JP6744145B2 - Control device, control method, and computer program - Google Patents

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本発明の実施形態は、制御装置、制御方法及びコンピュータプログラムに関する。 Embodiments of the present invention relate to a control device, a control method, and a computer program.

近年、プラント制御の方法として、極値制御と呼ばれる技術が注目されている。極値制御は、プラントを模擬する複雑なモデルを用いることなく、リアルタイムに操作量の最適値を探索することができる制御技術である。極値制御の概要は、制御対象となるプロセス(以下、「制御対象プロセス」という。)に与える操作量を強制的に変化させることにより生じる制御対象プロセスの制御量に基づいて、制御量に基づく評価量が最適値となる操作量を探索していくというものである。このような極値制御をプラント制御に適用する場合、極値制御に係る各種のパラメータ(以下、「制御パラメータ」という。)を設定する必要がある。従来、制御対象プロセスの特性に応じて適切に制御パラメータを設定するための指針がいくつか提案されている。 In recent years, a technique called extreme value control has attracted attention as a plant control method. The extreme value control is a control technique capable of searching the optimum value of the manipulated variable in real time without using a complicated model that simulates the plant. The outline of extreme value control is based on the control amount based on the control amount of the control target process generated by forcibly changing the operation amount given to the process to be controlled (hereinafter referred to as “control target process”). This is to search for an operation amount with which the evaluation amount has an optimum value. When such extreme value control is applied to plant control, it is necessary to set various parameters (hereinafter, referred to as “control parameters”) related to extreme value control. Conventionally, some guidelines have been proposed for appropriately setting control parameters according to the characteristics of a control target process.

従来の設定指針は、制御対象プロセスの時定数や操作量、評価量等のプロセス固有の特性(以下、「プロセス特性」という。)に基づいて制御パラメータを設定するものが一般的であり、予め測定された制御対象プロセスの情報に基づいて設定される。しかしながら、最適値の探索を行う過程でプロセス特性が変化するような制御対象プロセスについては、予め一意に定められた制御パラメータで制御することが難しい場合もある。このような性質を持つ制御対象プロセスを予め一意に定められた制御パラメータで制御しようとした場合、制御パラメータが制御対象プロセスの状態に適合せず、制御が不安定になる可能性がある。そして、このような性質を持つプロセスを制御対象とする場合に用いられる制御パラメータの設定指針は十分に確立されていないのが現状である。そのため、このようなプロセス特性が変化する性質を持つ制御対象プロセスに対する制御パラメータを、プロセス特性の変化に応じて適切に設定することができる設定指針の確立が望まれている。 Conventional setting guidelines generally set control parameters in advance based on process-specific characteristics such as time constants, manipulated variables, and evaluation variables of the process to be controlled (hereinafter referred to as "process characteristics"). It is set based on the measured information of the controlled process. However, in some cases, it may be difficult to control a control target process whose process characteristics change in the process of searching for an optimum value, using control parameters uniquely determined in advance. If a control target process having such a property is to be controlled with a control parameter uniquely determined in advance, the control parameter may not match the state of the control target process, and the control may become unstable. The current situation is that the guideline for setting control parameters used when a process having such a property is set as a control target has not been sufficiently established. Therefore, it is desired to establish a setting guideline that can appropriately set the control parameter for the control target process having such a property that the process characteristic changes according to the change in the process characteristic.

特開2014−135851号公報JP, 2014-135851, A 特開2015−102876号公報JP, 2005-102876, A

本発明が解決しようとする課題は、プロセス特性の変化に応じて適切な制御パラメータを設定することができる制御装置、制御方法及びコンピュータプログラムを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a control device, a control method, and a computer program capable of setting appropriate control parameters according to changes in process characteristics.

実施形態の制御装置は、極値制御部と、評価量補正部と、積分係数更新部と、を持つ。極値制御部は、制御対象プロセスの操作量と、前記操作量に応じて変化する制御量に基づく前記制御対象プロセスの最適化に関する指標を示す評価量と、に基づいて前記操作量の最適値を探索する極値制御を実行する。評価量補正部は、前記評価量を所定の補正関数により補正する。積分係数更新部は、補正後の評価量に基づいて、前記極値制御の制御パラメータである積分係数を更新する。前記極値制御部は、補正後の評価量に基づいて前記極値制御を実行する。 The control device according to the embodiment includes an extreme value control unit, an evaluation amount correction unit, and an integration coefficient update unit. The extreme value control unit is an optimum value of the operation amount based on the operation amount of the control target process and an evaluation amount indicating an index related to optimization of the control target process based on the control amount that changes according to the operation amount. Perform extremum control to search for. The evaluation amount correction unit corrects the evaluation amount with a predetermined correction function. The integral coefficient updating unit updates the integral coefficient, which is a control parameter for the extreme value control, based on the corrected evaluation amount. The extreme value control unit executes the extreme value control based on the corrected evaluation amount.

極値制御の動作例を示すブロック線図。The block diagram which shows the operation example of extreme value control. 動作点によって異なる二階微分値を取る評価関数の具体例を示す図。The figure which shows the specific example of the evaluation function which takes the 2nd-order differential value which changes with operating points. 第1の実施形態の制御装置1を水処理プラント300の制御に適用した場合の具体例を示す図。The figure which shows the specific example at the time of applying the control apparatus 1 of 1st Embodiment to control of the water treatment plant 300. 第1の実施形態の制御装置1の機能構成の具体例を示す図。The figure which shows the specific example of a functional structure of the control apparatus 1 of 1st Embodiment. 補正関数にシグモイド関数を用いた場合における評価関数の補正の例を示す図。The figure which shows the example of correction|amendment of an evaluation function when a sigmoid function is used for a correction function. 評価関数の補正によって最適値探索の収束速度が向上する例を示す図。The figure which shows the example which the convergence speed of optimal value search improves by correction|amendment of an evaluation function. 評価関数の補正に関する第2の具体例を示す図。The figure which shows the 2nd specific example regarding correction|amendment of an evaluation function. 評価関数の補正に関する第3の具体例を示す図。The figure which shows the 3rd specific example regarding correction|amendment of an evaluation function. 評価関数の補正に関する第3の具体例を示す図。The figure which shows the 3rd specific example regarding correction|amendment of an evaluation function. 第2の実施形態の制御装置1aの機能構成の具体例を示す図。The figure which shows the specific example of a functional structure of the control apparatus 1a of 2nd Embodiment. 変化率算出部16による二階微分値の算出の具体例を示す図。The figure which shows the specific example of calculation of the second-order differential value by the change rate calculation part 16. 第3の変形例による二階微分値の算出の具体例を示す図。The figure which shows the specific example of calculation of the second-order differential value by the 3rd modification.

以下、実施形態の制御装置、制御方法及びコンピュータプログラムを、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a control device, a control method, and a computer program according to the embodiments will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
[概略]
極値制御は、制御対象プロセスの操作量と、操作量に応じて変化する制御量に基づく評価量と、に基づいて操作量の最適値を適応的に探索する制御手法である。評価量は、制御対象プロセスの最適化に関する指標値であり、制御対象プロセスの制御量に基づいて決定される。評価量と制御量との関係は所定の評価関数によって表される。この評価関数は、制御量に基づく関数であれば任意の評価基準に基づいて設定されてよい。なお、評価量は制御量そのものであってもよい。一般に、極値制御における制御対象プロセスでは、この評価関数は操作量に対して未知の関数である。
(First embodiment)
[Outline]
The extreme value control is a control method that adaptively searches for the optimum value of the operation amount based on the operation amount of the control target process and the evaluation amount based on the control amount that changes according to the operation amount. The evaluation amount is an index value related to optimization of the control target process, and is determined based on the control amount of the control target process. The relationship between the evaluation amount and the control amount is represented by a predetermined evaluation function. This evaluation function may be set based on an arbitrary evaluation standard as long as it is a function based on the control amount. The evaluation amount may be the control amount itself. Generally, in the process to be controlled in the extreme value control, this evaluation function is an unknown function with respect to the manipulated variable.

一般に、極値制御では、ディザー信号を作用させることによって操作量を強制的に振動させ、操作量に応じて変化する評価量を観測する。そして、評価量が評価関数の最適値に近づくような方向に操作量を変化させていく。このような操作量の増減を繰り返すことによって、評価量を評価関数の最適値に近づけていこうとする手法が極値制御によるプロセス制御の概念である。なお、操作量に作用するディザー信号は正弦波で与えられる場合が多い。 Generally, in the extreme value control, the operation amount is forcibly vibrated by applying a dither signal, and the evaluation amount that changes according to the operation amount is observed. Then, the operation amount is changed so that the evaluation amount approaches the optimum value of the evaluation function. The concept of process control by extreme value control is to approach the evaluation amount to the optimum value of the evaluation function by repeating such increase and decrease of the operation amount. The dither signal that affects the manipulated variable is often given as a sine wave.

図1は、極値制御の動作例を示すブロック線図である。図1は、制御対象のプロセスである制御対象プロセス100と、制御対象プロセス100の極値制御を実現する制御系200とを表している。制御系200は、評価量算出部210及び極値制御部220を備え、おおよそ以下のような処理の流れを繰り返すことによって制御対象プロセス100の極値制御を実現する。 FIG. 1 is a block diagram showing an operation example of extreme value control. FIG. 1 shows a control target process 100 that is a control target process, and a control system 200 that realizes extreme value control of the control target process 100. The control system 200 includes an evaluation amount calculation unit 210 and an extreme value control unit 220, and realizes the extreme value control of the control target process 100 by repeating the flow of the process as described below.

まず、極値制御部220から出力される操作量が制御対象プロセス100に入力される(ステップS11)。以下、簡単のため、ステップS11で入力された操作量を第1の操作量と記載する。制御対象プロセス100は、第1の操作量に対する応答として第1の制御量を出力する(ステップS12)。第1の制御量は評価量算出部210に入力される。評価量算出部210は、第1の制御量に基づいて第1の評価量を算出する。評価量算出部210は、算出された第1の評価量を極値制御部220に出力する(ステップS13)。 First, the manipulated variable output from the extreme value control unit 220 is input to the control target process 100 (step S11). Hereinafter, for the sake of simplicity, the operation amount input in step S11 is referred to as a first operation amount. The controlled process 100 outputs the first controlled variable as a response to the first manipulated variable (step S12). The first control amount is input to the evaluation amount calculation unit 210. The evaluation amount calculation unit 210 calculates the first evaluation amount based on the first control amount. The evaluation amount calculation unit 210 outputs the calculated first evaluation amount to the extreme value control unit 220 (step S13).

