JP2623080B2 - 先行制御型自動制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の利用分野） 本発明は、先行制御型自動制御装置に関するものであ
り、特に、石炭焚ボイラの燃料制御、複数台のガスター
ビンの負荷分担制御、および火力発電設備におけるボイ
ラへの給水制御などのように、おのおの独立に起動停止
でき、また自動運転−手動運転モードの切換えも任意に
できるような複数の操作端を、一つの制御量で制御する
自動制御装置に、先行制御機能をもたせた先行制御型自
動制御装置に関するものである。

以下においては、石炭焚ボイラの場合を例にとって、
従来技術および本発明の実施例などについて説明する
が、本発明はこれ以外にも、前述のような特性を有する
自動制御装置に適用できるものである。

（発明の背景） 第１図に石炭焚ボイラの全体構成を示す。

第１図に於いて、１はボイラ、２はボイラ１中に設け
られた水管であり、図には示さない給水ポンプにより給
水が行われる。３は給炭機であり、石炭ホッパ４に貯蔵
されている石炭を石炭ミル５に供給する。

この場合の給炭量は、例えば、給炭機モータ６の速度
を変えることにより調節できる。石炭ミル５内で粉砕さ
れた微粉炭は、図には示さない１次空気ファンより送風
される１次空気により、微粉炭管７を経由して搬送さ
れ、石炭バーナ8a〜8cにおいて燃焼される。

また、図中の９は風箱であり、図には示さない押込フ
ァンにより送風される燃焼用２次空気を微粉炭バーナ８
に導く働きをする。

第２図に、石炭焚ボイラの燃料量制御系のブロック図
を示す。10は給炭機３への給炭指令19を演算するマスタ
制御部である。11a〜11nは、マスタ制御部10で作成され
た給炭指令19に基づいて、各給炭機への給炭指令を作成
するサブループ制御部である。

12a〜12nは給炭機モータ6a〜6nの駆動装置であり、そ
れぞれ対応するサブループ制御部11a〜11nで作成された
給炭指令33a〜33nに応じて、前記給炭機（ベルトコンベ
ア）モータ6a〜6nの速度を調整する。

マスタ制御部10の詳細は、つぎのとおりである。

14は全石炭流量指令値である。15a〜15nは各給炭機の
給炭量のフィードバック信号（例えば、給炭機モータや
ベルトコンベアの速度、あるいはロードセルの出力信号
など）であり、前記各フィードバック信号は加算器16で
加算され、比較器17で指令値14と比較される。比較器17
の出力は、PI演算器18に入力されて（比例＋積分）演算
され、給炭機への給炭指令19となる。

次に、サブループ制御部11a〜11nの詳細を示す。

なお、前記サブループ制御部11a〜11nはすべて同様の
構成を有し、同じ様に作動するので、ここでは一つのサ
ブループ制御部11aのみについて説明する。

20は、オペレータの増、減SW（スイッチ）操作信号2
1,22に応じて、その出力信号31が増減するアナログメモ
リである。前記アナログメモリ20の出力は、加算器23に
より、給炭指令19にバイアスとして加え合わされる。こ
のバイアスは、例えば給炭機の起動時に給炭機モータの
回転数を上昇させるインサービス時には徐々に増加さ
れ、その逆に給炭機の停止時に給炭機モータの回転数を
低下させるアウトサービス時には徐々に減少される。

24は手動操作用アナログメモリであり、オペレータの
増、減SW操作信号25,26により、その出力信号32が増減
する。

また、27は信号選択用の切替器であり、手動モードで
はアナログメモリ24の出力32が選択され、自動モードで
は加算器23の出力が選択される。切替器27の選択出力
は、各々手動モードおよび自動モードでの、給炭機への
給炭指令33aとなる。

給炭機は、一般には、一つのユニットに対して複数台
設置され、負荷に応じた量の燃料をボイラに供給するよ
うに、その給炭量を調節される。

ところで、良く知られているように、石炭ミルには最
低給炭量の制限がある為、ボイラの負荷によっては、給
炭機及び石炭ミルの台数制御を行うことが必要である。
すなわち、ボイラの負荷に応じて、給炭機の運転台数が
変化することになる。

