JP2680159B2 - 制御システムにおける表示方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、プラント等の制御システムで使用される表
示方法に関する。

［従来の技術］ 最近、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。

予測制御の特徴を要約すると、コントローラの内部に
対象プラントの動特性を数学的に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への入力から算
出されるプラント出力の将来値を予測し、その予測値に
基づいてコントローラ出力を計算する。

このような予測制御方式では、制御対象に応じて数学
モデルを切り換える必要があり、特にプラント立上げ後
の初期調整の段階では、モデルの改変をしばしば行うこ
とが予想される。

しかし、数学モデルは単にモデルのみを変更すれば良
いというものでなく、それに伴なってノイズフィルタの
ゲインやフィードバックゲイン等の設定計算をやり直
し、再設定するという一連の作業を行わなければならな
い。また、シミュレーションを必要とする場合もある。

現在の計装制御システムでは、これらの計算自体は自
動的に行われるが、計算の開始やコントローラへの設定
は、全て人間の意志及び確認のもとで行われる。なぜな
ら、ノイズフィルタやフィードバックゲイン等の要素
は、種々の外的要因やユーザーの意志（希望）のもとに
設計されるからである。

例えば、ノイズフィルタの設計には、計測器の性能や
ノイズの大きさが関係し、フィードバックゲインの設計
には、モデル化されていない外乱、より速く設定値に近
づけたいとかオーバーシュートは許されないといった制
御仕様を考慮する必要がある。

人間による上記の作業は全て、CRT画面を通して行う
ことができるが、これらの作業を順序正しく行わないと
コントローラが期待通りの性能を発揮しないことに鑑
み、従来は次のような２つの方法のいずれかで画面表示
をするようにしていた。

作業フローを示す画面、図等を別途作成し、随時こ
れを参照できるようにする。

一連の作業をプログラム上でシーケンシャルな処理
として組む。

［発明が解決しようとする課題］ の方法によれば、作業の際どの処理にするかはオペ
レータに任されており、実際、処理画面で前後関係を強
制するようなことはなく、オペレータは全ての処理項目
に自由にアクセスすることができる。従って、扱いに慣
れたオペレータには、画面上でデータを確認したり予め
ゲイン計算を行うという使い方も可能である。一方、不
慣れなオペレータは、作業フローの画面を参照すること
により、次になすべき作業を確認できる。

しかしながら、作業フローの画面を呼び出す際に現在
の画面は消えてしまうので、どこまで作業が進んでいる
か分からなくなることがある。そこで、全ての画面に作
業フローを組み入れることも考えられるが、画面がその
ためのスペースをとられて狭くなり、扱いにくくなる。
また、画面の種類によっては、作業フローを組み入れる
余裕がなく、本来１つであるべき画面を複数に分割しな
ければならないという問題点があった。

一方、の方法によれば、作業手順についてオペレー
タが介入する余地はなく、作業は全て定められた手順で
進行することになる。従って、不慣れなオペレータには
便利であるが、運用上の小回りがきかず、作業効率が低
下する。また、当初予定されていなかった作業手順には
対応できなくなる場合も生じる。更に、万一いずれかの
処理が不良の場合、それ以降の処理が行えないという事
態も生じるので、処理を機能的に分散して危険回避を図
ったにもかかわらず、その効果が活かされないという問
題点があった。

本発明の目的は、予測制御システムのプラント立上げ
時などにしばしば要求されるモデル改変のためのフィル
タゲインやフィードバックゲイン等の計算、再設定、シ
ミュレーション等の作業を誤りなく迅速に行うために、
表示画面上での作業の際、オペレータが行うべき作業を
単に知らせるだけでなく、操作可能な作業項目として表
示すると共に、作業の内容（例えばパラメータの設定）
は全てオペレータの判断に任せるようにして、オペレー
タが作業の手順に気を使うことなく作業に集中でき、且
つ表面画面を別の画面に切り換えられるようにして作業
に自由度を持たせた、制御システムにおける表示方法を
提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、制御対象の動特性を表わすモデルと該制御
対象への入力が計算される出力を予測し、その予測値に
基づいて制御信号を生成する予測制御システムにおい
て、制御に必要な一連の作業をオペレータに行わせるた
めの作業項目を画面に表示する表示手段を備えた制御シ
ステムにおける表示方法であり、一連の作業において予
測値の計算に用いられるパラメータの設定等の各処理毎
に定められた画面を表示し、各画面上でオペレータが操
作可能な作業項目を他の表示項目と区別して表示すると
共に別の画面を選択可能とし、上記操作可能な作業項目
についてオペレータの操作を検出したとき、次に操作可
能な作業項目をオペレータに指示する一方、別の画面が
選択されたときは、その選択操作を行った画面の表示を
初期化することを特徴とする。

