JPS59163604A - プロセス制御装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、フィードバック制御系とフィードフォワード
制御系とを組合せて所要のゾロセス量を得るプロ２セス
制御装置の改良に関する。

〔発明の技術的背景〕

プロセス制御装置には、２種以上のプロセスを混合して
制御量を所定量に制御する混合制御系があり、具体的に
は熱量混合の温度制御系と成分混合の成分制御系との２
系に大別される。

温度制御系も成分制御系もその原理は同様なので、以下
、熱交換器による温度制御系についてその一例をあけて
説明する。

第１図は従来における温度制御系としてのプロセス制御
装置の構成図を示し、具体的にはプロセス配管１に流れ
る原料流体Ｈを熱交換器２において蒸気配管３で送られ
てくる蒸気熱により所定の温度に加熱制御するものであ
る。まず、熱交換器２の入口側において原料流体Ｈの流
量および温度が流量検出器４および入口側温度検出器５
によって測定され、これら流量信号ｆ、および入口側温
度信号Ｔｉが予め設定された温度設定ｓ６からの温度設
定信号Ｔ８とともに係数演算部７に送られる。この係数
演算部７においてフィードフォワードめ静特性補償分Ｄ
ｎが求められるが、まずそのフィードフォワード係数ｋ
が求められる。すなわち に＝ｋｏＸ（Ｔ、　　Ｔｉ）　　　　　・・・・・・・
・・・・・・・・（１）となり、ｋｏは定数である。こ
れより、熱量ＤｎＶ′ｉ、Ｄｎ＝ｋＸ　ｆｌ　＝に０Ｘ
　（Ｔ、　　Ｔｌ）Ｘｆｌ−＝　（２）によって求Ｖら
れる。この熱量Ｄｎｌ！：は測定した現在の流量ｆｉを
温度Ｔｉから設定温度Ｔ８まで加熱するのに要する熱量
を表わしている。

一方、熱交換器２の出口側において加熱された原料流体
Ｈの温度が出口側温度検出器８により測定され、この出
口側温度信号Ｔ６と温度設定部６からの温度設定信号Ｔ
ｓとの偏差が減算器９によって求められ、その偏差信号
が速度形温度調節計１０に送られる。この速度形温度調
節計１０は偏差信号に基づいてＰＩＤ演算を行ない、そ
の速度形調節出力信号ΔＣｎを出力する。そして、乗算
部１１において速度形調節出力信号ΔＣｎと前記係数演
算部７からの静特性補償分Ｄｎとの乗算が行なわれ、そ
の信号ｆ１・ｋ−Ｃｎが加算部１２に送られる。この加
算部ｉ　Ｊ　Ｋ　ｔｄ　、靜特性補償分Ｄｎを差分演舞
一部１３により速度影信号に変換した信号ΔＤｎが入力
される。したがって加算部１２からの出力はΔＤｎ＋ｆ
ｉ−ｋ・ΔＣｎとなり、この出力は次の速度形−位置形
演算部ＭＶＳ　Ｋより位置影信号ｆｉ　−ｋ　−（１＋
Ｃｎ）となり、加算部１４に送られる。ここで、ＣｎＶ
ｉフィードバック制御系の調節出力信号ΣΔＣｎである
。また前記係数演算部７からの静特性補助分Ｄｎが不児
全倣分部１５によシ動特性補償分すなわちとした信号に
変換されて加算部１４に送られる。

ここで、ＴＰは操作信号を。。における熱交換器２の出
口温度間の時定数、ＴＤは外乱における熱交換器２の出
口温度間の時定数、Ｓはラプラス演算子である。

しかして加算部１４から流量調節計１６へ操作信号ＭＹ
。。すなわち が送られる。そして、流量調節計１６はこの操作信号Ｍ
Ｖｏｎを設定信号とし、この信号と流量検出器１７から
開平演算部１８を経由してきた蒸気流量信号とを比較演
算し、その調節出力信号を調節弁１９に出力する。これ
によシ熱交換器２への蒸気流量が調節されて原料流体Ｈ
が所定の温度に加熱される。

