JP4107759B2 - プロセスの制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入出力が非線形な特性を有するプロセスの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、入出力が非線形な特性を有するプロセスに対する制御は、非線形なプロセスを数式とパラメータにより把握しているとき、非線形なプロセスの逆モデルを線形近似し折れ線グラフを用いて設定し、それを基にＰＩＤ制御等により行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、非線形なプロセスの数式とパラメータが、実際と合わないとき、チューニングが難しく、ノイズの多いプロセスでは使用できないことがあった。またチューニング時にハンチングを起こしやすく、プラントの安全性が著しく損なわれる場合があった。
【０００４】
また設計者、プロセスの調整員や運転員は、非線形なプロセスを漠然とした非線形イメージで把握していることがあるが、このようなイメージをそのまま表現する手法がなかった。
そこで、本発明は、設計者等の非線形イメージをそのまま表現できるとともに、オフセットを修正できるプロセスの制御装置を提供することを目的としたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、入出力が非線形な特性を有するプロセスの制御装置であって、現在プロセス量に基づいてファジィ推論により前記プロセス量を一定とする操作量を出力する第１制御手段と、前記プロセス量とプロセス量の設定値との偏差、およびこの偏差の変化率に基づいてファジィ推論によりプロセス量の変動を予測して前記第１制御手段の出力操作量の補正量を出力する第２制御手段と、プロセス量の変化率、およびこの変化率とプロセス量の変化率の設定値との偏差に基づいてファジィ推論によりプロセス量の変動を予測して前記第１制御手段の出力操作量の補正量を出力する第３制御手段を備えたことを特徴とするものである。
【０００６】
上記構成によれば、第１制御手段よりファジィ推論により非線形な特性を考慮した、プロセス量を一定とする操作量が出力され、第２制御手段よりファジィ推論によりプロセス量の変動を予測した、第１制御手段の出力操作量の補正量が出力され、第１制御手段の制御結果の誤差、主にオフセットが、第２制御手段により解消される。また第３制御手段よりファジィ推論によりプロセス量の変動を予測した、第１制御手段の出力操作量の補正量が出力され、第１制御手段の制御結果の誤差、主にオーバーシュートが、第３制御手段により解消される。
【０００８】
また請求項２に記載の発明は、上記請求項１に記載の発明であって、第３制御手段は、プロセス量の上昇時と下降時の違いによって、第３制御手段のファジィルールにより補正量を調整することを特徴とするものである。上記構成によれば、第３制御手段により、プロセス量の上昇時と下降時の違いによって補正量が調整される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１における、入出力が非線形な特性を有するプロセスの制御装置のブロック図である。
【００１４】
図１において、１はプロセス量ｐｖを入力し、ファジィ推論によりプロセス量ｐｖを一定とする操作量ａを出力する第１コントローラ（第１制御手段の一例）、２はプロセス量設定値ｓｖとプロセス量ｐｖの差分（偏差）ｅを演算する減算器、３は差分ｅの変化率ｄを演算する第１微分器、４は減算器２により演算された設定値ｓｖとプロセス量ｐｖの差分ｅと、第１微分器３により演算された差分ｅの変化率ｄを入力し、ファジィ推論によりプロセス量ｐｖの変動を予測して第１コントローラ１の操作量ａの補正値ｆを出力する第２コントローラ、５は第２コントローラ４により求められた補正値ｆを積分する積分器、６は第１コントローラ１の出力操作量ａと積分器５の出力補正値（積分値）ｂを加算して、プロセス量ｐｖに対する操作量ｃｖを出力する加算器である。