極値制御部220は、第1の評価量に基づいて、評価量をより最適な値に近づけるような第2の操作量を決定する。極値制御部220は、第1の評価量に基づいて決定された第2の操作量を新たな操作量として制御対象プロセス100に出力する(ステップS14)。制御対象プロセス100は、第2の操作量に対する応答として第2の制御量を出力する(ステップS15)。第2の制御量は、ステップS12と同様に評価量算出部210に入力される。評価量算出部210は、第2の制御量に基づいて第2の評価量を算出する。 The extreme value control unit 220 determines a second operation amount that brings the evaluation amount closer to an optimum value, based on the first evaluation amount. The extreme value control unit 220 outputs the second operation amount determined based on the first evaluation amount to the control target process 100 as a new operation amount (step S14). The controlled process 100 outputs the second controlled variable as a response to the second manipulated variable (step S15). The second control amount is input to the evaluation amount calculation unit 210 as in step S12. The evaluation amount calculation unit 210 calculates the second evaluation amount based on the second control amount.

このような処理の流れにより、第2の評価量は、第1の評価量よりも最適値に近い評価量となる。極値制御では、このような制御量に基づく評価量の算出と、評価量に基づく新たな操作量の決定とが繰り返し実行されることにより、評価量が最適値に収束していくように制御対象プロセスの操作量が制御される。 With such a processing flow, the second evaluation amount becomes an evaluation amount closer to the optimum value than the first evaluation amount. In the extreme value control, the calculation of the evaluation amount based on such a control amount and the determination of the new manipulated variable based on the evaluation amount are repeatedly executed, so that the evaluation amount is controlled to converge to the optimum value. The operation amount of the target process is controlled.

なお、第1の評価量に基づいて第2の操作量を決定する機能は、極値制御部220の以下のような構成によって実現される。極値制御部220は、ハイパスフィルタ221(HPF:High-Pass Filter)、ディザー信号出力部222、乗算器223、ローパスフィルタ224(LPF:Low-Pass Filter)、積分器225、及び加算器226を備える。図1において、sはラプラス演算子、ωはディザー信号の角周波数、aはディザー信号の振幅、ω1はローパスフィルタ224の角周波数、ω2はハイパスフィルタの角周波数、kは積分器225の積分係数を表す。 The function of determining the second operation amount based on the first evaluation amount is realized by the following configuration of the extreme value control unit 220. The extreme value control unit 220 includes a high pass filter 221 (HPF: High-Pass Filter), a dither signal output unit 222, a multiplier 223, a low pass filter 224 (LPF: Low-Pass Filter), an integrator 225, and an adder 226. Prepare In FIG. 1, s is the Laplace operator, ω is the angular frequency of the dither signal, a is the amplitude of the dither signal, ω1 is the angular frequency of the low-pass filter 224, ω2 is the angular frequency of the high-pass filter, and k is the integration coefficient of the integrator 225. Represents.

ハイパスフィルタ221は、フィードバックされた評価量信号を入力し、評価量信号からその極小値に応じた一定値のバイアスを除去する。ハイパスフィルタ221は、バイアスが除去された評価量信号を乗算器223に出力する。 The high-pass filter 221 inputs the fed-back evaluation amount signal, and removes a constant value bias corresponding to the minimum value from the evaluation amount signal. The high-pass filter 221 outputs the evaluation amount signal with the bias removed to the multiplier 223.

ディザー信号出力部222は、乗算器223及び加算器226に対してディザー信号を出力する。ディザー信号出力部222は、乗算器223に対してsinωt(tは時間を表す変数)で表される第1のディザー信号を出力するディザー信号出力部222−1と、加算器226に対してa×sinωtで表される第2のディザー信号を出力するディザー信号出力部222−2とを備える。なお、sinωt(正弦波)はディザー信号の一例であり、ディザー信号は周期的な信号であれば、どのような形状を持つものでもよい。 The dither signal output unit 222 outputs a dither signal to the multiplier 223 and the adder 226. The dither signal output unit 222 outputs a first dither signal represented by sinωt (t is a variable representing time) to the multiplier 223, and a to the adder 226. And a dither signal output unit 222-2 that outputs a second dither signal represented by ×sinωt. Note that sin ωt (sine wave) is an example of a dither signal, and the dither signal may have any shape as long as it is a periodic signal.

乗算器223は、ハイパスフィルタ221から出力されるバイアスが除去された評価量信号に対して、第1のディザー信号を乗算する。乗算器223は、第1のディザー信号が乗算された評価量信号をローパスフィルタ224に出力する。 The multiplier 223 multiplies the bias-removed evaluation amount signal output from the high-pass filter 221 by the first dither signal. The multiplier 223 outputs the evaluation amount signal multiplied by the first dither signal to the low pass filter 224.

ローパスフィルタ224は、ディザー信号が乗算された評価信号から低周波成分を抽出する。ローパスフィルタ224は、評価量信号の低周波成分を示す信号を積分器225に出力する。この評価量信号の低周波成分は、ディザー信号の振動に応じて変化した評価量信号の周波数成分を表すと考えられる。そのため、評価量信号の低周波成分から、操作量の変化に対して評価量が増加したのか、又は減少したのかを判断することができる。 The low pass filter 224 extracts low frequency components from the evaluation signal multiplied by the dither signal. The low pass filter 224 outputs a signal indicating a low frequency component of the evaluation amount signal to the integrator 225. The low frequency component of this evaluation amount signal is considered to represent the frequency component of the evaluation amount signal that has changed according to the vibration of the dither signal. Therefore, it can be determined from the low frequency component of the evaluation amount signal whether the evaluation amount has increased or decreased with respect to the change in the operation amount.

積分器225は、ローパスフィルタ224から出力される評価量信号の低周波成分に基づいて、評価量を最適値に近づけるために動かすべき操作量の方向を推定する推定器として機能する。具体的には、積分器225は、評価量信号の低周波成分を積分し、低周波成分の積分信号を出力する。ここで出力される積分信号は、現在の操作量に対して動かすべき方向(増加方向又は減少方向)を与える。 The integrator 225 functions as an estimator that estimates the direction of the operation amount to move in order to bring the evaluation amount closer to the optimum value, based on the low-frequency component of the evaluation amount signal output from the low-pass filter 224. Specifically, the integrator 225 integrates the low frequency component of the evaluation amount signal and outputs the integrated signal of the low frequency component. The integrated signal output here gives the direction (increase or decrease) to move with respect to the current manipulated variable.

加算器226は、現在の操作量信号と、積分器225から出力される積分信号とに基づいて制御対象プロセス100に対して次に入力すべき操作量信号を生成する。加算器226は、生成した操作量信号に対して、操作量信号を振動させるための第2のディザー信号(a×sinωt)を足し合わせて制御対象プロセス100に出力する。 The adder 226 generates a manipulated variable signal to be input next to the controlled process 100 based on the current manipulated variable signal and the integrated signal output from the integrator 225. The adder 226 adds a second dither signal (a×sin ωt) for vibrating the operation amount signal to the generated operation amount signal and outputs the sum to the controlled process 100.

このような制御系200による極値制御は、ディザー信号の角周波数ω、ディザー信号の振幅a、ローパスフィルタ224における角周波数ω1、ハイパスフィルタ221における各周波数ω2及び積分器225の積分係数kの5つの制御パラメータによって特徴づけられる。これらの制御パラメータのうち、積分係数kは極値探索において変化させるべき操作量の方向を決定する積分器225の性質に影響するパラメータであり、極値制御の性能を左右する重要なパラメータである。一般に、積分係数kは、操作量及び評価量の特性に基づいて決定されるパラメータであり、例えば次の式(1)を用いて決定される。 Such an extreme value control by the control system 200 is performed by setting the angular frequency ω of the dither signal, the amplitude a of the dither signal, the angular frequency ω1 of the low pass filter 224, each frequency ω2 of the high pass filter 221, and the integration coefficient k of the integrator 225 to 5 Characterized by one control parameter. Of these control parameters, the integration coefficient k is a parameter that influences the property of the integrator 225 that determines the direction of the manipulated variable to be changed in the extreme value search, and is an important parameter that affects the performance of the extreme value control. .. In general, the integration coefficient k is a parameter determined based on the characteristics of the manipulated variable and the evaluated variable, and is determined using, for example, the following equation (1).

Figure 0006744145
Figure 0006744145

式(1)において、τは調整用の定数、aはディザー信号の振幅、Gは評価関数の二階微分値を表す。なお、τ及びaは、制御対象プロセスの特性を示す静的な情報に基づいて設定される定数である。その一方でGの値は、評価関数が操作量に対する未知の関数であることから予め一意に決定しておくことができない。そのため、Gの値は、操作量及び評価量の実測値に基づいて決定されるのが一般的である。しかしながら、評価関数がところどころで異なる二階微分値を持つような関数である場合、このような決定方法では積分係数kが必ずしも適切に設定されない可能性がある。 In Expression (1), τ is a constant for adjustment, a is the amplitude of the dither signal, and G is the second-order differential value of the evaluation function. Note that τ and a are constants that are set based on static information indicating the characteristics of the controlled process. On the other hand, the value of G cannot be uniquely determined in advance because the evaluation function is an unknown function for the manipulated variable. Therefore, the value of G is generally determined based on the actual measurement values of the operation amount and the evaluation amount. However, when the evaluation function is a function having different second-order differential values in places, the integration coefficient k may not be set appropriately in such a determination method.

図2は、動作点によって異なる二階微分値を取る評価関数の具体例を示す図である。図2(A)は、二階微分値が一定である評価関数の例を示し、図2(B)は動作点によって異なる二階微分値を取る評価関数の例を示す。具体的には、図2(A)は評価関数が二次関数で表される例を示している。図2(A)に示されるように、操作量の増加に応じて接線の勾配が常に一定の割合で増加する二次関数として評価関数が表される場合、評価関数の二階微分値は常に一定となる。そのため、このような場合、ある動作点で決定された積分係数kによって、継続的に安定した極値制御を実現することができる。 FIG. 2 is a diagram showing a specific example of an evaluation function that takes a second-order differential value that differs depending on the operating point. FIG. 2A shows an example of an evaluation function whose second-order differential value is constant, and FIG. 2B shows an example of an evaluation function taking a second-order differential value that differs depending on the operating point. Specifically, FIG. 2A shows an example in which the evaluation function is represented by a quadratic function. As shown in FIG. 2A, when the evaluation function is expressed as a quadratic function in which the tangent slope always increases at a constant rate as the manipulated variable increases, the second derivative of the evaluation function is always constant. Becomes Therefore, in such a case, continuously stable extreme value control can be realized by the integration coefficient k determined at a certain operating point.

