，高频振动信号生成部130构成为带通滤波器，通过从干扰信号提取规定的频带的信号来生成高频振动信号。

例如，在控制对象为水处理设备的情况下，控制对象工艺的控制量大多根据作为处理对象的水的流入量来变动，多数情况下使用根据流入量使操作量变化的被称为流入比率控制的控制方法。从该流入比率控制也可知，根据干扰使操作量变化是在通常的设备运用中通常被允许的操作。因此，认为利用施加到设备上的干扰来生成的高频振动信号与设备运用的亲和性较高，使用这样的高频振动信号的极值控制也通常是得到允许的。

图5是表示第1实施方式的控制系统100所进行的极值控制的流程的流程图。

首先，计测信息取得部110从控制对象200取得计测信息(步骤S101)。计测信息取得部110将计测信息中包含的干扰信号输出给高频振动信号生成部130。此外，计测信息取得部110将计测信息中包含的控制量信息输出给评价量计算部140。

高频振动信号生成部130参照从计测信息取得部110输出的干扰信号，生成高频振动信号(步骤S102)。高频振动信号生成部130将所生成的高频振动信号输出给极值控制部150。

评价量计算部140基于从计测信息取得部110输出的控制量信息，计算控制对象工艺的该时间点的评价量(步骤S103)。评价量计算部140将表示计算出的评价量的评价量信息输出给极值控制部150。

极值控制部150基于从评价量计算部140输出的评价量信息和从高频振动信号生成部130输出的高频振动信号，进行控制对象工艺的极值控制(步骤S104)。

极值控制部150判定极值控制的结果评价量是否收敛(步骤S105)。在判定为评价量收敛的情况下(步骤S105－是)，极值控制部150结束处理。另一方面，在判定为评价量没有收敛的情况下(步骤S105－否)，回到步骤S101，控制系统100继续极值控制。

图6是表示使用第1实施方式的控制系统100控制的水处理设备的具体例的图。

图6中的水处理设备300是进行生物学废水处理工艺的设备。图6的具体例中，水处理设备300所进行的生物学废水处理工艺为控制系统100的控制对象工艺。在水处理设备300设有最初沉淀池310、厌氧槽320、无氧槽330、好氧槽340以及最终沉淀池350这样的各设备，在各设备间循环的水由设置于送水路360的各泵输送。

分段流入泵410(图中的分段流入P)是将流入到最初沉淀池310中的污水迂回投入到无氧槽330的泵。分段流入泵410具备分段流量传感器411，计测由分段流入泵410迂回投入到无氧槽330污水的流量。

循环泵420(图中的循环P)是在无氧槽330与好氧槽340之间使水循环的泵。循环泵420具备循环流量传感器421，计测由循环泵420循环的水的流量。

凝集剂投入泵430(图中的凝集P)是为了磷的除去和污泥的沉降特性的提高而向最终沉淀池350的流入部投入凝集剂的泵。凝集剂投入泵430具备注入量传感器431，计测由凝集剂投入泵430投入的凝集剂的量。

返送泵440(图中的返送P)是将最终沉淀池350中沉降的污泥返送到厌氧槽320的泵。返送泵440具备返送流量传感器441，计测由返送泵440返送的污泥的量。

剩余污泥抽出泵450(图中的剩余P)是将最终沉淀池350中沉降的剩余污泥抽出的泵。剩余污泥抽出泵450具备剩余污泥流量传感器451，计测由剩余污泥抽出泵450抽出的污泥的量。

鼓风机460是向好氧槽340供给氧的鼓风机。鼓风机460具备风量传感器461，计测由鼓风机460供给的风量。

水处理设备中，除了在上述的各泵以及鼓风机460以外，在最初沉淀池310等各设备中也设置各种传感器。设置于各设备的传感器所计测的内容如下。

流入量传感器311计测向最初沉淀池310流入的水的流入量。

厌氧槽磷酸传感器321计测厌氧槽320内的磷酸(PO4－P)浓度。厌氧槽MLSS传感器322计测厌氧槽320内的MLSS浓度。厌氧槽ORP传感器323计测厌氧槽320内的氧化还原电位差(ORP)。

