(57)【要約】【課題】例えば主調節器及び従調節器をカスケード接続したプロセス制御装置において、プロセスに加わる外乱パターンが一定でない場合やプロセスの無駄時間が長い場合でも良好な制御が行えるようにすること。【解決課題】モデル制御を行う調節器と、従調節器及びプロセスを含めた制御対象の伝達関数と同じ伝達関数であって無駄時間のない伝達関数として表される疑似制御対象と、を含む外乱推定器を用いる。そしてプロセスを行ったときに、プロセスの制御量例えば反応容器内の温度（内温）の検出値を目標値として、疑似制御対象の出力（外乱を含まないとした場合の内温）を外乱推定器の調節器に入力し、当該調節器の操作量と主調節器の操作量との差分を推定外乱として取り出し記憶する。そして次の運転サイクル時に、前記推定外乱をフィードフォアード操作量に変換し、主調節器の操作量に加えることで外乱を補償する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御用調節部から出力される操作量に基づいてプロセスを制御するプロセス制御装置において、
プロセスを実施したときに制御用調節部から出力される操作量と、プロセスを実施したときに得られる制御量を目標値として求めた操作量と、の差に基づいてプロセスに加わった外乱パターンを推定する外乱推定部と、
この外乱推定部にて推定された外乱パターンを記憶する記憶部と、
外乱パターンを推定した運転サイクル以降の運転サイクルにおいて前記記憶部に記憶されたデータに基づいて外乱パターンを発生させ、その外乱パターンをフィードフォワード操作量として出力する推定外乱出力部と、
前記制御用調節部から出力される操作量に前記フィードフォワード操作量を外乱の補償量として加える手段と、を備えたことを特徴とするプロセス制御装置。
【請求項２】
推定外乱出力部から出力される外乱パターンは、前記記憶部に記憶された外乱パターンであることを特徴とする請求項１記載のプロセス制御装置。
【請求項３】
推定外乱出力部から出力される外乱パターンは、前記記憶部に記憶された外乱パターンに対して所定の処理を行ったものであることを特徴とする請求項１記載のプロセス制御装置。
【請求項４】
推定外乱出力部から出力される外乱パターンは、前記記憶部に記憶された外乱パターンに対して、位相が進んでいることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のプロセス制御装置。
【請求項５】
位相の進み量は、操作量により制御される制御対象の無駄時間に対応する量であることを特徴とする請求項４記載のプロセス制御装置。
【請求項６】
前記記憶部に記憶されたデータに基づいて複数の外乱パターンを用意し、これら複数の外乱パターンの中から使用する外乱パターンを選択するための手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のプロセス制御装置。
【請求項７】
外乱推定部は、制御量を目標値とする推定用調節部と、この推定用調節部からの操作量を入力とし、制御用調節部の操作量により制御される制御対象と同等の伝達関数により入力値を演算処理して出力する手段と、制御用調節部からの操作量と推定用調節部からの操作量との差分を推定外乱として取り出すための加算部と、を備え、
前記推定用調節部は、設定された参照軌道に外乱推定部内の前記伝達関数の出力値が一致するように操作量を出力することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のプロセス制御装置。
【請求項８】
外乱推定部内の前記伝達関数は、無駄時間が含まれないことを特徴とする請求項７記載のプロセス制御装置。
【請求項９】
制御用調節器と推定用調節器とは互いに入出力特性が同等であることを特徴とする請求項７または８記載のプロセス制御装置。
【請求項１０】
プロセスを行いながら外乱推定部による外乱の推定を行うモードと、プロセス時に記憶されたデータに基づいてプロセス終了後に外乱推定部による外乱の推定を行うモードと、の一方を選択するための選択手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のプロセス制御装置。
【請求項１１】
外乱推定部により推定した外乱パターンを表示するための手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載のプロセス制御装置。
【請求項１２】
制御用調節部から出力される操作量に基づいてプロセスを制御するプロセス制御方法において、
プロセスを実施したときに制御用調節部から出力される操作量と、プロセスを実施したときに得られる制御量を目標値として求めた操作量と、の差に基づいてプロセスに加わった外乱パターンを推定する工程と、
この工程にて推定された外乱パターンを記憶する工程と、
外乱パターンを推定した運転サイクル以降の運転サイクルにおいて、既に記憶された推定外乱パターンに基づいて外乱パターンを発生させ、その外乱パターンをフィードフォワード操作量として出力する工程と、
前記制御用調節部から出力される操作量に前記フィードフォワード操作量を外乱の補償量として加える工程と、を備えたことを特徴とするプロセス制御方法。
【請求項１３】
既に記憶された推定外乱パターンに基づいて外乱パターンを発生させる工程においては、推定外乱パターンの位相を進めることを特徴とする請求項１２記載のプロセス制御方法。
【請求項１４】
外乱パターンを推定する工程は、プロセスを実施したときに得られる制御量を目標値とする推定用調整部からの操作量を、制御用調節部の操作量により制御される制御対象と同等の伝達関数により演算処理して出力する工程と、この工程で出力された出力値が、設定された参照軌道に一致するように前記推定用調整部から操作量を出力する工程と、
