ＰＩＤコントローラのチューニング装置、ＰＩＤコントローラのチューニング用プログラムおよびＰＩＤコントローラのチューニング方法
【課題】ＰＩＤコントローラが、精度良くプロセスを制御できるようにする。
【解決手段】チューニング装置１００では、コントローラ１０とプロセス２０から構成される実際のシステムの操業データが利用されて、仮想のコントローラ５１と仮想のプロセス５２のモデル化が行なわれ、そして、得られたプロセス５２のモデルが用いられて、コントローラ５１の最適な制御パラメータが算出される。コントローラ１０のチューニングに際し、算出された制御パラメータの数値を参考にすることができる。なお、チューニング装置１００では、コントローラ５１（制御ループ）ごとに制御性を評価し、制御性が低いと判断されたコントローラ５１についてのみ、上記のモデル化や最適な制御パラメータの算出等が実行される場合がある。
【解決手段】チューニング装置１００では、コントローラ１０とプロセス２０から構成される実際のシステムの操業データが利用されて、仮想のコントローラ５１と仮想のプロセス５２のモデル化が行なわれ、そして、得られたプロセス５２のモデルが用いられて、コントローラ５１の最適な制御パラメータが算出される。コントローラ１０のチューニングに際し、算出された制御パラメータの数値を参考にすることができる。なお、チューニング装置１００では、コントローラ５１（制御ループ）ごとに制御性を評価し、制御性が低いと判断されたコントローラ５１についてのみ、上記のモデル化や最適な制御パラメータの算出等が実行される場合がある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＩＤ（proportional-integral-derivative）コントローラのチューニングに関し、特に、ＰＩＤコントローラのチューニング不良により操業データが周期振動しているようなシステムに対し、適切なＰＩＤパラメータを与えることにより当該チューニング不良を解消し、制御性を向上するための、ＰＩＤコントローラのチューニング装置、ＰＩＤコントローラのチューニング用プログラムおよびＰＩＤコントローラのチューニング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、プロセスのコントローラでのＰＩＤ制御に対するチューニング方法に関し、多数の技術が開示されている。たとえば、特許文献１では、プラントに同定用信号を与えることなくプロセスを同定し、同定したプロセスモデルとＰＩＤコントローラのモデルを用いたシミュレーションを行うことによって、その結果を評価し、最適なＰＩＤパラメータを取得する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２０２８０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
なお、プロセスの制御に際し、プロセスの特性や外乱の大きさによってその制御特性が変動すると考えられる。そして、プラントにおけるプロセスの制御についての精度の向上は、常に求められていることである。
【０００４】
本発明は係る実情に鑑み考え出されたものであり、その目的は、プロセスをコントローラで制御するシステムにおいて、精度良くプロセスを制御できるＰＩＤコントローラのチューニング装置、ＰＩＤコントローラのチューニング用プログラムおよびＰＩＤコントローラのチューニング方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のＰＩＤコントローラのチューニング装置は、プロセスをＰＩＤ（proportional-integral-derivative）制御するコントローラをチューニングする装置であって、前記プロセスの操業データを取得して記憶する記憶手段と、前記プロセスの操業データに基づいて、前記コントローラの制御性を評価する評価手段と、前記評価手段によって制御性が低いと評価されたことを条件として、前記取得した操業データを使って、コントローラのモデルに対する制御パラメータと、一定の制限に基づくプロセスのモデルに対するプロセスパラメータとを同定する同定手段と、前記同定手段が同定した前記制御パラメータおよび前記プロセスパラメータに基づく前記コントローラのモデルと前記プロセスのモデルを用いて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するシミュレーション手段とを備えることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明のＰＩＤコントローラのチューニング装置では、前記同定手段は、前記一定の制限として、前記プロセスのモデルを、むだ時間と積分系を含む二次遅れ系の動的モデルとし、前記操業データとして、周期振動をしているデータを使ってパラメータを同定することが好ましい。
【０００７】
また、本発明のＰＩＤコントローラのチューニング装置では、前記同定手段は、遺伝的アルゴリズムに基づいて前記制御パラメータと前記プロセスパラメータを同定することが好ましい。
【０００８】
また、本発明のＰＩＤコントローラのチューニング装置は、前記同定手段で得た前記プロセスのモデルを用い、一般化最小分散制御に基づき、前記プロセスのモデルにおける制御量の分散とコントローラのモデルにおける操作量の分散とを評価し、その評価値が最小となる最適な制御パラメータを算出する算出手段をさらに備え、前記シミュレーション手段は、前記算出手段が算出した前記最適な制御パラメータに基づく前記コントローラのモデルと、前記同定手段が同定した前記プロセスパラメータに基づく前記プロセスのモデルとを用いて、前記シミュレーションを実行することが好ましい。
【０００９】
また、本発明のＰＩＤコントローラのチューニング装置は、前記算出手段が算出した最適な制御パラメータを変更する入力手段と、前記変更したパラメータに基づく前記コントローラのモデルおよび前記プロセスのモデルを用いて前記シミュレーションを実行する手段をさらに備えることが好ましい。
【００１０】
本発明のＰＩＤコントローラのチューニング用プログラムは、プロセスをＰＩＤ（proportional-integral-derivative）制御するコントローラをチューニングするプログラムであって、コンピュータに、前記プロセスの操業データを取得して記憶するステップと、前記プロセスの操業データに基づいて、前記コントローラの制御性を評価するステップと、前記制御性が低いと評価されたことを条件として、前記取得した操業データを使って、コントローラのモデルに対する制御パラメータと、一定の制限に基づくプロセスのモデルに対するプロセスパラメータとを同定するステップと、前記同定するステップで得た前記プロセスのモデルを用い、一般化最小分散制御に基づいて、前記プロセスのモデルにおける制御量の分散とコントローラのモデルにおける操作量の分散とを評価し、その評価値が最小となる最適な制御パラメータを算出するステップと、前記同定したプロセスパラメータと前記同定した制御パラメータに基づいて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するステップと、前記同定したプロセスパラメータと前記算出した最適な制御パラメータに基づいて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するステップとを実行させることを特徴とする。
【００１１】
本発明のＰＩＤコントローラのチューニング方法は、プロセスをＰＩＤ（proportional-integral-derivative）制御するコントローラをチューニングする方法であって、前記プロセスの操業データを取得して記憶するステップと、前記プロセスの操業データに基づいて、前記コントローラの制御性を評価するステップと、前記制御性が低いと評価されたことを条件として、前記取得した操業データを使って、コントローラのモデルに対する制御パラメータと、一定の制限に基づくプロセスのモデルに対するプロセスパラメータとを同定するステップと、前記同定するステップで得た前記プロセスのモデルを用い、一般化最小分散制御に基づいて、前記プロセスのモデルにおける制御量の分散とコントローラのモデルにおける操作量の分散とを評価し、その評価値が最小となる最適な制御パラメータを算出するステップと、前記同定したプロセスパラメータと前記同定した制御パラメータに基づいて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するステップと、前記同定したプロセスパラメータと前記算出した最適な制御パラメータに基づいて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、プロセスの実際の操業データに基づいて、コントローラのモデルとプロセスのモデルの双方が同定され、シミュレーションが実行される。
【００１３】
これにより、コントローラで制御されている閉ループシステムに対して、より精度良く同定することが可能になると考えられ、このことから、その制御特性をより正確に把握でき、チューニング不良を解消して制御性を向上させる最適なＰＩＤパラメータを算出することが可能となる。
【００１４】
また、本発明によれば、プロセスの操業データに基づいて、コントローラの制御性が評価され、制御性が低いと評価されたことを条件として、制御パラメータとプロセスパラメータの同定やシミュレーションが実行される。
【００１５】
これにより、制御パラメータやプロセスパラメータの同定等の処理が、必要なときにのみ実行されるため、チューニングのための処理が効率良く実行されることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
［１．ＰＩＤコントローラのチューニング装置の構成］
本実施の形態のチューニング装置は、プラント内の単数または複数のコントローラを順
次チューニングするための装置である。図１に、当該チューニング装置のハードウェア構成を模式的に示す。
【００１７】
図１を参照して、チューニング装置１００は、当該チューニング装置１００の動作を全体的に制御するＣＰＵ（central processing unit）１０１を含む。また、チューニング装置１００では、ＣＰＵ１０１は、入出力装置（Ｉ／Ｏ）１０２を介して、他の要素との間で情報の送受信を行う。
【００１８】
ＣＰＵ１０１は、Ｉ／Ｏ１０２を介して通信制御部１０９に接続され、当該通信制御部１０９を介して、他の装置やネットワークに接続する。そして、ＣＰＵ１０１は、外部の装置やネットワーク上のサーバなどから、上記したようなプラントの操業データを取得する。
【００１９】
ハードディスク（ＨＤ）１０３には、ＣＰＵ１０１が実行するプログラムを記憶するプログラム記憶部１０３Ａ、および、上記のように取得した操業データを記憶する操業データ記憶部１０３Ｂを含む。また、ＨＤ１０３には、プログラム記憶部１０３Ａに記憶されたプログラムをＣＰＵ１０１が実行する際に必要とされる定数や変数の値など、各種のデータが記憶されているものとする。ＣＰＵ１０１は、Ｉ／Ｏ１０２を介して、ＨＤ１０３にアクセスする。
【００２０】
チューニング装置１００には、ＣＰＵ１０１のワークエリアとして機能するＲＡＭ（random access memory）１０５、キーボード等の外部からの情報の入力を受付ける入力部１０６、チューニング装置１００に対して着脱可能な記録媒体１０４Ａに対する情報の書込および読込を行うメディアドライブ１０４、ならびに、ＣＰＵ１０１の処理内容等を表示する表示部１０８を含む。
【００２１】
ＣＰＵ１０１は、ＨＤ１０３のプログラム記憶部１０３Ａに記録されたプログラムを実行することもできるし、記録媒体１０４Ａに記録されたプログラムを実行することもできる。また、チューニング装置１００は、プログラム記憶部１０３Ａに、記録媒体１０４Ａに記録されたプログラムや通信制御部１０９を介して外部の記憶装置に格納されたプログラムをインストールすることもできるし、また、通信制御部１０９を介して他の機器に記録されているプログラムを読込んで実行することもできる。
【００２２】
［２．システム同定のコンセプト］
チューニング装置１００は、図１１にブロック線図を示すような閉ループシステムに対して、制御性を評価し、制御性が低いと評価されたものに対して、コントローラとプロセスの双方を同定する。そして、当該同定結果として得られるプロセスのモデルを用いて、コントローラがプロセスを制御する際のパラメータとして最適な制御パラメータを算出する。
【００２３】
なお、図１１において、ｒは図１１に示されたシステムに対する目標値を示し、ｕはプロセスＰに対するコントローラＣの操作量を示し、ｙはプロセスＰの出力である制御量を示し、ｗは外乱を示している。
【００２４】
図１１に示したようなシステム（閉ループシステム）について、次の伝達関数表現で示した式（１）の関係が成り立つ。
【００２５】
【数１】
【００２６】
式（１）において、Ｃ，Ｐは、それぞれコントローラ，プロセスを表わす伝達関数を示している。また、Ｕ（ｓ），Ｙ（ｓ）は，それぞれ上記した操作量ｕ（ｔ）と制御量ｙ（ｔ）をラプラス変換したものである。
【００２７】
式（１）から実際のシステムにおけるコントローラとプロセスを同定しようとした場合、コントローラとプロセスの伝達関数（Ｃ，Ｐ）双方が未知で、かつ、コントローラとプロセスの伝達関数（Ｃ，Ｐ）が分離できないため、閉ループのシステム同定は困難とされてきた。
【００２８】
ここで、図２に、本実施の形態において設定された、システム同定のための仮想のシステム構成を模式的に示す。
【００２９】
