JP2016066326A - 制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】操作量に応じてアクチュエータに通電する電流をＯＮ／ＯＦＦする電力調整部を用いるマルチループ制御系において、適切な消費電力の計測を実現する。【解決手段】調整機能部２は、平滑化処理の特性パラメータの調整時に、全ての制御ループでマニュアル操作部１１−ｉから５０％の操作量ＭＶｉを出力させる操作量出力維持部２０と、各制御ループＬｉの消費電力計測値の総和である総消費電力計測値を計測する電力計測部２１と、特性パラメータを予め規定された規則に従って変更する特性パラメータ変更部２２と、総消費電力計測値を平滑化処理する平滑化処理部２３と、平滑化処理後の総消費電力計測値の上下動の幅を評価する上下動幅評価部２４と、評価結果に基づき特性パラメータの最適値を決定する特性パラメータ決定部２５とから構成される。【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の制御ループを備えたマルチループ制御系の制御装置および制御方法に係り、特に制御ループの消費電力のリアルタイム計測を必要とし、操作量に応じてアクチュエータに通電する電流をＯＮ／ＯＦＦするＳＳＲのような電力調整手段を用いるマルチループ制御系において、適切な消費電力の計測を実現する制御装置および制御方法に関するものである。

地球温暖化問題に起因する法改正などに伴い、工場や生産ラインのエネルギー使用量管理が強く求められている。工場内の加熱装置や空調機器は特にエネルギー使用量の大きな設備装置であるため、エネルギー使用量の上限を、本来備える最大量よりも低く抑えるように管理されることが多い。例えば電力を使用する設備装置では、電力デマンド管理システムからの指示により、特定の電力使用量以内に制限する運用が行なわれている。

特に複数のアクチュエータ（電気ヒータ）を備える加熱装置では、立ち上げ時（複数の電気ヒータが設置されている領域の一斉昇温時）に同時供給される総電力を抑制するために、電力総和抑制制御（特許文献１、特許文献２参照）などが提案されている。図１０は特許文献１、特許文献２に開示された加熱装置の構成を示すブロック図である。加熱装置は、被加熱物を加熱するための加熱処理炉１００と、加熱処理炉１００の内部に設置された複数のアクチュエータである電気ヒータＨ１〜Ｈ４と、それぞれヒータＨ１〜Ｈ４によって加熱される加熱処理炉１００内の制御ゾーンＺ１〜Ｚ４の温度ＰＶを測定する複数の温度センサＳ１〜Ｓ４と、ヒータＨ１〜Ｈ４に出力する操作量ＭＶ１〜ＭＶ４を算出する電力総和抑制制御装置１０１と、電力総和抑制制御装置１０１から出力された操作量ＭＶ１〜ＭＶ４に応じた電力をそれぞれヒータＨ１〜Ｈ４に供給する電力調整器１０２−１〜１０２−４とから構成される。この図１０に示した加熱装置においては、制御ゾーンＺ１〜Ｚ４の温度ＰＶを制御する制御ループが、４個形成されていることになる。

特許文献１の場合で従来の技術を説明すると、電力総和抑制制御装置１０１は、電力を管理する電力デマンド管理システムのコンピュータである上位ＰＣ１０３から、ヒータＨ１〜Ｈ４の電力使用量を規定する割当総電力ＰＷの情報を受信し、各制御ループの消費電力計測値の総和と割当総電力ＰＷＴとから各制御ループに割り当てる電力使用割当量を算出し、この電力使用割当量から各制御ループの操作量出力上限値ＯＨ１＿１〜ＯＨ１＿４を算出する。そして、電力総和抑制制御装置１０１は、ＰＩＤ制御演算により各制御ループの操作量ＭＶ１〜ＭＶ４を算出し、操作量ＭＶ１〜ＭＶ４を操作量出力上限値ＯＨ１＿１〜ＯＨ１＿４以下に制限する上限リミット処理を実行して、上限処理後の操作量ＭＶ１〜ＭＶ４を対応する制御ループの電力調整器１０２−１〜１０２−４に出力する。こうして、操作量出力上限値ＯＨ１＿１〜ＯＨ１＿４を操作することで、温度を一定に維持する定常状態時や設定値ＳＰ変更による昇温時の総電力を指定された値以下に抑制できる。

特開２０１２−０４８３７０号公報 特開２０１２−０４８５３３号公報

電気ヒータに供給する電力を調整するための電力調整器として、多くの装置でソリッドステートリレー（ＳＳＲ）が利用されている。ＳＳＲの動作について簡潔に説明する。図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）、図１１（Ｃ）、図１１（Ｄ）は３つの制御ループの電力調整器として利用されるＳＳＲの動作と３つの制御ループの総消費電力計測値について説明する図である。ここでは、各ＳＳＲの時間比例周期が１０秒に設定されているものとする。

第１の制御ループで使用されているＳＳＲでは、ＳＳＲに要求されている調整電力が４０％（操作量ＭＶが４０％）なので、図１１（Ａ）に示すように電気ヒータに電流がフル通電されるＯＮ時間が４秒であり、電流が完全にゼロになるＯＦＦ時間が６秒になる。第２の制御ループで使用されているＳＳＲでは、ＳＳＲに要求されている調整電力が５０％（操作量ＭＶが５０％）なので、図１１（Ｂ）に示すようにＯＮ時間が５秒であり、ＯＦＦ時間も５秒になる。第３の制御ループで使用されているＳＳＲでは、ＳＳＲに要求されている調整電力が６０％（操作量ＭＶが６０％）なので、図１１（Ｃ）に示すようにＯＮ時間が６秒であり、ＯＦＦ時間が４秒になる。このように、ＳＳＲでは電流のＯＮ／ＯＦＦ時間で供給電力を調整する。