この工程で出力された操作量と制御用調節部の操作量との差分を取り出す工程と、を含むことを特徴とする請求項１２または１３に記載のプロセス制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォードフォワード制御を行うにあたって、プロセスに加わる外乱パターンを推定し、その外乱パターンをフィードフォワード操作量に変換して操作量を補償するようにしたプロセス制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からＰＩ制御あるいはＰＩＤ制御によるフィードバック制御あるいはフィードフォワード制御が知られているが、近年のバッチプロセスにおける付加価値の高い少量多品種生産計画においては、今までのフォードバック制御あるいはフィードフォワード制御だけでは、未知の外乱に対して十分な制御性能を得られないことがあり、このためプロセスモデルを用い将来のプロセスの挙動を予測し、現在の操作量を決定するように構成したモデル予測制御装置が数多く提案されている。ところが、従来のモデル予測制御装置による外乱補償機能は、測定外乱に対するフィードフォワード補償と、未測定外乱を一定のものであると仮定し、推定外乱に対し外乱補償を行うものであった。そのために、時間と共に変動するプロセスの特性値や未知の外乱に対しては制御性能が良好でないといった構造上の問題点を有している。
一方特許文献１には、外乱補償の手段としてプロセス値と予測モデルのプロセス値との誤差を測定不可外乱として取り扱うことで、プロセスの動特性変化や測定不可の外乱に対する制御性を向上させる旨が記載されている。具体的には操作出力演算部からの操作出力に基づいてモデル部から得られたモデル出力とプロセスからのプロセス量との偏差を外乱フィルタにて演算し、この偏差に基づいて得られた外乱推定信号を含むプロセス量の予測値を前記操作出力演算部に入力し、当該操作出力演算部にてプロセス量の予測値と参照軌道の予測値とが一致するように操作出力を計算し、こうして外乱を補償する手法である。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−２６５５１４号：図１、段落００１２及び００１３
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したプロセス値と予測モデルのプロセス値の誤差をオンラインで測定不可外乱として取り扱うことは、プロセスに無駄時間が含まれないかあるいは無駄時間が短い場合には適用できるが、プロセスに無駄時間が存在する場合には、外乱フィルタにて演算した演算結果はプロセスに操作量を入力した後、無駄時間だけ遅れて得られたプロセス量に基づくものであるから、外乱補償された操作出力がプロセスに入力されるタイミングは、プロセスに外乱が加わるタイミングよりも遅れてしまうためプロセス値が振動してしまい、外乱補償を行うことにより却ってプロセス制御が不安定になる懸念があり、特に無駄時間が長い場合には、制御自体が成立しなくなってしまう。
【０００５】
本発明はこのような背景に基づいてなされたものであり、その目的はプロセスに外乱が加わっても良好な制御を行うことができるプロセス制御装置を提供することにある。更に本発明の他の目的は、プロセスに外乱が加わった場合、そのプロセスの無駄時間の長さにかかわらず良好な制御を行うことができるプロセス制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、制御用調節部から出力される操作量に基づいてプロセスを制御するプロセス制御装置において、
プロセスを実施したときに制御用調節部から出力される操作量と、プロセスを実施したときに得られる制御量を目標値として求めた操作量と、の差に基づいてプロセスに加わった外乱パターンを推定する外乱推定部と、
この外乱推定部にて推定された外乱パターンを記憶する記憶部と、
外乱パターンを推定した運転サイクル以降の運転サイクルにおいて前記記憶部に記憶されたデータに基づいて外乱パターンを発生させ、その外乱パターンをフィードフォワード操作量として出力する推定外乱出力部と、
前記制御用調節部から出力される操作量に前記フィードフォワード操作量を外乱の補償量として加える手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
この発明において、「外乱パターンを推定した運転サイクル以降の運転サイクルにおいて、前記記憶部に記憶されたデータに基づいて外乱パターンを発生させ」とは、例えば１バッチ目のプロセスを行うときに外乱パターンを推定し、２バッチ目以降のプロセスを行うときに外乱パターンを発生させるといった意味である。また記憶部に記憶されたデータをそのまま外乱パターンとして発生させるようにしてもよいが、例えば既に記憶されている複数の外乱パターンを処理して例えば平均化して外乱パターンとして発生させるようにしてもよい。いずれの場合であっても推定外乱出力部から出力される外乱パターンは、プロセスに無駄時間が含まれるときには、その無駄時間に対応する分だけ記憶部に記憶されている外乱パターンの位相を進ませる（早める）ようにすることが望ましい。またこの発明では、プロセスに加わった外乱を操作量に加わった外乱とみなしているので、「制御用調節部から出力される操作量に前記フィードフォワード操作量を外乱の補償量として加える」とは、制御用調節部から出力される操作量に含まれる外乱をフィードフォワード操作量によってキャンセルする（差し引く）ようにするということである。
【０００８】
また本発明においては、前記記憶部に記憶されたデータに基づいて複数の外乱パターンを用意し、これら複数の外乱パターンの中から使用する外乱パターンを選択するための手段を備えるようにしてもよい。更に本発明の一例として外乱推定部は、制御量を目標値とする推定用調節部と、この推定用調節部からの操作量を入力とし、制御用調節部の操作量により制御される制御対象と同等の伝達関数により入力値を演算処理して出力する手段と、制御用調節部からの操作量と推定用調節部からの操作量との差分を推定外乱として取り出すための加算部と、を備え、
前記推定用調節部は、設定された参照軌道に外乱推定部内の前記伝達関数の出力値が一致するように操作量を出力する構成とすることができる。この場合、例えば外乱推定部内の前記伝達関数には、無駄時間が含まれない。また制御用調節器と推定用調節器とは例えば互いに入出力特性が同等とされる。
ここでいう入出力特性が同等とは、例えば制御用調節部及び推定用調節部としてモデル予測制御をおこなうものを使用するとすれば、両者において制御量の予測式及び参照軌道が同じであるということである。
【０００９】
