JPH06505586A - 多変数適応フィードフォワード制御器 - 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】 多変数適応フィードフォワード制御器 発　明　の　背　景 関連出願へのクロス・リファレンス 本願は、１９８７年３月３０日に提出した出願番号第０７７０３１゜９６４号の 継続出願である１９８９年５月２２日に提出した出願番号第０７７３５５，０２ ６号の一部継続出願である。

１、技術分野 本発明は一般的に、産業プロセス又はこれと類似のプロセスを制御する制御装置 、特に自己同調制御器に関する。より詳細には、本発明は動作パラメータがプロ セス入力における変化に応じて発展するフィードフォワード制御器に関する。

２、背景技術 制御システムは多くの材料、エネルギー及び誘導装置を調整する。フィードフォ ワード制御は非常に優れた専門化した制御方法である。フィードフォワードは、 システムへの入力信号におけるアプセットを用い、これらアプセットの入力を予 測して又はその到着と同時にシステム機器を調整することができるものであると 認識されている。フィードフォワード制御の進んだ方式は、この発明の譲受人に 譲渡された米国特許出願第０７７３５５，０２６号に記載されており、その教示 の内容は本発明の説明に援用する。個別のプロセスに対する全負荷変数が誤差な く検知され、伝送されかつ応答される場合、また操作変数と測定された変数との 間の関係が正確に知られている場合、理想的なフィードフォワード制御器が安定 し物理的に実現できるならば、完全な制御は理論的に可能である。フィードフォ ワード制御は、進歩した適応制御技術について述べている米国特許出願第０７７ ３５５，０２６号で検討されている。

本発明は、フィードフォワード補償器が測定負荷変数を調整する、適応フィード フォワード制御方法及び装置に関する。フィードフォワード補償器は、従来の装 置を用いる場合、一般に手動で同調をとることは困難であると知られ、プロセス の状態の変化に従って戻ることが必要であり、フィードフォワード制御は広く使 用されてはいない。個別に自然に発生する独立の外乱の後に、同調定数を信頼性 高く更新するフィードフォワード制御器は知られていない。したがって、そのよ うな装置が入手できるならば、多くのプロセス制御の応用装置が、適応フィード フォワード制御を都合良く組み込むことであろう。

発　明　の　開　示 米国特許出願第０７７３５５，０２６号における多変数使用の適応フィードフォ ワード制御のために開発された方法及び装置は、大いに改良されてきた。

我々の初期の実施例における改良では、従来技術においであるようにフィードバ ック制御器の動作がフィードフォワード制御器の動作と干渉する場合、フィード バック制御器を離調させる必要がない利点がある。これに対し、現在の使用状況 においては、フィードフォワードアダプタがフィードフォワード制御器を離調さ せるので、フィードバック制御器による非測定負荷外乱の排除は解決されない。

米国特許出願第０７７３５５，０２６号において述べた実施例のように、本発明 の実施例はフィードフォワード補償器設計計算のベースとして、モデル識別のモ ーメント予測法を使用する。（独立した外乱応答に対する）プロセス入出力の測 定時間モーメントは、未知のモデル・パラメータに対するモデル式に関連する。

予測法はモデル・パラメータを粗調更新するために使用される。

本発明は、加算法の又は乗算法のフィードフォワード補償のためになわれている 。前述した実施例のように、増分加算補償はフィードバック制御器の積分フィー ドバック信号に加算されるので、これら増分補償はフィードバック制御器の積分 動作により蓄積される。前述のように、この操作が行われるので、フィードフォ ワード・ゲインの適応変化がプロセスに“衝撃を与える”ことはない。この実施 例では、測定負荷の１つの絶対フィードフォワード補償は、フィードバック制御 器の出力により直接加算又は乗算される。補償器のゲイン変化がプロセスに作用 するので、絶対補償の動的な（遅延）部分のみが明確に適応される。フィードバ ック制御器の積分動作は、積算補償及び全加算補償の全バイアスの有効ゲインを 絶対的に調整する。

乗算補償は、フィードバック制御器の出力が測定負荷フローに対する操作フロー の割合を調整する温度及び合・成制御の用途において特に有用である。絶対加算 フィードフォワード補償は、フィードバック制御器が測定負荷フローで操作フロ ーの和又は差を調整するインベントリ（レベル又は圧力）制御の用途に使用でき る。次の検討において“増分”負荷とは、フィードバック制御器を用いて増分補 償を蓄積することにより補償される測定負荷である。“絶対”負荷とは、フィー ドバック制御器出力に対して絶対（全部）補償を直接供給することにより補償さ れる測定負荷である。

フィードフォワードとフィードバックとの組み合わせが対立する場合、フィード フォワード補償を離調させることが有用であることが判明した。以前の開示には 識別入力のための微分のフィルタリングを含んでいたが、改良された性能は、良 好に適用性良く同調されたバンドパス・フィルタリングを使用することにより達 成される。

本発明は、負荷及び測定された負荷外乱に対する応答の終端を検知するエラーピ ーク検出を含む。最終的に本発明では、複数の記憶されたモデル係数のセットが 使用され、独立した応答の開始の状態に基づいて索引が付けられる。このセット は外乱の符号（方向）及び／又はユーザ指定変数のサブレンジに基づいて索引を 付けることができる。測定した外乱を検出するために使用される各ノイズ閾値は 、外乱と外乱との間の静穏な期間中に更新される。

この制御器の方法及び装置はフィードバック制御器を必要とし、この制御器の積 分動作は出力バイアスを調整し定常状態の誤差をゼロにする。フィードバック制 御器はディジタル式でもアナログ式でも良い。フィードバック制御器は、この譲 受人に譲渡された米国特許出願第０７７５５３．９１５号で教示されている自己 同調方式とすることができ、この特許出願の内容は参考資料又は機能的に等価な ものとして本発明の内容に援用する。この使用においては、フィードバック制御 器の動作が、先行技術のようにフィードフォワード制御器の動作と干渉し合う場 合、フィードバック制御器を離調する必要がないことを利点とする。これに対し て、現在の使用状況においては、フィードフォワードアダプタがフィードフォワ ード制御器を離調するので、フィードバック制御器による非測定負荷外乱の排除 は解決されない。

