(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの操作量（ｍｖ）と少なくとも１つの制御量（ｃｖ）とを有するプロセスに対してロバスト制御を行う制御装置（１０）を有するプロセス制御システムにおいて、
ａ）操作量（ｍｖ1，ｍｖ2，ｍｖ3）の第１組のスケール因子（ＤＣ1−ＤＣ3）および制御量（ｃｖ1，ｃｖ2，ｃｖ3）の第２組のスケール因子（ＤＲ1−ＤＲ3）を算出するステップと、
ｂ）それぞれプロセス（２０）に対する操作量と制御量の相対的重要性を決定する前記第１組と第２組のスケール因子を用いて制御装置（１０）を初期設定するステップと、
ｃ）前記操作量および制御量の所定の制約を有するようにロバスト制御を初期設定するステップと、
ｄ）操作量の現在の値と、プロセスの測定パラメータに対応する制御量の現在の値を得るステップと、
ｅ）結果的に得られる制御の最適なロバストネスを得るために制御量の値が所定の範囲内に入り、操作量が前記の所定の制約内に入り、制御量が、制御可能なときは前記の所定の範囲内に入り、制御不能なときは制御変数制約違反を最小限に抑えるように将来の所定数のポイントに関する制御量の新しい値を計算するステップと、
ｆ）最適なスケール因子（ＤＲ，ＤＣ）の複数の計算から最もロバストな解を選択するステップと、
ｇ）この最もロバストな解に従ってプロセスを制御するステップとを含み、
前記一組のスケール因子を算出するステップが、
ａ１）行スケーリング行列と、制御装置の利得行列と、列スケーリング行列とにより対角行列（Ｇ（ｓ））を定めるステップと、
ａ２）前記の行スケーリング行列から行スケール因子を求めるステップと、
ａ３）前記の列スケーリング行列から列スケール因子を求めるステップと、
ａ４）前記の行スケール因子と列スケール因子から条件数を求めるステップと、
ａ５）この条件数が所定の公差レベルよりも小さいかどうかを判定するステップと、
ａ６）この条件数が所定の公差レベル（ε）よりも大きい場合は、前記のステップ（ａ２）〜（ａ５）を反復し、そうでない場合は継続するステップと、
ａ７）各反復で算出された行スケール因子と列スケール因子から、制御装置にロードする前記のスケール因子の組を算出するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１によるプロセスのロバスト制御を行う方法であって、前記制御ステップが、
ａ）請求項１のステップ（ｆ）の最もロバストな解の操作量（ｍｖ1，ｍｖ2，ｍｖ3）をプロセスに出力するステップと、
ｂ）操作量に応答して、プロセス制御システムに、制御量（ｃｖ1，ｃｖ2，ｃｖ3）の値を請求項１のステップ（ｆ）の計算値にドライブさせるようにプロセスを調整し、それによってプロセスを制御するステップとを含む方法。
【請求項３】
請求項１または２の何れか１項によるプロセスのロバスト制御を行う方法であって、選択ステップが、制御装置の最小の大きさに対応する制御量（ｃｖ1，ｃｖ2，ｃｖ3）の組を求めるステップを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、制御システムに関し、詳細には、範囲制御を使用したロバスト多変数予想制御装置（ＲＭＰＣ）の制御量および操作量の重みを決定する方法に関する。
現行のシステムでは、制御装置（ＲＭＰＣ）は、制御量および操作量の重要性を考慮せず、したがってオペレータ（またはエンジニア）はどれが最も重要な変数であり、どれが２番目に重要な変数であるか、あるいは変数の重要性が等しいかどうかを制御装置に「知らせる」必要がある。ユーザは、変数の重要性（または重み）をロバスト多変数予想制御装置の初期設定手順の一部として入力する。制御量（ｃｖ）または操作量（ｍｖ）の重要性は、ｃｖおよびｍｖに使用される単位を含めいくつかの因子の関数である。エンジニアは現在、ｃｖおよびｍｖの単位を考慮にいれており、ｃｖおよびｍｖの高・低重みを重要視している。
たとえば、３つの制御量ｃｖ１、ｃｖ２、ｃｖ３があり、ｃｖ１がプロセスの温度変数、ｃｖ２がプロセスの圧力変数、ｃｖ３がプロセスの濃度変数であり、もちろん、これらの変数はそれぞれの異なる工学単位であると仮定する。この例では、制御装置にとってある制御量が他の制御量よりも重要であってよい。圧力が、最大２５０００ＰＳＩまでの範囲を有する小工学単位（ＰＳＩ）である場合、各圧力変化単位は、プロセスの１°の温度変化ほど重要でなくてよい。しかし、圧力が大気圧である場合、１大気圧変化は１°の温度変化よりも重要である。
