圧縮機の制御装置及び制御方法
【課題】調整の手間を省くことができる、圧縮機の制御装置及び制御方法を提供する。
【解決手段】圧縮機２０１の吐出側の流体を吸込側に戻すアンチサージバルブ２０６をバルブ制御パラメータに基づいて制御するバルブ制御部１１と、前記圧縮機２０１が設置されるプラント２のプラントモデル及び前記バルブ制御パラメータに基づいて前記圧縮機２０１の前記プラント２での運転状態をシミュレーションするシミュレーション部１０２と、前記シミュレーションの結果に基づいて、前記バルブ制御パラメータを調整する制御パラメータ調整部１０３と、を備える。
【解決手段】圧縮機２０１の吐出側の流体を吸込側に戻すアンチサージバルブ２０６をバルブ制御パラメータに基づいて制御するバルブ制御部１１と、前記圧縮機２０１が設置されるプラント２のプラントモデル及び前記バルブ制御パラメータに基づいて前記圧縮機２０１の前記プラント２での運転状態をシミュレーションするシミュレーション部１０２と、前記シミュレーションの結果に基づいて、前記バルブ制御パラメータを調整する制御パラメータ調整部１０３と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機の制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロセス用圧縮機（以下、圧縮機と称す。）は、石油化学分野をはじめとした各種プラントにおいて圧縮ガスを供給するために広く用いられている。圧縮機は、下流工程が必要とする安定した吐出圧力又は吐出流量を供給するように適切に制御されなければならない。しかし、圧縮機の流量が所定の閾値以下になると、圧縮機内でサージと呼ばれる不安定現象が発生する。
なお、サージとは圧縮機内における圧力変動や逆流を伴った振動現象である。
【０００３】
圧縮機のサージ防止、又はサージ状態からの脱却のために、一般にアンチサージバルブが用いられる。アンチサージバルブを開放してガスを圧縮機の吐出側から吸込側に戻すことによって、圧縮機の挙動を安定させることができる。すなわち、アンチサージバルブは、圧縮機の運転点をサージ領域に入らせない、又はサージ領域から安定領域側に脱却させるために使用される。圧縮機のアンチサージバルブの制御方法は、ＨＱマップ内に設けたサージコントロールラインよりも運転点を安定領域側に維持又は移動させるために、ＰＩＤ制御を用いる方法が一般的である。
なお、圧縮機におけるサージ領域やサージコントロールラインについては後記する。
【０００４】
特許文献１には、制御変数（本願の「運転点」に対応）に応答するＰＩＤ制御モジュール（本願の「バルブ制御部」に対応）と、サージコントロールラインへの運転点の近接速度を示す速度信号に応答する速度制御モジュールとを有する制御システムについて記載されている。また、特許文献１に記載の制御システムは、前記ＰＩＤ制御モジュールが出力した第１の出力信号と、前記速度制御モジュールが出力した第２の出力信号とを選択的にアンチサーチバルブに出力するための出力信号セレクタを備えることが記載されている。
特許文献２には、起動時に圧縮機のインレットガイドベーンの開度を制御し、立ち上げ用制御ラインに沿って圧縮機の運転点を移行させていくことを特徴とするモータ駆動式圧縮機の運転方法について記載されている。
なお、前記の立ち上げ用制御ラインは、圧縮機の性能曲線におけるサージラインと平行で、かつサージコントロールラインより安定領域側に設定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表平１１−５０６１８４号公報
【特許文献２】特開２００９−４７０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の圧縮機の制御システムは、圧縮機システムが最適な条件の下で設計されたという仮定に基づいて、圧縮機を運転する場合について記載されている。しかしながら、取り扱うガスの状態や季節変化により圧縮機の運転状態が変化する。つまり、特許文献１に記載の制御システムを現実の圧縮機システムに適用する場合には、アンチサージ制御のＰＩＤパラメータの調整は、作業員が試行錯誤的に行うこととなる。
特許文献２に記載のモータ駆動式圧縮機の運転方法についても前記と同様であり、圧縮機システムが最適な条件の下で設計されたという仮定に基づいている。したがって、特許文献２に記載の発明においても、圧縮機のＰＩＤパラメータの調整は作業員が試行錯誤的に行うこととなる。
なお、アンチサージ制御のＰＩＤパラメータの調整は、圧縮機の起動工程において大きな割合を占めている。
【０００７】
そこで本発明は、調整の手間を省くことができる、圧縮機の制御装置及び制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明に係る圧縮機の制御装置は、圧縮機の吐出側の流体を吸込側に戻すアンチサージバルブを制御パラメータに基づいて制御するバルブ制御部と、前記圧縮機が設置されるプラントのプラントモデル及び前記バルブ制御パラメータに基づいて前記圧縮機の前記プラントでの運転状態をシミュレーションするシミュレーション部と、前記シミュレーションの結果に基づいて、前記制御パラメータを調整する制御パラメータ調整部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る圧縮機の制御方法では、前記シミュレーション部は、前記圧縮機が設置されるプラントのプラントモデル及び前記制御パラメータに基づいて前記圧縮機の前記プラントでの運転状態をシミュレーションし、前記制御パラメータ調整部は、前記シミュレーションの結果に基づいて、前記制御パラメータを調整し、前記制御パラメータ設定部は、前記制御パラメータ調整部で調整されたバルブ制御パラメータを、前記バルブ制御部が前記プラントを制御する際に適用するバルブ制御パラメータとして設定し、前記バルブ制御部は、前記制御パラメータ設定部によって設定されたバルブ制御パラメータにより前記アンチサージバルブを制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、調整の手間を省くことができる、圧縮機の制御装置及び制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧縮機の制御装置を含む圧縮機システムの構成図である。
【図２】圧縮機吸込流量とポリトロープヘッドとの関係であるＨＱマップである。
【図３】制御装置で用いられるプラントモデルの構成を模式的に表したブロック図である。
【図４】制御装置を用いたＰＩＤパラメータのチューニングの流れを示すフローチャートである。
【図５】制御装置を用いたＰＩＤパラメータのチューニングの作用説明図である。
【図６】制御装置を用いたＰＩＤパラメータのチューニングで、ＧP＝１，ＧI＝０，ＧD＝０とした場合の特性の説明図であり、（ａ）はＨＱ特性図、（ｂ）は圧縮機吸込流量とサージ流量の時間変化の推移を示す説明図、（ｃ）はアンチサージバルブ開度の時間変化の推移を示す説明図である。
【図７】制御装置を用いたＰＩＤパラメータのチューニングで、ＧP＝２０，ＧI＝０，ＧD＝０とした場合の特性の説明図であり、（ａ）はＨＱ特性図、（ｂ）は圧縮機吸込流量とサージ流量の時間変化の推移を示す説明図、（ｃ）はアンチサージバルブ開度の時間変化の推移を示す説明図である。
【図８】制御装置を用いたＰＩＤパラメータのチューニングで、ＧP＝１１．８，ＧI＝１．０，ＧD＝０．２５とした場合の特性の説明図であり、（ａ）はＨＱ特性図、（ｂ）は圧縮機吸込流量とサージ流量の時間変化の推移を示す説明図、（ｃ）はアンチサージバルブ開度の時間変化の推移を示す説明図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る圧縮機の制御装置を含む圧縮機システムの構成図である。
【図１０】制御装置を用いたモデルパラメータのチューニングの流れを示すフローチャートである。
【図１１】制御装置を用いたモデルパラメータのチューニングの作用説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
本実施形態に係る制御装置１は、図１に示すように、上位モジュール１０のシミュレーション部１０２が、プラントモデルに基づいて圧縮機システム２における圧縮機２０１の運転状態をシミュレーションし、ＰＩＤパラメータ調整部１０３がそのシミュレーションの結果に基づいて、バルブ制御パラメータを調整することを特徴とする。
なお、プラントモデルとは、現実の圧縮機システム２の各構成要素及びその関係に対応するモデルを表しており、その説明は後記する。
【００１３】
≪圧縮機システムの構成≫
まず、本発明の各実施形態に係る制御装置１と、その制御対象となるアンチサージバルブ２０６とを含む圧縮機システム２の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る圧縮機の制御装置を含む圧縮機システムの構成図である。
１軸多段型の遠心圧縮機（以下、圧縮機２０１と称する。）は、変速機２０３を介して駆動モータ２０２に接続されている。圧縮機２０１の吸込口及び吐出口にはそれぞれ吸込側配管２０８及び吐出側配管２０９が接続されている。吸込側配管２０８には吸込絞り弁２０５が取り付けられており、その開度を調整することによって、圧縮機２０１の吸込流量を調節する。また、吸込絞り弁２０５より上流側には、ガスから液体を分離させるためのサクションドラム２０４が設置され、配管２１４を介して吸込絞り弁２０５に接続されている。
【００１４】
圧縮機２０１の吐出側配管２０９には、そこから分岐して圧縮機２０１の吸込側へガスを戻すための戻り配管２１０、２１１、２１２が設置されている。戻り配管２１１と２１２との間にアンチサージバルブ２０６が取り付けられており、圧縮機２０１の吐出側から吸込側にガスを戻して、圧縮機２０１におけるサージ発生を防止する。また、戻り配管２１０、２１１間には熱交換機２０７が接続され、圧縮機２０１で圧縮されて高温になったガスを冷却する。圧縮機２０１の吸込側配管２０８には流量検出器ＦＴ１、圧力検出器ＰＴ１、及び温度検出器ＴＴ１が取り付けられている。流量検出器ＦＴ１は、圧縮機２０１に流入するガスの流量（以下、吸込流量Ｑsと称する。）を検出する。流量検出器ＦＴ１は、例えば、オリフィス又はベンチュリ管の形式のものである。
【００１５】
圧力検出器ＰＴ１は圧縮機２０１に流入するガスの圧力（以下、吸込圧力Ｐsと称する。）を検出し、温度検出器ＴＴ１は圧縮機２０１に流入するガスの温度（以下、吸込温度Ｔsと称する。）を検出する。一方、圧縮機２０１の吐出側配管２０９には、圧力検出器ＰＴ２、及び温度検出器ＴＴ２が取り付けられている。圧力検出器ＰＴ２は圧縮機２０１から吐出されたガスの圧力（以下、吐出圧力Ｐdと称する。）を検出し、温度検出器ＴＴ２は圧縮機２０１から吐出されたガスの温度（以下、吐出圧力Ｔdと称する。）を検出する。流量検出器ＦＴ１、圧力検出器ＰＴ１，ＰＴ２、及び温度検出器ＴＴ１，ＴＴ２からの出力信号Ｑs，Ｐs，Ｔs，Ｐd，Ｔd（以下、「プロセス信号」と称する。）は、制御装置１のバルブ制御部１１に入力される。バルブ制御部１１は前記プロセス信号に基づいて、ＰＩＤ制御によりアンチサージバルブ２０６の開度を調整するバルブ制御信号を出力する。
【００１６】
変換器ＦＹは、バルブ制御部１１から出力された電気信号である前記バルブ制御信号をアナログ信号に変換し、例えば、空気圧によってアンチサージバルブ２０６の開度を調整する。
なお、駆動モータ２０２の回転速度は、配管２０９よりも下流側の被供給側プラントからの負荷側要求に従い、統括コントローラ３によって制御される。また、図１においては配管２１３と戻り配管２１２とが合流している箇所よりも上流側、及び、吐出側配管２０９から戻り配管２１０が分岐している箇所よりも下流側については、その記載を省略している。
【００１７】
配管２１３を通じて上流工程から送られてきたガスは、吸込側配管２０８を通って圧縮機２０１に流入し、回転するインペラ（図示せず）によって圧縮仕事を与えられ昇圧された後に、吐出側配管２０９を通って下流工程へと送られる。通常、圧縮機システム２の定常運転時において、アンチサージバルブ２０６は全閉、つまり圧縮機２０１の吐出側から吸込側に戻るガスの流量はゼロの状態である。しかし、圧縮機２０１を始動又は停止させる場合や、上流又は下流工程で何らかの変動があった場合、圧縮機２０１でサージが生ずる可能性があるので、このような場合にアンチサージバルブ２０６が開制御される。
【００１８】
≪ＨＱ特性について≫
図２は、圧縮機吸込流量とポリトロープヘッドとの関係であるＨＱマップである。バルブ制御部１１は、圧縮機システム２に設置された各検出器（ＦＴ１，ＰＴ１，ＰＴ２，ＴＴ１，ＴＴ２）からの出力信号であるプロセス信号（吸込流量Ｑs、吸込圧力Ｐs、吸込温度Ｔs、吐出圧力Ｐd、及び吐出温度Ｔd）を用いてＨＱマップ上の運転点（Ｑs，ｈpol）を算出する。図２では、運転点の履歴が太い実線で示されている。
なお、ＨＱマップとは、圧縮機２０１の吸込流量Ｑsとポリトロープヘッドｈpolとの関係を示すものである。また、図２における圧縮機吸込流量Ｑsは、圧縮機２０１の仕様点における吸込流量を１．０として無次元化されている。同様に、図２におけるポリトロープヘッドｈpolは、圧縮機２０１の前記仕様点におけるポリトロープヘッドを１．０として無次元化されている。サージラインとは、圧縮機２０１のサージ限界を示すラインである。ＨＱマップ上の圧縮機２０１の運転点が、破線で示したサージラインより左側の領域であるサージ領域内に入った場合に、サージが生じるとされている。
【００１９】
