JP2008249214A - 焼却炉の制御方法および装置、並びにプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】予測精度が十分でなく、かつ焼却炉の燃焼状態に変化が生じた場合でも、安定して操業することができる。
【解決手段】焼却炉の制御方法においては、予測制御方法および補正制御方法を用いる。予測制御方法においては、焼却炉に係る操作量を説明変数として目的変数である焼却炉に係る制御量を予測するモデルを用いて制御量の現時点以降における予測値を求めて操作量を演算する。また、補正制御方法においては、操作量補正算出ステップと特性補正算出ステップとにより計算された補正量が予測制御方法に基づく操作量に加算される。
【選択図】図３

Description

本発明は、焼却炉の制御方法および装置、並びにプログラムに関するものである。特に、未来の挙動を予測しながら焼却炉を制御する焼却炉の制御方法および装置、並びにプログラムに関する。

近年の焼却炉においては、焼却炉で焼却された被燃焼物（都市ごみまたは産業廃棄物など）から発生した廃熱を用いて発生させた蒸気をエネルギーとして有効利用する要求が増えている。そして、焼却炉から効率的にエネルギーを回収するために、焼却炉を安定に操業することが必要である。その一方、焼却炉で焼却する可燃物の質または量の変動、焼却炉に対する操作量の変動などの様々な要因に伴い、焼却炉の燃焼状態が変化する。このため、従来から、かかる焼却炉の燃焼状態の変化に対応しつつ、焼却炉を安定に操業するための焼却炉の様々な制御方法が開発されている。

例えば、本出願人は、特許文献１で、流動床式焼却炉において、例えば制御量に対しても十分な数の操作量が確保できない場合または、或いは入熱が常に変動するような場合においても、常に安定燃焼を行ないつつ、制御量を目標値に安定的に制御することを可能にするための流動床式焼却炉の制御方法およびその装置の技術を開発している。特許文献１には、流動床式焼却炉において、制御量として蒸気流量、ボイラ圧力、砂層温度を利用し、操作量であるごみ供給量、蒸気弁開度、一次空気量などによる影響度合いをモデル化し、モデルおよび実績値を用いて制御量の未来の変化（予測値）を予測し、予測値と目標値の偏差を元に操作量を計算し、制御量を所望の目標値に追従させることにより流動床式焼却炉を制御するものであり、特に、操作量の計算に用いる目標値を、所定の操作量と所定の制御量とその目標値の関係、および／若しくは所定の観測値とその目標値の関係に基づいて設定する技術が開示されている。

また、特許文献２には、焼却炉の蒸気流量の変動から蒸気流量を予測し、その予測精度を安定化解析手法または統計的処理により解析し、その評価結果から、予測制御の割合を調整しながら、焼却炉の蒸気流量を安定化させる技術が開示されている。

特開平１１−３２５４３３号公報 特開２００１−２８９４０１号公報

しかしながら、前述の特許文献１の技術では、モデルの精度により制御精度が左右されるという問題がある。また、むだ時間に対して燃焼状態の変化をより迅速に検出することができる観測量を利用しているものの、ごみ質変化または水分変化などのモデル変化が大きな場合は十分に制御を行なうことができず、モデル変化に対応するためには再度モデル構築が必要であるという問題がある。

また、前述の特許文献２の技術では、過去の蒸気流量のみから蒸気流量を予測しているためにその予測精度が不十分であり、特に燃焼状態の変化時には対応ができないという問題がある。また、フィードバックによる制御系への補正値を演算して先行制御するものであり、厳密には予測制御を行っているものではなく、特に、補正値の演算の具体的な方法が明確に記載されていないため、その効果が不明確であるという問題がある。さらに、焼却炉の燃焼状態の変化によるむだ時間を推定することなく、むだ時間が変化したことを安定化解析手法または統計的処理による予測精度の解析で検出しているにとどまっているため、むだ時間に対応しつつ、焼却炉を十分に制御することができないという問題がある。

また、上記問題点を解決すべく、本件発明者が行なった出願（出願番号２００５−１２６０１３号）においても、モデル切換により予測精度の低下を抑制することができるが、モデル自体に誤差があった場合には予測精度が十分でない状態に陥る場合がある。その結果、当該予測精度が十分でない場合における対処方法がないため、制御精度の低下が生じる場合がある。

本発明の目的は、予測精度が十分でなく、かつ焼却炉の燃焼状態に変化が生じた場合でも、安定して操業することができる焼却炉の制御方法および装置、並びにプログラムを提供することである。

（１）
本発明に係る焼却炉の制御方法は、焼却炉に係る操作量を説明変数として目的変数である焼却炉に係る制御量を予測するモデルを用いて、制御量の現時点以降における予測値を求めて操作量を演算する予測制御ステップと、モデルにおける操作量を補正する補正制御ステップと、を備え、補正制御ステップは、モデルにおけるモデル化誤差低減のための操作量の特性を計算する特性算出ステップと、操作量の特性に影響を与える要素に基づき、操作量の特性に対する補正量を計算する特性補正算出ステップと、を含み、予測制御ステップに基づく操作量に、補正制御ステップおよび特性補正算出ステップからの補正量を加算することにより、制御変動を抑制するものである。

本発明に係る焼却炉の制御方法においては、予測制御ステップおよび補正制御ステップを用いる。予測制御ステップにおいては、焼却炉に係る操作量を説明変数として目的変数である焼却炉に係る制御量を予測するモデルを用いて制御量の現時点以降における予測値を求めて操作量を演算する。また、補正制御ステップにおいては、特性算出ステップと特性補正算出ステップとにより計算された補正量が予測制御ステップに基づく操作量に加算される。

この場合、操作量の特性について補正を行なうので、予測精度が十分でなく、かつ焼却炉の燃焼状態に変化が生じた場合でも、モデル化誤差制御の発生を防止して制御の変動を抑制し、安定して操業することができる。

（２）
モデルに対する操作量の特性に影響を与える要素は、焼却炉における被燃焼物供給量のばらつき、または被燃焼物の質のばらつきを含み、特性補正算出ステップは、被燃焼物の堆積層の圧力を測定した値に基づいて補正量を計算してもよい。

この場合、被燃焼物供給量のばらつき、または被燃焼物の質のばらつきが、モデルに対する操作量の特性に影響を与えることを含んで、特性補正算出ステップにより補正量を計算することができるので、制御量の変動を抑制することができる。

（３）
操作量の特性に影響を与える要素は、被燃焼物堆積状態を含み、特性補正算出ステップは、被燃焼物堆積状態を均一化した値に基づき補正量を計算してもよい。

この場合、操作量の特性に影響を与える要素の一つである被燃焼物堆積状態を均一化した値に基づいて補正量を計算することができるので、堆積状態が時々刻々変動する場合であっても、均一化することにより安定して制御量を計算することができ、制御量の変動を抑制することができる。

（４）
操作量は、焼却炉の燃焼室における酸素濃度を含み、補正制御ステップは、酸素濃度に基づいて補正量を計算してもよい。

この場合、特性算出ステップにおいて、酸素濃度に基づいて補正量が計算されるので、焼却炉の燃焼室における酸素濃度により被燃焼物堆積状態を推定し、モデル化誤差を低減することができる。その結果、実際に必要な制御量を安定して与えることができ、焼却炉の燃焼における変動を抑制することができる。

（５）
予測制御ステップは、制御量の現時点以降における予測値を求める予測値算出ステップと、制御量の現時点における実測値および現時点以降の目標値から、制御量の目標軌道を定める目標軌道設定ステップと、焼却炉の状態に応じて操業上の制約条件を設定する制約条件設定ステップと、目標軌道と予測値との偏差を求める偏差算出ステップと、焼却炉の燃焼状況の変化を、燃焼速度の変化として、操作量から求めたむだ時間の変化で検出する燃焼状況変化検出ステップと、変化に応じて、モデルを変更するモデル切換ステップと、制約条件のもとで与えられる評価関数を考慮した上で、偏差を補償するように、モデルを用いて操作量を最適化する操作量最適化ステップと、を備えたものであってもよい。

この場合、焼却炉で焼却する被焼却物の質（ごみカロリー、ごみの水分量など）または量（供給量）の変動、焼却炉に対する操作量の変動などにより焼却炉の燃焼状況の変化（即ち、燃焼速度の変化）が生じる場合でも、燃焼速度の変化として検出したむだ時間の変化に応じて操作量を最適化する際のモデルを切り換えて、焼却炉の燃焼状態の変化に伴うむだ時間の変化による影響を積極的に低減させることにより、焼却炉の状況に合わせて予測制御を行って制御量の予測精度低下を抑制するとともに、高精度で目標値へ追従を行なうことができ、焼却炉の安定した制御を実現することができる。

