(57)【要約】【課題】主制御部目標値と副制御部目標値とが異なる種類の物理量であっても適用可能な制御装置を実現する。【解決手段】制御装置は、ｎ個の制御部１1〜１nと、目標値変換部２2〜２nと、パラメータ設定部３から構成される。目標値変換部２2〜２nは、（ｉ−１）次（ｉは２〜ｎの整数）制御部１i-1の目標値ＳＰi-1または制御量ＰＶi-1と、目標値ＳＰi-1または制御量ＰＶi-1に乗じるパラメータであるレシオと、定数項となるバイアスに基づいて、（ｉ−１）次制御部１i-1の操作量ＭＶi-1をｉ次制御部１iの目標値ＳＰiに変換する。パラメータ設定部３は、過去のデータ取得時に目標値ＳＰi-1が第１の値から第２の値に変更されたときの第１、第２の値と、この変更前後のそれぞれについて取得された、整定時のｉ次制御部１iの目標値ＳＰiとを含む既知のデータに基づいて、レシオとバイアスを算出する。【選択図】  図１
2020017186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ（ｎは２以上の整数）個の制御部が縦続接続されたカスケード制御系の制御装置において、
それぞれ目標値と制御量とを入力として操作量を算出するように構成されたｎ個の前記制御部と、
（ｉ−１）次（ｉは２〜ｎの整数）制御部とｉ次制御部との間に設けられ、（ｉ−１）次制御部によって算出された操作量をｉ次制御部の目標値に変換するように構成された（ｎ−１）個の目標値変換部と、
これら目標値変換部のパラメータを設定するように構成されたパラメータ設定部とを備え、
ｎ個の前記制御部のうち、１次から（ｎ−１）次の各制御部は、算出した操作量を直後の前記目標値変換部に出力し、最終段のｎ次の制御部は、算出した操作量を制御対象の操作端に出力し、
各目標値変換部は、（ｉ−１）次制御部の目標値または制御量と、予め設定された目標値スケーリング・リミット上下限値と、（ｉ−１）次制御部の目標値または制御量に乗じるパラメータであるレシオと、定数項となるバイアスとに基づいて、（ｉ−１）次制御部によって算出された操作量をｉ次制御部の目標値に変換し、
前記パラメータ設定部は、
過去のデータ取得時に（ｉ−１）次制御部の目標値が第１の値から第２の値に変更されたときの前記第１、第２の値と、この目標値の変更前後のそれぞれについて取得された、整定時のｉ次制御部の目標値とを含む既知のデータに基づいて、前記レシオとバイアスとを目標値変換部毎に算出するように構成されたレシオ・バイアス算出部と、
このレシオ・バイアス算出部によって目標値変換部毎に算出されたレシオとバイアスとをそれぞれ対応する目標値変換部に設定するように構成されたレシオ・バイアス設定部とを含むことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
ｎ（ｎは２以上の整数）個の制御部が縦続接続されたカスケード制御系の制御装置において、
それぞれ目標値と制御量とを入力として操作量を算出するように構成されたｎ個の前記制御部と、
（ｉ−１）次（ｉは２〜ｎの整数）制御部とｉ次制御部との間に設けられ、（ｉ−１）次制御部によって算出された操作量をｉ次制御部の目標値に変換するように構成された（ｎ−１）個の目標値変換部と、
これら目標値変換部のパラメータを設定するように構成されたパラメータ設定部とを備え、
ｎ個の前記制御部のうち、１次から（ｎ−１）次の各制御部は、算出した操作量を直後の前記目標値変換部に出力し、最終段のｎ次の制御部は、算出した操作量を制御対象の操作端に出力し、
各目標値変換部は、（ｉ−１）次制御部の目標値または制御量と、目標値スケーリング・リミット上下限値と、（ｉ−１）次制御部の目標値または制御量に乗じるパラメータであるレシオと、定数項となるバイアスとに基づいて、（ｉ−１）次制御部によって算出された操作量をｉ次制御部の目標値に変換し、
前記パラメータ設定部は、
過去のデータ取得時に（ｉ−１）次制御部の目標値が第１の値から第２の値に変更されたときの前記第１、第２の値と、この目標値の変更前後のそれぞれについて取得された、整定時のｉ次制御部の目標値とを含む既知のデータに基づいて、前記レシオとバイアスとを目標値変換部毎に算出するように構成されたレシオ・バイアス算出部と、
このレシオ・バイアス算出部によって目標値変換部毎に算出されたレシオとバイアスとをそれぞれ対応する目標値変換部に設定するように構成されたレシオ・バイアス設定部と、
初段の１次制御部の目標値の変更に対して（ｉ−１）次制御部の制御量の所望の制御応答が得られることを条件として、目標値スケーリング・リミット上下限幅が可能な限り狭くなるように、前記目標値スケーリング・リミット上下限値を目標値変換部毎に決定するように構成された上下限値決定部と、
この上下限値決定部によって目標値変換部毎に決定された目標値スケーリング・リミット上下限値をそれぞれ対応する目標値変換部に設定するように構成された上下限値設定部とを含むことを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の制御装置において、
各目標値変換部は、（ｉ−１）次制御部の目標値をＳＰi-1、（ｉ−１）次制御部の制御量をＰＶi-1、（ｉ−１）次制御部の操作量をＭＶi-1、ｉ次制御部の目標値をＳＰi、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値をＨi、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値をＬi、レシオをＲi、バイアスをＢiとしたとき、ＳＰi＝（Ｈi−Ｌi）／１００×ＭＶi-1＋ＳＰi-1×Ｒi＋Ｂi、またはＳＰi＝（Ｈi−Ｌi）／１００×ＭＶi-1＋ＰＶi-1×Ｒi＋Ｂiにより、（ｉ−１）次制御部の操作量ＭＶi-1をｉ次制御部の目標値ＳＰiに変換することを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御装置において、
