JPH10320004A

JPH10320004A - ファジィ制御構築方法

Info

Publication number: JPH10320004A
Application number: JP9132360A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Miyata; 淳宮田
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1997-05-22
Filing date: 1997-05-22
Publication date: 1998-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】十分なモデル構築ができない複雑なプロセスで
の制御を可能とするファジィ制御の構築方法を提供す
る。【解決手段】プロセスの特性に応じて適用可能な制御理
論を複数種類選び出し、それぞれの制御理論をファジィ
制御規則に置き換え、制御パラメータに合わせてメンバ
ーシップ関数を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は複雑なプロセスの新
規なファジィ制御構築方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にプロセス制御では、プロセスをモ
デル化し、シミュレーションなどの検討をふまえて、適
用する制御技術を選定することが通常行われている。因
果関係を理論式や関数関係で整理することができるよう
なプロセスではＰＩＤ制御（比例積分微分制御）のよう
なフィードバック制御が広く用いられている。プロセス
の特性によっては、フィードフォワード制御、スミス補
償、ゲインスケジューリング、カスケード制御などの制
御と組み合わせた複合制御や微分先行型ＰＩＤ制御等、
アドバンストＰＩＤ制御が用いられている。このような
制御系の設計には、プロセスをどのようにモデル化する
かが重要であり、実機へ適用したときの制御特性に大き
な影響を及ぼす。そして、プロセスの入力と出力との因
果関係が複雑になるにつれて、厳密な制御モデルの構築
が困難となり、これらの制御理論による制御よりもファ
ジィ制御等の経験的規則を利用した曖昧な制御方法を適
用することが一般的に行われてきた。

【０００３】図７〜図９にファジィ制御の概念図を示し
た。例えば、プロセスに加えたある操作入力μＡ（ｕ）
（入力１）に対する結果の出力が、「高い」、「普
通」、「低い」と判定される時、そのグレードを図７
（ａ）に示した。また別の操作入力μＢ（ｖ）（入力
２）に対する結果の出力が「上がり傾向」、「安定」、
「下がり傾向」、と判定される時、そのグレードを図７
（ｂ）に示した。これらの情報から、次のファジィ制御
規則により、出力メンバーシップ関数μＺ（ｚ）を作成
する。

【０００４】ｉｆ｛μＡ（ｕ₁ ）∪ μＢ（ｖ₁ ）｝、ｔｈｅｎ μＺ（ｚ₁ ）ｉｆ｛μＡ（ｕ₂ ）∪ μＢ（ｖ₁ ）｝、ｔｈｅｎ μＺ（ｚ₂ ）ｉｆ｛μＡ（ｕ₁ ）∪ μＢ（ｖ₂ ）｝、ｔｈｅｎ μＺ（ｚ₁ ）ｉｆ｛μＡ（ｕ₂ ）∪ μＢ（ｖ₂ ）｝、ｔｈｅｎ μＺ（ｚ₃ ） ………………… ………………… 図８はこのメンバーシップ関数μＺ（ｚ）の例を示すも
のである。そしてファジィ制御は図９に示すように、因
子の重みつけの重心を見出し、これに対応する操作を制
御出力としてプロセスに加えて制御を行う。

【０００５】上記ファジィ制御規則によりメンバーシッ
プ関数を作成するファジィ制御構築方法としては、（ａ）操作方法を熟練オペレータから聞き出す方法（ｂ）操業データと操作量を相関分析や主成分分析によ
り解析し、有意な操作量と制御規則を決定する方法（ｃ）プロセスのファジィモデルを作成してファジィ制
御を構築する方法（ｄ）セルフオーガナイズシステムと呼ばれる、制御規
則の自動学習コントローラによる方法などがある（伊藤修：プロセス制御用ファジィコントロ
ーラとその応用、情報処理、Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．８ｐ
ｐ９４２−９４７（１９８９））。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】プロセス制御に当た
り、当該プロセスに制御理論を適用し、制御精度を向上
させる場合には、厳密なモデル構築が必要である。しか
し、複雑なプロセスではモデル構築が困難な場合が多
く、モデル化できても実プロセスとの誤差が大きい等の
問題がある。従って、十分な制御精度を確保する制御系
や制御パラメータが一意的に求まらない場合があった。
例えば、一次遅れに対してむだ時間の多いプロセスに対
して、スミス補償を用いた制御を構築した場合におい
て、構築したモデルと実プロセスにおける、むだ時間Ｌ
と時定数Ｔに差があると、ハンチング・オーバーシュー
トが発生し、制御精度が低下する。（例えば、千本、花
渕：計装システムの基礎と応用、オーム社ｐｐ４４５−
４５０（１９８７）参照）。例えば、図１０、図１１に
例を示した。図１０、図１１はプロセス無駄時間変化に
対するスミス調節計制御系の応答の例である。図１０
（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれＬｃ＝Ｔｃ＝Ｔｐ＝２０
ｓｅｃ、ＰＢ＝６０％、Ｔ₁ ＝２０ｓｅｃの条件下でそ
れぞれＬｐ＝１２、２０、２８ｓｅｃの場合の応答を示
している。図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれＬｃ＝
Ｌｐ＝Ｔｃ＝２０ｓｅｃ、ＰＢ＝６０％、Ｔ₁ ＝２０ｓ
ｅｃの条件下でそれぞれＴｐ＝１２、２０、２８ｓｅｃ
の場合の応答を示すもので、実線はプロセス出力、破線
は調節形出力を示すものである。このようなハンチング
やオーバーシュートは、パラメータの調整により一時的
には解決できるが、プロセス特性の変化により再発する
という問題がある。

