JP4226859B2 - モデルフリー型適応プロセスコントローラ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、一般に、プロセスコントローラの適応に関し、特に、例えば負荷障害又は設定ポイントの変化に応答するPIDコントローラ及びファジーロジックコントローラの如きプロセスコントローラのモデルフリー型適応に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
本願は、2001年7月13日に出願された米国仮出願第60/305,545号の恩恵を主張するものである。
【０００３】
例えば、比例・積分（PI）コントローラ，比例・積分・微分（PID）コントローラ，又はファジーロジックコントローラ（FLC）の如きプロセスコントローラを用いて、プロセス変数が所望の設定ポイント値に相当した状態を維持するようにプロセスを制御することが良く知られている。このようなプロセスコントローラは、典型的には、プロセス変数を制御するために、所望の方法で開発されたコントローラゲイン，コントローラ積分時間（「リセット」と呼ばれる），及び微分時間（「変化率」と呼ばれる）の如き一組の制御パラメータを利用する。しかしながら、プロセスの運転の際に、プロセス若しくは設定ポイントの変化に対して調整する目的で、又は観測された運転パラメータに基づいてコントローラを最適化する目的で、制御パラメータを適応させることは、一般的に有益であり、場合によっては必要である。
【０００４】
モデルフリー型適応プロセスコントローラは、設定ポイントの変化又は負荷障害に適応及び応答することによって、典型的な閉ループコントローラ応答を用いている。モデルフリー型適応プロセスコントローラの１つの例において、システムは、誤差信号の振動の周期を測定し、該誤差信号の実際の減衰及びオーバーシュートを検出する。誤差信号に振動がない場合には、比例ゲイン制御パラメータが増加され、積分及び微分時間制御パラメータが減少される。誤差信号に振動が検出された場合には、該誤差信号の減衰及びオーバーシュートを測定し、ゲイン，コントローラ積分時間，及び微分時間制御パラメータをそれらに応じて調整する。
【０００５】
この例のモデルフリー型適応プロセスコントローラは単純ではあるが、幾つかの欠陥を示している。特に、このアプローチは、制御応答が振動性である場合にだけ適用可能である。制御応答が振動性でない場合には、振動を誘発して適応を促すために、制御パラメータ又は設定ポイントを変更しなければならない。結果として、この適応は、過減衰コントローラを調節するために複数の設定ポイントを変更することを必要とし、更に、コントローラが比較的小さい安全率の振動応答に対して調節される点に制限される。
【０００６】
モデルフリー型適応プロセスコントローラは、典型的なモデル型適応コントローラよりも実行する演算が少なく、また、必要なアルゴリズムが容易であるという可能性を有していることが分かり、モデルフリー型適応コントローラを用いて、上記の認識された欠陥を解決する試みが幾つかなされている。例えば、Marsik, J.及びStrejc, V.による「Application of Identification-Free Algorithms for Adaptive Control（適応制御のためのアイデンティフィケーションフリーアルゴリズムの応用）」（Automatica, vol. 25, No. 2, pp. 273-277, 1989）では、モデルフリー型適応PIDコントローラの一例が開示されている。この論文において、Marsik及びStrejcは、適切に調節されたコントローラにおいては、このコントローラの出力変化を構成する全てのコントローラの比例，積分，及び微分項の平均絶対値は、概略等しいということを認めている。結果として、この論文には、制御パラメータを、全ての個別の比例、積分、又は微分項の平均絶対値を等しい値にすることにより、プロセスコントローラを調節する適応ルーチンが記述されている。
【０００７】
残念ながら、Marsik及びStrejcにより提案されたモデルフリー型適応コントローラは、収束が悪いことを示しており、時には不安定領域を通り過ぎてしまって、殆どのプロセス制御問題に対して有効であるようには思えない。更に、Marsik及びStrejcにより提案された適応ルーチンは、ファジーロジックコントローラの如き非線形コントローラへの適応可能性を示唆していない。
【０００８】
特に、ここ十年、ファジーロジックコントローラの利点を示す出版物が多いのにも拘わらず、産業に展開されているこれらのコントローラは、非常に僅かなものであった。ファジーロジックコントローラが利用される頻度が比較的低い１つの理由は、それらを調節することが困難であるからである。単純なファジーロジックコントローラを調節するために著しい努力を集中してきており、コントローラは、入力に対して２つ又は３つのメンバーシップ機能を規定すると共に、それと同様の数のメンバーシップ機能を出力に対して規定してはいるが、ファジーロジックコントローラに対してモデルフリー型適応アプローチを適応することの示唆は無いままであった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
ここには、従来のモデルフリー型適応コントローラシステムの欠陥の一部を軽減するモデルフリー型適応コントローラが記述されている。例えば、この記述されたシステムは、適応されるコントローラパラメータにより優れた収束を示し、ゲイン及びリセット適応の間の相互作用を減少し、コントローラ調節要件を満足する際の柔軟性を考慮し、ゲイン適応に対する雑音の影響を軽減し、そして、小さい又は大きい不感時間の何れかを有する閉ループシステムに加えて、可変不感時間を有するループシステムにおいても動作する。更に、記述されたシステムは、ファジーロジックコントローラを調節する際に付随する困難を軽減する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、参照符号10により概して示される適応PID制御システム又はチューナの概略のブロック図である。適応PID制御システム10は、図１に示す如く通信可能に接続されたプロセスコントローラ12，プロセス14，スーパーバイザ16，励起生成器18，ゲイン適応ブロック20，リセット／変化率適応ブロック22，及びセイフティネットブロック24を備えている。標準閉ループ制御システムの運転の際には、プロセス出力信号又はプロセス変数PVは、プロセス14から検出され、設定ポイントSPとの比較のために加算ブロック26に与えられる。また、励起生成器18からの出力信号も、以下に詳細に記述するように、加算ブロック26に与えられる。プロセス変数PVと設定ポイントSPとの間の差として特定される誤差信号は、プロセスコントローラ12に送られるが、この例においては、任意の種類のPIDコントローラに送られてもよく、また、これを変形物の１つに送られてもよい。
【００１１】
閉ループ運転において、プロセスコントローラ12の出力は、加算ブロック28に与えられ、そこで、励起生成器18からの出力信号を加算され、ブロック28の出力は、プロセス14に制御信号OUTとして与えられる。このように、標準閉ループ制御原理によれば、プロセスコントローラ12は、次の一般式に基づいて、プロセス変数PVを設定ポイントSPと実質的に等しくするように動作する。
【００１２】
【数９】
【００１３】
この式において、
u(k)：k時における制御信号OUT、
Kc(k)：k時におけるコントローラゲイン、
e(k)：k時における誤差信号（設定ポイントSPとプロセス変数PVとの間の差）、
Ts：スキャン時間間隔、
Ti(k)：k時におけるリセット又はコントローラ積分時間、
Td(k)：k時における変化率又はコントローラ微分時間、
Δe(k)：k時における誤差信号の変化、又はe(k)-e(k-1)。
【００１４】
同等のPIDコントローラは、増分形式で次のように表わすことができる。
【００１５】
【数１０】
【００１６】
この式において、
Δ2e(k)：Δe(k)-Δe(k-1)（k時における誤差信号変化内の変化）。
【００１７】
一般的に、適応PID制御システム10は、コントローラゲインKcに加えて、一又は複数のコントローラパラメータ（即ち、式（１）のコントローラ積分時間及び微分時間）を適応させる。コントローラゲインKcを適応させるために、ゲイン適応ブロック20は、振動指標Kc oscから演算されるコントローラゲインと、プロセス定常状態ゲインKc ssの推定値から演算されるコントローラゲインとを組み合わせ、総合コントローラゲインKcを決定し、それにより、雑音にあまり影響されないコントローラシステムを実現している。式（２）のようにコントローラの出力変化を構成する項を適応させるために、リセット／変化率適応ブロック22は、２つ以上のコントローラ項の比率が所定の定数と等しくなるように、リセット又は変化率の如き或るコントローラパラメータを適応させる。
【００１８】
運転の際には、スーパーバイザ16は、設定ポイントSP及びプロセス変数PVを監視し、一又は複数の所定の条件下での適応を開始する。例えば、スーパーバイザ16は、誤差信号e又は該誤差信号の変化Δeが所定の閾値よりも大きい場合に、即ち、次の２つの条件のうちの何れか又は両方を満足する場合に、適応を開始してもよい。
【００１９】
【数１１】
【００２０】
又は、
【００２１】
【数１２】
【００２２】
この式において、
Emin：所定の最小誤差信号閾値、
ΔEmin：所定の最小誤差信号閾値の変化。
【００２３】
励起生成器18は、特定の時間で自動的に適応をさせるように、定期的に適応をさせるように、又はシステムが定常状態で所定の時間動作した場合に適応をさせるように、プログラムされてもよい。適応PID制御システム10の適応をさせるために、励起生成器18は、自動的に又はスーパーバイザ16の制御下で、加算ブロック26及び加算ブロック28のうちの１つ又は両方に、一又は複数の上述した所定の条件をシステム内の信号を満足するのに十分な制御信号を投入し、適応手順を引き起こさせる。
【００２４】
一旦、適応が必要であるとスーパーバイザ16が判断した場合には、スーパーバイザ16は、コントローラゲインKcの適応を開始すべく、ゲイン適応ブロック20に通知する。ゲイン適応ブロック20は、振動指標から演算されるゲインの重み付け平均として、また、プロセス定常状態ゲインの推定値から演算される制御ゲインの重み付け平均として、コントローラゲインKcを演算することにより、適応を実行する。例えば、コントローラゲインKcは、次式により推定され得る。
【００２５】
【数１３】
【００２６】
この式において、
α1：プリセット比率定数（例えば、0.4）、
Kc ss：プロセス定常状態ゲインの推定値から演算されるコントローラゲイン、
Kc osc：振動指標から演算されるコントローラゲイン。
【００２７】
特に、ゲイン適応ブロック20は、プロセス出力（PV0）及びコントローラ出力（OUT0）を用いることにより、設定ポイントの変化前及び設定ポイントの変化後しばらくしてから、プロセス出力（PV1）及びコントローラ出力（OUT1）が新しい定常状態になる場合に、定常状態コントローラゲインKc ssを演算することが可能である。この演算は、次式に従って実行することが可能である。
