JP5450121B2 - Model predictive control device and program - Google Patents
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Description
本発明は、プロセスモデルに基づいて、被制御量の変化を予測し、操作量を変化させる技術に関する。 The present invention relates to a technique for predicting a change in a controlled amount based on a process model and changing an operation amount.
従来から、鉄鋼、石油化学、セメントなどの産業で行われているプロセス制御は、プロセスの状態を示す温度や圧力などの制御量(Process Variable)が、予め決められた目標値(Set point Variable)となるように、バルブなどの操作量(Manipulated Variable)を自動的に調節することによって行われている。このような自動制御システムにおいては、一般にPID制御と呼ばれる制御方法が用いられているが、多変量を同時に制御しなければならない場合や、むだ時間が長くプロセスの状態を予測する必要がある場合には、モデル予測制御(Model Predictive Control)と呼ばれる高度な制御方法が広く適用されている。 Conventionally, process control that has been performed in industries such as steel, petrochemical, cement, etc., the controlled variable (Process Variable) such as temperature and pressure indicating the state of the process is a predetermined target value (Set point Variable) This is done by automatically adjusting the manipulated variable of the valve or the like. In such an automatic control system, a control method generally referred to as PID control is used. However, when it is necessary to control multivariate simultaneously or when it is necessary to predict the state of a process with a long dead time. The advanced control method called Model Predictive Control is widely applied.
例えば、特許文献1には、多変数モデル予測制御システムが開示されている。この多変数モデル予測制御システムでは、外部からプラントの出力を制御する制御量の目標値SV、その現在制御量PV、演算器により演算された「SV−PV」を入力し、内部からプラントへの過去の操作量MVおよび外乱DVが入力され、それらの制御時間ステップ毎のデータをニューロモデル部に出力する。この出力値に基づき、ニューロモデル部は、各制御量の変化の予測値を感度計算部に出力する。この出力値に基づき、感度計算部は、各操作量に対する予測値の感度を計算して最適化計算部に出力する。この出力値に基づき、最適化計算部は制御量と操作量の最適化計算を行って得られた操作量MVを、プラントおよびデータ処理部に出力する。
For example,
しかしながら、上記の従来技術では、「制御量を目標値に近づけたい」という制御目標に対応するものであり、「制御量を目標値以下にしたい」、若しくは、「制御量をなるべく小さくしたい」という目標を容易に扱うことはできなかった。このようなタイプの目標としては、例えば、品質規格やコストに係るものなどがある。 However, in the above-mentioned conventional technology, it corresponds to the control target “I want to make the control amount close to the target value”, and “I want to make the control amount equal to or less than the target value” or “I want to make the control amount as small as possible”. The goal could not be handled easily. Examples of such types of targets include those related to quality standards and costs.
ここで、従来のモデル予測制御を用いて「制御量を目標値以下にしたい」という目標に対応しようとする場合、これを目標として扱うのではなく、制約条件として組み込めば良いように思われる。しかしながら、この場合、何らかの外乱によって制御量が目標値を超えてしまうと、制約条件が成立しなくなって、演算不能となる欠点がある。また、ばらつきを考慮した上で、目標値以下の値を従来のモデル予測制御の目標値とすることも考えられるが、この場合は、制御量が目標値以下の時、目標値を指向する操作が不必要なだけでなく、これがプロセスに対する外乱となり、また、運転効率を低下させる要因となる欠点がある。 Here, when it is going to respond to the goal of “I want to make the controlled variable below the target value” using the conventional model predictive control, it seems that it should be incorporated as a constraint condition instead of treating it as a target. However, in this case, if the control amount exceeds the target value due to some disturbance, there is a disadvantage that the constraint condition is not satisfied and the calculation is impossible. In addition, considering the variation, a value less than the target value may be used as the target value of the conventional model predictive control. In this case, when the control amount is less than the target value, an operation for directing the target value is performed. Not only is unnecessary, but also causes a disturbance to the process and causes a decrease in operating efficiency.
