JP2010271890A

JP2010271890A - パラメータ調整方法及び装置

Info

Publication number: JP2010271890A
Application number: JP2009122755A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Tsuda; 篤津田; Koji Akamatsu; 耕二赤松; Masaki Yasuda; 正樹安田
Original assignee: Mitsubishi Chemical Engineering Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Engineering Corp
Priority date: 2009-05-21
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2010-12-02

Abstract

【課題】実プラントの特性を精度よく模擬するダイナミックシミュレータを作成することが出来るパラメータ調整装置を提供する。
【解決手段】プラントの複数の制御量と、プラントの運転から与えられる複数の操作量とから、前記操作量の投与の結果として得られる制御量を数学的モデルで演算するダイナミックシミュレータ１１と、実プラント２０で与えた操作量に関連して実測された制御量の実測値と、ダイナミックシミュレータ１１に実操作量を入力して求めた演算値との偏差が小さくなるように、ダイナミックシミュレータ内のパラメータを調整するパラメータ演算装置１４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、パラメータ調整方法及び装置に関し、更に詳しくは、プラントの制御を模擬するシミュレータ内のモデルを実プラントの特性に近づけるために好適な、シミュレータ内のモデルのパラメータ調整方法、及び、パラメータ調整装置に関する。

プラントを制御する方式として、制御モデルが用いられていることがある。例えば多変数モデル予測制御では、制御対象となるプラントで計測される複数の制御量の測定値と、プラントの制御のために与えられる複数の操作量と、操作量が与えられる結果として予測される制御量の目標値との関係を示すモデル式が制御コンピュータ上で実現されている。

また、化学プラントなどでは、実際の装置や機器を数学的モデルなどで表現し、極めて現実に近い疑似体験をするためにダイナミックシミュレ−タが用いられることがある。ダイナミックシミュレータは、実プラントならば生命に関わるような危険な作業や、機器の故障、異常事態の再現など、実際に体験することが困難な状況についても、安全な仮想環境の下で体験することが可能である。また、ダイナミックシミュレータは、プラントの技術的な検討や研究などにも用いられており、実際の装置や機器を用いた検討や実験などが費用、安全性、即時性などの観点から難しいと判断される場合には、ダイナミックシミュレータを用いた検討や研究が行われる。

ダイナミックシミュレータなどで用いられる数学的モデルは、制御量を構成する変数とその変数の係数などで構成されることが一般的である。数式自体はプラント内の装置の構造や構成などからほぼ一意に定めることが出来る。しかし、係数となるパラメータは、装置の設計条件、寸法、容量、材質、物性、使用環境、効率などから定めなければならず、更には、実際の装置や機器から得られる測定値に合わせて調整が必要となる。

特許文献１には、プラントで使用される多変数制御モデルを作成する際に、予め設計した制御モデルに特定の操作量を入力して得られた制御量の演算値と、実プラントにその操作量を入力して得られた制御量の実測値とを画面上で比較して設計者に示す技術が記載されている。設計者は、その比較データを検討して制御モデルにおけるパラメータの調整を行う。

特開平１０−２３２７０２号公報

ダイナミックシミュレータなどのシミュレータでは、シミュレータ内の各種パラメータについて、実際の装置や機器から得られる測定値に合わせて継続的な調整が求められる。この際に、上記特許文献１に記載の技術を利用することが考えられる。しかし、この特許文献に記載の技術は、多変数制御装置の制御パラメータをユーザに設計させ、その多変数制御装置の制御性能を実機で確認させるものである。従って、この技術では、制御系の入出力データに基づいて多変数制御装置内の制御モデルを設定するものの、その後のパラメータの調整自体は、設計者自身が行う必要がある。このため、パラメータ調整における精度が設計者の熟練度に依存するという問題がある。

また、パラメータ調整を設計者自身が行う必要があることから、一日２４時間の連続したパラメータ調整を常時行っていくことは事実上不可能である。このため、シミュレータ装置内のパラメータ調整に際して、設計者が介入することを必要とせずに、パラメータを精度よく調整することで、シミュレータの精度を上げることが望まれている。