更にまたプロセスを行いながら外乱推定部による外乱の推定を行うモードと、プロセス時に記憶されたデータに基づいてプロセス終了後に外乱推定部による外乱の推定を行うモードと、の一方を選択するための選択手段を設けてもよいし、外乱推定部により推定した外乱パターンを表示するための手段を設けてもよい。
【００１０】
他の発明は、制御用調節部から出力される操作量に基づいてプロセスを制御するプロセス制御方法において、
プロセスを実施したときに制御用調節部から出力される操作量と、プロセスを実施したときに得られる制御量を目標値として求めた操作量と、の差に基づいてプロセスに加わった外乱パターンを推定する工程と、
この工程にて推定された外乱パターンを記憶する工程と、
外乱パターンを推定した運転サイクル以降の運転サイクルにおいて、既に記憶された推定外乱パターンに基づいて外乱パターンを発生させ、その外乱パターンをフィードフォワード操作量として出力する工程と、
前記制御用調節部から出力される操作量に前記フィードフォワード操作量を外乱の補償量として加える工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るプロセス制御装置の実施の形態につき添付図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、化学プラントに適用されるジャケットタンクの内部温度の制御に応用した例である。図１において、１は反応装置であるジャケットタンク１であり、原料投入後、適切な温度管理によって所定の化学反応を進行させ、所定の特性を有する製品に転換させるものである。このジャケットタンク１は、原料が投入される反応容器１１と、原料を均一に分散しかつ温度分布を均一にするための撹拌器１２と、反応容器１１の周囲に温調媒体を流通するために設けられたジャケット１３とから構成されており、ジャケット１３を流通させる温調媒体と反応容器１１内部の内容物との間においてこれらの温度勾配により除熱および加熱が行われて熱交換され、反応容器１１内の温度は制御器３により所定の温度に管理される。
【００１２】
ジャケット１３には、温調媒体を流入するための流入路をなす流入管２１と温調媒体を流出するための流出路をなす流出管２２とが接続されており、流出管２２から流出した温調媒体は例えば図示しない循環用タンクを介して流出管２２に戻るようになっている。この例では温調媒体として温調水が用いられ、この温調水の温度を調整するための媒体例えば冷媒と熱媒とを流入管２１に供給するように冷媒供給管２３ａ及び熱媒供給管２３ｂが当該流入管２１に接続されている。
そして冷媒である冷却水と熱媒である蒸気もしくは熱水とが、制御器３に内包される従調節器３２によりどちらか適宜選択されるようになっており、冷媒については流量制御部である冷媒バルブ２３により、また熱媒については流量制御部である熱媒バルブ２４により夫々制御されて流入管２１に供給され、以て温調媒体を介して反応容器１１内の温度が調整される。なお冷媒としては冷水以外の流体であってもよく、また熱媒としては熱水以外の流体であってもよい。１４は反応容器１１内の温度を検出する温度検出部であり、１５は流入管２１内の温調媒体（入り口側温調媒体）の温度を検出する温度検出部であり、１６は流出管２２内の温調媒体（出口側温調媒体）の温度を検出する温度検出部である。
【００１３】
図１において３は制御器であり、この制御器３は互いにカスケード接続された主調節器３１と従調節器３２とから構成されている。この例では主調節器３１は制御用調節部をなすものであり、その制御対象は、従調節器３２とプロセスであって、主調節器３１の制御周期は従調節器３２の制御周期よりも大きく設定されている。また、主調節器３１には図示しない設定部で設定された温度目標値と温度検出部１４からの温度検出値（制御量である内温）とが入力され、操作量ＭＶが出力される。操作量ＭＶは従調節器３２の設定値、ここでは反応容器１１の内温の目標温度である。
【００１４】
主調節器３１は、モデル予測制御が採用されており、設定された参照軌道をプロセス値が一致するような操作量ＭＶを制御周期毎に出力する。このモデル予測制御では、例えば図２（ａ）に示すように現在の内温の検出値ｙ（ｔ）を始点として内温の目標温度に徐々に近づく参照軌道ｙＲ（ｔ＋ｊ）を計算し、また検出値ｙ（ｔ）及び予測式に基づいて未来の内温の予測値ｙＰ（ｔ＋ｊ）を求め、一致区間（例えばｎステップ先からｍステップ先に渡る区間）において内温の予測値ｙＰ（ｔ＋ｊ）が参照軌道ｙＲ（ｔ＋ｊ）にできるだけ近づくように現時刻以降の所定のステップ時の各入力（操作量）を決定し、得られた操作量の中で現時刻に対応する操作量のみを出力し、以下この手順を繰り返すように主調節器３１が構成されている。また主調節器３１の内部モデルは、従調節器３２とプロセスとを一次遅れ無駄時間近似したモデルとして定義される。なお実際のプロセスは、ａ）循環している温調媒体に熱媒または冷媒が混合されるプロセス、ｂ）温調媒体から反応容器１１内へ熱が移動するプロセス、ｃ）反応容器１１内の発熱プロセス、に大きく分けられるが、ｃ）のモデル化が困難なため、ここでいうプロセスは、ａ）、ｂ）を意味している。
【００１５】
従調節器３２は、主調節器３１から出力される操作量ＭＶが内温設定値として入力されると共に、例えば温度検出部１５、１６からの各温度検出値、例えば各温度検出値における移動平均が入力されてこれらの値に対して所定の演算を行う。またこの従調節器３２は、主調節器３１と同様にモデル予測制御が採用されており、設定された参照軌道をプロセス値が一致するような操作量を制御周期毎に出力する。従調節器３２の内部モデルは、バルブ２３、バルブ２４を動作させた際に生ずるジャケット入口温度を一次遅れ無駄時間近似したモデルとして定義される。
【００１６】
従調節器３２の制御対象は、冷媒バルブ２３もしくは熱媒バルブ２４の開度であり、従調節器３２は同時に冷媒バルブ２３もしくは熱媒バルブ２４が開くことのないようにスプリットレンジ処理が含まれている。図２（ｂ）は従調節器３２の操作出力とバルブ２３、２４の開度との関係を規定したスプリットレンジの一例を示す図であり、この例では操作出力が０％から５０％に増加するにつれて冷媒バルブ２３の開度が１００％から０％に向かい、操作出力が５０％以上では熱媒バルブ２４の開度が０％から１００％に向かうように設定されている。
