JPH1185214A

JPH1185214A - プロセス制御装置

Info

Publication number: JPH1185214A
Application number: JP26514797A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Goshima; 安生五嶋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-09-12
Filing date: 1997-09-12
Publication date: 1999-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】スミス法によるむだ時間のモデルを装置内に
内蔵する必要がない。【解決手段】モデル予測信号生成手段９は、制御対象
２のプロセスのむだ時間を無視した伝達関数のモデルを
有し、予測制御するためのフィードフォワード制御信号
２２を入力して伝達関数に基づき制御演算して得られる
モデル予測信号２４を出力する。フィードバック制御手
段１０は、入力する制御偏差信号１５を積分要素により
制御演算して得られるフィードバック制御信号２３を出
力する。フィードフォワード制御手段１３は、モデル予
測信号２４が設定値信号３となるように制御演算して得
られるフィードフォワード制御信号２２を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プロセスの制御量
を設定量と一致するように制御対象を制御するプロセス
制御装置に係わり、特に、対象プロセスがむだ時間を含
むプロセスのプロセス制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】むだ時間を含むプロセスの制御は、ＰＩ
制御が一般的であるが、むだ時間のために制御ゲインを
下げる必要があり、速応性が損なわれるために制御性能
が芳しくない。むだ時間系に対する対策として、むだ時
間だけ先の時刻における状態を予測するスミス法
（（１）ＡＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｔｏＯｖｅｒｃ
ｏｍｅＤｅａｄＴｉｍｅＯ．Ｊ．Ｍ．Ｓｍｉｔｈ
ＩＳＡ．Ｊ．，６−１ｐｐ．２８−３３，１９５９，
（２）むだ時間システムの制御渡辺慶二（社）計測自
動制御学会，ｐｐ．８−１２，１９９３）が有効な方法
である。

【０００３】以下、図１７に示すスミス法の制御装置の
概略ブロック図に従って説明する。

【０００４】ここで、制御対象２は、むだ時間＋一次遅
れで表される。プロセス制御装置１は、制御対象２の出
力である制御量信号４と設定値信号３の値に制御するべ
く操作量信号５を出力して制御対象２の入力となしてい
る。制御対象２は、前記操作量信号５に応じてその状態
を変えて新たな状態となり、制御量信号４も変化する。
このようにして、制御量信号４は設定値信号３と等しく
なるように制御される。加算手段６は、設定値信号３と
制御量信号４の偏差をとり制御偏差信号１５を出力す
る。むだ時間のモデル１２は、制御対象２のむだ時間の
部分だけを取り出したモデルでむだ時間の影響を予測
し、操作量信号５を入力してむだ時間のモデル信号２０
を出力する。加算手段１０は、操作量信号５とむた時側
のモデル信号２０の差をとりむだ時間補正信号２１を出
力する。

【０００５】むだ時間なしモデル１１は、制御対象２の
むだ時間の部分だけを除いたモデル（一次遅れモデル）
で、むだ時間補正信号２１を入力して制御偏差補正信号
１８を出力する。加算手段９は、制御偏差信号１５と制
御偏差補正信号１８の差をとりＰＩ制御器入力信号１９
を出力する。

【０００６】比例積分制御手段２５はＰＩ制御器入力信
号１９を入力とし、ＰＩ制御器入力信号１９に比例・積
分演算処理を施して操作量信号５を出力する。このと
き、制御対象２と予測モデル（むだ時間なしモデル１１
＋むだ時間のモデル１２）が完全に一致すると、制御シ
ステムは図１８に示す概略ブロック図と等価となり、む
だ時間を相殺することができ、比例積分制御手段２５で
制御対象２２を高速且つ安定に制御できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図１７及び
図１８によるスミス法は、むだ時間対策としては有効な
手段であるが、むだ時間のモデル１２をプロセス制御装
置１内に組み込む必要がある。このような場合、むだ時
間のモデル１２と制御対象２との不整合が制御性を大き
く損なう場合がある。また、対象システムによっては、
むだ時間がダイナミックに変化する場合があり、この場
合はモデル化が困難となる。更に、むだ時間の大きさＬ
が制御装置の制御周期と比較して非常に大きくなるとむ
だ時間のモデル１２の記憶スペースが増大する。このよ
うに、むだ時間のモデル１２の実現が困難な場合があり
実用上のネックとなっている。

