(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動特性の異なる独立した２つのプロセスからなる制御対象（例えばボイラー入力の燃料と空気）に対して、前記両制御量の目標値が予め設定した比率に従って変化するときは、前記両制御量が夫々の目標値に制御されると同時に、前記両制御量の比率が比率設定値に制御される比率制御手段と、
前記比率制御手段からは前記各供給プロセスに対して夫々のボイラー指令値がマスター指令値として出力されると、前記各供給プロセスに対してフィードバック制御をかけることにより、夫々のボイラー指令値に対して所定の比率を作成し、これを夫々のボイラー入力とする夫々の制御ループと、
前記夫々のボイラー入力の実測値に基づき、各ボイラー毎の供給比率のバランスを維持すべく、相互に他方のボイラー指令値の変化レートを安全な範囲内に制限するクロスリミットとからなるボイラー入力の調整制御装置において、
前記比率制御手段の出力とクロスリミットとの出力の切換えを行なうための制御切指令切換器とを備え、その切換条件は前記ボイラー入力の比率実測値に基づいて与えられることを特徴とするボイラー入力の調整制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のボイラー入力の調整制御装置において、ボイラー入力の比率実測値が許容範囲内にあるときは比率制御手段の出力を選択し、前記実測値が許容範囲から逸脱しているときのみ前記制御指令切換器がクロスリミット手段の出力を選択することを特徴とするボイラー入力の調整制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特性の異なる２つの制御量とこの両制御量の比率を自動調整するフィードバック比率制御法及びクロスリミット動作を適用するボイラー入力の調整制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラー入力の調整制御では、一般にボイラー入力燃料流量と空気流量と給水流量との各指令値を負荷要求に基づいて与え、主蒸気温度偏差や燃焼ガス成分によって、燃料，空気，給水の各指令のバランス調整を行なう。クロスリミットがこれら３つのボイラー入力の実際の供給量比率を許容範囲内に抑制するように働く。
【０００３】
このような制御構成では、適切に調整されたボイラー入力の各指令値に対し、ボイラー入力の各流量を個別な制御ループで調整しており、負荷変化時の過渡状態においては、各制御ループの応答時間が異なるため、前記各流量の比率バランスが崩れやすい。これを防ぐために、クロスリミットは前記各流量の実測値に基づいて、比率のバランスを保つべき相手流量の指令値変化レートを安全な範囲内に制限するようにしている。
【０００４】
図４は、従来のボイラー入力の比率制御系の最も基本的な構成例である。負荷指令と蒸気の状態等で決められたマスター指令とによって、ボイラー入力１及びボイラー入力２の夫々の指令値が生成される。各供給プロセス（４１と４２）に対して、フィードバック制御器（４３と４４）が設けられ、ボイラー入力は夫々の指令値に追従し、望ましい比率となる。
【０００５】
しかし、図４のような制御構成では、負荷急変時、したがってマスター指令が急変時の過渡状態においては、ボイラー入力１とボイラー入力２との比率も急変してしまい、プラントの運転に悪影響を与える。この比率の急変を抑制するために、図５に示すクロスリミット機構５１と５２は、各ボイラー入力の実測値によって、他方の入力指令値の変化レートを制限するようになっている。
【０００６】
上記従来方法では、簡単な制御系構成で、負荷変化時のボイラー入力の比率バランスを維持することはできるが、指令値変化レートの制限によって、本来の目的である負荷追従制御の応答が遅れる難点がある。これを改善するための手段も提案されているが、クロスリミット本来の良さである簡潔さを犠牲にしなければならない。
【０００７】