【００２８】
【数１４】
【００２９】
この式において、
λ：閉ループコントローラチューニングにおいて用いられる公知のラムダコントローラチューニングファクタ、
DT：不感時間（公知のものであるか又は公知の技術の１つにより推定することが可能である）、
Ti(k)：k時におけるコントローラリセット。
【００３０】
上述の式（５）は、次式のように書き換えることが可能である。
【００３１】
【数１５】
【００３２】
というのは、Kssは、コントローラ出力（OUT）の変化に対するプロセス出力（PV）の変化として、別の方法で定義し得るからである。
【００３３】
さらに、振動指標から演算されるコントローラゲインKc oscは、次式のように演算すことが可能である。
【００３４】
【数１６】
【００３５】
この式において、
Kc osc(k)：k時における振動指標から演算されるコントローラゲイン、
ΔKc osc(k)：k時における振動指標から演算されるコントローラゲインの変化。
【００３６】
振動指標から演算されるコントローラゲインKc oscの初期値は、公知のPIDコントローラチューニング方法を用いて演算され得る。例えば、初期値Kc oscは、リレー振動自動チューナ又は手動ループステップ試験を用いて演算され得る。
【００３７】
さらに、k時における振動指標W(k)から演算されるコントローラゲインKc oscの変化は、次式のように演算され得る。
【００３８】
【数１７】
【００３９】
この式において、
χ：ゲイン適応の速さを制御するプリセット定数（例えば、0.02と0.05との間の値）、
Wref：-1から+1までの区間から選択されるプリセット値（例えば、-0.5）。
また、
【００４０】
【数１８】
【００４１】
である。
【００４２】
従って、ゲイン適応ブロック20がコントローラゲインKcを適応させ始めるためには、４つのスキャンが必要であった。なぜならば、振動指標が、k-4時においてコントローラ誤差信号を必要とするからである。さらに、上述の演算は、k-2及びk-4に依存しているが、例えば、k-6，k-8等を含む任意の数の間隔を用いてもよい。
【００４３】
加えて、雑音は、何れのプロセス制御システムにおいても共通して存在している。従って、雑音の影響を軽減するために、適応プロセスにおいて雑音補償を提供することが望ましい。例えば、ゲイン適応ブロック20は、次式に従って統計的に特定される値で、プリセット値Wrefを増加することにより、適応PID制御システム10における雑音に対処することが可能である。
【００４４】
【数１９】
【００４５】
この式において、
Wref noise：雑音に対処すべく修正されたプリセット値Wref、
φ：雑音補償の程度を規定するプリセット値（例えば、1及び4の間）、
σ：何れの最新のPIDコントローラでも公知の特徴であるケイパビリティ標準偏差であり、コントローラにより訂正できないプロセス出力の雑音及び高周波数変化を反映している。
【００４６】
この雑音補償の結果として、適応PID制御システム10は、このシステム内の雑音にあまり影響されないことを示している。
【００４７】
上述したように、振動指標Kc oscは、雑音に対して敏感であり、式（９）に従って補償され得る。雑音に対してあまり影響を受けないように振動指標Kc oscを演算するもう１つの方法は、次式のように振動指標を演算することである。
【００４８】
【数２０】
【００４９】
この式において、
i：int((k-k0)/2)、
k0：適応を開始した時間。
【００５０】
代わりに、雑音に対してあまり影響を受けないように振動指標Kc oscを演算する方法は、次式のように書くことが可能である。
【００５１】
【数２１】
【００５２】
従って、上式を用いることによって、振動指標は、プロセス変数PVが設定ポイントSPを通過するとしても、プロセス変数PVの変化の方向が正又は負に留まる限り演算され得る。プロセス変数PVの変化が方向を変えると直ぐに、もう１つのサイクルの振動指標の演算を実行しなければならない。
【００５３】
ゲイン適応が完了すると直ぐに又はゲイン適応と同時に、以下に記述するように、スーパーバイザ16は、リセット／変化率適応ブロック22を指示して、比例，積分，及び微分コントローラ項に影響を与える一又は複数のコントローラパラメータの適応を開始する。特に、リセット／変化率適応ブロック22は、コントローラ項の２つをプリセット比率にすべく、コントローラ積分時間及び／又は微分時間を適応させる。この比率は、1であってもよく、この場合には、２つの項は等しいが、比率は1でなくてもよい。また、以下に記述するように、図１の適応PID制御システム10は、比例及び積分コントローラ項の比率がプリセット比率と等しくなるようにすべく、コントローラ積分時間Tiを適応させるが、リセット／変化率適応ブロック22が、任意の組み合わせのコントローラ項を一又は複数の比率に適応させるようにプログラムされてもよいということは、当業者には理解され得る。例えば、適応PID制御システム10は、比例及び微分コントローラ項の比率を特定の値にすべく、微分時間Tdを適応させることができる。
【００５４】
１つの実施の形態において、リセット／変化率適応ブロック22、又はスーパーバイザ16は、まず、次式を満足するか否かを判定する。
【００５５】
【数２２】
【００５６】
この式において、
e(k)：k時における誤差信号（設定ポイントSPとプロセス変数PVとの間の差）、
Δe(k)：k時における誤差信号の変化。
【００５７】
上式を満足する場合には、即ち誤差信号の絶対値が減少する場合には、リセット／変化率適応ブロック22は、コントローラリセットTiを適応させ、次式に従ってゲイン変化を補償する。
【００５８】
【数２３】
【００５９】
この式において、
Ti(k+1)は、k+1時におけるコントローラ積分時間、
Ti(k)は、k時におけるコントローラ積分時間、
ΔTi(k)は、k時におけるコントローラ積分時間又はコントローラリセットの変化。
ここで、
【００６０】
【数２４】
【００６１】
この式において、
γ：リセット適応の速さを制御するプリセット定数（例えば、0.05及び0.5の間）。
また、
【００６２】
【数２５】
【００６３】
この式において、
ΔPk：k時におけるコントローラ比例項の変化、
ΔIk：k時におけるコントローラ積分時間の変化、
α：プリセット比率。
【００６４】
リセット／変化率適応の間、目標は、βを1と等しくすべく、コントローラ積分時間Ti(k)を適応させることであり、これは、積分及び比例項の変化の実際の比率が所望の比率αと等しくなるときに起きる。従って、上述したように、コントローラ積分時間Tiは、選択された値αに依存する値に収束する。αの値は、コントローラゲインを演算するための技術であるラムダチューニングで用いられるλとの関係により選択され得る。次の関係がモデルフリー型適応に対して開発されている。
【００６５】
αλ=1の場合、Ti(k)はゼロポール相殺値に収束し、
αλ>1の場合、Ti(k)はゼロポール相殺値よりも大きい方に収束し、
αλ<1の場合、Ti(k)はゼロポール相殺値よりも小さい方に収束する。
【００６６】
この関係を更に明確にするために、ラムダチューニングにおいてλがコントローラゲインを定義するのと同様の方法で、適応PIDコントローラ積分時間の値を規定するチューニングファクタΛは、
Λ=1/α
で演算され得る。k時におけるコントローラ積分時間Ti(k)は、次の公知の関係に従ってαλに依存する値に収束する。
【００６７】
Λ=λの場合、Ti(k)はゼロポール相殺値に収束し、
Λ<λの場合、Ti(k)はゼロポール相殺値の大きい方に収束し、
Λ>λの場合、Ti(k)はゼロポール相殺値の小さい方に収束する。
【００６８】
また、リセット／変化率適応ブロック22は、コントローラゲインKcとコントローラ積分時間Tiとの間の相互作用を補償するためのチェックを有することが可能である。まず、リセット／変化率適応ブロック22は、補償をする必要があるか否かを判定すべく、次式の試験を実行する。
【００６９】
【数２６】
【００７０】
この式において、
ΔTi(k)：k時におけるコントローラ積分時間の変化、
ΔKc(k)：k時におけるコントローラゲインの変化。
【００７１】
リセット／変化率適応ブロック22が、コントローラゲインとリセット適応との間の相互作用を補償すべきであると判断した場合には、即ち、コントローラ積分時間Ti及びコントローラゲインKcは、両方とも、正の方向に又は負の方向に変化していると判断した場合には、次式を用いてコントローラ積分時間Ti値を補償又は訂正し得る。
【００７２】
【数２７】
【００７３】
この式において、
Ti(k+1)corr：k+1時における補償されたコントローラ積分時間、
Ti(k+1)：k+1時における補償されていないコントローラ積分時間、
ΔTi(k)corr：k時における補償されたコントローラ積分時間の変化。
【００７４】
ΔTi(k)corrは、例えば、次式のように演算され得る。
【００７５】
【数２８】
【００７６】
この式において、
ΔTi(k)：k時におけるコントローラ積分時間の変化、
ΔKc(k)：k時におけるコントローラゲインの変化、
Kc(k)old：適応演算前のk時におけるコントローラゲイン、
κ：リセット補償の程度を表わすプリセット値（例えば、0.1）。
【００７７】
プロセス変数PVの振動を防止するために、適応PID制御システム10は、セイフティネット24を具備することが可能である。適応の間、プロセス変数、及び従って誤差値が零点を通過する場合に検出することができる制御応答が振動性であることをスーパーバイザ16が検出した場合には、即ち、次式を満足する場合には、
【００７８】
【数２９】
【００７９】
スーパーバイザ16は、コントローラゲインＫcを減少させるべく、セイフティネット24をアクティブにする。コントローラゲインの減少を有効にさせるために、セイフティネット24は、次式を用いてもよい。
【００８０】
【数３０】
【００８１】
この式において、
η：プリセット定数（例えば、0.95）、
Kc(k)：k時におけるコントローラゲイン。
【００８２】
図２は、参照符号50を付したコントローラゲインKcと、参照符号52を付したコントローラ積分時間Tiとの両方を時間に対してプロットしたグラフを示している。ここで、コントローラゲインKc及びコントローラ積分時間Tiは、線54により示されているプロセスゲイン特性と、線56により示されているプロセス遅延特性との変化に応じて、上述のシミュレーションされたプロセス制御システムにおいて適応させられている。特に、プロセスゲイン54は、k時で1.5+sin(k/7200)のように変化し、プロセス遅延56は、k時で10+10sin(k/14400)のように変化している。プロセス不感時間は約2秒、設定ポイントの変化は240秒毎、プロットサンプリング速度は20秒、比率αには1.6が選択されている。図２のグラフが示すように、コントローラゲインKc及びコントローラ積分時間Tiは、コントローラ状態の変化に適応させられているので、コントローラゲインKc（線56）は、プロセスゲイン54の変化とは逆に応答し、一方、コントローラ積分時間Ti（線52）は、プロセス遅延56の変化に良く追従した。
