JP2004522903A - フィードフォーワード機関制御調速システム - Google Patents

Abstract

負荷（１４）を駆動し、かつ機関スロットル（１８）を含む機関制御ユニット（１６）によって制御された一定速度において動作することが望ましい産業用内燃機関（１２）の機関制御システム（１０）において、事前設定ループ修正制御で負荷の変化を予測することによって、負荷の変化にもかかわらず、機関（１２）を比較的一定の速度に維持するための調速装置が提供される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本特許出願は、「Ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の２００１年４月１２日に出願された米国特許出願第０９／８３４，２００号の優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、産業用内燃機関に関し、より具体的には、機関を一定速度に維持するための調速システム（ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）に関する。
【０００３】
本発明は、天然ガス機関、ディーゼル機関、気体タービン機関などを含めて、さまざまな産業用内燃機関に応用される。１つの望ましい応用分野では、本発明は、公益事業、工場などの電力生成装置を駆動するために使用される産業用内燃機関と共に使用され、負荷の変化にもかかわらず、米国の６０Ｈｚまたは欧州の５０Ｈｚなど、所望の周波数と整合することが好ましい。本発明は、機関をある一定の速度に維持することが望ましい他の応用分野を有する。
【０００４】
産業用内燃機関は、機関を一定速度に維持するために、調速装置（ｇｏｖｅｒｎｏｒ）を使用する。フィードバックシステムが、機関に応答して、フィードバック信号を調速装置に供給する。調速装置が、観測速度を所望の速度と比較して、デルタ信号またはエラー信号を生成し、この信号は、デルタ信号またはエラー信号をゼロに駆動する試行において、機関速度を正確に増大または低減するために機関スロットルに供給される。天然ガス機関は、負荷応答がディーゼル機関より不十分であり、したがって、天然ガス機関に対する大きな負荷は、機関を停止させる可能性があり、または機関速度が許容不可能なほど低く落ち込むことになる可能性がある。駆動された負荷が、電力会社のグリッドから絶縁されているときの電気生成装置であるとき、応答時間は特に重要である。これらの応用例では、同期周波数からの逸脱の大きさおよび持続時間を最小限に抑えることが重要である。フィードバックのみに依存することは、必然的に遅延を必要とするが、その理由は、機関速度の変化を修正することができるようになる前に、まず機関速度の変化を感知しなければならないからである。
【０００５】
フィードフォーワードシステム（ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ ｓｙｓｔｅｍ）は、より迅速な応答を提供し、機関速度の変化を予測するために使用することができる。従来の技術では、負荷の変化を感知し、次いで予測信号を機関制御ユニットに送信して、スロットルの位置を変化させ、その後、フィードバックシステムが速度の変化を感知することが既知である。これにより、負荷の過渡現象によって生じる周波数の逸脱が低減される。予測信号を提供するために負荷感知に基づくこのタイプのフィードフォーワードシステムは、「Ｌｏａｄ Ｐｕｌｓｅ Ｕｎｉｔ」、Ｗｏｏｄｗａｒｄ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ８２３８８Ｃ、１９９８に開示されている。
【０００６】
他のフィードフォーワードシステムでは、負荷予測トリム信号は、コマンド化された機関負荷の変化に応答して機関を予測するフィードフォーワード信号として提供される。フィードフォーワード信号は、スロットルを制御するために、フィードバックシステム誤差信号と合計される。これについては、参照により本明細書に組み込まれているＴｈｏｒｎｂｅｒｇらの米国特許第５，４２９，０８９号を参照することが可能である。
【０００７】
他のフィードフォーワードシステムでは、機関出力パワーは、負荷の増大を予測して上昇することが可能になる。負荷コマンドに応答して、小さなデルタ速度変化が、負荷コマンドが最初に感知されたときからある時間間隔にわたって機関に加えられる。このタイプのフィードフォーワードシステムは、必要な余剰トルクの量が既知ではないとき、望ましい。
【発明の要約】
【０００８】
