JP2023171059A - プロセス制御装置及びプロセス制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】制御対象の特性が変動したとしても、適宜適切な制御パラメータを適用することが可能なプロセス制御装置及びプロセス制御方法を提供する。【解決手段】制御対象の制御量を制御目標値に制御するプロセス制御装置は、制御対象のプロセス特性に対応させてモデル化された内部モデル制御を実行し、制御対象に対する操作量を出力する制御器を備える。制御対象の制御量以外の出力が制御器にフィードバックされ、制御器は、制御対象からフィードバックされた出力に応じて、内部モデル制御に含まれる制御パラメータを変更するように構成される。【選択図】図１

Description

本開示は、プロセス制御装置及びプロセス制御方法に関する。

下記特許文献１には、例えば、プラントにおいて、制御対象となるプロセスの値を所定の目標値にフィードバック制御するプロセス制御装置が開示されている。このプロセス制御装置は、制御対象の特性に対応させてモデル化された所謂内部モデル制御を実行する制御器を備える。制御器は、比例器と、正帰還要素である補償器と、加算器とを有する。比例器は、制御目標値（ＳＶ）と制御対象の制御量（ＰＶ）との偏差を入力とし、入力された偏差に対して比例演算を行うように構成されている。

特開２００２－１５７００２号公報

ところで、上記特許文献１では、制御器内部のプロセスモデルが固定であることに加えて、プロセスモデルの制御パラメータである比例器のゲインも固定されている。このため、条件によって変動する制御対象の特性に対し、適宜適切な制御パラメータを適用することができない。

そこで、本開示は、制御対象の特性が変動したとしても、適宜適切な制御パラメータを適用することが可能なプロセス制御装置及びプロセス制御方法を提供することを目的とする。

制御対象の制御量を制御目標値に制御する本開示に係るプロセス制御装置は、前記制御対象のプロセス特性に対応させてモデル化された内部モデル制御を実行し、制御対象に対する操作量を出力する制御器を備え、前記制御対象の前記制御量以外の出力が前記制御器にフィードバックされ、前記制御器は、前記制御対象からフィードバックされた前記出力に応じて、前記内部モデル制御に含まれる制御パラメータを変更するように構成される。

本開示において、前記制御器が、前記制御目標値と前記制御量との偏差に対して比例演算を行う比例器を有し、前記制御パラメータは前記比例演算のゲインであり得る。

本開示は、前記操作量はプロセスが行われる処理槽への液体の投入量であり、前記制御量は前記処理槽内に投入された前記液体の液面であり、前記出力は前記処理槽から抜出される前記液体の抜出量である場合に好適に適用することができる。

上記プロセス制御装置を用いた本開示に係るプロセス制御方法は、前記出力と前記制御パラメータとの関係を取得する取得工程と、前記制御対象から前記制御器にフィードバックされた前記出力が変化したときに、前記取得工程で取得した前記関係を用いて変化後の前記出力に対応する前記制御パラメータに変更する変更工程と、を含む。

本開示によれば、制御対象の制御量以外の出力の変化に起因して制御対象の特性が変動したとしても、変化した出力に応じて制御器の制御パラメータを変更することで、制御対象の特性に対して最適な操作量を生成することができる。

実施の形態１によるプロセス制御装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態１による制御対象の構成の一例を示す模式図である。 制御パラメータの変更処理の手順の一例を示すフローチャートである。 抜出量と制御パラメータの関係を規定したマップを示す図である。 実施の形態２による制御対象の構成の一例を示す模式図である。 実施の形態２によるプロセス制御装置の構成例を示すブロック図である。 制御量が一定の場合における操作量と制御パラメータの関係を規定したマップを示す図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。各図において共通または対応する要素には、同一の符号を付して、説明を簡略化または省略する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１によるプロセス制御装置の構成例を示すブロック図である。プロセス制御装置１は、例えば、石油化学プラント等の化学プラントや、鉄または紙等の製造プラントで利用される。プロセス制御装置１は、制御対象２となるプロセスの値、即ち、制御対象２の制御量ＰＶを、制御目標値ＳＶに制御するものである。本実施の形態では、図２に示すように、制御対象２の制御量ＰＶが、液位センサＳｓにより測定される処理槽Ｔｋ内の液体Ｌｑの液面ＬＳであり、操作量ＭＶが、処理槽Ｔｋに投入される液体投入量、すなわち、液体投入量を制御するバルブＶａの開度である場合を例に説明する。このような制御対象２を、積分系の下式（１）で表す。