一方、「制御量をなるべく小さくしたい」という目標についても、従来のモデル予測制御を適用すると、目標値を実現不可能なレベルに設定することが考えられる。しかしながら、状況によって変動する制御量に対して、制御パラメータのチューニングを含めて目標値をどのレベルすれば良いのか明らかではないという問題がある。 On the other hand, it is conceivable that the target value is set to a level that cannot be realized when the conventional model predictive control is applied to the target of “reducing the control amount as much as possible”. However, there is a problem that it is not clear to what level the target value should be adjusted including the tuning of the control parameter with respect to the control amount that varies depending on the situation.
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、制御量を目標値とする、という目標に加えて、制御量を目標値以下若しくは以上とする、または、制御量を極力小さくするという目標を同時に実現することができるモデル予測制御装置およびプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above. In addition to the goal of setting the control amount as the target value, the control amount is set to be equal to or less than the target value, or the control amount is made as small as possible. An object of the present invention is to provide a model predictive control apparatus and program capable of simultaneously realizing the goal of performing.
(1)上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明のモデル予測制御装置は、プロセスモデルに基づいて、被制御量の変化を予測し、操作量を変化させるモデル予測制御装置であって、前記被制御量の予測式を用いて、前記被制御量の変化の予測値を算出する予測部と、前記算出した予測値および前記目標値からの前記被制御量の超過分を示す変数または前記目標値からの前記被制御量の不足分を示す変数の少なくとも一方を含む評価関数を用いて、前記被制御量が前記目標値以下となるように、前記操作量を決定し、前記被制御量が前記目標値以上となるように、前記操作量を決定し、前記被制御量が前記目標値となるように、前記操作量を決定し、前記被制御量が最小化するように、前記操作量を決定し、または、前記被制御量が最大化するように、前記操作量を決定する操作量決定部と、を備えることを特徴とする。 (1) In order to achieve the above object, the present invention takes the following measures. That is, the model predictive control device of the present invention is a model predictive control device that predicts a change in the controlled amount based on the process model and changes the manipulated variable, and uses the prediction formula for the controlled amount, A prediction unit that calculates a predicted value of the change in the controlled amount; a variable indicating an excess of the controlled amount from the calculated predicted value and the target value; or a shortage of the controlled amount from the target value Using the evaluation function including at least one of the variables indicating the control amount, the manipulated variable is determined such that the controlled variable is equal to or less than the target value, and the controlled variable is equal to or greater than the target value. The operation amount is determined, the operation amount is determined so that the controlled amount becomes the target value, and the operation amount is determined so that the controlled amount is minimized, or the controlled amount Determine the amount of operation so that the And the operation amount determination unit, characterized in that it comprises a.
この構成により、被制御量を目標値とする場合のみならず、目標値以下や目標値以上とする場合にも所望の制御を行なうことが可能となる。また、目標値とは関わりなく、被制御量を最小化したり、最大化したりすることも可能となる。その結果、少なくとも5種類の多様な目標を達成することが可能となり、これらを状況に応じて組み合わせて使用することが可能となる。 With this configuration, desired control can be performed not only when the controlled amount is set to the target value, but also when the controlled amount is equal to or less than the target value. In addition, the controlled amount can be minimized or maximized regardless of the target value. As a result, it is possible to achieve at least five kinds of various goals, and these can be used in combination according to the situation.
(2)また、本発明のプログラムは、プロセスモデルに基づいて、被制御量の変化を予測し、操作量を変化させるモデル予測制御装置で実行されるプログラムであって、前記被制御量の予測式を用いて、前記被制御量の変化の予測値を算出する処理と、前記算出した予測値および前記目標値からの前記被制御量の超過分を示す変数または前記目標値からの前記被制御量の不足分を示す変数の少なくとも一方を含む評価関数を用いて、前記被制御量が前記目標値以下となるように、前記操作量を決定する処理、前記被制御量が前記目標値以上となるように、前記操作量を決定する処理、前記被制御量が前記目標値となるように、前記操作量を決定する処理、前記被制御量が最小化するように、前記操作量を決定する処理、または、前記被制御量が最大化するように、前記操作量を決定する処理のいずれかの処理と、の一連の処理をコンピュータに読み込み可能および実行可能にコマンド化したことを特徴とする。 (2) A program according to the present invention is a program executed by a model predictive control device that predicts a change in a controlled variable based on a process model and changes a manipulated variable, and predicts the controlled variable. A process for calculating a predicted value of a change in the controlled amount using an equation, a variable indicating an excess of the controlled amount from the calculated predicted value and the target value, or the controlled value from the target value A process for determining the manipulated variable such that the controlled variable is equal to or less than the target value using an evaluation function including at least one of variables indicating a shortage of the quantity, and the controlled variable is equal to or greater than the target value. The operation amount is determined so that the operation amount is determined, the operation amount is determined so that the controlled amount becomes the target value, and the operation amount is determined so that the controlled amount is minimized. Processing or the controlled quantity To maximize, wherein the operation amount and the processing of one of the processing for determining the were a series of processes can read on a computer and can execute commands of.
