特許 6368210 制御装置および制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6368210

(24)【登録日】2018年7月13日

(45)【発行日】2018年8月1日

(54)【発明の名称】制御装置および制御方法

(51)【国際特許分類】

   G05B 11/36 20060101AFI20180723BHJP

   G05D 23/19 20060101ALI20180723BHJP

   F24F 11/62 20180101ALI20180723BHJP

【ＦＩ】

   G05B11/36 501Q

   G05D23/19 H

   F24F11/62

【請求項の数】10

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-197914(P2014-197914)

(22)【出願日】2014年9月29日

(65)【公開番号】特開2016-71477(P2016-71477A)

(43)【公開日】2016年5月9日

【審査請求日】2017年3月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】田中 雅人

【審査官】 山村 秀政

(56)【参考文献】

【文献】 特許第３８０５９５７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開平０４−１６０３２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５３−１１９５１７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭５２−１３６４４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２９６９０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０５Ｂ １１／３６

Ｆ２４Ｆ １１／６２

Ｇ０５Ｄ ２３／１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

主制御系の第１の操作量出力による制御対象への操作と副制御系の第２の操作量出力による制御対象への操作とが、出力相殺の関係で構成されている制御系を対象とする制御装置において、
前記主制御系に対応して設けられ、前記主制御系の設定値と制御量を入力として制御演算により第１の操作量を算出し、この第１の操作量を所定の下限値ＯＬ＿Ａ以上の値に制限する下限処理を行う第１の制御演算手段と、
この第１の制御演算手段によって算出され下限処理された第１の操作量を前記主制御系のアクチュエータに出力する第１の操作量出力手段と、
主制御の定常状態での望ましい操作量出力である平衡点を調整するための前記副制御系に対応して設けられ、前記平衡点を示す平衡点設定値を入力とすると共に、前記第１の制御演算手段によって算出された第１の操作量を制御量入力として、制御演算により第２の操作量を算出する第２の制御演算手段と、
この第２の制御演算手段によって算出された第２の操作量を前記副制御系のアクチュエータに出力する第２の操作量出力手段と、
前記主制御系の設定値が予め規定された時間以上同一の値に維持されている状態を、定常状態として検出する定常状態検出手段と、
前記主制御系および前記副制御系によって操作される制御対象が、前記第１の操作量が小さいほど省エネルギーに有利な状態に維持できるものであるときに、前記定常状態において検出した前記第１の操作量の平均値と最小値との差を、前記第１の操作量の下限値ＯＬ＿Ａに加算することで前記平衡点設定値を算出する平衡点設定値決定手段と、
この平衡点設定値決定手段によって算出された平衡点設定値を前記第２の制御演算手段が用いる値として設定する平衡点設定値出力手段とを備えることを特徴とする制御装置。

【請求項2】

主制御系の第１の操作量出力による制御対象への操作と副制御系の第２の操作量出力による制御対象への操作とが、出力相殺の関係で構成されている制御系を対象とする制御装置において、
前記主制御系に対応して設けられ、前記主制御系の設定値と制御量を入力として制御演算により第１の操作量を算出し、この第１の操作量を所定の上限値ＯＨ＿Ａ以下の値に制限する上限処理を行う第１の制御演算手段と、
この第１の制御演算手段によって算出され上限処理された第１の操作量を前記主制御系のアクチュエータに出力する第１の操作量出力手段と、
主制御の定常状態での望ましい操作量出力である平衡点を調整するための前記副制御系に対応して設けられ、前記平衡点を示す平衡点設定値を入力とすると共に、前記第１の制御演算手段によって算出された第１の操作量を制御量入力として、制御演算により第２の操作量を算出する第２の制御演算手段と、
この第２の制御演算手段によって算出された第２の操作量を前記副制御系のアクチュエータに出力する第２の操作量出力手段と、
前記主制御系の設定値が予め規定された時間以上同一の値に維持されている状態を、定常状態として検出する定常状態検出手段と、
前記主制御系および前記副制御系によって操作される制御対象が、前記第１の操作量が大きいほど省エネルギーに有利な状態に維持できるものであるときに、前記定常状態において検出した前記第１の操作量の最大値と平均値との差を、前記第１の操作量の上限値ＯＨ＿Ａから減算することで前記平衡点設定値を算出する平衡点設定値決定手段と、
この平衡点設定値決定手段によって算出された平衡点設定値を前記第２の制御演算手段が用いる値として設定する平衡点設定値出力手段とを備えることを特徴とする制御装置。

【請求項3】

請求項１または２記載の制御装置において、
前記平衡点設定値決定手段は、算出した平衡点設定値を所定の上限値と下限値の範囲内に制限する上下限処理を行って、上下限処理後の平衡点設定値を前記平衡点設定値出力手段に出力するものであり、
前記平衡点設定値の上限値は前記第１の操作量の所定の上限値ＯＨ＿Ａよりも小さく、前記平衡点設定値の下限値は前記第１の操作量の所定の下限値ＯＬ＿Ａよりも大きく設定されていることを特徴とする制御装置。

【請求項4】

請求項１記載の制御装置において、
前記平衡点設定値決定手段は、前記定常状態において検出した前記第１の操作量の平均値と最小値との差を、余裕量を決める係数で補正した値を、前記第１の操作量の下限値ＯＬ＿Ａに加算することで前記平衡点設定値を算出することを特徴とする制御装置。

【請求項5】

請求項２記載の制御装置において、
前記平衡点設定値決定手段は、前記定常状態において検出した前記第１の操作量の最大値と前記平均値との差を、余裕量を決める係数で補正した値を、前記第１の操作量の上限値ＯＨ＿Ａから減算することで前記平衡点設定値を算出することを特徴とする制御装置。

