JP2950513B2 - 統計的設定点バイアス制御方法および装置 - Google Patents

統計的設定点バイアス制御方法および装置

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  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は帰還制御装置に関し、より詳細には数値計算
された設定点を使用する帰還制御装置に関する。
背景技術 産業プロセス制御器は一般的に出力を制御して特定の
出力仕様に合致するように調整される。システムの特徴
が理想的に機能する場合には、制御器を理想的仕様に設
定すれば変動のない指定された出力が生じる。マテリア
ルハンドリングシステムはさまざまな理由により理想的
には作動せず、その結果システムからの出力に統計的な
分布が生じることが多い。統計的分布の高い方の結果と
低い方の結果との間に機能上の差異がない場合には、制
御器を統計的分布の中心に合致するように設定すればよ
い。
分布の高い方と低い方との間には機能上の差異が存在
することがある。分布の一方側が容認でき、他方側は容
認できない。例えば、化学反応は分布の高い側で発生し
て汚染物を生じ出力を損つたり、材料やエネルギー投資
が必要量を越えて資源を浪費することがある。出力分布
に重大な差異が存在する場合には、分布が仕様の好まし
い側にあり且つ仕様に対してある程度近い範囲内にある
ようにプロセスを制御する必要がある。
分布が公知で一定値を有する場合の簡単な解決方法
は、分布の中心が好ましい圏内に来るのに充分な量でし
かも非容認圏内に入る出力量が十分許容範囲内となるよ
うに仕様からオフセツトされたレベルヘプロセスを調整
することである。残念ながら、出力分布は一般的に公知
ではなく、時間と共に変り得る。さらに、制御にとつて
重要な特徴は対称的ではないかもしれない分布の中心で
はなく、製品の量や非容認圏内で生じる任意の製品の存
在であることもある。
本発明の要約 制御器の設定点を被制御変数の標準偏差や変動に関し
て仕様限界の好ましい側にバイアスすることにより被制
御変数の大部分の偏位が仕様限界の容認側に維持され
る。次に、観察される変動に出来る限り仕様限界を近づ
けることができる。次に、被制御変数を限界を越えるこ
となく仕様限界へ接近させることにより、被制御プロセ
スの利益や品質を最大限とすることができる。
図面の簡単な説明 第１図は統計制御プロセスの略図、第２図は好ましい
制御プロセスの略図である。
発明を実施する最適な形態 第１図は統計制御プロセスを使用した制御プロセスの
略図である。仕様限界30が受信されて好ましい出力状態
を定義する。次に、プロセス出力の誤差は仕様限界30の
高い側が好ましいか低い側が好ましいかに従つて、仕様
限界30は加算ブロツク50内のバイアス量40により増強も
しくは低減される。次に、バイアス量40だけオフセツト
された仕様限界30は制御器70の設定点60となる。
制御器70は測定変数90と呼ばれる測定特徴を有するプ
ロセス80へ影響を及ぼす。制御器70のゴールはプロセス
制御信号20によりプロセス80を測定変数が設定点60に等
しくなる状態、この場合には、測定変数90値の分布が仕
様限界30の好ましい側にオフセツトされる状態にするこ
とである。設定点60及び測定変数90は制御器に影響を及
ぼす制御信号を生じるのに使用される。一般的に、設定
点60と測定変数90との差は制御信号として使用される誤
差信号110として差ブロック100において計算される。誤
差信号110は制御器70へ与えられてプロセス80従つて測
定変数90に影響を及ぼす制御器の応答の方向とサイズを
指示する。プロセス80が感知されて測定変数90を生じ、
それは差ブロツク100へ戻されて誤差信号110を生じる。
測定変数90はさらにバイアス計算ブロツク120へ与え
られる。バイアス計算ブロツク120は測定変数90の分布
の統計測度、例えば、標準偏差を計算する。次に、統計
測度を一定の基準で適切に計ってバイアス量40を生成す
る。
さまざまな統計測度を作ることができる。標準偏差は
なじみ深く好ましい測度である。測定変数90の標準偏差
を計算するために、測定変数90の平均値をサンプル期間
について計算する。サンプル期間の長さはプロセス80の