図２では、実際のプラントにおけるコントローラとプロセスは、それぞれコントローラ１０，プロセス２０として示されている。なお、本実施の形態では、これらのシステムと並列して、仮想のコントローラ５１と仮想のプロセス５２が定義されている。ここで、ｕ′とｙ′は、それぞれ、仮想のシステムにおける操作量と制御量である。
【００３０】
本実施の形態では、コントローラ１０とプロセス２０とから構成される実際のシステムの操業データを利用して、仮想のコントローラ５１と仮想のプロセス５２のモデル化を行う。
【００３１】
そして、このようにして得られたプロセス５２のモデルを用いて、コントローラ５１の最適な制御パラメータを算出し、その値を参考に、実際のコントローラ１０のチューニングを行う。
【００３２】
図３は、チューニング装置１００の機能的な構成を模式的に示す図である。
図３を参照して、チューニング装置１００では、仮想のコントローラ５１と仮想のプロセス５２に対して、パラメータ処理部５４が、それぞれのモデルに用いられているパラメータの初期値の発生等の処理（後述する遺伝的アルゴリズムを用いたシステム同定における初期世代の固体の発生）を実行する。そして、適応度算出部５３は、その時点のパラメータを用いてｕ′およびｙ′を算出し、これらの値が実際の操業データにおけるｕおよびｙとどの程度近いものであるかを示す値を算出する。
【００３３】
パラメータ処理部５４は、適応度算出部５３による度合の算出が行われると、新たにコントローラ５１とプロセス５２のモデルについてのパラメータを発生する。適応度算出部５３は、パラメータ処理部５４によって新たなパラメータが提供されると、当該新たなパラメータに基づいて上記したような適応度を算出する。
【００３４】
チューニング装置１００では、パラメータ処理部５４と適応度算出部５３による上記のような処理を繰返すことによって、コントローラ５１とプロセス５２のそれぞれが実際のコントローラとプロセスに合致するようにパラメータを修正し、これにより、コントローラ１０およびプロセス２０を同定している。
【００３５】
本実施の形態において、パラメータ処理部５４は、後述するシステム同定処理（図５参照）において、初期設定処理（初期世代の個体の発生）、交差処理、および突然変異処理を実行するＣＰＵ１０１によって実現される。また、適応度算出部５３は、当該システム同定処理において、選択処理を実行するＣＰＵ１０１によって実現される。
【００３６】
［３．ＰＩＤコントローラのチューニングのための処理］
図４は、チューニング装置１００がコントローラ１０のチューニングのために実行する処理のフローチャートである。
【００３７】
図４を参照して、チューニング装置１００では、コントローラのチューニングのための処理として、ＣＰＵ１０１は、まずステップＳ１で、コントローラ１０とプロセス２０を含むシステムの操業データを通信制御部１０９を介して取得し、操業データ記憶部１０３Ｂに記憶させる処理を実行して、ステップＳ１Ａへ処理を進める。
【００３８】
ステップＳ１で取得される操業データの構成の一例を表１に示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】
本実施の形態でチューニング装置１００が取得する操業データには、所定の時間間隔（表１では、１分間隔）の、コントローラ１０に関する目標値ｒ、制御量ｙ、操作量ｕの値が含まれる。
【００４１】
ステップＳ１Ａでは、処理対象となっている制御ループの制御量について、制御性を評価する。本実施の形態では、制御性の評価は、たとえば、制御量の周期性の有無か、最小分散制御に基づく制御性評価指標の値によって判断される。
【００４２】
周期性の有無の判断としては、たとえば、制御量のデータのパワースペクトルを計算し、ある一定の値（たとえば、１５ｄＢ）を超えるピークが当該パワースペクトルにおいて存在する場合には、周期性があると判断する。ここで、パワースペクトルの計算について説明する。
【００４３】
まず、制御量の時系列データ「ｘ（ｔ）」を、平均０、分散１となるように、次の式（Ａ１）で規格化する。
【００４４】
【数２】
【００４５】
そして、規格化されたデータを、フーリエ変換し、次の式（Ａ２）を使ってパワースペクトルを計算する。
【００４６】
【数３】
【００４７】
制御量のデータのパワースペクトルにおける周期性の有無の判断態様は、周知の技術（たとえば、文献（久下本秀和、プラント運転データを活用したバルブ固着検出と制御性能改善、計装制御技術会議、日本、日本能率協会、２００６年）を参照）を適用できるものとする。そして、周期性が有ると判断された場合には、制御性が低いと判断されることとなる。
【００４８】
次に、最小分散制御に基づく制御性評価法による制御性の評価について説明する。
ここで、制御性評価指標とは、次の式（Ａ３）に従って算出される制御性評価指標ηである。なお、式（Ａ３）において、σMV2は制御量の最小分散であり、σy2は実際の制御量の分散であり、ｄ−１は、制御ループにおけるむだ時間を表わしている。なお、ηは、０から１の値をとる。
【００４９】
【数４】
【００５０】
本実施の形態では、制御性評価指標ηの値が予め定められた閾値の値以上である場合には制御性が高いと判断され、当該閾値よりも小さい場合には制御性が低いと判断される。
【００５１】
そして、ＣＰＵ１０１は、ステップＳ１Ａで制御性の評価を行なった後、ステップＳ１Ｂで、評価の結果、制御性が良好であるか否か、つまり、制御性が高いか否かを判断する。そして、ＣＰＵ１０１は、制御性が高いと判断すると図４に示された処理を終了させ、低いと判断すると、ステップＳ２に処理を進める。
【００５２】
ステップＳ２では、ＣＰＵ１０１は、仮想のコントローラ５１と仮想のプロセス５２で構成されるシステムのモデル化を行い、ステップＳ３へ処理を進める。ステップＳ２におけるシステム同定処理の詳細については、後述する。
【００５３】
ステップＳ２でシステム同定処理を実行した後、ＣＰＵ１０１は、ステップＳ３で、当該システム同定処理によって得られたプロセス５２のモデルを用いて、コントローラ５１の最適な制御パラメータを算出する処理（最適パラメータ算出処理）を実行して、ステップＳ４へ処理を進める。最適パラメータ算出処理の詳細は、後述する。
【００５４】
ステップＳ４では、ＣＰＵ１０１は、上記したシステム同定処理および最適パラメータ算出処理によって得られた情報に基づいて、コントローラ５１とプロセス５２を含むシステムについてのシミュレーションを実行し、ステップＳ５へ処理を進める。
【００５５】
ステップＳ５では、ＣＰＵ１０１は、上記したシステム同定処理や最適パラメータ算出処理の結果およびシミュレーションの結果を、表示部１０８に提示する処理（結果提示処理）を実行する。そこで、ユーザは、満足のいく結果が得られていなければ、コントローラ５１の制御パラメータを手入力で修正し、再度シミュレーションを行うとともに、満足がいく結果が得られれば、その制御パラメータを参考に実際のコントローラ１０の制御パラメータを変更して、チューニングのための処理を終了する。
【００５６】
以上、図４を参照して説明した処理では、ステップＳ１Ａにおいて評価した制御性が低い場合にのみ（ステップＳ１ＢでＮＯ判断時）、ステップＳ２以降の処理が実行され、ステップＳ１Ａにおいて評価した制御性が高い場合には（ステップＳ１ＢでＹＥＳ判断時）、ステップＳ２以降の処理が実行されない。なお、ステップＳ２以降の処理は、制御性が高いと評価された場合でも実行されても良いし、また、ステップＳ１において操業データが取得された後、ステップＳ１Ａ，１Ｂにおける制御性の評価に関する判断がなされることなく、直接ステップＳ２以降の処理が実行されても良い。
【００５７】
［４．システム同定］
４．１ プロセスモデル
上記したステップＳ２におけるシステム同定処理の前提として、本実施の形態では、プロセス５２のモデルとして、ＣＡＲＩＭＡ（Controlled Auto-Regressive and Integrated Moving-Average）モデルを採用している。ＣＡＲＩＭＡモデルを、式（２）に示す。
【００５８】
【数５】
【００５９】
なお、式（２）において、ｙは制御量であり、ｕは操作量であり、ｄはむだ時間であり、ｗｙは制御量ｙに関する外乱であり、そして、ａおよびｂはＣＡＲＩＭＡモデルにおいて利用されているパラメータであり、Δは差分演算子を表している。
【００６０】
本実施の形態では、プロセス５２のモデルとして、式（２）で示したＣＡＲＩＭＡモデルについて、むだ時間を含む二次遅れ系までを考慮することとする。これにより、本実施の形態においてシステム同定に利用されるプロセス５２のモデルは、式（３）として表わされる。
【００６１】
【数６】
【００６２】
なお、式（３）において、ｙは制御量の操業データを示し、ｙ′はプロセスモデルから算出される制御量の計算値を示し、ｕは操作量の操業データを示し、ｕ′は後述するコントローラモデルから算出される操作量の計算値を示す。
【００６３】
４．２ コントローラモデル
本実施の形態のチューニング装置１００がチューニングの対象とするコントローラ（図１１のブロック線図で示したコントローラ）は、ＰＩＤコントローラである。なお、本実施の形態では、ＰＩＤコントローラの一例としてＩ−ＰＤコントローラ（比例先行型ＰＩＤ）をコントローラモデルとする。このようなコントローラのモデルは、以下の式（４）に示す式で表わされる。
【００６４】
【数７】
【００６５】
ここで、ｙは図２のプロセス２０の出力である制御量であり、ｕはコントローラ１０のプロセス２０に対する操作量であり、ＫcはＰＩＤ制御の式で一般に用いられる比例ゲインであり、Ｔiは積分時間であり、Ｔdは微分時間であり、Ｔsはサンプリング周期（制御演算のためにデータを採集する周期）、Ｗｕは操作量ｕに関する誤差である。
【００６６】
なお、上記したように、本実施の形態におけるシステムのモデル化に際して、プロセス２０のプロセスモデルには積分を含む二次遅れ系を採用し、むだ時間も考慮している。これに基づき、本実施の形態におけるコントローラ５１のモデルは、次の式（５）で表わされる。なお、式（５）では、ｄはむだ時間を示し、ｕ´はコントローラモデルから算出される操作量の計算値を示している。
【００６７】
【数８】
【００６８】
４．３ 遺伝的アルゴリズム
図４のステップＳ２に記載されたシステム同定処理では、式（５）のコントローラのモデルと式（３）のプロセスモデルにおいて用いられた８個のパラメータ（ａ1，ａ2，ｂ0，ｂ1，ｄ，Ｋc，Ｔi，Ｔd）を同定する処理が実行される。ここで、ステップＳ２におけるシステム同定処理の内容について、当該処理のサブルーチンのフローチャートである図５を参照して説明する。
【００６９】
図５を参照して、システム同定処理では、ＣＰＵ１０１は、まずステップＳ２１で、初期設定を行い、ステップＳ２２へ処理を進める。
【００７０】
本実施の形態では、上記したシステム同定に必要な８個のパラメータを、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を用いて決定する。そして、ステップＳ２１における初期設定では、当該ＧＡによるパラメータの決定において必要とされる初期条件の設定が行われる。ここで、ＧＡによる８個のパラメータの決定がどのように行われるかについて、概略を説明する。図６に、ＧＡによるパラメータの決定の流れを概略的に示す。
【００７１】
図６を参照して、ＧＡによるパラメータの決定には、Ａ．初期集団の決定、Ｂ．選択、Ｃ．交差、Ｄ．突然変異の４つの工程が含まれる。以下、各工程の内容を説明する。
【００７２】
Ａ．初期集団の発生
ＧＡでは、ＣＰＵ１０１は、上記した８個のパラメータを１組として、Ｎ組の初期個体を発生させる。ここで、８個のパラメータそれぞれについて、式（６）〜式（１３）に示されるような上限値と下限値が設定されている。ＣＰＵ１０１は、各パラメータについて、式（６）〜式（１３）に示されるような下限値（各パラメータについてｍｉｎの添字を付されたもの）から上限値（各パラメータについてｍａｘの添字を付されたもの）の範囲内で、初期個体を発生させる。
【００７３】
【数９】
【００７４】
以下の説明では、各個体（８個のパラメータを１組としたもの）をＰ1〜ＰNとして表わす。Ｎ個の初期個体を、初期集団と呼ぶ。
【００７５】
Ｂ．選択
ＣＰＵ１０１は、Ｎ個の個体Ｐ1〜ＰNのそれぞれについて、適応度を算出する。適応度の算出は、目的関数ｆ（Ｐn）について、各個体に含まれるパラメータを用いて、算出される。目的関数ｆ（Ｐn）は、次の式（１４）で表わされる。
【００７６】
【数１０】
【００７７】
目的関数ｆ（Ｐn）は、各個体を構成するパラメータの組ごとに、操業データにおける時刻（ｄ＋１）から時刻Ｘについて、所定の時間間隔（本実施の形態では、１分間隔）ごとの制御量の操業データとプロセスモデルを使って算出した制御量の計算値（予測値）の差の二乗と、その（ｄ＋１）の時間だけ前の操作量の操業データとコントローラモデルを使って算出した操作量の計算値（予測値）の差の二乗の和を積算した値となっている。本実施の形態では、ＧＡによって、コントローラ５１とプロセス５２とがコントローラ１０とプロセス２０になるべく近い挙動を示すようなパラメータの組を求めようとしている。したがって、目的関数ｆ（Ｐn）の値が小さいほど、その算出に用いられた個体（パラメータの組）は、コントローラ１０とプロセス２０により適応させたものといえる。つまり、本実施の形態では、目的関数ｆ（Ｐn）の値が小さいものほど、その算出に用いられた
個体（パラメータの組）の適応度が高いと考えられる。そして、本実施の形態のＧＡでは、Ｎ個の個体を含む初期集団（または、後述する次世代の集団）から、目的関数の値が小さいものから順にＭ個（Ｍ＜Ｎ）の個体が選択される。
【００７８】
Ｃ．交差
