JPH0635893A - プラントシミュレータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 自己の持つシュミレーションモデルの挙動の
実プラントの挙動の実測値に対する誤差が許容範囲に納
まるようにシュミレーションモデルを自己修正する機能
をもつプラントシュミレータ装置を提供する。 【構成】 プラントを模擬した数値シュミレーシンモデ
ル３と、このモデルにより計算したプラントの状態量を
格納してシュミレーション時にモデルに供給する状態量
テーブル４と、シュミレーション制御部２と、モデルへ
の信号入力部と、モデルからの計算結果の出力部とを備
え、実プラントデータ供給装置１０からデータをモデル
に入力してシュミレーションを行い、その出力値を実プ
ラント出力値１１と比較してその差が所定範囲内になる
ように数値シュミレーションモデル３を構成する要素の
一つであるプラント定数を調整するシュミレーションモ
デル修正部８を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラントシミュレータ
装置に係り、特に同装置内のシミュレーションモデルの
入出力特性を、対象とするプラントの実測された入出力
特性に自動的に一致させる機能を持ったプラントシミュ
レータ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】プラントシミュレータ装置は対象とする
プラントをモデル化したシミュレーションモデルを計算
機を用いて逐次的に計算することにより、該プラントの
出力を数値的に模擬するものである。ここでプラントの
入出力は時間的な並びが意味を持つ、いわゆる時系列的
な変数である。図２はプラントシミュレータの基本的な
構成を示しており１は計算機、２は制御部、３はシミュ
レーションモデル、４は状態変数テーブル、５は入力信
号、６（６ａ、６ｂ）は状態変数、７は出力信号であ
る。

【０００３】動作について説明する。状態変数テーブル
４にはあらかじめ初期状態における状態変数が納められ
ている。計算上の現在時刻をｔ、計算周期を△ｔとする
と、シミュレーションモデル３は状態量テーブル４から
取出したｔにおける状態変数６ａと入力信号５を入力と
して、１計算周期後である（ｔ＋△ｔ）における状態変
数６ｂと出力信号７を計算し、状態変数テーブル４の内
容を更新するとともに計算上の時刻を１周期だけ進めｔ
＝ｔ＋△ｔとする。これを逐次繰返すことでプラントの
動的な挙動を模擬している。ここで、入力信号５は計算
機１の外部から与えられる場合と、あらかじめ与えられ
たものを逐次呼び出す場合がある。また、制御部２は状
態変数の初期値の設定、シミュレーションの開始、終
了、シミュレーション条件の変更等を司る。

【０００４】プラントシミュレーション装置は実プラン
トを用いて行うことが不可能、または難しい運転員の訓
練、プラント運転特性の解析等に実プラントの代用とし
て用いられる。したがってプラントシミュレーション装
置の挙動は対象とする実プラントの挙動に一致すること
が要求される。プラントシミュレーション装置のシミュ
レーションモデルは実プラントを数式化したものである
が、実プラントが非常に複雑な場合や分布系である場
合、簡略化、集中系化したモデルが用いられる。このた
め、プラントシミュレーション装置の挙動は実プラント
の挙動に対して誤差を生じる。特にボイラプラントのよ
うな複雑なプラントのシミュレータ装置においてはこの
誤差を許容範囲に納めるための調整作業に多大な労力を
要する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術は、簡略化
または集中系化したモデルを用いることにより生ずる誤
差を減少させるための調整作業が必要であるという問題
があった。本発明は、前記のような調整作業を容易にす
るためになされたもので、プラントシミュレータ装置
が、自己の持つシミュレーションモデルの挙動の実プラ
ントの挙動の実測値に対する誤差が許容範囲に納まるよ
うにシミュレーションモデルを自己修正する機能を持っ
たものとすることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本願の第１の発明は、シミュレーションの対象となる実
プラントの数値シミュレーションモデルを計算機を用い
て計算することにより、該プラントの挙動を模擬するプ
ラントシミュレータ装置において、自己の持つシミュレ
ーションモデルを、その時系列的な入出力特性の、該プ
ラントの時系列的な入出力特性の実測値に対する誤差が
許容範囲に納まるように自動的に修正する修正機構を設
けたことを特徴とするプラントシミュレータ装置に関す
る。

