(57)【要約】【課題】被調整液に対し最適な量のｐＨ調整剤を注入することができるｐＨ制御システムを提供する。【解決手段】  制御槽内の被調整液にｐＨ調整剤を注入することにより前記被調整液のｐＨを制御するｐＨ制御システムにおいて、  前記制御槽の物理化学モデル情報を保持するモデル情報保持部と、  前記被調整液の状態または前記ｐＨ調整剤の注入量の少なくともいずれかを評価する評価関数を保持する評価関数保持部と、  前記被調整液のｐＨ値と前記物理化学モデル情報と前記評価関数とに基づいて、前記評価関数の計算結果を最適化する前記ｐＨ調整剤の注入量を求める演算部と、  を備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御槽内の被調整液にｐＨ調整剤を注入することにより前記被調整液のｐＨを制御するｐＨ制御システムにおいて、
前記制御槽の物理化学モデル情報を保持するモデル情報保持部と、
前記被調整液の状態または前記ｐＨ調整剤の注入量の少なくともいずれかを評価する評価関数を保持する評価関数保持部と、
前記被調整液のｐＨ値と前記物理化学モデル情報と前記評価関数とに基づいて、前記ｐＨ調整剤の最適な注入量を求める演算部と、
を備えることを特徴とするｐＨ制御システム。
【請求項２】
前記演算部が前記ｐＨ調整剤の最適な注入量を求める計算を行う際に与えられる制約条件を保持する制約条件保持部を備えることを特徴とする請求項１に記載のｐＨ制御システム。
【請求項３】
前記演算部が求めた前記ｐＨ調整剤の注入量を補正する入力補正部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のｐＨ制御システム。
【請求項４】
前記モデル情報保持部は、前記制御槽の大きさ、前記制御槽の形状、前記制御槽の体積、前記被調整液の種類、前記ｐＨ調整剤の種類、前記被調整液と前記ｐＨ調整剤との間で生じる化学平衡、前記被調整液と前記ｐＨ調整剤との間で生じる電気平衡の少なくともいずれかに基づいて生成された前記物理化学モデル情報を保持することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のｐＨ制御システム。
【請求項５】
前記被調整液のｐＨと前記被調整液に与えられるｐＨ調整剤の注入量に基づいて、前記モデル情報保持部に保持された前記モデル情報を補正するモデル情報補正部を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のｐＨ制御システム。
【請求項６】
前記被調整液をｐＨ７に制御して中和させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のｐＨ制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御槽内の被調整液にｐＨ調整剤を注入することにより被調整液のｐＨを制御するｐＨ制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被調整液のｐＨを制御するｐＨ制御システムの一例として、被調整液に中和剤（酸性またはアルカリ性液体）を混合し被調整液の中和を行う液体中和装置が知られている。
【０００３】
図３は従来の液体中和装置の一例を示す図である。図３に示す液体中和装置において、液体中和槽１におけるｐＨ値をｐＨセンサ（図示せず）で逐次計測し、これよりファジィ予測器２０１において規範滴定カーブの候補の中から現在のｐＨ値に対応する適切な滴定カーブモデルｆ（２０２）をファジィ推論により予測する。ファジィ仮想目標発生器２０３は、この滴定カーブモデルｆから次の目標ｐＨ値のための補正量をファジィ推論により決め、目標ｐＨ値を入力とした滴定カーブ逆モデルｆ−１（２０４）から中和剤の注入量ｕを決定する。
【０００４】
下記特許文献１には、上記のような液体中和装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０５−３０９３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
注入量ｕの変化が少しであっても、被調整液のｐＨ値は大きく変化してしまうことがある。特に中和制御においては、中和点付近での注入量ｕの決定は非常に繊細な作業であり、元来より制御しにくい対象である。
【０００７】
