(57)【要約】【課題】過去の運転結果に基づいて、外乱発生有無によらず、精度の高い安定した定量供給を行うことができる粉粒体の定量供給システムの提供。【解決手段】過去の運転によって得られた荷重毎の操作量と排出流量の関係に基づいて、フィーダ１のモデルを作成するモデル作成部１４と、モデル作成部１４で作成されたモデルと、予め設定された最終目標流量と目標流量収束時間とに基づいて作成された参照軌道とにより、モデルから出力される排出流量が、参照軌道を実現するように、操作量を予測する操作量予測演算部１５と、流量検出部１１から検出された排出流量と、排出流量が検出された時間における参照軌道上の流量値との偏差が略ゼロとなるように、操作量予測演算部１５で予測された操作量の補正を行う操作量補正部１７とを備える。【選択図】図２
2008273634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉粒体を充填するホッパと、前記ホッパに取付けられ前記粉粒体を排出するフィーダと、前記フィーダを駆動する駆動部と、前記ホッパの下部に設けられ前記ホッパ内の粉粒体の荷重を計測する荷重検出部と、前記粉粒体の排出流量が略一定となるように前記駆動部に操作量を供給する制御部と、前記排出流量を検出する流量検出部とを備えた定量供給システムにおいて、
前記制御部は、
過去の運転によって得られた前記荷重毎の操作量と排出流量の関係に基づいて、前記フィーダのモデルを作成するモデル作成部と、
前記モデル作成部で作成されたモデルと、予め設定された最終目標流量と目標流量収束時間とに基づいて作成された目標参照軌道とにより、前記モデルから出力される前記排出流量が、前記参照軌道を実現するように、前記操作量を予測する操作量予測演算部と、
前記流量検出部から検出された排出流量と、前記排出流量が検出された時間における参照軌道上の流量値との偏差が略ゼロとなるように、前記操作量予測演算部で予測された操作量の補正を行う操作量補正部とを、備える目標参照軌道制御方式
を特徴とする定量供給システム。
【請求項２】
前記定量供給システムは、
前記粉粒体排出の実運転に先立ち、粉粒体が前記ホッパに満載された状態を荷重１００％として複数の荷重比率を設定し、荷重を荷重１００％から順次、降下させていく過程で、各荷重比率において、所定の操作量を前記駆動部に供給して試運転を行う試運転制御部を備え、
前記モデル作成部は、前記試運転結果に基づいて、前記フィーダのモデルを作成する
ことを特徴とする請求項１に記載の定量供給システム。
【請求項３】
前記制御部は、
前記ホッパ内に粉粒体を補給する際の操作量を、１ターン前の粉粒体満載時から補給に至るまでの操作量の履歴を参照して演算するフィードフォワード演算部を備える
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の定量供給システム。
【請求項４】
前記制御部は、更に
前記目標参照軌道制御方式による操作量予測演算部と、前記ホッパ内に粉粒体を補給する際の操作量を、１ターン前の粉粒体満載時から補給に至るまでの操作量の履歴を参照して演算するフィードフォワード演算部とを、少なくとも前記ホッパ内の粉粒体の荷重計測値に応じて切替える操作量切替判断部を備える
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の定量供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、迅速かつ正確に粉粒体の切り出しを行うことができる粉粒体の定量供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、振動フィーダを用いた粉粒体排出装置において、薬剤や顔料等の粉粒体を一定流量で排出する際には、ミリグラム単位で非常に正確な排出を必要とする。
【０００３】
ここで一般的な粉粒体排出装置は、内部に材料（粉粒体）を充填するホッパに振動フィーダ（電磁力により加振するものが一般的）が取付けられており、ホッパ及び振動フィーダを、電子天秤等の荷重測定装置（例えばロードセル）上に設置したものである。そして、振動フィーダを制御して、ホッパから粉粒体を排出させ、荷重測定装置により測定された粉粒体の荷重から、予め設定してある排出量まで粉粒体充填量が低下した際に振動フィーダを停止させるという作業を繰り返すことによって、所定量の粉粒体を排出する。
【０００４】
粉粒体の供給量の制御方法、すなわち、振動フィーダの制御方法としては、特許文献１等に記載されているように、設定流量（目標流量とも言う）と、実際に流れる流量とを比較して、これらが常に一致するようにするフィードバック制御、その中でも、比例制御（Ｐ）・積分制御（Ｉ）・微分制御（Ｄ）からなるＰＩＤ制御が一般的である。この他、特許文献２に記載されているように、複数の異なる振動周波数毎に、荷重と流速の関係を予め記憶しておき、この関係に基づいて、一定の流速を保持するように各荷重において、設定流速に対応した振動周波数を順次選択する方法もある。
