プロセス制御の習得：技術製造における精度と安全性

技術プロセスは、材料と流体を取り扱い、加工、精製、結合、操作して、最終製品を利益を持って生産するものです。これらプロセスは精密で要求が厳しく、潜在的に危険なプロセスである場合があります。プロセスの小さな変化が最終結果に大きな影響を与えることがあります。配合比率、温度、流量、乱流、その他多くのパラメータの変動は、所望品質の最終製品を最小原材料とエネルギーで安定生産するため、慎重かつ一貫して制御する必要があります。

一般に、操作の継続的監視を必要とするものは、プロセス制御の役割を伴います。プロセス制御とは、技術プロセスのプロセス変数を制御するために使用される方法を指します。これは、プロセス操作を指定限度内で実行し、プロセス効率最大化、品質確保、安全確保のためにより精密な限度を設定することを可能にするツールです。

すべての技術プロセスは、所定タスクを成功裏に達成するために多くの計画を必要とします。しかし、これらタスクを達成するためには、プロセスオペレーターがプロセスと制御システム機能を完全に理解している必要があります。制御システムは、装置（測定デバイス、制御デバイスなど）とオペレーター介入で構成されます。制御システムは、プロセスの3つの基本ニーズ、すなわち(i) 外部擾乱影響低減、(ii) プロセス安定性促進、(iii) プロセス性能向上、を満たすために使用されます。

計装と自動制御

計装は、技術プロセス操作に使用されるさまざまな指示を提供します。場合によっては、オペレーターがこれら指示をプロセス操作用に記録します。記録情報はオペレーターがプロセス現在状態評価し、条件が期待通りでない場合に行動するのを助けます。すべて必要な是正措置をオペレーターに要求するのは非現実的、または不可能な場合があり、特に多数の指示を監視する場合はそうなります。この理由で、ほとんどの技術プロセスは正常条件下では自動制御されます。自動制御はオペレーター負担を大幅に軽減し、仕事を管理可能にします。技術プロセスが制御される3理由：(i) 変動低減、(ii) 効率向上、(iii) 安全確保。

プロセス制御は最終製品変動を低減し、一貫した高品質製品を確保します。プロセス変動低減により、プロセスはより安定、信頼性高く、生産的、経済的になります。一部プロセスパラメータはプロセス効率最大化のために特定レベル維持必要。これらパラメータの精密制御がプロセス効率確保。さらに、プロセス操作中、すべてプロセス変数の精密制御が維持されない場合、暴走プロセス（制御不能化学反応など）結果可能。暴走プロセス結果は壊滅的となり得ます。したがって、プロセス精密制御は設備と作業員安全確保にも必要です。

プロセス制御役割は長年にわたり変化し、技術によって継続的に形作られています。プロセス制御伝統的役割は、安全貢献、環境影響最小化、プロセス変数を望ましい値近く維持することによるプロセス最適化。過去では、プロセスパラメータ監視はプロセス現場で行われ、パラメータはオペレーターによってローカルに維持されました。プロセスが大規模化・複雑化するにつれ、プロセス自動化役割がますます重要になりました。現在、自動化がプロセス制御機能を引き継ぎ、オペレーターは現場機器と通信するコンピュータ化分散制御システム（DCS）によって支援されます。

プロセス制御は、プロセス制御メカニズム、アーキテクチャ、アルゴリズムを扱う統計と工学分野の混合です。効果的プロセス制御には、プロセス技術理解に加え、プロセス制御主要概念と一般用語理解も必要です。

プロセス制御理由は、プロセスを望ましい振る舞いにすることです。これにはプロセス精度向上、信頼性向上、経済性向上が関与。場合によっては非制御プロセスが不安定で、損傷防止に良好制御必要。したがって、良好制御は用途により異なる意味を持ちます。

プロセス制御では、基本目的は何らかのパラメータ値調整です。調整とは、外部影響に関わらずパラメータ量を望ましい値に維持すること。望ましい値を基準値またはセットポイントと呼びます。オペレーターはセットポイント変更可能。入力セットポイント変更により出力が入力セットポイントに一致するよう変化すれば、プロセスは自己調整的。自己調整システムは変数を特定基準値に調整しない。パラメータは入出力値同一となる値採用し、そこに留まる。しかし入力流量変更なら出力も変化するため、基準値に調整されていません。

