JP3756521B2 - 自動調整機能付現場設置型プロセス制御システム - Google Patents
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Description
本発明は低電力および低メモリ用途に適用でき、複雑さが少なく、しかも頑丈な(robust)現場設置型制御装置のような自動調整付工業プロセスコントローラに関するものである。
現場設置型制御装置は、伝送器、アクチュエータ、トランスジューザ、スイッチおよび独立型(stand-alone)コントローラのような、いろいろな装置を含んでいる。現場設置型制御装置はプロセス制御システムで使用され、プロセスを制御し、プロセス変数を測定し、さらにプロセス制御ループを介して中央コントローラあるいは現場制御要素(例えば、バルブなど)に通信するためのプロセス変数を示す出力を発生する。このループは、2線式、3線式および4線式のプロセス制御ループを含んでいる。光学的制御ループおよび無線周波数制御ループのような他のループも使用されてきた。
現場設置型制御装置は、電流レベルおよび電圧レベルが、一般的には、本来的な安全性をもたらすように制限されている現場領域に取り付けられる。この装置は、しばしば制御ループを介して電力を供給される。別個のトランスジューサが各プロセス変数を検出し、検出変数を伝送器に供給して中央コントローラへ伝送させる。コントローラは、中央制御室あるいは現場に置かれ、トランスジューサ出力を統合して適切な制御出力信号を発生する。制御出力信号は、一般に、制御出力信号に従ってプロセスを制御するバルブのような遠隔アクチュエータに、別個の制御ループを介して送られる。ある種の応用では、コントローラはプロセス制御装置のための最も適切な命令の組合せを選択する。
ある用途では、伝送器そのものは、中央制御装置を通さずに、制御出力信号を遠隔装置に直接供給する制御機能を含んでいる。制御機能はバルブのような他の現場制御要素にも持たせることができる。この種の制御装置は、“スマート”な現場設置型制御装置と呼ばれ、参照によりここに組み込まれるワーリア(Warrior)他の米国特許第5,333,114号の明細書に、より詳細に開示されている。
伝送器あるいは中央制御室のコントローラによって実行される制御アルゴリズムあるいは制御方程式は、コントローラが使用されるプロセスに特に適合させられる。比例(P)、比例積分(PI)、比例微分(PD)および比例積分微分(PID)の制御アルゴリズムを含む、いくつかの基本的な制御アルゴリズムが存在する。制御アルゴリズムの性能は、理想的な形式のPID制御アルゴリズムのための比例利得、積分時間および微分時間のそれぞれに対応するKP、TI、TDのような制御パラメータによって決定される。いくつかの応用では、KPは、KPの関数である比例バンドパラメータPBと置換される。並列方程式および直列方程式のような他の形式のPID制御アルゴリズムが存在する。これらのアルゴリズムは、理想的な形式のパラメータと類似の対応パラメータを有する。制御パラメータは基本的なプロセスのモデルに基づいて調整(tune)され、プロセスを最適に作動させる。
制御パラメータを調整する際の最も重要なタスクの1つは、初期プロセスモデルを定義することと、対応するモデルパラメータを概算または評価(estimate)することである。温度、流量あるいは圧力制御プロセスのような自己調整プロセスのためのモデルは、しばしば不感時間と1次方程式によって定義することができる。レベル制御プロセスのような非自己調整プロセスのためのモデルは積分方程式によって定義することができる。対応するモデルパラメータは、プロセスを乱し、プロセス変数の応答を観測することによって評価される。
一旦プロセスモデルパラメータが決定されてしまうと、いくつかの調整方法が制御パラメータを調整するために使用できる。チグラー・ニコルス(Ziegler-Nichols)の開ループ調整方法では、プロセス変数y(t)は、安定状態YSSに手動制御あるいは自動制御され、階段関数が制御信号u(t)に適用される。それから、プロセス変数の応答を観察することによってプロセスモデルパラメータが評価される。プロセスモデルパラメータの概算は通常、定常状態値YSSに敏感である。階段関数を開始する前に定常状態YSSが理想的に確定されていないならば、所望の閉ループ応答を得ることは困難である。
修正されたチグラー・ニコルスの周波数ドメイン(閉ループ)方法では、リレーフィードバック信号が安定状態制御信号u(t)=USSに加算され、プロセス変数にリミットサイクル振動を生じさせるように2つの値の間で切換えられる。そして、これに基づいて周波数ドメインパラメータ(究極の周期TUおよび利得KU)が概算できる。それから、実験に基づく公式に従って制御パラメータが発生される。周波数パラメータTUおよびKUの概算はYSSにも敏感である。さらに、負荷およびバルブの摩擦が、調整を困難にし、最適化された調整(整合)ループよりも悪くすることがある。確固不動で(robust)、反復できる調整のために、予備調整段階は、プロセスに外乱を加える前に、安定状態YSSを必要とすることが多い。
予備調整の要求は、アルゴリズムの複雑さおよび調整時間を増加させる。複雑さが増加されると、不可能ではないとしても、現場設置型制御伝送器でのような制限された電力、メモリおよび計算能力しか有しない用途においては、このような調整アルゴリズムを実行することが困難になる。これらの方法および他の調整方法は、1989年、アディソンウェスレイ(Addison-Wesley)出版社発行のK・アストロム(K.Astrom)およびB・ウィットンマーク(B.Wittenmark)著の「適応制御」、第8章に記載されている。
