JP6097170B2 - 制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、高度制御のような上位側制御とＰＩＤ制御のような下位側制御とを組み合わせたハイブリッド制御を実現する制御装置および制御方法に関するものである。

従来より、多変数モデル予測制御などの技術に基づく高度制御（例えば大規模プラントで利用されるAdvanced Process Control）技術が知られている。多変数モデル予測制御は、制御変数や操作変数などの多変数間の関係をモデル化して、拘束条件や経済効率などの相互関係を与えることで、最適運転・経済運転を行うための制御である。このような多変数モデル予測制御（特許文献１参照）あるいは多点温度均熱化制御（特許文献２参照）の上位側や目標値整形制御（特許文献３参照）の上位側やシミュレーションベースのオープンループ制御（特許文献４参照）のような高度制御と、ＰＩＤ制御とのハイブリッド制御を実現する手法としては、上位側の高度制御の出力を下位側のＰＩＤ制御の設定値ＳＰとして設定する手法が考えられる。

図９は高度制御とＰＩＤ制御とを組み合わせたハイブリッド制御系の構成を示すブロック図である。多くのケースで、高度制御演算部１００は、複数の状態観測値を取り込む多入力のアルゴリズムが採用され、シミュレーションや最適化演算などを経て、温度や圧力などの状態量について維持すべき値（目標値）を算出する。そして、温度や圧力などの単変数の状態量を目標値に維持するために、ＰＩＤ制御演算部１０１は、高度制御演算部１００が算出した目標値を設定値ＳＰとして、電力調整器１０２やバルブ等への指示値である操作量ＭＶを算出する。

したがって、上位側の高度制御演算部１００のハードウェアが故障したり、多入力系ゆえに想定された入力値のカバー範囲を外れて無効状態になったりしても、設定値ＳＰが維持されたままのＰＩＤ制御が継続するので、温度や圧力などの状態量が暴走することは起こらない。すなわち、制御アルゴリズムとしては、高度制御の異常をＰＩＤ制御で補うバックアップ構造になる。

また、高度制御が例えばシミュレーションベースのオープンループ制御であれば、状態量観測値に基づく修正動作が不十分な構造という可能性もあることになる。このような高度制御に対し、下位の制御アルゴリズムとしてＰＩＤ制御が組み合わせられていれば、最低限の修正動作が末端に備えられている形になるので、制御系全体の安全性が高められることになる。すなわち、制御アルゴリズムとしては相互補完関係になる。

上記のような有効な組み合わせ方が成り立つのは、ＰＩＤ制御が、高度制御から設定値ＳＰを受け取るポジションに入ることが条件になる。逆に言えば、ＰＩＤ制御が、高度制御と設定値ＳＰを共有する形にできなければ、制御アルゴリズムのバックアップ構造、相互補完関係にはならない。

特許第３７５８８６２号公報 特許第４３５８６７４号公報 特許第４６３９８２１号公報 特開平１０−２８５８０４号公報

高度制御側の出力を、電力調整器やバルブへの指示値である操作量ＭＶとすることも、理論上は十分可能である。このとき、高度制御の操作量ＭＶがＰＩＤ制御の操作量ＭＶと同じ変数になって重複する場合は、図１０に示すように高度制御の単独構造にならざるを得ない。
多くのケースで、高度制御は複数の状態観測値を取り込む多入力のアルゴリズムが採用されるのであるが、それゆえに演算量も大きくなる。そして、演算量が大きい（演算が集中的になる）高度制御は、演算機能がダウンするリスクも無視できないということになるので、高度制御のアルゴリズムを単独で実装するのは、リスクの高い計装ということになる。

また、高度制御が状態量観測値をフィードバックする制御でない場合、温度や圧力などの目標値（設定値ＳＰに相当）と実際の値（制御量ＰＶに相当）との間に誤差が生じる可能性が高くなる。高度制御のアルゴリズムを単独で実装する場合には、この誤差を吸収できないことになる。
したがって、高度制御とＰＩＤ制御とを組み合わせたハイブリッド制御を実装することが好ましいが、高度制御とＰＩＤ制御とを組み合わせる手法は実際には確立されておらず、高度制御の異常をＰＩＤ制御で補うバックアップの技術や高度制御の誤差をＰＩＤ制御で吸収する誤差吸収の技術は実現できていなかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、高度制御とＰＩＤ等のフィードバック制御とを組み合わせたハイブリッド制御を実現し、高度制御の異常をフィードバック制御で補うバックアップの技術や高度制御の誤差をフィードバック制御で吸収する誤差吸収の技術を実現することができる制御装置および制御方法を提供することを目的とする。