この構成により、被制御量を目標値とする場合のみならず、目標値以下や目標値以上とする場合にも所望の制御を行なうことが可能となる。また、目標値とは関わりなく、被制御量を最小化したり、最大化したりすることも可能となる。その結果、少なくとも5種類の多様な目標を達成することが可能となり、これらを状況に応じて組み合わせて使用することが可能となる。 With this configuration, desired control can be performed not only when the controlled amount is set to the target value, but also when the controlled amount is equal to or less than the target value. In addition, the controlled amount can be minimized or maximized regardless of the target value. As a result, it is possible to achieve at least five kinds of various goals, and these can be used in combination according to the situation.
本発明によれば、目標値からの被制御量の超過分を示す変数または目標値からの被制御量の不足分を示す変数の少なくとも一方を含む評価関数を用いて、操作量を決定するので、従来のモデル予測制御ではできなかったこと、すなわち、制御量を目標値以下若しくは以上とするという目標を実現することが可能となる。 According to the present invention, the manipulated variable is determined using the evaluation function including at least one of the variable indicating the excess of the controlled amount from the target value or the variable indicating the insufficient controlled amount from the target value. Thus, it is possible to realize a target that could not be achieved by the conventional model predictive control, that is, a control amount equal to or less than the target value.
次に、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。本明細書において、本文中の記号の書体と数式中の記号の書体とが異なる場合があるが、これは単に書体が異なるだけであって、実質的には同一である。まず、制御対象のモデルとしてステップ応答モデルを用いた場合の出力の予測方法について説明する。現サンプル時点kからj番目の未来のサンプル時点k+jでの出力ym(k+j)について考える。時刻k+iに制御対象に入った入力Δu(k+i)は、時刻k+j(j>i)では、aj-iΔu(k+i)という出力として現れる。Δu(-∞)からΔu(k+j-1)までの入力によって、出力は、(1)式のように表される。 Next, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In this specification, the typeface of the symbol in the text and the typeface of the symbol in the mathematical formula may be different, but this is merely the typeface and is substantially the same. First, an output prediction method when a step response model is used as a model to be controlled will be described. Consider the output y m (k + j) at the j-th future sample time point k + j from the current sample time point k. The input Δu (k + i) that entered the control target at time k + i appears as an output a ji Δu (k + i) at time k + j (j> i). Depending on the input from Δu (−∞) to Δu (k + j−1), the output is expressed as in equation (1).
ここで、Δu(k+i)=u(k+i)-u(k+i-1)で、ai(i=1,…,N,…)は、決められたサンプル間隔のステップ応答係数である(図1Aおよび図1B参照)。 Here, Δu (k + i) = u (k + i) −u (k + i−1), and a i (i = 1,..., N,...) Is the step response of the determined sample interval. Coefficient (see FIGS. 1A and 1B).
図1Aおよび図1Bは、ステップ応答係数を示す図である。図1Aおよび図1Bでは、ステップ応答が一次遅れのように表されているが、制御対象によって、むだ時間があっても逆応答系でも構わない。a1からaNまでの数列が分かっていればよい。 1A and 1B are diagrams showing step response coefficients. In FIG. 1A and FIG. 1B, the step response is represented as a first-order lag, but depending on the control target, there may be a dead time or an inverse response system. It is only necessary to know the sequence from a 1 to a N.
