JP2004211669A - サーボ弁制御装置およびサーボ弁制御システムの異常検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】サーボ弁の入力端外乱が生じた場合にも、弁開度制御偏差を生じることなく正常な制御が可能なサーボ弁制御装置を備えたサーボ弁制御装置を提供する。
【解決手段】サーボ弁の開度目標値および実弁開度信号を入力してサーボ弁の開度を目標値に追従するように制御するサーボ弁制御装置５１において、弁開度指令信号と実弁開度信号との偏差を入力しサーボ弁を駆動するためのサーボ指令信号を出力する制御器５−２と、前記実弁開度信号および前記サーボ指令信号を入力し、サーボ弁に加わる入力端外乱信号を推定する入力端外乱推定部５−６と、この入力端外乱推定部５−６の出力を前記サーボ指令信号から加減算してサーボ指令信号を再計算するフィードフォワードパス５−７と、を備えた。
【選択図】図１
【解決手段】サーボ弁の開度目標値および実弁開度信号を入力してサーボ弁の開度を目標値に追従するように制御するサーボ弁制御装置５１において、弁開度指令信号と実弁開度信号との偏差を入力しサーボ弁を駆動するためのサーボ指令信号を出力する制御器５−２と、前記実弁開度信号および前記サーボ指令信号を入力し、サーボ弁に加わる入力端外乱信号を推定する入力端外乱推定部５−６と、この入力端外乱推定部５−６の出力を前記サーボ指令信号から加減算してサーボ指令信号を再計算するフィードフォワードパス５−７と、を備えた。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はサーボ弁制御装置に係り、特にサーボ弁の入力端外乱が生じた場合にも、安定した動作を行うことのできるサーボ弁制御装置およびサーボ弁制御システムの異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーボ弁は、火力発電所のタービン調速制御装置に適用されているほか種々用いられているが、ここでは、タービン調速制御装置に適用した例について述べる。図１３はタービン調速制御装置の概略構成図であり、タービン回転数ＮＲおよび回転数指令ＮＳを回転数制御器１に入力し、さらに発電機負荷ＧＬおよび負荷指令ＧＳを負荷制御器２に入力することにより、蒸気加減弁の流量指令信号を計算し、この流量指令信号を流量／弁開度変換関数器３に入力して弁開度指令信号３ｅに変換し、この変換された弁開度指令信号３ｅと弁開度検出器４により検出された実弁開度信号４ｅとをサーボ弁制御装置５に入力して比較し、双方の信号の偏差をサーボ指令信号５ｅとしてバルブインターフェース６を経てサーボ弁７のソレノイド（サーボコイル）７−１に出力するように構成されている。
【０００３】
このサーボコイル７−１は与えられたサーボ指令信号５ｅを図示しない電気／油圧変換器により油圧信号に変換する。変換された油圧信号は油筒に入り、この油筒内のピストンの移動により蒸気加減弁の開度を変化させる。
【０００４】
従来のサーボ弁制御装置５の内部機能は図１４のブロック図で示すように、サーボ弁開度指令信号３ｅと実弁開度信号４ｅとを加算部５−１にて偏差を求め、パワーアンプ５−２でこの偏差に弁位置制御ゲイン２０を乗じた後、ヌルバイアス補償器５−３の出力信号と加算部５−４で加算され、制限器５−５を介してサーボ指令信号５ｅとして、バルブインターフェース６を介してサーボコイル７−１に出力し、サーボ弁７を駆動するように構成されている。
【０００５】
なお、ヌルバイアス補償器５−３とは、サーボコイル７−１に与えられるサーボ電流が喪失したときに蒸気加減弁をフェールセーフ側すなわち弁体を閉じる方向に制御するためのバイアスを与えるものであり、また、制限器５−５はパワーアンプ５−２の出力を制限するために、必要に応じて設けられるものである。
【０００６】
図１５はサーボ弁制御装置５の信頼性を向上させるために、１つの蒸気加減弁８に対して駆動系であるサーボ弁制御装置、バルブインターフェース、サーボコイル、弁開度検出器をそれぞれＡ系、Ｂ系、Ｃ系として３重化構成した場合の制御ブロック図である。
【０００７】
図１５において、各系の弁開度検出器４Ａ、４Ｂ、４Ｃの出力４Ａｅ、４Ｂｅ、４Ｃｅはサーボ弁制御装置５Ａ、５Ｂ、５Ｃに設けた中間値選択回路（Ｍｉｄｄｌｅ Ｖａｌｕｅ Ｇａｔｅ）５−Ｍに入力される。中間値選択回路５−Ｍは入力信号中の中間値を出力した後、図１４の加算部５−１で前記サーボ弁開度指令信号３ｅと比較され偏差を出力する。その後の機能は図１４の場合と同じであるので省略する。
【０００８】
そして、各サーボ弁制御装置５Ａ、５Ｂ、５Ｃの出力は全て各系のバルブインターフェース６Ａ、６Ｂ、６Ｃに入力されて前述と同じ構成の中間値選択回路６−１に入力され、その中の中間値が出力される。各系のバルブインターフェース６Ａ、６Ｂ、６Ｃの出力はアンプ６−２で増幅されて出力される。
【０００９】
なお、この３コイルサーボシステムでは、各系のサーボ弁７Ａ、７Ｂ、７Ｃに設けたサーボ電流検出器７−２によりサーボ電流を直接検出してフィードバックすることにより、各系のバルブインターフェース６Ａ、６Ｂ、６Ｃの異常系を検出し、検出された異常系に対して回路切離指令をスイッチ等の回路切離手段６−３に出力し、バルブインターフェース異常系の切離しを行っている（例えば、特許文献１）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平４−２２８８３９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の比例制御によるサーボ弁制御装置では、サーボ弁が有する機械的なヌルバイアスの変動やその他サーボ弁の機構中で生じる種々の入力端外乱により、蒸気弁開度指令と実弁開度との間で制御偏差が生じ、サーボ弁制御装置としての制御性能を悪化させることになる。
【００１２】
そのため、定期的にヌルバイアス補償値を調整する必要も生じる。また、３コイルサーボシステムにおいて、バルブインターフェースの１系異常、サーボコイルの１系あるいは２系断線等サーボ弁に加わる入力端外乱が生じた場合、蒸気弁開度指令と実弁開度との間に偏差が生じてサーボ弁制御装置としての制御特性を悪化させることになる。
【００１３】
このような偏差を除去する手法としては、積分制御を追加することが一般的である。しかしながら、制御対象のサーボ弁は制御入力であるサーボ電流と観測出力である蒸気加減弁位置との関係が積分特性を有するため、制御器側にさらに積分器を追加すると閉ループ系の応答が遅くなるだけでなく、安定性が劣化する欠点がある。
【００１４】
また、上述した従来の３コイルサーボシステムでは、各系毎のサーボ電流検出器によりサーボ電流を直接検出してパワーアンプ異常、サーボコイルの断線等が生じた系を検出し、検出された異常系からの出力の切離しを行うことにより正常な制御を継続しているが、このシステムを構築するためには、各系毎にサーボ電流検出器７−２や回路切離器６−３が必要となり、その分ハードウェアのコストアップのみならず、これらサーボ電流検出器７−２や回路切離器６−３の故障も考慮しなければならないためシステム全体の信頼性も低下する欠点がある。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、サーボ弁の入力端外乱が生じた場合にも、弁開度制御偏差を生じることなく正常な制御が可能なサーボ弁制御装置を備えたサーボ弁制御装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１に係るサーボ弁制御装置の発明は、サーボ弁の開度目標値および実弁開度信号を入力してサーボ弁の開度を目標値に追従するように制御するサーボ弁制御装置において、弁開度指令信号と実弁開度信号との偏差を入力しサーボ弁を駆動するためのサーボ指令信号を出力する制御器と、前記実弁開度信号および前記サーボ指令信号を入力し、サーボ弁に加わる入力端外乱信号を推定する入力端外乱推定部と、この入力端外乱推定部の出力を前記サーボ指令信号に加減算してサーボ指令信号を修正する修正手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項５に係るサーボ弁制御装置の発明は、サーボ弁の開度目標値および実弁開度信号を入力してサーボ弁の開度を目標値に追従するように制御するサーボ弁制御装置において、弁開度指令信号と実弁開度信号との偏差を入力しサーボ弁を駆動するためのサーボ指令信号を出力する制御器と、前記実弁開度信号および前記サーボ指令信号を入力し、サーボ弁に加わる入力端外乱信号を推定する入力端外乱推定部と、この入力端外乱推定部の外乱推定信号に基づき前記サーボ指令信号を出力する制御器の制御パラメータを調整する関数器と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
