JP2643506B2 - Predictive controllers for industrial processes - Google Patents

Predictive controllers for industrial processes

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JP2643506B2 JP1341798A JP34179889A JP2643506B2 JP 2643506 B2 JP2643506 B2 JP 2643506B2 JP 1341798 A JP1341798 A JP 1341798A JP 34179889 A JP34179889 A JP 34179889A JP 2643506 B2 JP2643506 B2 JP 2643506B2
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、プラント等の工業用プロセスに使用される
予測制御装置に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a predictive control device used for an industrial process such as a plant.

[従来の技術] 一般に遅れ時間やむだ時間要素の大きいプラントに対
して有効な制御方式として、予測制御が知られている。
[Prior Art] In general, predictive control is known as an effective control method for a plant having a large delay time or a dead time element.

従来の予測制御は、例えば第9図に示すように、予測
値生成部1と制御信号生成部2とを含むコントローラを
用いて行なわれる。このコントローラは、予測値生成部
1に制御対象プラントの動特性を表現するプラントモデ
ルを持ち、このモデルと過去のプラント入力Uから算出
されるプラント出力の将来値を予測し、その予測値ΔY
に基づいて制御信号生成部2で制御出力CVを計算する。
Conventional prediction control is performed using a controller including a predicted value generation unit 1 and a control signal generation unit 2 as shown in FIG. 9, for example. This controller has a plant model expressing the dynamic characteristics of the plant to be controlled in a predicted value generation unit 1, predicts a future value of a plant output calculated from this model and a past plant input U, and calculates a predicted value ΔY
The control output CV is calculated by the control signal generator 2 based on

このような予測制御方式では、第10図に示すように、
予測値ΔYは現在のプラント出力の計測値を始点とす
る。そのため、第9図の制御信号生成部2には、プラン
ト出力観測部3から現在のプラント出力の計測値Yが入
力される。そして、それまでの予測によるプラント出力
予測値と実際の計測値との間に食違いが生じた場合は、
計測値を全面的に採用してそれまでの予測値をバイアス
状に修正する。
In such a prediction control method, as shown in FIG.
The predicted value ΔY starts from the current measured value of the plant output. Therefore, the current measured value Y of the plant output is input from the plant output observation unit 3 to the control signal generation unit 2 in FIG. And if there is a discrepancy between the predicted plant output value and the actual measured value,
The measured values are used entirely and the predicted values up to that point are corrected in a biased manner.

ところが、実際のプラントでは通常、計測にノイズを
伴なうため、第11図に示すように予測値がこのノイズで
振られてしまい、結果としてコントローラ出力が安定せ
ず、不必要な無駄な動きが発生してしまう。
However, in an actual plant, the measurement is usually accompanied by noise, and the predicted value is fluctuated by this noise as shown in Fig. 11, resulting in unstable controller output and unnecessary wasteful movement. Will occur.

そこで、次のような対策が考えられている。 Therefore, the following countermeasures have been considered.

コントローラ出力CVをなまらせる。Make the controller output CV blunt.

第9図において、プラント出力観測部3と制御信号生
成部2の間にノイズフィルタ4を挿入する。
In FIG. 9, a noise filter 4 is inserted between the plant output observation unit 3 and the control signal generation unit 2.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、対策にあっては、コントローラ出力
をなまらせるために平滑フィルタを挿入すると、本来の
制御機能を失うことになり、所期の制御仕様を満足でき
ない。また、コントローラのフィードバックゲインGを
低くすると、設定値への整定が延長される結果となる。
[Problem to be Solved by the Invention] However, as a countermeasure, if a smoothing filter is inserted to blunt the controller output, the original control function is lost, and the intended control specification cannot be satisfied. Also, lowering the feedback gain G of the controller results in prolonged settling to the set value.

