JPH02302642A - 集合胴圧力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は吹出式風洞の集合胴圧力制御装置に関するもの
で−特に気流のマツハ数を制御する機構（以下、マツハ
数制御装置という）を有する吹出式風洞の集合胴圧力制
御装置に関するものである。

〔従来の技術〕

吹出式風洞は、第５図に示すように、貯気槽１に蓄積さ
れた圧縮空気を高圧導管２で導き、外部からの信号で弁
開度を調整可能な調圧弁３で一定圧力に減圧した後、気
流の流れを整える集合胴（整流筒ともいう）４、ノズル
５、測定部６を経由して大気へ放出する概略構成を有し
ており、測定部６において模型を用いた所望の空力的計
測を実施できるようになっている。

このように、吹出式風洞においては貯気槽１に蓄積され
た圧縮空気を放出することのみにより通風するため、通
風時間は極めて短い時間（通例数秒〜数十秒程度）に限
られており、この間に計４−１を終了しなければならな
い。また、−共通風により貯気槽１の内部の圧縮空気を
放出してしまうと、貯気槽１に圧縮空気を再充填るため
には長い時間（通例数時間）を要する。このため、吹出
式風ｄｉ？Ｊの制御装置においては、実験の再現性を保
証するための精度のみならず、短時間内に風洞内部の気
流を所望の状態に制御するという高速応答性か要求され
る。

第６図は従来の吹出式風洞の集合胴圧力制御装置の構成
ブロック図であり、この装置は集合胴４の全圧（よどみ
点圧力）が所定の値となるように、調圧弁３の開度を調
整する機能を有するものである。

第６図において、集合胴圧力制御装置１０は、集合胴内
のよどみ点圧力を設定するための集合胴圧力設定器１１
、この集合胴圧力設定器１１の出力と後述する集合胴の
よどみ点圧力との差をとる減算器１２、この減算器１２
の出力に対して比例、積分演算を行うフィードバック制
御部１３およびこのフィードバック制御部１３の出力に
対して貯気槽圧力に応じてゲイン調節を行うゲイン変換
器１４を備えている。

このような従来の集合胴圧力制御装置は、集合胴圧力発
信器７で検出した集合胴４内の圧力信号を入力し、集合
胴圧力設定器１１から出力される集合胴圧力設定信号と
の偏差を減算器１２で演算し、この偏差に対してフィー
ドバック制御部１３で比例、積分演算を行う。このフィ
ードバック制御部１３から出力されるフィードバック制
御信号に対して貯気槽圧力発信器８から出力される貯気
槽１内の圧力信号に応じたゲイン変換をゲイン変換器１
４で行い、調圧弁開度信号として調圧弁３へ出力し、集
合胴４のよどみ点圧力が所定の圧力になるようにしてい
る。

集合胴圧力制御装置としては、従来、航空宇宙技術研究
所報告ＴＲ−６４７、特開昭６１−１３８３０４、特開
昭６３−２３５８４５、特開昭６３−２５６８３５など
において種々の提案がなされているが、これらはいずれ
も、上述したのと同様にフィードバック制御部１３のみ
により調圧弁３の制御を行うものである。

このような従来の吹出式風洞においては、集合胴圧力制
御装置はマツハ数一定すなわち測定部の風量一定の下に
、集合胴圧力を一定値に保つことができれば十分である
と考えられており、−回の通風の間に集合胴圧力、マツ
ハ数を変化させることは制御の困難性から極めてまれで
あった。

一方、近年の航空機の急激な進歩ならびにコンピュータ
を使用した風洞計測技術の向上に伴い、−回の通風の途
中においてマツハ数ならびに集合胴のよどみ点圧力を変
化させて、過渡的な応答を計測したり、より高度なデー
タを得ることが望まれるようになってきた。さらに、前
述したように貯気槽への再充填に多大の時間がかかるこ
とを考慮すると、−回の通風中に集合胴圧力、マツハ数
を自由に変化させ、−回の通風で従来の数倍にも達する
計測データを入手するようにして風洞実験の効率を向上
させることが望まれている。

［発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、上述したように、吹出式風洞の集合胴圧
力、マツハ数を通風中に自由に操作し、条件を変化させ
て効率的に使用するという要望があるにもかかわらず、
従来のフィードバック制御のみに依存する集合胴圧力制
御装置は次のような問題点のために十分に対応できなか
った。

