JP3790129B2 - Process simulator application control apparatus and method - Google Patents

Process simulator application control apparatus and method Download PDF

Info

Publication number
JP3790129B2
JP3790129B2 JP2001180246A JP2001180246A JP3790129B2 JP 3790129 B2 JP3790129 B2 JP 3790129B2 JP 2001180246 A JP2001180246 A JP 2001180246A JP 2001180246 A JP2001180246 A JP 2001180246A JP 3790129 B2 JP3790129 B2 JP 3790129B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
disturbance
value
model
step response
output
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2001180246A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2002373002A (en
Inventor
中 理 山
岩 明 弘 長
正 彦 堤
森 泰 彦 永
鹿 行 雄 初
原 正 樹 岸
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2001180246A priority Critical patent/JP3790129B2/en
Publication of JP2002373002A publication Critical patent/JP2002373002A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3790129B2 publication Critical patent/JP3790129B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Purification Treatments By Anaerobic Or Anaerobic And Aerobic Bacteria Or Animals (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水処理プロセスや食品加工プロセスなどの生物学的プロセス、石油精製などの化学プロセスなど、主に時定数が比較的長いプロセス系を中心とし、その他、モータや発電機などの電磁気システム、及びロボットなどの機械システムなどを含む様々なプロセスやシステムの挙動を模擬するシミュレータをベースにしたプロセスシミュレータ応用制御装置及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
産業界におけるプロセスやシステム(以下対象プロセスという)、例えば、上下水道の水量プロセス及び水質プロセス、鉄鋼プロセス、石油精製プロセス、交通システム、エレベータシステム、ビル空調システム、都市熱エネルギー供給システム等、様々な対象プロセスに対する制御方式として、古典制御の一種であるPID制御やシーケンス制御が従来広く利用されてきた。これらの制御方式は、信頼性、制御性能、及び設計やチューニングの容易さなどの観点からバランスの取れた制御方式であり、産業界において最も標準的な制御方式としての地位を確立してきた。
【0003】
近年、例えば、環境問題の深刻化とこれに対する意識の高まり、価値観の多様化に伴う顧客要求の多様化、などの社会背景の変化は、次に示す様に制御に対する要求を一層厳しくかつ多様なものとするようになってきている。例えば、下水処理においては、環境への負荷を低減するため、放流水質成分である有機物及び窒素やリンなどの河川への放流規制が義務付けられるようになりつつあり、これらの値を定量的に制御する必要が高まってきている。
【0004】
また、鉄鋼の板厚制御における厳しい品質要求やエレベータにおける快適な乗り心地に対する要求などにも厳しい制御性能が求められるようになってきている。さらに、上下水処理プロセスにおける薬品注入量の低減などの要求と処理水質の向上のトレードオフのように、単なる制御性能のみの要求ばかりでなく、経済的なコスト低減や省エネルギーなども求められるようになってきており、制御への要求は多様化している。このように、多様で厳しい要求に答えるためには、従来のPID制御やシーケンス制御ではもはや十分とは言いがたく、近年、様々なアドバンスト制御が用いられるようになってきている。
【0005】
アドバンスト制御には、大別して2つのアプローチがある。一つは、ファジィー制御や人工知能(AI)などのアプローチであり、人間の感覚や経験的な知識を定量化して制御を行おうとする方法であり、If-Then式のルールに基づいて制御を行うため、ルールベース制御と呼ばれる。もう一つのアプローチは、対象プロセスの挙動を表現あるいは模擬する数式モデルに基づいて制御系を構築する方法であり、モデルベース制御と呼ばれる。
【0006】
これらの2つのアプローチは、それらが用いられる状況や適用範囲によって、それぞれ得失があるが、対象プロセスの挙動を適切に表現することのできるモデルが存在する場合には、潜在的には、モデルベース制御の方がルールベース制御よりも優れた制御性能を得ることができる。その詳細については、本願と同一出願人によって出願された特願2000−059221号の明細書及びその明細書中に記載の参考文献を参照されたい。従って、対象プロセスの挙動を模擬できるモデルの有無が、ルールベース制御を利用すべきかモデルベース制御を利用すべきかの判断基準の一つとなる。
【0007】
エレベータやパワーエレクトロニクスなどの機械系や電磁気系では、運動方程式や回路方程式、あるいは電磁気学の法則に基づいて、比較的容易に対象プロセスのモデルを構築することができる。また、制御を行おうとする動作点(運転点)近傍では、比較的次数の低い線形微分方程式あるいは線形伝達関数や線形状態方程式で、対象プロセスのモデルを表現できるため、例えば、最適レギュレーータ理論(LQR:Linear Quardratic Regulator/LQG:Linear Quardratic Regulator with Gaussian Input)や逆最適制御理論(ILQ:Inverse Linear Quardratic Regulator)、あるいは、H無限大制御理論などのモデルベース制御の適用が既に行われており、その有効性が実証されている。
【0008】
一方、石油化学プロセスや上下水道プロセスなどのいわゆるプロセス制御分野では、プロセスの応答が機械系や電気系と比較して遅く、また制御性能に対する要求と同時に操作量となる薬品や電力などの運転コストを低減したいという要求が強いため、機械系や電気系とは異なった形のアドバンスト制御が進展してきた。この中で最も重要なものとして、モデルベース制御の一種であるモデル予測制御がある。モデル予測制御は、制御性能達成に加えてコスト低減や種々の制約条件を考慮することができ、比較的多様な要求に答えることのできる制御方式である。モデル予測制御は、1970年代後半から1980年代初頭にかけて、シェル石油(Shel1 Oi1)社から独立したDMC(Dynamic Matrix Control)社などが産業界で実用化した制御方式であり、主に、石油化学プロセス業界におけるアドバンスト制御として、多く用いられている。
【0009】
しかし、従来のPID制御などと比較すると、プロセス制御分野においては、まだこのようなアドバンスト制御の適用は少ない。その技術的な理由の一つとして、既存のモデル予測制御が扱える対象プロセスが限られている、ということが挙げられる。既存のモデル予測制御をあるプロセスに適用するためには、何らかの形の対象プロセスの集中定数線形モデルを必要としている。このようなモデルは、物理化学法則から導出される場合や、あるいはステップ応答試験などを行うことによって直接導出する場合がある。
【0010】
その一方で、例えば下水処理の水質プロセスなどに代表されるように、対象プロセスは、多くの場合、強い非線形性(Nonlinearities)を持っていたり、空間的な分布性(Spatial Distribution)が強かったりしており、プロセスの挙動を、線形モデルでは近似的にも模擬することが困難な場合がある。このような場合に、現在実用化されているモデル予測制御方式の有効性は明らかでなく、適用範囲は限られていると考えられる。また、最新の制御理論の分野では非線形のモデル予測制御に関する研究も活発に行われるようになってきているが、多くのものはモデル予測制御系の構成法や閉ループ系の安定性などの理論的な解析を主目的としており、実装上重要となる演算量の問題や扱っている非線形の対象システムに関する制約などの面でまだまだ課題が多く、実用上、これらの制御系を簡単に実現できる段階に至っていないと考えられる。
【0011】
一方、制御を直接の目的とせず、例えば、運転管理、監視、プロセス設計、運転訓練などの目的で、プロセスの挙動を模擬するモデル(これは通常シミュレータとよばれる)は、様々な分野で用いられている。例えば、下水処理の分野では、国際水質学会(IAWQ:International Association on Water Quality)が、窒素やリンの除去プロセスを非線形微分方程式を用いて表した活性汚泥モデルASM1〜ASM3(Activated Sludge Model No.1〜Activated Sludge Model No.3)を公表しており、偏微分方程式等で表される水理モデルと組み合わせることによって、下水処理水質プロセスシミュレータを計算機上に構築できる。この様なプロセスシミュレータは、計算機技術の発展に伴い、ますます高精度にプロセスの模擬ができるようになってきており、それに伴い、シミュレータを構築するために使われるモデル自身はますます複雑化してきている。
【0012】
このような発展の方向性をそのまま未来に外挿すると、運転管理や監視などを目的としたプロセスモデル(シミュレータ)とモデルベース(モデル予測)制御系を設計するためのプロセスモデルは、さらに乖離していくと推測される。しかし、複雑な現象をより厳密に捉えることが可能なプロセスシミュレータを用いて、これをモデル予測制御系設計に利用することができれば、厳しくかつ多様な要求に答えられる制御系を構築でき、その潜在能力は非常に高いと考えられる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
このようにプロセスシミュレータを用いた制御方式というものが、非常に高い潜在能力を有しているにも拘わらず、現在まで、プロセスシミュレータを用いたシステマティックな制御方式は開発されてこなかった。発明者等は、この問題を解決するため、特願2000−059221号において、複雑な数式モデルから構成されるプロセスシミュレータを用いて、制御系設計用の簡易モデル(低次元線形近似モデル)を同定しながら、従来のモデル予測制御方式を利用する制御系設計手法を提案した。これは、従来の既存のモデル予測制御とプロセスシミュレータを関連づけるために、制御系設計用モデルを導入したものであり、間接的にプロセスシミュレータを利用した間接型プロセスシミュレータ応用制御装竃であった。
【0014】
本発明では、間接的なアプローチではなく、プロセスシミュレータを直接用いてモデル予測制御を構築する直接型プロセスシミュレータ応用制御装置の構成法を提供する。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的達成のため、請求項1に係る発明は、
プロセスの外乱を計測する外乱センサと、
プロセスの観測出力を計測するプロセス出力センサと、
前記外乱センサおよび前記プロセス出力センサの各計測値、ならびに、プロセス操作量指令値を所定の期間にわたって記憶するプロセス値記憶手段と、
プロセスの外乱を現時点からプロセス操作量に対するプロセス被制御量の変化が最も早いプロセス操作量とプロセス被制御量の組に対するステップ応答の時定数以上の未来の点であり、プロセス操作量に対するプロセス被制御量の変化が最も遅いプロセス操作量とプロセス被制御量の組に対するステップ応答が最終値に収束するまでの時間以下の未来の点まで、(1)プロセスの外乱を予測する:自己回帰モデルなどの統計モデルを用いて外乱予測モデルを構成する方法、(2)過去のパターンを参照して外乱予測モデルを構成する方法、(3)計測している外乱の値を外挿する方法(ホールド(0次,1次,・・・,N次))、の少なくとも1つにより予測するプロセス外乱予測手段と、
前記プロセス値記憶手段に記憶された前記プロセス操作量指令値とプロセス外乱の計測値と、前記プロセス外乱予測手段によるプロセスの外乱の予測値とを、プロセス被制御量の予測の計算を行うプロセスモデルに入力し、好ましくは前記プロセス値記憶手段に記憶されたプロセス外乱以外のプロセス出力センサの計測値も同時に前記プロセスモデルに入力し、前記プロセスモデルによってプロセス被制御量の時間的挙動を予測するプロセス予測手段と、
操作量および外乱の少なくとも一方の代表点の集合から成る運転点と、その運転点によって代表される操作量および外乱の少なくとも一方の集合を予め設計者が決定しておき、各運転点に対して所定の期間に亘るステップ応答時系列を対応させ、各運転点と、各運転点によって代表される操作量および外乱の少なくとも一方の集合と、各運転点に対応させたステップ応答時系列を記憶するステップ応答記憶手段と、
前記プロセス値記憶手段の前記プロセス操作量指令値と、プロセスの外乱の計測値とによって、前記ステップ応答記憶手段に記憶された運転点毎のステップ応答時系列から現在のステップ応答時系列を選択するステップ応答選択手段と、
前記プロセス予測手段で予測したプロセス予測値と、前記ステップ応答選択手段によって選択したステップ応答時系列と、予め設定された評価関数および評価重み制約条件ならびに目標値軌道とを入力として制約付きあるいは制約無しの2次計画問題として定式化し、この2次計画問題の解を、(1)解析的に求める、(2)2次計画問題を解く数理計画法を用いる、(3)線形行列不等式(LMI)と見なしてLMIに対する内点法を適用する、(4)遺伝的アルゴリズムや免疫的アルゴリズムに代表されるメタヒューリスティックスを適用する、のいずれかの方法によって操作量を求め、可同定条件を満たす操作量指令値と外乱計測値とプロセス観測出力値を含むという条件下で、設計者が設定した任意の時刻からプロセスシミュレーションを行う時刻までの期間に亘る最適な前記操作量指令値を決定するプロセス最適化手段と、
を備えたプロセスシミュレータ応用制御装置、である。
【0016】
本発明によれば、プロセス応答予測とプロセスステップ応答とプロセス最適化を、それぞれ独立化させ、プロセス応答予測とプロセスステップ応答を外部からプロセス最適化手段へ供給することにより、非線形の対象プロセスや分布定数系の対象プロセスなど複雑な対象プロセスに対しても柔軟に対応できるモデル予測制御方式を提供できる。さらに、それぞれの機能(プロセス応答予測とプロセスステップ応答とプロセス最適化)は、従来のモデル予測制御で用いられていたものと同程度の演算量で計算できるため、結果として従来のモデル予測制御と同程度の演算量で実現可能な制御方式を提供できる。
【0017】
従来のモデル予測制御でこのようなことができなかった原因は、対象システムのモデルを予め与えた後、制約付き2次形式評価関数を最小にするようにモデル予測制御設計問題を定式化しており(モデルの仮定⇒最適化問題(モデル予測制御問題))、対象システムのモデルにモデル予測制御問題が大きく制約されてしまうためである。
【0018】
本発明では、設計問題の定式化に特定のモデルを用いることを仮定せず、先に制約付きの2次形式評価関数を与えたモデル予測制御を考え、その際に必要となるステップ応答とプロセス応答予測の2つを外部から供給するという定式化を行ったため(最適化問題(モデル予測制御問題)の定式化⇒必要となるモデルの供給)、モデル予測制御の適用範囲を飛躍的に拡張させることができる(このアイデアの詳細は、実施例にて説明する)。
【0019】
さらに、本発明で用いるプロセス最適化手段は、評価関数が2次形式である場合には、必ず単峰性の最適化問題となるため、必ず最適解を求めることができる。これに対して、現在研究されている非線形モデル予測制御は、一般に多峰性の最適化問題となり最適解が求まらない可能性がある。これは、本発明においては、プロセス最適化手段として従来のモデル予測制御に用いられているものをそのまま援用し、この最適化問題を解く際に必要となるステップ応答とプロセス予測値を制御周期毎に可変に外部から与えるというアイデアを用いたため、最適化問題の単峰性は保存されるためである。一方、通常の非線形モデル予測制御では、非線形モデルと制約付き2次形式評価関数を用いて問題を定式化するため、プロセス最適化問題自身が複雑になり、一般に多峰性の問題となる。
【0020】
請求項2に係る発明は、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置において、プロセス予測手段は、プロセスの物理化学的な法則に基づいて微分方程式又は偏微分方程式を用いて構築したプロセスシミュレータを備える。
【0021】
本発明によれば、対象プロセスに対する理解が深まり、対象プロセスの応答の予測精度が上がれば上がるほど、それに伴って、プロセスの制御性能や経済的コストをより厳密に最適化できる。
【0022】
請求項3に係る発明は、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置において、プロセス予測手段は、プロセス値記憶手段に予め蓄積されたプロセス操作量指令値及びプロセスの外乱の計測値と、プロセスの観測出力の時系列データとに基づいて、多変量解析等の統計的手法、システム同定法、ニューラルネットワークの時系列データからのモデリング手法のいずれか一つを利用して構築したプロセスシミュレータを備える。
【0023】
本発明によれば、対象プロセスに対する物理化学的知見があいまいな場合であっても、過去に対象プロセスを運転した結果であるデータをシステマティックに解析することにより、対象プロセスの出力を予測することができ、その予測結果を用いたモデル予測制御系を構築することができる。
【0024】
請求項4に係る発明は、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置において、プロセス予測手段は、将来のプロセス出力予測時系列を外部で設定する人間系のプロセスシミュレータを備える。
【0025】
本発明によれば、対象プロセスに対する物理化学的知見があいまいであり、かつ対象プロセスの過去の運転履歴が保存されていないようなケースにおいても、その対象プロセスの挙動をある程度熟知している管理者や運転員がいる場合には、管理者や運転員にはプロセスがこの先どのように変化するかを予測軌道(時系列データ)として予測してもらうことのみで、対象プロセスを最適化することができる。
【0026】
請求項5に係る発明は、請求項2又は3に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置において、プロセス予測手段は、プロセスシミュレータによって予測を実施した上でその予測結果をグラフとして表示装置上に表示し、現在までの運転状況から外部で判断して表示装置上にグラフとして表示された予測結果を前記表示装置上から修正する。
【0027】
本発明によれば、対象プロセスのプロセスシミュレータによる予測値が対象プロセスの管理者や運転員の経験や勘と一致せず、管理者や運転員が不安を感じるような場合にも、管理者や運転員が納得できるようにプロセスの予測をディスプレイ上から容易に変更することができ、その結果、管理者や運転員が満足できるようなプロセスの最適化を行うことができる。
【0028】
請求項6に係る発明は、請求項2又は3に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置において、プロセス予測手段は、プロセスシミュレータに対して拡張カルマンフィルタなどを用いてプロセス出力値からのフィードバック機構を持たせることによってロバスト性を持たせたロバストプロセスシミュレータを備える。
【0029】
本発明によれば、例えば、対象プロセスが積分特性を含んでいたり(安定限界系)、不安定系であるような場合でプロセスシミュレータが入力(外乱と操作量)の少しの摂動や、対象プロセスの動特性の変動に対して過敏であるような場合にでもロバストにプロセスの応答を予測することができ、結果としてこのような対象プロセスに対しても、プロセスの最適化を行うことができる。また、プロセスが安定である場合であっても、プロセスに混入する外乱に対する感度をなるべく押さえて予測精度を向上させることができ、結果としてより精度の高いプロセス最適化を行うことができる。
【0030】
請求項7に係る発明は、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置において、ステップ応答記憶手段は、オフラインで予め各運転点毎にプロセスに対するステップ応答試験を行っておき、この試験結果から得られたステップ応答時系列を予めデータベースとして記憶させておく。
【0031】
本発明によれば、対象プロセスが安定系であり、予め試験信号を入力できるような場合に、想定できる複数の運転点において予めステップ応答試験を複数回行い、プロセスの動特性を事前に詳細に捉えておくことにより、より厳密にプロセスを最適化することができる。
【0032】
請求項8に係る発明は、請求項2又は3に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置において、ステップ応答記憶手段は、プロセスシミュレータを用いてオフラインで予め各運転点毎に仮想的なステップ応答試験を行っておき、この試験結果から得られたステップ応答時系列を予めデータベースとして記憶させておく。
【0033】
本発明によれば、対象プロセスが既に稼動状態にあったりして、対象プロセスの動特性を実験的に捉えることが困難であるような場合でも、プロセスシミュレータを用いて仮想的にプロセスの動特性を事前に詳細に捉えることができ、プロセスを最適化することができる。
【0034】
請求項9に係る発明は、請求項2又は3に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置において、ステップ応答記憶手段は、プロセスシミュレータを用いてオンラインで現在の運転点近傍での仮想的なステップ応答試験を行う。
【0035】
本発明によれば、実際に稼動している状態での運転点近傍におけるステップ応答をオンラインで得ることができ、オフラインで想定していなかったような運転点でプラントが運転されるような場合においても、プロセスを最適化することができる。
【0036】
請求項10に係る発明は、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置において、プロセス最適化手段は、制約付きの2次計画問題として定式化し、共役勾配法などの標準的な2次計画問題の解法を用いることによって演算を行う。
【0037】
本発明によれば、ステップ応答とプロセス予測値を外部から供給することのみで、従来のモデル予測制御の標準的な解法として用いられている制約付き2次計画問題の解法をそのまま援用して、より柔軟にモデル予測制御系を構成することができる。つまり、既に実現されているモデル予測制御の遺産(ソフトウェア)をそのまま継承して、その適用範囲を飛躍的に拡大することができる。
【0038】
請求項11に係る発明は、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置において、プロセス最適化手段は、制約付きの2次計画問題として定式化し、これを線形行列不等式問題と見なすことによって、内点法などのアルゴリズムを用いて演算を行う。
【0039】
本発明によれば、近年制御理論の最先端で研究されているLMIとしてモデル予測制御を捉えなおすことにより、LMIの研究を通して得られた最適化に関する最新の成果をそのままモデル予測制御に援用することができ、プロセスの最適化を従来のモデル予測制御より、より効率的に行うことができる。
【0040】
請求項12に係る発明は、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置において、プロセス最適化手段は、制約付きの2次計画問題として定式化し、これに対して遺伝的アルゴリズムや免疫的アルゴリズムなどのヒューリスティックな解法を用いて準最適な演算を行う。
【0041】
本発明によれば、プロセスを厳密に最適化することをあきらめて準最適化するという妥協をすることにより、遺伝的アルゴリズムなどの高速なヒューリスティック解法を利用して、請求項10や請求項11よりも、格段に高速にプロセスを準最適化できる。そのため、導入コストなどの問題でハイエンドの高速のコンピュータを利用できないような場合においても、比較的ローエンドのコンピュータによってモデル予測制御系を構築することができる。
【0042】
請求項13に係る発明は、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置において、プロセス外乱予測手段は、プロセスの外乱の計測値の時系列データに対する回帰モデル等の統計モデルを用いてプロセスの外乱の予測値を求める。
【0043】
本発明によれば、プロセス外乱の過去の挙動から精度よく外乱予測モデルを作ることにより、プロセス出力の予測をより高精度に行うことができ、結果としてより厳密にプロセスを最適化できる。
【0044】
請求項14に係る発明は、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置において、プロセス外乱予測手段は、プロセスの外乱の計測値の過去の時系列データを参考にして、パターンマッチングによりプロセスの外乱の予測値を求める。
【0045】
本発明によれば、周期的に変動するような外乱の予測を簡易にかつ精度良く行うことにより、プロセス出力の予測を高精度に行うことができ、結果としてより厳密にプロセスを最適化できる。
【0046】
請求項15に係る発明は、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置において、プロセス外乱予測手段は、現在のプロセスの外乱の計測値をホールドし、そのまま未来のある時点に外挿することによってプロセスの外乱の予測値を求める。
【0047】
本発明によれば、プロセス外乱に対する先験情報があまり無いような場合においても、ある程度のプロセス外乱の予測を行うことにより、プロセス外乱予測を行わない場合よりはプロセス出力予測精度を上げることができ、結果としてプロセスの最適性を向上することができる。
【0048】
また、請求項16に係る発明は、
可同定条件を満たす操作量指令値と外乱計測値とプロセス観測出力値を含むという条件下で、設計者が設定した任意の時刻からプロセスシミュレーションを行う時刻までの期間にわたりプロセスの外乱およびプロセスの観測出力を計測して、プロセス操作量指令値とともに記憶し、
前記プロセスの外乱を現時点からプロセス操作量に対するプロセス被制御量の変化が最も早いプロセス操作量とプロセス被制御量の組に対するステップ応答の時定数以上の未来の点であり、プロセス操作量に対するプロセス被制御量の変化が最も遅いプロセス操作量とプロセス被制御量の組に対するステップ応答が最終値に収束するまでの時間以下の未来の点まで、(1)プロセスの外乱を予測する:自己回帰モデルなどの統計モデルを用いて外乱予測モデルを構成する方法、(2)過去のパターンを参照して外乱予測モデルを構成する方法、(3)計測している外乱の値を外挿する方法(ホールド(0次,1次,・・・,N次))、の少なくとも1つにより予測し、
前記プロセス操作量指令値とプロセス外乱の計測値と、前記プロセスの外乱の予測値とを、プロセス被制御量の予測の計算を行うプロセスモデルに入力し、好ましくは記憶されたプロセス外乱以外のプロセス出力センサの計測値も同時に前記プロセスモデルに入力し、前記プロセスモデルによってプロセス被制御量の時間的挙動を予測し、
操作量および外乱の少なくとも一方の代表点の集合から成る運転点と、その運転点によって代表される操作量および外乱の少なくとも一方の集合を予め設計者が決定しておき、各運転点に対して所定の期間に亘るステップ応答時系列を対応させ、各運転点と、各運転点によって代表される操作量および外乱の少なくとも一方の集合と、各運転点に対応させたステップ応答時系列を記憶し、
前記プロセス操作量指令値と、プロセスの外乱の計測値とによって、記憶された運転点毎のステップ応答時系列から現在のステップ応答時系列を選択し、
前記プロセス予測値と、選択したステップ応答時系列と、予め設定された評価関数および評価重み制約条件ならびに目標値軌道とを入力として制約付きあるいは制約無しの2次計画問題として定式化し、この2次計画問題の解を、(1)解析的に求める、(2)2次計画問題を解く数理計画法を用いる、(3)線形行列不等式(LMI)と見なしてLMIに対する内点法を適用する、(4)遺伝的アルゴリズムや免疫的アルゴリズムに代表されるメタヒューリスティックスを適用する、のいずれかの方法によって操作量を求め、可同定条件を満たす操作量指令値と外乱計測値とプロセス観測出力値を含むという条件下で、設計者が設定した任意の時刻からプロセスシミュレーションを行う時刻までの期間に亘る最適な前記操作量指令値を決定する、
プロセスシミュレータ応用制御方法、である。
【0049】
本発明によれば、請求項1に記載の発明と同一の効果を有する。
【0050】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。以下の実施形態においては、具体的なプロセスとして、下水の微生物反応を用いた水質処理プロセスを取り上げるが、プロセスは任意のものでよく、本発明のアイデアの本質的な部分ではない。本発明のアイデアは、最適なモデル予測制御系を構成する(アルゴリズムを含む)構成法自身にある。図1は、本発明の一実施形態の構成を適用対象である下水処理場の下水処理プロセスとプロセスシミュレータ応用モデル制御装置を併せて示した下水処理システムを表わす系統図である。
【0051】
図1における下水処理システムは、制御対象としての下水処理プロセス1と、プロセスの計測値をプロセスデータサーバへ保持するプロセス値記憶手段2と、プロセスに混入する外乱である流入量や流入水質を予測するプロセス外乱予測手段3と、プロセスの状態や被制御量や観測出力を予測するプロセス予測手段4と、プロセスの被制御量や観測出力の様々な運転点近傍におけるステップ応答を記憶するステップ応答記憶手段5と、プロセスの現在(まで)の操作量や観測出力に基づき、ステップ応答記憶手段5から適切なステップ応答を取り出すステップ応答選択手段6と、プロセス評価関数及び評価重み供給手段7と、プロセス制約条件供給手段8と、目標値軌道供給手段9と、プロセスの最適な操作量を決定するプロセス最適化手段10とを備える。
【0052】
このうち、下水処理プロセス1は、最初沈殿池11と、嫌気槽12と、無酸素槽13と、好気槽14と、最終沈殿池15と、プロセス外乱と考えられる流入下水の量及び各種流入下水水質を計測するプロセス外乱センサ16と、下水処理プロセス1の各設備の溶存酸素濃度、アンモニア窒素濃度、呼吸速度などの各種水質値を計測するプロセス出力センサ171〜175と、下水処理プロセス1の各施設への操作量である循環ポンプ181とブロワ182と返送ポンプ183と余剰汚泥引き抜きポンプ184の4つのアクチュエータとで構成される。
【0053】
上記のように構成された本実施形態の動作について以下に説明する。この実施形態は、最終的には、以下に示す「新モデル予測制御問題」の具体的な解法を与えていることになる。なお、以下の「新モデル予測制御問題」自身が、既存のモデル予測制御の定式化として考えられていなかった新しいモデル予測制御の定式化の方法である。この新しいモデル予測制御の定式化を発明するに至った理由に関しては、本実施形態の効果の説明の欄にて行うこととする。
【0054】
新モデル予測制御問題(出力予測形式;離散時間系)
制御対象(対象プロセス)の前に積分器を挿入した拡大制御対象(拡大系)のモデルが、制御周期毎に、以下の様な出力予測形式で与えられているとする。
【0055】
【数1】