オペレーター支援制御はオペレーターによる人工調整許可。パラメータ調整で必要値維持のため、パラメータ測定センサー必要。パラメータを制御変数と呼びます。適切制御装置操作で、出力パラメータをセットポイントに変更可能。出力パラメータを操作変数または制御変数と呼びます。

自動制御システムは制御システムを置き換え、機械、電子回路、コンピュータがオペレーター操作置き換え。パラメータ値測定し比例信号変換できるセンサーという計器追加。この信号を機械、電子回路、コンピュータと呼ばれるコントローラー入力として提供。コントローラーはオペレーター機能果たし、測定値評価し出力信号提供、機械リンクで接続されたアクチュエータ経由で制御装置設定変更。セットポイントに何らかの変数値調整するよう設計システムに自動制御適用時、自動プロセス制御と呼ばれます。図1に概念制御プロセス、ブロック図入出力変数示します。

図1 入出力変数示す概念制御プロセスブロック図

技術プロセスは動的性質で、定常状態稀。技術プロセス操作は、常に発生する擾乱に適切応答し、操作安全、効率的、所望品質製品を必要レート生産すること。生産方法プロセスごと異なるため、自動制御原理は一般的性質で、プロセスサイズとタイプ問わず普遍的適用可能。プロセス制御システム目的は、以下タスクいずれかまたは両方実行。

操作条件とセットポイントでのプロセス維持

多くプロセスは定常状態条件、またはコスト、歩留まり、安全、その他品質目標などすべて要件満たす状態で稼働要求。多く実状況では、プロセス常に静的でいられず、プロセスに擾乱発生しプロセス不安定化。不安定プロセスでは、プロセス変数が物理的境界内で限定期間振動。非制御プロセス変数は、制御機器追加で、自動的またはオペレーター介入で制御限度内制御可能。

一つ操作条件から別操作条件へプロセス移行

実状況では、様々理由でプロセス操作条件変更必要になることあり。操作条件セットから別セットへプロセス移行理由は、経済性、製品仕様、操作制約、環境規制、製品仕様変更など。

技術プロセス制御戦略開発は、(i) 制御目的、(ii) 入力変数（操作変数または擾乱変数、連続的または離散的時間間隔変更）、(iii) 出力変数（測定変数または非測定変数、連続的または離散的時間間隔測定）、(iv) 制約（ハードまたはソフト）、(v) 操作特性（バッチ、連続、準連続）、(vi) 安全、環境、経済考慮、(vii) 制御構造（フィードバックまたはフィードフォワード性質コントローラー）策定/特定で構成。プロセス制御システム策定は7段階。

制御システム開発第1段階：制御目的策定。技術プロセス通常複数サブプロセス構成。各サブプロセス制御個別考慮で技術プロセス制御削減。それでも各サブプロセス複数、時矛盾目的持つ可能性あり、制御目的開発通常困難。

第2段階：入力変数決定。入力変数は周囲プロセス影響示す。通常プロセス影響因子参照。入力変数は操作変数または擾乱変数分類可能。操作入力は制御システム（またはプロセスオペレーター）調整可能入力。擾乱入力はプロセス出力影響するが制御システム調整不能変数。測定可能/不能擾乱入力両方存在。入力連続的/離散的時間間隔変更可能。

第3段階：出力変数決定。出力変数は制御変数とも呼ばれる。周囲影響プロセス出力変数。出力変数は測定/非測定変数分類可能。測定連続的/離散的時間間隔可能。

第4段階：操作制約決定。すべてプロセス特定操作制約持つ。ハード/ソフト分類。ハード制約例：バルブ全閉/全開極限間動作最小/最大流量。ソフト制約例：製品組成、特定限度間組成指定望ましいが、安全/環境ハザードなしで違反可能。

第5段階：操作特性決定。操作特性通常バッチ、連続、準連続分類。連続プロセス、比較的一定操作条件下長期間稼働、清掃、定期予防保全等特定ジョブで「シャットダウン」。バッチプロセス動的性質、通常短期間稼働、操作条件期間中かなり変動。バッチプロセス例：製鋼炉1ヒート製造。バッチ反応器では、初期投入反応器、プロセス条件変化させバッチプロセス末期所望製品生産。典型的準連続プロセス：反応器初期投入あり、バッチラン中フィード成分追加可能。連続鋳造プロセス準連続プロセス例。重要考慮：プロセス支配タイムスケール。連続プロセスでは反応器内材料滞留時間関連多い。

