JP2023517646A - ポンプ速度制御方法及び装置、コンピュータプログラム、これに適合したコンピュータプログラムが格納されるコンピュータ可読媒体、及びポンプ - Google Patents

Abstract

本発明は、周期的用途で可変速駆動（ＶＳＤ）ポンプの速度を制御する方法並びに装置を説明する。このような用途は、ポンプダウン段階と保持段階とからなる繰り返しサイクルを含み、各サイクルの開始タイムポイントは、ポンプの入口圧力の上昇が十分に大きいタイムポイントであり、従って、２つの連続するサイクル開始タイムポイントの間に広がる時間は、サイクルタイムである。この制御方法は、現在のサイクルの間に次のサイクルの開始点を決定することを含み、現在のサイクルは次のサイクルの直前であることが好ましい。この方法は、さらに、次のサイクルの開始時にポンプの全容量を利用できるように、次のサイクルの開始前の現在のサイクルの保持段階の間に最大許容速度まで加速されるようにポンプを制御することを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプ、詳細には、これに限定されないが、周期的用途に使用される可変速駆動（ＶＳＤ）真空ポンプ、の速度を制御する方法に関する。さらに、本発明は、そのようなポンプ速度制御方法を実施する装置に関する。さらに、本発明は、そのようなポンプ速度制御装置に接続されるポンプに関する。

ポンプシステムは、産業界の多くの部門で広く利用されているが、エネルギー効率が低いため大量のエネルギーを消費する。例えば、定速ポンプは、常に高いポンピング速度で作動するが、その間にもポンプの低容量を維持するのみである。加えて、実際の用途では、ポンプユーザの要求がポンピングプロセスの間に変化しないことは珍しい。従って、ポンプシステムの満足な性能を維持したままポンプを減速させることができ、省エネルギーにつながるという理由で、ＶＳＤで駆動されるポンプが出てきた。

ＶＳＤ真空ポンプは、例えば、ポンプシステムの繰り返される周期的作動を必要とする用途に使用される。このような周期的用途は、通常、２つの段階、つまりポンプダウン段階及び保持段階で構成される。ポンプダウン段階では、真空チャンバ内の圧力が所望の目標圧力まで低下するようにポンプを最大速度で作動させ続け、その後、所望の目標圧力を維持するためにポンプ速度を低下させる。従って、ポンプダウン段階でのエネルギー消費は最大となり、目的の圧力までポンプダウンするのに必要な時間は、すでにポンプが行い得る最良のものである。保持段階では、ＶＳＤポンプは、エネルギーの浪費につながるが、次のサイクルのために最良のポンプダウンである、最大速度に維持されるか、又は減速され、これはエネルギーの節約につながるが、その後、加速が以下に説明するように時間がかかる、従って、保持段階では、ポンプシステムは、目標圧力の維持を損なうことなく、低い速度に起因して非常に低いエネルギー量を消費することが可能であり、エネルギー効率が向上し、同時にポンプ性能を維持するようになっている。

従って、上記の周期的作動における連続するサイクル間の移行を考慮すると、性能低下及びエネルギー浪費が依然として存在する。具体的には、保持段階において最小速度で作動するポンプは、次のサイクルが開始するタイムポイントで、次のサイクルのポンプダウン段階に必要となる最大速度まで加速する必要があるであろう。従って、ポンプシステムは、ポンプが最小速度から最大速度まで加速することに起因する遅延を待つ必要があるであろう。この加速のため、エネルギーの浪費はないが、完全なポンプダウン時間は長くなる。長いポンプダウン時間は、顧客にとって時間当たりのバッチ数が少なくなり、スループットの低下につながることを意味する。

従って、ポンプの速度制御には、ポンプ性能の低下、並びにエネルギー効率の悪さという問題が依然として存在する。

従って、本発明の目的は、より高いエネルギー効率を実現すること並びに要求される十分なポンプ性能を維持することができる速度制御手段を備えたポンプを提供することにある。

上記の課題は、請求項１による速度制御方法、請求項１２による速度制御装置、及び請求項１７によるポンプにより解決される。

本発明によるポンプの速度制御方法は、詳細には周期的用途に使用される可変速駆動（ＶＳＤ）真空ポンプに適用される。ポンプの周期的用途は、通常、ポンプの繰り返しサイクルでの作動を含み、各サイクルの間、ポンプは、ＶＳＤによって可能となる異なる速度で作動することができる。従って、本方法は、ポンプを制御して繰り返しサイクルで作動させるステップを含み、各サイクルは、ポンプダウン段階及び保持段階を含み、ポンプは、真空チャンバ内の容積を繰り返しポンプダウンするように制御される。例えば、各サイクル内で、ポンプは、最初に圧力を低下させ続けるように高い速度で作動し、次に、特定の所望の目標圧力に達した後、所望の目標圧力を保持するのに十分な低い速度で作動する。本方法は、入口圧力の上昇に基づいてサイクル期間を解析する。本方法は、ポンプの加速時間を考慮し、再び加速するのに最適な時点を計算することになる。この時点は、圧力上昇の前であり、新しいサイクルを規定することができる。本方法によれば、その場合、２つの連続するサイクル開始点の間に経過した時間は、サイクルタイムである。

さらに、本方法は、現在のサイクルの間に、次のサイクルの開始を決定するステップを含み、現在のサイクルは、好ましくは、次のサイクルに直接先行する。従って、本方法では、少なくとも保持段階に関連する時間の長さのより良い制御及び計算が保証されるように、例えば、現在のサイクルの直後、まだこれからの次のサイクルの開始点を決定することができる。

さらに、本方法は、次のサイクルの開始点の前の現在のサイクルの保持段階の間にポンプを最大速度まで加速するように制御するステップを含み、これは、現在のサイクルの保持段階で無駄になるはずの時間をポンプの加速のために利用することを意味し、次のサイクルの開始時に、ポンプの全容量はすぐに利用され、次のサイクルのポンプダウン段階にさらに直接適用できるようになっている、

