JP4361852B2 - 制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、プロセス制御技術に関するものであり、特に少なくとも２個の制御ループを有する制御系において状態量差などを制御対象とする制御装置に関するものである。

図１１（ａ）に、従来の制御装置である温度調節計の構成を示す（例えば特許文献１参照）。炉１００１内には、熱処理ワーク１０１６が搬入され、またヒータ１０１１と、制御温度ＴＣ１を検出する検出手段１０１２と、ワーク１０１６の表面温度ＴＣ２を検出する検出手段１０１３と、ワーク１０１６の最深温度ＴＣ３を検出する検出手段１０１４とが配設されている。１００２は電力調整器を示している。制御部１００３は、制御温度ＴＣ１と実行プログラムパターン設定値１０３３とを比較する比較器１０３１と、比較器１０３１の出力により制御されるＰＩＤ等の制御演算部１０３２と、ワーク１０１６の表面温度ＴＣ２と最深温度ＴＣ３との差を検出する温度差検出器１０３４と、予め定められた温度差を設定する温度差設定器１０３５と、温度差検出器１０３４の出力と温度差設定器１０３５の出力とを比較する比較器１０３６と、最深温度ＴＣ３の温度変化率を検出する変化率検出器１０３８と、変化率検出器１０３８の出力と予め定められた温度変化率を設定する変化率設定器１０３９の出力とを比較する比較器１０４０と、比較器１０３６の出力と比較器１０４０の出力に基づいて傾斜演算し実行プログラムパターン設定値１０３３を制御する傾斜演算器１０３７とを有している。

温度差設定器１０３５には許容可能な最大の温度差が設定され、また変化率設定器１０３９には許容可能な最大の温度変化率が設定される。図１１（ａ）の構成により、熱処理ワーク１０１６内の温度差、温度変化率の一方もしくは両方が指定された温度許容値以内に入るように、実行プログラムパターン設定値１０３３中の傾斜が常時修正される。
図１１（ａ）中の破線で囲まれている部分に着目すると、計測された複数の温度ＴＣ１，ＴＣ２，ＴＣ３に基づき温度差（ＴＣ２−ＴＣ３）および温度変化率ｄＴＣ３／ｄｔを算出する状態量変換が行なわれていることが理解できる。すなわち、図１１（ａ）の温度調節計は、温度差（ＴＣ２−ＴＣ３）および温度変化率ｄＴＣ３／ｄｔを算出する状態量変換部１０４１を備えていることになる（図１１（ｂ））。

図１２（ａ）に、従来の他の制御装置である温度調整装置の構成を示す（例えば特許文献２参照）。図中の２００２は縦型熱処理装置２０２０の反応管であり、この反応管２００２の内部には、ウエハボ−ト２０２１に搭載された半導体ウエハの近傍の温度を検出する温度センサＡが設けられると共に、反応管２００２の外面の温度を検出する温度センサＢが設けられている。偏差回路部２０３１は、温度センサＡの目標値から後述する補正値を引いた偏差、すなわち温度センサＢの目標値を出力する。偏差回路部２０３２は、温度センサＢの目標値から温度センサＢの検出値を引いた偏差をＰＩＤ調節部２００４に出力する。ＰＩＤ調節部２００４は、入力された偏差に基づいてＰＩＤ演算を行い、その演算結果を電力制御部２００５に出力し、電力制御部２００５は、ＰＩＤ調節部２００４の出力値に基づいて縦型熱処理装置２０２０の加熱源であるヒ−タ２００６への電力供給量を制御する。一方、補正値出力部２００７は、温度センサＢの検出値が目標値に収束したとき、この収束した時点の温度センサＡの検出値と温度センサＢの検出値との差（Ａ−Ｂ）を補正値とし、温度センサＢの目標値を補正値分だけ修正する。図１２（ａ）の構成により、温度センサＡの検出値が目標値に収束する。

図１２（ａ）中の破線で囲まれている部分に着目すると、計測された複数の温度Ａ，Ｂに基づき温度差（Ａ−Ｂ）を算出する状態量変換が行なわれていることが理解できる。すなわち、図１２（ａ）の温度調整装置は、温度差（Ａ−Ｂ）を算出する状態量変換部２００８を備えていることになる（図１２（ｂ））。
以上のように、実際の状態量そのものだけではなく、状態量差を制御系に取り込む努力は従来から行なわれており、特に状態量差を制御対象として制御系を構成するケースでは、制御系に前記状態量変換部が設けられる。

ここで、２個の制御ループにおいて、状態量ＰＶ１，ＰＶ２そのものではなく、状態量平均値ＰＶ１’と状態量差ＰＶ２’とを制御対象とすることを考える。この場合の制御装置を図１３に示す。図１３の制御装置は、状態量平均値ＰＶ１’に対する設定値ＳＰ１’と状態量平均値ＰＶ１’との差を出力する減算器３００１と、状態量差ＰＶ２’に対する設定値ＳＰ２’と状態量差ＰＶ２’との差を出力する減算器３００２と、減算器３００１，３００２の出力に基づいてそれぞれ操作量ＭＶ１，ＭＶ２を算出するコントローラＣ１，Ｃ２と、制御対象プロセスＰ１，Ｐ２に対してそれぞれ操作量ＭＶ１，ＭＶ２に応じた操作を行うアクチュエータＡ１，Ａ２と、状態量変換部３００３とを有する。

状態量変換部３００３は、制御対象プロセスＰ１，Ｐ２の状態量ＰＶ１，ＰＶ２に対してそれぞれ０．５を乗算する乗算器３００４，３００５と、状態量ＰＶ１，ＰＶ２に対してそれぞれ−１，１を乗算する乗算器３００６，３００７と、乗算器３００４と３００５の出力を加算する加算器３００８と、乗算器３００６と３００７の出力を加算する加算器３００９とから構成される。このような状態量変換部３００３により、状態量平均値ＰＶ１’と状態量差ＰＶ２’とは次式のようになる。
ＰＶ１’＝０．５ＰＶ１＋０．５ＰＶ２ ・・・（１）
ＰＶ２’＝ＰＶ２−ＰＶ１ ・・・（２）
また、状態量変換部３００３の入出力の関係をマトリックスで表現すると、以下のようになる。

コントローラＣ１は状態量平均値ＰＶ１’を対象とし、コントローラＣ２は状態量差ＰＶ２’を対象とする。コントローラＣ１は、設定値ＳＰ１’と状態量平均値ＰＶ１’との偏差に基づき操作量ＭＶ１を算出し、コントローラＣ２は、設定値ＳＰ２’と状態量差ＰＶ２’との偏差に基づき操作量ＭＶ２を算出する。このとき、状態量平均値ＰＶ１’と状態量差ＰＶ２’とがそれぞれ制御可能な状態になるために、コントローラＣ１で算出される操作量ＭＶ１はアクチュエータＡ１に送られ、コントローラＣ２で算出される操作量ＭＶ２はアクチュエータＡ２に送られるように構成される。これにより、アクチュエータＡ１は状態量平均値ＰＶ１’を制御するために動作し、アクチュエータＡ２は状態量差ＰＶ２’を制御するために動作することになる。このように、図１１（ｂ）や図１２（ｂ）に示したものと同様の状態量変換部３００３を適用するだけで、状態量平均値ＰＶ１’を直接制御するコントローラＣ１と状態量差ＰＶ２’を直接制御するコントローラＣ２とを含むマルチループの制御系を構成でき、状態量平均値ＰＶ１’と状態量差ＰＶ２’とを所望の値に制御することができる。

しかし、アクチュエータＡ１の動作により状態量ＰＶ１に変化が与えられると、この変化は状態量変換部３００３の作用により状態量差ＰＶ２’にも影響を与える。同様に、アクチュエータＡ２の動作により状態量ＰＶ２に変化が与えられると、この変化は状態量変換部３００３の作用により状態量平均値ＰＶ１’にも影響を与える。すなわち、図１３に示した制御装置では、状態量変換部３００３により人工的にループ間干渉が発生する構成となってしまう。

状態量平均値ＰＶ１’を算出するために状態量ＰＶ１，ＰＶ２に乗算する係数は共に０．５であるため、制御対象プロセスＰ１のプロセスゲインＫｐ１と制御対象プロセスＰ２のプロセスゲインＫｐ２とが同程度だと仮定すると、アクチュエータＡ１が動作することによる状態量平均値ＰＶ１’への影響度と、アクチュエータＡ２が動作したときのループ間干渉による状態量平均値ＰＶ１’への影響度（アクチュエータＡ２により状態量平均値ＰＶ１’が乱れる影響度）とは、同程度ということになる。同様に、状態量差ＰＶ２’を算出するために状態量ＰＶ１，ＰＶ２に乗算する係数の絶対値は共に１であるため、アクチュエータＡ２が動作することによる状態量差ＰＶ２’への影響度と、アクチュエータＡ１が動作したときのループ間干渉による状態量差ＰＶ２’への影響度（アクチュエータＡ１により状態量差ＰＶ２’が乱れる影響度）とは、同程度ということになる。したがって、状態量変換部を単純に適用するだけでは、本質的に人工的なループ間干渉が強くなる傾向にあるので、制御性が劣化しやすくなるという問題が発生する。

