JP7384057B2

JP7384057B2 - 制御装置、制御方法及びプログラム

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Publication number: JP7384057B2
Application number: JP2020016848A
Authority: JP
Inventors: 吉雄丹下
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2020-02-04
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2023-11-21
Anticipated expiration: 2040-02-04
Also published as: JP2021124858A

Description

本発明は、制御装置、制御方法及びプログラムに関する。

化学、医薬品、鉄鋼、鋳造、食品、半導体等の分野の製造プロセスでは、原料や材料、中間製品等の一定量を製造単位としてまとめて、製造単位毎に繰り返し製造処理を行って製品を製造する。このような製造プロセスはバッチプロセスと呼ばれる。

バッチプロセスでは１バッチの間に製造される製品間で製品品質のばらつきを抑制することはもちろんのこと、複数のバッチ間で製品品質のばらつきを抑制することも重要である。このため、バッチプロセスの安定化や品質向上を目的とした様々な制御手法が従来から提案されている（例えば、特許文献１－３等を参照）。

特開平５－３２４００６号公報特表２０１３－５０５４８９号公報特開２０１３－６９０９４号公報

ところで、バッチプロセスの品質向上のためにはバッチプロセスの制御量を瞬時で制御するだけでなく、バッチ期間全体にわたって制御する必要がある。すなわち、バッチプロセスの制御量を各時刻で目標値に追従させるだけでなく、バッチ期間全体にわたって制御量を目標値に追従させる必要がある。しかしながら、従来の制御手法ではバッチ期間全体にわたる制御が考慮されていなかった。

本発明の一実施形態は、上記の点に鑑みてなされたもので、バッチ期間全体にわたる制御量も考慮しながら、バッチプロセスを制御することを目的とする。

上記目的を達成するため、一実施形態に係る制御装置は、バッチプロセスの所定の期間における制御量の統計量を所定の目標値に追従させる制御装置であって、前記所定の期間の開始時点と、前記所定の期間の終了時点と、前記所定の目標値とを入力する入力部と、前記開始時点から現時点までの前記制御量の観測値に基づいて、前記開始時点から前記現時点までの暫定的な統計量を示す暫定統計量を算出する暫定統計量計算部と、前記暫定統計量と前記所定の目標値とに基づいて、前記現時点から前記終了時点までの期間を示す残期間における目標値である残期間目標値を算出する目標値計算部と、前記残期間目標値に追従するように前記制御量を制御する制御部と、を有する。

バッチ期間全体にわたる制御量も考慮しながら、バッチプロセスを制御することができる。

第一の実施形態に係る制御装置の機能構成の一例を示す図である。バッチ目標値と平均制御量の一例を説明するための図である。暫定バッチ平均制御量と残バッチ目標値の一例を説明するための図である。第一の実施形態に係る暫定バッチ平均制御量の算出処理の一例を示すフローチャートである。第一の実施形態に係る残バッチ目標値の算出処理の一例を示すフローチャートである。第二の実施形態に係る制御装置の機能構成の一例を示す図である。バッチ目標値と積算制御量の一例を説明するための図である。暫定バッチ積算制御量と残バッチ目標値の一例を説明するための図である。第二の実施形態に係る暫定バッチ積算制御量の算出処理の一例を示すフローチャートである。第二の実施形態に係る残バッチ目標値の算出処理の一例を示すフローチャートである。実施例１におけるステップ応答を説明するための図である。従来技術による制御結果を説明するための図（実施例１）である。実施例１における制御結果を説明するための図である。従来技術による制御結果を説明するための図（実施例２）である。実施例２における制御結果を説明するための図である。応用例を説明するための図である。一実施形態に係る制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について説明する。以降で説明する各実施形態では、バッチ期間全体にわたる制御量も考慮しながら、バッチプロセスを制御することができる制御装置１０について説明する。なお、以降の各実施形態に係る制御装置１０は、バッチプロセスを制御する各種コントローラ（例えば、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）、ＤＣＳ（Distributed Control System）、パーソナルコンピュータや組み込み機器上で実装されるコントローラ等）である。また、当該制御装置１０は、任意の製品又は半製品等を製造する任意のバッチプロセスの制御に用いることが可能である。

［第一の実施形態］
まず、本発明の第一の実施形態について説明する。第一の実施形態では、バッチ期間における制御量の平均値を所定の目標値（以下、「バッチ目標値」という。）に追従させる場合について説明する。