一方、対策によれば、ノイズは一次遅れフィルタ、
移動平均フィルタ、指数平滑フィルタ等で除去できる。
プラント出力の測定系のサンプル周期が、コントローラ
の制御周期と比較して極めて短い場合には、上記フィル
タは有効で、前記の第11図に示したようなコントローラ
出力の不要な動きは抑えられる。
On the other hand, according to the countermeasures, the noise is a first-order lag filter,
It can be removed by a moving average filter, an exponential smoothing filter, or the like.
When the sample cycle of the measurement system of the plant output is extremely short as compared with the control cycle of the controller, the filter is effective, and unnecessary movement of the controller output as shown in FIG. 11 is suppressed.

そこで、プラント出力の測定系のサンプリングとコン
トローラの制御周期が同期している場合を考える。この
場合、プラント出力の真値が一定値であれば、移動平均
フィルタを適用することによりノイズをほぼ除去するこ
とができる。
Therefore, a case is considered in which the sampling of the plant output measurement system and the control cycle of the controller are synchronized. In this case, if the true value of the plant output is a constant value, noise can be substantially removed by applying a moving average filter.

ところが、稼働中のプラントでは、上記のいずれのフ
ィルタの出力値でも真のプラント出力に対して位相遅れ
を生じる。これは、上記のフィルタが平滑処理において
過去のプラント出力値(計測値)を用いていることによ
る。このように計測値に位相遅れがあるため、結果とし
てその位相遅れ分、制御性能の劣化が回避できない。
However, in an operating plant, any of the output values of the above filters causes a phase delay with respect to the true plant output. This is because the filter uses past plant output values (measured values) in the smoothing process. As described above, since the measured value has a phase delay, deterioration of control performance by the phase delay cannot be avoided as a result.

上述した従来の予測制御の問題点をまとめると次のよ
うになる。
The problems of the conventional predictive control described above are summarized as follows.

従来の予測制御は、ノイズを考慮していない。そのた
め、ノイズの影響があるときは、精密な制御を諦めなけ
ればならない。また、一般的なノイズフィルタを付加す
ると、予測制御本来の利点が損なわれる。その原因は、
上記のフィルタを用いるとフィルタ出力側で位相遅れが
生じるためである。
Conventional predictive control does not consider noise. Therefore, when there is an influence of noise, it is necessary to give up precise control. Further, if a general noise filter is added, the original advantage of the prediction control is lost. The cause is
This is because the use of the above filter causes a phase delay on the filter output side.

本発明の目的は、プラントのような工業用プロセスに
おいて計測ノイズの影響を低減すると共に位相遅れを生
じない予測制御装置を提供することである。
An object of the present invention is to provide a predictive control device that reduces the influence of measurement noise and does not cause a phase delay in an industrial process such as a plant.

[課題を解決するための手段] 本発明は、制御対象プロセスの動特性を表現するモデ
ル及び当該プロセスへの入力から制御対象の出力予測値
を演算し、その予測値に基づいて制御信号を出力する、
工業用プロセスの予測制御装置であって、制御対象の状
態観測器として、外乱要素を含むモデルで表わされるカ
ルマンフィルタを具備し、このカルマンフィルタに制御
対象の入力及び出力の計測値と外乱とを入力することに
より、予測値の演算とノイズ除去を同時に行うことを特
徴とする。
Means for Solving the Problems The present invention calculates a predicted output value of a controlled object from a model expressing dynamic characteristics of a controlled object process and an input to the process, and outputs a control signal based on the predicted value. Do
A predictive control device for an industrial process, comprising, as a state observer of a controlled object, a Kalman filter represented by a model including a disturbance element, and inputting measured values of input and output of the controlled object and disturbance to the Kalman filter. Thus, the calculation of the predicted value and the noise removal are performed simultaneously.

[作用] カルマンフィルタでは、制御対象モデルから求められ
る暫定的な推定出力値と計測出力値を比較し、その差を
計測誤差とする。ここで、計測誤差には、計測入力値と
計測出力値の両方の誤差が含まれるので、その両方を対
象とする。
[Operation] In the Kalman filter, a tentative estimated output value obtained from the control target model is compared with a measured output value, and a difference between the tentative estimated output value and the measured output value is set as a measurement error. Here, since the measurement error includes an error of both the measurement input value and the measurement output value, both of them are targeted.