そこで、ループ間の非干渉化を実現するために、非特許文献１に開示されたクロスコントローラを適用することが容易に想到できる。非特許文献１に開示された制御装置の構成を図１４に示す。図１４の制御装置は、設定値ＳＰ１と状態量ＰＶ１との差を出力する減算器４００１と、設定値ＳＰ２と状態量ＰＶ２との差を出力する減算器４００２と、減算器４００１，４００２の出力に基づいてそれぞれ操作量ＭＶ１，ＭＶ２を算出するコントローラ４００３，４００４と、操作量ＭＶ１，ＭＶ２をそれぞれ変換した操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’を出力するクロスコントローラ４００５とを有する。

クロスコントローラ４００５は、ループ間干渉による影響分を予め打ち消す処理を操作量ＭＶ１，ＭＶ２に対して行うものであり、操作量ＭＶ１に係数Ｍ１２を乗算する乗算器４００７と、操作量ＭＶ２に係数Ｍ２１を乗算する乗算器４００８と、操作量ＭＶ１と乗算器４００８の出力との差を操作量ＭＶ１’として出力する減算器４００９と、操作量ＭＶ２と乗算器４００７の出力との差を操作量ＭＶ２’として出力する減算器４０１０とから構成される。ここでは説明を簡単にするため、プロセス時定数やプロセスむだ時間などの動的特性は無視することにする。操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’に対する制御対象プロセス４００６のプロセスゲインをそれぞれＫｐ１，Ｋｐ２とすると、非特許文献１によれば、非干渉化のためのクロスコントローラ４００５は以下のように設計できる。
ＭＶ１’＝ＭＶ１＋（−０．５Ｋｐ２／０．５Ｋｐ１）ＭＶ２ ・・・（４）
ＭＶ２’＝（Ｋｐ１／Ｋｐ２）ＭＶ１＋ＭＶ２ ・・・（５）
また、クロスコントローラ４００５の入出力の関係をマトリックスで表現すると、以下のようになる。

すなわち、前述の係数Ｍ１２は−Ｋｐ１／Ｋｐ２、係数Ｍ２１は０．５Ｋｐ２／０．５Ｋｐ１となる。コントローラ４００３により算出された操作量ＭＶ１は、クロスコントローラ４００５により操作量ＭＶ１’に変換された後に図示しないアクチュエータを介して制御対象プロセス４００６に送られ、コントローラ４００４により算出された操作量ＭＶ２は、クロスコントローラ４００５により操作量ＭＶ２’に変換された後にアクチュエータを介して制御対象プロセス４００６に送られる。

図１４に示したクロスコントローラ４００５を図１３の制御装置に適用した構成を図１５に示す。状態量変換部３００３とクロスコントローラ４００５とを用いることにより、状態量平均値ＰＶ１’のみを専用的に制御するコントローラＣ１を中心とする第１制御ループと、状態量差ＰＶ２’のみを専用的に制御するコントローラＣ２を中心とする第２制御ループとを有するマルチループの制御系を実現できる。状態量平均値ＰＶ１’のみを専用的に制御するコントローラＣ１の応答特性を安定性重視の方向（低感度）で調整し、状態量差ＰＶ２’のみを専用的に制御するコントローラＣ２の応答特性を即応性重視の方向（高感度）で調整すれば、状態量平均値ＰＶ１’が設定値ＳＰ１’に追従するよりも前に、状態量差ＰＶ２’が設定値ＳＰ２’に追従するようになるので、状態量差ＰＶ２’を所望の値に維持しながら、状態量平均値ＰＶ１’を所望の値に変更するような制御が可能になる。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開平８−０９５６４７号公報 特開平９−１９９４９１号公報 広井和男，「ディジタル計装制御システムの基礎と応用」，工業技術社，１９８７年１０月，ｐ．１５２−１５６，ＩＳＢＮ４−９０５９５７−００−１

［第１の課題］
実際のアクチュエータには出力の上下限があり、コントローラはこの上下限を考慮した操作量算出をしなければならない。つまり、アクチュエータの出力が上限値あるいは下限値に達して状態量の変化に限界が生じている状態においては、コントローラは必要以上に操作量の算出結果を高くしたり低くしたりしてはならない。ＰＩＤ等のコントローラがアクチュエータの物理的な上下限を考慮しない場合、積分ワインドアップという問題が生じる。

以下、この積分ワインドアップについて具体的に説明する。例えば、状態量が温度であり、アクチュエータがヒータである場合、一般的にヒータ出力には下限値０％、上限値１００％という制約が与えられる。コントローラで算出される操作量ＭＶが上昇して１００％に達すると、ヒータ出力も１００％に達する。このとき、温度設定値ＳＰに対して温度計測値ＰＶが低い場合、仮にコントローラがヒータ出力の上限値１００％を無視していると、コントローラは１００％よりも大きな操作量ＭＶを算出することになる。ところが、ヒータ出力は１００％で飽和するため、ヒータ出力の上昇に応じた温度計測値ＰＶの上昇は限界に達し、その結果、コントローラは操作量ＭＶをさらに大きな値へと上げていくことになる。

そして、操作量ＭＶの算出値が上昇し続けて例えば５００％に達した時点で、温度設定値ＳＰが温度計測値ＰＶよりも低い値に変更されたと仮定する。温度設定値ＳＰの変更により、コントローラは、操作量ＭＶを５００％から下げていくことになるので、ヒータ出力の上限値１００％よりも低い操作量ＭＶがコントローラから出力されるようになるまでに長い時間がかかる。したがって、温度設定値ＳＰを温度計測値ＰＶよりも低い値に変更したにもかかわらず、コントローラからは長時間にわたって操作量１００％が出力され、結果的に温度降下の開始が大きく遅れることになる。以上のように操作量ＭＶの算出結果が必要以上に高くなり、設定値ＳＰが小さい値に変更されたときに操作量ＭＶの降下が遅れる現象が積分ワインドアップと呼ばれる現象であり、コントローラがアクチュエータの物理的な上下限を考慮して操作量を算出しないことに起因する。

図１５に示した制御装置では、コントローラＣ１，Ｃ２において算出される操作量ＭＶ１，ＭＶ２がクロスコントローラ４００５により操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’に変換される。言い換えれば、コントローラＣ１，Ｃ２が算出する操作量ＭＶ１，ＭＶ２は、複数のアクチュエータＡ１，Ａ２への合成操作量として算出されるわけであり、コントローラＣ１，Ｃ２の操作量ＭＶ１，ＭＶ２とアクチュエータＡ１，Ａ２の出力とが１対１に対応しなくなる。したがって、コントローラＣ１，Ｃ２がアクチュエータＡ１，Ａ２の出力の上下限を考慮した操作量ＭＶ１，ＭＶ２の算出を行ったとしても、アクチュエータＡ１，Ａ２に実際に出力されるのは操作量ＭＶ１，ＭＶ２を合成した操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’なので、結果としてアクチュエータＡ１，Ａ２の出力の上下限を考慮していない操作量出力がアクチュエータＡ１，Ａ２に対して行われる可能性がある。このため、図１５に示した制御装置では、前述のＰＩＤコントローラと同様の積分ワインドアップが発生するという問題点があった。

［第２の課題］
また、通常のコントローラでは、制御対象の特性に合わせてパラメータの調整を行なわなければならない。パラメータ調整の例としては、ＰＩＤコントローラにおけるＰＩＤパラメータ調整がある。従来、このようなパラメータ調整を実現するための調整方法や自動調整機能などが考案されているが、この調整方法や自動調整機能は基本的にコントローラとアクチュエータと制御対象と計測手段とが物理的に対応していることが必要条件になる。

以下、従来のパラメータ調整について具体的に説明する。例えば、状態量が温度であり、アクチュエータがヒータであり、制御対象が炉であり、計測手段が熱電対などの温度センサである場合を考える。このとき、図１６に示すように、２個の制御ループを想定し、コントローラ５００３，５００４と、アクチュエータであるヒータ５００５，５００６と、制御対象である炉５００７，５００８と、計測手段である温度センサ５００９，５０１０とを備えるものとする。図１６において、５００１は温度設定値ＳＰ１と温度計測値ＰＶ１との差を出力する減算器、５００２は温度設定値ＳＰ２と温度計測値ＰＶ２との差を出力する減算器である。