まず、通風開始時の応答を速くするために、フィードバ
ック制御部１３の比例ゲインを増加すると応答が不安定
となる。これを防止するために上記航空宇宙技術研究所
報告ＴＲ−６４７および特開昭６３−２３５８４５に開
示されているように、通風開始においては調圧弁３を一
定値に強制開とすることが通常行われる。しかしながら
、強制開とされる初期弁開度は経験的に決められている
に過ぎないため、必ずしも最適開度となっているという
保証はなく、時には不適切な弁開度での運転となり、ま
た操作性も良くないという問題があった。

また、集合胴圧力制御にとって最大の外乱となるノズル
５、測定部６の風量変化に対しては調圧弁３の制御動作
を行うことになるが、集合胴圧力が現実に変化してから
調圧弁３の制御動作を開始するため、測定部６のマツハ
数設定値を変化させたときの集合胴圧力の変化が大きく
なってしまうという問題があった。

さらに集合胴圧力設定値を変化させた場合についても、
フィードバック制御のみに依存する従来の集合胴圧力制
御装置では設定値変化に々・Ｉする追従性に限界があり
、追従性を向上させようとすると目標となる集合胴圧力
へ整定するまでの時間が長くなるという問題（整定性の
悪化）があった。

本発明は、このような従来のフィードバック制御による
集合胴圧力制御装置の欠点を解消するためになされたも
ので、通風初期における集合胴圧力の迅速な立上り、マ
ツハ数設定値や集合胴圧力設定値の変更に伴う集合胴圧
力を早期安定化でき、かつ整定性の良好な集合胴圧力制
御装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、気流のマツハ数を指令するマツハ数設
定器と、このマツハ数設定器から出力されるマツハ敷設
定信号に基づいて貯気槽に貯えられた圧縮空気による気
流を制御する制御機構とを備えた、吹出し式風洞の集合
胴の圧力を制御する集合胴圧力制御装置において、集合
胴のよどみ点圧力設定値を指令する集合胴圧力設定信号
を出力する集合胴圧力設定器と、集合胴のよどみ点圧力
検出値を集合胴圧力信号として出力する集合胴圧力発信
器と、集合胴圧力設定器から出力される集合胴圧力設定
信号とマツハ数設定信号を入力し、これらの信号にもと
づき集合胴からｎ１定部へ流出する風量に相当する信号
を演算し、これをフィードフォワード制御信号として出
力するフィードフォワード演算部と、集合胴圧力設定信
号および集合胴圧力信号に対して制御演算を行い、集合
胴のよどみ点圧力検出値を集合胴圧力設定器で設定した
値に制御するためのフィードバック制御信号を演算して
出力するフィードバック制御部と、フィードフォワード
演算部から出力されるフィードフォワード制御信号とフ
ィードバック制御部から出力されるフィードバック制御
信号とを加算して風量制御信号として出力する加算器と
、この加算器から出力される風量制御信号を調圧弁の弁
開度指令信号に変換して出力する弁特性演算部とを備え
たことを特徴としている。

弁特性演算部は加算器から出力される風量制御信号を貯
気槽圧力発信器から出力される貯気槽圧力信号と集合胴
圧力設定器から出力される集合胴圧力設定信号にもとづ
き調圧弁の弁開度指令１ｇ号に変換して出力するもので
あるとよい。

また、前記マツハ数設定信号に基づいて前記フィードバ
ック制御部における前記マツハ数に応じた最適な積分時
間を演算して出力する積分時間演算部をさらに備えると
よい。

〔作　用〕

吹出式風洞における集合胴圧力制御装置の主機能は、調
圧弁の開度を制御することにより、調圧弁を経由して集
合胴に流入する風量を調整し、この流入する風量を集合
胴からノズルを経由して流出する風量に一致させること
であるが、本発明は吹出式風胴が極めて精度よく製造さ
れた精密機械であり、集合胴からノズルを経由して流出
する風量は、集合胴圧力、測定部のマツハ数制御装置の
作用により制御されるマツハ数に応じて正確、かつ精度
よく演算することが可能であることを利用している。

