低圧試験室の圧力制御装置

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【発明の名称】	低圧試験室の圧力制御装置
【発明者】	【氏名】原隆【氏名】仲本郁雄【氏名】山中庸詳【氏名】宮永俊晴
【要約】	【課題】換気を必要とする低圧試験室の圧力制御において、高精度の制御を実現する。制御上の応答遅れによるオーバーシュートなどをなくす。【解決手段】排気系の流量を一定に制御し、この流量をセ氏０度、１気圧の標準状態に換算し、入力される圧力変化速度から求めた標準状態の加減圧風量と、標準状態に換算された排気系の質量流量との和から吸気制御弁に与えるＣｖ値を求め、予め求めた補正値によりＣｖ値を補正し、これを制御量として吸気制御弁に与える。

【特許請求の範囲】
【請求項１】低圧室と該低圧室に空気を供給する給気系と前記低圧室の空気を外部に放出する排気系とを備える低圧試験室の圧力制御装置において、前記排気系の検出圧力に基づき、該排気系の流量をその設定値に近づくように制御する排気系制御手段と、前記排気系の流量値を、少なくとも前記排気系の圧力に基づき、予め定められた標準状態における質量流量値に換算する排気流量換算手段と、入力される圧力変化速度を前記低圧室で実現するのに必要な給気と排気との差分に相当する、前記標準状態における加減圧質量流量を求める加減圧流量生成手段と、前記排気流量換算手段が出力する標準状態における質量流量値と、前記加減圧流量生成手段が出力する標準状態における加減圧質量流量とに応じて、前記給気系の質量流量を制御する給気系制御手段とを設けたことを特徴とする低圧試験室の圧力制御装置。
【請求項２】前記請求項１記載の低圧試験室の圧力制御装置において、前記給気系制御手段が、前記排気流量換算手段が出力する標準状態における質量流量値と前記加減圧流量生成手段が出力する標準状態における加減圧質量流量との和と、少なくとも給気系に配置された給気制御弁の１次圧及び２次圧に基づいて、前記給気制御弁の制御量であるＣｖ値を求めるＣｖ値生成手段と、予め定められた係数により、前記Ｃｖ値を補正するＣｖ値補正手段と、該Ｃｖ値補正手段により補正して得られたＣｖ値に応じて、前記給気制御弁の開度を制御する弁開度調節手段とを含むことを特徴とする低圧試験室の圧力制御装置。
【請求項３】前記請求項２記載の低圧試験室の圧力制御装置において、前記給気系制御手段が、前記給気制御弁の上流側に配置され該給気制御弁の入側に空気を送る給気手段を備えると共に、該給気手段の制御量を、該給気手段と前記給気制御弁の間での検出圧力に応じて補正する給気圧力補正手段を備えたことを特徴とする低圧試験室の圧力制御装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動車の低圧環境試験に利用される低圧環境試験室のように、換気を必要とする低圧試験室の圧力制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車用低圧試験室においては、供試体の模擬走行状況における標高信号に合わせて室内圧力を追従制御するために、応答遅れを防止して安定な制御を行うことが望まれている。この種の装置は、換気を必要とするため、一般に図７又は図８に示すように構成され、低圧室と該低圧室に空気を供給する給気系と前記低圧室の空気を外部に放出する排気系とを備えている。低圧室の圧力は、給気量と排気量との差で調整される。図７を参照すると、外気を低圧室７に導入する給気管８には給気ファン１と給気制御弁２が設置され、低圧室７内の空気を排気する排気管９には、排気ブロア３と排気制御弁４が設置されている。
【０００３】図７に示す構成においては、排気系すなわち排気ブロア３と排気制御弁４の動作を一定にしておき、圧力センサ５が検出した低圧室７の圧力と目標圧力とに応じて、給気制御弁２をフィードバック制御し、低圧室７の圧力が目標圧力になるように調節計６で制御する。図８に示す構成においては、給気系すなわち給気ファン１と給気制御弁２の動作を一定にしておき、圧力センサ５が検出した低圧室７の圧力と目標圧力とに応じて、排気制御弁４をフィードバック制御し、低圧室７の圧力が目標圧力になるように調節計６で制御する。自動車用低圧試験室の場合には、目標圧力は、試験室内シャシダイナモ設備からの標高信号（車速信号と登坂勾配信号から演算により求められる）に対応する気圧に定められる。