特に上述してはいない他の難点と共に、従来技術による装置の前述した制約と短 所に鑑みて、改良された適応フィードフォワード制御器に対する技術的な必要性 がまだ存在することは明白である。従って、本発明の目的は、確実に改良された 適応フィードフォワード制御器を提供することである。

本願の目的は、システム関連の変化及びタイミング特性の変化が適応フィードフ ォワード制御組織によって調整され、同時に負荷の変動に適合する装置を提供す ることである。

本願の目的は、全補償器パラメータについて特別な識別を行うために不完全なデ ータで動作する制御装置を提供することである。

本願の目的は、多数の測定負荷変数に対する適応制御器を提供することである。

各補償器の入力が活性状態の場合、他の負荷入力の活性度に拘らず、各補償器の 適合操作は迅速でなければならない。

応答が有意な情報を含むモデル・パラメータのみが、予測により変化されること は本発明の利点である。予測法は、連続する外乱の応答が、ある時点におけるあ る負荷が段階（工程）に伴って乱されたときの結果のような交錯する情報を含む 場合、極めて迅速に収束する。

本発明の実施例の他の利点は、フィードフォワード補正を増分又は絶対のいずれ かとすることができる点にある。増分補正及び絶対補正の両方を同一のループで 使用する場合、このループは増分補正が絶対補正の前になされるように構成され る。

非直線性をうまく処理するために、制御器による成功した過去の同調は記憶され 、外乱の開始の状態と関係付けられる。最適のモデル・パラメータのセットは新 しい外乱が検知されると直ちに選択され、応答が完了するとき更新される。新た な補償器のパラメータがこれらモデル・パラメータから計算される。これはゲイ ン計画の形式であり、ゲイン計画それ自体は裕デル識別を通して適応される。

この実施例の他の利点は、実質的にユーザがセットするパラメータを必要としな いことである。エラー・ノイズ閾値は適応フィードバック制御器から通過できる 。ノイズの閾値は各測定に対して、外乱応答同士の間の静穏な期間に適用性良く 更新される。ユーザは、測定負荷変数の源のみを指定すればよい。すなわち、こ の変数は、フィードフォワード補償と、記憶されているモデル・パラメータのセ ットを分類するために使用されるユーザ指定の変数及びその閾値とを含むもので ある。その上、この実施例の他の特徴は、補償器はゼロのパラメータ値で設定で きるので、事前同調の手順が不要であることである。

この発明の実施例は、互いに影響し合うループを部分的に断つために都合良く使 用できる。他のループの積分゛フィードバック入力（即ち、フィードバック制御 器出力）は、このループの測定負荷変数の１つとして扱われるに過ぎない。

前述したまた今後明白になる発明の目的、利点及び特徴により、この発明の本質 はこの後に続〈発明の詳細な説明、添付した特許請求の範囲及び付随する図面で 示す説明を参照することにより更に明快に理解されるであろう。同一の項目は図 面上で同一の符号又は標識で示す。

発明を実施する最良のモード 本発明の実施例は、米国特許出願第０７７３５５，０２６号で以前述べた例に類 似している。適応フィードフォワード制御の方法及び装置は、フィードフォワー ド補償器が測定負荷変数に対して同調する制御器を構成する。後の説明において 、いくつかの参照符号は簡略流れ図の例であって本発明の詳細な説明する図６に 関連する。本装置は図１、図２及び図３に図示する。

ここに述べる実施例は、米国特許出願第０７７３５５　、０２６号には含まれて いない追加された構成を含む。これらの追加の構成には、（１）絶対補償、（２ ）フィードフォワードとフィードバックが対立する場合のフィードフォワード補 償の離調、（３）識別入力に対する微分のフィルタリングの代わりに、適応同調 されるバンドパス・フィルタリングを行うこと、（４）測定負荷に対する応答の 終端を検知するためのピーク検出の使用、（５）独立応答の始点の状態、外乱の 方向及びユーザ指定変数のサブレンジに従ってインデックスが付けられたモデル 係数の複数の記憶された設定、及び（６）各測定された変数に対する適応ノイズ 閾値、が含まれる。これらの構成を以下に述べる。

絶対補償 改良された適応フィードフォワード制御のブロック図を図１に示す。第２のフロ ー制御器は、操作されるフローを測定された負荷のフローに比例して調整できる 。第１の温度又は補償制御器は、負荷フローに対する目標比率即ち操作フローの 差を調整する。図１は積分フィードバック経路におけるバック計算のための第２ の測定９０？（フロー）の使用法を示し、この経路は第２の出力が抑止される場 合、積分器の終端を避けるために使用される。

結合制御器出力９３８は、第２の制御器が使用されない場合、結合積分フィード バック信号９０７として使用できる。

図１において、ブロック９０２．９０４及び９０８は各々（第１の）フィードバ ック制御器、絶対フィードフォワード補償器及びフィードフォワード制御で制御 される（蒸留プロセスのような）プロセスを示す。第２の制御器は、使用される 場合は、プロセスブロック９０８に含まれる。

図１では一般に、絶対素子はこれらの素子の上に配置され、増分素子はこれら素 子の下に配置される。第１の制御器のＰＩＤ　（比例、積分、微分）フィードバ ック制御器及び増分フィードフォワード補償器の部分のより詳細な構成は図２に 示し、絶対フィードフォワード補償器の部分は図３に示す。

設定値信号９０１は第１の即ちフィードバック制御器９０２と、絶対アダプタ９ ２６と、増分フィードフォワードアダプタ９２８とに供給される。後述のように 、第１の制御器９０２は、ライン９０３上の制御された測定を示す追加信号と、 ライン９０５上の増分フィードフォワード補償信号と、ライン９１７上の積分フ ィードバック信号とを受信する。絶対フィードフォワード補償器ブロック９０４ は、ライン９１８上のフィードバック及び増分フィードフォワード制御器出力信 号と、ライン９３４上の絶対フィードフォワード補償信号と、９４２上の絶対フ ィードフォワード測定負荷信号と、結合積分フィードバック・ライン９０７上の 第２の測定信号即ち結合制御器出力９３８とを受信し、（第１の）フィードバッ ク制御器９０２ヘライン９１７上のバック計算された積分フィードバック信号を 供給すると共に、第２の制御器の設定値即ちプロセスブロック９０８内に含まれ るプロセス操作変数結合制御器出力９３８に出力する。