図２に示すように、ＨＱマップのサージラインより右側の領域である運転領域側に所定の幅のマージンをとった線を、サージコントロールラインという。バルブ制御部１１は、サージコントロールラインより左側の領域に運転点が入らないようにＰＩＤ制御の閉ループ演算を行い、アンチサージバルブ２０６のバルブ制御信号を生成する。変換器ＦＹは、ＰＩＤ制御の演算結果である前記バルブ制御信号を取り込み、その値に応じてアンチサージバルブ２０６の開度調整（０〜１００％）を行う。図２の例では、○印で示した運転点（１）から矢印（２）の段階で、圧縮機２０１の運転点がサージ領域に入っている。そして、バルブ制御部１１からの指令に基づいてアンチサージバルブ２０６を開制御することによって吸込流量を確保し、矢印（３）、（４）で示した運転点のように圧縮機２０１の運転点を安定領域に戻している。
なお、前記のＰＩＤ制御に関しては、公知の技術を用いればよいので、その説明を省略する。
【００２０】
≪制御装置の構成≫
図１に戻って、制御装置１の構成について説明する。
制御装置１は、バルブ制御部１１、入力部１２、表示部１３、及び上位モジュール１０を備える。
【００２１】
＜バルブ制御部＞
バルブ制御部１１は圧縮機２０１の運転中、常時プロセス信号を取り込んで運転点（圧縮機２０１の吸込流量Ｑsに対するポリトロープヘッドｈpolの値）を算出している（図２参照）。サージになりそうな場合、又はサージが生じてしまった場合、バルブ制御部１１はＰＩＤ制御に基づいてバルブ制御信号を変換器ＦＹに対して出力する。変換器ＦＹは当該バルブ制御信号に応じてアンチサージバルブ２０６を開動作させ、圧縮機２０１からのガスを吐出側配管２０９から吸込側配管２０８に戻す。このようにバルブ制御部１１は、アンチサージバルブ２０６の開度を制御することによって圧縮機２０１の吸込流量Ｑsを確保し、圧縮機２０１がＨＱマップにおいてサージコントロールラインより右側の領域である安定領域で運転できるようにしている。
【００２２】
バルブ制御部１１は、圧縮機システム２のアンチサージバルブ２０６を制御対象とし、当該圧縮機システム２からのプロセス信号を取り込んで、所定のＰＩＤパラメータに基づいたＰＩＤ制御によってバルブ制御信号を出力する。
一方、例えば、制御装置１の据え付け時や、圧縮機システム２の改修後に圧縮機２０１を始動させる際には、バルブ制御部１１のＰＩＤパラメータをチューニングすることが必要となる。このような場合に制御装置１は、上位モジュール１０が有するプラントモデルでシミュレーションを行い、そのシミュレーションの結果に基づいて調整したＰＩＤパラメータをバルブ制御部１１の新たなＰＩＤパラメータとして設定する。
なお、ＰＩＤパラメータのチューニングを行うか否かは、制御装置１のユーザが入力部１２を操作することによって、適宜選択することができる。
【００２３】
＜入力部＞
入力部１２（図１参照）は、具体的には、キーボードやマウス等であり、制御装置１のユーザによって入力データが入力される。入力部１２を介して上位モジュール１０のデータ保存部１０１に対し、プラントモデルの各設定値や初期値等の入力データが入力される。入力データは、例えば、圧縮機システム２を構成する要素（機器）の機器仕様データ、圧縮機システム２の内部を流れるガスの物性データ、圧縮機システム２のシミュレーションを実行する際のプロセス条件データ、プラントモデルに関するデータ等である。
【００２４】
＜表示部＞
表示部１３（図１参照）は、例えばモニタであり、シミュレーション部１０２で演算された結果をグラフ化して表示する。表示部１３は、例えば、パラメータの設定画面表示、シミュレーション部１０２のシミュレーション結果、計測したプラントモデルの時刻暦データ（トレンドグラフ）、ＨＱマップの運転点、ＰＩＤパラメータのチューニング結果等の表示を行う。
【００２５】
＜上位モジュール＞
上位モジュール１０は、データ保存部１０１、シミュレーション部１０２、ＰＩＤパラメータ調整部１０３、及びＰＩＤパラメータ設定部１０４を備える。
【００２６】
（データ保存部）
データ保存部１０１は、圧縮機システム２を構成する要素（機器）の機器仕様データ、圧縮機システム２の内部を流れるガスの物性データ、プラントモデルを用いてシミュレーションを実行する際のプロセス条件データ等を記憶する。また、前記の機器仕様データ、ガスの物性データ、及びプロセス条件データ等は、入力部１２を介して制御装置１に予め入力されている。さらに、データ保存部１０１は、ＰＩＤパラメータ調整部１０３が制御パラメータを調整するたびに、そのシミュレーション結果及び調整されたパラメータの値を保存する。
なお、プロセス条件データをデータ保存部１０１から表示部１３に表示させ、入力部１２を操作してプロセス条件データを調整して、その調整された結果をデータ保存部１０１に格納させることもできる。
【００２７】
機器仕様データとして、圧縮機２０１の仕様データ、サクションドラム２０４の仕様データ、吸込絞り弁２０５の仕様データ、アンチサージバルブ２０６の仕様データ、配管（吸込側配管２０８、吐出側配管２０９、戻り配管２１０等）の仕様データ、熱交換器２０７の仕様データ、駆動モータ２０２の仕様データが含まれる。
【００２８】
圧縮機２０１の仕様データは、吸込流量とポリトロープヘッドとの関係を示すＨＱ特性、吸込流量とポリトロープ効率との関係を示す効率特性、圧縮機２０１のサージング限界を示すサージライン（図２参照）、サージラインから所定のマージンを取ったサージコントロールライン（図２参照）、回転系（圧縮機２０１、駆動モータ２０２、変速機２０３等）の慣性モーメント等である。
サクションドラム２０４の仕様データは、サクションドラム２０４の容積や設計出口温度等である。
【００２９】
吸込絞り弁２０５及びアンチサージバルブ２０６の仕様データは、バルブ開度と流量の関係を示す固有流量特性、指令信号を受けてから実際に動作開始するまでの時間である遅れ時間、全閉状態から全開状態まで動作するのに要する時間であるフルストローク動作時間、及び流量係数等である。
配管（吸込側配管２０８、吐出側配管２０９、戻り配管２１０等）の仕様データは、配管径や配管の長さ等である。
【００３０】
熱交換器２０７の仕様データは、熱交換器２０７の容積、流路抵抗、設計出口温度、熱伝導の特性を示す総括熱伝達関数等である。
駆動モータ２０２の仕様データは、駆動モータ２０２の回転速度とトルクの関係で示されるトルク特性、定格回転速度、動力を圧縮機２０１に伝達する伝達機構を構成する変速機２０３、カップリング（図示せず）、シャフト（図示せず）等の回転部分の慣性モーメント、変速機２０３の減速比又は増速比である。さらに駆動モータ２０２の仕様データとして、駆動モータ２０２の時間に対する回転速度変化を表したタイムチャートを含んでもよい。
【００３１】
圧縮機システム２における配管等の内部を流れるガスの物性データは、ガスの組成や平均分子量、エンタルピデータ、圧縮係数データなどである。
圧縮機２０１の動作シミュレーションを行う際のプロセス条件データとして、配管のアレンジ（配管の分岐や合流の位置など、圧縮機２０１の吸込・吐出しガスの経路を表す配管構成）や、アンチサージバルブ２０６の配置（圧縮機２０１の吸込口又は吐出口からアンチサージバルブ２０６までの配管の経路長等）が含まれる。さらに、プロセス条件データとして、圧縮機２０１の構成（例えば、単一の圧縮段数か、直列接続システムか、並列接続システムか）が含まれる。
【００３２】
（シミュレーション部）
図３は、制御装置で用いられるプラントモデルの構成を模式的に表したブロック図である。シミュレーション部１０２（図１参照）は、圧縮機システム２の各構成要素に対応したユニットモデルを演算プログラムとして記述している。
なお、図３において実線は、例えば、ガスの温度などの状態量を伝達することを示し、破線は制御信号等の電気的信号を伝達することを示している。
【００３３】
図１に示す圧縮機２０１に対応する圧縮機ユニットモデル２０１ｍは、式（１）に示すポリトロープヘッド計算式、式（２）に示す吸込流量計算式、式（３）に示すポリトロープ効率計算式、式（４）に示す圧縮機負荷計算式で表される。
【数１】
【００３４】
【数２】
【００３５】
【数３】
【００３６】
【数４】
【００３７】
図１に示す吸込絞り弁２０５に対応する吸込絞り弁ユニットモデル２０５ｍ、及び、図１に示すアンチサージバルブ２０６に対応するアンチサージバルブユニットモデル２０６ｍは、式（５）に示す流量計算式で表される。
【数５】
【００３８】
図１に示す圧縮機２０１の周辺に配置された配管内（２０８、２０９、２１０等）を流動するガスの非定常状態をモデル化して配管ユニットモデル（２０８ｍ、２０９ｍ、２１０ｍ等）が構成されている。配管ユニットモデルは、式（６）に示すマスバランス式及び式（７）に示すエネルギバランス式で表される。
なお、図１に示すサクションドラム２０４に対応するサクションドラムユニットモデル２０４ｍについても、式（６）及び式（７）で表される。
【数６】
【００３９】
【数７】
【００４０】
なお、複数の配管が連結されている場合等には、ノード要素ユニットモデル（図示せず）を前記配管の間に挿入する。ノード要素ユニットモデルは、式（８）の流量計算式で表される。
【数８】
【００４１】
熱交換器２０７に対応する熱交換器ユニットモデル２０７ｍは、式（９）に示す熱量計算式で表される。
【数９】
【００４２】
駆動モータ２０２に対応する駆動モータユニットモデル２０２ｍは、式（１０）に示すトルクバランス式で表される。
【数１０】
【００４３】
なお、図１に示す配管２１３よりも上流工程については、体積が無限大である体積要素モデルＶ１ｍで模擬している。同様に、図１に示す配管２０９よりも下流工程については、体積が無限大である体積要素モデルＶ２ｍで模擬している。また、吸込側仕切弁ユニットモデル２１５ｍを設け、その開度をパラメータとすることで、圧縮機システム２の配管２１３に流入するガスの流量を模擬している。同様に、吐出側仕切弁ユニットモデル２１６ｍを設け、その開度をパラメータとすることで、圧縮機システム２の配管２０９から流出するガスの流量を模擬している。
また、プラントモデルには、バルブ制御部１１との間で信号のやり取りを行うインタフェースが含まれる。当該インタフェースには、シミュレーション部１０２で計算されたプロセス信号をバルブ制御部１１に出力する出力インタフェースＯｍと、バルブ制御部１１からの制御信号をアンチサージバルブユニットモデル２０６ｍに入力する入力インタフェースＩｍとを備える。
【００４４】
シミュレーション部１０２は、出力インタフェースＯｍを介して圧縮機システム２のバルブ制御部１１（図１参照）に対し、プロセス信号（圧縮機ユニットモデル２０１ｍの吸込流量Ｑs’と、吸込側の配管ユニットモデル２０８ｍを流れるガスの吸込圧力Ｐs’及び吸込温度Ｔs’と、吐出側の配管ユニットモデル２０９ｍを流れるガスの吐出圧力Ｐd’及び吐出温度Ｔd’）を出力する。
なお、当該各プロセス信号は、前記式（１）〜式（１０）及びプラントモデルのシミュレーション条件に従って計算される。また、前記のプロセス信号の記載において、例えば圧縮機ユニットモデル２０１ｍの吸込流量を「Ｑs’」と表し、現実の圧縮機システム２における圧縮機２０１（図１参照）の吸込流量を「Ｑs」と表して、両者を区別している。当該区別は以下の記載でも同様であり、また、他のプロセス信号についても同様である。
【００４５】
バルブ制御部１１（図１参照）は、前記プロセス信号に基づいてＰＩＤ制御を行い、バルブ制御信号を入力インタフェースＩｍを介してアンチサージバルブユニットモデル２０６ｍに入力する。つまり、シミュレーション部１０２は、前記バルブ制御部１１から出力されたバルブ制御信号に従って、アンチサージバルブユニットモデル２０６ｍの開度を調整する。
【００４６】
シミュレーション部１０２の機能データは、シミュレーション対象の圧縮機システム２の機器構成に従って、配管ユニットモデル等の機器ユニットモデルを組み合わせることが含まれる。具体的には、シミュレーションの対象とする圧縮機システム２の各機器構成にしたがい、サブルーチンプログラムで表した各機器ユニットモデルをメインプログラム上に構成する。
シミュレーション部１０２は、圧縮機システム２を構成する各機器の物理システム及び制御システムをモデル化し、圧縮機システム２の挙動をシミュレーションする。
【００４７】
シミュレーション部１０２は、入力部１２から入力された設定条件データに沿って、対象システムであるプラントモデルの運転状態を計算する。例えば、圧縮機２０１のスタートアップ（始動運転）のシミュレーションを行う場合には、駆動モータユニットモデル２０２ｍの回転速度が０ｒｐｍの静止時から定格回転速度に到達するまでの非定常運転状態の計算を行う。
【００４８】
（ＰＩＤパラメータ調整部）
ＰＩＤパラメータ調整部１０３（図１参照）は、シミュレーション部１０２におけるシミュレーション結果に基づいて、バルブ制御部１１のＰＩＤパラメータを調整する。ＰＩＤパラメータの調整方法は、例えば限界感度法や過渡応答法等によるが、これに限らない。
なお、ＰＩＤパラメータの調整方法の詳細については後記する。また、本実施形態においてＰＩＤパラメータのオートチューニングを行っている間は、制御装置１（図１参照）からのバルブ制御信号は上位モジュール１０に対して出力されており、現実の圧縮機システム２は稼動していない状態とする。
【００４９】
（ＰＩＤパラメータ設定部）
ＰＩＤパラメータ設定部１０４（図１参照）は、ＰＩＤパラメータの調整が終了した場合、最終的に調整された当該ＰＩＤパラメータを通信手段を介して現実の圧縮機システム２のバルブ制御部１１に転送し、バルブ制御部１１が用いる新たなＰＩＤパラメータとして設定する。
なお、バルブ制御部１１へのＰＩＤパラメータの設定は、表示部１３に表示されたシミュレーション結果及びＰＩＤパラメータを確認したユーザが、入力部１２を介して行う所定の操作をトリガとしてもよい。
また、ユーザが表示部１３に表示されたシミュレーション結果に基づいて、入力部１２を介してＰＩＤパラメータを適宜調整してもよい。この場合、ＰＩＤパラメータ設定部１０４は当該調整後のＰＩＤパラメータを通信手段を介してバルブ制御部１１に転送する。
【００５０】
なお、例えば、圧縮機２０１をいったん停止させてバルブ制御部１１のＰＩＤパラメータの調整を行い、調整後のＰＩＤパラメータに基づいてバルブ制御部１１を再起動させる場合もある。このような場合にはまず、ユーザが入力部１２を介して、バルブ制御部１１の制御対象を現実の圧縮機システム２（図１参照）からプラントモデル（図３参照）に切り替えてＰＩＤパラメータを調整するモードとすることができる。
