JP2001527231A - 制御システムの応答におけるオーバーシュートの予測方法 - Google Patents

制御システムの応答におけるオーバーシュートの予測方法

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Abstract

(57)【要約】 プロセス変数に関連付けられた波形を観察し、時間スケールや変調スケールに関係なくプロセス変数に関連付けられた波形を観察し、プロセス変数の矯正動作をとるための比例・積分・微分制御を有するファジィロジックモジュールを用いることにより、オーバーシュートを抑える又は取り除くための矯正行動をとることによって、プロセス変数のオーバーシュートを予測することにより、プロセス値の設定点を超えるオーバーシュートを抑える方法を有するプロセス制御システム。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 ［発明の背景］ １．発明の技術分野 本発明は工業プロセス制御システムに関し、特に、オーバーシュート、すなわ
ちコントローラの点を通過すること又は越えることを抑える方法に関する。
【０００２】 ２．背景となる技術 いわゆるファジィロジックの使用は、定期刊行物「プラスチック技術」１９９
６年６月号において記述されており、そこでは「ファジィロジックは人間が考え
るように制御する傾向がある」と述べられている。
【０００３】 ファジィロジックは工業プロセスの分野において広く用いられてきた。ファジ
ィロジックは、典型的な解決方法に固有ないくつかの問題を解決することができ
るため、従来の制御に代えて用いられてきた。レスポンス時間を改善することに
よって、特に設定点又はプロセス限界に対するオーバーシュート又はアンダーシ
ュートに関係している。プロセス制御装置は、一般の工業制御構造の通常の安定
性を損なうイベントや特性を扱うことによって温度制御又は圧力制御の分野にお
いて有用となるほど、広くファジィロジックを利用するようになった。外的な要
因によってプロセス中である変化が生じると、何らかの形の矯正動作をおこなう
必要がある。
【０００４】 オーバーシュートやアンダーシュートの特性を制御するために、もし動作限界
があまりに緩く設定されるならば、典型的にはシステムはゆっくりと反応するで
あろう。一方、より厳しい基準が含まれるならば、システムはより素早く反応す
るかもしれず、次いでより顕著なオーバーシュートを引き起こすかもしれない。
そこでファジィロジックは、これらの関心事に、「熱すぎる」、「冷たすぎる」
、「遅すぎる」又は「速すぎる」といった、いわゆる「人間の言語」に適応する
ことよって取り組むものである。要するに、ファジィロジックは、厳密な数学的
な用語ではなく、典型的な言語学的な用語によってプロセス限界を定義する。実
際に処理される値は互いに比較され、そのような比較によって決定され、各値に
割り当てられた様々な重要度を持つ。例えば、速度が超過しているならば、速度
を「遅い」とすることが望ましいであろう。
【０００５】 オーバーシュート抑制の特徴を有する単一ループコントローラ・システムがい
くつかの製造業者によって開示されている。これらの１つは、ＩＳＡ９０国際会
議及び展示会（ISA90 International Conference and Exhibition)の予稿集、18
49〜1857頁のヤスダ、マノ、モリ、アゼガミ及びクロッティによる論文「オーバ
ーシュート抑制アルゴリズムを有する比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラ
（A Propotional Integral Derivative (PID) Controller with Overshoot Sup
pression Algorithm )」に開示されている。この論文は、ファジィロジック制御
技術を用いたプロセスのオーバーシュートを抑制する方法を示している。
【０００６】 オーバーシュートの抑制は、比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラ 内に 知識ベース化されたファジィルールとして埋め込まれており、そのファジィルー
ルは、そのコントローラの内部設定点を変更して、制御変数が、プロセスの変更
にあたってオーバーシュートを生じない、あるべき又は提案されたレスポンスカ
ーブ上にあるように機能する。この設計は、コントローラの自動調整によって設
定されるパラメータ「有効プロセス不感時間」を事前に設定しておくことが必要
となる。この設計は、比較的ゆっくりとした動的レスポンスを有するシステムに
対して有効である。このループが仮に大変速いオーバーシュートを有するならば
