JP4177171B2

JP4177171B2 - Process control apparatus and process control method

Info

Publication number: JP4177171B2
Application number: JP2003145340A
Authority: JP
Inventors: 恭寿男小崎; 芳和野口; 昌則小針; 健太郎高木
Original assignee: JGC Corp
Current assignee: JGC Corp
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2023-05-22
Also published as: JP2004348481A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フィードフォワード制御を行うにあたって、プロセスに加わる外乱パターンを推定し、その外乱パターンをフィードフォワード操作量に変換して操作量を補償するようにしたプロセス制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からＰＩ制御あるいはＰＩＤ制御によるフィードバック制御あるいはフィードフォワード制御が知られているが、近年のバッチプロセスにおける付加価値の高い少量多品種生産計画においては、今までのフィードバック制御あるいはフィードフォワード制御だけでは、未知の外乱に対して十分な制御性能を得られないことがあり、このためプロセスモデルを用い将来のプロセスの挙動を予測し、現在の操作量を決定するように構成したモデル予測制御装置が数多く提案されている。ところが、従来のモデル予測制御装置による外乱補償機能は、測定外乱に対するフィードフォワード補償と、未測定外乱を一定のものであると仮定し、推定外乱に対し外乱補償を行うものであった。そのために、時間と共に変動するプロセスの特性値や未知の外乱に対しては制御性能が良好でないといった構造上の問題点を有している。
一方特許文献１には、外乱補償の手段としてプロセス値と予測モデルのプロセス値との誤差を測定不可外乱として取り扱うことで、プロセスの動特性変化や測定不可の外乱に対する制御性を向上させる旨が記載されている。具体的には操作出力演算部からの操作出力に基づいてモデル部から得られたモデル出力とプロセスからのプロセス量との偏差を外乱フィルタにて演算し、この偏差に基づいて得られた外乱推定信号を含むプロセス量の予測値を前記操作出力演算部に入力し、当該操作出力演算部にてプロセス量の予測値と参照軌道の予測値とが一致するように操作出力を計算し、こうして外乱を補償する手法である。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−２６５５１４号：図１、段落００１２及び００１３
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したプロセス値と予測モデルのプロセス値の誤差をオンラインで測定不可外乱として取り扱うことは、プロセスに無駄時間が含まれないかあるいは無駄時間が短い場合には適用できるが、プロセスに無駄時間が存在する場合には、外乱フィルタにて演算した演算結果はプロセスに操作量を入力した後、無駄時間だけ遅れて得られたプロセス量に基づくものであるから、外乱補償された操作出力がプロセスに入力されるタイミングは、プロセスに外乱が加わるタイミングよりも遅れてしまうためプロセス値が振動してしまい、外乱補償を行うことにより却ってプロセス制御が不安定になる懸念があり、特に無駄時間が長い場合には、制御自体が成立しなくなってしまう。
【０００５】
本発明はこのような背景に基づいてなされたものであり、その目的はプロセスに外乱が加わっても良好な制御を行うことができるプロセス制御装置を提供することにある。更に本発明の他の目的は、プロセスに外乱が加わった場合、そのプロセスの無駄時間の長さにかかわらず良好な制御を行うことができるプロセス制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、制御用調節部から出力される操作量に基づいてプロセスを制御するプロセス制御装置において、
プロセスを実施したときに制御用調節部から出力される操作量と、プロセスを実施したときに得られる制御量を目標値として求めた操作量と、の差に基づいてプロセスに加わった外乱パターンを推定する外乱推定部と、
この外乱推定部にて推定された外乱パターンを記憶する記憶部と、
外乱パターンを推定した運転サイクル以降の運転サイクルにおいて前記記憶部に記憶されたデータに基づいて外乱パターンを発生させ、その外乱パターンをフィードフォワード操作量として出力する推定外乱出力部と、
前記制御用調節部から出力される操作量に前記フィードフォワード操作量を外乱の補償量として加える手段と、を備え、
前記外乱推定部は、制御量を目標値とする推定用調節部と、この推定用調節部からの操作量を入力とし、制御用調節部の操作量により制御される制御対象と同等の伝達関数により入力値を演算処理して出力する手段と、制御用調節部からの操作量と推定用調節部からの操作量との差分を推定外乱として取り出すための加算部と、を備え、
前記推定用調節部は、設定された参照軌道に外乱推定部内の前記伝達関数の出力値が一致するように操作量を出力することを特徴とする。
【０００７】
この発明において、「外乱パターンを推定した運転サイクル以降の運転サイクルにおいて、前記記憶部に記憶されたデータに基づいて外乱パターンを発生させ」とは、例えば１バッチ目のプロセスを行うときに外乱パターンを推定し、２バッチ目以降のプロセスを行うときに外乱パターンを発生させるといった意味である。また記憶部に記憶されたデータをそのまま外乱パターンとして発生させるようにしてもよいが、例えば既に記憶されている複数の外乱パターンを処理して例えば平均化して外乱パターンとして発生させるようにしてもよい。いずれの場合であっても推定外乱出力部から出力される外乱パターンは、プロセスに無駄時間が含まれるときには、その無駄時間に対応する分だけ記憶部に記憶されている外乱パターンの位相を進ませる（早める）ようにすることが望ましい。またこの発明では、プロセスに加わった外乱を操作量に加わった外乱とみなしているので、「制御用調節部から出力される操作量に前記フィードフォワード操作量を外乱の補償量として加える」とは、制御用調節部から出力される操作量に含まれる外乱をフィードフォワード操作量によってキャンセルする（差し引く）ようにするということである。
【０００８】
また本発明においては、前記記憶部に記憶されたデータに基づいて複数の外乱パターンを用意し、これら複数の外乱パターンの中から使用する外乱パターンを選択するための手段を備えるようにしてもよい。例えば外乱推定部内の前記伝達関数には、無駄時間が含まれない。また制御用調節器と推定用調節器とは例えば互いに入出力特性が同等とされる。
ここでいう入出力特性が同等とは、例えば制御用調節部及び推定用調節部としてモデル予測制御をおこなうものを使用するとすれば、両者において制御量の予測式及び参照軌道が同じであるということである。
【０００９】
更にまたプロセスを行いながら外乱推定部による外乱の推定を行うモードと、プロセス時に記憶されたデータに基づいてプロセス終了後に外乱推定部による外乱の推定を行うモードと、の一方を選択するための選択手段を設けてもよいし、外乱推定部により推定した外乱パターンを表示するための手段を設けてもよい。
【００１０】
他の発明は、制御用調節部から出力される操作量に基づいてプロセスを制御するプロセス制御方法において、
プロセスを実施したときに制御用調節部から出力される操作量と、プロセスを実施したときに得られる制御量を目標値として求めた操作量と、の差に基づいてプロセスに加わった外乱パターンを推定する工程と、
この工程にて推定された外乱パターンを記憶する工程と、
外乱パターンを推定した運転サイクル以降の運転サイクルにおいて、既に記憶された推定外乱パターンに基づいて外乱パターンを発生させ、その外乱パターンをフィードフォワード操作量として出力する工程と、
前記制御用調節部から出力される操作量に前記フィードフォワード操作量を外乱の補償量として加える工程と、を含み、
前記外乱パターンを推定する工程は、プロセスを実施したときに得られる制御量を目標値とする推定用調整部からの操作量を、制御用調節部の操作量により制御される制御対象と同等の伝達関数により演算処理して出力する工程と、この工程で出力された出力値が、設定された参照軌道に一致するように前記推定用調整部から操作量を出力する工程と、この工程で出力された操作量と制御用調節部の操作量との差分を取り出す工程と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るプロセス制御装置の実施の形態につき添付図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、化学プラントに適用されるジャケットタンクの内部温度の制御に応用した例である。図１において、１は反応装置であるジャケットタンク１であり、原料投入後、適切な温度管理によって所定の化学反応を進行させ、所定の特性を有する製品に転換させるものである。このジャケットタンク１は、原料が投入される反応容器１１と、原料を均一に分散しかつ温度分布を均一にするための撹拌器１２と、反応容器１１の周囲に温調媒体を流通するために設けられたジャケット１３とから構成されており、ジャケット１３を流通させる温調媒体と反応容器１１内部の内容物との間においてこれらの温度勾配により除熱および加熱が行われて熱交換され、反応容器１１内の温度は制御器３により所定の温度に管理される。
【００１２】
ジャケット１３には、温調媒体を流入するための流入路をなす流入管２１と温調媒体を流出するための流出路をなす流出管２２とが接続されており、流出管２２から流出した温調媒体は例えば図示しない循環用タンクを介して流出管２２に戻るようになっている。この例では温調媒体として温調水が用いられ、この温調水の温度を調整するための媒体例えば冷媒と熱媒とを流入管２１に供給するように冷媒供給管２３ａ及び熱媒供給管２３ｂが当該流入管２１に接続されている。そして冷媒である冷却水と熱媒である蒸気もしくは熱水とが、制御器３に内包される従調節器３２によりどちらか適宜選択されるようになっており、冷媒については流量制御部である冷媒バルブ２３により、また熱媒については流量制御部である熱媒バルブ２４により夫々制御されて流入管２１に供給され、以て温調媒体を介して反応容器１１内の温度が調整される。なお冷媒としては冷水以外の流体であってもよく、また熱媒としては熱水以外の流体であってもよい。１４は反応容器１１内の温度を検出する温度検出部であり、１５は流入管２１内の温調媒体（入り口側温調媒体）の温度を検出する温度検出部であり、１６は流出管２２内の温調媒体（出口側温調媒体）の温度を検出する温度検出部である。
【００１３】
図１において３は制御器であり、この制御器３は互いにカスケード接続された主調節器３１と従調節器３２とから構成されている。この例では主調節器３１は制御用調節部をなすものであり、その制御対象は、従調節器３２とプロセスであって、主調節器３１の制御周期は従調節器３２の制御周期よりも大きく設定されている。また、主調節器３１には図示しない設定部で設定された温度目標値と温度検出部１４からの温度検出値（制御量である内温）とが入力され、操作量ＭＶが出力される。操作量ＭＶは従調節器３２の設定値、ここでは反応容器１１の内温の目標温度である。
【００１４】
主調節器３１は、モデル予測制御が採用されており、設定された参照軌道をプロセス値が一致するような操作量ＭＶを制御周期毎に出力する。このモデル予測制御では、例えば図２（ａ）に示すように現在の内温の検出値ｙ（ｔ）を始点として内温の目標温度に徐々に近づく参照軌道ｙＲ（ｔ＋ｊ）を計算し、また検出値ｙ（ｔ）及び予測式に基づいて未来の内温の予測値ｙＰ（ｔ＋ｊ）を求め、一致区間（例えばｎステップ先からｍステップ先に渡る区間）において内温の予測値ｙＰ（ｔ＋ｊ）が参照軌道ｙＲ（ｔ＋ｊ）にできるだけ近づくように現時刻以降の所定のステップ時の各入力（操作量）を決定し、得られた操作量の中で現時刻に対応する操作量のみを出力し、以下この手順を繰り返すように主調節器３１が構成されている。また主調節器３１の内部モデルは、従調節器３２とプロセスとを一次遅れ無駄時間近似したモデルとして定義される。なお実際のプロセスは、ａ）循環している温調媒体に熱媒または冷媒が混合されるプロセス、ｂ）温調媒体から反応容器１１内へ熱が移動するプロセス、ｃ）反応容器１１内の発熱プロセス、に大きく分けられるが、ｃ）のモデル化が困難なため、ここでいうプロセスは、ａ）、ｂ）を意味している。
【００１５】
従調節器３２は、主調節器３１から出力される操作量ＭＶが内温設定値として入力されると共に、例えば温度検出部１５、１６からの各温度検出値、例えば各温度検出値における移動平均が入力されてこれらの値に対して所定の演算を行う。またこの従調節器３２は、主調節器３１と同様にモデル予測制御が採用されており、設定された参照軌道をプロセス値が一致するような操作量を制御周期毎に出力する。従調節器３２の内部モデルは、バルブ２３、バルブ２４を動作させた際に生ずるジャケット入口温度を一次遅れ無駄時間近似したモデルとして定義される。
【００１６】
従調節器３２の制御対象は、冷媒バルブ２３もしくは熱媒バルブ２４の開度であり、従調節器３２は同時に冷媒バルブ２３もしくは熱媒バルブ２４が開くことのないようにスプリットレンジ処理が含まれている。図２（ｂ）は従調節器３２の操作出力とバルブ２３、２４の開度との関係を規定したスプリットレンジの一例を示す図であり、この例では操作出力が０％から５０％に増加するにつれて冷媒バルブ２３の開度が１００％から０％に向かい、操作出力が５０％以上では熱媒バルブ２４の開度が０％から１００％に向かうように設定されている。
【００１７】
