JP2001021141A - 加熱炉の燃焼制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空気と燃料を安定した比率で、加熱炉の燃焼
装置へ供給し、そのような燃焼装置にて生じた燃焼ガス
により形成される炉雰囲気の温度等の制御精度を向上せ
しめる方法の提供。 【解決手段】 フィードフォワード制御ループとフィー
ドバック制御ループとの２つの制御ループから構成され
る制御系にて、燃焼装置に供給される空気流量を制御す
る一方、フィードフォワード制御ループとフィードバッ
ク制御ループの２つの制御ループから構成される制御系
にて、燃料装置に供給される燃料流量を制御せしめ、更
に、フィードフォワード制御ループとフィードバック制
御ループから構成される制御系にて、炉内の雰囲気温度
を制御するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、加熱炉の燃焼制御方法及び装置
に係り、特に、炉内雰囲気を燃焼装置で生じた燃焼ガス
にて調整し、炉内の加熱対象材を加熱せしめるようにし
た加熱炉において、炉内雰囲気の温度や燃焼装置への燃
料流量、空気流量の制御精度を向上せしめ得る制御方法
及び装置に関するものである。

【０００２】

【背景技術】従来から、燃焼装置で生じた燃焼ガスにて
炉内の加熱を行なうようにした加熱炉、所謂雰囲気加熱
炉を用いて、鉄鋼や他の金属材等の各種材料の加熱処理
が行なわれてきており、例えば、金属等の加熱対象材の
表面酸化を防止するために、炉内雰囲気を還元性に維持
しながら、対象材を目標温度まで加熱することを目的と
した還元性雰囲気加熱炉も、その一つとして知られてい
る。

【０００３】そして、そのような加熱炉にあっては、炉
内雰囲気を形成する燃焼ガスを与える燃焼装置への燃料
流量や空気流量を制御して炉内雰囲気を調整し、また、
炉内雰囲気の温度を設定値に正確に維持すべく、種々な
る制御方式が検討されてきており、例えば、上記した金
属等の材料の還元雰囲気加熱炉においては、燃焼装置た
るバーナーに供給する空気量と燃料量を操作し、対象材
の温度と炉内還元ガス濃度を制御しているが、そこにお
いて、温度制御と還元ガス濃度制御で重要な点は、温度
制御のための流量変更時に、バーナーに供給する空気量
と燃料量の比率を目標値に安定させる点にあり、そのた
めに、これまで、均圧弁方式やダブルクロスリミット法
等の制御方式が提案されている。

【０００４】具体的には、それら制御方式のうち、均圧
弁方式は、そのブロック図が図１に示されているよう
に、炉内の雰囲気温度の設定値と雰囲気温度の実測値と
から雰囲気温度制御を行なうフィードバック制御にて、
空気流量調整弁の開度指令を出力する一方、炉内雰囲気
のＣＯ濃度の設定値と実際のＣＯ濃度の実測値とから、
ＣＯ濃度制御を行なうフィードバック制御にて、燃料流
量調整弁の開度指令を出力し、そして空気流量調整弁の
二次側圧と燃料流量調整弁の二次側圧とが一定比率とな
るように、空気流量調整弁の二次側圧に従って機械的に
制御するようにしたものである。

【０００５】また、ダブルクロスリミット法は、特開平
５−２６４０２７号公報にも明らかにされている如く、
空気供給系の空気流量から許容される燃料流量の上下限
値を演算係数を用いて求め、この上下限値により温度コ
ントローラーより与えられる燃焼負荷量に対しリミット
をかけて、燃料流量設定値を得る燃料流量制御系と、燃
料供給系の燃料流量から許容される空気流量の上下限値
を演算係数を用いて求め、この上下限値により、前記燃
焼負荷量に対しリミットをかけて、空気流量設定値を得
る空気流量制御系とにより、燃料供給系及び空気供給系
より加熱炉に供給される燃料及び空気の流量を制御する
ことにより、空気と燃料の比が乱れることを防止するよ
うにした燃焼制御方式である。

【０００６】しかしながら、何れの制御方式にあって
も、設定値の変更指令に対して、炉内雰囲気の温度や燃
料流量、空気流量、更には炉内雰囲気中のガス濃度の制
御精度が充分でないという問題を内在しており、例え
ば、前記した均圧弁方式においては、空気流量に対して
機械的に追従させて燃料流量を制御しているところか
ら、どうしても空気流量が先行し、炉内の雰囲気濃度
（還元ガス濃度）の乱れが生じる原因となっているので
あり、またダブルクロスリミット方式にあっては、急峻
な温度制御を必要とした場合において、空気及び燃料の
バルブ開度指令値に制限が加えられることとなるところ
から、温度制御の応答の遅れを生じる原因となっている
のである。

【０００７】

【解決課題】ここにおいて、本発明は、かかる事情を背
景にして為されたものであって、その解決課題とすると
ころは、空気と燃料を、安定した比率で、加熱炉の燃焼
装置へ供給し、そのような燃焼装置にて生じた燃焼ガス
により形成される炉内雰囲気の温度等の制御精度を向上
せしめる方法及び装置を提供することにあり、また他の
課題とするところは、炉内雰囲気を還元性に維持しなが
ら、対象材を目標温度で加熱することを目的とした還元
性雰囲気加熱炉において、その加熱温度（雰囲気温度）
や燃料流量、空気流量、更には炉内雰囲気中の還元ガス
濃度の制御精度を効果的に向上し得る制御方法及び装置
を提供することにある。