発明の概要
本発明のプロセス制御システムは、プロセス変数入力および制御出力を有するコントローラを含んでいる。コントローラは、プロセス変数入力で受信された被測定プロセス変数の関数である制御出力信号を制御出力上に発生する。自動調整器はコントローラに接続される。自動調整器は、プロセスを作動させ、測定されたプロセス変数の立上り不感時間、立上り変化率、立下り不感時間および立下り変化率に基づいてプロセスモデルを概算し、それからプロセスモデルに基づいてコントローラの機能をプロセスに適合させる。自動調整器は確固不動な結果をもたらすが、その計算は簡単であるので、回路は、伝送器あるいはバルブを主体とする現場設置型制御装置におけるような低電力および低容量メモリ用途でのハードウェアあるいはソフトウェアで構成することができる。
自動調整器回路は、自己調整プロセスおよび非自己調整プロセスのための制御関数を調整するように構成することができる。1つの実施例では、自動調整器は、ユーザ定義の性能係数を受け取るための性能入力を備えている。自動調整器は、プロセスモデルおよび性能係数に基づいて制御関数を調整する。性能係数は、積極的、中庸的、あるいは臨界的な制動性能を生じるように選択することができる。自動調整器は、P、PI、PD、PIDのような制御関数および他のいろいろな種類の制御関数のためのパラメータを調整するのに使用することができる。
プロセス制御システムはまた、受信トリガコマンド、実時間クロック出力、あるいはプロセスの観測の関数として自動調整器をトリガする、トリガ回路を含むこともできる。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明の1つの実施例によるレベル制御システムの図である。
図2は、制御装置を含む、図1に示された伝送器のブロック図である。
図3は、本発明のプロセス制御システムの図である。
図4は、本発明による、自動調整段階および非自己調整プロセスのための閉ループ制御段階を示す波形図である。
図5は、自己調整プロセスのための自動調整段階を示す波形図である。
図6は、本発明による制御装置を有するバルブのブロック図である。
好ましい実施例の詳細な説明
本発明は、計算が簡単であるので、プロセス制御システムの低電力の現場設置型制御装置に装備できるという確固不動な特徴を有するプロセス制御システムである。
図1は、本発明のプロセス制御システムが有用である1つの実施例を示す概略図である。プロセス制御システムは、マスタコントローラ10と、伝送器12と、タンク14と、入力バルブ16と、出力バルブ18とを含んでいる。マスタコントローラ10は、2線式プロセス制御ループ20を介して伝送器12および入力バルブ16に接続される。ループ20は、例えば、マスタコントローラ10、伝送器12およびバルブ16が、ループを通る電流のレベルを変えることによって、互いに通信することができる4〜20mAまたは10〜50mA電流ループを含むことができる。他の実施例では、マスタコントローラ10、伝送器12およびバルブ16は、ループ20上の電圧レベルを変えることによって通信する。同時に、マスタコントローラ10および伝送器12は、HART(登録商標)プロトコルのような搬送波変調方法で、ループ20を介してディジタル的に通信する。
現場バス(Fieldbus)協会によって現在採用されている現場バス標準を含む他のディジタル通信システムを使用することもできる。あるいは、ループ20は、DEプロトコルのようなベースバンド変調ディジタル信号を搬送する。さらに、マスタコントローラ10および伝送器12は、単一あるいは双対の光ファイバを介して光学的に、あるいは無線周波数で互いに通信できる。光制御回路の1例は、参照によってここに組み込まれる米国特許第5,258,868号明細書に開示されている。
マスタコントローラ10は、ループ20に電力および制御を供給するコントローラ22および電源23を含んでいる。マスタコントローラ10は、中央制御室あるいは伝送器12を有する遠隔の作業現場に置くことができる。マスタコントローラ10、伝送器12およびバルブ16は、ワーリア(Warrior)他の米国特許第5,333,114号の明細書に、より詳細に論議されているような、いろいろな態様で互いに接続できる。
図1に示された実施例では、ループ12を流れる電流の大きさは制御出力u(t)を表わし、この出力がバルブ16の位置を制御することによってタンク14への流入量を制御する。伝送器12は、マスタコントローラ10からループ20の動作を引き継ぐことができ、電流の変動を吸収して制御出力u(t)を調整することができるような、固有の制御機能を含むことが好ましい。バルブ18の位置はタンク14から出る流出量を制御する。バルブ18はバルブ制御信号o(t)によって調整される。前記制御信号は、カスケード接続の方法で(点線で示されるように)ループ20と並列にループ20に接続することができる2線式プロセス制御ループ28を介して、伝送器26によって供給される。並列構成は分岐(マルチドロップ)接続と呼ばれる。バルブ制御信号o(t)はまた、伝送器12あるいはマスタコントローラ10に接続されている別個のループによっても供給することができる。