【０００５】
しかし、このような制御方法を採用した定量供給システムには、以下に説明する技術的な課題があった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２６６１６４号公報
【特許文献２】特公平３−７８３２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１等に開示されているフィードバック制御、特にＰＩＤ制御は、制御パラメータＬ（ムダ時間）、Ｔ（一次遅れ時定数）、Ｋ（プロセスゲイン）の設定に熟練を要し、これらのパラメータの設定が最適化されなければ、精密な定量供給ができない。また、外乱発生時にも、実際の流量をフィードバックして、パラメータ設定に反映させてしまうため、制御が乱れるという問題がある。
【０００８】
特許文献２に開示されている制御は、荷重に応じて、振動周波数を切り換える際に、流速が急激に変化し、流量が乱れるので、精密な制御が行えないという問題がある。流量の乱れを最小限に抑えるためには、試運転時に出来るだけ多くの振動周波数について荷重と流速の関係を記憶すればよいが、振動周波数を何回も変えて試運転を行うのは、大変な労力と時間を要し、効率的ではない。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、過去の運転結果に基づいて、外乱発生有無によらず、精度の高い安定した定量供給を行うことができる粉粒体の定量供給システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明にかかる粉粒体の定量供給システムは、粉粒体を充填するホッパと、前記ホッパに取付けられ前記粉粒体を排出するフィーダと、前記フィーダを駆動する駆動部と、前記ホッパの下部に設けられ前記ホッパ内の粉粒体の荷重を計測する荷重検出部と、前記粉粒体の排出流量が略一定となるように前記駆動部に操作量を供給する制御部と、前記排出流量を検出する流量検出部とを備えた定量供給システムにおいて、前記制御部は、過去の運転によって得られた前記荷重毎の操作量と排出流量の関係に基づいて、前記フィーダのモデルを作成するモデル作成部と、前記モデル作成部で作成されたモデルと、予め設定された最終目標流量と目標流量収束時間とに基づいて作成された目標参照軌道とにより、前記モデルから出力される前記排出流量が、前記参照軌道を実現するように、前記操作量を予測する操作量予測演算部と、前記流量検出部から検出された排出流量と、前記排出流量が検出された時間における参照軌道上の流量値との偏差が略ゼロとなるように、前記操作量予測演算部で予測された操作量の補正を行う操作量補正部とを備えることにより目標参照軌道制御方式を実現している。
【００１１】
このような構成の定量供給システムによれば、過去の運転結果に基づいて、荷重毎の流量と操作量の関係を求め、制御対象であるフィーダのモデル化を行うことによって、ユーザは、目標流量と、目標流量収束時間を設定するだけで、操作量を予測することが出来る。更に、実運転開始後、実際の流量と参照軌道の偏差に基づいて、実際の流量が、より参照軌道に近づくよう、予測した操作量を補正するので、従来のＰＩＤ制御方法と比較して、参照軌道への追従性がよくなる。
【００１２】
また、前記定量供給システムは、前記粉粒体排出の実運転に先立ち、粉粒体が前記ホッパに満載された状態を荷重１００％として複数の荷重比率を設定し、荷重を１００％から順次、降下させていく過程で、各荷重比率において、所定の操作量を前記駆動部に供給して試運転を行う試運転制御部を備え、前記モデル作成部は、前記試運転結果に基づいて、前記フィーダのモデルを作成するものであってもよい。
【００１３】
このような構成によれば、モデル作成のための運転データの記憶は、粉粒体を何度も補給して試験をする必要がなく、粉粒体を満載時から徐々に減少させていく過程で１度に行えるので、効率的である。
【００１４】
前記制御部は、前記ホッパ内に粉粒体を補給する際の前記操作量を、１ターン前の粉粒体満載時から補給に至るまでの操作量の履歴を参照して演算するフィードフォワード演算部を備えるようにしてもよい。
【００１５】
また、  前記制御部は、更に前記目標参照軌道制御方式による操作量予測演算部と、前記ホッパ内に粉粒体を補給する際の操作量を、１ターン前の粉粒体満載時から補給に至るまでの操作量の履歴を参照して演算するフィードフォワード演算部とを、少なくとも前記ホッパ内の粉粒体の荷重計測値に応じて切替える操作量切替判断部を備えるようにしてもよい。
【００１６】
このような構成によれば、例えば前記ホッパ内に粉粒体を補給するような粉粒流荷重が大きく変動するような体原料補給時は、検出流量によらないフィードフォワード演算が行うことにより、フィードバックとフィードフォワードを適宜組合せることにより、操作量や流量の乱れやすい原料補給時や外乱発生時でも、操作量や流量が乱れることがなく、常に安定した定量供給を行うことが出来る。
