JP3133061B2 - 連続流動法の制御における体積および流量の変動を検討するための方法および装置 - Google Patents

連続流動法の制御における体積および流量の変動を検討するための方法および装置

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    • G05D11/131Controlling ratio of two or more flows of fluid or fluent material characterised by the use of electric means by measuring the values related to the quantity of the individual components
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、制御弁同様アクチュエータの操作でその他
のプロセス量を制御するために制御されるべき方法の物
質体積および質量流において生ずる変動を検討する制御
方法に関するものである。本発明は、また上記方法を実
行するための装置に関するものである。
背景技術 処理物質の瞬間状態を表す濃度またはその他の量の制
御において、処理に含まれる物質量の変動および物質流
の変動は、作業タスクを困難にする。連続流の変動を観
測するための方法およびそれを実行するための装置につ
いては、古くから開示されており、それらは、フィンラ
ンド特許59,494、英国特許2,051,424および米国特許4,3
58,821を受けている。上記特許においては、流量の共通
の撹乱および変動ならびにそれらの観測を通して得られ
た利点が例を挙げて記載されている。開示された方法に
おいては、プロセス物質体積は、一定であると考えら
れ、それにより、その可能な変動、それによって生ずる
撹乱は無視され、その他のプロセス量の制御における変
動は包含されていない。したがって、上記方法に基づい
ては、さらに良好な制御を行うために物質体積をどのよ
うに変動させてよいかは明瞭に決断しかねるものであ
る。
しかしながら、物質量、例えば、液体の体積は、工業
設備において変動することが多い。この典型的な例は、
流入物質の質および流量の両者における変動を低減する
ための緩衝容器である。このような場合、流入濃度以外
に物質体積および流量が流出溝において濃度に影響を及
ぼす。
可変体積の生産工程制御器は、実施において生ずる最
悪の場合に備える必要がある。例えば、本工程が、本質
的に体積に依存する時間遅延を示す場合には、濃度のフ
ィードバック制御器は、実施の際の最大体積に備えてお
く必要がある。このことは、制御が悪くなり、制御ルー
プが振動状態にはいるので、体積が同調状態下における
体積より大きくなれば、しかりである。
本出願人は、可変体積が物質の性質に制御に組み込ま
れたという例を知らないし、体積および流量の両者が組
み込まれたという例も聞いていない。このような制御シ
ステムは、例えば、従来の制御構成部分により本システ
ムが、例えば、継続制御ループからなるように構成する
ことも可能である。しかしながら、このような制御器
は、制御パラメータがそれらの最適値から常時偏位して
いるので、その操作が不正確になるものと考えられる。
発明の開示 したがって、本発明の目的は、プロセス体積と流量と
の変動を検討するプロセス制御方法および装置を提供す
ることである。本発明は、従来公知の制御方法および装
置を拡張したものであり、上記特徴を具備するものであ
る。その主要な特徴は、添付の請求の範囲から明らかで
ある。特に、フィードバック制御に使用される装置は、
代表的には、比例、積分および微分制御器であってもよ
く、それにより、体積および流量が変動しても等しく通
電負荷し、体積および流量を定常値に保つという点にお
いて、従来のPID制御器を改良し、従来のPID制御器を具
備したループの操作において、それらが制御器の同調状
態に相当する定常値から偏位するとその操作が悪くなる
という欠点を除去したものである。
方法の記載 本発明の基礎は、液体体積の変動で、流入および流出
流量、あるいはこれらの少なくとも一種が変動する必要
があるという事実を観測したことに基づくものである。
したがって、容器の濃度動力学は、明らかに体積に依存
しない。これにしたがって、流出濃度の制御は、少なく
とも2種の撹乱量を検討する必要があり、流入濃度は、
制御量と考えられる。このことは、従来公知の方法では