次に図1において４は外乱補償器であり、この外乱補償器４は、プロセス制御装置であるモデル予測制御装置の構造上の問題点を克服するために、即ち未知の外乱に対し制御性能が低下しないように、より良好な制御性能を実現するために新たに設けられたものである。図１における制御器３、外乱補償器４、温度検出部１４、１５、１６及びバルブ２３、２４などがプロセス制御装置に相当し、また各部位をブロックで記載しているが、各部位の演算あるいは処理は実際にはソフトウエアにより実行される。外乱補償器４は、外乱パターンの推定に関する部位と、推定した外乱に基づいて主調節器３１の操作出力を補償するための部位とに大別できる。
【００１８】
先ず前者である外乱パターンの推定に関する部位は、外乱推定部４１と、推定した外乱パターンを記憶するための推定外乱パターン記憶部４２と、からなる。外乱推定部４１は、図３に示すように主調節器３１の操作量（操作出力）ＭＶと制御量である内温Y_P （温度検出値）とを入力とし、推定外乱DV'を出力するように構成されており、推定用調節器５１と、主調節器３１の制御対象５４の伝達関数G_Pと同等の伝達関数G_P'により推定用調節器５１からの操作量を演算する、いわば擬似制御対象である演算処理部５２と、推定用調節器５１の操作量ＭＶ'と主調節器３１の操作量ＭＶとを突き合わせてその偏差を取る加算器５３と、を備えている。ここで前記制御対象５４は、従調節器３２とプロセス（温調媒体を制御することによって行われる製品生成処理）とを合わせたものをいう。また伝達関数G_P'は、従調節器３２と、冷媒あるいは熱媒が循環温調媒体と混合される工程と、ジャケットタンク1の熱移動とを一次遅れモデルに近似した伝達関数として表現される。
【００１９】
推定用調節器５１は、主調節器３１や従調節器３２と同様にモデル予測制御が採用されていて、主調節器３１と同様に構成されており、設定された参照軌道をプロセス値が一致するような操作量を制御周期毎に出力する。従って推定用調節器５１の内部モデルは、従調節器３２と、冷媒あるいは熱媒が循環温調媒体と混合される工程と、ジャケットタンク1との熱移動を一次遅れ近似したモデルとして定義される。この推定用調節器は、擬似制御対象の伝達関数G_P'の応答時間が限りなく小さくなるように常時設定されており、制御対象５４から得られた制御結果（内温）Y_P を目標値とし、伝達関数G_P'（擬似制御対象）を通して得られた制御結果である制御量（内温）Y_P'と前記目標値とに応じた操作量ＭＶ'を出力する。
【００２０】
ここでプロセスに外乱が加わると、例えば反応容器１１内で発熱反応が起こると内温Y_P が変動するが、この変動は、図３に示すように操作量ＭＶに対して外乱ＤＶが加わったと考えることができる。外乱推定部４１はこの外乱ＤＶを推定しようとするものであり、主調節器３１及び制御対象５４に相当する制御系を、推定用調節器５１及び演算処理部５２により擬似制御系として作成している。この擬似制御系は外乱が含まれないので、実際の制御系においても外乱が加わらなければ（図３に示すＤＶが存在しなければ）、理論的には主調節器３１の操作量ＭＶと調節器の操作量ＭＶ'とは等しくなり、加算器５３における加算結果（ＭＶとＭＶ'との偏差分）はゼロであるが、実際の制御系において外乱DVが加われば、ＭＶとＭＶ'との偏差分がDV'として現れる。即ちこのDV'は外乱DVに相当する推定外乱となる。後に詳述するが、このときの計算結果が図８〜図１０に示されている。
【００２１】
以上の説明はオンラインにより外乱を推定する場合であるが、オフラインにより外乱を推定するようにしてもよい。この場合、運転サイクルにおける操作量ＭＶと内温とを後述のように運転来歴記憶部４８内に記憶しておき、運転サイクル時には外乱を推定せずに、後で操作員の指示により運転来歴記憶部４８内のデータ（操作量ＭＶと内温）を呼び出して外乱推定部４１が当該運転サイクルにおける外乱を推定するようにしてもよい。
【００２２】
続いて外乱補償器４において、推定した外乱に基づいて主調節器３１の操作出力を補償するための部位に関してのべるが、その前に外乱に関して説明を加えておく。一般的に制御結果として得られた操作量パターンは、制御を行った際に印加された外乱と、その外乱を打ち消すために出力される操作結果が含まれている。プロセスに印加される外乱には、再現性のある外乱と再現性のない外乱に分類できる。再現性のある外乱は、工程上から生ずる外乱が相当し、原料投入によるもの、反応が進行し発熱が生ずるもの等が挙げられる。これらの外乱は、製品毎のレシピに依存する外乱となることから、概ね再現性のある外乱と仮定できる。換言すると、製造品種毎に製造工程は決められており、同じ品種の製造工程であれば、原料の投入や発熱パターンは同じであると仮定できることから、工程上から生ずる外乱は再現性を持つとみなせる。
【００２３】
一方、再現性のない外乱は、原料のばらつき、冷却水圧や冷却水温変動、蒸気圧や蒸気温度変動等ランダム成分が挙げられ、再現性がない外乱とみなせる。本発明の対象は、再現性のある外乱に対し外乱パターンを推定し、得られた推定外乱パターンに対する適切なフィードフォワード操作量を求めることにある。すなわち、バッチプロセスにおいては再現性のある外乱が加わるために、予め外乱パターンを推定し、その推定外乱パターンを打ち消すようなフィードフォワード補償を適用するのが合理的であると考えられ、本発明はこの考えに立脚している。
【００２４】
そこで推定外乱パターン記憶部４２で得た推定外乱パターンによりどのようにして外乱の補償をするかという点について詳述すると、外乱補償器４は、図１に示すように表示機能及び操作員による操作機能を備えた表示／操作部４３と、外乱データ処理部４４と、出力外乱パターン記憶部４５と、推定外乱発生器４６と、ＦＦ（フィードフォワード操作量）演算器４７と、運転来歴記憶部４８と、を有している。
【００２５】
外乱補償器４の簡単な使い方の一つとしては、例えば原料を反応容器１１内に投入して反応生成物である製品を得る場合、最初の１バッチ目の処理を行うときに、外乱推定部４１により既述のようにして外乱パターンを求めて推定外乱記憶部４２に記憶しておき、同種のプロセスにおける次の２バッチ目以降の処理を行うときに、１バッチ目で取得した推定外乱パターンを主調節器３１の操作量から差し引くようにして外乱を打ち消す手法が挙げられる。実際には、１バッチ目で得た推定外乱パターンをそのまま使うのではなく、いくつかの運転サイクル（バッチ処理）で得た外乱パターンの中から選択して、あるいはそれら外乱パターンに処理を加える場合例えば複数の外乱パターンの平均値を求めるといった場合もある。より具体的には、生産レシピ毎に予め複数回運転を行って外乱を推定しておき、取得した外乱に基づいて例えば複数の代表的な外乱パターンを決めておき、実際に生産するときに操作員がそれら複数の外乱パターンの中から使用する外乱パターンを選択するようにしてもよい。例えば後述する図６に示すように、操作員が表示／操作部４３により生産レシピの番号を選択し、更にその生産レシピに割り当てられて用意されたいくつかの外乱パターンの中から、そのときに使用する外乱パターンを選択すると共に外乱パターンの使用モードを選択する。なお生産レシピに複数の外乱パターンを用意せずに、得ようとする製品の種類（銘柄）毎に１個の外乱パターンを割り当てるようにしてもよい。また前記外乱パターンの使用モードとは、後述する外乱パターンの位相及び外乱補償の開始タイミング並びに外乱補償の時間などである。
【００２６】
表示／操作部４３は、既述のように操作員が推定外乱パターンを選択し、あるいは既に取得した推定外乱パターンに対して所定の処理例えば複数の推定外乱パターンの平均化処理などを行うように指示し、選択または処理された推定外乱パターンを出力外乱パターン記憶部４５に記憶させるように構成されており、具体的には例えばタッチパネル、あるいはキーボード及び画面部（ＣＲＴ、液晶パネルなど）を組み合わせたものなどが相当する。
【００２７】
また表示／操作部４３は、推定外乱パターンを選択、処理する画面の他に、推定外乱パターン記憶部４２に記憶された推定外乱パターンを表示する画面、
所定の処理がされた後の推定外乱パターンを表示する画面、運転来歴記憶部４８にて取得した主調節器３１からの操作量や制御結果例えば内温、バルブ２３、２４の開度及び運転のタイミングなどの運転来歴を表示する画面、外乱推定部４１に対してオンラインで外乱を推定させる（その運転サイクル時に外乱の推定を行う）のか否かを指定する画面、及び過去の運転サイクル時における運転来歴記憶部４８内のデータに基づいて外乱推定部４１に対して外乱を推定させる（オフラインにより外乱を推定させる）ための画面などを備えており、更に製造銘柄名やロット番号で構成される管理情報が入力できるようになっている。なお操作員によりデータ登録が指定されていれば、その運転サイクル時に記憶された運転来歴及び推定外乱パターンは登録されるが、データ登録が指定されていない場合にはそのサイクルの運転来歴および推定外乱パターンは消去される。
【００２８】
外乱データ処理部４４は、操作員により表示／操作部４３を介して選択された外乱パターンに対応する推定外乱パターンを推定外乱パターン記憶部４２内のデータから選択し、出力外乱パターン記憶部４５に送るものであり、例えば製品の生産レシピを選択したときにそのレシピに対応する推定外乱パターンを選択する。また表示／操作部４３により推定外乱パターンに対して何らかの処理を行うように指定された場合には、その指定に応じて外乱データ処理部４４が推定外乱パターン記憶部４２内のデータに対して処理を行い、処理されたデータ（推定外乱外乱パターン）を出力外乱パターン記憶部４５に送る。
【００２９】
推定外乱発生器４６は、出力外乱パターン記憶部４５内のデータを読み出して推定外乱パターンを出力し、ＦＦ演算器４７はこの出力データをフィードフォワード操作量に変換する。また図１において３４は加算器であり、ＦＦ演算器４７からのフィードフォワード操作量を主調節器３１の操作量ＭＶに加算する。ＦＦ演算器４７はプロセスに加わる推定外乱パターンの符号を変えた後、従調節器３２とプロセスの無駄時間分位相を進め、フィードフォワード操作量として出力するものである。この例では、推定外乱発生器４６及びＦＦ演算器４７は、推定外乱パターンをフィードフォワード操作量として出力するための推定外乱出力部４０をなすものである。
【００３０】
図４はプロセスに加わる外乱を外乱補償器４によって補償している様子を示している。即ち、出力外乱パターン記憶部４５に記憶された推定外乱パターンが推定外乱発生器４６により読み出されてＦＦ演算器４７を通じて推定外乱ＤV'として加算器３３に入力され、主調節器３１からの操作量ＭＶから差し引かれる。一方プロセスには外乱が加わっていてその外乱ＤＶは主調節器３１からの操作量ＭＶに加わったものと見ることができるので、結果としてプロセスに加わった外乱ＤＶに対する補償量として推定外乱ＤV'が加わるので、前記外乱がＤＶが相殺された格好になり、内温Y_P が目標温度になるように安定する。
【００３１】
ここで主調節器３１から操作量が従調節器３２に入力されてから内温が応答するまでには遅れ時間があるので、つまり従調節器３２及びプロセスを合わせた伝達関数G_P は無駄時間Ｌがあるので、図５に示すように主調節器３１からの操作量ＭＶに外乱ＤＶが加わったときに当該外乱ＤＶを外乱推定部４１で推定した外乱ＤV'は、外乱ＤＶが加わったタイミングよりも無駄時間Ｌだけおくれている。従って推定外乱パターンをそのまま操作量ＭＶに加算するのではなく、無駄時間Ｌだけ進ませて加算する必要があり、このため推定外乱部４６は出力外乱パターン記憶部４５から推定外乱データを読み出して無駄時間Ｌだけ早め、主調節器３１の制御周期に合わせて推定外乱値を逐次出力する。
【００３２】
ここで表示／操作部４３における設定画面の一例を図６に示しておく。設定画面における上段側の画面は製品を製造するための生産レシピを選択するためのものであり、製品毎のレシピ情報が記載されている。また下段側の画面は推定外乱パターンの選択及び使用モードを設定するための画面であり、外乱推定の有無、データ収集の有無、分類、製品名称、対応する外乱パターン、トリガータグ、位相、外乱補償時間、データ作成日時等が表示され、また操作員がどの外乱補償データ（推定外乱パターン）を使用するかを選択できる。トリガーはトリガータグの略記であり、反応物や触媒等の投入タイミングを意味し、位相は従調節器３２を含むプロセスの無駄時間を意味する。これら、トリガータグ、位相情報から、外乱補償開始タイミングを設定する。補償は外乱補償時間の略記であり、フィードフォワード操作量信号を出力している時間である。図６の画面では、前記無駄時間及び外乱補償時間の単位は「秒」である。
【００３３】
更にまた図６の設定画面は、外乱パターンの推定を実施するか否かを選択するための操作部分を備えており、データ収集を「有」としかつ外乱パターンの推定を「実施」に設定すると、オンラインでつまりバッチ処理中（運転中）に外乱が推定され、推定した外乱パターンが登録される。これに対して外乱パターンの推定を「実施しない」に設定すると、外乱推定は行われないが、この場合データ収集を「有」として運転時におけるデータを収集しておけば、運転終了後において、表示／操作部４３における図示しない画面により外乱の推定を行う指示を入力すると、既に収集したデータに基づいて先の運転時における外乱の推定を行うことができる。つまりこの実施の形態では、いわばオンラインによる外乱の推定とオフラインによる外乱の推定とを選択できるようになっており、表示／操作部４３はその一方を選択するための選択手段を兼用している。なお図６の設定画面中における補償係数は、加算器３３に加えられる外乱補償量を例えば０〜１００％の間で設定するための係数であり、例えば０．８に設定すれば、出力外乱パターン記憶部４５から読み出される外乱補償量の８０％の値が実際の補償量となる。
【００３４】
次に図３に戻って、外乱の推定について数式により考察する。推定外乱DV'は主調節器３１の制御対象５４の前段に入力されると仮定すると、真の再現性のある外乱DV₁と真の再現性のない外乱DV₂とモデルミスマッチやプロセスの非線形性による誤差εとの関係は次式である。
【００３５】
【数１】

