JPS5847042B2 - 異常検知方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、プラント、自動制御装置あるいはフィードバ
ック制御系を検知対象とする異常検知方法に係わり、特
に内部に積分特性を有する検知対象に適用するに好適な
方法である。

従来、この種の異常検知方法の１つとして、検知対象の
入力信号と出力信号（またはフィードバック信号）とを
比較し、その偏差信号の大小によって異常を判定するも
のがある。

つまり検知対象が故障していなげれば検知対象の出力信
号は入力信号とあらかじめ定められた一定の関係を示し
、検知対象が故障していると、出力信号は入力信号と無
関係な値をとるので、偏差信号が大きくなるということ
を利用した異常検知方法である。

しかし、この場合に検知対象の応答が速い場合には正確
に検知できるが、検知対象の応答が遅い場合には、検知
装置が故障していないにもか工わらず、入力信号と出力
信号の偏差はかなり大きなものとなる。

したがって、検知装置の感度を高くしようと思えば、誤
判定しやすくなり、その逆に誤判定しに＜（シようとす
れば、検知感度を低くしなげればならないという欠点が
あることから、最適制御などで用いられているモデル比
較法を異常検知に利用する方式が考えられている。

第１図に、モデル比較方式による異常検知方法を示す。

図においてＡは検知対象、Ｂは異常検知装置であり、ま
たＧ（ｓ）はプラントおよびその制御装置を含めたフィ
ードバック制御系の一巡伝達関数である。

異常検知装置Ｂは制御目標値信号１０１を入力とし、検
知対象モデルＷ（ｓ）を介して上記の開ループ系におけ
るフィードバック信号１０３との偏差１０２を求め、こ
の偏差の大小によって異常を判定し、警報信号１０８を
発する。

この場合、異常検知装置では、検知対象モデルであるＷ
（ｓ）は（１）式で示される。

こΣで、検知対象であるフィードバック制御系に故障が
なげれば、Ｗ（ｓ ）を介した信号は、入力信号（目標
値信号）１０１がどのように変化しようともフィードバ
ック信号と一致し、両者の偏差信号１０２は常に零とな
る。

正常な場合においても偏差信号が変動する前記の方式に
比べて、モデル比較方式では正常時の変動がないので検
知の感度が上げられ、また誤判定を生じにくい筈である
。

しかし、実際にこの方式を利用する場合には様々な原因
により、検知対象が故障していない時にも偏差信号の変
動が生じ、誤判定することがある。

その理由の代表的なものは次のようである。

（１）検知対象は、プラントやアナログ式の自動制御装
置であるが、その特性式は複雑なものとなることが多く
、そのためにモデルはアナログ演算回路ではなく、ミニ
コンなどのディジタル演算装置でプログラムによって構
成されることが多い。

この場合のモデルによる演算結果には量子化誤差が含ま
れる。

特に検知対象がアナログ式の自動制御装置のようなもの
であるときは、たとえば装置内のリレー動作などにより
スパイク状のノイズがしばしば重畳し、量子化誤差によ
る誤動作が問題となる。

（２）検知対象の特性を完全に把握してモデル化するこ
とは実際上むずかしい面があり、特に、それが数式で記
述されても、そのパラメータを実際の検知対象と一致さ
せることがまた大変である。

このパラメータ調整には、検知対象の特性テストを多ケ
ース行なうことになるが、手間がかかるので適当な所で
打切られる。

このモデルのパラメータ誤差は積分項が内在する場合に
は蓄積されるため、検知対象の出力とモデル演算結果と
は時間の経過につれて偏差が増大し、異常検知の誤判定
を招く。

本発明の目的は、上記したモデル比較方式の持つ欠点を
なくし、検知感度が高くかつ誤判定の少ない異常検知方
法を提供するにある。

本発明の要点は、モデル比較方式により異常検知する場
合の量子化誤差、パラメータ設定誤差等による誤判定を
なくすために、検知のための入力信号あるいは検知対象
の出力とモデル演算の出力との偏差信号の変化率からモ
デル演算の誤差の発生を判定し、モデルの演算出力を検
知対象に応じて変更するところにある。

第２図は、本発明の概略を示すブロック図であり、本発
明の要点はモデル修正装置１を付加した所にある。

このモデル修正装置１は、目標値信号１０１および異常
検知偏差信号１０２を入力し、モデル演算誤差検出装置
２およびモデル演算修正装置３を介して検知対象出力あ
るいはフィードバック信号１０３に応じたモデル演算結
果修正信号１０４を発生し、これによってＷ （ｓ ）
の出力信号を修正する。

