JP2004348481A - Process control unit and method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォードフォワード制御を行うにあたって、プロセスに加わる外乱パターンを推定し、その外乱パターンをフィードフォワード操作量に変換して操作量を補償するようにしたプロセス制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来からPI制御あるいはPID制御によるフィードバック制御あるいはフィードフォワード制御が知られているが、近年のバッチプロセスにおける付加価値の高い少量多品種生産計画においては、今までのフォードバック制御あるいはフィードフォワード制御だけでは、未知の外乱に対して十分な制御性能を得られないことがあり、このためプロセスモデルを用い将来のプロセスの挙動を予測し、現在の操作量を決定するように構成したモデル予測制御装置が数多く提案されている。ところが、従来のモデル予測制御装置による外乱補償機能は、測定外乱に対するフィードフォワード補償と、未測定外乱を一定のものであると仮定し、推定外乱に対し外乱補償を行うものであった。そのために、時間と共に変動するプロセスの特性値や未知の外乱に対しては制御性能が良好でないといった構造上の問題点を有している。
一方特許文献1には、外乱補償の手段としてプロセス値と予測モデルのプロセス値との誤差を測定不可外乱として取り扱うことで、プロセスの動特性変化や測定不可の外乱に対する制御性を向上させる旨が記載されている。具体的には操作出力演算部からの操作出力に基づいてモデル部から得られたモデル出力とプロセスからのプロセス量との偏差を外乱フィルタにて演算し、この偏差に基づいて得られた外乱推定信号を含むプロセス量の予測値を前記操作出力演算部に入力し、当該操作出力演算部にてプロセス量の予測値と参照軌道の予測値とが一致するように操作出力を計算し、こうして外乱を補償する手法である。
【0003】
【特許文献1】
特開平5−265514号:図1、段落0012及び0013
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述したプロセス値と予測モデルのプロセス値の誤差をオンラインで測定不可外乱として取り扱うことは、プロセスに無駄時間が含まれないかあるいは無駄時間が短い場合には適用できるが、プロセスに無駄時間が存在する場合には、外乱フィルタにて演算した演算結果はプロセスに操作量を入力した後、無駄時間だけ遅れて得られたプロセス量に基づくものであるから、外乱補償された操作出力がプロセスに入力されるタイミングは、プロセスに外乱が加わるタイミングよりも遅れてしまうためプロセス値が振動してしまい、外乱補償を行うことにより却ってプロセス制御が不安定になる懸念があり、特に無駄時間が長い場合には、制御自体が成立しなくなってしまう。
【0005】
本発明はこのような背景に基づいてなされたものであり、その目的はプロセスに外乱が加わっても良好な制御を行うことができるプロセス制御装置を提供することにある。更に本発明の他の目的は、プロセスに外乱が加わった場合、そのプロセスの無駄時間の長さにかかわらず良好な制御を行うことができるプロセス制御装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、制御用調節部から出力される操作量に基づいてプロセスを制御するプロセス制御装置において、
プロセスを実施したときに制御用調節部から出力される操作量と、プロセスを実施したときに得られる制御量を目標値として求めた操作量と、の差に基づいてプロセスに加わった外乱パターンを推定する外乱推定部と、
この外乱推定部にて推定された外乱パターンを記憶する記憶部と、
外乱パターンを推定した運転サイクル以降の運転サイクルにおいて前記記憶部に記憶されたデータに基づいて外乱パターンを発生させ、その外乱パターンをフィードフォワード操作量として出力する推定外乱出力部と、
前記制御用調節部から出力される操作量に前記フィードフォワード操作量を外乱の補償量として加える手段と、を備えたことを特徴とする。
【0007】
この発明において、「外乱パターンを推定した運転サイクル以降の運転サイクルにおいて、前記記憶部に記憶されたデータに基づいて外乱パターンを発生させ」とは、例えば1バッチ目のプロセスを行うときに外乱パターンを推定し、2バッチ目以降のプロセスを行うときに外乱パターンを発生させるといった意味である。また記憶部に記憶されたデータをそのまま外乱パターンとして発生させるようにしてもよいが、例えば既に記憶されている複数の外乱パターンを処理して例えば平均化して外乱パターンとして発生させるようにしてもよい。いずれの場合であっても推定外乱出力部から出力される外乱パターンは、プロセスに無駄時間が含まれるときには、その無駄時間に対応する分だけ記憶部に記憶されている外乱パターンの位相を進ませる(早める)ようにすることが望ましい。またこの発明では、プロセスに加わった外乱を操作量に加わった外乱とみなしているので、「制御用調節部から出力される操作量に前記フィードフォワード操作量を外乱の補償量として加える」とは、制御用調節部から出力される操作量に含まれる外乱をフィードフォワード操作量によってキャンセルする(差し引く)ようにするということである。
【0008】
また本発明においては、前記記憶部に記憶されたデータに基づいて複数の外乱パターンを用意し、これら複数の外乱パターンの中から使用する外乱パターンを選択するための手段を備えるようにしてもよい。更に本発明の一例として外乱推定部は、制御量を目標値とする推定用調節部と、この推定用調節部からの操作量を入力とし、制御用調節部の操作量により制御される制御対象と同等の伝達関数により入力値を演算処理して出力する手段と、制御用調節部からの操作量と推定用調節部からの操作量との差分を推定外乱として取り出すための加算部と、を備え、
前記推定用調節部は、設定された参照軌道に外乱推定部内の前記伝達関数の出力値が一致するように操作量を出力する構成とすることができる。この場合、例えば外乱推定部内の前記伝達関数には、無駄時間が含まれない。また制御用調節器と推定用調節器とは例えば互いに入出力特性が同等とされる。
ここでいう入出力特性が同等とは、例えば制御用調節部及び推定用調節部としてモデル予測制御をおこなうものを使用するとすれば、両者において制御量の予測式及び参照軌道が同じであるということである。
【0009】
更にまたプロセスを行いながら外乱推定部による外乱の推定を行うモードと、プロセス時に記憶されたデータに基づいてプロセス終了後に外乱推定部による外乱の推定を行うモードと、の一方を選択するための選択手段を設けてもよいし、外乱推定部により推定した外乱パターンを表示するための手段を設けてもよい。
【0010】
他の発明は、制御用調節部から出力される操作量に基づいてプロセスを制御するプロセス制御方法において、
プロセスを実施したときに制御用調節部から出力される操作量と、プロセスを実施したときに得られる制御量を目標値として求めた操作量と、の差に基づいてプロセスに加わった外乱パターンを推定する工程と、
この工程にて推定された外乱パターンを記憶する工程と、
外乱パターンを推定した運転サイクル以降の運転サイクルにおいて、既に記憶された推定外乱パターンに基づいて外乱パターンを発生させ、その外乱パターンをフィードフォワード操作量として出力する工程と、
前記制御用調節部から出力される操作量に前記フィードフォワード操作量を外乱の補償量として加える工程と、を備えたことを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るプロセス制御装置の実施の形態につき添付図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、化学プラントに適用されるジャケットタンクの内部温度の制御に応用した例である。図1において、1は反応装置であるジャケットタンク1であり、原料投入後、適切な温度管理によって所定の化学反応を進行させ、所定の特性を有する製品に転換させるものである。このジャケットタンク1は、原料が投入される反応容器11と、原料を均一に分散しかつ温度分布を均一にするための撹拌器12と、反応容器11の周囲に温調媒体を流通するために設けられたジャケット13とから構成されており、ジャケット13を流通させる温調媒体と反応容器11内部の内容物との間においてこれらの温度勾配により除熱および加熱が行われて熱交換され、反応容器11内の温度は制御器3により所定の温度に管理される。
【0012】
ジャケット13には、温調媒体を流入するための流入路をなす流入管21と温調媒体を流出するための流出路をなす流出管22とが接続されており、流出管22から流出した温調媒体は例えば図示しない循環用タンクを介して流出管22に戻るようになっている。この例では温調媒体として温調水が用いられ、この温調水の温度を調整するための媒体例えば冷媒と熱媒とを流入管21に供給するように冷媒供給管23a及び熱媒供給管23bが当該流入管21に接続されている。