＜制御装置１０の機能構成＞
第一の実施形態に係る制御装置１０の機能構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、第一の実施形態に係る制御装置１０の機能構成の一例を示す図である。

図１に示すように、本実施形態に係る制御装置１０は、機能部として、バッチ目標設定部１０１と、暫定バッチ制御量計算部１０２と、目標値更新部１０３と、下位自動制御部１０４と、計測部１０５と、タイマ１０６とを有する。これら各機能は、例えば、制御装置１０にインストールされた１以上のプログラムがＣＰＵ（Central Processing Unit）に実行させる処理により実現される。

バッチ目標設定部１０１は、バッチ期間の開始時刻を示すバッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎと、バッチ期間の終了時刻を示すバッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄと、バッチ目標値ＳＶ_ａｖｅとを入力（設定）する。バッチ目標値ＳＶ_ａｖｅは、バッチ期間における制御量の平均値（以下、「平均制御量」という。）の目標値である。なお、バッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎ、バッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄ及びバッチ目標値ＳＶ_ａｖｅはメモリ等に格納される。

暫定バッチ制御量計算部１０２は、現在時刻ｔとバッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎとバッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄと現在時刻ｔにおける制御量ｙ（ｔ）とを入力して、バッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎから現在時刻ｔまでの制御量の暫定的な平均値を示す暫定バッチ平均制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）を算出する。なお、制御量ｙ（ｔ）は、計測部１０５によって計測（観測）された、時刻ｔにおける制御対象プラント２０の制御量である。制御対象プラント２０は制御装置１０の制御対象となる任意のプラント（又は、プラントを構成する設備、装置、機器等）のことであり、バッチプロセスにより所定の製品又は半製品等を製造する。

目標値更新部１０３は、現在時刻ｔとバッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎとバッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄとバッチ目標値ＳＶ_ａｖｅと暫定バッチ平均制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）とを入力して、現在時刻ｔからバッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄまでの期間Ｔ_ｒｅｓｔ（以下、「残バッチ期間」という。）における目標値を示す残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）を算出する。

下位自動制御部１０４は、例えばＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御やモデル予測制御等の既知の制御手法により、目標値更新部１０３によって算出された残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）に制御量を追従させるような操作量ｕ（ｔ）を制御対象プラント２０に出力する。これにより、この操作量ｕ（ｔ）によって制御対象プラント２０が操作される。

計測部１０５は、制御対象プラント２０の制御量ｙを計測（観測）する。なお、制御対象プラント２０の制御量ｙは、操作量ｕだけでなく、外乱ｖにも影響される。外乱ｖとは制御対象プラント２０の制御量に影響を与える外的な要因のことであり、例えば、制御量ｙが温度である場合には、外乱ｖとしては外気温等が挙げられる。

タイマ１０６は、予め設定された制御周期Ｔ_ｃ毎に、計測部１０５と暫定バッチ制御量計算部１０２と目標値更新部１０３と下位自動制御部１０４とを動作させる。これにより、制御周期Ｔ_ｃ毎に、制御量ｙ（ｔ）の観測と、暫定バッチ平均制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）の算出と、残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）の算出と、操作量ｕ（ｔ）の出力とが繰り返し実行される。

ここで、本実施形態に係るバッチ目標値ＳＶ_ａｖｅと平均制御量の一例を図２に示す。図２に示すように、平均制御量は、バッチ期間（つまり、バッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎからバッチ終了時刻ｂ_ｅｎｄまでの期間）における制御量ｙの平均値である。本実施形態では、バッチ期間における制御対象プラント２０の平均制御量をバッチ目標値ＳＶ_ａｖｅに追従させることを目的とする。これを実現するために、本実施形態に係る制御装置１０は、制御周期Ｔ_ｃ毎に、暫定バッチ平均制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）を用いて残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）を算出し、この残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）に制御量を追従させるように制御対象プラント２０を制御する。

暫定バッチ平均制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）と残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）の一例を図３に示す。図３に示すように、暫定バッチ平均制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）はバッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎから現在時刻ｔまでの制御量の暫定的な平均値であり、残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）は残バッチ期間Ｔ_ｒｅｓｔにおける目標値である。なお、図３に示す例では、バッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎからバッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄまでの暫定バッチ平均制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）と残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）と制御量ｙ（ｔ）とが示されている。