Figure 0003790129
ここで、ΔU(k)は入力Δu(k)∈Rmを1ステップづつずらしてNu2個並べたもの、D(k)は外乱d(k)∈Rkを1ステップづつずらしてNu個並べたもの、G(k)は(時間に依存する)プロセスのステップ応答(時系列データ)を1ステップづつずらしてNp3個並べたもの、Y(k)は出力y(k)∈RpをNp個並べたもの、Yhold(k)は操作量を固定した場合の出力yhold∈Rpを1ステップづつずらしてNp個並べたもの、E(k)は外乱から出力への影響を表す行列である。なお、R*は*次の実数の集合である。
【0056】
また、以下のような制約条件が与えられているとする。
【0057】
【数2】
Figure 0003790129
ここで、u(i)は入力uのi番目要素、Δu(i)は入力の差分Δuのi番目の要素、y(j)は出力yのj番目の要素であり、添え字のminとmaxは、それぞれ最小と最大を表し、入力及び出力の制約である。このとき、次の評価関数を最小にするような制御入力u(k)(あるいは、同じことであるが、入力の差分Δu(k))を求めよ。
【0058】
【数3】
Figure 0003790129
【数4】
Figure 0003790129
(6)式は、時刻k〜k+Nu間の最適操作量であるが、実際には、現在時刻kの操作量のみを取りだし、
△u(k)=[Im,0,…,0]Δu(k) (7)
を最適操作量とする。
【0059】
「新モデル予測制御問題」と「新モデル予測制御問題の解」を参考にして、以下に図1に示した本実施形態の動作を説明する。
【0060】
先ず、プロセス値記憶手段2において、プロセス外乱センサ16、プロセス出力センサ171〜175で計測した各種水質や水量などのセンサ出力値、及びアクチュエータ181〜184の操作量値(アクチュエータの操作量値が計測できない場合は、プロセス最適化手段10から出力される操作量指令値)に関する項目を記録する領域を確保し、これらの領域の初期化を行う。
【0061】
次に、ある時刻において、プロセス外乱センサ16の計測値(時系列データ)、プロセスセンサ171〜175の計測値(時系列データ)、及びアクチュエータ181〜185の操作量値(時系列データ)をプロセス値記憶手段2のプロセスデータサーバに適切なフォーマットに従って記憶する。
【0062】
次に、プロセス外乱予測手段3によって、本実施形態の外乱である流入下水量及び流入下水水質を予測する。具体的には、以下の様なことが考えられる。
【0063】
例えば、過去の流入下水量データや流入下水水質データを統計解析し、自己回帰モデル(ARモデル)などの統計モデルを構成して、流入下水量や流入下水水質を予測することができる。
【0064】
また、流入下水量や流入下水水質は、図2(a),(b)に示すように、天候と時刻に依存して一定のパターンを持つことが多いので、現在の天候と時刻を参照して過去のパターンを参照することによって予測することができる。
【0065】
また、流入下水量や流入下水水質の典型的なパターンが認められず、さらに過去の流入下水量や流入下水水質のデータが保存されていない場合には、プロセス外乱センサ16によって計測した流入下水量や流入下水水質をホールドし、これを未来に外挿することによってプロセス外乱の予測を行うことができる。
【0066】
次に、プロセス値記憶手段2に記憶された所定の期間に亘る操作量の時系列データ及びプロセス外乱予測手段3によって予測された流入下水量や流入下水水質の予測値をプロセス予測手段4に引き渡す。
【0067】
プロセス予測手段4では、例えば、以下に示すような数学モデル(非線形微分方程式)によって構築されるプロセスシミュレータによって、被制御量(あるいは観測出力)である最終沈殿池15の水質を予測する。
【0068】
プロセスシミュレータのモデル
図1の下水処理プロセスのプロセスシミュレータは、構成要素として最初沈殿池モデル、嫌気槽モデル、無酸素槽モデル、好気槽モデル、最終沈殿池モデル、からなり、これを物理的に結合することによって構築できる。
【0069】
最初沈殿池( First Clarifier) モデル
沈殿池のモデル化の方法は、例えば文献「G.A.Ekama et al,"Secondary Settling Tanks-Theory,Modeling,Design and Operation",IAWQ Scientific Technical Report No.6,(1997)」にまとめられているが、ここでは、説明を簡単にするため、以下のような簡単なモデルを利用する。
【0070】
【数5】
Figure 0003790129
ここで、Qfcin(t)[m3/day]は外乱としての流入量、Sfcin(t)[g/m3]及びXfcin(t)[g/m3]は、それぞれ、外乱としての溶解性及び浮遊性流入水質成分、Qfcout(t)=Qfcwaste(t)+Qfcnextoutq(t)[m3/day](Qfcwaste(t):初沈余剰汚泥引抜量、Qfcnextoutq(t):生物反応槽(嫌気槽)への流出量)は最初沈殿池からの流出量、Sfcin(t)[g/m3]は溶解性の水質9項目からなるベクトル、XLfc(t)[g/m3]は、沈殿部の浮遊性(固形)の水質7項目からなるベクトル、XUfc(t)[g/m3]は上澄部の浮遊性の水質7項目からなるベクトルである。溶解性の水質と浮遊性の水質は合計16個からなる。また、Vfcは最初沈殿池容量(一定と仮定)であり、αは汚泥が沈殿していると考えられる容積の最初沈殿池水量Vfcに対する割合の逆数を示す定数である。また、嫌気槽へ引き継がれる水質をZfc(t):=[Sfc(t)XUfc(t)]Tと定義し、余剰汚泥として引き抜かれる水質をZfcwaste(t):=[Sfc(t)XLfc(t)]Tと定義する。
【0071】
嫌気槽 (AnAerobic Tank) モデル
嫌気槽モデルは、微生物の反応と液体の完全混合を表すモデルから成る。
【0072】
【数6】
Figure 0003790129
ここで、Qaain(t)=Qfcnextout(t)+Qscret(t)[m3/day](Qscret(t)[m3/day]は、後述の返送汚泥量)と、Qaaout[m3/day]は、それぞれ嫌気槽への流入量(最初沈殿池からの流入量+返送汚泥量)と嫌気槽からの流出量(無酸素槽への流入量)であり、Zaa(t)[g/m3]は嫌気槽の水質からなるベクトルであり、Zaain(t)[g/m3]={Zfc(t)Qfcout(t)+Zscret(t)}/Qaain(t)(Zscret(t)は後述の返送汚泥の水質)は嫌気槽へ流入する水質からなるベクトルであり、Vaa[m3]は嫌気槽の水量(一定と仮定)である。また、r(Zaa(t)は、微生物反応による反応速度式であり、例えば、文献「IAWQ Task Group on Mathematical Modeling for Design and Operation of Biological Wastewater Treatment Processes、"Activated Sludge Model No.2",IAWQ Scientific Technical Report No.3,(1995)」に示されている19個の生物反応プロセスを考慮したASM2などで構成される(ただし、ASM2である必然性はなく、微生物反応を模擬できる反応速度式であれば、任意のものでよい)。
【0073】
ASM2では、Zaa(t)の要素として、P04(リン酸)、NH4(アンモニア)、NO3(硝酸)、DO(溶存酸素)や、MLSS(浮遊固形物濃度)の構成要素としての窒素除去やリン除去に関わる微生物など、16個の水質を考慮している。また、r(Zaa(t)の各要素は、19個の各プロセスに対して定義されるモノー型と呼ばれる非線形関数の反応速度式に対する重み付き和で構成されているため、それ自身非線形の関数になっている。従って、(13)〜(15)式のASM2モデルは、16次の非線形微分方程式となっている。
【0074】
無酸素槽 (AnOxic Tank) モデル
無酸素槽モデルは、嫌気槽モデルとほぼ同様の構成である。
【0075】
【数7】
Figure 0003790129
ここで、Qaoin(t)+Qoxcirc(t)[m3/day](Qoxcirc(t)は後述の循環量)とQaoout(t)[m3/day]は、それぞれ反応槽への流入量と反応槽からの流出量、Zao(t)[g/m3]は無酸素槽の水質からなるベクトル、Zaoin(t)[g/m3]={Zaa(t)Qaaout(t)+Zox(t)Qoxcirc(t)}/Qaoin(t)(Zox(t)は後述の好気槽の水質)は無酸素槽へ流入する水質からなるベクトル、Vao[m3]は無酸素槽の水量(一定と仮定)である。
【0076】
好気槽 (OXic Tank) モデル
好気槽のモデルは、嫌気槽や無酸素槽のモデルに、酸素供給のモデルを追加したものとなる。
【0077】
【数8】
Figure 0003790129
ここで、Qoxin(t)=Qaoout(t)[m3/day]とQoxout(t)=Qoxnextout(t)+Qoxcirc(t)[m3/day](Qoxnextout(t)は最終沈殿池への流出量、Qoxcirc(t)は循環量)は、それぞれ好気槽への流入量と好気槽からの流出量(循環量+最終沈殿池への流出量)、Zoxwe (t)[g/m3]は好気槽の水質からなるベクトル、Zoxin(t)[g/m3]=Zao(t)は好気槽へ流入する水質からなるベクトルVox[m3]は好気槽の水量(一定と仮定)である。また、So2ox(t)はZox(t)の要素(ASM2では2番目の要素)である溶存酸素濃度、So2は飽和溶存酸素濃度、KLaは総括酸素移動容量係数、Qb(t)はブロワによる曝気風量、Kは曝気風量と総括酸素移動容量係数を関連づける比例定数である。
【0078】
最終沈殿池 (Second Clari6er) モデル
最終沈殿池も、最初沈殿池のモデルと同様にモデル化できる。
【0079】
【数9】
Figure 0003790129
ここで、Qscin(t)=Qoxnextout(t)は最終沈殿池への流入量、[Sscin(t),XLscin(t)]=Zox(t)は最終沈殿池への流入水質、Ssc(t)[g/m3]は溶解性の水質からなるベクトル、XLsc(t)[g/m3]は、沈殿部の浮遊性(固形)の水質からなるベクトル、XUsc(t)[g/m3]は上澄部の浮遊性の水質からなるベクトルである。また、Vscは最終沈殿池の水量(一定と仮定)であり、βは汚泥が沈殿していると考えられる容積の沈殿池水量Vscに対する割合の逆数を示す定数である。また、Qscout(t)=Qscwaste(t)+Qscret(t)[m3/day](Qscout(t):余剰汚泥引抜量、Qscret(t):返送汚泥量)である。また、嫌気槽へ返送される(及び余剰汚泥として引き抜かれる)水質をZscret:=[Ssc(t)XLsc(t)]Tと定義し、放流水質をZsceffl(t):=[Ssc(t)XUsc(t)]Tと定義する。以上の(8)〜(27)式の各プロセスモデルを結合し、これを例えば計算機上に実装することにより、プロセスシミュレータを構築できる。以上のモデルをまとめると、形式的には以下のようにまとめて書くことができる。
【0080】
【数10】
Figure 0003790129
と定義し、f(x(t)),g1(x(t)),g2(x(t))は、(8)〜(27)式のx(t)に関する関数を適切に配置したものである。また、h(x(t))は観測量であり、例えば、x(t)の要素である各槽の酸素濃度S02aa(t),S02ao(t),S02ox(t)や各槽のMLSS濃度Xtssaa(t),Xtssao(t),Xtssox(t)、さらには、x(t)の要素である各槽のアンモニア性窒素濃度Snh4aa(t),Snh4ao(t),Snh4ox(t)や、リン酸性リン濃度Spo4aa(t),Spo4ao(t),Spo4ox(t)などをベクトルとして並べたものである。また、h2(x(t))は、被制御量であり、例えば、放流規制である最終沈殿池から流出する(x(t))の要素である)リン酸性リン濃度Spo4sc(t)やアンモニア性窒素濃度Snh4sc(t)、さらには、Ssc(t)の各水質要素の関数(線形和)である溶解性CODなどである。
【0081】
さて、(28)〜(30)式のプロセスシミュレータを用いてプロセス予測を行う際には、未来の操作量は現在の操作量をそのままホールドしているとして、計算を行う。これを、所定の制御周期毎にサンプリングし、所定の予測ホライズンNpまでの時系列データとして取り出し、さらにこのデータを適切に並べることにより、(1)式のYhold(k)の下記の、
【数11】
Figure 0003790129
を得ることができる。これがプロセス予測手段4の予測方法の一例であり、これによって操作量を固定した場合のプロセスの予測値が計算できる。
【0082】
また、(28)〜(30)式のようなプロセスモデルが得られないような場合には、過去の時系列データから統計的(数理的)な方法によってプロセスシミュレータを構築しておき、これに対して上記と同様のことを行えば、操作量を固定した場合のプロセス予測を行うことができる。
【0083】
また、もしプロセスシミュレータが存在しない場合には、次の様に操作量を固定した場合の予測を行うこともできる。まず、運転員が現在の操作量を保った場合の最終沈殿池15の水質がどのように変化するかを過去の経験と勘に基づいて予測し、それを図3に示すように、例えば電子的に入力できるディスプレイ(銀行のATMの様なもの)に予測軌道(予測応答)として入力をしてもらう。この入力されたデータを時系列データとして取り出し、上記と同様の方法によって、操作量を固定した場合の予測を行うことができる。
【0084】
また、プロセスシミュレータは存在するが運転員がプロセスシミュレータの予測に不満や疑問を感じる様な場合には、以下の様にプロセス予測を行うこともできる。まず、上述したようなプロセスシミュレータにより、操作量を固定した場合の最終沈殿池15の水質の予測を行う。次に、この予測軌道(予測応答)を、例えばディスプレイ上にグラフとして表示する。次に、このディスプレイ上にグラフとして表示された予測応答に不満がある場合には、運転員が、例えばマウスなどによってドラッグやドロップをすることにより、この予測応答波形を修正できるようにしておく。そして、この修正された予測応答波形を時系列データとして改めて保存し、これを上記と同様の方法によって、操作量を固定した場合のプロセス予測を行うことができる。これを図4に示す。
【0085】
上述したように、プロセスの物理化学的な方法に基づいて微分方程式や偏微分方程式など用いて構築したシミュレータや、プロセス値記憶手段2に蓄積されたプロセス操作量、その外乱等から多変量解析等の統計的システム同定法を利用して構築したシミュレータを用いる方法では、プロセス出力センサ171〜175の値を用いずに予測を行っていた。このような予測では、しばしば予測精度が劣化することがある。さらに、純粋な積分を含むプロセスや不安定なプロセス(有限の値の操作量を入力しているにも関わらず、出力が有限でなくなるようなプロセス)では、そもそも予測を行うことができない。このような場合には、例えば、(28)〜(30)式の様なプロセスシミュレータに対して、プロセス出力センサ171〜175の出力値と現時点の予測値との誤差をフィードバックすることにより、より精度良くかつ高ロバストな予測を行うことができる。例えば、以下の様にセンサ値のフィードバックを持つプロセスシミュレータ(ロバストプロセス値予測器)を構成できる。
【0086】
【数12】
Figure 0003790129
もし、f(x(t))-Kh1(x(t))を適当な動作点周りで線形近似を行い、その固有値の実部が全てマイナスになるようにKを選び、さらに対象プロセスが(28)〜(30)式で厳密に(誤差を持たずに)表現できるならば、(34)式と(35)式は、それぞれ、(局所的には)真の状態と真の出力に漸近的に収束する。従って、単に(28)〜(30)式を用いて予測を行うよりも、(34)式と(35)式を用いることによってロバストに予測を行うことができる。
【0087】
次に、ステップ応答記憶手段5では、予めプロセスに対するステップ応答試験を行うことができる場合には、想定される複数の運転点を設定し、その複数の運転点周りでステップ応答試験を行っておき、その応答波形を対応する運転点とセットにしてデータベース化しておくことができる。また、プロセスが既に稼動状態にあり、ステップ応答試験を行うことが困難な場合には、例えば(28)〜(30)式で構成される様なプロセスシミュレータを用いて、このプロセスシミュレータを仮想的に対象プロセスとみなし、これに対して応答波形を対応する運転点とセットにしてデータベース化しておくと同様な方法でステップ応答を記憶させておくことができる。
【0088】
また、対象プロセスに対する想定される運転点が予め不明であり、かつ、制御周期がプロセスシミュレーション計算時間と比較してそれほど短くない場合には、現在の運転点をプロセス値記憶手段2からオンラインで検出し、その近傍で循環ポンプ181乃至余剰汚泥引き抜きポンプ184のアクチュエータに微小なステップ摂動を与えた場合の応答をシミュレーションし、その応答波形を記憶することによって、ステップ応答記憶手段5を実現することができる。なお、この方法を用いた場合は、ステップ応答波形が一つであるため、以下で説明するステップ応答選択手段6は必要なくなる。
【0089】
次に、ステップ応答選択手段6では、プロセス値記憶手段2に保存された現在の操作量を入力し、その情報からステップ応答記憶手段5に記憶されたステップ応答の集合の中から、最も近い運転点を探し出し(例えば、現在の複数の操作量の値とステップ応答記憶手段5に記憶された運転点(複数の操作量の様々な組み合わせに対する運転点)を、例えば、0〜1の値を取るように、全て正規化し、正規化した複数の操作量の値と正規化した運転点の誤差の2乗和が最小となるような運転点を最も適切な運転点として採用するなど、その運転点に対応するステップ応答を選択する。
【0090】
また、プロセス運転員が自分でステップ応答を選択したい場合には、図5に示すように、それぞれの出力に対するステップ応答波形を複数表示しておき、この中から運転員が選択するという方法も考えられる。さらに、前述したように、管理者や運転員がグラフとして表示された予測結果を自分で修正する方法も考えられる。次に、プロセス最適化手段10では、プロセス予測手段4による操作量を固定した場合のプロセス出力予測値と、ステップ応答選択手段6によって選択されたステップ応答波形を入力し、それぞれのデータを適切に並べることによって、Yhold(k)の予測値及びG(k)の予測値を計算する。次に、これらの予測値を用いて、例えば制約条件が無い場合には、(6)式を計算することによって最適な操作量を決定できる。この場合、プロセス評価関数及び評価重み供給手段7や目標値軌道供給手段9によって、予め評価関数や評価関数の重みや目標値軌道は外部から与えられているとする。
【0091】
また、プロセス制約条件供給手段8による制約がある場合には、後述する「モデル予測制御問題3'」の解法として良く用いられている共役勾配法などの最適化手法を用いることによって、最適操作量を決定できる。
【0092】
また、より効率良く最適操作量を求めるためには、制約がある場合の最適化問題をLMIの問題として再定式化して、最近のLMIの研究で得られている最新の成果を用いて、より効率良く最適操作量を求めることができる。
【0093】
また、一連の処理を行う計算機のパワーが足りない場合やより短い周期で制御を行いたい場合には、最適化問題の最適解を求めることをあきらめ、遺伝的アルゴリズムなどのヒューリスティックな解法を用いて、準最適な操作量を求めることができる。次に、プロセス最適化手段10で決定した最適な操作量を操作量指令値として下水処理プロセス1に与え、これに従って操作量を調整する。最後に、プロセス値記憶手段2の初期化を除いた上記の操作を制御周期毎に繰り返す。なお、人間系が介在している箇所については、必ずしも制御周期毎に繰り返す必要はなく、間欠的に介在しても構わない。
【0094】
次に、本実施形態の効果を説明することとする。ここでは、まず本実施形態が何故効果的であるかを説明し、最後に本実施例の効果をまとめる。まず、以下の説明を行う準備として、後の説明で重要となるプロセスシミュレータ(28)〜(30)式の特徴を列挙する。
【0095】
イ プロセスシミュレータのモデルは一見複雑であるが、要素をベクトル化して表示すると、結局(28)〜(30)式の形にまとめられる。
【0096】
ロ しかし、(28)〜(30)式の状態方程式の次数は、ASM2を用いた場合80次(5×16次)にのぼり、高次である。
【0097】
ハ さらに、(28)〜(30)式は、強い非線形性を持つため線形近似を行うことは難しい(fx(t)の要素はASM2による飽和型の強い非線形関数であり、さらに双線形の項も持っている)。
【0098】
さて、本実施形態の効果を説明するために、これらの特徴を念頭において、(28)〜(30)式に対して、既存のモデル予測制御方式を適用することを考える。一般に(非線形の)モデル予測制御は、以下のように定式化される。
【0099】
モデル予測制御問題 1( 一般系 ; 連続時間系 )
制御対象(対象プロセス)のモデルが以下のように与えられているとする。
【0100】
【数13】
Figure 0003790129
ここで、u(t)∈Rmは入力、d1(t))∈Rlはシステム外乱、d2(t)∈Rkは観測外乱、x(t)∈Rnは状態、y(t)∈Rpは出力であり、R*は*次の実数の集合である。また、以下のような制約条件が与えられているとする。
【0101】
【数14】
Figure 0003790129
ここで、U(i)は入力uのi番目の要素、y(j)は出力yのj番目の要素であり、添え字のminとmaxは、それぞれ最小と最大を表し、入力及び出力の制約である。このとき、次の評価関数を最小にするような制御入力u(t)を求めよ。
【0102】
【数15】
Figure 0003790129
プロセス制御においては、通常、制御周期をサンプリング周期とする離散時間のモデルを用いて、以下の様な離散時間系のモデル予測制御問題として定式化することも多い。
【0103】
モデル予測制御問題 2( 一般系 ; 離散時間系 )
制御対象(対象プロセス)のモデルが以下の様に与えられているとする。
【0104】
Figure 0003790129
ここで、u(t)∈Rmは入力、d1(t))∈Rlはシステム外乱、d2(t)∈Rkは観測外乱、x(t)∈Rnは状態、y(t)∈Rpは出力であり、R*は*次の実数の集合である。また、以下のような制約条件が与えられているとする。
【0105】
【数16】
Figure 0003790129
このとき、次の評価関数を最小にするような制御入力u(k)を求めよ。
【0106】
【数17】
Figure 0003790129
さて、ここで、以上のモデル予測制御方式を、下水処理プロセスに対して適用することを考える。まず、上記「イ」の特徴より、(28)〜(30)式において、被制御量と観測出力を同一のものとすれば(y(t)=z(t))、本実施形態の下水処理プロセスには、(28)〜(30)式の下水処理プロセスシミュレータを使った「モデル予測制御問題1」として定式化できる。さらに、(28)〜(30)式を、例えばオイラー差分などによって、予め与えた制御周期で離散化すれば、「モデル予測制御問題2」として定式化することもできる。
【0107】
しかし、「モデル予測制御問題1」や「モデル予測制御問題2」は、問題として定式化することは容易であるが、実際にこの問題を解くのはそれほど容易なことではない。これに対して、現在、多くの研究者によって非線形モデル予測制御問題の研究が進められている。例えば、理論上の問題として、局所解に陥らずに最適解を求める問題や安定性を保証する問題などが残されている。さらに、莫大の計算量をどのように低減するかという実装上の問題も残されている。特に、実用上の側面からは、計算量の問題を解決することは重要である(局所解の問題や安定性の問題も非常に重要な問題である。しかし、実用的観点からは、局所解の問題は局所解を準最適解と考えて妥協してしまうことができる。また、安定性の問題に関しては、多くのプロセスでは、不安定化しないように制御系の機構面から対策することなどで避けている場合が多い。しかし、計算量が莫大になる問題は、現実の実装に関わるため、この問題を解決しなれば、産業界で使われることは難しい)。例えば、これを下水処理プロセスに適用するためには、下水処理プロセスシミュレータの特徴「ロ」のため、計算量が莫大になってしまうことは避けられない。従って、このようなモデル予測制御を下水処理プロセスのような複雑なプロセスに適用するには、まだ長い年月を必要とすると考えられる。
【0108】
一方、実際に既に産業分野で使われているモデル予測制御は、「モデル予測制御1」や「モデル予測制御2」の制御対象を線形なシステムに限ったものである。特に計算機上に実装することを考えて、離散時間系で用いられることが多く、これは、「モデル予測制御問題2」の特殊ケースと考えることができる。これを以下に示す。
【0109】
モデル予測制御問題 3( 線形状態空間モデル ; 離散時間系 )
制御対象(対象プロセス)のモデルが以下の様に与えられているとする。
【0110】
Figure 0003790129
ここで、u(t)∈Rmは入力、d1(t))∈Rlはシステム外乱、d2(t)∈Rkは観測外乱、x(t)∈Rnは状態、y(t)∈Rpは出力である。また、A〜Fは適当なサイズの定数行列である。
【0111】
また、以下のような制約条件が与えられているとする。
【0112】
【数18】
Figure 0003790129
このとき、次の評価関数を最小にするような制御入力u(k)を求めよ。
【0113】
【数19】
Figure 0003790129
なお、通常、線形のモデル予測制御では、予め制御対象の前に積分器を挿入しておくことが多いため(ステップ目標値に対して、定常偏差をゼロに保つためである)、実際には、以下の問題を解くことが多い。ただし、以下のモデル予測制御3'とモデル予測制御3は、アルゴリズム上はほとんど同じである。
【0114】
モデル予測制御問題 3 ( 線形状態空間拡大モデル ; 離散時間系 )
制御対象(対象プロセス)の前に積分器を挿入した拡大制御対象のモデルが以下の様に与えられているとする。
【0115】
【数20】
Figure 0003790129
また、以下のような制約条件が与えられているとする。
【0116】
【数21】
Figure 0003790129
ここで、U(i)は入力uのi番目の要素、ΔU(i)は入力の差分、y(j)は出力yのj番目の要素であり、添え字のminとmaxは、それぞれ最小と最大を表し、入力及び出力の制約である。このとき、次の評価関数を最小にするような制御入力u(k)(あるいは、同じことであるが、入力の差分Δu(k))を求めよ。
【0117】
【数22】
Figure 0003790129
さて、「モデル予測制御問題3'」は、次の手順で解くことができる。
【0118】
1)評価関数をベクトル及び行列形式で表すこと。
【0119】
2)制御対象のモデルから出力予測形式を導出すること。
【0120】
3)評価関数を最小化する操作量を計算すること。
【0121】
1)については、評価関数(56)式を以下の様に書きなおす。
【0122】
【数23】
Figure 0003790129
一方、2)については、制御対象(51)式と(52)式のモデルから、ブスチップ先出力予測形式とよばれる次の形に変形する。
【0123】
【数24】
Figure 0003790129
次に、3)の最適操作量を求める。ここでは、簡単のため、制約条件が存在しない場合を考える。この場合は、解析的に最適操作量を導出できる。まず、(62)式を(57)式へ代入して、評価関数を△U(k)のみの関数として表す。すると、
Figure 0003790129
となり、この(65)式を△U(k)に関して最小化するために、△U(k)に関して偏微分を行いそれをゼロとする。つまり、
【数25】
Figure 0003790129
を計算する。ここで、G,Hx(k),Q,R及びYr(k)が△U(k)に依存しないことに注意すると、これは解析的に計算でき、その解は、
△U(k)=(GTQG+R)-1GT(Yr(k)-Hx(k)) (67)
となる。これが、時刻k〜k+Nu間の最適操作量であるが、実際には、現在時刻kの操作量のみを取りだし、
△U(k)=[Im,0,…,0]△U(k) (68)
を最適操作量とし、制御周期毎に(67)式を解きなおして、閉ループ制御系とする。なお、この(68)式は、
1)状態は測定可能である。
【0124】
2)制約条件を考慮していない。
【0125】
という場合の最適操作量であるが、状態が得られない場合や制約がある場合に関しては、それぞれ、
1)状態x(k)に対するオブザーバを構成してx(k)の推定値で置きかえる。
【0126】
2)制約条件がある場合は、(53)式と(55)式を、(61)式などを用いて△u(k)の関数として書きなおし、これをまとめて、△U(k)に関する線形行列不等式(LMI)として書きなおす。そして、(65)式と併せて、線形制約を持つ二次形式最適化問題として、例えば共役勾配法を用いて数値的に最適操作量を求める。
【0127】
とすれば、容易に解決できる。
【0128】
以上が、産業界で既に用いられているモデル予測制御方式の一般的な定式化とその解法である。
【0129】
この「モデル予測制御3'」を下水処理プロセスに適用するためには、(51)式と(52)式の線形モデルを必要とする。しかしながら、(28)〜(30)式は、非線形のモデルであり、その要素としてASM2などの強い非線形関数を含むため、この線形近似モデルを導出することは難しい。つまり、前記「ハ」の性質を持つため、(51)式と(52)式の様なモデルを、近似的にも作ることが困難である。従って、「モデル予測制御3'」を本実施形態の下水処理プロセスに適用することは困難である。
【0130】
以上の説明により、本実施形態の下水処理プロセスの様な複雑なプロセスには、従来のモデル予測制御を適用することが難しいことがわかる。
【0131】
本発明では、このような複雑なプロセスに対しても、適用できるようなモデル予測制御方式を提供している。以下では、このアイデアを説明しよう。
【0132】
さて、前述の「モデル予測制御問題3'」において、その解法の過程を再考してみると、評価関数をベクトル形式で表すことや出力予測形式を導出することが、「モデル予測制御問題3'」を具体的に解くために必要となる操作であった。逆に、もし予め、「評価関数をベクトル形式で表現」し、「出力予測形式で表現された対象システムのモデルが与えられている」ならば、その形から直接モデル予測制御問題を定式化しても構わない。前者の「評価関数をベクトル形式で表現」することは、単に表現の形式を変えただけであるが、後者の「出力予測形式で表現された対象システムのモデルが与えられている」ことは、単に表現形式を変えただけではなく、それ以上の意味を持つ。
【0133】
すなわち、「モデル予測制御問題3'」では、「出力予測形式」の導出を線形状態空間モデルから行っているが、「出力予測形式」さえ存在すれば、制御対象のモデルが線形状態空間モデルでな<とも、その後の(65)〜(68)式は意味を持ち、最適操作量の決定を行うことができるということである。つまり、最適操作量(68)式を求めるために、制御対象が線形であることは(少なくとも陽には)用いていない。用いているのは、「出力予測形式」であり、(67)式を見てもわかるように、具体的には、GとHx(k)の2つを何らかの方法で得ることができれば、(65)〜(68)式の手段は実行可能である。では、(62)式のGとHx(k)は何を意味するかを考えてみることとする。
【0134】
Gは、(63)式の中を見ればわかるように、△uに対するインパルス応答(=uに対するステップ応答)を制御周期毎に1ステップずつずらして、予測ホライズンNpの長さだけ並べたものである。別の言葉を使えば、「予測出力応答の未来の入力に依存する成分」ということもできる。また、Hx(k)は、△u=0とした場合の出力予測値を与えるものであるから、「操作量を一定に保った場合の出力予測値からなるベクトル」であることがわかる。別の言葉を使えば、「予測出力応答の過去の入力に依存する成分」ということもできる。このことより、もし、「現在の運転点の近くでのステップ応答」と「現在の運転状態を保つ、すなわち、操作量を固定する場合の出力の予測」を行うことができれば、「モデル予測制御問題3'」の形をそのまま利用して、モデル予測制御問題を解くことができる。
【0135】
以上をまとめると、線形モデルを用いずに出力予測形式のモデルを用いて、先に示した「新モデル予測制御問題」の定式化に到達することができる。
【0136】
以上の説明から明らかなように、この「新モデル予測制御問題」の解法は、「モデル予測制御問題3'」と全く同様に行うことができる。また、「モデル予測制御問題3'」は、「新モデル予測制御問題」において、ステップ応答を固定し(線形の場合ステップ応答は全ての運転点において同一の応答となるようにし)、
【数26】
Figure 0003790129
とした特殊な場合と見なすことができる。
【0137】
「モデル予測制御問題3'」を「新モデル予測制御問題」に変更したことにより、以下の様にモデル予測制御の適用範囲を拡張できた。
【0138】
a. 「新モデル予測制御問題」では、「ステップ応答行列」と「操作量を固定した場合の出力予測応答」を、何らかの方法によって適切に供給することができれば、制御対象のモデルが線形である必要はない。
【0139】
b. 「モデル予測制御問題3'」では線形モデルから問題を定式化したため、ステップ応答行列Gは固定であったが、(65)〜(67)式の手順はステップ応答行列が時間と共に変化しても(kに依存しても)意味を持つため、G(k)と拡張できる。
【0140】
そして、「ステップ応答行列」や「操作量を固定した場合の出力予測応答」は、上記実施形態の動作として説明した方法によって供給することができる。この拡張によって、以下に列挙する本実施形態の効果が得られる。
【0141】
A. 制御周期毎に「プロセスのステップ応答」と「プロセスの操作量固定時のプロセス出力予測値」を外部からプロセス最適化手段に適切に供給するという操作を行う事のみで、従来の線形のモデル予測制御と同程度の演算量で、モデル予測制御の適用範囲を格段に拡張することができる。
【0142】
B. 「ステップ応答」や「プロセス出力予測値」等の一般の人にも容易に理解できる概念を用いて制御系の設計を行うことができるため、「ステップ応答」や「プロセス出力予測値」をディスプレイ上に表示するなどをして可視化することにより、管理者や運転員が安心して用いることのできる最適な制御系を構築することができる。
【0143】
C. 一般の人にも容易に理解できる概念である「ステップ応答」や「プロセス出力予測値」を人間系を介して修正することにより、プロセス最適性を適応的に向上させていくことができる。
【0144】
なお、既存のモデル予測制御と本発明の新しいモデル予測制御系の構成方法の考え方の相違を示した図を図6に示しておく。
【0145】
【発明の効果】
以上の説明により明らかな如く、本発明によれば、下水処理プロセス、上水処理プロセス、石油化学プロセスなど、特に、比較的時定数の長いプロセス系を中心とする任意の対象システムに対して、制御性能、経済性、制約などを考慮した最適な制御系を、容易に実装可能な演算量で、かつ、ヒューマンフレンドリーな形で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るプロセスシミュレータ応用モデル制御装置の一実施形態の構成を適用対象である下水処理場の下水処理プロセスと併せて示した系統図。
【図2】図1に示した実施形態の動作を説明するために、流入下水量又は水質と時間との関係を示した線図。
【図3】図1に示した実施形態の動作を説明するために、人間系による予測値と時間との関係を示す線図の入力状態を示す概念図。
【図4】図3に示した人間系による予測値と時間との関係をプロセスシミュレータにより修正する場合の入力状態を示す概念図。
【図5】図1に示した実施形態の動作を説明するために、ステップ応答選択手段を人間系で行う場合の選択方法を示す概念図。
【図6】本発明のモデル予測制御装置と既存のモデル予測装置の考え方の相違を表した図
【符号の説明】
1 下水処理プロセス
2 プロセス値記憶手段
3 プロセス外乱予測手段
4 プロセス予測手段
5 ステップ応答記憶手段
6 ステップ応答選択手段
7 プロセス評価関数及び評価重み供給手段
8 プロセス制約条件供給手段
9 目標値軌道供給手段
10 プロセス最適化手段
11 最初沈殿池
12 嫌気槽
13 無酸素槽
14 好気槽
15 最終沈殿池
16 プロセス外乱センサ
171〜175 プロセス出力センサ
181〜184 アクチュエータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention mainly focuses on process systems having relatively long time constants, such as biological processes such as sewage treatment processes and food processing processes, and chemical processes such as petroleum refining, and other electromagnetic systems such as motors and generators. Further, the present invention relates to a process simulator application control apparatus and method based on a simulator that simulates behaviors of various processes and systems including machine systems such as robots.
[0002]
[Prior art]
Various processes and systems in the industry (hereinafter referred to as target processes), such as water and sewage water volume processes and water quality processes, steel processes, petroleum refining processes, transportation systems, elevator systems, building air conditioning systems, urban thermal energy supply systems, etc. Conventionally, PID control and sequence control, which are a kind of classical control, have been widely used as control methods for target processes. These control methods are balanced control methods from the viewpoints of reliability, control performance, ease of design and tuning, and have established the position as the most standard control method in the industry.
[0003]
In recent years, for example, changes in the social background, such as the seriousness of environmental problems and increased awareness, and the diversification of customer demands accompanying diversification of values, have led to more severe and diverse control requirements as shown below. It has come to become something. For example, in sewage treatment, in order to reduce the burden on the environment, organic substances that are the quality of discharged water and regulations on the discharge of rivers such as nitrogen and phosphorus are becoming mandatory, and these values can be controlled quantitatively. The need to do is increasing.
