(57)【要約】【課題】より広範囲の制御対象を良好に制御することができ、かつ現地での制御パラメータの調整等の調整作業を極めて簡単に行なうこと。【解決手段】制御目標値と制御対象の制御量とから、制御対象に対する操作量を出力する制御器１と、制御対象の制御量から、制御対象に対する操作量を出力する外乱補償器２ａと、制御器１の操作量から外乱補償器２ａの操作量を減算し、制御対象に対する最終的な操作量を生成する減算器４とを備え、制御器１は、モデル補償器１２と内部補償器２ｂと比例器１１とから構成し、比例器１１は、制御目標値と制御対象の制御量との偏差と、モデル補償器１２の出力との加算信号を入力し、モデル補償器１２は、比例器１１の出力と内部補償器２ｂの出力との差を入力し、内部補償器２ｂは、モデル補償器１２の出力を入力し、制御器１における内部補償器２ｂの演算を行なう係数と、外乱補償器２ａの演算を行なう係数とを同一とする。【選択図】　　図１
2004013511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御目標値と制御対象の制御量との偏差を入力として、前記制御対象に対する操作量を出力する制御器と、
前記制御対象の制御量を入力として、当該制御量に対して比例演算および微分演算を行ない、前記制御対象に対する操作量を出力する外乱補償器と、
前記制御器の出力である操作量から前記外乱補償器の出力である操作量を減算し、前記制御対象に対する最終的な操作量を生成する減算器とを備え、
前記制御器は、
前記制御対象のモデルから構成されるモデル補償器と、
比例演算および微分演算を行なう内部補償器と、
比例演算を行なう比例器とから構成し、
前記比例器は、前記制御目標値と前記制御対象の制御量との偏差と、前記モデル補償器の出力とを加算したものを入力とし、
前記モデル補償器は、前記比例器の出力と前記内部補償器の出力との差を入力として所定のフィルタ演算を行ない、
前記内部補償器は、前記モデル補償器の出力をフィードバックして当該内部補償器の入力とし、当該入力に対して比例演算および微分演算を行なうようにし、
前記制御器における前記内部補償器の比例演算および微分演算を行なう係数と、前記外乱補償器の比例演算および微分演算を行なう係数とを、同一とするようにしたことを特徴とするプロセス制御装置。
【請求項２】
前記請求項１に記載のプロセス制御装置において、
前記内部補償器、および前記外乱補償器として、比例演算を行なう比例補償器をそれぞれ用いるようにしたことを特徴とするプロセス制御装置。
【請求項３】
前記請求項１または請求項２に記載のプロセス制御装置において、
前記制御対象の制御量に対して所定のフィルタ演算を行なうＰＶフィルタを付加し、
前記ＰＶフィルタによるフィルタ演算後の制御量を、前記制御器、および前記外乱補償器の入力としてそれぞれ利用するようにしたことを特徴とするプロセス制御装置。
【請求項４】
前記請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のプロセス制御装置において、
前記制御目標値に対して所定のフィルタ演算を行なうＳＶフィルタを付加し、
前記ＳＶフィルタによるフィルタ演算後の制御目標値を、最終的な前記制御目標値とするようにしたことを特徴とするプロセス制御装置。
【請求項５】
前記請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のプロセス制御装置において、
前記制御器における前記比例器への入力信号に対して所定のフィルタ演算を行なう調整フィルタを付加し、
前記調整フィルタによるフィルタ演算後の信号を、前記制御器における前記比例器の入力とするようにしたことを特徴とするプロセス制御装置。
【請求項６】
前記請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のプロセス制御装置において、
前記制御器における前記比例器および前記モデル補償器をそれぞれ行列型補償器とし、
複数の入力信号を入力として受け取り、当該入力信号と同数の出力信号を出力するようにしたことを特徴とするプロセス制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば発電プラントや石油化学・鉄鋼等の一般産業プラントにおける、制御対象となる温度・流量・圧力・液面等のプロセスの値を所定の値に制御するプロセス制御装置に係り、特により幅広い制御対象に対して適用可能で、かつ制御パラメータの調整を簡単に行なえるようにしたプロセス制御装置に関するものである。
【０００２】
さらに、本発明は、複数の制御対象を同時に制御する多変数制御を行なえるようにしたプロセス制御装置に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来から、例えば発電プラントや石油化学・鉄鋼等の一般産業界のプラントにおいては、制御対象となる温度・流量・圧力・液面等のプロセスの値を所定の値に制御するために、比例・積分・微分動作を兼ね備えたＰＩＤ制御装置が広く使用されてきている。
【０００４】
従来のＰＩＤ制御装置では、制御対象の特性が遅れ特性である場合には、良好な制御特性を得ることができ、制御パラメータの調整ルールも数多く提案されてきている。
【０００５】
しかしながら、これ以外の特性、例えば積分的な特性や振動的な特性を持つ場合には、良好な制御特性を得るための制御パラメータの調整が困難であり、さらに不安定特性を持つ場合には、制御パラメータの調整が大変困難であるといった問題点がある。
【０００６】
また、発電プラントや一般産業プロセスの多くは、制御対象の入力が変化した場合に、その出力変化まで、何らかの時間遅れ（むだ時間）をもって変化するといった特性を有している。
【０００７】
そのため、制御対象の特性が遅れ特性であったとしても、遅れ時定数と比較してむだ時間が長い場合、従来のＰＩＤ制御装置では、十分な制御性能を得ることができないという問題点がある。
【０００８】
