JPH10116105A

JPH10116105A - 一般化予測制御システム及び脱硝制御装置

Info

Publication number: JPH10116105A
Application number: JP28733996A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kokubo; 隆小久保
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 1996-10-11
Filing date: 1996-10-11
Publication date: 1998-05-06

Abstract

(57)【要約】【課題】一般化予測制御系に切り替わる際に、指令値
が大きくずれることがなくスムーズに切替を行うことの
できる一般化予測制御システムを提供すること【解決手段】一般化予測制御装置３４を含む制御系３
１が待機中の時には、実際の指令値Ｖに基づいてバンプ
レス切替演算部３６にて、演算処理部３５の逆演算を行
い仮想操作量ｕ′を求める。演算処理手段３５はその仮
想操作量ｕ′に基づいて演算処理をするため、結局演算
処理部３５から出力される仮想指令値は実際の指令値と
同一或いは近似する値となる。従って、任意のタイミン
グで使用する制御系が切り替わり、自己３１が選択され
た場合には、その仮想指令値がそのまま実際の指令値と
して出力されるので、切り替わる前後の実際の指令値は
ほとんど同じとなり、ステップ的に大きく異なることが
なく、制御対象物等は安定して動作する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般化予測制御シ
ステム及び脱硝制御装置に関するもので、特に、窒素酸
化物（ＮＯ_x）を含む発電プラントの燃焼排ガスにアン
モニア（ＮＨ₃）を注入し触媒の作用下で窒素ガス
（Ｎ）および水蒸気（Ｈ₂Ｏ）に分解する脱硝手段に対
してアンモニア注入量指令値を与える脱硝制御装置に適
する装置（制御システム）に関する。

【０００２】

【発明の背景】近年、エネルギー需要の増加は、化石燃
料に頼る傾向が強く、化石燃料によるエネルギー供給量
が増大し、それに伴ないＣＯ₂の排出量も増大してい
る。このため、地球温暖化の危機が叫ばれ、ＣＯ₂の排
出量を地球規模で規制しようとする動きがでている。こ
のような背景から、ガスタービンを備えた発電プラント
においては、ガスタービンサイクルと蒸気タービンサイ
クルを組み合わせた複合発電プラントが、高効率が期待
でき、ひいては、ＣＯ₂の削減にもつながるとして期待
されている。

【０００３】図６はこのような複合発電プラントの概略
構成を示すもので、ガスタービン１と、その排ガス２を
熱源として蒸気を発生する排熱回収ボイラ３と、この発
生蒸気を駆動蒸気とする蒸気タービン４と、熱回収され
た排ガスを排気する煙突５とを備えている。さらに、ガ
スタービン１は、導入空気６を加圧する空気圧縮機７
と、加圧空気を燃料系統８から供給された燃料とともに
燃焼する燃焼器９と、燃焼により生じた燃焼ガスにより
作動されるタービン１０と、負荷をとる発電機１１とを
備えている。

【０００４】また、排熱回収ボイラ３は、排ガス２が流
れる排ガスダクト１２の上流から下流に沿って、過熱器
１３，蒸発器１４，脱硝装置１５および節炭器１６を備
えており、加熱器１３で生じた蒸気を蒸気配管１７によ
り蒸気タービン４に供給している。蒸気タービン４は、
排熱回収ボイラ３で発生した蒸気により作動されるター
ビン１８と、負荷をとる発電機１９と、タービン１８で
仕事をした後の蒸気を復水する復水器２０とを備えてい
る。

【０００５】そして、復水器２０からの復水は、給水配
管２１により節炭器１６に導かれ、ここでまず加熱され
た後、蒸気器１４で蒸発され、蒸気はさらに過熱器１３
で加熱されるようになっている。また、蒸気器１４にお
いて、給水は強制循環または、温度差による自然循環を
しながら、加熱・蒸発が行われている。なお、図６で
は、タービン１０，１８はそれぞれ異なる発電機１１，
１９に接続されているが、同一の発電機に接続すること
もできる。

【０００６】よく知られているように、このようなガス
タービン１と蒸気タービン４を組み合わせた複合発電プ
ラントやガスタービン１単独で発電を行う発電プラント
等においては、ＮＯ_xは大気汚染物質となるため、その
大気への放出が厳しく規制されている。このために排ガ
ス流路中に脱硝装置１５を設置している。

【０００７】この脱硝装置１５における脱硝方法の一つ
として、アンモニア注入系統２３より触媒部２２にアン
モニアを吹きかけてアンモニアを活性化し、ＮＯ_xと反
応させてＮＯ_xを無害の窒素ガスと水蒸気とに還元分解
する方法がある。この方法は、一般的に触媒の温度特性
により３００〜４００℃で反応効率がよいため、図６に
示す複合発電プラントにおいては、蒸気器１４と節炭器
１６の間に設置される。なお、アンモニアは有害成分の
ため未反応アンモニアが排出されることは極力抑えなけ
ればならない。

【０００８】このような排気ガスのアンモニアによる脱
硝反応プロセスには、以下のような考慮すべき点があ
る。

【０００９】（１）アンモニアとＮＯ_xとの反応は、触
媒を介しての化学反応であり、排気ガスの温度・流量・
圧力やアンモニア・ＮＯ_xの濃度等の変動によって反応
特性が非線形に変化する。したがって、異なるプラント
の運転状態では、注入するアンモニア流量を同量変化さ
せても脱硝反応プロセスで排出されるＮＯ_x量の変化は
等しくなららい。

【００１０】（２）触媒部の入口・出口でのＮＯ_x濃度
はガス分析計により常に測定されているが、ガス分析の
ため測定に要する無駄時間が非常に大きい（数十秒から
数分程度）。

【００１１】（３）大気中への排出ＮＯ_x量および排出
アンモニア量には濃度規制あるいは流量規制がある。例
えば濃度規制の場合には、以下の制限を考慮しなければ
ならない。ある時刻における排出ＮＯ_x量が、瞬間排出量規制値
Ｎ１ｐｐｍを越えないこと１時間の平均排出ＮＯx 量が、移動時間平均規制値Ｎ
２ｐｐｍを越えないことある時刻における排出アンモニア量が、瞬間排出量規
制値Ａ１ｐｐｍを越えないこと１時間の平均排出アンモニア量が、移動時間平均規制
値Ａ２ｐｐｍをこえないことなお、流量規制の場合には、上の〜の各規制値の単
位を濃度の代わりに流量と置いたものになる。