従って、本発明の利点は、各ポンプダウン段階の開始時に起こったであろう加速遅延が、ポンプを前もって、より具体的には直接先行するサイクルの保持段階の終了時に加速することによって回避されることであり、さらにこの保持段階の間に無駄になったであろうエネルギーが節約されるようになっている。換言すると、ポンプを加速するために各保持段階の終期を使用することによって、ポンプシステム全体のエネルギー効率が高くなり、加速遅延がなくなるのでポンプダウン段階で発生する性能損失も減少する。

好ましくは、ポンプダウン段階において、ポンプは、真空チャンバ内の容積が高圧から設定値又は目標圧力までポンプダウンされるように、最大速度で作動するように制御される。ポンプの最大許容速度は、好ましくは、ポンプの入口圧力、ポンプのモータ電流、及び油温の関数である。従って、最大許容速度は、ポンプシステムの機能要件に内在するパラメータである。この場合、最良のポンプダウン時間を提供するために、ポンプができるだけ早く容積をポンプダウンするように制御されることが保証されるが、これは必然的に最大量のエネルギー消費を伴う。

好ましくは、保持段階において、ポンプは、上記の設定点圧力が維持されてポンプシステムの一般的な性能を保証するように、最低速度又は最小速度まで徐々に減速するように制御される。従って、ポンプの性能を脅かすことなく設定点圧力を維持するために、保持段階では非常に低い速度が必要とされるので、エネルギー効率はすぐに向上する。

より好ましくは、保持段階において、ポンプの速度は、ポンプの入口圧力と設定点圧力とに基づいて減少するように制御される。従って、ポンプ速度は、入口圧力及び設定点圧力によって、好ましくは、進行中のサイクルのサイクルタイム、すなわち現在のサイクルの開始点から次のサイクルの開始点までの時間の長さをさらに考慮することによって決定される関数に従うポンプ圧力に関して直線的に減少する、

好ましくは、本方法は、入口圧力がプリセット閾値に達したことを検出することで、各サイクルの開始点を検出するステップをさらに含む。好ましくは、入口圧力のプリセット閾値は、設定点圧力よりも大きく、かつ、繰り返しサイクルの間の最も高い入口圧力よりも小さい。

好ましくは、現在のサイクルの間で、次のサイクルの開始点を決定するときに、ベイズフィルタ、詳細にはカルマンフィルタが適用され、次のサイクルの開始点は、好ましくは次のサイクルに直接先行する少なくとも１つの前のサイクルの開始点に基づいて推定されるようになっている。換言すると、次のサイクルに先行する少なくとも１つの前のサイクルの開始点が与えられると、本方法は、少なくとも１つの前のサイクルの開始タイムポイントに含まれる情報を使用して、まだこれからの次のサイクルの開始点を推定するステップを含む。このような推定は、ベイズフィルタ、詳細にはカルマンフィルタによって達成可能である。

好ましくは、ポンプの入口圧力は、入口圧力の微分にカルマンフィルタを実装することによって推定され、入口圧力の微分は、好ましくは時間的に実施される。カルマンフィルタ処理の結果は、その後、新しいサイクルが開始されるか否かを決定するために時間的に監視され、入口圧力の上記のプリセット閾値と比較されるようになっている。より具体的には、入口圧力のリアルタイム値がカルマンフィルタ処理によって監視されることが好ましく、入口圧力の推定によってプリセット閾値に達すると、新しいサイクル、すなわち、好ましくは現在のサイクルに直接続く次のサイクルの開始点を検出できるようになっている。加えて、入口圧力の微分係数をカルマンフィルタによって検出できるだけでなく、入口圧力自体を、新しいサイクルの開始点を決定するために入口圧力の上昇又は入口圧力の絶対値のいずれかを推定できる限り、推定することもできる。従って、本発明は、ベイズフィルタ、詳細にはカルマンフィルタを用いて推定されるパラメータの選択対象に限定されない。

より具体的には、入口圧力の推定は、好ましくは次のサイクルに直接先行する少なくとも１つの前のサイクルにおける入口圧力の時間微分係数の推定値に基づいて、次のサイクルにおける入口圧力の時間微分係数を先験的に予測すること、並びに次のサイクルにおける入口圧力の時間微分係数の先験的予測値及び現在のサイクルにおける入口圧力の時間微分係数の観測値に基づいて、次のサイクルにおける入口圧力の時間微分係数を後験的に更新することに基づいている。換言すると、次のサイクル、すなわちその情報が推定されるサイクルに先行する少なくとも１つの前のサイクルにおける入口圧力の時間微分係数の推定値の情報が与えられると、次のサイクルの先験的情報が予測され、この予測値は、現在のサイクルにおいて制御方法によって計測可能な観測値を考慮してさらに更新する必要がある。従って、各サイクルにおける入口圧力の推定値は、少なくとも１つの前のサイクルの推定値、並びに、現在のサイクルで得られた観測値又は測定値から得られる組み合わされた結果であり、推定の精度が保証される。上述したように、カルマンフィルタ処理によって推定される特定のパラメータの選択は、入口圧力の微分係数に限定されない。さらに、好ましくは、考慮される前のサイクルの数は少なくとも１つであるが、より好ましくは、２又は３であり、推定精度の要求及びアルゴリズムの複雑さに応じて４以上とすることができる。

