JP2023053573A - Plant response estimation device, plant response estimation method and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラント応答推定装置、プラント応答推定方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to a plant response estimation device, a plant response estimation method, and a program.
温調制御装置やPLC(Programmable Logic Controller)、DCS(Distributed Control System)等の制御装置、パーソナルコンピュータや組み込み制御機器上で実装される制御装置等が産業上広く利用されている。 Control devices such as temperature control devices, PLCs (Programmable Logic Controllers), DCSs (Distributed Control Systems), and control devices mounted on personal computers and built-in control devices are widely used in industry.
また、制御対象の制御量を目標値に追従させることを目的とする制御方式として、PID(Proportional-Integral-Differential)制御、モデル予測制御、内部モデル制御、LQG(Linear-Quadratic-Gaussian)制御、H2制御、H∞制御等の各種の制御方式が知られている。 In addition, PID (Proportional-Integral-Differential) control, model predictive control, internal model control, LQG (Linear-Quadratic-Gaussian) control, Various control methods such as H2 control and H∞ control are known.
モデル予測制御は、制御対象の状態空間モデルや将来の時間応答モデルを用いた最適化計算を逐次的に行うことで望ましい応答を得る方式であり、産業界で広く用いられている(例えば、特許文献1、非特許文献1)。このようなモデル予測制御等で用いられる線形予測モデルに関してそのパラメータを推定する手法として、逐次最小2乗法(RLS法:Recursive Least Squares法)やカルマンフィルタ法等が知られている(例えば、非特許文献2、非特許文献3)。
Model predictive control is a method of obtaining a desired response by sequentially performing optimization calculations using a state space model of the controlled object and a future time response model.
ここで、モデル予測制御等によりプラントを制御する際には、そのプラントの応答モデルのパラメータを推定するためにモデル同定試験を事前に行うことが一般的である。このようなモデル同定試験では、操作量としてステップ信号やランプ信号、M系列信号等といった或る形状の信号をプラント応答モデルに印加し、そのときの応答と目標値からパラメータの推定(同定)が行われる。 Here, when controlling a plant by model predictive control or the like, it is common to perform a model identification test in advance in order to estimate the parameters of the response model of the plant. In such a model identification test, a signal of a certain shape such as a step signal, a ramp signal, an M-sequence signal, etc. is applied to the plant response model as a manipulated variable, and parameter estimation (identification) is performed from the response and the target value at that time. done.
モデル同定試験には非常に多くの手間と時間が掛かり、運用上のコストや負担が大きいという課題がある。このため、通常のプラント操業中の運転データを用いて、プラント応答モデルのパラメータを推定できることが望まれる。しかしながら、一般に、操業中のプラントは管理された狭い範囲内で運転されることが多いため、その運転データの取り得る値も狭い範囲内となることが多い。また、操業中のプラントでは制御量や操作量が一定の定常状態となることが多いため、いわゆるPE(Persistently Exciting)性を満たさずモデル同定用の信号として不適切なことが多い。 The model identification test requires a great deal of time and effort, and there is a problem that the operational cost and burden are large. Therefore, it is desirable to be able to estimate the parameters of the plant response model using operational data during normal plant operation. However, in general, since plants in operation are often operated within a narrow controlled range, the possible values of the operating data are also often within a narrow range. In addition, since the plant in operation is often in a steady state where the controlled variable and the manipulated variable are constant, the so-called PE (Persistently Exciting) property is not satisfied and is often inappropriate as a signal for model identification.
本発明の一実施形態は、上記の点に鑑みてなされたもので、操業中のプラントの運転データから応答モデルを推定することを目的とする。 One embodiment of the present invention has been made in view of the above points, and aims at estimating a response model from operational data of a plant in operation.
上記目的を達成するため、一実施形態に係るプラント応答推定装置は、制御対象プラントの運転データに基づいて、前記制御対象プラントのプラント応答モデルを表す関数であって、かつ、前記制御対象プラントの定常状態を表すオフセット項が含まれるモデルパラメータを持つ関数であるプラント応答関数の前記モデルパラメータの推定値を計算するモデルパラメータ推定部と、前記モデルパラメータの推定値に基づいて、前記プラント応答関数により前記制御対象プラントのステップ応答を計算するステップ応答計算部と、を有する。 In order to achieve the above object, a plant response estimation device according to one embodiment provides a function representing a plant response model of the controlled plant based on operation data of the controlled plant, and a model parameter estimator that calculates estimated values of the model parameters of a plant response function that is a function having model parameters that include an offset term that represents a steady state; and a step response calculator for calculating a step response of the plant to be controlled.
操業中のプラントの運転データから応答モデルを推定することができる。 A response model can be deduced from operational data of the plant in operation.
