JP2002229603A - 空気式制御弁の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】経年変化により弁のステムの摩擦力特性が変化
しても，適切な弁開度制御を行うことができるようにす
る。 【解決手段】空気圧により弁のステムを上下させて弁開
度が制御される空気圧制御弁２６の制御装置２８におい
て，空気圧を制御する開度指令値ｒと弁開度Ｘとに従っ
て，ステムとシール材との間の摩擦力ｆとステムの速度
ｖとの関係を逐次求め，当該求めた速度と摩擦力との関
係に従って所望の弁開度に対応する前記開度指令値ｒを
求めることを特徴とする。従って，経年変化により又は
シール材のメンテナンスなどにより摩擦力と速度との関
係が変化しても，現在の摩擦力と速度との関係に基づい
て所望の弁開度に対応する開度指令値を求めることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気式制御弁の制
御装置に関し，特に，弁のステムがハンチグにより不必
要に振動して弁の寿命が短くなるのを防止することがで
きる空気式制御弁の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】加圧水型軽水炉を利用した発電プラント
が提案されている。かかる発電プラントでは，原子炉で
加熱された一次冷却水を蒸気発生器に供給し，蒸気発生
器内の二次冷却水を沸騰して蒸気をタービンに供給し，
蒸気圧によりタービンを回転させ発電する。タービンに
供給されて冷却された二次冷却水は，主給水制御弁を介
して蒸気発生器に戻される。タービンの負荷の変動や二
次冷却水の循環ポンプの脈動に対応して主給水制御弁の
弁開度を制御することにより，蒸気発生器内の水面レベ
ルを一定に保つように制御される。

【０００３】蒸気のような主給水制御弁は，メンブレン
に対する空気圧を制御することで弁のステムを上下さ
せ，弁開度を制御する空気式制御弁が利用されるのが一
般的である。空気圧式のほうが，油圧式に比べて安価で
且つ汚れの問題がないからである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】空気圧式制御弁は，弁
開度を制御するために空気圧を制御しても，弁開度が空
気圧の変更に一対一に対応しない。この理由は，空気式
制御の場合，メンブレン内の空気が圧縮性の性質を有す
るため，空気圧によるステムへの力が，弁を上下するス
テムとシール材との間の摩擦力に打ち勝って初めてステ
ムが上下に移動し，弁開度が変化するからである。即
ち，空気圧式制御弁は，入力指令値と出力弁開度との間
に非線型な特性を有する。

【０００５】従来は，この摩擦力による非線型特性を，
制御弁が有する固有の特性とみなして，空気圧制御を行
っていた。しかしながら，実際に制御弁を使用すると，
振動により脈動が制御弁のステムに発生し，ステムとシ
ール材との間の密閉度が悪くなり，その結果シール材で
あるパッキンの密着性を代えると，それに伴い非線型特
性が変わり，制御弁の応答特性が初期値と異なってしま
うという問題があった。応答特性のずれにより，制御す
る空気圧に対して所望の弁開度を得ることができず，し
ばしばハンチング現象を招き，シール材であるパッキン
の寿命が短くなるという問題があった。

【０００６】そこで、本発明の目的は、空気圧式制御弁
の空気圧制御をより正確に行うことができる空気圧式制
御弁の制御装置を提供することにある。

【０００７】更に，本発明の別の目的は，入力指令値と
出力弁開度との間の非線型特性の経年変化に対応して，
最適な空気圧制御を行うことができる空気圧式制御弁の
制御装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の一つの側面は、空気圧により弁のステム
を上下させて弁開度が制御される空気圧制御弁の制御装
置において，前記空気圧を制御する開度指令値と前記弁
開度とに従って，前記ステムとシール材との間の摩擦力
とステムの速度との関係を逐次求め，当該求めた速度と
摩擦力との関係に従って所望の弁開度に対応する前記開
度指令値を求めることを特徴とする。

【０００９】上記の発明によれば，空気圧制御弁の制御
装置が，弁に与えられる開度指令値と，その結果得られ
た弁開度とをモニタし，モニタされた開度指令値と検出
された弁開度とから，ステムとシール材との間の摩擦力
とステム速度との関係を逐次求める。そして，その求め
られた摩擦力と速度との関係に基づいて開度指令値が求
められる。従って，経年変化により又はシール材のメン
テナンスなどにより摩擦力と速度との関係が変化して
も，現在の摩擦力と速度との関係に基づいて所望の弁開
度に対応する開度指令値を求めることができる。その結
果，弁開度に無用なハンチングが無くなり，より高精度
の弁開度制御をすることができると共に，シール材の寿
命を長くすることができる。