そこで、経験則を取り入れたファジィ制御が利用されることがある。しかしながら、ファジィ制御では注入量ｕの決定にあいまいさを残すため、被調整液のｐＨ値が目標ｐＨ値を挟んでオーバーシュートやアンダーシュートを繰り返し、目標ｐＨ値に収束しない、あるいは、目標ｐＨ値に収束するまでに長時間かかってしまう場合があり、ｐＨ調整剤の使用量が増え、コストが増加してしまう。
【０００８】
本発明は、従来の問題をなくし、被調整液に対し最適な量のｐＨ調整剤を注入することができるｐＨ制御システム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】
【０００９】
このような課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
制御槽内の被調整液にｐＨ調整剤を注入することにより前記被調整液のｐＨを制御するｐＨ制御システムにおいて、
前記制御槽の物理化学モデル情報を保持するモデル情報保持部と、
前記被調整液の状態または前記ｐＨ調整剤の注入量の少なくともいずれかを評価する評価関数を保持する評価関数保持部と、
前記被調整液のｐＨ値と前記物理化学モデル情報と前記評価関数とに基づいて、前記ｐＨ調整剤の最適な注入量を求める演算部と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載のｐＨ制御システムにおいて、
前記演算部が前記ｐＨ調整剤の最適な注入量を求める計算を行う際に与えられる制約条件を保持する制約条件保持部を備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、
請求項１または２に記載のｐＨ制御システムにおいて、
前記演算部が求めた前記ｐＨ調整剤の注入量を補正する入力補正部を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載のｐＨ制御システムにおいて、
前記モデル情報保持部は、前記制御槽の大きさ、前記制御槽の形状、前記制御槽の体積、前記被調整液の種類、前記ｐＨ調整剤の種類、前記被調整液と前記ｐＨ調整剤との間で生じる化学平衡、前記被調整液と前記ｐＨ調整剤との間で生じる電気平衡の少なくともいずれかに基づいて生成された前記物理化学モデル情報を保持することを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、
請求項１〜４のいずれかに記載のｐＨ制御システムにおいて、
前記被調整液のｐＨと前記被調整液に与えられるｐＨ調整剤の注入量に基づいて、前記モデル情報保持部に保持された前記モデル情報を補正するモデル情報補正部を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、
請求項１〜５のいずれかに記載のｐＨ制御システムにおいて、
前記被調整液をｐＨ７に制御して中和させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、
制御槽の物理化学モデル情報を保持するモデル情報保持部と、被調整液の状態または前記ｐＨ調整剤の注入量の少なくともいずれかを評価する評価関数を保持する評価関数保持部と、前記被調整液のｐＨ値と前記物理化学モデル情報と前記評価関数とに基づいて、前記ｐＨ調整剤の最適な注入量を求める演算部とを備えるため、
ファジィ推論によるあいまいさが排除され、また、ｐＨ調整剤の注入量の決定にあたり制御槽の物理化学モデルをも考慮するため、被調整液に対し最適な量のｐＨ調整剤を注入することができるｐＨ制御システムを提供できる。
【００１６】
被調整液に注入するｐＨ調整剤の最適量を算出できるようになることにより、被調整液が目標ｐＨ値になるまでに注入するｐＨ調整剤の量を少なくでき、その結果、被調整液が目標ｐＨ値に達するまでに要する時間およびコストを最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のｐＨ制御システムの一実施例として、本発明のｐＨ制御システムを用いた液体中和装置の一例を示す図である。
【図２】図１の液体中和装置のｐＨ制御の一例を示す図である。
【図３】従来の液体中和装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明のｐＨ制御システムの一実施例として、本発明のｐＨ制御システムを用いた液体中和装置の一例を示す図である。
【００１９】
本実施例の液体中和装置は、被調整液を収容した液体中和槽１と、液体中和槽１内の被調整液の中和制御を行うｐＨ制御システム２とを備えている。ｐＨ制御システム２は、被調整液の目標ｐＨ値をｐＨ７に設定し、被調整液がこの目標値に近づくように被調整液に混合する中和剤（酸性またはアルカリ性液体）を制御することにより、被調整液の中和を行う。