本発明はこのような風洞の特徴を生かして、集合胴のよ
どみ点圧力、測定部のマツハ数に代えてより安定な信号
である集合胴圧力設定信号、マツハ数設定信号を用いて
集合胴から流出する風量をフィードフォワード演算部で
演算し、この演算結果をフィードフォワード信号として
フィードバック制御部の出力に加算している。この結果
、フィードフォワード演算部において概略の調圧弁開度
が設定されるため、フィードバック制御部はフィードフ
ォワード演算部の誤差の補正のみを行うこととなり、フ
ィードバック制御部のみに依存した従来の集合胴圧力制
御装置の持つ欠点を大幅に解消できることとなる。

このように本発明によれば、風量をｐ測しながら制御を
行うようにしているため、通風初期や、マツハ数設定値
または集合胴圧力設定値の変更に変更時においても集合
胴圧力を早期に安定化させることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例のいくつかを図面を参照して説明
する。

第１図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。

第１図における集合胴圧力制御装置２０は、集合胴のよ
どみ点圧力の目標値を設定し、それを不す集合胴圧力設
定信号を出力する集合胴圧力設定器２１、この集合洞圧
力設定器２１の出力と後述する集合洞圧力信号に対して
比例、積分演算を行ってフィードバック制御信号として
出力するフィードバック制御部２３を備え、全体として
はフィードバック制御が基本となっている。

また、集合洞圧力設定器２１の出力Ｐ。とマツハ数設定
ｒＡ３０のマツハ数設定信号Ｍ　はフィードフォワード
演算部２６へ入力され、フィードフォワード演算部２６
の出力はフィードバック制御部２３の出力と加算器２５
で加算され、加算結果が弁特性演算部２４に伝送される
。

一方、集合胴４の全圧（よどみ点圧力）は集合胴圧力発
信器７において電気信号に変換され、前述したフィード
バック制御部２３に伝達されている。また、集合胴圧力
制御装置２０の出力として、弁特性演算部２４の演算結
果の信号が調圧弁３に伝達され、弁開度が調整されるよ
うになっている。

ここで本発明の特徴部分であるフィードフォワード演算
部２６における動作を詳述する。

いま、集合胴４からノズルを経由して流出する風量Ｇは
風洞の解析の結果、次の式で演算されるものとする。

この式において、Ｃは風洞のサイズ等により決まる定数
、Ｐｏは集合胴圧力設定値、ＭＳはマツハ数設定値、ｋ
は空気の比熱比、すなわち定圧比熱と定容比熱の比で通
常に−１，４である。

なお、集合胴のよどみ点圧力については検出値を用いて
も良いのであるが、安定性にかけるため、精度の良い設
定値を用いることとしたのである。

この演算結果はフィードフォワード制御信号として加算
器２５に送られ、フィードバック制御部２３から出力さ
れたフィードバック制御信号に加算され、風量制御信号
として出力される。そして、この風量制御信号は次段の
弁特性演算部２４により調圧弁の開度指令信号として調
圧弁３に出力される。

一般に調圧弁の開度と流量の関係は次の式により表現さ
れる。

θ−Ｃ′　・Ｘ　　　・・・（２） なお　　　θ　：調圧弁開度 Ｘ　：風　二　　　である。

ここで、比例係数Ｃ′が次式のように貯気槽圧力Ｐｒに
ほぼ逆比例することが知られている。

Ｃ′　匡１／Ｐ　　　　　・・・　（３）そこで、弁特
性演算部２４では、貯気槽圧力発信器８からの貯気槽圧
力信号を受け、ＸＧ／Ｐ、。

を基礎とする演算を行うようにしている。

第２図は本発明にかかる集合胴圧力制御装置の他の実施
例を示すブロック図であって、第１図の構成と近似して
いるが、集合洞圧力設定器２１の出力が弁特性演算部２
４にも直接与えられるようになっている点が異なってい
る。

これは次のような理由に基づく。

風量Ｘ。と調圧弁開度θとの関係は前述した説明では貯
気槽圧力ＰＴをもとにすることとしていたが、厳密には
調圧弁の上流側の高圧導管圧力と調圧弁下流側の集合胴
圧力により決まるものである。しかし、前述したように
、風洞が極めて精密な機械であり、安定した信号が得ら
れることを考慮して高圧導管圧力に代えて貯気槽圧力信
号Ｐ１を、また集合胴圧力信号に代えて集合胴圧力設定
信号Ｐ。を使用することができ、この場合には前述した
関係は次のように表わすことができる。