動作時には、制御対象入力の計測値をカルマンフィル
タに入力し、制御対象モデルを1サンプル進めて、位相
遅れなしに暫定的な推定状態量を求める。
In operation, the measured value of the control target input is input to the Kalman filter, the control target model is advanced by one sample, and a provisional estimated state quantity is obtained without phase delay.

次に、今回予測される制御対象出力値(暫定的な推定
出力値)と実際に測定した出力値とを比較し、その差を
もって暫定的な推定状態量を最適修正し、最適推定状態
量(制御対象出力)を得る。この結果、計測ノイズが低
減される。
Next, the control target output value predicted this time (temporary estimated output value) is compared with the actually measured output value, and the temporary estimated state amount is optimally corrected based on the difference, and the optimal estimated state amount ( Control target output). As a result, measurement noise is reduced.

ここで、最適修正とは最適修正ゲインであるカルマン
フィルタゲインを用いることを意味する。カルマンフィ
ルタゲインは、制御対象の入出力の計測値に含まれる誤
差分散が与えられれば、その制御対象モデルに最適なゲ
インとして一意に求められる。
Here, the optimal correction means using a Kalman filter gain which is an optimal correction gain. The Kalman filter gain is uniquely obtained as an optimal gain for the controlled object model given the error variance included in the measured value of the input / output of the controlled object.

本発明によれば、カルマンフィルタは外乱要素を含む
モデルで表わされる。これは、本発明の制御対象とする
プロセスの制御を高い精度で行うために、プロセスに特
有の外乱を扱うことが不可欠であるとの観点による。こ
れに対し、従来のカルマンフィルタでは、入力はプラン
ト入力のような操作量など内容がわかっている信号以外
は、全てノイズとして扱われ、それもホワイトノイズと
して処理するようになっていたので、これをそのまま用
いると、プロセスの外乱を扱うことができず、制御が高
い精度で行われない。このため、本発明では、上記のよ
うにカルマンフィルタは外乱要素を含む、すなわち外乱
を入力として処理できるモデルで構成され、これに制御
対象の入力及び出力の計測値と外乱とを入力することに
より、プロセスの予測制御が高精度で実行される。
According to the present invention, the Kalman filter is represented by a model including a disturbance element. This is from the viewpoint that it is indispensable to handle a process-specific disturbance in order to control a process to be controlled according to the present invention with high accuracy. On the other hand, in the conventional Kalman filter, all inputs are treated as noise, except for signals whose contents are known, such as manipulated variables such as plant inputs, which are also processed as white noise. If used as it is, the disturbance of the process cannot be handled, and the control is not performed with high accuracy. Therefore, in the present invention, as described above, the Kalman filter includes a disturbance element, that is, is configured with a model that can process a disturbance as an input, and by inputting the measured values of the input and output of the control target and the disturbance to the model, Predictive control of the process is executed with high accuracy.

[実施例] 第1図は、本発明による予測制御装置の構成を示す。
この装置は、PV(プラント出力予測値)演算部11と制御
演算部21に分けられる。
Embodiment FIG. 1 shows a configuration of a prediction control device according to the present invention.
This device is divided into a PV (predicted plant output) calculation unit 11 and a control calculation unit 21.

PV演算部11は、後述のようにカルマンフィルタを用い
た状態観測器12と、カルマンフィルタゲインKを与える
ゲイン計算部13と、画面表示用予測値計算部14で構成さ
れ、その出力PV(予測値)はCRT15に送られて表示され
る。制御演算部21は、状態観測器12の出力(最適状態推
定値)Xから状態フィードバック用の予測値偏位ΔYを
生成する偏位生成部22と、その出力から所定の演算を行
なって制御信号CVを出力する制御信号生成部23で構成さ
れる。制御信号生成部23は、偏位ΔYと予め設定した設
定値SPに基づいて偏差を演算し、その結果と状態フィー
ドバックゲイン計算部24からのフィードバックゲインG
に基づいて制御出力CVを演算するものである。
The PV calculation unit 11 includes a state observer 12 using a Kalman filter, a gain calculation unit 13 for providing a Kalman filter gain K, and a screen display prediction value calculation unit 14 as described later, and its output PV (prediction value). Is sent to CRT15 and displayed. The control operation unit 21 generates a state deviation predicted value deviation ΔY for state feedback from the output (optimum state estimated value) X of the state observer 12, and performs a predetermined operation from the output to generate a control signal. The control signal generator 23 outputs a CV. The control signal generator 23 calculates the deviation based on the deviation ΔY and the preset value SP, and calculates the result and the feedback gain G from the state feedback gain calculator 24.
Is used to calculate the control output CV.