第6段階：安全、環境、経済問題重要考慮。ある意味経済性究極駆動力。安全/環境ハザードプロセス、規制ペナルティと非効率で運転コスト高。さらに、仕様満たす製品生産しながらエネルギーコスト最小化重要。より良いプロセス自動化制御で、「最適」条件近く操業、変動仕様満たす製品生産可能。

「フェイルセーフ」概念は計器選定で常に重要。例：制御弁、弁ステム移動し流量変更にエネルギー源必要。多くは空気圧信号（通常3-15 PSI）。信号喪失なら弁ステム3 PSI限度へ。弁「エアトゥオープン」なら計器エア喪失で弁閉、これは「フェイルクローズ」弁。一方「エアトゥクローズ」なら計器エア喪失で弁全開、これは「フェイルオープン」弁。

標準制御タイプ2つ：(i) フィードフォワード制御、(ii) フィードバック制御。フィードフォワードコントローラーは擾乱変数測定し、この値をコントローラーに送り、操作変数調整。フィードバック制御目的：制御変数セットポイント近く維持。フィードバック制御システム：出力変数測定、値望ましい出力値比較、この情報用い操作変数調整。設計によりフィードバックコントローラーは偏差減少是正措置講じる。フィードバックコントローラーは制御変数セットポイント逸脱後、非ゼロ誤差生成後にのみ行動可能。しかし、プロセス/測定変化非常に遅い場合、擾乱応答非常に鈍くなる可能性。この状況でフィードフォワードコントローラー性能改善可能。フィードフォワードコントローラーは擾乱制御変数へ影響予測し、擾乱影響打ち消す制御行動講じる。

フィードバック制御構造決定は、どの操作変数調整しどの測定変数制御するか決定。測定プロセス出力望ましい値セットポイント。制御変数セットポイント逸脱2理由：性能向上 위해 故意セットポイント変更、擾乱が操作望ましいセットポイントから駆り立て。擾乱除去設計コントローラーをレギュレーター、セットポイント変更追跡設計をサーボメカニズム呼称。通常連続プロセスセットポイント変更稀、通常スーパーバイザリコントローラーより有利操作点計算時のみ、レギュレーターが最も一般的フィードバックコントローラー形式。対照的に、サーボ問題コントローラーは頻繁セットポイント変更あるバッチプロセスで一般的。

制御システム設計で特に重要概念：「プロセスゲイン」。プロセスゲインはプロセス出力プロセス入力変化感度。プロセス入力増加がプロセス出力増加導く場合、正ゲイン。一方、プロセス入力増加がプロセス出力減少導く場合、負ゲイン。プロセスゲイン大きさも重要。

制御構造決定後、制御アルゴリズム決定重要。制御アルゴリズムは測定出力変数値（望ましい出力値と共に）用い操作入力変数変更。制御アルゴリズムは複数制御パラメータ持ち、許容性能得るため調整必要。頻繁に実装前シミュレーションモデルで調整。モデルベース制御場合、コントローラーにプロセスモデル「組み込み」。

単一操作変数単一制御変数技術プロセスブロック図（図2）はフィードフォワード、フィードバック、スーパーバイザリ制御含む。フィードバックコントローラー主目的：制御変数Xを、何らか計器測定値として、望ましいセットポイントXspに可能な限り近く維持。制御変数は技術プロセス任意パラメータ。セットポイント通常スーパーバイザリ制御システム、リアルタイム数値最適化技術で決定。複数タイプ最終制御要素存在。擾乱変数D（負荷変数も呼称）制御変数セットポイント逸脱原因、制御行動必要、望ましい操作点復帰。フィードバックとフィードフォワード制御両方擾乱効果低減可能、各方法独自利点欠点。擾乱は外部環境変数含む多様源から結果可能。いずれにせよ、擾乱変数プロセスコントローラー影響不能。制御変数XとセットポイントXsp間誤差/偏差Eがフィードバックコントローラー入力、操作変数M変更し誤差減少。典型的技術プロセスでは多数制御ループ存在可能。

