JPH09212077A

JPH09212077A - プラント運転員訓練用シミュレータ

Info

Publication number: JPH09212077A
Application number: JP2000596A
Authority: JP
Inventors: Yukinori Katagiri; 幸徳片桐; Masahide Nomura; 政英野村; Yoshio Sato; 美雄佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-02-06
Filing date: 1996-02-06
Publication date: 1997-08-15

Abstract

(57)【要約】【課題】プラント運転訓練員がプラントの特性を定量的
に把握し、プラントの特性を効果的に学習することがで
きるシミュレータを提供する。【解決手段】プラント制御装置及びプラント本体を模擬
する演算手段１０４を内蔵し、この演算手段１０４を使
用して、訓練員がプラントの特性を学習可能なプラント
運転員訓練用シミュレータにおいて、プラント制御装置
及びプラント本体のうち少なくとも一方の構成機器の安
定性の指標をプラント安定性計算手段１０７により機器
毎に計算し、得られた安定性の指標を表示手段１０３に
それぞれ表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラント運転員訓
練用シミュレータに関し、特に、プラント制御装置及び
プラント本体の系統図を表示する機能を備え、訓練員に
プラントの動作についての学習が可能なプラント運転員
訓練用シミュレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、プラントの運転員訓練用シミュレ
ータには、実機同様の制御盤を備えて実機同様の運転訓
練が可能なフルシミュレータと、操作卓にワークステー
ションなどのキーボードを用い、規模は小さいがプラン
トのシミュレーションが可能な小規模シミュレータ（以
下コンパクトシミュレータと称する）がある（Roy Fra
y, COMPACT SIMULATORS FOR FOSSIL-FUELED POWER PLAN
TS,IEEE Spectrum Volume32, Number 2, February 199
5,pp.46-51）。これまでのプラント運転員訓練用シミュ
レータにおける運転員訓練では、運転員の運転技能の修
得に重点が置かれてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
コンパクトシミュレータをはじめとする運転員訓練用シ
ミュレータでは、運転技能の修得に重点が置かれていた
ために、プラントの動作原理や特性を学ぶための手段と
しては、プラントのトレンドを示すグラフから特性を読
み取る程度の学習しかできなかった。そのため、プラン
トの動作原理や特性等を、より定量的かつ効果的に学習
することが可能なシミュレータの実現が望まれている。

【０００４】さらに、上記のような問題は、プラントの
シミュレータだけに関するものではなく、飛行機や自動
車運転用シミュレータ等を含むほとんど全てのシミュレ
ータに関しても言えることである。

【０００５】本発明の目的は、プラント等の、人間によ
り運転される装置の動特性を定量的に把握し、当該装置
の物理的特性を効果的に学習することを支援できる運転
員訓練用シミュレータを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によるプラント運転員訓練用シミュレータ
は、プラント本体及びその制御装置の動作のうち少なく
とも一部の動作についてのシミュレーションを行うプラ
ント動特性模擬手段と、当該シミュレーションで用いる
模擬条件を設定する操作手段と、当該シミュレーション
の結果を表示する表示手段とを備えるシミュレータにお
いて、前記プラント動特性模擬手段によりシミュレーシ
ョンが行われた動作に対応する、前記プラント本体及び
その制御装置を構成する系統及び機器のうち、少なくと
も一部について、その動特性の安定性を評価するための
指標を、前記シミュレーション結果から算出する安定性
計算手段を有し、前記表示手段は、前記計算された安定
性を評価するための指標と共に、当該指標に対応する評
価対象を含む系統図を表示する。

【０００７】また、上記目的を達成するために本発明
は、プラント本体及びその制御装置のシミュレータを用
いてプラントの運転操作を学習するプラント運転員訓練
方法において、シミュレーションに用いる計算刻み時間
を変更する毎に新たなシミュレーションを実行し、当該
新たなシミュレーションの結果から各状態量の時間変化
率係数を求め、当該求めた時間変化率係数から、プラン
トの安定性を評価するための指標を、前記プラント本体
及びその制御装置の少なくとも一部を構成する系統ある
いは機器毎に求め、当該求めた指標を、その評価対象で
ある系統あるいは機器毎に対応させて、当該シミュレー
タの表示画面に表示する。

【０００８】また、上記目的を達成するために本発明
は、運転員により操作される装置の動作のうち少なくと
も一部の動作についてのシミュレーションを行う装置動
特性模擬手段と、当該シミュレーションで用いる模擬条
件を設定する操作手段と、当該シミュレーションの結果
を表示する表示手段とを備えるシミュレータにおいて、
前記装置動特性模擬手段によるシミュレーションが行わ
れた動作に対応する、前記装置を構成する機器のうち、
少なくとも一部の機器のそれぞれについて、その動特性
の安定性を評価するための指標を、当該機器に対応する
シミュレーション結果から算出する安定性計算手段を有
し、前記表示手段は、前記安定性計算手段により計算さ
れた安定性を評価するための指標と共に、当該指標に対
応する機器を示す装置構成図を表示する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を、図
を参照して説明する。

【００１０】本実施形態の運転員訓練用シミュレータ
は、図１に示すように、ＣＰＵやメモリ等の電子デバイ
スで構成されるワークステーションやコンピュータ等の
情報処理装置により実現される演算手段１０１、操作卓
等を備える操作手段１０２、及び、ＣＲＴディスプレイ
等を備える表示手段１０３とを備える。

【００１１】演算手段１０１は、運転員によるプラント
運転操作状況を取り込む操作手段１０２と、訓練員がプ
ラント制御装置及びプラント本体の模擬結果を視覚的に
把握するための表示を行う表示手段１０３とに接続して
いる。

【００１２】演算手段１０１は、操作手段１０２により
入力された運転条件を基にプラントの動特性の模擬を実
施し、その模擬結果を出力するプラント動特性模擬手段
１０４と、操作手段１０２からの運転条件を受け入れ、
この運転条件から別途プラント動特性模擬手段１０４を
起動して、その結果からプラントの安定性を計算し、安
定性の評価値を出力するプラント安定性計算手段１０７
とを備えている。

