(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
操業中のプロセスデータ（ＰＶ）と、このプロセスデータを変化させる操作部の操作データ（ＭＶ）を取り込んで記憶する手段と、
操業中の実プロセスデータ（ＰＶ、ＭＶ）から、対象プロセスの時定数、無駄時間、ゲインを決定し、制御対象のプロセスモデルを演算する演算手段と、
前記プロセスモデルのＰＩＤパラメータ（比例ゲイン、積分時間、微分時間）を変化させ、制御周期毎のランプ(傾斜)状変化の位相余裕度、周期を、連続的に演算するランプ状変化演算の手段と、
を備え、
前記プロセスモデルと、操業中のＰＩＤ制御におけるプロセスゲイン曲線のゲイン，乗数，バイアスを下記演算式により演算させ、操業中のＰＩＤ制御における安定性と制御特性を、一つの図に表現した制御特性一元図を作成し、この制御特性一元図に基づいてプロセス制御を行うことを特徴とするプロセス制御方法。
記
ｙ＝１００×ａ×｛（x／１００）ｎ＋（ｂ／１００）｝
ここで、ｙ（ＰＶ）；プロセス(％)
x（ＭＶ）；操作量(％)
ａ；ゲイン
ｎ；乗数
ｂ；バイアス（％）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操業中のプロセスデータとこのプロセスデータを変化させる操作部の操作データを基に最適な制御を行なうためのPIDパラメータを表示し、このPIDパラメータに基づいてプロセスの制御を行なうプロセス制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プロセス制御を行なうための制御パラメータの算出方法としてはボード線図、ベクトル軌跡、ニコルス線図、限界感度法、Ziegler and Nicholsの調整則等があり、実際の運転に関しては、これらの中からプロセスに適した複数の方法を用いて制御特性を検討し、最適制御が行なわれる。
【０００３】
いずれも、自動ループ（閉ループまたはフィードバック制御）では行わず手動ループ（開ループ）の状態で、制御対象に単位ステップ（階段）状の入力を加えて、制御対象のステップ応答を求める。この応答を用いて、図１4に示すZiegler and Nicholsのステップ応答による調整則で代表される実験則に基づいたガイドに沿ってプロセス制御調整を行っているのである。
【０００４】
多くのプロセスステップ応答は、図１５に示すような曲線となる。この曲線のもっとも急なところ、つまり変曲点において線を引き、その勾配をRとし、これを反応速度や時定数と呼ぶ。この接線が横軸と交わる時刻をLとし、無駄時間と呼ぶ。これらのパラメータからPID制御のパラメータを定めるという考えに基づいている。
また、プロセス特性が予測できない場合は、それを推定しながらパラメータを調節する必要があり、その方法の一つとしてセルフチューニングコントローラ(STC)がある。
【０００５】
STCはチューニング作業を容易にするという目的がある。具体的には、
▲１▼PIDパラメータ調整作業の自動化、省力化、均質化
▲２▼プロセス特性変動への制御性、追従性の改善
▲３▼実運転状態でのPIDパラメータ調整
等がある。
【０００６】
STCには種々の方法が考案されており、例えば、
▲１▼限界感度を利用する方法
▲２▼リミットサイクル法を利用する方法
▲３▼エキスパート法によるもの
等がある。
【０００７】
このうち限界感度を利用する方法は、主コントローラと並列に補助コントローラを加え、この補助コントローラの比例ゲインを徐々に上げていき、小さな振動の限界振動を起こさせる方法である。この限界振動からZiegler and Nicholsの調整則により、PIDパラメータを設定するものである。
【０００８】
リミットサイクル法は、主コントローラと並列にオンオフコントローラを加え、小振幅のリミットサイクルを発生させ、その周期と振幅からプロセスのむだ時間および時定数を推定し、それを基にZiegler and Nicholsの調整則によりPIDパラメータを設定するものである。
【０００９】