なお、本発明の予測制御装置は、第1図では1入力1
出力系で示されているが、後述のように多入力系に拡張
することができる。
It should be noted that the predictive control device of the present invention has one input
Although shown as an output system, it can be extended to a multi-input system as described later.

本発明によれば、第1図の状態観測器12には次のよう
なカルマンフィルタが用いられる。
According to the present invention, the following Kalman filter is used for the state observer 12 of FIG.

第2図に示すように、カルマンフィルタでは、プラン
トモデルによってプラント本来の動作を表現し、これか
ら求められる暫定的な推定プラント出力値と計測プ
ラント出力値とを比較し、その差(−)が計測
誤差であると考える。ここで、計測誤差には、単に計測
プラント出力値の計測誤差wだけでなく、推定プラン
ト出力値を求めるためのプラントモデル計算に用い
た計測プラント入力値の計測誤差vもある。従って、
ノイズフィルタとしては、この両方を考慮することが要
求される。
As shown in FIG. 2, the Kalman filter expresses the original operation of the plant by a plant model, compares a provisional estimated plant output value 0 obtained therefrom with a measurement plant output value, and finds the difference ( −0 ). Think of it as a measurement error. Here, the measurement error includes not only the measurement error w of the measurement plant output value, but also the measurement error v of the measurement plant input value used for the plant model calculation for obtaining the estimated plant output value 0 . Therefore,
A noise filter is required to consider both of them.

このカルマンフィルタは、次式で表わされる。 (k)=A(k−1)+BΔ(k) (1) (k)=C(k) (2) (k)=(k)+K((k)−(k))
(3) 但し、 Δ(k)=(k)−(k−1) (4) (k)=U(k)+v(k) (5) (k)=Y(k)+w(k) (6) 上式で、kはサンプリング数、Aはシステムパラメー
タ、Bはインパルス応答モデル、Cは観測ベクトル、K
はカルマンフィルタゲイン、U(k),Y(k)はそれぞ
れプラント入力、プラント出力の真値である。
This Kalman filter is represented by the following equation. 0 (k) = A (k−1) + BΔ (k) (1) 0 (k) = C 0 (k) (2) (k) = 0 (k) + K ((k) −0 (k))
(3) where Δ (k) = (k) − (k−1) (4) (k) = U (k) + v (k) (5) (k) = Y (k) + w (k) ( 6) In the above equation, k is the number of samples, A is a system parameter, B is an impulse response model, C is an observation vector, K
Is the Kalman filter gain, and U (k) and Y (k) are the true values of the plant input and plant output, respectively.

なお、第2図において、プラント入力及びプラント出
力はそれぞれスイッチング手段25,26により所定のサン
プリング周期でサンプリングされる。また、z-1はz変
換による遅延素子である。
In FIG. 2, the plant input and the plant output are sampled at predetermined sampling intervals by the switching means 25 and 26, respectively. Further, z -1 is a delay element based on z conversion.

カルマンフィルタでは、上記の計測誤差が一般的に平
均値0で且つ白色性(ホワイトノイズ)をもつことを利
用し、推定値に含まれる推定誤差(推定値と真値の差:e
=−Y)の2乗和が最小になるような、統計的な意味
での最適な状態推定値を計算する。
The Kalman filter utilizes the fact that the above measurement error generally has an average value of 0 and has whiteness (white noise), and uses the estimation error (the difference between the estimated value and the true value: e
= −Y) to calculate an optimal state estimate in a statistical sense that minimizes the sum of squares.