さらに、請求項８に係わるサーボ弁制御システムの異常検出装置の発明は、サーボ弁の弁開度指令信号と実弁開度信号との偏差を入力しサーボ弁を駆動するためのサーボ指令信号を出力する制御器、前記実弁開度信号および前記サーボ指令信号を入力してサーボ弁に加わる入力端外乱信号を推定する入力端外乱推定部、この入力端外乱推定部から出力された外乱推定信号を前記サーボ指令信号に加減算してサーボ指令信号を修正する修正手段を備えたサーボ弁制御装置と、このサーボ弁開度制御装置からのサーボ指令信号をサーボ弁を駆動できるように増幅するパワーアンプを有するバルブインターフェースと、このバルブインターフェースからの出力電流によりサーボ弁を駆動するサーボコイルとをそれぞれ３重化してサーボ弁制御システムを構成し、各サーボ弁制御装置の入力端外乱推定部から出力された外乱推定値が予定の設定範囲を逸脱したとき、バルブインターフェースが２系以上異常と判定する異常判定手段と、この異常判定手段の動作に基づいて各系に対して１系ずつ順番にパワーアンプ出力の切離しを行い、切離し後前記入力端外乱推定部から出力される外乱推定値の変化の大きさによりパワーアンプ異常系を検出する検出ロジックとを備えたことを特徴とする。
【００１９】
またさらに、請求項９に係わるサーボ弁制御システムの異常検出装置の発明は、サーボ弁の弁開度指令信号と実弁開度信号との偏差を入力しサーボ弁を駆動するためのサーボ指令信号を出力する制御器、前記実弁開度信号および前記サーボ指令信号を入力してサーボ弁に加わる入力端外乱信号を推定する入力端外乱推定部、この入力端外乱推定部から出力される外乱推定信号に基づき前記サーボ指令信号を出力する制御器の制御パラメータを調整する関数器とを備えたサーボ弁制御装置と、このサーボ弁開度制御装置からのサーボ指令信号をサーボ弁を駆動できるように増幅するパワーアンプを有するバルブインターフェースと、このバルブインターフェースからの出力電流によりサーボ弁を駆動するサーボコイルとをそれぞれ３重化してサーボ弁制御システムを構成し、各サーボ弁制御装置の入力端外乱推定部から出力された外乱推定値が予定の設定範囲を逸脱したとき、バルブインターフェースが２系以上異常と判定する異常判定手段と、この異常判定手段の動作に基づいて各系に対して１系ずつ順番にパワーアンプ出力の切離しを行い、切離し後前記入力端外乱推定部から出力される外乱推定値の変化の大きさによりパワーアンプ異常系を検出する検出ロジックとを備えたことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
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。なお、既に説明した図と同一部分には同一符号をつけることにより、重複する説明は省略する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
図１は本発明に係るサーボ弁制御装置の第１の実施の形態を示すブロック図である。本実施の形態によるサーボ弁制御装置５１は、サーボ弁開度指令信号３ｅと弁開度検出器４で検出された実弁開度信号４ｅとを比較し、偏差を求める加算部５−１と、この加算部５−１の偏差出力に弁位置制御ゲインを乗じる制御器５−２と、サーボ弁が内蔵する機械的なヌルバイアスを補償するために設けたヌルバイアス補償器５−３と、制御器５−２の出力とヌルバイアス補償器５−３の出力とを加算する加算部５−４と、この加算部５−４の後段に必要に応じて設けられサーボ指令信号を上下限制限する信号制限器５−５と、サーボ指令信号５ｅおよび実弁開度検出信号４ｅとを入力してサーボ弁の入力端に加わる外乱を制御対象であるサーボ弁の数学モデルに基づいて推定する入力端外乱推定部５−６と、この入力端外乱推定部５−６から出力された外乱推定値５−６ｅの符号を反転して前記加算部５−４の出力であるサーボ指令信号に加算してサーボ指令信号を再計算（修正）するためのフィードフォワードパス（修正手段）５−７とから構成されている。なお、５−７１はフィードフォワードパス５−７を構成する加算部である。
【００２２】
次に図２において前述した入力端外乱推定部５−６の一例について説明する。なお、図２のうち５−６１（Ｌ）は制御ゲイン、５−６２はヌルバイアス補償器、５−６３（Ａ）はサーボ弁のシステム行列、５−６４（Ｃ）はサーボ弁の観測行列、５−６５（Ｂ）はサーボ弁の入力行列、５−６６（１／Ｓ）は積分器、５−６７（０１０）は行列、５−６８（１／ｆ０）はゲイン、５−６９、５−６１０および５−６１１は加算部である。
サーボ弁の非線形状態空間モデルは次式で表される。
【００２３】
【数１】
【００２４】
また、サーボ弁に加わる入力端外乱モデル（１次）の状態空間モデルは自由モデルを用いて次式（２）で表される。
【数２】
【００２５】
式（１），（２）より入力端外乱モデル（１次）を包含したサーボ弁の状態空間モデルは
【数３】
と表すことができる。
【００２６】
式（３），（４）を制御対象のノミナル値とノミナル値からの変動分とに分離して書き直すと次のようになる。
【数４】
【００２７】
式（３），（４）に基づき、図２に示す次式の入力端外乱推定部５−６を構成することができ、外乱推定信号を抽出する行列５−６７（０１０）を乗じて外乱推定値を得ることができる。
【００２８】
【数５】
【００２９】
制御ゲイン５−６１は、極配置法やカルマン・フィルタ等の現代制御の手法により設計することができる。また、入力端外乱推定部５−６中のヌルバイアス補償器５−６２の設定値は、サーボ弁制御装置５中のヌルバイアス補償器５−３の設定値と等しく設定する。
【００３０】
ここで、重要な点は、入力端外乱推定部５−６を設計する際に用いるシステム行列（Ａ）５−６３および観測行列（Ｃ）５−６４は定数行列であって、制御対象のパラメータが含まれていないということである。制御対象のパラメータは入力行列（Ｂ）５−６５のみに含まれている。これは、入力端外乱信号ｘに制御対象のモデル化誤差分も含ませているためである。よって、設計される入力端外乱推定部５−６のシステムの安定性は制御対象の次数変動がない限り、パラメータ変動によらず保証される。
【００３１】
次に、入力端外乱推定部５−６により推定された外乱推定値をサーボ指令換算するために、図２の制御ゲイン５−６８で示すように油筒定数ノミナル値の逆数を乗じて、符号を反転してサーボ指令信号に加算する。この図１に示すフィードフォワードパス５−７により入力端外乱を直接的に素早く抑制することができる。
また、油筒定数ノミナル値によらず、弁開度指令と実弁開度との定常偏差は入力端外乱推定部５−６中の積分器５−６６により０になることが保証される。
【００３２】
さらに、本実施形態は、サーボ指令信号を上下限制限する信号制限器５−５の出力を入力端外乱推定部５−６に入力することによりワインドアップを生じない構成を採用している（なお、ワインドアップとは、操作端やアクチュエータの制限により制御偏差が有限値として残る場合、積分出力が無限大に暴走する現象をいう）。このワインドアップを生じない構成は、通常の弁開度指令と実弁開度の偏差に対する積分制御にはない、重要な性質である。