エキスパート法は、設定値変更や外乱が加わったときの閉ループの応答を観測し、経験則に基づいてPIDパラメータを調整する方法である。この方式は応答波形を解析する機能とPIDパラメータを調節する部分とに分けられる。PIDパラメータ調節部は観測した波形を分類、整理し、基本応答パターンとして知識べ一スの中に蓄積してあるものと照合する。その結果から一定の法則に基づきPIDパラメータを修正するものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記方法はいずれも過渡応答法による調整であり、この過渡応答法は上述のようなステップ応答試験の結果から、プロセスを一次遅れと無駄時間に近似して同定するものであった。しかしながら、ステップ応答試験には次のような問題があった。
（１）対象制御系を手動ループとしなければならず、危険を伴う。
（２）試験結果によるプロセス同定に経験やノウハウによる個人差が生じる。
例えば、実際のボイラ制御における制御調整においては次のような問題が生じる。
（１）経験、感、試行錯誤などによるところが大きい。
（２）理論と現実が結びつきにくい。
（３）調整結果の評価基準があいまいである。
（４）負荷調整等のための待ち時間が長く調整作業自体が長時間に及ぶ。
【００１１】
本発明は、上述の問題点を解決する為になされたもので、プラントの自動運転時のプロセスデータを解析し、個別または全体のプロセスの制御性を２次遅れプロセスとして同定し、より効率的な運転を行なうためのPID制御パラメータを算出する。その算出結果に基づいてPIDパラメータを設定し、プラントの制御を行なうプロセス制御方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような問題点を解決するために本発明は、請求項１においては、
操業中のプロセスデータ（ＰＶ）と、このプロセスデータを変化させる操作部の操作データ（ＭＶ）を取り込んで記憶する手段と、
操業中の実プロセスデータ（ＰＶ、ＭＶ）から、対象プロセスの時定数、無駄時間、ゲインを決定し、制御対象のプロセスモデルを演算する演算手段と、
前記プロセスモデルのＰＩＤパラメータ（比例ゲイン、積分時間、微分時間）を変化させ、制御周期毎のランプ(傾斜)状変化の位相余裕度、周期を、連続的に演算するランプ状変化演算の手段と、
を備え、
前記プロセスモデルと、操業中のＰＩＤ制御におけるプロセスゲイン曲線のゲイン，乗数，バイアスを下記演算式により演算させ、操業中のＰＩＤ制御における安定性と制御特性を、一つの図に表現した制御特性一元図を作成し、この制御特性一元図に基づいてプロセス制御を行うことを特徴としている。
記
ｙ＝１００×ａ×｛（x／１００）ｎ＋（ｂ／１００）｝
ここで、ｙ（ＰＶ）；プロセス(％)
x（ＭＶ）；操作量(％)
ａ；ゲイン
ｎ；乗数
ｂ；バイアス（％）
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態の一例を示すフローチャート（解析フロー図）である。なお、図では省略するがプラントには流量、レベル、温度、圧力などを測定する各種測定器が配置されており、それらの計測器が測定したデータを収集して所定の解析を行ない、各種グラフなどに表示可能な演算・表示手段が装備されている。
【００１５】
以下、フローに従って説明する。
１）  まず現在稼働中のプロセスの現状把握（データ入力）を行なう。図２に示すように操業中のプロセスデータ(PV)やそのデータに対する操作量(MV)をCSV(カンマ区切りテキスト)形式により収集する。
【００１６】
２）  図３に示すようにPV(Process Variable)とMV(Manupulate Variable)の関係（プロセスゲイン）をグラフに表示し、この関係を満たすプロセスゲイン曲線のゲイン、乗数、バイアスを以下の数式を用いて決定する。
0003800622.tif 000002
ここで、ｙ（PV）；プロセス (％)
x（MV）；操作量(％)
a；ゲイン
n；乗数
b；バイアス（％）
図３は上式において、ゲイン３、乗数０．４、バイアス１５０のプロセス曲線、即ち、
0003800622.tif 000003
を示している。
【００１７】
３）  PVとMVの関係をプロセスの制御周期毎に分け、その変化を2次遅れ系のランプ（傾斜）＋ステップ（階段）状の複合変化入力による応答としてとらえ図４に示すようにモデル化する。図４では、変化開始点から1プロセスの制御周期の区間(点aから点b)を、2次遅れ系のランプ（傾斜）状入力による応答とし、また点c（点bでのプロセス値）から点ｄまでの偏差をステップ（階段）状入力による応答としている。これで2次遅れ系のランプ（傾斜）＋ステップ（階段）状の複合変化応答となる。
【００１８】