プラント入力値とプラント出力値のそれぞれの誤差v,
wの大きさは、それぞれの計測誤差分散として代表さ
れ、両者の分散値をパラメータとしてカルマンフィルタ
ゲインKが計算される。ここで、プラント出力値の計測
誤差wの影響は、その計測時一回限りであるが、プラン
ト入力値の計測誤差vは、プラントの動特性に伴なっ
て、その後もある期間影響を及ぼし続けることになり、
カルマンフィルタは、この将来値をも修正する。
The respective errors v,
The magnitude of w is represented as each measurement error variance, and the Kalman filter gain K is calculated using the variance values of both as parameters. Here, the influence of the measurement error w of the plant output value is one time only at the time of the measurement, but the measurement error v of the plant input value continues to exert an influence for a certain period after that along with the dynamic characteristics of the plant. That means
The Kalman filter also corrects this future value.

上記のカルマンフィルタの動作は、次の通りである。 The operation of the above Kalman filter is as follows.

まず、プラント入力の今回値(k)をカルマンフィ
ルタに入力し、プラントモデルを1サンプル進め(この
結果、位相遅れがなくなる)、(1)式に従って暫定的
な推定状態量(k)を求める。
First, the current value (k) of the plant input is input to the Kalman filter, the plant model is advanced by one sample (thereby eliminating phase lag), and a provisional estimated state quantity 0 (k) is obtained according to the equation (1).

次に、(2)式により今回予測されるプラント出力値
(暫定的な推定プラント出力値)(k)と、実際に
測定したプラント出力値(k)を比較し、その差をも
って(3)式により暫定的な推定状態量(k)を最
適修正し、最適推定状態量(k)を得る(この結果、
計測ノイズが低減される)。
Next, the plant output value (temporary estimated plant output value) 0 (k) predicted this time according to the equation (2) is compared with the actually measured plant output value (k), and the difference is expressed as (3) The provisional estimated state quantity 0 (k) is optimally corrected by the equation to obtain the optimal estimated state quantity (k) (the result is:
Measurement noise is reduced).

ここで、最適修正とは、最適修正ゲインであるカルマ
ンフィルタゲインKを用いることを意味する。カルマン
フィルタゲインKは、次式で与えられる。
Here, the optimal correction means using the Kalman filter gain K which is an optimal correction gain. The Kalman filter gain K is given by the following equation.

K=MCT(CMCT+W)-1 (7) M=A(1−KC)MCT+BVBT (8) 但し、Vはプラント入力の計測誤差分散、Wはプラン
ト出力の計測誤差分散、Mは誤差分散マトリクスであ
り、はマトリクスの転置を表わす。
K = MC T (CMC T + W) −1 (7) M = A (1−KC) MC T + BVB T (8) where V is the measurement error variance of the plant input, W is the measurement error variance of the plant output, M Is the error variance matrix, and T represents the transpose of the matrix.

従って、カルマンフィルタゲインKは、プラント入出
力の計測値に含まれる誤差分散V,Wが与えられれば、そ
のプラントモデルに最適なゲインとして一意に求められ
る。
Therefore, given the error variances V and W included in the measured values of the plant input / output, the Kalman filter gain K is uniquely obtained as the optimal gain for the plant model.

第3図は、上記のようなカルマンフィルタへの入力
(プラント入出力計測値,)から出力(プラント出
力推定値)を生成する演算過程をブロック線図で示
す。すなわち、プラント入力計測値は、プラントのイ
ンパルス応答モデルBへの入力となり、プラントダイナ
ミクスを生成する。そして、プラント出力計測値及び
インパルス応答モデルBからの出力計算値を使用し、カ
ルマンフィルタのゲインKを掛け合わせることにより、
プラント出力の最適推定値が得られる。
FIG. 3 is a block diagram showing a calculation process for generating an output (estimated plant output value) from the input (measured plant input / output value) to the Kalman filter as described above. That is, the plant input measurement value becomes an input to the impulse response model B of the plant, and generates plant dynamics. Then, by using the plant output measurement value and the output calculation value from the impulse response model B and multiplying by the Kalman filter gain K,
An optimal estimate of the plant output is obtained.

