JPH04309101A - モデル予測制御の入力装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、制御対象の動特性モデ
ルに基づいて制御応答の未来の動きを予測し、この予測
を考慮しながら操作量を算出して制御対象を制御するモ
デル予測制御装置に運転条件や操作量の設定等を行うモ
デル予測制御の入力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、プロセス制御の分野において、モ
デル予測制御装置が用いられる傾向にある。モデル予測
制御装置は以下に述べる利点がある。

【０００３】１）　　無駄時間の長いプロセスに対し安
定した制御応答を実現可能である。 ２）　　未来目標値を用いたフィードフォワード制御で
追従性を改善可能できる。 ３）　　多変数制御系にも適用可能である。 ４）　　制御対象の正確な動特性モデルを必要とせず、
例えばステップ応答から、制御系を容易に設計可能であ
る。 ５）　　予測モデルに制御対象（プラント）の物理法則
や非線形特性を含めることにより、きめの細かい制御が
期待できる。 ６）　　制御対象の運転に関する制約条件（例えば、上
下限リミッタ、変化率リミッタ等）を制御則に直接入れ
ることが可能である等である。 これまでに、種々の予測制御方式が提案されており、こ
れ等は例えば、 （１）　西谷：モデル予測制御の応用、計測と制御　　
Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．１１，ｐｐ．９９６−１００４（
１９８９）（２）　Ｄ．Ｗ．Ｃｌａｒｋｅ＆Ｃ．Ｍｏｈ
ｔａｄｉ：Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｇｅｎｅｒａ
ｌｉｚｅｄ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，
Ａｕｔｏｍａｔｉｃａ　２５−６　ｐｐ８５９（１９８
９）等に解説されている。特に、（２）　では、多種の
モデル予測制御方式を包含した一般化予測制御（　Ｇｅ
ｎｅｒａｌｉｚｅｄ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　Ｃｏｎｔ
ｒｏｌ　：ＧＰＣ）が提案されている。これは、未来目
標値ｙ＊　が与えられたとき、制御対象（プロセス）の
モデルに基づいて制御応答未来値ｙ（ｋ＋ｉ）　　（ｉ
＝１，．．．，Ｎｐ）　を予測し、制御性能を表す制御
評価関数

【０００４】

【数１】 を最小化する操作量増分Δｕ（ｋ）　を求める方式であ
る。

【０００５】また、プロセスの制御量・操作量・それ等
の未来値に関する制限条件を考慮したモデル予測制御方
式もあり、その一方式が、本願発明者等によって提案さ
れている。例えば、 （３）　大矢、飯野：「制御量と操作量に関する制約条
件を考慮したモデル予測制御方式」（計測自動制御学会
第２９回学術講演会予稿集ＪＳ−２−４　ｐ．１９　１
９９０年　７月）（４）　大矢、飯野：「モデル予測制
御方式」（特願平　２−１１１８００　号） （５）　飯野、大矢：「モデル予測制御装置」（特願平
　２−１３８５４１　号）等である。

【０００６】これは、制御量ｙ（ｋ）　、制御量変化率
Δｙ（ｋ）　＝ｙ（ｋ）　−ｙ（ｋ−１）、操作量ｕ（
ｋ）　、操作量変化率Δｕ（ｋ）　＝ｕ（ｋ）　−ｕ（
ｋ−１）　　に対し、現在時刻ｋから未来のある時点ま
での値に対する上下制限条件、　　　　ｙｍｉｎ　（ｋ
＋ｉ）≦ｙ（ｋ＋ｉ）≦ｙｍａｘ　（ｋ＋ｉ）　　　　
　　　　…（２）　　　　　Δｙｍｉｎ　（ｋ＋ｉ）≦
Δｙ（ｋ＋ｉ）≦Δｙｍａｘ　（ｋ＋ｉ）　　…（３）
　　　（ここに、ｉは、ｉ＝１，２，３，…Ｎｐ　、た
だしＮｐ　は予測長であり、制御量予測　　　　値を考
慮する時間範囲を表す。） 　　　　ｕｍｉｎ　（ｋ＋ｉ）≦ｕ（ｋ＋ｉ）≦ｕｍａ
ｘ　（ｋ＋ｉ）　　　　　　　　…（４）　　　　　Δ
ｕｍｉｎ　（ｋ＋ｉ）≦Δｕ（ｋ＋ｉ）≦Δｕｍａｘ　
（ｋ＋ｉ）　　…（５）　　　（ここに、ｉは、ｉ＝０
，１，２，３，…Ｎｕ　、ただしＮｕ　は制御長であり
、制御演　　　　算で一度に算出する未来の最適操作量
の時間範囲を表す。）を与え、これ等を満たしながら上
記した２次形式制御評価関数Ｊを最小化する操作量を算
出し、これを制御対象に与える制御方式である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のモデ
ル予測制御を実行するためには、予測モデルの式の選定
、制御評価関数（１）　や上下限制限式（２）　〜（５
）　に含まれる数多くの各種の制御パラメータを予め選
定する必要がある。また、プロセス運転員は自己の運転
経験に基づき、時々刻々変化するプロセスの運転条件に
応じて多様な未来目標値応答特性や多数の制限条件を合
理的に調整するべく、予測モデル式や各種の制御パラメ
ータを適切に変更しなければならない。

