JP3556337B2 - 燃料取替機の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉における燃料取替機の制御装置に係わり、特に、インターナルポンプを備えた沸騰水型原子炉における燃料取替機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の沸騰水型原子炉では、圧力容器の外部に取り付けられた再循環ポンプによって炉水を駆動し、圧力容器内のジェットポンプによって炉心の冷却材を循環するようにしていた。しかしながら、この従来の沸騰水型原子炉においては、原子炉と再循環ポンプとを接続するための冷却材再循環配管が原子炉の外側に設けられていたため、さらなる安全性の向上を図るためにこの冷却材再循環配管を不要とする構成が望まれていた。そこで、この冷却材再循環配管を不要としてさらに安全性を高めるために、原子炉の内部にリアクターインターナルポンプ（以下「ＲＩＰ」と呼ぶ。）を配置するようにした改良型沸騰水型原子炉が提案されている。
【０００３】
この改良型沸騰水型原子炉は、図１６に示したように、圧力容器１の内部に炉心２が配置され、この炉心２の周囲に冷却材の流れを整えるためのシュラウド３が配置されている。そして、圧力容器１下部のシュラウド３の外側にはＲＩＰ４が配置されており、このＲＩＰ４は圧力容器１下部の外側に設けられたモータ５によって駆動される。ＲＩＰ４がモータ５によって駆動されると、圧力容器１内の冷却材はシュラウド３の外側から内側へ導かれ、冷却材が循環されて炉心流量が確保される。
【０００４】
ＲＩＰ４は、図１７に示したように、インペラ６、シャフト７、デフューザウエアリング８、デフューザ９及びストレッチチューブ１０からなる上部機器１１と、ポンプノズル１２及びモータケーシング１３からなる下部機器１４とによって構成されている。
【０００５】
上記ＲＩＰ４は、定期的に分解して取り外し、取り外した部品を圧力容器１外の別の場所で点検補修する必要がある。ＲＩＰ４を分解して取り外す際には、取り外された上部機器１１は圧力容器１とシュラウド３との間を通り、ダウンカマーの上部を通って燃料プールへと搬出される。また、点検補修が終了したら、同じ道筋を逆に辿って上部機器１１の据え付けが行われる。
【０００６】
前記搬出作業は、図１６に示したように燃料取替機１５によって行われる。この燃料取替機１５は、圧力容器１の上部と燃料貯蔵プールの上部との間をレール１６に乗って水平に移動（縦行）する走行台車（ブリッジ）１７と、この走行台車１７の上に横行可能に設けられた横行台車（トロリー）１８と、この横行台車１８からホイスト１９を介して吊り下げられたつかみ装置とを備えている。また、走行台車１７と横行台車１８はそれぞれサーボモータ２０、２１によって縦行及び横行する。
【０００７】
ＲＩＰ４の上部機器１１の取扱いは、ＲＩＰ４を交換するための専用のホイスト（ロープ）の巻上げ／下げによって行う。取扱いの対象となる部品は、図１７に示したインペラ６及びシャフト７、デフューザ９及びストレッチチューブ１０、デフューザウエアリング８及び上部プラグであり、それぞれに対して専用のつかみ具が使用される。
【０００８】
そして、ＲＩＰ４の上部機器の搬出作業は、運転員の指示によって、走行台車１７及び横行台車１８をＲＩＰ４の上方に移動させ、ホイスト１９を操作することによって実施する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ＲＩＰ４の取り替え作業は、改良型沸騰水型原子炉に特有の作業であり、この原子炉を導入することによって初めて発生した作業である。そして、この作業においては、圧力容器１とシュラウド３との間に形成された空間を介してＲＩＰ４を搬出／搬入する必要があるために、燃料取替機１５の走行台車（ブリッジ）１７の走行運転と横行台車（トロリー）１８の横行運転によって円周軌道を描く必要がある。
【００１０】
ところが、上述した燃料取替機１５は、燃料集合体の取替え作業用の機器であるために、炉心上方の水平面内を縦行方向及びこれに直交する横行方向に移動するのみであり、上述したＲＩＰ４の搬入／搬出の際に必要となる円周軌道に沿った動作には対応していなかった。このため、円周軌道運転には高度の技術が必要となり、また、長時間の監視が必要となって運転員の負担が大きくなり、被曝量も増加するという問題があった。
【００１１】
また、ＲＩＰ４を搬入／搬出する際の燃料取替機１５の運転範囲は、燃料集合体を搬入／搬出する場合と比較すると圧力容器１に接近しており、さらに、圧力容器１とシュラウド３との間隙（クリアランス）は小さい。このため、ＲＩＰ４の搬入／搬出操作においては、高精度の円周制御が必要となるという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明は、上述した問題点を解消し、燃料取替機の円周軌道運転を含めた運転を自動的に行い、運転員の負担及び被曝を低減し、安全かつ迅速にＲＩＰの搬入／搬出作業ができる燃料取替機の制御装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、走行レール上に縦行可能に設けられ走行駆動手段を有する走行台車と、この走行台車上に横行可能に設けられ横行駆動手段を有する横行台車と、この横行台車に設けられ取扱い物を吊るすためのホイストとを備えた燃料取替機を制御する制御装置であって、前記走行台車及び前記横行台車の位置を計測する走行及び横行位置計測手段と、前記走行台車及び前記横行台車の移動速度を計測する走行及び横行速度計測手段と、前記取扱い物の移動経路及び速度パターンを入力するための軌道設定インターフェースと、この軌道設定インターフェースに入力されたデータに基づいて軌道を計算する目標軌道計算手段と、前記走行及び横行位置計測手段並びに前記走行及び横行速度計測手段による計測位置及び計測速度に基づいて前記燃料取替機を前記目標軌道計算手段によって予め設定された軌道及び移動速度に制御する位置及び速度制御手段とを備え、前記移動経路は直線軌道と円周軌道とを含み、前記目標軌道計算手段は前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定加速度で加速して移動させるか、或いは前記一周期の間に一定加速度で減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定することを含むようにしたことを特徴とする。
【００１４】
ここで、走行駆動手段及び横行駆動手段はサーボモーターとすることができ、また、走行及び横行速度計測手段はサーボモーターの回転数を計測し、さらに、位置及び速度制御手段はサーボモータに駆動指令を出すようにすることができる。また、軌道設定インターフェースへのデータ入力は運転員が行うようにすることができる。
【００１５】
また、好ましくは、前記走行及び横行位置計測手段による計測位置と前記目標軌道計算手段による目標軌道との位置偏差の比例動作によって速度目標値を設定するようにする。
【００１８】
また、好ましくは、前記目標軌道計算手段は前記走行台車及び前記横行台車の移動軌道を円周軌道とし、その接線方向の速度成分を前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定加速度で増加させるか、或いは前記一周期の間に一定加速度で減少して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにする。
【００１９】
また、好ましくは、前記目標軌道計算手段は前記ホイストと取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定の正の加速度での加速と加速度ゼロでの等速度運動とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように移動させるか、或いは前記一周期の間に一定負の加速度での加速と加速度ゼロでの等速度運動とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにする。