上式（１）中、Ｋｐは積分系プロセスの特性パラメータ（ゲイン）であり、ｓはラプラス演算子であり、Ｌｐは制御対象２のむだ時間である。

特性パラメータＫｐ及びＬｐは、以下の方法で求められる。即ち、制御対象２を液体Ｌｑの抜出量ＡＥが無い閉ループとすると、制御量ＰＶは操作量ＭＶの増分に比例して増加する。これらの操作量ＭＶと制御量ＰＶとの関係から、特性パラメータＫｐを求める。Ｌｐは操作量ＭＶの大小に関係なく固定値とし、固定値は、操作量ＭＶが異なる複数のサンプルを基に決定することができる。

図１に示すように、プロセス制御装置１は、制御器３と、外乱補償器４と、第１の減算器５と、第２の減算器６とを備える。

制御器３は、制御対象２のプロセス特性に対応させてモデル化された所謂内部モデル制御を実行するものである。制御器３は、比例器３１と、補償器３２と、加算器３３とを有する。

比例器３１は、第１の減算器５から入力された第１差分値に対して比例演算を行い、その演算値を加算器３３に対して出力する。比例演算には、後述する制御パラメータＫｃとしての比例ゲインが用いられる。

補償器３２は、加算器３３からフィードバックされた加算器３３の出力に対して一次遅れ演算及びむだ時間演算を行い、その演算値を加算器３３に対して出力する。補償器３２の伝達関数は、上式（１）を考慮して設定されるものであり、具体的には、下式（２）で表すことができる。

上式（２）中、Ｌｃは制御器３の内部モデルのむだ時間である。Ｌｃは、式（１）のＬｐを用いて導出される。

加算器３３は、比例器３１からの出力と補償器３２からの出力とを加算し、その加算値を第２の減算器６に対して出力する。

制御器３は、プロセス制御に関する各種プログラムを実行可能なコンピュータに相当し、図示省略する処理回路により実現し得る。例えば、処理回路は、少なくとも１つのプロセッサと少なくとも１つのメモリとを備える。メモリには、各種プログラムとして記述されるソフトウェアまたはファームウェアが記憶されており、プロセッサは、メモリに記憶されたプログラムを読み出して実行する。これにより、制御器３を構成するマップ部Ｍｐ１、比例器３１、補償器３２及び加算器３３の各機能を実現することができる。また、マップ部Ｍｐ１の記憶部（以下「メモリ」と称する）には、後述する制御パラメータマップのデータ（以下、単に「マップデータ」という）ＤＭｐ１が読み出し可能に格納されている。マップ部Ｍｐ１は、制御対象２の後述の流量センサＳｆ等の出力Ｏｐである抜出量ＡＥを入力とし、制御パラメータＫｃを比例器３１に出力する。比例器３１は、マップ部Ｍｐ１から入力された制御パラメータＫｃを比例器３１の比例ゲインとして使用する。これにより、比例器３１の比例ゲインが更新される。制御パラメータＫｃは、式（１）のＫｐを用いて導出される。

外乱補償器４は、制御対象２から入力された制御量ＰＶに対して所定のフィルタ演算を行い、その演算値を第２の減算器６に対して出力する。実際に制御対象２に付加された外乱から制御量ＰＶまでの閉ループ伝達関数が安定限界に近づくように調整されている。なお、外乱は、例えば雷等であり、事前に検出不可能である。

第１の減算器５は、制御目標値ＳＶから制御対象２の制御量ＰＶを減算し、その差分値である第１差分値を比例器３１に対して出力する。

第２の減算器６は、加算器３３から入力された加算値から外乱補償器４から入力された演算値を減算し、その差分値である第２差分値を操作量ＭＶとして制御対象２に対して出力する。