【００１７】
次に図１において４は外乱補償器であり、この外乱補償器４は、プロセス制御装置であるモデル予測制御装置の構造上の問題点を克服するために、即ち未知の外乱に対し制御性能が低下しないように、より良好な制御性能を実現するために新たに設けられたものである。図１における制御器３、外乱補償器４、温度検出部１４、１５、１６及びバルブ２３、２４などがプロセス制御装置に相当し、また各部位をブロックで記載しているが、各部位の演算あるいは処理は実際にはソフトウエアにより実行される。外乱補償器４は、外乱パターンの推定に関する部位と、推定した外乱に基づいて主調節器３１の操作出力を補償するための部位とに大別できる。
【００１８】
先ず前者である外乱パターンの推定に関する部位は、外乱推定部４１と、推定した外乱パターンを記憶するための推定外乱パターン記憶部４２と、からなる。外乱推定部４１は、図３に示すように主調節器３１の操作量（操作出力）ＭＶと制御量である内温ＹＰ  （温度検出値）とを入力とし、推定外乱ＤＶ’を出力するように構成されており、推定用調節器５１と、主調節器３１の制御対象３３の伝達関数ＧＰと同等の伝達関数ＧＰ’により推定用調節器５１からの操作量を演算する、いわば擬似制御対象である演算処理部５２と、推定用調節器５１の操作量ＭＶ’と主調節器３１の操作量ＭＶとを突き合わせてその偏差を取る加算器５３と、を備えている。ここで前記制御対象３３は、従調節器３２とプロセス（温調媒体を制御することによって行われる製品生成処理）とを合わせたものをいう。また伝達関数ＧＰ’は、従調節器３２と、冷媒あるいは熱媒が循環温調媒体と混合される工程と、ジャケットタンク１の熱移動とを一次遅れモデルに近似した伝達関数として表現される。
【００１９】
推定用調節器５１は、主調節器３１や従調節器３２と同様にモデル予測制御が採用されていて、主調節器３１と同様に構成されており、設定された参照軌道をプロセス値が一致するような操作量を制御周期毎に出力する。従って推定用調節器５１の内部モデルは、従調節器３２と、冷媒あるいは熱媒が循環温調媒体と混合される工程と、ジャケットタンク１との熱移動を一次遅れ無駄時間近似したモデルとして定義される。この推定用調節器は、擬似制御対象の伝達関数ＧＰ’の応答時間が限りなく小さくなるように常時設定されており、制御対象３３から得られた制御結果（内温）ＹＰ  を目標値とし、伝達関数ＧＰ’（擬似制御対象）を通して得られた制御結果である制御量（内温）ＹＰ’と前記目標値とに応じた操作量ＭＶ’を出力する。
【００２０】
ここでプロセスに外乱が加わると、例えば反応容器１１内で発熱反応が起こると内温ＹＰ  が変動するが、この変動は、図３に示すように操作量ＭＶに対して外乱ＤＶが加わったと考えることができる。外乱推定部４１はこの外乱ＤＶを推定しようとするものであり、主調節器３１及び制御対象３３に相当する制御系を、推定用調節器５１及び演算処理部５２により擬似制御系として作成している。この擬似制御系は外乱が含まれないので、実際の制御系においても外乱が加わらなければ（図３に示すＤＶが存在しなければ）、理論的には主調節器３１の操作量ＭＶと調節器の操作量ＭＶ’とは等しくなり、加算器５３における加算結果（ＭＶとＭＶ’との偏差分）はゼロであるが、実際の制御系において外乱ＤＶが加われば、ＭＶとＭＶ’との偏差分がＤＶ’として現れる。即ちこのＤＶ’は外乱ＤＶに相当する推定外乱となる。後に詳述するが、このときの計算結果が図８〜図１０に示されている。
【００２１】
以上の説明はオンラインにより外乱を推定する場合であるが、オフラインにより外乱を推定するようにしてもよい。この場合、運転サイクルにおける操作量ＭＶと内温とを後述のように運転履歴記憶部４８内に記憶しておき、運転サイクル時には外乱を推定せずに、後で操作員の指示により運転履歴記憶部４８内のデータ（操作量ＭＶと内温）を呼び出して外乱推定部４１が当該運転サイクルにおける外乱を推定するようにしてもよい。
【００２２】
続いて外乱補償器４において、推定した外乱に基づいて主調節器３１の操作出力を補償するための部位に関してのべるが、その前に外乱に関して説明を加えておく。一般的に制御結果として得られた操作量パターンは、制御を行った際に印加された外乱と、その外乱を打ち消すために出力される操作結果が含まれている。プロセスに印加される外乱には、再現性のある外乱と再現性のない外乱に分類できる。再現性のある外乱は、工程上から生ずる外乱が相当し、原料投入によるもの、反応が進行し発熱が生ずるもの等が挙げられる。これらの外乱は、製品毎のレシピに依存する外乱となることから、概ね再現性のある外乱と仮定できる。
換言すると、製造品種毎に製造工程は決められており、同じ品種の製造工程であれば、原料の投入や発熱パターンは同じであると仮定できることから、工程上から生ずる外乱は再現性を持つとみなせる。
【００２３】
一方、再現性のない外乱は、原料のばらつき、冷却水圧や冷却水温変動、蒸気圧や蒸気温度変動等ランダム成分が挙げられ、再現性がない外乱とみなせる。本発明の対象は、再現性のある外乱に対し外乱パターンを推定し、得られた推定外乱パターンに対する適切なフィードフォワード操作量を求めることにある。すなわち、バッチプロセスにおいては再現性のある外乱が加わるために、予め外乱パターンを推定し、その推定外乱パターンを打ち消すようなフィードフォワード補償を適用するのが合理的であると考えられ、本発明はこの考えに立脚している。
【００２４】
そこで推定外乱パターン記憶部４２で得た推定外乱パターンによりどのようにして外乱の補償をするかという点について詳述すると、外乱補償器４は、図１に示すように表示機能及び操作員による操作機能を備えた表示／操作部４３と、外乱データ処理部４４と、出力外乱パターン記憶部４５と、推定外乱発生器４６と、ＦＦ（フィードフォワード操作量）演算器４７と、運転来歴記憶部４８と、を有している。
【００２５】
