(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象の状態を指令する指令信号と制御対象の状態を観測して得られる観測信号との誤差信号に基づいて、制御対象を制御する制御信号を演算する制御器を備えた制御装置において、
前記制御器を設計する際に用いた周波数重みの特性を有し、前記誤差信号を入力してフィルタ処理をして出力するフィルタと、
前記フィルタの出力信号の自乗平均値を演算する第１の演算手段と、
前記指令信号の自乗平均値を演算する第２の演算手段と、
前記第１の演算手段の出力信号を前記第２の演算手段の出力信号によって除算する第３の演算手段と、
前記第３の演算手段の出力値が「１」を超える場合に前記制御器の異常検出信号を出力する判別手段、
とを備えたことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
制御対象の状態を指令する指令信号と制御対象の状態を観測して得られる観測信号との誤差信号に基づいて、制御対象を制御する制御信号を演算する制御器を備えた制御装置において、
前記制御器を設計する際に用いた周波数重みの特性を有し、前記誤差信号を入力してフィルタ処理をして出力するフィルタと、
前記フィルタの出力信号の自乗平均値を演算する第１の演算手段と、
前記指令信号の自乗平均値を演算する第２の演算手段と、
前記第１の演算手段の出力信号から前記第２の演算手段の出力信号を減算する第３の演算手段と、
前記第３の演算手段の出力値が「正」である場合に前記制御器の異常検出信号を出力する判別手段、
とを備えたことを特徴とする制御装置。
【請求項３】
制御対象の状態を指令する指令信号と制御対象の状態を観測して得られる観測信号との誤差信号に基づいて、制御対象を制御する制御信号を演算する制御器を備えた制御装置において、
前記制御器を設計する際に用いた周波数重みの特性を有し、前記観測信号を入力してフィルタ処理をして出力するフィルタと、
前記フィルタの出力信号の自乗平均値を演算する第１の演算手段と、
前記指令信号の自乗平均値を演算する第２の演算手段と、
前記第１の演算手段の出力信号を前記第２の演算手段の出力信号によって除算する第３の演算手段と、
前記第３の演算手段の出力値が「１」を超える場合に前記制御器の異常検出信号を出力する判別手段、
とを備えたことを特徴とする制御装置。
【請求項４】
制御対象の状態を指令する指令信号と制御対象の状態を観測して得られる観測信号との誤差信号に基づいて、制御対象を制御する制御信号を演算する制御器を備えた制御装置において、
前記制御器を設計する際に用いた周波数重みの特性を有し、前記観測信号を入力してフィルタ処理をして出力するフィルタと、
前記フィルタの出力信号の自乗平均値を演算する第１の演算手段と、
前記指令信号の自乗平均値を演算する第２の演算手段と、
前記第１の演算手段の出力信号から前記第２の演算手段の出力信号を減算する第３の演算手段と、
前記第３の演算手段の出力値が「正」である場合に前記制御器の異常検出信号を出力する判別手段、
とを備えたことを特徴とする制御装置。
【請求項５】
制御対象の状態を指令する指令信号と制御対象の状態を観測して得られる観測信号との誤差信号に基づいて、制御対象を制御する制御信号を周波数の重み特性を異ならせて演算し、互いに切替えて使用することが可能な複数の制御器を備えた制御装置において、
初めに運転する前記制御器を設計する際に用いた周波数重みの特性を有し、前記制御信号を入力してフィルタ処理をして出力するフィルタと、
前記フィルタの出力信号の自乗平均値を演算する第１の演算手段と、
前記指令信号の自乗平均値を演算する第２の演算手段と、
前記第１の演算手段の出力信号を前記第２の演算手段の出力信号によって除算する第３の演算手段と、
前記第３の演算手段の出力値が「１」を超える場合に前記制御器を切り替える制御切替信号を出力する判別手段、
とを備えたことを特徴とする制御装置。
【請求項６】
制御対象の状態を指令する指令信号と制御対象の状態を観測して得られる観測信号との誤差信号に基づいて、制御対象を制御する制御信号を周波数の重み特性を異ならせて演算し、互いに切替えて使用することが可能な複数の制御器を備えた制御装置において、
初めに運転する前記制御器を設計する際に用いた周波数重みの特性を有し、前記制御信号を入力してフィルタ処理をして出力するフィルタと、
前記フィルタの出力信号の自乗平均値を演算する第１の演算手段と、
前記指令信号の自乗平均値を演算する第２の演算手段と、
前記第１の演算手段の出力信号から前記第２の演算手段の出力信号を減算する第３の演算手段と、
前記第３の演算手段の出力値が「正」である場合に前記制御器を切り替える制御切替信号を出力する判別手段、
とを備えたことを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象の状態が変動した場合に、その変動分が設計時に想定した範囲を超えたことを判断する機能を備えた制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