一方、本願出願人は、動特性の異なる２つの独立した動的プロセスからなる制御対象に対し、両プロセスの出力である両制御量の比率を制御する制御方法において、前記両プロセスに対する夫々の制御ループとは別に、前記両プロセスを動的に結合する動的フィードバック補償機構を備えた方式を既に提案している（特願２００１−００５９５０）。この提案方式は前記両制御量の目標値が比率設定器で設定される比率で変化するとき、前記両制御量が夫々の目標値に制御されると同時に、両制御量の比率が比率設定値に制御されるものである。
【０００８】
図６にその基本構成を示している。即ち、動的フィードバック補償機構６２及び指令値調整器６３と６４は動的システム制御理論に基づいて設計され、これら両方の制御量実測値を取入れて、その制御量の比率がそれらの指令値の比率となるように働く。
【０００９】
指令値の変化レート制限は一方的に動作を遅らせるのに対し、フィードバック比率制御は、高度なダイナミックな自動調整を可能としている。この比率制御法をボイラーの燃料／空気／給水比率の制御に適用すれば、ボイラー入力の各供給流量の比率を直接に調整することができる。
【００１０】
上記比率制御法を適用すれば、負荷変化時、ボイラー入力の各流量夫々の指令値への追従と、各流量の比率調整とを同一の制御装置で同時に制御することが可能で、優れた追従性と即応性が得られる。しかし、この比率制御法に比率のバランスを保証する安全動作がないため、比率が適正に制御されていないときにバランスが崩れる恐れがある。
【００１１】
又、各ボイラー入力を個別な制御ループで調整する場合のように、上記比率制御にクロスリミットを付加すれば、比率制御器のフィードバックループの外側に、つまり比率制御を行なう前、又は内側に、つまり、比率制御を行なった後、配置することが考えられる。
【００１２】
外側に配置する場合は、指令値の変化レートがすでにクロスリミットによって安全範囲内に制限されたので、更に比率制御を行なう必要がなくなる。又、内側に配置する場合は、比率制御器のダイナミックな調整結果より、クロスリミット機構が変化レート制限のかかった保守的な出力を選んでしまうため、やはり比率制御の意味がなくなる。即ち、いずれの場合にしても、クロスリミットが優先的に作用してしまう。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の制御構造では、負荷急変時の過渡状態において、負荷要求に対する各ボイラー入力の即応性と各ボイラー入力間のバランス維持を両立させることは難しい。即ち、即応性を重視するなら、クロスリミットを外さなければならず、安全性を重視するなら、ボイラー入力の追従制御と比率制御のダイナミックな調整動作をほとんど殺して、クロスリミットの制限範囲内で各指令値をゆっくり動かさなければならない。
【００１４】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、比率制御法の優れた制御性とクロスリミットの安全動作とを生かし、負荷急変に対し、追従性，即応性及び安全性を備えたボイラー入力の調整制御装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の［請求項１］に係るボイラー入力の調整制御装置は、動特性の異なる独立した２つのプロセスからなる制御対象（例えばボイラー入力の燃料と空気）に対して、前記両制御量の目標値が予め設定した比率に従って変化するときは、前記両制御量が夫々の目標値に制御されると同時に、前記両制御量の比率が比率設定値に制御される比率制御手段と、
前記比率制御手段からは前記各供給プロセスに対して夫々のボイラー指令値がマスター指令値として出力されると、前記各供給プロセスに対してフィードバック制御をかけることにより、夫々のボイラー指令値に対して所定の比率を作成し、これを夫々のボイラー入力とする夫々の制御ループと、
前記夫々のボイラー入力の実測値に基づき、各ボイラー毎の供給比率のバランスを維持すべく、相互に他方のボイラー指令値の変化レートを安全な範囲内に制限するクロスリミットとからなるボイラー入力の調整制御装置において、
前記比率制御手段の出力とクロスリミットとの出力の切換えを行なうための制御切指令切換器とを備え、その切換条件は前記ボイラー入力の比率実測値に基づいて与えられるように構成した。
【００１６】