第4図は、プラント出力の最適推定値を将来予測値
PVとしてCRT画面に表示し、オペレータへのガイダンス
を与えるための演算過程を示す。
Fig. 4 shows the best estimate of plant output
The calculation process for displaying guidance on the CRT screen as PV and giving guidance to the operator is shown.

第5図は、状態フィードバック制御を行なうための予
測値偏位ΔYを演算する過程を示す。
FIG. 5 shows a process of calculating a predicted value deviation ΔY for performing state feedback control.

次に、第6図は、第1図の予測制御装置10を組み込ん
だプラント制御システムの例を示す。
Next, FIG. 6 shows an example of a plant control system incorporating the predictive control device 10 of FIG.

ここで、カルマンフィルタゲインKは、前述のように
プラント入出力の計測値のばらつき(誤差分散V,W)か
ら求められ、最適フィードバックゲインGは次式で求め
られる。
Here, the Kalman filter gain K is obtained from the variation (error variance V, W) of the measured value of the plant input / output as described above, and the optimum feedback gain G is obtained by the following equation.

G=(R+PTQP)-1PTQ (9) 但し、Pはプラント操作量(入力)Uにより生成され
るプラント出力Yの変化予測マトリクス、Q及びRは、
線形2乗最適制御則での最適なフィードバックゲインを
算出するときの出力重み係数である。実際上、Qはオペ
レータのチューニングパラメータとし、手動で調整でき
るものとする。Rはシステム内部で自動設定される。
G = (R + P T QP) −1 P T Q (9) where P is a change prediction matrix of the plant output Y generated by the plant operation amount (input) U, and Q and R are
It is an output weighting factor when calculating an optimal feedback gain in the linear square optimal control law. In practice, Q is a tuning parameter of the operator and can be adjusted manually. R is automatically set inside the system.

第6図の16はステップ応答モデル計算部で、ステップ
入力を与えてそれに対する制御系の応答をチェックする
ものである。
Reference numeral 16 in FIG. 6 denotes a step response model calculation unit for giving a step input and checking the response of the control system to the input.

また、プラント30は、予測制御装置10からの制御信号
CVによって制御されるフローコントローラ31、調節弁3
2、伝送器33、流れ分析計34等を含み、伝送器33及び分
析計34の出力がそれぞれプラント入力、プラント出力と
して予測制御装置10に供給される。フローコントローラ
31の入力部は、スイッチ35により、制御信号CVを入力す
るCAS(カスケード)端子とLSP(ローカルセットポイン
ト)を入力するAUT(自動)端子の一方に接続される。
Further, the plant 30 receives a control signal from the prediction control device 10.
Flow controller 31, control valve 3 controlled by CV
2. It includes a transmitter 33, a flow analyzer 34, and the like, and outputs of the transmitter 33 and the analyzer 34 are supplied to the predictive control device 10 as a plant input and a plant output, respectively. Flow controller
The input unit 31 is connected by a switch 35 to one of a CAS (cascade) terminal for inputting a control signal CV and an AUT (automatic) terminal for inputting an LSP (local set point).

以上の実施例は1入力1出力系であるが、本発明によ
れば、入力にプロセスの外乱を加えて多入力系に拡張さ
れる。これは、第2図のプラント入力部を第7図のよう
に多入力に変更するだけで実現できる。すなわち、複数
のプラント入力計測値の各々について前記(1)式のBm
Δ(k)(m=1,2,・・・)を演算し、それらの和を
とって推定状態量(k)を求める。
Although the above embodiment is a one-input one-output system, according to the present invention, the input is extended to a multi-input system by adding a process disturbance to the input. This can be realized only by changing the plant input section in FIG. 2 to multiple inputs as shown in FIG. That is, the each of the plurality of plants input measured values (1) of the B m
.DELTA. (K) (m = 1, 2,...) Are calculated, and their sum is calculated to obtain an estimated state quantity 0 (k).

