JPH0677212B2

JPH0677212B2 - プラント・モデリング装置

Info

Publication number: JPH0677212B2
Application number: JP60108318A
Authority: JP
Inventors: 穣飯野; 隆重政
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-05-22
Filing date: 1985-05-22
Publication date: 1994-09-28
Anticipated expiration: 2009-09-28
Also published as: JPS61267103A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、動特性の不明な制御対象の応答波形から、制
御系の設計、事前評価、制御対象の異常診断等に必要な
動特性モデルとして、伝達関数を推定するプラント・モ
デリング装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

プラントの制御系設計や数値的な試験、監視等には、プ
ラントの動特性を表わすモデル、例えば伝達関数が必要
である。従来、動特性の未知なプラントの応答波形情報
から、伝達関数を推定する装置は数々提案されていた
が、それぞれ適用限界を持っておりあらゆるプラントや
環境条件に対し、通用するものはなかった。たとえば、
データに外乱し、雑音などが含まれる場合、ある程度の
事前知識から、外乱を取り除くデータの事前処理により
推定精度は向上するが、データの事前処理手続きまで含
めた、統一的な伝達関数推定装置は提案されていない。
又、推定の対象となるプラントに関し、構造などに関す
るある程度の情報があらかじめわかっている場合も、そ
の情報を有効に用いるシステマラックな推定装置は提案
されてない。そのため、状況に応じて、人間が有効な手
段を選択し、発見的、試行錯誤的に作業を行なわねばな
らず作業者（オペレータ）は高度な専門知識を必要とす
るうえ、多くの時間、労力を費やさねばならなかった。

〔発明の目的〕

本発明は、前記の問題点を解決するために、プラントの
応答波形から伝達関数を推定および修正し、あるいはそ
の結果から再び応答波形データを修正するための複数の
手段を準備し、人間の判断およびデータベースに格納さ
れた一連のルール群による推論により、それらの手段を
能率よく、かつ効果的に駆動することによって、あらゆ
るタイプのプラント、状況に対し、短時間に高い精度で
伝達関数を推定するプラント・モデリング装置を提供す
ることを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は制御対象とするプラントの応答波形から、伝達
関数を推定する手段として以下の機能を備えることによ
り、推定精度の向上、作業の高効率化を実現したもので
ある。

（１）プラントの応答波形データに、推定の精度低下を
招く外乱や異常データが含まれている場合、一度データ
より伝達関数を推定し、次にそのモデルよりデータの妥
当性を判定することにより、推定に不都合なデータを削
除し、代りとなるデータで補間することにより、データ
を修正し、再び伝達関数を推定しなおす機能。

（２）一度、応答波形データから推定した伝達関数に対
し、そのモーメント系列を保存しながら、構造、次数を
変形、むだ時間を抽出する機能、あるいは伝達関数の部
分構造をあらかじめ仮定した形に拘束した上で伝達関数
の変形を行なう機能。

（３）伝達関数の推定、修正、データの修正に関する個
々の機能をそれぞれ最小限の単位で独立させ１つ１つ
に、コマンド（命令語）を対応させることにより、オペ
レータが各コマンドを入力するだけで、それに対する機
能を駆動でき、伝達関数の推定、低次元化、補正等がオ
ペレータの判断に基づき、短時間で行なえるような対話
形モデル修正機能。

（４）これらの機能を駆動させる手順をルールとして格
納することができるデータベースを持ち、オペレータが
行なう一連の作業手順と推定した伝達関数の応答波形と
もとのデータの比較より算出されたモデルの評価あるい
はオペレータの評価したモデル適合度の評価点に基づい
て新たなルールを生成し、データベースにたくわえる学
習機能と、データベースに格納されたこれらのルールお
よび推定対象の構造に関する事前情報や推定手法の固有
の特性に関する知識に関するルールに基づいて一連の機
能群をどのような順序、条件で駆動させるべきかを、こ
れらのルール群から推論し、オペレータに指示し、ある
いは自動的に駆動させる機能。

〔発明の効果〕

本発明により、次のような効果が生じる。

（１）推定の対象であるプラントの応答波形に関するデ
ータに、外乱や観測ノイズが含まれているとき、推定し
た伝達関数の応答波形ともとのデータの比較により、異
常データを検知し、除去することにより、推定精度の劣
化を防ぐことができる。