性質、測定変数90のサンプリングレート及び求める信頼
度に従つて使用者が決定する。仕様限界30が一定値を有
し且つプロセス80がサンプリングレートに較べてゆるや
かに動いている場合には、あらゆる条件の元で一般的に
良好な統計が得られる。分布が変化する場合には、統計
を分布トレンドにより正規化し、且つプロセス80内の遅
延に対して補償しなければならない。
測定変数90の平均サンプル値はいくつかのサンプル値
の連続平均として計算することができる。使用者は平均
化されるサンプル数nsを選定する。nsにサンプルレート
trを乗じると有効サンプル期間が得られ、それは好まし
くは測定信号の閉ループ期間を越え、さらに好ましくは
プロセス80の容量に対応するように設定される。
サンプル平均、Save、はいくつかの方法で計算するこ
とができる。連続平均はns個の最も最近のサンプル値Si
を加算し且つ和をサンプルカウントnsで除算して計算す
ることができる。サンプルが付加されるごとに、最も古
いサンプル値S(i-ns-1)が除去されて、最も新しいサン
プル値Siが和に含まれる。和はサンプルカウントnsによ
り除算される。
また、重み付け時系列和、例えば、 を計算することもでき、全てのサンプル値Siが含まれる
が古いサンプルほど重み付けが軽くされる。時間tiはサ
ンプルSiの経過期間である。因数τはプロセス80、サン
プリングレート及び他のプロセス80の特徴に応じて使用
者が選択するサンプルカウントnsと類似の時定数であ
る。重み付け時系列は前に重み付けされた平均値に残り
のパーセンテージに現在のサンプル値を乗じたものを加
えて簡便に計算される。
Save＝（Ｘ％）（Sold）＋（100−Ｘ％）（Si） また、好ましい平均ではないが、ns個のサンプルを取
つてブロツクとして平均化するブロツク平均を計算する
こともできる。次のns個の値をブロツクとして使用して
次の平均値を計算する。出願者は連続平均の方を好む。
平均値Saveは現在のサンプル値Siから減算され、その
結果が二乗される、(Si-Save)2。次に、二乗された値が
いくつかのサンプルについて平均化される。ここでも、
二乗値の平均は記載されたいくつかの方法で計算するこ
とができる。サンプル平均と同様に二乗和を平均するの
が簡便である。ここでも、連続平均が好ましい。結果の
平方根が標準偏差となる。次に、測定変数90に要求され
る品質保証の程度に従つて標準偏差が一定の基準で決定
される。正規分布及び一つの標準偏差のオフセツトに対
しては、測定変数90の15.87％しか非容認圏内にあつて
はならず、２つの標準偏差のオフセツトに対しては出力
の2.28％しか非容認圏内にあつてはならず、３つの標準
偏差に対しては0.14％しか非容認圏内にあつてはならな
い。
測定変数90の分布の均一性を高めるために、部分群手
順を実施することができる。４個もしくはそれよりも多
いns個のサンプルの部分群を一群として平均化して部分
群サンプル値sgjを形成することができる。部分群サン
プル値sgjに統計的分析を実施する。従つて、計算され
る標準偏差は部分値sgjに対するものであり、次に部分
群内のサンプル数の平方根を乗じることにより個別のサ
ンプルSiの標準偏差へ変換する。
統計的に計算されるバイアスは設定点が分布の平均値
であるという想定の元で作用する。プロセスが非線型で
あれば、制御変数の分布はゆがんで統計的に不正確な結
果となる。設定点60及び測定変数90信号を補償して信号
を線型化し、その結果誤差信号110及び制御器の応答を
線型化することができる。次に、測定変数90の分布は強
制的に一層均一化される。しかしながら、測定変数90分
布曲線の平均値はもはや制御器70の設定点60とは一致し
なくなることがある。標準偏差の関数としてバイアス40
を設定することは完全には正確ではなく、測定変数90の
ゆがみの程度に応じて不正確となる。
別の方法及び装置は積分器を使用して、測定変数と仕
様限界間の選定％を越える積分領域が仕様限界の非容認
側に来ることがないように設定点を位置決めする。積分
器の利得は測定値が仕様限界の容認側にある場合よりも
非容認側にある場合に高くなるように重み付けされてい
る。利得は所望の積分領域比に比例して重み付けされて
いる。
第２図は好ましい制御領域バイアス制御プロセスの略