図2 技術プロセス制御ブロック図

制御ハードウェアとソフトウェア

プロセス産業実践プロセス制御は1940年代導入以来大幅変化。1960年代早期、電気アナログ制御ハードウェアが空気圧アナログ制御ハードウェア大部分置換。しかし多くプロセスで、特定制御要素（制御弁アクチュエータ等）今日でも空気圧残存。1960年代電気アナログコントローラーはシングルループコントローラー、各入力まずプロセス測定点から制御室（多くコントローラー所在）へ、コントローラー出力制御室から最終制御要素へ送信。オペレーターインターフェース：制御パネル、シングルループコントローラー用表示フェイスプレートとチャートレコーダー、インジケータ組合せ。制御戦略主にフィードバック制御、通常比例積分（PI）コントローラー。1950年代末〜1960年代初期、直接ディジタル制御（DDC）とスーパーバイザリプロセス制御実行プロセス制御コンピュータ導入。DDC使用場合、DDCループ多く100%近くアナログ制御バックアップ持ち、システム高コスト。

他初期システム主にプロセス制御コンピュータスーパーバイザリプロセス制御用。レギュラトリ制御アナログコントローラー提供、バックアップ不要、だがオペレーター注意制御パネルとコンピュータ画面分散。端末ディスプレイスーパーバイザリ制御時オペレーターインターフェース提供、だが制御パネル制御室残存、アナログバックアップ必要時。この環境で、フィードフォワード制御、多変数デカップリング制御、カスケード制御など高度制御技術広範使用。これら初期制御システム機能、コンピュータ能力中心設計、プロセス特性中心でない。これら制約、不十分オペレーター訓練、非フレンドリーユーザーインターフェース結合、操作、保守、拡張困難設計導く。さらに多く異なるシステムカスタマイズ仕様、極めて高コスト。ディジタルシステム応用プロセス産業浸透1970年頃、安価マイクロプロセッサ商業利用可能になり実現。

分散制御システム（DCS）

DCSは図3示す多く要素構成。ホストコンピュータ：最適化、高度制御戦略等計算集約タスク実行。データハイウェイ：デジタル伝送リンク、システム全コンポーネント接続。冗長データハイウェイ：データ損失可能性低減。オペレーター制御ステーション：ビデオコンソール、オペレーターシステム通信、プロセス監視制御。多く制御ステーション：アラームログ、レポート印刷、プロセスグラフィックハードコピー用プリンター含有。リモート制御ユニット：PIDアルゴリズム等基本制御機能実装、データ収集能力提供場合も。プログラマーコンソール：DCSアプリケーションプログラム開発。大容量記憶装置：制御目的、企業意思決定用プロセスデータ保存。記憶装置：ハードディスク、データベース形態。コントローラー、入力、出力間通信相互作用ソフトウェア実現、ハードウェア配線でない。DCSにより、制御室外観から高度制御戦略広範使用まで、プロセス制御多く側面革命的変化。

図3 典型的DCSシステム構造

プログラマブルロジックコントローラ（PLC）

初期PLCコントローラー：専用、スタンドアロン、マイクロプロセッサーベースデバイス、シーケンシングとインターロック単純バイナリロジック実行。PLCは、こうしたロジック修正変更実装容易性大幅改善。PLCは計算能力でますます強力に。バッチプロセス制御ロジックタイプ制御支配、PLCはDCS優先代替。DCSとPLC間比較的スムーズ統合インターフェース可用性により、現在一般実践：DCSとPLC統合組合せ使用。ほとんどPLC順序ロジック処理、内部タイミング機能装備、所定量時間アクション遅延、所定時間アクション実行等可能。

安全とシャットダウンシステム

プロセス制御はプロセス安全考慮重要役割。自動手順が定型操作手動手順置換時、人的エラー危険状況導く確率低減。また、オペレーター現在プラント状態認識向上。危険プロセスに保護システム提供必要。一つ方法：プロセスをこの条件存在不可能状態導く特定目的ロジック提供、セーフティインターロックシステム呼称。プロセス制御システムとセーフティインターロックシステム異なる目的果たすため、物理分離必要。意図せぬ安全システム変更リスク低減。安全シャットダウン用特殊高信頼性システム開発、例：三重モジュラ冗長システム。内部故障あっても基本機能実行可能。基本的に三重モジュラ冗長システム：3同一サブシステム同一機能同時アクティブ実行。

アラーム

アラーム目的：プロセスオペレーターに即時注意必要プロセス状態警告。異常状態検出時アラーム作動、警告発行。異常状態存在しなくなるとアラーム正常復帰。アラーム測定変数、計算変数、コントローラー出力定義可能。様々アラームクラス存在。