【０００８】そこで、本発明の目的は、むだ時間のモデ
ルを制御装置内に組み込む必要がなく、スミス法の長所
も活かした高性能なプロセス制御装置を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、無駄
時間要素を含むプロセスを制御対象としてプロセスの制
御量信号が設定値信号となるように操作量信号を制御対
象へ出力して制御するプロセス制御装置において、制御
対象のプロセスのむだ時間を無視した伝達関数のモデル
を有し、予測制御するためのフィードフォワード制御信
号を入力して伝達関数に基づき制御演算して得られるモ
デル予測信号を出力するモデル予測信号生成手段と、こ
のモデル予測信号生成手段により出力されるモデル予測
信号が設定値信号となるように制御演算して得られるフ
ィードフォワード制御信号を出力するフィードフォワー
ド制御手段と、フィードフォワード制御信号とフィード
バック制御信号との加算信号を操作量信号として制御対
象へ出力する一方、モデル予測信号と設定値との制御偏
差信号が所定値以上のときから制御対象のむだ時間相当
分までの間、フィードフォワード制御信号のみを制御対
象へ出力するように切替える切替手段とを設けるように
したものである。この手段によれば、設定値信号と制御
量信号との偏差信号である制御偏差信号が小さいとき、
設定値信号と制御量信号となるように制御演算されたフ
ィードバック制御信号に基づく操作量によってむだ時間
を含む制御対象が安定に制御される。一方、設定値信号
あるいは制御量信号が変化して制御偏差信号が所定値以
上となると、制御偏差大信号が出力されて切替手段によ
りフィードバック制御信号の出力が禁止される。これに
より、制御偏差信号が所定値以上で、かつ、無駄時間相
当分の時間の間では、むだ時間を無視した伝達関数によ
る制御対象により予測信号を生成し、この予測信号に基
づいてフィードフォワード制御信号を生成して高速に制
御がされる。やがて、制御偏差信号が小さくなり、所定
値未満となり、かつ、むだ時間相当時間を経過すると、
制御偏差大信号の出力の禁止が解除され、フィードバッ
ク制御信号が出力される。従って、スミス法によるむだ
時間のモデルを装置内に内蔵する必要がなく、この結
果、むだ時間のモデルと制御対象との不整合に伴って制
御性を損なうおそれが解消できる。また、制御対象の無
駄時間がダイナミックに変化する場合にも対応すること
ができる。さらに、むだ時間のモデルのむだ時間の大き
さがプロセス制御装置の制御周期と比較して非常に大き
いとむだ時間のモデルのメモリスペースが増大して実用
的でないという問題も解決することができる。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１記載のプロセ
ス制御装置において、フィードバック制御手段は、入力
する制御偏差信号を積分要素により制御演算して得られ
るフィードバック制御信号を出力するようにしたもので
ある。この手段によれば、スミス法によるむだ時間のモ
デルを装置内に必要がなく、むだ時間のモデルを装置内
に設けることに起因する弊害が回避できる。また、フィ
ードバック制御手段として積分要素で構成したので、通
常時に積分要素により制御偏差信号を制御演算してフィ
ードバック制御がされて安定した高度の制御がされる。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１記載のプロセ
ス制御装置において、フィードバック制御手段は、入力
する制御偏差信号を比例及び積分要素により制御演算し
て得られるフィードバック制御信号を出力するようにし
たものである。この手段によれば、スミス法によるむだ
時間のモデルを装置内に必要がなく、むだ時間のモデル
を装置内に設けることに起因する弊害が回避できる。ま
た、フィードバック制御手段として比例積分要素で構成
したので、通常時に比例積分要素により制御偏差信号を
制御演算してフィードバック制御がされて安定した高度
の制御がされる。

【００１２】請求項４の発明は、請求項１記載のプロセ
ス制御装置において、フィードフォワード制御手段は、
モデル予測信号と設定値信号とに応じてファジィ推論に
よって定めた制御定数によって制御演算をして得られる
フィードフォワード制御信号を出力するようにしたもの
である。この手段によれば、スミス法によるむだ時間の
モデルを装置内に必要がなく、むだ時間のモデルを装置
内に設けることに起因する弊害が回避できる。また、フ
ィードフォワード制御手段としてファジイ制御手段で構
成したので、予測制御偏差信号が所定値以上のとき予測
制御偏差信号の値に応じて制御定数が定められ高速に応
答させることができる。

【００１３】請求項５の発明は、請求項１記載のプロセ
ス制御装置において、フィードフォワード制御手段は、
モデル予測信号と設定値信号とに応じて自己組織化ファ
ジィ推論によって定めた制御定数によって制御演算をし
て得られるフィードフォワード制御信号を出力するよう
にしたものである。この手段によれば、スミス法による
むだ時間のモデルを装置内に必要がなく、むだ時間のモ
デルを装置内に設けることに起因する弊害が回避でき
る。また、フィードフォワード制御手段として自己組織
化ファジイ制御手段で構成したので、予測制御偏差信号
が所定値以上のとき、むだ時間相当分のフィードフォワ
ード信号が高速に応答するように制御定数が定められ
る。

【００１４】請求項６の発明は、無駄時間を含むプロセ
ス制御対象としてプロセスの制御量信号が設定値信号と
なるように操作量信号を制御対象へ出力して制御するプ
ロセス制御装置において、制御対象のプロセスのむだ時
間を無視した伝達関数のモデルを有し、予測制御するた
めのフィードフォワード制御信号を入力して伝達関数に
基づき制御演算して得られるモデル予測信号を出力する
モデル予測信号生成手段と、このモデル予測信号生成手
段により出力されるモデル予測信号が設定値信号となる
ように制御演算して得られるフィードフォワード制御信
号を出力するフィードフォワード制御手段と、制御偏差
信号と予測制御偏差信号とに応じて制御偏差信号が所定
値未満のとき、ファジィ推論された制御定数によって制
御偏差信号を制御演算して得られるフィードバック制御
信号を選択するように出力する一方、制御偏差信号が所
定値以上のときから制御対象のむだ時間相当分までの
間、フィードバック制御信号を零とするように選択する
ファジィ選択制御手段と、フィードバック制御信号とフ
ィードフォワード制御信号とを加算して操作量信号を制
御対象へ出力する加算手段とを設けるようにしたもので
ある。この手段によれば、スミス法によるむだ時間のモ
デルを装置内に必要がなく、むだ時間のモデルを装置内
に設けることに起因する弊害が回避できる。また、請求
項１乃至請求項５の発明の切替手段を不要として、予測
制御偏差信号と制御偏差信号との値に応じてファジイ演
算を実行してフィードバック制御信号とフィードフォワ
ード制御信号との間で円滑に切替えができ、切替えに伴
う制御量信号の変動が回避される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１６】図１は、本発明の第１実施の形態を示すプ
ロセス制御装置のブロック構成図である。