【請求項6】

主制御系の第１の操作量出力による制御対象への操作と副制御系の第２の操作量出力による制御対象への操作とが、出力相殺の関係で構成されている制御系を対象とする制御方法において、
前記主制御系の設定値と制御量を入力として制御演算により第１の操作量を算出し、この第１の操作量を所定の下限値ＯＬ＿Ａ以上の値に制限する下限処理を行う第１の制御演算ステップと、
この第１の制御演算ステップで算出して下限処理した第１の操作量を前記主制御系のアクチュエータに出力する第１の操作量出力ステップと、
主制御の定常状態での望ましい操作量出力である平衡点を示す平衡点設定値を入力とすると共に、前記第１の制御演算ステップで算出した第１の操作量を制御量入力として、制御演算により第２の操作量を算出する第２の制御演算ステップと、
この第２の制御演算ステップで算出した第２の操作量を、前記平衡点を調整するための前記副制御系のアクチュエータに出力する第２の操作量出力ステップと、
前記主制御系の設定値が予め規定された時間以上同一の値に維持されている状態を、定常状態として検出する定常状態検出ステップと、
前記主制御系および前記副制御系によって操作される制御対象が、前記第１の操作量が小さいほど省エネルギーに有利な状態に維持できるものであるときに、前記定常状態において検出した前記第１の操作量の平均値と最小値との差を、前記第１の操作量の下限値ＯＬ＿Ａに加算することで前記平衡点設定値を算出する平衡点設定値決定ステップと、
この平衡点設定値決定ステップで算出した平衡点設定値を前記第２の制御演算ステップで用いる値として設定する平衡点設定値出力ステップとを含むことを特徴とする制御方法。

【請求項7】

主制御系の第１の操作量出力による制御対象への操作と副制御系の第２の操作量出力による制御対象への操作とが、出力相殺の関係で構成されている制御系を対象とする制御方法において、
前記主制御系の設定値と制御量を入力として制御演算により第１の操作量を算出し、この第１の操作量を所定の上限値ＯＨ＿Ａ以下の値に制限する上限処理を行う第１の制御演算ステップと、
この第１の制御演算ステップで算出して上限処理した第１の操作量を前記主制御系のアクチュエータに出力する第１の操作量出力ステップと、
主制御の定常状態での望ましい操作量出力である平衡点を示す平衡点設定値を入力とすると共に、前記第１の制御演算ステップで算出した第１の操作量を制御量入力として、制御演算により第２の操作量を算出する第２の制御演算ステップと、
この第２の制御演算ステップで算出した第２の操作量を、前記平衡点を調整するための前記副制御系のアクチュエータに出力する第２の操作量出力ステップと、
前記主制御系の設定値が予め規定された時間以上同一の値に維持されている状態を、定常状態として検出する定常状態検出ステップと、
前記主制御系および前記副制御系によって操作される制御対象が、前記第１の操作量が大きいほど省エネルギーに有利な状態に維持できるものであるときに、前記定常状態において検出した前記第１の操作量の最大値と平均値との差を、前記第１の操作量の上限値ＯＨ＿Ａから減算することで前記平衡点設定値を算出する平衡点設定値決定ステップと、
この平衡点設定値決定ステップで算出した平衡点設定値を前記第２の制御演算ステップで用いる値として設定する平衡点設定値出力ステップとを含むことを特徴とする制御方法。

【請求項8】

請求項６または７記載の制御方法において、
前記平衡点設定値決定ステップは、算出した平衡点設定値を所定の上限値と下限値の範囲内に制限する上下限処理を行うステップを含み、
前記平衡点設定値の上限値は前記第１の操作量の所定の上限値ＯＨ＿Ａよりも小さく、前記平衡点設定値の下限値は前記第１の操作量の所定の下限値ＯＬ＿Ａよりも大きく設定されていることを特徴とする制御方法。

【請求項9】

請求項６記載の制御方法において、
前記平衡点設定値決定ステップは、前記定常状態において検出した前記第１の操作量の平均値と最小値との差を、余裕量を決める係数で補正した値を、前記第１の操作量の下限値ＯＬ＿Ａに加算することで前記平衡点設定値を算出するステップを含むことを特徴とする制御方法。

【請求項10】

請求項７記載の制御方法において、
前記平衡点設定値決定ステップは、前記定常状態において検出した前記第１の操作量の最大値と前記平均値との差を、余裕量を決める係数で補正した値を、前記第１の操作量の上限値ＯＨ＿Ａから減算することで前記平衡点設定値を算出するステップを含むことを特徴とする制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、制御の主目的のための主制御系に、主制御の定常状態での望ましい操作量出力である平衡点を調整するための副制御系を付加した構成の制御系において、客観的な方法で平衡点を決定して省エネルギーを実現することができる制御装置および制御方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

温度や圧力などのプロセス量を制御するためのプロセス制御系において、例えば温度が制御対象であれば、ヒータと温度センサと温調計が１個ずつというように、１個の制御量ＰＶに対して１個のアクチュエータという組合せが基本になる。

【0003】

一方で、加熱アクチュエータ（ヒータ）と冷却アクチュエータ（冷却器）という２個のアクチュエータを協調動作させて、温度を制御する方法も提案されている（特許文献１参照）。図６は特許文献１に開示された制御装置を加熱処理炉の温度制御に適用した例を示す図、図７は特許文献１に開示された制御装置の構成を示すブロック図である。加熱処理炉１００では、ヒータ１０１で加熱、冷却器１０２で冷却した空気を循環させるようになっている。