前記レシオ・バイアス算出部は、過去のデータ取得時の（ｉ−１）次制御部の目標値の第１の値をＳＰi-1、第２の値をＳＰ’i-1、（ｉ−１）次制御部の目標値が第１の値ＳＰi-1の場合の整定時のｉ次制御部の目標値をＳＰi、（ｉ−１）次制御部の目標値が第１の値ＳＰi-1から第２の値ＳＰ’i-1に変更された場合の整定時のｉ次制御部の目標値をＳＰ’i、レシオをＲi、バイアスをＢiとしたとき、Ｒi＝（ＳＰi−ＳＰ’i）／（ＳＰi-1−ＳＰ’i-1）、Ｂi＝ＳＰi−ＳＰi-1×Ｒiにより、レシオＲiとバイアスＢiとを算出することを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の制御部が縦続接続されたカスケード制御系の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
むだ時間や時定数が大きい制御対象（プロセス）に有効な制御系としてカスケード制御が知られている。カスケード制御系は、プロセスからの複数の測定値（制御量）と、プロセスへの１つの操作量により図８のように構成される制御系である。１次制御部１００1は、１次プロセス１０１1の制御量ＰＶ1が目標値ＳＰ1と一致するように操作量ＭＶ1を算出する。２次制御部１００2は、１次制御部１００1から出力された操作量ＭＶ1を目標値ＳＰ2とし、２次プロセス１０１2の制御量ＰＶ2が目標値ＳＰ2と一致するように操作量ＭＶ2を算出して２次プロセス１０１2に出力する。この図８の例では、１次制御部１００1と２次制御部１００2と２次プロセス１０１2と１次プロセス１０１1とが１次側の制御ループを構成し、２次制御部１００2と２次プロセス１０１2とが２次側の制御ループを構成している。
【０００３】
ただし、カスケード制御系を構成するためには、図８のように１次プロセス１０１1と２次プロセス１０１2の切り分けのための２次プロセス制御量ＰＶ2が必要となる。また、図８に示したカスケード制御系は２段構成であるが、図９のように多段構成にもできる。
【０００４】
実用のカスケード制御系におけるｎ（ｎは２以上の整数）次以降の制御部では、直前の制御部の操作量ＭＶn-1を目標値ＳＰnとして使用するため、この操作量ＭＶn-1と目標値ＳＰnの静的特性を合わせ込むためのスケーリングが必要となる。さらに、カスケード制御はハンチングし易いため、ｎ次以降の制御部の目標値ＳＰnの値域に制限（リミット処理）を設けることが多い。スケーリングとリミット処理には、次の（I）〜（III）の３方式が存在する。なお、以下の説明では、直前の（ｎ−１）次の構成を主（プライマリ）と呼び、後段のｎ次の構成を副（セカンダリ）と呼ぶこととする。
【０００５】
（I）副制御部目標値ＳＰnの固定スケーリング・リミット。
ＳＰn＝（Ｈn−Ｌn）／１００×ＭＶn-1＋Ｌn                       ・・・（１）
式（１）において、ＭＶn-1は主制御部から出力された操作量、Ｈn（％）は副制御部目標値スケーリング・リミット上限値、Ｌn（％）は副制御部目標値スケーリング・リミット下限値である。
【０００６】
（II）主制御部目標値ＳＰn-1をオフセットとした副制御部目標値ＳＰnの固定スケーリング・リミット。
ＳＰn＝（Ｈn−Ｌn）／１００×ＭＶn-1＋Ｌn＋ＳＰn-1              ・・・（２）
【０００７】
（III）主制御部制御量ＰＶn-1をオフセットとした副制御部目標値ＳＰnの固定スケーリング・リミット。
ＳＰn＝（Ｈn−Ｌn）／１００×ＭＶn-1＋Ｌn＋ＰＶn-1              ・・・（３）
【０００８】
上記の（I）の方式では、主制御部目標値ＳＰn-1を変更した場合、変更前後の主制御部操作量ＭＶn-1の平衡点が変化することで、副制御部目標値ＳＰnの変化域が広がる。したがって、副制御部目標値スケーリング・リミット上下限値Ｈn，Ｌn（％）を、主制御部目標値ＳＰn-1の変更による副制御部目標値ＳＰnの変化域全域を包含するように広めに設定しなければならない。その結果として、制御がハンチングし易くなり、カスケード制御系の安定性が損なわれる可能性があった。
【０００９】
上記の（II）の方式では、主制御部目標値ＳＰn-1が副制御部目標値ＳＰnのオフセットとして反映されるため、主制御部目標値ＳＰn-1を変更した場合、副制御部目標値ＳＰnの変動幅を維持したまま、主制御部目標値ＳＰn-1の変更前後で同程度のスケール比率を維持できるため、制御を安定化させ易いという利点がある。しかしながら、（II）の方式で対応できるのは、主制御部目標値ＳＰn-1と副制御部目標値ＳＰnとが同種の物理量である場合（例えば主制御部目標値ＳＰn-1と副制御部目標値ＳＰnとが共に温度である場合）に限られる、という問題点があった。
【００１０】
上記の（III）の方式では、制御応答として得られる主制御部制御量ＰＶn-1が、ステップ的な振る舞いになる可能性のある主制御部目標値ＳＰn-1の変更よりも緩やかに変化するため、（II）の方式よりも制御の応答性が損なわれるものの、制御をより安定化させ易いという利点がある。しかしながら、（II）の方式と同様に、対応できるのは主制御部目標値ＳＰn-1と副制御部目標値ＳＰnとが同種の物理量である場合に限られる、という問題点があった。
【００１１】
一方、特許文献１には、主制御部操作量ＭＶn-1を副制御部目標値ＳＰnに変換する際に減衰器を動作させることで制御を安定化させる技術が開示されている。特許文献１に開示された技術は、制御状況（イベント）に従って減衰器を適切に入れ替える（減衰率を変更する）ようにしたものであり、主制御部目標値ＳＰn-1の変更などのイベントを検出して、ＨnやＬnを切り替える技術に相当する。