タンクの中の流体のレベルy(t)を測定するセンサ24は、タンク14に結合されている。レベルの変化率dy(t)/dtはバルブ16および18の位置の関数である。u(t)の増加がy(t)の増加をもたらすので、制御出力u(t)はプロセス変数y(t)に“直接の作用”を有する。反対に、o(t)の増加はy(t)の減少をもたらすので、信号o(t)はプロセス変数y(t)に“逆の作用”を有する。センサ24は、絶対圧力センサあるいは差圧センサ、超音波センサあるいはマイクロ波センサのような任意の適当なセンサを含んでもよい。タンクの中の流体のレベルを示す信号を発生することができる他の種類のセンサも使用できる。図1に示されたレベル制御システムは非自己調整プロセスの1例である。本発明は、自己調整プロセスおよびその他の非自己調整プロセスとの併用にも適用できる。
図2は、本発明の第1の好ましい実施例による伝送器12のブロック図である。伝送器12は、マイクロプロセッサによって実行されるような計算機能を有する点で“スマート”伝送器である。伝送器12は、現場に設備するためのでこぼこ付防爆ハウジング34と、入力端子36と、出力端子38と、入出力回路40と、復調器42と、ディジタル/アナログ(D/A)変換器44と、変調器46と、マイクロプロセッサ48と、アナログ/ディジタル(A/D)変換器50と、プロセス変数センサ52と、クロック回路54と、メモリ56とを含んでいる。クロック回路54はマイクロプロセッサ48に接続されてマイクロプロセッサの動作順序を決定する。
入力端子36はマスタコントローラ10(図1)に接続されているのに対して、出力端子38はバルブ16に接続されている。入出力回路40は入力端子36と出力端子38との間に接続されている。回路40は、ループ20で互いに直列に接続されている、入力フィルタ回路70と、電圧調整器72と、電流シンク(sink)74および76とを含んでいる。入出力回路40は、入力端子36でループ20からプロセス信号を受け取り、プロセス信号の関数としての制御出力信号u(t)を出力端子38に供給する。入出力回路40内の電圧調整器72は、ループ20から電力を受け取り、調整された電圧を発生して伝送器12の全ての回路素子に電力を供給する。
制御出力u(t)を発生する際に使用されるプロセス信号は、所望のプロセス状態を表わす設定値と、プロセスによって発生されるプロセス変数と、マイクロプロセッサ48を作動させるコマンドおよび全体あるいは部分命令セットと、マイクロプロセッサ48を制御する項の係数と、マスタコントローラ10からの状態要求とを含んでいる。入力フィルタ回路70は、プロセス信号を受け取り、この信号を復調器42に供給する。復調器42は、電流ループからの変調プロセス信号を復調し、対応するディジタル情報をマイクロプロセッサ48に供給する。この情報は、所望ならば、メモリ56に記憶することができる。
マイクロプロセッサ48はまたプロセス変数センサ52からのプロセス信号も受け取る。センサ52は、例えば図1に示されたレベルのようなプロセス変数y(t)を測定し、その測定値をA/D変換器50に供給する。A/D変換器50はマイクロプロセッサ48のために前記測定値をディジタル化する。それから、プロセス変数測定値は、解析のためにメモリ56に記憶されるか、あるいはループ20を介してマスタコントローラ10に送り返されることができる。マイクロプロセッサ48は、ループ20上への情報を変調する変調器46および電流シンク76を介してマスタコントローラ10にディジタル情報を伝送する。他の実施例では、センサ52およびA/D変換器50は伝送器12の外部に置かれている。本実施例では、センサ52によって測定されたプロセス変数は、別のセンサからの他のプロセス変数とともにループ20を介してマイクロプロセッサ48に伝送される。
電流シンク74は、ループ20を流れる電流のレベルを調整することによって制御出力u(t)を調整する。マイクロプロセッサ48は、メモリ56に記憶された制御アルゴリズムすなわちソフトウェアルーチンに基づいて、また測定されたプロセス変数y(t)、記憶された制御パラメータおよびマスタコントローラ10から受け取った命令の関数となるように、D/A変換器44を介して電流シンク74を作動させる。例えば、マスタコントローラ10はマイクロプロセッサ48に設定値YSETあるいは他のコマンドを供給することがあり、これによって、プロセス変数y(t)が設定値YSETに近づくように制御出力u(t)を調整するように、マイクロプロセッサに命令する。
本発明によれば、メモリ56はまた、制御アルゴリズムによって使用される制御パラメータを、制御されているプロセスに整合させるように調整する自動調整アルゴリズムあるいはソフトウェアルーチンをも含んでいる。自動調整アルゴリズムによって、マイクロプロセッサ48は、ある時間にわたって制御出力u(t)を調整し、プロセス変数y(t)の応答を観測する。この応答から、マイクロプロセッサ48は、このプロセスのためのモデルパラメータを評価することができ、またモデルパラメータを使用して所望の制御パラメータを計算することができる。
図2を参照して論議された通信方法および伝送器接続は単に例示として説明されたものであり、米国特許第5,333,114号の明細書に記載されているような他の構成を使用することもできる。
自動調整
図3は、本発明の1つの実施例にしたがって、マイクロプロセッサ48によって実行される自動調整および制御機能の図である。制御システム100は、加算接続点102と、PIDコントローラ104と、調整回路106と、スイッチング接続点108と、プロセス110とを含んでいる。“直接動作”制御出力の場合、プロセス変数設定値YSETは加算接続点102の正の入力に供給され、測定プロセス変数y(t)は加算接続点102の負の入力に供給される。“逆動作”制御出力(図示せず)の場合は、YSETが加算接続点102の負の入力に供給され、y(t)が加算接続点102の正の入力に供給される。加算接続点102の出力は、設定値YSETと測定されたプロセス変数y(t)との差を示す誤差信号e(t)を発生する。誤差信号e(t)はPIDコントローラ104に供給される。PIDコントローラ104は、比例利得ブロック112と、積分ブロック114と、微分ブロック116とを含んでいる。他の実施例(図示せず)では、測定プロセス変数y(t)は、加算接続点102を介するのとは対照的に、微分ブロック116に直接供給される。ブロック112、114および116の各出力は、加算点118の正の入力に供給される。閉ループ制御中、加算接続点118の出力は、プロセス110を制御するための制御出力u(t)となる。PIDコントローラ104の基本関数は式1で定義されている。