【0004】

コントローラ１０４は、加熱処理炉１００内の温度センサ１０３によって計測された制御量（温度計測値）ＰＶ＿Ａと設定値ＳＰ＿Ａに基づいてＰＩＤ制御演算により加熱用の操作量ＭＶ＿Ａを算出する。コントローラ１０５は、設定値ＳＰ＿Ｂとしてコントローラ１０４の加熱用操作量ＭＶ＿Ａの望ましい値を採用し、制御量としてコントローラ１０４の加熱用操作量ＭＶ＿Ａを採用し、ＰＩＤ制御演算により冷却用の操作量ＭＶ＿Ｂを算出する。

【0005】

特許文献１に開示された技術によれば、単に温度を制御するだけではなく、加熱と冷却の相殺を低減してエネルギー効率を改善することができる。特許文献１に開示された技術の特徴は、エネルギー効率に影響を与える要因である、ヒータ出力と冷却器出力との平衡点に着眼し、ヒータ出力（操作量ＭＶ＿Ａ）を常時監視しながら調整する制御ループを付加したことである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第３８０５９５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

所望の平衡点設定値（図７におけるＳＰ＿Ｂ）については、現場のオペレータが任意に設定するものなので、オペレータの知識次第では適切な平衡点から大きく外れることもある。いずれにしろ、平衡点設定値は主観で決まるものになり、制御系の目標状態に客観性が保たれるとは限らない。

【0008】

オペレータが任意に設定する平衡点設定値が適切な平衡点から外れていたとしても、技術的には制御系の動作が成り立たなくなるような重大な問題点ではない。しかし、特許文献１に開示されているように、予冷却・再加熱式の温度制御系では、冷却器によっていったん予冷却した上でヒータによる加熱で最適温度にするような出力相殺が行われるため、この出力相殺が不適切に行われると、エネルギー消費が大きくなるという問題点があった。

【0009】

特許文献１に開示された技術では、オペレータが平衡点を任意に選ぶことにより、上記のような出力相殺を最小限にして省エネルギーを実現しているので、平衡点設定値の決定方法について、より良い改善が求められる。なお、平衡点設定値の客観的な決定方法を実現することは、特許文献１に開示されたような温度制御系に限らず、制御の主目的のための主制御系に平衡点を調整するための副制御系を付加した構成の制御系に共通の課題である。

【0010】

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、主制御系に平衡点を調整するための副制御系を付加した構成の制御系において、客観的な方法で平衡点設定値を決定して省エネルギーを実現することができる制御装置および制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、主制御系の第１の操作量出力による制御対象への操作と副制御系の第２の操作量出力による制御対象への操作とが、出力相殺の関係で構成されている制御系を対象とする制御装置において、前記主制御系に対応して設けられ、前記主制御系の設定値と制御量を入力として制御演算により第１の操作量を算出し、この第１の操作量を所定の下限値ＯＬ＿Ａ以上の値に制限する下限処理を行う第１の制御演算手段と、この第１の制御演算手段によって算出され下限処理された第１の操作量を前記主制御系のアクチュエータに出力する第１の操作量出力手段と、主制御の定常状態での望ましい操作量出力である平衡点を調整するための前記副制御系に対応して設けられ、前記平衡点を示す平衡点設定値を入力とすると共に、前記第１の制御演算手段によって算出された第１の操作量を制御量入力として、制御演算により第２の操作量を算出する第２の制御演算手段と、この第２の制御演算手段によって算出された第２の操作量を前記副制御系のアクチュエータに出力する第２の操作量出力手段と、前記主制御系の設定値が予め規定された時間以上同一の値に維持されている状態を、定常状態として検出する定常状態検出手段と、前記主制御系および前記副制御系によって操作される制御対象が、前記第１の操作量が小さいほど省エネルギーに有利な状態に維持できるものであるときに、前記定常状態において検出した前記第１の操作量の平均値と最小値との差を、前記第１の操作量の下限値ＯＬ＿Ａに加算することで前記平衡点設定値を算出する平衡点設定値決定手段と、この平衡点設定値決定手段によって算出された平衡点設定値を前記第２の制御演算手段が用いる値として設定する平衡点設定値出力手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明は、主制御系の第１の操作量出力による制御対象への操作と副制御系の第２の操作量出力による制御対象への操作とが、出力相殺の関係で構成されている制御系を対象とする制御装置において、前記主制御系に対応して設けられ、前記主制御系の設定値と制御量を入力として制御演算により第１の操作量を算出し、この第１の操作量を所定の上限値ＯＨ＿Ａ以下の値に制限する上限処理を行う第１の制御演算手段と、この第１の制御演算手段によって算出され上限処理された第１の操作量を前記主制御系のアクチュエータに出力する第１の操作量出力手段と、主制御の定常状態での望ましい操作量出力である平衡点を調整するための前記副制御系に対応して設けられ、前記平衡点を示す平衡点設定値を入力とすると共に、前記第１の制御演算手段によって算出された第１の操作量を制御量入力として、制御演算により第２の操作量を算出する第２の制御演算手段と、この第２の制御演算手段によって算出された第２の操作量を前記副制御系のアクチュエータに出力する第２の操作量出力手段と、前記主制御系の設定値が予め規定された時間以上同一の値に維持されている状態を、定常状態として検出する定常状態検出手段と、前記主制御系および前記副制御系によって操作される制御対象が、前記第１の操作量が大きいほど省エネルギーに有利な状態に維持できるものであるときに、前記定常状態において検出した前記第１の操作量の最大値と平均値との差を、前記第１の操作量の上限値ＯＨ＿Ａから減算することで前記平衡点設定値を算出する平衡点設定値決定手段と、この平衡点設定値決定手段によって算出された平衡点設定値を前記第２の制御演算手段が用いる値として設定する平衡点設定値出力手段とを備えることを特徴とするものである。

