JPH1185215A - プロセスの少なくとも1つの変量の制御システム及び該制御システムの適用法 - Google Patents
プロセスの少なくとも1つの変量の制御システム及び該制御システムの適用法Info
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- JPH1185215A JPH1185215A JP10194223A JP19422398A JPH1185215A JP H1185215 A JPH1185215 A JP H1185215A JP 10194223 A JP10194223 A JP 10194223A JP 19422398 A JP19422398 A JP 19422398A JP H1185215 A JPH1185215 A JP H1185215A
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Abstract
特性ないし時間特性が定常的のみならず、トランジェン
トな過程においても制御の安定性及び精度に実際上不都
合な影響を及ぼさないような制御システムとその適用法
を実現すること。 【解決手段】 プロセスの少なくとも1つの変量
(ym;TITm)の制御システにおいて、不安定性の
回避のため、補正手段(21)が設けられており、該補
正手段(21)により、個々の測定区間(18,19)
の相異なる時間特性が補償されるようにすること。
Description
とも1つの変量の制御システムであって、前記少なくと
も1つの変量は、複数の測定されたプロセス変量から計
算され、ここで、測定されたプロセス変量は、それぞれ
所属の測定区間に亘って測定され、前記測定区間の伝達
関数は、異なる時間特性を有するものである当該の制御
システムに関する。亦、本発明は、プロセスの少なくと
も1つの変量の制御システムの適用法にも関する。
の際、多数の熱力学的変量、例えば、圧力、温度及び質
量流量についての情報が必要とされる。但し、十分な精
度及び信頼度を以てリズナブルなコストで直接測定され
得ない重要なプロセス変量がある。従って、その種のプ
ロセス変量は、補助測定及び公知関連性、関係性−これ
は、物理的法則及び経験データを基礎する−に基づき、
決定されなけれならず、前記の物理的法則及び実験デー
タにより、補助測定が所望のプロセス変量と結合され
る。
の1つの典型的な例は、ガスタービンのタービン入口温
度TIT(Turbine Inlet Temper
ature TIT)のタービン入口温度である。ター
ビン入口ないし流入状態の条件は、その個所における経
済的な温度測定を許容しない。局所的温度は、過度に高
く、著しく短い耐用寿命及び高い故障率を来す。従っ
て、TITの直接測定が回避される。その代わりに、T
ITが(比較的低い)タービン出口温度(TAT)及び
コンプレッサ出口における圧力pcから計算され、これ
らの両者は比較的容易に測定可能である。所属の測定区
間を有するガスタービンのTITに対する典型的な制御
回路が図1に略示してある。ガスタービン10はコンプ
レッサ12とバーナ13と、後続のタービン14とを有
する。コンプレッサには可制御の入口案内羽根11が前
置接続されている。温度制御器15は、タービン入口温
度TITを所定の設定値TITcに従って制御する。制
御はガスタービン10におけるプロセスに影響する、即
ち、第1の制御装置16を介して入口案内羽根11を調
整し、よって、燃焼空気を制御し、そして第2制御線路
17を介してバーナ13への燃料の質量流量を調整する
のである。タービン出口温度TATは、第1測定区間1
8(伝達関数G1(s))を介して測定され、そして、コン
プレッサ出口における圧力pcが第2測定区間19(伝
達関数G1(s))を介して測定された値p cm及びTAT
mは計算ユニット20へ転送され、該計算ユニットは、
pc、TAT、TIT間の式関係を用いて(間接的に)
測定されたタービン入口温度の値TITmを計算し、設
定値TITcとの比較のため温度制御器15へ帰還す
る。
対して次のように一般的な関係性に対する説明をするこ
とができる:yが直接的に測定出来ないプロセス変量を
表わす場合であって、x=x1,x2…がそれからyを計
算できる測定可能な複数の補助変量の1セットをなす場
合、最も簡単な場合変量間で次のような形態の算術関係
が成立つ。
TITの式形態を有し、該TITの式形態は基本的に下
記のような形態をとる; (1.2) TIT=f(TAT,pc)・ 実際上式は周囲条件及び他の変量との付加的関係性を有
し、それらの周囲条件及び他の変量は、本考察では一定
と見なされ、従って明示的に示されていない。
…に基づき、そして、値ymを生じさせる。下記量 (1.3) ym=f(x1m,x2m…)は、擬似測定と称