【００８３】
図３は、参照符号60を付したコントローラゲインKcと、参照符号62を付したコントローラ積分時間Tiとの両方を時間に対してプロットしたグラフを示している。ここで、コントローラゲインKc及びコントローラ積分時間Tiは、線64により示されているプロセスゲイン特性と、線66により示されているプロセス遅延特性との変化に応じて、且つ1パーセントの4分の1（0.25％）の雑音の存在下で、上述のシミュレーションされたプロセス制御システムにおいて適応させられている。プロセスゲイン64は、k時で1.5+sin(k/7200)のように変化し、プロセス遅延66は、k時で10+10sin(k/14400)のように変化している。プロセス不感時間は約2秒、設定ポイントの変化は240秒毎、プロットサンプリング速度は20秒、比率αには1.2が選択されている。図３のグラフが示すように、この適応プロセスへの雑音の影響は最小であり、コントローラゲインKc及びコントローラ積分時間Tiは、コントローラ状態の変化に適応させられているので、コントローラゲインKc（線60）は、プロセスゲイン64の変化とは逆に応答し、一方、コントローラ積分時間Ti（線62）は、プロセス遅延66の変化を良く追従したままであった。特に、コントローラゲインKcとプロセスゲインとの積は、線68により示される、（プロセスゲイン）*Kc+5としてプロットされ、雑音が存在しているのにも拘わらず、コントローラゲインKc（線60）とプロセスゲイン64との間の安定な逆相関を示している。
【００８４】
図４は、参照符号72を付した設定ポイントSPの変化に応じて、上述のシミュレーションされたプロセス制御システム内において適応させられ、参照符号70を付したプロセス変数PVをプロットしたグラフを示している。この図示のグラフにおいて、プリセット値Wrefには0.5が選択され、比率αには1.6が選択されている。注意すべき点は、設定ポイントSPの変化に応じて、プロセス変数70が適応される際の見かけ上の初期応答は、プロットされたデータを検索するために利用されたデータ履歴の制限に起因するものであるという点である。図４のグラフが示すように、プロセス変数70の変化は設定ポイント72の変化に非常に良く追従している。
【００８５】
ここで記述された適応PID制御システム10は、コントローラ比例項とコントローラ積分時間との比率を特定の値にすべく、コントローラ積分時間パラメータTiを適応させるが、当業者ならば理解できるように、微分時間Tdを適応させ、これによって比例コントローラ項と微分コントローラ項との比率を特定の値にすべく、同様の式を用いることができる。同様に、Ti及びTdを適応させ、これによって微分及び積分コントローラ項の比率を特定の値にすべく、これらの式の組の両方を用いることができる。これに代えて、コントローラ積分時間を適応させた後、微分時間をTd＝αc*Tiとして演算してもよく、この場合には、αcは、1/4から1/8の範囲の定数であり、例えば1/6.25である。
【００８６】
さらに、別の実施の形態においては、リセット／変化率適応ブロック22は、コントローラ積分時間及び／又は微分時間を、コントローラ項の２つの差を用いて適応させる。例えば、適応PID制御システム10は、比例項とコントローラ積分時間との差を用いて、コントローラ積分時間Tiを適応させることができる。特に、コントローラ積分時間は、次式のように演算し得る。
【００８７】
【数３１】
【００８８】
この式において、
ΔP：コントローラ比例項の変化、
ΔI：コントローラ積分時間の変化、
α：プリセット比率である。
ここで、
【００８９】
【数３２】
【００９０】
上式を書き換えると、
【００９１】
【数３３】
【００９２】
又は、
【００９３】
【数３４】
【００９４】
この式において、
e(k)：k時における誤差信号（設定ポイントSPとプロセス変数PVとの間の差）、
Ts：スキャン時間間隔、
Ti：リセット又はコントローラ積分時間、
Δe(k)：k時における誤差信号の変化。
最終的な適応の目標は、Δを零にすることであることを認識して、次式のように記述し得る。
【００９５】
【数３５】
【００９６】
この式において、
T’i=Ti+ΔT
上式を組み合わせると、コントローラ積分時間ΔTiは、最終的に次式のように演算され得る。
【００９７】
【数３６】
【００９８】
又は、
【００９９】
【数３７】
【０１００】
図５に示すもう１つの実施の形態においては、上述の適応アプローチは、更に、参照符号110により概して示されている適応ファジーロジックコントローラ（FLC）システムに適応し得る。適応FLCシステム110は、図１に示された適応PID制御システム10と同一の要素を利用するのが一般的であるが、適応FLCシステム110において、プロセスコントローラ12は、ファジーロジックコントローラ112と入れ替えられており、このFLCシステム110は、追加の誤差スケーリングファクタ／リセット適応翻訳ブロック114と、出力スケーリングファクタ適応翻訳ブロック116とを備えている。
【０１０１】
適応FLCシステム110は、適応PID制御システム10と関連して上述したのと同一の閉ループ動作に従って動作する。特に、プロセス変数PVは、プロセス14から検出され、設定ポイントSPとの比較のために加算ブロック26に与えられる。また、上述したように、励起生成器18も、この加算ブロック26に与えられてもよい。それから、誤差信号eは、ファジーロジックコントローラ（FLC）112に送られる。その間、スーパーバイザ16，ゲイン適応ブロック20，及びリセット／変化率適応ブロック22は、上述のように式（２）から式（１７）に従って動作する。誤差スケーリングファクタ／リセット適応翻訳ブロック114及び出力スケーリングファクタ適応翻訳ブロック116は、リセット／変化率適応ブロック22及びゲイン適応ブロック20からの演算結果を以下に詳述するファジーロジックスケーリングファクタに翻訳する。
【０１０２】
FLC 112は、予め規定されたファジールール，メンバーシップ機能，及び調整可能なスケーリングファクタを用いて動作する。FLC 112は、誤差スケーリングファクタSe，誤差スケーリングファクタの変化SΔeを用いることによって、また、予め規定されたメンバーシップ機能のそれぞれのメンバーシップの程度を演算することによって、プロセス制御ループに関連する物理的な値をファジーロジック値に翻訳する。それから、制御入力のファジーロジック値が、推論ルールを適応することによって制御出力のファジーロジック値を展開することに用いられる。１つの実施の形態において、FLC 112は、この推論プロセスの間、次表を利用し得る。
【０１０３】
【表１】
【０１０４】
この表によれば、FLC 112は、制御入力展開上の誤差e及び該誤差変化Δeのそれぞれに対して２つのメンバーシップ機能値を、また、出力変化Δuに対して３つのシングルトン値を用いる。誤差e及び該誤差変化Δeのそれぞれに対する２つのメンバーシップ機能値は、正及び負である。出力変化Δuに対する３つのシングルトン値は、負，零，及び正である。ファジーロジック制御の非線形性は、プロセス変数PVのファジーセットへの翻訳（ファジフィケーション），推論ルール，及びこのファジーセットの連続信号への翻訳（デファジフィケーション）によるものである。
【０１０５】
ファジーロジックスケーリングファクタは、コントローラゲインKc、及び典型的な比例・積分・微分（PID）コントローラで用いられるリセットTi又は変化率Tdに関連している。特に、上述の適応PID制御システム10と同様に、適応FLCシステム110は、上で詳述されたモデルフリー型適応数式に従って、コントローラゲインKc，及びリセットTi又は変化率Tdを適応させる。
【０１０６】
それから、出力スケーリングファクタ適応翻訳ブロック116は、次の公知の式に従って、ゲイン適応ブロック20において演算されるコントローラゲインKcを用い得る。
【０１０７】
【数３８】
【０１０８】
この式において、
SΔu：コントローラ出力スケーリングファクタの変化、
X：プリセット定数（例えば、2及び4の間の値）、
SΔe：誤差スケーリングファクタの変化、
Kc：コントローラゲイン。
また、
【０１０９】
【数３９】
【０１１０】
この式において、
ΔSP：公称の変化に対する設定ポイントの変化（例えば、1％）。
βsfは、例えば、次式のように演算され得る。
【０１１１】
【数４０】
【０１１２】
この式において、
Dは、プロセス不感時間、
Tcは、プロセス遅延。
【０１１３】
一方、誤差スケーリングファクタ／リセット適応翻訳ブロック114は、次式に従って、リセット／変化率適応ブロック22で演算されるコントローラ積分時間Tiを利用し得る。
【０１１４】
【数４１】
【０１１５】
この式において、
Se：誤差スケーリングファクタ、
Ti：コントローラ積分時間、
SΔe：誤差スケーリングファクタの変化、
Δt：コントローラスキャン期間。
【０１１６】
適応PID制御システム10のように、本実施の形態においては、適応FLCシステム110もまた、プロセス変数PVの振動を防止すべく、セイフティネット24を具備し得る。特に、スーパーバイザ16は、コントローラ出力スケーリングファクタの変化SΔuを減少すべく、セイフティネット24をアクティブにすることが可能である。コントローラゲインの減少をならしめるために、セイフティネット24は、次式を用いることが可能である。
【０１１７】
【数４２】
【０１１８】
この式において、
η：プリセット比例定数（例えば、0.95）、
SΔu：出力スケーリングファクタの変化。
【０１１９】
図６は、参照符号150を付したコントローラ出力スケーリングファクタの変化SΔuと、参照符号152を付した誤差スケーリングファクタSeとの両方を、時間に対してプロットしたグラフを示している。ここで、コントローラ出力スケーリングファクタの変化SΔu及び誤差スケーリングファクタSeは、線154により示されているプロセスゲイン特性と、線156により示されているプロセス遅延特性の変化に応じて、上述のシミュレーションされたファジーロジックプロセス制御システムにおいて適応させられている。特に、プロセスゲイン154は、k時で1.5+sin(k/7200)のように変化し、プロセス遅延156は、k時で15+10*sin(k/14400)のように変化している。プロセス不感時間は、約2秒、設定ポイントの変化は120秒毎、プロットサンプリング速度は10秒、比率αには1.2が選択されている。図６のグラフが示すように、コントローラ出力スケーリングファクタの変化SΔu及び誤差スケーリングファクタSeは、コントローラ状態の変化に適応させられているので、コントローラ出力スケーリングファクタの変化SΔu（線150）は、プロセスゲイン154の変化とは逆に応答し、一方、Se*5としてプロットされた誤差スケーリングファクタSe（線152）は、プロセス遅延156の変化に良く追従している。
【０１２０】
