(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定プロセス変数の関数である制御出力信号によって非自己調整プロセスを制御するプロセス制御装置において、
プロセス変数入力と制御出力とを有する制御手段であって、前記プロセス変数入力で受け取られた被測定プロセス変数に応答して、かつ制御関数パラメータに基づいて前記制御出力に前記制御出力信号を発生する前記制御手段と、
調整手段とを具備し、
前記調整手段が、
前記制御出力に接続され、励起信号を、選択されたその最小値ＵMINから選択された最大値ＵMAXまで増加したり、前記励起信号をＵMAXからＵMINへ減少させたりする手段を有する励起手段と、
前記励起信号に応答して被測定プロセス変数の立上り不感時間ＬR、立下り不感時間ＬF、立上り変化率ＲRおよび立下り変化率ＲFを計算し、かつ前記ＬR、ＬF、ＲRおよびＲFに基づいてプロセスモデルを概算する概算手段であって、該プロセスモデルが下記の数式に従って概算される定数ｍ1を含む概算手段と、
0003756521.tif 000024
前記概算手段に接続され、前記プロセスモデルに基づいて前記制御関数パラメータを計算するパラメータ計算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】
前記概算手段が、下記の数学式にしたがってＲRおよびＲFを計算する手段を備えていることを特徴とする請求項1のプロセス制御装置。
0003756521.tif 000025
ここで、Ｎは立上りおよび立下り方向での被測定プロセス変数の選択されたサンプル数であり、かつＲRnおよびＲFnは、被測定プロセス変数のｎ番目のサンプルの立上り変化率および立下り変化率である。
【請求項３】
前記概算手段が、選択された最小の値ＵMINから選択された最大の値ＵMAXまで、励起出力信号を増加させたり、励起信号をＵMAXからＵMINへ減少させたりする手段と、
下記の数学式にしたがってＬRおよびＬFを計算する手段とを備えていることを特徴とする請求項1のプロセス制御装置。
0003756521.tif 000026
ここで、ｔMAXおよびｔ-MAXは、被測定プロセス変数がそれぞれ最大率で立上る時間、および立下る時間、ｔRおよびｔFは前記ＵMAXおよびＵMINが励起出力にそれぞれ供給される時間、ｙ（ｔMAXおよびｙ（ｔ-MAX）はそれぞれ、時間ｔMAXおよびｔ-MAXにおける被測定プロセス変数の値、ｙMINは時間ｔRとｔFの間に測定されたプロセス変数の最小値、ｙMAXは時間ｔFとｔAの間に測定されたプロセス変数の最大値であり、このｔAは前記ＵMINが除去される時間である。
【請求項４】
前記プロセスモデルがプロセス不感時間値Ｌを含み、かつ前記概算手段がＬRおよびＬFの最大値としてＬを概算することを特徴とする請求項１のプロセス制御装置。
【請求項５】
プロセスモデルパラメータが時定数ＴC、定常プロセス利得ＫS、およびプロセスの不感時間Ｌを含む自己調整プロセスを制御するように構成され、
前記概算手段が、
Ｎを立上りおよび立下り方向の被測定プロセス変数のサンプル数、ｎを１からＮまでの数、ＲRnを被測定プロセス変数のｎ番目のサンプルの立上り変化率、Ｙnを被測定プロセス変数のｎ番目のサンプル値、またＲFnを被測定プロセス変数のｎ番目のサンプルの立下り変化率とするとき、下記の数学式にしたがって立上り時定数ＴR、立上り定常プロセス利得ＫR、立下り時定数ＴF、立下り定常プロセス利得ＫFを計算する手段と、
0003756521.tif 000027
最小のＴRおよびＴFとしてＴCを概算し、また最大のＫRおよびＫFとしてＫSを概算する手段とよりなる請求項１のプロセス制御装置。
【請求項６】
前記概算手段がさらに、ｔMAXおよびｔ-MAXを被測定プロセス変数がそれぞれ最大率で立上り、立下る時間とし、ｔRおよびｔFをＵMAXおよびＵMINが励起出力にそれぞれ供給される時間、ｙ（ｔMAX）およびｙ（ｔ-MAX）をそれぞれ、時間ｔMAXおよびｔ-MAXにおける被測定プロセス変数の値とし、ｙMINを時間ｔRとｔFの間で測定されたプロセス変数の最小値、ｙMAXを時間ｔFとｔAの間で測定されたプロセス変数の最大値、このｔAを、ＵMINが除去される時間とし、さらにＲR1およびＲF1をサンプルｎ＝１のときの被測定プロセス変数の立上り変化率および立下り変化率であるとしたとき、下記の数学式にしたがってプロセスの立上り不感時間ＬRおよび立下り不感時間ＬFを計算する手段と、
0003756521.tif 000028
前記ＬRおよびＬFの最大値としてＬを概算する手段とを具備した請求項５のプロセス制御装置。
【請求項７】
被測定プロセス変数の関数である制御出力信号によって非自己調整プロセスを制御するプロセス制御装置において、
プロセス変数入力と制御出力とを有する制御手段であって、前記プロセス変数入力で受け取られた被測定プロセス変数に応答して、かつ制御関数パラメータに基づいて前記制御出力に前記制御出力信号を発生する前記制御手段と、
調整手段とを具備し、
前記調整手段が、
前記制御出力に接続され、励起信号を、選択されたその最小値ＵMINから選択された最大値ＵMAXまで増加したり、前記励起信号をＵMAXからＵMINへ減少させたりする手段を有する励起手段と、
前記励起信号に応答して被測定プロセス変数の立上り不感時間ＬR、立下り不感時間ＬF、立上り変化率ＲRおよび立下り変化率ＲFを計算し、かつ前記ＬR、ＬF、ＲRおよびＲFに基づいてプロセスモデルを概算する概算手段であって、該プロセスモデルが下記の数式に従って概算される前記制御出力信号の概算される定常値ＵESTを含む概算手段と、
0003756521.tif 000029
前記概算手段に接続され、前記プロセスモデルに基づいて前記制御関数パラメータを計算するパラメータ計算手段とを備え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】