【００１０】より好ましい実施例では，摩擦力と速度と
の関係を求めるために，前記モニタされた開度指令値に
対して，空気圧制御弁の近似モデルにより求められる近
似弁開度と前記検出された弁開度との誤差から，空気圧
制御弁の摩擦力特性を同定することを特徴とする。この
同定された摩擦力特性と，検出された弁開度から求めら
れる速度特性とから，空気圧制御弁の摩擦力と速度との
関係が同定される。上記近似モデルの近似開度と検出弁
開度との差分である誤差は，摩擦力に対応する近似モデ
ルの弁開度と考えられるので，近似モデルの摩擦力に対
応する伝達関数と誤差とから，摩擦力特性を逆算するこ
とができる。その結果，空気圧制御弁の摩擦力と速度と
の非線型特性を求めることができる。このようにして求
められた摩擦力を近似モデルに入力することで，開度指
令値と摩擦力とから求められる近似モデルの出力（理論
弁開度）と，検出された弁開度との差分（誤差）はゼロ
になる。逆に言えば，誤差がゼロになるように摩擦力特
性が演算により求められる。

【００１１】より好ましい実施例では，この空気式制御
弁が，加圧水型軽水炉の蒸気発生器の水面レベルを制御
する主給水制御弁に適用される。この実施例によれば，
主給水制御弁の弁開度のハンチングが防止されシール材
の寿命を長くすることができると共に，弁開度の制御を
安定に行うことができ，蒸気発生器の水面レベルの制御
を安定して行うことができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態例を説明する。しかしながら、かかる実施の形
態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

【００１３】図１は，空気式制御弁が利用される加圧水
型軽水炉発電プラントの構成例を示す図である。原子炉
１０により加熱された一次冷却水が循環ポンプ１４によ
り循環路１２を介して蒸気発生器１６に送られ，蒸気発
生器１６内の二次冷却水16Wが加熱される。蒸気発生器
１６で発生した蒸気が，蒸気供給路１８を介して蒸気タ
ービン２０に供給され，タービンを回転する。タービン
の回転が発電器２２に伝えられ発電が行われる。タービ
ンを回転させた蒸気は，水となり給水ポンプ２４により
蒸気発生器１６に戻される。給水ポンプ２４と蒸気発生
器１６との間には，主給水制御弁２６が設けられ，ター
ビンの負荷の変動やポンプの脈動に対して蒸気発生器１
６の二次冷却水16Wの水面が所望のレベルに保たれるよ
うに，給水量が調整される。この主給水制御弁２６に，
空気圧制御弁が利用される。空気圧制御にすることで油
圧弁に比較してクリーンで安価にすることができる。

【００１４】給水量を調整するために，例えば蒸気発生
器１６の水面センサＳからの出力をモニタし，それが所
望レベルに保たれるように，制御部２８が主給水制御弁
２６に開度指令値ｒを出力し，主給水制御弁２６に与え
る。制御部２８は，水面センサＳの出力と所望の設定値
との誤差に従って，通常のＰＩ制御により開度指令値ｒ
を出力し，二次冷却水16Wの水面が所望の設定値に保た
れるように，弁開度を制御する。

【００１５】図２は，空気圧制御弁の構成図である。空
気圧制御弁は，流体の入り口３０と出口３２との間に開
口３３が設けられ，その開口３３に対して弁体３４が上
下することにより，弁開度が変化する。弁体３４は，ス
テム３５に取り付けられ，ステム３５は，空気圧制御部
４０内のメンブレン４２に接続されている。また，ステ
ム３５は，パッキンなどのシール材３６の間を通過して
取り付けられる。

【００１６】空気圧制御部４０には，大気圧につながる
第１の部屋４１と空気圧が制御される第２の部屋４３と
がメンブレン４２を隔てて形成され，指令値ｒに対応す
る空気圧の制御により，第２の部屋４３の空気圧が制御
され，メンブレン４２が上下に移動する。このメンブレ
ン４２の上下動によりステム３５が上下に移動し，弁体
３４が開口３３の開口面積を変化させる。

【００１７】ステムにはバネ３７が取り付けられ，ステ
ム３５を押し下げる方向にバネ力が働いている。従っ
て，空気圧を下げることでステム３５が下がり弁開度が
狭くなり，空気圧を上げることでステム３５が上がり弁
開度が広くなる。また，弁開度計４４が取り付けられ，
空気圧制御の結果実際にステムが移動した量により弁開
度ｘが検出可能になっている。

【００１８】空気圧制御は，油圧制御に比較してクリー
ンで安価であるが，図２に示される通り，第２の部屋４
３の空気圧を制御しても，空気自体の収縮性により直ち
にメンブレン４２を上下移動させることはできない。特
に，シール材３６とステム３５との間に摩擦力が発生し
ているので，その摩擦力に打ち勝つ圧力を与えないと，
ステム３５とメンブレン４２とを上下に移動させること
はできない。

