JPH03210608A - タンク圧力制御装置 - 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〕 本発明はロケットエンジン試験設備の推進薬供給タンク
の圧力制御装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、ロケットエンジン試験設備の推進薬供給タンクの
圧力制御装置は、第３図に示すように構成されている。

すなわち、タンク１内に推進薬１ａが充填され、とのタ
ンク１より推進薬１ａが弁２ｆ：介してロケットエンジ
ン３に供給される。

上記タンク１の底部には、推進薬１ａの供給圧力を検出
する圧力センサ７が設けられる。また、タンクＩＫは、
加圧ガス源４から加圧ガスが制御弁５を介して供給され
る。この制御弁５は、ａｉ１整計６からの指令信号によ
り開度が制御される。ｉｉｌ！１贅計６には、圧力目標
値Ｐｓｅｔ及び上記圧力センサ７の検知信号が与えられ
る。上記調整計６は、目標値Ｐａ＠ｔと圧力センサ１に
より検出された供給圧力検出信号Ｐとの比較演算１通常
はいわゆる目標値Ｐ＠ｓｔと供給圧力検出信号Ｐとの差
に対して比例・積分・微分演算（ＰＩＤ演算）を行ない
、ロケットエンジン３ＶＣ対する推進薬１亀の供給比力
Ｐが一足となるようにＩＩＪ御弁５を制御する。

〔発明が解決しようとする昧題〕

上記のように構成きれた従来の圧力制御装置では、ロケ
ットエンノン試験設備の性質上１次のような問題があっ
た。

ｔｌ）　　ロケットエンジンスタート時、急激な推進薬
の立上りがあり、タンク１から推進薬ＩＩＬが急派に流
出することになり、夕／り内加圧ガス部容槓が増加しこ
れに伴いガス圧が低下し、供給圧が低下する。従来の供
給圧フィードバックＰＩＤ制御方式では、基本的にこの
圧力低下を避けることが出来ない。即ち、　ＰＩＤフィ
ードバックでは、偏差即ち目標値との差が生じて始めて
修正動作が働き、この結果、目標値に対して差が生じる
ことになる。

（２）　　試験状況に応じて加圧ガス源の圧力、あるい
はタンク１内の推進薬１ａの充＊ｍ等が毎回異なり、従
来のＰＩＤフィードバック制御では常に最適な制御パラ
メータｔ−設定することが出来ない。

本発明は上記の点に鑑みてなされ死もので、供給タンク
から急激に液が流出するようなシステムに於いても、液
の供給圧力を常に一足に保つことができ、また、試験等
の状況に応じて加圧ガス源の圧力、あるいはタンク内の
液の充填量等が異なる場合であっても、常に最適の出方
制御を行なうことができるタンク圧力制御装置を提供す
ることを目的とする。

〔課電を解次するための手段及び作用〕加圧ガス源から
１！ｔｌＪ１１弁を介して供給タンクにガス圧力を加え
、上記制御弁の弁−度ｖＩ４！！：により上記供給タン
クに充積されている液体を供試体に一定圧力で供給する
装置において、供給タンクから供試体に供給される液体
の流ｔ’を検出する流量センサ、供給タンク内の液位を
検出する数位検出センナ、供給タンク内の加圧ガスの温
度を検出する温度センサ、加圧ガス源の圧力を検出する
圧力センサを設け、これらの各センナの検出信号と供給
圧力目標値より最適加圧ガス流１ｉｌｉｔｔ−求めると
共に。

この最適力ｌ比ガス流量に基づいて上記制御弁に対する
制御値を求め、この制御値から制御弁特性に従って弁開
度信号を求めて上記制御弁の開度を制御するようにした
ものである。

即ち、供給圧力低下の要因となる供給液そのものの流出
流ｔ’を検出して供給圧力をフィードフォワード制御す
ると共に、タンク内液充填ｉｔ（液位）、加圧ガス源圧
力等、圧力側（１１４Ｉ精度に関連するプロセス量を検
出し、これらの検出信号全制御信号に取り入れて梢度を
向上させるようにしたもので、これにより供給タンクか
ら急激に液が流出するシステムにおいても、液の供給圧
力を常に一定に保つことができる。

