JP5163574B2 - 流体制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、流体圧送の流量及び圧力を制御する流体制御装置に関するものである。

従来より、空調システムの熱媒体供給装置等には、流体制御装置が利用される。この流体制御装置は、流体の流量及び圧力をそれぞれの目標値に対して最適に制御することが求められる（例えば、特許文献１参照）。

かかる機能を備えた流体制御装置の中に、流体が流れる配管上にインバータを有する２台の可変速ポンプを配したプロセスを有するものがある。このプロセスでは、可変速ポンプの一方は流体流量を制御し、他方は流体圧力を制御するものがある。以下、図４を用いて、この流体制御装置の流体制御方法を説明する。

図４は従来の流体制御装置の制御ループ図である。
図４において、流量制御装置９は、流量計測器７からの流量計測値に対して、流量ＰＩＤ制御演算部１０に演算された流量制御値によって流量制御用ポンプ３の周波数を制御する。これにより、流体流量値を目標流量値に追従させる構成となっている。

流体流量の急激な増加などの変化に伴った流体圧力の変動に対しては、圧力制御装置１１が、配管２上の圧力計測器からの流体圧力値を圧力基準値（β、γ）との判定処理によって判定する。そして、圧力制御装置１１は、流体圧力値の範囲に応じた設定周波数（ＭＶ１、ＭＶ２、ＭＶ３）を切替えて、圧力制御用ポンプ４を制御する。

また、さらに細かく流体圧力変動に追従させる場合は、流体圧力範囲に応じた設定周波数をさらに多段に分けて、圧力制御用ポンプ４を制御することによって対応する。

上記流体制御装置１においては、流量制御用ポンプ３に対するＰＩＤ制御で流体流量を制御する。しかし、流体圧力については、一定範囲内で段階的に圧力制御用ポンプ４の設定周波数を切り替えるだけで対応する。このため、流体流量値の急激な増加に対して発生した圧力変動は、ＰＩＤ制御のように連続的に一定範囲内に保つことができず、キャビテーションが発生するとともに、流体流量値を目標流量値に追従して安定させるまでに時間がかかるという問題があった。

特開２００７−９２５８２号公報

これに対し、流体圧力制御をＰＩＤ制御で行うことも考えられる。しかし、この場合は、流体流量制御及び流体圧力制御の制御ループ間でハンチングを起こし、流体制御が安定しないという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、流体流量の急激な変動に伴って流体圧力の変動が発生しても、遅滞なく速やかに流体流量及び流体圧力をそれぞれの目標値に追従させることができる流体制御装置を提供することである。

この発明に係る流体制御装置は、配管の下流側に設けられ、前記配管内の流体を圧送する流量制御用ポンプと、前記配管の上流側に設けられ、前記配管内の流体を圧送する圧力制御用ポンプと、前記流量制御用ポンプの入側に設けられ、前記配管を流れる流体流量値を計測する流量計測器と、前記圧力制御用ポンプの出側に設けられ、前記配管を流れる流体圧力値を計測する圧力計測器と、前記流体流量値が予め設定された目標流量値になるように演算した流量制御値に基づいて前記流量制御用ポンプの駆動を制御する流量制御装置と、前記流体圧力値が予め設定された目標圧力値になるように演算した圧力制御値に基づいて前記圧力制御用ポンプの駆動を制御する圧力制御装置とを有し、前記流量制御装置は、前記流量圧力値と予め設定された基準圧力値との大小を比較する判定部と、前記判定部による判定結果に基づいて、直前の流量制御値を保持した保持制御値と現状の流量制御値とを切り替えて、前記流量制御用ポンプに出力する駆動制御値切替部とを備えたものである。

この発明によれば、流体流量の急激な変動に伴って流体圧力の変動が発生しても、遅滞なく速やかに流体の流量及び圧力をそれぞれの目標値に追従させることができる。

この発明の実施の形態１における流体制御装置の制御ループ図である。 この発明の実施の形態２における流体制御装置の制御ループ図である。 この発明の実施の形態３における流体制御装置の制御ループ図である。 従来の流体制御装置の制御ループ図である。

この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における流体制御装置の制御ループ図である。
図１において、１は流体制御装置である。この流体制御装置１は、空調システムの熱媒体供給装置等が供給する流体の流量及び圧力を目標値に保つために利用されるものである。２は配管である。この配管２内には、熱媒体供給装置等が供給する流体が流れる。

３は流量制御用ポンプである。この流量制御用ポンプ３は、配管２の下流側に設けられる。４は圧力制御用ポンプである。この圧力制御用ポンプ４は、配管２の上流側に設けられる。これらのポンプ３、４は、それぞれ駆動制御用のインバータ５、６を備える。即ち、これらのポンプ３、４は、可変速ポンプで構成される。これらのポンプ３、４は、配管２内の流体を図１の矢印方向に圧送する機能を備える。

