(57)【要約】【課題】積分ワインドアップを防止し、従来のパラメータ調整方法や自動調整機能の適用を可能にする。【解決手段】制御装置は、制御偏差を算出する制御偏差算出部２３−１〜２３−３と、３個の制御偏差を状態量変換行列により各制御偏差を線形結合した値に変換する制御偏差変換部２６と、変換された各制御偏差にそれぞれ対応する重み係数を乗算する重み係数設定部２７−１〜２７−３と、重み係数が乗算された各制御偏差を状態量変換行列の逆行列により再変換する逆行列再変換部２８と、再変換された各制御偏差に基づき各制御ループの操作量を算出する制御演算部２５−１〜２５−３と、制御偏差算出部２３−１〜２３−３に入力される状態量設定値に対して急変動を抑制するフィルタリング処理を施す状態量フィルタリング設定値算出部２９−１〜２９−３とを備える。【選択図】  図４
2006221234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ（ｎは２以上の自然数）個の制御ループを有する制御系の制御装置において、
前記ｎ個の制御ループの各状態量計測値をｎ×ｎの状態量変換行列により各状態量計測値を線形結合した値に変換する状態量変換部と、
前記変換された状態量計測値とこれに対応する状態量設定値との制御偏差を前記変換された状態量計測値毎に算出する制御偏差算出部と、
前記算出されたｎ個の制御偏差にそれぞれ対応する重み係数を乗算する重み係数設定部と、
前記重み係数が乗算されたｎ個の制御偏差を前記状態量変換行列の逆行列により再変換する逆行列再変換部と、
前記再変換されたｎ個の制御偏差に基づき各制御ループの操作量を算出して、算出したｎ個の操作量をそれぞれ対応する制御ループの制御対象に出力する制御演算部と、
前記制御偏差算出部に入力される状態量設定値に対して急変動を抑制するフィルタリング処理を施す状態量フィルタリング設定値算出部とを備えることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
ｎ（ｎは２以上の自然数）個の制御ループを有する制御系の制御装置において、
前記ｎ個の制御ループの各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差を前記状態量計測値毎に算出する制御偏差算出部と、
前記算出されたｎ個の制御偏差をｎ×ｎの状態量変換行列により各制御偏差を線形結合した値に変換する制御偏差変換部と、
前記変換されたｎ個の制御偏差にそれぞれ対応する重み係数を乗算する重み係数設定部と、
前記重み係数が乗算されたｎ個の制御偏差を前記状態量変換行列の逆行列により再変換する逆行列再変換部と、
前記再変換されたｎ個の制御偏差に基づき各制御ループの操作量を算出して、算出したｎ個の操作量をそれぞれ対応する制御ループの制御対象に出力する制御演算部と、
前記制御偏差算出部に入力される状態量設定値に対して急変動を抑制するフィルタリング処理を施す状態量フィルタリング設定値算出部とを備えることを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の制御装置において、
前記状態量変換行列は、前記変換された状態量計測値に、異なる制御ループの状態量計測値間の相対的な関係を与える相対状態量計測値が含まれるように予め設定され、
前記相対状態量計測値に対応する制御偏差に乗算される前記重み係数は、前記相対状態量計測値に対する制御の優先度が高くなるように予め設定されることを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項２に記載の制御装置において、
前記状態量変換行列は、前記変換された制御偏差に、異なる制御ループの状態量計測値間の相対的な関係を与える相対制御偏差が含まれるように予め設定され、
前記相対制御偏差に乗算される前記重み係数は、前記相対制御偏差に対する制御の優先度が高くなるように予め設定されることを特徴とする制御装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置において、
前記状態量フィルタリング設定値算出部は、時間遅れ演算により前記フィルタリング処理を行うことを特徴とする制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載の制御装置において、
さらに、前記フィルタリング処理の時定数を、前記制御演算部から出力される操作量の飽和が緩和されるように適応的に修正する修正手段を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項７】
請求項６に記載の制御装置において、
前記修正手段は、前記状態量設定値が変更されたときに、前記フィルタリング処理を実施しない場合に発生する前記操作量の飽和の程度を推定する手段と、この推定結果に基づき前記フィルタリング処理の時定数を決定する手段とからな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、プロセス制御技術に関するものであり、特に少なくとも２個の制御ループを有する制御系において計測される状態量差などを制御対象とする制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図８（ａ）に、従来の制御装置である温度調節計の構成を示す（例えば特許文献１参照）。炉１００１内には、熱処理ワーク１０１６が搬入され、またヒータ１０１１と、制御温度ＴＣ１を検出する検出手段１０１２と、ワーク１０１６の表面温度ＴＣ２を検出する検出手段１０１３と、ワーク１０１６の最深温度ＴＣ３を検出する検出手段１０１４とが配設されている。１００２は電力調整器を示している。制御部１００３は、制御温度ＴＣ１と実行プログラムパターン設定値１０３３とを比較する比較器１０３１と、比較器１０３１の出力により制御されるＰＩＤ等の制御演算部１０３２と、ワーク１０１６の表面温度ＴＣ２と最深温度ＴＣ３との差を検出する温度差検出器１０３４と、予め定められた温度差を設定する温度差設定器１０３５と、温度差検出器１０３４の出力と温度差設定器１０３５の出力とを比較する比較器１０３６と、最深温度ＴＣ３の温度変化率を検出する変化率検出器１０３８と、変化率検出器１０３８の出力と予め定められた温度変化率を設定する変化率設定器１０３９の出力とを比較する比較器１０４０と、比較器１０３６の出力と比較器１０４０の出力に基づいて傾斜演算し実行プログラムパターン設定値１０３３を制御する傾斜演算器１０３７とを有している。
【０００３】
温度差設定器１０３５には許容可能な最大の温度差が設定され、また変化率設定器１０３９には許容可能な最大の温度変化率が設定される。図８（ａ）の構成により、熱処理ワーク１０１６内の温度差、温度変化率の一方もしくは両方が指定された温度許容値以内に入るように、実行プログラムパターン設定値１０３３中の傾斜が常時修正される。
図８（ａ）中の破線で囲まれている部分に着目すると、計測された複数の温度ＴＣ１，ＴＣ２，ＴＣ３に基づき温度差（ＴＣ２−ＴＣ３）および温度変化率ｄＴＣ３／ｄｔを算出する状態量変換が行なわれていることが理解できる。すなわち、図８（ａ）の温度調節計は、温度差（ＴＣ２−ＴＣ３）および温度変化率ｄＴＣ３／ｄｔを算出する状態量変換部１０４１を備えていることになる（図８（ｂ））。
【０００４】
図９（ａ）に、従来の他の制御装置である温度調整装置の構成を示す（例えば特許文献２参照）。図中の２００２は縦型熱処理装置２０２０の反応管であり、この反応管２００２の内部には、ウエハボ−ト２０２１に搭載された半導体ウエハの近傍の温度を検出する温度センサＡが設けられると共に、反応管２００２の外面の温度を検出する温度センサＢが設けられている。偏差回路部２０３１は、温度センサＡの目標値から後述する補正値を引いた偏差、すなわち温度センサＢの目標値を出力する。偏差回路部２０３２は、温度センサＢの目標値から温度センサＢの検出値を引いた偏差をＰＩＤ調節部２００４に出力する。ＰＩＤ調節部２００４は、入力された偏差に基づいてＰＩＤ演算を行い、その演算結果を電力制御部２００５に出力し、電力制御部２００５は、ＰＩＤ調節部２００４の出力値に基づいて縦型熱処理装置２０２０の加熱源であるヒ−タ２００６への電力供給量を制御する。一方、補正値出力部２００７は、温度センサＢの検出値が目標値に収束したとき、この収束した時点の温度センサＡの検出値と温度センサＢの検出値との差（Ａ−Ｂ）を補正値とし、温度センサＢの目標値を補正値分だけ修正する。図９（ａ）の構成により、温度センサＡの検出値が目標値に収束する。
【０００５】
図９（ａ）中の破線で囲まれている部分に着目すると、計測された複数の温度Ａ，Ｂに基づき温度差（Ａ−Ｂ）を算出する状態量変換が行なわれていることが理解できる。すなわち、図９（ａ）の温度調整装置は、温度差（Ａ−Ｂ）を算出する状態量変換部２００８を備えていることになる（図９（ｂ））。
以上のように、実際の状態量そのものだけではなく、状態量差を制御系に取り込む努力は従来から行なわれており、特に状態量差を制御対象として制御系を構成するケースでは、制御系に前記状態量変換部が設けられる。
【０００６】
