JP2000056805A

JP2000056805A - 予測制御装置

Info

Publication number: JP2000056805A
Application number: JP22276898A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Yamada; 昭彦山田; Yoshio Sato; 美雄佐藤; Masahide Nomura; 政英野村; Toru Kimura; 木村　　亨; Shinya Kikuchi; 信也菊池
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-08-06
Filing date: 1998-08-06
Publication date: 2000-02-25

Abstract

(57)【要約】【課題】調整期間が短く、予測制御性能が高いプロセス
の予測制御装置を提供することにある。【解決手段】蒸気温度予測部３１０は、予測部３３０
と、その出力である予測値Ysとプラント出力値（被制御
量）Yとのいずれか一方を制御器３２０にフィードバッ
クするための切替部３３２と、パラメータ調整部３４０
とを備え、パラメータ調整部３４０は、制御器３２０の
機能を模擬した制御器モデル３４６、制御対象１００の
機能を模擬した制御対象モデル３４４、予測部３３０を
模擬した予測機能モデル３５０、制御対象モデル３４４
と予測機能モデル３５０とのパラメータを調整するモデ
ル調整部３４２、及び、制御器３２０のパラメータK_c、
T_cと予測部３３０での予測時間間隔τ_sとを決定するパ
ラメータ最適化部３４８から構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プロセスの将来の
状態を予測し、その予測結果に基づいて操作量を決定し
て制御する予測制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プロセスの応答特性として、応答時間遅
れが大きいものがある。例えば火力発電プラントでは、
燃料投入量に変更を加えてから主蒸気温度が変化するま
での時間が長く、その時定数は数分〜２０分程度であ
る。

【０００３】従って通常のフィードバック制御では制御
偏差（主蒸気温度偏差）が大きくなるという問題があっ
た。

【０００４】これに対して、将来のプロセス状態を事前
に予測し、その予測値に基づいて操作量を決定する予測
制御方法がある。火力プラントを対象にした予測制御方
法には、例えば以下のものがある。

【０００５】（1）特開平6-266408号公報（2）特開平9-274507号公報（3）特開平7-84608号公報上記従来技術（1）及び（2）では、通常、プラントの被
制御量をフィードバックして、その目標値との偏差に基
づいて比例・積分制御をする代わりに、被制御量の将来
の予測値をフィードバックする方式としている。

【０００６】また、上記従来技術（3）には、最適制御
理論に基づき操作量の変化分を計算する方法が述べられ
ている。しかし、上記従来技術（1）及び（2）のように
実績があり、制御偏差と操作量との関係が分かり易い比
例・積分制御方式の方が適用しやすいプロセスも多い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術（1）及
び（2）では、予測制御方式により制御性能が向上する
ことが述べられている。従来技術（1）及び（3）では予
測に使用するモデルの調整方法が記載されている。

【０００８】しかし、多くの分野またはプロセスで広く
用いられている比例・積分制御器を備えた制御系では、
プロセス量測定値に基づいて制御する場合と、予測値に
基づいて制御する場合とでは、制御性能を最大限に発揮
する比例・積分制御器のパラメータは異なる。また、ど
れくらい先の時間のプロセス量を予測するのが最も適し
ているのかということも問題である。上記従来技術に
は、それらの調整方法については述べられていない。

【０００９】本発明の目的は、調整期間が短く、予測制
御性能が高いプロセスの予測制御装置を提供することに
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、プロセス量の
将来値を予測する予測手段と、該予測値に基づいて操作
量を決定する制御器とを有する予測制御装置において、
前記予測手段および前記制御器で使用されるパラメータ
の少なくとも一つを調整するパラメータ調整手段を具備
することを特徴とする。

【００１１】ここで、前記パラメータ調整手段は、例え
ば、前記制御器を模擬するモデルと、前記制御器の制御
対象を模擬するモデルと、前記予測手段を模擬するモデ
ルとを少なくとも有し、これらのモデルを使用して予め
定めた制御性能評価値を演算し、該演算結果に基づい
て、予測時間間隔と前記制御器のパラメータのうちの予
め定めたパラメータの値とを決定することが好ましい。

【００１２】また、予測可能な時間間隔の範囲あるいは
値が与えられる場合には、前記パラメータ調整手段が、
予め定まっている予測時間間隔の範囲あるいは値を用い
て、前記制御器のパラメータを調整することが好まし
い。

【００１３】また、前記パラメータ調整手段によるパラ
メータの調整処理は、前記制御器の制御対象の動作デー
タを用いてオフラインで実施したり、あるいは前記制御
器の制御対象の動作中にオンラインで実施する構成とし
てもよい。

【００１４】また、上記発明の予測制御装置において、
前記制御器が比例制御器と積分制御器とを少なくとも具
備して構成されており、前記パラメータ調整手段が少な
くとも前記制御器の比例ゲインと積分時間を調整するこ
とが好ましい。

【００１５】また、上記発明の予測制御装置において、
例えば、前記制御器の制御対象を火力発電プラントに備
えられているアクチュエータとし、前記予測手段が予測
するプロセス量を蒸気温度または蒸気エンタルピーとす
る。