【０００８】従って、モデル予測制御では従来のＰＩＤ
制御よりも多くのパラメータを監視し、調整する必要が
ある。加えて、現在のプロセス状態と未来のプロセス状
態とを対比しつつプロセスの運転コスト、生産高等を表
す経済評価関数等の各種運転指標が満足されるようにプ
ラント運転を操作しなければならない。

【０００９】しかしながら、従来のＰＩＤ制御に用いら
れてきた制御卓は現在あるいは現在及び過去の運転状態
を表示するに過ぎず、これを単にモデル予測制御に転用
したのでは、適確な情報の表示と素早い入力操作が困難
である。

【００１０】そこで、本発明はモデル予測制御方式の制
御装置に好適な入力装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項１記載のモデル予測制御の入力装置は、制御対象
の動特性を近似したモデルに基づいて予測制御量を算出
し、制御条件を表す制限条件式を満たしつつ少なくとも
上記予測制御量と予め設定された上記予測制御量が追従
すべき未来目標を表す未来目標関数の値との差及び上記
制御対象に与えるべき操作量の変化分を変数とする評価
関数の値を最小化する操作量を求める予測制御演算を行
って、求められた上記操作量を上記制御対象に与えるモ
デル予測制御装置に制御パラメータを入力するモデル予
測制御の入力装置において、制御情報を可視的に画面に
表示する画面表示手段と、予め記憶されている複数種類
の伝達関数の中から操作員によって選択されることによ
り、あるいは上記画面上において上記操作員によって指
定された複数の座標を通る曲線を算出することにより選
定された新規未来目標値を表す新規未来目標式を読取る
未来目標特性入力手段と、予め記憶されている複数種類
の伝達関数の中から上記操作員によって選択されること
により、上記画面上において前記操作員によって指定さ
れた複数の座標を通る曲線を算出することにより、ある
いは上記新規未来目標式に所定演算を施すことにより選
定された新規制御条件を表す新規制限条件式を読取る制
限条件入力手段と、上記新規未来目標式及び上記新規条
件式を用いて上記予測制御演算を繰返し、上記予測制御
量の応答特性を表す予測制御量応答式を算出するシミュ
レーション演算手段と、上記新規未来目標式、上記新規
制限条件式及び上記予測制御量応答式を上記画面表示手
段にグラフ表示させるシミュレーション表示指令手段と
、上記グラフ表示の後に発せられる設定指令に応答して
上記新規未来目標式及び上記新規制限条件式を上記モデ
ル予測制御装置に設定する設定手段とを備えたことを特
徴とする。

【００１２】請求項２記載のモデル予測制御の入力装置
は、制御対象たるプロセス装置の動特性を近似したモデ
ルに基づいて予測制御量を算出し、上記予測制御量と上
記予測制御量が追従すべき未来目標値とを参照して操作
量を求める予測制御演算を行って、求められた上記操作
量を上記制御対象に与えるモデル予測制御装置に制御パ
ラメータを入力するモデル予測制御の入力装置において
、少なくとも上記予測制御量と上記未来目標値との偏差
及び上記操作量を変数として上記プロセス装置の運転指
標となる評価関数を記憶する評価関数記憶手段と、上記
評価関数を画面に表示する画面表示手段と、上記画面を
介して入力される上記評価関数のパラメータによって上
記評価関数を更新して新規評価関数を形成する評価関数
入力手段と、上記予測制御演算を繰返して上記新規評価
関数の一群の値を求めるシミュレーション演算手段と、
上記新規評価関数の値を上記画面表示手段にグラフ表示
させるシミュレーション表示指令手段と、上記グラフ表
示の後に発せられる設定指令に応答して上記新規評価関
数を上記モデル予測制御装置に設定する設定手段とを備
えたことを特徴とする。

【００１３】

【作用】請求項１記載のモデル予測制御の入力装置は、
モデル予測制御装置が追従すべき未来目標あるいはモデ
ル予測制御装置が従うべき制限条件が入力されると、シ
ミュレーションを行い、これを画面に表示する。これに
より、モデル予測制御装置に新規未来目標等を設定する
前に新たに選定した目標等の妥当性やプラント運転の安
全性が予め推定される。

【００１４】請求項２記載のモデル予測制御の入力装置
は、評価関数あるいは評価関数のパラメータが変更され
ると、新たな評価関数によって評価のシミュレーション
を行い、これを画面に表示する。これにより、モデル予
測制御装置に新規評価関数を設定する前に選定した評価
関数の運転指標としての妥当性を確認することが可能と
なる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
つつ説明する。図１は、プラント装置のモデル予測制御
システムの概略を示しており、入力装置１、モデル予測
制御装置２、プロセス制御装置３、プラント４によって
構成されている。

【００１６】プラント運転の操作員は、入力装置１から
モデル予測制御装置２へ制御パラメータ等の各種の情報
の入力、プラント運転の操作指令の発令を行うことがで
き、モデル予測制御装置２あるいはプロセス制御装置３
内に設定された制御変数、制御条件、目標値等の制御パ
ラメータを画面に表示させることができる。

【００１７】入力装置１は、例えば図２に示されるよう
に画面表示器１０１ａ、ライトペン１０２ａ、マウス１
０３ａ、キーボード１０４ａ、表示画面上に配置された
タッチセンサ１０５ａ、ＣＰＵ１０６、メモリ１０８等
から構成される。操作者がキーボード１０４ａのキース
イッチを操作すると、キーボードインタフェース１０４
ｂがコード信号を発生してＣＰＵ１０６に供給する。