第7図において、「プラント入力1」は第6図の「プ
ラント入力」であるが、「プラント入力2」及び「プラ
ント入力3」は制御対象プロセス(この場合、プラン
ト)の外乱とする。ここで入力する外乱は、ノイズと異
なり、プラントにおける生産量や原料の変更、圧力や温
度の変化などのように、予め把握されている物理量の変
動である。
In FIG. 7, “plant input 1” is “plant input” in FIG. 6, but “plant input 2” and “plant input 3” are disturbances of the process to be controlled (in this case, plant). The disturbance inputted here is different from noise, and is a change in a physical quantity that is grasped in advance, such as a change in a production amount or a raw material in a plant, a change in pressure or temperature, and the like.

更に、第7図の具体例として、第8図に2入力1出力
系のプラント制御システムを示す。これは、2入力とし
た予測制御装置に対する2番目のプラント入力としてプ
ロセス外乱を扱うことにより、予測制御の精度を向上さ
せ、フィードフォワード制御を行ったと同様の効果を得
ることができる。また、ステップ応答モデル計算部16に
も、2つのステップ入力が与えられる。
FIG. 8 shows a plant control system of a two-input one-output system as a specific example of FIG. By treating the process disturbance as the second plant input to the predictive control device having two inputs, the accuracy of the predictive control can be improved, and the same effect as that of the feedforward control can be obtained. The step response model calculation unit 16 is also provided with two step inputs.

以上、実施例について説明したが、本発明はこれに限
らない。例えば、本発明を実施する装置は第1図のよう
に各ブロック毎に構成できるが、各演算は1つのコンピ
ュータで実行可能である。また、各部の回路構成や計測
値等を表わす信号の形態も、対象とするシステムの構成
や機能に応じて任意に定めることができる。
The embodiment has been described above, but the present invention is not limited to this. For example, an apparatus embodying the present invention can be configured for each block as shown in FIG. 1, but each operation can be executed by one computer. Also, the circuit configuration of each unit and the form of a signal representing a measured value or the like can be arbitrarily determined according to the configuration and function of the target system.

[発明の効果] 上記のように、本発明では、状態観測器に外乱要素を
含むモデルで表わされるカルマンフィルタを用いて予測
とノイズフィルタリングとを同時に行なうようにしたか
ら、以下の効果が得られる。
[Effects of the Invention] As described above, in the present invention, the prediction and the noise filtering are simultaneously performed using the Kalman filter represented by the model including the disturbance element in the state observer, so that the following effects are obtained.

プラントの入力と出力の観測に伴なう入出力双方の白
色性ノイズが低減される。
Both input and output white noise associated with observation of the input and output of the plant is reduced.

ノイズフィルタリングと予測が同時に実現されるの
で、計算効率が良い。
Since noise filtering and prediction are realized at the same time, calculation efficiency is high.

ノイズフィルタリング後の推定(予測)値は、真値に
対して統計的な最適推定値であり、フィルタリングの意
義が明確である。
The estimated (predicted) value after noise filtering is a statistically optimum estimated value with respect to the true value, and the significance of the filtering is clear.

プラント入力の観測値に誤差が生じた場合、将来値に
対してもフィードフォワード的に誤差修正をかけること
ができる。
When an error occurs in the observed value of the plant input, the error can be corrected in a feedforward manner for the future value.

フィルタゲインの計算は、プラント入力とプラント出
力に伴なうノイズの分散によって一意に求められる(自
動的に計算される)ので、手間がかからない。
The calculation of the filter gain is uniquely determined (automatically calculated) by the variance of the noise accompanying the plant input and the plant output, so that it does not take much time.

フィルタリングの結果、ノイズに起因するコントロー
ラ出力の振動が低減される。
As a result of the filtering, the vibration of the controller output caused by the noise is reduced.