【００１５】
上記減算器２、第１微分器３、第２コントローラ４、および積分器５により、第２制御手段が形成される。
また７は、減算器２により演算された設定値ｓｖとプロセス量ｐｖの差分ｅの正負を判断する第１比較器であり、差分ｅが負のとき（ｅ＜０：プロセス量ｐｖが上昇方向に推移すると推定するとき）第１比較器７の出力により第１リレイ８が駆動される。また９は、差分ｅが所定値Ｅ（＞０）の正負の範囲（｜ｅ｜≦Ｅ）にあるかどうかを判断する第２比較器であり、｜ｅ｜≦Ｅのとき第２比較器９の出力により第２リレイ10が駆動される。
【００１６】
また11はプロセス量ｐｖの変化率ｇを演算する第２微分器、12は第２リレイ10がオン（｜ｅ｜≦Ｅ）となると起動され、プロセス上昇時の設定傾きを出力する上昇時傾きモデル、13は第２リレイ10がオン（｜ｅ｜≦Ｅ）となると起動され、プロセス下降時の予め設定された設定傾きを出力する下降時傾きモデル、14は、第１リレイ８がオン（ｅ＜０）のとき、上昇時傾きモデル12の設定傾きと第２微分器11により演算されたプロセス量ｐｖの変化率ｇの差分ｈを演算し、第１リレイ８がオフ（ｅ≧０）のとき、下降時傾きモデル13の設定傾きとプロセス量ｐｖの変化率ｇの差分ｈを演算する減算器、15は減算器14により演算された設定傾きとプロセス量ｐｖの変化率ｇの差分ｈと、第２微分器11により演算されたプロセス量ｐｖの変化率ｇを入力し、ファジィ推論によりプロセス量ｐｖの変動を予測して第１コントローラ１の操作量ａの補正値ｉを出力する第３コントローラ、16は第３コントローラ15により求められた補正値ｉを制限する上下限リミッタ、17は加算器６の出力操作量と上下限リミッタ16の出力補正値ｊを加算して、プロセス量ｐｖに対する操作量ｃｖを出力する加算器である。
【００１７】
上記第１比較器７、第１リレイ８、第２比較器９、第２リレイ10、第２微分器11、上昇時傾きモデル12、下降時傾きモデル13、減算器14、第３コントローラ15、上下限リミッタ16により第３制御手段が形成される。
第１制御手段（第１コントローラ１）、第２制御手段、第３制御手段、加算器６、および加算器17により、プロセス量ｐｖの制御装置が形成される。
【００１８】
以下、ごみ焼却炉の流動床炉における水噴霧による温度制御の適用例について説明する。制御装置は、流動床炉の層内温度（プロセス量ｐｖ）を、水噴霧用電磁バルブの開度（操作量ｃｖ）により制御する。図２に水噴霧用電磁バルブの開度と水噴霧量の特性図を示す。バルブが開かれると、水噴霧量が増加し、層内温度が低下する。
【００１９】
まず上記第１コントローラ１について詳細に説明する。
図３に、第１コントローラ１の層内温度と水噴霧用電磁バルブの開度のメンバシップ関数を示す。このファジィ推論の出力メンバシップ関数は定型で位置は等分（図３では１５等分）されており、また図２に示すように、水噴霧用電磁バルブの開度と水噴霧量とは非線形な特性を有することから、図３に示すように、非線形な部分を設けている。
【００２０】
この第１コントローラ１は、図３に示すように、層内温度現在値ｔ℃の入力メンバシップ関数により、バルブの開度の出力メンバシップ関数の斜線で示す面積を決定し、これら面積に出力メンバシップ関数のそれぞれの調整用重みを乗算し、これら面積の重心位置で、バルブ開度ｘ％を決定している。
ごみ焼却炉の設計者等は、非線形なプロセスを漠然とした非線形イメージとして描き、図３の出力メンバシップ関数の位置を決めて、層内温度を一定とするように水噴霧用電磁バルブの開度を調整する。その手順を説明する。
【００２１】
１．制御周期を設定する。
２．入力する層内温度のデータのフィルタリングを決定する。
３．水噴霧用電磁バルブの開度と水噴霧量の非線形な特性を計測する。
４．この計測により、水噴霧用電磁バルブの開度と水噴霧量の非線形な特性を決定する。
【００２２】
５．出力メンバシップ関数の位置を水噴霧用電磁バルブの開度と水噴霧量の非線形な特性により決定する。
