(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上位装置から送られてくるバルブに対する開度設定信号と前記バルブの現在の開度を示す実開度信号とを入力とし、この開度設定信号と実開度信号とから制御信号を生成する制御演算部と、この制御演算部からの制御信号を空気圧に変換する電空変換器と、この電空変換器が変換した空気圧を入力空気圧とし、この入力空気圧を増幅して出力空気圧を生成し、前記バルブを駆動する駆動手段へ出力するパイロットリレーとを備えたポジショナにおいて、
前記電空変換器をモデル化した入出力特性を持ち、前記制御演算部からの制御信号を入力して前記電空変換器から前記パイロットリレーへ入力される入力空気圧の推定値を求めるモデル部と、
前記モデル部の求めた入力空気圧の推定値と前記パイロットリレーから出力される出力空気圧とから前記パイロットリレーの平衡状態からのずれ量を求めるずれ量演算部とを備え、
前記制御演算部は、
前記実開度信号、前記開度設定信号、及び、前記パイロットリレーの平衡状態からのずれ量とから前記電空変換器への制御出力を決定する
ことを特徴とするポジショナ。
【請求項２】
請求項１に記載されたポジショナにおいて、
前記ずれ量演算部は、
前記パイロットリレーの平衡状態からのずれ量をＰｏ−（Ｋ・Ｐｎ〜−Ｆ）として求める
ことを特徴とするポジショナ。
但し、Ｐｎ〜はモデル部の求めたパイロットリレーへ入力される入力空気圧Ｐｎの推定値、Ｐｏはパイロットリレーから出力される出力空気圧、ＦはＰｏが変化を始めるまでに必要な圧力、ＫはｄＰｏ／ｄＰｎ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載されたポジショナにおいて、
前記モデル部で求められたパイロットリレーへ入力される入力空気圧の推定値と前記電空変換器からパイロットリレーへ入力される入力空気圧の実際値とに基づいて前記モデル部で求められるパイロットリレーへ入力される入力空気圧の推定値を補償する推定値補償部
を備えることを特徴とするポジショナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、バルブの開度を制御するポジショナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、バルブの開度を制御するポジショナとして、例えば図４にその要部の構成を示すようなものがある。同図において、２００（２００Ａ）はポジショナ、３００はバルブであり、バルブ３００にはそのバルブの開度を示す位置を検出する位置センサ１０が設けられている。
【０００３】
ポジショナ２００Ａは、電流ＳＰ変換部１と、制御演算部２と、電空変換器３と、パイロットリレー４と、弁開度計算部５とを備えている。
【０００４】
このポジショナ２００Ａにおいて、電流ＳＰ変換部１は、上位装置から４〜２０ｍＡの信号として送られてくる入力信号を開度設定信号ＳＰに変換する。弁開度計算部５は、位置センサ１０が検出するバルブの開度を示す位置からバルブ３００の現在の弁開度を計算し、その計算した弁開度に応じた信号を実開度信号ＰＶとして出力する。制御演算部２は、電流ＳＰ変換部１からの開度設定信号ＳＰと弁開度計算部５からの実開度信号ＰＶとの偏差を求め、この偏差にＰＩＤ制御演算を施して得られる電気信号を制御信号ＭＶとして出力する。
【０００５】
電空変換器３は、制御演算部２からの制御信号ＭＶを空気圧（ノズル背圧）Ｐｎに変換する。パイロットリレー４は、電空変換器３からの空気圧Ｐｎを入力空気圧とし、この入力空気圧Ｐｎを増幅して出力空気圧Ｐｏを生成し、バルブ３００の操作器１１へ出力する。これにより、操作器１１内のダイアフラム室に空気圧Ｐｏの空気が流入し、バルブ部１２の開度が調整される。
【０００６】