【００２０】
また、好ましくは、前記目標軌道計算手段は前記走行台車及び前記横行台車の移動軌道を円周軌道とし、その接線方向の速度成分を前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定の正の加速度での加速と加速度ゼロでの等速度運動とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように移動させるか、或いは前記一周期の間に一定負の加速度での加速と加速度ゼロでの等速度運動とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにする。
【００２１】
また、好ましくは、前記目標軌道計算手段は前記走行台車及び前記横行台車の移動軌道の速度成分を前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定の正の加速度での加速と負の加速度での減速とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように移動させるか、或いは前記一周期の間に一定負の加速度での減速と正の加速度での加速とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにする。
【００２２】
また、好ましくは、前記目標軌道計算手段は前記走行台車及び前記横行台車の移動軌道を円周軌道とし、その接線方向の速度成分を前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定の正の加速度での加速と負の加速度での減速とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように移動させるか、或いは前記一周期の間に一定負の加速度での減速と正の加速度での加速とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにする。
【００２３】
また、好ましくは、前記目標軌道計算手段は微小距離を移動するときの加速時間を前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期となるように加速度を設定し、この一定加速度で加速して移動させるか、或いは前記一周期の間に一定加速度で減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による燃料取替機の制御装置の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、上述した従来例と同一部材には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２５】
図１は本実施形態の概略を示した構成図であり、図２は本実施形態の制御の概略ブロックと燃料取替機、原子炉を示した図である。本実施形態では、まずはじめに燃料取替機の移動経路入力部で移動目標位置を入力する。すなわち、ＣＲＴ等のマンマシンインターフェースを用いて燃料取替機の走行台車（ブリッジ）及び横行台車（トロリー）の位置をどこからどこへ移動させるかについての目標位置を設定する。次に、位置速度制御器では、はじめに、目標軌道計算部でこの設定位置から直線軌道や円周軌道などの軌道を計算し、それぞれブリッジ及びトロリーの目標軌道とする。ここで、この目標軌道は時間の関数となる。そして、それぞれの目標軌道に対してそれぞれブリッジ及びトロリーの速度及び位置をフィードバックして、その偏差がゼロとなるように演算し、これによる出力をそれぞれブリッジ及びトロリーの目標速度とする。
【００２６】
さらに、この速度目標値に追従するよう速度制御器がブリッジ及びトロリーを駆動するサーボモータの回転速度指令を出力し、ブリッジ及びトロリーの位置及び速度を制御することになる。ここで、ブリッジ及びトロリーのそれぞれの位置及びモータの回転速度は、図２に示した位置及び速度計測装置２２，２３を用いて測定する。
【００２７】
次に、目標軌道設定インターフェース、移動経路入力部及び位置速度制御器について詳述する。
目標軌道設定部では、例えば図３に示したＲＩＰの上部機器の移動軌道のような移動経路を指定する。ここで、ＲＩＰの上部機器の移動軌道は、まずはじめに使用済み燃料プールの保管ラック内にある上部機器を吊り上げ（Ａ→Ｂ）、平行移動し（Ｂ→Ｃ→Ｄ）、原子炉ウェル内で円周動作してシュラウドフランジの切欠き部の上部へ持ってくる（Ｄ→Ｅ）。そして、このシュラウドフランジの切欠き部を通し（Ｅ→Ｆ→Ｇ→Ｈ→Ｉ）、切欠き部以下を円周動作して（Ｉ→Ｊ）、ＲＩＰ据付位置まで下ろして据え付けを行う。ここで、経路（Ｄ→Ｅ）と経路（Ｉ→Ｊ）は円周運動となる。
【００２８】
前記円周運動における目標位置の指定は、図４に示したようにＲＩＰの配置図を用いて指定することができる。ここで、目標位置は、マウス、ジョイスティック、トラッカーボール、ハンドル等の操作具を使って画面上で指定することができる。
【００２９】
次に、位置速度制御器の目標軌道計算部について説明する。
目標軌道に沿って燃料取替機や取扱い物を移動させる際には、移動時間の短縮と安全性の確保のために、取扱い物の揺れが移動中でも移動後でも最小であり、圧力容器やシュラウドとは十分に距離があることが必要である。したがって、この振れが最も小さくなるように制御することが望ましい。そこで、燃料取替機及び取扱い物の振れの運動と振れの最小化の方法を以下に示す。
【００３０】
燃料取替機及び取扱い物の運動モデルは以下のように定式化される。
まず、ブリッジ及びトロリーはそれぞれ質点とする。ホイスト及び取扱い物は剛体とし、トロリーとホイスト、ホイストとＲＩＰの結合はφ、θ方向２自由度とし、水平方向動作中のホイストの長さは一定とする（ホイストの伸縮は考慮しない）。
【００３１】
このように仮定すると、燃料取替機の運動モデルはホイストの質量も考慮した場合には図５に示したように２重振り子となる。但し、ＲＩＰ取扱い物を質点と考え、ホイストの質量を無視した場合には単振り子となる。
【００３２】
図５を参照して２重振り子系の運動方程式を以下に示す。
空間振り子の運動方程式は、以下のようにして求められる。
まず、はじめに運動エネルギーＴは次式で表される。
【００３３】
【数１】
ｍｉ：トロリー／ブリッジ（ｉ＝０）、ホイスト（ｉ＝１）及び取扱い物（ｉ＝２）の質量
ｖｃｉ：トロリー／ブリッジ、ホイスト及び取扱い物の速度
ωｃｉ：トロリー／ブリッジ、ホイスト及び取扱い物の角速度
Ｉｃｉ：トロリー／ブリッジ、ホイスト及び取扱い物の慣性モーメント
次に、ポテンシャルエネルギーＵは次式で表される。
【００３４】
【数２】
ｒ０、ｃｉ：ホイスト及び取扱い物の位置
ｇ：重力加速度
以上より、系のラグランジアンＬはＬ＝Ｔ−Ｕより求めることができる。
【００３５】
また、抵抗による損失エネルギーＤは、次式で与えられる。
【００３６】
【数３】
したがって、外力をＱとすると運動方程式は次式で与えられる。
【００３７】
【数４】
ここで、ｑｉは系内での一般化座標であり、次式で表される。
ｑｉ ＝（ｘ０ ｉ ，ｙ０ ｉ ，θｉ ，φｉ ）Ｔ （５）
重心の速度をｖｃｉ＝ｊＬｉｑ（ｑ：ｎｘｌベクトル）、重心回りの角速度をωｉ＝ＪＡｉｑとすれば、運動エネルギーＴは、次式で表される。
【００３８】
【数５】
したがって、式（２）、式（３）から運動方程式は次のようになる。
【００３９】
【数６】
ここで、第１項は慣性力、第２項はコリオリ力、第３項は重力、第５項は抵抗力で、それぞれのｎ×ｎ行列Ｇ及びＥは次式で与えられる。
【００４０】
【数７】
また、Ｑｉはこの振り子系に加わる外力である。
【００４１】
単振り子の場合にはθ２＝０とすればよい。また、ここで取扱い物の種類により重量及びロープ長、取扱い物等の特性パラメータが異なる。
【００４２】
