JP3217774B2

JP3217774B2 - 燃焼炉における燃焼制御方法及び装置

Info

Publication number: JP3217774B2
Application number: JP37197599A
Authority: JP
Inventors: 裕一宮本; 正人林; 嘉彦尾崎; 幹彦片岡; 宏之稲井; 順香ノ木; 恭司山本
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2001-10-15
Anticipated expiration: 2019-12-28
Also published as: JP2001182926A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、都市ごみ、産業廃
棄物等の被焼却物の性状が不均一な燃焼炉である流動床
炉やストーカ炉、ガス化炉等の適応・予測制御手法を用
いた燃焼制御システムにおいて、適応・予測制御手法の
制御性能を向上させる燃焼制御方法及びこの方法を実施
する燃焼制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃焼炉の燃焼制御においては、被焼却物
の物理的・化学的性状が変化し、操作量の変化に対する
制御量の挙動が一定しない。特に、ごみ焼却炉では、最
近、ダイオキシン類排出量等公害規準が急速に厳しくな
り、この公害規準を遵守するためには、操作量と制御量
間のシステム特性変化に対応し、安定燃焼を維持できる
制御が求められている。この背景において、本出願人
は、流動床ごみ焼却炉における適応・予測制御を開発
し、実際のプラントに適用している。

【０００３】また、特開平９−３０３７４１号公報に
は、流動床ごみ焼却炉の燃焼制御に予測制御を採用した
制御方法及び装置が記載されている。その内容は以下の
通りである。まず、制御量（炉出口ガス温度）の目標値
と実測値に基づき、制御量の目標軌道を生成する。次
に、シミュレータを用いて前時点での操作量（給じん装
置回転数）を加え続けた場合の制御量算出、及び現時点
から一定時間後までの制御量予測を行う。さらに、シミ
ュレータによる制御量計算値と実測値の誤差を求める。
これらと設定目標値から予測制御手法にて現時点での操
作量を決定する。

【０００４】また、特開平６−７４４３５号公報記載の
発明は、都市ごみを焼却する流動床炉にて、都市ごみを
供給するスクリュコンベアを駆動するモータの負荷電流
を検出し、これと炉内ガス温度からファジイ推論に基づ
き、負荷電流増加時には被焼却物が大量に供給されたこ
とを判断し、その数十秒後に炉内に到達し不完全燃焼が
発生することを予測して、炉内温度に応じて二次空気流
量を操作し、これにより、排ガス中のＣＯ発生を抑制す
るというものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特開平９−３０３７４
１号公報記載の発明は、対象とする制御量と操作量間の
システム特性変化の予測を内包するシミュレータにより
実行しようとするものであるが、予測には予め与えたモ
デル（モデル内の各種パラメータは固定）を使用してお
り、シミュレーションに用いるモデルについては内部パ
ラメータを実機データに基づき逐次同定するものではな
く、システム特性変化を適切に把握できるものとはいえ
ない。また、把握した特性変化に基づき、制御部のパラ
メータ調整を行って制御性能の維持・向上が期待できる
が、制御部パラメータの調整機構は備えていない。

【０００６】特開平６−７４４３５号公報記載の発明で
は、ごみを供給するスクリュコンベアのモータ電流増と
供給被焼却物の増加に相関が見られることを利用した燃
焼悪化の予測、すなわち、ごみを供給するスクリュコン
ベアのモータ電流増で、数十秒後に炉内ごみ投入量の増
加が発生するとの経験則とファジイルールで予測を行っ
ているが、機器の経年変化やごみ質の季節変動等によ
り、モータ電流増分と供給被焼却物重量の関係特性が変
化した場合、ファジイ推論による補償は行っているもの
の、特性変化の吸収は十分とはいえない。また、ファジ
イルールを構成するパラメータの調整では、相関データ
を事前に大量に収集する必要がある。さらに、炉内ごみ
供給量の増加を予測すると、給じん装置回転数、流動用
空気流量、二次空気流量の操作を実施しており、制御部
パラメータの調整機構は備えていない。