以下、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態では、操業中のプラントの運転データから応答モデルを推定することができるプラント応答推定装置10について説明する。なお、操業中とはプラントが正常に稼働し、通常の運転を行っている状態のことであり、例えば、オンライン中、運転中、運用中等と呼ばれてもよい。また、プラントとは1以上の機械、機器、装置等で構成される産業設備のことであり、プラント応答モデルを用いたモデル予測制御によって制御される制御対象である。プラントの具体例としては、例えば、石油化学プラント、食品プラント、鉄鋼プラント、発電プラント等といったものが挙げられるが、これらは一例であって、これらに限られるものではない。
An embodiment of the present invention will be described below. In this embodiment, a plant
<プラント応答推定装置10のハードウェア構成>
本実施形態に係るプラント応答推定装置10のハードウェア構成例を図1に示す。図1に示すように、本実施形態に係るプラント応答推定装置10は、入力装置11と、表示装置12と、外部I/F13と、通信I/F14と、プロセッサ15と、メモリ装置16とを有する。これらの各ハードウェアは、それぞれがバス17を介して通信可能に接続される。
<Hardware Configuration of Plant Response Estimating
FIG. 1 shows a hardware configuration example of a plant
入力装置11は、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル、各種物理ボタン等である。表示装置12は、例えば、ディスプレイ、表示パネル等である。なお、プラント応答推定装置10は、例えば、入力装置11及び表示装置12のうちの少なくとも一方を有していなくてもよい。
The
外部I/F13は、記録媒体13a等の外部装置とのインタフェースである。記録媒体13aとしては、例えば、CD(Compact Disc)、DVD(Digital Versatile Disk)、SDメモリカード(Secure Digital memory card)、USB(Universal Serial Bus)メモリカード等が挙げられる。
The external I/
通信I/F14は、プラント応答推定装置10を通信ネットワークに接続するためのインタフェースである。プロセッサ15は、例えば、CPU(Central Processing Unit)等の各種演算装置である。メモリ装置16は、例えば、SSD(Solid State Drive)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ等の各種記憶装置である。
Communication I/
なお、図1に示すハードウェア構成は一例であって、プラント応答推定装置10は、他のハードウェア構成であってもよい。例えば、プラント応答推定装置10は、複数のプロセッサ15や複数のメモリ装置16を有していてもよいし、図示したハードウェア以外の種々のハードウェアを有していてもよい。
Note that the hardware configuration shown in FIG. 1 is an example, and the plant
<プラント応答推定装置10の機能構成>
本実施形態に係るプラント応答推定装置10の機能構成例を図2に示す。図2に示すように、本実施形態に係るプラント応答推定装置10は、モデルパラメータ推定部101と、ステップ応答計算部102とを有する。これら各部は、例えば、プラント応答推定装置10にインストールされた1以上のプログラムが、プロセッサ15等に実行させる処理により実現される。
<Functional Configuration of Plant
FIG. 2 shows a functional configuration example of the plant
モデルパラメータ推定部101は、サンプリング周期Δ毎に、制御対象のプラント(又はその運転状態を計測するセンサ等の機器)から運転データの観測値(制御量y、操作量u及び外乱v)を受信し、そのサンプリング周期Δに応じて、プラント応答モデルのモデルパラメータを推定する。なお、運転データは、例えば、計測データや観測データ等と呼ばれてもよい。
The model parameter estimating
ここで、時刻をtとすれば制御量y、操作量u及び外乱vはそれぞれy(t)、u(t)及びv(t)と表され、各サンプリング時刻tk(kはサンプリング時刻を表すインデックス)に関してtk+1-tk=Δが成り立つ。なお、kは0以上の整数である。以下では、特に断らない限り、各サンプリング時刻tkをそのインデックスkと同一視し、y(k)、u(k)及びv(k)とも表すことにする。 Here, if time is t, the controlled variable y, the manipulated variable u, and the disturbance v are represented by y(t), u(t), and v(t), respectively, and each sampling time t k (k is the sampling time t k+1 −t k =Δ with respect to Note that k is an integer of 0 or more. In the following, unless otherwise specified, each sampling time t k is identified with its index k and also denoted as y(k), u(k) and v(k).
また、以下では、プラント応答モデルは、パラメータθを持つプラント応答関数Sθ(t)で表されるものとして、パラメータθをモデルパラメータということにする。プラント応答モデルとしては様々なプラント応答関数Sθで表現されるモデルを採用することが可能であるが、以下では、主に、ARMAXモデルといった多項式モデルを想定する。プラント応答モデルがARMAXモデルである場合、モデルパラメータθはARMAXモデルの係数となる。なお、プラント応答モデルとしてARMAXモデル以外の様々なモデルが採用可能であることは言うまでもない。 Also, hereinafter, the plant response model is represented by a plant response function S θ (t) having a parameter θ, and the parameter θ is called a model parameter. As the plant response model, it is possible to employ various models represented by the plant response function Sθ , but below, a polynomial model such as the ARMAX model is mainly assumed. If the plant response model is an ARMAX model, the model parameter θ is the coefficient of the ARMAX model. Needless to say, various models other than the ARMAX model can be adopted as the plant response model.