したがって、ＳＳＲを利用する温度制御の複数のＰＩＤ制御ループ系においては、電流のＯＮ／ＯＦＦ時間に応じて消費電力計測値が上下動してしまい、電力総和抑制制御（特に特許文献１）のような制御手法に適合する電力計測が実施できなくなる。図１１（Ｄ）では、フル通電時の各制御ループの消費電力値を２００Ｗとしたときの３つの制御ループの総消費電力計測値の変化を示している。

消費電力計測値の上下動を信号処理により平滑化するために、平滑化手法の特性パラメータ（平滑化手法が１次遅れフィルタであればフィルタ時定数、平滑化手法が移動平均であれば計測データの点数）を大きめにすれば、ある程度十分に平滑化された状態に近づけることは可能である。しかし、過度な平滑化になると電力計測の瞬時値としての真値からの乖離も大きくなることになるので、オンライン型のリアルタイム処理アルゴリズムである電力総和抑制制御（特に特許文献１）のような制御手法にやはり適合しなくなる。

なお、ＳＳＲの動作を例えばＰＣ上でシミュレーションすることなどにより、理論的に最適な特性パラメータを求めようとしても、実際の電力計自体に、平滑化の効果を与えるダンピング特性が含まれるため、実際に使用するＳＳＲと電力計による電力計測系によって特性パラメータを求めるのが好ましい。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、制御ループの消費電力のリアルタイム計測を必要とし、操作量に応じてアクチュエータに通電する電流をＯＮ／ＯＦＦするＳＳＲのような電力調整手段を用いるマルチループ制御系において、適切な消費電力の計測を実現することができる制御装置および制御方法を提供することを目的とする。

本発明の制御装置は、制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）毎に設けられ、設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉとを入力として操作量ＭＶｉを算出し出力する制御演算手段と、制御ループＬｉ毎に設けられ、外部から指定されたマニュアル操作量ＭＶｉを出力するマニュアル操作手段と、制御ループＬｉ毎に設けられ、前記制御演算手段を動作させるか、前記マニュアル操作手段を動作させるかを切り換える動作切換手段と、制御ループＬｉ毎に設けられ、動作中の制御演算手段または動作中のマニュアル操作手段から出力された操作量ＭＶｉに応じて、対応する制御ループＬｉのアクチュエータに通電する電流をＯＮ／ＯＦＦする電力調整手段と、各制御ループＬｉの消費電力計測値の総和である総消費電力計測値を計測する電力計測手段と、前記総消費電力計測値を平滑化処理する第１の平滑化処理手段と、前記平滑化処理の特性パラメータの調整時に、全ての制御ループＬｉで前記制御演算手段を停止させて前記マニュアル操作手段を動作させ、前記マニュアル操作手段から５０％のマニュアル操作量ＭＶｉを出力させ、前記特性パラメータの調整後の制御動作時に、全ての制御ループＬｉで前記マニュアル操作手段を停止させて前記制御演算手段を動作させる操作量出力維持手段と、前記特性パラメータの調整時に、前記特性パラメータを予め規定された規則に従って変更する特性パラメータ変更手段と、前記特性パラメータの調整時に、平滑化処理後の総消費電力計測値の上下動の幅を評価する上下動幅評価手段と、前記特性パラメータの調整時に、前記上下動幅評価手段の評価結果に基づき前記特性パラメータの最適値を決定する特性パラメータ決定手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の制御装置の１構成例は、さらに、前記特性パラメータの調整後の制御動作時に、前記平滑化処理後の総消費電力計測値に基づいて各制御ループＬｉの操作量ＭＶｉを操作して制御装置の電力使用量を抑制する電力抑制手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例は、さらに、制御ループＬｉ毎に設けられ、前記第１の平滑化処理手段と同じ特性パラメータが設定され、各制御ループＬｉの消費電力計測値を個別に平滑化処理する第２の平滑化処理手段と、前記特性パラメータの調整後の制御動作時に、前記平滑化処理後の各制御ループＬｉの消費電力計測値に基づいて各制御ループＬｉの操作量ＭＶｉを操作して制御装置の電力使用量を抑制する電力抑制手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の制御装置の１構成例において、前記平滑化処理は１次遅れフィルタ処理であり、前記特性パラメータはフィルタ時定数である。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記平滑化処理は移動平均処理であり、前記特性パラメータは処理の対象となる計測値データの点数である。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記特性パラメータの初期値は最小値として設定され、前記規則は、前記平滑化処理の効果が強くなる方向に前記特性パラメータを規定量だけ増加させるものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記上下動幅評価手段は、前記平滑化処理後の総消費電力計測値の上下動幅Δが所定の閾値ＴＨ以下かどうかを判定し、前記特性パラメータ決定手段は、前記上下動幅Δが前記閾値ＴＨ以下と判定された時点での特性パラメータを最適値として決定することを特徴とするものである。

また、本発明の制御方法は、複数の制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）の総消費電力計測値の平滑化処理の特性パラメータを調整するときに、５０％のマニュアル操作量ＭＶｉを制御ループＬｉ毎に出力するマニュアル操作ステップと、前記特性パラメータの調整時に、前記マニュアル操作量ＭＶｉに応じて、各制御ループＬｉのアクチュエータに通電する電流を制御ループＬｉ毎にＯＮ／ＯＦＦする第１の電力調整ステップと、前記特性パラメータの調整時に、各制御ループＬｉの消費電力計測値の総和である総消費電力計測値を計測する第１の電力計測ステップと、前記特性パラメータの調整時に、前記総消費電力計測値を平滑化処理する第１の平滑化処理ステップと、前記特性パラメータの調整時に、前記特性パラメータを予め規定された規則に従って変更する特性パラメータ変更ステップと、前記特性パラメータの調整時に、平滑化処理後の総消費電力計測値の上下動の幅を評価する上下動幅評価ステップと、前記特性パラメータの調整時に、前記上下動幅評価ステップの評価結果に基づき前記特性パラメータの最適値を決定する特性パラメータ決定ステップと、前記特性パラメータの調整後の制御動作時に、設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉとを入力として操作量ＭＶｉを制御ループＬｉ毎に算出し出力する制御演算ステップと、前記特性パラメータの調整後の制御動作時に、前記制御演算ステップで出力された操作量ＭＶｉに応じて、各制御ループＬｉのアクチュエータに通電する電流を制御ループＬｉ毎にＯＮ／ＯＦＦする第２の電力調整ステップとを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、特性パラメータを予め規定された規則に従って変更する特性パラメータ変更手段と、平滑化処理後の総消費電力計測値の上下動の幅を評価する上下動幅評価手段と、上下動幅評価手段の評価結果に基づき特性パラメータの最適値を決定する特性パラメータ決定手段とを設けることにより、制御ループの消費電力のリアルタイム計測を必要とし、操作量に応じてアクチュエータに通電する電流をＯＮ／ＯＦＦするＳＳＲのような電力調整手段を用いるマルチループ制御系において、適切な消費電力の計測を実現することができる。したがって、本発明では、平滑化処理後の総消費電力計測値を用いることで、適切な制御を実現することができる。

