(57)【要約】  本出願の方法および装置は、プロセス制御ループがプロセス環境内でオンライン状態で動作中、外プロセス制御ループ内のリミットサイクルの如き不安定状態の存在および発生源を決定する。前記の方法および装置は、プロセス制御ループがプロセス制御環境内でオンライン状態で接続されているときに、該プロセス制御ループ内の一または複数の信号を測定し、測定された該信号を信号データとして格納し、次いで、測定された該信号に対して一または複数の統計的な解析を実行し、それにより、不安定状態が存在するか否かを決定し、不安定状態が存在する場合には、該不安定状態の発生源がサーボループ内またはサーバループ外のいずれに存在するか、また、摩擦、外力、または機械的な異常のいずれに起因するものであるかを決定する。
2005514676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス制御ループ内の不安定状態の存在を決定する方法であって、
前記プロセス制御ループがプロセス制御環境内でオンライン接続されているとき、該プロセス制御ループ内の一または複数の信号を測定するステップと、
測定された前記一または複数の信号を信号データとして格納するステップと、
前記プロセス制御ループ内の不安定状態の存在を決定するために、格納された前記信号データに解析を実行するステップと
を有している方法。
【請求項２】
測定する前記ステップが二つの信号を測定するステップを有しており、解析を実行する前記ステップが、特定の期間にわたり前記二つの信号の各々の反転数を検出するステップと、該特定の期間にわたり該二つの信号の反転数の差を決定するステップとを有している、請求項１記載の方法。
【請求項３】
解析を実行する前記ステップが、不安定状態の存在を決定するために、前記一または複数の信号に対してフーリエ変換を実行し、該一または複数の信号のスペクトルの変化を検出するステップを有している、請求項１記載の方法。
【請求項４】
解析を実行する前記ステップが、不安定状態の存在を決定するために、ウィーンヒンチンの関係を用いるステップを有している、請求項１記載の方法。
【請求項５】
ウィーンヒンチンの関係を用いる前記ステップが、前記一または複数の信号の分散の変化を算出することにより該一または複数の信号のスペクトルの変化を検出するステップを有している、請求項４記載の方法。
【請求項６】
測定する前記ステップが、二つの信号を測定するステップを有しており、解析を実行する前記ステップが、不安定動作の前記存在を決定するために、前記二つの信号の分散を決定し、該二つの信号の分散の比率を算出し、前記比率をプリセット値と比較するステップを有している、 請求項１記載の方法。
【請求項７】
測定する前記ステップが、コマンド信号および移動量信号を測定するステップを有している、請求項６記載の方法。
【請求項８】
算出する前記ステップが、前記二つの信号の分散の比率を繰り返し算出するステップを有している、請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記二つの信号の分散の比率を繰り返し算出する前記ステップが、忘却因数を利用するステップを有している、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
プロセス制御ループ内の不安定状態の発生源を決定する方法であって、
前記プロセス制御ループがプロセス制御環境内でオンライン接続されているとき、該プロセス制御ループ内の一または複数の信号を測定するステップと、
前記一または複数の測定された信号を信号データとして格納するステップと、
前記プロセス制御ループ内の前記不安定状態の発生源を決定するために、格納された前記信号データに対して解析を実行するステップと
を有している方法。
【請求項１１】
測定する前記ステップは、前記プロセス制御ループがプロセス制御環境内でオンライン接続されているとき、該プロセス制御ループ内の第一の信号および第二の信号を測定するステップを有しており、解析を実行する前記ステップは、該第一の信号と該第二の信号との間の進み／遅れ関係を決定するステップと、決定された前記進み／遅れ関係に基づいて前記不安定状態の発生源を決定するステップを有している、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
測定する前記ステップが、前記第一の信号としての圧力信号と前記第二の信号としての移動量信号とを測定し、決定する前記ステップが、該圧力信号が該移動量信号より進んでいる場合、前記不安定状態の発生源が摩擦であるとみなすステップを有している、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
測定する前記ステップが、前記第一の信号としての圧力信号と前記第二の信号としての移動量信号とを測定し、決定する前記ステップが、該圧力信号が該移動量信号より遅れている場合、前記不安定状態の発生源が外力であるとみなすステップを有している、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