更に、以下では、ARMAXモデルで表されたプラント応答モデルに対して、制御対象プラントの定常状態を表すオフセット項(定数項)を追加したモデルを拡大プラント応答モデルと呼ぶことにする。 Furthermore, hereinafter, a model obtained by adding an offset term (constant term) representing the steady state of the plant to be controlled to the plant response model represented by the ARMAX model will be referred to as an extended plant response model.
ステップ応答計算部102は、モデルパラメータ推定部101によって推定されたモデルパラメータ(以下、モデルパラメータ推定値ともいう。)θを用いて、与えられた時刻tにおけるプラントのステップ応答の推定値(以下、ステップ応答推定値ともいう。)Sθ(t)を計算する。なお、ステップ応答とは、操作量としてステップ信号がプラントに印加されたときの制御量のことである。
The
ここで、モデルパラメータ推定部101には、バッファ部111と、状態ベクトル変換部112と、逐次推定計算部113と、パラメータ変換部114とが含まれる。
Here, the model
バッファ部111は、或る所定の期間における制御量y(k)、操作量u(k)及び外乱v(k)をメモリ装置16に蓄積(バッファ)する。状態ベクトル変換部112は、メモリ装置16にバッファされている制御量y(k)、操作量u(k)及び外乱v(k)の再サンプリングを行って、拡大状態ベクトルと呼ぶベクトルを作成する。逐次推定計算部113は、拡大状態ベクトルを用いて、RLS法により、拡大プラント応答モデルのモデルパラメータである拡大モデルパラメータを推定する。パラメータ変換部114は、拡大モデルパラメータの推定値をモデルパラメータ推定値θに変換する。
The
<バッファ部111の動作>
サンプリング時刻tkにおける制御量バッファをY(k)、操作量バッファをU(k)、外乱バッファをV(k)として、これらの各バッファは以下のベクトルで表されるものとする。
<Operation of
Let Y(k) be the control amount buffer, U(k) be the manipulated variable buffer, and V(k) be the disturbance buffer at the sampling time tk , and each of these buffers is represented by the following vectors.
このとき、バッファ部111は、制御量y(k)、操作量u(k)及び外乱v(k)を受信すると、図3に示すように、制御量y(k)と制御量バッファY(k-1)から制御量バッファY(k)、操作量u(k)と操作量バッファU(k-1)から操作量バッファU(k)、外乱v(k)と外乱バッファV(k-1)から外乱バッファV(k)にそれぞれ更新する。
At this time, when the
具体的には、バッファ部111は、制御量バッファY(k-1)に格納されているy(k-B1-1)を削除した上で、新たに観測された制御量y(k)を格納することで、y(k-B1)からy(k)までの制御量が格納された制御量バッファY(k)に更新する。同様に、バッファ部111は、操作量バッファU(k-1)に格納されている操作量u(k-B2-1)を削除した上で、新たに観測された操作量u(k)を格納することで、u(k-B2)からu(k)までの操作量が格納された操作量バッファU(k)に更新する。同様に、バッファ部111は、外乱バッファV(k-1)に格納されている外乱v(k-B3-1)を削除した上で、新たに観測された外乱v(k)を格納することで、v(k-B3)からv(k)までの外乱が格納された外乱バッファV(k)に更新する。
Specifically, the
<状態ベクトル変換部112の動作>
再サンプリング周期をDとする。このとき、状態ベクトル変換部112は、制御量バッファY(k)、操作量バッファU(k)及び外乱バッファV(k)が更新されると、これらの各バッファY(k)、U(k)及びV(k)から再サンプリング周期Dで再サンプリングを行って、以下の再サンプリング制御量ベクトルYD(k)、再サンプリング操作量ベクトルUD(k)及び再サンプリング外乱ベクトルVD(k)をそれぞれ作成する。
<Operation of State
Let D be the resampling period. At this time, when the control amount buffer Y(k), the manipulated variable buffer U(k), and the disturbance buffer V(k) are updated, the state
なお、一般に、N、M及びLの値は大きい方が多様な表現が可能で、プラント応答の高精度な予測が期待できるが、モデルパラメータθの推定のために多くの計算資源やメモリ量が必要となる。 In general, the larger the values of N, M, and L, the more diverse expressions are possible, and highly accurate prediction of plant response can be expected. necessary.
