JPH03142501A - 特に流体温度を制御するための適応プロセス制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプロセス制御システム、とくに変動プロセス条
件に適応性のあるオンラインの制御システム（方法と装
置）に関する。

本発明は、特定の熱、あるいは流体温度に影響を与える
流体の他の条件などの変動プロセス条件に適応すると共
に、流体の温度が過渡的温度を扱うために動的即応答を
有する制御を必要とするプロセスで使用するのに特に適
している。このプロセスは正確な温度制御が要求される
写真紙、あるいはフィルムのコーティングに関わるもの
であるかも知れない０本発明は通常たとえ制御されるプ
ロセスの変量が、温度、あるいは他の物理的もしくは化
学的プロセス変量であっても適用可能である。ここで説
明される流体の温度制御は本発明の説明的で、好適な形
態である。

流体温度の制御における従来の方法は熱交換器を使用す
るものであった。通常利用可能な熱交換器は流体温度の
迅速、且つ正確な制御、例えば、数秒以内での動的応答
性を提供するには不十分である。さらに、熱交換器は通
常大型で、均一に加熱できなく、そして装置の動作性を
維持し、且つ製品汚損を避けるために清掃などして保守
しなければならない。流体温度制御用の熱交換器を使用
した従来の制御システムは、同時に変動プロセス条件に
適用しながらく望ましくはリアルタイムあるいはオンラ
インで〉、正確な制御を提供するには不十分であった。

そのような条件は、例えば、写真製品の製造において使
用される化学薬品の異なるロフト、又は異なる化学薬品
など、プロセスで使用される流体の異なるロフトの特定
的な熱である。熱交換器や従来型制御システムよりも高
速の動的応答性を有する加熱手段を備えたシステムは変
動プロセス条件あるいは補償オンラインに、そして制御
システムの動的応答性の変更を必要とする他の変動因子
に対して連続的に適応することによって必要とされる正
確な制御を提供するには不十分であった。

制御システムは時４両フィードフォワードとフィードバ
ック制御ループを有する。フィードフォワード制御は入
ってくる障害の削除あるいは変更に応答するが、フィー
ドバック制御は取られた動作の結果に応答する。フィー
ドフォワードとフィードバックコントローラは結合され
ており、フィードバックコントローラはフィードフォワ
ード動作後に残るいかなるエラーも補償する。例えば、
次のフィードバックとフィードフォワードコントローラ
に関して議論している特許を参照してください、Ｈａｒ
ｒｉ　ｓｏｎその他、米国３．９７６．１７９．１９７
６年８月２４日；Ｋｏｓｃｈｍａｎｎ、米国４．２９０
．９８６．１９８１年９月２２日；　Ｄ　ｉ　ｂ　ｉ　
ａｎｏ、米国４．３６７．３５４．１９８３年１月４日
；Ｐｅｔｅｒｍａｎその他、米国４．５４３．２４５．
１９８５年、９月２４日；そしてＤｚｉｕｂａｋｏｗｓ
ｋｉ、４．７７６．３０１．１９８８年１０月１１日。

制御方法あるいはコントローラの制御機能の調整のため
に適応性のある制御を提供することが又示唆されている
。Ｇ、（、Ｇｏ　ｏｄｗｉ　ｎとに、Ｓ、Ｓ　ｉ　ｎ（
１１９８４）、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ　　Ｈａｌｌ　−Ｅｎ
ｇｌｅｗｏｏｄ　　Ｇ１１ｆｆｓ、ＮＪ、ＵＳＡによる
”Ａｄａｐｔｉｖｅ　　Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ−Ｐｒｅｄ
ｉｃｔｉｏｎ　　ａｎｄ　　Ｃｏｎｔｒｏ　１　”　、
特に適応的制御概念に対するベージ１７８−１８１を参
照して下さい、既知適応的制御システムにおいて、適応
的制御はシステム（１９７１年３月２日の米国３．５６
７．３９５を参照）を摂動させることにより実行される
。その時システム応答は検出され、そしてそのシステム
は調整されるか同調される。この方法は、これらの摂動
の効果が所望の制御限界を超える変量を生成する時には
不十分である０例えば、流体の、特に写真フィルム製造
プロセスにおける化学薬品の温度の正確な制御を求める
システムにおいては、摂動はプロセスにより求められた
限度を超えて温度を変動させる。さらに、その方法を実
行するのは、摂動入力の振幅と周波数部分の両方が関連
のものである制御されるプロセスの全ての応答モードに
影響を与えねばならないので、困難である。そうでなけ
れば、制御アルゴリズムの適応は収束するよりもむしろ
発散することが出来る。換言すれば、システムは、制御
された変量が所望の範囲内にあるような状態には決して
到達せず、それよりもむしろ制御不可能状態にされてし
まい、好ましくない結果となる。

流体温度制御の場合において、マイクロ波エネルギーが
発生され、素早く、且つ均一に熱に適用され、そして流
体の温度を上昇させるマイクロ波発生装置を使用して、
適応制御に適している高速動的応答を提供することは本
発明の特徴の一つである。マイクロ波発生装置での冷却
は所望（設定ポイント）の温度よりも低温である流入流
体温度を利用することにより得られる。そのとき、マイ
クロ波発生装置は継続的に流体を所望の温度に加熱する
。もし流入流体温度が上昇すると、マイクロ波発生装置
からの出力は低減され、それにより適用される熱を少な
くし、冷却作用を提供する。

