JPH01314304A - プロセス制御装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は制御対象のプロセス量を、安全にかつ高精度に
制御し得るようにしたプロセス制御装置に関する。

（従来の技術） 近年、例えば産業用ボイラは、複数のボイラを配設し、
蒸気消費量に対応して各ボイラに最適負荷配分を行ない
、経済的に運用するケースが多くなってきている。この
場合、各ボイラは最適に配分された蒸気流量に正確に制
御されなければならない。しかし、従来のボイラ蒸気流
量制御装置には後述するような問題がある上に、最近で
は燃料として微粉炭とか副生燃料等の低品位燃料が多く
利用されるようになり、燃料の単位発熱量の変動、燃料
流量が正確に測定できない等の原因によってボイラ特性
が変化し、蒸気流量の制御性が益々低下する傾向になっ
てきており、このよ”うな背景からより高度なボイラ蒸
気流量制御装置の出現が要請されてきている。

第３図は、従来のボイラ蒸気流量制御装置を複数ボイラ
の負荷配分制御システムに適用した場合の構成例を示す
ブロック図である。なお、ボイラ蒸気流量制御装置は、
勿論申独にも適用されるが、代表的な適用は第３図に示
すような複数ボイラの・ｌｉｉ、列運転システムの負荷
配分制御システムである。

第３図において、各ボイラの発生蒸気流量を蒸気流量検
出器２１−１．２１−２．・・・、２１−ｎで検出し、
この検出信号を各々に対応して設けられた開平演算手段
２２−１．２２−２．・・・。

２２−ｎを通して線形化し、各ボイラの発生蒸気流量に
比例した信号ｆ１．ｆ２．・・・＋　　ｆＮを得る。

これらの信号ｆ＋＋ｆ２．・・・ｒ　　ｆＮを、加算手
段２３に導入して総流量に比例した信号ｆを算出し、こ
の信号ｆを加算手段２４に導入する。また、各ボイラ共
通の蒸気ヘッダの圧力を蒸気圧力検出器２５で検出し、
この検出信号を蒸気圧力調節手段２６に導入して蒸気圧
力目標値信号Ｐｓと比較し、両者が一致するように調節
演算を行なって調節演算出力信号ｆＰを得る。そして、
この調節演算白信号ｆｒを加算手段２４に導入し、ヒ紀
偵号ｆと加算合成して実質的な総流１ｉｉｉ　ｔｇ号ｆ
Ｔを算出する。

次に、この総流量信号ｆＴを、各ボイラの最適負荷配分
係数α１．α２．・・・、αＮが設定された負荷配分係
数手段２７−１．２７−２．・・・。

２７−Ｎに入力し、その出力として各ボイラの配分流ｆ
ｆ１ｓＶ１．ＳＶ２．−．ＳＶＮを求めて、これを各ボ
イラＢ　Ｉ　＋　　８２　、・・・＋ＢＮの流量目標値
信号として蒸気流量制御装置２８−１゜２８−２．・・
・、２８−Ｈに入力する。（ここで、αｌ＋α２＋、・
・・、＋αＮ−１で、休止ボイラαｌ−０である。）そ
して、この蒸気流量制御装置２８−１．２８−２．・・
・、２８−Ｎからの各出力信号Ｍｖ１．ＭＶ２　、　・
、ＭＶＮを、各ボイラ２９−１．２９−２．・・・、２
９−Ｎの燃料指令信号として与えることにより、各ボイ
ラ２９−１゜２９−２．・・・、２９−Ｎの発生蒸気流
量は蒸気流量目標値信号ｓｖ１．ｓｖ２．・・・、ＳＶ
Ｎとなるように制御される。