【発明の効果】
【００１７】
本発明にかかる定量供給システムによれば、過去の運転結果に基づいて、荷重毎の流量と操作量の関係を求め、制御対象であるフィーダのモデル化を行うことによって、ユーザは、目標流量と、目標流量収束時間を設定するだけで、操作量を予測することが出来る。更に、実運転開始後、実際の流量と参照軌道の偏差に基づいて、実際の流量が、より参照軌道に近づくよう、予測した操作量を補正するので、従来のＰＩＤ制御方法と比較して、参照軌道への追従性がよくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。本実施例の定量供給システム１は、図１に示すように、制御対象（重量式フィーダ１）と、制御対象を制御する制御部１０と、制御部１０からアクセス可能な各種の記憶部２０とから構成される。
【００１９】
本実施例の制御対象である重量式フィーダ１は、図１に示すように、主として、原料（以下、実施例においては粉粒体）を充填するホッパ２、ホッパ２に取付けられた振動フィーダ３、振動フィーダ３を駆動する電磁駆動部４（図示せず）、ホッパ２の下部に設けられホッパ２内の粉粒体の荷重を計測するロードセル５により構成される。この重量式フィーダ１は、制御部１０から出力された操作量ＭＶが、電磁駆動部４に入力されて、振動フィーダ３を振動させ、振動フィーダ３を介してホッパ２内の粉粒体を、略一定流量となるように排出供給するものである。ロードセル５の出力は、流量（単位時間当たりの粉粒体排出量）に換算されて、制御量（流量）ＰＶとして制御部１０に入力される。そして、当該制御量ＰＶに基づいて、粉粒体の流量が略一定となるようにリアルタイムで操作量ＭＶが算出され、再び電磁駆動部４に供給される。
【００２０】
尚、以下においては、制御対象は重量式フィーダ１である場合の例を説明するが、本発明の定量供給システムは、本実施例の重量式フィーダ１に限らず、その他のフィーダ、例えば容量式フィーダにも適用可能である。また、ホッパの形状はどのようなものであってもよい。フィーダは振動フィーダに限らず、また駆動方式も、電磁駆動方式に限らず、ベルト式、モータースクリュー回転式、螺旋状ロッドのオーガー式、回転円板で粉体をかき落すディスク式等でもよい。荷重検出装置は、ロードセル５以外の荷重検出装置が採用されても構わない。また荷重検出方式は、電磁平衡式、容量式等いずれのものでも構わない。また、ロードセル５の出力値から流速への換算は、制御部１０で行われる場合もあり、また、ディジタルの制御量ＰＶをアナログ信号に変換するＤＡ変換器や、アナログのロードセル５の出力値をディジタル信号に変換するＡＤ変換器は、振動フィーダ内に設けられていてもよいし、制御部１０内に設けられていてもよい。また、本実施例の制御方式は、荷重検出装置で、ホッパと振動フィーダ全体のか重量を計り、原料排出による重量軽減率を計算して供給量を制御するロスインウェイト方式であるが、それ以外の制御方式であってもよい。
【００２１】
制御部１０は、重量式フィーダ１から制御量ＰＶを入力し、入力された制御量ＰＶに基づいて操作量ＭＶを演算し、重量式フィーダ１に出力供給する手段であるが、具体的には、図２に示すように、流量検出部１１、荷重検出部１２、試運転制御部１３、モデル作成部１４、操作量予測演算部１５、実運転制御部１６、操作量補正部１７、操作量切換判断部１８、ＦＦ演算部１９とを備えている。
【００２２】
流量検出部１１は、制御量ＰＶ、ここでは粉粒体の流量ＰＶ（単位時間あたりの粉粒体排出量）をロードセル５から検出する手段である。
【００２３】
荷重検出部１２は、ホッパ２内に残留している粉粒体の重量（以下、荷重という）をロードセル５から検出する手段である。
【００２４】
試運転制御部１３は、粉粒体排出の実運転に先立ち、粉粒体がホッパ２に満載された状態を荷重１００％として、例えば、荷重９０，７０，５０，３０％と複数の荷重比率を設定し、荷重を１００％から順次、降下させていく過程で、各荷重比率の状態において、所定の操作量ＭＶ（ここでは、電磁駆動部４に入力する電圧）を出力して、重量式フィーダ１に供給して試運転を行う手段である。
【００２５】
この試運転の結果、流量検出部１１から得られた流量ＰＶと、荷重検出部１２から得られた荷重と、試運転制御部１３が重量式フィーダ１に供給した操作量ＭＶは、互いに時間同期がとられた上で運転データ記憶部２３に記憶される。つまり、運転データ記憶部２３には、複数種類の荷重毎に、流量ＰＶと操作量ＭＶの関係が記憶されることとなる。運転データの記憶は、粉粒体を何度も補給して試験をする必要がなく、粉粒体を満載時から徐々に減少させていく過程で１度に行えるので、効率的である。
【００２６】
モデル作成部１４は、過去の運転（試運転時または実運転）時に、運転データ記憶部２３に記憶された荷重毎の流量ＰＶと操作量ＭＶの相関関係に基づき、荷重毎に、制御対象である重量式フィーダ１をモデル化する、すなわち、重量式フィーダ１の伝達関数を求める手段である。
