(57)【要約】      （修正有）【課題】制御アルゴリズムを変化させる必要なく予測手段に基づく制御方式でゆっくりと又は間欠的に受信したプロセス変数値の使用を可能にする。【解決手段】ＰＩＤコントローラのようなコントローラと、例えばプロセス２０２からプロセス変数計測信号の形態の間欠フィードバックを受信するために連結されるモデルに基づく予測手段のような予測手段２０４とを含む。カルマンフィルタのような観測手段であってもよい又はスミス予測器であってもよい予測手段は、プロセスを制御するのに用いられる制御信号をコントローラが生成できるようにするためにコントローラの各実行サイクル中にコントローラに新しいプロセス変数推定を提供しつつ、間欠的な又は遅いプロセスフィードバック信号からプロセス変数推定値を生じるように構成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスを制御するのに用いられる制御システムであって、
プロセス変数入力部及び前記プロセス変数入力部に通信可能に連結される制御ルーチンユニットを含む制御ユニットであり、前記制御ルーチンユニットが前記プロセス変数入力部で受信したプロセス変数値に基づいてプロセスを制御するのに用いられる制御信号を発生させる、制御ユニットと、
前記制御ユニットに連結される予測手段ユニットであり、ある数の実行サイクルの各々中に一回動作して、プロセス変数推定を生成する、予測手段ユニットと、
を含み、前記予測手段ユニットが、
前記制御ルーチンユニットによって生成された制御信号を受信するように連結される制御信号入力部と、
前記予測手段ユニットの実行サイクル時間につき一回よりも低頻度にプロセス変数計測信号を受信するプロセス変数フィードバック入力部を含むインターフェースと、
前記制御信号入力部で制御信号を受信して最初のプロセス変数推定を生成するように連結されるプロセスモデルと、
前記プロセス変数フィードバック入力部を介して受信した前記プロセス変数計測信号を用いて補正信号を生成するように連結される補正ユニットと、
前記最初のプロセス変数推定を前記補正信号と組み合わせて前記プロセス変数推定を生成するように前記プロセスモデルに及び前記補正ユニットに連結されるコンバイナと、
前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である前記予測手段ユニットの実行サイクル中に補正信号を生成するために前記補正ユニットに前記プロセス変数計測信号の新しい値を使用させ、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない前記予測手段ユニットの実行サイクル中に補正信号を生成するために前記補正ユニットに前記プロセス変数計測信号の以前に受信した値を使用させる、スイッチユニットと、
を含み、前記制御ユニットの前記プロセス変数入力部が前記プロセス変数推定を受信ように連結される、制御システム。
【請求項２】
前記予測手段ユニットが観測手段である、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記観測手段の前記補正ユニットが、前記プロセスモデルにおけるプロセスモデル不正確さを補正する、請求項２に記載の制御システム。
【請求項４】
前記予測手段ユニットがカルマンフィルタである、請求項１に記載の制御システム。
【請求項５】
前記予測手段ユニットがスミス予測器である、請求項１に記載の制御システム。
【請求項６】
前記補正ユニットが、前記最初のプロセス変数推定をプロセス変数計測信号の値と組み合わせて、各実行サイクル中に残差を生成する、さらなるコンバイナを含み、前記スイッチユニットが、前記プロセス変数計測信号の新しい値をさらなるコンバイナに提供し、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である前記予測手段ユニットの実行サイクル中に残差を生成するように動作し、前記スイッチユニットが、前記プロセス変数計測信号の以前に受信した値を前記さらなるコンバイナに提供して、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない前記予測手段ユニットの実行サイクル中に残差を生成するように動作する、請求項１に記載の制御システム。
【請求項７】
前記補正ユニットが、前記残差にゲイン値を乗算して、前記補正信号を生成する、ゲインユニットを含み、前記スイッチユニットが、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である前記予測手段ユニットの実行サイクル中に前記ゲインユニットに新しいゲイン値を求めさせ、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない前記予測手段ユニットの実行サイクル中に前記ゲインユニットに以前に計算されたゲイン値を使用させるように動作する、請求項６に記載の制御システム。
【請求項８】
前記ゲインユニットが、前記ゲインユニットで用いられるカルマンゲイン値を求めるカルマンゲインユニットである、請求項７に記載の制御システム。
【請求項９】
前記予測手段ユニットがカルマンフィルタである、請求項６に記載の制御システム。
【請求項１０】
前記プロセスモデルが、前記最初のプロセス変数推定を生成するためにむだ時間を伴うプロセスをモデリングするための遅延ユニットを含む、請求項６に記載の制御システム。
【請求項１１】
前記補正ユニットが、さらなるプロセス変数推定を前記プロセス変数計測信号の値と組み合わせて、残差を生成する、さらなるコンバイナを含み、前記スイッチユニットが、前記残差を生成するために前記さらなるコンバイナで前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である前記予測手段ユニットの実行サイクル中に前記残差の新しい値を前記コンバイナに提供するように動作し、前記残差を生成するために前記さらなるコンバイナで前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない前記予測手段ユニットの実行サイクル中に前記残差の以前に計算した値をコンバイナに提供するように動作する、請求項１に記載の制御システム。
【請求項１２】
前記予測手段ユニットが、前記さらなるプロセス変数推定を生成するためにむだ時間を伴うプロセスをモデル化するさらなるプロセスモデルを含み、前記プロセスモデルが、前記最初のプロセス変数推定を生成するためにむだ時間を伴わないプロセスをモデル化するプロセスモデルである、請求項１１に記載の制御システム。
【請求項１３】
前記制御ルーチンユニットが、前記制御信号を生成するために比例−積分−微分制御アルゴリズムを格納し及び実現する、請求項１に記載の制御システム。
【請求項１４】
プロセスを制御する方法であって、
プロセス変数推定に基づいてプロセスを制御するのに用いられる制御信号を生成するために、ある数の実行サイクルの各々中にコンピュータプロセッサデバイス上で制御ルーチンを実施すること、
コンピュータプロセッサデバイスでプロセス変数計測信号を実行サイクル時間よりも低頻度に受信すること、
前記プロセス変数推定を生成するために前記の数の実行サイクルの各々中にコンピュータプロセッサデバイス上で予測手段ルーチンを実施すること、
を含み、前記予測手段ルーチンを実施することが、
前記の数の実行サイクルの各々中に前記制御ルーチンによって生成された前記制御信号を受信すること、
前記の数の実行サイクルの各々中に前記制御信号に基づいて前記プロセスの反応をモデル化するためにプロセスモデルを用いて最初のプロセス変数推定を生成すること、
前記の数の実行サイクルの各々中に補正信号を求めること、及び
前記プロセス変数推定を生成するために前記の数の実行サイクルの各々中に前記最初のプロセス変数推定を前記補正信号と組み合わせること、
を含み、前記の数の実行サイクルの各々中に補正信号を求めることが、前記プロセス変数計測信号の新たに受信した値が利用可能である実行サイクル中に前記補正信号を生成するために前記プロセス変数計測信号の新たに受信した値を用いること、及び前記プロセス変数計測信号の新たに受信した値が利用可能ではない実行サイクル中に前記補正信号を生成するために前記プロセス変数計測信号の以前に受信した値を用いることを含む、
方法。
【請求項１５】
前記予測手段ルーチンを実現することが、前記プロセスモデルにおけるプロセスモデル不正確さを補正しつつ前記プロセス変数推定を生成することによって観測手段ルーチンを実施することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記予測手段ルーチンを実現することがカルマンフィルタを実装することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記予測手段ルーチンを実現することがスミス予測器を実装することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記補正信号を求めることが、前記最初のプロセス変数推定を前記プロセス変数計測信号の値と組み合わせて、前記の数の実行サイクルの各々中に残差を生成することを含み、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である実行サイクル中に前記残差を生成するために前記プロセス変数計測信号の新しい値を用いること、及び前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない実行サイクル中に前記残差を生成するために前記プロセス変数計測信号の最新の受信した値を用いることをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記の数の実行サイクルの各々中に前記補正信号を生成するために前記残差にゲイン値を乗算すること、及び前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である実行サイクル中に新しいゲイン値を求めること、及び前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない実行サイクル中に以前に計算されたゲイン値を用いることをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ゲイン値を求めることがカルマンゲイン値を求めることを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記プロセスモデルにプロセスむだ時間を考慮に入れるために遅延ユニットを用いることをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記補正信号を求めることが、さらなるプロセスモデルを用いて、さらなるプロセス変数推定を生成すること、及び前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である実行サイクル中に前記補正信号として新しい残差を生成するために前記さらなるプロセス変数推定をプロセス変数計測信号の値と組み合わせること、及び前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない実行サイクル中に前記補正信号として以前に計算された残差を用いることを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
前記さらなるプロセスモデルを用いることが、前記さらなるプロセス変数推定を生成するために前記さらなるプロセスモデルとしてむだ時間を伴うプロセスをモデル化するプロセスモデルを用いることを含み、前記最初のプロセス変数推定を生成することが、むだ時間を伴わないプロセスをモデル化するプロセスモデルを用いることを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
プロセス変数を有するプロセスを制御する方法であって、
プロセス変数の更新を得るために無線通信ネットワークを介して通信されるプロセス変数計測信号をコンピュータプロセッサデバイスで受信すること、
前記プロセス変数に関するプロセス変数推定を発生させるために、ある数の実行サイクルの各々中に前記プロセッサデバイス上でプロセス変数予測手段ルーチンを定時的に実施すること、
前記プロセス変数推定を制御ルーチンに提供すること、
前記プロセス変数推定に基づいて前記プロセスに関する制御信号を発生させるためにコンピュータプロセッサデバイス上で前記制御ルーチンを定時的に実施すること、
を含み、前記プロセス変数計測信号を受信することが、前記プロセス変数推定を生成するために前記プロセス変数予測手段ルーチンが前記プロセス変数の遅い又は非定時的な更新を用いるように前記定時的の実行サイクルの実行レートよりも低いレートで非定時的に起こる、
方法。
【請求項２５】
前記プロセス変数推定を発生させるためにプロセス変数予測手段ルーチンを実施することが、前記各実行サイクル中に前記制御信号に基づいて前記プロセスの反応をモデル化するためにプロセスモデルを用いて最初のプロセス変数推定を生成すること、前記各実行サイクル中に補正信号を求めること、及び前記プロセス変数推定を生成するために前記各実行サイクル中に前記最初のプロセス変数推定を前記補正信号と組み合わせることを含み、前記各実行サイクル中に補正信号を求めることが、前記予測手段ルーチンで前記プロセス変数計測信号の新たに受信した値が利用可能である実行サイクル中に前記補正信号を生成するために前記プロセス変数計測信号の新たに受信した値を用いること、及び前記予測手段ルーチンで前記プロセス変数計測信号の新たに受信した値が利用可能ではない実行サイクル中に前記補正信号を生成するために前記プロセス変数計測信号の以前に受信した値を用いることを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記補正信号を求めることが、前記最初のプロセス変数推定をプロセス変数計測信号の値と組み合わせて、前記各実行サイクル中に残差を生成することを含み、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である実行サイクル中に前記残差を生成するために前記プロセス変数計測信号の新しい値を用いること、及び前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない実行サイクル中に前記残差を生成するために前記プロセス変数計測信号の最新の受信した値を用いることをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記各実行サイクル中に前記残差にゲイン値を乗算して、前記補正信号を生成すること、及び前記予測手段ルーチンで前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である実行サイクル中に新しいゲイン値を求めること、及び前記予測手段ルーチンで前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない実行サイクル中に以前に計算されたゲイン値を用いることをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記補正信号を求めることが、さらなるプロセスモデルを用いて、さらなるプロセス変数推定を生成すること、及び前記予測手段ルーチンで前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である実行サイクル中に前記補正信号として新しい残差を生成するために前記さらなるプロセス変数推定をプロセス変数計測信号の値と組み合わせること、及び前記予測手段ルーチンで前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない実行サイクル中に前記補正信号として以前に計算された残差値を用いることを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記さらなるプロセスモデルを用いることが、前記さらなるプロセス変数推定を生成するために前記さらなるプロセスモデルとしてむだ時間を伴うプロセスをモデル化するプロセスモデルを用いることを含み、前記最初のプロセス変数推定を生成することが、むだ時間を伴わないプロセスをモデル化するプロセスモデルを用いることを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
ある数の実行サイクルの各々中にプロセス変数推定を生成するように実行サイクルレートで定時的に動作するカルマンフィルタであって、
実行サイクルレートよりも低頻度にプロセス変数計測信号を受信するプロセス変数フィードバック入力部及び制御信号を受信する制御信号入力部を含むインターフェースと、
各実行サイクル中に最初のプロセス変数推定を生成するのに前記制御信号入力部で制御信号を受信するように連結されるプロセスモデルと、
各実行サイクル中に補正信号を生成するのに前記プロセス変数フィードバック入力部を介して受信したプロセス変数計測信号を用いるように連結される補正ユニットであり、受信したプロセス変数計測信号を前記最初のプロセス変数推定と組み合わせて、残差を生成する、第１のコンバイナと、前記残差をゲイン値と組み合わせて、前記補正信号を生成する、ゲインユニットとを含む、補正ユニットと、
前記最初のプロセス変数推定を前記補正信号と組み合わせてプロセス変数推定を生成するように、前記プロセスモデルに及び前記補正ユニットに連結される第２のコンバイナと、
を備え、前記補正ユニットが、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である実行サイクル中に前記残差を生成するために前記第１のコンバイナにおいて前記プロセス変数計測信号の新しい値を使用し、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない実行サイクル中に前記残差を生成するために前記第１のコンバイナにおいて前記プロセス変数計測信号の以前に受信した値を使用する、カルマンフィルタ。
【請求項３１】
前記補正ユニットが、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である実行サイクル中に前記残差を生成するために前記プロセス変数計測信号の新しい値を第１のコンバイナに提供するように動作するスイッチユニットを含み、前記スイッチユニットは、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない実行サイクル中に前記残差を生成するために前記プロセス変数計測信号の最新の受信した値を第１のコンバイナに提供するように動作する、請求項３０に記載のカルマンフィルタ。
【請求項３２】
前記インターフェースが、前記プロセス変数計測信号の新しい値が前記インターフェースで利用可能である実行サイクル中に新しい値フラグを発生させ、前記スイッチユニットが、前記各実行サイクル中に前記残差を生成するのに前記プロセス変数計測信号の新しい値又は前記プロセス変数計測信号の最新の受信した値のいずれかを前記第１のコンバイナに提供するために新しい値フラグを使用する、請求項３１に記載のカルマンフィルタ。
【請求項３３】