【００１７】図１において、従来例を示す図１７と同一
符号は、同一部分または相当部分を示している。プロセ
ス制御装置１Ａは、モデル予測信号生成手段９とフィー
ドバック制御手段１０とフィードフォワード制御手段１
３と切替手段１７等を備えて構成されている。

【００１８】ここで、モデル予測信号生成手段９は、制
御対象２のプロセスのむだ時間を無視した伝達関数のモ
デルを有し、予測制御するためのフィードフォワード制
御信号２２を入力して伝達関数に基づき制御演算して得
られるモデル予測信号を出力するものである。フィード
バック制御手段１０は、入力する制御偏差信号を積分要
素により制御演算して得られるフィードバック制御信号
２３を出力するものである。フィードフォワード制御手
段１３は、モデル予測信号生成手段９により出力される
モデル予測信号２４が設定値信号３となるように制御演
算して得られるフィードフォワード制御信号２２を出力
するものである。

【００１９】以上の構成で、制御対象２からの制御量信
号４と設定値信号３とが加算手段６へ入力されて得られ
る制御偏差信号１５が切替手段１７の接点１７ａを介し
て出力されている。これによって、フィードバック制御
手段１０では、所定の制御演算の実行を行い、得られる
フィードバック制御信号２３を加算手段８へ出力され
る。一方、フィードフォワード制御手段１３が出力する
フィードフォワード制御信号２２がモデル予測信号生成
手段９へ入力され、制御対象２のむだ時間を無視した伝
達関数のモデルによって演算がされモデル予測信号２４
が出力される。

【００２０】続いて、モデル予測信号２４と設定値信号
３とが加算手段７へ入力され得られる予測制御偏差信号
１６がフィードフォワード制御手段１３へ出力される。
予測制御偏差信号１６が入力したフィードフォワード制
御手段１３では、所定の演算を実行して得られるフィー
ドフォワード制御信号２２を加算手段８とモデル予測信
号生成手段９へ出力する。加算手段８では、フィードバ
ック制御信号２３とフィードフォワード制御信号２２と
を入力して操作量信号５を制御対象２へ出力する。

【００２１】ここで、予測制御偏差信号１６を入力する
切替手段１７によって予測制御偏差信号１６が所定値未
満のとき接点１７ａを閉として制御偏差信号１５がフィ
ードバック制御手段１０へ出力される。一方、切替手段
１７により予測制御偏差信号１６が所定値以上のとき、
制御対象２のむだ時間相当分の時間、接点１７ａが開と
され、フィードバック制御手段１０への入力が零とされ
る。

【００２２】これにより、通常の制御対象２が安定し、
かつ、設定値信号３を変化させない状態のとき、制御偏
差信号１５が小さくて所定値未満で接点１７ａが閉とな
って、制御偏差信号１５がフィードバック制御手段１０
へ入力され、所定の制御演算がされて、フィードバック
制御信号２３によって安定したフィードバック制御がさ
れる。その後に、必要に応じて設定値信号３が変化する
と、予測制御偏差信号１６が所定値以上となり、切替手
段１７によって接点１７ａが開となり、予測制御偏差信
号１６がフィードフォワード制御手段１３により演算さ
れ、フィードフォワード制御信号２２が制御対象２のむ
だ時間相当分の時間フィードフォワード制御信号２２に
よって制御される。この結果、むだ時間の伝導関数を無
視して高速に先行して予測制御が応答良くできる。そし
て、予測制御がされ、予測制御偏差信号１６が小さくな
ると、フィードバック制御手段１０によって今度は、制
御偏差信号１５に応じて安定、かつ、高精度の制御がさ
れる。

【００２３】このように第１実施の形態によれば、スミ
ス法によるむだ時間のモデルをプロセス装置内に内蔵す
る必要がなく、この結果、むだ時間のモデルと制御対象
２との不整合に伴って制御性を損なうおそれが解消でき
る。また、制御対象２の無駄時間がダイナミックに変化
する場合にも対応することができる。さらに、むだ時間
のモデルのむだ時間の大きさがプロセス制御装置の制御
周期と比較して非常に大きいとむだ時間のモデルのメモ
リスペースが増大して実用的でないという問題も解決す
ることができる。

【００２４】図２は、本発明の第２実施の形態を示すプ
ロセス制御装置のブロック構成図である。

【００２５】図２において、従来例を示す図１７と同一
符号は、同一部分または相当部分を示している。プロセ
ス制御装置１Ｂは、むだ時間なしモデル１１と積分制御
手段１４とフィードフォワード制御手段１３と切替手段
１７等を備えて構成され本発明の第２実施の形態は、図
１の第１実施の形態のフィードバック制御手段１０を積
分要素で構成して積分制御手段１４とした点に特徴を有
している。

【００２６】以上の構成で、制御対象２からの制御量信
号４と設定値信号３とが加算手段６へ入力されて得られ
る制御偏差信号１５が切替手段１７の接点１７ａを介し
て出力されている。これによって、積分制御手段１４で
は、次の式（１）の積分演算の実行を行い、得られるフ
ィードバック制御信号２３を加算手段８へ出力する。