また通常、自動運転中は、給炭機に対するバイアス信
号は０であるが、前述の如く、給炭機を起動、停止する
場合には、アナログメモリ20の増・減SWの操作により、
その出力であるバイアスを増減させ、起動又は停止させ
たい給炭機の給炭指令を増・減することが必要である。

さらに、ユニットの運転状況に応じては、何台かの給
炭機を手動モードで運転することもあり、この場合は、
マスタ制御部10の給炭指令19は、自動運転モードの給炭
機にのみ作用することとなる。

以上に述べた如く、マスタ制御部10の出力である給炭
指令19は、全石炭流量指令値14だけでは一義的に定まら
ず、給炭機の給炭量、給炭機の自動運転台数、給炭機へ
のバイアス量により変化する。

この為、従来は、第２図に示す様に、全石炭流量指令
値14に対するフィードバック信号（加算器16の出力）の
偏差に、（比例＋積分）制御を加えたフィードバック制
御によりマスタ制御部を構成している。

一般に、プロセス制御等のように、むだ時間や時定数
の比較的大きな制御系では、安定性の確保の面から、
（比例＋積分）制御の比例ゲインは大きくできず、積分
時定数も長くせざるを得ないのが現状である。

このため、制御性の改善を目的として、フィードバッ
ク制御に先行制御を組み合わせるのが通常の手法であ
る。特に、ボイラの制御に於いては、先行制御の調整が
重要であり、フィードバック制御は、先行制御の誤差を
吸収する役割を担っているにすぎない。

ところが、上記の如く石炭焚ボイラの燃料量制御にお
いては、特定の全石炭流量指令値14に対する、各給炭機
への給炭指令33a〜33nが一義的に定まらない。このた
め、燃料量制御のマスタ部に対しては、この先行制御の
適用が難しく、従来はフィードバック制御のみが適用さ
れている。

この為、従来装置では、第２図の比較器17に偏差が発
生した後にはじめて、（比例＋積分）演算器18が補正動
作を開始して燃料の制御を行う様になる。

このことは、全石炭流量指令14が変化した時のみなら
ず、アナログメモリ20からバイアスを加えて、給炭機の
起動・停止を行う場合も、合計石炭流量に、外乱として
偏差が発生するので、全く同様である。

このように従来装置では、偏差が発生した後にはじめ
て、これを零にするような燃料制御が行なわれる為、燃
料の制御が常に遅れることになる。このため、燃料系統
の過渡応答性能が悪く、ユニット全体の負荷追従性能が
低下するという欠点がある。

同様の欠点は、その他の複数台のガスタービンの負荷
分担制御、および火力発電設備におけるボイラへの給水
制御などにおいても存在しており、その改善が望まれて
いる。

（発明の目的） 本発明は、前述の欠点を除去するためになされたもの
であり、その目的は複数の操作端（機器）に対する操作
指令の、基準信号に対する関係が一義的に定まらないよ
うな−換言すれば、一つの調節器の出力信号を複数に分
岐して、各操作端への操作指令とするような自動制御装
置に、先行制御系を付加し、これによって過渡応答性や
負荷追従性を改善することのできる先行制御型自動制御
装置を提供することにある。

（概要） 前記の目的を達成するために、本発明は、複数の操作
端のうち、手動制御モードで作用している操作端が分担
している負荷量の総和、自動制御モードで作動している
操作端の台数、全操作端に対する操作指令、フィードバ
ック量および各操作端のバイアス量などに基づいて最適
先行制御信号を演算し、制御系に先行制御機能およびフ
ィードバック制御機能を持たせるように構成した点に特
徴がある。

（実施例） 以下に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
第５図は本発明の一実施例の概略ブロック図であり、第
３図および第４図は本発明における先行制御演算の原理
を説明するための図である。

この実施例は、本発明を石炭焚ボイラの燃料制御に適
用したものである。

この実施例においては、全石炭流量指令値14、給炭量
加算器16の出力（すなわちフィードバック量）、複数の
給炭機のうち、自動運転しているものの台数、および各
給炭機へのバイアス量に基づいて、最適な先行制御信号
を、以下のような原理に基づいて求めている。