＜暫定バッチ平均制御量の算出処理＞
次に、本実施形態に係る暫定バッチ平均制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）を算出する処理について、図４を参照しながら説明する。図４は、第一の実施形態に係る暫定バッチ平均制御量の算出処理の一例を示すフローチャートである。

暫定バッチ制御量計算部１０２は、現在時刻ｔがバッチ期間内（つまり、ｔ_ｂｇｎ≦ｔ≦ｔ_ｅｎｄ）であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。

上記のステップＳ１１で現在時刻ｔがバッチ期間内でないと判定された場合（ステップＳ１１でＮＯ）、暫定バッチ制御量計算部１０２は、ｙ_ｔｍｐ（１）←ｙ（ｔ），ｎ←１と暫定バッチ平均制御量を初期化する（ステップＳ１２）。ここで、ｎは計算回数を表すインデックスである。

一方で、上記のステップＳ１１で現在時刻ｔがバッチ期間内であると判定された場合（ステップＳ１１でＹＥＳ）、暫定バッチ制御量計算部１０２は、

と暫定バッチ平均制御量ｙ_ｔｍｐを更新する（ステップＳ１３）。すなわち、暫定バッチ制御量計算部１０２は、バッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎから現在時刻ｔまでの制御量の平均値を暫定バッチ平均制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）＝ｙ_ｔｍｐ（ｎ＋１）とする。これにより、バッチ期間内の現在時刻ｔにおける暫定バッチ平均制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）が算出される。

＜残バッチ目標値の算出処理＞
次に、本実施形態に係る残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）を算出する処理について、図５を参照しながら説明する。図５は、第一の実施形態に係る残バッチ目標値の算出処理の一例を示すフローチャートである。

目標値更新部１０３は、現在時刻ｔがバッチ期間内（つまり、ｔ_ｂｇｎ≦ｔ≦ｔ_ｅｎｄ）であるか否かを判定する（ステップＳ２１）。

上記のステップＳ２１で現在時刻ｔがバッチ期間内でないと判定された場合（ステップＳ２１でＮＯ）、目標値更新部１０３は、ｒ_ｂ（ｔ）←ＳＶ_ａｖｅと残バッチ目標値を初期化する（ステップＳ２２）。

一方で、上記のステップＳ２１で現在時刻ｔがバッチ期間内であると判定された場合（ステップＳ２１でＹＥＳ）、目標値更新部１０３は、Ｔ_ｒｅｓｔ＝ｔ_ｅｎｄ－ｔにより残バッチ期間Ｔ_ｒｅｓｔを計算する（ステップＳ２３）。

次に、目標値更新部１０３は、残バッチ期間Ｔ_ｒｅｓｔの長さがバッチ期間（ｔ_ｅｎｄ－ｔ_ｂｇｎ）の長さに対して所定の割合以上（例えば、１０％以上）である場合、

と残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）を更新する。一方で、目標値更新部１０３は、残バッチ期間Ｔ_ｒｅｓｔの長さがバッチ期間の長さに対して所定の割合未満である場合、ｒ_ｂ（ｔ）←ｒ_ｂ（ｔ－Ｔ_ｃ）と残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）を更新する（言い換えれば、残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）をそのままとし、更新しない。）（ステップＳ２４）。これにより、バッチ期間内の現在時刻ｔにおける残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）が算出される。

なお、上記の割合は任意の値に設定することが可能である。残バッチ期間Ｔ_ｒｅｓｔの長さがバッチ期間の長さに対して所定の割合未満である場合に残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）を更新しない理由は、上記の数２の分母がＴ_ｒｅｓｔであり、その値が０に近いと残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）が不安定になるためである。この不安定性を回避する他の方法として、上記の割合を設定する以外に、他の方法（例えば、残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）に上下限制約を設定する等）が用いられてもよい。

［第二の実施形態］
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。第二の実施形態では、バッチ期間における制御量の積算値を所定のバッチ目標値に追従させる場合について説明する。なお、第二の実施形態では、主に、第一の実施形態との相違点について説明し、第一の実施形態と同一の構成要素についてはその説明を省略する。