プロセスブロック９０８内の第２の制御器（使用する場合）は、ライン９３８上 の結合制御器出力からその設定値入力と、プロセスブロック９０８から測定人力 ９０７とを受信する。第２の制御器又はライン９３８上の結合制御器出力は、制 御信号をブロック９０８内のプロセスの操作変数（バルブ入力）に供給する。プ ロセス９０８は、絶対フィードフォワードの測定負荷の測定信号をライン９４２ 上に、また数個の増分フィードフォワード測定負荷から９３６で示すライン群に 出力する。（増分負荷ラインと増分負荷信号の数は、個々の形態の増分負荷の数 で決定される。）このプロセス９０８はまた第１の測定をライン９０３に、結合 積分フィードバックをライン９０７に出力する。

第１の制御器９０２と絶対フィードフォワード補償器９０４の内部構造は、図２ 及び図３に示す。設定値信号９０１は、設定値フィルタ９５４　（１＋ｂＩｓ） 　／　（１＋Ｉｓ）で受信され、加算接続ブロック９４４に送られる。ここで、 Ｓはラプラス演算子であり、Ｉは制御器積分時間であり、ｂは進み遅れ比でプロ セスの型式に依存して０２から１までの範囲にわたる同調可能なパラメータであ る。制御測定信号９０３（図１参照）は同様に、微分フィルタ９５２　（１＋１ ．１Ｄｓ）　／（１＋０．ＩＤｓ＋０．５（０，１Ｄｓ）２）で受信され、加算 接続ブロック９４４に送られ、設定値フィルタ９５４からの出力信号から減算さ れる。Ｄは制御器微分時間である。結果として得られた加算信号は、比例帯域ブ ロック９４６　（１００／Ｐ）へ送、られ比例帯域信号９４７となり、加算接続 ９４８へ送られる。

この接続９４８も積分項９２３を積分遅延ブロック９１９　（１／１＋ＩＳ）か ら受信する。Ｐはパーセント単位の比例帯域である。増分フィードフォワード補 償信号９０５は積分フィードバック加算接続９１５に入力され、この接続９１５ もライン９１７に生ずる積分フィードバック信号を受信する。加算接続９１５か らの信号は、積分遅延ブロック９１９への入力である。フィードバック及び増分 フィードフォワード制御器出力９１８は、加算器９４８においてライン９４７及 びライン９２３上の加算信号により作られ、絶対フィードフォワード補償器９０ ４へ送られる。

図３において、絶対フィードフォワード補償器９０４は、加算接続９５０とフォ ワード計算ブロック９１３及びバック計算ブロック９２１を含む。加算接続９５ ０は絶対フィードフォワード測定負荷信号９４２と絶対ダイナミック・フィード バック補償信号９３４とを受信し、接続９５０の加算出力は、分母としてライン ９１１を介してバック加算ブロック９２１とフォワード加算ブロック９１３とに 送られる。フォワード加算ブロック９１３は、第２の入力としてフィードバック 制御器出力信号９１８を接続９４８から受信する。２個の信号の積又は和は、ブ ロック９１４で規制され、結合制御器出力信号９３８として出力される。バック 計算ブロック９２１も、結合積分フィードバック人力９０７を受信する。その出 力即ちフィードバック制御器９０２へ供給された積分フィードバック信号９１７ は、ライン９（１７及びライン９１１上の信号の比又は差のいずれかである。

図１、図３及び図４に示す絶対フィードフォワードダイナミック補償器９１０は 、絶対フィードフォワード測定負荷９４２及びライン９２７上の絶対フィードフ ォワードアダプタ９２６から信号を受信する。絶対フィードフォワード・ダイナ ミック補償器９１０は、絶対フィードフォワード補償信号をライン９３４上の補 償器９０４に送る。

増分フィードフォワード補償器９１２（図１、図２及び図５）は、増分フィード フォワード測定負荷９３６から及びライン９２９の増分フィードフォワードアダ プタ９２８からの信号を受信する。増分フィードフォワードアダプタ９２８は、 ライン９０５上の増分フィードフォワード補償を（第１の）フィードバック制御 器９０２に供給する。この制御器９０２で増分フィードフォワード補償は、制御 器の積分動作により累算される。

絶対補償及び増分補償（各々、９１１及び９１５）が採用される場合、増分補償 はインレットの温度又は負荷流の合成成分を補償するために使用でき、負荷流の 温度又は合酸成分はライン９０３に生ずる第１の制御変数である。絶対補償を用 いて負荷流を乗算的に補償することができる。

フォワード計算ブロック９１３は乗算器とし、バック計算ブロック９２１は信号 ９０７を信号９１１で除算する除算器とする。

増分フィードフォワード補償器９１２（図５）のモーメント計算プロセス（ブロ ック１１９０）は、増分フィードフォワード測定負荷９３６の有意の変化又は設 定値９０１を検知することによりトリガされる。（前述の実施例の）変数のセッ トのモーメントは、未知の係数を含むモデル式により関係付けられる。この変数 は、増分フィードフォワード負荷９３６と、第１の測定された変数９０３及び積 分フィードバック類９１７とを含む。

絶対フィードフォワード・ダイナミック補償器９１０のモーメント計算プロセス （ブロック１１９０）は、９４２の絶対フィードフォワード測定負荷の中の有意 な変化又は設定値９０１（始点検出１０１０）を検知することによりトリガされ る。モデル変数のモーメントは、モデル式に関係付けられる。この変数は、絶対 フィードフォワード測定負荷信号９４２と、第１の測定された変数９０３と、結 合積分フィードバック入力９０７とを含み、これら全ての変数は始めはバンドパ ス・フィルタリング１２２０　（図７）される。

モデル係数の個別の設定は、第１の測定された変数９０３について２個の場合の 各々毎に用いられる。設定値信号９０１の外乱は、この種の外乱は第１の測定９ ０３を重み付するモデル係数を更新するための有意な情報を与えるので、両方の モデルに対して更新するようトリガする。独立した応答の予想終点を決定するた めに使用される閉ループ特性時間ＴＦを用いて、識別された入力の各々に対する バンドパスフィルタパラメータ１２２０を設定し、モーメント（１１９０）及び モデル係数（予測）計算（１２００）のために時間軸を正規化する。この時間Ｔ Ｆは、米国特許出願第０７７３５５　、０２６号に示されている式６６及び本実 施例の式６に従って、第１の測定を重み付する増分モデル係数から計算（終端計 算ブロック１０９０）する。従って、増分負荷がない場合でも、第１の設定値が 適応操作をトリガする場合は常に増分アダプタを動作させる必要がある。