【００２７】１／Ｔｉ１・ｓ …（１）

【００２８】一方、フィードフォワード制御手段１３が
出力するフィードフォワード制御信号２２がむだ時間な
しモデル１１へ入力され、制御対象２のむだ時間を無視
した次の式（２）で表される伝達関数のモデルによって
演算がされモデル予測信号２４が出力される。

【００２９】１／（１＋Ｔ・ｓ） …（２）

【００３０】続いて、モデル予測信号２４と設定値信号
３とが加算手段７へ入力され得られる予測制御偏差信号
１６がフィードフォワード制御手段１３へ出力される。
予測制御偏差信号１６が入力したフィードフォワード制
御手段１３では、次の式（３）で表される制御演算を実
行して得られるフィードフォワード制御信号２２を加算
手段８とモデル予測信号生成手段９へ出力する。

【００３１】Ｋｐ２｛１＋（１／Ｔｉ２・ｓ）｝ …（３）

【００３２】加算手段８では、フィードバック制御信号
２３とフィードフォワード制御信号２２とを入力して操
作量信号５を制御対象２へ出力する。

【００３３】ここで、予測制御偏差信号１６を入力する
切替手段１７によって予測制御偏差信号１６が所定値未
満のとき接点１７ａを閉として制御偏差信号１５が積分
制御手段１４へ出力される。一方、切替手段１７により
予測制御偏差信号１６が所定値以上のとき、制御対象２
のむだ時間相当分の時間、接点１７ａが開とされ、積分
制御手段１４への入力が零とされる。

【００３４】これにより、通常の制御対象２が安定し、
かつ、設定値信号３を変化させない状態のとき、制御偏
差信号１５が小さくて所定値未満で接点１７ａが閉とな
って、制御偏差信号１５が積分制御手段１４へ入力さ
れ、所定の制御演算がされて、フィードバック制御信号
２３によって安定したフィードバック制御がされる。そ
の後に、必要に応じて設定値信号３が変化すると、予測
制御偏差信号１６が所定値以上となり、切替手段１７に
よって接点１７ａが開となり、予測制御偏差信号１６の
みがフィードフォワード制御手段１３により演算され、
フィードフォワード制御信号２２が制御対象２のむだ時
間相当分の時間、フィードフォワード制御信号２２によ
って制御される。この結果、むだ時間の伝導関数を無視
して高速に先行して予測制御が応答良くできる。そし
て、予測制御がされ、予測制御偏差信号１６が小さくな
ると、今度は、接点１７ａが閉となり積分制御手段１４
によって制御偏差信号１５に応じて安定、かつ、高精度
の制御がされる。

【００３５】このように第２実施の形態によれば、スミ
ス法によるむだ時間のモデルを装置内に内蔵する必要が
なく、この結果、むだ時間のモデルと制御対象２との不
整合に伴って制御性を損なうおそれが解消でき、むだ時
間モデルを装置に内蔵することにより生じる弊害が除去
できる。

【００３６】図３は、本発明の第３実施の形態を示すプ
ロセス制御装置のブロック構成図である。

【００３７】図３において、従来例を示す図１７と同一
符号は、同一部分または相当部分を示している。プロセ
ス制御装置１Ｃは、むだ時間なしモデル１１と比例積分
制御手段２５とフィードフォワード制御手段１３と切替
手段１７等を備えて構成され、第３実施の形態は、図１
の第１実施の形態のフィードバック制御手段１０を比例
積分要素で構成して比例積分制御手段２５とした点に特
徴を有している。

【００３８】以上の構成で、制御対象２からの制御量信
号４と設定値信号３とが加算手段６へ入力されて得られ
る制御偏差信号１５が切替手段１７の接点１７ａを介し
て出力されている。これによって、比例積分制御手段２
５では、次の式（４）で表される制御演算の実行を行
い、得られるフィードバック制御信号２３を加算手段８
へ出力する。

【００３９】Ｋｐ１｛１＋（１／Ｔｉ１・ｓ）｝ …（４）

【００４０】一方、フィードフォワード制御手段１３が
出力するフィードフォワード制御信号２２がむだ時間な
しモデル１１へ入力され、制御対象２のむだ時間を無視
した伝達関数のモデルによって演算がされモデル予測信
号２４が出力される。

【００４１】続いて、モデル予測信号２４と設定値信号
３とが加算手段７へ入力され得られる予測制御偏差信号
１６がフィードフォワード制御手段１３へ出力される。
予測制御偏差信号１６が入力したフィードフォワード制
御手段１３では、第２実施の形態による式（３）と同様
の演算を実行して得られるフィードフォワード制御信号
２２を加算手段８とモデル予測信号生成手段９へ出力す
る。加算手段８では、フィードバック制御信号２３とフ
ィードフォワード制御信号２２とを入力して操作量信号
５を制御対象２へ出力する。

【００４２】ここで、予測制御偏差信号１６を入力する
切替手段１７によって予測制御偏差信号１６が所定値未
満のとき接点１７ａを閉として制御偏差信号１５が比例
積分制御手段２５へ出力される。一方、切替手段１７に
より予測制御偏差信号１６が所定値以上のとき、制御対
象２のむだ時間相当分の時間、接点１７ａが開とされ、
比例積分制御手段２５の入力が零とされる。

