JP3853556B2 - プラント制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラントの物質バランスや熱バランスを乱す原因となる外乱による制御量の変動を抑制するためのプラント制御方法および制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラントの物質バランスもしくは熱エネルギーバランスを乱す外乱として、例えば温度制御系であれば熱媒を加熱する加熱炉の熱媒温度制御系における熱媒ユーザの需要変動などがあり、またタンクの液面制御系では、需給バランスの不整合をもたらすタンクからの流体払い出し先の需要変動などがある。また圧力制御系においても、液面制御系と同様に物質のユーザ需要変動がプラント内の流体の需給バランスの乱れを引き起こし、制御量へ影響を与える。これらの例のように、物質バランスもしくは熱エネルギーバランスを乱す様々な要因が、プラントを運転していく上で制御量へ影響を与える外乱となっている。
【０００３】
プラントのプロセス量を制御する方法としては、ＰＩＤ制御が依然として主流である。定常運転状態では設定値変更対応も含め、簡便なＰＩＤ制御で十分な機能を得られることが多い。また多入出力のモデル予測制御も用いられることもあり、制約を加味した多変数系の運転も可能となってきた。その他、最適レギュレータ理論に基づく方法なども知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、整定時間を極力短くしたい場合や制御量変動を極力抑えたい場合など、外乱を相殺する適切な操作量操作と即応性が要求される場合、ＰＩＤ制御では十分な制御性が得られない場合がある。例としてコンプレッサのアンチサージ制御を取り上げて説明する。
コンプレッサを含むプロセスでは、コンプレッサにより昇圧された流体のユーザ側消費量が、ユーザ側緊急停止などの理由で急激に減少した場合などにコンプレッサ吐出側プラント内圧力が急激に上昇する。払い出し流量減少かつ圧力上昇によりコンプレッサの運転領域限界を越えるとサージングを引き起こすため大変危険であり、これを回避するために、一般にプラント内圧上昇検知による圧力制御もしくはコンプレッサ流量減少検知による流量制御にて、吐出側に設けられた放風弁開放もしくは吸入側循環ラインへの流体還流により、プラント内圧力上昇防止対策が図られる。しかし、ＰＩＤ制御のみにより当該制御系を構成すると、圧力もしくは流量の目標値と実測値の偏差やその積分値、微分値だけで操作出力を決定するため、特に積分特性を持つプロセスでは外乱に対するプロセスの応答が遅いため、制御系の応答が遅くなる。パラメータ調整によりＰＩＤ制御の感度を向上する手段もあるが、過度の感度上昇は制御系の安定性を損なう恐れがあり、限界がある。
【０００５】
またモデル予測制御や最適レギュレータ理論に基づく方法では、高機能の計算機が必要となり、ハード、ソフトの両面でのコストアップにつながるだけでなく、何らかの手段で外乱量を正確に測定できない場合は、ＰＩＤ制御と同じく急激な外乱進入に対し即応は困難である。また外乱量を測定できたとしても、現状では計算処理速度の限界から制御周期を１秒程度以内とすることは困難であり、制御周期の面からもプラント系内からの流体払い出し緊急停止などの急激な外乱進入に対する即応性には問題がある。
【０００６】
この問題に対処するため、ユーザ側緊急停止信号や、プラントへの流入、流出流量変動などの外乱発生要因を検知して、いち早く当該制御量関連操作部を予め定められた量だけ操作する方法などが取られることがあるものの、緊急停止発生などの外乱発生要因箇所が複数にのぼる場合は制御装置への信号取り込みコストがかさむことや、インターロック停止などと異なり緊急停止信号など外乱発生要因信号を発しない手動操作による停止や、緊急レートダウン、手動操作を伴う漸減など様々な様相の外乱に対して全てには的確に対処することが出来ないという問題があった。
以上のことから、様々な外乱に対応した的確な対処ができ、しかもハードウェア改造を極力発生させない技術もしくは装置が望まれていた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題に鑑みて鋭意検討を重ねた。その結果、従来のＰＩＤ制御系に加え、制御器の出力すなわちプラント制御量関連操作部への入力の情報、及びプラントの出力すなわちプラント制御量の情報を用いて、プラント内へ加えられた外乱量を推定し、さらに制御量へ影響を与える外乱の推定値の全量もしくはその一部の量を相殺する操作量変更分を、従来の制御出力演算値に付加するかたちで最終的な制御出力演算値を加減調節することにより、定常制御特性を維持しつつ、かつ急激な外乱がプラントに加わった場合でも迅速に操作部を操作し、プラントの制御量を適切に維持できることを見出し本発明に至った。
