JP3251153B2 - 空気分離システムのためのモデル予測制御方法 - Google Patents

空気分離システムのためのモデル予測制御方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は空気分離システム
のための改善された制御方法に関するものであり、詳述
すると、改善された産出物の不純物制御の提供のため、
空気分離プロセス測定値の将来の動的な応答予測のため
の改善方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】アルゴンは１％モル分率よりもわずかに
小さい割合で存在する空気の構成成分である。図１には
ガス状酸素、ガス状窒素および液体窒素の発生のための
極低温空気分離システムが図示されている。アルゴンも
また極低温空気分離プロセスの産出物でありそして産出
物のアルゴンの不純物調整がアルゴン製造の最適化およ
びプロセスの動作安全性にとって重要である。図１のシ
ステムにおいて、空気は最初圧縮機１０において約５〜
６気圧に圧縮され、精製されそして高圧力塔１２に送ら
れ、ここで、空気供給物は粗製酸素からなる液状部分お
よび実質的に純粋な窒素への予備的な分離を受ける。窒
素流出物の一部がパイプ１４を経て高圧力産出物のガス
状窒素出力部１６へ伝達される。窒素流出物の残部は、
凝縮器／リボイラにおいて凝縮され、熱交換器２０にお
いて予備冷却され、そして低圧力塔２４の頂部へ液状の
還流として提供される。酸素、アルゴンおよび窒素を含
む高圧力塔１２からの液状酸素部分はパイプ１８を経
て、熱交換器２０、凝縮器２２を通じて低圧力塔２４の
側方供給の中に送り込まれる。外部から供給される液体
窒素流入物もまたパイプ２５を経て低圧力容器２４へ送
り込まれる。
【０００３】窒素、アルゴン、および酸素の相対的揮発
度によりアルゴンが低圧力塔２４の中間回収部に蓄積
し、ここでアルゴンは側部アルゴン塔２６のための供給
物留分の形成のため抜き取られる。ガス状窒素が低圧力
塔２４の頂部から回収されそしてガス状酸素および液状
酸素が低圧力塔底部から回収される。
【０００４】アルゴン蒸気流がアルゴン塔２６の頂部か
ら抜き取られそして凝縮器２２において凝縮される。ア
ルゴン蒸気流の留分が凝縮器２２から抜き取られそして
出力部２８において産出物のアルゴン流として放出され
る。図１に示されるシステムの動作の別途詳細は本出願
と同じ譲受人に譲渡されたHowardらによる米国特許第5,
313,800 号において見出すことができる。
【０００５】産出物アルゴンの不純物調整がアルゴン製
造の最適化にとって重要でありそして、接続される種々
の分析機器（Ａ）からの複数測定値を入力として受け取
りそして制御機器（図示せず）へのプロセス制御および
調整命令を発行するプロセス制御コンピュータ３０の動
作によって実現される。
【０００６】低圧力塔２４からのプロセス測定値が適正
に評価された場合、出力部２８における産出物アルゴン
の不純物のその後の動的応答についての情報を提供す
る。低圧力塔２４における特定の測定値は、異なる時間
においてであるが、どんな変化がプロセス中に発生して
いるかについての類似の情報を提供するという点で、産
出物のアルゴン流２８の測定値と部分的に重複する。こ
れら測定値は部分的に重複し、かつ、一般的にこれらの
測定値に独立の変化を与える操作可能な変数または変数
の組み合わせが存在しないため、そのような測定上の特
性は独立して制御できない。
【０００７】産出物のアルゴン窒素の不純物制御を取り
扱いそして段階制御ないしカスケード制御の手順を含む
従来技術の方法が図２に示されており、ここで産出物ア
ルゴンの窒素内容量（含有量）がアルゴン塔供給物のア
ルゴン内容量（含有量）制御部にカスケード接続される
（明細書中では、以下、「内容量」は「含有量」に統一
する）。窒素含有量は、アルゴン含有量の設定点操作に
より制御される。アルゴン含有量はこれとは対照的に、
低圧力塔ガス状酸素の産出物流量の操作により制御され
る。この構成は、緩慢応答の産出物アルゴンの窒素含有
量制御機器が迅速応答の供給物のアルゴン含有量制御機
器に計算設定点を提供するのを可能にする。
【０００８】詳述すると、産出物アルゴンの窒素含有量
の測定値が最小目標および最大目標と比較され（決定ボ
ックス４０）、これらの目標値間にあれば、アルゴンの
窒素含有量設定点は測定された現在のアルゴンの窒素含
有量の測定値と等しく設定される（ボックス４２）。も
しアルゴンの窒素含有量が目標値間になければ、アルゴ
ンの窒素含有量設定点は最も近傍の目標限界値と等しく
設定される（ボックス４３）。手順は、現在の測定値お
よび選択されたアルゴンの窒素含有量設定点に基づき、