【００１６】また、前記予め定めた制御性能評価値を求
める数式には、前記プロセス量の一つである被制御量の
変化率に対して、その目標値との偏差量を算出する項が
少なくとも含まれていることが好ましい。

【００１７】また、上記発明の予測制御装置において、
前記パラメータ調整手段によって決定されたパラメータ
の値、および、該パラメータ値を用いて前記各モデルに
よりシミュレーションを実行し、前記プロセス量の一つ
である被制御量に対応する計算値の時間応答波形を示す
画像データを生成し、該画像データを表示する画像表示
手段をさらに具備する構成としてもよい。

【００１８】また、上記発明の予測制御装置において、
前記被制御量の目標値を経過時間の関数として入力する
目標値入力手段と、前記入力した目標値を示す画像デー
タを生成して表示する目標値表示手段とをさらに具備す
る構成としてもよい。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態について説明
する。

【００２０】本実施形態では、本発明を火力発電プラン
トの蒸気温度予測制御に適用した例について述べたもの
である。以下、図を参照して説明する。

【００２１】対象とする石炭焚き火力発電プラント１０
０の構成例を図２に示す。ボイラ１５０では燃料と空気
をバーナー１６０に供給して燃焼させ、給水ポンプ１４
０により循環する供給水を火炉水壁１５２で蒸発させ
る。さらに過熱器１５４で昇温して過熱状態となった蒸
気はタービン加減弁１２１を介して高圧タービン１３０
に導かれて高圧タービン１３０を駆動する。高圧タービ
ンを通過した蒸気は再熱器１５６で再び昇温されて低圧
タービン１２０に入る。高圧タービン１３０および低圧
タービン１２０の回転により発電機１１０で電力を発生
させる。

【００２２】以降、高圧タービン１３０入口の蒸気を主
蒸気、低圧タービン１２０入口の蒸気を再熱蒸気と称す
る。

【００２３】火力発電プラントには、上記構成機器の他
にもタービンを駆動後の蒸気を冷却水１２６により冷却
する復水器１２５や燃焼排ガス処理装置１７０などの機
器もある。排ガス処理装置１７０を通過したガスは、煙
突１７５から大気へ放出される。

【００２４】プラント１００の運転状態は、発電機出力
計測器１１１、主蒸気温度（過熱器出口蒸気温度）測定
器１２２、過熱器入口蒸気温度測定器１２７、主蒸気圧
力測定器１２３、再熱蒸気温度測定器１２４等のデータ
測定装置で計測され、運転制御装置３００へ伝送され
る。プラントには、この他にも種々のプロセス量を計測
するための装置が取り付けられており、それらによる計
測値も運転制御装置３００で取込んでいる。ここでは、
それらの詳細な説明は省略する。

【００２５】本発明が適用される運転制御装置３００は
これらのプロセスデータを基にして、プラントの運転状
態を把握し、プラントが望ましい状態になるように燃料
流量調節弁１６２、空気流量調節弁１６１、タービン加
減弁１２１、給水ポンプ１４０などの機器を制御してい
る。

【００２６】本発明では、石油やガスなどの燃料の種類
は問わないが、例えば石炭を燃料とする場合は石炭を粉
砕する微粉炭機を制御して燃料流量を調整する。

【００２７】火力プラントでは主蒸気温度のように、応
答時間が比較的大きい制御量があり、この制御は一般に
難しいとされている。そこで、主蒸気温度の制御に、本
発明の予測制御方法を適用する。

【００２８】予測制御の目的は、時定数が大きく、応答
が遅いプロセス値に対して、その将来の挙動を予測し、
先行的に操作量を決定することにより、制御精度を向上
させることである。

【００２９】予測制御方法の概要を示す。目的とする時
間先の主蒸気温度の目標値を計算する。主蒸気温度目標
値は、一定である場合もあるが、負荷変化に伴って目標
値が変化する場合がある。

【００３０】負荷変化計画が既知の場合には、負荷の関
数である蒸気温度目標値Rs（数１）から、その負荷変化
計画に基づいて将来の負荷変化を算出する。

【００３１】

【数１】

【００３２】将来の負荷変化が未知の場合には、現在サ
ンプリングステップkでの蒸気温度目標値Rs（k）と１サ
ンプリングステップ前の目標値Rs（k-1）と、サンプリ
ング時間間隔Δt秒から、n秒先の目標値を次式で算出す
る。

【００３３】

【数２】

【００３４】本例では、目標値の変化を一次式で近似し
て求めているが、本発明ではこの方法に限定されるもの
ではない。

【００３５】このようにして求めた将来の蒸気温度目標
値に対して、蒸気温度が将来の同時刻に何度Ｃになるか
を蒸気温度予測部３１０で予測する。蒸気温度予測部３
１０の詳細機能は後述する。

【００３６】操作量の決定方法を説明する。制御方式は
ＰＩ（比例・積分）制御を採用している。その具体的計
算方法は次式である。

【００３７】

【数３】

【００３８】

【数４】

【００３９】ここで、uは操作量値、Δuは操作量値の変
化分、Ysは蒸気温度予測値、Kcは比例ゲイン、Tcは積分
時間である。

【００４０】蒸気温度制御の操作量としては、燃料流
量、過熱器スプレ流量、ガス再循環流量があり、それら
を本発明の予測制御方法を用いて制御している。過熱器
スプレ流量調節弁、ガス再循環ポンプは図２では省略し
ている。また、これらの操作量のうちいずれか一つ、ま
たは二つを選択してもよく、それ以外の操作量を本発明
の予測制御方法により操作してもよい。