〔背景技術の問題点〕

しかしながら、第（３）式から操作信号ＭＶｏｎの静時
性分Ｍｖｏｎｌｌのみを取出してみると、ＭＹ。ｎ、　
＝　ｆｉ　ＸｋＸ（１＋Ｃｎ）＝ｆｌｘｋ０×（Ｔ８−
Ｔｌ）×（１＋Ｃｎ）＝ｒｔＸｋｏｘｌ（’ｒｓ−Ｔｉ
）十（’ｒｓ−’ｒｔ）ｘｃｎｌ　・・・（４）となる
。第（４）式に表わされる如＜　（Ｔｓ　Ｔｉ）の値が
一定とみなせる場合は問題ないが、温度設足値Ｔ３を変
化させる場合や原料流体の熱交換器入口側温度Ｔｉが時
間的にランダムに変化する場合にＶｉ（Ｔｇ　Ｔｉ）の
値が大きく変化し問題が起こる。

すなわち、（Ｔｓ　Ｔｉ）はフィードバック制御系の調
節出力信号Ｃｎに乗算されているので、（Ｔａ　Ｔｉ）
の値の変化により温度調節計１０および流量調節計１６
の出力グインが変化してしまう。このため各制御系の制
御を乱し、不安定で制御性が低下した制御装置となって
しまう。

以上のような問題は成分制御系のプロセス制御卸装置に
おいても同様に起こる。ただし成分制御系の場合は、第
（３）式におけるフィードフォワード係数ｋがｓ＜＝ｉ
ｃｏ　・（ｘｉ　Ｘｉ　）となる。ここでｋ。

は定数、Ｘ８は設定成分、Ｘｉはプロセス負荷の入口側
における成分である。

〔発明の目的〕

本発明は上記実情に基づいてなされたもので、設定値お
よびプロセス負荷へのプロセス量がランダムに変化して
も安定したプロセス量の制御を行ない得るプロセス１ｕ
１］御装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、フィードバック制御系およびフィードフォワ
ード市１［何基により第１のプロセス量を所冗量に制御
するものにおいて、前記フィードフォワード制御系によ
りプロセス負荷への前記第１のプロセス量に所定の係数
および前記プロセス負荷への第１のプロセス量と設定値
との偏差を求める減算部からの偏差信号を乗算して静特
性補償分を求め、また前記フィードバック制御系により
前記プロセス負荷からの第１のプロセス量と前記設定値
との偏差に基づいて第１の調節手段から調節出力信号を
出力し、そしてこの調節出力信号に前記第１のプロセス
量に内定の係数を乗算したものを乗算し、さらに前記静
特性補償分を差分演算部、操作演算手段を経由したもの
を加算し、この乗算、加算された信号に基づいて第２の
調節手段により第２のプロセス量を制御して前記第１の
プロセス量を所定量に制御するプロセス制御装置である
。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の第１の実施例について第２図を参照して
説明する。なお、従来と同様に温度制御系のプロセス制
御装置について説明し、第１図と同一部分には同一符号
を付して詳しい説明は省略する。第２図ね本発明に係る
プロセス制御装置の構成図である。第２図に示す如くプ
ロセス制御装置には、プロセス゛負荷への第１のプロセ
ス量と予め設定された設定値との偏差を求める減算部２
０が新たに設けられ、さらにフィードフォワード制御系
における静特性補償分を求めるために係数部３０および
乗算部３１を持った静特性手段３２が設けられている。

具体的に説明すると、減算部２０は温度検出器５からの
熱交換器入口側温度信号Ｔｉと温度設定器６からの温度
設定信号Ｔｓとの偏差Ｔ、−Ｔｉを求めるものである。

係数部３０は流量検出器４からの流量信号ｆｌに定数ｋ
。を乗算してフィードバック制御系の乗算部１１に送る
ものであシ、乗算部３１は係数部３０からの信号に前記
減算部２０からの偏差信号ＴＢ−Ｔｉを乗算して静特性
補償分信号Ｄｎを求め、この信号Ｄｎを差分演算部１３
および操作演算手段としての不完全微分部１５へ送るも
のである。ここで、第１のプロセス量としてはノロセス
配管１に送られている原料流体Ｈであり、第２のプロセ
ス量としては蒸気配管３に送られている蒸気流量でるる
。また、第１の調節手段は温度検出器８、減算部９およ
び速度形温度調節計ＩＱから構成されるものであり、第
２の調節手段は流量調節計１６、流量検出器１７、開平
演算部１８および調節弁１９から構成されるものである
。