ところで、上述の各蒸気流量制御装置２ｇ−１゜２８−
２．・・・、２ｇ−Ｎ　（ここでは、蒸気流量制御装置
２８−１について図示説明する）は、蒸気流量調節手段
２８−ＩＡと、信号制限手段２８−ＩＢと、加算手段２
８−Ｉ　Ｃとから構成されている。すなわち、基本信号
は蒸気流量目標値信号ＳＶ１となっており、蒸気流Ｉｆ
ｋ調節手段２８−ＩＡで蒸気流量目標値信号Ｓｖ、と蒸
気流量信号ｆ１とが一致するように調節演算を行ない、
この調節演算出力信号を信号制限手段２８−ＩＢで制限
して加算手段２８−ＩＣに導入し、ここで蒸気流量目標
値信号Ｓｖ１と加算合成してボイラ燃焼指令信号ＭＶ、
を得、これをボイラ（Ｂｔ　）２９−１に与えて制御す
るようにしている。

しかしながら、この種の従来のボイラ蒸気流量制御装置
には、次のような様々な問題がある。

（ａ）蒸気流量調節手段（２８−ＩＡ。

２８−２Ａ、・・・、２８−ＮＡ）が１自由度ＰＩまた
はＰＩＤ制御方式であるため、蒸気流量目標値追従特性
と外乱抑制特性との双方を同時に最適化することができ
ず、制御性が非常に悪い。

（ｂ）蒸気流量目標値信号Ｓｖ１と蒸気流量調節手段２
８−ＩＡとの組合わせにおいて、蒸気流量目標値信号Ｓ
Ｖ１を変化させると、操作出力信号であるボイラ燃焼指
令信号Ｍｖ１には、蒸気流量制御装置ｊ５Ｓｖ１の変化
分と蒸気流量調節手段２ｇ−ＩＡによる制御出力信号と
がｆｆｉ畏してしまい、蒸気流量目標値信号Ｓｖ１の変
化に対するゲインが２倍となり振動的となる。

（ｃ）低品位燃料を使用することによって燃料の単位発
熱量が変化したり、燃料流量検出誤差。

ボイラ運転点移動に伴うボイラ効率の変化等によって、
ボイラのゲイン特性が変化して制御性が低下する。

なお、上述のような問題は、ボイラ蒸気流量制御装置の
みならず、加熱炉全熱量制御装置等の他のプロセス制御
装置についても、同様に生じるものである。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように従来では、安定で高い制御性を常に維持す
ることができないという問題があった。。

本発明の目的は、常に安定でかつ高い制御性を維持する
ことが可能な信頼性の高いプロセス制御装置を提供する
ことにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために第１の発明では、制御対象
からのプロセス量を検出するプロセス量検出手段と、プ
ロセス量の目標値信号を設定するプロセス量設定手段と
、プロセス量検出手段からのプロセス量とプロセス量設
定手段からの目標値信号とを入力し、この両者の偏差が
零となるように調節演算を行ない調節演算出力信号を出
力する速度形２自由度調節手段と、プロセス量設定手段
からの目標値信号である位置形信号を人力し、その変化
分を速度形信号に変換して出力する位置形／速度形信号
変換手段と、速度形−２自由度調節手段の調節演算出力
信号から位置形／速度形信号変換手段の出力信号を減算
する減算手段と、減算手段からの出力信号である速度形
信号を位置形信号に変換して出力する速度形／位置形信
号変換手段と、速度形／位置形信号変換手段からの出力
信号とプロセス量設定手段からの目標値信号とを加算合
成して制御対象の操作出力信号を出力する加算手段とを
備えて構成し、 さらに第２の発明では上記の各手段に加えて、加算手段
からの操作出力信号とプロセス量設定手段からの目標値
信号との比に基づいて、速度形２自由度調節手段からの
調節演算出力信号の変化分のゲインを修正するゲイン修
正手段とを備えて構成している。