さらに前記ＰＩＤパラメータの調整が終了した場合には、ユーザが入力部１２を介して、バルブ制御部１１の制御対象をプラントモデル（図３参照）から現実の圧縮機システム２に切り替えることができる。
つまり、バルブ制御部１１は、その制御対象を切り替えるための切り替え手段を備えている。
【００５１】
≪ＰＩＤチューニング≫
図４は、制御装置におけるＰＩＤパラメータのチューニングの流れを示すフローチャートである。以下では、圧縮機ユニットモデル２０１ｍの始動時におけるシミュレーションを用いて、バルブ制御部１１のＰＩＤパラメータの事前チューニングを行う場合について説明する。
なお、通常の場合、圧縮機システム２のシミュレーション部１０２において用いられるプラントモデルは、制御装置１の製造段階で予め設定されている。すなわち、プラントモデルは、制御装置１の製造段階において制御対象となる圧縮機システム２の構成に対応させて、シミュレーション部１０２が用いる演算プログラムとして記述されている。
【００５２】
また、通常の場合、圧縮機システム２の設計データは制御装置１の製造段階で予めデータ保存部１０１に入力されている。入力される設計データは、前記で説明したように、圧縮機システム２を構成する要素（機器）の機器仕様データ、圧縮機システム２の内部を流れるガスの物性データ、圧縮機システム２のシミュレーションを実行する際のプロセス条件データ等である。
ただし、圧縮機システム２の構成や運転条件の変更があった場合には、ユーザが入力部１２を介して圧縮機システム２のシミュレーション部１０２の演算プログラムやデータ保存部１０１に記憶された設計データ等を変更することができる。
【００５３】
図４のステップＳ１０１で、ユーザは、シミュレーション条件の設定を行う。具体的には、ユーザは、入力部１２を介して圧縮機システム２の初期条件、外乱条件、シミュレーション時間、バルブ制御部１１におけるＰＩＤパラメータの初期値等を設定する。初期条件とは、例えば、圧縮機２０１の静止状態（始動時）におけるガスの圧力及び温度等である。シミュレーション時間は、例えば６０秒とすることができる。ＰＩＤパラメータの初期値は、後記する限界感度法を用いる場合、比例要素のゲインＧP＝１、積分要素のゲインＧI＝０、微分要素のゲインＧD＝０とする。
【００５４】
ステップＳ１０２で、シミュレーション部１０２は、前記のシミュレーション条件に基づいてシミュレーションを実行し、圧縮機システム２におけるガスの流動状態等を摸擬する。
具体的には、シミュレーション部１０２は、図３に示す機器等の関係に従って前記式（１）〜式（１０）により各々の物理量を計算する。また、バルブ制御部１１は、プラントモデルから出力されたプロセス信号（Ｑs’，Ｐs’，Ｔs’，Ｐd’，Ｔd’）に基づいてＰＩＤ制御演算を行い、バルブ制御信号を入力インタフェースＩｍを介してアンチサージバルブユニットモデル２０６ｍに出力する。シミュレーション部１０２は、バルブ制御部１１から出力されたバルブ制御信号に従って、アンチサージバルブユニットモデル２０６ｍの開度を調整する。
【００５５】
図５は、制御装置を用いたＰＩＤパラメータのチューニングの作用説明図である。図５に示すように、シミュレーションの実行中は、上位モジュール１０のシミュレーション部１０２で演算された圧縮機ユニットモデル２０１ｍのプロセス信号（吸込流量Ｑs’、吸込圧力Ｐs’、吸込温度Ｔs’、吐出圧力Ｐd’、吐圧温度Ｔd’）が、バルブ制御部１１に入力される。
なお、吸込流量Ｑs’は、オリフィス又はベンチュリ管に対応するユニットモデル（図示せず）で計測された差圧ΔＰ’から算出される。
【００５６】
バルブ制御部１１は、入力された前記プロセス信号をもとにポリトロープヘッドｈpol’を算出し、サージコントロールライン（図２参照）を目標値Ｑs’としてＰＩＤ制御の閉ループ演算を行い、バルブ制御信号を生成する。当該ＰＩＤ制御の閉ループ演算は、バルブ制御部１１が圧縮機システム２に設置されたアンチサージバルブ２０６を制御する場合と同様の方法によってなされる。
さらに、バルブ制御部１１は、ＰＩＤ制御による演算結果であるバルブ制御信号を生成し、当該バルブ制御信号に基づいて当該アンチサージバルブユニットモデル２０６ｍ（図３参照）の開度が調整される。
結果的に、各配管ユニットモデル（２０８ｍ、２０９ｍ、２１０ｍ等）で計算される流量、圧力、温度が変化し、同時に圧縮機ユニットモデル２０１ｍで計算されるＨＱマップ等の運転点も変化する。
【００５７】
図４のステップＳ１０３に戻って、上位モジュール１０は、シミュレーション結果やそれに用いられたＰＩＤパラメータを表示部１３に表示する。表示部１３に表示されるシミュレーション結果は、例えば、ロータ回転速度の時間変化、トルクスピードカーブ、吸込圧力・吐出圧力の時間変化、吸込温度・吐出温度の時間変化、圧縮機ＨＱマップの運転点履歴、圧縮機吸込流量の時間変化、アンチサージバルブユニットモデル２０６ｍのバルブ開度の時間変化等である。
【００５８】
なお、ＰＩＤパラメータ調整部１０３がＰＩＤパラメータを調整するたびに、そのシミュレーション結果がデータ保存部１０１に保存され、上位モジュール１０が前記諸特性を保存部１０１から読み出して表示部１３に表示する。また、上位モジュール１０は、プロセス条件データ（始動時のガスの圧力や温度等）をシミュレーション時刻０における結果として表示部１３に表示する。
また、表示部１３に表示させるデータは、入力部１２を介してユーザが選択することができる。例えば、ユーザは入力部１２を介して圧縮機ＨＱマップの運転点履歴、圧縮機吸込流量の時間変化、及びアンチサージバルユニットモデル２０６ｍのバルブ開度の時間変化を表示部１３に表示させるように選択することができる。
【００５９】
図４のステップＳ１０４で、上位モジュール１０はＰＩＤパラメータのオートチューニングが終了したか否か判断する。ＰＩＤパラメータのオートチューニングが終了しているか否かの判断の基準は、チューニングの方法によって様々である。ステップＳ１０４で、ＰＩＤパラメータのオートチューニングが終了してない場合には（ステップＳ１０４→Ｎｏ）、ステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５で、ＰＩＤパラメータ調整部１０３はバルブ制御部１１のＰＩＤパラメータを調整する。また、ステップＳ１０４でオートチューニングが終了した場合には（ステップＳ１０４→Ｙｅｓ）、チューニングの処理を終了する。
【００６０】
ＰＩＤパラメータのチューニングの仕方は、例えば、限界感度法や過渡応答法等によるが、これに限らない。本実施例では、限界感度法を用いてＰＩＤパラメータの事前チューニングを行う場合について説明する。
初めに、バルブ制御部１１による制御をＰ制御とする。すなわち、ＰＩＤパラメータの初期値として、ＧP＝１，ＧI＝０，ＧD＝０を設定する。
なお、当該ＰＩＤパラメータの初期値は、ステップＳ１０１のシミュレーション条件の設定においてユーザにより入力される。この場合にシミュレーション部１０２でシミュレーションを行った結果が図６である。
【００６１】
図６（ａ）は、図２と同じく、横軸は無次元化した圧縮機吸込流量Ｑs’、縦軸は、無次元化したポリトロープヘッドｈpol’である。また図６（ａ）で複数の斜めの細い実線は、回転数毎のＱs’に対するｈpol’を示したものであり、例として定格回転数ＮRに対して０．８〜１．０５倍の範囲について示してある。その他の線は図２と同じである。図６（ａ）において、時間ｔA後に、○印で示した運転点Ａに達し、そのときの回転数が例えば、０．８ＮRであったとすると、そのときの圧縮機吸込流量はＱs’（ｔA）であり、サージ流量ＱｓｕｒはＱｓｕｒ（ｔA）となる。
【００６２】
図６（ｂ）は、時間ｔに対する圧縮機吸込流量Ｑs’とそのときのサージ流量Ｑｓｕｒを示し、横軸は、シミュレーションの最大時間を１．０として無次元化した時間ｔであり、縦軸は、図６（ａ）と同じく無次元化した圧縮機吸込流量Ｑs’である。先の図６（ａ）において示した時間ｔAにおける圧縮機吸込流量Ｑs’（ｔA）とサージ流量Ｑｓｕｒ（ｔA）を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）では同様にして、図６（ａ）に示す運転点履歴を与える時間ｔでの圧縮機吸込流量Ｑs’（ｔA）とサージ流量Ｑｓｕｒ（ｔA）を示している。図６（ｃ）は、シミュレーション時間ｔに対するアンチサージバルブ開度を示したものであり、横軸は、図６（ｂ）と同じく無次元化した時間ｔ、縦軸は全開を１．０とした場合のバルブ開度を示したものである。図６（ｃ）は、回転数が０．８ＮRに達した時間ｔAにおいて、圧縮機による吸込流量の調整を開始するために、アンチサージバルブ開度の調整が始まることを示している。
なお、図７及び図８についての説明は、図６と同じであるので省略する。
【００６３】
図６（ａ）を参照すると、圧縮機ユニットモデル２０１ｍのＨＱ特性において、運転点がサージ領域に侵入する箇所があることがわかる。また、図６（ｂ）を参照すると、ｔ＝約０．６以後は、圧縮機ユニットモデル２０１ｍの吸込流量がサージ流量を下回っていることがわかる。つまり、吸込流量が過少であるため、サージが生じる可能性が高いことがわかる。
【００６４】
次に、比例要素のゲインＧPを徐々に大きくしながら繰り返しシミュレーションし、出力が一定振幅で振動を持続する（安定限界）ところでゲインＧPの増加を止める（この時のＧPの値をＫcとし、振動周期をＴcとする）。
図７は、アンチサージバルブユニットモデル２０６ｍの開度応答が振動的になった場合の諸特性を表す。この場合には、アンチサージバルブユニットモデル２０６ｍの開度応答が振動的になっているのに応じて（図７（ｃ）参照）、圧縮機ユニットモデル２０１ｍの吸込流量Ｑs’も振動的になっている（図７（ｂ）参照）。
【００６５】
ＰＩＤパラメータ調整部１０３は、安定限界でのＧPの値であるＫcと、振動周期Ｔcとを用いて、表１に基づいてＰＩＤパラメータを調整する。例えば図８の場合においてＫc＝２０、振動周期Ｔc＝２であったとすると、例えばＰＩＤ制御を行う場合には、表１に基づいてＧP＝１１．８、ＧI＝１．０、ＧD＝０．２５とする。
なお、ＰＩ制御を行う場合には、表１に基づいてＧP＝９．０、ＧI＝１．６６とし、Ｐ制御を行う場合には、表１に基づいてＧP＝１０．０とすればよい。
【表１】
【００６６】
シミュレーション部１０２は、ＰＩＤパラメータ調整部１０３で調整されたＰＩＤパラメータに基づいて、さらにシミュレーションを実行する。図８は、ＰＩＤパラメータ調整部１０３によって調整されたパラメータ（ＧP＝１１．８、ＧI＝１．０、ＧD＝０．２５）に基づいてシミュレーションを実行した場合の諸特性を表す。
図８（ａ）を参照すると、圧縮機ユニットモデル２０１ｍのＨＱ特性において、運転点がサージコントロールラインより右側の安定領域内に収まっていることがわかる。また、図８（ｂ）を参照すると、圧縮機ユニットモデル２０６ｍの吸込流量はサージ流量より上方にあることがわかる。つまり、十分な吸込流量が確保されているといえる。
したがって、バルブ制御部１１が、図８のような諸特性を与えるパラメータ（ＧP＝１１．８、ＧI＝１．０、ＧD＝０．２５）を用いて現実に存在する圧縮機システム２に対しＰＩＤ制御を行った場合、圧縮機２０１がサージを起こすことなく安定した制御を行うことができる可能性が高いことが予想される。
【００６７】
本実施形態では、制御装置１内にプラントモデルを組み込み、当該プラントモデルのシミュレーション結果を用いて限界感度法等により、ＰＩＤパラメータの自動調整を行った。したがって、本実施形態に係る制御装置１によれば、実際のフィールドテストより前にプラントモデルを使用した制御系の事前チューニングを行うことが可能となる。また、現実に存在する圧縮機システム２の圧縮機２０１等を稼動させること無しに制御装置１のＰＩＤパラメータを調整することができるので、調整の段階で圧縮機２０１においてサージが生ずるリスクを回避することができる。また、ユーザが試行錯誤的にＰＩＤパラメータの調整を行う場合に比べて、その手間を省くことができるため、調整に要する時間を大幅に短縮することができる。
【００６８】
本実施形態では、圧縮機２０１を始動させる場合のＰＩＤパラメータの事前チューニングについて説明したが、圧縮機２０１を停止させる場合や、停止後に圧縮機２０１を再度起動させる場合についても適用することができる。
また、本実施形態では、バルブ制御部１１が、プラントモデルから出力されたプロセス信号に基づいてＰＩＤ制御を行い、バルブ制御信号をプラントモデルのアンチサージバルブユニットモデル２０６ｍに対して出力する構成としたが、次のような構成としてもよい。すなわち、シミュレーション部１０２のプラントモデルが、さらにバルブ制御部１１に対応するバルブ制御部ユニットモデルを備え、当該バルブ制御部ユニットモデルでＰＩＤ制御演算を行う構成としてもよい。この場合には、ＰＩＤパラメータ設定部１０４が、ＰＩＤパラメータ調整部１０３で最終的に調整されたＰＩＤパラメータを通信手段を介してバルブ制御部１１に転送する。
【００６９】
また、本実施形態では、ＰＩＤパラメータをオートチューニングする場合について説明したが、ユーザが自らバルブ制御部１１のＰＩＤパラメータを変更し、シミュレーションによる演算結果を見ながらマニュアルでチューニングを行ってもよい。この場合ユーザは、表示部１３で圧縮機ユニットモデル２０１ｍの運転点等の挙動を見ながら、入力部１２を介して任意にＰＩＤパラメータを変更することができる。
【００７０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る圧縮機の制御装置１Ａについて説明する。
本実施形態に係る制御装置１Ａは、バルブ制御部１１から出力されるバルブ制御信号に基づいて上位モジュール１０Ａで算出される運転点（Ｑs’，ｈpol’）が、現実の圧縮機システム２の運転点（Ｑs，ｈpol）に、より近づくようにモデルチューニングすることを特徴とする。