６．実運転による層内温度の変動を見ながら出力メンバシップ関数の位置を調整する。
この第１コントローラ１は層内温度と目標温度との偏差を使用しないので、当然イメージとのずれが発生する。これを最小とするように調整する（チューニングする）。
【００２３】
次に上記第２コントローラ４について詳細に説明する。
図４に、設定値ｓｖとプロセス量ｐｖの差分ｅに相当する、層内温度現在値と温度目標値との偏差と、差分ｅの変化率ｄに相当する、層内温度の偏差の変化率と、第１コントローラ１の出力操作量ａの補正値ｆに相当する、水噴霧用電磁バルブの開度の補正量のファジィルールとメンバシップ関数を示す。
【００２４】
図４に示すファジィルールとメンバシップ関数によるファジィ推論により、たとえば層内温度現在値が温度目標値より大きく、すなわち偏差がプラス方向に大きく（ＶＢ）、偏差が増加している（変化率がプラス）（ＶＢ）と判断されると、水噴霧用電磁バルブ開度の補正量最大（ＶＢ）が選択され、たとえば最大値である１０％開度補正量が出力され、バルブが開かれ、水噴霧量が増加し、層内温度が低下する。
【００２５】
このように、第２コントローラ４においてファジィルールにより層内温度の設定値ＳＶとの偏差を基に、その偏差の変化率を組み合わせて、層内温度の変動を予測することにより、第１コントローラ１の出力操作量の補正量が出力され、第１コントローラ１の制御結果の誤差、主にオフセットが解消される。
次に上記第３コントローラ15について詳細に説明する。
【００２６】
図５に示す、プロセス量ｐｖの変化率ｇに相当する、層内温度の変化率（実際の傾き）と、設定傾きとプロセス量ｐｖの変化率ｇの差分ｈに相当する、層内温度の変化率と設定温度変化率（設定傾き）との差分と、第１コントローラ１の出力操作量ａの補正値ｉに相当する、水噴霧用電磁バルブの開度の補正量のファジィルールとメンバシップ関数を図６に示す。ファジィルールはプロセス上昇時と下降時は異なるルールとしており、このファジィルールの選択のために、第１リレイ８がオン（ｅ＜０）のプロセス量上昇条件を入力し、また図５に示す制御範囲に入ったことを起動条件とするために第２リレイ10がオン（｜ｅ｜≦Ｅ）の条件を入力している。
【００２７】
これにより、第２リレイ10がオン（｜ｅ｜≦Ｅ）になると起動されて、制御を開始し、第１リレイ８がオン（ｅ＜０）の条件でファジィルールを切り換えている。そして、図６に示すファジィルールとメンバシップ関数によるファジィ推論により、たとえばプロセス上昇時において、層内温度の変化率（実際の傾き）がマイナス（ＶＳ）で温度が下がっており、傾きの設定値と変化率の偏差（差分）がプラス（ＶＢ）で広がっているとき、水噴霧用電磁バルブ開度の下げる補正量最大（ＶＳ）が選択され、たとえば最大値下げである−１０％開度補正量が出力され、バルブが絞られ、水噴霧量が減少し、層内温度を上昇させようとする。
【００２８】
このように、第３コントローラ15においてファジィルールにより層内温度の変化率を基に、その変化率と設定傾きとの差分を組み合わせ、層内温度の変動を温度上昇時と下降時の違いによって予測し、第１コントローラ１の出力操作量の補正量が出力され、第１コントローラの制御結果の誤差、主にオーバーシュートが解消される。
【００２９】
ごみ焼却炉の流動床炉における水噴霧による温度制御の適用した上記制御装置の構成による作用を説明する。
まず、計測されたごみ焼却炉の燃焼装置の層内温度現在値（プロセス量ｐｖ）に基づいて、第１コントローラ１においてファジィ推論により、水噴霧用電磁バルブの開度（操作量ｃｖ）が決定されて出力され、バルブ開度が調整されて水が噴霧される。
【００３０】
一方、層内温度現在値と温度目標値（設定値ｓｖ）との偏差と、この偏差の変化率（変化率ｄ）が演算され、これら層内温度現在値と温度目標値との偏差と偏差の変化率に基づいて、第２コントローラ４においてファジィ推論により、水噴霧用電磁バルブの開度の補正量が決定され、この補正量が積分され、この積分値と第１コントローラ１により求められた水噴霧用電磁バルブの開度が加算されて、制御偏差およびオフセットを無くすように調整される。