測定する前記ステップが、前記第一の信号としての圧力信号と前記第二の信号としての移動量信号とを測定し、決定する前記ステップが、該圧力信号が該移動量信号と負の相関を有している場合、前記不安定状態の発生源が外力であるとみなすステップを有している、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
測定する前記ステップは、前記プロセス制御ループが前記プロセス制御環境内でオンライン接続されているとき、該プロセス制御ループ内で第一の信号と第二の信号とを測定するステップを有しており、解析を実行する前記ステップは、該第一の信号と該第二の信号との間の正の相関または負の相関を決定するステップと、決定された該相関に基づいて前記不安定状態の発生源を決定するステップとを有している、請求項１０記載の方法。
【請求項１６】
測定する前記ステップが、前記第一の信号としての圧力信号と、前記第二の信号としての移動量信号とを測定し、決定する前記ステップが、該圧力信号が該移動量信号と正の相関を有している場合、前記不安定状態の発生源が摩擦であるとみなすステップを有している、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
解析を実行する前記ステップは、プロセス制御ループ内の複数のエレメントの各々によりもたらされる位相遅れを判定するステップと、該プロセス制御ループ内で最大の位相遅れをもたらすエレメントを特定するステップとを有している、請求項１０記載の方法。
【請求項１８】
解析を実行する前記ステップは、プロセス制御ループ内の複数のエレメントの各々によりもたらされる位相遅れを判定するステップと、各エレメントがプロセス制御ループ内にもたらす位相遅れの量に従って該エレメントを順序付けるステップを有している、請求項１０記載の方法。
【請求項１９】
解析を実行する前記ステップは、プロセス制御ループ内の複数のエレメントの各々によりもたらされる位相遅れを決定するステップと、検出された該位相遅れを示す累積位相遅れチャートを提供するステップとを有している、請求項１０記載の方法。
【請求項２０】
測定する前記ステップは、二つ以上の信号を測定するステップを有しており、解析を実行する前記ステップは、位相合計信号を生成するために、該二つ以上の信号の位相を加算するステップと、該位相合計信号をしきい値と比較するステップとを有している、請求項１０記載の方法。
【請求項２１】
解析を実行する前記ステップは、前記位相合計信号が-１８０度に略等しい場合、前記不安定状態の発生源が二つの信号の間に存在することを決定するステップを有している、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
測定する前記ステップが、二つの信号を測定するステップを有しており、解析を実行する前記ステップが、特定の期間にわたり前記二つの信号の各々の反転数を検出するステップと、該特定の期間にわたる該二つの信号の反転数の差を決定するステップとを有している、請求項１０記載の方法。
【請求項２３】
プロセス制御ループがプロセス環境内でオンライン接続されているとき、該プロセス制御ループ内の不安定状態の発生源を決定するシステムであって、
前記プロセス制御ループが前記プロセス環境内でオンライン接続されているとき、前記プロセス制御ループ内の第一の信号を測定するセンサと、
測定された前記第一の信号を信号データとして格納するメモリと、
前記不安定状態の発生源を決定するために、格納された前記信号データに対して解析を実行するように構成されたプロセッサと
を備えてなるシステム。
【請求項２４】
プロセス制御ループが前記プロセス環境内でオンライン接続されているとき、前記プロセス制御ループ内の第二の信号を測定する第二のセンサをさらに備え、前記メモリは測定された該第二の信号を第二の信号データとして格納し、前記プロセッサは、前記不安定状態の発生源を決定するために、前記格納された信号データおよび前記格納された第二の信号データに対して解析を実行するように構成されている、請求項２３記載のシステム。
【請求項２５】
前記第一のセンサは、前記第一の信号として圧力信号を生成する圧力センサであり、前記第二のセンサは、前記第二の信号として移動量信号を生成する移動量センサであり、前記プロセッサは、該圧力信号が該移動量信号より進んでいる場合、前記不安定状態の発生源が摩擦であるとみなすように構成されている、請求項２４記載のシステム。
【請求項２６】
前記第一のセンサは、前記第一の信号として圧力信号を生成する圧力センサであり、前記第二のセンサは、前記第二の信号として移動量信号を生成する移動量センサであり、前記プロセッサは、該圧力信号が該移動量信号に遅れている場合、前記不安定状態の発生源が外力であるとみなすように構成されている、請求項２４記載のシステム。