交差では、ＣＰＵ１０１は、上記選択によって得られたＭ個の個体の中から任意に２個の個体ＰｉとＰｊを選出し、８個のパラメータすべてを次に式（１５）および式（１６）に基づいて交差させ、新たな個体Ｐｋと固体Ｐｌ）を発生させる。このような交差で、たとえばＥ個の個体を新たに発生させる。
【００７９】
【数１１】
【００８０】
なお、式（１５）と式（１６）では、Ｐｓｕｐは固体ＰｉとＰＪのうち、目的関数の値の小さいもの（適応度が高いもの）を表している。
【００８１】
Ｄ．突然変異
上記選択によって選択したＭ個の個体の中から一定の割合の個体を選出し、各個体に含まれるパラメータの中の一定の個数のパラメータの値を上記した式（６）〜式（１３）の範囲内でランダムな値に置き換えることによって、ＣＰＵ１０１は、新たにＦ個の個体を生成する。
【００８２】
以上説明した初期集団の発生から突然変異までの処理により、Ｎ個の個体によって構成されていた集団は、その中からＭ個の個体が選択され、Ｅ個の個体が交差によって発生し、そして、突然変異によってＦ個の個体が発生する。そして、これらの個体、つまり（Ｍ＋Ｅ＋Ｆ）個の個体が、次世代の集団とされる。
【００８３】
そして、当該次世代の集団に対して、再度、上記した選択から突然変異までの処理が適用されることによって、さらに次の世代の集団が発生する。
【００８４】
本実施の形態では、予め定められた世代まで集団を発生させ、最終的に発生させた集団における最も目的関数の値が小さい個体に含まれるパラメータの組を、コントローラ５１とプロセス５２のモデルを構成するパラメータとされる。
【００８５】
４．４ システム同定処理の内容
図５は、図４のステップＳ２におけるシステム同定処理のサブルーチンのフローチャートである。以下、システム同定処理の内容について説明する。
【００８６】
図５を参照して、システム同定処理では、ＣＰＵ１０１は、まずステップＳ２１でＧＡによるシステム同定（上記８個のパラメータの決定）のために初期設定を行って、ステップＳ２２へ処理を進める。
【００８７】
ここで、初期設定とは、上記した式（６）〜式（１３）に示した８個のパラメータの下限値と上限値の入力を受付け、また、ＧＡによってパラメータを決定する際の集団を発生させる世代数Ｇの入力を受付ける。
【００８８】
ステップＳ２２では、ＣＰＵ１０１は、現時点での集団の世代が、ステップＳ２１で設定を受付けたＧであるか否かを判断し、そうであると判断するとステップＳ２６へ処理を進め、まだ世代数がＧに達していないと判断するとステップＳ２３へ処理を進める。
【００８９】
ステップＳ２３では、ＣＰＵ１０１は、図６を参照して説明した「選択」を実行し、ステップＳ２４へ処理を進める。
【００９０】
ステップＳ２４では、ＣＰＵ１０１は、図６を参照して説明した「交差」を実行して、ステップＳ２５へ処理を進める。
【００９１】
ステップＳ２５では、ＣＰＵ１０１は、図６を参照して説明した「突然変異」を実行して、ステップＳ２２へ処理を戻す。
【００９２】
以上説明したように、ステップＳ２３からステップＳ２５までの処理は、ＧＡにおいて扱われる個体の集団の世代数がＧとなるまで続けられる。そして、集団の世代数がＧとなると、ステップＳ２６へ処理が進められる。
【００９３】
ステップＳ２６では、ＣＰＵ１０１は、第Ｇ世代の集団の中の最も目的関数の値が小さいもの（適応度が高いもの）を構成するパラメータの組を、コントローラ５１とプロセス５２のモデルを構成するパラメータの組として決定して、図４へ処理を戻す。
【００９４】
［５．最適パラメータの算出］
本実施の形態では、図４のステップＳ３における最適パラメータ算出処理において、一般化最小分散制御（ＧＭＶＣ）に基づいて、コントローラ１０のプロセス２０に対するＰＩＤ制御について、最適なパラメータの算出が行われる。ここで、その内容について説明
する。
【００９５】
まず、本実施の形態におけるプロセス２０の離散時間モデルは、次の式（１７）で表わすことができるものとする。
【００９６】
【数１２】
【００９７】
なお、式（１７）中で、Ａ（ｚ-1）とＢ（ｚ-1）は、次の式（１８）と式（１９）で表わされる離散時間モデルの係数多項式であるとする。
【００９８】
【数１３】
【００９９】
また、式（１７）において、ｙ（ｔ）は制御量を示し、ｕ（ｔ）は操作量を示し、χ（ｔ）はモデル化誤差を示し、ｚ-1は時間遅れ演算子（ｚ-1ｙ（ｔ）＝ｙ（ｔ−１））を意味し、Δは差分演算子（１−ｚ-1）を意味している。
【０１００】
時刻ｔ＋１のとき、式（１７）は、次の式（２０）となる。
【０１０１】
【数１４】
【０１０２】
そして、式（２０）は、次の式（２１）のように書くことができる。
【０１０３】
【数１５】
【０１０４】
ここで、Diophantine方程式を式（２２）に示す。
【０１０５】
【数１６】
【０１０６】
このDiophantine方程式から、次の式（２３）の関係を得ることができる。
【０１０７】
【数１７】
【０１０８】
なお、制御量ｙ（ｔ＋１）と予測値ｙ′（ｔ＋１｜ｔ）との関係は式（２４）として表わすことができる。
【０１０９】
【数１８】
【０１１０】
そして、これにより、次の式（２５）の関係が得られる。
【０１１１】
【数１９】
【０１１２】
一方、ＰＩＤコントローラ（コントローラ１０）のモデルは、式（４）で示され、次の式（２６）のように書き直すことができる。
【０１１３】
【数２０】
【０１１４】
そして、式（２６）のＣ（ｚ-1）は、次の式（２７）の係数多項式で表わされる。
【０１１５】
【数２１】
【０１１６】
次に、一般化最小分散制御の評価規範に基づいて、最適なＰＩＤパラメータを求めることを考える。
【０１１７】
上記評価規範の１つの形が、次の式（２８）として与えられる。
【０１１８】
【数２２】
【０１１９】
ここで、Ｐ（ｚ-1）は、次の式（２９）で表わされる。
【０１２０】
【数２３】
【０１２１】
なお、式（２８）において、λは重み係数を表わしている。λの与え方については、後述する。
【０１２２】
Ｐ（ｚ-1）は、離散時間モデルの設計多項式で、各係数は、望ましい制御性を示すように、次の式（３０）〜式（３５）のように与える。
【０１２３】
【数２４】
【０１２４】
ここで、σは、立ち上がり時間を表わすパラメータで、プロセスの時定数Ｔとむだ時間Ｌの和の０．５倍から１．０倍が望ましい。本実施の形態では、式（３４）で例示するように、０．７５倍とする。
【０１２５】
一方、μは、応答の減衰特性を表わすパラメータであり、式（３３）に示されるように、δによって与えられる。δは、０．０から２．０の範囲が望ましく、本実施の形態では、式（３５）に例示されるように０．０とする。
【０１２６】
次に、「一次遅れ＋むだ時間」系と、「積分＋むだ時間」系を例に、プロセスの離散時間モデルから時定数Ｔとむだ時間Ｌ、プロセスゲインＫの求め方について述べる。
【０１２７】
「一次遅れ＋むだ時間」系は、温度制御などのプロセスを表現する際にしばしば用いられ、「積分＋むだ時間」系は、液面制御などのプロセスを表現する際によく用いられている。
【０１２８】
なお、「一次遅れ＋むだ時間」系では、各パラメータは、次の式（３６）〜式（３８）に従って求められる。
【０１２９】
【数２５】
【０１３０】
また、「積分＋むだ時間」系では、各パラメータは、次の式（３９）〜式（４１）に従って求められる。
【０１３１】
【数２６】
【０１３２】
ここで、ｄは、離散時間系における純粋むだ時間であり、Ｌは立ち上がり初期を含めた実用的なむだ時間を意味している。また、積分系の場合、緩やかな制御が好まれるため、時定数Ｔを特別に積分時定数の２倍としている。
【０１３３】
上記した式（２８）の評価規範に式（２３）を代入すると、次の式（４２）が得られる。
【０１３４】
【数２７】
【０１３５】
そして、無相関である性質を利用することによって、これを最小化する制御則が、次の式（４３）として得られる。
【０１３６】
【数２８】
【０１３７】
さらに、式（４３）の第２項の係数多項式を定常項に置き換えると、式（４４）が得られる。
【０１３８】
【数２９】
【０１３９】
そして、式（４４）の第２項を次の式（４５）のように定義する。
【０１４０】
【数３０】
【０１４１】
これにより、式（４４）は、次の式（４６）のようになる。
【０１４２】
【数３１】
【０１４３】
ここで、式（４６）とＰＩＤコントローラの離散モデルである式（２６）とを比較すると、次の式（４７）の関係が得られる。
【０１４４】
【数３２】
【０１４５】
そして、これにより、評価規範を最小化とするＰＩＤパラメータを、次の式（４８）〜式（５０）で求めることができる。
【０１４６】
【数３３】
【０１４７】
すなわち、適切なλを与えられ場、Ｆ（ｚ-1）の係数を求めることができ、これにより、式（４８）〜式（５０）を用いてＰＩＤパラメータを算出することができる。
【０１４８】
式（２８）の評価規範において、λを変化させたときの制御誤差の分散（すなわち、目標値と制御量との偏差の分散Ｅ［ｅ2（ｔ）］）と、制御入力の分散（すなわち、操作変化量の分散［（Δｕ（ｔ））2］）の様子をプロットすると、図７に示すようなTrade-off曲線（曲線Ｌ）が得られる。この曲線上から最も望ましいλを得るために、次の式（５１）に示す評価関数を定義する。
【０１４９】
【数３４】
【０１５０】
ここで、Ｋ２は重み係数に相当し、式（３７）または式（４０）のプロセスゲインで決めることとする。
【０１５１】
なお、制御誤差ｅ（ｔ）と操作量Δｕ（ｔ）は、定常状態において、次の式（５２）と式（５３）の関係が得られる。
【０１５２】
【数３５】
【０１５３】
ただし、Ｔ（ｚ-1）は、式（５４）で表される。
【０１５４】
【数３６】
【０１５５】
このとき、制御誤差ｅ（ｔ）と操作量Δｕ（ｔ）の分散は、Ｈ2ノルムを用いて計算す
ることとし、次の式（５５）を最小とするλを求める。これにより、前述した最適なＰＩＤパラメータが求まる。
【０１５６】
【数３７】
【０１５７】
具体的なＰＩＤパラメータの算出手順は、次のＳＡ１〜ＳＡ６の手順として示すことができる。
【０１５８】
ＳＡ１：式（３６）〜式（３８）または式（３９）〜（４１）に基づき、Ｔ，Ｋ，Ｌを算出
ＳＡ２：式（３０）〜式（３５）に基づき、Ｐを算出
ＳＡ３：式（２２）に基づき、Ｆを算出（ここで、むだ時間がある場合は、プロセスをパディ近似した離散時間モデルからＦを求めるか、逐次計算でむだ時間を考慮したＦを求める）
ＳＡ４：λに初期値を与えて、式（４８）〜式（５０）に基づき、λに対応するＰＩＤパラメータを算出
ＳＡ５：式（５２）と式（５３）に基づき、制御誤差の分散Ｅ［ｅ2（ｔ）］と制御入
力（制御量）の分散［（Δｕ（ｔ））2］を算出
ＳＡ６：ＳＡ４，ＳＡ５を繰り返し計算して、式（５５）を最小とするλを求め、これに対応するＰＩＤパラメータを出力
なお、このような場合の、式（５５）を最小とするλは、図７中の曲線Ｌ中の点Ｐに相当する。
【０１５９】
［６．シミュレーション］
次に、図４のステップＳ４におけるシミュレーション処理の内容について説明する。
【０１６０】
上記したように、本実施の形態のチューニング装置１００では、システム同定処理が行われることにより、プロセスモデル（式（３））に用いられたプロセスパラメータ（ａ１，ａ２，ｂ０，ｂ１，ｄ）とコントローラモデル（式（５））に用いられたパラメータ（Ｋｃ，Ｔｉ，Ｔｄ）の推定値が得られる（ステップＳ２）。そして、推定されたプロセスモデルを用いて、コントローラに対する最適なＰＩＤパラメータが算出される（ステップＳ３）。
【０１６１】
そして、ＣＰＵ１０１は、シミュレーション処理として、上記のように得られたプロセスモデルを用い、推定されたＰＩＤパラメータ（以下、「推定パラメータ」）を適用した場合の制御量の時間変化のシミュレーションと、算出された最適なＰＩＤパラメータ（以下、「推奨パラメータ」）を適用した場合の制御量の時間変化のシミュレーションを実行する。図８（Ａ）に、シミュレーション結果を示す。なお、図８（Ａ）のグラフの横軸は、時間を表している。
【０１６２】
まず、図８（Ａ）では、実線で、ステップ状に変化する目標値が示されている。そして、図８（Ａ）では、実線で示されたようにステップ状に目標値が変化した際の、推定パラメータを適用した場合の制御量の時間変化が破線で示され、推奨パラメータを適用した場合の制御量の時間変化が一点鎖線で示されている。
【０１６３】
図８（Ｂ）には、上記した推定したプロセスモデルのパラメータが示され、図８（Ｃ）には、コントローラのＰＩＤパラメータが示されている。
【０１６４】
なお、図８（Ｃ）では、「以前」「推定」「推奨」「現在」の４種類の組のＰＩＤパラメータが示されている。「以前」とは、図４に示された処理が実行される前の実際のプラントでコントローラに適用されていたパラメータである。「推定」とは、図５に示したシステム同定処理によって操業データから「以前」のパラメータを推定した結果で、コントローラモデルの同定の結果として算出されたＰＩＤパラメータである。「以前」の値と「推定」の各パラメータの値が近ければ、ユーザは、システム同定処理によるシステム同定精度は高く、信頼できる結果であると評価することができる。
【０１６５】
また、図８（Ｃ）において、「推奨」とは、ステップＳ３で実行した最適パラメータ算出処理によって算出されたＰＩＤパラメータである。そして、「現在」とは、ユーザによって新たに設定された実際のＰＩＤパラメータである。なお、ユーザは、このパラメータを、たとえば推奨パラメータを参考にして設定することができる。これらの４種類のＰＩＤパラメータは、いずれも、ＨＤ１０３に格納されている。
【０１６６】
［７．結果の提示］
ＣＰＵ１０１は、結果提示処理（ステップＳ５）として、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に示した情報を表示部１０８に表示させることができる。このような場合に表示部１０８に表示される画面の一例を図９に示す。
【０１６７】
