JP3842291B2 - 多変数予測コントローラに独立フィードフォワード制御を組込む方法 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は制御システムに関し、特に、多変数予測コントローラに独立フィードフォワード制御を組込む方法に関する。
フィードフォワード制御を含む現在の制御システムにおいては、このフィードフォワード制御を処理する従来の方法の１つは、フィードバック（ＦＢ）コントローラと、フィードフォワード（ＦＦ）コントローラという２つのコントローラを含んでおり、各コントローラは独自の一組の同調パラメータを有する。現在利用可能なシステムの中には、単一のフィードバックコントローラを利用し、フィードバックループの誤差をフィードフォワードループの外乱誤差と組合わせるものがある。移動を出力してフィードバックの誤差とフィードフォワードの外乱の影響を排除するＦＢコントローラにより単一の修正解が生成される。この単一のフィードバックコントローラは、１組の同調パラメータを有し、それにより、外乱の影響を相殺できる速度を制限する。外乱を排除する速度を増すためにコントローラの速度を上げると、フィードバックコントローラの安定性限界が劣化する。フィードフォワードコントローラは開ループ制御なので、フィードフォワード制御速度はフィードバックコントローラの制御速度を上回る速さになることがある。フィードフォワードモデルが安定している限り、本来、フィードフォワードの動作は安定しているが、制御速度が余りにも速くなってしまうと、フィードバック制御は不安定になる可能性がある。フィードフォワード制御の速度が増すように指定されれば、不安定状態に陥る可能性はない。ユーザがフィードバックコントローラをより高速で動作させるべく同調する場合、フィードバックコントローラが不安定状態に入らないように保証するために注意しなければならない。従って、フィードバックコントローラと、フィードフォワードコントローラとに関して、独立した同調パラメータを得ることが望ましい。単一のコントローラでフィードバック制御と、フィードフォワード制御とを実行するために２つの制御アルゴリズムを利用する多変数予測コントローラは、ＣＰＵ時間を余りにも多く消費しすぎる。そのため、フィードバックコントローラがフィードフォワード動作とフィードバック動作とを組合わせると共に、フィードバック制御のための１組の同調パラメータ及びフィードフォワード制御のための１組の同調パラメータという別個の独立した同調を行うような多変数予測コントローラを提供することが望まれる。
そこで、本発明により、多変数予測コントローラのフィードバックコントローラに独立フィードフォワード制御を組込む方法が提供される。
発明の概要
従って、本発明により、多変数予測コントローラに独立フィードフォワード制御を組込む方法が提供される。プロセス制御システムはフィードバックコントローラを含むと共に、少なくとも１つの操作変数（ｍｖ）と、少なくとも１つの制御量（ｃｖ）とを含む。プロセス制御システムはフィードフォワードループをさらに含み、プロセス制御システムは外乱を受ける。本発明の方法はフィードバックコントローラに独立フィードフォワード制御を組込むもので、制御量ごとのフィードフォワード制御ファネルと、ｃｖごとのフィードバック制御ファネルとを定義する過程を含む。フィードフォワード制御ファネルは外乱を排除すべき第１の時間Ｔ_FFと、入力変化に応答して制御量が定常状態値に到達すべき第２の時間Ｔ_FBとを指定する。ｃｖごとに、フィードフォワード制御ファネルとフィードバック制御ファネルのうち短い方を選択する。第１の時間Ｔ_FFが第２の時間Ｔ_FBより短い場合、フィードバックコントローラの制御速度が増さないようにフィードバック制御速度を補正する。Ｔ_FFがＴ_FB以上である場合には、補正は実行されず、それにより、フィードフォワード制御解及びフィードバック制御解のための独立した同調パラメータを有効に得る。制御量の新たな値をフィードバックコントローラの制御手順に従って計算し、新たに計算された解に従ってプロセスを制御する。
従って、本発明の目的は、コントローラにフィードフォワード制御を組込む方法を提供することである。
本発明の別の目的は、コントローラに独立フィードフォワード制御を組込む方法を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、多変数予測コントローラに独立フィードフォワード制御を組込む方法を提供することである。
本発明のこれらの目的及びその他の目的は以下の説明及び添付の図面と関連させることによりさらに明白になるであろう。図面中、同じ図中符号は同じ部分を指示し、図面は本出願の一部を成す。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明を利用できるプロセス制御システムの機能ブロック線図を示す。
図２は、プロセス変数とセットポイントの変化の応答曲線を示す。
図３は、図３Ａ及び図３Ｂから構成されており、フィードバック制御ファネルの１例と、フィードフォワード制御ファネルの１例とをそれぞれ示す。
図４は、本発明の好ましい一実施形態の機能ブロック線図を示す。
詳細な説明
本発明の方法を説明する前に、本発明が利用されるシステム環境について理解しておくと有用であろう。
図１を参照すると、本発明を利用しうるプロセス制御システムの機能ブロック線図が示されている。コントローラ１０は、入力変数ｕとしてプロセス２０に結合される複数の出力を有する。プロセス２０は、たとえば、弁，ヒータのように制御が可能である複数の要素を含むことができる。プロセス２０のプロセス変数ｙには、製品の品質を左右する温度，圧力，レベル，流量などがある。入力変数（又は操作変数）ｕは次のように定義され：