【０００８】

【解決手段】そして、本発明にあっては、かくの如き課
題のうち、方法に係る課題を解決するために、燃焼装置
で生じた燃焼ガスにて炉内の加熱を行なうようにした加
熱炉において、該燃焼装置への空気流量、燃料流量及び
炉内の雰囲気温度を制御して、燃焼制御を行なう方法に
して、（ａ）前記炉内の雰囲気温度の設定値、雰囲気温
度の伝達特性の逆数、及び目標応答性を表す伝達特性の
３つを乗じた信号処理により、前記燃焼装置への空気流
量又は燃料流量を調整するフィードフォワード制御ルー
プと；かかる炉内雰囲気温度の設定値と前記目標応答性
を表す伝達特性の２つを乗じた信号処理を行なった出力
値と、実際の炉内雰囲気温度の測定値との差に対し、そ
の差を解消するように信号処理して、前記燃焼装置への
空気流量又は燃料流量を調整するフィードバック制御ル
ープとの２つの制御ループから構成される制御系にて、
前記燃焼装置への空気流量又は燃料流量の変更指令を制
御する一方、（ｂ）前記燃焼装置への空気流量の変更指
令、該燃焼装置への空気流量を調整する空気流量調整バ
ルブの伝達特性の逆数、及び目標応答性を表す伝達特性
の３つを乗じた信号処理により、該空気流量調整バルブ
のバルブ開度を調整するフィードフォワード制御ループ
と；前記空気流量変更指令と前記目標応答性を表す伝達
特性の２つを乗じた信号処理を行なった出力値と、実際
の空気流量の測定値との差に対し、その差を解消するよ
うに信号処理して、前記空気流量調整バルブのバルブ開
度を調整するフィードバック制御ループとの２つの制御
ループから構成される制御系にて、前記燃焼装置に供給
される空気流量を制御せしめ、（ｃ）更に、前記燃焼装
置への燃料流量の変更指令、該燃焼装置への燃料流量を
調整する燃料調整バルブの伝達特性の逆数、及び目標応
答性を表す伝達特性の３つを乗じた信号処理により、該
燃料流量調整バルブのバルブ開度を調整するフィードフ
ォワード制御ループと；前記燃料流量変更指令と前記目
標応答性を表す伝達特性の２つを乗じた信号処理を行な
った出力値と、実際の燃料流量の測定値との差に対し、
その差を解消するように信号処理して、前記燃料流量調
整バルブのバルブ開度を調整するフィードバック制御ル
ープの２つの制御ループから構成される制御系にて、前
記燃料装置に供給される燃料流量を制御することを特徴
とする加熱炉の燃焼制御方法を、その要旨とするもので
ある。

【０００９】すなわち、このような本発明に従う燃焼制
御方式にあっては、雰囲気温度変更指令に基づいて、空
気流量又は燃料流量を調整するフィードフォワード制御
ループとフィードバック制御ループの２つの制御ループ
から構成される雰囲気温度の制御系を用い、また空気流
量変更指令に基づき、空気流量調整バルブのバルブ開度
を調整するフィードフォワード制御ループとフィードバ
ック制御ループの２つの制御ループから構成される空気
流量の制御系を用い、更に、燃料流量変更指令に基づい
て、燃料流量調整バルブのバルブ開度を調整するフィー
ドフォワード制御ループとフィードバック制御ループの
２つの制御ループから構成される燃料流量の制御系を用
いることによって、それら空気流量や燃料流量、更には
雰囲気温度の制御において、それらの制御精度を効果的
に向上せしめ得たのであり、例えば雰囲気温度の変更指
令によって、炉内の雰囲気温度を変更された温度に移行
せしめるに際しても、その変動幅を著しく小さく為し得
て、迅速に、変更温度に、安定的に到達せしめ得るので
ある。

【００１０】なお、かかる本発明に従う加熱炉の燃焼制
御方法の望ましい態様の一つによれば、前記炉内雰囲気
が還元性雰囲気に保持される一方、かかる還元性雰囲気
を与えるＣＯ濃度の設定値と実際の炉内雰囲気中のＣＯ
濃度の測定値との差に対し、その差を解消するように信
号処理して得られる出力値と、前記燃焼装置への空気流
量の変更指令と前記燃焼装置における予め設定された空
燃比（空気燃料比）とを乗じた信号処理により得られる
出力値とから、前記燃焼装置への燃料流量の変更指令が
求められることとなるが、これによって、還元ガス濃度
についても、前記した空気流量制御及び燃料流量制御に
より、制御精度を効果的に向上させることが出来るので
ある。