制御計算部（ボックス４４）へ移動する。この制御計算
部の出力は、アルゴンの窒素含有量をその設定点に近づ
けるための、アルゴン塔供給物のアルゴン設定点であ
る。
【０００９】計算された供給物のアルゴン含有量設定点
は、供給物のアルゴン含有量の制御計算手順部へ引き続
き送られ、それは、アルゴン塔供給物のアルゴン含有量
の測定値も入力として持つ（ボックス４６）。制御計算
の出力はアルゴン流における窒素含有量の変化を可能に
するための酸素流量変化値である。さらに、別途の補正
が塔空気流量の測定値に応答して生ずる（ボックス４
８）。酸素流量変化と塔空気流量変化の結果として要求
される任意の補正とが加算部４９において足し合わされ
る。出力は、酸素流量制御機器への計算された出力流量
設定点変化である。
【００１０】図２に示されるごとく、組み合わさって供
給物のアルゴン含有量設定点を提供するボックス４０、
４２、４３および４４を含む第１のループと、アルゴン
含有量設定点に基づいて、産出物アルゴンの窒素含有量
制御のため酸素流量設定点を計算する第２のループとを
含む。図２に示されるカスケード制御は、第１ループで
計算される目標値を、第１ループプロセス応答時間より
十分に早く達成する第２ループに依存する。もし第１ル
ープが第２ループの応答の完了前に調整を行うと、カス
ケード制御機器は互いに格闘し、システムの性能を低下
させる。
【００１１】上述のように、アルゴン塔供給物のアルゴ
ン含有量に応答する制御動作は、変数が、産出物アルゴ
ンの窒素含有量より十分に早くプロセスの混乱（出力さ
れる 気体等の純度等が理想値から外れている状態）に応
答することが望ましい。ところが２つの量、すなわち産
出物アルゴンの窒素含有量とアルゴン塔供給物のアルゴ
ン含有量、は本質的に従属変数であり、その独立制御は
不可能である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
一つの目的は、制御されているシステムの混乱（出力さ
れる気体等の純度等が理想値から外れている状態）と設
定点限界変化に対する迅速な応答を可能にする改善され
た制御手順の提供である。
【００１３】本発明の他の目的は、出力の産出物測定値
変化の予測のためにプロセスの中間産出物の測定変化を
使用することである。
【００１４】本発明のさらに別の目的は、アルゴンの窒
素含有量が、アルゴン塔供給物のアルゴン含有量測定値
または産出物酸素の不純物測定値から導かれる予測推定
値の結果として、より正確に制御される改善された空気
分離制御プロセスを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】極低温空気分離プロセス
は中間産出物と出力産出物の両方を発生する。中間産出
物は出力産出物よりも早い時期に製造され、そして出力
産出物変化は中間産出物測定値の以前の変化と相互に関
係する。プロセスは複数の独立変化可能な変数（変量）
に応答する。本装置は中間産出物および出力産出物の測
定値および独立変化可能な変数の提供のための分析機器
を包含する。制御プロセッサが独立変化可能変数および
それの出力予測値に基づいて中間産出物測定値を予測す
る。次に、予測誤差に到達するために、中間産出物測定
値と中間産出物の現在の予測値との間にて差分が決定さ
れる。さらに、出力産出物の不純物を制御するための制
御動作が取られることを可能にするために、プロセッサ
は、出力産出物の現在および将来の値を予測するため
に、この中間産出物の予測誤差に応答する。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明を図１に概略図示の空気分
離プロセスの叙述において説明する。しかし本発明は極
低温空気分離プロセスにおける他の応用および他のプロ
セスに適用できることに理解されたい。本発明は、従来
技術において示されるごときプロセス装置にあることが
想定されるプロセス制御手段への入力の達成に関するも
のであることを理解されたい。
【００１７】図３はアルゴン流２８（図１参照）からの
産出物アルゴンの窒素含有量についての将来の応答予測
に到達する際の本発明方法を図示する高レベルの流れ図
である。この将来応答予測は従来技術と比較した場合に
改善された正確さを与える。将来の応答予測は、設定点
からの過渡的偏差の正確な決定によりさらに改善され
る、そしてさらに最適化されるプロセス調整動作の決定
に引き続き使用される。プロセス調整動作の引き続く計
算方法は当業者に知られており、これ以上説明しないも
のとする。
【００１８】産出物アルゴンの窒素含有量予測方法はそ
の主たる入力として、（低圧力塔２４とアルゴン塔間の
