(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラントの制御対象となるプロセスの制御量を入力し、前記プロセスの運転目標値に基づいて前記制御量を制御するための操作量を出力する制御手段を備えるプロセス制御装置において、
前記プラントの模擬手段と、前記制御手段の模擬手段と、相互に干渉する少なくとも二個以上の前記プロセスの応答時間遅れの大きい制御量を独立に制御するための非干渉制御手段と、前記プラントの模擬手段が出力する前記プロセスの応答遅れ時間の短い制御量に対する予測値を短期予測値として出力する短期予測値選択手段とからなる予測制御手段を設け、
前記両模擬手段によって相互に干渉する少なくとも二個以上の前記プロセスの応答時間遅れの大きい制御量を予測し、前記予測した制御量から前記非干渉制御手段によって相互に非干渉に先行制御するための少なくとも二個以上の操作量の先行制御指令を計算し、前記制御手段に出力すると共に、前記短期予測値選択手段の出力する短期予測値を前記制御手段に出力することを特徴とするプロセス制御装置。
【請求項２】
プラントの制御対象となるプロセスの制御量を入力し、前記プロセスの運転目標値に基づいて前記制御量を制御するための操作量を出力する制御手段を備えるプロセス制御装置において、
線形化されたプラント模擬手段と、線形化された制御手段模擬手段と、前記プロセスの応答時間遅れの大きい相互に干渉する複数の制御量を最適に操作するための操作量を計算する操作量最適化手段と、前記プラントの模擬手段が出力する前記プロセスの応答遅れ時間の短い制御量に対する予測値を短期予測値として出力する短期予測値選択手段とからなる予測制御手段を設け、
予測時には、前記両模擬手段の伝達関数から少なくとも二個以上の前記プロセスの応答時間遅れの大きい制御量が制御目標範囲内となるように前記操作量最適化手段によって最適操作量を算定し、制御時において前記最適操作量と前記制御手段の運用実績である前記操作量との差から少なくとも二個以上の操作量の先行制御指令を決定し、前記制御手段に出力すると共に、前記短期予測値選択手段の出力する短期予測値を前記制御手段に出力することを特徴とするプロセス制御装置。
【請求項３】
請求項２において、前記先行制御指令に上下限制限、変化率制限、負荷補正、位相補償の補正を加え、最適な先行制御指令とすることを特徴とするプロセス制御装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかにおいて、前記プロセスの運転目標値を入力し、前記運転目標値の変化率から予測値の予測時間を計算する予測時間計算手段を設け、前記予測制御手段の予測時間を前記運転目標値の変化率によって可変とすることを特徴とするプロセスの制御装置。
【請求項５】
プラントの制御対象となるプロセスの制御量を入力し、前記プロセスの運転目標値に基づいて前記制御量を制御するための操作量を出力する制御手段を備えるプロセス制御装置において、
前記プラントの模擬手段と、前記プロセス制御装置の模擬手段と、相互に干渉する少なくとも二個以上の前記プロセスの応答時間遅れの大きい制御量を独立に制御するための非干渉制御手段と、前記プラントの模擬手段が出力する前記プロセスの応答遅れ時間の短い制御量に対する予測値を短期予測値として出力する短期予測値選択手段とからなる予測制御手段を設け、
前記両模擬手段によって相互に干渉する少なくとも二個以上の前記プロセスの応答時間遅れの大きい制御量の時系列データを予測し、前記応答時間遅れの大きい制御量の時系列データに基づき、前記非干渉制御手段によって相互に非干渉に先行制御するための該制御量に対するそれぞれの操作量の制御指令値を計算し、前記制御手段に出力すると共に、前記短期予測値選択手段の出力する短期予測値を前記制御手段に出力することを特徴とするプロセス制御装置。
【請求項６】
プラントの制御対象となるプロセスの制御量を入力し、前記プロセスの運転目標値に基づいて前記制御量を制御するための操作量を出力する制御手段を備えるプロセス制御装置において、
前記プラントの模擬手段と、前記プロセス制御装置の模擬手段と、前記プロセスの応答時間遅れの大きい相互に干渉する複数の制御量を最適に操作するための操作量を計算する操作量最適化手段と、前記プラントの模擬手段が出力する前記プロセスの応答遅れ時間の短い制御量に対する予測値を短期予測値として出力する短期予測値選択手段とからなる予測制御手段を設け、
前記両模擬手段及び前記操作量最適化手段によって相互に干渉する少なくとも二個以上の前記プロセスの時系列データを予測し、前記操作量の時系列データと、前記プロセス制御装置の操作量との差から少なくとも二個以上の操作量の制御指令値を計算し、前記制御手段に出力すると共に、前記短期予測値選択手段の出力する短期予測値を前記制御手段に出力することを特徴とするプロセス制御装置。
【請求項７】
火力発電プラントの蒸気温度及び蒸気圧力を計測し、燃料流量及び給水流量の制御量を制御するための操作量を出力する制御手段を備える火力発電プラントの制御装置において、
前記火力発電プラントの発電出力、蒸気温度及び蒸気圧力の過度応答特性を模擬するプラント模擬手段と、前記制御装置のタービン加減弁開度指令、燃料流量指令及び給水流量指令の過度応答特性を模擬する制御装置模擬手段と、相互に干渉する応答時間遅れの大きい蒸気温度と蒸気圧力を独立に制御するための非干渉制御手段と、前記プラント模擬手段が出力する応答遅れ時間の短い蒸気温度と蒸気圧力に対する予測値を短期予測値として出力する短期予測値選択手段とからなる予測制御手段を設け、