【００４１】それぞれの操作量uが決定されると、この
値によりプラント１００の燃料流量調節弁１６２の開度
やスプレ流量調節弁開度、ガス再循環ポンプ出力などが
操作される。

【００４２】蒸気温度などのプロセス値は各種センサで
計測されて、次の時間ステップの蒸気温度予測部３１０
（図１参照）に入力される。各種プロセス値の測定値
は、蒸気温度予測部３１０のみならず、運転制御装置３
００の他の部にも入力されて、他の操作量を算出するた
めに用いられる。

【００４３】本実施形態における運転制御装置３００の
構成を説明する。

【００４４】運転制御装置３００は、図３に示すよう
に、マスタ制御部３７０とそれに基づくサブループ制御
部３９０とで構成されている。

【００４５】マスタ制御部３７０は通常制御コントロー
ラ３７５と、本発明を適用している蒸気温度予測制御コ
ントローラ３８０とに分かれている。蒸気温度予測制御
コントローラ３８０には、図１を用いて後述する、予測
部３３０やパラメータ調整部３４０を有する蒸気温度予
測部３１０が備えられている。

【００４６】サブループ制御部３９０には、タービン制
御コントローラ３９１、給水ポンプコントローラ３９
２、燃料流量調節弁コントローラ３９３、押込みファン
コントローラ３９４、誘引ファンコントローラ３９５、
スプレ流量コントローラ３９６、および、ガス再循環流
量コントローラ３９７が備えられている。

【００４７】これらのコントローラは互いに信号伝送ネ
ットワーク４００に接続されており、信号の授受が可能
である。サブループ制御部３９０の各コントローラから
の出力は、プラント１００の各アクチュエータ１０１に
送られ、対応する機器の動作を制御する。

【００４８】本運転制御装置３００は、例えば図４に示
す構造を備える情報処理装置３００ａによって実現する
ことができる。

【００４９】本例の情報処理装置３００ａは、外部入力
インターフェイス３０１、出力インターフェイス３０２
を介して信号伝送ネットワーク４００と接続されてい
る。受信した信号を必要に応じて記憶装置３０３に格納
しながら、演算処理装置３０４にて各種指令信号を演算
・生成する。指令信号は出力インターフェイス３０２お
よび信号伝送ネットワーク４００を介して制御対象とな
る各機器へ送られる。

【００５０】また、外部入力インターフェイス３０１に
はキーボード９３０とマウス９４０とからなる外部入力
装置９００及びデータ記憶装置５００が接続されてい
る。また出力インターフェイス３０２には画像表示装置
９１０と磁気ディスク装置９５０が接続されており、運
転員とのインターフェイスとして機能する。

【００５１】次に、蒸気温度予測部３１０について、図
１を用いて説明する。

【００５２】本実施形態では、予測値（蒸気温度）に基
づいて燃料流量、スプレ流量を制御する場合の例につい
て説明する。本例において、図１の制御器３２０は図３
に示す燃料制御器３９３、スプレ制御器３９６に相当す
る。

【００５３】蒸気温度予測部３１０は、予測部３３０
と、その出力である予測値Ysとプラント出力値（被制御
量）Yとのどちらか一方を制御器３２０にフィードバッ
クするための切替部３３２と、本発明の特徴であるパラ
メータ調整部３４０とを備えている。

【００５４】予測部３３０で実施される予測方法の処理
手順を具体的に説明する。

【００５５】過熱器１５４の入口蒸気温度と出口蒸気温
度はそれぞれ温度測定器１２７、１２２で測定され、そ
の値は予測部３３０に取り込まれている。

【００５６】予測部３３０では、熱交換器の特性をエネ
ルギー保存式に基づいてモデル化している。モデル式を
示す。

【００５７】

【数５】

【００５８】

【数６】

【００５９】ここで、Vは容積[m³]、γは比重量[kg/
m³]、Hはエンタルピー[J/kg]、Fは流量[kg/s]、Aは伝熱
面積[m²]、αは熱伝達率[J/(m²・s・K)]、θは温度[°
C]、Mは重量[kg]、Cは比熱[J/(kg・K)]である。また、添
え字sは蒸気、mは伝熱管（メタル）、msは伝熱管から蒸
気、gmは燃焼ガスから伝熱管、inは入口位置、oは出口
位置をそれぞれ表す。