好ましくは、本方法は、次のサイクルの事前速度時間を推定するステップをさらに含む。次のサイクルの開始時にポンプがすぐにその全容量になるように、ポンプが加速されるように制御される必要がある次のサイクルの間のタイムポイントを推定することが必要である。サイクルの開始点はプリセット閾値に達したときに決定されるため、ポンプの全容量は入口圧力のプリセット閾値に達したときに達成されると考えられることに留意されたい。従って、次のサイクルに関連する事前速度時間は、次のサイクルの開始点から、ポンプが加速するように制御される次のサイクルの保持段階のタイムポイントまでの時間の長さを指す。特定の適用シナリオに応じて、次のサイクルの開始点は固定すること、又は上記のように推定することができ、次のサイクルの事前速度時間の推定値が与えられると、推定された事前速度時間が終了するタイムポイントで、保持段階において前もってポンプをその最大速度まで加速するように制御することができる。さらに、推定は、好ましくは次のサイクルに直接先行する少なくとも１つの前のサイクルの事前速度時間に基づいて、ベイズフィルタ、詳細にはカルマンフィルタによって行われる。考慮される前のサイクルの数は、より好ましくは２又は３であり、少なくとも１つの前のサイクルは、その情報が推定される次のサイクルに直接先行する必要はない。

好ましくは、次のサイクルに好ましくは直接先行する少なくとも１つの前のサイクルの事前速度時間の推定値と、現在のサイクルの事前速度時間の観測値との加重平均によって、次のサイクルの事前速度時間の推定値が得られる。次のサイクルに関する情報の推定に関してより良いバランスを得るために、以前に推定された情報と、現在測定された観測値とを組み合わせることが有利である。

好ましくは、次のサイクルの事前速度時間を推定するために、反復学習式

が適用され、ここで、
ｊ＝現在のサイクルの反復インデックス、
ｕ＝事前速度時間の推定値、
ａ＝重み付け係数、
ｂ＝重み付け係数、
ｃ＝重み付け係数、
ｄ＝重み付け係数、
ＣｙｃｌｅＴｉｍｅ＝サイクルタイムの観測値、
Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ＝ＶＳＤインバータで使用される回転数／分／秒、ｒｐｍ／ｓでの加速定数、
ｏｆｆｓｅｔ＝安定性を高めるためのオフセットパラメータ、
である。

さらに、上記の反復学習式では、前の３サイクルの推定が適用されるが、推定精度の所定の要求並びにアルゴリズムの複雑さに応じて、１つだけ、又は２つ、又は４つ以上の前のサイクルを適用することができ、これは必然的に、式に用いる重み付け係数の数の変更につながる。加えて、上記の式では、重み付け係数は、固定パラメータとして表示されるが、ベイズフィルタ又はカルマンフィルタを適宜使用することで、各サイクルで推定することも可能である。さらに、オフセットパラメータは、上述の反復学習アルゴリズムの安定性を高めるために適用される。従って、このオフセットパラメータは、特定の適用シナリオに対して固定された値であるか、又は、適用前に上記の式のテストを複数回行うことによって選択できる値である。上記の式が示唆するように、オフセットの選択は、上記の任意の前のサイクルの事前速度時間の推定値と、サイクルタイムの観測値から、ポンプがその最小速度又は最低速度からその最大速度まで加速するために必要な時間を減算した後に得られる値との間の差分によって決まる。

好ましくは、少なくとも１つのサイクルの開始タイムポイント及び／又は事前速度時間が得られるように、上記の制御方法が最初に実行されるときに、少なくとも１つのサイクルに関して、ポンプは最初に最大速度で作動するように制御され、ポンプが最大速度で作動するように制御されるサイクルの数は、上述のように推定のために考慮すべき前のサイクルの数によって決まる。すなわち、ポンプは、最初の推定に使用するのに適した反復項目（ｉｔｅｒａｔｉｏｎ ｉｔｅｍｓ）の値が十分に得られる限り、最大速度で作動するように制御される。

本発明によるポンプの速度を制御する速度制御装置は、詳細には、周期的用途に使用されるＶＳＤ真空ポンプに適用される。本装置は、上述の方法のステップに関する命令が格納され、好ましくは上述の推定の間に固定されるか又は更新されるパラメータが格納される記憶ユニットを備える。例えば、反復インデックス、並びに少なくとも１つの前のサイクルの事前速度時間及びサイクルタイムの推定値を含む第１のサブ記憶ユニットを設けることが好ましい。第２のサブ記憶ユニットは、重み付け係数、加速度、ポンプの最大速度及び最小速度、並びにオフセットパラメータなどのパラメータの固定値を格納するために適用される。速度制御装置は、記憶ユニットに含まれる命令を実行するように構成された処理ユニットと、速度制御信号をポンプに送信するように構成された出力ユニットと、ポンプの入口圧力を読み取って処理ユニットに送るように構成された入力ユニットとをさらに備える。

好ましくは、本装置は、処理ユニットが命令の実行を初めて開始するときに、少なくとも１つのサイクルの開始タイムポイント及び／又は事前速度時間を計算するように構成された時間計数ユニットを備える。

好ましくは、時間計数ユニットは、現在のサイクルの開始タイムポイント及び／又はサイクルタイムを測定するようにさらに構成されている。従って、現在のサイクルの間の次のサイクルの推定は、現在のサイクルで測定された実際の値を考慮するので、現在のサイクルで実行された推定結果の高い精度及び良好なバランスがもたらされる。