【００４３】これにより、通常の制御対象２が安定し、
かつ、設定値信号３を変化させない状態のとき、制御偏
差信号１５が小さくて所定値未満で接点１７ａが閉とな
って、制御偏差信号１５が比例積分制御手段２５へ入力
され、式（４）の制御演算がされて、フィードバック制
御信号２３によって安定したフィードバック制御がされ
る。その後に必要に応じて設定値信号３が変化すると、
予測制御偏差信号１６が所定値以上となり、切替手段１
７によって接点１７ａが開となり、予測制御偏差信号１
６がフィードフォワード制御手段１３により演算され、
フィードフォワード制御信号２２が制御対象２のむだ時
間相当分の時間フィードフォワード制御信号２２によっ
て制御される。この結果、むだ時間の伝導関数を無視し
て高速に先行して予測制御が応答良くできる。そして、
予測制御がされ、予測制御偏差信号１６が小さくなる
と、今度は、比例積分制御手段２５で制御偏差信号１５
に応じて安定、かつ、高精度の制御がされる。

【００４４】このように第３実施の形態によれば、スミ
ス法によるむだ時間のモデルを装置内に内蔵する必要が
なく、この結果、むだ時間のモデルと制御対象２との不
整合に伴って制御制を損なうおそれが解消でき、制御対
象２の無駄時間がダイナミックに変化する場合にも対応
することができる。

【００４５】図４は、本発明の第４実施の形態を示すプ
ロセス制御装置のブロック構成図である。

【００４６】図４において、従来例を示す図１７と同一
符号は、同一部分または相当部分を示している。プロセ
ス制御装置１Ｄは、むだ時間なしモデル１１と積分制御
手段１４とファジイ制御手段２８と切替手段１７等を備
えて構成され、第４実施の形態は、図２に示す第２実施
の形態のフィードフォワード制御手段１３の代わりにフ
ァジイ制御手段２８とした点に特徴を有している。

【００４７】以上の構成で、制御対象２からの制御量信
号４と設定値信号３とが加算手段６へ入力されて得られ
る制御偏差信号１５が切替手段１７の接点１７ａを介し
て出力されている。これによって、積分制御手段１４で
は、式（１）で表される制御演算の実行を行い、得られ
るフィードバック制御信号２３を加算手段８へ出力す
る。一方、ファジイ制御手段２８が出力するフィードフ
ォワード制御信号２２がモデル予測信号生成手段９へ入
力され、制御対象２のむだ時間を無視した伝達関数のモ
デルによって演算がされモデル予測信号２４が出力され
る。

【００４８】続いて、モデル予測信号２４と設定値信号
３とが加算手段７へ入力され得られる予測制御偏差信号
１６がファジイ制御手段２８へ出力される。

【００４９】ファジイ制御手段２８は、図５に示すよう
に、微分要素２８ａとファジイ処理手段２８ｂと積分要
素２８ｃとから構成される速度型を用いて、予測制御偏
差信号１６が微分要素２８ａによつて微分された微分１
６とそのまま予測制御偏差信号１６とが入力され、ファ
ジイ処理手段２８ｂでファジイ推論がされ得られた出力
値を積分要素２８ｃによって積分してフィードフォワー
ド制御信号２２としている。

【００５０】図６は、ファジイ制御手段２８に設けるフ
ァジイ処理手段２８ｂのメンバーシップ関数を示すもの
で、図において、予測制御偏差信号１６（偏差１６）、
予測制御偏差信号１６の微分値（微分１６）、フィード
フォワード制御信号２２の増加分（増加２２）で表して
おり、これに対応するルールは、例えば、図７に示して
いる。

【００５１】図６及び図７のＥ１６は偏差１６、Ｄ１６
は微分１６、Ｄ２２は増加分２２に各対応している。こ
れをまとめたものが図８に示すルール表となる。

【００５２】ファジイ制御手段２８のファジイ処理手段
２８ｂでは、図８に示すルール表によって予測制御偏差
信号１６の（偏差１６）（Ｅ１６）と予測制御偏差信号
１６の微分値（微分１６）（Ｄ１６）との入力値に応じ
てフィードフォワード制御信号２２の（増加分２２）
（Ｄ２２）を推論して増加分である比例値を決定する。
そして、増加分は、積分要素２８ｃで積分値で積分され
フィードフォワード制御信号２２として加算手段８へ出
力される。

【００５３】ここで、予測制御偏差信号１６を入力する
切替手段１７によって予測制御偏差信号１６が所定値未
満のとき接点１７ａを閉として制御偏差信号１５が積分
制御手段１４へ出力される。一方、切替手段１７により
予測制御偏差信号１６が所定値以上のとき、制御対象２
のむだ時間相当分の時間、接点１７ａが開とされ、積分
制御手段１４への入力が零とされる。

【００５４】これにより、通常の制御対象２が安定し、
かつ、設定値信号３を変化させない状態のとき、制御偏
差信号１５が小さくて所定値未満で接点１７ａが閉とな
って、制御偏差信号１５が積分制御手段１４へ入力さ
れ、式（１）による制御演算がされて、積分制御手段１
４によって安定したフィードバック制御がされる。その
後に必要に応じて設定値信号３が変化すると、予測制御
偏差信号１６が所定値以上となり、切替手段１７によっ
て接点１７ａが開となり、予測制御偏差信号１６がファ
ジイ制御手段２８により演算され、フィードフォワード
制御信号２２が制御対象２のむだ時間相当分の時間フィ
ードフォワード制御信号２２によって制御される。この
結果、むだ時間の伝導関数を無視して高速に先行して予
測制御が応答良くできる。そして、予測制御がされ、予
測制御偏差信号１６が小さくなると、今度は、積分制御
手段１４により制御偏差信号１５に応じて安定、かつ、
高精度の制御がされる。