圧力又はレベル・ループの用途では、補償は一般的に増分的に供給される。例え ば、ボイラのレベル制御では、第２の測定即ち給水流量は、一般的に結合積分フ ィードバック入力変数９０７である。蒸気の流れとの差は、第１のレベル制御に よって調整される。補償器のゲインを更新する必要がないので、絶対補償９０４ はこの用途に使用できる。フォワード計算ブロック９１３及びバック計算ブロッ ク９２１は、各々加算器及び減算器とする。（適応ゲイン相関を有する）フィー ドフォワード補償は、ライン。

９０５を介して通常の増分フィードフォワード補償器９１２を用いて交互に与え ることができる。

フィードフォワード補償器の離調 増分フィードフォワード測定負荷変数９３６又は絶対フィードフォワード測定負 荷９４２からよりも、フィートノくツク制御器出力（操作変数）９１８又は結合 制御器出力９３８からの制御された（第１の測定）変数９０３への経路において 、より多くのプロセス遅延がある場合、完全なフィードフォワード補償は不可能 である。フィードパ・ツクとフィードフォワードとの結合された動作は、どちら か一方の単独の動作より、より多くの誤差を引き起こす恐れがある。以前の実施 例で説明したように、対立する作用を避ける安定性の余裕を改善するため、（第 １の）フィードバック制御器９０２を離調することは共通である。しかしながら 、この試みは非測定外乱に応答するループの性能を悪くする。フィードバック制 御器が適応性良く同調される場合、より良い選択はフィードフォワード補償器、 即ち増分フィードフォワード補償器９１２又は絶対フィードフォワード補償器９ １０を離調することである。

ｉ番目の補償器の効果的な遅延は式５で与えられる。

この値が負の場合は、実現不可能な負の遅延が示され、それゆえ以前の実施例で 示したように、ゲイン及び進み補償の代わりに、ゲイン補償（式４）を単独で用 いる。

その上、補償が増分の場合、ゲインが貢献する大きさは負の遅延に比例して減少 し、負の遅延が閉ループ特性時間の半分を超える場合ゼロになる。ゲイン寄与の 大きさは式１で与えられる。

（式１） このフィードフォワード離調方策は、積分絶対誤差を最小にするために選択され た。フィードフォワードの貢献がゼロに減少する場合、フィードバックが単独で 負荷外乱に対抗するために使用できる。

識別信号のフィルタリング（ブロック１２２０）米国特許出願第０７７３５５， ０２６号で述べた以前の実施例は、各々のフィルタを通過した信号が定常状態で ゼロに近づくようにするために識別信号上に微分フィルタを使用した。本発明で は、これはモーメントを有限にするために必要な条件である。その上、モーメン トが収束するためには、高周波数のノイズ成分を各信号から取り除くことが重要 である。これは単純な微分フィルタの代わりに、適応性良く同調されたバンドパ ス・フィルタを使用してなされる。これらのフィルタは、ローパスフィルタに直 列接続した微分フィルタと考えられる。このローパス部分は、閉ループ特性時間 ＴＦの半分の時定数を有する０７減衰二次フィルタであることが好ましい。ロー パスフィルタは重要なものではない。バンドパス・フィルタ１２２０に対する好 ましいフィルタの伝達関数は、式２で与えらピーク検出 以前の実施例では、応答の終端を調べるために閉ル−ブ特性時間及びエラ一応答 を使用した。米国特許出願第０７７５５３，９１５号で述べている種類の適応フ ィードバック制御器が第１のフィードバック制御器として使用される場合、フィ ードバック・アダプタの状態は既に確認されたピークの数を示す。この情報は、 閉ループ特性時間に基づく調査を補うために使用できる。図６参照。

フィードフォワードの状態が“測定された外乱”であり、また最初のピークが確 認されるか又は外乱以来の時間が閉ループ特性時間１０８０の３倍を超える場合 、外乱応答は無意味なもの１０９０　（“計算終了”）と見なされ、補償器の係 数は更新されない。

フィードフォワードの状態が“有意な測定応答”であり、また最初のピークが確 認１１６０される場合、フィードフォワードの状態は“確認されたフィードバッ ク（状態）”に変化する１１７０゜ フィードフォワードの状態が“確認されたフィードバック”であり、フィードバ ックの状態が“確認された状態”　（“静穏”）又は“位置ピーク１”１１１０ の場合、フィードフォワードの状態は“固定”に変化し１１２０、フィードフォ ワード適応を更新する決定を未決定のままにする。これは適応フィードバック制 御器は完了させるための初期エラ一応答を考慮し、新規の重なり応答が始動でき ることを示す。

またフィードフォワードの状態が“固定”であり、新、　規の最初のピークが確 認される場合１１３０、フィードフォワードの状態は“非測定外乱”へ変化し１ ０４０、適応更新はされない。これはまたフィードバック制御器が適応性ではな く、絶対制御エラーがノイズ帯域値を超え、応答が始動してからの時間が予想応 答時間（ＴＦの３倍）を超える場合に起る１１３５゜ 状態が“固定”であり、適応フィードバック制御器の状態が“静穏”である場合 １１８４、又は状態が“有意な測定した外乱“であり、また応答の始動からの時 間が１１８２で閉ループ特性時間の（例えば）４倍を超える場合、応答は完了し 独立したと考慮される１０８０゜モデル・パラメータはこのとき予測法を使用し て更新され１２００、測定された変数の固定値は記憶され、フィードフォワード の状態は“静穏”　（“計算終了”）に戻る１０９０゜別の方法の場合は、モー メント計算の論理制御法は米国特許出願第０７７３５５，０２６号で述べである 。

モデル・パラメータの複数セット より効果的にプロセスの非線形性を処理するために、モデル・パラメータの複数 のセットが記憶されている。

各セットは、新規の外乱応答の始点にある測定条件に従って索引が付けられてい る。新規の外乱が検出されると、その瞬間の条件が使用され、最も適切な記憶さ れているモデル・パラメータのセットが選択される。補償器パラメータの新しい 値は、これらのモデル・パラメータに基づく。選択されたモデル・パラメータ１ ２１０は、応答が独立している場合、応答の完了時に更新される。

