JPH06324748A - キャビテーション防止用調圧弁制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 上流側から下流側に向う管路に、直列に配置
された複数台の調圧弁の弁開度をキャビテーションを発
生させることなく制御するキャビテーション防止用調圧
弁制御装置を提供する。 【構成】 各調圧弁２３，２４のキャビテーション余裕
が一致するような各調圧弁２３，２４間の減圧量比設定
値を減圧量比設定手段４で求める。流量目標値と現在の
流量とを加算器１６で加算して偏差信号を求め、この偏
差信号に基づいて調圧弁選択手段５で、現在の減圧量比
が減圧量比設定値に近づくよう操作すべき調圧弁２３，
２４を選択する。弁開度演算手段２０において、加算器
１６からの偏差信号に基づいて、選択された調圧弁２
３，２４の操作量を演算し、演算結果を弁駆動装置６に
出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、上流側から下流側に向
う管路に直列に配置された複数台の調圧弁の弁開度を調
整するキャビテーション防止用調圧弁制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、送り側池と受け側池との間の標高
差が大きく、１台の調圧弁で減圧できる減圧量よりも送
り側池と受け側池の差圧量が大きい場合には、２台の調
圧弁を送り側池と受け側池との間の流入管に直列に設置
して段階的に減圧を行い、適切な流入流量制御を行って
いる。

【０００３】この場合、受け側池の流入流量制御は、２
台の調圧弁の開度を開閉操作することによって行われ
る。例えば、弁の開度を絞り（小さくし）、調圧弁にお
ける減圧量（調圧弁によって生じる損失水頭）を大きく
することによって、流入流量を減らす（小さくする）。
また、上記の逆の操作、すなわち弁開度を広げる（大き
くする）操作で流入流量を増やす操作を行っている。

【０００４】しかし、送り側池と受け側池との間の標高
差が大きく、１台の調圧弁で作り出せる減圧量よりも送
り側池と受け側池の差圧量の方が大きい場合、仮に１台
目の調圧弁が全開になり、２台目の調圧弁だけで減圧を
行うとすると、２台目の調圧弁が受ける圧力は、２台目
の調圧弁で減圧可能な減圧量を越え、結果として２台目
の調圧弁が破損するという事故が起こることがある。

【０００５】次に、調圧弁の制御装置について説明す
る。従来の調圧弁の制御装置は、１台目の調圧弁を操作
して１台目の調圧弁の２次圧力を所定の２次圧力目標値
に一致させることを目的とした第１の制御回路と、２台
目の調圧弁を操作して流入流量を流量目標値に一致させ
ることを目的とした第２の制御回路とからなっている。
すなわち、第１の制御回路では、１台目の調圧弁の２次
圧力目標値とプロセスから計測した１台目の調圧弁の２
次圧力の差を用いて、ＰＩＤ制御に代表される制御演算
を行って弁開度操作量を出力し、弁開度が所定の値とな
るように１台目の調圧弁を制御する。

【０００６】同様に、第２の制御回路では、２台目の調
圧弁を操作して、流入流量が流入流量目標値と一致する
ように２台目の調圧弁の制御を行っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の調圧弁
の制御装置を用いた場合には、１台目の調圧弁の動作の
影響で、第２の制御回路の入力である流入流量が影響を
受けてしまうことがある。同様に、２台目の調圧弁の動
作の影響で、１台目の調圧弁の２次圧力が変動してしま
うことがあり、この場合は第１の制御回路と第２の制御
回路とは、相互に干渉を起こしてしまう。相互干渉を回
避するための手段として、第１の制御回路の制御周期と
第２の制御回路の制御周期の比を３倍以上にするという
手法が用いられているが、この場合は遅い方の制御周期
で制御される制御目標値の制御応答が遅くなってしま
う。

【０００８】この結果として、１台目の調圧弁と２台目
の調圧弁の減圧量の分担が不適切となり、過大な減圧量
を分担した方の調圧弁が破損したり、キャビテーション
による調圧弁の破損、騒音を防ぐことができないという
問題が生じる。

【０００９】また、制御ゲインを変化させない場合は、
弁開度によっては制御応答が悪くなるという問題が生じ
る。さらに、流量目標値が急激に変化した時に、これに
追従しようとして調圧弁を大きく操作した場合、どちら
かの調圧弁に過大な減圧量が負荷されることがある。こ
の場合は、いずれかの調圧弁にキャビテーションが発生
してしまう。