そこで、最近では、このような問題点を解決するために、ＰＩＤ制御装置の代わりに、内部に１次遅れおよびむだ時間要素から構成される正帰還補償器構造を有するプロセス制御装置が、例えば“特願２０００−３５４５８９号”により提案されてきている。
【０００９】
図１０は、この種の従来の正帰還補償器および外乱補償器を有するプロセス制御装置の構成例を示すブロック図である。
【００１０】
図１０に示すように、プロセス制御装置は、制御目標値ＳＶと制御対象３４の制御量ＰＶとの偏差ｅを入力として、制御対象３４に対する操作量を出力する制御器３１と、制御対象３４の制御量ＰＶを入力として、制御対象３４に対する操作量を出力する外乱補償器３２と、制御器３１の出力である操作量から外乱補償器３２の出力である操作量を減算し、制御対象３４に対する最終的な操作量ＭＶを生成する減算器３３とから構成されている。
【００１１】
また、制御器３１は、１次遅れおよびむだ時間からなる補償器（正帰還補償器）３５と、比例器３６とから構成されている。
【００１２】
比例器３６は、制御目標値ＳＶと制御対象３４の制御量ＰＶとの偏差ｅを入力として比例演算を行ない、当該比例器３６の出力と正帰還補償器３５の出力とを加算して、上記制御器３１の出力である操作量とし、正帰還補償器３５は、当該制御器３１の出力である操作量をフィードバックして当該正帰還補償器３５の入力としている。
【００１３】
以上のように、従来のプロセス制御装置は、正帰還補償器３５の他に外乱補償器３２を備えており、むだ時間が長い制御対象３４だけでなく、ＰＩＤ制御が良好に制御できない、振動特性や不安定特性を持つ制御対象３４も良好に制御できるようになっている。
【００１４】
前述の正帰還補償器３５を持つプロセス制御装置は、制御対象３４を１次遅れおよびむだ時間要素として近似し、そのパラメータを利用して正帰還補償器３５の制御パラメータを決定するようにしている。
【００１５】
そのため、外乱補償器３２を導入した場合には、制御対象３４と外乱補償器３２とから構成されるフィードバックループ全体の特性を、１次遅れおよびむだ時間要素として近似する必要がある。
【００１６】
その結果、外乱補償器３２のパラメータを変更した場合には、その度に、制御対象３４と外乱補償器３２とから構成されるフィードバックループ全体の近似特性を計算して、正帰還補償器３５のパラメータを変更する必要がある。
【００１７】
十分な制御性能を得るためには、この外乱補償器３２を現場で調整する作業が不可欠であり、（ａ）外乱補償器３２のパラメータ変更、（ｂ）フィードバックループの特性近似計算、（ｃ）正帰還補償器３５および比例器３６のパラメータ変更、の３つの手順を繰り返し行なう必要がある。
【００１８】
しかしながら、発電プラントや一般産業プロセスでは、調整しなくてはならない制御対象は、多い場合には数百にも上り、その全てに対して前述のような３つの手順を繰り返して調整を行なうことは、調整時間が長く必要となるだけでなく、パラメータ変更回数の増加によるパラメータ設定ミスを招くといったような問題点がある。
【００１９】
また、発電プラントや一般産業界のプラントは、複雑な構造をしており、個々の制御対象が独立に変化するのではなく、お互いに影響を及ぼしあう（相互干渉）制御対象も数多く存在する。
【００２０】
例えば、配管内を流れる流体の制御系には、流れる流体の量を制御する流量制御系と、配管内の圧力を制御する圧力制御系とがある。
【００２１】
すなわち、流量を増加させようと流量制御系に対する制御目標値を変化させた場合には、流量変化によって配管内の圧力も変化する。
【００２２】
そのため、圧力制御系が圧力を一定に保とうという制御動作を行なうことになる。そして、この制御動作のために、配管内の流量が変動してしまう。
【００２３】
この結果、流量を制御目標値に保とうと、再度流量制御が働くといったいたちごっこが発生してしまい、制御目標値に到達するのに長い時間が必要となってしまう。
【００２４】
一方、このような相互干渉が存在する制御対象に対しては、独立に制御を行なうのではなく、相互干渉を考慮して、複数の制御対象を同時に制御する多変数制御により良好な制御性能を得ることができる。
【００２５】
しかしながら、従来のプロセス制御装置では、多変数制御を如何にして実現するかについての具体的な提案がなされていない。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、発電プラントや一般産業プロセスでは、制御を必要とする制御対象の数は非常に多く、その制御対象の特性も様々である。
【００２７】
その結果、プロセス制御装置には、様々な特性を持つ制御対象に対して良好に制御することが要求される。
【００２８】
また、より短時間にかつ安全に調整を行なうために、簡単な手順でパラメータ調整が行なえる必要がある。
【００２９】
しかしながら、従来のＰＩＤ制御装置では、制御対象の時定数に比べてむだ時間が長い場合や、制御対象の特性が遅れ特性で無い場合には、良好な制御を行なうことができない。
【００３０】
また、前述の正帰還補償器３５を持つプロセス制御装置は、幅広い制御対象を良好に制御することはできるが、十分な制御性能を得るための現地調整作業では、（ａ）外乱補償器３２のパラメータ変更、（ｂ）フィードバックループの特性近似計算、（ｃ）正帰還補償器３５および比例器３６のパラメータ変更、の３つの手順を繰り返さなくてはならず、調整手順が煩雑である。
【００３１】
さらに、複雑なプラントやプロセスでは、相互干渉が存在する制御対象が数多く存在する。
【００３２】
そして、このような制御対象に対しては、制御対象毎の独立制御では良好な制御性能が得られず、多変数制御を行なう必要がある。
【００３３】
しかしながら、従来のプロセス制御装置では、如何にして多変数制御を実現するかについての具体的な提案がなされていないのが実状である。
【００３４】
本発明の目的は、前述の正帰還補償器を持つプロセス制御装置と同じより広範囲の制御対象を良好に制御することができ、かつ現地での制御パラメータの調整等の調整作業を極めて簡単に行なうことが可能なプロセス制御装置を提供することにある。
