JPH07107642B2 - 原動機の速度制御装置 - Google Patents

原動機の速度制御装置

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JPH07107642B2
JPH07107642B2 JP18535987A JP18535987A JPH07107642B2 JP H07107642 B2 JPH07107642 B2 JP H07107642B2 JP 18535987 A JP18535987 A JP 18535987A JP 18535987 A JP18535987 A JP 18535987A JP H07107642 B2 JPH07107642 B2 JP H07107642B2
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proportional
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control
speed
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展一 岡本
敏光 森元
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は空気(ガス)圧縮機駆動用蒸気タービン、舶用
(回転数可変)ディゼル機関、その他被駆動機械の負荷
が回転数の3乗に比例する原動機の速度制御装置に関す
る。
[従来の技術] 先ず、制御装置の適用系について、ガス圧縮機駆動用蒸
気タービンの速度制御を例にして説明する。
第2図は従来の原動機の速度制御装置を示す。
第2図の破線より右側の構成は、蒸気タービンの蒸気加
減弁特性より発生されるタービン出力に対する回転軸の
慣性に関する特性,回転軸の応答すなわち回転数nに対
するガス圧縮機の負荷特性,タービン出力とガス圧縮機
負荷の差を回転数で除した量が駆動トルクとなる関係、
などの系の物理的な因子の伝達関係を示したものであ
る。
ガス圧縮機を駆動する蒸気タービンの出力は、蒸気加減
弁の流量に比例して変化し、ガス圧縮機の負荷は回転数
nの3乗に比例して変化する。
蒸気加減弁の流量は弁開度に比例し、弁開度は弁の操作
部に入力される比例積分制御器の出力信号に比例するよ
う構成されている。
今、回転数を上昇させる場合、ガス圧縮機の負荷に加え
て回転軸の慣性モーメントを加速するに要する負荷が余
分にかかるので、蒸気加減弁を加速度の大きさに応じて
余分に開くよう制御する必要がある。
回転数を目標に等しく制御する手段として、回転数の目
標値と測定値の偏差を比例積分制御器の入力として与
え、比例制御信号成分で偏差を或る程度縮小させると共
に、偏差がゼロにならぬ限り、偏差を時間に関して積分
演算して得られる積分制御信号成分によって偏差がゼロ
になる方向に蒸気加減弁の開度を変更し続bけるフィー
ドバック制御方法が従来より用いられている。
前述のような比例積分制御の基本的手段にのみ依存すれ
ば、回転数の大きい領域で比例ゲインや積分時間を最適
調整したとしても、ガス圧縮機の負荷が回転数の3乗に
比例する特性の故に、タービン出力に対する回転数のゲ
インが 1/3n2 となり、回転数の低下につれて安定性が悪化し、ハンチ
ングを生じたりするので、第2図のように回転数測定値
を用いて、の逆数を発生させ、この信号を偏差信号
に乗じて比例ゲインを補正する方法が採られている。
なお第2図のおいて、1は回転数設定器、2は回転数検
出器、3は偏差器、4は蒸気加減弁特性、5は偏差器、
6は除算器、7は積分特性、8は3乗特性、9は係数
器、21は係数器、22は乗算器、23は比例積分制御器を示
す。
[発明が解決しようとする問題点] 従来の装置は比例積分制御器の比例ゲインを回転数測定
値を用いて補正する方法を採用しているが、システム
固有の特性を明確に捉えた結果をきめ細かく反映してい
ない。
そのため、例えば安定性については補償されていても、
速応性は逆に悪化している不具合があった。
殊に、ガス圧縮機の負荷が定格状態から急激に大幅に減
少するオーバースピード(定格回転数の10%以上の回転
数上昇)でタービンストップを生じることもあり、例え
ば、化学プラントなどでは工場全体の操業を阻害し、大
きい損害を与えることもあった。
本発明は、上記従来の問題点を解消するためになされた
もので、比例積分制御器による可変回転数制御を基本と
し、制御対象と制御装置を組合わせた全系に固有の動特
性を容易に解析,把握できる技術にもとづき、自動制御
系全体を振動系の観点で捉え、安全性と速応性の評価を
振動減衰率ζ値によって一意的に定めることを特徴とし
た理想的な最適制御の装置化である。
したがって、本発明は、例えば回転数5%の全領域に亘
って、必ず安定であり、速応性は固有最高速を確保でき
る利点を有する原動機の速度制御装置を提供することを
目的とする。
[問題点を解決するための手段] 本発明による原動機の速度制御装置は、原動機によって
回転駆動される機械の負荷が、効率を含めて回転数の3