そして、状態ベクトル変換部112は、再サンプリング制御量ベクトルYD(k)、再サンプリング操作量ベクトルUD(k)及び再サンプリング外乱ベクトルVD(k)から以下により拡大状態ベクトルξ(k)を作成する。
Then, the state
<逐次推定計算部113の動作>
以下では、拡大モデルパラメータをθeと表す。逐次推定計算部113は、拡大状態ベクトルξ(k)が作成されると、この拡大状態ベクトルξ(k)を用いて、拡大モデルパラメータθeの値を推定する。すなわち、逐次推定計算部113は、サンプリング時刻tk毎に、逐次的に拡大モデルパラメータθeの値を推定する。
<Operation of Sequential
Below, the enlarged model parameter is represented as θ e . When the expanded state vector ξ(k) is created, the sequential
或るkに関して拡大モデルパラメータθeの値を推定する処理について、図4を参照しながら説明する。なお、以下では、サンプリング時刻tkにおける拡大モデルパラメータθeの推定値をθe(k)と表す。 The process of estimating the value of the augmented model parameter θ e for some k will now be described with reference to FIG. In addition, below, the estimated value of the enlarged model parameter θ e at the sampling time t k is expressed as θ e (k).
ステップS101:まず、逐次推定計算部113は、拡大モデルパラメータθeと共分散行列Pとを初期化するか否かを判定する。ここで、初期化すると判定される場合としては、例えば、初回計算時(つまり、k=0のとき)、ユーザ等により初期化指示が行われたとき等が挙げられる。
Step S101: First, the iterative
拡大モデルパラメータθeと共分散行列Pとを初期化すると判定した場合(ステップS101でYES)、逐次推定計算部113は、ステップS102に進む。一方で、拡大モデルパラメータθeと共分散行列Pとを初期化すると判定しなかった場合(ステップS101でNO)、逐次推定計算部113は、ステップS103に進む。
When determining to initialize the expanded model parameter θ e and the covariance matrix P (YES in step S101), the sequential
ステップS102:逐次推定計算部113は、サンプリング時刻tkのインデックスkをk=0に初期化すると共に、θe(0)=θ0及びP(0)=Iと初期化する。ここで、θ0は予め設定された拡大モデルパラメータの初期値、Iは予め設定された任意の行列(例えば、単位行列等)である。
Step S102: The sequential
ステップS103:逐次推定計算部113は、拡大モデルパラメータ推定値θe(k-1)と拡大状態ベクトルξ(k)と制御量y(k)とを用いて、予測誤差ε(k)を計算する。予測誤差ε(k)は、例えば、ε(k)=y(k)-ξ(k)Τθe(k-1)により計算される。なお、Τは転置を表す。
Step S103: The iterative
ステップS104:逐次推定計算部113は、共分散行列P(k-1)を以下により更新して共分散行列P(k)を得る。
Step S104: The iterative
ステップS105:そして、逐次推定計算部113は、拡大モデルパラメータ推定値θe(k-1)を以下により更新して拡大モデルパラメータ推定値θe(k)を得る。
Step S105: Then, the iterative
<パラメータ変換部114の動作>
拡大モデルパラメータ推定値θe(k)を以下で表す。
<Operation of
The augmented model parameter estimates θ e (k) are represented below.
このとき、パラメータ変換部114は、拡大モデルパラメータ推定値θe(k)が得られると、図5に示すように、θC(k)を除いたベクトルに変換することで、モデルパラメータ推定値θ(k)を得る。これにより、以下のモデルパラメータ推定値
At this time, when the enlarged model parameter estimated value θ e (k) is obtained, the
このように、制御対象プラントのステップ応答を推定する際には、拡大モデルパラメータ推定値θe(k)からθC(k)を除くことで、モデルパラメータ推定値θ(k)が得られる。以下、この理由について説明する。 Thus, when estimating the step response of the plant to be controlled, the model parameter estimate θ(k) is obtained by removing θ C (k) from the expanded model parameter estimate θ e (k). The reason for this will be explained below.
拡大プラント応答モデルをy(k)=θY(k)ΤYD(k)+θU(k)ΤUD(k)+θV(k)ΤVD(k)+θC(k)とする。 Let the expanded plant response model be y(k) =θY(k)TYD(k)+θU(k)TUD ( k ) + θV ( k) TVD ( k )+ θC (k) .
また、θY(k)、θU(k)、θV(k)及びθC(k)をそれぞれ Moreover, θ Y (k), θ U (k), θ V (k) and θ C (k) are respectively
このとき、拡大プラント応答モデルy(k)=θY ΤYD(k)+θU ΤUD(k)+θV ΤVD(k)+θCをZ変換すると、以下の式と等価となる。 At this time, Z-transforming the extended plant response model y ( k ) = θYTYD ( k )+ θUTUD (k)+ θVTVD ( k )+ θC is equivalent to the following equation : .