【００１３】プラント動特性模擬手段１０４は、プラン
ト本体の動作を模擬するプラント本体模擬手段１０５
と、プラントの制御装置の動作を模擬するプラント制御
装置模擬手段１０６とを備えている。プラント本体模擬
手段１０５は、本来、分布定数系である実プラントを集
中定数系で模擬するものである。プラント制御装置模擬
手段１０６は、例えば、実プラントの制御装置の機能の
うち訓練に必要な機能だけを模擬したり、プラント本体
模擬手段１０５の応答特性と実プラントの応答特性の差
異を補償するための処理を行う。

【００１４】プラント動特性模擬手段１０４は、操作量
などの運転条件を、ユーザが指定した時間周期（以下、
計算刻み時間と記す）で入力し、温度や圧力などのプラ
ントの模擬結果（以下、状態量と記す）を上記計算刻み
時間で出力する。このとき、プラント動特性模擬手段１
０４の内部では、プラント本体の状態を記述する状態量
を計算刻み時間毎に更新すると共に、プラントの制御の
ため操作量を当該計算刻み時間毎に計算している。

【００１５】操作手段１０２は、プラントの運転条件と
して、プラントの運転操作の他に、状態量の初期値や計
算刻み時間の変更を指示することが可能な構成を有して
いる。そのため、プラント動特性模擬手段１０４では、
この状態量の初期値及び計算刻み時間を変更して、プラ
ントの任意の状態の模擬が可能である。

【００１６】次に、本実施形態におけるプラント安定性
計算手段１０７の構成例を、図２を参照して説明する。

【００１７】プラント安定性計算手段１０７は、プラン
ト動特性模擬手段１０４へ後述する時間変化率係数を求
めるために用いる運転条件を出力する時間変化率係数計
算用運転条件出力手段２０１と、運転条件及び模擬結果
からプラントの応答特性を示す時間変化率係数を得る時
間変化率係数算定手段２０２と、この時間変化率係数か
らシステム行列を求めるシステム行列算定手段２０３
と、このシステム行列の固有値を求める固有値計算手段
２０４と、固有値から安定性を評価する安定性評価手段
２０５と、から構成される。

【００１８】このとき、固有値計算手段２０４において
は、例えば「行列の固有値問題」（小川枝郎：数値解析
概論：pp.50-71：近代科学社（昭60））に記載の手法を
利用する。ただし、本発明において、固有値計算の手法
はこの方法に限定されるものではなく、他の手法により
システム行列の固有値を求めても構わない。

【００１９】ここで、固有値計算手段２０４により算出
される固有値とプラントの安定性との関係について説明
する。

【００２０】一般に、遅れが伴うｎ個の状態量ｘと、ｍ
個の操作量ｕを含むプラントのモデル式は、数１で表す
事ができる。

【００２１】

【数１】

【００２２】ここで、x1〜xn：プラント内部において遅
れを伴う状態量 u1〜um：操作量 f1〜fn：状態量と操作量の関数このとき、関数fiはTailor展開の第１次近似により線形
化でき、数２が導かれる。

【００２３】

【数２】

【００２４】ここで、xs1〜xsn：x1〜xnの定常値 us1〜usn：u1〜umの定常値（fi(xs1, xs2, ..., xsn, us1, us2, ..., usm) = 0）また、xiとxsi及びujとusjの関係を数３に表す。

【００２５】

【数３】

【００２６】そこで、数３を数２に代入すると、数４が
得られる。

【００２７】

【数４】

【００２８】さらに、数４をラプラス変換し、行列表現
で表すと数５が導かれる。

【００２９】

【数５】

【００３０】ここで、ｓ：ラプラス演算子 Δx(s) = (Δx1(s), Δx2(s), ..., Δxn(s))' Δx(0) = (Δx1(0), Δx2(0), ..., Δxn(0))' Δu(s) = (Δu1(s), Δu2(s), ..., Δum(s))' ' ：転置記号Ａ：システム行列Ｂ：駆動行列このとき、状態量の時間変化率の係数を表すシステム行
列Ａの構成は、数５ｂに、操作量の時間変化率の係数を
表す駆動行列Ｂの構成は、数５ｃに示す。

【００３１】数５ａをΔx(s)について整理すると、数６
が得られる。このとき、(sI-A)の逆行列を数７に示す。

【００３２】

【数６】

【００３３】

【数７】

【００３４】ここで、pij(s)：n-1次以下のsの多項式 q(s) ：(sI-A)の行列式また、数６の第１項は安定性に関り、これをラプラス逆
変換すると、特性方程式q(s)=0の根、即ち固有値λ
1，．．．λnが全て相異なり、単根の場合に初期値x(0)
を省略して表すと数８を得る。

【００３５】

【数８】

【００３６】特性方程式q(s)=0がＲ（＞１）重根の場合
は数９を得る。

【００３７】

【数９】

【００３８】ここで、L~ ¹：ラプラス逆変換 gij(t)：時間応答関数 ci ：定数数８、数９はいづれも時間応答関数の合成表現であり、
固有値λiはプラントの時間応答の特性を示す。なお、
固有値λiは複素数の場合も考えられ、数１０で表すこ
とができる。

【００３９】

【数１０】

【００４０】ここで、σi,ωi：実数ｊ：(=√-1) このとき、一般的な時間応答関数gi(t)は数１０を用い
て数１１で表される。

【００４１】

【数１１】

【００４２】数１１では、σiは時間応答関数gi(t)の応
答における減衰率を、ωiは時間応答関数gi(t)の振動角
周波数を示しており、プラントの安定性は、このｉ番目
の状態量xiに対応するσi及びωiから判別可能である。
なお、本実施形態で行われるシミュレーションにおい
て、xiとは、プラントを構成するポンプやパイプなどの
構成機器における、遅れが伴う状態量である。