前記両模擬手段によって蒸気温度と蒸気圧力の時系列データを予測し、前記蒸気温度及び蒸気圧力の時系列データに基づき、前記非干渉制御手段によって相互に非干渉に先行制御するための燃料流量及び給水流量の制御指令値を計算し、前記制御手段に出力すると共に、前記短期予測値選択手段の出力する短期予測値を前記制御手段に出力することを特徴とするプロセス制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロセスの将来の状態を予測し、その予測結果に基づいて操作量を決定してプロセスを制御するプロセス制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロセスの応答特性として応答時間遅れが大きい系がある。例えば火力発電プラントでは、燃料投入量に変更を加えてから主蒸気温度が変化するまでの時間が長く、その時定数は数分〜２０分程度である。このような応答時間遅れが大きい系の制御では、一般的な制御手法であるフィードバック制御を用いても、制御すべきプロセス量を十分に制御することが難しいという問題がある。
この問題を解決する手段として、将来のプロセス量の状態を事前に予測し、その予測値に基づいて操作量を決定する予測制御方法がある。このような予測制御方法には、例えば以下の文献に開示された従来技術がある。
（１）特開平９−２７４５０７号公報、（２）特開平１１−０８５２１４号公報、（３）特開平１１−００７３０７号公報
上記公報（１）には、物理式に基づく複数の集中定数化モデルと無駄時間モデルによりプロセスモデルを構成して入力変数を状態観測器により推定し、プロセス量の将来値を計算する方法が述べられている。上記公報（２）には、制御対象のプロセスの無駄時間を無視したモデルを構成し、このモデルにフィードフォワード信号を入力してプロセス量の将来値を計算する方法が述べられている。上記公報（３）には、状態観測器で得られたプロセス量の現在値と未来の外乱量とをモデル予測器に入力し、プロセス量の将来値を計算する方法が述べられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、応答時間遅れの大きいプロセスの将来値を予測制御する場合、このプロセス量を予測制御することによって他のプロセス量の制御性能が低下したり、他のプロセス量の変動範囲が計画値から逸脱する場合がある。これは、複数のプロセス量が相互に干渉し、一方のプロセス量を制御するために投入した操作量が他のプロセス量に影響を与えることが原因である。例えば、応答時間遅れの大きいプロセスの過渡応答特性を改善するために、操作量を一時的かつ急激に増量あるいは減量した結果、この操作量に対して応答時間の小さい他のプロセス量が操作量の急激な変動に伴って変化する。プロセス量の相互干渉はプラントの規模、プロセス量の数が増加するにつれて顕著となる傾向がある。
これに対して、上記公報（１）〜（３）には、制御対象とすべきプロセス量（制御量）の将来値の計算手段あるいは将来値の予測精度を向上させるための調整手段は記載されているが、応答時間遅れの大きいプロセス量を制御する場合の具体的な手段に関しては記載されていない。また、複数のプロセス量、特に相互干渉の見られるプロセス量を制御する手段についても記載されていない。これは、予測時間は数秒から数分であり、操作量は応答時間が小さく、かつ、他のプロセス量と独立に制御可能なプロセス量を制御することを仮定しているためである。
例えば、火力発電プラントでは、蒸気タービンに流入する蒸気の温度（主蒸気温度）を制御するための操作量として燃料流量や蒸気温度減温器のスプレ水流量などがある。このとき、主蒸気温度の応答波形を周波数分析などによって解析すると、５秒から１分周期での温度変化はスプレ水の流量に起因するが、数分から２０分周期の温度変化は燃料流量に起因しており、主蒸気温度における長周期の変動は燃料流量によって制御される必要がある。一方、蒸気タービンに流入する蒸気の圧力（主蒸気圧力）を制御するための操作量としては、ボイラへの給水流量などがある。主蒸気圧力はきわめて応答が早く、数十秒から１分程度の圧力の変化を給水流量で制御している。
このとき、予測時間が数秒から数分と短く、かつ、干渉のない独立したプロセス量を制御することを仮定した上記公報記載の技術では、数分から２０分周期で温度が変化する主蒸気温度の応答特性を予測するのは難しい。また、主蒸気温度の将来値を燃料流量制御に用いた場合にも、燃料流量に対する主蒸気温度の応答遅れを補償するため、燃料流量は急激に増量あるいは減量する波形となる。しかしながら、主蒸気温度と主蒸気圧力はプラント内においてほぼ同位置で計測されており、蒸気の温度と圧力は相互干渉の関係にある。燃料流量の急激な増量、減量は主蒸気温度の変動に加えて主蒸気圧力の変動をも引き起こし、結果としてプラント全体の制御性能は低下する。
【０００４】
本発明の課題は、応答時間遅れが数分から２０分と長く、かつ、相互に干渉する複数のプロセス量を精度良く制御するに好適なプロセス制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、プラントの模擬手段と、制御手段の模擬手段と、相互に干渉する少なくとも二個以上のプロセスの応答時間遅れの大きい制御量を独立に制御するための非干渉制御手段と、プラントの模擬手段が出力するプロセスの応答遅れ時間の短い制御量に対する予測値を短期予測値として出力する短期予測値選択手段とからなる予測制御手段を設け、両模擬手段によって相互に干渉する少なくとも二個以上の前記プロセスの応答時間遅れの大きい制御量を予測し、予測した制御量から非干渉制御手段によって相互に非干渉に先行制御するための少なくとも二個以上の操作量の先行制御指令を計算し、制御手段に出力すると共に、短期予測値選択手段の出力する短期予測値を制御手段に出力する。