マイクロ波発生装置はフィードフォワードとフィードバ
ック制御の下にあるので、正確に温度を制御することが
出来る。

本発明の他の特徴はフィードバックループからのフィー
ドフォワード制御機能の適応制御と共にフィードフォワ
ード及びフィードバックループを利用して変量の制御を
提供することである。特定的に、その特徴に従って、フ
ィードフォワードコントローラが（もし条件が事実では
ない理想的なものであるならば）所望の値から制御され
た変量のいかなる歪みも除去するだろう。バックアップ
として働くフィードバックコントローラは、その時残っ
ている歪みを低減し、そしてフィードバックコントロー
ラからの出力はフィードフォワードコントローラの不能
の尺度となり、システムが平衡に達する時に残余歪み（
同調エラーと呼ばれる）を低減する。換言すれば、フィ
ードバック出力情報は、本発明に従い、必要な適応ある
いは同調信号を得るために制御された変量を摂動するこ
となく変動プロセス条件に一致するようにフィードフォ
ワードコントローラを適応あるいは同調するのに十分で
あることが解かっている０本発明によるフィードバック
制御の適応の追加的特長はその実施が制御変量の摂動を
必要とする方法よりも容易であることである。制御変量
は摂動される必要がないので、システムは、プロセス要
件と一致するように維持されなければならない限度外の
変量を駆動することなく同調される。

故に、高速で動作し、且つ非常に高速の応答で正確な限
度範囲内でプロセス変量を制御することが出来るプロセ
ス制御システムを提供することが本発明の主目的である
。

補助原動力（システムの制御方法において定伝達関数と
して働くマイクロ波発生装置）を追加することによりそ
のシステムの制御関数に影響を与えずに、非常に高速の
応答（例えば、エネルギーをゼロから１００％あるいは
最大出力に変更するのに約０．６秒）を得ることが出来
るようにマイクロ波発生装置からのマイクロ波エネルギ
ーを利用して流体の温度を制御するためのプロセス制御
システムを提供することが本発明のさらなる目的である
。

本発明のさらなる目的はフィードフォワードコントロー
ラを使用して適応プロセス制御システムを提供すること
である。システムの制御関数あるいは規則はフィードバ
ックコントローラにより適応されており、そしてフィー
ドフォワードコントローラ単独あるいはフィードバック
コントローラと共に関連のプロセス変量を制御する出力
を提供する。プロセス変量は流体の温度であっても良く
、そして非常に高速な応答性を有するマイクロ波発生装
置は一つ若しくは両方のコントローラに応答する。デジ
タルコンピュータで実施されるフィードバックコントロ
ーラの出力に応答するフィードフォワードコントローラ
の適応制御でフィードフォワード及びフィードバックコ
ントローラを有する適応プロセス制御システムを提供す
ることが本発明のさらなる目的である。

概説すれば、本発明は制御変量を変更する熱を提供する
マイクロ波発生装置からマイクロ波エネルギーの適用に
よる温度制御のための制御システム内に備えられても良
い。システムは又、熱がマイクロ波発生装置から適用さ
れる制御ポイント前後の変量にそれぞれ応答するフィー
ドフォワード及びフィードバックコントローラを含む。

一般に、本発明によるプロセス変量の適応制御は、各段
階がデジタルコンピュータで実行される次の段階を有す
る方法で実行される。その段階はプロセスにおける制御
ポイント前後の変量を測定する；変量をプロセスの条件
に関連させる前設定制御関数に従う制御ポイント前で測
定される時その変量の変動に応じて制御ポイントにおけ
る変量を制御する段階、制御ポイント支援で実行される
時、そしてその変化がプロセスの条件の変動を表す時そ
の変量の変化に応じて制御関数を適応する段階、プロセ
スの条件は、例えば、変量が温度である時、フィードバ
ックコントローラにより検出される温度エラーは、プロ
セスが安定化すると発生するような低強度及び低速の変
化となる時など、変化により表される。

特定的には、適応制御システムはフィードフォワードコ
ントローラを有する。このコントローラは比例的及び微
分応答を有する。本発明の好適形態に従い、比例応答の
みが変動プロセス条件を一致させるために適応される。

微分応答若しくは比例的及び微分応答の両方が適応可能
であることは理解されよう。システムは比例的及び積分
応答を有するフィードバックコントローラを備えている
。

フィードフォワード応答はある意味においては温度が制
御変量であるところでは温度を上昇するように変化し、
しかもフィードバックコントローラ出力は逆の意味にお
いて変更可能である。換言すれば、フィードフォワード
コントローラはユニポーラ応答を有し、フィードバック
コントローラはフィードフォワードコントローラのもの
から加減できるバイポーラ応答を有する。適応はフィー
ドバック出力に従ってフィードフォワードコントローラ
のゲイン（制御関数の定数）を変更することにより得ら
れる。望ましくは、システムは反復的に作動し、且つ制
御変量で予期される変更の最高速度を正確に検出するの
に適切なサンプリング速度を有するデジタルコンピュー
タで実施される。

本発明においては、１秒のサンプリング速度が採用され
る。フィードフォワードゲインは、フィードバックルー
プが応答的（制御ポイント後の温度）である変量の出力
速度と大きさが制御が要求する限度の範囲内で良好であ
る時、安定的状態の条件でフィードフォワードコントロ
ーラを同調するように調整される。例えば、華氏±０．
５度の範囲内に温度を制御するシステムにおいて、その
限度は華氏０．２５の大きさであり、華氏０．０２５度
／秒の変更速度であっても良い。フィードバックゲイン
を調整することによる同調はフィードバックコントロー
ラからの出力の変化となるので、安定状態条件が検出さ
れる時には補償変更がフィードバックコントローラの出
力で行なわれる。このように、フィードバックコントロ
ーラ出力が制御変量をその設定ポイント値に変更する制
御信号を提供する時、フィードバックコントローラから
の出力はゼロに接近する。もしプロセス条件が変化する
と、例えば、写真化学薬品の温度制御のための形態にお
ける僅かに異なる特定の熱を有する新しいロットの化学
薬品など、フィードバック同調はフィードバックコント
ローラにより自動的に変更されよう、適応制御を得るた
めにいかなるシステムの特別摂動も必要としない。前述
の本発明における他の目的、特長、長所、そして本発明
を実行するための最良の形態は、添付の図面を参考にし
て次の説明を読むことによりさらに明瞭となろう。

