WO2020022430A1 - 制御装置、制御方法及びコンピュータプログラム - Google Patents

制御装置、制御方法及びコンピュータプログラム Download PDF

Info

Publication number
WO2020022430A1
WO2020022430A1 PCT/JP2019/029215 JP2019029215W WO2020022430A1 WO 2020022430 A1 WO2020022430 A1 WO 2020022430A1 JP 2019029215 W JP2019029215 W JP 2019029215W WO 2020022430 A1 WO2020022430 A1 WO 2020022430A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
value
amplitude
evaluation function
control
bias
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/029215
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
祐太 大西
理 山中
卓巳 小原
諒 難波
由紀夫 平岡
Original Assignee
株式会社東芝
東芝インフラシステムズ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社東芝, 東芝インフラシステムズ株式会社 filed Critical 株式会社東芝
Priority to CN201980047135.4A priority Critical patent/CN112400142B/zh
Publication of WO2020022430A1 publication Critical patent/WO2020022430A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric

Definitions

  • the embodiments of the present invention relate to a control device, a control method, and a computer program.
  • Extreme value control is a control technique capable of searching for an optimum value of an operation amount in real time without using a complicated model that simulates a plant.
  • the outline of the extreme value control is based on a control amount based on a control amount of a control target process generated by forcibly changing an operation amount given to a process to be controlled (hereinafter, referred to as a “control target process”). This is to search for an operation amount at which the evaluation amount becomes an optimum value.
  • control parameters various parameters related to extreme value control
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a control device, a control method, and a computer program that can set an appropriate operation amount according to a change in a control target.
  • the control device has a bias generation unit and an extreme value control unit.
  • the bias generator adds a bias to the amplitude of the perturbation signal.
  • the extreme value control unit adds the biased perturbation signal to the manipulated variable given to the control target process, and gives the manipulated variable to a predetermined evaluation function to thereby provide an evaluation indicating an index related to optimization of the control target process. A function value is acquired, and an optimum value of the manipulated variable given to the control target process is searched based on the evaluation function value.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating an operation example of extreme value control according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a specific example of a position where extreme value control is applied to an evaluation function having a plurality of extreme values in the embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram for adding a bias to a first dither signal according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a first specific example of a time-series change of a first dither signal according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a first specific example of a time-series change in the operation amount according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a first specific example of a time-series change of an evaluation function value according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a block diagram for setting an amplitude to a first dither signal according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a second specific example of a time-series change in the amplitude of the first dither signal according to the embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a second specific example of a time-series change in the operation amount according to the embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a second specific example of a time-series change of the evaluation function value according to the embodiment. The figure showing the outline of the water treatment plant to which the embodiment is applied.
  • FIG. 2 is a functional block diagram illustrating a specific example of a functional configuration of the control device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a specific example of extreme value control based on the control device according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing a specific example of a temporal change of an operation amount and an evaluation function value when extreme value control is performed by a conventional method.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a specific example of a temporal change of an operation amount and an evaluation function value when extreme value control is performed by the control device according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a functional block diagram illustrating a first specific example of a functional configuration of a control device according to a second embodiment.
  • FIG. 9 is a functional block diagram illustrating a second specific example of the functional configuration of the control device according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a specific example of a temporal change of an operation amount and an evaluation function value in the extreme value control according to the second embodiment.
  • FIG. 13 is a functional block diagram illustrating a specific example of a functional configuration of a control device according to a third embodiment.
  • Extreme value control is a control method for adaptively searching for the optimal value of the evaluation function based on the operation amount of the control target process and a change in the evaluation function value according to the change in the operation amount.
  • the evaluation function value is determined based on the operation amount of the process to be controlled.
  • the evaluation function value is a value indicating an index related to optimization of the process to be controlled.
  • the relationship between the evaluation function value and the operation amount is represented by a predetermined evaluation function.
  • the evaluation function may be set based on any evaluation criteria as long as it is based on the operation amount.
  • the evaluation function value may be the operation amount itself. Generally, in a control target process in extreme value control, this evaluation function is an unknown function with respect to an operation amount.
  • a manipulated variable is forcibly vibrated by applying a dither signal, and an evaluation function value that changes according to the manipulated variable is observed. Then, the operation amount is changed in such a direction that the evaluation function value approaches the optimum value of the evaluation function.
  • the method of making the evaluation function value closer to the optimum value of the evaluation function by repeatedly increasing and decreasing the operation amount is a concept of the process control by the extreme value control.
  • the dither signal acting on the operation amount is often given as a sine wave.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an operation example of the extreme value control according to the embodiment.
  • FIG. 1 shows a plant 100 which is a process to be controlled, and an extreme value control system 200 that realizes extreme value control of the plant 100.
  • the extremum control system 200 realizes the extremum control of the plant 100 by repeating the following processing flow.
  • the manipulated variable u output from the extreme value control system 200 is input to the plant 100 (step S101).
  • the operation amount u input in step S101 is referred to as a first operation amount.
  • the plant 100 outputs the evaluation function value y as a response to the first manipulated variable (Step S102).
  • the evaluation function value y input in step S102 is referred to as a first evaluation function value.
  • the evaluation function value y is input to the extreme value control system 200.
  • the extreme value control system 200 determines a second operation amount that causes the evaluation function value to approach a more optimal value based on the first evaluation function value.
  • the extreme value control system 200 outputs the second operation amount determined based on the first evaluation amount to the plant 100 as a new operation amount (Step S103).
  • the plant 100 outputs a second evaluation function value as a response to the second manipulated variable (Step S104).
  • the second evaluation function value is closer to the optimum value than the first evaluation function value.
  • the calculation of the evaluation function value based on the operation amount and the determination of a new operation amount based on the evaluation function value are repeatedly executed, so that the evaluation function value converges to the optimum value.
  • the operation amount of the plant 100 is controlled as described above.
  • the function of determining the second operation amount based on the first evaluation function value is realized by the following configuration of the extreme value control system 200.
  • the extreme value control system 200 includes a high-pass filter 201 (HPF: High-Pass @ Filter), a dither signal output unit 202, a multiplier 203, a low-pass filter 204 (LPF: Low-Pass @ Filter), an integrator 205, an adder 206, and an amplitude.
  • a setting unit 207 is provided.
  • s denotes a Laplace operator
  • ⁇ denotes an angular frequency of a dither signal
  • k denotes an integration coefficient of the integrator 205.
  • the high-pass filter 201 receives the signal of the evaluation function value fed back, and removes a constant bias from the signal of the evaluation function value according to the minimum value.
  • the high-pass filter 201 outputs to the multiplier 203 a signal of the evaluation function value from which the bias has been removed.
  • the dither signal output unit 202 outputs a dither signal to the multiplier 203 and the adder 206.
  • the dither signal output unit 202 outputs a first dither signal represented by sin ⁇ t to an adder 206 by a dither signal output unit 202-1 and a multiplier 203 by sin ⁇ t (t is a variable representing time).
  • a dither signal output section 202-2 that outputs the indicated second dither signal.
  • the first dither signal corresponds to a perturbation signal added to the operation amount.
  • the first dither signal is multiplied by a as an amplitude value by the amplitude setting unit 207 and output to the adder 206.
  • the second dither signal serves to extract a component of the dither signal from the evaluation function value.
  • sin ⁇ t sine wave
  • the dither signal may have any shape as long as it is a periodic signal.
  • the multiplier 203 multiplies the signal of the evaluation function value from which the bias is output from the high-pass filter 201 by the second dither signal.
  • the multiplier 203 outputs a signal of the evaluation function value multiplied by the second dither signal to the low-pass filter 204.
  • the low-pass filter 204 extracts a low-frequency component from the evaluation function value signal multiplied by the dither signal.
  • the low-pass filter 204 outputs a signal indicating a low-frequency component of the signal of the evaluation function value to the integrator 205. It is considered that the low frequency component of the signal of the evaluation function value represents the frequency component of the signal of the evaluation function value changed according to the vibration of the dither signal. Therefore, it can be determined from the low frequency component of the signal of the evaluation function value whether the evaluation function value has increased or decreased with respect to the change in the operation amount.
  • the integrator 205 functions as an estimator that estimates the direction of the operation amount to be moved to bring the evaluation function value closer to the optimum value, based on the low-frequency component of the signal of the evaluation function value output from the low-pass filter 204. Specifically, the integrator 205 integrates the low frequency component of the signal of the evaluation function value, and outputs an integrated signal of the low frequency component. The output integrated signal gives a direction (increase direction or decrease direction) to be moved with respect to the current operation amount.
  • the adder 206 generates an operation amount signal to be input next to the plant 100 based on the current operation amount signal and the integration signal output from the integrator 205.
  • the adder 206 adds a first dither signal (a ⁇ sin ⁇ t) for vibrating the operation amount signal to the generated operation amount signal, and outputs the sum to the plant 100.
  • the first dither signal that plays a role in giving a vibration to the operation amount is a function that affects the performance of searching for the optimum value of the evaluation function.
  • the evaluation function is special, there is a possibility that sufficient optimum value search performance cannot be exhibited.
  • a sine wave is used for the first dither signal.
  • the amplitude a which is a parameter of the first dither signal, may be set within a range of the manipulated variable (for example, within a range restricted by the operating conditions of the plant 100).
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a specific example of the position where the extreme value control is applied to the evaluation function having a plurality of extreme values according to the embodiment.
  • Extreme the control system 200 may converge to the first extreme value when performing the search as is increased gradually manipulated variable from an initial value U alpha operation amount.
  • the extreme value control system 200 may converge to the second extreme Doing search to continue to reduce gradually the operation amount from the operation amount initial value U beta. That is, the extreme value control system 200 captures a change in the evaluation function value in the vicinity of the second extreme value where the evaluation function value is smaller than the first extreme value even when the operation amount is given by the set dither signal. It is assumed that there may be cases where it is not possible.
  • the control device of the embodiment has the following two functions. One is a function of adding a bias signal to the first dither signal. Another function is to change the amplitude a of the first dither signal over time. With such a function, the control device of the embodiment can maintain the operation amount at an appropriate value.
  • FIG. 3 is a block diagram for adding a bias to the first dither signal according to the embodiment.
  • the extreme value control system 200a in FIG. 3 differs from the extreme value control system 200 in further including a bias generation unit 208, but the other configuration is the same. Hereinafter, differences from the extreme value control system 200 will be described.
  • the bias generator 208 adds a positive or negative bias to the amplitude of the first dither signal.
  • the bias generator 208 may add a bias to the first dither signal by outputting a rectangular wave signal such as a Rect function to the adder 206.
  • the magnitude of the bias may be set so as to comply with the constraint on the operation amount.
  • the constraints may be specified in advance by the user. The user may be, for example, an operator of the plant 100 or any person.
  • the bias generation unit 208 may be driven so as to stop adding a bias to the first dither signal when the extreme value cannot be searched for the reason that the bias reaches the limit value of the constraint condition. .
  • the bias generation unit 208 may arbitrarily change the method of adding a bias.
  • the bias generation unit 208 may receive a constraint condition of the plant.
  • the bias generator 208 may accept a constraint condition so as to add a positive or negative one-way bias.
  • the bias generator 208 may use an arbitrary waveform as the bias signal to be added, not limited to a rectangular wave, and may use an irregular signal that is not periodic.