【０００８】
即ち、本発明のプラント制御方法は、ガスを受け入れてこれをユーザ及び除害系に払い出すプラントにおいて、プラント内部のプロセス圧力と、該プロセス圧力の目標値とを比較して、操作端に与えるべき操作量として、除害系に払い出す払い出し流量を決定すると共に、プラントに外部から加えられまたはプラント内部に発生する外乱により前記プロセス圧力に生じる変動を抑制するプラント制御方法であって、
前記払い出し流量と前記プロセス圧力との関係を代数式で表現したプラントモデルを用い、前記払い出し流量に基づいて該プラントモデルで演算されたプロセス圧力と、前記プラント内部で測定されたプロセス圧力との差に基づいて、プラントに加えられまたは発生した外乱量を推定し、
前記推定された外乱量の少なくとも一部を補償する相当払い出し流量を演算し、
前記決定された払い出し流量に、前記演算された相当払い出し流量とを加算して、前記操作端に与える操作量とすることにより、上記加えられまたは発生した外乱量を相殺するように補償することで、前記プロセス圧力の変動を抑制することを特徴とする。
また、本発明のプラント制御装置は、流体を受け入れてこれをユーザ及び除害系に払い出すプラントにおいて、プラントに外部から加えられまたはプラント内部に発生する外乱により、プラント内部のプロセス圧力に生じる変動を抑制するプラント制御装置であって、
前記プロセス圧力と該プロセス圧力の目標値とを比較して操作端に与えるべき操作量として、前記除害系に払い出す払い出し流量を決定する制御部と、
前記払い出し流量とプロセス圧力との関係を代数式で表現したプラントモデルを用い、前記払い出し流量に基づいて該プラントモデルで演算されたプロセス圧力と、前記プラント内部で測定されたプロセス圧力との差に基づいて、プラントに加えられまたは発生した外乱量を推定する外乱量推定手段と、
前記外乱量推定手段で推定された外乱量の少なくとも一部を補償する相当払い出し流量を演算する相当払い出し流量演算手段と、
前記制御部で決定された払い出し流量に、前記演算された相当払い出し流量とを加算して、前記操作端に与える操作量とする補償手段とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
図１は本発明の原理説明図であり１はガスなどの流体を受け入れて払い出しを行う実プラント、２は従来から用いられているＰＩＤ制御器、３は外乱の影響を抑制するため本発明により設けられた外乱推定・補償部、４はＰＩＤ制御ループ、５は外乱抑制制御ループを示す。なお、図では外乱が実プラント１の外部から加えられる場合を示しているが、実プラント１の内部で外乱が発生する場合の構成も同様である。
実プラント１は、ＰＩＤ制御器２を含むＰＩＤ制御ループ４の制御系と、外乱推定・補償部３を含む外乱抑制制御ループ５の制御系とにより制御される。実プラント１の内部の気相部の圧力が検出され、制御量として用いられる。
【００１０】
ＰＩＤ制御ループ４では、設定されている目標量と制御量とを比較して制御誤差が求められ、この制御誤差に基づきＰＩＤ制御器２で、適切な操作量が演算される。従来は、演算結果の操作量はそのまま実プラント１の制御に用いられたが、本発明では、外乱抑制制御ループ５により外乱量を相殺するように操作量を増減補正したものが実プラント１に与えられる。
外乱推定・補償部３は、内部に実プラント１のモデルを持っていて、実プラント１に与えるのと同じ操作量をこのプラントモデルに入力することにより、理論的に外乱の影響を受けない擬似的な制御量を生成することができる。外乱推定・補償部３は、内部で生成した擬似的な制御量と実プラント１から実際に検出された外乱の影響のある制御量との差をとって、外乱による影響分を取り出し、その外乱影響分に見合う外乱量を推定する。そして推定結果の外乱量もしくは外乱量の一部を相殺する操作量を、外乱抑制制御ループ５により操作量から増減して、実プラント１に加わる外乱量の全量あるいは任意の一部の量を相殺し、外乱による制御量の変動を抑制する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
本発明が実施されるプロセス制御装置は、少なくとも下記の（ア）〜（エ）の要素を備えていることが望ましい。
（ア）プラント内部の流体圧力、流量、物質比率、温度の制御量を検出する装置。
（イ）プラントの制御量を調節するための操作端。
（ウ）目標量と制御量の差に基づいてプラントの操作端を操作する適切な操作量を演算するＰＩＤ制御器などの制御器。