【００１１】また、本発明は、前述せる如き課題のう
ち、装置に係る課題の解決を図るために、燃焼装置で生
じた燃焼ガスにて炉内の加熱を行なうようにした加熱炉
において、該燃焼装置への空気流量、燃料流量及び炉内
の雰囲気温度を制御して、燃焼制御を行なう装置にし
て、（Ａ）前記炉内の雰囲気温度の設定値、雰囲気温度
の伝達特性の逆数、及び目標応答性を表す伝達特性の３
つを乗じた信号処理により、前記燃焼装置への空気流量
又は燃料流量を調整するフィードフォワード制御ループ
と；かかる炉内雰囲気温度の設定値と前記目標応答性を
表す伝達特性の２つを乗じた信号処理を行なった出力値
と、実際の炉内雰囲気温度の測定値との差に対し、その
差を解消するように信号処理して、前記燃焼装置への空
気流量又は燃料流量を調整するフィードバック制御ルー
プとの２つの制御ループから構成される雰囲気温度制御
系と、（Ｂ）前記燃焼装置への空気流量の変更指令、該
燃焼装置への空気流量を調整する空気流量調整バルブの
伝達特性の逆数、及び目標応答性を表す伝達特性の３つ
を乗じた信号処理により、該空気流量調整バルブのバル
ブ開度を調整するフィードフォワード制御ループと；前
記空気流量変更指令と前記目標応答性を表す伝達特性の
２つを乗じた信号処理を行なった出力値と、実際の空気
流量の測定値との差に対し、その差を解消するように信
号処理して、前記空気流量調整バルブのバルブ開度を調
整するフィードバック制御ループとの２つの制御ループ
から構成される空気流量制御系と、（Ｃ）前記燃焼装置
への燃料流量の変更指令、該燃焼装置への燃料流量を調
整する燃料調整バルブの伝達特性の逆数、及び目標応答
性を表す伝達特性の３つを乗じた信号処理により、該燃
料流量調整バルブのバルブ開度を調整するフィードフォ
ワード制御ループと；前記燃料流量変更指令と前記目標
応答性を表す伝達特性の２つを乗じた信号処理を行なっ
た出力値と、実際の燃料流量の測定値との差に対し、そ
の差を解消するように信号処理して前記燃料流量調整バ
ルブのバルブ開度を調整するフィードバック制御ループ
との２つの制御ループから構成される燃料流量制御系と
を、含むことを特徴とする加熱炉の燃焼制御装置を、そ
の要旨とするものである。

【００１２】そして、そのような燃焼制御装置にあって
も、その望ましい一つの態様によれば、前記加熱炉が前
記燃焼装置で生じた還元性の燃焼ガスにて還元性の炉内
雰囲気とされる還元性雰囲気加熱炉であり、且つ前記炉
内雰囲気が還元性雰囲気に保持される一方、かかる還元
性雰囲気を与えるＣＯ濃度の設定値と実際の炉内雰囲気
中のＣＯ濃度の測定値との差に対し、その差を解消する
ように信号処理して得られる出力値と、前記燃焼装置へ
の空気流量の変更指令と前記燃焼装置における予め設定
された空燃比とを乗じた信号処理により得られる出力値
とから、前記燃焼装置への燃料流量の変更指令が求めら
れるＣＯ濃度制御系を、更に有しており、これによっ
て、還元ガス濃度についても、その制御精度を著しく向
上せしめ得るのである。

【００１３】

【発明の実施の形態】ところで、本発明に従う制御方式
の概念図が、図２に示されているが、そこにおいて、炉
本体に設けられた燃焼装置には、燃料供給源から、燃料
流量調整弁（バルブ）を通じて、所定量の燃料が供給さ
れるようになっている一方、そのような燃料を燃焼せし
めるための空気が、空気供給源から空気流量調整弁（バ
ルブ）を通じて所定割合において供給されるようになっ
ている。そして、そのような燃焼装置における燃焼によ
り生じた燃焼ガスにて、炉本体内の炉内雰囲気が調整さ
れるようになっているのである。本発明は、このような
燃焼装置で生じた燃焼ガスにて炉内雰囲気を構成し、炉
内の加熱対象材を加熱処理するようにした雰囲気加熱炉
において、燃焼装置への空気流量、燃料流量及び炉内の
雰囲気温度を制御して、燃焼制御を行なうものであっ
て、そのために、それぞれの制御系を特徴ある構成とし
ているのである。

【００１４】すなわち、そのような図２に示される燃焼
制御方式における雰囲気温度制御系においては、予め設
定された雰囲気温度の設定値（℃）に、目標応答性を表
す伝達特性からなる補償要素が乗ぜられ、その得られた
値と炉内の実際の雰囲気温度（実測値）との差が求めら
れ、そしてその差を解消するように、比例・積分制御
（ＰＩ制御）等の信号処理によるフィードバック（Ｆ
Ｂ）制御により、１つの出力値を求める一方、前記した
雰囲気温度設定値と雰囲気温度の伝達特性の逆数と目標
応答性を表す伝達特性の３つを乗じた信号処理を行なう
フィードフォワード（ＦＦ）制御により、他の１つの出
力値を求め、それら２つの出力値を加算して、空気流量
の変更指令を為すようになっている。

