JP2009229382A - 制御機器および電力推定方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】既存の構成を利用しつつ、ヒータ等のアクチュエータの瞬時消費電力を精度良く推定する。
【解決手段】制御機器は、制御対象の制御量PVに基づいて操作量MVを算出してアクチュエータに出力するPID制御演算部3と、操作量MVの出力に応じてアクチュエータに流れる電流値CTと制御量PVと操作量MVとを入力変数として、予め設定された電力推定関数式によりアクチュエータの消費電力を推定する電力推定部5とを備える。電力推定関数式は、入力変数の実測データとアクチュエータの消費電力の実測データとから多変量解析により予め導出される。
【選択図】 図1

Description

本発明は、温調計などの制御機器に係り、特にヒータ等のアクチュエータの消費電力を推定する制御機器および電力推定方法に関するものである。
近年の省エネルギー志向により、制御機器においても使用される電力の監視と電力制御の機能が要求されるようになってきている。そこで、例えば特許文献1に開示された空調機では、ヒータが動作した時間とヒータが単位時間あたりに消費する電力とに基づいて、ヒータの消費電力を推定するようにしている。
しかしながら、温調計などの簡素な構成の温度制御機器では、ヒータが単位時間あたりに消費する電力の測定機能を付加すると、構成の複雑化とコスト増加の要因になるため、電力の測定機能を新たに付加することが難しい。また、既存の温調計にこのような測定機能を付加することは不可能である。
そこで、既存の構成を利用してヒータの瞬時消費電力を推定する方法が考えられる。電気ヒータの場合、ヒータ断線という故障が発生することがあるため、温調計などの温度制御機器では、ヒータに流れる電流値CT(カレントトランス値)を測定し、ヒータ断線の発生を監視している。この電流値CTを使用すれば、ヒータの瞬時消費電力を推定できると考えられる。また、温調計などの温度制御機器では、電力調整器への出力値として操作量MVが算出される。この操作量MVを使用すれば、ヒータの瞬時消費電力を推定できると考えられる。
特開2004−085087号公報
以上のように、電流値CTや操作量MVからヒータの瞬時消費電力を推定できると考えられる。しかしながら、電流値CTは電力使用量に高い相関性を持つ数値であるが、用途によっては十分な電力推定値として代替するには精度不足となることがあり、電流値CTを電力推定に利用するには限界があった。その理由は、ヒータ抵抗に温度依存性があり、また操作量MVに応じてヒータに電力を供給する電力調整器に非線形特性があるからである。
同様に、操作量MVは電力使用量に高い相関性を持つ数値であるが、用途によっては十分な電力推定値として代替するには精度不足となることがあり、操作量MVを電力推定に利用するには限界があった。その理由は、上記で述べたとおり、ヒータ抵抗に温度依存性があり、電力調整器に非線形特性があるからである。
なお、以上のような問題は温調計に限らず、電力測定機能を付加することが難しい制御機器であれば同様に発生する。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、既存の構成を利用しつつ、ヒータ等のアクチュエータの瞬時消費電力を精度良く推定することができる制御機器および電力推定方法を提供することを目的とする。
本発明の制御機器は、制御対象の制御量PVに基づいて操作量MVを算出してアクチュエータに出力する制御演算手段と、前記操作量MVの出力に応じて前記アクチュエータに流れる電流値CTと前記制御量PVとを入力変数として、予め設定された電力推定関数式により前記アクチュエータの消費電力を推定する電力推定手段とを備えるものである。
また、本発明の制御機器の1構成例において、前記電力推定手段は、前記電流値CTと制御量PVに加えて、前記操作量MVを入力変数として、前記アクチュエータの消費電力を推定するものである。
また、本発明の制御機器は、制御対象の制御量PVに基づいて操作量MVを算出してアクチュエータに出力する制御演算手段と、前記操作量MVと前記制御量PVとを入力変数として、予め設定された電力推定関数式により前記アクチュエータの消費電力を推定する電力推定手段とを備えるものである。
また、本発明の制御機器の1構成例において、前記電力推定関数式は、前記入力変数の実測データと前記アクチュエータの消費電力の実測データとから多変量解析により予め導出されるものである。
また、本発明の電力推定方法は、制御対象の制御量PVに基づいて操作量MVを算出してアクチュエータに出力する制御演算ステップと、前記操作量MVの出力に応じて前記アクチュエータに流れる電流値CTと前記制御量PVとを入力変数として、予め設定された電力推定関数式により前記アクチュエータの消費電力を推定する電力推定ステップとを備えるものである。