【0012】

また、本発明の制御装置の１構成例において、前記平衡点設定値決定手段は、算出した平衡点設定値を所定の上限値と下限値の範囲内に制限する上下限処理を行って、上下限処理後の平衡点設定値を前記平衡点設定値出力手段に出力するものであり、前記平衡点設定値の上限値は前記第１の操作量の所定の上限値ＯＨ＿Ａよりも小さく、前記平衡点設定値の下限値は前記第１の操作量の所定の下限値ＯＬ＿Ａよりも大きく設定されていることを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記平衡点設定値決定手段は、前記定常状態において検出した前記第１の操作量の平均値と最小値との差を、余裕量を決める係数で補正した値を、前記第１の操作量の下限値ＯＬ＿Ａに加算することで前記平衡点設定値を算出することを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記平衡点設定値決定手段は、前記定常状態において検出した前記第１の操作量の最大値と前記平均値との差を、余裕量を決める係数で補正した値を、前記第１の操作量の上限値ＯＨ＿Ａから減算することで前記平衡点設定値を算出することを特徴とするものである。

【0013】

また、本発明は、主制御系の第１の操作量出力による制御対象への操作と副制御系の第２の操作量出力による制御対象への操作とが、出力相殺の関係で構成されている制御系を対象とする制御方法において、前記主制御系の設定値と制御量を入力として制御演算により第１の操作量を算出し、この第１の操作量を所定の下限値ＯＬ＿Ａ以上の値に制限する下限処理を行う第１の制御演算ステップと、この第１の制御演算ステップで算出して下限処理した第１の操作量を前記主制御系のアクチュエータに出力する第１の操作量出力ステップと、主制御の定常状態での望ましい操作量出力である平衡点を示す平衡点設定値を入力とすると共に、前記第１の制御演算ステップで算出した第１の操作量を制御量入力として、制御演算により第２の操作量を算出する第２の制御演算ステップと、この第２の制御演算ステップで算出した第２の操作量を、前記平衡点を調整するための前記副制御系のアクチュエータに出力する第２の操作量出力ステップと、前記主制御系の設定値が予め規定された時間以上同一の値に維持されている状態を、定常状態として検出する定常状態検出ステップと、前記主制御系および前記副制御系によって操作される制御対象が、前記第１の操作量が小さいほど省エネルギーに有利な状態に維持できるものであるときに、前記定常状態において検出した前記第１の操作量の平均値と最小値との差を、前記第１の操作量の下限値ＯＬ＿Ａに加算することで前記平衡点設定値を算出する平衡点設定値決定ステップと、この平衡点設定値決定ステップで算出した平衡点設定値を前記第２の制御演算ステップで用いる値として設定する平衡点設定値出力ステップとを含むことを特徴とするものである。
また、本発明は、主制御系の第１の操作量出力による制御対象への操作と副制御系の第２の操作量出力による制御対象への操作とが、出力相殺の関係で構成されている制御系を対象とする制御方法において、前記主制御系の設定値と制御量を入力として制御演算により第１の操作量を算出し、この第１の操作量を所定の上限値ＯＨ＿Ａ以下の値に制限する上限処理を行う第１の制御演算ステップと、この第１の制御演算ステップで算出して上限処理した第１の操作量を前記主制御系のアクチュエータに出力する第１の操作量出力ステップと、主制御の定常状態での望ましい操作量出力である平衡点を示す平衡点設定値を入力とすると共に、前記第１の制御演算ステップで算出した第１の操作量を制御量入力として、制御演算により第２の操作量を算出する第２の制御演算ステップと、この第２の制御演算ステップで算出した第２の操作量を、前記平衡点を調整するための前記副制御系のアクチュエータに出力する第２の操作量出力ステップと、前記主制御系の設定値が予め規定された時間以上同一の値に維持されている状態を、定常状態として検出する定常状態検出ステップと、前記主制御系および前記副制御系によって操作される制御対象が、前記第１の操作量が大きいほど省エネルギーに有利な状態に維持できるものであるときに、前記定常状態において検出した前記第１の操作量の最大値と平均値との差を、前記第１の操作量の上限値ＯＨ＿Ａから減算することで前記平衡点設定値を算出する平衡点設定値決定ステップと、この平衡点設定値決定ステップで算出した平衡点設定値を前記第２の制御演算ステップで用いる値として設定する平衡点設定値出力ステップとを含むことを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、主制御系の第１の制御演算手段と、主制御系の第１の操作量出力手段と、副制御系の第２の制御演算手段と、副制御系の第２の操作量出力手段と、主制御系の設定値が予め規定された時間以上同一の値に維持されている状態を、定常状態として検出する定常状態検出手段と、定常状態において検出した第１の操作量の平均値と最小値との差、あるいは第１の操作量の最大値と平均値との差に基づき、平衡点設定値を算出する平衡点設定値決定手段と、平衡点設定値を第２の制御演算手段が用いる値として設定する平衡点設定値出力手段とを設けることにより、従来よりも客観的な方法で平衡点設定値を決定して省エネルギーを実現することができる。

【0015】

また、本発明では、算出した平衡点設定値を所定の上限値と下限値の範囲内に制限する上下限処理を行った上で、第２の制御演算手段が用いる値として設定することにより、従来よりも格段に客観的な方法で平衡点設定値を決定して省エネルギーを実現することができる。

【0016】

また、本発明では、定常状態において検出した第１の操作量の平均値と最小値との差に余裕量を含めた値を、第１の操作量の下限値に加算して平衡点設定値を算出することにより、第１の操作量の下限値との間の余裕量が最小になるように平衡点設定値を設定することができ、第１の操作量が小さいほど省エネルギーに有利な状態に維持できる制御対象に適合した平衡点設定値を決定することができる。