また、本発明では、平滑化処理後の総消費電力計測値に基づいて各制御ループＬｉの操作量ＭＶｉを操作して制御装置の電力使用量を抑制する電力抑制手段を設けることにより、適切な電力総和抑制制御を実現することができる。

また、本発明では、第１の平滑化処理手段と同じ特性パラメータが設定され、各制御ループＬｉの消費電力計測値を個別に平滑化処理する第２の平滑化処理手段と、平滑化処理後の各制御ループＬｉの消費電力計測値に基づいて各制御ループＬｉの操作量ＭＶｉを操作して制御装置の電力使用量を抑制する電力抑制手段とを設けることにより、適切な電力総和抑制制御を実現することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る制御装置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ＰＩＤ制御系のブロック線図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電力計測部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装置の動作を示すフローチャートである。 特性パラメータの調整時の制御装置の動作例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る制御装置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装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る制御装置の動作を示すフローチャートである。 複数の電気ヒータを備える加熱装置の構成を示すブロック図である。 ＳＳＲの動作と消費電力計測値について説明する図である。

［発明の原理］
操作量ＭＶに応じた電力をアクチュエータ（例えば電気ヒータ）に供給する電力調整器としてＳＳＲを利用する複数のＰＩＤ制御ループ系において、実際に使用するＳＳＲと電力計による電力計測系とによって、消費電力計測値の平滑化処理の最適な特性パラメータを求めることを考える。この場合、ＳＳＲでは操作量ＭＶの状況次第で消費電力計測値の上下動幅が変化してしまうので、特性パラメータの調整に注意を要する。

すなわち、複数のＰＩＤ制御ループ系の場合、総消費電力がフル電力の５０％の状態であっても、例えば偶数個のＰＩＤ制御ループの半分が操作量１００％で残り半分が操作量０％であるケースと、全てのＰＩＤ制御ループが操作量５０％であるケースとでは全く異なる。ＰＩＤ制御ループの半分が操作量１００％で残り半分が操作量０％である場合、操作量１００％のＰＩＤ制御ループではアクチュエータへの電流は常時ＯＮであり、逆に操作量０％のＰＩＤ制御ループではアクチュエータへの電流は常時ＯＦＦであるため、実際の電力計で計測される電力計測値は全く上下動しないことになる。

一方、全てのＰＩＤ制御ループが操作量５０％である場合、前述のようにアクチュエータへの電流のＯＮ／ＯＦＦが典型的に発生するので、電力計測値は大きく上下動する。実際には、総消費電力がフル電力の５０％の状態に保つとも限らないケースも含め、上記の２つのケースの中間で任意のケースが考えられる。

したがって、発明者は、消費電力計測値の平滑化処理の最適な特性パラメータを求めること自体に曖昧さが生じないように、電流のＯＮ／ＯＦＦ状態を規定すべきであることに着眼した。そして、理論上最も平滑化処理を必要とする「全てのＰＩＤ制御ループが操作量５０％である状態」を維持しながら、平滑化処理の特性パラメータを調整することに想到した。

［第１の実施の形態］
以下、本発明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装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の制御装置は、ＰＩＤ制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ、ｎは２以上の整数で、図１０の例ではｎ＝４）毎に設けられた制御部１−ｉと、消費電力計測値の平滑化処理の特性パラメータを調整する調整機能部２とから構成される。

制御部１−ｉは、設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉとを入力として操作量ＭＶｉを算出し出力する制御演算部１０−ｉと、制御演算部１０−ｉによらずに、指定されたマニュアル操作量ＭＶｉを出力するマニュアル操作部１１−ｉと、制御演算部１０−ｉを動作させるか、マニュアル操作部１１−ｉを動作させるかを切り換える動作切換部１２−ｉと、制御演算部１０−ｉまたはマニュアル操作部１１−ｉから出力された操作量ＭＶｉに応じて、対応する制御ループＬｉのアクチュエータ（本実施の形態では電気ヒータ）に通電する電流をＯＮ／ＯＦＦするＳＳＲからなる電力調整部１３−ｉとから構成される。

調整機能部２は、平滑化処理の特性パラメータの調整時に、全ての制御ループＬｉで制御演算部１０−ｉを停止させてマニュアル操作部１１−ｉを動作させ、マニュアル操作部１１−ｉから５０％のマニュアル操作量ＭＶｉを出力させ、特性パラメータの調整後の制御動作時に、全ての制御ループＬｉでマニュアル操作部１１−ｉを停止させて制御演算部１０−ｉを動作させる操作量出力維持部２０と、各制御ループＬｉの消費電力計測値の総和である総消費電力計測値を計測する電力計測部２１と、平滑化処理の特性パラメータの調整時に、特性パラメータを予め規定された規則に従って変更する特性パラメータ変更部２２と、総消費電力計測値を平滑化処理する平滑化処理部２３と、特性パラメータの調整時に、平滑化処理後の総消費電力計測値の上下動の幅を評価する上下動幅評価部２４と、特性パラメータの調整時に、上下動幅評価部２４の評価結果に基づき特性パラメータの最適値を決定する特性パラメータ決定部２５とから構成される。