【００２７】
一般的に、制御対象に入力される操作量ＭＶと、当該操作量ＭＶが入力された結果の制御対象の状態を表す制御量ＰＶ（本実施例では、流量ＰＶ）の間には相関関係があり、この相関関係を図式化もしくは数式化したものを制御対象のモデルと言う。制御対象をモデル化すれば、実運転前に、制御対象に入力すべき操作量ＭＶを予測することが出来る。
【００２８】
本実施例では、重量式フィーダ１の伝達関数Ｇｐ（Ｓ)は、ステップ応答法により、Ｇｐ（Ｓ）＝Ｋ＊ｅ−ＬＳ／（１＋Ｔ・Ｓ）で表され、伝達関数のプロセスパラメータであるプロセスゲインＫ、ムダ時間Ｌ、一次遅れ時定数Ｔはそれぞれ、図４で示すＰＶとＭＶの関係グラフに基づいて決定される。更に、荷重毎に決定されたＫ，Ｌ，Ｔはそれぞれ、図５に示すように直線補間がなされ、荷重の関数として表され、モデル・ＳＰ記憶部２１に記憶される。
【００２９】
更に、モデル作成部１４は、モデル・ＳＰ記憶部２１に記憶されたプロセスパラメータと、予め設定された「最終目標流量」と「目標流量収束時間」とに基づいて、最終目標流量が、目標流量収束時間までに収束するまでの目標流量の滑らかな軌道、すなわち、目標参照軌道ＳＰ（Ｓ）（目標流量と時間の関係）を作成し、この目標参照軌道ＳＰ（Ｓ）をモデル・ＳＰ記憶部２１に記憶する。尚、参照軌道ＳＰ（Ｓ）の作成方法については、公知の方法を用いることが出来るので、詳細は省略する。
【００３０】
操作量予測演算部１５は、モデル・ＳＰ記憶部２１に記憶された参照軌道ＳＰ（Ｓ）に基づいて、当該参照軌道ＳＰ（Ｓ）を実現するための操作量ＭＶの軌道（操作量ＭＶと時間の関係）を予測演算し、操作量記憶部２２に記憶する手段である。尚、参照軌道は、先に求められた伝達関数Ｇｐ（Ｓ）に、最終目標流量と、目標流量収束時間を代入したものであり、操作量ＭＶ（Ｓ）と流量ＰＶ（Ｓ）との間には、ＰＶ（Ｓ）＝Ｇｐ（Ｓ)＊ＭＶ（Ｓ）の関係が成立するから、操作量ＭＶ（Ｓ）は、伝達関数Ｇｐ（Ｓ)の逆関数に流量ＰＶ（Ｓ）を乗算して得られる。図６は、参照軌道ＳＰ（Ｓ）の一例である。
【００３１】
尚、この伝達関数Ｇｐ（Ｓ)のプロセスパラメータＫ，Ｌ，Ｔは、それぞれ荷重の関数となっているため、Ｓ＝０の時を荷重１００％として、この時の荷重値（実運転開始時、ホッパ２に充填される粉粒体の重量）を設定した上で、単位時間毎に、参照軌道ＳＰ（Ｓ）のｙ軸、すなわち、目標流量をＳ＝０〜ｔまで積分したものをＳ＝０の時の荷重値から減算した結果を、各プロセスパラメータの変数である荷重に代入して、時間毎の伝達関数Ｇｐ（Ｓ＝ｔ)を得て、時間ｔにおける操作量ＭＶが求められる。ここで設定した参照軌道ＳＰ（Ｓ）を実現するための操作量ＭＶと時間の関係を表したグラフが、図６となる。
【００３２】
このように、伝達関数Ｇｐ（Ｓ)は、一義的に定められたものではなく、荷重により異なる関数であり、制御対象である重量式フィーダ１を精度良くモデル化したことになるから、時間毎の操作量ＭＶを精度良く予測することが可能となる。
【００３３】
実運転制御部１６は、操作量記憶部２２に記憶された操作量ＭＶを読み出して、重量式フィーダ１に供給して、粉粒体排出の実運転を行う手段である。実運転制御部１６は、運転初期は、操作量予測演算部１５で予測された操作量ＭＶに基づいて、粉粒体排出を行う。また、実運転制御部１６は、実際に重量式フィーダ１に供給した操作量ＭＶと時間の関係を、操作量記憶部２２に記憶する。
【００３４】
操作量切換判断部１８は、粉粒体排出の実運転中に、流量検出部１１が検出した実際の粉粒体の流量ＰＶに基づいて、予測演算された操作量ＭＶを、後述の操作量補正部１７によって補正するか、フィードフォワード演算部１９（以下、ＦＦ演算部）というによって演算されたものに切換えるか否かの判断を行う手段である。
【００３５】
具体的には、粉粒体排出運転の時間経過とともに、ホッパ２内の粉粒体が減少しだし、荷重が所定値以下となり、かつ、操作量ＭＶの時間変化が所定値となった場合、原料補給が必要と判断され、ホッパ２に原料が補給される。これと同時に、操作量切換判断部１８は、ＦＦ演算部１９に操作量ＭＶの演算を行わせるよう指令する。そして、原料補給が行われる間は、ＦＦ演算部１９で演算された操作量ＭＶが実運転制御部１６から重量式フィーダ１に供給される。また、粉粒体の流量ＰＶが当該所定値以外においては、操作量切換判断部１８は、操作量補正部１７に、操作量ＭＶの補正演算を行わせ、その間、操作量補正部１７で補正演算された操作量ＭＶが実運転制御部１６から重量式フィーダ１に供給される。
【００３６】