ここで、KP、TIおよびTDは、PIDコントローラ104の性能を決定するための、調整された制御パラメータである。制御パラメータは、コミッショニング(commissioning)段階あるいはプロセスの制御中の任意の時点で、プロセス100の特性を整合させるように、本発明によって調整あるいは修正させる。
調整回路106は、調整制御回路122と、励起回路124と、プロセスモデル概算(評価)回路126と、制御パラメータルール回路128とを含んでいる。調整制御回路122は、励起回路124と、プロセスモデル概算回路126と、制御パラメータルール回路128とに接続され、調整回路106の総合機能を制御する。励起回路124は、ある時間にわたって変わる開ループ励起信号を、スイッチング接続点108を介してプロセス110に供給する。励起信号は、開ループ自動調整段階の間中、制御出力信号として使用される。スイッチング接続点108は、実際のスイッチであってもよいし、あるいは1つのアルゴリズムあるいはソフトウェアルーチンから次のものへの制御の切換えであってもよい。それから、モデル概算回路126は、下記により詳述されるように、測定プロセス変数y(t)の応答を観測し、プロセス110のモデルを発生する。このモデルは、選択された調整ルール組に基づいて、PIDコントローラ104のための制御パラメータを調整する制御パラメータルール回路128に供給される。それから、プロセスモデルおよび調整制御パラメータは、メモリ56(図2)に記憶され、さらにプロセスの監視制御あるいはカスケード制御を最適化するために、プロセス制御ループ20を介してマスタコントローラ10に供給することができる。プロセスモデルは、付加的な調整手順で使用するために、他のカスケード接続の装置に供給することもできる。
調整回路106は、トリガ回路134と、調整警報回路136と、調整制御回路122に接続できるか、またはこれに組み込むことができる実時間クロック138とをさらに含んでいる。トリガ回路134は調整制御回路122をトリガし、トリガ入力140、調整警報回路136あるいは実時間クロック回路138によって供給されたトリガ信号に基づいて、本発明の自動調整機能を実行する。トリガ入力140は、プロセス制御ループ20を介してマスタコントローラ10によって供給されたコマンドに応答して、マイクロプロセッサ48(図2)によって供給される。このコマンドは、ユーザによる要求あるいはマスタコントローラ10の要求に応じて開始できる。それとは別に、実時間クロック138が、半時間毎のような選択された時間周期に基づいて自動調整機能をトリガしてもよい。他の実施例では、実時間クロック138は、マスタコントローラ10に組み込まれ、プロセス制御ループ20を介してトリガ信号をトリガ入力140に供給する。
調整警報回路136は、トリガ出力142によって自動調整機能をトリガする。閉ループ制御段階では、調整制御回路122はe(t)、u(t)およびy(t)を観測し、回路126および128を介して新たな制御パラメータを受動的に計算する。調整警報回路136は、新しい算出値と予め記憶された作動プロセス制御パラメータとを比較する。これらの値の差が特定の範囲よりも大きいならば、調整警報回路136は、トリガ回路134を介して自動調整機能をトリガするか、あるいは警報出力144を介してユーザあるいはマスタコントローラ10に通知する。調整警報回路136はまた、y(t)およびu(t)の現在値をモデル方程式(後述する)に当てはめることによって、概算されたプロセスモデルをプロセスに関しても受動的に調べ、モデルが正しいかどうかを監視する。
正しくないならば、回路136は、自動調整機能をトリガするか、または出力144に警報を出す。回路136はまた、プロセスの設定値変更あるいは大きな擾乱の後のe(t)およびy(t)をも監視し、(例えば、臨界制動されるという)所望の性能が発揮されないならば、警報を出す。例えば、誤差信号e(t)の自乗の積分あるいは誤差の絶対値の積分を、メモリ56に記憶された閾値と比較することができる。誤差積分が閾値を超えたならば、回路136は警報を出す。さらに、回路136は調整段階中、y(t)を監視する。y(t)が応答しないか、あるいは不正確な応答を示すならば、回路136は、出力144に調整故障警報を発生する。ユーザは、後述するUMIN、UMAXあるいは性能係数αの選択値を変えるなどの手法で、自動調整機能を補正する動作を行なわせることができる。
図4は、制御出力u(t)およびプロセス変数y(t)の波形を示している図である。一旦自動調整段階が始動されてしまうと、調整制御回路122はe(t)の符号を監視し、y(t)がYSETよりも上か下かを決定する。もしもe(t)が負であるならば、y(t)はYSETよりも上である。制御ループはスイッチング接続点108で開放され、励起回路124が、強制的にu(t)を、時間t0でユーザが選択した最小制御出力値UMINにし、強制的にy(t)をYSETに近付ける。それから、調整制御回路122はe(t)を監視する。