本発明は、産業用内燃機関の調速システムを提供し、負荷の変化にもかかわらず一定機関速度を維持するために、負荷の変化を事前に予測することに依拠する。余分に必要なトルクの量は、少なくともおおよそには事前に既知であり、余剰負荷が実際に加えられる前に精確な制御が開始される。好ましい実施形態では、本発明は、更新を再度加えることなく一度だけ加えて積分項を直接設定するように、ＰＩＤ比例積分微分または導関数制御ループにおいて適用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、負荷１４を駆動し、かつスロットル制御信号２０によって機関スロットル１８を制御する調速装置を含んでいる機関制御ユニット１６によって制御された一定速度で動作することが望ましい産業用内縁機関１２の、従来の技術において既知の機関制御システム１０を示す。調速システムが、機関を比較的一定の速度に維持するために提供される。このシステムは、フィードバックシステムを含み、フィードバックシステムは、調速装置が、機関に応答してフィードバック速度／トルク測定信号２２を機関制御ユニット１６に供給し、スロットル１８に供給されるスロットル制御信号２０を介して、一定機関速度の維持を試行することを可能にする。オペレータは、所望の速度信号またはｒｐｍ信号を信号２４入力において機関制御ユニット１６に供給し、このユニットは、２２における実際速度または観測速度を２４における所望の速度と比較し、誤差信号として速度間の相違またはデルタに応答して、スロットル１８を調節し、そのようなデルタ信号または誤差信号をゼロにすることを試行する。
【００１０】
システム制御ユニット２６が、負荷１４を制御するために負荷制御信号２８を介して提供され、このユニットは、入力３０においてオペレータによって設定された所望の速度またはｒｐｍに応答することが可能である。たとえば、駆動負荷１４が電気生成装置であるとき、所望の周波数は、米国では６０Ｈｚであり、欧州では５０Ｈｚである。負荷センサ３２において負荷の変化を感知して、３４において増大負荷信号を機関制御ユニット１６に提供して負荷予測を提供し、２２における観測した機関速度と２４における所望の機関速度との相違またはデルタ誤差信号を待機せずにスロットル１８の修正を可能にすることが既知である。これにより、負荷過渡現象によって生じる電力会社のグリッドにおける周波数の揺らぎが低減される。また、従来の技術では、上述した組み込まれている米国特許第５，４２９，０８９号など、周期制御信号または集団制御信号に従って負荷予測信号を提供することも既知である。
【００１１】
本発明は、駆動負荷１４の大きさが少なくともおおよそ既知である場合に適用可能である。負荷の大きさは、パワーとトルクの要件および駆動負荷１４の慣性から推定することができ、または実験で測定することができる。好ましい実施形態では、本発明は、後述するように、ＰＩＤ比例積分微分または導関数制御ループにおいて積分項を直接設定し、余分に必要なトルクの量に依拠する。トルクの量は、実際に必要とされる前にほぼまたは少なくともおおよそ既知である。精確な制御が、積分器項を一度だけ修正することによって達成され、その後、制御は、更新項を再度加えることなく、そうでない場合は、機関速度の変化または負荷の変化または負荷コマンド信号の変化に応答して、ＰＩＤ制御ループに戻る。これは、余分に必要なトルクの量が既知ではない従来のフィードフォーワード制御とは対照的であり、したがって、実施することができる最善のことは、速度または負荷またはコマンド信号の変化が最初に観測された時点から較正時間持続期間の間、小さいデルタ変化を加えることにより、予測して機関パワー出力をゆっくり上昇させることを可能にすることである。従来の技術は、所望され、かつ本発明によって達成される精確な制御を提供することができない。本発明では、事前設定スロットル制御ループを修正して負荷の変化を予測することによって、負荷の変化にもかかわらず、調速システムは、機関を比較的一定の速度に維持する。
【００１２】
図２は、本発明による機関制御システム４０を示し、理解を容易にするために適切である場合、上記と同じ参照符号を使用する。本発明によれば、調速システムは、上述した状況において負荷の変化を事前に予測することによって、負荷の変化にもかかわらず、機関を比較的一定の速度に維持する。調速システムは、上記のように、フィードバックシステムを含み、これは、機関１２に応答して、２２において第１入力を機関制御ユニット１６に供給して、調速装置が一定機関速度の維持を試行することを可能にする。システム制御ユニット２６は、負荷１４を制御して、４２において第２入力を機関制御ユニット１６に供給する。第１入力２２は、そのような変化の後、機関速度の変化に応答するフィードバック入力である。入力４２は、フィードフォーワード入力であり、システムの負荷および慣性が少なくともほぼ事前に既知である上述した被制御状況において、機関速度の変化をそのような変化の前に予測する。機関速度誤差あるいはデルタ信号、または負荷センサ信号、または負荷予測トリム信号をフィードバック信号と合計するのを待機する必要はない。これは、余分に必要なトルクの量が実際に必要とされる前に既知である上述した状況では有利であり、本発明において使用される。