ここで、２個の制御ループにおいて、状態量ＰＶ１，ＰＶ２そのものではなく、状態量平均値ＰＶ１’と状態量差ＰＶ２’とを制御対象とすることを考える。この場合の制御装置を図１０に示す。図１０の制御装置は、状態量平均値ＰＶ１’に対する設定値ＳＰ１’と状態量平均値ＰＶ１’との差を出力する減算器３００１と、状態量差ＰＶ２’に対する設定値ＳＰ２’と状態量差ＰＶ２’との差を出力する減算器３００２と、減算器３００１，３００２の出力に基づいてそれぞれ操作量ＭＶ１，ＭＶ２を算出するコントローラＣ１，Ｃ２と、制御対象プロセスＰ１，Ｐ２に対してそれぞれ操作量ＭＶ１，ＭＶ２に応じた操作を行うアクチュエータＡ１，Ａ２と、状態量変換部３００３とを有する。
【０００７】
状態量変換部３００３は、制御対象プロセスＰ１，Ｐ２の状態量ＰＶ１，ＰＶ２に対してそれぞれ０．５を乗算する乗算器３００４，３００５と、状態量ＰＶ１，ＰＶ２に対してそれぞれ−１，１を乗算する乗算器３００６，３００７と、乗算器３００４と３００５の出力を加算する加算器３００８と、乗算器３００６と３００７の出力を加算する加算器３００９とから構成される。このような状態量変換部３００３により、状態量平均値ＰＶ１’と状態量差ＰＶ２’とは次式のようになる。
ＰＶ１’＝０．５ＰＶ１＋０．５ＰＶ２                              ・・・（１）
ＰＶ２’＝ＰＶ２−ＰＶ１                                          ・・・（２）
また、状態量変換部３００３の入出力の関係をマトリックスで表現すると、以下のようになる。
【０００８】
【数１】
2006221234.tif 000003
【０００９】
コントローラＣ１は状態量平均値ＰＶ１’を対象とし、コントローラＣ２は状態量差ＰＶ２’を対象とする。コントローラＣ１は、設定値ＳＰ１’と状態量平均値ＰＶ１’との偏差に基づき操作量ＭＶ１を算出し、コントローラＣ２は、設定値ＳＰ２’と状態量差ＰＶ２’との偏差に基づき操作量ＭＶ２を算出する。このとき、状態量平均値ＰＶ１’と状態量差ＰＶ２’とがそれぞれ制御可能な状態になるために、コントローラＣ１で算出される操作量ＭＶ１はアクチュエータＡ１に送られ、コントローラＣ２で算出される操作量ＭＶ２はアクチュエータＡ２に送られるように構成される。これにより、アクチュエータＡ１は状態量平均値ＰＶ１’を制御するために動作し、アクチュエータＡ２は状態量差ＰＶ２’を制御するために動作することになる。このように、図８（ｂ）や図９（ｂ）に示したものと同様の状態量変換部３００３を適用するだけで、状態量平均値ＰＶ１’を直接制御するコントローラＣ１と状態量差ＰＶ２’を直接制御するコントローラＣ２とを含むマルチループの制御系を構成でき、状態量平均値ＰＶ１’と状態量差ＰＶ２’とを所望の値に制御することができる。
【００１０】
しかし、アクチュエータＡ１の動作により状態量ＰＶ１に変化が与えられると、この変化は状態量変換部３００３の作用により状態量差ＰＶ２’にも影響を与える。同様に、アクチュエータＡ２の動作により状態量ＰＶ２に変化が与えられると、この変化は状態量変換部３００３の作用により状態量平均値ＰＶ１’にも影響を与える。すなわち、図１０に示した制御装置では、状態量変換部３００３により人工的にループ間干渉が発生する構成となってしまう。
【００１１】
状態量平均値ＰＶ１’を算出するために状態量ＰＶ１，ＰＶ２に乗算する係数は共に０．５であるため、制御対象プロセスＰ１のプロセスゲインＫｐ１と制御対象プロセスＰ２のプロセスゲインＫｐ２とが同程度だと仮定すると、アクチュエータＡ１が動作することによる状態量平均値ＰＶ１’への影響度と、アクチュエータＡ２が動作したときのループ間干渉による状態量平均値ＰＶ１’への影響度（アクチュエータＡ２により状態量平均値ＰＶ１’が乱れる影響度）とは、同程度ということになる。同様に、状態量差ＰＶ２’を算出するために状態量ＰＶ１，ＰＶ２に乗算する係数の絶対値は共に１であるため、アクチュエータＡ２が動作することによる状態量差ＰＶ２’への影響度と、アクチュエータＡ１が動作したときのループ間干渉による状態量差ＰＶ２’への影響度（アクチュエータＡ１により状態量差ＰＶ２’が乱れる影響度）とは、同程度ということになる。したがって、状態量変換部を単純に適用するだけでは、本質的に人工的なループ間干渉が強くなる傾向にあるので、制御性が劣化しやすくなるという問題が発生する。
【００１２】
そこで、ループ間の非干渉化を実現するために、非特許文献１に開示されたクロスコントローラを適用することが容易に想到できる。非特許文献１に開示された制御装置の構成を図１１に示す。図１１の制御装置は、設定値ＳＰ１と状態量ＰＶ１との差を出力する減算器４００１と、設定値ＳＰ２と状態量ＰＶ２との差を出力する減算器４００２と、減算器４００１，４００２の出力に基づいてそれぞれ操作量ＭＶ１，ＭＶ２を算出するコントローラ４００３，４００４と、操作量ＭＶ１，ＭＶ２をそれぞれ変換した操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’を出力するクロスコントローラ４００５とを有する。
【００１３】
クロスコントローラ４００５は、ループ間干渉による影響分を予め打ち消す処理を操作量ＭＶ１，ＭＶ２に対して行うものであり、操作量ＭＶ１に係数Ｍ１２を乗算する乗算器４００７と、操作量ＭＶ２に係数Ｍ２１を乗算する乗算器４００８と、操作量ＭＶ１と乗算器４００８の出力との差を操作量ＭＶ１’として出力する減算器４００９と、操作量ＭＶ２と乗算器４００７の出力との差を操作量ＭＶ２’として出力する減算器４０１０とから構成される。ここでは説明を簡単にするため、プロセス時定数やプロセスむだ時間などの動的特性は無視することにする。操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’に対する制御対象プロセス４００６のプロセスゲインをそれぞれＫｐ１，Ｋｐ２とすると、非特許文献１によれば、非干渉化のためのクロスコントローラ４００５は以下のように設計できる。
ＭＶ１’＝ＭＶ１＋（−０．５Ｋｐ２／０．５Ｋｐ１）ＭＶ２          ・・・（４）
ＭＶ２’＝（Ｋｐ１／Ｋｐ２）ＭＶ１＋ＭＶ２                        ・・・（５）
また、クロスコントローラ４００５の入出力の関係をマトリックスで表現すると、以下のようになる。
【００１４】
【数２】
2006221234.tif 000004
【００１５】
すなわち、前述の係数Ｍ１２は−Ｋｐ１／Ｋｐ２、係数Ｍ２１は０．５Ｋｐ２／０．５Ｋｐ１となる。コントローラ４００３により算出された操作量ＭＶ１は、クロスコントローラ４００５により操作量ＭＶ１’に変換された後に図示しないアクチュエータを介して制御対象プロセス４００６に送られ、コントローラ４００４により算出された操作量ＭＶ２は、クロスコントローラ４００５により操作量ＭＶ２’に変換された後にアクチュエータを介して制御対象プロセス４００６に送られる。
【００１６】
図１１に示したクロスコントローラ４００５を図１０の制御装置に適用した構成を図１２に示す。状態量変換部３００３とクロスコントローラ４００５とを用いることにより、状態量平均値ＰＶ１’のみを専用的に制御するコントローラＣ１を中心とする第１制御ループと、状態量差ＰＶ２’のみを専用的に制御するコントローラＣ２を中心とする第２制御ループとを有するマルチループの制御系を実現できる。状態量平均値ＰＶ１’のみを専用的に制御するコントローラＣ１の応答特性を安定性重視の方向（低感度）で調整し、状態量差ＰＶ２’のみを専用的に制御するコントローラＣ２の応答特性を即応性重視の方向（高感度）で調整すれば、状態量平均値ＰＶ１’が設定値ＳＰ１’に追従するよりも前に、状態量差ＰＶ２’が設定値ＳＰ２’に追従するようになるので、状態量差ＰＶ２’を所望の値に維持しながら、状態量平均値ＰＶ１’を所望の値に変更するような制御が可能になる。
【００１７】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【特許文献１】特開平８−０９５６４７号公報
【特許文献２】特開平９−１９９４９１号公報
【非特許文献１】広井和男，「ディジタル計装制御システムの基礎と応用」，工業技術社，１９８７年１０月，ｐ．１５２−１５６，ＩＳＢＮ４−９０５９５７−００−１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
［第１の課題］
実際のアクチュエータには出力の上下限があり、コントローラはこの上下限を考慮した操作量算出をしなければならない。つまり、アクチュエータの出力が上限値あるいは下限値に達して状態量の変化に限界が生じている状態においては、コントローラは必要以上に操作量の算出結果を高くしたり低くしたりしてはならない。ＰＩＤ等のコントローラがアクチュエータの物理的な上下限を考慮しない場合、積分ワインドアップという問題が生じる。
【００１９】