また、線形化されたプラント模擬手段と、線形化された制御手段模擬手段と、プロセスの応答時間遅れの大きい相互に干渉する複数の制御量を最適に操作するための操作量を計算する操作量最適化手段と、プラントの模擬手段が出力するプロセスの応答遅れ時間の短い制御量に対する予測値を短期予測値として出力する短期予測値選択手段とからなる予測制御手段を設け、予測時には、両模擬手段の伝達関数から少なくとも二個以上のプロセスの応答時間遅れの大きい制御量が制御目標範囲内となるように操作量最適化手段によって最適操作量を算定し、制御時において最適操作量と制御手段の運用実績である操作量との差から少なくとも二個以上の操作量の先行制御指令を決定し、制御手段に出力すると共に、短期予測値選択手段の出力する短期予測値を制御手段に出力する。
また、プラントの模擬手段と、プロセス制御装置の模擬手段と、相互に干渉する少なくとも二個以上のプロセスの応答時間遅れの大きい制御量を独立に制御するための非干渉制御手段と、プラントの模擬手段が出力するプロセスの応答遅れ時間の短い制御量に対する予測値を短期予測値として出力する短期予測値選択手段とからなる予測制御手段を設け、両模擬手段によって相互に干渉する少なくとも二個以上のプロセスの応答時間遅れの大きい制御量の時系列データを予測し、応答時間遅れの大きい制御量の時系列データに基づき、非干渉制御手段によって相互に非干渉に先行制御するための該制御量に対するそれぞれの操作量の制御指令値を計算し、制御手段に出力すると共に、短期予測値選択手段の出力する短期予測値を制御手段に出力する。
また、プラントの模擬手段と、プロセス制御装置の模擬手段と、プロセスの応答時間遅れの大きい相互に干渉する複数の制御量を最適に操作するための操作量を計算する操作量最適化手段と、プラントの模擬手段が出力するプロセスの応答遅れ時間の短い制御量に対する予測値を短期予測値として出力する短期予測値選択手段とからなる予測制御手段を設け、両模擬手段及び操作量最適化手段によって相互に干渉する少なくとも二個以上のプロセスの時系列データを予測し、操作量の時系列データと、プロセス制御装置の操作量との差から少なくとも二個以上の操作量の制御指令値を計算し、制御手段に出力すると共に、短期予測値選択手段の出力する短期予測値を制御手段に出力する。
また、火力発電プラントの発電出力、蒸気温度及び蒸気圧力の過度応答特性を模擬するプラント模擬手段と、制御装置のタービン加減弁開度指令、燃料流量指令及び給水流量指令の過度応答特性を模擬する制御装置模擬手段と、相互に干渉する応答時間遅れの大きい蒸気温度と蒸気圧力を独立に制御するための非干渉制御手段と、プラント模擬手段が出力する応答遅れ時間の短い蒸気温度と蒸気圧力に対する予測値を短期予測値として出力する短期予測値選択手段とからなる予測制御手段を設け、両模擬手段によって蒸気温度と蒸気圧力の時系列データを予測し、蒸気温度及び蒸気圧力の時系列データに基づき、非干渉制御手段によって相互に非干渉に先行制御するための燃料流量及び給水流量の制御指令値を計算し、制御手段に出力すると共に、短期予測値選択手段の出力する短期予測値を制御手段に出力する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の実施形態では、本発明を火力発電プラントの蒸気温度予測制御に適用した例について述べる。
図２に、対象とする石炭焚き火力発電プラント１００の基本構成を示す。石炭焚き火力発電プラント１００においては、ボイラ１５０で燃料と空気をバーナー１６０に供給して燃焼させ、給水ポンプ１４０により循環する供給水を火炉水壁１５２で蒸発させる。さらに過熱器１５４で昇温して過熱状態となった蒸気はタービン加減弁１２１を介して高圧タービン１３０に導かれて高圧タービン１３０を駆動する。高圧タービンを通過した蒸気は再熱器１５６で再び昇温されて低圧タービン１２０に入る。高圧タービン１３０及び低圧タービン１２０の回転により発電機１１０で電力を発生させる。
以降、高圧タービン１３０入口の蒸気を主蒸気、低圧タービン１２０入口の蒸気を再熱蒸気と称する。主蒸気及び再熱蒸気の温度を制御する目的で過熱器１５４と再熱器１５６の入口に過熱器減温器１５４ａと再熱器減温器１５６ａがある。減温器１５４ａ，１５６ａには給水ポンプ１４０通過後の低温の水が導かれ、減温器スプレ水量調節弁１５４ｂ及び１５６ｂをそれぞれ介して高温の蒸気中に注入する。再熱器減温器１５６ａは非常用であり、再熱蒸気温度が設定値を超えた場合にのみ作動する。
なお、図２ではボイラ内の過熱器、再熱器をそれぞれ一台とする構成としたが、過熱器、再熱器を複数台設置し、熱効率の向上を図っているボイラでは、複数の熱交換器の間に減温器を設置し、熱交換器毎に蒸気温度を制御する。また、ボイラ１５０には燃焼ガスを再循環させるためのガス再循環ファン１４２が設けられ、これも蒸気温度を制御する手段の一つとなっている。また、プラントによっては、過熱器と再熱器との間に隔壁を設けてガスの流路を二分し、それぞれのガス流量の配分を調整するガス分配ダンパが設けられる場合もある。この場合は、ガス分配ダンパも蒸気温度の制御手段となる。また、火力発電プラントには、上記構成機器の他にもタービンを駆動後の蒸気を冷却水１２６により冷却する復水器１２５や燃焼排ガス処理装置１７０などの機器もある。排ガス処理装置１７０を通過したガスは通風器１４４を介して煙突１７５から大気へ放出される。