これに対して、図2(B)に示されるように、操作量の変化に対する接線の勾配が変化し、その変化がある点の前後で不連続となるような関数として評価関数が表される場合、評価関数の二階微分値は操作量によって異なる値となる可能性がある。このような場合、操作量が変化することによって積分係数kが適切な値から乖離してしまい、極値制御の安定性が損なわれてしまう可能性がある。具体的には、評価量が最適値に収束するまでの速度が低下したり、場合によっては評価量が最適値から遠ざかる方向に変化したりする可能性もある。このように、操作量及び評価量の実測値から算出される二階微分値が一定値とならないような評価関数に対して、適切な積分係数kを設定する手法の確率が望まれている。 On the other hand, as shown in FIG. 2B, the evaluation function is expressed as a function in which the slope of the tangent line changes with respect to the change in the manipulated variable and becomes discontinuous before and after the point where the change occurs. In this case, the second-order differential value of the evaluation function may be different depending on the manipulated variable. In such a case, the integration coefficient k may deviate from an appropriate value due to a change in the operation amount, and the stability of the extreme value control may be impaired. Specifically, the speed until the evaluation amount converges to the optimum value may decrease, or the evaluation amount may change away from the optimum value in some cases. As described above, the probability of the method of setting an appropriate integration coefficient k for the evaluation function such that the second-order differential value calculated from the actual values of the operation amount and the evaluation amount does not become constant is desired.

このような課題を解決するため、実施形態の制御装置は、以下に示す2つの機能を備える。1つは、評価関数の形状に着目し、二階微分値が操作量の変化に対して常に一定となるように評価関数を補正する機能である。また1つは、操作量及び評価量の変化に応じて、積分係数kの値を逐次更新する機能である。このような機能を備えることにより、実施形態の制御装置は、積分係数kの値を常に適切な値に保つことができる。 In order to solve such a problem, the control device of the embodiment has the following two functions. One is a function of paying attention to the shape of the evaluation function and correcting the evaluation function so that the second-order differential value is always constant with respect to the change in the operation amount. The other is a function of sequentially updating the value of the integration coefficient k according to changes in the operation amount and the evaluation amount. With such a function, the control device of the embodiment can always keep the value of the integration coefficient k at an appropriate value.

[詳細]
図3は、第1の実施形態の制御装置1を水処理プラント300の制御に適用した場合の具体例を示す図である。例えば、水処理プラント300は、生物学的排水処理プロセスを実現するプラントである。図3における実線矢印は、処理対象の下水(以下、「被処理水」という。)の流れ、及び被処理水から分離された汚泥の流れを表す。ここで、まず、水処理プラント300の概略について説明する。水処理プラント300は、最初沈澱池310、生物反応槽320、最終沈澱池330、ろ過池340及び余剰汚泥貯留槽350の各貯留設備を備える。また、水処理プラント300は、各貯留設備間で被処理水又は汚泥を配送する汚泥引き抜きポンプ311、余剰汚泥ポンプ331、返送汚泥ポンプ332及び汚泥処理ポンプ351と、生物反応槽320内の被処理水を曝気するブロワ321と、を備える。
[Details]
FIG. 3 is a diagram showing a specific example in which the control device 1 of the first embodiment is applied to control of the water treatment plant 300. For example, the water treatment plant 300 is a plant that realizes a biological wastewater treatment process. Solid arrows in FIG. 3 represent the flow of sewage to be treated (hereinafter referred to as “treated water”) and the flow of sludge separated from the treated water. Here, first, the outline of the water treatment plant 300 will be described. The water treatment plant 300 includes storage facilities of a first settling tank 310, a biological reaction tank 320, a final settling tank 330, a filter tank 340, and an excess sludge storage tank 350. In addition, the water treatment plant 300 includes a sludge extraction pump 311, an excess sludge pump 331, a return sludge pump 332, and a sludge treatment pump 351 that deliver the treated water or sludge between the storage facilities, and the treated matter in the biological reaction tank 320. And a blower 321 for aerating water.

まず、被処理水は最初沈澱池310に蓄えられる。最初沈澱池310では、比較的比重の大きな不要物が重力によって沈降し沈殿する。最初沈澱池310に沈殿した汚泥は、汚泥引き抜きポンプ311によって引き抜かれ、余剰汚泥貯留槽350に送られる。一方で、上澄みの被処理水は生物反応槽320に送られる。 First, the water to be treated is first stored in the settling tank 310. First, in the settling basin 310, unnecessary substances having a relatively large specific gravity are settled and settled by gravity. The sludge that first settled in the settling tank 310 is drawn by the sludge drawing pump 311 and sent to the surplus sludge storage tank 350. On the other hand, the supernatant water to be treated is sent to the biological reaction tank 320.

生物反応槽320では、被処理水に微生物が投入される。被処理水に投入された微生物は、ブロワ321による被処理水の曝気によって活性化され、被処理水中の有機物を分解するとともに、被処理水中のリンを吸収する。この微生物の働きによって、窒素成分及びリン成分が被処理水から分離される。生物反応槽320を経た被処理水は最終沈澱池330に送られる。 In the biological reaction tank 320, microorganisms are added to the water to be treated. The microorganisms introduced into the water to be treated are activated by the aeration of the water to be treated by the blower 321, decompose organic substances in the water to be treated, and absorb phosphorus in the water to be treated. By the action of this microorganism, the nitrogen component and the phosphorus component are separated from the water to be treated. The water to be treated that has passed through the biological reaction tank 320 is sent to the final settling tank 330.

最終沈澱池330では、被処理水中の活性汚泥が重力によって沈降し沈殿する。最終沈澱池330に沈殿した活性汚泥は、余剰汚泥ポンプ331によって引き抜かれ、余剰汚泥貯留槽350に送られる。なお、ここで一部の活性汚泥は返送汚泥ポンプ332によって生物反応槽320に返送され、循環的に再利用される。一方で、上澄みの被処理水はろ過池340に送られる。 In the final settling tank 330, the activated sludge in the water to be treated is settled and settled by gravity. The activated sludge settled in the final settling tank 330 is extracted by the excess sludge pump 331 and sent to the excess sludge storage tank 350. Here, part of the activated sludge is returned to the biological reaction tank 320 by the return sludge pump 332, and is recycled in a cyclic manner. On the other hand, the supernatant treated water is sent to the filtration basin 340.

ろ過池340では、ろ過による小さな不要物の除去や消毒など、被処理水に対する最終段階の浄化処理が行われる。ろ過池340における浄化処理を経た被処理水は、処理済みの水として河川等に放流される。 In the filtration basin 340, the final stage purification treatment for the water to be treated is performed, such as removal of small unnecessary substances by filtration and disinfection. The water to be treated that has been subjected to the purification treatment in the filtration pond 340 is discharged to a river or the like as treated water.

余剰汚泥貯留槽350は、生物学的排水処理プロセスにおいて発生した不要な汚泥を一時貯留する施設である。余剰汚泥貯留槽350に貯留された汚泥は、汚泥処理ポンプ351によって汚泥処理工程に配送される。 The excess sludge storage tank 350 is a facility for temporarily storing unnecessary sludge generated in the biological wastewater treatment process. The sludge stored in the excess sludge storage tank 350 is delivered to the sludge treatment process by the sludge treatment pump 351.

このような水処理プラント300に対して、制御装置1は、例えば、ブロワ321及び返送汚泥ポンプ332の運転コストと、放流水の水質コストとの総和で表される総コストを評価量として、総コストが最小化されるように操作量を制御する。例えば、運転コストは、ブロワ321及び返送汚泥ポンプ332の電力消費によるコストである。運転コストは、ブロワ321及び返送汚泥ポンプ332の消費電力及び電力単価に基づいて算出される。また、水質コストは、例えば排水行為に対して課せられる賦課金(一般に、「排水賦課金」と呼ばれている。)によるコストである。近年の環境保全に対する意識の高まりから、排水者に対してこのような排水賦課金を課す考え方が広まりつつある。例えば、水処理プラント300における水質コストは、次の式(2)によって算出される。 For such a water treatment plant 300, the control device 1 uses, for example, the total cost represented by the sum of the operating cost of the blower 321 and the return sludge pump 332 and the water quality cost of the discharged water as the evaluation amount. Control the operation amount so that the cost is minimized. For example, the operating cost is a cost due to power consumption of the blower 321 and the returning sludge pump 332. The operating cost is calculated based on the power consumption and power unit price of the blower 321 and the returning sludge pump 332. The water quality cost is, for example, a cost due to a charge (generally called “drainage charge”) imposed for drainage. With the increasing awareness of environmental conservation in recent years, the idea of imposing such wastewater charges on drainers is becoming widespread. For example, the water quality cost in the water treatment plant 300 is calculated by the following equation (2).

Figure 0006744145
Figure 0006744145

式(2)において、TN負荷量は放流水に含まれる窒素成分(TN)の量を表し、TP負荷量は放流水に含まれるリン成分(TP)の量を表す。また、TNコスト換算係数はTN負荷量を水質コストに換算する係数を表し、TPコスト換算係数はTP負荷量を水質コストに換算する係数を表す。TN負荷量及びTP負荷量は、放流水に溶存する各成分の濃度と放流水量とに基づいて算出される。 In the formula (2), the TN load represents the amount of nitrogen component (TN) contained in the discharged water, and the TP load represents the amount of phosphorus component (TP) contained in the discharged water. Further, the TN cost conversion coefficient represents a coefficient for converting the TN load amount into the water quality cost, and the TP cost conversion coefficient represents a coefficient for converting the TP load amount into the water quality cost. The TN load amount and the TP load amount are calculated based on the concentration of each component dissolved in the discharged water and the discharged water amount.

上述の総コストを最小化する場合、操作量は、例えば返送汚泥ポンプ332によって生物反応槽320に返送される汚泥(以下、「返送汚泥」という。)の返送率と定義することができる。返送率は、最初沈澱池310から生物反応槽320に流入する被処理水の流入量に対する返送汚泥量の割合である。これは、生物学的排水処理におけるTP及びTNの除去性能が、返送汚泥量に大きく左右されるためである。また一般に、ブロワ321の曝気風量は、返送汚泥ポンプ332の返送汚泥量に応じて決定される。そのため、返送率が操作量として入力されることにより、ブロワ321及び返送汚泥ポンプ332のそれぞれに対する具体的な操作量が決定される。 When minimizing the above-mentioned total cost, the operation amount can be defined as a return rate of sludge (hereinafter, referred to as “return sludge”) returned to the biological reaction tank 320 by the return sludge pump 332. The return rate is the ratio of the amount of returned sludge to the amount of treated water that flows into the biological reaction tank 320 from the first settling basin 310. This is because the removal performance of TP and TN in biological wastewater treatment largely depends on the amount of returned sludge. Further, generally, the amount of aeration air of the blower 321 is determined according to the amount of sludge returned by the returned sludge pump 332. Therefore, by inputting the return rate as the operation amount, a specific operation amount for each of the blower 321 and the return sludge pump 332 is determined.

この場合、評価量算出部210は、ろ過池340から放流される放流水の水質(すなわちTN負荷量及びTP負荷量であり、以下、「放流水質」という。)を制御量として水処理プラント300から取得する。評価量算出部210は、取得された放流水質に基づいて評価量を上記の総コストとして算出する。評価量算出部210は、算出した総コストを制御装置1に出力する。なお、評価量算出部210は、制御装置1と異なる装置で構成されてもよいし、制御装置1の一部として構成されてもよい。 In this case, the evaluation amount calculation unit 210 sets the water quality of the discharge water discharged from the filtration basin 340 (that is, the TN load amount and the TP load amount, which will be referred to as “discharge water quality” below) as the control amount. To get from. The evaluation amount calculation unit 210 calculates the evaluation amount as the above total cost based on the acquired discharged water quality. The evaluation amount calculation unit 210 outputs the calculated total cost to the control device 1. The evaluation amount calculation unit 210 may be configured by a device different from the control device 1 or may be configured as a part of the control device 1.