従って、本発明は、シミュレータ内の数学的モデルについて、設計者の介入を必要とすることなく、プラントの特性を精度よく模擬することが出来るようにモデルのパラメータを調整する方法、及び、そのような調整方法を実現するパラメータ調整装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、プラントの１つ以上の制御量の初期値と、プラントの運転で与えられる１つ以上の操作量とから、前記操作量の投与の結果として得られる制御量を数学的モデルに従って演算するダイナミックシミュレータと、
実プラントで実際に与えられた実操作量に関連して実プラントで得られた特定の制御量の実測値と、前記ダイナミックシミュレータに前記実操作量を入力し該ダイナミックシミュレータで演算された前記特定の制御量の演算値とを入力し、前記実測値と前記演算値との差分値が小さくなるように前記ダイナミックシミュレータ内の前記特定の制御量を示す変数に関連するパラメータを修正するパラメータ演算部と、を備えることを特徴とするパラメータ調整装置を提供する。

また、本発明は、プラントの１つ以上の制御量の初期値と、プラントの運転で与えられる１つ以上の操作量とから、前記操作量の投与の結果として得られる制御量を数学的モデルに従って演算するダイナミックシミュレータを作成し、
実プラントで実際に与えられた実操作量に関連して実プラントで特定の制御量を実測するステップと、前記ダイナミックシミュレータに前記実操作量を入力して前記特定の制御量の演算値を演算するステップと、前記実測値と前記演算値との差分値が小さくなるように、前記ダイナミックシミュレータ内の前記特定の制御量を示す変数に関連するパラメータを修正するステップと、を実行することを特徴とするパラメータ調整方法を提供する。

本発明によると、シミュレータ内の数学的モデルのパラメータについて、実プラントの特性によく合致したパラメータ調整が可能となる効果がある。

本発明の一実施形態に係るパラメータ調整装置の構成を、対応する実プラントと共に示すブロック図。ステップ応答モデルを示すグラフ。本実施形態のパラメータ調整装置を作動させたときの実測値と演算値との時間変化を示すグラフ。実施形態のパラメータ調整装置を実際に稼働させたときのパラメータ（圧損係数）と、制御量の実測値と、ダイナミックシミュレータで演算された制御量の演算値との関係を示すグラフ。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るパラメータ調整装置の構成を実プラントと共に示すブロック図であり、数学的モデルなどを用いて実プラントを模擬する演算を行うダイナミックシミュレータ１１と、実プラント２０と、パラメータ調整装置１０とから構成されている。

パラメータ調整装置１０は、実プラント２０から、プラントの複数の制御量の実測データＹ、及び、プラントで実際に投与された複数の操作量ｕを逐次受信する。パラメータ調整装置１０は、データベース（ＤＢ）１３と、パラメータ演算装置（演算装置）１４と、通信装置１５とから構成される。パラメータ調整装置１０は、１台以上の計算機で構成される。また、ダイナミックシミュレータ用のコンピュータと組み合わせて１つの計算機上で実現してもよい。

ダイナミックシミュレータ１１は、プラントで実際に投与された操作量ｕと、パラメータ演算装置１４で演算される、各制御量を示す変数に対応するパラメータの補正値Δθとを逐次入力し、パラメータ逐次補正しつつ数学的モデルに従って演算し、各制御量の演算値Ｙ＾を逐次出力する。なお、操作量ｕには、プラントで投与した実操作量の他に、プラント内で発生したノイズ成分や、そのようなノイズ成分を模擬する操作量を含めてもよい。