【０００７】本発明は上記の諸点に鑑みなされたもの
で、本発明の目的は、燃焼炉の燃焼制御に用いられる適
応・予測制御において、制御量と操作量間のシステム特
性のオンラインモデル同定結果から、制御量と操作量の
システム特性変化をその伝達関数の代表極又はこれと等
価なシステム特性パラメータでオンライン評価し、その
変化に対応して予測制御部のパラメータを適切に変更す
ることにより、制御性能の改善及び安定性の維持を図る
ようにした燃焼制御方法及び装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の燃焼炉における燃焼制御方法は、燃焼炉
の制御量と操作量間のシステム特性をモデル同定部でオ
ンライン同定し、モデル同定部で得られたモデルを用い
て予測制御部で制御量を予測し、かつ、予測される制御
量が参照軌道に沿って目標値に漸近するように操作量を
決定する燃焼炉の適応・予測制御方法であって、制御量
と操作量間のシステム特性を逐次同定した結果から、シ
ステム特性の変化をその伝達関数の代表極又はこれと等
価なシステム特性パラメータでオンライン評価し、これ
に基づいて予測制御部のパラメータである制御量の参照
軌道の時定数及び操作量に関する重み定数の少なくとも
いずれかを調整し、予測制御部の制御性能を向上させる
ように構成されている。

【０００９】本発明の燃焼炉における燃焼制御装置は、
燃焼炉の制御量と操作量間のシステム特性をオンライン
同定するモデル同定部と、モデル同定部で得られたモデ
ルを用いて制御量を予測し、予測される制御量が参照軌
道に沿って目標値に漸近するように操作量を決定する予
測制御部と、制御量と操作量間のシステム特性を逐次同
定した結果から、システム特性の変化をその伝達関数の
代表極又はこれと等価なシステム特性パラメータでオン
ライン評価し、これに基づいて予測制御部のパラメータ
である制御量の参照軌道の時定数及び操作量に関する重
み定数の少なくともいずれかを調整する制御部パラメー
タ調整部とを備えたことを特徴としている（図２参
照）。

【００１０】上記のように、調整する予測制御部のパラ
メータを、制御量の参照軌道の時定数及び操作量に関す
る重み定数の少なくともいずれかとする。また、上記の
本発明の方法及び装置において、燃焼炉としてごみ焼却
炉を適用し、制御量を排ガス中の酸素濃度とし、操作量
を給じん装置回転数とすることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、燃焼炉の一例として流動床
ごみ焼却炉を用いた場合について、本発明の実施の形態
を説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定さ
れるものではなく、適宜変更して実施することができる
ものである。図１は、本発明の実施の第１形態による燃
焼炉における燃焼制御方法を適用する流動床ごみ焼却炉
の概略構成を示している。図１に示すように、流動床炉
１０においては、１次空気送風機１２により１次空気を
風箱１４に供給し、空気分散板１５から空気を噴出させ
て流動媒体（一例として、砂）を流動させ、この流動層
１６に給じん装置（一例として、スクリューフィーダ）
１８によりごみ等の被焼却物を連続的に投入して被焼却
物をガス化・燃焼させ、これにより生じた未燃ガスをフ
リーボード部２０に２次空気送風機２２により２次空気
を供給して完全燃焼させるように構成されている。な
お、１次空気を散気管に供給して噴出させる型式の流動
床炉を適用することも勿論可能である。２４は１次空気
ダンパ、２６は２次空気ダンパである。また、炉出口部
２８には、排ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出
センサ（酸素濃度分析計）３０が設置されている。流動
床炉１０に投入されるごみ等の被焼却物の重量流量は、
給じん装置１８の回転数によって調整される。

【００１２】図２は、本発明の実施の第１形態による燃
焼炉における燃焼制御装置の構成及び概念を示してい
る。図２に基づいて、燃焼炉の燃焼制御に用いている適
応・予測制御システムの構成及び概念を説明する。モデ
ル同定部３２（適応モデル系）において、過去数時点に
おける制御量（ここでは、排ガスＯ₂濃度）と操作量
（ここでは、給じん装置回転数）の間のシステム特性を
オンライン同定する。モデル同定部３２は、例えば、ニ
ューラルネットワークで構成されており、操作量ｕが１
時点前まで、制御量ｙが現時点まで既知として、これら
過去の有限数時点のデータから入出力間関係モデルを逐
次オンラインで同定する。予測制御部３４（予測モデル
系）では、モデル同定部３２で得られた同定モデルを用
いて、現時点から数時点先までの制御量を予測し、これ
が制御量の参照軌道に沿って、目標値に漸近するよう最
適操作量を決定する。予測制御部３４は、例えば、ニュ
ーラルネットワークで構成されており、上記の手法を用
いて、現時点における最適操作量ｕp（ｔ）を求める。
なお、保持手段３６では、収束結果の誤差が許容範囲内
に収まらない場合に前回の収束結果を保持するようにな
っている。また、操作量の急変を防ぐため、予測制御部
３４の出力には変化率制限手段３８を付加している。