次に上記の如く構成された装置の動作について説明する
。プロセス配管１に原料流体Ｈが送られることにより原
料流体Ｈの流量および温度が流量検出器４および入口側
および出口側温度検出器５．８によシ測定される。流量
検出器４からの流量信号ｆ１は係数部３０へ、入口側温
度検出器５からの熱交換器入口側温度信号Ｔｌは減算部
２０へ、また出口側温度検出器８からの熱交換器出口側
温度信号Ｔには減算部９へ送られる。

そして、減算部２０は熱交換器入口側温度信号Ｔｉと温
度設定器６からの温度設定信号Ｔ８との偏差を演算して
求め、その偏差信号Ｔｓ−Ｔｉを乗算部３１へ出力する
。

そこでフィードフォワード制御系において次のような動
作が行なわれる。係数部３ｏは流量検出器４からの流量
信号ｆｉに定数に０を乗算し、その信号ｆｉ−ｋｏをフ
ィードバック制御系の乗算部１ノおよびフィードフォワ
ード制御系の来賓ニ＃３ノへ送る。乗算部３１は係数部
３ｏがらの′１ｒ４′４ｆｉ−ｋｏＫ減算部２０からの
偏差信号Ｔｓ−Ｔｉを乗算してフィードフォワード制御
系における静特性補償分信号Ｄｎを求め、この信号Ｄｎ
を差分演算部１３および不完全微分部１５へ出力する。

これにより差分演算部１３は静特性補償分信号Ｄｎを速
度形の信号ΔＤｎに変換して加算部１２へ送る。また不
完全微分部１５ｆ−Ｊ信号りに（ＴＰ−ＴＤ）・Ｓ／（
１＋ＴＤ−８）　　を乗算してフィードフォワード制御
系における動特性補償分信号すなわち を加算部１４へ送る。

これと同時にフィードバック制御系においては次のよう
な動作が行なわれる。減算部９により熱交換器出口側温
度信号Ｔ６と温度設定信号Ｔ８との偏差が求められ、そ
の偏差信号が速度形温度調節計１０に送られる。速度形
温度調節計１０は偏差信号に基づいてＰＩＤ演算を行な
い、その速度形調節出力信号ΔＣｎを出力する。この信
号ΔＣｎは乗算部１１によシ係数部３０からの信号ｆ１
・ｋｏと乗算されｆｉ−に０・ΔＣｎとなって加算部１
２に送られ、さらにこの加算部１２により差分演算部１
３からの信号ΔＤｎと加算されて速度形出力信号ΔＤｎ
＋ｆｉ−ｋ。・ΔＣｎとなシ速度形−位置形演算部ＭＶ
Ｓに送られる。速度形−位置形演算部ＭＶＳは速度形出
力信号を位置影信号Ｍ′ｖｎに変換する。すなわち、 ＭＶｎ＝ΣΔＤｎ＋ｆｉ−ｋ。・ΣΔＣｎ＝　ｆｉ　Ｘ
ｋｏ−（Ｔ、−Ｔｉ　）＋ｆｉ−ｋｏ−Ｃｎ＝ｆｉ−に
０・（Ｔｓ　Ｔｉ＋Ｃｎ）　　・・・・・・・・・・・
・・・・・・・（５〕を加算部１４へ送る。

しかして加算部１４から操作出力信号を。□・・・・・
・・・・（６） が流量調節計１６へ送られる。これにより流量調節計１
６は操作出力信号Ｍ′ｖｏｎを設定信号とし、この信号
Ｍｖｏｎと流量検出器１７から開平演算器１８を経由し
てきた蒸気流量信号とを比較演算し、その調節出力信号
を調節弁１９へ出力する。