（６）
焼却炉の制御方法は、焼却炉が、ストーカ炉であり、操作量が、ごみ供給量、ストーカ送り速度、一次空気量のうち少なくとも一つであってもよい。

この場合、ストーカ炉において、ごみ供給量、ストーカ送り速度、一次空気量のうち少なくとも一つを操作量とすることにより、燃焼量（即ち、燃焼速度）を操作することができ、操作量の自由度を高め、より高精度な制御を行なうことができる。

（７）
モデル切換ステップは、さらに、むだ時間の変化の大小に応じて、モデルを変更する必要性の有無を判断してもよい。

この場合、急激な焼却炉の燃焼状況の変化が発生した時などモデルを変更する必要性がある場合のみモデルを変更することにより、頻繁なモデル変更を抑制することができ、焼却炉の制御演算をより安定して行なうことが可能になる。

また、本発明に係る焼却炉の制御方法は、モデル切換ステップが、さらに、むだ時間が増加する方向に変化した場合にのみモデルを変更してよい。

この場合、むだ時間が減少する方向に変化した場合は、制御ゲインが不足して追従性が損なわれるものの燃焼の安定性は維持されるが、むだ時間が増加する方向に変化した場合は、燃焼の安定性が損なわれるため、むだ時間が増加する方向に変化した場合のみモデルを変更することにより、燃焼の安定性を確保すると共に、頻繁なモデルの変更を回避することができ、さらに安定した焼却炉の制御を実現することができる。

（８）
焼却炉が、ストーカ炉であり、予測値算出ステップにおいて、モデルが、ごみの燃え切り位置、火格子温度のうち少なくとも一つを操作量として含み、操作量最適化ステップにおいて、モデルが、ごみの燃え切り位置および火格子温度を操作量として含まなくてよい。

この場合、予測値算出ステップにおいて、モデルの操作量として、ごみの燃え切り位置、火格子温度のうち少なくとも一つを含ませることにより、ストーカ炉において、モデルの構築および将来の予測値を安定且つ高精度に行なうことができる。また、ごみの燃え切り位置、火格子温度は、直接操作できる量ではないため、操作量最適化ステップにおいて、モデルの説明変数として、ごみの燃え切り位置および火格子温度を含ませないことにより、ごみの燃え切り位置および火格子温度は予測区間において一定であるとの仮定の下で操作量を最適化することを可能としている。

また、本発明に係る焼却炉の制御方法は、モデルが、線形モデルであってよい。

この場合、演算における係数記憶量を低減することができ、焼却炉に対して安定した制御を行なうことができる。

（９）
本発明に係る焼却炉の制御装置は、焼却炉に係る操作量を説明変数として目的変数である焼却炉に係る制御量を予測するモデルを用いて、制御量の現時点以降における予測値を求めて操作量を演算する予測制御部と、モデルにおける操作量を補正する補正制御部と、を備え、補正制御部は、モデルにおけるモデル化誤差低減のための操作量の特性を計算する特性算出部と、操作量の特性に影響を与える要素に基づき、操作量の特性に対する補正量を計算する特性補正算出部と、を含み、予測制御部に基づく操作量に、補正制御部および特性補正算出部からの補正量を加算することにより、制御変動を抑制するものである。

本発明に係る焼却炉の制御装置においては、予測制御部および補正制御部を備える。予測制御部においては、焼却炉に係る操作量を説明変数として目的変数である焼却炉に係る制御量を予測するモデルを用いて制御量の現時点以降における予測値を求めて操作量を演算する。また、補正制御部においては、特性算出部と特性補正算出部とにより計算された補正量が予測制御部に基づく操作量に加算される。

この場合、操作量の特性について補正を行なうので、モデル化誤差制御の発生を防止して制御量の変動を抑制することができ、安定した制御を行なうことができる。

（１０）
モデルに対する操作量の特性に影響を与える要素は、焼却炉における被燃焼物供給量のばらつき、または被燃焼物の質のばらつきを含み、特性補正算出部は、被燃焼物の堆積物の圧力を測定した値に基づいて補正量を計算してもよい。

この場合、被燃焼物供給量のばらつき、または被燃焼物の質のばらつきが、モデルに対する操作量の特性に影響を与えることを考慮して、特性補正算出部により補正量を計算することができるので、制御量の変動を抑制することができる。

（１１）
操作量の特性に影響を与える要素は、被燃焼物堆積状態を含み、特性補正算出部は、被燃焼物堆積状態を均一化した値に基づき補正量を計算してもよい。

この場合、操作量の特性に影響を与える要素の一つである被燃焼物堆積状態を均一化した値に基づいて補正量を計算することができるので、堆積状態が時々刻々変動する場合であっても、均一化することにより安定して制御量を計算することができ、制御量の変動を抑制することができる。

（１２）
操作量は、焼却炉の燃焼室における酸素濃度を含み、補正制御部は、酸素濃度に基づいて補正量を計算してもよい。

この場合、特性算出部において、酸素濃度に基づいて補正量が計算されるので、焼却炉の燃焼室における酸素濃度により被燃焼物堆積状態を推定し、モデル化誤差を低減することができる。その結果、実際に必要な制御量を安定して与えることができ、焼却炉の燃焼における変動を抑制することができる。

（１３）
予測制御部は、制御量の現時点以降における予測値を求める予測値算出部と、制御量の現時点における実測値および現時点以降の目標値から、制御量の目標軌道を定める目標軌道設定部と、焼却炉の状態に応じて操業上の制約条件を設定する制約条件設定部と、目標軌道と予測値との偏差を求める偏差算出部と、焼却炉の燃焼状況の変化を、燃焼速度の変化として、操作量から求めたむだ時間の変化で検出する燃焼状況変化検出部と、変化に応じて、モデルを変更するモデル切換部と、制約条件のもとで与えられる評価関数を考慮した上で、偏差を補償するように、モデルを用いて操作量を最適化する操作量最適化部と、を備えたものであってもよい。

この場合、焼却炉で焼却する被焼却物の質（ごみカロリー、ごみの水分量など）または量（供給量）の変動、焼却炉に対する操作量の変動などにより焼却炉の燃焼状況の変化（即ち、燃焼速度の変化）が生じる場合でも、燃焼速度の変化として検出したむだ時間の変化に応じて操作量を最適化する際のモデルを切り換えて、焼却炉の燃焼状態の変化に伴うむだ時間の変化による影響を積極的に低減させることにより、焼却炉の状況に合わせて予測制御を行って制御量の予測精度低下を抑制するとともに、高精度で目標値へ追従を行なうことができ、焼却炉の安定した制御を実現することができる。

（１４）
焼却炉の制御装置は、焼却炉が、ストーカ炉であり、操作量が、ごみ供給量、ストーカ送り速度、一次空気量のうち少なくとも一つであってもよい。

この場合、ストーカ炉において、ごみ供給量、ストーカ送り速度、一次空気量のうち少なくとも一つを操作量とすることにより、燃焼量（即ち、燃焼速度）を操作することができ、操作量の自由度を高め、より高精度な制御を行なうことができる。

（１５）
モデル切換部は、さらに、むだ時間の変化の大小に応じて、モデルを変更する必要性の有無を判断してもよい。

この場合、急激な焼却炉の燃焼状況の変化が発生した時などモデルを変更する必要性がある場合のみモデルを変更することにより、頻繁なモデル変更を抑制することができ、焼却炉の制御演算をより安定して行なうことが可能になる。

また、本発明に係る焼却炉の制御装置は、モデル切換部が、さらに、むだ時間が増加する方向に変化した場合にのみモデルを変更してよい。

この場合、むだ時間が減少する方向に変化した場合は、制御ゲインが不足して追従性が損なわれるものの燃焼の安定性は維持されるが、むだ時間が増加する方向に変化した場合は、燃焼の安定性が損なわれるため、むだ時間が増加する方向に変化した場合のみモデルを変更することにより、燃焼の安定性を確保すると共に、頻繁なモデルの変更を回避することができ、さらに安定した焼却炉の制御を実現することができる。

（１６）
焼却炉が、ストーカ炉であり、予測値算出部において、モデルが、ごみの燃え切り位置、火格子温度のうち少なくとも一つを操作量として含み、操作量最適化部において、モデルが、ごみの燃え切り位置および火格子温度を操作量として含まなくてよい。

これによると、予測値算出部において、モデルの操作量として、ごみの燃え切り位置、火格子温度のうち少なくとも一つを含ませることにより、ストーカ炉において、モデルの構築および将来の予測値を安定且つ高精度に行なうことができる。また、ごみの燃え切り位置、火格子温度は、直接操作できる量ではないため、操作量最適化部において、モデルの説明変数として、ごみの燃え切り位置および火格子温度を含ませないことにより、ごみの燃え切り位置および火格子温度は予測区間において一定であるとの仮定の下で操作量を最適化することを可能としている。