図９を参照して、画面９００には、図８（Ａ）に示したグラフを表示する表示欄９１０と、図８（Ｂ）に示したプロセスパラメータを表示する表示欄９１１と、図８（Ｃ）に示したＰＩＤパラメータを表示する表示欄９１２，９１５とが含まれる。なお、画面９００中のボタン９１３をクリックされることにより、ＣＰＵ１０１は、図４に示された処理を実行する。表示欄９１２には「推定」のＰＩＤパラメータが表示され、表示欄９１５には「推奨」のＰＩＤパラメータが表示される。なお、ユーザは、入力部１０６を適宜操作することにより、表示欄９１２内の数値を変更することができる。
【０１６８】
ＣＰＵ１０１は、ボタン９１４に対して操作がなされることにより、表示欄９１２，９１５に表示されたＰＩＤパラメータと、表示欄９１１に表示されたプロセスパラメータを適用したプロセスモデルを利用して、制御量の時間変化をシミュレーションし、その結果を表示する。なお、シミュレーションの態様は、特許文献１に記載の態様を採用することができる。
【０１６９】
また、画面９００では、表示欄９２０に、破線で設定値ＳＶ（Set Variable）の、実線で制御量ＰＶ（Process Variable）の、一日分の変化が横軸を時間として提示されている。また、表示欄９３０には、操作量ＭＶ（Manipulative Variable）の一日分の変化が横軸を時間として提示されている。
【０１７０】
また、表示欄９１０には、シミュレーションの結果として、プロセス５２のステップ応答特性として、５時間分の制御量の変化が示されている。具体的には、表示欄９１０では、ステップ状に変化する設定値が実線で示され、表示欄９１２に示された「推定」のパラメータを用いた制御量のシミュレーション結果が破線で示され、そして、表示欄９１５に示された「推奨」のパラメータを用いた制御量のシミュレーション結果が一点鎖線で示されている。
【０１７１】
［８．本実施の形態のチューニング装置によるチューニングについて］
実際にプラントに適用した、本実施の形態のチューニング装置によるＰＩＤコントローラのチューニング前後の挙動を図１０に示す。
【０１７２】
図１０（Ａ）は、チューニング前のプロセスの制御量の時間変化を示し、図１０（Ｂ）は、チューニング後のプロセスの制御量の時間変化を示す。なお、チューニング後とは、プロセスのコントローラで利用されるＰＩＤパラメータが、上記した「推奨」のパラメータを参考にチューニングされた後を意味する。
【０１７３】
図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）を比較すると、チューニング後の方が、チューニング前よりも、制御量の変化の幅が狭くなっている。
【０１７４】
これにより、本実施の形態によれば、プロセスの挙動を落ち着いたものとすることができる。
【０１７５】
［９．表示画面の関連付け］
図４を参照して説明したように、本実施の形態では、処理対象となっている制御ループの制御性が評価され（ステップＳ１Ａ）、その内容に応じてステップＳ２以降の処理を実行するか否かが、ＣＰＵ１０１の実行するプログラムによって決定されている。
【０１７６】
なお、図４を参照して説明した処理は、このような評価結果を表示部１０８に表示し、当該画面に対する操作内容に応じて、すなわち、解析対象とする制御ループの選択操作に応じて、ステップＳ２以降の処理を実行するか否かが決定されるように変更されても良い。
【０１７７】
図１２は、制御ループごとの制御性についての評価内容が表示された画面の一例であり、図１３は、図４のフローチャートの上記のような変形例のフローチャートである。図１３のフローチャートでは、図４のフローチャートのステップＳ１Ｂの代わりにステップＳ１Ｃ，Ｓ１Ｄが設けられている。
【０１７８】
この変形例では、ステップＳ１Ａの結果として、図１２に示される画面が表示される。画面８００には、制御性が低いと評価された制御ループごとの制御量のトレンド８１０，８２０が示されている。そして、各トレンド８１０，８２０に関連付けられて、表示欄８１１，８２１に、制御ループごとの制御性の評価内容が表示されている。
【０１７９】
表示欄８１１，８２１において、「総合指標」とは、上記した制御性評価指標ηに関連する値であり、また、「周期」は、制御量に周期性があると判断された場合の周期である。
【０１８０】
また、表示欄８１１，８２１において、「コメント」は、周期性の有無や制御性評価指標ηの値、その他の診断結果に基づいて表示されるメッセージである。たとえば、表示欄８１１には「チューニング不良。」、表示欄８２１には「バルブ、または計器不良の疑いあり。」というメッセージが表示されている。なお、このようなメッセージは、評価内容に関連付けられて、たとえばＨＤ１０３内に記憶されている。
【０１８１】
そして、これらのメッセージには、ステップＳ２以降の処理を実行するための処理内容がリンクされている。
【０１８２】
図１３を参照して、ステップＳ１Ａにおいて制御性の評価がなされ、その結果として、制御性の低い制御ループの抽出結果が、図１２に示されるような画面８００に表示された後、ＣＰＵ１０１は、ステップＳ１Ｄで、上記のようなステップＳ２以降に処理を進めるリンクが操作されたか（メッセージがクリックされたか）否かが判断される。
【０１８３】
そして、メッセージがクリックされたと判断されると、クリックされたメッセージが対応する制御ループについて、ステップＳ２以降の処理が実行される。これにより、当該制御ループについてのシステム同定処理（ステップＳ２）等が実行され、結果として、当該制御ループについての結果提示処理に基づく画面９００（図９参照）が表示される。なお、図９の画面９００は、トレンド８１０に対応したコントーラについての制御パラメータ算出結果に相当する画面である。表示欄９２０の制御量ＰＶは、トレンド８１０と同一である。
【０１８４】
一方、画面８００に表示されたいずれのメッセージ（コメント）もクリックされることなく制御性の評価結果についての表示を終了させるための操作がなされた場合には（ステップＳ１Ｄで「ＮＯ」判断時）、そのまま終了する。
【０１８５】
以上説明した本実施の形態のチューニング装置１００では、コントローラ１０とプロセス２０から構成される実際のプラントの操業データが利用されて、仮想のコントローラ５１と仮想のプロセス５２のモデル化が行なわれ、そして、得られたプロセス５２のモデルを用いて、コントローラ５１の最適な制御パラメータが算出される。コントローラ１０のチューニングに際し、算出された制御パラメータの数値を参考にチューニングを実施することができる。なお、チューニング装置１００では、コントローラ５１ごとに制御性を評価し、制御性が低いと判断されたコントローラ５１についてのみ、上記モデル化や最適な制御パラメータの算出等が実行されるため、計算負荷を低減することができる。さらに、図１３で示した変形例のように、予め複数の制御ループの制御性を評価しておけば、制御性の低いコントローラに対して、集中的にチューニングを実施できるため、効率的に制御性を向上させることができるといった利点がある。
【０１８６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１８７】
【図１】本発明の一実施の形態であるチューニング装置のハードウェア構成を模式的に示す図である。
【図２】図１のチューニング装置において設定された、システム同定のための仮想のシステム構成を模式的に示す図である。
【図３】図１のチューニング装置の機能的な構成を模式的に示す図である。
【図４】図１のチューニング装置がコントローラのチューニングのために実行する処理のフローチャートである。
【図５】図４のシステム同定処理のサブルーチンのフローチャートである。
【図６】図５のシステム同定処理における、ＧＡによるパラメータの決定の流れを概略的に示す図である。
【図７】図４の最適パラメータ算出処理におけるＰＩＤパラメータの算出に利用される、制御誤差の分散と操作量の分散の関係をプロットした図である。
【図８】図４のシミュレーションの結果を示す図である。
【図９】図４の結果提示処理において表示部に表示される画面の一例を示す図である。
【図１０】本実施の形態のチューニング装置によるＰＩＤパラメータのチューニングの前後のシステムの挙動を示す図である。
【図１１】本実施の形態のチューニング装置がチューニングの対象とするコントローラを含むシステムのブロック線図である。
【図１２】本実施の形態におけるプラントの制御性の評価の内容を表示する画面の一例を示す図である。
【図１３】図４に示されたフローチャートの変形例を示す図である。
【符号の説明】
【０１８８】
１０，５１ コントローラ、２０，５２ プロセス、５３ 適応度算出部、５４ パラメータ処理部、１００ チューニング装置、１０１ ＣＰＵ、１０２ Ｉ／Ｏ、１０３ ＨＤ、１０３Ａ プログラム記憶部、１０３Ｂ 操業データ記憶部、１０４ メディアドライブ、１０４Ａ 記録媒体、１０５ ＲＡＭ、１０６ 入力部、１０８ 表示部、１０９ 通信制御部、８００，９００ 画面。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＩＤ（proportional-integral-derivative）コントローラのチューニングに関し、特に、ＰＩＤコントローラのチューニング不良により操業データが周期振動しているようなシステムに対し、適切なＰＩＤパラメータを与えることにより当該チューニング不良を解消し、制御性を向上するための、ＰＩＤコントローラのチューニング装置、ＰＩＤコントローラのチューニング用プログラムおよびＰＩＤコントローラのチューニング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、プロセスのコントローラでのＰＩＤ制御に対するチューニング方法に関し、多数の技術が開示されている。たとえば、特許文献１では、プラントに同定用信号を与えることなくプロセスを同定し、同定したプロセスモデルとＰＩＤコントローラのモデルを用いたシミュレーションを行うことによって、その結果を評価し、最適なＰＩＤパラメータを取得する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２０２８０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
なお、プロセスの制御に際し、プロセスの特性や外乱の大きさによってその制御特性が変動すると考えられる。そして、プラントにおけるプロセスの制御についての精度の向上は、常に求められていることである。
【０００４】
本発明は係る実情に鑑み考え出されたものであり、その目的は、プロセスをコントローラで制御するシステムにおいて、精度良くプロセスを制御できるＰＩＤコントローラのチューニング装置、ＰＩＤコントローラのチューニング用プログラムおよびＰＩＤコントローラのチューニング方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のＰＩＤコントローラのチューニング装置は、プロセスをＰＩＤ（proportional-integral-derivative）制御するコントローラをチューニングする装置であって、前記プロセスの操業データを取得して記憶する記憶手段と、前記プロセスの操業データに基づいて、前記コントローラの制御性を評価する評価手段と、前記評価手段によって制御性が低いと評価されたことを条件として、前記取得した操業データを使って、コントローラのモデルに対する制御パラメータと、一定の制限に基づくプロセスのモデルに対するプロセスパラメータとを同定する同定手段と、前記同定手段が同定した前記制御パラメータおよび前記プロセスパラメータに基づく前記コントローラのモデルと前記プロセスのモデルを用いて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するシミュレーション手段とを備えることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明のＰＩＤコントローラのチューニング装置では、前記同定手段は、前記一定の制限として、前記プロセスのモデルを、むだ時間と積分系を含む二次遅れ系の動的モデルとし、前記操業データとして、周期振動をしているデータを使ってパラメータを同定することが好ましい。
【０００７】
また、本発明のＰＩＤコントローラのチューニング装置では、前記同定手段は、遺伝的アルゴリズムに基づいて前記制御パラメータと前記プロセスパラメータを同定することが好ましい。
【０００８】
また、本発明のＰＩＤコントローラのチューニング装置は、前記同定手段で得た前記プロセスのモデルを用い、一般化最小分散制御に基づき、前記プロセスのモデルにおける制御量の分散とコントローラのモデルにおける操作量の分散とを評価し、その評価値が最小となる最適な制御パラメータを算出する算出手段をさらに備え、前記シミュレーション手段は、前記算出手段が算出した前記最適な制御パラメータに基づく前記コントローラのモデルと、前記同定手段が同定した前記プロセスパラメータに基づく前記プロセスのモデルとを用いて、前記シミュレーションを実行することが好ましい。
【０００９】
また、本発明のＰＩＤコントローラのチューニング装置は、前記算出手段が算出した最適な制御パラメータを変更する入力手段と、前記変更したパラメータに基づく前記コントローラのモデルおよび前記プロセスのモデルを用いて前記シミュレーションを実行する手段をさらに備えることが好ましい。
【００１０】