外乱補償器４の簡単な使い方の一つとしては、例えば原料を反応容器１１内に投入して反応生成物である製品を得る場合、最初の１バッチ目の処理を行うときに、外乱推定部４１により既述のようにして外乱パターンを求めて推定外乱記憶部４２に記憶しておき、同種のプロセスにおける次の２バッチ目以降の処理を行うときに、１バッチ目で取得した推定外乱パターンを主調節器３１の操作量から差し引くようにして外乱を打ち消す手法が挙げられる。実際には、１バッチ目で得た推定外乱パターンをそのまま使うのではなく、いくつかの運転サイクル（バッチ処理）で得た外乱パターンの中から選択して、あるいはそれら外乱パターンに処理を加える場合例えば複数の外乱パターンの平均値を求めるといった場合もある。より具体的には、生産レシピ毎に予め複数回運転を行って外乱を推定しておき、取得した外乱に基づいて例えば複数の代表的な外乱パターンを決めておき、実際に生産するときに操作員がそれら複数の外乱パターンの中から使用する外乱パターンを選択するようにしてもよい。例えば後述する図４に示すように、操作員が表示／操作部４３により生産レシピの番号を選択し、更にその生産レシピに割り当てられて用意されたいくつかの外乱パターンの中から、そのときに使用する外乱パターンを選択すると共に外乱パターンの使用モードを選択する。なお生産レシピに複数の外乱パターンを用意せずに、得ようとする製品の種類（銘柄）毎に１個の外乱パターンを割り当てるようにしてもよい。また前記外乱パターンの使用モードとは、後述する外乱パターンの位相及び外乱補償の開始タイミング並びに外乱補償の時間などである。
【００２６】
表示／操作部４３は、既述のように操作員が推定外乱パターンを選択し、あるいは既に取得した推定外乱パターンに対して所定の処理例えば複数の推定外乱パターンの平均化処理などを行うように指示し、選択または処理された推定外乱パターンを出力外乱パターン記憶部４５に記憶させるように構成されており、具体的には例えばタッチパネル、あるいはキーボード及び画面部（ＣＲＴ、液晶パネルなど）を組み合わせたものなどが相当する。
【００２７】
また表示／操作部４３は、推定外乱パターンを選択、処理する画面の他に、推定外乱パターン記憶部４２に記憶された推定外乱パターンを表示する画面、
所定の処理がされた後の推定外乱パターンを表示する画面、運転来歴記憶部４８にて取得した主調節器３１からの操作量や制御結果例えば内温、バルブ２３、２４の開度及び運転のタイミングなどの運転来歴を表示する画面、外乱推定部４１に対してオンラインで外乱を推定させる（その運転サイクル時に外乱の推定を行う）のか否かを指定する画面、及び過去の運転サイクル時における運転来歴記憶部４８内のデータに基づいて外乱推定部４１に対して外乱を推定させる（オフラインにより外乱を推定させる）ための画面などを備えており、更に製造銘柄名やロット番号で構成される管理情報が入力できるようになっている。なお操作員によりデータ登録が指定されていれば、その運転サイクル時に記憶された運転来歴及び推定外乱パターンは登録されるが、データ登録が指定されていない場合にはそのサイクルの運転来歴および推定外乱パターンは消去される。
【００２８】
外乱データ処理部４４は、操作員により表示／操作部４３を介して選択された外乱パターンに対応する推定外乱パターンを推定外乱パターン記憶部４２内のデータから選択し、出力外乱パターン記憶部４５に送るものであり、例えば製品の生産レシピを選択したときにそのレシピに対応する推定外乱パターンを選択する。また表示／操作部４３により推定外乱パターンに対して何らかの処理を行うように指定された場合には、その指定に応じて外乱データ処理部４４が推定外乱パターン記憶部４２内のデータに対して処理を行い、処理されたデータ（推定外乱外乱パターン）を出力外乱パターン記憶部４５に送る。
【００２９】
推定外乱発生器４６は、出力外乱パターン記憶部４５内のデータを読み出して推定外乱パターンを出力し、ＦＦ演算器４７はこの出力データをフィードフォワード操作量に変換する。また図１において３３は加算器３３であり、ＦＦ演算器４７からのフィードフォワード操作量を主調節器３３の操作量ＭＶに加算する。この例では従調節器３２には微分要素が含まれているため、ＦＦ演算器４７はプロセスに加わる推定外乱パターンの符号を変えた後、従調節器３２とプロセスの無駄時間分位相を進め、フィードフォワード操作量として出力するものである。この例では、推定外乱発生器４６及びＦＦ演算器４７は、推定外乱パターンをフィードフォワード操作量として出力するための推定外乱出力部４０をなすものである。
【００３０】
図４はプロセスに加わる外乱を外乱補償器４によって補償している様子を示している。即ち、出力外乱パターン記憶部４５に記憶された推定外乱パターンが推定外乱発生器４６により読み出されてＦＦ演算器４７を通じて推定外乱ＤＶ’として加算器３３に入力され、主調節器３１からの操作量ＭＶから差し引かれる。一方プロセスには外乱が加わっていてその外乱ＤＶは主調節器３１からの操作量ＭＶに加わったものと見ることができるので、結果としてプロセスに加わった外乱ＤＶに対する補償量として推定外乱ＤＶ’が加わるので、前記外乱がＤＶが相殺された格好になり、内温ＹＰ  が目標温度になるように安定する。
【００３１】
ここで主調節器３１から操作量が従調節器３２に入力されてから内温が応答するまでには遅れ時間があるので、つまり従調節器３２及びプロセスを合わせた伝達関数ＧＰ  は無駄時間Ｌがあるので、図５に示すように主調節器３１からの操作量ＭＶに外乱ＤＶが加わったときに当該外乱ＤＶを外乱推定部４１で推定した外乱ＤＶ’は、外乱ＤＶが加わったタイミングよりも無駄時間Ｌだけおくれている。
従って推定外乱パターンをそのまま操作量ＭＶに加算するのではなく、無駄時間Ｌだけ進ませて加算する必要があり、このため推定外乱部４６は出力外乱パターン記憶部４５から推定外乱データを読み出して無駄時間Ｌだけ早め、主調節器３１の制御周期に合わせて推定外乱値を逐次出力する。
【００３２】
ここで表示／操作部４３における設定画面の一例を図６に示しておく。設定画面における上段側の画面は製品を製造するための生産レシピを選択するためのものであり、製品毎のレシピ情報が記載されている。また下段側の画面は推定外乱パターンの選択及び使用モードを設定するための画面であり、外乱推定の有無、データ収集の有無、分類、製品名称、対応する外乱パターン、トリガータグ、位相、外乱補償時間、データ作成日時等が表示され、また操作員がどの外乱補償データ（推定外乱パターン）を使用するかを選択できる。トリガーはトリガータグの略記であり、反応物や触媒等の投入タイミングを意味し、位相は従調節器３２を含むプロセスの無駄時間を意味する。これら、トリガータグ、位相情報から、外乱補償開始タイミングを設定する。補償は外乱補償時間の略記であり、フィードフォワード操作量信号を出力している時間である。図６の画面では、前記無駄時間及び外乱補償時間の単位は「秒」である。