前記ゲインユニットが前記残差に前記ゲイン値を乗算して、前記補正信号を生成し、前記ゲインユニットが、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である実行サイクル中に新しいゲイン値を求め、前記ゲインユニットが、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない実行サイクル中に以前に計算されたゲイン値を用いる、請求項３０に記載のカルマンフィルタ。
【請求項３４】
前記ゲインユニットがカルマンゲイン値を求める、請求項３３に記載のカルマンフィルタ。
【請求項３５】
前記補正ユニットが、前記最初のプロセス変数推定を前記プロセス変数計測信号の単位と整合するように変換する変換ユニットを含み、前記補正ユニットの第１のコンバイナが、前記残差を生成するために前記受信したプロセス変数計測信号を前記変換された最初のプロセス変数推定と組み合わせることによって前記受信したプロセス変数計測信号を前記最初のプロセス変数推定と組み合わせる、請求項３０に記載のカルマンフィルタ。
【請求項３６】
前記プロセスモデルが、前記最初のプロセス変数推定を生成するのにむだ時間を伴うプロセスをモデリングするための遅延ユニットを含む、請求項３０に記載のカルマンフィルタ。
【請求項３７】
その数の実行サイクルの各々中にプロセス変数推定を生成することをコンピュータプロセッサ上で実行サイクルレートで実行するように適合されたカルマンフィルタであって、
一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、実行サイクルレートよりも低頻度にプロセス変数計測信号を受信し且つプロセスを制御するのに用いられる制御信号を受信することをプロセッサ上で実行するように適合された、インターフェースルーチンと、
前記一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、各実行サイクル中に前記制御信号を用いて最初のプロセス変数推定を生成することを前記プロセッサ上で実行するように適合された、プロセスモデリングルーチンと、
前記一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、前記残差を生成するために受信したプロセス変数計測信号を前記最初のプロセス変数推定と組み合わせること及び補正信号を生成するために前記残差をゲイン値と組み合わせることを前記プロセッサ上で実行するように適合された、補正ルーチンと、
前記一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、前記最初のプロセス変数推定を前記補正信号と組み合わせて前記プロセス変数推定を生成することを前記プロセッサ上で実行するように適合された、コンバイナルーチンと、
を含み、前記補正ルーチンが、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である実行サイクル中に前記残差を生成するために前記プロセス変数計測信号の新たに受信した値を前記最初のプロセス変数推定と組み合わせること、及び前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない実行サイクル中に前記残差を生成するために前記プロセス変数計測信号の以前に受信した値を前記最初のプロセス変数推定と組み合わせることを実行する、
カルマンフィルタ。
【請求項３８】
前記補正ルーチンが、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である実行サイクル中に前記残差を生成するために前記プロセス変数計測信号の新しい値をコンバイナルーチンに提供するように動作するスイッチングルーチンを含み、前記スイッチングルーチンが、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない実行サイクル中に前記残差を生成するために前記プロセス変数計測信号の最新の受信した値を前記コンバイナルーチンに提供するように動作する、請求項３７に記載のカルマンフィルタ。
【請求項３９】
前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である実行サイクル中にインターフェースルーチンが新しい値フラグを発生させ、前記スイッチングルーチンが、前記各実行サイクル中に前記残差を生成するのにコンバイナルーチンに前記プロセス変数計測信号の新しい値又は前記プロセス変数計測信号の最新の受信した値のいずれかを提供するために新しい値フラグを使用する、請求項３８に記載のカルマンフィルタ。
【請求項４０】
前記補正ルーチンが前記残差に前記ゲイン値を乗算して、前記補正信号を生成し、前記補正ルーチンが、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である実行サイクル中に新しいゲイン値を求め、前記補正ルーチンが、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない実行サイクル中に以前に計算されたゲイン値を用いる、請求項３７に記載のカルマンフィルタ。
【請求項４１】
前記補正ルーチンが、前記最初のプロセス変数推定を前記プロセス変数計測信号の単位と整合するように変換することによって残差を生成するために前記受信したプロセス変数計測信号を前記最初のプロセス変数推定と組み合わせること、及び前記残差を生成するために前記受信したプロセス変数計測信号を前記変換された最初のプロセス変数推定と組み合わせることを含む、請求項３７に記載のカルマンフィルタ。
【請求項４２】
その数の実行サイクルの各々中にプロセス変数推定を生成するように実行サイクルレートで定時的に動作するスミス予測器であって、
実行サイクルレートよりも低頻度にプロセス変数計測信号を受信するプロセス変数フィードバック入力部及び制御信号を受信する制御信号入力部を含むインターフェースと、
１つ又は複数の実行サイクル中に第１のプロセス変数推定を生成するのに前記制御信号入力部で第１の制御信号を受信するように連結される第１のプロセスモデルと、
各実行サイクル中に第２のプロセス変数推定を生成するのに前記制御信号入力部で第２の制御信号を受信するように連結される第２のプロセスモデルと、
前記実行サイクルのうちの１つ又は複数の間に残差を生成するために前記プロセス変数フィードバック入力部を介して受信したプロセス変数計測信号を前記第１のプロセス変数推定と組み合わせるように、前記インターフェースに及び前記第１のプロセスモデルに連結される第１のコンバイナと、
前記プロセス変数推定を生成するのに前記残差を前記第２のプロセス変数推定と組み合わせるように前記第１のコンバイナに及び前記第２のプロセスモデルに連結される第２のコンバイナと、
前記プロセス変数計測信号の新しい値が第１のコンバイナで利用可能である実行サイクル中に、前記第１のコンバイナによって生成された残差が第２のコンバイナに提供され、前記プロセス変数計測信号の新しい値が第１のコンバイナで利用可能ではない実行サイクル中に、以前に計算された残差値が前記第２のコンバイナに提供されるように接続されるスイッチユニットと、
を備えるスミス予測器。
【請求項４３】
前記プロセス変数計測信号の新しい値が前記インターフェースで利用可能である実行サイクル中に前記インターフェースが新しい値フラグを発生させ、前記スイッチユニットが、前記プロセス変数計測信号の新しい値が前記インターフェースで利用可能であることを新しい値フラグが示すときに前記第１のコンバイナによって計算された残差を前記第２のコンバイナに提供し、前記プロセス変数計測信号の新しい値が前記インターフェースで利用可能ではないことを新しい値フラグが示すときに前記スイッチユニットが以前に計算された残差値を第２のコンバイナに提供するために、新しい値フラグを使用する、請求項４２に記載のスミス予測器。
【請求項４４】
前記第１のプロセスモデルが、プロセスむだ時間を伴うプロセスの応答をモデル化するプロセスモデルを含み、前記第２のプロセスモデルが、プロセスむだ時間を伴わないプロセスの応答をモデル化するプロセスモデルを含む、請求項４２に記載のスミス予測器。
【請求項４５】
ある数の実行サイクルの各々中にプロセス変数推定を生成することをコンピュータプロセッサ上で実行サイクルレートで実行するように適合されたスミス予測器であって、
一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、実行サイクルレートよりも低頻度にプロセス変数計測信号を受信すること及び各実行サイクル中に制御信号を受信することをプロセッサ上で実行するように適合された、インターフェースルーチンと、
前記一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、１つ又は複数の実行サイクル中に第１のプロセス変数推定を生成するために制御信号へのプロセスの応答をモデル化することをプロセッサ上で実行するように適合された、第１のプロセスモデリングルーチンと、
前記一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、各実行サイクル中に第２のプロセス変数推定を生成するのに制御信号へのプロセスの応答をモデル化するためにプロセッサ上で実行するように適合された、第２のプロセスモデリングルーチンと、
前記一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、実行サイクルのうちの１つ又は複数の間に残差を生成するためにインターフェースルーチンを介して受信したプロセス変数計測信号を第１のプロセス変数推定と組み合わせることをプロセッサ上で実行するように適合された、第１のコンバイナルーチンと、
前記一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、プロセス変数推定を生成するために残差を第２のプロセス変数推定と組み合わせることをプロセッサ上で実行するように適合された、第２のコンバイナルーチンと、
を備え、前記プロセス変数計測信号の新しい値が前記前記第１のコンバイナルーチンに利用可能である実行サイクル中にプロセス変数推定を生成するために前記第１のコンバイナルーチンによって生成された残差が前記第２のコンバイナルーチンによって用いられ、前記プロセス変数計測信号の新しい値が前記第１のコンバイナルーチンに利用可能ではない実行サイクル中にプロセス変数推定を処理するために以前に計算された残差値が前記第２のコンバイナルーチンによって用いられる、スミス予測器。
【請求項４６】
プロセッサ上で実行するように適合された一時的でないコンピュータ可読媒体に格納されるスイッチングルーチンをさらに含み、前記プロセス変数計測信号の新しい値がインターフェースで利用可能である実行サイクル中に前記インターフェースルーチンが新しい値フラグを発生させ、前記スイッチングルーチンが、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能であることを新しい値フラグが示すときに前記第１のコンバイナルーチンによって計算される残差を前記第２のコンバイナルーチンに提供するために新しい値フラグを使用し、前記スイッチングルーチンが、前記プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではないことを新しい値フラグが示すときに以前に計算された残差値を前記第２のコンバイナルーチンに提供する、請求項４５に記載のスミス予測器。
【請求項４７】
前記第１のプロセスモデリングルーチンがプロセスむだ時間を伴うプロセスの応答をモデル化し、前記第２のプロセスモデリングルーチンがプロセスむだ時間を伴わないプロセスの応答をモデル化する、請求項４５に記載のスミス予測器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この文書は、一般に、プロセス監視及び制御システムに関し、より具体的には、カルマンフィルタ及びスミス予測器のような予測手段を用いるコントローラを有するプロセス制御システムにおける無線及び／又は間欠制御通信の伝送及び処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロセス制御システム、例えば、化学プロセス、石油プロセス、又は他のプロセスで用いられるような分散型又はスケール変更可能なプロセス制御システムは、典型的に、アナログバス、デジタルバス、又は組み合わされたアナログ／デジタルバスを介して互いに、少なくとも１つのホスト又はオペレータワークステーションに、及び１つ又は複数のフィールドデバイスに通信可能に連結される、１つ又は複数のプロセスコントローラを含む。例えば、バルブ、バルブポジショナ、スイッチ、及び送信器（例えば、温度センサ、圧力センサ、及び流量センサ）であり得るフィールドデバイスは、バルブの開閉及びプロセスパラメータの計測のようなプロセス内の機能を果たす。プロセスコントローラは、フィールドデバイスによって作成されたプロセス計測値及び／又はフィールドデバイスに関する他の情報を示す信号を受信し、この情報を用いて制御ルーチンを実施し、プロセスの動作を制御するためにバスを経由してフィールドデバイスに送信される制御信号を生成する。フィールドデバイス及びコントローラからの情報は、典型的に、オペレータがプロセスの現在の状態を見ること、プロセスの動作を修正することなどのようなプロセスに関するあらゆる所望の機能を行うことを可能にするために、オペレータワークステーションによって実行される１つ又は複数のアプリケーションで利用可能となる。
【０００３】
Ｅｍｅｒｓｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔによって販売されるＤｅｌｔａＶ（商標）システムのようないくつかのプロセス制御システムは、制御動作及び／又は監視動作を行うためにコントローラに又は異なるフィールドデバイスに位置するモジュールと呼ばれる機能ブロック又は機能ブロック群を使用する。このような場合、コントローラ又は他のデバイスは、１つ又は複数の機能ブロック又はモジュールを含む及び実行することができ、そのそれぞれは、他の機能ブロック（同じデバイス内又は異なるデバイス内のいずれか）から入力を受信し、及び／又はこれらに出力を提供し、プロセスパラメータの計測又は検出、デバイスの監視、デバイスの制御、又は制御動作、例えば比例−積分−微分（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−ｉｎｔｅｇｒａｌ−ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ：ＰＩＤ）制御ルーチンの実施を行うことのようないくつかのプロセス動作を行う。プロセス制御システム内の異なる機能ブロック及びモジュールは、一般に、１つ又は複数のプロセス制御ループを形成するために互いに（例えば、バスを経由して）通信するように構成される。
【０００４】
プロセスコントローラは、典型的に、流れ制御ループ、温度制御ループ、圧力制御ループなどのようなプロセスに関して定義される又はこれに含まれる多数の異なるループのそれぞれに関する異なるアルゴリズム、サブルーチン、又は制御ループ（すべて制御ルーチンである）を実行するようにプログラムされる。一般的に言えば、こうした各制御ループは、アナログ入力（ＡＩ）機能ブロックのような１つ又は複数の入力ブロック、比例−積分−微分（ＰＩＤ）又はファジー論理制御機能ブロックのような単一出力制御ブロック、及びアナログ出力（ＡＯ）機能ブロックのような出力ブロックを含む。制御ルーチン、及びこうしたルーチンを実現する機能ブロックは、ＰＩＤ制御、ファジー論理制御、及びスミス予測器又はモデル予測制御（Ｍｏｄｅｌ  Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＭＰＣ）のようなモデルベースの技術を含む多数の制御技術に従って構成される。
【０００５】
ルーチンの実行をサポートするために、典型的な工業プラント又はプロセスプラントは、１つ又は複数のプロセスコントローラ及びプロセスＩ／Ｏサブシステムと通信可能に接続される中央コントローラ又は制御室を有し、これらは次に、１つ又は複数のフィールドデバイスに接続される。伝統的に、アナログフィールドデバイスは、信号伝送と電力供給との両方のために、２線式（ｔｗｏ−ｗｉｒｅ）又は４線式電流ループによってコントローラに接続されている。信号を制御室に伝送するアナログフィールドデバイス（例えば、センサ又は送信器）は、感知されるプロセス変数に電流が比例するように、電流ループを流れる電流を調節する。一方、制御室の制御下でアクションを行うアナログフィールドデバイスは、ループを通る電流の大きさによって制御される。
【０００６】
より最近では、アナログ信号を伝送するのに用いられる電流ループにデジタルデータを重畳するように動作するフィールドデバイスが設計されている。例えば、Ｈｉｇｈｗａｙ  Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ  Ｒｅｍｏｔｅ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（ＨＡＲＴ）プロトコルは、アナログ信号を送受信するのにループ電流の大きさを用いるが、また、スマートフィールド機器との双方向フィールド通信を可能にするために電流ループ信号にデジタルキャリア信号を重畳する。一般にＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルと呼ばれる別のプロトコルは、実際には２つのサブプロトコルを定義するオールデジタルプロトコルであり、この２つのサブプロトコルのうちの一方は、ネットワークに連結されるフィールドデバイスに電力を与えながら３１．２５キロビット毎秒までのレートのデータ伝達をサポートし、他方は、フィールドデバイスにいかなる電力も与えずに２．５メガビット毎秒までのレートのデータ伝達をサポートする。これらのタイプの通信プロトコルにより、本質的にオールデジタルであり得るスマートフィールドデバイスは、より古い制御システムによって提供されない多数のメンテナンスモード及び強化された機能をサポートする。
【０００７】
データ伝達量の増加により、プロセス制御システム設計の１つの特に重要な側面は、フィールドデバイスが互いに、コントローラに、及びプロセス制御システム又はプロセスプラント内の他のシステム又はデバイスに通信可能に連結される様態に関係する。一般に、フィールドデバイスがプロセス制御システム内で機能することを可能にする種々の通信チャネル、リンク、及びパスは、通常まとめて、入力／出力（Ｉ／Ｏ）通信ネットワークと呼ばれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
Ｉ／Ｏ通信ネットワークを実現するのに用いられる通信ネットワークトポロジー及び物理的接続又はパスは、特にネットワークが悪い環境要因又は過酷な条件に曝されるときに、フィールドデバイス通信の頑健性又は完全性に対して多大な影響を有し得る。これらの要因及び条件は、１つ又は複数のフィールドデバイス、コントローラなどの間の通信の完全性を損ね得る。アプリケーション又は制御ルーチンの監視が、制御ルーチン又はループの各繰返しに対するプロセス変数の定時的更新を典型的に必要とするので、コントローラとフィールドデバイスとの間の通信は、あらゆるこうした途絶に特に敏感である。損なわれた制御通信は、したがって、結果的に低下したプロセス制御システム効率及び／又は収益性、及び機器の過度の摩耗又は損傷、並びにいかなる数の潜在的に有害な故障をも、もたらす可能性がある。
【０００９】