[0004]
In addition, strict control performance has been demanded for strict quality requirements in steel sheet thickness control and for a comfortable ride comfort in elevators. Furthermore, as well as demands for simple control performance, as well as demands for reducing the amount of chemical injection in the water and sewage treatment process and improving the quality of treated water, economic cost reductions and energy savings are required. The demand for control is diversifying. As described above, in order to respond to various and strict requirements, the conventional PID control and sequence control are no longer sufficient, and in recent years, various advanced controls have been used.
[0005]
There are two broad approaches to advanced control. One is an approach such as fuzzy control or artificial intelligence (AI), which is a method of quantifying human senses and empirical knowledge to control, and control based on If-Then rules. This is called rule-based control. Another approach is a method of constructing a control system based on a mathematical model that expresses or simulates the behavior of a target process, and is called model-based control.
[0006]
These two approaches have their advantages and disadvantages depending on the circumstances and scope of use, but if there is a model that can adequately represent the behavior of the target process, it is potentially model-based. Control can provide better control performance than rule-based control. For details, refer to the specification of Japanese Patent Application No. 2000-059221 filed by the same applicant as the present application and the references described therein. Therefore, the presence or absence of a model that can simulate the behavior of the target process is one of the criteria for determining whether to use rule-based control or model-based control.
[0007]
In mechanical systems and electromagnetic systems such as elevators and power electronics, a model of the target process can be constructed relatively easily based on equations of motion, circuit equations, or electromagnetic laws. In addition, in the vicinity of the operating point (operating point) to be controlled, the model of the target process can be expressed by a linear differential equation, linear transfer function, or linear state equation with a relatively low order. For example, the optimal regulator theory (LQR) : Linear Quardratic Regulator / LQG: Linear Quardratic Regulator with Gaussian Input), inverse linear control theory (ILQ), or model-based control such as H-infinity control theory has already been applied. Effectiveness has been demonstrated.
[0008]
On the other hand, in so-called process control fields such as petrochemical processes and water and sewage processes, the process response is slower than mechanical and electrical systems, and operating costs such as chemicals and electric power that become operational quantities simultaneously with demands for control performance Since there is a strong demand for reducing the amount of noise, advanced control in a form different from mechanical and electrical systems has been developed. The most important of these is model predictive control, which is a type of model-based control. Model predictive control is a control method that can consider cost reduction and various constraint conditions in addition to achieving control performance, and can answer relatively diverse requirements. Model predictive control is a control system that was put into practical use in the industry by DMC (Dynamic Matrix Control), which was independent from Shell Shel1 Oi1, in the late 1970s and early 1980s. It is often used as advanced control in the industry.
[0009]
However, compared with conventional PID control and the like, such advanced control is still less applicable in the process control field. One of the technical reasons is that the target processes that can be handled by the existing model predictive control are limited. In order to apply the existing model predictive control to a certain process, some form of lumped constant linear model of the target process is required. Such a model may be derived from the laws of physicochemistry, or may be directly derived by performing a step response test or the like.
[0010]
On the other hand, as represented by the water quality process of sewage treatment, for example, the target process often has strong non-linearities or strong spatial distribution. In some cases, it is difficult to simulate the behavior of a process even approximately using a linear model. In such a case, the effectiveness of the model predictive control method currently in practical use is not clear and the scope of application is considered to be limited. In addition, research on nonlinear model predictive control has been actively conducted in the field of the latest control theory, but many of them are theoretical methods such as the construction method of model predictive control systems and the stability of closed loop systems. The main purpose of this analysis is the amount of computation that is important for implementation, and there are still many issues in terms of constraints on the nonlinear target system being handled, and practically these control systems can be easily realized. It is thought that it has not reached.
[0011]
On the other hand, models that simulate process behavior (usually called simulators) are used in various fields for purposes such as operation management, monitoring, process design, and operation training, not for direct control purposes. It has been. For example, in the field of sewage treatment, the International Association on Water Quality (IAWQ) has developed activated sludge models No. 1 to activated sludge models No. 1 representing the nitrogen and phosphorus removal processes using nonlinear differential equations. ~ Activated Sludge Model No.3) has been published, and a sewage treatment water quality process simulator can be constructed on a computer by combining it with a hydraulic model represented by partial differential equations. Such process simulators are capable of simulating processes with higher precision along with the development of computer technology, and as a result, the models themselves used to build simulators are becoming increasingly complex. ing.
[0012]
If this direction of development is extrapolated to the future as it is, the process model (simulator) for the purpose of operation management and monitoring and the process model for designing the model base (model prediction) control system will be further separated. It is estimated that. However, if a process simulator capable of more precisely capturing complex phenomena can be used for model predictive control system design, a control system that can meet strict and diverse requirements can be constructed, and its potential The ability is considered very high.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
Although the control method using the process simulator has a very high potential, a systematic control method using the process simulator has not been developed so far. In order to solve this problem, the inventors identified a simple model (low-dimensional linear approximation model) for control system design using a process simulator composed of complex mathematical models in Japanese Patent Application No. 2000-059221. On the other hand, a control system design method using the conventional model predictive control method was proposed. This is an indirect process simulator application control device that uses a process simulator indirectly to introduce a control system design model in order to associate a conventional model predictive control with a process simulator.
[0014]
The present invention provides a configuration method of a direct process simulator application control apparatus that constructs model predictive control using a process simulator directly instead of an indirect approach.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
  To achieve the above object, the invention according to claim 1
  A disturbance sensor that measures process disturbances;
  A process output sensor that measures the observed output of the process;
  Process value storage means for storing measured values of the disturbance sensor and the process output sensor, and a process operation amount command value over a predetermined period;
  Process disturbance from the present time is the future point that is more than the time constant of the step response to the set of process manipulated variable and process controlled variable with the fastest change in process controlled variable with respect to process manipulated variable. (1) Predict process disturbances, such as the autoregressive model, up to a future point that is less than the time until the step response for the set of process manipulated variable and process controlled variable with the slowest amount of change converges to the final value A method for constructing a disturbance prediction model using a statistical model, (2) a method for constructing a disturbance prediction model by referring to past patterns, and (3) a method for extrapolating measured disturbance values (hold (0 Process disturbance prediction means for predicting by at least one of the following, first order,..., Nth order):
  A process model for calculating a prediction of a process controlled amount using the process manipulated variable command value stored in the process value storage means, a measured value of the process disturbance, and a predicted value of the process disturbance by the process disturbance prediction means. A process for inputting a measured value of a process output sensor other than the process disturbance stored in the process value storage means to the process model at the same time, and predicting a temporal behavior of the process controlled amount by the process model. Prediction means,
  The designer determines in advance a set of operating points consisting of a set of representative points of at least one of the manipulated variable and disturbance, and at least one set of manipulated variables and disturbance represented by the operating point. Corresponding step response time series over a predetermined period, and storing each operation point, at least one set of operation amount and disturbance represented by each operation point, and step response time series corresponding to each operation point Step response storage means;
  The current step response time series is selected from the step response time series for each operating point stored in the step response storage means based on the process manipulated variable command value of the process value storage means and the measured value of the process disturbance. Step response selection means;
  The process predicted value predicted by the process predicting means, the step response time series selected by the step response selecting means, the evaluation function, the evaluation weight constraint condition, and the target value trajectory set in advance are constrained or unconstrained. Formulate as a quadratic programming problem and (1) analytically find the solution of this quadratic programming problem, (2) use mathematical programming to solve the quadratic programming problem, (3) linear matrix inequality (LMI) The manipulated variable that satisfies the identifiable condition is obtained by applying the interior point method for LMI and (4) applying the metaheuristics typified by genetic algorithm or immune algorithm. Over the period from the arbitrary time set by the designer to the time when the process simulation is performed under the condition that the command value, disturbance measurement value, and process observation output value are included. And process optimization means for determining the optimum the operation amount command values,
  A process simulator application control device including
[0016]
According to the present invention, the process response prediction, the process step response, and the process optimization are made independent from each other, and the process response prediction and the process step response are supplied to the process optimization means from the outside, so that the nonlinear target process and distribution are It is possible to provide a model predictive control method that can flexibly cope with complex target processes such as constant target processes. Furthermore, each function (process response prediction, process step response, and process optimization) can be calculated with the same amount of computation as that used in the conventional model predictive control. It is possible to provide a control method that can be realized with the same amount of computation.
[0017]
The reason why conventional model predictive control could not do this is that the model predictive control design problem is formulated so as to minimize the constrained quadratic evaluation function after the model of the target system is given in advance. This is because (model assumption ⇒ optimization problem (model predictive control problem)), the model predictive control problem is largely restricted by the model of the target system.
[0018]
The present invention does not assume that a specific model is used for formulation of a design problem, and considers model predictive control in which a constrained quadratic evaluation function is given first, and the step response and process required at that time Since the formulation of supplying two response predictions from outside (formulation of optimization problem (model predictive control problem) ⇒ supply of required model), the scope of application of model predictive control is dramatically expanded. (The details of this idea are explained in the examples).
[0019]
Furthermore, since the process optimization means used in the present invention is always a unimodal optimization problem when the evaluation function is in quadratic form, an optimal solution can always be obtained. On the other hand, the currently studied nonlinear model predictive control generally becomes a multimodal optimization problem, and there is a possibility that an optimal solution cannot be obtained. In the present invention, the process optimization means used in the conventional model predictive control is used as it is, and the step response and the process predicted value required for solving this optimization problem are determined for each control cycle. This is because the unimodality of the optimization problem is preserved because the idea of variably giving from outside is used. On the other hand, in the normal nonlinear model predictive control, since the problem is formulated using a nonlinear model and a constrained quadratic evaluation function, the process optimization problem itself becomes complicated and generally becomes a multimodal problem.
[0020]
The invention according to claim 2 is the process simulator application control apparatus according to claim 1, wherein the process prediction means is a process simulator constructed using a differential equation or a partial differential equation based on a physicochemical law of the process. Prepare.
[0021]
According to the present invention, as the understanding of the target process deepens and the prediction accuracy of the response of the target process increases, the control performance and economic cost of the process can be more strictly optimized accordingly.
[0022]
According to a third aspect of the present invention, in the process simulator application control apparatus according to the first aspect, the process prediction means includes a process operation amount command value and a process disturbance measurement value stored in advance in the process value storage means, and a process A process simulator built using any one of statistical methods such as multivariate analysis, system identification method, and modeling method from time series data of neural network based on time series data of observation output of .
[0023]
According to the present invention, even if the physicochemical knowledge about the target process is ambiguous, the output of the target process can be predicted by systematically analyzing data that is the result of operating the target process in the past. And a model predictive control system using the prediction result can be constructed.
[0024]
According to a fourth aspect of the present invention, in the process simulator application control apparatus according to the first aspect, the process prediction means includes a human-type process simulator for externally setting a future process output prediction time series.
[0025]
According to the present invention, even if the physicochemical knowledge about the target process is ambiguous and the past operation history of the target process is not stored, the administrator who is familiar with the behavior of the target process to some extent If there is an operator or an operator, the target process can be optimized only by having the manager or operator predict as a predicted trajectory (time series data) how the process will change in the future. it can.
[0026]
The invention according to claim 5 is the process simulator application control apparatus according to claim 2 or 3, wherein the process prediction means displays the prediction result as a graph on the display device after performing the prediction by the process simulator, The prediction result which is judged from the outside from the current driving situation and displayed as a graph on the display device is corrected from the display device.
[0027]