供給路３０からの）アルゴン塔供給物のアルゴン含有量
測定値と、アルゴン塔供給物のアルゴン含有量または産
出物アルゴンの窒素含有量に影響する他の独立変化可能
な測定値と、産出物アルゴンの窒素含有量測定値とを使
用する。これら入力は、プロセス制御コンピュータ３０
が産出物アルゴン塔供給物のアルゴン含有量のための予
測誤差推定プロセスを実行（ボックス５０）するのに使
用される。ボックス５０において後に続く手続の詳細が
以下で図４に関して叙述する。
【００１９】予測誤差推定装置（ボックス５０）からの
出力は、アルゴン塔供給物のアルゴン含有量の現在およ
び将来の予測誤差推定値を含む。これらの予測誤差は、
事前に決定されたアルゴン塔供給物のアルゴン含有量の
現在および将来の推定値とアルゴン塔供給物のアルゴン
含有量の測定値とを比較したときの差分を明示する。予
測誤差が発生され、産出物アルゴンの窒素含有量の動的
応答予測モデル（ボックス５２）に送られる。このモデ
ルは、窒素含有量がそれに依存する独立変化可能測定値
と（ボックス５０において決定された）アルゴン塔供給
物のアルゴン含有量の現在予測誤差および推定される将
来予測誤差に基づいて、（アルゴン塔２６からの）産出
物アルゴンの窒素含有量を計算する。予測誤差の入力
は、他の独立変化可能な測定値から検出されるよりも前
の時点に、アルゴンの窒素含有量の変化の予想を可能に
する。
【００２０】ボックス５２の手続による出力は、産出物
アルゴンの窒素含有量のモデル予測現在値と、将来の産
出物アルゴンの窒素含有量の過渡的な応答予測を与える
値の組とである。予測される産出物アルゴンの窒素含有
量は、工学技術単位（例えば単位領域の重量等で含有量
を表した時の単位）の入力設定点との比較のため、工学
技術単位に変換される。産出物アルゴンの窒素含有量の
モデル予測現在値は、産出物アルゴンの窒素測定値と同
様にボックス５４に送られる。ここで、産出物アルゴン
の窒素含有量測定値が許容できる測定限界内にあるかど
うかが決定される。もし限界内であれば、産出物アルゴ
ンの窒素含有量測定値が後続のプロセス制御計算のため
に選択される。もし限界内になければ、産出物アルゴン
の窒素含有量のモデル予測現在値が使用される。この選
択動作は、システムに修正不足または修正過剰を招くで
あろう不正確な産出物アルゴンの窒素含有量測定値の使
用を回避する。ボックス５４に図示されるように、産出
物アルゴンの窒素含有量の制御値選択装置はいずれの窒
素含有量値を使用するか決定する。
【００２１】選択された窒素含有量値には、制御機構に
おいての使用のため非直線性スケール変換が課される。
ボックス５４における手続はさらに、窒素含有量の将来
応答の予測機構に適用されるフィードバック予測修正量
の調整のために使用される産出物アルゴンの窒素含有量
のフィルタ定数を別途出力する。次に、ボックス５２、
５４から導かれた値はボックス５６に送られ、ここで、
産出物アルゴンの窒素含有量値のために、将来の応答予
測フィードバック修正が計算される。詳述すると、予測
値により規定される曲線が現在測定値により一層近く移
動されるように、予測値の軌道が「回転（再計算）」さ
れる。
【００２２】ボックス５６からの出力は産出物アルゴン
の窒素含有量のための修正された将来応答予測である
（ボックス５８）。この出力は、変換スケールにおい
て、窒素制御を達成するために独立変数を変化させるた
めに、制御機構によって使用される。
【００２３】アルゴン塔供給物のアルゴン含有量の予測
誤差が推定されるところのプロセス（ボックス５０）は
図４で以下に説明する。動的応答モデル（ボックス７
０）が予測誤差推定装置の主要要素を形成し、そして低
圧力塔２４からのアルゴン出力に影響する複数の測定値
のうちの任意のものを使用するよう構成し得る。これら
の測定値は、塔空気流量測定値（ボックス７２）、ガス
酸素流量測定値（ボックス７４）、液体窒素付加流量測
定値（ボックス７６）アルゴン塔供給物流量測定値（ボ
ックス７８）、検出された空気の事前精製の混乱（出力
される気体の純度等が理想の値から外れている状態）
（ボックス７８）およびアルゴン塔供給物のアルゴン含
有量に影響する他の独立変化可能な測定値（ボックス８
２）である。
【００２４】動的応答モデルは、現在のアルゴン塔供給
物のアルゴン含有量予測値と将来のアルゴン塔供給物の
アルゴン含有量予測値の両方が出力され得るよう上述の
測定入力（すなわちボックス７２、７４、７６、７８お
よび８０）の各々から一つまたはそれ以上の値を包含す
る。将来値は特定される将来の時間領域にわたり予測さ
れる。
【００２５】種々の動的応答モデルが適用可能である
が、好ましいモデルは以下の数１の形式の直線性時系列
モデルである。
【００２６】