【００３５】
さらに、本発明の目的は、複数の制御対象を同時に制御する多変数制御を実現することが可能なプロセス制御装置を提供することにある。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１の発明では、制御目標値と制御対象の制御量との偏差を入力として、制御対象に対する操作量を出力する制御器と、制御対象の制御量を入力として、当該制御量に対して比例演算および微分演算を行ない、制御対象に対する操作量を出力する外乱補償器と、制御器の出力である操作量から外乱補償器の出力である操作量を減算し、制御対象に対する最終的な操作量を生成する減算器とを備え、
上記制御器は、制御対象のモデルから構成されるモデル補償器と、比例演算および微分演算を行なう内部補償器と、比例演算を行なう比例器とから構成し、
上記比例器は、制御目標値と制御対象の制御量との偏差と、モデル補償器の出力とを加算したものを入力とし、上記モデル補償器は、比例器の出力と内部補償器の出力との差を入力として所定のフィルタ演算を行ない、上記内部補償器は、モデル補償器の出力をフィードバックして当該内部補償器の入力とし、当該入力に対して比例演算および微分演算を行なうようにし、
上記制御器における内部補償器の比例演算および微分演算を行なう係数と、外乱補償器の比例演算および微分演算を行なう係数とを、同一とするようにしている。
【００３７】
従って、第１の発明のプロセス制御装置においては、前述した正帰還補償器を持つプロセス制御装置の外乱補償器に対応する、比例演算および微分演算を行なう外乱補償器と同じ構造、同じパラメータを持つ内部補償器を制御器内部に備え、また制御対象のモデルで構成されるモデル補償器を備え、さらに外乱補償器と内部補償器のパラメータを同一とすることにより、外乱補償器と内部補償器のパラメータのうち、どちらか一方が変更された場合に、もう一方のパラメータも自動的に変更することが可能となるため、１度の調整作業で制御パラメータ変更を簡単に行なうことができる。
また、制御対象と外乱補償器とからなる制御ループの特性を、前述したように１次遅れおよびむだ時間要素で近似する必要が無いため、パラメータの変更作業が１回で済むことになる。
【００３８】
また、第２の発明では、上記第１の発明のプロセス制御装置において、内部補償器、および外乱補償器として、比例演算を行なう比例補償器をそれぞれ用いるようにしている。
【００３９】
従って、第２の発明のプロセス制御装置においては、内部補償器、および外乱補償器として、比例演算を行なう比例補償器を用いることにより、外乱補償器における調整用パラメータが一つで良いため、調整作業のより一層の簡単化を図ることができる。
【００４０】
一方、第３の発明では、上記第１の発明または第２の発明のプロセス制御装置において、制御対象の制御量に対して所定のフィルタ演算を行なうＰＶフィルタを付加し、ＰＶフィルタによるフィルタ演算後の制御量を、制御器、および外乱補償器の入力としてそれぞれ利用するようにしている。
【００４１】
従って、第３の発明のプロセス制御装置においては、制御対象の制御量に対して所定のフィルタ演算を行なうＰＶフィルタを備えることにより、制御対象の制御量に混入した観測雑音等の制御動作に対して不適切な信号が含まれている場合に、ＰＶフィルタでこの不適切な信号を除去することが可能となるため、不適切な信号による制御性能の劣化、操作量の不要な変動を最低限に抑えることができる。
【００４２】
また、第４の発明では、上記第１の発明乃至第３の発明のいずれか１つの発明のプロセス制御装置において、制御目標値に対して所定のフィルタ演算を行なうＳＶフィルタを付加し、ＳＶフィルタによるフィルタ演算後の制御目標値を、最終的な制御目標値とするようにしている。
【００４３】
従って、第４の発明のプロセス制御装置においては、制御目標値に対して所定のフィルタ演算を行なうＳＶフィルタを備えることにより、ＳＶフィルタを調整することで制御器に入力される制御目標値を自由に変化させることが可能となるため、操作量の変化率に対する制限が存在する場合には、制御目標値の変化を緩やかにすることで、操作量の変化を緩やかにすることができ、操作量変化に対する制限を満たすことができる。
また、操作量の変化率に対する制限が存在しない場合には、制御目標値の変化を速くすることで、操作量の変化を速くすることができ、制御目標値に対する制御対象の制御量の追従性能を向上させることができる。
【００４４】
さらに、第５の発明では、上記第１の発明乃至第４の発明のいずれか１つの発明のプロセス制御装置において、制御器における比例器への入力信号に対して所定のフィルタ演算を行なう調整フィルタを付加し、調整フィルタによるフィルタ演算後の信号を、制御器における比例器の入力とするようにしている。
【００４５】
従って、第５の発明のプロセス制御装置においては、比例器への入力信号に対して所定のフィルタ演算を行なう調整フィルタを制御器本体に備えることにより、フィルタ係数を変化させることで、内部補償器を変化させることなく、制御器の出力である操作量を変化させることができる。
これにより、制御性能のきめ細やかな調整が可能となるため、制御器全体の制御性能を改善することができる。
【００４６】
一方、第６の発明では、上記第１の発明乃至第５の発明のいずれか１つの発明のプロセス制御装置において、制御器における比例器およびモデル補償器をそれぞれ行列型補償器とし、複数の入力信号を入力として受け取り、当該入力信号と同数の出力信号を出力するようにしている。
【００４７】
従って、第６の発明のプロセス制御装置においては、制御器における比例器およびモデル補償器を行列型補償器とすることにより、制御量が相互に影響を与える相互干渉のある２つ以上の制御対象を同時に制御すること、すなわち複数の制御対象を同時に制御する多変数制御を行なうことが可能となるため、各々の制御対象を個別に制御する場合と比較して、より一層高精度な制御を行なうことができる。
【００４８】