また、本発明によるコンピュータプログラムが提供され、これは、上記の速度制御装置に上記の方法ステップを実行させるための命令を含む。

さらに、本発明によるコンピュータ可読媒体が提供され、これには上記のコンピュータプログラムが格納されている。

本発明によるポンプは、詳細には周期的用途に使用されるＶＳＤ真空ポンプであり、このポンプは、上述したように、その速度を制御する装置に接続される。真空ポンプは、ドライクローポンプ、ルーツポンプ、スクロールポンプ、又はロータリースクリューポンプであり、特定の適用要件に適合するように可変速度駆動装置が結合することができる。さらに、真空ポンプは、ダイヤフラムポンプ、容積型ガス又は蒸気ポンプ、ピストンポンプなどの容積型ポンプとすることができる。さらに、真空ポンプは、慣性ポンプのような速度ポンプとすることもできる。ポンプは、複数のポンプパラメータを検出するように構成された制御ユニットを備え、好ましくは、複数のセンサが、制御ユニットによるパラメータの検出のためにポンプに設けられる。ポンプは、複数のポンプパラメータを、ポンプに接続された速度制御装置に送信するように構成された出力ユニットをさらに備える。さらに、ポンプが上述の方法ステップに従って作動するように制御されるように、ポンプには速度制御装置から送信される速度制御信号を受信するための入力ユニットが設けられている。ポンプの入力／出力ユニットと速度制御装置との間の通信は、ポンプシステムと速度制御装置とを物理的に１つの場所に配置することが要求される場合には、電気配線を介して行うことができる。しかしながら、速度制御装置は、ポンプとは異なる別の場所に配置されることもあり、その場合には、速度制御装置とポンプとの間で無線通信が適用される。加えて、ポンプと速度制御装置との間の信号伝送を中継又は制御する中央制御装置を別の場所に設け、異なる場所の複数のポンプを同時に制御することも可能である。従って、本発明によれば、ポンプ制御システムの集中／分散配置及びローカル／ネットワーク配置の両方を実現することができる。

好ましくは、少なくともポンプの入口圧力は、複数のポンプパラメータに含まれ、これは、ポンプの制御ユニットから、ポンプ速度制御装置に伝送されるか又はポンプ場所の近くに又は遠くに位置する制御センターに伝送される。

従って、産業界での周期的用途に適用される場合、可変速駆動装置を有しない従来のポンプ、又は可変速駆動装置を有するが各サイクルにおけるポンプの特定の速度制御が行われないポンプと比較して、本発明は、ポンプの作動の間の各繰り返しサイクルが、ポンプダウン段階及び保持段階の２つの段階に分割され、ポンプダウン段階では、ポンプが、最大のポンプダウン時間性能を提供するために最大速度で作動することにより、できるだけ早く容積をポンプダウンするように制御され；保持段階では、次のサイクルのポンプダウン段階の開始時に発生し得る加速遅延を補償するために、この保持段階のエネルギーを利用して、ポンプがすぐにその全容量まで加速し始めるように制御され；ベイズフィルタ処理、詳細にはカルマンフィルタ処理を使用することで、前のサイクルで得られた推定情報並びに現在のサイクルで得られた観測情報を考慮し、各サイクルの開始タイムポイント、並びに、サイクルの開始点と保持段階中のポンプが加速制御されるタイムポイントとの間の時間の長さを正確に推定する；ことで好都合である。従って、ポンプ速度は、ポンプのリアルタイムの作動状態に連続的に適合され、結果的に、保持段階でのエネルギーの浪費を回避し、ポンプダウン段階でのポンプ性能の損失を回避することができる。

以下の開示において、図面が参照されることになる。

ポンプ速度と圧力との間の関係を示すグラフである。 ポンプダウン段階と保持段階との繰り返しサイクルの開始点と、保持段階におけるポンプの加速とを示すグラフである。 次のサイクルの開始点の推定、並びに次のサイクルの間のポンプの加速のタイムポイントの推定を示すグラフである。 反復速度制御処理を示すフローチャートである。 速度制御装置の一例を示す概略図である。 ポンプの概略図である。 複数のポンプに接続された速度制御センターを含むポンプシステムの概略図である。

図１は、ポンプ速度と圧力との関係を示し、ポンプの最大速度は６０００回転／分（ｒｐｍ）、ポンプの最小速度は３５００ｒｐｍ、設定点圧力又は所望の目標圧力は５０ミリバール（ｍｂａｒ）、ヒステリシスは３０ｍｂａｒに広がることが示されている。図１によれば、ポンプ圧力は１０００ｍｂａｒ程度の値から始まるが、その間にポンプは最大速度で作動し、圧力は連続的にポンプダウンするようになっている。設定点圧力５０ｍｂａｒに達したタイムポイントで、ポンプは徐々に減速し、これはヒステリシス領域をもたらし、その間に圧力は２０ｍｂａｒに達するまで徐々に減少する。その後、ポンプは最小速度で作動し、これは圧力のさらなる低下を引き起こす。ポンプの設定点圧力に達した後の段階では、ポンプはより低い速度で作動しながらも、依然としてポンプ圧力の十分な性能を維持するので、かなりの量のエネルギーが節約される。

図２を参照すると、ポンプダウン段階と保持段階を含む繰り返しサイクルの詳細が示されており、繰り返しサイクルの開始点、並びに保持段階でポンプが加速するように制御されるタイムポイントも示されている。図２において、現在のサイクルは、現在のサイクルの開始点と次のサイクルの開始点との間に広がり、現在のサイクルは、ポンプの入口圧力の上昇が十分に大きいと考えられるときに、この場合、入口圧力が７００ｍｂａｒに達するときに、タイムポイント１、ＴＰ１で開始し、次のサイクルの開始点、すなわちタイムポイント４、ＴＰ４は、現在のサイクルと類似的に決定される。サイクルの開始点の決定は、入口圧力増加又は入口圧力の絶対値のいずれかの固定値に依存することが一般的であるが、この基準は、１回のサイクル適用中に各サイクルについて変更することもでき、さらに特定の適用シナリオに依存することもできる。図２に示される各サイクルは、２つの段階、すなわちポンプダウン段階及び保持段階を含む。ポンピングプロセスは、設定点圧力、この場合５０ｍｂａｒに達すると、タイムポイント２、ＴＰ２で保持段階に入る（この値は、図１に示されるものと同じである）。図２によれば、タイムポイント３、ＴＰ３において、ポンプは次のサイクルの開始点、すなわちＴＰ４の前にその速度を増加するように制御され、ＴＰ４の直後にポンプの全容量はすでに利用可能になるようになっている。換言すると、現在のサイクルの保持段階でポンプの速度を増加させることにより、保持段階の残りの時間を、この増加がなければ次のサイクルの開始後に起きてポンプシステムの性能損失をもたらすであろう、加速遅延を補償するために利用することができる。本発明によれば、次のサイクルの開始点は、現在のサイクルの開始点の決定と類似した方法で、現在のサイクルの間に決定される。