される、それというのは、前記量は直接的に測定される
のでなく、補助測定xmから計算されるからである。こ
こで例として挙げるのは、タービン入口温度TITの擬
似測定TITmであり、該擬似測定は、TIT式(1,
2)により次のように表される。
測定を表す。
より定まる。
容可能な精度を得るため、通常関係式(1.3)はガス
タービン10の種々の定常的動作点で校正される。不都
合にも、完全な定常校正でも以下のことを阻止できな
い、即ち、擬似測定ymの適用の場合、過渡的な動作過
程中ダイナミックな制御ループ(図1に示すような場
合)にて使用される際劣悪な制御品質が生じるのを阻止
できない。まさにタービン入口温度の制御ないし監視の
場合、ガスタービンに対する危険が増大するおそれがあ
る、それというのは、技術上の過負荷が起こるおそれが
あるからである。それというのは、熱的過負荷が生じ得
るからである。
18,19)の種々のダイナミックな特性に求められ、
該ダイナミックな特性は、補正変量(図1中TAT,p
c)に結合されている。TIT−式(1.2)の場合、
通常タービン出口温度TATの測定のため使用される熱
電素子のダイナミック特性は、一般的にコンプレッサ出
口における圧力pcを測定する圧力発信器のそれより遙
かに小さい。その結果、測定TATm及びpcは同期せ
ず、式(1.4)による擬似測定されたTITmトラン
ジェントは次のような場合でも式(1.2)による実際
の関係とずれを呈し得る、即ち、定常的精度が高い場合
でも呈し得る(これについては、図2の例に就いて参照
のこと;図2から明らかなように、非同期化測定TAT
m及びp cmの結果それにより擬似測定TITmは実際
の値TITに比して、著しい位相誤差(丸で示す)を呈
し得る)。
似測定の問題が他の測定、プロセス又はプロセス制御の
場合にも生じ、不都合な結果を来し得る。
ころは、使用される測定区間の種々のダイナミックな特
性ないし時間特性が定常的のみならず、トランジェント
な過程においても制御の安定性及び精度に実際上不都合
な影響を及ぼさないような制御システム及び制御システ
ムの適用法を提供することにある。
式の制御システムにおいて、次のようにして解決され
る、即ち、冒頭に述べた形式の制御システムにおいて、
不安定性の回避のため、補正手段により、個々の測定区
間の相異なる時間特性が補償されるようにするのであ
る。要するに、本発明の核心とするところは、個々の測
定区間の異なる時間特性を次のように補正する、すなわ
ち、補正された測定区間が同じ時間特性を有するように
補正することである。
形態によれば、補正手段は、1つ又は複数の補正素子を
有し、該補正素子は、測定区間の後方に配置されてお
り、個々の測定区間の時間特性を補正するものである。
これにより、個々の測定区間の時間特性を所期のように
補正し、ここで全体的に実際上制御プロセスの計算のた
めの測定値の同期的生成が行われ得るように補正するこ
とが達成される。
施される、即ち、補正素子の各々が1つの伝達関数を有
し、該伝達関数は、所属の測定区間の伝達関数と共に1
つの総合伝達関数を形成し、前記の総合伝達関数は、す
べての測定されるべき擬似プロセス変量に対して少なく
とも近似的に等しいものであるようにしたのである。
システムは、下記のため使用される、即ち、ガスタービ
ンのタービン入口温度の制御のため制御システムが使用
されるものであり、前記ガスタービンは、コンプレッサ
と、バーナと後続のタービンとを有するのである。特に
次のようにすれば補正が簡単になる、即ち、計算された
タービン入口温度は、第1測定区間を介して測定された
タービン出口温度と、コンプレッサ出口における第2測
定区間を介して測定された圧力から計算され、前記補正
手段は、補正素子を有し、該補正素子は、第2測定区間
の後方に接続されているようにしたのであり、また、第
1測定区間は、第1伝達関数を有し、第2測定区間は、
第2伝達関数 を有し、補正素子は、第3の伝達関数を
有し、該第3の伝達関数は第1,第2の伝達関数の商と
して得られるようにしたのでる。
る。
る。
べているガスタービン10の具体例では)測定TATm
及びpcmの同期化方法であり、擬似測定TITmの高
いダイナミック精度を達成すべく、TIT式(1.4)
の使用下で擬似測定TITmの高いダイナミック精度計
算のため使用するに先だって、測定TATm及びpc m
の同期化を行なうものである。前述の解決手段の基本技
術思想を基本的式(1.1)の形態により表現可能なす
べての擬似測定に適用できる。
てあるところによれば、TIT式における関数fが直線
性リニヤである、即ち、下記が成立つ、 (2.1) TIT=aTAT+bpc+c 但し、a,b,cは定数である。強調すべきことには、
さらに引き出された結論及び得られた結果は、(1.