ところで、図２に示すプロセスでは、制御対象２から制御量ＰＶとは異なる出力ＯＰとして、処理槽Ｔｋから抜出される抜出量ＡＥがある。抜出量ＡＥは、処理槽Ｔｋからの抜き取り量に相当する。抜出量ＡＥは、流量センサＳｆにより測定され、制御対象２に対して影響を与える。例えば、抜出量ＡＥが大きく変化した場合、制御対象２の制御量ＰＶを一定に保つためには、操作量ＭＶを大きくする必要がある。この場合、抜出量ＡＥと操作量ＭＶとの関係は、線形関係として近似することができる。

ここで、プロセス操業中に抜出量ＡＥが変化すると、制御対象２の特性が変動するため、最適な操作量ＭＶを生成することができない。

そこで、本実施形態では、抜出量ＡＥを制御器３にフィードバックすると共に、制御器３が、フィードバックされた抜出量ＡＥに応じて、制御パラメータＫｃを変更するように構成した。制御パラメータＫｃの変更は、抜出量ＡＥが変更されたタイミングで行われる。

図３は、制御パラメータＫｃの変更処理の手順の一例を示すフローチャートである。フローチャートは、プロセス操業中、制御器３により繰り返し実行される。また、プロセス操業中、制御器３に対して抜出量ＡＥが常時フィードバックされる。

先ず、制御器３のマップ部Ｍｐ１が抜出量ＡＥを取得する（ステップＳ１０）。

次に、抜出量ＡＥの変更が有るか否かを判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１では、例えば、今回のステップＳ１０で新たに取得した抜出量ＡＥと前回のステップＳ１０で取得した抜出量ＡＥとの差の絶対値が所定値以上の場合には、抜出量ＡＥの変更が有ると判定し（ステップＳ１１のＹＥＳ）、絶対値が所定値未満の場合には、抜出量ＡＥの変更が無いと判定する（ステップＳ１１のＮＯ）。抜出量ＡＥの変更が無い場合は、本処理を一旦終了する。抜出量ＡＥの変更が有る場合には、ステップＳ１２に移行する。このステップＳ１１の処理が、判定工程に相当する。

ステップＳ１２では、マップ部Ｍｐ１のメモリからマップデータＤＭｐ１を読み出す。このステップＳ１２の処理が、取得工程に相当する。図４に示すように、マップデータＤＭｐ１には、抜出量ＡＥと制御パラメータＫｃとの関係が規定されている。マップデータＤＭｐ１では、抜出量ＡＥがＡＥ１からＡＥ２に増加するに連れて、制御パラメータＫｃもＫｃ１からＫｃ２まで直線的に増加している。なお、マップデータＤＭｐ１では、抜出量ＡＥがＡＥ１以下の範囲では、制御パラメータＫｃが最小値Ｋｃ１に固定されている。また、抜出量ＡＥがＡＥ２以上の範囲では、制御パラメータＫｃが最大値Ｋｃ２に固定されている。このように変更する制御パラメータＫｃの範囲に制約を設けることで、制御対象２に対して過剰な負荷を与えることを防止することができる。また、プラントにおいて、マージンを持って制御パラメータＫｃの変更（更新）を行うという要望に応えることができる。制御パラメータＫｃの決定については、例えば、Ｋｃ２は、本形態における制御対象２の操作量ＭＶに係る制御パラメータの最大値と位置付けられる。操作量ＭＶは、操作対象（例えばバルブＶａの開度）の許容値や、もしくは制御対象（例えば処理槽Ｔｋの液体投入量）の許容値を越えないように決定してもよい。また、例えば、最小値Ｋｃ１は、抜出量ＡＥ１以下の領域における制御対象２の許容精度の関係から決定してもよい。

また、マップデータＤＭｐ１の代わりに、抜出量ＡＥと制御パラメータＫｃとの関係を記述した関係式をマップ部Ｍｐ１のメモリに記憶しておき、メモリから関係式を読み出すようにしてもよい。この場合、後述するステップＳ１３では、読み出した関係式を用いて制御パラメータＫｃを算出し、算出した制御パラメータＫｃに変更する。