e(t)が、選択された閾値誤差レベルよりも下になると、時間tRで励起回路124がユーザ選択の最大制御出力値UMAXをプロセス110に印加するので、y(t)は増加し始める。時間tMAXでは、y(t)が最大率で増加している。時間tFで、最小制御出力値UMINがプロセス110に再び印加されるので、y(t)は減少し始める。時間t-MAXでは、y(t)は最大率で減少している。時間tAで、自動調整段階が終了し、プロセス制御システム100がPID閉制御ループに戻って、プロセス変数を設定値y(t)=YSETにするようにu(t)を調整する。
時間t0でe(t)の符号が正であるならば、図4に示された励起波形u(t)が単に反転されるだけである。励起回路124は、y(t)がYSETに向って増加するようにu(t)=UMAXを印加し、それからy(t)が減少するようにu(t)=UMINを印加し、その後さらにy(t)が再び増加するようにu(t)=UMAXを印加する。
自動調整段階中の時間にわたって制御出力u(t)を変えることによって、調整回路106は、PIDコントローラ104が所望の性能を生じるように、反覆可能で、確固不動な結果で、全システムを正確に評価することができる。調整回路106は、本発明にしたがえば、非自己調整プロセスおよび自己調整プロセスのためのプロセスモデルパラメータを概算するように構成することができる。
1.非自己調整プロセス
図1に示されたレベルプロセスは非自己調整プロセスの一例である。非自己調整プロセスは、制御信号u(t)が定常状態値USSに等しくない限り(すなわち、流入量および流出量がレベルプロセスで等しくない場合)、測定されたプロセス変数y(t)が増減し続けるプロセスである。図1に示されたレベルプロセスのレベルバランス式は下記のように示すことができる。
式2は、バルブ16および18が線形であると仮定し、バルブに及ぼすヘッド圧の影響を無視したものである。Lはシステムの不感時間であり、m1およびm2はタンク14の面積によって割算されたタンク14の流入および流出量(体積)に対応する定数である。
制御出力u(t)が定常状態USSであり、不感時間の影響が消失すると、下記のようになる。
y(t)が最大率で増加しているときは(図4を参照)、u(t)=UMAXであるので、下記のようになる。
同様に、y(t)が最大率で減少しているときは(図4を参照)、u(t)=UMINであるので、下記のようになる。
式4を式5で割算することによって、下記の数学的関係を得ることができる。
プロセス変数y(t)の立上り不感時間LRおよび立下り不感時間LF(図4参照)は下記のように表わすことができる。
ここで、y(tMAX)は、y(t)の時間導関数が正の最大値に達する時刻tMAXでのプロセス変数である。同様に、y(t-MAX)は、y(t)の時間導関数が負の最大値に達する時刻t-MAXでのプロセス変数である。YMINは、時刻tRとtFとの間でのy(t)の最小値であり、YMAXは、時刻tFとtAとの間でのy(t)の最大値である。式4〜5および式7〜8にしたがって、プロセスモデル概算回路126は、LR、LF、RRおよびRFを計算する。
式4〜5および式6〜8から、プロセスモデルパラメータUEST(概算された定常状態USS)、m1およびLは下記のように計算することができる。
得られるPID関数が、最悪の場合に対して、補償できるようにするために、システムの全不感時間LがLRおよびLFの最大値として式11で計算される。プロセスモデル概算回路126は、式9〜11により、プロセスモデルパラメータUEST、m1およびLを計算する。式9〜11は、UMAXおよびUMINを置換することによって、システムが逆動作するようなプロセスを計算するように容易に修正することができる。プロセスモデルパラメータは制御パラメータルール回路128に供給され、この回路128が、下記により詳細に論議されているように、選択されたルールに従って制御パラメータKP、TIおよびTDを調整する。
濾波されていないプロセス変数y(t)は、あまりにも多くの雑音を含むので、反復して得られるような調整パラメータを発生できないかもしれない。雑音の多いプロセス変数を処理するいくつかの適当な方法があるが、本発明は、プロセス110の出力に接続されたローパスフィルタ130(ダイナミックフィルタあるいはユーザダンピングフィルタとも呼ばれる)を含むのが好ましい。ローパスフィルタ130を備えると、プロセスモデル概算回路126は、式9〜11を使用することによって、モデルパラメータUEST、m1およびLの確固不動な計算をすることができる。
他の実施例では、雑音低減性能を改善してより一層信頼性のある結果を得るために、式4〜5および式7〜8が下記の式と置換される。プロセス変数の立上り変化率RRはサンプリング期間Tにわたって下記のように定義することができる。
式12中の全てのRRは同じ制御信号UMAXに対応するので、これらのRRは、定数m1を計算する際の最小二乗誤差を最小にするための、さらによいRRの近似のための下記の数学的式にしたがって平均化することができる。
同様に、下記の式は立下り方向のために使用することができる。
立上り不感時間および立下り不感時間LRおよびLFは式7〜8によって計算される。
制御パラメータルール回路128は、選択されたルールの組にしたがって、PIDコントローラ104のための制御パラメータを調整する。本発明にしたがえば、任意の適当なルール組を使用することができるが、回路128は内部モデルベースの制御(IMC)調整ルールを含むのが好ましい。式9〜11を使用すれば、プロセスモデルパラメータは複雑さの非常に低い計算で計算できる。IMC調整ルールを用いる場合は、PIDコントローラのための対応する制御パラメータは下記の式から得ることができる。