【０００７】また、ファジィ制御を用いる場合、操作方
法を熟練オペレータから聞き出す方法では、基本的な制
御規則を設計することはできるが、熟練オペレータの操
作方法は必ずしも明文化されておらず、無意識のうちに
使われている知識は表に現れないので、完全な制御規則
を設計することは難しいという欠点がある。一方、操業
データと操作量を相関分析や主成分分析により解析し、
有意な操作量と制御規則を決定する方法では、外乱が発
生したときのデータにより不要な制御規則が形成される
という問題があり、さらに頻度の少ない操業アクション
に対しては制御規則が形成されにくいという問題があっ
た。また、プロセスのファジィモデルを作成してファジ
ィ制御を構築する方法では、ファジィモデルの同定に確
定した方法がないという問題があり、さらに、制御規則
の自動学習コントローラによる方法ではメンバーシップ
関数などのファジィ制御変数の同定には有効であるが、
ファジィ規則の生成はできないという問題があった。

【０００８】以上のように、これまでファジィ制御の構
築方法には種々の提案がなされているが、十分な制御規
則の構築とメンバーシップ関数の決定を両立させること
が困難であった。本発明はこれらの問題点を解決したフ
ァジィ制御の構築方法を提供することを目的とし、十分
なモデル構築ができない複雑なプロセスの場合でも制御
精度の向上を図ることができるようにすることを課題と
するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記問題点を
解決する新しいファジィ制御規則の構築方法を与えるも
のである。本発明は、複雑なプロセスのファジィ制御を
構築するに当たり、プロセスの特性に応じて適用可能な
制御理論を複数種類選び出し、それぞれの制御理論をフ
ァジィ制御規則に置き換え、制御パラメータに合わせて
メンバーシップ関数を決定することを特徴とするファジ
ィ制御構築方法である。このようにして構築されたファ
ジィ制御は、ファジィ制御の重心演算によって、複数の
制御理論の影響を反映した平均的な操作量を求めること
によって実行される。

【００１０】本発明では、プロセスの特性に基づいて複
数の制御理論を選び出し、各々を単独で用いた場合の適
正な制御パラメータを求めた後、それぞれの制御理論を
ファジィ制御規則に置き換え、制御パラメータにあわせ
てメンバーシップ関数を定めるようにした。複数の制御
理論を適用したため、それぞれから異なる操作量が出力
されるが、ファジィ制御の重心演算によって、各制御理
論の影響を反映した平均的な操作量を求めることができ
る。

【００１１】また、必要な制御理論をファジィ制御規則
に置き換えているので、熟練オペレータの経験に基ずき
操作方法を決定したり、操業データと操作量を相関分析
や主成分分析により解析し、有意な操作量と制御規則を
決定するような、従来のファジィ制御規則の構築方法で
問題であった制御規則の欠除はない。また、ファジィ制
御規則とメンバーシップ関数の両方を同時に決定するこ
とができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明方法の具体的な例を説明す
ると、まず、プロセスの特性（ステップ応答、制御モデ
ル）に基づいて必要な複数の制御理論を選び出し、それ
ぞれの制御理論を単独で用いた場合の適正な制御パラメ
ータを求める。次に、それぞれの制御理論をファジィ制
御規則に置き換える。

【００１３】以下この手順を、ＰＩ制御（比例積分制
御）を例に挙げて次に示す。ＰＩ制御では、目標値と実
績値との偏差ｅから、次式により制御対象の操作量ＭＶ
を求める。ＭＶ＝１００Ｐ（ｅ＋∫ｅｄｔ／Ｔｉ）ここで、Ｐ、Ｔｉは、それぞれ比例帯、積分時間であ
り、偏差と偏差の積分値の和に比例させて操作量ＭＶを
求めるものである。この操作量ＭＶの式は、（出力）＝ａ×（入力１）＋ｂ×（入力２）の形となっており、操作量ＭＶは入力１（偏差ｅ）、入
力２（偏差の積分値∫ｅｄｔ）のそれぞれ一次元配列の
マトリックスとすることができる。これをファジィ制御
規則に置き換えると、表１のようになる。