According to the present invention, even when the predicted value of the target process by the process simulator does not match the experience or intuition of the manager or operator of the target process and the manager or operator feels uneasy, The process prediction can be easily changed from the display so that the operator can be satisfied. As a result, the process can be optimized to satisfy the manager and the operator.
[0028]
The invention according to claim 6 is the process simulator application control apparatus according to claim 2 or 3, wherein the process prediction means has a feedback mechanism from the process output value using an extended Kalman filter or the like for the process simulator. A robust process simulator with robustness is provided.
[0029]
According to the present invention, for example, when the target process includes an integral characteristic (stability limit system) or is an unstable system, the process simulator has a slight perturbation of input (disturbance and manipulated variable) or the target process. Even in the case of being sensitive to fluctuations in the dynamic characteristics of the process, the process response can be predicted robustly, and as a result, the process can be optimized even for the target process. Even when the process is stable, the sensitivity to disturbances mixed in the process can be suppressed as much as possible to improve the prediction accuracy, and as a result, more accurate process optimization can be performed.
[0030]
According to a seventh aspect of the present invention, in the process simulator application control apparatus according to the first aspect, the step response storage means performs a step response test on the process for each operating point in advance offline, and obtains from the test result. The obtained step response time series is stored in advance as a database.
[0031]
According to the present invention, when the target process is a stable system and a test signal can be input in advance, the step response test is performed a plurality of times in advance at a plurality of assumed operating points, and the dynamic characteristics of the process are detailed in advance. By grasping it, the process can be optimized more strictly.
[0032]
The invention according to claim 8 is the process simulator application control apparatus according to claim 2 or 3, wherein the step response storage means performs a virtual step response test for each operating point in advance offline using the process simulator. The step response time series obtained from the test results is stored in advance as a database.
[0033]
According to the present invention, even when the target process is already in an operating state and it is difficult to experimentally capture the dynamic characteristics of the target process, the process dynamic characteristics are virtually calculated using the process simulator. Can be captured in detail in advance and the process can be optimized.
[0034]
The invention according to claim 9 is the process simulator application control device according to claim 2 or 3, wherein the step response storage means performs a virtual step response test near the current operating point online using the process simulator. Do.
[0035]
According to the present invention, the step response in the vicinity of the operating point in the actual operating state can be obtained online, and in the case where the plant is operated at an operating point that was not assumed offline. Even the process can be optimized.
[0036]
The invention according to claim 10 is the process simulator application control apparatus according to claim 1, wherein the process optimization means is formulated as a constrained quadratic programming problem, and a standard quadratic programming problem such as a conjugate gradient method is used. The calculation is performed by using the solution of
[0037]
According to the present invention, the solution of the constrained quadratic programming problem used as a standard solution of the conventional model predictive control is used as it is only by supplying the step response and the process predicted value from the outside. A model predictive control system can be configured more flexibly. In other words, the inheritance (software) of the model prediction control that has already been realized can be inherited as it is, and its application range can be dramatically expanded.
[0038]
The invention according to claim 11 is the process simulator application control apparatus according to claim 1, wherein the process optimizing means is formulated as a constrained quadratic programming problem, and is regarded as a linear matrix inequality problem. Calculation is performed using an algorithm such as a point method.
[0039]
According to the present invention, the latest results on optimization obtained through LMI research are directly incorporated into model predictive control by re-recognizing model predictive control as LMI that has been studied at the forefront of control theory in recent years. The process can be optimized more efficiently than the conventional model predictive control.
[0040]
The invention according to claim 12 is the process simulator application control apparatus according to claim 1, wherein the process optimization means is formulated as a constrained quadratic programming problem, and a genetic algorithm, an immune algorithm, etc. Suboptimal operations are performed using the heuristic solution of.
[0041]
According to the present invention, by making use of a fast heuristic solution such as a genetic algorithm by making a compromise of giving up and sub-optimizing to strictly optimize the process, However, the process can be sub-optimized much faster. Therefore, even when a high-end high-speed computer cannot be used due to problems such as introduction costs, a model predictive control system can be constructed with a relatively low-end computer.
[0042]
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the process simulator application control apparatus according to the first aspect, the process disturbance prediction means uses a statistical model such as a regression model for the time series data of the measured values of the process disturbance. Find the predicted value of.
[0043]
According to the present invention, by creating a disturbance prediction model with high accuracy from the past behavior of process disturbance, the process output can be predicted with higher accuracy, and as a result, the process can be optimized more strictly.
[0044]
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the process simulator application control apparatus according to the first aspect, the process disturbance prediction means refers to the past time series data of the measured values of the process disturbance and performs process disturbance by pattern matching. Find the predicted value of.
[0045]
According to the present invention, it is possible to predict a process output with high accuracy by easily and accurately predicting a disturbance that periodically fluctuates, and as a result, it is possible to optimize the process more strictly.
[0046]
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the process simulator application control apparatus according to the first aspect, the process disturbance predicting means holds the measured value of the current process disturbance and extrapolates it to a certain point in the future as it is. Determine the predicted value of the process disturbance.
[0047]
According to the present invention, even when there is not much a priori information on process disturbance, the process output prediction accuracy can be improved by predicting the process disturbance to some extent, compared with the case where the process disturbance prediction is not performed. As a result, the optimality of the process can be improved.
[0048]
  The invention according to claim 16 provides
  Process disturbance and process observation over a period from the time set by the designer to the time of process simulation under the condition that the manipulated variable command value, disturbance measurement value, and process observation output value satisfying the identifiable condition are included. Measure the output and store it together with the process manipulated variable command value.
  The disturbance of the process is a point in the future beyond the time constant of the step response to the set of the process operation amount and the process control amount with the fastest change in the process control amount with respect to the process operation amount from the present time. (1) Predict process disturbances to the future point below the time until the step response for the set of process manipulated variable and process controlled variable with the slowest change in control amount converges to the final value: autoregressive model, etc. (2) A method for constructing a disturbance prediction model with reference to past patterns, (3) A method for extrapolating measured disturbance values (hold ( 0th order, 1st order,..., Nth order)),
  The process manipulated variable command value, the measured value of the process disturbance, and the predicted value of the process disturbance are input to a process model for calculating the prediction of the process controlled amount, and preferably a process other than the stored process disturbance The measurement value of the output sensor is also input to the process model at the same time, and the temporal behavior of the process controlled amount is predicted by the process model,
  The designer determines in advance a set of operating points consisting of a set of representative points of at least one of the manipulated variable and disturbance, and at least one set of manipulated variables and disturbances represented by the operating point. Corresponding step response time series over a predetermined period, storing each operation point, at least one set of operation amount and disturbance represented by each operation point, and step response time series corresponding to each operation point ,
  By selecting the current step response time series from the stored step response time series for each operating point by the process manipulated variable command value and the process disturbance measurement value,
  Formulating the process predicted value, the selected step response time series, the preset evaluation function, the evaluation weight constraint condition, and the target value trajectory as a constrained or unconstrained quadratic programming problem. (1) analytically, (2) use mathematical programming to solve quadratic programming problems, (3) apply linear point inequalities (LMI) and apply interior point method for LMI, (4) The manipulated variable is obtained by any method of applying meta-heuristics represented by genetic algorithm and immune algorithm, and manipulated variable command value, disturbance measurement value and process observation output value satisfying the identifiable condition are obtained. Under the condition of including, determine the optimum manipulated variable command value over a period from the arbitrary time set by the designer to the time to perform the process simulation,
  Process simulator application control method.
[0049]
The present invention has the same effect as that of the first aspect of the invention.
[0050]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the drawings. In the following embodiments, a water quality treatment process using a sewage microbial reaction is taken up as a specific process, but the process may be arbitrary and is not an essential part of the idea of the present invention. The idea of the present invention resides in the configuration method itself (including an algorithm) that configures an optimal model predictive control system. FIG. 1 is a system diagram showing a sewage treatment system showing a sewage treatment process and a process simulator application model control apparatus to which a configuration of an embodiment of the present invention is applied.
[0051]
The sewage treatment system in FIG. 1 predicts a sewage treatment process 1 as a control target, a process value storage unit 2 that holds process measurement values in a process data server, and an inflow amount and inflow water quality that are disturbances mixed in the process. Process disturbance prediction means 3 for performing, process prediction means 4 for predicting the process state, controlled quantity and observed output, and step response memory for storing step responses in the vicinity of various operating points of the controlled quantity and observed output of the process A step response selecting means 6 for extracting an appropriate step response from the step response storage means 5, a process evaluation function and evaluation weight supply means 7, a process; Restriction condition supply means 8, target value trajectory supply means 9, and process optimization means 1 for determining an optimum operation amount of the process Provided with a door.
[0052]
Of these, the sewage treatment process 1 includes an initial sedimentation tank 11, an anaerobic tank 12, an anaerobic tank 13, an aerobic tank 14, a final sedimentation tank 15, an amount of inflow sewage considered to be a process disturbance, and various inflows. A process disturbance sensor 16 for measuring sewage water quality, process output sensors 171 to 175 for measuring various water quality values such as dissolved oxygen concentration, ammonia nitrogen concentration, respiration rate of each facility of the sewage treatment process 1, It is composed of four actuators including a circulation pump 181, a blower 182, a return pump 183, and an excess sludge extraction pump 184, which are operation amounts to each facility.
[0053]
The operation of the present embodiment configured as described above will be described below. This embodiment finally provides a specific solution to the “new model predictive control problem” shown below. The following “new model predictive control problem” itself is a method for formulating a new model predictive control that was not considered as a formulation of the existing model predictive control. The reason why the new model predictive control formulation has been invented will be described in the description of the effect of the present embodiment.
[0054]
New model predictive control problem (output prediction form; discrete time system)
Assume that a model of an expansion control target (expansion system) in which an integrator is inserted before the control target (target process) is given in the following output prediction format for each control cycle.
[0055]
[Expression 1]
Figure 0003790129
Where ΔU (k) is the input Δu (k) ∈RmStep by step to Nu2D (k) is the disturbance d (k) ∈RkG (k) is Np by shifting the step response (time series data) of the process (time series) by 1 step.ThreeY (k) is the output y (k) ∈RpYhold (k) is the output yhold ∈ R when the manipulated variable is fixed.pE (k) is a matrix representing the influence of the disturbance on the output. R * is a set of * order real numbers.
[0056]
Further, it is assumed that the following constraint conditions are given.
[0057]
[Expression 2]
Figure 0003790129
Where u(i)Is the i-th element of input u, Δu(i)Is the i-th element of the input difference Δu, y(j)Is the j-th element of the output y, and the subscripts min and max represent the minimum and maximum, respectively, and are input and output constraints. At this time, find the control input u (k) that minimizes the next evaluation function (or the input difference Δu (k), which is the same).
[0058]
[Equation 3]
Figure 0003790129
[Expression 4]
Figure 0003790129
Equation (6) is the optimum operation amount between times k and k + Nu, but actually only the operation amount at the current time k is taken out,
△ u (k) = [Im, 0,…, 0] Δu (k) (7)
Is the optimum operation amount.
[0059]
The operation of the present embodiment shown in FIG. 1 will be described below with reference to the “new model predictive control problem” and “solution of the new model predictive control problem”.
[0060]
First, in the process value storage means 2, sensor output values such as various water qualities and water amounts measured by the process disturbance sensor 16 and the process output sensors 171 to 175, and operation amount values of the actuators 181 to 184 (actuator operation amount values are measured. If this is not possible, areas for recording items related to the operation amount command value output from the process optimization means 10 are secured, and these areas are initialized.
[0061]
Next, at a certain time, the measurement values (time series data) of the process disturbance sensor 16, the measurement values (time series data) of the process sensors 171 to 175, and the operation amount values (time series data) of the actuators 181 to 185 are processed. The value is stored in the process data server of the value storage means 2 according to an appropriate format.
[0062]
Next, the process disturbance prediction means 3 predicts the inflow sewage amount and the inflow sewage quality that are disturbances of the present embodiment. Specifically, the following can be considered.
[0063]
For example, past inflow sewage data and inflow sewage quality data can be statistically analyzed, and a statistical model such as an autoregressive model (AR model) can be constructed to predict the inflow sewage quantity and inflow sewage quality.
[0064]
Inflow sewage volume and inflow sewage quality often have a certain pattern depending on the weather and time, as shown in Figs. 2 (a) and 2 (b), so refer to the current weather and time. Prediction by referring to the past pattern.
[0065]
In addition, when a typical pattern of inflow sewage amount or inflow sewage quality is not recognized, and inflow sewage amount data and past inflow sewage quality data are not stored, inflow sewage amount measured by the process disturbance sensor 16 The process disturbance can be predicted by holding the inflow sewage quality and extrapolating it to the future.