【数１】 ここで、制御動作がない場合のプロセス応答推定を得る
ためにすべてのｋ−ｊ（＞０）についてΔｕ（ｉ，ｋ−
ｊ）＝０である。ここに、ｋは、推定がそれについて行
われるところのサンプル間隔である（ｋ＝０は現在時間
を与える）。ｙ（ｋ）は、将来のサンプル時間間隔
「ｋ」における低圧力塔純度測定値の予測値である。Δ
ｕ（ｉ，ｋ−ｊ）は、サンプル間隔「ｋ−ｊ」における
独立変数「ｉ」のサンプル間変化である。負の「ｋ−
ｊ」値は以前の値を指示し、そして正の「ｋ−ｊ」値は
将来生じ得る変化を指示する。ｈ（ｉ、ｊ）は、プロセ
スの実験的な試験から得られるあるいは推定されるモデ
ルのステップ応答係数である。Ｎは、予測推定がそれに
ついて行われるところのサンプル期間の数である。Ｍ
は、任意独立変数のある変化がｙ（ｋ）に対する過渡的
影響を発生するサンプル期間の最大数である。Ｉは、独
立変数の数である。ｙm は、低圧力塔供給物のアルゴン
含有量の現在の測定値である。ｈ（ｉ、ｊ）についての
値は実験によって得られそしてサンプル期間が２分の場
合、Ｎ＝Ｍ＝１２０であるのが好ましい。
【００２７】動的応答モデル（ボックス７０）から決定
されるアルゴン塔供給物のアルゴン含有量の現在予測値
は現在のアルゴン塔供給物アルゴン測定量と比較される
（ボックス８４）。この比較は供給物のアルゴン含有量
測定値に基づいて現在予測観測誤差である差分値を発生
する加算器８６において生ずる。
【００２８】現在のアルゴン塔供給物のアルゴン含有量
予測誤差は、塔起動、予測リセットまたは独立測定値の
履歴損失のような動作条件により例外的に大きくなる。
かかる条件のもとでは、予測が有効であることが期待さ
れず、現在予測誤差および予測誤差の将来推定値が両方
ともゼロとされる（ボックス９０）。決定ボックス８８
で行われる有効性決定は、とりわけ、どれぐらいの時間
モデルがランしているかどうかに基づく。
【００２９】決定ボックス８８が、アルゴン塔供給物の
アルゴン含有量予測が有効であると予想した場合、観測
される予測誤差はモデル化されないプロセス擾乱（純度
等が理想値から外れた気体等を出力するプロセスの状
態）によるものであり、最近の予測リセット等の、モデ
ル変則性によるものでないという信頼性（すなわち確
率）を表わす定数（すなわち信頼度乗数）が現在予測誤
差に掛け合わされる（ボックス９１）。信頼度乗数（ボ
ックス９２）は、０と１との間の値として与えられそし
て通常１に近い値を有する。予測リセットや塔の起動時
等の、特別なプロセス条件の期間中、信頼度乗数にはゼ
ロに近い値が割り当てられ、一つの予測領域にわたりそ
の最大値、すなわち１へと少しずつ増大される。その他
の場合には１に近い値に設定されるのが好ましい。他の
特別のプロセス条件（たとえば、特定の塔のプロセスの
混乱状態の検出など）のもとでは、信頼度乗数の値は、
それを掛け合わせたときに、予測誤差が高い確率で後の
産出物アルゴンの窒素含有量変化との間に相関関係を持
つような関数に設定されてもよい。したがって、信頼度
乗数は一般に１に設定されるが、それの可変性は、制御
方法（そして予測される応答）がより良く、特別なプロ
セス条件に対処できるようにすることを可能にする。
【００３０】現在予測誤差の計算に続き、予測誤差将来
値が、供給物のアルゴン含有量予測誤差の自己相関挙動
のモデル化から得られる係数の使用により推定できる。
アルゴン塔供給物のアルゴン含有量予測誤差の予想動向
を定める一組の自己相関係数（ボックス９４）が与えら
れ、そして将来予測誤差推定値が、現在予測誤差および
自己相関係数に基づいて計算される（ボックス９６）。
【００３１】将来のモデルの正確さの最小限推定とし
て、供給物のアルゴン含有量予測は全将来期間について
完全であると仮定される。しかしながら、供給物のアル
ゴン含有量に影響するモデル化されない擾乱（純度等が
理想値から外れた気体等を出力する状態）の自己相関挙
動が考慮されるのが好ましい。これは、以下の数２の形
式の式の使用により達成される。
【００３２】
【数２】 ここで、ｋは、推定がそれについて行われるところのサ
ンプル間隔である（ｋ＝０は現在時間を与える）。ΔＰ
Ｅ（ｋ）は、将来のサンプル時間間隔「ｋ」における推
定低圧力塔測定値予測誤差である。ΔＰＥ（０）は現在
の観測予測誤差に基づいて計算される。Ｎは、予測推定
がそれについて行われるところのサンプル期間の数であ
る。ａ（ｊ）は、予測誤差自己相関モデル係数である。
Ａはモデルに含まれる自己相関係数の数である。値Ｎは
２０、Ａは１０そしてＡ（ｊ）係数は予測誤差データの
周期的回帰を形成するのが好ましい。
【００３３】ボックス８８において行われる選択および
ボックス９０、９１および９６の計算の結果として、現