【００１２】そして、ガスタービン排気ガスの脱硝制御
としては、従来の制御技術の主流である排出ＮＯ_x設定
値と排出ＮＯ_x測定値の偏差に基づいてＰＩＤ制御等に
よりアンモニア流量を調整する方法があるが、このよう
なＰＩＤ制御等によるフィードバック制御ではＮＯ_x測
定に無駄時間の大きいシステムを安定かつ応答良く制御
することは難しい。また、ガスタービン（Ｇ／Ｔ）排気
ガス中の発生ＮＯx 量に変化が起こった場合でも、無駄
時間は変化を検知できないため、最終的なプラントの煙
突（ＨＲＳＧ）からの排出ＮＯ_x量に変化が表われてか
らアンモニア流量を操作しても、無駄時間分だけ排出Ｎ
Ｏ_x量を変えられない。

【００１３】そこで、係る欠点を解決するため、フィー
ドフォワード信号を活用することが試みられている。一
例を示すと、例えば、特公平３ー４２９３０号公報に開
示された発明がある。すなわち、ガスタービンから発生
するＮＯ_x量は、ガスタービンの燃料流量，吸入してい
る空気の流量，温度等から推定できる。また、排出ＮＯ
_x量がある値となるよう、触媒でのアンモニアとＮＯ_x
の反応特性から、発生するＮＯ_x量に対して注入するア
ンモニア流量を計算することができる。そこで、この推
定した発生ＮＯ_x量をフィードフオーワード信号として
アンモニア注入量を先行的に変化させ、脱硝制御性能の
向上をはかっている。

【００１４】上記したように、従来の制御方法では、Ｐ
ＩＤ制御等によるフィードバック制御では十分な制御性
がえられないために、発生ＮＯ_x量を推定計算で求め、
この発生ＮＯ_x推定値を用い、注入するアンモニア流量
を反応特性から計算で求め、先行的に変えて制御性の向
上をはかってきた。

【００１５】しかしながら、このような従来の制御方法
においては次のような問題があった。

【００１６】（１）発生するＮＯ_x量は制御周期ごとに
計測されたプロセス量を用いて推測され、注入するアン
モニア流量の計算に用いられている。アンモニアはこの
計算値を用いて、下位のアンモニア流量制御系で実際に
プロセスに注入される。アンモニア流量制御系には時間
遅れがあり、発生ＮＯ_x量の変化に対してアンモニア注
入量は時間遅れをもって変化する。このため、発生ＮＯ
_x量の変化時には、アンモニア注入量はアンバランスに
なり、排出ＮＯ_x量が変動する。

【００１７】（２）発生ＮＯ_x推定値の精度がよくない
場合には、先行的に注入するアンモニア流量にずれを生
じる。このため、排出ＮＯ_x量に変動を生じる。

【００１８】（３）また、触媒でのアンモニアとＮＯ_x
の反応率が、運転状態や経年変化などで変わるため、発
生ＮＯ_x量に基づいて排出ＮＯ_x量を目標とするアンモ
ニア注入量の計算も、運転状態や経年変化によりずれを
生じることがある。このため、排出ＮＯ_x量に変動を生
じる。

【００１９】（４）排出ＮＯ_x量に規制値からずれを生
じた場合に、無駄時間分はフィードバックが働かない。
このため、排出ＮＯ_x量を規制値に戻すためには時間が
かかる。

【００２０】（５）無駄時間のある制御対象であるた
め、従来のＰＩＤ制御等の制御方式では、フィードバッ
クは強くかけられない。このため、排出ＮＯ_x量に目標
値とずれが生じても、戻すためには長時間を要する。

【００２１】このような問題点は、推定計算した発生Ｎ
Ｏ_x量を用いた静特性的なフィードファーワード制御に
強く依存した制御系を構成することによって生じる。す
なわち、従来の技術は、発生ＮＯ_x量について制御周期
ごとに静特性として推定演算を行い、注入するアンモニ
ア流量を静特性の値として推定計算している。このと
き、注入するアンモニアと発生したＮＯ_xの触媒での反
応の時間的なずれを考慮していないため、発生ＮＯ_x量
の変動時には発生ＮＯ_x量が目標値からの偏差を生じ
る。また、フィードバックによる制御の働きが弱いため
に、排出されるＮＯ_x量に目標値と偏差が生じても、目
標値に戻すためには長時間を要することになる。

【００２２】そこで、最近では、一般化予測制御（Ｇｅ
ｎｅｒａｌｉｚｅｄＰｒｅｄｉｃｔｉｖｅＣｏｎｔ
ｒｏｌ：ＧＰＣ）を用いて発電プラントの脱硝制御を行
うシステムが開発されている。このシステムは、例え
ば、脱硝反応プロセスの入出力信号の時間変化から将来
の排出ＮＯ_x量並びに排出アンモニア量を予測する脱硝
反応プロセスの動特性モデルを内蔵し、排出ＮＯ_x量の
履歴データ，アンモニア注入量の履歴データ及び運転ス
ケジュールなどにより将来の発生ＮＯ_x量を予測すると
ともに、その予測したデータと、与えられた過去の履歴
データとに基づいて将来の排出ＮＯ_x量並びに排出アン
モニア量をそれぞれの設定値にほぼ一致させるような将
来のアンモニア注入量を制御周期ごとに逐次予測演算
し、それに基づいて注入量の制御を行うようにしたもの
がある。

【００２３】これにより、動特性を考慮したずれの少な
い的確なフィードフォワード制御と無駄時間を考慮した
強力なフィードバック制御を行うことができ、安定かつ
信頼性の高い脱硝制御を行うことができる。そして、係
るシステムについては、例えば計測自動制御学会論文集
Vol.32，No.6 (1996)の第912 頁〜第920 頁に「一般
化予測制御によるコンバインドサイクル発電プラントの
脱硝制御」というタイトルで、各種の制御が詳しく説明
されている。