本発明の制御装置は、高度制御演算により設定値ＳＰから操作量ＭＶ１を算出する上位側制御演算手段と、制御の状態が過渡状態か定常状態かを判定する過渡／定常状態判定手段と、過渡状態と判定された場合は予め規定された過渡操作量幅α１を操作量幅αとして指定し、定常状態と判定された場合は前記過渡操作量幅α１より大きい定常操作量幅α２を操作量幅αとして指定する操作量幅指定手段と、前記上位側制御演算手段で算出された操作量ＭＶ１に、前記操作量幅αを与えることにより操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨのうち少なくとも一方を算出する操作量変換手段と、下位側のリミット処理で用いる操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨを前記操作量変換手段で算出された値に変更する上下限値設定手段と、フィードバック制御演算により設定値ＳＰから操作量ＭＶ２を算出する下位側制御演算手段と、この下位側制御演算手段で算出された操作量ＭＶ２を操作量下限値ＯＬ以上で操作量上限値ＯＨ以下の値に制限する前記リミット処理を行なうリミット処理手段と、このリミット処理された操作量ＭＶ２を制御対象に出力する操作量出力手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の制御装置の１構成例において、前記過渡／定常状態判定手段は、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差が予め規定された閾値以上の場合は過渡状態と判定し、前記偏差が閾値未満の場合は定常状態と判定することを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記過渡／定常状態判定手段は、最新の設定値ＳＰ変更時点からの経過時間が予め規定された閾値未満の場合は過渡状態と判定し、前記経過時間が閾値以上の場合は定常状態と判定することを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例は、さらに、前記操作量幅指定手段から出力される操作量幅αの急変を緩和する操作量幅平滑化手段を備え、前記操作量変換手段は、前記操作量幅平滑化手段によって急変が緩和された操作量幅αを前記操作量ＭＶ１に与えることにより、操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨのうち少なくとも一方を算出することを特徴とするものである。

また、本発明の制御方法は、高度制御演算により設定値ＳＰから操作量ＭＶ１を算出する上位側制御演算ステップと、制御の状態が過渡状態か定常状態かを判定する過渡／定常状態判定ステップと、過渡状態と判定した場合は予め規定された過渡操作量幅α１を操作量幅αとして指定し、定常状態と判定した場合は前記過渡操作量幅α１より大きい定常操作量幅α２を操作量幅αとして指定する操作量幅指定ステップと、前記上位側制御演算ステップで算出した操作量ＭＶ１に、前記操作量幅αを与えることにより操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨのうち少なくとも一方を算出する操作量変換ステップと、下位側のリミット処理で用いる操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨを前記操作量変換ステップで算出した値に変更する上下限値設定ステップと、フィードバック制御演算により設定値ＳＰから操作量ＭＶ２を算出する下位側制御演算ステップと、この下位側制御演算ステップで算出した操作量ＭＶ２を操作量下限値ＯＬ以上で操作量上限値ＯＨ以下の値に制限する前記リミット処理を行なうリミット処理ステップと、このリミット処理した操作量ＭＶ２を制御対象に出力する操作量出力ステップとを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、上位側制御演算手段で算出された操作量ＭＶ１に、操作量幅αを与えることにより操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨのうち少なくとも一方を算出する操作量変換手段と、下位側のリミット処理で用いる操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨを操作量変換手段で算出された値に変更する上下限値設定手段とを設けることにより、高度制御とＰＩＤ等のフィードバック制御とを組み合わせたハイブリッド制御を実現することができ、高度制御の異常をフィードバック制御で補うバックアップの技術や高度制御の誤差をフィードバック制御で吸収する誤差吸収の技術を実現することができる。また、本発明では、下位側制御演算手段とリミット処理手段と操作量出力手段として、例えば温調計のような市販のコントローラを利用することができる。また、本発明では、過渡／定常状態判定手段と操作量幅指定手段とを設けることにより、高度制御の影響割合（支配率）が、操作量幅αを固定する場合よりも適切になる可変動作を実現することができる。

また、本発明では、操作量幅指定手段から出力される操作量幅αの急変を緩和する操作量幅平滑化手段を設けることにより、操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨの急変によって制御に悪影響が出ることを回避することができる。

先願技術の制御系の構成を示すブロック図である。 先願技術の動作を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態に係る制御装置の詳細な構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る制御装置の動作を説明するフローチャートである。 先願技術の制御装置の動作を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態に係る制御装置の動作を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態に係る制御装置の詳細な構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る制御装置の動作を説明するフローチャートである。 高度制御とＰＩＤ制御とを組み合わせたハイブリッド制御系の構成を示すブロック図である。 高度制御単独の制御系の構成を示すブロック図である。