スマートトランスミッタ、バルブ、フィールドバス

プロセス制御技術でディジタル技術使用増加明確傾向。ディジタル通信：フィールドバス、同軸/光ファイバーケーブル、知的デバイス直接接続、制御室/リモート機器室間デジタル信号送受信。フィールドバスアプローチ：ツイストペアと関連配線必要性低減（図4）。

図4 リモートルーム端末とフィールドバス付きDCS

様々フィールドネットワークプロトコル：フィールドデバイス、計器、制御システム間デジタル情報と指示転送能力提供。フィールドバスソフトウェア：コンポーネント間情報流仲介。複数ディジタルデバイス接続、ディジタル通信ライン経由相互通信可能、配線大幅削減。

プロセス制御ソフトウェア

最も広く採用ユーザーフレンドリーアプローチ：フォーム入力/テーブル駆動プロセス制御言語（PCL）。人気PCL：ファンクションブロック図、ラダーロジック、プログラマブルロジック。これら言語コア：基本ファンクションブロック/ソフトウェアモジュール多数、アナログ入力、ディジタル入力、アナログ出力、ディジタル出力、PID等。一般に各モジュール：1つ以上入力、1出力。プログラミング：ブロック出力を他ブロック入力へグラフィカルユーザーインターフェース経由接続。ユーザー：入力値ソース、出力値デスティネーション、モジュール用フォーム/テーブルパラメータ指定テンプレート記入。ソース/デスティネーションブランク：適切時プロセスI/Oチャネル、タグ名指定可能。モジュール接続のため、一部システム：データ発信/受信モジュールタグ名記入要求。ユーザー指定フィールド：特殊機能、セレクター（最小/最大）、コンパレータ（以下/以上）、タイマー（活性化遅延）。ほとんどDCS：ファンクションブロック作成可能。

施設制御階層

技術プロセス5レベル：様々最適化、制御、監視、データ収集活動実施（図5）。図各ブロック相対位置概念的、機能オーバーラップ可能。各レベル活性相対タイムスケールも示す。5概念制御レベル各々独自ハードウェア、ソフトウェア、技術、カスタマイズ要件/ニーズ。情報階層上流、制御決定下流流れるため、特定レベル効果的制御は、関心レベル下すべてレベルうまく機能時のみ発生。最高レベル（計画スケジューリング）：供給ロジスティクス制約満たす生産目標設定、時間変動能力と人員活用決定対応。エンタープライズリソースプラニング（ERP）呼称。

図5 プロセス制御と最適化5レベル

一般に、様々制御アプリケーションレベル以下1つ以上目的狙う：(i) 実用的最適操作点決定維持、(ii) 人員設備保護安全操業維持、(iii) オペレーター注意介入必要性最小化、(iv) アップセット/擾乱数、範囲、伝播最小化。

計装

制御ループ構成要素。計装：プロセスと制御階層直接インターフェース提供、プロセス状態基本情報源、是正措置プロセス伝達究極手段。プロセス測定デバイス機能：プロセス変数値、値変化感知。実際センシングデバイス：物理的動き、圧力信号、ミリボルト信号等生成可能。トランスデューサ：測定信号物理/化学量から別物理/化学量変換、例：圧力→ミリアンペア。変換信号伝送線経由制御室伝送。トランスミッタ：信号発生器、ラインドライバー。現代制御機器：表示、制御アルゴリズム用ディジタル信号必要、アナログ-ディジタル変換器（ADC）トランスミッタアナログ信号ディジタル形式変換。

最も一般的測定プロセス変数：温度、流量、圧力、レベル、組成。適切時他物理的特性も測定。特定アプリケーション適切計装選定：流体/固体タイプ/性質、関連プロセス条件、レンジアビリティ、精度、再現性要求、応答時間、設置コスト、保守性、信頼性等因子依存。

信号伝送と調整

プロセス状態特徴付け必要プロセス変数測定に、多様現象使用。ほとんどプロセス制御室操作されるため、これら値制御室利用可能必要。したがって、測定値通常電子形態（多く4-20mA）変換、リモート端末ユニット経由制御室伝送。これら測定信号がアース電流、他電気機器/配電干渉、他ノイズ源によって汚染されないよう、適切注意特に重要。

最終制御要素

階層レベル良好制御、次下位レベル最終制御要素良好性能必要。上位制御レベルでは、最終制御要素は次下位制御レベル制御アプリケーション可能。しかし、制御コマンド最終的に制御レベル最終制御要素（制御弁、ポンプ、ダンパー、ルーバー、フィーダー等）経由プロセス影響。