【００１３】図３には、この適応・予測制御の概念説明
を示す。図３において、過去数時点における出力ｙ
（ｔ）（制御量）と入力ｕ（ｔ）（操作量）のデータか
ら入出力間関係モデルをオンライン同定する。そして、
同定モデルを用いて数時点先までの出力ｙ（ｔ）を予測
し、これが制御量ｙ（ｔ）の参照軌道に沿って、目標値
ｒに漸近するよう入力ｕ（ｔ）の操作を決定する。ま
た、図４には、予測制御部で設定される制御量の参照軌
道として、現在値から目標値までを連続時間系での一次
遅れに相当する軌道に沿った離散時間データとして設定
した例を示す。この例の場合、制御量の参照軌道は、図
４に示すように、時定数αを用いて、ｙd（ｔ）＝｛ｒ（ｔ）−ｙ（ｔ）｝（１−ｅｘｐ［−
ｔ／α］）＋ｙ（ｔ）で表される。

【００１４】以下、実システムのデータ処理との対応か
ら時間的に離散化された系で説明する。いま、対象とす
るシステムが下記の数１で示される式（１）のパラメト
リックモデル（線形離散時間モデル）で表されるとす
る。

【００１５】

【数１】

【００１６】ここで、ｙ（ｔ）：出力ベクトル、ｕ
（ｔ）：入力ベクトル、ａ_k、ｂ_l：係数行列、ｔ：離散
時刻、Ｔ：データサンプリング周期である。いま、Ｗを
ａ_k、ｂ_lによって下記の数２で示される式（２）で構成
される行列とすると、Ｗの各要素には入出力間特性が含
まれる。例えば、流動床炉において、式（１）の出力ｙ
を炉出口Ｏ₂濃度、入力ｕを給じん装置回転数とした一
入力一出力システムに適用すると、Ｗの各要素には、ご
み等の被焼却物の発熱量、給じん装置内の充填率等の未
知変動要素が含まれ、全て未知であり時間的に変動し同
定すべきパラメータとなる。まず、このＷを適用モデル
系（モデル同定部）で同定演算周期毎に逐次同定する。

【００１７】

【数２】Ｗ＝［Ｗ₁ Ｗ₂ ………Ｗ_j］^T＝［-ａ₁ -ａ₂……-ａ_m ｂ₁……ｂ_n］^T （２）（Ｔは転置を表す）

【００１８】つぎに、式（１）と適応モデル系（モデル
同定部）で得られたＷを用いて、制御量（出力ｙ）と操
作量（入力ｕ）間の伝達関数の極を算出する。このう
ち、系の応答を支配する代表極（算出された代表極を複
素平面にプロットした場合に、虚軸に最も近い極）を用
いて、予測制御部のパラメータを逐次変更することが本
発明の特徴である。この機能は、図２の制御部パラメー
タ調整部４０によって行う。このように、代表極の変化
を検出して制御パラメータを調整するため、システムの
動特性が急速に変化し、システムが不安定な方向に推移
するのを補償することができる。なお、予測制御部で
は、下記の数３で表される式（３）に示す評価関数Ｊを
最小化するｕ（ｔ）を求めることにより、現時点におけ
る最適操作量を決定する。

【００１９】

【数３】

【００２０】ここで、ｙd（ｔ）：制御量の参照軌道
（図４に示す、現在値から目標値までを連続時間系での
一次遅れ［時定数α］に相当する軌道に沿った離散時間
データとして設定することを仮定）、Ｗu：操作量に関
する重み定数、ｒ：制御量の目標値である。式（３）で
表される評価関数で調整できるパラメータは、α：制御
量の参照軌道時定数及びＷuであり、これらによって、
予測制御部の制御性能が決定される。以下では、一例と
して調整対象とする制御パラメータに、制御量の参照軌
道時定数αを選択して適用した例を示す。具体的には、
適用した流動床炉では、システムの動特性が給じん装置
回転数の応答遅れと炉内燃焼の応答遅れに代表され、各
々一次遅れと仮定し、式（１）にてｍ＝ｎ＝２とおいた
線形離散時間モデルを同定モデルとする。これは、下記
の数４で示される式（４）のようになる。式（４）を双
一次近似にて連続時間系の伝達関数Ｇ（ｓ）に変換する
と、下記の数５で示される式（５）のとおりとなる。式
（５）において伝達関数の極ｐを求めると、下記の数６
で示される式（６）となる。