［先願技術］
発明者は、高度制御とＰＩＤ制御とを組み合わせたハイブリッド制御を実現し、高度制御の異常をＰＩＤ制御で補うバックアップの機能や高度制御の誤差をＰＩＤ制御で吸収する誤差吸収の機能を実現することができる技術を提案した（特願２０１２−１９４９５５）。以下、この技術を先願技術と呼ぶ。

図１は先願技術の制御系の構成を示すブロック図である。先願技術では、高度制御の操作量ＭＶに、誤差範囲を想定した幅を考慮する。この操作量幅を、ＰＩＤ制御ループの操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨとしてＰＩＤ制御ループに与えれば、ＰＩＤ制御ループはフィードバック演算による誤差吸収が行なえる。このとき、ＰＩＤ制御ループの設定値ＳＰには、高度制御側に設定されるはずの設定値ＳＰと同じ変数を重複して割当てればよい。また、これによりＰＩＤ制御ループが常時動作することになるので、高度制御が不調になったり無効状態になったりしたときのためのバックアップ構造としても機能するようになる。

さらに、操作量幅（あるいは上限値ＯＨと下限値ＯＬとの差）をゼロに近づければ、高度制御側から直接的に操作量ＭＶを電力調整器などに作用させている状態に近づけることができる。すなわち、操作量幅を調整することで、高度制御の影響割合（支配率）を実質的に調整できるというように、可調整なハイブリッド制御を実現することができる。

そして、先願技術では、高度制御の操作量ＭＶ１と操作量下限値ＯＬとの差および高度制御の操作量ＭＶ１と操作量上限値ＯＨとの差を、操作量幅αというパラメータとして規定し、次式により操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨを与えるようにしている。
ＯＬ＝ＭＶ１−α ・・・（１）
ＯＨ＝ＭＶ１＋α ・・・（２）
したがって、操作量上限値ＯＨと操作量下限値ＯＬとの差は２αになる。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）は先願技術の動作を説明する図であり、図２（Ａ）は高度制御の操作量ＭＶ１（図１の高度制御演算部１で算出される操作量）の変化に伴う操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨの変化を示す図、図２（Ｂ）は操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨによって制約されるＰＩＤ制御の操作量ＭＶ２（図１の温調計２から出力される操作量）の変化を示す図である。

図２（Ａ）には、操作量ＭＶ１が時間の経過とともに８％から９２％に直線的に上昇し、α＝８％の設定に基づき操作量下限値ＯＬが０％から８４％に直線的に上昇し、操作量上限値ＯＨが１６％から１００％に直線的に上昇する事例が示されている。図２（Ｂ）には、時間の経過とともに操作量下限値ＯＬが０％から８４％、操作量上限値ＯＨが１６％から１００％に直線的に上昇し、この操作量下限値ＯＬと操作量上限値ＯＨの範囲内で操作量ＭＶ２が算出される事例が示されている。このように、先願技術では、上位側の高度制御により大局的な操作量変化が与えられ、下位側のＰＩＤ制御により誤差吸収程度の操作量の調整（変更）が常時継続するようになっている。

以上の先願技術では、操作量幅αを調整することで、高度制御の影響割合（支配率）を実質的に調整できるが、操作量幅αは基本的には固定値として設定される。しかし、高度制御が複雑な制御動作を実対象に展開することを目的とし、ＰＩＤ制御が高度制御の誤差を吸収することを目的としているので、高度制御の影響割合（支配率）が常に一定になることが、必ずしも適切とは限らない。すなわち、高度制御の影響割合（支配率）の適切さを向上させる改善策が必要になる。

［発明の原理］
そこで、発明者は、以下のような原理によれば、高度制御の影響割合（支配率）の適切さを改善できることに想到した。
制御動作については２つに大別され、制御対象の状態量を要求通りに遷移させる過渡状態と、制御対象の状態量を要求通りに安定させる定常状態とがある。先願技術では、上位側の高度制御は複雑な制御動作が目的であり、主に過渡状態が対象になる。一方、下位側のＰＩＤ制御は高度制御で生じる、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの誤差の吸収が目的である。このような誤差は定常状態において問題になる。発明者は、このように目的と制御動作が対応的に大別されることに着眼した。