第１図において、写真フィルム製造プロセスの部分を実
行するための装置が示されている。分配される化学薬品
は流体（液体）であり、その温度が正確に制御されなけ
ればならない。化学薬品は容器（図示されない）内で混
合され、又図示されていないバルブや他のハードウェア
ーを含む配管システムを通過する。第１図に示されたプ
ロセスの部分は必要な温度制御を提供する。

化学薬品はプラスチックパイプ１０を介して、制御ポイ
ントで化学薬品を加熱するためにマイクロ波発生装置１
６からのマイクロ波エネルギーを適用するアプリケータ
部分１４内の温度制御ポイント１２を通過して流れる。

伝達結合１８．２０がマイクロ波エネルギーが導波管１
４がら逃げないように密閉するために使用されている。

流体を搬送するプラスチックパイプ１０はこれらの結合
を介して延長する。

アプリケータ１４はマイクロ波発生装置の周波数に同調
される。例えば、適切な発生装置は米国、カリフォルニ
ア、モデストのＧｅｒｌｉｎｇ　　Ｌａｂｏｒａｔｏｒ
ｉｅｓにより製造され、２．４５ＧＨｚの出力周波数を
発生する。例えば、大きな導波管が実用的である時には
他の周波数が使用されても良い。マイクロ波はアプリケ
ータ１４に導波管２２により伝送される。アプリケータ
１４はスラグ同調器２４により同調される。そのような
同調器は１９８７年８月２５日に発行された米国特許４
．６８９．４５９で示されている。マイクロ波発生装置
はアプリケータ１４に供給されるマイクロ波エネルギー
を０から３Ｋｗまで変更する制御信号（例えば、○から
マイナス１ボルトまで変動する電圧）により制御される
。

流入流体の温度は制御ポイントの前で、そして又制御ポ
イント１２の後で、制御ポイントの一フィート以内に近
接している温度センサー２６．２８により測定されるの
で、温度測定間の遅延時間は最小となり、センサー２６
における温度は制御ポイントにおける流体の温度と実質
的に同じである。センサーは適切にパイプ内の流体温度
に応答する抵抗温度装置（ＲＴＤ）である。抵抗温度装
置（ＲＴＤｓ）はブリッジ回路の一アームを形成する。

これらのブリッジ回路はＲＴＤ伝送器３０．３２内に包
含される。この伝送器は又、アナログ出力、例えば、抵
抗温度装置（ＲＴＤｓ）２６．２８により測定された温
度に比例する電流（例えば、４から２０ｍＡ）を生成す
る増幅器を有する。

これらのアナログ出力はＥＴＩｎとＥ　Ｔ　ｏ　ｕ　ｔ
で示される。

フローセンサー３４　（ＦＲ３）は又パイプ１０を通過
する流体の流速を感知するために配置されている。この
フローセンサーはＭｉｃｒｏｍｏｔｉｏｎフローセンサ
ーであっても良い。このようなセンサーはピックアップ
コイルでの振動ループを有する。そのループはループを
通じて流速に比例する振動周波数で振動する。他のセン
サーがベーンセンサーなどが、もし実用的であるならば
使用されても良い。センサー３４の出力は増幅器３７で
増幅され、そして４から２０ｍＡの電流信号であっても
良い流速信号ＥＦＬＲを生成する。

信号Ｅ　Ｔｌ　ｎ　％　Ｅ　ＴｏｕいそしてＥｐＬＲは
これらの信号を一秒間隔であっても良い、サンプリング
速度で反復的にデジタル化するアナログデジタル変換器
を含む入力出力（Ｉｌｏ）装置３６に適用される。デジ
タル信号はｌ１０３６により第２図に簡略的に示された
制御システムを実施するデジタルコンピュータ３８に適
用される。コンピュータはｌ１０３６を介してマイクロ
波発生装置と通じており、制御信号Ｅ。を提供する。こ
の制御信号は上記のようにＯとマイナス１ボルト間を変
動するアナログ信号である。マイクロ波発生装置は、マ
イクロ波エネルギーを生成するマグネトロンを制御する
ために、この制御信号Ｅ。を利用する適切な増幅器を有
する。工１０３６内のデジタルアナログ変換器はマイク
ロ波発生装置１６にアナログ制御信号Ｅ０を生成する。

Ｉ　１０３６はサンプリング時間の間のデジタル化出力
信号Ｅ　Ｔ　ｏ　ｕ　ｔを保持するための記憶装置（例
えば、ラッチや他のデジタル論理〉を含む。制御システ
ムを実施するコンピュータ３８は望ましくはリアルタイ
ムマルチタスク動作（例えば、Ｄｉｇｉｔａｌ　　Ｅｑ
ｕｉｐｍｅｎｔ　　Ｃｏｍｐａｎｙ−ＰＲ○／３８０又
は同等プロセス制御コンピュータ）に適切なタイプであ
る。このコンピュータは流れ図（第３Ａ図、第Ｂ−１図
、第Ｂ−２図、第Ｃ図、そして第り図）に示されている
フィードバック制御、フィードフォワード制御、そして
適応プロセスを実行するのに必要とされるそのプロセス
あるいはアルゴリズムを実行するようにプログラムされ
ている。

言葉プロセスはここでは流体温度制御プロセスを示すも
のとして使用される。言葉プロセスは又後述の説明から
明らがとなるように演算的プロセスをも示している。マ
イクロ波発生装置は定伝送関数を有し、その出力エネル
ギーを多倍キロワット範囲を超えて変動させることが出
来る。流体容積によるマイクロ波エネルギーの吸収は非
常に早いので、高速過渡温度は容易に追跡され、マイク
ロ波発生装置から供給されるエネルギーにより修正され
る。