【００１４】

【表１】

【００１５】表１中、Ｎは負を、Ｐは正を、Ｂは大を、
Ｓは小を、Ｚ０は零を、それぞれ示している。また、メ
ンバーシップ関数は操作量がＰＩ制御の総量に合うよう
に定める。図１２はこのようにして定めた出力メンバー
シップ関数を例示したもので、出力量の上限と下限との
間で出力量の制御範囲を等分割して決定した。すなわち
図１２においてｐは一定である。次に入力メンバーシッ
プ関数を上記制御式中の係数を用いて、制御パラメータ
によりメンバーシップ関数の頂点と切片の位置をずらす
ことにより決定する。このようにして図１３に示す入力
メンバーシップ関数を決定することができる。

【００１６】以上のように、複雑なプロセスの制御系に
適用される多くの制御理論や相関関係をファジイ規則化
することにより、従来の厳密制御ではモデル構築が難し
く、従って、適切に制御することができなかったプロセ
スを精度よく制御することが可能となった。本発明は以
上のようにして、プロセスの必要な制御理論等をすべて
ファジィ制御規則に置き換え、それぞれの適合度を乗じ
た出力メンバーシップ関数の重心演算結果（和集合の重
心）によって操作量を決定することができ、複雑なプロ
セスの制御が容易になった。

【００１７】

【実施例】本発明を、製鉄所の鉄鉱石、石炭その他の原
料輸送設備であるブーム旋回式リクレーマの制御に適用
した。図２にリクレーマのリクレーミング作業の平面図
を示した。リクレーマ１はバケットホイール２を先端に
装着した旋回ブーム３を旋回７させながら、旋回ブーム
３の先端のバケットホイール２で地上に山積みされてい
る原料パイル５を掘削しつつ、寸動８しながら前進し、
旋回ブーム３内のベルトコンベヤを経由して、搬送ベル
トコンベヤ６上に掘削した原料を載せ、次工程へ原料を
搬送する装置である。リクレーマ１は原料パイル５を円
弧状に切り取りつつ寸動８しながら前進する。原料パイ
ルの切取位置は距離計４により検出する。

【００１８】原料の瞬時輸送量Ｔは、旋回角度をθとし
てＴ＝Ｋｄｃｏｓθ・ｄθ／ｄｔＫは比例定数、ｄはθ＝０における原料掘削深さで表わされる。リクレーミング運転では原料の瞬時輸送
量Ｔを設備能力の範囲内で大きな一定値に保つことが輸
送効率上重要である。また、原料の瞬時輸送量Ｔはバケ
ットホイール駆動電動機の電力（以下、ホイル電力とい
う）Ｐと比例関係にあり、自動リクレーミング運転では
ホイル電力Ｐを検出しこれが一定になるように旋回速度
ｄθ／ｄｔを制御する必要がある。このプロセスは、（１）ブーム３の重量は非常に大きく油圧で駆動されて
いるが、旋回速度ｄθ／ｄｔのむだな時間が長い。すな
わち、ホイル電力Ｐのむだ時間が長い。（２）旋回速度ｄθ／ｄｔに対する原料の瞬時輸送量Ｔ
の応答性がｃｏｓθに応じて変化する。（３）原料パイルの形状が変化し、この形状変化が原料
の瞬時輸送量Ｔへの外乱となる。ただし、この外乱は距
離計４により原料掘削深さｄの変化として観測すること
ができる。などの特徴を有する。

【００１９】これらの要因を持つプロセスに適用する制
御理論は、（イ）無駄時間に対してはスミス補償器（ロ）応答性の変化に対してはゲインスケジューリング（ハ）観測できる外乱に対してはフィードフォワード制
御などがあり、これらを（ニ）一般的なフィードバック制御であるＰＩＤ制御と組み合わせるとことによって原料の瞬間輸送量Ｔを安
定化することができる。これらの制御理論を本発明に従
って、ファジィ制御で構築した制御構成図を図３に示
す。入力値１０としてホイル電力偏差、旋回速度、旋回
角度、距離計出力を入力し、ファジィ制御演算部２０に
おいて、ファジィ制御器はファジィ制御規則により、Ｐ
ＩＤ制御とゲインスケジューリング制御規則群、スミス
補償制御規則群、外乱に対する補償制御規則群の各群ご
とに、メンバーシップ関数に置換する。図１はこの場合
の出力メンバーシップ関数の一例を示したもので、曲線
２１、２２、２３はそれぞれ制御理論１、２、３に対す
るファジィ制御規則の出力メンバーシップ関数である。
この図はある入力が与えられた時のある瞬時の出力メン
バーシップ関数に適合度を乗じた例であって、入力の
値、すなわち制御対象の状態によって山の高さが変化す
るものである。それらのメンバーシップ関数に重み係数
を乗じて、図２に示すように、重心位置の演算を行う。
この出力変数３０として旋回速度目標値を出力し、この
目標値によってリクレーマ１の旋回制御を行うことによ
って、最適なリクレイミング制御を達成することができ
る。