制御対象の状態が変動した場合でも制御系を安定にするロバスト制御では、あらかじめ、制御対象の変動分を周波数の重みで表現して制御装置の設計に利用する。また、制御系の応答性を、制御対象の状態を指令する指令信号から誤差信号までの伝達関数で規定し、その伝達関数が所望の周波数特性を示すように、周波数の重み、すなわち周波数対ゲインの関連性を用いて設計を行う。このように、制御器の設計では周波数の重みを用いているが、運転中の異常検出等には周波数重みの情報を加味していなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の制御装置にあっては、設計時の情報がプラント等の運転中の異常検出等に十分に反映されておらず、従って、制御器の設計時に想定した制御特性が維持されているか否かの検証ができないと言う問題があった。
【０００４】
本発明は上記の問題を解決するためになされたもので、その目的は、制御器の設計時に用いる周波数重みを利用することによって、設計時に想定した制御特性が維持されているかを運転中に検証することのできる制御装置を提供するにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、互いに切替えて使用することが可能な複数の制御器のうち、現在使用中の制御器の制御特性が設計時に想定した範囲に維持されていないことが確認されたとき、他のものに切替えることのできる制御装置を提供するにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以下、本発明をその原理と併せて説明する。一般に、制御対象の伝達関数をＧ（ｓ）とした場合、制御器の伝達関数Ｋ（ｓ）を次の仕様１〜４に基づいて決定する。
【０００７】
仕様１：制御対象の伝達関数Ｇ（ｓ）を安定化する。
仕様２：制御指令から制御対象の観測信号までの周波数特性をＷｓ（ｓ）-1より小さくする。
仕様３：変動分を含めた制御対象の伝達関数をＧ（ｓ）（１＋Ｗｔ（ｓ））と表現し、制御対象の変動分Ｗｔ（ｓ）の範囲内で制御対象が変動しても安定化する。
仕様４：変動分を含めた制御対象の伝達関数をＧ（ｓ）＋Ｗｒ（ｓ）と表現し、変動分Ｗｒ（ｓ）の範囲内で制御対象が変動しても安定化する。
【０００８】
上述した仕様１〜仕様４は次式のように表現される。
【０００９】
【数１】
0003924138.tif 000002
ここで、次式で表現できるものが無限大ノルムと称され、全周波数領域での制御対象の伝達関数のゲインの最大値を示している。
【００１０】
【数２】
0003924138.tif 000003
つまり、入力信号ｕ（ｔ）に対して、次式を示している。
【００１１】
【数３】
0003924138.tif 000004
次に、仕様２を式で表現すると次のようになる。
【００１２】
【数４】
0003924138.tif 000005
ここで、ｅは指令信号と観測信号との誤差信号を表し、ｒは指令信号を表している。設計時に用いた周波数重みＷｓ（ｓ）をフィルタとして用い、誤差信号ｅをフィルタ処理して自乗平均値（ＲＭＳ値）を計算する一方、指令信号ｒの自乗平均値と比較することによって、設計時に想定した応答特性を維持しているか否かを運転中に検証することができる。
【００１３】
次に、仕様３を式で表現すると次のようになる。
【００１４】
【数５】
0003924138.tif 000006
ここで、ｙは観測信号を表し、ｒは指令信号を表している。設計時に用いた周波数重みＷｓ（ｓ）をフィルタとして用い、観測信号ｙをフィルタ処理して自乗平均値を計算する一方、指令信号ｒの自乗平均値と比較することによって、設計時に想定したロバスト特性を維持しているか否かを運転中に検証することができる。
【００１５】
次に、仕様４を式で表現すると次のようになる。
【００１６】
【数６】
0003924138.tif 000007
ここで、ｕは制御信号を表し、ｒは指令信号を表している。設計時に用いた周波数重みＷｓ（ｓ）をフィルタとして用い、制御信号ｕをフィルタ処理して自乗平均値を計算する一方、指令信号ｒの自乗平均値と比較することによって、設計時に想定したロバスト特性を維持しているか否かを運転中に検証することができる。
【００１７】
本願の請求項１乃至４に係る発明は、いずれも制御対象の状態を指令する指令信号と制御対象の状態を観測して得られる観測信号との誤差信号に基づいて、制御対象を制御する制御信号を演算する制御器を備えた制御装置を対象としており、このうち、請求項１に係る発明は、上述した（４）式の関係を具体化して構成したもので、
制御器を設計する際に用いた周波数重みの特性を有し、誤差信号を入力してフィルタ処理をして出力するフィルタと、
フィルタの出力信号の自乗平均値を演算する第１の演算手段と、
指令信号の自乗平均値を演算する第２の演算手段と、