  • the bias generation unit 208 may synchronize the change with the time at which the change can be captured.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating a first specific example of a time-series change of the first dither signal according to the embodiment.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating a first specific example of a time-series change in the operation amount according to the embodiment.
  • FIG. 4C is a diagram illustrating a first specific example of a time-series change in the evaluation function value according to the embodiment.
  • the operation amount is close at a constant rate to the manipulated variable U 1 of the first extremum. Thereafter, the manipulated variable reaches U 1 and stabilizes.
  • U 1 the search is started from the operation amount U alpha
  • a behavior due to the action of extreme control techniques more evaluation function value than the evaluation function value of the start point is gradually changing the operation amount in a direction to reduce.
  • the control is stabilized. Therefore, it may be difficult to reach the operation amount of the second extreme value having a lower evaluation function value.
  • the extreme value control system 200a includes the bias generation unit 208, a positive or negative bias is added to the first dither signal, and the dither signal can be forcibly shifted to the positive or negative side. Thereby, the behavior of the operation amount shifts to the negative side or the positive side, and thus the extreme value control system 200a can expand the search range. Accordingly, the extreme value control system 200a can find a region having a lower evaluation function value. Extreme control system 200a may search a manipulated variable U 2 the evaluation function value than the first extremum is lower second extreme.
  • FIG. 5 is a block diagram for setting an amplitude to the first dither signal according to the embodiment.
  • the extremum control system 200b in FIG. 5 differs from the extremum control system 200 in further including an amplitude determination unit 209 and a multiplier 210, but the other configuration is the same.
  • differences from the extreme value control system 200 will be described.
  • the amplitude determination unit 209 determines the amplitude a set for the first dither signal.
  • the amplitude determiner 209 changes the amplitude a of the first dither signal over time.
  • the amplitude determining unit 209 may determine the amplitude a such that the amplitude of the first dither signal increases linearly.
  • the upper limit of the amplitude a may be set in advance in consideration of the upper and lower limits of the value of the manipulated variable, the upper and lower limits of the rate of change, or the constraints of the plant.
  • the initial value or the increasing function of the amplitude a may be set arbitrarily.
  • FIG. 6A is a diagram illustrating a second specific example of a time-series change in the amplitude of the first dither signal according to the embodiment.
  • FIG. 6B is a diagram illustrating a second specific example of the time-series change of the operation amount according to the embodiment.
  • FIG. 6C is a diagram illustrating a second specific example of the time-series change of the evaluation function value according to the embodiment.
  • the extreme value control system 200b can expand the search range of the operation amount. If the initial value of the manipulated variable and U alpha, extreme control system 200b is immediately after the search started, the amplitude of the first dither signal is small, the behavior to stabilize at operating amount U 1 of the first extremum Show. However, the variation width of the operation amount is further increased to reach the operating amount U 2 of the second extremum. As described above, the extreme value control system 200b can further reduce the evaluation function value, and can search for the optimum value.
  • first function and the second function may be combined with each other to form an extreme value control system.
  • the extreme value control system can more stably search for the optimum value.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing a water treatment plant 300 to which the embodiment is applied.
  • the process to be controlled is not limited to the water treatment plant 300, and may be any process having an evaluation function value to be optimized.
  • the function of the real-time optimum value search control device will be described in detail by taking the water treatment plant 300 that realizes the biological wastewater treatment process as an example.
  • the water treatment plant 300 is one aspect of a process to be controlled.
  • the white arrows in FIG. 7 indicate the flow of the sewage to be treated.
  • the solid arrow in FIG. 7 represents the flow of the sludge separated from the sewage.
  • the outline of the water treatment plant 300 will be described.
  • the water treatment plant 300 includes respective storage facilities such as an inflow culvert / sand basin 301, a first sedimentation basin 302, a biological reaction tank 303, a final sedimentation basin 304, a filtration pond 305, and an excess sludge storage tank 307. Further, the water treatment plant 300 includes a sludge treatment pump 308, a sludge extraction pump 321, a blower 331, an excess sludge extraction pump 341 and a return sludge pump 342.
  • the sludge extraction pump 321 delivers the water to be treated or the sludge between the storage facilities.
  • the blower 331 aerates sewage in the biological reaction tank 303.
  • the excess sludge extraction pump 341 is a pump that extracts excess sludge from the final sedimentation basin 304.
  • the sludge extracted by the excess sludge extraction pump 341 is stored in the excess sludge storage tank 307 together with the sludge initially extracted by the sedimentation basin 302.
  • the sludge stored in the excess sludge storage tank 307 is carried by the sludge treatment pump 308 and processed.
  • the inflowing sewage flows along the white arrow in FIG. 7 and is discharged through an inflow culvert / sand basin 301, a first sedimentation basin 302, a biological reaction tank 303, a final sedimentation basin 304, and a filtration pond 305.
  • the sewage flowing through the inflow culvert / sand basin 301 is initially stored in the sedimentation basin 302.
  • the first settling basin 302 unnecessary substances having a relatively large specific gravity settle down due to gravity and settle.
  • Sludge that has first settled in the sedimentation basin 302 is drawn out by the sludge drawing pump 321 and sent to the surplus sludge storage tank 307.
  • the supernatant water to be treated is sent to the biological reaction tank 303.
  • microorganisms are introduced into the sewage.
  • the microorganisms introduced into the sewage are activated by the aeration of the sewage by the blower 331 to decompose organic substances in the sewage, remove phosphorus in the sewage, nitrify ammonia, and remove nitrogen.
  • nitrogen and phosphorus components are separated from sewage.
  • the water to be treated that has passed through the biological reaction tank 303 is sent to the final sedimentation basin 304.
  • the activated sludge in the sewage sediments by gravity and settles.
  • the activated sludge settled in the final sedimentation basin 304 is drawn out by the surplus sludge drawing pump 341 and sent to the surplus sludge storage tank 307.
  • a part of the activated sludge is returned to the biological reaction tank 303 by the return sludge pump 342, and is reused to promote the reaction in the biological reaction tank.
  • the supernatant sewage is sent to the filtration pond 305.
  • a final-stage purification treatment for sewage is performed, such as removal of small unnecessary substances by filtration and disinfection.
  • the sewage that has undergone the purification treatment in the filtration pond 305 is discharged to a river or the like as treated water.
  • the surplus sludge storage tank 307 is a facility for temporarily storing unnecessary sludge generated in the biological wastewater treatment process.
  • the sludge stored in the excess sludge storage tank 307 is delivered to the sludge treatment step by the sludge treatment pump 308.
  • the manipulated variable is the aeration air volume of the returned sludge
  • the controlled variable is the concentration of nitrogen and phosphorus contained in the effluent (hereinafter referred to as “discharged nitrogen concentration” and “discharged phosphorus concentration”, respectively). It is.)
  • the discharged nitrogen concentration and discharged phosphorus concentration are measured after passing through a filter pond disinfection facility.
  • the control amounts may be the amounts of nitrogen and phosphorus contained in the discharge water (hereinafter, referred to as “discharge nitrogen amount” and “discharge phosphorus amount”, respectively). In this case, the discharged nitrogen amount and the discharged phosphorus amount are obtained by multiplying the discharged nitrogen concentration and the discharged phosphorus concentration by the discharged flow amount, respectively.
  • the evaluation function shown in FIG. 7 defines an unknown value for the operation amount as a function of the control amount.
  • the evaluation function is a function representing the relationship between the discharged nitrogen concentration and the discharged phosphorus concentration and the evaluation amount.
  • the evaluation function is set to take an extreme value between the control amount at the upper limit of the operation amount (aeration air amount) and the control amount at the lower limit of the operation amount.
  • the sum of the water quality cost, the power cost of the return sludge pump 342, and the power cost of the blower 331 (hereinafter, referred to as “total cost”) is based on the concept of a drainage charge. There is a method of expressing as.
  • the power cost of the return sludge pump 342 and the blower 331 can be calculated from the return sludge flow rate and the rated power of the return sludge pump 342 and the blower 331. It is known that those that greatly change by changing the return rate or the blower 331 are the nitrogen concentration and the phosphorus concentration. Therefore, the water quality cost is expressed by the following equation (1), where TN is the discharged nitrogen and TP is the discharged phosphorus.
  • the evaluation function may be set based on the water quality cost.
  • the evaluation function is expressed as the total cost that includes the operation cost (electric power cost) and the evaluation amount. An extreme value is set between the control amount at the upper limit of the amount (aeration air amount) and the control amount at the lower limit of the operation amount.
  • the evaluation function may incorporate constraints that satisfy the discharge water quality constraints. For example, a regulation value for the discharge water quality is provided, and a function that increases the total cost when the regulation value is exceeded is incorporated. When such an evaluation function is used, the evaluation amount sharply increases when the evaluation value exceeds the regulation value. Therefore, it can be expected that the extreme value control functions so as to suppress the evaluation amount within the regulation value.
  • the period of the first dither signal corresponding to the perturbation signal added to the manipulated variable and the period of the second dither signal serving to extract the component of the dither signal from the evaluation function value are set sufficiently later than the time constant of the plant. Accordingly, a change in the evaluation function can be grasped by a change in the operation amount accompanying the dither signal.
  • the process to be subjected to the extreme value control is not limited to the biological wastewater treatment process. Extreme value control is applicable to any process that has a metric to be optimized.
  • FIG. 8 is a functional block diagram showing a specific example of the functional configuration of the control device 1 according to the first embodiment.
  • the control device 1 includes a CPU (Central Processing Unit), a memory, an auxiliary storage device, and the like connected by a bus, and executes a control program.
  • the control device 1 functions as a device including the extreme value control unit 20, the bias generation unit 208, and the bias adjustment unit 211 by executing the control program. All or a part of each function of the control device 1 may be realized using hardware such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), a PLD (Programmable Logic Device), and an FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • the control program may be recorded on a computer-readable recording medium.
  • the computer-readable recording medium is, for example, a portable medium such as a flexible disk, a magneto-optical disk, a ROM, a CD-ROM, or a storage device such as a hard disk built in a computer system.
  • the control program may be transmitted via a telecommunication line.
  • the extreme value control unit 20 of the control device 1 outputs an operation amount that brings the evaluation function value closer to the optimum value based on the input evaluation function value.
  • Such a function of the extreme value control unit 20 is realized by including a configuration similar to that of the extreme value control system 200a illustrated in FIG. Therefore, the same reference numerals as those in FIG. 3 denote the same components, and a description of a configuration equivalent to that of the extreme value control system 200a will be omitted.
  • the bias adjustment unit 211 controls the bias added by the bias generation unit 208. For example, the bias adjustment unit 211 sets the magnitude of the bias such that the magnitude of the operation amount signal to which the bias is added is less than the upper limit of the aeration air volume.
  • the bias adjustment unit 211 outputs to the bias generation unit 208 an instruction to stop generation of a bias or timing of generation of a bias to the dither signal.
  • the bias adjustment unit 211 receives the evaluation function value as an input, calculates a period average of the evaluation function value, keeps a history of the calculation result, and compares the period average value before and after the bias.
  • the bias adjustment unit 211 outputs an instruction to stop adding a bias to the first dither signal when the periodic average value of the evaluation function value does not change even when the bias is applied.
  • the bias adjustment unit 211 outputs an instruction to stop adding a bias to the first dither signal.
  • the situation in which the water treatment plant 300 is unstable may be, for example, a situation in which the evaluation function value changes greatly or changes discontinuously in a short time.
  • the recording timing of the cycle average of the evaluation function value of the bias adjustment unit 211 may be set arbitrarily. The recording timing may be synchronized with the frequency of the dither signal on the assumption that the water treatment plant 300 is operated stably.
  • the bias adjustment unit 211 may instruct the bias generation unit 208 to apply a bias not only with a rectangular wave but with an arbitrary waveform.
  • the bias adjusting unit 211 applies a bias with an aperiodic signal such as a probability signal or a signal synchronized with a control amount in another control target, for example, on the assumption that stable operation of the water treatment plant 300 is ensured. May be instructed.
  • an aperiodic signal such as a probability signal or a signal synchronized with a control amount in another control target, for example, on the assumption that stable operation of the water treatment plant 300 is ensured. May be instructed.
  • the control device 1 can be applied.
  • the bias adjustment unit 211 When the behavior in which the periodic average value of the evaluation function value increases after the operation amount converges to the optimal value occurs, the bias adjustment unit 211 outputs an instruction to start adding the bias again. Note that, when the operation amount converges to the optimum place, that is, when it is confirmed that the evaluation function value becomes a constant value, the bias adjustment unit 211 outputs an instruction to stop adding a bias.