在および将来のアルゴン塔供給物のアルゴン含有量予測
誤差の推定が発生される（ボックス１００）。これらの
推定予測誤差は、以下の数３の式の使用により改善され
た将来応答予測（ボックス１０４）への到達のため、ア
ルゴン塔供給物のアルゴン含有量の、以前に計算され
た、予測された将来応答の修正および改善のために使用
される。
【００３４】
【数３】 ここで、ｋは、推定がそれについて行われるところのサ
ンプル間隔である）。ｙa（ｋ）は将来のサンプル時間
間隔「ｋ」における低圧力塔測定値（たとえば、供給物
アルゴン量）の修正予測値である。ｙ（ｋ）は将来のサ
ンプル時間間隔「ｋ」における低圧力塔測定値（たとえ
ば、供給物アルゴン量）の応答モデル予測値である。Δ
ＰＥ（ｋ）は、将来のサンプル時間間隔「ｋ」における
推定低圧力塔測定値予測誤差である。ΔＰＥ（０）は現
在の観測予測誤差に基づいて計算される。Ｎは予測修正
がそれについて行われるところのサンプル期間の数であ
る。
【００３５】図５を参照すると、出力のアルゴン流の窒
素含有量に関して動的応答予測が行われる。産出物アル
ゴンの窒素含有量の動的応答予測モデル（ボックス１１
０）が使用され、そしてその入力の一つとして現在およ
び将来のアルゴン塔供給物のアルゴン含有量予測誤差の
推定値を使用する（ボックス１００）。動的応答モデル
へのこの入力についての根拠は、低圧力塔２４（および
アルゴン塔２６へのアルゴン流供給物３０）に影響する
モデル化されないプロセス擾乱（純度等が理想値から外
れた気体等を出力するプロセスの状態）が、プロセスの
関係が原因で、後になって産出物アルゴンの窒素不純物
に影響することである。よって、動的応答モデルは、供
給物のアルゴン含有量内の検出された擾乱（純度等が理
想値から外れた気体等を出力する状態）が産出物アルゴ
ンの窒素含有量の予測応答の調整を引き起こすように構
成される。この予測誤差の「前送り（フィードフォワー
ド）」は、産出物アルゴンの窒素含有量についての将来
応答予測のより迅速かつ「知恵ある」出力を可能にし、
予測窒素含有量値の調整のために、制御システムが独立
変数の変化により応答することを可能にする。
【００３６】産出物アルゴンの窒素含有量の動的応答モ
デルへの入力は、ほとんどが、アルゴン塔供給物動的応
答モデル（ボックス７０）に適用された入力と同一であ
る。よって、塔空気流量測定値（ボックス７２）、ガス
酸素流量測定値（ボックス７４）、アルゴン塔供給物流
量測定値（ボックス７８）および空気の事前精製の検出
された混乱（ボックス８０）はすべて動的応答モデル
（ボックス１１０）への入力である。さらに、低圧力塔
２４からのアルゴン産出物流量測定値（ボックス１１
２）が、アルゴン窒素供給物のアルゴン含有量に影響す
る他の独立測定値（ボックス１１４）と同様に別途の入
力である。最後に、上述した如く、（上に計算されるご
とく）現在および将来のアルゴン塔供給物のアルゴン含
有量予測誤差推定が入力される（ボックス１００）。
【００３７】産出物アルゴンの窒素含有量の動的応答モ
デル（ボックス１１０）は、推定現在値と、以下の数４
に示されるごとく、一定将来時間にわたり予測される将
来値の組とを有する。
【００３８】
【数４】 ここで、制御動作がない場合のプロセス応答推定を得る
ためにすべてのｋ−ｊ（＞０）についてΔｕ（ｉ，ｋ−
ｊ）＝０である。ここに、ｋは、推定がそれについて行
われるところのサンプル間隔である（ｋ＝０は現在時間
を与える）。ｘ（ｋ）は、将来のサンプル時間間隔
「ｋ」における産出物のアルゴン不純物変換測定値の予
測値である。Δｕ（ｉ，ｋ−ｊ）は、サンプル間隔「ｋ
−ｊ」における独立変数「ｉ」のサンプル間変化であ
る。負の「ｋ−ｊ」値は以前の値を指示し、そして正の
「ｋ−ｊ」値は将来生じ得る変化を指示する。ｈ（ｉ、
ｊ）は、プロセスの実験的な試験から得られるあるいは
推定されるモデルのステップ応答係数である。ｍ（ｊ）
は、低圧力塔測定値変化を変換アルゴン不純物測定値の
後の変化に関係付ける、プロセスの実験的試験から得ら
れるあるいは推定されるプロセスステップ応答係数であ
る。ΔＰＥ（ｋ−ｊ）は、サンプル時間間隔「ｋ−ｊ」
における低圧力塔測定値予測誤差のサンプル間変化であ
る。Ｎは、予測推定がそれについて行われるところのサ
ンプル期間の数である。Ｍは、任意独立変数のある変化
がｘ（ｋ）に対する過渡的影響を発生するサンプル期間
の最大数である。Ｉは、独立変数の数である。ｘmは、
変換される産出物のアルゴン不純物尺度の現在値の推定
である。ｈ（ｉ、ｊ）およびｍ（ｊ）は実験により得ら
れそしてＮ＝Ｍであり以前の指示値（Ｎ＝Ｍ＝１２０）
に設定されるのが好ましい。
