JP2009015477A

JP2009015477A - シミュレーション装置

Info

Publication number: JP2009015477A
Application number: JP2007174722A
Authority: JP
Inventors: Kenji Watanabe; 賢治渡辺; Kyojiro Kawaguchi; 恭二郎河口; Yasushi Onoe; 寧尾上; Minoru Nakaya; 実仲矢
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2009-01-22

Abstract

【課題】高精度で制御対象の動作に追従するシミュレーションが可能なシミュレーション装置を実現する。
【解決手段】制御対象の動作を現したモデル式を用いて制御対象の動作に追従するシミュレーションを行なうシミュレーション装置において、制御対象と、この制御対象を操作する制御手段と、制御対象の動作を現したモデル式を用いて制御対象の動作に追従するシミュレーションを行なう共に、モデル式に適用するトラッキングパラメータを逐次自動調整するトラッキングシミュレータと、トラッキングパラメータに相関のある物理量の関数であるトラッキングパラメータ関数式を生成してトラッキングパラメータと置換するパラメータ関数式生成手段とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、制御対象である実プラントの動作を現したモデル式を用いて制御対象である実プラントの動作に追従するシミュレーションを行なうシミュレーション装置に関し、特に高精度で実プラントの動作に追従するシミュレーションが可能なシミュレーション装置に関する。

従来の制御対象である実プラントの動作を現したモデル式を用いて実プラントの動作に追従するシミュレーションを行なうシミュレーション装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開昭６０−１０４９９０号公報特開平０６−２２２１９１号公報特開平０９−１３４２１３号公報特開平１０−２６０６２６号公報特開２００５−３３２３６０号公報特開２００７−１１５１７６号公報

但し、モデル式は完全に制御対象の動作を模擬するものではなく、あくまでも近似式でるため、当該モデル式を用いてシミュレーションを行なったとしても全てのシミュレーション値が実測値と一致する訳ではない。

このため、「特許文献５」に記載された発明のように、モデル式のパラメータの値を随時調整することにより、高精度に制御対象の動作に追従するシミュレーションを行なうものがある。

図９はこのような従来のシミュレーション装置の一例を示す構成ブロック図である。図９において、１は制御対象を操作するコントローラ等の制御手段、２は実プラント等の制御対象、３は制御対象２の動作を現したモデル式を用いて制御対象２の動作に追従するシミュレーションを行なうトラッキングシミュレータ、４はモデル式のトラッキングパラメータ（調整パラメータ）の値を調整するパラメータ調整手段である。

制御手段１からの出力である操作量は制御対象２に印加され、制御対象２からプロセスデータ（操作量、設定値及び実測値等）はトラッキングシミュレータ３及びパラメータ調整手段４に供給され、トラッキングシミュレータ３からのシミュレーション値もまたパラメータ調整手段４に供給される。また、パラメータ調整手段４からの出力である値が調整されたトラッキングパラメータがトラッキングシミュレータ３に供給される。

ここで、図９に示す従来例の動作を図１０を用いて説明する。図１０はパラメータ調整手段４の動作を説明するフロー図である。

図１０中”Ｓ００１”においてパラメータ調整手段４は、制御対象２から実測値を取得し、図１０中”Ｓ００２”においてパラメータ調整手段４は、トラッキングシミュレータ３からモデル式を用いて制御対象２の動作に追従するシミュレーションを行なった結果得られるシミュレーション値を取得する。

図１０中”Ｓ００３”においてパラメータ調整手段４は、取得した実測値とシミュレーション値の差分が許容範囲内であるか否かを判断し、もし、許容範囲内であると判断された場合には、図１０中”Ｓ００１”に示すステップに戻る。

一方、図１０中”Ｓ００３”において許容範囲内ではないと判断された場合には、図１０中”Ｓ００４”においてパラメータ調整手段４は、トラッキングパラメータを調整してトラッキングシミュレータ３に供給する。

このため、トラッキングシミュレータ３は、調整済みのトラッキングパラメータが適用されたモデル式を用いて制御対象２の動作に追従するシミュレーションを行なうことになるので、高精度に制御対象２の動作に追従するシミュレーションを行なうことが可能になる。