以下、この積分ワインドアップについて具体的に説明する。例えば、状態量が温度であり、アクチュエータがヒータである場合、一般的にヒータ出力には下限値０％、上限値１００％という制約が与えられる。コントローラで算出される操作量ＭＶが上昇して１００％に達すると、ヒータ出力も１００％に達する。このとき、温度設定値ＳＰに対して温度計測値ＰＶが低い場合、仮にコントローラがヒータ出力の上限値１００％を無視していると、コントローラは１００％よりも大きな操作量ＭＶを算出することになる。ところが、ヒータ出力は１００％で飽和するため、ヒータ出力の上昇に応じた温度計測値ＰＶの上昇は限界に達し、その結果、コントローラは操作量ＭＶをさらに大きな値へと上げていくことになる。
【００２０】
そして、操作量ＭＶの算出値が上昇し続けて例えば５００％に達した時点で、温度設定値ＳＰが温度計測値ＰＶよりも低い値に変更されたと仮定する。温度設定値ＳＰの変更により、コントローラは、操作量ＭＶを５００％から下げていくことになるので、ヒータ出力の上限値１００％よりも低い操作量ＭＶがコントローラから出力されるようになるまでに長い時間がかかる。したがって、温度設定値ＳＰを温度計測値ＰＶよりも低い値に変更したにもかかわらず、コントローラからは長時間にわたって操作量１００％が出力され、結果的に温度降下の開始が大きく遅れることになる。以上のように操作量ＭＶの算出結果が必要以上に高くなり、設定値ＳＰが小さい値に変更されたときに操作量ＭＶの降下が遅れる現象が積分ワインドアップと呼ばれる現象であり、コントローラがアクチュエータの物理的な上下限を考慮して操作量を算出しないことに起因する。
【００２１】
図１２に示した制御装置では、コントローラＣ１，Ｃ２において算出される操作量ＭＶ１，ＭＶ２がクロスコントローラ４００５により操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’に変換される。言い換えれば、コントローラＣ１，Ｃ２が算出する操作量ＭＶ１，ＭＶ２は、複数のアクチュエータＡ１，Ａ２への合成操作量として算出されるわけであり、コントローラＣ１，Ｃ２の操作量ＭＶ１，ＭＶ２とアクチュエータＡ１，Ａ２の出力とが１対１に対応しなくなる。したがって、コントローラＣ１，Ｃ２がアクチュエータＡ１，Ａ２の出力の上下限を考慮した操作量ＭＶ１，ＭＶ２の算出を行ったとしても、アクチュエータＡ１，Ａ２に実際に出力されるのは操作量ＭＶ１，ＭＶ２を合成した操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’なので、結果としてアクチュエータＡ１，Ａ２の出力の上下限を考慮していない操作量出力がアクチュエータＡ１，Ａ２に対して行われる可能性がある。このため、図１２に示した制御装置では、前述のＰＩＤコントローラと同様の積分ワインドアップが発生するという問題点があった。
【００２２】
［第２の課題］
また、通常のコントローラでは、制御対象の特性に合わせてパラメータの調整を行なわなければならない。パラメータ調整の例としては、ＰＩＤコントローラにおけるＰＩＤパラメータ調整がある。従来、このようなパラメータ調整を実現するための調整方法や自動調整機能などが考案されているが、この調整方法や自動調整機能は基本的にコントローラとアクチュエータと制御対象と計測手段とが物理的に対応していることが必要条件になる。
【００２３】
以下、従来のパラメータ調整について具体的に説明する。例えば、状態量が温度であり、アクチュエータがヒータであり、制御対象が炉であり、計測手段が熱電対などの温度センサである場合を考える。このとき、図１３に示すように、２個の制御ループを想定し、コントローラ５００３，５００４と、アクチュエータであるヒータ５００５，５００６と、制御対象である炉５００７，５００８と、計測手段である温度センサ５００９，５０１０とを備えるものとする。図１３において、５００１は温度設定値ＳＰ１と温度計測値ＰＶ１との差を出力する減算器、５００２は温度設定値ＳＰ２と温度計測値ＰＶ２との差を出力する減算器である。
【００２４】
図１３の構成においては、多少のループ間干渉は許容するものの、コントローラ５００３はヒータ５００５に操作量ＭＶ１を出力し、ヒータ５００５は主に炉５００７を加熱し、温度センサ５００９は炉５００７付近の温度を計測して、コントローラ５００３は温度計測値ＰＶ１を制御するように制御演算を実行しなければならない。同様に、コントローラ５００４はヒータ５００６に操作量ＭＶ２を出力し、ヒータ５００６は主に炉５００８を加熱し、温度センサ５０１０は炉５００８付近の温度を計測して、コントローラ５００４は温度計測値ＰＶ２を制御するように制御演算を実行しなければならない。このように、コントローラ５００３，５００４とヒータ５００５，５００６と炉５００７，５００８と温度センサ５００９，５０１０とが物理的に対応していることが、従来考案されている調整方法や自動調整機能などを適用するための必要条件になる。逆に言えば、コントローラ５００３がヒータ５００５とヒータ５００６とに同等のレベルで配分される操作量ＭＶ１，ＭＶ２を１個の合成操作量として算出し、同じくコントローラ５００４がヒータ５００５とヒータ５００６とに同等のレベルで配分される操作量ＭＶ１，ＭＶ２を１個の合成操作量として算出すると、従来考案されている調整方法や自動調整機能などを適用することは不可能になる。
【００２５】
図１２に示した制御装置では、コントローラＣ１，Ｃ２において算出される操作量ＭＶ１，ＭＶ２がクロスコントローラ４００５により操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’に変換される。言い換えれば、コントローラＣ１，Ｃ２が算出する操作量ＭＶ１，ＭＶ２は、複数のアクチュエータＡ１，Ａ２への合成操作量として算出されるわけであり、コントローラＣ１，Ｃ２の操作量ＭＶ１，ＭＶ２とアクチュエータＡ１，Ａ２の出力とが１対１に対応しなくなる。すなわち、コントローラとアクチュエータと制御対象と計測手段とが物理的に対応するという基本的な条件が成立しなくなる。したがって、図１２に示した制御装置では、従来考案されている調整方法や自動調整機能などを適用することは不可能であり、ＰＩＤパラメータ調整等のコントローラのパラメータ調整が非常に難しくなるという問題点があった。
【００２６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、複数の状態量間の相対状態量を所望の値に維持しつつ、複数の状態量の平均値等の絶対量を所望の値に変更する制御を行う制御系において、積分ワインドアップを防止することができ、かつ従来考案されているパラメータ調整方法や自動調整機能などを適用することができる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】
【００２７】
本発明は、ｎ（ｎは２以上の自然数）個の制御ループを有する制御系の制御装置において、前記ｎ個の制御ループの各状態量計測値をｎ×ｎの状態量変換行列により各状態量計測値を線形結合した値に変換する状態量変換部と、前記変換された状態量計測値とこれに対応する状態量設定値との制御偏差を前記変換された状態量計測値毎に算出する制御偏差算出部と、前記算出されたｎ個の制御偏差にそれぞれ対応する重み係数を乗算する重み係数設定部と、前記重み係数が乗算されたｎ個の制御偏差を前記状態量変換行列の逆行列により再変換する逆行列再変換部と、前記再変換されたｎ個の制御偏差に基づき各制御ループの操作量を算出して、算出したｎ個の操作量をそれぞれ対応する制御ループの制御対象に出力する制御演算部と、前記制御偏差算出部に入力される状態量設定値に対して急変動を抑制するフィルタリング処理を施す状態量フィルタリング設定値算出部とを備えるものである。
また、本発明の制御装置は、前記ｎ個の制御ループの各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差を前記状態量計測値毎に算出する制御偏差算出部と、前記算出されたｎ個の制御偏差をｎ×ｎの状態量変換行列により各制御偏差を線形結合した値に変換する制御偏差変換部と、前記変換されたｎ個の制御偏差にそれぞれ対応する重み係数を乗算する重み係数設定部と、前記重み係数が乗算されたｎ個の制御偏差を前記状態量変換行列の逆行列により再変換する逆行列再変換部と、前記再変換されたｎ個の制御偏差に基づき各制御ループの操作量を算出して、算出したｎ個の操作量をそれぞれ対応する制御ループの制御対象に出力する制御演算部と、前記制御偏差算出部に入力される状態量設定値に対して急変動を抑制するフィルタリング処理を施す状態量フィルタリング設定値算出部とを備えるものである。
【００２８】
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記状態量変換行列は、前記変換された状態量計測値に、異なる制御ループの状態量計測値間の相対的な関係を与える相対状態量計測値が含まれるように予め設定され、前記相対状態量計測値に対応する制御偏差に乗算される前記重み係数は、前記相対状態量計測値に対する制御の優先度が高くなるように予め設定されるものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記状態量変換行列は、前記変換された制御偏差に、異なる制御ループの状態量計測値間の相対的な関係を与える相対制御偏差が含まれるように予め設定され、前記相対制御偏差に乗算される前記重み係数は、前記相対制御偏差に対する制御の優先度が高くなるように予め設定されるものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記状態量フィルタリング設定値算出部は、時間遅れ演算により前記フィルタリング処理を行うものである。