制御装置1は、返送汚泥ポンプ332に入力した返送率と、評価量算出部210から出力された総コストとに基づいて、総コストをより減少する方向に変化させるような返送率を水処理プラント300に入力する新たな操作量として決定する。制御装置1は、このように決定された新たな操作量を返送汚泥ポンプ332に入力する。 Based on the return rate input to the return sludge pump 332 and the total cost output from the evaluation amount calculation unit 210, the control device 1 changes the return rate so as to decrease the total cost in the water treatment plant. It is determined as a new operation amount to be input to 300. The control device 1 inputs the new manipulated variable thus determined to the return sludge pump 332.

このように、総コストが水質コスト及び運転コストに基づいて定義されることにより、放流水の水質を維持しつつ、運転コストが最小化されるように極値制御を機能させることができる。なお、評価量は、制御量に基づいて算出可能な値であればどのような量を示すものであってもよい。例えば、制御量の最適化が極値制御の目的である場合には、制御量そのものを評価量と定義してもよい。また、運転コストが問題とならない場合には、水質コストのみで評価量が定義されてもよい。 In this way, by defining the total cost based on the water quality cost and the operating cost, it is possible to operate the extreme value control so as to minimize the operating cost while maintaining the water quality of the discharged water. The evaluation amount may be any amount as long as it can be calculated based on the control amount. For example, when optimization of the control amount is the purpose of the extreme value control, the control amount itself may be defined as the evaluation amount. Further, when the operating cost does not matter, the evaluation amount may be defined only by the water quality cost.

一方で、TNの水質コストとTPの水質コストとはトレードオフの関係にあることが知られている。具体的には、返送汚泥量を増加させるほどTNの除去性能が向上し、返送汚泥量を減少させるほどTPの除去性能が向上する。このように、各溶存成分の水質コストがトレードオフの関係にある場合、総コストは水質コストのみに基づいて定義されてもよい。総コストが水質コストのみで定義されることによって、放流水に含まれるTPとTNとのバランスがより精度よく制御されるように極値制御を機能させることができる。 On the other hand, it is known that the water quality cost of TN and the water quality cost of TP have a trade-off relationship. Specifically, as the amount of returned sludge increases, the TN removal performance improves, and as the amount of returned sludge decreases, the TP removal performance improves. In this way, when the water quality costs of the respective dissolved components are in a trade-off relationship, the total cost may be defined based on only the water quality costs. Since the total cost is defined only by the water quality cost, the extreme value control can be operated so that the balance between TP and TN contained in the discharged water can be controlled more accurately.

実施形態の制御装置1は、評価量がこのような総コストとして定義された水処理プラント300が制御対象プロセスである場合に、返送率を操作量とし、総コストを評価量とする極値制御を実行することにより、最適な総コストを与える返送率を探索していく。 When the water treatment plant 300 in which the evaluation amount is defined as such a total cost is the control target process, the control device 1 of the embodiment uses the return rate as the operation amount and the total cost as the evaluation amount. By executing, the return rate that gives the optimum total cost is searched.

なお、制御対象プロセスには、プロセスの性質や環境に応じた制約条件が存在する場合も多い。例えば、水処理プラントでは、処理済みの水に対する水質の目標値や許容範囲等が放流規則等に基づいて設定される。また、総コストや水質コスト、運転コストに対して許容可能な上限等が設定される場合もある。このような場合、制御装置1は、操作量や制御量、評価量などの極値制御に関する諸量に対してこれらの制約条件が満たされるように操作量を制御してもよい。 It should be noted that the controlled process often has a constraint condition according to the nature and environment of the process. For example, in a water treatment plant, a target value of water quality, a permissible range, and the like for treated water are set based on discharge rules and the like. In some cases, an allowable upper limit for the total cost, the water quality cost, and the operating cost may be set. In such a case, the control device 1 may control the manipulated variable such that these constraint conditions are satisfied with respect to various variables related to the extreme value control such as the manipulated variable, the controlled variable, and the evaluation amount.

さらに、制御装置1は、評価量に対して、制御対象プロセスの状態に応じた重み付けを行ってもよい。例えば、制御装置1は、放流水質が所定の規制値を超えた場合に、水質コストをより増大させるような重み付けを行ってもよい。このような重み付けがなされることにより、放流水質が規制値を超えてしまうことをより確実に抑制することができる。 Further, the control device 1 may weight the evaluation amount according to the state of the control target process. For example, the control device 1 may perform weighting to further increase the water quality cost when the discharged water quality exceeds a predetermined regulation value. By performing such weighting, it is possible to more reliably prevent the discharged water quality from exceeding the regulation value.

以上、水処理プラント300における極値制御の適用例について説明したが、極値制御の対象となるプロセスは、生物学的排水処理プロセスに限定されるものではない。極値制御は、最適化されるべき評価量を持つ任意のプロセスに適用可能である。 Although the application example of the extreme value control in the water treatment plant 300 has been described above, the process targeted for the extreme value control is not limited to the biological wastewater treatment process. The extreme value control can be applied to any process having an evaluation amount to be optimized.

図4は、第1の実施形態の制御装置1の機能構成の具体例を示す図である。制御装置1は、バスで接続されたCPU(Central Processing Unit)やメモリや補助記憶装置などを備え、制御プログラムを実行する。制御装置1は、制御プログラムの実行によって極値制御部11、評価関数推定部12、評価量補正部13及び積分係数更新部14を備える装置として機能する。なお、制御装置1の各機能の全て又は一部は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やPLD(Programmable Logic Device)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウェアを用いて実現されてもよい。制御プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。制御プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。 FIG. 4 is a diagram showing a specific example of the functional configuration of the control device 1 of the first embodiment. The control device 1 includes a CPU (Central Processing Unit), a memory, an auxiliary storage device, and the like connected by a bus, and executes a control program. The control device 1 functions as a device including the extreme value control unit 11, the evaluation function estimation unit 12, the evaluation amount correction unit 13, and the integration coefficient update unit 14 by executing the control program. Note that all or part of each function of the control device 1 may be realized using hardware such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), a PLD (Programmable Logic Device), and an FPGA (Field Programmable Gate Array). The control program may be recorded in a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium is, for example, a portable medium such as a flexible disk, a magneto-optical disk, a ROM, a CD-ROM, or a storage device such as a hard disk built in a computer system. The control program may be transmitted via a telecommunication line.

極値制御部11は、入力された評価量に基づいて、評価量をより最適値に近づける操作量を出力する。このような極値制御部11の機能は、図1に示した極値制御部220と同様の構成によって実現される。そのため、ここでは、図1と同様の符号を付すことにより、極値制御部11の構成についての説明を省略する。 The extreme value control unit 11 outputs an operation amount that brings the evaluation amount closer to the optimum value based on the input evaluation amount. Such a function of the extreme value control unit 11 is realized by the same configuration as the extreme value control unit 220 shown in FIG. Therefore, here, the same reference numerals as those in FIG. 1 are used to omit the description of the configuration of the extreme value control unit 11.

評価関数推定部12は、210から出力される評価量と、制御対象プロセスに入力した操作量とに基づいて、操作量と評価量との対応関係を表す評価関数を推定する。評価関数推定部12は、推定された評価関数を評価量補正部13に出力する。 The evaluation function estimation unit 12 estimates an evaluation function representing the correspondence between the operation amount and the evaluation amount, based on the evaluation amount output from 210 and the operation amount input to the control target process. The evaluation function estimation unit 12 outputs the estimated evaluation function to the evaluation amount correction unit 13.

評価量補正部13は、評価関数推定部12によって推定された評価関数を、操作量の定義域の範囲内で二階微分値の分散が小さくなるような関数に補正する。具体的には、評価量補正部13は、操作量を変数変換することにより、評価関数が変数変換後の変数によって二次関数として表されるように補正する。この場合、変数変換に用いられる補正関数は、補正後の評価関数となる関数と、補正前の評価関数の逆関数との乗算によって与えられる。評価関数が二次関数として表されることによって、評価関数の二階微分値が定義域の範囲内で一定となる。二階微分値が一定となれば、式(1)によって積分係数kを定数として定義することが可能となり、極値制御の安定性を高めることができる。 The evaluation amount correction unit 13 corrects the evaluation function estimated by the evaluation function estimation unit 12 into a function that reduces the variance of the second-order differential value within the range of the operation amount domain. Specifically, the evaluation amount correction unit 13 performs variable conversion of the operation amount, and corrects the evaluation function so that the evaluation function is represented by a variable after variable conversion as a quadratic function. In this case, the correction function used for the variable conversion is given by multiplying the function that is the evaluation function after correction by the inverse function of the evaluation function before correction. By expressing the evaluation function as a quadratic function, the second derivative value of the evaluation function becomes constant within the range of the domain. If the second-order differential value is constant, it is possible to define the integration coefficient k as a constant by the equation (1), and the stability of the extreme value control can be improved.

積分係数更新部14は、評価量補正部13によって補正された評価関数に基づいて積分係数kを算出し、算出した積分係数kで積分器225に設定されている既存の積分係数を更新する。具体的には、積分係数更新部14は、補正後の評価関数の二階微分値Gを算出し、算出した二階微分値Gを式(1)に当てはめることで積分係数kを算出する。 The integration coefficient updating unit 14 calculates the integration coefficient k based on the evaluation function corrected by the evaluation amount correction unit 13, and updates the existing integration coefficient set in the integrator 225 with the calculated integration coefficient k. Specifically, the integration coefficient updating unit 14 calculates the second derivative G of the corrected evaluation function and applies the calculated second derivative G to the equation (1) to calculate the integration coefficient k.

ここで、評価関数を二次関数に補正する理由は、二次関数が定義域の全域で一定の二階微分値を取り、二階微分値の分散が最も小さい関数であるためである。このように二次関数は、変換後の評価関数として最も理想的な関数であるが、二階微分値の分散がより小さくなるような補正であれば、評価関数はどのような関数に補正されてもよい。評価量補正部13は、補正後の評価関数によって表される変数変換後の評価量を極値制御部11に出力する。 Here, the reason why the evaluation function is corrected to a quadratic function is that the quadratic function takes a constant second-order differential value over the entire domain, and the variance of the second-order differential value is the smallest. As described above, the quadratic function is the most ideal function as the transformed evaluation function. Good. The evaluation amount correction unit 13 outputs the evaluation amount after variable conversion represented by the corrected evaluation function to the extreme value control unit 11.