発明の背景
本発明は低電力および低メモリ用途に適用でき、複雑さが少なく、しかも頑丈な（robust）現場設置型制御装置のような自動調整付工業プロセスコントローラに関するものである。
現場設置型制御装置は、伝送器、アクチュエータ、トランスジューザ、スイッチおよび独立型（stand-alone）コントローラのような、いろいろな装置を含んでいる。現場設置型制御装置はプロセス制御システムで使用され、プロセスを制御し、プロセス変数を測定し、さらにプロセス制御ループを介して中央コントローラあるいは現場制御要素（例えば、バルブなど）に通信するためのプロセス変数を示す出力を発生する。このループは、２線式、３線式および４線式のプロセス制御ループを含んでいる。光学的制御ループおよび無線周波数制御ループのような他のループも使用されてきた。
現場設置型制御装置は、電流レベルおよび電圧レベルが、一般的には、本来的な安全性をもたらすように制限されている現場領域に取り付けられる。この装置は、しばしば制御ループを介して電力を供給される。別個のトランスジューサが各プロセス変数を検出し、検出変数を伝送器に供給して中央コントローラへ伝送させる。コントローラは、中央制御室あるいは現場に置かれ、トランスジューサ出力を統合して適切な制御出力信号を発生する。制御出力信号は、一般に、制御出力信号に従ってプロセスを制御するバルブのような遠隔アクチュエータに、別個の制御ループを介して送られる。ある種の応用では、コントローラはプロセス制御装置のための最も適切な命令の組合せを選択する。
ある用途では、伝送器そのものは、中央制御装置を通さずに、制御出力信号を遠隔装置に直接供給する制御機能を含んでいる。制御機能はバルブのような他の現場制御要素にも持たせることができる。この種の制御装置は、“スマート”な現場設置型制御装置と呼ばれ、参照によりここに組み込まれるワーリア（Warrior）他の米国特許第５，３３３，１１４号の明細書に、より詳細に開示されている。
伝送器あるいは中央制御室のコントローラによって実行される制御アルゴリズムあるいは制御方程式は、コントローラが使用されるプロセスに特に適合させられる。比例（Ｐ）、比例積分（ＰＩ）、比例微分（ＰＤ）および比例積分微分（ＰＩＤ）の制御アルゴリズムを含む、いくつかの基本的な制御アルゴリズムが存在する。制御アルゴリズムの性能は、理想的な形式のＰＩＤ制御アルゴリズムのための比例利得、積分時間および微分時間のそれぞれに対応するＫP、ＴI、ＴDのような制御パラメータによって決定される。いくつかの応用では、ＫPは、ＫPの関数である比例バンドパラメータＰＢと置換される。並列方程式および直列方程式のような他の形式のＰＩＤ制御アルゴリズムが存在する。これらのアルゴリズムは、理想的な形式のパラメータと類似の対応パラメータを有する。制御パラメータは基本的なプロセスのモデルに基づいて調整（tune）され、プロセスを最適に作動させる。
制御パラメータを調整する際の最も重要なタスクの１つは、初期プロセスモデルを定義することと、対応するモデルパラメータを概算または評価（estimate）することである。温度、流量あるいは圧力制御プロセスのような自己調整プロセスのためのモデルは、しばしば不感時間と１次方程式によって定義することができる。レベル制御プロセスのような非自己調整プロセスのためのモデルは積分方程式によって定義することができる。対応するモデルパラメータは、プロセスを乱し、プロセス変数の応答を観測することによって評価される。
一旦プロセスモデルパラメータが決定されてしまうと、いくつかの調整方法が制御パラメータを調整するために使用できる。チグラー・ニコルス（Ziegler-Nichols）の開ループ調整方法では、プロセス変数ｙ（ｔ）は、安定状態ＹSSに手動制御あるいは自動制御され、階段関数が制御信号ｕ（ｔ）に適用される。それから、プロセス変数の応答を観察することによってプロセスモデルパラメータが評価される。プロセスモデルパラメータの概算は通常、定常状態値ＹSSに敏感である。階段関数を開始する前に定常状態ＹSSが理想的に確定されていないならば、所望の閉ループ応答を得ることは困難である。
修正されたチグラー・ニコルスの周波数ドメイン（閉ループ）方法では、リレーフィードバック信号が安定状態制御信号ｕ（ｔ）＝ＵSSに加算され、プロセス変数にリミットサイクル振動を生じさせるように２つの値の間で切換えられる。そして、これに基づいて周波数ドメインパラメータ（究極の周期ＴUおよび利得ＫU）が概算できる。それから、実験に基づく公式に従って制御パラメータが発生される。周波数パラメータＴUおよびＫUの概算はＹSSにも敏感である。さらに、負荷およびバルブの摩擦が、調整を困難にし、最適化された調整（整合）ループよりも悪くすることがある。確固不動で（robust）、反復できる調整のために、予備調整段階は、プロセスに外乱を加える前に、安定状態ＹSSを必要とすることが多い。
予備調整の要求は、アルゴリズムの複雑さおよび調整時間を増加させる。複雑さが増加されると、不可能ではないとしても、現場設置型制御伝送器でのような制限された電力、メモリおよび計算能力しか有しない用途においては、このような調整アルゴリズムを実行することが困難になる。これらの方法および他の調整方法は、１９８９年、アディソンウェスレイ（Addison-Wesley）出版社発行のＫ・アストロム（K.Astrom）およびＢ・ウィットンマーク（B.Wittenmark）著の「適応制御」、第８章に記載されている。
発明の概要
本発明のプロセス制御システムは、プロセス変数入力および制御出力を有するコントローラを含んでいる。コントローラは、プロセス変数入力で受信された被測定プロセス変数の関数である制御出力信号を制御出力上に発生する。自動調整器はコントローラに接続される。自動調整器は、プロセスを作動させ、測定されたプロセス変数の立上り不感時間、立上り変化率、立下り不感時間および立下り変化率に基づいてプロセスモデルを概算し、それからプロセスモデルに基づいてコントローラの機能をプロセスに適合させる。自動調整器は確固不動な結果をもたらすが、その計算は簡単であるので、回路は、伝送器あるいはバルブを主体とする現場設置型制御装置におけるような低電力および低容量メモリ用途でのハードウェアあるいはソフトウェアで構成することができる。