また、本発明に係る焼却炉の制御装置は、モデルが、線形モデルであってよい。

この場合、演算における係数記憶量を低減することができ、焼却炉に対して安定した制御を行なうことができる。

（１７）
本発明に係る焼却炉の制御プログラムは、焼却炉に係る操作量を説明変数として目的変数である焼却炉に係る制御量を予測するモデルを用いて、制御量の現時点以降における予測値を求めて操作量を演算する予測制御処理と、モデルにおける操作量を補正する補正制御処理と、を備え、補正制御処理は、モデルにおけるモデル化誤差低減のための操作量の特性を計算する特性算出処理と、操作量の特性に影響を与える要素に基づき、操作量の特性に対する補正量を計算する特性補正算出処理と、を含み、予測制御処理に基づく操作量に、補正制御処理および特性補正算出処理からの補正量を加算することにより、制御変動を抑制するものである。

本発明に係る焼却炉の制御プログラムにおいては、予測制御処理および補正制御処理を用いる。予測制御処理においては、焼却炉に係る操作量を説明変数として目的変数である焼却炉に係る制御量を予測するモデルを用いて制御量の現時点以降における予測値を求めて操作量を演算する。また、補正制御処理においては、特性算出処理と特性補正算出処理とにより計算された補正量が予測制御処理に基づく操作量に加算される。

この場合、補正量の特性について補正を行なうので、モデル化誤差制御の発生を防止して制御の変動を抑制することができ、安定した制御を行なうことができる。

（１８）
モデルに対する操作量の特性に影響を与える要素は、焼却炉における被燃焼物供給量のばらつき、または被燃焼物の質のばらつきを含み、特性補正算出処理は、被燃焼物の堆積層の圧力を測定した値に基づいて補正量を計算してもよい。

この場合、被燃焼物供給量のばらつき、または被燃焼物の質のばらつきが、モデルに対する操作量の特性に影響を与えることを考慮して、特性補正算出処理により補正量を計算することができるので、制御量の変動を抑制することができる。

（１９）
操作量の特性に影響を与える要素は、被燃焼物堆積状態を含み、特性補正算出処理は、被燃焼物堆積状態を均一化した値に基づき補正量を計算してもよい。

この場合、操作量の特性に影響を与える要素の一つである被燃焼物堆積状態を均一化した値に基づいて補正量を計算することができるので、堆積状態が時々刻々変動する場合であっても、均一化することにより安定して制御量を計算することができ、制御量の変動を抑制することができる。

（２０）
操作量は、焼却炉の燃焼室における酸素濃度を含み、補正制御処理は、酸素濃度に基づいて補正量を計算してもよい。

この場合、特性算出処理において、酸素濃度に基づいて補正量が計算されるので、焼却炉の燃焼室における酸素濃度により被燃焼物堆積状態を推定し、モデル化誤差を低減することができる。その結果、実際に必要な制御量を安定して与えることができ、焼却炉の燃焼における変動を抑制することができる。

（２１）
予測制御処理は、制御量の現時点以降における予測値を求める予測値算出処理と、制御量の現時点における実測値および現時点以降の目標値から、制御量の目標軌道を定める目標軌道設定処理と、焼却炉の状態に応じて操業上の制約条件を設定する制約条件設定処理と、目標軌道と予測値との偏差を求める偏差算出処理と、焼却炉の燃焼状況の変化を、燃焼速度の変化として、操作量から求めたむだ時間の変化で検出する燃焼状況変化検出処理と、変化に応じて、モデルを変更するモデル切換処理と、制約条件のもとで与えられる評価関数を考慮した上で、偏差を補償するように、モデルを用いて操作量を最適化する操作量最適化処理と、を備えたものであってもよい。

この場合、焼却炉で焼却する被焼却物の質（ごみカロリー、ごみの水分量など）または量（供給量）の変動、焼却炉に対する操作量の変動などにより焼却炉の燃焼状況の変化（即ち、燃焼速度の変化）が生じる場合でも、燃焼速度の変化として検出したむだ時間の変化に応じて操作量を最適化する際のモデルを切り換えて、焼却炉の燃焼状態の変化に伴うむだ時間の変化による影響を積極的に低減させることにより、焼却炉の状況に合わせて予測制御を行って制御量の予測精度低下を抑制するとともに、高精度で目標値へ追従を行なうことができ、焼却炉の安定した制御を実現することができる。

（２２）
焼却炉の制御プログラムは、焼却炉が、ストーカ炉であり、操作量が、ごみ供給量、ストーカ送り速度、一次空気量のうち少なくとも一つであってもよい。

この場合、ストーカ炉において、ごみ供給量、ストーカ送り速度、一次空気量のうち少なくとも一つを操作量とすることにより、燃焼量（即ち、燃焼速度）を操作することができ、操作量の自由度を高め、より高精度な制御を行なうことができる。

（２３）
モデル切換処理は、さらに、むだ時間の変化の大小に応じて、モデルを変更する必要性の有無を判断してもよい。

この場合、急激な焼却炉の燃焼状況の変化が発生した時などモデルの変更する必要性がある場合のみモデルを変更することにより、頻繁なモデル変更を抑制することができ、焼却炉の制御演算をより安定して行なうことが可能になる。

また、本発明に係る焼却炉の制御プログラムは、モデル切換処理が、さらに、むだ時間が増加する方向に変化した場合にのみモデルを変更してよい。

この場合、むだ時間が減少する方向に変化した場合は、制御ゲインが不足して追従性が損なわれるものの燃焼の安定性は維持されるが、むだ時間が増加する方向に変化した場合は、燃焼の安定性が損なわれるため、むだ時間が増加する方向に変化した場合のみモデルを変更することにより、燃焼の安定性を確保すると共に、頻繁なモデルの変更を回避することができ、さらに安定した焼却炉の制御を実現することができる。

（２４）
焼却炉が、ストーカ炉であり、予測値算出処理において、モデルが、ごみの燃え切り位置、火格子温度のうち少なくとも一つを操作量として含み、操作量最適化処理において、モデルが、ごみの燃え切り位置および火格子温度を操作量として含まなくてよい。

この場合、予測値算出処理において、モデルの操作量として、ごみの燃え切り位置、火格子温度のうち少なくとも一つを含ませることにより、ストーカ炉において、モデルの構築および将来の予測値を安定且つ高精度に行なうことができる。また、ごみの燃え切り位置、火格子温度は、直接操作できる量ではないため、操作量最適化処理において、モデルの説明変数として、ごみの燃え切り位置および火格子温度を含ませないことにより、ごみの燃え切り位置および火格子温度は予測区間において一定であるとの仮定の下で操作量を最適化することを可能としている。

また、本発明に係る焼却炉の制御プログラムは、モデルが、線形モデルであってよい。

この場合、演算における係数記憶量を低減することができ、焼却炉に対して安定した制御を行なうことができる。

なお、本発明のプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ、ＦＤ、ＭＯなどのリムーバブル型記録媒体やハードディスクなどの固定型記録媒体に記録して配布可能である他、有線又は無線の電気通信手段によってインターネットなどの通信ネットワークを介して配布可能である。ここで、コンピュータは、パーソナルコンピュータのような汎用型に限らず、特定用途を有する装置に組み込まれたものであってもよい。

以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について説明する。

まず、本発明の実施形態による制御方法および装置、並びにプログラムを適用する焼却炉の一例であるストーカ炉の概要を、図１に基づいて説明する。図１は、ストーカ炉の概略図を示すものである。

図１に示すように、ストーカ炉１０は、下方に風箱１２を有する複数のストーカ段１３，１４，１５を備え、ストーカ段１３〜１５の上方に燃焼室１６を備える。複数のストーカ段１３，１４，１５は、後方に向かって下り傾斜しており、乾燥ストーカ１３、燃焼ストーカ１４、後燃焼ストーカ１５の順に前後方向に階段状に縦列配置されている。ここで、乾燥ストーカ１３の入口には、ごみ供給装置２１を備えるごみ供給口２０が設けられ、ごみ供給口２０からごみ供給装置２１を介して、ストーカ炉１０に対して、被燃焼物であるごみが供給される。ここで、被燃焼物であるごみの圧力を測定することができる圧力計測装置２３が設けられる。また、後燃焼ストーカ１５の出口には灰出し口２２が設けられ、灰出し口２２から灰が回収される。そして、燃焼室１６の上方には二次燃焼室１７が設けられ、さらに、二次燃焼室１７の後流に熱回収ボイラ３０が設置され、ストーカ炉１０で発生した熱を回収する。また、燃焼室１６には、燃焼室内の酸素濃度を測定できる位置に、酸素濃度を測定できる酸素濃度測定器２４が配設されている。