第２図はコントローラを示す。このコントローラはセン
サー２８にｌり制御ポイントの前（上流）で測定された
温度に応じてフィードフォワード制御を提供する。シス
テムは制御ポイントの後（下流）のセンサー２６により
測定された温度に応じてフィードバック制御を提供する
。換言すれば、フィードフォワードコントローラ、又は
制御ループ、及びフィードバックコントローラ、又は制
御ループがある。適応プロセッサー３８はフィードフォ
ワードル−プ内のフィードフォワードプロセッサー４０
上の制御に影響を及ぼす。適応プロセッサー３８はフィ
ードバックループからの制御信号を得る。システムは制
御ポイントにおける温度を一定の設定ポイントの温度Ｔ
ＳＰに制御するように設計されている。設定ポイントは
キーボードからのコンピュータ３８への入力により調整
可能である。ループ内の制御機能の動作定数はキーボー
ドからコンピュータ内に入力可能である。工１０３６、
Ａ／Ｄは高精度の１２ビツト変換、及び精密制御を提供
する。

フィードバックループは多回路総合演算子４４及びその
比例演算子（積分関数）として示されている積分及び比
例応答を有するフィードバックプロセッサー４２を利用
する。設定ポイント信号Ｔ８、は４８において示される
ようにセンサー２６からの温度信号ＥＴｏｕｔと比較、
あるいは合計されて、エラー信号（ｅ８□）を提供する
。この信号ｅｓ□は、比例演算子４６と積分演算子４４
を受けて、５０において合計され、フィードバックプロ
セッサー出力Ｘ１を提供する。Ｘｌは正あるいは負であ
り、フィードフォワードループの出力にそれぞれを加え
るか、又はそれから減するかのいずれかにより、マイク
ロ波発生装置１６により生成されたエネルギー量を制御
し、そしてそれは導波管２２を介して制御ポイントにお
けるマイクロ波アプリケータ１２に適用される。多回路
総合演算子４４は又、多回路総合演算子４４により生成
された積分値を変動させるような信号Ｘ４を提供する適
応プロセッサー３８により影響を受ける。

フィードバックコントローラの応答はこのように記され
る。

３“）−ゞｐ　％２（ｋＴＤ、“′工Σ’ＪＴ）””０
“”　　（１）−０ ここでＴはサンプリング間隔（この例では１秒）、ｋは
に番目のサンプルを示し、他の言葉は前に定義済みであ
り、ｋ、、に、、及びｋは同調定数であり、以下で説明
される。

フィードフォワードプロセッサーはプロセスの制御関数
に従う比例応答を有する。フィードフォワードプロセッ
サーは又微分的応答を有する。この応答は４１における
温度センサー２８からの信号ＥＴ、、及びＥ５２の合計
から得られるエラー信号”Ｓｌに対するものである。比
例応答単独では本発明のこの説明的形態において使用さ
れる。この応答は次のように表されてもよい。

ここでａは制御関数の適応ゲイン、ＣＰはＢＴＵ／ボン
ド／華氏でのパイプ１０内の流体の特定熱、Ｗはボンド
７分での流体の流速、ΔＴは制御ポイント１２における
温度を華氏で設定ポイントにするのに必要な温度修正で
ある、Ｋ、、、は上記のユニットが使用される時に５７
の値を有する定数である。使用されると、微分的応答は
次式に等しくなろう。

ここでに、は微分的応答ゲインである。

フィードフォワードコントローラＸ２の出力はマイクロ
波発生装置からの所望の出力に比例する分数値である。

ＫＷの上記等式はフィードフォワードプロセッサー４０
からの所要出力を計算するために使用される。実際には
、発生装置出力と入力との間の関係は比線形である。故
に、最良の温度制御は、この非線形性がＸ２を決定する
のに考慮される時に達成される。換言すれば、システム
はマイクロ波発生装置内の非線形性を補償する。

フィードバックコントローラ４２からの出力Ｘ２はフィ
ードフォワードコントローラ出力Ｘ２に加算、あるいは
それがら減算する。ＸｌとＸ２は５２において合計され
、制御出力Ｘｃを生成する。

この制御出力はｌ１０３６のデジタルアナログ変換器Ｄ
／Ａ内でデジタル信号からアナログ信号Ｅ。に変換され
る。ｌ１０３６のＤ／Ａだけが第２図に示されている。

アナログ信号ＥＣはＯがら−１ボルトまで（あるいはマ
イクロ波発生装置のインターフェースによる他の範囲）
変動し、マイクロ波発生装置１６により発生されたパワ
ーを制御するので、制御ポイントにおける温度を正確に
制御することが出来る。フィードフォワードループはマ
イクロ波発生装置１６により生成されたエネルギー量を
変動させることにより制御ポイントにおける温度を変更
させる。システムは過渡変動中も動作し、且つそのプロ
セスにおける変化にも適応する。例えば、異なるロット
の流体は異なる特定熱を有するかも知れない。その時、
初期制御関数は正しくない。この制御関数は適応ゲイン
ａを変更することにより適応あるいは同調される。適応
ゲインは又、流体に伝送されたエネルギー量を変更し、
最終的には制御温度を変更するがも知れないマイクロ波
発生装置の出力周波数の変化などの他の条件を訂正する
ために変化する。マイクロ波発生装置はごく僅かな動力
を有し、定ゲイン装置として十分に応答する。

温度変量に影響を与えるプロセスの条件の変化はフィー
ドバックプロセッサー４２から適応プロセッサー３８へ
のｅ８□入力により検出される。

適応を開始する基準はｅＳ２の変化速度とｅＳ□の大き
さが前設定された小さな値に到達する時である。この値
は分数であっても良く、システムの温度制御範囲の大き
さの１／２程度で、変動速度に関してはそのような大き
さの１０％程度である。

例えば、華氏±１／２度の制御範囲に対してプロセス条
件が明白な安定状態条件であるシステムの状態を表す信
号ｅｓ□は約華氏０．２５度の大きさである。ｅｓ□の
変化速度は毎秒約華氏０．０２５度であっても良い。こ
れらの値が適応プロセッサー３８内で検出される時、プ
ロセスは実質的に安定状態に接近しており、そしてその
適応プロセッサー３８はその制御信号Ｘ３を出力する。