頑健な通信を保証するために、プロセス制御システムに用いられるＩ／Ｏ通信ネットワークは歴史的にずっとハードワイヤードである。残念なことに、ハードワイヤードネットワークは、多くの複雑さ、課題、及び制限を導入する。例えば、ハードワイヤードネットワークの品質は時間と共に劣化する可能性がある。さらに、ハードワイヤードＩ／Ｏ通信ネットワークは、特にＩ／Ｏ通信ネットワークが広い面積にわたって分布される大きい産業プラント又は施設、例えば、数エーカーの土地を占める石油精製所又は化学プラントに関連する場合には、典型的に敷設するのが高価である。必要とされる長い配線の敷設は、典型的に多大な労力、材料、及び費用を伴い、配線のインピーダンス及び電磁干渉から生じる信号劣化を導入する可能性がある。これらの及び他の理由で、ハードワイヤードＩ／Ｏ通信ネットワークは、一般に、再構成する、修正する、又は更新するのが難しい。
【００１０】
より最近では、ハードワイヤードＩ／Ｏネットワークに関連する困難のうちのいくつかを軽減させるために、プロセス制御環境に無線Ｉ／Ｏ通信ネットワークが導入されている。例えば、その開示全体が引用により本明細書に明示的に組み込まれる「Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｆｌｏｗ  Ｈａｖｉｎｇ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ  Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  ｔｏ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｆｉｅｌｄ  Ｄｅｖｉｃｅ  ｔｏ  Ｐｒｏｖｉｄｅ  Ｒｅｄｕｎｄａｎｔ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ａｃｃｅｓｓ」と題する米国特許第７，５１９，０１２号は、例えば、ハードワイヤード通信の使用を増強又は補助するためにコントローラとフィールドデバイスとの間で無線通信を用いるシステムを開示する。プロセス制御ネットワーク内のデバイス間、例えばコントローラとフィールドデバイスとの間の無線通信の使用は、急速に勢いを増した。この傾向に対応して、プロセスプラント環境内の無線通信をサポートするためにＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルを含む種々の無線通信プロトコルが確立されている。
【００１１】
制御関連の伝送のための無線通信への全面的な依存は、しかしながら、とりわけ、信頼性の懸念により制限されている。前述のように、現代のプロセス制御監視及び制御アプリケーションは、最適な制御レベルを達成するためにコントローラとフィールドデバイスとの間の信頼できるデータ通信を想定している。さらに、典型的なプロセスコントローラは、プロセスにおける望ましくない偏差を迅速に補正するために制御アルゴリズムを速いレートで実行し、これらの制御アルゴリズムは、コントローラの各実行サイクル中の新しいプロセス計測データの利用可能性に依拠する。望ましくない環境要因又は他の悪条件が、こうした監視及び制御アルゴリズムの実行をサポートするのに必要な高速通信を妨げる又は防ぐ間欠的な干渉を生じる可能性がある。
【００１２】
さらに、電力消費は、時には、プロセス制御環境における無線通信の実現に関する複雑な因子である。ハードワイヤードＩ／Ｏネットワークから接続解除されたときに、フィールドデバイスは、それら独自の電源を提供する必要がある可能性がある。したがって、無線フィールドデバイスは、典型的に、バッテリ駆動される、太陽エネルギーを引き出す、又は振動、熱、圧力などのような周囲エネルギーを用いるものである。これらのタイプのデバイスでは、しかしながら、無線ネットワークを介してデータ伝送を行うときに消費されるエネルギーが、総エネルギー消費のうちの大きな部分を成す可能性がある。実際には、計測されているプロセス変数の感知又は検出のようなフィールドデバイスによって行われる他の重要な動作の間よりも、無線通信接続を確立し及び維持する努力の間に、より多くの電力が消費される場合がある。
【００１３】
したがって、プロセス制御産業における無線送信器の比較的最近の導入は、このようなシステムで提供されるプロセス変数計測値が配線式送信器によって典型的に提供されるよりもしばしばかなり遅く（例えば１５秒の更新レートで）報告されるため、無線伝送される計測値が閉ループ制御で用いられることになるときに、多くの課題を提示している。また、無線デバイスによって提供される計測値は、非定時的に通信される場合がある。例えば、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）デバイスによってサポートされるウィンドウ通信（ｗｉｎｄｏｗｅｄ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）は、新しい計測値を非定時的に伝送する可能性がある。さらにまた、あらゆる無線実現形態における通信の損失が、プロセスの途絶を導入しない様態でコントローラによって自動的に取り扱われることが重要である。
【００１４】
これらの問題に対応して、比例−積分−微分（ＰＩＤ）プロセスコントローラのようないくつかのプロセスコントローラが、ゆっくりとした計測値更新、非定時的な計測値更新、及び通信の間欠的損失を伴って、すなわち無線通信ネットワークとより頻繁に関連付けられる状況で効果的に働くことを可能にする方法が開発されている。一般に、これらの制御方法は、プロセスループを依然として適切に制御しつつ、信頼できない又は非定時的に受信したフィードバック信号（例えば、間欠的に受信したプロセス変数計測値）を受信し及び処理する。これらのシステムは、したがって、例えば、ＰＩＤコントローラがプロセス制御ルーチンの各実行サイクルに関する新しいプロセス変数計測値を受信しなくても適正に動作することを可能にする。特に、そのそれぞれが引用により本明細書に明示的に組み込まれる米国特許第７，６２０，４６０号、第７，５８７，２５２号、及び第７，９４５，３３９号、並びに米国特許出願公開第２００８／００８２１８０号は、例えば、ＰＩＤ制御ルーチンが、間欠通信を行う無線送信器を用いて閉ループ制御を行い、これにより、プロセス変数が特定の量変化するときにだけ無線通信リンクを介してコントローラにプロセス変数計測値が通信されることが可能となるように、どのように修正され得るかを説明する。
【００１５】
効果的ではあるが、これらの新しい制御技術は、一般に、ＰＩＤ制御ルーチン又はＰＩＤ制御ブロックがコントローラ又は制御ルーチンの入力で間欠的に受信したプロセス変数計測値を取り扱う様態を変更する。しかしながら、コントローラへの入力としてプロセス変数計測値及び制御信号を用いる代わりに、コントローラへの入力としてプロセス変数推定値を用いるいくつかのＰＩＤに基づく制御方式を含む多くのタイプの制御技術が存在する。例えば、ほんのいくつかの例を挙げれば、カルマンフィルタ及びスミス予測器のような予測手段を用いるプロセス制御技術は、典型的に、プロセス変数計測値に対して動作してプロセス変数推定値を生成し、これは次いで、制御信号を生じるための制御ルーチンに提供される。これらの場合、間欠的に受信されるプロセス変数計測信号は制御ルーチンに直接提供されない。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
制御アルゴリズムを変化させる必要なく予測手段に基づく制御方式でゆっくりと又は間欠的に受信したプロセス変数値の使用を可能にする制御技術は、ＰＩＤコントローラのようなコントローラと、例えばプロセスからプロセス変数計測信号の形態の間欠フィードバックを受信するために連結されるモデルに基づく予測手段のような予測手段とを含む。この場合、予測手段は、プロセスを制御するのに用いられる制御信号をコントローラが生成できるようにするためにコントローラの各実行サイクル中にコントローラに新しいプロセス変数推定を提供しつつ、間欠的に又はゆっくりと受信したプロセスフィードバック信号からプロセス変数推定値を生じるように構成される。
【００１７】
所望の場合、予測手段は、推定されているプロセス変数を制御するのに用いられるようなプロセスを制御するための制御信号を生成するのに用いられるコントローラの入力で提供されるべきプロセス変数の推定を発生させるために１つ又は複数のプロセスモデルを使用するカルマンフィルタのような観測手段又はスミス予測器のような別のタイプの予測手段であってもよい。ゆっくりと又は間欠的に受信したプロセス変数計測値は、無線通信ネットワークを介して予測手段に通信されてもよいが、代わりに、望まれる場合にはハードワイヤード又は他のタイプの通信ネットワークを介して送信でき得る。さらに、コントローラは、例えば、ＰＩＤ制御アルゴリズムを含んでいてもよく及び実行してもよいが、コントローラは、ＭＰＣ、ニューラルネットワーク、又は他のモデルに基づく又はモデルに基づかない制御アルゴリズムのような他の所望のタイプのコントローラアルゴリズムを実行し又は行ってもよい。
【００１８】
予測手段は、最初のプロセス変数推定を生成するプロセスモデル、補正信号を生成する補正ユニット、及びプロセス制御に用いられるコントローラのコントローラ入力部に提供されるべきプロセス変数推定を生成するために補正信号を最初のプロセス変数推定と組み合わせるコンバイナを含んでいてもよい。予測手段はまた、センサ又は送信器のようなフィールドデバイスから通信されるプロセス変数計測値のような遅い、間欠的に受信した、又は他の状態で非定時的なプロセス計測信号の新しい値の受取りを示すフラグ又は他のマーカを設定するインターフェースを含んでいてもよい。新しい値フラグが設定されるときに、予測手段は、新しいカルマンゲイン値及び／又は新しい残差値のような新しいゲイン値を計算してもよく、又は、補正信号を生じるのに用いられる残差を作成する際に新たに受信したプロセス計測信号を用いてもよい。これらの新しいゲイン及び／又は残差値は、その後、コントローラの各新しい実行サイクル中にコンバイナで用いられる補正信号として設定され又はこれを生成するのに用いられてもよい。一方、プロセス変数又はプロセス信号の新しい値が予測手段入力で利用可能ではないことを示す新しい値フラグが設定されないとき、予測手段ユニットは、補正信号を作成するのに用いられる残差値を生じるために、以前に生成されたゲイン又は残差値を使用し続け、又は最新の受信したプロセス変数値を使用し続ける。
【００１９】
一実施形態では、プロセスを制御するのに用いられる制御システムは、プロセス変数入力部及びプロセス変数入力部に通信可能に連結される制御ルーチンユニットを有する制御ユニットを含み、制御ルーチンユニットがプロセス変数入力部で受信したプロセス変数値に基づいてプロセスを制御するのに用いられる制御信号を発生させる。制御システムは、制御ユニットに連結される予測手段ユニットをさらに含み、予測手段ユニットは、プロセス変数推定を生成するためにその数の実行サイクルの各々中に一回動作する。この場合、予測手段ユニットは、制御ルーチンユニットによって生成された制御信号を受信するために連結される制御信号入力部と、予測手段ユニットの実行サイクル時間につき一回よりも低頻度にプロセス変数計測信号を受信するプロセス変数フィードバック入力部を含むインターフェースと、最初のプロセス変数推定を生成するのに制御信号入力で制御信号を受信するために連結されるプロセスモデルとを含む。予測手段ユニットはまた、補正信号を生成するのにプロセス変数フィードバック入力部を介して受信したプロセス変数計測信号を用いるために連結される補正ユニットと、最初のプロセス変数推定を補正信号と組み合わせてプロセス変数推定を生成するためにプロセスモデルに及び補正ユニットに連結されるコンバイナと、スイッチユニットとを含む。スイッチユニットは、一般に、プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である予測手段ユニットの実行サイクル中に補正信号を生成するために補正ユニットにプロセス変数計測信号の新しい値を使用させ、プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない予測手段ユニットの実行サイクル中に補正信号を生成するために補正ユニットにプロセス変数計測信号の以前に受信した値を使用させる。さらにまた、制御ユニットのプロセス変数入力部は、プロセス変数推定を受信するために連結され、これにより、このプロセス変数推定を用いてプロセスの制御を行うように動作する。
【００２０】
所望の場合、予測手段ユニットは、カルマンフィルタのような観測手段であってもよく、この場合、観測手段の補正ユニットは、プロセスモデルにおけるモデル不正確さを補正し、又はスミス予測器のような他のタイプの予測手段であってもよい。また、補正ユニットは、各実行サイクル中に残差を生成するために最初のプロセス変数推定をプロセス変数計測信号の値と組み合わせるさらなるコンバイナを含んでいてもよい。加えて、スイッチユニットは、プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である予測手段ユニットの実行サイクル中に残差を生成するためにプロセス変数計測信号の新しい値をさらなるコンバイナに提供するように動作してもよく、プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない予測手段ユニットの実行サイクル中に残差を生成するためにプロセス変数計測信号の以前に受信した値をさらなるコンバイナに提供するように動作してもよい。
【００２１】
同様に、補正ユニットは、補正信号を生成するために残差にゲイン値を乗算するゲインユニットを含んでいてもよく、この場合、スイッチユニットは、プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である予測手段ユニットの実行サイクル中にゲインユニットに新しいゲイン値を求めさせるように動作してもよい。代替的に、スイッチユニットは、プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない予測手段ユニットの実行サイクル中にゲインユニットに以前に計算されたゲイン値を使用させてもよい。加えて、所望の場合、プロセスモデルは、最初のプロセス変数推定を生成するためにむだ時間を伴うプロセスをモデリングするための遅延ユニットを含んでいてもよく、又はプロセスむだ時間を考慮に入れる遅延ユニットを有していなくてもよく、したがって、多大なむだ時間を伴わないプロセスをモデル化するように動作してもよい。
【００２２】
さらにまた、補正ユニットは、残差を生成するためにさらなるプロセス変数推定をプロセス変数計測信号の値と組み合わせるさらなるコンバイナを含んでいてもよい。この場合、スイッチユニットは、残差を生成するためにさらなるコンバイナでプロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である予測手段ユニットの実行サイクル中に残差の新しい値をコンバイナに提供するように動作してもよく、残差を生成するためにさらなるコンバイナでプロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない予測手段ユニットの実行サイクル中に残差の以前に計算した値をコンバイナに提供するように動作してもよい。加えて、予測手段ユニットは、さらなるプロセス変数推定を生成するためにむだ時間を伴うプロセスをモデル化するさらなるプロセスモデルを含んでいてもよく、プロセスモデルは、最初のプロセス変数推定を生成するためにむだ時間を伴わないプロセスをモデル化するプロセスモデルであってもよい。所望の場合、制御ユニットは、いかなる所望のタイプの制御ルーチンをも格納し及び実行し又は使用してもよく、例えば、制御信号を生成するために比例−積分−微分制御アルゴリズムを格納し及び実現してもよい。
【００２３】
別の実施形態では、プロセスを制御する方法は、プロセス変数推定に基づいてプロセスを制御するのに用いられる制御信号を生成するためにある数の実行サイクルの各々中にコンピュータプロセッサデバイス上で制御ルーチンを実施することを含む。この方法は、コンピュータプロセッサデバイスでプロセス変数計測信号を実行サイクル時間レートよりも低頻度に受信し、プロセス変数推定を生成するために、その数の実行サイクルの各々中にコンピュータプロセッサデバイス上で予測手段ルーチンを実施する。予測手段ルーチンを達成するために実施される方法は、その数の実行サイクルの各々中に制御ルーチンによって生成された制御信号を受信すること、その数の実行サイクルの各々中に制御信号へのプロセスの反応をモデル化するためにプロセスモデルを用いて最初のプロセス変数推定を生成すること、及びその数の実行サイクルの各々中に補正信号を求めることを含む。予測手段ルーチン方法はまた、プロセス変数推定を生成するために、その数の実行サイクルの各々中に最初のプロセス変数推定を補正信号と組み合わせる。この場合、その数の実行サイクルの各々中に補正信号を求めることは、プロセス変数計測信号の新たに受信した値が利用可能である実行サイクル中に補正信号を生成するためにプロセス変数計測信号の新たに受信した値を用いること、及びプロセス変数計測信号の新たに受信した値が利用可能ではない実行サイクル中に補正信号を生成するためにプロセス変数計測信号の以前に受信した値を用いることを含む。
【００２４】
別の事例では、プロセス変数を有するプロセスを制御する方法は、プロセス変数の更新を得るために無線通信ネットワークを介して通信されるプロセス変数計測信号をコンピュータプロセッサデバイスで受信すること、及びプロセス変数に関するプロセス変数推定を発生させるために、ある数の実行サイクルの各々中にプロセッサデバイス上でプロセス変数予測手段ルーチンを定時的に実施することを含む。この方法はまた、制御ルーチンにプロセス変数の推定を提供し、プロセス変数推定に基づいてプロセスに関する制御信号を発生させるためにコンピュータプロセッサデバイス上で制御ルーチンを定時的に実施する。ここで、プロセス変数計測信号を受信することは、プロセス変数推定を生成するためにプロセス変数予測手段ルーチンがプロセス変数の遅い又は非定時的な更新を用いるように定時的実行サイクルの実行レートよりも低いレートで非定時的に起こる。さらにまた、この方法では、プロセス変数推定を発生させるためにプロセス変数予測手段ルーチンを実施することは、各実行サイクル中に制御信号に基づいてプロセスの反応をモデル化するためにプロセスモデルを用いて最初のプロセス変数推定を生成すること、各実行サイクル中に補正信号を求めること、及びプロセス変数推定を生成するために各実行サイクル中に最初のプロセス変数推定を補正信号と組み合わせることを含んでいてもよい。ここで、各実行サイクル中に補正信号を求めることは、予測手段ルーチンでプロセス変数計測信号の新たに受信した値が利用可能である実行サイクル中に補正信号を生成するためにプロセス変数計測信号の新たに受信した値を用いること、及び予測手段ルーチンでプロセス変数計測信号の新たに受信した値が利用可能ではない実行サイクル中に補正信号を生成するためにプロセス変数計測信号の以前に受信した値を用いることを含んでいてもよい。
【００２５】