また、本発明の制御装置の１構成例は、さらに、前記フィルタリング処理の時定数を、前記制御演算部から出力される操作量の飽和が緩和されるように適応的に修正する修正手段を備えるものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記修正手段は、前記状態量設定値が変更されたときに、前記フィルタリング処理を実施しない場合に発生する前記操作量の飽和の程度を推定する手段と、この推定結果に基づき前記フィルタリング処理の時定数を決定する手段とからなるものである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、ｎ個の制御ループの各状態量計測値をｎ×ｎの状態量変換行列により各状態量計測値を線形結合した値に変換する状態量変換部と、変換された状態量計測値とこれに対応する状態量設定値との制御偏差を変換された状態量計測値毎に算出する制御偏差算出部と、算出されたｎ個の制御偏差にそれぞれ対応する重み係数を乗算する重み係数設定部と、重み係数が乗算されたｎ個の制御偏差を状態量変換行列の逆行列により再変換する逆行列再変換部とを設けることにより、複数の状態量間の状態量差などの相対状態量を所望の値に維持しつつ、基準状態量を所望の値に変更する制御を実現することができる。また、本発明では、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応する制御系を構成することができるので、積分ワインドアップを防止することができ、従来考案されているパラメータ調整方法や自動調整機能などを適用してコントローラを調整することができる。さらに、本発明では、制御偏差算出部に入力される状態量設定値に対して急変動を抑制するフィルタリング処理を施す状態量フィルタリング設定値算出部を設けることにより、状態量差などの相対状態量が小さくなるように制御する際に、操作量の飽和を緩和することができ、本来の目的である、状態量差を小さくするという効果が損なわれることを回避できる。
【００３０】
また、本発明によれば、ｎ個の制御ループの各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差を状態量計測値毎に算出する制御偏差算出部と、算出されたｎ個の制御偏差をｎ×ｎの状態量変換行列により各制御偏差を線形結合した値に変換する制御偏差変換部と、変換されたｎ個の制御偏差にそれぞれ対応する重み係数を乗算する重み係数設定部と、重み係数が乗算されたｎ個の制御偏差を状態量変換行列の逆行列により再変換する逆行列再変換部とを設けることにより、複数の状態量間の状態量差などの相対状態量を所望の値に維持しつつ、基準状態量を所望の値に変更する制御を実現することができる。また、本発明では、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応する制御系を構成することができるので、積分ワインドアップを防止することができ、従来考案されているパラメータ調整方法や自動調整機能などを適用してコントローラを調整することができる。さらに、本発明では、制御偏差算出部に入力される状態量設定値に対して急変動を抑制するフィルタリング処理を施す状態量フィルタリング設定値算出部を設けることにより、状態量差などの相対状態量が小さくなるように制御する際に、操作量の飽和を緩和することができ、本来の目的である、状態量差を小さくするという効果が損なわれることを回避できる。
【００３１】
また、本発明では、相対状態量計測値に対応する制御偏差に乗算する重み係数を、相対状態量に対する制御の優先度が高くなるように予め設定しておくことにより、相対状態量を優先的に制御しながら、基準状態量も同時に制御することができる。
【００３２】
また、本発明では、相対制御偏差に乗算する重み係数を、相対状態量に対する制御の優先度が高くなるように予め設定しておくことにより、相対状態量を優先的に制御しながら、基準状態量も同時に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
［発明の原理］
以下、本発明では、例えば状態量平均値のような基準となる絶対的な状態量を基準状態量、例えば状態量差のような相対的な状態量を相対状態量と称する。また、基準状態量に対する設定値を基準状態量設定値、基準状態量の計測値を基準状態量計測値、相対状態量に対する設定値を相対状態量設定値、相対状態量の計測値を相対状態量計測値、基準状態量設定値と基準状態量計測値との差を基準制御偏差、相対状態量設定値と相対状態量計測値との差を相対制御偏差と称する。状態量としては、例えば温度、圧力、流量などがある。
【００３４】
本発明では、外部から与えられる状態量を、前述の従来技術における状態量変換部により、状態量平均値のような基準状態量と、状態量差のような相対状態量とに変換する。この状態量変換部の入出力の関係をマトリックスで表現したとき、外部から与えられる状態量を基準状態量と相対状態量とに変換する行列を状態量変換行列と称する。
次に、本発明では、変換した状態量について状態量設定値との制御偏差を算出する。算出した制御偏差をそのままコントローラに入力すると、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応しなくなるので、制御偏差を状態量変換行列の逆行列により再変換した上でコントローラに入力することを考える。
【００３５】
状態量変換行列の逆行列により制御偏差を単純に再変換すると、各状態量を独立に制御する通常の制御系と等価なものに戻るだけなので、逆行列により再変換する前に、制御偏差に重み係数を与えるようにする。これにより、再変換された後は、重みに応じて基準状態量に関する偏差成分と相対状態量に関する偏差成分に偏りが残る。よって、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応しながらも、基準状態量と相対状態量に対する偏りが優先度として反映される。
【００３６】
このように、本発明では、外部から与えられる状態量を状態量変換行列により変換し、変換した状態量と設定値との制御偏差を求め、制御偏差に重み係数を乗算して、この乗算結果を状態量変換行列の逆行列により再変換し、再変換した制御偏差を操作量ＭＶの算出に用いる構成とする。これにより、本発明では、基準状態量については重みを小さく与え、逆に相対状態量については重みを大きく与えれば、基準状態量計測値ＰＶｍが基準状態量設定値ＳＰｍに追従するよりも前に、相対状態量計測値ΔＰＶが相対状態量設定値ΔＳＰに追従するようになるので、相対状態量を所望の値に維持しながら、基準状態量を所望の値に変更するような制御が可能になる。すなわち、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応する形式で、状態量差のような相対状態量を優先的に制御しながら、状態量平均値のような基準状態量も同時に制御する制御装置を提供することができる。
【００３７】
ここで、上記の２つの着眼点のうち、制御偏差を状態量変換行列の逆行列により再変換する点（以下、第１の着眼点と呼ぶ）について説明する。図１２に示した制御装置では、状態量変換部３００３を適用することにより発生する人工的なループ間干渉を、クロスコントローラ４００５により非干渉化することになる。状態量変換部３００３による状態量変換は、一種の信号交差的あるいは信号混合的な処理である。ゆえに、クロスコントローラ４００５は、アクチュエータＡ１，Ａ２に操作量が送られる前に、信号交差処理を元に戻す信号分配的あるいは信号分離的な処理と言える。しかし、図１２に示した制御装置の構成では、信号交差的な処理を行う状態量変換部３００３と信号分配的な処理を行うクロスコントローラ４００５との間にコントローラＣ１，Ｃ２が位置するため、コントローラＣ１，Ｃ２とアクチュエータＡ１，Ａ２とが１対１に対応しなくなる。そこで、本発明では、信号分配的な処理として状態量変換行列の逆行列により再変換を行う手段をコントローラの直前に配置するものとした。すなわち、制御偏差を状態量変換行列の逆行列により再変換するものとした。
【００３８】
次に、上記の２つの着眼点のうち、状態量変換行列の逆行列により制御偏差の再変換を行う前に、制御偏差に重み係数を乗じる点（以下、第２の着眼点と呼ぶ）について説明する。状態量変換を行なった後に、変換した状態量と設定値との制御偏差を算出すると、この制御偏差は、実質的には状態量変換行列により変換された制御偏差を与えていることになる。したがって、この制御偏差を状態量変換行列の逆行列により単純に再変換すると、信号交差的な処理と信号分配的な処理とを直結しているだけになり、変換のない各状態量を独立に制御する通常の制御系と等価なものになる。逆に言えば、信号交差的な処理と信号分配的な処理との間に、意味のある信号変換を配置すれば、それが後段のコントローラ側に反映されることになる。本発明は、信号交差的な処理と信号分配的な処理との間に、制御偏差に重み係数を乗じる手段を配置するものとした。そして、この重み係数を調整すれば、変換された状態の状態量に関して制御の優先度を与えることが可能になる。すなわち、状態量差のような相対状態量を優先的に制御しながら、状態量平均値のような基準状態量も同時に制御することが可能になる。