【０００７】
火力発電プラント１００の運転状態は、発電機出力測定器１１１、主蒸気温度（過熱器出口蒸気温度）測定器１２２、過熱器入口蒸気温度測定器１２７、スプレ水温度測定器１２８、主蒸気圧力測定器１２３、再熱蒸気（再熱器出口蒸気温度）温度測定器１２４、再熱器入口蒸気温度測定器１２４ａ等のデータ測定装置で計測され、運転制御装置３００へ伝送される。プラント１００には、この他にも種々のプロセス量を計測するための測定器が取り付けられ、それらによる計測値も運転制御装置３００で取込んでいる。ここでは、それらの詳細な説明は省略する。
運転制御装置３００は、これらのプロセスデータを基にしてプラントの運転状態を把握し、プラントが望ましい状態になるように燃料流量調節弁１６２、空気流量調節弁１６１、タービン加減弁１２１、給水ポンプ１４０などの機器を制御する。
【０００８】
一般に、火力発電プラントでは、蒸気温度のようにプロセス量の応答時間が比較的長い制御量を制御するのは一般に難しいとされ、先行的に制御指令を投入したり、予測制御装置を介して制御量の将来値を予測することにより応答を改善している。しかしながら、蒸気温度と蒸気圧力は相互に干渉する制御量であり、複数の制御量を制御する場合、先に述べた先行制御指令や将来値に干渉による補正を加える必要があった。
そこで、本実施形態では、主蒸気温度及び主蒸気圧力の制御に本発明の特徴である予測制御方式及び非干渉制御方式を適用する。
予測制御の目的は、時定数が大きく、応答が遅いプロセス量、特に圧力と温度など相互に干渉するプロセス量に対してその将来の挙動を予測し、先行的に操作量を決定して制御精度を向上させることにある。
【０００９】
図３は、本発明のプロセス制御装置の一実施形態であり、プロセス制御装置を構成する運転制御装置３００の機能構成を示す。運転制御装置３００は、マスタ制御部３７０とそれに基づくサブループ制御部３９０とで構成される。マスタ制御部３７０は、通常制御コントローラ（ユニットマスタ、主蒸気圧力、酸素濃度、火炉圧力）３７５と本発明を適用している予測制御コントローラ（蒸気温度予測）３８０とに分ける。マスタ制御部３７０では、負荷指令信号に基づく各種操作量指令信号を作成し、その値に蒸気温度、蒸気圧力、ガスＯ2濃度などの測定値に基づく補正を加えて操作量を決定する。
サブループ制御部３９０には、タービン制御コントローラ３９１、給水ポンプコントローラ３９２、燃料流量調節弁コントローラ３９３、押込みファンコントローラ３９４、誘引ファンコントローラ３９５、スプレ流量コントローラ３９６、ガス再循環流量コントローラ３９７がある。
これらのコントローラは互いに信号伝送ネットワーク４００に接続され、信号の授受が可能である。サブループ制御部３９０の各コントローラからの出力は、プラント１００の各アクチュエータ１０１に送られ、機器を操作する。
【００１０】
また、運転制御装置３００は、図４に示すハードウエア構成からなる。運転制御装置３００には、外部入力インターフェイス３０１、出力インターフェイス３０２を介して信号伝送ネットワーク４００が接続される。受信した信号を必要に応じて記憶装置３０３にストアーしながら、演算処理装置３０４によって各種指令信号を演算・生成する。指令信号は出力インターフェイス３０２を介して制御対象へ送られる。
また、外部入力インターフェイス３０１にはキーボード９３０とマウス９４０とからなる外部入力装置９００及びデータ記憶装置５００が接続される。また、出力インターフェイス３０２には画像表示装置９１０と磁気ディスク装置９５０が接続され、運転員とのインターフェイスとして機能する。
【００１１】
図１は、本実施形態のマスタ制御部３７０の構成を示す。図１において、通常制御コントローラ３７５は、先に示した主蒸気温度、再熱蒸気温度などの制御すべきプロセス量（制御量）をプラント１００から入力し、プラント１００に燃料流量調節弁開度指令、過熱器減温器開度指令などの操作すべきプロセス量（操作量）を出力する。図１ではこれらの入力を信号の授受の関係として示している。予測制御コントローラ３８０は、プラント１００の運転目標として目標値ｖ（ｔ）を入力し、通常制御コントローラ３７５に少なくとも２つ以上の先行制御指令Ｖｉ及び短期予測値Ｗを出力する。なお、火力発電プラントにおいて、目標値ｖ（ｔ）は中央給電指令所（中給）からの出力指令あるいは出力指令に平滑化などの演算処理を施したものに相当する。
先行制御指令Ｖｉは、プラント１００において少なくとも１つの応答遅れ時間の大きい制御量と、この制御量と相互干渉する制御量とを先行制御を用いて同時に制御するものである。本実施形態では、応答遅れ時間の大きい制御量として主蒸気温度を選択し、主蒸気温度の先行制御指令をボイラ内で燃焼する燃料の流量（燃料流量）への先行指令（燃料ＢＩＲ）とする。また、主蒸気温度と相互干渉する制御量として主蒸気圧力を選択し、主蒸気圧力の先行制御指令をボイラへの供給水（給水流量）への先行指令（給水ＢＩＲ）とする。
【００１２】
給水ＢＩＲ及び燃料ＢＩＲの通常制御コントローラ３７５における利用形態を以下に説明する。
ボイラ負荷制御手段３７６は、目標値ｖ（ｔ）と主蒸気圧力の計測値を入力し、ボイラ負荷指令（ＢＩＤ）（Ｂｏｉｌｅｒ  Ｉｎｐｕｔ  Ｄｅｍａｎｄ）を算定する。また、ＢＩＤは給水指令の基準値に換算され、先に演算した給水ＢＩＲと加算されて給水流量指令とする。給水ポンプコントローラ３９２は、給水流量が給水流量指令に一致するよう給水ポンプ１４０を駆動する。