別の事例では、その数の実行サイクルの各々中にプロセス変数推定を生成するように実行サイクルレートで定時的に動作するカルマンフィルタは、実行サイクルレートよりも低頻度にプロセス変数計測信号を受信するプロセス変数フィードバック入力部を有するインターフェースを含む。カルマンフィルタはまた、制御信号を受信する制御信号入力部と、各実行サイクル中に最初のプロセス変数推定を生成するのに制御信号入力部で制御信号を受信するために連結されるプロセスモデルと、各実行サイクル中に補正信号を生成するのにプロセス変数フィードバック入力部を介して受信したプロセス変数計測信号を用いるために連結される補正ユニットとを含む。この場合、補正ユニットは、残差を生成するために受信したプロセス変数計測信号を最初のプロセス変数推定と組み合わせる第１のコンバイナと、補正信号を生成するために残差をゲイン値と組み合わせるゲインユニットを含む。さらにまた、カルマンフィルタは、プロセスモデルに及び補正ユニットに連結され、且つプロセス変数推定を生成するために最初のプロセス変数推定を補正信号と組み合わせる、第２のコンバイナを含む。ここで、補正ユニットは、プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である実行サイクル中に残差を生成するために第１のコンバイナにおいてプロセス変数計測信号の新しい値を使用し、プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない実行サイクル中に残差を生成するために第１のコンバイナにおいてプロセス変数計測信号の以前に受信した値を使用する。
【００２６】
所望の場合、カルマンフィルタの補正ユニットは、プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である実行サイクル中に残差を生成するためにプロセス変数計測信号の新しい値を第１のコンバイナに提供するように動作するスイッチユニットを含んでいてもよく、且つプロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない実行サイクル中に残差を生成するためにプロセス変数計測信号の最新の受信した値を第１のコンバイナに提供するように動作してもよい。同様に、インターフェースは、プロセス変数計測信号の新しい値がインターフェースで利用可能である実行サイクル中に新しい値フラグを発生させてもよく、この場合、スイッチユニットは、各実行サイクル中に残差を生成するのにプロセス変数計測信号の新しい値又はプロセス変数計測信号の最新の受信した値のいずれかを第１のコンバイナに提供するために新しい値フラグを用いてもよい。
【００２７】
さらに別の実施形態では、その数の実行サイクルの各々中にプロセス変数推定を生成することをコンピュータプロセッサ上で実行サイクルレートで実行するように適合されたカルマンフィルタは、一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、実行サイクルレートよりも低頻度にプロセス変数計測信号を受信し且つプロセスを制御するのに用いられる制御信号を受信することをプロセッサ上で実行するように適合された、インターフェースルーチンを含む。カルマンフィルタはまた、一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、各実行サイクル中に制御信号を用いて最初のプロセス変数推定を生成することをプロセッサ上で実行するように適合されたプロセスモデリングルーチンを含み、且つ、一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、残差を生成するために受信したプロセス変数計測信号を最初のプロセス変数推定と組み合わせることをプロセッサ上で実行するように適合された補正ルーチンを含む。補正ルーチンは、補正信号を生成するために残差をゲイン値と組み合わせる。コンバイナルーチンは、一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、プロセス変数推定を生成するために最初のプロセス変数推定を補正信号と組み合わせることをプロセッサ上で実行するように適合される。ここで、補正ルーチンは、プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である実行サイクル中に残差を生成するためにプロセス変数計測信号の新たに受信した値を最初のプロセス変数推定と組み合わせることを実行し、且つ、プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない実行サイクル中に残差を生成するためにプロセス変数計測信号の以前に受信した値を最初のプロセス変数推定と組み合わせることを実行する。
【００２８】
さらに別の事例では、ある数の実行サイクルの各々中にプロセス変数推定を生成するように実行サイクルレートで定時的に動作するスミス予測器は、実行サイクルレートよりも低頻度にプロセス変数計測信号を受信するプロセス変数フィードバック入力部及び制御信号を受信する制御信号入力部を有するインターフェースを含む。スミス予測器はまた、１つ又は複数の実行サイクル中に第１のプロセス変数推定を生成するのに制御信号入力部で第１の制御信号を受信するために連結されるプロセスモデルと、各実行サイクル中に第２のプロセス変数推定を生成するのに制御信号入力部で第２の制御信号を受信するために連結されるプロセスモデルとを含む。第１のコンバイナユニットは、インターフェースに及び第１のプロセスモデルに連結され、実行サイクルのうちの１つ又は複数の間に残差を生成するためにプロセス変数フィードバック入力部を介して受信したプロセス変数計測信号を第１のプロセス変数推定と組み合わせるように動作し、第２のコンバイナユニットは、プロセス変数推定を生成するのに残差を第２のプロセス変数推定と組み合わせるために第１のコンバイナユニットに及び第２のプロセスモデルに連結される。さらにまた、スイッチユニットは、プロセス変数計測信号の新しい値が第１のコンバイナユニットで利用可能である実行サイクル中に第１のコンバイナユニットによって生成された残差を第２のコンバイナユニットに提供し、プロセス変数計測信号の新しい値が第１のコンバイナユニットで利用可能ではない実行サイクル中に以前に計算された残差値を第２のコンバイナユニットに提供するために接続される。
【００２９】
さらにまた、ある数の実行サイクルの各々中にプロセス変数推定を生成することをコンピュータプロセッサ上で実行サイクルレートで実行するように適合されるスミス予測器は、一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、実行サイクルレートよりも低頻度にプロセス変数計測信号を受信すること及び各実行サイクル中に制御信号を受信することをプロセッサ上で実行するように適合された、インターフェースルーチンを含む。スミス予測器はまた、一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、１つ又は複数の実行サイクル中に第１のプロセス変数推定を生成するために制御信号へのプロセスの応答をモデル化することをプロセッサ上で実行するように適合された第１のプロセスモデリングルーチンと、一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、各実行サイクル中に第２のプロセス変数推定を生成するのに制御信号へのプロセスの応答をモデル化するためにプロセッサ上で実行するように適合された、第２のプロセスモデリングルーチンとを含む。同様に、第１のコンバイナルーチンは、一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、且つ実行サイクルのうちの１つ又は複数の間に残差を生成するためにインターフェースルーチンを介して受信したプロセス変数計測信号を第１のプロセス変数推定と組み合わせることをプロセッサ上で実行するように適合され、第２のコンバイナルーチンは、一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され、且つプロセス変数推定を生成するために残差を第２のプロセス変数推定と組み合わせることをプロセッサ上で実行するように適合される。この場合、第１のコンバイナルーチンによって生成された残差は、プロセス変数計測信号の新しい値が第１のコンバイナルーチンに利用可能である実行サイクル中にプロセス変数推定を生成するために第２のコンバイナルーチンによって用いられ、以前に計算された残差値は、プロセス変数計測信号の新しい値が第１のコンバイナルーチンに利用可能ではない実行サイクル中にプロセス変数推定を生成するために第２のコンバイナルーチンによって用いられる。
【００３０】
本開示のより完全な理解のために、以下の詳細な説明、及び同様の参照番号が図面中の同様の要素を識別する付属の図面への参照が行われるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】予測手段を用いて１つ又は複数の制御ルーチンを実施し、次に、１つ又は複数の遅い又は無線通信ネットワークを介して伝送され非定時的に又は間欠的に受信される通信を用いるように構成されるコントローラを有するプロセス制御システムの略図である。
【図２】制御されているプロセスをモデリングする様態を含む配線式通信リンクを介して定時的に発生したプロセス変数計測信号を受信する公知の予測手段に基づく制御方式の略図である。
【図３】予測手段が無線通信リンクを介してプロセス変数計測信号を遅い、非定時的な、又は間欠的な様態で受信する、プロセスを制御するためにプロセスコントローラ及び予測手段を用いるプロセス制御システムの略図である。
【図４】公知のコントローラと、配線式通信リンクを介してプロセス変数の定時的計測値を受信するためにプロセスに接続されるカルマンフィルタの形態の観測手段との略図である。
【図５】多大なむだ時間を呈するプロセスを制御するのに用いられる、公知のコントローラと、配線式通信リンクを介してプロセス変数の定時的計測値を受信するように構成されるカルマンフィルタの形態の観測手段との略図である。
【図６】プロセスを制御するのに用いられる、コントローラと、無線通信リンクを介してプロセス変数の非定時的な、間欠的な、又は遅い計測値を受信するように構成されるカルマンフィルタの形態の観測手段との略図である。
【図７】多大なむだ時間又はプロセス遅延を有するプロセスを制御するのに用いられる、コントローラと、無線通信リンクを介してプロセス変数の非定時的な、間欠的な、又は遅い計測値を受信するように構成されるカルマンフィルタの形態の観測手段との略図である。
【図８】多大なむだ時間を呈するプロセスを制御するのに用いられる、公知のコントローラと、配線式通信リンクを介してプロセス変数の定時的計測値を受信するように構成されるスミス予測器の形態の予測手段との略図である。
【図９】プロセスを制御するのに用いられる、コントローラと、無線通信リンクを介してプロセス変数の非定時的な、間欠的な、又は遅い計測値を受信するように構成されるスミス予測器の形態の予測手段との略図である。
【図１０】無線通信リンクを介してプロセス変数計測値を非定時的に、ゆっくりと、又は間欠的に受信する改変されたカルマンフィルタを備えるＰＩＤコントローラを有する制御システムに対する配線式通信リンクを介してプロセス計測値を定時的に受信するＰＩＤコントローラを有する制御システムのモデル化された動作を例証するグラフである。
【図１１】無線通信リンクを介してプロセス変数計測値を非定時的に、ゆっくりと、又は間欠的に受信する改変されたスミス予測器を備えるＰＩＤコントローラを有する制御システムに対する配線式通信リンクを介してプロセス計測値を定時的に受信するＰＩＤコントローラを有する制御システムのモデル化された動作を例証するグラフである。
【図１２】改変された予測手段ブロックとは別個のコントローラブロックを有するプロセス制御システムの概略図である。
【図１３】コントローラブロックと同じ制御モジュールに配置される改変された予測手段ブロックを有するプロセス制御システムの概略図である。
【図１４】コントローラにおける制御アルゴリズムブロックと一体化される改変されたカルマンフィルタの形態の改変された観測手段を有するプロセス制御システムの概略図である。
【図１５】コントローラにおける制御アルゴリズムブロックと一体化される改変されたスミス予測器の形態の改変された予測手段を有するプロセス制御システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
開示されるシステム及び方法は種々の形態での実施形態が可能であるが、本開示が例示説明となることを意図され且つ本発明を本明細書で説明され及び例示説明される具体的な実施形態に限定することを意図されないという理解のもとで、本発明の具体的な実施形態が図面で例示説明されている（及び以下で説明する）。
【００３３】
図１は、プロセスの非常に正確な制御を依然として提供しながら、間欠的な、遅い、又は非定時的なプロセス変数計測値の受取りに基づいて、予測手段に基づく制御を用いて制御ルーチンを実現するのに用いられ得るプロセス制御システム１０を描いている。一般的に言えば、図１のプロセス制御システム１０は、データヒストリアン１２に、及びそれぞれがディスプレイ画面１４を有する１つ又は複数のホストワークステーション又はコンピュータ１３（いかなるタイプのパーソナルコンピュータ、ワークステーションなどであってもよい）に接続されるプロセスコントローラ１１を含む。コントローラ１１はまた、入力／出力（Ｉ／Ｏ）カード２６及び２８を介してフィールドデバイス１５〜２２にハードワイヤード通信接続を通じて接続される。データヒストリアン１２は、データを記憶するためのあらゆる所望のタイプのメモリ及びあらゆる所望の又は公知のソフトウェア、ハードウェア、又はファームウェアを有するあらゆる所望のタイプのデータコレクションユニットであってもよく、別個のデバイスとして示されているが、代わりに又は加えてワークステーション１３又はサーバのような別のコンピュータデバイスのうちの１つの一部であってもよい。単なる例として、Ｅｍｅｒｓｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔによって販売されるＤｅｌｔａＶ（商標）コントローラであってもよいコントローラ１１は、例えばイーサネット接続であってもよい通信ネットワーク２９を介してホストコンピュータ１３に及びデータヒストリアン１２に通信可能に接続される。
【００３４】
コントローラ１１は、例えば、標準４〜２０ｍＡ通信、及び／又はＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）Ｆｉｅｌｄｂｕｓ通信プロトコル、ＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルなどのようなあらゆるスマート通信プロトコルを用いるあらゆる通信を含むハードワイヤード通信を実現するためにあらゆる所望のハードウェア、ソフトウェア及び／又はファームウェアの使用を含む可能性があるハードワイヤード通信方式を用いてフィールドデバイス１５〜２２に通信可能に接続されるものとして示される。フィールドデバイス１５〜２２は、センサ、バルブ、送信器、ポジショナなどのようなあらゆるタイプのデバイスであってもよく、一方、Ｉ／Ｏカード２６及び２８は、いかなる所望の通信プロトコル又はコントローラプロトコルに準拠するあらゆるタイプのＩ／Ｏデバイスであってもよい。図１で示される実施形態では、フィールドデバイス１５〜１８は、アナログラインによってＩ／Ｏカード２６と通信する標準４〜２０ｍＡデバイスであり、一方、フィールドデバイス１９〜２２は、Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコル通信を用いてデジタルバスによってＩ／Ｏカード２８と通信するＦｉｅｌｄｂｕｓフィールドデバイスのようなスマートデバイスである。もちろん、フィールドデバイス１５〜２２は、将来開発される任意の規格又はプロトコルを含む、いかなる他の所望の規格（単数又は複数）又はプロトコルに準拠していてもよい。
【００３５】
加えて、プロセス制御システム１０は、制御されるべきプラントに配置されるいくつかの無線フィールドデバイス６０〜６４及び７１を含む。フィールドデバイス６０〜６４は、図１では送信器（例えば、プロセス変数センサ）として描かれており、一方、フィールドデバイス７１は、バルブとして描かれている。しかしながら、これらのフィールドデバイスは、物理的制御挙動を実施するために又はプロセス内の物理的パラメータを計測するためにプロセス内に配置されるいかなる他の所望のタイプのデバイスであってもよい。現在公知の又は後で開発されるハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はいかなる組み合わせをも含むいかなる所望の無線通信機器を用いてコントローラ１１とフィールドデバイス６０〜６４及び７１との間の無線通信が確立されてもよい。図１で示される事例では、アンテナ６５は、送信器６０に連結され及びその無線通信を行うことに特化され、一方、無線ルータ又はアンテナ６７を有する他のモジュール６６は、送信器６１〜６４の無線通信を一括に取り扱うために連結される。同様に、アンテナ７２は、バルブ７１の無線通信を行うためにバルブ７１に連結される。フィールドデバイス又は関連するハードウェア６０〜６４、６６、及び７１は、コントローラ１１と送信器６０〜６４とバルブ７１との間の無線通信を実施するためにアンテナ６５、６７、及び７２を介して無線信号を受信する、デコードする、ルーティングする、エンコードする、及び送信するのに適切な無線通信プロトコルによって用いられるプロトコルスタック動作を実施してもよい。
【００３６】
所望の場合、送信器６０〜６４は、種々のプロセスセンサ（送信器）とコントローラ１１との間に唯一のリンクを構成してもよく、したがって製品品質及び流れが損なわれないことを保障するためにコントローラ１１に正確な信号を送信することを担う。送信器６０〜６４は、しばしばプロセス変数送信器（ｐｒｏｃｅｓｓ  ｖａｒｉａｂｌｅ  ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ：ＰＶＴ）と呼ばれ、したがってプラントの制御における大きな役割を果たす可能性がある。加えて、バルブ又は他のフィールドデバイス７１は、コントローラ１１に、バルブ７１内のセンサによって計測される計測値を提供してもよく、若しくはバルブ７１内で実行される機能ブロックＦＢ１及びＦＢ２によって収集され、計算され、又は他の方法で生成されるデータを含むバルブ７１によって生成される又は計算される他のデータをバルブ７１の動作の一部として提供してもよい。もちろん、バルブ７１はまた、物理的パラメータ、例えば、プラント内の流れをもたらすためにコントローラ１１から制御信号を受信してもよい。
【００３７】
コントローラ１１は、それぞれがそれぞれのアンテナ７５及び７６に接続される１つ又は複数のＩ／Ｏデバイス７３及び７４に連結され、これらのＩ／Ｏデバイスとアンテナ７３〜７６は、１つ又は複数の無線通信ネットワークを介して無線フィールドデバイス６１〜６４及び７１と無線通信を行うために送信器／受信器として動作する。フィールドデバイス（例えば、送信器６０〜６４及びバルブ７１）間の無線通信は、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）プロトコル、Ｅｍｂｅｒプロトコル、ＷｉＦｉプロトコル、ＩＥＥＥ無線規格などのような１つ又は複数の公知の無線通信プロトコルを用いて行われてもよい。さらにまた、Ｉ／Ｏデバイス７３及び７４は、コントローラ１１と送信器６０〜６４とバルブ７１との間の無線通信を実現するためにアンテナ７５及び７６を介して無線信号を受信する、デコードする、ルーティングする、エンコードする、及び送信するのにこれらの通信プロトコルによって用いられるプロトコルスタック動作を実現してもよい。