以上により、外乱補償器のパラメータを変更した場合にも、正帰還補償器のパラメータを変更する必要が無く、１回のパラメータ変更で制御装置のパラメータ変更を行なうことが可能となる。
【００４９】
また、制御対象の制御量に制御に不適切な信号が混入している場合でも、制御性能の劣化を防止することが可能となる。
【００５０】
さらに、操作量に変化率等の制約条件が存在する場合でも、制約条件を満たした制御を行なうことが可能となる。
【００５１】
また、内部補償器のパラメータを固定したままでも、制御性能の微調整を行なうことが可能となる。
【００５２】
さらに、制御対象が別の制御対象と密接に関係する相互干渉が存在する場合でも、補償器構造を変化させることなく、複数の制御対象を同時に多変数制御することで、相互干渉を考慮したより一層高精度な制御を行なうことが可能となる。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００５４】
（第１の実施の形態：請求項１、請求項２に対応）
図１は、本実施の形態によるプロセス制御装置の構成例を示すブロック図である。
【００５５】
すなわち、本実施の形態によるプロセス制御装置は、図１に示すように、制御器１と、外乱補償器２ａと、減算器４とから構成している。
【００５６】
制御器１は、制御目標値ｒと制御対象３の制御量ｙとの偏差ｅを入力として、制御対象３に対する操作量Ｖ１を出力する。
【００５７】
外乱補償器２ａは、比例器および微分器から構成され、制御対象３の制御量ｙを入力として、当該制御量ｙに対して比例演算および微分演算を行ない、制御対象３に対する操作量Ｖ２を出力する。
【００５８】
減算器４は、制御器１の出力である操作量Ｖ１から外乱補償器２ａの出力である操作量Ｖ２を減算し、制御対象３に対する最終的な操作量ｕを生成する。
【００５９】
一方、制御器１は、比例器１１と、モデル補償器１２と、内部補償器２ｂと、減算器１３と、加算器１４とからなっている。
【００６０】
比例器１１は、制御目標値ｒと制御対象３の制御量ｙとの偏差ｅと、モデル補償器１２の出力とを、加算器１４により加算したものを入力とし、当該入力に対して比例演算を行なう。
【００６１】
モデル補償器１２は、制御対象３の数式モデルから構成され、比例器１１の出力Ｖ１と内部補償器２ｂの出力との差を減算器１３によりとったものを入力とし、当該入力に対してフィルタ演算を行なう。
【００６２】
内部補償器２ｂは、比例器および微分器から構成され、モデル補償器１２の出力をフィードバックして当該内部補償器２ｂの入力とし、当該入力に対して比例演算および微分演算を行なう。
【００６３】
ここで、上記制御器１における内部補償器２ｂの比例演算および微分演算を行なう係数と、外乱補償器２ａの比例演算および微分演算を行なう係数とを、同一とするようにしている。
【００６４】
次に、以上のように構成した本実施の形態によるプロセス制御装置の作用について説明する。
【００６５】
図１において、制御器１における比例器１１では、制御目標値ｒと制御対象３の制御量ｙとの偏差ｅと、モデル補償器１２の出力とを、加算器１４で加算した信号を入力として、当該入力信号に対して比例演算を行ない、制御対象３に対する操作量Ｖ１が生成されて出力される。
【００６６】
制御器１におけるモデル補償器１２では、比例器１１の出力Ｖ１と内部補償器２ｂの出力との差を減算器１３によりとったものを入力として、当該入力に対してフィルタ演算が行なわれる。
【００６７】
このモデル補償器１２は、制御対象３の数式モデルから構成される。
【００６８】
すなわち、発電プラントや一般産業プロセスの制御対象３は、多くの場合、一次遅れ要素とむだ時間との積、もしくは積分要素とむだ時間との積で、モデル化することができる。
【００６９】
しかし、このモデル補償器１２は、前記のモデル以外に、振動モデルや不安定モデル等、数式として表現できるものであれば、補償器要素として利用することが可能である。
【００７０】
制御器１における減算器１３では、比例器１１の出力Ｖ１から内部補償器２ｂの出力が減算され、モデル補償器１２の入力が生成されて出力される。
【００７１】
制御器１における内部補償器２ｂでは、モデル補償器１２の出力が入力され、比例演算および微分演算された後の出力が送出される。
【００７２】
一方、外乱補償器２ａでは、制御対象３の出力である制御量ｙが入力され、比例演算および微分演算された後の出力Ｖ２が送出される。
【００７３】
なお、制御対象３の特性が、安定な１次遅れおよびむだ時間要素である場合には、このような外乱補償器２ａ、および内部補償器２ｂを用いずに制御を行なうことも可能である。
【００７４】
ただし、前述のどのような場合であっても、外乱補償器２ａと内部補償器２ｂの構成は同じであり、また比例器および微分器のパラメータは同一でなければならない。
【００７５】
一方、減算器４では、制御器１の出力である制御対象３に対する操作量Ｖ１から、外乱補償器２ａの出力である制御対象３に対する操作量Ｖ２が減算され、制御対象３に対する最終的な操作量ｕが生成されて制御対象３に与えられ、制御対象３の制御が行なわれる。
【００７６】
この場合、制御対象３の特性としては様々なものが存在するが、外乱補償器２ａを設計することで、制御対象３と外乱補償器２ａとで構成されるフィードバックループの特性が、安定なむだ時間を持つ遅れ特性を持つようにすることができる。
【００７７】
また、制御器１からみた制御対象３は、前記のフィードバックループ全体であり、より制御し易いむだ時間を持つ遅れ特性とすることで、様々な制御対象３に対して良好な制御を行なうことができる。
【００７８】
さらに、外乱に対する特性を、この外乱補償器２ａにより良好に制御することができる。
【００７９】
一方、前述した“特願２０００−３５４５８９号”で既に提案されているプロセス制御装置では、制御器３１の正帰還補償器３５の構成を、１次遅れおよびむだ時間要素から構成されるものとしていることから、外乱補償器３２を適用した場合、制御対象３４と外乱補償器３２とから構成されるフィードバックループの特性を１次遅れおよびむだ時間要素として近似し、その近似した特性のパラメータを利用して、制御器３１のパラメータであるＫｃ、Ｔｃ、Ｌｃを決定する必要があった。