无氧槽硝酸传感器331计测无氧槽330内的硝酸(NO3－N)浓度。

好氧槽DO传感器341计测好氧槽340内的溶存氧(DO)浓度。好氧槽氨传感器342计测好氧槽340内的氨(NH4－N)浓度。好氧槽磷酸传感器343计测好氧槽340内的磷酸(PO4－P)浓度。好氧槽COD传感器344计测好氧槽340内的COD浓度。

放水TN传感器351在最终沉淀池350或放水口附近部分计测作为放水水质的指标的全氮(TN)浓度。放水TP传感器352在最终沉淀池350或放水口附近部分计测作为放水水质的指标的全磷(TP)浓度。

剩余污泥浓度传感器361计测由剩余污泥抽出泵450抽出的剩余污泥的浓度。

由此，通过由设置于水处理设备300的各种传感器进行规定的计测，取得生物学废水处理工艺的控制量信息。

将具有这样的结构的水处理设备300作为控制对象的控制系统100具备鼓风机成本计算部141、返送P成本计算部142、循环P成本计算部143、剩余P成本计算部144、凝集成本计算部145以及流入成本计算部146而作为评价量计算部140。此外，在该情况下，控制系统100具备曝气风量控制部151、返送总量控制部152、循环流量控制部153、剩余流量控制部154、凝集剂投入量控制部155以及分段流入量控制部156而作为极值控制部150。进而，在该情况下，控制系统100具备水质制约成本换算部160。控制系统100通过具备这样的结构，将各泵以及鼓风机460的操作量的控制按各个泵以及鼓风机进行极值控制。以下，说明按各个泵以及鼓风机进行的极值控制。

[鼓风机的极值控制]

鼓风机成本计算部141基于由风量传感器461计测的风量，计算鼓风机460的功耗成本。风量与功耗之间的关系可从鼓风机460的规格信息得到。此外，电力单价是已知的信息。因此，功耗成本能够根据相当于所计测的风量的功耗以及电力单价来计算。

此外，鼓风机成本计算部141计算氨负荷量，该氨负荷量通过由好氧槽氨传感器342计测的氨浓度与从水处理设备300放出的水的放水量的积来表示。另外，从水处理设备300放出的水的放水量通过从向水处理设备300的流入量减去剩余污泥流量来得到。鼓风机成本计算部141计算将所计算出的氨负荷量以排水税款的思想进行成本换算的氨水质成本。排水税款是指根据排水量使排水者负担的税款。本实施方式中，作为对控制对象工艺的控制量进行评价的指标，利用配水税款的思想来计算水处理所需要的成本。像这样针对排水量征收一定的税款的思想还记载于非专利文献2及非专利文献3中。同样，鼓风机成本计算部141基于由好氧槽COD传感器344计测的COD浓度和放水量，计算将COD负荷量进行成本换算的COD水质成本。

鼓风机成本计算部141计算用功耗成本、氨水质成本以及COD水质成本的总和表示的鼓风机成本，作为用于对鼓风机460的操作量进行极值控制的评价量。

此外，水质制约成本换算部160通过将由放水TN传感器351计测的全氮浓度以及由放水TP传感器352计测的全磷浓度与水质规定值进行比较，计算将相当于水质规定的制约条件进行成本换算的水质制约成本。这样的成本换算中，也可以使用在最优化问题中将制约条件作为成本来组入的方法即罚函数法。关于罚函数法，也可以使用在非专利文献4中记载的方法。

此外，高频振动信号生成部130基于由分段流量传感器411计测的向水处理设备的流入量，生成用于极值搜索的高频振动信号。在鼓风机的控制的情况下，鼓风机的风量对水质提供的时间常数为十～几十分钟左右。因此，若将该时间常数设为T，则高频振动信号生成部130利用高通滤波器将比设备的响应速度2π/T快的响应成分截断。此时，高频振动信号生成部130根据需要也可以将除去周期性的变动模式的高通滤波器一并采用。通过这样的高通滤波器，可从干扰信号提取以比设备的响应速度慢且比流入量的周期性的变动快的速度变动的成分。并且，通过增益被设计成高频振动信号的振幅满足上述的设计准则2及4的带通滤波器，生成用于对曝气风量进行极值控制的高频振动信号。