第１の演算手段の出力信号を第２の演算手段の出力信号によって除算する第３の演算手段と、
第３の演算手段の出力値が「１」を超える場合に制御器の異常検出信号を出力する判別手段、
とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
請求項２に係る発明は、上述した（４）式の関係を別の形で具体化して構成したもので、
制御器を設計する際に用いた周波数重みの特性を有し、誤差信号を入力してフィルタ処理をして出力するフィルタと、
フィルタの出力信号の自乗平均値を演算する第１の演算手段と、
指令信号の自乗平均値を演算する第２の演算手段と、
第１の演算手段の出力信号から第２の演算手段の出力信号を減算する第３の演算手段と、
第３の演算手段の出力値が「正」である場合に制御器の異常検出信号を出力する判別手段、
とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
請求項３に係る発明は、上述した（５）式の関係を具体化して構成したもので、
制御器を設計する際に用いた周波数重みの特性を有し、観測信号を入力してフィルタ処理をして出力するフィルタと、
フィルタの出力信号の自乗平均値を演算する第１の演算手段と、
指令信号の自乗平均値を演算する第２の演算手段と、
第１の演算手段の出力信号を第２の演算手段の出力信号によって除算する第３の演算手段と、
第３の演算手段の出力値が「１」を超える場合に制御器の異常検出信号を出力する判別手段、
とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
請求項４に係る発明は、上述した（５）式の関係を別の形で具体化して構成したもので、
制御器を設計する際に用いた周波数重みの特性を有し、観測信号を入力してフィルタ処理をして出力するフィルタと、
フィルタの出力信号の自乗平均値を演算する第１の演算手段と、
指令信号の自乗平均値を演算する第２の演算手段と、
第１の演算手段の出力信号から第２の演算手段の出力信号を減算する第３の演算手段と、
第３の演算手段の出力値が「正」である場合に制御器の異常検出信号を出力する判別手段、
とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
請求項５及び請求項６に係る発明は、どちらも制御対象の状態を指令する指令信号と制御対象の状態を観測して得られる観測信号との誤差信号に基づいて、制御対象を制御する制御信号を周波数の重み特性を異ならせて演算し、互いに切替えて使用することが可能な複数の制御器を備えた制御装置を対象としており、このうち、請求項５に係る発明は、上述した（６）式の関係を具体化して構成したもので、
初めに運転する制御器を設計する際に用いた周波数重みの特性を有し、制御信号を入力してフィルタ処理をして出力するフィルタと、
フィルタの出力信号の自乗平均値を演算する第１の演算手段と、
指令信号の自乗平均値を演算する第２の演算手段と、
第１の演算手段の出力信号を第２の演算手段の出力信号によって除算する第３の演算手段と、
第３の演算手段の出力値が「１」を超える場合に制御器を切り替える制御切替信号を出力する判別手段、
とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
また、請求項６に係る発明は、上述した（６）式の関係を別の形で具体化して構成したもので、
初めに運転する制御器を設計する際に用いた周波数重みの特性を有し、制御信号を入力してフィルタ処理をして出力するフィルタと、
フィルタの出力信号の自乗平均値を演算する第１の演算手段と、
指令信号の自乗平均値を演算する第２の演算手段と、
第１の演算手段の出力信号から第２の演算手段の出力信号減算する第３の演算手段と、
第３の演算手段の出力値が「正」である場合に制御器を切り替える制御切替信号を出力する判別手段、
とを備えたことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る制御装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。同図において、制御対象１２の状態を指令する指令信号Ｓ２１を被減算入力とし、制御対象１２の状態を観測して得られる観測信号Ｓ２４を減算入力とする減算器１０が設けられ、この減算器１０はこれら二つの入力信号の差である誤差信号Ｓ２２を出力して制御器１１に加える。制御器１１は前述した仕様１〜４に基づいて設計されたもので、この制御器１１から制御対象１２を制御する制御信号Ｓ２３が出力される。制御対象１２の状態は図示省略のセンサ等で観測され、観測信号Ｓ２４が得られる。
【００２４】
また、制御器１１を設計する際に用いた周波数重みの特性、つまり周波数対ゲイン特性を持つフィルタ１３Ａを備え、このフィルタ１３Ａに誤差信号Ｓ２２が加えられる。従って、誤差信号Ｓ２２はここでフィルタ処理されて出力される。このフィルタ１３Ａには自乗平均値演算手段１４が接続され、この自乗平均値演算手段１４で演算された入力の自乗平均値Ａが出力される。さらに、指令信号Ｓ２１を入力してその自乗平均を演算して自乗平均値Ｂを出力する自乗平均値演算手段１５が設けられている。