Ｘ３はＸ２に、制御関数が変更されるべきである速度に
よる値を掛けることにより、Ｘ２に応じて得られる。空
き選択することなく円滑に制御関数を変更するためには
、掛けられる因子Ｘ２が１以下であることが望ましい。

適切な値は０．１である。Ｘ３はその時、フィードフォ
ワードプロセッサー４０内で利用される制御関数内に同
調定数ａの新しい値を発生する。同調定数に影響を与え
るｃｐの変化などのその時のプロセス条件の変化は明白
であり、同調定数は適応可能である。システムの摂動（
温度の人工的変更）が同調定数を調整するために、又は
その反対にプロセス条件の変更のためにシステムを適応
する必要がない。故に、制御されている過渡パラメータ
（温度）に高速動的応答を実施している間、プロセス条
件の変更あるいは初期不同調（又は他の障害）のために
適応する精密制御は維持される。

温度におけるいかなる残余エラーも（制御ポイントの後
における）センサー２６により検出され、そしてさらな
る修正がフィードバックプロセッサー４２により実行さ
れる。両プロセッサー４０と４２からの結合出力はマイ
クロ波発生装置１６への入力Ｘｅを構成する。適応プロ
セス中、フィードバックプロセッサー４０がらの出力Ｘ
２は”　ａ（同調定数）の調整に応じて変化する。しか
しながら、結合入力Ｘｃが一定となることが必須となる
ので、例えば、Ｘ２の増加はＸｌなどの等しい大きさの
減少が伴わなければならない。適応がアクティブとなる
安定状態近辺において、フィードバックコントローラが
らの出力Ｘ１はほとんど積分応答４４のためである。故
に、適応プロセッサーは信号Ｘ４を積分演算子４４に適
用することによりフィードフォワード出力Ｘ２の変化を
基礎にして積分演算子４４がらの積分出力を修正し、そ
れにより、そのループをそれらの平衡条件に復帰させる
ことが出来る。Ｘ４はフィードバックコントローラ応答
等式（１）内の最終項により与えられ、ここでＫの適切
な値は０．１である。適応プロセスはフィードバックコ
ントローラがらの出力Ｘ１がほとんど完全なフィードフ
ォワードコントローラ同調を示すゼロに低減されるまで
、各反復毎に継続する。

流れ図及び特に第３Ａ図において、流れ図は開始点と終
了点を有することが示されている。開始点は各走査ある
いは反復の最初である。終了点は出力値が有灯であるこ
と、例えば、フィードバックループ出力Ｘ１、フィード
フォワード出力Ｘ２、あるいは適応プロセッサー出力Ｘ
３及びＸ４を意味する。第３Ａ図はフィードバックプロ
セス（ＦＢプロセス）及びフィードフォワードプロセス
（ＦＦプロセス〉からなる全プログラムを示している。

そのプログラムは又主に同調定数Ｘ３を発生する適応プ
ロセスを有する。そのプログラムは又Ｘｃを生成するマ
イクロ波発生装置１６への出力を計算するためのプロセ
スを有する。第２図に関連して議論されたように、Ｘｃ
はマイクロ波発生装置からの最大出力に比例した分数値
であり、Ｄ／Ａ３６により発生装置１６を制御するため
のアナログ信号ＥＣに変換される。

第３Ｂ−１図及び第３Ｂ−２図はフィードバックプロセ
スを表す。プログラムはフラグがシステムは自動操作よ
りもむしろ手動操作に設定されていることを示すかどう
かを決定することにより進行する。もしシステムが手動
に設定されているならば、フィードバック出力Ｘ０はコ
ンピュータ３８の記憶装置（ＲＡＭ）内の出力位置にお
いて設定されている値から取られる。上記のように、終
了シンボルはプロセスの終了を意味する、つまり、その
出力は準備完了している。

もしシステムが自動操作に設定されているならば、その
決定は最初その設定が変更されているかどうかに関して
行なわれる。設定ポイントの変更はキーボードからコン
ピュータ内に、そして記憶装置内の位置に入力される。

フィードバックとフィードフォワードプロセスは同時に
設定ポイントの変化を検出する。正常状態においては、
フィードフォワードプロセスは必要な制御の全てを供給
する。ＲＴＤ２６と関連伝送装置３０（第１図）の指数
的応答のため、プロセス温度の新しい値は合計接続点４
８（第２図）に伝達される時に遅延される。その結果、
もしフィードバックプロセスの応答が瞬間であったなら
ば、その時その温度は過修正されてしまうだろう。故に
、設定ポイントの変化に直ちに応答しないのでフィード
バックプロセスの応答に遅れを挿入することが望ましい
。

その遅れはカウンターにより提供される。各サンプルタ
イム（例えば、１秒間隔）毎に、カウンターは、計数が
Ｏに低減されるまで減数される。その時カウンターは次
遅延サイクルを待つためにリセットされて、フィードバ
ック出力の計算が進む。

もちろん、もし設定ポイントの変更がなければ、そのプ
ログラムは流れ図に示されるように次の計算にジャンプ
する。

次のプロセスはエラー信号ｅＳ□の計算である。

この信号は分離されたページのコネクターＡ−Ａにより
示されるように第３Ｄ図に示された適応プロセス内で使
用される。■１０３６はセンサーをサンプルして、各反
復において記憶装置内に新しい値を入力するようにプロ
グラムされていることが解かる。フィードバック出力の
計算は同調定数Ｋｐとに１による。これらの定数は演算
子により決定され、記憶装置内に格納される。それらは
それぞれ比例及び積分応答に使用されるエラー信号ｅｓ
□の１分数部分を示す、Ｋｐとに、の値はシステムから
要求される修正の大きさと早さに従って選択される。制
御システム内の比例及び積分応答に対する同等調整技術
が制御システムの分野の古典的文献で説明されている。

