JPS63284603A - プロセスプラント制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、火力発電プラント等のプロセスプラン１〜の
制御装置に係り、特に制御演算処理における制御パラメ
ータをプロセスの負荷条件、運転条件等に応じて最適値
に設定するに好適なものに関する。

〔従来の技術〕

一般に、プロセス制御における制御演算にあっては、比
例演算器、積分演算器の比例ゲインや積分時間などの制
御パラメータは、プロセス状態量の動特性によりその最
適値が決定されることは周知である。そしてこのプロセ
ス状態量の動特性すなわち、プロセス制御対象の動特性
はプロセスの運転条件や負荷条件により変化するもので
あり、またプラントの経時変化によっても変化するもの
である。したがって、プラントの負荷条件等による動特
性に合わせて前記制御パラメータを可変設定しなければ
ならない。

そこで、従来一般に、プロセスプランＩ−の試運転期間
に制御対象の動特性を負荷条件等に合わせて求め、これ
に基づいて制御パラメータを決定し、関数発生器などを
用いて負荷条件等に対応した制御パラメータを設定する
ことができるようにしていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来の設定方法によれば、制御対象
の動特性の変化要因が多くかつ複雑であることから、ま
た試運転等の調整期間が限られることから、調整員によ
る手動設定には一定の限度があり、制御対象の動特性に
合わせた最適制御パラメータを設定することが困難であ
るという問題があった。特に、プロセス制御系が階層構
造とされているような場合には、下位に複数の制御対象
を有するマスク部の制御ゲインは他の複数のプロセス制
御系と相互干渉を引き起こすものであることから、その
ゲイン設定の調整作業は極めて複雑となり、限られた調
整期間内において最適化することは至難であった。

一方、特開昭５７−１６７１９号公報に記載されている
ように、従来制御対象の動特性モデルを制御装置内に設
け、これにより比例ゲインや積分時間を自動設定するよ
うにしたものが知られている。しかし同公報に記載され
たものによれば、動特性モデルが複数の外乱要素を有し
ていること、またモデル自体の誤差もあることから、必
ずしも最適ゲインを設定することができなかった。

ここで、さらに本発明の解決課題を具体的に説明するた
め、第４図に示した火力発電プラントのボイラ制御装置
を例にとって説明する。

ボイラ制御装置は、与えられる発電量指令信号１に基づ
いて、燃料量、空気量、蒸気温度等を制御する制御系を
含んでなり、一般に、燃料制御系を主制御系として構成
されている。図示のように発電量指令信号１は関数発生
器２に入力され、ここにおいて発電量指令値を確保する
に必要な基本燃料量指令信号３に変換される。この基本
燃料量指令信号３は加算器４を介して減算器６に導かれ
、ここでプロセス状態量として検出された燃料量の検出
信号７との偏差が求められる。この偏差信号８は制御演
算器９により比例、積分処理され、自動手動切換器１ｏ
を介して燃料量の制御量信号１１として燃料量制御弁１
２に与えられる。

一方、温度検出器により検出された主蒸気温度信号２０
は偏差演算器２１に入力されており、ここにおいて主蒸
気温度設定器２２により設定された主蒸気温度の設定値
２３との偏差２４が求められる。この偏差２４は制御演
算器２５において比例、積分処理され、前記基本燃料量
指令信号３を修正する制御信号２６として前記加算器４
に入力される。

つまり、発電量指令信号１に基づいて生成した基本燃料
量指令信号３がボイラの静特性とずれた場合には、主蒸
気温度が設定値からずれることになる。したがって、そ
のずれ（偏差）を打ち消す方向に燃料量を修正すること
により、ボイラ出力を所定の値に保持するように制御す
るようになっている。

なお、前記制御信号２６を生成する制御演算器２５の比
例ゲイン、積分時間などの制御パラメータは、それぞれ
制御パラメータ設定器としての関数発生器２７と２８か
ら与えられるようになっている。また、前述したように
これらの制御パラメータはボイラ負荷量に応じて変化す
るものであることから、前記発電量指令信号１を取り込
み、これに対応した値を制御演算器２５に出力するよう
になっている。