図１６の構成においては、多少のループ間干渉は許容するものの、コントローラ５００３はヒータ５００５に操作量ＭＶ１を出力し、ヒータ５００５は主に炉５００７を加熱し、温度センサ５００９は炉５００７付近の温度を計測して、コントローラ５００３は温度計測値ＰＶ１を制御するように制御演算を実行しなければならない。同様に、コントローラ５００４はヒータ５００６に操作量ＭＶ２を出力し、ヒータ５００６は主に炉５００８を加熱し、温度センサ５０１０は炉５００８付近の温度を計測して、コントローラ５００４は温度計測値ＰＶ２を制御するように制御演算を実行しなければならない。このように、コントローラ５００３，５００４とヒータ５００５，５００６と炉５００７，５００８と温度センサ５００９，５０１０とが物理的に対応していることが、従来考案されている調整方法や自動調整機能などを適用するための必要条件になる。逆に言えば、コントローラ５００３がヒータ５００５とヒータ５００６とに同等のレベルで配分される操作量ＭＶ１，ＭＶ２を１個の合成操作量として算出し、同じくコントローラ５００４がヒータ５００５とヒータ５００６とに同等のレベルで配分される操作量ＭＶ１，ＭＶ２を１個の合成操作量として算出すると、従来考案されている調整方法や自動調整機能などを適用することは不可能になる。

図１５に示した制御装置では、コントローラＣ１，Ｃ２において算出される操作量ＭＶ１，ＭＶ２がクロスコントローラ４００５により操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’に変換される。言い換えれば、コントローラＣ１，Ｃ２が算出する操作量ＭＶ１，ＭＶ２は、複数のアクチュエータＡ１，Ａ２への合成操作量として算出されるわけであり、コントローラＣ１，Ｃ２の操作量ＭＶ１，ＭＶ２とアクチュエータＡ１，Ａ２の出力とが１対１に対応しなくなる。すなわち、コントローラとアクチュエータと制御対象と計測手段とが物理的に対応するという基本的な条件が成立しなくなる。したがって、図１５に示した制御装置では、従来考案されている調整方法や自動調整機能などを適用することは不可能であり、ＰＩＤパラメータ調整等のコントローラのパラメータ調整が非常に難しくなるという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、複数の状態量間の相対状態量を所望の値に維持しつつ、複数の状態量の平均値等の絶対量を所望の値に変更する制御を行う制御系において、積分ワインドアップを防止することができ、かつ従来考案されているパラメータ調整方法や自動調整機能などを適用することができる制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、ｎ（ｎは２以上の自然数）個の並列なＰＩＤ制御ループを有する制御系の制御装置において、前記ｎ個のＰＩＤ制御ループの状態量の加重平均値であって特定の基準となる絶対的な状態量を基準状態量とし、状態量差である相対的な状態量を相対状態量としたとき、前記ｎ個のＰＩＤ制御ループに入力される各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差を前記状態量計測値毎に算出する制御偏差算出部と、前記算出されたｎ個の制御偏差を、前記基準状態量に対応する制御偏差または前記相対状態量に対応する制御偏差に変換するためのｎ×ｎの状態量変換行列により線形結合して前記基準状態量に対応する制御偏差または前記相対状態量に対応する制御偏差のいずれかに変換する制御偏差変換部と、前記変換されたｎ個の制御偏差にそれぞれ対応し、制御の優先度を与える重み係数を乗算する重み係数設定部と、ＰＩＤ制御演算部が算出するｎ個の操作量と前記ｎ個のＰＩＤ制御ループの各アクチュエータの出力とを１対１に対応させるために、前記重み係数が乗算されたｎ個の制御偏差を前記状態量変換行列の逆行列により再変換する逆行列再変換部と、前記再変換されたｎ個の制御偏差に基づき各ＰＩＤ制御ループの操作量を算出して、算出したｎ個の操作量をそれぞれ対応するＰＩＤ制御ループのアクチュエータに出力するＰＩＤ制御演算部と、前記変換される前の制御偏差の絶対値をＰＩＤ制御ループ毎に算出し、絶対値が大きなＰＩＤ制御ループほど前記加重平均値の加重を大きく適応修正することにより前記状態量変換行列および前記逆行列を適応的に修正する行列修正部とを備えることにより、基準状態量と相対状態量に優先度を与えて制御するための制御偏差を算出するものである。

また、本発明は、ｎ（ｎは２以上の自然数）個の並列なＰＩＤ制御ループを有する制御系の制御装置において、前記ｎ個のＰＩＤ制御ループの状態量の加重平均値であって特定の基準となる絶対的な状態量を基準状態量とし、状態量差である相対的な状態量を相対状態量としたとき、前記ｎ個のＰＩＤ制御ループに入力されるｎ個の各状態量計測値を、基準状態量計測値または相対状態量計測値に変換するためのｎ×ｎの状態量変換行列により線形結合して前記基準状態量計測値または相対状態量計測値のいずれかに変換する状態量変換部と、前記変換された基準状態量計測値とこれに対応する基準状態量設定値との制御偏差または前記変換された相対状態量計測値とこれに対応する相対状態量設定値との制御偏差のいずれかを前記変換された状態量計測値毎に算出する制御偏差算出部と、前記算出されたｎ個の制御偏差にそれぞれ対応し、制御の優先度を与える重み係数を乗算する重み係数設定部と、ＰＩＤ制御演算部が算出するｎ個の操作量と前記ｎ個のＰＩＤ制御ループの各アクチュエータの出力とを１対１に対応させるために、前記重み係数が乗算されたｎ個の制御偏差を前記状態量変換行列の逆行列により再変換する逆行列再変換部と、前記再変換されたｎ個の制御偏差に基づき各ＰＩＤ制御ループの操作量を算出して、算出したｎ個の操作量をそれぞれ対応するＰＩＤ制御ループのアクチュエータに出力するＰＩＤ制御演算部と、前記ｎ個のＰＩＤ制御ループに入力される各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差の絶対値をＰＩＤ制御ループ毎に算出し、絶対値が大きなＰＩＤ制御ループほど前記加重平均値の加重を大きく適応修正することにより前記状態量変換行列および前記逆行列を適応的に修正する行列修正部とを備えることにより、基準状態量と相対状態量に優先度を与えて制御するための制御偏差を算出するものである。

また、本発明の制御装置の１構成例において、前記状態量変換行列は、前記変換された制御偏差に、異なるＰＩＤ制御ループの状態量計測値間の相対的な関係を与える相対制御偏差が含まれるように予め設定され、前記相対制御偏差に乗算される前記重み係数は、前記相対制御偏差に対する制御の優先度が高くなるように予め設定されるものである。

また、本発明の制御装置の１構成例において、前記状態量変換行列は、前記変換された状態量計測値に、異なるＰＩＤ制御ループの状態量計測値間の相対的な関係を与える相対状態量計測値が含まれるように予め設定され、前記相対状態量計測値に対応する制御偏差に乗算される前記重み係数は、前記相対状態量計測値に対する制御の優先度が高くなるように予め設定されるものである。

本発明によれば、ｎ個の制御ループの各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差を状態量計測値毎に算出する制御偏差算出部と、算出されたｎ個の制御偏差をｎ×ｎの状態量変換行列により各制御偏差を線形結合した値に変換する制御偏差変換部と、変換されたｎ個の制御偏差にそれぞれ対応する重み係数を乗算する重み係数設定部と、重み係数が乗算されたｎ個の制御偏差を状態量変換行列の逆行列により再変換する逆行列再変換部とを設けることにより、複数の状態量間の状態量差などの相対状態量を所望の値に維持しつつ、基準状態量を所望の値に変更する制御を実現することができる。また、本発明では、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応する制御系を構成することができるので、積分ワインドアップを防止することができ、従来考案されているパラメータ調整方法や自動調整機能などを適用してコントローラを調整することができる。さらに、本発明では、状態量変換行列および逆行列を適応的に修正する行列修正部を設けることにより、相対状態量が小さくなるように制御する際に、操作量飽和などの制御上の制約が事実上予期せぬ形で発生した場合であっても、本来の目的である、状態量差を小さくするという効果が損なわれることを回避できる。

また、本発明によれば、ｎ個の制御ループの各状態量計測値をｎ×ｎの状態量変換行列により各状態量計測値を線形結合した値に変換する状態量変換部と、変換された状態量計測値とこれに対応する状態量設定値との制御偏差を変換された状態量計測値毎に算出する制御偏差算出部と、算出されたｎ個の制御偏差にそれぞれ対応する重み係数を乗算する重み係数設定部と、重み係数が乗算されたｎ個の制御偏差を状態量変換行列の逆行列により再変換する逆行列再変換部とを設けることにより、複数の状態量間の状態量差などの相対状態量を所望の値に維持しつつ、基準状態量を所望の値に変更する制御を実現することができる。また、本発明では、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応する制御系を構成することができるので、積分ワインドアップを防止することができ、従来考案されているパラメータ調整方法や自動調整機能などを適用してコントローラを調整することができる。さらに、本発明では、状態量変換行列および逆行列を適応的に修正する行列修正部を設けることにより、相対状態量が小さくなるように制御する際に、操作量飽和などの制御上の制約が事実上予期せぬ形で発生した場合であっても、本来の目的である、状態量差を小さくするという効果が損なわれることを回避できる。

また、本発明では、相対制御偏差に乗算する重み係数を、相対状態量に対する制御の優先度が高くなるように予め設定しておくことにより、相対状態量を優先的に制御しながら、基準状態量も同時に制御することができる。また、制御系の制約により相対制御偏差の制御に乱れがあるときに、制約を受けていない制御ループの制御演算部が相対制御偏差の乱れを整える制御をより強く要求されるように、状態量変換行列および逆行列を修正することにより、制御上の制約が事実上予期せぬ形で発生した場合であっても、状態量差を小さくするという効果が損なわれることを回避できる。