また、水中での抵抗力は速度の２乗に比例するとし、抵抗力はその物体の重心に外力として加わるとすると、流体による抵抗力は以下のモデルで求められる。
【００４３】
【数８】
ｖ：流体或いは物体の速度
Ａ：代表面積（物体の流れに垂直な面に対する投影面積）
ρ：流体の密度
ＣＤ ：抗力係数
【００４４】
直径２０ｃｍ程度のインペラーシャフト等を水中で燃料取替機の移動速度範囲で動かした場合にはレイノズル数は１．０×１０３ 程度となり、このときの抗力係数ＣＤ は〜１．０となる。
【００４５】
一般的には上式でモデルは表せるが、ＲＩＰの交換作業においては、これを単純化して単振り子で近似することも可能である。
【００４６】
図６は、インペラーシャフトを吊り移動した際の振れを評価したものである。トロリーは一方向（ｘ方向）へのみ動かし、流体による抵抗は無視している。図６ａは、単振り子で近似した場合の結果である。トロリーを図中（１）で示したようにステップ状の加速度で加速し、次に図中（２）で示したように等速度運動させた場合である。単振り子であるため、図中（３）で示したホイストの振れ角はほぼ正弦波となっており、その結果、取扱い物の振れ幅も正弦波となっている。
【００４７】
一方、図６ｂは、ホイストの重量を考慮して、２重振り子としてモデル化し、シミュレーションした結果である。ホイストの重量の影響によって取扱い物もホイストに対して揺れることになり、θ２に対して小さな振動が出ている。これにより取扱い物も正弦波から少しずれているが、単振り子モデル（図６ａ）と２重振り子モデル（図６ｂ）との間で振幅には大きな差はない。したがって、ＲＩＰの交換作業モデルとしては、単振り子で近似することができる。
【００４８】
このように単振り子モデルで振れを近似できるので、単一方向でも移動時には取扱い物の振幅は解析的に求められる。トロリーを図６に示したようなステップ状の加速度パターンで加速したときの取扱い物の振幅ｗは、取扱い物の慣性モーメントを無視すると次式によって与えられる。
【００４９】
【数９】
したがって、ホイストが長い場合及び長い取扱い物を吊った場合に振れが大きくなる。また、取扱い物の振れ幅は、加速度のレベルＸ０ ’’（「’」は微分を示す。以下同じ。）に比例することが分かる。したがって、加減速時の加速度を小さくすることにより振動の振幅を小さくすることができる。
【００５０】
また、
【００５１】
【数１０】
が小さい場合、すなわち加速度が大きく速度が小さい加速時間の短い場合にはｓｉｎＸ＝Ｘと近似できるので、振幅Ｗは、
【００５２】
【数１１】
となる。このときは速度を小さくすることによって揺れを小さくすることができる。
【００５３】
図７は、速度Ｘ０’、加速度Ｘ０’’と振幅Ｗの関係を示したものである。トロリーの運動の加速度が小さい方が振れの振幅は小さく、同じ加速度のときは速度Ｘ０’／加速度Ｘ０’’より求められる加速時間が振り子の周期のときに最大となり、加速時間がちょうど振動の１周期である場合に振動がゼロになる。したがって、加速時間をこの周期にすることにより残留振れを抑えることができる。
【００５４】
また、決められた加速度で微小距離を移動するときには加速時間が振動の一周期に満たない場合がある。このときは、加速周期が振動の一周期になるように加速度を小さくする方法がある。すなわち、
【００５５】
【数１２】
より加速度を求めれば良い。
【００５６】
次に、残留振れの抑制方法の他の例について説明する。この例では、速度パターンを変えることによって残留振れを抑制する。
【００５７】
図５において、直線運動を行い、流体抵抗を無視した場合の単振り子モデルは以下のようになる。
【００５８】
【数１３】
となる。
【００５９】
この振動を規格化した角速度と角度を位相平面上に表すと図８ａに示したようになる。すなわち、はじめに角速度θ’と角度θが（０，０）の点から出発して加速すると加速度レベルｕにより点Ａ（０，ｕ）を中心とした円を描くことになる。そして、加速度がゼロになれば、その点から原点を中心とした円を描く。ここで、振動が停止する状態は原点であるから、再び原点に戻し、このときに加速度をゼロとすることにより振れはなくなる。
【００６０】
ここで、振れ止め制御としては次の３種類が考えられる。
１）上述したように一定加速度で加速し、原点に復帰するまで１周期待つ方法（以下「１周期コンスタント制御」と呼ぶ。）。
２）図８ｂに示したように、加速の途中で加速度をゼロとし、原点を中心とした円でつなぎ、再び加速して原点に復帰させる方法（以下「オンオフ制御」と呼ぶ。）。
３）図９に示したように、加速の途中で加速の符号を切り換えて減速し、点Ａ’を中心とした円でつなぎ、再び加速して原点に復帰させる方法（以下「加速減速制御」と呼ぶ。）。
【００６１】
上記２）、３）は加速と加速度をゼロとすること及び減速を２回切り替えた対称な制御であり、最短時間での加速及び停止制御となっている。ここで、２）における加速の周期は以下の式により求められる。
【００６２】
すなわち、切り替え後のトロリーの速度が、ある目標速度Ｖｍａｘとなるように加速度Ｘ０’’で２ζの間加速するので、
Ｖｍａｘ ＝ｘ０ ・２ζ／ω （１８）
となる。
【００６３】
また、一周期の間に原点に戻らなければならないから、
η＝２ａｒｃｔａｎ［ｓｉｎ ζ／（１−ｃｏｓ ζ）］ （１９）
と非加速時間となる。すなわち、ζ時間加速度Ｘ０’’で加速し、η時間加速を止め、再びζ時間の間加速することによりトロリーは速度Ｖｍａｘで等速運動し、かつホイスト及び取扱い物の振れはなくなる。
【００６４】
また、３）の場合は次式により求められる。
すなわち、切り替え後の速度が目標速度となるよう加速度Ｘ０’’で２ζの間加速し、ηの間−Ｘ０’’で減速するので、
【００６５】
【数１４】
となる。
【００６６】
また、一周期の間に原点に戻らなければならないから、
η＝２ａｒｃｔａｎ［ｓｉｎ ζ／（２−ｃｏｓ ζ）］ （２１）
ここで、０≦ζ≦π、０≦η≦π／２とする。オンオフ制御の場合と同様に上式よりζとηを求めれば、それらが加速時間と減速時間になる。すなわち、ζ時間加速度Ｘ０’’で加速し、η時間減速し、再びζ時間の間加速することにより、トロリーは速度Ｖｍａｘで等速運動し、かつホイスト及び取扱い物の振れはなくなる。
【００６７】
上記ケースはトロリー及びブリッジの運動が直線運動の場合を想定しているが、円周運動の場合もその接線方向の速度成分を上記１）、２）及び３）のように設定することにより振れ止め制御を行うことができる。
【００６８】
式（２）は直線運動のときの動作であるが、円周動作のときの振れ幅は以下のようになる。ここで、例として、図１０に示したような半径Ｒの円周軌道を点Ａから出発し、１／４移動する軌道を考える。この場合、目標速度は円周動作をするため次のようになる。
【００６９】
【数１５】
ここで、（ｘ０，ｙ０）は燃料取替機の動作円周上の位置である。
また、接線方向の速度成分Ｒｄα／ｄｔが指定の速度パターンを取るように設定する。
【００７０】
円周動作をするためには、はじめにトロリー（ｙ方向成分）を目標速度（例えば３ｍ／ｍｉｎ）に立ち上げ、徐々に減速していく。そして、１／４周移動したときにトロリーの速度はゼロとなる。また、ブリッジは停止状態から少しづつ速度を上げ、１／４周移動した点Ｂでは速度は約３ｍ／ｍｉｎとなる。
【００７１】
ここで評価すべきは、Ｘ（ブリッジ）方向及びＹ方向（トロリー）方向の取扱い物の先端の振れ及び次式で示す取扱い物先端の燃料取替機軌道からの偏差ｄである。
【００７２】
【数１６】
ｘ１：取扱い物の先端のＸ座標
ｙ１：取扱い物の先端のＹ座標
次に、上述の方法で設定した目標軌道にトロリー及びブリッジを追従させる手順について図１１を参照して説明する。なお、目標軌道及び速度パターンの設定方法は図１１の手順の（１）ホイスト／ＲＩＰ結合体の振動周期計算（ステップ２）、（２）速度パターン設定（ステップ３）、（３）目標位置の計算（ステップ５乃至８）からなる。以下、それぞれについて説明する。
（１）ホイスト／ＲＩＰ結合体の振動周期計算（ステップ２）