（２）プラントの伝達関数を推定した後に、制御系の設
計に都合の良い形に変形することができる。

（３）モデルの推定、修正に関する個々の機能が最小限
の単位で独立しているため、モジュール性に富み、新た
な機能の付加によるシステムの変更が行ないやすい。

（４）各機能がコマンド形式で対話形で操作できるた
め、モデリング作業が単時間に効率よくでき、しかも、
人間の判断を必要とする試行錯誤的な複雑な作業が行な
いやすい。

（５）ルールによるデータベースの推論に基づき、モデ
リングの最適な手順をオペレータに指示、あるいは自動
的にモデリングを行なうことができ、オペレータがモデ
リングに関する専門的な知識を持たなくてもよい。

（６）常に、推定、修正の手順および、その結果得られ
たモデルの評価から、新しいルールの生成無意味なルー
ルの削除等を行なうため、ルール・デースベースの推論
機構が漸近的に最適なものになる。

（７）オペレータの意図あるいは、データベースに格納
された知識、ルールによって、プラントの既知の構造情
報を含めたモデリングができる。

〔発明の実施例〕

本発明の１つの実施例を第１図（ａ），（ｂ）に示す。
本発明のプラント・モデリング装置ｐは、応答波形デー
タ取得部１、データ事前処理部４、次数決定部５、伝達
関数推定部６による一連の伝達関数推定機能群、ステッ
プ８乃至11の伝達関数修正機能群、応答波形算出部12、
推定モデル評価部13、これらの機能を管理する推定・修
正機能管理部７、オペレータとのインタフェイスを取る
グラフィック−ディスプレイ端末14、コンソール15、お
よびデータベース16処理手順推論部17、処理手順学習部
18より成る。

応答波形データ取得部１では、推定対象となるプラント
３又はそれが記録されたデータ・レコーダ２より応答波
形データを取り込み、一度、データベース16に蓄える。

データ事前処理部４では、応答波形データに以下の処理
をほどこし、以後の推定に都合のよい形に修正する。

（１）第２図（ａ）に示すようなプラント応答波形19の
ような連続信号データの場合、サンプリングにより、エ
リアシングを生じないよう信号の高周波成分をしゃ断す
る高周波しゃ断フィルタを通した後の第２図（ｂ）に示
すようなフィルタリングした応答波形20をサンプリング
し、第２図（ｃ）に示すような応答波形のサンプリング
21｛y₁,y₂…ｙ_Ｎ｝を得る。

（２）すでに一度伝達関数を推定した後で、再びこの事
前処理部が起動されたときは、推定された伝達関数の応
答波形を応答波形算出部12にて求め、データと比較し、
以下のルールに従ってデータを修正する。

ルール1;まず推定されたモデル（＝伝達関数）の応答波
形と、もとのデータを比較し、以下の量を求める。

（ただし、Ｙ_ｉはもとのデータ、は推定モデルの応答波形サンプル値である。）もし、Ｎ個のデータのうち、N₀個以内のデータに対し、が成り立つときは、そのＹ_ｉを異常データとして除去
し、でおきかえる。

ルール2;もし、N₀個以上のデータに対し、（１）式が成
り立つときは、推定モデルが不適当であると判定し、あ
らためて条件をかえて推定しなおす。

ルール3;推定されたモデルの情報から、データベースの
ルール群による推論あるいは、オペレータの判定によ
り、プラントにムダ時間が存在すると判定された場合
は、もとのデータの先頭部から、ムダ時間に対応するデ
ータを削除し、あらためて推定しなおす。

ルール4;推定されたモデルの情報から、又はデータベー
スに貯えられているプラントの構造に関する事前情報か
ら、プラントが無定位系であると判定された場合、サン
プルデータＹ_ｉ（ｉ＝1,〜,N）に対し、（ｉ＝1,〜,N、τ：サンプリング周期）なる処理を施こし、を改めてデータとして推定しなおす。