【０００７】第２の発明は、対象とする実プラントを模
擬するシミュレーションモデルと、シミュレーションモ
デルにより計算したプラントの状態量を格納して、シミ
ュレーション時にこれをシミュレーションモデルに供給
する状態量テーブルと、シミュレーションモデルへの入
出力装置とを備えたプラントシミュレータ装置におい
て、前記シミュレーションモデルを、ある時刻における
入力信号と状態量およびプラントの持つ定数の関数とし
て構成し、上記シミュレーションモデルに実プラントの
入力信号（状態量）を与えてシミュレーションした結果
の出力値を、同一入力信号における実プラントの出力値
と比較し、その差が所定範囲内になるように上記シミュ
レーションモデルのプラント定数を調整するシミュレー
ションモデル修正部を設けたことを特徴とするプラント
シミュレータ装置に関する。

【０００８】第３の発明は、対象とするプラントをモデ
ル化した数値シミュレーションモデルと、シミュレーシ
ョンモデルにより計算したプラントの状態量を格納して
シミュレーション時にこれをシミュレーションモデルに
供給する状態量テーブルと、シミュレーションモデルに
よるシミュレーションの開始、終了およびシミュレーシ
ョン開始時の状態量の初期値の設定を司るシミュレーシ
ョン制御部と、シミュレーションモデルに入力信号を入
力する入力部と、シミュレーションモデルからのシミュ
レーション結果を出力する出力部とを備えたプラントシ
ミュレータ装置において、対象とする実プラントの入力
データを入力部よりシミュレーションモデルに入力して
シミュレーションを行い、その出力値を実プラントの実
測出力値と比較して、その差が所定範囲内になるように
シミュレーションモデルを修正するシミュレーションモ
デル修正部を設けたことを特徴とするプラントシミュレ
ータ装置に関する。

【０００９】

【作用】この発明に係るプラントシミュレータ装置は、
対象とするプラントを実際に運転した際の入力の実測値
を入力としてプラントの挙動をシミュレートし、算出さ
れたプラントの出力と実測値として与えられたプラント
の出力を比較し、その差が許容範囲に納まるように自己
の持つシミュレーションモデルを自動的に修正すること
を実現する。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図について説明す
る。図１において１は計算機、２はシミュレーション制
御部、３はシミュレーションモデル、４は状態量テーブ
ル、５は入力信号、６（６ａ、６ｂ）は状態変数、７は
出力信号であり、図２に同一符号を付した従来のそれら
と同一であるため詳細な説明は省略する。また、８はシ
ミュレーションモデル３の算出した出力と実プラントの
出力の差が極小になるようにシミュレーションモデル３
を修正するシミュレーションモデル修正部、９はシミュ
レーション時とシミュレーションモデル修正時とでシミ
ュレーションモデル３への入力を切り替える入力切替
器、１０はあらかじめ記録された実機の入力出力データ
を供給する実プラントデータ供給装置、１１は実プラン
トデータ供給装置により供給される実プラントの出力信
号である。

【００１１】次に動作について説明する。このシミュレ
ータ装置にはシミュレーションモードとシミュレーショ
ンモデル修正モードの２つのモードがある。シミュレー
ションモードでは入力切替器９がシミュレーション入力
ｂに切り替わり、通常のシミュレータとしての動作を行
う。シミュレーションモデル修正モードでは入力切替器
９が実プラント入力ａに切り替わり、あらかじめ実プラ
ントにおいて記録された入力信号が実プラントデータ供
給装置１０からシミュレーションモデル３に与えられ
る。シミュレーションモデル３はこの入力からプラント
のシミュレーション出力７を計算する。シミュレーショ
ンモデル修正部８は実プラントデータ供給装置１０から
与えられた実プラントの出力１１と算出されたシミュレ
ーション出力７の差が許容範囲に納まるようにシミュレ
ーションモデル３を修正する。これを有限回繰返すこと
でシミュレーションモデル３の挙動の実プラントの挙動
に対する誤差は全シミュレーション範囲にわたって許容
範囲に納まりシミュレーションモデルの調整が完了す
る。