図5は、補正関数にシグモイド関数を用いた場合における評価関数の補正の例を示す図である。図5(A)は、補正前の評価関数の一例を示す。図5(A)の横軸は操作量Uを表し、縦軸は評価量Jを表す。図5(A)は、二階微分値が、操作量a〜b間と操作量c〜eとで異なる評価関数を示している。このように、評価関数が定義域の範囲内で大きく異なる場合、ある操作量での二階微分値のみで積分定数kを決定してしまうと、最適値の探索を開始する操作量(以下、「開始点」という。)によっては、最適値への収束速度にばらつきが生じることになる。 FIG. 5 is a diagram showing an example of the correction of the evaluation function when the sigmoid function is used as the correction function. FIG. 5A shows an example of the evaluation function before correction. The horizontal axis of FIG. 5A represents the operation amount U, and the vertical axis represents the evaluation amount J. FIG. 5A shows an evaluation function in which the second-order differential value is different between the operation amounts a and b and the operation amounts c to e. In this way, when the evaluation functions are largely different within the range of the domain, if the integration constant k is determined only by the second-order differential value with a certain operation amount, the operation amount that starts the search for the optimum value (hereinafter, " Depending on the "starting point"), the convergence speed to the optimum value varies.

図5(B)は、図5(A)の評価関数がシグモイド関数を用いて補正された例を示す。シグモイド関数E(x)は次の式(3)によって表される関数であり、図5(C)のような形状を持つ関数である。 FIG. 5B shows an example in which the evaluation function of FIG. 5A is corrected using the sigmoid function. The sigmoid function E(x) is a function represented by the following expression (3), and has a shape as shown in FIG. 5(C).

Figure 0006744145
Figure 0006744145

図5(C)からも分かるように、シグモイド関数E(x)は、x<0の範囲ではxが増加するほど変化率が大きくなり、x>0の範囲ではxが増加するほど変化率が小さくなる関数である。このようなシグモイド関数を用いて操作量Uを変数変換することにより、評価関数が図5(B)のように、より二次関数に近い形状に補正される。図5(B)からも分かるように、シグモイド関数によって補正された評価関数では、操作量a〜b間における二階微分値と操作量c〜e間における二階微分値との乖離が小さくなる。そのため、補正後の評価関数に基づいて最適値の探索を行うことにより、すなわち、補正後の評価関数の二階微分値に基づいて積分定数kを決定することにより、より安定した収束速度で最適値を探索することができる。 As can be seen from FIG. 5C, the change rate of the sigmoid function E(x) increases as x increases in the range of x<0, and the change rate increases as x increases in the range of x>0. It is a function that becomes smaller. By performing variable conversion of the manipulated variable U using such a sigmoid function, the evaluation function is corrected to a shape closer to a quadratic function as shown in FIG. As can be seen from FIG. 5B, in the evaluation function corrected by the sigmoid function, the difference between the second-order differential value between the operation amounts a and b and the second-order differential value between the operation amounts c to e is small. Therefore, by searching for the optimum value based on the corrected evaluation function, that is, by determining the integration constant k based on the second-order differential value of the corrected evaluation function, the optimum value at a more stable convergence speed is obtained. Can be searched.

図6は、評価関数の補正によって最適値探索の収束速度が向上する例を示す図である。図6(A)及び図6(B)は、図5(A)に示される補正前の評価関数に基づいて探索を行った場合において、操作量が最適値に収束するまでに要する時間(以下、「収束時間」という。)を示す。操作量の最適値とは、評価量の最適値を与える操作量のことである。図6(A)は、操作量aを開始点とした場合の例であり、図6(B)は、操作量eを開始点とした場合の例である。図6(A)及び図6(B)は、開始点を操作量aとした場合の収束時間がtであり、開始点を操作量eとした場合の収束時間がtであることを示している。 FIG. 6 is a diagram showing an example in which the convergence speed of the optimum value search is improved by the correction of the evaluation function. FIG. 6A and FIG. 6B show the time required for the operation amount to converge to the optimum value when the search is performed based on the evaluation function before correction shown in FIG. , "Convergence time"). The optimum value of the operation amount is the operation amount that gives the optimum value of the evaluation amount. 6A shows an example in which the operation amount a is used as the starting point, and FIG. 6B shows an example in which the operation amount e is used as the starting point. FIGS. 6A and 6B show that the convergence time is t 1 when the starting point is the manipulated variable a, and the convergence time is t 2 when the starting point is the manipulated variable e. Showing.

これに対して図6(C)及び図6(D)は、図5(B)に示される補正後の評価関数に基づいて探索を行った場合の収束速度を示す。図6(C)は、操作量aを開始点とした場合の例であり、図6(D)は、操作量eを開始点とした場合の例である。図6(C)及び図6(D)は、開始点を操作量aとした場合の収束時間がt(t>t)であり、開始点を操作量eとした場合の収束時間がt(t<t)であることを示している。このように、評価関数を二次関数に近い形状となるように補正することによって、最適値探索の収束速度を安定させることができる。 On the other hand, FIGS. 6C and 6D show the convergence speed when the search is performed based on the corrected evaluation function shown in FIG. 5B. FIG. 6C is an example when the operation amount a is the starting point, and FIG. 6D is an example when the operation amount e is the starting point. 6C and 6D, the convergence time is t 3 (t 3 >t 1 ) when the starting point is the operation amount a, and the convergence time is when the starting point is the operation amount e. Indicates that t 4 (t 4 <t 2 ). In this way, by correcting the evaluation function so that it has a shape close to a quadratic function, the convergence speed of the optimum value search can be stabilized.

図7は、評価関数の補正に関する第2の具体例を示す図である。図7(A)は補正の対象となる評価関数を表し、図7(B)は図7(A)に示された評価関数の補正に用いられる補正関数を表す。図7(C)は、図7(B)の補正関数によって補正された評価関数を表す。例えば、図7(A)は、次の式(4)で近似できるような評価関数を表している。 FIG. 7 is a diagram showing a second specific example regarding the correction of the evaluation function. 7A shows an evaluation function to be corrected, and FIG. 7B shows a correction function used for correcting the evaluation function shown in FIG. 7A. FIG. 7C shows the evaluation function corrected by the correction function of FIG. 7B. For example, FIG. 7A shows an evaluation function that can be approximated by the following expression (4).

Figure 0006744145
Figure 0006744145

式(4)において、Uは評価関数V(U)の最小値を与える操作量を表し、nは任意の実数値を表す。なお、評価関数の形状が図7(A)のような形状となるのは、nが正かつ1以上の実数値をとる場合である。一方、図7(B)の補正関数は、次の式(5)によって表される関数である。なお、次の式(5)におけるnは式(4)のnと同じ値である。 In the equation (4), U * represents an operation amount that gives the minimum value of the evaluation function V(U), and n represents an arbitrary real value. The shape of the evaluation function becomes the shape shown in FIG. 7A when n is a positive value and has a real value of 1 or more. On the other hand, the correction function of FIG. 7B is a function represented by the following expression (5). Note that n in the following expression (5) has the same value as n in the expression (4).

Figure 0006744145
Figure 0006744145

このような補正関数E(x)で補正された評価関数V’(U)は次の式(6)のような二次関数で近似できる関数となり、図7(C)のような形状を持つ関数となる。 The evaluation function V′(U) corrected by such a correction function E(x) becomes a function that can be approximated by a quadratic function like the following expression (6), and has a shape as shown in FIG. 7(C). It becomes a function.

Figure 0006744145
Figure 0006744145

図8は、評価関数の補正に関する第3の具体例を示す図である。図8(A)は補正の対象となる評価関数を表し、図8(B)は図8(A)に示された評価関数の補正に用いられる補正関数を表す。図8(C)は、図8(B)の補正関数によって補正された評価関数を表す。例えば、図8(A)は、次の式(7)で近似できるような評価関数を表している。 FIG. 8 is a diagram showing a third specific example regarding the correction of the evaluation function. 8A shows an evaluation function to be corrected, and FIG. 8B shows a correction function used for correcting the evaluation function shown in FIG. 8A. FIG. 8C shows the evaluation function corrected by the correction function of FIG. 8B. For example, FIG. 8A shows an evaluation function that can be approximated by the following expression (7).

Figure 0006744145
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式(7)において、Uは評価関数V(U)の最小値を与える操作量を表し、nは任意の実数値を表す。なお、評価関数の形状が図8(A)のような形状となるのは、nが正かつ1以上の実数値をとる場合である。一方、図8(B)の補正関数は、次の式(8)によって表される関数である。なお、次の式(8)におけるnは式(7)のnと同じ値である。 In Expression (7), U * represents the manipulated variable that gives the minimum value of the evaluation function V(U), and n represents an arbitrary real value. The shape of the evaluation function becomes the shape as shown in FIG. 8A when n is a positive value and has a real value of 1 or more. On the other hand, the correction function of FIG. 8B is a function represented by the following expression (8). Note that n in the following formula (8) has the same value as n in the formula (7).

Figure 0006744145
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このような補正関数E(x)で補正された評価関数V’(U)は式(6)と同様の二次関数で近似できる関数となり、図8(C)のような形状を持つ関数となる。 The evaluation function V′(U) corrected by such a correction function E(x) becomes a function that can be approximated by a quadratic function similar to the equation (6), and has a shape as shown in FIG. 8C. Become.

図9は、評価関数の補正に関する第3の具体例を示す図である。図9(A)は補正の対象となる評価関数を表し、図9(B)は図9(A)に示された評価関数の補正に用いられる補正関数を表す。図9(C)は、図9(B)の補正関数によって補正された評価関数を表す。例えば、図9(A)は、次の式(9)で近似できるような評価関数を表している。 FIG. 9 is a diagram showing a third specific example regarding the correction of the evaluation function. 9A shows an evaluation function to be corrected, and FIG. 9B shows a correction function used for correcting the evaluation function shown in FIG. 9A. FIG. 9C shows the evaluation function corrected by the correction function of FIG. 9B. For example, FIG. 9A shows an evaluation function that can be approximated by the following expression (9).

Figure 0006744145
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式(9)において、Uは評価関数V(U)の最小値を与える操作量を表し、n及びnは任意の実数値を表す。なお、評価関数の形状が図9(A)のような形状となるのは、n及びnが正かつ1以上の実数値をとる場合である。一方、図9(B)の補正関数は、次の式(10)によって表される関数である。なお、次の式(10)におけるn及びnは式(9)のn及びnと同じ値である。 In Expression (9), U * represents a manipulated variable that gives the minimum value of the evaluation function V(U), and n 1 and n 2 represent arbitrary real values. The shape of the evaluation function becomes the shape as shown in FIG. 9A when n 1 and n 2 are positive and have a real value of 1 or more. On the other hand, the correction function of FIG. 9B is a function represented by the following expression (10). Note that n 1 and n 2 in the following equation (10) is the same value as n 1 and n 2 of formula (9).