燃料流量制御手段３７７は、ＢＩＤと主蒸気温度を入力し、燃料流量基準値（ＦＲＤ）（Ｆｕｅｌ  Ｒａｔｅ  Ｄｅｍａｎｄ）を算定する。ＦＲＤは燃料流量の基準値に換算され、先に算定した燃料ＢＩＲと加算されて燃料流量指令とする。燃料流量調節弁コントローラ３９３は、燃料流量が燃料流量指令に一致するよう燃料流量調節弁１６２を開閉する。
短期予測値Ｗは、プラント１００において応答遅れが５秒〜１分程度の制御量であり、通常制御コントローラ３７５が短期予測値Ｗを用いて先行的に操作量を制御することでプラントの応答性がさらに改善される制御量である。本実施形態では、過熱器出口における蒸気温度（主蒸気温度）に相当する。蒸気温度制御手段３７８は短期予測値Ｗ及びＦＲＤを入力し、減温器スプレ水量指令を算定する。スプレ流量コントローラ３９６は、スプレ水量が減温器スプレ水量指令に一致するよう減温器スプレ水量調節弁１５４ｂ，１５６ｂを開閉する。
【００１３】
次に、予測制御コントローラ３８０の構成を説明する。予測制御コントローラ３８０は、通常制御コントローラ３７５及びプラント１００の定常特性及び過渡応答特性を模擬するとともに、予測値Ｙｉ（ｊ）、目標値予測値Ｙｄｉ（ｊ）を用いて先行制御指令Ｖｉ及び短期予測値Ｗを出力する予測制御手段２１０と、予測制御手段の動作時間を決定する予測時間算定手段２４０と、先行制御指令Ｖｉを蓄積するバッファ２５０からなる。
また、予測制御手段２１０は、プラント１００を模擬するプラント模擬手段２１１と、通常制御コントローラ３７５を模擬する制御装置模擬手段２１２と、予測値Ｙｉ（ｊ）及び目標値予測値Ｙｄｉ（ｊ）から先行制御指令Ｖｉ及び短期予測値Ｗを算定する非干渉制御手段２２０とからなる。
プラント模擬手段２１１は、プラント１００が目標値ｖ（ｔ）に対して非線型な特性を持つことから、質量保存の式、熱収支式など物理現象に即した連立微分方程式を用いて構成する。また、制御装置模擬手段２１２は、通常制御コントローラ３７５と同様の回路あるいは通常制御コントローラ３７５と等価な回路とすることによって通常制御コントローラ３７５の応答を模擬する構成とする。予測制御手段２１０は、目標値ｖ（ｔ）を入力し、プラント模擬手段２１１、制御装置模擬手段２１２を繰り返し実行する。これにより、プラント模擬手段２１１は予測値Ｙを、制御装置模擬手段２１２は目標値予測値Ｙｄを算定する。また、非干渉制御手段２２０は、予測値Ｙ及び目標値予測値Ｙｄを入力し、先行制御指令Ｖｉを算定する。予測制御手段２１０は繰り返し実行されるため、先行制御指令Ｖｉは時系列のデータとなる。そこで、本実施形態では、先行制御指令Ｖｉの時系列データをデータバッファ２５０に一時記憶する。
予測制御手段２１０の繰り返し実行回数は、予測時間算定手段２４０で算定した予測時間Ｔｅによって決定する。ここで、予測時間算定手段２４０は、目標値ｖ（ｔ）を入力し、目標値ｖ（ｔ）の変化率から予測値の予測時間Ｔｅを計算する。そのため、予測制御手段２１０の予測時間Ｔｅは目標値ｖ（ｔ）によって可変となる。繰り返し回数をＮｅとすると、繰り返し実行回数は次式によって与えられる。
【数１】
0003965615.tif 000002
ここで、Δｔ：コントローラ計算刻み時間
【００１４】
次に、非干渉制御手段２２０を構成する非干渉制御方式について説明する。
本実施形態では、給水流量及び燃料流量（操作量）が主蒸気圧力及び主蒸気温度（制御量）に対して干渉系となっていることから、給水流量が主蒸気圧力、燃料流量が主蒸気温度を直接操作できるよう非干渉制御系を構築する。
燃料ＢＩＲ及び給水ＢＩＲを入力とし、主蒸気圧力及び主蒸気温度を出力とするプラントモデルの伝達関数をＧと仮定すると、非干渉制御器Ｈを導入したプラントモデルは（数２）でモデル化できる。
【数２】
0003965615.tif 000003
ここで、Ｇ：プラント伝達関数、Ｈ：非干渉制御器、ΔＹ1：主蒸気圧力の制御偏差、ΔＹ2：主蒸気温度の制御偏差、Ｖ1：給水ＢＩＲ、Ｖ2：燃料ＢＩＲ
このとき、プラントモデルの伝達関数Ｇは、実機試運転時における操作量ステップ変化試験などの感度解析結果から推定する。本実施形態においてΔＹ1はＶ1によってのみ制御可能、ΔＹ2はＶ2によってのみ制御可能とする場合には、（数２）の入力と出力が一致するよう非干渉制御器Ｈを構築する。
【数３】
0003965615.tif 000004
両辺を項別比較すると、非干渉制御器Ｈの要素として（数４）から（数７）が得られる。
【数４】
0003965615.tif 000005
【数５】
0003965615.tif 000006
【数６】
0003965615.tif 000007
【数７】
0003965615.tif 000008
このとき、（数４）は図１の非干渉制御器２２３ａに、（数５）は非干渉制御器２２３ｄに、（数６）は非干渉制御器２２３ｂに、（数７）は非干渉制御器２２３ｃに相当する。
（数４）から（数７）に示した非干渉制御器によってΔＹ1とΔＹ2はそれぞれＶ1とＶ2によって独立に制御可能となる。また、ΔＹ1はＶ1に、ΔＹ2はＶ2に一致する。そのため、ΔＹ1及びΔＹ2を（数８）と決め、（数４）から（数７）に示した非干渉演算器にΔＹ1及びΔＹ2を入力することにより、将来における制御量のＹ1，Ｙ2の制御偏差を先行制御指令Ｖ1及びＶ2で制御可能となる。
【数８】
0003965615.tif 000009
短期予測値選択手段２２４は、予測制御手段２１０を繰り返し実行する際に、任意時刻における予測値Ｙｉを短期予測値Ｗとして出力する。主蒸気温度を制御する場合には、予測値として１〜３分程度先の予測値を出力するか、制御量の時定数や無駄時間を考慮して時刻を調整してもよい。