そして冷媒である冷却水と熱媒である蒸気もしくは熱水とが、制御器3に内包される従調節器32によりどちらか適宜選択されるようになっており、冷媒については流量制御部である冷媒バルブ23により、また熱媒については流量制御部である熱媒バルブ24により夫々制御されて流入管21に供給され、以て温調媒体を介して反応容器11内の温度が調整される。なお冷媒としては冷水以外の流体であってもよく、また熱媒としては熱水以外の流体であってもよい。14は反応容器11内の温度を検出する温度検出部であり、15は流入管21内の温調媒体(入り口側温調媒体)の温度を検出する温度検出部であり、16は流出管22内の温調媒体(出口側温調媒体)の温度を検出する温度検出部である。
【0013】
図1において3は制御器であり、この制御器3は互いにカスケード接続された主調節器31と従調節器32とから構成されている。この例では主調節器31は制御用調節部をなすものであり、その制御対象は、従調節器32とプロセスであって、主調節器31の制御周期は従調節器32の制御周期よりも大きく設定されている。また、主調節器31には図示しない設定部で設定された温度目標値と温度検出部14からの温度検出値(制御量である内温)とが入力され、操作量MVが出力される。操作量MVは従調節器32の設定値、ここでは反応容器11の内温の目標温度である。
【0014】
主調節器31は、モデル予測制御が採用されており、設定された参照軌道をプロセス値が一致するような操作量MVを制御周期毎に出力する。このモデル予測制御では、例えば図2(a)に示すように現在の内温の検出値y(t)を始点として内温の目標温度に徐々に近づく参照軌道yR(t+j)を計算し、また検出値y(t)及び予測式に基づいて未来の内温の予測値yP(t+j)を求め、一致区間(例えばnステップ先からmステップ先に渡る区間)において内温の予測値yP(t+j)が参照軌道yR(t+j)にできるだけ近づくように現時刻以降の所定のステップ時の各入力(操作量)を決定し、得られた操作量の中で現時刻に対応する操作量のみを出力し、以下この手順を繰り返すように主調節器31が構成されている。また主調節器31の内部モデルは、従調節器32とプロセスとを一次遅れ無駄時間近似したモデルとして定義される。なお実際のプロセスは、a)循環している温調媒体に熱媒または冷媒が混合されるプロセス、b)温調媒体から反応容器11内へ熱が移動するプロセス、c)反応容器11内の発熱プロセス、に大きく分けられるが、c)のモデル化が困難なため、ここでいうプロセスは、a)、b)を意味している。
【0015】
従調節器32は、主調節器31から出力される操作量MVが内温設定値として入力されると共に、例えば温度検出部15、16からの各温度検出値、例えば各温度検出値における移動平均が入力されてこれらの値に対して所定の演算を行う。またこの従調節器32は、主調節器31と同様にモデル予測制御が採用されており、設定された参照軌道をプロセス値が一致するような操作量を制御周期毎に出力する。従調節器32の内部モデルは、バルブ23、バルブ24を動作させた際に生ずるジャケット入口温度を一次遅れ無駄時間近似したモデルとして定義される。
【0016】
従調節器32の制御対象は、冷媒バルブ23もしくは熱媒バルブ24の開度であり、従調節器32は同時に冷媒バルブ23もしくは熱媒バルブ24が開くことのないようにスプリットレンジ処理が含まれている。図2(b)は従調節器32の操作出力とバルブ23、24の開度との関係を規定したスプリットレンジの一例を示す図であり、この例では操作出力が0%から50%に増加するにつれて冷媒バルブ23の開度が100%から0%に向かい、操作出力が50%以上では熱媒バルブ24の開度が0%から100%に向かうように設定されている。
【0017】
次に図1において4は外乱補償器であり、この外乱補償器4は、プロセス制御装置であるモデル予測制御装置の構造上の問題点を克服するために、即ち未知の外乱に対し制御性能が低下しないように、より良好な制御性能を実現するために新たに設けられたものである。図1における制御器3、外乱補償器4、温度検出部14、15、16及びバルブ23、24などがプロセス制御装置に相当し、また各部位をブロックで記載しているが、各部位の演算あるいは処理は実際にはソフトウエアにより実行される。外乱補償器4は、外乱パターンの推定に関する部位と、推定した外乱に基づいて主調節器31の操作出力を補償するための部位とに大別できる。
【0018】
先ず前者である外乱パターンの推定に関する部位は、外乱推定部41と、推定した外乱パターンを記憶するための推定外乱パターン記憶部42と、からなる。外乱推定部41は、図3に示すように主調節器31の操作量(操作出力)MVと制御量である内温YP (温度検出値)とを入力とし、推定外乱DV’を出力するように構成されており、推定用調節器51と、主調節器31の制御対象33の伝達関数GPと同等の伝達関数GP’により推定用調節器51からの操作量を演算する、いわば擬似制御対象である演算処理部52と、推定用調節器51の操作量MV’と主調節器31の操作量MVとを突き合わせてその偏差を取る加算器53と、を備えている。ここで前記制御対象33は、従調節器32とプロセス(温調媒体を制御することによって行われる製品生成処理)とを合わせたものをいう。また伝達関数GP’は、従調節器32と、冷媒あるいは熱媒が循環温調媒体と混合される工程と、ジャケットタンク1の熱移動とを一次遅れモデルに近似した伝達関数として表現される。
【0019】
推定用調節器51は、主調節器31や従調節器32と同様にモデル予測制御が採用されていて、主調節器31と同様に構成されており、設定された参照軌道をプロセス値が一致するような操作量を制御周期毎に出力する。従って推定用調節器51の内部モデルは、従調節器32と、冷媒あるいは熱媒が循環温調媒体と混合される工程と、ジャケットタンク1との熱移動を一次遅れ無駄時間近似したモデルとして定義される。この推定用調節器は、擬似制御対象の伝達関数GP’の応答時間が限りなく小さくなるように常時設定されており、制御対象33から得られた制御結果(内温)YP を目標値とし、伝達関数GP’(擬似制御対象)を通して得られた制御結果である制御量(内温)YP’と前記目標値とに応じた操作量MV’を出力する。
【0020】
ここでプロセスに外乱が加わると、例えば反応容器11内で発熱反応が起こると内温YP が変動するが、この変動は、図3に示すように操作量MVに対して外乱DVが加わったと考えることができる。外乱推定部41はこの外乱DVを推定しようとするものであり、主調節器31及び制御対象33に相当する制御系を、推定用調節器51及び演算処理部52により擬似制御系として作成している。この擬似制御系は外乱が含まれないので、実際の制御系においても外乱が加わらなければ(図3に示すDVが存在しなければ)、理論的には主調節器31の操作量MVと調節器の操作量MV’とは等しくなり、加算器53における加算結果(MVとMV’との偏差分)はゼロであるが、実際の制御系において外乱DVが加われば、MVとMV’との偏差分がDV’として現れる。即ちこのDV’は外乱DVに相当する推定外乱となる。後に詳述するが、このときの計算結果が図8〜図10に示されている。
【0021】
以上の説明はオンラインにより外乱を推定する場合であるが、オフラインにより外乱を推定するようにしてもよい。この場合、運転サイクルにおける操作量MVと内温とを後述のように運転履歴記憶部48内に記憶しておき、運転サイクル時には外乱を推定せずに、後で操作員の指示により運転履歴記憶部48内のデータ(操作量MVと内温)を呼び出して外乱推定部41が当該運転サイクルにおける外乱を推定するようにしてもよい。
【0022】
続いて外乱補償器4において、推定した外乱に基づいて主調節器31の操作出力を補償するための部位に関してのべるが、その前に外乱に関して説明を加えておく。一般的に制御結果として得られた操作量パターンは、制御を行った際に印加された外乱と、その外乱を打ち消すために出力される操作結果が含まれている。プロセスに印加される外乱には、再現性のある外乱と再現性のない外乱に分類できる。再現性のある外乱は、工程上から生ずる外乱が相当し、原料投入によるもの、反応が進行し発熱が生ずるもの等が挙げられる。これらの外乱は、製品毎のレシピに依存する外乱となることから、概ね再現性のある外乱と仮定できる。
換言すると、製造品種毎に製造工程は決められており、同じ品種の製造工程であれば、原料の投入や発熱パターンは同じであると仮定できることから、工程上から生ずる外乱は再現性を持つとみなせる。
【0023】
一方、再現性のない外乱は、原料のばらつき、冷却水圧や冷却水温変動、蒸気圧や蒸気温度変動等ランダム成分が挙げられ、再現性がない外乱とみなせる。本発明の対象は、再現性のある外乱に対し外乱パターンを推定し、得られた推定外乱パターンに対する適切なフィードフォワード操作量を求めることにある。すなわち、バッチプロセスにおいては再現性のある外乱が加わるために、予め外乱パターンを推定し、その推定外乱パターンを打ち消すようなフィードフォワード補償を適用するのが合理的であると考えられ、本発明はこの考えに立脚している。