このポジショナ２００Ａにおいて、制御演算部２にとっての制御対象は、バルブ３００に空気流量および空気圧力を加える電空変換器３およびパイロットリレー４も含まれる。電空変換器３とパイロットリレー４の特性が線形であり、素直な特性であれば、このような制御方式でも十分であるが、実際は電空変換器３およびパイロットリレー４ともヒステリシスや不感帯等の非線形要素を持ち、制御を複雑にしている。そして、このポジショナ２００Ａはフィードバック情報がバルブ３００の実開度信号ＰＶのみであるため、実開度信号ＰＶに変化が現れないと制御出力（制御信号ＭＶ）が変化しない。そのため制御性が課題となっていた。そこで、制御性を改善したポジショナが特許文献１に提案されている。
【０００７】
図５は特許文献１に示されたポジショナの概略を示す図である。このポジショナ２００（２００Ｂ）では、バルブ３００の現在の開度を示す実開度信号ＰＶに加え、パイロットリレー４から出力される出力空気圧Ｐｏの微分値ｄＰｏ／ｄｔを圧力微分値として制御演算部２にフィードバックするようにしている。出力空気圧Ｐｏは実開度信号ＰＶよりも早く変化する。そのため、出力空気圧Ｐｏの変化量をフィードバックすることで実開度信号ＰＶに変化が生じる前に予測することができる。これによって開度情報のみのフィードバックに比べて優れた制御が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３５９５５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、この特許文献１に示されたポジショナ２００Ｂでは、バルブ３００の実開度に比べて応答が速いパイロットリレー４の出力空気圧Ｐｏ（操作器１１のダイアフラム部の制御圧力）の微分情報をフィードバックしているが、微分情報はノイズなどが加わったとき、出力が極めて大きくなる。このため制御が不安定になりやすいという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、制御において整定性を損なうことなく速応性を格段に改善することができるポジショナを提供することにある。また、速応性の改善に加え、発振など好ましくない制御が生じる虞のないポジショナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような目的を達成するために本発明は、上位装置から送られてくるバルブに対する開度設定信号とバルブの現在の開度を示す実開度信号とを入力とし、この開度設定信号と実開度信号とから制御信号を生成する制御演算部と、この制御演算部からの制御信号を空気圧に変換する電空変換器と、この電空変換器が変換した空気圧を入力空気圧とし、この入力空気圧を増幅して出力空気圧を生成し、バルブを駆動する駆動手段へ出力するパイロットリレーとを備えたポジショナにおいて、電空変換器をモデル化した入出力特性を持ち、制御演算部からの制御信号を入力して電空変換器からパイロットリレーへ入力される入力空気圧の推定値を求めるモデル部と、モデル部の求めた入力空気圧の推定値とパイロットリレーから出力される出力空気圧とからパイロットリレーの平衡状態からのずれ量を求めるずれ量演算部とを備え、制御演算部は、実開度信号、開度設定信号、及び、パイロットリレーの平衡状態からのずれ量とから電空変換器への制御出力を決定することを特徴とする。
【００１２】
パイロットリレーの出力空気圧は入力空気圧に応じて決まるが、平衡状態から入力空気圧が変化したときに、出力空気圧が応答するまでには遅れがある。また、パイロットリレーへの入力空気圧は制御出力に対して非線形要素やむだ時間を持つ。そのため、これを制御に用いると発振など好ましくない制御につながる虞がある。
【００１３】
