JPS62143103A - 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、原子力発電プラントや火力発電プラントなど
のプラントを制御する制御系に係り、特なプラント特性
が変化しても一様に良好な制御特性を実現するように改
良した制御ルールの学習機能を有するプラント制御装置
に関するものである。

〔従来技術〕

運転員のプラント制御方法に関する知識を制御ルールと
して直接入力可能で、かつルールの自動学習機能を持た
せたプラント制御器については、計測自動制御学会論文
集、２０巻、第８号、Ｐ７２０〜Ｐ　７２６　（１９８
４年）における、山崎及び菅野による「自動学習ファジ
ーコントローラ」と題する文献に記載された技術が公知
である。

第２図は上記公知技術に係る制御器のブロック図である
。

上記公知の制御装置の基本的な構成は、制御演算部５と
、ルール学習部２５とから成っている。

上記の制御演算部５は、制御目標値１と制御量１０との
偏差３、および、偏差の変化率４をとりこんで、制御ル
ールをファジィ論理により解釈して得られるルール参照
テーブル２４を用いて、プラントへの操作量の変化量６
を決定する。また、前記のルール学習部２５は、偏差３
とその変化率４とをとりこんでプラントの応答の目標値
と実際値とのずれの程度を示す制御の性能評価値を求め
、プラントモデルから求める操作量変化に対する制御量
変化のゲイン（以下、モデルゲインと称す）の逆数と性
能評価値の積をもってルール参照テーブルの操作量の変
化量の設定値を修正する。ここで、修正の対象となる制
御ルールは、制御性能を評価した時点よりもプラントの
操作効果遅れ時間だけ以前、及びその近傍で使われたル
ールとしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記の公知技術によれば、各時点の制御性能の評価値は
、それよりも操作効果遅れ時間だけ過去に用いられた制
御ルールのみに依存すると近似してアルゴリズムの簡単
化を図っている。この方法は、対象とするプラントが比
較的単純で、未知外乱発生や複数の制御系間の干渉など
の影響が少ない場合には良好な学習効果が得られている
。しかし、対象が原子カプラントのような複雑な多変数
のプラントであって種々の外乱が発生する場合には、性
能評価値に突発的外乱や制御系間の干渉による制御変数
の応答変化の影響も入ってくるので、これらを考慮した
新たなルール学習の方法の開発が望まれる。

プラント特性が変化した場合でも、一様に良好な制御特
性を実現するための適応機能を有する制御系を実現する
ような技術としては、公知例の他に、規範モデル応答と
プラント応答との偏差の時系列を用いて制御ゲイン又は
操作量の変化量を修正していくモデル規範形の適応制御
系が良く知られているが、これは対象プラントのモデル
を精度よく同定する必要があり、制御アルゴリズムが複
雑となる。

上記した従来技術は、いずれも目標とする応答にプラン
トの応答を可能な限り近づけるように制御性能を向上さ
せるための、ルール学習機能又は適応機能を有する制御
装置に関するものであるが。

前述したような複雑な大規模プラント（例えば原子カプ
ラント）での外乱や制御系干渉の発生によって、学習又
は適応動作が誤って行われると制御特性の不安定化をも
たらす虞れがある。

本発明の目的は、比較的簡単な制御アルゴリズムを用い
て、プラントで発生する外乱や制御系間の干渉の影響を
考慮し、制御安定性の確保を基礎とした制御ルールの学
習機能を持たせることにより、原子カプラントや火力プ
ラント等の大規模なプラントに対しても、プラント特性
変化に左右されることなく一様に良好で、かつ安定な制
御が可能なプラント制御装置を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

従来技術の制御の性能評価部に加え、新たに、プラント
の応答軌跡を評価して制御安定度を求め、制御安定度の
値に依存させて性能評価テーブル修正係数と制御ルール
修正係数を出力する応答軌跡評価部を付加したような、
制御装置の構成とすることにより、前記の目的を達成す
ることができる。

前記の応答軌跡評価部は、プラントの振動応答の減幅比
と振動振幅の程度の時間平均値を計算し、その２つの変
数を指標として制御安定度を求める。

ルール学習部における制御ルールの修正は、性能評価値
と応答軌跡評価部からの制御ルール修正係数を用い、外
乱又は制御系干渉等により急に振動応答を示すようにな
った場合は制御ルールの修正の程度を少くする。また、
振動振幅が定常的に大きいような場合には、このような
現象を生じたのは目標応答の速さにプラントが追従でき
ないことによると考えられるので、性能評価テーブルを
検索する場合の偏差の変化率に乗する係数を増加し、等
測的に規範応答を遅くする。