【００３９】上述の動的応答モデルは直線性対数関数で
あり、入力と出力との間の非直線性スケール関係を明示
し、出力ｘ（ｋ）は工学技術単位に変換されるとき非直
線性である。
【００４０】このように、動的応答モデルからの出力は
産出物アルゴンの窒素含有量の将来の応答予測であり
（ボックス１１６）、その決定値は、引き続く処理動作
が直線性あるいは線形数学を使用できるようにするた
め、直線比例関係へと変換される。後述するごとく、変
換された産出物アルゴンの窒素含有量値の予測がフィル
タ機能の調整に使用され、変換値は複雑な計算操作の要
求なしに容易に使用可能である。
【００４１】まとめると、産出物アルゴンの窒素含有量
の動的応答モデルは２つの変換出力、すなわち産出物ア
ルゴンの窒素含有量についての将来応答予測の組と産出
物アルゴンの窒素含有量の現在の予測値を提供する。後
者の値は、図６（後述）に示す制御値選択手続における
使用のために「変換されない」（ボックス１１８、１２
０）。変換された将来応答予測値（ボックス１１６）
は、（図７に関して説明する）変換モードにおける制御
計算において後に使用されるとき、そのまま使用され
る。
【００４２】図６を参照しつつ、産出物アルゴンの窒素
含有量のために制御値選択を可能にする本発明によって
使用されるプロセスを叙述する。簡単にいうと、手順
は、産出物のアルゴンの窒素含有量測定値が測定限界の
外側にあるかどうかを決定し、もし外側にあれば、モデ
ル予測値が産出物アルゴンの窒素含有量のために使用さ
れる。この動作の理由は、事前設定限界の外側にある産
出物のアルゴンの窒素含有量測定値の値が、高あるいは
低レベルのいずれかで測定の「飽和」を引き起こし、プ
ロセスをさらに劣化させ得る不正確な修正動作をシステ
ムが使用してしまうからである。かかる条件のもとで、
測定値ではなくモデル予測値が使用される。
【００４３】アルゴン流中の窒素不純物量の低い値にお
いて低いフィルタ定数値が使用され、アルゴン流中の窒
素不純物量の高い値において高いフィルタ定数値が使用
されることを保証するように調整されるフィルタ定数を
用いて、修正値のフィルタ処理がさらに実行される。ア
ルゴン流中の窒素不純物包含量に応じたフィルタ定数値
の変化は、より高い不純物レベルにおける少ないフィル
タ動作を起こし、さらに、システム中に存在する雑音が
低レベルの不純物値において強調されないことを保証す
る。窒素不純物の高い値においては、雑音信号が小さな
影響しかもたないので、より大きなフィルタ定数値が使
用される。したがって、より低選択性のフィルタ動作が
高不純物レベルで達成され、そしてより高選択性フィル
タ動作が低不純物レベルにおいて達成され、雑音の影響
が高低両方の不純物レベルで最小限になるようになされ
る。
【００４４】上述のスケール変換（対数）値の使用を通
じての産出物アルゴンの窒素含有量感度の変化の特徴は
制御信号に対する測定雑音の効果を修正する。信号雑音
の多くは測定範囲にわたり絶対値が一定である。非直線
性値と変換は入力の大きさに依存して非比例値を発生す
るので、かかる変換は雑音の寄与の大きさを変化する。
たとえば、以下の数５の対数変換、
【００４５】
【数５】 ここで、Ｙは入力信号値であり、ｙは変換信号値であ
る、が以下の数６の差分出力
【００４６】
【数６】 ここで、ΔＹは入力信号の増分変化であり、Δｙは変換
値信号の増分変化である、を提供する。
【００４７】入力信号の増分変化に対する対数変換値の
増分変化の大きさは入力信号の大きさに逆比例する。こ
うして、一定の大きさの信号雑音が、小さな値の測定信
号において変換値信号における雑音に対しより大きな寄
与を与える。
【００４８】本発明の一つの特徴が、より小さな信号内
において雑音感度が低い信号フィルタ処理の提供であ
る。この技術は、産出物アルゴンの窒素含有量の制御に
おいて普通に生ずる、小さい信号値における雑音に対す
る潜在的な予測修正感度に対処する。これは、アルゴン
の窒素含有量測定値が一般に、アルゴン中の酸素と窒素
の含有量およびアルゴン中の酸素含有量という２つの別
々の分析の差によって行われるという事実に関係する。
これらの分析の各々における雑音はアルゴン測定におけ
る窒素含有量において観測される全雑音に寄与する。
【００４９】フィードバック予測修正技術（後述）は以
下の数６のフィルタ式を使用する。
【数７】 ここで、ｙt は現在のフィルタ信号値であり、ｙt-1 は
以前のフィルタ信号値であり、ｙinは入力信号値であ
り、ｋはフィルタ定数である。
【００５０】変化可能なフィルタ定数ｋの大きさは以下
の数８により調整される。
【数８】 ここで、ｋ0 は基本フィルタ定数であり、ｙ0 はフィル
タ定数選択のための基本信号値である。