、抑制は働かず、ループを不安定にすることすらあることが報告されている。
【０００７】 ファジィ温度コントローラがオムロンの型番Ｅ５ＡＦのファジィ温度コントロー
ラとして開示されている。この１／４ＤＩＮコントローラは、プロセス擾乱に対
し素早く反応するために、ファジィとＰＩＤ制御を組み合わせている。開示され
たシステムにおいて、フィードフォワード回路を有する先進的なＰＩＤコントロ
ーラがスタートアップと定常運転の間の最適な反応を提供する。そこに含まれた
ファジィとＰＩＤコントローラは共に働いてプロセスの乱れをオーバーシュート
を最小にしつつ迅速に矯正する。その構成は、プロセスに対するファジィ制御の
影響を調節するために、ファジィパラメータを変更できるようになっている。設
定値の±０．３％の精度が主張されている。オムロンの設計は、システムが、フ
ァジィ強度、ファジィ尺度１、ファジィ尺度２の３つのパラメータをユーザが事
前に設定することを求めていることを示している。これらがもし正しく設定され
なければ、又はシステムの動的な反応がゆっくり過ぎるときには、システムは不
安定になるかもしれない。
【０００８】 したがって、本発明の目的は、工業プロセス制御システムにおけるオーバーシ
ュートを予測する方法を示し、制御システムがオーバーシュートを抑える又は取
り除くために必要な矯正動作をとることができるようにすることである。
【０００９】 ［発明の概要］ 多くの典型的な工業プロセス制御システムにおいて、設定点の変更に反応し又
はシステム内の擾乱から回復するする際にオーバーシュートすること、すなわち
コントローラの設定点を通過し又は越えることはプロセス変数にとって甚だ望ま
しくないと考えられる。本発明は、制御システムがこれを抑え又は取り除くため
の矯正動作をとることができるようにするため、そのようなオーバーシュートを
予測する方法を示すものである。その予測はプロセス変数の波形を観察すること
によってなされる。
【００１０】 このプロセスを観察する方法は、構成パラメータを設定することもなく、かつ
システム動作をあらかじめ知る必要がない、広範囲の動作特性を持ったシステム
と共に動作する。ここで開示されるオーバーシュートを抑制する方法は、パラメ
ータを規定する必要はなく、システムの動的特性のとても広い範囲において安定
である。これが真実であることは、この方法がプロセス変数の波形のみを観察し
、時間スケールや変調スケールに関係ないことからもわかる。
【００１１】 設定点の値に対して何の抑制もないシステムにおいては、オーバーシュートは
、安定化を行った後、ある期間後に設定点を設定し直す前にその設定点の実質的
な増大又は上昇を引き起こすであろう。
【００１２】 そのようなシステムに対してオーバーシュートの抑制が適用されると、その設
定点は最初に抑制えられる。プロセス値（process value:ＰＶ）がその抑制され
た設定点に向かって上昇している間は、オーバーシュートするであろうという予
測がなされる。そこでその設定点は、プロセス変数が横這いになるまで、その抑
制されたレベルに保持される。この時点において抑制を縮小させ、プロセス変数
をフルの設定点のレベルにおいてオーバーシュートすることなく、「軟着陸」さ
せる。オーバーシュートがないシステムにおいては、明らかに抑制は用いられず
、変化は起こらない。しかし、オーバーシュートの抑制によって、設定点は最初
に抑制されるかもしれない。しかしながら、オーバーシュートのない波形に基づ
いて予測がなされるや否や、抑制は縮小し、典型的には制定時間を無駄にするこ
となく、プロセス変数をフルの設定点のレベルにする。
【００１３】 ここで説明するようなオーバーシュート抑制の動作は、プロセス変数の波形が
上昇している間に、オーバーシュートするということを予測する能力を必要とす
る。ここで開示される予測を実行する方法は、プロセス動作の知識を事前に要求
することなく、広範囲なプロセス動的条件において予測する能力を必要とする。
この方法は、オーバーシュートがないときはプロセス変数が設定点におおよそ近
づき、オーバーシュートするときにはより直線に近づくことが観察されることを
利用する。この観察は、システムの様々な反応からの実験的なテストデータを解
析することによって行われた。したがって、もし偏差が零に向かって減少してい
くように時間と共に指数関数的に減衰していくならば、オーバーシュートはない
であろう。その一方で、オーバーシュートがある場合は、偏差の波形は直線によ
り近くなる。
【００１４】 指数関数的であるか、直線であるか等の偏差カーブの形は、固定された割合だ
け偏差が減衰する時間間隔を計測することによって評価される。連続する時間値
の対のそれぞれの比が、波形の曲率又は指数関数度の測度として用いられる。偏