【００８０】
現実の制御パラメータの調整では、十分な制御性能が得られるまで繰り返して制御パラメータを変更する作業が不可欠である。
【００８１】
そのため、外乱補償器３４のパラメータを変更する度に、制御対象３４と外乱補償器３２とから構成されるフィードバックループの特性を、１次遅れおよびむだ時間要素に近似する計算を行ない、制御器３１に設定する必要がある。
【００８２】
すなわち、（ａ）外乱補償器３４のパラメータ設定、（ｂ）制御対象３４と外乱補償器３２とから構成されるフィードバックループ特性を１次遅れおよびむだ時間要素として近似する計算、（ｃ）制御器３１へのパラメータ設定、という３つの手順が必要となる。
【００８３】
その結果、調整に要する時間がかかる、パラメータ設定が２回も存在し、設定ミスを誘発するおそれがある、近似計算を行なわなくてはならず計算ミスを起こす可能性がある、というような問題があった。
【００８４】
これに対して、本実施の形態のプロセス制御装置では、制御器１に、制御対象３のモデルであるモデル補償器１２と外乱補償器２ａと同じ構造、同じパラメータの内部補償器２ｂを独立した形で構成している。
【００８５】
その結果、制御対象３の特性が変化しない限り、モデル補償器１２のパラメータは１度設定するだけで変更する必要がない。
【００８６】
また、外乱補償器２ａのパラメータが変更された場合には、自動的に内部補償器２ｂのパラメータが変更されるロジックをプロセス制御装置内部に構成していることにより、パラメータ設定は外乱補償器２ａに対する１回で良い。
【００８７】
すなわち、制御器１のパラメータ設定は、第１回の調整の時のみ、モデル補償器１２と外乱補償器２ａとの２つを設定しなくてはならないが、それ以降の調整では外乱補償器２ａの１つだけでよいことになる。
【００８８】
また、制御対象３と外乱補償器２ａとのフィードバックループの特性を近似する必要がなく、近似計算に起因する計算ミスといった問題も存在しない。
【００８９】
このように、モデル補償器１２と外乱補償器２ａと同じ構造、同じパラメータを有する内部補償器２ｂを制御器１の内部に備えていることにより、１回のパラメータ変更で制御装置全体のパラメータ変更を行なうことができ、調整時間の短縮、調整に係わるミスを回避することが可能となる。
【００９０】
次に、具体的な例を用いて、本実施の形態によるプロセス制御装置と従来のプロセス制御装置との比較を行ない、本実施の形態の有効性について説明する。
【００９１】
具体例に用いる制御対象３は、むだ時間要素を持つ積分系とし、その伝達関数モデルが次のように与えられるものとした。
【００９２】
【数１】
2004013511.tif 000003
ここで、記号ｓはＬａｐｌａｃｅ演算子を表わす。
【００９３】
また、外乱補償器２ａとしては、比例ゲイン要素と微分要素との和で表わされるものとした。
【００９４】
Ｋｄが比例ゲイン、Ｔｄが微分ゲインである。
【００９５】
κは不完全微分を表わすパラメータである。
【００９６】
【数２】
2004013511.tif 000004
【００９７】
図２は、本実施の形態によるプロセス制御装置と図１０で示される従来のプロセス制御装置を使用した場合の、制御量および操作量の応答比較結果の一例を示す特性図である。
【００９８】
図２では、制御目標値ｒが時刻５で０から１に変化し、時刻２５で振幅−０．１の外乱が制御対象３に加えられた場合のシミュレーション結果を示している。
【００９９】
また、グラフの上段が制御対象３の制御量ｙの応答を、下段が操作量ｕの応答をそれぞれ示している。
【０１００】
図２中、太線で示されているのが本実施の形態のプロセス制御装置による応答であり、従来のプロセス制御装置と比較して、外乱抑制特性は同等、制御目標値追従特性は若干ではあるが改善されていることがわかる。
【０１０１】
このように、本実施の形態によるプロセス制御装置は、従来のプロセス制御装置と比較して、調整の手間が１／３でありながら、制御性能としては遜色ない、もしくはそれを上回る結果を得ることができる。
【０１０２】
上述したように、本実施の形態によるプロセス制御装置では、前述した従来の正帰還補償器を持つプロセス制御装置の外乱補償器に対応する、比例演算および微分演算を行なう外乱補償器２ａと同じ構造、同じパラメータを持つ内部補償器２ｂを制御器１内部に備え、また制御対象３のモデルで構成されるモデル補償器１２を備え、さらに外乱補償器２ａと内部補償器２ｂのパラメータを同一とするようにしているので、外乱補償器２ａと内部補償器２ｂのパラメータのうち、どちらか一方が変更された場合に、もう一方のパラメータも自動的に変更することができるため、１度の調整作業で制御パラメータ変更を簡単に行なうことが可能となる。
【０１０３】
また、制御対象３と外乱補償器２ａとからなる制御ループの特性を、前述したように１次遅れおよびむだ時間要素で近似する必要が無いため、パラメータの変更作業が１回で済むことになる。
【０１０４】
以上により、前述の正帰還補償器を持つ従来のプロセス制御装置と同じより広範囲の制御対象を良好に制御することができ、かつ現地での制御パラメータの調整等の調整作業を極めて簡単に行なうことが可能となる。
【０１０５】
（変形例）
上記第１の実施の形態においては、外乱補償器２ａ、および内部補償器２ｂとして、比例器および微分器から構成する場合について説明したが、これに限らず、外乱補償器２ａ、および内部補償器２ｂとしては、比例演算を行なう比例器（比例補償器）から構成するようにしてもよい。
【０１０６】
以上のような構成とすることにより、外乱補償器２ａにおける調整用パラメータが一つで良いため、制御パラメータ変更等の調整作業のより一層の簡単化を図ることが可能となる。
【０１０７】
（第２の実施の形態：請求項３乃至請求項５に対応）