【００６０】

【数７】

【００６１】

【数８】

【００６２】ここに、C_Psは定圧比熱[J/(kg・K)]、H_sBo
は基準エンタルピ[J/kg]である。

【００６３】数５、６に、数７、８を代入して整理する
と次式が得られる。

【００６４】

【数９】

【００６５】

【数１０】

【００６６】ここで、数９、１０を整理すると次式とな
る。

【００６７】

【数１１】

【００６８】

【数１２】

【００６９】

【数１３】

【００７０】

【数１４】

【００７１】

【数１５】

【００７２】

【数１６】

【００７３】

【数１７】

【００７４】

【数１８】

【００７５】

【数１９】

【００７６】

【数２０】

【００７７】

【数２１】

【００７８】

【数２２】

【００７９】数１１及び１２を時間的に離散化し、マト
リクス表現すると次式となる。

【００８０】

【数２３】

【００８１】

【数２４】

【００８２】

【数２５】

【００８３】

【数２６】

【００８４】

【数２７】

【００８５】

【数２８】

【００８６】数２３が状態方程式であり、出力方程式は
次式で表される。

【００８７】

【数２９】

【００８８】ここで、Z_Mは観測ベクトル（x₁：出口蒸気
温度に対応）、C_Mは観測行列、V_Mは観測ノイズベクトル
である。

【００８９】この物理式モデルに基づいて蒸気温度を予
測する。状態Ｘ_M（k）のうち、x₁（過熱器出口蒸気温
度）は測定可能であるが、x₂（過熱器伝熱管温度）は測
定困難であるため、カルマンフィルタを適用して状態Ｘ
_M（k）を推定する。

【００９０】カルマンフィルタを用いた予測部３３０の
アルゴリズムを説明する。

【００９１】現在サンプリングステップをkとすると、
（k-1）サンプリングステップにおける諸値を用いて物
理モデル式（数２３）より算出した状態値には上付き添
字Ｐを、カルマンフィルタを構成して求める最尤推定値
には上付き添字ＳＰをつけて表すことにする。

【００９２】Ｘ_M ^SP（k）は次式により求められる。

【００９３】

【数３０】

【００９４】

【数３１】

【００９５】

【数３２】

【００９６】

【数３３】

【００９７】ここで記号Ｔは転置行列、-1は逆行列を意
味する。

【００９８】この予測部３３０を用いて、繰り返し計算
することによって将来の蒸気温度を予測する。

【００９９】さて、上記数６の右辺には過熱器入口ガス
温度θ_ginが必要であるが、高温のガス温度は直接計測
することが困難であるため、この値を推定して用いる必
要がある。

【０１００】まず、火炉に投入される燃料流量、空気流
量、ガス再循環流量などから火炉投入総熱量Qtを計算
し、火炉水壁での総熱吸収量Qw及びその他の対象熱交換
器前段までの熱吸収量Qhexを仮定して、次式のように燃
焼ガス保有熱量Qgを算出する。

【０１０１】

【数３４】

【０１０２】

【数３５】

【０１０３】ここで、βは火炉の輻射熱伝達係数、Cpg
はガス比熱、Fgは燃焼ガス流量である。

【０１０４】燃焼ガス温度θgは次式により算出してい
る。

【０１０５】

【数３６】

【０１０６】以上、予測方法の具体的方法を述べたが、
本発明は本例の予測方法に限定されるものではない。

【０１０７】特に、過熱器入口ガス温度θ_ginは数３４
〜３６により決定するのではなく、例えば以下の方法で
決定してもよい。

【０１０８】すなわち、現在サンプリングステップをk
とすると、ステップ（k-1）での諸値を用いて数３６に
より現在の過熱器出口蒸気温度を推定する。将来の蒸気
温度を予測するためには、（k-1）時点で得られる情報
から、現在ステップkの蒸気温度が正しく求められてい
ることが前提になる。この関係を将来も維持していると
いう仮定の基で予測しているからである。

【０１０９】推定しているガス温度θ_ginが適切でない
と、Ｘ_M ^SP（k）に誤差を生じる原因になる。そこで、本
発明では、現在ステップｋにおける過熱器出口蒸気温度
x₁（k）（＝θ_so（k））の測定値と、ステップ（k-1）
における伝熱管温度の最尤推定値x₂ ^SP（k-1）（＝θ_m ^SP
（k-1））を用いて、物理モデル式（数２３）の関係か
ら次式を導き、ガス温度θ_ginを算出する。

【０１１０】

【数３７】

【０１１１】ここで、θ_so（ｋ）はステップkにおける
出口蒸気温度測定値である。

【０１１２】本例の方法によれば、現在ステップkにお
ける過熱器出口蒸気温度の推定値が測定値と一致するよ
うに、ガス温度を決定することができる。この方法によ
れば、逐次、適切なガス温度を決定できるので、現在ス
テップにおけるモデル誤差が小さくなる。

【０１１３】また、ガス温度推定用の火炉モデルを準備
する必要がなく、従って、そのモデルのパラメータ調整
も不要である。また、モデル誤差が小さいため、予測精
度が向上する。

【０１１４】なお、本例では過熱器入口蒸気温度θ_sin
はサンプリングステップ（k-1）における値を用いてい
るが、ステップkにおける測定値を用いてもよい。

【０１１５】次に、本発明の特徴であるパラメータ調整
部３４０、およびそこで実行される予測時間間隔及びPI
パラメータの調整方法について説明する。

【０１１６】本実施形態におけるパラメータ調整部３４
０は、図１に示すように、制御器３２０の機能を模擬し
た制御器モデル３４６、制御対象１００の機能を模擬し
た制御対象モデル３４４、予測部３３０を模擬した予測
機能モデル３５０、制御対象モデル３４４と予測機能モ
デル３５０とのパラメータを調整するモデル調整部３４
２、及び、制御器３２０のパラメータK_c、T_cと予測時間
間隔τ_sとを決定するパラメータ最適化部３４８から構
成されている。