【００１８】ＣＰＵ１０６は、ＲＯＭ１０７に記憶され
た入力装置の制御プログラムを実行する。ＣＰＵ１０６
は、メモリ１０８に各種情報を記憶させている。この情
報には、画面表示器１０１ａに表示させる各種画面のフ
ォーマット及び表示すべきデータの種類等を記憶するペ
ージ記憶、未来値予測のためのモデル伝達関数１〜ｎ、
後述する制御評価関数Ｊ、経済評価関数Ｊｅ、画面から
位置情報として入力された指令を具体的な命令、選択情
報として判別するための指令マップ、選択された関数と
指定された制御パラメータによりシミュレーション演算
を行うシミュレーション演算プログラム、シミュレーシ
ョン演算結果をフレームメモリ１０１ｃに展開して画面
にグラフ表示させるシミュレーション表示プログラム画
面のグラフ領域に指定された点間の線引き補間を行う補
間プログラム、画面に表示する曲線の線種を条件に応じ
て定める表示線種設定プログラム等を含み、画面等から
入力された制御パラメータの選択情報も含まれている。

【００１９】ＣＰＵ１０６は、ライトペンやキーボード
等の入力制御の他、ビットマッププロセッサとしての機
能を有し、入力情報と、モデル予測制御装置２あるいは
モデル予測制御装置２を介してプロセス制御装置３から
供給される情報と、メモリ１０８に記憶されている画面
情報とを編集してフレームメモリ１０１ｃに供給する。 フレームメモリ１０１ｃは、ＣＰＵ１０６、表示制御部
１０１ｂ及び画面表示器１０１ａと共にビットマップ表
示装置を構成する。フレームメモリを複数持つことによ
り、例えば、カラー表示やマルチウインドウ表示が行わ
れる。

【００２０】画面上からの指令入力を可能とするために
、既述ライトペン１０２ａ、マウス１０３ａ、タッチセ
ンサ１０５ａ等のポインティングツール及びキーボード
１０４ａが用いられる。

【００２１】操作者が、ライトペン１０２ａを画面上の
任意の位置に当てると、画面の走査電子ビームがライト
ペン１０２ａの受光素子前を通過したとき、ライトペン
１０２ａからライトペンインタフェース１０２ｂに検知
信号が送出される。ライトペンインタフェース１０２ｂ
は、表示制御部１０１ｂから供給される水平同期信号を
計数し、垂直同期信号でリセットされる垂直位置カウン
タと、クロック信号を計数して水平同期信号でリセット
される水平位置カウンタとを備えている。両カウンタは
、ライトペン１０２ａからの検知信号の供給に応答して
積算とを保持し、これを画面上のＸ，Ｙ位置を表す画面
アドレス信号ＡとしてＣＰＵ１０６に供給する。

【００２２】操作者が、モニタ画面上に配置されたタッ
チパネル１０５ａの所定位置を押圧すると、画面上のＸ
，Ｙ位置が検知され、タッチパネルインタフェース１０
５ｂから画面アドレス信号ＡがＣＰＵ１０６に供給され
る。

【００２３】操作者が、マウス１０３ａを操作すると、
マウスの回転ボールのＸ，Ｙ方向移動量に応じて夫々Ｘ
，Ｙのパルス列信号が発生する。マウスインタフェース
１０３ｂは、Ｘ，Ｙのパルス列信号により、Ｘ，Ｙカウ
ンタの値を更新することにより、画面上のポインタ位置
を判別する。この位置はマウスのスイッチ操作に応じて
画面アドレス信号ＡとしてＣＰＵ１０６に供給される。 ライトペン１０２ａ、マウス１０３ａ、キーボード１０
４ａ、タッチセンサ１０５ａ等はいわゆるポインティン
グツールであり、画面上のある点の位置をＣＰＵに伝達
する役割を担う。

【００２４】ＣＰＵ１０６は、アドレス信号Ａの供給を
検出すると、ＲＯＭ１０７に記憶された各インタフェー
ス別の図３に示す画面入力サブルーチンプログラムを実
行して入力指令の内容を判別する。すなわち、画面アド
レス信号Ａが表す画面上の指示位置Ａ（Ｘ，Ｙ）を読取
る（ステップＳ１）。現在、画面表示器１０１ａに表示
している画面の表示頁Ｐを判別する（ステップＳ２）。 画面上の指示位置Ａ（Ｘ，Ｙ）と現在の表示画面の頁Ｐ
とをキーとして、指令記憶領域のマップから対応する指
令内容を読取る。また、指令内容に応じてキーボードか
らのデータ入力を取込む（ステップＳ３）。この入力さ
れた入力指令の内容は図示しない制御プログラムによっ
て、メモリ１０８に記憶される。

【００２５】モデル予測制御装置２は、図４に示される
ようにＣＰＵ２０１、メモリ２０２、メモリ装置２０３
に大別される。メモリ２０２にはＣＰＵ２０１を介して
入力装置１のキーボード１０４ａや表示画面等からポイ
ンティング・ツールにより指定されたプロセス制御量の
未来目標値、プロセスの制御量・操作量・それ等の変化
率に関する制限条件、少なくとも未来制御量と未来目標
値との偏差信号及び操作量増分に関する評価を行うため
の制御及び経済評価関数、プラント装置の動特性を近似
した動特性モデル等の制御パラメータが選定されて記憶
されている。

【００２６】また、メモリ装置２０３には、プロセスの
各制御量・操作量の信号を経時的に記録する応答データ
ベース、選定した動特性モデルの履歴を記憶するモデル
データベース等が形成される。データベースに記憶され
たデータは、後述するシミュレーションのために、適宜
読出されて入力装置１のＣＰＵ１０６に供給され、入力
装置１におけるシミュレーション演算等に活用される。