プロセスダイナミクスと数学モデル

技術プロセス時間依存振る舞い徹底理解、プロセス計装制御ため必要。これには数学ツール分析設計プロセス制御システム雇用理解必要。自動制御利用複数数学原理：(i) 物理モデル、経験モデル、(ii) 動的モデルシミュレーション、(iii) ラプラス変換、伝達関数、ブロック図、(iv) 実験データ動的モデルフィッティング等。

フィードバック制御システム

多くプロセス制御問題で制御変数測定値利用可能。特に温度、圧力、流量制御場合。これら状況では制御変数直接測定可能、操作変数最終制御要素経由調整。フィードバックコントローラー：非ゼロ誤差信号検出時、制御変数セットポイント逸脱で行動。フィードバック制御タイプ：(i) オン/オフ制御、(ii) 比例制御、(iii) 比例積分（PI）制御、(iv) 比例積分微分（PID）制御、(v) デジタルPID。

最も単純コントローラー：2設定のみ、オン/オフコントローラー呼称。出力：誤差符号依存、最大/最小値。単純だが稀使用。比例コントローラー：オン/オフより柔軟性、操作変数誤差符号だけでなく大きさも関連。実際比例コントローラー入出力振る舞い：上下限界、制御限度到達時出力飽和。コントローラー出力標準限度：空気圧3-15 PSI、電気4-20mA、ディジタル0-10 VDC。

制御ループに積分作用包含必要：定常負荷擾乱またはセットポイント変更存在時オフセットフリー応答必要。プロセス自体積分挙動示さない場合、比例積分コントローラー実装で望ましい性能達成可能。コントローラー積分作用メリットデメリット両方。PIコントローラー欠点一つ：積分作用で比例コントローラーより鈍い反応可能。オフセットフリーでより高速応答重要なら、微分と積分作用両方コントローラー包含で達成可能。誤差信号将来振る舞い予測ため、PIDコントローラー誤差変化率計算、誤差信号方向傾向コントローラー出力影響。多くコントローラー伝統的アナログPI/PID、ディジタル制御システム傾向もコントローラー実装影響。多く現代プラントでアナログPI/PIDコントローラーディジタル対応置換。

開ループと閉ループダイナミクス

開ループダイナミクス：コントローラー作用しないプロセス振る舞い。同様に、比例定数ゼロ設定でコントローラー無効化、制御システム開ループ振る舞い、システムダイナミクスプロセスのみ決定。したがって、入力手動変更なしで開ループ新セットポイント到達不可。コントローラーなしプロセス操作時擾乱除去不可。

閉ループ制御目的：システム望ましい性能達成。システム安定化、セットポイント変更高速応答、擾乱除外能力結果可能。コントローラータイプ選択、コントローラー調整パラメータ値が閉ループ振る舞い影響。制御プロセスで、高速応答、少/無オフセット結果コントローラー設定見つけ必要。同時に、システムプロセス特性変化にロバスト必要。適切設定見つけ「チューニング」呼称。

コントローラーチューニングと安定性

コントローラー最適チューニングパラメータ見つけ重要タスク。不適切パラメータ：望ましい閉ループ性能未達成（緩やか減衰振動、遅いプロセス等）。また、不適切チューニングコントローラー閉ループプロセス、開ループケースより悪性能結果可能、プロセス不安定化可能性も。

プロセス制御用数学ソフトウェア

コントローラー設計、テスト、実装プロセスサポート様々ソフトウェアパッケージ利用可能。

高度制御技術

シングルループPI/PIDフィードバックコントローラー多くプロセスアプリケーション満足も、高度制御技術で閉ループ性能大幅改善可能ケース存在。これらプロセスしばしば以下現象1つ以上示す：(i) 遅いダイナミクス、(ii) タイムディレイ、(iii) 頻繁擾乱、(iv) 多変数相互作用。多数高度制御戦略使用。重要いくつか簡単説明。

フィードフォワード制御

大きいタイムラグ/遅延従来フィードバック制御欠点一つ：制御変数セットポイント逸脱後まで擾乱認識されない。しかし、負荷擾乱直接測定可能なら、フィードフォワード制御適用し、負荷擾乱制御変数へ影響最小化可能。負荷擾乱測定可能に加え、負荷擾乱制御変数へ影響数学的相関決定必要。理由：フィードフォワードコントローラーこのモデル逆転し、擾乱影響キャンセル。フィードフォワードコントローラー：プロセス定常状態/動的振る舞いベース設計可能。