【００３８】
図１で示されるように、コントローラ１１は、メモリ７８に格納される１つ又は複数のプロセス制御ルーチン（又はあらゆるモジュール、ブロック、又はそのサブルーチン）を実現する又は監督するプロセッサ７７を含む。メモリ７８に格納されるプロセス制御ルーチンは、プロセスプラント内に実装される制御ループを含んでいてもよく又はこれと関連付けられてもよい。一般的に言えば、コントローラ１１は、１つ又は複数の制御ルーチンを実行し、プロセスをあらゆる所望の様態（単数又は複数）で制御するためにフィールドデバイス１５〜２２、６０〜６４、及び７１、ホストコンピュータ１３、及びデータヒストリアン１２と通信する。しかしながら、本明細書に記載のいかなる制御ルーチン又はモジュールも、その一部が複数のデバイスにわたって分散された状態で実装され又は実行されてもよいことに留意されたい。結果として、制御ルーチン又はモジュールは、そのように望まれる場合には、異なるコントローラ、フィールドデバイス（例えば、スマートフィールドデバイス）、若しくは他のデバイス又は他の制御要素によって実装される部分を有していてもよい。
【００３９】
同様に、プロセス制御システム１０内に実装されるべき本明細書に記載の制御ルーチン又はモジュールは、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェアなどを含む任意の形態をとり得る。こうした機能性を提供することに関係するあらゆるデバイス又は要素は、ソフトウェア、ファームウェア、又はそれに関連するハードウェアがコントローラ、フィールドデバイス、又はプロセス制御システム１０内のどの他のデバイス（又はデバイスの集合体）に配置されるかに関係なく、本明細書では概して「制御要素」と呼ばれ得る。もちろん、制御モジュールは、例えば、任意のコンピュータ可読媒体上に格納されるルーチン、ブロック、又はそのあらゆる要素を含むプロセス制御システムのいかなる一部又は部分であってもよい。こうした制御モジュール、制御ルーチン、又はそのあらゆる一部は、本明細書で概して制御要素と呼ばれるプロセス制御システム１０のあらゆる要素又はデバイスによって実装され又は実行されてもよい。さらに、モジュール、又はサブルーチン、サブルーチンの一部（例えばコードのライン）などのような制御手順のあらゆる部分であり得る制御ルーチンが、オブジェクト指向プログラミング、ラダーロジック、シーケンシャルファンクションチャート、機能ブロック図のようなあらゆる所望のソフトウェアフォーマットで、又はあらゆる他のソフトウェアプログラミング言語又は設計パラダイムを用いて実装されてもよい。同様に、制御ルーチンは、例えば、１つ又は複数のＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、若しくは任意の他のハードウェア要素又はファームウェア要素にハードコード化されてもよい。さらにまた、制御ルーチンは、グラフィカル設計ツールを含むあらゆる設計ツール、又はあらゆる他のタイプのソフトウェア／ハードウェア／ファームウェアプログラミング又は設計ツールを用いて設計されてもよい。結果として、コントローラ１１は、制御ストラテジ又は制御ルーチンをいかなる所望の様態で実装するように構成されてもよい。
【００４０】
いくつかの実施形態では、コントローラ１１は、通称、機能ブロックと呼ばれるものを用いて制御ストラテジ又は方式を実施し、この場合、各機能ブロックは、プロセス制御システム１０内でプロセス制御ループを実現するために他の機能ブロック（リンクと呼ばれる通信を介して）と併せて動作する制御ルーチン全体のオブジェクト又は他の部分（例えば、サブルーチン）である。機能ブロックは、典型的に、送信器、センサ、又は他のプロセスパラメータ計測デバイスに関連する入力機能のような入力機能、ＰＩＤ、ファジー論理などを行う制御制御ルーチンに関連する制御機能のような制御機能、又はプロセス制御システム１０内のいくつかの物理的機能を果たすためにバルブのようないくつかのデバイスの動作を制御する出力機能のうちの１つを行う。もちろん、ハイブリッド及び他のタイプの機能ブロックが存在し、本明細書で用いられ得る。機能ブロックは、コントローラ１１に格納され及びこれによって実行されてもよく、これは機能ブロックが標準４〜２０ｍＡデバイス及びＨＡＲＴ（登録商標）デバイスのようないくつかのタイプのスマートフィールドデバイスのために用いられ又はこれと関連するときに典型的に当てはまる。代替的に又は加えて、機能ブロックは、フィールドデバイス自体、Ｉ／Ｏデバイス、又はプロセス制御システム１０の他の制御要素に格納され又はこれによって実現されてもよく、これは、Ｆｉｅｌｄｂｕｓデバイスを用いるシステムに当てはまる可能性がある。制御システム１０の説明は、機能ブロック制御ストラテジを用いて本明細書で概して提供されるが、開示された技術及びシステムはまた、他の規則又はプログラミングパラダイムを用いて実現され又は設計されてもよい。
【００４１】
いずれにしても、図１の分解されたブロック８０によって示されるように、コントローラ１１は、いくつかの制御モジュール（モジュール８２、８４、及び８６として示される）を含んでいてもよく、各制御モジュールは、１つ又は複数のプロセス制御ループを実現する。この場合、制御モジュール８２は、観測手段に基づく制御方式又はルーチン（本明細書では１つのタイプの予測手段に基づく制御方式と呼ばれる）を実現し、制御モジュール８４は、予測手段に基づく制御ルーチンを実施する。モジュール８２及び８４は、バルブのようなプロセス制御デバイス、温度送信器及び圧力送信器のような計測デバイス、又はプロセス制御システム１０内のあらゆる他のデバイスと関連付けられ得る適切なアナログ入力（ＡＩ）及びアナログ出力（ＡＯ）機能ブロックに接続される観測手段（ＯＢＳ）又は予測手段（ＰＲＤ）及び単一入力／単一出力に基づくＰＩＤ制御ブロック（ＰＩＤ）を用いて単一ループ制御を行うものとして示される。複数入力／複数出力制御ループ８６はまた、１つ又は複数のＡＩ機能ブロックに通信可能に接続される入力及び１つ又は複数のＡＯ機能ブロックに通信可能に接続される出力を有する進歩した制御ブロック８８を含むものとして示されるが、進歩した制御ブロック８８の入力及び出力は、他のタイプの入力を受信する及び他のタイプの制御出力を提供するためにいかなる他の所望の機能ブロック又は制御要素に接続されてもよい。進歩した制御ブロック８８は、観測手段又は予測手段に基づく制御を含むあらゆるタイプの複数の入力、複数の出力制御方式を実現し得、モデル予測制御（ＭＰＣ）ブロック、ニューラルネットワークモデリング又は制御ブロック、多変数ファジー論理制御ブロック、リアルタイム−オプティマイザブロックなどを構成し又は含んでいてもよい。図１で示される機能ブロックは、コントローラ１１によって実行されることが可能であり、又は代替的に、例えばワークステーション１３のうちの１つ若しくはフィールドデバイス１９〜２２又は６０〜６４又は７１のうちの１つ又は複数における、プロセス制御システムのいかなる他の処理デバイス又は制御要素にも位置する及びこれによって実行されることも可能であることが理解されるであろう。
【００４２】
図１の予測手段／観測手段に基づく制御モジュール８２、８４、及び８６は、これまで、一般に、制御ルーチンの複数の繰返しによる定時的実行のために構成されてきた。従来の事例では、各繰返しは、例えば、送信器又は他のフィールドデバイスによって提供される更新されたプロセス計測によってサポートされる。コントローラの各実行サイクル中の最新のプロセス計測を保証するために定時的実行の各繰返し間でなされる典型的に複数のプロセス計測が存在する。実際には、計測値を制御と同期させるという制約を回避するために、多くの過去のコントローラ（又は制御ループ）は、計測値を２〜１０倍オーバーサンプリングするように設計されていた。こうしたオーバーサンプリングは、プロセス計測が制御方式で用いられるその時のものであったことを保障する一助となった。また、制御変動を最小にするために、従来の設計は、フィードバック制御がプロセス応答時間よりも４〜１０倍速く実行されるべきであることを規定した。これらの従来の設計要件を満たすために、計測値は、制御実行レートよりもかなり速くサンプリングされる必要があり、これはプロセス応答時間よりもかなり速い又は高いものであった。
【００４３】
一般的に言えば、図１の観測手段／予測手段に基づく制御モジュール（本明細書でより詳細に説明されることになる）は、例えば、間欠的なプロセス変数フィードバック通信だけが存在するプロセスでの制御が可能となるように、又は例えば、プロセス変数計測を行う無線センサ又は送信器（例えば、送信器６０〜６４のうちの１つ）に電力を与える電力供給からの電力の消費を減らすために、かなり遅いレート、間欠的なレート、又は非定時的なレートでのプロセス変数計測値（計算された値又はシミュレートされた値のような他の値を含む）の伝送を可能にする。この後者の事例では、多くのＦｉｅｌｄｂｕｓ制御方式のように、計測と制御実行が同期される場合であっても、制御の繰返しをプロセス応答よりも４〜１０倍速くスケジューリングする従来の手法は、依然として結果的にデータ伝送中に過度の電力消費をもたらす可能性がある。
【００４４】
より詳細に後述するように、本明細書に記載の予測手段に基づく制御技術は、プロセス制御システム１０において、特にコントローラ１１において、並びに制御システム１０の伝送デバイス及び他のフィールドデバイスにおいて、これらのデバイスが新しい計測値又は他の値を非定時的に又は間欠的に伝送する又は受信するときに、例えば或る条件が満たされるときに特に有用である。例えば、新しい計測値は、プロセス変数が所定の閾値（例えば、有意と判定される量）を超えて変化したかどうかに基づいて伝送されてもよい。例えば、新しい計測値と最後に通信された計測値との差異の大きさが指定された分解能よりも大きい場合、計測値が更新され又は送信されることになるようにトリガが生成されてもよい。離散計測（例えば、オン／オフ計測、デジタルビット、若しくは状態又は離散値の所定の組のうちの１つが期待される又は計測される他の状態計測）を取り扱うときに、１つの状態から別の状態への変化は、一般に閾値又は分解能の大きさを超過すると考えられる。
【００４５】
他の場合には、差異が指定された分解能（前述の場合と同様）を超過するときに、並びに最後の通信からの時間が所定のリフレッシュ時間を超過するときに、新しい計測値が伝送されてもよい。ここで、プロセス変数の変化又はデフォルト時間の経過のいずれかが、結果的に計測値の伝送をもたらし得る。計測値の伝送に関するリフレッシュ時間又はデフォルト時間は、プロセスが遅く動いているか又は迅速に応答するか（例えばプロセス時定数によって示される場合の）に応じてより頻繁な又はあまり頻繁でない更新が適切な場合があるので、制御ループ間で変化する可能性がある。いくつかの場合、時定数に基づいて制御ループの調整中に判定がなされ、その後、所望に応じて調節されてもよい。例えば、信号の計測又は送信間の時間は、変数又は値の計測される状態に依存する可能性があり、この場合、計測周期は、監視されているデバイス、機器、又はプロセスの状態を反映するように調節することができる。いずれの場合にも、デフォルト時間又はリフレッシュ時間は、計測値更新のない時間周期後に完全性チェック又はオーバーライドとして作用する。こうしたチェックは、例えば、目標へのプロセス変数の最終駆動を容易にするのに有用な場合がある。
【００４６】
一方では、計測値を得ることを担当する送信器、センサ、又は他のフィールドデバイスは、計測値を従来の４〜１０倍のプロセス応答時間のような任意の所望のレートで依然として定時的にサンプリングする可能性がある。通信技術は、次いで、サンプリングされた値がコントローラ１１に伝送されるかどうかを判定する。
【００４７】
しかしながら、標準制御設計（例えば、ｚ変換、差分方程式などを用いる）及び比例−積分−微分（ＰＩＤ）制御のような制御ルーチンのデジタル実装における基礎をなす仮定は、制御アルゴリズムが定時的に実行されるということである。各実行サイクル中に計測値が更新されない場合、ルーチンの積分（又はリセット）部分又は寄与のようなステップは適切でない場合がある。例えば、制御アルゴリズムが最後の古い計測値を用いて実行を続行する場合、出力は、リセット調整及び最後の計測値とセットポイントとの間の誤差に基づいて動き続けるであろう。一方、新しい計測値が通信されるときにだけ制御ルーチンが実行される場合、セットポイント変化への制御応答及び計測される外乱に対するフィードフォワードアクションを遅延し得る。制御ルーチンはまた、最後の繰返しから経過した時間に基づく計算を含んでいてもよい。しかしながら、非定時的な及び／又はあまり頻繁でない計測値の伝送により、制御実行周期（すなわち、最後の繰返しからの時間）に基づいてリセット寄与を計算することは、結果的に増加したプロセス変動性をもたらす可能性がある。
【００４８】
上記の課題に鑑みて、計測値が定時的に更新されないときに正確且つ応答性に優れた制御を提供するために、プロセス変数の更新が利用可能であるかどうかに基づいてプロセス制御ルーチンを概して修正する制御技術が用いられてもよい。いくつかの場合、予測手段に基づく制御ルーチンは、最後の計測値更新からの期待されるプロセス応答に基づいて本明細書に記載の技術に従って再構築されてもよい。
【００４９】
後述の制御技術は、特に、無線通信ネットワークを介して通信を実施する制御ルーチンに有用であり及び適用可能であるが、これらの技術は、ハードワイヤード接続を介して実施される通信にも同様に適用可能であることに留意されたい。例えば、ハードワイヤードデバイス１５〜２２のうちの１つ又は複数はまた、制限された電力供給に依拠する可能性があり、又は他の方法で低減されたデータ伝送レートから恩恵を受ける。加えて、プロセス制御システム１０は、ハードワイヤード通信ネットワークを介して間欠的に又は制御実行レートよりも遅いレートで計測データを提供するように設計されるサンプル化分析器（ｓａｍｐｌｅｄ  ａｎａｌｙｓｅｒ）又は他のサンプリングシステムを含んでいてもよい。
【００５０】
例示説明のために、図２は、プロセス１０２に接続されるコントローラ１０１を有し、且つコントローラ１０１とプロセス１０２との間に接続される予測手段１０４を含む、典型的な従来技術の予測手段に基づく制御システム１００を描いている。図２で示されるように、例えば、ＰＩＤコントローラ（Ｐ、ＰＩ、ＰＤ、ＩＤ、及びＰＩＤ型コントローラのいずれかを含む）であり得るコントローラ１０１は、制御されるプロセス変数Ｘｊの値をもたらす又は変化させるためにプロセス１０２内のバルブのようないくつかのデバイスの動作を制御する制御信号Ｕｊを生成する。さらに、送信器１０６は、プロセス変数計測値Ｚｊを生成するために制御動作によってもたらされるプロセス変数を計測する又はサンプリングする。この場合、プロセス変数値Ｚｊはプロセス変数Ｘｊの計測値であってもよく、若しくはプロセス変数Ｘｊとのいくつかの公知の関係性と関連付けられる又はこれにおいて変化するいくつかの他のプロセス変数の計測値であってもよい。送信器１０６は、計測値Ｚｊを、例として観測手段であってもよい予測手段１０４に提供する。この場合、送信器１０６は、配線式送信器として示され、そのため配線式通信ネットワークを介して計測値Ｚｊを予測手段１０４に通信する。また、上記のように、送信器１０６は、典型的にコントローラ１０１の実行レートよりも４〜１０倍速いレートで新しいプロセス変数値Ｚｊを計測し及び送信する。
【００５１】
図２で示されるように、予測手段１０４は、受信したプロセス変数計測値Ｚｊをコントローラ１０１によって生成される制御信号Ｕｊと併せて用いて、計測されるプロセス変数値の推定
【数１】
2014197391.tif 000003
を生じ、これは次に、プロセス１０２を制御する、特にプロセス変数値Ｘｊを制御するのに用いられるコントローラ１０１に入力として提供される。予測手段１０４の使用は、コントローラ１０１がプロセス１０２のより良好な又はより正確な制御を行うことを可能にするために計測遅延、計測誤差、プロセスノイズなどのような事象をプロセス制御システム１０が考慮に入れることを可能にする。予測手段１０４は、典型的には、コントローラ１０１の各実行サイクルでのコントローラ１０１の入力でプロセス変数推定
【数２】
2014197391.tif 000004
の新しい値が利用可能であるようにコントローラ１０１と同じ又はより速い実行サイクルで動作することに留意されたい。したがって、新しいプロセス変数計測値Ｚｊを予測手段１０４の実行レートに等しい又はより高い（例えば、４〜１０倍高い）レートで予測手段１０４の入力に提供することが典型的である。
【００５２】
一般的に言えば、図２の予測手段１０４のような予測手段は、プロセスのモデルを用いてプロセス変数推定を提供することによってプロセス制御を支援する。例えば、多くの工業プロセスユニットは、１つの操作された入力Ｕ（ｔ）及び１つの計測されたプロセス出力Ｘ（ｔ）によって特徴付けられる。１つの操作された入力及び１つの計測されたプロセス出力を伴う線形プロセスのモデルは、以下のような状態変数形式で表わされ得る。
Ｘｊ＝ａＸｊ−１＋ｂＵｊ
式中、
Ｘｊ＝時刻ｊでのプロセス出力、
Ｕｊ＝時刻ｊでのプロセス入力、と
ａ及びｂ＝プロセスゲイン及び動的応答を定義する定数。
例えば、一次プロセスの状態変数表現は、以下の形式で表わされ得る。
【数３】
2014197391.tif 000005
式中、
Ｋ＝プロセスゲイン、
τ＝プロセス時定数、
ΔＴ＝プロセスモデルの実行周期、
ｊ＝現在の時間インスタンス。
積分プロセスでは、一次プロセスの状態変数表現は、以下の形式で表わされ得る。
ａ＝１、及び、
ｂ＝ΔＴ＊ＫＩ
【００５３】
説明を助けるために、図２に描かれるプロセス１０２は、ほとんどのプロセスに内在する種々の誤差の発生源及び他の動作を例示説明するために及び予測手段１０４のより良好な理解を可能にするために上記の数式で示される。特に、プロセス１０２は、プロセスゲインブロック１２０、加算器１２２、変換ブロック１２４、加算器１２６、並びに遅延ユニット１３２及びゲインユニット１３４を含むフィードバックループ１３０によってモデル化される。プロセス１０２の数学的演算を表すために、ゲインユニット１２０は、コントローラ１０１によって生成される制御信号Ｕｊにプロセスゲインｂを乗算し、この値は、（加算器１２２において）プロセスノイズＷｊ、及びプロセス変数Ｘｊを生成するためにフィードバックループ１３０によって推定される又はモデル化される動的応答に加算される。プロセスノイズＷｊは、例えば、入力と相関のない共分散Ｑを伴うガウスホワイトノイズ又はゼロ平均ホワイトノイズとみなされてもよいが、代わりに他のタイプのノイズモデルが用いられてもよい。したがって、プロセス変数値Ｘｊは、プロセスゲインブロック１２０の出力とプロセスノイズＷｊと動的ゲイン応答との和として数学的にモデル化される。この場合、加算器１２２の入力での動的ゲイン応答は、フィードバックループ１３０によって生成され又はモデル化され、フィードバックループ１３０では、プロセス変数値Ｘｊが遅延ユニット１３２における１つのサンプリング又はコントローラ実行時間だけ遅延され、且つプロセス変数値の遅延されたバージョンＸｊ−１にプロセス動的応答ゲインａが乗算される。理解されるように、プロセスゲインｂと動的プロセス応答ゲインａは、典型的に、定数としてモデル化されるが、プロセス１０２の実際の動作に基づいて（定時的に又は他の方法で）更新されてもよい。