そして、制御の過渡状態では上位側の高度制御を優先するために操作量幅αを小さくし、制御の定常状態では下位側のＰＩＤ制御を優先するために操作量幅αを大きくする可変動作に想到した。制御の過渡状態と定常状態を明確に識別することは不可能であるが、設定値ＳＰ変更後の特定時間帯や、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差を指標にすることで、過渡状態か定常状態かを概ね適切に識別することができる。このようにすることにより、高度制御の影響割合（支配率）を、シンプルな計装で変更できる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態においても、制御系全体の構成は先願技術と同様であるので、図１の符号を用いて説明する。本実施の形態の制御系は、高度制御演算部１と、温調計２と、ＳＳＲ（Solidstate Relay）やＳＣＲ（Silicon Controlled Rectifier）などの電力調整器３とから構成される。なお、図１では、操作量ＭＶの出力先である制御対象として電力調整器３を例に挙げているが、これに限るものではなく、バルブ等を制御対象としてもよい。

図３は本実施の形態の制御装置の詳細な構成を示すブロック図である。本実施の形態の制御装置は、図１に示した高度制御演算部１と温調計２とから構成される。
高度制御演算部１は、例えば高度制御演算により操作量ＭＶ１を算出する上位側制御演算部１０と、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差が予め規定された閾値以上の場合は制御の過渡状態と判定し、偏差が閾値未満の場合は定常状態と判定する過渡／定常状態判定部１１と、過渡状態と判定された場合は予め規定された過渡操作量幅α１を操作量幅αとして指定し、定常状態と判定された場合は過渡操作量幅α１より大きい定常操作量幅α２を操作量幅αとして指定する操作量幅指定部１２と、上位側制御演算部１０で算出された操作量ＭＶ１に、指定された操作量幅αを与えることにより操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨに変換する操作量変換部１３と、操作量変換部１３で得られた操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨを、温調計２の後述するリミット処理部で用いる値として設定する上下限値設定部１４とを有する。

温調計２は、例えばＰＩＤ制御演算等のフィードバック制御演算により操作量ＭＶ２を算出する下位側制御演算部２０と、下位側制御演算部２０で算出された操作量ＭＶ２を操作量下限値ＯＬ以上で操作量上限値ＯＨ以下の値に制限するリミット処理を行なうリミット処理部２１と、このリミット処理された操作量ＭＶ２を制御対象に出力する操作量出力部２２とを有する。

次に、本実施の形態の制御装置の動作を図４を用いて説明する。本実施の形態では、説明を簡単にするために、上位側制御演算部１０の制御演算式を、簡易な多入力１出力の１次多項式とする。また、炉内温度を制御対象の状態量とする。つまり、炉を加熱するヒータ（不図示）が図１の電力調整器３に接続されていて、電力調整器３は、温調計２から出力される操作量ＭＶ２に応じてヒータに供給する電力を調整する。
本実施の形態の特徴部分である過渡／定常状態判定部１１と操作量幅指定部１２とは上位側の高度制御演算部１に実装されるものとするが、温調計２に実装されていても構わない。

上位側制御演算部１０は、次式の制御演算式により、電力調整器３に出力されることを想定した操作量ＭＶ１を算出する（図４ステップＳ１００）。
ＭＶ１＝ＡＳＰ＋ＢＸ１＋ＣＸ２＋ＤＸ３ ・・・（３）
式（３）において、ＳＰは制御装置のオペレータによって設定される、制御対象の炉内温度に対する設定値、Ｘ１は操作量ＭＶ１を決定するために考慮すべき第１の状態量（例えば炉内圧力計測値）、Ｘ２は操作量ＭＶ１を決定するために考慮すべき第２の状態量（例えば炉内湿度計測値）、Ｘ３は操作量ＭＶ１を決定するために考慮すべき第３の状態量（例えば炉外周辺温度計測値）、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは予め規定される１次多項式係数である。

過渡／定常状態判定部１１は、制御対象の炉内温度に対する設定値ＳＰと図示しない温度センサによって計測された制御量ＰＶ（制御対象の炉内温度計測値）とを取込み、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差Ｅｒを算出する（図４ステップＳ１０１）。
Ｅｒ＝ＳＰ−ＰＶ ・・・（４）

そして、過渡／定常状態判定部１１は、算出した偏差Ｅｒに基づいて制御が過渡状態か否かを判定する（図４ステップＳ１０２）。具体的には、過渡／定常状態判定部１１は、以下のように偏差Ｅｒが予め規定された閾値β以上ならば過渡状態と判定し、偏差Ｅｒが閾値β未満ならば定常状態と判定する。
ＩＦ Ｅｒ≧β ＴＨＥＮ 過渡状態 ・・・（５）
ＩＦ Ｅｒ＜β ＴＨＥＮ 定常状態 ・・・（６）