カスケード制御

複数/遅効性擾乱プロセス制御別可能性：カスケード制御実装。カスケード制御主アイデア：擾乱除外に1つ以上コントローラー使用。代わりにセカンダリコントローラー追加、遅効性擾乱プライマリ制御変数影響前行動。このためセカンダリコントローラーもセカンダリ測定点必要、プライマリ制御変数影響前アップセット条件認識位置配置。カスケード制御戦略：最も人気プロセス制御戦略うち。

セレクティブとオーバーライド制御

一部プロセス：制御変数多く操作変数より。正確制御/操作変数ペアリング不可能。一般的解決：セレクターと呼ばれるデバイス使用、複数有効測定から適切プロセス変数選択。セレクター目的：特定プロセス操作条件適切制御変数選択で、制御システム性能向上、危険操作条件から設備保護。セレクター：複数測定点、複数最終制御要素、複数コントローラーベース可能。

適応制御とオートチューニング

プラント操作中操作条件頻繁変化。コントローラー設計使用モデルからプロセス振る舞い異なる導く。したがって、コントローラー現在操作点正確プロセス知識持たず、適切擾乱除外/セットポイント追跡不能可能性。これを回避可能性：適応制御システム使用、コントローラーパラメータ自動調整、プロセス条件変化補償。オートチューニング関連手法：閉ループシステム定期テスト、テスト特性自動新コントローラー設定決定。

ファジィロジック制御

多くプロセス：正確プロセスモデル決定非常に時間消費。同時に、操作変数プロセス条件どう反応すべきか直感的大まか見積もり可能場合あり。このケース、ファジィロジックコントローラー従来PIDコントローラー優位性提供可能。理由：ファジィコントローラー正確プロセス数学的記述不要。代わりに、コントローラー入出力分類、いくつかグループ（低、正常、高）所属。ファジィルール用い、与え入力から出力カテゴリー計算。ルール：制御エンジニア提供、またはオートチューニングでプラント操作から特定。ファジィロジックコントローラーニューラルネットワーク組合せ、ニューロファジィコントローラー形成可能。このタイプコントローラー：時間経過特性変化非線形システム適用時、従来PID大きな優位性提供可能。

統計的プロセス制御（SPC）

SPC、別名統計的品質管理（SQC）、近年生産性向上注目高まり、広範応用見出す。利用増加別理由：フィードバック制御、オンライン測定不足で多くプロセス適用不能。しかし、これらプロセス満足稼働か知ること重要。SPCはプロセス望ましいターゲットから逸脱中是正措置講じられないが、製品品質満足でない可能性指標として機能、プラントさらなる操作是正措置必要示唆。

満足稼働プロセス：製品品質変動許容限度内。限度通常指定特性最小/最大値対応。正常操作データ用い、観測系列からプロセス変数平均偏差、標準偏差s計算可能。標準偏差：変数値平均周り分布尺度。大き値：変数幅広変動示唆。プロセス変数正規確率分布従う仮定なら、99.7%全観測上限下限内存在。制御品質判定用可能。全プロセスデータ限度内なら、記録期間中異常なし、プロセス環境比較的不変、製品品質仕様内と結論可能。一方、限度繰返し違反なら、プロセスアウトオブコントロール、プロセス環境変化結論可能。一度判明なら、プロセスオペレーター操作条件調整、プロセス条件発生望ましくない変化対抗行動可能。

多変数制御

多く技術プロセス：複数操作変数、制御変数含有。多変数制御システム呼称。制御ループ間相互作用分析可能、相対利得アレイ等技術。ループ間相互作用小さいだけなら、入出力有利ペアリング可能、シングルループコントローラー独立チューニング使用可能。しかし、強い相互作用存在なら、コントローラー非同調必要、発振低減。

モデル予測制御（MPC）

MPC：モデルベース制御技術。複数入力複数出力（MIMO）多変数制御問題、入力/出力不等式制約（上下限）対応可能で最も人気技術。これらすべて問題、最適化問題解くことでMPC対処、複雑オーバーライド制御戦略不要。予測用様々モデルタイプ使用可能。適切モデルタイプ選択：制御対象アプリケーション依存。モデル：第一原理ベース、または経験モデル。供給モデル：線形/非線形、MPCソフトウェアサポート条件で両方可能。