第３図は、フィードバック制御系Ｇ（ｓ）を自動制御装
置Ｇ１（ｓ）と被制御プラントＧ２（Ｓ）に分離し、両
者の故障を弁別する場合の入出力関係を示すブロック図
である。

（なお、各ライン上の信号は、後述するようにこの異常
検知装置を第４図、第５図の様に適用した場合について
示している。

）第４図は、本発明の異常検知方法を火力発電プラント
のボイラ給水制御系に適用した場合の入出力関係を示す
ブロック図である。

復水器９の側から送られる給水を給水ポンプ８で加圧し
てボイラ側に送る装置で、この給水ポンプ８はボイラで
加熱された蒸気で働く給水ポンプ駆動タービン７によっ
て駆動される。

給水制御装置４は、給水ポンプ８から送られる給水流量
を駆動タービンの加減弁６にてＰＩ （比例積分）制御
する。

異常検知装置５は、給水制御装置４の故障を早期に検出
するためのもので、例えば第３図に示したものを使用す
ることができ、給水指令信号１０５、給水流量信号１０
６、給水制御信号１０７を入力し、警報信号１０８を出
力する。

第５図は、第４図における異常検知装置５をディジタル
計算機により模擬して実施する場合の演算フローを示す
。

ステップＳ１は人力部で、第４図における給水指令信号
１０５、給水流量信号１０６、給水制御信号１０７を入
力し、それぞれｘｔ（ｔ） ７Ｘ２ （ｔ） 、Ｘ３（
ｔ）とおく。

ステップＳ２では指令信号の変化率ＤＸ１（ｔ）を（２
）式に従って求める。

ステップＳ３．Ｓ４では、（２）式の結果から指令信号
Ｘｔ（ｔ）に含まれるスパイク状ノイズの有無を（３Ｘ
４）式に従って求める。

※ Ｌ２：予定の閾値（可変でもよい） すなわち、（３）式が成立するならばノイズ有として後
述のステップＳ７を経てＳｌへ戻り、（４）式が成立す
るならばステップＳ５へ進む。

ステップＳ５では給水制御信号Ｘ３（ｔ）と後述のモデ
ル演算出力Ｘ３（ｔ）との偏差Ｅ２（ｔ）’＞変化率Ｄ
Ｅ２（ｔ）を（５）式に従って求める。

つぎにステップＳ６では、（５）式の結果からモデルの
パラメータ設定誤差により生ずる偏差Ｅ２（ｔ）の変化
を（６）式の条件で求め、故障により生ずる偏差Ｅ２
（ｔ ）と区別する。

ただし、Ｌ３：予定の閾値（可変でもよい）（６）式が
成立するならばパラメータ設定誤差に基づく偏差有りと
判断して、前畝３）式成立のときと同様に、ステップＳ
７において（７）式に従ってモデル演算出力Ｘ３＊（ｔ
）を求める。

一方（６）式が成立しない場合は、パラメータ設定誤差
に基づく偏差は無いものと判断し、ステップＳ８に進ん
で、（８Ｘ９）式に従うモデル演算を実施する。

ここで、Ｔ、Ｇは、検知対象である給水制御装置４にお
けるＰ−Ｉ演算器１０の時定数およびゲインである。

つづいてステップＳ９においては、（１０）式に従って
、偏差信号Ｅ２（ｔ）を求める。

この偏差信号Ｅ２（ｔ）の大小をステップＳ１０におい
て予定の閾値Ｌ１ と比較することにより（（１１）
式参照）故障を検知する。

すなわち、（１１）式が成立するならば給水制限装置４
が故障であると判定シ、ステップＳ１１で警報信号１０
８を発生して運転員に知らせたり、適当な表示・制御を
行う。

一方、α０式が不成立ならば正常であると判定して１サ
イクルを終了する。

本発明の効果は、前述したようにモデル比較方式により
異常検知する方法において、（１）量子化誤差（２）モ
デルのパラメータ設定誤差による誤判定を少なくするこ
とができる。

上記した実施例では、給水指令信号Ｘ１（ｔ）にスパイ
ク状の偏差があった場合ならびにＰ−Ｉ演算器の時定数
Ｔ、ゲインＧがモデル演算においてＡＴ、ＪＧだけ誤差
があった場合の偏差Ｅ２（ｔ）を第６図に示すように除
去することができる。

第６図は、給水流量制御Ｘ２（ｔ）を切り離した開ルー
プの特性を示すものであるが、同図Ａに示すように、給
水指令信号Ｘ１（ｔ）が時刻ｔ１ においてステップ状
に変化し、また時刻ｔ２ においてスパイク状のノイズ
（偏差）を生じた場合の、従来方法（第１図）および本
発明方法（第３，４図）による給水制御信号Ｘａ（ｔ）
およびモデル演算出力ｘ３＊（ｔ）はそれぞれ同図Ｂ。