【００１３】
システム制御ユニット２６は、３０における上述した入力と、２８における第１出力と、４２における第２出力とを有する。システム制御ユニット２６の入力３０は、オペレータコマンドに応答する。システム制御ユニット２６の出力２８は、負荷１４に供給され、それに上述した負荷制御信号を提供する。システム制御ユニット２６の出力４２は、機関制御ユニット１６に供給され、システム制御ユニット２６によって制御された負荷の変化を予測して、ユニット１６にフィードフォーワード負荷入り信号を提供する。システム制御ユニット２６は、機関速度の変化を待機せずに、かつ負荷の変化を待機せずに、フィードフォーワード負荷入り信号４２を機関制御ユニット１６に供給する。そのようなフィードフォーワード負荷入り信号は、階段状変化１回のみ信号（ｓｔｅｐ ｃｈａｎｇｅ ｏｎｅ−ｔｉｍｅ−ｏｎｌｙ ｓｉｇｎａｌ）であり、後述するように、積分項を直接設定するためにＰＩＤ制御ループに加えられることが好ましい。好ましい形態では、システム制御ユニット２６は、負荷制御信号２８がシステム制御ユニット２６から負荷１４に加えられるまでに、フィードフォーワード負荷入り信号（ｌｏａｄ−ｃｏｍｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ）４２を、システム制御ユニット２６から機関制御ユニット１６に供給する。好ましくは、負荷制御信号２８は、システム制御ユニット２６の上述した第１出力において既知の遅延２７によって提供されるので、システム制御ユニット２６は、負荷制御信号２８が負荷１４に加えられるより既知の時間前に、フィードフォーワード負荷入り信号４２が機関制御ユニット１６に供給されるように、３０におけるオペレータコマンドに応答して、出力２８および４２を順次実施する。
【００１４】
機関制御ユニット１６は、図３のＰＩＤ比例積分微分または導関数制御ループ５０を含むことが好ましく、このループは、所望の機関速度２４と観測した機関速度２２との相違からの入力５２を有し、かつスロットル制御信号２０を機関１２に供給する５４の出力を有する。ＰＩＤ制御ループ５０は、比例項５６と、積分項５８と、微分項または導関数項６０とを含み、これは、Ｔｈｅ Ａｒｔ Ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｋ．Ｄｕｔｔｏｎ、Ｓ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ、Ｂ．Ｂａｒｒａｃｌｕｇｈ、Ａｄｄｉｓｏｎ Ｗｅｓｌｅｙ Ｌｏｎｇｍａｎ、１９９７、２８０〜２８２ページなど、従来の技術でにおいて既知である。上述した図３の部分は、図３の左半分に示されており、従来の技術において既知であり、通常のフィードバック制御アルゴリズムである。比例項５６は、エラー信号、すなわち所望の速度あるいはｒｐｍと観測したまたは実際の速度あるいはｒｐｍとのデルタまたは相違に比例する信号を通過させる。積分項５８は、誤差信号の時間積分に比例し、平均して、突然のピークまたは谷に対する過剰反応を最小限に抑える。微分項または導関数項６０は、誤差信号の時間微分に比例し、時間の経過に伴う速度の変化率に対する応答を提供する。これらの態様の組合せは、従来の技術において既知であり、既知の技法による簡単さと適用性という点で、本発明においても好ましい。本発明では、図２の負荷入り信号４２が、図３の遅延タイマ論理６２に続いて、積分項５８への６４における直接更新として加えられる。積分項５８に加えられる更新６４は、所定の設定値であり、一度だけ積分項５８に加えられ、再度加えられることはない。
【００１５】
図４では、６２において提供された遅延により、６４の直接更新信号が、負荷入り信号４２を加えた後の既知の時間に加えられるように、順次制御することが可能になる。遅延６２の終了６３において、更新は、６４において１回のみ移行として加えられる。これは、従来の技術のようにデルタエラー信号をランプ７２に沿って徐々に加えるランプ時間７０とは対照的である。７２ではなく６４における移行は、負荷と慣性とが既知である上述した被制御状況により可能になる。
【００１６】