また、本発明の電力推定方法の1構成例において、前記電力推定ステップは、前記電流値CTと制御量PVに加えて、前記操作量MVを入力変数として、前記アクチュエータの消費電力を推定するものである。
また、本発明の電力推定方法は、制御対象の制御量PVに基づいて操作量MVを算出してアクチュエータに出力する制御演算ステップと、前記操作量MVと前記制御量PVとを入力変数として、予め設定された電力推定関数式により前記アクチュエータの消費電力を推定する電力推定ステップとを備えるものである。
本発明によれば、アクチュエータに流れる電流値CTと制御量PVとを入力変数として、電力推定関数式によりアクチュエータの消費電力を推定することにより、制御機器の既存の構成を利用しつつ、アクチュエータの瞬時消費電力を精度良く推定することができる。
また、本発明によれば、電流値CTと制御量PVに加えて、操作量MVを入力変数として、アクチュエータの消費電力を推定することにより、アクチュエータの瞬時消費電力を更に精度良く推定することができる。
また、本発明によれば、操作量MVと制御量PVとを入力変数として、電力推定関数式によりアクチュエータの消費電力を推定することにより、制御機器の既存の構成を利用しつつ、アクチュエータの瞬時消費電力を精度良く推定することができる。また、本発明では、電流値CTを測定することなしに、アクチュエータの瞬時消費電力を推定することができるので、電流測定手段を備えていない制御機器にも適用可能である。
[発明の原理1]
ヒータに流れる電流値CTをヒータの瞬時消費電力推定に利用する場合、電力推定値として精度に影響を与える要因には、ヒータ抵抗の温度依存性と電力調整器の非線形特性がある。これらが精度影響要因の全てではないものの、温調計では温度計測値として制御量PV、電力調整器への出力値として操作量MVが得られている。したがって、温度によるヒータ抵抗変化は制御量PVにより推定補正が可能であり、電力調整器の非線形特性は操作量MVにより推定補正が可能であることに、発明者は着眼した。そして、電力推定関数の入力変数(独立変数)に電流値CTと操作量MVと制御量PVを採用し、出力変数(従属変数)に電力推定値を採用し、電力推定関数式を温調計に実装すれば、課題解決のために有効であることに、発明者は想到した。その具体策として、電力測定器によるヒータの瞬時消費電力の測定結果と、電流値CT、操作量MVおよび制御量PVの測定結果との関係を予め調べ、多変量解析手法などを用いて電力推定関数式の係数値を予め算出し、係数値が確定した電力推定関数式を温調計に設定するようにすればよい。
[発明の原理2]
電力調整器への出力値である操作量MVをヒータの瞬時消費電力推定に利用する場合、電力推定値として精度に影響を与える要因にはヒータ抵抗の温度依存性がある。これが精度影響要因の全てではないものの、温調計では温度計測値として制御量PVが得られている。したがって、温度によるヒータ抵抗変化は制御量PVにより推定補正が可能であることに、発明者は着眼した。そして、電力推定関数の入力変数に操作量MVと制御量PVを採用し、出力変数に電力推定値を採用し、電力推定関数式を温調計に実装すれば、課題解決のために有効であることに、発明者は想到した。その具体策として、電力測定器によるヒータの瞬時消費電力の測定結果と、操作量MVおよび制御量PVの測定結果との関係を予め調べ、多変量解析手法などを用いて電力推定関数式の係数値を予め算出し、係数値が確定した電力推定関数式を温調計に設定するようにすればよい。
[第1の実施の形態]
以下、本発明の第1の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施の形態に係る制御機器の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、上記発明の原理1に対応するものである。
制御機器は、設定値入力部1と、制御量入力部2と、PID制御演算部3と、電流値入力部4と、電力推定部5とを有する。
図2は本実施の形態の制御機器を適用する温度制御系の1例を示す図である。図2の例では、加熱処理炉111の内部にヒータ112と温度センサ113とが設置されている。温度センサ113は、ヒータ112によって加熱される空気の温度PVを測定する。温調計100は、温度PVが設定値SPと一致するように操作量MVを算出する。電力調整器114は、操作量MVに応じた電力を決定し、この決定した電力を電力供給回路115を通じてヒータ112に供給する。こうして、温調計100は、加熱処理炉111内の温度を制御する。本実施の形態の制御機器は、この温調計100の内部に設けられるものである。電力調整器114と電力供給回路115とヒータ112とは、制御対象(加熱処理炉111)を制御するためのアクチュエータを構成している。電力供給回路115は、ヒータ112に流れる電流値CTを測定する電流測定部(不図示)を備えている。