具体的に、操作量補正部１７は、現時間ｔに対して、時間ｔにおいて流量検出部１１から検出された流量ＰＶと、当該流量ＰＶが検出された時刻ｔにおける参照軌道ＳＰの値（目標流量）とを比較して、その偏差（ＰＶ−ＳＰ）が０に近くなるように、予測演算されていた次の時間ｔ＋１における操作量ＭＶを補正し、操作量記憶部２２に記憶されている操作量ＭＶを更新する手段である。尚、補正を行う際は、荷重検出部１２から検出された実際の荷重を、モデル・ＳＰ記憶部２１に記憶されていた参照軌道ＳＰのプロセスパラメータＫ，Ｌ，Ｔに反映させて操作量ＭＶの補正を行う。尚、操作量補正部１７で補正を行う際は、操作量予測演算部１５で、伝達関数の逆関数を用いた時と同様、逆関数を利用して操作量ＭＶの補正を行う。
【００３７】
ＦＦ演算部１９は、具体的には、原料補給が必要と判断された場合に、原料補給時の操作量ＭＶを、１ターン前の粉粒体満載時から補給に至るまでの操作量ＭＶの履歴を参照して、操作量記憶部２２内の操作量ＭＶを更新する。原料補給時には荷重が大きく変化するので、過去の荷重値と目標流量に対する操作量との関係データを操作量記憶部２２から読み出し、荷重検出器で検出される荷重値の変化特性から時間外挿される荷重値に対する操作量をFF演算部１９で求める事により行われる。
【００３８】
以上説明した定量供給システムによれば、過去の運転結果に基づいて、荷重毎の流量ＰＶと操作量ＭＶの関係を求め、制御対象である重量式フィーダ１のモデル化を行うことによって、ユーザは、目標流量と、目標流量収束時間を設定するだけで、操作量ＭＶを予測することが出来る。更に、実運転開始後、実際の流量ＰＶと参照軌道ＳＰの偏差に基づいて、実際の流量ＰＶが、より参照軌道ＳＰに近づくよう、予測した操作量ＭＶを随時補正するので、従来のＰＩＤ制御方法と比較して、参照軌道ＳＰへの追従性がよくなる。
【００３９】
また、外乱に対しても、本発明の定量供給システムは抑制効果を発揮する。従来のＰＩＤ制御の場合は、目標値ＳＰが固定値であり、ＳＰ−ＰＶに所定係数を乗算して、ＰＩＤ定数を算出するので、外乱発生時にＳＰ−ＰＶがそのまま、次の操作量ＭＶに反映され、オーバーシュートや操作量の乱れの原因となる。しかし、本発明の定量供給システムでは、予め作成された参照軌道ＳＰに基づいて操作量ＭＶが予測されており、予測された操作量ＭＶを基準として、随時補正を行うので、外乱（振動）が発生しても、操作量ＭＶが大幅に乱れることはない。また、操作量ＭＶの変化が急峻にならず、振動やオーバーシュートが抑制されるので、従来のＰＩＤ制御方法と比較して、寿命・耐久性は駆動電流により決まる駆動装置（本実施例では電磁駆動部４）及び振動フィーダ３の寿命・耐久性が大幅に向上する。
【００４０】
特に、駆動装置として電磁駆動を行う場合、従来のＰＩＤ制御方法と比較して、
本目標参照軌道制御方式による、操作量ＭＶの低振動化は駆動装置（本実施例では電磁駆動部４）及び振動フィーダ３の寿命・耐久性が大幅に向上する。
【実施例】
【００４１】
以下、定量供給システムの全体動作について、図１、図２のシステム構成図と、図１０のフロー図を参照して説明する。
【００４２】
まず、試運転制御部１３は、制御対象である重量式フィーダ１に、操作量ＭＶを供給して、重量式フィーダ１の試運転を行う（Ｓ１００）。本実施例の試運転条件は、図３に示されるとおりである。予め粉粒体をホッパ２に満載しておき、図示される操作量ＭＶを供給して、荷重が満載時の９０％になるまで粉粒体を排出する。
【００４３】
荷重が満載時の９０％になったら、試運転制御部１３は、操作量ＭＶの出力を一旦停止し、その後、荷重が７０％になるまで操作量ＭＶの出力を再開する。この間、試運転制御部１３は、運転データ記憶部２３に、出力した操作量ＭＶと、流量検出部１１からの流量ＰＶを互いに時間同期させながら記憶する（図３中、（ア））。
【００４４】
荷重が満載時の７０％になったら、試運転制御部１３は、操作量ＭＶの出力を一旦停止し、その後、荷重が５０％になるまで操作量ＭＶの出力を再開する。この間、試運転制御部１３は、運転データ記憶部２３に、出力した操作量ＭＶと、流量検出部１１からの流量ＰＶを互いに時間同期させながら記憶する（図３中、（イ））。試運転制御部１３は同様に操作量ＭＶを制御して、荷重が５０％から３０％になるまでの間の操作量ＭＶと流量ＰＶの関係（図３中、（ウ））、荷重が３０％から約２０％になるまでの間の操作量ＭＶと流量ＰＶの関係（図３中、（エ））についても運転データ記憶部２３に記憶する。こうして、荷重毎（本実施例では、９０％、７０％、５０％、３０％の４点）に、操作量ＭＶと流量ＰＶの関係が記憶される。
【００４５】
尚、試運転時の操作量ＭＶは、本実施例では、実運転時に頻繁に出力する電圧とするのが望ましい。本実施例では、操作量ＭＶは、荷重によらず、一定値を出力するようにしているが、必ずしも一定値である必要はない。
【００４６】
このように、試運転データの記憶は、粉粒体を何度も補給して試験をする必要がなく、粉粒体を満載時から徐々に減少させていく過程で１度に行えるので、効率的である。
【００４７】
尚、荷重の設定は、上記４点である必要はなく、２点以上の荷重について、操作量ＭＶと流量ＰＶの関係が記憶されればよいが、後で行う制御対象のモデル作成精度向上のためには、３点以上の荷重について当該関係が記憶されることが望ましい。また、荷重の設定を１００％から０％の間で更に細かくしてもよい。