【００２７】ＣＰＵ２０１は、入力装置１やプロセス制
御装置３から供給される各種制御情報に基づいて、シミ
ュレーション機能、運転状態監視機能、最適化計算機能
、制御演算機能、モデル推定管理機能等を発揮する。

【００２８】ＣＰＵ２０１のシミュレーション機能は、
選定された動特性モデルに基づいて未来の制御量を予測
する。

【００２９】運転状態監視機能は、プロセスの運転状態
、制御性能をリアルタイムで監視する。

【００３０】最適化計算機能は、例えば、制御量・操作
量に関する制限条件を満たす最適操作量を上記参考資料
［３］，［４］の方法で、２次計画法アルゴリズムを用
いて計算する。

【００３１】制御演算機能は、未来目標値ｙ＊が与えら
れたとき、プロセス（制御対象）の動特性モデルに基づ
いて制御応答未来値ｙを予測し、最適化計算機能の計算
結果に基づいて、未来制御量と未来目標値との偏差信号
及び操作量増分に関する２次形式制御評価関数

【００３
２】

【数２】 を最小化する操作量増分Δｕ（ｋ）を算出する。

【００３３】モデル推定管理機能は、応答データからプ
ロセスの動特性モデルを推定・修正・評価する。

【００３４】プロセス制御装置３は、プラント４に設け
られたカスケード制御系のＰＩＤ制御ループを制御する
と共に、モデル予測制御装置２のＣＰＵ２０１との間で
プロセス制御量、操作量、プロセスの運転条件を表すデ
ータ信号等を送受信する。そして、モデル予測制御装置
２から受けとったプロセス操作量をこのＰＩＤ制御ルー
プに設定する。

【００３５】プラント４におけるＰＩＤ制御ループでは
、ＰＩＤ制御演算を実行することにより、プラントの、
例えば、温度、圧力、流量、タンク内の液体レベル等を
制御する。プラント４は、制御の対象となるプロセスで
あり、化学プロセス、発電プラント、鉄鋼プラント等各
種の工業プラントが想定される。

【００３６】次に、入力装置１からの目標値入力及び制
限条件入力について説明する。既述した画面表示器を介
した入力手段を利用することにより、モデル予測制御装
置に未来目標値や制限条件を容易に入力することが可能
である。

【００３７】図５は、入力装置１の表示器１０１ａに通
常の運転モードで表示されている表示画面第１頁の画面
（標準画面）の例であり、点線で目標値ｙ＊が、実線で
プロセス制御量ｙがグラフ表示されている。また、ヒス
トグラムにより操作量ｕがグラフ表示されている。各値
は、（−）時間として示される過去の所定時間前から（
０）時間として示される現時点まで経時的に示されてい
る。画面上にはマウス等のポインティング・ツール等の
操作によって位置制御されるポインタａが表示される。 このポインタによって、各種の機能を呼び出すための図
示しないアイコンを選択すると、図３に示したサブルー
チンの実行により、指令内容が判別されて画面にプルダ
ウンメニューｂが表示される。

【００３８】プルダウンメニューｂでポインタａを、例
えば、目標値入力のアイコン上に移動して選択を指示す
る。すると、この機能が起動されて図６に示される表示
画面第２頁の目標値入力モードの画面になる。ここで、
アイコンｂの選択により、参照モデルに基づく目標値入
力法と自由曲線入力による目標値入力方法のいずれかを
ポインティングツールで指定する。例えば、参照モデル
入力を選ぶと、図６のｃに示すようにプロセスの応答形
状を代表する複数の参照モデルの表が展開される。この
予測モデルには、２項展開モデル（バイノミアル・モデ
ル）

【００３９】

【数３】 バタワースモデル

【００４０】

【数４】 等、参照モデル名と伝達関数及び図示しない応答形状が
表示される。表示された関数の式はメモリ１０８に関数
１〜ｎとして記憶されている。この中から、ポインティ
ングツールでいずれか一つの参照モデルの番号領域を指
定する。この番号は、ポインタの画面上の位置により判
別され、選択された関数がメモリ１０８に記憶される。 また、図６のｄとして示す領域内にポインタを合わせ、
参照モデルの時定数に相当する応答変化スピード（制御
パラメータσ）の値をキーボード１０４ａから入力する
。ポインタの位置により、入力値が応答変化スピード（
時定数）の指定であることが判別され、メモリ１０８に
記憶される。

【００４１】グラフが表示されている領域内で、最終目
標値を表す直線ｅの位置をポインタで指定すると、グラ
フ座標上の縦軸の値が判別され、直線ｅが表示される。 この目標値はメモリ１０８に記憶される。領域ｆをポイ
ンタで選択し、モデル予測制御で考慮すべき予測時間、
例えば３０分をキーボードから入力する。ポインタの位
置により、入力データが予測時間であることが判別され
てメモリ１０８に記憶される共に、予測時間３０分が領
域ｆ内に表示される。