図２は本実施の形態のＰＩＤ制御系のブロック線図である。各ＰＩＤ制御ループＬｉは、それぞれ制御部１−ｉと、制御対象Ｐｉとから構成される。制御部１−ｉは、制御演算部１０−ｉが算出した操作量ＭＶｉまたはマニュアル操作部１１−ｉからの操作量ＭＶｉを制御対象Ｐｉに出力する。図１０の例では、制御対象ＰｉはヒータＨｉが加熱する加熱処理炉１００であるが、操作量ＭＶｉの実際の出力先は電力調整部１３−ｉ（図１０の例では電力調整器１０２−ｉ）であり、操作量ＭＶｉに応じた電力が電力調整部１３−ｉからヒータＨｉに供給される。

図３は電力計測部２１の構成を示すブロック図である。電力計測部２１は、ＰＩＤ制御ループＬｉ毎に設けられ、各ＰＩＤ制御ループＬｉの消費電力を計測する電力計２１０−ｉと、各制御ループＬｉの消費電力計測値を取得する電力値取得部２１１と、各制御ループＬｉの消費電力計測値の総和である総消費電力計測値を算出する総消費電力計測値算出部２１２とから構成される。

以下、本実施の形態の制御装置の動作を図４を参照して説明する。図４は制御装置の動作を示すフローチャートである。
初めに、調整機能部２の特性パラメータ変更部２２は、平滑化処理部２３が行う平滑化処理の特性パラメータを、予め規定された初期値に設定する（図４ステップＳ１）。平滑化処理が１次遅れフィルタ処理であれば、その特性パラメータはフィルタ時定数であり、初期値としては最小値（フィルタ時定数０秒）を設定するのが効率的である。平滑化処理が移動平均処理であれば、その特性パラメータは処理の対象となる電力計測値データの点数であり、初期値としては最小値（データ点数１）を設定するのが効率的である。

次に、調整機能部２の操作量出力維持部２０は、全てのＰＩＤ制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）の制御部１−ｉに対し、マニュアル操作部１１−ｉで制御動作させるように指示し、マニュアル操作部１１−ｉから出力させる操作量ＭＶｉとして５０％のマニュアル操作量ＭＶｉを指定する（図４ステップＳ２）。なお、実用上は厳密にＭＶｉ＝５０．０％である必要はなく、ほぼ５０％であれば問題ない。

各制御部１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）の動作切換部１２−ｉは、操作量出力維持部２０からの指示に応じて、制御演算部１０−ｉを停止させると共にマニュアル操作部１１−ｉを動作させ、マニュアル操作部１１−ｉから操作量ＭＶｉが出力されるように制御動作の切り換えを行う（図４ステップＳ３）。

各制御部１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）のマニュアル操作部１１−ｉは、操作量出力維持部２０から指定されたマニュアル操作量ＭＶｉを電力調整部１３−ｉに出力する（図４ステップＳ４）。
各制御部１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）の電力調整部１３−ｉは、それぞれマニュアル操作量ＭＶｉに応じて、対応する電気ヒータＨｉに通電する電流をＯＮ／ＯＦＦする（図４ステップＳ５）。

電力計測部２１は、各ＰＩＤ制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）の消費電力計測値ＣＴｉを電力計２１０−ｉから取得して、各ＰＩＤ制御ループＬｉの消費電力計測値ＣＴｉの総和である総消費電力計測値を算出する（図４ステップＳ６）。なお、複数台の電力計２１０−ｉを使用せずに、１台の電力計で総消費電力を計測できるのであれば、この１台の電力計から総消費電力計測値を取得してもよい。

次に、調整機能部２の平滑化処理部２３は、総消費電力計測値を平滑化処理する（図４ステップＳ７）。ただし、上記のように平滑化処理の特性パラメータの初期値を最小値にした場合、厳密には平滑化処理を行なってないことに相当する。
調整機能部２の上下動幅評価部２４は、平滑化処理後の総消費電力計測値の上下動の幅Δを算出し（図４ステップＳ８）、上下動幅Δが所定の閾値ＴＨ以下（Δ≦ＴＨ）になっているか否かを判定する（図４ステップＳ９）。

調整機能部２の特性パラメータ決定部２５は、上下動幅Δが閾値ＴＨより大きいと判定された場合（ステップＳ９においてＮＯ）、特性パラメータ変更部２２に対して平滑化処理の特性パラメータを変更するよう指示する。

特性パラメータ決定部２５の指示に応じて、特性パラメータ変更部２２は、平滑化処理部２３が行う平滑化処理の特性パラメータを、予め規定された規則に従って平滑化処理の効果が強くなる方向に変更する（図４ステップＳ１０）。具体的には、平滑化処理が１次遅れフィルタ処理であれば、特性パラメータであるフィルタ時定数を例えば１秒増大させる。また、平滑化処理が移動平均処理であれば、特性パラメータであるデータ点数を例えば１点増大させる。特性パラメータの変更後、ステップＳ４の処理に戻る。

ステップＳ４〜Ｓ１０の処理は上記のとおりである。こうして、上下動幅Δが閾値ＴＨ以下になるまで、ステップＳ４〜Ｓ１０の処理が制御周期Δｔ１毎に繰り返し実行される。

特性パラメータ決定部２５は、上下動幅Δが閾値ＴＨ以下と判定された場合（ステップＳ９においてＹＥＳ）、特性パラメータ変更部２２による特性パラメータの変更を終了させることにより、上下動幅Δが閾値ＴＨ以下と判定された時点での特性パラメータを平滑化処理の最適な特性パラメータとして決定する（図４ステップＳ１１）。