図２には直接示されていないが、各サイクルのポンプダウン段階の間に、ポンプは、高圧から設定点圧力まで容積をポンプダウンするために最大速度で作動するように制御されることが好ましく、図２の場合、高圧は１０００ｍｂａｒ、設定点圧力は５０ｍｂａｒとして示される。加えて、各サイクルの保持段階の間に、圧力は、ポンプダウン段階と比較して非常に遅い速度で徐々に減少されることが好ましい。図２に示されるように、ポンプ圧力は、現在のサイクルの保持段階の間に、徐々に０ｍｂａｒに近づく。本発明によれば、保持段階のより良い制御を達成するために、保持段階の間のポンプの速度が、入口圧力及び設定点圧力に基づいて減少するように制御されることがさらに好ましい。

従って、少なくとも図２によれば、現在のサイクルの保持段階の間にポンプを加速するタイムポイントを予め決定し、さらに次のサイクルの開始点を決定することにより、次のサイクルの開始時にポンプがその全能力まで加速するために、かなりの時間が確保されることが明らかである。

図３を参照すると、サイクルの開始点とポンプを加速するためのタイムポイントの推定を示すより詳細なグラフが示され、各サイクルの間の全体のポンピング手順は、図２について説明したものと同様である。図３によれば、本発明によれば、次のサイクルＣ２は、この場合、次のサイクルＣ２に先行するサイクルＣ１、Ｃ０及びＣ０以前のサイクルのうちの少なくとも１つを指す、少なくとも１つ前のサイクルの開始タイムポイントに基づいて決定されるタイムポイントＴＰ４で開始ずる。Ｃ２のサイクル開始の推定は、ベイズフィルタ、より詳細には及び好ましくはカルマンフィルタによって実施されることが好ましい。同様に、次のサイクルＣ２に続くサイクル、すなわちＣ３（図３では完全に示されていない）の開始は、Ｃ３に先行する少なくとも１つの前のサイクルを用いて決定される。従って、サイクル開始点の推定は、新しいサイクルに対して、新しいサイクルに先行する前のサイクルの情報を用いて繰り返し実行されることになる。しかしながら、適用シナリオ及び要件に応じて、周期的な推定は、全ポンピング手順の間のいくつかのサイクルに対してのみ実施される場合がある。

図３に示されるように本発明によれば、タイムポイントＴＰ４は、好ましくは入口圧力の時間微分係数（ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ ｏｖｅｒ ｔｉｍｅ）にカルマンフィルタを適用することによって推定される。より具体的には、現在のサイクルＣ１の間に、サイクルＣ１、Ｃ０及びＣ０の前のサイクルの開始点の情報が既に手元にあり、これらのサイクルＣ１、Ｃ０及びＣ０の前のサイクルの少なくとも１つの情報がＴＰ４の先験的情報を予測するために使用され、加えて、現在のサイクルの間に、入口圧力の時間微分係数の実際の値は、すでに観測及び測定することができ、従って、これは、ＴＰ４の予測情報をさらに更新するために使用され、ＴＰ４のより正確な事後推定をもたらす。

要約すると、ＴＰ１、ＴＰ４及びＴＰ７（タイムポイント７におけるＣ３のサイクル開始点）の各々は、それぞれの以前のサイクルの少なくとも１つの関連パラメータ、すなわちサイクルの開始点の事前の推定値と、前のサイクルの１つの観測又は測定情報の両方を用いることによって、上述の方法で同様に推定される。推定値を得るために適用される前のサイクルの数は、少なくとも１つであり、特定の適用シナリオ及び要件に依存することに留意されたい。また、図３では、次のサイクルに直接先行する現在のサイクルのサイクル開始点の観測値が利用されているように見えるが、適用シナリオ及び要件に応じて、関連するパラメータの別の又は２以上の測定値又は観測値を適用することもできる。

さらに図３によれば、各サイクルについて、サイクル開始点とポンプが加速するように制御されるタイムポイントとの間の時間の長さを推定することもさらに好ましい。例えば、図３に示すように、現在のサイクルＣ１の間に、タイムポイント３、ＴＰ３は、前のサイクルすなわちサイクルＣ０及びＣ０の前のサイクルを実行する間に既に決定されている、ポンプを加速する必要があるタイムポイントであり、次のサイクルＣ２も同様に、タイムポイント６、ＴＰ６は、前のサイクルＣ１、Ｃ０及びＣ０前のサイクルの間に決定されている。本発明によれば、各サイクルの開始点は、固定値であるか又は上記のように推定されるので、図３に示されるような事前速度時間（ｐｒｅ－ｓｐｅｅｄｉｎｇ ｔｉｍｅ）の推定は、ポンプを加速するように制御する必要があるタイムポイントを推定することを可能にする。本発明によれば、加速のタイムポイントの推定も、少なくとも前のサイクルＣ１、Ｃ０及びＣ０以前のサイクルの事前速度時間の情報に基づいて、ベイズフィルタ、より詳細には及び好ましくはカルマンフィルタによって実施されることが好ましい。

図３に加えて、本発明によれば、事前速度時間の推定は、好ましくはさらに２つのステップを含み、一方のステップは、前のサイクルＣ１、Ｃ０及びＣ０の前のサイクルの少なくとも１つの推定値に基づいて、次のサイクルＣ２の事前速度時間に関する先験的情報を予測することであり、他方のステップは、前のサイクルＣ１、Ｃ２及びＣ０以前のサイクルの１つに関する観測又は測定情報を用いて予測の更新を行うことであり、ここで、測定情報は、次のサイクルＣ２に直接先行するサイクル、すなわちＣ１から得ることが望ましい。