図９は、本発明の第２実施形態に係る圧縮機の制御装置を含む圧縮機システムの構成図である。本実施形態に係る制御装置１Ａを第１実施形態の場合と比較した場合、上位モジュール１０Ａにモデルパラメータ調整部１０５が追加されている。また、シミュレーション部１０２Ａは、開ループモデルＲｍを備えている。
なお、その他の構成については、第１実施形態の場合と同様であるため、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、重複する部分については説明を省略する。
【００７１】
図９に示すように、圧縮機システム２が稼動している状態において、バルブ制御部１１は、常時プロセス信号（吸込流量Ｑs、吸込圧力Ｐs、吸込温度Ｔs、吐出圧力Ｐd、及び吐出温度Ｔd）を取り込んでＰＩＤ制御演算を行い、アンチサージバルブ２０６に対してバルブ制御信号を出力している。
モデルチューニングを行うか否かは、入力部１２を介してユーザが選択することができる。
そして、モデルチューニングを行う場合には、バルブ制御部１１からアンチサージバルブ２０６に対して出力される前記バルブ制御信号が、上位モジュール１０Ａの開ループモデルＲｍに対しても出力される。また、バルブ制御部１１は、前記バルブ制御信号に対応して検出される前記プロセス信号から算出される運転点（Ｑs，ｈpol）をモデルパラメータ調整部１０５に対して出力している。
【００７２】
シミュレーション部１０２Ａは、前記バルブ制御部１１からのバルブ制御信号を入力とし、そのバルブ制御信号に基づいて計算される運転点（Ｑs’，ｈpol’）を出力とする開ループモデルＲｍを備えている。
モデルパラメータ調整部１０５は、バルブ制御部１１から出力された運転点（Ｑs，ｈpol）に対して、前記開ループモデルを用いて算出した運転点（Ｑs’，ｈpol’）の偏差の絶対値が所定の閾値以下になるように、開ループモデルＲｍのモデルパラメータを調整し、更新する。
このようにしてモデルパラメータを逐次更新し、前記した偏差の絶対値が所定の閾値以下となった場合、当該モデルパラメータを適用した開ループモデルＲｍは、現実の圧縮機システム２の挙動をより良く再現することができるといえる。
【００７３】
図１０は、制御装置を用いたモデルパラメータのチューニングの流れを示すフローチャートである。
ステップＳ２０１で、モデルパラメータ調整部１０５は、バルブ制御部１１からバルブ制御信号が入力された場合のシミュレーション部１０２Ａの演算により、吸込流量Ｑs’を出力とする開ループモデルＲｍを推定する。前記開ループモデルＲｍは、例えばＡＲＸモデルがあるが、これに限らない。また、開ループモデルＲｍは、プラントモデルを構成する各要素（図３参照）を表す式（１）〜（１０）から直接求めてもよいし、過渡応答法や周波数応答法などを使ってシミュレーション実験から求めてもよい。以下の説明においては、ＡＲＸモデルを用いる場合について説明する。
【００７４】
ＡＲＸモデルは、下記の式（１１）で表される。
なお、本実施形態では、入力データであるｕ（ｋ）は、バルブ制御部１１から出力されるバルブ制御信号である。また、出力データであるｙ（ｋ）は、圧縮機ユニットモデル２０１ｍの吸込流量Ｑs’とする。また、ｋはサンプル周期に基づいて入出力サンプルデータを取得する際に付される番号である。
【数１１】
【００７５】
ここで、前記式（１１）のＡ（ｑ）及びＢ（ｑ）は、下記の式（１２）、（１３）で表される多項式である。ここで、次数ｎａ，ｎｂは、ユーザが入力部１２を介して予め設定することができる。また、下記（１２）、（１３）の係数（ａ1，…，ａna）、（ｂ1，…，ｂnb）は、最小２乗法で推定することができる。
【数１２】
【００７６】
図１０のステップＳ２０２で、バルブ制御部１１から運転データ（バルブ制御信号及び運転点（Ｑs，ｈpol））を取得する際のサンプリング周期を設定する。サンプリング周期（例えば０．２秒）は、入力部１２を介してユーザが設定することができる。
なお、このようにして設定されたサンプリング周期は、通信手段を介してバルブ制御部１１に対して出力される。
【００７７】
ステップＳ２０３で、モデルパラメータ調整部１０５は、前記サンプリング周期に従ってバルブ制御部１１からの運転データとしてバルブ制御信号を取得する。すなわち、モデルパラメータ調整部１０５は、上記式（１１）の入力データｕ（ｋ）としてバルブ制御部１１から出力されるバルブ制御信号を取得する。また、モデルパラメータ調整部１０５は、上記式（１１）の出力データｙ（ｋ）として圧縮機２の吸込流量Ｑsをバルブ制御部１１から取得する。
【００７８】
ステップ２０４で、モデルパラメータ調整部１０５は、ステップＳ２０４で得られた入出力データｕ（ｋ），ｙ（ｋ）に基づいて、前記式（１２）、（１３）のモデルパラメータ（ａ1，…，ａna）、（ｂ1，…，ｂnb）を調整する。当該調整は、ＡＲＸモデルに対して最小２乗法を適用することによって行うことができる。
なお、モデルパラメータ調整部１０５は、ステップＳ２０４の前処理として、バルブ制御部１１から取得した入出力データに対してフィルタリング等の処理を行ってもよい。この場合、モデルパラメータ調整部１０５は、バルブ制御部１１から取得した入出力データの有効範囲を指定したり、トレンドやＤＣ成分、異常データの除去等の処理を行う。
【００７９】
ステップＳ２０５で、シミュレーション部１０２Ａは開ループモデルＲｍを用いて、ステップＳ２０４で調整されたモデルパラメータ（ａ1’，…，ａna’）、（ｂ1’，…，ｂnb’）に基づいて、前記式（１１）−（１３）を計算して運転点（Ｑs’，ｈpol’）を算出し、モデルパラメータ調整部１０５に対して出力する。
ステップＳ２０６で、モデルパラメータ調整部１０５は、バルブ制御部１１から取得した運転点（Ｑs，ｈpol）に対する、開ループモデルＲｍを用いて算出された運転点（Ｑs’，ｈpol’）の偏差の絶対値を算出し、当該偏差の絶対値が所定の閾値以下であるか否か判定する。
【００８０】
ステップＳ２０６で、前記した２つの運転点の偏差の絶対値が所定の閾値より大きい場合（ステップＳ２０６→Ｎｏ）、ステップＳ２０４に戻る。すなわちモデルパラメータ調整部１０５は、最小２乗法を用いてモデルパラメータを再度調整する。ステップＳ２０６で、前記した２つの運転点の偏差の絶対値が閾値以下である場合（ステップＳ２０６→Ｙｅｓ）、モデルパラメータ調整部１０５は当該モデルパラメータに確定する(ステップＳ２０７)。さらにステップＳ２０８で、上位モジュール１０Ａは表示部１３に確定した前記モデルパラメータ（ａ1’，…，ａna’）、（ｂ1’，…，ｂnb’）の値を結果として表示し、処理を終了する。
【００８１】
図１１は、制御装置を用いたモデルパラメータのチューニングの作用説明図である。
本実施形態に係る制御装置１Ａは、シミュレーション部１０２Ａのプラントモデルに対応する開ループモデルＲｍを推定し、バルブ制御部１１から取得したバルブ制御信号を入力データｕ（ｋ）として運転点（Ｑs’，ｈpol’）を算出し、モデルパラメータ調整部１０５に対して出力する。
モデルパラメータ調整部１０５は、圧縮機システム２から取得した運転点（Ｑs，ｈpol）と、前記開ループモデルを用いて算出した運転点（Ｑs’，ｈpol’）との偏差の絶対値が所定の閾値以下になるまで、開ループモデルＲｍを更新する。
【００８２】
圧縮機システム２は、稼動期間が経過するにしたがい、圧縮機２０１等が経年劣化して、運転条件が変化することが予想される。バルブ制御部１１のＰＩＤパラメータを調整する場合には、シミュレーション部１０２Ａが圧縮機システム２の挙動を的確に再現できることが前提となる。したがって、圧縮機システム２の運転条件の変化に対応して、シミュレーション部１０２Ａのモデルパラメータを調整することが必要になる。
本実施形態に係る制御装置１Ａは、シミュレーション部１０２Ａのプラントモデル（開ループモデルＲｍ）の挙動を現実の圧縮機システム２の挙動に、より近づくようにモデルパラメータを調整することができる。バルブ制御部１１のＰＩＤパラメータをオートチューニングする場合、前記したモデルチューニングを行った後のプラントモデルを用いてシミュレーションを行えば、バルブ制御部１１のＰＩＤパラメータの調整をより適切に行うことが可能になる。
さらに本実施形態に係る制御装置１Ａは、モデルパラメータの調整を自動で行うので、調整の手間を省くことができる。
【００８３】
以上、本発明について説明したが、本発明は前記した実施形態に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。
例えば、前記各実施形態では圧縮機２０１として遠心圧縮機を使用する場合について説明したが、圧縮機２０１として軸流圧縮機を使用した場合でも、同様の制御装置１を適用することができる。
また、圧縮機２０１は単段の他、複数段としてもよい。例えば圧縮機２０１が２段である場合には、圧縮機（例えば圧縮機２０１ａ、２０１ｂ：図示せず）ごとにアンチサージバルブ（例えばアンチサージバルブ２０６ａ、２０６ｂ：図示せず）を備えることとなる。したがって、当該構成に対応したシミュレーション部１０２又は１０２Ａを構成し、そのシミュレーション結果に基づいてバルブ制御部１１のＰＩＤパラメータをチューニングすればよい。
また、前記各実施形態では、バルブ制御部１１において圧縮機吸込流量Ｑsに対するポリトロープヘッドｈpolの関係を示すＨＱマップを用いたが、前記ＨＱマップの代わりに、圧縮機吸込流量Ｑsに対する圧力比（ｐd／ｐs）の関係を示す圧力比−Ｑマップを用いてもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１，１Ａ 制御装置
２ 圧縮機システム(プラント)
３ 統括コントローラ
１０，１０Ａ 上位モジュール
１１ バルブ制御部
１２ 入力部
１３ 表示部
１０１ データ保存部
１０２，１０２Ａ シミュレーション部
１０３ ＰＩＤパラメータ調整部（制御パラメータ調整部）
１０４ ＰＩＤパラメータ設定部（制御パラメータ設定部）
１０５ モデルパラメータ調整部
２０１ 圧縮機
２０２ 駆動モータ
２０３ 変速機
２０４ サクションドラム
２０５ 吸込絞り弁
２０６ アンチサージバルブ
２０７ 熱交換器
２０８ 吸込側配管
２０９ 吐出側配管
２１０，２１１，２１２ 戻り配管
２１３，２１４ 配管
２０１ｍ 圧縮機ユニットモデル（プラントモデル）
２０２ｍ 駆動モータユニットモデル（プラントモデル）
２０４ｍ サクションドラムユニットモデル（プラントモデル）
２０５ｍ 吸込絞り弁ユニットモデル（プラントモデル）
２０６ｍ アンチサージバルブユニットモデル（プラントモデル）
２０７ｍ 熱交換器ユニットモデル（プラントモデル）
２０８ｍ，２０９ｍ，２１０ｍ，２１１ｍ，２１２ｍ，２１３ｍ，２１４ｍ， 配管ユニットモデル（プラントモデル）
２１５ｍ 吸込側仕切弁ユニットモデル（プラントモデル）
２１６ｍ 吐出側仕切弁ユニットモデル（プラントモデル）
ＦＴ１ 流量検出器
ＰＴ１、ＰＴ２ 圧力検出器
ＴＴ１、ＴＴ２ 温度検出器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機の制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロセス用圧縮機（以下、圧縮機と称す。）は、石油化学分野をはじめとした各種プラントにおいて圧縮ガスを供給するために広く用いられている。圧縮機は、下流工程が必要とする安定した吐出圧力又は吐出流量を供給するように適切に制御されなければならない。しかし、圧縮機の流量が所定の閾値以下になると、圧縮機内でサージと呼ばれる不安定現象が発生する。
なお、サージとは圧縮機内における圧力変動や逆流を伴った振動現象である。
【０００３】
圧縮機のサージ防止、又はサージ状態からの脱却のために、一般にアンチサージバルブが用いられる。アンチサージバルブを開放してガスを圧縮機の吐出側から吸込側に戻すことによって、圧縮機の挙動を安定させることができる。すなわち、アンチサージバルブは、圧縮機の運転点をサージ領域に入らせない、又はサージ領域から安定領域側に脱却させるために使用される。圧縮機のアンチサージバルブの制御方法は、ＨＱマップ内に設けたサージコントロールラインよりも運転点を安定領域側に維持又は移動させるために、ＰＩＤ制御を用いる方法が一般的である。
なお、圧縮機におけるサージ領域やサージコントロールラインについては後記する。
【０００４】
特許文献１には、制御変数（本願の「運転点」に対応）に応答するＰＩＤ制御モジュール（本願の「バルブ制御部」に対応）と、サージコントロールラインへの運転点の近接速度を示す速度信号に応答する速度制御モジュールとを有する制御システムについて記載されている。また、特許文献１に記載の制御システムは、前記ＰＩＤ制御モジュールが出力した第１の出力信号と、前記速度制御モジュールが出力した第２の出力信号とを選択的にアンチサーチバルブに出力するための出力信号セレクタを備えることが記載されている。
特許文献２には、起動時に圧縮機のインレットガイドベーンの開度を制御し、立ち上げ用制御ラインに沿って圧縮機の運転点を移行させていくことを特徴とするモータ駆動式圧縮機の運転方法について記載されている。
なお、前記の立ち上げ用制御ラインは、圧縮機の性能曲線におけるサージラインと平行で、かつサージコントロールラインより安定領域側に設定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表平１１−５０６１８４号公報
【特許文献２】特開２００９−４７０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の圧縮機の制御システムは、圧縮機システムが最適な条件の下で設計されたという仮定に基づいて、圧縮機を運転する場合について記載されている。しかしながら、取り扱うガスの状態や季節変化により圧縮機の運転状態が変化する。つまり、特許文献１に記載の制御システムを現実の圧縮機システムに適用する場合には、アンチサージ制御のＰＩＤパラメータの調整は、作業員が試行錯誤的に行うこととなる。