しかしながら、この特許文献１に開示された技術においても、（II）、（III）の方式と同様に、対応できるのは主制御部目標値ＳＰn-1と副制御部目標値ＳＰnとが同種の物理量である場合に限られる、という問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平７−２１９６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、主制御部目標値と副制御部目標値とが異なる種類の物理量であっても適用が可能なカスケード制御系の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、ｎ（ｎは２以上の整数）個の制御部が縦続接続されたカスケード制御系の制御装置において、それぞれ目標値と制御量とを入力として操作量を算出するように構成されたｎ個の前記制御部と、（ｉ−１）次（ｉは２〜ｎの整数）制御部とｉ次制御部との間に設けられ、（ｉ−１）次制御部によって算出された操作量をｉ次制御部の目標値に変換するように構成された（ｎ−１）個の目標値変換部と、これら目標値変換部のパラメータを設定するように構成されたパラメータ設定部とを備え、ｎ個の前記制御部のうち、１次から（ｎ−１）次の各制御部は、算出した操作量を直後の前記目標値変換部に出力し、最終段のｎ次の制御部は、算出した操作量を制御対象の操作端に出力し、各目標値変換部は、（ｉ−１）次制御部の目標値または制御量と、予め設定された目標値スケーリング・リミット上下限値と、（ｉ−１）次制御部の目標値または制御量に乗じるパラメータであるレシオと、定数項となるバイアスとに基づいて、（ｉ−１）次制御部によって算出された操作量をｉ次制御部の目標値に変換し、前記パラメータ設定部は、過去のデータ取得時に（ｉ−１）次制御部の目標値が第１の値から第２の値に変更されたときの前記第１、第２の値と、この目標値の変更前後のそれぞれについて取得された、整定時のｉ次制御部の目標値とを含む既知のデータに基づいて、前記レシオとバイアスとを目標値変換部毎に算出するように構成されたレシオ・バイアス算出部と、このレシオ・バイアス算出部によって目標値変換部毎に算出されたレシオとバイアスとをそれぞれ対応する目標値変換部に設定するように構成されたレシオ・バイアス設定部とを含むことを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明は、ｎ（ｎは２以上の整数）個の制御部が縦続接続されたカスケード制御系の制御装置において、それぞれ目標値と制御量とを入力として操作量を算出するように構成されたｎ個の前記制御部と、（ｉ−１）次（ｉは２〜ｎの整数）制御部とｉ次制御部との間に設けられ、（ｉ−１）次制御部によって算出された操作量をｉ次制御部の目標値に変換するように構成された（ｎ−１）個の目標値変換部と、これら目標値変換部のパラメータを設定するように構成されたパラメータ設定部とを備え、ｎ個の前記制御部のうち、１次から（ｎ−１）次の各制御部は、算出した操作量を直後の前記目標値変換部に出力し、最終段のｎ次の制御部は、算出した操作量を制御対象の操作端に出力し、各目標値変換部は、（ｉ−１）次制御部の目標値または制御量と、目標値スケーリング・リミット上下限値と、（ｉ−１）次制御部の目標値または制御量に乗じるパラメータであるレシオと、定数項となるバイアスとに基づいて、（ｉ−１）次制御部によって算出された操作量をｉ次制御部の目標値に変換し、前記パラメータ設定部は、過去のデータ取得時に（ｉ−１）次制御部の目標値が第１の値から第２の値に変更されたときの前記第１、第２の値と、この目標値の変更前後のそれぞれについて取得された、整定時のｉ次制御部の目標値とを含む既知のデータに基づいて、前記レシオとバイアスとを目標値変換部毎に算出するように構成されたレシオ・バイアス算出部と、このレシオ・バイアス算出部によって目標値変換部毎に算出されたレシオとバイアスとをそれぞれ対応する目標値変換部に設定するように構成されたレシオ・バイアス設定部と、初段の１次制御部の目標値の変更に対して（ｉ−１）次制御部の制御量の所望の制御応答が得られることを条件として、目標値スケーリング・リミット上下限幅が可能な限り狭くなるように、前記目標値スケーリング・リミット上下限値を目標値変換部毎に決定するように構成された上下限値決定部と、この上下限値決定部によって目標値変換部毎に決定された目標値スケーリング・リミット上下限値をそれぞれ対応する目標値変換部に設定するように構成された上下限値設定部とを含むことを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の制御装置の１構成例において、各目標値変換部は、（ｉ−１）次制御部の目標値をＳＰi-1、（ｉ−１）次制御部の制御量をＰＶi-1、（ｉ−１）次制御部の操作量をＭＶi-1、ｉ次制御部の目標値をＳＰi、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値をＨi、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値をＬi、レシオをＲi、バイアスをＢiとしたとき、ＳＰi＝（Ｈi−Ｌi）／１００×ＭＶi-1＋ＳＰi-1×Ｒi＋Ｂi、またはＳＰi＝（Ｈi−Ｌi）／１００×ＭＶi-1＋ＰＶi-1×Ｒi＋Ｂiにより、（ｉ−１）次制御部の操作量ＭＶi-1をｉ次制御部の目標値ＳＰiに変換することを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記レシオ・バイアス算出部は、過去のデータ取得時の（ｉ−１）次制御部の目標値の第１の値をＳＰi-1、第２の値をＳＰ’i-1、（ｉ−１）次制御部の目標値が第１の値ＳＰi-1の場合の整定時のｉ次制御部の目標値をＳＰi、（ｉ−１）次制御部の目標値が第１の値ＳＰi-1から第２の値ＳＰ’i-1に変更された場合の整定時のｉ次制御部の目標値をＳＰ’i、レシオをＲi、バイアスをＢiとしたとき、Ｒi＝（ＳＰi−ＳＰ’i）／（ＳＰi-1−ＳＰ’i-1）、Ｂi＝ＳＰi−ＳＰi-1×Ｒiにより、レシオＲiとバイアスＢiとを算出することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、主制御部目標値と副制御部目標値とが異なる種類の物理量であっても適用可能な制御装置を実現することができる。従来技術では、主制御部目標値の変更に対してイベント検出を必要としたが、本発明によれば、主制御部目標値の変更に対してイベントによる係数の変換を必要とせず、より連続的な制御の挙動を実現できるため、円滑かつ安定的な制御応答を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施例に係る制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施例に係る制御装置のパラメータ設定部の構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、本発明の実施例に係る制御装置の制御動作を説明するフローチャートである。