【００１２】シミュレーションモデルの修正方法につい
てさらに詳しく述べる。シミュレーションモデル３は時
刻ｔにおける入力信号と状態変数６ａから１計算周期後
の出力７への関数であり、時刻（ｔ＋△ｔ）における出
力７は時刻（ｔ＋△ｔ）における状態変数６ａの１次結
合であると仮定すると次式で表わされる。

【００１３】

【数１】 Ｘ（ｔ＋△ｔ）−ｆ（Ｘ（ｔ），Ｕ（ｔ），Ｓ） …（１） Ｙ（ｔ＋△ｔ）−ＫＸ（ｔ＋△ｔ） ここでＸは状態量６、Ｕは入力信号５、Ｓはプラントの
持つ定数（プラント定数）、Ｙはシミュレーションモデ
ル３の出力、Ｋは係数である。シミュレーションモデル
の調整は一般的に（１）式中のＳを加減して調整する。
具体例を挙げて説明する。図３はボイラの過熱器などの
熱交換器の模式図である。燃焼ガスは図の左方から右方
に、水または蒸気など（以後、流体という）は図の下方
から上方に貫流する。このとき、燃焼ガスと伝熱管、伝
熱管と流体の間で熱交換が行われる。図中Ｈはエンタル
ピ、Ｇは重量流量を表わし、第１サフィックスｇとｗは
それぞれ燃焼ガスと流体を、第２サフィックスｉまたは
ｏが付加された場合はそれぞれ流入と流出を示してい
る。また、Ａは伝熱面積、γは熱伝達率を表わし、サフ
ィックスｇｍ、ｍｗはそれぞれがガス−伝熱管、伝熱管
−流体を示す。さらにＣ、Ｑ、Ｗ、Ｖはそれぞれ比熱
（プラントにおける）保有熱量、質量、容積を表わし、
サフィックスｇ、ｍ、ｗはそれぞれガス、伝熱管、流体
を示す。この例を先の（１）式に従い、ベクトル表現す
ると次のようになる。

【００１４】

【数２】

【００１５】

【数３】

【００１６】

【数４】

【００１７】

【数５】

【００１８】このような熱交換器モデルの特性の調整
は、一般的に熱伝達率（γ_gmおよびγ _mw）を調整して行
う。いま、シミュレーション出力７が実プラントの出力
１１と等しくなればよいのであるから、次式が成立す
る。

【００１９】

【数６】

【００２０】ここで、

【００２１】

【外１】

【００２２】は時刻ｔ＋△ｔにおける実プラントの出力
１１である。実施例のシミュレーションモデル修正部は
各計算周期（△ｔ）ごとにシミュレーションモデルの出
力６ｂと実プラントの出力１１を比較し、その差が許容
範囲に納まるようにシミュレーションモデル中の定数Ｓ
を調整する。今、時刻ｔにおけるパラメータの調整につ
いて考える。この場合、時間項は定数とみなすことがで
き、さらにＳのうち、調整の対象としていないプラント
定数はすべて定数とみなすと、時刻ｔ＋△ｔにおける実
プラントの出力１１は調整の対象としているプラント定
数、すなわち熱伝達率の関数として表わされ、次の式が
得られる。

【００２３】

【数７】

【００２４】シミュレーションモデル３が線形であれ
ば、（３）の第１式の関数ｇは行列Ｇで表現され、同式
の左辺と右辺を一致させるＳ′は次の連立１次方程式を
Ｓ′について解くことで求められる。

【００２５】

【数８】

【００２６】シミュレーションモデル３が非線形の場
合、Ｓ′を直接求めることはできないため、誤差

【００２７】

【数９】

【００２８】を最小にするＳ′を再急降下法などを用い
て求める。このようにして求められたＳ′は調整を行っ
た時刻においてシミュレーションモデルの出力６ｂと実
プラントの出力１１の差が許容範囲内に納まることを満
足するものであるが、シミュレーションモデル３が非線
形な場合は他の時刻でもシミュレーションモデルの出力
６ｂと実プラントの出力１１の差が許容範囲内に納まる
保証はない。そこで、Ｓ′の調整は次のようなステップ
を繰返すことで行う。 （１）与えられたＳ′を用いて全シミュレーション範囲
（ｔ₁ からｔ₂ まで）の計算を行い、各時刻でのシミュ
レーションモデルの出力６ｂと実プラントの出力１１の
差を求め、その差が全時刻において許容範囲内に納まっ
ていれば調整を終了する。 （２）シミュレーションモデルの出力６ｂと実プラント
の出力１１の差が最も大きい時刻においてその差を最小
にするＳ′を先に述べた方法で求め、（１）に戻る。 （３）（１）、（２）をあらかじめ定めた回数繰返して
終了しない場合、調整不能として終了する。