本発明による制御入力決定アルゴリズムは次式（１０）となる。
【００３３】
【数６】
【００３４】
次に、図３、図４および図５を参照し、本実施形態に係る装置と従来の技術との比較を結果を説明する。
図３は、入力端外乱推定部５−６を有する本発明のサーボ弁制御装置によるサーボ弁の位置制御特性を示す図であり、図４は図１１で示す入力端外乱推定部５−６を持たない従来技術のサーボ弁の位置制御特性を示す図であり、ともに、弁開度指令が５０％一定で、実弁開度も５０％で安定に追従しているときに、ヌルバイアス変動や１系パワーアンプ異常等の外乱がサーボ弁に加えた状態でのサーボ弁の位置制御特性を示す。
【００３５】
なお、図３および図４において矢印で示した事項は以下の各種外乱印可条件を意味している。すなわち、「１系アンプ＋側最大」とは３系のうち１系のパワーアンプがその入力に関わらず＋側最大値に異常出力した状態を意味し、「１系アンプ−側最小」とは３系のうち１系のパワーアンプがその入力に関わらず−側最小値に異常出力した状態を意味する。また、「ＮＵＬＬ＝−９９」とはサーボ弁のヌルバイアスが初期値（正常値）が−５％から−９９％に異常変動した状態を意味し、「ＮＵＬＬ＝＋９９」とはサーボ弁のヌルバイアスが初期値（正常値）が−５％から＋９９％に異常変動した状態を意味する。
【００３６】
さらに「１系アンプ０．３Ｈｚ」とは３系のうち１系のパワーアンプがその入力に関わらず振幅１００％、周波数０．３Ｈｚの正弦波状に異常出力した状態を意味し、「１系アンプ１Ｈｚ」とは３系のうち１系のパワーアンプがその入力に関わらず振幅１００％、周波数１Ｈｚの正弦波状に異常出力した状態を意味する。
【００３７】
これら図３および図４の比較から明らかなように、本発明による入力端外乱推定部５−６がサーボ弁に加わる入力端外乱を素早く推定し、フィードフォワードパス５−７により直接的に外乱抑圧補償を行うことによって外乱に対して弁位置の変動が十分抑制されることがわかる。
【００３８】
図５は、タービン調速制御装置で発電機負荷２５％一定制御中に、３コイルサーボシステムの１系パワーアンプが＋側最大異常となったときの本発明および従来技術の負荷制御特性を比較した図である。
【００３９】
図５中、ＰＲＯＰＯＳＥＤとは、図１に示す本実施形態に係る装置による負荷応答を、またＣＯＮＶＥＮＴＩＯＮＡＬとは、図９に示す従来装置による負荷応答を示す。また、ＡＬＲ ＳＥＴとは発電機負荷指令値であり、ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ ＭＷとは発電機負荷のことである。
【００４０】
このように本実施形態に係る装置によれば、入力端外乱推定部が制御対象であるサーボ弁に加わる入力端外乱をサーボ弁の数学モデルに基づいて推定し、推定した外乱を打ち消すようにサーボ電流指令を再計算することによって入力端外乱を直接的に鋭く抑制することができる。
【００４１】
（第２の実施の形態）
図６は本発明の第２の実施の形態を表すブロック図である。本実施の形態によるサーボ弁制御装置１Ｂは、入力端外乱推定部５−６の出力信号に基づいてオペレータが手動でヌルバイアス補償器５−３ａの設定値を調整および評価する手動調整手段５−８を備えている。オペレータは、入力端外乱推定部５−６の出力が０になるように、ヌルバイアス補償器５−３ａの設定値を調整する。
【００４２】
この実施の形態によれば、オペレータが入力端外乱推定部５−６の外乱推定信号の値の大きさ評価することにより、ヌルバイアス補償器５−３ａの設定値のずれの程度を判断し、手動で前記ヌルバイアス補償器５−３ａを調整することによって常に最適な制御状態を確保することができる。
【００４３】
（第３の実施の形態）
図７は本発明の第３の実施の形態を表すブロック図である。本実施の形態によるサーボ弁制御装置５３は、入力端外乱推定部５−６の出力信号に基づきサーボ弁制御装置５３自体の異常を検出する異常検出器５−９を備えている。この異常検出器５−９の１例としては、入力端外乱推定部５−６の出力信号が±１００％の範囲を逸脱したときに、弁開度制御異常と判断して制御停止指令を出力することができる。
【００４４】
この実施の形態においては、前記入力端外乱推定部５−６の外乱推定信号５−６ｅの値により、制御継続中にオンラインで弁位置制御ループの異常状態の監視および検出を行うことができ、異常検出器５−９を異常時に適切な指令を出力する手段として用いることができる。
【００４５】
（第４の実施の形態）
図８は本発明の第４の実施の形態を表すブロック図である。本実施の形態によるサーボ弁制御装置５４は、入力端外乱推定部５−６の出力信号５−６ｅに基づき比例制御器５−２ａの可変弁位置制御ゲインＰを調整するゲイン調整用関数器５−１０を設けるようにしたものである。例えば、入力端外乱推定部５−６の出力信号の絶対値が大きいときは可変弁位置制御ゲインＰを大きくし、入力端外乱推定部５−６の出力信号の絶対値が小さいときは、可変弁位置制御ゲインＰを小さくするという調整方法をとる。
なお、可変弁位置制御ゲインＰは比例ゲインに限らず一般的な制御器として、制御器中の複数の制御パラメータを適応的に変化させることもできる。
【００４６】
以上述べたように本実施の形態によれば、サーボ弁に加わる入力端外乱の大きさに応じて制御器５−２ａのゲインを変化させることで入力端外乱が加わったときのサーボ弁制御装置の制御性を改善することができる。
【００４７】
（第５の実施の形態）
図９は本発明の第５の実施の形態を表す構成図である。本実施の形態はサーボ弁制御装置を３コイルサーボシステムに適用した場合の構成例を示し、図１０はサーボ弁制御装置５５の詳細を示す図である。
【００４８】
本実施の形態は、１つの蒸気加減弁８を駆動するために図１に示す各サーボ弁制御装置５１に中間値選択回路５−Ｍを付加してなるサーボ弁制御装置５５、バルブインターフェース６、サーボコイル７−１および弁開度検出器４を３重化してそれぞれをＡ系、Ｂ系およびＣ系とし、さらに実弁開度信号およびサーボ弁制御装置５５からバルブインターフェース６内のパワーアンプ２へ出力するサーボ指令信号をそれぞれ中間値選択回路６−１に入力してそれぞれ中間値を使用するように構成したものである。なお、各サーボ弁制御装置５５は、図１に示すサーボ弁制御装置５１に替えて、それぞれ図６、７、８に示すサーボ弁制御装置５２、５３あるいは５４に中間値選択回路５−Ｍを付加した構成としてもよい。
【００４９】
図１０において、中間値選択回路５−Ｍから出力される中間値は加算部５−１および入力端外乱推定部５−６に入力されるように構成されている。その他は図１と同じなので説明を省略する。
【００５０】
以上述べたように本実施の形態によれば、サーボ弁制御装置またはパワーアンプまたは弁開度検出器の１系異常時、またはサーボコイルの２系までの断線時にも正常な制御の継続を可能とすることができる。
【００５１】
因みに、図１５に示す従来の３コイルサーボシステムでは、前述したようにサーボ電流検出器７−２およびリレー等による回路切離手段６−３を設けてパワーアンプ異常系やサーボコイル断線系の出力切離を行っているので、サーボ弁制御装置５を単純に３コイルサーボシステムのサーボ弁制御装置５に適用した場合、パワーアンプ異常やサーボコイル断線はサーボ弁に加わる入力端外乱と等価であるので、出力切離を行わない場合、制御偏差が生じ正常時と等価な制御が継続できない。
【００５２】
これに対し、図９、図１０で示した本実施の形態は、各系のサーボ弁制御装置５１中の入力端外乱推定部５−６がパワーアンプ異常やサーボコイル断線によるサーボ弁に対する入力端外乱を補償してサーボ指令信号を再計算するので、サーボ電流検出器７−２や回路切離手段６−３なしでサーボ弁制御装置５５またはパワーアンプ６−２または弁開度検出器５５の１系異常時またはサーボコイル７−１の２系までの断線時にも正常な制御を継続することができる。