【0024】
そこで推定外乱パターン記憶部42で得た推定外乱パターンによりどのようにして外乱の補償をするかという点について詳述すると、外乱補償器4は、図1に示すように表示機能及び操作員による操作機能を備えた表示/操作部43と、外乱データ処理部44と、出力外乱パターン記憶部45と、推定外乱発生器46と、FF(フィードフォワード操作量)演算器47と、運転来歴記憶部48と、を有している。
【0025】
外乱補償器4の簡単な使い方の一つとしては、例えば原料を反応容器11内に投入して反応生成物である製品を得る場合、最初の1バッチ目の処理を行うときに、外乱推定部41により既述のようにして外乱パターンを求めて推定外乱記憶部42に記憶しておき、同種のプロセスにおける次の2バッチ目以降の処理を行うときに、1バッチ目で取得した推定外乱パターンを主調節器31の操作量から差し引くようにして外乱を打ち消す手法が挙げられる。実際には、1バッチ目で得た推定外乱パターンをそのまま使うのではなく、いくつかの運転サイクル(バッチ処理)で得た外乱パターンの中から選択して、あるいはそれら外乱パターンに処理を加える場合例えば複数の外乱パターンの平均値を求めるといった場合もある。より具体的には、生産レシピ毎に予め複数回運転を行って外乱を推定しておき、取得した外乱に基づいて例えば複数の代表的な外乱パターンを決めておき、実際に生産するときに操作員がそれら複数の外乱パターンの中から使用する外乱パターンを選択するようにしてもよい。例えば後述する図4に示すように、操作員が表示/操作部43により生産レシピの番号を選択し、更にその生産レシピに割り当てられて用意されたいくつかの外乱パターンの中から、そのときに使用する外乱パターンを選択すると共に外乱パターンの使用モードを選択する。なお生産レシピに複数の外乱パターンを用意せずに、得ようとする製品の種類(銘柄)毎に1個の外乱パターンを割り当てるようにしてもよい。また前記外乱パターンの使用モードとは、後述する外乱パターンの位相及び外乱補償の開始タイミング並びに外乱補償の時間などである。
【0026】
表示/操作部43は、既述のように操作員が推定外乱パターンを選択し、あるいは既に取得した推定外乱パターンに対して所定の処理例えば複数の推定外乱パターンの平均化処理などを行うように指示し、選択または処理された推定外乱パターンを出力外乱パターン記憶部45に記憶させるように構成されており、具体的には例えばタッチパネル、あるいはキーボード及び画面部(CRT、液晶パネルなど)を組み合わせたものなどが相当する。
【0027】
また表示/操作部43は、推定外乱パターンを選択、処理する画面の他に、推定外乱パターン記憶部42に記憶された推定外乱パターンを表示する画面、
所定の処理がされた後の推定外乱パターンを表示する画面、運転来歴記憶部48にて取得した主調節器31からの操作量や制御結果例えば内温、バルブ23、24の開度及び運転のタイミングなどの運転来歴を表示する画面、外乱推定部41に対してオンラインで外乱を推定させる(その運転サイクル時に外乱の推定を行う)のか否かを指定する画面、及び過去の運転サイクル時における運転来歴記憶部48内のデータに基づいて外乱推定部41に対して外乱を推定させる(オフラインにより外乱を推定させる)ための画面などを備えており、更に製造銘柄名やロット番号で構成される管理情報が入力できるようになっている。なお操作員によりデータ登録が指定されていれば、その運転サイクル時に記憶された運転来歴及び推定外乱パターンは登録されるが、データ登録が指定されていない場合にはそのサイクルの運転来歴および推定外乱パターンは消去される。
【0028】
外乱データ処理部44は、操作員により表示/操作部43を介して選択された外乱パターンに対応する推定外乱パターンを推定外乱パターン記憶部42内のデータから選択し、出力外乱パターン記憶部45に送るものであり、例えば製品の生産レシピを選択したときにそのレシピに対応する推定外乱パターンを選択する。また表示/操作部43により推定外乱パターンに対して何らかの処理を行うように指定された場合には、その指定に応じて外乱データ処理部44が推定外乱パターン記憶部42内のデータに対して処理を行い、処理されたデータ(推定外乱外乱パターン)を出力外乱パターン記憶部45に送る。
【0029】
推定外乱発生器46は、出力外乱パターン記憶部45内のデータを読み出して推定外乱パターンを出力し、FF演算器47はこの出力データをフィードフォワード操作量に変換する。また図1において33は加算器33であり、FF演算器47からのフィードフォワード操作量を主調節器33の操作量MVに加算する。この例では従調節器32には微分要素が含まれているため、FF演算器47はプロセスに加わる推定外乱パターンの符号を変えた後、従調節器32とプロセスの無駄時間分位相を進め、フィードフォワード操作量として出力するものである。この例では、推定外乱発生器46及びFF演算器47は、推定外乱パターンをフィードフォワード操作量として出力するための推定外乱出力部40をなすものである。
【0030】
図4はプロセスに加わる外乱を外乱補償器4によって補償している様子を示している。即ち、出力外乱パターン記憶部45に記憶された推定外乱パターンが推定外乱発生器46により読み出されてFF演算器47を通じて推定外乱DV’として加算器33に入力され、主調節器31からの操作量MVから差し引かれる。一方プロセスには外乱が加わっていてその外乱DVは主調節器31からの操作量MVに加わったものと見ることができるので、結果としてプロセスに加わった外乱DVに対する補償量として推定外乱DV’が加わるので、前記外乱がDVが相殺された格好になり、内温YP が目標温度になるように安定する。
【0031】
ここで主調節器31から操作量が従調節器32に入力されてから内温が応答するまでには遅れ時間があるので、つまり従調節器32及びプロセスを合わせた伝達関数GP は無駄時間Lがあるので、図5に示すように主調節器31からの操作量MVに外乱DVが加わったときに当該外乱DVを外乱推定部41で推定した外乱DV’は、外乱DVが加わったタイミングよりも無駄時間Lだけおくれている。
従って推定外乱パターンをそのまま操作量MVに加算するのではなく、無駄時間Lだけ進ませて加算する必要があり、このため推定外乱部46は出力外乱パターン記憶部45から推定外乱データを読み出して無駄時間Lだけ早め、主調節器31の制御周期に合わせて推定外乱値を逐次出力する。
【0032】
ここで表示/操作部43における設定画面の一例を図6に示しておく。設定画面における上段側の画面は製品を製造するための生産レシピを選択するためのものであり、製品毎のレシピ情報が記載されている。また下段側の画面は推定外乱パターンの選択及び使用モードを設定するための画面であり、外乱推定の有無、データ収集の有無、分類、製品名称、対応する外乱パターン、トリガータグ、位相、外乱補償時間、データ作成日時等が表示され、また操作員がどの外乱補償データ(推定外乱パターン)を使用するかを選択できる。トリガーはトリガータグの略記であり、反応物や触媒等の投入タイミングを意味し、位相は従調節器32を含むプロセスの無駄時間を意味する。これら、トリガータグ、位相情報から、外乱補償開始タイミングを設定する。補償は外乱補償時間の略記であり、フィードフォワード操作量信号を出力している時間である。図6の画面では、前記無駄時間及び外乱補償時間の単位は「秒」である。
【0033】
更にまた図6の設定画面は、外乱パターンの推定を実施するか否かを選択するための操作部分を備えており、データ収集を「有」としかつ外乱パターンの推定を「実施」に設定すると、オンラインでつまりバッチ処理中(運転中)に外乱が推定され、推定した外乱パターンが登録される。これに対して外乱パターンの推定を「実施しない」に設定すると、外乱推定は行われないが、この場合データ収集を「有」として運転時におけるデータを収集しておけば、運転終了後において、表示/操作部43における図示しない画面により外乱の推定を行う指示を入力すると、既に収集したデータに基づいて先の運転時における外乱の推定を行うことができる。つまりこの実施の形態では、いわばオンラインによる外乱の推定とオフラインによる外乱の推定とを選択できるようになっており、表示/操作部43はその一方を選択するための選択手段を兼用している。なお図6の設定画面中における補償係数は、加算器33に加えられる外乱補償量を例えば0〜100%の間で設定するための係数であり、例えば0.8に設定すれば、出力外乱パターン記憶部45から読み出される外乱補償量の80%の値が実際の補償量となる。
【0034】
次に図3に戻って、外乱の推定について数式により考察する。推定外乱DV’は主調節器31の制御対象33の前段に入力されると仮定すると、真の再現性のある外乱DV1と真の再現性のない外乱DV2とモデルミスマッチやプロセスの非線形性による誤差εとの関係は次式である。