［作用］ 本発明によれば、予測値の計算に用いられるパラメー
タの設定等の各処理毎に定められた画面が表示される。
各画面上では、オペレータが操作可能な作業項目が順
次、或いはオペレータの操作を検出する毎に、他の表示
項目と区別して表示される。これにより、オペレータは
操作可能な作業項目を識別して選択操作できる。また、
他の表示項目を誤って選択しても、それは操作可能な作
業項目でなく、作業不良は生じない。従って、オペレー
タは作業の手順に気を使うことなく、画面の表示に従っ
てデータ入力、設定等の作業内容を的確に実行できる。

また、画面に表示された作業項目についての操作の他
に、別の画面を選択する操作も可能であり、それが選択
された時には、その選択操作を行った画面の表示を初期
化する。つまり、表示画面でのそれまでの設定を自動的
にキャンセル（無効に）する。従って、オペレータが処
理を中断したい場合は、別の画面を選択する操作を行う
だけでよい。

［実施例］ 第１図は、本発明に従って表示される画面の例を示
す。ここでは、後述の予測制御コントローラ10で行われ
るモデル入力、フィルタゲインとフィードバックゲイン
の計算、及びシミュレーションの各処理毎に画面を設
け、各処理内で必要とされる作業をまとめる。

各表示画面の内容は、次の通りである。

（Ａ） メニュー画面 後述の制御プロセス（プラント）30の入力、外乱、出
力計算ポイントを表示する。

コントロールに関連する各ポイントのACTIVE/INACTIV
E（可／不可）を表示する。

以下の各関連画面へ展開する。

（Ｂ） オンライン監視画面 後述する予測制御コントローラ10による予測値PV、設
定値、制御信号出力のトレンドグラフ及び将来のPVを折
れ線で表示することにより、コントローラ10の動作状況
を監視できる。

コントローラ設定値（パラメータ）の設定及びコント
ロールの入／切を行う。

（Ｃ） モデル入力画面 プラントモデルのステップ応答を表示する。

ステップ応答の計算及び設定を起動する。

この画面での設定／計算要求に応じて後述のモデル計
算部16が動作し、インパルス応答をコントローラ10に設
定（入力）する。

（Ｄ） フィルタゲイン入力画面 フィルタゲインの値を表示する。

誤差分散入力により、後述のカルマンフィルタゲイン
Ｋの計算開始／停止を行う。

この画面での設定／計算要求に応じて後述のフィルタ
ゲイン計算部13が動作し、フィルタゲインをコントロー
ラ10に設定（入力）する。

（Ｅ） フィードバックゲイン入力画面 後述のフィードバックゲインＧの値を表示する。

重み係数入力によりフィードバックゲイン値の計算及
び設定を起動する。

この画面での設定／計算要求に応じて後述のフィード
バックゲイン計算部24が動作し、フィードバックゲイン
をコントローラ10に設定（入力）する。

（Ｆ） シミュレーション画面 任意のコントローラパラメータのデータをシミュレー
ション計算部17へコピーする。

フィードバックゲイン計算の起動及びシミュレーショ
ンの起動を行う。

シミュレーションの結果を表示する。

この画面での計算要求に応じてシミュレーション計算
部17及びシミュレーション用フィードバックゲイン計算
部18が動作し、シミュレーション計算部17にシミュレー
ション用フィードバックゲインを設定すると共に、コン
トローラ10からのパラメータデータをコピーしてシミュ
レーションを行う。

次に、第２図に示すモデル入力画面を例として、表示
画面の具体的な構成を説明する。

第２図において、はモデルのステップ応答の計算結
果値を示すグラフであり、その値はステップ応答のデ
ータ部に表示される。グラフにおいて、はグラフレ
ンジ、は現在のコントローラ制御周期を示す。はコ
ントローラの動作状況を示すもので、ACTIVE/INACTIV
E、モデルステイタス及びMODEを表示する。また、この
処理で必要とされる作業項目として、「計算」及び
「投入（設定）」が表示される。ここでの計算に用いら
れるパラメータは、制御周期、時定数及び減衰比であ
る。

