JPH06289907A - 調整支援システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 上述した人間機械系の人的作業を代行し作業
者の負担を軽減するために、連続型プロセスの制御装置
の調整作業を支援するシステムを提供すること。 【構成】 連続型プロセスと当該プロセスを制御する制
御装置を備えたシステムにおいて、負荷変化における当
該プロセスの挙動を模擬する数式モデルとそのモデルを
同定する手段を備え、当該プロセスの応答試験結果並び
に制御系のモデルとプロセスのモデルによる閉ループの
負荷変化シミュレーションの結果から制御装置の調整パ
ラメータを導出する手段を備えてなるもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、連続型プロセスと当該
プロセスを制御する制御装置を備えたシステムにおい
て、連続型プロセスを制御する制御装置の調整システム
に係わり、特に当該プロセスの応答試験結果から制御装
置の調整解を導出する機能を持った計算機を使用した調
整支援システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】単一ループ制御のような場合、制御装置
の制御係数は例えば限界感度法のような調整手法によっ
て比例、積分、微分パラメータを決定する手法が開発さ
れている。他方、数十のループが組み合わさって相互干
渉的なプロセスを形成しており、且つ非線形な応答特性
を持つプロセスの制御においてはプラント全体の制御性
を調整するために図４に示すような種々の補償器や先行
信号発生器が設けられ改善が計られてきた。このような
特徴を持った大規模なプラント制御装置の調整では、従
来作業者は実機を使い試行錯誤による調整作業を行なっ
てきた。

【０００３】例えば、図３に示すような事業用火力発電
所のボイラ制御においては40〜60ループの制御系で構成
されており、特に複数の制御ループが存在する蒸気温度
プロセスの制御においては個々のプロセスの持つ負荷変
化に対する非線形な応答特性と、ボイラ構造上発生する
干渉的な制御操作の影響を補償するため様々な補償手法
や先行信号を用いている。負荷変化に対する非線形な応
答特性とは即ち、負荷変化によって蒸気量が増減する
際、蒸気過熱器では長尺の鋼管中を通過することによっ
て過熱蒸気に熱伝達を行なうが、蒸気温度が蒸気圧力と
エンタルピの関係から非線形に変化すること及び鋼材の
長い熱伝達時定数と蒸気の熱エネルギ特性が組み合わさ
れて熱慣性を持った応答を示すことである。他方、干渉
的な制御操作とは、前段の２次蒸気過熱器出口蒸気温度
制御は冷却水の注入によって行なうに対して、後段の再
加熱器出口蒸気温度の制御は前段過熱器が設置されてい
る同じ燃焼炉内の高温ガスを循環させ輻射熱量の加減に
より行なわれるために相互の制御状態に影響を及ぼすこ
とである。このような特性を持ったプロセスの総合的な
調整を実施するために、制御系の設計者及び調整作業者
により負荷変化に対応した制御信号補償用ゲインやフィ
ードフォワード信号が考案され追加されてきた。これら
のプラント特性に依存した調整パラメータの最適な調整
は、先に述べたように作業者が実機を使い試行錯誤によ
って実施しているのが実情である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来例の場合、定期点
検等でボイラの燃焼特性や熱交換器の伝熱特性が変化し
た度に調整作業者は実機プロセスでの試行錯誤によって
種々の補償器や先行信号発生器の設定値を決定している
が、このような調整作業においては長時間に渡る現場作
業に加えプラント全体に渡った深い知識と経験が必要で
あり調整作業者に掛かる肉体的・精神的負担は深大なも
のである。また、過酷な作業条件による将来的な熟練調
整作業者の不足が懸念される。

【０００５】本発明は、上述した人間機械系の人的作業
を代行し作業者の負担を軽減するために、連続型プロセ
スの制御装置の調整作業を支援するシステムを提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の調整支援システ
ムは、連続型プロセスと当該プロセスを制御する制御装
置を備えたシステムにおいて、当該プロセスの挙動を模
擬する数式モデルとそのモデルを同定する手段を備え、
プロセス応答試験結果並びに制御系のモデルとプロセス
のモデルによる閉ループの負荷変化シミュレーションの
結果から制御装置の調整パラメータを導出する手段を持
つ制御装置の調整を支援するシステムである。