【００３９】
ここで、第１の着眼点と第２の着眼点とをまとめると、図１に示すような制御系になる。図１の制御系は制御ループがｎ（ｎは２以上の自然数）個の場合であり、１は状態量計測値ＰＶ１〜ＰＶｎを状態量変換行列Ｔにより変換する状態量変換部、２−１〜２−ｎは変換された状態量計測値（基準状態量計測値または相対状態量計測値）ＰＶ１’〜ＰＶｎ’とこれに対応する状態量設定値（基準状態量設定値または相対状態量設定値）ＳＰ１’〜ＳＰｎ’との制御偏差Ｅｒ１’〜Ｅｒｎ’を算出する制御偏差算出部と、３は制御偏差Ｅｒ１’〜Ｅｒｎ’に重み係数を乗算する重み係数設定部、４は重み係数が乗算された制御偏差Ｅｒ１’〜Ｅｒｎ’を状態量変換行列の逆行列Ｔ-1により制御偏差Ｅｒ１〜Ｅｒｎに再変換する逆行列再変換部、ＭＶ１〜ＭＶｎは操作量、Ａ１〜Ａｎはアクチュエータ、Ｐ１〜Ｐｎは制御対象プロセス、Ｇｐ１〜ＧｐｎはアクチュエータＡ１〜ＡｎとプロセスＰ１〜Ｐｎとを含むブロックの伝達関数である。
【００４０】
制御偏差Ｅｒ１〜Ｅｒｎに基づき制御演算を実行するコントローラＣ１〜Ｃｎの代表例としてはＰＩＤコントローラがある。また、状態量変換行列Ｔは、制御ループ数がｎの場合はｎ×ｎの正方行列であり、逆行列Ｔ-1が存在する必要がある。なお図１は、本発明の原理を表す図であり、毎制御周期において逆行列を自動算出する処理を実行する必要はない。また逆行列Ｔ-1は、オペレータが手作業で算出し、制御を実行する前に予め数値を設定しておいてもよい。
【００４１】
図１の制御系において、基準状態量として全ループの状態量の平均値ＰＶｍを採用し、相対状態量として状態量差ＰＶ１−ＰＶ２，ＰＶ２−ＰＶ３，ＰＶ３−ＰＶ４，・・・ＰＶ（ｎ−２）−ＰＶ（ｎ−１），ＰＶ（ｎ−１）−ＰＶｎを採用する場合、状態量変換部１の入出力の関係をマトリックスで表現すると式（７）となり、状態量変換行列Ｔの一般式は式（８）となる。また、逆行列再変換部４の入出力の関係をマトリックスで表現すると式（９）となり、状態量変換行列Ｔの逆行列Ｔ-1の一般式は式（１０）となる。
【００４２】
【数３】
2006221234.tif 000005
【００４３】
【数４】
2006221234.tif 000006
【００４４】
【数５】
2006221234.tif 000007
【００４５】
【数６】
2006221234.tif 000008
【００４６】
なお、式（７）〜式（１０）において、基準状態量計測値ＰＶｍは、ＰＶｍ＝ＰＶ１’であり、相対状態量計測値ＰＶ１−ＰＶ２，ＰＶ２−ＰＶ３，・・・，ＰＶ（ｎ−１）−ＰＶｎは、ＰＶ１−ＰＶ２＝ＰＶ２’，ＰＶ２−ＰＶ３＝ＰＶ３’，・・・，ＰＶ（ｎ−１）−ＰＶｎ＝ＰＶｎ’である。Ｗ１，Ｗ２，・・・，Ｗｎは重み係数である。Ｅｒｉ’は状態量設定値ＳＰｉ’と状態量計測値ＰＶｉ’との制御偏差である。ただし、ｉ＝１の場合、状態量設定値ＳＰｉ’は基準状態量設定値ＳＰｍ＝ＳＰ１’であり、状態量計測値ＰＶｉ’は基準状態量計測値ＰＶｍ＝ＰＶ１’である。また、ｉ＝２〜ｎの場合、状態量設定値ＳＰｉ’は相対状態量設定値ΔＳＰｉ＝ＳＰｉ’であり、状態量計測値ＰＶｉ’は相対状態量計測値ＰＶ（ｉ−１）−ＰＶｉ＝ＰＶｉ’である。
【００４７】
以上の説明では、外部から与えられる状態量計測値ＰＶｉを状態量変換行列Ｔにより状態量計測値ＰＶｉ’に変換しているが、各状態量に対して状態量設定値ＳＰｉを与え、状態量設定値ＳＰｉと状態量計測値ＰＶｉとの制御偏差Ｅｒｉ０＝ＳＰｉ−ＰＶｉを算出した後に、この制御偏差Ｅｒｉ０を状態量変換行列Ｔにより制御偏差Ｅｒｉ’に変換してもよい。制御偏差Ｅｒｉ０を変換する場合の制御系を図２に示す。図２において、５−１〜５−ｎは状態量設定値ＳＰ１〜ＳＰｎと状態量計測値ＰＶ１〜ＰＶｎとの制御偏差Ｅｒ１０〜Ｅｒｎ０を算出する制御偏差算出部、６は制御偏差Ｅｒ１０〜Ｅｒｎ０を制御偏差Ｅｒ１’〜Ｅｒｎ’に変換する制御偏差変換部である。制御偏差変換部６の入出力の関係をマトリックスで表現すると式（１１）となる。
【００４８】
【数７】
2006221234.tif 000009
【００４９】
発明者は、以上の原理を用いて、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応する形式で、状態量差のような相対状態量を優先的に制御しながら、状態量平均値のような基準状態量も同時に制御できる制御装置を提案した（特願２００４−１２８２４６号）。この先行出願の制御方法において、基準状態量は、各制御ループの状態量の平均値であったり、特定の１つの状態量であったりする。いずれの場合でも、操作量に制約がない範囲で上下動させることができれば、状態量差を要求通りに制御することが可能である。
【００５０】
しかし、操作量飽和が発生する場合、要求通りに制御できない状況も発生する。以下、先行出願の制御方法の問題点を図３（ａ）、図３（ｂ）を用いて説明する。ここでは、制御ループがI，II，IIIの３つあり、制御ループ間の状態量差を小さくすることを制御の目的とする。また、このときの各制御ループのコントローラの制御アルゴリズムはＰＩＤであるとする。図３（ａ）は、各制御ループI，II，IIIのコントローラに設定値ＳＰ＝３０％のステップ入力が加わったときの制御応答を示し、図３（ｂ）は、このステップ入力時に各制御ループI，II，IIIのコントローラから出力される操作量ＭＶを示している。
【００５１】
設定値ＳＰのステップ入力が加わると、通常のＰＩＤの演算では操作量出力ＭＶが大きく変化し、状態量ＰＶが設定値ＳＰに追従する方向に変化する。このときの過渡状態において、状態量差を要求通りに制御するためには、操作量ＭＶが０〜１００％の範囲にあって、かつ自在に増減できることが必要である。しかし、コントローラが演算する操作量ＭＶが１００％を大きく超えている場合、演算上では操作量ＭＶを増減することはできても、実際にコントローラから出力される操作量ＭＶは上限値１００％で飽和したまま変化しないという状況になってしまう。したがって、状態量差を小さくするという効果が得られなくなる。以上のように、先行出願の制御方法では、操作量飽和の発生により、本来の効果が損なわれるという問題点がある。
【００５２】
これに対して、本発明では、この問題点の発生要因が設定値ＳＰのステップ入力時に起こるＰＩＤ制御演算特有の微分キックであることに着眼する。例えば、ＰＩＤの微分動作に対して設定値ＳＰの急変が作用すると、設定値ＳＰの急変に追従する方向に操作量ＭＶも急変し、操作量飽和が発生する。
【００５３】
先行出願の問題点を解決するには、前述の問題点の発生要因に基づき、操作量上下限処理の制約を受けない範囲に操作量ＭＶをできる限り維持できるようにすればよい。特に、微分キックが緩和されることが重要であり、設定値ＳＰの急変がＰＩＤ制御演算に作用しないか、あるいは十分に緩和されればよい。そこで、本発明では、設定値ＳＰの変化にダンピングの効果を与えるフィルタを適用する。このフィルタとしては、構造が簡単な１次遅れ、２次遅れなどの時間遅れフィルタが適当である。
【００５４】
フィルタの設定方法としては、予め操作量飽和の発生の程度を調べておいて、例えば１次遅れフィルタの時定数を適当に設定する方法がある。ただし、この方法は、予め見通せるパターンでしか制御動作が発生しない場合にのみ適用可能である。より好ましくは、操作量飽和の発生に応じて１次遅れフィルタの時定数を自動修正できるようにするべきである。操作量飽和の発生原因が設定値ＳＰの急変であるならば、設定値ＳＰの変更幅に連動して１次遅れフィルタの時定数を自動修正すればよく、設定値ＳＰの変更幅が大きいときは時定数を大きくするような要領になる。また、より詳細には、設定値ＳＰの変更前の操作量ＭＶ値や、設定されているＰＩＤパラメータなども参照して時定数を自動修正するべきである。
【００５５】
［実施の形態］
図４は、本発明の実施の形態となる制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、図２で説明した原理に基づくものであり、制御ループが３個で、基準状態量として３個の制御ループの状態量平均値を採用し、相対状態量として各状態量の差を採用する場合の例であるが、２個以上の制御ループであれば同様の原理で、同様の制御系を構成できる。
【００５６】