次に、制御器３のマップ部Ｍｐ１は、読み出したマップデータＤＭｐ１を参照して、フィードバックされた（即ち、今回のステップＳ１０で取得した）抜出量ＡＥに対応する制御パラメータＫｃを求め、比例器３１の制御パラメータＫｃを変更（更新）する（ステップＳ１３）。このステップＳ１３の処理が、変更工程に相当する。その後、本処理を一旦終了する。

本実施の形態によれば、プロセス操業中に抜出量ＡＥの変化に起因して制御対象２の特性が変動したとしても、抜出量ＡＥに応じて制御器３の制御パラメータＫｃを変更することで、制御対象２の特性に対して最適な操作量ＭＶを生成することができる。即ち、制御対象２の特性が変動したとしても、操作量ＭＶの生成に適切な制御パラメータＫｃを適宜適用することができる。

実施の形態２．
図５は実施の形態２による制御対象の構成の一例を示す模式図である。図５に示すプロセスでは、抜出量ＡＥを測定する流量センサＳｆが存在しない点、つまり、抜出量ＡＥが不知である点で実施の形態１と相違する。

図６は、実施の形態２によるプロセス制御装置の構成例を示すブロック図である。図６において図１と同様の機能を示す要素については同一符号を付して、説明を省略する。以下、図１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２のプロセス制御装置１Ａは、図１の制御器３に替えて制御器３Ａを有する。制御器３Ａは、図１のマップ部Ｍｐ１に替えてマップ部Ｍｐ２を有する。さらに、第２の減算器６の出力である第２差分値は、操作量ＭＶとして制御対象２に対して出力されると共に制御器３Ａ内のマップ部Ｍｐ２に入力される。マップ部Ｍｐ２のメモリには、後述するように操作量ＭＶと制御パラメータＫｃとの関係が規定されたマップデータＤＭｐ２が読み出し可能に格納されている。マップ部Ｍｐ２は、操作量ＭＶに対応する制御パラメータＫｃを求め、求めた制御パラメータＫｃを比例器３１に出力する。比例器３１は、マップ部Ｍｐ２から入力された制御パラメータＫｃを比例ゲインとして使用する。これにより、比例器３１の比例ゲインが変更される。

本実施の形態では、図７（ａ）に示すように、制御量ＰＶが一定（例えば制御量ＰＶがＰＶ１）であるとき、操作量ＭＶと制御パラメータＫｃとの関係は一意に定めることができる。そこで、図７（ｂ）に示すように規定するマップデータＤＭｐ２を作成し、マップ部Ｍｐ２のメモリに記憶しておく。例えば、図７（ａ）に示すように制御量ＰＶが制御量ＰＶ１で一定であるときの抜出量（推定値）ＡＥ１１において適切な制御パラメータＫｃがＫｃ１１であり、そのときの操作量ＭＶがＭＶ１１であったとする。また、例えば図７（ａ）に示すように一定の制御量ＰＶ１において、抜出量ＡＥが徐々に増加し、抜出量ＡＥ２１にて適切な制御パラメータＫｃがＫｃ２１であり、そのときの操作量ＭＶがＭＶ２１であったとする。この場合、図７（ｂ）に示すように、制御パラメータＫｃを操作量ＭＶの関数として求めることができる。従って、図７（ｂ）に示す操作量ＭＶと制御パラメータＫｃとの関係を規定したマップデータＤＭｐ２をマップ部Ｍｐ２に記憶しておけば、操作量ＭＶを入力として適切な制御パラメータＫｃを求めることができる。即ち、Ｋｃ＝ｆｋｃ（ＭＶ）という関数で、適切な制御パラメータＫｃを求めることができる。