曝气风量控制部151基于由鼓风机成本计算部141计算出的鼓风机成本、由水质制约成本换算部160计算出的水质制约成本、以及由高频振动信号生成部130生成的高频振动信号，对鼓风机460的操作量进行极值控制，以使水处理设备的运用所需要的总成本之中的、与鼓风机460的运转相关的部分成本最小化。

[返送泵的极值控制]

返送P成本计算部142基于由返送流量传感器441计测的流量，计算返送泵440的功耗成本。流量与功耗之间的关系可从返送泵440的规格信息得到。此外，电力单价是已知的信息。因此，功耗成本能够根据相当于所计测的流量的功耗以及电力单价来计算。

此外，返送P成本计算部142计算硝酸负荷量，该硝酸负荷量通过由无氧槽硝酸传感器331计测出的硝酸浓度与从水处理设备300放出水的放水量的积表示。返送P成本计算部142将计算出的硝酸负荷量以排水税款的思想进行成本换算的硝酸水质成本。同样，返送P成本计算部142基于由好氧槽磷酸传感器343计测出的磷酸浓度和放水量，计算将磷酸负荷量进行成本换算的磷水质成本。

返送P成本计算部142计算用功耗成本、硝酸水质成本以及磷水质成本的总和表示的返送泵成本，作为用于对返送泵440的操作量进行极值控制的评价量。

返送总量控制部152基于由返送P成本计算部142计算出的返送泵成本、由水质制约成本换算部160计算出的水质制约成本、以及由高频振动信号生成部130生成的高频振动信号，对返送泵440的操作量进行极值控制，以使水处理设备的运用所需要的总成本之中的、与返送泵440的运转相关的部分成本最小化。

[循环泵的极值控制]

循环P成本计算部143基于由循环流量传感器421计测出的流量，计算循环泵420的功耗成本。流量与功耗之间的关系可从循环泵420的规格信息得到。此外，电力单价是已知的信息。因此，功耗成本能够根据相当于计测出的流量的功耗以及电力单价来计算。

此外，循环P成本计算部143计算硝酸负荷量，该硝酸负荷量通过由无氧槽硝酸传感器331计测出的硝酸浓度与由从水处理设备300放出的水的放水量的积来表示。循环P成本计算部143计算将计算出的硝酸负荷量以排水税款的思想进行成本换算的硝酸水质成本。

循环P成本计算部143计算用功耗成本以及硝酸水质成本的总和表示的循环泵成本，作为用于对循环泵420的操作量进行极值控制的评价量。

循环流量控制部153基于由循环P成本计算部143计算出的循环泵成本、由水质制约成本换算部160计算出的水质制约成本、以及由高频振动信号生成部130生成的高频振动信号，对返送泵44的操作量进行极值控制，以使水处理设备的运用所需要的总成本之中的、与循环泵420的运转相关的部分成本最小化。

[剩余污泥抽出泵的极值控制]

剩余P成本计算部144基于由剩余污泥流量传感器451计测出的剩余污泥流量，计算剩余污泥抽出泵450的功耗成本。流量与功耗之间的关系可从剩余污泥抽出泵450的规格信息得到。此外，电力单价是已知的信息。因此，功耗成本能够根据相当于计测出的流量的功耗以及电力单价来计算。

此外，剩余P成本计算部144基于由剩余污泥浓度传感器361计测出的剩余污泥浓度、由剩余污泥传感器451计测出的剩余污泥流量、以及污泥处置单价，计算剩余污泥处置成本。此外，剩余P成本计算部144计算用由好氧槽磷酸传感器343计测出的磷酸浓度与从水处理设备300放出的水的放水量的积表示的磷酸负荷量。剩余P成本计算部144计算将所计算出的磷酸负荷量以排水税款的思想进行成本换算的磷水质成本。