【００５３】
以上述べたように本実施の形態によれば、１系のパワーアンプ異常、または２系までのサーボコイル断線を弁位置制御ループに加わる入力端外乱として各系のコントローラの入力端外乱推定部が外乱抑圧補償を行うことによって、パワーアンプ出力電流の検出手段およびパワーアンプ出力切離しを行う手段を必要とせずに正常な制御を継続することが可能である。
【００５４】
（第６の実施の形態）
次に、本発明の第６の実施の形態を表す３コイルサーボシステムの第２の構成例を図１１に示す。本実施の形態は、図９の構成に回路切離手段６−３を追加し、さらにこの回路切離手段６−３に切離し指令を出力する異常系切離しロジックを追加したものである。
【００５５】
本実施の形態は、サーボ弁制御装置５５中の入力端外乱推定部５−６の出力に基づき、パワーアンプ異常系のソフトウェアによる検出を行い、パワーアンプ異常系に対して、回路切離指令を出力し、回路切離手段６−３により出力回路を切離すことによって、従来のサーボ電流検出器７−２を用いることなく、２系までのパワーアンプ異常時にも正常な制御の継続を可能とする。
【００５６】
次に図１１における入力端外乱推定部５−６の出力信号を利用したパワーアンプ異常系のソフトウェアによる検出および異常系切離しロジック回路の一例を図１２によって説明する。
【００５７】
図１２において、第１の異常判定手段６０が入力端外乱推定部５−６の出力である外乱推定値の絶対値および弁開度制御偏差の絶対値の双方を入力し、入力端外乱推定部５−６の出力が±１００％の範囲を逸脱し、かつ弁開度制御偏差が設定値以上になったことを検出したときアンド条件が成立し、パワーアンプ２系以上に異常ありと判定する。そして、ソフトウェアによる検出ロジックを実行させることにより、パワーアンプ異常系を検出する。
【００５８】
前述のパワーアンプ異常系を検出する検出ロジックは、Ａ系、Ｂ系、Ｃ系の各系に対して１系ずつ順番に出力切離しを行う。パワーアンプを切離したとき、入力端外乱推定部５−６の出力信号の変化率および弁開度制御偏差の変化率を第２の判定手段６１に入力し、これらの変化率が共にゼロ以上の場合アンド条件が成立し、当該系のパワーアンプ異常ありと判定する。この場合は、当該系のサーボアンプの切離しを継続する。
【００５９】
第２の判定手段６１は、入力端外乱推定部５−６の出力信号の変化率あるいは弁開度制御偏差の変化率のいずれか一方がゼロ未満であればアンド条件が成立しないので、当該系に異常がないと判定し、当該系のサーボアンプを復帰させる。
【００６０】
以上の操作を３系に対して各系順番に行うことによって、サーボ電流を直接検出することなく、パワーアンプ異常系の検出を行うことができ、２系のパワーアンプ異常時にも正常な制御を維持することが可能になる。
【００６１】
なお、図１２の場合は入力端外乱推定部５−６の出力および弁開度制御偏差Δｚの双方のアンド条件をとっているが、場合によっては入力端外乱推定部５−６の出力だけを監視するようにしてもよい。
【００６２】
以上述べたように本実施の形態によれば、前記入力端外乱推定部の出力信号に基づき、パワーアンプの異常系を検出ロジックによりソフトウェア的に検出し、異常系のパワーアンプ出力を切離すことにより、サーボ電流を直接検出することなく、２系のパワーアンプ異常時にも正常な制御を継続することが可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、サーボ弁の入力端に加わる外乱を入力端外乱推定部により直接的に抑制することができ、サーボ弁のヌルバイアス変動や３コイルサーボシステムの１系アンプ異常等の入力端外乱に対しても制御性を劣化させずに、正常時の制御性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わるサーボ弁制御装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係わる入力端外乱推定部の構成を示すブロック図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係わるサーボ弁制御装置によるサーボ弁の位置制御特性を示す図。
【図４】従来のサーボ弁制御装置によるサーボ弁の位置制御特性を示す図。
【図５】本発明によるタービン調速制御装置による発電機負荷制御特性を従来例と比較した図。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係わるサーボ弁制御装置の構成を示すブロック図。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係わるサーボ弁制御装置の構成を示すブロック図。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係わるサーボ弁制御装置の構成を示すブロック図。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係わる３コイルサーボシステムの構成を示すブロック図。
【図１０】本発明の第５の実施の形態に係わるサーボ弁制御装置の構成を示すブロック図。
【図１１】本発明の第６の実施の形態に係わる３コイルサーボシステムの構成を示すブロック図。
【図１２】本発明の第６の実施の形態に係わる３コイルサーボシステムのパワーアンプ異常系のソフトウェア的検出およびパワーアンプ出力切離し手法を示すフローチャート。
【図１３】一般的なタービン調速制御装置の機能の概略を示すブロック図。
【図１４】従来のサーボ弁制御装置の構成を示すブロック図。
【図１５】従来の３コイルサーボシステムの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
４…弁開度検出器、５１，５２，５３，５４，５５，５６…サーボ弁制御装置、５−１加算部、５−２…弁位置制御ゲイン、５−２ａ…可変弁位置制御ゲイン、５−３，５−３ａ…ヌルバイアス補償器、５−４…加算部、５−５…信号制限器、５−６…入力端外乱推定部、５−７…フィードフォワードパス（修正手段）、５−８…手動調整手段、５−９…異常検出器、５−１０…ゲイン調整用関数器、５−Ｍ…中間値選択回路、６…バルブインターフェース、６−１…中間値選択回路、６−２…パワーアンプ、６−３…回路切離手段、７…サーボ弁、７−１…サーボコイル、８…蒸気加減弁、６０…第１異常判定手段、６１…第２異常判定手段。
【発明の属する技術分野】
本発明はサーボ弁制御装置に係り、特にサーボ弁の入力端外乱が生じた場合にも、安定した動作を行うことのできるサーボ弁制御装置およびサーボ弁制御システムの異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーボ弁は、火力発電所のタービン調速制御装置に適用されているほか種々用いられているが、ここでは、タービン調速制御装置に適用した例について述べる。図１３はタービン調速制御装置の概略構成図であり、タービン回転数ＮＲおよび回転数指令ＮＳを回転数制御器１に入力し、さらに発電機負荷ＧＬおよび負荷指令ＧＳを負荷制御器２に入力することにより、蒸気加減弁の流量指令信号を計算し、この流量指令信号を流量／弁開度変換関数器３に入力して弁開度指令信号３ｅに変換し、この変換された弁開度指令信号３ｅと弁開度検出器４により検出された実弁開度信号４ｅとをサーボ弁制御装置５に入力して比較し、双方の信号の偏差をサーボ指令信号５ｅとしてバルブインターフェース６を経てサーボ弁７のソレノイド（サーボコイル）７−１に出力するように構成されている。
【０００３】
このサーボコイル７−１は与えられたサーボ指令信号５ｅを図示しない電気／油圧変換器により油圧信号に変換する。変換された油圧信号は油筒に入り、この油筒内のピストンの移動により蒸気加減弁の開度を変化させる。
【０００４】