ストーカ炉１０では、ごみ供給口２０から供給される被燃焼物は、ごみ供給装置２１によりその供給量（以下、「ごみ供給量」と称する。）を操作されて、ごみ供給口２０から順に、乾燥ストーカ１３、燃焼ストーカ１４、後燃焼ストーカ１５の各ストーカ段上を順次流れ、乾燥されて燃焼させられる。即ち、ごみ供給口２０から乾燥ストーカ１３前部に供給された被燃焼物は、乾燥ストーカ１３において、下方の風箱１２から供給される一次空気と、炉内の輻射熱により乾燥される。特に、都市ごみは水分が多く含まれるため、この水分の蒸発と、一部熱分解がこの乾燥ストーカ１３で行われる。次に、燃焼ストーカ１４において、下方の風箱１２から供給される一次空気により被燃焼物に着火させ、揮発分および固定炭素分を燃焼させる。そして、後燃焼ストーカ１５において、燃焼されずに通過してきた未燃分（主として固定炭素分）を完全に灰になるまで燃焼させる。また、燃焼室１６で生じた燃焼ガスは、二次空気と混合されて二次燃焼室１７に至り、そこで燃焼される。この際に発生した熱は付属のボイラ３０により回収される。

ボイラ３０は、ストーカ炉１０に付属して設置されており、ストーカ炉１０で発生した熱を回収する。ボイラ３０は、ストーカ炉１０のプロセスで発生した熱を利用して水を蒸発させるボイラドラム３１を備えている。このボイラ３０で発生した蒸気の持つエネルギーは、図示されない発電機によって電気エネルギーに変換され、余剰電力または設備所要電力として回収される。また、ボイラ３０の下流側には、図示されないガス冷却装置、排ガス処理装置（バグフィルタ等）、誘引送風機、煙突が順に設置されている。ここで、誘引送風機（ＩＤＦ）は、炉内の排ガスを誘引して煙突から放出するための送風機であり、炉内の圧力が高くなると回転数を上げて多量のガスを誘引するなど、炉内圧を一定（負圧）に保つために動作している。

次に、本発明の実施形態に係るストーカ炉１０の制御装置を、図２に基づいて説明する。図２は、本実施形態に係る制御装置のブロック線図を示すものである。本実施形態では、制御手法としてモデル予測制御手法を用いる。尚、以下で説明する本実施の形態に係る制御装置は、コンピュータにおいても同様に、プログラムとしてＣＰＵにより読み出して実行することができる。また、このプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭまたはＦＤ、ＭＯなどのリムーバブルな記憶媒体に記録しておくことにより、様々なコンピュータの記憶装置にインストールすることが可能である。

制御装置は、予測制御計算部１、補正値計算部２００、投入特性部３００および制御対象特性補正計算部４００を備える。

予測制御計算部１は、制御量の目標値r(k+i)と、制御量の実測値y(k)と、さらに操作上定められている制約等の制約条件およびモデルにおける制約条件とに基づいて最適化計算を利用し、偏差入力Δu(k)を計算する。ここで、制約条件としては、例えば、操作入力や制御量の上下限制約、操作入力の変動量の制約、ストーカ炉１０の出口温度など、直接の制御量ではないが、操業上定められている制約などがあり、いずれも直接あるいは間接的に操作入力の制約条件として表すことができる。また、これらの制約条件を、目標処理量や被燃焼物の質、炉内温度、燃え切り位置、ボイラドラム３１の圧力（以下、「ボイラドラム圧力」と称する。）などによって変更することにより、ストーカ炉１０の状況に合わせた操作が可能となり、より安定した自動操業が実現できる。

投入特性部３００は、操作量u(k)に基づいて、燃焼室と風箱との圧力差（以下、ごみ層圧と呼ぶ。）u#s(k)（操作量の特性の一例）を計算する。投入特性部３００は、算出したごみ層圧u#s(k)を制御対象Ａおよび制御対象特性補正計算部４００に与える。この投入特性部３００は、図１の圧力計測装置２３により計算されるごみ堆積層の厚さを用いて圧力差u#s(k)を計算してもよく、また当該ごみ堆積層の厚さを所定時間において均一化した値を用いて圧力差u#s(k)を計算してもよく、燃焼室１６に置ける酸素濃度計測器２４からの酸素濃度に基づいて間接的にごみ堆積層の厚さを計算してもよい。

制御対象特性補正計算部４００は、ごみ層圧u#s(k)、操作量変化およびごみ堆積目標値に基づいて、操作量の偏差Δｕ１(k)を計算する。

補正値計算部２００は、制御対象Ａから与えられた燃焼室内の酸素濃度ｘ₁(k)に基づいて操作量の偏差Δｕ２(k)を算出する。

この操作量の偏差Δｕ１(k)およびΔｕ２(k)を加算し、偏差入力Δu(k)を算出する。この偏差入力Δu(k)に、前制御周期の操作量u(k-1)を加算することによって、制御対象Ａに入力する操作量u(k)が求まる。

次に、本発明の実施形態に係る制御装置１を用いたストーカ炉１０（制御対象Ａ）の制御方法を、図３のフローチャートに基づいて説明する。図３は、本実施形態に係る制御方法のフローチャートを示すものである。

まず、制御量の目標値r(k+i)と制御量の実測値y(k)とから後述する予測制御機能により偏差入力Δu(k)を計算する（ステップＳ１）。ここで、目標値r(k+i)とは、炉内温度、ボイラドラム圧力、ボイラドラム３１から排出される蒸気流量（以下、「蒸気流量」と称する。）のそれぞれの目標値を要素とするベクトルであり、制御量の実測値y(k)とは、（１次）空気量、ごみ供給量、ストーカ送り速度、火格子温度および燃え切り位置を入力とした場合の制御対象Ａにおける出力である。

次に、制御対象特性補正計算部４００において操作量の偏差Δｕ１(k)の計算を行なう（ステップＳ２）。この制御対象特性補正計算部４００においては、操作量u(k)に基づいてストーカ炉１０における投入ごみ堆積状況が変動する。この投入ごみ堆積状況を表す量として例えば、ごみ層圧u#s（ｋ）を利用する。このごみ層圧u#s（ｋ）は、例えば、図１の圧力計測装置２３における所定時間内における平均値を用いる。なお、予測モデル誤差低減にあたっては、モデルの説明変数である水分量、カロリー量の推定精度向上が重要であり、実際の燃焼状況を均一化することが予測モデル精度向上に効果的である。例えば、ストーカ上に投入されたごみの堆積状況を均一化することでそれを実現することを考える。ごみの堆積状況は、レーザ計測器などを使用して、一部計測が可能であるが、火炎の影響を受けるなど、計測値の安定性にまたは問題がある。推定面上下の圧力差により堆積状況の推定を行なうことで安定的に計測することができる。その推定値に従い、操作量を演算操作することで、堆積状況を均一化することができる。また、操作量変化の頻度を多数行なうことにより、逆にごみ堆積状況を悪化させる場合もあるため、操作量演算にあたっては、操作量変化を評価することによりごみ堆積状況を悪化させないようにする必要がある。

制御対象特性補正計算部４００では、操作量の偏差Δｕ１(k)が以下の式に基づいて計算される。

なお、上式の定数Ｐｐ１，ＰＩ１，Ｐｄ１は、以下の評価式において予め最小の値となるように計算したものを用いる。

次に、補正値計算部２００において操作量の偏差Δｕ２(k)の計算を行なう（ステップＳ３）。補正値計算部２００においては、制御量ｙ(k)よりも迅速に燃焼変化をとらえることができる炉内酸素濃度ｘ₁(k)を用い、炉内酸素濃度ｘ₁(k)の実測値から補正計算部により操作量の偏差Δｕ２(k)を計算する。

補正値計算部２００では、操作量の偏差Δｕ２(k)が以下の式に基づいて計算される。

なお、上式の定数Ｐｐ２，ＰＩ２，Ｐｄ２は、以下の評価式において予め最小の値となるように計算したものを用いる。

ここで、R#ｘは炉内酸素濃度目標値を示す。このように、補正値計算部２００においては、理論燃焼空気比をもとに決定される炉内酸素濃度目標値R#ｘを用いて操作量の偏差Δｕ２(k)が計算される。

次に偏差入力Δu(k)を以下の式に基づいて計算する。

そして、求めた偏差入力Δu(k)を、前制御周期の操作量u(k-1)に加算することによって、現時点における操作入力を行なう操作量u(k)を求める（ステップＳ４）。即ち、次式（数６）によって、現時点における一次空気量、ごみ供給量、ストーカ送り速度を求める。