【００２４】上記したＧＰＣを用いた制御では、上述し
た各種の条件を満足する高精度な制御が行えることが確
認されている。しかし、このＧＰＣを用いた制御システ
ムを実際の発電プラントに適用することを考えると、以
下に示す新たな問題を生じる。

【００２５】すなわち、実際の発電プラントの制御が有
効に機能するためには、プラントの動特性が制御システ
ムが内蔵する動特性モデルとなるべく一致している必要
がある。しかし、プラントの動特性はプラントの運転状
態により異なるため、複数の制御系（異なる動特性モデ
ルを有するＧＰＣ、プラント起動時の制御等）を組み合
わせ、それらを適宜切り替えて全体の制御を行うことに
なる。この場合、実際に制御を行う制御系と制御を行な
わないで待機状態にある制御系が混在することになる。

【００２６】一方、アンモニアの注入量は、注入バルブ
の開度を調整することにより設定される。したがって、
注入バルブその他の設備の仕様等の要請から単位時間に
注入可能なアンモニア流量は上限がある。また、当然の
ことながら注入量をマイナスにすることはできない。よ
って、実際のアンモニア流量は、０〜上限値というよう
に、一定の範囲内という制限がある。しかし、ＧＰＣを
用いた制御システムで求められたアンモニア注入量が上
記範囲外になるような場合には、リミッタを働かせて限
度値にするような制御を行う。さらには、各種の理由に
基づいて操作員が、マニュアル操作（手動操作）で注入
バルブの開度を設定しアンモニア注入量を制御すること
がある。

【００２７】上記したいずれの場合も、実際のアンモニ
ア注入量と、待機状態に有るＧＰＣに基づいて決定され
たアンモニア注入量（計算値による指令値）が異なる。
そして、その後所定のタイミングで待機状態に有ったＧ
ＰＣを用いて求められたアンモニア注入量に基づく制御
系に切り替わることがあり、係る切り替わり時では切り
替わり直前の指定アンモニア注入量（バルブ開度）と切
り替わり直後の指定アンモニア注入量（バルブ開度）と
が大きく異なることがある。すると、切替時に指定値
（量）が不連続となり、安定したシステム運用の点で好
ましくない。

【００２８】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、少なくとも１つの一
般化予測制御系を含む複数の制御系を切り替えながら制
御対象物に対する制御を行うに際し、一般化予測制御系
に切り替わる際に、指令値が大きくずれることがなく、
スムーズに切替を行うことのできる一般化予測制御シス
テム及び脱硝制御装置を提供することにある。

【００２９】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明に係る一般化予測制御システムでは、制御
対処物に対して指令値を発することのできる制御系を複
数用意し、それら複数の制御系を適宜切り替えて、いず
れか１つの制御系からの指令値に基づいて前記制御対象
物を動作させる制御システムであって、前記複数の制御
系の少なくとも１つが、一般化予測制御に基づいて指令
値を発するようにした一般化予測制御システムを前提と
する。そして、前記一般化予測制御を含む制御系が以下
の要件（１）〜（５）を備えるように構成した。（１）少なくとも目標値と、過去複数回の制御対象物の
被制御値及び過去複数回の自己が求めた操作量に関する
履歴データに基づいて一般化予測を行い操作量を求める
一般化予測制御手段を持つ。（２）前記一般化予測制御手段から出力される操作量に
対し所定の演算処理を行い指令値を求める指令値算出手
段を持つ。（３）他の制御系から発せられる指令値が選択され、実
際の指令値として前記制御対象物側に与えられている場
合は、前記指令値算出手段の出力が前記実際の指令値に
なるような仮想操作量データを求めるとともに、求めた
各値を前記指令値算出手段及び前記一般化予測制御手段
にそれぞれ供給可能とする。（４）他の制御系が選択されている待機中は、前記求め
た仮想操作量データを前記一般化予測制御手段が求めた
操作量データとみなして操作量の履歴データに格納し、
前記仮想操作量データに基づいて前記指令値算出手段を
動作させて仮想指令値を求める。（５）自己が選択された際には、待機中に求めた仮想操
作量データを含む所定のデータに基づいて一般化予測制
御手段を動作させる（請求項１）。

【００３０】要件（２）の指令値算出手段は、実施の形
態では、演算処理部３５や前置補償器４２に対応する。
また、要件（３）の仮想操作量データは、実施の形態で
は、仮想操作量ｕ′と、仮想操作量変位分Δｕ′の２つ
により実現されている。なお、システム構成によって
は、一方でももちろん良い。さらに、指令値算出手段は
一般化予測制御手段から出力される操作量をそのままス
ルーして、操作量をその制御系にとっての指令値として
出力するものも含む。そして、その場合には、要件
（３）の逆演算も実質的には行われず、実際の指令値を
仮想操作量データとして各部に送ることになる。また、
要件（４）における仮想指令値は必ずしも実際の指令値
と完全に同一になっている必要はなく、近似した値とな
っていればよい。つまり、仮想操作量データは、そのよ
うに仮想指令値が実際の指令値に近似する程度になって
いれば、要件（４）を具備する。ここで、近似した値と
は、実際の指令値を発する制御系が切り替わったとき
に、下流系（制御対象物や下位制御系等）に対する動作
に実用上悪影響を与えない程度のものである。

【００３１】本発明では、一般化予測制御を含む制御系
が待機中の時には、要件（４）に従い、指令値算出手段
からは、実際の指令値と同一或いは近似する値が仮想指
令値として出力されている。従って、任意のタイミング
で使用する制御系が切り替わり、自己が選択された場合
には、その仮想指令値がそのまま実際の指令値として出
力される。従って、切り替わる前後の実際の指令値はほ
とんど同じとなり、ステップ的に大きく異なることがな
く、制御対象物等は安定して動作する。