本発明の［請求項２］に係るボイラー入力の調整制御装置は、［請求項１］において、ボイラー入力の比率実測値が許容範囲内にあるときは比率制御手段の出力を選択し、前記実測値が許容範囲から逸脱しているときのみ前記制御指令切換器がクロスリミット手段の出力を選択するよう構成した。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。ボイラーの調整制御では、通常空燃比と水燃比との２種類の比率制御が必要であるが、流量供給系の制御原理は基本的に同様であるため、以下ではボイラー入力１を燃料入力とし、ボイラー入力２を給水入力又は空気入力として説明する。
【００２０】
図１は本実施の形態におけるボイラー入力比率制御の全体システム構成図である。図１において、図５と同一機能部分については同一符号を付して説明を省略する。本実施の形態の構成上の特徴点は制御指令切換器１１を設けた点にあり、この制御指令切換器１１は比率制御器６１の出力とクロスリミット５１，５２との出力の切換を行なうものであり、切換条件はボイラー入力の比率実測値に基づいて与えられる。
【００２１】
そして図中の各制御ループ４７，４８は、図４に示した従来の比率制御構成におけるボイラー入力指令値追従制御ループであり、これらの制御ループは従来のようにボイラー入力の各供給プロセスに対して別々に構成されている。又、比率制御器６１は図６に示したフィードバック比率制御法における比率調整制御機構をまとめて表わしている。
【００２２】
次に、本実施の形態の制御動作について説明する。先ず、本実施の形態のシステムでは、制御ループ４７と４８は、ボイラー入力のマスター指令で決められた夫々の指令値への追従制御を行なう。そして、比率制御器６１は、指令値急変や外乱時等の過渡状態において、ボイラー入力の供給比率の変動を抑制するための調整制御を行なう。
【００２３】
比率制御器６１の出力はボイラー入力の中間指令値となり、クロスリミット５１と５２は、ボイラー入力の実測値と比率制御器の出力とを比較し、決められた許容基準に基づいて安全な指令値を出力する。マスター指令がステップ状の急変をする場合に、比率制御器６１の出力は、最終的にはマスター指令によって決められたボイラー入力の指令値に追従するが、過渡状態においては、ダイナミックな比率調整のため、通常、変化の激しいものとなる。
【００２４】
よって、通常はクロスリミット５１と５２のリミット動作が働き、クロスリミット５１と５２の出力は、比率制御器６１の出力ではなく、変化レートの制限がかかった指令値となる。したがって、もしクロスリミットを優先させるなら、比率制御器６１による過渡状態の比率制御効果が発揮できなくなる。
【００２５】
しかし、もしクロスリミット５１と５２を付加せず、比率制御器６１の出力を優先させるとするならば、比率制御効果が不十分なとき、又は何らかの故障が発生したとき、過渡状態におけるボイラー入力の適正な比率が崩れる恐れがある。
【００２６】
制御指令切換器１１は、実際に制御ループ４７と４８に与える指令値を比率制御器６１の出力にするか、クロスリミットの出力にするかを選択する。次にその切換選択の原理を説明する。ボイラー入力の比率制御の目的は各供給流量の実際の比率を適正な値にすることである。定常状態においては、その比率は、各指令値を適切に与えることによって得られるが、過渡状態においては、指令値を所定の比率で与える必要はない。
【００２７】
供給プロセスの動特性が異なるため、適正な比率を保持しながら、各流量の指令値への速やかな追従を達成するには、むしろダイナミックな指令値の調整が必要である。即ち、中間指令値となる比率制御器６１の出力が所定の比率にならなくても、実際のボイラー入力の流量の比率が適正であればよい。逆に、実際の比率を所定の値に保持するために、中間指令値を適切に変化させるのである。
【００２８】
制御指令切換器１１は、ボイラー入力の比率実測値を見て中間指令値の選択を行なう。即ち、基本的には動的比率制御を生かし、比率実測値が適正な範囲にあるときは、例えクロスリミットにかかっても、その比率制御を継続し、比率制御器６１の出力を選択する。比率実測値が決められた範囲から逸脱しているときのみ、制御指令切換器１１がクロスリミットによる出力を選択する。なお、その他のクロスリミット動作条件は従来通りに適用することが可能である。
【００２９】