【００５５】このように第４実施の形態によれば、スミ
ス法によるむだ時間のモデルを装置内に内蔵する必要が
なく、この結果、むだ時間のモデルと制御対象２との不
整合に伴って制御制を損なうおそれが解消でき、制御対
象２の無駄時間が変化する場合にも対応することがで
き、さらに、むだ時間のモデルのむだ時間の大きさがプ
ロセス制御装置の制御周期と比較して非常に大きいとむ
だ時間のモデルのメモリスペースが増大して実用的でな
いという問題も解決することができる。また、ファジイ
制御手段によってフィードフォワード信号を生成したの
で予測制御偏差信号１６に応じて的確な制御定数が一律
でなく定められるので高速に応答することができる。

【００５６】図９は、本発明の第５実施の形態を示すプ
ロセス制御装置のブロック構成図である。

【００５７】図９において、従来例を示す図１７と同一
符号は、同一部分または相当部分を示している。プロセ
ス制御装置１Ｅは、むだ時間なしモデル１１と自己組織
化ファジイ制御手段２９と切替手段１７等を備えて構成
され、第５実施の形態は、図２に示す第２実施の形態の
フィードフォワード制御手段１３の代わりに自己組織化
ファジイ制御手段２９とした点に特徴を有している。

【００５８】以上の構成で、制御対象２からの制御量信
号４と設定値信号３とが加算手段６へ入力されて得られ
る制御偏差信号１５が切替手段１７の接点１７ａを介し
て出力されている。これによって、積分制御手段１４で
は、式（１）の制御演算の実行を行い、得られるフィー
ドバック制御信号２３を加算手段８へ出力する。一方、
自己組織化ファジイ制御手段２９が出力するフィードフ
ォワード制御信号２２がむだ時間なしモデル１１へ入力
され、制御対象２のむだ時間を無視した伝達関数のモデ
ルによって演算がされモデル予測信号２４が出力され
る。

【００５９】続いて、モデル予測信号２４と設定値信号
３とが加算手段７へ入力され得られる予測制御偏差信号
１６が自己組織化ファジイ制御手段２９へ出力される。

【００６０】自己組織化ファジイ制御手段２９は、図１
０に示すように規範モデル２９ａとファジイルール２９
ｂとファジイ制御器２９ｃと予測器２９ｄとルール構築
２９ｅと対象プラント２９ｆ等の要素からなっている。

【００６１】自己組織化ファジイ制御手段２９は、エキ
スパートの経験が不要でルールやメンバーシップ関数を
オン・ラインで自動的に生成・修正を行ってファジイ制
御システムを自動的に構築するものである。すなわち、
対象プラントの制御はファジイ制御で行う。このファジ
イ制御のルールをダイナミックに（オン・ラインで）修
正して最終的に対象プラントを最適に制御させる。一例
としては、ファジイルールにより対象プラントの入力範
囲を算出して、対象プラントの望ましい出力ｙｒと予想
される出力ｙａから実際のプラント入力（制御出力）を
求める。一方、このときの対象プラントの応答を制御ス
テップ毎にオン・ラインで取込み、対象プラントの入出
力の組合せで新しいルールの候補とする。ルールの更新
は、そのときの望ましい出力ｙｒと実際の出力結果ｙと
の差が最小となるようにルールを更新する。この場合の
ルールは、対象プラントの制御空間を分割して個々の空
間に１つのルールをうめる。始はすべてのルール空間に
なにも入っていないが、（すべてにＺが入っているイメ
ージ）この状態から始めると、大抵の空間では新たなル
ールの方が良い制御結果をもたらすため次々にルールが
作成される。

【００６２】ここで、予測制御偏差信号１６を入力する
切替手段１７によって予測制御偏差信号１６が所定値未
満のとき接点１７ａを閉として制御偏差信号１５が積分
制御手段１４へ出力される。一方、切替手段１７により
予測制御偏差信号１６が所定値以上のとき、制御対象２
のむだ時間相当分の時間、接点１７ａが開とされ、積分
制御手段１４への入力が零とされる。

【００６３】この結果、むだ時間の伝導関数を無視して
高速に先行して予測制御が応答良くできる。そして、予
測制御がされ、予測制御偏差信号１６が小さくなると、
今度は、制御偏差信号１５に応じて安定、かつ、高精度
の制御がされる。

【００６４】このように第５実施の形態によれば、スミ
ス法によるむだ時間のモデルを装置内に内蔵する必要が
なく、この結果、むだ時間のモデルと制御対象２との不
整合に伴って制御性を損なうおそれが解消でき、むだ時
間のモデルを装置に内蔵する場合に起因する弊害が除去
できる。

【００６５】図１１は、本発明の第６実施の形態を示す
プロセス制御装置のブロック構成図である。

【００６６】図１１において、従来例を示す図１７と同
一符号は、同一部分または相当部分を示している。プロ
セス制御装置１Ｆは、むだ時間なしモデル１１とフィー
ドフォワード制御手段１３とファジィ選択制御手段２７
等を備えて構成され、第６実施の形態は、図２に示す第
２実施の形態の切替手段１７と積分制御手段１４の代わ
りにファジィ選択制御手段２７を備えている点に特徴を
有している。