本発明によれば、推定のために、前のサイクルＣ１、Ｃ０及びＣ０より前のサイクルの少なくとも１つの事前速度時間の推定値、並びに前のサイクルＣ１、Ｃ０及びＣ０より前のサイクルの１つの観測値の加重平均が適用されることが好ましい。本発明によれば、より好ましくは、加重平均は、以下の形式の反復学習式であり、

ここで、
ｊ＝現在のサイクルの反復インデックス、
ｕ＝事前速度時間の推定値、
ａ＝重み付け係数、
ｂ＝重み付け係数、
ｃ＝重み付け係数、
ｄ＝重み付け係数、
ＣｙｃｌｅＴｉｍｅ＝サイクルタイムの観測値、
Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ＝ＶＳＤインバータで使用される回転数／分／秒、ｒｐｍ／ｓでの加速定数、
ｏｆｆｓｅｔ＝安定性を高めるためのオフセットパラメータ、
である。

上記の式において、現在のサイクルは反復インデックスｊを有し、ｊ＋１で示される次のサイクルの直前の、それぞれｊ、ｊ－１、ｊ－２で示される３つの先行するサイクルが適用されると仮定される。また、適用シナリオ及び要件に応じて、２以下の前のサイクルを使用することも可能である。上記の式に示されるように、少なくとも現在のサイクルのサイクルタイムの観測値を含む更なるバランス項が含まれる。図３を参照すると、事前速度時間の観測値は、ポンプが最小速度からプリセット閾値まで加速するのに必要な時間を減算したサイクルタイムの観測値に等しく、従って、この減算結果は、バランス項に含まれる場合がある。好ましくは、プリセット閾値は、十分に大きくポンプの最大速度に近いため、バランス項は、代替的に、ポンプが最小速度から最大速度に加速するのに必要な時間を減算したサイクルタイムの観測値を含む場合がある。さらに、反復学習アルゴリズムの安定性を高めるために、オフセットパラメータをバランス項に挿入することが好ましく、このオフセットパラメータは、適用シナリオ及び要件に応じて、反復方法の各サイクル中に固定すること又は適合させることができる。さらに、重み付け係数ａ、ｂ、ｃ及びｄは、上記の式において固定パラメータとして示されるが、本発明によれば、これらの重み付け係数は、事前速度時間と同様の方法で更新することも可能である。

図４は、本発明による速度制御方法を示すフローチャートである。速度制御方法は、パラメータの初期化のためのステップ１０、Ｓ１０で始まる。少なくとも１つ前のサイクルの情報は、次のサイクルの推定に使用されるため、速度制御が初めて作動されるときに、パラメータを初期化する必要がある。より具体的には、ポンプを最大速度で複数サイクル運転してパラメータを取得するセーフモードに入る。例えば、上記の反復学習式に示されるように、ポンプは、３サイクルだけセーフモードで作動するように制御することができ、それに基づいて４サイクル目の推定を行い、さらに４サイクル以降の各サイクルについても推定を繰り返すことができる。

ステップ２０、Ｓ２０では、新しいサイクルが始まっているか否かが監視される。ここで使用される基準は、ポンプの入口圧力の十分に大幅な上昇があること、又は入口圧力の絶対値が本発明による予め設定された閾値に到達することである。従って、このステップにおける何らかのサイクルの開始点は、単に、任意のタイムポイントで測定された入口圧力を、適用シナリオ及び要件に応じて固定値又は非固定値のいずれかとすることができるプリセット閾値と比較することによって検出することができる。好ましくは、このステップでは、例えば上述のカルマンフィルタを実装することによって、新しいサイクルの入口圧力を推定することも可能である。上述の第４のサイクルを例にとると、任意のタイムポイントにおける入口圧力の時間微分係数がリアルタイムで更新され、入口圧力がその設定値よりも高いことを推定結果が示す場合に、タイムポイントは、第１のサイクル、第２のサイクル、第３のサイクルのサイクル開始点の前の情報を前提として、第４のサイクルの開始点と決定されるようになっている。Ｓ２０の確認後、新しいサイクルが開始されたばかりであることが確認されると、速度制御方法はステップ３０、Ｓ３０に進み、２つのサイクル開始点の間の時間であるサイクルタイムは、次に、すべての反復パラメータがリセットされるようにカウントされる。上記の学習制御式に戻ると、各反復の間に、そこで使用される事前速度時間の３つの項目、すなわちｕ_j、ｕ_j-1、ｕ_j-2、並びにサイクルタイムの観測値、すなわちＣｙｃｌｅＴｉｍｅ_jを更新する必要がある。また、Ｓ３０において、必要に応じて、重み付け係数のパラメータ並びにオフセットを再設定することも可能である。一方で、Ｓ２０を確認した結果、ポンプがサイクル開始以外の状態で作動していることが確認された場合、速度制御方法は、ステップ４０、Ｓ４０に進む。

Ｓ４０では、入口圧力が設定点圧力Ｐｓｐより高くないか又はポンプがセーフモードで作動しているか否かが確認される。いずれの条件も満たされていない場合、速度制御方法はステップ５０、Ｓ５０に進み、ポンプは、最大速度で作動し続けるように制御される。換言すると、ポンプは、依然としてポンプダウン段階で作動し、入口圧力は、まだ設定点圧力まで低下していない。

一方で、Ｓ４０において、入口圧力がすでに設定点圧力又はそれ以下に低下していると判定された場合、又はポンプがセーフモードで運転されていると判定された場合、速度制御方法は、ステップ４２、Ｓ４２に進み、次のサイクルの事前速度時間の推定のために反復学習制御（ＩＬＣ）が作動しているか否かを確認するようになっている。従って、Ｓ４２において、ＩＬＣが作動しておらず、ステップ５２、Ｓ５２によって示されるポンプの従来の作動を示すことを知ることが可能である。Ｓ５２において、ポンプの速度は、入口圧力並びに設定値圧力Ｐｓｐに基づいて減速するように制御される。速度が減速される様式の決定には、サイクルタイムだけでなく時間も考慮することが好ましい。