（作用） 従って、本発明ではプロセスｆｆ１ｆｉ節手段を２自由
度ＰＩまたはＰＩＤ調節手段としていることにより、プ
ロセス量目標値追従特性と外乱抑制特性との双方を同時
に最適化することができ、また速度形２自由度調節手段
の速度形調節演算出力信号から目標値信号の変化分を減
算していることにより、目標値信号の変化時に振動的に
なることを防止することができ、さらに操作出力信号と
目標値信号との比に基づいて、速度形２自由度調節手段
からの調節演算出力信号の変化分のゲインを修正してい
ることにより、制御対象のゲイン特性変化に対応して速
度形２自由度調節手段のゲインを自動的に修正して、常
に最適な制御性を得ることができる。これにより、常に
安定でかつ最適な制御特性を維持することが可能となる
。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は、本発明をボイラ蒸気流量制御装置に適用した
場合の構成例を示すブロック図である。

第１図において、制御対象であるボイラ１には、図示し
ない燃料供給源および空気供給源から燃料および空気が
供給され、燃料を空気とともに燃焼させてその熱により
、被加熱流体である水を加熱蒸発させて蒸気が発生し、
この蒸気を需要家側に１共給するようにしている。

一方、ボイラ１から発生するプロセス量である蒸気の流
量を、プロセス量設定手段である蒸気流量検出器２で検
出し、この検出信号を開平演算子段３により線形化し、
蒸気流量信号ｆとして速度形２自由度調節手段４に人力
する。また、プロセス量設定手段である蒸気流量設定手
段５から、蒸気流量目標値信号５Ｖｎ（サフィックスｎ
は、サンプリング演算で現在値を示し、ｎ−１は一つ前
の前回値を示す）を出力し、これを速度形２自由度調節
手段４に目標値信号として入力する。さらに、速度形２
自由度調節手段４では、蒸気流量検出器２からの蒸気流
量信号ｆと蒸気流量設定手段５からの蒸気流量目標値信
号ＳＶｎとを比較し、この両者の偏差が零となるように
調節演算を行なって調節演算出力信号ΔＣｎを得、これ
を減算手段６に人力する。

一方、蒸気流量設定手段５からの蒸気流量目標値信号Ｓ
Ｖｎを位置形／速度形信号変換手段７に入力して、その
変化分ΔＳＶｎ　−５Ｖｎ−ＳＶｎ−１を求め、これを
速度形信号に変換して減算手段６に入力する。また、減
算手段６では、速度形２自由度調節手段４の速度形調節
演算出力信号ΔＣｎから位置形／速度形信号変換手段７
の出力（Ｋ号ΔＳＶｎ’ｒ減算し、この出力信号（ΔＣ
ｎ−Δ５Ｖｎ）を速度形／位置形信号変換手段８に入力
して位置形信号に変換する。さらに、速度形／位置形信
号変換手段８からの出力信号ｍ　Ｖ　Ｑを、信号制限手
段９に入力して調節信号のトド限制限を与え、これを加
算手段］〔］に人力する。さらにまた、蒸気流量設定手
段５からの蒸気流量目標値信号ＳＶｎを加算手段１０に
入力し、これと信号制限手段９からの出力信号とを加算
合成して操作出力信号Ｍ　Ｖ　ｎを得、これをボイラ１
の燃料指令信号としてボイラ１に与えることにより、ボ
イラ１の発生する蒸気流量を制御するように構成してい
る。

以上の如く構成したボイラ蒸気流量制御装置においては
、蒸気流量調節手段を従来の１自由度ＰＩまたはＰＩＤ
調節手段から、２自由度ＰＩまたはＰＩＤ調節手段４と
していることにより、蒸気流量目標値追従特性と外乱抑
制特性との双方を同時に最適化することができる。また
、蒸気流量目標値信号ＳＶｎを位置形／速度形信号変換
手段７に入力して、その変化分Δ５Ｖｎ＝Ｓ　Ｖｎ　−
Ｓ　ｖｎ−７を求め、これを速度形信号に変換して減算
手段６に人力し、速度形２自由度調節手段４の速度形調
節演算出力信号ΔＣｎがら減じていることにより、蒸気
流量目標値信号ＳＶｎの変化時に振動的になることを防
止することができる。すなわち、この作用は全体の信号
変化を操作出力信号Ｍ　Ｖ　ｎで考えてみると、 ｍｖｎ−ｍｖｎ−１＋ΔＣｎ−ΔＳＶｎ”　ｍ　ｖ　ｎ
−１＋ΔＣｎ　−８Ｖｎ　＋ＳＶｎ−ＩＭＶｎ　＝ＳＶ
ｎ　＋ｍｖｎ ””　ｍ　Ｖ　ｎ−１＋ΔＣｎ＋５Ｖｎ−１・・・（１
） と表わされる。ここで、ｍ　ｖ　ｎ−１は前回の調節出
力信号、ΔＣｎは今回の調節出方信号、５Ｖｎ−。