Figure 0006744145
Figure 0006744145

このような補正関数E(x)で補正された評価関数V’(U)は式(6)と同様の二次関数で近似できる関数となり、図9(C)のような形状を持つ関数となる。 The evaluation function V′(U) corrected by such a correction function E(x) becomes a function that can be approximated by a quadratic function similar to Expression (6), and has a shape as shown in FIG. 9C. Become.

図7(C)、図8(C)及び図9(C)のように補正された評価関数は、いずれも二次関数となるため、評価関数の二階微分値が定義域の範囲内で一定となる。二階微分値が一定となれば、式(1)によって積分係数kを定数として定義することが可能となり、極値制御の安定性を高めることができる。 Since the evaluation functions corrected as shown in FIGS. 7C, 8C, and 9C are all quadratic functions, the second-order differential value of the evaluation function is constant within the range of the domain. Becomes If the second-order differential value is constant, it is possible to define the integration coefficient k as a constant by the equation (1), and the stability of extreme value control can be improved.

このように構成された第1の実施形態の制御装置1は、評価量補正部13を備えることにより、評価関数を定義域の範囲内で二階微分値の分散が小さくなるような関数に補正することができる。このような構成を備えることにより、第1の実施形態の制御装置1は、プロセス特性が操作量に応じて変化するような制御対象プロセスの極値制御において、積分係数kを観測される評価量(又は制御量)に基づいて適切な値に更新することができる。 The control device 1 of the first embodiment configured as described above includes the evaluation amount correction unit 13 to correct the evaluation function to a function that reduces the variance of the second-order differential value within the range of the domain. be able to. With such a configuration, the control device 1 according to the first embodiment allows the integral coefficient k to be observed in the extreme value control of the process to be controlled such that the process characteristic changes according to the manipulated variable. It can be updated to an appropriate value based on (or control amount).

以下、第1の実施形態の制御装置1の変形例について説明する。 Hereinafter, a modified example of the control device 1 of the first embodiment will be described.

評価量補正部13は、定義域全体について評価関数を補正してもよいし、一部の定義域について評価関数を補正してもよい。 The evaluation amount correction unit 13 may correct the evaluation function for the entire domain or may correct the evaluation function for a part of the domain.

評価量補正部13は、評価関数の任意の区間について、各区間に応じた補正関数で評価関数を補正してもよい。 The evaluation amount correction unit 13 may correct the evaluation function for any section of the evaluation function with a correction function according to each section.

(第2の実施形態)
第1の実施形態では、評価関数を二次関数又は二次関数に近い形状の関数に補正することによって積分係数kを更新する方法(以下、「第1の更新方法」という。)について説明した。しかしながら、第1の更新方法は、プロセス特性(すなわち評価関数)が操作量の変化に対して比較的緩やかに変化するような場合には有効であるが、操作量の小さな変化に対してプロセス特性が大きく変化するような場合には有効に機能しない可能性がある。この場合、局所的な操作量の変化に対応して評価量を観測し、局所的な評価量の変動に基づいて適応的に積分係数kを更新すること(以下、「第2の更新方法」という。)が必要となる。以下、第2の更新方法を実現する第2の実施形態の制御装置1aについて詳細に説明する。
(Second embodiment)
In the first embodiment, a method of updating the integration coefficient k by correcting the evaluation function to a quadratic function or a function having a shape close to a quadratic function (hereinafter, referred to as “first updating method”) has been described. .. However, the first updating method is effective when the process characteristic (that is, the evaluation function) changes relatively slowly with respect to the change in the manipulated variable, but the process characteristic with respect to a small change in the manipulated variable. May not work effectively in the case of a large change. In this case, the evaluation amount is observed corresponding to the local change in the operation amount, and the integration coefficient k is updated adaptively based on the local change in the evaluation amount (hereinafter, referred to as “second updating method”). That is required). Hereinafter, the control device 1a of the second embodiment that realizes the second updating method will be described in detail.

図10は、第2の実施形態の制御装置1aの機能構成の具体例を示す図である。制御装置1aは、評価関数推定部12及び評価量補正部13を備えない点、積分係数更新部14に代えて積分係数更新部14aを備える点、制御情報取得部15、変化率算出部16及び時間遅延部17をさらに備える点で第1の実施形態の制御装置1と異なる。なお、図10の説明では、制御装置1aが備える各機能部のうち、制御装置1と同様の機能部には図4と同様の符号を付すことにより説明を省略する。 FIG. 10 is a diagram showing a specific example of the functional configuration of the control device 1a according to the second embodiment. The control device 1a does not include the evaluation function estimation unit 12 and the evaluation amount correction unit 13, a point that includes an integration coefficient update unit 14a instead of the integration coefficient update unit 14, a control information acquisition unit 15, a change rate calculation unit 16, and The difference from the control device 1 of the first embodiment is that a time delay unit 17 is further provided. In the description of FIG. 10, among the functional units included in the control device 1a, the same functional units as those of the control device 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.

制御情報取得部15は、制御対象プロセスに入力される操作量と、制御対象プロセスの制御量に基づいて算出される評価量と、をリアルタイムに計測(又は取得)する。制御情報取得部15は、計測された操作量及び評価量を変化率算出部16に出力する。なお、ここでいうリアルタイムでの計測とは、計測が、上記の局所的な評価量の変動を観測可能な程度に短い期間(以下、「観測周期」という。)ごとに繰り返し行われることを意味する。また、制御情報取得部15は、評価量算出部210から出力される評価量を計測してもよいし、制御対象プロセスから制御量を取得して評価量を算出してもよい。すなわち、評価量算出部210は、制御装置1aに備えられてもよい。 The control information acquisition unit 15 measures (or acquires) the operation amount input to the control target process and the evaluation amount calculated based on the control amount of the control target process in real time. The control information acquisition unit 15 outputs the measured operation amount and evaluation amount to the change rate calculation unit 16. In addition, the real-time measurement here means that the measurement is repeated every short period (hereinafter, referred to as “observation cycle”) in which the above-described local fluctuation of the evaluation amount can be observed. To do. In addition, the control information acquisition unit 15 may measure the evaluation amount output from the evaluation amount calculation unit 210, or may acquire the control amount from the control target process and calculate the evaluation amount. That is, the evaluation amount calculation unit 210 may be included in the control device 1a.

変化率算出部16は、制御情報取得部15から出力される操作量及び評価量に基づいて、各観測周期における評価関数の二階微分値に相当する変化率を算出する。変化率算出部16は、観測周期毎に算出された変化率を積分係数更新部14aに出力する。 The change rate calculation unit 16 calculates the change rate corresponding to the second-order differential value of the evaluation function in each observation period based on the operation amount and the evaluation amount output from the control information acquisition unit 15. The change rate calculating unit 16 outputs the change rate calculated for each observation period to the integration coefficient updating unit 14a.

なお、観測周期ごとに評価関数を推定することが可能であれば、変化率算出部16は評価関数の二階微分値そのものを算出してもよい。ただし、局所的な評価量に基づいて積分係数を更新する場合、観測周期ごとに評価関数を推定する処理を行うことが難しい可能性がある。そのため、以下では、複数の評価量の計測値に基づいて評価関数の二階微分値に相当する変化率を算出する構成について説明する。なお、以下の説明では、変化率の本質的な意味が理解されやすいように、「変化率」を敢えて「二階微分値」と記載している。 If the evaluation function can be estimated for each observation cycle, the change rate calculation unit 16 may calculate the second-order differential value itself of the evaluation function. However, when updating the integration coefficient based on the local evaluation amount, it may be difficult to perform the process of estimating the evaluation function for each observation period. Therefore, a configuration for calculating the change rate corresponding to the second-order differential value of the evaluation function based on the measured values of the plurality of evaluation amounts will be described below. In the following description, the "change rate" is intentionally described as "second-order differential value" so that the essential meaning of the change rate can be easily understood.

図11は、変化率算出部16による二階微分値の算出の具体例を示す図である。図11(A)は制御情報取得部15によって計測される操作量及び評価量の具体例を表し、図11(B)は、ある観測周期T(時刻t11〜時刻t12)において計測される操作量及び評価量を拡大したものである。図11(B)は、観測周期Tにおいてg、h、i、l及びmの5つの操作量が計測されたことを表している。この場合、例えば、変化率算出部16は、次の式(11)〜式(15)に基づいて二階微分値Gを算出する。 FIG. 11 is a diagram showing a specific example of calculation of the second-order differential value by the change rate calculation unit 16. 11A illustrates a specific example of the operation amount and the evaluation amount measured by the control information acquisition unit 15, and FIG. 11B illustrates the measurement amount in a certain observation cycle T (time t 11 to time t 12 ). The operation amount and the evaluation amount are expanded. FIG. 11B shows that five manipulated variables g, h, i, l, and m were measured in the observation cycle T. In this case, for example, the change rate calculation unit 16 calculates the second-order differential value G based on the following equations (11) to (15).

Figure 0006744145
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Figure 0006744145
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式(11)〜式(14)において、J(g)、J(h)、J(i)、J(l)及びJ(m)は、それぞれ操作量g、h、i、l及びmについて計測された評価量を表す。すなわち、式(11)のGは操作量g、i及びmの3点の評価量に基づく二階微分値を表す。同様に式(12)のGは操作量h、i及びlの3点の評価量に基づく二階微分値を、式(13)のGは操作量g、i及びlの3点の評価量に基づく二階微分値を、式(14)のGは操作量h、i及びmの3点の評価量計測値に基づく二階微分値を、それぞれ表している。すなわち、式(11)〜式(14)は、5つの評価量から選択される3点の異なる組み合わせごとに、選択された3点の評価量に基づく二階微分値を算出する式である。そして、式(15)は、このような組み合わせごとに算出された複数の二階微分値(以下、「二階微分値G」と記載する。)の平均値を、観測周期Tにおける評価関数の二階微分値Gとすることを表している。なお、g、h、i、l及びmから選択される3点の組み合わせは、式(11)〜式(14)で選択された組み合わせと異なる組み合わせであってもよい。図11の例の場合、この組み合わせは(=10)通り存在するため、3点の組み合わせは上記の組み合わせ以外にも6通りの組み合わせが存在する。 In formulas (11) to (14), J(g), J(h), J(i), J(l), and J(m) are operation amounts g, h, i, l, and m, respectively. Indicates the measured evaluation amount. That is, G 1 in Expression (11) represents the second-order differential value based on the evaluation amounts of the operation amounts g, i, and m at three points. Similarly, G 2 in the equation (12) is a second-order differential value based on the evaluation amounts of the three manipulated variables h, i, and l, and G 3 in the equation (13) is an evaluation of the three points of the manipulated variables g, i, and l. The second-order differential value based on the amount, and G 4 in the equation (14) represent the second-order differential value based on the evaluation amount measurement values of the three manipulated variables h, i, and m, respectively. That is, the equations (11) to (14) are equations for calculating the second-order differential value based on the evaluation amounts of the selected three points for each different combination of the three points selected from the five evaluation amounts. Then, the expression (15) is the second value of the evaluation function in the observation cycle T, which is the average value of the plurality of second-order differential values (hereinafter, referred to as “second-order differential value G c ”) calculated for each such combination. It represents that it is a differential value G. Note that the combination of three points selected from g, h, i, l, and m may be a combination different from the combination selected by Expressions (11) to (14). In the case of the example in FIG. 11, since there are 5 C 3 (=10) combinations, there are 6 combinations other than the above-described combinations of 3 points.