ここで、(1)式の時刻を未来と過去の入力に分けて書き直すと(2)式のように表される。
また、現時刻の出力は(3)式のように過去の入力だけで表され、(2)、(3)式より時刻k+jの予測値は(4)式のように有限個の入力値で計算できるようになる。
対象プロセスの操作量uに対するステップ応答モデルaiが得られていたとする。ここでは、測定できない外乱の項d(k+j)も加え、出力の未来値を(5)式のように表す。 It is assumed that a step response model a i with respect to the operation amount u of the target process has been obtained. Here, the disturbance term d (k + j) that cannot be measured is also added, and the future value of the output is expressed as in equation (5).
また、(6)式のように未来の外乱は一定であり、その値は実測値と予測値の差であるとすると(5)式は(7)式のように表される。
いま現時点をk、予測する未来をk+1からk+P(P≦N)までとしたとき出力の予測値は、(8)式で表されるようになる。
次に多入力(q)多出力(r)について考える。ステップ応答係数aiを、
出力の目標値ベクトルを、
また、制約式に関しては、全操作変数の上下限を考えると以下のようになる。
ここで、Iqは、(q×q)の単位行列、現在の目標値を、
ここで、このようなモデル予測制御では、制御量を目標値以下にしたいという目標を扱うことができない。そこで、目標値からの差異を表す変数を新たに導入し、以下のように定義する。 Here, in such model predictive control, it is not possible to handle the goal of making the controlled variable below the target value. Therefore, a variable representing the difference from the target value is newly introduced and defined as follows.
同様に、制御量を目標値以上にしたい場合には、目標からの不足分を最小化することになる。
また、従来のようにあくまでも目標値を狙う場合にも、過不足変数どちらも最小化することで(10)式と同様の結果となる。 In addition, when aiming at a target value as in the past, minimizing both excess and deficiency variables yields the same result as equation (10).
同様に、目標値とは関係なく最大化したい場合には、
図2は、本実施形態に係るモデル予測制御装置の概略構成を示すブロック図である。モデル予測制御装置10は、プロセスモデルに基づいて、被制御量の変化を予測し、前記被制御量と目標値とが一致するように操作量を変化させる。予測部11は、制御対象13における被制御量の予測式を用いて、被制御量の変化の予測値を算出する。操作量決定部12は、予測部11が算出した予測値および評価関数を用いて、操作量を決定する。操作量決定部12は、被制御量と目標値との差分を示す変数を、上述したように、評価関数に適用して、操作量を決定する。また、操作量決定部12は、上述したように、差分が最小となるように評価関数を変更する。
FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the model predictive control apparatus according to the present embodiment. The model
[実施例]
セメント製造における原料調合プロセスは、所定の調合目標となるように石灰石(一般、高品位)、粘土、頁岩、鉄原料、珪石の配合比率を操作することによって自動制御されている。ここで使用される原料事情は、工場によってさまざまであるが、高価な原料を使用せざるを得ない工場では、調合上の制約を満たす範囲内でこれらの使用を抑えるように手動で管理している場合がある。
[Example]
The raw material blending process in cement production is automatically controlled by manipulating the blending ratio of limestone (general, high grade), clay, shale, iron raw material, and silica so as to become a predetermined blending target. The raw materials used here vary from factory to factory, but in factories where unavoidable raw materials are used, they must be managed manually so as to limit their use within the range that satisfies the restrictions on formulation. There may be.
そこで、本実施例では、どのような原料事情であっても、常にコストが最小となるようなリアルタイム最適化機能を備えた原料調合制御プログラムを示す。制御方式は、上述したモデル予測制御(Model Predictive Control)をベースとして、従来の調合目標だけでなく原料コストの最小化を制御目標に加える方式を採る。また、アルカリや鉱物組成(C3A)などの制約条件も同時に考慮できるようにすることも可能である。 Therefore, this embodiment shows a raw material blending control program having a real-time optimization function that always minimizes the cost regardless of the raw material circumstances. Based on the model predictive control (Model Predictive Control) described above, the control method adopts a method of adding not only the conventional blending target but also minimizing the raw material cost to the control target. It is also possible to consider constraints such as alkali and mineral composition (C3A) at the same time.