【０００４】また、特開昭５５－４１３０６号公報に開示された従来技術においては、給気系主体の制御と排気系主体の制御とを自動的に切り替えるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の装置において、圧力制御の性能は、制御機器の応答性能、低圧室の容積、換気風量の影響を受ける。換気風量の最低基準は、低圧室内の人員の呼吸量や、実験車両の必要給気量などで決定される。
【０００６】但し、換気量が大きすぎると、給気及び排気装置の大型化によりコストが増大し、さらに装置故障時に圧力変動量が大きくなり低圧室内の人体に及ぼす悪影響が大きい。このため実用上、吸排気装置の換気能力は必要最小限にすることが望ましい。従って、自動車性能試験室のように低圧室の容積が大きくなると、室容積に比べて換気量の比率が小さくなり、制御ゲインも小さくなる。このような環境では、従来のようなフィードバック制御を実施するだけでは、圧力制御に応答遅れ、オーバーシュート、ハンチングなどが生じるのは避けられない。
【０００７】しかし、例えば自動車用低圧試験室の場合、室内圧力は自動車排気ガスの評価基準として、標高信号に合わせて高精度に追値制御しなければならず、高精度の性能試験を実施するために、低圧試験室の圧力制御の精度および応答性を改善することが望まれている。そこで本発明は、低圧試験室の圧力を高精度で制御すると共に高い応答性を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するために、請求項１では、低圧室と該低圧室に空気を供給する給気系と前記低圧室の空気を外部に放出する排気系とを備える低圧試験室の圧力制御装置において、前記排気系の検出圧力に基づき、該排気系の流量をその設定値に近づくように制御する排気系制御手段と、前記排気系の流量値を、少なくとも前記排気系の圧力に基づき、予め定められた標準状態における質量流量値に換算する排気流量換算手段と、入力される圧力変化速度を前記低圧室で実現するのに必要な給気と排気との差分に相当する、前記標準状態における加減圧質量流量を求める加減圧流量生成手段と、前記排気流量換算手段が出力する標準状態における質量流量値と、前記加減圧流量生成手段が出力する標準状態における加減圧質量流量とに応じて、前記給気系の質量流量を制御する給気系制御手段を設ける。
【０００９】また請求項２の発明では、請求項１記載の低圧試験室の圧力制御装置において、前記給気系制御手段が、前記排気流量換算手段が出力する標準状態における質量流量値と前記加減圧流量生成手段が出力する標準状態における加減圧質量流量との和と、少なくとも給気系に配置された給気制御弁の１次圧及び２次圧に基づいて、前記給気制御弁の制御量であるＣｖ値を求めるＣｖ値生成手段と、予め定められた係数により、前記Ｃｖ値を補正するＣｖ値補正手段と、該Ｃｖ値補正手段により補正して得られたＣｖ値に応じて、前記給気制御弁の開度を制御する弁開度調節手段を含む。
【００１０】また請求項３の発明では、前記請求項２記載の低圧試験室の圧力制御装置において、更に前記給気系制御手段が、前記給気制御弁の上流側に配置され該給気制御弁の入側に空気を送る給気手段を備えると共に、該給気手段の制御量を、該給気手段と前記給気制御弁の間での検出圧力に応じて補正する給気圧力補正手段を備える。
【００１１】（作用）例えば、排気系に設置したブロアを一定速度で回転させた場合、排気の容積流量はほぼ一定になるが、排気管内の圧力が変化すると、それに伴って質量流量が変動する。低圧室内の圧力は、給気量と排気量との収支バランスによって決定されるので、排気系の質量流量の変動は、低圧室の圧力制御に悪影響をもたらす。しかし請求項１の発明では、排気系制御手段の働きにより、排気系の質量流量の変動が抑制される。