図10の説明に戻る。積分係数更新部14aは、変化率算出部16によって算出された二階微分値Gに基づいて積分係数kを算出し、算出した積分係数kで積分器225に設定されている既存の積分係数を更新する。 Returning to the description of FIG. The integration coefficient updating unit 14a calculates the integration coefficient k based on the second-order differential value G calculated by the change rate calculating unit 16, and updates the existing integration coefficient set in the integrator 225 with the calculated integration coefficient k. To do.

時間遅延部17は、自身に入力された評価量を、制御対象プロセスのむだ時間に応じた時間だけ遅延させて極値制御部11に出力する。この評価量の遅延入力によって、極値制御部11は、更新後の積分係数kに基づいて決定された操作量に対して応答される評価量に基づいて新たな操作量を決定する。このような構成を備えることにより、制御装置1aは、プロセス特性の変化に追従して新たな操作量が決定されるように極値制御を機能させることができる。 The time delay unit 17 delays the evaluation amount input to itself by a time corresponding to the dead time of the process to be controlled and outputs it to the extreme value control unit 11. Due to the delayed input of the evaluation amount, the extreme value control unit 11 determines a new operation amount based on the evaluation amount that responds to the operation amount determined based on the updated integration coefficient k. With such a configuration, the control device 1a can function the extreme value control so that a new manipulated variable is determined in accordance with the change in the process characteristics.

このように構成された第2の実施形態の制御装置1aは、変化率算出部16を備えることにより、リアルタイムに計測される操作量及び評価量に基づいて積分係数kを更新することができる。このような構成を備えることにより、第2の実施形態の制御装置1aは、操作量の小さな変化に対してプロセス特性が大きく変化するような制御対象プロセスについても、積分係数kを適応的に更新することができる。 The control device 1a according to the second embodiment configured as described above includes the change rate calculation unit 16 and thus can update the integration coefficient k based on the operation amount and the evaluation amount that are measured in real time. By providing such a configuration, the control device 1a according to the second embodiment adaptively updates the integration coefficient k even for a control target process in which the process characteristics greatly change with a small change in the operation amount. can do.

以下、第2の実施形態の制御装置1aの変形例について説明する。 Hereinafter, modified examples of the control device 1a according to the second embodiment will be described.

<第1の変形例>
変化率算出部16は、複数の二階微分値Gのうち、正又は負のいずれか一方の値をとるGのみを用いて各観測周期の二階微分値Gを算出してもよい。具体的には、評価量の最適値が評価関数の極大値である場合には負の値をとるGのみを用いてGを算出し、評価量の最適値が評価関数の極小値である場合には正の値をとるGのみを用いてGを算出する。これは、二階微分値の符号が最適値の探索に大きく影響する要素であるためである。このような二階微分値Gの選択が行われることによって、極値制御をより精度よく機能させることが可能となる。なお、このような選択の結果、いずれのGも選択されなかった場合には、他の組み合わせの計測値に基づいてGを再計算してもよい。
<First Modification>
Change rate calculating section 16, among the plurality of second-order differential value G c, only G c take positive or negative one value may be calculated second order differential value G of each observation period using. Specifically, when the optimum value of the evaluation amount is the maximum value of the evaluation function, G is calculated using only G c that takes a negative value, and the optimum value of the evaluation amount is the minimum value of the evaluation function. In that case, G is calculated using only G c that takes a positive value. This is because the sign of the second derivative is a factor that greatly affects the search for the optimum value. By selecting the second-order differential value G c as described above, it becomes possible to cause the extreme value control to function more accurately. As a result of such selection, if any G c was not selected may recalculate G c on the basis of the measured values of the other combinations.

<第2の変形例>
制御情報取得部15は、操作量及び制御量の計測(又は計測された操作量及び評価量の出力)が行われる観測周期を、二階微分値の変動の傾向に応じて変化させてもよい。例えば、制御情報取得部15は、二階微分値の急激な変化が観測された場合には観測周期をより短い周期に変更する。このような観測周期の変更を行うことにより、より局所的なプロセス特性の変化に適応することが可能となる。さらに、二階微分値の変化量に対して所定の閾値を設定しておけば、閾値以上の急激な変化を見せた二階微分値を異常値と判定することも可能となる。この場合、異常値と判定された二階微分値を積分係数kの算出に用いないようにすることもできる。また、逆に、制御情報取得部15は、二階微分値がほとんど変動しないような状況が観測された場合には観測周期をより長い周期に変更してもよい。このような観測周期の変更を行うことにより、制御装置1aの処理負荷を軽減させることが可能となる。
<Second Modification>
The control information acquisition unit 15 may change the observation period in which the operation amount and the control amount are measured (or the measured operation amount and the evaluated amount are output) according to the tendency of the variation of the second-order differential value. For example, the control information acquisition unit 15 changes the observation cycle to a shorter cycle when a rapid change in the second-order differential value is observed. By changing the observation period in this way, it becomes possible to adapt to more local changes in the process characteristics. Furthermore, if a predetermined threshold value is set for the amount of change in the second-order differential value, it is possible to determine the second-order differential value that shows a sharp change above the threshold value as an abnormal value. In this case, the second-order differential value determined as an abnormal value may not be used for calculating the integration coefficient k. Conversely, the control information acquisition unit 15 may change the observation period to a longer period when a situation in which the second-order differential value hardly changes is observed. By changing the observation cycle in this way, it is possible to reduce the processing load of the control device 1a.

<第3の変形例>
変化率算出部16は、複数の連続する観測周期の代表値に基づいて、それらの観測周期で表される期間全体の二階微分値を算出してもよい。図12は、第3の変形例による二階微分値の算出の具体例を示す図である。図12(A)は制御情報取得部15によって計測される操作量及び評価量の具体例を表し、図12(B)は、ある連続する観測周期T、T及びTにおいて計測される操作量及び評価量を拡大したものである。図12(B)は、各観測周期における計測値が代表値によって平均化された結果を表している。図12(B)の曲線401は平均化前の評価量を示し、曲線402は平均化後の評価量を示している。また、g、h及びiは各観測周期における操作量の中央値を表している。この場合、例えば、変化率算出部16は、次の式(16)に基づいて、観測周期T〜Tの期間全体について一つの二階微分値Gを算出する。なお、式(16)におけるJ”(U)は、操作量Uについて計測された評価量を表す。
<Third Modification>
The change rate calculation unit 16 may calculate the second-order differential value of the entire period represented by these observation periods, based on the representative values of a plurality of continuous observation periods. FIG. 12 is a diagram showing a specific example of calculating the second-order differential value according to the third modification. FIG. 12(A) shows a specific example of the operation amount and the evaluation amount measured by the control information acquisition unit 15, and FIG. 12(B) is measured at a certain continuous observation cycle T 1 , T 2 and T 3 . The operation amount and the evaluation amount are expanded. FIG. 12B shows a result in which the measured values in each observation cycle are averaged by the representative value. A curve 401 in FIG. 12B shows the evaluation amount before averaging, and a curve 402 shows the evaluation amount after averaging. Further, g, h, and i represent the median value of the manipulated variables in each observation cycle. In this case, for example, the rate-of-change calculating unit 16 calculates one second-order differential value G for the entire observation period T 1 to T 3 based on the following equation (16). Note that J″(U) in Expression (16) represents the evaluation amount measured for the operation amount U.

Figure 0006744145
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すなわち、式(16)は、各観測周期で取得される計測値を平均化した値に基づいて二階微分値Gを算出することを表している。この点で式(16)は、各観測周期の二階微分値Gを平均化することによって二階微分値Gを算出する式(15)と異なる。 That is, Expression (16) represents that the second-order differential value G is calculated based on the value obtained by averaging the measurement values acquired in each observation cycle. In this respect, the expression (16) is different from the expression (15) that calculates the second-order differential value G by averaging the second-order differential value G c of each observation cycle.

このような方法で二階微分値Gを算出することによって、制御装置1aは、図12に示されるように、評価量が微小な変動を繰り返すような制御対象プロセスについても適切な積分係数kを適応的に更新することができる。 By calculating the second-order differential value G by such a method, the control device 1a adapts an appropriate integration coefficient k even for a control target process in which the evaluation amount repeats minute fluctuations, as shown in FIG. Can be updated.

なお、図12では、3つの観測周期の代表値に基づいて二階微分値Gを算出する場合の例を示したが、制御装置1aは3以上の観測周期の代表値に基づいて二階微分値Gを算出してもよい。この場合、平均化された各観測周期の代表値からいずれか3つの代表値を選択して二階微分値Gを算出してもよいし、選択可能な組み合わせのそれぞれについて二階微分値Gを算出し、それらの平均値を二階微分値Gとしてもよい。また、代表値には、平均値に限らず、中央値や最大値又は最小値等の他の統計値が用いられてもよい。 Note that, although FIG. 12 shows an example in which the second-order differential value G is calculated based on the representative values of the three observation cycles, the control device 1a uses the second-order differential value G based on the representative values of three or more observation cycles. May be calculated. In this case, any three representative values may be selected from the averaged representative values of the observation periods to calculate the second-order differential value G, or the second-order differential value G c may be calculated for each of the selectable combinations. However, the average value thereof may be used as the second-order differential value G. Further, the representative value is not limited to the average value, and other statistical values such as the median value, the maximum value or the minimum value may be used.

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、評価量を所定の補正関数により補正する評価量補正部、又は操作量及び評価量に基づいて評価関数の二階微分値に相当する変化率を算出する変化率算出部を持つことにより、プロセス特性の変化に応じて適切な制御パラメータを設定することができる。 According to at least one embodiment described above, the evaluation amount correction unit that corrects the evaluation amount by a predetermined correction function, or calculates the change rate corresponding to the second-order differential value of the evaluation function based on the operation amount and the evaluation amount. By having the change rate calculation unit, it is possible to set appropriate control parameters according to changes in the process characteristics.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 While some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. The embodiments and their modifications are included in the scope of the invention and the scope thereof, as well as in the invention described in the claims and the scope of equivalents thereof.