y=(a1z-1y+a2z-2y+・・・+aNz-Ny)+(b0u+b1z-1u+b2z-2u+・・・+bMz-Mu)+(c0v+c1z-1v+c2z-2v+・・・+cLz-Lv)+d0
上記の式は、(1-a1z-1-a2z-2-・・・-aNz-N)y=(b0u+b1z-1u+b2z-2u+・・・+bMz-Mu)+(c0v+c1z-1v+c2z-2v+・・・+cLz-Lv)+d0と式変形できるため、伝達関数Fu(z)、Fv(z)、Fd(z)をそれぞれ以下で定義すれば、上記の式はy=Fu(z)u+Fv(z)v+Fd(z)d0と表すことができる。
y=(a 1 z −1 y+a 2 z −2 y+ …+a N z −N y)+(b 0 u+b 1 z −1 u+b 2 z −2 u+ …+b M z −M u)+ (c 0 v+c 1 z −1 v+c 2 z −2 v+ . . . +c L z −L v)+d 0
(1-a 1 z -1 -a 2 z -2 -...-a N z -N )y=(b 0 u+b 1 z -1 u+b 2 z -2 u+...+b M z −M u ) +(c 0 v+c 1 z −1 v +c 2 z −2 v + . z) and Fd (z) are respectively defined below, the above equation can be expressed as y= Fu (z)u+ Fv (z)v+ Fd (z) d0 .
Fu(z)=(b0u+b1z-1u+b2z-2u+・・・+bMz-Mu)/(1-a1z-1-a2z-2-・・・-aNz-N)
Fv(z)=(c0v+c1z-1v+c2z-2v+・・・+cLz-Lv)/(1-a1z-1-a2z-2-・・・-aNz-N)
Fd(z)=1/(1-a1z-1-a2z-2-・・・-aNz-N)
ここで、操作量uのみがΔuだけ変化したときの制御量yの変化量をΔyとする。このとき、操作量uのみがΔuだけ変化したとすれば、y=Fu(z)u+Fv(z)v+Fd(z)d0は、
y+Δy=Fu(z)(u+Δu)+Fv(z)v+Fd(z)d0
となる。このため、Δyは、Δy=Fu(z)Δuで表される。すなわち、制御量yの変化量Δyに対してオフセット項は影響しないことがわかる。
F u (z)=(b 0 u+b 1 z -1 u+b 2 z -2 u+...+b M z -M u)/(1-a 1 z -1 -a 2 z -2 -...- aNz - N )
F v (z)=(c 0 v+c 1 z -1 v+c 2 z -2 v+...+c L z -L v)/(1-a 1 z -1 -a 2 z -2 -...- aNz - N )
Fd (z)=1/(1-a1z -1 - a2z - 2 -...-aNz - N )
Here, let Δy be the amount of change in the controlled variable y when only the manipulated variable u is changed by Δu. At this time, if only the manipulated variable u changes by Δu, y= Fu (z)u+ Fv (z)v+ Fd (z)d 0 is
y+Δy= Fu (z)(u+Δu)+ Fv (z)v+ Fd (z) d0
becomes. Therefore, Δy is expressed as Δy=F u (z)Δu. That is, it can be seen that the offset term does not affect the amount of change Δy of the control amount y.
したがって、オフセット項のないプラント応答モデルy(k)=θY(k)ΤYD(k)+θU(k)ΤUD(k)+θV(k)ΤVD(k)を用いて制御対象プラントのステップ応答を推定できることがわかる。 Therefore, using the plant response model y(k)=θY(k)TYD(k)+θU(k)TUD(k)+θV(k)TVD ( k ) without the offset term , It can be seen that the step response of the controlled plant can be estimated.
<ステップ応答計算部102の動作>
以下、ステップ応答の推定に用いられるモデルパラメータ推定値(つまり、プラント応答関数Sθに設定されるモデルパラメータ推定値)θ=θ(k)のことを「モデルパラメータ設定値θ」ともいう。また、以下では、簡単のため、ステップ信号として単位ステップ信号を想定する。
<Operation of
Hereinafter, the model parameter estimated value (that is, the model parameter estimated value set in the plant response function S θ ) θ=θ(k) used for estimating the step response is also referred to as "model parameter set value θ". Also, in the following, for simplicity, a unit step signal is assumed as the step signal.
ステップ応答計算部102は、図6に示すように、モデルパラメータ設定値θと時刻tとが与えられると、初期時刻0から時間t経過後の時刻tにおける単位ステップ応答Sθ(t)を計算する。なお、単位ステップ応答とは、操作量uとして単位ステップ信号を印加した場合における応答(つまり、制御対象プラントのプラント応答モデルの出力)のことである。
As shown in FIG. 6, the step
或る時刻tと或るモデルパラメータ設定値θとが与えられたときに、ステップ応答Sθ(t)を計算する処理について、図7を参照しながら説明する。なお、以下では、インデックスk'における状態ベクトルφ(k')を以下で表すものとする。 A process of calculating the step response S θ (t) given a certain time t and a certain model parameter set value θ will be described with reference to FIG. Note that the state vector φ(k') at the index k' is represented below.