可能でなかった。
可変流量ではなく一定体積のプロセス制御を目的とし
た従来の特許に従う制御器とは異なり、このような単一
の変数は、全ての流れ特性のモデル化に適合し、濃度過
程の重量関数として用いることのできる相互に独立した
値の差を有する体積の変動で指摘することはできないも
のである。流れ特性の少なくとも一般的性質は、公知で
ある必要があり、以下に従う必要がある。すなわち、流
速の有限分布を有する容器の制御についてまず記載し、
しかる後、完全な混合容器の制御について記載しよう。
多くの容器において、液体要素の運動の速度は、有限
な平均値の両側に分布する。流れのパターンが不変で、
液体の平均軸方向相対置換xav/L、すなわち、時間間隔
ν<tにおける容器の軸長Lに比例する平均置換xav
は、運動の平均速度に依存し、したがって、総流量Qお
よび体積に依存することが示されている〔A.J.Niemi,ma
thl comput,modelling 11(1988)pp.32−37〕。以下の
結果は、体積V(t)の変動が軸方向、軸方向に垂直な
方向または同時にあらゆる方向に進行する場合に適用さ
れる。
運動速度が分布すれば、それに対応する相対分布x/xa
vは、各時間tにおいて量xav/Lに依存することが上記
引例において示された。更に、流入時間νと流出時間と
の間の長さLの容器内の液体滞留は、同様の量(1)に
依存し、これは、以下においてzで表される。
多数の工業的連続流動法が、この変数に基づく、滞留
時間分布p(z)により記載することができ、それによ
り、明白な時間変動が、前記記載から除去される。この
種の処理例プラグフローおよび層流があり、さらにガウ
スの流速速度分布、ならびに、ある種の条件において
は、拡散フロー容器が挙げられる。前記記載は、相対的
速度プロフィールが、種々の断面で異なるこうした任意
流動パターンの容器、特に容器端の近傍においてではな
く、個々の断面において、連続的に不変となるこうした
容器に一般化することができる。こうした処理は、閉鎖
数学モデルを必要とせず、その流動パターンは、例え
ば、代表的な滞留分布が、例えば、実験および測定を通
して数字的に知られていてもよい。
プロセスの滞留時間分布およびzで表されるその滞留
分布は、その他の一般条件が満たされている仮定する
と、流れのパターンは、不変で、ここで単一化されない
変数およびパラメータは、一定であり、濃縮工程の重量
関数でもある。したがって、本プロセスの流出濃度は、
これらの助けを借りて、前記分布が理論的または論理的
推論あるいは実験または測定に基づいて知られていれ
ば、原理的に算出することができる。しかし、こうした
コンピュータ演算をどのように行うかを直接理解するこ
とはできない。
3つの変数、すなわち、体積、入り口流量および出口
流量のうち、2つは、自由に変動させることができ、残
る1つは、それらによって決定する。本発明の方法にお
いて、前記量2つを連続的または反復的に測定する。測
定される変数が、体積および入口流量である場合には、
変数zの値は、各ペア(t,ν)に対して決定することが
でき、さらに、時間t(z)における出口濃度Cの値を
入口濃度Cin(i=1)に基づいて決定することもでき
る。
式2において、zは、その2つの関数の差としてあら
わされる。
η=固定開始時間 式(2)および(3)も出口濃度のコンピュータ演算
に適用可能である。一変数の関数である単一関数pを、
Cin、QinおよびVの測定値の関数以外は、メモリーに記
憶させるだけで十分である。特に、モデル(2)を使用
する場合、低減方向に一定増分を有するζ1に関して積
分を行う。それにより、時間の対応増分は、式(5)さ
らには、これらの増分によるνから得られる。一方、対
応するCin[=Cin(ζ1)これは上記相互に識別されて
いない]は、メモリーから読み取られるか、補間発振さ
れる。積分は、時間がもはや本質的に結果に影響を及ぼ
さない程非常に小さい値となると完了する。
プロセスモデルについての上記考察は、必要であっ
た。何故ならば、本発明に従うフィードフォワード制御
方法は、それを利用するものであるからである。プロセ
スモデルが正確に知られていれば、ある種の撹乱変数の
効果は、フィードフォワード手段によって完全に取り除
くことができることは従来技術によって公知である。上
記引用特許においてもう一つの妨害量を同時に除去する
方法が存在する。しかし、この従来技術は、少なくとも
プロセスを正確にする場合に、主要な撹乱量に加えて、