また、出力変数（又は制御量）ｃｖは次のように定義されている：

従って、プロセス２０はｍ個の操作変数と、ｎ個の制御量とを有する動的プロセスＰ（ｓ）である。制御量（ｃｖ）はｎ₁個の調整ｃｖと、ｎ₂個の抑制ｃｖと、ｎ₃個の最適化ｃｖとを含む。一般に、
ｎ≧ｍ＞ｎ₁
本発明においては、制御仕様ｒ（以前のシステムでは、これをセットポイントと呼んでいた）を次のように定義する：

調整ｃｖ_iの場合、下限は上限と等しい。すなわち、

となる。抑制ｃｖ_jの場合には、上限が下限より大きい

か、あるいは、下限又は上限のいずれか一方しか存在しない。最後に、最適化ｃｖの場合には、上下限は全く存在しない。
コントローラ１０の範囲制御システムは、下記の式に従って先に確定した３つのケースを処理するように公式化されている。

ただし、ｘ、ｙは

である。
式中、Ｗはユーザ重み付けマトリクスであり；Ａは出力のプロセスダイナミクスを入力と関連づける動的モデルマトリクス（ａ_ij個の係数）であり；ｙ（最適範囲軌跡）は範囲変数（セットポイントの拡張）であり；ｘ（制御解）はアプリケーションに応じた操作変数Δｕ（すなわち、Δｕ＝ｕ_CURRENT−ｕ_LAST）である。ＰＶ及び

（プロセス変数）はプロセスを動作させることが望まれる範囲であり、ＭＶ及び

はプロセスを動作させることが望まれる範囲の物理的限界である。
多変数予測コントローラ（ＭＰＣ）のさらに詳細な説明については、本出願と同一の譲受人に譲渡され且つ本明細書にも参考として取り入れられている１９９４年９月２７日発行の名称「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｂｌｅ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｒａｎｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ」による米国特許第５，３５１，１８４号を参照のこと。
次に、本発明を説明する。本発明の好ましい実施形態においては、フィードバックコントローラを利用するプロセス制御システムにフィードフォワード制御を含めている。先に挙げた特許である米国特許第５，３５１，１８４号の中に詳細に説明されているコントローラ１０の二（２）つの範囲制御手順（レンジコントロールアルゴリズム（ＲＣＡ）ともいう）を使用しないことが望ましい。これは、２つの手順を使用するとＣＰＵ時間が倍増するであろうと考えられるからである。本発明の好ましい実施形態は同じＲＣＡを利用し且つ同じ１つのコントローラ１０を使用するが、２つの異なる独立したコントローラを有するという効果を実現する。
図２を参照すると、セットポイントｓｐの変化に対するプロセス変数ｐｖ（制御量ｃｖともいう）の応答曲線が示されている。ファネルは、時間Ｔ₁のときにプロセス変数が所望の値（定常値）に到達するように、ファネルの上限（ＦＵＮＮＥＬ−Ｈ１）については点

を有し、ファネルの下限（ＦＵＮＮＥＬ−Ｌ０）については、

を有するものとして定義されている。このファネルは応答曲線に関して上下限を規定する。本発明の好ましい実施形態の多変数予測コントローラは先に挙げた特許の中にさらに詳細に説明されている範囲制御を利用するため、図２の曲線は範囲δを示しているが、本発明に関しては範囲制御が要求されないことは当業者には認められるであろう。
本発明を実現する際には、フィードバック制御ファネル及びフィードフォワード制御ファネルという二（２）つのファネルを定義する。２つのファネルを定義することにより、ユーザは外乱の影響を拒絶することを望む時間を指定できると共に、セットポイントの変化に応答してｃｖをその動作（定常）値に到達させることを望む別の時間を指定することもできる。
ファネルは、図３Ａ及び図３Ｂから成る図３に示すように定義されている。図３のＡは、ｃｖがシステム開ループ応答時間の時間．８（すなわち、８０％）でその動作値に到達するようなフィードバック（ＦＢ）制御ファネルの１例を示す。すなわち、ｃｖ性能比は次のように定義される。