また、本発明では、相対状態量計測値に対応する制御偏差に乗算する重み係数を、相対状態量に対する制御の優先度が高くなるように予め設定しておくことにより、相対状態量を優先的に制御しながら、基準状態量も同時に制御することができる。また、制御系の制約により相対状態量計測値の制御に乱れがあるときに、制約を受けていない制御ループの制御演算部が相対状態量計測値の乱れを整える制御をより強く要求されるように、状態量変換行列および逆行列を修正することにより、制御上の制約が事実上予期せぬ形で発生した場合であっても、状態量差を小さくするという効果が損なわれることを回避できる。

［発明の原理］
以下、本発明では、例えば状態量平均値のような基準となる絶対的な状態量を基準状態量、例えば状態量差のような相対的な状態量を相対状態量と称する。また、基準状態量に対する設定値を基準状態量設定値、基準状態量の計測値を基準状態量計測値、相対状態量に対する設定値を相対状態量設定値、相対状態量の計測値を相対状態量計測値、基準状態量設定値と基準状態量計測値との差を基準制御偏差、相対状態量設定値と相対状態量計測値との差を相対制御偏差と称する。状態量としては、例えば温度、圧力、流量などがある。

本発明では、外部から与えられる状態量を、前述の従来技術における状態量変換部により、状態量平均値のような基準状態量と、状態量差のような相対状態量とに変換する。この状態量変換部の入出力の関係をマトリックスで表現したとき、外部から与えられる状態量を基準状態量と相対状態量とに変換する行列を状態量変換行列と称する。
次に、本発明では、変換した状態量について状態量設定値との制御偏差を算出する。算出した制御偏差をそのままコントローラに入力すると、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応しなくなるので、制御偏差を状態量変換行列の逆行列により再変換した上でコントローラに入力することを考える。

状態量変換行列の逆行列により制御偏差を単純に再変換すると、各状態量を独立に制御する通常の制御系と等価なものに戻るだけなので、逆行列により再変換する前に、制御偏差に重み係数を与えるようにする。これにより、再変換された後は、重みに応じて基準状態量に関する偏差成分と相対状態量に関する偏差成分に偏りが残る。よって、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応しながらも、基準状態量と相対状態量に対する偏りが優先度として反映される。

このように、本発明では、外部から与えられる状態量を状態量変換行列により変換し、変換した状態量と設定値との制御偏差を求め、制御偏差に重み係数を乗算して、この乗算結果を状態量変換行列の逆行列により再変換し、再変換した制御偏差を操作量ＭＶの算出に用いる構成とする。これにより、本発明では、基準状態量については重みを小さく与え、逆に相対状態量については重みを大きく与えれば、基準状態量計測値ＰＶｍが基準状態量設定値ＳＰｍに追従するよりも前に、相対状態量計測値ΔＰＶが相対状態量設定値ΔＳＰに追従するようになるので、相対状態量を所望の値に維持しながら、基準状態量を所望の値に変更するような制御が可能になる。すなわち、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応する形式で、状態量差のような相対状態量を優先的に制御しながら、状態量平均値のような基準状態量も同時に制御する制御装置を提供することができる。

ここで、上記の２つの着眼点のうち、制御偏差を状態量変換行列の逆行列により再変換する点（以下、第１の着眼点と呼ぶ）について説明する。図１５に示した制御装置では、状態量変換部３００３を適用することにより発生する人工的なループ間干渉を、クロスコントローラ４００５により非干渉化することになる。状態量変換部３００３による状態量変換は、一種の信号交差的あるいは信号混合的な処理である。ゆえに、クロスコントローラ４００５は、アクチュエータＡ１，Ａ２に操作量が送られる前に、信号交差処理を元に戻す信号分配的あるいは信号分離的な処理と言える。しかし、図１５に示した制御装置の構成では、信号交差的な処理を行う状態量変換部３００３と信号分配的な処理を行うクロスコントローラ４００５との間にコントローラＣ１，Ｃ２が位置するため、コントローラＣ１，Ｃ２とアクチュエータＡ１，Ａ２とが１対１に対応しなくなる。そこで、本発明では、信号分配的な処理として状態量変換行列の逆行列により再変換を行う手段をコントローラの直前に配置するものとした。すなわち、制御偏差を状態量変換行列の逆行列により再変換するものとした。

次に、上記の２つの着眼点のうち、状態量変換行列の逆行列により制御偏差の再変換を行う前に、制御偏差に重み係数を乗じる点（以下、第２の着眼点と呼ぶ）について説明する。状態量変換を行なった後に、変換した状態量と設定値との制御偏差を算出すると、この制御偏差は、実質的には状態量変換行列により変換された制御偏差を与えていることになる。したがって、この制御偏差を状態量変換行列の逆行列により単純に再変換すると、信号交差的な処理と信号分配的な処理とを直結しているだけになり、変換のない各状態量を独立に制御する通常の制御系と等価なものになる。逆に言えば、信号交差的な処理と信号分配的な処理との間に、意味のある信号変換を配置すれば、それが後段のコントローラ側に反映されることになる。本発明は、信号交差的な処理と信号分配的な処理との間に、制御偏差に重み係数を乗じる手段を配置するものとした。そして、この重み係数を調整すれば、変換された状態の状態量に関して制御の優先度を与えることが可能になる。すなわち、状態量差のような相対状態量を優先的に制御しながら、状態量平均値のような基準状態量も同時に制御することが可能になる。

ここで、第１の着眼点と第２の着眼点とをまとめると、図１に示すような制御系になる。図１の制御系は制御ループがｎ（ｎは２以上の自然数）個の場合であり、１は状態量計測値ＰＶ１〜ＰＶｎを状態量変換行列Ｔにより変換する状態量変換部、２−１〜２−ｎは変換された状態量計測値（基準状態量計測値または相対状態量計測値）ＰＶ１’〜ＰＶｎ’とこれに対応する状態量設定値（基準状態量設定値または相対状態量設定値）ＳＰ１’〜ＳＰｎ’との制御偏差Ｅｒ１’〜Ｅｒｎ’を算出する制御偏差算出部と、３は制御偏差Ｅｒ１’〜Ｅｒｎ’に重み係数を乗算する重み係数設定部、４は重み係数が乗算された制御偏差Ｅｒ１’〜Ｅｒｎ’を状態量変換行列の逆行列Ｔ^-1により制御偏差Ｅｒ１〜Ｅｒｎに再変換する逆行列再変換部、ＭＶ１〜ＭＶｎは操作量、Ａ１〜Ａｎはアクチュエータ、Ｐ１〜Ｐｎは制御対象プロセス、Ｇｐ１〜ＧｐｎはアクチュエータＡ１〜ＡｎとプロセスＰ１〜Ｐｎとを含むブロックの伝達関数である。

制御偏差Ｅｒ１〜Ｅｒｎに基づき制御演算を実行するコントローラＣ１〜Ｃｎの代表例としてはＰＩＤコントローラがある。また、状態量変換行列Ｔは、制御ループ数がｎの場合はｎ×ｎの正方行列であり、逆行列Ｔ^-1が存在する必要がある。なお図１は、本発明の原理を表す図であり、毎制御周期において逆行列を自動算出する処理を実行する必要はない。また逆行列Ｔ^-1は、オペレータが手作業で算出し、制御を実行する前に予め数値を設定しておいてもよい。

図１の制御系において、基準状態量として全ループの状態量の平均値ＰＶｍを採用し、相対状態量として状態量差ＰＶ１−ＰＶ２，ＰＶ２−ＰＶ３，ＰＶ３−ＰＶ４，・・・ＰＶ（ｎ−２）−ＰＶ（ｎ−１），ＰＶ（ｎ−１）−ＰＶｎを採用する場合、状態量変換部１の入出力の関係をマトリックスで表現すると式（７）となり、状態量変換行列Ｔの一般式は式（８）となる。また、逆行列再変換部４の入出力の関係をマトリックスで表現すると式（９）となり、状態量変換行列Ｔの逆行列Ｔ^-1の一般式は式（１０）となる。

なお、式（７）〜式（１０）において、基準状態量計測値ＰＶｍは、ＰＶｍ＝ＰＶ１’であり、相対状態量計測値ＰＶ１−ＰＶ２，ＰＶ２−ＰＶ３，・・・，ＰＶ（ｎ−１）−ＰＶｎは、ＰＶ１−ＰＶ２＝ＰＶ２’，ＰＶ２−ＰＶ３＝ＰＶ３’，・・・，ＰＶ（ｎ−１）−ＰＶｎ＝ＰＶｎ’である。Ｗ１，Ｗ２，・・・，Ｗｎは重み係数である。Ｅｒｉ’は状態量設定値ＳＰｉ’と状態量計測値ＰＶｉ’との制御偏差である。ただし、ｉ＝１の場合、状態量設定値ＳＰｉ’は基準状態量設定値ＳＰｍ＝ＳＰ１’であり、状態量計測値ＰＶｉ’は基準状態量計測値ＰＶｍ＝ＰＶ１’である。また、ｉ＝２〜ｎの場合、状態量設定値ＳＰｉ’は相対状態量設定値ΔＳＰｉ＝ＳＰｉ’であり、状態量計測値ＰＶｉ’は相対状態量計測値ＰＶ（ｉ−１）−ＰＶｉ＝ＰＶｉ’である。