図３は、本実施の形態によるプロセス制御装置の構成例を示すブロック図であり、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【０１０８】
すなわち、本実施の形態によるプロセス制御装置は、図３に示すように、ＰＶフィルタ２１と、ＳＶフィルタ２２と、調整フィルタ２３とを、前記図１に付加した構成としている。
【０１０９】
ＰＶフィルタ２１は、前記制御対象３の制御量ｙに対して、所定のフィルタ演算を行なう。
【０１１０】
ＳＶフィルタ２２は、前記制御目標値ｒに対して、所定のフィルタ演算を行なう。
【０１１１】
調整フィルタ２３は、前記制御器１における加算器１４の出力信号、すなわち前記比例器１１への入力信号に対して、所定のフィルタ演算を行なう。
【０１１２】
次に、以上のように構成した本実施の形態によるプロセス制御装置の作用について説明する。
【０１１３】
図３において、ＰＶフィルタ２１には、制御対象３の制御量ｙが入力され、当該制御量ｙに対して所定のフィルタ演算を行なった後に、その演算結果が送出される。
【０１１４】
多くの場合、制御対象３の制御量ｙには、観測雑音等の制御に不適切な信号が含まれており、その影響で、十分な制御性能が得られない場合がある。
【０１１５】
特に、外乱補償器２ａに微分要素を用いた場合には、観測雑音等に含まれる高周波成分が増幅されてしまい、操作量ｕの変動が、予想よりも大きなものとなってしまい、制御動作に悪影響を与える。
【０１１６】
この点、本実施の形態では、ＰＶフィルタ２１を備えていることにより、このＰＶフィルタ２１にて制御対象３の制御量ｙに含まれる雑音成分を除去することで、制御性能の劣化を防止することができる。
【０１１７】
一方、ＳＶフィルタ２２には、制御目標値ｒが入力され、当該制御目標値ｒに対して所定のフィルタ演算を行なった後に、その演算結果が送出される。
【０１１８】
制御目標値ｒが変更された場合には、当該変更された制御目標値ｒと制御対象３の制御量ｙとの偏差ｅが、制御器１における比例器１１に入力され、当該偏差ｅに比例した操作量Ｖ１が送出される。
【０１１９】
ここで、制御目標値ｒの変更量が大きい場合には、送出される操作量Ｖ１も大きなものとなる。
【０１２０】
しかし、制御対象３によっては、制御を行なうバルブ等の機器の保護や、プラント全体の運用の観点から、１度に変化させることができる操作量の変化割合を制限している場合がある。
【０１２１】
この点、本実施の形態では、ＳＶフィルタ２２を備えていることにより、このＳＶフィルタ２２の特性を遅れ特性とすることで、実際の制御目標値（ｒ０）の変化が緩やかになり、その結果、操作量Ｖ１の変化が緩やかになり、上記のような操作量制限を満足することができる。
【０１２２】
また、反対に、上記のような制限が無く、制御目標値ｒが変更された場合には、できるだけ早く制御目標値ｒに追従することが望まれる場合もある。
【０１２３】
この場合には、ＳＶフィルタ２２の特性を進み特性とすることで、実際の制御目標値（ｒ０）の変化が速くなり、その結果、より大きな操作量Ｖ１が送出されて、制御目標値ｒへの応答特性が良好となる。
【０１２４】
一方、調整フィルタ２３には、加算器１４の出力が入力され、当該加算器出力に対して所定のフィルタ演算を行なった後に、その演算結果が送出される。
【０１２５】
本実施の形態では、調整フィルタ２３を備えていることにより、この調整フィルタ２３を適当に設定することで、制御目標値ｒと制御対象３の制御量ｙとに偏差ｅが生じた場合の操作量Ｖ１の変化を、緩やかにしたり速くしたりすることができる。
【０１２６】
その結果、制御性能を微調整することができる。
【０１２７】
次に、具体的な例を用いて、本実施の形態によるプロセス制御装置の有効性について説明する。
【０１２８】
一例として使用する制御対象３は、前記（１）式で表わされる、むだ時間要素を持つ積分系とした。
【０１２９】
また、外乱補償器２ａとしては、前記（２）式で表わされる、比例ゲイン要素と微分要素との和で表わされるものとした。
【０１３０】
さらに、シミュレーションは、制御目標値ｒが時刻５で０から１に変化し、時刻２５で振幅−０．１の外乱が制御対象３に加えられた場合とした。
【０１３１】
図４および図５は、制御対象３の制御量ｙに観測雑音が混入した場合のシミュレーション結果の一例を示す特性図である。
【０１３２】
図４はＰＶフィルタ２１を用いない場合の結果を、図５はＰＶフィルタ２１として下記（３）式で示される１次遅れフィルタを用いた場合の結果をそれぞれ示している。
【０１３３】
【数３】
2004013511.tif 000005
【０１３４】
特性図上段の制御対象３の制御量ｙの応答を比較すると、ＰＶフィルタ２１を用いた図５の制御性能が優れていることがわかる。
【０１３５】
また、特性図下段の操作量ｕの応答を比較すると、図５の操作量と比較して、図４の操作量の振幅が５倍以上大きくなっている。
【０１３６】
これは、制御対象３の制御量ｙに含まれる観測雑音の成分が増幅されてしまったためであると考えられる。
【０１３７】
このように、ＰＶフィルタ２１を用いることにより、観測雑音による制御性能の劣化を防止することができるだけでなく、無用な操作量ｕの変動を抑えることができる。
【０１３８】
操作量ｕの大きな変動は、操作を行なう操作バルブ等の機器の故障等にもつながり、無用な変動は機器寿命に影響を与える。
【０１３９】
この点、ＰＶフィルタ２１を用いることにより、操作バルブ等の機器に与えるダメージも減少させることができる。
【０１４０】
図６および図７は、ＳＶフィルタ２２を用いた場合のシミュレーション結果の一例を示す特性図である。
【０１４１】
図中、太線で示されているのが、本実施の形態のプロセス制御装置による応答である。
【０１４２】
ＳＶフィルタ２２としては、下記（４）式で示されるような進み遅れフィルタを用いた。
【０１４３】
【数４】
2004013511.tif 000006
図６は、ＳＶフィルタ２２を遅れ特性とした場合を示している。
【０１４４】