（３）オペレータが、コンソールより、データの補正に
関してのコマンドを入力した時は、それに従い、次のよ
うな基本処理を行なう。

（ａ）データの間引き；データをｌ個ごとに間引いて改
めてデータとする。

Y₁,Y₂…→Ｙ_ｌ,Y_2l，… （ｂ）データ部分使用：応答波形データの一部を取り出
し、改めてデータとする。

Y₁,Y₂,…,Y_Ｎ→Ｙ_ｉ,Y_ｉ＋１，…,Y_ｊ（ｃ）複数のデータ群の平均：複数のデータ集合間で平
均をとり、新たなデータとする。

次数決定部５では、サンプルデータの情報から以下の手
順で次数を決定する。

（１）サンプルデータＹ_ｉよりプラントのインパルス応
答列ｇ_ｉを算出する。

（２）ハンケル行列Ｈの特異値を求める。

（３）しきい値εに対し、σ_ｎ＞ε＞σ_ｎ＋１なる整数
ｎを見出し、それを伝達関数の次数とする。

伝達関数推定部６では、以下の手順によって伝達関数を
求める。

（１）（４）式の行列Ｕの初めのｎ列より成る行列、
Ｖの初めのｎ列より成る行列より、行列Ａ、ベクトルＢ、Ｃ^Ｔ、スカラーＤを求め
る。

（２）適当な変換行列を用いて行列Ａを対角比する。

（３）次式より行列Ａ_ｃ、ベクトルＢ_ｃ,C_ｃ、スカラＤ
_ｃを求める。

（４）次式より伝達関数Ｇ（ｓ）を得る。

Ｇ（ｓ）＝Ｃ_ｃ（sIn−Ａ_ｃ）^-1B_ｃ＋Ｄ_ｃ …（８）（Inはｎ×ｎ単位行列）推定・修正機能管理部７では、以上の伝達関数推定機能
群および以下に述べる伝達関数修正機能群を、１つ１
つ、コマンド（命令語）に対応させオペレータがコンソ
ール15より入力したコマンドに対する機能を起動させる
働きをする。また、データや推定モデルのデータベース
16への書き込み読み出し、グラフィックディスプレイ端
末14、コンソール15を通じてのオペレータとのインタフ
ェイスを取るなどの機能がある。

以下ステップ８〜13は推定された伝達関数の修正・評価
にかかわる機能を持つ、極零点、消去・変更・追加機能
8;推定された伝達関数の極・零点の消去・変更・追加な
どを、モーメント系列（９）式の低次側から有限個を保
存しながら行なう。

Ｇ（ｓ）＝g₀＋g₁s＋g₂s²＋… …（９）たとえば、以下のような変形である。

パラメータ変更機能9;伝達関数の定常ゲイン時間スケー
ル、むだ時間などを変更する。

伝達関数低次元化機能10;モーメント系列（９）式を保
存したまま任意の次数の分母・分子を持つ伝達関数に変
更する。すなわち、新たな分母・分子の次数（ｎ′,
m′）に対し、次の連立一次方程式を解きai（ｉ＝1,2,
…,n′）,bi（ｉ＝0,1,2,…,m′）を求める。

これより、低次元化された、次式の伝達関数を得る。

ムダ時間抽出機能11;与えられた伝達関数Ｇ（ｓ）のモ
ーメント系列表現（21）式をムダ時間要素；で割り算した結果のモーメント系列に基づいて、（1
0），（11）式の方法で再び伝達関数Ｇ′（ｓ）を求め
る。その結果、次式のようにムダ時間ｌを抽出すること
ができる。

Ｇ（ｓ）→ｅ^lsＧ′（ｓ）応答波形算出部12;推定、修正後の伝達関数の応答波形
をルンゲ・クッタ＝ギル法で算出し、もとのデータ
｛Y₁,Y₂,…Ｙ_Ｎ｝とともにグラフィックディスプレイ端
末14に表示する。

推定モデル評価部13;推定された伝達関数の応答波形の
サンプルデータ｛ｉ｝と、もとのデータ｛Yi｝を比較
し、以下のルールにより評価し、結果を端末に表示、デ
ータベースに書き込む。

ルール1;推定モデルのもとの応答波形データへの適合度
を以下のパラメータで見る。

ルール2;もとの応答波形データにピークがある場合、第
１ピーク、第２ピークなどについてピーク値（極大
限）、ピーク時間を推定モデル応答波形と比較する。

ルール3;もとの応答波形データに振動成分がある場合振
動周期、減衰比等を推定モデル応答波形と比較する。

ルール4;もとの応答波形データに逆応答があるとき、そ
の大きさを推定モデル応答波形と比較する。

ルール5;もとの応答波形データの定常ゲイン整定時間と
推定モデルのそれらとを比較する。

グラフィック・ディスプレイ端末14やコンソール15は、
オペレータとのインタフェイスをとる。

データベース16には、プラント応答波形データ推定モデ
ル、推定、修正の手順、モデルの評価度などが時々刻々
と記録される。又、推定・修正に関するルール推定対象
であるプラントの構造、物理法則等に関するルールが格
納されている。