自動調整器回路は、自己調整プロセスおよび非自己調整プロセスのための制御関数を調整するように構成することができる。１つの実施例では、自動調整器は、ユーザ定義の性能係数を受け取るための性能入力を備えている。自動調整器は、プロセスモデルおよび性能係数に基づいて制御関数を調整する。性能係数は、積極的、中庸的、あるいは臨界的な制動性能を生じるように選択することができる。自動調整器は、Ｐ、ＰＩ、ＰＤ、ＰＩＤのような制御関数および他のいろいろな種類の制御関数のためのパラメータを調整するのに使用することができる。
プロセス制御システムはまた、受信トリガコマンド、実時間クロック出力、あるいはプロセスの観測の関数として自動調整器をトリガする、トリガ回路を含むこともできる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の１つの実施例によるレベル制御システムの図である。
図２は、制御装置を含む、図１に示された伝送器のブロック図である。
図３は、本発明のプロセス制御システムの図である。
図４は、本発明による、自動調整段階および非自己調整プロセスのための閉ループ制御段階を示す波形図である。
図５は、自己調整プロセスのための自動調整段階を示す波形図である。
図６は、本発明による制御装置を有するバルブのブロック図である。
好ましい実施例の詳細な説明
本発明は、計算が簡単であるので、プロセス制御システムの低電力の現場設置型制御装置に装備できるという確固不動な特徴を有するプロセス制御システムである。
図１は、本発明のプロセス制御システムが有用である１つの実施例を示す概略図である。プロセス制御システムは、マスタコントローラ１０と、伝送器１２と、タンク１４と、入力バルブ１６と、出力バルブ１８とを含んでいる。マスタコントローラ１０は、２線式プロセス制御ループ２０を介して伝送器１２および入力バルブ１６に接続される。ループ２０は、例えば、マスタコントローラ１０、伝送器１２およびバルブ１６が、ループを通る電流のレベルを変えることによって、互いに通信することができる４〜２０ｍＡまたは１０〜５０ｍＡ電流ループを含むことができる。他の実施例では、マスタコントローラ１０、伝送器１２およびバルブ１６は、ループ２０上の電圧レベルを変えることによって通信する。同時に、マスタコントローラ１０および伝送器１２は、ＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルのような搬送波変調方法で、ループ２０を介してディジタル的に通信する。
現場バス（Fieldbus）協会によって現在採用されている現場バス標準を含む他のディジタル通信システムを使用することもできる。あるいは、ループ２０は、ＤＥプロトコルのようなベースバンド変調ディジタル信号を搬送する。さらに、マスタコントローラ１０および伝送器１２は、単一あるいは双対の光ファイバを介して光学的に、あるいは無線周波数で互いに通信できる。光制御回路の１例は、参照によってここに組み込まれる米国特許第５，２５８，８６８号明細書に開示されている。
マスタコントローラ１０は、ループ２０に電力および制御を供給するコントローラ２２および電源２３を含んでいる。マスタコントローラ１０は、中央制御室あるいは伝送器１２を有する遠隔の作業現場に置くことができる。マスタコントローラ１０、伝送器１２およびバルブ１６は、ワーリア（Warrior）他の米国特許第５，３３３，１１４号の明細書に、より詳細に論議されているような、いろいろな態様で互いに接続できる。
図１に示された実施例では、ループ１２を流れる電流の大きさは制御出力ｕ（ｔ）を表わし、この出力がバルブ１６の位置を制御することによってタンク１４への流入量を制御する。伝送器１２は、マスタコントローラ１０からループ２０の動作を引き継ぐことができ、電流の変動を吸収して制御出力ｕ（ｔ）を調整することができるような、固有の制御機能を含むことが好ましい。バルブ１８の位置はタンク１４から出る流出量を制御する。バルブ１８はバルブ制御信号ｏ（ｔ）によって調整される。前記制御信号は、カスケード接続の方法で（点線で示されるように）ループ２０と並列にループ２０に接続することができる２線式プロセス制御ループ２８を介して、伝送器２６によって供給される。並列構成は分岐（マルチドロップ）接続と呼ばれる。バルブ制御信号ｏ（ｔ）はまた、伝送器１２あるいはマスタコントローラ１０に接続されている別個のループによっても供給することができる。
タンクの中の流体のレベルｙ（ｔ）を測定するセンサ２４は、タンク１４に結合されている。レベルの変化率ｄｙ（ｔ）/ｄｔはバルブ１６および１８の位置の関数である。ｕ（ｔ）の増加がｙ（ｔ）の増加をもたらすので、制御出力ｕ（ｔ）はプロセス変数ｙ（ｔ）に“直接の作用”を有する。反対に、ｏ（ｔ）の増加はｙ（ｔ）の減少をもたらすので、信号ｏ（ｔ）はプロセス変数ｙ（ｔ）に“逆の作用”を有する。センサ２４は、絶対圧力センサあるいは差圧センサ、超音波センサあるいはマイクロ波センサのような任意の適当なセンサを含んでもよい。タンクの中の流体のレベルを示す信号を発生することができる他の種類のセンサも使用できる。図１に示されたレベル制御システムは非自己調整プロセスの１例である。本発明は、自己調整プロセスおよびその他の非自己調整プロセスとの併用にも適用できる。