ここで、KP、TIおよびTDは、それぞれPIDコントローラ104の比例利得、積分時間および微分時間であり、τは所望の閉ループ応答時定数である。Pコントローラ、PIコントローラおよびPDコントローラ用の制御パラメータは、式15および式16における制御パラメータとは僅かに異なっているが、これらは、「Internal Model Control,PID Controller Design」(25 Ind. Eng. Chem. Process Des.Dev.252-65(1986))に開示されている。本発明によれば、時定数τは性能係数αの関数として定義され、ここで、
τ=αL ……式18
である。
性能係数αは、所望の程度の性能をカバーするように、1/2と3との間の範囲にあるのが好ましい。例えば、α=1は臨界制動の閉ループ応答を発生する。より小さいαは、より活発で、より速い応答を発生し、より大きなαは、より中庸で、より遅い応答を発生する。式21を式18〜20に代入すると、対応するPID調整パラメータは下記のようになる。
したがって、PID調整制御パラメータKP、TIおよびTDは、複雑な計算を要せずに、制御パラメータルール回路128によって計算することができる。性能係数αは、入力132および制御回路122を介して回路128に供給される。図2に示された実施例では、性能係数αは、ループ20上の変調されたディジタル値として、マスタコントローラ10によってマイクロプロセッサ48に供給される。
他の実施例では、プロセスモデル概算回路126および制御パラメータルール回路128は合体され、制御パラメータはLR、LF、RR、およびRFの関数として直接計算される。プロセスモデルパラメータの式は、プロセスモデルパラメータの別個の計算が不必要になるように、制御パラメータ式に包含(folded)される。
前述の論議では、プロセスが線形であると仮定された。非線形のバルブ特性およびバルブに及ぼすヘッド圧の影響を有するプロセスのような非線形プロセスに関しては、より信頼性のある性能を得るために、時間シーケンスの終わりtAにおける通常の閉ループ制御中の実際の安定状態バルブ位置を、式10および式15の概算値USETを置換するために使用することができる。
2.自己調整プロセス
プロセスモデル概算回路126(図3)はまた、熱交換器の温度、流量および圧力制御プロセスのような自己調整プロセスのためのプロセスモデルパラメータを概算するように構成することもできる。大部分の自己調整プロセスは、下記のような1次式と不感時間の和の式によってモデル化することができる。
ここで、プロセスモデルパラメータL、TCおよびKSは、それぞれプロセスの不感時間、時定数および定常(static)利得を表わす。
プロセスモデルパラメータは、図5に示された開ループ制御パターンu(t)を供給することによって計算される。非自己調整プロセスにおけるように、本発明の自己調整回路は、最悪の場合の性能をモデル化するために、増加および減少方向にプロセスモデルパラメータを分別する。u(t)=UMAXであり、y(t)が増加している(dy(t)/dt>0)立上り方向を考え、また不感時間Lが経過したと仮定すると、下記の式でtMAXからtFまでを表わすことができる。
TRRR1+y1=KRUMAX
TRRR2+y2=KRUMAX ……式23
…
TRRRN+yN=KRUMAX
ここで、TRおよびKRは、増加方向での時定数および定常プロセス利得であり、Nは増加方向でのy(t)のサンプル数である。RRnはtMAXの後のn番目のサンプルでのy(t)の変化率であり、下記のように定義される。
ここで、Tはサンプリング周期である。上記の式を行列形式で表わすと、下記のようになる。
この式を解けば、式25の左辺の擬似逆行列を使用することによって最小二乗誤差を最小にしながら、TRおよびKRを計算することができる。これは、式26によって上記の式を修正することによって行うことができる。
前記修正によって下記の計算式が得られる。
式27から、さらに下記の式が得られる。
同じ方法は、非自己調整プロセスのために使用されたような、下記の増加(立上り)システムの不感時間LRを得るために使用することができる。
ここで、RR1はサンプルn=1でのy(t)の増加率である。
減少(立下り)方向では、u(t)=UMINであり、y(t)は減少している(dy(t)<0)。減少方向のための時定数TF、定常利得KFおよび不感時間LFを計算するために、下記に示すような、類似の式を使用することができる。
ここで、RF1はサンプルn=1でのy(t)の減少率である。
作動中、時間tRからtFまでは、プロセスモデル概算回路126(図3)は式32によってLRを計算し、式28の変数ΣRRn、ΣRRn 2、ΣynおよびΣynRRnを計数する。一方時間tFから時間tAまでは、回路126は式34によってLFを計算し、式33の変数ΣRFn、ΣRFn 2、ΣynおよびΣynRFnを計数する。
典型的なプロセスは、増加方向か減少方向かによって異なるように動作する。例えば、温度制御応用では、プロセスは、プロセスの吸熱反応および発熱反応のためにこのような挙動を示すであろう。増加および減少方向のいずれか一方にプロセスモデルパラメータを任意に選択すると、望ましくない閉ループ制御性能になることがある。本発明のプロセスモデル概算回路は、より確固不動なPID制御性能をもたらす。まず第1に、雑音が微分信号dy(t)/dtを妨害することを防止するために、強い(strong)ローパスフィルタ(フィルタ130)が使用される。第2に、プロセスモデルパラメータは下記の式により、回路126で計算される。