そして、上記操作量u(k)を制御対象Ａに入力して、操作対象を操作する（ステップＳ５）。即ち、操作量u(k)に基づいて、一次空気量、ごみ供給量、ストーカ送り速度を操作する。

以上のステップＳ１からステップＳ５までの処理を制御周期ごとに繰り返す。

続いて、図３のステップＳ１において示した予測制御機能について説明する。

図４は、本実施形態に係る予測制御計算部１におけるブロック線図を示すものである。本実施形態では、制御手法としてモデル予測制御手法を用いる。

予測制御計算部１は、目標軌道生成部２、操作量不変時制御量変動分計算部３、操作量最適化計算部４、制約条件設定部５、制御対象特性推定計算部６ａおよび制御対象特性切換計算部６ｂを有する適応計算部６、制御量差分計算部７および操作量不変時制御量偏差計算部８を備える。

目標軌道生成部２は、制御量の目標値r(k+i)と、制御量の実測値y(k)に基づいて、目標軌道y_r(k+i)を設定する。

操作量不変時制御量変動分計算部３は、制御量の実測値y(k)、操作量u(k)、その他制御対象Ａの観測量w(k)の履歴から、以後操作量を変更しなかった場合における制御量の変動分（現時点の値からの変動分）Δy₀(k+i)を計算する。この操作量不変時における制御量の変動分Δy₀(k+i)の計算に際しては、使用するモデルの種類（ＡＲＸモデル、ステップ応答モデル、プログラムからなるシミュレータなど）または操作入力の数（単入力か多入力か）によって、操作量u(k)を必要としなかったり、制御量の実測値y(k)を必要としなかったり、あるいは、その他制御対象Ａの観測量w(k)の現時刻以降の挙動を推定するモデルを必要としたり、その他、外乱の影響を推定する機能を含んでもよい。

一方、制約条件設定部５において、ストーカ炉１０の状況に応じて制約条件を設定する。

また、制御量差分計算部７は、目標軌道生成部２で設定した目標軌道y_r(k+i)と比較した場合の、制御量の実測値y(k)との差分y_r(k+i)-y(k)を計算する。

操作量不変時制御量偏差計算部８は、制御量差分計算部７から求めた目標軌道生成部２で設定した目標軌道y_r(k+i)と制御量の実測値y(k)との差分y_r(k+i)-y(k)と、操作量不変時制御量変動分計算部３で求めた以後操作量を変更しなかった場合における制御量の変動分Δy₀(k+i)とから、操作量不変時において制御量が目標軌道とどれだけずれるかの偏差Δy_e(k+i)を計算する。

適応計算部６では、まず、制御対象特性推定計算部６ａにおいて、過去の実測値y(k)と操作量u(k)から制御対象特性（特に、ごみカロリー、水分）を計算する。そして、制御対象特性切換計算部６ｂにおいて、制御対象特性推定計算部６ａでの計算結果を元に操作量最適化計算部４で用いるモデルの切換の必要性の有無および切換の際の計算を行なう。

そして、操作量最適化計算部４において、操作量不変時制御量偏差計算部８で計算された操作量不変時において制御量が目標軌道とどれだけずれるかの差Δy_e(k+i)と、制約条件設定部５で設定された制約条件、調整パラメータと、適応計算部６で必要に応じて切り換えたモデル、に基づいて、Δy_e(k+i)を補償するための偏差入力Δu(k)が最適化される。この偏差入力Δu(k)を前制御周期の操作量u(k-1)に加算することによって、制御対象Ａに入力する操作量u(k)が求まる。

次に、本発明の実施形態に係る予測制御計算部１の制御方法を、図５のフローチャートに基づいて説明する。図５は、本実施形態に係る予測制御計算部１における予測制御方法のフローチャートを示すものである。

まず、制御量の目標値r(k+i)を設定する（ステップＳ１１）。ここで、目標値r(k+i)は、炉内温度、ボイラドラム圧力、ボイラドラム３１から排出される蒸気流量（以下、「蒸気流量」と称する。）のそれぞれの目標値を要素とするベクトルである。

次に、制御量の目標値r(k+i)と制御量の実測値y(k)とに基づいて、目標軌道生成部２が目標軌道y_r(k+i)を設定する（ステップＳ１２）。目標軌道y_r(k+i)の設定方法としては、例えば、図７に示すものがある。これは、次式（数７）のように設定するものであり、制御量の実測値y(k)から制御量の目標値r(k+i)に一定の割合で近づけていくものである。なお、次式（数７）の行列Ｃを零行列にすれば、目標軌道y_r(k+i)は制御量の目標値r(k+i)そのものに一致する。

次に、操作量不変時制御量変動分計算部３が、モデルを用いて操作量不変時における制御量の変動分Δy₀(k+i)を計算する（ステップＳ１３）。ここで、モデルは、操作量である風箱１２から供給される一次空気の量（以下、「一次空気量」と称する。）、ごみ供給量、ストーカ段１３，１４，１５が被焼却物を送る速度（以下、「ストーカ送り速度」と称する。）に加え、火格子温度、燃え切り位置を説明変数として入力し、制御量である炉内温度、ボイラドラム圧力、蒸気流量を目的変数として出力とする。このモデルは次式（数８）で表される。

ここで、操作量不変時における制御量の変動分Δy₀(k+i)は、今後操作量を変更せず、火格子温度、燃え切り位置が変化しなかった場合の制御量の変動分である。このΔy₀(k+i)を用いて、j≧0のときΔu₀(k+j)＝Δu₁(k+j)＝０とすれば、上述の式（数８）で表されるモデルを用いて、次式（数９）により、操作量不変時における制御量の変動分Δy₀(k+i)が求まる。

次に、制御量差分計算部７および操作量不変時制御量偏差計算部８において、ステップＳ１２で求めた目標軌道y_r(k+i)と、ステップＳ１３で求めた操作量不変時における制御量の変動分Δy₀(k+i)と、現時点における制御量の実測値y(k)（炉内温度、ボイラドラム圧力、蒸気流量の実測値を要素に持つベクトル）とから、操作量不変時における制御量と目標軌道との偏差Δy_e(k+i)を次式（数１０）により計算する（ステップＳ１４）。

次に、制約条件設定部５において、操作入力Δu(k+i)に対し、制約条件を設定する（ステップＳ１５）。例えば、操作入力の上下限制約、変動幅の上下限制約は、次式（数１１）で表される。

また、制御量に関する制約条件なども操作量の関数として表されるから、これらの制約条件はすべて、次式（数１２）の形に帰着することができる。

そして、操作量最適化計算部４において、未来の一定区間において、ステップＳ１４で求めた偏差Δy_e(k+i)を補償するための偏差入力Δu(k)を、適応計算部６（制御対象特性推定計算部６ａおよび制御対象特性切換計算部６ｂ）で必要に応じて切り換えたモデルを用いて求める（ステップＳ１６）。ここで、モデルは、操作量である一次空気量、ごみ供給量、ストーカ送り速度を説明変数として入力とし、制御量である炉内温度、ボイラドラム圧力、蒸気流量を目的変数として出力とするモデルであり、次式（数１３）で表される。

尚、上述の操作量不変時制御量変動分計算部３で操作量不変時における制御量の変動分Δy₀(k+i)を求める際に用いたモデル（数８）に含まれる火格子温度、燃え切り位置は、直接操作できる量（操作量）ではないため、このモデル（数１３）には含まない。即ち、火格子温度、燃え切り位置は予測区間においては一定であるとの仮定の下で、このモデル（数１３）を表している。

さて、上述の式（数１３）で表されたモデルから、現時点以降の操作入力が制御量に及ぼす影響を表す部分Δy₊(k+i)を抽出すると次式（数１４）となる。

ここでの目的は、偏差Δy_e(k+i)を補償するための偏差入力Δu(k)を求めることである。そのためには、Δy_e(k+i)とΔy₊(k+i)が、未来の一定区間において、できるだけ一致するような偏差入力Δu(k)を求めればよい。具体的には、上述の制約条件（数１２）のもとで、次式（数１５）で与えられる評価関数Jを最小化するΔu(k)を求めればよい。次式（数１５）は、二次計画問題として解かれ、現時点での操作量の偏差ベクトルΔu(k)が求まる。

そして、上記ステップＳ１６で求めた操作量の偏差Δu(k)を、前時点の操作量u(k-1)に加算することによって、現時点における操作入力を行なう操作量u(k)を求める（ステップＳ１７）。即ち、次式（数１６）によって、現時点における一次空気量、給塵機速度、蒸気弁開度を求める。