まず、各給炭機へのバイアス量がすべて零である場合
について、第３図を参照して説明する。

同図に示すように、全石炭流量指令14をTCFD、手動運
転モードの給炭機台数をｍ、手動運転モードにある各給
炭機の給炭量をCFH（ｉ）（ただし、ｉは１〜mm）、全
給炭機台数をｎとすると、手動運転モードにあるｍ台の
給炭機による給炭量は、 である。それ故に、自動運転モードにある（ｎ−ｍ）台
の給炭機全台が負担すべき給炭量Y₁は次の（１）式で表
わされる。

それ故に、自動運転モードにある各給炭機１台が分担
すべき給炭量Y₂は（２）式のようになる。

すなわち、前記（２）式のY₂が、第５図における給炭
機への先行信号30となる。

なお、第３図は（ｎ−ｍ）が６の場合を図示したもの
である。

次に、給炭機のバイアス−すなわち、メモリ20の出力
がすべて０ではなく、少なくとも一つの給炭機にバイア
スが加わっている場合について、第４図を参照して説明
する。

給炭機のバイアス値は、第５図から分るように、分岐
された給炭指令19に、各給炭機ごとに、加算器23におい
て加え合わされる。それ故に、最適先行信号を演算する
場合は、前記（１）式の給炭量Y₁から各バイアス値の総
和を減算する必要がある。

ここで、給炭機指令19に関与するバイアス値は、いう
までもなく、自動運転中の給炭機に関するものだけであ
る。それ故に、自動運転モードにある各給炭機のバイア
ス値を、BA（ｊ）〔たゞし、ｊは（ｍ＋１）〜ｎ〕とす
ると、下記（３）式のY₃が、自動運転モードの各給炭機
が１台で分担すべき給炭量となる。

すなわち、（３）式のY₃が、給炭機バイアスを考慮し
た場合の給炭機への最適先行信号30となる。このよう
に、本発明では最適先行信号30が、各給炭機からのフィ
ードバック信号のみならず、自動運転モードにある各給
炭機のバイアス量を考慮して演算される点に特徴が有
り、この結果、例えば前記イン・アウトサービス時に
も、総和炭量を変化させることなく一部の給炭機の起
動、停止が可能になると共に、最適先行信号30はバイア
ス調節による給炭量の変動をキャンセルする値に制御さ
れる。このため、制御ループ上での制御偏差が大幅に減
少して外乱が吸収されることになるので、過渡応答性と
負荷追従性とが向上する。なお、第４図も、第３図と同
様に、（ｎ−ｍ）が６の場合について図示したものであ
る。

以上が、本発明にしたがって、石炭焚ボイラの燃料量
制御系にフィードバックおよび先行制御を適用すること
を可能ならしめるための、最適先行信号を求める基本原
理である。

つぎに、本発明の一実施例を、第５〜８図に従って説
明する。第５図は、本発明を石炭焚ボイラの燃料制御系
に適用した場合の一実施例のブロック図であり、同図に
おいて、第２図と同一の符号は、同一または同等部分を
示している。

図中28は、前記式（３）に従って給炭機への最適先行
信号を演算する先行信号演算器である。29は加算器であ
り、前記先行信号演算器28で演算した最適先行信号30
と、（比例＋積分）演算器18によるフィードバック制御
信号とを加算し、フィードバックおよび先行制御系を構
成するものである。

また、69は給炭指令19と給炭機駆動装置への指令33a
との差を演算する減算器であり、手動制御モードで作動
している給炭機において、実際の駆動指令33aと自動給
炭指令19との差を演算し、その演算結果をアナログメモ
リ20に出力するように動作する。

これにより、後述するように、当該の給炭機が手動制
御モードから自動制御モードへ切換えられたときにおけ
る、実際の駆動指令33aの急変（ジャンプ）を防止する
ことができる。

第６図は、第５図に示した実施例の動作を具体的に説
明するフローチャートである。

ステップ34は、第５図の加算器16に対応しており、各
給炭器の実際の給炭量を合計し、全石炭流量を求める。
ステップ35は、第５図の比較器17に対応しており、全石
炭流量と全石炭流量指令値との偏差を計算する。

