JPH11102203A

JPH11102203A - プラント制御装置

Info

Publication number: JPH11102203A
Application number: JP26037897A
Authority: JP
Inventors: Shoyu Nakai; 井昭祐中
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-09-25
Filing date: 1997-09-25
Publication date: 1999-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】プラントの動特性を精度良く求め、制御パラ
メータの調整を高精度に行い、調整の途中でのプラント
の不安定化を防ぐとともに、パラメータ調整後の制御性
能を向上させる。【解決手段】この発明は、プラントの制御偏差をゼロ
にするようにプラントを制御する制御器２と、プラント
の動特性を表す同定信号を生成する同定信号生成装置１
０と、この同定信号生成装置によって生成された同定信
号を外部から制御器２の入力側に加えた時のプラントの
挙動に基づいてプラントの動特性を表す数学モデルを決
定するプラント同定器４と、プラント同定器４によって
決定された数学モデルに従って制御器２における制御パ
ラメータを調整するパラメータ調整器５とを備えたプラ
ント制御装置において、同定信号生成装置１０がプラン
トの固有の動特性に応じた特性の同定信号を生成するこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般産業プラント
に利用されるフィードバック制御型の制御装置、とくに
制御器の入力側に外部から同定信号を加えた時のプラン
トの応答により制御対象の動特性を推定するとともに、
その推定結果から制御器の制御パラメータを自動調整す
る機能を備えたプラント制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】上述の型の従来のプラント制御装置につ
いて図３を参照して説明する。

【０００３】図３のプラント制御装置は、基本的には、
プラント１の制御量Ｘ、たとえば温度や、流量、圧力な
どを、これをフィードバック量として設定量Ｓと突き合
わせ部６で突き合わせて制御偏差（Ｓ−Ｘ）を求め、そ
の制御偏差をゼロにするように制御器２により操作量Ｙ
を演算し、この操作量Ｙによりプラント１の制御量Ｘを
制御するシステムである。パラメータ自動調整機能を持
つ制御装置では、制御器２の制御パラメータを適切な値
に調整するために、まずプラント１の動特性を把握しな
ければならない。このため、プラント１の動特性を高精
度に求める、いわゆる同定作業を行う必要がある。この
同定作業では、同定信号生成装置３で生成された同定信
号Ｚを、加算器７を介して制御器２に入力し、その時の
プラント１の応答を観測する。すなわち、プラント同定
器４が、制御器２から出力される操作量Ｙおよびプラン
ト１の制御量Ｘを入力として得られた入出力データに最
小二乗法などの同定手法を施してプラントの動特性を表
す数学モデルを決定する。プラント同定器４によって決
定された数学モデルに従ってパラメータ調整器５が制御
器２の制御パラメ−タを自動調整する。自動調整のアル
ゴリズムには種々のものが提案されており、たとえば、
特開昭６３−４９９０１号公報に記載されている「プラ
ント制御系の制御定数設定装置」などの公知の技術を用
いることができる。

【０００４】以上の手順によって自動調節された制御パ
ラメータによって制御器２によりプラント１が制御され
る。同定信号Ｚとしては、Ｍ系列信号やランダム２値化
信号を用いるのが一般的である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】同定信号ＺとしてＭ系
列信号やランダム２値化信号を用いる場合を考えると、
これらの信号はほぼ一様な周波数特性を持っている。こ
のため、同定手法として一般に広く用いられている最小
二乗法を用いると、高域に誤差評価の重みが偏ってしま
い、同定の精度が著しく低下する。

【０００６】制御パラメータの調整手法によっては、プ
ラントのカットオフ周波数近辺の特性等、特定の周波数
帯域の特性のみを高精度に求めたい場合が多々ある。従
来方式による上記の同定信号を用いたのでは、高精度に
求めたい帯域もそうでない帯域も一様に同一の重みをも
って演算されるため、特定の周波数帯域の特性の精度の
みを向上させることはできない。