【００５１】図６において、制御値選択が生ずる。本方
法は、入力として、流出物２８に現われる産出物アルゴ
ンの窒素含有量測定値（ボックス１２２）と図５におい
て導かれる現在の産出物アルゴンの窒素含有量のモデル
予測値（ボックス１２０）を入力として使用する。産出
物アルゴンの窒素含有量測定値は、それが下側の測定限
界よりも小さいかまたは上側の測定限界よりも大きいか
を決定するため、最初試験される（決定ボックス１２
４）。もし結果が否定であれば、測定値（ボックス１２
６）が後続の使用のため選択される。もし結果が肯定で
あれば、不正確な修正動作を招き得る限界外測定値より
もモデル予測値の使用がよいという仮定（ボックス１３
０）に基づいてモデル予測値が後続の使用のために選択
される（ボックス１２８）。選択値は、上述の非直線性
スケール処理（ボックス１３４）に従って変換されそし
て以下の計算における使用のために提供される（ボック
ス１４０）。
【００５２】このとき、フィルタ定数が産出物アルゴン
の窒素含有量の制御値（これは、本質的に、産出物のア
ルゴン流において測定される窒素含有量である）に基づ
いて計算される（ボックス１３２）。上述した如く、フ
ィルタ定数は、窒素不純物が高レベルにあるかまたは低
レベルにあるかに従って誘導される。フィルタ定数は後
の計算のために出力として提供される（ボックス１４
２）。
【００５３】図７を参照しつつ、産出物アルゴンの窒素
含有量のフィードバック測定に基づく予測修正の決定の
ために使用される手順を説明する。手順への入力は、図
５および図６に示されたように、すでに導き出されてい
る。詳述すると、これらの入力は、選択されそして変換
された産出物アルゴンの窒素含有量（ボックス１４０）
と、現在の産出物アルゴンの窒素含有量のモデル予測値
（ボックス１２０）と、予測修正（ボックス１４２）の
ための産出物アルゴンの窒素含有量フィルタ定数と、産
出物の変換されたアルゴンの窒素含有量のための将来応
答の予測（ボックス１１８）を含む。各入力は、事前に
推定された予想される窒素含有量の軌道を、実際の測定
値に応じて、フィルタ定数により修正されただけ、本質
的に変更し、予想修正値に到達するために使用される。
（サンプル時間増分により除算された）現在モデル予測
窒素含有量を差し引いた、現在の窒素含有量測定値が予
測誤差変化の割合を表わす傾斜の決定のため計算され
る。次に、予測傾斜が現在測定傾斜により一層接近する
ためにはどの程度予測傾斜が調整されるべきかを指示す
る修正傾斜を得るために、この傾斜にフィルタ定数が掛
け合わされる。
【００５４】予測修正は、最初に、モデル予測された産
出物アルゴンの窒素含有量値のスケール変換により達成
される（ボックス１５０）。この値は加算器１５２に入
力され、加算器１５２には、選択されそして変換された
産出物アルゴンの窒素含有量もまた入力される（ボック
ス１４０）。図６に示されるごとく（ボックス１２４、
１２６および１２８）、（測定限界の外側にある測定値
により）産出物アルゴンの窒素含有量のモデル予測値の
使用が決定されれば、同一の値が加算器１５２に適用さ
れ、ここからの出力はゼロである。対照的に、産出物ア
ルゴンの窒素含有量の測定値の使用が決定されれば、加
算器１５２の出力は産出物アルゴンの窒素含有量の測定
値および予測値間の差分を指示する。
【００５５】後者の場合を仮定すると、予測誤差は、産
出物アルゴンの窒素含有量フィルタ定数（ボックス１４
２）と一緒に乗算器１５４に送られる。乗算器１５４か
らの出力は、フィルタ定数による乗算の結果である低減
された値の予測誤差である。乗算器１５４は、予測傾斜
調整手続に産出物アルゴンの窒素含有量増分を出力する
（ボックス１５６）。「予測」増分は、産出物アルゴン
の窒素含有量についての将来応答予測（ボックス１１
８）に、その傾斜をより現在の窒素測定内容量に接近す
るよう調整するために適用される。ボックス１５６に示
す手順からの出力は、アルゴン流の窒素含有量制御のた
め、独立変数調整の際に、制御システムにより使用する
ための変換された産出物アルゴンの窒素含有量について
の修正将来応答予測である。
【００５６】要約すると、上述の制御手順は、低圧力塔
測定予測誤差の現在値がアルゴン流不純物測定値の動的
応答予測の調整に使用されるのを可能にする。さらに、
低圧力塔測定予測誤差の将来値の推定もアルゴン不純物
の動的応答予測の調整に使用される。低圧力塔測定値の
将来応答予測は測定予測誤差の推定将来値の使用を通じ
て修正される。対数変換あるいは類似の値変換が、産出
物アルゴン流中の窒素不純物のモデル化のために積分モ
デル構造とともに使用され、より小型で効率のよい処理
を保証する。最後に、本発明は、測定値が測定範囲の外