【００３２】また、待機中は、一般化制御手段に仮想操
作量データが履歴データとして蓄積されており、自己が
選択された場合には、その仮想操作量データを含むデー
タに基づいて操作量が求められる。そして、直近の過去
何回かの操作量の履歴データは、切り替わる前に制御対
象物に与えられていた実際の指令値と等価の仮想指令値
を得るためのものであるので、切り替わり直後に求めら
れる操作量も、急激に変化することはなくなり、なめら
かに変化する。よって、下流側の測定対象物や、下位制
御系の動作も安定化する。

【００３３】また、制御システム構成としては、各種の
ものを採ることができ、一例をあげると、上位制御系か
ら出力される指令値を下位制御系の制御目標値として前
記下位制御系で前記制御対象物に対する指令を与えるよ
うにしたカスケード制御方式であって、少なくとも前記
一般化予測制御を含む制御系が、前記上位制御系に適用
されるようにすることができる（請求項２）。これは、
第２〜第４の実施の形態で実現されている。もちろん、
第１の実施の形態のように、下位制御系がないシステム
構成となっていても良い。

【００３４】また、他の制御系は、例えば、手動操作に
よるものや、起動制御、出力リミッタ等各種の手動・自
動制御が適用できる。そしてさらに請求項３に規定する
ように、一般化予測制御を含む制御系を複数用意し、任
意の一般化予測制御を含む制御系を択一的に選択可能す
るようにしても良い。

【００３５】そして、請求項３のように、一般化予測制
御を含む制御系が複数存在する場合には、各制御系は同
一の構成として、通常はバックアップ用に一方を待機系
としても良く、或いは、それぞれ異なるモデルに基づい
て操作量を求めるようになっており、制御対象物の状態
に適した所定の制御系を選択可能としてもよい（請求項
４）。特に請求項４のように構成すると、最大値及び最
小値選択と異なり、条件に応じた（適した）制御系を選
択して制御対象物を制御することにより、より高精度な
制御を行うことができる。

【００３６】また、一般化予測制御を含む制御系の演算
処理速度は、全体を同一としても良く、或いは部分的に
異ならせても良い。そして、異ならせる場合の一例とし
ては、請求項５に規定するように、前記一般化予測制御
手段からは、操作量の変位分を出力し、その変位分を積
分処理して操作量を求め、その求めた操作量を前記指令
値算出手段に与えるように構成されるとともに、一般化
予測制御手段を遅い演算周期で実行し、前記指令値算出
手段を速い演算周期で実行するようにすることができ
る。そして、その場合に、前記積分処理をする積分回路
を構成する、前記一般化予測制御手段から出力される前
記変化分と前回の操作量を加算する加算手段を前記遅い
演算周期で実行するとともに、前回の操作量を前記加算
手段に与える遅延手段を前記速い演算周期で実行するよ
うに構成することができる（請求項５）。

【００３７】すなわち、一般化予測制御は、大きな無駄
時間を持つため演算速度を遅くし、適当に長い制御周期
を選ぶことにより制御演算量を節約できる。一方、外乱
除去等に対しては短い制御周期で補償を行った方が制御
性が向上するため、指令値算出手段は演算速度を速く
し、制御結果の向上を図る。

【００３８】そして、遅延手段を速い演算周期で処理す
るようにしたため、使用する制御系が切り替わり、自己
が選択された場合に、できるだけ直前に求めた仮想操作
量に基づいて積分処理ができ、より誤差が少なくなる。
また、加算手段を遅い演算周期で実行することにより、
上記した無駄時間を持つシステムにおける制御演算量の
節約を図ることができるとともに、自己が選択されてい
る場合と待機中との加算処理するタイミング及び結果が
等しくなる。

【００３９】そして、本発明に係る脱硝制御装置では、
請求項１〜５のいずれかに記載の一般化予測制御システ
ムに基づいて、発電プラントで発生する窒素酸化物を抑
制するためのアンモニア注入量を決定する脱硝制御を行
うようにした（請求項６）。これにより、複数の制御系
を適宜切り替えてプラントを制御しても、制御対象物と
なるプラントに与える指令値等が切替時に急変すること
がないので、動作が安定する。よって、実機での運転が
可能となる。

【００４０】

【発明の実施の態様】図１は、本発明の好適な実施の形
態の一例を示している。同図に示すように、制御対処物
３０に対して指令値Ｖを発する制御系を複数用意し、そ
れら複数の制御系を適宜切り替えて、いずれか１つの制
御系からの指令値Ｖに基づいて制御対象物３０を動作さ
せるものに適用される。そして、複数の制御系のうち少
なくとも１つは一般化予測制御を含む制御系としてい
る。

【００４１】本例では、説明の便宜上２つの制御系を備
えた例を示している。つまり、一般化予測制御を含む制
御系３１と、それとは別の制御系３２とを切替スイッチ
３３で択一的に選択し、いずれかの制御系３１，３２か
らの出力（指令値）を実際の指令値Ｖとして制御対象物
３０に与えるようになっている。そして、制御対象物
は、係る指令値Ｖに基づいて動作し、その結果が被制御
量ｙとして出力されるようになっている。

【００４２】他の制御系３２とは、手動命令を与えるよ
うになっていたり、起動時など特別な運転状況下におけ
る特殊な制御を行うための制御装置であったりする。さ
らには、他の制御系３２も一般化予測制御を含む制御系
であっても良い。そして、その他の制御系３２の出力
は、切替スイッチ３３の入力端子ｂに与えられるように
なっている。

【００４３】一般化予測制御は、過去に与えた操作量ｕ
（一般化予測制御装置の出力がそのまま制御対象物３０
に与えられる場合には、指令値Ｖとなる）や、その時の
制御結果（被制御量ｙ）等の過去複数回にわたる履歴デ
ータと、今後の目標値ｒを与え、最適な操作量ｕを求め
るもので、概念的に示すと、図２（Ａ）のように現せ
る。すなわち、被制御対象物３０の動特性をモデル化
し、その動特性モデル３４ａを内蔵する。この動特性モ
デルに、被制御量ｙと操作量ｕを逐次与え、過去の履歴
データを作成し、その履歴データに基づいて今後の応答
（被制御量）を予測する。