一方で、Ｓ４２において、ＩＬＣが作動していることが確認されると、速度制御方法は、次にステップ４４、Ｓ４４に進み、ここで、事前速度時間が経過しているか否か、すなわちポンプを再加速させるように制御する必要かあるか否かが確認される。上述した第４のサイクルを例とすると、第４のサイクルの開始点の推定値と第４のサイクルで必要とされる事前速度時間の両方は、好ましくは３つの前のサイクルの関連情報を前提として、第３のサイクルの間にすでに取得されている。第４のサイクルの開始タイムポイントから算出される事前速度時間が経過すると、Ｓ４４において、速度制御手段が次にステップ５６、Ｓ５６に進むことができることが確認され、ポンプは、最大速度で作動するように制御される。換言すると、事前速度時間が経過した後、ポンプは、まだこれからの次のサイクルの開始前に、現在のサイクルの保持段階で、すでに加速していることになる。

一方で、Ｓ４４において、事前速度時間がまだ経過していないことが確認される場合、ポンプは、Ｓ５２で説明されるのと同様に減速を続ける必要がある。

さらに、ステップＳ５０、Ｓ５２、Ｓ５４、Ｓ５６は、さらにステップ６０、Ｓ６０、すなわち速度リミッターに進み、ポンプシステムの最大許容速度を超えないようになっている。

図５は、本発明による速度制御装置１０を示し、速度制御装置１０は、少なくとも記憶ユニット１００、処理ユニット１０２、出力ユニット１０４、及び入力ユニット１０６を備える。記憶ユニット１００は、少なくとも上述したような方法ステップに関する命令を含み、この命令は処理ユニット１０２によって実行される。また、入口圧力のプリセット閾値、反復学習制御式で使用される重み付け係数、並びに一定値である場合のオフセットなどのプリセットパラメータを含む、関連パラメータは、記憶ユニット１００に含まれるサブセクションに格納することができる。従って、サイクルの開始タイムポイントの推定値及びサイクル時間の観測値を含む、反復中に変化することになるすべての反復インデックス及びすべての関連パラメータを記憶するために、記憶ユニット１００に別のサブセクションを設けることもできる。さらに、ポンプの最大速度、最小速度及び加速度は、適用シナリオ及び要件に応じて固定されるポンプ固有のパラメータであり、記憶ユニット１００に含まれるさらに別のメモリサブセクションに格納することができる。出力ユニット１０４は、速度制御装置１０によって与えられる速度制御信号をポンプに送信し、ポンプの少なくとも入口圧力を含むパラメータは、入力ユニット１０６で読み取られる。

図５に示されるように、速度制御装置１０は、時間計数ユニット１０８を備えることが好ましく、時間計数ユニット１０８は、具体的に、サイクルの開始タイムポイントをマークするように、並びに、図４のＳ３０で示されるようにサイクルの開始タイムポイントを監視するために用いられるサイクルの事前速度時間を計算し、図４のＳ４４で示されるように事前速度時間が経過したか否かをカウントするように構成されていることが好ましい。さらに時間計数ユニット１０８は、推定方法におけるバランス項として、例えば現在のサイクルの事前速度時間の観測値又は測定値など、必要な時にいつでも所定の期間の観測値を測定することが好ましい。

図６は、本発明によるポンプ２０を示し、少なくとも制御ユニット２０２、入力ユニット２０４及び出力ユニット２０６を備える。出力ユニット２０６は、ポンプ入口圧力を含む少なくとも１つのポンプパラメータを、図５に示される速度制御装置１０のような速度制御装置に送信する。入力ユニット２０４は、図５に示される速度制御装置１０のような速度制御装置から送信される速度制御信号を受信するように構成されている。制御ユニット２０２が必要とするポンプパラメータを得るように、ポンプ２０は少なくとも１つのセンサを含むことができる。

図７を参照すると、本発明に従って、上述した速度制御装置を含むポンプ制御システムの系統図が提示される。より詳細には、ポンプシステムは、図７に示される複数のポンプ又はポンプシステム６２、６４、６６を制御する速度制御センター１２を含む。本発明によれば、速度制御センター１２の出力ユニット及び入力ユニットは、複数のポンプ６２、６４、６６の入力ユニット及び出力ユニットにそれぞれ接続される。速度制御センター１２は、複数のポンプ又はポンプシステムの少なくとも１つと同じ場所に配置することができ、その場合、速度制御センター１２の出力／入力ユニットと複数のポンプとの間の接続部６０２、６０４、６０６の少なくとも１つは、適用シナリオ及び要件に応じて、その間の伝送を処理できる伝送速度を有する物理ケーブルである。従って、速度制御センター１２が、ポンプ又はポンプシステムの１又は２以上、又はそのすべてとは異なる別の場所に配置することも可能であり、その場合、その間の接続の１又は２以上、又はそのすべては無線通信によって実施される。従って、本発明による速度制御センター１２を中心とするポンプ速度の集中ローカル制御ネットワークが可能であるだけでなく、速度制御センター１２が少なくとも１つのポンプ又はポンプシステムを同時に制御することができ、制御方法のさらに高い効率及び速度制御の物理装置の要求の減少をもたらす分散ポンプ速度制御システムも達成可能である。

本発明は、例として説明され、図面に示された実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、あらゆる種類及び形態で実現される、ポンプの速度を制御する方法及び装置、コンピュータプログラム、これに適合したコンピュータプログラムが格納されるコンピュータ可読媒体、及びポンプを含むものである。

Claims (18)