各独立した応答の始点で検知された条件は、応答及びユーザ指定変数のサブレン ジをトリガした負荷の変化の符号を含む。ユーザ指定変数のレンジは、好ましく は２個のユーザ指定閾値を使用する３個のサブレンジに分離される。この分野の 従来の技術は、多少ともサブレンジ及びユーザ変数も使用できることを認める。

この取組み方は、フィードフォワード補償器に対する適応の第２のレベル、非線 形プロセス動作を処理するために成功した過去の経験を活用するプログラム適応 を与える。

外乱応答の始点の認識（ブロック１０１０）各計算間隔で、設定値、負荷、制御 変数及び積分フィードバック入力は、最大目盛のパーセントに変換され、フィー ドフォワードアダプタの状態がチェックされる１０００゜５個の可能なアダプタ の状態がある、即ち、（１）静穏、（２）非測定外乱、（３）測定した外乱、（ ４）有意測定外乱、（５）確認外乱と固定、である。

状態が“静穏”１０１Ｏの場合、設定値及び測定負荷は以前の固定値と比較され 、ノイズ帯域値よりも大きな絶対変化をしたか否かが決定される。図６のブロッ ク１０５０を参照。これらの１個がそのような絶対変化をした場合、変化した変 数及び変化の符号は記録され、その状態は“測定した外乱”に変化し、モーメン ト計算は初期化１０６０される。

各入力に対するノイズ値は、測定範囲のパーセントに変換されたユーザ提供のノ イズ閾値と信号の波高値（この図例では６シグマ）のノイズ帯域の合計であり、 このノイズ帯域は、所望するなら静穏な期間に更新できる。

この例のノイズの更新は、次のように計算される。即ち、二乗したサンプル間の 差の平均の半分の平方根を第１の係数倍したものを、閉ループ特性時間間隔を第 ２の係数倍したもので割ることである。この説明の例では、第１の係数は６が選 択され、第２の係数は３が選択される。

このノイズのシグマの推定値は、連続する標本値のノイズ成分は互いに関連がな いという仮定に基づく。

有意の変化が発見されず１０５０また絶対制御エラーがノイズ値を超える場合１ ０３０、状態は“非測定外乱”に変化する１０４０゜これ以外の場合は、次の計 算間隔を待つ間“静穏”に留まる。“非測定外乱”状態１０４０には、エラ一応 答が独立でないと判断される場合１１３０及び１１３５、又はどの変数も範囲を 超えている場合、他の状態からも入ることができる。状態が１個の閉ループ特性 時間（各測定した外乱の始点で更新される値）の間、“非測定外乱“に留まり、 また適応フィードバック制御器の状態が“静穏“又は非活動状態の場合１１００ 、測定された変数の現在の値は新規に固定された値として記憶され、状態は“静 穏”に戻る１０９０゜ モーメントの初期化 測定した外乱応答の始点において１０６０、記憶されているモデル定数の６個の セットのうちの１個が、測定された変数の変化をトリガする符号及びユーザ選択 変数のサブレンジに基づいて選択される。符号の指標は、外乱に対処するため必 要とされる操作変数の変化の予測方向に従って選択される。ユーザ変数の値は、 この例においてはユーザが作り上げた閾値によって分離された３個のサブレンジ の内の１個に収まることができる。ユーザ変数は、それは設定値又は測定負荷で あるが、プロセスの非線形動作の指示器として選択されるべきである。プロセス が線形の場合、ユーザはある定数をユーザ変数として選択でき、又は閾値を０か ら１００％に設定できる。

モデル定数は、フィードフォワード補償器パラメータと、フィードバック制御器 の値と共にＰ、Ｉ及びＤ同調定数、“閉ループ特性時間”　（ＴＦ）を計算する ために使用される。閉ループ特性時間（即ち、活性状態の場合、適応フィードバ ック制御器の状態）は、ピークに至る時間と独立したエラ一応答を固定する時間 とを予測するために使用される。エラ一応答のピークがノイズ値よりも小さい場 合、又は外乱が始動してからの時間が３７Ｆ　（特性の３倍）を超えるとき１０ ８０状態がまだ“測定した外乱”である場合、モデル・パラメータは更新されな い１０９００有意な独立したエラ一応答は、信頼できるモデル更新をするために 必要である１２００゜ 状態が“測定した外乱“であり、絶対エラーがノイズ閾値ＮＴを超える場合１１ ４０、状態は“有意な測定した外乱”に変化する。

各々のフィードフォワード補償器は、この実施例では２次のバターワース・フィ ルタを持つ近似されたゲイン遅延である。式３参照。

（式３） 他の補償器の方式も、　当業者の通常の能力内で選択して使用できる。

ゲインはゼロ次モデル・パラメータａ　１Ｏｓｂと等しい。

指数ｉは関連する負荷を示す。指数０はゼロ次を示す。指標“Ｓ”と“ｂ“は、 外乱の符号及びユーザ指定変数のサブレンジに関連する記憶された定数の特別の セットを示す。ゲインがゼロでない場合（式４参照）：（式４） 遅延はゼロ次パラメータに対する１次モデル・パラメータの比に換算係数Ｔ（式 ５参照）を掛けることによって与えられる。Ｔはモーメント計算で使用され、こ の例ではＴＦの０．３倍が選択される。

（式５） しかしながら、負の遅延は物理的に実現できない。負の遅延が計算される場合、 ゲインは負の遅延を有する直線性を低下させる式１に従う係数をかけ算され、計 算された遅延の負数が閉ループ特性時間の半分に等しく又は超える場合ゼロにな り、遅延はゼロにセットされる。これは両者が他の方法で過度の修正をする場合 、フィードフォワード制御器を適応フィードバック制御器の代わりに離調する。

はぼ完全なフィードフォワード補償が可能でない場合、フィードバックは信頼さ れる。

閉ループ特性時間（ＴＦ）は、閉ループ特性式における１次の項の係数である。

（式６） ここでＤは微分時間であり、■は積分時間であり、Ｐは比例帯域であり、Ｎは制 御（第１の測定）変数９０３に対する指標である。非自己平衡プロセスのために は、ａＮＯｓｌ）＝−補償計算 状態のいかんにかかわらず、フィードフォワード補償は毎回の工程で計算される 。各変数に対する補償器は、０７の減衰二次式（二次バターワース）により近似 される遅延を有するゲイン遅延（式３）であり、この減衰二次式は各補償器９１ ０．９１２に含まれる。この二次式は、制御エラーにおいては顕著な改善を有し ないような過度のバルブ動作を引き起す高周波数の補正を減衰させるために使用 される。また、この二次式は計算が一層容易であり、純粋の遅延よりもメモリが 少なくて少なくて済む。