【００４４】そして、その予測された被制御量ｙと未来
の目標値ｒを最適化部３４ｂに与え、そこにおいて、以
下の，の条件を満たすような操作量ｕを決定し、そ
れを出力するようにしている。なお、具体的な演算処理
等については、従来公知の一般に行われている一般化予
測制御と同等のものを適宜使用できるので、その詳細な
説明を省略する。

【００４５】目標値ｒと被制御量ｙとの差である制御
偏差（同図（Ｃ）中ハッチングで示す部分）が小さくな
り、操作量ｕをあまり動かさないようにする（Δｕを０に
近づける）。

【００４６】さらに、本例では、一般化予測制御を含む
制御系３１として、係る一般化予測制御を行う一般化予
測制御装置３４に加え、その制御装置３４から出力され
る操作量ｕに対して所定の演算処理を行い、最終的な指
令値Ｖを求める演算処理部３５を設けている。そして、
この演算処理部３５の出力を切替スイッチ３３の入力端
子ａに与えるようになっている。

【００４７】ここで本発明では、バンプレス切替演算部
３６を設けている。このバンプレス切替演算部３６は、
ある入力値が与えられたときに、上記の演算処理部３５
で行う演算処理の逆演算を実行し、その演算結果を出力
するようになっている。換言すると、あるデータＸを演
算処理部３５に与えたときに、その演算処理部３５で所
定の演算処理をした結果が実際の制御対象物３０に与え
られる指令値ＶになるようなデータＸをバンプレス切替
演算部３６で求めることになる。そして、具体的な接続
構造は、切替スイッチ３３の出力（指令値Ｖ）を与える
ように接続し、また、演算結果ｕ′（Δｕ′）を、一般
化予測制御装置３４に与えるように接続している。

【００４８】さらに、より具体的な構造について説明す
ると、図１（Ｂ）のようになっている。すなわち、一般
化予測制御装置３４には、過去の履歴データを保持する
データ保持部３７と、そのデータ保持部３７に蓄積され
た履歴データと、目標値ｒとを受け取り、操作量Ｕ（そ
の変位量Δｕ）を決定する操作量決定部３８とを備えて
いる。この操作量決定部３８が、図２（Ａ）に示すモデ
ル３４ａと最適化部３４ｂの２つの機能を有している。
さらにこのデータ保持部３７には、制御対象物３０側か
ら被制御量ｙが与えられ、また、操作量決定部３８から
出力される操作量ｕ（Δｕ）が与えられるようになって
いる。

【００４９】そしてさらに、本例では、バンプレス切替
演算部３６からの出力を受け取り可能とするために、切
替スイッチ３９を設け、その切替スイッチ３９の入力端
子ａには操作量決定部３８の出力を接続し、入力端子ｂ
にはバンプレス切替演算部３６の出力を接続するように
している。そして切替スイッチ３９の出力を一般化予測
制御装置３４の出力とし、演算処理部３５に接続するよ
うになっている。さらに、切替スイッチ３９は、上記し
た切替スイッチ３３と連動していて同一タイミングで切
り替わり、ともに入力端子ａの状態と、ともに入力端子
ｂの状態をとるようになっている。

【００５０】係る構成にすることにより、例えば切替ス
イッチ３３，３９を入力端子ａ側に切り替えていると、
操作量決定部３８で求めた操作量ｕ（Δｕ）が切替スイ
ッチ３３ａをスルーするため、その操作量ｕ（Δｕ）に
基づいて演算処理部３５にて所定の演算処理をし、指令
値Ｖを求める。そして、その求めた指令値Ｖは、切替ス
イッチ３３を介して制御対象物３０に与えられる。ま
た、一般化予測制御装置３４内では、自己（操作量決定
部３８）が求めた操作量データをデータ保持部３７に与
えるようになっている。もちろん、他の制御系３２から
の指令は、切替スイッチ３３で遮断され、制御対象物３
０側には伝達されない。

【００５１】なお、バンプレス切替演算部３６では、演
算処理部３５の出力である実際の制御対象物３０への指
令値Ｖに基づいて逆演算処理し、演算処理部３５の出力
が係る指令値Ｖになるようにするための入力データを求
めるため、そのバンプレス切替演算部３６の出力ｕ′
（Δｕ′）は、実際の演算処理部３５への入力である操
作量ｕ（Δｕ）と等しくなる。

【００５２】この状態で、切替スイッチ３３，３９が入
力端子ｂ側に切り替わりると、制御対象物３０に対する
指令値Ｖは、他の制御系３２から与えられるようにな
る。この時、従来であれば一般化予測制御装置３４での
予測（操作量の決定）は、他の制御系３２から与えられ
る実際の指令値Ｖと関係なく予測しているため、演算処
理部３５の出力（切替スイッチ３３の入力端子ａへ与え
られる指令値）は、実際の指令値Ｖと異なる。

【００５３】しかし、本例では、実際の指令値Ｖがバン
プレス切替演算部３６に与えられ、逆演算処理されるこ
とにより、バンプレス切替演算部３６の出力には、演算
処理部３５の出力が実際に制御対象物３０に与えられる
指令値Ｖになるような演算処理部３５への入力値（仮想
操作量データ）ｕ′（Δｕ′）が得られる。そして、係
る仮想操作量データが、切替スイッチ３９を介して演算
処理部３５に与えられることになるため、そこで演算処
理して得られた仮想指令値Ｖ′（切替スイッチ３３が入
力端子ｂと接続されているため、その仮想指令値Ｖ′は
そこにおいて遮断されている）は、実際の指令値Ｖとほ
ぼ一致した値となる。また、係る仮想操作量データｕ′
（Δｕ′）は、切替スイッチ３９を介してデータ保持部
３７に与えられる。