これによって熱交換器２への蒸気流量が調節されて原料
流葉Ｈが所定の温度に加熱制御される。

このように本装置においては、流量信号ｆｉに定数ｋ。

を乗算した信号ｆ　１−ｋｏをフィードバック制御系の
乗算部１１に送るとともに乗算部３１により減算部２０
からの偏差信号ＴＢ−Ｔｉと信号ｆｉ−ｋｏとを乗算し
て静特性補償分信号Ｄｎとし、この信号Ｄｎを差分演算
部１３および不完全微分部１５を経由してフィードバッ
ク制御系へ加えて操作信号ＭＶｏｎとするので、操作信
号１ｖＩｖｏｎは第式よりフィードバック制御系で最適
化した静特性補償分子ｉ−ｋ。・（Ｔ８−Ｔｉ十〇ｎ）
と動特性補償分の値に調節出力信号Ｃｎがかがらず流量
調節計１６のゲイン（Ｔｓ　Ｔｉ）の変化によシ変動す
ることはない。これによシ各制御系が乱されることなく
安定したプロセス量の制御が行なえる。

また、速度形の演算を組合せているので、自動−手動の
バランスレス−パンプレス切換力簡単にでき、さらにフ
ィードフォワードモデルを静特性補償分と動特性補償分
とに分離しているので、動特性補償分の出力側に制限要
素を加えることにより動特性補償分に対して不感応帯域
、上下限界制限域およびその方向性を持たせることがで
き、プロセスの特性および運用上の制約条件に合わせて
限界調整が行なえる。

次に本発明の第２の実施例について第３図を参照して説
明する。なお第２図と同一部分には同一符号を付して詳
しい説明は省略する。第３図は本発明に係るプロセス制
御装置の構成図である。第３図に示すプロセス制御装置
は、第２図に示す装置と比較して操作演算手段が異なっ
ており、除算部４０および乗算部４１が新たに設けられ
ている。除算部４０はフィードフォワード制御系の乗算
部３２からの信号Ｄｎと速度形−位置形演算部ＭＶＳか
らの信号賜己の除算（ＭＶＪＤｎ）を求めるものであり
、乗算部４１はこの除算信号と不完全微分部１５からの
信号との乗算を行ない、その信号を加算部１４に送るも
のである。

以下第３図に示す如く構成された本装置の動作について
説明する。上記第１の実施例と同様に、原料流量Ｈの流
量および温度が流量検出器４訃よび入口側および出口側
温度検出器５．８により検出される。そしてフィードフ
ォワード制御系において減算部２０、係数部３０および
乗算部３ノにより静特性補償分信号Ｄｎが求められ、フ
ィードバック制御系において減算部９、温度調節計１０
、速度形−位置形演算部ＭＶＳおよびフィードフォワー
ド制御系からの信号などにより位置形出力信号Ｍ′ｖｎ
が得られる。

そこで除算部４０は乗算部３１からの静特性補償分信号
Ｄｎと速度形−位置形演算部ＭＶＳからの位置形出力信
号１Ｍｖｎとの除算を行なう。すなわち除算（Ｍｖｒｌ
／Ｄｎ）は となり、これが乗算部４１へ送られる。乗算部４ノはこ
の除算信号と不完全微分部１５からの動特性補償分信号
との乗算を行なう。これにより加算部１４°へは なる信号が送られる。これにより加算部１４からは操作
出力信号塵。□ が流量調節計１６へ送られ、この操作出力信号ＭＶ。ユ
を設定信号として上記第１の実施例と同様に蒸気流蓋が
調節されて、原料流体Ｈの温度が所定温度に加熱される
。

このように第３図に示す本装置においては、第２図に示
す装置に除算部４０および乗算部４ノを設けて位置形出
力信号Ｍｖｎを静特性補償分信号Ｄｎで除算したものを
不完全微分部１５からの信号に乗算し、さらに位置形出
力信号ＭＶｎを加算して操作出力信号県。。とするので
、上記第１の実施例と同様に（Ｔｓ　Ｔ＋）の値に調節
出力信号ｃｏがかからすに（Ｔ８　Ｔｔ）の変化によシ
流量調節計１６０ダインが変動することなく安定したノ
ロセス量の制御が行なえる。特に第（８７式に示すよう
に静特性補償分および動特性補償分はフィードバック制
御系の信号Ｃｎにより自動修正されるのでフィードフォ
ワード係数に＝ｋｏ（Ｔｓ　Ｔｉ）は常に最適化されて
いる。