操作量幅指定部１２は、過渡／定常状態判定部１１により制御の過渡状態と判定された場合は（ステップＳ１０２においてＹＥＳ）、予め規定された過渡操作量幅α１を操作量変換部１３で使用する操作量幅αとして設定し（図４ステップＳ１０３）、制御の定常状態と判定された場合は（ステップＳ１０２においてＮＯ）、予め規定された定常操作量幅α２（α１＜α２）を操作量変換部１３で使用する操作量幅αとして設定する（図４ステップＳ１０４）。
ＩＦ 過渡状態 ＴＨＥＮ αＬ＝αＬ１，αＨ＝αＨ１ ・・・（７）
ＩＦ 定常状態 ＴＨＥＮ αＬ＝αＬ２，αＨ＝αＨ２ ・・・（８）

本実施の形態では、過渡操作量幅α１としてαＬ１，αＨ１の２種類があり、定常操作量幅α２としてαＬ２，αＨ２（αＬ１＜αＬ２，αＨ１＜αＨ２）の２種類がある。また、操作量幅αについても、αＬ，αＨの２種類がある。αＬ１は予め規定された下限値用の過渡操作量幅、αＨ１は予め規定された上限値用の過渡操作量幅、αＬ２は予め規定された下限値用の定常操作量幅、αＨ２は予め規定された上限値用の定常操作量幅である。αＬは操作量幅指定部１２によって設定された下限値用の操作量幅、αＨは操作量幅指定部１２によって設定された上限値用の操作量幅である。過渡操作量幅αＬ１とαＨ１は同じ値でもよいし、異なる値でもよい。同様に、定常操作量幅αＬ２とαＨ２は同じ値でもよいし、異なる値でもよい。この説明から明らかなとおり、操作量幅αＬとαＨは同じ値でもよいし、異なる値でもよい。

続いて、操作量変換部１３は、上位側制御演算部１０で算出された操作量ＭＶ１に、操作量幅指定部１２から設定された操作量幅を加減算して、温調計２の操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨを次式のように算出する（図４ステップＳ１０５）。
ＯＬ＝ＭＶ１−αＬ ・・・（９）
ＯＨ＝ＭＶ１＋αＨ ・・・（１０）

上下限値設定部１４は、操作量変換部１３で得られた操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨを、通信機能などを介して温調計２のリミット処理部２１に対して設定する（図４ステップＳ１０６）。

次に、下位側制御演算部２０は、ＰＩＤ制御演算により、以下の伝達関数式のように操作量ＭＶ２を算出する（図４ステップＳ１０７）。
ＭＶ２＝（１００／Ｐｂ）｛１＋（１／Ｔｉｓ）＋Ｔｄｓ｝（ＳＰ−ＰＶ）
・・・（１１）
式（１１）において、ＳＰは制御対象の炉内温度に対する設定値であり、上位側制御演算部１０が用いる値と同じである。ＰＶは図示しない温度センサによって計測される制御対象の炉内温度計測値（制御量）、Ｐｂは予め規定された比例帯、Ｔｉは予め規定された積分時間、Ｔｄは予め規定された微分時間、ｓはラプラス演算子である。

続いて、リミット処理部２１は、下位側制御演算部２０で算出された操作量ＭＶ２を操作量下限値ＯＬ以上で操作量上限値ＯＨ以下の値に制限する上下限リミット処理を行なう（図４ステップＳ１０８）。
ＩＦ ＭＶ２＜ＯＬ ＴＨＥＮ ＭＶ２＝ＯＬ ・・・（１２）
ＩＦ ＭＶ２＞ＯＨ ＴＨＥＮ ＭＶ２＝ＯＨ ・・・（１３）
つまり、リミット処理部２１は、操作量ＭＶ２が操作量下限値ＯＬより小さい場合、操作量ＭＶ２＝ＯＬとし、操作量ＭＶ２が操作量上限値ＯＨより大きい場合、操作量ＭＶ２＝ＯＨとする。

そして、操作量出力部２２は、リミット処理部２１でリミット処理された操作量ＭＶ２を制御対象の電力調整器３に出力する（図４ステップＳ１０９）。
以上のようなステップＳ１００〜Ｓ１０９の処理が、例えばオペレータからの指令によって制御が終了するまで（図４ステップＳ１１０においてＹＥＳ）、制御周期毎に繰り返し実行される。

本実施の形態の構成と処理により、制御の過渡状態では上位側の高度制御を優先するために操作量幅αＬ，αＨを小さくし、制御の定常状態では下位側のＰＩＤ制御を優先するために操作量幅αＬ，αＨを大きくする可変動作になるので、高度制御の影響割合（支配率）が、操作量幅αＬ，αＨを固定する場合よりも適切になる。