図５は、本発明による性能を示す。左垂直軸は、ヘルツ表示の周波数を示し、右垂直軸は、パーセント負荷変化を示す。本発明を使用しない場合、８０において示すようにＷａｕｋｅｓｈａ Ｅｎｇｉｎｅ ７０４４ＧＳＩＥ機関に加えられた７５％負荷ステップは、８６における６０Ｈｚから８４における５１．５Ｈｚへの８２における周波数降下となる。比較すると、本発明では、７５％の負荷ステップが８８において加えられたとき、周波数は、９２における５４．６Ｈｚに９０において降下する。本発明を使用しない場合、６０Ｈｚからの周波数の逸脱は、１４％である。本発明では、６０Ｈｚからの周波数の逸脱は、９％である。この周波数の逸脱についての改善は、電力会社の応用分野では重要である。本発明を使用しない場合、移行８０付近の３０秒の平均周波数は、５９．５Ｈｚであるが、本発明では、移行８８付近の３０秒の平均周波数は、５９．９Ｈｚである。本発明を使用する場合と使用しない場合の移行付近における平均周波数のこの相違は、電力会社の応用分野では重要である。
【００１７】
図６は、本発明によるフローチャートソフトウエアと体系を示す。開始時、４２における負荷入りモードがイネーブルになっていない場合、６４における積分項の更新値はゼロに設定され、ＰＩＤ制御ループは上述したように進行する。負荷入りモードがイネーブルになっている場合、負荷入りモードが活動状態であるかに関する問合せが行われる。負荷入りモードがすでに活動状態にある場合、後述するように、タイマが満了したかについて問合せが行われる。負荷入りモードが活動状態ではない場合、負荷入り信号４２がオンであるかについて問合せが行われる。そうでない場合、積分項更新はゼロに設定され、ＰＩＤループは、上記のように続行される。負荷入り信号がオンの場合、負荷入り信号が４２において存在し、負荷入りモードは、活動状態に設定され、これによりタイマが始動される。タイマが満了したかについて問合せが行われ、そうでない場合、そのような問合せは更新され、積分項更新はゼロに設定される。図４の６３に示すように、タイマが満了したとき、積分項更新値は、６４において提供され、その後、負荷入りモードは非活動状態になり、積分項は、５８において更新される。このプロセスは、各呼出し、すなわちシステム制御ユニット２６による各活動化について反復される。
【００１８】
さまざまな等価物、変更、および修正が、添付の請求項の範囲内において可能であることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の技術において既知の機関制御システムの概略図である。
【図２】図１と同様の、本発明を示す図である。
【図３】図２の一部を概略的に示す図である。
【図４】図３の動作を概略的に示す図である。
【図５】本発明により向上した性能を示すグラフである。
【図６】本発明の動作を示すフローチャートである。

Claims (17)

1. 負荷を駆動し、制御ループを介して機関スロットルを制御する調速装置を含んでいる機関制御ユニットによって制御された一定速度において動作することが望ましい産業用内燃機関用の機関制御システムにおいて、事前設定制御ループを修正して負荷の変化を予測することによって、負荷の変化にもかかわらず、前記機関を比較的一定の速度に維持するためのものである調速システム。
2. 負荷を駆動し、機関スロットルを制御する調速装置を含んでいる機関制御ユニットによって制御された一定速度において動作することが望ましい産業用内燃機関用の機関制御システムにおいて、負荷の変化を予測することによって、負荷の変化にもかかわらず、前記機関を比較的一定の速度に維持するためのものであり、前記調速システムが、前記機関に応答して、第１入力を前記機関制御ユニットに供給し、調速装置が一定機関速度の維持を試行することを可能にするフィードバックシステムを含み、かつ前記負荷を制御して、第２入力を前記機関制御ユニットに供給するためのシステム制御ユニットを備え、前記第１入力が、機関速度の変化の後、そのような変化に応答するフィードバック入力であり、前記第２入力が、機関速度の変化の前にそのような変化を予測するフィードフォーワード入力である、調速システム。
3. 前記システム制御ユニットが、入力と、第１出力および第２出力とを有し、前記システム制御ユニットの前記入力が、オペレータコマンドに応答し、前記システム制御ユニットの前記第１出力が、前記負荷に供給され、かつそれに負荷制御信号を提供し、前記システム制御ユニットの前記第２出力が、前記機関制御ユニットの前記第２入力に供給され、かつそれに、前記システム制御ユニットによって制御された負荷の変化を予測して、フィードフォーワード負荷入り信号を提供する、請求項２に記載の本発明。
4. 前記システム制御ユニットが、機関速度の変化を待機せずに、かつ負荷の変化を待機せずに、前記フィードフォーワード負荷入り信号を前記システム制御ユニットの前記第２出力から前記機関制御ユニットの前記第２入力に供給する、請求項３に記載の本発明。
5. 前記システム制御ユニットが、前記負荷制御信号が、前記システム制御ユニットの前記第１出力から前記負荷に加えられるまでに、前記フィードフォーワード負荷入り信号を前記システム制御ユニットの前記第２出力から前記機関制御ユニットの前記第２入力に供給する、請求項４に記載の本発明。