【０００７】

【作用】当該プロセスの挙動を模擬する数式モデルを同
定する手段は、実機プロセスに対するランダム信号応答
試験の結果から負荷帯別の自己回帰モデル（ＡＲモデ
ル）を作成し、これを後の連続系シミュレーションのた
めに伝達関数へ変換する。

【０００８】プロセス応答試験結果から制御装置の調整
パラメータを導出する手段は、実機プロセスに対するス
テップ信号応答試験結果と負荷変化応答試験結果を用い
て、熟練調整作業者から得られた調整知識に基づいて一
部の調整パラメータを導出する。

【０００９】連続系シミュレーションを実施する手段
は、上記によって求められたプロセスの伝達関数型モデ
ルを読み込み、一方制御系としては予め実機制御装置か
ら抽出しプログラム化した制御系のモデルに上記で求め
られた一部の調整パラメータを読み込む。これらを元に
して実機では時間的にも制約がある負荷変化試験のシミ
ュレーションを数多く行ない、得られた応答データから
調整パラメータの最適な調整値を導出する。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１により説明す
る。本実施例は、事業用火力発電所のドラム型ボイラ自
動制御システムに対して本発明を適用したものである。
対象となるシステムはボイラプロセス３とボイラ自動制
御装置２及びプラント運転操作装置１で構成されてい
る。本発明による調整支援システムは、試験信号発生手
段４、データ収集手段５、データ注出・変形手段６、遠
隔地のホスト計算機へのデータ転送手段７、９、調整シ
ミュレーション手段８、ガイダンス作成手段１０によっ
て構成されている。

【００１１】試験信号発生手段４は、入力手段１２によ
ってボイラ自動制御装置２にステップ状及びランダム状
（白色性雑音）の試験信号を印加する機能を備えてい
る。一方、プラント運転装置１は入力手段１１によって
ボイラ自動制御装置２に対して負荷変化指令を与えボイ
ラプロセス３の負荷を変化させる機能を備えている。デ
ータ収集手段５は、以上のような機能を用いて行なった
各種応答試験の入出力データを、制御系調整現場のパソ
コンの記憶装置上へ時系列に従って記録する機能を備え
ている。データ抽出・変形手段６では、収集された各種
応答試験データから有効な部分を抽出し、その後の解析
に適用するために変形加工する機能を備えている。デー
タ転送手段７は、解析用に変形された実機応答試験デー
タを通信回線によってホスト計算機へ転送する機能を備
えている。調整シュミレーション手段８は、変形された
実機応答試験データを使用しプロセスモデル同定機能１
３により蒸気温度のプロセスモデル１７を作成し、また
熟練調整者の調整知識を用いた調整値算出機能１４によ
り一部の調整係数を求めボイラ自動制御系を模擬する制
御系モデル１６に入力し、調整係数変更機能１５によっ
て負荷変化に関係した調整パラメータを暫時変更しなが
ら閉ループによる負荷変化制御シミュレーションを行な
う機能を備えている。また、データ収集機能１８によっ
て負荷変化制御シミュレーション中の応答データを記録
し、後に最適調整値導出機能１９によって調整係数値２
０のデータファイルを作成する機能を備えている。ガイ
ダンス作成手段１０は、転送手段９によってホスト計算
機から制御系調整現場のパソコンへ転送された調整係数
値のデータを元に調整ガイダンスを調整作業者に提供す
る機能を備えている。