そこで、本発明では、電空変換器をモデル化した入出力特性を持ち、制御演算部からの制御信号を入力して電空変換器からパイロットリレーへ入力される入力空気圧の推定値を求めるモデル部を設け、このモデル部の求めた入力空気圧の推定値とパイロットリレーから出力される出力空気圧とからパイロットリレーの平衡状態からのずれ量を求め、このパイロットリレーの平衡状態からのずれ量も考慮して電空変換器への制御出力を決定することで、すなわちパイロットリレーへの入力空気圧の変化に応じて変化する出力空気圧の変化量を実際に変化する前に予測することで、制御において整定性を損なうことなく速応性を改善する。また、発振など好ましくない制御が生じる虞がないようにする。
【００１４】
例えば、本発明では、パイロットリレーの平衡状態からのずれ量をＰｏ−（Ｋ・Ｐｎ〜−Ｆ）として求める。ここで、Ｐｎ〜はモデル部の求めたパイロットリレーへ入力される入力空気圧Ｐｎの推定値、Ｐｏは出力空気圧、ＦはＰｏが変化を始めるまでに必要な圧力、ＫはｄＰｏ／ｄＰｎとする。
【００１５】
また、例えば、本発明では、モデル部で求められたパイロットリレーへ入力される入力空気圧の推定値と電空変換器からパイロットリレーへ入力される入力空気圧の実際値とに基づいて、モデル部で求められるパイロットリレーへ入力される入力空気圧の推定値を補償するようにする。電空変換器の特性は温度や空気回路の詰まりで変化し易い。すると、モデル部の求めた入力空気圧Ｐｎの推定値Ｐｎ〜と実際の入力空気圧Ｐｎとの間に偏差が生じる。このような偏差が生じると、入力空気圧Ｐｎと出力空気圧Ｐｏとが釣り合っていても、釣り合っていないと判断してしまい、制御信号へのフィードバックを行ってしまう。そこで、モデル部の求めた入力空気圧Ｐｎの推定値Ｐｎ〜と実際の入力空気圧Ｐｎとに基づいて、例えばその差を積分した値を与えるなどして、モデル部で求められる入力空気圧Ｐｎの推定値Ｐｎ〜を補償するようにする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電空変換器をモデル化した入出力特性を持ち、制御演算部からの制御信号を入力して電空変換器からパイロットリレーへ入力される入力空気圧の推定値を求めるモデル部を設け、モデル部の求めた入力空気圧の推定値とパイロットリレーから出力される出力空気圧とからパイロットリレーの平衡状態からのずれ量を求め、制御演算部は、実開度信号、開度設定信号、及び、パイロットリレーの平衡状態からのずれ量とから制御出力を決定し、電空変換器への制御信号として出力するようにしたので、パイロットリレーへ入力される入力空気圧の変化に応じて変化する出力空気圧の変化量を実際に変化する前に予測するようにして、整定性を損なうことなく速応性を格段に改善することが可能となる。また、モデル部の求めた入力空気圧の推定値を使用するので、パイロットリレーへ入力される入力空気圧が制御出力に対して有する非線形要素やむだ時間による悪影響を抑えることができ、発振など好ましくない制御が生じる虞もなくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るポジショナの一実施の形態（実施の形態１）の要部の構成を示す図である。
【図２】このポジショナのずれ量演算部で求められるパイロットリレーの平衡状態からのずれ量を説明する図である。
【図３】本発明に係るポジショナの他の実施の形態（実施の形態２）の要部の構成を示す図である。
【図４】従来のポジショナの要部の構成を示す図である。
【図５】特許文献１に示されたポジショナの要部の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施の形態１〕
図１はこの発明に係るポジショナの一実施の形態（実施の形態１）の要部の構成を示す図である。同図において、図４と同一符号は図４を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。本発明に係るポジショナを従来のポジショナと区別するために符号１００で示す。
【００１９】