【０００７】また制御器２を動作させながら同定作業を
行った場合、同定誤差評価の周波数特性が制御器２の特
性に左右されてしまい、プラント１の数学モデルの推定
値に誤差を生じやすいことも知られている。

【０００８】以上のように従来の制御装置における制御
パラメータの調整手法では、制御パラメータの調整時に
重要となる周波数帯域のプラント動特性を高精度に把握
することができない。このため、プラントモデルの同定
誤差に起因したパラメータ調整時のプラントの不安定化
や、制御性能の低下という事態ががしばしば発生すると
いう問題点があった。

【０００９】そこで本発明の目的は、上記従来の制御装
置が有する課題を解決し、プラントの動特性を精度良く
求め、制御パラメータの調整を高精度に行い、調整途中
でのプラントの不安定化を防ぐとともに、パラメータ調
整後の制御性能を向上させることができるプラント制御
装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に係る発明は、プラントの制御量を設定量
と比較しその制御偏差をゼロにするための操作量を出力
してプラントの制御量を制御する制御器と、プラントの
動特性を表す同定信号を生成する同定信号生成手段と、
同定信号生成手段によって生成された同定信号を外部か
ら制御器の入力側に加えた時の操作量および制御量に基
づいてプラントの動特性を表す数学モデルを決定するプ
ラント同定手段と、プラント同定手段によって決定され
た数学モデルに従って制御器における制御パラメータを
調整するパラメータ調整手段とを備えたプラント制御装
置において、同定信号生成手段がプラントの固有の動特
性に応じた特性の同定信号を生成することを特徴とする
ものである。

【００１１】請求項２に係る発明は、請求項１に記載の
プラント制御装置において、同定信号生成手段が、同定
信号を、プラントの既知情報を用いてカットオフ周波数
付近の信号を多く含むように生成することを特徴とする
ものである。

【００１２】請求項３に係る発明は、請求項１に記載の
プラント制御装置において、同定信号生成手段が、あら
かじめ同定作業を行って推定されたカットオフ周波数付
近の信号成分を多く含む同定信号を生成し、プラント同
定手段が、同定信号生成手段によって生成された同定信
号を制御器の入力側に加えた時のプラントの挙動に基づ
いてプラントの動特性を表す数学モデルを修正し、パラ
メータ調整手段が、修正された数学モデルに基づいて制
御器の制御パラメータを再度調整することを特徴とする
ものである。

【００１３】請求項４に係る発明は、請求項１ないし３
のいずれかに記載のプラント制御装置において、同定信
号生成手段が、スペクトル密度が周波数に関して一様に
分布した白色雑音を発生するランダム信号発生器と、こ
のランダム信号発生器から出力される白色雑音を入力と
しプラントのカットオフ周波数周辺を通過周波数帯域と
するバンドパスフィルタとして構成された周波数選択演
算器とを備えていることを特徴とするものである。

【００１４】請求項５に係る発明は、請求項４に記載の
プラント制御装置おいて、同定信号生成手段が、周波数
選択演算器の出力に振幅制限を加える２値化演算器とし
て構成された振幅制限演算器をさらに備えていることを
特徴とするものである。

【００１５】請求項６に係る発明は、請求項１に記載の
プラント制御装置において、同定信号生成手段が、同定
信号を、プラントの既知情報を用いてプラントの周波数
特性と同様の周波数特性を持つように生成することを特
徴とするものである。

【００１６】請求項７に係る発明は、請求項１に記載の
プラント制御装置において、同定信号生成手段が、あら
かじめ同定作業を行って得られたプラントの周波数特性
推定値と同様の周波数特性を持つ同定信号を生成し、プ
ラント同定手段が、同定信号生成手段によって生成され
た同定信号を制御器の入力側に加えた時のプラントの挙
動に基づいてプラントの動特性を表す数学モデルを修正
し、パラメータ調整手段が、修正された数学モデルに基
づいて制御器の制御パラメータを再度調整することを特
徴とするものである。