補償が増分補償の場合、各負荷信号はバンドパス・フィルタでフィルタされて補 償され、補償された結果は共に加算される。次にこの和は、好ましくはフィード バック制御器で累積（積分）される。この制御器で、積分された和は効果的にこ の制御器の出力に加えられる。このためにフィードフォワード補償器のゲインの 項は、プロ　゛セスが定常状態にある間に、プロセスをパンピングさせることな く更新させることができる。レートの制限又は他の内部のフィードバック制御器 の特殊性のため、分離された積分器を使用する必要がある場合がある。

補償が絶対である場合、アダプタは補償の動的な部分のみを決定する。図３参照 。適応動的項、即ち二次フィルタを通過した負荷からその負荷を引いた項は、フ ィードバック制御器出力に加えられる前に測定負荷信号に加えられる。補償はこ の方式で構造化されているので、アダプタの電源が切られる場合、動的補償のみ が失われる。

アダプタが決定したゲインは使用されない。図２及び図３参照。

増分の（微分された）フィードフォワード補償は、累積された後に毎回の工程で ゼロにすることが好ましい。

これはアダプタの電源がオフの場合、又は制御ブロックよりも長い計算間隔で動 作する場合、同一の増分補正が連続して累積されることを防ぐ。

モデル識別プロセスで使用される各測定信号、即ち負荷、制御変数及び積分フィ ードバックは、バンドパス・フィルタリングに接続するべきである１２２００こ れは信号から高低の両方の周波数成分を取り除き、独立した応答信号の（積分で 重み付けした）時間モーメントが定常値に制限された時間の中で確実に集中する ことに役立つ。

０．７の減衰フィルタはこの目的に望ましい。この例のフィルタの時定数は、経 験的に最適化された値である閉ループ特性時間の３０％に適応性良くプログラム される。これらのフィルタはアダプタ９２６及び９２８に配置される。

モーメント計算（ブロック１１９０） 状態が“測定された外乱”、“有意な測定された外乱”、“確認外乱”又は“固 定“である場合、バンドパス・フィルタを通過した信号のゼロ次及び１次モーメ ント積分は、毎回の工程で更新される１１９０゜ゼロ次モーメントは、図７に示 すように定常状態の信号変化である。１次モーメントは、図７でハツチングした フィルタを通過した信号曲線の実区域である。補償器９１０及び９１２における フィルタリングは、フィルタを通過した信号の最終的な値をゼロに近づけるため 、この区域を明確な有限値にするのに役立つ。第１のモーメントは換算係数１／ Ｔにより重み付けされる。この換算係数は経験的に最適化できる。

Ｔはこの例では、閉ループ特性時間の３０％に選択される。

換算係数は換算し、また時間の次元をモデル係数から取り除＜　１２００゜この モデル係数はモーメントから計算される１１９０゜各係数はこのため、同一の単 位及び予測値のレンジを有するようになる。これは予測法の収束率を改善、　す る。

モーメント積分は、モーメントの値が積分の終了時間を検知しないためには、有 限値に制限された時間内に収束しなければならない。ノイズはフィルタリングに よって完全には除去されないため、高次のモーメントは（モーメントの次元のパ ワーに対する時間によって）強く重み付けされているため、終了時間をより感度 良く検知する。

モーメント予測法（ブロック１２００）各測定プロセス変数は、ゼロ及び１次モ ーメントにより特徴づけられる。これらモーメントは、バンドパス・フィルタを 通過した信号のｘ（ｔｌラプラス変換、式７に示すＸ（ｓｌによるティラー級数 の係数に直接関係する。

（式７） プロセス出力は、モデルによりプロセス入力に関係付けられる。モデル式の方式 は、式８に示すように、その後の補償器設計計算を簡単にするために選択される 。

（式８） 式８でＮは測定負荷の数であり、指標ｉは０からＮ−１にわたる。Ｎは測定され た変数の指標であり、Ｎ＋１は積分フィードバック入力（又は制御器出力）の指 標であり、Ｎ＋２は結合積分フィードバック（又は結合制御器出力）に対する指 標である。

補償器のうちの１個が絶対的の場合、モデル式の２個のセットが図１に示すよう に採用され、各セットは制御変数に対して異なる積分フィードバック入力と異な るモデル係数とを使用する。図３参照。方程式の両方のセットは次に続く設定値 外乱を解くが、次に続く負荷外乱を解くのは１個のセットのみである。

各変換式は式９に示すようなティラー級数へ発展する。

（式９） Ｓと同じパワーを掛は算する項を等しくすると、２より小さいパワーのみを考慮 する場合、２個の式が生ずる（式１０及び式１１）。

わずか２個の式に過ぎないが、２（Ｎ＋１）個の未知数がある。

予測法は、２個の式を満足させ二乗したモデル・パラメータの変化の合計を最小 にするモデル・パラメータの新しい値を見いだす。ゼロでないモーメント値を掛 は算するこれらモデル・パラメータのみが、モデル式のエラーに影響を与えるこ とができる。一定の負荷変数はゼロのモーメント値を有する。従って、一定の負 荷変数に関連するモデル・パラメータは更新されない。

一般に、最大数を変化させるパラメータは最大のモーメント値を掛は算するパラ メータである。

この例の方式が最良に動作するためには、ノイズをプロセスのデータから効果的 に取り除かなければならず、モデル式を正確に満足させることが妥当である。こ れはフィルタを通過した信号のモーメント積分動作を、独立応答のために値が有 意に変化しなくなるまで連続させることによりなされる。