【図４】図４は、本発明の実施例に係る制御装置のパラメータ設定動作を説明するフローチャートである。
【図５】図５は、本発明の実施例に係る制御装置の上下限値決定部の動作を説明するフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の実施例に係る制御対象の１例を示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施例に係る制御装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。
【図８】図８は、従来のカスケード制御系の構成を示すブロック図である。
【図９】図９は、従来のカスケード制御系の別の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［発明の原理］
本発明は、主制御部から出力される操作量ＭＶi-1を副制御部目標値ＳＰiに変換する際、主制御部操作量ＭＶi-1と副制御部目標値ＳＰiとに依存関係がある場合、つまりは独立変数である主制御部操作量ＭＶi-1が決定されると従属変数である副制御部目標値ＳＰiが決定される関係にある場合に、主制御部目標値ＳＰi-1と副制御部目標値ＳＰiの物理量の違いをパラメータ設定によって吸収することを可能とした制御装置である。
【００２０】
例えば主制御部操作量ＭＶi-1と副制御部目標値ＳＰiとの間に線型的な依存関係がある場合、主制御部操作量ＭＶi-1を副制御部目標値ＳＰiに変換する従来のスケーリングに加え、主制御部目標値ＳＰi-1もしくは主制御部制御量ＰＶi-1に対してレシオとバイアスを設定値として加えることで、主制御部と副制御部とが異なる種類の物理量に対する制御を行う場合であっても、主制御部操作量ＭＶi-1から副制御部目標値ＳＰiへの適切な変換が実現できる。
【００２１】
［実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例に係る制御装置の構成を示すブロック図である。制御装置は、縦続接続されたｎ（ｎは２以上の整数）個の制御部１1〜１nと、（ｉ−１）次（ｉは２〜ｎの整数）制御部１i-1とｉ次制御部１iとの間に設けられ、（ｉ−１）次制御部１i-1によって算出された操作量ＭＶi-1をｉ次制御部１iの目標値ＳＰiに変換する（ｎ−１）個の目標値変換部２2〜２nと、目標値変換部２2〜２nのパラメータを設定するパラメータ設定部３とから構成される。
【００２２】
図２はパラメータ設定部３の構成を示すブロック図である。パラメータ設定部３は、（ｉ−１）次制御部１i-1の目標値ＳＰi-1または制御量ＰＶi-1に乗じるパラメータであるレシオと、変換式の定数項となるバイアスとを目標値変換部毎に算出するレシオ・バイアス算出部３０と、レシオ・バイアス算出部３０によって目標値変換部毎に算出されたレシオとバイアスとをそれぞれ対応する目標値変換部２2〜２nに設定するレシオ・バイアス設定部３１と、ｉ次制御部１iの目標値ＳＰiの上下限を設定するためのｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上下限値の初期値を設定する上下限初期設定部３２と、１次制御部１1の目標値ＳＰ1の変更に対して（ｉ−１）次制御部１i-1の制御量ＰＶi-1の所望の制御応答が得られることを条件として、ｉ次目標値スケーリング・リミット上下限幅が可能な限り狭くなるように、ｉ次目標値スケーリング・リミット上下限値を目標値変換部毎に決定する上下限値決定部３３と、上下限値決定部３３によって目標値変換部毎に決定されたｉ次目標値スケーリング・リミット上下限値をそれぞれ対応する目標値変換部２2〜２nに設定する上下限値設定部３４と、各制御部１1〜１nのＰＩＤパラメータ（比例帯、積分時間、微分時間）を調整するＰＩＤパラメータ調整部３５とから構成される。
【００２３】
上下限値決定部３３は、目標値入力部３３０と、到達時間計測部３３１と、振動量計測部３３２と、上下限調整部３３３とから構成される。
【００２４】
図３は本実施例の制御装置の制御動作を説明するフローチャートである。１次制御部１1の目標値ＳＰ1は、制御装置のユーザーによって設定され、１次制御部１1に入力される（図３ステップＳ１００）。
１次制御部１1の制御量ＰＶ1は、１次プロセス４1に設けられたセンサ（不図示）によって計測され、１次制御部１1に入力される（図３ステップＳ１０１）。
【００２５】
１次制御部１1は、目標値ＳＰ1と制御量ＰＶ1とを入力として、制御量ＰＶ1が目標値ＳＰ1と一致するように周知のＰＩＤ制御演算により操作量ＭＶ1を算出する（図３ステップＳ１０２）。
【００２６】
２次目標値変換部２2は、１次制御部１1から出力された操作量ＭＶ1を、式（４）の変換式により２次制御部１2の目標値ＳＰ2に変換して２次制御部１2に出力する（図３ステップＳ１０３）。
ＳＰ2＝（Ｈ2−Ｌ2）／１００×ＭＶ1＋ＳＰ1×Ｒ2＋Ｂ2             ・・・（４）
【００２７】
式（４）において、Ｈ2（％）は２次制御部目標値スケーリング・リミット上限値、Ｌ2（％）は２次制御部目標値スケーリング・リミット下限値、Ｒ2は式（４）の変換式の１次制御部目標値ＳＰ1の項に乗じるパラメータであるレシオ、Ｂ2は式（４）の変換式の定数項となるバイアスである。
なお、２次目標値変換部２2は、１次制御部目標値ＳＰ1の代わりに、１次制御部制御量ＰＶ1を用いる以下の式（５）により２次制御部目標値ＳＰ2を算出するようにしてもよい。
ＳＰ2＝（Ｈ2−Ｌ2）／１００×ＭＶ1＋ＰＶ1×Ｒ2＋Ｂ2             ・・・（５）
【００２８】
２次制御部１2の制御量ＰＶ2は、２次プロセス４2に設けられたセンサ（不図示）によって計測され、２次制御部１2に入力される（図３ステップＳ１０４）。
２次制御部１2は、目標値ＳＰ2と制御量ＰＶ2とを入力として、制御量ＰＶ2が目標値ＳＰ2と一致するように周知のＰＩＤ制御演算により操作量ＭＶ2を算出する（図３ステップＳ１０５）。
【００２９】