図７は、参照符号162を付した設定ポイントSPの変化に応じて、図６に示されているのと同様のシミュレーションされたファジーロジックプロセス制御システム110に適応させられ、また、参照符号160を付したプロセス変数PVをプロットしたグラフを示している。図７のグラフが示すように、プロセス変数160は、設定ポイントの変化162に非常に良い追従を示している。
【０１２１】
図８は、参照符号172を付した設定ポイントSPの変化に応じて、ここで記述された原理を利用するもう１つのシミュレーションされたファジーロジックプロセス制御システムで適応させられ、また、参照符号170を付したプロセス変数PVをプロットしたグラフを示している。このシミュレーションされたプロセス制御システムにおいて、プロセスゲインは1.5、コントローラ出力スケーリングファクタSΔuは1.0、プロセス不感時間は2秒、プロットサンプリング速度は10秒、プロセス遅延は15秒から5秒に変化し、設定ポイントは120秒毎に+/-6％変化し、αの値には1.2が選択され、そしてλの値には0.2が選択されている。プロセス適応は、17番目のサンプルの後に開始された。図８のグラフが示すように、適応が開始された後、プロセス変数PVの変化（線170）は、設定ポイントSPの変化（線172）に非常に良い追従を示している。
【０１２２】
図１の適応PID制御システム10と、図５の適応FLCシステム110とは、ブロック図形式で示されているが、スーパーバイザ16，ゲイン適応ブロック20，リセット／変化率適応ブロック22，セイフティネット24，スケーリングファクタ誤差／変化率翻訳ブロック114，及びスケーリングファクタ出力翻訳ブロック116は、個別の若しくは共通のハードウェア、又はメモリ内、更にはファームウェア内のソフトウェアとして実現され、プロセッサ上で実行されてもよい。これらの要素は、所望により、同一のデバイス若しくはプロセッサ上で、又は異なるデバイス若しくはプロセッサ上で実現されてもよく、また、所望の任意のプログラム言語を用いてプログラムされてもよい。さらに、これらの要素は、コントローラ12の如きコントローラ、励起生成器18、又は他の任意のデバイス内で実現されてもよい。同様に、励起生成器18は、方形波生成器，正弦波生成器等の何れの種類の信号生成器であってもよく、本質的には、デジタル又はアナログであっても構わない。
【０１２３】
本願発明は、特定の例を引用して記述されてきたが、これらは、例示のみを意図したものであって本願発明を限定するものではない。また、本願発明の目的及び範疇を逸脱することなく、開示された実施の形態に対して変更，追加，又は削除がなし得ることは、当業者にとって明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 モデルフリー型適応PIDプロセス制御システムのブロック図である。
【図２】 図１のシステムにおけるプロセスパラメータの変化に応じたコントローラゲイン及びリセット適応をプロットしたグラフである。
【図３】 図１のシステムにおける雑音の存在下で、プロセスパラメータの変化に応じたコントローラゲイン及びリセット適応をプロットしたグラフである。
【図４】 図１の適応PIDプロセス制御システムを用いて、設定ポイントの変化に応じたプロセス変数の変化をプロットしたグラフである。
【図５】 モデルフリー型適応ファジーロジックプロセス制御システムのブロック図である。
【図６】 図５のシステムにおけるプロセスパラメータの変化に応じたコントローラ出力スケーリングファクタ及び誤差スケーリングファクタ適応の変化をプロットしたグラフである。
【図７】 図６に示した適応の結果として、設定ポイントの変化に応じたプロセス変数の変化をプロットしたグラフである。
【図８】 図５の適応ファジーロジックプロセス制御システムを用いて、設定ポイントの変化に応じたプロセス変数の変化をプロットしたグラフである。
【符号の説明】
10 適応PID制御システム
12 プロセスコントローラ
14 プロセス
16 スーパーバイザ
18 励起生成器
20 ゲイン適応ブロック
22 リセット／変化率適応ブロック
24 セイフティネットブロック
26 加算ブロック
OUT 制御信号
PV プロセス変数
SP 設定ポイント
【発明の属する技術分野】
本願発明は、一般に、プロセスコントローラの適応に関し、特に、例えば負荷障害又は設定ポイントの変化に応答するPIDコントローラ及びファジーロジックコントローラの如きプロセスコントローラのモデルフリー型適応に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
本願は、2001年7月13日に出願された米国仮出願第60/305,545号の恩恵を主張するものである。
【０００３】
例えば、比例・積分（PI）コントローラ，比例・積分・微分（PID）コントローラ，又はファジーロジックコントローラ（FLC）の如きプロセスコントローラを用いて、プロセス変数が所望の設定ポイント値に相当した状態を維持するようにプロセスを制御することが良く知られている。このようなプロセスコントローラは、典型的には、プロセス変数を制御するために、所望の方法で開発されたコントローラゲイン，コントローラ積分時間（「リセット」と呼ばれる），及び微分時間（「変化率」と呼ばれる）の如き一組の制御パラメータを利用する。しかしながら、プロセスの運転の際に、プロセス若しくは設定ポイントの変化に対して調整する目的で、又は観測された運転パラメータに基づいてコントローラを最適化する目的で、制御パラメータを適応させることは、一般的に有益であり、場合によっては必要である。
【０００４】
モデルフリー型適応プロセスコントローラは、設定ポイントの変化又は負荷障害に適応及び応答することによって、典型的な閉ループコントローラ応答を用いている。モデルフリー型適応プロセスコントローラの１つの例において、システムは、誤差信号の振動の周期を測定し、該誤差信号の実際の減衰及びオーバーシュートを検出する。誤差信号に振動がない場合には、比例ゲイン制御パラメータが増加され、積分及び微分時間制御パラメータが減少される。誤差信号に振動が検出された場合には、該誤差信号の減衰及びオーバーシュートを測定し、ゲイン，コントローラ積分時間，及び微分時間制御パラメータをそれらに応じて調整する。
【０００５】
この例のモデルフリー型適応プロセスコントローラは単純ではあるが、幾つかの欠陥を示している。特に、このアプローチは、制御応答が振動性である場合にだけ適用可能である。制御応答が振動性でない場合には、振動を誘発して適応を促すために、制御パラメータ又は設定ポイントを変更しなければならない。結果として、この適応は、過減衰コントローラを調節するために複数の設定ポイントを変更することを必要とし、更に、コントローラが比較的小さい安全率の振動応答に対して調節される点に制限される。
【０００６】
モデルフリー型適応プロセスコントローラは、典型的なモデル型適応コントローラよりも実行する演算が少なく、また、必要なアルゴリズムが容易であるという可能性を有していることが分かり、モデルフリー型適応コントローラを用いて、上記の認識された欠陥を解決する試みが幾つかなされている。例えば、Marsik, J.及びStrejc, V.による「Application of Identification-Free Algorithms for Adaptive Control（適応制御のためのアイデンティフィケーションフリーアルゴリズムの応用）」（Automatica, vol. 25, No. 2, pp. 273-277, 1989）では、モデルフリー型適応PIDコントローラの一例が開示されている。この論文において、Marsik及びStrejcは、適切に調節されたコントローラにおいては、このコントローラの出力変化を構成する全てのコントローラの比例，積分，及び微分項の平均絶対値は、概略等しいということを認めている。結果として、この論文には、制御パラメータを、全ての個別の比例、積分、又は微分項の平均絶対値を等しい値にすることにより、プロセスコントローラを調節する適応ルーチンが記述されている。
【０００７】
残念ながら、Marsik及びStrejcにより提案されたモデルフリー型適応コントローラは、収束が悪いことを示しており、時には不安定領域を通り過ぎてしまって、殆どのプロセス制御問題に対して有効であるようには思えない。更に、Marsik及びStrejcにより提案された適応ルーチンは、ファジーロジックコントローラの如き非線形コントローラへの適応可能性を示唆していない。
【０００８】
特に、ここ十年、ファジーロジックコントローラの利点を示す出版物が多いのにも拘わらず、産業に展開されているこれらのコントローラは、非常に僅かなものであった。ファジーロジックコントローラが利用される頻度が比較的低い１つの理由は、それらを調節することが困難であるからである。単純なファジーロジックコントローラを調節するために著しい努力を集中してきており、コントローラは、入力に対して２つ又は３つのメンバーシップ機能を規定すると共に、それと同様の数のメンバーシップ機能を出力に対して規定してはいるが、ファジーロジックコントローラに対してモデルフリー型適応アプローチを適応することの示唆は無いままであった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
ここには、従来のモデルフリー型適応コントローラシステムの欠陥の一部を軽減するモデルフリー型適応コントローラが記述されている。例えば、この記述されたシステムは、適応されるコントローラパラメータにより優れた収束を示し、ゲイン及びリセット適応の間の相互作用を減少し、コントローラ調節要件を満足する際の柔軟性を考慮し、ゲイン適応に対する雑音の影響を軽減し、そして、小さい又は大きい不感時間の何れかを有する閉ループシステムに加えて、可変不感時間を有するループシステムにおいても動作する。更に、記述されたシステムは、ファジーロジックコントローラを調節する際に付随する困難を軽減する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、参照符号10により概して示される適応PID制御システム又はチューナの概略のブロック図である。適応PID制御システム10は、図１に示す如く通信可能に接続されたプロセスコントローラ12，プロセス14，スーパーバイザ16，励起生成器18，ゲイン適応ブロック20，リセット／変化率適応ブロック22，及びセイフティネットブロック24を備えている。標準閉ループ制御システムの運転の際には、プロセス出力信号又はプロセス変数PVは、プロセス14から検出され、設定ポイントSPとの比較のために加算ブロック26に与えられる。また、励起生成器18からの出力信号も、以下に詳細に記述するように、加算ブロック26に与えられる。プロセス変数PVと設定ポイントSPとの間の差として特定される誤差信号は、プロセスコントローラ12に送られるが、この例においては、任意の種類のPIDコントローラに送られてもよく、また、これを変形物の１つに送られてもよい。
【００１１】