〔作用〕

制御ルールを修正する必要があるかどうかを判定するに
は、各サンプリング時点の偏差とその変化率から決まる
局所的な性能のみでなく、ある時間幅にわたる応答の全
体を評価するべきである。

而して、前述した解決手段を適用すると、応答軌跡評価
部により、プラント応答の振動の一周期以上にわたる時
間幅の応答を評価して、振動の減幅比と、振動振幅の程
度の平均値を求めて、ルールの学習に反映させることが
できる。これにより、複雑かつ大規模なプラントにみら
れる突発的外乱発生や制御系間の干渉の影響を受けた性
能評価値をルール修正に用いるという誤りを低減できる
。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図により説明する。

この実施例では、運転員がとる制御戦略を定性的に表現
した制御ルール（ＩＦ−ＴＨＥＮルール）をファジィ論
理を用いて解釈し、偏差とその変化率を入力としプラン
トへの操作量の変化量を出力とするルール参照テーブル
に変換して用いるファジィ制御方式を例にとっている６
本発明の原理はファジィ制御方式のみに限定されないこ
とは当然であり、ルール参照テーブルの作成方法、及び
その入出力形式は特に限定しない。

量子化部２は、目標値１と制御量１ｏとの偏差を毎時と
りこみ、規格化した偏差３と、規格化した偏差の変化率
４とを出力する。制御演算部５は、偏差３と偏差の変化
率４とをとりこみ、ルール参照テーブル１４を用いて操
作量の変化量６を出力する。

ルール参照テーブル１４は、偏差とその変化率が与えら
れたとき、操作量の変化量を決定するものであり、以下
に述べるような定性的表現の制御ルールを解釈して求め
る。

ＩＦ（（偏差が符号正で大（ＥｉｓＰ　Ｂ　））　Ａ　
Ｎ　Ｄ（偏差の変化率が符号負で小（ＣＥｉｓＮＳ））
ＴＨＥＮ　（操作量の変化量は符号負で中くらい（ＣＵ
ｉｓＮＭ））−−・＝− 制御ルールテーブルの例を表１に示す。

第１表 玉揚の第１表に用いた記号はそれぞれ次の如くである。

ＮＢ：ネガチブ　ビッグ ＮＭ：ネガチブ　メディアム ＮＳ：ネガチブ　スモール Ｚｏ：ゼロ ＰＢ：ポジチブ　ビッグ ＰＭ：ポジチブ　メディアム ＰＳ：ポジチブ　スモール 上記第１表に示したテーブルから、具体的な制御出力を
決定するためのルール参照テーブルを得るには、ファジ
ィ論理を用いて定性的表現の制御ルールを解釈する。第
３図に、ルール参照テーブルの解釈手順を示す、いま、
制御演算部５（第１図）で用いる量子化変数で偏差ｅと
、偏差の変化率ｃａが与えられたとき、ファジィ変数の
メンバーシップ関数を用いて各制御ルールの適合度を求
め、Ｉ＆も適合度の大きい制御ルールの結論部から操作
量の変化量を求める。

性能評価部１２（第１図）では、偏差３と偏差の変化率
４とをとりこんで性能評価テーブル１１を用いて性能評
価値を求める。性能評価値は、近似的に次の（１）式で
表わされるような、変化率を加味して偏差の程度を表わ
したものである。

Ｐｎ＝ｅｎ＋η・Ｑ　（３ｎ　　　　　　”・（１）こ
こで、Ｐｎ　：性能評価値、ａｎ　　：偏差、Ｑｅｎ偏
差の変化率、η：性能評価テーブル修正係数。

添字ｎはサンプリング時点を表わす、性能評価テーブル
修正係数ηは、後述する応答軌跡評価部１６の出力で与
えられるもので、規範応答の速さを調整するための係数
である。この値を増加させると、８ｎ＋η・ｃ　ｅ　ｎ
　”　Ｏの式で与えられる規範応答のカーブの傾きが低
下する。