【００４８】
モデル作成部１４は、運転データ記憶部２３に記憶された複数の荷重毎の操作量ＭＶと流量ＰＶの関係に基づいて、制御対象である重量式フィーダ１のモデルを荷重毎に作成する（Ｓ１１０）。
【００４９】
本実施例では、重量式フィーダ１の伝達関数Ｇｐ（Ｓ）は、ステップ応答法により、Ｇｐ（Ｓ）＝Ｋ＊ｅ−ＬＳ／（１＋Ｔ・Ｓ）で表されるものとし、伝達関数のプロセスパラメータであるプロセスゲインＫ、ムダ時間Ｌ、一次遅れ時定数Ｔを求めることで、重量式フィーダ１のモデル化が行われる。荷重９０％においては図３の（ア）の操作量ＭＶと流量ＰＶの関係を、荷重７０％においては図３の（イ）を、荷重５０％においては図３の（ウ）を、荷重３０％においては図３の（エ）を、それぞれ、図３のグラフに当てはめ、Ｋ，Ｌ，Ｔを算出する。
【００５０】
モデル作成部１４は、荷重毎に算出されたＫ，Ｌ，Ｔを、更に、それぞれ、直線補間し、荷重の関数として表した上で、モデル・ＳＰ記憶部２１に記憶する。
【００５１】
操作量予測演算部１５は、モデル・ＳＰ記憶部２１に記憶された参照軌道ＳＰ（Ｓ）に基づいて、参照軌道ＳＰ（Ｓ）を実現するための操作量ＭＶの軌道（操作量ＭＶと時間の関係）を予測演算し、操作量記憶部２２に記憶する（Ｓ１２０）。
【００５２】
目標参照軌道とは、先に求められた伝達関数Ｇｐ（Ｓ）のパラメータを、最終目標流量と、目標流量収束時間から求めたものであり、操作量ＭＶ（Ｓ）と流量ＰＶ（Ｓ）との間には、ＰＶ（Ｓ）＝Ｇｐ（Ｓ）＊ＭＶ（Ｓ）の関係が成立するから、操作量ＭＶ（Ｓ）は、伝達関数Ｇｐ（Ｓ）の逆関数に流量ＰＶ（Ｓ）を乗算して得られる。図６は、本実施例の重量式フィーダ１が、予め設定した最終目標流量に、目標流量収束時間で到達するまでの目標参照軌道ＳＰ（Ｓ）の一例である。
【００５３】
また、伝達関数Ｇｐ（Ｓ)のプロセスパラメータＫ，Ｌ，Ｔは、図５に示すように、それぞれ荷重の関数となっているため、操作量予測演算部１５は、Ｓ＝０の時を荷重１００％として、この時の荷重値（実運転開始時、ホッパ２に充填される粉粒体の重量）を設定した上で、サンプリング時間毎に、参照軌道ＳＰ（Ｓ）のｙ軸、すなわち、目標流量をＳ＝０〜ｔまで積分したものをＳ＝０の時の荷重値から減算した結果を、各プロセスパラメータの変数である荷重に代入して、任意の時間ｔにおける伝達関数Ｇｐ（Ｓ＝ｔ)を得て、時間ｔにおける操作量ＭＶ（Ｓ＝ｔ）を求める。求められた操作量ＭＶは、時間ｔと対応付けて操作量記憶部２２に記憶される。
【００５４】
実運転制御部１６は、時間ｔになった時、操作量記憶部２２に記憶された時間ｔにおける操作量ＭＶを読み出して、重量式フィーダ１に供給して、粉粒体排出の実運転を行う（Ｓ１３０）。実運転制御部１６は、運転初期は、操作量予測演算部１５で予測された操作量ＭＶに基づいて、粉粒体排出を行う。また、実運転制御部１６は、実際に重量式フィーダ１に供給した操作量ＭＶと時間の関係を、操作量記憶部２２に記憶する。
【００５５】
操作量切換判断部１８は、粉粒体排出の実運転中に、流量検出部１１が検出した実際の粉粒体の流量ＰＶに基づいて、予測演算された操作量ＭＶを、操作量補正部１７によって補正するか、ＦＦ演算部１９によって演算されたものに切換えるか否かの判断を行う（Ｓ１４０）。
【００５６】
具体的には、粉粒体排出運転の時間経過とともに、ホッパ２内の粉粒体が減少しだし、荷重が所定値以下となり、かつ、操作量ＭＶの時間変化が所定値となった場合、原料補給が必要と判断され、ホッパ２に原料が補給される。これと同時に、操作量切換判断部１８は、ＦＦ演算部１９に操作量ＭＶの演算を行わせるよう指令し、演算された操作量ＭＶが操作量記憶部２２に記憶更新される（Ｓ１６０）。そして、原料補給が行われる間は、ＦＦ演算部１９で演算された操作量ＭＶが操作量記憶部２２から読み出されて実運転制御部１６から重量式フィーダ１に供給される。
【００５７】
また、粉粒体の排出流量が当該所定値以外においては、操作量切換判断部１８は、操作量補正部１７に、操作量ＭＶの補正演算を行わせ、演算された操作量ＭＶが操作量記憶部２２に記憶更新される。その間、操作量補正部１７で補正演算された操作量ＭＶが操作量記憶部２２から読み出されて実運転制御部１６から重量式フィーダ１に供給される（Ｓ１５０）。
【００５８】
具体的には、現時間をｔとしたとき、時間ｔで流量検出部１１から検出された流量ＰＶと、時間ｔにおける参照軌道ＳＰの値との偏差に基づき、その偏差が０に近づくよう、次の時間ｔ＋１において予測されていた操作量ＭＶの補正を行い、これを操作量記憶部２２に記憶する。尚、ＳＰ−ＰＶ＝０となるように操作量ＭＶを補正する方法については、公知であるので、ここでは説明を省略する。
【００５９】