(1)調合目標 LSF=95.7 A=5.0 F=4.0 R2O≦0.65
(2)原料成分と単位コスト
(1) Formulation target LSF = 95.7 A = 5.0 F = 4.0 R 2 O ≦ 0.65
(2) Raw material components and unit costs
次の表は、計算に用いたデータを示す。
(3)最適化機能
最適調合の例を、次の表に示す。この表で明らかであるように、同じ制御目標であっても調合によって原料コストが異なる。つまり、原料事情に応じて最適な調合が存在することがわかる。よって、原料調合制御に最適化機能を組み込めば、各原料の成分変動があったとしても、常に最適な方向にアクションすることができ、これまで見逃されていた原価低減が期待できる。
(3) Optimization function The following table shows an example of optimal formulation. As is apparent from this table, the raw material cost varies depending on the blending even with the same control target. In other words, it can be seen that there is an optimum formulation according to the raw material circumstances. Therefore, if an optimization function is incorporated in the raw material mixing control, even if there is a fluctuation in the components of each raw material, it is possible to always act in the optimum direction, and cost reductions that have been overlooked so far can be expected.
なお、本発明は、コンピュータにプログラムを実行させることによっても実施することが可能である。すなわち、本発明に係るプログラムは、プロセスモデルに基づいて、被制御量の変化を予測し、操作量を変化させるモデル予測制御装置で実行されるプログラムであって、前記被制御量の予測式を用いて、前記被制御量の変化の予測値を算出する処理と、前記算出した予測値および前記目標値からの前記被制御量の超過分を示す変数または前記目標値からの前記被制御量の不足分を示す変数の少なくとも一方を含む評価関数を用いて、前記被制御量が前記目標値以下となるように、前記操作量を決定する処理、前記被制御量が前記目標値以上となるように、前記操作量を決定する処理、前記被制御量が前記目標値となるように、前記操作量を決定する処理、前記被制御量が最小化するように、前記操作量を決定する処理、または、前記被制御量が最大化するように、前記操作量を決定する処理のいずれかの処理と、の一連の処理をコンピュータに読み込み可能および実行可能にコマンド化したことを特徴とする。 Note that the present invention can also be implemented by causing a computer to execute a program. That is, the program according to the present invention is a program that is executed by a model predictive control device that predicts a change in the controlled variable based on the process model and changes the manipulated variable. And a process for calculating a predicted value of the change in the controlled amount, a variable indicating an excess of the controlled amount from the calculated predicted value and the target value, or the controlled amount from the target value. Processing for determining the manipulated variable so that the controlled variable is equal to or less than the target value using an evaluation function including at least one of variables indicating a deficit, and the controlled variable is equal to or greater than the target value A process for determining the manipulated variable, a process for determining the manipulated variable so that the controlled variable becomes the target value, a process for determining the manipulated variable so that the controlled variable is minimized, Or the controlled So you maximize, wherein the operation amount and the processing of one of the processing for determining the were a series of processes can read on a computer and can execute commands of.
この構成により、被制御量を目標値とする場合のみならず、目標値以下や目標値以上とする場合にも所望の制御を行なうことが可能となる。また、目標値とは関わりなく、被制御量を最小化したり、最大化したりすることも可能となる。その結果、少なくとも5種類の多様な目標を達成することが可能となり、これらを状況に応じて組み合わせて使用することが可能となる。 With this configuration, desired control can be performed not only when the controlled amount is set to the target value, but also when the controlled amount is equal to or less than the target value. In addition, the controlled amount can be minimized or maximized regardless of the target value. As a result, it is possible to achieve at least five kinds of various goals, and these can be used in combination according to the situation.
以上説明したように、本実施形態によれば、従来の「制御量を目標値としたい」という目標に加えて、「制御量を〜以下にしたい」もしくは、「制御量をなるべく小さくしたい」という目標を同時に考慮することができる。例えば、品質スペックと原料コストを同時に勘案しなければならないような場合に、本発明は、特に有効である。 As described above, according to the present embodiment, in addition to the conventional target of “I want to set the control amount as the target value”, “I want to make the control amount to be less than or equal to” or “I want to make the control amount as small as possible”. Goals can be considered simultaneously. For example, the present invention is particularly effective when quality specifications and raw material costs must be considered at the same time.