は前回の蒸気流量目標値信号である。

従って、蒸気流量目標値信号がｓ　ｖ　ｎ−’、がらＳ
Ｖｎに変化した時には、操作出力信号ＭＶｎに反映する
のは（１）式で示すように、調節出カ信号の今回変化分
ΔＣｎのみとなる。従って、蒸気。

流量目標値信号が５Ｖｎ−＋からＳＶｎに変化した時に
、操作出力信号ＭＶｎに与える影響が、従来のようにＳ
Ｖｎ側の直接の変化と流量調節側の変化とが重畳するこ
とがなくなり、流量調節動作を２自由度化した効果と相
まって制御性が大きく改善される。

」一連したように、本実施例のボイラ蒸気流量制御装置
では、次のような効果が得られるものである。

（ａ）蒸気流量調節手段としては、従来の１自由度ＰＩ
またはＰＩＤ調節手段に代えて２自由度ＰＩまたはＰＩ
Ｄ調節手段４を適用していることにより、蒸気流量目標
値追従特性と外乱抑制特性との双方を同時に最適化する
ことができる。

（ｂ）速度形調節演算出力信号へＣｎから蒸気流量目標
値信号ＳＶｎの変化分を減じることにより、蒸気流量目
標値信号ＳＶｎと速度形２自由度調節手段４との組合わ
せにおいて、蒸気流量目標値信号ＳＶｎが変化した時の
操作出力信号Ｍ　Ｖ　ｎへの変化が二重に重畳すること
を解消し、蒸気流量目標値信号ＳＶｎの変化時に振動的
になることを防止することができる。

以上によって、ボイラ蒸気流量制御装置の高度化を実現
することができ、この高度化により安定で品質の高い蒸
気供給を行なうことが可能となり、また最適負荷配分等
により省エネルギー化にも貢献することが可能となる。

さらに、今後石油資源の有限性、エネルギーコストの高
騰等から、微粉炭、副生燃料等の低品位燃料の利用が増
加することが予測されるが、本実施例のボイラ蒸気流量
制御装置を適用することにより、制御性を改善すること
ができ、産業界の発展に大いに貢献することが期待でき
るものである。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

第２図は、本発明をボイラ蒸気流量制御装置に適用した
場合の他の構成例を示すブロック図であり、第１図と同
一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここで
は異なる部分についてのみ述べる。

すなわち本実施例は、ゲイン修正係数演算手段１１と乗
算手段１２とからなるゲイン修正手段を第１図に加えて
備え、加算手段１０からの操作出力信号Ｍ　Ｖ　ｎと蒸
気流量設定手段５からの蒸気流量目標値信号ＳＶｎとの
比に基づいて、速度形２自由度調節手段４からの調節演
算出力信号ΔＣｎの変化分のゲインを修正するようにし
ている。ゲイン修正係数演算手段１１は、除算手段１１
ａと、遅れ手段１１ｂと、フィルタ手段１１Ｃとからな
っている。すなわち、除算手段１１ａには操作出力信号
の今回値Ｍ　Ｖ　ｎと蒸気流量目標値信号の今回値ＳＶ
ｎとを導入し、前者を後者で除してゲイン修正係数の今
回値ｋｎを算出し、これを遅れ手段１１ｂに入力して１
回分だけ送らせて前回分のゲイン修正係数ｋ　ｎ−１を
抽出する。そして、これをフィルタ手段１１ｃに入力し
て平滑し、過渡的変動成分を除去したゲイン修正係Ｂ、
ｋｎ−１を得、これを乗算手段１２に入力して速度形２
自由度調節手段４からの：Ａｍ演算出力信号ΔＣｎに乗
じることにより、ボイラ１のゲイン特性変化に対応して
速度形２自由度調節手段４のゲインを自動的に修正する
ように構成している。