３次目標値変換部２3は、２次制御部１2から出力された操作量ＭＶ2を、式（６）の変換式により３次制御部１3の目標値ＳＰ3に変換して３次制御部１3に出力する（図３ステップＳ１０６）。
ＳＰ3＝（Ｈ3−Ｌ3）／１００×ＭＶ2＋ＳＰ2×Ｒ3＋Ｂ3             ・・・（６）
【００３０】
式（６）において、Ｈ3（％）は３次制御部目標値スケーリング・リミット上限値、Ｌ3（％）は３次制御部目標値スケーリング・リミット下限値、Ｒ3は式（５）の変換式の２次制御部目標値ＳＰ2の項に乗じるパラメータであるレシオ、Ｂ3は式（５）の変換式の定数項となるバイアスである。
なお、３次目標値変換部２3は、２次制御部目標値ＳＰ2の代わりに、２次制御部制御量ＰＶ2を用いる以下の式（７）により３次制御部目標値ＳＰ3を算出するようにしてもよい。
ＳＰ3＝（Ｈ3−Ｌ3）／１００×ＭＶ2＋ＰＶ2×Ｒ3＋Ｂ3             ・・・（７）
【００３１】
こうして、１次、２次、３次・・・・と順番に処理が実施される。次に、ｎ次目標値変換部２nは、（ｎ−１）次制御部（不図示）から出力された操作量ＭＶn-1を、式（８）の変換式によりｎ次制御部１nの目標値ＳＰnに変換してｎ次制御部１nに出力する（図３ステップＳ１０７）。
ＳＰn＝（Ｈn−Ｌn）／１００×ＭＶn-1＋ＳＰn-1×Ｒn＋Ｂn         ・・・（８）
【００３２】
式（８）において、Ｈn（％）はｎ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値、Ｌn（％）はｎ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値、Ｒnは式（８）の変換式の（ｎ−１）次制御部目標値ＳＰn-1の項に乗じるパラメータであるレシオ、Ｂnは式（８）の変換式の定数項となるバイアスである。
なお、ｎ次目標値変換部２nは、（ｎ−１）次制御部目標値ＳＰn-1の代わりに、（ｎ−１）次制御部制御量ＰＶn-1を用いる以下の式（９）によりｎ次制御部目標値ＳＰnを算出するようにしてもよい。
ＳＰn＝（Ｈn−Ｌn）／１００×ＭＶn-1＋ＰＶn-1×Ｒn＋Ｂn         ・・・（９）
【００３３】
ｉ（ｉは２〜ｎの整数）次制御部１iの目標値ＳＰiについて式（４）〜式（９）を一般化すると、以下のようになる。
ＳＰi＝（Ｈi−Ｌi）／１００×ＭＶi-1＋ＳＰi-1×Ｒi＋Ｂi       ・・・（１０）
ＳＰi＝（Ｈi−Ｌi）／１００×ＭＶi-1＋ＰＶi-1×Ｒi＋Ｂi       ・・・（１１）
【００３４】
次に、ｎ次制御部１nの制御量ＰＶnは、ｎ次プロセス４nに設けられたセンサ（不図示）によって計測され、ｎ次制御部１nに入力される（図３ステップＳ１０８）。
ｎ次制御部１nは、目標値ＳＰnと制御量ＰＶnとを入力として、制御量ＰＶnが目標値ＳＰnと一致するように周知のＰＩＤ制御演算により操作量ＭＶnを算出してｎ次プロセス４nに出力する（図３ステップＳ１０９）。操作量ＭＶnの出力先は例えばバルブ等の操作端となる。
以上のようなステップＳ１００〜Ｓ１０９の処理を、制御装置の動作が終了するまで（図３ステップＳ１１０においてＹＥＳ）、制御周期毎に繰り返し実行する。
【００３５】
次に、以上のような制御動作の前に行われる、パラメータ設定部３によるパラメータＨ2〜Ｈn，Ｌ2〜Ｌn，Ｒ2〜Ｌn，Ｂ2〜Ｂnの設定動作を図４を参照して説明する。
ここでは、（ｉ−１）次制御部１i-1（ｉは２〜ｎの整数）を主制御部、後段のｉ次制御部１iを副制御部として代表的に説明する。
【００３６】
パラメータＨi，Ｌi，Ｒi，Ｂiの設定に際して、ユーザーは、事前に取得したデータから、（ｉ−１）次制御部目標値がＳＰi-1からＳＰ’i-1に変更されたときの変更前後の（ｉ−１）次制御部目標値のそれぞれについて、整定時の（ｉ−１）次制御部操作量ＭＶi-1と整定時のｉ次制御部目標値ＳＰiとを取得する。
【００３７】
パラメータ設定部３のレシオ・バイアス算出部３０は、ユーザーによって取得された既知のデータ、すなわち変更前の（ｉ−１）次制御部目標値ＳＰi-1と、（ｉ−１）次制御部目標値がＳＰi-1の場合の整定時のｉ次制御部目標値ＳＰiと、変更後の（ｉ−１）次制御部目標値ＳＰ’i-1と、（ｉ−１）次制御部目標値がＳＰi-1からＳＰ’i-1に変更された場合の整定時のｉ次制御部目標値ＳＰ’iとに基づいて、ｉ次目標値変換部２iのレシオＲiとバイアスＢiとを算出する（図４ステップＳ２００）。
【００３８】
上記の既知のデータにより、以下の連立方程式が成立する。
ＳＰi＝ＳＰi-1×Ｒi＋Ｂi                                      ・・・（１２）
ＳＰ’i＝ＳＰ’i-1×Ｒi＋Ｂi                                  ・・・（１３）
【００３９】
式（１２）、式（１３）より次式が得られる。
Ｒi＝（ＳＰi−ＳＰ’i）／（ＳＰi-1−ＳＰ’i-1）               ・・・（１４）
Ｂi＝ＳＰi−ＳＰi-1×Ｒi                                      ・・・（１５）
【００４０】
レシオ・バイアス算出部３０は、式（１４）によりレシオＲiを算出し、式（１５）によりバイアスＢiを算出すればよい。なお、レシオＲiの単位は、ｉ次制御部目標値ＳＰiの単位／（ｉ−１）次制御部目標値ＳＰi-1の単位となる。一方、バイアスＢiの単位は、ｉ次制御部目標値ＳＰiの単位と同じである。
【００４１】
次に、パラメータ設定部３のレシオ・バイアス設定部３１は、ｉ次目標値変換部２iに対して、レシオ・バイアス算出部３０によって算出されたレシオＲiとバイアスＢiとを設定する（図４ステップＳ２０１）。
【００４２】
レシオ・バイアス算出部３０とレシオ・バイアス設定部３１（ｉは２〜ｎの整数）とは、ｉ次目標値変換部２i毎にステップＳ２００，Ｓ２０１の処理を実施すればよい。
【００４３】
次に、パラメータ設定部３の上下限初期設定部３２は、上記のようにｉ次目標値変換部２iのレシオＲiとバイアスＢiとが設定された後に、ｉ次目標値変換部２iに対して、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値Ｈiとｉ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値Ｌiのそれぞれの初期値を設定する（図４ステップＳ２０２）。