外乱要素を含むモデルで表わされるカルマンフィルタ
に制御対象プロセスの入力及び出力の計測値と外乱とを
入力することにより、精密な制御が可能になる。
By inputting the measured values of the input and output of the process to be controlled and the disturbance to a Kalman filter represented by a model including a disturbance element, precise control becomes possible.

従来の予測制御では、プラント入力に関して過去の時
系列データを蓄積しておく必要があるが、本発明ではそ
の必要はない。
In conventional predictive control, it is necessary to accumulate past time-series data on plant input, but this is not necessary in the present invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の予測制御を実施する装置の構成を示す
ブロック図、 第2図及び第3図は状態観測器に用いるカルマンフィル
タの演算過程を示す図、 第4図及び第5図はそれぞれ第3図のカルマンフィルタ
の出力から画面用の予測値及び状態フィードバック用の
予測値ΔYを演算する過程を示すブロック線図、 第6図は本発明を適用したプラント制御システムの構成
図、 第7図は第2図のプラント入力部を多入力に拡張した場
合を示す図、 第8図は2入力1出力の制御装置によるプラント制御シ
ステムの構成図、 第9図は従来の予測制御方式の例を示すブロック図、 第10図及び第11図は従来の方式による予測値を示すグラ
フである。 1……予測値生成部、2……制御信号生成部、 3……プラント出力観測部、 4……ノイズフィルタ、 10……予測制御装置、 11……PV演算部、12……状態観測器、 13……カルマンフィルタゲイン計算部、 14……画面表示用予測値計算部、 15……CRT、16……応答モデル計算部、 21……制御演算部、22……偏位生成部、 23……制御信号生成部、 24……状態フィードバックゲイン計算部、 25,26……スイッチング手段、 30……プラント。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an apparatus for performing predictive control according to the present invention, FIGS. 2 and 3 are diagrams showing a calculation process of a Kalman filter used for a state observer, and FIGS. 4 and 5 are respectively FIG. 3 is a block diagram showing a process of calculating a predicted value for screen and a predicted value ΔY for state feedback from the output of the Kalman filter in FIG. 3, FIG. 6 is a configuration diagram of a plant control system to which the present invention is applied, FIG. Is a diagram showing a case where the plant input unit of FIG. 2 is extended to multiple inputs, FIG. 8 is a configuration diagram of a plant control system using a 2-input 1-output control device, and FIG. 9 is an example of a conventional predictive control method. FIG. 10 and FIG. 11 are graphs showing predicted values according to the conventional method. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Prediction value generation part, 2 ... Control signal generation part, 3 ... Plant output observation part, 4 ... Noise filter, 10 ... Prediction control device, 11 ... PV calculation part, 12 ... State observer 13 Kalman filter gain calculation unit 14 Prediction value calculation unit for screen display 15 CRT 16 Response model calculation unit 21 Control calculation unit 22 Deviation generation unit 23 ... Control signal generator, 24 ... State feedback gain calculator, 25,26 ... Switching means, 30 ... Plant.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】制御対象プロセスの動特性を表現するモデ
ルと該制御対象プロセスへの入力から該制御対象の出力
予測値を演算し、その予測値に基づいて制御信号を出力
する予測制御装置において、 前記制御対象の状態観測器として、外乱要素を含むモデ
ルで表わされるカルマンフィルタを具備し、該カルマン
フィルタに前記制御対象の入力及び出力の計測値と外乱
とを入力することにより、前記予測値の演算とノイズ除
去を同時に行うように構成したことを特徴とする、工業
用プロセスの予測制御装置。
1. A prediction control device for calculating an output predicted value of a control target from a model expressing dynamic characteristics of a control target process and an input to the control target process, and outputting a control signal based on the predicted value. A Kalman filter represented by a model including a disturbance element as the state observer of the controlled object, and calculating the predicted value by inputting a measured value of input and output of the controlled object and disturbance to the Kalman filter. A predictive control device for an industrial process, wherein the predictive control device is configured to simultaneously perform noise reduction and noise removal.
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