従来のサーボ弁制御装置５の内部機能は図１４のブロック図で示すように、サーボ弁開度指令信号３ｅと実弁開度信号４ｅとを加算部５−１にて偏差を求め、パワーアンプ５−２でこの偏差に弁位置制御ゲイン２０を乗じた後、ヌルバイアス補償器５−３の出力信号と加算部５−４で加算され、制限器５−５を介してサーボ指令信号５ｅとして、バルブインターフェース６を介してサーボコイル７−１に出力し、サーボ弁７を駆動するように構成されている。
【０００５】
なお、ヌルバイアス補償器５−３とは、サーボコイル７−１に与えられるサーボ電流が喪失したときに蒸気加減弁をフェールセーフ側すなわち弁体を閉じる方向に制御するためのバイアスを与えるものであり、また、制限器５−５はパワーアンプ５−２の出力を制限するために、必要に応じて設けられるものである。
【０００６】
図１５はサーボ弁制御装置５の信頼性を向上させるために、１つの蒸気加減弁８に対して駆動系であるサーボ弁制御装置、バルブインターフェース、サーボコイル、弁開度検出器をそれぞれＡ系、Ｂ系、Ｃ系として３重化構成した場合の制御ブロック図である。
【０００７】
図１５において、各系の弁開度検出器４Ａ、４Ｂ、４Ｃの出力４Ａｅ、４Ｂｅ、４Ｃｅはサーボ弁制御装置５Ａ、５Ｂ、５Ｃに設けた中間値選択回路（Ｍｉｄｄｌｅ Ｖａｌｕｅ Ｇａｔｅ）５−Ｍに入力される。中間値選択回路５−Ｍは入力信号中の中間値を出力した後、図１４の加算部５−１で前記サーボ弁開度指令信号３ｅと比較され偏差を出力する。その後の機能は図１４の場合と同じであるので省略する。
【０００８】
そして、各サーボ弁制御装置５Ａ、５Ｂ、５Ｃの出力は全て各系のバルブインターフェース６Ａ、６Ｂ、６Ｃに入力されて前述と同じ構成の中間値選択回路６−１に入力され、その中の中間値が出力される。各系のバルブインターフェース６Ａ、６Ｂ、６Ｃの出力はアンプ６−２で増幅されて出力される。
【０００９】
なお、この３コイルサーボシステムでは、各系のサーボ弁７Ａ、７Ｂ、７Ｃに設けたサーボ電流検出器７−２によりサーボ電流を直接検出してフィードバックすることにより、各系のバルブインターフェース６Ａ、６Ｂ、６Ｃの異常系を検出し、検出された異常系に対して回路切離指令をスイッチ等の回路切離手段６−３に出力し、バルブインターフェース異常系の切離しを行っている（例えば、特許文献１）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平４−２２８８３９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の比例制御によるサーボ弁制御装置では、サーボ弁が有する機械的なヌルバイアスの変動やその他サーボ弁の機構中で生じる種々の入力端外乱により、蒸気弁開度指令と実弁開度との間で制御偏差が生じ、サーボ弁制御装置としての制御性能を悪化させることになる。
【００１２】
そのため、定期的にヌルバイアス補償値を調整する必要も生じる。また、３コイルサーボシステムにおいて、バルブインターフェースの１系異常、サーボコイルの１系あるいは２系断線等サーボ弁に加わる入力端外乱が生じた場合、蒸気弁開度指令と実弁開度との間に偏差が生じてサーボ弁制御装置としての制御特性を悪化させることになる。
【００１３】
このような偏差を除去する手法としては、積分制御を追加することが一般的である。しかしながら、制御対象のサーボ弁は制御入力であるサーボ電流と観測出力である蒸気加減弁位置との関係が積分特性を有するため、制御器側にさらに積分器を追加すると閉ループ系の応答が遅くなるだけでなく、安定性が劣化する欠点がある。
【００１４】
また、上述した従来の３コイルサーボシステムでは、各系毎のサーボ電流検出器によりサーボ電流を直接検出してパワーアンプ異常、サーボコイルの断線等が生じた系を検出し、検出された異常系からの出力の切離しを行うことにより正常な制御を継続しているが、このシステムを構築するためには、各系毎にサーボ電流検出器７−２や回路切離器６−３が必要となり、その分ハードウェアのコストアップのみならず、これらサーボ電流検出器７−２や回路切離器６−３の故障も考慮しなければならないためシステム全体の信頼性も低下する欠点がある。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、サーボ弁の入力端外乱が生じた場合にも、弁開度制御偏差を生じることなく正常な制御が可能なサーボ弁制御装置を備えたサーボ弁制御装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１に係るサーボ弁制御装置の発明は、サーボ弁の開度目標値および実弁開度信号を入力してサーボ弁の開度を目標値に追従するように制御するサーボ弁制御装置において、弁開度指令信号と実弁開度信号との偏差を入力しサーボ弁を駆動するためのサーボ指令信号を出力する制御器と、前記実弁開度信号および前記サーボ指令信号を入力し、サーボ弁に加わる入力端外乱信号を推定する入力端外乱推定部と、この入力端外乱推定部の出力を前記サーボ指令信号に加減算してサーボ指令信号を修正する修正手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項５に係るサーボ弁制御装置の発明は、サーボ弁の開度目標値および実弁開度信号を入力してサーボ弁の開度を目標値に追従するように制御するサーボ弁制御装置において、弁開度指令信号と実弁開度信号との偏差を入力しサーボ弁を駆動するためのサーボ指令信号を出力する制御器と、前記実弁開度信号および前記サーボ指令信号を入力し、サーボ弁に加わる入力端外乱信号を推定する入力端外乱推定部と、この入力端外乱推定部の外乱推定信号に基づき前記サーボ指令信号を出力する制御器の制御パラメータを調整する関数器と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
さらに、請求項８に係わるサーボ弁制御システムの異常検出装置の発明は、サーボ弁の弁開度指令信号と実弁開度信号との偏差を入力しサーボ弁を駆動するためのサーボ指令信号を出力する制御器、前記実弁開度信号および前記サーボ指令信号を入力してサーボ弁に加わる入力端外乱信号を推定する入力端外乱推定部、この入力端外乱推定部から出力された外乱推定信号を前記サーボ指令信号に加減算してサーボ指令信号を修正する修正手段を備えたサーボ弁制御装置と、このサーボ弁開度制御装置からのサーボ指令信号をサーボ弁を駆動できるように増幅するパワーアンプを有するバルブインターフェースと、このバルブインターフェースからの出力電流によりサーボ弁を駆動するサーボコイルとをそれぞれ３重化してサーボ弁制御システムを構成し、各サーボ弁制御装置の入力端外乱推定部から出力された外乱推定値が予定の設定範囲を逸脱したとき、バルブインターフェースが２系以上異常と判定する異常判定手段と、この異常判定手段の動作に基づいて各系に対して１系ずつ順番にパワーアンプ出力の切離しを行い、切離し後前記入力端外乱推定部から出力される外乱推定値の変化の大きさによりパワーアンプ異常系を検出する検出ロジックとを備えたことを特徴とする。
【００１９】
またさらに、請求項９に係わるサーボ弁制御システムの異常検出装置の発明は、サーボ弁の弁開度指令信号と実弁開度信号との偏差を入力しサーボ弁を駆動するためのサーボ指令信号を出力する制御器、前記実弁開度信号および前記サーボ指令信号を入力してサーボ弁に加わる入力端外乱信号を推定する入力端外乱推定部、この入力端外乱推定部から出力される外乱推定信号に基づき前記サーボ指令信号を出力する制御器の制御パラメータを調整する関数器とを備えたサーボ弁制御装置と、このサーボ弁開度制御装置からのサーボ指令信号をサーボ弁を駆動できるように増幅するパワーアンプを有するバルブインターフェースと、このバルブインターフェースからの出力電流によりサーボ弁を駆動するサーボコイルとをそれぞれ３重化してサーボ弁制御システムを構成し、各サーボ弁制御装置の入力端外乱推定部から出力された外乱推定値が予定の設定範囲を逸脱したとき、バルブインターフェースが２系以上異常と判定する異常判定手段と、この異常判定手段の動作に基づいて各系に対して１系ずつ順番にパワーアンプ出力の切離しを行い、切離し後前記入力端外乱推定部から出力される外乱推定値の変化の大きさによりパワーアンプ異常系を検出する検出ロジックとを備えたことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