第１の実施例のように、この現在の例の実施例においては、モデル・パラメータ の現在のセットは多次元のパラメータ空間におけるポイントによって表現できる 。各直交座標軸に沿うと、１個を除く全モデル・パラメータはゼロである。部分 空間から２個のモデル式を満足させるパラメータの組み合わせの軌跡。予測法は 、現在のモデル・パラメータのセットのポイントに最も近い部分空間の中のポイ ントを見い出す。距離を有意なものにするには、全モデル・パラメータの単位及 び予想範囲は同一であるべきである。パラメータの値はこの例では、全信号をエ ンジニアリングの単位から範囲のパーセントに変換し、時間軸を現在説明してい る例においては急速に収束させるため、閉ループ特性時間ＴＦの３０％に等しく なるように選択された因子Ｔで正規化することにより無次元にされる。

予測計算における第１段階は、現在のモデル・パラメータ、式１２及び式１３を 使用して、モデル式のエラーを決定することである。

次は、補正係数の値を、式１４、式１５及び式１６で決定することである。

（式１４） （式１５） パラメータｓｏＯは、エラ一応答がノイズ値よりもはるかに大きくはない場合、 モ、デル・パラメータの補正を減じるために導入される。それは外乱の始点でノ イズ値に等しい大きさの非測定及び非モデル化負荷単位を表す。

従って、ｓｈｏはノイズ値の二乗である。

これらの係数は、この後に続く方程式で使用される分母を計算するために結合さ れる。

（式１７） 制約（モデル）方程式を実施するために導入されたラグランシュ乗数が次に計算 される。

最後に、モデル・パラメータはそこで更新される（ｉは０からＮの範囲にわたる ）、式２０及び式２１０本発明の好ましい実施例と現在考えられるものを示し説 明してきたが、当業者にとっては添付の特許請求の範囲で規定された発明の範囲 から外れることなく様々な変更や修正を実施できることは明白である。

図面の簡単な説明 図１は、変化量及び絶対量補償を有する本発明の改良された実施例である制御ル ープの単純化したブロック図である。

図２は、図１の一部を部分的に単純化した線図である。

図３は、図１の他の一部を部分的に単純化した線図である。

図４は絶対補償器の内部構成を示す部分的に単純化した説明図であり、増分フィ ードフォワード補償器の素子が挿入語句で示されている。

図５は増分補償器の内部構成を示す部分的に単純化した説明図であり、増分フィ ードフォワード補償器の素子が挿入語句で示されている。

図６は、図２及び図３の方法と装置とを説明する単純化した流れ図である。

図７は、図２及び図３の方法と装置とを説明する短縮した流れ図である。

図８は、微分信号のモーメントを説明する図面である。

Claims (30)