特許文献２に記載のモータ駆動式圧縮機の運転方法についても前記と同様であり、圧縮機システムが最適な条件の下で設計されたという仮定に基づいている。したがって、特許文献２に記載の発明においても、圧縮機のＰＩＤパラメータの調整は作業員が試行錯誤的に行うこととなる。
なお、アンチサージ制御のＰＩＤパラメータの調整は、圧縮機の起動工程において大きな割合を占めている。
【０００７】
そこで本発明は、調整の手間を省くことができる、圧縮機の制御装置及び制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明に係る圧縮機の制御装置は、圧縮機の吐出側の流体を吸込側に戻すアンチサージバルブを制御パラメータに基づいて制御するバルブ制御部と、前記圧縮機が設置されるプラントのプラントモデル及び前記バルブ制御パラメータに基づいて前記圧縮機の前記プラントでの運転状態をシミュレーションするシミュレーション部と、前記シミュレーションの結果に基づいて、前記制御パラメータを調整する制御パラメータ調整部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る圧縮機の制御方法では、前記シミュレーション部は、前記圧縮機が設置されるプラントのプラントモデル及び前記制御パラメータに基づいて前記圧縮機の前記プラントでの運転状態をシミュレーションし、前記制御パラメータ調整部は、前記シミュレーションの結果に基づいて、前記制御パラメータを調整し、前記制御パラメータ設定部は、前記制御パラメータ調整部で調整されたバルブ制御パラメータを、前記バルブ制御部が前記プラントを制御する際に適用するバルブ制御パラメータとして設定し、前記バルブ制御部は、前記制御パラメータ設定部によって設定されたバルブ制御パラメータにより前記アンチサージバルブを制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、調整の手間を省くことができる、圧縮機の制御装置及び制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧縮機の制御装置を含む圧縮機システムの構成図である。
【図２】圧縮機吸込流量とポリトロープヘッドとの関係であるＨＱマップである。
【図３】制御装置で用いられるプラントモデルの構成を模式的に表したブロック図である。
【図４】制御装置を用いたＰＩＤパラメータのチューニングの流れを示すフローチャートである。
【図５】制御装置を用いたＰＩＤパラメータのチューニングの作用説明図である。
【図６】制御装置を用いたＰＩＤパラメータのチューニングで、ＧP＝１，ＧI＝０，ＧD＝０とした場合の特性の説明図であり、（ａ）はＨＱ特性図、（ｂ）は圧縮機吸込流量とサージ流量の時間変化の推移を示す説明図、（ｃ）はアンチサージバルブ開度の時間変化の推移を示す説明図である。
【図７】制御装置を用いたＰＩＤパラメータのチューニングで、ＧP＝２０，ＧI＝０，ＧD＝０とした場合の特性の説明図であり、（ａ）はＨＱ特性図、（ｂ）は圧縮機吸込流量とサージ流量の時間変化の推移を示す説明図、（ｃ）はアンチサージバルブ開度の時間変化の推移を示す説明図である。
【図８】制御装置を用いたＰＩＤパラメータのチューニングで、ＧP＝１１．８，ＧI＝１．０，ＧD＝０．２５とした場合の特性の説明図であり、（ａ）はＨＱ特性図、（ｂ）は圧縮機吸込流量とサージ流量の時間変化の推移を示す説明図、（ｃ）はアンチサージバルブ開度の時間変化の推移を示す説明図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る圧縮機の制御装置を含む圧縮機システムの構成図である。
【図１０】制御装置を用いたモデルパラメータのチューニングの流れを示すフローチャートである。
【図１１】制御装置を用いたモデルパラメータのチューニングの作用説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
本実施形態に係る制御装置１は、図１に示すように、上位モジュール１０のシミュレーション部１０２が、プラントモデルに基づいて圧縮機システム２における圧縮機２０１の運転状態をシミュレーションし、ＰＩＤパラメータ調整部１０３がそのシミュレーションの結果に基づいて、バルブ制御パラメータを調整することを特徴とする。
なお、プラントモデルとは、現実の圧縮機システム２の各構成要素及びその関係に対応するモデルを表しており、その説明は後記する。
【００１３】
≪圧縮機システムの構成≫
まず、本発明の各実施形態に係る制御装置１と、その制御対象となるアンチサージバルブ２０６とを含む圧縮機システム２の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る圧縮機の制御装置を含む圧縮機システムの構成図である。
１軸多段型の遠心圧縮機（以下、圧縮機２０１と称する。）は、変速機２０３を介して駆動モータ２０２に接続されている。圧縮機２０１の吸込口及び吐出口にはそれぞれ吸込側配管２０８及び吐出側配管２０９が接続されている。吸込側配管２０８には吸込絞り弁２０５が取り付けられており、その開度を調整することによって、圧縮機２０１の吸込流量を調節する。また、吸込絞り弁２０５より上流側には、ガスから液体を分離させるためのサクションドラム２０４が設置され、配管２１４を介して吸込絞り弁２０５に接続されている。
【００１４】
圧縮機２０１の吐出側配管２０９には、そこから分岐して圧縮機２０１の吸込側へガスを戻すための戻り配管２１０、２１１、２１２が設置されている。戻り配管２１１と２１２との間にアンチサージバルブ２０６が取り付けられており、圧縮機２０１の吐出側から吸込側にガスを戻して、圧縮機２０１におけるサージ発生を防止する。また、戻り配管２１０、２１１間には熱交換機２０７が接続され、圧縮機２０１で圧縮されて高温になったガスを冷却する。圧縮機２０１の吸込側配管２０８には流量検出器ＦＴ１、圧力検出器ＰＴ１、及び温度検出器ＴＴ１が取り付けられている。流量検出器ＦＴ１は、圧縮機２０１に流入するガスの流量（以下、吸込流量Ｑsと称する。）を検出する。流量検出器ＦＴ１は、例えば、オリフィス又はベンチュリ管の形式のものである。
【００１５】
圧力検出器ＰＴ１は圧縮機２０１に流入するガスの圧力（以下、吸込圧力Ｐsと称する。）を検出し、温度検出器ＴＴ１は圧縮機２０１に流入するガスの温度（以下、吸込温度Ｔsと称する。）を検出する。一方、圧縮機２０１の吐出側配管２０９には、圧力検出器ＰＴ２、及び温度検出器ＴＴ２が取り付けられている。圧力検出器ＰＴ２は圧縮機２０１から吐出されたガスの圧力（以下、吐出圧力Ｐdと称する。）を検出し、温度検出器ＴＴ２は圧縮機２０１から吐出されたガスの温度（以下、吐出圧力Ｔdと称する。）を検出する。流量検出器ＦＴ１、圧力検出器ＰＴ１，ＰＴ２、及び温度検出器ＴＴ１，ＴＴ２からの出力信号Ｑs，Ｐs，Ｔs，Ｐd，Ｔd（以下、「プロセス信号」と称する。）は、制御装置１のバルブ制御部１１に入力される。バルブ制御部１１は前記プロセス信号に基づいて、ＰＩＤ制御によりアンチサージバルブ２０６の開度を調整するバルブ制御信号を出力する。
【００１６】
変換器ＦＹは、バルブ制御部１１から出力された電気信号である前記バルブ制御信号をアナログ信号に変換し、例えば、空気圧によってアンチサージバルブ２０６の開度を調整する。
なお、駆動モータ２０２の回転速度は、配管２０９よりも下流側の被供給側プラントからの負荷側要求に従い、統括コントローラ３によって制御される。また、図１においては配管２１３と戻り配管２１２とが合流している箇所よりも上流側、及び、吐出側配管２０９から戻り配管２１０が分岐している箇所よりも下流側については、その記載を省略している。
【００１７】
配管２１３を通じて上流工程から送られてきたガスは、吸込側配管２０８を通って圧縮機２０１に流入し、回転するインペラ（図示せず）によって圧縮仕事を与えられ昇圧された後に、吐出側配管２０９を通って下流工程へと送られる。通常、圧縮機システム２の定常運転時において、アンチサージバルブ２０６は全閉、つまり圧縮機２０１の吐出側から吸込側に戻るガスの流量はゼロの状態である。しかし、圧縮機２０１を始動又は停止させる場合や、上流又は下流工程で何らかの変動があった場合、圧縮機２０１でサージが生ずる可能性があるので、このような場合にアンチサージバルブ２０６が開制御される。
【００１８】
≪ＨＱ特性について≫
図２は、圧縮機吸込流量とポリトロープヘッドとの関係であるＨＱマップである。バルブ制御部１１は、圧縮機システム２に設置された各検出器（ＦＴ１，ＰＴ１，ＰＴ２，ＴＴ１，ＴＴ２）からの出力信号であるプロセス信号（吸込流量Ｑs、吸込圧力Ｐs、吸込温度Ｔs、吐出圧力Ｐd、及び吐出温度Ｔd）を用いてＨＱマップ上の運転点（Ｑs，ｈpol）を算出する。図２では、運転点の履歴が太い実線で示されている。
なお、ＨＱマップとは、圧縮機２０１の吸込流量Ｑsとポリトロープヘッドｈpolとの関係を示すものである。また、図２における圧縮機吸込流量Ｑsは、圧縮機２０１の仕様点における吸込流量を１．０として無次元化されている。同様に、図２におけるポリトロープヘッドｈpolは、圧縮機２０１の前記仕様点におけるポリトロープヘッドを１．０として無次元化されている。サージラインとは、圧縮機２０１のサージ限界を示すラインである。ＨＱマップ上の圧縮機２０１の運転点が、破線で示したサージラインより左側の領域であるサージ領域内に入った場合に、サージが生じるとされている。
【００１９】
図２に示すように、ＨＱマップのサージラインより右側の領域である運転領域側に所定の幅のマージンをとった線を、サージコントロールラインという。バルブ制御部１１は、サージコントロールラインより左側の領域に運転点が入らないようにＰＩＤ制御の閉ループ演算を行い、アンチサージバルブ２０６のバルブ制御信号を生成する。変換器ＦＹは、ＰＩＤ制御の演算結果である前記バルブ制御信号を取り込み、その値に応じてアンチサージバルブ２０６の開度調整（０〜１００％）を行う。図２の例では、○印で示した運転点（１）から矢印（２）の段階で、圧縮機２０１の運転点がサージ領域に入っている。そして、バルブ制御部１１からの指令に基づいてアンチサージバルブ２０６を開制御することによって吸込流量を確保し、矢印（３）、（４）で示した運転点のように圧縮機２０１の運転点を安定領域に戻している。
なお、前記のＰＩＤ制御に関しては、公知の技術を用いればよいので、その説明を省略する。
【００２０】
≪制御装置の構成≫
図１に戻って、制御装置１の構成について説明する。
制御装置１は、バルブ制御部１１、入力部１２、表示部１３、及び上位モジュール１０を備える。
【００２１】
＜バルブ制御部＞
バルブ制御部１１は圧縮機２０１の運転中、常時プロセス信号を取り込んで運転点（圧縮機２０１の吸込流量Ｑsに対するポリトロープヘッドｈpolの値）を算出している（図２参照）。サージになりそうな場合、又はサージが生じてしまった場合、バルブ制御部１１はＰＩＤ制御に基づいてバルブ制御信号を変換器ＦＹに対して出力する。変換器ＦＹは当該バルブ制御信号に応じてアンチサージバルブ２０６を開動作させ、圧縮機２０１からのガスを吐出側配管２０９から吸込側配管２０８に戻す。このようにバルブ制御部１１は、アンチサージバルブ２０６の開度を制御することによって圧縮機２０１の吸込流量Ｑsを確保し、圧縮機２０１がＨＱマップにおいてサージコントロールラインより右側の領域である安定領域で運転できるようにしている。
【００２２】
バルブ制御部１１は、圧縮機システム２のアンチサージバルブ２０６を制御対象とし、当該圧縮機システム２からのプロセス信号を取り込んで、所定のＰＩＤパラメータに基づいたＰＩＤ制御によってバルブ制御信号を出力する。
一方、例えば、制御装置１の据え付け時や、圧縮機システム２の改修後に圧縮機２０１を始動させる際には、バルブ制御部１１のＰＩＤパラメータをチューニングすることが必要となる。このような場合に制御装置１は、上位モジュール１０が有するプラントモデルでシミュレーションを行い、そのシミュレーションの結果に基づいて調整したＰＩＤパラメータをバルブ制御部１１の新たなＰＩＤパラメータとして設定する。
なお、ＰＩＤパラメータのチューニングを行うか否かは、制御装置１のユーザが入力部１２を操作することによって、適宜選択することができる。
【００２３】
＜入力部＞
入力部１２（図１参照）は、具体的には、キーボードやマウス等であり、制御装置１のユーザによって入力データが入力される。入力部１２を介して上位モジュール１０のデータ保存部１０１に対し、プラントモデルの各設定値や初期値等の入力データが入力される。入力データは、例えば、圧縮機システム２を構成する要素（機器）の機器仕様データ、圧縮機システム２の内部を流れるガスの物性データ、圧縮機システム２のシミュレーションを実行する際のプロセス条件データ、プラントモデルに関するデータ等である。
【００２４】
＜表示部＞
表示部１３（図１参照）は、例えばモニタであり、シミュレーション部１０２で演算された結果をグラフ化して表示する。表示部１３は、例えば、パラメータの設定画面表示、シミュレーション部１０２のシミュレーション結果、計測したプラントモデルの時刻暦データ（トレンドグラフ）、ＨＱマップの運転点、ＰＩＤパラメータのチューニング結果等の表示を行う。
【００２５】
＜上位モジュール＞
上位モジュール１０は、データ保存部１０１、シミュレーション部１０２、ＰＩＤパラメータ調整部１０３、及びＰＩＤパラメータ設定部１０４を備える。
【００２６】
（データ保存部）
データ保存部１０１は、圧縮機システム２を構成する要素（機器）の機器仕様データ、圧縮機システム２の内部を流れるガスの物性データ、プラントモデルを用いてシミュレーションを実行する際のプロセス条件データ等を記憶する。また、前記の機器仕様データ、ガスの物性データ、及びプロセス条件データ等は、入力部１２を介して制御装置１に予め入力されている。さらに、データ保存部１０１は、ＰＩＤパラメータ調整部１０３が制御パラメータを調整するたびに、そのシミュレーション結果及び調整されたパラメータの値を保存する。