【００１２】低圧室の圧力、すなわち給気量と排気量との収支バランスを正確に制御するためには、給気系、排気系及び低圧室の状態を、圧力や温度が統一された環境で把握する必要がある。請求項１では排気流量換算手段が出力する質量流量値は、予め定められた標準状態（例えば、１気圧、セ氏０度）に換算された排気系の質量流量値である。また、加減圧流量生成手段が出力する加減圧質量流量は、入力される圧力変化速度を低圧室で実現するのに必要な給気と排気との差分に相当するものであり、前記標準状態での値に換算されている。
【００１３】従って、前記排気流量換算手段が出力する質量流量値と、前記加減圧流量生成手段が出力する加減圧質量流量とを加算した結果により、給気系の質量流量を制御すれば、低圧室内の圧力を高精度で制御しうる。しかも、フィードフォワード制御なので、基本的に応答遅れが生じることがなく、設定圧力変更時に、オーバーシュートやハンチングの発生を避けることができる。
【００１４】また請求項２の発明では、さらに、前記給気系制御手段に含まれるＣｖ値生成手段が出力するＣｖ値（弁の容量係数）によって給気制御弁の開度が制御される。但し、実際には給気制御弁の１次側と２次側との差圧の大きさ、及び給気制御弁と接続配管の複合抵抗系の存在により、一般的な計算式で得られるＣｖ値に基づいて給気制御弁を制御すると、制御誤差が生じる。この制御誤差を無くするために、Ｃｖ値補正手段は、予め定められた補正係数（実測などにより予め設定される）により、前記Ｃｖ値を補正する。弁開度調節手段は、補正されたＣｖ値に応じて、給気制御弁を制御するので、高精度の圧力制御が実現する。
【００１５】また請求項３の発明では、前記給気制御弁の上流側に配置された給気手段の制御量を、該給気手段と前記給気制御弁の間での検出圧力に応じて補正するので、給気制御弁の入側の圧力が安定化され、低圧室の圧力制御の精度を更に向上するのに役立つ。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態は、請求項１，請求項２及び請求項３に相当する。自動車の低圧環境試験に利用される低圧室の圧力を制御するシステムの主要部を図３に示す。図３を参照して説明する。低圧室１１は、室容積が１２００(ｍ³)であり、これに給気管１２と排気管１３が接続されている。給気管１２の途中には、給気ファン１４と給気制御弁１８が設置されており、排気管１３の途中には、真空ブロア１５が設置されている。
【００１７】給気ファン１４は、インバータ１６によって回転速度が制御される１台のターボファンで構成されており、最大で6000 (ｍ³／ｈ)の給気を得る能力を有している。真空ブロア１５はインバータ１７により回転速度が制御される容積式の２台のブロアで構成されており、最大で2500 (ｍ³／ｈ)の排気能力を有している。なお実際には排気管は２系統存在し、各々の排気管にブロアが１台ずつ設置されているが、同一の構成であるため、図３においては、一方の排気系の記載を省略してある。このシステムにおいては、低圧室１１の圧力が４３０～７６０(ｍｍＨｇ)の範囲で制御される。
【００１８】低圧室１１内の圧力は、給気量と排気量とのバランスによって決定される。即ち、排気量に比べて給気量が大きいと低圧室１１の圧力が上昇し、排気量に比べて給気量が小さいと低圧室１１の圧力が降下する。この形態では、質量流量をセ氏０度、１気圧の標準状態に換算して把握し、給気量と排気量とのバランスを制御し、低圧室１１の圧力を制御する。
【００１９】つまり、図１に示すように、排気流量をＱｅ (Ｎｍ³／ｈ)、加減圧流量をＱｄ(Ｎｍ³／ｈ)とすると、給気流量Ｑｓ (Ｎｍ³／ｈ)は、ＱｅとＱｄとの和で表される。Ｑｄが正の値であれば低圧室の圧力は上昇し、Ｑｄが０であれば変化せず、Ｑｄが負の値であれば圧力は降下する。
【００２０】ところで、真空ブロア１５の回転速度を一定にすると、排気管１３での容積流量は一定になるが、排気管１３内の圧力が変化すると、排気管１３での質量流量が変化する。図３に示す形態では、圧力にかかわらず排気管１３での質量流量が一定になるように制御している。即ち、排気管１３に圧力検出器２２が設置されており、これが検出したサクション圧Ｐｓが効率補正テーブル２５に入力される。効率補正テーブル２５は、図６（ａ）に示すように、排気流量設定値Ｑｅｓの値（Ａ００，Ａ０１，・・）とサクション圧Ｐｓの値（Ｂ０，Ｂ１，Ｂ２，・・）とで特定されるデータ（Ｄ００００，Ｄ０００１，Ｄ０００２，・・・）を出力するテーブルであり、サクション圧Ｐｓが変化しても排気管１３の実際の体積流量が排気流量設定値Ｑｅｓに維持されるような値が予め登録されている。