〔実施例〕

以下、口面を奈照して不発明の一実施例を説明する。第
１図は１本発明の一実施例に係るタンク圧力制御装置の
構成図である。供給タンク１内に液体例えば推進薬ｌ＆
が充填され、この供給タンク１より推進薬１ｍか弁２を
通じて供給管路２ａにより供試体例えばロケットエンジ
ン３に供給される。上記供給管路２ａの途中に推進薬流
量Ｆｉ検出する流量センサ１１が設けられる。また、上
記供給タンク１には、推進薬１ａの供給圧力ｐｌ検出す
る圧力センサ７が底部に設けられると共Ｋ。

液位Ｈｔ−検出する液位センサ１２．加圧ガス温度Ｔ、
を検出する温度センサ１３が設けられる。上記供給タン
クｌには、加圧ガス源４かも加圧ガスが制御弁５を介し
て供給される。加圧ガス源４の圧力Ｐ１は、加圧ガス源
４の出口部分に設けられた圧力センサ１４により検出さ
れる。

そして、上記圧カセンテ７、流量センサ１１゜液位セン
サ１２．温度センサ１３．圧力センサ１４の各検出値は
制御回路ＩＱへ送られる。この制御回路１０は、供給圧
力の目標値Ｐｓｅｔと、流量センサ１１からの流量信号
Ｆ、液位セン？１２からの液位（ｆｆ号Ｈ１温度センサ
１３からのガス温度信号Ｔ０．圧力七ンサ１４かもの加
圧ガス源圧力１６号Ｐ１により、制御弁５への開度指令
信号θ′を演算し送出するものである。

次に上記制御回路１０の詳細について説明する。

制御回路１０は、第２図に示すようにフィードフォワー
ド演算部１００により構成されるが、高鞘度の制御が要
求される場合に史にフィードバック演算部１１０が付加
される。

上記フィードフォワードｍｎｍ１００は、第１〜第６の
演算回路１０１〜１０６からなっている。

第１の演算回路１０１は、供給圧力の目標値Ｐｓｅｔと
液位センサ１２からの液位信号Ｈとにより。

供給タンク１内の加圧ガス圧Ｐ。を算出する。

第２の演算回路１０２は、液位センサ１２からの液位信
号Ｈによりガス空間′６槓ｖ−１出する。

第３の演算（ロ）路１０３は、液位センサ１２からの数
位信号Ｈにより供給タンク１の断面積Ａを算出する。

第４の演算回路１０４は、上記第１ないし第３の演算回
路１０１〜１０３の出力信号Ｐ、、Ｖ、、Ａと、ｍ度セ
ンサ１３かものガス温度信号Ｔ。、流量センサ１１かも
の流ｉＦ信号Ｆとにより、加圧ガス流量Ｇを算出する。

第５の演算回路１０５は、上記８ｇｌの演算回路１０１
の出力信号Ｐ。、第４の演算回路１０４の出力信号Ｇ及
び圧力センサ１４からの加圧ガス源圧力信号Ｐ１により
、制御弁５のＣｖ値を算出する。

第６の演算回路１０６は、上記第５の演算回路１０５の
出力信号ＣＶから制御弁５の弁開匿θｔ−算出する。通
常制御の場合には、この第６の演算回路１０６から出力
される弁開度θが１ｔｔｌＪ１１開度指令信号として制
御弁５へ送られるが、特に高相度の圧力制御を必要とす
る場合には、フィードバック演算部１１０を介して制御
弁５へ送られる。

上記フィードバック演算部１１０＃ｉ、比ｅ器１１１、
ＰＩＤ％４節回路１１２．ボテンシッメータ１１３、加
算器１１４からなり、圧力センサ７により検出された実
際の供給圧力Ｐと目標ｌｌ１ｋＰｓａｔとの偏差を比較
器１１１で求め、この偏差にＰＩＤ調節回路１１２でＰ
ＩＤ演算を行ない、フィードバック信号の度合いを決め
るポテンシ曹メータ１１３により適当な係数を乗じ、加
算器１１４により推進薬流量Ｆ、液位Ｈ１加圧ガス源圧
力等からフィードフォワード演算部１００で求められた
所要制御弁開度θに加算し、最終出力θ′として制御弁
５への開度指令値として出力する。