【００３６】
一般的なバッチプロセスにおける工程進行に伴い生ずる外乱の多くは、発熱、吸熱による反応熱の寄与分が高いと見なされるため、DV₁>>DV₂となる。また実際の内温Y_Pおよび擬似制御対象である演算処理部５２の演算結果（制御結果）である内温Y_P'は次のように定式化される。
【００３７】
【数２】

【００３８】
【数３】

【００３９】
G_P≒G_P'と見なされる場合には、Ｙ_pとＹ_pの比は次式となる。
【００４０】
【数４】

【００４１】
一方、推定用調節器はジャケットタンク１の内温、すなわちＹ_pを設定値とし、従調節器３２と既述のプロセスからなる制御対象の熱移動を一次遅れモデルに近似した伝達関数G_P'を制御する。ここで、設定値Y_Pの変化に対して、制御量Y_P'は、推定用調節器５１にて設定される参照軌道に依存するが、Y_Pの変化に遅れて追従するので次式となる。
【００４２】
【数５】

【００４３】
従調節器３２とプロセスとに相当する擬似制御系である演算処理部５２においては、熱移動を一次遅れモデルに近似した伝達関数G_P'は無駄時間を含まない制御系を構成していることから、推定用調節器５１はY_P'の応答時間を無限に早く設定することが可能となる。推定用調節器５１の希望応答時間を十分に小さくすると次式となる。
【００４４】
【数６】

【００４５】
従って、式（数４）と式（数５）の関係より次式が得られる。
【００４６】
【数７】

【００４７】
【数８】

【００４８】
よって、主調節器３１の操作量と推定用調節器５１の操作量との差から推定外乱DV'が導かれた。この推定外乱DV'は既述のように外乱補償のフィードフォワード操作量に利用される。
【００４９】
ただし推定外乱DV'は反応容器１１の温度から求めているため、反応容器１１の無駄時間θを考慮すると、反応容器１１の前に加わるDVは次式で与えられる。
【００５０】
【数９】

【００５１】
フィードフォワード操作量への変換は推定外乱DV'を打ち消すように主調節器３１の操作量に加えればよいので、外乱補償量D_Fは次式となる。
【００５２】
【数１０】

【００５３】
すなわち推定外乱DV'の符号を換えたものにプロセスの無駄時間分の位相を進めて、主調節器３１の操作量に加えれば、加わった外乱DV'は打ち消され、外乱補償が容易に実現できる。ただし、外乱推定を行った同一レシピの次回バッチ運転時以降に推定外乱パターンに基づいた外乱補償が実現される。
【００５４】
式（数８）は従調節器３２の前段に外乱が加わったと仮定した結果より導出されたので、実際に観測できる内温の温度DV_tempに変換するにはDV'に伝達関数G_P'を乗ずればよい。
【００５５】
【数１１】