ところで、上述した主蒸気温度に偏差が生じることは、
タービンの寿命を縮めるなど好ましくないため、タービ
ンの定格温度からずれないように制御することが望まし
い。したがって、この蒸気温度の制御精度を向上させる
には制御演算器２５の比例ケイン、精力時間などの制御
パラメータを最適値に設定することが極めて重要な課題
となる。

この制御演算器２５の比例ゲイン、積分時間はプロセス
制御量に対する主蒸気温度の変化特性により決定される
ことが知られている。第５図しこ・般のボイラの動特性
のうち主蒸気温度のステップ応答特性を示す。すなわち
、図示のように、燃料の制御量５がｔｏ時点においてス
テップ的にα％変化したとき、主蒸気温度２ｏはむだ時
間１９時定数τをもってβ％変化することを示している
。

ここで、制御演算器２５の演算式を次式（１）とする。

なお、式（１）においてＰは比例ゲインを。

■は積分時間をそれぞれ表わし、八Ｔは主蒸気温度の変
化すなわち前記偏差２４に相当するものである。

上記式（１）におけるＰと■はそれぞれ次式（２）。

（３）により表わすことができる。

■＝λＸＣ２・・（３） ここで上式（２）　、　（３）におけるＣＩ、Ｃ２はそ
れぞれ常数である。

ところで、上式（２）　、　（３）における単位操作量
当りのプロセス変化量β／α、プロセス時定数で、プロ
セスむだ時間λは、第６図と第７図に示すようにプロセ
スプラントの負荷すなわち発電量ＭＷ（ｉ）により大き
く変化するため、」二記式（２）。

（３）の値は一義的には定まらない。したがって、従来
、式（２）　、　（３）に示したＰと工の設定は、第５
図で説明したステップ応答試験を数点のプロセス負荷帯
において実施し、第６図または第７図に示す特性を調整
員が把握し、これに基づいて関数発生器２７と２８の関
数をそれぞれ設定するようにしていた。しかし、前述し
たように」二記の特定試験は限定された期間内で実施し
なげれはならず、また比例ゲインや積分時間を人手によ
り計算して設定しなければならないこと、またこのよう
な調整をおこなわなければならない制御演算器の数が極
めて多いこと、さらに経時的変化によりプロセスの動特
性が変化することなどにより、上記した従来の制御パラ
メータ設定方法によると最適な設定をおこなうことが極
めて困難であるという問題があるのである。また調整員
についても豊富な経験が要求されるという問題があった
。

本発明の目的は、上記従来の問題点を解決すること、す
なわちプロセス制御演算手段の制御パラメータを自動的
に調整設定可能にし、さらにはその調整設定を高精度で
おこなうことができ、これにより制御パラメータの調整
の手間を大幅に削減するとともに、プロセス制御の制御
性を向上させることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、入力される制御対
象のプロセス状態量とその設定値の偏差信号を、与えら
れる制御パラメータを含む演算式により処理し、制御信
号として出力する制御演算手段を含んでなるプロセスプ
ラント制御装置において、入力されるプロセス条件に対
応させてあらかじめ定められた制御パラメータを選定し
て前記制御演算手段に出力する制御パラメータ設定手段
と、与えられる指令により前記制御演算手段の出力端を
開放するとともに、前記制御信号を現在値に保持して下
流の制御系に出力する切換保持手段と、与えられる指令
により前記制御信号にステップ信号を重畳するステップ
信号発生手段と、該ステップ信号に対する前記プロセス
状態量の変化を検出し、前記制御対象の動特性パラメー
タを求める動特性演算手段と、これにより求められた動
特性パラメータに基づき前記制御演算手段に係る制御パ
ラメータを求め、前記制御パラメータ設定手段に入力設
定する制御パラメータ演算手段と、を含んでなるものと
したことを特徴とする。