過渡状態におけるボイラー入力の比率の変動を抑制するためには、指令値の変化レートを制限して、ゆっくり変化させる方法と、指令値をダイナミックに調整する方法がある。前者はクロスリミットによる保守的な方法であり、後者はフィードバック比率制御による積極的な方法である。上記制御動作は、積極的な比率制御によって応答遅れを回避しながら、保守的なクロスリミットによる安全性も確保することが可能である。
【００３０】
以上に述べた実施の形態の制御効果を図２と図３に例示する。図２はボイラー入力の流量供給指令値（細い実線）と応答波形（太い実線）を示す図であり、図２の縦軸はボイラー入力の指令値と応答（％）とを示し、横軸は時間（ｓ）で示す。又、、図３は図２の応答に対応するボイラー入力の比率の応答波形である。この例では、ボイラー入力としては、ステップ状に増減変化する指令値を与えている。又、比率設定値は０．７一定としている。
【００３１】
図２と図３では、４つの区間において、夫々図４〜図６に夫々示す従来例及び図１に示す本実施の形態の各制御構造による応答波形を示している。即ち、時間５０から１５０まで（第１区間）は図４の基本制御ループ、時間１５０から２５０まで（第２区間）は図５のクロスリミットと基本制御ループ、時間２５０から３５０まで（第３区間）は図６の比率制御と基本制御ループ、時間３５０から４５０まで（第４区間）は図１の本実施の形態の制御システムによる応答波形である。
【００３２】
定常状態から指令値の急変を与えると、第１区間ではボイラー入力の応答値が速やかに急変した指令値に追従している（図２）。しかし、同区間の比率の応答（図３）は大きく変動し、満足できる結果とならない。第２区間ではクロスリミット動作の効果によって、比率の変動は小さく抑えられたが、同区間のボイラー入力の応答に大きな遅れが生じている（図２）。
【００３３】
第３区間では、フィードバック比率制御の結果、指令値の急変に対し、ボイラー入力応答と比率がともに速やかに収束し、比率の変動も小さく抑制されている。しかし、この比率制御で比率の変動許容幅を指定することは難しい。例えば、第３区間の比率応答において、場合によっては、指令値急変直後の比率変動になお不満が残る（図３）。
【００３４】
第４区間では、制御指令切換器が働き、比率実測値が比率設定値からある許容値以上逸れると、クロスリミットによる中間指令値を選択し、そうでなければ、クロスリミットを無視し、比率制御による中間指令値を選択する。その結果、第３区間で現れた比率変動のピーク値が抑制され（図３）、ボイラー入力応答も速やかに指令値に追従している（図２）。これらの結果は上記実施の形態とその動作を裏付けていることがわかる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればフィードバック比率制御による制御性向上とクロスリミットによる安全性確保を両立したボイラーの水燃比・空燃比制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のボイラー入力の調整制御装置の実施の形態の全体システム構成図。
【図２】ボイラー入力の指令値と応答波形の例であり、従来例と本実施の形態とを対比して示した図。
【図３】図２に対応するボイラー入力比率の応答。
【図４】従来のボイラー入力制御系構成の一例
【図５】クロスリミット機構を付加したボイラー入力制御系構成図。
【図６】動的フィードバック比率制御法の構成図。
【符号の説明】
１１      制御指令切換器
４１      制御対象のプロセス１
４２      制御対象のプロセス２
４３      プロセス１のための指令値追従制御器１
４４      プロセス２のための指令値追従制御器２
４５      比率設定器
４６      制御対象
４７      制御ループ１
４８      制御ループ２
５１      クロスリミット機構１
５２      クロスリミット機構２
６１      比率制御器
６２      動的フィードバック補償機構
６３      指令値１調整器
６４      指令値２調整器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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