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
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Description
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TFF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TFB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TFFが第2の時間TFB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。TFFがTFB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cviの場合、下限は上限と等しい。すなわち、
となる。抑制cvj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(aij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=uCURRENT−uLAST)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TFFと、プロセス変数の動作値を達成する時間TFB(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Fi(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Tsとするとき、
となり、
FFとFBの比が1以上の場合には、
τi=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)
- 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TFF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TFB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TFFが第2の時間TFB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;
TFF≧TFB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。 - 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。
- 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。
- 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cviごとに、
Fi=1/(τis+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TSとし、開ループ応答時間をOLRTとする時、
τi=exp[−4TS/[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、
τi=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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