燃料取替機のホイスト及び取扱い物の種類、長さ、重量を入力したら（ステップ１）、次式によってホイスト／ＲＩＰ結合体の振動周期を求める。
【００７３】
【数１７】
Ｔ：周期
ｌ：取扱い物重心までの距離
ｇ：９．８ｍ／ｓ２
取扱い物重心までの距離はホイスト長と吊り下げ物の長さ及び重量を入力して求める。
（２）速度パターン設定（ステップ３）
接線方向の速度パターンを設定し、ホイスト／吊り下げ物からなる振り子の一周期で加減速するように速度パターンを決める。加速時間が短く半径Ｒが十分大きいため、接線方向成分を設定することで振れ止めを行う。
【００７４】
振れ止め制御の方法としては、１）１周期コンスタント制御、２）オンオフ制御、３）加速減速制御があるが、これらの中から一つを選択することになる。
【００７５】
１周期コンスタント制御の場合には、接線方向の加速度ｕｈ を以下のように設定する。
【００７６】
【数１８】
Ｖｍａｘ：最大速度
角加速度α’’は、円周軌道の半径をＲとして次式で与えられる。
【００７７】
【数１９】
そして、角速度α’、角度αは、以下のように上式を積分して求められる。
【００７８】
【数２０】
同様にして、２）のオンオフ制御の場合も、３）の加速減速制御の場合も、式（１８）、（１９）及び式（２０）、（２１）を用いて速度パターンを求めることができる。
（３）目標位置の計算（ステップ５乃至８）
上記角度αを時間ｔの関数α（ｔ）として与え、これによりブリッジ及びトロリーの目標位置ｘｔ ，ｙｔ を次式によって計算する。
【００７９】
【数２１】
このようにブリッジ及びトロリーの目標位置を時間の関数として求めたら、図１のトロリー及びブリッジのそれぞれの位置決め制御において、この目標値と実際の測定位置の偏差に比例ゲインを掛け、以下の速度サーボ系の速度目標値ｖｘ、ｖｙとする。
ｖｘ＝ＫＢ （ｘｔ −ｘ） （２９）
ｖｙ＝ＫＴ （ｙｔ −ｙ）
ｘ，ｙ：それぞれブリッジ及びトロリーの位置
ＫＢ ，ＫＴ ：それぞれの比例ゲイン
また、ここで目標値と実際の測定位置の偏差に比例ゲイン及び積分動作を加え、下記のように速度制御系の回転速度指令としてもよい。
【００８０】
【数２２】
ＫＢ，Ｉ ，ＫＴ，Ｉ ：それぞれの積分ゲイン
図１２（ａ）（ｂ）は円周動作におけるトロリーの速度制御の応答を示したものであり、式の比例制御のみを用いた場合である。トロリーの目標位置と実際の位置、速度及び加速度を示したものである。トロリー位置は目標位置に対して微小量遅れるが、ブリッジも同様に遅れるため、ホイストの位置の円周軌道からのずれはほとんどないことが分かる。
【００８１】
次に、上述した実施形態の振れ止め制御の効果について説明する。
前記３種類の制御方法、すなわち、１）１周期コンスタント制御、２）オンオフ制御、３）加速減速制御のそれぞれについて、円周制御時の振れ止め制御の効果をシミュレーションしたケースを以下に示す。
【００８２】
図１３は円周の接線方向の加速度及び速度のパターンを示したものである。図１３（１）は、１）１周期コンスタント制御、すなわち、Ｔ１を一周期としてこの間に一定加速度で加速する加速パターンを示している。図１３（２）は、２）オンオフ制御、すなわち、加速と停止を組み合わせる加速パターンを示している。図１３（３）は、３）加速減速制御、すなわち、加速と減速を組み合わせる加速パターンを示している。
【００８３】
図１４は、振れ止め制御を行わなかった場合を示しており、加速パターンは図１３（１）のように角加速度が一定値で加速するようトロリー及びブリッジの目標速度を決めた場合である。但し、加速する時間はホイストと取扱い物からなる振り子の周期とは一致していない。この場合、取扱い物の先端の円周軌道からのずれは小さいが、ｙ（トロリー方向）の振れが大きいことが分かる。
【００８４】
また、図１５ａは、１周期コンスタント制御で振れ止めを行った場合である。すなわち、式からホイストと取扱い物からなる振り子の周期を求め、その周期の間だけ加速するように加速時間と角加速度レベルを求め、これにより目標円軌道を与えたものである。ｙ方向の振動は初期の加速によるものだけに抑えられており、振動抑制効果があることが分かる。
【００８５】
図１５ｂは、オンオフ制御により振れ止め制御を行った場合である。図１５ａと同様にｙ方向の振動は初期の加速によるものだけで３０ｍｍ程度に抑えられており、振動抑制効果があることが分かる。
【００８６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、リアクターインターナルポンプ（ＲＩＰ）の搬入／搬出作業及び燃料取り替え作業において、円周軌道運転を自動的に迅速且つ的確に行うことができるので、作業効率を大幅に向上することができると共に、運転員の作業負担及び被曝量を軽減して安全に作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の概略を示した構成図。
【図２】同実施形態の概略ブロック及び燃料取替機・原子炉を示した図。
【図３】インターナルポンプの搬入／搬出時の移動経路を示した説明図。
【図４】インターナルポンプの配置を示した平面図。
【図５】ホイストと取扱い物とをモデル化した説明図。
【図６】取扱い物の振れの評価結果を示したグラフ。
【図７】加速度と振幅との関係を示したグラフ。
【図８】位相平面上の奇跡を示した図。
【図９】位相平面上の奇跡を示した図。
【図１０】トロリー及びブリッジの座標設定例を示した図。
【図１１】目標軌道及び速度パターンの設定手順を示したフローチャート。
【図１２】円周動作におけるトロリーの速度制御の応答を示したグラフ。
【図１３】円周の接線方向の加速度及び速度の各種パターンを示した図。
【図１４】振れ止め制御を行わなかった場合の円周制御結果を示したグラフ。
【図１５】振れ止め制御を行なった場合の円周制御結果を示したグラフ。
【図１６】燃料取替機及び原子炉を示した概略図。
【図１７】インターナルポンプの構成を示した分解図。
【符号の説明】
１ 圧力容器
２ 炉心
３ シュラウド
４ リアクタインターナルポンプ（ＲＩＰ）
５ モータ
１５ 燃料取替機
１６ レール
１７ 走行台車（ブリッジ）
１８ 横行台車（トロリー）
１９ ホイスト
２０、２１ サーボモータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉における燃料取替機の制御装置に係わり、特に、インターナルポンプを備えた沸騰水型原子炉における燃料取替機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の沸騰水型原子炉では、圧力容器の外部に取り付けられた再循環ポンプによって炉水を駆動し、圧力容器内のジェットポンプによって炉心の冷却材を循環するようにしていた。しかしながら、この従来の沸騰水型原子炉においては、原子炉と再循環ポンプとを接続するための冷却材再循環配管が原子炉の外側に設けられていたため、さらなる安全性の向上を図るためにこの冷却材再循環配管を不要とする構成が望まれていた。そこで、この冷却材再循環配管を不要としてさらに安全性を高めるために、原子炉の内部にリアクターインターナルポンプ（以下「ＲＩＰ」と呼ぶ。）を配置するようにした改良型沸騰水型原子炉が提案されている。
【０００３】
この改良型沸騰水型原子炉は、図１６に示したように、圧力容器１の内部に炉心２が配置され、この炉心２の周囲に冷却材の流れを整えるためのシュラウド３が配置されている。そして、圧力容器１下部のシュラウド３の外側にはＲＩＰ４が配置されており、このＲＩＰ４は圧力容器１下部の外側に設けられたモータ５によって駆動される。ＲＩＰ４がモータ５によって駆動されると、圧力容器１内の冷却材はシュラウド３の外側から内側へ導かれ、冷却材が循環されて炉心流量が確保される。
【０００４】
ＲＩＰ４は、図１７に示したように、インペラ６、シャフト７、デフューザウエアリング８、デフューザ９及びストレッチチューブ１０からなる上部機器１１と、ポンプノズル１２及びモータケーシング１３からなる下部機器１４とによって構成されている。