閉ループ運転において、プロセスコントローラ12の出力は、加算ブロック28に与えられ、そこで、励起生成器18からの出力信号を加算され、ブロック28の出力は、プロセス14に制御信号OUTとして与えられる。このように、標準閉ループ制御原理によれば、プロセスコントローラ12は、次の一般式に基づいて、プロセス変数PVを設定ポイントSPと実質的に等しくするように動作する。
【００１２】
【数９】
この式において、
u(k)：k時における制御信号OUT、
Kc(k)：k時におけるコントローラゲイン、
e(k)：k時における誤差信号（設定ポイントSPとプロセス変数PVとの間の差）、
Ts：スキャン時間間隔、
Ti(k)：k時におけるリセット又はコントローラ積分時間、
Td(k)：k時における変化率又はコントローラ微分時間、
Δe(k)：k時における誤差信号の変化、又はe(k)-e(k-1)。
【００１４】
同等のPIDコントローラは、増分形式で次のように表わすことができる。
【００１５】
【数１０】
この式において、
Δ2e(k)：Δe(k)-Δe(k-1)（k時における誤差信号変化内の変化）。
【００１７】
一般的に、適応PID制御システム10は、コントローラゲインKcに加えて、一又は複数のコントローラパラメータ（即ち、式（１）のコントローラ積分時間及び微分時間）を適応させる。コントローラゲインKcを適応させるために、ゲイン適応ブロック20は、振動指標Kc oscから演算されるコントローラゲインと、プロセス定常状態ゲインKc ssの推定値から演算されるコントローラゲインとを組み合わせ、総合コントローラゲインKcを決定し、それにより、雑音にあまり影響されないコントローラシステムを実現している。式（２）のようにコントローラの出力変化を構成する項を適応させるために、リセット／変化率適応ブロック22は、２つ以上のコントローラ項の比率が所定の定数と等しくなるように、リセット又は変化率の如き或るコントローラパラメータを適応させる。
【００１８】
運転の際には、スーパーバイザ16は、設定ポイントSP及びプロセス変数PVを監視し、一又は複数の所定の条件下での適応を開始する。例えば、スーパーバイザ16は、誤差信号e又は該誤差信号の変化Δeが所定の閾値よりも大きい場合に、即ち、次の２つの条件のうちの何れか又は両方を満足する場合に、適応を開始してもよい。
【００１９】
【数１１】
又は、
【００２１】
【数１２】
この式において、
Emin：所定の最小誤差信号閾値、
ΔEmin：所定の最小誤差信号閾値の変化。
【００２３】
励起生成器18は、特定の時間で自動的に適応をさせるように、定期的に適応をさせるように、又はシステムが定常状態で所定の時間動作した場合に適応をさせるように、プログラムされてもよい。適応PID制御システム10の適応をさせるために、励起生成器18は、自動的に又はスーパーバイザ16の制御下で、加算ブロック26及び加算ブロック28のうちの１つ又は両方に、一又は複数の上述した所定の条件をシステム内の信号を満足するのに十分な制御信号を投入し、適応手順を引き起こさせる。
【００２４】
一旦、適応が必要であるとスーパーバイザ16が判断した場合には、スーパーバイザ16は、コントローラゲインKcの適応を開始すべく、ゲイン適応ブロック20に通知する。ゲイン適応ブロック20は、振動指標から演算されるゲインの重み付け平均として、また、プロセス定常状態ゲインの推定値から演算される制御ゲインの重み付け平均として、コントローラゲインKcを演算することにより、適応を実行する。例えば、コントローラゲインKcは、次式により推定され得る。
【００２５】
【数１３】
この式において、
α1：プリセット比率定数（例えば、0.4）、
Kc ss：プロセス定常状態ゲインの推定値から演算されるコントローラゲイン、
Kc osc：振動指標から演算されるコントローラゲイン。
【００２７】
特に、ゲイン適応ブロック20は、プロセス出力（PV0）及びコントローラ出力（OUT0）を用いることにより、設定ポイントの変化前及び設定ポイントの変化後しばらくしてから、プロセス出力（PV1）及びコントローラ出力（OUT1）が新しい定常状態になる場合に、定常状態コントローラゲインKc ssを演算することが可能である。この演算は、次式に従って実行することが可能である。
【００２８】
【数１４】
この式において、
λ：閉ループコントローラチューニングにおいて用いられる公知のラムダコントローラチューニングファクタ、
DT：不感時間（公知のものであるか又は公知の技術の１つにより推定することが可能である）、
Ti(k)：k時におけるコントローラリセット。
【００３０】
上述の式（５）は、次式のように書き換えることが可能である。
【００３１】
【数１５】
というのは、Kssは、コントローラ出力（OUT）の変化に対するプロセス出力（PV）の変化として、別の方法で定義し得るからである。
【００３３】
さらに、振動指標から演算されるコントローラゲインKc oscは、次式のように演算すことが可能である。
【００３４】
【数１６】
この式において、
Kc osc(k)：k時における振動指標から演算されるコントローラゲイン、
ΔKc osc(k)：k時における振動指標から演算されるコントローラゲインの変化。
【００３６】
振動指標から演算されるコントローラゲインKc oscの初期値は、公知のPIDコントローラチューニング方法を用いて演算され得る。例えば、初期値Kc oscは、リレー振動自動チューナ又は手動ループステップ試験を用いて演算され得る。
【００３７】
さらに、k時における振動指標W(k)から演算されるコントローラゲインKc oscの変化は、次式のように演算され得る。
【００３８】
【数１７】
この式において、
χ：ゲイン適応の速さを制御するプリセット定数（例えば、0.02と0.05との間の値）、
Wref：-1から+1までの区間から選択されるプリセット値（例えば、-0.5）。
また、
【００４０】
【数１８】
である。
【００４２】
従って、ゲイン適応ブロック20がコントローラゲインKcを適応させ始めるためには、４つのスキャンが必要であった。なぜならば、振動指標が、k-4時においてコントローラ誤差信号を必要とするからである。さらに、上述の演算は、k-2及びk-4に依存しているが、例えば、k-6，k-8等を含む任意の数の間隔を用いてもよい。
【００４３】
加えて、雑音は、何れのプロセス制御システムにおいても共通して存在している。従って、雑音の影響を軽減するために、適応プロセスにおいて雑音補償を提供することが望ましい。例えば、ゲイン適応ブロック20は、次式に従って統計的に特定される値で、プリセット値Wrefを増加することにより、適応PID制御システム10における雑音に対処することが可能である。
【００４４】
【数１９】
この式において、
Wref noise：雑音に対処すべく修正されたプリセット値Wref、
φ：雑音補償の程度を規定するプリセット値（例えば、1及び4の間）、
σ：何れの最新のPIDコントローラでも公知の特徴であるケイパビリティ標準偏差であり、コントローラにより訂正できないプロセス出力の雑音及び高周波数変化を反映している。
【００４６】
この雑音補償の結果として、適応PID制御システム10は、このシステム内の雑音にあまり影響されないことを示している。
【００４７】
上述したように、振動指標Kc oscは、雑音に対して敏感であり、式（９）に従って補償され得る。雑音に対してあまり影響を受けないように振動指標Kc oscを演算するもう１つの方法は、次式のように振動指標を演算することである。
【００４８】
【数２０】
この式において、
i：int((k-k0)/2)、
k0：適応を開始した時間。
【００５０】
代わりに、雑音に対してあまり影響を受けないように振動指標Kc oscを演算する方法は、次式のように書くことが可能である。
【００５１】
【数２１】
従って、上式を用いることによって、振動指標は、プロセス変数PVが設定ポイントSPを通過するとしても、プロセス変数PVの変化の方向が正又は負に留まる限り演算され得る。プロセス変数PVの変化が方向を変えると直ぐに、もう１つのサイクルの振動指標の演算を実行しなければならない。
【００５３】
ゲイン適応が完了すると直ぐに又はゲイン適応と同時に、以下に記述するように、スーパーバイザ16は、リセット／変化率適応ブロック22を指示して、比例，積分，及び微分コントローラ項に影響を与える一又は複数のコントローラパラメータの適応を開始する。特に、リセット／変化率適応ブロック22は、コントローラ項の２つをプリセット比率にすべく、コントローラ積分時間及び／又は微分時間を適応させる。この比率は、1であってもよく、この場合には、２つの項は等しいが、比率は1でなくてもよい。また、以下に記述するように、図１の適応PID制御システム10は、比例及び積分コントローラ項の比率がプリセット比率と等しくなるようにすべく、コントローラ積分時間Tiを適応させるが、リセット／変化率適応ブロック22が、任意の組み合わせのコントローラ項を一又は複数の比率に適応させるようにプログラムされてもよいということは、当業者には理解され得る。例えば、適応PID制御システム10は、比例及び微分コントローラ項の比率を特定の値にすべく、微分時間Tdを適応させることができる。
【００５４】
１つの実施の形態において、リセット／変化率適応ブロック22、又はスーパーバイザ16は、まず、次式を満足するか否かを判定する。
【００５５】
【数２２】
この式において、
e(k)：k時における誤差信号（設定ポイントSPとプロセス変数PVとの間の差）、
Δe(k)：k時における誤差信号の変化。
【００５７】
上式を満足する場合には、即ち誤差信号の絶対値が減少する場合には、リセット／変化率適応ブロック22は、コントローラリセットTiを適応させ、次式に従ってゲイン変化を補償する。
【００５８】
【数２３】
この式において、
Ti(k+1)は、k+1時におけるコントローラ積分時間、
Ti(k)は、k時におけるコントローラ積分時間、
ΔTi(k)は、k時におけるコントローラ積分時間又はコントローラリセットの変化。
ここで、
【００６０】
【数２４】
この式において、
γ：リセット適応の速さを制御するプリセット定数（例えば、0.05及び0.5の間）。
また、
【００６２】
【数２５】
この式において、
ΔPk：k時におけるコントローラ比例項の変化、
ΔIk：k時におけるコントローラ積分時間の変化、
α：プリセット比率。
【００６４】
リセット／変化率適応の間、目標は、βを1と等しくすべく、コントローラ積分時間Ti(k)を適応させることであり、これは、積分及び比例項の変化の実際の比率が所望の比率αと等しくなるときに起きる。従って、上述したように、コントローラ積分時間Tiは、選択された値αに依存する値に収束する。αの値は、コントローラゲインを演算するための技術であるラムダチューニングで用いられるλとの関係により選択され得る。次の関係がモデルフリー型適応に対して開発されている。
【００６５】
αλ=1の場合、Ti(k)はゼロポール相殺値に収束し、
αλ>1の場合、Ti(k)はゼロポール相殺値よりも大きい方に収束し、
αλ<1の場合、Ti(k)はゼロポール相殺値よりも小さい方に収束する。
【００６６】