[0066]
Next, the operation amount time-series data stored in the process value storage unit 2 and the predicted value of the inflow sewage amount and the inflow sewage quality predicted by the process disturbance prediction unit 3 are delivered to the process prediction unit 4. .
[0067]
In the process prediction means 4, for example, the water quality of the final sedimentation basin 15 that is a controlled amount (or observation output) is predicted by a process simulator constructed by a mathematical model (nonlinear differential equation) as shown below.
[0068]
Process simulator model
The process simulator of the sewage treatment process shown in FIG. 1 includes a first sedimentation basin model, an anaerobic tank model, an anaerobic tank model, an aerobic tank model, and a final sedimentation basin model as constituent elements. Can be built.
[0069]
First settling pond ( First Clarifier) model
Methods for modeling sedimentation basins are summarized in, for example, the document “GA Ekama et al,“ Secondary Settling Tanks-Theory, Modeling, Design and Operation ”, IAWQ Scientific Technical Report No. 6, (1997)”. However, in order to simplify the explanation, the following simple model is used.
[0070]
[Equation 5]
Figure 0003790129
Where Qfcin (t) [mThree/ day] is the inflow as disturbance, Sfcin (t) [g / mThree] And Xfcin (t) [g / mThree] Is the solubility and floating inflow water quality components as disturbance, Qfcout (t) = Qfcwaste (t) + Qfcnextoutq (t) [mThree/ day] (Qfcwaste (t): amount of first excess sludge extraction, Qfcnextoutq (t): outflow to biological reaction tank (anaerobic tank)) is the outflow from the first sedimentation basin, Sfcin (t) [g / mThree] Is a vector consisting of nine soluble water quality items, XLfc (t) [g / mThree] Is a vector consisting of 7 items of floating (solid) water quality in the sediment, XUfc (t) [g / mThree] Is a vector consisting of seven items of floating water quality in the supernatant. There are a total of 16 soluble and floating water qualities. Vfc is the initial sedimentation tank capacity (assumed to be constant), and α is a constant indicating the reciprocal of the ratio of the volume of sludge precipitating to the initial sedimentation tank water volume Vfc. In addition, the water quality passed to the anaerobic tank is Zfc (t): = [Sfc (t) XUfc (t)]TThe water quality extracted as excess sludge is defined as Zfcwaste (t): = [Sfc (t) XLfc (t)]TIt is defined as
[0071]
Anaerobic tank (AnAerobic Tank) model
The anaerobic tank model consists of a model that represents microbial reactions and complete mixing of liquids.
[0072]
[Formula 6]
Figure 0003790129
Where Qaain (t) = Qfcnextout (t) + Qscret (t) [mThree/ day] (Qscret (t) [mThree/ day] is the return sludge volume) and Qaaout [mThree/ day] is the inflow to the anaerobic tank (inflow from the first sedimentation basin + return sludge volume) and the outflow from the anaerobic tank (inflow to the anaerobic tank), respectively. Zaa (t) [g / mThree] Is a vector composed of anaerobic water quality, Zaain (t) [g / mThree] = {Zfc (t) Qfcout (t) + Zscret (t)} / Qaain (t) (Zscret (t) is the quality of the return sludge described later) is a vector consisting of the quality of water flowing into the anaerobic tank, Vaa [ mThree] Is the amount of water in the anaerobic tank (assuming constant). In addition, r (Zaa (t) is a reaction rate equation based on a microbial reaction. It is composed of ASM2 etc. considering the 19 biological reaction processes shown in `` Technical Report No.3, (1995) '' (However, it is not necessarily ASM2, and it can be a reaction rate equation that can simulate microbial reactions. Any).
[0073]
In ASM2, P0 as the element of Zaa (t)Four(Phosphoric acid), NHFour(Ammonia), NOThreeIt considers 16 water qualities such as (nitric acid), DO (dissolved oxygen) and microorganisms involved in nitrogen removal and phosphorus removal as components of MLSS (floating solids concentration). In addition, each element of r (Zaa (t) is composed of a weighted sum for the reaction rate equation of a nonlinear function called mono-type defined for each of the 19 processes, so it is a nonlinear function itself. Therefore, the ASM2 model of the equations (13) to (15) is a 16th-order nonlinear differential equation.
[0074]
Anoxic tank (AnOxic Tank) model
The anaerobic tank model has almost the same configuration as the anaerobic tank model.
[0075]
[Expression 7]
Figure 0003790129
Where Qaoin (t) + Qoxcirc (t) [mThree/ day] (Qoxcirc (t) is the circulation rate described later) and Qaoout (t) [mThree/ day] is the amount of inflow and outflow from the reaction tank, Zao (t) [g / mThree] Is a vector consisting of water quality in an anaerobic tank, Zaoin (t) [g / mThree] = {Zaa (t) Qaaout (t) + Zox (t) Qoxcirc (t)} / Qaoin (t) (Zox (t) is the water quality of the aerobic tank, which will be described later) is a vector consisting of water quality flowing into the anoxic tank , Vao [mThree] Is the amount of water in the anoxic tank (assuming constant).
[0076]
Aerobic tank (OXic Tank) model
The aerobic tank model is obtained by adding an oxygen supply model to the anaerobic tank or anoxic tank model.
[0077]
[Equation 8]
Figure 0003790129
Where Qoxin (t) = Qaoout (t) [mThree/ day] and Qoxout (t) = Qoxnextout (t) + Qoxcirc (t) [mThree/ day] (Qoxnextout (t) is the outflow to the final sedimentation basin, Qoxcirc (t) is the circulation volume), and the inflow to the aerobic tank and the outflow from the aerobic tank (circulation volume + final sedimentation basin) ), Zoxwe (t) [g / mThree] Is a vector of aerobic tank water quality, Zoxin (t) [g / mThree] = Zao (t) is a vector Vox [m consisting of water quality flowing into the aerobic tankThree] Is the amount of water in the aerobic tank (assuming constant). So2ox (t) is the dissolved oxygen concentration that is the element of Zox (t) (the second element in ASM2), So2 is the saturated dissolved oxygen concentration, KLa is the overall oxygen transfer capacity coefficient, and Qb (t) is the aeration by the blower The air volume, K, is a proportionality constant that correlates the aeration air volume with the overall oxygen transfer capacity coefficient.
[0078]
Final sedimentation basin (Second Clari6er) model
The final sedimentation basin can be modeled in the same way as the initial sedimentation basin model.
[0079]
[Equation 9]
Figure 0003790129
Where Qscin (t) = Qoxnextout (t) is the inflow to the final sedimentation basin, [Sscin (t), XLscin (t)] = Zox (t) is the quality of the inflow water to the final sedimentation basin, Ssc (t) [g / mThree] Is a vector consisting of soluble water, XLsc (t) [g / mThree] Is a vector consisting of floating (solid) water quality in the sedimentation part, XUsc (t) [g / mThree] Is a vector consisting of floating water quality in the supernatant. Further, Vsc is the amount of water in the final sedimentation basin (assumed to be constant), and β is a constant indicating the reciprocal of the ratio of the volume of sludge settled to the sedimentation basin water amount Vsc. Qscout (t) = Qscwaste (t) + Qscret (t) [mThree/ day] (Qscout (t): excess sludge extraction amount, Qscret (t): return sludge amount). The water quality returned to the anaerobic tank (and extracted as excess sludge) is Zscret: = [Ssc (t) XLsc (t)]TAnd the discharged water quality is Zsceffl (t): = [Ssc (t) XUsc (t)]TIt is defined as A process simulator can be constructed by combining the above process models (8) to (27) and mounting them on a computer, for example. The above models can be summarized and written formally as follows.
[0080]
[Expression 10]
Figure 0003790129
F (x (t)), g1 (x (t)), and g2 (x (t)) are appropriately arranged functions related to x (t) in equations (8) to (27) It is. H (x (t)) is an observed quantity, for example, the oxygen concentration S02aa (t), S02ao (t), S02ox (t) of each tank, which is an element of x (t), and the MLSS concentration of each tank Xtssaa (t), Xtssao (t), Xtssox (t), and ammonia nitrogen concentration Snh4aa (t), Snh4ao (t), Snh4ox (t), phosphorus The acid phosphorus concentration Spo4aa (t), Spo4ao (t), Spo4ox (t), etc. are arranged as a vector. Further, h2 (x (t)) is a controlled amount, for example, phosphoric acid phosphorus concentration Spo4sc (t) flowing out from the final sedimentation basin that is the discharge regulation (element of x (t)) Spo4sc (t) or ammonia And the soluble COD that is a function (linear sum) of each water quality element of Ssc (t).
[0081]
Now, when performing process prediction using the process simulators of equations (28) to (30), calculation is performed assuming that the future operation amount holds the current operation amount as it is. This is sampled every predetermined control period, taken out as time series data up to a predetermined predicted horizon Np, and further arranged this data appropriately, the following Yhold (k) of the equation (1),
## EQU11 ##
Figure 0003790129
Can be obtained. This is an example of the prediction method of the process prediction means 4, whereby the predicted value of the process when the manipulated variable is fixed can be calculated.
[0082]
If a process model such as Equations (28) to (30) cannot be obtained, a process simulator is constructed using a statistical (mathematical) method from past time-series data. On the other hand, if the same thing as the above is performed, the process prediction when the operation amount is fixed can be performed.
[0083]
In addition, if no process simulator exists, it is possible to predict when the operation amount is fixed as follows. First, based on past experience and intuition, how the water quality of the final settling basin 15 changes when the operator maintains the current operation amount is predicted, for example, as shown in FIG. A display (such as an ATM at a bank) that can be input automatically is input as a predicted trajectory (predicted response). The input data is taken out as time series data, and prediction in the case where the operation amount is fixed can be performed by the same method as described above.
[0084]
If there is a process simulator but the operator feels dissatisfied or questioned about the process simulator prediction, the process prediction can be performed as follows. First, the water quality of the final sedimentation basin 15 when the manipulated variable is fixed is predicted by the process simulator as described above. Next, the predicted trajectory (predicted response) is displayed as a graph on a display, for example. Next, when the predicted response displayed as a graph on the display is unsatisfactory, the operator can modify the predicted response waveform by dragging or dropping the mouse with, for example, a mouse. Then, the corrected predicted response waveform can be stored again as time series data, and the process prediction can be performed when the manipulated variable is fixed by the same method as described above. This is shown in FIG.
[0085]
As described above, a simulator constructed using a differential equation or partial differential equation based on a physicochemical method of the process, a process variable stored in the process value storage means 2, a multivariate analysis based on the disturbance, etc. In the method using the simulator constructed by using the statistical system identification method, the prediction is performed without using the values of the process output sensors 171 to 175. In such a prediction, the prediction accuracy often deteriorates. Furthermore, a process including pure integration or an unstable process (a process in which an output is not finite despite a finite value of an operation amount being input) cannot be predicted in the first place. In such a case, for example, by feeding back an error between the output values of the process output sensors 171 to 175 and the current predicted value to a process simulator such as the equations (28) to (30), Precise and highly robust prediction can be performed. For example, a process simulator (robust process value predictor) having sensor value feedback can be configured as follows.
[0086]
[Expression 12]
Figure 0003790129
If f (x (t))-Kh1 (x (t)) is linearly approximated around an appropriate operating point, K is selected so that all real parts of its eigenvalues are negative, and the target process is ( (34) and (35) are asymptotically (locally) the true state and the true output, respectively, if they can be expressed exactly (with no error) by (28) to (30). Converge. Therefore, the prediction can be performed more robustly by using the equations (34) and (35) than by simply using the equations (28) to (30).
[0087]
Next, in the step response storage means 5, when a step response test for the process can be performed in advance, a plurality of assumed operating points are set and the step response test is performed around the plurality of operating points. The response waveform can be set in a database with the corresponding operating point. Also, if the process is already in operation and it is difficult to perform a step response test, for example, use a process simulator such as that shown in Equations (28) to (30). If a response waveform is set as a set with a corresponding operating point and stored in a database, a step response can be stored in a similar manner.
[0088]
Further, when the assumed operating point for the target process is unknown in advance and the control cycle is not so short as compared to the process simulation calculation time, the current operating point is detected online from the process value storage means 2. The step response storage means 5 can be realized by simulating the response when a minute step perturbation is given to the actuator of the circulation pump 181 to the excess sludge extraction pump 184 in the vicinity and storing the response waveform. it can. Note that when this method is used, since there is only one step response waveform, the step response selecting means 6 described below is not necessary.
[0089]
Next, the step response selection means 6 inputs the current manipulated variable stored in the process value storage means 2 and the nearest operation from the set of step responses stored in the step response storage means 5 from the information. A point is searched (for example, the current values of the plurality of operation amounts and the operation points stored in the step response storage means 5 (operation points for various combinations of the plurality of operation amounts) take a value of 0 to 1, for example. Thus, all operating points are normalized, and the operating point that minimizes the sum of squares of the normalized operating point values and the normalized operating point error is adopted as the most appropriate operating point. Step response corresponding to is selected.
[0090]
In addition, when the process operator wants to select the step response himself, as shown in FIG. 5, a plurality of step response waveforms for each output are displayed, and the operator can select from these. It is done. Furthermore, as described above, a method in which the manager or the operator corrects the prediction result displayed as a graph by himself / herself is also conceivable. Next, the process optimization unit 10 inputs the process output prediction value when the operation amount by the process prediction unit 4 is fixed and the step response waveform selected by the step response selection unit 6 and appropriately inputs each data. By arranging, the predicted value of Yhold (k) and the predicted value of G (k) are calculated. Next, using these predicted values, for example, when there is no constraint condition, the optimum operation amount can be determined by calculating the equation (6). In this case, it is assumed that the evaluation function, the weight of the evaluation function, and the target value trajectory are given in advance from the outside by the process evaluation function and evaluation weight supply unit 7 and the target value trajectory supply unit 9.
[0091]
Further, when there is a restriction by the process restriction condition supply means 8, an optimum operation amount is obtained by using an optimization technique such as a conjugate gradient method that is often used as a solution of the “model predictive control problem 3 ′” described later. Can be determined.
[0092]
In addition, in order to obtain the optimum operation amount more efficiently, the optimization problem when there is a constraint is reformulated as an LMI problem, and the latest results obtained in recent LMI research are used. The optimum operation amount can be obtained efficiently.
[0093]
Also, if the power of the computer that performs a series of processing is insufficient or if you want to control in a shorter cycle, give up finding the optimal solution of the optimization problem and use a heuristic solution such as a genetic algorithm. A sub-optimal operation amount can be obtained. Next, the optimum operation amount determined by the process optimization means 10 is given to the sewage treatment process 1 as an operation amount command value, and the operation amount is adjusted accordingly. Finally, the above operation excluding the initialization of the process value storage means 2 is repeated every control cycle. In addition, about the location where the human system interposes, it does not necessarily need to be repeated for every control period, and may interpose intermittently.
[0094]
Next, the effect of this embodiment will be described. Here, first, why this embodiment is effective will be described, and finally, the effects of this embodiment will be summarized. First, as preparation for the following explanation, the characteristics of the process simulators (28) to (30) that are important in the following explanation are listed.
[0095]