【００４２】これ等のシミュレーションに必要な制御パ
ラメータが全て入力されるとメモリ１０８に記憶された
シミュレーション演算手段たるシミュレーション演算プ
ログラムが実行されて、指定した予測区間（予測長）の
範囲で、現在の目標値から最終目標値まで変化する未来
目標値応答曲線ｇが求められる。更に、シミュレーショ
ン表示指令手段たるシミュレーション表示プログラムが
実行されてフレームメモリ１０１ｃ上にグラフイメージ
が形成されて画面上にグラフ表示される。この曲線は、
例えばステップ状に変化する信号ｒ（ｔ）を選ばれた参
照モデルＧ（ｓ）に入力したときの応答ｙ＊（ｔ）、す
なわち、 ｙ（ｓ）＝Ｇ（ｓ）・ｒ（ｓ） （ここに、ｙ（ｓ），ｒ（ｓ）は、ｙ（ｔ），ｒ（ｔ）
のラプラス変換型である。）として、計算されて求めら
れる。

【００４３】操作員は、画面に表示されたグラフを視認
し、問題のないことを確認して、図６の領域ｂに表示さ
れた終了のアイコンにポインタを合わせて設定を指令す
る。ＣＰＵ１０６は、上記設定指令に応答したこの応答
曲線を未来目標値として、モデル予測制御装置２に設定
させるべく、メモリ１０８に記憶された被選択関数、応
答スピード、目標値、予測時間等の制御パラメータをモ
デル予測制御装置２に転送する。

【００４４】モデル予測制御装置２は、上記制御パラメ
ータをメモリ２０２に記憶し、新たに設定された制御パ
ラメータに基づいてモデル予測制御を行う。

【００４５】こうして、操作員が簡単な操作により、複
数の参照モデルからプロセスの運転条件に応じてその中
から一つを選び、制御パラメータを指定するだけで容易
に未来目標値の軌道が決定できる。また、その参照モデ
ルに対し所望の時定数を操作員が指定することにより、
任意の応答速度で変化する目標値応答軌道ｇの種々の状
態をシミュレーションにより視覚的に事前に検討するこ
とができる。この応答波形が現在のプロセス制御の目標
値ｙ＊のグラフの延長として追加されて入力装置１の表
示画面１０１ａに表示されることにより、プロセスの現
在の状況のみならず、未来の動きを操作員が正確に監視
する手助けとなる。

【００４６】上述した図６のアイコンの選択において、
操作員が自由曲線入力を指定すると、図７に示される表
示画面第４頁が表示され、ポインタが画面上に表示され
る。このポインタをポインティングツールによって、グ
ラフ領域で移動して、図４の点ａ，ｂ，ｃのように目標
とする軌跡の座標を指定していくと、各点の位置が読取
られ、補間プログラムが起動し、各点間が例えば直線補
間または２次曲線等のスプライン補間により補間される
。各点間を補間して得られた補間曲線又はこの曲線を表
す式はメモリ１０８に記憶される。この補間曲線は画面
に表示される。

【００４７】操作員が終了のアイコンを選択して設定を
指令することにより、メモリ１０８に記憶されたこの補
間曲線またはこの曲線を表わす式が未来目標値の応答曲
線としてそのままモデル予測制御装置２に入力され、制
御演算に用いられる。

【００４８】こうした、視覚的な操作により、操作員が
自分の意図した目標値応答曲線をモデル予測制御装置２
に容易に入力できる。

【００４９】次に、制限条件の入力について説明する。 制限条件の入力を容易にするため、先に未来目標値の予
測シミュレーション結果を画面に曲線で表示させ、シミ
ュレーションされた未来目標値曲線を参照して制限条件
を設定するのが便宜である。従って、上述した目標値入
力が未だ行われていない場合にはこれを先行させる。

【００５０】まず、図５の標準画面において、操作者が
制限条件入力のアイコンｂをポインタａにより指定する
と、この部分の機能が起動されて図８に示される画面第
５頁が表示される。この画面左側にはアイコンメニュー
が表示される。操作者は参照モデル入力、自由曲線入力
、制御偏差閾値入力等の画面上部左側のアイコンからポ
インタにより１つを選ぶ。また、入力する制限条件の種
類を画面下部左側のアイコンからポインタにより１つ選
択する。

【００５１】例えば、ポインタをアイコン上に移動し、
参照モデル入力と制御量上限の選択を指令すると、ポイ
ンタ位置と画面頁により指令内容が判別され、図６のｃ
に示される参照モデルテーブルが表示される（図８では
示していない）。既述の目標値入力と同様の手順により
、１つの参照モデルを選択し、応答変化スピード（時定
数）σ、に加えて制限値の初期値・最終値をポインティ
ングツールにより、グラフの位置を指示し、あるいはキ
ーボード等で数値を入力すると、選択された参照モデル
に基づき、既述目標値の場合と同様に図９に示される曲
線が算出され、制御量の上限制限曲線Ｌｕとして画面表
示される。

【００５２】このように、複数の参照モデルから、操作
員が１つを選ぶだけで、各種制限条件を応答形状の制限
条件として容易に設定できる。

【００５３】図８に示される画面において、自由曲線入
力を指示すると、図１０のような画面が表示される。こ
の画面には入力装置１に用意された各種ポインティング
ツールのいずれかの入力手段に対応するポインタが画面
上に表示される。そのポインタでグラフ上の位置を図１
０のａ，ｂ，ｃ，ｄ点のように順次指定していくと、そ
の間が補間プログラムにより直線補間または２次曲線等
のスプライン補間により補間され、その結果、得られた
曲線が上限制限条件の曲線Ｌｕとして表示される。表示
された制限曲線Ｌｕが所望のものであれば、操作員は終
了のアイコンをポインタで選択する。これにより、ＣＰ
Ｕ１０６がメモリ１０８に形成した補間曲線又は曲線の
式が制限条件の制御パラメータとしてモデル予測制御装
置２に設定される。再度、制限条件を設定し直す場合に
は、キャンセルのアイコンを選択する。これにより、こ
のモードでの入力データは無効となり、このモードの初
期状態から画面表示され、再入力可能となる。