以上の説明では、外部から与えられる状態量計測値ＰＶｉを状態量変換行列Ｔにより状態量計測値ＰＶｉ’に変換しているが、各状態量に対して状態量設定値ＳＰｉを与え、状態量設定値ＳＰｉと状態量計測値ＰＶｉとの制御偏差Ｅｒｉ０＝ＳＰｉ−ＰＶｉを算出した後に、この制御偏差Ｅｒｉ０を状態量変換行列Ｔにより制御偏差Ｅｒｉ’に変換してもよい。制御偏差Ｅｒｉ０を変換する場合の制御系を図２に示す。図２において、５−１〜５−ｎは状態量設定値ＳＰ１〜ＳＰｎと状態量計測値ＰＶ１〜ＰＶｎとの制御偏差Ｅｒ１０〜Ｅｒｎ０を算出する制御偏差算出部、６は制御偏差Ｅｒ１０〜Ｅｒｎ０を制御偏差Ｅｒ１’〜Ｅｒｎ’に変換する制御偏差変換部である。制御偏差変換部６の入出力の関係をマトリックスで表現すると式（１１）となる。

発明者は、以上の原理を用いて、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応する形式で、状態量差のような相対状態量を優先的に制御しながら、状態量平均値のような基準状態量も同時に制御できる制御装置を提案した（特願２００４−１２８２４６号）。この先行出願の制御装置において、基準状態量は、各制御ループの状態量の単純平均値であったり、固定加重の加重平均値であったり、単純に特定の１つの状態量であったりする。これらは広い上位概念で捉えれば、いずれも固定加重の加重平均値と言える。そして、各状態量が制約なしに制御され得る場合、基準状態量として固定加重の加重平均値を利用することは有効であり、特に単純平均値はバランスの良い公平な基準状態量になる。

しかし、操作量飽和などの制御上の制約が事実上予期せぬ形で発生する場合、固定加重であることが不都合に作用することもある。以下、先行出願の制御装置の問題点を図３（ａ）、図３（ｂ）を用いて説明する。ここでは、温度制御ループがI，II，IIIの３つあり、制御ループ間の温度差（相対状態量）を小さくすることを制御の目的とする。図３（ａ）は、制御ループI，II，IIIの追従状態量設定値ＳＰが全て３０で整定している状態で外乱が印加されたときの制御系の外乱応答を示し、図３（ｂ）は、外乱印加時に各制御ループI，II，IIIのコントローラから出力される操作量ＭＶを示している。

ループIII のコントローラの操作量ＭＶの出力上限値を実験的に１６％に設定して、出力飽和を発生し易くした。このために、基準状態量が制御ループI，II，IIIの温度（状態量計測値ＰＶ）の単純平均値である場合に、外乱応答途中でループIII の操作量ＭＶが飽和し、昇温速度が頭打ちになったとする。すると、ループIII だけが昇温不足になり、図３（ａ）のようにループIII の温度がループI，II の温度から離れるようになる。基準状態量がループI，II，IIIの温度の単純平均値であることから、ループIII の温度とループI，II の温度に乖離が生じると、ループIII の温度よりもループI，II の温度に近い方の値が基準状態量計測値となる。したがって、各ループI，II，IIIのコントローラは、ループI，II の温度をループIII の温度に近づけることで温度差を小さくしようとするのではなく、ループIII の温度をループI，II の温度に近づけることで温度差を小さくしようとする。

しかしながら、前述のようにループIII の操作量ＭＶは既に飽和し、昇温速度が頭打ちになっているため、ループIII の温度がループI，II の温度に速やかに近づくような作用は起こらない。したがって、温度差を優先的に制御しながら、基準状態量も同時に制御できるという効果が得られなくなる。以上のように、先行出願の制御装置では、制御上の制約次第で、本来の効果が大きく損なわれるという問題点がある。

これに対して、本発明では、基準状態量が各制御ループの状態量の固定加重の加重平均値であるところに、前述の問題点の発生要因があることに着眼する。すなわち、前述の問題点は、例えばループIII の温度が操作量飽和等の原因によりループI，II の温度から離れる場合、各制御ループの目指すべき基準状態量計測値がループIII の温度よりもループI，II の温度に近い方の値になるために、もともと制約を受けているループIII のコントローラが、状態量差を整える制御をより強く要求されることに起因する。

本発明は、上記着眼点に基づき、何らかの制約により状態量差の制御を乱す要因となっている制御ループが存在している場合に、適応的に加重平均の加重を修正し、制約を受けていない制御ループのコントローラに対して、状態量差を整える制御をより強く要求できるようにすることで、前述の課題を解決する。具体的には、状態量差の制御を最も乱す要因になっている制御ループの状態量計測値に基準状態量計測値が近づくように、状態量変換部１又は制御偏差変換部６（状態量変換行列Ｔ）における加重平均の加重を適応修正する。

本発明では、ｎ個の制御ループにおいて、各ループの状態量差が小さくなるように制御することを想定する。操作量飽和などの制御上の制約が事実上予期せぬ形で発生している制御ループを、確実に把握できるとは限らない。しかし、このような制約が状態量差の制御を乱す要因になっているものとすれば、制約を受けている制御ループの応答が遅れていて他のループへの追従が不十分になっている状況が最も想定される。そこで、応答が遅れている制御ループに他の制御ループが合わせるように加重平均の加重を適応修正すればよい。

具体的には、制御偏差Ｅｒｉの絶対値が最も大きなループの状態量に対する加重が１となり、他の制御ループの状態量に対する加重が０となるように、状態量変換部１又は制御偏差変換部６（状態量変換行列Ｔ）を適応修正する。この場合、加重が急変すると制御動作が不連続になりやすい。例えば、各制御ループの応答波形にオーバーシュートが発生しない場合には、偏差の絶対値が最も大きなループの状態量に対する加重を急に１に変えたとしても、制御応答に極端な不連続が発生する確率は低い。しかし、応答波形にオーバーシュートが発生する場合に、偏差の絶対値が最も大きなループの状態量に対する加重を急に１に変えると、偏差の絶対値が最も大きなループが状態量設定値ＳＰｉの上側と下側とで突然入れ代わるような状況が発生し得るため、極端な不連続が発生する。したがって、加重の修正処理に時間遅れフィルタを適用して、加重が徐々に変化するようにするのが好ましい。

なお、加重の適応修正の方法としては、偏差の絶対値が最も大きなループの状態量に対する加重を１とする方法に限らず、例えば偏差の絶対値が最も大きなループの状態量に対する加重を０．８として、残りの０．２の加重を他のループの状態量に対する加重として均等割りするといったように、偏差の絶対値が大きなループほど加重が大きくなるようにすれば、それなりに課題解決の効果は得られる。

状態量変換部１又は制御偏差変換部６の状態量変換行列Ｔを適応修正すると、これに伴い逆行列再変換部４の逆行列Ｔ^-1も修正することになる。したがって、逆行列算出を必要に応じて実行するか、あるいは状態量変換行列Ｔと逆行列Ｔ^-1のペアを予め複数用意しておいて、制御偏差の絶対値が最も大きなループに対応するペアを適宜選択することにより、実質的な適応修正を実現することになる。

［実施の形態］
図４は、本発明の実施の形態となる制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、図２で説明した原理に基づくものであり、制御ループが３個で、基準状態量として３個の制御ループの状態量平均値を採用し、相対状態量として各状態量の差を採用する場合の例であるが、２個以上の制御ループであれば同様の原理で、同様の制御系を構成できる。

図４の制御装置は、第１の状態量に関する第１の制御系の構成として、状態量設定値ＳＰ１入力部２１−１と、状態量計測値ＰＶ１入力部２２−１と、制御偏差Ｅｒ１０算出部２３−１と、操作量ＭＶ１出力部２４−１と、ＰＩＤ制御演算部（ＰＩＤコントローラ）２５−１とを備える。また、図４の制御装置は、第２の状態量に関する第２の制御系の構成として、状態量設定値ＳＰ２入力部２１−２と、状態量計測値ＰＶ２入力部２２−２と、制御偏差Ｅｒ２０算出部２３−２と、操作量ＭＶ２出力部２４−２と、ＰＩＤ制御演算部２５−２とを備える。また、図４の制御装置は、第３の状態量に関する第３の制御系の構成として、状態量設定値ＳＰ３入力部２１−３と、状態量計測値ＰＶ３入力部２２−３と、制御偏差Ｅｒ３０算出部２３−３と、操作量ＭＶ３出力部２４−３と、ＰＩＤ制御演算部２５−３とを備える。