特性パラメータの決定後、操作量出力維持部２０は、全てのＰＩＤ制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）の制御部１−ｉに対し、制御演算部１０−ｉで制御動作させるように指示する（図４ステップＳ１２）。

各制御部１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）の動作切換部１２−ｉは、操作量出力維持部２０からの指示に応じて、マニュアル操作部１１−ｉを停止させると共に制御演算部１０−ｉを動作させ、制御演算部１０−ｉから操作量ＭＶｉが出力されるように制御動作の切り換えを行う（図４ステップＳ１３）。

以上で、平滑化処理の特性パラメータを調整する動作が終了する。図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）、図５（Ｄ）、図５（Ｅ）は特性パラメータの調整時の制御装置の動作例を示す図である。ここでは、ＰＩＤ制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）の数をｎ＝３とし、全てのＰＩＤ制御ループＬｉの電力調整部１３−ｉの動作周期Δｔ２（すなわちＳＳＲの動作周期）を１０秒に設定している。特性パラメータの調整時は、全てのＰＩＤ制御ループＬｉが操作量ＭＶｉ＝５０％に維持される。このため、第１のＰＩＤ制御ループＬ１で使用される電力調整部１３−１においてはＯＮ時間、ＯＦＦ時間共に５秒となり（図５（Ａ））、第２のＰＩＤ制御ループＬ２で使用される電力調整部１３−２においてもＯＮ時間、ＯＦＦ時間共に５秒となり（図５（Ｂ））、第３のＰＩＤ制御ループＬ３で使用される電力調整部１３−３においてもＯＮ時間、ＯＦＦ時間共に５秒となる（図５（Ｃ））。

図５（Ｄ）は、フル通電時の各ＰＩＤ制御ループＬｉの消費電力値を２００Ｗとしたときの総消費電力計測値の変化を示している。なお、制御周期Δｔ１および電力計２１０−ｉの計測周期Δｔ３は、電力調整部１３−ｉの動作周期Δｔ２よりも短い（Δｔ１，Δｔ３＜Δｔ２）。制御周期Δｔ１と計測周期Δｔ３は同じでもよいし、異なっていてもよい。いずれの場合でも、電力計測部２１が総消費電力計測値を取得するのは、制御周期Δｔ１毎である。
電力計測部２１が取得した総消費電力計測値を、特性パラメータが調整された平滑化処理部２３によって平滑化すると、図５（Ｅ）のような結果が得られる。

特性パラメータの調整後の制御動作では、各制御部１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）の制御演算部１０−ｉは、例えばオペレータによって設定される設定値ＳＰｉ（温度設定値）と計測器（図１０の例では温度センサＳｉ）によって計測される制御量ＰＶｉ（温度計測値）とを入力として、制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉと一致するように周知のフィードバック制御演算（本実施の形態ではＰＩＤ）により、操作量ＭＶｉを算出して電力調整部１３−ｉに出力する。制御演算部１０−ｉは、このような制御動作を制御周期Δｔ１毎に繰り返し実行する。

以上のようにして、本実施の形態では、理論上最も平滑化処理を必要とする「全てのＰＩＤ制御ループが操作量５０％である状態」を維持しながら、平滑化処理の特性パラメータを調整することにより、特性パラメータを最適値に設定することができる。その結果、本実施の形態では、特許文献１に開示された電力総和抑制制御に適合する総消費電力の計測を実現することができる。

［第２の実施の形態］
図６は、図１に示した第１の実施の形態の構成を特許文献１に開示された電力総和抑制制御に適用した場合の制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の制御装置は、ＰＩＤ制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）毎に設けられた制御部１−ｉと、調整機能部２と、図示しない上位ＰＣから割当総電力ＰＷの情報を受信する割当総電力入力部３０と、各ＰＩＤ制御ループＬｉの最大出力時消費電力値ＣＴｍｉを取得する最大出力時電力値取得部３１と、各ＰＩＤ制御ループＬｉに割り当てる電力使用割当量ＣＴｑｉを割当総電力ＰＷと各ＰＩＤ制御ループＬｉの消費電力値計測値ＣＴｉと総消費電力計測値ＱＷとから算出する電力使用割当量算出部３２と、各ＰＩＤ制御ループＬｉの最大出力時消費電力値ＣＴｍｉと電力使用割当量ＣＴｑｉとから各ＰＩＤ制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを算出する出力上限値算出部３３とを備えている。

本実施の形態の制御部１−ｉは、第１の実施の形態で説明した構成に加えて、制御演算部１０−ｉと電力調整部１３−ｉとの間に、制御演算部１０−ｉから出力される操作量ＭＶｉを操作量出力上限値ＯＨｉ以下に制限する出力上限処理部１４−ｉを備えている。割当総電力入力部３０と最大出力時電力値取得部３１と電力使用割当量算出部３２と出力上限値算出部３３と制御部１−ｉの出力上限処理部１４−ｉとは、電力抑制手段を構成している。
調整機能部２の構成は第１の実施の形態で説明したとおりである。

以下、本実施の形態の制御装置の動作を説明する。図７は制御装置の動作を示すフローチャートである。ここでは、第１の実施の形態の動作によって調整機能部２の平滑化処理部２３の特性パラメータが調整された後の制御動作について説明する。
割当総電力入力部３０は、電力を管理する電力デマンド管理システムのコンピュータである上位ＰＣから、電気ヒータＨｉの総電力使用量を規定する割当総電力ＰＷの情報を受信する（図７ステップＳ１００）。

調整機能部２の電力計測部２１の電力値取得部２１１は、各ＰＩＤ制御ループＬｉの消費電力値計測値ＣＴｉを取得する（図７ステップＳ１０１）。
最大出力時電力値取得部３１は、各ＰＩＤ制御ループＬｉの最大出力時消費電力値ＣＴｍｉを取得する（図７ステップＳ１０２）。ここで、最大出力時とは、操作量ＭＶｉが最大値１００％のときのことを言う。特許文献１に記載されているとおり、最大出力時電力値取得部３１は、記憶している最大出力時消費電力値ＣＴｍｉを取り出してもよいし、推定してもよい。