処理手順推論部17では、オペレータの要求する処理に対
し、どのような手順が最適であるかをデータベース16に
蓄えられたルール群に基づいて推論し、その結果に従っ
て、各機能を駆動あるいはオペレータに指示を与える。

処理手順学習部12では、オペレータの操作によるモデリ
ングの手順と、その結果得られたモデルの評価とから、
モデルの推定・修正に関するルールを生成し、データベ
ース16に新しくたくわえる。又、推論に用いられたルー
ルに対し、その結果得られたモデルの評価度から、その
価値を判定し、価値指標が、あるしきい値より小さいル
ールは、データベースから削除する。

第３図に、沸騰水形原子炉（BWR）の再巡環ポンプスピ
ード設定値から、炉心中性束までのステップ応答波形を
データとしたときの、推定結果のモデルの応答波形およ
び、それを修正したモデルの応答波形を原データととも
に示す。一度推定した伝達関数のモデル（第３図（ａ））に対し、数々の修正を施こす
ことによって、より精度のよい伝達関数のモデル（第３図（ｂ））が得られたことがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例として、プラント・モデリング
装置の一構成例を示したブロック図、第２図はプラント
応答波形のサンプリングの様子を示した曲線図、第３図
はBWRの再巡環ポンプスピード設定値から、炉心中性子
束までのステップ応答データに基づき推定したモデルと
修正を加えたモデルの各応答波形を示す曲線図である。１……応答波形データ取得部、２……データ・レコーダ、３……推定対象のプラント、４……データ事前処理部、５……次数決定部、６……伝達関数推定部、７……推定・修正機能管理部、８……極・零点消去・変更・追加機能、９……パラメータ変更機能、 10……伝達関数低次元化機能、 11……ムダ時間抽出機能、12……応答波形算出部、 13……推定モデル評価部、 14……グラフィック・ディスプレイ端末、 15……コンソール、16……データベース、 17……処理手順推論部、18……処理手順学習部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭57−23117（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−60914（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−69813（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−208812（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−172714（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−146314（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−94075（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制御対象とするプラントの既知の操作信号
に対する応答波形データを取り込むデータ取得部と、デ
ータに対し、サンプリング、フィルタリング、部分削除
および補間の処理を行なうデータ補正部と、このデータ
補正部で補正を受けた応答波形のサンプルデータに基づ
く、次数の決定機能と伝達関数推定機能を持つモデル推
定部と、このモデル推定部で推定された伝達関数を修正
するモデル修正部と、このモデル修正部で修正された伝
達関数を記録・再生する記憶装置と、前記伝達関数およ
びその応答波形を表示する表示装置と、前記推定結果を
記録・再生する記憶装置と、作業指示を取り込むコンソ
ール端末とを備えた、プラント・モデリング装置におい
て、伝達関数を推定、修正する個々の機能を、最小の単
位で互いに独立させて持ち、それぞれの機能に命湊語を
対応させ、作業指示で入力した命令語に対応する機能を
即座に起動させ実行させることを特徴とするプラント・
モデリング装置。
【請求項２】推定した伝達関数を修正するにあたり、そ
の伝達関数の低次から有限個のモーメント系列を保存し
たまま、伝達関数の一部あるいは全体の構造パラメータ
を追加、変更、削除する機能と、同じく、低次から有限
個のモーメント系列を保存しながら、伝達関数を低次元
化する機能と、同じく、低次から有限個のモーメント系
列を保存しながら伝達関数からムダ時間を抽出する機能
と、推定のもととなるデータに応答波形を合わせるべ
く、伝達関数の定常ゲイン、時間スケール、ムダ時間、
係数を微調整する機能とを合わせ持つことを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載のプラント・モデリング装
置。
【請求項３】プラント応答波形データより、一度伝達関
数を推定し、その応登波形ともとのデータを比較するこ
とにより、異常データの削除、補間によるデータ修正を
行ない、修正されたデータに対し、改めて伝達関数の推
定をやりなおす機能を有することを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載のプラント・モデリング装置。
【請求項４】伝達関数の推定、修正、データの修正にか
かわる個々の機能の使用順序、使用条件に関する情報を
ルールとして生成し、データベースに蓄え、あるいはデ
ータベースから不用なルールを削除する処理手順学習機
能と、データベースに格納された、それらのルール群お
よび、推定の対象するプラントに関する既知の情報、伝
達関数の推定に関する普的な規則に関するルール群よ
り、伝達関数の推定、修正、データの修正に関する最適
な手順を推論して、伝達関数を推定する処理手順推論機
能とを持つことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
のプラント・モデリング装置。