この実施の形態において、ポジショナ１００（１００Ａ）は、電空変換器３をモデル化した入出力特性を持ち、制御演算部２からの制御信号ＭＶを入力して電空変換器３からパイロットリレー４へ入力される入力空気圧Ｐｎの推定値Ｐｎ〜を求めるモデル部６と、モデル部６の求めた入力空気圧の推定値Ｐｎ〜とパイロットリレー４から出力される出力空気圧Ｐｏとからパイロットリレー４の平衡状態からのずれ量ｄを求めるずれ量演算部７とを備えている。また、制御演算部２は、実開度信号ＰＶ、開度設定信号ＳＰ、及び、ずれ量演算部６が求めたパイロットリレー４の平衡状態からのずれ量ｄとから制御信号ＭＶを決定し、電空変換器３へ出力する機能を備えている。
【００２０】
ずれ量演算部７は、モデル部６の求めたパイロットリレー４へ入力される入力空気圧Ｐｎの推定値Ｐｎ〜とパイロットリレー４から出力される出力空気圧Ｐｏとから、パイロットリレー４の平衡状態からのずれ量ｄを下記の（１）式で示される演算式より求める。
【００２１】
ｄ＝Ｐｏ−（Ｋ・Ｐｎ〜−Ｆ）  ・・・・（１）
但し、Ｐｎ〜はモデル部６の求めたパイロットリレー４へ入力される入力空気圧Ｐｎの推定値、Ｐｏはパイロットリレー４から出力される出力空気圧、ＦはＰｏが変化を始めるまでに必要な圧力、ＫはｄＰｏ／ｄＰｎ。
【００２２】
このずれ量演算部７で求められるパイロットリレー４の平衡状態からのずれ量ｄは、パイロットリレー４へ入力される入力空気圧Ｐｎの変化に応じて変化する出力空気圧Ｐｏの変化量を実際に変化する前に予測したものである。図２にパイロットリレー４の入出力特性を示す。パイロットリレー４の出力空気圧Ｐｏは、この入出力特性Ｉで示されるように、Ｐｏ＝Ｋ・Ｐｎ−Ｆで示される式に従って変化する。入力空気圧Ｐｎと出力空気圧Ｐｏとの関係がこの入出力特性Ｉ上にある時がパイロットリレー４の平衡状態である。
【００２３】
パイロットリレー４の平衡状態では出力空気圧Ｐｏは入力空気圧Ｐｎに応じた値をとる。しかし、出力空気圧Ｐｏの応答は入力空気圧Ｐｎに比べて遅れがあるため、入力空気圧Ｐｎの変化後しばらくはこの入出力特性Ｉから外れる。この場合、現在の出力空気圧ＰｏがＫ・Ｐｎ−Ｆ＞Ｐｏである場合と、Ｋ・Ｐｎ−Ｆ＜Ｐｏである場合とが考えられる。現在の出力空気圧ＰｏがＫ・Ｐｎ−Ｆ＞Ｐｏである場合には（図２に示す（１）の状態）、平衡状態からずれた量ｄだけ出力空気圧Ｐｏの増加が予想される。現在の出力空気圧ＰｏがＫ・Ｐｎ−Ｆ＜Ｐｏである場合には（図２に示す（２）の状態）、平衡状態からずれた量ｄだけ出力空気圧Ｐｏの減少が予想される。
【００２４】
したがって、パイロットリレー４の平衡状態からのずれ量ｄは、パイロットリレー４へ入力される入力空気圧Ｐｎの変化に応じて変化する出力空気圧Ｐｏの変化量を実際に変化する前に予測したものであると言える。ずれ量演算部７では、このパイロットリレー４の平衡状態からのずれ量ｄをＰｏ−（Ｋ・Ｐｎ〜−Ｆ）として求め、この求めたずれ量ｄを制御演算部２へ送る。このずれ量ｄは出力空気圧Ｐｏの変化量の予測であり、これをフィードバックすることで、出力空気圧Ｐｏの変化量をフィードバックするよりも早い段階で開度変化を予測することができる。そのために、制御性が格段に改善されるものとなる。
【００２５】
制御演算部２は、実開度信号ＰＶ、開度設定信号ＳＰ、及び、ずれ量演算部７が求めたパイロットリレー４の平衡状態からのずれ量ｄとから制御信号ＭＶを決定し、電空変換器３へ出力する。なお、制御信号ＭＶは下記の（２）式により決定される。
ＭＶ＝Ｋｐ・（ＳＰ−ＰＶ）＋∫Ｋｉ・（ＳＰ−ＰＶ）ｄｔ＋Ｋｄ・（ｄＰＶ／ｄｔ）
＋Ｋｍ・ｄ  ・・・・（２）
但し、Ｋｐは比例ゲイン、Ｋｉは積分ゲイン、Ｋｄは微分ゲイン、Ｋｍはずれ量ゲイン。
【００２６】
この場合、制御演算部２は、実開度信号ＰＶ、開度設定信号ＳＰ、及び、パイロットリレー４の平衡状態からのずれ量とから制御出力を決定し、電空変換器３へ制御信号ＭＶとして出力するようにしたので、パイロットリレー４へ入力される入力空気圧Ｐｎの変化に応じて変化する出力空気圧Ｐｏの変化量を実際に変化する前に予測するようにしたので、整定性を損なうことなく速応性を格段に改善することが可能となる。