図４の制御装置は、第１の状態量に関する第１の制御系の構成として、状態量設定値ＳＰ１入力部２１−１と、状態量計測値ＰＶ１入力部２２−１と、制御偏差Ｅｒ１０算出部２３−１と、操作量ＭＶ１出力部２４−１と、ＰＩＤ制御演算部（ＰＩＤコントローラ）２５−１と、状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”算出部２９−１とを備える。また、図４の制御装置は、第２の状態量に関する第２の制御系の構成として、状態量設定値ＳＰ２入力部２１−２と、状態量計測値ＰＶ２入力部２２−２と、制御偏差Ｅｒ２０算出部２３−２と、操作量ＭＶ２出力部２４−２と、ＰＩＤ制御演算部（ＰＩＤコントローラ）２５−２と、状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”算出部２９−２とを備える。また、図４の制御装置は、第３の状態量に関する第３の制御系の構成として、状態量設定値ＳＰ３入力部２１−３と、状態量計測値ＰＶ３入力部２２−３と、制御偏差Ｅｒ３０算出部２３−３と、操作量ＭＶ３出力部２４−３と、ＰＩＤ制御演算部（ＰＩＤコントローラ）２５−３と、状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”算出部２９−３とを備える。
【００５７】
また、図４の制御装置は、制御偏差変換に関する構成として、状態量変換行列Ｔによる制御偏差変換を実行する制御偏差変換部２６と、相対制御偏差ΔＥｒ１に重み係数Ｗ１を乗じる重み係数Ｗ１設定部２７−１と、相対制御偏差ΔＥｒ２に重み係数Ｗ２を乗じる重み係数Ｗ２設定部２７−２と、基準制御偏差Ｅｒｍに重み係数Ｗ３を乗じる重み係数Ｗ３設定部２７−３と、状態量変換行列Ｔの逆行列Ｔ-1による逆行列再変換を実行する逆行列再変換部２８とを備える。
【００５８】
さらに、図４の制御装置は、フィルタ時定数適応修正に関する構成として、状態量設定値ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３のうち少なくとも１つが変更された場合、この設定値が変更された制御ループｊの設定値変更直前の操作量ＭＶｊを取得する設定値変更時操作量検出部３０と、設定値変更が検出されたときに、所定の操作量上限値と操作量ＭＶｊとの差である操作量上限余裕ＲＨｊ、あるいは所定の操作量下限値と操作量ＭＶｊとの差である操作量下限余裕ＲＬｊを算出する操作量上下限余裕算出部３１と、設定値変更が検出されたときに、制御ループｊにおいて設定値に対するフィルタリング処理を実施せずにＰＩＤ制御演算を実行した場合に発生する操作量変化分ΔＭＶｊを推定する操作量変化推定部３２と、操作量上限余裕ＲＨｊあるいは操作量下限余裕ＲＬｊと操作量変化分ΔＭＶｊと予め設定された比率αｊとに基づいてフィルタリング時定数Ｔｆを決定し、このフィルタリング時定数Ｔｆを状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”算出部２９−１と状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”算出部２９−２と状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”算出部２９−３とに設定するフィルタリング時定数決定部３３とを備える。設定値変更時操作量検出部３０と操作量上下限余裕算出部３１と操作量変化推定部３２とフィルタリング時定数決定部３３とは、フィルタリング時定数Ｔｆを適応的に修正する修正手段を構成している。
【００５９】
図５は本実施の形態における制御系のブロック線図である。Ａ１１は第１の状態量を制御するアクチュエータ、Ａ１２は第２の状態量を制御するアクチュエータ、Ａ１３は第３の状態量を制御するアクチュエータ、Ｐ１１は第１の状態量に係る制御対象プロセス、Ｐ１２は第２の状態量に係る制御対象プロセス、Ｐ１３は第３の状態量に係る制御対象プロセス、Ｇｐ１１はアクチュエータＡ１１とプロセスＰ１１とを含むブロックの伝達関数、Ｇｐ１２はアクチュエータＡ１２とプロセスＰ１２とを含むブロックの伝達関数、Ｇｐ１３はアクチュエータＡ１３とプロセスＰ１３とを含むブロックの伝達関数である。
【００６０】
状態量設定値ＳＰ１入力部２１−１と、状態量計測値ＰＶ１入力部２２−１と、制御偏差Ｅｒ１０算出部２３−１と、操作量ＭＶ１出力部２４−１と、ＰＩＤ制御演算部２５−１と、制御偏差変換部２６と、逆行列再変換部２８と、状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”算出部２９−１と、アクチュエータＡ１１と、プロセスＰ１１とは、第１の制御系（第１の制御ループ）を構成している。状態量設定値ＳＰ２入力部２１−２と、状態量計測値ＰＶ２入力部２２−２と、制御偏差Ｅｒ２０算出部２３−２と、操作量ＭＶ２出力部２４−２と、ＰＩＤ制御演算部２５−２と、制御偏差変換部２６と、逆行列再変換部２８と、状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”算出部２９−２と、アクチュエータＡ１２と、プロセスＰ１２とは、第２の制御系（第２の制御ループ）を構成している。そして、状態量設定値ＳＰ３入力部２１−３と、状態量計測値ＰＶ３入力部２２−３と、制御偏差Ｅｒ３０算出部２３−３と、操作量ＭＶ３出力部２４−３と、ＰＩＤ制御演算部２５−３と、制御偏差変換部２６と、逆行列再変換部２８と、状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”算出部２９−３と、アクチュエータＡ１３と、プロセスＰ１３とは、第３の制御系（第３の制御ループ）を構成している。
【００６１】
次に、本実施の形態の制御装置の動作を図６を用いて説明する。まず、状態量計測値ＰＶ１は、図示しない第１の検出手段によって検出され、状態量計測値ＰＶ１入力部２２−１を介して制御偏差Ｅｒ１０算出部２３−１に入力される（図６ステップＳ１０１）。状態量計測値ＰＶ２は、図示しない第２の検出手段によって検出され、状態量計測値ＰＶ２入力部２２−２を介して制御偏差Ｅｒ２０算出部２３−２に入力される（ステップＳ１０２）。状態量計測値ＰＶ３は、図示しない第３の検出手段によって検出され、状態量計測値ＰＶ３入力部２２−３を介して制御偏差Ｅｒ３０算出部２３−３に入力される（ステップＳ１０３）。
【００６２】
状態量設定値ＳＰ１は、制御装置のオペレータによって設定され、状態量設定値ＳＰ１入力部２１−１を介して状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”算出部２９−１と設定値変更時操作量検出部３０とに入力される（ステップＳ１０４）。状態量設定値ＳＰ２は、オペレータによって設定され、状態量設定値ＳＰ２入力部２１−２を介して状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”算出部２９−２と設定値変更時操作量検出部３０とに入力される（ステップＳ１０５）。状態量設定値ＳＰ３は、オペレータによって設定され、状態量設定値ＳＰ３入力部２１−３を介して状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”算出部２９−３と設定値変更時操作量検出部３０とに入力される（ステップＳ１０６）。
【００６３】
次に、設定値変更時操作量検出部３０は、状態量設定値ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３のうち少なくとも１つが変更された場合、この設定値が変更された制御ループｊの設定値変更直前の操作量ＭＶｊを取得する（ステップＳ１０７）。
操作量上下限余裕算出部３１は、設定値変更時操作量検出部３０において設定値変更が検出されたとき、所定の操作量上限値と操作量ＭＶｊとの差である操作量上限余裕ＲＨｊ、あるいは所定の操作量下限値と操作量ＭＶｊとの差である操作量下限余裕ＲＬｊを算出する（ステップＳ１０８）。
【００６４】
操作量上下限余裕算出部３１は、操作量ＭＶｊを大きな値に変更しなければならない場合（変更後の状態量設定値が変更前の状態量設定値より大きい場合）、操作量上限余裕ＲＨｊを次式により算出する。
ＲＨｊ＝ＯＨｊ−ＭＶｊ                                          ・・・（１２）
式（１２）において、ＯＨｊは制御ループｊの操作量上限値である。
【００６５】
また、操作量上下限余裕算出部３１は、操作量ＭＶｊを小さな値に変更しなければならない場合（変更後の状態量設定値が変更前の状態量設定値より小さい場合）、操作量下限余裕ＲＬｊを次式により算出する。
ＲＬｊ＝ＯＬｊ−ＭＶｊ                                          ・・・（１３）
式（１３）において、ＯＬｊは制御ループｊの操作量下限値である。
【００６６】
操作量変化推定部３２は、設定値変更時操作量検出部３０において設定値変更が検出されたとき、制御ループｊにおいて設定値に対するフィルタリング処理を実施せずにＰＩＤ制御演算を実行した場合に発生する１制御周期あたりの操作量変化分ΔＭＶｊを次式により推定する（ステップＳ１０９）。
ΔＭＶｊ＝（１００／Ｐｂｊ）｛１＋（１／Ｔｉｊｓ）＋Ｔｄｊｓ｝（ＳＰｊ
−ＰＶｊ）−ＭＶｊ                                    ・・・（１４）