長い時間使おうとする場合、すなわち、ＰＴｋ＋１ の関係が成立する場合 また、 ＰＴｋ＋１ の関係が成立し、調圧弁の付近で音速である（チョーク
）場合 従って、弁特性演算部を第２図に示したように、弁特性
演算部２４において貯気槽圧力信号と集合胴圧力設定信
号にもとづく演算を行うことによって、さらに高精度な
集合胴圧力制御を行うことが可能となる。

第３図および第４図は本発明の他の実施例を示すもので
、それぞれ第１図および第２図の実施例に対応するもの
である。

これらにおいては、マツハ数設定器３０から出力される
マツハ数設定信号Ｍを受けて積分時間Ｔｉを演算し、フ
ィードバック演算部２３に与える積分時間演算部２７が
さらに設けられている。

このように積分時間を可変とするのは次のような理由に
基づく。

集合胴のよどみ点圧力の応答はほぼ１次遅れとなるが、
その時定数Ｔはマツハ数により変化する。

そのため同一時定数では、マツハ数Ｍ−１．Ｏ付近での
時定数が最も小さくなって最も応答が速くなり、それ以
外の値では大きくなる。したがって、Ｍ−１，０で積分
時間を最適値に調整すると、Ｍ−１，０以外では積分時
間が小さすぎて圧力の応答が不安定となる。

上述した集合胴圧力応答におけるマツハ数の変化による
時定数変化の関係は次の式により表わされる。

ここでｋは空気の比熱比である。

制御すべき対象が集合胴圧力のようにほぼ１次遅れと見
なせる場合には、積分時間を制御対象の１次遅れの時定
数に比例させると最適値となる。

なお、集合胴圧力応答における時定数変化を吸収するた
めには現実のマツハ数信号を使用することが考えられる
が、現実のマツハ数信号は安定性に欠けるため、代りに
マツハ数設定信号を使用して上記演算を行うことが望ま
しい。

したがって、第３図および第４図に示した実施例におけ
る積分時間演算部２７においてはマツハ数設定器３０か
ら出力されるマツハ数設定信号Ｍｓを受け、 の演算を行うようにしている。ここで、Ａは風洞により
定まる定数、Ｍｓはマツハ数設定器３０で与えられる設
定値、ｋは空気の比熱比である。この演算結果である積
分時間Ｔｉは前述したようにフィードバック制御部２３
に与えられる。

フィードバック制御部２３においては、この積分時間Ｔ
ｉにより比例・積分制御の演算を行う。

以上の各実施例において説明したように、本発明ではフ
ィードフォワード演算部２６において、概略の調圧弁開
度が設定されるため、フィードバック制御部２３はフィ
ードフォワード演算部２６の誤差の補正のみを行うこと
となり、フィードバック制御部のみに依存した従来の集
合胴圧力制御装置の持つ欠点を大幅に解消できる。

本発明にかかる集合胴圧力制御装置はアナログ電子回路
を組合せて構成できるほか、その一部もしくは全部を電
子計算機により実現できる。

以上の実施例は作動流体を空気としたものであるが、本
発明は空気以外の気体たとえば窒素、ヘリウムなどを用
いる場合でも同様の効果を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明の集合胴圧力制御装置によれば、
精度のよい目標値信号としてのフィードフォワード信号
がフィードバック信号に常時加算されているため、通風
初期において調圧弁を強制間としなくても、調圧弁を急
速に開くことが０１能となり、また、マツハ数設定信号
を変更した場合には、フィードフォワード信号の変化に
より集合胴圧力に変化が生じる前に調圧弁開度を’ｆ’
　ｆｌ？１される位置に移動させることができるため、
集合胴圧力の変動を防止することができる。同様に集合
胴圧力設定信号の変更に対しても、フィードフォワード
信号の変化によって、速やかに集合胴圧力を集合胴圧力
設定信号に追従させることができる。