調整機能部２の電力計測部２１の総消費電力計測値算出部２１２は、各ＰＩＤ制御ループＬｉの消費電力値計測値ＣＴｉの総和である総消費電力計測値を算出する（図７ステップＳ１０３）。
そして、調整機能部２の平滑化処理部２３は、総消費電力計測値を平滑化処理する（図７ステップＳ１０４）。

電力使用割当量算出部３２は、各ＰＩＤ制御ループＬｉに割り当てる電力使用割当量ＣＴｑｉを、割当総電力ＰＷと各ＰＩＤ制御ループＬｉの消費電力値計測値ＣＴｉと平滑化処理後の総消費電力計測値ＱＷとから次式によりＰＩＤ制御ループＬｉ毎に算出する（図７ステップＳ１０５）。
ＣＴｑｉ＝ＰＷ（ＣＴｉ／ＱＷ） ・・・（１）

出力上限値算出部３３は、各ＰＩＤ制御ループＬｉの最大出力時消費電力値ＣＴｍｉと電力使用割当量ＣＴｑｉとから各ＰＩＤ制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを次式により算出する（図７ステップＳ１０６）。式（３）は、式（２）で算出した操作量出力上限値ＯＨｉが１００％より大きい場合は、ＯＨｉ＝１００％とすることを意味している。
ＯＨｉ＝（ＣＴｑｉ／ＣＴｍｉ）１００．０［％］ ・・・（２）
ＩＦ ＯＨｉ＞１００．０［％］ ＴＨＥＮ ＯＨｉ＝１００．０［％］
・・・（３）

制御演算部１０−ｉは、上記のとおり設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉに基づいて操作量ＭＶｉを算出する（図７ステップＳ１０７）。
出力上限処理部１４−ｉは、以下の式のような操作量ＭＶｉの上限処理を行う（図７ステップＳ１０８）。
ＩＦ ＭＶｉ＞ＯＨｉ ＴＨＥＮ ＭＶｉ＝ＯＨｉ ・・・（４）
すなわち、出力上限処理部１４−ｉは、操作量ＭＶｉが操作量出力上限値ＯＨｉより大きい場合、操作量ＭＶｉ＝ＯＨｉとする上限処理を行う。

電力調整部１３−ｉは、出力上限処理部１４−ｉから出力された上限処理後の操作量ＭＶｉに応じて、対応する電気ヒータＨｉに通電する電流をＯＮ／ＯＦＦする（図７ステップＳ１０９）。制御部１−ｉはＰＩＤ制御ループＬｉ毎に設けられているので、ステップＳ１０７〜Ｓ１０９の処理はＰＩＤ制御ループＬｉ毎に実施されることになる。

制御装置は、以上のようなステップＳ１０１〜Ｓ１０９の処理を例えばオペレータの指示によって制御が終了するまで（図７ステップＳ１１０においてＹＥＳ）、制御周期Δｔ１毎に行う。
こうして、本実施の形態では、特許文献１で述べられているとおり、定常状態において電力使用量が割当総電力ＰＷを超えないように、かつ外乱抑制特性が可能な限り損なわれないように、制御を行うことができる。

なお、第１の実施の形態では、総消費電力計測値についてのみ平滑化処理を実施しているが、本実施の形態の場合、電力使用割当量ＣＴｑｉの算出に各ＰＩＤ制御ループＬｉの消費電力値計測値ＣＴｉを用いるので、消費電力値計測値ＣＴｉについても平滑化処理することが好ましい。この場合には、後述する第２の実施の形態のように、平滑化処理部２３とは別に、ＰＩＤ制御ループＬｉ毎に平滑化処理部を設け、電力値取得部２１１が取得した各ＰＩＤ制御ループＬｉの消費電力値計測値ＣＴｉをそれぞれ対応する平滑化処理部で個別に平滑化処理して、平滑化処理後の消費電力値計測値ＣＴｉを電力使用割当量算出部３２に入力すればよい。このとき、ＰＩＤ制御ループＬｉ毎の平滑化処理部には、平滑化処理部２３と同じ特性パラメータを特性パラメータ変更部２２が設定すればよい。

［第３の実施の形態］
図８は、図１に示した第１の実施の形態の構成を特許文献１に開示された別の電力総和抑制制御に適用した場合の制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の制御装置は、ＰＩＤ制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）毎に設けられた制御部１−ｉと、調整機能部２と、割当総電力入力部３０と、最大出力時電力値取得部３１と、最大出力時消費電力値ＣＴｍｉと消費電力値計測値ＣＴｉとから各ＰＩＤ制御ループＬｉの電力余裕ＣＴｒｉを算出する電力余裕算出部３４と、各ＰＩＤ制御ループＬｉの最大出力時消費電力値ＣＴｍｉの総和である最大総電力ＢＸを算出する最大総電力算出部３５と、各ＰＩＤ制御ループＬｉの電力余裕ＣＴｒｉの総和である電力余裕総量ＲＷを算出する電力余裕総量算出部３６と、削減すべき総電力量である電力削減総量ＳＷを最大総電力ＢＸと割当総電力ＰＷとから算出する電力削減総量算出部３７と、各ＰＩＤ制御ループＬｉで削減すべき電力量である電力削減割当量ＣＴｓｉを算出する電力削減割当量算出部３８と、電力削減割当量ＣＴｓｉと最大出力時消費電力値ＣＴｍｉとから各ＰＩＤ制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを算出する出力上限値算出部３９とから構成される。

本実施の形態の調整機能部２は、第１の実施の形態で説明した構成に加えて、ＰＩＤ制御ループＬｉ毎に設けられた平滑化処理部２６−ｉを備えている。平滑化処理部２６−ｉには、平滑化処理部２３と同じ特性パラメータを特性パラメータ変更部２２が設定すればよい。