図２は、本発明の第１の好ましい実施例による伝送器１２のブロック図である。伝送器１２は、マイクロプロセッサによって実行されるような計算機能を有する点で“スマート”伝送器である。伝送器１２は、現場に設備するためのでこぼこ付防爆ハウジング３４と、入力端子３６と、出力端子３８と、入出力回路４０と、復調器４２と、ディジタル/アナログ（Ｄ／Ａ）変換器４４と、変調器４６と、マイクロプロセッサ４８と、アナログ/ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器５０と、プロセス変数センサ５２と、クロック回路５４と、メモリ５６とを含んでいる。クロック回路５４はマイクロプロセッサ４８に接続されてマイクロプロセッサの動作順序を決定する。
入力端子３６はマスタコントローラ１０（図１）に接続されているのに対して、出力端子３８はバルブ１６に接続されている。入出力回路４０は入力端子３６と出力端子３８との間に接続されている。回路４０は、ループ２０で互いに直列に接続されている、入力フィルタ回路７０と、電圧調整器７２と、電流シンク（sink）７４および７６とを含んでいる。入出力回路４０は、入力端子３６でループ２０からプロセス信号を受け取り、プロセス信号の関数としての制御出力信号ｕ（ｔ）を出力端子３８に供給する。入出力回路４０内の電圧調整器７２は、ループ２０から電力を受け取り、調整された電圧を発生して伝送器１２の全ての回路素子に電力を供給する。
制御出力ｕ（ｔ）を発生する際に使用されるプロセス信号は、所望のプロセス状態を表わす設定値と、プロセスによって発生されるプロセス変数と、マイクロプロセッサ４８を作動させるコマンドおよび全体あるいは部分命令セットと、マイクロプロセッサ４８を制御する項の係数と、マスタコントローラ１０からの状態要求とを含んでいる。入力フィルタ回路７０は、プロセス信号を受け取り、この信号を復調器４２に供給する。復調器４２は、電流ループからの変調プロセス信号を復調し、対応するディジタル情報をマイクロプロセッサ４８に供給する。この情報は、所望ならば、メモリ５６に記憶することができる。
マイクロプロセッサ４８はまたプロセス変数センサ５２からのプロセス信号も受け取る。センサ５２は、例えば図１に示されたレベルのようなプロセス変数ｙ（ｔ）を測定し、その測定値をＡ/Ｄ変換器５０に供給する。Ａ／Ｄ変換器５０はマイクロプロセッサ４８のために前記測定値をディジタル化する。それから、プロセス変数測定値は、解析のためにメモリ５６に記憶されるか、あるいはループ２０を介してマスタコントローラ１０に送り返されることができる。マイクロプロセッサ４８は、ループ２０上への情報を変調する変調器４６および電流シンク７６を介してマスタコントローラ１０にディジタル情報を伝送する。他の実施例では、センサ５２およびＡ/Ｄ変換器５０は伝送器１２の外部に置かれている。本実施例では、センサ５２によって測定されたプロセス変数は、別のセンサからの他のプロセス変数とともにループ２０を介してマイクロプロセッサ４８に伝送される。
電流シンク７４は、ループ２０を流れる電流のレベルを調整することによって制御出力ｕ（ｔ）を調整する。マイクロプロセッサ４８は、メモリ５６に記憶された制御アルゴリズムすなわちソフトウェアルーチンに基づいて、また測定されたプロセス変数ｙ（ｔ）、記憶された制御パラメータおよびマスタコントローラ１０から受け取った命令の関数となるように、Ｄ／Ａ変換器４４を介して電流シンク７４を作動させる。例えば、マスタコントローラ１０はマイクロプロセッサ４８に設定値ＹSETあるいは他のコマンドを供給することがあり、これによって、プロセス変数ｙ（ｔ）が設定値ＹSETに近づくように制御出力ｕ（ｔ）を調整するように、マイクロプロセッサに命令する。
本発明によれば、メモリ５６はまた、制御アルゴリズムによって使用される制御パラメータを、制御されているプロセスに整合させるように調整する自動調整アルゴリズムあるいはソフトウェアルーチンをも含んでいる。自動調整アルゴリズムによって、マイクロプロセッサ４８は、ある時間にわたって制御出力ｕ（ｔ）を調整し、プロセス変数ｙ（ｔ）の応答を観測する。この応答から、マイクロプロセッサ４８は、このプロセスのためのモデルパラメータを評価することができ、またモデルパラメータを使用して所望の制御パラメータを計算することができる。
図２を参照して論議された通信方法および伝送器接続は単に例示として説明されたものであり、米国特許第５，３３３，１１４号の明細書に記載されているような他の構成を使用することもできる。
自動調整
図３は、本発明の１つの実施例にしたがって、マイクロプロセッサ４８によって実行される自動調整および制御機能の図である。制御システム１００は、加算接続点１０２と、ＰＩＤコントローラ１０４と、調整回路１０６と、スイッチング接続点１０８と、プロセス１１０とを含んでいる。“直接動作”制御出力の場合、プロセス変数設定値ＹSETは加算接続点１０２の正の入力に供給され、測定プロセス変数ｙ（ｔ）は加算接続点１０２の負の入力に供給される。“逆動作”制御出力（図示せず）の場合は、ＹSETが加算接続点１０２の負の入力に供給され、ｙ（ｔ）が加算接続点１０２の正の入力に供給される。加算接続点１０２の出力は、設定値ＹSETと測定されたプロセス変数ｙ（ｔ）との差を示す誤差信号ｅ（ｔ）を発生する。誤差信号ｅ（ｔ）はＰＩＤコントローラ１０４に供給される。ＰＩＤコントローラ１０４は、比例利得ブロック１１２と、積分ブロック１１４と、微分ブロック１１６とを含んでいる。他の実施例（図示せず）では、測定プロセス変数ｙ（ｔ）は、加算接続点１０２を介するのとは対照的に、微分ブロック１１６に直接供給される。ブロック１１２、１１４および１１６の各出力は、加算点１１８の正の入力に供給される。閉ループ制御中、加算接続点１１８の出力は、プロセス１１０を制御するための制御出力ｕ（ｔ）となる。ＰＩＤコントローラ１０４の基本関数は式１で定義されている。
0003756521.tif 000002
ここで、ＫP、ＴIおよびＴDは、ＰＩＤコントローラ１０４の性能を決定するための、調整された制御パラメータである。制御パラメータは、コミッショニング（commissioning）段階あるいはプロセスの制御中の任意の時点で、プロセス１００の特性を整合させるように、本発明によって調整あるいは修正させる。