制御が過渡状態か否かを判定するための閾値βについては、オペレータが経験などに基づき適宜調整すればよい。ここでは、設定値ＳＰの変更により制御の過渡状態が生じることを前提としているので、想定される標準的な設定値ＳＰの変更幅を考慮して、この変更幅の例えば１０％程度の値を閾値βにするなどの調整が考えられる。

過渡操作量幅αＬ１，αＨ１と定常操作量幅αＬ２，αＨ２は、αＬ１＜αＬ２，αＨ１＜αＨ２の関係になるように適宜設計すればよいが、本発明の目的を考慮するならば、例えばαＬ１＜０．５×αＬ２，αＨ１＜０．５×αＨ２というように大きめの格差が生じる設計になるのが好ましい。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）は先願技術の制御装置の動作を説明する図であり、図５（Ａ）は操作量ＭＶ１の変化に伴う操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨの変化を示す図、図５（Ｂ）は操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨによって制限される操作量ＭＶ２の変化を示す図、図５（Ｃ）は制御量ＰＶの変化を示す図である。先願技術の制御装置は、本実施の形態の制御装置から過渡／定常状態判定部１１と操作量幅指定部１２とを除いた構成であり、操作量幅αＬ，αＨが予め規定された値に固定された構成となる。図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）では、操作量幅αＬ，αＨが固定され、制御の定常状態においても高度制御の影響割合（支配率）が高いことにより、ＰＩＤ制御が本領発揮するフィードバック補償に支障が生じる状況が現れている。

一方、図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）は本実施の形態の制御装置の動作を説明する図であり、図６（Ａ）は制御の状態（過渡状態／定常状態）に応じた操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨの変化を示す図、図６（Ｂ）は操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨによって制限される操作量ＭＶ２の変化を示す図、図６（Ｃ）は制御量ＰＶの変化を示す図である。図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）では、制御の定常状態においてＰＩＤ制御によるフィードバック補償が機能しやすいように操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨが修正された状況を示している。

なお、本実施の形態では、制御の状態を過渡状態と定常状態の２つに限定したが、操作量幅αの指定のためにはこれら２つに限定する必要はない。例えば準定常状態というように過渡状態と定常状態の中間の状態を偏差Ｅｒにより規定し、準定常操作量幅αＬ３，αＨ３をαＬ１＜αＬ３＜αＬ２，αＨ１＜αＨ３＜αＨ２の関係になるように設計してもよい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、制御系全体の構成は先願技術と同様であるので、図１の符号を用いて説明する。
図７は本実施の形態の制御装置の詳細な構成を示すブロック図である。本実施の形態の高度制御演算部１は、上位側制御演算部１０と、最新の設定値ＳＰ変更時点からの経過時間が予め規定された閾値未満の場合は制御の過渡状態と判定し、経過時間が閾値以上の場合は定常状態と判定する過渡／定常状態判定部１１ａと、操作量幅指定部１２と、上位側制御演算部１０で算出された操作量ＭＶ１に、後述する操作量幅平滑化部から指定された操作量幅αを与えることにより操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨに変換する操作量変換部１３ａと、上下限値設定部１４と、操作量幅指定部１２から出力される操作量幅αの急変を緩和する操作量幅平滑化部１５とを有する。温調計２の構成は第１の実施の形態と同じである。

次に、本実施の形態の制御装置の動作を図８を用いて説明する。本実施の形態においても、炉内温度を制御対象の状態量とする。
図８のステップＳ２００の処理は、図４のステップＳ１００と同じなので、説明は省略する。

過渡／定常状態判定部１１ａは、設定値ＳＰの変更を検出すると（図８ステップＳ２０１においてＹＥＳ）、この設定値ＳＰ変更時点からの経過時間ＴＳの計測を開始する（図８ステップＳ２０２）。過渡／定常状態判定部１１ａは、設定値ＳＰが直前の制御周期の設定値ＳＰと異なるときに、設定値ＳＰが変更されたと判断する。

そして、過渡／定常状態判定部１１ａは、最新の設定値ＳＰ変更時点からの経過時間ＴＳに基づいて制御が過渡状態か否かを判定する（図８ステップＳ２０３）。具体的には、過渡／定常状態判定部１１ａは、以下のように経過時間ＴＳが予め規定された閾値γ未満ならば過渡状態と判定し、経過時間ＴＳが閾値γ以上ならば定常状態と判定する。
ＩＦ ＴＳ＜γ ＴＨＥＮ 過渡状態 ・・・（１４）
ＩＦ ＴＳ≧γ ＴＨＥＮ 定常状態 ・・・（１５）