【００２１】従って、サクション圧Ｐｓが変化すると、効率補正テーブル２５の出力値が変化し、インバータ１７の出力の周波数が変わって真空ブロア１５の排気効率が補正され、排気管１３の体積流量がＱｅｓに維持される。この例では、排気流量設定値Ｑｅｓとして定数を用いている。温度，圧力補正処理２６においては、次に示す第１式に基づき、排気流量設定値Ｑｅｓを標準状態（セ氏０度、１気圧）の排気流量Ｑｅに換算する。
【００２２】
Ｑｅ＝Ｑｅｓ・（Ｐｓ／７６０）・（２７３／Ｔｅ）・・・・(1)Ｑｅｓ：圧力Ｐｓにおける排気流量（ｍ³／ｈ）
Ｐｓ：サクション圧（ｍｍＨｇ）
Ｔｅ：排気温度（Ｋ）
排気温度Ｔｅは、排気管１３に設置された温度検出器２３が検出した値である。なお、Ｔｅが低圧室１１内の温度（Ｔｓ）と大きな差がない場合には、温度検出器２３を省略して、Ｔｅの代わりにＴｓを採用してもよい。
【００２３】実際にこのシステムを使用する場合、低圧室１１の圧力目標値ＳＶと圧力変化速度ΔＳｖが外部の装置から与えられる。例えば自動車の模擬走行状態の環境試験をする場合には、車速信号と登坂勾配信号に基づいて、標高が計算され、それによって圧力と圧力変化速度が決定され、ＳＶ及びΔＳｖとしてこのシステムに入力される。圧力目標値ＳＶと圧力変化速度ΔＳｖの一例を図２に示す。
【００２４】圧力変化速度ΔＳｖが正なら圧力目標値ＳＶは時間の経過と共に上昇し、圧力変化速度ΔＳｖが負の場合には圧力目標値ＳＶは降下する。入力される圧力変化速度ΔＳｖに基づき、加減圧風量計算処理２８では、加減圧流量Ｑｄ（Ｎｍ³／ｈ）を生成する。計算式は次の第２式の通りである。
Ｑｄ＝（Ｖ／γ・Ｒ・Ｔｓ）・（ΔＳｖ／７６０）・１０⁴ ・・・・(2)γ：標準状態の空気比重量Ｖ：低圧室の容積（ｍ³）
Ｒ：空気のガス定数Ｔｓ：低圧室内温度（Ｋ）
ΔＳｖ：圧力変化速度（ｍｍＨｇ／ｈ）
必要な給気流量Ｑｓ（Ｎｍ³／ｈ）は、加算処理２７でＱｅとＱｄを加算することで得られる。
【００２５】図３に示す形態では、給気管１２の質量流量を必要な給気流量Ｑｓに制御するために、Ｑｓから給気弁制御１８の容量係数であるＣｖ値を求めて、Ｃｖ値で給気制御弁１８を制御している。Ｃｖ値計算処理３０では、次に示す第３式によりＣｖ値を求める。
Ｃｖ０＝Ｑｓ／273・√｛Ｓ・Ｔｓ／(P1－P2)(P1＋P2)｝・・・・(3)Ｓ：空気の比重Ｐ１：給気弁の１次側圧力Ｐ２：給気弁の２次側圧力上記第３式において、室温Ｔｓは温度検出器２１で検出されたもの、１次側圧力Ｐ１及び２次側圧力Ｐ２は、それぞれ圧力検出器１９及び２０で検出されたものである。
【００２６】Ｃｖ値によって給気制御弁を制御する方式は基本的に望ましいのであるが、実際にここで求めたＣｖ０で制御を実施すると制御誤差が発生する。これは、弁ポート部からの急拡大による圧力損失が主な原因であり、上記第３式の適用限界と考えられる。即ち、適正なＣｖ値とＣｖ０との間に偏差が生じる。ここでＣｖ値偏差率＝（適正Ｃｖ値－Ｃｖ０）／適正Ｃｖ値、と定義すると、Ｃｖ値偏差率は、図４に示すように室内圧力Ｐ２に応じて変化する。この偏差を補正するために、図３ではＣｖ値補正テーブル２９を用いて、Ｃｖ０からＣｖ１を生成している。
【００２７】Ｃｖ値補正テーブル２９は、例えば予め実測して得られた図４のような偏差特性を補償するためのデータが圧力Ｐ２に対応付けて登録されたものであり、Ｃｖ０と圧力Ｐ２を入力することにより、適正Ｃｖ値に補正されたＣｖ１が、Ｃｖ値補正テーブル２９から出力される。実際には、Ｃｖ値補正テーブル２９は図６（ｂ）のように構成されており、入力されるＣｖ０の値（Ａ００，Ａ０１，・・）と圧力Ｐ２の値（Ｂ０，Ｂ１，Ｂ２，・・・）に応じて定まるデータ（Ｄ１０００，Ｄ１００１，・・）をＣｖ１として出力する。