6. 前記システム制御ユニットが、その前記入力において前記オペレータコマンドに応答して、その前記第１出力および前記第２出力を順次実施し、それにより、前記負荷制御信号が、前記システム制御ユニットの前記第１出力から前記負荷に加えられるより既知の時間前に、前記システム制御ユニットの前記第２出力からの前記フィードフォーワード負荷入り信号が、前記機関制御ユニットの前記第２入力に供給される、請求項３に記載の本発明。
7. 前記機関制御ユニットが、前記機関制御ユニットの前記第１入力における所望の機関速度と観測した機関速度の相違からの入力を有するＰＩＤ比例積分微分制御ループを含み、前記ＰＩＤ制御ループが、スロットル制御信号を前記機関に提供する出力を有し、前記ＰＩＤ制御ループが、比例項と、積分項と、微分項とを含み、前記システム制御ユニットの前記第２出力からの前記機関制御ユニットの前記第２入力における前記フィードフォーワード負荷入り信号が、前記積分項への更新として加えられる、請求項３に記載の本発明。
8. 前記積分項に加えられた前記更新が、再度加えられることなく、一度だけ前記積分項に加えられる所定の設定値である、請求項７に記載の本発明。
9. 負荷を駆動し、かつ制御ループを介して機関スロットルを制御する調速装置を含んでいる機関制御ユニットによって制御された一定速度において動作することが望ましい産業用内燃機関を制御する方法であって、事前設定制御ループを修正して負荷の変化を予測することによって、負荷の変化にもかかわらず、前記機関を比較的一定の速度に維持することを備える方法。
10. 前記機関に応答して、第１入力を前記機関制御ユニットに供給し、前記調速装置が、一定機関速度の維持を試行することを可能にするフィードバックを提供することと、前記負荷を制御して、第２入力を前記機関制御ユニットに供給し、機関速度の変化の後、そのような変化に応答して、前記第１入力をフィードバック入力として提供し、機関速度の変化の前に、そのような変化を予測するフィードフォーワード入力として前記第２入力を提供するシステム制御ユニットを提供することとを備える、請求項９に記載の方法。
11. 入力と、第１出力および第２出力とを有する前記システム制御ユニットを提供することと、オペレータコマンドに応答して、前記システム制御ユニットの前記入力を供給することと、前記システム制御ユニットの前記第１出力を、負荷制御信号として前記負荷に供給することと、負荷の変化を予測して、前記機関制御ユニットの前記第２入力に、それへのフィードフォーワード負荷入り信号として前記システム制御ユニットの前記第２出力を供給することと、前記システム制御ユニットによって、前記フィードフォーワード負荷入り信号を制御することとを備える、請求項１０に記載の方法。
12. 機関の速度変化を待機せずに、かつ負荷の変化を待機せずに、前記システム制御ユニットの前記第２出力から、前記機関制御ユニットの前記第２入力に、前記フィードフォーワード負荷入り信号を供給することを備える、請求項１１に記載の方法。
13. 前記負荷制御信号が、前記システム制御ユニットの前記第１出力から前記負荷に加えられるまでに、前記システム制御ユニットの前記第２出力から前記機関制御ユニットの前記第２入力に、前記フィードフォーワード負荷入り信号を供給することを備える、請求項１２に記載の方法。
14. 前記システム制御ユニットの前記第１出力から前記負荷に前記負荷制御信号を加えるより既知の時間前に、前記システム制御ユニットの前記第２出力から前記機関制御ユニットの前記第２入力に前記フィードフォーワード負荷入り信号を供給することによって、前記システム制御ユニットの前記入力入において、前記オペレータコマンドに応答して、前記システム制御ユニットの前記第１出力および前記第２出力を順次実施することを備える、請求項１１に記載の方法。
15. ＰＩＤ比例積分微分制御ループを有する前記機関制御ユニットを提供することと、前記ＰＩＤ制御ループに、前記機関制御ユニットの前記第１入力における所望の機関速度と観測した機関速度との相違からの入力を提供することと、前記ＰＩＤ制御ループに、スロットル制御信号を前記機関に供給する出力を提供することと、前記ＰＩＤ制御ループに、比例項と、積分項と、微分項とを提供することと、前記機関制御ユニットの前記第２入力におけるフィードフォーワード負荷入り信号を前記システム制御ユニットの前記第２出力から更新として前記積分項に供給することとを備える、請求項１１に記載の方法。
16. 前記更新を所定の設定値として前記積分項に加えることを備える、請求項１５に記載の方法。
17. 前記更新を、再度加えることなく、一度だけ前記積分項に加えることを備える、請求項１５に記載の方法。

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