【０１１７】制御器モデル３４６はPI（比例・積分）制
御器を表す次式の伝達関数で定義する。

【０１１８】

【数３８】

【０１１９】ここで、sはラプラス演算子である。

【０１２０】制御対象モデル３４４は一次遅れと無駄時
間で模擬し、次式の伝達関数で定義する。

【０１２１】

【数３９】

【０１２２】ここで、K_p、T_p、L_pはそれぞれ、ゲイン、
時定数、無駄時間に相当するモデルパラメータである。

【０１２３】予測機能モデル３５０は次式の伝達関数で
定義する。

【０１２４】

【数４０】

【０１２５】

【数４１】

【０１２６】ここで、α、β、T_yは予測モデルパラメー
タであり、αとβの大小関係を調節することにより予測
時間間隔τ_sを、また、T_yを調節することにより予測波
形の振幅を調整できる。

【０１２７】最初、制御対象モデル３４４の応答特性を
実際の制御対象１００の特性と合わせる必要がある。火
力プラントでは、プラント新設時や定期検査終了時にプ
ラント特性を把握するために試験運転を実施する。

【０１２８】その一つとして、各種操作量に対してステ
ップ応答試験を実施する。モデル調整部３４２はそのス
テップ応答試験のデータを取り込み、制御対象モデル３
４４のモデルパラメータK_p、T_p、L_pを調整する。

【０１２９】これらの調整には、運転員が介入し、試運
転データを用いてオフラインで実施する。図５に、モデ
ル調整部３４２によるモデルパラメータの調整処理に際
して用いるマンマシンインターフェイスのための表示画
面例を示す。図５に示す画像は、例えば図４の画像表示
装置９１０に表示される。これに対して、運転員は外部
入力装置９００を用いて操作やデータ入力を行う。

【０１３０】本例においては、グラフ表示エリア９１１
にプラント試運転時のステップ応答の応答波形９１５が
所定のフォーマットでグラフ表示される。モデル調整部
３４２は、応答波形９１５からモデルパラメータK_p、
T_p、L_pを決定するための補助線９１２、９１４、９１６
を求め、これらの補助線を前記表示されたグラフ上に重
ねて表示させる。

【０１３１】補助線９１４は、ステップ応答試験開始時
の定常状態の出力レベルＡを表しており、画面上でマウ
スポインタカーソル９１８を用いて上下に移動させるこ
とができる構成となっている。出力レベルＡは、数値表
示エリア９２０の該当する領域に、例えば定格レベルに
対するパーセントで表示される。

【０１３２】また、数値表示エリア９２０には出力レベ
ルＡの他、各種数値が表示され、その値をキーボード９
３０からの入力により直接変更することが可能な構成と
する。また、増減ポインタ９２２をマウスでクリックす
ることにより表示されている値を微小間隔で増加または
減少させることができる。補助線９１４の表示位置と数
値表示エリア９２０内の値は連動して変化させるものと
する。

【０１３３】これらの方法により、運転員が出力レベル
Ａの値を決定する。同様にして補助線９１２が示すステ
ップ応答試験終了時の定常状態における出力レベルＢを
決定する。

【０１３４】さらに応答波形立ち上がり時の変曲点にお
ける接線９１６を決定する。接線９１６は、出力レベル
Ａ及びＢの位置を移動および決定する場合に用いた上記
と同様の方法により、図５に示す点Ｃ及び点Ｄを移動お
よび決定することにより、特定する。

【０１３５】以上から点Ａ〜Ｄが決定されると、以下の
ようにしてモデルパラメータK_p、T_p、L_pを決定する。

【０１３６】ステップ応答試験時の操作量の変化幅K2
（%）よりゲインK_pは、

【０１３７】

【数４２】

【０１３８】

【数４３】

【０１３９】とする。

【０１４０】ステップ応答試験開始（操作量変化開始）
時刻Ｑから無駄時間L_pは、

【０１４１】

【数４４】

【０１４２】とする。

【０１４３】また、時定数T_pは、接線９１６上で線分Ｅ
Ｐの長さが0.632K1となる時刻Ｐより、

【０１４４】

【数４５】

【０１４５】とする。

【０１４６】以上のモデル調整部３４２の処理手順を整
理して図６に示す。すなわち、本処理手順では、ステッ
プ応答試験データとして目標値ｒ、被制御量ｙを読み込
み（ステップ６００１）、該データを用いて出力レベル
A、Ｂおよび接戦９１６の形状を特定するための点C、Ｄ
を決定し（ステップ６００２、６００３）、これら点Ａ
〜Ｄの値からプラントモデルのパラメータK_p、T_p、L_pを
決定する（ステップ６００４）。

【０１４７】次に、予測時間間隔τ_s及び制御器パラメ
ータK_c、T_cの決定方法について説明する。

【０１４８】予め予測モデルパラメータα、βを変化さ
せて予測時間間隔τ_sとの関係を求めておく。パラメー
タ最適化部３４８では制御性能評価値Jを最小にするパ
ラメータτ_s、K_c、T_cの組合わせを求める。