【０００５】
上記ＲＩＰ４は、定期的に分解して取り外し、取り外した部品を圧力容器１外の別の場所で点検補修する必要がある。ＲＩＰ４を分解して取り外す際には、取り外された上部機器１１は圧力容器１とシュラウド３との間を通り、ダウンカマーの上部を通って燃料プールへと搬出される。また、点検補修が終了したら、同じ道筋を逆に辿って上部機器１１の据え付けが行われる。
【０００６】
前記搬出作業は、図１６に示したように燃料取替機１５によって行われる。この燃料取替機１５は、圧力容器１の上部と燃料貯蔵プールの上部との間をレール１６に乗って水平に移動（縦行）する走行台車（ブリッジ）１７と、この走行台車１７の上に横行可能に設けられた横行台車（トロリー）１８と、この横行台車１８からホイスト１９を介して吊り下げられたつかみ装置とを備えている。また、走行台車１７と横行台車１８はそれぞれサーボモータ２０、２１によって縦行及び横行する。
【０００７】
ＲＩＰ４の上部機器１１の取扱いは、ＲＩＰ４を交換するための専用のホイスト（ロープ）の巻上げ／下げによって行う。取扱いの対象となる部品は、図１７に示したインペラ６及びシャフト７、デフューザ９及びストレッチチューブ１０、デフューザウエアリング８及び上部プラグであり、それぞれに対して専用のつかみ具が使用される。
【０００８】
そして、ＲＩＰ４の上部機器の搬出作業は、運転員の指示によって、走行台車１７及び横行台車１８をＲＩＰ４の上方に移動させ、ホイスト１９を操作することによって実施する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ＲＩＰ４の取り替え作業は、改良型沸騰水型原子炉に特有の作業であり、この原子炉を導入することによって初めて発生した作業である。そして、この作業においては、圧力容器１とシュラウド３との間に形成された空間を介してＲＩＰ４を搬出／搬入する必要があるために、燃料取替機１５の走行台車（ブリッジ）１７の走行運転と横行台車（トロリー）１８の横行運転によって円周軌道を描く必要がある。
【００１０】
ところが、上述した燃料取替機１５は、燃料集合体の取替え作業用の機器であるために、炉心上方の水平面内を縦行方向及びこれに直交する横行方向に移動するのみであり、上述したＲＩＰ４の搬入／搬出の際に必要となる円周軌道に沿った動作には対応していなかった。このため、円周軌道運転には高度の技術が必要となり、また、長時間の監視が必要となって運転員の負担が大きくなり、被曝量も増加するという問題があった。
【００１１】
また、ＲＩＰ４を搬入／搬出する際の燃料取替機１５の運転範囲は、燃料集合体を搬入／搬出する場合と比較すると圧力容器１に接近しており、さらに、圧力容器１とシュラウド３との間隙（クリアランス）は小さい。このため、ＲＩＰ４の搬入／搬出操作においては、高精度の円周制御が必要となるという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明は、上述した問題点を解消し、燃料取替機の円周軌道運転を含めた運転を自動的に行い、運転員の負担及び被曝を低減し、安全かつ迅速にＲＩＰの搬入／搬出作業ができる燃料取替機の制御装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、走行レール上に縦行可能に設けられ走行駆動手段を有する走行台車と、この走行台車上に横行可能に設けられ横行駆動手段を有する横行台車と、この横行台車に設けられ取扱い物を吊るすためのホイストとを備えた燃料取替機を制御する制御装置であって、前記走行台車及び前記横行台車の位置を計測する走行及び横行位置計測手段と、前記走行台車及び前記横行台車の移動速度を計測する走行及び横行速度計測手段と、前記取扱い物の移動経路及び速度パターンを入力するための軌道設定インターフェースと、この軌道設定インターフェースに入力されたデータに基づいて軌道を計算する目標軌道計算手段と、前記走行及び横行位置計測手段並びに前記走行及び横行速度計測手段による計測位置及び計測速度に基づいて前記燃料取替機を前記目標軌道計算手段によって予め設定された軌道及び移動速度に制御する位置及び速度制御手段とを備え、前記移動経路は直線軌道と円周軌道とを含み、前記目標軌道計算手段は前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定加速度で加速して移動させるか、或いは前記一周期の間に一定加速度で減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定することを含むようにしたことを特徴とする。
【００１４】
ここで、走行駆動手段及び横行駆動手段はサーボモーターとすることができ、また、走行及び横行速度計測手段はサーボモーターの回転数を計測し、さらに、位置及び速度制御手段はサーボモータに駆動指令を出すようにすることができる。また、軌道設定インターフェースへのデータ入力は運転員が行うようにすることができる。
【００１５】
また、好ましくは、前記走行及び横行位置計測手段による計測位置と前記目標軌道計算手段による目標軌道との位置偏差の比例動作によって速度目標値を設定するようにする。
【００１８】
また、好ましくは、前記目標軌道計算手段は前記走行台車及び前記横行台車の移動軌道を円周軌道とし、その接線方向の速度成分を前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定加速度で増加させるか、或いは前記一周期の間に一定加速度で減少して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにする。
【００１９】
また、好ましくは、前記目標軌道計算手段は前記ホイストと取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定の正の加速度での加速と加速度ゼロでの等速度運動とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように移動させるか、或いは前記一周期の間に一定負の加速度での加速と加速度ゼロでの等速度運動とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにする。
【００２０】
また、好ましくは、前記目標軌道計算手段は前記走行台車及び前記横行台車の移動軌道を円周軌道とし、その接線方向の速度成分を前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定の正の加速度での加速と加速度ゼロでの等速度運動とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように移動させるか、或いは前記一周期の間に一定負の加速度での加速と加速度ゼロでの等速度運動とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにする。
【００２１】
また、好ましくは、前記目標軌道計算手段は前記走行台車及び前記横行台車の移動軌道の速度成分を前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定の正の加速度での加速と負の加速度での減速とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように移動させるか、或いは前記一周期の間に一定負の加速度での減速と正の加速度での加速とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにする。
【００２２】
また、好ましくは、前記目標軌道計算手段は前記走行台車及び前記横行台車の移動軌道を円周軌道とし、その接線方向の速度成分を前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定の正の加速度での加速と負の加速度での減速とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように移動させるか、或いは前記一周期の間に一定負の加速度での減速と正の加速度での加速とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにする。