  • the bias adjusting unit 211 confirms the increase or decrease of the evaluation function value. However, if the evaluation function value does not tend to decrease due to the addition of the bias, the evaluation function value is uniformly increased in all cases. Yes, it is determined that the optimum value has not changed, and an instruction to stop the addition of the bias is output.
  • the bias adjustment unit 211 may stop applying the bias to return to the original water quality. In order to avoid such a situation as much as possible, the bias adjustment unit 211 may output an instruction to use a rectangular wave whose absolute value gradually increases as a function of the bias to be added.
  • the control device 1 can operate the water treatment plant 300 within a range where the regulation value of the water quality does not exceed by using the rectangular wave whose absolute value gradually increases.
  • the bias adjustment unit 211 can also acquire the history of the value of the rectangular wave.
  • the adjustment of the absolute value of the bias is an evaluation function value. It may be performed based on the tendency of the discharge water quality or the operation status of the control item.
  • the bias adjustment unit 211 outputs an instruction to stop bias addition even when the water quality is deteriorated due to a factor other than the extreme value control.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a specific example of the extreme value control based on the control device 1 of the first embodiment.
  • the operation amount indicates the aeration air volume.
  • the evaluation function value represents the total cost.
  • the graph of FIG. 9 shows the relationship between the operation amount (aeration air amount) and the evaluation function value (total cost).
  • FIG. 10A is a diagram illustrating a specific example of a temporal change of the operation amount and the evaluation function value when extreme value control is performed by a conventional method.
  • FIG. 10B is a diagram illustrating a specific example of a temporal change of the operation amount and the evaluation function value when the control device 1 according to the first embodiment performs the extreme value control.
  • the bias adjustment unit 211 compares the periodic averages of the evaluation function values before and after adding the bias, determines that it is not necessary to add the bias next, and outputs an instruction to stop the addition of the bias. As described above, when the extreme value control in the first embodiment is applied, it is possible to search for an optimal operation amount (control parameter) even for an evaluation function having a special shape as shown in FIG.
  • the control device 1 includes the bias generation unit 208, so that positive and negative biases are added to the first dither signal.
  • the bias generation unit 208 By adding a bias to the first dither signal, it is possible to converge to a more optimal operation amount, so that an optimal operation amount (control parameter) is searched for an evaluation function having a special shape. Can be.
  • the bias adjustment unit 211 before and after the bias is added, the cycle average of the evaluation function values is compared, and when it is determined that there is no need to add the bias, the addition of the bias is stopped. Can be. Therefore, it is possible to set and maintain an appropriate operation amount according to a change in the control target.
  • FIG. 11 is a functional block diagram illustrating a first specific example of a functional configuration of the control device 1a according to the second embodiment.
  • the control device 1a includes a CPU, a memory, an auxiliary storage device, and the like connected by a bus, and executes a control program.
  • the control device 1a functions as a device including the extreme value control unit 20a, the amplitude determination unit 209a, and the amplitude adjustment unit 212 by executing the control program.
  • the extreme value control unit 20a outputs an operation amount that brings the evaluation function value closer to the optimum value based on the input evaluation function value.
  • Such a function of the extreme value control unit 20a is realized by including a configuration similar to that of the extreme value control system 200b illustrated in FIG. Therefore, the same reference numerals as those in FIG. 5 denote the same components, and a description of a configuration equivalent to that of the extreme value control system 200b will be omitted.
  • the amplitude determining unit 209a determines the amplitude a set for the first dither signal based on time. For example, the amplitude determiner 209a temporally increases the amplitude a of the first dither signal. Amplitude determining unit 209a as amplitude a of the first dither signal may be configured as a function of temporally linear increase in the rate of change a 1 from the initial value a 0 amplitude. Since the control device 1a includes the amplitude determination unit 209a, the amplitude a gradually increases with the passage of time, and the search range of the operation amount can be expanded. The amplitude determining unit 209a may determine the amplitude a using any function as long as the function is not limited to the linear increasing function and is a monotonic increasing function.
  • the amplitude adjustment unit 212 outputs a signal for adjusting the amplitude of the first dither signal based on the evaluation function value. For example, even if the amplitude adjustment unit 212 stops increasing the amplitude a of the first dither signal based on the input operation amount and outputs an instruction that the amplitude a of the first dither signal is a signal having a constant value. Good.
  • the amplitude adjustment unit 212 sets the constant value without increasing the value of the amplitude a. A signal to be taken may be output. With this configuration, the amplitude adjustment unit 212 becomes unstable in response to exceeding the upper limit of the allowable operation amount in the process of increasing the amplitude of the first dither signal, thereby causing the plant response to become unstable. Can be prevented.
  • FIG. 12 is a functional block diagram showing a second specific example of the functional configuration of the control device 1b according to the second embodiment.
  • the control device 1b includes a CPU, a memory, an auxiliary storage device, and the like connected by a bus, and executes a control program.
  • the control device 1b functions as a device including the extreme value control unit 20b, the amplitude determination unit 209a, and the amplitude adjustment unit 212b by executing the control program.
  • points different from the first specific example will be described.
  • the control device 1b outputs an operation amount that brings the evaluation function value closer to the optimum value based on the input evaluation function value.
  • Such a function of the control device 1b is realized by including the same configuration as the extreme value control system 200b illustrated in FIG. Therefore, the same reference numerals as those in FIG. 5 denote the same components, and a description of a configuration equivalent to that of the extreme value control system 200b will be omitted.
  • the amplitude adjustment unit 212b may output a signal for stopping the increase of the amplitude a of the first dither signal based on the response of the water treatment plant 300.
  • the amplitude adjuster 212b calculates the average of the period based on the input evaluation function value.
  • the amplitude adjustment unit 212b records the tendency of the cycle average value as a history.
  • the amplitude adjustment unit 212b outputs an instruction to stop the increase in the amplitude a of the first dither signal when a discontinuous abnormality is found in the transition of the cycle average value.
  • the amplitude adjustment unit 212b can adjust the amplitude a in a situation where the water treatment plant 300 operates stably.
  • the amplitude adjustment unit 212b determines that the evaluation function value tends to decrease from the average value of the recorded evaluation function values in a situation where the water treatment plant 300 is operating stably.
  • a signal for stopping the increase of the amplitude a of the first dither signal may be output.
  • the amplitude adjusting unit 212b may arbitrarily change the function for determining the amplitude a set in the amplitude determining unit 209a during the control. For example, when there is a strict water quality regulation for a change in the operation amount in the sewage treatment control, the water treatment plant 300 performs the operation within a range not exceeding the water quality regulation. At this time, if the operation value of the aeration air volume for the blower 331 is changed, the water quality may be significantly deteriorated.
  • the amplitude adjusting unit 212b may change the function of the amplitude a of the first dither signal little by little while acquiring the response of the water quality so as to cope with such a case.
  • the amplitude adjuster 212b When the value of the amplitude a affects the setting guideline of the other parameter other than the amplitude a of the first dither signal, the amplitude adjuster 212b reflects the change information of the amplitude a on the other parameter. For example, when the amplitude information of the first dither signal is necessary for adjusting the integration gain KI, the amplitude adjustment unit 212b reflects the change information of the amplitude a on the integrator 205.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a specific example of a temporal change of the operation amount and the evaluation function value in the extreme value control according to the second embodiment. As shown in FIG. 13, it can be seen that the amplitude of the operation amount increases as the amplitude a of the first dither signal increases. As the vibration width of the operation amount increases, the fluctuation width of the evaluation function value also increases, and it becomes possible to specify the direction in which the evaluation function value decreases.
  • the amplitude adjustment unit 212b acquires the history of the average of the evaluation function values, determines that the value of the history of the average of the evaluation function values has not changed, and stops increasing the amplitude of the first dither signal. And outputs an instruction that the value of the amplitude a becomes a constant value signal. After the operation amount converges to the optimum value, the operation amount and the oscillation width of the evaluation function value become constant.
  • the control device 1a can determine the value of the amplitude added to the first dither signal by including the amplitude determining unit 209a. Since the value of the amplitude increases with the passage of time, the search range of the operation amount can be expanded. In addition, by providing the amplitude adjustment unit 212, when the operation amount signal reaches the upper limit value of the operation amount, a signal is output so that the value of the amplitude a does not increase and takes a constant value, thereby obtaining the value of the amplitude. Can be prevented from becoming too large, and the search range of the operation amount becomes too wide.
  • control device 1b of the second embodiment can arbitrarily change the function for determining the amplitude added to the first dither signal by including the amplitude adjusting unit 212b.
  • the function can be changed little by little based on the evaluation function value from the plant. Therefore, even when a predetermined regulation is provided in the plant, the plant can be operated more easily without exceeding the regulation.
  • the third embodiment is an embodiment in which the first embodiment and the second embodiment are combined.
  • it is possible to learn the variation of the evaluation function value accompanying a wider variation of the operation amount than in the first embodiment and the second embodiment, and to quickly search for the optimum value. Becomes possible.
  • FIG. 14 is a functional block diagram showing a specific example of the functional configuration of the control device 1c according to the third embodiment.
  • the control device 1c includes a CPU, a memory, an auxiliary storage device, and the like connected by a bus, and executes a control program.
  • the control device 1c functions as a device including the extreme value control unit 20c, the bias generation unit 208, the amplitude determination unit 209a, and the amplitude adjustment unit 212c by executing the control program.
  • points different from the first embodiment and the second embodiment will be described.
  • the amplitude adjustment unit 212c determines the state of the water treatment plant 300 based on the history of the periodic average value of the evaluation function value. For example, when the operation amount reaches the upper limit value or when the evaluation function value becomes abnormal, the amplitude adjustment unit 212c outputs an instruction to stop bias addition to the first dither signal to the bias generation unit 208. , Outputs an instruction to change the amplitude setting of the first dither signal to the amplitude determining unit 209a.
  • the control device 1c configured as described above can determine the state of the plant based on the history of the periodic average value of the evaluation function values by including the amplitude adjustment unit 212.
  • the amplitude adjustment unit 212 can instruct the stop of the bias addition to the first dither signal or the change of the amplitude of the first dither signal in accordance with the state of the plant. Therefore, appropriate control parameters can be set according to the change of the control target, and the plant can be operated more easily and stably.
  • the control device 1 in the above embodiment may be configured to include a display unit and an input unit.
  • the display unit may output a drive waveform of the bias generation unit or the amplitude determination unit, may display a perturbation signal added to the operation amount, or may display a time series of the operation amount or the evaluation function value. The change may be displayed.
  • the input unit receives a set value that determines the waveform of the perturbation signal.
  • the extreme value controller may be configured to control the waveform of the perturbation signal based on the received set value (for example, the amplitude). Specifically, the extreme value control unit controls the waveform of the perturbation signal based on the received set value by outputting the received set value to the bias generation unit or the amplitude determination unit.
  • the display unit is an output device such as a CRT (Cathode Ray Tube) display, a liquid crystal display, and an organic EL (Electro Luminescence) display.
  • the display unit may be an interface for connecting the output device to the control device 1. In this case, the display unit generates a video signal from the video data and outputs the video signal to a video output device connected to the display unit.
  • the input unit is configured using input devices such as a touch panel, a mouse, and a keyboard.
  • the input unit may be an interface for connecting the input device to the control device 1.
  • the input unit generates input data (for example, instruction information indicating an instruction to the control device 1) from an input signal input in the input device, and inputs the generated data to the control device 1.
  • the extreme value control unit, the bias generation unit, the amplitude determination unit, and the amplitude adjustment unit are software function units, but may be hardware function units such as LSIs.
  • the extreme value control unit by including the extreme value control unit, the bias generation unit, the amplitude determination unit, and the amplitude adjustment unit, it is possible to set an appropriate control parameter according to a change in a control target. .