本発明のＰＩＤコントローラのチューニング用プログラムは、プロセスをＰＩＤ（proportional-integral-derivative）制御するコントローラをチューニングするプログラムであって、コンピュータに、前記プロセスの操業データを取得して記憶するステップと、前記プロセスの操業データに基づいて、前記コントローラの制御性を評価するステップと、前記制御性が低いと評価されたことを条件として、前記取得した操業データを使って、コントローラのモデルに対する制御パラメータと、一定の制限に基づくプロセスのモデルに対するプロセスパラメータとを同定するステップと、前記同定するステップで得た前記プロセスのモデルを用い、一般化最小分散制御に基づいて、前記プロセスのモデルにおける制御量の分散とコントローラのモデルにおける操作量の分散とを評価し、その評価値が最小となる最適な制御パラメータを算出するステップと、前記同定したプロセスパラメータと前記同定した制御パラメータに基づいて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するステップと、前記同定したプロセスパラメータと前記算出した最適な制御パラメータに基づいて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するステップとを実行させることを特徴とする。
【００１１】
本発明のＰＩＤコントローラのチューニング方法は、プロセスをＰＩＤ（proportional-integral-derivative）制御するコントローラをチューニングする方法であって、前記プロセスの操業データを取得して記憶するステップと、前記プロセスの操業データに基づいて、前記コントローラの制御性を評価するステップと、前記制御性が低いと評価されたことを条件として、前記取得した操業データを使って、コントローラのモデルに対する制御パラメータと、一定の制限に基づくプロセスのモデルに対するプロセスパラメータとを同定するステップと、前記同定するステップで得た前記プロセスのモデルを用い、一般化最小分散制御に基づいて、前記プロセスのモデルにおける制御量の分散とコントローラのモデルにおける操作量の分散とを評価し、その評価値が最小となる最適な制御パラメータを算出するステップと、前記同定したプロセスパラメータと前記同定した制御パラメータに基づいて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するステップと、前記同定したプロセスパラメータと前記算出した最適な制御パラメータに基づいて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、プロセスの実際の操業データに基づいて、コントローラのモデルとプロセスのモデルの双方が同定され、シミュレーションが実行される。
【００１３】
これにより、コントローラで制御されている閉ループシステムに対して、より精度良く同定することが可能になると考えられ、このことから、その制御特性をより正確に把握でき、チューニング不良を解消して制御性を向上させる最適なＰＩＤパラメータを算出することが可能となる。
【００１４】
また、本発明によれば、プロセスの操業データに基づいて、コントローラの制御性が評価され、制御性が低いと評価されたことを条件として、制御パラメータとプロセスパラメータの同定やシミュレーションが実行される。
【００１５】
これにより、制御パラメータやプロセスパラメータの同定等の処理が、必要なときにのみ実行されるため、チューニングのための処理が効率良く実行されることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
［１．ＰＩＤコントローラのチューニング装置の構成］
本実施の形態のチューニング装置は、プラント内の単数または複数のコントローラを順
次チューニングするための装置である。図１に、当該チューニング装置のハードウェア構成を模式的に示す。
【００１７】
図１を参照して、チューニング装置１００は、当該チューニング装置１００の動作を全体的に制御するＣＰＵ（central processing unit）１０１を含む。また、チューニング装置１００では、ＣＰＵ１０１は、入出力装置（Ｉ／Ｏ）１０２を介して、他の要素との間で情報の送受信を行う。
【００１８】
ＣＰＵ１０１は、Ｉ／Ｏ１０２を介して通信制御部１０９に接続され、当該通信制御部１０９を介して、他の装置やネットワークに接続する。そして、ＣＰＵ１０１は、外部の装置やネットワーク上のサーバなどから、上記したようなプラントの操業データを取得する。
【００１９】
ハードディスク（ＨＤ）１０３には、ＣＰＵ１０１が実行するプログラムを記憶するプログラム記憶部１０３Ａ、および、上記のように取得した操業データを記憶する操業データ記憶部１０３Ｂを含む。また、ＨＤ１０３には、プログラム記憶部１０３Ａに記憶されたプログラムをＣＰＵ１０１が実行する際に必要とされる定数や変数の値など、各種のデータが記憶されているものとする。ＣＰＵ１０１は、Ｉ／Ｏ１０２を介して、ＨＤ１０３にアクセスする。
【００２０】
チューニング装置１００には、ＣＰＵ１０１のワークエリアとして機能するＲＡＭ（random access memory）１０５、キーボード等の外部からの情報の入力を受付ける入力部１０６、チューニング装置１００に対して着脱可能な記録媒体１０４Ａに対する情報の書込および読込を行うメディアドライブ１０４、ならびに、ＣＰＵ１０１の処理内容等を表示する表示部１０８を含む。
【００２１】
ＣＰＵ１０１は、ＨＤ１０３のプログラム記憶部１０３Ａに記録されたプログラムを実行することもできるし、記録媒体１０４Ａに記録されたプログラムを実行することもできる。また、チューニング装置１００は、プログラム記憶部１０３Ａに、記録媒体１０４Ａに記録されたプログラムや通信制御部１０９を介して外部の記憶装置に格納されたプログラムをインストールすることもできるし、また、通信制御部１０９を介して他の機器に記録されているプログラムを読込んで実行することもできる。
【００２２】
［２．システム同定のコンセプト］
チューニング装置１００は、図１１にブロック線図を示すような閉ループシステムに対して、制御性を評価し、制御性が低いと評価されたものに対して、コントローラとプロセスの双方を同定する。そして、当該同定結果として得られるプロセスのモデルを用いて、コントローラがプロセスを制御する際のパラメータとして最適な制御パラメータを算出する。
【００２３】
なお、図１１において、ｒは図１１に示されたシステムに対する目標値を示し、ｕはプロセスＰに対するコントローラＣの操作量を示し、ｙはプロセスＰの出力である制御量を示し、ｗは外乱を示している。
【００２４】
図１１に示したようなシステム（閉ループシステム）について、次の伝達関数表現で示した式（１）の関係が成り立つ。
【００２５】
【数１】
【００２６】
式（１）において、Ｃ，Ｐは、それぞれコントローラ，プロセスを表わす伝達関数を示している。また、Ｕ（ｓ），Ｙ（ｓ）は，それぞれ上記した操作量ｕ（ｔ）と制御量ｙ（ｔ）をラプラス変換したものである。
【００２７】
式（１）から実際のシステムにおけるコントローラとプロセスを同定しようとした場合、コントローラとプロセスの伝達関数（Ｃ，Ｐ）双方が未知で、かつ、コントローラとプロセスの伝達関数（Ｃ，Ｐ）が分離できないため、閉ループのシステム同定は困難とされてきた。
【００２８】
ここで、図２に、本実施の形態において設定された、システム同定のための仮想のシステム構成を模式的に示す。
【００２９】
図２では、実際のプラントにおけるコントローラとプロセスは、それぞれコントローラ１０，プロセス２０として示されている。なお、本実施の形態では、これらのシステムと並列して、仮想のコントローラ５１と仮想のプロセス５２が定義されている。ここで、ｕ′とｙ′は、それぞれ、仮想のシステムにおける操作量と制御量である。
【００３０】
本実施の形態では、コントローラ１０とプロセス２０とから構成される実際のシステムの操業データを利用して、仮想のコントローラ５１と仮想のプロセス５２のモデル化を行う。
【００３１】
そして、このようにして得られたプロセス５２のモデルを用いて、コントローラ５１の最適な制御パラメータを算出し、その値を参考に、実際のコントローラ１０のチューニングを行う。
【００３２】
図３は、チューニング装置１００の機能的な構成を模式的に示す図である。
図３を参照して、チューニング装置１００では、仮想のコントローラ５１と仮想のプロセス５２に対して、パラメータ処理部５４が、それぞれのモデルに用いられているパラメータの初期値の発生等の処理（後述する遺伝的アルゴリズムを用いたシステム同定における初期世代の固体の発生）を実行する。そして、適応度算出部５３は、その時点のパラメータを用いてｕ′およびｙ′を算出し、これらの値が実際の操業データにおけるｕおよびｙとどの程度近いものであるかを示す値を算出する。
【００３３】
パラメータ処理部５４は、適応度算出部５３による度合の算出が行われると、新たにコントローラ５１とプロセス５２のモデルについてのパラメータを発生する。適応度算出部５３は、パラメータ処理部５４によって新たなパラメータが提供されると、当該新たなパラメータに基づいて上記したような適応度を算出する。
【００３４】
チューニング装置１００では、パラメータ処理部５４と適応度算出部５３による上記のような処理を繰返すことによって、コントローラ５１とプロセス５２のそれぞれが実際のコントローラとプロセスに合致するようにパラメータを修正し、これにより、コントローラ１０およびプロセス２０を同定している。
【００３５】
本実施の形態において、パラメータ処理部５４は、後述するシステム同定処理（図５参照）において、初期設定処理（初期世代の個体の発生）、交差処理、および突然変異処理を実行するＣＰＵ１０１によって実現される。また、適応度算出部５３は、当該システム同定処理において、選択処理を実行するＣＰＵ１０１によって実現される。
【００３６】
［３．ＰＩＤコントローラのチューニングのための処理］
図４は、チューニング装置１００がコントローラ１０のチューニングのために実行する処理のフローチャートである。
【００３７】
図４を参照して、チューニング装置１００では、コントローラのチューニングのための処理として、ＣＰＵ１０１は、まずステップＳ１で、コントローラ１０とプロセス２０を含むシステムの操業データを通信制御部１０９を介して取得し、操業データ記憶部１０３Ｂに記憶させる処理を実行して、ステップＳ１Ａへ処理を進める。
【００３８】
ステップＳ１で取得される操業データの構成の一例を表１に示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】
本実施の形態でチューニング装置１００が取得する操業データには、所定の時間間隔（表１では、１分間隔）の、コントローラ１０に関する目標値ｒ、制御量ｙ、操作量ｕの値が含まれる。
【００４１】
ステップＳ１Ａでは、処理対象となっている制御ループの制御量について、制御性を評価する。本実施の形態では、制御性の評価は、たとえば、制御量の周期性の有無か、最小分散制御に基づく制御性評価指標の値によって判断される。
【００４２】
周期性の有無の判断としては、たとえば、制御量のデータのパワースペクトルを計算し、ある一定の値（たとえば、１５ｄＢ）を超えるピークが当該パワースペクトルにおいて存在する場合には、周期性があると判断する。ここで、パワースペクトルの計算について説明する。
【００４３】
まず、制御量の時系列データ「ｘ（ｔ）」を、平均０、分散１となるように、次の式（Ａ１）で規格化する。
【００４４】
【数２】
【００４５】
そして、規格化されたデータを、フーリエ変換し、次の式（Ａ２）を使ってパワースペクトルを計算する。
【００４６】
【数３】
【００４７】
制御量のデータのパワースペクトルにおける周期性の有無の判断態様は、周知の技術（たとえば、文献（久下本秀和、プラント運転データを活用したバルブ固着検出と制御性能改善、計装制御技術会議、日本、日本能率協会、２００６年）を参照）を適用できるものとする。そして、周期性が有ると判断された場合には、制御性が低いと判断されることとなる。
【００４８】
次に、最小分散制御に基づく制御性評価法による制御性の評価について説明する。
ここで、制御性評価指標とは、次の式（Ａ３）に従って算出される制御性評価指標ηである。なお、式（Ａ３）において、σMV2は制御量の最小分散であり、σy2は実際の制御量の分散であり、ｄ−１は、制御ループにおけるむだ時間を表わしている。なお、ηは、０から１の値をとる。
【００４９】
【数４】
【００５０】
本実施の形態では、制御性評価指標ηの値が予め定められた閾値の値以上である場合には制御性が高いと判断され、当該閾値よりも小さい場合には制御性が低いと判断される。
【００５１】
そして、ＣＰＵ１０１は、ステップＳ１Ａで制御性の評価を行なった後、ステップＳ１Ｂで、評価の結果、制御性が良好であるか否か、つまり、制御性が高いか否かを判断する。そして、ＣＰＵ１０１は、制御性が高いと判断すると図４に示された処理を終了させ、低いと判断すると、ステップＳ２に処理を進める。
【００５２】
ステップＳ２では、ＣＰＵ１０１は、仮想のコントローラ５１と仮想のプロセス５２で構成されるシステムのモデル化を行い、ステップＳ３へ処理を進める。ステップＳ２におけるシステム同定処理の詳細については、後述する。
【００５３】
ステップＳ２でシステム同定処理を実行した後、ＣＰＵ１０１は、ステップＳ３で、当該システム同定処理によって得られたプロセス５２のモデルを用いて、コントローラ５１の最適な制御パラメータを算出する処理（最適パラメータ算出処理）を実行して、ステップＳ４へ処理を進める。最適パラメータ算出処理の詳細は、後述する。
【００５４】
ステップＳ４では、ＣＰＵ１０１は、上記したシステム同定処理および最適パラメータ算出処理によって得られた情報に基づいて、コントローラ５１とプロセス５２を含むシステムについてのシミュレーションを実行し、ステップＳ５へ処理を進める。