尚、参照軌道ＳＰの傾き（もしくは、目標流量収束時間）は、時間ｔにおける流量ＰＶと、時間ｔ−１における流量ＰＶとの偏差、すなわち、流量変化の度合いに応じて、随時、修正されてもよい。参照軌道ＳＰが修正された場合、操作量予測演算部１５は、時間ｔ以降の操作量ＭＶの再計算を行い、操作量記憶部２２内に記憶されている値を更新する。これに伴い、操作量補正部１７も、修正された参照軌道ＳＰ上の時間ｔにおける値に基づいて、次の時間ｔ＋１の操作量ＭＶを補正することになる。
【００６０】
また原料補給時の操作量ＦＦ演算（Ｓ１６０）では原料補給が必要と判断された場合に、原料補給時の操作量ＭＶを、１ターン前の粉粒体満載時から補給に至るまでの操作量ＭＶの履歴を参照して、操作量記憶部２２内の操作量ＭＶを更新する。原料補給時には荷重が大きく変化するので、過去の荷重値と目標流量に対する操作量との関係データを操作量記憶部２２から読み出し、荷重検出器で検出される荷重値の変化特性から時間外挿される荷重値に対する操作量をFF演算部１９で求める事により操作量補正が行われる。
【００６１】
以上のＳ１３０〜Ｓ１６０までのステップを、粉粒体の排出が終わるまで繰り返す。
【００６２】
図７（ａ）は、本実施例の定量供給システムが、予め決められた目標流量に近づくように粉粒体の定量排出を行った時の荷重と操作量ＭＶと目標流量と（実際の）流量ＰＶの関係を示している。また、図７（ｂ）は、従来のＰＩＤ制御を用いた定量供給装置が、予め決められた目標流量に近づくように粉粒体の定量排出を行った時の荷重と操作量ＭＶと目標流量と（実際の）流量ＰＶの関係を示している。
【００６３】
尚、いずれも、制御対象は同一であるが、制御方法が異なっている。また、最終目標流量は同一に設定しているが、図７（ａ）においては、制御対象である重量式フィーダ１の試運転により制御対象をモデル化し、予め設定した参照軌道に基づいて操作量ＭＶを予測し、実運転開始後、操作量補正部１７またはＦＦ演算部１９によって操作量ＭＶの逐次補正を行っている。また、図７（ｂ）において、ＰＩＤ制御のプロセスパラメータは、一般的なＰＩＤ制御パラメータ決定法のＺｉｇｌｅｒ  Ｎｉｃｈｏｌｓによって提案された近似式を用いて決定されたものである。
【００６４】
図７（ａ）と図７（ｂ）のグラフを比較すると、図７（ｂ）では、運転開始後、検出された流量ＰＶがそのままＰＩＤ制御のプロセスパラメータの決定に反映され、短時間で目標流量に近づくようなフィードバック制御が行われるため、運転初期は、パラメータが変動しやすく、操作量ＭＶ、流量ＰＶともに、オーバーシュートが発生していることが分かる。また、粉粒体の排出を一時停止した時や、目標流量が切り替る際等にも、検出された流量ＰＶが直接、プロセスパラメータの決定に反映されるため、オーバーシュートが発生する。このようなオーバーシュートは、定量供給の精度が低下する要因となる。
【００６５】
一方、本実施例の定量供給システムの場合は、図７（ａ）に示されるように、制御対象のモデルと、参照軌道に従って、操作量ＭＶが予測されているので、流量ＰＶの急激な変化が直接的に操作量ＭＶに反映されることがなく、運転初期の操作量ＭＶの立ち上がりが滑らかであることが分かる。また、単に予測された操作量ＭＶに基づいて粉粒体の排出が行われるのではなく、実際の流量ＰＶに基づいて、目標流量（参照軌道）に近づくよう、予測された操作量ＭＶに対して補正がなされるので、操作量の乱れが少なく、参照軌道への追従性もよいということになる。
【００６６】
このように、本実施例の定量供給システムは、高精度に定量供給を行うことが出来るだけでなく、操作量の乱れも少ないので、電磁駆動部４及び振動フィーダ３の寿命・耐久性の向上にも貢献する。
【００６７】
図８は、本実施例の定量供給システムによって、長期間に渡り、粉粒体の定量供給運転を実施し、その過程でホッパ２内の粉粒体の補給動作を４回繰り返した時の、荷重と操作量ＭＶと流量ＰＶの関係を示すグラフである。
【００６８】
操作量切換判断部１８は、荷重検出部１２から検出される荷重と、実運転制御部１６から出力された操作量ＭＶの時間変化に基づき、操作量補正部１７に操作量ＭＶの補正部を行わせるか、ＦＦ演算部１９に操作量ＭＶの演算を行わせるかを判断する。
【００６９】
通常は、運転開始とともに粉粒体の供給が行われ、荷重が減少していくので、粉粒体同士の摩擦抵抗力が低下し、これに伴い操作量も徐々に少なくなるのが一般的である。しかし、荷重がある程度の量まで少なくなると、単位時間当たりの粉粒体の排出量も少なくなるので、操作量が荷重に比例して低下することはなくなり、所定値に落ち着く。本実施例では、この時を原料の補給が必要なタイミングであると判断し、ホッパ２に原料を供給するとともに、操作量切換判断部１８は、ＦＦ演算部１９に操作量ＭＶを演算させる。
【００７０】
ＦＦ演算部１９は、流量検出部１１から検出された流量ＰＶを逐次フィードバックして操作量ＭＶを補正するのではなく、１ターン前の操作量ＭＶの履歴に基づいて、操作量ＭＶを演算する。つまり、原料補給時は、検出流量によらないフィードフォワード演算が行われることになる。