【００６７】以上の構成で、制御対象２からの制御量信
号４と設定値信号３とが加算手段６へ入力されて得られ
る制御偏差信号１５がファジィ選択制御手段２７へ出力
されている。

【００６８】続いて、モデル予測信号２４と設定値信号
３とが加算手段７へ入力され得られる予測制御偏差信号
１６がフィードフォワード制御手段１３とファジィ選択
制御手段２７とへ出力される。

【００６９】ファジィ選択制御手段２７は、図１２に示
すように、演算手段２８ａと積分要素２８ｂとから構成
され、予測制御偏差信号１６と制御偏差信号１５と入力
してファジイ演算を実行して得られる増加分を積分要素
２８ｂにより積分してフィードバック制御信号２３とし
て出力する。

【００７０】図１３は、メンバーシップ関数の一例を示
すもので、図では予測制御偏差信号１６を偏差１６また
はＥ１６で表し、制御偏差信号１５を偏差１５またはＥ
１５で表し、フィードバック制御信号２３に対する増加
分を増加分２３またはＤ２３を表している。

【００７１】また、図１３に示すメンバーシップ関数の
ラベルは、図１４に示すように定め、この場合のルール
を図１５に定めてルール表を作成すると、図１６に示す
ようになる。このルール表に基づいて予測制御偏差信号
１６と制御偏差信号１５との入力値に応じてファジィ選
択制御手段２７の演算手段２７ａによって演算がされ、
得られる信号を積分要求２８ｂによってフィードバック
制御信号２３を出力する。

【００７２】これにより、通常の制御対象２が安定し、
かつ、設定値信号３を変化しない状態のとき、制御偏差
信号１５が小さいとき、ファジィ選択制御手段２７によ
って演算されたフィードバック制御信号２３によって安
定したフィードバック制御がされる。その後に必要に応
じて設定値信号３が変化して、予測制御偏差信号１６が
ある値以上となるとファジィ選択制御手段２７からフィ
ードバック制御信号２３が減少され、むだ相当分の時間
までフィードフォワード制御信号２２によって制御され
る。この結果、むだ時間の伝導関数を無視して高速に先
行して予測制御が応答良くできる。そして、予測制御が
され、予測制御偏差信号１６が小さくなると、今度は、
ファジィ選択制御手段２７によって制御偏差信号１５に
応じて安定、かつ、高精度の制御がされる。

【００７３】このように第６実施の形態によれば、スミ
ス法によるむだ時間のモデルを装置内に内蔵する必要が
なく、この結果、むだ時間のモデルと制御対象２との不
整合に伴って制御制を損なうおそれが解消できる等のむ
だ時間のモデルを内蔵する弊害が除去できる。また、第
１実施の形態乃至第５実施の形態による切替手段１７を
不要としているので制御偏差信号１５と予測制御偏差信
号１６の値に応じて極めて円滑にフィードフォワード制
御信号２２とフィードバック制御信号２３の切替えがで
きる。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明によ
れば、スミス法によるむだ時間のモデルを装置内に内蔵
する必要がないので、むだ時間のモデルと制御対象との
不整合に伴って制御性を損なうおそれが解消でき、制御
対象の無駄時間がダイナミックに変化する場合にも対応
することができ、むだ時間のモデルのむだ時間の大きさ
がプロセス制御装置の制御周期と比較して非常に大きい
とむだ時間のモデルのメモリスペースが増大して実用的
でないという問題も解決することができる。

【００７５】また、請求項２の発明によれば、スミス法
によるむだ時間のモデルを装置内に必要がなく、むだ時
間のモデルを装置内に設けることに起因する弊害が回避
でき、フィードバック制御手段として積分要素で構成し
たので、通常時に積分要素により制御偏差信号を制御演
算してフィードバック制御がされて安定した高精度の制
御をすることができる。

【００７６】また、請求項３の発明によれば、スミス法
によるむだ時間のモデルを装置内に必要がなく、むだ時
間のモデルを装置内に設けることに起因する弊害が回避
でき、フィードバック制御手段として比例積分要素で構
成したので、通常時に比例積分要素により制御偏差信号
を制御演算してフィードバック制御がされて安定した高
精度の制御をすることができる。

【００７７】また、請求項４の発明によれば、スミス法
によるむだ時間のモデルを装置内に必要がなく、むだ時
間のモデルを装置内に設けることに起因する弊害が回避
でき、フィードフォワード制御手段としてファジイ制御
手段で構成したので、予測制御偏差信号が所定値以上の
とき予測制御偏差信号の値に応じて制御定数が定められ
高速に応答することができる。

【００７８】また、請求項５の発明によれば、スミス法
によるむだ時間のモデルを装置内に必要がなく、むだ時
間のモデルを装置内に設けることに起因する弊害が回避
でき、フィードフォワード制御手段として自己組織化フ
ァジイ制御手段で構成したので、予測制御偏差信号が所
定値以上のとき、むだ時間相当分のフィードフォワード
信号が高速に応答するように的確に制御定数を定めるこ
とができる。

【００７９】また、請求項６の発明によれば、スミス法
によるむだ時間のモデルを装置内に必要がなく、むだ時
間のモデルを装置内に設けることに起因する弊害が回避
でき、請求項１乃至請求項５の発明の切替手段を不要と
して、予測制御偏差信号と制御偏差信号との値に応じて
ファジイ演算を実行してフィードバック制御信号とフィ
ードフォワード制御信号との間で円滑に切替えができ、
切替えに伴う制御量信号の変動を回避することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態を示すプロセス制御装
置の構成図である。