剩余P成本计算部144计算用功耗成本、剩余污泥处分成本以及磷水质成本的总和表示的剩余污泥抽出泵成本，作为用于对剩余污泥抽出泵450的操作量进行极值控制的评价量。

剩余流量控制部154基于由剩余P成本计算部144计算出的剩余污泥抽出泵成本、由水质制约成本换算部160计算出的水质制约成本、以及由高频振动信号生成部130生成的高频振动信号，对剩余污泥抽出泵450的操作量进行极值控制，以使水处理设备的运用所需要的总成本之中的、与剩余污泥抽出泵450的运转相关的部分成本最小化。

[凝集剂投入泵的极值控制]

凝集成本计算部145基于由注入量传感器431计测出的凝集剂的投入量，计算凝集剂投入泵430的凝集剂药品成本。凝集剂药品成本能够根据凝集剂的投入量和药品单价来计算。

此外，凝集成本计算部145基于由剩余污泥浓度传感器361计测出的剩余污泥浓度、由剩余污泥流量传感器451计测出的剩余污泥流量、以及污泥处置单价，计算剩余污泥处置成本。此外，凝集成本计算部145计算用由好氧槽磷酸传感器343计测出的磷酸浓度与从水处理设备300放出的水的放水量的积表示的磷酸负荷量。凝集成本计算部145计算将计算出的磷酸负荷量以排水税款的思想进行成本换算的磷水质成本。

凝集成本计算部145计算用凝集剂药品成本、剩余污泥处置成本以及磷水质成本的总和表示的凝集成本，作为用于对凝集剂投入泵430的操作量进行极值控制的评价量。

凝集剂投入量控制部155基于由凝集成本计算部145计算出的凝集成本、由水质制约成本换算部160计算出的水质制约成本、以及由高频振动信号生成部130生成的高频振动信号，对凝集剂投入泵430的操作量进行极值控制，以使水处理设备的运用所需要的总成本之中的、与凝集剂投入泵430的运转相关的部分成本最小化。

[分段流入泵的极值控制]

流入成本计算部146基于由分段流量传感器411计测出的流量，计算分段流入泵410的功耗成本。流量与功耗之间的关系可从分段流入泵410的规格信息得到。此外，电力单价是已知的信息。因此，功耗成本能够根据相当于计测出的风量的功耗以及电力单价来计算。

此外，流入成本计算部146计算用由好氧槽氨传感器342计测出的氨浓度与从水处理设备300放出的水的放水量的积表示的氨负荷量。另外，从水处理设备300放出的水的放水量可通过从向水处理设备300的流入量减去剩余污泥流量来得到。流入成本计算部146计算将所计算出的氨负荷量以排水税款的思想进行成本换算的氨水质成本。同样，流入成本计算部146基于由无氧槽硝酸传感器331计测出的硝酸浓度和放水量，计算将硝酸负荷量进行成本换算的硝酸水质成本。同样，流入成本计算部146基于由好氧槽磷酸传感器343计测出的磷酸浓度和放水量，计算将磷酸负荷量进行成本换算的磷水质成本。

流入成本计算部146计算用功耗成本、氨水质成本、硝酸水质成本以及磷水质成本的总和表示的流入成本，作为用于对分段流入泵410的操作量进行极值控制的评价量。

分段流入量控制部156基于由流入成本计算部146计算出的流入成本、由水质制约成本换算部160计算出的水质制约成本、以及由高频振动信号生成部130生成的高频振动信号，对分段流入泵410的操作量进行极值控制，以使水处理设备的运用所需要的总成本之中的、与分段流入泵410的运转相关的部分成本最小化。

由此，通过将设备运用所需要的成本作为评价值、并使该成本分散为部分成本而进行极值控制，能够构成将多个操作量单独进行控制的多环结构。由多环结构构成的控制系统100中，例如能够将与多个操作量相关的极值控制安装到各个单环控制器，能够构成简单且扩展性高的极值控制系统。