そして、上記操作量u(k)を制御対象Ａに入力して、操作対象を操作する（ステップＳ１８）。即ち、操作量u(k)に基づいて、一次空気量、ごみ供給量、ストーカ送り速度を操作する。

以上のステップＳ１１からステップＳ１８までの処理を制御周期ごとに繰り返す。

ここで、ステップＳ１６での偏差入力Δu(k)の詳細な計算方法を図６のフローチャートに基づいて説明する。図６は、偏差入力Δu(k)の詳細な計算方法のフローチャートを示すものである。

まず、制御対象特性推定計算部６ａにおいて、過去の操作量u(k)（一次空気量、ごみ供給量、ストーカ送り速度）の変化量と蒸気流量の実測値y(k)の時系列を元に、時系列区間での投入ごみカロリー（特性変化量）を推定する（ステップＳ６１）。推定の手法としては、熱バランス式、物質バランス式を元に演算する方法、各パラメータの平均値などの代表値を元に演算する方法などが上げられる。そして、ここで推定したごみカロリーの結果（以下、「カロリー推定値」と称する。）をＫとする。

そして、ステップＳ６１で求まるごみカロリー推定値Ｋと、ゴミ供給量の実績値Ｓと、ストーカ送り速度の実績値Ｖと、からごみ供給量を変化させた場合に蒸気流量が変化するまでのむだ時間Ｔ_d（特性切換係数）を次式（数１７）に従い演算する（ステップＳ６２）。尚、次式の関数Ｆは、シミュレータを用いるか、あるいは実操業データを元にして予め求めておいた関数式を用いる。

次に、制御対象特性切換計算部６ｂにおいて、ステップＳ６２で得られたむだ時間T_dと、前回計算した際の値PreT_dとの差を用いて、次式（数１８）に従って、モデル切換有無を計算する（ステップＳ６３）。尚、初回の計算時には、前回計算した際のカロリー計算値PreT_dとして、今回の計算値であるカロリー計算値Calを用いることとする。

尚、数１８中、αはごみ供給量の急激な変化（突発的に廃棄物が過剰に入ってしまうような給塵外乱の場合などの突発的過剰供給、ごみ切れ等）、或いはごみ発熱量の急激な変化への対応を抑制するパラメータであり、過去の操業データにより設定する。また、βは不感帯の役割をするものであり、計算誤差等の影響を吸収する値を求めることにより設定する。

ステップＳ６３において、数１８の式を満たさない場合はモデル切換の必要がないと判断して（ステップＳ６３）、モデルの変更を行なわない。即ち、次式（数１９）に従い、ステップＳ１３で用いたモデル（数８）を用いて、数１５の式に従って偏差入力Δu(k)を計算する（ステップＳ６５）。

一方、ステップＳ６３において、数１８の式を満たす場合はモデル切換の必要があると判断して（ステップＳ６３）、モデルの変更を行なう（ステップＳ６４）。モデルの変更の具体的な方法としては、オンラインにて制御周期毎に逐次的に変更する手法が考えられる。

ここで、このステップＳ６３において、数１８の式を満たす場合にモデル切換の必要があると判断して（ステップＳ６３）、モデルの変更を行なう（ステップＳ６４）方法では、例えば、周期的な外乱が印加されている場合にはその影響を低減することが困難である。即ち、周期外乱による影響をモデル特性の変動と誤認識してしまうために、常にモデル特性の変更を続けることとなり、燃焼を安定化させることが困難になる。また、外乱が印加されていない場合においてもモデルを頻繁に変更することは、予測制御の計算において数値的に不安定な状況を誘発することもあり、モデルの変更は必要最低限にすることが望まれる。従って、本実施の形態では、ステップＳ６３において、数１８の式を満たす場合においても、さらに、変更を必要とする場合と、それ以外の場合と、を分離して判断する。具体的には、図８に示すとおり、予めむだ時間T_dの代表点をＮ−１個選び、それにT_d＝０を加えたＮ個の区間毎に代表モデルx_nを用意しておく。そして、次式（数２０）に従いモデルの変更を行なうかどうかを判断する。

これは、ステップＳ６２で得られたむだ時間T_dが、前回演算値PreT_dと異なる区間に属した場合には、モデルの変更を行なうことを表している。この数２０の式を満たす場合は、モデル切換の必要があると判断して（ステップＳ６３）、下記に示す式（数２１）に従って、モデルの変更を行なう。そして、変更したモデルに基づいて、数１５の式に従って偏差入力Δu(k)を計算する（ステップＳ６５）。

尚、この数２０の式を満たさない場合は、モデル切換の必要がないと判断して（ステップＳ６３）、モデルの変更を行なわない。即ち、次式（数１９）に従い、ステップＳ１３で用いたモデル（数８）を用いて、数１５の式に従って偏差入力Δu(k)を計算する（ステップＳ６５）。

また、さらにモデルの変更の頻度を低下させる場合には、数２０の式の替わりに次式（数２２）に従いモデルの変更を行なう。

数２２の式は、数２０の条件式において、むだ時間T_dが増加する方向に変化した場合のみを示している。即ち、ステップＳ６２で得られたむだ時間T_dが、前回演算値PreT_dと異なる区間に属した場合であっても、むだ時間T_dが減少の方向に変化した場合は、モデル変更を行なわないことを表している。これは、むだ時間T_dが減少の際は制御ゲインが不足する（追従性が損なわれる）が燃焼の安定は維持されるため、モデルの変更を実施するものとしている。一方、むだ時間T_dが増加の際は燃焼の安定も損なわれるため、それを回避するためにモデルの変更を実施するものとしている。この数２２の式を満たす場合は、モデル切換の必要があると判断して（ステップＳ６３）、下記に示す式（数２３）に従って、モデルの変更を行なう。そして、変更したモデルに基づいて、数１５の式に従って偏差入力Δu(k)を計算する（ステップＳ６５）。

数２３の式は、むだ時間T_dが増加方向の際のみモデルの変更を行なうために、減少方向への変化が開始された時点とそこから増加へ転じた際のモデルダイナミクスに大きな差異が発生する場合があり、それを急激に変化させず、漸近的に変化させることで、より安定な制御演算を実現している。

尚、この数２２の式を満たさない場合は、モデル切換の必要がないと判断して（ステップＳ６３）、モデルの変更を行なわない。即ち、式（数１９）に従い、ステップＳ１３で用いたモデル（数８）を用いて、数１５の式に従って偏差入力Δu(k)を計算する（ステップＳ６５）。

次に、上述した本実施形態に係るストーカ炉の制御方法の実験結果について、図９および図１０に基づいて説明する。図９は図３に記載した予測制御部１のみを有した制御方法を用いて制御を行なった場合の結果を示す図であり、図１０は本実施の形態に係る制御方法を用いて制御を行なった場合の結果を示す図である。

図９に示すように、予測制御部１のみを有した制御方法を用いて制御を行なった場合は、蒸気流量が目標蒸気流量へ追従していることがわかるが、ごみ層圧が上昇した時点（Ｔ）以降は蒸気流量も安定せず、しばらく後にモデル切り換えが実施され、ごみ供給量を適切に操作することで目標蒸気量への追従を実現できている。しかし、酸素濃度、ごみ層圧は積極的に制御しないため、緩やかに変化していくことが確認される。このように、予測制御方法のみを用いた場合は、ごみ層圧が変動した場合に予測制御でのモデルが一致しないために、蒸気流量を目標値（図９の目標蒸気流量）へ追従させることができず、ストーカ炉を安定して制御できないことがわかる。

一方、図１０に示すように、本実施形態に係る制御方法を用いた場合は、ごみ層圧が上昇した時点（Ｔ）直後は蒸気流量が一時的に大きく変動しているが、目標蒸気量への追従をより迅速に実現できていることが確認される。また、ごみ層圧、酸素濃度に関してもより迅速に制御できていることが確認できる。このように、本実施形態に係る制御方法を用いた場合は、ごみ層圧が変動した場合に、迅速にごみ供給量を制御することができ、一時的に蒸気流量が大きく変動するものの、蒸気流量を目標値（図１０の目標蒸気流量）へ迅速に追従させることができ、ストーカ炉を安定して制御できることがわかる。

すなわち、モデル化の誤差が生じた場合には、燃焼状況にその変化が現れ、その後、排ガスボイラの熱交換熱量が変化する。そして、最終的には、蒸気発生量の変化となって現れるため、燃焼変化から蒸気発生量変化までには、時間的な遅れが生じることがわかる。

以上に説明したように、本実施の形態に係る焼却炉の制御方法（図２および図３）および制御装置、並びにプログラムによると、モデル化の誤差が生じた場合における蒸気発生量の変化が現れる前に、モデル化誤差を迅速に捕らえてモデル化誤差の影響を低減することにより制御性能を向上させ、かつ制御量の変動抑制を実現することができる。