この表示画面上での操作は、次の通りである。

まず、モデルのステップ応答の設定は、「ステップ
応答」をタッチするとチェンジゾーンが開くので、その
中の各データ部をタッチし、キーボードから計算に必要
な値を投入することによって行われる。ステップ応答グ
ラフのレンジ変更も、データ部をタッチし、キーボー
ドから値を投入することにより行われる。

制御周期の設定は、「制御周期」をタッチすると制
御周期入力画面が表示されるので、その画面のデータ部
をタッチし、キーボード操作で制御周期（分）を投入す
ることにより行われる。なお、制御周期は、コントロー
ラポイント周期の整数倍であることが要求されるが、計
算ターゲットタッチにより整数倍に計算される。

時定数の入力は、「時定数入力」をタッチすると時
定数入力画面が表示されるので、その画面のデータ部を
タッチし、キーボード操作でプラントゲイン、１次遅れ
（分）、２次遅れ（分）及びむだ時間（分）を投入する
ことにより行われる。

減衰比の入力は、「減衰比入力」をタッチすると減
衰比入力画面が表示されるので、その画面のデータ部を
タッチし、キーボード操作でプラントモデル減衰比及び
入力次数を投入することにより行われる。

計算の起動は、「計算」をタッチすることで実行さ
れる。制御周期入力画面の表示中は制御周期が、時定数
入力画面又は減衰比入力画面の表示中はステップ応答
が、それぞれ計算される。

設定の起動は、「投入」をタッチすることで実行さ
れる。制御周期入力画面の表示中は制御周期が、時定数
入力画面又は減衰比入力画面の表示中はインパルス応答
が、それぞれコントローラに設定される。但し、制御周
期は、コントローラが“INACTIVE"でなければ設定され
ない。

他の画面、例えばコントローラ画面、フィードバック
ゲイン入力画面への展開は、それぞれ「コントローラ
ディスプレイ」、「ゲインＧ入力」をタッチすること
により、実行される。

第３図は、実施例の処理シーケンスと画面表示を示
す。これは、タッチスクリーン上での表示であり、以下
の順序で行われる。

（１） 画面呼出しで初期化 前の表示画面で別の画面が選ばれた場合には、その選
択操作を行った画面（前の表示画面）の表示を初期化す
る。初期化した画面の表示データベースにメニュー画面
で選択された［TAG NO."（制御対象の各ポイントのID番
号）をセットする。

（２） データ（再）投入の検出 オペレータがキーボードからデータ（パラメータ値）
を入力すると、それを計算バッファに格納する。

（３） オペレータに対して次にすべき作業（計算指
令）の要求 キーボードからの入力を検出すると、操作可能な作業
項目をオペレータに指示するために、画面の「計算」
（第２図においてで示されている）指令ターゲットを
点滅表示する。

（４） オペレータに作業終了報告 プログラムによる計算処理終了後メッセージを出力
し、点滅表示を全輝度表示にする。

（５） オペレータに対し次にすべき作業（設定指令）
の要求 計算終了を検出すると、次に操作可能な作業項目をオ
ペレータに指示するために、画面の「投入」（第２図に
おいてで示されている）指令ターゲットを点滅表示す
る。

（６） オペレータに作業終了報告 プログラムによる設定処理終了後メッセージを出力
し、点滅表示を全輝度表示にする。

（７） 次に必要となる処理の表示 設定終了後、必要な関連操作のメッセージ（例えば
「Ｇ再計算」）を出力する。

上記の処理手順によれば、オペレータは、表示画面上
で一度データを変更すると、それ以後は表示画面の次々
と点滅する部分にタッチすることにより、通常の各処理
について作業を進めることができる。すなわち、この実
施例では、必要な作業が順次、或いはオペレータの操作
を検出する毎に、画面上で操作可能な作業項目を示す部
分を点滅することにより、他の表示項目と区別して表示
する。これにより、オペレータは操作可能な作業項目を
識別して選択操作でき、また、画面上の他の表示項目を
誤って選択しても、それは操作可能な作業項目でなく、
作業不良は生じない。