【００７１】
このように、本実施例の定量供給システムは、フィードバックとフィードフォワードを適宜組合せることにより、具体的には、原料補給時には、操作量ＭＶをフィードフォワード演算し、原料補給時以外は、予測された操作量ＭＶに対して逐次補正するフィードバック演算を行うことにより、操作量や流量の乱れやすい原料補給時や外乱発生時でも、操作量や流量が乱れることがなく、常に安定した定量供給を行うことが出来る。図９のグラフによれば、原料補給時でも流量に乱れがないことが分かる。
【００７２】
尚、本実施例では、原料補給開始から約５秒経過後に、操作量切換判断部１８が、操作量演算を、それまでのＦＦ演算部１９から、操作量補正部１７での演算に切換えるものとするが、ＦＦ演算部１９から操作量補正部１７への切換えタイミングは、これに限定されず、ホッパ２の容量、目標流量等によって異なる。また、切換え時は、予測されていた操作量ＭＶに基づいて定量供給が再開されるので、ＰＩＤ制御時のように操作量や流量が乱れることがなく、滑らかに切換えが行われる。
【００７３】
図９（ａ）は、本実施例の定量供給システムの定量供給運転中に、振動フィーダ３に外乱を加えた場合の荷重と操作量ＭＶと流量ＰＶの関係を示すグラフであり、図９（ｂ）は、図７（ｂ）と同じ定量供給装置の定量供給運転中に、振動フィーダ３に外乱を加えた場合の荷重と操作量ＭＶと流量ＰＶの関係を示すグラフである。尚、加えた外乱はいずれも同じであり、振動フィーダ３を手で叩く方法によるものである。
【００７４】
図９（ａ）と図９（ｂ）とを比較すると、従来のＰＩＤ制御方式による定量供給の場合は、流量ＰＶの変化がそのままプロセスパラメータの決定に反映されるため、外乱が発生すると、操作量も大きく変動してしまう。一方、本実施例の定量供給システムの場合は、予測された操作量ＭＶに基づいて基本運転が行われるので、外乱が発生しても、流量の急激な変化がそのまま操作量ＭＶに反映されず、操作量が乱れることがなく、外乱に強いシステムであると言える。
【００７５】
以上、定量供給システムの実施例につき説明したが、本発明の定量供給システムは、上記実施例で説明した構成要件の全てを備えたに限定されるものではなく、各種の変更及び修正が可能である。また、かかる変更及び修正についても本発明の特許請求の範囲に属することは言うまでもない。
【００７６】
例えば、上記実施例では、試運転制御部１３が、制御対象である重量式フィーダ１に、操作量ＭＶを供給して、重量式フィーダ１の試運転を行い、その結果得られた、操作量ＭＶと流量ＰＶとの関係に基づいて、モデル作成部１４が制御対象のモデルを作成する場合について説明したが、必ずしも、試運転によって得られた操作量ＭＶと流量ＰＶに基づいて、モデル化がされる必要はなく、過去の実運転履歴に基づいて、モデル化が行われてもよい。その場合、試運転制御部１３は不要となる。
【００７７】
また、制御対象のモデルは、一度、モデル作成部１４で作成された後も、実運転時に運転データ記憶部２３に所定時間毎に記憶された流量ＰＶと、その時の操作量ＭＶと荷重の関係に基づいて、モデルの再作成、微調整が行われてもよく、運転を繰り返す毎に、モデルの精度、ひいては、定量供給の精度が向上することになる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】重量式フィーダの概略構成と、制御部、記憶部との接続構成を示す図である。
【図２】制御部と記憶部の詳細構成を示す図である。
【図３】試運転データの一例である。
【図４】ステップ応答伝達関数のプロセスパラメータの求め方を示す図である。
【図５】プロセスパラメータと荷重の関係の一例を示すグラフである。
【図６】参照軌道と操作量の時間グラフである。
【図７】本発明の定量供給システムにより定量供給を行った結果と、従来のＰＩＤ制御により定量供給を行った結果を示す図である。
【図８】粉粒体の供給と補給の関係を示す図である。
【図９】外乱発生時に、本発明の定量供給システムにより定量供給を行った結果と、従来のＰＩＤ制御により定量供給を行った結果を示す図である。
【図１０】定量供給システムの全体動作を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００７９】
１：重量式フィーダ
２：ホッパ
３：振動フィーダ
４：電磁駆動部
５：ロードセル
１０：制御部
１１：流量検出部
１２：荷重検出部
１３：試運転制御部
１４：モデル作成部
１５：操作量予測演算部
１６：実運転制御部
１７：操作量補正部
１８：操作量切換判断部
１９：ＦＦ演算部
２０：記憶部
２１：モデル・ＳＰ記憶部
２２：操作量記憶部
２３：運転データ記憶部
【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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