【００１９】図３は，空気圧制御弁への指令ｒと応答ｘ
との関係を示す図である。横軸が時間を，縦軸が指令ｒ
と応答ｘの値を示す。図３の例では，指令値ｒが上下に
変化するのに対して，弁開度である応答ｘは，一定時間
の遅れを伴って追従している。この指令ｒの変化に対し
て応答ｘが遅延するのは，上記のステム３５とシール材
３６との間の摩擦力が原因である。

【００２０】図４は，ステムとシール材との間の摩擦力
ｆとステムの速度ｖとの関係を示す図である。横軸が摩
擦力ｆを，縦軸が速度ｖを示す。図４に示される通り，
摩擦力ｆと速度ｖとの関係は非線型特性を有する。即
ち，空気圧を上げるように制御してメンブレン４１を介
してステムに上向きの力をかけても，最初はその力と同
じ摩擦力が発生し，ステムは移動しない。つまり速度ｖ
はゼロである。更に空気圧を高くするように制御しステ
ムにより大きな上向きの力をかけると，最大の摩擦力に
打ち勝って，ステムが急に上昇し，ステム速度ｖはプラ
ス側に変化する。空気圧を下げるように制御する場合
も，同様になる。

【００２１】このように，空気圧制御弁は，空気圧を制
御する開度指令値ｒに対して得られる弁開度ｘは，線型
特性ではなく，図４に示された非線型特性を伴って変化
することが理解される。この非線型特性は，空気圧制御
弁に固有の固定的な特性ではなく，シール材の密封度に
よって或いはシール材の経年変化によって時々刻々変化
する特性である。

【００２２】図５は，本実施の形態例における主給水制
御弁の制御構成を示す図である。空気制御弁である主給
水制御弁２６は，図１に示した通り制御部２８からの開
度指令ｒによりその弁開度が制御される。制御部２８
は，蒸気発生器１６の水位計Ｓが検出した水位Ｌとあら
かじめ設定した水位設定値Lsとの差分ΔＬを求める差分
器５４と，差分ΔＬに従って開度指令値ｒをＰＩ制御に
より求める弁制御部５０と，弁制御部５０のＰＩ制御演
算の比例定数Kpを生成する摩擦同定部５２とを有する。

【００２３】摩擦同定部５２は，空気圧制御弁２６に入
力される開度指令値ｒと，それに伴って弁開度計４４に
より検出される弁開度ｘとから，空気圧制御弁２６の図
４に示したステムとシール材との間の摩擦力とステムの
速度との非線型特性を逐次同定する。そして，同定され
た摩擦力から求められるＰＩ制御用の比例定数Kpが，摩
擦同定部５２から弁制御部５０に供給される。

【００２４】摩擦同定部５２は，所定の期間にわたり開
度指令値ｒとそれに対応する弁開度ｘのデータを取得す
る。そして，後述する演算によりステムの速度と摩擦力
の関係を求める。弁開度は，開度指令値ｒに対するある
伝達関数により求められる値と，摩擦力ｆに対する伝達
関数により求められる値とを合算すた値になる。従っ
て，ある開度指令値ｒに対応する弁開度ｘはその伝達関
数により求めることができ，摩擦力ｆを無視して求めら
れた弁開度は，摩擦力の影響を受ける実際の弁開度との
間に誤差を有する。この誤差は摩擦力により生じること
は明らかである。従って，この誤差がゼロになるような
摩擦力特性を演算により求めることができれば，実際の
空気圧制御弁の非線型特性をリアルタイムに得ることが
できる。

【００２５】図６は，そのような知見によって構成され
た摩擦同定部５２の構成図である。摩擦同定部５２は，
開度指令値ｒと摩擦力ｆに対してある伝達関数で定義さ
れた実モデルの線型近似モデル６０と，摩擦力ｆと速度
ｖとの関係を定義する非線型特性モデル６２とを有す
る。摩擦同定部５２は，開度指令値ｒのデータを一定期
間分記録する媒体５４と，実モデル２６の実際の弁開度
Ｘのデータを一定期間分記録する媒体５６とを有する。
さらに，線型近似モデル６０が開度指令値ｒから求めら
れる弁開度Xmと，実モデルの弁開度Ｘとの差分を求める
差分器５８を有する。

【００２６】摩擦同定部５２では，所定時間分記録した
指令値ｒと実弁開度Ｘとを利用して，摩擦力ｆの特性が
次の通り求められる。線型近似モデル６０は，前述の通
り，開度指令値ｒと摩擦力ｆに対してある伝達関数Ｇ
１，Ｇ２に従って弁開度Ｘｍが求められるモデルであ
る。そこで，指令値ｒに対して理論値Ｘｍが線型近似モ
デル６０により求められ，実際の弁開度Ｘとの差分がエ
ラー値ｅ(t)として求められる。このエラー値ｅ(t)は，
指令値ｒに対して摩擦力ｆを考慮せずに求められた理論
値Ｘｍと実弁開度Ｘとの差分である。従って，摩擦力ｆ
に対する伝達関数Ｇ２によりこのエラー値ｅ(t)が求め
られると考えられる。