【0035】
【数1】
【0036】
一般的なバッチプロセスにおける工程進行に伴い生ずる外乱の多くは、発熱、吸熱による反応熱の寄与分が高いと見なされるため、DV1>>DV2となる。また実際の内温YPおよび擬似制御対象である演算処理部52の演算結果(制御結果)である内温YP’は次のように定式化される。
【0037】
【数2】
【0038】
【数3】
【0039】
GP≒GP’と見なされる場合には、YpとYpの比は次式となる。
【0040】
【数4】
【0041】
一方、推定用調節器はジャケットタンク1の内温、すなわちYpを設定値とし、従調節器32と既述のプロセスからなる制御対象の熱移動を一次遅れモデルに近似した伝達関数GP’を制御する。ここで、設定値YPの変化に対して、制御量YP’は、推定用調節器51にて設定される参照軌道に依存するが、YPの変化に少し遅れて追従するので次式となる。
【0042】
【数5】
【0043】
従調節器32とプロセスとに相当する擬似制御系である演算処理部52においては、熱移動を一次遅れモデルに近似した伝達関数GP’は無駄時間を含まない制御系を構成していることから、推定用調節器51はYP’の応答時間を無限に早く設定することが可能となる。推定用調節器51の希望応答時間を十分に小さくすると次式となる。
【0044】
【数6】
【0045】
従って、式(数4)と式(数5)の関係より次式が得られる。
【0046】
【数7】
【0047】
【数8】
【0048】
よって、主調節器31の操作量と推定用調節器51の操作量との差から推定外乱DV’が導かれた。この推定外乱DV’は既述のように外乱補償のフィードフォワード操作量に利用される。
【0049】
ただし推定外乱DV’は反応容器11の温度から求めているため、反応容器11の無駄時間θを考慮すると、反応容器11の前に加わるDVは次式で与えられる。
【0050】
【数9】
【0051】
フィードフォワード操作量への変換は推定外乱DV’を打ち消すように主調節器31の操作量に加えればよいので、外乱補償量DFは次式となる。
【0052】
【数10】
【0053】
すなわち推定外乱DV’の符号を換えたものにプロセスの無駄時間分の位相を進めて、主調節器31の操作量に加えれば、加わった外乱DV’は打ち消され、外乱補償が容易に実現できる。ただし、外乱推定を行った同一レシピの次回バッチ運転時以降に推定外乱パターンに基づいた外乱補償が実現される。
【0054】
式(数8)は従調節器32の前段に外乱が加わったと仮定した結果より導出されたので、実際に観測できる内温の温度DVtempに変換するにはDV’に伝達関数GP’を乗ずればよい。
【0055】
【数11】
【0056】
推定外乱発生器46はプロセスの無駄時間分の位相を早め、主調節器31の制御周期に合わせて推定外乱値を逐次出力する。FF演算器47は、DV’を入力とし、式(数10)により外乱補償操作量DFを演算し、主調節器31の操作出力に加算される。同一レシピにおいては、DV’・eθs≒−DFとなるため外乱補償が容易に実現できる。一方、外乱補償を制御に取り込んだ場合、設定値からの偏差は式(数1)の右辺第二項、第三項によるものが主となる。
【0057】
次に、上述の実施の形態に係るプロセス制御装置を計算機を用いて実施する場合における処理の全体の流れについて図7のフローチャートを参照しながら説明する。同図において、プロセス制御装置が起動すると、表示/操作部43は操作員からの入力操作待ち、あるいは通信プログラムによる遠隔装置への操作員による入力操作待ちとなる(ステップS1)。入力操作により製品の製造実施が選択されると、表示画面にて(図6参照)、製造する製品の情報についてレシピの確認および、外乱補償データを指定する(ステップS2)。運転はレシピ情報に基づきバッチプロセスが進行するが、この例ではDCS等他の計算機により運転シーケンス処理の機能を有するものとしている。外乱補償データとして、過去に得られたどの推定外乱パターンを使用するかを選択し、トリガータグの設定、位相、補償時間を設定する。使用する推定パターンについては、この例では外乱補償器4の中の推定外乱パターン記憶部42から運転開始以前に前もって外乱処理部44を介して出力外乱パターン記憶部45に転送される。
【0058】
次いで、データ収集を行うか否かが判断され(ステップS3)、「データ収集」が選択されていれば、これから行われる運転時において無条件に運転データを運転来歴記憶部48に記憶し、外乱推定部41で推定された外乱は推定外乱パターン記憶部42に記憶されることとなる(ステップS4)。これら運転記憶時間は表示/操作部43により任意に設定でき、全運転時間の情報を記憶もしくは一部のみ記憶できる。そしてジャケットタンク1内に原料が投入され、運転開始とともに、制御器3によりジャケットタンク1の制御が開始されて製品の製造が行われるが(ステップS4)、トリガータグと位相で決められた時間(以下、外乱補償開始時間)に達するまでは制御器3は通常のモデル予測制御(MPC制御)として動作しており、外乱補償MPC制御は動作しない。外乱補償開始時間に達した時点より、推定外乱発生器46から制御周期毎に推定外乱値が出力され、FF演算器47にてフィードフォワード操作量に変化された後、制御器3の主調節器31の出力側の加算器33に出力される。
【0059】
この結果主調節器31にて内温(検出値)と内温の目標値とから演算される操作量と、FF演算器47からのフィードフォワード操作量と、を加算して従調節器32に出力し、こうして外乱補償が行われる(ステップS4)。外乱補償対象時間が終了するまで、制御周期毎に推定外乱値の出力、フィードフォワード操作量への変化、この操作量と主調節器31からの操作量との加算処理を繰り返す。そしてデータ収集が設定されているので、運転時に収集した運転来歴データ及び推定外乱パターンが運転終了後に夫々運転来歴記憶部48及び推定外乱パターン記憶部42に登録(記憶の確定)がされる(ステップS5)。またステップS3にてデータ収集が選択されない場合には、製品製造だけが行われ(ステップS6)、外乱補償、外乱推定データの収集及び運転来歴データの収集は行われない。
【0060】
ところで外乱補償を行うことにより理屈の上では外乱が発生しないはずであるが、実際には外乱推定部41により外乱を推定すると外乱パターンが得られることがある。この外乱パターンは例えば原料の性状などの微妙な差異により、外乱補償を行っている場合になおも発生する外乱であるから、例えば第1回目のバッチ処理(運転サイクル)時に推定した外乱を用いて外乱の補償を行いながら2回目のバッチ処理を行い、このときに得られた推定外乱パターンと1回目に得られた推定外乱パターンとを加算して3回目のバッチ処理を行うようにしてもよい。
【0061】
一方ステップS1にて操作員が製品製造を選択せず、ステップS7にてオフライン外乱推定を選択した場合には、例えば選択された過去の運転サイクルにおける運転来歴データである制御量に相当する内温(検出値)及び主調節器31の操作量に基づいて外乱推定部41により外乱パターンが推定され(ステップS8)、推定外乱パターン記憶部42に登録される(ステップS5)。
【0062】
以上述べた実施の形態によれば、過去の運転により得られた推定外乱パターンを用い、次回以降の運転においてフィードフォワード操作量に変換して主調節器31からの操作量に対して外乱を打ち消すように補償値として加えているので、プロセスに加わる外乱を排除またはその外乱の影響を小さくでき、良好なプロセス制御を行うことができて内温を安定させることができ、その結果製品の品質が安定する。そして外乱推定部41において、検出された内温を目標値としかつ外乱のない擬似的な制御系を組んでその制御系内の推定調節器51からの操作量と制御器3内の主調節器31の操作量とを比較してその差分を推定外乱として取り出しているので、外乱が未知な場合においても外乱の補償値(フィードフォワード操作量)を正確にかつ容易に決定することができ、プラントの生産性の向上に寄与する。
【0063】
更に外乱推定部41において推定した外乱パターンを用いて外乱補償を行うときには、従調節器32及びプロセスを合わせた制御対象の無駄時間を考慮して、推定された外乱パターンの位相を例えば推定外乱発生器46により早めており、更にその早めるべく位相を選択できるようにしているので、制御対象の無駄時間が長い場合であっても良好な外乱補償を行うことができる。またプロセス制御に対する高度の知識を必要とせず、運転員が手動操作で経験と勘による制御性以上の外乱抑制性能が発揮される。
【0064】
上述の実施の形態では、主調節器31、従調節器32及び外乱推定部41としてモデル予測制御を行うものを例としてあげているが、主調節器31及び従調節器32については例えばPID演算を行う構成であってもよく、主調節器31及び従調節器32がPID演算を行う場合であっても、操作量MVが発散しない場合には本発明を適用できることをシミュレーションで確認している。