【００２９】以上により、全シミュレーション範囲にお
いてシミュレーションモデルの出力６ｂと実プラントの
出力１１の差が許容範囲内に納まることを満足するＳ′
を自動的に求めることが可能となる。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、シミュレーション装置
の挙動の、シミュレーションの対象とする実プラントの
挙動に対する誤差を許容範囲内に納めるための調整を自
動的に行うことを実現する。したがって現存するプラン
トに基づいた詳細なシミュレーションが必要な場合、例
えば現存するプラントの改造の事前検討、新たな運転方
式の検討、使用燃料の変更等の運転条件の変更におい
て、その基礎となる現在のプラントを忠実に模擬でき、
目的とする検討を精度よく行えるという効果がある。ま
た、プラントに不具合が生じた場合、不具合の状態を模
擬したシミュレーションモデルを自動的に生成するた
め、不具合の原因解明、対策案検討が容易になるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるプラントシミュレー
タ装置を示すブロック図。

【図２】従来のプラントシミュレータ装置を示すブロッ
ク図。

【図３】過熱器のシミュレーションモデルを示す模式
図。

【符号の説明】

１…計算機、２…シミュレーション制御部、３…シミュ
レーションモデル、４…状態量テーブル、５…入力信
号、６…状態量、７…出力信号、８…シミュレーション
モデル修正部、９…入力切替器、１０…実プラントデー
タ供給装置、１１…実プラント出力信号。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シミュレーションの対象となる実プラン
   トの数値シミュレーションモデルを計算機を用いて計算
   することにより、該プラントの挙動を模擬するプラント
   シミュレータ装置において、自己の持つシミュレーショ
   ンモデルを、その時系列的な入出力特性の、該プラント
   の時系列的な入出力特性の実測値に対する誤差が許容範
   囲に納まるように自動的に修正する修正機構を設けたこ
   とを特徴とするプラントシミュレータ装置。
2. 【請求項２】 対象とする実プラントを模擬するシミュ
   レーションモデルと、シミュレーションモデルにより計
   算したプラントの状態量を格納してシミュレーション時
   にこれをシミュレーションモデルに供給する状態量テー
   ブルと、シミュレーションモデルへの入出力装置とを備
   えたプラントシミュレータ装置において、前記シミュレ
   ーションモデルを、ある時刻における入力信号と状態量
   およびプラントの持つ定数の関数として構成し、上記シ
   ミュレーションモデルに実プラントの入力信号（状態
   量）を与えてシミュレーションした結果の出力値を、同
   一入力信号における実プラントの出力値と比較し、その
   差が所定範囲内になるように上記シミュレーションモデ
   ルのプラント定数を調整するシミュレーションモデル修
   正部を設けたことを特徴とするプラントシミュレータ装
   置。
3. 【請求項３】 対象とするプラントをモデル化した数値
   シミュレーションモデルと、シミュレーションモデルに
   より計算したプラントの状態量を格納してシミュレーシ
   ョン時にこれをシミュレーションモデルに供給する状態
   量テーブルと、シミュレーションモデルによるシミュレ
   ーションの開始、終了およびシミュレーション開始時の
   状態量の初期値の設定を司るシミュレーション制御部
   と、シミュレーションモデルに入力信号を入力する入力
   部と、シミュレーションモデルからのシミュレーション
   結果を出力する出力部とを備えたプラントシミュレータ
   装置において、対象とする実プラントの入力データを入
   力部よりシミュレーションモデルに入力してシミュレー
   ションを行い、その出力値を実プラントの実測出力値と
   比較して、その差が所定範囲内になるようにシミュレー
   ションモデルを修正するシミュレーションモデル修正部
   を設けたことを特徴とするプラントシミュレータ装置。