KS=max(KR,KF)
TC=min(TR,TF) ……式32〜34
L=max(LR,LF)
一旦プロセスモデルパラメータが1次式プラス不感時間のプロセス式に対して計算されてしまうと、P、IおよびDの各制御パラメータはいくつかの既存の調整ルールの関数として調整することができる。例えば、下記の内部モデル制御(IMC)調整ルールが好ましいPID制御性能を与えることが分った。
ここで、KP、TIおよびTDは、それぞれ比例利得、積分時間および微分時間である。非自己調整プロセスの場合は、閉ループ時定数τは、性能係数αの関数として、次式のように定義される。
τ=αL ……式38
前述のように、性能係数αは好ましくは1/2と3との間にある。式34は最大の閉ループ時定数τを保証する。式32および式33は、与えられた性能係数αに対して可能な最小の比例利得KPを保証する。
本発明の自動調整回路は、例えば、バルブ制御装置で実施することもできる。図6は、図2と同様であり、入力フィルタ回路162と、電圧調整器164と、可調整電流シンク166と、電流トランスジューサ168と、復調器170と、A/D変換器172と、変調器174と、マイクロプロセッサ176と、メモリ178と、クロック回路180と、D/A変換器182とアクチュエータ184とを含むバルブ制御装置160のブロック図である。入力回路162、調整器164、および電流トランスジューザ168はプロセス制御ループ186と直列に接続され、被測定プロセス変数y(t)および設定値YSETのような変調ディジタルデータを前記ループから受け取る。
復調器170は、データを復調し、解析のためにデータをマイクロプロセッサ176に供給する。調整器164は、ループ186から電力を受け取り、バルブ制御装置160の各回路要素に電力を供給するために調整電圧を発生する。電流トランスジューサ168はループ186のアナログ電流レベルy(t)を測定する。前記電流レベルは、A/D変換器172によって、マイクロプロセッサ176のためのディジタルデータに変換される。マイクロプロセッサ176は、HART(登録商標)プロトコールによるような変調器174で、シンク166を流れる電流を変調することによって、ループ186を介してデータを伝送する。自動調整アルゴリズム、制御アルゴリズム、プロセスモデルパラメータおよび調整パラメータは、マイクロプロセッサ176を構成するメモリ178に記憶され、測定されたプロセス変数y(t)および設定値YSETの関数として、D/A変換器182を介してアクチュエータ184を制御する。
本発明の自動調整回路は、既存の調整技術にはない、いくつかの利点を有する。自動調整回路は、簡単な計算だけで正確なモデルパラメータを生成する。簡単な計算の故に、自動調整回路は、現場設置型制御装置におけるような低電力かつ低容量メモリの装置に適用することができる。4〜20mAの電流ループでは、この信号範囲が減じられた後では、装置内の全ての電子部品に供給するための電流は数ミリアンペアだけしか残されていない。このことが、部品の複雑さおよびメモリ空間を制限する。伝送器の典型的なメモリは、例えば、8K〜64Kバイトに制限されることがある。
本発明の自動調整回路は多くのユーザ相互作用(interaction)を必要としない。チグラー・ニコルス(Ziegler-Nichols)の開ループテストとは違って、本発明の自動調整回路は、開ループテストが実行される前にユーザが定常状態を確立することを必要とせず、その代わりに定常状態条件を査定(assess)する能力を有する。ユーザは、所望のUMAXレベルおよびUMINレベルのような初期変数を与えることによって調整手順を設定し、所望の性能係数αを選択し、それから自動調整手順を開始する。
本発明の自動調整回路は、手動操作あるいは自動操作として実現でき、システムの初期化あるいはユーザがループを調整したい任意の他のタイミングの、ループコミッショニング(commissioning)段階で作動できる。自動操作の場合、自動調整回路は、プロセス変数を設定値に近付けることができ、ユーザの介入なしに調整動作を自動的に開始する。手動操作の場合、ユーザはプロセス変数を設定値に近付けてから、マスタコントローラ10を介する調整を開始する。
本発明の自動調整回路は誘導された外乱をプロセスに発生させる。閉ループリレー制御ベースの調整あるいは他の周波数ドメイン技術とは違って、本発明は規定ゾーン内で作動するように制限することができる。例えば、ある一部のユーザは、フルスケールの10%および75%だけしかu(t)の外乱を起こさないように望むかもしれない。自動調整回路は簡単で、使い勝手が良く、反復でき、確固不動である。この回路は、P、PI、PD、PIDおよびファジーロジックコントローラのような他の種類のコントローラのための制御パラメータを調整するためにも使用できる。適当なファジーロジックコントローラは、参照によって本明細書に組み込まれる、メリーランド州ボルチモア(Baltimore)でのACC会議(1994年)におけるジェイ・クイン(J.Quin)著の論文「自動調整ファジーロジック制御」に記載されている。
本発明は好ましい実施例に関して記載されたが、当業者は、本発明の精神および範囲を逸脱しない限り、形式および詳細において変更ができることを認めるであろう。調整回路は、マイクロプロセッサのようなプログラム式コンピュータによって実行するために、メモリに記憶されたソフトウェアルーチンあるいはアルゴリズムとして実行できる。他の実施例では、回路はディジタルハードウェアまたはアナログハードウェア内で実行できる。調整回路は伝送器の中、バルブの中、あるいはマスタコントローラ10の中に置かれてもよい。マスタコントローラ10は中央制御室の中あるいは、伝送器またはバルブ近くの遠隔位置、またはコミッショニング段階において伝送器を構成するために使用される携帯構成器の中に置かれてもよい。調整回路は、プロセスモデルパラメータを計算して、異なる計算段階での制御パラメータを調整できるか、あるいはプロセスモデルパラメータの式を制御パラメータの式に畳み込んで(fold)、唯一の計算段階しかないようにすることができる。本発明にしたがえば、他の構成もまた使用できる。