【００１５】
次に、予測時間算定手段２４０について述べる。予測時間算定手段２４０は、目標値ｖ（ｔ）を入力して予測時間Ｔｅを決定するが、本実施形態では、予測時間Ｔｅによって予測制御手段２１０を２種類の運用方法で運用するものとした。
第１の運用方法では、予測時間を１０〜２０分程度に設定し、主蒸気圧力及び主蒸気温度を最適制御するための先行制御指令Ｖと、スプレを用いて主蒸気温度を制御するための短期予測値Ｗを求める。この運用方法を本実施形態では長期予測モードと呼ぶ。長期予測モードでは、先行制御指令Ｖの時系列データをデータバッファ２５０に保存する。通常制御コントローラ３７５は、短期予測値Ｗとデータバッファ２５０に記録された先行制御指令Ｖとを入力してプラントを制御する。本実施形態では、プラントの目標値ｖ（ｔ）が定常状態から負荷変化開始状態に遷移した際に予測制御手段２１０を長期予測モードとする。
第２の運用方法は、予測時間を１〜３分程度に設定し、短期予測値Ｗのみを算定する。この運用方法を本実施形態では短期予測モードと称する。短期予測モードでは、通常制御コントローラ３７５は、短期予測値Ｗと長期予測モードにてデータバッファ２５０に記録された先行制御指令Ｖとを入力してプラントを制御する。本実施形態は、プラントの目標値が定常状態あるいは変化中の場合に予測制御手段２１０を短期予測モードとする。
【００１６】
図５に、本実施形態の予測制御コントローラ３８０（図１）のフローチャートを示す。
予測制御コントローラ３８０では、処理２４０にて、最初に予測時間算定手段２４０により目標値ｖ（ｔ）から目標値変化率を計算し、予測時間Ｔｅ及び予測モードを決定する。次に、処理２５１にて、（数１）を用いて予測時間から繰り返し回数Ｎｅを求め、以下処理２５１から処理２５５までをＮｅ回繰り返す。
次に、制御装置模擬手段２１２を実行し、予測値目標値Ｙｄｉを計算する。次に、プラント模擬手段２１１を実行し、予測値Ｙｉを計算する。次に、処理２５２にて、現在の予測制御コントローラ３８０の動作モードが長期予測モードであるかどうかを判定する。長期予測モードである場合には非干渉制御手段２２０を実行し、得られた先行制御指令Ｖｉを処理２５３にてデータバッファ２５０に出力する。また、長期予測モードでない場合には短期予測値選択手段２２４を実行し、短期予測値Ｗを出力する。
繰り返し回数がＮｅ回となった場合には、処理２５６にてデータバッファ２５０内の先行制御指令値Ｖｉを出力する。繰り返し回数がＮｅ回未満の場合には、処理２５１に戻って繰り返し計算を継続する。
【００１７】
本実施形態の予測制御コントローラ３８０（図１）を火力発電プラントの予測制御に適用した結果を図６から図１０に示す。
図６及び図７に、通常制御コントローラ３７５による主蒸気圧力及び主蒸気温度の制御結果を示す。負荷指令（目標値）６００の変動により、主蒸気圧力制御偏差６０１及び主蒸気温度制御偏差６０２は変動し、特に、主蒸気温度制御偏差６０２は負荷変化時に一旦上昇した後、大きく低下する。
そこで、本実施形態を主蒸気圧力制御偏差及び主蒸気温度制御偏差の制御性改善に適用する。
図８及び図９に、予測制御コントローラ３８０による主蒸気圧力及び主蒸気温度の制御結果を示す。先に示したアルゴリズムに従い、予測制御コントローラ３８０は負荷指令６２０上昇時に制御装置模擬手段２１２及びプラント模擬手段２１１を実行し、区間６２５における主蒸気圧力、主蒸気温度、主蒸気圧力目標値、主蒸気温度目標値をそれぞれ予測する。非干渉制御手段２２０は主蒸気圧力と主蒸気圧力目標値とから主蒸気圧力制御偏差を、主蒸気温度と主蒸気温度目標値とから主蒸気温度制御偏差をそれぞれ算定し、非干渉制御器２２３ａ、２２３ｂ、２２３ｃ及び２２３ｄを用いて給水流量の先行制御指令値６２１及び燃料流量の先行制御指令値６２２を算定する。
給水流量の先行制御指令値６２１及び燃料流量の先行制御指令値６２２を通常制御コントローラ３７５の先行制御指令値として適用した結果、主蒸気圧力制御偏差６２３及び主蒸気温度制御偏差６２４は、先に示した主蒸気圧力制御偏差６０１及び主蒸気温度制御偏差６０２に比べて減少し、主蒸気圧力、主蒸気温度双方の制御性が改善している。
図１０に、図８及び図９の制御結果に、短期予測値Ｗを併用した結果を示す。短期予測値Ｗは、時定数が５秒〜数分といった短い期間における蒸気温度の変動を予測する。その結果、主蒸気温度の短時間における変動が抑制され、主蒸気温度制御偏差６２６は図９の結果（６２４）と比較してさらに制御性が改善している。
【００１８】
図１１は、本実施形態の他のマスタ制御部３７０の構成を示す。
火力発電プラント等に代表される大規模プラントは、プロセス量の数が多く、入力に対するプロセス量の応答が非線型の特性を示すという特徴がある。そのため、図１のマスタ制御部３７０では、プラント模擬手段を質量保存の式、熱収支式など物理現象に即した連立微分方程式を用いて構成し、制御装置模擬手段を通常制御コントローラと等価な回路で構成することにより、プラントの非線型特性を広範囲かつ高精度に模擬する構成とした。
これに対して、プラントの局所的な入力に対する応答を予測制御する場合や、プラントの応答が線形特性に近似可能な負荷帯を予測制御する場合、あるいは、プロセス量の数が比較的少ないプラントやプラントに含まれる構成機器を予測制御する場合には、プラント模擬手段及び制御装置模擬手段を線形特性と仮定することが可能である。図１１は、プラント模擬手段及び制御装置模擬手段を線形特性で模擬した場合のマスタ制御部３７０の構成である。