（エ）プラントの制御量と操作量のデータを用いてプラントに加えられた外乱量の推定値を算出する演算処理機器。
【００１２】
図２は、本発明によるプラント制御系の実施例構成図である。なお、図２中の参照番号１〜９は図１に示されている同一参照番号の各要素に対応している。１は実プラント、２はＰＩＤ制御器、３は外乱推定・補償部、４′は実プラント１を目標量にしたがって運転制御するためのＰＩＤ制御部、６は実プラント１のモデル、７はプラントモデル６の出力調整用オブザーバゲイン、８は実プラント１とプラントモデル６のそれぞれで検出された制御量の差から外乱量を推定する外乱推定器、９は推定された外乱量による操作量の補正が滑らかに行われるようにするための低周波数域通過（遅れ）特性を持つフィルタである。
【００１３】
全体の動作はＰＩＤ制御部４′と外乱推定・補償部３により、次のように行われる。
ＰＩＤ制御部４′では、設定された目標値と実プラント１で検出された制御量が比較され、その差である制御偏差が算出される。ＰＩＤ制御器２は、算出された制御偏差に基づき、制御量を補正するための適切な操作量を算出し、外乱推定・補償部３を経て実プラント１の操作端、たとえば調節弁に出力する。実プラント１はあらたな操作量に応答する動作を行い、制御量を変化させる。このようなフィードバック制御が、ＰＩＤ制御部４′で連続的に行われる。
【００１４】
外乱推定・補償部３では、制御量の変動に基づいて外乱量を推定し、外乱を打ち消す方向に操作量を増減するフィードバック制御が行われる。実プラント１とプラントモデル６には同じ操作量が入力され、それぞれ同じように応答する。しかし、プラントモデル６には外乱が入力されないので、実プラント１とプラントモデル６の各々から取り出した制御量の差を取ることにより、実プラント１で外乱により生じた制御量変動分のみを推定することができる。外乱推定器８は、この外乱による制御量変動分推定値とプラントモデル６の逆関数とから、入力された外乱量の推定値を算出する。プラントモデルはモデル誤差を含んでおり、また実プラントの制御量の検出値には検出ノイズが含まれているので、推定した外乱量にも実際の外乱量との誤差が含まれる。この誤差を含んだ推定外乱のフィードバック制御による安定性を確保するため、推定外乱量をフィルタ９を通して大きさを弱めたり、高周波成分を減衰するなどして操作量へフィードバックする。
プラントモデル６の応答特性は実プラントの応答特性と一致していることが望ましいが、単純化による誤差やモデルパラメータ誤差などにより実際上完全に一致させることは困難である。この誤差に起因する制御偏差は制御特性を劣化させる要因にはなるが、外乱推定・補償部３の外側に設けられているＰＩＤ制御部４′によって改善できる。
【００１５】
図３は図２のプラント制御系の実施例構成図における演算処理の流れを具体的に示したものである。図３中の演算式はラプラス変換されたかたちで表現されている。以下順を追って当該演算処理の流れを説明する。
まず制御量目標値ＳＶと実プラントの制御量ｙが比較されその差分である制御量偏差ｅを求める。求められた制御偏差に基づきＰＩＤ制御計算式に則って、ＰＩＤ制御出力値ｕ′が算出される。図３中のＫｃ，Ｔｉ，ＴｄはそれぞれＰＩＤ制御器における比例ゲイン、積分時間、微分時間である。算出されたＰＩＤ制御出力値ｕ′に、前回制御演算時において算出されていた制御出力外乱補償量ｕ１を加減算して、最終的な実プラントへの制御出力値ｕを算出し、実プラントへ出力するとともに当該制御出力値をプラントモデルへの入力値としてプラントモデルの制御量ｙ′を計算する。たとえば実プラント及びプラントモデルが積分ゲインＫｐの積分系の場合、前回制御演算時の実プラント制御量ｙとプラントモデル制御量ｙ′の差分がｅ１で、オブザーバゲインがνであったとすると、プラントモデル制御量ｙ′はｙ′＝Ｋｐ（ｕ＋γ・ｅｌ）／ｓとなる。次に検出された実プラント制御量ｙと先に算出されたプラントモデル制御量ｙ′の差分ｅ１をあらたに算出する。次に算出されたｅ１とプラントモデルの逆関数を用いて外乱の推定値Ｄ′を算出する。たとえば、プラントが前述のような積分系であったとすると、Ｄ′はＤ′＝ｅｌ・ｓ／Ｋｐとなる。なおｅｌは次回プラントモデル制御量演算にも用いられる。最後に、次回制御演算時に制御量出力の補正値として使用する制御出力外乱補正量ｕ１を計算する。この制御出力外乱補正量ｕ１は外乱推定値Ｄ′をフィルタ処理演算して算出される。たとえばゲインＫｆ、時定数Ｔｆの１次遅れ型低周波数域通過フィルタを用いる場合は、ｕ１を求める式はｕ１＝Ｋｆ・Ｄ′／（Ｔｆ・ｓ＋１）となる。
【００１６】
図４は本発明を適用した一実施例のプロセス系を示す図である。図示のプロセス例は、供給されたプロセスガスをコンプレッサにより加圧し、バッファタンクや調節弁を経由してユーザＡ、ユーザＢと除害系とに払い出しを行うものである。