また、弁特性演算部での演算を貯気槽圧力信号と集合胴
圧力設定器からの出力信号を基に行うようにした本発明
によれば、さらに制御の精度を向上させることができる
。

さらに、マツハ数の設定に応じてフィードバッり制御部
における積分時間を変動させるようにした本発明におい
てはマツハ数をどのように変えても、最適な応答が得ら
れ、かつ個別に積分時間を設定する必要がない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる集合胴圧力制御装置の一実施例
の構成を示すブロック図、第２図はその変形例を示すブ
ロック図、第３図および第４図はそれぞれ第１図および
第２図における変形例を示すブロック図、第５図は典型
的な吹出式風洞の構成を示す概略説明図、第６図は従来
の集合胴圧力制御装置のブロック図である。 ２０・・・集合胴圧力制御装置、２１・・・集合胴圧力
設定器、２３・・・フィードバック制御部、２４・・・
弁特性演算部、２５・・・加算器、２６・・・フィード
フォワード演算部、２７・・・積分時間演算部、３０・
・・マツハ数設定器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．気流のマッハ数を指令するマッハ数設定器と、この
   マッハ数設定器から出力されるマッハ数設定信号に基づ
   いて貯気槽に貯えられた圧縮空気による気流を制御する
   制御機構とを備えた、吹出式風洞の集合洞の圧力を制御
   する集合胴圧力制御装置において、 前記集合胴のよどみ点圧力設定値を指令する集合胴圧力
   設定信号を出力する集合胴圧力設定器と、前記集合胴の
   よどみ点圧力検出値を集合胴圧力信号として出力する集
   合胴圧力発信器と、 前記集合胴圧力設定器から出力される集合胴圧力設定信
   号と前記マッハ数設定信号を入力し、これらの信号にも
   とづき集合胴から測定部へ流出する風量に相当する信号
   を演算し、これをフィードフォワード制御信号として出
   力するフィードフォワード演算部と、 前記集合胴圧力設定信号および前記集合胴圧力信号に対
   して制御演算を行い、前記集合胴のよどみ点圧力検出値
   を前記集合胴圧力設定器で設定した値に制御するための
   フィードバック制御信号を演算して出力するフィードバ
   ック制御部と、前記フィードフォワード演算部から出力
   されるフィードフォワード制御信号とフィードバック制
   御部から出力されるフィードバック制御信号とを加算し
   て風量制御信号として出力する加算器と、この加算器か
   ら出力される風量制御信号を調圧弁の弁開度指令信号に
   変換して出力する弁特性演算部とを備えたことを特徴と
   する集合胴圧力制御装置。
2. ２．前記弁特性演算部が前記貯気槽の圧力を検出する貯
   気槽圧力発信器からの貯気槽圧力信号に基づいて前記風
   量制御信号を前記弁開度指令信号に変換するものである
   ことを特徴とする請求項１記載の集合胴圧力制御装置。
3. ３．気流のマッハ数を指令するマッハ数設定器と、この
   マッハ数設定器から出力されるマッハ数設定信号に基づ
   いて貯気槽に貯えられた圧縮空気による気流を制御する
   制御機構とを備えた、吹出式風洞の集合洞の圧力を制御
   する集合胴圧力制御装置において、 前記集合胴のよどみ点圧力設定値を指令する集合胴圧力
   設定信号を出力する集合胴圧力設定器と、前記集合胴の
   よどみ点圧力を検出して集合胴圧力信号として出力する
   集合胴圧力発信器と、前記貯気槽の圧力を検出して貯気
   槽圧力信号として出力する貯気槽圧力発信器と、 前記集合胴圧力設定器から出力される集合胴圧力設定信
   号と前記マッハ数設定信号を入力し、これらの信号にも
   とづき集合胴から測定部へ流出する風量に相当する信号
   を演算し、これをフィードフォワード制御信号として出
   力するフィードフォワード演算部と、 前記集合胴圧力設定信号と、前記集合胴圧力信号に対し
   て制御演算を行い、前記集合胴のよどみ点圧力検出値を
   前記集合胴圧力設定器で設定した値に制御するためのフ
   ィードバック制御信号を演算して出力するフィードバッ
   ク制御部と、 前記フィードフォワード演算部から出力されるフィード
   フォワード制御信号とフィードバック制御部から出力さ
   れるフィードバック制御信号とを加算して風量制御信号
   として出力する加算器と、この加算器から出力される風
   量制御信号を前記貯気槽圧力発信器から出力される前記
   貯気槽圧力信号と前記集合胴圧力設定器から出力される
   前記集合胴圧力設定信号にもとづき調圧弁の弁開度指令
   信号に変換して出力する弁特性演算部とを備えたことを
   特徴とする集合胴圧力制御装置。
4. ４．請求項１ないし３のいずれかに記載の集合胴圧力制
   御装置において、前記マッハ数設定信号に基づいて、前
   記フィードバック制御部における前記マッハ数に応じた
   最適な積分時間を演算して出力する積分時間演算部をさ
   らに備えたことを特徴とする集合胴圧力制御装置。