【００１２】尚、上記のプロセスモデル同定機能１３に
ついて具体的に示すと次のようになる。即ち、このプロ
セスモデル同定機能１３は Kluwer Academic Publisher
発行H. Akaike, T. Nakagawa著 Statistical Analysis
and Dynamic Systems に紹介されている自己回帰モデル
作成法を基に構成されており、多入力単出力形式の離散
値系モデルの係数を求めることが出来る。更にこのプロ
セスモデル同定機能１３は、この係数を電気学会誌（昭
54-11) 美多・梅津著「多入出力時間離散時間系から連
続時間系への逆変換問題」に紹介された方法により連続
時間モデルの係数へ変換する機能を持っている。また、
このプロセスモデル同定機能１３は作成した自己回帰モ
デルの適合度を評価するために実機試験で収集した操作
出力データをモデルに与え出力されるモデルの出力デー
タと試験時の実機プロセスデータとを比較する機能を持
っている。

【００１３】上記の調整値算出機能１４について具体的
に示すと次のようになる。この調整値算出機能１４は、
実機プロセスに対する３つの負荷のステップ応答試験デ
ータから各プロセス値の応答ゲイン量を検出し、これを
基に熟練調整作業者の経験則を用いた導出式によって図
４中に示す負荷補償器や圧力変化補償器等の調整値を算
出する。また、この調整値算出機能１４は負荷変化応答
試験データから負荷変化中における各プロセス値及びそ
の微分値の応答ピークの発生時間を検出し、これを基に
同様に図４中の先行信号発生器内の信号投入、抜き出し
変化率の調整値を算出する。

【００１４】上記の最適調整値導出機能１９について具
体的に示すと次のようになる。この最適調整値導出機能
１９はホスト計算機上で負荷変化シミュレーションを行
なう際、調整パラメータを１負荷変化に１点変化させ指
標となるプロセス値の応答データ（最大値、最小値）を
記録しておき、一連の回数分負荷変化シミュレーション
を行なった時点で集まった応答データと各試験での調整
パラメータ設定値との関係から、指標となるプロセス値
の変化量を最も小さくする調整パラメータ値を導出す
る。尚、本手法を用いる対象となる調整パラメータとし
ては、図４中の先行信号発生器内で信号投入量を決定す
る調整値及びカスケード型構成によるＰＩＤ調節計内の
比例調整係数等がある。

【００１５】図２は、火力発電用ドラム型ボイラの蒸気
温度プロセス制御系における制御信号及びプロセス値相
互の流れを現したもので、主蒸気温度プロセス制御系
（ＳＴＣ）と再熱蒸気温度プロセス制御系（ＲＴＣ）の
間の相互干渉状況を示している。発電量指令の変化によ
って負荷変化が発生すると、主蒸気温度変化ｄＳＴ１、
ｄＳＴ２は給水流量変化ｄＷＦや燃料流量変化ｄＦＦ、
再循環ガス流量変化ｄＧＦ２また蒸気圧力変化ｄＴＰか
らの熱エネルギー変化により外乱として影響を受ける。
一方、この外乱を打ち消すための熱エネルギー変化は減
温器出口蒸気温度変化ｄＤＳＴ２から与えられる。減温
器出口蒸気温度変化ｄＤＳＴ２に対する主制御量である
低温水噴霧量変化ｄＳＰＦは、減温器出口蒸気温度変化
ｄＤＳＴ１、主蒸気温度制御器の出力ｃＳＴ１、更には
後段の制御系である再熱蒸気温度制御器の出力ｃＳＴ３
によって算出される減温器出口蒸気温度制御器の出力ｃ
ＳＴ２の変化から制御される。尚、減温器出口蒸気温度
変化ｄＤＳＴ１、ｄＤＳＴ２も給水流量変化ｄＷＦや燃
料流量変化ｄＦＦから外乱として影響を受ける。もう一
方の再熱蒸気温度プロセス制御系（ＲＴＣ）において再
熱蒸気温度変化ｄＲＴは燃焼量変化ｄＦＦ及び主蒸気温
度変化ｄＳＴ２からの熱エネルギー変化により外乱とし
て影響を受ける。この外乱を打ち消すための熱エネルギ
ー変化は再循環ガス流量変化ｄＧＦ１から与えられる。
再熱蒸気温度変化ｄＲＴに対する主制御量である再循環
ガス流量変化ｄＧＦ１は再熱蒸気温度制御器の出力ｃＲ
Ｔの変化から制御される。