以下、本実施の形態の制御機器の動作を説明する。図3は制御機器の動作を示すフローチャートである。
設定値SPは、制御機器のオペレータによって設定され、設定値入力部1を介してPID制御演算部3に入力される(図3ステップS1)。
制御量PVは、センサ(図2の例では温度センサ113)によって検出され、制御量入力部2を介してPID制御演算部3と電力推定部5に入力される(ステップS2)。
続いて、PID制御演算部3は、設定値入力部1から入力された設定値SPと制御量入力部2から入力された制御量PVに基づいて周知のPID制御演算を行い、設定値SPと制御量PVとが一致するように操作量MVを算出する(ステップS3)。そして、PID制御演算部3は、算出した操作量MVを制御対象と電力推定部5に出力する。図2の例では、制御対象は加熱処理炉111であるが、操作量MVの実際の出力先は電力調整器114であることは言うまでもない。
次に、ヒータ112には、操作量MVに応じた電流が流れる。このときの電流値CTは、電力供給回路115内の電流測定部によって測定され、電流値入力部4を介して電力推定部5に入力される(ステップS4)。
電力推定部5は、予め設定された電力推定関数Fにより、電流値CTと操作量MVと制御量PVとからヒータ112の瞬時消費電力推定値U_estを次式のように算出する(ステップS5)。
U_est=F(CT,MV,PV) ・・・(1)
以上のようなステップS1〜S5の処理が例えばオペレータによって制御の終了が指示されるまで(ステップS6においてYES)、制御周期毎に繰り返し実行される。
次に、電力推定関数Fの求め方について説明する。ある実制御対象において分析された電流値CT[A]、操作量MV[%]および制御量PV[℃]と、電力測定値U[W]との入出力関係を、説明を容易にするため若干の修正を加えた以下の数式にて表現する。
CT=0.01×MV−0.0001×(PV−200.0) ・・・(2)
U=CT×CT×200.0×(1.0+0.0125×MV)
×(1.0+0.001×PV) ・・・(3)
式(2)、式(3)は、実際の制御対象における入出力関係をそのまま表したものではなく、式(2)、式(3)のような一定の関係に基づいて電力測定値Uが得られるという状況を実際の制御対象の分析結果から想定したものであり、あくまでも入出力関係を理解するための1事例として記載しているものである。このとき、式(2)、式(3)により表1のようなデータ(説明を容易にするための仮想データ)が収集可能である。
Figure 2009229382
次に、収集したデータを用いて多変量解析手法により制御対象の入出力関係を同定する。本実施の形態では、特開平5−141999号公報や特開平6−332504号公報のオフライン処理部に示されるファジィ数量化理論2類を用いた手法を採用して説明する。
ファジィ数量化理論2類を用いた手法を表1のデータに適用すると、例えば下記のような電力推定関数式が得られる。なお、ここでは4次の近似式を採用している。
S=−0.196013−3.282893×CT+0.038556×MV
−0.000291×PV ・・・(4)
U_est=62.748737+627.430661×S
+3651.138842×S2+5845.650790×S3
−27793.31239×S4 ・・・(5)
表2に、予め収集した表1のデータと、表1の電流値CTと操作量MVと制御量PVを式(4)、式(5)の電力推定関数式に入力したときに得られる電力推定値U_estとを示す。また、表2は数式作成用の収集データによる比較であるが、これとは別に数式検証用として収集したデータ(式(2)、式(3)から得られる別の仮想データ)と、このデータを電力推定関数式に入力したときに得られる電力推定値U_estとを表3に示す。
Figure 2009229382
Figure 2009229382
表2、表3に示した電力測定値Uを横軸に取り、電力推定値U_estを縦軸に取った図を、図4に示す。表2、表3に示した収集データは電力推定値として概ね妥当な精度が得られることを示すための仮想データではあるが、電流値CTと操作量MVと制御量PVを入力変数とすることで電力推定値の精度を向上できることが分かる。
実際に電力推定関数式を求める場合には、制御対象について電流値CTと操作量MVと制御量PVと電力測定値Uを実測し、電流値CTと操作量MVと制御量PVを入力変数(独立変数)、電力推定値U_estを出力変数(従属変数)とし、電流値CTと操作量MVと制御量PVの実測データと電力測定値Uの実測データを用いて多変量解析を行えばよい。そして、求めた電力推定関数式を電力推定部5に設定すればよい。