式（１４）における伝達関数式（１００／Ｐｂｊ）｛１＋（１／Ｔｉｊｓ）＋Ｔｄｊｓ｝（ＳＰｊ−ＰＶｊ）は、制御ループｊのＰＩＤ制御演算式であり、Ｐｂｊは比例帯、Ｔｉｊは積分時間、Ｔｄｊは微分時間、ｓはラプラス演算子である。
【００６７】
フィルタリング時定数決定部３３は、設定値変更時操作量検出部３０において設定値変更が検出されたとき、フィルタリング時定数Ｔｆを決定し、このフィルタリング時定数Ｔｆを状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”算出部２９−１と状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”算出部２９−２と状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”算出部２９−３とに設定する（ステップＳ１１０）。
【００６８】
フィルタリング時定数決定部３３は、操作量ＭＶｊを大きな値に変更しなければならない場合、フィルタリング時定数の候補値Ｔｆｊを次式により算出する。
Ｔｆｊ＝αｊΔＭＶｊ／ＲＨｊ                                    ・・・（１５）
また、フィルタリング時定数決定部３３は、操作量ＭＶｊを小さな値に変更しなければならない場合、フィルタリング時定数の候補値Ｔｆｊを次式により算出する。
Ｔｆｊ＝αｊΔＭＶｊ／ＲＬｊ                                    ・・・（１６）
【００６９】
なお、状態量設定値が変更された制御ループｊは１つとは限らない。したがって、ステップＳ１０７〜Ｓ１０９の処理と式（１５）、式（１６）の算出とは、設定値が変更された制御ループｊの各々についてそれぞれ個別に行われる。
【００７０】
式（１５）、式（１６）で用いる比率αｊは、制御シミュレーションにより決定され、フィルタリング時定数決定部３３に予め設定されている。この制御シミュレーションでは、操作量上下限処理を行わずに、操作量ＭＶ＝０の初期状態から設定値ＳＰが変更されたときの制御ループｊの応答を求める。フィルタリング処理しないときに現れる操作量の最大値がＭＶａで、フィルタリング時定数を任意の値Ｔｆｘとしてフィルタリング処理したときの操作量の最大値がＭＶｂである場合、αｊ＝Ｔｆｘ（ＭＶｂ／ＭＶａ）のように決定すればよい。また、木目細かに修正したい場合は、ΔＭＶｊ／（ＯＨｊ−ＭＶｊ）あるいはΔＭＶｊ／（ＯＬｊ−ＭＶｊ）の値に応じた場合分けをし、各場合毎に比率αｊを設定すればよい。なお、ＰＩＤ制御演算部に設定されるＰＩＤパラメータの値により操作量ＭＶの値は変化し、また前述のとおり、状態量設定値が変更された制御ループｊは１つとは限らないのであるから、比率αｊを第１〜第３の制御ループ毎に予め用意しておく必要がある。
【００７１】
フィルタリング時定数決定部３３は、制御ループｊの各々について算出したフィルタリング時定数の候補値Ｔｆｊのうちの最大値をフィルタリング時定数Ｔｆとして決定し、このフィルタリング時定数Ｔｆを状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”算出部２９−１と状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”算出部２９−２と状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”算出部２９−３とに設定する。以上でステップＳ１１０の処理が終了する。
【００７２】
次に、状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”算出部２９−１は、状態量設定値ＳＰ１に対して次式の伝達関数式のような１次遅れフィルタリング処理を実行し、状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”を算出する（ステップＳ１１１）。
ＳＰ１”＝ＳＰ１／（１＋Ｔｆｓ）                                ・・・（１７）
【００７３】
状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”算出部２９−２は、状態量設定値ＳＰ２に対して次式の伝達関数式のような１次遅れフィルタリング処理を実行し、状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”を算出する（ステップＳ１１２）。
ＳＰ２”＝ＳＰ２／（１＋Ｔｆｓ）                                ・・・（１８）
【００７４】
状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”算出部２９−３は、状態量設定値ＳＰ３に対して次式の伝達関数式のような１次遅れフィルタリング処理を実行し、状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”を算出する（ステップＳ１１３）。
ＳＰ３”＝ＳＰ３／（１＋Ｔｆｓ）                                ・・・（１９）
【００７５】
続いて、制御偏差Ｅｒ１０算出部２３−１は、状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”と状態量計測値ＰＶ１との制御偏差Ｅｒ１０を次式のように算出して、制御偏差変換部２６に出力する（ステップＳ１１４）。
Ｅｒ１０＝ＳＰ１”−ＰＶ１                                      ・・・（２０）
【００７６】
制御偏差Ｅｒ２０算出部２３−２は、状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”と状態量計測値ＰＶ２との制御偏差Ｅｒ２０を次式のように算出して、制御偏差変換部２６に出力する（ステップＳ１１５）。
Ｅｒ２０＝ＳＰ２”−ＰＶ２                                      ・・・（２１）
【００７７】
制御偏差Ｅｒ３０算出部２３−３は、状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”と状態量計測値ＰＶ３との制御偏差Ｅｒ３０を次式のように算出して、制御偏差変換部２６に出力する（ステップＳ１１６）。
Ｅｒ３０＝ＳＰ３”−ＰＶ３                                      ・・・（２２）
【００７８】
制御偏差変換部２６は、式（２３）のように状態量変換行列Ｔにより制御偏差変換を実行して、相対制御偏差ΔＥｒ１，ΔＥｒ２と基準制御偏差Ｅｒｍとを算出し、相対制御偏差ΔＥｒ１，ΔＥｒ２をそれぞれ重み係数Ｗ１設定部２７−１、重み係数Ｗ２設定部２７−２に出力し、基準制御偏差Ｅｒｍを重み係数Ｗ３設定部２７−３に出力する（ステップＳ１１７）。予め設定された状態量変換行列Ｔは、式（２４）のようになる。
【００７９】
【数８】
2006221234.tif 000010
【００８０】
重み係数Ｗ１設定部２７−１は、予め設定された重み係数Ｗ１を相対制御偏差ΔＥｒ１に乗算して、この乗算結果を逆行列再変換部２８に出力する（ステップＳ１１８）。重み係数Ｗ２設定部２７−２は、予め設定された重み係数Ｗ２を相対制御偏差ΔＥｒ２に乗算して、この乗算結果を逆行列再変換部２８に出力する（ステップＳ１１９）。重み係数Ｗ３設定部２７−３は、予め設定された重み係数Ｗ３を基準制御偏差Ｅｒｍに乗算して、この乗算結果を逆行列再変換部２８に出力する（ステップＳ１２０）。
【００８１】
逆行列再変換部２８は、式（２５）のように状態量変換行列Ｔの逆行列Ｔ-1により逆行列再変換を実行し、制御偏差Ｅｒ１，Ｅｒ２，Ｅｒ３を算出してＰＩＤ制御演算部２５−１，２５−２，２５−３に出力する（ステップＳ１２１）。予め設定された逆行列Ｔ-1は、式（２６）のようになる。
【００８２】
【数９】
2006221234.tif 000011
【００８３】
次に、ＰＩＤ制御演算部２５−１は、次式の伝達関数式のようなＰＩＤ制御演算を行って操作量ＭＶ１を算出する（ステップＳ１２２）。
ＭＶ１＝（１００／Ｐｂ１）｛１＋（１／Ｔｉ１ｓ）＋Ｔｄ１ｓ｝Ｅｒ１
・・・（２７）
式（２７）において、Ｐｂ１は比例帯、Ｔｉ１は積分時間、Ｔｄ１は微分時間、ｓはラプラス演算子である。なお、ＰＩＤ制御演算部２５−１は、算出した操作量ＭＶ１がアクチュエータＡ１１の出力の下限値ＯＬ１より小さい場合、操作量ＭＶ１＝ＯＬ１とし、算出した操作量ＭＶ１がアクチュエータＡ１１の出力の上限値ＯＨ１より大きい場合、操作量ＭＶ１＝ＯＨ１とする操作量上下限処理を積分ワインドアップの対策として行う。
【００８４】
ＰＩＤ制御演算部２５−２は、次式の伝達関数式のようなＰＩＤ制御演算を行って操作量ＭＶ２を算出する（ステップＳ１２３）。
ＭＶ２＝（１００／Ｐｂ２）｛１＋（１／Ｔｉ２ｓ）＋Ｔｄ２ｓ｝Ｅｒ２
・・・（２８）
式（２８）において、Ｐｂ２は比例帯、Ｔｉ２は積分時間、Ｔｄ２は微分時間である。ＰＩＤ制御演算部２５−２は、算出した操作量ＭＶ２がアクチュエータＡ１２の出力の下限値ＯＬ２より小さい場合、操作量ＭＶ２＝ＯＬ２とし、算出した操作量ＭＶ２がアクチュエータＡ１２の出力の上限値ＯＨ２より大きい場合、操作量ＭＶ２＝ＯＨ２とする操作量上下限処理を積分ワインドアップの対策として行う。