【００１５】また、空気流量制御系にあっては、上記し
た雰囲気温度制御系にて得られる空気流量変更指令を用
いて、そのような空気流量変更指令と目標応答性を示す
伝達特性（補償要素）を乗じた信号処理を行なって得ら
れる値と空気流量調整弁を通じて燃焼装置に供給される
空気流量の実際の値（実測値）との減算により、その差
を求め、その差が解消されるように、比例・積分制御
（ＰＩ制御）等の信号処理によるＦＢ制御により、１つ
の出力値を求める一方、前記した空気流量変更指令と空
気流量調整弁の伝達特性の逆数と目標応答性を示す伝達
特性との３つを乗じる信号処理によるＦＦ制御にて、他
の１つの出力値を求め、そしてそれら２つの出力値を加
算して、開度指令値として、空気流量調整弁に出力する
ようになっているのである。

【００１６】さらに、前記した雰囲気温度制御系にて得
られる空気流量の変更指令には、また、予め設定された
空気燃料比、換言すれば空燃比（λ）が乗じられて、１
つの出力値が求められる一方、予め設定された炉内雰囲
気中のＣＯ濃度の設定値（％）と実際の炉本体内の雰囲
気中のＣＯ濃度（実測値）との減算にて求められる差を
解消するように、ＰＩ制御等の信号処理によるＦＢ制御
を行なって、他の１つの出力値を求め、そしてそれら２
つの出力値を加算して、燃料流量変更指令が出されるよ
うになっている。なお、ここでは、炉内雰囲気が還元性
雰囲気とされて、そのような雰囲気中のＣＯ濃度の制御
も併せて行なう方式が採用されているが、このようなＣ
Ｏ濃度の制御方式を採用しない場合、更には炉内雰囲気
が還元性雰囲気ではない場合にあっては、前記した空気
流量変更指令に空燃比（λ）を乗じて得られる出力値
が、そのまま、燃料流量の変更指令として採用されるこ
ととなる。

【００１７】そして、かくの如くして求められる燃料流
量変更指令を用いて、燃料流量制御系にあっては、それ
に燃料流量調整バルブの伝達特性の逆数と目標応答性を
表す伝達特性を乗じる信号処理を行なうＦＦ制御にて、
１つの出力値を求める一方、そのような燃料流量変更指
令に目標応答性を表す伝達特性からなる補償要素を乗じ
て得られる値と、燃料流量調整バルブから燃焼装置に実
際に供給される燃料流量の値（実測値）とを減算して、
その差を解消するように、ＰＩ制御等の信号処理による
ＦＢ制御を行なって、他の１つの出力値を求め、そして
それら２つの出力値を加算して得られる値を、開度指令
として、それに基づいて、燃料流量調整弁を制御するよ
うになっているのである。

【００１８】ここにおいて、かくの如き本発明に従う燃
焼制御方式は、また、以下のような数式にて説明され得
るのである。

【００１９】すなわち、先ず、空気と燃料の流量を変更
した際に、変化する雰囲気温度の特性は、次の(1) 式の
ように表すことが出来る。 Ｔ_A ＝Ｇ_A （ｓ）（ａｑ_A ^ref ＋ｂｑ_F ^ref ） ・・・(1) 但し、Ｔ_A ： 雰囲気温度変化 Ｇ_A （ｓ）： 伝達関数 ｑ_A ^ref ： 空気流量変更量（変更指令） ｑ_F ^ref ： 燃料流量変更量（変更指令） ａ、ｂ ： 定数

【００２０】ここで、ｑ_A ^ref のフィードフォワード制
御による変更量：ｑ_A ^ref/FFは、次の(2) 式のように表
すことが出来る。 ｑ_A ^ref/FF＝｛１／［Ｇ_A （ｓ）］｝・（１／ｋ） ・［ω_tr ² ／（ｓ² ＋２ηω_trｓ＋ω_tr ² ）］・Ｔ_A ^ref ・・・(2) 但し、ｋ＝ａ＋ｂλ ω_tr ： 目標応答性を表す固有周波数 Ｔ_A ^ref ： 雰囲気温度の設定値 ｓ ： ラプラス演算子 η ： 減衰係数 λ ： 空気燃料比

【００２１】そして、ｑ_F ^ref ＝λｑ_A ^ref とすると、
Ｔ_A ^ref からＴ_A への特性は、次の(3) 式のようにな
る。 Ｔ_A ＝［ω_tr ² ／（ｓ² ＋２ηω_trｓ＋ω_tr ² ）］・Ｔ_A ^ref ・・・(3) 従って、η及びω_trを適当に選択することにより、希望
する応答性が達成されることとなるのである。

【００２２】また、前記(2) 式がＴ_A ^ref に対するフィ
ードフォワード制御による空気流量変更指令となるが、
ここでは、かかる(2) 式のフィードフォワード制御のみ
では、定常偏差が発生するために、次の(4) 式のような
フィードバック制御も実施するのである。 ｑ_A ^ref/FB＝Ｋ_piA （１＋１／Ｔ_IiA ｓ）・［Ｈ₁ （ｓ）・Ｔ_A ^ref −Ｔ_A ］ ・・・(4) Ｈ₁ （ｓ）＝ω_tr ² ／（ｓ² ＋２ηω_trｓ＋ω_tr ² ） なお、かかるＨ₁ （ｓ）は、フィードフォワード制御と
フィードバック制御の干渉を補償するための項であっ
て、雰囲気温度の応答目標を示すものであり、また、ｑ
_A ^ref は、ｑ_F ^ref/FFとｑ_A ^ref/FBとの和として与えら
れるものである。 ｑ_A ^ref ＝ｑ_F ^ref/FF＋ｑ_A ^ref/FB