【００２１】

【数４】

【００２２】

【数５】

【００２３】

【数６】

【００２４】この極を用いて以下の説明をしても良い
が、対象を二次系としているので、系の動特性の評価に
は、これら極から算出される伝達関数のゲインＫと減衰
係数ζを用いた方が理解しやすいと考えられる。したが
って、以下では、代表極と等価なシステム特性パラメー
タの一例として、ゲインＫと減衰係数ζを用いて説明す
る。例えば、減衰係数ζは極を用いて下記の数７で示さ
れる式（７）のとおり算出される。

【００２５】

【数７】

【００２６】図５に、ゲインＫ及び減衰係数ζと、流動
床炉での安定燃焼度合いの指標となる排ガスＣＯ濃度の
時系列対応を示す。図５から、排ガスＣＯ濃度のピーク
が発生する約６０〜９０秒前にＫ及びζが小さくなるこ
とがわかる。これより、排ガスＣＯ濃度が低い時とピー
ク発生時では伝達関数Ｇ（ｓ）の特性が大きく変化し、
ピーク発生時はシステムの安定性が劣化していることを
的確に捉えているといえる。この事例ではゲインＫより
減衰係数ζのほうが感度が高いことから、ζの大小によ
り、炉出口酸素濃度の参照軌道を変更する。図６に、制
御部パラメータ調整部での処理の一例として、流動床炉
での燃焼制御にて使用した参照軌道時定数を調整する場
合を示す。

【００２７】図７のグラフは、減衰係数ζの大小によっ
て、参照軌道の時定数αを変更することにより、制御性
能を改善できることを示している。すなわち、ζが大の
場合には、α＝６０秒の場合のほうがα＝１０秒の場合
より制御性能が良い。逆にζが小の場合には、α＝１０
秒の場合のほうがα＝６０秒の場合より制御性能が良
い。したがって、この適用事例に示す流動床炉の場合に
は、参照軌道の時定数αを減衰係数ζの増加関数として
与えるものとすることができる。 α＝ｆ（ζ）［ｆ（ζ）は単調増加関数］（８）このようにして決定された参照軌道に従い、図２の予測
制御部３４で目標値ｒに対する最適操作量を算出する。
すなわち、モデル同定部３２で得られた同定モデルを用
いて、現時点から数時点先までの制御量を予測し、これ
が制御量の参照軌道に沿って、目標値ｒに漸近するよう
現時点での最適操作量ｕp（ｔ）を決定する。図８に本
実施形態を適用した運転結果の一例を示す。図中の○印
で示す時間帯、すなわち、モデル同定結果から算出した
系の応答特性パラメータζが急速に小さくなる状態にお
いて、制御量である炉出口酸素濃度の参照軌道時定数α
を小とし、給じん装置回転数を安定燃焼時間帯（ζが
大）より急激に減少させる操作を行っている。これによ
り、排ガスＣＯ濃度のピークが抑制できていることがわ
かる。

【００２８】なお、上記説明においては、同定モデルの
次数を二次として適用した例を示したが、モデル次数に
関しては二次に限定されるものではない。また、説明を
わかりやすくするために、対象二次系の動特性変化の検
出をゲイン及び減衰係数によって行うと説明したが、こ
れは、システム特性を支配する伝達関数の代表極によっ
て、制御部の制御パラメータを決めることに他ならず、
二次以外の次数を有するモデルにも容易に拡張できる。
さらに、説明で示した実施例は一入力一出力システムで
あるが、多入力多出力システムにも適用可能である。ま
た、本発明の燃焼制御は、都市ごみ、産業廃棄物等の被
焼却物の性状が不均一な燃焼炉である流動床炉やストー
カ炉、ガス化炉等の燃焼制御システムに適用することが
できる。

【００２９】

【発明の効果】本発明は上記のように構成されているの
で、つぎのような効果を奏する。（１）モデル同定結果から制御量と操作量間のシステ
ム特性変化をその伝達関数の代表極又はこれと等価なシ
ステム特性パラメータでオンライン評価し、その変化に
対応して予測制御部のパラメータである制御量の参照軌
道時定数又は操作量に関する重み定数を変更するため、
システム特性変化に迅速に対応できるとともに、制御シ
ステムとしての安定性・信頼性を維持しての制御パラメ
ータ調整が可能である。また、系の制御性能及び安定性
を考慮しつつ制御部のパラメータを自動調整でき、これ
により、制御システムに対して制御性能向上及び安定性
を提供することができる。（２）ごみ等の被焼却物の物理的・化学的性状の不確
かさを吸収して、ごみ等の被焼却物の完全燃焼を維持す
ることができ、従来に比べ排ガス中のＣＯ濃度、ダイオ
キシン類濃度を大幅に低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の第１形態による燃焼炉における
燃焼制御方法を適用する流動床ごみ焼却炉を示す概略構
成説明図である。