另外，上述的具体例中，高频振动信号生成部130将向水处理设备300流入的水的流入量作为干扰来生成高频振动信号，但如果是控制对象工艺中本来被施加的干扰，则高频振动信号生成部130也可以将其他任何的事象作为干扰来生成高频振动信号。例如，在将上述的水处理设备300作为控制对象的情况下，既可以将SS(悬浮固体)、COD(化学需氧量)、TN(全氮)、TP(全磷)、吸光度光谱(包含UV)、荧光光谱(EEM)等作为干扰来生成高频振动信号，也可以将用由各种水质传感器计测的水质浓度与流入量的积表示的各种流入水质负荷作为干扰来生成高频振动信号。

此外，上述的具体例中，为了维持进行废水处理后的水的最终的水质，控制系统100具备将附加于废水处理的制约换算为成本的水质制约成本换算部160，但在无法取得用于计算水质制约成本的计测信息的情况下或不需要那样的制约的情况下，控制系统100也可以不具备水质制约成本换算部160。

此外，上述的具体例中计算的各种评价量也可以基于与上述内容不同的评价基准或计测信息来计算。此外，这些评价基准也可以不用于评价量的计算，也可以作为水质制约成本等制约条件而被组入。

此外，在如上述的具体例那样按多个操作量中的每个操作量进行极值控制的情况下，高频振动信号生成部130也可以生成每个操作量的高频振动信号。在该情况下，高频振动信号生成部130也可以根据各操作量对控制对象工艺的控制量带来的影响，按每个操作量生成不同的高频振动信号。这在相对于各操作量的变化的评价量的变化的时间常数不同的情况下有效，遵循上述的极值控制的各种参数的设计准则。

这样构成的第1实施方式的控制系统100不是利用从外部强制输入的信号，而是利用本来施加到设备上的干扰来生成控制对象工艺的极值控制所需要的高频振动信号。通过具备这样的结构，实施方式的控制系统100能够抑制对设备运用带来的影响，并且进行控制对象工艺的极值控制。

以下，对第1实施方式的控制系统100的变形例进行说明。

高频振动信号生成部130也可以构成为在干扰容易变动的时间段生成高频振动信号。例如，高频振动信号生成部130既可以构成为在每单位时间的变动量超过规定的阈值的情况下生成高频振动信号，也可以构成为在根据一日的变动模式认为干扰容易变动的时间段生成高频振动信号。在该情况下，高频振动信号生成部130既可以如上述同样参照干扰信号来生成高频振动信号，也可以生成正弦波或矩形波等其他方式的信号作为高频振动信号。通过这样构成高频振动信号生成部130，为了极值控制而提供的操作量的变动被局部化，控制系统100能够抑制对设备运用带来的影响，并且进行极值控制。关于干扰容易变动的时间段，只要根据控制对象工艺的特性进行设定即可，例如，在控制对象工艺为交通控制系统的情况下，也可以基于交通量的变动模式来设定上述时间段。此外，例如，在控制对象工艺为配水系统或电力供给系统等供给资源的系统的情况下，也可以基于资源的消耗模式来设定上述时间段。

此外，高频振动信号生成部130也可以构成为基于干扰的变动量生成高频振动信号。通常，在干扰的变动大的情况下，控制对象工艺的控制量的最优值也大幅变动。因此，在这样的状况下进行了极值控制的情况下，难以判别控制对象工艺的控制量的变动是由干扰的变动引起的变动，还是由极值控制引起的变动。因此，在这样的情况下，高频振动信号生成部130也可以构成为在干扰信号的变动量为规定的阈值以下的情况下生成高频振动信号。

如上述那样，从设备运用的观点来看，优选的是有可能搅乱控制对象工艺的控制的高频振动信号得到抑制，但另一方面，从极值搜索的效率的观点来看，优选的是控制对象工艺的控制量的变动的振幅大。并且，在如上所述那样干扰的变动大的情况下，通常允许使操作量大幅变动。因此，尤其在具有干扰随机地变化的特性的控制对象工艺的控制中，高频振动信号生成部130也可以在干扰信号的变动量为规定的阈值以上的情况下生成高频振动信号。