なお、過渡／定常状態判定部１１ａは、制御装置が起動した初期状態では制御開始時点（設定値ＳＰの初期値が与えられた時点）からの経過時間をＴＳとする。
操作量幅指定部１２は、過渡／定常状態判定部１１ａにより制御の過渡状態と判定された場合は（ステップＳ２０３においてＹＥＳ）、予め規定された過渡操作量幅αＬ１，αＨ１を操作量変換部１３ａで使用する操作量幅αＬ，αＨとして出力し（図８ステップＳ２０４）、制御の定常状態と判定された場合は（ステップＳ２０３においてＮＯ）、予め規定された定常操作量幅αＬ２，αＨ２を操作量変換部１３ａで使用する操作量幅αＬ，αＨとして出力する（図８ステップＳ２０５）。過渡操作量幅αＬ１，αＨ１、定常操作量幅αＬ２，αＨ２については第１の実施の形態で説明したとおりである。

制御の状態が過渡状態から定常状態に移行する際に、操作量幅指定部１２から出力される操作量幅αが急変するのは好ましくない。そこで、操作量幅平滑化部１５は、操作量幅指定部１２から出力される操作量幅αの急変を緩和するために、制御の状態が過渡状態から定常状態に移行した時点から定常状態が継続する間は式（１６）、式（１７）の伝達関数式で示すように１次遅れフィルタにより操作量幅αの平滑化処理を行ない、平滑化処理後の操作量幅α’を操作量変換部１３ａで使用する操作量幅として設定する（図８ステップＳ２０６）。
αＬ’＝αＬ／（１＋Ｔｆｓ）＝αＬ２／（１＋Ｔｆｓ） ・・・（１６）
αＨ’＝αＨ／（１＋Ｔｆｓ）＝αＨ２／（１＋Ｔｆｓ） ・・・（１７）

第１の実施の形態で説明したとおり、操作量幅αについては、αＬ，αＨの２種類がある。したがって、平滑化処理後の操作量幅α’についても、αＬ’，αＨ’の２種類がある。式（１６）、式（１７）において、Ｔｆは予め規定されたフィルタ時定数、ｓはラプラス演算子である。

また、操作量幅平滑化部１５は、制御の状態が定常状態から過渡状態に移行した時点（設定値ＳＰ変更時点）から過渡状態が継続する間は式（１８）、式（１９）に示すように平滑化処理を行なわずに、操作量幅指定部１２から出力される操作量幅αＬ＝αＬ１，αＨ＝αＨ１をそのまま操作量変換部１３ａで使用する操作量幅αＬ’，αＨ’として設定する（図８ステップＳ２０７）。
αＬ’＝αＬ＝αＬ１ ・・・（１８）
αＨ’＝αＨ＝αＨ１ ・・・（１９）

続いて、操作量変換部１３ａは、上位側制御演算部１０で算出された操作量ＭＶ１に、操作量幅平滑化部１５から設定された操作量幅を加減算して、温調計２の操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨを次式のように算出する（図８ステップＳ２０８）。
ＯＬ＝ＭＶ１−αＬ’ ・・・（２０）
ＯＨ＝ＭＶ１＋αＨ’ ・・・（２１）
上記の説明から明らかなとおり、下限値用の操作量幅αＬ’と上限値用の操作量幅αＨ’は同じ値でもよいし、異なる値でもよい。

図８のステップＳ２０９〜Ｓ２１２の処理は、それぞれ図４のステップＳ１０６〜Ｓ１０９と同じなので、説明は省略する。
以上のようなステップＳ２００〜Ｓ２１２の処理が、例えばオペレータからの指令によって制御が終了するまで（図８ステップＳ２１３においてＹＥＳ）、制御周期毎に繰り返し実行される。

こうして、本実施の形態では、制御の状態が過渡状態から定常状態に移行する際の操作量幅αＬ’，αＨ’の急変を緩和することにより、操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨの急変を緩和することができ、操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨの急変によって制御に悪影響が出ることを回避することができる。

なお、過渡／定常状態判定部１１の代わりに、本実施の形態の過渡／定常状態判定部１１ａを第１の実施の形態で用いることも可能である。また、本実施の形態の操作量幅平滑化部１５を第１の実施の形態に適用することも可能である。
フィルタ時定数Ｔｆは、下位側がＰＩＤ制御であるならば、ＰＩＤパラメータの積分時間Ｔｉを参考にして決めることができる。最も単純にＴｆ＝Ｔｉでも、実用範囲になり得る。

第１、第２の実施の形態で説明した制御装置は、ＣＰＵ、記憶装置及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。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、高度制御のような上位側制御とＰＩＤ制御のような下位側制御とを組み合わせたハイブリッド制御に適用することができる。