さらに、図４の制御装置は、制御偏差変換に関する構成として、状態量変換行列Ｔによる制御偏差変換を実行する制御偏差変換部２６と、基準制御偏差Ｅｒｍに重み係数Ｗ１を乗じる重み係数Ｗ１設定部２７−１と、相対制御偏差ΔＥｒ１に重み係数Ｗ２を乗じる重み係数Ｗ２設定部２７−２と、相対制御偏差ΔＥｒ２に重み係数Ｗ３を乗じる重み係数Ｗ３設定部２７−３と、状態量変換行列Ｔの逆行列Ｔ^-1による逆行列再変換を実行する逆行列再変換部２８と、制御偏差変換を実行するための状態量変換行列Ｔを記憶する状態量変換行列Ｔ記憶部２９と、逆行列再変換を実行するための逆行列Ｔ^-1を記憶する逆行列Ｔ^-1記憶部３０とを備える。

さらに、図４の制御装置は、加重適応修正に関する構成として、各制御系の制御偏差の絶対値を比較し、制御偏差の絶対値が最も大きな制御系を探索する最大偏差制御系探索部３１と、最大偏差制御系の状態量に対する加重が最大になるような状態量変換行列Ｔと逆行列Ｔ^-1を、状態量変換行列Ｔ記憶部２９と逆行列Ｔ^-1記憶部３０に設定する行列修正部３２とを備える。

図５は本実施の形態における制御系のブロック線図である。Ａ１１は第１の状態量を制御するアクチュエータ、Ａ１２は第２の状態量を制御するアクチュエータ、Ａ１３は第３の状態量を制御するアクチュエータ、Ｐ１１は第１の状態量に係る制御対象プロセス、Ｐ１２は第２の状態量に係る制御対象プロセス、Ｐ１３は第３の状態量に係る制御対象プロセス、Ｇｐ１１はアクチュエータＡ１１とプロセスＰ１１とを含むブロックの伝達関数、Ｇｐ１２はアクチュエータＡ１２とプロセスＰ１２とを含むブロックの伝達関数、Ｇｐ１３はアクチュエータＡ１３とプロセスＰ１３とを含むブロックの伝達関数である。

状態量設定値ＳＰ１入力部２１−１と、状態量計測値ＰＶ１入力部２２−１と、制御偏差Ｅｒ１０算出部２３−１と、操作量ＭＶ１出力部２４−１と、ＰＩＤ制御演算部２５−１と、制御偏差変換部２６と、逆行列再変換部２８と、アクチュエータＡ１１と、プロセスＰ１１とは、第１の制御系（第１の制御ループ）を構成している。状態量設定値ＳＰ２入力部２１−２と、状態量計測値ＰＶ２入力部２２−２と、制御偏差Ｅｒ２０算出部２３−２と、操作量ＭＶ２出力部２４−２と、ＰＩＤ制御演算部２５−２と、制御偏差変換部２６と、逆行列再変換部２８と、アクチュエータＡ１２と、プロセスＰ１２とは、第２の制御系（第２の制御ループ）を構成している。そして、状態量設定値ＳＰ３入力部２１−３と、状態量計測値ＰＶ３入力部２２−３と、制御偏差Ｅｒ３０算出部２３−３と、操作量ＭＶ３出力部２４−３と、ＰＩＤ制御演算部２５−３と、制御偏差変換部２６と、逆行列再変換部２８と、アクチュエータＡ１３と、プロセスＰ１３とは、第３の制御系（第３の制御ループ）を構成している。

次に、本実施の形態の制御装置の動作を図６を用いて説明する。まず、状態量計測値ＰＶ１は、図示しない第１の検出手段によって検出され、状態量計測値ＰＶ１入力部２２−１を介して制御偏差Ｅｒ１０算出部２３−１に入力される（図６ステップＳ１０１）。状態量計測値ＰＶ２は、図示しない第２の検出手段によって検出され、状態量計測値ＰＶ２入力部２２−２を介して制御偏差Ｅｒ２０算出部２３−２に入力される（ステップＳ１０２）。状態量計測値ＰＶ３は、図示しない第３の検出手段によって検出され、状態量計測値ＰＶ３入力部２２−３を介して制御偏差Ｅｒ３０算出部２３−３に入力される（ステップＳ１０３）。

状態量設定値ＳＰ１は、制御装置のオペレータによって設定され、状態量設定値ＳＰ１入力部２１−１を介して制御偏差Ｅｒ１０算出部２３−１に入力される（ステップＳ１０４）。状態量設定値ＳＰ２は、オペレータによって設定され、状態量設定値ＳＰ２入力部２１−２を介して制御偏差Ｅｒ２０算出部２３−２に入力される（ステップＳ１０５）。状態量設定値ＳＰ３は、オペレータによって設定され、状態量設定値ＳＰ３入力部２１−３を介して制御偏差Ｅｒ３０算出部２３−３に入力される（ステップＳ１０６）。

続いて、制御偏差Ｅｒ１０算出部２３−１は、状態量設定値ＳＰ１と状態量計測値ＰＶ１との制御偏差Ｅｒ１０を次式のように算出して、制御偏差変換部２６と最大偏差制御系探索部３１に出力する（ステップＳ１０７）。
Ｅｒ１０＝ＳＰ１−ＰＶ１ ・・・（１２）

制御偏差Ｅｒ２０算出部２３−２は、状態量設定値ＳＰ２と状態量計測値ＰＶ２との制御偏差Ｅｒ２０を次式のように算出して、制御偏差変換部２６と最大偏差制御系探索部３１に出力する（ステップＳ１０８）。
Ｅｒ２０＝ＳＰ２−ＰＶ２ ・・・（１３）

制御偏差Ｅｒ３０算出部２３−３は、状態量設定値ＳＰ３と状態量計測値ＰＶ３との制御偏差Ｅｒ３０を次式のように算出して、制御偏差変換部２６と最大偏差制御系探索部３１に出力する（ステップＳ１０９）。
Ｅｒ３０＝ＳＰ３−ＰＶ３ ・・・（１４）

次に、最大偏差制御系探索部３１は、制御偏差Ｅｒ１０，Ｅｒ２０，Ｅｒ３０の絶対値｜Ｅｒ１０｜，｜Ｅｒ２０｜，｜Ｅｒ３０｜を求めて、この各制御系の制御偏差の絶対値に基づき、制御偏差の絶対値が最も大きな制御系ｊ（以下、最大偏差制御系ｊと呼ぶ）を特定する（ステップＳ１１０）。

行列修正部３２は、最大偏差制御系ｊの状態量に対する加重が１となり、他の制御系の状態量に対する加重が０となるような状態量変換行列Ｔを選択して、選択した状態量変換行列Ｔを状態量変換行列Ｔ記憶部２９に設定する（ステップＳ１１１）。
行列修正部３２は、第１の制御系が最大偏差制御系ｊである場合、予め定められた式（１５）のような状態量変換行列Ｔを選択する。

後述する制御偏差変換の際に、式（１５）の状態量変換行列Ｔを用いると、基準制御偏差Ｅｒｍは制御偏差Ｅｒ１０と等しくなる。これは、３個の制御ループの状態量の加重平均値を基準状態量とする場合に、第１の制御系の状態量に対する加重を１とし、他の制御系の状態量に対する加重を０としたことに相当する。
行列修正部３２は、第２の制御系が最大偏差制御系ｊである場合、予め定められた式（１６）のような状態量変換行列Ｔを選択する。

行列修正部３２は、第３の制御系が最大偏差制御系ｊである場合、予め定められた式（１７）のような状態量変換行列Ｔを選択する。

２つの制御系が同時に最大偏差制御系ｊとなる場合、例えば第１の制御系と第２の制御系が最大偏差制御系ｊとなる場合には、式（１５）、式（１６）のうちどちらか１つを選択すればよく、３つの制御系が同時に最大偏差制御系ｊとなる場合には、式（１５）、式（１６）、式（１７）のうちどれか１つを選択すればよい。

なお、式（１５）〜式（１７）の状態量変換行列Ｔは、加重の修正と共に相対状態量の修正の役割も担っている。すなわち、状態量変換行列Ｔは、最大偏差制御系ｊの状態量と他の制御系の状態量との差が相対状態量になるように予め設定されている。例えば、制御偏差変換の際に、式（１５）の状態量変換行列Ｔを用いると、相対制御偏差ΔＥｒ１はＥｒ１０−Ｅｒ２０となり、相対制御偏差ΔＥｒ２はＥｒ１０−Ｅｒ３０となる。最大偏差制御系ｊに応じて相対状態量を修正する理由は、最大偏差制御系ｊの状態量を基準として相対状態量を定めた方が、相対状態量を良好に制御できるからである。

続いて、行列修正部３２は、最大偏差制御系ｊの状態量に対する加重が１となり、他の制御系の状態量に対する加重が０となるような逆行列Ｔ^-1を選択して、選択した逆行列Ｔ^-1を逆行列Ｔ^-1記憶部３０に設定する（ステップＳ１１２）。
行列修正部３２は、第１の制御系が最大偏差制御系ｊである場合、予め定められた式（１８）のような状態量変換行列Ｔを選択する。