【００３３】
更にまた図６の設定画面は、外乱パターンの推定を実施するか否かを選択するための操作部分を備えており、データ収集を「有」としかつ外乱パターンの推定を「実施」に設定すると、オンラインでつまりバッチ処理中（運転中）に外乱が推定され、推定した外乱パターンが登録される。これに対して外乱パターンの推定を「実施しない」に設定すると、外乱推定は行われないが、この場合データ収集を「有」として運転時におけるデータを収集しておけば、運転終了後において、表示／操作部４３における図示しない画面により外乱の推定を行う指示を入力すると、既に収集したデータに基づいて先の運転時における外乱の推定を行うことができる。つまりこの実施の形態では、いわばオンラインによる外乱の推定とオフラインによる外乱の推定とを選択できるようになっており、表示／操作部４３はその一方を選択するための選択手段を兼用している。なお図６の設定画面中における補償係数は、加算器３３に加えられる外乱補償量を例えば０〜１００％の間で設定するための係数であり、例えば０．８に設定すれば、出力外乱パターン記憶部４５から読み出される外乱補償量の８０％の値が実際の補償量となる。
【００３４】
次に図３に戻って、外乱の推定について数式により考察する。推定外乱ＤＶ’は主調節器３１の制御対象３３の前段に入力されると仮定すると、真の再現性のある外乱ＤＶ１と真の再現性のない外乱ＤＶ２とモデルミスマッチやプロセスの非線形性による誤差εとの関係は次式である。
【００３５】
【数１】
2004348481.tif 000003
【００３６】
一般的なバッチプロセスにおける工程進行に伴い生ずる外乱の多くは、発熱、吸熱による反応熱の寄与分が高いと見なされるため、ＤＶ１＞＞ＤＶ２となる。また実際の内温ＹＰおよび擬似制御対象である演算処理部５２の演算結果（制御結果）である内温ＹＰ’は次のように定式化される。
【００３７】
【数２】
2004348481.tif 000004
【００３８】
【数３】
2004348481.tif 000005
【００３９】
ＧＰ≒ＧＰ’と見なされる場合には、ＹｐとＹｐの比は次式となる。
【００４０】
【数４】
2004348481.tif 000006
【００４１】
一方、推定用調節器はジャケットタンク１の内温、すなわちＹｐを設定値とし、従調節器３２と既述のプロセスからなる制御対象の熱移動を一次遅れモデルに近似した伝達関数ＧＰ’を制御する。ここで、設定値ＹＰの変化に対して、制御量ＹＰ’は、推定用調節器５１にて設定される参照軌道に依存するが、ＹＰの変化に少し遅れて追従するので次式となる。
【００４２】
【数５】
2004348481.tif 000007
【００４３】
従調節器３２とプロセスとに相当する擬似制御系である演算処理部５２においては、熱移動を一次遅れモデルに近似した伝達関数ＧＰ’は無駄時間を含まない制御系を構成していることから、推定用調節器５１はＹＰ’の応答時間を無限に早く設定することが可能となる。推定用調節器５１の希望応答時間を十分に小さくすると次式となる。
【００４４】
【数６】
2004348481.tif 000008
【００４５】
従って、式（数４）と式（数５）の関係より次式が得られる。
【００４６】
【数７】
2004348481.tif 000009
【００４７】
【数８】
2004348481.tif 000010
【００４８】
よって、主調節器３１の操作量と推定用調節器５１の操作量との差から推定外乱ＤＶ’が導かれた。この推定外乱ＤＶ’は既述のように外乱補償のフィードフォワード操作量に利用される。
【００４９】
ただし推定外乱ＤＶ’は反応容器１１の温度から求めているため、反応容器１１の無駄時間θを考慮すると、反応容器１１の前に加わるＤＶは次式で与えられる。
【００５０】
【数９】
2004348481.tif 000011
【００５１】
フィードフォワード操作量への変換は推定外乱ＤＶ’を打ち消すように主調節器３１の操作量に加えればよいので、外乱補償量ＤＦは次式となる。
【００５２】
【数１０】
2004348481.tif 000012
【００５３】
すなわち推定外乱ＤＶ’の符号を換えたものにプロセスの無駄時間分の位相を進めて、主調節器３１の操作量に加えれば、加わった外乱ＤＶ’は打ち消され、外乱補償が容易に実現できる。ただし、外乱推定を行った同一レシピの次回バッチ運転時以降に推定外乱パターンに基づいた外乱補償が実現される。
【００５４】
式（数８）は従調節器３２の前段に外乱が加わったと仮定した結果より導出されたので、実際に観測できる内温の温度ＤＶｔｅｍｐに変換するにはＤＶ’に伝達関数ＧＰ’を乗ずればよい。
【００５５】
【数１１】
2004348481.tif 000013
【００５６】
推定外乱発生器４６はプロセスの無駄時間分の位相を早め、主調節器３１の制御周期に合わせて推定外乱値を逐次出力する。ＦＦ演算器４７は、ＤＶ’を入力とし、式（数１０）により外乱補償操作量ＤＦを演算し、主調節器３１の操作出力に加算される。同一レシピにおいては、ＤＶ’・ｅθｓ≒−ＤＦとなるため外乱補償が容易に実現できる。一方、外乱補償を制御に取り込んだ場合、設定値からの偏差は式（数１）の右辺第二項、第三項によるものが主となる。
【００５７】
次に、上述の実施の形態に係るプロセス制御装置を計算機を用いて実施する場合における処理の全体の流れについて図７のフローチャートを参照しながら説明する。同図において、プロセス制御装置が起動すると、表示／操作部４３は操作員からの入力操作待ち、あるいは通信プログラムによる遠隔装置への操作員による入力操作待ちとなる（ステップＳ１）。入力操作により製品の製造実施が選択されると、表示画面にて（図６参照）、製造する製品の情報についてレシピの確認および、外乱補償データを指定する（ステップＳ２）。運転はレシピ情報に基づきバッチプロセスが進行するが、この例ではＤＣＳ等他の計算機により運転シーケンス処理の機能を有するものとしている。外乱補償データとして、過去に得られたどの推定外乱パターンを使用するかを選択し、トリガータグの設定、位相、補償時間を設定する。使用する推定パターンについては、この例では外乱補償器４の中の推定外乱パターン記憶部４２から運転開始以前に前もって外乱処理部４４を介して出力外乱パターン記憶部４５に転送される。