此外，高频振动信号生成部130也可以构成为基于干扰的变动的预测来生成高频振动信号。例如，高频振动信号生成部130在干扰的变动量的预测值超过规定的阈值的情况下、或为规定的阈值以下的情况下生成高频振动信号。通过像这样构成高频振动信号生成部130，控制系统100能够更迅速地进行控制对象工艺的极值控制。对干扰的变动进行预测的方法可以使用任意的方法。例如，在水处理设备300的极值控制的情况下，也可以对流入量适用自回归模型等而预测变动。此外，如上所述，向水处理设备300的流入量大多具有周期性的变动模式。因此，也可以基于这样的变动模式来预测干扰的变动。例如，关于周期性的变动模式，能够通过对过去的计测数据进行统计而取得。

另外，本实施方式的极值控制方法是根据工艺的输出(控制量)使输入(操作量)变化的工艺，只要能够计测或预测工艺中施加的干扰，则也可以适用于上述的水处理工艺以外的工艺。

(第2实施方式)

图7是表示第2实施方式的控制系统100a的功能结构的功能框图。

第2实施方式的控制系统100a在代替计测信息取得部110而具备计测信息取得部110a这一点、代替极值控制部150而具备极值控制部150a这一点、还具备履历信息存储部170这一点上与第1实施方式的控制系统100不同。另外，图7的说明中，通过附加与图1相同的标号而省略与图1相同的功能部的说明。

履历信息存储部170使用磁硬盘装置、半导体存储装置等存储装置而构成。履历信息存储部170针对控制对象工艺，存储过去计测出的控制量信息作为履历信息。

计测信息取得部110a从控制对象200取得计测信息，并且将计测信息中包含的控制量信息与取得控制量信息的定时建立对应而作为履历信息存储到履历信息存储部170中。

极值控制部150a对控制对象工艺进行与极值控制部150相同的极值控制。此外，极值控制部150a基于履历信息，决定极值搜索中的操作量的初始值。例如，极值控制部150a基于履历信息，生成控制对象工艺的控制量的一天的转变模式。例如，极值控制部150a如以下的图7那样生成转变模式。

图8是表示基于履历信息生成的转变模式的具体例的图。

图8以水处理设备300为例，示出基于曝气风量的计测值而生成的转变模式的例，上述曝气风量是针对控制对象工艺取得的控制量信息之一。该转变模式的生成中，既可以使用过去的规定期间中在相同时刻计测出的计测值的平均值、去掉最大值和最小值后的平均值、中央值等代表值，简单地也可以使用表示前一天的履历信息的计测值。

极值控制部150a在所生成的转变模式中将与极值控制的执行定时对应的值设定为操作量的初始值而进行极值搜索。另外，在生成的转变模式中出现急剧的变化或不连续的转变的情况下，极值控制部150a也可以通过任意的插补法将转变模式进行调整，以缓和这样的变化量或不连续。

这样构成的第2实施方式的控制系统100a基于过去计测出的控制量信息，设定控制对象工艺的极值控制中的操作量的初始值。通过像这样设定极值控制中的操作量的初始值，控制系统100a在控制量周期性地变动的控制对象工艺的极值控制中能够提高极值搜索的收敛速度。

以下，对第2实施方式的控制系统100a的变形例进行说明。

极值控制部150a也可以将极值控制的执行定时下的控制量信息所示的计测值与过去取得的控制量信息所示的计测值的差分值看作操作量，来进行极值搜索。在该情况下，过去取得的控制量信息所示的计测值既可以是前控制周期的极值控制中的计测值，也可以是过去的相同时刻的计测值。通过由极值控制部150a将计测值的差分值看作操作量来进行极值控制，控制系统100a能够抑制极值控制的初期的操作量的变化的不连续性。

根据以上说明的至少一个实施方式，通过具有：干扰信号取得部，取得表示干扰的干扰信号；控制量信息取得部，取得表示所述控制对象工艺的控制量的控制量信息；高频振动信号生成部，在所述控制对象工艺的控制中，参照干扰信号生成用于使对所述控制对象工艺提供的操作量变动的高频振动信号；评价值计算部，基于所述控制量信息，计算成为对所述控制对象工艺的控制量进行评价的指标的评价值；以及极值控制部，进行以下的极值控制：基于由所述高频振动信号生成部生成的所述高频振动信号使所述操作量变动，一边搜索所述评价值的极值一边调整所述操作量，从而能够抑制对设备运用带来的影响，进行极值控制。