こうして、本実施の形態では、電流値CTと操作量MVと制御量PVとを入力変数として、電力推定関数式によりヒータの消費電力を推定することにより、ヒータ抵抗の温度依存性を制御量PVにより補正し、電力調整器の非線形特性を操作量MVにより補正することができるので、ヒータの瞬時消費電力を精度良く推定することができる。また、本実施の形態では、制御機器に設けられている既存の温度センサ等を用いて制御量PVを取得し、既存の電流測定部を利用して電流値CTを取得するので、特別な機器を追加することなく、ヒータの瞬時消費電力を推定することができる。なお、図2の例では、電流測定部が制御機器の外部に設けられているが、制御機器が電流測定部を備えていてもよい。
また、本実施の形態では、入力変数に電流値CTと操作量MVと制御量PVを採用したが、電力推定において操作量MVに依存する非線形性が制御量PVに依存する非線形性に比べて無視できるほどに小さい場合もある。したがって、電流値CTのみによる電力推定に対して制御量PVによる補正を加えるだけでも、電力推定精度を実用水準に向上させることが可能である。この場合には、制御対象について電流値CTと制御量PVと電力測定値Uを実測し、電流値CTと制御量PVを入力変数、電力推定値U_estを出力変数とし、電流値CTと制御量PVの実測データと電力測定値Uの実測データを用いて多変量解析を行えばよい。そして、求めた電力推定関数式を電力推定部5に設定すればよい。これにより、電力推定部5は、電流値CTと制御量PVとからヒータの瞬時消費電力推定値を算出することができる。
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図5は本発明の第2の実施の形態に係る制御機器の構成を示すブロック図であり、図1と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態は、上記発明の原理2に対応するものである。
制御機器は、設定値入力部1と、制御量入力部2と、PID制御演算部3と、電力推定部5aとを有する。
以下、本実施の形態の制御機器の動作を説明する。図6は制御機器の動作を示すフローチャートである。
図6のステップS11,S12,S13の処理は、図3のステップS1,S2,S3と同じである。
電力推定部5aは、予め設定された電力推定関数Fにより、操作量MVと制御量PVとからヒータ112の瞬時消費電力推定値U_estを次式のように算出する(ステップS14)。
U_est=F(MV,PV) ・・・(6)
以上のようなステップS11〜S14の処理が例えばオペレータによって制御の終了が指示されるまで(ステップS15においてYES)、制御周期毎に繰り返し実行される。
次に、電力推定関数Fの求め方について説明する。ある実制御対象において分析された操作量MV[%]および制御量PV[℃]と、電力測定値U[W]との入出力関係を、説明を容易にするため若干の修正を加えた以下の数式にて表現する。
X=0.01×MV−0.0001×(PV−200.0) ・・・(7)
U=X×X×200.0×(1.0+0.0125×MV)
×(1.0+0.001×PV) ・・・(8)
式(7)、式(8)は、実際の制御対象における入出力関係をそのまま表したものではなく、式(7)、式(8)のような一定の関係に基づいて電力測定値Uが得られるという状況を実際の制御対象の分析結果から想定したものであり、あくまでも入出力関係を理解するための1事例として記載しているものである。このとき、式(7)、式(8)により表4のような仮想のデータが収集可能である。
Figure 2009229382
次に、収集したデータを用いて多変量解析手法により制御対象の入出力関係を同定する。本実施の形態においても、ファジィ数量化理論2類を用いた手法を採用して説明する。
ファジィ数量化理論2類を用いた手法を表4のデータに適用すると、例えば下記のような電力推定関数式が得られる。なお、ここでは4次の近似式を採用している。
S=−0.072736+0.005958×MV+0.000066×PV
・・・(9)
U_est=3.24569−135.491825×S
+2785.834284×S2−4273.532557×S3
+6276.490677×S4 ・・・(10)
表5に、予め収集した表4のデータと、表4の操作量MVと制御量PVを式(9)、式(10)の電力推定関数式に入力したときに得られる電力推定値U_estとを示す。また、表5は数式作成用の収集データによる比較であるが、これとは別に数式検証用として収集したデータ(式(7)、式(8)から得られる別の仮想データ)と、このデータを電力推定関数式に入力したときに得られる電力推定値U_estとを表6に示す。
Figure 2009229382
Figure 2009229382
表5、表6に示した電力測定値Uを横軸に取り、電力推定値U_estを縦軸に取った図を、図7に示す。表5、表6に示した収集データは電力推定値として概ね妥当な精度が得られることを示すための仮想データではあるが、操作量MVと制御量PVを入力変数とすることで電力推定値の精度を向上できることが分かる。