乗に比例する運転条件に適合する原動機の速度制御装置
において、 (A) 比例積分制御器の制御器特性を G(D)=K(1+1/TD) とするとき、前記比例積分制御器の比例ゲインKに相当
する数値を分離し、 K=3()2 の演算を連続的に行ないつつ、KΔを比例積分制御の
比例制御信号成分として用いる手段と、∫K/T・Δndt (B) 前記比例積分制御器の積分時間Tに相当する数
値を分離し、K/Tに相当する数値として、 K/T={32()3KWO}/TLζ2) の演算を連続的に行ないつつ、∫K/T・Δdt、を演算
し、比例積分制御の積分制御信号成分として用いる手段
とを設け、 振動減衰率ζの値によって全回転数範囲に亘り、制御の
安定性と速応性を規定し、均一化することを特徴とす
る。
[作用] 本発明の制御装置が対象とする原動機の負荷特性は、負
荷を記号Lで表わせば、式(1)で記述できる。
L=KWO・n3 (1) 任意の回転数nに対する負荷LのゲインΔL/Δnは式
(1)を線形化して ΔL=KWO・3n2Δn となるから、 ΔL/Δn=KWO・3n2 (2) となる。ただし、 ΔLはLの変化分、 Δnはnの変化分、 である。
第1図の構成要素8(3乗特性)および9(係数器)を
直列にしたサブシステムのゲインとして、上記式(2)
の右辺を採用し、第1図に示す全系の設定回転数nset
に対する実回転数nを求める伝達関数n(D)/nSET
(D)を求めると式(3)のようになる。
次に比例ゲインKを、 K=3n2 (4) とおいて、開ループの静ゲインが1.0となるように定め
ると、式(3)は最終的には式(5)となる。
式(5)に示す伝達関数の分母すなわち、第1図の全系
の特性式は、系の安定性と速応性を決定することにな
る。
式(5)は2次おくれ系、あるいは振動系と呼ばれる形
であることから、速応性は固有振動数ωの値で定まり、
安定性は振動減衰率ζの値で定まる。
そして、第1図に示す全系の特性式G(D)が G(D)=D2+2ζωD+ω2 となる形になるように式(5)の分母を表現すると、 となる。
ζ=0では振動が一定の振幅で持続し、 ζ=1.0では「行き過ぎ」の現象を生じない。
式(5)を式(6)に代入し、積分時間Tを求めると、 となり、式(4)で定めたK=3n2を用いてK/Tを求める
と、 となる。
式(9)のζの値が一定であれば、回転数設定値nSET
の変化に対する実回転数nの応答波形の振幅減衰率が、
回転数設定値nSETの大小によらず一定になるという効
果が得られる。
実機への適用に当たっては、実回転数nに代って回転数
測定値を用いることにより、同上の効果をうることが
できる。
[実施例] 第1図は、本発明の一実施例のブロック図を示す。
第1図で、1は回転数設定器、2は回転数検出器、3は
偏差器、4は蒸気加減弁特性、5は偏差器、6は除算
器、7は積分特性、8は3乗特性、9は係数器、10は減
衰率設定器、11は2乗発生器、12は2乗発生器、13は乗
算器、14は係数器、15は乗算器、16は係数器、17は除算
器、18は乗算器、19は積分器、20は加算器を示す。
ただし4〜9で示す符号はそれぞれ制御対象を数式モデ
ル表現とした場合の名称を示す。
第1図において、先ず、制御対象に関して説明する。
蒸気加減弁特性4は、加算器20が出力する比例積分制御
信号を受けて、入力に比例した蒸気流量、即ちタービン
出力KWを発生する。
3乗特性8は、ガス圧縮機の負荷が回転数nの3乗に比
例する意味の物理量を、定格負荷を1.0とした無次元で
要素9に伝達し、要素9は定格負荷値KWOを乗じてガス
圧縮機の負荷を出力する。
偏差器5は、タービン出力とガス圧縮機負荷の差を演算
し、出力を除算器6に送出し、除算器6は出力偏差を回
転数nで除してトルク偏差に換算し、積分特性7の入力
に伝達する。
積分特性7は、入力されたトルク偏差を回転軸まわりの
慣性に関する定数TLで除し、更に時間に関して積分さ
れた関係の物理、即ち回転数nを出力する。
以上のブロック図は、可変回転数の運転がなされる各種
機械と駆動用原動機を組合せた複合系にも共通してあて
はまるものである。
次に、本発明の制御装置の部分に関して説明する。
回転数設定器1は、目標とする回転数nSET(無次元)
を設定する機能を有し、出力を偏差器3の+側入力に送
出する。
回転数検出器2は、回転数nを測定し、回転数測定値
を偏差器3の−側入力に送出する。
2乗発生器12は、回転数測定値を入力とし、その2乗
の値を出力する。
制御装置部における以上の構成と接続関係は、従来とも
同様である。
減衰率設定器10は全系を振動系(または、2次おくれ特
性)とみなしたときの振動減衰率ζを設定する機能を有
し、出力を2乗発生器11の入力として送出する。
後に、この機能は、比例積分制御の積分制御信号成分に
のみ波及し、最適制御の安定性と速応性の両者を一意的
に任意に調整できる要点となる。
乗算器13は、2乗発生器12の出力()2と回転数検出
器2の出力nとを入力として両者の乗算を行ない、
()3を出力し、乗算器18の下方の入力として送出す
る。
係数器14は、入力の回転数偏差信号Δに定数3を乗