差の曲率は、オーバーシュートが発生するか否かを予測するために用いられる。
０．８又はその近傍の偏差の曲率は、オーバーシュートがあることを示す。１．
０又はその近傍の値はオーバーシュートがないことを示す。偏差曲率信号は偏差
の変調スケールや時間スケールから独立している。
【００１５】 ［発明の詳細な説明］ 図面の図１を参照すると、本発明により教示される方法に従うファジィロジッ
クを用いたプロセス制御システムが示されている。これからわかるように、ファ
ジィロジックは、スイッチ１２Ａにおいて、必要に応じて含めたり、切り離した
りすることができる。このシステムは、ＵＤＣ、すなわちユニバーサル分散制御
型、のシステムである。制御されるプロセス１５に対する設定点を設定するのに
用いられる、設定点を設定する装置１１が備えられている。その設定点とプロセ
スとの間は接続され、直接の線路が設定点と制御されるプロセスに出力が接続さ
れた比例・積分・微分（ＰＩＤ）ユニットとの間の接続となっている。設定点設
定装置１１とＰＩＤ装置１４との中間には、スイッチ点１２があり、ここではス
イッチ１２Ａを介してファジィロジックモジュール１３を回路に挿入し、設定点
装置１１からＰＩＤ装置１４へのファジィロジックを介する接続を提供すること
ができる。リード１６を介してプロセス値が、ファジィロジック１３とＰＩＤ装
置１４の双方にフィードバックされている。 ファジィロジックモジュール１３は、設定すべきパラメータがなくかつ事前調整
及び学習を要求されることなく、値のある範囲においてオーバーシュートを減少
させるものである。要求される構成は、ファジィオーバーシュート抑制の「オン
」又は「オフ」の選択のみである。オーバーシュートを持ついかなる安定ループ
も本方法を用いることによってオーバーシュートを抑え、又は取り除くであろう
。オーバーシュートを持たないいかなるループもオーバーシュートを持たないま
まであり、オーバーシュートが顕著に増大することはない。オーバーシュートを
持つあるいは持たないほとんどのループにおいて、中間の制定時間変化は負とな
るであろう。
【００１６】 上記の目的を満たすためには、オーバーシュートを防ぐのに必要な動作を行う
ために十分早い時期にオーバーシュートがあるかどうかを検知し、かつこれをプ
ロセス動作を事前に知ることなく行うことが必要である。これを達成するには、
オーバーシュートがないときはプロセス変数が設定点におおよそ近づき、オーバ
ーシュートするときにはより直線に近づくことが観察されることを利用する。こ
の観察は、多重遅れや不感時間を持つプロセスのものを含む、システムの様々な
反応からの膨大な量の実験的なテストデータを解析することによって行われる。
【００１７】 もし偏差が零に向かって減少し、時間と共に指数関数的に減衰するならば、オ
ーバーシュート（すなわち、設定点−プロセス値の量）はない、と判断された。
オーバーシュートがあるときは、偏差の波形は直線に近くなる。もう一方の極端
な場合は、反応がゆっくりならば、その反応は指数関数の曲がりよりもはるかに
大きい。この問題の解は、そのような曲がりの曲率を計測することによってある
程度判断される。指数関数的か又は直線的か等に関する曲がりの偏差の形は、 偏差が固定された割合だけ減衰する時間間隔を計測することによって評価される
。これを換言するならば、連続する時間値の対のそれぞれの比が波形の曲率又は
指数関数度の測度として用いられる。
【００１８】 図２を参照すると、測度がある時刻において計測され、次いでもう一つの時刻
プラス１、次いで時刻プラス２、時刻プラス３等において計測される。偏差が減
衰のレベルマイナスしきい値に達する時刻と場所において減衰する偏差マイナス
しきい値が測度０．８で一定になる偏差を決定しなければならない。
【００１９】 図２に見られるように、２つの連続した時間間隔の比は偏差の曲率とみなされ
る。もし曲率が指数関数的ならば、偏差の曲率は１である。同様に曲がりが直線
的ならば、偏差の曲率は０．８である。上述のように、オーバーシュートの予測
は判断することができる。
【００２０】 設定点が変更されたとき、ファジィロジック１３を含むようにスイッチ１２Ａ
を操作してファジィオーバーシュート抑制を用い、抑制された設定点は新しい設
定点の方向に８０％だけ動く。するとプロセス値はその抑制された設定点に対し
て制御される。プロセス値がその抑制された設定点に近づくにつれて、ファジィ
ロジックはオーバーシュートがあるかどうかを予測することができなければなら
ない。もしオーバーシュートがないのであればその抑制は零に縮小させられ、そ
うでなければファジィロジックは、オーバーシュートを取り除くか、少なくとも
抑えるために、その抑制をさらにそのまま保つ。この予測は偏差の曲率の値に基
づいて行われる。プロセス値がその抑制された設定点に近づくにつれて、オーバ