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

制御対象の変化に応じて適切な操作量を設定することができる制御装置、制御方法及びコンピュータプログラムを提供する。実施形態の制御装置は、バイアス発生部（２０８）と、極値制御部とを持つ。バイアス発生部（２０８）は、摂動信号の振幅に対してバイアスを付加する。極値制御部は、バイアスが付加された摂動信号を制御対象プロセスに与えられる操作量（ｕ）に加え、操作量（ｕ）を所定の評価関数（ｙ＝ｆ（ｕ））に与えることによって制御対象プロセスの最適化に関する指標を示す評価関数値（ｙ）を取得し、評価関数値（ｙ）に基づいて制御対象プロセスに与えられる操作量（ｕ）の最適値を探索する。

Description

制御装置、制御方法及びコンピュータプログラム
　本発明の実施形態は、制御装置、制御方法及びコンピュータプログラムに関する。
　近年、プラント制御の方法として、極値制御と呼ばれる技術が注目されている。極値制御は、プラントを模擬する複雑なモデルを用いることなく、リアルタイムに操作量の最適値を探索することができる制御技術である。極値制御の概要は、制御対象となるプロセス（以下、「制御対象プロセス」という。）に与える操作量を強制的に変化させることにより生じる制御対象プロセスの制御量に基づいて、制御量に基づく評価量が最適値となる操作量を探索していくというものである。このような極値制御をプラント制御に適用する場合、極値制御に係る各種のパラメータ（以下、「制御パラメータ」という。）を設定する必要がある。従来、制御対象プロセスの特性に応じて適切に制御パラメータを設定するための指針がいくつか提案されている。しかし、評価関数値が局所的に最小または最大となるポイント（極値）が複数存在する系に対して、従来の指針に基づく制御パラメータの設定方法を採用した極値制御を適用させると、その系全体で評価関数値が最小又は最大となるポイント（最適値）となる操作量を適切に探索することが困難となる場合があった。
特開２０１７－２２４１７６号公報 特開平９－２７４５０６号公報 特開２０１２－１４１８６２号公報
　本発明が解決しようとする課題は、制御対象の変化に応じて適切な操作量を設定することができる制御装置、制御方法及びコンピュータプログラムを提供することである。
　実施形態の制御装置は、バイアス発生部と、極値制御部とを持つ。バイアス発生部は、摂動信号の振幅に対してバイアスを付加する。極値制御部は、バイアスが付加された前記摂動信号を制御対象プロセスに与えられる操作量に加え、前記操作量を所定の評価関数に与えることによって前記制御対象プロセスの最適化に関する指標を示す評価関数値を取得し、前記評価関数値に基づいて前記制御対象プロセスに与えられる前記操作量の最適値を探索する。
実施形態の極値制御の動作例を示すブロック線図。 実施形態の極値を複数持つ評価関数に対する極値制御を適用した位置具体例を示す図。 実施形態の第１ディザー信号にバイアスを付加するブロック線図。 実施形態の第１ディザー信号の時系列変化の第一の具体例を示す図である。 実施形態の操作量の時系列変化の第一の具体例を示す図。 実施形態の評価関数値の時系列変化の第一の具体例を示す図。 実施形態の第１ディザー信号に振幅を設定するブロック線図。 実施形態の第１ディザー信号の振幅の時系列変化の第二の具体例を示す図。 実施形態の操作量の時系列変化の第二の具体例を示す図。 実施形態の評価関数値の時系列変化の第二の具体例を示す図。 実施形態の適用対象の水処理プラントの概略を示す図。 第１の実施形態の制御装置の機能構成の具体例を示す機能ブロック図。 第１の実施形態の制御装置に基づいた極値制御の一具体例を示す図。 従来の手法で極値制御を行った場合の操作量及び評価関数値の経時変化の一具体例を示す図。 第１の実施形態の制御装置で極値制御を行った場合の操作量及び評価関数値の経時変化の一具体例を示す図。 第２の実施形態の制御装置の機能構成の第一の具体例を示す機能ブロック図。 第２の実施形態の制御装置の機能構成の第二の具体例を示す機能ブロック図。 第２の実施形態の極値制御における操作量及び評価関数値の経時変化の一具体例を示す図。 第３の実施形態の制御装置の機能構成の具体例を示す機能ブロック図。
　以下、実施形態の制御装置、制御方法及びコンピュータプログラムを、図面を参照して説明する。
　（第１の実施形態）
［概略］
　極値制御は、制御対象プロセスの操作量と、操作量の変化に応じた評価関数値の変化に基づいて、評価関数の最適値を適応的に探索する制御手法である。評価関数値は、制御対象プロセスの操作量に基づいて決定される。評価関数値は、制御対象プロセスの最適化に関する指標を示す値である。評価関数値と操作量との関係は、所定の評価関数によって表される。評価関数は、操作量に基づくものであれば任意の評価基準に基づいて設定されてよい。また評価関数値は操作量そのものであってもよい。一般に、極値制御における制御対象プロセスでは、この評価関数は操作量に対して未知の関数である。
　一般に、極値制御では、ディザー信号を作用させることによって操作量を強制的に振動させ、操作量に応じて変化する評価関数値を観測する。そして、評価関数値が評価関数の最適値に近づくような方向に操作量を変化させていく。このような操作量の増減を繰り返すことによって、評価関数値を評価関数の最適値に近づけていこうとする手法が極値制御によるプロセス制御の概念である。なお、操作量に作用するディザー信号は正弦波で与えられる場合が多い。
　図１は、実施形態の極値制御の動作例を示すブロック線図である。図１は、制御対象のプロセスであるプラント１００と、プラント１００の極値制御を実現する極値制御系２００とを表す。極値制御系２００は、おおよそ以下のような処理の流れを繰り返すことによってプラント１００の極値制御を実現する。
　極値制御系２００から出力される操作量ｕがプラント１００に入力される（ステップＳ１０１）。以下、簡単のため、ステップＳ１０１で入力された操作量ｕを第１の操作量と記載する。プラント１００は、第１の操作量に対する応答として評価関数値ｙを出力する（ステップＳ１０２）。以下、簡単のため、ステップＳ１０２で入力された評価関数値ｙを第１の評価関数値と記載する。評価関数値ｙは極値制御系２００に入力される。
　極値制御系２００は、第１の評価関数値に基づいて、評価関数値をより最適な値に近づけるような第２の操作量を決定する。極値制御系２００は、第１の評価量に基づいて決定された第２の操作量を新たな操作量としてプラント１００に出力する（ステップＳ１０３）。プラント１００は、第２の操作量に対する応答として第２の評価関数値を出力する（ステップＳ１０４）。
　このような処理の流れにより、第２の評価関数値は、第１の評価関数値よりも最適値に近い値となる。極値制御では、このような操作量に基づく評価関数値の算出と、評価関数値に基づく新たな操作量の決定とが繰り返し実行されることにより、評価関数値が最適値に収束していくようにプラント１００の操作量が制御される。
　なお、第１の評価関数値に基づいて第２の操作量を決定する機能は、極値制御系２００の以下のような構成によって実現される。極値制御系２００は、ハイパスフィルタ２０１（ＨＰＦ：High-Pass Filter）、ディザー信号出力部２０２、乗算器２０３、ローパスフィルタ２０４（ＬＰＦ：Low-Pass Filter）、積分器２０５、加算器２０６及び振幅設定部２０７を備える。図１において、ｓはラプラス演算子、ωはディザー信号の角周波数、ａはディザー信号の振幅、ｋは積分器２０５の積分係数を表す。
　ハイパスフィルタ２０１は、フィードバックされた評価関数値の信号を入力し、評価関数値の信号からその極小値に応じた一定値のバイアスを除去する。ハイパスフィルタ２０１は、バイアスが除去された評価関数値の信号を乗算器２０３に出力する。
　ディザー信号出力部２０２は、乗算器２０３及び加算器２０６に対してディザー信号を出力する。ディザー信号出力部２０２は、加算器２０６に対してｓｉｎωｔで表される第１ディザー信号を出力するディザー信号出力部２０２－１と、乗算器２０３に対してｓｉｎωｔ（ｔは時間を表す変数）で表される第２ディザー信号を出力するディザー信号出力部２０２－２とを備える。第１ディザー信号は、操作量に加える摂動信号に相当する。第１ディザー信号は、振幅設定部２０７によって振幅値としてａが乗算されて、加算器２０６に出力される。第２ディザー信号は、評価関数値からディザー信号の成分を抽出する役割を果たす。なお、ｓｉｎωｔ(正弦波)はディザー信号の一例であり、ディザー信号は周期的な信号であれば、どのような形状を持つものでもよい。
　乗算器２０３は、ハイパスフィルタ２０１から出力されるバイアスが除去された評価関数値の信号に対して、第２ディザー信号を乗算する。乗算器２０３は、第２ディザー信号が乗算された評価関数値の信号をローパスフィルタ２０４に出力する。
　ローパスフィルタ２０４は、ディザー信号が乗算された評価関数値の信号から低周波成分を抽出する。ローパスフィルタ２０４は、評価関数値の信号の低周波成分を示す信号を積分器２０５に出力する。この評価関数値の信号の低周波成分は、ディザー信号の振動に応じて変化した評価関数値の信号の周波数成分を表すと考えられる。そのため、評価関数値の信号の低周波成分から、操作量の変化に対して評価関数値が増加したのか、又は減少したのかを判断することができる。
　積分器２０５は、ローパスフィルタ２０４から出力される評価関数値の信号の低周波成分に基づいて、評価関数値を最適値に近づけるために動かすべき操作量の方向を推定する推定器として機能する。具体的には、積分器２０５は、評価関数値の信号の低周波成分を積分し、低周波成分の積分信号を出力する。ここで出力される積分信号は、現在の操作量に対して動かすべき方向（増加方向又は減少方向）を与える。
　加算器２０６は、現在の操作量信号と、積分器２０５から出力される積分信号とに基づいてプラント１００に対して次に入力すべき操作量信号を生成する。加算器２０６は、生成した操作量信号に対して、操作量信号を振動させるための第１ディザー信号（ａ×ｓｉｎωｔ）を足し合わせてプラント１００に出力する。
　極値制御系２００が備える機能の中で、操作量に振動を与える役割を果たす第１ディザー信号は、評価関数の最適値探索性能に影響を及ぼす機能である。特に、評価関数が特殊な場合、十分な最適値探索性能を発揮できない可能性がある。第１ディザー信号には正弦波が用いられることが一般的である。第１ディザー信号のパラメータである振幅aは、操作量の範囲内（例えば、プラント１００の運転条件等による制約範囲内）で設定されてもよい。
　図２は、実施形態の極値を複数持つ評価関数に対する極値制御を適用した位置具体例を示す図である。極値制御系２００は、操作量の初期値Ｕαから徐々に操作量を大きくしていくように探索を行うと第１極値に収束する場合がある。また、極値制御系２００は、操作量初期値Ｕβから徐々に操作量を小さくしていくように探索を行うと第２極値に収束する場合がある。すなわち、極値制御系２００には、設定されたディザー信号で操作量をふった場合でも、評価関数値が第１極値よりも低減する第２極値付近の評価関数値の変化を捉えることができない場合があることが想定される。
　このような課題を解決するため、実施形態の制御装置は以下に示す２つの機能を備える。１つは、第１ディザー信号にバイアスとなる信号を付加する機能である。もう１つは、第１ディザー信号の振幅ａを経時的に変化させる機能である。このような機能を備えることにより、実施形態の制御装置は、操作量を適切な値に保つことができる。
［第１の機能の詳細］
　図３は、実施形態の第１ディザー信号にバイアスを付加するブロック線図である。図３における極値制御系２００ａは、バイアス発生部２０８をさらに備える点で極値制御系２００とは異なるが、それ以外の構成は同じである。以下、極値制御系２００と異なる点について説明する。
　バイアス発生部２０８は、第１ディザー信号の振幅に対して正負のバイアスを付加する。例えば、バイアス発生部２０８は、Ｒｅｃｔ関数等の矩形波信号を加算器２０６に出力することで第１ディザー信号に対してバイアスを付加してもよい。なお、バイアスの大きさは操作量の制約条件を守るように設定されてもよい。制約条件はユーザによってあらかじめ指定されてもよい。ユーザとは、例えばプラント１００の運用者であってもよいし、どのような者であってもよい。バイアス発生部２０８は、バイアスが制約条件の限界値に到達する等の理由によって、極値の探索ができなくなった場合、第１ディザー信号へのバイアスの付加を停止するように駆動してもよい。バイアス発生部２０８は、バイアスを付加する方法を任意に変更されてもよい。バイアス発生部２０８は、プラントの制約条件を受け付けてもよい。例えば、バイアス発生部２０８は、正又は負の一方向のバイアスを付加するように制約条件を受け付けてもよい。バイアス発生部２０８は、付加するバイアス信号として矩形波に限らず任意の波形を用いてよく、周期的ではない不規則な信号を用いてもよい。バイアス発生部２０８は、プラントの特性によって突発的な操作量の変化がプラントに反映されるのに時間を要する場合は、変化を捉えられる時間と同期させてもよい。
　図２の評価関数に極値制御系２００ａを適用して、初期操作量Uαから探索をスタートさせる場合について説明する。図４Ａは、実施形態の第１ディザー信号の時系列変化の第一の具体例を示す図である。図４Ｂは、実施形態の操作量の時系列変化の第一の具体例を示す図である。図４Ｃは、実施形態の評価関数値の時系列変化の第一の具体例を示す図である。