【００４３】σiとプラントの安定性について、その判
別方法の例を表１に示す。

【００４４】

【表１】

【００４５】表１は、σiの符号からプラントの安定性
を判別している。σiが負の場合、時間応答関数gi(t)の
応答は時間とともに整定値へと収束する。また、σiが
零の場合には、時間応答関数gi(t)の応答は変化しな
い。そこで、σiが負または零の場合には、時間応答関
数gi(t)の応答は安定であると評価する。

【００４６】一方、σiが正の場合には、時間応答関数g
i(t)の応答は時間とともに発散する。そこで、σiが正
の場合には、時間応答関数gi(t)の応答は不安定である
と評価する。

【００４７】また、ωiとプラントの安定性に付いて、
その判別方法の例を表２に示す。

【００４８】

【表２】

【００４９】表２は、ωiの絶対値から時間応答関数gi
(t)の応答の振動周波数の程度を得る。ωiの絶対値が小
さい場合、時間応答関数gi(t)の応答の振動周波数は低
く、振動の周期は長い。これに対して、ωiの絶対値が
大きい場合は、時間応答関数gi(t)の応答の振動周波数
は高く、振動の周期が短くなる。

【００５０】なお、本実施形態では、時間変化率係数で
あるシステム行列の要素を求める方法として、モデル式
の偏微分を計算する代わりに数１２を用いている。

【００５１】

【数１２】

【００５２】ここで、xrj：状態量xjの変化分このとき、計算刻み時間Δｔを十分に小さくすると、連
続系として近似できることになり、本来連続系であるプ
ラントの安定性が得られると考えられている。よって、
Δｔを十分小さくすることでプラント本来の動特性が学
習可能である。計算刻み時間の具体的な選択方法として
は、例えば、「ユーザのためのシステム同定理論」（足
立修一著：計測自動制御学会：平成５年）に記載の方法
を用いると良い。

【００５３】一方、実際の計算では、プラント動特性模
擬手段１０４（図１参照）は、有限の計算刻み時間Δｔ
を１周期として計算を実行する。よって、本来連続系で
あるプラント本体の応答を、離散系で近似的に模擬して
計算することとなり、上述したように計算刻み時間を十
分小さくできない場合には、プラント本体の応答が不安
定になる場合がある。

【００５４】そこで、プラント動特性模擬手段１０４に
おいてプラントを、離散系で模擬した場合の安定性の指
標の計算の一例を説明する。なお、ここでの安定性は、
実際のプラントの物理的特性だけでなく、シミュレーシ
ョンの条件、例えば、計算刻み時間の長さにも影響され
るものである。

【００５５】プラントの離散系モデル式は、プラントの
連続系モデル式を一定の計算刻み時間でサンプリングす
ることにより得られる。一般に遅れを伴うｎ個の状態量
ｘと、ｍ個の操作量ｕを含むプラントの連続系のモデル
式である数１の離散系モデル式は、前進差分法を用いる
と数１３で表わされる。

【００５６】

【数１３】

【００５７】ここで、ｋ：整数（ｋ＞０） Δｔ：計算刻み時間ｆｉ：関数Ｘ：状態量ｘのサンプリング値Ｕ：操作量ｕのサンプリング値このとき、数１３はTailor展開の第１次近似により線形
化でき、数１４が導かれる。

【００５８】

【数１４】

【００５９】ここで、Xs1(kΔt)〜Xsn(kΔt)：X1(kΔt)
〜Xn(kΔt)の定常値 Us1(kΔt)〜Usn(kΔt)：U1(kΔt)〜Un(kΔt)の定常値（fi(Xs1(kΔt), ..., Xsn(kΔt), Us1(kΔt),..., Usm
(kΔt)) = 0）また、Xi(kΔt)とXsi(kΔt)及びU1(kΔt)とUsi(kΔt)の
関係を数１５に示す。

【００６０】

【数１５】

【００６１】数１５を数１４に代入すると、数１６が得
られる。

【００６２】

【数１６】

【００６３】また、数１６を行列表現で表すと数１７が
得られる。

【００６４】

【数１７】

【００６５】ここで、ΔX(kΔt)=(ΔX1(kΔt), ..., Δ
Xn(kΔt))' ΔU(kΔt)=(ΔU1(kΔt), ..., ΔUm(kΔt))' '：転置記号Ｐ：離散系システム行列Ｑ：離散系駆動行列このとき、状態量の時間変化率係数を表す離散系システ
ム行列Ｐの構成を数１７ｂに、操作量の時間変化率係数
を表す離散系駆動行列Ｑの構成を数１７ｃに示す。

【００６６】数１６をΔX((k+1)Δt)について整理する
と数１８が得られる。

【００６７】

【数１８】

【００６８】数１８で表す離散系システムは、一般的に
Δｔが増加すると応答が不安定となる。そのため、適切
な刻み時間でシミュレーションを実施する必要がある。
計算刻み時間の具体的な選択方法としては、例えば、
「ユーザのためのシステム同定理論」（足立修一著：計
測自動制御学会：平成５年）に記載の方法を用いると良
い。

【００６９】ここで、プラントのシミュレーションの応
答の安定性を示す指標を求める。数１８をｚ変換し、Δ
X(z)で整理すると、数１９が得られる。

【００７０】

【数１９】

【００７１】このとき、((z-1)I-PΔt)の逆行列を数２
０に示す。

【００７２】

【数２０】

【００７３】ここで、wij(z)：n-1次以下のzの多項式 v(z)：((z-1)I-PΔt)の行列式また、数１９の第一項は安定性に関わり、これを逆ｚ変
換すると特性方程式v(z)=0の根、即ち固有値z1, ..., z
nが相異なり、単根の場合に初期値X(0)を省略して表わ
すと数２１を得る。