【００２３】
また、好ましくは、前記目標軌道計算手段は微小距離を移動するときの加速時間を前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期となるように加速度を設定し、この一定加速度で加速して移動させるか、或いは前記一周期の間に一定加速度で減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による燃料取替機の制御装置の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、上述した従来例と同一部材には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２５】
図１は本実施形態の概略を示した構成図であり、図２は本実施形態の制御の概略ブロックと燃料取替機、原子炉を示した図である。本実施形態では、まずはじめに燃料取替機の移動経路入力部で移動目標位置を入力する。すなわち、ＣＲＴ等のマンマシンインターフェースを用いて燃料取替機の走行台車（ブリッジ）及び横行台車（トロリー）の位置をどこからどこへ移動させるかについての目標位置を設定する。次に、位置速度制御器では、はじめに、目標軌道計算部でこの設定位置から直線軌道や円周軌道などの軌道を計算し、それぞれブリッジ及びトロリーの目標軌道とする。ここで、この目標軌道は時間の関数となる。そして、それぞれの目標軌道に対してそれぞれブリッジ及びトロリーの速度及び位置をフィードバックして、その偏差がゼロとなるように演算し、これによる出力をそれぞれブリッジ及びトロリーの目標速度とする。
【００２６】
さらに、この速度目標値に追従するよう速度制御器がブリッジ及びトロリーを駆動するサーボモータの回転速度指令を出力し、ブリッジ及びトロリーの位置及び速度を制御することになる。ここで、ブリッジ及びトロリーのそれぞれの位置及びモータの回転速度は、図２に示した位置及び速度計測装置２２，２３を用いて測定する。
【００２７】
次に、目標軌道設定インターフェース、移動経路入力部及び位置速度制御器について詳述する。
目標軌道設定部では、例えば図３に示したＲＩＰの上部機器の移動軌道のような移動経路を指定する。ここで、ＲＩＰの上部機器の移動軌道は、まずはじめに使用済み燃料プールの保管ラック内にある上部機器を吊り上げ（Ａ→Ｂ）、平行移動し（Ｂ→Ｃ→Ｄ）、原子炉ウェル内で円周動作してシュラウドフランジの切欠き部の上部へ持ってくる（Ｄ→Ｅ）。そして、このシュラウドフランジの切欠き部を通し（Ｅ→Ｆ→Ｇ→Ｈ→Ｉ）、切欠き部以下を円周動作して（Ｉ→Ｊ）、ＲＩＰ据付位置まで下ろして据え付けを行う。ここで、経路（Ｄ→Ｅ）と経路（Ｉ→Ｊ）は円周運動となる。
【００２８】
前記円周運動における目標位置の指定は、図４に示したようにＲＩＰの配置図を用いて指定することができる。ここで、目標位置は、マウス、ジョイスティック、トラッカーボール、ハンドル等の操作具を使って画面上で指定することができる。
【００２９】
次に、位置速度制御器の目標軌道計算部について説明する。
目標軌道に沿って燃料取替機や取扱い物を移動させる際には、移動時間の短縮と安全性の確保のために、取扱い物の揺れが移動中でも移動後でも最小であり、圧力容器やシュラウドとは十分に距離があることが必要である。したがって、この振れが最も小さくなるように制御することが望ましい。そこで、燃料取替機及び取扱い物の振れの運動と振れの最小化の方法を以下に示す。
【００３０】
燃料取替機及び取扱い物の運動モデルは以下のように定式化される。
まず、ブリッジ及びトロリーはそれぞれ質点とする。ホイスト及び取扱い物は剛体とし、トロリーとホイスト、ホイストとＲＩＰの結合はφ、θ方向２自由度とし、水平方向動作中のホイストの長さは一定とする（ホイストの伸縮は考慮しない）。
【００３１】
このように仮定すると、燃料取替機の運動モデルはホイストの質量も考慮した場合には図５に示したように２重振り子となる。但し、ＲＩＰ取扱い物を質点と考え、ホイストの質量を無視した場合には単振り子となる。
【００３２】
図５を参照して２重振り子系の運動方程式を以下に示す。
空間振り子の運動方程式は、以下のようにして求められる。
まず、はじめに運動エネルギーＴは次式で表される。
【００３３】
【数１】
ｖｃｉ：トロリー／ブリッジ、ホイスト及び取扱い物の速度
ωｃｉ：トロリー／ブリッジ、ホイスト及び取扱い物の角速度
Ｉｃｉ：トロリー／ブリッジ、ホイスト及び取扱い物の慣性モーメント
次に、ポテンシャルエネルギーＵは次式で表される。
【００３４】
【数２】
ｇ：重力加速度
以上より、系のラグランジアンＬはＬ＝Ｔ−Ｕより求めることができる。
【００３５】
また、抵抗による損失エネルギーＤは、次式で与えられる。
【００３６】
【数３】
【００３７】
【数４】
ｑｉ ＝（ｘ０ ｉ ，ｙ０ ｉ ，θｉ ，φｉ ）Ｔ （５）
重心の速度をｖｃｉ＝ｊＬｉｑ（ｑ：ｎｘｌベクトル）、重心回りの角速度をωｉ＝ＪＡｉｑとすれば、運動エネルギーＴは、次式で表される。
【００３８】
【数５】
【００３９】
【数６】
【００４０】
【数７】
【００４１】
単振り子の場合にはθ２＝０とすればよい。また、ここで取扱い物の種類により重量及びロープ長、取扱い物等の特性パラメータが異なる。
【００４２】
また、水中での抵抗力は速度の２乗に比例するとし、抵抗力はその物体の重心に外力として加わるとすると、流体による抵抗力は以下のモデルで求められる。
【００４３】
【数８】
Ａ：代表面積（物体の流れに垂直な面に対する投影面積）
ρ：流体の密度
ＣＤ ：抗力係数
【００４４】
直径２０ｃｍ程度のインペラーシャフト等を水中で燃料取替機の移動速度範囲で動かした場合にはレイノズル数は１．０×１０３ 程度となり、このときの抗力係数ＣＤ は〜１．０となる。
【００４５】
一般的には上式でモデルは表せるが、ＲＩＰの交換作業においては、これを単純化して単振り子で近似することも可能である。
【００４６】
図６は、インペラーシャフトを吊り移動した際の振れを評価したものである。トロリーは一方向（ｘ方向）へのみ動かし、流体による抵抗は無視している。図６ａは、単振り子で近似した場合の結果である。トロリーを図中（１）で示したようにステップ状の加速度で加速し、次に図中（２）で示したように等速度運動させた場合である。単振り子であるため、図中（３）で示したホイストの振れ角はほぼ正弦波となっており、その結果、取扱い物の振れ幅も正弦波となっている。
【００４７】
一方、図６ｂは、ホイストの重量を考慮して、２重振り子としてモデル化し、シミュレーションした結果である。ホイストの重量の影響によって取扱い物もホイストに対して揺れることになり、θ２に対して小さな振動が出ている。これにより取扱い物も正弦波から少しずれているが、単振り子モデル（図６ａ）と２重振り子モデル（図６ｂ）との間で振幅には大きな差はない。したがって、ＲＩＰの交換作業モデルとしては、単振り子で近似することができる。
【００４８】
このように単振り子モデルで振れを近似できるので、単一方向でも移動時には取扱い物の振幅は解析的に求められる。トロリーを図６に示したようなステップ状の加速度パターンで加速したときの取扱い物の振幅ｗは、取扱い物の慣性モーメントを無視すると次式によって与えられる。
【００４９】
【数９】
【００５０】
また、
【００５１】
【数１０】
【００５２】
【数１１】
【００５３】
図７は、速度Ｘ０’、加速度Ｘ０’’と振幅Ｗの関係を示したものである。トロリーの運動の加速度が小さい方が振れの振幅は小さく、同じ加速度のときは速度Ｘ０’／加速度Ｘ０’’より求められる加速時間が振り子の周期のときに最大となり、加速時間がちょうど振動の１周期である場合に振動がゼロになる。したがって、加速時間をこの周期にすることにより残留振れを抑えることができる。