　図４Ｂに示される通り、開始直後、操作量は第１極値の操作量U１へ一定の割合で近づく。その後、操作量は、Ｕ１に到達して安定化する。これは、探索が操作量Uαからスタートした際に、スタート時点の評価関数値よりもより評価関数値が低減する方向に操作量を変化させていく極値制御技術の働きによる挙動である。ただし、一旦操作量がU１に到達した場合、その部分は局所的にみた“最適点”であるため、制御が安定化する。したがって、より評価関数値が低い第２極値の操作量へ到達することが難しい場合があった。
　極値制御系２００ａは、バイアス発生部２０８を備えることで、第１ディザー信号に正又は負のバイアスを付加し、強制的にディザー信号を正又は負側にシフトできる。これにより、操作量の挙動は、負側又は正側にシフトするため、極値制御系２００ａは、探索範囲を広げることができる。これに伴い、極値制御系２００ａは、より評価関数値が低い領域を見つけることができる。極値制御系２００ａは、第１極値よりも評価関数値が低い第２極値となる操作量Ｕ２を探索できる。
［第２の機能の詳細］
　図５は、実施形態の第１ディザー信号に振幅を設定するブロック線図である。図５における極値制御系２００ｂは、振幅決定部２０９及び乗算器２１０をさらに備える点で極値制御系２００とは異なるが、それ以外の構成は同じである。以下、極値制御系２００と異なる点について説明する。
　振幅決定部２０９は、第１ディザー信号に設定される振幅ａを決定する。振幅決定部２０９は、第１ディザー信号の振幅ａを経時的に変化させる。例えば、振幅決定部２０９は、第１ディザー信号の振幅が線形に増加するように振幅ａを決定してもよい。また、振幅ａは、操作量の値の上下限、変化率の上下限又はプラントの制約条件等を考慮して、上限値を予め設定されてもよい。振幅aの初期値又は増加関数は任意に設定されてもよい。
　図２の評価関数に極値制御系２００ｂを適用して、初期操作量Uαから探索をスタートさせる場合について説明する。図６Ａは、実施形態の第１ディザー信号の振幅の時系列変化の第二の具体例を示す図である。図６Ｂは、実施形態の操作量の時系列変化の第二の具体例を示す図である。図６Ｃは、実施形態の評価関数値の時系列変化の第二の具体例を示す図である。
　図６Ａに示されるように、第１ディザー信号の振幅は徐々に大きくなり、極値制御系２００ｂは、操作量の探索範囲を広げることができる。操作量の初期値をUαとした場合、極値制御系２００ｂは、探索開始直後では、第１ディザー信号の振幅が小さいため、第１極値の操作量Ｕ１にて安定化する挙動を示す。しかし、操作量の変動幅がさらに大きくなり、第２極値の操作量Ｕ２へ到達する。このように、極値制御系２００ｂは、評価関数値をさらに低減することができ、最適値の探索が可能となる。
　なお、第１の機能と第２の機能とは、それぞれ組み合わされて極値制御系が構成されてもよい。組み合わされることで、極値制御系はより安定して最適値の探索が可能となる。
　図７は、実施形態の適用対象の水処理プラント３００の概略を示す図である。なお、制御対象プロセスは水処理プラント３００に限定されず、最適化されるべき評価関数値を持つ任意のプロセスであってよい。以下、生物学的廃水処理プロセスを実現する水処理プラント３００を例に、リアルタイム最適値探索制御装置の機能について詳細に説明する。水処理プラント３００は、制御対象プロセスの一態様である。
　図７における白抜き矢印は、処理対象の下水の流れを表す。図７における実線矢印は下水から分離された汚泥の流れを表す。水処理プラント３００の概略について説明する。水処理プラント３００は、流入渠・沈砂池等３０１、最初沈殿池３０２、生物反応槽３０３、最終沈殿池３０４、ろ過池３０５及び余剰汚泥貯留槽３０７の各貯留設備を備える。また、水処理プラント３００は、汚泥処理ポンプ３０８、汚泥引き抜きポンプ３２１、ブロワ３３１、余剰汚泥引き抜きポンプ３４１及び返送汚泥ポンプ３４２を備える。汚泥引き抜きポンプ３２１は、各貯留設備間で被処理水又は汚泥を配送する。ブロワ３３１は、生物反応槽３０３内の下水を曝気する。余剰汚泥引き抜きポンプ３４１は、最終沈殿池３０４から過剰な汚泥を引き抜くポンプである。余剰汚泥引き抜きポンプ３４１によって引き抜かれた汚泥は、最初沈殿池３０２によって引き抜かれた汚泥とともに、余剰汚泥貯留槽３０７に貯められる。余剰汚泥貯留槽３０７に貯められた汚泥は、汚泥処理ポンプ３０８で運ばれて処理される。流入してきた下水は、図７の白抜き矢印に沿って流れ、流入渠・沈砂池等３０１、最初沈殿池３０２、生物反応槽３０３、最終沈殿池３０４、ろ過池３０５を経て放流される。
　流入渠・沈砂池等３０１を流れた下水は、最初沈殿池３０２に蓄えられる。最初沈殿池３０２では、比較的比重の大きな不要物が重力によって沈降し沈殿する。最初沈殿池３０２に沈殿した汚泥は、汚泥引き抜きポンプ３２１によって引き抜かれ、余剰汚泥貯留槽３０７に送られる。一方で、上澄みの被処理水は生物反応槽３０３に送られる。
　生物反応槽３０３では、下水に微生物が投入される。下水に投入された微生物は、ブロワ３３１による下水の曝気によって活性化され、下水中の有機物を分解するとともに、下水中のリンの除去、アンモニアの硝化、窒素の除去が行われる。微生物の働きによって、窒素成分及びリン成分が下水から分離される。生物反応槽３０３を経た被処理水は最終沈殿池３０４に送られる。
　最終沈殿池３０４では、下水中の活性汚泥が重力によって沈降し沈殿する。最終沈殿池３０４に沈殿した活性汚泥は、余剰汚泥引き抜きポンプ３４１によって引き抜かれ、余剰汚泥貯留槽３０７に送られる。なお、ここで一部の活性汚泥は返送汚泥ポンプ３４２によって生物反応槽３０３に返送され、上記の生物反応槽における反応を促すために再利用される。一方で、上澄みの下水はろ過池３０５に送られる。
　ろ過池３０５では、ろ過による小さな不要物の除去や消毒など、下水に対する最終段階の浄化処理が行われる。ろ過池３０５における浄化処理を経た下水は、処理済みの水として河川等に放流される。
　余剰汚泥貯留槽３０７は、生物学的排水処理プロセスにおいて発生した不要な汚泥を一時貯留する施設である。余剰汚泥貯留槽３０７に貯留された汚泥は、汚泥処理ポンプ３０８によって汚泥処理工程に配送される。
　このような生物学的廃水処理プロセスでは、操作量は返送汚泥の曝気風量であり、制御量は放流水に含まれる窒素及びリンの濃度（以下、それぞれ「放流窒素濃度」及び「放流リン濃度」という。）である。放流窒素濃度及び放流リン濃度は、ろ過池消毒設備を経た後計測される。なお、制御量を、放流水に含まれる窒素及びリンの量（以下、それぞれ「放流窒素量」及び「放流リン量」という。）としてもよい。この場合、放流窒素量及び放流リン量は、それぞれ放流窒素濃度及び放流リン濃度に放流量を乗算することにより得られる。
　図７に記載される評価関数は、操作量に対する未知の値を、制御量の関数として定義したものである。図７の場合、評価関数は、放流窒素濃度及び放流リン濃度と評価量との関係を表す関数である。評価関数は、操作量（曝気風量）上限での制御量と、操作量下限での制御量との間で極値をとるように設定される。評価関数を設定する方法の一例として、評価量を排水賦課金の考え方に基づく水質コストと、返送汚泥ポンプ３４２の電力コストと、ブロワ３３１の電力コストの総和（以下、「総コスト」という。）として表す方法がある。
　返送汚泥ポンプ３４２及びブロワ３３１の電力コストは、返送汚泥流量と返送汚泥ポンプ３４２とブロワ３３１の定格電力などから算出できる。また、返送率又はブロワ３３１を変えることによって大きく変化するものは窒素濃度及びリン濃度であることが知られている。このため、水質コストは、放流窒素をＴＮ、放流リンをＴＰとして、以下の数式（１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　なお、曝気風量を増加させると窒素の除去率が高まるため、ＴＮに関する水質コストが減少する。一方で、曝気風量を減少させるとリンの除去率が高まるため、ＴＰに関する水質コストが減少する。このような場合、水質コストに基づいて評価関数が設定されても良い。ただし、リンと窒素とのようにトレードオフの関係を持たない水質同士のコストを指標とする場合、評価量に運転コスト（電力コスト）を加味した総コストとして表すことによって、評価関数が、操作量（曝気風量）上限での制御量と操作量下限での制御量との間で極値をとるように設定する。
　また、評価関数には放流水質制約を満たすような制約条件を組み入れてもよい。例えば、放流水質の規制値を設け、規制値を超えた際に総コストが増大するような関数を組み込む。このような評価関数を用いた場合、規制値を超えると評価量が急上昇する。そのため、評価量を規制値以内に抑えるように極値制御が機能することが期待できる。
　操作量に加える摂動信号に相当する第１ディザー信号の周期及び評価関数値からディザー信号の成分を抽出する役割を果たす第２ディザー信号の周期は、プラントの時定数より十分遅く設定する。これにより、ディザー信号に伴う操作量の変化によって、評価関数の変化を捉えることができる。
　以上、水処理プラント３００における極値制御の適用例について説明したが、極値制御の対象となるプロセスは、生物学的排水処理プロセスに限定されるものではない。極値制御は、最適化されるべき評価量を持つ任意のプロセスに適用可能である。
　図８は、第１の実施形態の制御装置１の機能構成の具体例を示す機能ブロック図である。制御装置１は、バスで接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリや補助記憶装置などを備え、制御プログラムを実行する。制御装置１は、制御プログラムの実行によって、極値制御部２０、バイアス発生部２０８及びバイアス調整部２１１を備える装置として機能する。なお、制御装置１の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されてもよい。制御プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。制御プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。
　制御装置１の極値制御部２０は、入力された評価関数値に基づいて、評価関数値をより最適値に近づける操作量を出力する。このような極値制御部２０の機能は、図３に示した極値制御系２００ａと同様の構成を含むことで実現される。そのため、図３と同様の符号を付すことにより、極値制御系２００ａと同等の構成についての説明を省略する。
　バイアス調整部２１１は、バイアス発生部２０８によって付加されるバイアスを制御する。例えば、バイアス調整部２１１は、バイアスが付加された操作量信号の大きさが曝気風量の上限値未満となるようにバイアスの大きさを設定する。バイアス調整部２１１は、ディザー信号に対するバイアスの発生タイミング又はバイアスの付加を停止させる指示をバイアス発生部２０８に出力する。バイアス調整部２１１は、評価関数値を入力として、評価関数値の周期平均を計算して、計算結果の履歴を残しておき、バイアスの前後で周期平均値の比較を行う。バイアス調整部２１１は、バイアスを与えても、評価関数値の周期平均値に変化がなくなれば、第１ディザー信号に対するバイアスの付加を停止させる指示を出力する。バイアス調整部２１１は、水処理プラント３００が不安定な状況にある場合、第１ディザー信号に対するバイアスの付加を停止する指示を出力する。水処理プラント３００が不安定な状況とは、例えば、短時間で評価関数値が大きく変移したり、不連続に遷移したり、する状況であってもよい。バイアス調整部２１１の評価関数値の周期平均の記録タイミングは任意に設定されてもよい。記録タイミングは、水処理プラント３００を安定的に動かすことを前提とし、ディザー信号の周波数と同期させてもよい。
　バイアス調整部２１１は、バイアス発生部２０８に対して、矩形波に限らず任意の波形でバイアスを与えるように指示してもよい。バイアス調整部２１１は、例えば、水処理プラント３００の安定的な動作を確保することを前提に、確率信号のような非周期信号又は他の制御対象における制御量と同期した信号でバイアスを与えるように指示してもよい。
例えば図７に示すような水処理プラント３００の場合、ブロワ３３１によってコントロールされる曝気風量、汚泥引抜きポンプ３２１によって引き抜かれる汚泥の量、返送汚泥ポンプ３４２によって返送される汚泥の量、下水の流入量、流入する下水の水質、等の様々な情報によって水処理に掛る電力及び放流水の水質が変わるため、総コストの最適値も変化する場合がある。このような状況においても、制御装置１は適用できる。
　バイアス調整部２１１は、操作量が最適値へ収束した後に評価関数値の周期平均値が増加する挙動が発生した場合には、再度バイアスの付加を開始する指示を出力する。なお、バイアス調整部２１１は、操作量が最適地へ収束した場合、すなわち、評価関数値が一定値となることを確認した場合、バイアスの付加を停止させる指示を出力する。バイアス調整部２１１は、評価関数値の増加又は減少を確認したが、バイアス付加によって評価関数値の低減傾向が認められない場合、評価関数値が全対的に一様に増加している状況であり、最適値が変わっていないと判断し、バイアスの付加を停止させる指示を出力する。一方、バイアスの付加は、操作量の変動が大きいため、水質に悪影響を及ぼす場合がある。したがって、バイアス調整部２１１は、操作量の大幅な変更によって水質が悪化した場合、元の水質に戻すためにバイアスの付加を停止させる場合がある。バイアス調整部２１１は、このような状況をなるべく避けるために、付加するバイアスの関数として徐々に絶対値が増大していくような矩形波を用いるような指示を出力してもよい。
