JPS63174110A - 制御弁の流量制御装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は上下流の差圧を基に弁開度を制御する制御弁の
流量制御装置に関する。

（従来の技術） 燃料電池発電プロセスは、燃料ガスや空気の流れる配管
上に種々の構成要素を直列あるいは並列に設けておシ、
流体がこれらの要素の内部を通過する毎に組成変化及び
製置、圧力等の状態変化を繰シ返す。

このようなプロセス構成において、燃料電池発電システ
ムの運転上の特徴である、大幅な負荷変動や、頻繁な運
転モードの変更がなされたときには、流体の通る配管中
の圧力分布は各所で大きく変動する特質を有するため、
従来の固定パラメータの流量制御装置では良好な制御性
能を望めなかった。

これは圧力分布の大きな変動のため、流量制御弁の操作
信号から制御量である流量の変動までの応答特性が大き
く変動するためである。従来の流量制御装置ではその制
御ノ譬うメータの設定は、ある代表とする応答特性のも
とて伝達関数を求め、その伝達関数に対して最適に行な
っていた。

（発明が解決しようとする問題点） 上記した従来装置では、制御対象の伝達特性が設定時点
以後に変動した場合、もはや良好な制御特性が得られな
いと云う問題があった。例えば制御弁前後の圧力勾配が
大きいときは、制御弁の微小なｘｉＩＩＩＩに対しても
流量は大きく変動する、いわゆる感度の高い系であシ、
逆に圧力勾配の小さいときは一定の流量変化を目ざして
も制御弁の開度は大きく動かなければならない。したが
って、ある圧力勾配のもとて良好な制御性能をねらりた
調整を行なうと、これよシ圧力勾配が大きくなった場合
は、制御ゲインが高すぎてオーパージ、−トが現れて振
動的となシ、その結果安定性を損なうようになるが、逆
に圧力勾配が小さくなった場合は、目標値に達するまで
に長時間を登する。いわゆる応答の鈍り制御系となって
いた。特に、燃料電池発電プロセスでの燃料改質ライン
上のリフオーマとアノード間の燃料流量制御及び空気加
圧系のコンプレッサーとカソード間の空気流量制御にお
いて、上記問題点が顕著でありた。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであ
シ、プロセスの状態変化に対して最適な制御の可能な制
御弁の流量制御装置を提供することを目的としている。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は第１図に示てれるように、流量制御弁１を挾ん
で上流位置と下流位置の圧力差を検出する差圧検出器５
と、流量検出器２からの検出信号と流量設定値との差を
用いて流量制御弁１の操作信号を演算する制御演算器７
と、差圧検出器５からの信号を用いて制御演算器のパラ
メータを調節する適厄演算器６とから構成した。

（作用） 本発明では、流量制御弁１を挾んだ上流側と下流側との
圧力差を差圧検出器５にて検出して適応演算器６へ導入
し、ここで圧力差に応じた比例ゲインを演算して、圧力
勾配に見合り九ゲイン修正を行なうよりにした。

（実施例） 先ず考え方としてはプロセス（制御対象）側のゲインが
圧力勾配に関係することから、制御ゲインを圧力勾配に
見合って調節しようとするものである。そして制御弁の
動特性を簡単のため１次遅れ型とすると、弁操作信号Ｕ
から流量Ｆへの伝達関数は、 と餞わせる。ここでＧはプロセスゲインである。

一方、弁開度りに対する流量Ｆの関係式は、制御弁前後
の適当な位置の圧力差をΔＰとすると、ｐ＝に、／ａｐ
　　Ｌ　　　　　　・・・（２）となる、ｔた、弁操作
信号Ｕから弁開ＫＬへの伝運％性は（１）式の１次遅れ
部分だけでおるので、と表わせる。

（１）　＊　（２）　ｅ　（３）式よシプロセスゲイン
は、Ｇ　＝に５　　　　　　　・・・（４）の関係に従
うことがわかる。

第２図は（１）式の制御対象ｔ−ＰＩ制御器で制御する
場合のブロック線図である。この場合、目標値Ｒから制
御１ｔＦｔでの閉ループ伝達関数Ｈ（ｓ）は、となる。

（５）式においてプロセス特性の変動要素はＧだけであ
るため、 Ｋｐ　＠　Ｇ　＝　Ｃｏｎａｔ　　　　　　　・・・（
６）欧る関係を保つことができれば、前記した閉ループ
伝達関数Ｈ（８）は一定の特性となる。したがって、（
６）式の関係により比例ゲインに、を調節すれば制御性
能の低下しない制御系が得られることがわかる。