【００２３】ところで、空気流量と空気流量調整弁のバ
ルブ開度との関係は、次の(5) 式のように表すことが出
来る。 ｑ_A ＝［Ｋ_A ／（Ｔ_AVｓ＋１）］・ｇ_A ・・・(5) ｑ_A ： 空気流量（実測値） ｇ_A ： バルブ開度指令 Ｔ_AV ： 時定数 Ｋ_A ： ゲイン

【００２４】ここで、ｇ_A ^FFをｇ_A のフィードフォワー
ド制御分とすると、かかるｇ_A ^FFは、次の(6) 式にて示
され、またｑ_A は、以下の(7) 式となる。 ｇ_A ^FF＝［（Ｔ_AVｓ＋１）／Ｋ_A ］・［１／（Ｔ_pAｓ＋１）］・ｑ_A ^ref ・・・(6) ｑ_A ＝［１／（Ｔ_pAｓ＋１）］・ｑ_A ^ref ・・・(7) 但し、Ｔ_pA ： 目標応答性を表す時定数 従って、かかるＴ_pAを適当に調整することにより、希望
の応答性が得られることとなるのである。なお、上記の
(6) 式が、空気流量制御のフィードフォワード制御分で
ある。

【００２５】また、フィードフォワード制御のみでは、
定常偏差が発生するために、次の(8) 式にて示されるフ
ィードバック制御も実施されることとなるのである。 ｇ_A ^FB＝Ｋ_pA［１＋（１／Ｔ_IAｓ）］・［Ｈ₂ （ｓ）ｑ_A ^ref −ｑ_A ］ ・・・(8) Ｈ₂ （ｓ）＝１／（Ｔ_pAｓ＋１） 但し、ｇ_A ^FB ：ｇ_A のフィードバック制御分 Ｋ_pA ：空気流量制御のフィードバック比例ゲイン Ｔ_IA ：空気流量制御のフィードバック積分時間 Ｈ₂ （ｓ）：フィードフォワード制御とフィードバック
制御の干渉を補償するための項であり、空気流量の応答
目標を示している。

【００２６】また、ｇ_A は、ｇ_A ^FFとｇ_A ^FBとの和で示
され、次式にて与えられる。 ｇ_A ＝ｇ_A ^FF＋ｇ_A ^FB

【００２７】さらに、燃焼装置への実際の燃料流量と燃
料流量調整バルブのバルブ開度との関係は、次の(9) 式
のように表すことが出来る。 ｑ_F ＝［Ｋ_F ／（Ｔ_F ｓ＋１）］・ｇ_F ・・・(9) 但し、ｑ_F ：燃料流量（実測値） ｇ_F ：バルブ開度指令 Ｔ_F ：時定数 Ｋ_F ：ゲイン

【００２８】ここで、かかる(9) 式が燃料流量制御系に
おけるフィードフォワード制御分であり、バルブ開度指
令（ｇ_F ）のフィードフォワード制御分をｇ_F ^FFとする
と、かかるｇ_F ^FFは、次の(10)式とされ、更に、燃料流
量（ｑ_F ）は、以下の(11)式にて示され、従って、Ｔ_pF
を適当に調整することにより、希望の応答性が得られる
こととなるのである。 ｇ_F ^FF＝［（Ｔ_F ｓ＋１）／Ｋ_F ］・［１／（Ｔ_pFｓ＋１）］・ｑ_F ^ref ・・・(10) ｑ_F ＝［１／（Ｔ_pFｓ＋１）］・ｑ_F ^ref ・・・(11) 但し、Ｔ_pF：目標応答性を表す時定数

【００２９】また、そのような燃料流量制御系におい
て、フィードフォワード制御のみでは、定常偏差が発生
するところから、次の(12)式にて示されるフィードバッ
ク制御も実施されるのである。 ｇ_F ^FB＝Ｋ_pF（１＋１／Ｔ_IFｓ）・［Ｈ₃ （ｓ）ｑ_F ^ref −ｑ_F ］ ・・・(12) Ｈ₃ （ｓ）＝１／（Ｔ_pFｓ＋１） 但し、Ｋ_pF ： 燃料流量制御のフィードバック比
例ゲイン Ｔ_IF ： 燃料流量制御のフィードバック積分時間 Ｈ₃ （ｓ）： フィードフォワード制御とフィードバッ
ク制御の干渉を補償するための項（燃料流量の応答目
標）