次に上記実施例の動作を説明する。

推進系供給圧（タンク底部圧力）Ｐは Ｐ　＝　Ｐ、　十ｒＨ・・・（１） ただしＰ。：タンク内加圧ガス圧 Ｆ　：タンク内推進薬比重量 Ｈ：タンク内推進薬液位 で与えられる。また、加圧ガス部につｉてはＰ　Ｖ　＝
Ｒ’ｒｌ１１ｗ、　　　　　　　　　　・＋２３Ｏ ただしＶ。：ガス空間容槙 Ｒ：加圧ガスのガス定数 Ｔｏ＝加圧ガス温度 ＷＧ：加圧ガス重量 が成り立つ（ゲイルーシャルルの法則）。

（２）式を時間ｔで微分すると。

の単位時間増加量でありこれは即ち制御弁５よりタンク
１ に流入する加圧ガス流量Ｇに等しく。

これは即ち推進薬１ ａの流出流量Ｆに等しく。

ま 位の増加率を示しており、 推進薬流出流ｊｌＦと。

タンク１の断面積Ａとよ り と表わされ。

以上より式（３）は結局 と表わせる。

今。

タンク圧力側＃袈直の目的は式ｔ１）の供給圧力Ｐを目
標値Ｐｓｅｔに常に等しくなるようにすることでろるか
ら１式（υを改めて Ｐ　＝＝　Ｐｏ＋　７’ＨミＰｓｅｔ　（ｃｏｎａｔ　
）　　　　　・”ｍ’と表わし。

Ｐｏ＝Ｐｓｅｔ−ＰＨ・・・（７） となる。また、　Ｐ　ｆ　Ｐａ５ｔに一足に保つのであ
るかとなる。式（７）（８）より、供給圧Ｐを目標１１
Ｐｓｅ　ｔに保つには、推進薬液位Ｈを測足し、これと
目標値Ｐｓｅ　ｔより式（力の通りｆｆｒ要カロ圧ガス
圧力ＰＧヲ求め。

このＰＱ、及び容積Ｖ。、タンク断面積Ａ、ガス流度Ｔ
Ｇ、そして流出する推進薬流ｊｉＦを測定し式（８）に
基づき加圧ガス流量Ｇを求め、このＧの通り加圧ガスを
制御弁５より供給すれば良いことが明らかである。

また、実際には供給タンクは与えられた形状であるので
、ｅ、位Ｈさえ測定すれば、ガス容積Ｖ。。

タンク断面積Ａは計算に依り求められる。故にＶＧ　”
”　’ＶＧ　（Ｈ）　　　　　　　　　　　　・・・（
９）Ａ　＝　ｆ、　（Ｈ）　　　　　　　　　　　　・
・・ｔｔｔｍと異わしておく。

次に式（８）で求められた加圧ガス流量Ｇを制御弁５に
て制御する方法について述べる。

一般に弁を通過するガス流ＩＧは Ｋｃ、　Ｋ、　：定数 Ｐ、：弁−人出（即ち加圧ガス源圧力）Ｐ２：弁２次圧
（即ちタンクガス圧力ｐ２＝ｐＧ）Ｃｖ：升Ｃｖ値 Ｃｆ：弁定数（臨界流量係数） で与えられる。従って流すべ８流ｆｉＧが与えられたら
式ａυより直ちに弁での所要Ｃｖｇｉは。

で与えられる。この式＜１３が弁流量公式であり、以下
簡単に Ｃｖ＝ｆｃｖ（Ｇ、Ｐｌ、Ｐ（り　　　　　　　　　・
・・０４′と表わしておく。また弁にはそれぞれ固有の
弁開度θとＣｖ値との特性曲ＭＡを有しておシθ＝ｆθ
（Ｃｖ）　　　　　　　　　　　　・・・鰯で与えられ
る。従って、加圧ガス流ｆｉＧを得るにＬ弐〇力（簡単
にｕｚ′で表しておく）で所要Ｃ７を求め。

このＣｖ値より式Ｑ３から制御弁開度指令θを求め。

このθ通シ制御弁５を制御すれば良いことが分かる。

従って、第１図に示す制御回路１０においては。

第１〜第６の演算回路１０１〜１０６で、上記の式（力
、　（９）　、　（１１、（８）　、　（１３’　、　
（１３’にそれぞれ計算させることにより、上記した制
御弁５に対する制御動作を行なわせることができる。