これを、図３のプロセスゲイン曲線と組み合わせて、実プロセスに応用すると図５のような結果が得られる。図５において、線aは操作量を、線bは操業中プロセスデータ、線cは無駄時間を考慮しないモデルによる演算結果、線dは無駄時間を考慮したモデルによる演算結果である。この線bと線cを比較し、振幅や周期が最も類似した2つの時定数と無駄時間を対象プロセスの時定数と無駄時間とする。
例えば、図５においては、ｂとｄの振幅の差が最も少なく、このような場合の時定数は１秒と2秒の2次遅れプロセス、無駄時間は線cと線dの時間差分より6秒と考えられる。
【００１９】
４）  上述３）で決定された時定数と無駄時間を用いて図６に示すPID制御ループへ適用し、操業中のPID制御における比例ゲイン、積分時間、微分時間を用いた閉ループ（フィードバック制御）でのステップ応答シミュレーションを行う。例として、以下のパラメータを用いて説明する。
・  時定数1秒と50秒
・  無駄時間7秒
・  プロセス曲線のゲイン１倍
・  プロセス曲線の乗数１
・  プロセス曲線のバイアス0％
・  比例ゲイン2倍
・  積分時間7秒
・  微分時間0秒
【００２０】
図７は上述のパラメータによるステップ応答シミュレーションを行った結果を示す図である。図において、ピーク点の値（点a,b,c）より以下の演算式を用いて振幅減衰比Ar（応答が振動的である場合に隣り合うピークとピークの比）を求める。図中の点a、点b、点cを用いた振幅減衰比は以下のようになる。
0003800622.tif 000004
となる。そして、求まったArより以下の数式を用いて減衰係数ζを算出する。
0003800622.tif 000005
また、公知の減衰係数ζを用いて相当位相余裕度（θ）と定義すると
0003800622.tif 000006
となり、θの関係式である上記の数式を用いて相当位相余裕度θを求める。
【００２１】
同様に、図７のピーク点間（点aと点c）の時間を周期Tとする。
ここで、図７のステップ応答シミュレーションの減衰振幅比Arは上記（２）式によれば0.6117なので、この値を上記（３）式に代入して演算し、演算した値を（４）式に代入すると相当位相余裕度θ≒５°、また、周期は図7のシュミレーションの実測値から74秒となる。
【００２２】
５）  上述のパラメータ、位相余裕度θ、周期T、PIDの各パラメータ（比例ゲイン、積分時間、微分時間）を用いて制御特性一元図を作成する。
【００２３】
図８は制御特性一元図であり、周期−位相遅れの関係を示すもので、相当位相余裕度0°（垂直）から左回りに90°(水平)までの制御特性を示している。
図８の点eと∞の点を結んだ長さが周期を示している。点bから点cで示す範囲をプロセス制御における推奨制御特性状態と定義する。また、c点から振幅減衰比０％までの範囲dはプロセス制御においては過減衰と定義する。
【００２４】
図８の制御特性一元図を用いたシミュレーション結果では、上述の周期74秒、相当位相余裕度５°はe点にプロットされる。しかし、プロセス制御においてはあと10°程度の相当位相余裕度があることが望ましい。
【００２５】
６）  図９は上述５）で求めた制御特性一元図上の情報を基に描いたステップ応答曲線である。これは、現状値のPIDパラメータを用いた閉ループ（フィードバック制御）に単位ステップ関数状の偏差を入力した場合の応答曲線である。図９中の各種パラメータは、公知のものであり以下の内容である。
・Os：行き過ぎ量：ステップ応答が定常値を超えた後の最大値と定常値とのへだたり
・Tp：行き過ぎ時間：Osに至るまでの時間
・Td：遅れ時間：応答が定常値の50%に達するまでの時間
・Tr：立ち上がり時間：応答が定常値の10%から90%までに達するのに要する時間・Ts：整定時間：応答が定常値の±5%以内の値に減衰するまでの時間
・Ar：振幅減衰比：応答が振動的である場合に隣り合うピークとピークの比
【００２６】
８）  図１０のイ、ロ、ハ、ニ、ホで示す線は、微分時間を０秒に固定し、比例ゲインを複数表示して、各々において積分時間を変化させた場合の制御特性一元図シミュレーションである。図１０中の点ａ〜ｅは各比例ゲインにおけるサイクリング状態を示しており、例えば点ａは、比例ゲイン2倍、積分時間５秒でのシュミュレーション結果を示しており周期は67秒である。点aをステップ応答曲線で示すと、図１１となる。
【００２７】