【００１０】このようなキャビテーションは、キャビテ
ーション余裕が１以下になった時発生する。ここで、キ
ャビテーション余裕は次式で演算できる。 ｃａｖｋ１：キャビテーション余裕 ｃａｖ１：キャビテーション係数 ｃａｖ１₀ ：初生キャビテーション係数 （１）式で初生キャビテーション係数とは、キャビテー
ションが発生する瞬間の値である。

【００１１】すなわち、ある弁開度において、その時の
キャビテーション係数が初生キャビテーション係数より
小さい時、キャビテーションが発生する。

【００１２】なお、初生キャビテーション係数は固有の
数値であり、弁開度におけるキャビテーション係数は次
式にて演算できる。 ｃａｖ１：弁開度におけるキャビテーション係数 Ｈ２：調圧弁下流側の圧力［ｍ］ △Ｈ：調圧弁上流側と下流側の差圧量［ｍ］ １０：大気圧補正値［ｍ］ 本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、
キャビテーションが発生しないような減圧量分担を適正
に保ち、流入流量目標値への追従が良く、かつキャビテ
ーションによる調圧弁の破損及び、騒音を防ぐことので
きるキャビテーション防止用調圧弁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、上流側から下
流側に向う管路に直列に配置された複数台の調圧弁の弁
開度を調整する調圧弁制御装置において、各調圧弁を駆
動する弁駆動装置と、各調圧弁のキャビテーション余裕
が一致するような各調圧弁間の減圧量比設定値を求める
減圧量比設定手段と、流量目標値と現在の流量とから偏
差信号を求める加算器と、加算器からの信号に基づい
て、各調圧弁の現在の減圧量比を減圧量比設定値に近づ
けるよう操作すべき調圧弁を選択する調圧弁選択手段
と、加算器からの信号に基づいて選択された調圧弁の操
作量を演算し、この演算結果を当該選択された調圧弁の
弁駆動装置に出力する弁開度演算手段と、を備えたこと
を特徴とするキャビテーション防止用調圧弁制御装置で
ある。

【００１４】

【作用】減圧量比設定手段において、各調圧弁のキャビ
テーション余裕が一致するような各調圧弁間の減圧量設
定値を求め、調圧弁選択手段において、加算器からの流
量目標値と現在の流量との偏差信号に基づいて、現在の
減圧量比が減圧量比設定値に近づくよう操作すべき調圧
弁を選択する。次に弁開度演算手段において、加算器か
らの偏差信号に基づいて、選択された調圧弁の操作量を
演算し、この演算結果を弁駆動装置に出力して調圧弁を
制御する。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。図１乃至図４は、本発明によるキャビテー
ション防止用調圧弁制御装置の一実施例を示す図であ
る。

【００１６】図１において、配水場の送り側池２１と受
け側池２２との間の標高差が大きくなっており、送り側
池２１と受け側池２２との間の管路２６に、１号調圧弁
２３と２号調圧弁２４とが各々配設されている。この場
合、送り側池２１と受け側池２２との間の圧力は、１台
の調圧弁で減圧できる減圧量よりも大きくなっており、
２台の調圧弁２３，２４により段階的に減圧を行い適切
な流量制御を行うようになっている。

【００１７】また、このような調圧弁２３，２４の弁開
度を調整する調圧弁制御装置は、各調圧弁２３，２４の
キャビテーション余裕が一致するような各調圧弁間の減
圧量比設定値を求める減圧量比設定手段４と、後述する
加算器１６からの偏差信号に基づいて各調圧弁２３，２
４の現在の減圧量比が減圧量比設定値に近づくよう操作
すべき調圧弁を選択する調圧弁選択手段５とを備えてい
る。すなわち、管路２６には流量計２５が設けられ、流
入流量目標値変化量リミッタ装置１からの流量目標値と
流量計２５からの信号が加算器１６に送られ、この加算
器１６からの偏差信号が調圧弁選択手段５に送られるよ
うになっている。

【００１８】ここで、減圧量比について説明する。例え
ば、１号調圧弁２３の一次側圧力が１５ｍ、１号調圧弁
２３の二次側圧力および２号調圧弁２４の一次側圧力が
１０ｍ、２号調圧弁２４の二次側圧力が８ｍの場合、１
号調圧弁２３の減圧量は１５ｍ−１０ｍ＝５ｍ、２号調
圧弁２４の減圧量は１０ｍ−８ｍ＝２ｍとなる。