ステップS201:ステップ応答計算部102は、本処理の中でのみ利用する時刻を表すインデックスをτとして、τ=0、k'=0と初期化すると共に、状態ベクトルφ(0)を以下のように初期化する。
Step S201: The step
ステップS202:ステップ応答計算部102は、y(k')=φ(k')Τθにより制御量予測値y(k')を計算する。
Step S202: The
ステップS203:ステップ応答計算部102は、制御量予測値y(k')を用いて、状態ベクトルφ(k')を、次のインデックスk'+1における状態ベクトルφ(k'+1)に更新する。このとき、ステップ応答計算部102は、図8に示すように、状態ベクトルφ(k'+1)のy(k')には上記のステップS202で計算した制御量予測値y(k')を設定し、y(k'-N+1)~y(k'-1)には状態ベクトルφ(k')と同じ値を設定する。また、状態ベクトルφ(k'+1)のu(k'+1)には1を設定し、u(k'-M+1)~u(k')には状態ベクトルφ(k')と同じ値を設定する。更に、状態ベクトルφ(k'+1)のv(k'+1)には0を設定し、v(k'-L+1)~v(k')には状態ベクトルφ(k')と同じ値を設定する。
Step S203: The
ステップS204:ステップ応答計算部102は、時刻τをτ+Δに更新すると共に、インデックスk'をk'+1に更新する。
Step S204: The
ステップS205:ステップ応答計算部102は、τ≧tであるか否かを判定する。そして、τ≧tであると判定されなかった場合(ステップS205でNO)、ステップ応答計算部102は、ステップS202に戻る。これにより、τ≧tとなるまで、ステップS202~ステップS204が繰り返し実行される。
Step S205: The
一方で、τ≧tであると判定された場合(ステップS205でYES)、ステップ応答計算部102は、処理を終了する。これにより、最終的に計算された制御量予測値y(k')が単位ステップ応答Sθ(t)として得られる(つまり、Sθ(t)=y(k)が、プラント応答モデルの単位ステップ応答として得られる。)。
On the other hand, if it is determined that τ≧t (YES in step S205), the
<実施例>
以下、一実施例について説明する。本実施例では、上記で説明した実施形態に係るプラント応答推定装置10によりモデルパラメータとステップ応答を推定した。
<Example>
An example will be described below. In this example, model parameters and step responses were estimated by the plant
本実施例では、制御対象のプラントの拡大プラント応答モデルは次式で表されるものとする。 In this embodiment, the extended plant response model of the plant to be controlled is represented by the following equation.
y(k)=θ1y(k-1)+θ2y(k-2)+θ3u(k)+θ4u(k-1)+θ5u(k-2)+θ6
すなわち、制御量yに関しては2次元、操作量uに関しては3次元の要素を有するものとする。
y(k)=θ 1 y(k−1)+θ 2 y(k−2)+θ 3 u(k)+θ 4 u(k−1)+θ 5 u(k−2)+θ 6
That is, it is assumed that the control amount y has two-dimensional elements, and the manipulated variable u has three-dimensional elements.
このとき、拡大状態ベクトルξ(k)及び拡大モデルパラメータθe(k)は以下で表される。 At this time, the expanded state vector ξ(k) and the expanded model parameters θ e (k) are expressed as follows.
図9に示すデータ1は、人工データである。データ1では、時刻400まで操作量uと制御量yが一定値であり、時刻400に操作量uがステップ状に変化し、それに伴い制御量yも変化する。
一方で、図9に示す2は、制御対象プラントを計測した運転データである。データ2では、時刻620付近まで操作量uは一定であるが、制御量yは徐々に上昇している。また、その後、操作量uはステップ状に上昇し、それに伴い制御量yも上昇する。更に、その後、操作量uはステップ状に下降し、それに伴い制御量yも下降する。
On the other hand, 2 shown in FIG. 9 is operation data obtained by measuring the plant to be controlled. In
これらのデータの特徴として、データ1では操作量uのステップ状の変化と制御量yの変化とが同期しているものの、データ2では操作量uに変化がない状態でも制御量yが緩やかに変化している(つまり、ドリフトがある)点が挙げられる。
A feature of these data is that, in
本実施形態に係るプラント応答推定装置10と比較するために、通常のRLS法によってもモデルパラメータとステップ応答を推定した。その結果を図10に示す。図10(a)はデータ1を用いてモデルパラメータθ1=a1,θ2=a2,θ3=b0,θ4=b1,θ5=b2を推定した結果、図10(b)はデータ1を用いてステップ応答を推定した結果yestである。一方で、図10(c)はデータ2を用いてモデルパラメータθ1=a1,θ2=a2,θ3=b0,θ4=b1,θ5=b2を推定した結果、図10(d)はデータ2を用いてステップ応答を推定した結果yestである。
For comparison with the plant
本実施形態に係るプラント応答推定装置10によりモデルパラメータとオフセット項とステップ応答を推定した結果を図11に示す。図11(a)はデータ1を用いてモデルパラメータθ1=a1,θ2=a2,θ3=b0,θ4=b1,θ5=b2を推定した結果、図11(b)はデータ1を用いてオフセット項θ6=d0を推定した結果、図11(c)はデータ1を用いてステップ応答を推定した結果yestである。一方で、図11(d)はデータ2を用いてモデルパラメータθ1=a1,θ2=a2,θ3=b0,θ4=b1,θ5=b2を推定した結果、図11(e)はデータ2を用いてオフセット項θ6=d0を推定した結果、図11(f)はデータ2を用いてステップ応答を推定した結果yestである。
FIG. 11 shows the result of estimating the model parameters, the offset term, and the step response by the plant
図11(b)及び図11(e)に示されるように、オフセット項θ6=d0は、操作量uがステップ状に変化する時刻で大きく変化し、徐々に一定値に収束している。 As shown in FIGS. 11(b) and 11(e), the offset term θ 6 =d 0 changes greatly at times when the manipulated variable u changes stepwise, and gradually converges to a constant value. .