【００２５】
さらに、自乗平均値演算手段１４の自乗平均値Ａを一方入力、自乗平均値演算手段１５の自乗平均値Ｂを他方入力として、Ａ／Ｂの演算を行う除算手段１６が設けられており、その出力経路に、除算して得られた値が「１」よりも大きいか否かを判別し、「１」よりも大きいときに異常検出信号Ｓ２５を出力する判別手段１７が接続されている。
【００２６】
図２は周波数重みの特性を有するフィルタ１３Ａのゲインと周波数との関係を示す線図であり、このフィルタの特徴は特性曲線Ｐに示すように、定常偏差をゼロにするために、周波数が低くなるほどゲインは高くなっている。
【００２７】
上記のように構成したことにより、（４）式の仕様を満たしているか否かを判別することができる。すなわち、設計時に用いた周波数重みを有するフィルタ１３Ａを用いて誤差信号Ｓ２２をフィルタ処理し、得られた値に対する自乗平均値と、指令信号Ｓ２１に対する自乗平均値との比を除算手段１６によって演算し、その演算結果が「１」より小さい場合には設計時に想定した応答特性を維持していると判別し、演算結果が「１」より大きい場合には異常検出信号Ｓ２５を出力して設計時に想定した応答特性を維持していないことを報知する。
【００２８】
図３は本発明に係る制御装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図であり、図中、第１の実施形態を示す図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は図１中の除算手段１６及び判別手段１７を除去し、これに代えて自乗平均値Ａを一方入力、自乗平均値Ｂを他方入力としてＡ−Ｂの演算を行う減算器１８と、この減算器１８の出力信号がゼロより大きいか否かを判別する判別手段１９を設けた点が図１と構成を異にし、これ以外は図１と同一に構成されている。
【００２９】
この実施形態における減算器１８及び判別手段１９は、前述の除算手段１６及び判別手段１７と全く同一の判別を行っていることは明らかである。
【００３０】
かくして、第１及び第２の実施形態によれば、設計時に想定した応答特性を維持しているか否かを運転中に検証することができる。
【００３１】
図４は本発明に係る制御装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図であり、図中、図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は図１中のフィルタ１３Ａを除去し、その代わりに周波数特性の異なるフィルタ１３Ｂを設け、このフィルタ１３Ｂに観測信号Ｓ２４を入力するように構成した点が図１と構成を異し、これ以外は図１と同一に構成されている。
【００３２】
なお、フィルタ１３Ｂはゲインと周波数との関係を図５の特性曲線Ｑに示すように、周波数が高くなるほどゲインは高くなっている。これは、高周波数域は低周波数域に比べて制御対象の不確定要素が大きいために、周波数の重みを高くしている。
【００３３】
上記のように構成したことにより、（５）式の仕様を満たしているか否かを判別することができる。すなわち、設計時に用いた周波数重みを有するフィルタ１３Ｂを用いて観測信号Ｓ２４をフィルタ処理し、得られた値に対する自乗平均値と、指令信号Ｓ２１に対する自乗平均値との比を除算手段１６によって演算し、その演算結果が「１」より小さい場合には設計時に想定したロバスト特性を維持していると判別し、演算結果が「１」より大きい場合には異常検出信号Ｓ２５を出力して設計時に想定したロバスト特性を維持していないことを報知する。
【００３４】
図６は本発明に係る制御装置の第４の実施形態の構成を示すブロック図であり、図中、第３の実施形態を示す図４と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は図４中の除算手段１６及び判別手段１７を除去し、これに代えて自乗平均値Ａを一方入力、自乗平均値Ｂを他方入力としてＡ−Ｂの演算を行う減算器１８と、この減算器１８の出力信号がゼロより大きいか否かを判別する判別手段１９を設けた点が図４と構成を異にし、これ以外は図４と同一に構成されている。
【００３５】
この実施形態における減算器１８及び判別手段１９は、前述の除算手段１６及び判別手段１７と全く同一の判別を行っていることは明らかである。
【００３６】
かくして、第３及び第４の実施形態によれば、設計時に想定したロバスト特性を維持しているか否かを運転中に検証することができる。
【００３７】