また、上記目的のうち高精度の調整を達成するため、本
発明は、入力される制御対象のプロセス状態量とその設
定値の偏差信号を、与えられる制御パラメータを含む演
算式により処理を、制御信号として出力する制御演算手
段を含んでなるプロセスプラント制御装置において、入
力されるプロセス条件に対応させてあらかじめ定められ
た制御パラメータを選定して前記制御演算手段に出力す
る制御パラメータ設定手段と、与えられる指令により前
記制御演算手段の出力端を開放するとともに、前記制御
信号を現在値に保持して下流側の制御系に出力する切換
保持手段と、与えられる指令により前記制御信号にステ
ップ信号を重畳するステップ信号発生手段と、該ステッ
プ信号に対する前記プロセス状態量の変化を検出し、前
記制御対象の動特性パラメータを求める動特性演算手段
と、これにより求められた動特性パラメータに基づき前
記制御演算手段の制御パラメータを求め、これを前記パ
ラメータ設定手段に入力設定するとともに、前記ステッ
プ信号発生手段に指令を出力する制御パラメータ演算手
段と、該ステップ信号に対する前記制御演算手段から出
力される制御信号を取り込んで、該制御信号のオーバシ
ュート量を検出し、該オーバシュート量が所定範囲に収
まっているか否かを判断し、該オーバシュート量が所定
範囲に収まるまで前記制御パラメータ演算手段に微調整
再演算指令を出力する制御パラメータ判定手段と、を含
んでなるものとしたことを特徴とする。

〔作用〕

このように構成されることから、プロセスプラントが運
転されている状態で切換保持手段に指令を与えるととも
にステップ信号発生手段に指令を与えると、プロセス制
御対象にはステップ信号が重畳された制御信号が与えら
れることになる。したがって制御対象はステップ信号に
応答して動作され、プロセスの動特性に応じてプロセス
状態量が変化する。この変化に基づいて動特性演算手段
は動特性パラメータ、例えば前記プロセスむだ時間λと
プロセス時定数τを演算して求める。これにより求めら
れた動特性パラメータに基づいて、制御パラメータ演算
手段は例えば前記式（２）　、（３）に基づいて制御パ
ラメータを求め、制御パラメータ設定手段に入力設定す
る。このとき設定される制御パラメータは制御対象のプ
ロセス条件すなわち負荷指令値などに対応させて設定さ
れる。

このような制御パラメータ設定操作を異なる負荷条件に
対応させて実施することにより、制御パラメータ設定手
段にはプロセス条件により変化されるプロセス動特性に
対応された最適な制御パラメータか設定されることにな
る。そして、切換保持手段とステップ信号発生手段等を
初期状態にリセツＩ・することにより、制御演算器は制
御パラメータ設定手段から与えられる最適な制御パラメ
ータにより制御を開始する。したがって、プロセスプラ
ントの実際の動特性に対応した最適な制御パラメータに
基づいた制御がおこなわれ、制御性の向上を達成するこ
とができる。また、一連の制御パラメータ調整設定作業
が自動的におこなわれることから、調整員による作業に
比べて著しく調整時間を短縮することができ、短期間で
より多くのプロセス条件に対応した制御パラメータを設
定することが可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図に本発明を第４図図示ボイラ制御装置に適用した
一実施例の構成図を示す。本実施例が第４図従来例と異
なる点は、制御演算器２５の制御パラメータを設定する
関数発生器２７．２８の内容、すなわち発電量指令値と
制御パラメータの相量関係を自動的に変更設定する制御
パラメータ自動設定装置１００を設けるとともに、これ
に関連して制御演算器２５と加算器４の間に切換保持器
１２０を挿入したことにある。他の構成は第４図従来例
と基本的に同一であるから、各構成要素には同一符号を
付して説明を省略する。

制御パラメータ自動設定装置１００は、制御パラメータ
の自動設定開始指令を入力する押ボタンスイッチ１０１
と、ステップ信号を発生するステップ信号発生器１０２
と、プロセス制御対象の動特性パラメータを求める動特
性演算手段１０３と、動特性パラメータに基づいて制御
演算器２５の制御パラメータを演算する制御パラメータ
演算手段１０４と、これにより求められた制御パラメー
タが適切であるか否かを判断する制御パラメータ判定手
段１０５を含んで構成されている。