【００５５】
ステップＳ５では、ＣＰＵ１０１は、上記したシステム同定処理や最適パラメータ算出処理の結果およびシミュレーションの結果を、表示部１０８に提示する処理（結果提示処理）を実行する。そこで、ユーザは、満足のいく結果が得られていなければ、コントローラ５１の制御パラメータを手入力で修正し、再度シミュレーションを行うとともに、満足がいく結果が得られれば、その制御パラメータを参考に実際のコントローラ１０の制御パラメータを変更して、チューニングのための処理を終了する。
【００５６】
以上、図４を参照して説明した処理では、ステップＳ１Ａにおいて評価した制御性が低い場合にのみ（ステップＳ１ＢでＮＯ判断時）、ステップＳ２以降の処理が実行され、ステップＳ１Ａにおいて評価した制御性が高い場合には（ステップＳ１ＢでＹＥＳ判断時）、ステップＳ２以降の処理が実行されない。なお、ステップＳ２以降の処理は、制御性が高いと評価された場合でも実行されても良いし、また、ステップＳ１において操業データが取得された後、ステップＳ１Ａ，１Ｂにおける制御性の評価に関する判断がなされることなく、直接ステップＳ２以降の処理が実行されても良い。
【００５７】
［４．システム同定］
４．１ プロセスモデル
上記したステップＳ２におけるシステム同定処理の前提として、本実施の形態では、プロセス５２のモデルとして、ＣＡＲＩＭＡ（Controlled Auto-Regressive and Integrated Moving-Average）モデルを採用している。ＣＡＲＩＭＡモデルを、式（２）に示す。
【００５８】
【数５】
【００５９】
なお、式（２）において、ｙは制御量であり、ｕは操作量であり、ｄはむだ時間であり、ｗｙは制御量ｙに関する外乱であり、そして、ａおよびｂはＣＡＲＩＭＡモデルにおいて利用されているパラメータであり、Δは差分演算子を表している。
【００６０】
本実施の形態では、プロセス５２のモデルとして、式（２）で示したＣＡＲＩＭＡモデルについて、むだ時間を含む二次遅れ系までを考慮することとする。これにより、本実施の形態においてシステム同定に利用されるプロセス５２のモデルは、式（３）として表わされる。
【００６１】
【数６】
【００６２】
なお、式（３）において、ｙは制御量の操業データを示し、ｙ′はプロセスモデルから算出される制御量の計算値を示し、ｕは操作量の操業データを示し、ｕ′は後述するコントローラモデルから算出される操作量の計算値を示す。
【００６３】
４．２ コントローラモデル
本実施の形態のチューニング装置１００がチューニングの対象とするコントローラ（図１１のブロック線図で示したコントローラ）は、ＰＩＤコントローラである。なお、本実施の形態では、ＰＩＤコントローラの一例としてＩ−ＰＤコントローラ（比例先行型ＰＩＤ）をコントローラモデルとする。このようなコントローラのモデルは、以下の式（４）に示す式で表わされる。
【００６４】
【数７】
【００６５】
ここで、ｙは図２のプロセス２０の出力である制御量であり、ｕはコントローラ１０のプロセス２０に対する操作量であり、ＫcはＰＩＤ制御の式で一般に用いられる比例ゲインであり、Ｔiは積分時間であり、Ｔdは微分時間であり、Ｔsはサンプリング周期（制御演算のためにデータを採集する周期）、Ｗｕは操作量ｕに関する誤差である。
【００６６】
なお、上記したように、本実施の形態におけるシステムのモデル化に際して、プロセス２０のプロセスモデルには積分を含む二次遅れ系を採用し、むだ時間も考慮している。これに基づき、本実施の形態におけるコントローラ５１のモデルは、次の式（５）で表わされる。なお、式（５）では、ｄはむだ時間を示し、ｕ´はコントローラモデルから算出される操作量の計算値を示している。
【００６７】
【数８】
【００６８】
４．３ 遺伝的アルゴリズム
図４のステップＳ２に記載されたシステム同定処理では、式（５）のコントローラのモデルと式（３）のプロセスモデルにおいて用いられた８個のパラメータ（ａ1，ａ2，ｂ0，ｂ1，ｄ，Ｋc，Ｔi，Ｔd）を同定する処理が実行される。ここで、ステップＳ２におけるシステム同定処理の内容について、当該処理のサブルーチンのフローチャートである図５を参照して説明する。
【００６９】
図５を参照して、システム同定処理では、ＣＰＵ１０１は、まずステップＳ２１で、初期設定を行い、ステップＳ２２へ処理を進める。
【００７０】
本実施の形態では、上記したシステム同定に必要な８個のパラメータを、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を用いて決定する。そして、ステップＳ２１における初期設定では、当該ＧＡによるパラメータの決定において必要とされる初期条件の設定が行われる。ここで、ＧＡによる８個のパラメータの決定がどのように行われるかについて、概略を説明する。図６に、ＧＡによるパラメータの決定の流れを概略的に示す。
【００７１】
図６を参照して、ＧＡによるパラメータの決定には、Ａ．初期集団の決定、Ｂ．選択、Ｃ．交差、Ｄ．突然変異の４つの工程が含まれる。以下、各工程の内容を説明する。
【００７２】
Ａ．初期集団の発生
ＧＡでは、ＣＰＵ１０１は、上記した８個のパラメータを１組として、Ｎ組の初期個体を発生させる。ここで、８個のパラメータそれぞれについて、式（６）〜式（１３）に示されるような上限値と下限値が設定されている。ＣＰＵ１０１は、各パラメータについて、式（６）〜式（１３）に示されるような下限値（各パラメータについてｍｉｎの添字を付されたもの）から上限値（各パラメータについてｍａｘの添字を付されたもの）の範囲内で、初期個体を発生させる。
【００７３】
【数９】
【００７４】
以下の説明では、各個体（８個のパラメータを１組としたもの）をＰ1〜ＰNとして表わす。Ｎ個の初期個体を、初期集団と呼ぶ。
【００７５】
Ｂ．選択
ＣＰＵ１０１は、Ｎ個の個体Ｐ1〜ＰNのそれぞれについて、適応度を算出する。適応度の算出は、目的関数ｆ（Ｐn）について、各個体に含まれるパラメータを用いて、算出される。目的関数ｆ（Ｐn）は、次の式（１４）で表わされる。
【００７６】
【数１０】
【００７７】
目的関数ｆ（Ｐn）は、各個体を構成するパラメータの組ごとに、操業データにおける時刻（ｄ＋１）から時刻Ｘについて、所定の時間間隔（本実施の形態では、１分間隔）ごとの制御量の操業データとプロセスモデルを使って算出した制御量の計算値（予測値）の差の二乗と、その（ｄ＋１）の時間だけ前の操作量の操業データとコントローラモデルを使って算出した操作量の計算値（予測値）の差の二乗の和を積算した値となっている。本実施の形態では、ＧＡによって、コントローラ５１とプロセス５２とがコントローラ１０とプロセス２０になるべく近い挙動を示すようなパラメータの組を求めようとしている。したがって、目的関数ｆ（Ｐn）の値が小さいほど、その算出に用いられた個体（パラメータの組）は、コントローラ１０とプロセス２０により適応させたものといえる。つまり、本実施の形態では、目的関数ｆ（Ｐn）の値が小さいものほど、その算出に用いられた
個体（パラメータの組）の適応度が高いと考えられる。そして、本実施の形態のＧＡでは、Ｎ個の個体を含む初期集団（または、後述する次世代の集団）から、目的関数の値が小さいものから順にＭ個（Ｍ＜Ｎ）の個体が選択される。
【００７８】
Ｃ．交差
交差では、ＣＰＵ１０１は、上記選択によって得られたＭ個の個体の中から任意に２個の個体ＰｉとＰｊを選出し、８個のパラメータすべてを次に式（１５）および式（１６）に基づいて交差させ、新たな個体Ｐｋと固体Ｐｌ）を発生させる。このような交差で、たとえばＥ個の個体を新たに発生させる。
【００７９】
【数１１】
【００８０】
なお、式（１５）と式（１６）では、Ｐｓｕｐは固体ＰｉとＰＪのうち、目的関数の値の小さいもの（適応度が高いもの）を表している。
【００８１】
Ｄ．突然変異
上記選択によって選択したＭ個の個体の中から一定の割合の個体を選出し、各個体に含まれるパラメータの中の一定の個数のパラメータの値を上記した式（６）〜式（１３）の範囲内でランダムな値に置き換えることによって、ＣＰＵ１０１は、新たにＦ個の個体を生成する。
【００８２】
以上説明した初期集団の発生から突然変異までの処理により、Ｎ個の個体によって構成されていた集団は、その中からＭ個の個体が選択され、Ｅ個の個体が交差によって発生し、そして、突然変異によってＦ個の個体が発生する。そして、これらの個体、つまり（Ｍ＋Ｅ＋Ｆ）個の個体が、次世代の集団とされる。
【００８３】
そして、当該次世代の集団に対して、再度、上記した選択から突然変異までの処理が適用されることによって、さらに次の世代の集団が発生する。
【００８４】
本実施の形態では、予め定められた世代まで集団を発生させ、最終的に発生させた集団における最も目的関数の値が小さい個体に含まれるパラメータの組を、コントローラ５１とプロセス５２のモデルを構成するパラメータとされる。
【００８５】
４．４ システム同定処理の内容
図５は、図４のステップＳ２におけるシステム同定処理のサブルーチンのフローチャートである。以下、システム同定処理の内容について説明する。
【００８６】
図５を参照して、システム同定処理では、ＣＰＵ１０１は、まずステップＳ２１でＧＡによるシステム同定（上記８個のパラメータの決定）のために初期設定を行って、ステップＳ２２へ処理を進める。
【００８７】
ここで、初期設定とは、上記した式（６）〜式（１３）に示した８個のパラメータの下限値と上限値の入力を受付け、また、ＧＡによってパラメータを決定する際の集団を発生させる世代数Ｇの入力を受付ける。
【００８８】
ステップＳ２２では、ＣＰＵ１０１は、現時点での集団の世代が、ステップＳ２１で設定を受付けたＧであるか否かを判断し、そうであると判断するとステップＳ２６へ処理を進め、まだ世代数がＧに達していないと判断するとステップＳ２３へ処理を進める。
【００８９】
ステップＳ２３では、ＣＰＵ１０１は、図６を参照して説明した「選択」を実行し、ステップＳ２４へ処理を進める。
【００９０】
ステップＳ２４では、ＣＰＵ１０１は、図６を参照して説明した「交差」を実行して、ステップＳ２５へ処理を進める。
【００９１】
ステップＳ２５では、ＣＰＵ１０１は、図６を参照して説明した「突然変異」を実行して、ステップＳ２２へ処理を戻す。
【００９２】
以上説明したように、ステップＳ２３からステップＳ２５までの処理は、ＧＡにおいて扱われる個体の集団の世代数がＧとなるまで続けられる。そして、集団の世代数がＧとなると、ステップＳ２６へ処理が進められる。
【００９３】
ステップＳ２６では、ＣＰＵ１０１は、第Ｇ世代の集団の中の最も目的関数の値が小さいもの（適応度が高いもの）を構成するパラメータの組を、コントローラ５１とプロセス５２のモデルを構成するパラメータの組として決定して、図４へ処理を戻す。
【００９４】
［５．最適パラメータの算出］
本実施の形態では、図４のステップＳ３における最適パラメータ算出処理において、一般化最小分散制御（ＧＭＶＣ）に基づいて、コントローラ１０のプロセス２０に対するＰＩＤ制御について、最適なパラメータの算出が行われる。ここで、その内容について説明
する。
【００９５】
まず、本実施の形態におけるプロセス２０の離散時間モデルは、次の式（１７）で表わすことができるものとする。
【００９６】
【数１２】
【００９７】
なお、式（１７）中で、Ａ（ｚ-1）とＢ（ｚ-1）は、次の式（１８）と式（１９）で表わされる離散時間モデルの係数多項式であるとする。
【００９８】
【数１３】
【００９９】
また、式（１７）において、ｙ（ｔ）は制御量を示し、ｕ（ｔ）は操作量を示し、χ（ｔ）はモデル化誤差を示し、ｚ-1は時間遅れ演算子（ｚ-1ｙ（ｔ）＝ｙ（ｔ−１））を意味し、Δは差分演算子（１−ｚ-1）を意味している。
【０１００】
時刻ｔ＋１のとき、式（１７）は、次の式（２０）となる。
【０１０１】
【数１４】
【０１０２】
そして、式（２０）は、次の式（２１）のように書くことができる。
【０１０３】
【数１５】
【０１０４】
ここで、Diophantine方程式を式（２２）に示す。
【０１０５】
【数１６】
【０１０６】
このDiophantine方程式から、次の式（２３）の関係を得ることができる。
【０１０７】
【数１７】
【０１０８】
なお、制御量ｙ（ｔ＋１）と予測値ｙ′（ｔ＋１｜ｔ）との関係は式（２４）として表わすことができる。
【０１０９】
【数１８】
【０１１０】
そして、これにより、次の式（２５）の関係が得られる。
【０１１１】
【数１９】
【０１１２】
一方、ＰＩＤコントローラ（コントローラ１０）のモデルは、式（４）で示され、次の式（２６）のように書き直すことができる。
【０１１３】
【数２０】
【０１１４】
そして、式（２６）のＣ（ｚ-1）は、次の式（２７）の係数多項式で表わされる。
【０１１５】
【数２１】
【０１１６】
次に、一般化最小分散制御の評価規範に基づいて、最適なＰＩＤパラメータを求めることを考える。
【０１１７】
上記評価規範の１つの形が、次の式（２８）として与えられる。
【０１１８】
【数２２】
【０１１９】
ここで、Ｐ（ｚ-1）は、次の式（２９）で表わされる。
【０１２０】
【数２３】
【０１２１】
なお、式（２８）において、λは重み係数を表わしている。λの与え方については、後述する。
【０１２２】
Ｐ（ｚ-1）は、離散時間モデルの設計多項式で、各係数は、望ましい制御性を示すように、次の式（３０）〜式（３５）のように与える。
【０１２３】
【数２４】
【０１２４】
ここで、σは、立ち上がり時間を表わすパラメータで、プロセスの時定数Ｔとむだ時間Ｌの和の０．５倍から１．０倍が望ましい。本実施の形態では、式（３４）で例示するように、０．７５倍とする。
【０１２５】
一方、μは、応答の減衰特性を表わすパラメータであり、式（３３）に示されるように、δによって与えられる。δは、０．０から２．０の範囲が望ましく、本実施の形態では、式（３５）に例示されるように０．０とする。