【0017】

また、本発明では、定常状態において検出した第１の操作量の最大値と平均値との差に余裕量を含めた値を、第１の操作量の上限値から減算して平衡点設定値を算出することにより、第１の操作量の上限値との間の余裕量が最小になるように平衡点設定値を設定することができ、第１の操作量が大きいほど省エネルギーに有利な状態に維持できる制御対象に適合した平衡点設定値を決定することができる。

【0018】

また、本発明では、平衡点設定値決定手段が算出した平衡点設定値が平衡点設定値の上限値あるいは下限値から逸脱している場合に、アラームでオペレータに通知することにより、平衡点設定値の不適切な自動決定が行われる可能性があったことをオペレータに伝えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施の形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。

【図2】本発明の実施の形態に係る制御系のブロック線図である。

【図3】本発明の実施の形態に係る制御装置の動作を示すフローチャートである。

【図4】本発明の実施の形態に係る制御装置の動作例を示す図である。

【図5】熱交換媒体の流量による温度制御系の構成を示す図である。

【図6】従来の制御装置を加熱処理炉の温度制御に適用した例を示す図である。

【図7】従来の制御装置の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

［発明の原理１］
平衡点設定値は、基本的には「出力相殺を最小限にして、省エネルギーを実現する」ための操作量の選び方を意味する。ここで、制御の平衡状態とは、制御動作の視点で見れば定常状態であり、主目的の制御系の設定値（図７におけるＳＰ＿Ａ）が長時間に亘って同一の値に維持されている状態である。したがって、発明者は、定常状態の操作量ＭＶ＿Ａの実績に基づき、定常状態で必要な「操作量ＭＶ＿Ａの上下限値との間の余裕量」が最小になるように平衡点設定値を逆算すれば、客観的かつ原理的に妥当な平衡点設定値を求めることができることに想到した。

【0021】

例えば、特許文献１に開示されたような加熱・冷却出力相殺の緩和であれば、図７の設定値ＳＰ＿Ａが規定時間以上同一の値に維持されている定常状態を検出し、この定常状態において検出される操作量ＭＶ＿Ａの平均値ＭＶ＿Ａ＿ａｖｅと最小値ＭＶ＿Ａ＿ｍｉｎとの差に基づいて平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを逆算すればよい。制御性能を犠牲にせずに出力相殺を最小限とする理論上の平衡点設定値ＳＰ＿Ｂは、操作量ＭＶ＿Ａの下限値ＯＬ＿Ａ（通常の場合０．０％）との余裕量が最小になるものとして、次式のように算出することができる。
ＳＰ＿Ｂ＝ＯＬ＿Ａ＋（ＭＶ＿Ａ＿ａｖｅ−ＭＶ＿Ａ＿ｍｉｎ） ・・・（１）

【0022】

なお、式（１）および以下の式の説明では、制御量ＰＶ＿Ａ、設定値ＳＰ＿Ａ，ＳＰ＿Ｂ、操作量ＭＶ＿Ａ，ＭＶ＿Ｂは全て０〜１００％に正規化されているものとして説明する。

【0023】

式（１）では平衡点設定値ＳＰ＿Ｂの算出に余裕量を設けていないが、実用上は、制御対象の特性に応じて、現場のオペレータよりも知識の豊富な制御系設計の専門家が、予め余裕の取り方を規定しておくのが好ましい。実用的な平衡点設定値ＳＰ＿Ｂは、例えば次式のようなものになる。
ＳＰ＿Ｂ＝ＯＬ＿Ａ＋（ＭＶ＿Ａ＿ａｖｅ−ＭＶ＿Ａ＿ｍｉｎ）×α ・・・（２）
ＳＰ＿Ｂ＝ＯＬ＿Ａ＋（ＭＶ＿Ａ＿ａｖｅ−ＭＶ＿Ａ＿ｍｉｎ＋β） ・・・（３）

【0024】

式（２）におけるαは余裕量を決める係数であり、例えば１．０を中心に０．８〜１．２程度の値である。同様に、式（３）におけるβも余裕量を決める係数であり、例えば０．０を中心に−５．０％〜５．０％程度の値である。ここで、余裕量を決める係数α，βは、理屈上は主観で決めることになる。しかし、直接的に平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを決める部分ではないので、係数α，βの可変幅を小さくしてしまうことも可能である（例えばαについては１．０で固定、βについては０．０で固定）。このように可変幅を小さくすれば、従来の特許文献１に比べ、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂの客観性を格段に保つことが可能となる。

【0025】

操作量ＭＶ＿Ａの上限値ＯＨ＿Ａとの間の余裕量で平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを決定すべきケースでも、同様に設計できる。この場合、定常状態において検出される操作量ＭＶ＿Ａの平均値ＭＶ＿Ａ＿ａｖｅと最大値ＭＶ＿Ａ＿ｍａｘとの差に基づいて平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを次式のように逆算すればよい。
ＳＰ＿Ｂ＝ＯＨ＿Ａ−（ＭＶ＿Ａ＿ｍａｘ−ＭＶ＿Ａ＿ａｖｅ）×α ・・・（４）
ＳＰ＿Ｂ＝ＯＨ＿Ａ−（ＭＶ＿Ａ＿ｍａｘ−ＭＶ＿Ａ＿ａｖｅ＋β） ・・・（５）
式（４）の係数αは例えば１．０を中心に０．８〜１．２程度の値であり、式（５）の係数βは例えば０．０を中心に−５．０％〜５．０％程度の値である。