リアルタイム最適化

プロセス施設操作目的：経済性、製品注文、原材料/ユーティリティ可用性等設定。異なる時点、特定操作目的達成ため異なる方法操業有利/必要。技術プロセス：動的統合環境、外部/内部条件で各操作目的最適操作点時間変動。これら操作点：リアルタイムプロセス最適化（RTO）計算可能、最適化：モデル予測コントローラー内最適化、スーパーバイザリコントローラー最適操業ターゲット決定、生産サイクル最適化等複数レベル実施可能。日次/時間次最適化技術で解決可能プラント全体問題：数千〜数万変数含む大規模可能。

バッチとシーケンス制御

バッチプロセス：原材料と中間製品に、定義順序で複数処理ステップ順次実行、離散バッチ製品製造。大量生産：プロセス繰り返し達成。レシピ：バッチ処理で定義範囲あるが、一般に特定グレード製品製造ためデータ、操作、制御ステップセット手順。フォーミュラ：レシピパラメータリスト、原材料、処理パラメータ、製品出力含む。レシピ手順：正常/異常条件操作含む。各操作：特定成分（量）リソース要求含む。レシピ操作：セットポイント調整、設備オン/オフ可能。特定レシピ完全生産ラン：キャンペーン（複数バッチ）。生産ラン：同一原材料、同一製品、顧客需要満たす指定バッチ数。蓄積バッチ：ロット呼称。

マルチグレードバッチ処理：バッチ間指示同一、フォーミュラ変更で製品控えめ変動生成。フレキシブルバッチ処理：フォーミュラ（レシピパラメータ）と処理指示両方バッチ間変更可能。各製品レシピ：必要原材料、リアクター内条件シーケンス方法指定、所望製品製造ため。

バッチプロセス制御階層

バッチプロセス制御機能制御活動4カテゴリー要約：(i) バッチシーケンシングとロジック制御、(ii) バッチ中制御、(iii) ランツーラン制御、(iv) バッチ生産管理。

バッチシーケンシングとロジック制御：レシピ関与制御ステップシーケンシング。例：成分混合、加熱、反応完了待機、冷却、結果製品排出。バッチリアクター材料移送：投入時材料メータリング（各レシピ指定）、プロセス操作完了時材料移送。離散制御ステップロジックに加え、安全インターロックロジック必要：人員、設備、環境不安全条件保護。プロセスインターロック：プロセス操作正しい時間順序、所定期間のみ発生保証。バッチ操作終了（エンドポイント）検出：直接測定不可時、製品品質推測測定実行可能。

ランツーラン制御（バッチツーバッチも呼称）：ラン末期オフライン製品品質測定ベーススーパーバイザリ機能。バッチ操作条件プロファイル、ラン間調整、最適化等ツール用い製品品質改善。バッチ生産管理：プラントオペレータープロセスステータス助言、レシピとシーケンシャル、レギュラトリ、ディスクリート制御相互作用方法。各製品グレード製造完全情報（レシピ）維持：成分名/量、プロセス変数セットポイント、ランプレート、処理時間、サンプリング手順。他データベース情報：シフト/日次/週次生産バッチ、材料/エネルギーバランス。プロセスユニットスケジューリング：原材料/設備可用性、顧客需要ベース。

シーケンシャルファンクションチャート

連続プロセス比較：バッチプロセス制御、レギュラトリ制御ループより離散ロジックとシーケンシャル制御高割合必要。バッチ制御アプリケーション：離散入出力、アナログ出力ベース、プロセスステップタイミングとシーケンシング制御。制御レベル内/間インタラクティブロジック複雑性、オペレーター必要相互作用、継続的アプリケーション修正保守必要性：組織化、機能設計、明確ドキュメンテーション、バッチ制御アプリケーション成功使用極めて重要。実行内容記述ため、構造モデル通常使用：要求バッチ処理アクション、バッチ設備、コンポーネント組合せ表現。バッチ制御アプリケーション記述様々フォーマット提案：例、バッチ処理ステップバッチ設備/計装実行方法、制御レベル間インターフェース、バッチ制御/オペレーターアクション/応答インターフェース、安全インターロック相互作用/調整。提案フォーマット：フローチャート、ステートチャート、決定表、構造化疑似コード、状態遷移図、ペトリネット、シーケンシャルファンクションチャート。シーケンシャルファンクションチャート（SFC）：制御プログラム順次振る舞いグラフィカル記述。