【００５４】曲線波形データのこのような入力により、
操作員が自分の意図した制限条件の曲線、すなわち、未
来の制御応答ｙ等に許容される範囲を視覚的な手段で、
容易に予測制御装置２に入力できる。

【００５５】図８に示される画面において、制御偏差閾
値入力のアイコンを選択すると、図１１のような画面が
表示される。更に、ポインタを入力領域ｉに移動して、
キーボード１０４ａから制御偏差閾値εを入力すること
により、既に設定されている未来目標曲線ｙ＊にεを加
算し、また、減算することにより夫々得られる上限曲線
Ｌｕ及び下限曲線Ｌｄが制御量の上限制限値、または下
限制限値として画面上に表示される。

【００５６】閾値εは、更に減衰係数τを入力すること
により、 ε（ｔ）＝ε　ｅｘｐ（−τｔ） なる時間関数で与えることもできる。この場合、図１２
のような未来目標値ｙ＊に収束する制御量の上限制限値
Ｌｕあるいは下限制限値Ｌｄが設定されることになる。 この方法により、既に設定された未来目標値ｙ＊の応答
波形を囲む形で制御量ｙの制限値を容易に入力できる。

【００５７】図８乃至図１２の画面において、既に入力
された未来目標値に対し、シミュレーション機能でプロ
セスの動特性モデルに基づき制御量の未来予測値が求め
られ、実線でグラフ表示されている。操作員は、この予
測応答曲線を見ながら、適切な制限値Ｌｕ、Ｌｄを入力
することができる。これは制御量に限らず、操作量、又
はそれ等の変化率信号の入力における表示に関しても同
様である。

【００５８】また、図８のｃ，ｄに示されるように優先
度のアイコンをポインタで選択し、キーボードからの数
値入力あるいはバーグラフの位置をポインタで指定する
ことにより、入力した制限条件に対し、優先度を設定す
ることが出来る。例えば、優先度の最も高いものがレベ
ル０、最も低いものが１００となっており、各制限条件
はこの数字と共にメモリ１０８に一旦記憶される。

【００５９】制限条件に、優先度を指定することの利点
は、モデル予測装置２における制御演算機能及び最適化
計算機能において各制限条件を全て満たす最適操作量が
算出不可能になった場合、優先度の低い制限条件から順
に取り外すことにより、準最適な操作量が算出されるま
で制御演算を繰り返し、それをプロセスの操作量に用い
ることにより、制御演算が中断されることなくプロセス
の運転が続行できるということである。これらの具体的
な、制御演算方法に関しては、上述の参考資料〔３〕〜
〔５〕に記載されているので説明は省略する。

【００６０】上記優先度は制限条件の種類毎にも、１つ
の制限条件のある時間の部分に対しても設定することが
出来る。更に、優先度が設定されると、図８乃至図１２
の各画面において、各制限条件はその優先度に応じて予
め定められた表現態様により、例えば、線の色、線の太
さ、破線の間隔、優先度の数値等により区別されて表示
される。このような処理は、メモリ１０８に記憶された
表示線種設定プログラムの実行により行われる。

【００６１】こうした表示態様の工夫により、制限条件
の優先度が一目で区別出来、また、作業員の注意が喚起
されるので、操作員がモデル予測制御装置に設定されて
いる優先度を瞬時に正しく判断し易くなる。

【００６２】各制限条件入力画面において最後に、アイ
コンで終了を指示することにより、選定した未来目標値
の応答曲線、上限制限条件、下限制限条件及び未来制御
量のシミュレーションが実行され、選定した条件下に制
御量の予測値が収束するか否か等が可視的に確認される
。この確認結果、終了のアイコンを選択すると、設定し
た制御パラメータがそのままモデル予測制御装置２に入
力され、制御演算の条件として用いられる。

【００６３】更に、入力装置１の表示画面における他の
表示態様、データ入力方法等について説明する。図１３
は、制御装置の運転状態における画面表示の一例である
。

【００６４】同図においては、プロセスの制御量予測値
ｙ、未来目標値ｙ＊、操作量ｕ、それ等に対して設定し
た上下制限値Ｌｕ、Ｌｄを示しており、過去の制御量の
履歴曲線ｙｒｅａｌも示されている。

【００６５】この画面上部には、いくつかのアイコンが
あり、ポインティングツール等でこれを指定することに
より、アイコンの機能を起動できる。例えば、画面上部
左の評価関数入力アイコンを指定すれば評価関数入力プ
ログラムが起動し、後述の評価関数入力画面（図１５）
が表示され、画面上から制御性能判別用の制御評価関数
Ｊ、プラント運転コストの判断用の経済評価関数Ｊｅ等
を入力できる。

【００６６】制限値入力アイコンを指定すれば、制御量
・操作量等に対する上下制限値Ｌｕ、Ｌｄを入力できる
画面が展開する。未来目標値入力のアイコンを指定すれ
ば、未来目標値ｙ＊をポインティングツールで自由曲線
を指定する等の方法で入力できる画面が展開する。また
、画面切換アイコンの指定により、図１４、図１６等の
表示画面に切換えられる。