本発明では、各ｃｖおよびｍｖがプロセスにとってどれだけ重要であるかを相対的に決定するＲＭＰＣに関する最適な解がオフラインで与えられる。したがって、オペレータはこの決定を下すことで悩む必要はない。ユーザは依然として解出力を無効化または調整することができる（すなわち、個別の変数の重みを増減することができる）が、本発明では、制御装置を初期設定するための優れた開始点がユーザに与えられる。
したがって、プロセスの変数に重みを付加することによって、システムに対する影響が低減され、よりロバストな制御装置が得られる。
発明の概要
したがって、本発明によって、範囲制御を使用したロバスト多変数予想制御装置の制御量および操作量の重みを決定する方法が与えられる。本発明によって、プロセスの各制御量を対応する所定の範囲内に制御する制御装置が与えられる。プロセス制御システムは、少なくとも１つの操作量と少なくとも１つの制御量とを含む。プロセスのロバスト制御を行う方法は、操作量および制御量に関する１組のスケール因子を算出するステップを含む。制御装置は、操作量およびプロセス変数のプロセスに対する相対的重要性を決定する１組のスケール因子を用いて初期設定される。ロバスト制御は、操作量および制御量の所定の制約を有するように初期設定される。次いで、操作量および制御量の現在の値が得られる。制御量の値が所定の範囲内になり、それによって結果的に得られる制御装置の最適なロバストネスが得られるように、将来の所定数の点に関する制御変数の新しい値が算出される。また、操作量は所定の制約内に入るように算出され、制御量は、制御不能なときに制御変数制約違反を最小限に抑えるために、制御可能であるときに所定の範囲内に入るように算出される。複数の解から最もロバストな解が選択される。次いで、操作量は、プロセス制御システムに制御量の値を計算値にドライブさせるように調整される。
したがって、本発明の目的は、範囲制御を使用したロバスト多変数予想制御装置の制御量および操作量の重みを決定する方法を提供することである。
本発明のこのおよびその他の目的は、本発明を下記の説明および添付の図面と共に検討したときにより明らかになろう。図面では、同じ文字は同じ部品を示し、各図面は本出願の一部を形成する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明を使用できるプロセス制御システムの機能ブロック図である。
第２図は、結果的に得られる対角行列の最小条件数を求める流れ図である。
詳細な説明
本発明の範囲制御を使用したロバスト多変数予想制御装置（ＲＭＰＣ）では、各制御量（ｃｖ）および各操作量（ｍｖ）がプロセスにとってどれだけ重要であるかを相対的に決定する最適な解がオフライン・モードで得られる。範囲制御を使用したＲＭＰＣの詳細な説明は、本出願と同じ出願人に譲渡された米国特許第５３５１１８４号を参照することによって得られ、本発明を理解するのに必要な範囲で引用によって本明細書に組み込まれている。
第１図を参照すると、本発明を使用できるプロセス制御システムの機能ブロック図が示されている。制御装置１０は、プロセス２０に入力変数ｕとして結合される複数の出力を有する。プロセス２０は、たとえば弁やヒータなど制御できる複数の要素を含むことができる。プロセス２０のプロセス変数ｙは、製品の品質を支配する温度、圧力、濃度などを含む。入力変数ｕ（または操作量ｍｖ）は次式のように定義される。
0003910212.tif 000002
出力変数ｙ（プロセス変数ｐｎまたは制御量ｃｖ）は次式のように定義される。
0003910212.tif 000003
したがって、この例では、プロセス２０は３つの操作量と３つの制御量とを有する動的プロセスＰ（ｓ）である。
プロセス２０はＧによって定義され、Ｇ（最初のモデル行列）は次式で与えられる。
0003910212.tif 000004
したがって、前述の例のようにｃｖ1が圧力であり、ｃｖ2が温度であり、ｃｖ3が濃度である場合、次式が成立する。
（圧力）  ｃｖ1＝ｇ11・ｍｖ1＋ｇ12・ｍｖ2＋ｇ13・ｍｖ3
（温度）  ｃｖ2＝ｇ21・ｍｖ1＋ｇ22・ｍｖ2＋ｇ23・ｍｖ3
（濃度）  ｃｖ3＝ｇ31・ｍｖ1＋ｇ32・ｍｖ2＋ｇ33・ｍｖ3
上式から分かるように、圧力は３つのそれぞれのｍｖ（ｍｖ1、ｍｖ2、ｍｖ3）の影響を受ける。
ｇ11、ｇ12、ｇ13、・・・の値は、制御量に選択された工学単位（またはより簡単な単位）の関数として変化する。
ｃｖ2がインチ単位の線形尺度であり、たとえば目的ｇ21、ｇ22、ｇ23がそれぞれ、１０、１２、２４である場合、次式が成立する。
ｃｖ2（インチ）＝１０・ｍｖ1＋１２・ｍｖ2＋２４・ｍｖ3