【０１４９】本方法では、制御性能評価値Jを次式で定
義する。

【０１５０】

【数４６】

【０１５１】ここでrm（t）はモデル目標値、ym（t）は
制御対象モデル３４４の出力値、um（t）は制御器モデ
ル３４６の出力値であり制御対象に対する操作量に相当
する。qは重み係数である。

【０１５２】フィードバックを伴う閉ループ系に対し
て、数４６に示す評価値を計算する方法は例えば次の文
献（以下、文献１と称する）に示されている。

【０１５３】文献１：「一般化ISEを評価規範としたロ
バストI-PDコントローラMinimax最適化による設計」、
河辺徹、片山徹、計測自動制御学会論文集、Vol.32、
No.8、pp1226〜1233（1996）数３９の制御対象モデル３
４４の無駄時間を1次のPade近似を用いて、

【０１５４】

【数４７】

【０１５５】で表すと、上記文献１の方法を適用して評
価値Jは数４７〜５６で計算できる。

【０１５６】

【数４８】

【０１５７】

【数４９】

【０１５８】

【数５０】

【０１５９】

【数５１】

【０１６０】

【数５２】

【０１６１】

【数５３】

【０１６２】

【数５４】

【０１６３】

【数５５】

【０１６４】

【数５６】

【０１６５】

【数５７】

【０１６６】パラメータK_c、T_cは制御器の取り得る値と
して、それぞれ上・下限値を定める。また、予測時間間
隔τ_sは、０から制御対象の時定数T_pまでとする。

【０１６７】この範囲内で、パラメータを順次所定の刻
み幅で変化させ、その都度評価値Ｊを計算する。最終的
に評価値Ｊが最小になるパラメータτ_s、K_c、T_cの組み
合わせを最適解とする。

【０１６８】パラメータτ_s、K_c、T_cの組合わせによっ
ては制御系が安定しない場合があるので、評価値Ｊを計
算する前にHurwitzの安定判別法を用いて安定性を確認
する。不安定な組合わせに対しては評価値Ｊを計算せず
に、パラメータを変更する。

【０１６９】また、本発明においては、最適なパラメー
タτ_s、K_c、T_cの組合わせを求める方法は上記方法に限
定されるものではなく、例えば、山登り法、遺伝アルゴ
リズムなどの他の最適化方法を用いても良い。

【０１７０】また、前記文献１に述べられている方法で
は、任意の目標値rm（t）に対する評価値Jが計算できな
い場合がある。例えば、次式に示す目標値

【０１７１】

【数５８】

【０１７２】に対してパラメータτ_s、K_c、T_cの組合わ
せを決定するためには、有限時間teまでの評価値J'を評
価する。

【０１７３】

【数５９】

【０１７４】評価値J'はシミュレーションにより近似的
に計算することができる。数５９の右辺積分項内の第一
項及び第二項の値を各計算時間ステップにおいて計算
し、それらの和を積算することにより求める。すなわ
ち、計算時間間隔をΔtとすると次式で表される。

【０１７５】

【数６０】

【０１７６】なお、火力プラントの起動時には、蒸気温
度目標値を所定のタイムスケジュールに従って上げてい
く昇温過程が存在する。昇温過程においては、目標値と
の偏差を小さくすることのみならず、機器材料に与える
影響を考慮すると昇温率を目標値の昇温率と合わせるこ
とも大切な要素となる。

【０１７７】その場合には、評価値J'に昇温率の項を加
えて次式とすることが望ましい。

【０１７８】

【数６１】

【０１７９】ここで、pはqと同様の重み係数である。

【０１８０】なお、制御器モデル３４６、制御対象モデ
ル３４４、予測機能モデル３５０はそれぞれ数３７、３
８、３９で定義したが、これらのモデルは他の式で定義
してもよい。例えば、前述した予測部３３０と同じモデ
ルで構成してもよい。その時、前記文献１の方法では評
価値Ｊが計算できない場合もあるが、その場合でもシミ
ュレーションにより、有限時間teまでの評価値J'を計算
する方法を用いればよい。

【０１８１】以上、パラメータ最適化部３４８の処理手
順を図７に示す。すなわち、本処理手順では、最初、パ
ラメータτ_s、K_c、T_cの初期値を設定し（ステップ７０
０１）、評価値Ｊを算出し（ステップ７００２）、算出
した評価値Ｊが最小かどうか等の予め定めた終了条件を
満たすかを判断する（ステップ７００３）。終了条件を
満たさないと判断された場合には、該終了条件が満たさ
れたと判断されるまでパラメータτ_s、K_c、T_cの値を変
更して、ステップ７００２〜７００３を繰り返す。

【０１８２】図８にモデル目標値rm（t）の設定を支援
するためのマンマシンインターフェイス処理で用いるこ
とができる表示画面例を示す。

【０１８３】本例の表示画面上には、グラフ表示エリア
９１１には時間軸（横軸）に対する目標値rmの値の変化
を示すグラフ９３０が表示される。ここで、グラフ上の
rm値９３０の線上の任意の点を、マウスでクリックして
ドラッグすることにより、該グラフの波形形状を変更す
ることができるよう構成されているものとする。その時
の折れ線の座標は、数値で座標表示エリア９３２に表示
する。座標表示エリア９３２には全座標点を一度に表示
できない場合、スクロールバー９３４が表示されて、マ
ウス操作により上下にスクロールすることができる構成
とする。