本発明をロケットエンジン試験設備に実施した場合には
、流量センサ１１．液位センサ１２．加圧ガス源圧力七
ンサ１４．ガス温度センサ１３等は、従来別の目的１例
えばロケットエンジン性能解析用、充填量確認用、ガス
蓄圧確認用、タンク予冷確認用等で設置されているもの
が多く、従って、実施にあたってはこれらの信号をその
まま用いればよく、また、匍」角回路１０はコンピュー
タ・プログラム等で実現可能なものであるので安価に榊
成することができる。

上記制御回路１０は、一般の電子回路、あるいは上記の
ようにコンピータ・プログラムとして容易に実現可能で
あり、そのハードウェアについて特に規足されるもので
はない。

なお１本発明は、ロケットエンジン試験設備だけでなく
、同様に供給タンクから急派にｇが流出するような一般
設備にも適用可能である。

以上の制御により上記した通り推進薬の流れが何如なも
のであっても、あるいは充填量、加圧ガス源圧力が状況
に応じて一定の値でなくとも推進薬供給圧力は目標値Ｐ
ｓｅｔｌＣ常に等しく保つことができる。なお、制御回
路の計算１差あるいはセンサ等の検出誤差等が考えられ
るので、わずかに設定値Ｐ＋ｓｅｔと実際の供給比力Ｐ
との間に誤差を生じることがある。このため特に＾精度
の圧力制御を必要とする場合社第２図の制御回路１０に
波線で示したフィードバック演算部１１０を付加するこ
とにより、その目的を達成することができる。即ち、第
１図の供給圧力検出圧力センサ７からの実際の供給圧力
Ｐ信号と目標値Ｐｇ・ｔとの偏差を比較器１１１で求め
、この偏差にｐＩＤａｌｌｆｏ画路１１２でＰｆＤ演算
を行ない、フィードバック信号の夏合いを決める？テン
シ１メータ１１３７に通じて係数倍し、加算器１１４に
より、推進薬流１ｒ、液位Ｈ１加圧ガス源圧力等からフ
ィードフォワード演算部１００で求められた所喪劉御弁
開度０に加算し、最終出力θ′として制御弁５への開度
指令値とする。尚、フィードフォワードのみで制御する
場合は、ポテンシ１メータ１１３の係数値αをα＝０と
した場合に他ならない。

〔発明の効果〕

以上述べたように１本発明によればロケットエンジン試
験設備のように供給タンクから急激に液が流出するよう
なシステムに於いてもその供給圧力を常に一定に保つこ
とが可能であシ、また試験状況によって異なる液充項量
、加圧ガス源圧力等も制御演算式によって補正されて９
るので常に敵適な圧力制御１ｌｌＩｆ：行なうことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第−冥施例に係るタンク圧力制御装置
の構成図、 第２図は同案り例における制御回路Ｏ評細図。 第３図は従来技術に係るタンク圧力制御装置の構成図で
ある。 １・・・推進薬供給タンク、１−１・・・推進薬、２・
・・弁、２−１・・・供給管路、３・・・ロケットエン
ジン等の供試体、４・・・加圧ガス源、５・・・制御弁
、７・・・供給圧力センサ−１０・・・制御回路、１０
０・・・フィードフォワード演ＸＩＢ、ｘ１ｏ・・・フ
ィートノ櫂ツク演算部、１０１〜１０６・・・第１〜第
６の演算回路。 １１１・・・比較器。 ２・・・ＰＩＤｌｌｉ１＠回路。 ノ ３−・・ ポテンシｌメータ。 ４・・・加算器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　加圧ガス源から制御弁を介して供給タンクにガス圧力
   を加え、上記制御弁の弁開度調整により上記供給タンク
   に充填されている液体を供試体に一定圧力で供給する装
   置において、上記供給タンクから供試体に供給される液
   体の流量を検出する流量センサと、上記供給タンク内の
   液位を検出する液位検出センサと、上記供給タンク内の
   加圧ガスの温度を検出する温度センサと、上記加圧ガス
   源の圧力を検出する圧力センサと、これらの各センサの
   検出信号と供給圧力目標値より最適加圧ガス流量を算出
   する第１の演算手段と、この演算手段により求めた最適
   加圧ガス流量に基づいて上記制御弁に対する制御値を算
   出する第２の演算手段と、この第２の演算手段の演算結
   果から制御弁特性に従って弁開度信号を求めて上記制御
   弁の開度を制御する弁制御手段とを具備したことを特徴
   とするタンク圧力制御装置。