　制御装置１は、徐々に絶対値が増大していくような矩形波を用いることで、水質の規制値が超えない範囲で、水処理プラント３００を運用することが可能となる。バイアス調整部２１１は、矩形波の値の履歴を取得しておくこともできる。なお、バイアスの絶対値の調整は、評価関数値。放流水質又は制御項目の運転状況等の傾向に基づいて、行われてもよい。バイアス調整部２１１は、極値制御以外の要因で水質の悪化が引き起こされた場合にも、バイアス付加の停止を行う指示を出力する。
　図９は、第１の実施形態の制御装置１に基づいた極値制御の一具体例を示す図である。図９では、操作量は曝気風量を表す。図９では、評価関数値は総コストを表す。図９のグラフは、操作量（曝気風量）と評価関数値（総コスト）との関係を表す。図１０Ａは、従来の手法で極値制御を行った場合の操作量及び評価関数値の経時変化の一具体例を示す図である。図１０Ｂは、第１の実施形態の制御装置１で極値制御を行った場合の操作量及び評価関数値の経時変化の一具体例を示す図である。
　図９では、操作量の初期値が０付近にある場合、従来の手法で極値制御を行った場合、図１０Ａに示されるように操作量が０に収束し安定化する。これに対して、図８の構成を持つ制御装置１で極値制御を行った場合、第１ディザー信号に正のバイアスが付加されるため、操作量が最適な操作量付近へ近づき、その点から評価関数値がより低減する操作量（操作量の最適値）へ収束していく挙動が得られる。さらに、操作量にはバイアスが付加されるため、操作量は増加する方向にシフトするが、それに伴い評価関数値も増加するため、極値制御の働きにより操作量が戻るように遷移する。このとき、バイアス調整部２１１は、バイアスを付加する前後で、評価関数値の周期平均を比較し、次にバイアスを付加させる必要が無いと判断し、バイアスの付加を停止させる指示を出力する。このように、第１の実施形態における極値制御を適用すると、図９に示すような特殊な形状を持つ評価関数に対しても、最適な操作量（制御パラメータ）を探索することができる。
　このように構成された第１の実施形態の制御装置１は、バイアス発生部２０８を備えることにより、第１ディザー信号に対して正負のバイアスを付加する。第１ディザー信号にバイアスが付加されることで、より最適な操作量へ収束させることができるため、特殊な形状を持つ評価関数に対しても、最適な操作量（制御パラメータ）を探索することができる。また、バイアス調整部２１１を備えることによって、バイアスが付加される前後で、評価関数値の周期平均を比較し、次にバイアスを付加させる必要が無いと判断した場合、バイアスの付加を停止させることができる。したがって、制御対象の変化に応じて適切な操作量を設定及び維持することが可能になる。
（第２の実施形態）
　図１１は、第２の実施形態の制御装置１ａの機能構成の第一の具体例を示す機能ブロック図である。制御装置１ａは、バスで接続されたＣＰＵやメモリや補助記憶装置などを備え、制御プログラムを実行する。制御装置１ａは、制御プログラムの実行によって、極値制御部２０ａ、振幅決定部２０９a及び振幅調整部２１２を備える装置として機能する。
　極値制御部２０ａは、入力された評価関数値に基づいて、評価関数値をより最適値に近づける操作量を出力する。このような極値制御部２０ａの機能は、図５に示した極値制御系２００ｂと同様の構成を含むことで実現される。そのため、図５と同様の符号を付すことにより、極値制御系２００ｂと同等の構成についての説明を省略する。
　振幅決定部２０９ａは、第１ディザー信号に設定される振幅ａを時間に基づいて決定する。例えば、振幅決定部２０９ａは、第１ディザー信号の振幅ａを時間的に増加させる。
振幅決定部２０９ａは、第１ディザー信号の振幅ａとして、振幅の初期値ａ０から変化率ａ１で時間的に線形増加する関数として構成されてもよい。制御装置１ａは、振幅決定部２０９ａを備えることで、振幅ａは時間の経過とともに徐々に増加し、操作量の探索範囲を広げることができる。振幅決定部２０９ａは、線形増加関数に限らず、単調増加関数であれば任意の関数で振幅ａを決定してもよい。
　振幅調整部２１２は、評価関数値に基づいて、第１ディザー信号の振幅を調整する信号を出力する。例えば、振幅調整部２１２は、入力された操作量に基づいて、第１ディザー信号の振幅aの増加を停止させ、第１ディザー信号の振幅aが一定値の信号とする指示を出力してもよい。振幅調整部２１２は、積分器２０５の出力として第１ディザー信号（a×sinωt）を足し合わせた操作量信号が操作量の上限値に到達した場合、振幅aの値を増加させず一定値を取るようにする信号を出力してもよい。このように構成されることで、振幅調整部２１２は、第１ディザー信号の振幅を増加させる過程で、許容できる操作量の上限値を超えてしまうことで、プラントの応答が不安定となるのを防ぐことができる。
　図１２は、第２の実施形態の制御装置１ｂの機能構成の第二の具体例を示す機能ブロック図である。制御装置１ｂは、バスで接続されたＣＰＵやメモリや補助記憶装置などを備え、制御プログラムを実行する。制御装置１ｂは、制御プログラムの実行によって、極値制御部２０ｂ、振幅決定部２０９a及び振幅調整部２１２ｂを備える装置として機能する。以下、第一の具体例と異なる点について説明する。
　制御装置１ｂは、入力された評価関数値に基づいて、評価関数値をより最適値に近づける操作量を出力する。このような制御装置１ｂの機能は、図５に示した極値制御系２００ｂと同様の構成を含むことで実現される。そのため、図５と同様の符号を付すことにより、極値制御系２００ｂと同等の構成についての説明を省略する。
　振幅調整部２１２ｂは、水処理プラント３００の応答に基づいて、第１ディザー信号の振幅ａの増加を停止させる信号を出力してもよい。振幅調整部２１２ｂは、入力された評価関数値に基づいて、その周期平均を演算する。振幅調整部２１２ｂは、周期平均値の傾向を履歴として記録する。振幅調整部２１２ｂは、周期平均値の遷移に不連続な異常が見受けられた場合、第１ディザー信号の振幅ａの増加を停止する指示を出力する。このように構成されることで、振幅調整部２１２ｂは、水処理プラント３００が安定的に動作する状況下で振幅ａを調整できる。また、図１２の構成では、振幅調整部２１２ｂは、水処理プラント３００が安定に動作している状況下で、記録している評価関数値の平均値の傾向から、評価関数値が低減する傾向が見られなくなることを判断した際に、第１ディザー信号の振幅ａの増加を停止させる信号を出力してもよい。
　振幅調整部２１２ｂは、制御の途中で振幅決定部２０９ａに設定された振幅aを決定する関数を任意に変更してもよい。例えば、水処理プラント３００は、下水処理制御において操作量の変化に対して厳しい水質規制がある場合、水質規制を越えない範囲での運転を行う。この時、ブロワ３３１に対する曝気風量の操作値を変更すると、水質の悪化が著しくなる可能性がある。振幅調整部２１２ｂは、このような場合に対応できるように、水質の応答を取得しつつ、第１ディザー信号の振幅aの関数を少しずつ変更させてもよい。振幅調整部２１２ｂは、第１ディザー信号の振幅a以外のその他のパラメータの設定指針に振幅ａの値が影響している場合、その他のパラメータに振幅aの変更情報が反映されるようにする。例えば、振幅調整部２１２ｂは、積分ゲインＫＩの調整に第１ディザー信号の振幅情報が必要となる場合には、振幅ａの変更情報を積分器２０５に反映させる。
　図９で表される評価関数に対して第２の実施形態の構成をもつ極値制御を適用した場合の効果について説明する。図１３は、第２の実施形態の極値制御における操作量及び評価関数値の経時変化の一具体例を示す図である。図１３に示すように第１ディザー信号の振幅ａの増加に合わせて、操作量の振動幅が拡大していくことがわかる。操作量の振動幅の拡大に伴い、評価関数値の変動幅も大きくなり、評価関数値が低減する方向を特定することが可能となる。振幅調整部２１２ｂは、評価関数値の周期平均の履歴を取得し、評価関数値の平均周期の履歴の値が変化しなくなったことを判断して、第１ディザー信号の振幅の増加を停止させ、振幅aの値が一定値信号となる指示を出力する。操作量が、最適値へ収束した後は操作量や評価関数値の振動幅は一定となる。
　このように構成された第２の実施形態の制御装置１ａは、振幅決定部２０９ａを備えることによって、第１ディザー信号に付加される振幅の値を決定できる。振幅の値は、時間の経過とともに増加するため、操作量の探索範囲を広げることができる。また、振幅調整部２１２を備えることによって、操作量信号が操作量の上限値に到達した場合、振幅aの値を増加させず一定値を取るようにする信号を出力することで、振幅の値が大きくなりすぎて、操作量の探索範囲が広がりすぎることを防ぐことができる。したがって、プラントの応答が不安定となることを防ぐことができ、プラントの変化に応じて適切な操作量を設定及び維持することでプラントを安定稼働させることが可能になる。また、第２の実施形態の制御装置１ｂは、振幅調整部２１２ｂを備えることによって、第１ディザー信号に付加される振幅が決定される関数を任意に変更できる。このように構成されることで、プラントからの評価関数値に基づいて、関数を少しずつ変更させることができる。したがって、プラントに所定の規制が設けられている場合であっても、当該規制を超えないようにしつつ、より簡単にプラントを運用することができる。
（第３の実施形態）
　第３の形態は、第１の実施形態及び第２の実施形態を組み合わせた実施形態である。第３の実施形態を採用することで、第１の実施形態及び第２の実施形態よりも、より広範囲の操作量変動に伴う評価関数値の変動を習得することができ、素早い最適値の探索が可能となる。
　図１４は、第３の実施形態の制御装置１ｃの機能構成の具体例を示す機能ブロック図である。制御装置１ｃは、バスで接続されたＣＰＵやメモリや補助記憶装置などを備え、制御プログラムを実行する。制御装置１ｃは、制御プログラムの実行によって、極値制御部２０ｃ、バイアス発生部２０８、振幅決定部２０９a及び振幅調整部２１２ｃを備える装置として機能する。以下、第１の実施形態及び第２の実施形態と異なる点について説明する。
　振幅調整部２１２ｃは、評価関数値の周期平均値の履歴に基づいて水処理プラント３００の状態を判断する。例えば、振幅調整部２１２ｃは、操作量が上限値に到達した場合又は評価関数値が異常となった場合、バイアス発生部２０８に対して第１ディザー信号に対するバイアス付加の停止の指示を出力したり、振幅決定部２０９ａに対して第１ディザー信号の振幅設定の変更の指示を出力する。
　このように構成された制御装置１ｃは、振幅調整部２１２を備えることによって、評価関数値の周期平均値の履歴に基づいてプラントの状態を判断できる。振幅調整部２１２は、プラントの状態に応じて、第１ディザー信号に対するバイアス付加の停止を指示したり、第１ディザー信号の振幅の変更を指示したりできる。したがって、制御対象の変化に応じて適切な制御パラメータを設定することができ、より簡単かつ安定してプラントを運用することができる。
　上記実施形態における制御装置１は、表示部と入力部とを備えるように構成されてもよい。この場合、表示部は、バイアス発生部又は振幅決定部の駆動波形を出力してもよいし、操作量に付加される摂動信号を表示してもよいし、操作量又は評価関数値の時系列変化を表示してもよい。入力部は、摂動信号の波形を定める設定値を受け付ける。極値制御部は、受け付けた設定値（例えば、振幅）に基づいて摂動信号の波形を制御するように構成されてもよい。具体的には極値制御部は、受け付けた設定値をバイアス発生部又は振幅決定部に出力することで、受け付けた設定値を摂動信号の波形を制御する。
　表示部は、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）ディスプレイ、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等の出力装置である。表示部は、出力装置を制御装置１に接続するためのインタフェースであってもよい。この場合、表示部は、映像データから映像信号を生成し自身に接続されている映像出力装置に映像信号を出力する。
　入力部は、タッチパネル、マウス及びキーボード等の入力装置を用いて構成される。入力部は、入力装置を制御装置１に接続するためのインタフェースであってもよい。この場合、入力部は、入力装置において入力された入力信号から入力データ（例えば、制御装置１に対する指示を示す指示情報）を生成し、制御装置１に入力する。
　上記各実施形態では、極値制御部、バイアス発生部、振幅決定部及び振幅調整部はソフトウェア機能部であるものとしたが、ＬＳＩ等のハードウェア機能部であってもよい。
　以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、極値制御部、バイアス発生部、振幅決定部及び振幅調整部を持つことにより、制御対象の変化に応じて適切な制御パラメータを設定することができる。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims (11)