特性図上段の制御量応答は、ＳＶフィルタ２２を用いない場合と比較して若干劣化しているが、制御目標値ｒの変化は緩やかになっている。
【０１４５】
操作量ｕの急激な変化は、操作バルブ等の機器にダメージを与えることがあり、運用上の問題から避けなければならないことがある。
【０１４６】
また、制御対象３の特性、例えば温度制御等では、急激な温度変化は材質等に大きな影響を与えることから、操作量ｕの変化率に一定の制限をかけることが多い。
【０１４７】
このような場合には、ＳＶフィルタ２２を用いることにより、制限を満足した制御を実現することができる。
【０１４８】
図７は、ＳＶフィルタ２２を進み特性とした場合を示している。
【０１４９】
特性図下段の操作量ｕの変化は大きくなるものの、特性図上段の制御対象３の制御量ｙは、ＳＶフィルタ２２を用いない場合と比較してより早く制御目標値ｒに到達しており、制御性能が改善されている。
【０１５０】
操作量ｕに対する制限が無い場合には、ＳＶフィルタ２２を調整するだけで、制御性能を改善することができる。
【０１５１】
図８は、調整フィルタ２３を用いた場合のシミュレーション結果の一例を示す特性図である。
【０１５２】
図中、太線で示されているのが、本実施の形態のプロセス制御装置による応答である。
【０１５３】
調整フィルタ２３としては、下記（５）式で示されるような進み遅れフィルタを用いた。
【０１５４】
【数５】
2004013511.tif 000007
図８は、調整フィルタ２３を進み特性とした場合を示している。
【０１５５】
前述したＳＶフィルタ２２の場合と同様に、操作量ｕの変化は調整フィルタ２３を用いない場合よりも大きくなるが、特性図上段の制御対象３の制御量ｙは、調整フィルタ２３を用いない場合よりも早く制御目標値ｒに到達している。
【０１５６】
さらに、前述したＳＶフィルタ２２では、制御目標値ｒが変化した時の制御性能しか改善できていないのに対して、調整フィルタ２３を用いた場合には、外乱による制御対象３の制御量ｙの変動を速く除去できており、外乱抑制能力も向上することができる。
【０１５７】
上述したように、本実施の形態によるプロセス制御装置では、ＰＶフィルタ２１を備えるようにしているので、制御対象３の制御量ｙに混入した観測雑音等の制御動作に対して不適切な信号が含まれている場合、ＰＶフィルタ２１でこの不適切な信号を除去することができるため、不適切な信号による制御性能の劣化、操作量の不要な変動を最低限に抑えることが可能となる。
【０１５８】
また、ＳＶフィルタ２２を備えるようにしているので、ＳＶフィルタ２２を調整することで制御器１に入力される制御目標値ｒを自由に変化させることができるため、操作量ｕの変化率に対する制限が存在する場合には、制御目標値ｒの変化を緩やかにすることで、操作量ｕの変化を緩やかにすることができ、操作量変化に対する制限を満たすことが可能となる。
【０１５９】
さらに、操作量ｕの変化率に対する制限が存在しない場合には、制御目標値ｒの変化を速くすることで、操作量ｕの変化を速くすることができ、制御目標値ｒに対する制御対象３の制御量ｙの追従性能を向上させることが可能となる。
【０１６０】
また、調整フィルタ２３を制御器１本体に備えるようにしているので、フィルタ係数を変化させることで、内部補償器２ｂを変化させることなく、制御器１の出力である操作量Ｖ１を変化させることができる。これにより、制御性能のきめ細やかな調整ができるため、制御器１全体の制御性能を改善することが可能となる。
【０１６１】
（第３の実施の形態：請求項６に対応）
本実施の形態によるプロセス制御装置は、前記第１の実施の形態または第２の実施の形態によるプロセス制御装置において、制御器１における比例器１１およびモデル補償器１２をそれぞれ行列型補償器とし、複数の入力信号を入力として受け取り、当該入力信号と同数の出力信号を出力するように構成している。
【０１６２】
なお、その他の、外乱補償器２ａ、内部補償器２ｂ、ＰＶフィルタ２１、ＳＶフィルタ２２、調整フィルタ２３は、各々の入力信号に対して独立な構成で実現すればよい。
【０１６３】
次に、以上のように構成した本実施の形態によるプロセス制御装置においては、制御器１における比例器１１およびモデル補償器２２を行列型補償器としていることにより、制御量ｙが相互に影響を与える相互干渉のある２つ以上の制御対象３を同時に制御することができる。すなわち、簡単に多変数制御を実現することができる。
【０１６４】
その結果、各々の制御対象３を個別に制御する場合と比較して、より一層高精度な制御を行なうことができる。
【０１６５】
次に、具体的な例を用いて、本実施の形態によるプロセス制御装置の有効性について説明する。
【０１６６】
一例として使用する制御対象３は、互いに影響を及ぼし合う２入力２出力の１次遅れおよびむだ時間要素からなり、その伝達関数モデルが次のように与えられるものとした。
【０１６７】
【数６】
2004013511.tif 000008
【０１６８】
図９は、各々の制御対象３を独立に制御した場合との比較結果の一例を示す特性図である。
【０１６９】
図９では、時刻１で出力１の制御目標値ｒが０から１に変化した場合のシミュレーション結果を示している。
【０１７０】
特性図上段が出力１の制御量を、特性図下段が出力２の制御量をそれぞれ表わしており、太線で示されているのが本実施の形態によるプロセス制御装置による応答である。
【０１７１】
図９から、各々の制御対象３を独立に制御する場合に比較して、制御目標値ｒにより早く到達していることがわかる。
【０１７２】
また、出力１が変化したことによる出力２の変動が、１／２に低減されていることもわかる。
【０１７３】
このように、本実施の形態によるプロセス制御装置は、各々の制御対象３を独立に制御する場合と比較して、制御目標値ｒに対する追従特性、一方の制御量ｙ変化がもう一方に与える干渉の影響の低減特性共に、改善できていることがわかる。
【０１７４】