【００７４】

【数２１】

【００７５】特性方程式v(z)=0がＲ（＞１）重根の場合
は数２２を得る。

【００７６】

【数２２】

【００７７】ここで、Z ~ ¹：ｚ逆変換 hij(kΔt)：時間応答関数 Ci：定数数２１、数２２はいづれも離散系システムにおける時間
応答関数の合成表現であり、固有値ziは時間応答の特性
を示す。なお、固有値ziは数２３で表される。

【００７８】

【数２３】

【００７９】このとき、離散系システムの安定性は表３
で判別する。

【００８０】

【表３】

【００８１】表３から、固有値ziの絶対値が１未満の場
合には時間応答関数hi(kΔt)の応答は時間ととも整定値
へと収束する。固有値ziの絶対値が１の場合には時間応
答関数hi(kΔt)の応答は変化しない。そこで、固有値zi
の絶対値が１以下の場合には、時間応答関数hi(kΔt)の
応答は安定していると評価する。

【００８２】これに対して、固有値ziが１より大きい場
合には時間応答関数hij(kΔt)は時間とともに発散す
る。そこで、時間応答関数hij(kΔt)の応答は不安定で
あると評価する。なお、離散系システムの安定性につい
ては「自動制御」（伊藤正美著：pp.169-190：丸善：平
２−４）に詳しく説明されている。

【００８３】次に、本実施形態における表示手段１０３
について、図３、図４を参照して説明する。

【００８４】図４は、火力発電プラントの訓練用シミュ
レータに本発明を適用した場合の表示手段１０３の表示
画面例であり、火力発電プラントの給水系統における、
脱気器と節炭器の間に存在する給水ポンプと給水流量調
整弁を、系統図として図示したものである。実際の系統
図は図４に比べて少し複雑になるが、ここでは説明のた
め、簡略化している。

【００８５】表示手段１０３は、図３に示すように、Ｃ
ＲＴや液晶パネル等で構成される画像表示装置１０３２
と、プラント動特性模擬手段１０４及びプラント安定性
計算手段１０７から入力される情報に基づいて画像表示
装置１０３２に表示する画像データを生成する画像デー
タ処理装置１０３１と、プラント安定性計算手段１０７
で計算された安定性について、音声、機械的振動、ある
いは、所定の画像表示等により運転員へ告知する告知装
置１０３３とを有する。

【００８６】画像表示装置１０３２は、例えば図４に示
すような、系統図表示部３０１と、系統情報表示部３０
２から構成される画面の表示を行う。

【００８７】系統図表示部３０１は、当該系統を構成す
る機器３０３、機器３０４、機器３０５、機器３０６、
機器３０７、機器３０８、機器３０９、機器３１０、機
器３１１、機器３１２、機器３１３、機器３１４の表示
部と、各機器の下に表示して当該機器での時間応答特性
を表す、機器固有値３１５及び機器時定数３１６の表示
部とから構成される。

【００８８】ここで、機器固有値３１５及び機器時定数
３１６は、それぞれ表示される値の意味、すなわち安定
性を評価するための指標の種類についての文字情報であ
る。このような文字情報とそれに対応する数値を、少な
くとも一組は表形式で互いに対応させて表示することに
より、表示画面上において、数値の持つ意味を明確に示
すことができる。また、機器固有値３１５及び機器時定
数３１６の文字、あるいは、各機器毎の数値を表示する
際には、同じ画面上に表示されている系統や機器の表示
と重ならないように表示する。

【００８９】このとき、機器３０３及び機器３０４は、
この系統が他の系統の機器と接続していることを示す。
また同時に、機器３０３及び機器３０４は、計算におい
て使用される境界条件を示している。

【００９０】本実施形態では、機器３０５、機器３０
６、機器３０７、機器３０８、及び、機器３０９は、水
が通過するパイプを示している。このとき、パイプは機
器３０８及び機器３０９のように分岐、合流している場
合もある。さらに、機器３０５、機器３０６、機器３０
７、機器３０８、及び、機器３０９は、内部を非圧縮性
流体が流れるタンクとしてモデル化されており、タンク
内部の流体が時間遅れを持つことから、上述した方法に
より、プラント安定性の指針である固有値が計算可能で
ある。

【００９１】また、機器３１３及び機器３１４は、本実
施形態ではポンプを示している。機器３１３及び機器３
１４についても、遅れを持つため、同様に、機器固有値
が計算可能である。

【００９２】機器３１０、機器３１１、機器３１２はバ
ルブを示している。このとき、機器３１０及び機器３１
１は、内部流体の逆流を防ぐ逆止弁である。また、前記
機器３１２は、機器３０５及び機器３０８の接続部で内
部流体の流量を調整する給水流量調整弁である。なお、
機器３０６及び機器３１３の接続部には、機器３１０、
機器３１１、あるいは、機器３１２が存在しない。この
ような機器の場合、画面には未表示だが図１におけるプ
ラント動特性模擬手段１０４の内部で流量計算式を適用
している。

【００９３】本実施形態では、機器３０５、機器３０
６、機器３０７、機器３０８、機器３０９、機器３１
３、及び、機器３１４のように時間遅れを持つ機器につ
いては、機器固有値３１４及び機器時定数３１６を表示
する。

【００９４】このとき、機器固有値３１５としては、固
有値計算手段２０４で計算される固有値Ｚあるいはλ
（計算刻み時間が十分小さい場合）の一方を表示する
か、あるいは、両方をそれぞれ計算して両者を表示する
構成としても良い。

【００９５】また、機器時定数３１６は機器の遅れ時間
（応答時間）を示すループ時定数であり、機器固有値３
１５の実部の逆数でかつ符号を反転した値である。ここ
で、時定数はある機器の入力にステップ信号を与えた場
合、機器の状態量が新たな整定値の６３．２％に達する
までの時間である。

【００９６】本実施形態においては、表示手段１０３の
告知装置１０３３（図３参照）が、上記機器固有値３１
５及び機器時定数３１６のうち少なくとも一方に基づい
て、表１〜表３の判定基準に従い、該当する機器が安定
か不安定かを判定して、その判定結果をプラント運転員
に告知する。