  1. 　摂動信号の振幅に対してバイアスを付加するバイアス発生部と、
    　バイアスが付加された前記摂動信号を制御対象プロセスに与えられる操作量に加え、前記操作量を所定の評価関数に与えることによって前記制御対象プロセスの最適化に関する指標を示す評価関数値を取得し、前記評価関数値に基づいて前記制御対象プロセスに与えられる前記操作量の最適値を探索する極値制御部と、
    　を備える、制御装置。
  2. 　前記評価関数値に応じて、前記バイアス発生部が行う前記バイアスの付加を停止させるバイアス調整部をさらに備える請求項１に記載の制御装置。
  3. 　前記制御対象プロセスの状態又は制御量に応じて、前記摂動信号に付加される前記バイアスの値を前記バイアス発生部に変更させるバイアス調整部をさらに備える請求項１に記載の制御装置。
  4. 　摂動信号の振幅を時間に基づいて決定する振幅決定部と、
    　振幅が決定された前記摂動信号を制御対象プロセスに与えられる操作量に加え、前記操作量を所定の評価関数に与えることによって前記制御対象プロセスの最適化に関する指標を示す評価関数値を取得し、前記評価関数値に基づいて前記制御対象プロセスに与えられる前記操作量の最適値を探索する極値制御部と、
    　を備える制御装置。
  5. 　前記評価関数値に応じて、前記振幅決定部が行う前記摂動信号の振幅の決定を停止させる振幅調整部をさらに備える請求項４に記載の制御装置。
  6. 　前記操作量に応じて、前記摂動信号の振幅を決定する関数を前記振幅決定部に変更させる振幅調整部をさらに備える、請求項４に記載の制御装置。
  7. 　前記制御対象プロセスの状態又は制御量に基づいて、前記摂動信号の振幅を決定する関数を前記振幅決定部に変更させる振幅調整部をさらに備える請求項４に記載の制御装置。
  8. 　摂動信号のに対してバイアスを付加するバイアス発生部と、
    　摂動信号の振幅を時間に基づいて決定する振幅決定部と、
    　前記振幅が決定され、前記バイアスが付加された摂動信号を制御対象プロセスに与えられる操作量に加え、前記操作量を所定の評価関数に与えることによって前記制御対象プロセスの最適化に関する指標を示す評価関数値を取得し、前記評価関数値に基づいて前記制御対象プロセスに与えられる前記操作量の最適値を探索する極値制御部と、
    　を備える、制御装置。
  9. 　前記操作量に付加される摂動信号を表示する表示部と、
    　ユーザから前記摂動信号の波形を定める設定値を受け付ける入力部と、
    　をさらに備え、
    　前記極値制御部は、前記設定値に基づいて前記摂動信号の波形を制御する請求項１から８のいずれか一項に記載の制御装置。
  10. 　制御装置が、摂動信号の振幅に対してバイアスを付加するバイアス発生ステップと、
    　制御装置が、バイアスが付加された前記摂動信号を制御対象プロセスに与えられる操作量に加え、前記操作量を所定の評価関数に与えることによって前記制御対象プロセスの最適化に関する指標を示す評価関数値を取得し、前記評価関数値に基づいて前記制御対象プロセスに与えられる前記操作量の最適値を探索する極値制御ステップと、
    　を有する、制御方法。
  11. 　請求項１から９のいずれか一項に記載の制御装置としてコンピュータを機能させるためのコンピュータプログラム。
PCT/JP2019/029215 2018-07-27 2019-07-25 制御装置、制御方法及びコンピュータプログラム WO2020022430A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201980047135.4A CN112400142B (zh) 2018-07-27 2019-07-25 控制装置、控制方法以及计算机存储介质