この結果、パラメータ調整手段４が、制御対象２からの実測値とトラッキングシミュレータ３からのシミュレーション値を対比し、モデル式のトラッキングパラメータを調整してトラッキングシミュレータ３に適用させることにより、高精度に制御対象２の動作に追従するシミュレーションを行なうことが可能になる。

しかし、図９等に示す従来例では、パラメータ調整手段４によって調整されるモデル式のトラッキングパラメータは、トラッキングパラメータに相関のある物理量である操作量等が大きく変化した場合、瞬時にトラッキングパラメータが調整されることは困難であり、結果として、操作量等の変化点においてシミュレーション値が制御対象の実際の動作からずれてしまうと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、高精度で制御対象の動作に追従するシミュレーションが可能なシミュレーション装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
制御対象の動作を現したモデル式を用いて制御対象の動作に追従するシミュレーションを行なうシミュレーション装置において、
制御対象と、この制御対象を操作する制御手段と、前記制御対象の動作を現したモデル式を用いて前記制御対象の動作に追従するシミュレーションを行なう共に、前記モデル式に適用するトラッキングパラメータを逐次自動調整するトラッキングシミュレータと、前記トラッキングパラメータに相関のある物理量の関数であるトラッキングパラメータ関数式を生成して前記トラッキングパラメータと置換するパラメータ関数式生成手段とを備えたことにより、高精度で制御対象の動作に追従するシミュレーションが可能になる。

請求項２記載の発明は、
制御対象の動作を現したモデル式を用いて制御対象の動作に追従するシミュレーションを行なうシミュレーション装置において、
制御対象と、この制御対象を操作する制御手段と、前記制御対象の動作を現したモデル式を用いて前記制御対象の動作に追従するシミュレーションを行なうトラッキングシミュレータと、前記モデル式に適用するトラッキングパラメータを逐次自動調整するパラメータ調整手段と、前記トラッキングパラメータに相関のある物理量の関数であるトラッキングパラメータ関数式を生成して前記トラッキングパラメータと置換するパラメータ関数式生成手段とを備えたことにより、高精度で制御対象の動作に追従するシミュレーションが可能になる。

請求項３記載の発明は、
制御対象の動作を現したモデル式を用いて制御対象の動作に追従するシミュレーションを行なうシミュレーション装置において、
制御対象と、この制御対象を操作する制御手段と、前記制御対象の動作を現したモデル式を用いて前記制御対象の動作に追従するシミュレーションを行なうトラッキングシミュレータと、前記モデル式に適用するトラッキングパラメータを逐次自動調整すると共に、前記トラッキングパラメータに相関のある物理量の関数であるトラッキングパラメータ関数式を生成して前記トラッキングパラメータと置換するパラメータ関数式生成手段とを備えたことにより、高精度で制御対象の動作に追従するシミュレーションが可能になる。

請求項４記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明であるシミュレーション装置において、
前記パラメータ関数式生成手段が、
前記制御対象から実測値を取得し、前記トラッキングシミュレータから前記モデル式を用いて前記制御対象の動作に追従するシミュレーションを行なった結果得られるシミュレーション値を取得し、定常状態になった前記実測値と前記シミュレーション値が一致した時点の前記トラッキングパラメータと前記物理量を記録し、トラッキングパラメータ関数式が生成可能である場合に、記録されている複数の前記トラッキングパラメータ及び前記物理量に基づき前記トラッキングパラメータ関数式を生成し、前記トラッキングパラメータを生成した前記トラッキングパラメータ関数式で置換することにより、高精度で制御対象の動作に追従するシミュレーションが可能になる。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，３及び請求項４の発明によれば、パラメータ関数式生成手段が、トラッキングシミュレータで用いるモデル式に適用するトラッキングパラメータをトラッキングパラメータに相関のある物理量の関数であるトラッキングパラメータ関数式で置換することにより、高精度で制御対象の動作に追従するシミュレーションが可能になる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るシミュレーション装置の一実施例を示す構成ブロック図である。