【００６７】図１４は、プロセスの制御量変化率予測値
Δｙ、操作量変化率Δｕ、それ等に対し設定した上下制
限値Ｌｕ、Ｌｄを示しており、制御量変化率の過去の履
歴曲線Δｙｒｅａｌも示されている。

【００６８】この表示画面において制限値入力アイコン
を指定すれば、制御量変化率Δｙ、操作量変化率Δｕに
対する制限値Ｌｕ、Ｌｄを図９乃至図１２の説明におい
て示した手順により入力することができる。

【００６９】ところで、プラントの運転においては制御
対象の量的コントロールのみならず、プラントが経済的
に運転されることも重要なファクタである。このため、
プラント運転指標たる評価関数として制御評価関数及び
経済評価関数を参照し得るようにした。制御評価関数は
、目標値と制御量との偏差、操作量がどの程度少ないか
、別言すれば制御性能を表す指標となる。経済評価関数
は、プロセス運転コスト、生産高等を表す指標となる。

【００７０】図１５は、図１３の評価関数入力機能のア
イコンにより、評価関数Ｊ及び経済評価関数Ｊｅを設定
し、あるいは変更するための表示画面である。アイコン
ｇの指定により、ＣＰＵ１０６に入力データの種別を知
らしめて、各種の入力ができる。

【００７１】例えば、関数設定アイコンをポインタで指
定した後、図１５にａとして示される画面領域に制御演
算で考慮されるべき制御評価関数式Ｊをキーボード１０
４ａによって入力できる。入力された評価関数はメモリ
１０８に記憶される。また、パラメータ入力のアイコン
を指定した後、ポインタを図１５のｂ，ｃ，ｄの入力領
域に移動し、評価関数に含まれる予測長Ｎｐ　、制御長
Ｎｕ、重み係数λ１　〜λ４　等の制御パラメータをキ
ーボード１０４ａによって入力できる。

【００７２】同様にして、プロセスの運転コスト、生産
高等を表す経済評価関数Ｊｅを図１５の領域ｅにキーボ
ード１０４ａから入力できる。そのパラメータρ１、ρ
２、ρ３の値を領域ｆにキーボード１０４ａによって入
力できる。画面上から入力された制御パラメータはメモ
リ１０８に記憶される。これ等の画面上の入力領域には
、通常、現在設定されている評価関数式、数値あるいは
標準値が表示されている。

【００７３】評価関数を設定した後、応答予測アイコン
をポインタで起動するとメモリ１０８に記憶されている
シミュレーション演算プログラム及びシミュレーション
表示プログラムが起動する。図１６は、評価関数Ｊのシ
ミュレーション結果を示す画面の例であり、グラフの縦
軸は予測値、横軸は時間軸である。現在設定されている
制御評価関数Ｊ及び経済評価関数Ｊｅの夫々について算
出された２つの曲線Ｊ及びＪｅが表示される。両評価関
数は、現在までの経過を示す履歴曲線部分と未来の予測
値部分を示す予測曲線部分とからなっている。画面中の
領域ｃ及びｄに、夫々現在の評価関数値及び経済評価関
数値が表示される。この画面左側には、評価関数に設定
されたパラメータ、例えば、予測長Ｎｐ　、制御長Ｎｕ
　、重み係数λ１　〜λ４　及び経済評価関数に含まれ
るパラメータρ１　〜ρ３　がバーグラフａ，ｂの形で
表示される。 このバーグラフ表示領域内において、ポインティングツ
ール等でポインタの位置を入力することにより、位置に
対応した概略値を各パラメータの値として入力すること
ができる。

【００７４】操作員が、シミュレーション結果を目視に
より確認し、図１５の画面に戻して設定指令たる実行（
終了）アイコンをポインタで指定すると、設定した評価
関数Ｊ、Ｊｅがメモリ１０８から予測制御装置２に転送
され、そのメモリ２０２に記憶される。これによって、
予測制御装置２のＣＰＵ２０１には新たな評価関数がセ
ットされ、実際の制御演算に用いられる。

【００７５】操作員が図１５の画面においてキャンセル
のアイコンをポインタで指定すると、入力されて画面上
に表示されている評価関数は取り消され、メモリ１０８
に一旦記憶された評価関数に関する入力内容もリセット
されて再入力が可能となる。

【００７６】なお、図１３に示される画面表示において
未来目標値入力のアイコンをポインタで選択すると、既
述した未来目標値入力機能が起動し、図示しない目標値
入力画面が表示される。

【００７７】図１３に示される画面表示において制限値
入力のアイコンをポインタで指定すると、既述した制限
条件入力機能が起動する。

【００７８】ところで、表示される各変数（制御量、操
作量、それ等の変化率等）の履歴曲線及び予測曲線と、
上下制限値とが接触し、あるいは交差する場合がある。 このような場合には、例えば、図１７に示すように予測
曲線と制限値曲線とが接触する部分や、予測曲線が制限
値曲線を超えた部分は、既述した表示線種設定プログラ
ムによって表示色、曲線の太さ、曲線の種類により他の
部分と区別されて表示される。特に、制御演算において
制限条件を満足する解がなく、優先順位に従って制御条
件が無視された部分は、操作員の注意を喚起するべく曲
線上の該当部分において特別の表示をする。例えば、図
１７のａ，ａ´の部分は制限条件を考慮した部分として
、ｂ，ｂ´の部分は制限条件を無視した部分として表示
されている。