ステップ36では、自動モードとなっている給炭機の台
数を判別し、第５図のPI演算器18の比例積分器の動作モ
ードを決める。給炭機が１台でも自動モードになってい
る場合は、ステップ37へ進み、PI演算器、すなわち比例
積分器18を自動モードとし、前のステップ35で求めた偏
差に応じて比例積分演算を行う。

ステップ36での判定が成立しないとき、すなわち、給
炭器が全数手動モードになっている時は、ステップ38に
おいて、１台目の給炭機を自動モードに投入しようとし
ているか否かを判定する。

１台目の給炭機が自動投入中である場合には、ステッ
プ39において、第５図の比例積分器18の出力と、いま自
動投入しようとしている給炭機の給炭指令33とを一致さ
せるようにする。

ステップ38の判定で、１台目の自動投入タイミングで
ない場合は、ステップ40において、第５図の比例積分器
18の出力を０とする。

次に、ステップ41では、給炭機への最適な先行信号の
計算を、第５図の先行信号演算器28で実行する。この演
算は、前記（３）式に従って実行されるが、その詳細
は、後で第７図のフローチャートを用いて説明する。

ステップ42では、第５図の19に対応する給炭指令の計
算を行なう。すなわち、比例積分器18の出力に先行信号
演算器28の出力30を加算し、得られた和を給炭指令19と
する。

ステップ43では、カウンタ（図示せず）の設定値Ｎと
して、全給炭機の台数ｎを登録する。ステップ44で、前
記カウンタが０かどうかの判定を行なう。すなわち、全
給炭機に対して、次のステップ45の給炭指令計算を実行
したか否かの判定を行う。

ステップ45は第５図のサブループ制御部11に対応する
ものであり、こゝで各給炭機駆動装置への給炭指令33の
計算を行ない、結果を出力する。この部分の詳細は、後
で第８図のフローチャートを用いて説明する。

ステップ46はカウンタのカウントダウンであり、１台
の給油機駆動装置への給炭指令計算が完了するごとに、
カウンタのカウント値が１ずつ減ぜられる。

したがって、ｎ台の給炭機駆動装置への給炭指令計算
が終了すると、ステップ44での判定が成立するようにな
り、処理が一巡して先頭へ戻る。

第７図に、第６図中のステップ41に示した給炭機への
最適先行信号計算の詳細なフローチャートを示す。

ステップ47では、手動運転モードである給炭機の給炭
量の合計 を計算する。

ステップ48では、自動運転モードの給炭機に加えられ
ているバイアス量の合計 を計算する。ステップ49では、前記（３）式に従って、
給炭機に対する最適な先行信号を計算する。

ステップ50では、カウンタの設定値Ｎとして、自動運
転モードの給炭機台数（ｎ−ｍ）を登録する。ステップ
51では、カウンタの計数値が０かどうか−すなわち、自
動運転モードの給炭機に対する給炭量指令の上下限チェ
ック（後述のステップ52,53）の終了判定を行う。

ステップ52では、自動モードの給炭機に対して、ステ
ップ49で求めた最適先行信号Y₃に、その給炭機のバイア
ス信号BA（ｊ）を加算して、給炭指令Y₄を計算する。

ステップ53では、ステップ52での計算結果Y₄が、当該
給炭機の上限又は下限値を超えていないかどうかをチェ
ックする。

そして、上限または下限値を超えたときは、当該給炭
機については、自動モードではあっても、制限値以外の
給炭量を出力し得ないので、以後の処理では手動モード
とみなすことになる。

ステップ54はカウンタのカウントダウン処理である。
そして、給油機１台について前記上下限チェックが終了
するごとに、カウンタの計数値を１ずつ減じ、ステップ
51の判定処理に戻る。

ステップ51において、Ｎ＝０の判定が成立し、自動運
転モードの給炭機すべてについて、上下限チェックが終
了したと判定されると、処理はステップ55へ進む。

ステップ55では、上記ステップ53での上下限チェック
に該当したものが、自動モードの全給炭機に及んだか否
かを判定する。

そして、もし全台数に及んだ場合には、適切な給炭量
制御を行うことが不可能であり、給炭機の起動又は停止
操作が必要となるので、ステップ56において、オペレー
タに警報にて告知する。