1,1a…制御装置、11…極値制御部、12…評価関数推定部、13…評価量補正部、14,14a…積分係数更新部、15…制御情報取得部、16…変化率算出部、17…時間遅延部、100…制御対象プロセス、200…制御系、210…評価量算出部、220…極値制御部、221…ハイパスフィルタ、222,222−1,222−2…ディザー信号出力部、223…乗算器、224…ローパスフィルタ、225…積分器、226…加算器、300…水処理プラント、310…最初沈澱池、311…汚泥引き抜きポンプ、320…生物反応槽、321…ブロワ、330…最終沈澱池、331…余剰汚泥ポンプ、332…返送汚泥ポンプ、340…ろ過池、350…余剰汚泥貯留槽、351…汚泥処理ポンプ、401…平均化前の評価量を示す曲線、402…平均化後の評価量を示す曲線 1, 1a... Control device, 11... Extreme value control unit, 12... Evaluation function estimation unit, 13... Evaluation amount correction unit, 14, 14a... Integral coefficient update unit, 15... Control information acquisition unit, 16... Change rate calculation unit , 17... Time delay unit, 100... Control target process, 200... Control system, 210... Evaluation amount calculation unit, 220... Extreme value control unit, 221... High pass filter, 222, 222-1, 222-2... Dither signal output 223... Multiplier, 224... Low-pass filter, 225... Integrator, 226... Adder, 300... Water treatment plant, 310... First settling basin, 311... Sludge extraction pump, 320... Biological reaction tank, 321... Blower, 330... Final sedimentation tank, 331... Excess sludge pump, 332... Return sludge pump, 340... Filtration tank, 350... Excess sludge storage tank, 351... Sludge treatment pump, 401... Curve showing evaluation amount before averaging, 402... Curve showing the evaluation amount after averaging

Claims (14)

制御対象プロセスの操作量と、前記操作量に応じて変化する制御量に基づく前記制御対象プロセスの最適化に関する指標を示す評価量と、に基づいて前記操作量の最適値を探索する極値制御を実行する極値制御部と、
前記評価量を所定の補正関数により補正する評価量補正部と、
補正後の評価量に基づいて、前記極値制御の制御パラメータである積分係数を更新する積分係数更新部と、
を備え、
前記極値制御部は、補正後の評価量に基づいて前記極値制御を実行する、
制御装置。
An extreme value control that searches for an optimum value of the operation amount based on the operation amount of the control target process and an evaluation amount that indicates an index related to optimization of the control target process based on the control amount that changes according to the operation amount. An extreme value control unit for executing
An evaluation amount correction unit for correcting the evaluation amount by a predetermined correction function,
An integral coefficient updating unit for updating an integral coefficient, which is a control parameter for the extreme value control, based on the corrected evaluation amount;
Equipped with
The extreme value control unit executes the extreme value control based on the corrected evaluation amount,
Control device.
前記補正関数は、操作量と評価量との関係を示す評価関数を、二階微分値の分散がより小さくなるような関数に補正する関数である、
請求項1に記載の制御装置。
The correction function is a function that corrects the evaluation function indicating the relationship between the operation amount and the evaluation amount into a function such that the variance of the second derivative becomes smaller.
The control device according to claim 1.
前記補正関数は、補正後の評価関数となる関数と、補正前の評価関数の逆関数との乗算によって得られる関数であり、
前記評価量補正部は、前記補正関数で評価関数の変数変換を行うことによって前記評価関数を補正し、補正後の評価関数に基づいて評価量を補正する、
請求項1又は2に記載の制御装置。
The correction function is a function obtained by multiplying a function that is an evaluation function after correction and an inverse function of the evaluation function before correction,
The evaluation amount correction unit corrects the evaluation function by performing variable conversion of the evaluation function with the correction function, and corrects the evaluation amount based on the corrected evaluation function,
The control device according to claim 1.
前記評価量補正部は、評価関数の任意の区間について、各区間に応じた補正関数で前記評価関数を補正する、
請求項3に記載の制御装置。
The evaluation amount correction unit corrects the evaluation function with a correction function according to each section for an arbitrary section of the evaluation function,
The control device according to claim 3.
前記評価量補正部は、前記補正関数によって前記評価関数の一部又は全部を補正する、
請求項3又は4に記載の制御装置。
The evaluation amount correction unit corrects a part or all of the evaluation function by the correction function,
The control device according to claim 3 or 4.
制御対象プロセスの操作量と、前記操作量に応じて変化する制御量に基づく前記制御対象プロセスの最適化に関する指標を示す評価量と、に基づいて前記操作量の最適値を探索する極値制御を実行する極値制御ステップと、
前記評価量を所定の補正関数により補正する評価量補正ステップと、
補正後の評価量に基づいて、前記極値制御の制御パラメータである積分係数を更新する積分定数更新ステップと、
を有し、
前記極値制御ステップでは、補正後の評価量に基づいて前記極値制御を実行する、
制御方法。
An extreme value control that searches for an optimum value of the operation amount based on the operation amount of the control target process and an evaluation amount that indicates an index related to optimization of the control target process based on the control amount that changes according to the operation amount. An extreme value control step for executing
An evaluation amount correction step of correcting the evaluation amount by a predetermined correction function,
An integral constant updating step of updating an integral coefficient, which is a control parameter of the extreme value control, based on the corrected evaluation amount;
Have
In the extreme value control step, the extreme value control is executed based on the evaluation amount after correction,
Control method.
制御対象プロセスの操作量と、前記操作量に応じて変化する制御量に基づく前記制御対象プロセスの最適化に関する指標を示す評価量と、に基づいて前記操作量の最適値を探索する極値制御を実行するコンピュータに対して、
前記評価量を所定の補正関数により補正する評価量補正ステップと、
補正後の評価量に基づいて、前記極値制御の制御パラメータである積分係数を更新する積分係数更新ステップと、
補正後の評価量に基づいて前記極値制御を実行する極値制御ステップと、
を実行させるためのコンピュータプログラム。
An extreme value control that searches for an optimum value of the operation amount based on the operation amount of the control target process and an evaluation amount that indicates an index related to optimization of the control target process based on the control amount that changes according to the operation amount. To the computer running
An evaluation amount correction step of correcting the evaluation amount by a predetermined correction function,
An integral coefficient updating step of updating an integral coefficient, which is a control parameter of the extreme value control, based on the corrected evaluation amount;
An extreme value control step of executing the extreme value control based on the corrected evaluation amount;
A computer program for executing.
制御対象プロセスの操作量と、前記操作量に応じて変化する制御量に基づく前記制御対象プロセスの最適化に関する指標を示す評価量と、に基づいて前記操作量の最適値を探索する極値制御を実行する極値制御部と、
前記操作量及び前記評価量に基づいて、操作量と評価量との関係を示す評価関数の二階微分値に相当する変化率を算出する変化率算出部と、
前記変化率に基づいて前記極値制御の制御パラメータである積分係数を算出し、算出された積分係数で既存の積分係数を更新する積分係数更新部と、
を備える制御装置。
An extreme value control that searches for an optimum value of the operation amount based on the operation amount of the control target process and an evaluation amount that indicates an index related to optimization of the control target process based on the control amount that changes according to the operation amount. An extreme value control unit for executing
Based on the operation amount and the evaluation amount, a change rate calculation unit that calculates a change rate corresponding to the second-order differential value of the evaluation function indicating the relationship between the operation amount and the evaluation amount,
An integral coefficient updating unit that calculates an integral coefficient that is a control parameter for the extreme value control based on the change rate, and updates an existing integral coefficient with the calculated integral coefficient,
A control device including.
前記変化率算出部は、ある期間内に取得された複数の操作量及び評価量に基づいて、前記変化率を複数算出し、算出された複数の変化率の代表値を前記期間の変化率として算出する、
請求項8に記載の制御装置。
The change rate calculation unit calculates a plurality of the change rates based on a plurality of operation amounts and evaluation amounts acquired in a certain period, and uses a representative value of the calculated plurality of change rates as a change rate of the period. calculate,
The control device according to claim 8.
前記変化率算出部は、連続する複数の期間ごとに前記評価量の代表値を算出し、算出された複数の評価量の代表値に基づいて、前記複数の期間全体の変化率を算出する、
請求項8又は9に記載の制御装置。
The change rate calculation unit calculates a representative value of the evaluation amount for each of a plurality of consecutive periods, and based on the calculated representative value of the plurality of evaluation amounts, calculates the change rate of the entire plurality of periods,
The control device according to claim 8.
前記変化率算出部は、前記変化率の増減の傾向に応じて前記期間の長さを変更する、
請求項9又は10に記載の制御装置。
The change rate calculation unit changes the length of the period according to the tendency of increase or decrease of the change rate,
The control device according to claim 9 or 10.
前記変化率算出部は、前記期間に取得された評価量から異常値を除去し、異常値が除去された評価量に基づいて前記変化率を算出する、
請求項9から11のいずれか一項に記載の制御装置。
The change rate calculation unit removes an abnormal value from the evaluation amount acquired in the period, and calculates the change rate based on the evaluation amount from which the abnormal value is removed,
The control device according to any one of claims 9 to 11.
制御対象プロセスの操作量と、前記操作量に応じて変化する制御量に基づく前記制御対象プロセスの最適化に関する指標を示す評価量と、に基づいて前記操作量の最適値を探索する極値制御を実行する極値制御ステップと、
前記操作量及び前記評価量に基づいて、操作量と評価量との関係を示す評価関数の二階微分値に相当する変化率を算出する変化率算出ステップと、
前記変化率に基づいて前記極値制御の制御パラメータである積分係数を算出し、算出された積分係数で既存の積分係数を更新する積分係数更新ステップと、
を有する制御方法。
An extreme value control that searches for an optimum value of the operation amount based on the operation amount of the control target process and an evaluation amount that indicates an index related to optimization of the control target process based on the control amount that changes according to the operation amount. An extreme value control step for executing
Based on the operation amount and the evaluation amount, a change rate calculation step of calculating a change rate corresponding to the second-order differential value of the evaluation function indicating the relationship between the operation amount and the evaluation amount,
An integral coefficient updating step of calculating an integral coefficient which is a control parameter of the extreme value control based on the change rate, and updating an existing integral coefficient with the calculated integral coefficient,
And a control method.
制御対象プロセスの操作量と、前記操作量に応じて変化する制御量に基づく前記制御対象プロセスの最適化に関する指標を示す評価量と、に基づいて前記操作量の最適値を探索する極値制御を実行する極値制御ステップと、
前記操作量及び前記評価量に基づいて、操作量と評価量との関係を示す評価関数の二階微分値に相当する変化率を算出する変化率算出ステップと、
前記変化率に基づいて前記極値制御の制御パラメータである積分係数を算出し、算出された積分係数で既存の積分係数を更新する積分係数更新ステップと、
をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
An extreme value control that searches for an optimum value of the operation amount based on the operation amount of the control target process and an evaluation amount that indicates an index related to optimization of the control target process based on the control amount that changes according to the operation amount. An extreme value control step for executing
Based on the operation amount and the evaluation amount, a change rate calculation step of calculating a change rate corresponding to the second-order differential value of the evaluation function indicating the relationship between the operation amount and the evaluation amount,
An integral coefficient updating step of calculating an integral coefficient which is a control parameter of the extreme value control based on the change rate, and updating an existing integral coefficient with the calculated integral coefficient,
A computer program that causes a computer to execute.
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