プロセスは比例値（比例演算子４６からの）と積分値（
積分演算子からの）を利用してフィードバック出力Ｘ１
を計算する。しかしながら、先行するサンプルタイムに
おける積分値（１，Ｖ、）は上記Ｘ１（ｋＴ）の等式に
より示されるように（ｔ＝（ｋ−１）Ｔにおいて）利用
される。これは積分ｅｓ□対時間曲線の領域にあるため
であり、１サンプルタイムの遅れが積分が得られるまで
必要とされる。故に、以前のサンプルタイムまでの１、
Ｖ、が利用される。その時次計算に使用するための、現
在サンプルタイム（ｔ＝ｋＴ）における積分時間が得ら
れる。フィードバックプロセスはコネクターＤ−Ｄを介
して第３Ｂ−２に進む。

第３Ｂ−２図はパ・リセットワインドアップ″として知
られるものを検出、補償し、それによりコントローラが
１００％出力に達して、さらなる修正が出来ないことを
意味する。このシステムにおいて、これはマイクロ波発
生装置が１００％出力（３キロワツト）に到達するか、
あるいは０％出力にあるかのいずれかを意味する。しか
しながら、エラー信号ｅＳ□は一定期間残存して、通常
長期間存在する反対極性のエラーを有することにより積
分値を大きな数値に増加させることが出来る。

この状況において、プロセスは動作不能となる。

この動作モードはコントローラ出力と、特に積分値をコ
ントローラ出力が±１００％に到達する時に有する値に
制限することにより第３Ｂ−２で示されるように防止す
ることが出来る。もし積分値が±１００％超えようとす
ると、それは対応する最大値に戻される。故に、システ
ムは積分値が減少し、制御がシステムに復帰されるまで
、コントローラ出力の○又は１００％の積分値を使用し
なければならない、第３Ｂ−２図に詳細に記載されたリ
セットワインドアッププログラムは、フィードバック出
力が限度外にある時、フィードバック出力（ＦＢ○）や
積分値（１，Ｖ、）が＋ｉｏｏ％又は−１００％のいず
れかに戻されることを確認する。プログラムはフィード
バック出力が限度内、あるいは限度外にあるかを決定す
るためにそれをチエツクすることにより進む。もしフィ
ードバック出力Ｘ１が限度内にあるならば、その時それ
は利用される。もしフィードバック出力が限度外に、例
えば１１０％であるならば、警報が鳴らされるか、又は
範囲外条件の他のインジケーターが生成される。もしフ
ィードバック出力が１００％以゛上である時には、１０
０％に戻される。もちろん、もしフィードバック出力が
、１００％以上ではないが、限度外であることを示すな
らば、それは−１００％に戻される。同様のプロセスが
積分値を１００％あるいは一１００％に戻すための設定
に使用される。フィードバック出力は積分値のみの変化
のために１００％以上となる。しかしながら、限度外条
件は比例値（ｐ、ｖ、）の理由からである。

最大積分値は（１，Ｖ、＝１００％）が使用される。

使用される積分値は比例値からの貢献に適応するために
最大値よりも小さくても良い。もし積分値は限度内にあ
るが、フィードバック出力が限度外にあるならば、その
時フィードバック出力を決定するのに使用される現在積
分値は以前のサンプリング（ｔＳ−１）におけるその値
に設定される。

第３Ｃ図はフィードフォワードプロセスを示している。

フィードフォワードプロセスは以前に与えられたＫＷ等
式に従い出力信号Ｘ２を計算し、そして流入温度の変化
速度に比例するｘ２の成分をも又含む。信号Ｘ２は又上
記の発生装置入力出力特性に存在するいかなる非線形性
をも補償するように調整される。そのような補償が使用
される時、それは適切な近似法によりＥ。ｕｔ＝ｆ（Ｅ
Ｃ）曲線を近似することにより提供することが出来る。

簡単例は直線分割近似法である。フィードフォワードプ
ロセスはＥ、ＬＦＬに応じてＸ２出力を計算するように
設計されており、そのデジタル値は■１０３６（第１図
）から得られる。同調定数″°ａも又入力される。この
同調定数は適応プロセス（第３Ａ図参照）から来る。フ
ォードフォワードプロセスは制御ポイントの前において
測定される温度の微分を計算する。これはサンプリング
タイム（この形態においては１秒）間の間隔により分割
された連続的サンプリングタイムにおいて測定される時
の温度差である。ｅ８□信号は温度微分を計算するため
に使用されても良い。ｅＳ□信号及び第２図の合計ポイ
ント４１に示されたＥＴ１ｎ信号は設定ポイントから計
算される。そのプログラムはそれから温度を設定ポイン
ト温度に変更するのに必要なマイクロ波のエネルギーの
キロワットを計算するために進む。これは上記のキロワ
ットの式を実行する増倍プログラムである。キロワット
出力はフィードフォワード出力Ｘ２を計算するために最
大パワー率（３キロワツト）に変換される。換言すれば
、キロワット出力は、１００％が３キロワツトに対応す
るＯから１００％の値を表すデジタル数値に変換される
。

第３Ｄ図は適応プロセスを示している。演算子は、キー
ボード制御により、適応プロセスをアクティブあるいは
イナクティブにする。もしプロセスがイナクティブであ
るとすると、プログラムは適応無しで（即ち、ｘｌ、Ｘ
２、そしてｘｃ）決定される値を利用する。もし適応プ
ロセスがアクティブであるとすると、ｅ８２シンボル上
の点線で第３Ｄ図に示されているｅ８□の大きさの絶対
値及びｅ５□の変化速度の絶対値は、それらが限度ｄ１
及びｄ２の範囲内にあるかどうかを決定するためにチエ
ツクされる。ｄｌとｄ２は経験的に得られる。それらは
上記の基準に従って選択され、そしてプロセスの起動時
における制御システムの校正あるいはトリミングする時
に経験的に変更される。システムがもし安定状態に無く
、そしてｅ８゜、又はｅｓ２の変化速度に大きな変化が
あったとすると、適応はこのサンプルタイム中は使用さ
れない。しかしながら、もしｅ８□やその変化速度の値
が限度範囲内にあるならば、適応あるいは同調定数値は
計算される。同調定数の更新値は次の等式を利用して計
算される。