The model of the process simulator is complicated at first glance, but when elements are vectorized and displayed, they are eventually put together in the form of equations (28) to (30).
[0096]
However, the order of the state equations (28) to (30) is as high as 80th order (5 × 16th order) when ASM2 is used.
[0097]
C Furthermore, it is difficult to perform linear approximation because Eqs. (28) to (30) have strong nonlinearity (the elements of fx (t) are strong nonlinear functions of saturation type by ASM2, and bilinear terms Also have).
[0098]
Now, in order to explain the effects of this embodiment, it is considered that an existing model predictive control method is applied to the equations (28) to (30) with these characteristics in mind. In general, (non-linear) model predictive control is formulated as follows.
[0099]
Model predictive control problem 1 ( General system ; Continuous time system )
Assume that the model of the control target (target process) is given as follows.
[0100]
[Formula 13]
Figure 0003790129
Where u (t) ∈RmIs the input, d1 (t)) ∈RlIs the system disturbance, d2 (t) ∈RkIs the observed disturbance, x (t) ∈RnIs the state, y (t) ∈RpIs the output, and R * is the set of * order real numbers. Further, it is assumed that the following constraint conditions are given.
[0101]
[Expression 14]
Figure 0003790129
Where U(i)Is the i th element of input u, y(j)Is the j-th element of the output y, and the subscripts min and max represent the minimum and maximum, respectively, and are input and output constraints. Find the control input u (t) that minimizes the next evaluation function.
[0102]
[Expression 15]
Figure 0003790129
In process control, usually, a discrete-time model having a control period as a sampling period is often formulated as a model predictive control problem of the following discrete-time system.
[0103]
Model predictive control problem 2 ( General system ; Discrete time system )
Assume that the model of the control target (target process) is given as follows.
[0104]
Figure 0003790129
Where u (t) ∈RmIs the input, d1 (t)) ∈RlIs the system disturbance, d2 (t) ∈RkIs the observed disturbance, x (t) ∈RnIs the state, y (t) ∈RpIs the output, and R * is the set of * order real numbers. Further, it is assumed that the following constraint conditions are given.
[0105]
[Expression 16]
Figure 0003790129
Find the control input u (k) that minimizes the next evaluation function.
[0106]
[Expression 17]
Figure 0003790129
Now, consider applying the above model predictive control method to a sewage treatment process. First, from the characteristics of the above “a”, in the equations (28) to (30), if the controlled variable and the observation output are the same (y (t) = z (t)), the sewage of this embodiment The treatment process can be formulated as “Model Predictive Control Problem 1” using the sewage treatment process simulators (28) to (30). Furthermore, if the equations (28) to (30) are discretized at a control cycle given in advance by, for example, Euler differences, it can be formulated as “model predictive control problem 2”.
[0107]
However, although “model predictive control problem 1” and “model predictive control problem 2” are easy to formulate as problems, it is not so easy to actually solve this problem. In contrast, many researchers are currently studying nonlinear model predictive control problems. For example, there are theoretical problems such as a problem of obtaining an optimal solution without falling into a local solution and a problem of ensuring stability. In addition, there remains an implementation problem of how to reduce the enormous amount of calculation. In particular, from a practical aspect, it is important to solve the computational complexity problem (local solution problems and stability problems are also very important problems. This problem can be compromised by considering the local solution as a sub-optimal solution, and for many stability problems, in many processes, measures should be taken from the mechanism side of the control system to avoid destabilization. However, since the problem with a huge amount of computation is related to the actual implementation, it is difficult to use it in the industry unless this problem is solved.) For example, in order to apply this to a sewage treatment process, it is inevitable that the amount of calculation becomes enormous due to the characteristic “b” of the sewage treatment process simulator. Therefore, it is considered that it takes a long time to apply such model predictive control to a complicated process such as a sewage treatment process.
[0108]
On the other hand, model predictive control that is actually used in the industrial field is limited to a linear system for “model predictive control 1” and “model predictive control 2”. In particular, it is often used in a discrete-time system in consideration of mounting on a computer, and this can be considered as a special case of “model predictive control problem 2”. This is shown below.
[0109]
Model predictive control problem 3 ( Linear state-space model ; Discrete time system )
Assume that the model of the control target (target process) is given as follows.
[0110]
Figure 0003790129
Where u (t) ∈RmIs the input, d1 (t)) ∈RlIs the system disturbance, d2 (t) ∈RkIs the observed disturbance, x (t) ∈RnIs the state, y (t) ∈RpIs the output. A to F are constant matrices of appropriate sizes.
[0111]
Further, it is assumed that the following constraint conditions are given.
[0112]
[Formula 18]
Figure 0003790129
Find the control input u (k) that minimizes the next evaluation function.
[0113]
[Equation 19]
Figure 0003790129
Normally, in linear model predictive control, an integrator is often inserted in advance before the control target (to keep the steady deviation at zero with respect to the step target value). Often, the following problems are solved. However, the following model predictive control 3 ′ and model predictive control 3 are almost the same on the algorithm.
[0114]
Model predictive control problem Three , ( Linear state space expansion model ; Discrete time system )
Assume that the model of the extended control target with the integrator inserted before the control target (target process) is given as follows.
[0115]
[Expression 20]
Figure 0003790129
Further, it is assumed that the following constraint conditions are given.
[0116]
[Expression 21]
Figure 0003790129
Where U(i)Is the i-th element of input u, ΔU(i)Is the input difference, y(j)Is the j-th element of the output y, and the subscripts min and max represent the minimum and maximum, respectively, and are input and output constraints. At this time, find the control input u (k) that minimizes the next evaluation function (or the input difference Δu (k), which is the same).
[0117]
[Expression 22]
Figure 0003790129
The “model predictive control problem 3 ′” can be solved by the following procedure.
[0118]
1) Express the evaluation function in vector and matrix form.
[0119]
2) Deriving the output prediction format from the model to be controlled.
[0120]
3) Calculate the manipulated variable that minimizes the evaluation function.
[0121]
For 1), rewrite the evaluation function (56) as follows.
[0122]
[Expression 23]
Figure 0003790129
On the other hand, with respect to 2), the model of the control object (51) and (52) is transformed into the following form called the bus tip output prediction format.
[0123]
[Expression 24]
Figure 0003790129
Next, the optimum operation amount of 3) is obtained. Here, for the sake of simplicity, let us consider a case where there is no constraint condition. In this case, the optimum operation amount can be derived analytically. First, the expression (62) is substituted into the expression (57), and the evaluation function is expressed as a function of only ΔU (k). Then
Figure 0003790129
In order to minimize the equation (65) with respect to ΔU (k), partial differentiation is performed with respect to ΔU (k) and it is set to zero. That means
[Expression 25]
Figure 0003790129
Calculate Note that G, Hx (k), Q, R, and Yr (k) do not depend on ΔU (k), this can be calculated analytically, and the solution is
△ U (k) = (GT(QG + R)-1GT(Yr (k) -Hx (k)) (67)
It becomes. This is the optimum manipulated variable between time k and k + Nu, but actually only the manipulated variable at the current time k is taken out,
△ U (k) = [Im, 0,…, 0] △ U (k) (68)
Is the optimum manipulated variable, and the equation (67) is solved again for each control cycle to obtain a closed loop control system. This equation (68) is
1) The state can be measured.
[0124]
2) The constraints are not considered.
[0125]
In the case where the state cannot be obtained or there are restrictions,
1) Configure an observer for state x (k) and replace it with an estimate of x (k).
[0126]
2) If there are constraints, rewrite Eqs. (53) and (55) as a function of △ u (k) using Eq. (61) etc. Rewrite as linear matrix inequality (LMI). Then, together with the equation (65), as a quadratic form optimization problem having a linear constraint, for example, an optimal manipulated variable is obtained numerically using a conjugate gradient method.
[0127]
If so, it can be solved easily.
[0128]
The above is a general formulation of a model predictive control method already used in the industry and its solution.
[0129]
In order to apply this “model predictive control 3 ′” to the sewage treatment process, linear models of equations (51) and (52) are required. However, since the equations (28) to (30) are nonlinear models and include strong nonlinear functions such as ASM2 as elements, it is difficult to derive this linear approximation model. In other words, it is difficult to make models such as the equations (51) and (52) approximately because of the above-mentioned property of “c”. Therefore, it is difficult to apply “model predictive control 3 ′” to the sewage treatment process of this embodiment.
[0130]
From the above description, it can be seen that it is difficult to apply the conventional model predictive control to a complicated process such as the sewage treatment process of the present embodiment.
[0131]
The present invention provides a model predictive control method that can be applied to such complicated processes. I will explain this idea below.
[0132]
Now, in the above-mentioned “Model Predictive Control Problem 3 ′”, when the process of the solution is reconsidered, expressing the evaluation function in the vector format and deriving the output predictive form are “Model Predictive Control Problem 3 ′”. It was an operation required to solve " On the other hand, if “the evaluation function is expressed in vector format” and “the model of the target system expressed in the output prediction format is given” in advance, the model predictive control problem is formulated directly from that form. It doesn't matter. The former "representing the evaluation function in vector form" is simply changing the form of the expression, but the latter "giving the model of the target system represented in the output prediction form" It has more meaning than just changing the expression.
[0133]
In other words, in “Model Predictive Control Problem 3 ′”, the “output prediction format” is derived from the linear state space model, but if the “output prediction format” exists, the model to be controlled is a linear state space model. In particular, the following formulas (65) to (68) are meaningful and the optimum manipulated variable can be determined. That is, in order to obtain the optimum manipulated variable (68), the fact that the control target is linear is not used (at least explicitly). What is used is the `` output prediction format '', and as you can see from equation (67), specifically, if you can get both G and Hx (k) in some way, The means of the formulas (65) to (68) can be executed. Let us consider what G and Hx (k) in Equation (62) mean.
[0134]
As can be seen from the equation (63), G is an impulse response to Δu (= step response to u) shifted by one step for each control period, and arranged by the length of the predicted horizon Np. is there. In other words, it can be called “a component that depends on the future input of the predicted output response”. Further, since Hx (k) gives an output predicted value when Δu = 0, it is understood that “Hx (k) is a vector consisting of an output predicted value when the operation amount is kept constant”. In other words, it can be said to be “a component that depends on the past input of the predicted output response”. From this, if "step response near the current driving point" and "predicting output when the current operating state is maintained, that is, the operation amount is fixed" can be performed, "model predictive control" The model predictive control problem can be solved by using the form of “Problem 3 ′” as it is.
[0135]
To summarize the above, it is possible to arrive at the formulation of the “new model predictive control problem” described above by using the output prediction format model without using the linear model.
[0136]
As is clear from the above description, the solution of the “new model predictive control problem” can be performed in the same manner as the “model predictive control problem 3 ′”. In addition, the “model predictive control problem 3 ′” is a step response fixed in the “new model predictive control problem” (in the case of linear, the step response becomes the same response at all operating points)
[Equation 26]
Figure 0003790129
It can be regarded as a special case.
[0137]
By changing "Model Predictive Control Problem 3 '" to "New Model Predictive Control Problem", the application range of model predictive control could be expanded as follows.
[0138]
a. In the “new model predictive control problem”, if the “step response matrix” and “output predictive response when the manipulated variable is fixed” can be appropriately supplied by some method, the model to be controlled is linear. There is no need.
[0139]
b. In “Model Predictive Control Problem 3 ′”, since the problem was formulated from the linear model, the step response matrix G was fixed. However, the steps (65) to (67) change the step response matrix with time. But it has meaning (even if it depends on k), so it can be expanded to G (k).
[0140]
The “step response matrix” and “output prediction response when the operation amount is fixed” can be supplied by the method described as the operation of the above embodiment. By this expansion, the effects of the present embodiment listed below can be obtained.
[0141]
A. By simply performing the operation of appropriately supplying “process step response” and “process output predicted value when the process operation amount is fixed” from the outside to the process optimization means at each control cycle, The scope of application of model predictive control can be greatly expanded with the same amount of computation as model predictive control.
[0142]
B. Since the control system can be designed using concepts that can be easily understood by ordinary people, such as “step response” and “process output predicted value”, “step response” and “process output predicted value” Is displayed on the display, etc., and an optimal control system that can be used with peace of mind by the manager and the operator can be constructed.
[0143]
C. Process optimization can be adaptively improved by modifying “step response” and “process output predicted value”, which are concepts that can be easily understood by ordinary people, via a human system. .
[0144]
FIG. 6 shows a diagram showing the difference in the concept of the configuration method of the existing model predictive control and the new model predictive control system of the present invention.
[0145]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, for any target system centering on a process system having a relatively long time constant, such as a sewage treatment process, a water treatment process, and a petrochemical process, It is possible to provide an optimal control system in consideration of control performance, economy, restrictions, and the like, with a calculation amount that can be easily implemented, and in a human friendly manner.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram showing the configuration of an embodiment of a process simulator application model control apparatus according to the present invention together with a sewage treatment process to which a sewage treatment plant is applied.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the inflow sewage amount or water quality and time in order to explain the operation of the embodiment shown in FIG. 1;
3 is a conceptual diagram showing an input state of a diagram showing a relationship between a predicted value by a human system and time in order to explain the operation of the embodiment shown in FIG. 1;
4 is a conceptual diagram showing an input state when a relationship between a predicted value and time by a human system shown in FIG. 3 is corrected by a process simulator;
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a selection method when step response selection means is performed in a human system in order to explain the operation of the embodiment shown in FIG. 1;
FIG. 6 is a diagram showing the difference in concept between the model prediction control device of the present invention and the existing model prediction device.
[Explanation of symbols]
1 Sewage treatment process
2 Process value storage means
3 Process disturbance prediction means
4 Process prediction means
5 step response storage means
6 Step response selection means
7 Process evaluation function and evaluation weight supply means
8 Process constraint condition supply means
9 Target value trajectory supply means
10 Process optimization means
11 First sedimentation basin
12 Anaerobic tank
13 Anoxic tank
14 Aerobic tank
15 Final sedimentation basin
16 Process disturbance sensor
171 to 175 Process output sensor
181 to 184 Actuator