調整回路１０６は、調整制御回路１２２と、励起回路１２４と、プロセスモデル概算（評価）回路１２６と、制御パラメータルール回路１２８とを含んでいる。調整制御回路１２２は、励起回路１２４と、プロセスモデル概算回路１２６と、制御パラメータルール回路１２８とに接続され、調整回路１０６の総合機能を制御する。励起回路１２４は、ある時間にわたって変わる開ループ励起信号を、スイッチング接続点１０８を介してプロセス１１０に供給する。励起信号は、開ループ自動調整段階の間中、制御出力信号として使用される。スイッチング接続点１０８は、実際のスイッチであってもよいし、あるいは１つのアルゴリズムあるいはソフトウェアルーチンから次のものへの制御の切換えであってもよい。それから、モデル概算回路１２６は、下記により詳述されるように、測定プロセス変数ｙ（ｔ）の応答を観測し、プロセス１１０のモデルを発生する。このモデルは、選択された調整ルール組に基づいて、ＰＩＤコントローラ１０４のための制御パラメータを調整する制御パラメータルール回路１２８に供給される。それから、プロセスモデルおよび調整制御パラメータは、メモリ５６（図２）に記憶され、さらにプロセスの監視制御あるいはカスケード制御を最適化するために、プロセス制御ループ２０を介してマスタコントローラ１０に供給することができる。プロセスモデルは、付加的な調整手順で使用するために、他のカスケード接続の装置に供給することもできる。
調整回路１０６は、トリガ回路１３４と、調整警報回路１３６と、調整制御回路１２２に接続できるか、またはこれに組み込むことができる実時間クロック１３８とをさらに含んでいる。トリガ回路１３４は調整制御回路１２２をトリガし、トリガ入力１４０、調整警報回路１３６あるいは実時間クロック回路１３８によって供給されたトリガ信号に基づいて、本発明の自動調整機能を実行する。トリガ入力１４０は、プロセス制御ループ２０を介してマスタコントローラ１０によって供給されたコマンドに応答して、マイクロプロセッサ４８（図２）によって供給される。このコマンドは、ユーザによる要求あるいはマスタコントローラ１０の要求に応じて開始できる。それとは別に、実時間クロック１３８が、半時間毎のような選択された時間周期に基づいて自動調整機能をトリガしてもよい。他の実施例では、実時間クロック１３８は、マスタコントローラ１０に組み込まれ、プロセス制御ループ２０を介してトリガ信号をトリガ入力１４０に供給する。
調整警報回路１３６は、トリガ出力１４２によって自動調整機能をトリガする。閉ループ制御段階では、調整制御回路１２２はｅ（ｔ）、ｕ（ｔ）およびｙ（ｔ）を観測し、回路１２６および１２８を介して新たな制御パラメータを受動的に計算する。調整警報回路１３６は、新しい算出値と予め記憶された作動プロセス制御パラメータとを比較する。これらの値の差が特定の範囲よりも大きいならば、調整警報回路１３６は、トリガ回路１３４を介して自動調整機能をトリガするか、あるいは警報出力１４４を介してユーザあるいはマスタコントローラ１０に通知する。調整警報回路１３６はまた、ｙ（ｔ）およびｕ（ｔ）の現在値をモデル方程式（後述する）に当てはめることによって、概算されたプロセスモデルをプロセスに関しても受動的に調べ、モデルが正しいかどうかを監視する。
正しくないならば、回路１３６は、自動調整機能をトリガするか、または出力１４４に警報を出す。回路１３６はまた、プロセスの設定値変更あるいは大きな擾乱の後のｅ（ｔ）およびｙ（ｔ）をも監視し、（例えば、臨界制動されるという）所望の性能が発揮されないならば、警報を出す。例えば、誤差信号ｅ（ｔ）の自乗の積分あるいは誤差の絶対値の積分を、メモリ５６に記憶された閾値と比較することができる。誤差積分が閾値を超えたならば、回路１３６は警報を出す。さらに、回路１３６は調整段階中、ｙ（ｔ）を監視する。ｙ（ｔ）が応答しないか、あるいは不正確な応答を示すならば、回路１３６は、出力１４４に調整故障警報を発生する。ユーザは、後述するＵMIN、ＵMAXあるいは性能係数αの選択値を変えるなどの手法で、自動調整機能を補正する動作を行なわせることができる。
図４は、制御出力ｕ（ｔ）およびプロセス変数ｙ（ｔ）の波形を示している図である。一旦自動調整段階が始動されてしまうと、調整制御回路１２２はｅ（ｔ）の符号を監視し、ｙ（ｔ）がＹSETよりも上か下かを決定する。もしもｅ（ｔ）が負であるならば、ｙ（ｔ）はＹSETよりも上である。制御ループはスイッチング接続点１０８で開放され、励起回路１２４が、強制的にｕ（ｔ）を、時間ｔ0でユーザが選択した最小制御出力値ＵMINにし、強制的にｙ（ｔ）をＹSETに近付ける。それから、調整制御回路１２２はｅ（ｔ）を監視する。
ｅ（ｔ）が、選択された閾値誤差レベルよりも下になると、時間ｔRで励起回路１２４がユーザ選択の最大制御出力値ＵMAXをプロセス１１０に印加するので、ｙ（ｔ）は増加し始める。時間ｔMAXでは、ｙ（ｔ）が最大率で増加している。時間ｔFで、最小制御出力値ＵMINがプロセス１１０に再び印加されるので、ｙ（ｔ）は減少し始める。時間ｔ-MAXでは、ｙ（ｔ）は最大率で減少している。時間ｔAで、自動調整段階が終了し、プロセス制御システム１００がＰＩＤ閉制御ループに戻って、プロセス変数を設定値ｙ（ｔ）＝ＹSETにするようにｕ（ｔ）を調整する。
時間ｔ0でｅ（ｔ）の符号が正であるならば、図４に示された励起波形ｕ（ｔ）が単に反転されるだけである。励起回路１２４は、ｙ（ｔ）がＹSETに向って増加するようにｕ（ｔ）＝ＵMAXを印加し、それからｙ（ｔ）が減少するようにｕ（ｔ）＝ＵMINを印加し、その後さらにｙ（ｔ）が再び増加するようにｕ（ｔ）＝ＵMAXを印加する。
自動調整段階中の時間にわたって制御出力ｕ（ｔ）を変えることによって、調整回路１０６は、ＰＩＤコントローラ１０４が所望の性能を生じるように、反覆可能で、確固不動な結果で、全システムを正確に評価することができる。調整回路１０６は、本発明にしたがえば、非自己調整プロセスおよび自己調整プロセスのためのプロセスモデルパラメータを概算するように構成することができる。