以上の如く構成したボイラ蒸気流量制御装置においては
、第１図の実施例の場合と同様に、蒸気流量調節手段を
従来の１自由度ＰＩまたはＰＩＤ調節手段から、２自由
度ＰＩまたはＰＩＤ調節手段４としていることにより、
蒸気流量目標値追従特性と外乱抑制特性との双方を同時
に最適化することができる。また、蒸気流量目標値信号
ＳＶｎを位置形／速度形信号変換手段７に入力して、そ
の変化分ΔＳＶｎ　＝ＳＶｎ−３Ｖｎ−，を求め、これ
を速度形信号に変換して減算手段６に入力し、速度形２
自由度調節手段４の速度形調節演算出力信号ΔＣｎから
減じていることにより、蒸気流量目標値信号ＳＶｎの変
化時に振動的になることを防止することができる。

さらに第２図において、ボイラ１のゲイン特性変化の影
響は、蒸気流量目標値信号ＳＶｎと操作出力信号Ｍ　Ｖ
　ｎとの差となって現われる。また、今回の調節演算出
力信号ΔＣｎのゲインを修正するだめの係数は前回のも
のしか使用できないので、前回のゲイン修正係数ｋ　ｎ
−１を除算手段１１ａで求める。

ｋｎ−１−ＭＶｎ−１／　Ｓ　ｖｎ−、−（２）ゲイン
修正係数ｋ　ｎ−１の°過渡的変動を除去するために、
フィルタ手段１１Ｃを通して平均ゲイン修正係数ｋ　ｎ
−１を求め、これを乗算手段１２で速度形２自由度調節
手段４からの調節演算出力信号ΔＣｎに乗じてゲイン修
正を行なっている。これにより、操作出力信号Ｍ　Ｖ　
ｎは、 ｍ　Ｖ　ｎ　”　ｍ　Ｖ　ｎ−１＋　ｋ　ｎ−、ＸΔＣ
ｎ−Δ５Ｖｎ−ｍ　ｖ　ｎ−１＋　ｋ　ｎ−Ｉ　ＸΔＣ
ｎ　−５Ｖｎ＋５　Ｖ　Ｑ−１ ＭＶｎ　＝ｍｖｎ　＋ｓ　Ｖｎ −ｍ　Ｖ　ｎ−１十ｋ　ｎ−ｌ　ＸΔＣ１＋５Ｖｎ−ｔ
・・・（３）と なり、ボイラ１のゲイン特性変化に対応して、速度形２
自由度調節手段４からの調節演算出力信号ΔＣｎのゲイ
ンを自動的に修正し、常に安定した高精度制御が実現で
きることになる。

上述したように、本実施例のボイラ蒸気流量制御装置で
は、前述した第１図の場合と同様の効果が得られるのは
勿論のこと、操作出力信号Ｍ　Ｖ　ｎと蒸気流量目標値
信号ＳＶｎとの比に基づいて、速度形２自由度調節手段
４からの調節演算出力（ｄ号ΔＣｎの変化分のゲインを
修正していることにより、制御対象であるボイラ１のゲ
イン特性変化に対応して速度形２自由度調節手段４のゲ
インを自動的に修正して、常に最適な制御性を得ること
が可能となる。