【００５４】その結果、任意のタイミングで切替スイッ
チ３３，３９が入力端子ａ側に切り替わったとしても、
切り替わる瞬間の各スイッチ３３，３９の両入力端子
ａ，ｂへ与えられている値は、ほぼ等しくなっている。
従って、スイッチの切り替わり直後に指令値Ｖが極端に
変わることがない。また、このように待機状態（他の制
御系が機能している）にある一般化予測制御装置３４内
には、仮想操作量データが蓄積されるので、たとえ待機
状態であっても一般化予測をすることが可能となる。し
かも、その時一般化予測制御装置３４内に蓄積される履
歴データは、演算処理部３５が実際の指令値Ｖとほぼ同
じ仮想指令値Ｖ′を出力するような値となっているの
で、スイッチが入力端子ａ側に切り替わり実際の指令値
を出すための操作量ｕ（Δｕ）を求めるようになった場
合でも、上記した一般化予測制御の条件に従い操作量
の変位量は小さくするように制御されるため、やはり、
切り替わり後に制御系３１から出力される実際の指令値
Ｖが、直前まで他の制御系３２から与えられていた指令
値に対して急激に変動することもない。よって、制御対
象物３０に対して与える指令値Ｖは、スムーズに変動す
るので、制御対象物３０も安定して動作可能となる。

【００５５】なお、上記した図１に示す第１の実施の形
態では、制御系３１，３２の出力をそのまま制御対象物
３０に与えるように構成した例について説明したが、本
発明はこれに限ることはなく、例えば、切替スイッチ３
３と制御対象物３０の間にさらに所定の制御系を実装す
るようにし、カスケード制御を行うようにしたシステム
にも適用できる。

【００５６】すなわち、一例を示すと、図３のように、
切替スイッチ３３の下流側に下位制御系４０を設け、そ
の下位制御系４０から最終的な被制御対象物３０に対す
る制御命令を出力するようにすることがある。この場合
に、制御系３１，３２の出力（指令値）は、下位制御系
４０の制御目標値となり、両制御系３１，３２は、カス
ケード制御の上位制御系となる。このような場合でも、
基本的なスイッチの切替に伴う上位制御系３１の作用効
果は、上記したのと同様に行える。

【００５７】図４は、本発明の第３の実施の形態を示し
ており、発電プラントの脱硝制御に適用した例を示して
いる。本例は、一般化予測制御部を備えた上位制御系３
１，他の制御系３２でアンモニアの流量指令値を求め、
下位制御系４０では、上位制御系３１，３２で求めたア
ンモニア流量を制御目標値とし、実際のプラント３０内
でのアンモニア流量が係る制御目標値となるように制御
するようにしている。具体的には、所望のアンモニア流
量を供給するための注入バルブの開度を求め、注入バル
ブに対してバルブ開度情報を送るようになっている。

【００５８】次に各部について説明する。上位制御部３
１は、一般化予測制御部３４′を有している。この一般
化予測制御部３４′は、図１（Ｂ）に示すデータ保持部
３７と操作量決定部３８を備えたものに相当し、外部か
ら目標値・設定値として、最終的にプラントから排出さ
れるＮＯ_x流量ｒが与えられ、プラント３０からは、最
終的な煙突（図６中符号５）から排出されるＨＲＳＧ出
口のＮＯ_x流量（被制御量ｙ）及び、ガスタービン（図
６中符号１０）から排出されるＧ／Ｔ出口のＮＯ_x流量
Ｗ１の履歴データを受け取るようになっている。さら
に、その一般化予測制御部３４′で求めた操作量変化分
Δｕも履歴データとして格納するようになっている。そ
して、それら４つのデータ（履歴データについては、過
去複数回分）を用い、動特性モデルに基づいて将来の被
制御量を予測するとともに、操作量変化分Δｕを求め出
力するようになっている。

【００５９】そして、その一般化予測制御部３４′の出
力を、切替スイッチ３９ａの入力端子ａに接続し、係る
切替スイッチ３９ａを介して積分回路４１に与え、そこ
において所定の演算周期に基づいて積分処理を行うこと
により操作量ｕを求めるようになっている。この積分回
路４１は、図から明らかなように、一般化予測制御部３
４′からの出力系統に直列に挿入された加算器４１ａ
と、その加算器４１の下流側の分岐点と、加算器４１と
の間に装着された遅延素子４１ｂとから構成されてい
る。なお、この積分回路４１自体の構成は、従来公知の
ものである。

【００６０】さらに、加算器４１ａと分岐点との間に
は、切替スイッチ３９ｂが挿入されており、加算器４１
ａの出力は、切替スイッチ３９ｂの入力端子ａに与えら
れるようになっている。そして、両切替スイッチ３９
ａ，３９ｂは、連動しており、ともに入力端子ａとなる
状態と、ともに入力端子ｂとなる状態の２つの状態を切
り替え制御されるようになっている。そして、この２つ
の切替スイッチ３９ａ，３９ｂが、第１の実施の形態に
おける切替スイッチ３９に対応する。

【００６１】さらに、本例では、積分回路４１の出力を
前置補償器４２に与え、そこにおいて所定の演算処理を
行い、一般化制御部３４′を含んだ上位制御系３１のア
ンモニア流量指令値Ｖを求めるようになっている。すな
わち、一般化予測制御は、プラントを線形化した動特性
モデルで仮定し、各種の予測を行うようにしたが、実際
の制御対象（プラント）は非線形性を有する。そこで、
係る非線形性を補償するために反応特性関数をｆ（ｘ）
とすると、その逆関数ｆ^-1（ｘ）を用い、下記式に基づ
いて前置補償を行う。

【００６２】Ｖ＝ｗ１ｆ^-1（ｕ／ｗ１）但し、ｗ１は発生ＮＯ_x量，ｕは操作量このように、一般化予測制御と前置補償を行うことによ
り、前者でフィードバック性能を向上させ、また、後者
で外乱補償性を向上させつつ非線形性の補償を行うこと
ができ、より高精度な制御が可能となる。

【００６３】さらにまた、本発明では複数の制御系を有
しているシステムを前提としているので、前置補償器４
２の出力を切替スイッチ３３の入力端子ａに与え、係る
切替スイッチ３３を介して下位制御系のＮＨ₃流量制御
部４０に与えるようになっている。

【００６４】またこの切替スイッチ３３は、合計４つの
入力端子ａ，ｂ１，ｂ２，ｂ３を有しており、４つの入
力端子のうち択一的に選択された１つの入力端子と出力
端子とを導通するようにしている。そして、残りの入力
端子には、他の制御系３３としての起動制御系からの指
令値（ｂ１）や、上下限を規定するリミッタ（ｂ２）
や、手動命令装置からの指令値（ｂ３）がそれぞれ与え
られるようになっている。