ーシュートを持つプロセスの偏差の曲率の値とオーバーシュートを持たないプロ
セスの偏差の曲率の値との間に明確な分離があることがわかった。
【００２１】 設定点ステップが適用されるときには、抑制ははじめに２０％のステップサイ
ズに設定され、よって抑制された設定点は新しい設定点レベルへの距離の８０％
動く。プロセス値がその抑制された設定点への距離のおよそ４分の３動くまでに
、ファジィロジックはオーバーシュートがないと判断し、抑制を縮小し始める。
ファジィロジックが抑制を零まで縮小すると、プロセス値は、典型的には制定時
間に変化を与えることなく、設定点に近づく。
【００２２】 オーバーシュートが存在するプロセスを理解するため、抑制された設定点は、
最初に抑制されない設定点の８０％に設定され、プロセス値が上昇するにつれて
、ファジィロジックはオーバーシュートがあると判断して、抑制を同じレベルに
保持する。したがって、プロセスレベルが横這いになると、ファジィロジックは
、プロセス値を設定点レベルに「軟着陸」させるために、抑制を縮小する。
【００２３】 図３に記載されたファジィ機械ロジックモジュールの動作と配線の詳細は本発
明の一部を構成せず、むしろこれらのブロックがここで示されかつ議論されたよ
うに動作することが求められる。ルールの中のファジィ集合の定義を含む特定の
設計の詳細は、後述するシステムの閉ループシミュレーションを用いた相互環境
において作業をすることによって開発された。
【００２４】 図３に示すように、後処理モジュール３５において、後処理モジュールは、入
力としてファジィ機械からデルタ抑制を受け取り、それに応じて抑制の値を増大
又は減少する。デルタ抑制が正ならば、抑制は増大する。
【００２５】 デルタ抑制が負ならば、抑制は零に向かって縮小する。零レートは前処理によ
って設定されたｔスケールを用いてスケールされ、デルタ抑制の値が減少すると
、抑制は、プロセス時定数とほぼ等しいレートで取り除かれる。
【００２６】 再びファジィロジックモジュールのブロック図を示す図３を参照する。本方法
によって制御されたオーバーシュートの抑制は、約１５分までの不感時間をもつ
１０秒から８時間までのプロセスの遅れについて、２つの遅れと不感時間を持つ
ループに対して動作すると期待される。また、設定点ステップ又は変調レンジの
１％から全域までの擾乱を含む偏差に対しても動作すると期待される。
【００２７】 本方法のファジィロジックは、このレンジの値について、従来技術において相
であるようにパラメータをプリセットしたり、事前調整又は学習をする必要なし
に、オーバーシュートを抑えると期待される。 要求される構成は、図１に示したファジィオーバーシュート抑制の「オン」又は
「オフ」の選択のみである。オーバーシュートを持つ上記レンジにおけるパラメ
ータを有するいかなる安定ループも、本方法を用いることによってオーバーシュ
ートを抑え、又は取り除くであろう。オーバーシュートを持たないいかなるルー
プもオーバーシュートを持たないままであり、オーバーシュートが顕著に増大す
ることはないであろう。
【００２８】 図３のファジィ機械の動作に組み込まれたルールは、表Ａに示されている。こ
こには、偏差の曲率に対する情報が示されており、偏差の曲率が「増大」（INCR
EASING）、「急速に減衰」（FAST DECAY）、「指数関数的に減衰」（EXP. DECAY
）、又は「ゆっくりと減衰」（SLOW DECAY）、すなわち抑制レートが５倍以上か
ら零若しくは負の抑制レートまでの抑制の４つのレベルとなっている。
【００２９】 図３に示す前処理モジュール３１は、設定点の現在の値とプロセス値を入力と
して受け取り、入力ファジィ集合３２，ルールモジュール３３及び出力ファジィ
集合３４からなるファジィ機械へ、相対偏差と偏差の曲率の更新された値を供給
する。前処理モジュールは、もし抑制が零ならば零で除算することを避けること
を条件に、偏差（設定点マイナスプロセス値）を抑制の現在値で割る。次いで０
と６の間の値となる結果を固定して、ファジィ機械により要求されるレベルに対
する出力をスケールする。偏差の曲率の計算方法は先に概要を説明した。この計
算は偏差が減少する間に実行されたが、振る舞いも、偏差が増大、フラット又は
零のように他のいかなる状態にあっても定義されなければならない。
【００３０】 図４に示す簡略化された状態図において、Ｅｌａｔｃｈの値（減衰マイナスし
きい値）は、偏差が増大するときは評価され、次いで、図４に示すように、減少
するときにはそれが偏差のラッチ値として用いられ、偏差の曲率を計算する。ｔ
スケールは、ターンアラウンド（転換:TURNAROUND）の際に測定された減衰レー トに比例して設定され、抑制の減衰のレートを決定するのに用いられる。様々な