７は流量計測器である。具体的には、流量計測器７は、流量センサからなる。この流量計測器７は、流量制御側ポンプ３の入側に設けられる。この流量計測器７は、配管２を流れる流体流量値を計測する機能を備える。８は圧力計測器である。具体的には、圧力計測器８は、圧力センサからなる。この圧力計測器８は、圧力制御用ポンプ４の出側に設けられる。この圧力計測器８は、配管２に流れる流体圧力値を計測する機能を備える。

９は流量制御装置である。この流量制御装置９は、流量ＰＩＤ制御演算部１０を備える。この流量ＰＩＤ制御演算部１０は、流量計測器７から流体流量値を示す流量信号が入力される機能を備える。そして、流量ＰＩＤ制御演算部１０は、流体流量値が予め設定された目標流量値になるようにＰＩＤ演算を実行して流量制御値（０〜１００％）を求める機能を備える。さらに、流量ＰＩＤ制御演算部１０は、流量制御値をインバータ５に出力する機能を備える。

１１は圧力制御装置である。この圧力制御装置１１は、圧力ＰＩＤ制御演算部１２を備える。この圧力ＰＩＤ制御演算部１２は、圧力計測器８から流体圧力値を示す圧力信号が入力される機能を備える。そして、圧力ＰＩＤ制御演算部１２は、流体圧力値が予め設定された目標圧力値になるようにＰＩＤ演算を実行して圧力制御値（０〜１００％）を求める機能を備える。さらに、圧力ＰＩＤ制御演算部１２は、圧力制御値をインバータ６に出力する機能を備える。

本実施の形態においては、流量制御装置９は、判定部１３と駆動制御値切替部１４とを備える。判定部１３は、流量圧力値と予め設定された基準圧力値との大小を比較する機能を備える。ここで、基準圧力値は、流量制御装置９の流体制御と圧力制御装置１１との間のハンチングの発生と圧力制御用ポンプ４でキャビテーションの発生を抑制するように予め設定されたものである。駆動制御値切替部１４は、判定部１３の判定結果に基づいて、直前の流量制御値を保持した保持制御値と現状の流量制御値とを切り替えて、流量制御用ポンプ３に出力する機能を備える。

次に、流量目標値の設定変更などの要因により、流量制御用及び圧力制御用ポンプ３、４の間の配管２内で流体流量が急激に増加したときの流体制御装置１の動作を説明する。
流量制御用及び圧力制御用ポンプ３、４の間の配管２内で流体流量値が急激に増加するのに伴い、配管２内の流体圧力値は減少する側に変動する。この変動した流体圧力値は、圧力計測器８に計測される。そして、流量制御装置９の判定部１３は、流体圧力値を監視し、基準圧力値αとの大小を比較する。

そして、流体圧力値が基準圧力値α以下と判定された場合、駆動制御値切替部１４が、流量ＰＩＤ制御演算部１０に演算された直前の流量制御値を保持した保持制御値をインバータ５に出力するように切替処理を行う。この切替処理に伴い、流体流量値の急激な変動が抑制される。そして、流体流量値の変動が抑制されている間に、圧力ＰＩＤ制御演算部１２のＰＩＤ制御により、圧力制御用ポンプ４への圧力制御値が増加する。

これにより、流体圧力値が速やかに目標圧力値に向かって上昇する。そして、上昇過程の流体圧力値が基準圧力値αよりも大きくなったと流量制御装置９の判定部１３に判定されると、駆動制御値切替部１４は、流量ＰＩＤ制御演算部１０に演算された現状の流量制御値をインバータ５に出力するように切替処理を行う。

なお、流量目標値の設定変更などの要因により、流量制御用及び圧力制御用ポンプ３、４の間の配管２内で流体流量が急激に減少したときは、判定部１３により、流体圧力値と基準圧力αとは異なる基準圧力値との大小が比較される。この判定結果に基づいて、駆動制御値切替部１４による切替処理が行われる。

以上で説明した実施の形態１によれば、流量制御装置９の駆動制御値切替部１４は、判定部１３による判定結果に基づいて、直前の流量制御値を保持した保持制御値と現状の流量制御値とを切り替えて、流量制御用ポンプ３に出力する。このため、流量制御装置９の流体制御と圧力制御装置１１との間のハンチングの発生と圧力制御用ポンプ４でのキャビテーションの発生とを抑制しつつ、遅滞なく速やかに流体の流量及び圧力をそれぞれの目標値に追従させることができる。

なお、圧力ＰＩＤ制御演算部１２が出力する圧力制御値は、流量制御用ポンプ３と圧力制御用ポンプ４に相反する増減となる。このため、流量制御用ポンプ３と圧力制御用ポンプ４の比率が１対１の場合、各ポンプ３、４の開度は、各７０％や各１００とは為り得ず、各５０％となる。即ち、流体流用値が十分な値となることはない。このため、単に、圧力制御をＰＩＤ制御するだけでは、さらにポンプを必要とすることになる。これに対し、実施の形態１の流体制御装置１によれば、さらにポンプを必要とすることなく、遅滞なく速やかに流体の流量及び圧力をそれぞれの目標値に追従させることができる。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２における流体制御装置の制御ループ図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。
実施の形態１の流体制御装置１においては、判定部１３による判定結果に基づいて、直前の流量制御値を保持した保持制御値と現状の流量制御値とを切り替えて、流量制御用ポンプ３に出力していた。一方、実施の形態２の流体制御装置１においては、保持制御値を流量制御用ポンプ３に出力する場合に、保持制御値を、保持制御値と１よりも小さい正の係数との積で求まる修正制御値に修正する。以下、実施の形態２における流体制御装置１を説明する。