尚、ゲイン修正係数演算手段１１は上述の構成に限られ
るものではなく、例えば遅れ手段と、除算手段と、フィ
ルタ手段とから構成し、操作出力信号の今回値ＭＶｎを
遅れ手段を通して１回連れた信号を、蒸気流量目標値信
号の今回値ＳＶｎを遅れ手段を通して１回連れた信号で
除算手段により除して、これをフィルタ手段に入力して
平滑したものをゲイン修正係数として得るようにしても
よい。

また、上記各実施例では本発明をボイラ蒸気流量制御装
置に適用した場合について述べたが、これに限らず例え
ば加熱炉全熱量制御装置等の他のプロセス制御装置につ
いても同様に通用できるものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、常に安定でかつ高
い制御性を維持することが可能な極めて信頼性の高いプ
ロセス制御装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明をボイラ蒸気流量制御装置に適用した場
合の一実施例を示すブロック図、第２図は本発明をボイ
ラ蒸気流量制御装置に適用した場合の他の実施例を示す
ブロック図、第３図は従来のボイラ蒸気流量制御装置を
複数ボイラの負荷配分制御システムに適用した場合の構
成例を示すブロック図である。 １・・・ボイラ、２・・・蒸気流量検出器、３・・、開
平演算手段、４・・・速度形２自由度調節手段、５・・
・蒸気流量設定手段、６・・・減算手段、７・・・位置
形／速度形信号変喚手段、８・・・速度形／位置形信号
変換手段、９・・・信号制限手段、１０・・・加算手段
、１１・・・ゲイン修正係数演算手段、ｌｌａ・・・除
算手段、ｌｌｂ・・・遅れ手段、ｌｌｃ・・・フィルタ
手段、１２・・・乗算手段。 出願人代理人　　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）制御対象からのプロセス量を検出するプロセス量
   検出手段と、 プロセス量の目標値信号を設定するプロセス量設定手段
   と、 前記プロセス量検出手段からのプロセス量と前記プロセ
   ス量設定手段からの目標値信号とを入力し、この両者の
   偏差が零となるように調節演算を行ない調節演算出力信
   号を出力する速度形２自由度調節手段と、 前記プロセス量設定手段からの目標値信号である位置形
   信号を入力し、その変化分を速度形信号に変換して出力
   する位置形／速度形信号変換手段と、 前記速度形２自由度調節手段の調節演算出力信号から前
   記位置形／速度形信号変換手段の出力信号を減算する減
   算手段と、 前記減算手段からの出力信号である速度形信号を位置形
   信号に変換して出力する速度形／位置形信号変換手段と
   、 前記速度形／位置形信号変換手段からの出力信号と前記
   プロセス量設定手段からの目標値信号とを加算合成して
   制御対象の操作出力信号を出力する加算手段と、 を備えて成ることを特徴とするプロセス制御装置。
2. （２）制御対象からのプロセス量を検出するプロセス量
   検出手段と、 プロセス量の目標値信号を設定するプロセス量設定手段
   と、 前記プロセス量検出手段からのプロセス量と前記プロセ
   ス量設定手段からの目標値信号とを入力し、この両者の
   偏差が零となるように調節演算を行ない調節演算出力信
   号を出力する速度形２自由度調節手段と、 前記プロセス量設定手段からの目標値信号である位置形
   信号を入力し、その変化分を速度形信号に変換して出力
   する位置形／速度形信号変換手段と、 前記速度形２自由度調節手段の調節演算出力信号から前
   記位置形／速度形信号変換手段の出力信号を減算する減
   算手段と、 前記減算手段からの出力信号である速度形信号を位置形
   信号に変換して出力する速度形／位置形信号変換手段と
   、 前記速度形／位置形信号変換手段からの出力信号と前記
   プロセス量設定手段からの目標値信号とを加算合成して
   制御対象の操作出力信号を出力する加算手段と、 前記加算手段からの操作出力信号と前記プロセス量設定
   手段からの目標値信号との比に基づいて、前記速度形２
   自由度調節手段からの調節演算出力信号の変化分のゲイ
   ンを修正するゲイン修正手段と、 を備えて成ることを特徴とするプロセス制御装置。