ステップ57では、上記ステップ53での制限チェックに
かかった給炭機が全く無かったかどうかをチェックす
る。

その結果、もし１台でも制限にかかっていれば、前の
ステップ49で計算した給炭機への先行信号は最適値では
ないので、後述するステップ58の処理をして、再度計算
をやり直す。反対に、もし１台も制限にかからなけれ
ば、前のステップ49で求めたY₃が最適値となるので最適
先行値の計算を終了する。

ステップ58では、最適先行値を再度計算する為、制限
にかかった給炭機は、自動モードであっても手動モード
と見なし、かつその給炭量を制限値に置き換える。

その後、処理はステップ47へ戻る。そして、それ以降
の各ステップを再度実行し、ステップ57の判定がYESと
なるまで、同様の処理をくり返す。

第８図に第６図中に符号45で示した給炭機駆動装置へ
の給炭指令計算および出力の詳細フローチャートを示
す。

第８図中のステップ59は、給炭機のモード判定であ
る。自動モードの場合はステップ60に進み、第５図のア
ナログメモリ20を手動設定モードとする。

このモードでは、前記のアナログメモリ20は、手動増
減SW21又は22によりその出力を増減できる。また、前記
SW21,22が両方とも操作されなければ、アナログメモリ2
0は前回までの出力を保持する。

ステップ61は、第５図の加算器23に対応する。ステッ
プ62では、第５図の手動操作用アナログメモリ24を追従
モードとする。すなわち、アナログメモリ24の出力32を
給炭機駆動装置12への指令信号33に一致させ、モード切
替時に切替器27を手動側から自動側へ切換える際の制御
動作がシャンプレスとなるようにする。

ステップ63では第５図の切替器27を加算器23の出力側
を選択するように切換える。

ステップ59での判定が手動モードの場合は、ステップ
64に進み、第５図のアナログメモリ20を追従モードと
し、その出力を減算器69の出力と一致させるようにす
る。このようにすることにより、モード切替時に切替器
27を切換えたときの動作がジャンプレスとなるようにす
る。

ステップ65では、給炭指令19とバイアス31とを加算す
る。これは第５図の加算器23に対応する。

ステップ66では、第５図のアナログメモリ24を手動設
定モードとして、手動増減SW25,26によりその出力を増
減できるようにする。

ステップ67では、第５図の切替器27をアナログメモリ
24の出力側を選択するようにする。

ステップ68では、ステップ63又は67で得られた、自動
モード又は手動モードでの給炭機駆動装置への給炭指令
を、該当する給炭機駆動装置12へ出力する。

（変形例） 本発明は、つぎのように変形して実施することができ
る。

（１） 前記（２）式および（３）式においては、自動
制御モード運転中の給炭機に、均等な負荷分担を行なっ
たが、各給炭機ごとに修正ゲインを定めておき、負荷分
担率を異ならせてもよい。

（２） 比較器17およびPI演算器18を省略し、（２）式
または（３）式によって演算された先行信号のみによっ
て、給炭指令19を得てもよい。

本発明は、前にも述べたように、給炭機の制御以外に
も、たとえば、複数台のポンプにより合計給水量を制御
するようなポンプ制御あるいは、複数台のガスタービン
で所定の負荷を分担する場合の負荷分担制御のマスタ部
に適用することもできる。

（発明の効果） 前述のように構成された本発明によれば、例えば、第
５図に示すような石炭焚ボイラの燃料制御系に、（フィ
ードバック＋先行制御）系を適用することができ、自動
運転モードの給炭機に、常に最適かつ速やかなる負荷分
担を行わせることが可能となる。

この結果、ユニット負荷追従性能の制限事項となる燃
料制御系の動作遅れを取除くことが出来、ユニットの負
荷追従性能の向上が実現出来る。

また、第７図に示すように、給炭機への最適先行信号
を計算することが可能である為、 （１） 全石炭流量指令変化に対して、合計石炭流量の
偏差によらず、最適先行信号によって各給炭機への負荷
指令を与えることが可能であるのみならず、 （２） 待機中の給炭機の起動、又は余剰給炭機の低止
時のバイアス操作時にも、残りの給炭機に対して最適負
荷分担を行なわせることが出来、全石炭流量に外乱を与
えないという効果がある。