１．非自己調整プロセス
図１に示されたレベルプロセスは非自己調整プロセスの一例である。非自己調整プロセスは、制御信号ｕ（ｔ）が定常状態値ＵSSに等しくない限り（すなわち、流入量および流出量がレベルプロセスで等しくない場合）、測定されたプロセス変数ｙ（ｔ）が増減し続けるプロセスである。図１に示されたレベルプロセスのレベルバランス式は下記のように示すことができる。
0003756521.tif 000003
式２は、バルブ１６および１８が線形であると仮定し、バルブに及ぼすヘッド圧の影響を無視したものである。Ｌはシステムの不感時間であり、ｍ1およびｍ2はタンク１４の面積によって割算されたタンク１４の流入および流出量（体積）に対応する定数である。
制御出力ｕ（ｔ）が定常状態ＵSSであり、不感時間の影響が消失すると、下記のようになる。
0003756521.tif 000004
ｙ（ｔ）が最大率で増加しているときは（図４を参照）、ｕ（ｔ）＝ＵMAXであるので、下記のようになる。
0003756521.tif 000005
同様に、ｙ（ｔ）が最大率で減少しているときは（図４を参照）、ｕ（ｔ）＝ＵMINであるので、下記のようになる。
0003756521.tif 000006
式４を式５で割算することによって、下記の数学的関係を得ることができる。
0003756521.tif 000007
プロセス変数ｙ（ｔ）の立上り不感時間ＬRおよび立下り不感時間ＬF（図４参照）は下記のように表わすことができる。
0003756521.tif 000008
ここで、ｙ（ｔMAX）は、ｙ（ｔ）の時間導関数が正の最大値に達する時刻ｔMAXでのプロセス変数である。同様に、ｙ（ｔ-MAX）は、ｙ（ｔ）の時間導関数が負の最大値に達する時刻ｔ-MAXでのプロセス変数である。ＹMINは、時刻ｔRとｔFとの間でのｙ（ｔ）の最小値であり、ＹMAXは、時刻ｔFとｔAとの間でのｙ（ｔ）の最大値である。式４〜５および式７〜８にしたがって、プロセスモデル概算回路１２６は、ＬR、ＬF、ＲRおよびＲFを計算する。
式４〜５および式６〜８から、プロセスモデルパラメータＵEST（概算された定常状態ＵSS）、ｍ1およびＬは下記のように計算することができる。
0003756521.tif 000009
得られるＰＩＤ関数が、最悪の場合に対して、補償できるようにするために、システムの全不感時間ＬがＬRおよびＬFの最大値として式１１で計算される。プロセスモデル概算回路１２６は、式９〜１１により、プロセスモデルパラメータＵEST、ｍ1およびＬを計算する。式９〜１１は、ＵMAXおよびＵMINを置換することによって、システムが逆動作するようなプロセスを計算するように容易に修正することができる。プロセスモデルパラメータは制御パラメータルール回路１２８に供給され、この回路１２８が、下記により詳細に論議されているように、選択されたルールに従って制御パラメータＫP、ＴIおよびＴDを調整する。
濾波されていないプロセス変数ｙ（ｔ）は、あまりにも多くの雑音を含むので、反復して得られるような調整パラメータを発生できないかもしれない。雑音の多いプロセス変数を処理するいくつかの適当な方法があるが、本発明は、プロセス１１０の出力に接続されたローパスフィルタ１３０（ダイナミックフィルタあるいはユーザダンピングフィルタとも呼ばれる）を含むのが好ましい。ローパスフィルタ１３０を備えると、プロセスモデル概算回路１２６は、式９〜１１を使用することによって、モデルパラメータＵEST、ｍ1およびＬの確固不動な計算をすることができる。
他の実施例では、雑音低減性能を改善してより一層信頼性のある結果を得るために、式４〜５および式７〜８が下記の式と置換される。プロセス変数の立上り変化率ＲRはサンプリング期間Ｔにわたって下記のように定義することができる。
0003756521.tif 000010
式１２中の全てのＲRは同じ制御信号ＵMAXに対応するので、これらのＲRは、定数ｍ1を計算する際の最小二乗誤差を最小にするための、さらによいＲRの近似のための下記の数学的式にしたがって平均化することができる。
0003756521.tif 000011
同様に、下記の式は立下り方向のために使用することができる。
0003756521.tif 000012
立上り不感時間および立下り不感時間ＬRおよびＬFは式７〜８によって計算される。
制御パラメータルール回路１２８は、選択されたルールの組にしたがって、ＰＩＤコントローラ１０４のための制御パラメータを調整する。本発明にしたがえば、任意の適当なルール組を使用することができるが、回路１２８は内部モデルベースの制御（ＩＭＣ）調整ルールを含むのが好ましい。式９〜１１を使用すれば、プロセスモデルパラメータは複雑さの非常に低い計算で計算できる。ＩＭＣ調整ルールを用いる場合は、ＰＩＤコントローラのための対応する制御パラメータは下記の式から得ることができる。
0003756521.tif 000013
ここで、ＫP、ＴIおよびＴDは、それぞれＰＩＤコントローラ１０４の比例利得、積分時間および微分時間であり、τは所望の閉ループ応答時定数である。Ｐコントローラ、ＰＩコントローラおよびＰＤコントローラ用の制御パラメータは、式１５および式１６における制御パラメータとは僅かに異なっているが、これらは、「Internal Model Control,PID Controller Design」（25 Ind. Eng. Chem. Process Des.Dev.252-65（1986））に開示されている。本発明によれば、時定数τは性能係数αの関数として定義され、ここで、
τ＝αＬ                                        ……式１８
である。
性能係数αは、所望の程度の性能をカバーするように、１／２と３との間の範囲にあるのが好ましい。例えば、α＝１は臨界制動の閉ループ応答を発生する。より小さいαは、より活発で、より速い応答を発生し、より大きなαは、より中庸で、より遅い応答を発生する。式２１を式１８〜２０に代入すると、対応するＰＩＤ調整パラメータは下記のようになる。