図中のＰＣ２，ＰＣ３は、それぞれのユーザ送りガス圧力を目標値に調節するためのＰＩ制御を用いた圧力制御装置であり、ＰＣ１は、コンプレッサからユーザ送り調節弁にいたるライン（以下、プロセスラインと略称する）の圧力を調節するためのＰＩ制御機能及び、図２に示したような外乱推定・補償機能を備えた装置である。
ユーザ払い出し流量の急変やコンプレッサの緊急停止時などには、プロセスライン入出ガス流量バランスへの外乱が生じる。設備機能上、これら外乱の影響によるプロセスラインの圧力変動を極力抑制する必要があるため、ＰＣ１により、通常のＰＩ制御に加え外乱量を推定して除害系への払出し流量を調節し、外乱の影響を補償することでプロセスラインの圧力制御をしている。
【００１７】
図５は、シミュレーションによるプロセス制御装置の制御特性図である。このシミュレーションでは、ＰＩ制御＋外乱補償のプロセス制御装置（ＰＣ１）が推定した外乱量の８割を相殺するように外乱補償を設定した。ユーザ払い出し流量急減時におけるＰＩ制御のみのプロセス制御装置（ＰＣ２，ＰＣ３）におけるガス圧変動に比べて、ＰＩ制御＋外乱補償のプロセス制御装置（ＰＣ１）におけるガス圧変動が著しく抑制されることがわかる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明により、流体の受け入れ、払い出し装置を含むプラントにおいて、物質バランス、熱エネルギーバランスを乱す外乱量がプラントに加わった場合でも、プラントへの外乱の影響を相殺するように制御出力を調節することで、制御量変動を効果的に抑制できる。特に物質バランスもしくは熱エネルギーバランスの急激な変動が生じた場合、ＰＩＤなどの従来型制御と比較して、極めて速やかに外乱の影響を相殺して、制御量変動を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理説明図である。
【図２】本発明によるプラント制御系の実施例構成図である。
【図３】本発明実施例における演算処理の流れ図である。
【図４】本発明の適用例を示す実施例プロセス図である。
【図５】本発明の適用例における制御特性図である。
【符号の説明】
１ 実プラント
２ ＰＩＤ制御器
３ 外乱推定・補償部
４ ＰＩＤ制御ループ
５ 外乱抑制制御ループ

Claims (2)

1. ガスを受け入れてこれをユーザ及び除害系に払い出すプラントにおいて、プラント内部のプロセス圧力と、該プロセス圧力の目標値とを比較して、操作端に与えるべき操作量として、除害系に払い出す払い出し流量を決定すると共に、プラントに外部から加えられまたはプラント内部に発生する外乱により前記プロセス圧力に生じる変動を抑制するプラント制御方法であって、
   前記払い出し流量と前記プロセス圧力との関係を代数式で表現したプラントモデルを用い、前記払い出し流量に基づいて該プラントモデルで演算されたプロセス圧力と、前記プラント内部で測定されたプロセス圧力との差に基づいて、プラントに加えられまたは発生した外乱量を推定し、
   前記推定された外乱量の少なくとも一部を補償する相当払い出し流量を演算し、
   前記決定された払い出し流量に、前記演算された相当払い出し流量とを加算して、前記操作端に与える操作量とすることにより、上記加えられまたは発生した外乱量を相殺するように補償することで、前記プロセス圧力の変動を抑制することを特徴とするプラント制御方法。
2. 流体を受け入れてこれをユーザ及び除害系に払い出すプラントにおいて、プラントに外部から加えられまたはプラント内部に発生する外乱により、プラント内部のプロセス圧力に生じる変動を抑制するプラント制御装置であって、
   前記プロセス圧力と該プロセス圧力の目標値とを比較して操作端に与えるべき操作量として、前記除害系に払い出す払い出し流量を決定する制御部と、
   前記払い出し流量とプロセス圧力との関係を代数式で表現したプラントモデルを用い、前記払い出し流量に基づいて該プラントモデルで演算されたプロセス圧力と、前記プラント内部で測定されたプロセス圧力との差に基づいて、プラントに加えられまたは発生した外乱量を推定する外乱量推定手段と、
   前記外乱量推定手段で推定された外乱量の少なくとも一部を補償する相当払い出し流量を演算する相当払い出し流量演算手段と、
   前記制御部で決定された払い出し流量に、前記演算された相当払い出し流量とを加算して、前記操作端に与える操作量とする補償手段とを備えていることを特徴とするプラント制御装置。

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