データ1では操作量uが20から30へと変化した際に、制御量yが20から30へと変化している。したがって、定常ゲインは1である。
In
図10(b)と図11(c)を比較すると、ほぼ同じであり、どちらも定常ゲインは1、収束までの所要時間はおよそ200である。したがって、データ1に関して、本実施形態に係るプラント応答推定装置10では、通常のRLS法と同等の精度のプラント応答モデルが得られたことがわかる。
Comparing FIG. 10(b) and FIG. 11(c), they are almost the same. Therefore, regarding
一方で、データ2では時刻620付近で操作量uが10から20へと変化した際に制御量yが約62から約82へと変化し、時刻1250付近で操作量uが20から10へと変化した際には制御量yが約82から約64へと変化している。したがって、定常ゲインは約1.8から2程度である。また、このとき、制御量yの収束にはおよそ700~800程度の時間を要している。
On the other hand, in
図10(d)と図11(f)を比較すると、かなり異なっており、通常のRLS法では定常ゲインが5以上、収束までの所要時間は2000以上となっている。一方で、本実施形態に係るプラント応答推定装置10では、定常ゲインは約2、収束までの所要時間は約750となっている。したがって、データ2に関して、本実施形態に係るプラント応答推定装置10では、通常のRLS法よりも、より実応答に近いプラント応答モデルが得られたことがわかる。
Comparing FIG. 10(d) and FIG. 11(f), they are quite different, and in the normal RLS method, the steady-state gain is 5 or more, and the required time to convergence is 2000 or more. On the other hand, in the plant
<まとめ>
以上のように、本実施形態に係るプラント応答推定装置10は、定常値(つまり、制御対象プラントが定常状態であり、一定値を取る制御量や操作量)やそれに近い値(つまり、狭い範囲内の値を取る制御量や操作量)を多く含む運転データに対しても有効なプラント応答モデルを得ることができる。また、本実施形態に係るプラント応答推定装置10は、通常のプラント操業時にしばしば見られるドリフトのある運転データに対して、既存のRLS法と比較して高精度なプラント応答モデルを得ることができる。これらは、本実施形態に係るプラント応答推定装置10では、操作量と制御量との関係に加えて、定常状態を表すオフセット項も同時に推定されるため、定常状態又はそれに近い範囲内の値を取る運転データであっても高精度にモデルパラメータを推定できるためである。
<Summary>
As described above, the
更に、本実施形態に係るプラント応答推定装置10では、運転データのバッファと再サンプリングを行っているため、例えば、時定数がサンプリング周期(観測周期)よりも長い場合やモデルパラメータの次数が比較的少数である場合であっても、従来技術よりも高精度なモデルパラメータの推定が期待できる。
Furthermore, in the plant
なお、本実施形態では、主に、プラント応答モデルのパラメータを推定する場合について説明したが、これに限られず、例えば、本実施形態に係るプラント応答推定装置10は、当該パラメータを設定したプラント応答モデルにより制御対象プラントを実際に制御する制御装置として機能してもよい。このとき、本実施形態に係るプラント応答推定装置10は、モデル予測制御等といった既知の制御手法を用いて、当該パラメータを設定したプラント応答モデルにより制御対象プラントを制御すればよい。
In this embodiment, the case of estimating the parameters of the plant response model has been mainly described, but the present invention is not limited to this. The model may function as a controller that actually controls the plant to be controlled. At this time, the plant
本発明は、具体的に開示された上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から逸脱することなく、種々の変形や変更、既知の技術との組み合わせ等が可能である。 The present invention is not limited to the specifically disclosed embodiments described above, and various variations, modifications, combinations with known techniques, etc. are possible without departing from the scope of the claims. be.