【０１８４】また、上記数５９の評価値J'を算出する際
に必要となる評価時間teは、評価時間入力欄９３６にキ
ーボードから数値で入力する。目標値rmと評価時間teの
入力終了後、設定ボタン９３８をマウスでクリックする
ことにより設定を完了させる。

【０１８５】以上のようにして予測時間間隔τ_s、及び
制御器パラメータK_c、T_cを求めた場合の予測制御による
シミュレーション結果の例を、予測制御なしの場合のシ
ミュレーション結果および予測値の変化を示すカーブと
共に図９に示す。本例は目標値をステップ変化させた場
合の応答であり、図９には、該ステップ変化に対応す
る、パラメータ調整後に行われた予測制御によって得ら
れた制御対象モデル３４４からのモデル出力値ym
（t）、それに対応する予測部３３０から出力予測値Y
s、予測制御なしの場合のモデル出力値の時間変化をそ
れぞれ示すカーブが示されている。

【０１８６】図９から明確に分かるように、本発明によ
る予測制御によれば、予測制御を行わない場合に比べて
目標値への追従が早くなり、かつ、オーバーシュート量
が減少しており、制御性能が向上していることがわか
る。

【０１８７】また、本発明によれば、制御性能がもっと
も向上する予測時間が決定できる他、予測制御を実施し
た場合の制御器パラメータの最適値も決定することがで
きるので、予測制御方式の効果を最大限に利用すること
ができる。

【０１８８】また、従来それらのパラメータを試行錯誤
的に調整していたのにたいして、調整時間が短縮できる
効果もある。

【０１８９】また、本実施形態において、パラメータ最
適化による効果を、図１０に示すようにシミュレーショ
ン結果を画面上に表示して確認する構成としてもよい。

【０１９０】例えば、グラフ表示エリア９１１に、シミ
ュレーション結果による応答波形を表示する。また、パ
ラメータ表示欄９２４には、最適化されたモデルパラメ
ータK_p、T_p、L_p、及びτ_s、K_c、T_cの数値が表示され
る。また、切替えボタン９２６をマウスでクリックする
たびにグラフ表示エリア９１１に表示されるグラフがモ
デル出力値ym(t)と操作量um(t)３５２とに切り替わる。

【０１９１】また、切替えボタン９２８により、モデル
出力値ym（t）または操作量um（t）３５２を単独に表示
させるか、両グラフを並べて表示するかを切り替えるこ
とができる構成とする。

【０１９２】また、本実施形態では、制御器パラメータ
K_c、T_cと予測時間間隔τ_sを共に最適化する方法につい
て説明したが、パラメータの一部だけを最適化する構成
としてもよい。

【０１９３】例えば、予測部３３０による予測時間間隔
τ_sが限定されている場合には、モデル調整部３４２は
その設定情報を読み込む、または、制御対象出力ｙと予
測値Ysを読み、図１１に示す波形の間隔から予測時間間
隔τ_sを算出する。さらに、パラメータ最適化部３４８
では予測時間間隔パラメータτ_sを固定し、パラメータT
c、Kcのみを変更して探索を実施する。

【０１９４】また、本実施形態では、パラメータ調整部
３４０により、プラントの試運転時または定期検査時な
どの機会を利用してオフライン的に調整する方法を説明
したが、本発明は以下に述べるようにプラントの運転を
制御しながらオンライン的に使用することもできる。

【０１９５】すなわち、パラメータ調整部３４０をプラ
ントの運転中に所定の時間間隔で周期的に起動させる。
例えば１０秒毎に起動し、パラメータ最適化部３４８に
よって予測時間間隔τ_s及び制御器パラメータK_c、T_cを
決定する。パラメータ最適化部３４８の処理手順は本実
施形態と同様に実施するものとする。

【０１９６】このような構成によれば、プラント１００
の運転状態（負荷帯、負荷変化条件）に応じて随時、適
正な予測時間間隔τ_s及び制御器パラメータK_c、T_cを決
定できるので制御性能をさらに向上させることができ
る。

【０１９７】また、予測時間間隔τ_s及び制御器パラメ
ータK_c、T_cを決定する前に、モデル調整部３４２により
制御対象モデル３４４の特性が制御対象１００の特性と
合うように随時、制御対象モデル３４４を調整する構成
としても良い。

【０１９８】これにより、プラントの運転点（運転状
態）近傍の特性に制御対象モデル３４４の特性を常に合
わせることができるので、予測制御の効果がさらに向上
する。さらに、制御対象モデル３４４はプラントの広範
囲な運転状態を模擬する必要がなくなるため、比較的簡
単なモデルで近似できるようになるため、演算負荷が減
少するという効果もある。

【０１９９】

【発明の効果】本発明によれば、予測制御の効果が最大
限に発揮できる予測時間間隔と、その予測制御実施時の
制御器パラメータを最適に決定できるので、制御性能が
向上する。