プロセス中のその他2つの撹乱量の効果を除去する方法
についてはなんら教示していない。
図面の簡単な説明 図1は、変数ziの現在値および従来値ζiが測定され
る連続流動法のフィードフォワード制御ループを表すも
のである。
図2は、連続流動法のフィードバック制御ループを表
すものである。
発明を実施するための最良の形態 図1は、変数ziの現在値および従来値ζ1が測定され
る連続流動法のフィードフォワード制御ループを表すも
のである。流速i=1の有限分布を有するプロセスの場
合およびおよびi=2の十分な混合プロセスの場合につ
いて測定したものである。制御器は、測定される入口濃
度に基づいてこの変数の関数として制御量uを決定し、
この制御を本プロセスに指示する。
図2は、連続流動法のフィードバック制御ループを表
すものである。変数zi(ζ1)は、図1の場合と同様に
測定される。制御器は、出口濃度の所定の値と測定値と
の差に基づいて制御量uを測定する。
図1に表した本発明に従うフィードフォワード制御方
法は、かくして、主撹乱量、すなわち、典型的には、入
口濃度の変動が適当な測定装置またはアナライザーによ
り測定され、制御装置、すなわち、制御コンピュータに
記憶されることが必要である。同様にして、容器の入口
流量および液体体積が測定され記憶されることが必要で
ある。これらのものを基礎にして、z1およびζ1の値が
コンピュータで算出され、さらに上記したように、C
(t)が算出される。値−C(t)に相当する補正は、
本プロセスの流入なたは流出点、あるいは、それらの中
間点に比例ポンプまたはその他の好適なアクチュエータ
によって導かれる。上記最後の変法については、従来技
術文献(A.J.Niemi.Proc.ISA Conf.1978,Part,pp.63−6
8およびProc.JACC 1978 Part,pp.37−42.ISA,Pittsbur
g)を引用する。かかる引用文献には、一定パラメータ
のプロセス制御が記載されている。この方法は、可変流
入流量と体積とを検討する本発明に従う特徴により論理
的に説明することができる。
測定さるべき2つの量は、一連の体積ならびに入口お
よび出口流量から種々に選択することもできる。何故な
らば、これらは、以下の関係式によって関連づけられる
からである。
液体の準位高さから間接的に得ることもできる流量Qi
nまたは体積Vが測定されない場合、それは、式(6)
またはその積分形からその他2つの測定可能な量によっ
て必ず計算することができる。入口および出口流量が連
続的または反復的に測定される場合には、体積は、とに
かく、少なくとも長い間隔で測定可能である。さもなく
ば、流量測定において恐らくは存在する系統的誤差は、
集積し、体積の値は、徐々に本質的に不正確な値とな
る。式(6)における体積の初期値のアップデイテイン
グは、上記に相当する。
本発明は、フィードバック制御方法に関するものでも
ある。この方法では、出力量、特に典型的には出口濃
度、入力量、特に典型的には入口濃度の測定値に基づい
て、前者が、使用者によって選択され調整することので
きる所定値にできるだけ正確、かつ安定に従うように制
御される。この制御器は、関数pに従うプロセスモデル
を通常含まない。にもかかわらず、時間tに明らかに依
存することなく、zの関数として制御作用の実行用に適
切に構成することができる。
図2に従う方法においては、入口流量、出口流量およ
び体積量が本工程中に出現または導入されると同時に、
これらの量の少なくとも2つを測定する。測定されたシ
グナルは、制御器に伝えられ、QinまたはVの計算用に
依存関係式(6)が使用される。制御器は、まず、必要
とされる値z1(およびζ1)を計算する。これらと、所
定濃度と出口濃度との差である偏位eとにより、さらに
必要とされる制御uを決定し、適当なアクチュエータを
介して本工程にそれを指示する。制御器は、時間tの代
わりに、論述したようにzで操作することができると仮
定すれば、公知のフィードバック制御器のいかなる構造
を有するものであってもよい。等しい増分Δζ1を有す
るz1に関して制御を決定し、必要とされる積分を変数の
値が低減される方向に達成することは有用である。した
がって、例えば、比例、積分および微分制御、あるいは
PID制御の一般原理に従うアルゴリズムは、i=1で、
以下のような制御変数を決定する。
さて、一定のパラメータを有するプロセスは、一定係
数の制御器で制御されるので、閉鎖制御ループは、zに