【００１６】以上のような相互干渉的な系を構成してい
る蒸気温度制御系では、１つの温度制御を厳密に追及す
ると他方の制御状態を悪化させる結果となるため、ある
妥協できるレベルに納める必要がある。従来のシステム
においては、調整作業者が長年の調整経験から得たプラ
ント全体にわたる調整知識によってこのような相互干渉
的な系を相互に許容できる範囲に調整を施していた。

【００１７】本実施例によれば、現状のプロセスモデル
を同定する機能を備えることによって負荷変化に対する
非線形な応答特性をシミュレーションに反映することが
でき、計算機上で扱うことが可能となる。また、実制御
装置のプログラムから主要な制御機能を模擬して作成し
た制御系モデルを備えることによって、ボイラ構造上発
生する干渉的な制御操作をシミュレーションに反映する
ことができる。調整係数の表現形式において制御系モデ
ルの構成要素は実制御装置のプログラムの構成要素と同
一形式となっており、調整パラメータを実機同様に任意
に設定変更することが可能である。更に、熟練調整者の
調整知識を算出手法に用いた調整値算出機能を備えるこ
とによって、従来定性的であった調整判断を明らかにす
ることができ、調整状態の個人差を防ぐことができる。

【００１８】負荷変化制御シミュレーションでは、実際
の調整作業で行なわれるように調整パラメータを暫時変
更しながら閉ループによる負荷変化制御シミュレーショ
ンを計算機上で行ない、総合的にボイラ蒸気温度プロセ
スの負荷変化応答特性を観測することができるので、熟
練調整者の持つ相互干渉的で非線形な系に関する補償調
整パラメータの調整知識や手法をシミュレーションシス
テム上に適用でき、更には実際の調整作業に則した手法
を検討することも可能である。調整ガイダンスの表示は
実制御装置のプログラムで使われている調整係数の表現
形式と同様の形式であり馴染み易くなっている。調整に
使う値の最終的な判断は調整作業者が行なうことによっ
てシステムの安全性は保たれる。

【００１９】また基礎データを収集するために、実際の
プロセス制御系に対して試験信号投入を伴うプロセス応
答試験を行なうが、従来このような調整のための応答試
験は調整作業者の試行錯誤的手法に頼っていたのに対
し、本発明によるシステムでは、予め決めた試験設定に
基づいて有効な応答データを収集することを主眼にした
定型作業として処理できるようになり調整作業の効率を
改善できる。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、プロセス応答試験結果
を元にプロセスモデルを作成し、調整シミュレーション
から制御装置の調整係数についてのガイダンスを得るこ
とが可能となるので、従来作業者が行なっている実機を
使った試行錯誤による調整作業を支援し軽減する効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例の構成図である。

【図２】図２は実施例のプロセス制御系の制御信号及び
プロセス値相互の関係図である。

【図３】図３は実施例のプロセスの機器構成図である。

【図４】図４は実施例のプロセス制御装置プログラムの
回路図の一部である。

【符号の説明】

２ ボイラ自動制御装置 ３ ボイラプロセス ４ 試験信号発生手段 ５ データ収集手段 ７、９ データ転送手段 ８ 調整シミュレーション手段 １０ ガイダンス作成手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松村 司郎 愛知県名古屋市緑区大高町字北関山20番地 の１ 中部電力株式会社技術開発本部電力 技術研究所内 (72)発明者 白坂 保順 東京都品川区二葉２丁目９番15号 極東貿 易株式会社計装制御部内 (72)発明者 鈴木 光泰 静岡県田方郡韮山町原木511番地 日本ベ ーレー株式会社応用システム部内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 連続型プロセスと当該プロセスを制御す
   る制御装置を備えたシステムにおいて、負荷変化におけ
   る当該プロセスの挙動を模擬する数式モデルとそのモデ
   ルを同定する手段を備え、当該プロセスの応答試験結果
   並びに制御系のモデルとプロセスのモデルによる閉ルー
   プの負荷変化シミュレーションの結果から制御装置の調
   整パラメータを導出する手段を備えてなることを特徴と
   する調整支援システム。