【０２００】さらに、本発明によれば、予測制御実施時
の制御器パラメータを調整する時間が短縮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的機能構成を表す構成図。

【図２】火力発電プラントの構成図。

【図３】制御装置とプラントの接続を表す説明図。

【図４】制御装置のハードウエア構成図。

【図５】制御対象モデルのパラメータ調整画面を表す説
明図。

【図６】モデル調整部の処理手順を表すフローチャー
ト。

【図７】パラメータ最適化部の処理手順を表すフローチ
ャート。

【図８】目標値の設定画面を表す説明図。

【図９】予測制御の効果を示すグラフ。

【図１０】パラメータ調整効果の確認画面を表す説明
図。

【図１１】予測時間間隔の設定するための説明図。

【符号の説明】

１００…火力発電プラント、１１０…発電機、１１１…
発電機出力計測装置、１２０…低・中圧タービン、１２
１…タービン加減弁、１２２…過熱器出口蒸気温度測定
器、１２３…主蒸気圧力測定器、１２４…再熱蒸気温度
測定器、１２５…復水器、１２６…冷却水、１３０…高
圧タービン、１４０…給水ポンプ、１５０…ボイラ、１
５２…火炉水壁、１５４…過熱器、１５６…再熱器、１
６０…バーナー、１６１…空気流量調節弁、１６２…燃
料流量調節弁、１７０…排ガス処理装置、１７５…煙
突、３００…運転制御装置、３１０…蒸気温度予測部、
３２０…制御器、３３０…予測部、３３２…切替部、３
４０…予測調整部、３４２…モデル調整部、３４４…制
御対象モデル、３４６…制御器モデル、３４８…パラメ
ータ最適化部、３５０…予測機能モデル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者野村政英茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者木村亨茨城県日立市大みか町五丁目２番１号株式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者菊池信也茨城県日立市大みか町五丁目２番１号株式会社日立製作所大みか工場内Ｆターム(参考） 5H004 GB04 HA01 HB01 HB02 JB23 KB02 KB04 KC04 KC08 KC24 KC27 KC48 KC50 LA01 LA03 LA11 MA27 MA49 MA50

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プロセス量の将来値を予測する予測手段
と、該予測値に基づいて操作量を決定する制御器とを有
する予測制御装置において、前記予測手段および前記制御器で使用されるパラメータ
の少なくとも一つを調整するパラメータ調整手段を具備
することを特徴とする予測制御装置。
【請求項２】請求項１に記載の予測制御装置において、前記パラメータ調整手段は、前記制御器を模擬するモデルと、前記制御器の制御対象
を模擬するモデルと、前記予測手段を模擬するモデルと
を少なくとも有し、これらのモデルを使用して予め定めた制御性能評価値を
演算し、該演算結果に基づいて、予測時間間隔と前記制
御器のパラメータのうちの予め定めたパラメータの値と
を決定することを特徴とする予測制御装置。
【請求項３】請求項１に記載の予測制御装置において、前記パラメータ調整手段は、前記制御器を模擬するモデルと、前記制御器の制御対象
を模擬するモデルと、前記予測手段を模擬するモデルと
を少なくとも有し、これらのモデルを使用して予め定めた制御性能評価値を
演算し、該演算結果と予め設定された予測時間間隔とに
基づいて、前記制御器のパラメータのうちの予め定めた
パラメータの値を決定することを特徴とする予測制御装
置。
【請求項４】請求項１に記載の予測制御装置において、前記パラメータ調整手段は、前記制御器の制御対象の動
作中にパラメータの調整処理を実施することを特徴とす
る予測制御装置。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の予測制御
装置において、前記制御器は、比例制御器と積分制御器とを少なくとも
具備して構成されており、前記パラメータ調整手段は、少なくとも前記制御器の比
例ゲインと積分時間を調整することを特徴とする予測制
御装置。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の予測制御
装置において、前記制御器の制御対象は火力発電プラントに備えられて
いるアクチュエータであり、前記予測手段が予測するプロセス量には、蒸気温度およ
び蒸気エンタルピーのうち少なくとも一方が含まれるこ
とを特徴とする予測制御装置。
【請求項７】請求項２または３に記載の予測制御装置に
おいて、前記予め定めた制御性能評価値を求める数式には、前記
プロセス量の一つである被制御量の変化率に対して、そ
の目標値との偏差量を算出する項が少なくとも含まれて
いることを特徴とする予測制御装置。
【請求項８】請求項２、３および７のいずれかに記載の
予測制御装置において、前記パラメータ調整手段によって決定されたパラメータ
の値、および、該パラメータ値を用いて前記各モデルに
よりシミュレーションを実施し、前記プロセス量の一つ
である被制御量に対応する計算値の時間応答波形を示す
画像を生成して表示する画像表示手段をさらに具備する
ことを特徴とする予測制御装置。
【請求項９】請求項７または８に記載の予測制御装置に
おいて、前記被制御量の目標値を経過時間の関数として入力する
目標値入力手段と、前記入力した目標値を示す画像を生成して表示する目標
値表示手段とをさらに具備することと特徴とする予測制
御装置。