。
【0065】
以下に上述の実施の形態を用いて実際に計算した主調節器31の操作量(操作出力)及び推定外乱並びに実際の内温を示す具体例について示しておく。図8は実運転データの操作量MVおよび内温をもとに外乱推定部41により外乱推定を行った結果の途中計算結果である。外乱推定部41の推定用調節器の希望応答時間を十分に小さくし従調節器32とプロセスとを一次遅れ系と見なした擬似制御部52の出力より得られた外乱推定部内温YP’と実際の内温YPとが示されている。図8からも明らかなように外乱推定部内温YP’は内温YPにほぼ一致していることから、主調節器31の操作出力と外乱推定部41における推定用調節器の操作出力との差がジャケットタンク1に加わった外乱DV’と見なせる。
【0066】
図9は図8の計算条件と同様に途中計算結果であり、主調節器31の操作出力と調節器52の操作出力とが示されている。この例においては主調節器31の操作出力の下限値が冷却水の水温として設定されているために、操作出力は8℃未満にはならない。
【0067】
図10は式(数7)で示されるように主調節器31の操作出力と推定用調節器の操作出力との差および内温に加わった温度変化の推定値が示されている。図10において両者の操作出力の差の変動は急峻であるにも関わらず、推定外乱はプロセスを通過しているため非常に緩やかな温度変化となっている。
【0068】
図11は、既知の外乱をジャケットタンク1に加えつつ実運転を実施した一例として、実際に加えた外乱パターン、外乱推定器41により得られた推定外乱パターン、測定された内温パターンが示されている。既知外乱(実際に加えた外乱)と推定外乱を比較すると誤差は存在するものの、推定外乱は概ね既知外乱を表現しており、外乱補償のフィードフォワード操作量として利用できることが確認された。
【0069】
図12は図11で示した既知外乱をジャケットタンク1に加え、制御器3のみのモデル予測制御(以下、MPC制御)および本発明による制御器3に外乱補償器4を加えた外乱補償モデル予測制御(以下、外乱補償MPC制御)を行った結果が示されている。図12の時間レンジ範囲においてMPC制御および外乱補償MPC制御を評価すると、MPC制御では目標値40℃からの最大偏差は各々+42.07℃、−38.68℃となりその差は3.39℃であった。一方、外乱補償MPC制御では目標値40℃からの最大偏差は各々40.29℃、−39.76℃となりその差は0.53℃となった。この結果から明らかなように通常のMPC制御と外乱補償MPC制御の制御性能の差は著しく、本発明である外乱補償MPC制御の有効性は示された。
【0070】
図13はFF演算器47に加える推定外乱パターンの位相を変化させ、本制御装置のロバスト性についてシミュレーションにより検討を行った結果が示されている。推定外乱パターンの位相を50%進めて入力すると最大偏差−最小偏差の差は0.17℃、推定外乱パターンの位相を50%遅らせて入力すると最大偏差−最小偏差の差は0.45℃となった。通常のMPC制御を同様なシミュレーション条件を設定し計算を行った結果、最大偏差−最小偏差の差は3.39℃であったことを考慮すると外乱補償MPC制御は十分なロバスト性を有すると結論付けられた。なお、計算条件としては、従調節器32を含むプロセスの一次遅れ時定数6000sec、従調節器32を含むプロセス無駄時間380secとした。
【0071】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、過去の運転より得られた推定外乱パターンを次回以降の運転に反映し、その推定外乱パターンからフィードフォワード操作量を生成し、外乱を打ち消す操作量とするようにしているため、プロセスに加わる外乱を排除でき、良好な制御を行うことができる。そして外乱が未知な場合においても対応できるし、また推定した外乱の位相を進めて(早めて)補償用の外乱パターンを発生させることができるので、プロセスの無駄時間の長さにかかわらず外乱を排除できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るプロセス制御装置の実施の形態の全体構成を概略的に示すブロック図である。
【図2】従調節器の操作出力と冷媒バルブ及び熱媒バルブの開度との関係を示す特性図である。
【図3】外乱推定部の内部構成を、外乱推定部と主調節器及び実プロセスとの接続関係と共に示すブロック図である。
【図4】プロセスに加わる外乱を外乱補償器による推定外乱により補償する様子を示すブロック線図である。
【図5】推定外乱の位相が実際の外乱に対して遅れている様子を示す説明図である。
【図6】表示/操作部の画面の一例を示す説明図である。
【図7】上述実施の形態のプロセス制御装置を使用するときの処理の全体の流れを示すフローチャートである。
【図8】外乱補償を行ったときの内温の検出値と内温の推定値とを示す図である。
【図9】主調節器の操作量と外乱推定部内の調節器の操作量とを示す図である。
【図10】主調節器の操作量と外乱推定部内の調節器の操作量との差、及び推定外乱を示す図である。
【図11】主調節器の操作量に加わる外乱パターン、その外乱パターンの推定結果(推定外乱パターン)及び外乱が加わった状態における内温の検出値を示す図である。
【図12】外乱補償を行ったときと行わないときにおける夫々の内温の検出値を示す図である。
【図13】外乱補償を行ったときの制御系のロバスト性をシミュレーションにより確認した結果を示す図である。
【符号の説明】
【符号の説明】
1 ジャッケットタンク
11 反応容器
12 撹拌器
13 ジャケット
14、15 温度検出部
21 温調媒体流入管
22 温調媒体流出管
23 冷媒バルブ
3 制御器
31 主調節器
32 従調節器
33 加算器
4 外乱補償器
41 外乱推定部
42 推定外乱パターン記憶部
43 表示/操作部
44 外乱データ処理部
45 出力外乱パターン記憶部
46 推定外乱発生器
47 FF演算器
48 運転来歴記憶部
51 調節器
52 疑似制御対象
53 加算器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a process control device that estimates a disturbance pattern applied to a process when performing ford forward control, and converts the disturbance pattern into a feedforward manipulated variable to compensate for the manipulated variable.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, feedback control or feedforward control based on PI control or PID control has been known. However, in recent years, in high-value-added, low-mix, high-mix production plans in batch processes, feedback control or feedforward control alone is not sufficient. However, sufficient control performance may not be obtained for unknown disturbances.Therefore, a model predictive control device configured to predict the behavior of a future process using a process model and determine the current manipulated variable has been developed. Many have been proposed. However, the disturbance compensation function of the conventional model predictive control device performs feedforward compensation for measured disturbance and disturbance compensation for estimated disturbance, assuming that unmeasured disturbance is constant. For this reason, there is a structural problem that the control performance is not good with respect to process characteristic values that fluctuate with time and unknown disturbances.