関して不変である。それと同時に、それは、プロセスお
よび制御器の特性に起因し線形である。したがって、制
御器の設計および同調のため、およびなかんずくそのパ
ラメータKp,KIおよびKDの値の選択に対しては、制御工
学の教科書に記載され、一般に使用され、かつ上記引例
にも記載されている線形一定係数システムの設計方法を
使用するのがよい。制御器は、例えば、プロセスモデル
が十分正確に知られていない場合には、実験により同調
させることもできる。体積および流量が、制御器の同調
時に不変であることは必要ではないが、有用である。そ
れらが後に変化する場合には、制御器はその変動を考慮
し、体積および流量が一定値に保たれている場合と同様
に制御結果は良好である。
本方法は、独立変数として、時間を用いても実施する
ことができる。特に、PID制御の場合には、制御関数
(7)と式(4)(i=1)とによって、制御関数は、
下記となる。
制御関数(7)と(8)とから、流量Qinおよび体積
Vとが変化しないで連続的にその表示値を保つ場合に
は、制御器は、通常の時間変数に関して、積分および微
分を事実実行し、したがって、従来のPID制御器と全く
同様にその他のプロセス量制御器として作動する。さら
に、制御関数のK係数は、従来の制御の対応係数または
恐らく従来の制御用に使用されていてさらに戻す必要が
全くない係数から単純に計算することができる。
完全混合容器においては、流入物質は、容器内の全物
質体積と直ちに混合される。したがって、有限の速度分
布はなく、生長速度のこうした平均値は定義することが
できない。その代わりに、そのパラメータの変動の下、
通常の微分式で表すことができる。
上記式の解は、(2)の形態(i=2)で与えること
ができ、pは、(10)に従う意味を有し、(11)に従う
z′は、上記したプロセスタイプ(4)を特徴づける意
味とは異なる。
本発明における滞留時間分布は、同時に、濃度過程の
重量関数である。その補助として、パーフェクトミキサ
ーの出口濃度を測定してもよい。本発明に従う方法にお
いては、入口濃度、出口濃度および体積のうち少なくと
も2種の量を連続的または反復的に測定する必要があ
る。残る1つは、式(6)によって決定される。出力量
は、独立変数として、時間または量z′(11)を用いて
決定することができる。特にモデル(2)を用いる場合
には、等間隔でz2に関して積分するのが有用である。
極めて同様な特性を有する理想的なミキサー又は容器
のフィードバック制御(図1)においても、主撹乱量、
典型的には入口濃度の変動を測定し、制御コンピュータ
に記憶させる必要がある。同じく、流入流量および液体
体積は、測定または計算を通して知ることができる。流
出量C(t)は、上述したようにコンピュータ計算さ
れ、その値に対応する補正が、アクチュエータを介し
て、本工程の流入または流出点、あるいはそれらの間の
点に指示される。同様の補足コメントは、不変の相対的
速度分布を有するプロセスの場合について上記したが、
完全混合容器のフィードフォワード制御にも適用するこ
とができる。
本発明は、理想ミキサーの流出濃度をフィードバック
制御する方法にも関するものである。通常、プロセスモ
デルpを含まないこの種の制御器は、時間tには明らか
に依存しない関数z′(11)としてその制御作用を行う
ように構成することができる。図2に従うこの方法にお
いては、流入流量、流出流量および体積のうち少なくと
も2つの変数を測定し、測定されたシグナルを制御器に
伝える。これがz2をが決定した後、z2と差量eとによっ
て必要とされる制御uを決定し、本プロセスにそれを指
示する。制御器は、tの代わりに、上記したように、
z′(11)で操作することのできるフィードバック制御
器であれば、公知のいかなるフィードバック制御器の構
造を有してもよい。例えば、PID制御またはPID制御アル
ゴリズムは、i=2で、式(7)に従う制御量を決定す
る。理想ミキサーのフィードバック制御は、不変の相対
的速度分布を有する容器のフィードバック制御に関連し
て上述したのと同様の記載に従う。この制御器は、時間
の関数としてその制御作用を達成し、それにより、PID
アルゴリズムが、(11)に基づき下記形態を得るように
構成することができる。
本制御方法は、プロセスモデルが正確に知られている
場合に、物質含量の制御において、体積および流量の変
動の効果を完全に取り除くものである。体積の変動によ
り、ガスタンク内の圧力の変動を適合させ、ガスタンク