【００５４】
プロセス１０２内で、プロセス変数値Ｘｊは、プロセス変数値Ｘｊの単位とプロセス変数計測値Ｚｊの単位との間の単位換算を提供する又はモデル化する値ｈを乗算することによって変換ユニット１２４において変換されるものとして示される。加算器１２６は、次いで、ブロック１２４によって生成される変換されたプロセス変数値にプロセス計測ノイズ（例えば、計測誤差又は不正確さに起因してプロセス変数値に付加されるノイズ）を表す値Ｖｊを合算する。所望の場合、計測ノイズＶｊは、ゼロ平均、及び入力又はプロセスノイズＷｊと相関のない共分散Ｒを伴うホワイトノイズであり得る。加算器１２６の出力は、プロセスノイズ、プロセスダイナミックス、プロセスゲイン、及び計測ノイズに起因する誤差を含有する影響を含むプロセス変数値Ｘｊの推定であるプロセス変数値Ｚｊを表す。もちろん、図２で示されるように、送信器１０６は、「ノイズのある」プロセス変数値Ｚｊを生成し又は計測し、この値を予測手段１０４に提供する。
【００５５】
上記のように、送信器１０６は、典型的に、予測手段１０４が送信器１０６によってそれに提供されるプロセス変数計測値Ｚｊに基づいて実際のプロセス変数Ｘｊの有効且つ最新の推定
【数４】
2014197391.tif 000006
を生成できるように、コントローラ１０１の動作サイクルにつき及び／又は予測手段１０４の動作サイクルにつきプロセス計測値Ｚｊを複数回生成するであろう。
【００５６】
図３は、プロセス２０２を制御するプロセスコントローラ２０１（図２のプロセスコントローラ１０１と同じであってもよい）を含む新しいプロセス制御システム２００を示す。図３で示されるように、プロセスコントローラ２０１は、プロセス２０２を制御する又は駆動するために制御信号Ｕｊを生成するＰＩＤコントローラアルゴリズム２３０のようなコントローラアルゴリズムを含む。この場合、しかしながら、制御システム２００は、コントローラ２０１に及び送信器２０６に接続される改変された予測手段２０４を含む。改変された予測手段２０４は、この場合改変された予測手段２０４に無線通信ネットワークを介して無線で提供される（図３に点線で示される）送信器２０６の出力を受信する。改変された予測手段２０４は、制御信号Ｕｊ及び送信器２０６によって計測される場合の計測されたプロセス変数信号Ｚｊに基づいてプロセス変数の推定（予測又は観測）値
【数５】
2014197391.tif 000007
を生成し、制御信号Ｕｊを生成するのに用いられるＰＩＤコントローラアルゴリズム２３０の入力にプロセス変数推定値
【数６】
2014197391.tif 000008
を提供するように動作する。
【００５７】
ここで、無線送信器２０６の出力（すなわち、プロセス変数計測信号Ｚｊ）が、無線通信ネットワークを経由して改変された予測手段２０４に無線で提供され、したがって、非定時的に、間欠的に、若しくはコントローラ２０１の実行サイクルレート又は予測手段２０４の実行サイクルレートよりも遅いレートで提供されてもよい。結果として、この場合、計測されたプロセス変数Ｚｊの新しい値は、予測手段２０４の各新しい実行サイクルの開始時に予測手段２０４の入力で利用可能ではない場合があり、一般に利用可能ではない。それにもかかわらず、改変された予測手段２０４は、各コントローラ実行サイクル中にコントローラ２０１又は制御ルーチン２３０の入力への新しいプロセス変数推定
【数７】
2014197391.tif 000009
を生成するように後述の様態で依然として動作する。
【００５８】
上記のように、これまでは、ＰＩＤアルゴリズムのような観測手段／予測手段に基づくコントローラアルゴリズムは、カルマンフィルタのような観測手段の形態の予測手段及びスミス予測器のような他の予測手段に結び付けられ、プロセス変数計測値が各コントローラ実行サイクルの開始時に最新であった、実際には正確であったとみなされていた。結果として、遅い又は間欠的なプロセス変数計測値を典型的な観測手段／予測手段に提供する無線送信器他の機構の使用は、問題を引き起こす及び乏しい制御性能につながる可能性がある。改変された予測手段２０４は、しかしながら、コントローラ又は観測手段／予測手段入力での間欠的な又は遅いプロセスフィードバック信号の受取りに関連する問題を最小にする又は軽減させるために後述の様態で動作する。
【００５９】
図３の改変された予測手段２０４の詳細を説明する前に、予測ユニットの動作中にモデル不正確さを補正する一般に予測手段である観測手段の形態の１つの公知のタイプの予測手段の典型的な動作を説明することが役立つであろう。１つの周知のタイプの観測手段はカルマンフィルタである。図４は、配線式送信器４０６から定時的プロセスフィードバック信号を受信するカルマンフィルタ４０４の形態の観測手段を用いるプロセス４０２に連結されるコントローラ４０１を有する典型的な観測手段に基づく制御システム４００を示す。この説明のために、プロセス４０２は、図２のプロセス１０２に関して説明されたのと同じ様態で動作すると仮定され、したがって、図４のプロセス４０２で示されるブロックは、図２のプロセス１０２の対応するブロックと同じ番号が付される。
【００６０】
一般的に言えば、カルマンフィルタを、制御アプリケーションに対するプロセスノイズ又は計測ノイズの影響を低減させるのに用いることができるので、カルマンフィルタ型の観測手段は、典型的に、プロセスが多大なプロセスノイズ又は計測ノイズによって特徴付けられるときのプロセスを制御するのに用いられる。特に、カルマンフィルタは、一般に、以下でより詳細に説明するように、制御に関する推定されたプロセス出力を生成する。
【数８】
2014197391.tif 000010
＝プロセス状態の事前推定（最初のプロセス変数推定）、
【数９】
2014197391.tif 000011
＝プロセス状態の推定、
【数１０】
2014197391.tif 000012
＝出力の推定。
【００６１】
一般的な意味で、カルマンフィルタは、事前推定されたプロセス出力（最初のプロセス変数推定）を生成するためにプロセスノイズ又は計測ノイズを伴わないプロセスのモデルを含む及び用いる。カルマンフィルタはまた、最初の推定されたプロセス出力と計測されたプロセス出力との差を残差として求める補正ユニットを含み、これはまた当該技術分野ではイノベーションとして公知である。カルマンフィルタの補正ユニットはまた、プロセスモデル変数ａ、ｂ、又はｈにおける不正確さを補償するため及びプロセスノイズ又は計測ノイズを考慮に入れるためにカルマンフィルタモデルにおいて残差のどんな部分が用いられるかを判定するように設定されるカルマンゲインｋを含む。
【００６２】
したがって、図４で示されるように、典型的なカルマンフィルタ４０４は、ハードワイヤード又は規則的にスケジュールされた通信を介して、配線式送信器又はセンサ４０６によって計測される場合の計測されたプロセス変数Ｚｊを受信し、プロセス変数の推定
【数１１】
2014197391.tif 000013
を出力として生成し、これは次に、コントローラ４０１にプロセス変数入力として提供される（図４でコントローラ４０１によって実現されるＰＩＤコントローラアルゴリズム４３０として示される）。カルマンフィルタ４０４は、ゲインブロック４１０、加算器４１２及び４１４、変換ブロック４１６、さらなる加算器４１８、加算器４１８と加算器４１４との間に連結されたカルマンゲインブロック４２２、並びに遅延ユニット４２４及びゲインブロック４２６を含む動的フィードバックループ４２３を含む。本質的に、ブロック４１０、４１２、４２４、及び４２６は、最初のプロセス変数推定
【数１２】
2014197391.tif 000014
を生成するプロセスモデルを形成し、ブロック４１６、４１８、及び４２２は、ゲインブロック４２２の出力で補正信号を生成する補正ユニットを形成し、ブロック４１４は、プロセス変数推定
【数１３】
2014197391.tif 000015
を生成するために最初のプロセス変数推定
【数１４】
2014197391.tif 000016
を補正信号と組み合わせるコンバイナを形成する。結果として、カルマンフィルタ４０４は、プロセスゲインｂ、動的応答ゲインａ、及びカルマンフィルタゲインｋ、並びに制御信号Ｕｊ及び計測されたプロセス変数信号Ｚｊの現在値に基づいてプロセス変数に関する推定されるノイズのない値（プロセス４０２内のプロセス変数Ｘｊの推定である）
【数１５】
2014197391.tif 000017
を生じるように構成される。
【００６３】
特に、ゲインユニット４１０は、制御信号Ｕｊ（コントローラ４０１からの）にプロセスゲインｂの推定を乗算し、この値が、変数として示されるプロセス変数の事前推定値
【数１６】
2014197391.tif 000018
を生じるために加算器４１２において動的応答（フィードバックループ４２３によって生成される）に加算される。加算器４１２の入力で提供される動的ゲイン応答は、推定されたプロセス変数値
【数１７】
2014197391.tif 000019
が遅延ユニット４２４における１つのサンプリング又はコントローラ実行時間だけ遅延され、プロセス変数値の遅延されたバージョン
【数１８】
2014197391.tif 000020
に動的プロセス応答ゲインａが乗算されるフィードバックループ４２３によって生じる。理解されるように、プロセスゲインｂと動的プロセス応答ゲインａは、典型的に、定数としてモデル化されるが、プロセス４０２の実際の動作に基づいて（定時的に又は他の方法で）更新されてもよい。いずれにしても、事前プロセス変数推定
【数１９】
2014197391.tif 000021
は、次いで、加算器４１４に提供され、これは、プロセス変数推定（観測されたプロセス変数値とも呼ばれる）
【数２０】
2014197391.tif 000022
を生じるために、この変数値をノイズ及びプロセスモデルにおけるモデル不正確さを補正する補正信号と合算する。この場合、ブロック４１６、４１８、及び４２２は補正信号を生じる。
【００６４】
加算器４１４の入力で補正信号を生じるために、事前推定されたプロセス変数値
【数２１】
2014197391.tif 000023
は、推定値
【数２２】
2014197391.tif 000024
の形態の最初のプロセス変数推定となるように依然として考えられるものを生じるために、プロセス変数値
【数２３】
2014197391.tif 000025
の単位とプロセス変数計測値Ｚｊの単位との間の単位換算を提供する又はモデル化する値ｈを乗算することによって変換ユニット４１６において変換される。加算器４１８は、次いで、ライン４４０上に残差を生じるために実際のプロセス変数計測値Ｚｊから最初の推定されるプロセス変数計測値
【数２４】
2014197391.tif 000026
を差し引く（差を計算する）。次いで、ブロック４２２において、プロセスにおけるノイズ（例えば、プロセス計測ノイズ及びプロセスノイズ）を補正するのに補正信号を生成するために、並びにゲインａ、ｂ、及びｈにおける不正確さのようなモデル不正確さを補正するために、残差にカルマンフィルタゲインｋが乗算される。最終的に、推定されたプロセス変数値
【数２５】
2014197391.tif 000027
が、プロセス４０２を制御するのに用いられるコントローラ４０１への入力として提供される。カルマンゲインｋ及びカルマンフィルタ４０４の他の変数は、典型的に、一回生成され、又は適正な制御を判定するために及び観測手段４０４がより正確となるように微調整するために各実行サイクル中に再生成される。
【００６５】
より具体的には、カルマンゲインｋは、プロセスがノイズを含まず、且つａ、ｂ、及びｈの値が正確に分かっている場合に、一定とみなされてもよい。しかしながら、公知のように、カルマンフィルタの各実行サイクル中にカルマンゲインｋを再帰的様態で動的に計算することによって最適な線形推定量が以下の様態で達成されてもよい。第１に、以前の値の最初の推測又は推定が以下のように確立されてもよい。
【数２６】
2014197391.tif 000028
＝事後状態推定
Ｐｊ−１＝事後状態共分散
【００６６】
次いで、予測手段ステップにおいて、プロセス状態の事前推定の現在値
【数２７】
2014197391.tif 000029
及びプロセスノイズ共分散の事前推定の現在値
【数２８】
2014197391.tif 000030
を求めるために以下の計算がなされてもよい。
【数２９】
2014197391.tif 000031
【００６７】
次いで、推定ステップにおいて、カルマンゲインＫ、プロセス変数推定
【数３０】
2014197391.tif 000032
、状態共分散Ｐｊ、及び推定されるプロセス変数計測値Ｚｊに関する新しい値を求めるために以下の計算が行われてもよい。
【数３１】
2014197391.tif 000033
式中、
Ｋｊは、カルマンゲインであり、
Ｒは、計測ノイズ（Ｖ）の共分散であり
Ｑは、プロセスノイズ（Ｗ）の共分散である。
最初の実行後に、例えば各実行サイクル中にカルマンゲインが再計算されるたびに予測手段ステップ及び推定器ステップを繰り返すことができる。
【００６８】
したがって、理解されるように、図４のカルマンフィルタ４０４は、例えば送信器又はセンサ４０６によって付加されるプロセスノイズ及び計測ノイズを考慮に入れるプロセス変数Ｘｊの実際の値を推定することを試み、このプロセス変数の推定
【数３２】
2014197391.tif 000034
を入力としてコントローラ４０１に提供する。最終的に、カルマンフィルタ４０４のような観測手段の使用は、送信器４０６によって計測される場合のプロセス変数Ｚｊの計測された又は感知された値を用いることとは対照的に、プロセス４０２を制御するのに用いられるコントローラ入力で実際のプロセス変数Ｘｊのより良好な又はより正しい推定を提供する。
【００６９】
多大なプロセスむだ時間が存在するときに、カルマンフィルタに用いられるプロセスモデルは、プロセス入力における変化を反映するプロセス計測値における遅延を考慮に入れるように修正されてもよい。例えば、一次＋むだ時間として特徴付けられるプロセスに関する状態変数モデルは、以下の形式で表すことができ得る。
Ｘｊ＝ａＸｊ−１＋ｂＵｊ−ｍ
【００７０】
図５は、それに関連する及びプロセスの加算器１２６の出力を時間Ｔだけ遅延させる遅延ブロック５１０によって示される多大な時間遅延又はむだ時間Ｔを有するプロセス５０２を制御するのに用いられるコントローラ５０１を有する典型的なカルマンフィルタ型観測手段に基づく制御システム５００を示す。図５のカルマンフィルタ５０４は、遅延ブロック５４０がカルマンフィルタ５０４のプロセスモデル内に、すなわちゲインブロック４１０と加算器４１２との間に提供されること以外は、図４のものと本質的に同じである（そのため同様の要素には同じ番号が付される）。遅延ブロック５４０は、推定された又は計測されたプロセス遅延時間又はむだ時間Ｔｍだけゲインブロック４１０の出力を遅延させる。このように、図５のカルマンフィルタ５０４のプロセスモデルはまた、コントローラ５０１にプロセス変数値の推定
【数３３】
2014197391.tif 000035
を提供するために、プロセス５０２内のむだ時間を考慮に入れる。
【００７１】
しかしながら、ここでも、図４のカルマンフィルタ４０４及び図５の５０４は、観測手段４０４又は５０４が新しいプロセス変数推定値
【数３４】
2014197391.tif 000036
を求め及びこれを各制御実行サイクルの開始時にコントローラ４０１又は５０１に提供することを可能にするために、新しい計測値Ｚｊが利用可能であり、且つ送信器４０６によって提供されることを仮定する。しかしながら、計測される信号がコントローラ４０１又は５０１の実行レートと同じ又はこれよりも高いレートでカルマンフィルタに送信されない無線送信器又は他のシステムを用いるときに、新しいサンプル値が各実行サイクルで利用可能ではないことから、図４及び図５で示されるカルマンフィルタを使用することができない。
【００７２】
図６は、プロセスコントローラ６０１が図４のプロセス４０２と同じであり得るプロセス６０２を制御する概して図３で示されるような観測手段に基づくプロセス制御システム６００を示す。この場合、図３の改変された予測手段２０４は、図６でカルマンフィルタ６０４として示される。カルマンフィルタ６０４は、プロセス６０２において作成される間欠的な、遅い、又は非定時的なプロセス計測値、若しくは他の状態で観測手段６０４又はコントローラ６０１の実行サイクルレートよりも実質的に遅い又は低いレートで到着するプロセス計測値の受取りに対処するように改変されること以外は、図４のカルマンフィルタ４０４と類似している。この場合、図６のカルマンフィルタは、図４（同じ要素が同じ参照番号を含む）で示される基本要素を含み、したがって、一般に、多大なプロセスむだ時間又はプロセス応答遅延が存在しないプロセスに用いられるように適合される。
【００７３】
図６に示されるように、しかしながら、改変されたカルマンフィルタ６０４は、無線送信器６０６（図３の無線送信器２０６と同じであり得る）によって送信されるプロセス計測信号Ｚｊを受け取る又は受信する入力インターフェース６６０を含む。カルマンフィルタ６０２での制御信号の受取りは、このインターフェースを介して達成され得る。ここでは、無線送信器６０６がプロセス計測信号を観測手段６０４に間欠的に、非定時的に及び／又は実行レートよりも遅いレートで送信すると仮定される。送信器６０６は、例えば、プロセス計測信号が最後に送信されたプロセス計測信号から予め設定された量だけ変化するときにのみプロセス計測信号を送信し得、若しくは観測手段６０４又はコントローラ６０１の実行レートよりも低い定時的レートで、あるいは例えばあらゆる他の間欠的なレート又はスケジュールに従ってプロセス計測信号を送信し得る。一般的に言えば、この場合、カルマンフィルタ６０４及びＰＩＤコントローラ６０１は、送信器６０６からカルマンフィルタ６０４によって計測値の更新が受信されるレートよりも速い又はかなり速いレートで定時的に実行する。
【００７４】
この状況を補償するために、カルマンフィルタ６０４は、インターフェース６６０からプロセス変数計測信号のあらゆる新たに受信される値を受信し、且つプロセス変数計測信号の新しい値がインターフェース６６０で受信されている（及び利用可能である）かどうかに基づいてあらゆる特定の実行サイクル中に該信号又はスイッチユニット６６２による最後の信号出力を加算器４１８に提供するスイッチユニット６６２を含む。特に、スイッチユニット６６２は、プロセス変数計測信号の新しい値が利用可能である実行サイクル中に残差を生成するためにコンバイナ４１８におけるプロセス変数計測信号の新たに受信される値をカルマンフィルタの補正ユニットに使用させ、且つプロセス変数計測信号の新しい値が利用可能ではない実行サイクル中に残差を生成するためにコンバイナ４１８におけるプロセス変数計測信号の以前に受信した値（例えば、プロセス変数計測信号の最新の受信した値）をカルマンフィルタの補正ユニットに使用させるように動作する。
【００７５】
さらにまた、カルマンゲインブロック６２２は、新しい計測値がカルマンフィルタ６０４の入力に伝送され又はそこで受信されない限り、カルマンゲインｋをその最後の値に維持するように構成される。新しい計測値がインターフェース６６０に伝送され又はそこで受信されるときに、カルマンゲインブロック６２２は、カルマンゲインｋを再計算する。少し違う言い方をすると、カルマンゲインｋは、新しいプロセス変数計測値Ｚｊがインターフェース６６０に伝送され及びそこで受信されるときにのみカルマンゲインブロック６２２で更新される（例えば上記で説明された様態で）。したがって、カルマンゲインｋの計算に用いられる共分散値Ｒは、伝送されている計測値のみを用いて計算される。この要因により、コントローラ６０１のＰＩＤ制御アルゴリズム６３０は、依然としてプロセス変数計測の新たな予測値を用いて働くが、モデル補正のために用いられるカルマンゲインｋは、新しい計測値が伝送される又は受信されるときにだけ更新される。