ルール修正部１３では、性能評価値とルール修正係数と
をとりこんで、制御ルールの結論部のパラメータである
操作量の変化量を修正する量を次式で求める。

γつ＝ξ・ｙｌ−１・Ｐｎ　　　　　　　　　・・・（
２）ここで、γに＝ルール修正量、ξ：ルール修正係数
。

Ｍ：モデルゲインである。ルール修正係数ξは、次に述
べる応答軌跡評価部１６の出力で与えられるもので、プ
ラントの時定数を目やすとするある時間幅にわたるプラ
ント全体の応答を評価して決定する。ここで、ルール修
正の対象となる制御ルールは、評価時点の制御性能に影
響があると思われる。プラントの操作効果遅れ時間だけ
過去の時点で実際に用いられた制御ルールとしている。

応答軌跡評価部１６は、偏差３と偏差の変化率４の記憶
された時系列の値をとりこんで、プラントの制御安定度
の指標を求め、その程度と、プラントの状態量（例えば
プラント出力）とに応じて性能評価テーブル修正係数η
とルール修正係数ξを決定し、出力する。以下、第４図
により応答軌跡評価の方法について説明する。いま、プ
ラントの制御量の目標値ステップ変化に対して規範とす
る目標応答を破線のような一次遅れとし、実際のプラン
ト応答を実線のような振動応答とすると、偏差とその変
化率からなる平面上のプラント応答の軌跡は下側の図に
示すうず巻状となる。この軌跡は、応答が目標値に一致
して整定すると平面上の原点に留まる。すなわち、原点
から軌跡の各点迄の距離は整定状態からの偏りを表すも
のであり、この軌跡がいつまでも原点に到達しない場合
はリミットサイクル応答を示しており、原点から遠ざか
る場合は発散振動応答を示している。そこで、原点から
軌跡の各点迄の距離を拡張振幅と定義し、その平均値を
求めて、制御安定度を評価する指標の一つとして用いる
。拡張振幅の平均値を次式で求める。

１　　　　ｍ−１ ここで、ｍ：評価する時間幅のサンプリング数ｅ＊　：
規格化の基準となる偏差、である。

この他に、通常の安定度の評価方法にならって、制御安
定度の評価指標として振動の減幅比をとる。

振動の減幅比は次式で与えられる。

ζ、　＝　Ａａ／　Ａｚ＝　ｌ　ｅ　ｎ／　ｅ　ｌ、−
Ｉ　　　−（４）ここで、１３ｎｇ　１９＋１−１１　
：サンプリング時ｎ。

ｎ−ｍにおける偏差、Ａａ、Ａｔ：振動の振幅、である
。

応答軌跡評価部１Ｇ（第１図）の第１の詳細ブロック図
を第５図に示す、拡張振幅計算部３３は、偏差とその変
化率の平面の点軌跡の時系列の値をとりこんで、（３）
式により拡張振幅の平均値を求めて出力する。減幅比計
算部３４は、偏差の時系列の値をとりこんで、（４）式
により減幅比を求めて出力する。性能評価テーブル修正
係数計算部３７、及びルール修正係数計算部３８は、拡
張振幅平均値３５と減幅比３６とをそれぞれとりこんで
、以下の式にするような性能評価テーブル修正係数３９
、及びルール修正係数４０を出力する。

Ｖ　＝＝πｌ（−更−１，ζ駒　　　　　　・・・（５
）ξ＝πｚ　（’ｌ’ｎ、　ζｎ）　　　　　　　・（
６）ここで、π工　：性能評価テーブル修正係数を与え
る関数テーブル、π２：ルール修正係数を与える関数テ
ーブル、である。

関数テーブルπ１．π２は、制御安定度の評価指標に応
じて性能評価テーブル修正係数３９とルール修正係数４
０を決定するが、実際のプラントではプラントの状態量
（例えばプラント出力）をパラメータとする運転点によ
って許容する制御安定度は異なってくる。そこで、同一
の制御安定度が得られた場合でも、プラントの状態量に
応じて用いる関数テーブルを変更することにより、許容
する制御安定度を考慮した適切な性能評価テーブル修正
係数３９とルール修正係数４０が出力されるようにして
いる。

関数テーブルπ１．π２の設定の基本的考え方を示すフ
ローチャートを第７図に示す。判定部のしきい値は一例
であり、プラントの状態量（例えばプラント出力）に依
存しても変更されるので、これに限定されるものではな
い。

応答軌跡評価部１６の第２の詳細ブロック図を第６図に
示す。本詳細ブロック図では、各サンプリング毎に求め
た拡張振幅平均値と減幅比をそれぞれ記憶テーブル４３
．４４に貯えておき、それらの時間平均値及び変化率を
求めて出力し、性能評価テーブル修正係数計算部４７及
びルール修正係数計算部４８の入力値とする。時間平均
値をとることにより、突発的外乱の影響を少くして安定
度評価の信頼性を上げるとともに、変化率をみることに
より突発的外乱や制御系間の干渉による制御変数の応答
変化を、ルール学習に反映できる６本発明のプラント制
御装置の実施例を沸騰水型原子カプラントの圧力制御系
に適用した場合のシミュレーション結果を第８図、及び
第９図に示す。