この例では、．８値はユーザにより指定されるであろう。フィードフォワード（ＦＦ）対フィードバック（ＦＢ）性能比を定義するフィードフォワード制御ファネルもユーザにより指定される。図３のＢの例においては、図３Ａの．８のｃｖ性能比が選択されている先に挙げた例については、開ループ応答時間の４０％以内でフィードフォワード外乱が拒絶されることを意味する．５のＦＦ／ＦＢ性能比が指定される。
コントローラ１０は、外乱の影響を排除すべき時間Ｔ_FFと、プロセス変数の動作値を達成する時間Ｔ_FB（短いほうの時間が「短いファネル」を定義する）とを含むファネルの特性を入力していた。本発明の好ましい実施形態のコントローラ１０は２つのファネルのうち、短いほうのファネルを使用する。そこで、外乱の影響を拒絶するというユーザの要求は満たされる。（この例では、ＦＦ制御ファネルが短いほうのファネルである。）しかしながら、今日のコントローラはセットポイント追跡のためのＣＶ応答時間を満たすというユーザの要求を満たさない。
２つの時間要求を満たすために、すなわち、独立した同調パラメータをもたせるために、プロセス制御システムを図４に示すように変形する。すなわち、これが本発明の好ましい実施形態である。コントローラ１０のＲＣＡアルゴリズムは、ｃｖごとに２つのファネルのうち短いほうのファネルを使用するように変形されている。従って、より速いコントローラ速度を選択することになる。さらに、システムは、フィルタＦ_i（ｉ＝ｃｖの数）を有する対角フィルタ３０を含むように変形されている。ｃＶごとに１つずつのフィルタは、レンジコントロールアルゴリズムによるスピードアップがないかのようにフィードバックコントローラ１０の速度を補正する。それらのフィルタは次のような形態を有する：

この式において、ＦＦとＦＢの比が１未満の場合、サンプリング時間をＴ_sとするとき、

となり、
ＦＦとＦＢの比が１以上の場合には、
τ_i＝０
となる。外乱は（当業者には良く知られているように）ＦＦモデル５０に結合し、その出力はｃｖごとのフィルタの出力に加算され、その合計はコントローラ１０に入力される。プロセスに対する外乱の影響、すなわち、ｃｖに対する影響を表わすＦＦプロセス５０が含まれている。これにより、ＦＦプロセス５０の出力はプロセス２０の出力ｃｖに加算されて、当業者には良く知られているように、複数のｃｖに対する合成影響を得る。従って、独立フィードフォワード制御を多変数予測コントローラに組込む方法を含むプロセス制御システムを示したことになる。
本発明の好ましい実施形態であると考えられるものを示したが、本発明の本質的な趣旨から逸脱することなく、この実施形態に関して数多くの変更や変形を実施できることは明白であろう。従って、添付の請求の範囲においては、本発明の真の範囲内に含まれる全てのそのような変更及び変形を包含するものとする。

Claims (4)

1. フィードバックコントローラを有し、少なくとも１つの操作量（ｍｖ）と少なくとも１つの制御量（ｃｖ）とをさらに有し、かつフィードフォワードループをさらに含む、外乱を受けるプロセス制御システムで、独立フィードフォワード制御をフィードバックコントローラに組込む方法において、
   ａ）制御量ごとに、外乱を排除すべき第１の時間Ｔ_FFと、入力変化に対応して制御量が定常状態に到達すべき第２の時間Ｔ_FBとを指定するフィードフォワード制御ファネルを決めると共に、ｃｖごとにフィードバック制御ファネルを決める過程と；
   ｂ）ｃｖごとにフィードフォワード制御ファネル及びフィードバック制御ファネルのうち短い方を選択する過程と；
   ｃ）第１の時間Ｔ_FFが第２の時間Ｔ_FBより短い場合、即ち、Ｔ _FF ＜Ｔ _FB である場合は、フィードバックコントローラの制御速度が増さないようにフィードバック制御速度を補正し；
   Ｔ_FF≧Ｔ_FBである場合には、前記の制御速度の補正は実行されずに、独立同調パラメータを有効に提供する過程と；
   ｄ）コントローラ手順に従って制御量の新たな値を計算して、解を生成する過程と；
   ｅ）指定時間以内の外乱の排除をも含む解に従ってプロセスを制御する過程とから成る方法。
2. プロセス制御システムにおいて、プロセス制御システムは多変数予測コントローラである請求項１記載の独立フィードフォワード制御を組込む方法。
3. プロセス制御システムにおいて、フィードバックコントローラのコントローラ手順は範囲制御手順である請求項２記載の独立フィードフォワード制御を組込む方法。
4. プロセス制御システムにおいて、補正する過程は、ｃｖの索引をｉとする時、制御量ｃｖ_iごとに、
   Ｆ_ｉ＝１／（τ_iｓ＋１）
   に従ってフィルタリングする過程から成り、フィードフォワード／フィードバック比が１未満である場合、サンプリング時間をＴ_Sとし、開ループ応答時間をＯＬＲＴとする時、
   τ_i＝ｅｘｐ［−４Ｔ_S／［１−（ＦＦ／ＦＢ比）］（ＯＬＲＴ）］
   であり、フィードフォワード／フィードバック比が１以上である場合には、
   τ_i＝０
   である請求項３記載の独立フィードフォワード制御を組込む方法。

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