【００２０】
ｐＨ制御システム２は、液体中和槽１の物理化学モデル情報を保持するモデル情報保持部２０と、被調整液の状態と中和剤の注入量ｕを評価する評価関数Ｆを保持する評価関数保持部２１と、混合する中和剤の注入量ｕを算出する際の制約条件を保持する制約条件保持部２２と、中和剤の注入量ｕを算出する演算部２３と、演算部２３が算出した注入量ｕの補正値を生成する入力補正部２４と、演算部２３が算出した注入量ｕに入力補正部２４の補正値を加える加算器２５と、モデル情報保持部２０が保持する物理化学モデル情報を補正するモデル情報補正部２６とを備えている。
【００２１】
液体中和槽１には中和剤に接続された図示しないバルブが備えられており、注入量ｕに応じてこのバルブの開度が調整される。また、被調整液の現在のｐＨ値は図示しないｐＨ計により測定され、ｐＨ制御装置２にフィードバックされる。
【００２２】
モデル情報保持部２０は、液体中和槽１の物理化学モデル情報を保持するとともに、その物理化学モデル情報を演算部２３に供給する。物理化学モデルは、液体中和槽１の物理的な大きさ、形状、体積に基づく物理モデルと、液体中和槽１内で生じる被調整液と中和剤との間の化学反応、化学平衡、電気的平衡に基づく化学モデルとに基づいて生成される。
【００２３】
モデル情報保持部２０は、被調整液および中和剤の種類に応じて適切な物理化学モデルを演算部２３に伝達する。
【００２４】
評価関数保持部２１は、被調整液の状態と中和剤の注入量ｕを評価するための評価関数Ｆの関数の形状を保持するとともに、その評価関数を演算部２３に伝達する。
【００２５】
評価関数Ｆの具体的形態は種々考えられるが、たとえば
2011240298.tif 000003
（ｔ：中和制御開始からの時間）
である。
【００２６】
演算部２３は、被調整液の現在のｐＨ値から評価関数Ｆを計算し、左辺Ｊが最小値（最適値）となるような注入量ｕを求める。
すなわち、式（１）においてＪが最小値となるような注入量ｕの計算を行うことで、被調整液のｐＨ値を目標ｐＨ値に近づけるとともに、被調整液がそのｐＨ値に至るまでに使用する中和剤の量が最小となるための最適な注入量ｕが得られる。また、Ｊは時間の関数にもなっているため、Ｊを最小値とすることにより中和制御開始から中和に至るまでの時間も最小にできる。
【００２７】
なお、演算部２３は、注入量ｕの算出にあたり、モデル情報保持部２０から供給される液体中和槽１の物理化学モデル情報を考慮する。
【００２８】
また、演算部２３は、注入量ｕの算出にあたり、制約条件２２から供給される制約条件を考慮する。制約条件の具体例としては、バルブの限界開度がある。演算部２３は、限界開度に相当する値を注入量ｕの上限値として、注入量ｕを算出する。
【００２９】
なお、算出された注入量ｕは、演算部２３の計算誤差が含まれたものとなっている。また、液体中和槽１に入力される中和剤の注入量は実際には電気信号で与えられるため、注入量ｕはこの電気信号に乗るノイズの影響を受けたものとなっている。また、注入量ｕは、液体中和槽１のバルブの外乱（バルブの開度と与えられた電気信号との非線形性、バルブの固着など）の影響を受けたものとなっている。さらに、注入量ｕは、液体中和槽１のｐＨ観測値に乗るノイズの影響を受けたものとなっている。そのため、注入量ｕをそのまま中和剤の制御に用いても被調整液のｐＨ値が目標ｐＨ値に収束しない場合がある。
【００３０】
そこで、入力補正部２４にて演算部２３の計算誤差や液体中和槽１の入出力ノイズなどをキャンセルするような補正値を求め、その補正値を加算器２５にて注入量ｕに加算し、補正後の注入量ｕ’を液体中和槽１に供給して中和剤の制御に用いる。これにより、注入量ｕから演算部２３の計算誤差や液体中和槽１の入出力ノイズなどを除去することができ、被調整液のｐＨ制御の精度を向上させることができる。
【００３１】
注入量ｕの補正値は、入力補正部２４で生成され、加算器２５に出力される。入力補正部２４は、注入量ｕ’と被調整液のｐＨ値が入力され、これらに基づいて演算部２３の計算誤差やシステムに起因するノイズ求め、注入量ｕの補正値を決定する。
【００３２】
また、モデル情報保持部２０が保持する物理化学モデル情報には、物理化学モデルを生成する際のモデル化誤差が存在する場合がある。また、液体中和槽１の経年劣化や季節ごとの被調整液の温度変化など、様々な要因により生成した物理化学モデルに経時変化が生じる場合がある。
【００３３】