【００３１】
さらに、層内温度現在値と温度目標値（設定値ｓｖ）との偏差ｅが少なくなり、設定値ｓｖに近づくと、層内温度現在値の変化率と、この実変化率と設定傾きとの差分が演算され、これら層内温度現在値の変化率と変化率の差分に基づいて、第３コントローラ15においてファジィ推論により、層内温度現在値の変化率に基づく、水噴霧用電磁バルブの開度の補正量が決定され、この補正量が制限され、この制限値と第１コントローラ１および第２コントローラ４により求められた水噴霧用電磁バルブの開度が加算されて、水噴霧用電磁バルブへ操作量ｃｖが出力され、オーバーシュートを抑えるように調整される。
【００３２】
図７に上記制御装置による流動床炉の層内温度のチューニング前とチューニング後の特性図を示す。チューニング後には層内温度が、ダイオキシンが少ない温度（６００℃以下）で、かつ炉停止の恐れがある温度（５５０℃以下）以上の温度で安定していることがわかり、環境に配慮した温度制御が実行されている。
このように、３段階ファジィ推論を行うことによって、設計者等の漠然とした非線形イメージをそのまま表現して制御に活かすことができ、プロセス量ｐｖ（層内温度）を一定とする操作量ｃｖ（水噴霧用電磁バルブの開度）を設定でき、さらに実偏差ｅとその変化率ｄにより、補正することにより第１コントローラ１の制御結果の偏差、主にオフセットを無くすことができ、プロセスの非線形特性と一致した制御を行うことができ、さらに実変化率ｇと設定傾きとの差分により、補正することにより、主にオーバーシュートを無くすことができる。そのため、設計の効率化および制御精度の向上を見込むことができ、また数式を意識せずに制御できるため、プロセス技術者だけでもコントローラ１，４，15の設計や調整が可能となる。また高度な制御専門知識が不要となるため、設計ミスの低減、パラメータ調整時間の短縮を見込むことができる。
［実施の形態２］
図８は、本発明の実施の形態２における、入出力が非線形な特徴を有するプロセスの制御ブロック図である。
【００３３】
実施の形態２は、上記実施の形態１の制御ブロックの構成に、調整装置21を付加したものである。
調整装置（調整手段の一例）21は、プロセスを評価する計測値ｍを入力し、一定時間内の計測値ｍを所定時間毎に記憶し、その平均値とバラツキにより評価し、この評価値に基づいて遺伝的アルゴリズムを使用して第１コントローラ１の出力メンバシップ関数の位置を修正し、微調整用重みを修正する。この調整装置21は、制御装置とは別に離れた位置（遠隔地）に設置される。
【００３４】
以下、調整装置21を図３の出力メンバシップ関数を例にとり説明する。ごみ焼却炉が発生する一酸化炭素（ＣＯ）の量を計測値ｍとしてプロセスを評価している。
図９に示すように、図３のバルブ開度の出力メンバシップ関数を配置した位置の配列［５，６，６，７，８，１１，１２］を２進化したものを、２４ビットの遺伝子と見なして、遺伝的アルゴリズム（たとえば遺伝子の組み換え、突然変異など）により、異なる遺伝子を形成する。たとえば、最初の４ビットをマスクして、突然変異を発生させ、その内、上記配列として番号が小さいまたは同じ順に並ぶものだけを選択する。図８では、配列［５，６，６，６，８，１１，１２］が形成されている。
【００３５】
次に、この配列［５，６，６，６，８，１１，１２］の出力メンバシップ関数により、層内温度よりファジィ推論によって水噴霧用電磁バルブの開度を決定し、運転を行う。そして、一定時間内のＣＯ値を所定時間毎に記憶し、その平均値とバラツキにより前記配列を評価する。
そして、上記選択した各配列による運転を行い、それぞれ評価し、これら評価により、ＣＯ値が低く、バラツキの少ない（ダイオキシンの発生の少ない）配列を選択し、最適な出力メンバシップ関数の位置を設定する。同様に、微調整用重みを修正することができる。