【００５６】
推定外乱発生器４６はプロセスの無駄時間分の位相を早め、主調節器３１の制御周期に合わせて推定外乱値を逐次出力する。ＦＦ演算器４７は、DV'を入力とし、式（数１０）により外乱補償操作量D_Fを演算し、主調節器３１の操作出力に加算される。同一レシピにおいては、DV'・ｅ^θｓ≒-D_Fとなるため外乱補償が容易に実現できる。一方、外乱補償を制御に取り込んだ場合、設定値からの偏差は式（数１）の右辺第二項、第三項によるものが主となる。
【００５７】
次に、上述の実施の形態に係るプロセス制御装置を計算機を用いて実施する場合における処理の全体の流れについて図７のフローチャートを参照しながら説明する。同図において、プロセス制御装置が起動すると、表示／操作部４３は操作員からの入力操作待ち、あるいは通信プログラムによる遠隔装置への操作員による入力操作待ちとなる（ステップＳ１）。入力操作により製品の製造実施が選択されると、表示画面にて（図６参照）、製造する製品の情報についてレシピの確認および、外乱補償データを指定する（ステップＳ２）。運転はレシピ情報に基づきバッチプロセスが進行するが、この例ではDCS等他の計算機により運転シーケンス処理の機能を有するものとしている。外乱補償データとして、過去に得られたどの推定外乱パターンを使用するかを選択し、トリガータグの設定、位相、補償時間を設定する。使用する推定パターンについては、この例では外乱補償器４の中の推定外乱パターン記憶部４２から運転開始以前に前もって外乱データ処理部４４を介して出力外乱パターン記憶部４５に転送される。
【００５８】
次いで、データ収集を行うか否かが判断され（ステップＳ３）、「データ収集」が選択されていれば、これから行われる運転時において無条件に運転データを運転来歴記憶部４８に記憶し、外乱推定部４１で推定された外乱は推定外乱パターン記憶部４２に記憶されることとなる（ステップＳ４）。これら運転記憶時間は表示／操作部４３により任意に設定でき、全運転時間の情報を記憶もしくは一部のみ記憶できる。そしてジャケットタンク１内に原料が投入され、運転開始とともに、制御器３によりジャケットタンク１の制御が開始されて製品の製造が行われるが（ステップＳ４）、トリガータグと位相で決められた時間（以下、外乱補償開始時間）に達するまでは制御器３は通常のモデル予測制御（MPC制御）として動作しており、外乱補償MPC制御は動作しない。外乱補償開始時間に達した時点より、推定外乱発生器４６から制御周期毎に推定外乱値が出力され、ＦＦ演算器４７にてフィードフォワード操作量に変化された後、制御器３の主調節器３１の出力側の加算器３３に出力される。
【００５９】
この結果主調節器３１にて内温（検出値）と内温の目標値とから演算される操作量と、ＦＦ演算器４７からのフィードフォワード操作量と、を加算して従調節器３２に出力し、こうして外乱補償が行われる（ステップＳ４）。外乱補償対象時間が終了するまで、制御周期毎に推定外乱値の出力、フィードフォワード操作量への変化、この操作量と主調節器３１からの操作量との加算処理を繰り返す。そしてデータ収集が設定されているので、運転時に収集した運転来歴データ及び推定外乱パターンが運転終了後に夫々運転来歴記憶部４８及び推定外乱パターン記憶部４２に登録（記憶の確定）がされる（ステップＳ５）。またステップＳ３にてデータ収集が選択されない場合には、製品製造だけが行われ（ステップＳ６）、外乱補償、外乱推定データの収集及び運転来歴データの収集は行われない。
【００６０】
ところで外乱補償を行うことにより理屈の上では外乱が発生しないはずであるが、実際には外乱推定部４１により外乱を推定すると外乱パターンが得られることがある。この外乱パターンは例えば原料の性状などの微妙な差異により、外乱補償を行っている場合になおも発生する外乱であるから、例えば第１回目のバッチ処理（運転サイクル）時に推定した外乱を用いて外乱の補償を行いながら２回目のバッチ処理を行い、このときに得られた推定外乱パターンと１回目に得られた推定外乱パターンとを加算して３回目のバッチ処理を行うようにしてもよい。
【００６１】
一方ステップＳ１にて操作員が製品製造を選択せず、ステップＳ７にてオフライン外乱推定を選択した場合には、例えば選択された過去の運転サイクルにおける運転来歴データである制御量に相当する内温（検出値）及び主調節器３１の操作量に基づいて外乱推定部４１により外乱パターンが推定され（ステップＳ８）、推定外乱パターン記憶部４２に登録される（ステップＳ５）。
【００６２】
以上述べた実施の形態によれば、過去の運転により得られた推定外乱パターンを用い、次回以降の運転においてフィードフォワード操作量に変換して主調節器３１からの操作量に対して外乱を打ち消すように補償値として加えているので、プロセスに加わる外乱を排除またはその外乱の影響を小さくでき、良好なプロセス制御を行うことができて内温を安定させることができ、その結果製品の品質が安定する。そして外乱推定部４１において、検出された内温を目標値としかつ外乱のない擬似的な制御系を組んでその制御系内の推定調節器５１からの操作量と制御器３内の主調節器３１の操作量とを比較してその差分を推定外乱として取り出しているので、外乱が未知な場合においても外乱の補償値（フィードフォワード操作量）を正確にかつ容易に決定することができ、プラントの生産性の向上に寄与する。
【００６３】
更に外乱推定部４１において推定した外乱パターンを用いて外乱補償を行うときには、従調節器３２及びプロセスを合わせた制御対象の無駄時間を考慮して、推定された外乱パターンの位相を例えば推定外乱発生器４６により早めており、更にその早めるべく位相を選択できるようにしているので、制御対象の無駄時間が長い場合であっても良好な外乱補償を行うことができる。またプロセス制御に対する高度の知識を必要とせず、運転員が手動操作で経験と勘による制御性以上の外乱抑制性能が発揮される。
【００６４】
上述の実施の形態では、主調節器３１、従調節器３２及び外乱推定部４１としてモデル予測制御を行うものを例としてあげているが、主調節器３１及び従調節器３２については例えばＰＩＤ演算を行う構成であってもよく、主調節器３１及び従調節器３２がＰＩＤ演算を行う場合であっても、操作量ＭＶが発散しない場合には本発明を適用できることをシミュレーションで確認している。
。
【００６５】
以下に上述の実施の形態を用いて実際に計算した主調節器３１の操作量（操作出力）及び推定外乱並びに実際の内温を示す具体例について示しておく。図８は実運転データの操作量ＭＶおよび内温をもとに外乱推定部４１により外乱推定を行った結果の途中計算結果である。外乱推定部４１の推定用調節器の希望応答時間を十分に小さくし従調節器３２とプロセスとを一次遅れ系と見なした擬似制御部５２の出力より得られた外乱推定部内温Y_P'と実際の内温Y_Pとが示されている。図８からも明らかなように外乱推定部内温Y_P'は内温Y_Pにほぼ一致していることから、主調節器３１の操作出力と外乱推定部４１における推定用調節器の操作出力との差がジャケットタンク1に加わった外乱DV'と見なせる。
【００６６】
図９は図８の計算条件と同様に途中計算結果であり、主調節器３１の操作出力と調節器５２の操作出力とが示されている。この例においては主調節器３１の操作出力の下限値が冷却水の水温として設定されているために、操作出力は8℃未満にはならない。
【００６７】
図１０は式（数７）で示されるように主調節器３１の操作出力と推定用調節器の操作出力との差および内温に加わった温度変化の推定値が示されている。図１０において両者の操作出力の差の変動は急峻であるにも関わらず、推定外乱はプロセスを通過しているため非常に緩やかな温度変化となっている。
【００６８】
図１１は、既知の外乱をジャケットタンク１に加えつつ実運転を実施した一例として、実際に加えた外乱パターン、外乱推定器４１により得られた推定外乱パターン、測定された内温パターンが示されている。既知外乱（実際に加えた外乱）と推定外乱を比較すると誤差は存在するものの、推定外乱は概ね既知外乱を表現しており、外乱補償のフィードフォワード操作量として利用できることが確認された。
【００６９】
図１２は図１１で示した既知外乱をジャケットタンク１に加え、制御器３のみのモデル予測制御（以下、MPC制御）および本発明による制御器３に外乱補償器４を加えた外乱補償モデル予測制御（以下、外乱補償MPC制御）を行った結果が示されている。図１２の時間レンジ範囲においてMPC制御および外乱補償MPC制御を評価すると、MPC制御では目標値40℃からの最大偏差は各々+42.07℃、-38.68℃となりその差は3.39℃であった。一方、外乱補償MPC制御では目標値40℃からの最大偏差は各々40.29℃、-39.76℃となりその差は0.53℃となった。この結果から明らかなように通常のMPC制御と外乱補償MPC制御の制御性能の差は著しく、本発明である外乱補償MPC制御の有効性は示された。
【００７０】
図１３はFF演算器４７に加える推定外乱パターンの位相を変化させ、本制御装置のロバスト性についてシミュレーションにより検討を行った結果が示されている。推定外乱パターンの位相を50%進めて入力すると最大偏差-最小偏差の差は0.17℃、推定外乱パターンの位相を50%遅らせて入力すると最大偏差-最小偏差の差は0.45℃となった。通常のMPC制御を同様なシミュレーション条件を設定し計算を行った結果、最大偏差-最小偏差の差は3.39℃であったことを考慮すると外乱補償MPC制御は十分なロバスト性を有すると結論付けられた。なお、計算条件としては、従調節器３２を含むプロセスの一次遅れ時定数6000sec、従調節器３２を含むプロセス無駄時間380secとした。
【００７１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、過去の運転より得られた推定外乱パターンを次回以降の運転に反映し、その推定外乱パターンからフィードフォワード操作量を生成し、外乱を打ち消す操作量とするようにしているため、プロセスに加わる外乱を排除でき、良好な制御を行うことができる。そして外乱が未知な場合においても対応できるし、また推定した外乱の位相を進めて（早めて）補償用の外乱パターンを発生させることができるので、プロセスの無駄時間の長さにかかわらず外乱を排除できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプロセス制御装置の実施の形態の全体構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】従調節器の操作出力と冷媒バルブ及び熱媒バルブの開度との関係を示す特性図である。
【図３】外乱推定部の内部構成を、外乱推定部と主調節器及び実プロセスとの接続関係と共に示すブロック図である。
【図４】プロセスに加わる外乱を外乱補償器による推定外乱により補償する様子を示すブロック線図である。
【図５】推定外乱の位相が実際の外乱に対して遅れている様子を示す説明図である。
【図６】表示／操作部の画面の一例を示す説明図である。
【図７】上述実施の形態のプロセス制御装置を使用するときの処理の全体の流れを示すフローチャートである。
【図８】外乱補償を行ったときの内温の検出値と内温の推定値とを示す図である。
【図９】主調節器の操作量と外乱推定部内の調節器の操作量とを示す図である。
【図１０】主調節器の操作量と外乱推定部内の調節器の操作量との差、及び推定外乱を示す図である。
【図１１】主調節器の操作量に加わる外乱パターン、その外乱パターンの推定結果（推定外乱パターン）及び外乱が加わった状態における内温の検出値を示す図である。
【図１２】外乱補償を行ったときと行わないときにおける夫々の内温の検出値を示す図である。
【図１３】外乱補償を行ったときの制御系のロバスト性をシミュレーションにより確認した結果を示す図である。
【符号の説明】
１ジャッケットタンク
１１反応容器
１２撹拌器
１３ジャケット
１４、１５温度検出部
２１温調媒体流入管
２２温調媒体流出管
２３冷媒バルブ
３制御器
３１主調節器
３２従調節器
３３加算器
４外乱補償器
４１外乱推定部
４２推定外乱パターン記憶部
４３表示／操作部
４４外乱データ処理部
４５出力外乱パターン記憶部
４６推定外乱発生器
４７ FF演算器
４８運転来歴記憶部
５１調節器
５２疑似制御対象
５３加算器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present inventionfeedThe present invention relates to a process control apparatus that estimates a disturbance pattern applied to a process when performing forward control, converts the disturbance pattern into a feedforward manipulated variable, and compensates the manipulated variable.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, feedback control or feedforward control by PI control or PID control is known. However, in the recent high-value-added low-volume, multi-product production plans in batch processes,feedWith back-control or feed-forward control alone, sufficient control performance may not be obtained for unknown disturbances. For this reason, the process model is used to predict future process behavior and determine the current manipulated variable. Many model predictive control apparatuses configured as described above have been proposed. However, the disturbance compensation function of the conventional model predictive control apparatus performs the disturbance compensation for the estimated disturbance on the assumption that the feedforward compensation for the measured disturbance and the unmeasured disturbance are constant. Therefore, there is a structural problem that the control performance is not good with respect to characteristic values of processes that change with time and unknown disturbances.
On the other hand, Patent Document 1 describes that, as a means for compensating for disturbance, an error between a process value and a process value of a prediction model is handled as an unmeasurable disturbance, thereby improving controllability for a process dynamic characteristic change or an unmeasurable disturbance. Are listed. Specifically, based on the operation output from the operation output calculation unit, the deviation between the model output obtained from the model unit and the process amount from the process is calculated by a disturbance filter, and the disturbance estimation obtained based on this deviation The process value prediction value including the signal is input to the operation output calculation unit, and the operation output calculation unit calculates the operation output so that the process value prediction value and the reference trajectory prediction value coincide with each other. It is a technique to compensate for.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-5-265514: FIG. 1, paragraphs 0012 and 0013
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Treating the error between the above process value and the process value of the prediction model as an unmeasurable disturbance online can be applied if the process does not include the dead time or the dead time is short, but there is a dead time in the process. In this case, the operation result calculated by the disturbance filter is based on the process amount obtained after delaying the dead time after the operation amount is input to the process, so the operation output compensated for disturbance is input to the process. Since the process value will oscillate since the timing of the disturbance being added to the process, the process value may oscillate, and there is a concern that process control will become unstable due to disturbance compensation, especially when the dead time is long. The control itself is no longer established.
[0005]
The present invention has been made based on such a background, and an object of the present invention is to provide a process control apparatus capable of performing good control even when disturbance is applied to the process. Still another object of the present invention is to provide a process control apparatus capable of performing good control regardless of the length of the process dead time when disturbance is applied to the process.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  The present invention provides a process control apparatus for controlling a process based on an operation amount output from a control adjustment unit.
  The disturbance pattern applied to the process based on the difference between the operation amount output from the control adjustment unit when the process is executed and the operation amount obtained using the control amount obtained when the process is executed as a target value. A disturbance estimation unit for estimation;
  A storage unit for storing the disturbance pattern estimated by the disturbance estimation unit;
  An estimated disturbance output unit that generates a disturbance pattern based on data stored in the storage unit in an operation cycle after the operation cycle in which the disturbance pattern is estimated, and outputs the disturbance pattern as a feedforward operation amount;
  Means for adding the feedforward manipulated variable as a disturbance compensation amount to the manipulated variable output from the control adjusting unit;With
The disturbance estimator has an estimation adjustment unit having a control amount as a target value, and an operation amount from the estimation adjustment unit as inputs, and a transfer function equivalent to a control target controlled by the operation amount of the control adjustment unit Means for calculating and outputting the input value, and an addition unit for taking out the difference between the operation amount from the control adjustment unit and the operation amount from the estimation adjustment unit as an estimated disturbance,
The estimation adjustment unit outputs an operation amount so that an output value of the transfer function in the disturbance estimation unit matches a set reference trajectory.It is characterized by that.