On the other hand,
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-5-265514: FIG. 1, paragraphs 0012 and 0013
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Handling the error between the above process value and the process value of the prediction model as an unmeasurable disturbance online can be applied when the process does not include dead time or the dead time is short, but there is a dead time in the process. In this case, the operation result calculated by the disturbance filter is based on the process amount obtained by inputting the operation amount to the process and then delaying by the dead time, so that the operation output compensated for the disturbance is input to the process. Since the process value oscillates because the process timing lags behind the timing when a disturbance is added to the process, there is a concern that the process control may be unstable by performing the disturbance compensation, especially when the dead time is long. , The control itself is not established.
[0005]
The present invention has been made based on such a background, and an object of the present invention is to provide a process control device capable of performing good control even when disturbance is applied to a process. Still another object of the present invention is to provide a process control device capable of performing good control when a disturbance is applied to a process regardless of the length of the dead time of the process.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a process control device that controls a process based on an operation amount output from a control adjustment unit,
The disturbance pattern added to the process based on the difference between the manipulated variable output from the control adjustment unit when the process is performed and the manipulated variable obtained by using the control amount obtained when the process is performed as the target value is calculated. A disturbance estimating unit for estimating,
A storage unit for storing the disturbance pattern estimated by the disturbance estimation unit,
An estimated disturbance output unit that generates a disturbance pattern based on data stored in the storage unit in an operation cycle after the operation cycle in which the disturbance pattern is estimated, and outputs the disturbance pattern as a feedforward operation amount;
Means for adding the feedforward operation amount to the operation amount output from the control adjusting section as a disturbance compensation amount.
[0007]
In the present invention, "generating a disturbance pattern based on data stored in the storage unit in an operation cycle after an operation cycle in which a disturbance pattern is estimated" means, for example, a disturbance pattern when a first batch process is performed. Is estimated, and a disturbance pattern is generated when the process of the second batch or later is performed. The data stored in the storage unit may be directly generated as a disturbance pattern.For example, a plurality of previously stored disturbance patterns may be processed and, for example, averaged to generate a disturbance pattern. . In any case, when a process includes a dead time, the disturbance pattern output from the estimated disturbance output unit advances the phase of the disturbance pattern stored in the storage unit by an amount corresponding to the dead time. It is desirable to (early). Further, in the present invention, since the disturbance added to the process is regarded as a disturbance added to the operation amount, `` adding the feedforward operation amount as the disturbance compensation amount to the operation amount output from the control adjusting unit '' means That is, the disturbance included in the operation amount output from the control adjusting unit is canceled (subtracted) by the feedforward operation amount.