この関係を更に明確にするために、ラムダチューニングにおいてλがコントローラゲインを定義するのと同様の方法で、適応PIDコントローラ積分時間の値を規定するチューニングファクタΛは、
Λ=1/α
で演算され得る。k時におけるコントローラ積分時間Ti(k)は、次の公知の関係に従ってαλに依存する値に収束する。
【００６７】
Λ=λの場合、Ti(k)はゼロポール相殺値に収束し、
Λ<λの場合、Ti(k)はゼロポール相殺値の大きい方に収束し、
Λ>λの場合、Ti(k)はゼロポール相殺値の小さい方に収束する。
【００６８】
また、リセット／変化率適応ブロック22は、コントローラゲインKcとコントローラ積分時間Tiとの間の相互作用を補償するためのチェックを有することが可能である。まず、リセット／変化率適応ブロック22は、補償をする必要があるか否かを判定すべく、次式の試験を実行する。
【００６９】
【数２６】
この式において、
ΔTi(k)：k時におけるコントローラ積分時間の変化、
ΔKc(k)：k時におけるコントローラゲインの変化。
【００７１】
リセット／変化率適応ブロック22が、コントローラゲインとリセット適応との間の相互作用を補償すべきであると判断した場合には、即ち、コントローラ積分時間Ti及びコントローラゲインKcは、両方とも、正の方向に又は負の方向に変化していると判断した場合には、次式を用いてコントローラ積分時間Ti値を補償又は訂正し得る。
【００７２】
【数２７】
この式において、
Ti(k+1)corr：k+1時における補償されたコントローラ積分時間、
Ti(k+1)：k+1時における補償されていないコントローラ積分時間、
ΔTi(k)corr：k時における補償されたコントローラ積分時間の変化。
【００７４】
ΔTi(k)corrは、例えば、次式のように演算され得る。
【００７５】
【数２８】
この式において、
ΔTi(k)：k時におけるコントローラ積分時間の変化、
ΔKc(k)：k時におけるコントローラゲインの変化、
Kc(k)old：適応演算前のk時におけるコントローラゲイン、
κ：リセット補償の程度を表わすプリセット値（例えば、0.1）。
【００７７】
プロセス変数PVの振動を防止するために、適応PID制御システム10は、セイフティネット24を具備することが可能である。適応の間、プロセス変数、及び従って誤差値が零点を通過する場合に検出することができる制御応答が振動性であることをスーパーバイザ16が検出した場合には、即ち、次式を満足する場合には、
【００７８】
【数２９】
スーパーバイザ16は、コントローラゲインＫcを減少させるべく、セイフティネット24をアクティブにする。コントローラゲインの減少を有効にさせるために、セイフティネット24は、次式を用いてもよい。
【００８０】
【数３０】
この式において、
η：プリセット定数（例えば、0.95）、
Kc(k)：k時におけるコントローラゲイン。
【００８２】
図２は、参照符号50を付したコントローラゲインKcと、参照符号52を付したコントローラ積分時間Tiとの両方を時間に対してプロットしたグラフを示している。ここで、コントローラゲインKc及びコントローラ積分時間Tiは、線54により示されているプロセスゲイン特性と、線56により示されているプロセス遅延特性との変化に応じて、上述のシミュレーションされたプロセス制御システムにおいて適応させられている。特に、プロセスゲイン54は、k時で1.5+sin(k/7200)のように変化し、プロセス遅延56は、k時で10+10sin(k/14400)のように変化している。プロセス不感時間は約2秒、設定ポイントの変化は240秒毎、プロットサンプリング速度は20秒、比率αには1.6が選択されている。図２のグラフが示すように、コントローラゲインKc及びコントローラ積分時間Tiは、コントローラ状態の変化に適応させられているので、コントローラゲインKc（線56）は、プロセスゲイン54の変化とは逆に応答し、一方、コントローラ積分時間Ti（線52）は、プロセス遅延56の変化に良く追従した。
【００８３】
図３は、参照符号60を付したコントローラゲインKcと、参照符号62を付したコントローラ積分時間Tiとの両方を時間に対してプロットしたグラフを示している。ここで、コントローラゲインKc及びコントローラ積分時間Tiは、線64により示されているプロセスゲイン特性と、線66により示されているプロセス遅延特性との変化に応じて、且つ1パーセントの4分の1（0.25％）の雑音の存在下で、上述のシミュレーションされたプロセス制御システムにおいて適応させられている。プロセスゲイン64は、k時で1.5+sin(k/7200)のように変化し、プロセス遅延66は、k時で10+10sin(k/14400)のように変化している。プロセス不感時間は約2秒、設定ポイントの変化は240秒毎、プロットサンプリング速度は20秒、比率αには1.2が選択されている。図３のグラフが示すように、この適応プロセスへの雑音の影響は最小であり、コントローラゲインKc及びコントローラ積分時間Tiは、コントローラ状態の変化に適応させられているので、コントローラゲインKc（線60）は、プロセスゲイン64の変化とは逆に応答し、一方、コントローラ積分時間Ti（線62）は、プロセス遅延66の変化を良く追従したままであった。特に、コントローラゲインKcとプロセスゲインとの積は、線68により示される、（プロセスゲイン）*Kc+5としてプロットされ、雑音が存在しているのにも拘わらず、コントローラゲインKc（線60）とプロセスゲイン64との間の安定な逆相関を示している。
【００８４】
図４は、参照符号72を付した設定ポイントSPの変化に応じて、上述のシミュレーションされたプロセス制御システム内において適応させられ、参照符号70を付したプロセス変数PVをプロットしたグラフを示している。この図示のグラフにおいて、プリセット値Wrefには0.5が選択され、比率αには1.6が選択されている。注意すべき点は、設定ポイントSPの変化に応じて、プロセス変数70が適応される際の見かけ上の初期応答は、プロットされたデータを検索するために利用されたデータ履歴の制限に起因するものであるという点である。図４のグラフが示すように、プロセス変数70の変化は設定ポイント72の変化に非常に良く追従している。
【００８５】
ここで記述された適応PID制御システム10は、コントローラ比例項とコントローラ積分時間との比率を特定の値にすべく、コントローラ積分時間パラメータTiを適応させるが、当業者ならば理解できるように、微分時間Tdを適応させ、これによって比例コントローラ項と微分コントローラ項との比率を特定の値にすべく、同様の式を用いることができる。同様に、Ti及びTdを適応させ、これによって微分及び積分コントローラ項の比率を特定の値にすべく、これらの式の組の両方を用いることができる。これに代えて、コントローラ積分時間を適応させた後、微分時間をTd＝αc*Tiとして演算してもよく、この場合には、αcは、1/4から1/8の範囲の定数であり、例えば1/6.25である。
【００８６】
さらに、別の実施の形態においては、リセット／変化率適応ブロック22は、コントローラ積分時間及び／又は微分時間を、コントローラ項の２つの差を用いて適応させる。例えば、適応PID制御システム10は、比例項とコントローラ積分時間との差を用いて、コントローラ積分時間Tiを適応させることができる。特に、コントローラ積分時間は、次式のように演算し得る。
【００８７】
【数３１】
この式において、
ΔP：コントローラ比例項の変化、
ΔI：コントローラ積分時間の変化、
α：プリセット比率である。
ここで、
【００８９】
【数３２】
上式を書き換えると、
【００９１】
【数３３】
又は、
【００９３】
【数３４】
この式において、
e(k)：k時における誤差信号（設定ポイントSPとプロセス変数PVとの間の差）、
Ts：スキャン時間間隔、
Ti：リセット又はコントローラ積分時間、
Δe(k)：k時における誤差信号の変化。
最終的な適応の目標は、Δを零にすることであることを認識して、次式のように記述し得る。
【００９５】
【数３５】
この式において、
T’i=Ti+ΔT
上式を組み合わせると、コントローラ積分時間ΔTiは、最終的に次式のように演算され得る。
【００９７】
【数３６】
又は、
【００９９】
【数３７】
図５に示すもう１つの実施の形態においては、上述の適応アプローチは、更に、参照符号110により概して示されている適応ファジーロジックコントローラ（FLC）システムに適応し得る。適応FLCシステム110は、図１に示された適応PID制御システム10と同一の要素を利用するのが一般的であるが、適応FLCシステム110において、プロセスコントローラ12は、ファジーロジックコントローラ112と入れ替えられており、このFLCシステム110は、追加の誤差スケーリングファクタ／リセット適応翻訳ブロック114と、出力スケーリングファクタ適応翻訳ブロック116とを備えている。
【０１０１】
適応FLCシステム110は、適応PID制御システム10と関連して上述したのと同一の閉ループ動作に従って動作する。特に、プロセス変数PVは、プロセス14から検出され、設定ポイントSPとの比較のために加算ブロック26に与えられる。また、上述したように、励起生成器18も、この加算ブロック26に与えられてもよい。それから、誤差信号eは、ファジーロジックコントローラ（FLC）112に送られる。その間、スーパーバイザ16，ゲイン適応ブロック20，及びリセット／変化率適応ブロック22は、上述のように式（２）から式（１７）に従って動作する。誤差スケーリングファクタ／リセット適応翻訳ブロック114及び出力スケーリングファクタ適応翻訳ブロック116は、リセット／変化率適応ブロック22及びゲイン適応ブロック20からの演算結果を以下に詳述するファジーロジックスケーリングファクタに翻訳する。
【０１０２】
FLC 112は、予め規定されたファジールール，メンバーシップ機能，及び調整可能なスケーリングファクタを用いて動作する。FLC 112は、誤差スケーリングファクタSe，誤差スケーリングファクタの変化SΔeを用いることによって、また、予め規定されたメンバーシップ機能のそれぞれのメンバーシップの程度を演算することによって、プロセス制御ループに関連する物理的な値をファジーロジック値に翻訳する。それから、制御入力のファジーロジック値が、推論ルールを適応することによって制御出力のファジーロジック値を展開することに用いられる。１つの実施の形態において、FLC 112は、この推論プロセスの間、次表を利用し得る。
【０１０３】
【表１】
この表によれば、FLC 112は、制御入力展開上の誤差e及び該誤差変化Δeのそれぞれに対して２つのメンバーシップ機能値を、また、出力変化Δuに対して３つのシングルトン値を用いる。誤差e及び該誤差変化Δeのそれぞれに対する２つのメンバーシップ機能値は、正及び負である。出力変化Δuに対する３つのシングルトン値は、負，零，及び正である。ファジーロジック制御の非線形性は、プロセス変数PVのファジーセットへの翻訳（ファジフィケーション），推論ルール，及びこのファジーセットの連続信号への翻訳（デファジフィケーション）によるものである。
【０１０５】