１…高度制御演算部、２…温調計、３…電力調整器、１０…上位側制御演算部、１１，１１ａ…過渡／定常状態判定部、１２…操作量幅指定部、１３，１３ａ…操作量変換部、１４…上下限値設定部、１５…操作量幅平滑化部、２０…下位側制御演算部、２１…リミット処理部、２２…操作量出力部。

Claims (8)

1. 高度制御演算により設定値ＳＰから操作量ＭＶ１を算出する上位側制御演算手段と、
   制御の状態が過渡状態か定常状態かを判定する過渡／定常状態判定手段と、
   過渡状態と判定された場合は予め規定された過渡操作量幅α１を操作量幅αとして指定し、定常状態と判定された場合は前記過渡操作量幅α１より大きい定常操作量幅α２を操作量幅αとして指定する操作量幅指定手段と、
   前記上位側制御演算手段で算出された操作量ＭＶ１に、前記操作量幅αを与えることにより操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨのうち少なくとも一方を算出する操作量変換手段と、
   下位側のリミット処理で用いる操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨを前記操作量変換手段で算出された値に変更する上下限値設定手段と、
   フィードバック制御演算により設定値ＳＰから操作量ＭＶ２を算出する下位側制御演算手段と、
   この下位側制御演算手段で算出された操作量ＭＶ２を操作量下限値ＯＬ以上で操作量上限値ＯＨ以下の値に制限する前記リミット処理を行なうリミット処理手段と、
   このリミット処理された操作量ＭＶ２を制御対象に出力する操作量出力手段とを備えることを特徴とする制御装置。
2. 請求項１記載の制御装置において、
   前記過渡／定常状態判定手段は、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差が予め規定された閾値以上の場合は過渡状態と判定し、前記偏差が閾値未満の場合は定常状態と判定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、
   前記過渡／定常状態判定手段は、最新の設定値ＳＰ変更時点からの経過時間が予め規定された閾値未満の場合は過渡状態と判定し、前記経過時間が閾値以上の場合は定常状態と判定することを特徴とする制御装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御装置において、
   さらに、前記操作量幅指定手段から出力される操作量幅αの急変を緩和する操作量幅平滑化手段を備え、
   前記操作量変換手段は、前記操作量幅平滑化手段によって急変が緩和された操作量幅αを前記操作量ＭＶ１に与えることにより、操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨのうち少なくとも一方を算出することを特徴とする制御装置。
5. 高度制御演算により設定値ＳＰから操作量ＭＶ１を算出する上位側制御演算ステップと、
   制御の状態が過渡状態か定常状態かを判定する過渡／定常状態判定ステップと、
   過渡状態と判定した場合は予め規定された過渡操作量幅α１を操作量幅αとして指定し、定常状態と判定した場合は前記過渡操作量幅α１より大きい定常操作量幅α２を操作量幅αとして指定する操作量幅指定ステップと、
   前記上位側制御演算ステップで算出した操作量ＭＶ１に、前記操作量幅αを与えることにより操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨのうち少なくとも一方を算出する操作量変換ステップと、
   下位側のリミット処理で用いる操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨを前記操作量変換ステップで算出した値に変更する上下限値設定ステップと、
   フィードバック制御演算により設定値ＳＰから操作量ＭＶ２を算出する下位側制御演算ステップと、
   この下位側制御演算ステップで算出した操作量ＭＶ２を操作量下限値ＯＬ以上で操作量上限値ＯＨ以下の値に制限する前記リミット処理を行なうリミット処理ステップと、
   このリミット処理した操作量ＭＶ２を制御対象に出力する操作量出力ステップとを含むことを特徴とする制御方法。
6. 請求項５記載の制御方法において、
   前記過渡／定常状態判定ステップは、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差が予め規定された閾値以上の場合は過渡状態と判定し、前記偏差が閾値未満の場合は定常状態と判定するステップを含むことを特徴とする制御方法。
7. 請求項５記載の制御方法において、
   前記過渡／定常状態判定ステップは、最新の設定値ＳＰ変更時点からの経過時間が予め規定された閾値未満の場合は過渡状態と判定し、前記経過時間が閾値以上の場合は定常状態と判定するステップを含むことを特徴とする制御方法。
8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の制御方法において、
   さらに、前記操作量変換ステップの前に、前記操作量幅指定ステップで出力される操作量幅αの急変を緩和する操作量幅平滑化ステップを含み、
   前記操作量変換ステップは、前記操作量幅平滑化ステップによって急変が緩和された操作量幅αを前記操作量ＭＶ１に与えることにより、操作量下限値ＯＬ、操作量上限値ＯＨのうち少なくとも一方を算出するステップを含むことを特徴とする制御方法。

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