【００２７】 即ち，ｅ(t)＝ｆ(t)・Ｇ２(t) （１） であるので，ｆ(t)＝Ｇ２(t)^-1・ｅ(t) （２） なる演算を行うことで，摩擦力ｆ(t)の特性を求めるこ
とができる。

【００２８】但し，上記は時間領域での関数であるの
で，（２）式の演算を行うことができない。そこで，そ
れぞれの関数をフーリエ変換により周波数領域に変換し
て， ｆ（ω）＝Ｇ２（ω）^-1・ｅ（ω） （３） なる演算を行うことで，摩擦力ｆ（ω）が求められる。
更に，それを逆フーリエ変換することで，摩擦力の関数
ｆ(t)を求めることができる。以上の演算が摩擦力演算
器６４により行われる。

【００２９】一方，摩擦同定部５２は，微分演算器６６
により実弁開度Ｘを微分することで，弁の速度ｖ(t)を
求める。そして，それぞれ求められた摩擦力ｆ(t)と速
度ｖ(t)をｆ−ｖ座標上にプロットすることで，非線型
のｆ−ｖ特性を同定することができる。

【００３０】以上求められたｆ−ｖ特性（摩擦力・速度
特性）に基づく摩擦力ｆを指令値ｒと共に線型近似モデ
ル６０に入力することで，その出力の理論弁開度Ｘｍ
は，実際の弁開度Ｘに近い値になる。エラーｅ(t)がゼ
ロになるようなｆ−ｖ特性が同定されれば，その同定さ
れたｆ−ｖ特性は，実モデルの特性と同じということが
できる。

【００３１】一旦ｆ−ｖ特性が同定されると，その後も
開度指令値ｒと実弁開度Ｘとが継続してモニタされる。
そして，モニタされた開度指令値ｒと実弁開度Ｘとか
ら，上記と同様の演算によりｆ−ｖ特性が順次更新され
る。その結果，常に実モデルの特性と同じｆ−ｖ特性が
求められる。

【００３２】図５に戻り，以上同定されたｆ−ｖ特性に
基づいて得られるＰＩ制御用の比例定数Ｋｐが，摩擦同
定部５２から弁制御部５０に与えられる。つまり，実際
の弁の動きに従ってその都度求められる比例定数Ｋｐが
弁制御部５０に与えられるので，弁の経年変化により摩
擦力ｆと速度ｖの非線型特性が変動しても，最適な弁の
制御を提供することができる。

【００３３】以上、本発明の保護範囲は、上記の実施の
形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記
載された発明とその均等物にまで及ぶものである。

【００３４】

【発明の効果】以上、本発明によれば、実際の弁の動き
から摩擦力が同定されて，弁開度制御に利用されるの
で，より精度の高い弁開度制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】空気式制御弁が利用される加圧水型軽水炉発電
プラントの構成例を示す図である。

【図２】空気圧制御弁の構成図である。

【図３】空気圧制御弁への指令ｒと応答ｘとの関係を示
す図である。

【図４】ステムとシール材との間の摩擦力ｆとステムの
速度ｖとの関係を示す図である。

【図５】本実施の形態例における主給水制御弁の制御構
成を示す図である。

【図６】摩擦同定部の構成図である。

【符号の説明】

２６ 空気圧制御弁 ２８ 制御部 ４４ 弁開度計 ５０ 弁制御部 ５２ 摩擦同定部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ２１Ｄ 3/08 Ｇ２１Ｄ 1/00 Ｖ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空気圧により弁のステムを上下させて弁開
   度が制御される空気圧制御弁の制御装置において，前記
   空気圧を制御する開度指令値と前記弁開度とに従って，
   前記ステムとシール材との間の摩擦力とステムの速度と
   の関係を逐次求め，当該求めた速度と摩擦力との関係に
   従って所望の弁開度に対応する前記開度指令値を求める
   ことを特徴とする空気式制御弁の制御装置。
2. 【請求項２】請求項１において，前記開度指令値と弁開
   度とが所定時間モニタされ，前記摩擦力と速度との関係
   は，前記モニタされた前記開度指令値に対して，前記空
   気圧制御弁の近似モデルにより求められる近似弁開度
   と，前記モニタされた弁開度との誤差とから同定される
   摩擦力特性と，前記モニタされた弁開度を微分すること
   により求められる速度特性とにより求められることを特
   徴とする空気式制御弁の制御装置。