Claims (16)

プロセスの外乱を計測する外乱センサと、
プロセスの観測出力を計測するプロセス出力センサと、
前記外乱センサおよび前記プロセス出力センサの各計測値、ならびに、プロセス操作量指令値を可同定条件を満たす操作量指令値と外乱計測値とプロセス観測出力値を含むという条件下で、設計者が設定した任意の時刻からプロセスシミュレーションを行う時刻までの期間に亘って記憶するプロセス値記憶手段と、
プロセスの外乱を現時点からプロセス操作量に対するプロセス被制御量の変化が最も早いプロセス操作量とプロセス被制御量の組に対するステップ応答の時定数以上の未来の点であり、プロセス操作量に対するプロセス被制御量の変化が最も遅いプロセス操作量とプロセス被制御量の組に対するステップ応答が最終値に収束するまでの時間以下の未来の点まで、 (1) プロセスの外乱を予測する:自己回帰モデルなどの統計モデルを用いて外乱予測モデルを構成する方法、 (2) 過去のパターンを参照して外乱予測モデルを構成する方法、 (3) 計測している外乱の値を外挿する方法(ホールド(0次,1次,・・・, N 次))、の少なくとも1つにより予測するプロセス外乱予測手段と、
前記プロセス値記憶手段に記憶された前記プロセス操作量指令値とプロセス外乱の計測値と、前記プロセス外乱予測手段によるプロセスの外乱の予測値とを、プロセス被制御量の予測の計算を行うプロセスモデルに入力し、好ましくは前記プロセス値記憶手段に記憶されたプロセス外乱以外のプロセス出力センサの計測値も同時に前記プロセスモデルに入力し、前記プロセスモデルによってプロセス被制御量の時間的挙動を予測するプロセス予測手段と、
操作量および外乱の少なくとも一方の代表点の集合から成る運転点と、その運転点によって代表される操作量および外乱の少なくとも一方の集合を予め設計者が決定しておき、各運転点に対して所定の期間に亘るステップ応答時系列を対応させ、各運転点と、各運転点によって代表される操作量および外乱の少なくとも一方の集合と、各運転点に対応させたステップ応答時系列を記憶するステップ応答記憶手段と、
前記プロセス値記憶手段の前記プロセス操作量指令値と、プロセスの外乱の計測値とによって、前記ステップ応答記憶手段に記憶された運転点毎のステップ応答時系列から現在のステップ応答時系列を選択するステップ応答選択手段と、
前記プロセス予測手段で予測したプロセス予測値と、前記ステップ応答選択手段によって選択したステップ応答時系列と、予め設定された評価関数および評価重み制約条件ならびに目標値軌道とを入力として制約付きあるいは制約無しの 2 次計画問題として定式化し、この 2 次計画問題の解を、 (1) 解析的に求める、 (2)2 次計画問題を解く数理計画法を用いる、 (3) 線形行列不等式( LMI )と見なして LMI に対する内点法を適用する、 (4) 遺伝的アルゴリズムや免疫的アルゴリズムに代表されるメタヒューリスティックスを適用する、のいずれかの方法によって操作量を求め、可同定条件を満たす操作量指令値と外乱計測値とプロセス観測出力値を含むという条件下で、設計者が設定した任意の時刻からプロセスシミュレーションを行う時刻までの期間に亘る最適な前記操作量指令値を決定するプロセス最適化手段と、
を備えたプロセスシミュレータ応用制御装置。
A disturbance sensor that measures process disturbances;
A process output sensor that measures the observed output of the process;
Set by the designer under the condition that the measured values of the disturbance sensor and the process output sensor, and the manipulated variable command value, the measured disturbance value, and the process observation output value satisfy the identifiable condition. Process value storage means for storing over a period from the arbitrary time to the time of performing the process simulation ;
Process disturbance from the present time is the future point that is more than the time constant of the step response to the set of process manipulated variable and process controlled variable with the fastest change in process controlled variable with respect to process manipulated variable. (1) Predict process disturbances: autoregressive models, etc., to future points below the time until the step response for the set of process manipulated variable and process controlled variable with the slowest amount of change converges to the final value A method of constructing a disturbance prediction model using a statistical model, (2) A method of constructing a disturbance prediction model with reference to past patterns, and (3) A method of extrapolating measured disturbance values (hold (0 next, primary, · · ·, N order)), and process disturbances predicting means for predicting at least one,
A process model for calculating a prediction of a process controlled amount using the process manipulated variable command value stored in the process value storage means, a measured value of the process disturbance, and a predicted value of the process disturbance by the process disturbance prediction means. A process for inputting a measured value of a process output sensor other than the process disturbance stored in the process value storage means to the process model at the same time, and predicting a temporal behavior of the process controlled amount by the process model. Prediction means,
The designer determines in advance a set of operating points consisting of a set of representative points of at least one of the manipulated variable and disturbance, and at least one set of manipulated variables and disturbance represented by the operating point. Corresponding step response time series over a predetermined period, and storing each operation point, at least one set of operation amount and disturbance represented by each operation point, and step response time series corresponding to each operation point Step response storage means;
The current step response time series is selected from the step response time series for each operating point stored in the step response storage means based on the process manipulated variable command value of the process value storage means and the measured value of the process disturbance. Step response selection means;
The process predicted value predicted by the process predicting means, the step response time series selected by the step response selecting means, the evaluation function, the evaluation weight constraint condition, and the target value trajectory set in advance are constrained or unconstrained. formulated as a quadratic programming problem, the solution of the quadratic programming problem, the (1) analytically determined, (2) using the mathematical programming for solving quadratic programming problem, (3) linear matrix inequality (LMI) The manipulated variable that satisfies the identifiable condition is obtained by applying the interior point method for LMI and (4) applying the metaheuristics typified by the genetic algorithm or immune algorithm. under the condition that includes a command value and the disturbance measurement values and processes observed output value, the period from the arbitrary time by the designer set to the time for performing the process simulation And process optimization means for determining the optimum the operation amount command values over,
Process simulator application control device equipped with.
前記プロセス予測手段は、プロセスの物理化学的な法則に基づいて微分方程式または偏微分方程式によって表現されるプロセスモデルと、プロセスの操作量を入力する操作量入力部と、センサによって計測しているプロセスの外乱を入力するプロセス外乱入力部と、プロセスの出力の時間的変化を計算してその計算結果を出力するプロセス出力部とを、少なくとも備えるプロセスシミュレータを有することを特徴とする、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置。The process prediction means includes a process model expressed by a differential equation or partial differential equation based on a physicochemical law of the process, an operation amount input unit for inputting an operation amount of the process, and a process measured by a sensor 2. A process simulator comprising at least a process disturbance input unit for inputting a disturbance and a process output unit for calculating a temporal change in the output of the process and outputting the calculation result. The process simulator application control apparatus described. 前記プロセス予測手段は、前記プロセス値記憶手段に予め蓄積されたプロセス操作量指令値およびプロセスの外乱の計測値と、プロセスの観測出力の時系列データとを用いて、モデル作成者が指定した任意の時系列データモデルに対して、多変量解析手法に含まれるアルゴリズム、あるいは、システム同定法で用いられる同定アルゴリズム、あるいは、ニューラルネットワークに用いられる学習アルゴリズム、のいずれかのアルゴリズムを適用することによって、時系列データから作られたプロセスモデルと、プロセスの操作量を入力する操作量入力部と、センサによって計測しているプロセスの外乱を入力するプロセス外乱入力部と、プロセスの出力の時間的変化を計算してその計算結果を出力するプロセス出力部とを、少なくとも備えるプロセスシミュレータを有することを特徴とする、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置。The process predicting means uses a process operation amount command value and a process disturbance measurement value accumulated in advance in the process value storage means, and time-series data of process observation output, and an arbitrary value designated by the model creator By applying one of the algorithms included in the multivariate analysis method, the identification algorithm used in the system identification method, or the learning algorithm used in the neural network to the time series data model of A process model created from time series data, a manipulated variable input unit for inputting the manipulated variable of the process, a process disturbance input unit for inputting the process disturbance measured by the sensor, and a temporal change in the output of the process. And at least a process output unit for calculating and outputting the calculation result Characterized in that it has a b Seth simulator, a process simulator application control device according to claim 1. 前記プロセス予測手段は、プロセスの操作量と外乱の値を現状の値に保った場合のプロセスの出力を人間が予測し、その予測した値を予測時系列データとして保存し、この保存されたデータをプロセス予測に用いることを特徴とする、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置。The process prediction means predicts the output of the process when the process operation amount and disturbance values are maintained at the current values, and stores the predicted values as predicted time series data. The process simulator application control apparatus according to claim 1, wherein the process simulator is used for process prediction . 前記プロセス予測手段は、前記プロセスシミュレータによって操作量を固定した場合の最終沈殿池の水質の予測を行い、次いでこの予測応答をグラフとして表示装置上に表示し、このディスプレイ上に表示された予測応答に不満がある場合には、運転員が、この予測応答波形を修正し、この修正された予測応答波形を時系列データとして改めて保存しておくことを特徴とする、請求項2または3に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置。The process prediction means predicts the water quality of the final sedimentation basin when the operation amount is fixed by the process simulator , and then displays the predicted response as a graph on a display device, and the predicted response displayed on the display 4. The operation according to claim 2, wherein the operator corrects the predicted response waveform and stores the corrected predicted response waveform as time series data when the operator is dissatisfied. Process simulator application control device. 前記プロセス予測手段は、前記プロセスシミュレータに対して前記プロセス出力値からのフィードバック機構を持たせることによってロバスト性を持たせたロバストプロセスシミュレータを備える、請求項2または3に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置。The process simulator application control apparatus according to claim 2 , wherein the process prediction unit includes a robust process simulator that has a robustness by providing a feedback mechanism from the process output value to the process simulator. . 前記ステップ応答記憶手段は、前記運転点中のある運転点を選び、選んだ運転点において、一つの操作量をステップ状に変化させ、ステップ状に変化させた場合の予め定義した複数のプロセス出力の動きを観測し、プロセス出力が一定値に落ち着くまでの動きのデータをステップ応答として所定の周期で記録し、選んだ運転点において、他の操作量を順次一つずつステップ状に変化させ、前記プロセス出力の動きによる前記ステップ応答の記録を繰り返して、得られた P × N 個(ただし、操作量が N 個であり、プロセス出力が P 個)のステップ応答時系列を予めデータベースとして記憶させておく、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置。The step response storage means selects a certain operating point among the operating points, changes one operation amount in steps at the selected operating point, and a plurality of predefined process outputs when changed in steps The movement data until the process output settles to a constant value is recorded as a step response in a predetermined cycle, and the other manipulated variables are sequentially changed step by step at the selected operating point. By repeating the recording of the step response according to the movement of the process output, the obtained P × N (however, the operation amount is N and the process output is P ) step response time series is stored in advance as a database. The process simulator application control apparatus according to claim 1. 前記ステップ応答記憶手段は、前記プロセスシミュレータに対してオフラインで予め各運転点毎に仮想的なステップ応答試験を行っておき、この試験結果から得られたステップ応答時系列を予めデータベースとして記憶させておく、請求項2または3に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置。  The step response storage means performs a virtual step response test for each operating point in advance offline with respect to the process simulator, and stores a step response time series obtained from the test result as a database in advance. The process simulator application control device according to claim 2 or 3. 前記ステップ応答記憶手段は、前記プロセスシミュレータに対してオンラインで現在の運転点近傍での仮想的なステップ応答試験を行う、請求項2または3に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置。  The process simulator application control apparatus according to claim 2 or 3, wherein the step response storage means performs a virtual step response test in the vicinity of a current operating point online to the process simulator. 前記プロセス最適化手段は、出力 Y K )、出力差分Δ Y(K) 、入力 U K )および入力差分Δ U(K) の中の少なくとも一つ以上を含み、かつその形式が 2 次形式で記述される評価関数を、制約付きの2次計画問題として定式化し、共役勾配法などの標準的な2次計画問題の解法を用いることによって演算を行う、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置。The process optimization means, the output Y (K), the output difference delta Y (K), comprising at least one or more of the input U (K) and the input difference delta U (K), and that format is secondary The process simulator according to claim 1, wherein the evaluation function described in a form is formulated as a constrained quadratic programming problem and calculation is performed by using a standard quadratic programming problem solution method such as a conjugate gradient method. Application control device. 前記プロセス最適化手段は、制約付きあるいは制約無しの 2 次計画問題として定式化し 、この 2 次計画問題の解を、(1)解析的に求める、(2) 2 次計画問題を解く数理計画法を用いる、(3)線形行列不等式( LMI )と見なして LMI に対する内点法を適用する、(4)遺伝的アルゴリズムや免疫的アルゴリズムに代表されるメタヒューリスティックスを適用する、のいずれかの方法によって操作量を求めて、制約付きの2次計画問題として定式化し、これを線形行列不等式問題と見なすことによって、内点法などのアルゴリズムを用いて演算を行う、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置。The process optimization means is to formulate as a quadratic programming problem of constrained or unconstrained, the solution of the quadratic programming problem, (1) analytically determined, mathematical programming solving (2) quadratic programming problem (3) Considering linear matrix inequalities ( LMI ) and applying the interior point method for LMI , (4) Applying metaheuristics typified by genetic and immune algorithms The process simulator application according to claim 1, wherein an operation amount is obtained, formulated as a constrained quadratic programming problem, and an arithmetic operation such as an interior point method is performed by regarding this as a linear matrix inequality problem. Control device. 前記プロセス最適化手段は、制約付きあるいは制約無しの 2 次計画問題として定式化し、この 2 次計画問題の解を、 (1) 解析的に求める、 (2)2 次計画問題を解く数理計画法を用いる、 (3) 線形行列不等式( LMI )と見なして LMI に対する内点法を適用する、 (4) 遺伝的アルゴリズムや免疫的アルゴリズムに代表されるメタヒューリスティックスを適用する、のいずれかの方法によって操作量を求める、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置。The process optimization means is to formulate as a quadratic programming problem of constrained or unconstrained, the solution of the quadratic programming problem, (1) analytically determined, mathematical programming solving (2) quadratic programming problem the use, (3) applying the interior point method for LMI regarded as linear matrix inequality (LMI), by (4) the method of any of, applying a Metaheuristics typified by the genetic algorithm and immune algorithm The process simulator application control apparatus according to claim 1 , wherein an operation amount is obtained . 前記プロセス外乱予測手段は、
プロセス外乱 d(t) の計測値を設計者が指定した所定期間にわたって収集し、収集したプロセス外乱データ d(t) を予測する統計モデル d(t+1)=f(d(t),d(t-1), ・・・ ,d(t-n)) を決定し、前記所定期間にわたって収集したデータと前記統計モデルによる予測値の誤差の分布がある統計的基準を最適化するように前記統計モデルに含まれるパラメータの値を決定することによって、予測モデルを確定し、
作成した予測モデルに対して、計測したプロセス外乱の値を入力して 1 ステップ先の予測値を求め、この 1 ステップ先の予測値と前記計測値を再度予測モデルに代入することにより 2 ステップ先の予測値を求めることを繰り返して、所定のステップ分の予測値を求める、
請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置。
The process disturbance prediction means includes:
Statistical model d (t + 1) = f (d (t), d that collects measured values of process disturbance d (t) over a specified period specified by the designer and predicts the collected process disturbance data d (t) (t-1), ... , d (tn)) , and the statistics are calculated so as to optimize a statistical criterion in which there is a distribution of errors between the data collected over the predetermined period and the predicted value by the statistical model. Confirm the prediction model by determining the values of the parameters included in the model,
The prediction model created, by entering the value of process disturbances measured determined the predictive value of 1 step ahead, 2 steps ahead by substituting this 1 step ahead predicted value and the predicted measurement value again model By repeatedly obtaining the predicted value of, and obtaining the predicted value for a predetermined step,
The process simulator application control apparatus according to claim 1.
前記プロセス外乱予測手段は、
設計者が決定した外乱の過去のパターンを複数用意し、用意したパターンに対して現在の条件に適合するパターンを選択し、プロセスの外乱の計測値の過去の時系列データを参考にして、パターンマッチングによりプロセスの外乱の予測値を求める、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置。
The process disturbance prediction means includes:
Prepare multiple patterns of disturbance determined by the designer, select a pattern that matches the current conditions for the prepared pattern, and refer to the past time-series data of the measured values of the process disturbance. The process simulator application control apparatus according to claim 1, wherein a predicted value of a process disturbance is obtained by matching.
前記プロセス外乱予測手段は、
外乱の現在の値を計測し、現在の値が未来にわたって続くという仮定で外乱の未来の値を現在の値とし、現在のプロセスの外乱の計測値をホールドし、そのまま未来のある時点に外挿することによってプロセスの外乱の予測値を求める、請求項1に記載のプロセスシミュレータ応用制御装置。
The process disturbance prediction means includes:
Measures the current value of the disturbance, assumes that the current value will continue for the future, sets the future value of the disturbance as the current value, holds the measured value of the current process disturbance, and extrapolates to a future point in time The process simulator application control apparatus according to claim 1, wherein a predicted value of a process disturbance is obtained by
可同定条件を満たす操作量指令値と外乱計測値とプロセス観測出力値を含むという条件下で、設計者が設定した任意の時刻からプロセスシミュレーションを行う時刻までの期間にわたりプロセスの外乱およびプロセスの観測出力を計測して、プロセス操作量指令値とともに記憶し、
前記プロセスの外乱を現時点からプロセス操作量に対するプロセス被制御量の変化が最も早いプロセス操作量とプロセス被制御量の組に対するステップ応答の時定数以上の未来の点であり、プロセス操作量に対するプロセス被制御量の変化が最も遅いプロセス操作量とプロセス被制御量の組に対するステップ応答が最終値に収束するまでの時間以下の未来の点まで、 (1) プロセスの外乱を予測する:自己回帰モデルなどの統計モデルを用いて外乱予測モデルを構成する方法、 (2) 過去のパターンを参照して外乱予測モデルを構成する方法、 (3) 計測している外乱の値を外挿する方法(ホールド(0次,1次,・・・, N 次))、の少なくとも1つにより予測し、
前記プロセス操作量指令値とプロセス外乱の計測値と、前記プロセスの外乱の予測値とを、プロセス被制御量の予測の計算を行うプロセスモデルに入力し、好ましくは記憶されたプロセス外乱以外のプロセス出力センサの計測値も同時に前記プロセスモデルに入力し、前記プロセスモデルによってプロセス被制御量の時間的挙動を予測し、
操作量および外乱の少なくとも一方の代表点の集合から成る運転点と、その運転点によって代表される操作量および外乱の少なくとも一方の集合を予め設計者が決定しておき、各運転点に対して所定の期間に亘るステップ応答時系列を対応させ、各運転点と、各運転点によって代表される操作量および外乱の少なくとも一方の集合と、各運転点に対応させたステップ応答時系列を記憶し、
前記プロセス操作量指令値と、プロセスの外乱の計測値とによって、記憶された運転点毎のステップ応答時系列から現在のステップ応答時系列を選択し、
前記プロセス予測値と、選択したステップ応答時系列と、予め設定された評価関数および評価重み制約条件ならびに目標値軌道とを入力として制約付きあるいは制約無しの 2 次計画問題として定式化し、この 2 次計画問題の解を、 (1) 解析的に求める、 (2)2 次計画問題を解く数理計画法を用いる、 (3) 線形行列不等式( LMI )と見なして LMI に対する内点法を適用する、 (4) 遺伝的アルゴリズムや免疫的アルゴリズムに代表されるメタヒューリスティックスを適用する、のいずれかの方法によって操作量を求め、可同定条件を満たす操作量指令値と外乱計測値とプロセス観測出力値を含むという条件下で、設計者が設定した任意の時刻からプロセスシミュレーションを行う時刻までの期間に亘る最適な前記操作量指令値を決定する、
プロセスシミュレータ応用制御方法。
Process disturbance and process observation over a period from an arbitrary time set by the designer to the time of process simulation under the condition that the manipulated variable command value, disturbance measurement value, and process observation output value satisfy the identifiable condition are included. Measure the output and store it together with the process manipulated variable command value.
The disturbance of the process is a point in the future beyond the time constant of the step response to the set of the process operation amount and the process control amount with the fastest change in the process control amount with respect to the process operation amount from the present time. step responses to a set of the slowest process operation amount and the process the controlled variable change in the control amount to a point of time following the future to converge to the final value, to predict the disturbance (1) process: autoregressive model such (2) A method for constructing a disturbance prediction model with reference to past patterns, (3) A method for extrapolating measured disturbance values (hold ( 0 order, 1st order,..., Nth order)),
The process manipulated variable command value, the measured value of the process disturbance, and the predicted value of the process disturbance are input to a process model for calculating the prediction of the process controlled amount, and preferably a process other than the stored process disturbance The measurement value of the output sensor is also input to the process model at the same time, and the temporal behavior of the process controlled amount is predicted by the process model,
The designer determines in advance a set of operating points consisting of a set of representative points of at least one of the manipulated variable and disturbance, and at least one set of manipulated variables and disturbance represented by the operating point. Corresponding step response time series over a predetermined period, storing each operation point, at least one set of operation amount and disturbance represented by each operation point, and step response time series corresponding to each operation point ,
By selecting the current step response time series from the stored step response time series for each operating point by the process manipulated variable command value and the process disturbance measurement value,
Said process predicted value, formulated as a quadratic programming problem of constrained or unconstrained as input and step response time series selected, the preset evaluation function and evaluation weight constraints and the target value trajectory, the secondary the solution of the programming problem, (1) analytically determine, using the mathematical programming solving (2) quadratic programming problem, applying the interior point method for LMI regarded as (3) linear matrix inequality (LMI), (4) The manipulated variable is obtained by any method of applying meta-heuristics represented by genetic algorithm and immune algorithm, and manipulated variable command value, disturbance measurement value and process observation output value satisfying the identifiable condition are obtained. Under the condition of including, determine the optimum manipulated variable command value over a period from the arbitrary time set by the designer to the time to perform the process simulation,
Process simulator application control method.
JP2001180246A 2001-06-14 2001-06-14 Process simulator application control apparatus and method Expired - Fee Related JP3790129B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001180246A JP3790129B2 (en) 2001-06-14 2001-06-14 Process simulator application control apparatus and method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001180246A JP3790129B2 (en) 2001-06-14 2001-06-14 Process simulator application control apparatus and method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2002373002A JP2002373002A (en) 2002-12-26
JP3790129B2 true JP3790129B2 (en) 2006-06-28