【００９７】告知装置１０３３を、例えばスピーカを備
える音声発生装置により構成した場合には、動特性安定
時には和音を発生させ不安定時には不協和音を発生させ
たり、あるいは、安定時には等間隔に所定の音を発生し
不安定時には当該音の発生間隔を不等間隔にしたり、あ
るいは、不安定である機器／系統／プラントの名称を音
声で知らせるようにする。

【００９８】また、告知装置１０３３を、例えばプラン
ト運転員が使用する椅子を小きざみに振動させる振動発
生装置により構成した場合には、動作不安定時に振動を
発生させるようにする。

【００９９】また、告知装置１０３３を、例えば画像表
示装置１０３２へ表示するための画像データを生成する
画像データ生成装置により構成した場合には、画像表示
装置１０３２の画面（図４参照）に表示されている画像
のうち不安定である機器／系統／プラント全体を強調し
て表示したり、あるいは、不安定である機器／系統／プ
ラント全体があたかも振動しているかのように、該当す
る部分の表示位置を時間と共に微小変化させて表示した
り、あるいは、不安定である機器／系統／プラント全体
に対応する表示図形を変更し、例えば笑った顔や困った
顔、安定しているヤジロベエや不安定なヤジロベエを表
示することにより、安定か不安定かを示す構成としても
良い。

【０１００】系統表示部３０２には、例えば、系統最小
時定数３１７と、現在の計算刻み時間３１８と、シミュ
レーションの開始等を指示するための操作手続きボタン
３１９とが表示される。

【０１０１】このとき、現在計算刻み時間３１８とは、
表示時点でのシミュレーションにおける計算刻み時間で
あり、訓練員が操作手段１０２等により自由に変更でき
る。また、現在計算刻み時間３１８の変更後、操作手続
きボタン３１９により系統図表示部３０１のシミュレー
ションを実施することができる。

【０１０２】系統最小時定数３１７は、表示手段１０３
に表示されている系統表示部３０１における最小の時定
数を表示する。系統最小時定数３１７はプラントの応答
時間である。このため、通常、この時間よりも短い計算
刻み時間でシミュレーションすることで、安定した模擬
結果が得られる。

【０１０３】次に、本実施形態におけるシミュレータ動
作を図５のフローチャートを参照して説明する。

【０１０４】ここで、本実施形態のシミュレータは、従
来から行われているようなプラント操作手順の学習を行
うための操作手順学習用プログラムに加えて、プラント
の安定性の学習を行うための、図５に示すような安定性
学習用プログラムを備えているものとする。

【０１０５】本実施形態において操作手順学習用プログ
ラムを実行する際には、従来使用されているような操作
手順学習用の表示画面を表示して操作手順を学習させる
か、あるいは、上記図４の表示画面と操作手順学習用の
表示画面とを表示手段１０３の画面上に同時あるいは切
り換え表示し、安定性学習用プログラムを随時実行する
ことにより、学習した操作によるプラントの安定性を確
認しながら、学習を行う。

【０１０６】安定性学習用プログラムは、例えば、上記
図４に示すような表示画面を表示して訓練員とのインタ
ーフェースを行い、当該インターフェースに応じて上記
図１の各手段の動作を制御してシミュレーションを実行
するものであり、この動作によって、運転員によるプラ
ント安定性の学習を支援する。

【０１０７】安定性学習用プログラムにおいては、図５
に示すように、最初ステップ１００１で、予め初期条件
として設定されている境界条件や操作条件等を設定した
り、訓練員とのインターフェースを行うための初期画面
を表示手段１０３の表示画面上に表示する。

【０１０８】次に、ステップ１００２で、本実施形態に
よる安定性の評価対象となる機器あるいは系統を決定す
るための選択指示を、例えば操作手段１０２を介して受
け付ける。

【０１０９】次に、ステップ１００３では、例えば上記
図４に示した表示手段１０３の表示画面上に表示されて
いる操作手続きボタン３１９が操作され、シミュレーシ
ョンの開始が指示されたかどうかをチェックする。シミ
ュレーション開始が指示された場合（ステップ１００３
でＹｅｓ）には、ステップ１００６へ進み、この時点で
設定されている操作条件や境界条件に従いシミュレーシ
ョンを実行し、その結果として得られた機器固有値３１
５や機器時定数３１６を、ステップ１００２で選択され
た機器あるいは選択された系統を構成する機器毎に、上
記図４に示したような表示画面上にそれぞれ表示し、そ
の後ステップ１００２へ戻る。

【０１１０】シミュレーション開始の指示がない場合
（ステップ１００３でＮｏ）には、ステップ１００４へ
進み、運転条件あるいは操作条件などの変更が、例えば
操作手段１０２により入力されたかどうかを調べ、前記
条件が変更されている場合（ステップ１００４でＹｅ
ｓ）には、ステップ１００３へ戻り、シミュレーション
開始の指示があるかどうかをチェックする。

【０１１１】前記条件が変更されていない場合（ステッ
プ１００４でＮｏ）には、ステップ１００５へ進み、計
算刻み時間が操作手段１０２により変更されているかど
うかを調べ、変更されている場合（ステップ１００５で
Ｙｅｓ）には、ステップ１００３へ戻り、シミュレーシ
ョン開始の指示があるかどうかをチェックする。

【０１１２】プラント訓練員が、本実施形態によるシミ
ュレータを使用してプラントの安定性に関する学習をす
る場合には、例えば、以下の手順に従い訓練を行う。

【０１１３】１．教本あるいは講座にて、予め、プラ
ントの構成及びプラントに見られる物理現象の概要を学
習する。

【０１１４】２．本実施形態によるシミュレータを動
作させ、その時点で与えられている初期条件において、
プラントを構成する全ての系統あるいは装置が安定であ
る事を確認する。