行列修正部３２は、第２の制御系が最大偏差制御系ｊである場合、予め定められた式（１９）のような状態量変換行列Ｔを選択する。

行列修正部３２は、第３の制御系が最大偏差制御系ｊである場合、予め定められた式（２０）のような状態量変換行列Ｔを選択する。

次に、制御偏差変換部２６は、状態量変換行列Ｔ記憶部２９に設定された状態量変換行列Ｔを用いて次式のように制御偏差変換を実行して、基準制御偏差Ｅｒｍと相対制御偏差ΔＥｒ１，ΔＥｒ２とを算出し、基準制御偏差Ｅｒｍを重み係数Ｗ１設定部２７−１に出力し、相対制御偏差ΔＥｒ１，ΔＥｒ２をそれぞれ重み係数Ｗ２設定部２７−２、重み係数Ｗ３設定部２７−３に出力する（ステップＳ１１３）。

重み係数Ｗ１設定部２７−１は、予め設定された重み係数Ｗ１を基準制御偏差Ｅｒｍに乗算して、この乗算結果を逆行列再変換部２８に出力する（ステップＳ１１４）。重み係数Ｗ２設定部２７−２は、予め設定された重み係数Ｗ２を相対制御偏差ΔＥｒ１に乗算して、この乗算結果を逆行列再変換部２８に出力する（ステップＳ１１５）。重み係数Ｗ３設定部２７−３は、予め設定された重み係数Ｗ３を相対制御偏差ΔＥｒ２に乗算して、この乗算結果を逆行列再変換部２８に出力する（ステップＳ１１６）。

逆行列再変換部２８は、逆行列Ｔ^-1記憶部３０に設定された逆行列Ｔ^-1を用いて次式のように逆行列再変換を実行し、制御偏差Ｅｒ１，Ｅｒ２，Ｅｒ３を算出してＰＩＤ制御演算部２５−１，２５−２，２５−３に出力する（ステップＳ１１７）。

次に、ＰＩＤ制御演算部２５−１は、次式の伝達関数式のようなＰＩＤ制御演算を行って操作量ＭＶ１を算出する（ステップＳ１１８）。
ＭＶ１＝（１００／Ｐｂ１）｛１＋（１／Ｔｉ１ｓ）＋Ｔｄ１ｓ｝Ｅｒ１
・・・（２３）
式（２３）において、Ｐｂ１は比例帯、Ｔｉ１は積分時間、Ｔｄ１は微分時間、ｓはラプラス演算子である。なお、ＰＩＤ制御演算部２５−１は、算出した操作量ＭＶ１がアクチュエータＡ１１の出力の下限値ＯＬ１より小さい場合、操作量ＭＶ１＝ＯＬ１とし、算出した操作量ＭＶ１がアクチュエータＡ１１の出力の上限値ＯＨ１より大きい場合、操作量ＭＶ１＝ＯＨ１とする操作量上下限処理を積分ワインドアップの対策として行う。

ＰＩＤ制御演算部２５−２は、次式の伝達関数式のようなＰＩＤ制御演算を行って操作量ＭＶ２を算出する（ステップＳ１１９）。
ＭＶ２＝（１００／Ｐｂ２）｛１＋（１／Ｔｉ２ｓ）＋Ｔｄ２ｓ｝Ｅｒ２
・・・（２４）
式（２４）において、Ｐｂ２は比例帯、Ｔｉ２は積分時間、Ｔｄ２は微分時間である。ＰＩＤ制御演算部２５−２は、算出した操作量ＭＶ２がアクチュエータＡ１２の出力の下限値ＯＬ２より小さい場合、操作量ＭＶ２＝ＯＬ２とし、算出した操作量ＭＶ２がアクチュエータＡ１２の出力の上限値ＯＨ２より大きい場合、操作量ＭＶ２＝ＯＨ２とする操作量上下限処理を積分ワインドアップの対策として行う。

ＰＩＤ制御演算部２５−３は、次式の伝達関数式のようなＰＩＤ制御演算を行って操作量ＭＶ３を算出する（ステップＳ１２０）。
ＭＶ３＝（１００／Ｐｂ３）｛１＋（１／Ｔｉ３ｓ）＋Ｔｄ３ｓ｝Ｅｒ３
・・・（２５）
式（２５）において、Ｐｂ３は比例帯、Ｔｉ３は積分時間、Ｔｄ３は微分時間である。ＰＩＤ制御演算部２５−３は、算出した操作量ＭＶ３がアクチュエータＡ１３の出力の下限値ＯＬ３より小さい場合、操作量ＭＶ３＝ＯＬ３とし、算出した操作量ＭＶ３がアクチュエータＡ１３の出力の上限値ＯＨ３より大きい場合、操作量ＭＶ３＝ＯＨ３とする操作量上下限処理を積分ワインドアップの対策として行う。

操作量ＭＶ１出力部２４−１は、ＰＩＤ制御演算部２５−１によって算出された操作量ＭＶ１をアクチュエータＡ１１に出力する（ステップＳ１２１）。アクチュエータＡ１１は、操作量ＭＶ１に基づいて第１の状態量を制御するために動作する。
操作量ＭＶ２出力部２４−２は、ＰＩＤ制御演算部２５−２によって算出された操作量ＭＶ２をアクチュエータＡ１２に出力する（ステップＳ１２２）。アクチュエータＡ１２は、操作量ＭＶ２に基づいて第２の状態量を制御するために動作する。
操作量ＭＶ３出力部２４−３は、ＰＩＤ制御演算部２５−３によって算出された操作量ＭＶ３をアクチュエータＡ１３に出力する（ステップＳ１２３）。アクチュエータＡ１３は、操作量ＭＶ３に基づいて第３の状態量を制御するために動作する。

以上のようなステップＳ１０１〜Ｓ１２３の処理が例えばオペレータによって制御の終了が指示されるまで（ステップＳ１２４においてＹＥＳ）、制御周期毎に繰り返し実行される。

図７は、前記先行出願を適用し、かつ状態量差を制御しない設定とした制御装置のシミュレーション結果を示す図である。図８、図９は、前記先行出願で提案した制御装置のシミュレーション結果を示す図である。図１０は、本実施の形態の制御装置のシミュレーション結果を示す図である。図７〜図１０は、ＳＰ１＝ＳＰ２＝ＳＰ３＝３０で整定している状態で外乱が印加されたときの制御系の外乱応答を示している。シミュレーションの条件は以下の通りである。

まず、アクチュエータＡ１１とプロセスＰ１１とを含むブロックの伝達関数Ｇｐ１１、アクチュエータＡ１２とプロセスＰ１２とを含むブロックの伝達関数Ｇｐ１２、アクチュエータＡ１３とプロセスＰ１３とを含むブロックの伝達関数Ｇｐ１３を次式のように設定する。ここでは、制御ループ間の干渉はないものとする。
Ｇｐ１１＝１．２ｅｘｐ（−２．０ｓ）／｛（１＋７０．０ｓ）（１＋１０．０ｓ）｝
・・・（２６）
Ｇｐ１２＝１．６ｅｘｐ（−２．０ｓ）／｛（１＋６０．０ｓ）（１＋１０．０ｓ）｝
・・・（２７）
Ｇｐ１３＝２．０ｅｘｐ（−２．０ｓ）／｛（１＋５０．０ｓ）（１＋１０．０ｓ）｝
・・・（２８）

ＰＩＤ制御演算部２５−１の操作量下限値ＯＬ１を０％、上限値ＯＨ１を１００％とし、ＰＩＤ制御演算部２５−２の操作量下限値ＯＬ２を０％、上限値ＯＨ２を１００％とし、ＰＩＤ制御演算部２５−３の操作量下限値ＯＬ３を０％、上限値ＯＨ３を１６％とする。操作量ＭＶ１，ＭＶ２，ＭＶ３に応じて状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３は、次式のように定まる。
ＰＶ１＝Ｇｐ１１ＭＶ１ ・・・（２９）
ＰＶ２＝Ｇｐ１２ＭＶ２ ・・・（３０）
ＰＶ３＝Ｇｐ１３ＭＶ３ ・・・（３１）

ＰＩＤ制御演算部２５−１のＰＩＤパラメータである比例帯Ｐｂ１を５０．０、積分時間Ｔｉ１を３５．０、微分時間Ｔｄ１を２０．０とし、ＰＩＤ制御演算部２５−２の比例帯Ｐｂ２を６６．７、積分時間Ｔｉ２を３５．０、微分時間Ｔｄ２を２０．０とし、ＰＩＤ制御演算部２５−３の比例帯Ｐｂ３を１００．０、積分時間Ｔｉ３を３５．０、微分時間Ｔｄ３を２０．０とする。