実際に電力推定関数式を求める場合には、制御対象について操作量MVと制御量PVと電力測定値Uを実測し、操作量MVと制御量PVを入力変数、電力推定値U_estを出力変数とし、操作量MVと制御量PVの実測データと電力測定値Uの実測データを用いて多変量解析を行えばよい。そして、求めた電力推定関数式を電力推定部5aに設定すればよい。
こうして、本実施の形態では、操作量MVと制御量PVとを入力変数として、電力推定関数式によりヒータの消費電力を推定することにより、ヒータ抵抗の温度依存性を制御量PVにより補正することができるので、ヒータの瞬時消費電力を精度良く推定することができる。また、本実施の形態では、制御機器に設けられている既存の温度センサ等を用いて制御量PVを取得するので、特別な機器を追加することなく、ヒータの瞬時消費電力を推定することができる。また、本実施の形態では、電流値CTを測定することなしに、ヒータの瞬時消費電力推定値を求めることができるので、電流測定部を備えていない制御機器にも適用可能である。
なお、第1、第2の実施の形態では、ファジィ数量化理論2類を用いた手法により説明したが、SVR(Support Vector Regression)や重回帰分析などのいわゆる多変量解析系の近似数式生成手法であれば本発明に適用可能である。
また、第1、第2の実施の形態で説明した制御機器は、CPU、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。CPUは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第1、第2の実施の形態で説明した処理を実行する。
本発明は、温調計などの制御機器に適用することができる。
本発明の第1の実施の形態に係る制御機器の構成を示すブロック図である。 本発明の第1の実施の形態に係る制御機器を適用する温度制御系の1例を示す図である。 本発明の第1の実施の形態に係る制御機器の動作を示すフローチャートである。 本発明の第1の実施の形態において電力測定値と電力推定値の比較結果を示す図である。 本発明の第2の実施の形態に係る制御機器の構成を示すブロック図である。 本発明の第2の実施の形態に係る制御機器の動作を示すフローチャートである。 本発明の第2の実施の形態において電力測定値と電力推定値の比較結果を示す図である。
符号の説明
1…設定値入力部、2…制御量入力部、3…PID制御演算部、4…電流値入力部、5,5a…電力推定部。

Claims (7)

  1. 制御対象の制御量PVに基づいて操作量MVを算出してアクチュエータに出力する制御演算手段と、
    前記操作量MVの出力に応じて前記アクチュエータに流れる電流値CTと前記制御量PVとを入力変数として、予め設定された電力推定関数式により前記アクチュエータの消費電力を推定する電力推定手段とを備えることを特徴とする制御機器。
  2. 請求項1記載の制御機器において、
    前記電力推定手段は、前記電流値CTと制御量PVに加えて、前記操作量MVを入力変数として、前記アクチュエータの消費電力を推定することを特徴とする制御機器。
  3. 制御対象の制御量PVに基づいて操作量MVを算出してアクチュエータに出力する制御演算手段と、
    前記操作量MVと前記制御量PVとを入力変数として、予め設定された電力推定関数式により前記アクチュエータの消費電力を推定する電力推定手段とを備えることを特徴とする制御機器。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の制御機器において、
    前記電力推定関数式は、前記入力変数の実測データと前記アクチュエータの消費電力の実測データとから多変量解析により予め導出されることを特徴とする制御機器。
  5. 制御対象の制御量PVに基づいて操作量MVを算出してアクチュエータに出力する制御演算ステップと、
    前記操作量MVの出力に応じて前記アクチュエータに流れる電流値CTと前記制御量PVとを入力変数として、予め設定された電力推定関数式により前記アクチュエータの消費電力を推定する電力推定ステップとを備えることを特徴とする電力推定方法。
  6. 請求項5記載の電力推定方法において、
    前記電力推定ステップは、前記電流値CTと制御量PVに加えて、前記操作量MVを入力変数として、前記アクチュエータの消費電力を推定することを特徴とする電力推定方法。
  7. 制御対象の制御量PVに基づいて操作量MVを算出してアクチュエータに出力する制御演算ステップと、
    前記操作量MVと前記制御量PVとを入力変数として、予め設定された電力推定関数式により前記アクチュエータの消費電力を推定する電力推定ステップとを備えることを特徴とする電力推定方法。
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