【特許請求の範囲】
1. １．測定された変数信号を有するプロセス及びこのプロセスの外乱に応答する測 定可能なプロセス外乱を調整するために用いるフィードフォワード制御器の少な くとも１個の制御パラメータを自動的に調整する方法であって、ａ）外乱応答の 始点と終点とを検出する工程と、ｂ）前記外乱が非測定の外乱応答であるか否か を決定する工程と、 ｃ）外乱応答中に、プロセスの結果出力及び入力について実行された時間重みづ けされた積分を含むモーメントによって、前記入力及びプロセスの結果出力を特 徴づける工程と、 ｄ）前記外乱が測定された外乱の場合、モデル式を選択する工程と、 ｅ）前記外乱が測定された外乱の場合、前記特徴付けられた入力及びプロセスの 結果出力を一般的な伝達関数のモデル式に関係付けて、前記入力をプロセスの結 果出力に関係付ける伝達関数パラメータを発生させる工程と、ｆ）前記外乱が非 測定外乱の場合、前記特徴付けられた入力及びプロセスの結果出力を関係付ける 伝達関数モデル式を適合させ、前記入力をプロセスの結果出力に関係付ける伝達 関数パラメータを発生させる工程とを具える方法。
2. ２．前記外乱応答の始点及び終点を検出する工程がピーク検出を含む請求の範囲 １に記載の方法。
3. ３．前記ピーク検出がアプセット条件に対するプロセスの閉ループ応答に対応す るエラー信号を発生させると共に、前記エラー信号の振幅特性を特徴づける工程 を含む請求の範囲２に記載の方法。
4. ４．前記制御器は閉ループ応答を有し、さらに有意な測定応答中に前に確認され たピークの数を制御器の閉ループ応答の関数として決定する工程を含む請求の範 囲３に記載の方法。
5. ５．エンジニアリングユニットからの信号をパーセントーオプーレンジ信号に変 換し、前記換算係数Ｔを正規化する工程により、前記パラメータ値を無次元値と する請求の範囲１に記載の方法。
6. ６．前記換算係数Ｔを、閉ループ時間因子ＴＦの２０％以上とした請求の範囲５ に記載の方法。
7. ７．前記換算係数Ｔを、閉ループ時間因子ＴＦの５０％に等しいか又はこれ以下 とした請求の範囲５に記載の方法。
8. ８．工程ｅ）において前記外乱の始点の条件に適合を行い、次のリコールのため に適合情報を記憶する工程を含む請求の範囲１に記載の方法。
9. ９．前記格関された条件に従って前記適合をインデックスする工程を含む請求の 範囲８に記載の方法。
10. １０．入力及びプロセスの結果出力を有するプロセスの多変数適応フィードフォ ワード制御であって、前記プロセスはプロセス外乱による応答遷移の作用を受け 、フィードフォワード適応が ａ）応答外乱の始点と終点を検出する工程と、ｂ）応答遷移中に、プロセスの結 果出力及び入力について実行された時間重みづけされた積分を含むモーメントに よって、前記入力及びプロセスの結果出力を特徴づける工程と、 ｃ）前記特徴付けられた入力及びプロセスの結果出力を一般的な伝達関数のモデ ル式に関係付けて、前記入力をプロセスの結果出力に関係付けるモデル補償パラ メータを発生させる工程と、 ｄ）ｉ）設定値とプロセス外乱に対するプロセスの閉ループ応答との間の差を表 すエラー信号を発生させ、ｉｉ）前記エラー信号のパターンの特徴の振幅値特性 を識別し及び測定し、 ｉｉｉ）前記測定された特性と目標特性との間の差を改良するために、前記フィ ードバック制御器の少なくとも１個のプロセス制御パラメータを自動的に調整す ることによってフィードバック制御信号を発生させる工程を具える方法によって 達成されるプロセスの多変数適応フィードフォワード制御。
11. １１．前記フィードフォワード制御とフィードバック制御との間の対立を検知し 、フィードバック制御器によって非測定負荷外乱の排除が達成できない場合フィ ードフォワード制御器を離調する工程をさらに含む請求の範囲１０に記載の方法 。
12. １２．工程ｅ）において過去のモデル補償パラメータから新規の補償パラメータ を計算する請求の範囲１０に記載の方法。
13. １３．前記フィードフォワード制御及び前記フィードバック制御が、最初に増分 補正を導入する同一のプロセス・ループを制御するために使用される請求の範囲 １０に記載の方法。
14. １４．多変数を有するプロセスで使用する適応フィードバック制御器であって、 ａ）前記プロセス変数の１個を操作する手段と、ｂ）（ｉ）設定値信号、第１の 測定信号、微分フィードフォワード信号、及び積分フィードバック信号を受信し 、（ｉｉ）第１の制御器出力信号を発生する手段を含む第１の制御器と、 ｃ）（ｉ）第２の制御設定値信号及び第２の測定信号を受信し、（ｉｉ）前記操 作手段を制御するための第２の制御信号を出力する手段を具える第２の制御器と 、ｄ）（ｉ）絶対負荷信号、ダイナミック絶対補償信号、第１の制御器出力信号 、及び第２の測定信号を受信し、（ｉｉ）第２の制御設定値信号及び積分フィー ドバック信号を発生する手段を具える機能ブロックとを具える適応フィードバッ ク制御器。
15. １５．絶対フィードフォワード測定負荷信号を受信してダイナミックフィードフ ォワード補償信号を発生する手段を具える絶対補償器をさらに含む請求の範囲１ ４に記載の制御器。
16. １６．前記補償器がゲイン遅延をさらに含む請求の範囲１４に記載の制御器。
17. １７．設定値信号、第１の測定信号、及び第２の測定信号を受信する手段をさら に含み、前記ゲイン遅延を適応性良く同調されたローバスフィルタによって近似 する請求の範囲１６に記載の制御器。
18. １８．フィルタは０．７の減衰二次式を含む請求の範囲１７に記載の制御器。
19. １９．独立した応答の予想終点を決定し、識別器入力の各々についてのフィルタ パラメータを設定し、モーメント計算及びモデル係数の計算のための時間軸を正 規化するために使用する閉ループ特性時間ＴＦを有し、この閉ループ特性時間Ｔ Ｆを閉ループ特性式における一次項の係数とし、Ｄを微分時間とし、Ｉを積分時 間とし、Ｐをフィードバック制御器の比例帯域とし、Ｎを第１の測定信号に対す るインデックスとした場合に、 式ＴＦ＝Ｄ＋Ｉ（１＋ａＮＯａｂ　Ｐ／１００）で表示される請求の範囲１５に 記載の制御器。
20. ２０．設定値信号、第１の測定信号、積分フィードバック信号、及び増分負荷を 受信し、増分フィードフォワード補償信号を発生する手段を具える増分アダプタ をさらに含む請求の範囲１４に記載の制御器。
21. ２１．設定値信号、第１の測定信号、制御器出力信号、及び増分負荷を受信し、 増分フィードフォワード補償信号を発生する手段を具える増分アダプタをさらに 含む請求の範囲１４に記載の制御器。
22. ２２．各負荷と関連し、フィルタリングし、補償し、前記結果を前記和へ加算し 、次に前記フィードバック制御器で前記和を積分累算された全増分フィードフォ ワード補償をフィードバック制御器の出力に効率良く加算する手段をさらに含む 請求の範囲２０に記載の制御器。
23. ２３．各負荷と関連し、フィルタリングし、補償し、前記結果を前記和へ加算し 、次に前記フィードバック制御器で前記和を積分累算された全増分フィードフォ ワード補償をフィードバック制御器の出力に効率良く加算する手段をさらに含む 請求の範囲２１に記載の制御器。
24. ２４．補償器はゲイン遅延をさらに含む請求の範囲２０に記載の制御器。
25. ２５．プロセスが定常状態にある間、プロセスをバンピングすることなくゲイン 項を更新する手段をさらに含む請求の範囲２２に記載の制御器。
26. ２６．ゲイン遅延は適応性良く同調されたローパスフィルタにより近似される請 求の範囲２５に記載の制御器。
27. ２７．フィルタは０．７の減衰二次式を含む請求の範囲２６に記載の制御器。
28. ２８．独立した応答の予想終点を決定し、識別器入力の各々についてのフィルタ パラメータを設定し、モーメント計算及びモデル係数の計算のための時間軸を正 規化するために使用する閉ループ特性時間ＴＦを有し、この閉ループ特性時間Ｔ Ｆを閉ループ特性式における一次項の係数とし、Ｄを微分時間とし、Ｉを積分時 間とし、Ｐをフィードバック制御器の比例帯域とし、Ｎを第１の測定信号に対す るインデックスとした場合に、 式ＴＦ＝Ｄ＋Ｉ（１＋ａＮＯａｂ　Ｐ／１００）で表示される請求の範囲２２に 記載の制御器。
29. ２９．前記絶対負荷信号及び前記ダイナミック絶対補償・信号を加算する手段を さらに含む請求の範囲１６に記載の制御器。
30. ３０．前記第１の制御器及び前記絶対補償器の効果的なゲインが絶対フィードフ ォワード測定負荷信号及びフィードフォワード補償信号を加算することから発生 した絶対フィードフォワード信号にほぼ比例する請求の範囲２９に記載の制御器 。 ▲数式、化学式、表等があります▼式１▲数式、化学式、表等があります▼式２ ▲数式、化学式、表等があります▼式３▲数式、化学式、表等があります▼式４ ▲数式、化学式、表等があります▼式５▲数式、化学式、表等があります▼式６ ▲数式、化学式、表等があります▼式７▲数式、化学式、表等があります▼式８ ▲数式、化学式、表等があります▼式９▲数式、化学式、表等があります▼式１ ０▲数式、化学式、表等があります▼式１１▲数式、化学式、表等があります▼ 式１２▲数式、化学式、表等があります▼式１３▲数式、化学式、表等がありま す▼式１４▲数式、化学式、表等があります▼式１５▲数式、化学式、表等があ ります▼式１６▲数式、化学式、表等があります▼式１７▲数式、化学式、表等 があります▼式１８▲数式、化学式、表等があります▼式１９▲数式、化学式、 表等があります▼式２０▲数式、化学式、表等があります▼式２１発明の詳細な 説明