【0026】

［発明の原理２］
本発明は、制御の実績に基づく平衡点設定値ＳＰ＿Ｂの自動決定手法であるので、極めて特殊な制御状態の実績に基づいて、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂの不適切な自動決定が行なわれる危険性も考慮する必要がある。この危険性に対しては、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂ自体に対して、制御系設計の専門家が予め上下限値を設定しておけばよい。自動決定される平衡点設定値ＳＰ＿Ｂが上下限値に到達した場合は、アラームなどでオペレータに通知するのが好ましい。

【0027】

係数α，βの場合と同様に、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂの上下限値は、理屈上は主観で決めることになる。しかし、直接的に平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを決める部分ではないので、上下限値の幅を大きくすることも可能である。上下限値の幅を大きくすれば、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを自動決定できる範囲が大きく取れるのであるから、従来の特許文献１に比べ、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂの客観性を格段に保つことが可能となる。

【0028】

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本実施の形態に係る制御装置の構成を示すブロック図、図２は本実施の形態に係る制御系のブロック線図である。本実施の形態は、上記発明の原理１、発明の原理２に対応する例である。また、本実施の形態では、図６、図７で説明したような加熱・冷却相殺系（操作量ＭＶ＿Ａが小さいほど省エネルギー的に有利な状態に維持できる系）を適用対象とする。すなわち、操作量ＭＶ＿Ａの下限値ＯＬ＿Ａとの間の余裕量で平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを決定すべきケースとする。

【0029】

制御装置は、制御の主目的のための主制御系に対応して設けられる主制御部１と、主制御の定常状態での望ましい操作量出力である平衡点を調整するための副制御系（操作量調整制御系）に対応して設けられる副制御部２と、平衡点を示す平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを決定して副制御部２で用いられる平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを更新する平衡点設定値決定機能部３とから構成される。

【0030】

主制御部１は、主制御系の設定値ＳＰ＿Ａを入力する設定値入力部１０と、計測器によって計測される主制御系の制御量ＰＶ＿Ａを入力する制御量入力部１１と、設定値ＳＰ＿Ａと制御量ＰＶ＿Ａを入力としてフィードバック制御演算により操作量ＭＶ＿Ａ（第１の操作量）を算出する制御演算部１２（第１の制御演算手段）と、操作量ＭＶ＿Ａを主制御系のアクチュエータに出力する操作量出力部１３（第１の操作量出力手段）とを備えている。

【0031】

副制御部２は、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを入力する平衡点設定値設定部２０と、主制御部１から操作量ＭＶ＿Ａを取得する操作量取得部２１と、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを入力とすると共に、操作量ＭＶ＿Ａを制御量入力として、フィードバック制御演算により調整操作量ＭＶ＿Ｂ（第２の操作量）を算出する調整制御演算部２２（第２の制御演算手段）と、調整操作量ＭＶ＿Ｂを副制御系のアクチュエータに出力する調整操作量出力部２３（第２の操作量出力手段）とを備えている。

【0032】

平衡点設定値決定機能部３は、主制御部１から設定値ＳＰ＿Ａを取得する設定値取得部３０と、主制御部１から操作量ＭＶ＿Ａを取得する操作量取得部３１と、設定値ＳＰ＿Ａが予め規定された時間以上同一の値に維持されている状態を、定常状態として検出する定常状態検出部３２と、定常状態において検出した操作量ＭＶ＿Ａの平均値ＭＶ＿Ａ＿ａｖｅと最小値ＭＶ＿Ａ＿ｍｉｎとの差に基づき、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを算出する平衡点設定値決定部３３と、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを、平衡点設定値設定部２０に出力して副制御部２で用いられる平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを更新する平衡点設定値出力部３４とを備えている。

【0033】

図２における４は主制御系のアクチュエータ（図６、図７の例ではヒータ１０１）、５は副制御系のアクチュエータ（図６、図７の例では冷却器１０２）、６は制御対象である。主制御部１とアクチュエータ４と制御対象６とが主制御系を構成し、副制御部２とアクチュエータ５と制御対象６とが副制御系を構成している。

【0034】

以下、本実施の形態の制御装置の動作を図３を参照して説明する。図３は制御装置の動作を示すフローチャートである。
主制御系の設定値ＳＰ＿Ａは、オペレータなどによって設定され、設定値入力部１０を介して制御演算部１２と平衡点設定値決定機能部３の設定値取得部３０とに入力される（図３ステップＳ１００）。

【0035】

主制御系の制御量ＰＶ＿Ａは、センサなど（図６の例では温度センサ１０３）によって計測され、制御量入力部１１を介して制御演算部１２と平衡点設定値決定機能部３の操作量取得部３１とに入力される（図３ステップＳ１０１）。

【0036】

主制御部１の制御演算部１２は、設定値入力部１０から入力された設定値ＳＰ＿Ａと制御量入力部１１から入力された制御量ＰＶ＿Ａに基づいて、以下の伝達関数式のようなＰＩＤ制御演算を行って操作量ＭＶ＿Ａを算出する（図３ステップＳ１０２）。
ＭＶ＿Ａ＝（１００／ＰＢ＿Ａ）｛１＋（１／ＴＩ＿Ａｓ）＋ＴＤ＿Ａｓ｝
×（ＳＰ＿Ａ−ＰＶ＿Ａ） ・・・（６）
式（６）において、ＰＢ＿Ａは比例帯、ＴＩ＿Ａは積分時間、ＴＤ＿Ａは微分時間、ｓはラプラス演算子である。