【００４４】
試行時間の短縮、装置の安全操業を考慮して、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値Ｈiの初期値を、ｉ次制御部１iの制御量ＰＶiの既知の上限値とし、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値Ｌiの初期値を、ｉ次制御部１iの制御量ＰＶiの既知の下限値とする。
上下限初期設定部３２（ｉは２〜ｎの整数）は、ｉ次目標値変換部２i毎にステップＳ２０２の処理を実施すればよい。
【００４５】
次に、パラメータ設定部３のＰＩＤパラメータ調整部３５は、各制御部１1〜１nのＰＩＤパラメータ（比例帯、積分時間、微分時間）を調整する（図４ステップＳ２０３）。各制御部１1〜１nのＰＩＤパラメータ調整方法は周知の技術であるので、詳細な説明は省略する。なお、ＰＩＤパラメータの調整の際には、ｎ次制御部１n→（ｎ−１）次制御部１n-1→・・・・→２次制御部１2→１次制御部１1の順に調整を行う必要がある。また、本実施例では、ＰＩＤパラメータ調整部３５を制御装置の内部に設けているが、外部に設けるようにしてもよい。
【００４６】
次に、パラメータ設定部３の上下限値決定部３３は、１次制御部目標値ＳＰ1の変更に対して（ｉ−１）次制御部制御量ＰＶi-1の所望の制御応答が得られることを条件として、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上下限幅（ＨiとＬiとの差）が可能な限り狭くなるように、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値Ｈiとｉ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値Ｌiとを決定する（図４ステップＳ２０４）。
【００４７】
ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上下限幅を狭めることは、（ｉ−１）次制御部制御量ＰＶi-1を安定化させ易くする一方で、（ｉ−１）次制御部制御量ＰＶi-1の目標値到達時間短縮のポテンシャルを弱める方向に作用する。したがって、（ｉ−１）次制御部制御量ＰＶi-1の所望の制御応答が得られる範囲で、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上下限幅をできるだけ狭めるようにする。
【００４８】
ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値Ｈiとｉ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値Ｌiとは、主制御部である（ｉ−１）次制御部１i-1の制御量ＰＶi-1の安定化と、制御量ＰＶi-1の目標値到達時間などの制御特性や経時変化等の環境変動等の許容特性などとのトレードオフで決めるべき値である。このｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値Ｈiとｉ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値Ｌiとは、コントローラゲインがある程度定まっていないと設定することが困難である。例えば、（ｉ−１）次制御部１i-1のコントローラゲインが強めの調整結果となった場合、（ｉ−１）次制御部制御量ＰＶi-1の制御応答は振動的になり易く、この状況でｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上下限幅を広めに選ぶと、制御量ＰＶi-1の制御応答がさらに振動的傾向となる。そのため、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値Ｈiとｉ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値Ｌiとは、制御量ＰＶi-1の制御応答に基づいて決める必要がある。
【００４９】
図５は上下限値決定部３３の動作を説明するフローチャートである。上下限値決定部３３の目標値入力部３３０は、１次制御部１1に所定の目標値ＳＰ1を入力し（図５ステップＳ３００）、一定時間経過後（例えば制御系が整定するのに十分な時間の経過後）に目標値ＳＰ1を所定の目標値変更幅だけ変更する（図５ステップＳ３０１）。
【００５０】
上下限値決定部３３の到達時間計測部３３１は、１次制御部目標値ＳＰ1が変更されたときから、（ｉ−１）次制御部制御量ＰＶi-1が（ｉ−１）次制御部目標値ＳＰi-1に到達するまでの目標値到達時間Ｔi-1を計測する（図５ステップＳ３０２）。
【００５１】
上下限値決定部３３の振動量計測部３３２は、１次制御部目標値ＳＰ1が変更された後に、（ｉ−１）次制御部制御量ＰＶi-1が（ｉ−１）次制御部目標値ＳＰi-1に到達したときから所定の振動量計測時間が経過するまでの間の（ｉ−１）次制御部目標値ＳＰi-1と（ｉ−１）次制御部制御量ＰＶi-1との偏差（ＳＰi-1−ＰＶi-1）の絶対値の積算値である振動量Ｄi-1を計測する（図５ステップＳ３０３）。
【００５２】
上下限値決定部３３の上下限調整部３３３は、振動量計測部３３２によって計測された振動量Ｄi-1が所定の振動量指標値以上の場合（図５ステップＳ３０４においてＹＥＳ）、ｉ次目標値変換部２iのｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値Ｈiを所定の上下限値変更幅だけ下げて、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値Ｌiを所定の上下限値変更幅だけ上げることにより、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上下限幅を狭めて（図５ステップＳ３０６）、ステップＳ３００に戻る。振動量指標値は、制御対象装置の目的に合わせて予め設定されている。
【００５３】