図１において、１及び２は図９と同一符号を付してあり、５は制御対象２の動作を現したモデル式を用いて制御対象２の動作に追従するシミュレーションを行なうと共にトラッキングパラメータを逐次自動調整するトラッキングシミュレータ、６はモデル式のトラッキングパラメータをトラッキングパラメータ関数式として供給するパラメータ関数式生成手段である。

制御手段１からの出力である操作量は制御対象２に印加され、制御対象２からプロセスデータ（操作量、設定値及び実測値等）はトラッキングシミュレータ５及びパラメータ関数式生成手段６に供給され、トラッキングシミュレータ５からのシミュレーション値もまたパラメータ関数式生成手段６に供給される。また、パラメータ関数式生成手段６からの出力であるトラッキングパラメータ関数式がトラッキングシミュレータ５に供給される。

ここで、図１に示す実施例の動作を図２、図３、図４、図５、図６、図７及び図８を用いて説明する。図２はトラッキングシミュレータ５のトラッキングパラメータ調整の動作を説明するフロー図、図３はパラメータ関数式生成手段６の動作を説明するフロー図、図４、図５、図７及び図８は実施例の動作を説明する説明図、図６は生成されたトラッキングパラメータ関数式の一例を示す説明図である。

図２中”Ｓ１０１”においてトラッキングシミュレータ５は、制御対象２から実測値を取得し、図２中”Ｓ１０２”においてトラッキングシミュレータ５は、モデル式を用いて制御対象２の動作に追従するシミュレーションを行なった結果得られる自らのシミュレーション値を取得する。

図２中”Ｓ１０３”においてトラッキングシミュレータ５は、取得した実測値とシミュレーション値の差分が許容範囲内であるか否かを判断し、もし、許容範囲内であると判断された場合には、図２中”Ｓ１０１”に示すステップに戻る。

一方、もし、図２中”Ｓ１０３”において許容範囲内ではないと判断された場合には、図２中”Ｓ１０４”においてトラッキングシミュレータ５は、トラッキングパラメータを調整して自らのモデル式に適用する。

図３中”Ｓ２０１”においてパラメータ関数式生成手段６は、制御対象２から実測値を取得し、図３中”Ｓ２０２”においてパラメータ関数式生成手段６は、トラッキングシミュレータ５からモデル式を用いて制御対象２の動作に追従するシミュレーションを行なった結果得られるシミュレーション値を取得する。

図３中”Ｓ２０３”においてパラメータ関数式生成手段６は、実測値とシミュレーション値が定常状態になり、尚且つ、定常状態になった実測値とシミュレーション値が一致したか否かを判断し、もし、両者が不一致であると判断された場合には、図３中”Ｓ２０１”に示すステップに戻る。

一方、もし、図３中”Ｓ２０３”において実測値とシミュレーション値が定常状態になり、尚且つ、定常状態になった実測値とシミュレーション値が一致したと判断された場合には、図３中”Ｓ２０４”においてパラメータ関数式生成手段６は、定常状態になった実測値とシミュレーション値が一致した時点のトラッキングパラメータと操作量を記録する。

例えば、図４は燃料電池の電圧シミュレーションを行なった場合の一例を示すものであり、制御手段１が図４中”ＣＶ０１”に示す操作量（電流値）を時間的に操作した場合に、制御対象２の出力である電圧値の実測値及びトラッキングシミュレータ５のシミュレーション値が、図４中”ＲＶ０１”及び図４中”ＳＶ０１”に示すように時間的変化する場合を想定する。

また、制御対象に対してこのような操作を行なった場合、トラッキングパラメータ（イオン伝導度）及び操作量（電流値）は、例えば、図５中”ＴＰ１１”及び図５中”ＣＶ１１”に示すように時間的変化するものとする。

例えば、図４中”ＰＴ０１”に示す時点で、実測値とシミュレーション値が定常状態になり、尚且つ、定常状態になった実測値とシミュレーション値が一致するので、パラメータ関数式生成手段６は、図４中”ＰＴ０１”に示す時点に対応する図５中”ＰＴ１１”におけるトラッキングパラメータ（イオン伝導度）及び操作量（電流値）を記録する。