【００１７】請求項８に係る発明は、請求項６または７
に記載のプラント制御装置において、同定信号生成手段
が、スペクトル密度が周波数に関して一様に分布した白
色雑音を発生するランダム信号発生器と、このランダム
信号発生器から出力される白色雑音を入力としプラント
のカットオフ周波数周辺を通過周波数帯域とするバンド
パスフィルタとして構成された周波数選択演算器とを備
えていることを特徴とするものである。

【００１８】請求項９に係る発明は、請求項８に記載の
プラント制御装置おいて、同定信号生成手段が、周波数
選択演算器の出力に振幅制限を加える２値化演算器とし
て構成された振幅制限演算器をさらに備えていることを
特徴とするものである。

【００１９】請求項１０に係る発明は、請求項１ないし
９のいずれかに記載のプラント制御装置において、同定
信号生成手段が、プラント動特性の推定モデルＰと制御
器のモデルＣに基づいて、｜１＋ＰＣ｜²／｜Ｃ｜² で表される周波数特性を持つ同定信号を出力することを
特徴とするものである。

【００２０】請求項１１に係る発明は、請求項１ないし
９のいずれかに記載のプラント制御装置において、同定
信号生成手段が、プラント動特性の推定モデルＰと制御
器のモデルＣプラントのカットオフ周波数を通過帯域に
持つフィルタ回路Ｆによって、｛｜１＋ＰＣ｜²／｜Ｃ｜²｝Ｆで表される周波数特性を持つ同定信号を出力することを
特徴とするものである。

【００２１】請求項１２に係る発明は、請求項１０また
は１１に記載のプラント制御装置において、同定信号生
成手段が、スペクトル密度が周波数に関して一様に分布
した白色雑音を発生するランダム信号発生器と、このラ
ンダム信号発生器から出力される白色雑音を入力としプ
ラント動特性の推定モデルＰと制御器のモデルＣプラン
トのカットオフ周波数を通過帯域に持つフィルタ回路Ｆ
を用いて、｛｜１＋ＰＣ｜²／｜Ｃ｜²｝Ｆで表される周波数選択演算器と、この周波数選択演算器
の出力に振幅制限を加える２値化演算器として構成され
た振幅制限演算器とを備えていることを特徴とするもの
である。

【００２２】

【発明の実施の形態】

＜実施の形態１＞（実施の形態１の構成）図１は実施の形態１を示すもの
である。この実施の形態によるプラント制御装置は、プ
ラント１の制御ために、制御器２、プラント同定器４、
パラメータ調整器５、突き合わせ部６、加算器７、およ
び同定信号生成装置１０を備えている。同定信号生成装
置１０は、ランダム信号発生器１１、周波数選択演算器
１２、および振幅制限演算器１３からなっている。ラン
ダム信号発生器１１は、スペクトル密度が周波数に関し
て一様に分布した白色雑音を発生する。周波数選択演算
器１２は、ランダム信号発生器１１から出力される白色
雑音を入力とし、プラント１のカットオフ周波数ｆｃ周
辺を通過周波数帯域とするバンドパスフィルタとして構
成される。振幅制限演算器１３は、振幅制限用２値化演
算器であり、たとえば、入力信号の最大値と最小値を制
限する演算処理や、信号を２値信号に変換する演算処理
を実施する演算器である。

【００２３】（実施の形態１の作用）プラント１のカッ
トオフ周波数は事前に開ループまたは閉ループによる単
体の同定試験を行うことによって簡単に推定することが
できる。このとき、同定手法としては、最小二乗法等の
一般に広く用いられている手法を利用することができ
る。またプラント１の既知情報としてカットオフ周波数
ｆｃの概略値があらかじめ得られている場合もある。ラ
ンダム信号発生器１１から出力された白色雑音信号は周
波数選択演算器１２においてプラント１のカットオフ周
波数ｆｃ周辺の成分が大きくなるように周波数整形さ
れ、２値化演算器である振幅制限演算器１３へと導かれ
る。周波数選択演算器１２は公知のバンドパスフィルタ
の設計手法を用いて設計される。その場合、中心周波数
がカットオフ周波数ｆｃに一致するように設計される。
振幅制限演算器１３は入力信号を２値信号に変換し、そ
れを同定信号Ｚとして出力する。突き合わせ部６の出力
は、設定量Ｓと制御量Ｘの差に相当する（Ｓ−Ｘ）であ
り、これに加算器７を介して同定信号Ｚを加えることに
より、制御器２の入力信号は、（Ｓ−Ｘ）＋Ｚとなる。