【図２】本発明の実施の第１形態による燃焼炉における
燃焼制御装置を示す系統的概略構成説明図である。

【図３】適応・予測制御の概念を説明するためのグラフ
である。

【図４】制御量の参照軌道設定の一例を示すグラフであ
る。

【図５】本発明の実施の第１形態の流動床炉への適用に
おける伝達関数の特性パラメータ（ゲインＫ及び減衰係
数ζ）と排ガスＣＯ濃度の関係を示すグラフである。

【図６】本発明の実施の第１形態における制御部パラメ
ータ調整部での処理の一例（流動床炉燃焼制御での適用
例）を示すフローチャートである。

【図７】本発明の実施の第１形態の流動床炉への適用に
おいて、減衰係数ζと参照軌道の時定数αとの関係（ζ
の大小によってαを調整することの有効性）を示すグラ
フである。

【図８】本発明の実施の第１形態を適用した場合のプラ
ント運転結果の一例を示すグラフである。

【符号の説明】

１０流動床炉１２１次空気送風機１４風箱１５空気分散板１６流動層１８給じん装置２０フリーボード部２２２次空気送風機２４１次空気ダンパ２６２次空気ダンパ２８炉出口部３０酸素濃度検出センサ（酸素濃度分析計）３２モデル同定部３４予測制御部３６保持手段３８変化率制限手段４０制御部パラメータ調整部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者片岡幹彦兵庫県明石市川崎町１番１号川崎重工業株式会社明石工場内 (72)発明者稲井宏之神戸市中央区東川崎町１丁目１番３号川崎重工業株式会社神戸本社内 (72)発明者香ノ木順神戸市中央区東川崎町１丁目１番３号川崎重工業株式会社神戸本社内 (72)発明者山本恭司神戸市中央区東川崎町１丁目１番３号川崎重工業株式会社神戸本社内 (56)参考文献特開平10−132267（ＪＰ，Ａ) 特開平５−274006（ＪＰ，Ａ) 宮本裕一、外７名、「オンライン同定・モデル予測制御の開発と流動床ごみ焼却炉への応用」、川崎重工技報、川崎重工業株式会社、平成10年１月20日、第 136号、Ｐ．14−19 窪田真和、外２名、「浄水場疑集プロセスのアドバンスト制御」、富士時報、富士電機株式会社、平成６年４月10日、第67巻、第４号、Ｐ．231−236 菅野智司、外２名、「制御系設計・解析パッケージＳＡＰＬシリーズ」、富士時報、富士電機株式会社、平成６年４月 10日、第67巻、第４号、Ｐ．215−220 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05B 11/00 - 13/04 F23G 5/50 F23N 5/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼炉の制御量と操作量間のシステム特
性をモデル同定部でオンライン同定し、モデル同定部で
得られたモデルを用いて予測制御部で制御量を予測し、
かつ、予測される制御量が参照軌道に沿って目標値に漸
近するように操作量を決定する燃焼炉の適応・予測制御
方法であって、制御量と操作量間のシステム特性を逐次
同定した結果から、システム特性の変化をその伝達関数
の代表極又はこれと等価なシステム特性パラメータでオ
ンライン評価し、これに基づいて予測制御部のパラメー
タである制御量の参照軌道の時定数及び操作量に関する
重み定数の少なくともいずれかを調整し、予測制御部の
制御性能を向上させることを特徴とする燃焼炉における
燃焼制御方法。
【請求項２】燃焼炉がごみ焼却炉であり、制御量が排
ガス中の酸素濃度であり、操作量が給じん装置回転数で
ある請求項１記載の燃焼炉における燃焼制御方法。
【請求項３】燃焼炉の制御量と操作量間のシステム特
性をオンライン同定するモデル同定部と、モデル同定部で得られたモデルを用いて制御量を予測
し、予測される制御量が参照軌道に沿って目標値に漸近
するように操作量を決定する予測制御部と、制御量と操作量間のシステム特性を逐次同定した結果か
ら、システム特性の変化をその伝達関数の代表極又はこ
れと等価なシステム特性パラメータでオンライン評価
し、これに基づいて予測制御部のパラメータである制御
量の参照軌道の時定数及び操作量に関する重み定数の少
なくともいずれかを調整する制御部パラメータ調整部と
を備えたことを特徴とする燃焼炉における燃焼制御装
置。
【請求項４】燃焼炉がごみ焼却炉であり、制御量が排
ガス中の酸素濃度であり、操作量が給じん装置回転数で
ある請求項３記載の燃焼炉における燃焼制御装置。