切換保持器１２０は押ボタンスイッチ１０１から与えら
れる切換信号１１０によりａ側またはｂ側に切り換えら
れるようになっており、ａ側に切り換えられた場合は加
算器４に出力する制御信号の内容を現在値に保持するよ
うに構成され、ｂ側に切り換えられた場合には演算器２
５の出力制御信号をそのまま加算器４に出力するように
なっている。また、押ボタンスイッチ１０１から同時に
出力される自動設定開始指令１１０は制御パラメータ演
算手段１０４に入力されている。これを受けて制御パラ
メータ演算手段１０４はステップ信号発生器１０２にス
テップ信号出力指令１１２を送出する。ステップ信号発
生器１０２から出力されるステップ信号１１３は加算器
４と動特性演算手段１０３と制御パラメータ判定手段１
０５とに入力されている。動特性演算手段１０３にはプ
ロセス状態量としての主蒸気温度２０が入力されている
。この動特性演算手段１０３の出力は制御パラメータ演
算手段１０４に入力されている。この制御パラメータ演
算手段１０４により求められた制御パラメータ（比例ゲ
イン、積分時間）はそれぞれ関数発生器２７と２８に出
力されている。また、制御パラメータ演算手段１０４の
出力は制御パラメータ判定手段１０５に入力されており
、制御パラメータ判定手段１０５は制御演算器２５から
出力される制御信号２６の前記ステップ信号に対する制
御信号２６のオーバシュート量に基づいて制御パラメー
タの適否を判断し、オーバシュート量が所定値範囲内に
収まるように制御パラメータ演算手段１０４に再演算指
令を出力するようになっている。

このように構成される第１図実施例の動作を第２図に示
した制御手順のフローチャートに沿って説明する。

制御パラメータ自動設定装置１００は押ボタンスイッチ
１０１をオンすることにより出力される自動設定開始指
令信号１１１により起動される（ステップ２０１）。こ
のとき切換保持器１２０は信号１１０によってａ側に切
り換えられ、基本燃料量指令信号に加算される主蒸気温
度に応じた制御信号２６の値が現在値に保持される（ス
テップ２０２）。

次に制御パラメータ演算手段１０４から指令１１２が出
力されるとステップ信号発生器１０２からステップ信号
１１３が出力され、加算器４において基本燃料量指令信
号３に加算される（ステップ２０３）。これによってボ
イラに供給される燃料量が増大されるため、主蒸気温度
２０が変化する。この主蒸気温度２０の変化は動特性演
算手段１０３においてステップ信号１１３に対応させて
逐次取り込まれ記憶される（ステップ２０４）。

そして動特性演算手段１０３は主蒸気温度２０の変化に
基づいて前記第５図で説明したむだ時間えと時定数τか
らなる動特性パラメータを演算して求める（ステップ２
０５）。

これにより求められたむだ時間λと時定数τに基づいて
、制御パラメータ演算手段１０４は前記式（２）　、　
（３）を用いて制御演算器２５に設定すべき比例ゲイン
Ｐと積分時間１を求める。この演算に際し、式（２）　
、　（３）における常数Ｃｓ、Ｃｘの初期値として、Ｃ
１＝０．６．Ｃ２＝０．３を設定する【ステップ２０６
）。なお、Ｃ１とＣ２の値はそれぞれ安定な制御ゲイン
を与えるように定められるものであり、前記オーバシュ
ート量の調整因子となるものである。

そして、制御パラメータ演算手段１０４は上記初期調整
式によって弐例ゲインＰと積分時間■を演算しくステッ
プ２０７）、それぞれ関数発生器２７．２８に出力する
。関数発生器２７．２８においてはそれぞれ入力される
Ｐ、Ｉをそのときの発電量指令値に対応させてセットす
る（ステップ２０８）。

これにより、発電量に対応しかつその発電量におけるボ
イラの動特性に対応した比例ゲインＰと積分時間■の制
御パラメータが関数発生器２７゜２８に自動的に設定さ
れることになり、制御演算器２５はこのようにして設定
された制御パラメータによって主蒸気温度に基づいた燃
料の修正制御を実行することになる。なお、上述した制
御パラメータの自動設定操作を予想される負荷変動範囲
。