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。なお、既に説明した図と同一部分には同一符号をつけることにより、重複する説明は省略する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
図１は本発明に係るサーボ弁制御装置の第１の実施の形態を示すブロック図である。本実施の形態によるサーボ弁制御装置５１は、サーボ弁開度指令信号３ｅと弁開度検出器４で検出された実弁開度信号４ｅとを比較し、偏差を求める加算部５−１と、この加算部５−１の偏差出力に弁位置制御ゲインを乗じる制御器５−２と、サーボ弁が内蔵する機械的なヌルバイアスを補償するために設けたヌルバイアス補償器５−３と、制御器５−２の出力とヌルバイアス補償器５−３の出力とを加算する加算部５−４と、この加算部５−４の後段に必要に応じて設けられサーボ指令信号を上下限制限する信号制限器５−５と、サーボ指令信号５ｅおよび実弁開度検出信号４ｅとを入力してサーボ弁の入力端に加わる外乱を制御対象であるサーボ弁の数学モデルに基づいて推定する入力端外乱推定部５−６と、この入力端外乱推定部５−６から出力された外乱推定値５−６ｅの符号を反転して前記加算部５−４の出力であるサーボ指令信号に加算してサーボ指令信号を再計算（修正）するためのフィードフォワードパス（修正手段）５−７とから構成されている。なお、５−７１はフィードフォワードパス５−７を構成する加算部である。
【００２２】
次に図２において前述した入力端外乱推定部５−６の一例について説明する。なお、図２のうち５−６１（Ｌ）は制御ゲイン、５−６２はヌルバイアス補償器、５−６３（Ａ）はサーボ弁のシステム行列、５−６４（Ｃ）はサーボ弁の観測行列、５−６５（Ｂ）はサーボ弁の入力行列、５−６６（１／Ｓ）は積分器、５−６７（０１０）は行列、５−６８（１／ｆ０）はゲイン、５−６９、５−６１０および５−６１１は加算部である。
サーボ弁の非線形状態空間モデルは次式で表される。
【００２３】
【数１】
また、サーボ弁に加わる入力端外乱モデル（１次）の状態空間モデルは自由モデルを用いて次式（２）で表される。
【数２】
式（１），（２）より入力端外乱モデル（１次）を包含したサーボ弁の状態空間モデルは
【数３】
【００２６】
式（３），（４）を制御対象のノミナル値とノミナル値からの変動分とに分離して書き直すと次のようになる。
【数４】
式（３），（４）に基づき、図２に示す次式の入力端外乱推定部５−６を構成することができ、外乱推定信号を抽出する行列５−６７（０１０）を乗じて外乱推定値を得ることができる。
【００２８】
【数５】
制御ゲイン５−６１は、極配置法やカルマン・フィルタ等の現代制御の手法により設計することができる。また、入力端外乱推定部５−６中のヌルバイアス補償器５−６２の設定値は、サーボ弁制御装置５中のヌルバイアス補償器５−３の設定値と等しく設定する。
【００３０】
ここで、重要な点は、入力端外乱推定部５−６を設計する際に用いるシステム行列（Ａ）５−６３および観測行列（Ｃ）５−６４は定数行列であって、制御対象のパラメータが含まれていないということである。制御対象のパラメータは入力行列（Ｂ）５−６５のみに含まれている。これは、入力端外乱信号ｘに制御対象のモデル化誤差分も含ませているためである。よって、設計される入力端外乱推定部５−６のシステムの安定性は制御対象の次数変動がない限り、パラメータ変動によらず保証される。
【００３１】
次に、入力端外乱推定部５−６により推定された外乱推定値をサーボ指令換算するために、図２の制御ゲイン５−６８で示すように油筒定数ノミナル値の逆数を乗じて、符号を反転してサーボ指令信号に加算する。この図１に示すフィードフォワードパス５−７により入力端外乱を直接的に素早く抑制することができる。
また、油筒定数ノミナル値によらず、弁開度指令と実弁開度との定常偏差は入力端外乱推定部５−６中の積分器５−６６により０になることが保証される。
【００３２】
さらに、本実施形態は、サーボ指令信号を上下限制限する信号制限器５−５の出力を入力端外乱推定部５−６に入力することによりワインドアップを生じない構成を採用している（なお、ワインドアップとは、操作端やアクチュエータの制限により制御偏差が有限値として残る場合、積分出力が無限大に暴走する現象をいう）。このワインドアップを生じない構成は、通常の弁開度指令と実弁開度の偏差に対する積分制御にはない、重要な性質である。
本発明による制御入力決定アルゴリズムは次式（１０）となる。
【００３３】
【数６】
次に、図３、図４および図５を参照し、本実施形態に係る装置と従来の技術との比較を結果を説明する。
図３は、入力端外乱推定部５−６を有する本発明のサーボ弁制御装置によるサーボ弁の位置制御特性を示す図であり、図４は図１１で示す入力端外乱推定部５−６を持たない従来技術のサーボ弁の位置制御特性を示す図であり、ともに、弁開度指令が５０％一定で、実弁開度も５０％で安定に追従しているときに、ヌルバイアス変動や１系パワーアンプ異常等の外乱がサーボ弁に加えた状態でのサーボ弁の位置制御特性を示す。
【００３５】
なお、図３および図４において矢印で示した事項は以下の各種外乱印可条件を意味している。すなわち、「１系アンプ＋側最大」とは３系のうち１系のパワーアンプがその入力に関わらず＋側最大値に異常出力した状態を意味し、「１系アンプ−側最小」とは３系のうち１系のパワーアンプがその入力に関わらず−側最小値に異常出力した状態を意味する。また、「ＮＵＬＬ＝−９９」とはサーボ弁のヌルバイアスが初期値（正常値）が−５％から−９９％に異常変動した状態を意味し、「ＮＵＬＬ＝＋９９」とはサーボ弁のヌルバイアスが初期値（正常値）が−５％から＋９９％に異常変動した状態を意味する。
【００３６】
さらに「１系アンプ０．３Ｈｚ」とは３系のうち１系のパワーアンプがその入力に関わらず振幅１００％、周波数０．３Ｈｚの正弦波状に異常出力した状態を意味し、「１系アンプ１Ｈｚ」とは３系のうち１系のパワーアンプがその入力に関わらず振幅１００％、周波数１Ｈｚの正弦波状に異常出力した状態を意味する。
【００３７】
これら図３および図４の比較から明らかなように、本発明による入力端外乱推定部５−６がサーボ弁に加わる入力端外乱を素早く推定し、フィードフォワードパス５−７により直接的に外乱抑圧補償を行うことによって外乱に対して弁位置の変動が十分抑制されることがわかる。
【００３８】
図５は、タービン調速制御装置で発電機負荷２５％一定制御中に、３コイルサーボシステムの１系パワーアンプが＋側最大異常となったときの本発明および従来技術の負荷制御特性を比較した図である。
【００３９】
図５中、ＰＲＯＰＯＳＥＤとは、図１に示す本実施形態に係る装置による負荷応答を、またＣＯＮＶＥＮＴＩＯＮＡＬとは、図９に示す従来装置による負荷応答を示す。また、ＡＬＲ ＳＥＴとは発電機負荷指令値であり、ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ ＭＷとは発電機負荷のことである。
【００４０】
このように本実施形態に係る装置によれば、入力端外乱推定部が制御対象であるサーボ弁に加わる入力端外乱をサーボ弁の数学モデルに基づいて推定し、推定した外乱を打ち消すようにサーボ電流指令を再計算することによって入力端外乱を直接的に鋭く抑制することができる。
【００４１】
（第２の実施の形態）