【００５４】
また、決められた加速度で微小距離を移動するときには加速時間が振動の一周期に満たない場合がある。このときは、加速周期が振動の一周期になるように加速度を小さくする方法がある。すなわち、
【００５５】
【数１２】
【００５６】
次に、残留振れの抑制方法の他の例について説明する。この例では、速度パターンを変えることによって残留振れを抑制する。
【００５７】
図５において、直線運動を行い、流体抵抗を無視した場合の単振り子モデルは以下のようになる。
【００５８】
【数１３】
【００５９】
この振動を規格化した角速度と角度を位相平面上に表すと図８ａに示したようになる。すなわち、はじめに角速度θ’と角度θが（０，０）の点から出発して加速すると加速度レベルｕにより点Ａ（０，ｕ）を中心とした円を描くことになる。そして、加速度がゼロになれば、その点から原点を中心とした円を描く。ここで、振動が停止する状態は原点であるから、再び原点に戻し、このときに加速度をゼロとすることにより振れはなくなる。
【００６０】
ここで、振れ止め制御としては次の３種類が考えられる。
１）上述したように一定加速度で加速し、原点に復帰するまで１周期待つ方法（以下「１周期コンスタント制御」と呼ぶ。）。
２）図８ｂに示したように、加速の途中で加速度をゼロとし、原点を中心とした円でつなぎ、再び加速して原点に復帰させる方法（以下「オンオフ制御」と呼ぶ。）。
３）図９に示したように、加速の途中で加速の符号を切り換えて減速し、点Ａ’を中心とした円でつなぎ、再び加速して原点に復帰させる方法（以下「加速減速制御」と呼ぶ。）。
【００６１】
上記２）、３）は加速と加速度をゼロとすること及び減速を２回切り替えた対称な制御であり、最短時間での加速及び停止制御となっている。ここで、２）における加速の周期は以下の式により求められる。
【００６２】
すなわち、切り替え後のトロリーの速度が、ある目標速度Ｖｍａｘとなるように加速度Ｘ０’’で２ζの間加速するので、
Ｖｍａｘ ＝ｘ０ ・２ζ／ω （１８）
となる。
【００６３】
また、一周期の間に原点に戻らなければならないから、
η＝２ａｒｃｔａｎ［ｓｉｎ ζ／（１−ｃｏｓ ζ）］ （１９）
と非加速時間となる。すなわち、ζ時間加速度Ｘ０’’で加速し、η時間加速を止め、再びζ時間の間加速することによりトロリーは速度Ｖｍａｘで等速運動し、かつホイスト及び取扱い物の振れはなくなる。
【００６４】
また、３）の場合は次式により求められる。
すなわち、切り替え後の速度が目標速度となるよう加速度Ｘ０’’で２ζの間加速し、ηの間−Ｘ０’’で減速するので、
【００６５】
【数１４】
【００６６】
また、一周期の間に原点に戻らなければならないから、
η＝２ａｒｃｔａｎ［ｓｉｎ ζ／（２−ｃｏｓ ζ）］ （２１）
ここで、０≦ζ≦π、０≦η≦π／２とする。オンオフ制御の場合と同様に上式よりζとηを求めれば、それらが加速時間と減速時間になる。すなわち、ζ時間加速度Ｘ０’’で加速し、η時間減速し、再びζ時間の間加速することにより、トロリーは速度Ｖｍａｘで等速運動し、かつホイスト及び取扱い物の振れはなくなる。
【００６７】
上記ケースはトロリー及びブリッジの運動が直線運動の場合を想定しているが、円周運動の場合もその接線方向の速度成分を上記１）、２）及び３）のように設定することにより振れ止め制御を行うことができる。
【００６８】
式（２）は直線運動のときの動作であるが、円周動作のときの振れ幅は以下のようになる。ここで、例として、図１０に示したような半径Ｒの円周軌道を点Ａから出発し、１／４移動する軌道を考える。この場合、目標速度は円周動作をするため次のようになる。
【００６９】
【数１５】
また、接線方向の速度成分Ｒｄα／ｄｔが指定の速度パターンを取るように設定する。
【００７０】
円周動作をするためには、はじめにトロリー（ｙ方向成分）を目標速度（例えば３ｍ／ｍｉｎ）に立ち上げ、徐々に減速していく。そして、１／４周移動したときにトロリーの速度はゼロとなる。また、ブリッジは停止状態から少しづつ速度を上げ、１／４周移動した点Ｂでは速度は約３ｍ／ｍｉｎとなる。
【００７１】
ここで評価すべきは、Ｘ（ブリッジ）方向及びＹ方向（トロリー）方向の取扱い物の先端の振れ及び次式で示す取扱い物先端の燃料取替機軌道からの偏差ｄである。
【００７２】
【数１６】
ｙ１：取扱い物の先端のＹ座標
次に、上述の方法で設定した目標軌道にトロリー及びブリッジを追従させる手順について図１１を参照して説明する。なお、目標軌道及び速度パターンの設定方法は図１１の手順の（１）ホイスト／ＲＩＰ結合体の振動周期計算（ステップ２）、（２）速度パターン設定（ステップ３）、（３）目標位置の計算（ステップ５乃至８）からなる。以下、それぞれについて説明する。
（１）ホイスト／ＲＩＰ結合体の振動周期計算（ステップ２）
燃料取替機のホイスト及び取扱い物の種類、長さ、重量を入力したら（ステップ１）、次式によってホイスト／ＲＩＰ結合体の振動周期を求める。
【００７３】
【数１７】
ｌ：取扱い物重心までの距離
ｇ：９．８ｍ／ｓ２
取扱い物重心までの距離はホイスト長と吊り下げ物の長さ及び重量を入力して求める。
（２）速度パターン設定（ステップ３）
接線方向の速度パターンを設定し、ホイスト／吊り下げ物からなる振り子の一周期で加減速するように速度パターンを決める。加速時間が短く半径Ｒが十分大きいため、接線方向成分を設定することで振れ止めを行う。
【００７４】
振れ止め制御の方法としては、１）１周期コンスタント制御、２）オンオフ制御、３）加速減速制御があるが、これらの中から一つを選択することになる。
【００７５】
１周期コンスタント制御の場合には、接線方向の加速度ｕｈ を以下のように設定する。
【００７６】
【数１８】
角加速度α’’は、円周軌道の半径をＲとして次式で与えられる。
【００７７】
【数１９】
【００７８】
【数２０】
（３）目標位置の計算（ステップ５乃至８）
上記角度αを時間ｔの関数α（ｔ）として与え、これによりブリッジ及びトロリーの目標位置ｘｔ ，ｙｔ を次式によって計算する。
【００７９】
【数２１】
ｖｘ＝ＫＢ （ｘｔ −ｘ） （２９）
ｖｙ＝ＫＴ （ｙｔ −ｙ）
ｘ，ｙ：それぞれブリッジ及びトロリーの位置
ＫＢ ，ＫＴ ：それぞれの比例ゲイン
また、ここで目標値と実際の測定位置の偏差に比例ゲイン及び積分動作を加え、下記のように速度制御系の回転速度指令としてもよい。
【００８０】
【数２２】
図１２（ａ）（ｂ）は円周動作におけるトロリーの速度制御の応答を示したものであり、式の比例制御のみを用いた場合である。トロリーの目標位置と実際の位置、速度及び加速度を示したものである。トロリー位置は目標位置に対して微小量遅れるが、ブリッジも同様に遅れるため、ホイストの位置の円周軌道からのずれはほとんどないことが分かる。
【００８１】
次に、上述した実施形態の振れ止め制御の効果について説明する。
前記３種類の制御方法、すなわち、１）１周期コンスタント制御、２）オンオフ制御、３）加速減速制御のそれぞれについて、円周制御時の振れ止め制御の効果をシミュレーションしたケースを以下に示す。
【００８２】
図１３は円周の接線方向の加速度及び速度のパターンを示したものである。図１３（１）は、１）１周期コンスタント制御、すなわち、Ｔ１を一周期としてこの間に一定加速度で加速する加速パターンを示している。図１３（２）は、２）オンオフ制御、すなわち、加速と停止を組み合わせる加速パターンを示している。図１３（３）は、３）加速減速制御、すなわち、加速と減速を組み合わせる加速パターンを示している。
【００８３】
図１４は、振れ止め制御を行わなかった場合を示しており、加速パターンは図１３（１）のように角加速度が一定値で加速するようトロリー及びブリッジの目標速度を決めた場合である。但し、加速する時間はホイストと取扱い物からなる振り子の周期とは一致していない。この場合、取扱い物の先端の円周軌道からのずれは小さいが、ｙ（トロリー方向）の振れが大きいことが分かる。
【００８４】