図７に示すシミュレーション結果は、前記先行出願を適用し、Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３＝１に設定したものであり、相対的な状態量（状態量差）を制御していないので、状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３は揃わない。
図８に示すシミュレーション結果は、前記先行出願を適用し、基準状態量を各制御ループの追従状態量の単純平均に固定し、Ｗ１＝０．７、Ｗ２＝４．０、Ｗ３＝４．０に設定したことにより得られたものである。図７の結果と比べると、制御ループ間の状態量差を小さくするという先行出願の制御装置の効果が現れている。しかし、ＰＩＤ制御演算部２５−３の操作量上限値ＯＨ３が１６％という制約があるため、操作量ＭＶ１，ＭＶ２より先にＭＶ３が飽和し、状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２にＰＶ３が追従することができず、先行出願の本来の効果が大きく損なわれている。

図９に示すシミュレーション結果は、前記先行出願を適用し、第３の制御系の状態量が基準状態量となるように状態量変換行列Ｔを式（１７）に固定し、逆行列Ｔ^-1を式（２０）に固定し、Ｗ１＝０．７、Ｗ２＝４．０、Ｗ３＝４．０に設定したことにより得られたものである。このため、状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２がＰＶ３に追従することになり、制御ループ間の状態量差を小さくするという先行出願の効果が損なわれていない。これにより、本シミュレーション条件においては、状態量差を小さくするという効果が全く損なわれずに制御された場合に、状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３は図９のレベルまで揃うことが検証できる。

図１０に示すシミュレーション結果は、本実施の形態においてＷ１＝０．７、Ｗ２＝４．０、Ｗ３＝４．０と設定したことにより得られたものであり、図９と実質的に全く同じ制御結果が得られており、状態量差を小さくするという効果が全く損なわれていないことが検証できる。

なお、本実施の形態で説明した制御装置は、演算装置、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。

また、本実施の形態では、図２の構成に基づく制御装置について説明したが、前述のとおり本発明は図１の構成にも適用可能である。この場合、制御装置は、状態量変換部１と、制御偏差算出部２−１〜２−ｎと、重み係数設定部３と、逆行列再変換部４と、再変換されたｎ個の制御偏差に基づき各制御ループの操作量を算出して、算出したｎ個の操作量をそれぞれ対応する制御ループの制御対象に出力する制御演算部とを有する。さらに、この制御装置は、加重適応修正に関する構成として、ｎ個の制御ループの状態量計測値ＰＶ１〜ＰＶｎとこれに対応する状態量設定値ＳＰ１〜ＳＰｎとの制御偏差Ｅｒ１０〜Ｅｒｎ０を状態量計測値毎に算出する制御偏差算出部と、各制御系の制御偏差Ｅｒ１０〜Ｅｒｎ０の絶対値を比較し、制御偏差の絶対値が最も大きな制御系を探索する最大偏差制御系探索部と、最大偏差制御系の状態量に対する加重が最大になるように状態量変換行列Ｔと逆行列Ｔ^-1を適応的に修正する行列修正部とを備えている。これにより、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

本発明は、プロセス制御技術に適用することができる。

本発明の原理を示す制御系のブロック線図である。 本発明の原理を示す別の制御系のブロック線図である。 先行出願の制御装置の問題点を説明するための図である。 本発明の実施の形態となる制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態における制御系のブロック線図である。 本発明の実施の形態における制御装置の動作を示すフローチャートである。 先行出願を適用し、かつ状態量差を制御しない設定とした制御装置の動作のシミュレーション結果を示す図である。 先行出願における制御装置の動作のシミュレーション結果を示す図である。 先行出願における制御装置の動作のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施の形態における制御装置の動作のシミュレーション結果を示す図である。 従来の制御装置の構成を示すブロック図である。 従来の他の制御装置の構成を示すブロック図である。 状態量平均値と状態量差とを制御対象とする従来の制御装置の構成を示すブロック図である。 クロスコントローラを用いた従来の制御装置の構成を示すブロック図である。 図１４のクロスコントローラを図１３の制御装置に適用した構成を示すブロック図である。 従来のパラメータ調整について説明するための図である。

符号の説明

２３−１…制御偏差Ｅｒ１０算出部、２３−２…制御偏差Ｅｒ２０算出部、２３−３…制御偏差Ｅｒ３０算出部、２５−１、２５−２、２５−３…ＰＩＤ制御演算部、２６…制御偏差変換部、２７−１…重み係数Ｗ１設定部、２７−２…重み係数Ｗ２設定部、２７−３…重み係数Ｗ３設定部、２８…逆行列再変換部、２９…状態量変換行列Ｔ記憶部、３０…逆行列Ｔ^-1記憶部、３１…最大偏差制御系探索部、３２…行列修正部。

Claims (4)

1. ｎ（ｎは２以上の自然数）個の並列なＰＩＤ制御ループを有する制御系の制御装置において、
   前記ｎ個のＰＩＤ制御ループの状態量の加重平均値であって特定の基準となる絶対的な状態量を基準状態量とし、状態量差である相対的な状態量を相対状態量としたとき、
   前記ｎ個のＰＩＤ制御ループに入力される各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差を前記状態量計測値毎に算出する制御偏差算出部と、
   前記算出されたｎ個の制御偏差を、前記基準状態量に対応する制御偏差または前記相対状態量に対応する制御偏差に変換するためのｎ×ｎの状態量変換行列により線形結合して前記基準状態量に対応する制御偏差または前記相対状態量に対応する制御偏差のいずれかに変換する制御偏差変換部と、
   前記変換されたｎ個の制御偏差にそれぞれ対応し、制御の優先度を与える重み係数を乗算する重み係数設定部と、
   ＰＩＤ制御演算部が算出するｎ個の操作量と前記ｎ個のＰＩＤ制御ループの各アクチュエータの出力とを１対１に対応させるために、前記重み係数が乗算されたｎ個の制御偏差を前記状態量変換行列の逆行列により再変換する逆行列再変換部と、
   前記再変換されたｎ個の制御偏差に基づき各ＰＩＤ制御ループの操作量を算出して、算出したｎ個の操作量をそれぞれ対応するＰＩＤ制御ループのアクチュエータに出力するＰＩＤ制御演算部と、
   前記変換される前の制御偏差の絶対値をＰＩＤ制御ループ毎に算出し、絶対値が大きなＰＩＤ制御ループほど前記加重平均値の加重を大きく適応修正することにより前記状態量変換行列および前記逆行列を適応的に修正する行列修正部とを備えることにより、
   基準状態量と相対状態量に優先度を与えて制御するための制御偏差を算出することを特徴とする制御装置。
2. ｎ（ｎは２以上の自然数）個の並列なＰＩＤ制御ループを有する制御系の制御装置において、
   前記ｎ個のＰＩＤ制御ループの状態量の加重平均値であって特定の基準となる絶対的な状態量を基準状態量とし、状態量差である相対的な状態量を相対状態量としたとき、
   前記ｎ個のＰＩＤ制御ループに入力されるｎ個の各状態量計測値を、基準状態量計測値または相対状態量計測値に変換するためのｎ×ｎの状態量変換行列により線形結合して前記基準状態量計測値または相対状態量計測値のいずれかに変換する状態量変換部と、
   前記変換された基準状態量計測値とこれに対応する基準状態量設定値との制御偏差または前記変換された相対状態量計測値とこれに対応する相対状態量設定値との制御偏差のいずれかを前記変換された状態量計測値毎に算出する制御偏差算出部と、
   前記算出されたｎ個の制御偏差にそれぞれ対応し、制御の優先度を与える重み係数を乗算する重み係数設定部と、
   ＰＩＤ制御演算部が算出するｎ個の操作量と前記ｎ個のＰＩＤ制御ループの各アクチュエータの出力とを１対１に対応させるために、前記重み係数が乗算されたｎ個の制御偏差を前記状態量変換行列の逆行列により再変換する逆行列再変換部と、
   前記再変換されたｎ個の制御偏差に基づき各ＰＩＤ制御ループの操作量を算出して、算出したｎ個の操作量をそれぞれ対応するＰＩＤ制御ループのアクチュエータに出力するＰＩＤ制御演算部と、
   前記ｎ個のＰＩＤ制御ループに入力される各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差の絶対値をＰＩＤ制御ループ毎に算出し、絶対値が大きなＰＩＤ制御ループほど前記加重平均値の加重を大きく適応修正することにより前記状態量変換行列および前記逆行列を適応的に修正する行列修正部とを備えることにより、
   基準状態量と相対状態量に優先度を与えて制御するための制御偏差を算出することを特徴とする制御装置。
3. 請求項１記載の制御装置において、
   前記状態量変換行列は、前記変換された制御偏差に、異なるＰＩＤ制御ループの状態量計測値間の相対的な関係を与える相対制御偏差が含まれるように予め設定され、
   前記相対制御偏差に乗算される前記重み係数は、前記相対制御偏差に対する制御の優先度が高くなるように予め設定されることを特徴とする制御装置。
4. 請求項２記載の制御装置において、
   前記状態量変換行列は、前記変換された状態量計測値に、異なるＰＩＤ制御ループの状態量計測値間の相対的な関係を与える相対状態量計測値が含まれるように予め設定され、
   前記相対状態量計測値に対応する制御偏差に乗算される前記重み係数は、前記相対状態量計測値に対する制御の優先度が高くなるように予め設定されることを特徴とする制御装置。

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