＜制御装置１０の機能構成＞
第二の実施形態に係る制御装置１０の機能構成について、図６を参照しながら説明する。図６は、第二の実施形態に係る制御装置１０の機能構成の一例を示す図である。

図６に示すように、本実施形態に係る制御装置１０は、機能部として、バッチ目標設定部１０１と、暫定バッチ制御量計算部１０２と、目標値更新部１０３と、下位自動制御部１０４と、計測部１０５と、タイマ１０６とを有する。これらの各機能部のうち、バッチ目標設定部１０１、暫定バッチ制御量計算部１０２及び目標値更新部１０３が第一の実施形態と異なる。

バッチ目標設定部１０１は、バッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎと、バッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄと、バッチ目標値ＳＶ_ｉｎｔとを入力（設定）する。バッチ目標値ＳＶ_ｉｎｔは、バッチ期間における制御量の積算値（以下、「積算制御量」という。）の目標値である。なお、バッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎ、バッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄ及びバッチ目標値ＳＶ_ｉｎｔはメモリ等に格納される。

暫定バッチ制御量計算部１０２は、現在時刻ｔとバッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎとバッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄと現在時刻ｔにおける制御量ｙ（ｔ）とを入力して、バッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎから現在時刻ｔまでの制御量の暫定的な積算値を示す暫定バッチ積算制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）を算出する。

目標値更新部１０３は、現在時刻ｔとバッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎとバッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄとバッチ目標値ＳＶ_ｉｎｔと暫定バッチ積算制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）とを入力して、残バッチ期間Ｔ_ｒｅｓｔにおける目標値を示す残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）を算出する。

ここで、本実施形態に係るバッチ目標値ＳＶ_ｉｎｔと積算制御量の一例を図７に示す。図７に示すように、積算制御量は、バッチ期間における制御量ｙの積算値（つまり、制御周期Ｔ_ｃ毎の制御量ｙを足し合わせた値）である。本実施形態では、バッチ期間における制御対象プラント２０の積算制御量をバッチ目標値ＳＶ_ｉｎｔに追従させることを目的とする。これを実現するために、本実施形態に係る制御装置１０は、制御周期Ｔ_ｃ毎に、暫定バッチ積算制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）を用いて残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）を算出し、この残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）に制御量を追従させるように制御対象プラント２０を制御する。

暫定バッチ積算制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）と残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）の一例を図８に示す。図８に示すように、暫定バッチ積算制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）はバッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎから現在時刻ｔまでの制御量の暫定的な積算値であり、残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）は残バッチ期間Ｔ_ｒｅｓｔにおける目標値である。なお、図８に示す例では、バッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎからバッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄまでの暫定バッチ積算制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）と残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）と制御量ｙ（ｔ）とが示されている。

＜暫定バッチ積算制御量の算出処理＞
次に、本実施形態に係る暫定バッチ積算制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）を算出する処理について、図９を参照しながら説明する。図９は、第二の実施形態に係る暫定バッチ積算制御量の算出処理の一例を示すフローチャートである。

暫定バッチ制御量計算部１０２は、現在時刻ｔがバッチ期間内であるか否かを判定する（ステップＳ３１）。

上記のステップＳ３１で現在時刻ｔがバッチ期間内でないと判定された場合（ステップＳ３１でＮＯ）、暫定バッチ制御量計算部１０２は、ｙ_ｔｍｐ（１）←０，ｎ←１と暫定バッチ積算制御量を初期化する（ステップＳ３２）。

一方で、上記のステップＳ３１で現在時刻ｔがバッチ期間内であると判定された場合（ステップＳ３１でＹＥＳ）、暫定バッチ制御量計算部１０２は、ｙ_ｔｍｐ（ｎ＋１）←ｙ_ｔｍｐ（ｎ）＋ｙ（ｔ）・ΔＴ，ｎ←ｎ＋１と暫定バッチ積算制御量を更新する（ステップＳ３３）。ここで、ΔＴは暫定バッチ積算制御量の更新周期であり、例えば、ΔＴ＝Ｔ_ｃとすればよい。これにより、バッチ期間内の現在時刻ｔにおける暫定バッチ積算制御量ｙ_ｔｍｐ（ｔ）＝ｙ_ｔｍｐ（ｎ＋１）が算出される。