図７は本発明に係る制御装置の第５の実施形態の構成を示すブロック図であり、図中、図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は周波数の重み特性を異ならせて制御対象１２を制御する制御信号をそれぞれ演算し、互いに切替えて使用することが可能な制御器１１Ａ，１１Ｂを備えた点、図１中のフィルタ１３Ａを除去し、その代わりに周波数特性の異なるフィルタ１３Ｃを設け、このフィルタ１３Ｃに制御信号Ｓ２３を入力するように構成した点が図１と構成を異し、これ以外は図１と同一に構成されている。
【００３８】
なお、フィルタ１３Ｃは初めに運転する制御器のゲインと周波数との関係を図８の特性曲線Ｒに示すように、周波数が高くなるほどゲインは高くなっている。これは、高周波数域は低周波数域に比べて制御対象の不確定要素が大きいために、周波数の重みを高くしている。
【００３９】
上記のように構成したことにより、（６）式の仕様を満たしているか否かを判別することができる。すなわち、設計時に用いた周波数重みを有するフィルタ１３Ｃを用いて制御信号Ｓ２３をフィルタ処理し、得られた値に対する自乗平均値と、指令信号Ｓ２１に対する自乗平均値との比を除算手段１６によって演算し、その演算結果が「１」より小さい場合には設計時に想定したロバスト特性を維持していると判別し、演算結果が「１」より大きい場合には設計時に想定したロバスト特性を維持していないと判別すると共に、他の制御器を使用するように制御切替信号Ｓ２６を出力する。
【００４０】
図９は本発明に係る制御装置の第６の実施形態の構成を示すブロック図であり、図中、第５の実施形態を示す図７と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は図７中の除算手段１６及び判別手段１７を除去し、これに代えて自乗平均値Ａを一方入力、自乗平均値Ｂを他方入力としてＡ−Ｂの演算を行う減算器１８と、この減算器１８の出力信号がゼロより大きいか否かを判別する判別手段１９を設けた点が図４と構成を異にし、これ以外は図４と同一に構成されている。
【００４１】
かくして、第５及び第６の実施形態によれば、制御信号Ｓ２３に基づいて設計時に想定したロバスト特性を維持しているか否かを運転中に検証することが可能になると共に、ロバスト特性を維持していないと判別した場合には他の制御器に切り替えることにより、制御対象１２を安全かつ確実に制御することができる。
【００４２】
なお、第５及び第６の実施形態では、切替接続することが可能な２台の制御器１１Ａ，１１Ｂを備える場合について説明したが、本発明はより多くの制御器を備える場合にも適用することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、制御器の設計時に用いる周波数重みを利用することによって、設計時に想定した制御特性が維持されているかを運転中に検証することのできる制御装置が得られる。
【００４４】
また、互いに切替えて使用することが可能な複数の制御器を備える場合、現在使用中の制御器の制御特性が設計時に想定した範囲に維持されていないことが検証されたとき、他のものに切替えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る制御装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】図１に示す第１の実施形態を構成するフィルタのゲインと周波数との関係を示した線図。
【図３】本発明に係る制御装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図。
【図４】本発明に係る制御装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図。
【図５】図４に示す第３の実施形態を構成するフィルタのゲインと周波数との関係を示した線図。
【図６】本発明に係る制御装置の第４の実施形態の構成を示すブロック図。
【図７】本発明に係る制御装置の第５の実施形態の構成を示すブロック図。
【図８】図７に示す第５の実施形態を構成するフィルタのゲインと周波数との関係を示した線図。
【図９】本発明に係る制御装置の第６の実施形態の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１０，１８  減算器
１１，１１Ａ，１１Ｂ  制御器
１２  制御対象
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ  フィルタ
１４，１５  自乗平均値演算手段
１６  除算手段
１７，１９  判別手段
【図１】
0003924138.tif 000008
【図２】
0003924138.tif 000009
【図３】
0003924138.tif 000010
【図４】
0003924138.tif 000011
【図５】
0003924138.tif 000012
【図６】
0003924138.tif 000013
【図７】
0003924138.tif 000014
【図８】
0003924138.tif 000015
【図９】
0003924138.tif 000016