そこで成る状態のプロセス（圧力勾配ΔＰａ　）のもと
ての最適な制御／ぐラメータの設定をＫＰＯｔＴｌｏと
すると、圧力勾配がΔＰＯ→ΔＰに変化したとき、積分
時定数は変えることなくＴｓ＝Ｔｔｏで、比例ゲインＫ
Ｐは（４）と（５）式よシ、 ｘｐ−に７フｐ　　：　Ｋｐｇ　”　ｋ、’７汀となる
ことよシ。

とすればよいことがわかる。

要するに制御ノクラメータＫＰ　ｒ　Ｔ　Ｉの調整に訃
いて。

積分時定数ＴＩは初期設定値のままとし、比例ゲインＫ
Ｐを（８）式に従いオンラインで補正すればよい。

以下図面を参照して実施例を説明する。第１図は本発明
による燃料電池発電プロセスでの制御弁の流量制御装置
の一実施例の構成図である。

図に示す燃料処理系において、アノード３の入口に燃料
流量制御弁１と、その流量を検出するための流量検出器
２とを設けると共に、アノード３とセパレータ４との間
の圧力差を検出するため差圧検出器５を設けている。適
応演算器６は差圧検出器５からの検出信号を受け、ここ
での演算出力を制御演算器７へ渡す、一方、制御演算器
７は流量検出器２からの流量検出信号と流量設定値８と
適応演算器６からの信号とを受け、燃料流量制御弁１に
与える操作信号を出力する構成とする。

第３図は本発明の作用を表わす制御系の演算構成図であ
る。先ず、圧力検出器５にて検出されたｆカ差検出信号
を基に、適応演算器６は（８）式に従い比例ゲインＫＰ
を得て制御演算器７へ渡す。一方、制御演算器７は流量
検出器２からの流量検出［Ｆと設定値ＳＶとの差を比較
器７１にて導出し、この導出された比較結果を基にして
比ガプラス積分演算を行ない、７３にて制御演算器内の
伝達関数を得て弁操作信号Ｕを出力する。

上記実施例によると、特に負荷帯によって大きく異なる
セパレータ、アノード閲の圧力差の影響に対して制御性
能低下のない流量制御装置が得られる。

なお本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例
えば燃料電池プロセスの空気加圧系において、コンプレ
ッサーから空気極間の差圧の変動に対してカンードに供
給する空気流量制御装置の場合にもそのまま応用できる
。

〔発明の効果〕

以上説明した如く１本発明によればプロセスの特性変化
を検知して制御系の１４ラメータｔ−調整する一種の適
応制御系の構成とすると共に、圧力勾配の変動に対する
流量のプロセス特性への影響という物理的に特性を把握
し易ｒ問題として解決するようにしているため、制御ノ
９ラメータの決定に際して不確定要素が含まれず、信頼
性の高い制御性能不変の制御弁の流量制御装置が提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料電池プロセスの流量制御装置
の一実施例の構成図、第２図は制御対象をＰＩ制御器で
制御する場合のブ四ツク線図、第３図は本発明の作用を
表わす制御系の演算構成図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）配管内を流れる燃料量を流量検出器にて検出し、
   前記燃料量に応じて流量制御弁を調整するシステムにお
   いて、前記流量制御弁を挾んで上流位置と下流位置の圧
   力差を検出する差圧検出器と、前記流量検出器からの検
   出信号と流量設定値との差を用いて流量制御弁の操作信
   号を演算する制御演算器と、前記差圧検出器からの信号
   を用いて制御演算器のパラメータを調節する適応演算器
   とからなることを特徴とする制御弁の流量制御装置。
2. （２）制御演算器は、流量設定値と流量検出値との差を
   用いて比例プラス積分演算するＰＩ型演算器であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の制御弁の流量
   制御装置。
3. （３）適応演算器は、制御演算器の比例ゲインを圧力差
   の平方根により逆比例させる演算機能を有することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の制御弁
   の流量制御装置。