また、図１０中の点eは、限界感度法における一定振幅の持続振動が継続する状態となる比例ゲインに相当する状態であり、比例ゲイン10倍、積分時間100秒、微分時間0秒で、周期31秒、相当位相余裕度0°を表現している。
【００２８】
同様に図１２は、図10中の点fとなり相当位相余裕度20°のステップ応答曲線を示し、比例ゲイン２倍、積分時間の計算値は13秒、周期100秒となる。
また、図１３は、図10中の点gとなり相当位相余裕度３５°のステップ応答曲線を示し、比例ゲインは２倍、積分時間の計算値は20秒、周期は142秒である。
【００２９】
９）本発明では、図１０や図１１，１２，１３を用いて、プロセスの制御性を客観的に判断し、相当位相余裕度の推奨値（12.5〜40°程度）となるようなPIDパラメータを導出し設定する。
【００３０】
以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、
操業中のプロセスデータ（ＰＶ）と、このプロセスデータを変化させる操作部の操作データ（ＭＶ）を取り込んで記憶する手段と、
操業中の実プロセスデータ（ＰＶ、ＭＶ）から、対象プロセスの時定数、無駄時間、ゲインを決定し、制御対象のプロセスモデルを演算する演算手段と、
前記プロセスモデルのＰＩＤパラメータ（比例ゲイン、積分時間、微分時間）を変化させ、制御周期毎のランプ(傾斜)状変化の位相余裕度、周期を、連続的に演算するランプ状変化演算の手段と、
を備え、
前記プロセスモデルと、操業中のＰＩＤ制御におけるプロセスゲイン曲線のゲイン，乗数，バイアスを演算式により演算させ、操業中のＰＩＤ制御における安定性と制御特性を、一つの図に表現した制御特性一元図を作成し、この制御特性一元図に基づいてプロセス制御を行うので、
１）操業中のプラントにてステップ応答テストすることなく動特性が把握できる。
２）実プロセス特性による最適制御定数を算出／提示でき、信憑性／信頼性が向上する。
実施者毎のプロセス同定の差が減少し、調整作業の品質が維持される。
等の効果がある。
【００３２】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す解析フロー図である。
【図２】操業中のプロセスデータとその操作量（CSVフォーマット）である。
【図３】操業中のプロセスデータとその操作量の関係を示す曲線である。
【図４】ランプ応答とステップ応答を複合した場合の応答曲線である。
【図５】重油流量制御の実プロセスデータと演算結果の比較図である。
【図６】本発明で同定するフィードバック制御系のブロック図である。
【図７】操業中のPID制御における比例ゲイン、積分時間、微分時間を用いた閉ループステップ応答シミュレーション曲線である。
【図８】時定数、無駄時間、相当位相余裕度θ、周期T、PIDの各パラメータ（比例ゲイン、積分時間、微分時間）を考慮し、安定性と制御特性をひとつの図に表現した制御特性一元図である。
【図９】制御特性一元図の現状の状態を示したステップ応答シミュレーション曲線である。
【図１０】制御特性一元図上に、複数の比例ゲインの情報を重ねた図である。
【図１１】制御特性一元図の相当位相余裕度0°の状態のステップ応答シミュレーション曲線である。
【図１２】制御特性一元図の相当位相余裕度20°の状態のステップ応答シミュレーション曲線である。
【図１３】制御特性一元図の相当位相余裕度35°の状態のステップ応答シミュレーション曲線である。
【図１４】ステップ応答の説明である。
【図１５】Ziegler and Nicholsのステップ応答による調整則を示す図である。
【図１】
0003800622.tif 000007
【図２】
0003800622.tif 000008
【図３】
0003800622.tif 000009
【図４】
0003800622.tif 000010
【図５】
0003800622.tif 000011
【図６】
0003800622.tif 000012
【図７】
0003800622.tif 000013
【図８】
0003800622.tif 000014
【図９】
0003800622.tif 000015
【図１０】
0003800622.tif 000016
【図１１】
0003800622.tif 000017
【図１２】
0003800622.tif 000018
【図１３】
0003800622.tif 000019
【図１４】
0003800622.tif 000020
【図１５】
0003800622.tif 000021