【０１２６】
次に、「一次遅れ＋むだ時間」系と、「積分＋むだ時間」系を例に、プロセスの離散時間モデルから時定数Ｔとむだ時間Ｌ、プロセスゲインＫの求め方について述べる。
【０１２７】
「一次遅れ＋むだ時間」系は、温度制御などのプロセスを表現する際にしばしば用いられ、「積分＋むだ時間」系は、液面制御などのプロセスを表現する際によく用いられている。
【０１２８】
なお、「一次遅れ＋むだ時間」系では、各パラメータは、次の式（３６）〜式（３８）に従って求められる。
【０１２９】
【数２５】
【０１３０】
また、「積分＋むだ時間」系では、各パラメータは、次の式（３９）〜式（４１）に従って求められる。
【０１３１】
【数２６】
【０１３２】
ここで、ｄは、離散時間系における純粋むだ時間であり、Ｌは立ち上がり初期を含めた実用的なむだ時間を意味している。また、積分系の場合、緩やかな制御が好まれるため、時定数Ｔを特別に積分時定数の２倍としている。
【０１３３】
上記した式（２８）の評価規範に式（２３）を代入すると、次の式（４２）が得られる。
【０１３４】
【数２７】
【０１３５】
そして、無相関である性質を利用することによって、これを最小化する制御則が、次の式（４３）として得られる。
【０１３６】
【数２８】
【０１３７】
さらに、式（４３）の第２項の係数多項式を定常項に置き換えると、式（４４）が得られる。
【０１３８】
【数２９】
【０１３９】
そして、式（４４）の第２項を次の式（４５）のように定義する。
【０１４０】
【数３０】
【０１４１】
これにより、式（４４）は、次の式（４６）のようになる。
【０１４２】
【数３１】
【０１４３】
ここで、式（４６）とＰＩＤコントローラの離散モデルである式（２６）とを比較すると、次の式（４７）の関係が得られる。
【０１４４】
【数３２】
【０１４５】
そして、これにより、評価規範を最小化とするＰＩＤパラメータを、次の式（４８）〜式（５０）で求めることができる。
【０１４６】
【数３３】
【０１４７】
すなわち、適切なλを与えられ場、Ｆ（ｚ-1）の係数を求めることができ、これにより、式（４８）〜式（５０）を用いてＰＩＤパラメータを算出することができる。
【０１４８】
式（２８）の評価規範において、λを変化させたときの制御誤差の分散（すなわち、目標値と制御量との偏差の分散Ｅ［ｅ2（ｔ）］）と、制御入力の分散（すなわち、操作変化量の分散［（Δｕ（ｔ））2］）の様子をプロットすると、図７に示すようなTrade-off曲線（曲線Ｌ）が得られる。この曲線上から最も望ましいλを得るために、次の式（５１）に示す評価関数を定義する。
【０１４９】
【数３４】
【０１５０】
ここで、Ｋ２は重み係数に相当し、式（３７）または式（４０）のプロセスゲインで決めることとする。
【０１５１】
なお、制御誤差ｅ（ｔ）と操作量Δｕ（ｔ）は、定常状態において、次の式（５２）と式（５３）の関係が得られる。
【０１５２】
【数３５】
【０１５３】
ただし、Ｔ（ｚ-1）は、式（５４）で表される。
【０１５４】
【数３６】
【０１５５】
このとき、制御誤差ｅ（ｔ）と操作量Δｕ（ｔ）の分散は、Ｈ2ノルムを用いて計算す
ることとし、次の式（５５）を最小とするλを求める。これにより、前述した最適なＰＩＤパラメータが求まる。
【０１５６】
【数３７】
【０１５７】
具体的なＰＩＤパラメータの算出手順は、次のＳＡ１〜ＳＡ６の手順として示すことができる。
【０１５８】
ＳＡ１：式（３６）〜式（３８）または式（３９）〜（４１）に基づき、Ｔ，Ｋ，Ｌを算出
ＳＡ２：式（３０）〜式（３５）に基づき、Ｐを算出
ＳＡ３：式（２２）に基づき、Ｆを算出（ここで、むだ時間がある場合は、プロセスをパディ近似した離散時間モデルからＦを求めるか、逐次計算でむだ時間を考慮したＦを求める）
ＳＡ４：λに初期値を与えて、式（４８）〜式（５０）に基づき、λに対応するＰＩＤパラメータを算出
ＳＡ５：式（５２）と式（５３）に基づき、制御誤差の分散Ｅ［ｅ2（ｔ）］と制御入
力（制御量）の分散［（Δｕ（ｔ））2］を算出
ＳＡ６：ＳＡ４，ＳＡ５を繰り返し計算して、式（５５）を最小とするλを求め、これに対応するＰＩＤパラメータを出力
なお、このような場合の、式（５５）を最小とするλは、図７中の曲線Ｌ中の点Ｐに相当する。
【０１５９】
［６．シミュレーション］
次に、図４のステップＳ４におけるシミュレーション処理の内容について説明する。
【０１６０】
上記したように、本実施の形態のチューニング装置１００では、システム同定処理が行われることにより、プロセスモデル（式（３））に用いられたプロセスパラメータ（ａ１，ａ２，ｂ０，ｂ１，ｄ）とコントローラモデル（式（５））に用いられたパラメータ（Ｋｃ，Ｔｉ，Ｔｄ）の推定値が得られる（ステップＳ２）。そして、推定されたプロセスモデルを用いて、コントローラに対する最適なＰＩＤパラメータが算出される（ステップＳ３）。
【０１６１】
そして、ＣＰＵ１０１は、シミュレーション処理として、上記のように得られたプロセスモデルを用い、推定されたＰＩＤパラメータ（以下、「推定パラメータ」）を適用した場合の制御量の時間変化のシミュレーションと、算出された最適なＰＩＤパラメータ（以下、「推奨パラメータ」）を適用した場合の制御量の時間変化のシミュレーションを実行する。図８（Ａ）に、シミュレーション結果を示す。なお、図８（Ａ）のグラフの横軸は、時間を表している。
【０１６２】
まず、図８（Ａ）では、実線で、ステップ状に変化する目標値が示されている。そして、図８（Ａ）では、実線で示されたようにステップ状に目標値が変化した際の、推定パラメータを適用した場合の制御量の時間変化が破線で示され、推奨パラメータを適用した場合の制御量の時間変化が一点鎖線で示されている。
【０１６３】
図８（Ｂ）には、上記した推定したプロセスモデルのパラメータが示され、図８（Ｃ）には、コントローラのＰＩＤパラメータが示されている。
【０１６４】
なお、図８（Ｃ）では、「以前」「推定」「推奨」「現在」の４種類の組のＰＩＤパラメータが示されている。「以前」とは、図４に示された処理が実行される前の実際のプラントでコントローラに適用されていたパラメータである。「推定」とは、図５に示したシステム同定処理によって操業データから「以前」のパラメータを推定した結果で、コントローラモデルの同定の結果として算出されたＰＩＤパラメータである。「以前」の値と「推定」の各パラメータの値が近ければ、ユーザは、システム同定処理によるシステム同定精度は高く、信頼できる結果であると評価することができる。
【０１６５】
また、図８（Ｃ）において、「推奨」とは、ステップＳ３で実行した最適パラメータ算出処理によって算出されたＰＩＤパラメータである。そして、「現在」とは、ユーザによって新たに設定された実際のＰＩＤパラメータである。なお、ユーザは、このパラメータを、たとえば推奨パラメータを参考にして設定することができる。これらの４種類のＰＩＤパラメータは、いずれも、ＨＤ１０３に格納されている。
【０１６６】
［７．結果の提示］
ＣＰＵ１０１は、結果提示処理（ステップＳ５）として、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に示した情報を表示部１０８に表示させることができる。このような場合に表示部１０８に表示される画面の一例を図９に示す。
【０１６７】
図９を参照して、画面９００には、図８（Ａ）に示したグラフを表示する表示欄９１０と、図８（Ｂ）に示したプロセスパラメータを表示する表示欄９１１と、図８（Ｃ）に示したＰＩＤパラメータを表示する表示欄９１２，９１５とが含まれる。なお、画面９００中のボタン９１３をクリックされることにより、ＣＰＵ１０１は、図４に示された処理を実行する。表示欄９１２には「推定」のＰＩＤパラメータが表示され、表示欄９１５には「推奨」のＰＩＤパラメータが表示される。なお、ユーザは、入力部１０６を適宜操作することにより、表示欄９１２内の数値を変更することができる。
【０１６８】
ＣＰＵ１０１は、ボタン９１４に対して操作がなされることにより、表示欄９１２，９１５に表示されたＰＩＤパラメータと、表示欄９１１に表示されたプロセスパラメータを適用したプロセスモデルを利用して、制御量の時間変化をシミュレーションし、その結果を表示する。なお、シミュレーションの態様は、特許文献１に記載の態様を採用することができる。
【０１６９】
また、画面９００では、表示欄９２０に、破線で設定値ＳＶ（Set Variable）の、実線で制御量ＰＶ（Process Variable）の、一日分の変化が横軸を時間として提示されている。また、表示欄９３０には、操作量ＭＶ（Manipulative Variable）の一日分の変化が横軸を時間として提示されている。
【０１７０】
また、表示欄９１０には、シミュレーションの結果として、プロセス５２のステップ応答特性として、５時間分の制御量の変化が示されている。具体的には、表示欄９１０では、ステップ状に変化する設定値が実線で示され、表示欄９１２に示された「推定」のパラメータを用いた制御量のシミュレーション結果が破線で示され、そして、表示欄９１５に示された「推奨」のパラメータを用いた制御量のシミュレーション結果が一点鎖線で示されている。
【０１７１】
［８．本実施の形態のチューニング装置によるチューニングについて］
実際にプラントに適用した、本実施の形態のチューニング装置によるＰＩＤコントローラのチューニング前後の挙動を図１０に示す。
【０１７２】
図１０（Ａ）は、チューニング前のプロセスの制御量の時間変化を示し、図１０（Ｂ）は、チューニング後のプロセスの制御量の時間変化を示す。なお、チューニング後とは、プロセスのコントローラで利用されるＰＩＤパラメータが、上記した「推奨」のパラメータを参考にチューニングされた後を意味する。
【０１７３】
図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）を比較すると、チューニング後の方が、チューニング前よりも、制御量の変化の幅が狭くなっている。
【０１７４】
これにより、本実施の形態によれば、プロセスの挙動を落ち着いたものとすることができる。
【０１７５】
［９．表示画面の関連付け］
図４を参照して説明したように、本実施の形態では、処理対象となっている制御ループの制御性が評価され（ステップＳ１Ａ）、その内容に応じてステップＳ２以降の処理を実行するか否かが、ＣＰＵ１０１の実行するプログラムによって決定されている。
【０１７６】
なお、図４を参照して説明した処理は、このような評価結果を表示部１０８に表示し、当該画面に対する操作内容に応じて、すなわち、解析対象とする制御ループの選択操作に応じて、ステップＳ２以降の処理を実行するか否かが決定されるように変更されても良い。
【０１７７】
図１２は、制御ループごとの制御性についての評価内容が表示された画面の一例であり、図１３は、図４のフローチャートの上記のような変形例のフローチャートである。図１３のフローチャートでは、図４のフローチャートのステップＳ１Ｂの代わりにステップＳ１Ｃ，Ｓ１Ｄが設けられている。
【０１７８】
この変形例では、ステップＳ１Ａの結果として、図１２に示される画面が表示される。画面８００には、制御性が低いと評価された制御ループごとの制御量のトレンド８１０，８２０が示されている。そして、各トレンド８１０，８２０に関連付けられて、表示欄８１１，８２１に、制御ループごとの制御性の評価内容が表示されている。
【０１７９】
表示欄８１１，８２１において、「総合指標」とは、上記した制御性評価指標ηに関連する値であり、また、「周期」は、制御量に周期性があると判断された場合の周期である。
【０１８０】
また、表示欄８１１，８２１において、「コメント」は、周期性の有無や制御性評価指標ηの値、その他の診断結果に基づいて表示されるメッセージである。たとえば、表示欄８１１には「チューニング不良。」、表示欄８２１には「バルブ、または計器不良の疑いあり。」というメッセージが表示されている。なお、このようなメッセージは、評価内容に関連付けられて、たとえばＨＤ１０３内に記憶されている。
【０１８１】
そして、これらのメッセージには、ステップＳ２以降の処理を実行するための処理内容がリンクされている。
【０１８２】
図１３を参照して、ステップＳ１Ａにおいて制御性の評価がなされ、その結果として、制御性の低い制御ループの抽出結果が、図１２に示されるような画面８００に表示された後、ＣＰＵ１０１は、ステップＳ１Ｄで、上記のようなステップＳ２以降に処理を進めるリンクが操作されたか（メッセージがクリックされたか）否かが判断される。
【０１８３】
そして、メッセージがクリックされたと判断されると、クリックされたメッセージが対応する制御ループについて、ステップＳ２以降の処理が実行される。これにより、当該制御ループについてのシステム同定処理（ステップＳ２）等が実行され、結果として、当該制御ループについての結果提示処理に基づく画面９００（図９参照）が表示される。なお、図９の画面９００は、トレンド８１０に対応したコントーラについての制御パラメータ算出結果に相当する画面である。表示欄９２０の制御量ＰＶは、トレンド８１０と同一である。
【０１８４】
一方、画面８００に表示されたいずれのメッセージ（コメント）もクリックされることなく制御性の評価結果についての表示を終了させるための操作がなされた場合には（ステップＳ１Ｄで「ＮＯ」判断時）、そのまま終了する。
【０１８５】