なお、プロセス条件データをデータ保存部１０１から表示部１３に表示させ、入力部１２を操作してプロセス条件データを調整して、その調整された結果をデータ保存部１０１に格納させることもできる。
【００２７】
機器仕様データとして、圧縮機２０１の仕様データ、サクションドラム２０４の仕様データ、吸込絞り弁２０５の仕様データ、アンチサージバルブ２０６の仕様データ、配管（吸込側配管２０８、吐出側配管２０９、戻り配管２１０等）の仕様データ、熱交換器２０７の仕様データ、駆動モータ２０２の仕様データが含まれる。
【００２８】
圧縮機２０１の仕様データは、吸込流量とポリトロープヘッドとの関係を示すＨＱ特性、吸込流量とポリトロープ効率との関係を示す効率特性、圧縮機２０１のサージング限界を示すサージライン（図２参照）、サージラインから所定のマージンを取ったサージコントロールライン（図２参照）、回転系（圧縮機２０１、駆動モータ２０２、変速機２０３等）の慣性モーメント等である。
サクションドラム２０４の仕様データは、サクションドラム２０４の容積や設計出口温度等である。
【００２９】
吸込絞り弁２０５及びアンチサージバルブ２０６の仕様データは、バルブ開度と流量の関係を示す固有流量特性、指令信号を受けてから実際に動作開始するまでの時間である遅れ時間、全閉状態から全開状態まで動作するのに要する時間であるフルストローク動作時間、及び流量係数等である。
配管（吸込側配管２０８、吐出側配管２０９、戻り配管２１０等）の仕様データは、配管径や配管の長さ等である。
【００３０】
熱交換器２０７の仕様データは、熱交換器２０７の容積、流路抵抗、設計出口温度、熱伝導の特性を示す総括熱伝達関数等である。
駆動モータ２０２の仕様データは、駆動モータ２０２の回転速度とトルクの関係で示されるトルク特性、定格回転速度、動力を圧縮機２０１に伝達する伝達機構を構成する変速機２０３、カップリング（図示せず）、シャフト（図示せず）等の回転部分の慣性モーメント、変速機２０３の減速比又は増速比である。さらに駆動モータ２０２の仕様データとして、駆動モータ２０２の時間に対する回転速度変化を表したタイムチャートを含んでもよい。
【００３１】
圧縮機システム２における配管等の内部を流れるガスの物性データは、ガスの組成や平均分子量、エンタルピデータ、圧縮係数データなどである。
圧縮機２０１の動作シミュレーションを行う際のプロセス条件データとして、配管のアレンジ（配管の分岐や合流の位置など、圧縮機２０１の吸込・吐出しガスの経路を表す配管構成）や、アンチサージバルブ２０６の配置（圧縮機２０１の吸込口又は吐出口からアンチサージバルブ２０６までの配管の経路長等）が含まれる。さらに、プロセス条件データとして、圧縮機２０１の構成（例えば、単一の圧縮段数か、直列接続システムか、並列接続システムか）が含まれる。
【００３２】
（シミュレーション部）
図３は、制御装置で用いられるプラントモデルの構成を模式的に表したブロック図である。シミュレーション部１０２（図１参照）は、圧縮機システム２の各構成要素に対応したユニットモデルを演算プログラムとして記述している。
なお、図３において実線は、例えば、ガスの温度などの状態量を伝達することを示し、破線は制御信号等の電気的信号を伝達することを示している。
【００３３】
図１に示す圧縮機２０１に対応する圧縮機ユニットモデル２０１ｍは、式（１）に示すポリトロープヘッド計算式、式（２）に示す吸込流量計算式、式（３）に示すポリトロープ効率計算式、式（４）に示す圧縮機負荷計算式で表される。
【数１】
【００３４】
【数２】
【００３５】
【数３】
【００３６】
【数４】
【００３７】
図１に示す吸込絞り弁２０５に対応する吸込絞り弁ユニットモデル２０５ｍ、及び、図１に示すアンチサージバルブ２０６に対応するアンチサージバルブユニットモデル２０６ｍは、式（５）に示す流量計算式で表される。
【数５】
【００３８】
図１に示す圧縮機２０１の周辺に配置された配管内（２０８、２０９、２１０等）を流動するガスの非定常状態をモデル化して配管ユニットモデル（２０８ｍ、２０９ｍ、２１０ｍ等）が構成されている。配管ユニットモデルは、式（６）に示すマスバランス式及び式（７）に示すエネルギバランス式で表される。
なお、図１に示すサクションドラム２０４に対応するサクションドラムユニットモデル２０４ｍについても、式（６）及び式（７）で表される。
【数６】
【００３９】
【数７】
【００４０】
なお、複数の配管が連結されている場合等には、ノード要素ユニットモデル（図示せず）を前記配管の間に挿入する。ノード要素ユニットモデルは、式（８）の流量計算式で表される。
【数８】
【００４１】
熱交換器２０７に対応する熱交換器ユニットモデル２０７ｍは、式（９）に示す熱量計算式で表される。
【数９】
【００４２】
駆動モータ２０２に対応する駆動モータユニットモデル２０２ｍは、式（１０）に示すトルクバランス式で表される。
【数１０】
【００４３】
なお、図１に示す配管２１３よりも上流工程については、体積が無限大である体積要素モデルＶ１ｍで模擬している。同様に、図１に示す配管２０９よりも下流工程については、体積が無限大である体積要素モデルＶ２ｍで模擬している。また、吸込側仕切弁ユニットモデル２１５ｍを設け、その開度をパラメータとすることで、圧縮機システム２の配管２１３に流入するガスの流量を模擬している。同様に、吐出側仕切弁ユニットモデル２１６ｍを設け、その開度をパラメータとすることで、圧縮機システム２の配管２０９から流出するガスの流量を模擬している。
また、プラントモデルには、バルブ制御部１１との間で信号のやり取りを行うインタフェースが含まれる。当該インタフェースには、シミュレーション部１０２で計算されたプロセス信号をバルブ制御部１１に出力する出力インタフェースＯｍと、バルブ制御部１１からの制御信号をアンチサージバルブユニットモデル２０６ｍに入力する入力インタフェースＩｍとを備える。
【００４４】
シミュレーション部１０２は、出力インタフェースＯｍを介して圧縮機システム２のバルブ制御部１１（図１参照）に対し、プロセス信号（圧縮機ユニットモデル２０１ｍの吸込流量Ｑs’と、吸込側の配管ユニットモデル２０８ｍを流れるガスの吸込圧力Ｐs’及び吸込温度Ｔs’と、吐出側の配管ユニットモデル２０９ｍを流れるガスの吐出圧力Ｐd’及び吐出温度Ｔd’）を出力する。
なお、当該各プロセス信号は、前記式（１）〜式（１０）及びプラントモデルのシミュレーション条件に従って計算される。また、前記のプロセス信号の記載において、例えば圧縮機ユニットモデル２０１ｍの吸込流量を「Ｑs’」と表し、現実の圧縮機システム２における圧縮機２０１（図１参照）の吸込流量を「Ｑs」と表して、両者を区別している。当該区別は以下の記載でも同様であり、また、他のプロセス信号についても同様である。
【００４５】
バルブ制御部１１（図１参照）は、前記プロセス信号に基づいてＰＩＤ制御を行い、バルブ制御信号を入力インタフェースＩｍを介してアンチサージバルブユニットモデル２０６ｍに入力する。つまり、シミュレーション部１０２は、前記バルブ制御部１１から出力されたバルブ制御信号に従って、アンチサージバルブユニットモデル２０６ｍの開度を調整する。
【００４６】
シミュレーション部１０２の機能データは、シミュレーション対象の圧縮機システム２の機器構成に従って、配管ユニットモデル等の機器ユニットモデルを組み合わせることが含まれる。具体的には、シミュレーションの対象とする圧縮機システム２の各機器構成にしたがい、サブルーチンプログラムで表した各機器ユニットモデルをメインプログラム上に構成する。
シミュレーション部１０２は、圧縮機システム２を構成する各機器の物理システム及び制御システムをモデル化し、圧縮機システム２の挙動をシミュレーションする。
【００４７】
シミュレーション部１０２は、入力部１２から入力された設定条件データに沿って、対象システムであるプラントモデルの運転状態を計算する。例えば、圧縮機２０１のスタートアップ（始動運転）のシミュレーションを行う場合には、駆動モータユニットモデル２０２ｍの回転速度が０ｒｐｍの静止時から定格回転速度に到達するまでの非定常運転状態の計算を行う。
【００４８】
（ＰＩＤパラメータ調整部）
ＰＩＤパラメータ調整部１０３（図１参照）は、シミュレーション部１０２におけるシミュレーション結果に基づいて、バルブ制御部１１のＰＩＤパラメータを調整する。ＰＩＤパラメータの調整方法は、例えば限界感度法や過渡応答法等によるが、これに限らない。
なお、ＰＩＤパラメータの調整方法の詳細については後記する。また、本実施形態においてＰＩＤパラメータのオートチューニングを行っている間は、制御装置１（図１参照）からのバルブ制御信号は上位モジュール１０に対して出力されており、現実の圧縮機システム２は稼動していない状態とする。
【００４９】
（ＰＩＤパラメータ設定部）
ＰＩＤパラメータ設定部１０４（図１参照）は、ＰＩＤパラメータの調整が終了した場合、最終的に調整された当該ＰＩＤパラメータを通信手段を介して現実の圧縮機システム２のバルブ制御部１１に転送し、バルブ制御部１１が用いる新たなＰＩＤパラメータとして設定する。
なお、バルブ制御部１１へのＰＩＤパラメータの設定は、表示部１３に表示されたシミュレーション結果及びＰＩＤパラメータを確認したユーザが、入力部１２を介して行う所定の操作をトリガとしてもよい。
また、ユーザが表示部１３に表示されたシミュレーション結果に基づいて、入力部１２を介してＰＩＤパラメータを適宜調整してもよい。この場合、ＰＩＤパラメータ設定部１０４は当該調整後のＰＩＤパラメータを通信手段を介してバルブ制御部１１に転送する。
【００５０】
なお、例えば、圧縮機２０１をいったん停止させてバルブ制御部１１のＰＩＤパラメータの調整を行い、調整後のＰＩＤパラメータに基づいてバルブ制御部１１を再起動させる場合もある。このような場合にはまず、ユーザが入力部１２を介して、バルブ制御部１１の制御対象を現実の圧縮機システム２（図１参照）からプラントモデル（図３参照）に切り替えてＰＩＤパラメータを調整するモードとすることができる。
さらに前記ＰＩＤパラメータの調整が終了した場合には、ユーザが入力部１２を介して、バルブ制御部１１の制御対象をプラントモデル（図３参照）から現実の圧縮機システム２に切り替えることができる。
つまり、バルブ制御部１１は、その制御対象を切り替えるための切り替え手段を備えている。
【００５１】
≪ＰＩＤチューニング≫
図４は、制御装置におけるＰＩＤパラメータのチューニングの流れを示すフローチャートである。以下では、圧縮機ユニットモデル２０１ｍの始動時におけるシミュレーションを用いて、バルブ制御部１１のＰＩＤパラメータの事前チューニングを行う場合について説明する。
なお、通常の場合、圧縮機システム２のシミュレーション部１０２において用いられるプラントモデルは、制御装置１の製造段階で予め設定されている。すなわち、プラントモデルは、制御装置１の製造段階において制御対象となる圧縮機システム２の構成に対応させて、シミュレーション部１０２が用いる演算プログラムとして記述されている。
【００５２】
また、通常の場合、圧縮機システム２の設計データは制御装置１の製造段階で予めデータ保存部１０１に入力されている。入力される設計データは、前記で説明したように、圧縮機システム２を構成する要素（機器）の機器仕様データ、圧縮機システム２の内部を流れるガスの物性データ、圧縮機システム２のシミュレーションを実行する際のプロセス条件データ等である。
ただし、圧縮機システム２の構成や運転条件の変更があった場合には、ユーザが入力部１２を介して圧縮機システム２のシミュレーション部１０２の演算プログラムやデータ保存部１０１に記憶された設計データ等を変更することができる。
【００５３】
図４のステップＳ１０１で、ユーザは、シミュレーション条件の設定を行う。具体的には、ユーザは、入力部１２を介して圧縮機システム２の初期条件、外乱条件、シミュレーション時間、バルブ制御部１１におけるＰＩＤパラメータの初期値等を設定する。初期条件とは、例えば、圧縮機２０１の静止状態（始動時）におけるガスの圧力及び温度等である。シミュレーション時間は、例えば６０秒とすることができる。ＰＩＤパラメータの初期値は、後記する限界感度法を用いる場合、比例要素のゲインＧP＝１、積分要素のゲインＧI＝０、微分要素のゲインＧD＝０とする。
【００５４】
ステップＳ１０２で、シミュレーション部１０２は、前記のシミュレーション条件に基づいてシミュレーションを実行し、圧縮機システム２におけるガスの流動状態等を摸擬する。
具体的には、シミュレーション部１０２は、図３に示す機器等の関係に従って前記式（１）〜式（１０）により各々の物理量を計算する。また、バルブ制御部１１は、プラントモデルから出力されたプロセス信号（Ｑs’，Ｐs’，Ｔs’，Ｐd’，Ｔd’）に基づいてＰＩＤ制御演算を行い、バルブ制御信号を入力インタフェースＩｍを介してアンチサージバルブユニットモデル２０６ｍに出力する。シミュレーション部１０２は、バルブ制御部１１から出力されたバルブ制御信号に従って、アンチサージバルブユニットモデル２０６ｍの開度を調整する。
【００５５】
図５は、制御装置を用いたＰＩＤパラメータのチューニングの作用説明図である。図５に示すように、シミュレーションの実行中は、上位モジュール１０のシミュレーション部１０２で演算された圧縮機ユニットモデル２０１ｍのプロセス信号（吸込流量Ｑs’、吸込圧力Ｐs’、吸込温度Ｔs’、吐出圧力Ｐd’、吐圧温度Ｔd’）が、バルブ制御部１１に入力される。
なお、吸込流量Ｑs’は、オリフィス又はベンチュリ管に対応するユニットモデル（図示せず）で計測された差圧ΔＰ’から算出される。
【００５６】
バルブ制御部１１は、入力された前記プロセス信号をもとにポリトロープヘッドｈpol’を算出し、サージコントロールライン（図２参照）を目標値Ｑs’としてＰＩＤ制御の閉ループ演算を行い、バルブ制御信号を生成する。当該ＰＩＤ制御の閉ループ演算は、バルブ制御部１１が圧縮機システム２に設置されたアンチサージバルブ２０６を制御する場合と同様の方法によってなされる。