【００２４】以上の回路構成を有する制御装置によれ
ば、同定信号Ｚとして、プラント１のカットオフ周波数
ｆｃ周辺の成分の大きな２値信号を生成し、その同定信
号Ｚが制御偏差に加えられた形で制御器２に入力され
る。これによりプラント１は同定信号Ｚにより励起さ
れ、それによりプラント同定器４はプラント１の動特性
の情報を含んだ信号を出力する。同定信号Ｚは２値信号
であるので、プラント１ヘの影響を過大にすることがな
い。またカットオフ周波数ｆｃ周辺の成分を多く含んで
いるため、従来装置に比較して出力にもカットオフ周波
数ｆｃ周辺の成分を多く含んだ信号を得ることができ
る。

【００２５】制御器２からプラント１への入力すなわち
操作量Ｙ、およびプラント１の出力すなわち制御量Ｘを
表す信号がプラント同定器４に入力され、これらの入出
力信号に基づいてプラント同定器４はプラント１の動特
性を表す数学モデルのパラメータを決定し、結果的に数
学モデルを決定する。プラント同定器４における同定手
法としては、一般的に広く用いられている最小二乗法等
の手法を用いることができる。

【００２６】実施の形態１によれば、従来方式に比較し
プラント１のカットオフ周波数ｆｃ周辺の情報を相対的
に多く用いることになるため、その周波数帯域での同定
誤差を小さくし、精度の良い同定処理を行うことができ
る。カットオフ周波数ｆｃ帯域の周波数特性は、プラン
ト１の安定性に関する情報を多く含んでいるので、この
特性からパラメータ調節器５により制御器２の制御パラ
メータを適切な値に自動調整する。制御パラメータの調
整手法自体は、すでに確立されているものを用いればよ
い。これに関しては、たとえば前述の特開昭６３−４９
９０１号公報に記載されている調整手法を用いることが
できる。これにより、制御器２の調整に伴うプラント１
の不安定化を防止し、従来装置に比較して制御性能を向
上させることができる。

【００２７】＜実施の形態２＞（実施の形態２の構成）実施の形態２によるプラント制
御装置は、実施の形態１によるプラント制御装置と比較
して、同定信号Ｚの加え方が異なる。すなわち、実施の
形態１では、突き合わせ部６から出力される制御偏差
（Ｓ−Ｘ）に対し加算器７を介して同定信号Ｚを加えて
いる。これに対して、実施の形態２では、加算器７によ
りまず設定量Ｓに同定信号Ｚを加えてその和（Ｓ＋Ｚ）
を求め、その和を突き合わせ部６に入力し、ここで制御
量Ｘとの差（Ｓ＋Ｚ−Ｘ）を求めて制御器２に入力す
る。

【００２８】（実施の形態２の作用）図２の制御装置に
おいては、まず、加算器７で和信号（Ｓ＋Ｚ）を求めた
後、制御量Ｘを差し引いて、（Ｓ＋Ｚ−Ｘ）を求める。
しかし、（Ｓ＋Ｚ）−Ｘ＝（Ｓ−Ｘ）＋Ｚであり、結局、図２の制御装置が図１の制御装置と実質
的に同一作用を遂行することは明らかである。したがっ
て、図２に示す実施の形態２は、すでに述べた実施の形
態１による制御装置の作用・効果と同一の作用・効果を
奏する。