【００３６】
図10に上記調整装置21による流動床炉が発生するＣＯ値のチューニング前とチューニング後の特性図を示す。チューニング後にはＣＯ値が、少なく安定していることがわかり、環境に配慮した温度制御が実行されている。
このように、設計者等が、漠然とした非線形イメージとして設定し、調整した第１コントローラ１の出力メンバシップ関数の位置を、遺伝的アルゴリズムにより変化させ、プロセスの評価値により修正することで、第１コントローラ１による制御をプロセスに適したものとすることができる。
【００３７】
また、調整装置21は、上記のように制御装置より離れた場所に置く。ごみ焼却炉の場合、第１コントローラ１と第２コントローラ４などからなる制御装置は、ごみ焼却炉の運転室の制御盤内に収納されるが、調整装置21は計算量が多くなるため、大型コンピュータを使用する必要があり、したがって、運転室とは別のコンピュータ室などに設置される。
【００３８】
なお、上記実施の形態１，２においては、ごみ焼却炉の流動床炉における水噴霧による温度制御の適用した制御装置について説明しているが、これに限ることなく、本発明は入出力が非線形な特性を有するプロセスに適用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、２段階ファジィ推論を行うことによって、設計者等の漠然とした非線形イメージをそのまま表現して制御に活かすことができ、プロセスの非線形特性と一致した精度の良い制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるプロセスの制御装置のブロック図である。
【図２】同プロセスの制御装置を適用するごみ焼却炉の流動床炉における水噴霧による温度制御に使用する、バルブ開度と水噴霧量の特性図である。
【図３】同プロセスの制御装置の第１コントローラのメンバシップ関数である。
【図４】同プロセスの制御装置の第２コントローラのファジィルールとメンバシップ関数である。
【図５】同プロセスの制御装置の第３コントローラのファジィ制御の説明図である。
【図６】同プロセスの制御装置の第３コントローラのファジィルールとメンバシップ関数である。
【図７】同プロセスの制御装置による流動床炉の層内温度のチューニング前とチューニング後の特性図である。
【図８】本発明の実施の形態２におけるプロセスの制御装置のブロック図である。
【図９】同プロセスの制御装置の調整装置の動作説明図である。
【図１０】同プロセスの制御装置による流動床炉のＣＯ値のチューニング前とチューニング後の特性図である。
【符号の説明】
１ 第１コントローラ
２，14 減算器
３，11 微分器
４ 第２コントローラ
５ 積分器
６，17 加算器
７，９ 比較器
８，10 リレイ
12，13 傾きのモデル
15 第３コントローラ
16 上下限リミッタ
21 調整装置
ｐｖ プロセス量
ｓｖ プロセス量設定値
ｃｖ 操作量

Claims (2)

1. 入出力が非線形な特性を有するプロセスの制御装置であって、
   現在プロセス量に基づいてファジィ推論により前記プロセス量を一定とする操作量を出力する第１制御手段と、
   前記プロセス量とプロセス量の設定値との偏差、およびこの偏差の変化率に基づいてファジィ推論によりプロセス量の変動を予測して前記第１制御手段の出力操作量の補正量を出力する第２制御手段と、
   プロセス量の変化率、およびこの変化率とプロセス量の変化率の設定値との偏差に基づいてファジィ推論によりプロセス量の変動を予測して前記第１制御手段の出力操作量の補正量を出力する第３制御手段を備えたこと
   を特徴とするプロセスの制御装置。
2. 第３制御手段は、プロセス量の上昇時と下降時の違いによって、第３制御手段のファジィルールを切り換えて補正量を調整すること
   を特徴とする請求項１に記載のプロセスの制御装置。

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