同様に、例えば、図４中”ＰＴ０２”、”ＰＴ０３”、”ＰＴ０４”或いは”ＰＴ０５”に示す時点で、実測値とシミュレーション値が定常状態になり、尚且つ、定常状態になった実測値とシミュレーション値が一致するので、パラメータ関数式生成手段６は、図４中”ＰＴ０２”〜”ＰＴ０５”に示す時点に対応する図５中”ＰＴ１２”〜”ＰＴ１５”におけるトラッキングパラメータ（イオン伝導度）及び操作量（電流値）をそれぞれ記録する。

そして、図３中”Ｓ２０５”においてパラメータ関数式生成手段６は、記録されたトラッキングパラメータと操作量からトラッキングパラメータ関数式が生成可能か否かを判断し、もし、生成可能でないと判断された場合には、図３中”Ｓ２０１”に示すステップに戻る。

例えば、トラッキングパラメータ（イオン伝導度）及び操作量（電流値）が１点しかパラメータ関数式生成手段６に記録されていない場合には、トラッキングパラメータ関数式を生成することができないので、パラメータ関数式生成手段６は、図３中”Ｓ２０１”に示すステップに戻る。

また、もし、図３中”Ｓ２０５”においてトラッキングパラメータ関数式が生成可能であると判断された場合には、図３中”Ｓ２０６”においてパラメータ関数式生成手段６は、記録されている複数のトラッキングパラメータ及び操作量に基づき最小二乗法等を用いてトラッキングパラメータ関数式を生成する。

例えば、パラメータ関数式生成手段６は、記録されている複数のトラッキングパラメータ（イオン伝導度）及び操作量（電流値）に基づき、図６中”ＦＮ２１”に示すようなトラッキングパラメータ関数式を最小二乗法で生成する。

すなわち、図６中”ＦＮ２１”に示すようなトラッキングパラメータ関数式から、トラッキングパラメータ（イオン伝導度）は、操作量（電流値）の一次関数として現されていることが分かる。

最後に、図３中”Ｓ２０７”においてパラメータ関数式生成手段６は、生成したトラッキングパラメータ関数式をトラッキングシミュレータ５の供給し、既存のトラッキングパラメータ（或いは、既存のトラッキングパラメータ関数式）を生成したトラッキングパラメータ関数式で置換する。

生成したトラッキングパラメータ関数式が適用されたモデル式を用いて制御対象２の動作に追従するシミュレーションを行なった場合、図４に示した説明図は、例えば、図７に示すようになる。

すなわち、図７中”ＣＶ３１”に示す操作量（電流値）を時間的に操作した場合に、制御対象２の出力である電圧値の実測値及びトラッキングシミュレータ５のシミュレーション値が、図７中”ＲＶ３１”及び図７中”ＳＶ３１”に示すように時間的変化することになる。

さらに、図８は、図７における制御対象２の出力である電圧値の実測値及びトラッキングシミュレータ５のシミュレーション値の一部を拡大したものであり、図８（ａ）トラッキングパラメータ関数式非適用の場合と、図８（ｂ）トラッキングパラメータ関数式適用の場合とでは、シミュレーション値の挙動が明らかに異なっている。

例えば、図８中”ＰＴ４１”に示す電圧の変化点（トラッキングパラメータ関数式非適用）では、図８中”ＳＶ４１”に示すシミュレーション値は、図８中”ＲＶ４１”に示す実測値に対してアンダーシュートしているのに対して、図８中”ＰＴ４２”に示す電圧の変化点（トラッキングパラメータ関数式適用）では、図８中”ＳＶ４２”に示すシミュレーション値は、図８中”ＲＶ４２”に示す実測値に対してアンダーシュートすることなく追従している。

この結果、パラメータ関数式生成手段が、トラッキングシミュレータで用いるモデル式に適用するトラッキングパラメータをトラッキングパラメータに相関のある操作量（物理量）の関数であるトラッキングパラメータ関数式で置換することにより、高精度で制御対象の動作に追従するシミュレーションが可能になる。