このような画面での処理の最後に、次に呼び出すべき
処理画面のガイダンス表示が現われる。

また、オペレータが処理を中断したい場合は、第３図
に破線で示すように、上記（１）〜（７）のいずれにお
いても他の画面に切り換えればよく、それにより、その
選択操作を行った画面の表示が初期化される、すなわ
ち、表示画面でのそれまでの設定が自動的にキャンネル
（無効に）されるので、オペレータは、別の画面を選択
する操作を行うだけでよい。

第４図は、第１図に示された予測制御コントローラ10
の構成を示す。このコントローラは、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。

PV演算部11は、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。

ここで、カルマンフィルタゲインＫは、プラント入力
Ｕ及びプラント出力Ｙの計測値のばらつき（誤差分散）
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。

Ｇ＝（Ｒ＋Ｒ^TQP）^-1Ｐ^TＱ 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パラ
メータである。

一方、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Δ
Ｙ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。

このコントローラ10は、第１図に示すプラント30の制
御装置として用いられる。コントローラ10には、上記の
表示画面上での操作により、フィルタゲイン計算部13に
よるカルマンフィルタゲインＫと、フィードバックゲイ
ン計算部24によるフィードバックゲインＧのほか、モデ
ル計算部16によるインパルス応答モデル入力が与えら
れ、それによって制御系の応答がチェックされる。

プラント30は、コントローラ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32、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コ
ントローラ10に供給される。

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、予測制御以外の制御システムにも使用
できる。また、各表示画面に構成やその内容も、対象と
するシステムの構成や機能に応じて任意に定められる。

［発明の効果］ 上記のように、本発明によれば、予測値の計算に用い
られるパラメータの設定等の各処理毎に定められた画面
が表示されるが、各画面上では、オペレータに作業項目
を単に提示するだけでなく、オペレータが行うべき作業
を操作可能な作業項目として他の表示項目と区別して表
示するので、オペレータは各画面での作業の際に必要な
作業項目を確実に選択することができ、操作の誤りによ
る作業不良を防止すると共に、オペレータが作業の手順
に気を使うことなく作業内容に集中できる。また、別の
画面を選択する操作も可能であり、それが選択された時
には、その選択操作を行った画面の表示を初期化するの
で、オペレータが処理を中断したい場合は、別の画面を
選択する操作を行うだけでよく、分散制御システムにお
ける機能分散の利点を活かしつつ自由度を持った制御が
可能となる。

従って、予測制御システムでの作業に必要な操作に不
慣れなオペレータであっても安心して制御を行うことが
できると共に、熟練したオペレータにとっても面倒な手
順がなくなる。

特に、予測制御システムにおいてパラメータの設定な
どが操作対象になると共に、プラント立上げ時などにし
ばしば要求されるモデル変更に柔軟に対応することがで
きる。すなわち、モデル改変のためのフィルタゲインや
フィードバックゲイン等の計算、再設定、シミュレーシ
ョン等の作業を、オペレータが作業手順に気を使わなく
ても、本発明に従って表示される画面を通して順序正し
く且つ迅速に行うことができ、ユーザーの希望に合致し
た予測制御が実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従って表示される画面と制御システ
ムの構成を示す図。 第２図は、モデル入力画面の具体的構成を示す図。 第３図は、表示画面上での表示シーケンスの一例を示す
図。 第４図は、本発明の方法を実施するコントローラの構成
を示すブロック図。 10……コントローラ、11……PV演算部、12……状態観測
器、13……フィルタゲイン計算部、14……予測値計算
部、15……CRT、16……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……
フィードバックゲイ計算部、30……プラント。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】制御対象の動特性を表わすモデルと該制御
   対象への入力から計算される出力を予測し、その予測値
   に基づいて制御信号を生成する予測制御システムにおい
   て、制御に必要な一連の作業をオペレータに行わせるた
   めの作業項目を画面に表示する表示手段を備えた制御シ
   ステムにおける表示方法であって、 前記一連の作業において前記予測値の計算に用いられる
   パラメータの設定等の各処理毎に定められた画面を表示
   し、各画面上でオペレータが操作可能な作業項目を他の
   表示項目と区別して表示すると共に別の画面を選択可能
   とし、前記操作可能な作業項目についてオペレータの操
   作を検出したとき、次に操作可能な作業項目をオペレー
   タに指示する一方、前記別の画面が選択されたときは、
   その選択操作を行った画面の表示を初期化することを特
   徴とする表示方法。