＜残バッチ目標値の算出処理＞
次に、本実施形態に係る残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）を算出する処理について、図１０を参照しながら説明する。図１０は、第二の実施形態に係る残バッチ目標値の算出処理の一例を示すフローチャートである。

目標値更新部１０３は、現在時刻ｔがバッチ期間内であるか否かを判定する（ステップＳ４１）。

上記のステップＳ４１で現在時刻ｔがバッチ期間内でないと判定された場合（ステップＳ４１でＮＯ）、目標値更新部１０３は、

と残バッチ目標値を初期化する（ステップＳ４２）。すなわち、目標値更新部１０３は、バッチ目標値ＳＶ_ｉｎｔをバッチ期間ｔ_ｅｎｄ－ｔ_ｂｇｎで割った平均値を、残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）の初期値とする。

一方で、上記のステップＳ４１で現在時刻ｔがバッチ期間内であると判定された場合（ステップＳ４１でＹＥＳ）、目標値更新部１０３は、Ｔ_ｒｅｓｔ＝ｔ_ｅｎｄ－ｔにより残バッチ期間Ｔ_ｒｅｓｔを計算する（ステップＳ４３）。

と残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）を更新する。一方で、目標値更新部１０３は、残バッチ期間Ｔ_ｒｅｓｔの長さがバッチ期間の長さに対して所定の割合未満である場合、ｒ_ｂ（ｔ）←ｒ_ｂ（ｔ－Ｔ_ｃ）と残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）を更新する（言い換えれば、残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）をそのままとし、更新しない。）（ステップＳ４４）。これにより、バッチ期間内の現在時刻ｔにおける残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）が算出される。

なお、上記の割合は任意の値に設定することが可能である。また、残バッチ期間Ｔ_ｒｅｓｔの長さがバッチ期間の長さに対して所定の割合未満である場合に残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）を更新しない理由は、上記の数４の分母がＴ_ｒｅｓｔであり、その値が０に近いと残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）が不安定になるためである。この不安定性を回避する他の方法として、上記の割合を設定する以外に、他の方法（例えば、残バッチ目標値ｒ_ｂ（ｔ）に上下限制約を設定する等）が用いられてもよい。

［実施例１］
次に、実施例１について説明する。実施例１では、第一の実施形態に係る制御装置１０によって制御対象プラント２０を制御する場合について説明する。

まず、実施例１における制御対象プラント２０のステップ応答を図１１に示す。つまり、実施例１における制御対象プラント２０は、単位ステップ入力に対して、或る程度オーバーシュートして一定値に落ち着くプラントである。

また、実施例１では、バッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎ＝０、バッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄ＝４０、バッチ目標値Ｓ_ａｖｅ＝１０と設定した。

このとき、制御量の目標値として固定目標値ｒ＝１０を用いて、従来技術であるモデル予測制御により制御対象プラント２０を制御した場合の制御結果を図１２（ａ）～図１２（ｄ）に示す。図１２（ａ）は制御量と固定目標値、図１２（ｂ）は外乱、図１２（ｃ）は操作量を示している。一方で、図１２（ｄ）は、バッチ目標値Ｓ_ａｖｅと、制御量から算出した暫定バッチ平均制御量ｙ_ｔｍｐとを示している。なお、第一の実施形態に係る制御装置１０による制御と比較するために、既知のモデル予測制御でも暫定バッチ平均制御量ｙ_ｔｍｐを算出した。

図１２（ａ）に示すように制御量は固定目標値に追従しているものの、図１２（ｄ）に示すようにバッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄ付近で差Δ_１が生じており、従来技術では、バッチ期間における制御量の平均値がバッチ目標値Ｓ_ａｖｅに到達できていないことがわかる。

次に、第一の実施形態に係る制御装置１０により制御対象プラント２０を制御した場合の制御結果を図１３（ａ）～図１３（ｄ）に示す。図１３（ａ）は制御量と残バッチ目標値と比較用の固定目標値を示している。また、図１３（ｂ）は外乱、図１３（ｃ）は操作量を示している。一方で、図１３（ｄ）は、バッチ目標値Ｓ_ａｖｅと暫定バッチ平均制御量ｙ_ｔｍｐとを示している。