说明了本发明的实施方式，但这些实施方式是作为例来提示的，并没有要限定发明的范围。这些实施方式能够以其他多种形态实施，并且在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围及主旨中，并且包含在与权利要求书中记载的发明等效的范围中。

Claims (16)

1.一种控制系统，基于干扰对向控制对象工艺提供的操作量进行控制，具备：

干扰信号取得部，取得表示所述干扰的干扰信号；

控制量信息取得部，取得表示所述控制对象工艺的控制量的控制量信息；

高频振动信号生成部，在所述控制对象工艺的控制中，参照所述干扰信号生成高频振动信号，该高频振动信号用于使向所述控制对象工艺提供的操作量变动；

评价值计算部，基于所述控制量信息，计算成为对所述控制对象工艺的控制量进行评价的指标的评价值；以及

极值控制部，进行以下极值控制：基于由所述高频振动信号生成部生成的所述高频振动信号使所述操作量变动，一边搜索所述评价值的极值一边控制所述操作量。

2.一种控制系统，基于周期性地变动的干扰，对向控制对象工艺提供的操作量进行控制，具备：

控制量信息取得部，取得表示所述控制对象工艺的控制量的控制量信息；

高频振动信号生成部，在所述控制对象工艺的控制中，在所述干扰容易变动的时间段生成高频振动信号，该高频振动信号用于使向所述控制对象工艺提供的操作量变动；

评价值计算部，基于所述控制量信息，计算成为对所述控制对象工艺的控制量进行评价的指标的评价值；以及

极值控制部，进行以下极值控制：基于由所述高频振动信号生成部生成的所述高频振动信号使所述操作量变动，一边搜索所述评价值的极值一边控制所述操作量。

3.如权利要求2所述的控制系统，其中，

还具备干扰信号取得部，该干扰信号取得部取得表示所述干扰的干扰信号，

所述高频振动信号生成部参照所述干扰信号而生成所述高频振动信号。

4.如权利要求1或2所述的控制系统，其中，

在所述干扰信号的变化量为规定的阈值以上的情况下，或在预测为所述干扰信号的变化量成为规定的阈值以上的情况下，所述高频振动信号生成部生成所述高频振动信号。

5.如权利要求1或2所述的控制系统，其中，

在所述干扰信号的变化量为规定的阈值以下的情况下，或在预测为所述干扰信号的变化量成为规定的阈值以下的情况下，所述高频振动信号生成部生成所述高频振动信号。

6.如权利要求1或3所述的控制系统，其中，

所述高频振动信号生成部通过从所述干扰信号提取规定的频带的信号而生成所述高频振动信号。

7.如权利要求1或2所述的控制系统，其中，

所述高频振动信号生成部按所述控制对象工艺中的多个操作量中的每个操作量，生成所述高频振动信号；

所述评价量计算部按所述多个操作量中的每个操作量，计算所述控制对象工艺的评价值；

所述极值控制部基于按所述多个操作量中的每个操作量生成的高频振动信号、以及按所述多个操作量中的每个操作量计算出的评价值，按所述每个操作量进行极值控制。

8.如权利要求1或2所述的控制系统，其中，

所述极值控制部在所述控制对象工艺的控制量周期性地变化的情况下，基于过去取得的所述控制量信息，决定所述极值控制中的所述操作量的初始值。

9.如权利要求1或2所述的控制系统，其中，

所述极值控制部基于过去取得的所述控制量信息，决定向所述控制对象工艺提供的操作量的差分值，通过使所述差分值变动而搜索所述评价值的极值。

10.一种控制方法，其是基于干扰对向控制对象工艺提供的操作量进行控制的控制系统所进行的控制方法，具有：

干扰信号取得步骤，取得表示所述干扰的干扰信号；

控制量信息取得步骤，取得表示所述控制对象工艺的控制量的控制量信息；

高频振动信号生成步骤，在所述控制对象工艺的控制中，参照所述干扰信号生成高频振动信号，该高频振动信号用于使向所述控制对象工艺提供的操作量变动；