【００７９】なお、実施例では、入力装置１とモデル予
測制御装置２とを別々のＣＰＵで制御する構成としてい
る。しかし、ＣＰＵに十分な演算処理能力があれば、入
力装置１及びモデル予測装置２とを一体として単一のＣ
ＰＵで制御する構成することも可能である。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように本発明のモデル予測
制御装置の入力装置では、モデル予測制御装置に入力す
べき各種の予測モデルや制御パラメータ等の設定や変更
を入力装置の画面を介して行い、この設定された制御パ
ラメータ等の内容等によって予めモデル予測制御のシミ
ュレーションを行い、その結果を画面上で目視により確
認してからモデル予測制御装置に予測モデルたる関数や
制御パラメータ等のデータを設定する構成としたので、
入力装置において制御パラメータ等の最適な選定が容易
であり、多様な制限条件下に運転されるプラントの運転
効率の向上や制御の異常を発生させないように運転の安
全確保を図り得る。また、画面の表示によって案内され
て各種指令を入力することにより運転操作のミスが減り
、プラント制御のための入力装置のスイッチ、ダイヤル
、計器類をも大幅に減少することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】モデル予測制御システムの全体を示すブロック
図。

【図２】入力装置１の機能ブロック図。

【図３】画面上からの入力内容を判別するためのフロー
チャート。

【図４】モデル予測制御装置の機能ブロック図。

【図５】通常の表示画面の説明図。

【図６】参照モデル入力モード画面の説明図。

【図７】自由曲線入力モード画面の説明図。

【図８】制限条件入力モード画面の説明図。

【図９】参照モデル入力による制限値入力モード画面の
説明図。

【図１０】自由曲線入力参照モデル入力による制限値入
力モード画面の説明図。

【図１１】制御偏差閾値入力モード画面の説明図。

【図１２】減衰特性を有する制御偏差閾値入力モード画
面の説明図。

【図１３】表示画面例の説明図。

【図１４】表示画面例の説明図。

【図１５】評価関数の入力モード画面の説明図。

【図１６】評価関数の表示モード画面の説明図。

【図１７】制御量予測値曲線と制限値曲線との交差部分
の表示例を示す説明図。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】制御対象の動特性を近似したモデルに基づ
   いて予測制御量を算出し、制御条件を表す制限条件式を
   満たしつつ少なくとも前記予測制御量と予め設定された
   前記予測制御量が追従すべき未来目標を表す未来目標関
   数の値との差及び前記制御対象に与えるべき操作量の変
   化分を変数とする評価関数の値を最小化する操作量を求
   める予測制御演算を行って、求められた前記操作量を前
   記制御対象に与えるモデル予測制御装置に制御パラメー
   タを入力するモデル予測制御の入力装置であって、制御
   情報を可視的に画面に表示する画面表示手段と、予め記
   憶されている複数種類の伝達関数の中から操作員によっ
   て選択されることにより、あるいは前記画面上において
   前記操作員によって指定された複数の座標を通る曲線を
   算出することにより選定された新規未来目標値を表す新
   規未来目標式を読取る未来目標特性入力手段と、予め記
   憶されている複数種類の伝達関数の中から前記操作員に
   よって選択されることにより、前記画面上において前記
   操作員によって指定された複数の座標を通る曲線を算出
   することにより、あるいは前記新規未来目標式に所定演
   算を施すことにより選定された新規制御条件を表す新規
   制限条件式を読取る制限条件入力手段と、前記新規未来
   目標式及び前記新規条件式を用いて前記予測制御演算を
   繰返し、前記予測制御量の応答特性を表す予測制御量応
   答式を算出するシミュレーション演算手段と、前記新規
   未来目標式、前記新規制限条件式及び前記予測制御量応
   答式を前記画面表示手段にグラフ表示させるシミュレー
   ション表示指令手段と、前記グラフ表示の後に発せられ
   る設定指令に応答して前記新規未来目標式及び前記新規
   制限条件式を前記モデル予測制御装置に設定する設定手
   段とを備えたことを特徴とするモデル予測制御の入力装
   置。
2. 【請求項２】制御対象たるプロセス装置の動特性を近似
   したモデルに基づいて予測制御量を算出し、前記予測制
   御量と前記予測制御量が追従すべき未来目標値とを参照
   して操作量を求める予測制御演算を行って、求められた
   前記操作量を前記制御対象に与えるモデル予測制御装置
   に制御パラメータを入力するモデル予測制御の入力装置
   であって、少なくとも前記予測制御量と前記未来目標値
   との偏差及び前記操作量を変数ととして前記プロセス装
   置の運転指標となる評価関数を記憶する評価関数記憶手
   段と、前記評価関数を画面に表示する画面表示手段と、
   前記画面を介して入力される前記評価関数のパラメータ
   によって前記評価関数を更新して新規評価関数を形成す
   る評価関数入力手段と、前記予測制御演算を繰返して前
   記新規評価関数の一群の値を求めるシミュレーション演
   算手段と、前記新規評価関数の値を前記画面表示手段に
   グラフ表示させるシミュレーション表示指令手段と、前
   記グラフ表示の後に発せられる設定指令に応答して前記
   新規評価関数を前記モデル予測制御装置に設定する設定
   手段とを備えたことを特徴とするモデル予測制御の入力
   装置。
3. 【請求項３】前記評価関数は、前記プロセス装置に対す
   る制御性能を表す制御評価関数または前記プロセス装置
   の運転コストを表す経済評価関数であることを特徴とす
   る請求項２記載のモデル予測制御の入力装置。