【００３０】そして、ｇ_F は、ｇ_F ^FFとｇ_F ^FBとの和と
して、次の式にて与えられるのである。 ｇ_F ＝ｇ_F ^FF＋ｇ_F ^FB

【００３１】ここにおいて、前記した(1) 式中のＧ
_A （ｓ）を、例えば、次のような特性にて近似すると、
制御系は、具体的には、図３〜図５のようになる。 Ｇ_A （ｓ）＝（Ｋ_t ｓ＋Ｋ_t ω_n ）／（ｓ² ＋２ξω_t
ｓ＋ω_t ² ） 但し、Ｋ_t 、ω_n 、ω_t 、ξ ： 雰囲気温度変化の特
性を表すパラメータ（プラントによって定まる係数であ
り、実験的若しくは計算により求められるもの。）

【００３２】ところで、それら図３〜図５に示される制
御方式においては、先ず、雰囲気温度制御系では、図３
に示される如く、雰囲気温度変更指令：Ｔ_A ^ref に対し
て、雰囲気温度の伝達特性の逆数：（ｓ² ＋２ξω_t ｓ
＋ω_t ² ）／（Ｋ_t ｓ＋Ｋ_tω_n ）と目標応答性を示す
伝達特性：ω_tr ² ／（ｓ² ＋２ηω_trｓ＋ω_tr ² ）を乗
じた信号処理を行ない、空気流量を直接調整するフィー
ドフォワード制御ループにより、空気流量の変更指令：
ｑ_A ^ref を決定するのである。そして、このような制御
と同時に、雰囲気温度変更指令：Ｔ_A ^ref に対して、目
標応答性を表す伝達特性：ω_tr ² ／（ｓ² ＋２ηω_trｓ
＋ω_tr ² ）を有する信号処理を行なった出力値と、実際
の雰囲気温度測定値との差に対し、比例・積分制御（Ｐ
Ｉ制御）等の信号処理を行なって、空気流量を調整する
フィードバック制御ループにより、空気流量の変更指
令：ｑ_A ^ref を補正する。

【００３３】次いで、そのようにして得られた空気流量
変更指令：ｑ_A ^ref に対して、空気流量制御系では、図
４に示される如く、空気流量調整弁の伝達特性の逆数：
（Ｔ _AVｓ＋１）／Ｋ_A と、目標応答性を表す伝達特性：
１／（Ｔ_pAｓ＋１）とを乗じた信号処理を行ない、かか
る空気流量調整弁のバルブ開度を直接調整するフィード
フォワード制御ループにより、バルブ開度指令を決定す
る一方、そのような制御と同時に、空気流量変更指令：
ｑ_A ^ref に対して、目標応答性を表す伝達特性：１／
（Ｔ_pAｓ＋１）を有する信号処理を行なって得られる出
力と、燃焼装置への実際の空気の流量測定値（実測値）
との差に対して、ＰＩ制御等の信号処理を行なってバル
ブ開度を調整するフィードバック制御ループにより、バ
ルブ開度指令を補正するのである。

【００３４】一方、燃料流量制御系にあっては、図５に
示されるように、燃料流量変更指令：ｑ_F ^ref に対し、
燃料流量調整弁の伝達特性の逆数：（Ｔ_F ｓ＋１）／Ｋ
_F と、目標応答性を表す伝達特性：１／（Ｔ_pFｓ＋１）
を乗じた信号処理を行ない、かかる燃料流量調整弁のバ
ルブ開度を直接調整するフィードフォワード制御ループ
により、バルブ開度指令を決定する一方、そのような制
御と同時に、燃料流量変更指令：ｑ_F ^ref に対し、目標
応答性を表す伝達特性：１／（Ｔ_pFｓ＋１）を有する信
号処理を行なって得られる出力値と、燃料流量調整バル
ブを通じて燃焼装置に供給される燃料の実際の流量測定
値（実測値）との差に対して、ＰＩ制御等の信号処理を
行なってバルブ開度を調整するフィードバック制御ルー
プにより、バルブ開度指令を補正するようにするのであ
る。

【００３５】なお、ここにおいても、還元性雰囲気加熱
炉に適用するために、前記した燃料流量変更指令：ｑ_F
^ref は、雰囲気中のＣＯ濃度によって補正されるように
なっているのである。すなわち、空気流量変更指令：ｑ
_A ^ref に空燃比：λを乗じて得られる燃料流量変更指令
に対し、雰囲気中のＣＯ濃度の設定値と実際の炉内の雰
囲気中のＣＯ濃度（実測値）との差に対して、ＰＩ制御
等の信号処理を行なって、燃料流量を調整するフィード
バック制御ループにより、そのような燃料流量変更指令
を補正するようになっているのである。

【００３６】そして、かくの如き制御系にて得られる各
バルブの開度指令に基づいて、空気流量調整弁と燃料流
量調整弁とをそれぞれ作動せしめることによって、制御
精度を効果的に向上せしめ得て、目的とする加熱炉内の
雰囲気の制御が、より正確に且つ安定的に行なわれるこ
ととなるのである。

【００３７】ところで、以上に説明の具体例にあって
は、雰囲気温度制御系において、燃焼装置への空気流量
変更指令（ｑ_A ^ref ）が求められ、それを用いて、空気
流量制御及び燃料流量制御がそれぞれ行なわれている
が、また、そのような雰囲気温度制御系において、同様
にして、燃焼装置への燃料流量変更指令（ｑ_F ^ref ）を
求めることも出来、そしてその燃料流量変更指令に基づ
いて、燃料流量制御及び空気流量制御をそれぞれ実施す
ることが出来る。尤も、そのような場合において、空気
流量変更指令は、燃料流量変更指令に空燃比（λ）を乗
じた信号処理を施す一方、必要に応じてＣＯ濃度制御系
から得られる出力値に基づいて、求められることとなる
のである。