さらに、バルブ制御部１１は、ＰＩＤ制御による演算結果であるバルブ制御信号を生成し、当該バルブ制御信号に基づいて当該アンチサージバルブユニットモデル２０６ｍ（図３参照）の開度が調整される。
結果的に、各配管ユニットモデル（２０８ｍ、２０９ｍ、２１０ｍ等）で計算される流量、圧力、温度が変化し、同時に圧縮機ユニットモデル２０１ｍで計算されるＨＱマップ等の運転点も変化する。
【００５７】
図４のステップＳ１０３に戻って、上位モジュール１０は、シミュレーション結果やそれに用いられたＰＩＤパラメータを表示部１３に表示する。表示部１３に表示されるシミュレーション結果は、例えば、ロータ回転速度の時間変化、トルクスピードカーブ、吸込圧力・吐出圧力の時間変化、吸込温度・吐出温度の時間変化、圧縮機ＨＱマップの運転点履歴、圧縮機吸込流量の時間変化、アンチサージバルブユニットモデル２０６ｍのバルブ開度の時間変化等である。
【００５８】
なお、ＰＩＤパラメータ調整部１０３がＰＩＤパラメータを調整するたびに、そのシミュレーション結果がデータ保存部１０１に保存され、上位モジュール１０が前記諸特性を保存部１０１から読み出して表示部１３に表示する。また、上位モジュール１０は、プロセス条件データ（始動時のガスの圧力や温度等）をシミュレーション時刻０における結果として表示部１３に表示する。
また、表示部１３に表示させるデータは、入力部１２を介してユーザが選択することができる。例えば、ユーザは入力部１２を介して圧縮機ＨＱマップの運転点履歴、圧縮機吸込流量の時間変化、及びアンチサージバルユニットモデル２０６ｍのバルブ開度の時間変化を表示部１３に表示させるように選択することができる。
【００５９】
図４のステップＳ１０４で、上位モジュール１０はＰＩＤパラメータのオートチューニングが終了したか否か判断する。ＰＩＤパラメータのオートチューニングが終了しているか否かの判断の基準は、チューニングの方法によって様々である。ステップＳ１０４で、ＰＩＤパラメータのオートチューニングが終了してない場合には（ステップＳ１０４→Ｎｏ）、ステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５で、ＰＩＤパラメータ調整部１０３はバルブ制御部１１のＰＩＤパラメータを調整する。また、ステップＳ１０４でオートチューニングが終了した場合には（ステップＳ１０４→Ｙｅｓ）、チューニングの処理を終了する。
【００６０】
ＰＩＤパラメータのチューニングの仕方は、例えば、限界感度法や過渡応答法等によるが、これに限らない。本実施例では、限界感度法を用いてＰＩＤパラメータの事前チューニングを行う場合について説明する。
初めに、バルブ制御部１１による制御をＰ制御とする。すなわち、ＰＩＤパラメータの初期値として、ＧP＝１，ＧI＝０，ＧD＝０を設定する。
なお、当該ＰＩＤパラメータの初期値は、ステップＳ１０１のシミュレーション条件の設定においてユーザにより入力される。この場合にシミュレーション部１０２でシミュレーションを行った結果が図６である。
【００６１】
図６（ａ）は、図２と同じく、横軸は無次元化した圧縮機吸込流量Ｑs’、縦軸は、無次元化したポリトロープヘッドｈpol’である。また図６（ａ）で複数の斜めの細い実線は、回転数毎のＱs’に対するｈpol’を示したものであり、例として定格回転数ＮRに対して０．８〜１．０５倍の範囲について示してある。その他の線は図２と同じである。図６（ａ）において、時間ｔA後に、○印で示した運転点Ａに達し、そのときの回転数が例えば、０．８ＮRであったとすると、そのときの圧縮機吸込流量はＱs’（ｔA）であり、サージ流量ＱｓｕｒはＱｓｕｒ（ｔA）となる。
【００６２】
図６（ｂ）は、時間ｔに対する圧縮機吸込流量Ｑs’とそのときのサージ流量Ｑｓｕｒを示し、横軸は、シミュレーションの最大時間を１．０として無次元化した時間ｔであり、縦軸は、図６（ａ）と同じく無次元化した圧縮機吸込流量Ｑs’である。先の図６（ａ）において示した時間ｔAにおける圧縮機吸込流量Ｑs’（ｔA）とサージ流量Ｑｓｕｒ（ｔA）を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）では同様にして、図６（ａ）に示す運転点履歴を与える時間ｔでの圧縮機吸込流量Ｑs’（ｔA）とサージ流量Ｑｓｕｒ（ｔA）を示している。図６（ｃ）は、シミュレーション時間ｔに対するアンチサージバルブ開度を示したものであり、横軸は、図６（ｂ）と同じく無次元化した時間ｔ、縦軸は全開を１．０とした場合のバルブ開度を示したものである。図６（ｃ）は、回転数が０．８ＮRに達した時間ｔAにおいて、圧縮機による吸込流量の調整を開始するために、アンチサージバルブ開度の調整が始まることを示している。
なお、図７及び図８についての説明は、図６と同じであるので省略する。
【００６３】
図６（ａ）を参照すると、圧縮機ユニットモデル２０１ｍのＨＱ特性において、運転点がサージ領域に侵入する箇所があることがわかる。また、図６（ｂ）を参照すると、ｔ＝約０．６以後は、圧縮機ユニットモデル２０１ｍの吸込流量がサージ流量を下回っていることがわかる。つまり、吸込流量が過少であるため、サージが生じる可能性が高いことがわかる。
【００６４】
次に、比例要素のゲインＧPを徐々に大きくしながら繰り返しシミュレーションし、出力が一定振幅で振動を持続する（安定限界）ところでゲインＧPの増加を止める（この時のＧPの値をＫcとし、振動周期をＴcとする）。
図７は、アンチサージバルブユニットモデル２０６ｍの開度応答が振動的になった場合の諸特性を表す。この場合には、アンチサージバルブユニットモデル２０６ｍの開度応答が振動的になっているのに応じて（図７（ｃ）参照）、圧縮機ユニットモデル２０１ｍの吸込流量Ｑs’も振動的になっている（図７（ｂ）参照）。
【００６５】
ＰＩＤパラメータ調整部１０３は、安定限界でのＧPの値であるＫcと、振動周期Ｔcとを用いて、表１に基づいてＰＩＤパラメータを調整する。例えば図８の場合においてＫc＝２０、振動周期Ｔc＝２であったとすると、例えばＰＩＤ制御を行う場合には、表１に基づいてＧP＝１１．８、ＧI＝１．０、ＧD＝０．２５とする。
なお、ＰＩ制御を行う場合には、表１に基づいてＧP＝９．０、ＧI＝１．６６とし、Ｐ制御を行う場合には、表１に基づいてＧP＝１０．０とすればよい。
【表１】
【００６６】
シミュレーション部１０２は、ＰＩＤパラメータ調整部１０３で調整されたＰＩＤパラメータに基づいて、さらにシミュレーションを実行する。図８は、ＰＩＤパラメータ調整部１０３によって調整されたパラメータ（ＧP＝１１．８、ＧI＝１．０、ＧD＝０．２５）に基づいてシミュレーションを実行した場合の諸特性を表す。
図８（ａ）を参照すると、圧縮機ユニットモデル２０１ｍのＨＱ特性において、運転点がサージコントロールラインより右側の安定領域内に収まっていることがわかる。また、図８（ｂ）を参照すると、圧縮機ユニットモデル２０６ｍの吸込流量はサージ流量より上方にあることがわかる。つまり、十分な吸込流量が確保されているといえる。
したがって、バルブ制御部１１が、図８のような諸特性を与えるパラメータ（ＧP＝１１．８、ＧI＝１．０、ＧD＝０．２５）を用いて現実に存在する圧縮機システム２に対しＰＩＤ制御を行った場合、圧縮機２０１がサージを起こすことなく安定した制御を行うことができる可能性が高いことが予想される。
【００６７】
本実施形態では、制御装置１内にプラントモデルを組み込み、当該プラントモデルのシミュレーション結果を用いて限界感度法等により、ＰＩＤパラメータの自動調整を行った。したがって、本実施形態に係る制御装置１によれば、実際のフィールドテストより前にプラントモデルを使用した制御系の事前チューニングを行うことが可能となる。また、現実に存在する圧縮機システム２の圧縮機２０１等を稼動させること無しに制御装置１のＰＩＤパラメータを調整することができるので、調整の段階で圧縮機２０１においてサージが生ずるリスクを回避することができる。また、ユーザが試行錯誤的にＰＩＤパラメータの調整を行う場合に比べて、その手間を省くことができるため、調整に要する時間を大幅に短縮することができる。
【００６８】
本実施形態では、圧縮機２０１を始動させる場合のＰＩＤパラメータの事前チューニングについて説明したが、圧縮機２０１を停止させる場合や、停止後に圧縮機２０１を再度起動させる場合についても適用することができる。
また、本実施形態では、バルブ制御部１１が、プラントモデルから出力されたプロセス信号に基づいてＰＩＤ制御を行い、バルブ制御信号をプラントモデルのアンチサージバルブユニットモデル２０６ｍに対して出力する構成としたが、次のような構成としてもよい。すなわち、シミュレーション部１０２のプラントモデルが、さらにバルブ制御部１１に対応するバルブ制御部ユニットモデルを備え、当該バルブ制御部ユニットモデルでＰＩＤ制御演算を行う構成としてもよい。この場合には、ＰＩＤパラメータ設定部１０４が、ＰＩＤパラメータ調整部１０３で最終的に調整されたＰＩＤパラメータを通信手段を介してバルブ制御部１１に転送する。
【００６９】
また、本実施形態では、ＰＩＤパラメータをオートチューニングする場合について説明したが、ユーザが自らバルブ制御部１１のＰＩＤパラメータを変更し、シミュレーションによる演算結果を見ながらマニュアルでチューニングを行ってもよい。この場合ユーザは、表示部１３で圧縮機ユニットモデル２０１ｍの運転点等の挙動を見ながら、入力部１２を介して任意にＰＩＤパラメータを変更することができる。
【００７０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る圧縮機の制御装置１Ａについて説明する。
本実施形態に係る制御装置１Ａは、バルブ制御部１１から出力されるバルブ制御信号に基づいて上位モジュール１０Ａで算出される運転点（Ｑs’，ｈpol’）が、現実の圧縮機システム２の運転点（Ｑs，ｈpol）に、より近づくようにモデルチューニングすることを特徴とする。
図９は、本発明の第２実施形態に係る圧縮機の制御装置を含む圧縮機システムの構成図である。本実施形態に係る制御装置１Ａを第１実施形態の場合と比較した場合、上位モジュール１０Ａにモデルパラメータ調整部１０５が追加されている。また、シミュレーション部１０２Ａは、開ループモデルＲｍを備えている。
なお、その他の構成については、第１実施形態の場合と同様であるため、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、重複する部分については説明を省略する。
【００７１】
図９に示すように、圧縮機システム２が稼動している状態において、バルブ制御部１１は、常時プロセス信号（吸込流量Ｑs、吸込圧力Ｐs、吸込温度Ｔs、吐出圧力Ｐd、及び吐出温度Ｔd）を取り込んでＰＩＤ制御演算を行い、アンチサージバルブ２０６に対してバルブ制御信号を出力している。
モデルチューニングを行うか否かは、入力部１２を介してユーザが選択することができる。
そして、モデルチューニングを行う場合には、バルブ制御部１１からアンチサージバルブ２０６に対して出力される前記バルブ制御信号が、上位モジュール１０Ａの開ループモデルＲｍに対しても出力される。また、バルブ制御部１１は、前記バルブ制御信号に対応して検出される前記プロセス信号から算出される運転点（Ｑs，ｈpol）をモデルパラメータ調整部１０５に対して出力している。
【００７２】
シミュレーション部１０２Ａは、前記バルブ制御部１１からのバルブ制御信号を入力とし、そのバルブ制御信号に基づいて計算される運転点（Ｑs’，ｈpol’）を出力とする開ループモデルＲｍを備えている。
モデルパラメータ調整部１０５は、バルブ制御部１１から出力された運転点（Ｑs，ｈpol）に対して、前記開ループモデルを用いて算出した運転点（Ｑs’，ｈpol’）の偏差の絶対値が所定の閾値以下になるように、開ループモデルＲｍのモデルパラメータを調整し、更新する。
このようにしてモデルパラメータを逐次更新し、前記した偏差の絶対値が所定の閾値以下となった場合、当該モデルパラメータを適用した開ループモデルＲｍは、現実の圧縮機システム２の挙動をより良く再現することができるといえる。
【００７３】
図１０は、制御装置を用いたモデルパラメータのチューニングの流れを示すフローチャートである。
ステップＳ２０１で、モデルパラメータ調整部１０５は、バルブ制御部１１からバルブ制御信号が入力された場合のシミュレーション部１０２Ａの演算により、吸込流量Ｑs’を出力とする開ループモデルＲｍを推定する。前記開ループモデルＲｍは、例えばＡＲＸモデルがあるが、これに限らない。また、開ループモデルＲｍは、プラントモデルを構成する各要素（図３参照）を表す式（１）〜（１０）から直接求めてもよいし、過渡応答法や周波数応答法などを使ってシミュレーション実験から求めてもよい。以下の説明においては、ＡＲＸモデルを用いる場合について説明する。
【００７４】
ＡＲＸモデルは、下記の式（１１）で表される。
なお、本実施形態では、入力データであるｕ（ｋ）は、バルブ制御部１１から出力されるバルブ制御信号である。また、出力データであるｙ（ｋ）は、圧縮機ユニットモデル２０１ｍの吸込流量Ｑs’とする。また、ｋはサンプル周期に基づいて入出力サンプルデータを取得する際に付される番号である。
【数１１】
【００７５】
ここで、前記式（１１）のＡ（ｑ）及びＢ（ｑ）は、下記の式（１２）、（１３）で表される多項式である。ここで、次数ｎａ，ｎｂは、ユーザが入力部１２を介して予め設定することができる。また、下記（１２）、（１３）の係数（ａ1，…，ａna）、（ｂ1，…，ｂnb）は、最小２乗法で推定することができる。
【数１２】
【００７６】
図１０のステップＳ２０２で、バルブ制御部１１から運転データ（バルブ制御信号及び運転点（Ｑs，ｈpol））を取得する際のサンプリング周期を設定する。サンプリング周期（例えば０．２秒）は、入力部１２を介してユーザが設定することができる。
なお、このようにして設定されたサンプリング周期は、通信手段を介してバルブ制御部１１に対して出力される。
【００７７】