制御部１−ｉの構成は第２の実施の形態で説明したとおりである。割当総電力入力部３０と最大出力時電力値取得部３１と電力余裕算出部３４と最大総電力算出部３５と電力余裕総量算出部３６と電力削減総量算出部３７と電力削減割当量算出部３８と出力上限値算出部３９と制御部１−ｉの出力上限処理部１４−ｉとは、電力抑制手段を構成している。

以下、本実施の形態の制御装置の動作を説明する。図９は制御装置の動作を示すフローチャートである。ここでは、第１の実施の形態の動作によって平滑化処理部２３，２６−ｉの特性パラメータが調整された後の制御動作について説明する。
図９のステップＳ２００，Ｓ２０１，Ｓ２０２は、それぞれ図７のステップＳ１００，Ｓ１０１，Ｓ１０２と同じなので、説明は省略する。

調整機能部２の平滑化処理部２６−ｉは、それぞれ対応するＰＩＤ制御ループＬｉの消費電力値計測値ＣＴｉを平滑化処理する（図９ステップＳ２０３）。
電力余裕算出部３４は、平滑化処理後の消費電力値計測値ＣＴｉに基づいて、各ＰＩＤ制御ループＬｉの電力余裕ＣＴｒｉを次式によりＰＩＤ制御ループＬｉ毎に算出する（図９ステップＳ２０４）。
ＣＴｒｉ＝ＣＴｍｉ−ＣＴｉ ・・・（５）

最大総電力算出部３５は、各ＰＩＤ制御ループＬｉの最大出力時消費電力値ＣＴｍｉの総和である最大総電力ＢＸを算出する（図９ステップＳ２０５）。
電力余裕総量算出部３６は、各ＰＩＤ制御ループＬｉの電力余裕ＣＴｒｉの総和である電力余裕総量ＲＷを算出する（図９ステップＳ２０６）。
電力削減総量算出部３７は、削減すべき総電力量である電力削減総量ＳＷを、最大総電力ＢＸと割当総電力ＰＷとから次式により算出する（図９ステップＳ２０７）。
ＳＷ＝ＢＸ−ＰＷ ・・・（６）

電力削減割当量算出部３８は、各ＰＩＤ制御ループＬｉで削減すべき電力量である電力削減割当量ＣＴｓｉを次式によりＰＩＤ制御ループＬｉ毎に算出する（図９ステップＳ２０８）。
ＣＴｓｉ＝ＳＷ（ＣＴｒｉ／ＲＷ） ・・・（７）

出力上限値算出部３９は、電力削減割当量ＣＴｓｉと最大出力時消費電力値ＣＴｍｉとから各ＰＩＤ制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを次式によりＰＩＤ制御ループＬｉ毎に算出する（図９ステップＳ２０９）。
ＯＨｉ＝｛１．０−（ＣＴｓｉ／ＣＴｍｉ）｝１００．０［％］ ・・・（８）
なお、ＢＸ＜ＰＷになる場合、すなわちＳＷ＜０になる場合は、ＯＨｉが１００％を超えるが、その場合はＯＨｉを１００％で上限カットすればよい。

図９のステップＳ２１０，Ｓ２１１，Ｓ２１２は、それぞれ図７のステップＳ１０７，Ｓ１０８，Ｓ１０９と同じなので、説明は省略する。
制御装置は、以上のようなステップＳ２０１〜Ｓ２１２の処理を例えばオペレータの指示によって制御が終了するまで（図９ステップＳ２１３においてＹＥＳ）、制御周期Δｔ１毎に行う。
こうして、本実施の形態においても、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

第１〜第３の実施の形態で説明した制御装置は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、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３の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、複数の制御ループを備えたマルチループ制御系の制御装置および制御方法に適用することができる。

１−ｉ…制御部、２…調整機能部、１０−ｉ…制御演算部、１１−ｉ…マニュアル操作部、１２−ｉ…動作切換部、１３−ｉ…電力調整部、１４−ｉ…出力上限処理部、２０…操作量出力維持部、２１…電力計測部、２２…特性パラメータ変更部、２３，２６−ｉ…平滑化処理部、２４…上下動幅評価部、２５…特性パラメータ決定部、３０…割当総電力入力部、３１…最大出力時電力値取得部、３２…電力使用割当量算出部、３３…出力上限値算出部、３４…電力余裕算出部、３５…最大総電力算出部、３６…電力余裕総量算出部、３７…電力削減総量算出部、３８…電力削減割当量算出部、３９…出力上限値算出部、２１０−ｉ…電力計、２１１…電力値取得部、２１２…総消費電力計測値算出部。

Claims (14)