図６は本発明の第２の実施の形態を表すブロック図である。本実施の形態によるサーボ弁制御装置１Ｂは、入力端外乱推定部５−６の出力信号に基づいてオペレータが手動でヌルバイアス補償器５−３ａの設定値を調整および評価する手動調整手段５−８を備えている。オペレータは、入力端外乱推定部５−６の出力が０になるように、ヌルバイアス補償器５−３ａの設定値を調整する。
【００４２】
この実施の形態によれば、オペレータが入力端外乱推定部５−６の外乱推定信号の値の大きさ評価することにより、ヌルバイアス補償器５−３ａの設定値のずれの程度を判断し、手動で前記ヌルバイアス補償器５−３ａを調整することによって常に最適な制御状態を確保することができる。
【００４３】
（第３の実施の形態）
図７は本発明の第３の実施の形態を表すブロック図である。本実施の形態によるサーボ弁制御装置５３は、入力端外乱推定部５−６の出力信号に基づきサーボ弁制御装置５３自体の異常を検出する異常検出器５−９を備えている。この異常検出器５−９の１例としては、入力端外乱推定部５−６の出力信号が±１００％の範囲を逸脱したときに、弁開度制御異常と判断して制御停止指令を出力することができる。
【００４４】
この実施の形態においては、前記入力端外乱推定部５−６の外乱推定信号５−６ｅの値により、制御継続中にオンラインで弁位置制御ループの異常状態の監視および検出を行うことができ、異常検出器５−９を異常時に適切な指令を出力する手段として用いることができる。
【００４５】
（第４の実施の形態）
図８は本発明の第４の実施の形態を表すブロック図である。本実施の形態によるサーボ弁制御装置５４は、入力端外乱推定部５−６の出力信号５−６ｅに基づき比例制御器５−２ａの可変弁位置制御ゲインＰを調整するゲイン調整用関数器５−１０を設けるようにしたものである。例えば、入力端外乱推定部５−６の出力信号の絶対値が大きいときは可変弁位置制御ゲインＰを大きくし、入力端外乱推定部５−６の出力信号の絶対値が小さいときは、可変弁位置制御ゲインＰを小さくするという調整方法をとる。
なお、可変弁位置制御ゲインＰは比例ゲインに限らず一般的な制御器として、制御器中の複数の制御パラメータを適応的に変化させることもできる。
【００４６】
以上述べたように本実施の形態によれば、サーボ弁に加わる入力端外乱の大きさに応じて制御器５−２ａのゲインを変化させることで入力端外乱が加わったときのサーボ弁制御装置の制御性を改善することができる。
【００４７】
（第５の実施の形態）
図９は本発明の第５の実施の形態を表す構成図である。本実施の形態はサーボ弁制御装置を３コイルサーボシステムに適用した場合の構成例を示し、図１０はサーボ弁制御装置５５の詳細を示す図である。
【００４８】
本実施の形態は、１つの蒸気加減弁８を駆動するために図１に示す各サーボ弁制御装置５１に中間値選択回路５−Ｍを付加してなるサーボ弁制御装置５５、バルブインターフェース６、サーボコイル７−１および弁開度検出器４を３重化してそれぞれをＡ系、Ｂ系およびＣ系とし、さらに実弁開度信号およびサーボ弁制御装置５５からバルブインターフェース６内のパワーアンプ２へ出力するサーボ指令信号をそれぞれ中間値選択回路６−１に入力してそれぞれ中間値を使用するように構成したものである。なお、各サーボ弁制御装置５５は、図１に示すサーボ弁制御装置５１に替えて、それぞれ図６、７、８に示すサーボ弁制御装置５２、５３あるいは５４に中間値選択回路５−Ｍを付加した構成としてもよい。
【００４９】
図１０において、中間値選択回路５−Ｍから出力される中間値は加算部５−１および入力端外乱推定部５−６に入力されるように構成されている。その他は図１と同じなので説明を省略する。
【００５０】
以上述べたように本実施の形態によれば、サーボ弁制御装置またはパワーアンプまたは弁開度検出器の１系異常時、またはサーボコイルの２系までの断線時にも正常な制御の継続を可能とすることができる。
【００５１】
因みに、図１５に示す従来の３コイルサーボシステムでは、前述したようにサーボ電流検出器７−２およびリレー等による回路切離手段６−３を設けてパワーアンプ異常系やサーボコイル断線系の出力切離を行っているので、サーボ弁制御装置５を単純に３コイルサーボシステムのサーボ弁制御装置５に適用した場合、パワーアンプ異常やサーボコイル断線はサーボ弁に加わる入力端外乱と等価であるので、出力切離を行わない場合、制御偏差が生じ正常時と等価な制御が継続できない。
【００５２】
これに対し、図９、図１０で示した本実施の形態は、各系のサーボ弁制御装置５１中の入力端外乱推定部５−６がパワーアンプ異常やサーボコイル断線によるサーボ弁に対する入力端外乱を補償してサーボ指令信号を再計算するので、サーボ電流検出器７−２や回路切離手段６−３なしでサーボ弁制御装置５５またはパワーアンプ６−２または弁開度検出器５５の１系異常時またはサーボコイル７−１の２系までの断線時にも正常な制御を継続することができる。
【００５３】
以上述べたように本実施の形態によれば、１系のパワーアンプ異常、または２系までのサーボコイル断線を弁位置制御ループに加わる入力端外乱として各系のコントローラの入力端外乱推定部が外乱抑圧補償を行うことによって、パワーアンプ出力電流の検出手段およびパワーアンプ出力切離しを行う手段を必要とせずに正常な制御を継続することが可能である。
【００５４】
（第６の実施の形態）
次に、本発明の第６の実施の形態を表す３コイルサーボシステムの第２の構成例を図１１に示す。本実施の形態は、図９の構成に回路切離手段６−３を追加し、さらにこの回路切離手段６−３に切離し指令を出力する異常系切離しロジックを追加したものである。
【００５５】
本実施の形態は、サーボ弁制御装置５５中の入力端外乱推定部５−６の出力に基づき、パワーアンプ異常系のソフトウェアによる検出を行い、パワーアンプ異常系に対して、回路切離指令を出力し、回路切離手段６−３により出力回路を切離すことによって、従来のサーボ電流検出器７−２を用いることなく、２系までのパワーアンプ異常時にも正常な制御の継続を可能とする。
【００５６】
次に図１１における入力端外乱推定部５−６の出力信号を利用したパワーアンプ異常系のソフトウェアによる検出および異常系切離しロジック回路の一例を図１２によって説明する。
【００５７】
図１２において、第１の異常判定手段６０が入力端外乱推定部５−６の出力である外乱推定値の絶対値および弁開度制御偏差の絶対値の双方を入力し、入力端外乱推定部５−６の出力が±１００％の範囲を逸脱し、かつ弁開度制御偏差が設定値以上になったことを検出したときアンド条件が成立し、パワーアンプ２系以上に異常ありと判定する。そして、ソフトウェアによる検出ロジックを実行させることにより、パワーアンプ異常系を検出する。
【００５８】
前述のパワーアンプ異常系を検出する検出ロジックは、Ａ系、Ｂ系、Ｃ系の各系に対して１系ずつ順番に出力切離しを行う。パワーアンプを切離したとき、入力端外乱推定部５−６の出力信号の変化率および弁開度制御偏差の変化率を第２の判定手段６１に入力し、これらの変化率が共にゼロ以上の場合アンド条件が成立し、当該系のパワーアンプ異常ありと判定する。この場合は、当該系のサーボアンプの切離しを継続する。
【００５９】
第２の判定手段６１は、入力端外乱推定部５−６の出力信号の変化率あるいは弁開度制御偏差の変化率のいずれか一方がゼロ未満であればアンド条件が成立しないので、当該系に異常がないと判定し、当該系のサーボアンプを復帰させる。
【００６０】
以上の操作を３系に対して各系順番に行うことによって、サーボ電流を直接検出することなく、パワーアンプ異常系の検出を行うことができ、２系のパワーアンプ異常時にも正常な制御を維持することが可能になる。
【００６１】
なお、図１２の場合は入力端外乱推定部５−６の出力および弁開度制御偏差Δｚの双方のアンド条件をとっているが、場合によっては入力端外乱推定部５−６の出力だけを監視するようにしてもよい。
【００６２】