[0007]
In the present invention, “in the operation cycle after the operation cycle in which the disturbance pattern is estimated, the disturbance pattern is generated based on the data stored in the storage unit” means, for example, when the first batch process is performed. This means that a disturbance pattern is generated when the process after the second batch is performed. The data stored in the storage unit may be generated as a disturbance pattern as it is. For example, a plurality of already stored disturbance patterns may be processed and averaged to generate a disturbance pattern. . In any case, when the process includes a dead time, the disturbance pattern output from the estimated disturbance output unit advances the phase of the disturbance pattern stored in the storage unit by an amount corresponding to the dead time. It is desirable to (accelerate). Further, in the present invention, since the disturbance applied to the process is regarded as the disturbance added to the operation amount, “adding the feedforward operation amount as a disturbance compensation amount to the operation amount output from the control adjustment unit” means The disturbance included in the operation amount output from the control adjustment unit is canceled (subtracted) by the feedforward operation amount.
[0008]
  In the present invention, a plurality of disturbance patterns may be prepared based on the data stored in the storage unit, and a means for selecting a disturbance pattern to be used from the plurality of disturbance patterns may be provided..For example, the transfer function in the disturbance estimation unit does not include dead time. In addition, the control regulator and the estimation regulator have the same input / output characteristics, for example.
  Here, the input / output characteristics are equivalent means that, for example, if the control adjustment unit and the estimation adjustment unit that perform model predictive control are used, the control amount prediction formula and the reference trajectory are the same in both. It is.
[0009]
Furthermore, a selection for selecting one of the mode for estimating the disturbance by the disturbance estimation unit while performing the process and the mode for estimating the disturbance by the disturbance estimation unit after completion of the process based on the data stored at the time of the process. Means may be provided, or means for displaying the disturbance pattern estimated by the disturbance estimation unit may be provided.
[0010]
  Another invention is a process control method for controlling a process based on an operation amount output from a control adjustment unit,
  The disturbance pattern applied to the process based on the difference between the operation amount output from the control adjustment unit when the process is executed and the operation amount obtained using the control amount obtained when the process is executed as a target value. Estimating process;
  Storing the disturbance pattern estimated in this step;
  In the operation cycle after the operation cycle in which the disturbance pattern is estimated, a step of generating a disturbance pattern based on the already stored estimated disturbance pattern and outputting the disturbance pattern as a feedforward operation amount;
  Adding the feedforward operation amount as a disturbance compensation amount to the operation amount output from the control adjustment unit;Including
The step of estimating the disturbance pattern is equivalent to the control target controlled by the operation amount of the control adjustment unit, with the operation amount from the estimation adjustment unit having the control amount obtained when the process is performed as a target value. A step of calculating and outputting with a transfer function, a step of outputting an operation amount from the adjustment unit for estimation so that an output value output in this step matches a set reference trajectory, and outputting in this step Extracting the difference between the operated amount and the operation amount of the control adjusting unit.It is characterized by.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a process control apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. This embodiment is an example applied to control of the internal temperature of a jacket tank applied to a chemical plant. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a jacket tank 1 which is a reaction device, and after a raw material is charged, a predetermined chemical reaction is advanced by appropriate temperature control to convert the product into a product having predetermined characteristics. The jacket tank 1 includes a reaction vessel 11 into which raw materials are charged, a stirrer 12 for uniformly dispersing the raw materials and making the temperature distribution uniform, and for circulating a temperature control medium around the reaction vessel 11. It is comprised from the provided jacket 13, and between the temperature control medium which distribute | circulates the jacket 13, and the content in reaction container 11, heat removal and heating are performed by these temperature gradients, and heat exchange is carried out, and reaction is carried out. The temperature in the container 11 is managed at a predetermined temperature by the controller 3.
[0012]
The jacket 13 is connected to an inflow pipe 21 that forms an inflow path for allowing the temperature control medium to flow in and an outflow pipe 22 that forms an outflow path for the temperature control medium to flow out. For example, the medium is returned to the outflow pipe 22 via a circulation tank (not shown). In this example, temperature adjustment water is used as the temperature adjustment medium, and a refrigerant supply pipe 23a and a heat medium supply pipe are provided so as to supply a medium for adjusting the temperature of the temperature adjustment water, for example, a refrigerant and a heat medium to the inflow pipe 21. 23 b is connected to the inflow pipe 21. The cooling water as the refrigerant and the steam or hot water as the heat medium are appropriately selected by the sub-regulator 32 included in the controller 3, and the refrigerant is a flow rate control unit. The refrigerant is controlled by the refrigerant valve 23 and the heat medium by the heat medium valve 24 which is a flow rate control unit, and is supplied to the inflow pipe 21. Thus, the temperature in the reaction vessel 11 is adjusted via the temperature control medium. The refrigerant may be a fluid other than cold water, and the heat medium may be a fluid other than hot water. Reference numeral 14 denotes a temperature detection unit that detects the temperature in the reaction vessel 11, 15 denotes a temperature detection unit that detects the temperature of the temperature adjustment medium (inlet side temperature adjustment medium) in the inflow pipe 21, and 16 denotes the outflow pipe 22. It is a temperature detection part which detects the temperature of the inside temperature control medium (outlet side temperature control medium).
[0013]
In FIG. 1, reference numeral 3 denotes a controller. The controller 3 includes a main adjuster 31 and a sub adjuster 32 that are cascade-connected to each other. In this example, the main adjuster 31 forms a control adjusting unit, and its control object is a process with the sub adjuster 32, and the control cycle of the main adjuster 31 is greater than the control cycle of the sub adjuster 32. It is set large. The main controller 31 receives a temperature target value set by a setting unit (not shown) and a temperature detection value (internal temperature as a control amount) from the temperature detection unit 14 and outputs an operation amount MV. The manipulated variable MV is a set value of the sub-regulator 32, here a target temperature of the internal temperature of the reaction vessel 11.
[0014]
The main controller 31 employs model predictive control, and outputs an operation amount MV such that the process value matches the set reference trajectory for each control period. In this model predictive control, for example, as shown in FIG. 2A, a reference trajectory yR (t + j) that gradually approaches the target temperature of the internal temperature is calculated starting from the detected value y (t) of the current internal temperature, A predicted value yP (t + j) of the future internal temperature is obtained based on the detected value y (t) and the prediction formula, and the predicted value yP (t + j) of the internal temperature in the coincidence interval (for example, the interval extending from n steps to m steps). ) Is determined as close as possible to the reference trajectory yR (t + j), and each input (operation amount) at a predetermined step after the current time is determined, and only the operation amount corresponding to the current time is output among the obtained operation amounts. The main controller 31 is configured to repeat this procedure. The internal model of the main controller 31 is defined as a model obtained by approximating the primary controller 32 and the process to the first-order lag dead time. The actual process includes a) a process in which a heating medium or a refrigerant is mixed with the circulating temperature control medium, b) a process in which heat is transferred from the temperature control medium into the reaction vessel 11, and c) in the reaction vessel 11. Although it can be broadly divided into exothermic processes, since the modeling of c) is difficult, the process here means a) and b).
[0015]
The sub-regulator 32 receives the manipulated variable MV output from the main controller 31 as an internal temperature set value and, for example, each temperature detection value from the temperature detectors 15 and 16, for example, a moving average at each temperature detection value. Is input, and a predetermined calculation is performed on these values. The sub-regulator 32 employs model predictive control as in the case of the main controller 31, and outputs an operation amount such that the process values match the set reference trajectory for each control period. The internal model of the sub-regulator 32 is defined as a model that approximates the jacket inlet temperature generated when the valve 23 and the valve 24 are operated to approximate the first-order dead time.
[0016]
The controlled object of the sub-regulator 32 is the opening degree of the refrigerant valve 23 or the heat medium valve 24. The sub-regulator 32 includes split range processing so that the refrigerant valve 23 or the heat medium valve 24 is not opened at the same time. ing. FIG. 2B is a diagram showing an example of a split range that defines the relationship between the operation output of the sub-regulator 32 and the opening degree of the