【０１１５】３．プラント本体の系統図あるいはプラ
ントの制御装置の系統図の中から、安定性を確認すべき
系統あるいは装置を選択する。

【０１１６】４．シミュレーションに使用する運転条
件や操作条件を変更する。

【０１１７】５．シミュレーションに使用する計算刻
み時間を変更する。

【０１１８】６．シミュレーションを実行して、手順
３で選択された系統あるいは装置の安定性を確認する。

【０１１９】７．手順５及び６を繰り返して、プラン
トの安定性と計算刻み時間との相互作用を体得する。ま
た、手順４〜６を繰り返して、プラントの安定性と運転
条件・操作条件との相互作用を体得する。

【０１２０】８．教本あるいは講座にて、プラントの
構成及びプラントに見られる物理現象を学習する。

【０１２１】本実施形態においては、系統図表示部３０
１（図４参照）の各機器の内部を非圧縮性流体が流れて
いるものとしている。この非圧縮流体では、機器内部の
圧力伝播速度が早いために、特にタンクとしてモデル化
している機器３０５、機器３０６、及び、機器３０７の
時定数は、他の機器の時定数と比較して小さい。そのた
め、系統の最小時定数３１７は、機器３０５、機器３０
６、及び機器３０７の時定数に一致している。

【０１２２】このとき、系統図表示部３０１に表示され
ている系統についてのシミュレーションを実施する際
に、使用する計算刻み時間を次第に大きくすると、系統
は安定から不安定状態へと次第に変化し、計算刻み時間
によっては系統の応答が振動或いは発散する場合が生じ
る。

【０１２３】従って、本実施形態の表示手段１０３の表
示画面上に表示されている機器時定数３１０あるいは系
統最小時定数３１１によって、シミュレータの不安定の
原因箇所が機器単位で検出できる。また、機器固有値３
０９によって、現在の状態量の振動の有無や収束性が把
握できる。

【０１２４】また、実機プラント制御装置では、本来連
続であるプラントの機器の状態量を、当該装置内での計
算周期である計算刻み時間を用いて離散化して計測する
（上記数１３参照）。従って、この計算刻み時間を大き
くすると応答の早い機器では、制御系が不安定となり、
機器の状態量が急変して不安定状態に陥る場合がある。
本実施形態によれば、このような現象を計算刻み時間を
変化させることにより観測して、プラントの制御系の安
定性及びプラント本体の安定性についての学習が可能と
なる。

【０１２５】本実施形態では、プラントの応答からシス
テム行列の固有値及び機器時定数を求めて安定性を評価
したが、ラウス及びフルヴィッツの安定性判別法から安
定性の指標を求め、表示手段１０２の表示画面へ出力し
ても良い。

【０１２６】また、本実施形態のプラントモデルが周波
数領域で表される場合には、ナイキストの安定性判別法
を用いて安定性を評価し、その結果求められた指標を表
示画面に出力しても良い。ただし、安定性判別法はこの
方法に限定されるものではない。安定性判別法として
は、例えば「自動制御」（伊藤正美著：pp.92-102：丸
善：平2-4）に記載の方法を使用することができる。

【０１２７】また、本実施形態では、離散系システムに
前進差分を用いてモデル計算しているが、後進差分を用
いて計算してもよい。

【０１２８】また、本実施形態では、機器固有値３１５
及び機器時定数３１６を数値として表示しているが、棒
グラフなどを用いて表示しても良い。同様に、不安定な
場合には数値を赤で表示するなど色を変えて表示しても
良い。

【０１２９】また、本実施形態では、プラント本体を構
成する系統及び機器のうち、一つの系統に含まれている
複数の機器のそれぞれについて、安定性の指標を求め、
これを表示した例について説明したが、本発明によれ
ば、プラントの制御装置を構成する機器についても同様
に安定性を評価する指標を算出し、これを表示すること
ができる。

【０１３０】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、プラント制御装置及びプラント本体の少なくとも一
つを構成する機器の安定性の指標が表示されるので、訓
練員はプラント制御装置及びプラント本体のうち少なく
とも一方を構成する機器の応答特性が機器毎に把握でき
る。

【０１３１】さらに、本実施形態によれば、プラント制
御装置及びプラント本体の少なくとも一方を構成する機
器の固有値がそれぞれ表示されるので、訓練員は応答特
性の概要が機器毎に把握できる。

【０１３２】さらに、本実施形態によれば、プラント制
御装置及びプラント本体の少なくとも一方を構成する機
器のループ時定数がそれぞれ表示されるので、訓練員は
ステップ信号を与えた場合の整定時間を機器毎に把握で
きる。

【０１３３】さらに、本実施形態によれば、プラント運
転員訓練用シミュレータの計算周期である計算刻み時間
を変更して模擬を実施した場合に、プラント本体及びプ
ラント制御装置の少なくとも一方を構成する機器の固有
値がそれぞれ表示されるので、訓練員は計算刻み時間を
変更して模擬を実施した場合の応答特性の概要が機器毎
に把握できる。

【０１３４】さらに、本実施形態によれば、プラント運
転員訓練用シミュレータの計算周期である計算刻み時間
を変更して模擬を実施した場合に、プラント本体及びプ
ラント制御装置の少なくとも一方を構成する機器のルー
プ時定数がそれぞれ表示されるので、訓練員はステップ
信号を与えた場合の整定時間を機器毎に把握できる。

【０１３５】以上により、本実施形態によるシミュレー
タは、プラント運転員がプラント構成機器単位での特性
を学習し、さらに、プラント動特性シミュレータの理解
を深めるための助けとなる、という効果がある。

【０１３６】次に、本発明を適用したプラント運転員訓
練用シミュレータの他の実施形態について図６を参照し
て説明する。

【０１３７】上記図１の実施形態では、プラント運転員
は、その訓練のために、運転条件の設定及び選択を任意
にすることが可能な構成であったが、図６に示すよう
に、プラント訓練員を指導する運転指導員のための操作
卓及び表示画面を別途設けて、操作範囲を使用者毎に変
えることが可能な構成としてもよい。