【００２７】
また、本実施の形態では、モデル部６の求めたパイロットリレー４へ入力される入力空気圧Ｐｎの推定値Ｐｎ〜を使用しているので、パイロットリレー４へ入力される入力空気圧Ｐｎが制御出力に対して有する非線形要素やむだ時間による悪影響を抑えることができ、発振など好ましくない制御が生じる虞もない。
【００２８】
〔実施の形態２〕
図３に本発明に係るポジショナの他の実施の形態（実施の形態２）の要部の構成を示す。同図において、図１と同一符号は図１を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。
【００２９】
この実施の形態２のポジショナ１００Ｂでは、推定値補償部８を設け、モデル部６で求められたパイロットリレー４の入力空気圧Ｐｎの推定値Ｐｎ〜と電空変換器３からパイロットリレー４へ入力される入力空気圧の実際値Ｐｎとの差を積分した値をモデル６へ与え、モデル部６で求められるパイロットリレー４へ入力される入力空気圧Ｐｎの推定値Ｐｎ〜を補償するようにしている。
【００３０】
このような推定値補償部８を設けることにより、モデル部６からの入力空気圧Ｐｎの推定値Ｐｎ〜が実際の入力空気圧Ｐｎと違っていても、支障のない制御を行わせることが可能となる。
【００３１】
すなわち、電空変換器３の特性は温度や空気回路の詰まりで変化し易い。すると、モデル部６からの入力空気圧Ｐｎの推定値Ｐｎ〜と実際の入力空気圧Ｐｎとの間に偏差が生じる。このような偏差が生じると、Ｐｏ−（Ｋ・Ｐｎ−Ｆ）＝０となっても、Ｐｏ−（Ｋ・Ｐｎ〜−Ｆ）≠０となり、定常偏差が生じてしまう。本実施の形態では、入力空気圧Ｐｎの推定値Ｐｎ〜と実際の入力空気圧Ｐｎとの差を積分した値で入力空気圧Ｐｎの推定値Ｐｎ〜を補償することで、モデル部６の特性と電空変換器３の実際の特性とを一致させるので、入力空気圧Ｐｎの推定値Ｐｎ〜が実際の入力空気圧Ｐｎと違っていても、支障のない制御を行わせるようにする。
【００３２】
なお、上述した実施の形態１では、パイロットリレー４の平衡状態からのずれ量ｄを上記（１）式を用いて求めるようにしたが、このような式に限られるものではない。例えば、上記（１）式の関係をデータとして記憶したテーブルから、パイロットリレー４の平衡状態からのずれ量ｄを読み出すようにしてもよい。また、上述した実施の形態では、位置センサ１０はポジショナ１００の外側に設けられているものとしているが、ポジショナ１００の内部に設けられていてもよい。
【００３３】
また、上述した実施の形態２では、入力空気圧の推定値Ｐｎ〜と入力空気圧の実際値Ｐｎとの差を積分した値をモデル６へ与えるようにしたが、入力空気圧の推定値Ｐｎ〜と入力空気圧の実際値Ｐｎとを比較して、所定量を補償量に足し込んで行くなどしてもよい。
【００３４】
また、上述した実施の形態１，２において、ポジショナ１００における制御演算部２、モデル部６、ずれ量演算部７、推定値補償部８などの機能は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して制御装置としての各種機能を実現させるプログラムとによって実現される。
【００３５】
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１…電流ＳＰ変換部、２…制御演算部、３…電空変換器、４…パイロットリレー、５…弁開度計算部、６…モデル部、７…ずれ量演算部、８…推定値補償部、１０…位置センサ、１１…操作器、１２…バルブ部、１００（１００Ａ，１００Ｂ）…ポジショナ、３００…バルブ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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