ａｌ−ａｌ、１［１＋ｏ、ｔ（ｘ＋／ｘＪ］　　　　（
４）ここでａ、Ｘｌ、及びＸ２は前に定義されている。

適応プログラムは又Ｘ２に定数を掛けることにより積分
値調整Ｘ４を計算する。上記のように、同調値及び積分
値の調整は、フィードフォワードの動作および時にはフ
ィードバックループにより修正される動的あるいは過渡
的変化時よりもむしろプロセス条件が変化し、明示され
る時の、安定状態条件時にのみ得られる。制御システム
は適応的であるので、プロセスで使用される流体の特定
の熱の変化などプロセス条件の変化にも関わらずそして
システムを摂動する必要もなく関連（温度）のプロセス
パラメータの制御を維持する。

これまでの説明から、改良された適応プロセス制御シス
テムが提供されるということが明白となろう、システム
は特定変量、即ち温度の制御に関連して説明されている
。本発明は他の変量を制御するために使用されたり、制
御装置がここで示されたマイクロ波発生装置以外のタイ
プのものであっても良いことが理解されよう。例えば、
プロセスに加熱、冷却液、又は異なる試剤を加えるため
にバルブが制御装置として利用されても良い。マイクロ
波エネルギーは流体流の迅速で正確な温度制御を提供す
るのに特に適していることが解かつている０本発明の範
囲内の変形や改造が当業者には明瞭となろう。故に、こ
れまでの説明は説明的なもので、且つ限度範囲を意味す
るものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は流体の温度を制御するための本発明による適応
プロセス制御システムを簡略的に説明するブロック図、 第２図は第１図で示されたシステムをより詳細に説明す
る機能的ブロック図、 第３Ａ図、第３Ｂ−１図、第３Ｂ−２図、第３Ｃ図、第
３Ｄ図は第２図で示された適応プロセス制御システムを
実施するデジタルコンピュータのプログラミングを説明
する流れ図を構成する。 １０プラスチツクパイプ、１２温度制御ポイント、１４
導波アプリケ一タ部分、１６マイクロ波発生装置、１８
．２０伝達結合、２２導波管、２４スラグ同調装置、２
６．２８温度センサー　３０．３２ＲＴＤ伝送装置、３
４フローセンサー３６Ｉ１０．３７増幅器、３８デジタ
ルコンピユータ、４０フイードフオワードプロセツサー
　４２フイードバツクプロセツサー　４４合計演算子、
４６比例演算子、４８合計接続。 ｌヌ諜 Ｚｉｔ、）ρ １゜ 事件の表示 平成２年特許願第２４５９９７号 ２゜ 発明の名称 特に流体温度を制御するための適応プロセス制御システ
ム３゜ 補正をする者 事件との関係 住所