【００５８】
次いで、データ収集を行うか否かが判断され（ステップＳ３）、「データ収集」が選択されていれば、これから行われる運転時において無条件に運転データを運転来歴記憶部４８に記憶し、外乱推定部４１で推定された外乱は推定外乱パターン記憶部４２に記憶されることとなる（ステップＳ４）。これら運転記憶時間は表示／操作部４３により任意に設定でき、全運転時間の情報を記憶もしくは一部のみ記憶できる。そしてジャケットタンク１内に原料が投入され、運転開始とともに、制御器３によりジャケットタンク１の制御が開始されて製品の製造が行われるが（ステップＳ４）、トリガータグと位相で決められた時間（以下、外乱補償開始時間）に達するまでは制御器３は通常のモデル予測制御（ＭＰＣ制御）として動作しており、外乱補償ＭＰＣ制御は動作しない。外乱補償開始時間に達した時点より、推定外乱発生器４６から制御周期毎に推定外乱値が出力され、ＦＦ演算器４７にてフィードフォワード操作量に変化された後、制御器３の主調節器３１の出力側の加算器３３に出力される。
【００５９】
この結果主調節器３１にて内温（検出値）と内温の目標値とから演算される操作量と、ＦＦ演算器４７からのフィードフォワード操作量と、を加算して従調節器３２に出力し、こうして外乱補償が行われる（ステップＳ４）。外乱補償対象時間が終了するまで、制御周期毎に推定外乱値の出力、フィードフォワード操作量への変化、この操作量と主調節器３１からの操作量との加算処理を繰り返す。そしてデータ収集が設定されているので、運転時に収集した運転来歴データ及び推定外乱パターンが運転終了後に夫々運転来歴記憶部４８及び推定外乱パターン記憶部４２に登録（記憶の確定）がされる（ステップＳ５）。またステップＳ３にてデータ収集が選択されない場合には、製品製造だけが行われ（ステップＳ６）、外乱補償、外乱推定データの収集及び運転来歴データの収集は行われない。
【００６０】
ところで外乱補償を行うことにより理屈の上では外乱が発生しないはずであるが、実際には外乱推定部４１により外乱を推定すると外乱パターンが得られることがある。この外乱パターンは例えば原料の性状などの微妙な差異により、外乱補償を行っている場合になおも発生する外乱であるから、例えば第１回目のバッチ処理（運転サイクル）時に推定した外乱を用いて外乱の補償を行いながら２回目のバッチ処理を行い、このときに得られた推定外乱パターンと１回目に得られた推定外乱パターンとを加算して３回目のバッチ処理を行うようにしてもよい。
【００６１】
一方ステップＳ１にて操作員が製品製造を選択せず、ステップＳ７にてオフライン外乱推定を選択した場合には、例えば選択された過去の運転サイクルにおける運転来歴データである制御量に相当する内温（検出値）及び主調節器３１の操作量に基づいて外乱推定部４１により外乱パターンが推定され（ステップＳ８）、推定外乱パターン記憶部４２に登録される（ステップＳ５）。
【００６２】
以上述べた実施の形態によれば、過去の運転により得られた推定外乱パターンを用い、次回以降の運転においてフィードフォワード操作量に変換して主調節器３１からの操作量に対して外乱を打ち消すように補償値として加えているので、プロセスに加わる外乱を排除またはその外乱の影響を小さくでき、良好なプロセス制御を行うことができて内温を安定させることができ、その結果製品の品質が安定する。そして外乱推定部４１において、検出された内温を目標値としかつ外乱のない擬似的な制御系を組んでその制御系内の推定調節器５１からの操作量と制御器３内の主調節器３１の操作量とを比較してその差分を推定外乱として取り出しているので、外乱が未知な場合においても外乱の補償値（フィードフォワード操作量）を正確にかつ容易に決定することができ、プラントの生産性の向上に寄与する。
【００６３】
更に外乱推定部４１において推定した外乱パターンを用いて外乱補償を行うときには、従調節器３２及びプロセスを合わせた制御対象の無駄時間を考慮して、推定された外乱パターンの位相を例えば推定外乱発生器４６により早めており、更にその早めるべく位相を選択できるようにしているので、制御対象の無駄時間が長い場合であっても良好な外乱補償を行うことができる。またプロセス制御に対する高度の知識を必要とせず、運転員が手動操作で経験と勘による制御性以上の外乱抑制性能が発揮される。
【００６４】
上述の実施の形態では、主調節器３１、従調節器３２及び外乱推定部４１としてモデル予測制御を行うものを例としてあげているが、主調節器３１及び従調節器３２については例えばＰＩＤ演算を行う構成であってもよく、主調節器３１及び従調節器３２がＰＩＤ演算を行う場合であっても、操作量ＭＶが発散しない場合には本発明を適用できることをシミュレーションで確認している。
。
【００６５】
以下に上述の実施の形態を用いて実際に計算した主調節器３１の操作量（操作出力）及び推定外乱並びに実際の内温を示す具体例について示しておく。図８は実運転データの操作量ＭＶおよび内温をもとに外乱推定部４１により外乱推定を行った結果の途中計算結果である。外乱推定部４１の推定用調節器の希望応答時間を十分に小さくし従調節器３２とプロセスとを一次遅れ系と見なした擬似制御部５２の出力より得られた外乱推定部内温ＹＰ’と実際の内温ＹＰとが示されている。図８からも明らかなように外乱推定部内温ＹＰ’は内温ＹＰにほぼ一致していることから、主調節器３１の操作出力と外乱推定部４１における推定用調節器の操作出力との差がジャケットタンク１に加わった外乱ＤＶ’と見なせる。
【００６６】
図９は図８の計算条件と同様に途中計算結果であり、主調節器３１の操作出力と調節器５２の操作出力とが示されている。この例においては主調節器３１の操作出力の下限値が冷却水の水温として設定されているために、操作出力は８℃未満にはならない。
【００６７】
図１０は式（数７）で示されるように主調節器３１の操作出力と推定用調節器の操作出力との差および内温に加わった温度変化の推定値が示されている。図１０において両者の操作出力の差の変動は急峻であるにも関わらず、推定外乱はプロセスを通過しているため非常に緩やかな温度変化となっている。