状態及びイベント並びにその結果の動作に関する詳細は、その結果生ずる状態と
共に表Ｂに示されている。
【００３１】 本発明の実施例として１つの方法が示されたが、本発明はここに添付された請
求項の範囲によってのみ規定されるのであり、本発明の精神からはずれることな
く様々な変更が可能であることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
本発明は、図面を参照して詳細に説明される。
【図１】 図１は、本発明にかかる方法に従い、ファジィロジックを用いた
制御システムのブロック図である。
【図２】 図２は、本発明において用いられる偏差の曲率の計測の詳細を示
すグラフである。
【図３】 図３は、本発明の方法において用いられるファジィロジックモジ
ュールのブロック図である。
【図４】 図４は、偏差の曲率の計算を示す簡略化された状態図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１２年８月２２日（２０００．８．２２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【表Ａ】
【表Ｂ】

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プロセス制御システムにおいて、あらかじめ決められたプロ
    セス値に関する設定点を超えたプロセス変数のオーバーシュートを抑制する方法
    であって、 前記プロセス変数に関する波形を観察することによって前記オーバーシュート
    を予測し； 前記プロセス変数に関する前記波形の前記観察は、時間スケール又は変調スケ
    ールのいずれかとは無関係になされるステップと、 前記システムに矯正動作を行わせて前記オーバーシュートを抑えまたは取り除
    くステップと、 比例・積分・微分コントローラと共にファジィロジックモジュールを用いて前
    記プロセス変数の前記矯正動作を行うステップと からなることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 前記設定点は最初に抑制されることを特徴とする請求項１記
    載の方法。
  3. 【請求項３】 プロセス変数の波形が上昇する間、オーバーシュートが発生
    するかを予測することを特徴とする請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 オーバーシュートプロセス変数の不足が設定点に指数関数的
    に近づくことを特徴とする請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 プロセス変数のオーバーシュートが設定点に直線的に近づく
    ことを特徴とする請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記波形の判断は、固定された比率によって偏差が減衰する
    時間期間を計測することによりなされることを特徴とする請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 連続する時間値の対のそれぞれの比が、波形の指数関数度で
    あることを特徴とする請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記偏差の曲率はオーバーシュートがあるか否かについての
    測度であることを特徴とする請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】 プロセス変数は、前記ファジィロジックによって前記抑制さ
    れた設定点において制御されることを特徴とする請求項１記載の方法。
  10. 【請求項１０】 オーバーシュートがないときは、前記ファジィロジックは
    前記抑制された設定点を零に縮小することを特徴とする請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 オーバーシュートが発生した場合には、前記ファジィロジ
    ックは、前記プロセス変数が横這いになるまで前記プロセス変数よりも小さいレ
    ベルで抑制を維持し、その後前記ファジィロジックが抑制を縮小してプロセス変
    数をそのプロセスレベルのための設定点にすることを特徴とする請求項９記載の
    方法。
JP2000525795A 1997-12-22 1998-11-13 制御システムの応答におけるオーバーシュートの予測方法 Pending JP2001527231A (ja)

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