ステップＳ２０３で、モデルパラメータ調整部１０５は、前記サンプリング周期に従ってバルブ制御部１１からの運転データとしてバルブ制御信号を取得する。すなわち、モデルパラメータ調整部１０５は、上記式（１１）の入力データｕ（ｋ）としてバルブ制御部１１から出力されるバルブ制御信号を取得する。また、モデルパラメータ調整部１０５は、上記式（１１）の出力データｙ（ｋ）として圧縮機２の吸込流量Ｑsをバルブ制御部１１から取得する。
【００７８】
ステップ２０４で、モデルパラメータ調整部１０５は、ステップＳ２０４で得られた入出力データｕ（ｋ），ｙ（ｋ）に基づいて、前記式（１２）、（１３）のモデルパラメータ（ａ1，…，ａna）、（ｂ1，…，ｂnb）を調整する。当該調整は、ＡＲＸモデルに対して最小２乗法を適用することによって行うことができる。
なお、モデルパラメータ調整部１０５は、ステップＳ２０４の前処理として、バルブ制御部１１から取得した入出力データに対してフィルタリング等の処理を行ってもよい。この場合、モデルパラメータ調整部１０５は、バルブ制御部１１から取得した入出力データの有効範囲を指定したり、トレンドやＤＣ成分、異常データの除去等の処理を行う。
【００７９】
ステップＳ２０５で、シミュレーション部１０２Ａは開ループモデルＲｍを用いて、ステップＳ２０４で調整されたモデルパラメータ（ａ1’，…，ａna’）、（ｂ1’，…，ｂnb’）に基づいて、前記式（１１）−（１３）を計算して運転点（Ｑs’，ｈpol’）を算出し、モデルパラメータ調整部１０５に対して出力する。
ステップＳ２０６で、モデルパラメータ調整部１０５は、バルブ制御部１１から取得した運転点（Ｑs，ｈpol）に対する、開ループモデルＲｍを用いて算出された運転点（Ｑs’，ｈpol’）の偏差の絶対値を算出し、当該偏差の絶対値が所定の閾値以下であるか否か判定する。
【００８０】
ステップＳ２０６で、前記した２つの運転点の偏差の絶対値が所定の閾値より大きい場合（ステップＳ２０６→Ｎｏ）、ステップＳ２０４に戻る。すなわちモデルパラメータ調整部１０５は、最小２乗法を用いてモデルパラメータを再度調整する。ステップＳ２０６で、前記した２つの運転点の偏差の絶対値が閾値以下である場合（ステップＳ２０６→Ｙｅｓ）、モデルパラメータ調整部１０５は当該モデルパラメータに確定する(ステップＳ２０７)。さらにステップＳ２０８で、上位モジュール１０Ａは表示部１３に確定した前記モデルパラメータ（ａ1’，…，ａna’）、（ｂ1’，…，ｂnb’）の値を結果として表示し、処理を終了する。
【００８１】
図１１は、制御装置を用いたモデルパラメータのチューニングの作用説明図である。
本実施形態に係る制御装置１Ａは、シミュレーション部１０２Ａのプラントモデルに対応する開ループモデルＲｍを推定し、バルブ制御部１１から取得したバルブ制御信号を入力データｕ（ｋ）として運転点（Ｑs’，ｈpol’）を算出し、モデルパラメータ調整部１０５に対して出力する。
モデルパラメータ調整部１０５は、圧縮機システム２から取得した運転点（Ｑs，ｈpol）と、前記開ループモデルを用いて算出した運転点（Ｑs’，ｈpol’）との偏差の絶対値が所定の閾値以下になるまで、開ループモデルＲｍを更新する。
【００８２】
圧縮機システム２は、稼動期間が経過するにしたがい、圧縮機２０１等が経年劣化して、運転条件が変化することが予想される。バルブ制御部１１のＰＩＤパラメータを調整する場合には、シミュレーション部１０２Ａが圧縮機システム２の挙動を的確に再現できることが前提となる。したがって、圧縮機システム２の運転条件の変化に対応して、シミュレーション部１０２Ａのモデルパラメータを調整することが必要になる。
本実施形態に係る制御装置１Ａは、シミュレーション部１０２Ａのプラントモデル（開ループモデルＲｍ）の挙動を現実の圧縮機システム２の挙動に、より近づくようにモデルパラメータを調整することができる。バルブ制御部１１のＰＩＤパラメータをオートチューニングする場合、前記したモデルチューニングを行った後のプラントモデルを用いてシミュレーションを行えば、バルブ制御部１１のＰＩＤパラメータの調整をより適切に行うことが可能になる。
さらに本実施形態に係る制御装置１Ａは、モデルパラメータの調整を自動で行うので、調整の手間を省くことができる。
【００８３】
以上、本発明について説明したが、本発明は前記した実施形態に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。
例えば、前記各実施形態では圧縮機２０１として遠心圧縮機を使用する場合について説明したが、圧縮機２０１として軸流圧縮機を使用した場合でも、同様の制御装置１を適用することができる。
また、圧縮機２０１は単段の他、複数段としてもよい。例えば圧縮機２０１が２段である場合には、圧縮機（例えば圧縮機２０１ａ、２０１ｂ：図示せず）ごとにアンチサージバルブ（例えばアンチサージバルブ２０６ａ、２０６ｂ：図示せず）を備えることとなる。したがって、当該構成に対応したシミュレーション部１０２又は１０２Ａを構成し、そのシミュレーション結果に基づいてバルブ制御部１１のＰＩＤパラメータをチューニングすればよい。
また、前記各実施形態では、バルブ制御部１１において圧縮機吸込流量Ｑsに対するポリトロープヘッドｈpolの関係を示すＨＱマップを用いたが、前記ＨＱマップの代わりに、圧縮機吸込流量Ｑsに対する圧力比（ｐd／ｐs）の関係を示す圧力比−Ｑマップを用いてもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１，１Ａ 制御装置
２ 圧縮機システム(プラント)
３ 統括コントローラ
１０，１０Ａ 上位モジュール
１１ バルブ制御部
１２ 入力部
１３ 表示部
１０１ データ保存部
１０２，１０２Ａ シミュレーション部
１０３ ＰＩＤパラメータ調整部（制御パラメータ調整部）
１０４ ＰＩＤパラメータ設定部（制御パラメータ設定部）
１０５ モデルパラメータ調整部
２０１ 圧縮機
２０２ 駆動モータ
２０３ 変速機
２０４ サクションドラム
２０５ 吸込絞り弁
２０６ アンチサージバルブ
２０７ 熱交換器
２０８ 吸込側配管
２０９ 吐出側配管
２１０，２１１，２１２ 戻り配管
２１３，２１４ 配管
２０１ｍ 圧縮機ユニットモデル（プラントモデル）
２０２ｍ 駆動モータユニットモデル（プラントモデル）
２０４ｍ サクションドラムユニットモデル（プラントモデル）
２０５ｍ 吸込絞り弁ユニットモデル（プラントモデル）
２０６ｍ アンチサージバルブユニットモデル（プラントモデル）
２０７ｍ 熱交換器ユニットモデル（プラントモデル）
２０８ｍ，２０９ｍ，２１０ｍ，２１１ｍ，２１２ｍ，２１３ｍ，２１４ｍ， 配管ユニットモデル（プラントモデル）
２１５ｍ 吸込側仕切弁ユニットモデル（プラントモデル）
２１６ｍ 吐出側仕切弁ユニットモデル（プラントモデル）
ＦＴ１ 流量検出器
ＰＴ１、ＰＴ２ 圧力検出器
ＴＴ１、ＴＴ２ 温度検出器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機の吐出側の流体を吸込側に戻すアンチサージバルブを制御パラメータに基づいて制御するバルブ制御部と、
前記圧縮機が設置されるプラントのプラントモデル及び前記制御パラメータに基づいて前記圧縮機の前記プラントでの運転状態をシミュレーションするシミュレーション部と、
前記シミュレーションの結果に基づいて、前記制御パラメータを調整する制御パラメータ調整部と、を備えること
を特徴とする圧縮機の制御装置。
【請求項２】
前記制御パラメータ調整部によって調整された制御パラメータを前記バルブ制御部が用いる制御パラメータとして設定する制御パラメータ設定部を備えること
を特徴とする請求項１に記載の圧縮機の制御装置。
【請求項３】
前記制御パラメータ調整部によって調整された制御パラメータを表示部に表示させ、入力部を介してユーザにより入力された制御パラメータを、前記バルブ制御部が用いる制御パラメータとして設定する制御パラメータ設定部を備えること
を特徴とする請求項１に記載の圧縮機の制御装置。
【請求項４】
前記バルブ制御部が前記アンチサージバルブに対して出力するバルブ制御信号を入力データとして取得した前記シミュレーション部から、シミュレーション結果として第１の運転データを取得し、前記バルブ制御信号に基づいた前記圧縮機の第２の運転データを前記バルブ制御部から取得し、前記第１の運転データと前記第２の運転データとの偏差の絶対値が所定値以下となるように、前記プラントモデルのモデルパラメータを調整するモデルパラメータ調整部を備えること
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の圧縮機の制御装置。
【請求項５】
圧縮機の吐出側の流体を吸込側に戻すアンチサージバルブを制御パラメータに基づいて制御する圧縮機の制御装置で用いられる制御方法において、
前記制御装置は、シミュレーション部と、制御パラメータ調整部と、バルブ制御部と、制御パラメータ設定部と、を備え、
前記シミュレーション部は、前記圧縮機が設置されるプラントのプラントモデル及び前記制御パラメータに基づいて前記圧縮機の前記プラントでの運転状態をシミュレーションし、
前記制御パラメータ調整部は、前記シミュレーションの結果に基づいて、前記制御パラメータを調整し、
前記制御パラメータ設定部は、前記制御パラメータ調整部で調整されたバルブ制御パラメータを、前記バルブ制御部が前記プラントを制御する際に適用するバルブ制御パラメータとして設定し、
前記バルブ制御部は、前記制御パラメータ設定部によって設定された前記バルブ制御パラメータにより前記アンチサージバルブを制御すること
を特徴とする圧縮機の制御方法。
【請求項６】
前記制御装置は、さらにモデルパラメータ調整部を備え、
当該モデルパラメータ調整部は、前記バルブ制御部が前記アンチサージバルブに対して出力するバルブ制御信号を入力データとして取得した前記シミュレーション部から、シミュレーション結果として第１の運転データを取得し、当該バルブ制御信号に基づいた前記圧縮機の第２の運転データを前記バルブ制御部から取得し、前記第１の運転データと前記第２の運転データとの偏差の絶対値が所定値以下となるように、前記プラントモデルのモデルパラメータを調整すること
を特徴とする請求項５に記載の圧縮機の制御方法。
【請求項１】
圧縮機の吐出側の流体を吸込側に戻すアンチサージバルブを制御パラメータに基づいて制御するバルブ制御部と、
前記圧縮機が設置されるプラントのプラントモデル及び前記制御パラメータに基づいて前記圧縮機の前記プラントでの運転状態をシミュレーションするシミュレーション部と、
前記シミュレーションの結果に基づいて、前記制御パラメータを調整する制御パラメータ調整部と、を備えること
を特徴とする圧縮機の制御装置。
【請求項２】
前記制御パラメータ調整部によって調整された制御パラメータを前記バルブ制御部が用いる制御パラメータとして設定する制御パラメータ設定部を備えること
を特徴とする請求項１に記載の圧縮機の制御装置。
【請求項３】
前記制御パラメータ調整部によって調整された制御パラメータを表示部に表示させ、入力部を介してユーザにより入力された制御パラメータを、前記バルブ制御部が用いる制御パラメータとして設定する制御パラメータ設定部を備えること
を特徴とする請求項１に記載の圧縮機の制御装置。
【請求項４】
前記バルブ制御部が前記アンチサージバルブに対して出力するバルブ制御信号を入力データとして取得した前記シミュレーション部から、シミュレーション結果として第１の運転データを取得し、前記バルブ制御信号に基づいた前記圧縮機の第２の運転データを前記バルブ制御部から取得し、前記第１の運転データと前記第２の運転データとの偏差の絶対値が所定値以下となるように、前記プラントモデルのモデルパラメータを調整するモデルパラメータ調整部を備えること
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の圧縮機の制御装置。
【請求項５】
圧縮機の吐出側の流体を吸込側に戻すアンチサージバルブを制御パラメータに基づいて制御する圧縮機の制御装置で用いられる制御方法において、
前記制御装置は、シミュレーション部と、制御パラメータ調整部と、バルブ制御部と、制御パラメータ設定部と、を備え、
前記シミュレーション部は、前記圧縮機が設置されるプラントのプラントモデル及び前記制御パラメータに基づいて前記圧縮機の前記プラントでの運転状態をシミュレーションし、
前記制御パラメータ調整部は、前記シミュレーションの結果に基づいて、前記制御パラメータを調整し、
前記制御パラメータ設定部は、前記制御パラメータ調整部で調整されたバルブ制御パラメータを、前記バルブ制御部が前記プラントを制御する際に適用するバルブ制御パラメータとして設定し、
前記バルブ制御部は、前記制御パラメータ設定部によって設定された前記バルブ制御パラメータにより前記アンチサージバルブを制御すること
を特徴とする圧縮機の制御方法。
【請求項６】
前記制御装置は、さらにモデルパラメータ調整部を備え、
当該モデルパラメータ調整部は、前記バルブ制御部が前記アンチサージバルブに対して出力するバルブ制御信号を入力データとして取得した前記シミュレーション部から、シミュレーション結果として第１の運転データを取得し、当該バルブ制御信号に基づいた前記圧縮機の第２の運転データを前記バルブ制御部から取得し、前記第１の運転データと前記第２の運転データとの偏差の絶対値が所定値以下となるように、前記プラントモデルのモデルパラメータを調整すること
を特徴とする請求項５に記載の圧縮機の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１６７５６８（Ｐ２０１２−１６７５６８Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７４２５（Ｐ２０１１−２７４２５）
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
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