Claims (7)
- 被測定プロセス変数の関数である制御出力信号によって非自己調整プロセスを制御するプロセス制御装置において、
プロセス変数入力と制御出力とを有する制御手段であって、前記プロセス変数入力で受け取られた被測定プロセス変数に応答して、かつ制御関数パラメータに基づいて前記制御出力に前記制御出力信号を発生する前記制御手段と、
調整手段とを具備し、
前記調整手段が、
前記制御出力に接続され、励起信号を、選択されたその最小値UMINから選択された最大値UMAXまで増加したり、前記励起信号をUMAXからUMINへ減少させたりする手段を有する励起手段と、
前記励起信号に応答して被測定プロセス変数の立上り不感時間LR、立下り不感時間LF、立上り変化率RRおよび立下り変化率RFを計算し、かつ前記LR、LF、RRおよびRFに基づいてプロセスモデルを概算する概算手段であって、該プロセスモデルが下記の数式に従って概算される定数m1を含む概算手段と、
前記概算手段に接続され、前記プロセスモデルに基づいて前記制御関数パラメータを計算するパラメータ計算手段とを備えたことを特徴とするプロセス制御装置。 - 前記概算手段が、選択された最小の値UMINから選択された最大の値UMAXまで、励起出力信号を増加させたり、励起信号をUMAXからUMINへ減少させたりする手段と、
下記の数学式にしたがってLRおよびLFを計算する手段とを備えていることを特徴とする請求項1のプロセス制御装置。
ここで、tMAXおよびt-MAXは、被測定プロセス変数がそれぞれ最大率で立上る時間、および立下る時間、tRおよびtFは前記UMAXおよびUMINが励起出力にそれぞれ供給される時間、y(tMAXおよびy(t-MAX)はそれぞれ、時間tMAXおよびt-MAXにおける被測定プロセス変数の値、yMINは時間tRとtFの間に測定されたプロセス変数の最小値、yMAXは時間tFとtAの間に測定されたプロセス変数の最大値であり、このtAは前記UMINが除去される時間である。 - 前記プロセスモデルがプロセス不感時間値Lを含み、かつ前記概算手段がLRおよびLFの最大値としてLを概算することを特徴とする請求項1のプロセス制御装置。
- プロセスモデルパラメータが時定数TC、定常プロセス利得KS、およびプロセスの不感時間Lを含む自己調整プロセスを制御するように構成され、
前記概算手段が、
Nを立上りおよび立下り方向の被測定プロセス変数のサンプル数、nを1からNまでの数、RRnを被測定プロセス変数のn番目のサンプルの立上り変化率、Ynを被測定プロセス変数のn番目のサンプル値、またRFnを被測定プロセス変数のn番目のサンプルの立下り変化率とするとき、下記の数学式にしたがって立上り時定数TR、立上り定常プロセス利得KR、立下り時定数TF、立下り定常プロセス利得KFを計算する手段と、
最小のTRおよびTFとしてTCを概算し、また最大のKRおよびKFとしてKSを概算する手段とよりなる請求項1のプロセス制御装置。 - 前記概算手段がさらに、tMAXおよびt-MAXを被測定プロセス変数がそれぞれ最大率で立上り、立下る時間とし、tRおよびtFをUMAXおよびUMINが励起出力にそれぞれ供給される時間、y(tMAX)およびy(t-MAX)をそれぞれ、時間tMAXおよびt-MAXにおける被測定プロセス変数の値とし、yMINを時間tRとtFの間で測定されたプロセス変数の最小値、yMAXを時間tFとtAの間で測定されたプロセス変数の最大値、このtAを、UMINが除去される時間とし、さらにRR1およびRF1をサンプルn=1のときの被測定プロセス変数の立上り変化率および立下り変化率であるとしたとき、下記の数学式にしたがってプロセスの立上り不感時間LRおよび立下り不感時間LFを計算する手段と、
前記LRおよびLFの最大値としてLを概算する手段とを具備した請求項5のプロセス制御装置。 - 被測定プロセス変数の関数である制御出力信号によって非自己調整プロセスを制御するプロセス制御装置において、
プロセス変数入力と制御出力とを有する制御手段であって、前記プロセス変数入力で受け取られた被測定プロセス変数に応答して、かつ制御関数パラメータに基づいて前記制御出力に前記制御出力信号を発生する前記制御手段と、
調整手段とを具備し、
前記調整手段が、
前記制御出力に接続され、励起信号を、選択されたその最小値UMINから選択された最大値UMAXまで増加したり、前記励起信号をUMAXからUMINへ減少させたりする手段を有する励起手段と、
前記励起信号に応答して被測定プロセス変数の立上り不感時間LR、立下り不感時間LF、立上り変化率RRおよび立下り変化率RFを計算し、かつ前記LR、LF、RRおよびRFに基づいてプロセスモデルを概算する概算手段であって、該プロセスモデルが下記の数式に従って概算される前記制御出力信号の概算される定常値UESTを含む概算手段と、
前記概算手段に接続され、前記プロセスモデルに基づいて前記制御関数パラメータを計算するパラメータ計算手段とを備えたことを特徴とするプロセス制御装置。
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