すなわち、モデルの説明変数である水分量、カロリー量の推定向上が重要であり、実際の燃焼状況を均一化する必要がある。そこで、本実施の形態においては、ごみの堆積状況を均一化させることで、モデル化誤差を迅速に捕らえてモデル化誤差の影響を低減することにより制御性能を向上させ、かつ制御量の変動抑制を実現することができる。その結果、焼却炉の制御方法および装置、並びにプログラムにおいては、モデル化誤差の予測精度が十分でなく、かつ焼却炉の燃焼状態に変化が生じた場合でも、安定して操業することができる。

また、本実施形態に係る焼却炉の制御方法（図５および図６に示すフローチャート）および制御装置１、並びにプログラムによると、焼却炉で焼却する被焼却物の質（ごみカロリー、ごみの水分量など）または量（供給量）の変動、焼却炉に対する操作量の変動などにより焼却炉の燃焼状況の変化（即ち、燃焼速度の変化）が生じる場合でも、適応計算部６において、燃焼速度の変化として検出したむだ時間の変化に応じて操作量を最適化する際のモデルを切り換えて（図６に示すフローチャートのステップＳ６１〜６４）、焼却炉の燃焼状態の変化に伴うむだ時間の変化による影響を積極的に低減させることにより、焼却炉の状況に合わせて予測制御を行って制御量の予測精度低下を抑制するとともに、高精度で目標値へ追従を行なうことができ、焼却炉の安定した制御を実現することができる。

さらに、操作量として、ごみ供給量、ストーカ送り速度、一次空気量を用い、制御対象特性推定計算部６ａにおいて、燃焼状況の変化（燃焼速度の変化）を、操作量から求めたむだ時間として検出しており（図６に示すフローチャートのステップＳ６１，Ｓ６２）、ストーカ炉において、燃焼量（即ち、燃焼速度）を操作することができ、操作量の自由度を高め、より高精度な制御を行なうことができる。さらに、制御量として、蒸気流量を用いており、蒸気流量の変動を予測することでむだ時間による影響を低減することができる。

また、制御対象特性切換計算部６ｂにおいて、さらに、燃焼状況の変化に応じてモデルを変更する必要性の有無を判断して（図６に示すフローチャートのステップＳ６３）、急激な焼却炉の燃焼状況の変化が発生した時などモデルの変更する必要性がある場合のみモデルを変更することにより、頻繁なモデル変更を抑制することができ、焼却炉の制御演算をより安定して行なうことが可能になる。

また、制御対象特性切換計算部６ｂにおいて、むだ時間が増加する方向に変化した場合のみモデルを変更している（図６に示すフローチャートのステップＳ６３）。従って、むだ時間が減少する方向に変化した場合は、制御ゲインが不足して追従性が損なわれるものの燃焼の安定性は維持されるが、むだ時間が増加する方向に変化した場合は、燃焼の安定性が損なわれるため、むだ時間が増加する方向に変化した場合のみモデルを変更することにより、燃焼の安定性を確保すると共に、頻繁なモデルの変更を回避することができ、さらに安定した焼却炉の制御を実現することができる。

さらに、操作量不変時制御量変動分計算部３において、モデルの説明変数として、ごみの燃え切り位置、火格子温度のうち少なくとも一つを含ませることにより（図５に示すフローチャートのステップＳ３）、ストーカ炉において、モデルの構築および将来の予測値を安定且つ高精度に行なうことができる。また、ごみの燃え切り位置、火格子温度は、直接操作できる量ではないため、操作量最適化計算部４において、モデルの説明変数として、ごみの燃え切り位置および火格子温度を含ませないことにより（図５に示すフローチャートのステップＳ６および図６に示すフローチャートのステップＳ６５）、ごみの燃え切り位置および火格子温度は予測区間において一定であるとの仮定の下で操作量を最適化することを可能としている。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はその趣旨を超えない範囲において変更が可能である。

本実施の形態では、焼却炉としてストーカ炉に適用し、予測制御のモデルにおいて、モデルの説明変数として操作量であるごみ供給量、ストーカ送り速度、一次空気量を用いるとともに、火格子温度、燃え切り位置を用い、モデルの目的変数として制御量として炉内温度とボイラドラム圧力と蒸気流量を用いたが、それに限られない。即ち、様々な焼却炉に対して適用すると共に、焼却炉の予測制御を正確に行なうために、説明変数および目的変数として適切な操作量に対する制御量と観測量を用いたモデルを使用する。

なお、制御量として炉内温度を用いる場合、炉内温度は、熱電対により計測されることが通常であるが、放射温度計または輝度センサなど電磁波を利用するセンサを使用することが望ましい。熱電対による温度計測は、温度変化に対する応答性が悪く、遅れ時間も無視できず、制御性能を悪化させる要因となる。

また、上述の実施形態では、操作量不変時の制御量変動分を予測計算しているが、操作量を変えたときの制御量変動分を予測計算してもよい。

また、ストーカ炉の制御プログラムは、記憶部のＲＯＭに予め読み出し専用に書き込まれていてもよいし、ＣＤ等の記録媒体に記録されたものが必要時に読み出されて記憶部に書き込まれてもよいし、さらにはインターネット等の電気通信回線を介して伝送されて記憶部に書き込まれてもよい。

上記実施の形態においては、ストーカ炉１０が焼却炉に相当し、モデルＡが制御量を予測するモデルに相当し、予測制御計算部１が予測制御ステップ、予測制御部、予測制御処理に相当し、補正値計算部２００が補正制御ステップ、補正制御部、補正制御処理に相当し、投入特性部３００が特性算出ステップ、特性算出部、特性算出処理に相当し、制御対象特性補正計算部４００が特性補正算出ステップ、特性補正算出部、特性補正算出処理に相当し、目標軌道生成部２が目標軌道設定ステップ、目標軌道設定部、目標軌道設定処理に相当し、制約条件設定部５が制約条件設定ステップ、制約条件設定部、制約条件設定処理に相当し、操作量不変時制御量偏差計算部８が偏差算出ステップ、偏差算出部、偏差算出処理に相当し、制御対象特性推定計算部６ａが燃焼状況変化検出ステップ、燃焼状況変化検出部、燃焼状況変化検出処理に相当し、制御対象特性切換計算部６ｂがモデル切換ステップ、モデル切換部、モデル切換処理に相当し、操作量最適化計算部４が操作量最適化ステップ、操作量最適化部、操作量最適化処理に相当する。

本発明は、上記の好ましい一実施の形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。

ストーカ炉の概略図を示す。 本実施の形態に係る制御装置のブロック線図。 本実施の形態に係る制御方法のフローチャート。 本実施形態に係る予測制御計算部におけるブロック線図を示す。 本実施形態に係る予測制御計算部における予測制御方法のフローチャート 偏差入力の詳細な計算方法のフローチャート 目標軌道の設定方法を表す一例の図 むだ時間の区間とその区間に対応する代表モデルの関係を示す図 予測制御機能のみを用いた制御方法を行った場合の実験結果 本実施の形態による制御方法を行った場合の実験結果

符号の説明

１ 予測制御計算部
２ 目標軌道生成部
３ 操作量不変時制御量変動分計算部
４ 操作量最適化計算部
５ 制約条件設定部
６ 適応計算部
６ａ 制御対象特性推定計算部
６ｂ 制御対象特性切換計算部
７ 制御量差分計算部
８ 操作量不変時制御量偏差計算部
１０ ストーカ炉
２００ 補正値計算部
３００ 投入特性部
４００ 制御対象特性補正計算部

Claims (24)