1)による擬似測定及びTIT式の任意の直線化可能な
代数形態に適用されるのである。式(2.1)に属する
擬似測定は下記の通りである。
18,19)のダイナミック特性を十分な精度をもって
2つの直線的な伝達関数G1及びG2(s)により近似化で
きる。それにより、下記の関係が得られる。
の制御の具体適例に対して、G1(s)及びG2(s)の伝達関
数を1次のフィルタ関数により近似化させることができ
る。
の支配的時定数である。後続の解析のためG2(s)は、G
1(s)と、レシオ係数R(s)との積により形成される: (2.7) G2(s)=R(s)G1(s) 但し、 (2.8) R(s)=G2(s)/G1(s) 伝達関数R(s)は、圧力測定及び温度測定ないし所属の
測定区間のダイナミック特性の比を表す。式(2.3)
〜(2.8)を式(2.2)に代入すると、下記関係式
が得られる。
pc+c). 式(2.8)及び(2.9)から下記の結論が得られ
る。
数T1、T2が同じ場合、両測定は、同期している。この
場合、TITに対する擬似測定は次のようになる。
c)=G1(s)TIT, 換言すれば、結果は、ダイナミック特性G1(s)を有する
直接的TIT測定と等価である。これは所望の特性であ
る、それというのは、その場合において、TIT式が測
定を定常的にのみならず、ダイナミックにも、表すもの
であるからである。このことに対しては、図3を参照す
ると良く、図3から明らかなように同じ時定数のもとで
2つの測定区間にて実際の値TITと擬似測定TITm
との間で1次の純然たる遅れが存在する。前記の結果
は、厳密に云えば、直線的TIT式に対してのみ成立つ
が、所定の動作点の周りの非直線性(直線化可能)擬似
測定にも適用可能である。
TAT−及びpc測定は、非同期である。この場合、R
(s)≠1及びTITmのダイナミック応答が(図2に示
す如く)迅速なトランジェントの場合所望の特性と全く
相異し得る。それにより、TIT制御ループにおける不
安定性がトリガされ得、そして、そのような迅速なトラ
ンジェントを回避するため、ガスタービン制御の帯域幅
を低減しなければならない。それにより、負荷切換又は
周波数制御されるモードでの動作のガスタービンの能力
が損なわれる。
場合において測定区間の基礎を成す物理的及び技術的プ
ロセスの故に相異なる。従って、ガスタービン制御(及
び他の制御システム)がトランジェントな過程において
も満足のゆくように動作するため、測定の同期化を適当
な信号処理により達成しなけれなならない。
pcmの同期化のため所属の測定区間の時定数が十分に
補償されるようになる。下記の関係式が成立つことが仮
定してある。
である。
ビン制御に対して重要な周波数領域に対して次のように
して(3.2) R(s)=1 の関係性を形成すること、即ち、存在する測定値TAT
m及び/又はpcmを相応に後処理するのである。
れるところによれば、pcに対する測定区間19を次の
ように変化させなけれなならない、即ち、それの時定数
が値T1を取るように変化させなければならない。この
ことは、次のようにして簡単な手法で達成できる、即
ち、値pcmが下記の伝達−ないしフィルタ関数を有す
るリード−ラグ−フィルタ(lead−lag−fil
te)によるフィルタ処理を受けるようにするのであ
る。。
(sT2+1)/(sT1+1) それにより補正された下記の圧力測定が行われ得る。
補正されたTIT式は次の通りである。
pcm3+c. 補償フィルタG3(s)はLPF(図4におけるフィルタ
特性参照)であり、従って、測定ノイズを抑圧し、該測
定ノイズは、リード(lead)素子(1+sT2)によ
り生ぜしめられ得る。補正により、pc測定区間のダイ
ナミック特性が簡単にTAT測定区間のダイナミック特
性に適合化される。
善し(加速し)、よって、pc−測定のダイナミック特
性に適合することも理論的に可能である。その際pcm
の代わりに、TATmは、下記の規定に従って、補正な
いし補償されることとなる。
+1) 補正されたTIT式として下記関係式が得られる。
pcm+c=G2(s)TIT. 前記措置、手順の利点とするところは、この場合TIT
擬似測定のダイナミック特性が比較的に大になることで
ある。それというのは、T2<T1であるからである。他
方では、補償フィルタG4(s)はHPF(図5におけるフ
ィルタ特性参照のこと)であり、従って、高周波測定ノ
イズに対して敏感である。前記欠点により一般に(3.
7)によるTITの適用可能性が排除される。
補正された、ないし補償された制御ループが、式(3.