10 モデル予測制御装置
11 予測部
12 操作量決定部
13 制御対象
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記被制御量の予測式を用いて、前記被制御量の変化の予測値を算出する予測部と、
前記算出した予測値および目標値からの前記被制御量の超過分を示す変数を含む評価関数を用いて、前記被制御量を前記目標値以下とする前記操作量の決定、
前記算出した予測値および前記目標値からの前記被制御量の不足分を示す変数を含む評価関数を用いて、前記被制御量を前記目標値以上とする前記操作量の決定、
前記算出した予測値、前記目標値からの前記被制御量の超過分を示す変数および前記目標値からの前記被制御量の不足分を示す変数を含む評価関数を用いて、前記被制御量を最小化する前記操作量の決定、または、
前記算出した予測値、前記目標値からの前記被制御量の超過分を示す変数および前記目標値からの前記被制御量の不足分を示す変数を含む評価関数を用いて、前記被制御量を最大化する前記操作量の決定のいずれか一つを行なう操作量決定部と、を備えることを特徴とするモデル予測制御装置。 A model predictive control device that predicts a change in a controlled amount based on a process model and changes an operation amount,
A prediction unit that calculates a predicted value of the change in the controlled amount using the prediction formula for the controlled amount;
Using the evaluation function including a variable indicating an excess of the controlled amount from the calculated predicted value and a target value , determining the manipulated variable so that the controlled amount is equal to or less than the target value;
Using the evaluation function including a variable indicating a shortage of the controlled amount from the calculated predicted value and the target value, determining the manipulated variable to make the controlled amount equal to or greater than the target value;
Using the evaluation function including the calculated predicted value, a variable indicating an excess of the controlled amount from the target value, and a variable indicating an insufficient amount of the controlled amount from the target value, the controlled amount is calculated. Determination of the manipulated variable to be minimized, or
Using the evaluation function including the calculated predicted value, a variable indicating an excess of the controlled amount from the target value, and a variable indicating an insufficient amount of the controlled amount from the target value, the controlled amount is calculated. An operation amount determination unit that performs any one of the determination of the operation amount to be maximized .
前記被制御量の予測式を用いて、前記被制御量の変化の予測値を算出する処理と、
前記算出した予測値および目標値からの前記被制御量の超過分を示す変数を含む評価関数を用いて、前記被制御量を前記目標値以下とする前記操作量の決定、
前記算出した予測値および前記目標値からの前記被制御量の不足分を示す変数を含む評価関数を用いて、前記被制御量を前記目標値以上とする前記操作量の決定、
前記算出した予測値、前記目標値からの前記被制御量の超過分を示す変数および前記目標値からの前記被制御量の不足分を示す変数を含む評価関数を用いて、前記被制御量を最小化する前記操作量の決定、または、
前記算出した予測値、前記目標値からの前記被制御量の超過分を示す変数および前記目標値からの前記被制御量の不足分を示す変数を含む評価関数を用いて、前記被制御量を最大化する前記操作量の決定のいずれか一つの処理と、の一連の処理をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
A program that is executed by a model predictive control device that predicts a change in controlled amount based on a process model and changes an operation amount,
A process of calculating a predicted value of the change in the controlled amount using the control amount prediction formula;
Using the evaluation function including a variable indicating an excess of the controlled amount from the calculated predicted value and a target value , determining the manipulated variable so that the controlled amount is equal to or less than the target value;
Using the evaluation function including a variable indicating a shortage of the controlled amount from the calculated predicted value and the target value, determining the manipulated variable to make the controlled amount equal to or greater than the target value;
Using the evaluation function including the calculated predicted value, a variable indicating an excess of the controlled amount from the target value, and a variable indicating an insufficient amount of the controlled amount from the target value, the controlled amount is calculated. Determination of the manipulated variable to be minimized, or
Using the evaluation function including the calculated predicted value, a variable indicating an excess of the controlled amount from the target value, and a variable indicating an insufficient amount of the controlled amount from the target value, the controlled amount is calculated. A program for causing a computer to execute a series of processes of determining any one of the manipulated variables to be maximized .
Priority Applications (1)
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