図１１において、予測制御コントローラ３８０は、通常制御コントローラ３７５及びプラント１００の過渡応答を線形特性で模擬するとともに、プラント及び制御装置のモデルから最適操作量Ｘｉを出力する予測制御手段２７０と、予測制御手段２７０の動作時間を決定する予測時間算定手段２４０と、最適操作量Ｘｉを蓄積するバッファ２５０と、最適操作量Ｘｉから先行制御指令Ｖ1，Ｖ2を算定する減算器２６６及び先行制御指令の変化率・上下限を制限する関数２６１及び２６２からなる。
また、予測制御手段２７０は、プラント１００を模擬するプラント模擬手段２７１と、通常制御コントローラ３７５を模擬する制御装置模擬手段２７２と、プラント模擬手段２７１及び制御装置模擬手段２７２の伝達関数から最適な操作量を算定する操作量最適化手段２６０からなる。
プラント模擬手段２７１及び制御装置模擬手段２７２は、自己回帰移動平均モデルなどの統計的手法や、伝達関数を用いて構成する。操作量最適化手段２６０は、制御装置模擬手段２７２の伝達関数２６４及びプラント模擬手段２７１の伝達関数２６３を入力し、複数の制御すべきプロセス量の制御偏差が０となるような状態フィードバック係数２６５を算定する。
次に、制御装置模擬手段２７２及びプラント模擬手段２７１を繰り返し実行し、制御装置模擬手段２７２の最適操作量Ｘｉをデータバッファ２５０に出力する。また、短期予測値Ｗを出力する。
制御装置模擬手段２７２及びプラント模擬手段２７１の実行回数は、予測時間算定手段２４０によって算定する。この動作は図１のマスタ制御部３７０と同様とする。
減算器２６６は、先に求めた操作量を通常制御コントローラ３７５に出力する際に、最適操作量Ｘｉと通常制御コントローラ３７５で算定された制御指令との差を求め、先行制御指令基準値を作成する。また、変化率・上下限制限関数２６１及び２６２は、先に求めた先行制御指令基準値の変化率、上下限値が制御指令として運用可能な値域内となるよう先行制御指令基準値を修正して先行制御指令Ｖ1，Ｖ2とする。
【００１９】
次に、操作量最適化手段２６０について説明する。線形モデルの操作量を最適化する手段としては種種の方式が提案されているが、一般的には評価関数を最小化するための制御入力をＲｉｃｃａｔｉ型行列方程式を解いて求める方式が一般的である。
ここで、線形化されたプラント模擬手段を行列Ａ，線形化された制御装置模擬手段を行列Ｂと仮定すると、プラント及び制御装置は（数９）の多入出力システムとして立式できる。
【数９】
0003965615.tif 000010
ここで、Ｙ：プラントのプロセス量、Ｕ：制御装置のプロセス量
このとき、評価関数Ｊを（数１０）と定義する。
【数１０】
0003965615.tif 000011
ここで、Ｑ：非負定の対称行列、Ｒ：正定の対称行列
（数１０）の評価値Ｊを最小にする最適フィードバック制御入力は、
【数１１】
0003965615.tif 000012
ただし、Ｐは任意の対称行列で、（数１２）に示すＲｉｃｃａｔｉ型行列方程式の唯一な正定値の解となる。
【数１２】
0003965615.tif 000013
また、このときの状態フィードバック係数Ｋは（数１３）で与えられる。
【数１３】
0003965615.tif 000014
Ｒｉｃｃａｔｉ型行列方程式の解法に関しては種種の方式が提案されており、これら方式を任意に用いて解を求めれば良い。
【００２０】
図１２に、本実施形態の他の予測制御コントローラ３８０（図１１）のフローチャートを示す。
予測制御コントローラ３８０では、処理２４０にて、最初に予測時間算定手段２４０により目標値ｖ（ｔ）から目標値変化率を計算し、予測時間Ｔｅ及び予測モードを決定する。次に、処理２６０にて、（数１２）を解いて状態フィードバック係数Ｋを求め、以下処理２５１から処理２５５までをＮｅ回繰り返す。
次に、制御装置模擬手段２７２を実行する。次に、プラント模擬手段２７１を実行する。次に、処理２５２にて、現在の予測制御コントローラ３８０の動作モードが長期予測モードであるかどうかを判定する。長期予測モードである場合には操作量最適化手段２６０の計算結果である最適操作量をデータバッファ２５０に出力する。また、長期予測モードでない場合には短期予測値選択手段２２４を実行し、短期予測値Ｗを出力する。
繰り返し回数がＮｅ回となった場合には、処理２６６にて、データバッファ２５０内の最適操作量と通常制御コントローラ３７５の現在の操作量指令値との差を計算する。繰り返し回数がＮｅ回未満の場合には、処理２５１に戻って繰り返し計算を継続する。処理２６１にて、変化率・上下限制限関数を実行し、この結果を処理２５７にて先行制御指令値Ｖｉとして出力する。
【００２１】
なお、本発明の実施形態では、主蒸気圧力及び主蒸気温度について非干渉制御を実施したが、再熱器出口蒸気温度など他のプロセス量に本発明の方式を適用しても良い。また、本発明では２入力２出力の非干渉制御についてその実施形態を示したが、プロセス量の入出力数を３入力３出力など多変数に拡張しても良い。
また、本発明の実施形態では、プラントモデルの伝達関数をプラント試運転時の感度解析結果から推定したが、プラント運用実績からプラントモデルの伝達関数を同定してもよい。
また、本発明の実施形態では、予測制御手段をプラント模擬手段と制御装置模擬手段と非干渉制御手段とから構成したが、プラント模擬手段が制御装置模擬手段を含む構成としてもよい。
また、本発明の実施形態では、予測時間算定手段の入力を目標値ｖ（ｔ）としたが、通常制御コントローラの任意のプロセス量あるいはプラントの任意のプロセス量を予測時間算定手段の入力としても良い。