【００２９】＜実施の形態３＞（実施の形態３の構成）周波数選択演算器１２として、
実施の形態３においては、プラント１の推定モデルＰと
制御器２のモデルＣを用いて、｛｜１＋ＰＣ｜²／｜Ｃ｜²｝Ｆ …（１）という数式で構成されるフィルタ回路を用いる。ここで
Ｆは、制御パラメータを調整する際に重要になる周波数
帯域を通過帯域に持つフィルタ回路である。一様な重み
を用いるときは、Ｆ＝１とし、カットオフ周波数ｆｃ帯
域の情報について重みを大きくするときは、Ｆとしてカ
ットオフ周波数ｆｃを中心周波数に持つバンドパスフィ
ルタとして構成される。

【００３０】（実施の形態３の作用）実施の形態３によ
れば、同定結果に対する誤差評価の周波数特性は、｛｜（Ｐ−Ｐtrue）／（１＋ＰＣ）｜²｝｜Ｃ｜² …（２）で表される。ただし、Ｐtrueは、プラント１の真の（誤
差がゼロの）モデルとする。入力信号として、周波数選
択演算器１２の特性に従い、｛｜１＋ＰＣ｜²／｜Ｃ｜²｝Ｆ …（３）で周波数整形された信号を用いると、上記の誤差が、｜（Ｐ−Ｐtrue）｜² …（４）となり、制御器２の影響を受けない同定を行うことがで
きる。たとえば、Ｆ＝１として周波数選択演算器１２
を、｛｜１＋ＰＣ｜²／｜Ｃ｜²｝Ｆ …（５）として構成すると、周波数に対して一様な重みを持つ評
価を行うことができる。この結果、従来の手法に比較し
て同定誤差を小さくし、精度の良い同定モデルを得るこ
とができる。得られた特性からパラメータ調節器５で制
御器２の制御パラメータを決定し調節する。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、制御器の制御パラメー
タを調整するのに必要なプラントの動特性を、従来装置
に比べて精度良く求めることができる。このため、制御
パラメータの調整を高精度に行うことができ、調整途中
でのプラントの不安定化を防止するとともに、パラメー
タ調整後の制御性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１によるプラント制御装置のブロッ
ク図。