【0037】

そして、制御演算部１２は、算出した操作量ＭＶ＿Ａに対して、式（７）のような上限処理を行うと同時に、式（８）のような下限処理を行う（図３ステップＳ１０３）。
ＩＦ ＭＶ＿Ａ＞ＯＨ＿Ａ ＴＨＥＮ ＭＶ＿Ａ＝ＯＨ＿Ａ ・・・（７）
ＩＦ ＭＶ＿Ａ＜ＯＬ＿Ａ ＴＨＥＮ ＭＶ＿Ａ＝ＯＬ＿Ａ ・・・（８）

【0038】

すなわち、制御演算部１２は、操作量ＭＶ＿Ａが予め設定された上限値ＯＨ＿Ａより大きい場合、操作量ＭＶ＿Ａ＝ＯＨ＿Ａとし、操作量ＭＶ＿Ａが予め設定された下限値ＯＬ＿Ａより小さい場合、操作量ＭＶ＿Ａ＝ＯＬ＿Ａとする。通常は、上限値ＯＨ＿Ａは１００．０％であり、下限値ＯＬ＿Ａは０．０％である。

【0039】

主制御部１の操作量出力部１３は、制御演算部１２によって算出され上下限処理された操作量ＭＶ＿Ａを対応する主制御系のアクチュエータ４に出力する（図３ステップＳ１０４）。

【0040】

次に、操作量ＭＶ＿Ａの調整されるべき平衡点を示す平衡点設定値ＳＰ＿Ｂの初期値は、オペレータなどによって設定され、副制御部２の平衡点設定値設定部２０を介して調整制御演算部２２に入力される（図３ステップＳ１０５）。平衡点設定値ＳＰ＿Ｂの初期値は、エネルギー効率等を考慮して決定される。

【0041】

副制御部２の操作量取得部２１は、主制御部１の操作量出力部１３から操作量ＭＶ＿Ａを取得する（図３ステップＳ１０６）。
副制御部２の調整制御演算部２２は、平衡点設定値設定部２０から入力された平衡点設定値ＳＰ＿Ｂと操作量取得部２１から入力された操作量ＭＶ＿Ａに基づいて、以下の伝達関数式のようなＰＩＤ制御演算を行って調整操作量ＭＶ＿Ｂを算出する（図３ステップＳ１０７）。
ＭＶ＿Ｂ＝（１００／ＰＢ＿Ｂ）｛１＋（１／ＴＩ＿Ｂｓ）＋ＴＤ＿Ｂｓ｝
×（ＳＰ＿Ｂ−ＭＶ＿Ａ） ・・・（９）
式（９）において、ＰＢ＿Ｂは比例帯、ＴＩ＿Ｂは積分時間、ＴＤ＿Ｂは微分時間、ｓはラプラス演算子である。

【0042】

そして、調整制御演算部２２は、算出した調整操作量ＭＶ＿Ｂに対して、式（１０）のような上限処理を行うと同時に、式（１１）のような下限処理を行う（図３ステップＳ１０８）。
ＩＦ ＭＶ＿Ｂ＞ＯＨ＿Ｂ ＴＨＥＮ ＭＶ＿Ｂ＝ＯＨ＿Ｂ ・・・（１０）
ＩＦ ＭＶ＿Ｂ＜ＯＬ＿Ｂ ＴＨＥＮ ＭＶ＿Ｂ＝ＯＬ＿Ｂ ・・・（１１）

【0043】

すなわち、調整制御演算部２２は、調整操作量ＭＶ＿Ｂが予め設定された上限値ＯＨ＿Ｂより大きい場合、操作量ＭＶ＿Ｂ＝ＯＨ＿Ｂとし、調整操作量ＭＶ＿Ｂが予め設定された下限値ＯＬ＿Ｂより小さい場合、操作量ＭＶ＿Ｂ＝ＯＬ＿Ｂとする。通常は、上限値ＯＨ＿Ｂは１００．０％であり、下限値ＯＬ＿Ｂは０．０％である。

【0044】

副制御部２の調整操作量出力部２３は、調整制御演算部２２によって算出され上下限処理された調整操作量ＭＶ＿Ｂを対応する副制御系のアクチュエータ５に出力する（図３ステップＳ１０９）。

【0045】

次に、平衡点設定値決定機能部３の設定値取得部３０は、主制御部１の設定値入力部１０から設定値ＳＰ＿Ａを取得する（図３ステップＳ１１０）。
平衡点設定値決定機能部３の操作量取得部３１は、主制御部１の操作量出力部１３から操作量ＭＶ＿Ａを取得する（図３ステップＳ１１１）。

【0046】

平衡点設定値決定機能部３の定常状態検出部３２は、主制御が定常状態かどうかを判定する（図３ステップＳ１１２）。具体的には、定常状態検出部３２は、判定しようとする現在の制御周期時点よりも所定の時間ＴＨ以上遡った過去の時点から現在の制御周期時点まで、設定値ＳＰ＿Ａが同一の値に維持されていた場合、主制御が定常状態であると判定する。時間ＴＨは、設定値ＳＰ＿Ａを変更したときに、制御量ＰＶ＿Ａが設定値ＳＰ＿Ａに追従する過渡状態が完了するのに必要な時間以上の時間として予め規定しておくことができる。

【0047】

平衡点設定値決定機能部３の平衡点設定値決定部３３は、主制御が定常状態と判定された場合（ステップＳ１１２においてＹＥＳ）、定常状態において検出される操作量ＭＶ＿Ａの平均値ＭＶ＿Ａ＿ａｖｅと定常状態において検出される操作量ＭＶ＿Ａの最小値ＭＶ＿Ａ＿ｍｉｎとの差に基づき、上記の式（２）により平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを決定する（図３ステップＳ１１３）。上記のとおり係数αは、例えば１．０を中心に０．８〜１．２程度の値である。平均値ＭＶ＿Ａ＿ａｖｅおよび最小値ＭＶ＿Ａ＿ｍｉｎを求める対象となる定常状態の範囲は、過去から現在の制御周期時点まで連続して検出される全ての定常状態の時間帯とする。