なお、制御量ＰＶの変動により、同一操作量ＭＶでも適切な制御パラメータＫｃが変わる場合には、複数の制御量ＰＶ（例えば想定される制御量ＰＶの下限と上限との間の複数の制御量ＰＶ）に対し、各々操作量ＭＶと制御パラメータＫｃとの関係を規定したマップデータまたは関数（関係式）をマップ部Ｍｐ２のメモリに記憶し、マップ部Ｍｐ２に制御量ＰＶも入力されるように構成する。そして、制御パラメータＫｃを操作量ＭＶと制御量ＰＶの関数として求められるように構成する。即ち、Ｋｃ＝ｆｋｃ（ＭＶ、ＰＶ）という関数で、適切な制御パラメータＫｃを求めることができる。例えば、制御量ＰＶ（ｘ）且つ操作量ＭＶ（ｙ）のときの制御パラメータＫｃ（ｘ、ｙ）を求めたい場合には、制御量ＰＶ（ｘ）以上で最も制御量ＰＶ（ｘ）に近い値の操作量ＭＶ（ｘ＋）と制御パラメータＫｃとの関係を示す関数から求めた制御パラメータＫｃ＝ｆｋｃ（ＭＶ、ＰＶ＋）の値と、制御量ＰＶ（ｘ）以下で最も制御量ＰＶ（ｘ）に近い値の操作量ＭＶ（ｘ－）と制御パラメータＫｃとの関係を示す関数から求めた制御パラメータＫｃ＝ｆｋｃ（ＭＶ、ＰＶ－）の値とを補完して制御パラメータＫｃを求めるようにしてもよい。

本実施の形態によれば、抜出量ＡＥを測定できない場合でも、抜出量ＡＥに応じた制御器３の制御パラメータＫｃに変更することができる。従って、上記実施の形態１と同様に、プロセス操業中に抜出量ＡＥの変化に起因して制御対象２の特性が変動したとしても、適切な操作量ＭＶを生成することができる。また、上記実施の形態１と同様に、変更する制御パラメータＫｃの範囲を最小値Ｋｃ１から最大値Ｋｃ２までの範囲に制約することで、制御対象２に対して過剰な負荷を与えることを防止することができる。

なお、上記実施の形態１及び２では、制御量ＰＶが処理槽Ｔｋ内に導入される液体Ｌｑの液面ＬＳである場合を例に説明したが、これに限定されない。制御量ＰＶが、例えば、温度、流量、圧力等の他のプロセス値であってもよい。この場合、制御対象２からの出力ＯＰも、抜出量ＡＥに限定されず、制御対象２の特性を変動させるものであればよい。また、マップデータＤＭｐ１，ＤＭｐ２は、制御器３の外部にアクセス可能に設けられたメモリに格納されてもよい。

１…プロセス制御装置、２…制御対象、３…制御器、３１…比例器、ＡＥ…抜出量、Ｋｃ…制御パラメータ，比例器３１のゲイン、Ｌｑ…液体、ＬＳ…液面、ＭＶ…操作量、ＯＰ…出力、ＰＶ…制御量、ＳＶ…制御目標値、Ｔｋ…処理槽

Claims (4)

1. 制御対象の制御量を制御目標値に制御するプロセス制御装置であって、前記制御対象のプロセス特性に対応させてモデル化された内部モデル制御を実行し、制御対象に対する操作量を出力する制御器を備えるものにおいて、
   前記制御対象の前記制御量以外の出力が前記制御器にフィードバックされ、
   前記制御器は、前記制御対象からフィードバックされた前記出力に応じて、前記内部モデル制御に含まれる制御パラメータを変更するように構成されるプロセス制御装置。
2. 請求項１記載のプロセス制御装置であって、前記制御器が、前記制御目標値と前記制御量との偏差に対して比例演算を行う比例器を有するものにおいて、
   前記制御パラメータは前記比例演算のゲインであるプロセス制御装置。
3. 前記操作量はプロセスが行われる処理槽への液体の投入量であり、前記制御量は前記処理槽内に投入された前記液体の液面であり、前記出力は前記処理槽から抜出される前記液体の抜出量である請求項１記載のプロセス制御装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプロセス制御装置を用いたプロセス制御方法であって、
   前記出力と前記制御パラメータとの関係を取得する取得工程と、
   前記制御対象から前記制御器にフィードバックされた前記出力が変化したときに、前記取得工程で取得した前記関係を用いて変化後の前記出力に対応する前記制御パラメータに変更する変更工程と、を含むプロセス制御方法。

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