以上説明した本実施の形態のチューニング装置１００では、コントローラ１０とプロセス２０から構成される実際のプラントの操業データが利用されて、仮想のコントローラ５１と仮想のプロセス５２のモデル化が行なわれ、そして、得られたプロセス５２のモデルを用いて、コントローラ５１の最適な制御パラメータが算出される。コントローラ１０のチューニングに際し、算出された制御パラメータの数値を参考にチューニングを実施することができる。なお、チューニング装置１００では、コントローラ５１ごとに制御性を評価し、制御性が低いと判断されたコントローラ５１についてのみ、上記モデル化や最適な制御パラメータの算出等が実行されるため、計算負荷を低減することができる。さらに、図１３で示した変形例のように、予め複数の制御ループの制御性を評価しておけば、制御性の低いコントローラに対して、集中的にチューニングを実施できるため、効率的に制御性を向上させることができるといった利点がある。
【０１８６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１８７】
【図１】本発明の一実施の形態であるチューニング装置のハードウェア構成を模式的に示す図である。
【図２】図１のチューニング装置において設定された、システム同定のための仮想のシステム構成を模式的に示す図である。
【図３】図１のチューニング装置の機能的な構成を模式的に示す図である。
【図４】図１のチューニング装置がコントローラのチューニングのために実行する処理のフローチャートである。
【図５】図４のシステム同定処理のサブルーチンのフローチャートである。
【図６】図５のシステム同定処理における、ＧＡによるパラメータの決定の流れを概略的に示す図である。
【図７】図４の最適パラメータ算出処理におけるＰＩＤパラメータの算出に利用される、制御誤差の分散と操作量の分散の関係をプロットした図である。
【図８】図４のシミュレーションの結果を示す図である。
【図９】図４の結果提示処理において表示部に表示される画面の一例を示す図である。
【図１０】本実施の形態のチューニング装置によるＰＩＤパラメータのチューニングの前後のシステムの挙動を示す図である。
【図１１】本実施の形態のチューニング装置がチューニングの対象とするコントローラを含むシステムのブロック線図である。
【図１２】本実施の形態におけるプラントの制御性の評価の内容を表示する画面の一例を示す図である。
【図１３】図４に示されたフローチャートの変形例を示す図である。
【符号の説明】
【０１８８】
１０，５１ コントローラ、２０，５２ プロセス、５３ 適応度算出部、５４ パラメータ処理部、１００ チューニング装置、１０１ ＣＰＵ、１０２ Ｉ／Ｏ、１０３ ＨＤ、１０３Ａ プログラム記憶部、１０３Ｂ 操業データ記憶部、１０４ メディアドライブ、１０４Ａ 記録媒体、１０５ ＲＡＭ、１０６ 入力部、１０８ 表示部、１０９ 通信制御部、８００，９００ 画面。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスをＰＩＤ（proportional-integral-derivative）制御するコントローラをチューニングする装置であって、
前記プロセスの操業データを取得して記憶する記憶手段と、
前記プロセスの操業データに基づいて、前記コントローラの制御性を評価する評価手段と、
前記評価手段によって制御性が低いと評価されたことを条件として、前記取得した操業データを使って、コントローラのモデルに対する制御パラメータと、一定の制限に基づくプロセスのモデルに対するプロセスパラメータとを同定する同定手段と、
前記同定手段が同定した前記制御パラメータおよび前記プロセスパラメータに基づく前記コントローラのモデルと前記プロセスのモデルを用いて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するシミュレーション手段とを備える、ＰＩＤコントローラのチューニング装置。
【請求項２】
前記同定手段は、
前記一定の制限として、前記プロセスのモデルを、むだ時間と積分系を含む二次遅れ系の動的モデルとし、
前記操業データとして、周期振動をしているデータを使ってパラメータを同定する、請求項１に記載のＰＩＤコントローラのチューニング装置。
【請求項３】
前記同定手段は、遺伝的アルゴリズムに基づいて前記制御パラメータと前記プロセスパラメータを同定する、請求項１または請求項２に記載のＰＩＤコントローラのチューニング装置。
【請求項４】
前記同定手段で得た前記プロセスのモデルを用い、一般化最小分散制御に基づき、前記プロセスのモデルにおける制御量の分散とコントローラのモデルにおける操作量の分散とを評価し、その評価値が最小となる最適な制御パラメータを算出する算出手段をさらに備え、
前記シミュレーション手段は、前記算出手段が算出した前記最適な制御パラメータに基づく前記コントローラのモデルと、前記同定手段が同定した前記プロセスパラメータに基づく前記プロセスのモデルとを用いて、前記シミュレーションを実行する、請求項１〜請求項３のいずれかに記載のＰＩＤコントローラのチューニング装置。
【請求項５】
前記算出手段が算出した最適な制御パラメータを変更する入力手段と、
前記変更したパラメータに基づく前記コントローラのモデルおよび前記プロセスのモデルを用いて前記シミュレーションを実行する手段をさらに備える、請求項１〜請求項４のいずれかに記載のＰＩＤコントローラのチューニング装置。
【請求項６】
プロセスをＰＩＤ（proportional-integral-derivative）制御するコントローラをチューニングするプログラムであって、
コンピュータに、
前記プロセスの操業データを取得して記憶するステップと、
前記プロセスの操業データに基づいて、前記コントローラの制御性を評価するステップと、
前記制御性が低いと評価されたことを条件として、前記取得した操業データを使って、コントローラのモデルに対する制御パラメータと、一定の制限に基づくプロセスのモデルに対するプロセスパラメータとを同定するステップと、
前記同定するステップで得た前記プロセスのモデルを用い、一般化最小分散制御に基づいて、前記プロセスのモデルにおける制御量の分散とコントローラのモデルにおける操作量の分散とを評価し、その評価値が最小となる最適な制御パラメータを算出するステップと、
前記同定したプロセスパラメータと前記同定した制御パラメータに基づいて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するステップと、
前記同定したプロセスパラメータと前記算出した最適な制御パラメータに基づいて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するステップとを実行させる、ＰＩＤコントローラのチューニング用プログラム。
【請求項７】
プロセスをＰＩＤ（proportional-integral-derivative）制御するコントローラをチューニングする方法であって、
前記プロセスの操業データを取得して記憶するステップと、
前記プロセスの操業データに基づいて、前記コントローラの制御性を評価するステップと、
前記制御性が低いと評価されたことを条件として、前記取得した操業データを使って、コントローラのモデルに対する制御パラメータと、一定の制限に基づくプロセスのモデルに対するプロセスパラメータとを同定するステップと、
前記同定するステップで得た前記プロセスのモデルを用い、一般化最小分散制御に基づいて、前記プロセスのモデルにおける制御量の分散とコントローラのモデルにおける操作量の分散とを評価し、その評価値が最小となる最適な制御パラメータを算出するステップと、
前記同定したプロセスパラメータと前記同定した制御パラメータに基づいて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するステップと、
前記同定したプロセスパラメータと前記算出した最適な制御パラメータに基づいて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するステップとを備えるＰＩＤコントローラのチューニング方法。
【請求項１】
プロセスをＰＩＤ（proportional-integral-derivative）制御するコントローラをチューニングする装置であって、
前記プロセスの操業データを取得して記憶する記憶手段と、
前記プロセスの操業データに基づいて、前記コントローラの制御性を評価する評価手段と、
前記評価手段によって制御性が低いと評価されたことを条件として、前記取得した操業データを使って、コントローラのモデルに対する制御パラメータと、一定の制限に基づくプロセスのモデルに対するプロセスパラメータとを同定する同定手段と、
前記同定手段が同定した前記制御パラメータおよび前記プロセスパラメータに基づく前記コントローラのモデルと前記プロセスのモデルを用いて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するシミュレーション手段とを備える、ＰＩＤコントローラのチューニング装置。
【請求項２】
前記同定手段は、
前記一定の制限として、前記プロセスのモデルを、むだ時間と積分系を含む二次遅れ系の動的モデルとし、
前記操業データとして、周期振動をしているデータを使ってパラメータを同定する、請求項１に記載のＰＩＤコントローラのチューニング装置。
【請求項３】
前記同定手段は、遺伝的アルゴリズムに基づいて前記制御パラメータと前記プロセスパラメータを同定する、請求項１または請求項２に記載のＰＩＤコントローラのチューニング装置。
【請求項４】
前記同定手段で得た前記プロセスのモデルを用い、一般化最小分散制御に基づき、前記プロセスのモデルにおける制御量の分散とコントローラのモデルにおける操作量の分散とを評価し、その評価値が最小となる最適な制御パラメータを算出する算出手段をさらに備え、
前記シミュレーション手段は、前記算出手段が算出した前記最適な制御パラメータに基づく前記コントローラのモデルと、前記同定手段が同定した前記プロセスパラメータに基づく前記プロセスのモデルとを用いて、前記シミュレーションを実行する、請求項１〜請求項３のいずれかに記載のＰＩＤコントローラのチューニング装置。
【請求項５】
前記算出手段が算出した最適な制御パラメータを変更する入力手段と、
前記変更したパラメータに基づく前記コントローラのモデルおよび前記プロセスのモデルを用いて前記シミュレーションを実行する手段をさらに備える、請求項１〜請求項４のいずれかに記載のＰＩＤコントローラのチューニング装置。
【請求項６】
プロセスをＰＩＤ（proportional-integral-derivative）制御するコントローラをチューニングするプログラムであって、
コンピュータに、
前記プロセスの操業データを取得して記憶するステップと、
前記プロセスの操業データに基づいて、前記コントローラの制御性を評価するステップと、
前記制御性が低いと評価されたことを条件として、前記取得した操業データを使って、コントローラのモデルに対する制御パラメータと、一定の制限に基づくプロセスのモデルに対するプロセスパラメータとを同定するステップと、
前記同定するステップで得た前記プロセスのモデルを用い、一般化最小分散制御に基づいて、前記プロセスのモデルにおける制御量の分散とコントローラのモデルにおける操作量の分散とを評価し、その評価値が最小となる最適な制御パラメータを算出するステップと、
前記同定したプロセスパラメータと前記同定した制御パラメータに基づいて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するステップと、
前記同定したプロセスパラメータと前記算出した最適な制御パラメータに基づいて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するステップとを実行させる、ＰＩＤコントローラのチューニング用プログラム。
【請求項７】
プロセスをＰＩＤ（proportional-integral-derivative）制御するコントローラをチューニングする方法であって、
前記プロセスの操業データを取得して記憶するステップと、
前記プロセスの操業データに基づいて、前記コントローラの制御性を評価するステップと、
前記制御性が低いと評価されたことを条件として、前記取得した操業データを使って、コントローラのモデルに対する制御パラメータと、一定の制限に基づくプロセスのモデルに対するプロセスパラメータとを同定するステップと、
前記同定するステップで得た前記プロセスのモデルを用い、一般化最小分散制御に基づいて、前記プロセスのモデルにおける制御量の分散とコントローラのモデルにおける操作量の分散とを評価し、その評価値が最小となる最適な制御パラメータを算出するステップと、
前記同定したプロセスパラメータと前記同定した制御パラメータに基づいて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するステップと、
前記同定したプロセスパラメータと前記算出した最適な制御パラメータに基づいて、前記プロセスの制御応答のシミュレーションを実行するステップとを備えるＰＩＤコントローラのチューニング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−４９３９２（Ｐ２０１０−４９３９２Ａ）
【公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１１６４７（Ｐ２００８−２１１６４７）
【出願日】平成２０年８月２０日（２００８．８．２０）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２０日（２００８．８．２０）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【Ｆターム（参考）】
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