【図２】実施の形態２によるプラント制御装置のブロッ
ク図。

【図３】従来のプラント制御装置のブロック図。

【符号の説明】

１プラント２制御器４プラント同定器５パラメータ調整器６突き合わせ部７加算器１０同定信号生成装置１１ランダム信号発生器１２周波数選択演算器１３振幅制限演算器Ｓ設定量Ｘ制御量Ｙ操作量Ｚ同定信号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラントの制御量を設定量と比較しその制
御偏差をゼロにするための操作量を出力して前記プラン
トの制御量を制御する制御器と、プラントの動特性を表
す同定信号を生成する同定信号生成手段と、前記同定信
号生成手段によって生成された同定信号を外部から前記
制御器の入力側に加えた時の前記操作量および制御量に
基づいてプラントの動特性を表す数学モデルを決定する
プラント同定手段と、前記プラント同定手段によって決
定された数学モデルに従って前記制御器における制御パ
ラメータを調整するパラメータ調整手段とを備えたプラ
ント制御装置において、前記同定信号生成手段がプラン
トの固有の動特性に応じた特性の同定信号を生成するこ
とを特徴とするプラント制御装置。
【請求項２】請求項１に記載のプラント制御装置におい
て、前記同定信号生成手段が、前記同定信号を、プラン
トの既知情報を用いてカットオフ周波数付近の信号を多
く含むように生成することを特徴とするプラント制御装
置。
【請求項３】請求項１に記載のプラント制御装置におい
て、前記同定信号生成手段が、あらかじめ同定作業を行
って推定されたカットオフ周波数付近の信号成分を多く
含む同定信号を生成し、前記プラント同定手段が、前記
同定信号生成手段によって生成された前記同定信号を前
記制御器の入力側に加えた時のプラントの挙動に基づい
てプラントの動特性を表す数学モデルを修正し、前記パ
ラメータ調整手段が、前記修正された数学モデルに基づ
いて前記制御器の制御パラメータを再度調整することを
特徴とするプラント制御装置。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載のプラ
ント制御装置において、前記同定信号生成手段が、スペ
クトル密度が周波数に関して一様に分布した白色雑音を
発生するランダム信号発生器と、このランダム信号発生
器から出力される白色雑音を入力としプラントのカット
オフ周波数周辺を通過周波数帯域とするバンドパスフィ
ルタとして構成された周波数選択演算器とを備えている
ことを特徴とするプラント制御装置。
【請求項５】請求項４に記載のプラント制御装置おい
て、前記同定信号生成手段が、前記周波数選択演算器の
出力に振幅制限を加える２値化演算器として構成された
振幅制限演算器をさらに備えていることを特徴とするプ
ラント制御装置。
【請求項６】請求項１に記載のプラント制御装置におい
て、前記同定信号生成手段が、前記同定信号を、プラン
トの既知情報を用いてプラントの周波数特性と同様の周
波数特性を持つように生成することを特徴とするプラン
ト制御装置。
【請求項７】請求項１に記載のプラント制御装置におい
て、前記同定信号生成手段が、あらかじめ同定作業を行
って得られたプラントの周波数特性推定値と同様の周波
数特性を持つ同定信号を生成し、前記プラント同定手段
が、前記同定信号生成手段によって生成された同定信号
を前記制御器の入力側に加えた時のプラントの挙動に基
づいてプラントの動特性を表す数学モデルを修正し、前
記パラメータ調整手段が、前記修正された数学モデルに
基づいて前記制御器の制御パラメータを再度調整するこ
とを特徴とするプラント制御装置。
【請求項８】請求項６または７に記載のプラント制御装
置において、前記同定信号生成手段が、スペクトル密度
が周波数に関して一様に分布した白色雑音を発生するラ
ンダム信号発生器と、このランダム信号発生器から出力
される白色雑音を入力としプラントのカットオフ周波数
周辺を通過周波数帯域とするバンドパスフィルタとして
構成された周波数選択演算器とを備えていることを特徴
とするプラント制御装置。
【請求項９】請求項８に記載のプラント制御装置おい
て、前記同定信号生成手段が、前記周波数選択演算器の
出力に振幅制限を加える２値化演算器として構成された
振幅制限演算器をさらに備えていることを特徴とするプ
ラント制御装置。
【請求項１０】請求項１ないし９のいずれかに記載のプ
ラント制御装置において、前記同定信号生成手段が、プ
ラント動特性の推定モデルＰと前記制御器のモデルＣに
基づいて、｜１＋ＰＣ｜²／｜Ｃ｜² で表される周波数特性を持つ同定信号を出力することを
特徴とするプラント制御装置。
【請求項１１】請求項１ないし９のいずれかに記載のプ
ラント制御装置において、前記同定信号生成手段が、プ
ラント動特性の推定モデルＰと前記制御器のモデルＣプ
ラントのカットオフ周波数を通過帯域に持つフィルタ回
路Ｆによって、｛｜１＋ＰＣ｜²／｜Ｃ｜²｝Ｆで表される周波数特性を持つ同定信号を出力することを
特徴とするプラント制御装置。
【請求項１２】請求項１０または１１に記載のプラント
制御装置において、前記同定信号生成手段が、スペクト
ル密度が周波数に関して一様に分布した白色雑音を発生
するランダム信号発生器と、このランダム信号発生器か
ら出力される白色雑音を入力としプラント動特性の推定
モデルＰと制御器のモデルＣプラントのカットオフ周波
数を通過帯域に持つフィルタ回路Ｆを用いて、｛｜１＋ＰＣ｜²／｜Ｃ｜²｝Ｆで表される周波数選択演算器と、この周波数選択演算器
の出力に振幅制限を加える２値化演算器として構成され
た振幅制限演算器とを備えていることを特徴とするプラ
ント制御装置。