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018141765A JP7132016B2 (ja) 2018-07-27 2018-07-27 制御装置、制御方法及びコンピュータプログラム
JP2018-141765 2018-07-27

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020022430A1 true WO2020022430A1 (ja) 2020-01-30

Family

ID=69181551

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2019/029215 WO2020022430A1 (ja) 2018-07-27 2019-07-25 制御装置、制御方法及びコンピュータプログラム

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP7132016B2 (ja)
CN (1) CN112400142B (ja)
WO (1) WO2020022430A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022030132A1 (ja) * 2020-08-03 2022-02-10 株式会社 東芝 最適値探索制御装置、最適値探索制御方法、コンピュータプログラム、および、最適値探索制御システム

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0591752A (ja) * 1991-02-20 1993-04-09 Hitachi Ltd インバータの制御方法及び制御装置
JP2009048353A (ja) * 2007-08-17 2009-03-05 Mitsubishi Electric Corp 組み合わせ最適化システム
JP2012106198A (ja) * 2010-11-18 2012-06-07 Toshiba Corp 生物学的廃水処理装置
JP2015102876A (ja) * 2013-11-20 2015-06-04 国立大学法人金沢大学 最大電力追従制御装置及び最大電力追従制御方法
US20160084514A1 (en) * 2014-09-24 2016-03-24 Johnson Controls Technology Company Extremum-seeking control for airside economizers

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101578584A (zh) * 2005-09-19 2009-11-11 克利夫兰州立大学 控制器、观测器及其应用
CN101349893B (zh) * 2007-07-18 2011-03-16 太极光控制软件（北京）有限公司 自适应模型预测控制装置
CN101977038A (zh) * 2010-11-12 2011-02-16 上海华岭集成电路技术股份有限公司 信号波形的控制方法
JP6191449B2 (ja) * 2013-12-26 2017-09-06 富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社 光送信機、及び、光変調器の制御装置
JP6523854B2 (ja) * 2015-07-29 2019-06-05 株式会社東芝 最適制御装置、最適制御方法、コンピュータプログラム及び最適制御システム
GB2556315A (en) * 2016-03-23 2018-05-30 Univ Coventry Control system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0591752A (ja) * 1991-02-20 1993-04-09 Hitachi Ltd インバータの制御方法及び制御装置
JP2009048353A (ja) * 2007-08-17 2009-03-05 Mitsubishi Electric Corp 組み合わせ最適化システム
JP2012106198A (ja) * 2010-11-18 2012-06-07 Toshiba Corp 生物学的廃水処理装置
JP2015102876A (ja) * 2013-11-20 2015-06-04 国立大学法人金沢大学 最大電力追従制御装置及び最大電力追従制御方法
US20160084514A1 (en) * 2014-09-24 2016-03-24 Johnson Controls Technology Company Extremum-seeking control for airside economizers

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022030132A1 (ja) * 2020-08-03 2022-02-10 株式会社 東芝 最適値探索制御装置、最適値探索制御方法、コンピュータプログラム、および、最適値探索制御システム

Also Published As

Publication number Publication date
CN112400142A (zh) 2021-02-23
JP2020017230A (ja) 2020-01-30
CN112400142B (zh) 2022-10-14
JP7132016B2 (ja) 2022-09-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2020241657A1 (ja) 最適制御装置、最適制御方法及びコンピュータプログラム
CN107924162B (zh) 最优控制装置、最优控制方法、记录介质及最优控制系统
JP2021026617A (ja) 制御システム及び制御方法
WO2020022430A1 (ja) 制御装置、制御方法及びコンピュータプログラム
Zhao et al. Focused quantization for sparse CNNs
JP2010017022A (ja) 電源制御装置
JP2010170524A (ja) システムを制御するためのコントローラおよびコントローラを有するシステムを制御する方法
CN104953814B (zh) 一种控制pfc电路的方法和装置
JP2007029851A (ja) 凝集剤注入制御装置および方法
Kroll et al. Modelling real-time control of WWTP influent flow under data scarcity
JP2017018940A (ja) 排水処理制御装置及び排水処理システム
Roy et al. Level control of two tank system by fractional order integral state feedback controller tuned by PSO with experimental validation
JP6744145B2 (ja) 制御装置、制御方法及びコンピュータプログラム
CN111788529A (zh) 最优控制装置、控制方法以及计算机程序
WO2013136503A1 (ja) 水処理プラント運用システム及び送水量計画方法
JP6290115B2 (ja) 制御システム、制御装置、制御方法及びコンピュータプログラム
JP2012118766A (ja) 適応ノッチフィルタ、及びノッチフィルタのパラメタ調整方法
JP7267779B2 (ja) 最適制御装置、最適制御方法及びコンピュータプログラム
WO2017006988A1 (ja) 排水処理制御装置及び排水処理システム
JP2018187587A (ja) 曝気風量制御装置及び曝気風量制御方法
JP7532137B2 (ja) 最適値探索制御装置、最適値探索制御方法、コンピュータプログラム、および、最適値探索制御システム
Yang et al. A switching control strategy for nonlinear systems under uncertainty
JP2001345762A (ja) デジタル信号発生方法
JP2010020705A (ja) 制御装置
Dong et al. Convergent Economic Model Predictive Control through parameter-varying storage functions for dissipativity

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19840021

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19840021

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1