【００８５】
ＰＩＤ制御演算部２５−３は、次式の伝達関数式のようなＰＩＤ制御演算を行って操作量ＭＶ３を算出する（ステップＳ１２４）。
ＭＶ３＝（１００／Ｐｂ３）｛１＋（１／Ｔｉ３ｓ）＋Ｔｄ３ｓ｝Ｅｒ３
・・・（２９）
式（２９）において、Ｐｂ３は比例帯、Ｔｉ３は積分時間、Ｔｄ３は微分時間である。ＰＩＤ制御演算部２５−３は、算出した操作量ＭＶ３がアクチュエータＡ１３の出力の下限値ＯＬ３より小さい場合、操作量ＭＶ３＝ＯＬ３とし、算出した操作量ＭＶ３がアクチュエータＡ１３の出力の上限値ＯＨ３より大きい場合、操作量ＭＶ３＝ＯＨ３とする操作量上下限処理を積分ワインドアップの対策として行う。
【００８６】
操作量ＭＶ１出力部２４−１は、ＰＩＤ制御演算部２５−１によって算出された操作量ＭＶ１をアクチュエータＡ１１に出力する（ステップＳ１２５）。アクチュエータＡ１１は、操作量ＭＶ１に基づいて第１の状態量を制御するために動作する。
操作量ＭＶ２出力部２４−２は、ＰＩＤ制御演算部２５−２によって算出された操作量ＭＶ２をアクチュエータＡ１２に出力する（ステップＳ１２６）。アクチュエータＡ１２は、操作量ＭＶ２に基づいて第２の状態量を制御するために動作する。
操作量ＭＶ３出力部２４−３は、ＰＩＤ制御演算部２５−３によって算出された操作量ＭＶ３をアクチュエータＡ１３に出力する（ステップＳ１２７）。アクチュエータＡ１３は、操作量ＭＶ３に基づいて第３の状態量を制御するために動作する。
【００８７】
以上のようなステップＳ１０１〜Ｓ１２７の処理が例えばオペレータによって制御の終了が指示されるまで（ステップＳ１２８においてＹＥＳ）、制御周期毎に繰り返し実行される。
【００８８】
図７は、本実施の形態の制御装置のシミュレーション結果を示す図である。図７（ａ）は、図１の制御装置にＳＰ１＝ＳＰ２＝ＳＰ３＝３０％のステップ入力が加わったときの制御応答を示し、図７（ｂ）は、このステップ入力時に制御装置から出力される操作量ＭＶ１，ＭＶ２，ＭＶ３を示している。シミュレーションの条件は以下の通りである。
【００８９】
まず、アクチュエータＡ１１とプロセスＰ１１とを含むブロックの伝達関数Ｇｐ１１、アクチュエータＡ１２とプロセスＰ１２とを含むブロックの伝達関数Ｇｐ１２、アクチュエータＡ１３とプロセスＰ１３とを含むブロックの伝達関数Ｇｐ１３を次式のように設定する。ここでは、制御ループ間の干渉はないものとする。
Ｇｐ１１＝０．３４３ｅｘｐ（−２．０ｓ）
／｛（１＋７０．０ｓ）（１＋１０．０ｓ）｝            ・・・（３０）
Ｇｐ１２＝０．８００ｅｘｐ（−２．０ｓ）
／｛（１＋６０．０ｓ）（１＋１０．０ｓ）｝            ・・・（３１）
Ｇｐ１３＝０．３０８ｅｘｐ（−２．０ｓ）
／｛（１＋５０．０ｓ）（１＋１０．０ｓ）｝            ・・・（３２）
【００９０】
ＰＩＤ制御演算部２５−１の操作量下限値ＯＬ１を０％、上限値ＯＨ１を１００％とし、ＰＩＤ制御演算部２５−２の操作量下限値ＯＬ２を０％、上限値ＯＨ２を１００％とし、ＰＩＤ制御演算部２５−３の操作量下限値ＯＬ３を０％、上限値ＯＨ３を１００％とする。操作量ＭＶ１，ＭＶ２，ＭＶ３に応じて状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３は、次式のように定まる。
ＰＶ１＝Ｇｐ１１ＭＶ１                                          ・・・（３３）
ＰＶ２＝Ｇｐ１２ＭＶ２                                          ・・・（３４）
ＰＶ３＝Ｇｐ１３ＭＶ３                                          ・・・（３５）
【００９１】
ＰＩＤ制御演算部２５−１のＰＩＤパラメータである比例帯Ｐｂ１を１４．３、積分時間Ｔｉ１を３５．０、微分時間Ｔｄ１を２０．０とし、ＰＩＤ制御演算部２５−２のＰＩＤパラメータである比例帯Ｐｂ２を１３．３、積分時間Ｔｉ２を３５．０、微分時間Ｔｄ２を２０．０とし、ＰＩＤ制御演算部２５−３のＰＩＤパラメータである比例帯Ｐｂ３を１５．４、積分時間Ｔｉ３を３５．０、微分時間Ｔｄ３を２０．０とする。また、重み係数Ｗ１，Ｗ２をそれぞれ４．０とし、重み係数Ｗ３を０．７とし、比率αｊを１０．０とする。この結果、フィルタリング時定数決定部３３で算出されるフィルタリング時定数Ｔｆは約７５秒となる。
【００９２】
図７（ｂ）から分かるように、本実施の形態によれば、操作量ＭＶ１，ＭＶ２，ＭＶ３が上限値１００％を大きく超えるような状況は生じておらず、操作量飽和を緩和できることが分かる。その結果、本実施の形態では、図７（ａ）に示すように、制御ループ間の状態量差を小さくするという効果が損なわれることを回避でき、図７（ａ）に示すように状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３を概ね一致させることができる。
【００９３】
なお、本実施の形態で説明した制御装置は、演算装置、記憶装置およ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。
【００９４】
また、本実施の形態では、図２の構成に基づく制御装置について説明したが、前述のとおり本発明は図１の構成にも適用可能である。この場合、制御装置は、状態量変換部１と、制御偏差算出部２−１〜２−ｎと、重み係数設定部３と、逆行列再変換部４と、再変換されたｎ個の制御偏差に基づき各制御ループの操作量を算出して、算出したｎ個の操作量をそれぞれ対応する制御ループの制御対象に出力する制御演算部とを有する。これにより、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、プロセス制御技術に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の原理を示す制御系のブロック線図である。
【図２】本発明の原理を示す別の制御系のブロック線図である。
【図３】先行出願の制御装置の問題点を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態となる制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態における制御系のブロック線図である。
【図６】本発明の実施の形態における制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態における制御装置の動作のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】従来の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図９】従来の他の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】状態量平均値と状態量差とを制御対象とする従来の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】クロスコントローラを用いた従来の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】図１１のクロスコントローラを図１０の制御装置に適用した構成を示すブロック図である。
【図１３】従来のパラメータ調整について説明するための図である。
【符号の説明】
【００９７】
２３−１…制御偏差Ｅｒ１０算出部、２３−２…制御偏差Ｅｒ２０算出部、２３−３…制御偏差Ｅｒ３０算出部、２５−１、２５−２、２５−３…ＰＩＤ制御演算部、２６…制御偏差変換部、２７−１…重み係数Ｗ１設定部、２７−２…重み係数Ｗ２設定部、２７−３…重み係数Ｗ３設定部、２８…逆行列再変換部、２９−１…状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”算出部、２９−２…状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”算出部、２９−３…状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”算出部、３０…設定値変更時操作量検出部、３１…操作量上下限余裕算出部、３２…操作量変化推定部、３３…フィルタリング時定数決定部。
【図１】
2006221234.tif 000012
【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】
2006221234.tif 000018
【図８】
2006221234.tif 000019
【図９】
2006221234.tif 000020
【図１０】
2006221234.tif 000021
【図１１】
2006221234.tif 000022
【図１２】
2006221234.tif 000023
【図１３】
2006221234.tif 000024