【０１３８】すなわち、上記図１に示すシミュレータの
構成において操作手段１０２及び表示手段１０３を指導
を受ける訓練員用とし、さらに、指導員用の操作手段４
０２及び指導員用表示手段４０３を設ける構成とする。
ここで、指導員用の操作手段４０２及び表示手段４０３
は、上述した操作手段１０２及び表示手段１０３と基本
的には同様な構成を有するものとする。ただし、操作手
段４０２は、これに加えて、訓練員用の操作手段１０２
から出力できる運転条件の範囲を制限することができる
機能等、操作手段１０２及び表示手段１０３の動作を制
御する機能を備えるものとする。

【０１３９】次に、本発明を適用したプラント運転員訓
練用シミュレータの他の実施形態について図７を参照し
て説明する。

【０１４０】上記図１の実施形態では、プラントの安定
性はプラント動特性模擬手段１０４の模擬結果を用いて
求めているが、実機プラントの運転結果を記録し、この
運転結果から、上述した時間変化率係数を求めて、当該
求めた時間変化率係数に基づいて上述したような方法に
よりプラントの安定性を計算しても良い。このような場
合に用いるシミュレータの構成例を図７に示す。

【０１４１】図７に示すシミュレータは、実機プラント
５０１、実機プラント５０１の制御装置５０２、実機プ
ラント５０１及び制御装置５０２でのデータを取り込む
ためのオンライン伝送経路５０３、オンライン伝送経路
５０３を介して取り込んだ実機プラント５０１及び制御
装置５０２のデータを処理する演算手段５０４、操作手
段１０２、及び、表示手段１０３から構成される。

【０１４２】演算手段５０４は、実機プラント５０１及
び制御装置５０２のデータを保存する運転結果保存装置
５０５と、上述したプラント安定性計算手段１０７とか
ら構成される。演算手段５０４と上記図１の演算手段１
０１との異なる点は、上記図１におけるプラント動特性
データを、図７のシミュレータでは、外部（実機プラン
ト）から得ている点である。

【０１４３】図７のシミュレータの場合、上記数５ａに
示されるプラントのシステム行列の係数を求めるには、
運転結果保存装置５０５に保存されている運転結果から
各状態量の変化量を算出して、その算出結果を上記数１
２に適用する。

【０１４４】次に、本発明を適用したプラント運転員訓
練用シミュレータの他の実施形態について図８を参照し
て説明する。

【０１４５】上記図１の実施形態では、上記数１によっ
て系統を表しているため、プラントで使用されている機
器の接続及び仕様を運転員が変更できない。ところが、
本発明では、安定性の評価をするための機器時定数を、
プラントを構成する各機器の応答から求めている。この
ため、上記数１を系統毎に使用する代わりに、プラント
を構成する各機器毎に数式を割り当て、これら数式の群
を用いてシミュレーションをする構成とすることで、機
器間の接続や各機器の仕様を運転員が直接変更しても、
安定性を評価することが可能である。図８にその実施形
態例を示す。

【０１４６】本実施形態のシミュレータは、上記図４と
同様に系統図表示部３０１と系統情報表示部３０２で構
成されている。ただし、図８の系統図表示部３０１は、
機器７０３、機器７０４、機器７０５、機器７０６、機
器７０７、機器７０８、機器７０９、機器７１０、機器
７１１、機器７１２、及び、機器７１３の表示部と、機
器固有値３１５及び機器時定数３１６の表示部とで構成
されている点で、上記図４と異なっている。

【０１４７】本実施形態において、機器７０５、機器７
０６、機器７０７、機器７０８、機器７０９、機器７１
０、機器７１１、機器７１２、及び、機器７１３は、系
統図表示部３０１上で自由に配置変更が可能である。こ
のとき、プラント機器の接続の変更によってプラントの
特性が変わり、安定したシミュレーションに必要な計算
刻み時間が変わった場合でも、系統最小時定数よりも短
い計算刻み時間でシミュレーションを実施することでシ
ミュレーションの安定性が維持される。

【０１４８】以上、本発明をプラントに適用した場合に
ついて説明したが、本発明の適用対象はプラントに限ら
れるものではなく、人間によって制御される様々な装
置、例えばロケット、衛星、飛行機、船舶、自動車等の
制御の訓練においても、上記の実施形態のシミュレータ
と同様に使用できるシミュレータを提供することができ
る。

【０１４９】

【発明の効果】本発明によれば、プラント等の装置の動
特性を定量的に把握し、当該装置の物理的特性を効果的
に学習することを支援できる運転員訓練用シミュレータ
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形におけるシミュレータの構成
を示すブロック図。