以上述べたように本実施の形態によれば、前記入力端外乱推定部の出力信号に基づき、パワーアンプの異常系を検出ロジックによりソフトウェア的に検出し、異常系のパワーアンプ出力を切離すことにより、サーボ電流を直接検出することなく、２系のパワーアンプ異常時にも正常な制御を継続することが可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、サーボ弁の入力端に加わる外乱を入力端外乱推定部により直接的に抑制することができ、サーボ弁のヌルバイアス変動や３コイルサーボシステムの１系アンプ異常等の入力端外乱に対しても制御性を劣化させずに、正常時の制御性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わるサーボ弁制御装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係わる入力端外乱推定部の構成を示すブロック図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係わるサーボ弁制御装置によるサーボ弁の位置制御特性を示す図。
【図４】従来のサーボ弁制御装置によるサーボ弁の位置制御特性を示す図。
【図５】本発明によるタービン調速制御装置による発電機負荷制御特性を従来例と比較した図。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係わるサーボ弁制御装置の構成を示すブロック図。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係わるサーボ弁制御装置の構成を示すブロック図。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係わるサーボ弁制御装置の構成を示すブロック図。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係わる３コイルサーボシステムの構成を示すブロック図。
【図１０】本発明の第５の実施の形態に係わるサーボ弁制御装置の構成を示すブロック図。
【図１１】本発明の第６の実施の形態に係わる３コイルサーボシステムの構成を示すブロック図。
【図１２】本発明の第６の実施の形態に係わる３コイルサーボシステムのパワーアンプ異常系のソフトウェア的検出およびパワーアンプ出力切離し手法を示すフローチャート。
【図１３】一般的なタービン調速制御装置の機能の概略を示すブロック図。
【図１４】従来のサーボ弁制御装置の構成を示すブロック図。
【図１５】従来の３コイルサーボシステムの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
４…弁開度検出器、５１，５２，５３，５４，５５，５６…サーボ弁制御装置、５−１加算部、５−２…弁位置制御ゲイン、５−２ａ…可変弁位置制御ゲイン、５−３，５−３ａ…ヌルバイアス補償器、５−４…加算部、５−５…信号制限器、５−６…入力端外乱推定部、５−７…フィードフォワードパス（修正手段）、５−８…手動調整手段、５−９…異常検出器、５−１０…ゲイン調整用関数器、５−Ｍ…中間値選択回路、６…バルブインターフェース、６−１…中間値選択回路、６−２…パワーアンプ、６−３…回路切離手段、７…サーボ弁、７−１…サーボコイル、８…蒸気加減弁、６０…第１異常判定手段、６１…第２異常判定手段。
Claims (9)
- サーボ弁の開度目標値および実弁開度信号を入力してサーボ弁の開度を目標値に追従するように制御するサーボ弁制御装置において、
弁開度指令信号と実弁開度信号との偏差を入力しサーボ弁を駆動するためのサーボ指令信号を出力する制御器と、
前記実弁開度信号および前記サーボ指令信号を入力し、サーボ弁に加わる入力端外乱信号を推定する入力端外乱推定部と、
この入力端外乱推定部から出力された外乱推定信号を前記サーボ指令信号に加減算してサーボ指令信号を修正する修正手段と、
を備えたことを特徴とするサーボ弁制御装置。 - 前記サーボ指令信号を入力し、予め定めた制限値を逸脱する分を制限して出力する信号制限器を設けたことを特徴とする請求項１記載のサーボ弁制御装置。
- 前記入力端外乱推定部は、制御対象であるサーボ弁のモデル化する際、システム行列および観測行列を制御対象の特性パラメータに依存しないように構成することを特徴とする請求項１または請求項２記載のサーボ弁制御装置。
- 前記入力端外乱推定部の出力に基づき前記サーボ弁制御装置の異常状態を検出する異常検出器を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項３記載のサーボ弁制御装置。
- サーボ弁の開度目標値および実弁開度信号を入力してサーボ弁の開度を目標値に追従するように制御するサーボ弁制御装置において、
弁開度指令信号と実弁開度信号との偏差を入力しサーボ弁を駆動するためのサーボ指令信号を出力する制御器と、
前記実弁開度信号および前記サーボ指令信号を入力し、サーボ弁に加わる入力端外乱信号を推定する入力端外乱推定部と、
この入力端外乱推定部から出力される外乱推定信号に基づき前記サーボ指令信号を出力する制御器の制御パラメータを調整する関数器と、
を備えたことを特徴とするサーボ弁制御装置。 - 前記サーボ弁が内蔵するヌルバイアスを補償するための補償信号を前記サーボ指令信号に加算するヌルバイアス補償器を設けたことを特徴とする請求項１または請求項５記載のサーボ弁制御装置。
- 前記入力端外乱推定部の出力に基づき、前記ヌルバイアス補償器の設定値を調整する手段を備えたことを特徴とする請求項６記載のサーボ弁制御装置。
- サーボ弁の弁開度指令信号と実弁開度信号との偏差を入力しサーボ弁を駆動するためのサーボ指令信号を出力する制御器、前記実弁開度信号および前記サーボ指令信号を入力してサーボ弁に加わる入力端外乱信号を推定する入力端外乱推定部、この入力端外乱推定部から出力された外乱推定信号を前記サーボ指令信号に加減算してサーボ指令信号を修正する修正手段を備えたサーボ弁制御装置と、このサーボ弁開度制御装置からのサーボ指令信号をサーボ弁を駆動できるように増幅するパワーアンプを有するバルブインターフェースと、このバルブインターフェースからの出力電流によりサーボ弁を駆動するサーボコイルとをそれぞれ３重化してサーボ弁制御システムを構成し、各サーボ弁制御装置の入力端外乱推定部から出力された外乱推定値が予定の設定範囲を逸脱したとき、バルブインターフェースが２系以上異常と判定する異常判定手段と、この異常判定手段の動作に基づいて各系に対して１系ずつ順番にパワーアンプ出力の切離しを行い、切離し後前記入力端外乱推定部から出力される外乱推定値の変化の大きさによりパワーアンプ異常系を検出する検出ロジックとを備えたことを特徴とするサーボ弁制御システムの異常検出装置。
- サーボ弁の弁開度指令信号と実弁開度信号との偏差を入力しサーボ弁を駆動するためのサーボ指令信号を出力する制御器、前記実弁開度信号および前記サーボ指令信号を入力してサーボ弁に加わる入力端外乱信号を推定する入力端外乱推定部、この入力端外乱推定部から出力される外乱推定信号に基づき前記サーボ指令信号を出力する制御器の制御パラメータを調整する関数器とを備えたサーボ弁制御装置と、このサーボ弁開度制御装置からのサーボ指令信号をサーボ弁を駆動できるように増幅するパワーアンプを有するバルブインターフェースと、このバルブインターフェースからの出力電流によりサーボ弁を駆動するサーボコイルとをそれぞれ３重化してサーボ弁制御システムを構成し、各サーボ弁制御装置の入力端外乱推定部から出力された外乱推定値が予定の設定範囲を逸脱したとき、バルブインターフェースが２系以上異常と判定する異常判定手段と、この異常判定手段の動作に基づいて各系に対して１系ずつ順番にパワーアンプ出力の切離しを行い、切離し後前記入力端外乱推定部から出力される外乱推定値の変化の大きさによりパワーアンプ異常系を検出する検出ロジックとを備えたことを特徴とするサーボ弁制御システムの異常検出装置。
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