図１３（ａ）に示すように、残バッチ目標値は固定目標値ｒ＝１０よりも高い値となっており、制御量の変化や外乱による影響を受けて変動している。また、図１３（ｄ）に示すように、バッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄ付近で暫定バッチ平均制御量ｙ_ｔｍｐがバッチ目標値Ｓ_ａｖｅに一致している。これにより、第一の実施形態に係る制御装置１０は、従来技術と比べて、バッチ期間全体にわたってバッチプロセスの品質を向上できていることがわかる。

［実施例２］
次に、実施例２について説明する。実施例２では、第二の実施形態に係る制御装置１０によって制御対象プラント２０を制御する場合について説明する。なお、制御対象プラント２０は実施例１と同様であるものとする。

実施例２では、バッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎ＝０、バッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄ＝４０、バッチ目標値Ｓ_ｉｎｔ＝４００と設定した。

このとき、制御量の目標値として固定目標値ｒ＝１０（つまり、バッチ目標値Ｓ_ｉｎｔ＝４００をバッチ期間ｔ_ｅｎｄ－ｔ_ｂｇｎ＝４０で割った値）を用いて、従来技術であるモデル予測制御により制御対象プラント２０を制御した場合の制御結果を図１４（ａ）～図１４（ｄ）に示す。図１４（ａ）は制御量と固定目標値、図１４（ｂ）は外乱、図１４（ｃ）は操作量を示している。一方で、図１４（ｄ）は、バッチ目標値Ｓ_ｉｎｔと、制御量から算出した暫定バッチ積算制御量ｙ_ｔｍｐとを示している。なお、第二の実施形態に係る制御装置１０による制御と比較するために、既知のモデル予測制御でも暫定バッチ積算制御量ｙ_ｔｍｐを算出した。

図１４（ａ）に示すように制御量は固定目標値に追従しているものの、図１４（ｄ）に示すようにバッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄ付近で差Δ_２が生じており、従来技術では、バッチ期間における制御量の積算値がバッチ目標値Ｓ_ｉｎｔに到達できていないことがわかる。

次に、第二の実施形態に係る制御装置１０により制御対象プラント２０を制御した場合の制御結果を図１５（ａ）～図１５（ｄ）に示す。図１５（ａ）は制御量と残バッチ目標値と比較用の固定目標値を示している。また、図１４（ｂ）は外乱、図１４（ｃ）は操作量を示している。一方で、図１４（ｄ）は、バッチ目標値Ｓ_ｉｎｔと暫定バッチ積算制御量ｙ_ｔｍｐとを示している。

図１５（ａ）に示すように、残バッチ目標値は固定目標値ｒ＝１０よりも高い値となっており、制御量の変化や外乱による影響を受けて変動している。また、図１５（ｄ）に示すように、バッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄ付近で暫定バッチ積算制御量ｙ_ｔｍｐがバッチ目標値Ｓ_ｉｎｔに一致している。これにより、第二の実施形態に係る制御装置１０は、従来技術と比べて、バッチ期間全体にわたってバッチプロセスの品質を向上できていることがわかる。

［応用例］
ここで、第一の実施形態及び第二の実施形態を組み合わせた応用例について説明する。例えば、図１６に示すように、制御対象プラント２０の理想的な運転が、バッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎから或る時刻ｔ_１までは或る一定変化率で制御量ｙが変化し、時刻ｔ_１から或る時刻ｔ_２までは一定の制御量ｙであり、時刻ｔ_２からバッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄまでは或る一定変化率で制御量ｙが変化するものであったとする。このとき、バッチ開始時刻ｔ_ｂｇｎから時刻ｔ_１までの期間を１つのバッチ期間として第二の実施形態に係る制御装置１０を適用し、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までの期間を１つのバッチ期間として第一の実施形態に係る制御装置１０を適用し、時刻ｔ_２からバッチ終了時刻ｔ_ｅｎｄまでの期間を１つのバッチ期間として第二の実施形態に係る制御装置１０を適用することが可能である。

［制御装置１０のハードウェア構成］
次に、上述した第一の実施形態又は第二の実施形態に係る制御装置１０のハードウェア構成について、図１７を参照しながら説明する。図１７は、一実施形態に係る制御装置１０のハードウェア構成の一例を示す図である。

図１７に示すように、一実施形態に係る制御装置１０は、ハードウェアとして、入力装置２０１と、表示装置２０２と、外部Ｉ／Ｆ２０３と、通信Ｉ／Ｆ２０４と、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０５と、ＲＡＭ（Random Access Memory）２０６と、ＣＰＵ２０７と、補助記憶装置２０８とを有する。これら各ハードウェアは、バス２０９により相互に通信可能に接続されている。