【００２８】弁開度制御器３２は、Ｃｖ値補正テーブル２９から出力されるＣｖ１に応じて、給気制御弁１８の開度を調整する。また、このようなフィードフォワード制御だけだと、僅かであるが誤差が生じるので、それを補償するために図３の構成にはフィードバック制御系も含まれている。即ち、低圧室１１の圧力目標値ＳＶと検出圧力Ｐ２との差分、つまり誤差Ｅｓｖを減算処理３３で求め、この誤差ＥｓｖをＰＩ（比例，積分）制御器３４に入力して、フィードバック補償量Ｅｓ２を生成し、これを加算処理３１で弁開度制御器３２の入力に加算している。Ｇｆｂはフィードバック制御系のゲインを決定する定数である。
【００２９】また、給気ファン１４の下流側の圧力変動による給気ファン１４での質量流量の変動を吸収するために、ＰＩ制御器２４が設けてある。ＰＩ制御器２４は、予め定めた目標値と、圧力検出器１９が検出した圧力Ｐ１とが一致するような制御量を出力する。この制御量はインバータ１６に与えられる。これによって給気ファン１４の下流側の圧力が一定になる。
【００３０】図３において、効率補正テーブル２５及びＣｖ値補正テーブル２９の内容は固定であるため、これらの各々はこの例ではＲＯＭ（読み出し専用メモリ）で構成されている。図３の装置における圧力目標値ＳＶ，検出圧力Ｐ２，弁制御出力（弁開度制御器３２の出力）の例を図５に示す。また、実際の装置において、－１０（ｍｍＨｇ／ｍｉｎ）の変化速度（ΔＳｖ）で圧力目標値（ＳＶ）を７００から６００（ｍｍＨｇ）まで変化させた場合と、－２０（ｍｍＨｇ／ｍｉｎ）の変化速度（ΔＳｖ）で圧力目標値（ＳＶ）を６５０から６００（ｍｍＨｇ）まで変化させた場合の２種類について実験を行ったが、何れの場合も、減圧開始、終了と同時に制御弁出力が適正値に変化し、顕著なオーバーシュートは認められなかった。また、減圧中も制御精度は±１（ｍｍＨｇ）以内に維持された。
【００３１】なお上記形態においては、効率補正テーブル２５及びＣｖ値補正テーブル２９をＲＯＭで構成したが、これらをＲＡＭ（読み書きメモリ）に置き換えて、電源投入直後などのタイミングで、ハードディスクやフロッピーディスクなどの記憶媒体から予め定めたデータをロードして使用してもよい。また例えば、効率補正テーブル２５を、圧力Ｐｓのみに応じて補正データが特定されるテーブルと、そのテーブルの出力値と設定値Ｑｅｓとの乗算処理に置き換えてもよい。Ｃｖ値補正テーブル２９についても同様に、圧力Ｐ２のみに応じて補正データが特定されるテーブルとそのテーブルの出力値とＣｖ０との乗算処理に置き換えてもよい。
【００３２】更に、テーブルのデータを比較的単純な関数で近似できる場合には、効率補正テーブル２５及びＣｖ値補正テーブル２９を、各々の関数計算処理に置き換えてもよい。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したとおり、本発明の請求項１によれば、排気系の流量をその設定値に近づくように制御した上で、この排気系の標準状態に換算された質量流量と、入力される圧力変化速度から求められる標準状態における加減圧質量流量とを基準にして決定した制御目標値により、給気系の質量流量をフィードフォワード制御するので、制御上の応答遅れがなくなり、オーバーシュートやハンチングの発生も防止される。
【００３４】また請求項２によれば、Ｃｖ値補正手段により補正して得られたＣｖ値に応じて、給気制御弁の開度を制御するので、Ｃｖ値を計算する際に発生する誤差の影響を十分に低減でき、精度の高い圧力制御が実現する。また請求項３の発明によれば、前記給気制御弁の上流側に配置された給気手段の制御量を、該給気手段と前記給気制御弁の間での検出圧力に応じて補正するので、給気制御弁の入側の圧力が安定化され、低圧室の圧力制御の精度を更に向上するのに役立つ。

【出願人】	【識別番号】０００００１８３４【氏名又は名称】三機工業株式会社
【出願日】	平成９年（１９９７）１０月２８日
【代理人】	【弁理士】【氏名又は名称】古谷史旺（外１名）
【公開番号】	特開平１１－１３２５３５
【公開日】	平成１１年（１９９９）５月２１日
【出願番号】	特願平９－２９５２７５