上述したように、本実施の形態によるプロセス制御装置では、制御器１における比例器１１およびモデル補償器１２を行列型補償器とするようにしているので、制御量ｙが相互に影響を与える相互干渉のある２つ以上の制御対象３を同時に制御することができる、すなわち簡単に多変数制御を実現することができるため、各々の制御対象３を個別に制御する場合と比較して、より一層高精度な制御を行なうことが可能となる。
【０１７５】
（その他の実施の形態）
尚、本発明は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形して実施することが可能である。
また、各実施の形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合には組み合わせた作用効果を得ることができる。
さらに、上記各実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより、種々の発明を抽出することができる。
例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題（の少なくとも一つ）が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果（の少なくとも一つ）が得られる場合には、この構成要件が削除された構成を発明として抽出することができる。
【０１７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプロセス制御装置によれば、制御対象の制御量を取り込みフィルタ演算を行なう外乱補償器と同じ構造、同じパラメータを持つ内部補償器を制御器本体に備え、また制御対象のモデルで構成されるモデル補償器を備え、さらに外乱補償器と内部補償器のパラメータを同一とするようにしているので、制御装置の調整におけるパラメータ変更が外乱補償器のパラメータ変更による１回で良いことになり、従来のプロセス制御装置と比べて、調整の手間が１／３で済み、調整作業を簡単に行なうことが可能となる。
【０１７７】
また、制御対象の制御量に対してフィルタ演算を行なうＰＶフィルタを備えるようにしているので、制御対象の制御量に混入した観測雑音等の制御に不適切な信号の影響を除くことができ、制御性能劣化防止、操作量の不要な変動を抑えることが可能となる。
【０１７８】
さらに、制御目標値に対してフィルタ演算を行なうＳＶフィルタを備えるようにしているので、操作量の急激な変化を抑制することができ、操作量変化に対して制約が存在する場合、制約を満たした制御を行なうことが可能となる。
【０１７９】
また、操作量に制約が存在しない場合は、より大きな操作量を発生するように調整するようにしているので、制御目標値変化に対する制御性能を向上することが可能となる。
【０１８０】
さらに、制御器本体に調整フィルタを備えるようにしているので、制御器全体の制御性能を改善することが可能となる。
【０１８１】
さらにまた、ＳＶフィルタと異なり、制御目標値変化に対する制御性能だけでなく、外乱に対する制御性能も改善することが可能となる。
【０１８２】
また、制御器本体の比例器およびモデル補償器を行列型補償器とするようにしているので、相互に影響を与えあう複数の制御対象を協調して制御する多変数制御を実現することが可能となる。
【０１８３】
これにより、相互干渉の影響を低減することができ、各々の制御対象を独立に制御する場合に比べて、より一層高精度な良好な制御性能を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプロセス制御装置の第１の実施の形態を示すブロック図。
【図２】同第１の実施の形態によるプロセス制御装置と従来のプロセス制御装置を使用した場合における、制御対象の制御量および操作量の応答比較結果の一例を示す特性図。
【図３】本発明によるプロセス制御装置の第２の実施の形態を示すブロック図。
【図４】同第２の実施の形態によるプロセス制御装置において、ＰＶフィルタを利用しない場合の制御対象の制御量および操作量の応答結果の一例を示す特性図。
【図５】同第２の実施の形態によるプロセス制御装置において、ＰＶフィルタを利用した場合の制御対象の制御量および操作量の応答結果の一例を示す特性図。
【図６】同第２の実施の形態によるプロセス制御装置において、遅れ特性のＳＶフィルタを利用した場合と利用しない場合の制御対象の制御量および操作量の応答比較結果の一例を示す特性図。
【図７】同第２の実施の形態によるプロセス制御装置において、進み特性のＳＶフィルタを利用した場合と利用しない場合の制御対象の制御量および操作量の応答比較結果の一例を示す特性図。
【図８】同第２の実施の形態によるプロセス制御装置において、調整フィルタを利用した場合と利用しない場合の制御対象の制御量および操作量の応答比較結果の一例を示す特性図。
【図９】本発明の第３の実施の形態によるプロセス制御装置と従来のプロセス制御装置を使用した場合の制御対象の制御量の応答比較結果の一例を示す特性図。
【図１０】従来の正帰還補償器および外乱補償器を有するプロセス制御装置の一構成例を示すブロック図。
【符号の説明】
１…制御器
２ａ…外乱補償器
２ｂ…内部補償器
３…制御対象
４…減算器
１１…比例器
１２…モデル補償器
１３…制御器１内部の減算器
１４…制御器１内部の加算器
２１…ＰＶフィルタ
２２…ＳＶフィルタ
２３…調整フィルタ
３１…制御器
３２…外乱補償器
３３…減算器
３４…制御対象
３５…１次遅れおよびむだ時間からなる補償器（正帰還償器）
３６…比例器。
【図１】
2004013511.tif 000009
【図２】
2004013511.tif 000010
【図３】
2004013511.tif 000011
【図４】
2004013511.tif 000012
【図５】
2004013511.tif 000013
【図６】
2004013511.tif 000014
【図７】
2004013511.tif 000015
【図８】
2004013511.tif 000016
【図９】
2004013511.tif 000017
【図１０】
2004013511.tif 000018