valves

23 and 24. In this example, the operation output increases from 0% to 50%. Accordingly, the opening degree of the refrigerant valve 23 is set from 100% to 0%, and the opening degree of the heat medium valve 24 is set from 0% to 100% when the operation output is 50% or more.
[0017]
Next, in FIG. 1, reference numeral 4 denotes a disturbance compensator. This disturbance compensator 4 has a control performance for overcoming unknown disturbances in order to overcome the structural problems of the model predictive control apparatus which is a process control apparatus. This is newly provided to achieve better control performance so as not to decrease. The controller 3, disturbance compensator 4,

temperature detectors

14, 15, 16 and

valves

23, 24 in FIG. 1 correspond to the process control device, and each part is described as a block. Alternatively, the process is actually executed by software. The disturbance compensator 4 can be broadly classified into a part relating to estimation of a disturbance pattern and a part for compensating the operation output of the main adjuster 31 based on the estimated disturbance.
[0018]
  First, the former part relating to the estimation of the disturbance pattern includes a disturbance estimation unit 41 and an estimated disturbance pattern storage unit 42 for storing the estimated disturbance pattern. As shown in FIG. 3, the disturbance estimation unit 41 operates the operation amount (operation output) MV of the main controller 31 and the internal temperature Y that is the control amount_P  (Temperature detection value) as an input, and is configured to output an estimated disturbance DV ′, and is controlled by the estimation controller 51 and the main controller 31.54Transfer function G_PTransfer function G equivalent to_PThe operation amount from the estimation controller 51 is calculated by ', so to speak, the calculation processing unit 52 which is a pseudo control target, the operation amount MV' of the estimation controller 51 and the operation amount MV of the main controller 31 are matched. And an adder 53 for taking the deviation. Where the control object54Means a combination of the sub-regulator 32 and a process (a product generation process performed by controlling the temperature control medium). Transfer function G_P'Is expressed as a transfer function that approximates the first order lag model to the sub-regulator 32, the step in which the refrigerant or the heat medium is mixed with the circulating temperature control medium, and the heat transfer of the jacket tank 1.
[0019]
  The controller 51 for estimation employs model predictive control like the main controller 31 and the sub-controller 32, and is configured in the same manner as the main controller 31. The process value of the set reference trajectory is the same. The operation amount to be output is output every control cycle. Therefore, the internal model of the estimation regulator 51 is primarily used for the heat transfer between the sub-regulator 32, the step in which the refrigerant or the heat medium is mixed with the circulating temperature control medium, and the jacket tank 1.Delayed approximationDefined as a model. This regulator for estimation uses the transfer function G to be simulated._PIt is always set so that the response time of54Control result (internal temperature) Y obtained from_P  Is the target value and the transfer function G_P'Control amount (internal temperature) Y that is the control result obtained through (object of pseudo control) Y_P'And an operation amount MV' according to the target value are output.
[0020]
  Here, when a disturbance is applied to the process, for example, when an exothermic reaction occurs in the reaction vessel 11, the internal temperature Y_P  However, this fluctuation can be considered as a disturbance DV applied to the manipulated variable MV as shown in FIG. The disturbance estimation unit 41 is intended to estimate the disturbance DV, and the main regulator 31 and the control target54Is created as a pseudo control system by the estimation regulator 51 and the arithmetic processing unit 52. Since this pseudo control system does not include disturbance, theoretically, if the disturbance is not applied even in the actual control system (unless DV shown in FIG. 3 exists), the manipulated variable MV of the main controller 31 is adjusted. Is equal to the operation amount MV ′ of the detector, and the addition result in the adder 53 (the difference between MV and MV ′) is zero, but if disturbance DV is added in the actual control system, the difference between MV and MV ′ Deviation appears as DV '. That is, this DV ′ is an estimated disturbance corresponding to the disturbance DV. As will be described in detail later, the calculation results at this time are shown in FIGS.
[0021]
  Although the above description is a case where the disturbance is estimated online, the disturbance may be estimated offline. In this case, the operation amount MV and the internal temperature in the operation cycle are operated as described later.historyIt is stored in the storage unit 48, and the disturbance is not estimated during the driving cycle.historyData in the storage unit 48 (operation amount MV and internal temperature) may be called and the disturbance estimation unit 41 may estimate the disturbance in the operation cycle.
[0022]
Subsequently, the disturbance compensator 4 will be described with respect to a portion for compensating the operation output of the main adjuster 31 based on the estimated disturbance. Before that, a description will be added regarding the disturbance. In general, an operation amount pattern obtained as a control result includes a disturbance applied when the control is performed and an operation result output to cancel the disturbance. Disturbances applied to the process can be classified into reproducible disturbances and non-reproducible disturbances. The reproducible disturbance corresponds to a disturbance that occurs in the process, and includes those caused by the introduction of raw materials and those that generate heat as the reaction proceeds. Since these disturbances are disturbances depending on the recipe for each product, it can be assumed that the disturbances are generally reproducible. In other words, the manufacturing process is determined for each manufacturing type, and if the manufacturing process is the same type, it can be assumed that the input of raw materials and the heat generation pattern are the same. It can be considered.
[0023]
On the other hand, disturbances without reproducibility include random components such as raw material variations, cooling water pressure and cooling water temperature fluctuations, steam pressure and steam temperature fluctuations, and can be regarded as disturbances without reproducibility. An object of the present invention is to estimate a disturbance pattern for a reproducible disturbance and to obtain an appropriate feedforward operation amount for the obtained estimated disturbance pattern. That is, since a reproducible disturbance is added in the batch process, it is considered reasonable to apply a feedforward compensation that estimates the disturbance pattern in advance and cancels the estimated disturbance pattern. Based on this idea.
[0024]
Therefore, the disturbance compensator 4 will be described in detail with respect to how the disturbance is compensated by the estimated disturbance pattern obtained by the estimated disturbance pattern storage unit 42. The disturbance compensator 4 has a display function and an operation by an operator as shown in FIG. A display / operation unit 43 having a function, a disturbance data processing unit 44, an output disturbance pattern storage unit 45, an estimated disturbance generator 46, an FF (feed forward operation amount) calculator 47, and an operation history storage unit 48. And have.
[0025]
  As one simple usage of the disturbance compensator 4, for example, when a raw material is put into the reaction vessel 11 to obtain a product which is a reaction product, a disturbance estimation unit is used when the first batch is processed. 41, the disturbance pattern is obtained and stored in the estimated disturbance storage unit 42 as described above, and the estimated disturbance pattern acquired in the first batch when the next batch and subsequent processes in the same type of process are performed. Can be subtracted from the operation amount of the main controller 31 to cancel the disturbance. Actually, instead of using the estimated disturbance pattern obtained in the first batch as it is, selecting from among the disturbance patterns obtained in several operation cycles (batch processing), or adding processing to these disturbance patterns For example, an average value of a plurality of disturbance patterns may be obtained. More specifically, for each production recipe, a plurality of operations are performed in advance to estimate the disturbance. Based on the acquired disturbance, for example, a plurality of representative disturbance patterns are determined, and the operation is performed when the production is actually performed. A member may select a disturbance pattern to be used from among the plurality of disturbance patterns. For example, see belowFIG.As shown in Fig. 5, the operator selects a production recipe number by the display / operation unit 43, and further selects a disturbance pattern to be used at that time from several disturbance patterns prepared and assigned to the production recipe. Select the mode to use the disturbance pattern. Instead of preparing a plurality of disturbance patterns in the production recipe, one disturbance pattern may be assigned to each type of product (brand) to be obtained. The use mode of the disturbance pattern includes a disturbance pattern phase, disturbance compensation start timing, disturbance compensation time, and the like, which will be described later.
[0026]
The display / operation unit 43 selects an estimated disturbance pattern as described above, or performs predetermined processing such as averaging of a plurality of estimated disturbance patterns on the already acquired estimated disturbance pattern. The estimated disturbance pattern instructed and selected or processed is configured to be stored in the output disturbance pattern storage unit 45. Specifically, for example, a touch panel or a keyboard and a screen unit (CRT, liquid crystal panel, etc.) are combined. It corresponds to things.
[0027]
In addition to the screen for selecting and processing the estimated disturbance pattern, the display / operation unit 43 displays a screen for displaying the estimated disturbance pattern stored in the estimated disturbance pattern storage unit 42,
Screen for displaying estimated disturbance pattern after predetermined processing, operation amount and control result from main controller 31 acquired in operation history storage unit 48, for example, internal temperature, opening of

valves

23 and 24, and operation A screen for displaying the driving history such as timing, a screen for designating whether or not the disturbance estimating unit 41 estimates a disturbance online (estimating the disturbance during the driving cycle), and driving in the past driving cycle A screen for causing the disturbance estimation unit 41 to estimate disturbance (estimating disturbance offline) based on data in the history storage unit 48, and further comprising a management brand name and lot number Information can be entered. If data registration is specified by the operator, the driving history and estimated disturbance pattern stored during that driving cycle are registered, but if data registration is not specified, the driving history and estimated disturbance of that cycle are registered. The pattern is erased.
[0028]
The disturbance data processing unit 44 selects an estimated disturbance pattern corresponding to the disturbance pattern selected by the operator via the display / operation unit 43 from the data in the estimated disturbance pattern storage unit 42 and stores it in the output disturbance pattern storage unit 45. For example, when a product production recipe is selected, an estimated disturbance pattern corresponding to the recipe is selected. In addition, when the display / operation unit 43 specifies to perform some processing on the estimated disturbance pattern, the disturbance data processing unit 44 processes the data in the estimated disturbance pattern storage unit 42 according to the specification. The processed data (estimated disturbance disturbance pattern) is sent to the output disturbance pattern storage unit 45.
[0029]
  The estimated disturbance generator 46 reads the data in the output disturbance pattern storage unit 45 and outputs an estimated disturbance pattern, and the FF calculator 47 converts this output data into a feedforward manipulated variable. Also in Figure 134IsAdderThe feedforward manipulated variable from the FF calculator 47 is added to the manipulated variable MV of the main controller 31. After changing the sign of the estimated disturbance pattern applied to the process, the FF calculator 47 advances the phase by the dead time of the slave adjuster 32 and the process, and outputs it as a feedforward manipulated variable. In this example, the estimated disturbance generator 46 and the FF calculator 47 constitute the estimated disturbance output unit 40 for outputting the estimated disturbance pattern as a feedforward manipulated variable.
[0030]
FIG. 4 shows how the disturbance compensator 4 is compensated for by the disturbance compensator 4. That is, the estimated disturbance pattern stored in the output disturbance pattern storage unit 45 is read by the estimated disturbance generator 46 and input to the adder 33 as the estimated disturbance DV ′ through the FF calculator 47, and the operation from the main controller 31. Subtracted from the quantity MV. On the other hand, since a disturbance is added to the process and the disturbance DV can be regarded as having been added to the manipulated variable MV from the main controller 31, as a result, the estimated disturbance DV ′ is a compensation amount for the disturbance DV added to the process. As a result, the external disturbance looks like DV is offset, and the internal temperature Y_P  Stabilizes to reach the target temperature.
[0031]
Here, there is a delay time from when the manipulated variable is input from the main controller 31 to the sub-regulator 32 until the internal temperature responds, that is, the transfer function G combining the sub-controller 32 and the process._P  Since there is a dead time L, as shown in FIG. 5, when a disturbance DV is added to the manipulated variable MV from the main controller 31, the disturbance DV 'estimated by the disturbance estimating unit 41 is the disturbance DV. The dead time L is left behind the added timing. Therefore, it is necessary to add the estimated disturbance pattern to the manipulated variable MV as it is, instead of adding the estimated disturbance pattern by advancing by the dead time L. For this reason, the estimated disturbance unit 46 reads the estimated disturbance data from the output disturbance pattern storage unit 45 and wastes it. The estimated disturbance value is sequentially output in accordance with the control period of the main controller 31 earlier by the time L.
[0032]
An example of the setting screen on the display / operation unit 43 is shown in FIG. The upper screen in the setting screen is for selecting a production recipe for manufacturing a product, and describes recipe information for each product. The lower screen is a screen for selecting the estimated disturbance pattern and setting the use mode. Whether there is disturbance estimation, data collection, classification, product name, corresponding disturbance pattern, trigger tag, phase, disturbance compensation The time, data creation date and time, etc. are displayed, and the operator can select which disturbance compensation data (estimated disturbance pattern) to use. The trigger is an abbreviation for a trigger tag, which means the timing of charging a reactant, a catalyst, or the like, and the phase means a dead time of the process including the sub regulator 32. The disturbance compensation start timing is set from the trigger tag and phase information. Compensation is an abbreviation for disturbance compensation time, and is the time during which the feedforward manipulated variable signal is output. In the screen of FIG. 6, the unit of the dead time and the disturbance compensation time is “seconds”.
[0033]
Furthermore, the setting screen of FIG. 6 includes an operation part for selecting whether or not to perform disturbance pattern estimation, and when data collection is set to “present” and disturbance pattern estimation is set to “execution”. The disturbance is estimated online, that is, during batch processing (during operation), and the estimated disturbance pattern is registered. On the other hand, if the disturbance pattern estimation is set to `` not implemented '', disturbance estimation is not performed, but in this case, if data collection is set to `` Yes '' and data during operation is collected, When an instruction for estimating the disturbance is input on a screen (not shown) on the display / operation unit 43, the disturbance during the previous driving can be estimated based on the already collected data. That is, in this embodiment, so-called online disturbance estimation and offline disturbance estimation can be selected, and the display / operation unit 43 also serves as a selection means for selecting one of them. The compensation coefficient in the setting screen of FIG. 6 is a coefficient for setting the amount of disturbance compensation applied to the adder 33 between 0% and 100%, for example, and when set to 0.8, for example, the output disturbance pattern A value of 80% of the disturbance compensation amount read from the storage unit 45 is the actual compensation amount.
[0034]
  Next, returning to FIG. 3, the estimation of the disturbance will be considered using mathematical expressions. Estimated disturbance DV 'is controlled by the main controller 3154Assuming that it is input before₁And DV without true reproducibility₂And the error ε due to model mismatch or process nonlinearity is
[0035]
[Expression 1]