[0008]
Further, in the present invention, a plurality of disturbance patterns may be prepared based on the data stored in the storage unit, and a means for selecting a disturbance pattern to be used from the plurality of disturbance patterns may be provided. . Further, as an example of the present invention, the disturbance estimating unit includes an estimating adjusting unit having a control amount as a target value, and a control object controlled by the operating amount of the controlling adjusting unit, having an operation amount from the estimating adjusting unit as an input. Means for calculating and processing an input value by a transfer function equivalent to and an addition unit for extracting a difference between an operation amount from the control adjustment unit and an operation amount from the estimation adjustment unit as an estimated disturbance. Prepare,
The estimation adjustment unit may be configured to output the operation amount such that the output value of the transfer function in the disturbance estimation unit matches the set reference trajectory. In this case, for example, the transfer function in the disturbance estimation unit does not include a dead time. The control adjuster and the estimation adjuster have, for example, the same input / output characteristics.
The term "equivalent input / output characteristics" as used herein means that, for example, if the control adjustment unit and the estimation adjustment unit that perform model predictive control are used, the control amount prediction formula and the reference trajectory are the same in both. It is.
[0009]
Further, a selection for selecting one of a mode in which the disturbance is estimated by the disturbance estimating unit while performing the process, and a mode in which the disturbance is estimated by the disturbance estimating unit after the process is completed based on data stored during the process. Means may be provided, or means for displaying the disturbance pattern estimated by the disturbance estimation unit may be provided.
[0010]
Another invention is a process control method for controlling a process based on an operation amount output from a control adjustment unit,
The disturbance pattern added to the process based on the difference between the manipulated variable output from the control adjustment unit when the process is performed and the manipulated variable obtained by using the control amount obtained when the process is performed as the target value is calculated. Estimating,
Storing the disturbance pattern estimated in this step;
In a driving cycle after the driving cycle in which the disturbance pattern is estimated, a disturbance pattern is generated based on the already stored estimated disturbance pattern, and a step of outputting the disturbance pattern as a feedforward manipulated variable,
Adding the feedforward operation amount as a disturbance compensation amount to the operation amount output from the control adjustment unit.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a process control device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. This embodiment is an example applied to control of the internal temperature of a jacket tank applied to a chemical plant. In FIG. 1,
[0012]
The
The cooling water as the refrigerant and the steam or the hot water as the heat medium are appropriately selected by a
[0013]
In FIG. 1,
[0014]
The
[0015]
The
[0016]
The control target of the
[0017]
Next, in FIG. 1,
[0018]
First, the former part related to disturbance pattern estimation includes a
[0019]
The
[0020]
If a disturbance is applied to the process, for example, if an exothermic reaction occurs in the
[0021]
The above description is for the case where the disturbance is estimated online, but the disturbance may be estimated offline. In this case, the manipulated variable MV and the internal temperature in the operation cycle are stored in the operation
[0022]
Next, a part of the
In other words, the manufacturing process is determined for each product type, and if the manufacturing process is of the same type, the input of raw materials and the heat generation pattern can be assumed to be the same. Can be considered.
[0023]
On the other hand, disturbances without reproducibility include random components such as variations in raw materials, fluctuations in cooling water pressure and cooling water temperature, fluctuations in steam pressure and steam temperature, and can be regarded as disturbances without reproducibility. An object of the present invention is to estimate a disturbance pattern for a reproducible disturbance, and to obtain an appropriate feedforward operation amount for the obtained estimated disturbance pattern. That is, in the batch process, since a reproducible disturbance is added, it is reasonable to estimate a disturbance pattern in advance and apply feedforward compensation to cancel the estimated disturbance pattern. It is based on this idea.
[0024]
Therefore, a detailed description will be given of how disturbance is compensated based on the estimated disturbance pattern obtained by the estimated disturbance
[0025]
One of the simple uses of the
[0026]
The display /
[0027]
The display /
A screen displaying the estimated disturbance pattern after the predetermined processing is performed, the operation amount and control result from the
[0028]
The disturbance
[0029]
The estimated
[0030]
FIG. 4 shows a state in which disturbance applied to the process is compensated by the
[0031]
Here, since there is a delay time from when the operation amount is input from the
Therefore, the estimated disturbance pattern must be added to the manipulated variable MV by advancing by the dead time L, instead of being directly added to the manipulated variable MV. Therefore, the estimated
[0032]
Here, an example of a setting screen on the display /
[0033]
Further, the setting screen of FIG. 6 includes an operation portion for selecting whether or not to perform the estimation of the disturbance pattern. When the data collection is set to “Yes” and the estimation of the disturbance pattern is set to “Execution”, The disturbance is estimated online, that is, during batch processing (during operation), and the estimated disturbance pattern is registered. On the other hand, if the estimation of the disturbance pattern is set to “do not perform”, the disturbance estimation is not performed, but in this case, if the data collection is performed with the data collection set to “Yes”, after the operation is completed, When an instruction for estimating the disturbance is input on a screen (not shown) of the display /
[0034]
Next, returning to FIG. 3, the estimation of the disturbance will be considered by using a mathematical expression. Assuming that the estimated disturbance DV ′ is input to the stage preceding the
[0035]
(Equation 1)
[0036]
Most of the disturbances that occur with the progress of the steps in a general batch process are considered to have a high contribution of the heat of reaction due to heat generation and heat absorption. 1 >> DV 2 It becomes. The actual internal temperature Y P And an internal temperature Y which is a calculation result (control result) of the
[0037]
(Equation 2)
[0038]
[Equation 3]
[0039]
G P ≒ G P ', Y p And Y p Is given by the following equation.
[0040]
(Equation 4)
[0041]
On the other hand, the controller for estimation is the internal temperature of the
[0042]
(Equation 5)
[0043]
In the
[0044]
(Equation 6)
[0045]
Therefore, the following equation is obtained from the relationship between Equation (Equation 4) and Equation (Equation 5).
[0046]
(Equation 7)
[0047]
(Equation 8)
[0048]
Therefore, the estimated disturbance DV ′ was derived from the difference between the operation amount of the
[0049]
However, since the estimated disturbance DV ′ is obtained from the temperature of the
[0050]
(Equation 9)
[0051]
The conversion into the feedforward manipulated variable can be performed by adding the manipulated variable of the
[0052]
(Equation 10)
[0053]
In other words, if the phase of the dead time of the process is advanced to that obtained by changing the sign of the estimated disturbance DV 'and added to the operation amount of the
[0054]
Since the equation (Equation 8) is derived from the result assuming that a disturbance has been applied to the preceding stage of the
[0055]
(Equation 11)
[0056]
The estimated
[0057]
Next, an overall flow of processing when the process control device according to the above-described embodiment is implemented using a computer will be described with reference to the flowchart in FIG. In FIG. 5, when the process control device is started, the display /
[0058]
Next, it is determined whether or not data collection is to be performed (step S3). If "data collection" is selected, the driving data is unconditionally stored in the driving
[0059]
As a result, the manipulated variable calculated from the internal temperature (detected value) and the target value of the internal temperature by the
[0060]
By the way, by performing disturbance compensation, no disturbance should be generated theoretically. However, actually, when the disturbance is estimated by the
[0061]
On the other hand, when the operator does not select the product manufacturing in step S1 and selects the off-line disturbance estimation in step S7, for example, the internal temperature corresponding to the control amount which is the driving history data in the selected past driving cycle. A disturbance pattern is estimated by the
[0062]
According to the above-described embodiment, the estimated disturbance pattern obtained in the past operation is used, converted into the feedforward operation amount in the next and subsequent operations, and the disturbance with respect to the operation amount from the
[0063]
Further, when performing disturbance compensation using the disturbance pattern estimated by the
[0064]
In the above-described embodiment, the
.