運転条件の変更に対応させておこなうことにより、あら
ゆるプロセス条件に対応した最適な制御パラメータを設
定することが可能となる。

次に、ステップ２０６において設定したＣ１とＣ２の初
期値が妥当であったか否かの判断およびそれに基づく再
設定操作について説明する。前記ステップ２０８におい
て制御パラメータの設定完了と同時に、制御パラメータ
演算手段１０４からステップ信号発生器１０２に指令１
１２を出力してステップ信号を再度発生させる（ステッ
プ２０９）。

これにより前述したと同様にボイラはステップ信号に応
答して主蒸気温度２０が変化する。そしてこの変化は偏
差演算器２１を介して制御演算器２５に導かれ、ここに
おいてステップ２０８にてセットされた比例ゲインＰお
よび積分時間Ｉに基づいた比例積分演算処理がなされる
。制御パラメータ判定手段１０５は制御演算器２５から
出力される制御信号２６を遂時取り込みステップ信号１
１３に対応させてその変化を把握する。これによって第
３図に示す波形の制御信号２６が得られる（ステップ２
１０）。そして制御パラメータ判定手段１０５は制御信
号２６のオーバシュート量が第３図に示す上限値Ｑ１と
下限値Ｑ２により規定された所定の範囲に収まっている
か否かを判断する（ステップ２１１）。一般に、制御系
としてのオーバシュート量は１０〜２５％が望ましいこ
とから、上記上限値ρ１、下限値０．２はこれに基づい
て設定されている。第３図に点線で示したようにオーバ
シュート量が上限値Ｑ１を超えていた場合はステップ２
１１から２１３に移行し、ステップ２１３において前人
（３）で示した常数ｃ１の現在値に０．１　　を加える
補正をおこない、この補正された式に基づいてステップ
２０７で再度比例ゲインＰの演算をおこなう。そして、
これにより求めたＰおよび工を関数発生器２’７．２８
にセットシ（ステップ２０８）、ステップ２０９におい
てさらにステップ信号を基本燃料量指令信号３に重畳さ
せ、それに対応する制御信号２６のオーバシュー１〜量
を検出して上記所定範囲に収まっているか否かを判定す
る（ステップ２１１）。

このようにして、設定された比例ゲインＰと積分時間■
について実際のボイラ動特性に基づく最適値判定をおこ
ない、ステップ２１１における判定が肯定判断となった
ときにはステップ２１２に進んで制御パラメータ自動設
定を完了するとともにその旨のメツセージを出力して修
了する。そして、調整員がそのメツセージを確認して押
ボタンスイッチ１０］をリセットすることにより、切換
保持器１２０はｂ側に復帰され、制御演算器２５を含ん
でなる蒸気温度のフィードバック制御系の通常動作に移
行される。

上述したように、本実施例によれば、ボイラ制御装置に
おける主蒸気温度のフィードバック制御系の制御演算器
の自動調整が可能となり、調整員よる従来の調整に比べ
て著しく短時間でできる。

したがって短い試運転期間等においても繰り返し制御パ
ラメータの自動設定をおこなうことができることから、
複雑な相互干渉系を有する制御系においても充分にボイ
ラの動特性に適合した制御パラメータを設定することが
可能となる。これによってプロセスプラントであるボイ
ラの制御性が大幅に向上されることになる。

また、制御演算器の制御パラメータ設定に係る試運転時
のマンパワーを大幅に低減することが可能となる。

なお、本発明に係る制御パラメータ自動設定装置は第１
図実施例で示した主蒸気温度のフィードバック制御系に
限らず他の制御系に設けられる制御演算器にも適用する
ことができることは勿論、ボイラプラントに限らず、他
のプロセスプラントの制御演算器に適用することが可能
である。