【００６５】ここで本発明では、第１の実施の形態と同
様に、切替スイッチ３３の出力端子にバンプレス切替演
算部３６を接続している。そして、バンプレス切替演算
部３６には、与えられたデータに対して前置補償器４２
における演算処理と逆演算を行って仮想操作量ｕ′を求
める機能と、さらに微分処理を行い仮想操作量変化分Δ
ｕ′を求める機能を備えている。さらに本例では、プラ
ント３０において実際に供給されているアンモニア流量
Ｗ２をプラント３０から与えられるようになっており、
その与えられたデータＷ２に基づいてアンモニア流量制
御部４０での逆演算を行った後、上記と同様に前置補償
器の逆演算をして仮想操作量ｕ′や仮想操作量変位分Δ
ｕ′を求めることができるようになっている。

【００６６】そして、上記のようにして求めた仮想操作
量ｕを、切替スイッチ３９ｂの入力端子ｂに与え、ま
た、仮想操作量変位分Δｕ′を、フィルタ４３を介して
切替スイッチ３９ｂの入力端子ｂにそれぞれ与えるよう
になっている。

【００６７】さらに、本例では、上位制御系３１を演算
周期の異なる第１制御部（遅い演算周期）３１ａと第２
制御部（速い演算周期）３２ｂとから構成し、上記した
上位制御系３１を構成する各部をいずれかの制御部に組
み込んでいる。すなわち、外乱除去に対しては短い制御
周期で補償を行った方が制御性が向上するのに対し、大
きな無駄時間を持つシステムに対しては適当に長い制御
周期を選ぶことにより制御演算量を節約できる。

【００６８】そこで、上記原理に従い、第１制御部３１
ａは、一般化予測制御部３４′を備え、そこで操作量の
変化分Δｕを求め、その出力を切替スイッチ３９ａの入
力端子ａに与えるようになっている。そして、係る切替
スイッチ３９ａと加算器４１ａが第１制御部３１ａに組
み込まれ、それ以外の素子・回路は速い演算周期の第２
制御部３１ｂに組み込まれる。そして、上記したように
フィルタ４３を設けたのは、バンプレス切替演算部３６
が早い周期で動作し、これに対し切替スイッチ３７ａ
は、遅い周期で動作する。従って、フィルタ４３を用い
ることにより、係る演算周期の差を解消し、第１制御部
３１ａの動作タイミングに合わせて切替スイッチ３９ａ
に仮想操作量変位分Δｕ′を与えるようになっている。

【００６９】さらに、積分回路４１を両制御部３１ａ，
３１ｂに跨ぐようにして設置している。つまり、加算器
４１ａは第１制御部３１ａに設け、遅延素子４１ｂは第
２制御部３１ｂに設けるようにしている。このように、
遅延素子４１ｂを第２制御部３１ｂに設けたため、切替
スイッチ３９ｂが入力端子ｂ側に切り替わり、バンプレ
ス切替演算部３６で求めた仮想操作量ｕ′に基づいて動
作する時から再度入力端子ａに切り替わるような場合
に、最新の操作量（仮想操作量）に基づいて積分処理が
できるようになる。また、加算器４１ａを第１制御部３
１ａに設置することにより、遅い演算周期で操作量を求
めることにより、上記した無駄時間を持つシステムにお
ける制御演算量の節約を図ることができる。

【００７０】上記のように構成することにより、第１の
実施の形態と同様に、切替スイッチ３３，３９ａ，３９
ｂが入力端子ａ側に接続されている場合には、一般化予
測制御に基づいて求められた指令値Ｖがアンモニア流量
制御部４０に与えられ、係る指令値Ｖになるようなバル
ブ開度が求められ、プラント３０側に制御命令を送るよ
うになる。そして、プラント３０から得られる各種の履
歴データ等に基づいて、精度良く一般化予測制御が行わ
れる。

【００７１】一方、切替スイッチ３３が入力端子ｂ１〜
ｂ３のいずれかに切り替わり、別の制御系３２からの指
令値Ｖに基づいてアンモニア流量制御部４０が動作する
場合には、切替スイッチ３９ａ，３９ｂも入力端子ｂ側
に切り替わる。そして、バンプレス切替演算部３６に
て、現在の別の制御系３２から与えられる指令値Ｖが制
御系３１の出力でもなるような仮想操作量ｕ′及び仮想
操作量変位分Δｕ′が求められ、前者に基づいて前置補
償器４２が所定の演算処理を行うことにより、仮想指令
値Ｖ′を求める。また、後者に基づいて一般化予測制御
への履歴データの格納が行われる。

【００７２】これにより、別の制御系３２から指令値が
与えられているときの切替スイッチ３３における入力端
子ａに与えられるデータも、実際の指令値Ｖとほぼ等し
い値となる。その結果、再度切替スイッチ３３，３９
ａ，３９ｂが切替わり入力端子ａが接続されるようにな
っても、スムーズに切り替わり、切替に伴う下位制御系
４０，プラント３０への影響が可及的に抑制される。

【００７３】図５は、本発明の第４の実施の形態につい
て示している。本実施の形態では、複数の制御系に、一
般化予測制御を含む制御系を２個以上設置した例を示し
ている。なお、図示の場合には、便宜上２個のみの制御
系からシステムが構成されているが、一般化予測制御を
含んだ制御系を３個以上用いても良く、また、一般化予
測制御を含まない他の制御系を設けてももちろん良い。

【００７４】そして、図は、一方の上位制御系で求め
られたアンモニア流量指令値Ｖが下位制御系であるアン
モニア流量制御部４０に与えられている状態を示してい
る。この時、他方の上位制御系の切替スイッチ３９
ａ，３９ｂは、入力端子ｂ側に切り替わっているので、
バンプレス切替演算部３６で求められたデータｕ′に基
づいて前置補償器４２が動作し、切替スイッチ３３の入
力端子ｂに与えられる仮想指令値Ｖ′と実際の指令値Ｖ
がほぼ等しい値となる。またΔｕ′に基づいて一般化予
測制御部３４′が動作する。