なお、図１に示す実施例では説明の簡単のために、トラッキングパラメータに関連する物理量として操作量を例示しているが、勿論、他の物理量であっても構わない。

また、図１に示す実施例では説明の簡単のために、トラッキングシミュレータ５がトラッキングパラメータを逐次自動調整する旨記載しているが、勿論、トラッキングシミュレータとは別にパラメータ調整手段を設けても構わない。

また、図１に示す実施例では説明の簡単のために、トラッキングシミュレータ５がトラッキングパラメータを逐次自動調整する旨記載しているが、勿論、パラメータ関数式生成手段６がトラッキングパラメータを逐次調整する機能を併せ持っても構わない。

また、図１に示す実施例では説明の簡単のために、パラメータ関数式生成手段６が最小二乗法を用いてトラッキングパラメータ関数式を生成する旨記載しているが、勿論、既存の適当な近似手法を用いてトラッキングパラメータ関数式を生成しても構わない。

本発明に係るシミュレーション装置の一実施例を示す構成ブロック図である。トラッキングシミュレータのトラッキングパラメータ調整の動作を説明するフロー図である。パラメータ関数式生成手段の動作を説明するフロー図である。実施例の動作を説明する説明図である。実施例の動作を説明する説明図である。生成されたトラッキングパラメータ関数式の一例を示す説明図である。実施例の動作を説明する説明図である。実施例の動作を説明する説明図である。従来のシミュレーション装置の一例を示す構成ブロック図である。パラメータ調整手段の動作を説明するフロー図である。

符号の説明

１制御手段
２制御対象
３，５トラッキングシミュレータ
４パラメータ調整手段
６パラメータ関数式生成手段

Claims

制御対象の動作を現したモデル式を用いて制御対象の動作に追従するシミュレーションを行なうシミュレーション装置において、
制御対象と、
この制御対象を操作する制御手段と、
前記制御対象の動作を現したモデル式を用いて前記制御対象の動作に追従するシミュレーションを行なう共に、前記モデル式に適用するトラッキングパラメータを逐次自動調整するトラッキングシミュレータと、
前記トラッキングパラメータに相関のある物理量の関数であるトラッキングパラメータ関数式を生成して前記トラッキングパラメータと置換するパラメータ関数式生成手段と
を備えたことを特徴とするシミュレーション装置。
制御対象の動作を現したモデル式を用いて制御対象の動作に追従するシミュレーションを行なうシミュレーション装置において、
制御対象と、
この制御対象を操作する制御手段と、
前記制御対象の動作を現したモデル式を用いて前記制御対象の動作に追従するシミュレーションを行なうトラッキングシミュレータと、
前記モデル式に適用するトラッキングパラメータを逐次自動調整するパラメータ調整手段と、
前記トラッキングパラメータに相関のある物理量の関数であるトラッキングパラメータ関数式を生成して前記トラッキングパラメータと置換するパラメータ関数式生成手段と
を備えたことを特徴とするシミュレーション装置。
制御対象の動作を現したモデル式を用いて制御対象の動作に追従するシミュレーションを行なうシミュレーション装置において、
制御対象と、
この制御対象を操作する制御手段と、
前記制御対象の動作を現したモデル式を用いて前記制御対象の動作に追従するシミュレーションを行なうトラッキングシミュレータと、
前記モデル式に適用するトラッキングパラメータを逐次自動調整すると共に、前記トラッキングパラメータに相関のある物理量の関数であるトラッキングパラメータ関数式を生成して前記トラッキングパラメータと置換するパラメータ関数式生成手段と
を備えたことを特徴とするシミュレーション装置。
前記パラメータ関数式生成手段が、
前記制御対象から実測値を取得し、
前記トラッキングシミュレータから前記モデル式を用いて前記制御対象の動作に追従するシミュレーションを行なった結果得られるシミュレーション値を取得し、
定常状態になった前記実測値と前記シミュレーション値が一致した時点の前記トラッキングパラメータと前記物理量を記録し、
トラッキングパラメータ関数式が生成可能である場合に、記録されている複数の前記トラッキングパラメータ及び前記物理量に基づき前記トラッキングパラメータ関数式を生成し、
前記トラッキングパラメータを生成した前記トラッキングパラメータ関数式で置換することを特徴とする
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のシミュレーション装置。