1. 制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）毎に設けられ、設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉとを入力として操作量ＭＶｉを算出し出力する制御演算手段と、
   制御ループＬｉ毎に設けられ、外部から指定されたマニュアル操作量ＭＶｉを出力するマニュアル操作手段と、
   制御ループＬｉ毎に設けられ、前記制御演算手段を動作させるか、前記マニュアル操作手段を動作させるかを切り換える動作切換手段と、
   制御ループＬｉ毎に設けられ、動作中の制御演算手段または動作中のマニュアル操作手段から出力された操作量ＭＶｉに応じて、対応する制御ループＬｉのアクチュエータに通電する電流をＯＮ／ＯＦＦする電力調整手段と、
   各制御ループＬｉの消費電力計測値の総和である総消費電力計測値を計測する電力計測手段と、
   前記総消費電力計測値を平滑化処理する第１の平滑化処理手段と、
   前記平滑化処理の特性パラメータの調整時に、全ての制御ループＬｉで前記制御演算手段を停止させて前記マニュアル操作手段を動作させ、前記マニュアル操作手段から５０％のマニュアル操作量ＭＶｉを出力させ、前記特性パラメータの調整後の制御動作時に、全ての制御ループＬｉで前記マニュアル操作手段を停止させて前記制御演算手段を動作させる操作量出力維持手段と、
   前記特性パラメータの調整時に、前記特性パラメータを予め規定された規則に従って変更する特性パラメータ変更手段と、
   前記特性パラメータの調整時に、平滑化処理後の総消費電力計測値の上下動の幅を評価する上下動幅評価手段と、
   前記特性パラメータの調整時に、前記上下動幅評価手段の評価結果に基づき前記特性パラメータの最適値を決定する特性パラメータ決定手段とを備えることを特徴とする制御装置。
2. 請求項１記載の制御装置において、
   さらに、前記特性パラメータの調整後の制御動作時に、前記平滑化処理後の総消費電力計測値に基づいて各制御ループＬｉの操作量ＭＶｉを操作して制御装置の電力使用量を抑制する電力抑制手段を備えることを特徴とする制御装置。
3. 請求項１記載の制御装置において、
   さらに、制御ループＬｉ毎に設けられ、前記第１の平滑化処理手段と同じ特性パラメータが設定され、各制御ループＬｉの消費電力計測値を個別に平滑化処理する第２の平滑化処理手段と、
   前記特性パラメータの調整後の制御動作時に、前記平滑化処理後の各制御ループＬｉの消費電力計測値に基づいて各制御ループＬｉの操作量ＭＶｉを操作して制御装置の電力使用量を抑制する電力抑制手段とを備えることを特徴とする制御装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御装置において、
   前記平滑化処理は１次遅れフィルタ処理であり、前記特性パラメータはフィルタ時定数であることを特徴とする制御装置。
5. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御装置において、
   前記平滑化処理は移動平均処理であり、前記特性パラメータは処理の対象となる計測値データの点数であることを特徴とする制御装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の制御装置において、
   前記特性パラメータの初期値は最小値として設定され、前記規則は、前記平滑化処理の効果が強くなる方向に前記特性パラメータを規定量だけ増加させるものであることを特徴とする制御装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の制御装置において、
   前記上下動幅評価手段は、前記平滑化処理後の総消費電力計測値の上下動幅Δが所定の閾値ＴＨ以下かどうかを判定し、
   前記特性パラメータ決定手段は、前記上下動幅Δが前記閾値ＴＨ以下と判定された時点での特性パラメータを最適値として決定することを特徴とする制御装置。
8. 複数の制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）の総消費電力計測値の平滑化処理の特性パラメータを調整するときに、５０％のマニュアル操作量ＭＶｉを制御ループＬｉ毎に出力するマニュアル操作ステップと、
   前記特性パラメータの調整時に、前記マニュアル操作量ＭＶｉに応じて、各制御ループＬｉのアクチュエータに通電する電流を制御ループＬｉ毎にＯＮ／ＯＦＦする第１の電力調整ステップと、
   前記特性パラメータの調整時に、各制御ループＬｉの消費電力計測値の総和である総消費電力計測値を計測する第１の電力計測ステップと、
   前記特性パラメータの調整時に、前記総消費電力計測値を平滑化処理する第１の平滑化処理ステップと、
   前記特性パラメータの調整時に、前記特性パラメータを予め規定された規則に従って変更する特性パラメータ変更ステップと、
   前記特性パラメータの調整時に、平滑化処理後の総消費電力計測値の上下動の幅を評価する上下動幅評価ステップと、
   前記特性パラメータの調整時に、前記上下動幅評価ステップの評価結果に基づき前記特性パラメータの最適値を決定する特性パラメータ決定ステップと、
   前記特性パラメータの調整後の制御動作時に、設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉとを入力として操作量ＭＶｉを制御ループＬｉ毎に算出し出力する制御演算ステップと、
   前記特性パラメータの調整後の制御動作時に、前記制御演算ステップで出力された操作量ＭＶｉに応じて、各制御ループＬｉのアクチュエータに通電する電流を制御ループＬｉ毎にＯＮ／ＯＦＦする第２の電力調整ステップとを含むことを特徴とする制御方法。
9. 請求項８記載の制御方法において、
   さらに、前記特性パラメータの調整後の制御動作時に、各制御ループＬｉの総消費電力計測値を計測する第２の電力計測ステップと、
   前記特性パラメータの調整後の制御動作時に、前記総消費電力計測値を平滑化処理する第２の平滑化処理ステップと、
   前記特性パラメータの調整後の制御動作時に、前記平滑化処理後の総消費電力計測値に基づいて各制御ループＬｉの操作量ＭＶｉを操作して電力使用量を抑制する電力抑制ステップとを含むことを特徴とする制御方法。
10. 請求項８記載の制御方法において、
    さらに、前記特性パラメータの調整後の制御動作時に、調整された特性パラメータを用いて、各制御ループＬｉの消費電力計測値を個別に平滑化処理する第２の平滑化処理ステップと、
    前記特性パラメータの調整後の制御動作時に、前記平滑化処理後の各制御ループＬｉの消費電力計測値に基づいて各制御ループＬｉの操作量ＭＶｉを操作して電力使用量を抑制する電力抑制ステップとを含むことを特徴とする制御方法。
11. 請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の制御方法において、
    前記平滑化処理は１次遅れフィルタ処理であり、前記特性パラメータはフィルタ時定数であることを特徴とする制御方法。
12. 請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の制御方法において、
    前記平滑化処理は移動平均処理であり、前記特性パラメータは処理の対象となる計測値データの点数であることを特徴とする制御方法。
13. 請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の制御方法において、
    前記特性パラメータの初期値は最小値として設定され、前記規則は、前記特性パラメータを平滑化処理の効果が強くなる方向に規定量だけ増加させるものであることを特徴とする制御方法。
14. 請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の制御方法において、
    前記上下動幅評価ステップは、前記平滑化処理後の総消費電力計測値の上下動幅Δが所定の閾値ＴＨ以下かどうかを判定し、
    前記特性パラメータ決定ステップは、前記上下動幅Δが前記閾値ＴＨ以下と判定された時点での特性パラメータを最適値として決定することを特徴とする制御方法。

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