そこで、モデル情報補正部２６は、注入量ｕ’と被調整液のｐＨ値に基づいて、モデル情報保持部２０が保持する物理化学モデル情報を適宜補正し、物理化学モデル情報を常に最適な状態に維持する。これにより、演算部２３において、注入量ｕを算出する際に使用する物理化学モデルがモデル化誤差や経時変化に対応したものとなり、注入量ｕの算出精度を向上させることができる。
【００３４】
図２は図１の液体中和装置のｐＨ制御の一例を示す図であり、図２の（ａ）は被調整液のｐＨ値の時間変化、図２の（ｂ）は注入量ｕ’の時間変化を示したものである。
【００３５】
図２の（ａ）は縦軸にｐＨ値、横軸に時間をとる。図２の（ａ）において、実線は被調整液のｐＨ値、一点鎖線は目標ｐＨ値であるｐＨ７（中性）である。
図２の（ｂ）は縦軸に注入量、横軸に時間をとる。図２の（ｂ）において、実線は注入量ｕ’の値、一点鎖線は注入量ｕの上限値を示している。
【００３６】
図２の（ｂ）において、中和制御開始（時刻０）から６〜７秒程度、注入量ｕ’は上限値に近い値に設定され、この間液体中和装置１の図示しない中和剤のバルブは全開に近い状態に制御され、中和剤が被調整液に与えられる。その後注入量ｕ’の値が抑えられ、これに応じて中和剤のバルブの開度も抑えられる。
【００３７】
中和剤が被調整液に与えられることにより、図２の（ａ）に示すように、被調整液のｐＨ値はｐＨ７に近づいていく。そしてその後大きなオーバーシュートやアンダーシュートを発生させることなく、ｐＨ７に収束していく。
【００３８】
本実施例は以上のように構成され、
液体中和槽１の物理化学モデル情報を保持するモデル情報保持部２０と、被調整液の状態または中和剤の注入量の少なくともいずれかを評価する評価関数Ｆを保持する評価関数保持部２１と、被調整液のｐＨ値と液体中和槽１の物理化学モデル情報と評価関数Ｆとに基づいて、中和剤の最適な注入量を求める演算部２３とを備えるため、
ファジィ推論によるあいまいさが排除され、また、中和剤の注入量の決定にあたり液体中和槽１の物理化学モデルをも考慮するため、被調整液に対し最適な量の中和剤を注入することができるｐＨ制御システム２を提供できる。
【００３９】
被調整液に注入する中和剤の最適量を算出できるようになることにより、被調整液が目標ｐＨ値になるまでに注入する中和剤の量を少なくでき、その結果、被調整液が目標ｐＨ値に達するまでに要する時間およびコストを最小限に抑えることができる。
【００４０】
なお、本実施例では、制約条件保持部２２、モデル情報補正部２６、入力補正部２４を備えた構成について説明したが、これらのブロックはｐＨ制御システムのアプリケーションに応じて選択的に着脱できるように構成されていてもよい。
【００４１】
また、本実施例では、モデル情報保持部２０が保持する物理化学モデルは、液体中和槽１の物理的な大きさ、形状、体積に基づく物理モデルと、液体中和槽１内で生じる被調整液と中和剤との間の化学反応、化学平衡、電気的平衡に基づく化学モデルとに基づいて生成されたが、これらの要素のすべてに基づいて物理化学モデルを生成するのではなく、選択的に組み合わせて物理化学モデルを生成してもよい。また、いずれかひとつの要素のみに基づいて物理化学モデルを生成してもよい。
【００４２】
また、本実施例では、評価関数Ｆとして被調整液のｐＨ値とｐＨ調整剤の注入量ｕの関数を用いるとともに、この評価関数Ｆを最適化するにあたり、評価関数Ｆの左辺Ｊが最小値となるような計算を行った。しかし、評価関数Ｆはこれに限らず、たとえば注入量ｕにかかるコストを考慮に入れた利益の関数とすることも考えられる。この場合には、評価関数Ｆを最適化するにあたっては、左辺Ｊが最大値となるような計算を行う。
【００４３】
また、本実施例では、本発明のｐＨ制御システムを用いた液体中和装置について記載したが、目標ｐＨ値をいくつに設定するかによって中和制御以外にも適用できる。
【００４４】
ｐＨ制御システムのアプリケーションとしては、たとえば、排水のｐＨ制御や、半導体用の純水製造装置などがある。
【００４５】
なお、本実施例における中和剤は特許請求の範囲におけるｐＨ調整剤に相当し、液体中和槽１は制御槽に相当する。
【符号の説明】
【００４６】
１      液体中和槽
２      ｐＨ制御システム
２０    モデル情報保持部
２１    評価関数保持部
２２    制約条件保持部
２３    演算部
２４    入力補正部
２６    モデル情報補正部
ｕ，ｕ’  注入量
【図１】
2011240298.tif 000004
【図３】
2011240298.tif 000005
【図２】
2011240298.tif 000006