【００７６】
より具体的には、動作中に、インターフェース６６０及びスイッチユニット６６２は、送信器６０４によって感知され及び送信される場合の感知された又は計測されたプロセス変数信号Ｚｊの最新の受信した値を格納するように動作する。インターフェース６６０は、この最新の受信した及び格納したプロセス変数値Ｚｊの値を、インターフェース６６０で新しいプロセス変数計測値が受信されるまで、ライン４４０上に残差を生成するのに用いるために観測手段６０４の各実行サイクル中に加算器４１８の入力に提供する。しかしながら、インターフェース６６０はまた、インターフェース６６０が（実行サイクルで）送信器６０６から新しい値を受信するときにはいつでも新しい値フラグを設定し、この新しい値フラグをスイッチユニット６６２に及びゲインブロック６２２に提供する。スイッチユニット６６２は、新たに受信したプロセス変数計測値又は以前に受信したプロセス変数計測値のいずれを加算器又はコンバイナ４１８に提供するかを決定するために新しい値フラグを使用する。同様に、カルマンフィルタゲインブロック６２２は、新しいプロセス変数計測値Ｚｊがインターフェース６６０で受信されていることを示す新しい値フラグが設定される時点（すなわち、実行サイクル中）でのみ新しいカルマンフィルタゲインｋを計算するように動作する。一方、ゲインブロック６２２は、新しい値フラグが設定されていない各実行サイクル中にカルマンフィルタゲインｋを一定に保つ（すなわち、プロセス変数値の新しい値Ｚｊが観測手段６０４で受信されていない実行サイクル中又は時間中であり、その間に、インターフェース６６０が、これらの実行時間中に新しい値が利用可能ではないことを示す新しい値フラグを設定する）。しかしながら、加算器４１８は、各実行サイクル中にプロセス変数計測値の新たに受信した値又は最新の受信した値Ｚｊに基づいてライン４４０上に残差を生成するように動作し続け、したがって、カルマンフィルタゲインブロック６２２は、観測手段６０４の各実行サイクル中にノイズの推定を生じるように動作し、この推定は次に、加算器４１４に提供され、推定されるプロセス変数値
【数３５】
2014197391.tif 000037
を生成するのに用いられる。このようにして、カルマンフィルタ６０４は、実際のセンサ計測値に基づいて補正信号を生成するが、各実行サイクル中にカルマンフィルタゲインｋ（本質的にプロセスモデルとして作用するカルマンフィルタ６０４の正確さを高めるために各実行サイクル中に典型的に変化しない）を変化させない。この動作は、観測手段６０４で新しいプロセス変数計測値が受信される時間中又は時間の間に、これらの時間中にカルマンフィルタゲインｋを一定に保つことによって、正確なプロセス変数推定を提供する。代わりに、この動作は、新しいプロセス変数計測値が利用可能である実行サイクル中にのみカルマンフィルタゲインｋを調節する。
【００７７】
プロセスが多大なむだ時間を有する場合、カルマンフィルタ６０４内のプロセスモデルは、このむだ時間を考慮に入れるように修正されてもよい。特に、図７は、多大な時間遅延又はむだ時間を有するプロセス７０２に連結されるコントローラ７０１（コントローラ６０１、５０１、４０１、３０１、及び２０１と類似している又は同一である場合があり、且つコントローラアルゴリズム７３０を有する）を含むプロセス制御システム７００を示す。制御システム７００はまた、非定時的な、間欠的な、又は遅い様態で提供される無線プロセス変数計測値を受信するために、図６に関して前述のように改変されたカルマンフィルタ７０４を含む。分かるように、カルマンフィルタ７０４は、フィルタ７０４のプロセスモデルが図５のむだ時間ユニット５４０と類似している、同じ目的で動作するむだ時間遅延ユニット７４０を含むこと以外は、図６（同様の要素が同じ番号を付される）のカルマンフィルタ６０４と同じである。したがって、この場合、カルマンフィルタ７０４における残差計算は、むだ時間を伴う予測された計測値と伝送される計測値との差に基づく。結果として、図７のカルマンフィルタ７０４は、多大なむだ時間又はプロセス遅延を伴うプロセスのための観測手段として用いられるように構成される。
【００７８】
理解されるように、図６及び図７の改変されたカルマンフィルタ６０４及び７０４は、例えば無線伝送ネットワークを介してプロセスから提供される、間欠的に、非定時的に、又はゆっくりと提供されるプロセス変数計測値の使用を可能にする。結果として、これらの観測手段６０４及び７０４は、プロセス変数値が非定時的な又は間欠的な様態で、又はカルマンフィルタ及びコントローラの実行レートよりも遅い又は低いレートで計測される又は制御システムに送信されるプロセスの状況での観測手段に基づく制御を可能にする。
【００７９】
図６及び図７のような観測手段を用いるときに、前述のパラメータａ、ｂ、及びｈのようなモデルパラメータを設定することが望ましい又は時には必要である。例えば、自己調整プロセスでは、モデルパラメータは、プロセスゲイン、プロセス時定数、及びプロセスむだ時間の知識に基づいて設定されてもよい。積分プロセスでは、モデルパラメータは、ゲインとプロセスむだ時間を積分するプロセスの知識に基づいて設定されてもよい。ユーザがこれらのパラメータを設定する必要性を最小にするために、観測手段に用いられるモデルは、コントローラ調整パラメータ及び調整に関するいくつかの仮定に基づいて自動的に構成できる可能性がある。例えば、制御アルゴリズムがＰＩＤアルゴリズムである場合、観測手段モデルパラメータは、ＰＩＤコントローラゲイン、リセット、及びレートに基づいて設定できる可能性がある。
【００８０】
カルマンフィルタが無線制御に用いられるとき、カルマンゲインに関連する計算は、ノイズレベルが一定である又は有意でない場合に簡素化されてもよい。例えば、計測ノイズに関連するノイズ共分散Ｒがゼロ（０）とみなされる場合、カルマンゲインは一定であり、以下のように計算され又は求められてもよい。
Ｒ＝０と仮定して、
【数３６】
2014197391.tif 000038
【００８１】
前述のように、別の通常のタイプの予測手段に基づく制御はスミス予測器を用いる。例示説明するために、図８は、コントローラ８０１へのプロセス変数フィードバック入力として用いられるプロセス変数Ｘの値を推定するためにスミス予測器の形態の予測手段を用いる典型的な又は公知の制御システム８００を描いている。コントローラ８０１は、図８で示されるようにコントローラアルゴリズムブロック８３０によって実現されるＰＩＤコントローラとすることができるが、代わりに他の適切なコントローラアルゴリズムを用いる他の適切なタイプのコントローラであり得る。一般的に言えば、スミス予測器は、典型的に、コントローラの応答時間を強化する及び／又はプロセスのより良好な制御を提供するために、制御されているプロセス（例えば、図８のプロセス８０２）が多大なむだ時間を有する制御方式で予測手段として用いられる。より具体的には、プロセスが多大なプロセスむだ時間によって特徴付けられるときに、プロセスむだ時間を伴わないプロセス出力計測値を推定するのにスミス予測器が用いられてもよく、これにより、フィードバック制御におけるむだ時間遅延がなくなる又は低減する。
【００８２】
図８で示されるように、コントローラ８０１は、スミス予測器８０４がコントローラ８０１とプロセス８０２との間のフィードバックループにおいて連結されている状態でプロセス８０２に接続される。この場合、スミス予測器８０４は、予測手段８０４及び／又はコントローラ８０１の実行レートに等しい又はより高い（典型的に４〜１０倍）レートで新しいプロセス変数計測値を提供する配線式送信器８０６からプロセス変数計測値（典型的に多大なむだ時間を含む計測値である）を定時的に受信する。公知のように、スミス予測器８０４は、２つのプロセスモデル８１０及び８１２を含み、プロセスモデル８１０はプロセスむだ時間を伴わないプロセス８０２をモデル化するように適合されたプロセスモデルであり、プロセスモデル８１２はむだ時間を伴うプロセス８０２をモデル化するプロセスモデルである。プロセスモデル８１０及び８１２は、コントローラ８０１によって生成されたコントローラ信号Ｕを受信し、それぞれ、プロセス出力の推定（例えば、プロセス変数Ｘ）を生成するために制御信号Ｕへのプロセス８０２の反応をモデル化するのにそれぞれのプロセスモデルを用いる。スミス予測器８０４は、プロセスモデル８１２及び加算器８１４を含む補正ユニットを含み、これは、配線式送信器８０６（プロセス変数Ｚの計測値を計測する又は提供する）の出力を受信するために及びむだ時間を伴う計測されるプロセス変数Ｘの値を推定するプロセスモデル８１２の出力に接続される。加算器８１４は、本明細書では補正信号と呼ばれるライン８１６上に残差を生成するためにこれらの２つの値を差し引く（その差を計算する）。残差（又はイノベーション）は、計測されたプロセス変数値Ｚとプロセスモデル８１２によって生成されるこの変数のモデル化された又は推定された値との間の誤差の推定である。（この場合、変数Ｚ及びＸは、同じ単位を有するとみなされる）。ライン８１６上の残差は、本質的には、計測されたプロセス変数値Ｚのその推定においてむだ時間を伴うプロセスモデル８１２が不正確である量の指示を反映する。
【００８３】
さらなる加算器又はコンバイナ８２０は、プロセスモデル８１０の出力（プロセスむだ時間を伴わないプロセス変数値Ｘの推定であり、本明細書では最初のプロセス変数推定と呼ばれ得る）を残差に加算し又は他の方法で組み合わせて、プロセス８０２に関するプロセス変数推定値
【数３７】
2014197391.tif 000039
を生成する。プロセス変数推定
【数３８】
2014197391.tif 000040
は、次いで、コントローラ８０１に提供され、コントローラは、この値を、制御信号Ｕを生成するためにそこで用いられるＰＩＤコントローラアルゴリズム８３０（又は他のコントローラアルゴリズム）に関するフィードバック入力として用いる。
【００８４】
カルマンフィルタと同様に、プロセス計測値Ｚとむだ時間を伴うプロセスモデル８１２の出力との差は、プロセスモデルにおけるあらゆる誤差又はあらゆる計測されないプロセス外乱を反映する残差とみなされ得る。上で示されるように、残差値又は補正信号は、カルマンフィルタで行われるようにモデル出力の以前の値を調節するのではなくむだ時間を伴わないプロセスモデル８１０の出力を調節するのに用いられる。
【００８５】
もちろん、図８のスミス予測器のような予測手段の設計は、アルゴリズムが実行されるたびに新しいプロセス出力計測値が利用可能であるという仮定に基づいている。また、ＰＩＤ制御と併せて用いられるときに、正しい動作のために、コントローラ及び予測手段は、定時的に、プロセス応答時間よりも少なくとも４〜１０倍速く、すなわち、プロセス時定数＋むだ時間で実行されるべきである。したがって、プロセス計測値が遅い、間欠的な、又は非定時的なレートで提供されるプロセス計測値フィードバックのために無線送信器又は他の通信ネットワークが用いられるときに正しい制御動作を可能にするために予測手段を改変する必要がある。
【００８６】
一般的に言えば、スミス予測器は、無線計測値（例えば、ゆっくりと、非定時的に、又は間欠的に受信したプロセス変数計測値）と共に動作するように改変されてもよく、この場合、コントローラ及びスミス予測器は、定時的に、新しい計測値Ｚが予測手段に伝送される又は予測手段で受信されるときにのみむだ時間を伴わないモデルを補正するのに用いられる残差値を更新することによって計測値が伝送されるよりもより速い又は大幅により速いレートで実行される。
【００８７】
例として、図９は、プロセス９０２を制御するためにコントローラ９０１を用いる、非定時的な、間欠的な、又は遅い（例えば、コントローラ９０１又は予測手段９０４の実行レートよりも低い）プロセス変数計測値又は更新の受取りで作動するように修正されるスミス予測器９０４の形態の予測手段（図３の改変された予測手段２０４であり得る）を含む、プロセス制御システム９００を描いている。図９で表されるように、予測手段９０４は、同様の要素に同じ番号が付される予測手段８０４と類似している。したがって、予測手段９０４は、むだ時間を伴うプロセスモデル８１０及びむだ時間を伴わないプロセスモデル８１２並びに加算器８１４及び８２０を含む。しかしながら、この場合、スミス予測器９０４は、無線伝送されたプロセス変数値Ｚの値を受信し及び格納し、且つスミス予測器９０４の各実行サイクル中に加算器８１６に最新の格納した値を提供する、インターフェース９６０を含む。インターフェース９６０はまた、制御信号入力部で制御信号Ｕを受信してもよい。インターフェース９６０は、プロセス変数計測信号Ｚの新しい値がインターフェース９６０で受信され又は格納されているときにはいつでも（実行サイクル中に）新しい値フラグを作成し及び提供する。図９のインターフェース９６０は、この新しい値フラグを加算器８１４及び８２０の間に配置されるスイッチユニット９６２に提供する。
【００８８】
スイッチユニット９６２は、加算器８１４の出力を受信するために連結される第１の入力と、スイッチユニット９６２の出力を受信するために連結される第２の入力とを有する。スイッチユニット９６２は、インターフェース９６０によってスイッチユニット９６２に提供される新しい値フラグの値に基づいてスイッチユニット出力（加算器８２０の入力にも接続される）に２つの入力のうちの１つを提供するように動作する。この場合、スイッチユニット９６２は、計測されたプロセス変数Ｚの新しい値がインターフェース９６０に提示される又はインターフェース９６０によって受信されていることを示す新しい値フラグが設定されるときにはいつでも加算器８１４の出力をスイッチユニット出力に（したがって加算器８２０の入力に）提供するように動作し、且つ計測されたプロセス変数Ｚの新しい値が（観測手段９０４のこの実行サイクル中に又はその直前に）インターフェース９６０に提示されない又はインターフェース９６０によって受信されていないことを示す新しい値フラグが設定されるときにはいつでもスイッチユニット９６２の前の出力を加算器８２０の入力に提供するように動作する。もちろん、後者の場合では、加算器８１４の出力は用いられない。このようにして、スイッチユニット９６２は、プロセス変数計測値Ｚの新しい値が利用可能ではない（あらゆる実行サイクル中の）あらゆる時点で加算器８２０の入力で加算器８１４によって生成された以前の残差値（例えば、補正信号）をラッチするように動作し、且つ加算器８１４がプロセス変数計測値Ｚの新たに受信した値に対して作用しているときに加算器８１４によって求められる場合の新しい残差値が加算器８２０に提供されることを可能にするように動作する。したがって、本質的に、スイッチユニット９６２は、新しいプロセス変数計測値Ｚが提示される又は利用可能である観測手段９０４の実行サイクル中にのみ、新たに計算された残差値を加算器８２０に提供し、それ以外では、加算器８２０の入力で以前に計算された残差値（すなわち、インターフェース９６０でプロセス変数計測値Ｚが受信された最後の時点で計算された残差）をラッチするように動作する。スイッチユニット９６２は、２つのハードウェア加算器８１４及び８２０間に配置されたハードウェアユニットとして示されるが、加算器８１４及び８２０並びにスイッチユニット９６２（並びに改変された観測手段９０４の要素の残り）は、一時的でないコンピュータ可読媒体に格納され及び専用にプログラムされる汎用プロセッサ又は特別にプログラムされるプロセッサのいずれかであるプロセッサ上で実行される、ソフトウェア又はファームウェアの形態で実現され得る。
【００８９】
図１０及び１１は、配線式又は定時的計測値を受信する伝統的なＰＩＤに基づく制御システムと比較して、間欠プロセス変数計測値を受信した、前述の改変された観測手段／予測手段を用いる制御システムの性能を例示説明するために提供される。特に、図１０は、定時的プロセス変数計測値が制御システムの実行レートよりも高い又はこれに等しいレートでＰＩＤコントローラの入力に提供されるＰＩＤ制御と比較して、図６（プロセス変数計測値が制御システムの実行レートよりも低いレートで観測手段の入力に提供される）に関して説明されたように動作するカルマンフィルタの形態のＰＩＤコントローラ及び改変された観測手段を有する図６のような制御システムのコンピュータシミュレートされた動作を例証するチャート１０００を描いている。図１０では、ライン１００１は、コントローラに提供されるセットポイント値を示し、一方、ライン１００２は、制御されているプロセスにおける計測されない外乱の値を示す。理解されるように、これらの変数のそれぞれは、プロセス動作中のこれらの２つのタイプの変化のそれぞれへの両方のタイプの制御システムの応答及び動作を示すために異なる時点で変化される。
【００９０】
図１０のライン１０１０及び１０１１は、それぞれ典型的な制御システム（定時的計測値フィードバックを伴うＰＩＤコントローラ）及び改変された制御システム（非定時的な、例えば、無線の計測値フィードバックを受信する改変された観測手段を伴うＰＩＤコントローラ）によって制御されているプロセス変数（ＰＶ）のシミュレートされた値を示す。同様に、ライン１０２０及び１０２１は、それぞれ、典型的な制御システムによるＰＩＤコントローラ（定時的計測値フィードバックを伴うＰＩＤコントローラ）による制御信号出力及び改変された制御システムのＰＩＤコントローラ（非定時的な、例えば、無線の計測値フィードバックを受信する改変された観測手段を伴うＰＩＤコントローラ）による制御信号出力のシミュレートされた値を示す。これらのラインは、配線式送信器を伴うＰＩＤコントローラと比較して、改変されたカルマンフィルタ型観測手段が無線計測値を用いる閉ループ制御を提供するためにＰＩＤコントローラと共にどのように用いられ得るかを実証する。
【００９１】
このシミュレートされたテストでは、比較のために用いられるプロセスは、以下の特徴をもつ一次＋むだ時間プロセスであった。
プロセスゲイン＝１
プロセス時定数＝６秒
プロセスむだ時間＝２秒
ＰＩＤコントローラは、すべての場合においてラムダ係数１に対して調整された。
ゲイン＝１／プロセスゲイン
リセット＝プロセス時定数＋プロセスむだ時間
プロセス入力及び出力は、グラフとの比較を簡単にするために０〜１００％に尺度変更された。したがって、ｈ（単位換算係数）の値は、これらの例では１に等しかった。カルマンフィルタでは、ノイズレベルは最小であり、したがって、カルマンフィルタゲインは１／ｈ＝１の一定の値に設定された。シミュレートされた無線送信器は、ウィンドウ通信を用いる１パーセント変化及び１０秒のデフォルト周期に関して構成された。モジュール（コントローラ）実行レートは０．５秒に設定された。
【００９２】
ライン１０１０及び１０１１並びにライン１０２０及び１０２１を詳細に調べると分かるように、カルマンフィルタの形態の観測手段を用いる改変された制御システムは、定時的プロセス変数計測値が制御システムの実行レートよりも高い又はこれに等しいレートでコントローラに提供されるＰＩＤ制御システムと非常に類似して作動した。実際には、図１０のチャートで示されるように、制御性能は、両方のセットポイント変化に関する及び大きい計測されないプロセス外乱に関するＰＩＤコントローラ及び配線式計測値と比較できるものであった。テストモジュールの一部として、無線での制御の積分絶対誤差（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ａｂｓｏｌｕｔｅ  ｅｒｒｏｒ：ＩＡＥ）及び配線式計測値での制御に関するＩＡＥがそれぞれ３３２及び３２７として計算され、したがってこの計測でのほぼ同一の又は非常に類似の制御性能が立証された。