また、本発明の実施形態では、先行制御指令に変化率・上下限制限関数などの補正を加えたが、位相補正、負荷補正などの非線型補正を加えても良い。
また、本発明の実施形態では、予測制御コントローラは、予測結果に基づく最適操作量を先行制御指令として出力するので、この出力を表示手段に表示することによってプラント調整員が予測制御コントローラの制御性を確認するようにしても良い。
また、本発明の実施形態では、先行制御指令を予測制御コントローラが出力したが、従来の先行制御指令発生手段と併用して、切替え、重み付けなどにより先行制御指令を計算しても良い。
また、本発明の実施形態では、本発明を火力発電プラントの主蒸気温度及び主蒸気圧力の予測制御に適用しているが、本発明は主蒸気温度及び主蒸気圧力の予測制御に限定されるものではなく、応答遅れ時間の長い制御量を有する多くのプラント制御方式にも対応できる。例えば、ガス循環ファンやガス分配ダンパによる再熱蒸気温度制御に本発明を適用することにより、再熱蒸気温度偏差を最小にすることができる。そのため、再熱器入口に設置した減温器スプレ水の投入量を最小とし、プラント効率を最大にすることが可能である。
また、本発明は、ボイラの蒸気温度制御だけでなく、他のプラントにも対応できる。例えば、石炭をガス化してガスタービン燃料を生成する石炭ガス化プラントにおける石炭ガスのガス組成の変動や、ゴミ燃焼によって得られた熱エネルギーで発電するゴミ発電プラントの蒸気温度変動なども応答遅れ時間の長い制御量であるが、本発明はこれらの制御にも適用できる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、予測制御コントローラは、制御量の予測値と操作量の予測値とから応答遅れ時間が２０分程度と長い制御量を予測し、非干渉制御手段は、制御量の予測値と操作量の予測値を用いて操作量の先行制御指令を決定するので、従来は制御が困難であった応答遅れ時間の長い制御量を安定に制御することができる。
また、予測制御コントローラは、プラントを模擬するプラント模擬手段と、制御装置を模擬する制御装置模擬手段とを組み合わせてプロセス量を予測するので、複雑かつ高精度な過度応答を予測可能とすることができる。
また、予測制御コントローラは、複数のプロセス量を予測し、非干渉制御によって操作量の先行制御指令を決定するので、プロセス量の干渉を最小限に抑えることが可能である。
また、予測制御コントローラは予測時間計算手段を備え、予測制御手段の予測時間の予測時間を運転目標値（指令）の変化率によって可変とするので、それぞれの制御対象に対して最適な予測値を計算することができる。
また、予測制御コントローラは、干渉する複数のプロセス量に対する先行制御指令を出力する一方で、短期予測値選択手段において応答遅れ時間の短い複数の制御量に対する予測値を出力するので、各操作量の制御性能を十分に活かしてプラントを安定かつ効率的に運用することができる。
また、予測制御コントローラは、予測結果に基づく最適操作量を先行制御指令として出力するので、プラント調整員が予測制御コントローラの制御性を確認する際に、先行制御指令に基づく操作量の妥当性を容易に確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のマスタ制御部の構成図
【図２】  火力発電プラントの基本構成図
【図３】  本発明のプロセス制御装置の一実施形態であり、プロセス制御装置を構成する運転制御装置の機能構成図
【図４】  本発明の運転制御装置のハードウエア構成図
【図５】  本発明のマスタ制御部の計算手順を表すフローチャート
【図６】  通常制御コントローラによるプラントの制御結果を示す説明図
【図７】  通常制御コントローラによるプラントの制御結果を示す説明図
【図８】  本発明によるプラントの制御結果を表す説明図
【図９】  本発明によるプラントの制御結果を表す説明図
【図１０】  本発明によるプラントの制御結果を表す説明図
【図１１】  本発明の他のマスタ制御部の構成図
【図１２】  本発明の他のマスタ制御部の計算手順を表すフローチャート
【符号の説明】
１００…石炭焚き火力発電プラント、２１０…予測制御手段、２１１…プラント模擬手段、２１２…制御装置模擬手段、２２０…非干渉制御手段、２２１…目標値計算手段（主蒸気圧力目標値演算手段）、２２２…目標値計算手段（主蒸気温度目標値演算手段）、２２３ａ〜２２３ｄ…非干渉制御器、２２４…短期予測値選択手段、２４０…予測時間算定手段、２５０…データバッファ、２６０…操作量最適化手段、２６１，２６２…関数器、２７０…予測制御手段、２７１…プラント模擬手段、２７２…制御装置模擬手段、３７５…通常制御コントローラ、３７６…ボイラ負荷制御手段、３７７…燃料流量制御手段、３７８…蒸気温度制御手段、３８０…蒸気温度予測制御コントローラ
【図１】
0003965615.tif 000015
【図２】
0003965615.tif 000016
【図３】
0003965615.tif 000017
【図４】
0003965615.tif 000018
【図５】
0003965615.tif 000019
【図６】
0003965615.tif 000020
【図７】
0003965615.tif 000021
【図８】
0003965615.tif 000022
【図９】
0003965615.tif 000023
【図１０】
0003965615.tif 000024
【図１１】
0003965615.tif 000025
【図１２】
0003965615.tif 000026