【００１９】そして、１号調圧弁２３と２号調圧弁２４
との減圧量比は、５ｍ／２ｍ＝５／２となる。

【００２０】次に、減圧量比設定手段４で行う減圧量比
設定値の求め方について、以下説明する。減圧量比設定
値は、各調圧弁２３，２４のキャビテーション余裕が一
致するような減圧量比であり、次式により求められる。 Ａ：減圧量比設定値 Ｈ１：１号調圧弁の下流（二次）側の圧力［ｍ］ Ｈ２：２号調圧弁の下流（二次）側の圧力［ｍ］ ｃａｖ１₀ （ｕ１）：１号調圧弁初生キャビテーション
係数 ｃａｖ２₀ （ｕ２）：２号調圧弁初生キャビテーション
係数 ｕ１：１号調圧弁の開度 ｕ２：２号調圧弁の開度 調圧弁選択手段５は、加算器１６からの偏差信号に基づ
いて、現在の減圧量比が減圧量比設定値に近づくように
操作すべき調圧弁を選択し、弁開度演算手段２０に選択
信号を出力するようになっている。弁開度演算手段２０
は、オートチューニングＰＩ制御信号２及び弁操作量修
正装置３とを有している。そして弁開度演算手段２０
は、加算器１６から入力される偏差信号に基づいて、選
択された調圧弁の操作量を演算し、この演算結果を調圧
弁２３，２４を駆動する弁駆動装置６に出力するように
なっている。

【００２１】また、管路２６には、１号調圧弁２３の上
流側、１号調圧弁２３の下流側および２号調圧弁２４の
下流側に、各々圧力計２７ａ，２７ｂ，２７ｃが設けら
れている。

【００２２】次にこのような構成からなる本発明の実施
例について説明する。まず、流量初期目標値１４が変更
すると、流入流量目標値変化量リミッタ装置１におい
て、２台の調圧弁２３，２４のキャビテーション余裕が
１に近づいているか判断され、キャビテーション余裕が
１に近づいている場合は、流量目標値１３の変化量を少
なくして、徐々に流量目標値１３を流量初期目標値１４
に近づける。

【００２３】次に、流量目標値１３と流量計２５からの
流量１５が加算器１６で加算されて、これらの偏差量が
求められる。その後、加算器１６からの偏差信号がオー
トチュニングＰＩ制御装置２に入力されて、２台の調圧
弁の操作量７，８がゲイン・スケジューリング式ＰＩ制
御演算式を用いて求められるとともに、この操作量７，
８が弁操作量修正装置３に入力される。

【００２４】他方、減圧量比設定手段４により、圧力計
２７ａ，２７ｂ，２７ｃからの圧力値に基づいて、
（３）式を用いて各調圧弁２３，２４のキャビテーショ
ン余裕が一致するような減圧量比設定値が求められる。
調圧弁選択手段５において、圧力計２７ａ，２７ｂ，２
７ｃからの圧力値に基づいて、各調圧弁２３，２４の現
在の減圧量比が求められる。そして、調圧弁選択手段５
において、加算器１６からの信号に基づいて、現在の減
圧量比が減圧量比設定値に近づくよう操作すべき調圧弁
２３，２４が選択される。

【００２５】調圧弁選択手段５における選択作用を、図
２により以下の場合１〜４に分けて詳述する。 場合１：各調圧弁の減圧量比＞減圧量比設定値、かつ加
算器からの信号により調圧弁を開方向操作をする時

【００２６】すなわち、１号調圧弁の減圧量分担が大き
く、調圧弁に対して開方向操作を行う時、１号調圧弁を
開操作する。 場合２：各調圧弁の減圧量比＞減圧量比設定値、かつ加
算器からの信号により調圧弁を閉方向操作をする時

【００２７】すなわち、１号調圧弁の減圧量分担が大き
く、調圧弁に対して閉方向操作を行う時、２号調圧弁を
閉操作する。 場合３：各調圧弁の減圧量比≦減圧量比設定値、かつ加
算器からの信号により調圧弁を閉方向操作をする時

【００２８】すなわち、２号調圧弁の減圧量分担が大き
く、調圧弁に対して閉方向操作を行う時、１号調圧弁を
閉操作する。 場合４：各調圧弁の減圧量比≦減圧量比設定値、かつ加
算器からの信号により調圧弁を開方向操作をする時