【００２０】本制御を用いて、リクレーミング運転を実
施した結果を図４に、従来のＰＩＤ制御の場合を図５に
示す。図４中、曲線４１はホイル電力ＳＶ、曲線４２は
ホイル電力ＰＶ、曲線４３は旋回角度の時間変化を示す
ものである。同様に図５中、曲線４４はホイル電力Ｓ
Ｖ、曲線４５はホイル電力ＰＶ、曲線４６は旋回角度の
時間変化を示すものである。ホイル電力が０（ｋＷ）近
くまで急減しているが、これは旋回反転動作を繰り返し
ながらリクレーミング運転しており、反転位置付近で原
料の掘削量が急減しているためである。図４からわかる
ように、目標値に対して整定しており、また、図５に示
したＰＩＤ制御の場合と比較しても目標値との偏差が小
さくなっており、本発明により構築したファジィ制御が
有効に作用していることがわかる。

【００２１】図６は実施例の効果を示すグラフである。
実施例では従来例に比べ、払出能力は５００Ｔ／Ｈから
５５０Ｔ／Ｈに増加し、ホイル電力は７．５ｋＷから
４．４ｋＷに減少している。なお、前記実施例では、リ
クレーミング運転のホイル電力制御の場合について説明
したが、本発明はこれに限るものではなく、ファジィ制
御を構築する場合一般に適用することができる。

【００２２】

【発明の効果】本発明では、複雑なプロセスにファジィ
制御を適用する場合、プロセスの特徴に応じて複数の制
御理論を選定し、これらをそれぞれファジィ制御規則に
置き換え、制御パラメータにあわせてメンバーシップ関
数を定めるようにしたので、複数の制御理論において異
なる操作量が出力された場合でも、ファジィ制御の重心
演算によってその平均的な操作量を求めることができ、
精度のよい制御が可能となった。また、本発明により構
築したファジィ制御は、ファジィ制御規則の欠除がな
く、またファジィ制御規則とメンバーシップ関数の両方
を同時に決定することができる。

【００２３】本発明を、原料輸送設備であるビーム旋回
式リクレーマで確認したところ、ホイル電力のばらつき
を小さくすることができ、その結果、払出能力が従来に
比し向上した。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のファジィ制御におけるメンバーシップ
関数の概念を示す図である。

【図２】本発明を実施したリクレーマの平面図である。

【図３】実施例のファジィ制御の構成を示すブロック図
である。

【図４】実施例のチャートである。

【図５】従来例のチャートである。

【図６】実施例の効果を示すグラフである。

【図７】ファジィ制御の概念図を示す図である。

【図８】ファジィ制御の概念図を示す図である。

【図９】ファジィ制御の概念図を示す図である。

【図１０】プロセスのむだ時間、時定数が変化した時の
スミス補償制御系の応答を示す図である。

【図１１】プロセスのむだ時間、時定数が変化した時の
スミス補償制御系の応答を示す図である。

【図１２】出力メンバーシップ関数の例を示す図であ
る。

【図１３】入力メンバーシップ関数の例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１リクレーマ２ホイール３ブーム４距離計５原料パイル６ベルトコンベヤ７旋回８寸動１０入力値２０ファジィ制御演算部２１、２２、２３曲線（出力メンバーシップ関数）３０出力変数４１、４４曲線（ホイル電力ＳＶ）４２、４５曲線（ホイル電力ＰＶ）４３、４６曲線（旋回角度）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複雑なプロセスのファジィ制御を構築す
るに当たり、プロセスの特性に応じて適用可能な制御理
論を複数種類選び出し、該それぞれの制御理論をファジ
ィ制御規則に置き換え、制御パラメータに合わせてメン
バーシップ関数を決定し、該メンバーシップ関数を用い
てファジィ制御を行うことを特徴とするファジィ制御構
築方法。
【請求項２】前記ファジィ制御は、メンバーシップ関
数の重心演算を行い、複数の制御理論の影響を反映した
平均的な操作量を求めることであることを特徴とする請
求項１記載のファジィ制御構築方法。