【００３８】また、かくの如き本発明に従う燃焼制御方
式の採用による優れた特徴は、以下のシミュレーション
結果からも容易に理解され得るところである。

【００３９】すなわち、そのようなシミュレーション
は、還元性（ＣＯ）雰囲気加熱炉を対象として、その炉
内雰囲気の温度制御及び還元ガス（ＣＯ濃度）制御につ
いて、図１に示される均圧弁方式と本発明に従う例示の
制御方式とを採用して、実施し、比較したものである。
但し、本発明に係る方式の優位性を明確にするために、
シミュレーションでは、バルブの伝達特性に２０％の誤
差を付加して行なった。

【００４０】そして、雰囲気温度指令値を２０℃変更し
た場合（温度指令値変更：ステップ入力で、０〜５０秒
の間は８６０℃とし、５０〜１５０秒の間は８８０℃と
なるように切り換えた）の制御状況をシミュレートした
結果、温度制御においては、図１に示される均圧弁方式
では１５℃程度の変動幅が認められたが、本発明に従う
制御方式では、３℃程度の変動幅に抑えることが出来た
のであり、またＣＯ濃度制御においては、均圧弁方式で
は１．５％程度の変動幅が存在したが、本発明に係る制
御方式では、１．０％程度の変動幅に抑えることが出来
た。

【００４１】なお、本発明は、以上の具体的な説明によ
って、何等限定的に解釈されるものでは決してなく、本
発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に
基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた形態に
おいて実施され得るものであり、そのような実施の形態
のものが何れも、本発明の範疇に属するものであること
が理解されるべきである。

【００４２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、所定の空気流量制御、燃料流量制御及び雰囲
気温度制御によって、制御精度が有利に向上せしめら
れ、以て安定した加熱炉の運転が可能となるのであり、
また、特に、還元性雰囲気加熱炉に適用されて、空気と
燃料を安定した比率で燃焼装置に供給し、還元ガス濃度
や温度の制御精度を効果的に向上せしめ得るという特徴
を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】均圧弁を用いた従来の温度制御方式を示すブロ
ック図である。

【図２】本発明に従う燃焼制御方式を採用する一具体例
を示すブロック図である。

【図３】本発明に従う燃焼制御方式の一例における雰囲
気温度制御系の詳細を示すブロック図である。

【図４】本発明に従う燃焼制御方式における空気流量制
御系の詳細を示すブロック図である。

【図５】本発明に従う燃焼制御方式における燃料流量制
御系の詳細を示すブロック図である。

【図６】均圧弁方式の制御シミュレーション結果を示す
ものであって、（ａ）は雰囲気温度の変動幅を示すグラ
フ、（ｂ）はＣＯ濃度の変動幅を示すグラフである。

【図７】本発明に従う燃焼制御方式のシミュレーション
結果を示すものであって、（ａ）は雰囲気温度の変動結
果を示すグラフ、（ｂ）はＣＯ濃度の変動結果を示すグ
ラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 治男 東京都港区新橋五丁目11番３号 住友軽金 属工業株式会社内 (72)発明者 星野 郁弥 東京都港区新橋五丁目11番３号 住友軽金 属工業株式会社内 (72)発明者 平松 弥幸 愛知県名古屋市熱田区六野一丁目２番５号 大同特殊鋼株式会社高蔵製作所内 Ｆターム(参考） 3K003 AA01 AB03 AB06 AC02 CA03 CA05 CA09 CB05 5H004 GA05 GB20 HA01 HA04 HA16 HB01 HB02 HB04 JA14 JA23 JB09 KA71 KB02 KB04 KB13 KB16 KB22 KB26 KB29 KB32 KB39 LA01 LA13 LA15 LA18