0003756521.tif 000014
したがって、ＰＩＤ調整制御パラメータＫP、ＴIおよびＴDは、複雑な計算を要せずに、制御パラメータルール回路１２８によって計算することができる。性能係数αは、入力１３２および制御回路１２２を介して回路１２８に供給される。図２に示された実施例では、性能係数αは、ループ２０上の変調されたディジタル値として、マスタコントローラ１０によってマイクロプロセッサ４８に供給される。
他の実施例では、プロセスモデル概算回路１２６および制御パラメータルール回路１２８は合体され、制御パラメータはＬR、ＬF、ＲR、およびＲFの関数として直接計算される。プロセスモデルパラメータの式は、プロセスモデルパラメータの別個の計算が不必要になるように、制御パラメータ式に包含（folded）される。
前述の論議では、プロセスが線形であると仮定された。非線形のバルブ特性およびバルブに及ぼすヘッド圧の影響を有するプロセスのような非線形プロセスに関しては、より信頼性のある性能を得るために、時間シーケンスの終わりｔAにおける通常の閉ループ制御中の実際の安定状態バルブ位置を、式１０および式１５の概算値ＵSETを置換するために使用することができる。
２．自己調整プロセス
プロセスモデル概算回路１２６（図３）はまた、熱交換器の温度、流量および圧力制御プロセスのような自己調整プロセスのためのプロセスモデルパラメータを概算するように構成することもできる。大部分の自己調整プロセスは、下記のような１次式と不感時間の和の式によってモデル化することができる。
0003756521.tif 000015
ここで、プロセスモデルパラメータＬ、ＴCおよびＫSは、それぞれプロセスの不感時間、時定数および定常（static）利得を表わす。
プロセスモデルパラメータは、図５に示された開ループ制御パターンｕ（ｔ）を供給することによって計算される。非自己調整プロセスにおけるように、本発明の自己調整回路は、最悪の場合の性能をモデル化するために、増加および減少方向にプロセスモデルパラメータを分別する。ｕ（ｔ）＝ＵMAXであり、ｙ（ｔ）が増加している（ｄｙ（ｔ）/ｄｔ＞０）立上り方向を考え、また不感時間Ｌが経過したと仮定すると、下記の式でｔMAXからｔFまでを表わすことができる。
ＴRＲR1＋ｙ1＝ＫRＵMAX
ＴRＲR2＋ｙ2＝ＫRＵMAX                          ……式２３
…
ＴRＲRN＋ｙN＝ＫRＵMAX
ここで、ＴRおよびＫRは、増加方向での時定数および定常プロセス利得であり、Ｎは増加方向でのｙ（ｔ）のサンプル数である。ＲRnはｔMAXの後のｎ番目のサンプルでのｙ（ｔ）の変化率であり、下記のように定義される。
0003756521.tif 000016
ここで、Ｔはサンプリング周期である。上記の式を行列形式で表わすと、下記のようになる。
0003756521.tif 000017
この式を解けば、式２５の左辺の擬似逆行列を使用することによって最小二乗誤差を最小にしながら、ＴRおよびＫRを計算することができる。これは、式２６によって上記の式を修正することによって行うことができる。
0003756521.tif 000018
前記修正によって下記の計算式が得られる。
0003756521.tif 000019
式２７から、さらに下記の式が得られる。
0003756521.tif 000020
同じ方法は、非自己調整プロセスのために使用されたような、下記の増加（立上り）システムの不感時間ＬRを得るために使用することができる。
0003756521.tif 000021
ここで、ＲR1はサンプルｎ＝１でのｙ（ｔ）の増加率である。
減少（立下り）方向では、ｕ（ｔ）＝ＵMINであり、ｙ（ｔ）は減少している（ｄｙ（ｔ）＜０）。減少方向のための時定数ＴF、定常利得ＫFおよび不感時間ＬFを計算するために、下記に示すような、類似の式を使用することができる。
0003756521.tif 000022
ここで、ＲF1はサンプルｎ＝１でのｙ（ｔ）の減少率である。
作動中、時間ｔRからｔFまでは、プロセスモデル概算回路１２６（図３）は式３２によってＬRを計算し、式２８の変数ΣＲRn、ΣＲRn2、ΣｙnおよびΣｙnＲRnを計数する。一方時間ｔFから時間ｔAまでは、回路１２６は式３４によってＬFを計算し、式３３の変数ΣＲFn、ΣＲFn2、ΣｙnおよびΣｙnＲFnを計数する。
典型的なプロセスは、増加方向か減少方向かによって異なるように動作する。例えば、温度制御応用では、プロセスは、プロセスの吸熱反応および発熱反応のためにこのような挙動を示すであろう。増加および減少方向のいずれか一方にプロセスモデルパラメータを任意に選択すると、望ましくない閉ループ制御性能になることがある。本発明のプロセスモデル概算回路は、より確固不動なＰＩＤ制御性能をもたらす。まず第１に、雑音が微分信号ｄｙ（ｔ）/ｄｔを妨害することを防止するために、強い（strong）ローパスフィルタ（フィルタ１３０）が使用される。第２に、プロセスモデルパラメータは下記の式により、回路１２６で計算される。
ＫS＝ｍａｘ（ＫR，ＫF）
ＴC＝ｍｉｎ（ＴR，ＴF）                    ……式３２〜３４
Ｌ＝ｍａｘ（ＬR，ＬF）
一旦プロセスモデルパラメータが１次式プラス不感時間のプロセス式に対して計算されてしまうと、Ｐ、ＩおよびＤの各制御パラメータはいくつかの既存の調整ルールの関数として調整することができる。例えば、下記の内部モデル制御（ＩＭＣ）調整ルールが好ましいＰＩＤ制御性能を与えることが分った。
0003756521.tif 000023
ここで、ＫP、ＴIおよびＴDは、それぞれ比例利得、積分時間および微分時間である。非自己調整プロセスの場合は、閉ループ時定数τは、性能係数αの関数として、次式のように定義される。