において、その流出流の濃度を制御することができる。
これによって、体積流量に代えて質量流量を使用するこ
とができるという利点を生ずる。それに伴い、固形物質
の画分の変動をも適合させることができ、したがって、
一定容積の容器内で、固体/液体懸濁液中の固体物質の
質量の変動も適合させることができ、それにより、制御
さるべき量は、流出流中の固体物質の質的特性となる。
体積、流量および混合の効果に起因する濃度の変動以
外に、その他の物理的プロセスを制御目的とする場合に
も、本発明の制御器は、これら上述した変数の効果のみ
を除く。このようなタイプのその他プロセスとしては、
例えば、速度論的因子に依存して進行する熱プロセスま
たは化学反応があり、それらは、典型的に絶対時間変数
と結合している。この種の場合においても、本発明の制
御器は、従来の制御を改良したものである。何故なら
ば、本発明の制御器は、体積および流れの効果を取り除
いたものであるからである。制御をzに関して行う場合
には、時間νの値を再決定しなければならない場合が多
い。しかし、このような場合においては、積分の種々の
増分に対する速度論的因子の決定は、本質的にさらなる
作業を全く必要としない。
本発明の制御方法は、コンピュータを制御器として使
用すれば、そのまま実行することができる。本発明のコ
ンピュータ演算は、1次測定変数の積分、制御偏位の積
分および微分、あるいは、その他の制御器の入力量も含
めて容易にプログラムすることができる。必要とされる
測定装置および測定されたシグナルをデジタル型に変換
する変換器は、従来技術により公知である。化学薬品の
供給を制御するために用いられる多数のアクチュエータ
は従来公知であり、その制御シグナルを伝達するデジタ
ル−アナログ変換器も同様に従来公知である。リアルタ
イムで作動する制御コンピュータは、当然のことなが
ら、本明細書中で記載した制御とは別にこのようなさら
なる制御およびその他の作業に役立つものと考える。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−36804(JP,A) 米国特許4358821(US,A)

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】他のプロセス量の制御に体積および流量の
    変動を包含する方法において、流入流量(Qin)および
    体積(V)を決定するために、流入流量(Qin)、流出
    流量(Q)および体積(V)からなるプロセス変数の少
    なくとも2つを測定し、前記流入流量(Qin)を時間
    (t)までの時間に関して記憶積分し、該積分結果を同
    時間(t)で体積V(t)で割り新たな変数(z)を決
    定し、該新たな変数(z)に基づく制御器の出力量(u
    (t))の同時間(t)における値を、前記変数(z)
    に関して不変である方法によって決定し、該決定された
    出力量(u(t))を利用することによって前記他のプ
    ロセス量を制御することを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】他のプロセス量の制御に体積および流量の
    変動を包含する方法において、流入流量(Qin)および
    体積(V)を決定するために、流入流量(Qin)、流出
    流量(Q)および体積(V)からなるプロセス変数の少
    なくとも2つを測定し、前記流入流量(Qin)を体積
    (V)で割り、その商を時間(t)までの時間に関して
    積分して新たな変数(z′)を決定し、該新たな変数
    (z′)に基づく制御器の出力量(u(t))の同時間
    (t)における値を、この変数(z′)に関して不変の
    方法で決定することを特徴とする方法。
  3. 【請求項3】出力量に設定された所定値(Cref)とプロ
    セスの出力量の測定値(C0)との間の差(e)を決定す
    るフィードバック制御を実施するための請求項1に記載
    の方法を実行するための装置において、制御ユニットの
    出力量(u(t))を決定するために、 (a) 前記差に1次係数を掛け、 (b) 前記差に流入流量の値を掛け、その積を時間
    (t)までの時間に関して積分し、前記積分結果を前記
    体積(V(t))の値で割り、その結果に2次係数を掛
    け、 (c) 前記差を、時間(t)に関して微分し、その微
    分値に体積(V(t))の値を掛け、その積を同時間