じ、出力を乗算器15の左方の入力として送出する。
乗算器15は、係数器14と2乗発生器12から送入される信
号の乗算を行ない出力を比例積分制御の比例制御信号成
分として加算器20の左方入力に送出する。
係数器16は、回転数偏差信号Δに定数32KWO/TLを乗
じ、出力を除算器17の左方入力として送出する。
除算器17は、係数器16から送入される信号を2乗発生器
11からの入力で除算し、出力を乗算器18の左方入力とし
て送出する。
乗算器18は、除算器17からの入力と乗算器13からの入力
とを乗算し、出力を積分器19の入力として送出する。
積分器19は、入力の時間に関する積分演算を行ない、出
力を比例積分制御の積分制御信号成分として加算器20の
下方入力として送出する。
加算器20は、乗算器15から送入される比較制御信号成分
と積分器19から送入される積分制御信号成分との加算を
行ない、出力を比較積分制御器の出力と等価な意味で蒸
気加減弁特性4の入力として伝達する。
第3図は、上記本発明の一実施例についての実験結果の
オッシログラフ記録の一例を示す図で、振動減衰率ζを
ζ=0.22に設定し、回転数設定値nSETを0.0から始めて
回転数が整定することを確認しつつ、順次0.1づつステ
ップ状に増加した場合の試験結果を示す。
例えば、ζ=0.22における過渡的変動の振幅減衰率は25
%になることが制御論理上明らかにされており、第3図
に示す如く、最下段の回転数偏差信号Δに着目すれ
ば、一周期ごとに振幅が25%に減少していることが分か
る。
[発明の効果] 本発明によれば、自動制御系全体を振動系の観点で捉
え、安全性と速応性の評価を振動減衰率によって一意的
に定めることができ、理想的な最適制御が得られる等の
優れた効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例としての速度制御装置および
制御対象を複合したブロック図、 第2図は、従来の速度制御装置および制御対象を複合し
たブロック図、 第3図は、第1図の本発明の実施例について実験した結
果のオッシログラフ記録を示す図である。 [符号の説明] 1……回転数設定器、2……回転数検出器、3……偏差
器、4……蒸気加減弁特性、5……偏差器、6……除算
器、7……積分特性、8……3乗特性、9……係数器、
10……減衰率設定器、11……2乗発生器、12……2乗発
生器、13……乗算器、14……係数器、15……乗算器、16
……係数器、17……除算器、18……乗算器、19……積分
器、20……加算器、21……係数器、22……乗算器、23…
…比例積分制御器、D……微分演算子、G(D)……伝
達関数、I……回転体の慣性モーメント、K……比例積
分制御器の比例ゲイン、KWO……定格負荷、L……負
荷、N0……定格回転数、n……実回転数、nSET……回
転数設定値(無次元)、……回転数測定値(無次
元)、Δ……回転数偏差信号、T……比例積分制御系
の積分時間、TL……回転体の加速に要する時間の程度
を示す定数、ζ……全制御システムの振幅減衰率、ω…
…固有振動数。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】原動機によって回転駆動される機械の負荷
    が、効率を含めて回転数の3乗に比例する運転条件に適
    合する原動機の速度制御装置において、 (A)比例積分制御器の制御器特性を G(D)=K(1+1/TD) とするとき、前記比例積分制御器の比例ゲインKに相当
    する数値を分離し、 K=3()2 の演算を連続的に行ないつつ、KΔを比例積分制御の
    比例制御信号成分として用いる手段と、 (B)前記比例積分制御器の積分時間Tに相当する数値
    を分離し、K/Tに相当する数値として、 K/T={32()3KWO}/(TLζ2) の演算を連続的に行ないつつ、 ∫K/T・Δdt を演算し、比例積分制御の積分制御信号成分として用い
    る手段とを設け、 振動減衰率ζの値によって全回転数範囲に亘り、制御の
    安定性と速応性を規定し、均一化することを特徴とする
    原動機の速度制御装置。 (ただしD:微分演算子、 G(D):伝達関数、 K:比例積分制御器の比例ゲイン(無次元値)、 T:比例積分制御器の積分時間(S)、 :回転数測定値(無次元値)、 KWO:定格負荷(KW)、 ζ:全制御システムの振動減衰率、 TL:回転体の加速に要する時間の程度を示す定数 TL=πIN0 2/(30×974) I:回転体の慣性モーメント(Kg mS2) N0:定格回転数(rpm))。
JP18535987A 1987-07-27 1987-07-27 原動機の速度制御装置 Expired - Lifetime JPH07107642B2 (ja)

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JPS6429903A JPS6429903A (en) 1989-01-31
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