10 プラント応答推定装置
11 入力装置
12 表示装置
13 外部I/F
13a 記録媒体
14 通信I/F
15 プロセッサ
16 メモリ装置
17 バス
101 モデルパラメータ推定部
102 ステップ応答計算部
111 バッファ部
112 状態ベクトル変換部
113 逐次推定計算部
114 パラメータ変換部
10 plant
15
Claims (12)
前記モデルパラメータの推定値に基づいて、前記プラント応答関数により前記制御対象プラントのステップ応答を計算するステップ応答計算部と、
を有するプラント応答推定装置。 A plant response that is a function representing a plant response model of the plant to be controlled based on operating data of the plant to be controlled and having model parameters that include an offset term representing a steady state of the plant to be controlled. a model parameter estimator that calculates estimates of the model parameters of a function;
a step response calculation unit that calculates a step response of the plant to be controlled using the plant response function based on the estimated values of the model parameters;
A plant response estimator having
サンプリング周期毎の前記運転データに基づいて、前記サンプリング周期毎に前記モデルパラメータの推定値を逐次計算する、請求項1に記載のプラント応答推定装置。 The model parameter estimator,
2. The plant response estimation device according to claim 1, wherein an estimated value of said model parameter is sequentially calculated for each sampling period based on said operating data for each sampling period.
所定の期間における前記運転データをメモリにバッファするバッファ部と、
前記メモリにバッファされた前記運転データを、前記オフセット項に対応する要素が含まれる状態ベクトルである拡大状態ベクトルに変換する状態ベクトル変換部と、
前記拡大状態ベクトルに基づいて、前記モデルパラメータの推定値を計算する逐次推定計算部と、が含まれる、請求項1又は2に記載のプラント応答推定装置。 The model parameter estimation unit includes:
a buffer unit that buffers the operating data for a predetermined period in a memory;
a state vector conversion unit that converts the operating data buffered in the memory into an expanded state vector that is a state vector including an element corresponding to the offset term;
3. The plant response estimator according to claim 1, further comprising a sequential estimation calculation unit that calculates the estimated values of the model parameters based on the expanded state vector.
前記バッファ部は、
所定の第1の期間における前記制御量を前記メモリにバッファすると共に、所定の第2の期間における前記操作量を前記メモリにバッファする、請求項3に記載のプラント応答推定装置。 The operating data includes a controlled variable of the controlled plant and a manipulated variable of the controlled plant,
The buffer section
4. The plant response estimating apparatus according to claim 3, wherein said controlled variable in a predetermined first period is buffered in said memory, and said manipulated variable in a predetermined second period is buffered in said memory.
前記バッファ部は、
所定の第3の期間における前記外乱を前記メモリに更にバッファする、請求項4に記載のプラント応答推定装置。 The operating data further includes disturbances to the plant to be controlled,
The buffer section
5. The plant response estimator of claim 4, further buffering said disturbance in said memory for a predetermined third time period.
前記拡大状態ベクトルと、共分散行列とに基づいて、前記モデルパラメータの推定値を逐次最小2乗法により逐次計算する、請求項3乃至5の何れか一項に記載のプラント応答推定装置。 The sequential estimation calculation unit
6. The plant response estimation device according to any one of claims 3 to 5, wherein the estimated values of the model parameters are successively calculated by a successive least squares method based on the expanded state vector and the covariance matrix.
前記メモリにバッファされた前記運転データを所定の再サンプリング周期で再サンプリングし、
再サンプリング後の前記運転データを、前記拡大状態ベクトルに変換する、請求項3乃至6の何れか一項に記載のプラント応答推定装置。 The state vector conversion unit
re-sampling the operating data buffered in the memory at a predetermined re-sampling cycle;
The plant response estimation device according to any one of claims 3 to 6, wherein said operation data after resampling is converted into said expanded state vector.
前記モデルパラメータの推定値から前記オフセット項の推定値を除外したパラメータに基づいて、前記プラント応答関数により前記ステップ応答を計算する、請求項1乃至9の何れか一項に記載のプラント応答推定装置。 The step response calculator,
The plant response estimation device according to any one of claims 1 to 9, wherein the step response is calculated by the plant response function based on parameters obtained by excluding the estimated value of the offset term from the estimated value of the model parameter. .
前記モデルパラメータの推定値に基づいて、前記プラント応答関数により前記制御対象プラントのステップ応答を計算するステップ応答計算手順と、
をコンピュータが実行するプラント応答推定方法。 A plant response that is a function representing a plant response model of the plant to be controlled based on operating data of the plant to be controlled and having model parameters that include an offset term representing a steady state of the plant to be controlled. a model parameter estimation procedure for calculating estimates of said model parameters of a function;
a step response calculation procedure for calculating a step response of the plant to be controlled by the plant response function based on the estimated values of the model parameters;
A computer-implemented plant response estimation method.
前記モデルパラメータの推定値に基づいて、前記プラント応答関数により前記制御対象プラントのステップ応答を計算するステップ応答計算手順と、
をコンピュータに実行させるプログラム。 A plant response that is a function representing a plant response model of the plant to be controlled based on operating data of the plant to be controlled and having model parameters that include an offset term representing a steady state of the plant to be controlled. a model parameter estimation procedure for calculating estimates of said model parameters of a function;
a step response calculation procedure for calculating a step response of the plant to be controlled by the plant response function based on the estimated values of the model parameters;
A program that makes a computer run
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