図を示す。仕様限界210は積分器ブロツク220により受信
される。概括的に言えば、積分器ブロツク220は仕様限
界210と測定信号230との差に応動する。差が増大する
と、積分器ブロツク220の応動性が高まる。積分器ブロ
ツク220はまた差の持続時間にも応動する。差の持続時
間が増大すると、積分器ブロツクの応動性も高まる。
積分器ブロツク220は利得係数にも応動する。測定信
号230と作用して積分器ブロツク220へ利得信号を与える
独立した利得ブロツクを使用することもできる。出願者
は積分器ブロツク220内に利得発生プロセスを含むもの
を好む。簡単で好ましい形状の利得発生手段は２つの状
態の一方について測定信号230を調べる。測定信号230が
測定分布の好ましい側にある場合には、利得信号は低
い。測定信号230が仕様限界210の非容認側にある場合に
は、利得信号は高い。好ましくは、低利得と仕様限界の
好ましい側に求められる出力部分との積は高利得と分布
の非容認側に来ることができる出力部分との積に等し
い。例えば、分布の97％が容認圏内に求められ、３％が
非容認圏内に入ることができる場合には、低利得を97倍
したものが高利得信号の３倍に等しくなければならな
い。概念的に、好ましい積分器ブロツク220は仕様と測
定量間の領域を積分し、非容認側の領域が大きく見える
ように結果を重み付けする。好ましい積分器ブロツク22
0は２状態（高低）利得関数に従つて仕様限界210と測定
信号230との差を積分する。次に、積分器ブロツク220は
設定点信号240を出力する。
設定点信号240は設定点関数ブロツク250内で線型化し
て線型化設定点信号260を生成することができる。設定
点信号240または線型化設定点信号260は、場合によつて
は差ブロツク270において測定信号230と結合されて誤差
信号280を生じる。誤差信号280はプロセス制御信号120
により測定特徴を有するプロセス300に作用する制御器2
90へ与えられて測定信号230を生じる。測定信号230は測
定関数ブロツク310において線型化して、線型化測定信
号320を生成することもできる。大概の場合、設定点240
は関数ブロツク250において線型化され、差ブロツク270
において結合される２つの信号が匹敵するように測定信
号230が線型化される。
本発明の実施例について説明してきたが、同業者であ
れば請求の範囲に示された本発明の範囲から逸脱するこ
となく、さまざまな変更や修正を行えることと思う。例
えば、統計測度をさまざまに組合せたり公式化すること
ができる。異なる統計モーメント、立方もしくは高次、
を採用したり対応する高次モーメントの根を採用するこ
とができる。正規分布以外の異なる測定変数分布を使用
もしくは想定することができる。計算及び信号プロセス
はデジタルもしくはアナログ装置により実施することが
でき、同業者に公知の範囲内のハードウエアにより直接
実施することもできる。

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも一つの仕様限界（210）を用い
    て、設定点制御により所望の制御方向にプロセス（30
    0）を制御するプロセス制御装置であって、該装置は、 ａ）前記プロセス（300）の特徴を表す測定信号（230）
    を得る手段と、 ｂ）前記仕様限界（210）と前記測定信号（230）との差
    に係わる第１の制御信号（260）と前記測定信号（230）
    に係わる第２の制御信号（320）とを生成する手段（22
    0,250,310）と、 ｃ）前記第１の制御信号（260）と前記第２の制御信号
    （320）とを用いて誤差信号（280）を生成する手段（27
    0）と、 ｄ）前記誤差信号（280）に応答して前記プロセス（30
    0）を制御するためのプロセス制御信号（120）を生成す
    るプロセス制御器（290）と、を備え、前記第１、第２
    の制御信号を生成する手段（220,250,310）は、前記測
    定信号（230）と前記仕様限界（210）との差を２状態利
    得関数により積分する積分器（220）を含むことを特徴
    としたプロセス制御装置。
  2. 【請求項２】請求項１のプロセス制御装置において、前