パラメータ調整装置１０の通信装置１５は、実プラント２０から、実際に投与された実操作量ｕと、その実操作量ｕが投与された結果として得られた各制御量の実測値Ｙとを入力する。パラメータ調整装置１０のＤＢ１３は、各部からデータを収集し、これを必要な部分に配信する。パラメータ調整装置１０の演算装置１４は、ダイナミックシミュレータ１１が出力する制御量の演算値Ｙ＾とプラントで実測された制御量の実測値Ｙとの偏差（差分値）ｅを演算し、その偏差ｅが小さくなるように、ダイナミックシミュレータ内の制御量に対応するパラメータを決定する。決定したパラメータは、ダイナミックシミュレータ１１に逐次出力される。

演算装置１４は、ダイナミックシミュレータ１１と協働して、偏差ｅを所望の大きさとするような制御を行う。本実施形態では、演算装置１４は、偏差ｅを制御量とし、ダイナミックシミュレータ１１のパラメータを操作量とする多変数モデル予測制御による演算を行って、偏差ｅが目標値になるように制御を行う。詳しくは、演算装置１４は、現在時刻における偏差ｅ（ｋ）から、ｎステップ先までの未来の偏差ｅ（ｋ＋１）、ｅ（ｋ＋２）、．．．．、ｅ（ｋ＋ｎ）を予測し、その予測値が可能な限り目標値に近くなるように、ｍステップ先の操作量であるパラメータ、ｐ（ｋ）、ｐ（ｋ＋１）、．．．．、ｐ（ｋ＋ｍ）を計算する。計算したパラメータのうち、現在時刻に対応するパラメータをダイナミックシミュレータ１１に逐次入力する。なお、これに代えて、演算装置１４は、通常のフィードバック制御を行ってもよい。

図２は、ステップ応答特性試験で得られた結果のデータをグラフで示している。グラフは、特定のパラメータθ（θ１、θ２，．．．）に単位変化Δθ（Δθ１、Δθ２，．．．）を与えたときに発生する、実プラントの各制御量の計測値Ｙ（Ｙ１，Ｙ２，．．．）と、その制御量の演算値Ｙ＾（Ｙ１＾、Ｙ２＾、．．．）との間の偏差ｅ（ｅ１、ｅ２、．．．）の応答特性である。

図２の例では、パラメータθ１の単位変化Δθ１に対して、特定の制御量の偏差ｅ１が増大方向に変化し、或る時間内で収束する旨を示し、このとき別の制御量の偏差ｅ２が殆ど変化しない旨を示している。また、パラメータθ２の単位変化Δθ２に対して、偏差ｅ１が瞬間的に幾らか増大し、或る時間内で０に収まり、且つ、偏差ｅ２が減少方向に変化し、或る時間内で収束する旨が示されている。パラメータ調整装置１０の演算装置１４は、前記の通り、この応答特性をデータ内に含む係数を各変数に対応して出力する。

図３は、本実施形態のパラメータ調整装置１０で行われる制御の様子を模式的に示している。同図に示すように、実プラント２０から与えられる操作量をダイナミックシミュレータ１１に与え、得られた実プラント２０の制御量の実測値Ｙとダイナミックシミュレータ１１の演算値Ｙ＾との偏差ｅがパラメータ演算装置１４に与えられる。パラメータ演算装置１４は、図３のステップ応答モデルを参照し、その時点で変化させるべきパラメータθ及びその補正値Δθを逐次決定し、補正したパラメータの値をダイナミックシミュレータ１１に与える。演算装置１４は、この制御を逐次繰り返し、最終的に偏差ｅが所望の大きさになるように、多変数モデル予測制御を行う。

図４は、エチレン製造の際に、エチレン塔で行われた、本実施形態のパラメータ調整装置によるパラメータ調整の様子を示している。制御量としては塔差圧をとり、変化させる（調整する）パラメータとして、圧損係数をとった。この制御では、シミュレーションの前提条件や設計条件の変化により、シミュレータの特性がプラントの特性と大きく異なっているが、本パラメータ調整装置を用いてパラメータを適切に調整することにより、両者の差異が最終的に殆どなくなることが示されている。