【0048】

平衡点設定値決定部３３は、ステップＳ１１３で算出した平衡点設定値ＳＰ＿Ｂに対して、式（１２）のような上限処理を行うと同時に、式（１３）のような下限処理を行う（図３ステップＳ１１４）。
ＩＦ ＳＰ＿Ｂ＞ＳＨ ＴＨＥＮ ＳＰ＿Ｂ＝ＳＨ ・・・（１２）
ＩＦ ＳＰ＿Ｂ＜ＳＬ ＴＨＥＮ ＳＰ＿Ｂ＝ＳＬ ・・・（１３）

【0049】

すなわち、平衡点設定値決定部３３は、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂが予め設定された上限値ＳＨより大きい場合、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂ＝ＳＨとし、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂが予め設定された下限値ＳＬより小さい場合、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂ＝ＳＬとする。

【0050】

特に制約がなければ、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂの上限値ＳＨは操作量ＭＶ＿Ａの上限値ＯＨ＿Ａと同値でよく、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂの下限値ＳＬは操作量ＭＶ＿Ａの下限値ＯＬ＿Ａと同値でよい。ただし、技術的意義を考えれば、ＳＨ＜ＯＨ＿Ａのように設定されるべきである。

【0051】

また、平衡点設定値決定部３３は、ステップＳ１１３で算出した平衡点設定値ＳＰ＿Ｂが上限値ＳＨあるいは下限値ＳＬから逸脱していた場合、すなわち平衡点設定値ＳＰ＿Ｂが上限値ＳＨより大きいか、下限値ＳＬより小さかった場合（図３ステップＳ１１５）、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂの不適切な自動決定が行われる可能性があったことを示すアラームをオペレータに対して出力する（図３ステップＳ１１６）。アラームの出力方法としては、例えば制御装置に設けられたアラーム通知用のＬＥＤを点滅または点灯させたりする等の方法がある。

【0052】

平衡点設定値決定機能部３の平衡点設定値出力部３４は、平衡点設定値決定部３３によって算出され上下限処理された平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを副制御部２の平衡点設定値設定部２０に出力することで、副制御部２で用いる平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを更新する（図３ステップＳ１１７）。

【0053】

以上のようなステップＳ１００〜Ｓ１１７の処理が、例えばオペレータからの指令によって制御が終了するまで（図３ステップＳ１１８においてＹＥＳ）、制御周期毎に繰り返し実行される。

【0054】

図４（Ａ）、図４（Ｂ）は本実施の形態の制御装置の動作例を示す図であり、図４（Ａ）は平衡点設定値ＳＰ＿Ｂの調整前の動作例を示す図、図４（Ｂ）は平衡点設定値ＳＰ＿Ｂの調整後の動作例を示す図である。図４（Ａ）、図４（Ｂ）の縦軸は操作量、横軸は時間である。本実施の形態によれば、図４（Ａ）に示す定常状態で上記のように平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを算出して更新することで、図４（Ｂ）に示すように操作量ＭＶ＿Ａの下限値ＯＬ＿Ａとの間の余裕量が最小になるように平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを設定することができる。

【0055】

なお、本実施の形態では、平衡点設定値決定部３３が平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを決定する式として式（２）を用いているが、前述の発明の原理１で説明したように、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを式（３）によって決定してもよい。

【0056】

また、本実施の形態では、図６、図７で説明したような加熱・冷却系を適用対象としていたが、例えば主制御系の操作量ＭＶ＿Ａにより操作されるのが熱交換媒体の流量であり、副制御系の操作量ＭＶ＿Ｂにより操作されるのが熱交換媒体の温度であるものも、本発明の適用対象に含まれる。

【0057】

このような温度制御系の構成を図５に示す。図５の例では、操作量ＭＶ＿Ａに応じて熱交換媒体流量制御弁５０の開度が制御され、熱交換媒体温度制御器５１から供給される熱交換媒体の温度が調整操作量ＭＶ＿Ｂに応じて制御される。熱交換媒体流量制御弁５０を通過した熱交換媒体は熱交換機５２に供給され、熱交換機５２を通過した熱交換媒体は熱交換媒体温度制御器５１に戻る。こうして、熱交換機５２によって空気が加熱または冷却される。

【0058】

このとき、熱交換媒体の流量（主制御系の操作量ＭＶ＿Ａ）が大きいほど熱交換媒体の温度を省エネルギー的に有利な状態に維持できるのであれば、操作量ＭＶ＿Ａの上限値ＯＨ＿Ａとの間の余裕量で平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを決定すべきケースになる。その場合は、平衡点設定値決定部３３は、前述の発明の原理１で説明したように、平衡点設定値ＳＰ＿Ｂを式（４）または式（５）によって決定できる。また、ＳＬ＞ＯＬ＿Ａのように設定されるべきである。

【0059】

本実施の形態で説明した制御装置は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。

【産業上の利用可能性】

【0060】

本発明は、主制御系に平衡点を調整するための副制御系を付加した構成の制御系において省エネルギーを実現する技術に適用することができる。

【符号の説明】

【0061】

１…主制御部、２…副制御部、３…平衡点設定値決定機能部、１０…設定値入力部、１１…制御量入力部、１２…制御演算部、１３…操作量出力部、２０…平衡点設定値設定部、２１，３１…操作量取得部、２２…調整制御演算部、２３…調整操作量出力部、３０…設定値取得部、３２…定常状態検出部、３３…平衡点設定値決定部、３４…平衡点設定値出力部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】