また、本発明に係る制御パラメータ自動設定装置は、始
運転期間に限らず通常の運転状態において必要に応じて
おこなうことができることから、プロセスプラントの経
時変化や運転条件変更などに対応させた最適な制御を実
現することが可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、プロセス制御に係
る制御ゲインなどの制御パラメータの設定を、実際のプ
ロセスプラント動特性に対応させて自動的におこなわせ
ることができることから、調整員の経験などを問わず最
適な制御パラメータを設定することができ、これによっ
てプロセスプランドの制御性を一層向上させることがで
きる。

また調整にかかるマンパワーを大幅に削減することがで
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック構成図、第２図は
本発明の詳細な説明するための処理手順を示すフローチ
ャート、第３図は第１図実施例の制御パラメータ判定手
段の操作を説明するための制御信号のオーバシュートを
示す図、第４図は従来例のボイラ制御系統図、第５図は
第１図図示実施例に係る主蒸気温度のステップ信号に対
する変化特性を示す線図、第６図は発電量ＭＷ（ｉ）に
対する蒸気温度の変化特性を示す線図、第７図は第１図
図示実施例の発電量ＭＷ（ｉ）に対応する動特性のむだ
時間λと時定数τを示す線図である。 ２５・・・制御演算器、２７．２８・・関数発生器、１
００・・制御パラメータ自動設定装置、１０２・・・ス
テップ信号発生器、１０３・・動特性演算手段、１０４
・・制御パラメータ演算手段、１０　訃−制御パラメー
タ判定手段、１２０・・切換保持器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、入力される制御対象のプロセス状態量とその設定値
   の偏差信号を、与えられる制御パラメータを含む演算式
   により処理し、制御信号として出力する制御演算手段を
   含んでなるプロセスプラント制御装置において、 入力されるプロセス条件に対応させてあらかじめ定めら
   れた制御パラメータを選定して前記制御演算手段に出力
   する制御パラメータ設定手段と、 与えられる指令により前記制御演算手段の出力端を開放
   するとともに、前記制御信号を現在値に保持して下流の
   制御系に出力する切換保持手段と、 与えられる指令により前記制御信号にステップ信号を重
   畳するステップ信号発生手段と、該ステップ信号に対す
   る前記プロセス状態量の変化を検出し、前記制御対象の
   動特性パラメータを求める動特性演算手段と、 これにより求められた動特性パラメータに基づき前記制
   御演算手段に係る制御パラメータを求め、前記制御パラ
   メータ設定手段に入力設定する制御パラメータ演算手段
   と、 を含んでなることを特徴とするプロセスプラント制御装
   置。 ２、入力される制御対象のプロセス状態量とその設定値
   の偏差信号を、与えられる制御パラメータを含む演算式
   により処理して制御信号を生成出力する制御演算手段を
   含んでなるプロセスプラント制御装置において、 入力されるプロセス条件に対応させてあらかじめ定めら
   れた制御パラメータを選定して前記制御演算手段に出力
   する制御パラメータ設定手段と、 与えられる指令により前記制御演算手段の出力端を開放
   するとともに、前記制御信号を現在値に保持して下流側
   の制御系に出力する切換保持手段と、 与えられる指令により前記制御信号にステップ信号を重
   畳するステップ信号発生手段と、該ステップ信号に対す
   る前記プロセス状態量の変化を検出し、前記制御対象の
   動特性パラメータを求める動特性演算手段と、 これにより求められた動特性パラメータに基づき前記制
   御演算手段の制御パラメータを求め、これを前記パラメ
   ータ設定手段に入力設定するとともに、前記ステップ信
   号発生手段に指令を出力する制御パラメータ演算手段と
   、 該ステップ信号に対する前記制御演算手段から出力され
   る制御信号を取り込んで、該制御信号のオーバシュート
   量を検出し、該オーバシュート量が所定範囲に収まって
   いるか否かを判断し、該オーバシュート量が所定範囲に
   収まるまで前記制御パラメータ演算手段に微調整再演算
   指令を出力する制御パラメータ判定手段と、を含んでな
   ることを特徴とするプロセスプラント制御装置。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項記載の発明にお
   いて、前記制御パラメータは少なくとも比例ゲインと積
   分時間を含んでなることを特徴とするプロセスプラント
   制御装置。