[0065]
Hereinafter, a specific example showing the operation amount (operation output), estimated disturbance, and actual internal temperature of the
[0066]
FIG. 9 shows an intermediate calculation result similarly to the calculation conditions of FIG. 8, and shows the operation output of the
[0067]
FIG. 10 shows the difference between the operation output of the
[0068]
FIG. 11 shows an actually applied disturbance pattern, an estimated disturbance pattern obtained by the
[0069]
FIG. 12 shows a model prediction control (hereinafter, MPC control) of only the
[0070]
FIG. 13 shows the result of changing the phase of the estimated disturbance pattern applied to the
[0071]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, the estimated disturbance pattern obtained from the past operation is reflected in the next and subsequent operations, the feedforward operation amount is generated from the estimated disturbance pattern, and the disturbance is canceled. Since the manipulated variable is used, disturbance applied to the process can be eliminated, and good control can be performed. In addition, it is possible to cope with the case where the disturbance is unknown, and it is possible to advance (earlier) the phase of the estimated disturbance to generate a disturbance pattern for compensation. Can be eliminated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram schematically showing an overall configuration of an embodiment of a process control device according to the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram illustrating a relationship between an operation output of a slave controller and the opening degrees of a refrigerant valve and a heat medium valve.
FIG. 3 is a block diagram showing an internal configuration of a disturbance estimating unit together with a connection relationship between the disturbance estimating unit, a main controller, and an actual process.
FIG. 4 is a block diagram showing a state in which a disturbance applied to a process is compensated by an estimated disturbance by a disturbance compensator.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a state in which the phase of an estimated disturbance is behind the actual disturbance.
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating an example of a screen of a display / operation unit.
FIG. 7 is a flowchart illustrating an overall flow of a process when using the process control device of the above embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing a detected value of an internal temperature and an estimated value of the internal temperature when disturbance compensation is performed.
FIG. 9 is a diagram showing an operation amount of a main controller and an operation amount of a controller in a disturbance estimation unit.
FIG. 10 is a diagram illustrating a difference between an operation amount of a main controller and an operation amount of a controller in a disturbance estimation unit, and an estimated disturbance.
FIG. 11 is a diagram illustrating a disturbance pattern added to the operation amount of the main controller, an estimation result of the disturbance pattern (estimated disturbance pattern), and a detected value of an internal temperature in a state where the disturbance is added.
FIG. 12 is a diagram showing detected values of internal temperature when disturbance compensation is performed and when disturbance compensation is not performed.
FIG. 13 is a diagram showing a result of confirming, by simulation, robustness of a control system when disturbance compensation is performed.
[Explanation of symbols]
[Explanation of symbols]
1 jacket tank
11 Reaction vessel
12 stirrer
13 jacket
14, 15 temperature detector
21 Temperature control medium inflow pipe
22 Temperature control medium outlet pipe
23 Refrigerant valve
3 Controller
31 Main controller
32 slave controller
33 adder
4 disturbance compensator
41 disturbance estimator
42 Estimated disturbance pattern storage
43 Display / operation unit
44 Disturbance data processing unit
45 Output disturbance pattern storage
46 Estimated disturbance generator
47 FF calculator
48 Driving history storage unit
51 Controller
52 Pseudo-control target
53 adder
Claims (14)
プロセスを実施したときに制御用調節部から出力される操作量と、プロセスを実施したときに得られる制御量を目標値として求めた操作量と、の差に基づいてプロセスに加わった外乱パターンを推定する外乱推定部と、
この外乱推定部にて推定された外乱パターンを記憶する記憶部と、
外乱パターンを推定した運転サイクル以降の運転サイクルにおいて前記記憶部に記憶されたデータに基づいて外乱パターンを発生させ、その外乱パターンをフィードフォワード操作量として出力する推定外乱出力部と、
前記制御用調節部から出力される操作量に前記フィードフォワード操作量を外乱の補償量として加える手段と、を備えたことを特徴とするプロセス制御装置。In a process control device that controls a process based on an operation amount output from the control adjustment unit,
The disturbance pattern added to the process based on the difference between the manipulated variable output from the control adjustment unit when the process is performed and the manipulated variable obtained by using the control amount obtained when the process is performed as the target value is calculated. A disturbance estimating unit for estimating,
A storage unit for storing the disturbance pattern estimated by the disturbance estimation unit,
An estimated disturbance output unit that generates a disturbance pattern based on data stored in the storage unit in an operation cycle after the operation cycle in which the disturbance pattern is estimated, and outputs the disturbance pattern as a feedforward operation amount;
Means for adding the feedforward operation amount as a disturbance compensation amount to the operation amount output from the control adjustment unit.
前記推定用調節部は、設定された参照軌道に外乱推定部内の前記伝達関数の出力値が一致するように操作量を出力することを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載のプロセス制御装置。The disturbance estimating unit receives an operating amount from the estimating adjusting unit using the control amount as a target value and an operation amount from the estimating adjusting unit, and uses a transfer function equivalent to a control target controlled by the operating amount of the control adjusting unit. Means for processing and outputting the input value, and an addition unit for extracting a difference between the operation amount from the control adjustment unit and the operation amount from the estimation adjustment unit as an estimated disturbance,
The process according to any one of claims 1 to 6, wherein the estimation adjustment unit outputs the manipulated variable such that the output value of the transfer function in the disturbance estimation unit matches the set reference trajectory. Control device.
プロセスを実施したときに制御用調節部から出力される操作量と、プロセスを実施したときに得られる制御量を目標値として求めた操作量と、の差に基づいてプロセスに加わった外乱パターンを推定する工程と、
この工程にて推定された外乱パターンを記憶する工程と、
外乱パターンを推定した運転サイクル以降の運転サイクルにおいて、既に記憶された推定外乱パターンに基づいて外乱パターンを発生させ、その外乱パターンをフィードフォワード操作量として出力する工程と、
前記制御用調節部から出力される操作量に前記フィードフォワード操作量を外乱の補償量として加える工程と、を備えたことを特徴とするプロセス制御方法。In a process control method for controlling a process based on an operation amount output from a control adjustment unit,
The disturbance pattern added to the process based on the difference between the manipulated variable output from the control adjustment unit when the process is performed and the manipulated variable obtained by using the control amount obtained when the process is performed as the target value is calculated. Estimating,
Storing the disturbance pattern estimated in this step;
In a driving cycle after the driving cycle in which the disturbance pattern is estimated, a disturbance pattern is generated based on the already stored estimated disturbance pattern, and a step of outputting the disturbance pattern as a feedforward manipulated variable,
Adding the feedforward operation amount as a disturbance compensation amount to the operation amount output from the control adjustment unit.
この工程で出力された操作量と制御用調節部の操作量との差分を取り出す工程と、を含むことを特徴とする請求項12または13に記載のプロセス制御方法。In the step of estimating the disturbance pattern, the operation amount from the estimation adjustment unit having the control amount obtained when the process is performed as the target value is transmitted in the same manner as the control target controlled by the operation amount of the control adjustment unit. A step of calculating and outputting by a function, a step of outputting an operation amount from the estimation adjustment unit so that the output value output in this step matches the set reference trajectory,
14. The process control method according to claim 12, further comprising: extracting a difference between the operation amount output in this step and the operation amount of the control adjustment unit.
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