评价值计算步骤，基于所述控制量信息，计算成为对所述控制对象工艺的控制量进行评价的指标的评价值；以及

极值控制步骤，进行以下极值控制：基于所述高频振动信号生成步骤中生成的所述高频振动信号使所述操作量变动，一边搜索所述评价值的极值一边控制所述操作量。

11.一种控制方法，其是基于周期性地变动的干扰对向控制对象工艺提供的操作量进行控制的控制系统所进行的控制方法，具有：

控制量信息取步骤，取得表示所述控制对象工艺的控制量的控制量信息；

高频振动信号生成步骤，在所述控制对象工艺的控制中，在所述干扰容易变动的时间段生成高频振动信号，该高频振动信号用于使向所述控制对象工艺提供的操作量变动；

评价值计算步骤，基于所述控制量信息，计算成为对所述控制对象工艺的控制量进行评价的指标的评价值；以及

极值控制步骤，进行以下极值控制：基于在所述高频振动信号生成步骤中生成的所述高频振动信号使所述操作量变动，一边搜索所述评价值的极值一边控制所述操作量。

12.一种控制装置，基于干扰对向控制对象工艺提供的操作量进行控制，具备：

高频振动信号生成部，在所述控制对象工艺的控制中，参照表示所述干扰的干扰信号生成高频振动信号，该高频振动信号用于使向所述控制对象工艺提供的操作量变动；

评价值计算部，基于表示所述控制对象工艺的控制量的控制量信息，计算成为对所述控制对象工艺的控制量进行评价的指标的评价值；以及

极值控制部，进行以下极值控制：基于由所述高频振动信号生成部生成的所述高频振动信号使所述操作量变动，一边搜索所述评价值的极值一边控制所述操作量。

13.一种控制装置，基于周期性地变动的干扰，对向控制对象工艺提供的操作量进行控制，具备：

高频振动信号生成部，在所述控制对象工艺的控制中，在所述干扰容易变动的时间段生成高频振动信号，该高频振动信号用于使向所述控制对象工艺提供的操作量变动；

评价值计算部，基于表示所述控制对象工艺的控制量的控制量信息，计算成为对所述控制对象工艺的控制量进行评价的指标的评价值；以及

极值控制部，进行以下极值控制：基于由所述高频振动信号生成部生成的所述高频振动信号使所述操作量变动，一边搜索所述评价值的极值一边控制所述操作量。

14.如权利要求12或13所述的控制装置，其中，

所述高频振动信号生成部和所述极值控制部安装于单环控制器。

15.一种非暂时性存储介质，存储有用于使计算机作为控制装置发挥功能的计算机程序，所述控制装置基于干扰对向控制对象工艺提供的操作量进行控制，

该控制装置具备：

高频振动信号生成部，在所述控制对象工艺的控制中，参照表示所述干扰的干扰信号生成高频振动信号，该高频振动信号用于使向所述控制对象工艺提供的操作量变动；

评价值计算部，基于表示所述控制对象工艺的控制量的控制量信息，计算成为对所述控制对象工艺的控制量进行评价的指标的评价值；以及

极值控制部，进行以下极值控制：基于由所述高频振动信号生成部生成的所述高频振动信号使所述操作量变动，一边搜索所述评价值的极值一边控制所述操作量。

16.一种非暂时性存储介质，存储有用于使计算机作为控制装置发挥功能的计算机程序，所述控制装置基于周期性地变动的干扰对向控制对象工艺提供的操作量进行控制，

该控制装置具备：

高频振动信号生成部，在所述控制对象工艺的控制中，在所述干扰容易变动的时间段生成高频振动信号，该高频振动信号用于使向所述控制对象工艺提供的操作量变动；

评价值计算部，基于表示所述控制对象工艺的控制量的控制量信息，计算成为对所述控制对象工艺的控制量进行评价的指标的评价值；以及

极值控制部，进行以下极值控制：基于由所述高频振动信号生成部生成的所述高频振动信号使所述操作量变动，一边搜索所述评价值的极值一边控制所述操作量。

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