    記積分器（220）は、前記仕様限界（210）の非容認側に
    おける前記測定信号（230）の積分領域が、前記仕様限
    界（210）の非容認側において許容される前記測定信号
    （230）の所定の分布割合以下に保たれるように設定点
    信号（240）の位置決めを行うことを特徴としたプロセ
    ス制御装置。
  3. 【請求項３】請求項２のプロセス制御装置において、前
    記２状態利得関数は、前記測定信号（230）が前記仕様
    限界（210）の容認側に在る時は第１の利得を有し、前
    記測定信号（230）が前記仕様限界（210）の非容認側に
    在る時は第２の利得を有することを特徴としたプロセス
    制御装置。
  4. 【請求項４】請求項３のプロセス制御装置において、前
    記第１の利得の前記第２の利得に対する比は、前記仕様
    限界（210）の容認側に求められる前記測定信号（230）
    の分布割合の前記仕様限界（210）の非容認側に許容さ
    れる前記測定信号（230）の分布割合に対する比に逆比
    例することを特徴としたプロセス制御装置。
  5. 【請求項５】請求項１のプロセス制御装置において、前
    記第1,第２の制御信号を生成する手段（220,250,310）
    は、前記第１の制御信号（260）を線形化された設定点
    信号として前記誤差信号を生成する手段（270）に提供
    する第１の関数ブロック（250）と、前記第２の制御信
    号（320）を線形化された測定信号として前記誤差信号
    を生成する手段（270）に提供する第２の関数ブロック
    （310）とを含むことを特徴としたプロセス制御装置。
  6. 【請求項６】請求項３のプロセス制御装置において、前
    記第２の利得は前記第１の利得より高いことを特徴とし
    たプロセス制御装置。
  7. 【請求項７】請求項１のプロセス制御装置において、前
    記積分器（220）の応動性は、前記仕様限界（210）と前
    記測定信号（230）との差が増大すると、高まることを
    特徴としたプロセス制御装置。
  8. 【請求項８】請求項１のプロセス制御装置において、前
    記積分器（220）の応動性は、前記仕様限界（210）と前
    記測定信号（230）との差の持続時間が増大すると、高
    まることを特徴としたプロセス制御装置。
  9. 【請求項９】少なくとも一つの仕様限界（210）を用い
    て、設定点制御により所望の制御方向にプロセス（30
    0）を制御する方法であって、該方法は、 ａ）仕様限界（210）を受信する段階と、 ｂ）２状態利得関数を有する積分器を用いて、前記プロ
    セス（300）の特徴を表す測定信号（230）が前記仕様限
    界（210）の容認側に在る時は第１の利得で前記仕様限
    界（210）と前記測定信号（230）との差を積分し、前記
    測定信号（230）が前記仕様限界（210）の非容認側に在
    る時は第２の利得で前記仕様限界（210）と前記測定信
    号（230）との差を積分して設定点信号（240）を生成す
    る段階と、 ｃ）前記設定点信号（240）と前記測定信号（230）から
    誤差信号（280）を発生する段階と、 ｄ）前記誤差信号（280）に係わるプロセス制御信号（1
    20）により前記プロセス（300）を制御する段階と、 ｅ）前記プロセス（300）の特徴を測定して前記測定信
    号（230）を生成する段階と、 を含むことを特徴とする前記方法。
  10. 【請求項１０】請求項９のプロセスを制御する方法にお
    いて、前記第２の利得は前記第１の利得より高いことを
    特徴とする前記方法。
  11. 【請求項１１】請求項10のプロセスを制御する方法にお
    いて、前記第１の利得の前記第２の利得に対する比は、
    前記仕様限界（210）の容認側に求められる前記測定信
    号（230）の分布割合の前記仕様限界（210）の非容認側
    に許容される前記測定信号（230）の分布割合に対する
    比に逆比例することを特徴とする前記方法。
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