Ｃのようになる。

したがって、図に矢印で示した時刻にそれぞれ（６）式
が成立して警報１０８を発生することになるが、これら
はすべて誤判断に基づくものである。

図Ｂ、Ｃを比較すれば明らかなように、本発明方法によ
れば誤判定が大巾に減少することがわかる。

以上に説明した本発明の異常検知方法には種々の変形が
可能であり、特に第５図のフロー図では各計算ステップ
毎に次のようなものが考えられ、いずれも本発明に属す
る。

（１） ステップＳ２における、入力信号に含まれる
ノイズ抽出において、実施例では給水指令信号Ｘ１（ｔ
）のみを考えたが、他の入力信号である給水流量信号Ｘ
２（ｔ）に対しても同様の演算を行なうことにより、ノ
イズによる誤判定をより減少することができる。

（２）ステップＳ５の正常時における偏差Ｅ２（ｔ）の
変動分の抽出において、実施例では時間（ｔ−Ｊｔ ）
〜ｔの変化率を求めているが、定常ノイズの影響を除く
ためにより長時間Ｃ変化率を統計的に処理する方法を採
用してもよい。

１例をあげれば、（１２）式によって変化率ＤＥ２を算
出することができる。

ただし、 ｋｌ・ ｋ２は定数で （３）ステップＳ７における修正方式として、偏差の変
動が少ない時には、検知対象の出力Ｘ、７ｔ）の変差分
を用いて（１３）式を用いてもほぼ同様の効果が得られ
る。

（４）ステップＳ６において用いる閾値Ｌ３をα方式に
したがって変化させれば、バンチングのように故障現象
の方向性が定まらない場合、検知装置の不動作を防ぐこ
とができる。

ただし、ｋは定数 （５）ステップＳ８のモデル演算は、偏差の変動をチェ
ックする前に行なっても良い。

（６）ステップ８３．Ｓ４．Ｓ６におけるノイズおよび
偏差の有無の判定は、いずれか一方のみについて行なう
だけでもよい。

一般に、モデル比較方式による故障検出は、対象が定常
状態にある時だけでなく、制御指令値の変化に従って変
動中である時の故障発生をも、原理的には感度良く検出
できる方式である。

しかし、実用上は、従来の方法では、ノイズによる誤動
作やモデルが正確に記述されないなどの理由により、第
６図Ｂに示したような誤判定が多かった。

本発明は、このような欠点をなくし、感度良くしかも誤
判定の少ない故障検出を可能とする方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の異常検知方法を示すブロック図、第２図
および第３図はそれぞれ本発明の実施例を示すブロック
図、第４図は本発明方法の適用例を示すブロック図、第
５図はその詳細を示すフロー図、第６図は本発明方法の
効果を説明する特性図である。 １・・・・・・モデル修正装置、２・・・・・・モデル
演算誤差検出装置、３・・・・・・モデル演算修正装置
、１０１・・・・・・目標値信号、１０２・・・・・・
異常検知偏差信号、１０３・・・・・ツイードバック信
号、１０８・・・・・・警報信号、Ｗ（ｓ）・・・・・
・モデル演算系。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 自動制御装置、制御対象プラントあるいはフィード
   バック制御系の異常検知方法であって、これらの検知対
   象と大略同一の特性を有し、かつ実質的に同一人力信号
   を与えられるモデル演算系を準備し、このモデル演算系
   の出力と前記検知対象の出力との偏差信号からその異常
   を判定する際、前記入力信号および出力偏差信号の少な
   くともいずれか一方の変化率を予じめ設定された閾値と
   比較し、その比較結果に応じてモデル演算系の出力を検
   知対象の出力を用いて修正することを特徴とする異常検
   知方法。 ２ 予じめ設定された閾値をモデル演算系の出力変化率
   に応じて変更することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の異常検知方法。 ３ 人力信号の変化率が予じめ設定された閾値よりも小
   さくないとき、モデル演算系の出力を検知対象の出力に
   置き換えることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の異常検知方法。 ４ モデル演算系の出力と検知対象の出力との出力偏差
   信号の変化率が予じめ設定された閾値よりも小さいとき
   、モデル演算系の出力を検知対象の出力に置き換えるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の異常検知方
   法。 ５ 前記出力偏差信号の変化率が予じめ設定された閾値
   より小さいとき、検知対象の出力変差分を用いてモデル
   演算系の出力を修正することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の異常検知方法。 ６ モデル演算系がプログラムによって構成されること
   を特徴とする特許請求の範囲第１ないし第５項記載の異
   常検知方法。