Family

ID=19020693

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001180246A Expired - Fee Related JP3790129B2 (en) 2001-06-14 2001-06-14 Process simulator application control apparatus and method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3790129B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11132616B2 (en) 2016-09-20 2021-09-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Characteristic value estimation device and characteristic value estimation method

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE502004009646D1 (en) 2003-12-10 2009-08-06 Linde Ag Method and device for suboptimal control by means of a search strategy and method and apparatus for gas separation, in particular for cryogenic air separation
JP2006317050A (en) * 2005-05-11 2006-11-24 Yanmar Co Ltd Control device for cooling and heating concurrent operation type air conditioner
JP5210920B2 (en) * 2009-02-25 2013-06-12 株式会社日立製作所 Plant operation control device
JP5321165B2 (en) * 2009-03-13 2013-10-23 オムロン株式会社 Feedforward amount estimation device and control device
JP5698576B2 (en) * 2010-03-23 2015-04-08 メタウォーター株式会社 Graph editing simulation device, graph editing simulation program, and plant maintenance management system
JP5300827B2 (en) * 2010-11-18 2013-09-25 株式会社東芝 Biological wastewater treatment equipment
JP5803751B2 (en) * 2012-03-07 2015-11-04 トヨタ自動車株式会社 Center-of-gravity trajectory generation apparatus, generation method thereof, and program
US8972310B2 (en) * 2012-03-12 2015-03-03 The Boeing Company Method for identifying structural deformation
JP5803810B2 (en) * 2012-05-24 2015-11-04 新日鐵住金株式会社 Process control system, process control method, and computer program
KR102035389B1 (en) * 2017-09-29 2019-10-23 전자부품연구원 Process Control Method and System with History Data based Neural Network Learning
JP2019175409A (en) * 2018-03-30 2019-10-10 国立大学法人横浜国立大学 Operation control device and operation control method of water treatment facility
JP7086692B2 (en) * 2018-04-19 2022-06-20 三菱重工業株式会社 Plant control equipment, plants, plant control methods and plant control programs
JP7264697B2 (en) 2019-04-02 2023-04-25 横河電機株式会社 Plant operation support system and plant operation support method
JP7451154B2 (en) * 2019-11-27 2024-03-18 株式会社東芝 Water quality estimation devices, methods, and programs
JP7375616B2 (en) * 2020-03-06 2023-11-08 株式会社明電舎 Operation variable explanatory variable selection device for water treatment facilities
CN112723649A (en) * 2020-11-19 2021-04-30 江苏农林职业技术学院 Virtual debugging operation method for sewage treatment plant
CN117964023A (en) * 2024-04-01 2024-05-03 山东中研环保设备有限公司 Sewage treatment control system based on artificial intelligence algorithm control

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2521722B2 (en) * 1986-08-12 1996-08-07 株式会社日立製作所 Steam temperature controller for thermal power boiler
JPS6375196A (en) * 1986-09-12 1988-04-05 横河電機株式会社 Control apparatus of papermaking machine
JP3121651B2 (en) * 1991-12-21 2001-01-09 株式会社東芝 Adaptive model predictive controller
JPH05324007A (en) * 1992-05-18 1993-12-07 Yokogawa Electric Corp Process controller
JPH0695707A (en) * 1992-09-11 1994-04-08 Toshiba Corp Model forecast controller
JPH0736505A (en) * 1993-07-21 1995-02-07 Nkk Corp Identifying/controlling method for controlled system
JPH0863456A (en) * 1994-08-26 1996-03-08 Hitachi Ltd Means for deciding chaos property and its method
JPH0883104A (en) * 1994-09-12 1996-03-26 Toshiba Corp Plant controller
JPH09325189A (en) * 1996-06-05 1997-12-16 Matsushita Electric Ind Co Ltd Road surface temperature prediction device and prediction method
TW359785B (en) * 1996-11-18 1999-06-01 Siemens Ag Computer-aided method to partition of an electronic circuit
JP3313040B2 (en) * 1997-01-23 2002-08-12 日本発条株式会社 Design support system for structures, etc.
JPH11259450A (en) * 1998-03-09 1999-09-24 Hitachi Ltd Optimal output deciding method and device therefor
JP3279250B2 (en) * 1998-04-06 2002-04-30 株式会社日立製作所 Multivariable process control system
JP2000056805A (en) * 1998-08-06 2000-02-25 Hitachi Ltd Predictive control unit
JP3679942B2 (en) * 1999-02-26 2005-08-03 株式会社東芝 Treated water quality control device
JP2000285098A (en) * 1999-03-29 2000-10-13 Toshiba Corp Time series predicting device and method and recording medium recording software for predicting time series
JP3756705B2 (en) * 1999-08-18 2006-03-15 株式会社東芝 Wide-area optimum water operation equipment for waterworks plants

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11132616B2 (en) 2016-09-20 2021-09-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Characteristic value estimation device and characteristic value estimation method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2002373002A (en) 2002-12-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3790129B2 (en) Process simulator application control apparatus and method
Filipe et al. Data-driven predictive energy optimization in a wastewater pumping station
Edelen et al. Neural networks for modeling and control of particle accelerators
Han et al. Nonlinear multiobjective model-predictive control scheme for wastewater treatment process
KR102440372B1 (en) Providing method, apparatus and computer-readable medium of managing influent environmental information of sewage treatment facilities based on big data and artificial intelligence
CN113837356B (en) Intelligent sewage treatment prediction method based on fused neural network
Alhajeri et al. Process structure-based recurrent neural network modeling for predictive control: A comparative study
Drgoňa et al. Differentiable predictive control: Deep learning alternative to explicit model predictive control for unknown nonlinear systems
Tan et al. Modeling and control of a pilot pH plant using genetic algorithm
Ünal et al. Trajectory tracking performance comparison between genetic algorithm and ant colony optimization for PID controller tuning on pressure process
Cao et al. Deep neural network approximation of nonlinear model predictive control
Han et al. Hierarchical nonlinear model predictive control with multi-time-scale for wastewater treatment process
Khoja et al. Parameter identification of an activated sludge wastewater treatment process based on particle swarm optimization method
Wang et al. Globally optimal nonlinear model predictive control based on multi-parametric disaggregation
Long et al. Nonlinear model predictive control using deterministic global optimization
Luo et al. Model predictive control of nonlinear processes using neural ordinary differential equation models
JPH03259302A (en) Information processing system
Han et al. Data-based robust model predictive control for wastewater treatment process
Pal et al. Robust approaches for genetic regulatory network modeling and intervention: A review of recent advances
Pisa et al. Transfer learning in wastewater treatment plants control: Measuring the transfer suitability
Yamaguchi et al. Model-based multi-objective reinforcement learning with unknown weights
Newhart et al. Data science tools to enable decarbonized water and wastewater treatment systems
Issa Parameter tuning of PID controller based on arithmetic optimization algorithm in IOT systems
Hassanpour et al. A practically implementable reinforcement learning‐based process controller design
JP2002045882A (en) Water quality controller for sewage treatment plant

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20050516

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050909

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20051107

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20060322

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20060330

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100407

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100407

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110407

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130407

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140407

Year of fee payment: 8

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees