(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンと、前記ガスタービンエンジンに燃料を供給するための燃料ポンプと、燃料弁及び前記燃料ポンプを駆動するモータとを備えたガスタービンの制御のために、制御対象として前記モータまたは燃料弁の駆動を制御するガスタービン制御方法において、
前記ガスタービンエンジンの実トルクと、使用者によって設定された目標トルクとのトルク差を求めるＡ段階と、
前記トルク差、及び前記トルク差の時間微分値が入力変数として設定されたファジィ制御アルゴリズムを実行して、ファジィ制御値を求めるＢ段階と、
前記ファジィ制御値を前記トルク差からの比例−微分制御値に一層近接せしめるようにシミュレーションによって設定されたゲインと前記ファジィ制御値とを乗じて、比例−微分制御値を求めるＣ段階と、
前記トルク差から積分制御値を求めるＤ段階と、
前記Ｃ段階Ｃ及びＤ段階からの比例−微分制御値及び積分制御値に基づいて比例−積分−微分制御値を求めるＥ段階と、
前記比例−積分−微分制御値に基づき前記制御対象の駆動を制御するＦ段階と、
前記Ａ段階からＦ段階までを繰り返し行うＧ段階とを含むことを特徴とするガスタービン制御方法。
【請求項２】
前記Ｂ段階のファジィ制御アルゴリズムが、
前記トルク差が変化する全設定範囲内において、前記トルク差が属する第１の設定範囲を捜すことにより、前記第１の設定範囲に対応する設定代表値の第１メンバーシップ値を捜すＢ１段階と、
前記時間微分値が変化する全設定範囲内において、前記時間微分値が属する第２の設定範囲を捜すことにより、前記第２の設定範囲に対応する設定代表値の第２のメンバーシップ値を捜す段階と、
前記第１のメンバーシップ値及び前記第２のメンバーシップ値の相関関係によって設定された出力値を捜すＢ３段階と、
前記第１のメンバーシップ値及び前記第２のメンバーシップ値の相関関係に基づいてメンバーシップ係数を求める段階と、
前記出力値と前記メンバーシップ係数に比例する前記ファジィ制御値を求めるＢ４段階とを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン制御方法。
【請求項３】
前記段階Ｄにおける積分制御用ゲインが、前記段階Ｃで適用されるゲインに比例するとともに、前記段階Ｂ１で適用される全体の設定範囲に反比例する比例制御用ゲインと、前記段階Ｃで適用されるゲインに比例するとともに、前記段階Ｂ２で適用される全体の設定範囲に反比例する微分制御用ゲインとによって設定されることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン制御方法。
【請求項４】
前記段階Ｄにおける積分制御用ゲインが、前記比例制御用ゲインがＫpで、前記微分制御用ゲインがＫdであるとき、（Ｋp）2／（４Ｋd）であることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン制御方法に係り、さらに詳細には、ガスタービンエンジンが使用者により設定された目標トルクを保てるようにするガスタービン制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、ガスタービンは、ガスタービンエンジン、ガスタービンエンジンに燃料を供給するための燃料ポンプ、及び燃料ポンプを駆動するモータを含む。この種のガスタービンの制御システムは、燃料ポンプを駆動するモータのトルクまたは燃料弁の隙間を制御することで、ガスタービンエンジンが設定トルクを保つようにする。
【０００３】
従来のガスタービン制御方法につき説明すれば以下の通りである。まず、使用者によって設定された目標トルクと、ガスタービンエンジンの実トルクとのトルク差を求める。そして、得られたトルク差に基づき通常の比例−積分−微分制御が行われ、制御対象、すなわち、燃料ポンプ用モータまたは燃料弁に対する駆動制御信号が発生する。しかしながら、かかる通常の比例−積分−微分制御方法は、入出力特性を規定し難いガスタービンを制御する場合においては、制御能力に限界がある。
【０００４】
かかる通常の比例−積分−微分制御方法の限界を解決するために、ファジィ制御方法が導入されている。しかし、このファジィ制御方法は、ガスタービンからの実トルク信号が極めて速い位相変化を有する場合、制御能力に限界がある。
【０００５】
このため、該入出力特性を規定し難く、且つ該トルク信号が極めて速い位相変化を有するガスタービンを制御するための、制御の確度、精度及び安定度が問題となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、ガスタービンの制御において、比例−積分−微分制御とファジィ制御を同時に実行しうる方法を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、ガスタービンエンジンと、前記ガスタービンエンジンに燃料を供給するための燃料ポンプと、燃料弁及び前記燃料ポンプを駆動するモータとを備えたガスタービンの制御のために、制御対象として前記モータまたは燃料弁の駆動を制御するガスタービン制御方法において、前記ガスタービンエンジンの実トルクと、使用者によって設定された目標トルクとのトルク差を求めるＡ段階と、
前記トルク差、及び前記トルク差の時間微分値が入力変数として設定されたファジィ制御アルゴリズムを実行して、ファジィ制御値を求めるＢ段階と、
前記ファジィ制御値を前記トルク差からの比例−微分制御値に一層近接せしめるようにシミュレーションによって設定されたゲインと前記ファジィ制御値とを乗じて、比例−微分制御値を求めるＣ段階と、
前記トルク差から積分制御値を求めるＤ段階と、
前記Ｃ段階Ｃ及びＤ段階からの比例−微分制御値及び積分制御値に基づいて比例−積分−微分制御値を求めるＥ段階と、
前記比例−積分−微分制御値に基づき前記制御対象の駆動を制御するＦ段階と、
前記Ａ段階からＦ段階までを繰り返し行うＧ段階とを含むことを特徴とするガスタービン制御方法が提供される。
【０００８】
本発明の前記ファジィ制御値は、前記Ｂ段階において前記トルク差、及び前記トルク差の時間微分値が入力変数として設定されたファジィ制御アルゴリズムの実行により得られるので、前記トルク差からの比例−微分制御値に近接することができる。これにより、前記Ｅ段階の実行によって得られた比例−積分−微分制御値は、通常の比例−積分−微分制御とファジィ制御とが同時に実行されて得られた値となる。
【０００９】
好ましくは、前記Ｂ段階におけるファジィ制御アルゴリズムは、
前記トルクの差が変化する全設定範囲内において、前記トルク差が属する第１の設定範囲を捜すことにより、前記第１の設定範囲に対応する設定代表値の第１メンバーシップ値を捜すＢ１段階と、
前記時間微分値が変化する全設定範囲内において、前記時間微分値が属する第２の設定範囲を捜すことにより、前記第２の設定範囲に対応する設定代表値の第２のメンバーシップ値を捜すＢ２段階と、
前記第１のメンバーシップ値及び前記第２のメンバーシップ値の相関関係によって設定された出力値を捜すＢ３段階と、
前記第１のメンバーシップ値及び前記第２のメンバーシップ値の相関関係に基づいてメンバーシップ係数を求める段階と、
前記出力値と前記メンバーシップ係数に比例する前記ファジィ制御値を求めるＢ４段階とを含む。
【００１０】
前記Ｄ段階における積分制御用ゲインは、比例制御用ゲインと微分制御用ゲインによって設定される。ここで、前記比例制御用ゲインは、前記Ｃ段階で適用されるゲインに比例するとともに、前記段階Ｂ１で適用される全体の設定範囲に反比例する。また前記微分制御用ゲインは、前記Ｃ段階で適用されるゲインに比例するとともに、前記Ｂ２段階で適用される全設定範囲に反比例する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に示すのは、本発明の一実施例による、制御対象としてモータ１５の駆動を制御するシステムである。図１において、本発明に係るガスタービン制御方法を行うシステム２は、ガスタービン１の制御システムである。このガスタービン１は、ガスタービンエンジン１７、ガスタービンエンジン１７に燃料を供給するための燃料ポンプ１６、及び燃料ポンプ１６を駆動するモータ１５を含む。この制御システム２は、比較器１１、積分制御器１２、ファジィ制御器１３及び加算器１４を含む。
【００１２】
比較器１１は、ガスタービンエンジン１７の実トルクｙと使用者によって設定された目標トルクｙ＊とのトルク差ｅを求める。積分制御器１２は、比較器１１で得られたトルク差ｅからの積分制御値を求める。ファジィ制御器１３は、比較器１１からのトルク差ｅ及びトルク差ｅの時間微分値δｅが入力変数として設定されたファジィ制御アルゴリズムを実行し、該結果に相応する比例−微分制御値を求める。加算器１４は、積分制御器１２からの積分制御値Ｓ１と、ファジィ制御器１３からの比例−微分制御値Ｓ２とを和し、該結果信号をモータ１５の駆動制御信号、すなわち、比例−積分−微分制御信号ｕとして出力する。
【００１３】
図１、２及び３を参照して、図１のシステム２において本発明に従い行われる制御方法について説明する。
【００１４】
比較器１１は、使用者によって設定された目標トルクｙ＊と、ガスタービンエンジン１７の実際トルクｙとの差ｅを求める（段階Ａ）。ファジィ制御器１３内のアルゴリズム実行部１３１は、トルク差ｅ、及びトルク差ｅの時間微分値δｅが入力変数として設定されたファジィ制御アルゴリズムを実行し、ファジィ制御値ω（ｔ）を求める（段階Ｂ）。ここで、ｔは時間を表す。ファジィ制御器１３内の補助積分器１３２は、得られたファジィ制御値ω（ｔ）をトルク差ｅからの典型的な比例−微分制御値に一層近接せしめるシミュレーションによって設定されたゲインＧをファジィ制御値ω（ｔ）と乗じ、比例−微分制御値Ｓ２を求める（段階Ｃ）。すなわち、複素変数をｐ、補助積分器１３２の伝達関数をＧ／ｐとするとき、以下の数式１が得られる。
【００１５】
【数１】
0004159676.tif 000002
【００１６】
前式１に対し離散時間のＺ変換を行えば、以下の数式２が得られる。
【００１７】
【数２】
0004159676.tif 000003
【００１８】
前式２は以下の数式３と等価である。
【００１９】
【数３】
0004159676.tif 000004
【００２０】
従って、サンプリング回数をｎ、サンプリング周期をＴとするとき、ｎ・Ｔの時点で以下の数式４が成立つ。
【００２１】
【数４】
0004159676.tif 000005
【００２２】
ここで、Ｓ２（ｎＴ）はｎＴの時点での比例−微分制御値、Ｓ２（ｎＴ−Ｔ）はｎＴ−Ｔの時点での比例−微分制御値、ω（ｎＴ）はｎＴの時点でのファジィ制御値をそれぞれ表す。前式１をＳ２（ｎＴ）に対して整理すれば、以下の数式５のようになる。
【００２３】
【数５】
0004159676.tif 000006
【００２４】
一方、積分制御器１２は、トルク差ｅとゲインＫi／ｐとを乗じた値から積分制御値Ｓ１を求める（段階Ｄ）。加算器１４は、積分制御器１２からの積分制御値Ｓ１と、ファジィ制御器１４からの比例−微分制御値Ｓ２とを加算して、比例−積分−微分制御値ｕを求める（段階Ｅ）。このように得られた比例−積分−微分制御値ｕに基づきモータ１５の駆動が制御される（段階Ｆ）。前記全ての段階は繰り返し行われる（段階Ｇ）。
【００２５】
次は、図３及び図４を参照して、図３のファジィ制御器のアルゴリズム実行部１３１によって実行されるファジィ制御アルゴリズムを説明する。
【００２６】
まず、トルク差ｅが変化する全設定範囲内において、現在入力されているトルク差ｅ（ｎＴ）が属する第１の設定範囲を捜すことにより、第１の設定範囲に対応する設定代表値の第１のメンバーシップ値（membership grade）を捜す（段階Ｂ１）。また、時間微分値δｅが変化する全設定範囲内において、現在入力される時間微分値δｅ（ｎＴ）が属する第２の設定範囲を捜すことにより、第２の設定範囲に対応する設定代表値である第２のメンバーシップ値を捜す（段階Ｂ２）。
【００２７】
次に、第１及び第２のメンバーシップ値の相関関係によって設定された出力値を捜す（段階Ｂ３）。次に、第１及び第２のメンバーシップ値の相関関係に基づきメンバーシップ係数を求める（段階Ｂ４）。そして、見出された出力値と得られたメンバーシップ係数とに比例するファジィ制御値ω（ｔ）を求める（段階Ｂ５）。
【００２８】
以上のように、トルク差ｅ（ｔ）と該時間微分値δｅとを入力変数としてファジィ制御アルゴリズムを実行（図２における段階Ｂ）すると、得られたファジィ制御値ω（ｔ）が典型的な比例−微分制御値に近接することがわかる。また、シミュレーションによって設定されたゲインＧをファジィ制御値ω（ｔ）に乗じることにより、典型的な比例−微分制御値に一層近接した値Ｓ２（ｔ）を求めることができる。しかしながら、シミュレーションによれば、前記のようなファジィ制御だけでは、典型的な比例−微分制御よりさらに安定した制御特性を有し得ない。かかる問題は、ファジィ制御による比例−微分制御値Ｓ２（ｔ）にトルク差ｅ（ｔ）からの積分制御値を加算することにより解消できる。すなわち、積分制御器１２のゲインＫiをファジィ制御器１３の仮想的な比例ゲイン及び微分ゲインに対し適宜設定することにより、極めて優れた特性の比例−積分−微分制御値ｕ（ｔ）を得ることができる。以下、積分制御器１２のゲインＫiを設定する過程について説明する。
【００２９】
加算器１４からの比例−微分−積分制御値ｕは、積分制御器１２からの積分制御値Ｓ１と、ファジィ制御器１４からの比例−微分制御値Ｓ２との和である。これを式で表現すれば、以下の数式６となる。
【００３０】
【数６】
0004159676.tif 000007
【００３１】
積分制御器１２からの積分制御値Ｓ１に対するＺ変換関数Ｓ１（ｚ）は、以下の数式７によって設定される。
【００３２】
【数７】
0004159676.tif 000008
【００３３】
ここで、ｋiは積分制御器１２のゲインを、ｅ（ｚ）は比較器１１からのトルク差を、ｚはｚ−演算子を、そしてＴはサンプリング周期をそれぞれ表す。
【００３４】
前記数式７を前記数式６に代入すれば、以下の数式８が成立つ。
【００３５】
【数８】
0004159676.tif 000009
【００３６】
前記数式８を整理すれば、以下の数式９が成立つ。
【００３７】
【数９】
0004159676.tif 000010
【００３８】
従って、サンプリング回数をｎとするとき、（ｎ・Ｔ）の時点で加算器からの出力値ｕ（ｎＴ）の関数は以下の数式１０で表示される。
【００３９】
【数１０】
0004159676.tif 000011
【００４０】
ここで、ｕ（ｎＴ−Ｔ）は（ｎ・Ｔ−Ｔ）の時点での加算器１４からの比例−微分−積分制御値を、Ｓ２（ｎＴ）は（ｎ・Ｔ）の時点でのファジィ制御器１３からの比例−微分制御値を、Ｓ２（ｎＴ−Ｔ）は（ｎ・Ｔ−Ｔ）の時点でのファジィ制御器１３からの比例−微分制御値を、そしてｅ（ｎＴ）は（ｎ・Ｔ）の時点でのトルク差をそれぞれ表す。
【００４１】
一方、ファジィ制御器１３の仮想的な比例制御用ゲインをＫp、微分制御用ゲインをＫd、そして複素変数をｐとするとき、ファジィ制御器１３の伝達関数は、Ｋp＋Ｋd・ｐである。また、積分制御器１２の伝達関数はｋi／ｐである。従って、ファジィ制御器１３及び積分制御器１２の伝達関数ＤはＫp＋Ｋd・ｐ＋ｋi／ｐである。システムを安定化するには、この伝達関数Ｄが複素変数ｐに対する正の実数の根α及びβを有しなければならない。これを式で表すと、以下の数式１１のようになる。
【００４２】
【数１１】
0004159676.tif 000012
【００４３】
前記数式１１を整理すれば、Ｋp＝（α＋β）・Ｋdの第１式及びｋi＝α・β・Ｋdの第２式が成立つ。第１式をβに対して整理すれば、以下の数式１２が成立つ。
【００４４】
【数１２】
0004159676.tif 000013
【００４５】
前記数式１２を前記第２式に代入して整理すれば、以下の数式１３が成立つ。
【００４６】
【数１３】
0004159676.tif 000014
【００４７】
前式１３の２次方程式の根は、以下の数式１４によって得られる。
【００４８】
【数１４】
0004159676.tif 000015
【００４９】
ここで、Ａは（Ｋp）2−４ＫdＫiである。
【００５０】
前式１４において、αが正の実数であるには、Ａは零（０）以上の実数Ｒの自乗と同様でなければならない。すなわち、（Ｋp）2−４ＫdＫi＝Ｒ2の式が成立つはずである。この式をｋiに対して整理すれば、以下の数式１５で表現される。
【００５１】
【数１５】
0004159676.tif 000016
【００５２】
前式１５において、Ｒがゼロ以上の実数であるには、以下の数式１６が成立たなければならない。
【００５３】
【数１６】
0004159676.tif 000017
【００５４】
従って、前式１５及び１６が成立つようファジィ制御器１３の比例制御用ゲインＫp及び微分制御用ゲインＫdが設定される。これにより、前式１５及び１６が成立てる積分制御器１２の積分制御用ゲインｋiは多数となる。これに対するシミュレーションを行えてみると、多数の積分制御用ゲインｋiのうち最大値を選択するのが好適であることが判る。従って、多数の積分制御用ゲインｋiのうち最大値を選択するには、Ｒ2の値をゼロにすべきである。すなわち、積分制御器１２の積分制御用ゲインｋiは、ファジィ制御器１３の比例制御用ゲインをＫp、ファジィ制御器１３の微分制御用ゲインをＫpとするとき、以下の数式１７によって設定される。
【００５５】
【数１７】
0004159676.tif 000018
【００５６】
ここで、積分制御器１２の積分制御用ゲインｋiを計算するには、ファジィ制御器１３の仮想的な比例制御用ゲインＫp、そしてファジィ制御器１３の仮想的な微分制御用ゲインＫdを設定すべきである。シミュレーションによれば、ファジィ制御器１３の仮想的な比例制御用ゲインＫpが補助積分器１３２のゲインＧに比例し、且つ前記段階Ｂ１で適用される全体の設定範囲に反比例するよう設定されるのが最適である。また、ファジィ制御器１３の仮想的な微分制御用ゲインＫdが補助積分器１３２のゲインＧに比例し、且つ前記段階Ｂ２で適用される全体の設定範囲に反比例するよう設定されるのが最適である。
【００５７】
かかるアルゴリズムに従い積分制御器１２の積分制御用ゲインｋi、ファジィ制御器１３の比例制御用ゲインＫp、そしてファジィ制御器１３の微分制御用ゲインＫdを設定することにより、比例−積分−微分制御とファジィ制御とを同時に行いつつ、安定した制御特性を得ることができる。
【００５８】
図５Ａは、典型的な比例−微分−積分制御を行った場合、ガスタービンエンジン１７の実際トルクｙに相応する検出信号の不安定した波形を示す。図５Ｂは、典型的な比例−微分−積分制御を行った場合、該制御値ｕに対応する駆動制御信号の不安定した波形を示す。図６Ａは、本発明の一実施例による制御を行った場合、ガスタービンエンジン１７の実際トルクｙに対応する検出信号の安定した波形を示す。図６Ｂは、本発明の一実施例による制御を行った場合、該制御値ｕに対応する駆動制御信号の安定した波形を示す。
【００５９】
上記した実施例の制御方法は、その制御対象が燃料ポンプを駆動するモータに代えて燃料弁の場合にも同様に適用される。
【００６０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係るモータ制御システムによれば、比例−積分−微分制御とファジィ制御を同時に行うことができるので、モータ応用装置の入出力特性を規定し難く、しかもトルク信号が極めて速い位相変化を有する場合にも、制御の確度、精度及び安定度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るガスタービン制御方法を行うシステムを示すブロック図である。
【図２】図１のシステムで本発明により行われる制御方法を示す流れ図である。
【図３】図１のシステムのファジィ制御器の内部構成を示すブロック図である。
【図４】図３のファジィ制御器のアルゴリズム実行部により実行されるファジィ制御アルゴリズムのフローチャートである。
【図５】Ａ及びＢからなり、Ａは、通常の比例−積分−微分制御を行った場合の、ガスタービンエンジンの実トルクに対応する検出信号の波形図であり、Ｂは、通常の比例−積分−微分制御を行った場合の、該制御値に対応する駆動制御信号の波形図である。
【図６】Ａ及びＢからなり、Ａは、本発明の一実施例による制御を行った場合の、ガスタービンエンジンの実トルクに対応する検出信号の波形図であり、Ｂは、本発明の一実施例による制御を行った場合の、該制御値に対応する駆動制御信号の波形図である。
【符号の説明】
１  ガスタービン、
２  ガスタービン制御システム、
１１  比較器、
１２  積分制御器、
１３  ファジィ制御器、
１４  加算器、
１５  モータ、
１６  燃料ポンプ、
１７  ガスタービンエンジン、
ｙ  実際のトルク、
ｙ＊  目標トルク、
ｅ  トルク差、
δｅ  トルク差の時間微分値、
Ｓ１  積分制御器からの積分制御値、
Ｓ２  フィジイ制御器からの比例−微分制御値、
ｕ  比例−積分−微分制御信号
【図１】
0004159676.tif 000019
【図２】
0004159676.tif 000020
【図３】
0004159676.tif 000021
【図４】
0004159676.tif 000022
【図５】
0004159676.tif 000023
【図６】
0004159676.tif 000024