第８図は、応答軌跡評価部１６を付加しない従来技術の
学習付制御装置による結果と本発明の制御装置による結
果とを比較したもので、圧力変化により中性子束が変化
して干渉外乱が発生しても、本発明の場合は安定な制御
特性を示している。第９図は、実プラントで用いられて
いる進み／遅れ補償による制御器と本発明の制御装置の
応答とを比較した結果である。本発明の制御装置によれ
ば炉出力が大きく変化しても、一様に良好な制御特性を
示していることが解る。

なお１本発明のプラント制御装置の説明は、簡単のため
の一変数の場合を取り上げたが、多変数の制御装置とし
ても容易に実現可能である。この場合には、各変数の制
御演算部はクロスコントローラを介して結合されプラン
トへの操作量が決定される。

〔発明の効果〕

本発明のプラント制御装置によれば、一時点の制御性能
のみでなく、ある時間幅にわたるプラント応答の全体を
評価して制御ルールの修正を行うので、複雑かつ大規模
なプラントにみられる突発的外乱発生や制御系間の干渉
の影響を少なくして、安定したルール学習を実現できる
。また、ある時間幅のプラント応答の全体の評価から制
御安定度の指標が得られて、これの程度に応じて規範応
答の速さを調節するので、制御装置のハードウェアの一
部（例えば弁アクチユエータ）が異常となって制御能力
が低下した場合でも、発散振動の発生を防ぐことが可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成を示すブロック図、第２
図は従来技術の制御装置のブロック図、第３図はルール
参照テーブルの作成手順を示す図表、第４図は応答軌跡
の評価方法を示す図表、第５図は本発明の実施例の応答
軌跡評価部の第１の詳細ブロック図、第６図は応答軌跡
評価部の第２の詳細ブロック図、第７図は制御安定度か
ら修正係数を決定するフローチャート、第８図、第９図
は圧力制御系へ本発明を適用した時のシミュレーション
結果を示す図表である。 １・・・目標値、２・・・量子化部、３・・・偏差、４
・・・偏差の変化率、５・・・制御演算部、６・・・操
作量の変化量、７・・・積分器、８・・・操作量、９・
・・プラント、１ｏ・・・制御量、１１．２１・・・性
能評価テーブル、１２゜２２・・・性能評価部、１３．
２３・・・ルール修正部、１４．２４・・・ルール参照
テーブル、１５，４３゜４４・・・記憶テーブル、１６
・・・応答軌跡評価部。 １７．２５・・・ルール学習部、１８・・・プラントの
状態量、３１・・・応答軌跡の時系列、３２・・・偏差
の時系列、３３．４１・・・拡張振幅計算部、３４．４
２・・・減幅比計算部、３５．４５・・・拡張振幅平均
値、３６・・・減幅比、４６・・・減幅比平均値、３７
．４７・・・性能評価テーブル修正係数計算部、３８．
４８・・・ルール修正係数計算部、３９．４９・・・性
能評価テーブル修正係数、４０．５０・・・ルール修正
係数。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）プラントの制御量と目標値との偏差に基づき
   、制御ルールの参照テーブルを用いてプラントへの操作
   量の変化を出力する制御演算部と、（ｂ）プラントの応
   答軌跡及びプラントの状態量を用い性能評価テーブル修
   正係数および制御ルール修正係数を決定して出力する応
   答軌跡評価部と、（ｃ）偏差と性能評価テーブル修正係
   数とをとりこみ、性能評価テーブルを用いて規範応答か
   らのずれの程度を示す性能評価値を求め、該評価値と前
   記制御ルール修正係数とを用いて制御ルールの参照テー
   ブルの値を修正する学習部とを設けたことを特徴とする
   プラント制御装置。 ２、前記の応答軌跡評価部は、偏差−偏差変化率平面に
   おいて、原点からプラント応答の点軌跡までの平均値を
   求める手段、並びに、応答の減幅比を求める手段を備え
   、かつ、前記平均値と減幅比とを入力とする関数テーブ
   ルを用いて性能評価テーブル修正係数および制御ルール
   修正係数を決定するものであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載のプラント制御装置。