図２において、１５は乗算部である。この乗算部１５は、保持制御値に１よりも小さい正の係数ａを乗じるものである。そして、流量制御装置９の駆動制御値切替部１４は、保持制御値と係数ａとを積算して修正制御値を求める。即ち、保持制御値が流量制御用ポンプ３に出力される場合、修正された修正制御値に基づいて流量制御用ポンプ３が駆動することになる。

以上で説明した実施の形態２によれば、流量制御装置９の駆動制御値切替部１４は、保持制御値を流量制御用ポンプ３に出力する場合に、保持制御値を、保持制御値と１よりも小さい正の係数との積で求まる修正制御値に修正する。このため、流体流量値の変動をより確実に抑制することができ、流体圧力値の目標圧力値への追従をより速やかに行うことができる。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３における流体制御装置の制御ループ図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。
実施の形態１及び実施の形態２においては、圧力制御装置１１は、一般的なＰＩＤ制御で流体圧力制御を行っていた。一方、実施の形態３においては、圧力制御装置１１は、特有の流体圧力制御を行う。以下、図３を用いて、実施の形態３における流体制御装置１を説明する。

図３において、圧力制御装置１１は、第１乗算部１６、第２乗算部１７、ハイセレクタ１８を備える。第１乗算部１６は、現状の流量制御値と流量制御用及び圧力制御用ポンプ３、４の容量差に応じた係数ｋとを積算して補正制御値を求める機能を備える。第２乗算部１７は、補正制御値と圧力制御用ポンプ４のキャビテーションを抑制するように設定された１よりも大きい係数ｂとの積で求まる修正補正制御値を求める機能を備える。ハイセレクタ１８は、圧力制御用ポンプ４の駆動を制御する制御値として、修正補正制御値と圧力制御値とのうちで大きい方の制御値を選択する制御値選択部として機能する。

以上で説明した実施の形態３によれば、圧力制御系は流量制御系よりも強い制御出力が常に保持される。このため、流量の急激な変動に対しても、フィードフォワード要素として圧力変動を抑えることができ、安定した流体圧送が実現される。

１ 流体制御装置、 ２ 配管、 ３ 流量制御用ポンプ、 ４ 圧力制御用ポンプ、
５、６ インバータ、 ７ 流量計測器、 ８ 圧力計測器、 ９ 流量制御装置、
１０ 流量ＰＩＤ制御演算部、 １１ 圧力制御装置、 １２ 圧力ＰＩＤ制御演算部、
１３ 判定部、 １４ 駆動制御値切替部、 １５ 乗算部、 １６ 第１乗算部、
１７ 第２乗算部、 １８ ハイセレクタ

Claims (3)

1. 配管の下流側に設けられ、前記配管内の流体を圧送する流量制御用ポンプと、
   前記配管の上流側に設けられ、前記配管内の流体を圧送する圧力制御用ポンプと、
   前記流量制御用ポンプの入側に設けられ、前記配管を流れる流体流量値を計測する流量計測器と、
   前記圧力制御用ポンプの出側に設けられ、前記配管を流れる流体圧力値を計測する圧力計測器と、
   前記流体流量値が予め設定された目標流量値になるように演算した流量制御値に基づいて前記流量制御用ポンプの駆動を制御する流量制御装置と、
   前記流体圧力値が予め設定された目標圧力値になるように演算した圧力制御値に基づいて前記圧力制御用ポンプの駆動を制御する圧力制御装置と、
   を有し、
   前記流量制御装置は、
   前記流量圧力値と予め設定された基準圧力値との大小を比較する判定部と、
   前記判定部による判定結果に基づいて、直前の流量制御値を保持した保持制御値と現状の流量制御値とを切り替えて、前記流量制御用ポンプに出力する駆動制御値切替部と、
   を備えたことを特徴とする流体制御装置。
2. 前記駆動制御値切替部は、前記保持制御値を前記流量制御用ポンプに出力する場合に、前記保持制御値を、前記保持制御値と１よりも小さい正の係数との積で求まる修正制御値に修正することを特徴とする請求項１記載の流体制御装置。
3. 前記流量制御装置は、
   前記現状の流量制御値と前記流量制御用及び圧力制御用ポンプの容量差に応じた係数とを積算して補正制御値を求める第１乗算部と、
   前記補正制御値と予め設定された１よりも大きい係数との積で求まる修正補正制御値を求める第２乗算部と、
   前記圧力制御用ポンプの駆動を制御する制御値として、前記修正補正制御値と前記圧力制御値とのうちで大きい方の制御値を選択する制御値選択部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体制御装置。

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