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼装置で生じた燃焼ガスにて炉内の加
   熱を行なうようにした加熱炉において、該燃焼装置への
   空気流量、燃料流量及び炉内の雰囲気温度を制御して、
   燃焼制御を行なう方法にして、 前記炉内の雰囲気温度の設定値、雰囲気温度の伝達特性
   の逆数、及び目標応答性を表す伝達特性の３つを乗じた
   信号処理により、前記燃焼装置への空気流量又は燃料流
   量を調整するフィードフォワード制御ループと；かかる
   炉内雰囲気温度の設定値と前記目標応答性を表す伝達特
   性の２つを乗じた信号処理を行なった出力値と、実際の
   炉内雰囲気温度の測定値との差に対し、その差を解消す
   るように信号処理して、前記燃焼装置への空気流量又は
   燃料流量を調整するフィードバック制御ループとの２つ
   の制御ループから構成される制御系にて、前記燃焼装置
   への空気流量又は燃料流量の変更指令を制御する一方、 前記燃焼装置への空気流量の変更指令、該燃焼装置への
   空気流量を調整する空気流量調整バルブの伝達特性の逆
   数、及び目標応答性を表す伝達特性の３つを乗じた信号
   処理により、該空気流量調整バルブのバルブ開度を調整
   するフィードフォワード制御ループと；前記空気流量変
   更指令と前記目標応答性を表す伝達特性の２つを乗じた
   信号処理を行なった出力値と、実際の空気流量の測定値
   との差に対し、その差を解消するように信号処理して、
   前記空気流量調整バルブのバルブ開度を調整するフィー
   ドバック制御ループとの２つの制御ループから構成され
   る制御系にて、前記燃焼装置に供給される空気流量を制
   御せしめ、 更に、前記燃焼装置への燃料流量の変更指令、該燃焼装
   置への燃料流量を調整する燃料調整バルブの伝達特性の
   逆数、及び目標応答性を表す伝達特性の３つを乗じた信
   号処理により、該燃料流量調整バルブのバルブ開度を調
   整するフィードフォワード制御ループと；前記燃料流量
   変更指令と前記目標応答性を表す伝達特性の２つを乗じ
   た信号処理を行なった出力値と、実際の燃料流量の測定
   値との差に対し、その差を解消するように信号処理し
   て、前記燃料流量調整バルブのバルブ開度を調整するフ
   ィードバック制御ループの２つの制御ループから構成さ
   れる制御系にて、前記燃焼装置に供給される燃料流量を
   制御することを特徴とする加熱炉の燃焼制御方法。
2. 【請求項２】 前記炉内雰囲気が還元性雰囲気に保持さ
   れる一方、かかる還元性雰囲気を与えるＣＯ濃度の設定
   値と実際の炉内雰囲気中のＣＯ濃度の測定値との差に対
   し、その差を解消するように信号処理して得られる出力
   値と、前記燃焼装置への空気流量の変更指令と前記燃焼
   装置における予め設定された空燃比とを乗じた信号処理
   により得られる出力値とから、前記燃焼装置への燃料流
   量の変更指令が求められる請求項１記載の燃焼制御方
   法。
3. 【請求項３】 燃焼装置で生じた燃焼ガスにて炉内の加
   熱を行なうようにした加熱炉において、該燃焼装置への
   空気流量、燃料流量及び炉内の雰囲気温度を制御して、
   燃焼制御を行なう装置にして、 前記炉内の雰囲気温度の設定値、雰囲気温度の伝達特性
   の逆数、及び目標応答性を表す伝達特性の３つを乗じた
   信号処理により、前記燃焼装置への空気流量又は燃料流
   量を調整するフィードフォワード制御ループと；かかる
   炉内雰囲気温度の設定値と前記目標応答性を表す伝達特
   性の２つを乗じた信号処理を行なった出力値と、実際の
   炉内雰囲気温度の測定値との差に対し、その差を解消す
   るように信号処理して、前記燃焼装置への空気流量又は
   燃料流量を調整するフィードバック制御ループとの２つ
   の制御ループから構成される雰囲気温度制御系と、 前記燃焼装置への空気流量の変更指令、該燃焼装置への
   空気流量を調整する空気流量調整バルブの伝達特性の逆
   数、及び目標応答性を表す伝達特性の３つを乗じた信号
   処理により、該空気流量調整バルブのバルブ開度を調整
   するフィードフォワード制御ループと；前記空気流量変
   更指令と前記目標応答性を表す伝達特性の２つを乗じた
   信号処理を行なった出力値と、実際の空気流量の測定値
   との差に対し、その差を解消するように信号処理して、
   前記空気流量調整バルブのバルブ開度を調整するフィー
   ドバック制御ループとの２つの制御ループから構成され
   る空気流量制御系と、 前記燃焼装置への燃料流量の変更指令、該燃焼装置への
   燃料流量を調整する燃料調整バルブの伝達特性の逆数、
   及び目標応答性を表す伝達特性の３つを乗じた信号処理
   により、該燃料流量調整バルブのバルブ開度を調整する
   フィードフォワード制御ループと；前記燃料流量変更指
   令と前記目標応答性を表す伝達特性の２つを乗じた信号
   処理を行なった出力値と、実際の燃料流量の測定値との
   差に対し、その差を解消するように信号処理して前記燃
   料流量調整バルブのバルブ開度を調整するフィードバッ
   ク制御ループとの２つの制御ループから構成される燃料
   流量制御系とを、含むことを特徴とする加熱炉の燃焼制
   御装置。
4. 【請求項４】 前記加熱炉が前記燃焼装置で生じた還元
   性の燃焼ガスにて還元性の炉内雰囲気とされる還元性雰
   囲気加熱炉であり、且つ前記炉内雰囲気が還元性雰囲気
   に保持される一方、かかる還元性雰囲気を与えるＣＯ濃
   度の設定値と実際の炉内雰囲気中のＣＯ濃度の測定値と
   の差に対し、その差を解消するように信号処理して得ら
   れる出力値と、前記燃焼装置への空気流量の変更指令と
   前記燃焼装置における予め設定された空燃比とを乗じた
   信号処理により得られる出力値とから、前記燃焼装置へ
   の燃料流量の変更指令が求められるＣＯ濃度制御系を、
   更に有している請求項３記載の燃焼制御装置。