4)による補正の場合(pcm−補正)に対して、図6
に示してある。ここでは圧力pcに対する測定区間19
の後方に、伝達関数G3(s)を有する補正素子21が設け
られており、該補正素子は、式(3.4)によりpc m
値を補正し、ひいては、時定数T1及びT2の整合、よっ
て、両測定区間の同期化を行わせる。
して、本発明の補正過程を一般化した形態で次のように
表現できる。
発して、即ち、 (4.1) y=Σiaixi 及び擬似測定に対する所属の定常式 (4.2) ym=Σiaixmi 並びに個々の測定区間のダイナミック特性 (4.3) xmi=Gi(s)xi 及びymに対する所望の生成ダイナミック特性Gy
(s)、即ち (4.4) ym=Gy(s)y から出発して、前記擬似測定を次のようにして求めるこ
とができる、即ち、擬似測定に対する下記関係式が使用
されるようにするのである。
る、即ち伝達関数Gy(s)が安定であり、伝達関数Gi
(s)が最小の位相ずれを有する場合のみ安定である、そ
れにより、実際上何等の問題も起こらない、それという
のは、ほぼすべての測定区間が前記特性を有するように
構成されているからである。
種々のダイナミックな特性ないし時間特性が定常的のみ
ならず、トランジェントな過程においても制御の安定性
及び精度に実施最上不都合な影響を及ぼさないような制
御システム及び制御システムの適用法を実現することが
できるという効果が奏される。
の非補正制御システムの構成略図。
たタービン入口温度TITmの場合における可能な位相
誤差の特性図。
対比可能な計算されたタービン入口温度TITmの特性
図。
素子の伝達特性(周波数の関数としての減衰及び位相ず
れ)を示す特性図。
め使用可能なHPF特性を有する補正素子の伝達特性
(周波数の関数としての減衰及び位相ずれ)を示す特性
図。
明らかな構成を有する制御システム構成図。
Claims (8)
- 【請求項1】 プロセスの少なくとも1つの変量
(ym;TITm)の制御システムであって、前記の少
なくとも1つの変量(ym;TITm)は、複数の測定
されたプロセス変量(xmi;TATm,pcm)から計算
され、ここで、測定されたプロセス変量(xmi;TAT
m,pcm)は、それぞれ所属の測定区間(18,19)
に亘って測定され、前記測定区間の伝達関数(Gi(s);
G2(s);G1(s))は、異なる時間特性を有するものであ
る当該の制御システムにおいて、 不安定性の回避のため、補正手段(21)が設けられて
おり、該補正手段(21)により、個々の測定区間(1
8,19)の相異なる時間特性が補償されるようにする
ことを特徴とするプロセスの少なくとも1つの変量の制
御システム。 - 【請求項2】 前記補正手段は、1つ又は複数の補正素
子(21)を有し、該補正素子は、測定区間(18,1
9)の後方に配置されており、個々の測定区間(18,
19)の時間特性を補正するものであることを特徴とす
る請求項1記載の制御システム。 - 【請求項3】 補正素子(21)の各々が伝達関数(G
mi(s);G3(s))を有し、該伝達関数は、所属の測定区間
(18)の伝達関数(Gi(s);G2(s))と共に1つの総
合伝達関数(Gy(s);G3(s)*G2(s))を形成し、前記
の総合伝達関数は、すべての測定されるべき擬似プロセ
ス変量(xmi;TATm,pcm)に対して少なくとも近
似的に等しいものであることを特徴とする請求項2記載
の制御システム。 - 【請求項4】 ガスタービン(10)のタービン入口温
度(TIT)の制御のため制御システムが適用されるも
のであり、前記ガスタービンは、コンプレッサ(12)
と、バーナ(13)と後続のタービン(14)とを有す
ることを特徴とする制御システムの適用法。 - 【請求項5】 計算されたタービン入口温度(TIT
m)は、第1測定区間(18)を介して測定されたター
ビン出口温度(TATm)と、コンプレッサ出口におけ
る第2測定区間(19)を介して測定された圧力(p
cm)とから計算され、前記補正手段は、補正素子(2
1)を有し、該補正素子は、第2測定区間(19)の後
方に接続されていることを特徴とする請求項4記載の適
用法。 - 【請求項6】 第1測定区間(18)は、第1伝達関数
(G1(s))を有し、第2測定区間(19)は、第2伝達
関数(G2(S))を有し、補正素子(21)は、第3の
伝達関数(G3(s))は第1,第2の伝達関数の商として
得られるものでることを特徴とする請求項5記載の適用
法。 - 【請求項7】 第1伝達関数(G1(s))は、第1時定数
T1を有する式表現G1(s)=1/(ST1+1)(s=ラ
プラス演算子)で表わされ、第2伝達関数(G2(s)S)
は、第2時定数T2を有する式表現G2(s)=1/(ST2
+1)で表わされ、そして、計算されたタービン入口温
度(TITm)は、測定された出口温度(TATm)と
コンプレッサにおける測定された圧力(pcm)とから
直線的に得られることを特徴とする請求項6記載の適用
法。 - 【請求項8】 計算されたタービン入口温度(TIT
m)は、設定値(TITc)と比較され、そしてバーナ
(13)内への燃料の質量流量とコンプレッサ(12)
内への燃焼空気の流入との偏差に従って制御されるよう
にしたことを特徴とする請求項5から7までのうち1項
記載の適用法。
Applications Claiming Priority (2)
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