【００２９】すなわち、２号調圧弁の減圧量分担が大き
く、調圧弁に対して開方向操作を行う時、２号調圧弁を
開操作する。

【００３０】調圧弁選択装置５において、どちらの調圧
弁を操作するか選択した場合、弁操作量修正装置３にお
いて操作しない方の調圧弁の操作量を０とし、操作する
方の調圧弁ですべての操作量を受けもつよう、調圧弁の
操作量を修正する。すなわち、弁開度演算手段２０で
は、調圧弁選択手段５で選択された調圧弁の操作量を加
算器１６からの偏差信号に基づいて演算することにな
る。弁操作量修正装置３からの操作量９，１０は、その
後弁駆動装置６に送られ、弁駆動装置６により調圧弁２
３，２４が駆動される。

【００３１】上述の実施例によれば、図３に示すよう
に、減圧量比設定値に基づいて操作すべき調圧弁を選択
することにより、２台の調圧弁にキャビテーションが発
生することなく調圧弁の減圧量分担を適正に保ち、かつ
流量目標値への追従とが良好な制御を行うことができ
る。また、一方の調圧弁での減圧量が過大であることに
起因する調圧弁の騒音発生を防ぐこともできる。なお、
図３は、本発明によるキャビテーション防止用調圧弁制
御装置における受水流量制御応答（ａ）と、キャビテー
ション余裕（ｂ）とを示す図である。

【００３２】ここで比較のため、図４により従来の調圧
弁制御装置による受水量制御応答（ａ）と、キャビテー
ション余裕（ｂ）とを示す。図３及び図４に示すよう
に、本発明によれば、従来のものに比較してキャビテー
ションの発生を確実に防止することができる。

【００３３】以上述べたように、本実施例によれば、次
のような効果を有する。 （１） 各調圧弁の減圧量分担を適正に保ち、かつ流量
目標値への追従が良い調圧弁制御が可能となる効果があ
る。また、一方の調圧弁での減圧量が過大であることに
起因する調圧弁の騒音発生を防ぐことができる。 （２） 流入流量を目標値に制御する際、ゲイン・スケ
ジューリング式ＰＩ制御演算式を用いることにより、弁
開度−弁抵抗特性の非線形特性を補正でき、流量目標値
への追従がより良い調圧弁制御が可能となる。 （３） キャビテーション余裕が１に近づいた場合、流
入流量目標値変化量リミット装置により流量初期目標値
にリミッタをかけるため、流量初期目標値が急激に変化
してもキャビテーションは発生しないように調圧弁を制
御することができる。

【００３４】なお、上述の実施例において、調圧弁の操
作量を演算するため、ゲイン・スケジューリング式ＰＩ
制御演算式を用いたが、この他、ＰＩＤ制御演算式、Ｉ
−ＰＤ制御演算式、２自由度ＰＩＤ制御演算式などを用
いてもよい。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
各調圧弁のキャビテーション余裕が一致するよう各調圧
弁間の減圧量設定値を求め、この減圧量設定値に現在の
減圧量比が近づくよう操作すべき調圧弁を選択して操作
するので、これら調圧弁にキャビテーションが発生する
ことなく、各調圧弁の減圧量分担を適正に保って、流量
調整を行うことができる。このため、特定の調圧弁で減
圧量が過大となってキャビテーションが発生したり、騒
音が発生することはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるキャビテーション防止用調圧弁制
御装置の一実施例を示す概略図。

【図２】調圧弁選択手段における作用を示す図。

【図３】本発明の制御効果を示す受水流量制御応答とキ
ャビテーション余裕を示す図。

【図４】従来の制御結果を示す受水流量制御応答とキャ
ビテーションの余裕を示す図。

【符号の説明】

４ 減圧量比設定手段 ５ 調圧弁選択手段 ６ 弁駆動装置 １６ 加算器 ２０ 弁開度演算手段 ２１ 送り側池 ２２ 受け側池 ２３ １号調圧弁 ２４ ２号調圧弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内 田 祥 司 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内 (72)発明者 山 下 幸 治 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上流側から下流側に向う管路に直列に配置
   された複数台の調圧弁の弁開度を調整する調圧弁制御装
   置において、 各調圧弁を駆動する弁駆動装置と、 各調圧弁のキャビテーション余裕が一致するような各調
   圧弁間の減圧量比設定値を求める減圧量比設定手段と、 流量目標値と現在の流量とから偏差信号を求める加算器
   と、 加算器からの信号に基づいて、各調圧弁の現在の減圧量
   比を減圧量比設定値に近づけるよう操作すべき調圧弁を
   選択する調圧弁選択手段と、 加算器からの信号に基づいて選択された調圧弁の操作量
   を演算し、この演算結果を当該選択された調圧弁の弁駆
   動装置に出力する弁開度演算手段と、 を備えたことを特徴とするキャビテーション防止用調圧
   弁制御装置。