[0036]
Since most of the disturbances that occur with the progress of a process in a general batch process are considered to have a high contribution of heat of reaction due to exotherm and endotherm, DV₁>> DV₂It becomes. Actual internal temperature Y_PAnd the internal temperature Y, which is the calculation result (control result) of the calculation processing unit 52 that is a pseudo control target_P'Is formulated as follows:
[0037]
[Expression 2]

[0038]
[Equation 3]

[0039]
G_P≒ G_PY is considered to be '_pAnd Y_pThe ratio of
[0040]
[Expression 4]

[0041]
On the other hand, the controller for estimation is the internal temperature of the jacket tank 1, that is, Y_pIs a set value, and the transfer function G approximating the heat transfer of the controlled object consisting of the sub-regulator 32 and the process described above to a first order lag model._PControl. Here, set value Y_PControl amount Y_P'Depends on the reference trajectory set by the estimation controller 51, but Y_Pchange ofLate toSince it follows, the following equation is obtained.
[0042]
[Equation 5]

[0043]
In the arithmetic processing unit 52 which is a pseudo control system corresponding to the sub-regulator 32 and the process, the transfer function G approximating the heat transfer to the first order lag model._P'Constitutes a control system that does not include dead time._PIt becomes possible to set the response time of 'infinitely fast. When the desired response time of the estimation controller 51 is sufficiently reduced, the following equation is obtained.
[0044]
[Formula 6]

[0045]
Therefore, the following equation is obtained from the relationship between Equation (Equation 4) and Equation (Equation 5).
[0046]
[Expression 7]

[0047]
[Equation 8]

[0048]
Therefore, the estimated disturbance DV ′ is derived from the difference between the operation amount of the main controller 31 and the operation amount of the estimation controller 51. This estimated disturbance DV ′ is used for the feedforward manipulated variable for disturbance compensation as described above.
[0049]
However, since the estimated disturbance DV ′ is obtained from the temperature of the reaction vessel 11, considering the dead time θ of the reaction vessel 11, the DV applied before the reaction vessel 11 is given by the following equation.
[0050]
[Equation 9]

[0051]
Since the conversion to the feedforward manipulated variable may be added to the manipulated variable of the main controller 31 so as to cancel the estimated disturbance DV ′, the disturbance compensation amount D_FIs as follows.
[0052]
[Expression 10]

[0053]
That is, if the phase of the dead time of the process is advanced to that obtained by changing the sign of the estimated disturbance DV ′ and added to the operation amount of the main adjuster 31, the added disturbance DV ′ is canceled and disturbance compensation can be easily realized. . However, disturbance compensation based on the estimated disturbance pattern is realized after the next batch operation of the same recipe for which disturbance estimation is performed.
[0054]
Expression (Equation 8) is derived from the result of assuming that a disturbance is applied to the previous stage of the sub-regulator 32, and therefore the temperature DV of the internal temperature that can be actually observed._tempTo convert to DV 'transfer function G_PYou can multiply by '.
[0055]
[Expression 11]