【００９３】
同様に、図１１は、定時的プロセス変数計測値が制御システムの実行レートよりも高い又はこれに等しいレートでＰＩＤコントローラの入力に提供されるＰＩＤコントローラと比較した、図９（プロセス変数計測値が制御システムの実行レートよりも低いレートで予測手段の入力に提供される）に関して前述のように動作するＰＩＤコントローラ及びスミス予測器の形態の改変された予測手段を有する図９のような制御システムのコンピュータシミュレートされた動作を示すチャート１１００を描いている。図１１では、ライン１１０１は、コントローラに提供されるセットポイント値を示し、一方、ライン１１０２は、プロセスにおける計測されない外乱の値を示す。理解されるように、これらの各変数は、プロセス動作中のこれらのタイプの変化のそれぞれに応じて両方のタイプの制御システムの応答を示すように異なる時点で変化させられている。
【００９４】
ライン１１１０及び１１１１は、それぞれ、典型的な制御システム（定時的計測値フィードバックを伴うＰＩＤコントローラ）及び改変された制御システム（非定時的な、例えば無線の計測値フィードバックを受信する改変されたスミス予測器を伴うＰＩＤコントローラ）によって制御されているプロセス変数（ＰＶ）のシミュレートされた値を示す。同様に、ライン１１２０及び１１２１は、それぞれ、典型的な制御システム（定時的計測値フィードバックを伴うＰＩＤコントローラ）によるＰＩＤコントローラによる制御信号出力及び改変された制御システム（非定時的な、例えば無線の計測値フィードバックを受信する改変されたスミス予測器を伴うＰＩＤコントローラ）のＰＩＤコントローラによる制御信号出力によるシミュレートされた値を示す。一般に、制御は、カルマンフィルタの例に関して前述した同じプロセス動態を用いて行われた。
【００９５】
ライン１１１０及び１１１１並びにライン１１２０及び１１２１を調べると分かるように、改変されたスミス予測器の形態の予測手段を用いる改変された制御システムは、両方のセットポイント変化に関する及び大きい計測されないプロセス外乱に関する配線式計測値と共にＰＩＤコントローラを用いる典型的な制御システムと同様に作動した。試験の一部として、改変されたスミス予測器を伴う無線計測値での制御の積分絶対誤差（ＩＡＥ）及び配線式計測値（ＰＩＤコントローラを用いる）での制御に関するＩＡＥはそれぞれ５０４及び３３５として計算された。したがって、ＩＡＥに関しての結果は、改変されたカルマンフィルタでのテストにおいて達成されるよりも若干悪かったが、とんどのプロセス制御状況では依然として許容可能である。
【００９６】
図１２は、図１の制御システムのような制御システム１２００内に改変された予測手段及びコントローラを実装する１つの様態を示す。図１２で示されるように、コントローラ１２０１は、プロセス１２０２を制御するために接続され、改変された予測手段１２０４は、コントローラ１２０１と無線送信器１２０６との間に通信可能に連結され、プロセス１２０２内の１つ又は複数のプロセス変数を計測する。改変された予測手段１２０４は、前述の改変された予測手段／観測手段、又は本明細書で開示される技術に基づいて構築された改変された予測手段／観測手段のいずれであってもよい。図１２で示されるように、改変された予測手段１２０４は、制御システム１２００に関連する別個の機能ブロック又は別個の制御モジュールのような別個の及び独立したブロックとして構成され、作動され又は実行される。例えば、コントローラ１２０１が機能ブロック又は制御モジュールとして実現される場合、改変された予測手段１２０４は、図１２で示されるようにコントローラ機能ブロック又はモジュールに通信可能に連結される別個の機能ブロック又は別個の制御モジュールとして実現され得る。この場合、コントローラ１２０１の制御ブロック１２３０は、予測手段１２０４から別個のデバイス内に格納され及び実行されてもよく（この場合、予測手段１２０４とコントローラ１２０１の制御ブロック１２３０との間の通信に関するデバイス間の通信が起こる）、又は予測手段１２０４と同じデバイス内に格納され及び実行されてもよい（この場合、予測手段１２０４とコントローラ１２０１の制御ブロック１２３０との間の通信に関するデバイス内通信が起こる可能性がある）。いずれの場合にも、これらの２つのブロックは、通信ライン、パス、又はネットワークを介して互いに通信可能に連結される。
【００９７】
この例では、改変された観測手段ブロック１２０４は、ブロック１２０４が更新されたプロセス変数推定をコントローラ１２０１の実行サイクルにつき少なくとも１回コントローラブロック１２３０に提供するような様態で制御ブロック１２３０に通信可能に接続することができる。いずれにしても、改変された観測手段ブロック１２０４は、図１のコントローラ、フィールドデバイス、Ｉ／Ｏデバイスなどのうちの種々の異なる１つに位置し得、一方、コントローラ１２０１は、同じ又は他のこうしたデバイスに位置することができる。
【００９８】
図１３は、コントローラブロック１３０１がプロセス１３０２を制御するのに用いられ、改変された観測手段ブロック１３０４が無線送信器１３０６から無線伝送信号を受信するプロセス制御システム１３０１を描いている。ここで、しかしながら、改変された観測手段ブロック１３０４は、コントローラアルゴリズムブロック１３３０と同じ複合ブロックであるが別個のモジュールに位置する。したがって、この例では、コントローラアルゴリズムブロック１３３０と改変された予測手段１３０４は、同じ複合モジュール（複合ブロック１３４０として示される）に一体化され、したがって、図１のプロセス制御ネットワーク１０のようなプロセス制御ネットワークにおける同じデバイスで実行する。典型的に、このモジュールは、コントローラ１１のうちの１つにおいて実行されるであろうが、配線式又は無線フィールドデバイス、Ｉ／Ｏデバイスなどを含む図１の他のデバイスのいずれにすることもでき得る。この場合、コントローラブロック１３０１に関して提供されるユーザ・インターフェースは、コントローラブロック１３０１へのプロセス変数ＰＶ計測値入力として予測手段１３０４によって生成される予測された計測値を示してもよい。ほとんどの場合は、しかしながら、プラントオペレータは、制御動作にアクセスする又はこれを見るときに最後の通信された計測値を見ることに対してより関心をもつであろう。計測値がオペレータに制御パラメータとして示されることを可能にするために、例えば図１４及び図１５で示されるようにコントローラおよび改変された観測手段ブロックを含むコントローラブロックを作成でき得る。
【００９９】
特に、図１４及び図１５は、それぞれ、予測手段／観測手段ブロック１４０４（図１４に改変されたカルマンフィルタであるように示される）及び予測手段ブロック１５０４（図１５にスミス予測器であるように示される）がコントローラアルゴリズムブロック１４３０及び１５３０と同じブロックに一体化される制御ブロック１４０１及び１５０１の例を示す。したがって、これらの場合、コントローラブロック又はモジュール１４０１又は１５０１は、コントローラアルゴリズム機能ブロック（１４３０又は１５３０）と改変されたカルマンフィルタブロック１４０４又はスミス予測器ブロック１５０４との両方を含む。この場合、改変された観測手段／予測手段１４０４又は１５０４は、制御モジュール又はルーチン自体１４０１又は１５０１の一部として取り扱われ、したがって制御ブロック１４０１又は１５０１の一部として見ることができる（アクセス可能なそのパラメータを有する）。したがって、この状況では、計測値変数Ｚは、オペレータにはコントローラ１４０１又は１５０１へのフィードバックプロセス変数（ＰＶ）入力となるように見えるであろう。
【０１００】
本明細書で提供される説明は、異なる説明された実施形態のそれぞれに関して、改変された観測手段に連結されるコントローラがＰＩＤ制御ルーチンを実現することを前提としていたが、この説明は、単に一貫性のために提供される。伝統的なＰＩＤ制御アルゴリズム（Ｐ、ＰＩ、ＰＤ、ＰＩＤなどのようなあらゆる形態のＰＩＤを含む）以外の他のタイプの制御アルゴリズムが本明細書に記載の改変された観測手段を用いる制御方式でコントローラとして用いられてもよいことが理解されるであろう。もちろん、本明細書に記載の改変された観測手段を実現する多くの他の方法が存在し、理解されるように、改変された観測手段は、それに改変された観測手段が接続されるコントローラ又は制御ブロック又は制御要素と一緒に（例えば、同じモジュール又はデバイスにおいて）用いられてもよいし、又は別々に（例えば、異なるモジュール又はデバイスにおいて）用いられてもよい。同様に、本明細書に記載のコントローラ及び改変された観測手段は、ハードウェア、汎用コンピュータ上で実行されるソフトウェアルーチン、若しくは特殊用途コンピュータ又はプロセッサデバイス上で実行されるソフトウェア又はファームウェアルーチンで実現されてもよい。
【０１０１】
開示される実施形態のいずれにおいても、改変された観測手段又はデバイス、改変された観測手段は、入ってくるプロセス変数計測信号を処理する通信スタックと、入ってくる信号が計測値更新を提供したときを検出するモジュール又はルーチンを含んでいてもよい。検出ルーチンは、次いで、通信スタックを介して提供されているデータが新しい計測値又は他のタイプの値又は更新を含むことを示すフラグ又は他の信号を生じてもよい。新しいデータ及び更新フラグが、次いで、観測手段及び制御ルーチンの動作と組み合わせて前述のように実施される場合に前述のように観測手段の１つ又は複数の要素に提供されてもよい。代替的に又は加えて、新しいデータ及び更新フラグは、例えば図１のコントローラ１１で又は制御システムの中のどこかで実行される１つ又は複数の監視モジュール又はアプリケーションに提供されてもよい。更新検出機能が、同様に機能ブロックレベルで実現されてもよく、制御及び／又は観測手段モジュールに関連する１つ又は複数の機能ブロックによって提供されてもよい。フィールドデバイス７１のような他の無線デバイスは、例えば、そこに常駐する機能ブロック（例えば、ＦＢ１及びＦＢ２）のうちの１つ又は複数によってこうした信号の受取及び処理をサポートする類似のコンポーネント及び機能性を含んでいてもよい。
【０１０２】
いくつかの場合、通信スタック及び更新検出モジュールは、図１のＩ／Ｏデバイス２６、２８、７３、及び７４のうちの１つ又は複数によって実現されてもよい。さらに、更新検出モジュールがその判定を行う様態は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらのあらゆる組み合わせが関与し得、プロセス変数の値を比較するために、いかなる適切なルーチンが含まれ得る。
【０１０３】
本明細書に記載のプロセス制御システムは、例外による報告（ｒｅｐｏｒｔ−ｂｙ−ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ  ｂａｓｉｓ）でなされるプロセス制御データ伝送が関与する無線通信のような通信方式と組み合わせて用いられてもよい。無線通信コンテクストでのプロセス制御データの例外報告は多数の利点を呈し得る。例えば、送信器又は他のフィールドデバイスによるフィールドでの電力消費率が下がる可能性があり、これにより、バッテリ電力又は他の制限された電力供給を節約する。過去の例外報告とは異なり、しかしながら、開示される技術は、定時的に実行されるプロセス制御ルーチンで用いられるデータの伝送を支援する。イベントトリガベースで提供されるデータを用いる過去の思わしくないプロセス制御ルーチンの実行の忠告にもかかわらず、開示される技術の実施は、性能の有害な犠牲を伴わないプロセス制御ルーチンの定時的実行に対処する。開示される技術はさらに、同様に性能の有害な犠牲を伴わずにデータをシステム監視アプリケーションにイベントトリガベースで提供することをサポートする。
【０１０４】
開示される技術の実施は、無線通信方式と組み合わせるのに大変都合がよく、本明細書では無線通信方式と組み合わせて時折説明されるが、いかなる特定の通信方式、コンテクスト、又はプロトコル、若しくはいかなるプロセス制御ネットワーク、アーキテクチャ、コントローラ、又はシステム、或いはいかなる監視アプリケーションにも限定されない。代わりに、開示される技術は、あらゆる所望の理由でプロセス制御データが制御ルーチン実行周期又は監視サイクルよりも低頻度に伝送される任意の数の又は様々なコンテクストに適用されてもよい。こうしたコンテクストは、通信を信頼できない又は間欠的なものにする望ましくない条件又は悪条件を呈する可能性がある。したがって、上記の説明は、開示される技術の実施が特に本明細書で説明される低電力又は他の無線通信方式に限定されないという理解のもとで記載される。
【０１０５】
理解されるように、図１、図３、図６、図７、図９、及び図１２〜図１５の無線（又は他の）送信器に関して前述した通信技術は、フィールドからコントローラ１１への計測値の通信が、定時的な様態で報告し、次に制御ルーチン（単数又は複数）の定時的実行をサポートするように伝統的に構造化されているときに、一般に、結果的に非定時的な、不規則な、又は他の状態であまり頻繁でないデータ伝送をもたらす。言い換えれば、制御ルーチンは、一般に、計測値の定時的更新のために設計され、これに依拠する。非定時的な又は他の状態で利用可能でない計測値更新（及び他の利用可能でない通信伝送）に対処するために、予測手段、制御及び監視ルーチン（単数又は複数）が、プロセス制御システム１０が制御実行周期又はいくつかの他の標準周期よりも低頻度に起こる非定時的な又は他の間欠的な更新に依拠することを可能にするように前述のように再構造化され又は改変されてもよい。このようにして、開示される技術は、いくつかの場合、一般に、プロセス制御ルーチンの定時的実行にかかわらずプロセス変数計測値に関する例外報告の形態を支援し得る。開示される技術はまた、制御ルーチンと制御ルーチンの下流のデバイスとの間の伝送に関係する例外報告の形態に対処し及び支援し得、例えば、アクチュエータ及び他のデバイス又は要素は、制御ルーチンによって生じる制御信号に応答する。
【０１０６】
もちろん、いくつかの場合、デバイスは、複数の異なる計測値（すなわち、異なる信号の計測値）を収集し及び監視してもよく、これらの１つ又は複数の計測値のそれぞれに関して本明細書に記載の同じ伝送技術を用い得るとが理解されるであろう。さらにまた、いくつかの場合、計測値を収集するデバイスは、データの進歩した解析（例えば、エラー検出解析、調整解析など）又は計測を行うことができ、本明細書に記載の同じ通信技術を、フル解析、単一のステータスを送信するか否かを判定する、又は信号を伝送することを次のサンプルインターバルまで待つために適用でき得る。
【０１０７】
本開示のいくつかの態様によれば、本明細書に記載の技術は、コントローラとフィールドデバイス（単数又は複数）又はプロセス制御システムの他の要素との間の多数の異なる無線（又は他の）通信が不所望に遅延される又は失われるコンテクストに適用されてもよい。したがって、コントローラと送信器との間及びコントローラとアクチュエータとの間の通信問題に関する上記の例は、それらが例示の性質を帯びるという理解のもとで記載されている。さらに、通信に関与するパラメータは、制御ルーチンによって制御されているプロセス変数に限定されない。それと反対に、開示される技術は、制御ルーチン又は監視ルーチンによって用いられる計測されている又はフィードバックされている若しくは他の方法で通信されているあらゆるパラメータに関係する通信と組み合わせて適用されてもよい。結果として、前述の応答指示（すなわち、プロセス変数計測値及びアクチュエータ位置）は、それらが例示の性質を帯びるという理解のもとで記載される。制御信号への応答を示す他のデータに関係する通信問題もまた、開示される技術によって対処されてもよい。結果として、制御ルーチンの下流の要素（例えば、フィールドデバイス、別のプロセス制御ルーチンなど）からのデータのあらゆる通信が関与し得る。
【０１０８】
開示された方法、システム、及び技術の実施は、いかなる１つの特定の無線アーキテクチャ又は通信プロトコルにも限定されない。実際には、制御ルーチンへの開示された修正は、制御ルーチンが定時的な様態で実施されるが各制御の繰返しに関するプロセス変数計測値更新を伴わないいかなるコンテクストにも大変都合がよい。他の例となるコンテクストは、例えば分析器によって又は実験サンプルを介してサンプリングされた値が不規則に又はよりまれに提供される場合を含む。
【０１０９】
さらに、開示された技術の実施は、単一入力、単一出力ＰＩ又はＰＩＤ制御ルーチンとの使用に限定されず、むしろ、観測手段を用いる多数の異なる複数入力及び／又は複数出力制御方式及びカスケードされた制御方式に適用されてもよい。より一般には、開示された技術はまた、１つ又は複数のプロセス変数、１つ又は複数のプロセス入力、又はモデル予測制御（ＭＰＣ）のような他の制御信号が関与するいかなる閉ループモデルベースの制御ルーチンとの関連でも適用され得る。
【０１１０】
「フィールドデバイス」という用語は、本明細書では、多数のデバイス又はデバイスの組み合わせ（すなわち、送信器とアクチュエータとのハイブリッドのような複数の機能を提供するデバイス）、並びに制御システムにおける機能を果たすあらゆる他のデバイス（単数又は複数）を含むように広義に用いられる。いずれにしても、フィールドデバイスは、例えば、入力デバイス（例えば、温度、圧力、流量などのようなプロセス制御パラメータを示すステータス、計測値、又は他の信号を提供するセンサ及び機器のようなデバイス）、並びにコントローラ及び／又は他のフィールドデバイスから受信したコマンドに応答してアクションを行う制御オペレータ又はアクチュエータを含んでいてもよい。
【０１１１】
実現されるときに、本明細書に記載のユニット、ブロック、モジュール、スイッチ、コンバイナ、加算器、ゲインブロックなどのいずれも、磁気ディスク、レーザディスク、又は他の記憶媒体上、コンピュータ又はプロセッサのＲＡＭ又はＲＯＭの中などのような任意のコンピュータ可読メモリに格納されるソフトウェア又はファームウェアとして実行されてもよい。したがって、特定のハードウェアのような本明細書に記載の実施形態は、本明細書に記載の技術を用いてコンピュータプロセッサ上のソフトウェアにおいて実現することができる。同様に、このソフトウェアは、例えば、コンピュータ可読ディスク又は他の可搬型コンピュータ記憶機構上で、若しくは電話線、インターネット、ワールドワイドウェブ、あらゆる他のローカルエリアネットワーク又はワイドエリアネットワークなどのような通信チャネルを経由して、あらゆる公知の又は所望の送達方法を用いて、ユーザ、プロセスプラント、又はオペレータワークステーションに配信されてもよい。
【０１１２】
本発明は、単なる例示となることを意図され且つ本発明を限定することを意図されない具体例を参照して説明されたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、開示される実施形態への変化、追加、又は削除がなされてもよいことが当該技術分野の当業者には明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【外国語明細書】
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