1. 焼却炉に係る操作量を説明変数として目的変数である焼却炉に係る制御量を予測するモデルを用いて、前記制御量の現時点以降における予測値を求めて操作量を演算する予測制御ステップと、
   前記モデルにおける前記操作量を補正する補正制御ステップと、を備え、
   前記補正制御ステップは、
   前記モデルにおけるモデル化誤差低減のための操作量の特性を計算する特性算出ステップと、
   前記操作量の特性に影響を与える要素に基づき、前記操作量の特性に対する補正量を計算する特性補正算出ステップと、を含み、
   前記予測制御ステップに基づく操作量に、前記補正制御ステップおよび前記特性補正算出ステップからの補正量を加算することにより、制御変動を抑制することを特徴とする焼却炉の制御方法。
2. 前記操作量の特性に影響を与える要素は、
   前記焼却炉における被燃焼物供給量のばらつき、または被燃焼物の質のばらつきを含み、
   前記特性補正算出ステップは、
   前記被燃焼物の堆積層の圧力に基づき補正量を計算することを特徴とする請求項１に記載の焼却炉の制御方法。
3. 前記操作量の特性に影響を与える要素は、被燃焼物堆積状態を含み、
   前記特性補正算出ステップは、
   前記被燃焼物堆積状態を均一化した値に基づき補正量を計算することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の焼却炉の制御方法。
4. 前記操作量は、焼却炉の燃焼室における酸素濃度を含み、
   前記補正制御ステップは、
   前記酸素濃度に基づいて前記操作量の補正を計算することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の焼却炉の制御方法。
5. 前記予測制御ステップは、
   前記制御量の現時点以降における予測値を求める予測値算出ステップと、
   前記制御量の現時点における実測値及び現時点以降の目標値から、前記制御量の目標軌道を定める目標軌道設定ステップと、
   前記焼却炉の状態に応じて操業上の制約条件を設定する制約条件設定ステップと、
   前記目標軌道と前記予測値との偏差を求める偏差算出ステップと、
   前記焼却炉の燃焼状況の変化を、燃焼速度の変化として、前記操作量から求めたむだ時間の変化で検出する燃焼状況変化検出ステップと、
   前記変化に応じて、前記モデルを変更するモデル切換ステップと、
   前記制約条件のもとで与えられる評価関数を考慮した上で、前記偏差を補償するように、前記モデルを用いて前記操作量を最適化する操作量最適化ステップと、を備えたものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の焼却炉の制御方法。
6. 前記焼却炉は、ストーカ炉であり、
   前記操作量は、ごみ供給量、ストーカ送り速度、一次空気量のうち少なくとも一つとすることを特徴とする請求項５に記載の焼却炉の制御方法。
7. 前記モデル切換ステップは、さらに、前記むだ時間の変化の大小に応じて、前記モデルを変更する必要性の有無を判断することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の焼却炉の制御方法。
8. 前記焼却炉は、ストーカ炉であり、
   前記予測値算出ステップにおいて、前記モデルは、ごみの燃え切り位置、火格子温度のうち、少なくとも一つを前記操作量として含み、
   前記操作量最適化ステップにおいて、前記モデルは、ごみの燃え切り位置及び火格子温度を前記操作量として含まないことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の焼却炉の制御方法。
9. 焼却炉に係る操作量を説明変数として目的変数である焼却炉に係る制御量を予測するモデルを用いて、前記制御量の現時点以降における予測値を求めて操作量を演算する予測制御部と、
   前記モデルにおける前記補正制御部と、を備え、
   前記補正制御部は、
   前記モデルにおけるモデル化誤差低減のための操作量の特性を計算する特性算出部と、
   前記操作量の特性に影響を与える要素に基づき、前記操作量の特性に対する補正量を計算する特性補正算出部と、を備え、
   前記予測制御部に基づく操作量に、前記補正制御および前記特性補正算出部からの補正量を加算することにより、制御量変動を抑制することを特徴とする焼却炉の制御装置。
10. 前記操作量の特性に影響を与える要素は、
    前記焼却炉における被燃焼物供給量のばらつき、または被燃焼物の質のばらつきを含み、
    前記特性補正算出部は、
    前記被燃焼物の堆積層の圧力に基づき補正量を計算することを特徴とする請求項９に記載の焼却炉の制御装置。
11. 前記操作量の特性に影響を与える要素は、被燃焼物堆積状態を含み、
    前記特性補正算出部は、
    前記被燃焼物堆積状態を均一化した値に基づき補正量を計算することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の焼却炉の制御装置。
12. 前記操作量は、焼却炉の燃焼室における酸素濃度を含み、
    前記補正制御部は、
    前記酸素濃度に基づいて前記操作量の補正を計算することを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の焼却炉の制御装置。
13. 前記予測制御部は、
    前記制御量の現時点以降における予測値を求める予測値算出ステップと、
    前記制御量の現時点における実測値および現時点以降の目標値から、前記制御量の目標軌道を定める目標軌道設定部と、
    前記焼却炉の状態に応じて操業上の制約条件を設定する制約条件設定部と、
    前記目標軌道と前記予測値との偏差を求める偏差算出部と、
    前記焼却炉の燃焼状況の変化を、燃焼速度の変化として、前記操作量から求めたむだ時間の変化で検出する燃焼状況変化検出部と、
    前記変化に応じて、前記モデルを変更するモデル切換部と、
    前記制約条件のもとで与えられる評価関数を考慮した上で、前記偏差を補償するように、前記モデルを用いて前記操作量を最適化する操作量最適化部と、を備えたものであることを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の焼却炉の制御装置。
14. 前記焼却炉は、ストーカ炉であり、
    前記操作量は、ごみ供給量、ストーカ送り速度、一次空気量のうち少なくとも一つとすることを特徴とする請求項１３に記載の焼却炉の制御装置。
15. 前記モデル切換部は、さらに、前記むだ時間の変化の大小に応じて、前記モデルを変更する必要性の有無を判断することを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の焼却炉の制御装置。
16. 前記焼却炉は、ストーカ炉であり、
    前記予測値算出部において、前記モデルは、ごみの燃え切り位置、火格子温度のうち、少なくとも一つを前記操作量として含み、
    前記操作量最適化部において、前記モデルは、ごみの燃え切り位置及び火格子温度を前記操作量として含まないことを特徴とする請求項１３から請求項１５のいずれか１項に記載の焼却炉の制御装置。
17. 焼却炉に係る操作量を説明変数として目的変数である焼却炉に係る制御量を予測するモデルを用いて、前記制御量の現時点以降における予測値を求めて操作量を演算する予測制御処理と、
    前記モデルにおける前記補正制御処理と、を備え、
    前記補正制御処理は、
    前記モデルにおけるモデル化誤差低減のための操作量の特性を計算する特性算出処理と、
    前記操作量の特性に影響を与える要素に基づき、前記操作量の特性に対する補正量を計算する特性補正算出処理と、を含み、
    前記予測制御処理に基づく操作量に、前記補正制御処理および前記特性補正算出処理からの補正量を加算することにより、制御変動を抑制することを特徴とする焼却炉の制御プログラム。
18. 前記操作量の特性に影響を与える要素は、
    前記焼却炉における被燃焼物供給量のばらつき、または被燃焼物の質のばらつきを含み、
    前記特性補正算出処理は、
    前記被燃焼物の堆積層の圧力に基づき補正量を計算することを特徴とする請求項１７に記載の焼却炉の制御プログラム。
19. 前記操作量の特性に影響を与える要素は、被燃焼物堆積状態を含み、
    前記特性補正算出処理は、
    前記被燃焼物堆積状態を均一化した値に基づき補正量を計算することを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載の焼却炉の制御プログラム。
20. 前記操作量は、焼却炉の燃焼室における酸素濃度を含み、
    前記補正制御処理は、
    前記酸素濃度基づいて前記操作量の補正を計算することを特徴とする請求項１７から請求項１９のいずれか１項に記載の焼却炉の制御プログラム。
21. 前記予測制御処理は、
    前記制御量の現時点以降における予測値を求める予測値算出処理と、
    前記制御量の現時点における実測値及び現時点以降の目標値から、前記制御量の目標軌道を定める目標軌道設定処理と、
    前記焼却炉の状態に応じて操業上の制約条件を設定する制約条件設定処理と、
    前記目標軌道と前記予測値との偏差を求める偏差算出処理と、
    前記焼却炉の燃焼状況の変化を、燃焼速度の変化として、前記操作量から求めたむだ時間の変化で検出する燃焼状況変化検出処理と、
    前記変化に応じて、前記モデルを変更するモデル切換処理と、
    前記制約条件のもとで与えられる評価関数を考慮した上で、前記偏差を補償するように、前記モデルを用いて前記操作量を最適化する操作量最適化処理と、を備えたものであることを特徴とする請求項１７から請求項２０のいずれか１項に記載の焼却炉の制御プログラム。
22. 前記焼却炉は、ストーカ炉であり、
    前記操作量は、ごみ供給量、ストーカ送り速度、一次空気量のうち少なくとも一つとすることを特徴とする請求項２１に記載の焼却炉の制御プログラム。
23. 前記モデル切換処理は、さらに、前記むだ時間の変化の大小に応じて、前記モデルを変更する必要性の有無を判断することを特徴とする請求項２１または請求項２２に記載の焼却炉の制御プログラム。
24. 前記焼却炉は、ストーカ炉であり、
    前記予測値算出処理において、前記モデルは、ごみの燃え切り位置、火格子温度のうち、少なくとも一つを前記操作量として含み、
    前記操作量最適化処理において、前記モデルは、ごみの燃え切り位置及び火格子温度を前記操作量として含まないことを特徴とする請求項２１から請求項２３のいずれか１項に記載の焼却炉の制御プログラム。

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