ただし、上下限調整部３３３は、振動量Ｄi-1が振動量指標値以上の場合に、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値Ｈiが許容可能な最小値に達するか、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値Ｌiが許容可能な最大値に達するかのうち、少なくとも一方が成立していて、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上下限値が許容範囲外の場合には（図５ステップＳ３０５においてＮＯ）、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上下限幅をさらに狭めることはできない。
【００５４】
そこで、上下限調整部３３３は、（ｉ−１）次制御部１i-1のコントローラゲインを下げて（図５ステップＳ３０７）、ステップＳ３００に戻る。具体的には、上下限調整部３３３は、（ｉ−１）次制御部１i-1に設定されている比例帯に、１より大きい所定の係数を乗じることにより、比例帯を上げて（ｉ−１）次制御部１i-1のコントローラゲインを下げるようにすればよい。ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値Ｈiの許容可能な最小値、およびｉ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値Ｌiの許容可能な最大値は、経時変化等の環境変動等の許容特性から予め設定されている。
【００５５】
また、上下限調整部３３３は、振動量Ｄi-1が振動量指標値未満の場合に、到達時間計測部３３１によって計測された目標値到達時間Ｔi-1が所定の時間指標値以上の場合（図５ステップＳ３０８においてＹＥＳ）、ｉ次目標値変換部２iのｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値Ｈiを所定の上下限値変更幅だけ上げて、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値Ｌiを所定の上下限値変更幅だけ下げることにより、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上下限幅を広げて（図５ステップＳ３１０）、ステップＳ３００に戻る。時間指標値は、制御対象装置の目的に合わせて予め設定されている。
【００５６】
ただし、上下限調整部３３３は、目標値到達時間Ｔi-1が時間指標値以上の場合に、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値Ｈiが許容可能な最大値に達するか、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値Ｌiが許容可能な最小値に達するかのうち、少なくとも一方が成立していて、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上下限値が許容範囲外の場合には（図５ステップＳ３０９においてＮＯ）、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上下限幅をさらに広げることはできない。
【００５７】
そこで、上下限調整部３３３は、（ｉ−１）次制御部１i-1のコントローラゲインを上げて（図５ステップＳ３１１）、ステップＳ３００に戻る。具体的には、上下限調整部３３３は、（ｉ−１）次制御部１i-1に設定されている比例帯に、１より小さい所定の係数を乗じて、比例帯を下げて（ｉ−１）次制御部１i-1のコントローラゲインを上げるようにすればよい。ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値Ｈiの許容可能な最大値は、上限値Ｈiの上記の初期値と同じであり、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値Ｌiの許容可能な最小値は、下限値Ｌiの上記の初期値と同じである。
【００５８】
こうして、振動量Ｄi-1が振動量指標値未満、かつ目標値到達時間Ｔi-1が時間指標値未満となるまでステップＳ３００〜Ｓ３１１の処理が繰り返し実行され、振動量Ｄi-1が振動量指標値未満、かつ目標値到達時間Ｔi-1が時間指標値未満となった時点で、ｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値Ｈiとｉ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値Ｌiの決定が完了し、上下限値決定部３３の処理が終了する。
【００５９】
パラメータ設定部３の上下限値設定部３４は、ｉ次目標値変換部２iに対して、上下限値決定部３３によって決定されたｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値Ｈiとｉ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値Ｌiとを設定する（図４ステップＳ２０５）。
【００６０】
上下限値決定部３３と上下限値設定部３４とは、以上のステップＳ２０４（ステップＳ３００〜Ｓ３１１），Ｓ２０５の処理を、ｉ＝２，３，・・・，ｎの順（２次目標値変換部２2→３次目標値変換部２3→ｎ次目標値変換部２nの順）にｉ次目標値変換部２i毎に実施する。この順番で実施する理由は、低次側の制御部の振動を抑えないと制御を安定化させることが難しいと考えられるからである。
全てのｉ次目標値変換部２iについてステップＳ２０４，Ｓ２０５の処理が終わった時点で（図４ステップＳ２０６においてＹＥＳ）、パラメータ設定部３の処理が終了する。
【００６１】
本実施例では、上記の（II）、（III）の方式および特許文献１に開示された技術の問題点を解消することができ、主制御部目標値ＳＰi-1と副制御部目標値ＳＰiとが異なる種類の物理量であっても適用することができる。特許文献１に開示された技術では、減衰率というレシオ係数で（ｉ−１）次制御部操作量の変換を行っているが、単純なレシオだけでは異なる種類の物理量の変換に対応できないため、（ｉ−１）次制御部の目標値変更等何らかのイベントをトリガとした係数変換が必要となる。これに対して、本実施例では、イベントによる係数の変換を必要とせず、レシオＲiとバイアスＢiと目標値スケーリング・リミット上下限値Ｈi，Ｌiとにより、（ｉ−１）次制御部目標値ＳＰi-1をｉ次制御部目標値ＳＰiの物理量に合わせて変換することが可能となる。