また上記第１の実施例と同様に自動−手動のバランスレ
ス−バンプレス切換が簡単にでき、さらに動特性補償分
に対して不感応帯域、上下限界制限域および方向性を持
たせることができ、プロセスの特性および運用上の制約
条件に合わせて限界調整が行なえる。

なお本発明は上記第１および第２の実施例に限定される
ものではない。上記第１の実施例における不完全微分部
１５を除いてもよい。これにより速度形−位置形演算部
ＭＶＳからの信号が操作出力信号臂。。とな９、この操
作出力信号臂。。は ＩｖｒＶｏｎ＝＝　ｆ　ｉ　−に０（Ｔｇ　Ｔ　ｉ　＋
Ｃｎ）　　＝＝・・・・・＝””　（９）となる。した
がって、この操作出力信号臂。ｎは静特性補償分のみと
なシ、上記第１および第２の実施例と同様に（Ｔｓ−Ｔ
ｔ）に調節出力信号Ｃｎがかからす安定したプロセス量
の制御が行々える。

〔発明の効果〕

本発明によれば、プロセス負荷への第１のプロセス量に
所定の係数を乗算したものをフィードバック制御系の調
節出力信号に加えるとともにフィードフォワード制御系
においてプロセス負荷への第１のプロセス量と設定値と
の偏差を乗算し、この乗算値から静特性および動特性補
償分をフィードパ、り制御系に加えて第２のグロセス鍬
の操作信号とするので、設定値およびプロセス負荷への
プロセス量がランダムに変化しても安定したプロセス量
の制御ができるプロセス制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来における温度制御系のプロセス制御装置の
構成図、第２図は本発明Ｖζ係るプロセス制御装置のｍ
ｌの実施例を示す構成図、第３図は本装置における第２
の実施例を示す構成図である。 １・・・プロセス配管、２・・・熱又換器、３・・・蒸
気配管、４−・・流量検出器、５，８・・・入口側およ
び出口側温度検出器、６・・・温度設定部、９・・・減
算部、１０・・・速度形温度調節計、１ノ・・乗算部、
１２．１４・・・加算部、１３・・・差分演算部、１５
・・・不完全微分部、１６・・・流曾調節計、１７・・
・流量検出器、１８・・・開平演算部、１９・・・調節
弁、２０・・・減算部、３０・・・係数部、３１・・・
乗算部、４０・・・除算部、４１・・・乗算部、Ｈ・・
・原料流体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. フィードバック制御系およびフィードフォワード制御系
   を用いて第１のプロセス量を所定量に制御するプロセス
   制御装置において、プロセス負荷への前記第１のプロセ
   ス量と予め設定された設定値との偏差を求める減算部と
   、前記プロセス負荷への第１のプロセス量に所定の係数
   および前記減算部からの信号を乗算して前記フィードフ
   ォワード制御系における静特性補償分を求める静特性手
   段と、この静特性手段からの静特性補償分信号を速度影
   信号とする差分演算部と、前記プロセス負荷からの前記
   第１のゾロセス量と前記設定値との偏差に基づいて前記
   第１のゾロセス量に対応する速度形の調節出力信号を出
   力する第１の調節手段と、この第１の調節手段からの調
   節出力信号に前記静特性手段における前記第１のプロセ
   ス知と前記係数との乗算値を乗算してのち前記差分演算
   部からの信号を加える手段と、この手段からの信号を位
   置形の信号に変換する速度−位置演算部と、前記静特性
   手段からの静特性補償分信号に基づいて前記フィードフ
   ォワード制御系における動特性補償分を求めて前記速度
   −位置演算部からの信号に加え操作信号とする操作演算
   手段と、この操作演算手段からの操作信号に基づいて前
   記プロセス負荷への第２のプロセス量を制御する第２の
   調節手段とを具備し、前記第２の調節手段により得られ
   た第２のプロセス量を前記第１のゾロセス量に還元して
   前記第１のプロセス量ヲ坊定量に制御することを特徴と
   するプロセス制御装置。