ファジーロジックスケーリングファクタは、コントローラゲインKc、及び典型的な比例・積分・微分（PID）コントローラで用いられるリセットTi又は変化率Tdに関連している。特に、上述の適応PID制御システム10と同様に、適応FLCシステム110は、上で詳述されたモデルフリー型適応数式に従って、コントローラゲインKc，及びリセットTi又は変化率Tdを適応させる。
【０１０６】
それから、出力スケーリングファクタ適応翻訳ブロック116は、次の公知の式に従って、ゲイン適応ブロック20において演算されるコントローラゲインKcを用い得る。
【０１０７】
【数３８】
この式において、
SΔu：コントローラ出力スケーリングファクタの変化、
X：プリセット定数（例えば、2及び4の間の値）、
SΔe：誤差スケーリングファクタの変化、
Kc：コントローラゲイン。
また、
【０１０９】
【数３９】
この式において、
ΔSP：公称の変化に対する設定ポイントの変化（例えば、1％）。
βsfは、例えば、次式のように演算され得る。
【０１１１】
【数４０】
この式において、
Dは、プロセス不感時間、
Tcは、プロセス遅延。
【０１１３】
一方、誤差スケーリングファクタ／リセット適応翻訳ブロック114は、次式に従って、リセット／変化率適応ブロック22で演算されるコントローラ積分時間Tiを利用し得る。
【０１１４】
【数４１】
この式において、
Se：誤差スケーリングファクタ、
Ti：コントローラ積分時間、
SΔe：誤差スケーリングファクタの変化、
Δt：コントローラスキャン期間。
【０１１６】
適応PID制御システム10のように、本実施の形態においては、適応FLCシステム110もまた、プロセス変数PVの振動を防止すべく、セイフティネット24を具備し得る。特に、スーパーバイザ16は、コントローラ出力スケーリングファクタの変化SΔuを減少すべく、セイフティネット24をアクティブにすることが可能である。コントローラゲインの減少をならしめるために、セイフティネット24は、次式を用いることが可能である。
【０１１７】
【数４２】
この式において、
η：プリセット比例定数（例えば、0.95）、
SΔu：出力スケーリングファクタの変化。
【０１１９】
図６は、参照符号150を付したコントローラ出力スケーリングファクタの変化SΔuと、参照符号152を付した誤差スケーリングファクタSeとの両方を、時間に対してプロットしたグラフを示している。ここで、コントローラ出力スケーリングファクタの変化SΔu及び誤差スケーリングファクタSeは、線154により示されているプロセスゲイン特性と、線156により示されているプロセス遅延特性の変化に応じて、上述のシミュレーションされたファジーロジックプロセス制御システムにおいて適応させられている。特に、プロセスゲイン154は、k時で1.5+sin(k/7200)のように変化し、プロセス遅延156は、k時で15+10*sin(k/14400)のように変化している。プロセス不感時間は、約2秒、設定ポイントの変化は120秒毎、プロットサンプリング速度は10秒、比率αには1.2が選択されている。図６のグラフが示すように、コントローラ出力スケーリングファクタの変化SΔu及び誤差スケーリングファクタSeは、コントローラ状態の変化に適応させられているので、コントローラ出力スケーリングファクタの変化SΔu（線150）は、プロセスゲイン154の変化とは逆に応答し、一方、Se*5としてプロットされた誤差スケーリングファクタSe（線152）は、プロセス遅延156の変化に良く追従している。
【０１２０】
図７は、参照符号162を付した設定ポイントSPの変化に応じて、図６に示されているのと同様のシミュレーションされたファジーロジックプロセス制御システム110に適応させられ、また、参照符号160を付したプロセス変数PVをプロットしたグラフを示している。図７のグラフが示すように、プロセス変数160は、設定ポイントの変化162に非常に良い追従を示している。
【０１２１】
図８は、参照符号172を付した設定ポイントSPの変化に応じて、ここで記述された原理を利用するもう１つのシミュレーションされたファジーロジックプロセス制御システムで適応させられ、また、参照符号170を付したプロセス変数PVをプロットしたグラフを示している。このシミュレーションされたプロセス制御システムにおいて、プロセスゲインは1.5、コントローラ出力スケーリングファクタSΔuは1.0、プロセス不感時間は2秒、プロットサンプリング速度は10秒、プロセス遅延は15秒から5秒に変化し、設定ポイントは120秒毎に+/-6％変化し、αの値には1.2が選択され、そしてλの値には0.2が選択されている。プロセス適応は、17番目のサンプルの後に開始された。図８のグラフが示すように、適応が開始された後、プロセス変数PVの変化（線170）は、設定ポイントSPの変化（線172）に非常に良い追従を示している。
【０１２２】
図１の適応PID制御システム10と、図５の適応FLCシステム110とは、ブロック図形式で示されているが、スーパーバイザ16，ゲイン適応ブロック20，リセット／変化率適応ブロック22，セイフティネット24，スケーリングファクタ誤差／変化率翻訳ブロック114，及びスケーリングファクタ出力翻訳ブロック116は、個別の若しくは共通のハードウェア、又はメモリ内、更にはファームウェア内のソフトウェアとして実現され、プロセッサ上で実行されてもよい。これらの要素は、所望により、同一のデバイス若しくはプロセッサ上で、又は異なるデバイス若しくはプロセッサ上で実現されてもよく、また、所望の任意のプログラム言語を用いてプログラムされてもよい。さらに、これらの要素は、コントローラ12の如きコントローラ、励起生成器18、又は他の任意のデバイス内で実現されてもよい。同様に、励起生成器18は、方形波生成器，正弦波生成器等の何れの種類の信号生成器であってもよく、本質的には、デジタル又はアナログであっても構わない。
【０１２３】
本願発明は、特定の例を引用して記述されてきたが、これらは、例示のみを意図したものであって本願発明を限定するものではない。また、本願発明の目的及び範疇を逸脱することなく、開示された実施の形態に対して変更，追加，又は削除がなし得ることは、当業者にとって明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 モデルフリー型適応PIDプロセス制御システムのブロック図である。
【図２】 図１のシステムにおけるプロセスパラメータの変化に応じたコントローラゲイン及びリセット適応をプロットしたグラフである。
【図３】 図１のシステムにおける雑音の存在下で、プロセスパラメータの変化に応じたコントローラゲイン及びリセット適応をプロットしたグラフである。
【図４】 図１の適応PIDプロセス制御システムを用いて、設定ポイントの変化に応じたプロセス変数の変化をプロットしたグラフである。
【図５】 モデルフリー型適応ファジーロジックプロセス制御システムのブロック図である。
【図６】 図５のシステムにおけるプロセスパラメータの変化に応じたコントローラ出力スケーリングファクタ及び誤差スケーリングファクタ適応の変化をプロットしたグラフである。
【図７】 図６に示した適応の結果として、設定ポイントの変化に応じたプロセス変数の変化をプロットしたグラフである。
【図８】 図５の適応ファジーロジックプロセス制御システムを用いて、設定ポイントの変化に応じたプロセス変数の変化をプロットしたグラフである。
【符号の説明】
10 適応PID制御システム
12 プロセスコントローラ
14 プロセス
16 スーパーバイザ
18 励起生成器
20 ゲイン適応ブロック
22 リセット／変化率適応ブロック
24 セイフティネットブロック
26 加算ブロック
OUT 制御信号
PV プロセス変数
SP 設定ポイント
Claims (41)
- プロセス制御信号を生成すべく、設定ポイント及びプロセス変数を利用するプロセスコントローラをチューニングするために用いるチューナであって、
前記設定ポイントと前記プロセス変数との間の差を表わす誤差信号を生成する第１のモジュールと、
前記プロセスコントローラをチューニングするために用いるゲインを生成すべく前記誤差信号を利用するゲイン適応モジュールと、
前記プロセス変数が振動することを検出することによって該プロセス変数を監視し、前記プロセス変数が振動することを検出した場合に、前記プロセス変数が振動することを防止すべく、前記ゲインを修正する第２のモジュールと
を備え、
前記ゲイン適応モジュールは、振動指標ゲインとプロセス定常状態ゲインから演算されるゲインとの組み合わせとして前記ゲインを演算すべくなしてある
ことを特徴とするチューナ。 - 前記第１のモジュールは、更に、前記誤差信号が所定の閾値よりも大きい場合に、前記ゲイン適応モジュールに前記ゲインを生成させるべくなしてあることを特徴とする請求項１記載のチューナ。
- 励起信号を生成する励起生成器と、前記誤差信号を前記所定の閾値よりも大きくすべく前記励起信号を前記誤差信号に加算する加算器とを更に備えることを特徴とする請求項２記載のチューナ。
- 前記第２のモジュールは、前記誤差信号がゼロポイントを通過することを検出することにより、前記プロセス変数が振動することを検出すべくなしてあることを特徴とする請求項１記載のチューナ。
- 前記第２のモジュールは、前記ゲインを減衰定数で乗じることにより、前記プロセス変数が振動することを防止すべく前記ゲインを修正すべくなしてあることを特徴とする請求項１記載のチューナ。
- 前記減衰定数は、1より小さい正の定数であることを特徴とする請求項５記載のチューナ。
- 前記ゲイン適応モジュールは、更に、比例・積分・微分（PID）コントローラゲイン、比例・積分（PI）コントローラゲイン、又は比例・微分（PD）コントローラゲインのうちの１つを生成すべくなしてあることを特徴とする請求項１記載のチューナ。
- 前記ゲイン適応モジュールは、前記ゲインを、前記振動指標ゲインから演算されるゲインと、前記プロセス定常状態ゲインから演算されるゲインとの重み付け加算として演算すべくなしてあることを特徴とする請求項１記載のチューナ。
- 前記ゲイン適応モジュールは、前記プロセス定常状態ゲインからコントローラゲインを次式に従って演算すべくなしてあることを特徴とする請求項１記載のチューナ。
Kc SS：プロセス定常状態ゲインから演算されるゲイン
PV0：設定ポイントの変化前のプロセス変数
OUT0：設定ポイントの変化前のコントローラ出力
PV1：設定ポイントの変化後の定常状態プロセス変数
OUT1：設定ポイントの変化後の定常状態コントローラ出力
λ：ラムダコントローラチューニングファクタ
DT：プロセス不感時間
Ti(k)：k時におけるコントローラリセット - 前記ゲイン適応モジュールは、前記振動指標から前記コントローラゲインを次式に従って演算すべくなしてあることを特徴とする請求項１記載のチューナ。
Kc OCS(k)：k時における振動指標から演算されるゲイン
Kc OCS(k-1)：k-1時における振動指標から演算されるゲイン
ΔKc OCS(k)：k時における振動指標から演算されるゲインの変化
ここで、
χ：0.02と0.05との間の値である所定の定数