【００７５】よって、切替スイッチ３３が、入力端子ｂ
側に切り替わった場合には、その直前の上位制御系お
ける仮想操作量ｕ′，仮想指令値Ｖ′並びに仮想操作量
変位分Δｕ′は、上位制御系の実際の各値とそれぞれ
ほぼ一致した値を取っているので、各部でその値が急激
に変動することがなく、アンモニア流量制御部４０に与
えられる指示（アンモニア流量指令値Ｖ）は、なめらか
に変動していき、安定したシステムが構築される。

【００７６】なお、本実施の形態のように、一般化予測
制御を複数設ける場合では、各制御系が異なる運転状況
（動特性モデル）について対応したものでも良く、或い
はシステムの安全性を高めるために同一の制御系を用意
し、一方を待機系にするタイプのものでも良い。

【００７７】なおまた、上記した各実施の形態で示す操
作量ｕ，操作量変位分Δｕは、それぞれ１個からなるも
のでもよく、或いは下記のように複数のデータからなる
ベクトル成分でも良い。

【００７８】ｕ＝［ｕ１，ｕ２，…ｕｍ］^Ｔ Δｕ＝［Δｕ１，Δｕ２，…Δｕｍ］^Ｔ

【００７９】

【発明の効果】以上のように本発明に係る一般化予測制
御システム及び脱硝制御装置では、待機中は、実際の指
令値を受け取り、指令値算出手段の出力がその実際の指
令値とほぼ等しい仮想指令値となるので、少なくとも１
つの一般化予測制御系を含む複数の制御系を切り替えな
がら制御対象物に対する制御を行うに際し、一般化予測
制御系に切り替わる際に、指令値が大きくずれることが
なく、スムーズに切替を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図である。

【図２】一般化予測制御装置を説明する図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態を示す図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態を示す図である。

【図５】本発明の第４の実施の形態を示す図である。

【図６】発電プラントにおける脱硝制御システムの概略
構成を示す図である。

【符号の説明】

３０制御対象物・プラント３１制御系（一般化予測制御を含む）３２他の制御系３４一般化予測制御装置３４′ 一般化予測制御部３５演算処理部（指令値算出手段）３６バンプレス切替演算部（仮想操作量データを求め
る手段）４０下位制御系・アンモニア流量制御部４１積分回路４１ａ加算器４１ｂ遅延素子４２前置補償器（指令値算出手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＧ０５Ｂ 7/02 Ｇ０５Ｂ 23/02 Ｒ 9/03 Ｇ０５Ｄ 21/00 Ａ 11/32 Ｂ０１Ｄ 53/34 17/02 １２９Ｅ 23/02 53/36 ＺＡＢＣＧ０５Ｄ 21/00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制御対処物に対して指令値を発すること
のできる制御系を複数用意し、それら複数の制御系を適
宜切り替えて、いずれか１つの制御系からの指令値に基
づいて前記制御対象物を動作させる制御システムであっ
て、前記複数の制御系の少なくとも１つが、一般化予測制御
に基づいて指令値を発するようにした一般化予測制御シ
ステムにおいて、前記一般化予測制御を含む制御系が以下の要件（１）〜
（５）を備えたことを特徴とする一般化予測制御システ
ム。（１）少なくとも目標値と、過去複数回の制御対象物の
被制御値及び過去複数回の自己が求めた操作量に関する
履歴データに基づいて一般化予測を行い操作量を求める
一般化予測制御手段を持つ。（２）前記一般化予測制御手段から出力される操作量に
対し所定の演算処理を行い指令値を求める指令値算出手
段を持つ。（３）他の制御系から発せられる指令値が選択され、実
際の指令値として前記制御対象物側に与えられている場
合は、前記指令値算出手段の出力が前記実際の指令値に
なるような仮想操作量データを求めるとともに、求めた
各値を前記指令値算出手段及び前記一般化予測制御手段
にそれぞれ供給可能とする。（４）他の制御系が選択されている待機中は、前記求め
た仮想操作量データを前記一般化予測制御手段が求めた
操作量データとみなして操作量の履歴データに格納し、
前記仮想操作量データに基づいて前記指令値算出手段を
動作させて仮想指令値を求める。（５）自己が選択された際には、待機中に求めた仮想操
作量データを含む所定のデータに基づいて一般化予測制
御手段を動作させる。
【請求項２】上位制御系から出力される指令値を下位
制御系の制御目標値として前記下位制御系で前記制御対
象物に対する指令を与えるようにしたカスケード制御方
式であって、少なくとも前記一般化予測制御を含む制御系が、前記上
位制御系に適用されていることを特徴とする一般化予測
制御システム。
【請求項３】一般化予測制御を含む制御系を複数用意
し、任意の一般化予測制御を含む制御系を択一的に選択可能
としたことを特徴とする請求項１または２に記載の一般
化予測制御システム。
【請求項４】請求項３において、複数の一般化予測制
御を含む制御系が、それぞれ異なるモデルに基づいて操
作量を求めるようになっており、制御対象物の状態に適した所定の制御系を選択可能とし
たことを特徴とする一般化予測制御システム。
【請求項５】一般化予測制御を含む制御系が、前記一
般化予測制御手段からは、操作量の変位分を出力し、そ
の変位分を積分処理して操作量を求め、その求めた操作
量を前記指令値算出手段に与えるように構成されるとと
もに、一般化予測制御手段を遅い演算周期で実行し、前
記指令値算出手段を速い演算周期で実行するようにし、かつ、前記積分処理をする積分回路を構成する、前記一
般化予測制御手段から出力される前記変化分と前回の操
作量を加算する加算手段を前記遅い演算周期で実行する
とともに、前回の操作量を前記加算手段に与える遅延手
段を前記速い演算周期で実行するようにしたことを特徴
とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の一般化予測
制御システム。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の一般化
予測制御システムに基づいて、発電プラントで発生する
窒素酸化物を抑制するためのアンモニア注入量を決定す
る脱硝制御を行うようにしたことを特徴とする脱硝制御
装置。