上記実施形態では、パラメータ調整装置内では、実測値と演算値の差が演算され、その差が制御対象として用いられる。制御対象の目標値は、２次計画法などを用いて事前に設定された範囲を逸脱しないように定められる。偏差の目標値と現在値とから、適切なパラメータが演算され、ダイナミックシミュレータ内の新たなパラメータとして書き込まれる。

また、プラントで実測される制御量とダイナミックシミュレータで演算される制御量との一致が図られることから、プラントで実測されない制御量も、ダイナミックシミュレータ内で予測することが出来る。このため、プラント機器の性能の監視や、計測機器の故障発見、配管の漏れやつまりなどの異常も監視可能となる。更には、運転操作の妥当性の検討や、運転員の訓練の改善などが可能になる。更には、原料の変更や、運転状態の変更における影響の検討、緊急時の対応などの検討も容易になる。

多変数制御に与える目標値は、線形計画法や２次計画法など制約条件を考慮した最適化手法を用いて算出することで、様々な条件を考慮した適切な目標値とすることができる。

なお、上記実施形態では、測定値Ｙと演算値Ｙ＾との差をそのまま制御対象として、パラメータを逐次補正する例を挙げたが、本発明のパラメータ調整装置は、この例には限られない。例えば、ダイナミックシミュレータからは、定常状態の演算値を出力させ、プラントの実測値には、例えばカルマンフィルターを利用し将来の演算値を演算させて、双方の差を制御対象とすることも可能である。この場合、両者の動的な変化は考慮されず、その定常状態の差のみが考慮される。

本発明では、シミュレータのパラメータ調整方法として、プラントの制御方式として代表的である多変数モデル予測制御を使用した。しかしながら、調整方法として多変数モデル予測制御だけには限定されず、本発明は、一般にシミュレータのパラメータを修正することで偏差を所望の範囲内に納めることが可能な方式であれば採用可能である。

本発明を特別に示し且つ例示的な実施形態を参照して説明したが、本発明は、その実施形態及びその変形に限定されるものではない。当業者に明らかなように、本発明は、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、種々の変更が可能である。

１０パラメータ調整装置
１１ダイナミックシミュレータ
１３データベース
１４パラメータ演算装置（演算装置）
１５通信装置
２０実プラント

Claims

プラントの１つ以上の制御量の初期値と、プラントの運転で与えられる１つ以上の操作量とから、前記操作量の投与の結果として得られる制御量を数学的モデルに従って演算するダイナミックシミュレータと、
実プラントで実際に与えられた実操作量に関連して実プラントで得られた特定の制御量の実測値と、前記ダイナミックシミュレータに前記実操作量を入力し該ダイナミックシミュレータで演算された前記特定の制御量の演算値とを入力し、前記実測値と前記演算値との差分値が小さくなるように前記ダイナミックシミュレータ内の前記特定の制御量を示す変数に関連するパラメータを修正するパラメータ演算部と、を備えることを特徴とするパラメータ調整装置。
前記パラメータ演算部は、前記差分値を制御量とし、前記パラメータを操作量とする多変数モデル予測制御を行う、請求項１に記載のパラメータ調整装置。
プラントの１つ以上の制御量の初期値と、プラントの運転で与えられる１つ以上の操作量とから、前記操作量の投与の結果として得られる制御量を数学的モデルに従って演算するダイナミックシミュレータを作成し、
実プラントで実際に与えられた実操作量に関連して実プラントで特定の制御量を実測するステップと、前記ダイナミックシミュレータに前記実操作量を入力して前記特定の制御量の演算値を演算するステップと、前記実測値と前記演算値との差分値が小さくなるように、前記ダイナミックシミュレータ内の前記特定の制御量を示す変数に関連するパラメータを修正するステップと、を実行することを特徴とするパラメータ調整方法。
前記パラメータを修正するステップは、前記差分値を制御量とし、前記パラメータを操作量とする多変数モデル予測制御による演算を行う、請求項３に記載のパラメータ調整方法。