また、図１５ａは、１周期コンスタント制御で振れ止めを行った場合である。すなわち、式からホイストと取扱い物からなる振り子の周期を求め、その周期の間だけ加速するように加速時間と角加速度レベルを求め、これにより目標円軌道を与えたものである。ｙ方向の振動は初期の加速によるものだけに抑えられており、振動抑制効果があることが分かる。
【００８５】
図１５ｂは、オンオフ制御により振れ止め制御を行った場合である。図１５ａと同様にｙ方向の振動は初期の加速によるものだけで３０ｍｍ程度に抑えられており、振動抑制効果があることが分かる。
【００８６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、リアクターインターナルポンプ（ＲＩＰ）の搬入／搬出作業及び燃料取り替え作業において、円周軌道運転を自動的に迅速且つ的確に行うことができるので、作業効率を大幅に向上することができると共に、運転員の作業負担及び被曝量を軽減して安全に作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の概略を示した構成図。
【図２】同実施形態の概略ブロック及び燃料取替機・原子炉を示した図。
【図３】インターナルポンプの搬入／搬出時の移動経路を示した説明図。
【図４】インターナルポンプの配置を示した平面図。
【図５】ホイストと取扱い物とをモデル化した説明図。
【図６】取扱い物の振れの評価結果を示したグラフ。
【図７】加速度と振幅との関係を示したグラフ。
【図８】位相平面上の奇跡を示した図。
【図９】位相平面上の奇跡を示した図。
【図１０】トロリー及びブリッジの座標設定例を示した図。
【図１１】目標軌道及び速度パターンの設定手順を示したフローチャート。
【図１２】円周動作におけるトロリーの速度制御の応答を示したグラフ。
【図１３】円周の接線方向の加速度及び速度の各種パターンを示した図。
【図１４】振れ止め制御を行わなかった場合の円周制御結果を示したグラフ。
【図１５】振れ止め制御を行なった場合の円周制御結果を示したグラフ。
【図１６】燃料取替機及び原子炉を示した概略図。
【図１７】インターナルポンプの構成を示した分解図。
【符号の説明】
１ 圧力容器
２ 炉心
３ シュラウド
４ リアクタインターナルポンプ（ＲＩＰ）
５ モータ
１５ 燃料取替機
１６ レール
１７ 走行台車（ブリッジ）
１８ 横行台車（トロリー）
１９ ホイスト
２０、２１ サーボモータ
Claims (8)
- 走行レール上に縦行可能に設けられ走行駆動手段を有する走行台車と、この走行台車上に横行可能に設けられ横行駆動手段を有する横行台車と、この横行台車に設けられ取扱い物を吊るすためのホイストとを備えた燃料取替機を制御する制御装置であって、前記走行台車及び前記横行台車の位置を計測する走行及び横行位置計測手段と、前記走行台車及び前記横行台車の移動速度を計測する走行及び横行速度計測手段と、前記取扱い物の移動経路及び速度パターンを入力するための軌道設定インターフェースと、この軌道設定インターフェースに入力されたデータに基づいて軌道を計算する目標軌道計算手段と、前記走行及び横行位置計測手段並びに前記走行及び横行速度計測手段による計測位置及び計測速度に基づいて前記燃料取替機を前記目標軌道計算手段によって予め設定された軌道及び移動速度に制御する位置及び速度制御手段とを備え、前記移動経路は直線軌道と円周軌道とを含み、前記目標軌道計算手段は前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定加速度で加速して移動させるか、或いは前記一周期の間に一定加速度で減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定することを含むようにしたことを特徴とする燃料取替機の制御装置。
- 前記走行及び横行位置計測手段による計測位置と前記目標軌道計算手段による目標軌道との位置偏差の比例動作によって速度目標値を設定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の燃料取替機の制御装置。
- 前記目標軌道計算手段は前記走行台車及び前記横行台車の移動軌道を円周軌道とし、その接線方向の速度成分を前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定加速度で増加させるか、或いは前記一周期の間に一定加速度で減少して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の燃料取替機の制御装置。
- 前記目標軌道計算手段は前記ホイストと取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定の正の加速度での加速と加速度ゼロでの等速度運動とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように移動させるか、或いは前記一周期の間に一定負の加速度での加速と加速度ゼロでの等速度運動とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の燃料取替機の制御装置。
- 前記目標軌道計算手段は前記走行台車及び前記横行台車の移動軌道を円周軌道とし、その接線方向の速度成分を前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定の正の加速度での加速と加速度ゼロでの等速度運動とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように移動させるか、或いは前記一周期の間に一定負の加速度での加速と加速度ゼロでの等速度運動とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の燃料取替機の制御装置。
- 前記目標軌道計算手段は前記走行台車及び前記横行台車の移動軌道の速度成分を前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定の正の加速度での加速と負の加速度での減速とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように移動させるか、或いは前記一周期の間に一定負の加速度での減速と正の加速度での加速とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の燃料取替機の制御装置。
- 前記目標軌道計算手段は前記走行台車及び前記横行台車の移動軌道を円周軌道とし、その接線方向の速度成分を前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期の間に一定の正の加速度での加速と負の加速度での減速とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように移動させるか、或いは前記一周期の間に一定負の加速度での減速と正の加速度での加速とを切り替え、目標速度に達したときに振り子の振幅と速度及び前記走行台車又は前記横行台車の加速度がゼロとなるように減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の燃料取替機の制御装置。
- 前記目標軌道計算手段は微小距離を移動するときの加速時間を前記ホイストと前記取扱い物の重心に至る振り子に対して振り子長で決まる一周期となるように加速度を設定し、この一定加速度で加速して移動させるか、或いは前記一周期の間に一定加速度で減速して停止させるような移動位置の時系列を目標軌道として設定するようにしたことを特徴とする請求項３記載の燃料取替機の制御装置。
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| JPH0943385A (ja) | 1997-02-14 |
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