入力装置２０１は、例えば、各種ボタンやタッチパネル、キーボード、マウス等であり、制御装置１０に各種の操作を入力するのに用いられる。表示装置２０２は、例えば、ディスプレイ等であり、制御装置１０による各種の処理結果を表示する。なお、制御装置１０は、入力装置２０１及び表示装置２０２の少なくとも一方を有していなくてもよい。

外部Ｉ／Ｆ２０３は、外部装置とのインタフェースである。外部装置には、例えば、記録媒体２０３ａ等がある。制御装置１０は、外部Ｉ／Ｆ２０３を介して、記録媒体２０３ａの読み取りや書き込み等を行うことができる。記録媒体２０３ａには、例えば、ＳＤメモリカード(SD memory card）やＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等がある。なお、制御装置１０が有する各機能部を実現する１以上のプログラムは、記録媒体２０３ａに格納されていてもよい。

通信Ｉ／Ｆ２０４は、制御装置１０が他の装置又は機器（例えば、制御対象プラント２０等）とデータ通信を行うためのインタフェースである。なお、制御装置１０が有する各機能部を実現する１以上のプログラムは、通信Ｉ／Ｆ２０４を介して、所定のサーバ装置等から取得（ダウンロード）されてもよい。

ＲＯＭ２０５は、電源を切ってもデータを保持することができる不揮発性の半導体メモリである。ＲＡＭ２０６は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の半導体メモリである。ＣＰＵ２０７は、例えば、補助記憶装置２０８やＲＯＭ２０５等からプログラムやデータをＲＡＭ２０６上に読み出して、各種処理を実行する演算装置である。

補助記憶装置２０８は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）、フラッシュメモリ等であり、プログラムやデータを格納している不揮発性のメモリである。補助記憶装置２０８に格納されているプログラムやデータには、例えば、制御装置１０が有する各機能部を実現する１以上のプログラムや基本ソフトウェアであるＯＳ（Operating System）、ＯＳ上で動作する各種アプリケーションプログラム等がある。

一実施形態に係る制御装置１０は、図１７に示すハードウェア構成を有することにより、上述した各種処理を実現することができる。なお、図１７では、制御装置１０が１台のコンピュータで実現されている場合のハードウェア構成例を示したが、これに限られず、制御装置１０は複数台のコンピュータで実現されていてもよい。

［まとめ］
以上のように、第一の実施形態及び第二の実施形態に係る制御装置１０は、バッチ期間における制御量の平均値又は積算値（統計量の一例）を制御周期Ｔ_ｃ毎に都度計算し、これらの平均値又は積算値により目標値を制御周期Ｔ_ｃ毎に都度更新する。これにより、オンライン制御において、バッチ期間全体にわたってバッチプロセスの品質を向上させることが可能となる。

第一の実施形態及び第二の実施形態に係る制御装置１０は、任意のバッチプロセスにより所定の製品又は半製品等を製造する制御対象プラント２０を制御する場合に適用することが可能である。例えば、化学反応を開始してから終了するまでの全期間にわたって反応した分子の全体の混合物を製品とするプラント等に適用することができる。特に、第一の実施形態又は第二の実施形態に係る制御装置１０を用いることで、例えば、容器全体で分子が対流したり、撹拌されたりするために瞬時で温度等の制御量を制御するだけでは不十分であるような場合に、バッチ期間全体の品質向上に寄与することができる。

また、第一の実施形態及び第二の実施形態に係る制御装置１０が有する下位自動制御部１０４は、例えばＰＩＤ制御やモデル予測制御等の既知の制御手法で実現することができる。このため、例えば、既設のＰＬＣやＤＣＳ等のコントローラを用いて制御装置１０を構成することで、第一の実施形態又は第二の実施形態に係る制御装置１０を容易かつ低コストで実現することができる。

なお、バッチプロセスでは理想的なバッチ時系列（このバッチ時系列は「ゴールデンバッチ」とも呼ばれる。）に沿うように運転が調整されることがある。したがって、バッチ目標値ＳＶ_ａｖｅ又はＳＶ_ｉｎｔはゴールデンバッチを参照して決定されてもよい。