この場合、ｍｖ1が１単位（すなわち、１インチ）だけ変化するたびにｃｖ2は１０インチだけ変化し、ｍｖ2が１インチだけ変化するたびにｃｖ2は１２インチだけ変化し、ｍｖ3が１インチだけ変化するたびにｃｖ2は２４インチだけ変化する。単位がインチではなくフィートである場合、ｇ21、ｇ22、ｇ23はそれぞれ、０．８、１．０、２．０に変更される。しかし、ｃｖ2の単位変化がインチ変化ではなく１影響に対応するので、ｃｖ2の重要性は増大している。したがって、全体的な制御プロセスでは、ｃｖ2をインチ単位で表したときと比べて、ｃｖ2を目標値から１単位だけ逸脱させることが望ましい。
制御装置は、単位の影響を受けないので、まず所望の位置からのより高い偏差を有するｃｖを補正しようとする。したがって、たとえば、それぞれの所望の位置に対するｃｖxの偏差が２であり、ｃｖyの偏差が１である場合、制御装置はまず、ｃｖxをその所望の位置に移動させようとする。というのはｃｖxの方がより大きな数を有し、制御装置が単位に関する知識を有さないからである。しかし、ｃｖxの２単位偏差は、ｃｖyの１単位偏差ほど重要ではない（たとえば、ｃｖxがミリメートル単位であり、ｃｖyがフィート単位である場合、ｃｖxは２ｍｍ離れており、それに対してｃｖyは１フィート離れている。この場合、ｃｖyが関心のあるパラメータであるべきである）。したがって、ｃｖyに対してより高いｃｖ重みが存在しなければならない。同様に、ｍｖの単位を選択しなければならない。本発明は。ｃｖおよびｍｖの単位を含むスケール因子を求める。
次に、本発明の方法によって「スケール因子」を求める方法について説明する。対角行列は次式のように定義される。
0003910212.tif 000005
ＤＲは各ｃｖの重要性を決定し、ＤＣは各ｍｖの重要性を決定する。その場合、当業者に良く知られている行列代数演算を使用して次式が成立する。
0003910212.tif 000006
次に、結果的に得られる行列［Ｇ（ｓ）スケーリング済み行列］の条件数が最小化されるようにプリスケール因子（行スケール因子）およびポストスケール因子（列スケール因子）を求める。最小化条件数は常に、重要性の最適な選択（すなわち最適なスケーリングおよび最適な重み付け）を行う。
最適スケール因子ＤＲおよびＤＣは、第２図の流れ図に従って求められる。最小条件数を求めるには、反復プロセスを実行する。
このプロセスはｔ0＝∞（ｔ0＝（Ｇ）の条件数＝ｃｏｎｄ（Ｇ））から始まる。この場合、Ｇは次式で表される。
0003910212.tif 000007
ＤＲは次式のように算出される（論理ブロック１０１）。
0003910212.tif 000008
ＤＣは次式のように算出される（論理ブロック１０５）。
0003910212.tif 000009
ＤＲおよびＤＣの値は各反復ごとに保存される。
Ｃｏｎｄ（Ｇ）は次式のように算出される（論理ブロック１１０）。
Ｇ＝（ＤＲ）r・Ｇ・（ＤＣ）r
Ｇの条件数が、前の反復のＧの条件数と突き合わせて検査され（論理ブロック１１５）、所定の数よりも小さい場合、プロセスは終了する。この差が所定の数ε（公差レベル）よりも大きい場合、プロセスは論理ブロック１０１で反復され、完了した反復の条件数が保存される（論理ブロック１２０）。ループの第１巡目で、論理ブロック１１５の答えが常にＮＯであることに留意されたい。通常のケースでは、反復回数は約１０回である。
ｒ回目の反復で、プロセスは終了すると、次式が成立する。
ＤＲ＝ＤＲ(1)・ＤＲ(2)・．．．・ＤＲ(r)
ＤＣ＝ＤＣ(1)・ＤＣ(2)・．．．・ＤＣ(r)
および
Ｇ（ｓ）＝ＤＲ・Ｇ・ＤＣ
上記オフラインで得られた解は次いで、制御装置に適用され、具体的には所定の実施形態のＲＭＰＣ制御装置に適用される。スケーリング済みモデル・データはＲＭＰＣ制御装置にロードされる（すなわち、Ｇ（ｓ））。Ｇ（ｓ）は基本的に、それぞれの異なるｃｖ単位およびｍｖ単位を有する新しい利得行列である。また、上記で求められたプリスケール因子およびポストスケール因子もロードされ、第１図に示した制御装置１０構成が生成される。
上記の説明はＲＭＰＣに関連するものであったが、当業者には、プロセス制御装置に最適スケーリング技法を適用できることが理解されよう。
本発明の好ましい実施形態とみなされるものを示したが、本発明の基本的な趣旨および範囲から逸脱せずに本発明に多数の変更および修正を加えられることは自明であろう。したがって、添付の請求の範囲において、本発明の真の範囲内のすべてのそのような変更および修正がカバーされる。
【図１】
0003910212.tif 000010
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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