【００６８】
図１１は、既知の外乱をジャケットタンク１に加えつつ実運転を実施した一例として、実際に加えた外乱パターン、外乱推定器４１により得られた推定外乱パターン、測定された内温パターンが示されている。既知外乱（実際に加えた外乱）と推定外乱を比較すると誤差は存在するものの、推定外乱は概ね既知外乱を表現しており、外乱補償のフィードフォワード操作量として利用できることが確認された。
【００６９】
図１２は図１１で示した既知外乱をジャケットタンク１に加え、制御器３のみのモデル予測制御（以下、ＭＰＣ制御）および本発明による制御器３に外乱補償器４を加えた外乱補償モデル予測制御（以下、外乱補償ＭＰＣ制御）を行った結果が示されている。図１２の時間レンジ範囲においてＭＰＣ制御および外乱補償ＭＰＣ制御を評価すると、ＭＰＣ制御では目標値４０℃からの最大偏差は各々＋４２．０７℃、−３８．６８℃となりその差は３．３９℃であった。一方、外乱補償ＭＰＣ制御では目標値４０℃からの最大偏差は各々４０．２９℃、−３９．７６℃となりその差は０．５３℃となった。この結果から明らかなように通常のＭＰＣ制御と外乱補償ＭＰＣ制御の制御性能の差は著しく、本発明である外乱補償ＭＰＣ制御の有効性は示された。
【００７０】
図１３はＦＦ演算器４７に加える推定外乱パターンの位相を変化させ、本制御装置のロバスト性についてシミュレーションにより検討を行った結果が示されている。推定外乱パターンの位相を５０％進めて入力すると最大偏差−最小偏差の差は０．１７℃、推定外乱パターンの位相を５０％遅らせて入力すると最大偏差−最小偏差の差は０．４５℃となった。通常のＭＰＣ制御を同様なシミュレーション条件を設定し計算を行った結果、最大偏差−最小偏差の差は３．３９℃であったことを考慮すると外乱補償ＭＰＣ制御は十分なロバスト性を有すると結論付けられた。なお、計算条件としては、従調節器３２を含むプロセスの一次遅れ時定数６０００ｓｅｃ、従調節器３２を含むプロセス無駄時間３８０ｓｅｃとした。
【００７１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、過去の運転より得られた推定外乱パターンを次回以降の運転に反映し、その推定外乱パターンからフィードフォワード操作量を生成し、外乱を打ち消す操作量とするようにしているため、プロセスに加わる外乱を排除でき、良好な制御を行うことができる。そして外乱が未知な場合においても対応できるし、また推定した外乱の位相を進めて（早めて）補償用の外乱パターンを発生させることができるので、プロセスの無駄時間の長さにかかわらず外乱を排除できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプロセス制御装置の実施の形態の全体構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】従調節器の操作出力と冷媒バルブ及び熱媒バルブの開度との関係を示す特性図である。
【図３】外乱推定部の内部構成を、外乱推定部と主調節器及び実プロセスとの接続関係と共に示すブロック図である。
【図４】プロセスに加わる外乱を外乱補償器による推定外乱により補償する様子を示すブロック線図である。
【図５】推定外乱の位相が実際の外乱に対して遅れている様子を示す説明図である。
【図６】表示／操作部の画面の一例を示す説明図である。
【図７】上述実施の形態のプロセス制御装置を使用するときの処理の全体の流れを示すフローチャートである。
【図８】外乱補償を行ったときの内温の検出値と内温の推定値とを示す図である。
【図９】主調節器の操作量と外乱推定部内の調節器の操作量とを示す図である。
【図１０】主調節器の操作量と外乱推定部内の調節器の操作量との差、及び推定外乱を示す図である。
【図１１】主調節器の操作量に加わる外乱パターン、その外乱パターンの推定結果（推定外乱パターン）及び外乱が加わった状態における内温の検出値を示す図である。
【図１２】外乱補償を行ったときと行わないときにおける夫々の内温の検出値を示す図である。
【図１３】外乱補償を行ったときの制御系のロバスト性をシミュレーションにより確認した結果を示す図である。
【符号の説明】
【符号の説明】
１            ジャッケットタンク
１１          反応容器
１２          撹拌器
１３          ジャケット
１４、１５    温度検出部
２１          温調媒体流入管
２２          温調媒体流出管
２３          冷媒バルブ
３            制御器
３１          主調節器
３２          従調節器
３３          加算器
４            外乱補償器
４１          外乱推定部
４２          推定外乱パターン記憶部
４３          表示／操作部
４４          外乱データ処理部
４５          出力外乱パターン記憶部
４６          推定外乱発生器
４７          ＦＦ演算器
４８          運転来歴記憶部
５１          調節器
５２          疑似制御対象
５３          加算器
【図１】
2004348481.tif 000014
【図２】
2004348481.tif 000015
【図３】
2004348481.tif 000016
【図４】
2004348481.tif 000017
【図５】
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【図６】
2004348481.tif 000019
【図７】
2004348481.tif 000020
【図８】
2004348481.tif 000021
【図９】
2004348481.tif 000022
【図１０】
2004348481.tif 000023
【図１１】
2004348481.tif 000024
【図１２】
2004348481.tif 000025
【図１３】
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