[0056]
The estimated disturbance generator 46 advances the phase corresponding to the dead time of the process, and sequentially outputs the estimated disturbance value in accordance with the control period of the main controller 31. The FF calculator 47 receives DV ′ as an input, and disturbance compensation manipulated variable D according to the equation_FIs added to the operation output of the main controller 31. DV '· e in the same recipe^θs≒ -D_FTherefore, disturbance compensation can be easily realized. On the other hand, when disturbance compensation is incorporated into the control, the deviation from the set value is mainly due to the second and third terms on the right side of the equation (Equation 1).
[0057]
Next, the overall flow of processing when the process control apparatus according to the above-described embodiment is implemented using a computer will be described with reference to the flowchart of FIG. In the figure, when the process control device is activated, the display / operation unit 43 waits for an input operation from the operator or waits for an input operation by the operator to the remote device by the communication program (step S1). When the production operation is selected by the input operation, on the display screen (see FIG. 6), recipe confirmation and disturbance compensation data are specified for the information on the product to be manufactured (step S2). A batch process proceeds based on recipe information. In this example, another computer such as DCS has a function of operation sequence processing. As the disturbance compensation data, which estimated disturbance pattern obtained in the past is selected, the trigger tag setting, phase, and compensation time are set. As for the estimated pattern to be used, in this example, the estimated disturbance pattern storage unit 42 in the disturbance compensator 4 obtains a disturbance in advance before starting the operation.dataIt is transferred to the output disturbance pattern storage unit 45 via the processing unit 44.
[0058]
Next, it is determined whether or not data collection is to be performed (step S3), and if “data collection” is selected, the operation data is unconditionally stored in the driving history storage unit 48 during driving to be performed, and disturbance The disturbance estimated by the estimation unit 41 is stored in the estimated disturbance pattern storage unit 42 (step S4). These operation storage times can be arbitrarily set by the display / operation unit 43, and information on the total operation time can be stored or only a part thereof can be stored. Then, the raw material is put into the jacket tank 1 and the controller 3 starts the control of the jacket tank 1 with the start of operation to manufacture the product (step S4), but the time determined by the trigger tag and the phase ( Hereinafter, the controller 3 operates as normal model predictive control (MPC control) until the disturbance compensation start time), and the disturbance compensation MPC control does not operate. From the time when the disturbance compensation start time is reached, the estimated disturbance value is output from the estimated disturbance generator 46 for each control period and is changed to the feedforward manipulated variable by the FF calculator 47, and then the main controller of the controller 3. 31 to the adder 33 on the output side.
[0059]
As a result, the operation amount calculated from the internal temperature (detected value) and the internal temperature target value in the main controller 31 and the feedforward operation amount from the FF calculator 47 are added to the sub-controller 32. Thus, disturbance compensation is performed (step S4). Until the disturbance compensation target time ends, the output of the estimated disturbance value, the change to the feedforward manipulated variable, and the addition process of the manipulated variable and the manipulated variable from the main controller 31 are repeated every control cycle. Since the data collection is set, the driving history data and the estimated disturbance pattern collected during driving are registered (determined storage) in the driving history storage unit 48 and the estimated disturbance pattern storage unit 42, respectively, after the driving is finished (step S1). S5). If data collection is not selected in step S3, only product manufacture is performed (step S6), and disturbance compensation, disturbance estimation data collection, and operation history data collection are not performed.
[0060]
By the way, although disturbance should not occur theoretically by performing disturbance compensation, a disturbance pattern may be obtained when the disturbance is estimated by the disturbance estimator 41 in practice. Since this disturbance pattern is a disturbance that still occurs when disturbance compensation is performed due to subtle differences such as the properties of raw materials, for example, the disturbance estimated during the first batch processing (operation cycle) is used. The second batch process may be performed while compensating for the disturbance, and the estimated disturbance pattern obtained at this time and the estimated disturbance pattern obtained at the first time may be added to perform the third batch process. .
[0061]
On the other hand, if the operator does not select product manufacture in step S1 and offline disturbance estimation is selected in step S7, for example, the internal temperature corresponding to the control amount that is the operation history data in the selected past operation cycle. A disturbance pattern is estimated by the disturbance estimation unit 41 based on the (detected value) and the operation amount of the main controller 31 (step S8), and registered in the estimated disturbance pattern storage unit 42 (step S5).
[0062]
According to the embodiment described above, the estimated disturbance pattern obtained by the past operation is used, and the disturbance is canceled with respect to the operation amount from the main controller 31 by converting to the feedforward operation amount in the subsequent operation. As a compensation value, the disturbance applied to the process can be eliminated or the influence of the disturbance can be reduced, good process control can be performed, and the internal temperature can be stabilized. Stabilize. Then, in the disturbance estimation unit 41, a pseudo control system is set with the detected internal temperature as a target value and there is no disturbance, the operation amount from the estimated controller 51 in the control system, and the main controller in the controller 3 31 is compared with the manipulated variable 31 and the difference is extracted as an estimated disturbance. Even when the disturbance is unknown, the compensation value (feedforward manipulated variable) of the disturbance can be accurately and easily determined. Contributes to improving productivity.
[0063]
Further, when performing disturbance compensation using the disturbance pattern estimated by the disturbance estimation unit 41, the phase of the estimated disturbance pattern is generated by, for example, estimating the disturbance pattern in consideration of the dead time of the control target including the slave controller 32 and the process. Since the phase is selected by the unit 46 and the phase can be further selected, it is possible to perform satisfactory disturbance compensation even when the dead time of the control target is long. In addition, high level of knowledge about process control is not required, and the disturbance suppression performance beyond the controllability based on experience and intuition is demonstrated by the operator's manual operation.
[0064]
In the above-described embodiment, the master controller 31, the slave controller 32, and the disturbance estimator 41 are exemplified as those that perform model predictive control. However, the master controller 31 and the slave controller 32, for example, use PID calculation. Even if the main controller 31 and the sub-controller 32 perform PID calculation, it is confirmed by simulation that the present invention can be applied when the manipulated variable MV does not diverge. .
.
[0065]
Hereinafter, specific examples showing the operation amount (operation output) and estimated disturbance of the main controller 31 and the actual internal temperature actually calculated using the above-described embodiment will be described. FIG. 8 is a result of midway calculation of the result of disturbance estimation performed by the disturbance estimation unit 41 based on the operation amount MV and the internal temperature of the actual operation data. The disturbance estimation unit internal temperature Y obtained from the output of the pseudo control unit 52 in which the desired response time of the estimation controller of the disturbance estimation unit 41 is sufficiently reduced and the sub-regulator 32 and the process are regarded as a first-order lag system._P'And actual internal temperature Y_PIs shown. As can be seen from FIG._P'Internal temperature Y_PTherefore, the difference between the operation output of the main controller 31 and the operation output of the estimation controller in the disturbance estimation unit 41 can be regarded as a disturbance DV ′ applied to the jacket tank 1.
[0066]
FIG. 9 shows the intermediate calculation results similar to the calculation conditions of FIG. 8, and shows the operation output of the main controller 31 and the operation output of the controller 52. In this example, since the lower limit value of the operation output of the main controller 31 is set as the coolant temperature, the operation output does not become less than 8 ° C.
[0067]
FIG. 10 shows the difference between the operation output of the main controller 31 and the operation output of the estimation controller and the estimated value of the temperature change added to the internal temperature as shown by the equation (Equation 7). In FIG. 10, although the fluctuation in the difference between the operation outputs of both is steep, the estimated disturbance is a very gradual temperature change because it passes through the process.
[0068]
FIG. 11 shows an actually applied disturbance pattern, an estimated disturbance pattern obtained by the disturbance estimator 41, and a measured internal temperature pattern as an example in which an actual operation is performed while applying a known disturbance to the jacket tank 1. ing. Comparing the known disturbance (actually applied disturbance) with the estimated disturbance, there is an error, but the estimated disturbance generally represents the known disturbance, and it was confirmed that it can be used as a feedforward manipulated variable for disturbance compensation.
[0069]
12 applies the known disturbance shown in FIG. 11 to the jacket tank 1, model predictive control of the controller 3 only (hereinafter referred to as MPC control), and disturbance compensation model prediction in which the disturbance compensator 4 is added to the controller 3 according to the present invention. The result of control (hereinafter referred to as disturbance compensation MPC control) is shown. When MPC control and disturbance compensation MPC control were evaluated in the time range range of FIG. 12, the maximum deviations from the target value of 40 ° C. were + 42.07 ° C. and −38.68 ° C., respectively, and the difference was 3.39 ° C. On the other hand, in the disturbance compensation MPC control, the maximum deviations from the target value of 40 ℃ were 40.29 ℃ and -39.76 ℃, respectively, and the difference was 0.53 ℃. As is apparent from the results, the difference in control performance between the normal MPC control and the disturbance compensation MPC control is remarkable, and the effectiveness of the disturbance compensation MPC control according to the present invention is shown.
[0070]
FIG. 13 shows the result of examining the robustness of the present control device by simulation by changing the phase of the estimated disturbance pattern applied to the FF calculator 47. When the phase of the estimated disturbance pattern was advanced by 50%, the difference between the maximum deviation and the minimum deviation was 0.17 ° C, and when the phase of the estimated disturbance pattern was delayed by 50%, the difference between the maximum deviation and the minimum deviation was 0.45 ° C. As a result of calculation under the same simulation conditions for normal MPC control, it can be concluded that disturbance compensated MPC control has sufficient robustness considering that the difference between maximum deviation and minimum deviation was 3.39 ° C. It was. The calculation conditions were a first-order lag time constant of 6000 sec including the sub-regulator 32 and a process dead time including the sub-regulator 32 of 380 sec.
[0071]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, the estimated disturbance pattern obtained from the past operation is reflected in the subsequent operation, the feedforward manipulated variable is generated from the estimated disturbance pattern, and the disturbance is canceled out. Since the operation amount is set, disturbances applied to the process can be eliminated and good control can be performed. And even if the disturbance is unknown, it can cope with it, and the estimated disturbance phase can be advanced (accelerated) to generate a disturbance pattern for compensation. Can be eliminated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram schematically showing an overall configuration of an embodiment of a process control apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship between the operation output of the sub-regulator and the opening degree of the refrigerant valve and the heat medium valve.
FIG. 3 is a block diagram showing an internal configuration of a disturbance estimation unit together with a connection relationship between the disturbance estimation unit, a main controller, and an actual process.
FIG. 4 is a block diagram showing a state where a disturbance applied to a process is compensated by an estimated disturbance by a disturbance compensator.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a state in which the phase of the estimated disturbance is delayed with respect to the actual disturbance.
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating an example of a screen of a display / operation unit.
FIG. 7 is a flowchart showing the overall flow of processing when using the process control apparatus of the above-described embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing a detected value of the internal temperature and an estimated value of the internal temperature when disturbance compensation is performed.
FIG. 9 is a diagram showing an operation amount of the main adjuster and an operation amount of the adjuster in the disturbance estimation unit.
FIG. 10 is a diagram illustrating a difference between an operation amount of the main controller and an operation amount of the controller in the disturbance estimation unit, and an estimated disturbance.
FIG. 11 is a diagram showing a disturbance pattern added to the operation amount of the main controller, an estimation result of the disturbance pattern (estimated disturbance pattern), and a detected value of the internal temperature in a state where the disturbance is added.
FIG. 12 is a diagram illustrating detected values of the internal temperature when the disturbance compensation is performed and when it is not performed.
FIG. 13 is a diagram illustrating a result of confirming the robustness of the control system by simulation when disturbance compensation is performed;
[Explanation of symbols]
1 Jacket tank
11 reaction vessel
12 Stirrer
13 Jacket
14, 15 Temperature detector
21 Temperature control medium inflow pipe
22 Temperature control medium outflow pipe
23 Refrigerant valve
3 Controller
31 Main controller
32 Secondary controller
33 Adder
4 Disturbance compensator
41 Disturbance estimation unit
42 Estimated disturbance pattern storage unit
43 Display / Operation Unit
44 Disturbance data processor
45 Output disturbance pattern storage
46 Estimated disturbance generator
47 FF calculator
48 Driving history memory
51 Regulator
52 Pseudo control target
53 Adder

Claims

In a process control device that controls a process based on an operation amount output from a control adjustment unit,
The disturbance pattern applied to the process based on the difference between the operation amount output from the control adjustment unit when the process is executed and the operation amount obtained using the control amount obtained when the process is executed as a target value. A disturbance estimation unit for estimation;
A storage unit for storing the disturbance pattern estimated by the disturbance estimation unit;
An estimated disturbance output unit that generates a disturbance pattern based on data stored in the storage unit in an operation cycle after the operation cycle in which the disturbance pattern is estimated, and outputs the disturbance pattern as a feedforward operation amount;
Means for adding the feedforward operation amount as a disturbance compensation amount to the operation amount output from the control adjustment unit ,
The disturbance estimator has an estimation adjustment unit having a control amount as a target value, and an operation amount from the estimation adjustment unit as inputs, and a transfer function equivalent to a control target controlled by the operation amount of the control adjustment unit Means for calculating and outputting the input value, and an addition unit for taking out the difference between the operation amount from the control adjustment unit and the operation amount from the estimation adjustment unit as an estimated disturbance,
The estimation adjustment unit outputs an operation amount so that an output value of the transfer function in a disturbance estimation unit matches a set reference trajectory .

The process control apparatus according to claim 1, wherein the disturbance pattern output from the estimated disturbance output unit is a disturbance pattern stored in the storage unit.

The process control apparatus according to claim 1, wherein the disturbance pattern output from the estimated disturbance output unit is obtained by performing predetermined processing on the disturbance pattern stored in the storage unit.

4. The process control apparatus according to claim 1, wherein the disturbance pattern output from the estimated disturbance output unit is advanced in phase with respect to the disturbance pattern stored in the storage unit. 5.

5. The process control apparatus according to claim 4, wherein the phase advance amount is an amount corresponding to a dead time of a control target controlled by an operation amount.

6. A means for preparing a plurality of disturbance patterns based on data stored in the storage unit and selecting a disturbance pattern to be used from the plurality of disturbance patterns. The process control apparatus according to any one of the above.

Disturbance the transmission function in the estimation unit, the process control apparatus according to any one of claims 1 to 6, characterized in that does not include dead time.

Process control apparatus according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the control regulator and the estimation controller is an input-output characteristic equivalent to each other.

A selection means for selecting one of a mode for estimating the disturbance by the disturbance estimation unit while performing the process and a mode for estimating the disturbance by the disturbance estimation unit after completion of the process based on the data stored at the time of the process. claims 1, characterized by comprising to a process control device according to any one of 8.

Process control apparatus according to any one of claims 1, characterized in that it comprises means for displaying the disturbance pattern estimated by the disturbance estimation section 9.

In a process control method for controlling a process based on an operation amount output from a control adjustment unit,
The disturbance pattern applied to the process based on the difference between the operation amount output from the control adjustment unit when the process is executed and the operation amount obtained using the control amount obtained when the process is executed as a target value. Estimating process;
Storing the disturbance pattern estimated in this step;
In the operation cycle after the operation cycle in which the disturbance pattern is estimated, a step of generating a disturbance pattern based on the already stored estimated disturbance pattern and outputting the disturbance pattern as a feedforward operation amount;
Adding the feedforward operation amount as a disturbance compensation amount to the operation amount output from the control adjustment unit ,
The step of estimating the disturbance pattern is equivalent to the control target controlled by the operation amount of the control adjustment unit, with the operation amount from the estimation adjustment unit having the control amount obtained when the process is performed as a target value. A step of calculating and outputting with a transfer function, a step of outputting an operation amount from the adjustment unit for estimation so that an output value output in this step matches a set reference trajectory, and outputting in this step And a step of taking out a difference between the manipulated amount and the manipulated value of the control adjusting unit .

12. The process control method according to claim 11 , wherein in the step of generating a disturbance pattern based on the already stored estimated disturbance pattern, the phase of the estimated disturbance pattern is advanced.