【００６２】
なお、本実施例では、上下限値決定部３３によってｉ次制御部目標値スケーリング・リミット上限値Ｈiとｉ次制御部目標値スケーリング・リミット下限値Ｌiとを決定しているが、これに限るものではなく、ユーザーによって予め決定された上下限値Ｈi，Ｌiを用いてもよい。
【００６３】
図６は本実施例の制御対象の１例を示す図である。この図６に示したカスケード制御系では、燃焼炉２００内に設けられた温度計２０１によって計測された温度（１次制御部制御量ＰＶ1）が１次制御部１1に入力される。１次制御部１1は、操作量ＭＶ1を算出して出力する。２次目標値変換部２2は、１次制御部操作量ＭＶ1を２次制御部目標値ＳＰ2に変換する。流量発信器２０２によって計測された燃料流量（２次制御部制御量ＰＶ2）が２次制御部１2に入力される。２次制御部１2は、操作量ＭＶ2を算出してバルブ２０３に出力する。バルブ２０３によって流量が調整された燃料は、燃焼炉２００のバーナ２０４に供給される。
【００６４】
１次制御部操作量ＭＶ1の０〜１００％が２次制御部目標値ＳＰ2の０〜４０ｍ3／ｈに対応する場合、１次制御部操作量ＭＶ1の１％は０．４ｍ3／ｈ相当の２次制御部目標値ＳＰ2の変化に相当する。一方、１次制御部操作量ＭＶ1の０〜１００％が２次制御部目標値ＳＰ2の０〜４００ｍ3／ｈに対応するとした場合、１次制御部操作量ＭＶ1の１％は４ｍ3／ｈ相当の２次制御部目標値ＳＰ2の変化になってしまう。このように２次制御部目標値ＳＰ2が広範囲になると、制御系はハンチングし易くなる。
【００６５】
例えば図６に示したカスケード制御系において、燃焼炉設定温度（１次制御部目標値ＳＰ1）と必要な燃料流量とについて以下の関係が判明しているとする。
【００６６】
【表１】
2020017186.tif 000003
【００６７】
１次制御部目標値ＳＰ1が２００℃しか選ばれない場合、２次制御部目標値ＳＰ2の範囲は多少余裕を見ても１５〜２５ｍ3／ｈと設定すれば良いことになる。しかし、実際には例えば１次制御部目標値ＳＰ1が３０００℃のとき、必要な２次制御部目標値ＳＰ2の範囲は１５〜２５ｍ3／ｈとなり、１次制御部目標値ＳＰ1が５０００℃のとき、必要な２次制御部目標値ＳＰ2の範囲は３５〜４５ｍ3／ｈとなる。したがって、２次制御部目標値ＳＰ2の範囲を１５〜４５ｍ3／ｈとせざるを得ない。このような状況を認識しているユーザーは、２次制御部目標値スケーリング・リミット上限値Ｈ2，Ｌ2を予め設定しているものとする。
【００６８】
そして、本実施例のレシオ・バイアス算出部３０は、ユーザーによって取得された既知のデータ、すなわち変更前の１次制御部目標値ＳＰ1＝３０００℃、１次制御部目標値がＳＰ1＝３０００℃の場合の整定時の２次制御部目標値ＳＰ2＝２０ｍ3／ｈと、変更後の１次制御部目標値ＳＰ’1＝５０００℃と、１次制御部目標値がＳＰ1＝３０００℃からＳＰ’1＝５０００℃に変更された場合の整定時の２次制御部目標値ＳＰ’2＝４０ｍ3／ｈとに基づいて、以下の連立方程式を解くことにより、２次目標値変換部２2のレシオＲ2とバイアスＢ2とを算出する。
２０＝３０００×Ｒ2＋Ｂ2                                      ・・・（１６）
４０＝５０００×Ｒ2＋Ｂ2                                      ・・・（１７）
【００６９】
その結果、レシオＲ2＝０．０１ｍ3／ｈ℃、バイアスＢ2＝−１０ｍ3／ｈが得られる。１次制御部操作量ＭＶ1＝０〜１００％で±５ｍ3／ｈをとるようにスケーリング設定を行えば、１次制御部操作量ＭＶ1を適切に異なる物理量である２次制御部目標値ＳＰ2に変換することが可能となる。
【００７０】
本実施例で説明した制御装置は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図７に示す。コンピュータは、ＣＰＵ３００と、記憶装置３０１と、インターフェース装置（以下、Ｉ／Ｆと略する）３０２とを備えている。Ｉ／Ｆ３０２には、例えば温度計、流量発信器等のセンサや、バルブ等の操作端などが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明のパラメータ設定方法を実現させるためのプログラムは記憶装置３０１に格納される。ＣＰＵ３００は、記憶装置３０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。
【００７１】
なお、カスケード制御機能はマルチループ制御装置（調節計）の周知の機能として搭載されている。すなわち、内部に複数の制御部を備えた調節計を用いることで、本発明のように複数の制御部が縦続接続されたカスケード制御系を実現することが可能である。また、個々の制御部を調節計で実現し、複数の調節計を縦続接続して本発明のカスケード制御系を構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、カスケード制御系に適用することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１1〜１n…制御部、２2〜２n…目標値変換部、３…パラメータ設定部、４1〜４n…プロセス、３０…レシオ・バイアス算出部、３１…レシオ・バイアス設定部、３２…上下限初期設定部、３３…上下限値決定部、３４…上下限値設定部、３５…ＰＩＤパラメータ調整部、３３０…目標値入力部、３３１…到達時間計測部、３３２…振動量計測部、３３３…上下限調整部。
【図１】
2020017186.tif 000004
【図２】
2020017186.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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