また、第一の実施形態及び第二の実施形態に係る制御装置１０は、例えば、従来技術による制御を一定時間の間行った後に、第一の実施形態又は第二の実施形態に係る制御装置１０による制御が行なわれるような形態で利用されてもよい。

本発明は、具体的に開示された上記の各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更、既知の技術との組み合わせ等が可能である。

１０制御装置
２０制御対象プラント
１０１バッチ目標設定部
１０２暫定バッチ制御量計算部
１０３目標値更新部
１０４下位自動制御部
１０５計測部
１０６タイマ

Claims

バッチプロセスの所定の期間における制御量の統計量を所定の目標値に追従させる制御装置であって、
前記所定の期間の開始時点と、前記所定の期間の終了時点と、前記所定の目標値とを入力する入力部と、
前記開始時点から現時点までの前記制御量の観測値に基づいて、前記開始時点から前記現時点までの暫定的な統計量を示す暫定統計量を算出する暫定統計量計算部と、
前記暫定統計量と前記所定の目標値とに基づいて、前記現時点から前記終了時点までの期間を示す残期間における目標値である残期間目標値を算出する目標値計算部と、
前記残期間目標値に追従するように前記制御量を制御する制御部と、
を有し、
前記目標値計算部は、
前記残期間の長さが所定の値よりも短い場合、前記残期間目標値として、１つ前の制御周期で算出された残期間目標値を算出する、制御装置。
前記統計量は、前記所定の期間における制御量の平均値であり、
前記目標値計算部は、
前記所定の目標値と前記所定の期間の長さとの積から、前記暫定統計量と前記開始時点から前記現時点までの期間の長さとの積を減算した値を、前記残期間で除算することで、前記残期間目標値を算出する、請求項１に記載の制御装置。
前記統計量は、前記所定の期間における制御量の積算値であり、
前記目標値計算部は、
前記所定の目標値から前記暫定統計量を減算した値を、前記残期間で除算することで、前記残期間目標値を算出する、請求項１に記載の制御装置。
前記目標値計算部は、
所定の上下限値制約の下で前記残期間目標値を算出する、請求項１乃至３の何れか一項に記載の制御装置。
前記暫定統計量計算部と前記目標値計算部と前記制御部とは、予め設定された前記制御周期毎に、前記暫定統計量の算出と前記残期間目標値の算出と前記制御量の制御とをそれぞれ実行する、請求項１乃至４の何れか一項に記載の制御装置。
前記制御部は、
モデル予測制御又はＰＩＤ制御により前記制御量を制御する、請求項１乃至５の何れか一項に記載の制御装置。
バッチプロセスの所定の期間における制御量の統計量を所定の目標値に追従させる制御装置が、
前記所定の期間の開始時点と、前記所定の期間の終了時点と、前記所定の目標値とを入力する入力手順と、
前記開始時点から現時点までの前記制御量の観測値に基づいて、前記開始時点から前記現時点までの暫定的な統計量を示す暫定統計量を算出する暫定統計量計算手順と、
前記暫定統計量と前記所定の目標値とに基づいて、前記現時点から前記終了時点までの期間を示す残期間における目標値である残期間目標値を算出する目標値計算手順と、
前記残期間目標値に追従するように前記制御量を制御する制御手順と、
を実行し、
前記目標値計算手順は、
前記残期間の長さが所定の値よりも短い場合、前記残期間目標値として、１つ前の制御周期で算出された残期間目標値を算出する、制御方法。
バッチプロセスの所定の期間における制御量の統計量を所定の目標値に追従させる制御装置に、
前記所定の期間の開始時点と、前記所定の期間の終了時点と、前記所定の目標値とを入力する入力手順と、
前記開始時点から現時点までの前記制御量の観測値に基づいて、前記開始時点から前記現時点までの暫定的な統計量を示す暫定統計量を算出する暫定統計量計算手順と、
前記暫定統計量と前記所定の目標値とに基づいて、前記現時点から前記終了時点までの期間を示す残期間における目標値である残期間目標値を算出する目標値計算手順と、
前記残期間目標値に追従するように前記制御量を制御する制御手順と、
を実行させ、
前記目標値計算手順は、
前記残期間の長さが所定の値よりも短い場合、前記残期間目標値として、１つ前の制御周期で算出された残期間目標値を算出する、プログラム。