    (t)における流入流量の値で割り、その商に3次係数
    を掛け、しかる後、 (d) (a)および(b)、もしくは、(a)および
    (c)または(a),(b)および(c)において得ら
    れた結果を総計し、(a),(b)および(c)に記載
    した係数が一定値またはゆるやかに変化する量であるこ
    とを特徴とする装置。
  4. 【請求項4】出力量に設定された所定値(Cref)とプロ
    セスの出力量の測定値(C0)との間の差(e)を決定す
    るフィードバック制御を実施するための請求項1に記載
    の方法を実行するための装置において、制御ユニットの
    出力量(u(t))を決定するために、 (a) 前記差に1次係数を掛け、 (b) 前記差に流入流量の値を掛け、その積を体積の
    値で割り、その商を時間(t)までの時間に関して積分
    し、積分の結果に2次係数を掛け、 (c) 前記差を時間(t)に関して微分し、その微分
    値に体積(V(t))の値を掛け、その積を同時間
    (t)における流入流量の値で割り、その商に3次係数
    を掛け、 (d) (a)および(b)または(a)および
    (c)、あるいは、(a),(b)および(c)で得ら
    れた結果を総計し、(a),(b)および(c)に記載
    した係数が一定値または徐々に変動する量であることを
    特徴とする装置。
  5. 【請求項5】一定容積のガス容器中のその他のプロセス
    量の制御に質量および流量の変動を包含する方法におい
    て、流入流量とガス質量、あるいは、ガス質量に比例す
    る量を決定するために、流入流量、流出流量および質量
    または圧力からなるプロセス変数のうち少なくとも2種
    を測定し、前記流入流量を時間(t)までの時間に関し
    て積分し、同時間(t)における質量に比例する量で割
    り、新たな変数を決定するか、あるいは、前記質量に比
    例する量で割り、その商を時間(t)までの時間に関し
    て積分して、新たな変数を決定し、同時間(t)におけ
    る制御器の出力量を、この変数に関して不変な方法によ
    って決定することを特徴とする方法。
  6. 【請求項6】出力量に設定された所定値とプロセスの出
    力量の測定値との間の差を決定するフィードバック制御
    を実施するための請求項5に記載の方法を実行するため
    の装置において、制御ユニットの出力量を決定するため
    に、 (a) 前記差に1次係数を掛け、 (b) 前記差に流入流量の値を掛け、その積を時間
    (t)までの時間に関して積分し、この積分の結果を同
    時間(t)における圧力の値で割り、その結果に2次係
    数を掛け、 (c) 前記差を時間(t)に関して微分し、その微分
    値に同時間(t)における圧力の値を掛け、その積を同
    時間(t)における流入流量の値で割り、その商に3次
    係数を掛け、さらに、 (d) (a)および(b)、または(a)および
    (c)、あるいは、(a),(b)および(c)で得ら
    れた結果を総計し、(a),(b)および(c)に記載
    した係数が一定値であるか、または徐々に変化する量で
    あることを特徴とする装置。
  7. 【請求項7】出力量に設定された所定値とプロセスの出
    力量の測定値との間の差(e)を決定するフィードバッ
    ク制御を実施するための請求項5に記載の方法を実行す
    るための装置において、制御ユニットの出力量(u
    (t))を決定するために、 (a) 前記差に1次係数を掛け、 (b) 前記差に流入流量の値を掛け、その積を圧力の
    値で割り、その商を時間(t)までの時間に関して積分
    し、積分の結果に2次係数を掛け、 (c) 前記差を時間(t)に関して微分し、その微分
    値に同時間(t)における圧力値を掛け、その積を同時
    間(t)における流入流量の値で割り、その商に3次係
    数を掛け、 (d) (a)および(b)または(a)および
    (c)、あるいは、(a),(b)および(c)で得ら
    れた結果を総計し、(a),(b)および(c)に記載
    した係数が一定値または 徐々に変動する量であることを特徴とする装置。
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