1. ポンプ、詳細には、周期的用途に使用される可変速駆動（ＶＳＤ）真空ポンプの速度を制御する方法であって
   ポンプを制御して反復サイクルで作動させるステップであって、各サイクルはポンプダウン段階及び保持段階を含み、各サイクルは、前記ポンプの入口圧力の上昇が十分に大きいタイムポイントで開始し、２つの連続するサイクルの開始点の間の時間はサイクルタイムである、ステップと、
   現在のサイクルの間に、次のサイクルの開始点を決定するステップであって、前記現在のサイクルは、前記次のサイクルに直接先行する、ステップと、
   前記次のサイクルの開始時に前記ポンプの全容量が利用できるように、前記次のサイクルの開始前の前記現在のサイクルの保持段階の間に前記ポンプを最大速度まで加速するように制御するステップと、
   を含む方法。
2. 前記ポンプダウン段階において、前記ポンプは、容積が高圧から設定点圧力までポンプダウンされるように、最大速度で作動するよう制御される、請求項１に記載の方法。
3. 前記保持段階において、前記ポンプは、設定点圧力が維持されるように、最小速度まで減速するように制御される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記保持段階において、前記ポンプの速度は、前記入口圧力及び前記設定点圧力に基づいて減少するように制御される、請求項３に記載の方法。
5. 前記入口圧力がプリセット閾値に達したことを検出することで、前記各サイクルの開始点を検出するステップをさらに含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記次のサイクルの開始点は、ベイズフィルタ、詳細にはカルマンフィルタによって、好ましくは前記次のサイクルに直接先行する少なくとも１つの前のサイクルの開始点に基づいて推定される、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記入口圧力は、
   好ましくは前記次のサイクルに直接先行する前記少なくとも１つの前のサイクルにおける前記入口圧力の時間微分係数の推定値に基づいて、前記次のサイクルにおける前記入口圧力の時間微分係数を先験的に予測すること、及び
   前記次のサイクルにおける前記入口圧力の前記時間微分係数の先験的予測値、及び前記現在のサイクルにおける前記入口圧力の時間微分係数の観測値に基づいて、前記次のサイクルにおける前記入口圧力の前記時間微分係数を事後的に更新すること、
   に基づいて、前記入口圧力の前記時間微分係数にカルマンフィルタを適用することによって推定され、
   前記観測値とは、測定値を指し、推定値とは、観測値に基づいて更新された予測値を指す、請求項６に記載の方法。
8. 前記次のサイクルの事前速度時間を推定するステップであって、前記事前速度時間は、前記次のサイクルの開始点から、前記ポンプが加速するように制御される前記次のサイクルの前記保持段階のタイムポイントまでの時間の長さを指す、ステップをさらに含み、
   前記推定は、ベイズフィルタ、詳細にはカルマンフィルタによって、好ましくは前記次のサイクルに直接先行する少なくとも１つの前のサイクルの前記事前速度時間に基づいて行われる、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記次のサイクルの前記事前速度時間の前記推定値は、前記次のサイクルに直接先行する少なくとも１つの前のサイクルの前記事前速度時間の推定値と、前記現在のサイクルの前記事前速度時間の観測値との加重平均である、請求項８に記載の方法。
10. 反復学習式
    

    

    に基づいて前記次のサイクルの前記事前速度時間を推定するステップをさらに含み、ここで、
    ｊ＝現在のサイクルの反復インデックス、
    ｕ＝事前速度時間の推定値、
    ａ＝重み付け係数、
    ｂ＝重み付け係数、
    ｃ＝重み付け係数、
    ｄ＝重み付け係数、
    ＣｙｃｌｅＴｉｍｅ＝サイクルタイムの観測値、
    Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ＝ＶＳＤインバータで使用される回転数／分／秒、ｒｐｍ／ｓでの加速定数、
    ｏｆｆｓｅｔ＝安定性を高めるためのオフセットパラメータ、
    である、請求項９に記載の方法。
11. 前記少なくとも１つのサイクルの開始タイムポイント及び／又は事前速度時間が得られるように、前記制御方法が最初に実行されるときに、少なくとも１つのサイクルに関して、前記最大速度で作動するように前記ポンプを制御するステップをさらに含む、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. ポンプ、詳細には周期的用途で使用される可変速駆動（ＶＳＤ）真空ポンプの速度を制御する装置であって、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法のステップに関する命令を含む記憶ユニットと、
    前記記憶ユニットに含まれる前記命令を実行するように構成された処理ユニットと、
    速度制御信号を前記ポンプに送信するように構成された出力ユニットと、
    前記ポンプの入口圧力を読み取り、前記処理ユニットに送るように構成された入力ユニットと、
    を備える装置。
13. 前記処理ユニットが前記命令の実行を初めて開始するときに、少なくとも１つのサイクルの開始タイムポイント及び／又は事前速度時間を計算するように構成された時間計数ユニットをさらに備える、請求項１２に記載の装置。
14. 前記時間計数ユニットは、前記現在のサイクルの前記開始タイムポイント及び／又は前記サイクルタイムを測定するようにさらに構成されている、請求項１２に記載の装置。
15. 請求項１２から１４のいずれか１項に記載の速度制御装置に、請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法ステップを実行させるための命令を含む、コンピュータプログラム。
16. 請求項１５に記載のコンピュータプログラムが格納されるコンピュータ可読媒体。
17. ポンプの速度を制御するための速度制御装置に結合された、前記ポンプ、詳細には周期的用途に使用される可変速駆動（ＶＳＤ）真空ポンプであって、
    複数のポンプパラメータを検出するように構成された制御ユニットと、
    前記複数のポンプパラメータを前記速度制御装置に送信するように構成された出力ユニットと、
    前記ポンプが請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法に従って作動するように制御されるように、前記速度制御装置から送信される速度制御信号を受信するように構成された入力ユニットと、
    を備えるポンプ。
18. 前記複数のポンプパラメータは、前記ポンプの前記入口圧力を含む、請求項１７に記載のポンプ。

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