【図２】本発明の第２実施の形態を示すプロセス制御装
置の構成図である。

【図３】本発明の第３実施の形態を示すプロセス制御装
置の構成図である。

【図４】本発明の第４実施の形態を示すプロセス制御装
置の構成図である。

【図５】図４のプロセス制御装置に備えるファジイ制御
手段の構成図である。

【図６】図４のファジイ制御手段のメンバーシップ関数
の一例を示す図である。

【図７】図４のファジイ制御手段のルールを示す図であ
る。

【図８】図４のファジイ制御手段のルール表とした図で
ある。

【図９】本発明の第５実施の形態を示すプロセス制御装
置の構成図である。

【図１０】図９にプロセス制御装置に備える自己組織化
ファジイ制御手段を示す説明図である。

【図１１】本発明の第６実施の形態を示すプロセス制御
装置の構成図である。

【図１２】図１１のプロセス制御装置に備えるファジィ
選択制御手段の構成図である。

【図１３】図１１のファジィ選択制御手段のメンバーシ
ップ関数の一例を示す図である。

【図１４】図１３に対応するラベルを示す図である。

【図１５】図１３に対応するルールを示す図である。

【図１６】図１３に対応するルール表とした図である。

【図１７】従来例を示すプロセス制御装置の第１構成図
である。

【図１８】従来例を示すプロセス制御装置の第２構成図
である。

【符号の説明】

１プロセス制御装置２制御対象３設定値信号４制御量信号５操作量信号６，７，８加算手段９モデル予測信号生成手段１０フィードバック制御手段１１むだ時間なしモデル１２むだ時間のモデル１３フィードフォワード制御手段１４積分制御手段１５制御偏差信号１６予測制御偏差信号１７切替手段１８制御偏差補正信号１９ＰＩ制御器入力信号２２フィードフォワード制御信号２３フィードバック制御信号２４モデル予測信号２５比例積分制御手段２６積分器設定手段２７ファジィ選択制御手段２８ファジイ制御手段２９自己組織化ファジイ制御手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】無駄時間要素を含むプロセスを制御対象
として前記プロセスの制御量信号が設定値信号となるよ
うに操作量信号を前記制御対象へ出力して制御するプロ
セス制御装置において、前記制御対象のプロセスのむだ時間を無視した伝達関数
のモデルを有し、予測制御するためのフィードフォワー
ド制御信号を入力して前記伝達関数に基づき制御演算し
て得られるモデル予測信号を出力するモデル予測信号生
成手段と、このモデル予測信号生成手段により出力されるモデル予
測信号が前記設定値信号となるように前記制御演算して
得られるフィードフォワード制御信号を出力するフィー
ドフォワード制御手段と、前記フィードフォワード制御信号と前記フィードバック
制御信号との加算信号を前記操作量信号として前記制御
対象へ出力する一方、前記モデル予測信号と前記設定値
との制御偏差信号が所定値以上のときから前記制御対象
のむだ時間相当分までの間、前記フィードフォワード制
御信号のみを前記制御対象へ出力するように切替える切
替手段とを備えることを特徴とするプロセス制御装置。
【請求項２】前記フィードバック制御手段は、入力す
る前記制御偏差信号を積分要素により制御演算して得ら
れるフィードバック制御信号を出力することを特徴とす
る請求項１記載のプロセス制御装置。
【請求項３】前記フィードバック制御手段は、入力す
る前記制御偏差信号を比例及び積分要素により制御演算
して得られるフィードバック制御信号を出力することを
特徴とする請求項１記載のプロセス制御装置。
【請求項４】前記フィードフォワード制御手段は、前
記モデル予測信号と前記設定値信号とに応じてファジィ
推論によって定めた制御定数によって制御演算をして得
られるフィードフォワード制御信号を出力することを特
徴とする請求項１記載のプロセス制御装置。
【請求項５】前記フィードフォワード制御手段は、前
記モデル予測信号と前記設定値信号とに応じて自己組織
化ファジィ推論によって定めた制御定数によって制御演
算をして得られるフィードフォワード制御信号を出力す
ることを特徴とする請求項１記載のプロセス制御装置。
【請求項６】無駄時間を含むプロセス制御対象として
前記プロセスの制御量信号が設定値信号となるように操
作量信号を前記制御対象へ出力して制御するプロセス制
御装置において、前記制御対象のプロセスのむだ時間を無視した伝達関数
のモデルを有し、予測制御するためのフィードフォワー
ド制御信号を入力して前記伝達関数に基づき制御演算し
て得られるモデル予測信号を出力するモデル予測信号生
成手段と、このモデル予測信号生成手段により出力されるモデル予
測信号が前記設定値信号となるように前記制御演算して
得られるフィードフォワード制御信号を出力するフィー
ドフォワード制御手段と、前記制御偏差信号と前記予測制御偏差信号とに応じて前
記制御偏差信号が所定値未満のとき、ファジィ推論され
た制御定数によって前記制御偏差信号を制御演算して得
られるフィードバック制御信号を選択するように出力す
る一方、前記制御偏差信号が所定値以上のときから制御
対象のむだ時間相当分までの間、前記フィードバック制
御信号を零とするように選択するファジィ選択制御手段
と、前記フィードバック制御信号と前記フィードフォワード
制御信号とを加算して操作量信号を制御対象へ出力する
加算手段とを備えることを特徴とするプロセス制御装
置。