側あるいはそれ以外で利用不可能であるとき、不純物制
御の機構の実行のため、測定値のかわりに産出物のアル
ゴン不純物のモデル予測値を優先的に選択し、使用す
る。
【００５７】上記説明は本発明を例示するためだけであ
ることに注意されたい。本発明の技術思想から逸脱する
ことなく種々の変更および修正が可能である。したがっ
て、請求の範囲に記載の本発明の技術思想内に包含され
るかかる変更や修正をすべて包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】極低温空気分離プロセスの概略図である。
【図２】図１の系に適用される場合の従来の制御方法を
図示する流れ図である。
【図３】図１の極低温空気分離系に適用される場合の本
発明の全手順を図示する高レベル流れ図である。
【図４】産出物のアルゴン窒素内容量制御値選択を可能
にするために本発明よるプロセスを図示する高レベル流
れ図である。
【図５】産出物のアルゴン窒素内容量予測誤差推定を誘
導するための本発明によるプロセスを図示する高レベル
流れ図である。
【図６】産出物のアルゴン窒素内容量予測を誘導するた
めの本発明によるプロセスを図示する高レベル流れ図で
ある。
【図７】産出物のアルゴン窒素内容量予測修正に到達す
るための本発明によるプロセスを図示する高レベル流れ
図である。
【符号の説明】
１２ 高圧力塔 １４ パイプ １６ 出力部 ２０ 熱交換器 ２２ 凝縮器 ２４ 低圧力塔 ２６ アルゴン塔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−282183（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−157449（ＪＰ，Ａ) 上滝政孝著「制御工学を学ぶ人のため に」株式会社オーム社（昭61−３−20) 193−196ｐ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F25J 1/00 - 5/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ソフトウエアで動作する制御コンピュー
    タにより実施され、極低温空気分離システムによる中間
    産出物および下流側の出力産出物の両方の純度を制御す
    るための方法であって、前記中間産出物が前記下流出力
    産出物よりも先に発生し、前記下流出力産出物の純度の
    測定値の変動が前記中間産出物の以前の純度の測定値の
    変動と相互に関係し、前記中間産出物および前記下流出
    力産出物の各々の純度の測定値が、塔空気流量測定値、
    ガス酸素流量測定値、液体窒素付加量測定値、アルゴン
    塔供給物流量測定値、空気の予備精製での混乱（出力さ
    れる気体の純度、含有量等が理想値から外れている状
    態）の検出値、およびアルゴン塔供給物のアルゴン含有
    量に影響を与える他の測定値から成る群から選択される
    独立変数に依存し： （ａ）前記中間産出物、前記下流出力産出物、および前
    記独立変数の測定値を与えること、 （ｂ）前記独立変数を基にして前記中間産出物の測定値
    を予測し、その予測値を出力すること、 （ｃ）前記中間産出物の現在の予測誤差値を算出するた
    めに、前記中間産出物の予想値と中間産出物の実際の測
    定値との間の差分を決定すること、 （ｄ）入力される信頼度乗数を中間産出物の現在の予測
    誤差値に掛け合わせることにより、中間産出物の現在の
    予測誤差値を中間産出物の正当な（信頼性を考慮に入れ
    た）現在の予測誤差値に変換すること、 （ｅ）前記中間産出物の前記現在の予測誤差値の、以前
    に計算された値との相関により中間産出物の前記正当な
    予測誤差値の将来の値を推定すること、 （ｆ）中間産出物の前記正当な予測誤差の現在の値およ
    び中間産出物の前記正当な予測誤差の将来の値の前記下
    流出力産出物の純度に対する影響よりも前に、前記出力
    産出物の測定値の予測値を修正するために、前記独立変
    数の測定値、並びに段階ｄおよびｅで推定された中間産
    出物の正当な現在および将来の予測誤差値に基づいて、
    前記下流出力産出物の測定値の予測値を予想すること、 （ｇ）前記中間産出物及び前記下流出力産出物の純度を
    制御するために、段階ｆで修正された前記下流出力産出
    物の前記測定値の予測値をプロセス調整手段で使用する
    こと、 の手段を含む、前記制御する方法。
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