さらに、第７図に示したように、給炭機への給炭指令
の上下限チェックを行い、制限にかかった場合は、給炭
指令の計算をやり直すようにしたことにより、最適値を
迅速かつ確実に求めることが出来る。

また、全給炭機が、制限にかかった場合は、警報によ
りオペレータに告知する為、給炭機の起動、停止操作を
指示出来るという効果がある。

なお、本発明を複数台のガスタービンの負荷分担制
御、および火力発電設備におけるボイラへの給水制御な
どに適用した場合にも、全く同様の効果が達成できるこ
とは、当業者には容易に理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用するのに好適な石炭焚ボイラの全
体構成図、第２図は従来の石炭焚ボイラの燃料制御系の
ブロック図、第３図、第４図は給炭機への最適先行信号
計算の原理を説明するための図、第５図は本発明を石炭
焚ボイラの燃料制御系に適用した一実施例のブロック
図、第６図は第５図の燃料制御系の動作を示すフローチ
ャート、第７図は第６図における給炭機への最適先行信
号の計算手順を示すフローチャート、第８図は第６図に
おける給炭機駆動装置への給炭指令の計算手順を示すフ
ローチャートである。 6a〜6n……給炭機ベルトコンベアモータ、10……マスタ
制御部、11a〜11n……サブループ制御部、12a〜12n……
給炭機モータ駆動装置、15a〜15n……フィードバック信
号、16……加算器、17……比較器、18……PI演算器、19
……給炭指令、20……アナログメモリ、24……手動操作
用アナログメモリ、27……切替器、28……先行信号演算
器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菅野 彰 日立市大みか町５丁目２番１号 株式会 社日立製作所大みか工場内 (72)発明者 熊崎 昌幸 日立市幸町３丁目２番１号 日立エンジ ニアリング株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−99227（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−130103（ＪＰ，Ａ) 特公 昭55−37762（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】各々独立に動作する複数の操作端の総プロ
   セス量に関する指令信号と前記各々の操作端のプロセス
   量のフィードバック信号とに基づいて前記複数の操作端
   に対し指令を与える第１の制御信号を演算するマスタ制
   御部と、 前記操作端にそれぞれ対応して設けられ、自動操作用の
   操作信号の増減指令に基づいてバイアス信号を出力する
   第１のアナログメモリと、手動操作用の操作信号の増減
   指令に基づいて出力を増減させる第２のアナログメモリ
   と、前記第１の制御信号と前記バイアス信号とを加算す
   る第１の加算器とを有し、前記第２のアナログメモリの
   出力および前記第１の加算器の出力の何れか一方を、該
   当する前記操作端の動作を制御する第２の制御信号とし
   て出力するサブループ制御部とを有する先行制御型自動
   制御装置において、 前記マスタ制御部は、 前記総プロセス量に関する指令信号から、前記第２のア
   ナログメモリの出力に基づいて動作している操作端のプ
   ロセス量のフィードバック信号の総和および前記第１の
   加算器の出力に基づいて動作している操作端のバイアス
   信号の総和を減じ、その差を前記第１の加算器の出力に
   基づいて動作している操作端の数で割り、その商を前記
   第１の加算器の出力に基づいて動作している各操作端が
   負担するプロセス量である先行信号として演算する先行
   信号演算器と、 前記第１の制御信号に前記先行信号を加算する第２の加
   算器とを有することを特徴とする先行制御型自動制御装
   置。
2. 【請求項２】前記サブループ制御部は、前記第１の制御
   信号と前記第２の制御信号との偏差を出力する減算器を
   有し、 前記偏差を前記第１のアナログメモリに入力することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の先行制御型自
   動制御装置。
3. 【請求項３】前記サブループ制御部は、前記第２の制御
   信号を前記第２のアナログメモリに入力することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の先行制御型自動制
   御装置。