Wref：-1から+1の区間から選択されるプリセット値
W(k)：k時における振動指標
ここで、
i = int((k-k0)/2)
k0：適応を開始した時間
e(k)：k時における誤差信号 - 前記ゲイン適応モジュールは、更に、雑音レベルに依存して決定された値により、前記プリセット値Wrefを変更することにより、雑音の影響を軽減すべくなしてあることを特徴とする請求項１０記載のチューナ。
- プロセス制御信号を生成すべく、設定ポイント及びプロセス変数を利用するプロセスコントローラをチューニングするために用いるチューナであって、
前記設定ポイントと前記プロセス変数との間の差を表わす誤差信号を生成する第１のモジュールと、
前記プロセスコントローラをチューニングするために用いる比例項、コントローラ積分時間、及び微分項のうちの少なくとも２つを演算すべく、前記誤差信号を利用する適応モジュールと、
前記プロセス変数が振動することを検出することによって該プロセス変数を監視し、前記プロセス変数が振動することを検出した場合に、前記プロセス変数が振動することを防止すべく、前記比例項、前記コントローラ積分時間、及び前記微分項のうちの少なくとも１つを修正する第２のモジュールと
を備え、
前記適応モジュールは、第１並びに第２の比例、積分、及び微分項を演算し、その結果、第１の項の変化と第２の項の変化との比率がプリセット定数と等しくなるようになしてある
ことを特徴とするチューナ。 - 前記第１のモジュールは、更に、前記誤差信号が所定の閾値より大きい場合に、前記適応モジュールに前記第１の項と前記第２の項とを演算させるべくなしてあることを特徴とする請求項１２記載のチューナ。
- 励起信号を生成する励起生成器と、該励起信号を前記誤差信号に加算する加算器とを更に備えることを特徴とする請求項１３記載のチューナ。
- 前記適応モジュールは、前記プリセット定数とラムダチューニング定数との積が約1であるようなプリセット定数を利用すべくなしてあることを特徴とする請求項１２記載のチューナ。
- 前記適応モジュールは、前記プリセット定数とラムダチューニング定数との積が1より大きいようなプリセット定数を利用すべくなしてあることを特徴とする請求項１２記載のチューナ。
- 前記適応モジュールは、前記プリセット定数とラムダチューニング定数との積が1より小さいようなプリセット定数を利用すべくなしてあることを特徴とする請求項１２記載のチューナ。
- 前記第２のモジュールは、更に、前記誤差信号がゼロポイントを通過することを検出することにより、前記プロセス変数が振動することを検出すべくなしてあることを特徴とする請求項１２記載のチューナ。
- 前記第２のモジュールは、前記比例項、前記コントローラ積分時間、及び前記微分項のうちの少なくとも１つを減衰定数と乗じることにより、前記プロセス変数が振動することを防止すべく前記比例項、前記コントローラ積分時間、及び前記微分項のうちの少なくとも１つを修正すべくなしてあることを特徴とする請求項１２記載のチューナ。
- 前記減衰定数は、1より小さい正の定数であることを特徴とする請求項１９記載のチューナ。
- 前記適応モジュールは、前記コントローラ積分時間を次式に従って演算すべくなしてあることを特徴とする請求項１２記載のチューナ。
Ti(k+1)：k+1時におけるコントローラ積分時間
Ti(k)：k時におけるコントローラ積分時間
ΔTi(k)は、k時におけるコントローラ積分時間の変化
ここで、
γ：リセット適応の速さを制御するプリセット定数（例えば、0.05と0.5との間）
また、
ΔPk：k時における比例項の変化
ΔIk：k時におけるコントローラ積分時間の変化
α：プリセット比率 - プロセス制御信号を生成すべく、設定ポイント及びプロセス変数を利用するプロセスコントローラをチューニングするために用いるチューナであって、
前記設定ポイントと前記プロセス変数との間の差を表わす誤差信号を生成する第１のモジュールと、
前記プロセスコントローラをチューニングするために用いるゲインを生成すべく前記誤差信号を利用するゲイン適応モジュールと、
前記プロセスコントローラをチューニングするために用いる比例項、コントローラ積分時間、及び微分項のうちの少なくとも２つを演算すべく、前記誤差信号を利用する適応モジュールと
を備え、
前記ゲイン適応モジュールは、振動指標ゲインとプロセス定常状態ゲインから演算されるゲインの組み合わせとして前記ゲインを演算し、
前記適応モジュールは、第１並びに第２の比例、積分、及び微分項を演算し、その結果、第１の項の変化と第２の項の変化との比率がプリセット定数と等しくなるようになしてある
ことを特徴とするチューナ。 - 前記第１のモジュールは、更に、前記誤差信号が所定の閾値よりも大きい場合に、前記ゲイン適応モジュールに前記ゲインを生成させ、前記適応モジュールに前記第１の項と前記第２の項とを演算させるべくなしてあることを特徴とする請求項２２記載のチューナ。
- 励起信号を生成する励起生成器と、該励起信号を前記誤差信号に加算する加算器とを更に備えることを特徴とする請求項２３記載のチューナ。
- 前記適応モジュールは、前記コントローラゲインの変化と前記コントローラ積分時間との積が零よりも大きい場合に、該コントローラ積分時間を補償すべくなしてあることを特徴とする請求項２２記載のチューナ。
- 前記適応ブロックは、前記コントローラ積分時間を次式に従って補償すべくなしてあることを特徴とする請求項２５記載のチューナ。
ΔTi(k)corr：k時におけるコントローラ積分時間の補償された変化
ΔTi(k)：k時におけるコントローラ積分時間の変化
ΔKc(k)：k時におけるゲインの変化
Kc(k)old：適応モジュールが補償する前のk時におけるゲイン
κ：リセット補償の程度 - プロセス制御信号を生成すべく、設定ポイント及びプロセス変数を利用するプロセスコントローラをチューニングする方法であって、
前記設定ポイントと前記プロセス変数との間の差を表わす誤差信号を生成するステップと、
前記プロセスコントローラをチューニングするために用いる比例項、コントローラ積分時間、及び微分項のうちの少なくとも２つを演算するステップと
を有し、
第１の項の変化と第２の項の変化との比率は、プリセット定数と等しい
ことを特徴とする方法。 - 前記誤差信号が所定の閾値よりも大きい場合に、前記比例項、前記コントローラ積分時間、及び前記微分項のうちの少なくとも２つを演算するステップを更に有することを特徴とする請求項２７記載の方法。
- 励起信号を導入するステップと、該励起信号を前記誤差信号に加算するステップとを更に有することを特徴とする請求項２８記載の方法。
- 前記プロセス変数が振動することを検出することによって該プロセス変数を監視するステップを更に有し、
前記プロセス変数が振動することを検出した場合に、前記誤差信号が振動することを防止すべく、前記比例項、前記コントローラ積分時間、及び前記微分項のうちの少なくとも１つを修正することを特徴とする請求項２７記載の方法。 - 前記プロセスコントローラをチューニングするために用いるゲインを生成するステップを更に有し、
前記ゲインは、振動指標ゲインとプロセス定常状態ゲインから演算されるゲインとの組み合わせである
ことを特徴とする請求項２７記載の方法。 - プロセス制御信号を生成すべく、設定ポイント及びプロセス変数を利用するプロセスコントローラをチューニングするチューニングシステムであって、
メモリと、
該メモリに格納され、前記設定ポイントと前記プロセス変数との間の差を表わす誤差信号を生成すべくプロセッサ上で実行される第１の論理ルーチンと、
前記メモリに格納され、前記プロセスコントローラをチューニングするために用いるゲインを生成すべくプロセッサ上で実行される第２の論理ルーチンと
を備え、
前記ゲインは、振動指標ゲインから演算されるゲインと、プロセス定常状態ゲインから演算されるゲインとの組み合わせである
ことを特徴とするチューニングシステム。 - 前記メモリに格納され、前記誤差信号が所定の閾値よりも大きい場合に、前記ゲインを生成すべくプロセッサ上で実行される第３の論理ルーチンを更に備えることを特徴とする請求項３２記載のチューニングシステム。
- 前記メモリに格納され、前記プロセスコントローラをチューニングするために用いる比例項、コントローラ積分時間、及び微分項のうちの少なくとも２つを演算すべくプロセッサ上で実行される第３の論理ルーチンを更に備え、
第１の項の変化と第２の項の変化との比率は、プリセット定数と等しい
ことを特徴とする請求項３２記載のチューニングシステム。 - 前記メモリに格納され、前記誤差信号が所定の閾値よりも大きい場合に、前記ゲインを生成すべくプロセッサ上で実行される第４の論理ルーチンを更に備えることを特徴とする請求項３４記載のチューニングシステム。
- 前記メモリに格納され、前記プロセス変数が振動することを検出することによって該プロセス変数を監視し、該プロセス変数が振動することを検出した場合に、前記ゲインを修正して前記プロセス変数が振動することを防止すべく、プロセッサ上で実行される第４の論理ルーチンを更に備えることを特徴とする請求項３４記載のチューニングシステム。
- プロセス制御システムであって、
プロセス制御信号を生成すべく設定ポイント及びプロセス変数を利用するプロセスコントローラと、
該プロセスコントローラをチューニングするチューナと、
前記設定ポイントと前記プロセス変数との間の差を表わす誤差信号を生成する第１のモジュールと、
前記プロセスコントローラをチューニングするために用いるゲインを生成すべく前記誤差信号を利用するゲイン適応モジュールと
を備え、
前記ゲイン適応モジュールは、振動指標ゲインから演算されるゲインと、プロセス定常状態ゲインから演算されるゲインとの組み合わせとして前記ゲインを演算すべくなしてある
ことを特徴とするプロセス制御システム。 - 前記第１のモジュールは、更に、前記誤差信号が所定の閾値よりも大きい場合に、前記ゲイン適応モジュールに前記ゲインを生成させるべくなしてあることを特徴とする請求項３７記載のプロセス制御システム。
- 前記プロセス変数が振動することを検出することによって該プロセス変数を監視し、前記プロセス変数が振動することを検出した場合に、前記プロセス変数が振動することを防止すべく前記ゲインを修正する第２のモジュールを更に備えることを特徴とする請求項３７記載のプロセス制御システム。
- 前記第２のモジュールは、前記ゲインを減衰定数で乗じることにより、前記プロセス変数が振動することを防止すべく前記ゲインを修正すべくなしてあることを特徴とする請求項３９記載のプロセス制御システム。
- 前記プロセスコントローラをチューニングするために用いる比例項、コントローラ積分時間、及び微分項のうちの少なくとも２つを演算すべく前記誤差信号を利用する適応モジュールを更に備え、
該適応モジュールは、第１並びに第２の比例項、コントローラ積分時間、及び微分項を演算し、その結果、第１の項の変化と第２の項の変化との比率がプリセット定数と等しくなるようになしてあることを特徴とする請求項３９記載のプロセス制御システム。
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