【図２】図１のシミュレータにおけるプラント安定性計
算手段の構成例を示すブロック図。

【図３】図１のシミュレータにおける表示手段の構成例
を示すブロック図。

【図４】図１のシミュレータの表示手段における画面表
示例を示す説明図。

【図５】図１のシミュレータを用いた訓練手順の一例を
示すフローチャート。

【図６】本発明の他の実施形態例の構成を示すブロック
図。

【図７】本発明の他の実施形態例の構成を示すブロック
図。

【図８】本発明の他の実施形態例における画面表示の例
を示す説明図。

【符号の説明】

１０１...演算手段、１０２...入力手段、１０３...表
示手段、１０４...プラント動特性模擬手段、１０７..
プラント安定性計算手段、３０１...系統表示部、３０
２...系統情報表示部、３１５...機器固有値、３１
６...機器時定数、３１７...系統最小時定数、３１
８...現在の計算刻み時間。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラント本体及びその制御装置の動作のう
ち少なくとも一部の動作についてのシミュレーションを
行うプラント動特性模擬手段と、当該シミュレーション
で用いる模擬条件を設定する操作手段と、当該シミュレ
ーションの結果を表示する表示手段とを備えるシミュレ
ータにおいて、前記プラント動特性模擬手段によりシミュレーションが
行われた動作に対応する、前記プラント本体及びその制
御装置を構成する系統及び機器のうち、少なくとも一部
について、その動特性の安定性を評価するための指標
を、前記シミュレーション結果から算出する安定性計算
手段を有し、前記表示手段は、前記計算された安定性を評価するため
の指標と共に、当該指標に対応する評価対象を含む系統
図を表示することを特徴とするプラント運転員訓練用シ
ミュレータ。
【請求項２】請求項１において、前記安定性計算手段は、前記安定性を評価するための指標が計算されるべき評価
対象に対応するシミュレーション結果から、当該評価対
象の動作に対応する状態量の時間変化率係数を算出する
時間変化率係数算定手段と、前記算出された時間変化率係数からシステム行列を算定
するシステム行列算定手段と、前記安定性を評価するための指標として、前記算定され
たシステム行列の固有値を算出する固有値計算手段とを
有することを特徴とするプラント運転員訓練用シミュレ
ータ。
【請求項３】請求項１において、前記安定性計算手段は、前記安定性を評価するための指標が計算されるべき評価
対象に対応するシミュレーション結果から、当該評価対
象の動作に対応する状態量の時間変化率係数を算出する
時間変化率係数算定手段と、前記算出された時間変化率係数からシステム行列を算定
するシステム行列算定手段と、前記安定性を評価するための指標として、前記算定され
たシステム行列から、対応する系統あるいは機器の遅れ
時間を示すループ時定数を算出する時定数算出手段とを
有することを特徴とするプラント運転員訓練用シミュレ
ータ。
【請求項４】請求項２において、前記安定性計算手段は、前記安定性を評価する指標とし
て、前記算定されたシステム行列から、対応する評価対
象の遅れ時間を示すループ時定数を算出する時定数算出
手段をさらに有し、前記表示手段は、前記安定性を評価する指標として、前
記固有値及びループ時定数のうち少なくとも一方を表示
することを特徴とするプラント運転員訓練用シミュレー
タ。
【請求項５】請求項４において、前記操作手段は、前記シミュレーションで用いる計算周
期である計算刻み時間を変更する指令を出力するもので
あり、前記安定性計算手段は、前記指令に応じて変更された計
算刻み時間を用いて行われたシミュレーション結果を用
いて、安定性の指標を算出することを特徴とするプラン
ト運転員訓練用シミュレータ。
【請求項６】請求項５において、前記安定性計算手段は、複数の評価対象のそれぞれにつ
いて、前記安定性を評価するための指標として、前記固
有値及び前記ループ時定数とを算出するものであり、前記表示手段は、前記算出された複数のループ時定数の
うちの最小値をさらに表示することを特徴とするプラン
ト運転員訓練用シミュレータ。
【請求項７】請求項１において、前記プラント動特性模擬手段によるシミュレーションで
用いる模擬条件を設定すると共に、前記操作手段から出
力できる模擬条件の範囲の制御を行う指導員用操作手段
をさらに有することを特徴とするプラント運転員訓練用
シミュレータ。
【請求項８】請求項１において、前記プラント動特性模擬手段は、前記プラント本体及び
その制御装置を構成する、複数の系統あるいは複数の機
器のそれぞれに対してモデル式を割り当て、これらモデ
ル式群を用いてシミュレーションを実行することを特徴
とするプラント運転員訓練用シミュレータ。
【請求項９】請求項１において、前記表示手段は、前記安定性を評価するための指標の種
類を表す文字及びその値を、表形式で、当該指標に対応
する評価対象である系統あるいは機器の近傍に表示する
ことを特徴とするプラント運転員訓練用シミュレータ。
【請求項１０】請求項１において、前記表示手段は、前記安定性を評価する指標及び前記系
統図を表示する際に、前記指標の値を表す数値の表示と
前記系統図に含まれる機器の表示とが重ならない位置
に、両者を表示するものであることを特徴とするプラン
ト運転員訓練用シミュレータ。
【請求項１１】制御装置を含む実機プラントでの運転状
態を示すデータを取り込み、保存するデータ保存手段
と、前記保存されているデータから、前記実機プラントを構
成する系統及び機器のうち少なくとも一部について、そ
の動特性の安定性を評価するための指標を算出する安定
性計算手段と、前記計算された指標と共に、当該指標に対応する評価対
象を含む系統図を表示する表示手段とを有することを特
徴とするプラント運転員訓練用シミュレータ。
【請求項１２】プラント本体及びその制御装置の動作を
模擬するシミュレータを用いて、プラントの運転操作を
学習するプラント運転員訓練方法において、シミュレーションに用いる計算刻み時間を変更する毎に
新たなシミュレーションを実行し、当該新たなシミュレ
ーションの結果から各状態量の時間変化率係数を求め、
当該求めた時間変化率係数から、プラントの安定性を評
価するための指標を、前記プラント本体及びその制御装
置の少なくとも一部を構成する系統あるいは機器毎に求
め、当該求めた指標を、その評価対象である系統あるい
は機器毎に対応させて、当該シミュレータの表示画面に
表示することを特徴とするプラント運転員訓練方法。
【請求項１３】運転員により操作される装置の動作のう
ち少なくとも一部の動作についてのシミュレーションを
行う装置動特性模擬手段と、当該シミュレーションで用
いる模擬条件を設定する操作手段と、当該シミュレーシ
ョンの結果を表示する表示手段とを備えるシミュレータ
において、前記装置動特性模擬手段によるシミュレーションが行わ
れた動作に対応する、前記装置を構成する機器のうち、
少なくとも一部の機器のそれぞれについて、その動特性
の安定性を評価するための指標を、当該機器に対応する
シミュレーション結果から算出する安定性計算手段を有
し、前記表示手段は、前記安定性計算手段により計算された
安定性を評価するための指標と共に、当該指標に対応す
る機器を少なくとも示している装置構成図を表示するこ
とを特徴とする運転員訓練用シミュレータ。