τ＝αＬ                                      ……式３８
前述のように、性能係数αは好ましくは１／２と３との間にある。式３４は最大の閉ループ時定数τを保証する。式３２および式３３は、与えられた性能係数αに対して可能な最小の比例利得ＫPを保証する。
本発明の自動調整回路は、例えば、バルブ制御装置で実施することもできる。図６は、図２と同様であり、入力フィルタ回路１６２と、電圧調整器１６４と、可調整電流シンク１６６と、電流トランスジューサ１６８と、復調器１７０と、Ａ／Ｄ変換器１７２と、変調器１７４と、マイクロプロセッサ１７６と、メモリ１７８と、クロック回路１８０と、Ｄ／Ａ変換器１８２とアクチュエータ１８４とを含むバルブ制御装置１６０のブロック図である。入力回路１６２、調整器１６４、および電流トランスジューザ１６８はプロセス制御ループ１８６と直列に接続され、被測定プロセス変数ｙ（ｔ）および設定値ＹSETのような変調ディジタルデータを前記ループから受け取る。
復調器１７０は、データを復調し、解析のためにデータをマイクロプロセッサ１７６に供給する。調整器１６４は、ループ１８６から電力を受け取り、バルブ制御装置１６０の各回路要素に電力を供給するために調整電圧を発生する。電流トランスジューサ１６８はループ１８６のアナログ電流レベルｙ（ｔ）を測定する。前記電流レベルは、Ａ／Ｄ変換器１７２によって、マイクロプロセッサ１７６のためのディジタルデータに変換される。マイクロプロセッサ１７６は、ＨＡＲＴ（登録商標）プロトコールによるような変調器１７４で、シンク１６６を流れる電流を変調することによって、ループ１８６を介してデータを伝送する。自動調整アルゴリズム、制御アルゴリズム、プロセスモデルパラメータおよび調整パラメータは、マイクロプロセッサ１７６を構成するメモリ１７８に記憶され、測定されたプロセス変数ｙ（ｔ）および設定値ＹSETの関数として、Ｄ/Ａ変換器１８２を介してアクチュエータ１８４を制御する。
本発明の自動調整回路は、既存の調整技術にはない、いくつかの利点を有する。自動調整回路は、簡単な計算だけで正確なモデルパラメータを生成する。簡単な計算の故に、自動調整回路は、現場設置型制御装置におけるような低電力かつ低容量メモリの装置に適用することができる。４〜２０ｍＡの電流ループでは、この信号範囲が減じられた後では、装置内の全ての電子部品に供給するための電流は数ミリアンペアだけしか残されていない。このことが、部品の複雑さおよびメモリ空間を制限する。伝送器の典型的なメモリは、例えば、８Ｋ〜６４Ｋバイトに制限されることがある。
本発明の自動調整回路は多くのユーザ相互作用（interaction）を必要としない。チグラー・ニコルス（Ziegler-Nichols）の開ループテストとは違って、本発明の自動調整回路は、開ループテストが実行される前にユーザが定常状態を確立することを必要とせず、その代わりに定常状態条件を査定（assess）する能力を有する。ユーザは、所望のＵMAXレベルおよびＵMINレベルのような初期変数を与えることによって調整手順を設定し、所望の性能係数αを選択し、それから自動調整手順を開始する。
本発明の自動調整回路は、手動操作あるいは自動操作として実現でき、システムの初期化あるいはユーザがループを調整したい任意の他のタイミングの、ループコミッショニング（commissioning）段階で作動できる。自動操作の場合、自動調整回路は、プロセス変数を設定値に近付けることができ、ユーザの介入なしに調整動作を自動的に開始する。手動操作の場合、ユーザはプロセス変数を設定値に近付けてから、マスタコントローラ１０を介する調整を開始する。
本発明の自動調整回路は誘導された外乱をプロセスに発生させる。閉ループリレー制御ベースの調整あるいは他の周波数ドメイン技術とは違って、本発明は規定ゾーン内で作動するように制限することができる。例えば、ある一部のユーザは、フルスケールの１０％および７５％だけしかｕ（ｔ）の外乱を起こさないように望むかもしれない。自動調整回路は簡単で、使い勝手が良く、反復でき、確固不動である。この回路は、Ｐ、ＰＩ、ＰＤ、ＰＩＤおよびファジーロジックコントローラのような他の種類のコントローラのための制御パラメータを調整するためにも使用できる。適当なファジーロジックコントローラは、参照によって本明細書に組み込まれる、メリーランド州ボルチモア（Baltimore）でのＡＣＣ会議（１９９４年）におけるジェイ・クイン（J.Quin）著の論文「自動調整ファジーロジック制御」に記載されている。
本発明は好ましい実施例に関して記載されたが、当業者は、本発明の精神および範囲を逸脱しない限り、形式および詳細において変更ができることを認めるであろう。調整回路は、マイクロプロセッサのようなプログラム式コンピュータによって実行するために、メモリに記憶されたソフトウェアルーチンあるいはアルゴリズムとして実行できる。他の実施例では、回路はディジタルハードウェアまたはアナログハードウェア内で実行できる。調整回路は伝送器の中、バルブの中、あるいはマスタコントローラ１０の中に置かれてもよい。マスタコントローラ１０は中央制御室の中あるいは、伝送器またはバルブ近くの遠隔位置、またはコミッショニング段階において伝送器を構成するために使用される携帯構成器の中に置かれてもよい。調整回路は、プロセスモデルパラメータを計算して、異なる計算段階での制御パラメータを調整できるか、あるいはプロセスモデルパラメータの式を制御パラメータの式に畳み込んで（fold）、唯一の計算段階しかないようにすることができる。本発明にしたがえば、他の構成もまた使用できる。
【図１】
0003756521.tif 000030
【図４】
0003756521.tif 000031
【図２】
0003756521.tif 000032
【図３】
0003756521.tif 000033
【図５】
0003756521.tif 000034
【図６】
0003756521.tif 000035