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、プロセス変量を制御する方法において、プロセス内
   の制御ポイントの前後で変量を測定する段階、変量をプ
   ロセスの条件に関連付ける前設定制御関数に従い制御ポ
   イントの前で測定される時に変量の変化に応じて制御ポ
   イントにおける変量を制御する段階、前記最終名前付き
   変更が前記プロセスの前記条件の変化を表す時に前記制
   御ポイント後において測定される時の変量の変化に応じ
   て制御関数を適応する段階から構成されることを特徴と
   する方法。 ２、前記制御ポイント後において測定される時に前記変
   量の変化に応じて前記制御ポイントにおける前記変量を
   制御する段階をさらに有することを特徴とする請求項１
   に記載の方法。 ３、前記制御関数の適応を補償するために前記制御ポイ
   ント後において測定された前記変量の変化に対する応答
   を変更する段階をさらに有することを特徴とする請求項
   １及び２のいずれかに記載の方法。 ４、前記変量の前記変化が前記変量に対する設定ポイン
   トに関連することを特徴とする請求項１、２、及び３の
   いずれかに記載の方法。 ５、制御ポイントの前において測定される時に変化に応
   じて変量を制御する前記段階は、前記変量が前記制御ポ
   イントの前で測定されるポイントと前記制御ポイントと
   の間に延長するフィードフォワード制御ループの支援で
   実行され、そして前記制御関数を適応する前記段階は前
   記変量が前記制御ポイントの後において測定されるポイ
   ントに接続されたフィードバック制御ループの支援で実
   行されることを特徴とする請求項１、２、及び３のいず
   れかに記載の方法。 ６、前記適応及び制御段階が連続的な間隔の後に反復的
   に実行されることを特徴とする請求項５に記載の方法。 ７、前記制御段階は前記フィードフォワードループの応
   答を制御する前記制御関数で実行され、前記フィードフ
   ォワードループ応答は少なくとも比例応答であり、そし
   て前記適応段階は前記フィードバックループ内に比例及
   び積分応答を有するもう一つの制御関数で実行されるこ
   とを特徴とする請求項５に記載の方法。 ８、前記フィードフォワードループ内の前記制御関数は
   又微分的応答を有する請求項７に記載の方法。 ９、前記適応段階は、前記制御ポイントの後において測
   定される時の前記変量の変化の大きさ及びその前記変化
   の早さが前設定値よりも小さく、前記変化が前記プロセ
   スの条件の変化を表すことを示す時に前記制御関数の適
   応を可能にする段階を含むことを特徴とする請求項１に
   記載の方法。 １０、前記反復的制御及び適応段階は制御出力を提供す
   るためのデジタルコンピュータの支援と、前記制御ポイ
   ントにおける前記変量を制御するための前記出力による
   制御装置で実行されることを特徴とする請求項６に記載
   の方法。 １１、前記プロセスは流体の流れからなり、そして前記
   変量は前記流体の温度であり、そしてさらに前記制御ポ
   イントの前に前記流体の流速を測定する段階から構成さ
   れ、前記制御関数は前記流速に応答的であり、そして前
   記の前記温度を制御する段階は又前記流速に応じて実行
   されることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６
   、７、８、９、及び１０のいずれかに記載の方法。 １２、前記プロセスは流体の流れからなり、そして前記
   変量はその前記流体の温度であり、そしてさらに前記制
   御ポイントにおけるマイクロ波エネルギーを適用する段
   階から構成され、そして前記の制御する段階は前記流体
   の温変を高速で、且つ正確に制御するために前記制御ポ
   イントにおいて適用される前記マイクロ波エネルギーの
   大きさを制御することにより実行されることを特徴とす
   る請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０及
   び１１のいずれかに記載の方法。 １３、プロセス変量を制御する装置において、プロセス
   内の制御ポイントの前後で変量を測定する手段、変量を
   プロセスの条件に関連付ける前設定制御関数に従い制御
   ポイントの前で測定される時に変量の変化に応じて制御
   ポイントにおける変量を制御する手段、前記最終名前付
   き変更が前記プロセスの前記条件の変化を表す時に前記
   制御ポイント後において測定される時の変量の変化に応
   じて制御関数を適応する手段から構成されることを特徴
   とする装置。 １４、前記制御ポイント後において測定される時に前記
   変量の変化に応じて前記制御ポイントにおける前記変量
   を制御する段階をさらに有することを特徴とする請求項
   １３に記載の装置。 １５、前記制御関数の適応を補償するために前記制御ポ
   イント後において測定された前記変量の変化に対する前
   記適応手段の応答を変更する手段をさらに有することを
   特徴とする請求項１３及び１４のいずれかに記載の装置
   。 １６、前記変量の変化に応答的である前記手段は前記変
   量に対する設定ポイントに関連してその変化に応答的で
   あることを特徴とする請求項１３、１４、及び１５のい
   ずれかに記載の装置。 １７、制御ポイントの前において測定される時に変化に
   応じて変量を制御する前記手段は、前記変量が前記制御
   ポイントの前で測定されるポイントと前記制御ポイント
   との間に延長するフィードフォワード制御手段であり、
   そして前記制御関数を適応する前記手段は前記変量が前
   記制御ポイントの後において測定されるポイントに接続
   されたフィードバック制御手段であることを特徴とする
   請求項１３、１４、及び１５のいずれかに記載の装置。 １８、前記フィードフォワード及びフィードバック制御
   手段は連続的間隔をおいて反復的に動作する手段を含む
   ことを特徴とする請求項１７に記載の装置。 １９、前記適応手段は前記フィードフォワード手段の応
   答を制御する手段を含み、前記フィードフオワード手段
   応答は少なくとも比例応答であり、そして前記フィード
   バック制御手段は比例及び積分応答を有することを特徴
   とする請求項１７に記載の装置。 ２０、前記フィードフォワード制御手段は又微分的応答
   をも有する請求項１９に記載の装置。 ２１、前記適応手段は、前記制御ポイントの後において
   測定される時の前記変量の変化の大きさ及びその前記変
   化の早さが前設定値よりも小さく、前記変化が前記プロ
   セスの条件の変化を表すことを示す時に前記制御関数を
   変動させることを可能にする手段から構成されることを
   特徴とする請求項１３に記載の装置。 ２２、前記フィードフォワード及びフィードバック制御
   手段を提供するプログラムされたデジタルコンピュータ
   、前記コンピュータは制御出力を提供し、そして前記制
   御ポイントにおける前記変量を制御する前記出力による
   制御装置から構成されることを特徴とする請求項１８に
   記載の装置。 ２３、前記プロセスは流体の流れからなり、そして前記
   変量は前記流体の温度であり、そしてさらに前記制御ポ
   イントの前に前記流体の流速を測定する手段から構成さ
   れ、前記制御関数は前記流速に応答的であり、そして前
   記制御手段は前記温度を制御するために動作し、そして
   又前記流速に応答的であることを特徴とする請求項１３
   に記載の装置。 ２４、前記プロセスは流体の流れからなり、そして前記
   変量はその前記流体の温度であり、そしてさらに前記制
   御ポイントにおけるマイクロ波エネルギーを前記流体に
   適用する手段から構成され、そして前記制御手段は前記
   流体の温度を高速で、且つ正確に制御するために前記制
   御ポイントにおいて適用される前記マイクロ波エネルギ
   ーの大きさを制御するために動作することを特徴とする
   請求項２３に記載の装置。 ２５、流体流の温度を制御するためのシステムにおいて
   、変量出力エネルギーを提供するためのマイクロ波発生
   装置を含む手段、制御ポイントにおいて前記エネルギー
   を前記流体に適用する手段、前記マイクロ波発生装置を
   制御するための出力を提供する前記制御ポイントの上流
   における前記流体の温度に応答的なフィードフォワード
   コントローラ手段、そして前記フィードフオワードコン
   トローラを適応し、前記マイクロ波発生装置を制御する
   ための、前記制御ポイントの下流における前記流体の温
   度に応答的なフィードバックコントローラ手段から構成
   されることを特徴とするシステム。 ２６、センサーが、前記流体の温度が前記制御ポイント
   に於けるように前記センサーにおいてもほぼ同じとなる
   ような前記制御ポイントからの距離範囲で前記流体と熱
   的連絡を有して配置され、前記センサーの一つは前記制
   御ポイントの下流にあり、前記フィードバックコントロ
   ーラに結合され、且つ前記センサーのもう一つは前記制
   御ポイントの上流にあり、前記フィードフォワードコン
   トローラに結合されていることを特徴とする請求項２５
   に記載のシステム。 ２７、前記出力が安定状態条件に接近する時に前記フィ
   ードバックコントローラの出力に応じて前記フィードフ
   ォワードコントローラのゲインを変動させる手段から構
   成されることを特徴とする請求項２５に記載のシステム
   。 ２８、前記安定状態条件において前記フィードフォワー
   ドコントローラのゲインの変動を補償するための前記フ
   ィードバックコントローラの出力を低減するための手段
   から構成されることを特徴とする請求項２７に記載のシ
   ステム。