【請求項２７】
前記プロセッサは、前記第一の信号と前記第二の信号との間の進み／遅れ関係を決定し、決定された該進み／遅れ関係に基づいて前記不安定状態の発生源を決定するように構成されている、請求項２４記載のシステム。
【請求項２８】
前記プロセッサは、複数のエレメントの各々によりプロセス制御ループ内にもたらされる位相遅れを判定し、該プロセス制御ループ内に最大の位相遅れをもたらす前記エレメントを特定するために、少なくとも前記第一の信号および前記第二の信号を用いるように構成されている、請求項２４記載のシステム。
【請求項２９】
前記プロセッサは、複数のエレメントの各々によりプロセス制御ループ内にもたらされる位相遅れを判定し、各エレメントが該プロセス制御ループ内にもたらす位相遅れの量に応じて前記エレメントを順序付けするために、少なくとも前記第一の信号および前記第二の信号を用いるように構成されている、請求項２４記載のシステム。
【請求項３０】
前記プロセッサは、プロセス制御ループ内の複数のエレメントの各々によりもたらされる位相遅れを判定し、検出された該位相遅れを示す累積位相遅れチャートを提供するために、少なくとも前記第一の信号および前記第二の信号を用いるように構成されている、請求項２４記載のシステム。
【請求項３１】
前記プロセッサは、前記第一の信号と前記第二の信号との間の正の相関または負の相関を決定し、決定された該相関に基づいて前記不安定状態の発生源を決定するように構成されている、請求項２４記載のシステム。
【請求項３２】
前記第一のセンサが、前記第一の信号として圧力信号を生成する圧力センサであり、前記第二のセンサが、前記第二の信号として移動量信号を生成する移動量センサであり、前記プロセッサは、該圧力信号が該移動量信号と正の相関を有する場合、前記不安定状態の発生源が摩擦であるとみなすように構成されている、請求項３１記載のシステム。
【請求項３３】
前記第一のセンサが、前記第一の信号として圧力信号を生成する圧力センサであり、前記第二のセンサが、前記第二の信号として移動量信号を生成する移動量センサであり、前記プロセッサは、該圧力信号が該移動量信号と負の相関を有する場合、前記不安定状態の発生源が外力であるとみなすように構成されている、請求項３１記載のシステム。
【請求項３４】
前記プロセッサは、位相合計信号を生成するために、前記第一の信号と前記第二の信号の位相を加算し、前記不安定状態の発生源を決定するために、該位相合計信号をしきい値と比較するように構成されている、請求項２４記載のシステム。
【請求項３５】
前記プロセッサは、前記位相合計信号が-１８０度に略等しい場合、前記不安定状態の発生源が前記第一の信号と前記第二の信号との間のコンポーネント内に存在すると決定するように構成されている、請求項３４記載のシステム。
【請求項３６】
前記プロセッサは、特定の期間にわたり前記二つの信号の各々の反転数を検出し、該特定の期間にわたる該二つの信号の反転数の差を決定するように構成されている、請求項２４記載のシステム。
【請求項３７】
プロセス制御ループ内の不安定状態の存在または発生源を決定するためにプロセス制御環境内で用いられるシステムであって、
コンピュータ読み取り可能メモリと、
前記プロセス制御環境内でオンライン状態で動作中、前記プロセス制御ループに関連する一または複数の信号を表すデータを収集・格納するために前記プロセッサにより実行されるように構成された、前記コンピュータ読み取り可能メモリに格納されている第一のルーチンと、
前記プロセス制御ループ内の不安定状態の存在または発生源を決定するために格納された前記データに対して統計的解析を実行するために前記プロセッサにより実行されるように構成された、前記コンピュータ読み取り可能メモリに格納されている、第二のルーチンと
を備えてなるシステム。
【請求項３８】
前記第二のルーチンは、複数のエレメントの各々によりプロセス制御ループ内にもたらされる位相遅れを決定し、該プロセス制御ループ内に最大の該位相遅れをもたらす前記エレメントを特定するために、前記一または複数の信号を表すデータを用いるように構成されている、請求項３７記載のシステム。
【請求項３９】
前記第二のルーチンは、プロセス制御ループ内の複数のエレメントの各々によりもたらされる位相遅れを決定し、各エレメントが該プロセス制御ループ内にもたらす前記位相遅れ量に従って前記エレメントを順序付けするために、前記一または複数の信号を表すデータを用いるように構成されている、請求項３７記載のシステム。
【請求項４０】
前記第二のルーチンは、プロセス制御ループ内の複数のエレメントの各々によりもたらされる位相遅れを決定し、検出された位相遅れを表す累積位相遅れチャートを提供するために、前記一または複数の信号を表すデータを用いるように構成されている、請求項３７記載のシステム。
【請求項４１】
前記第一のルーチンは、第一の信号および第二の信号を表すデータを収集・格納するように構成されており、前記第二のルーチンは、該第一の信号と該第二の信号との間の進み／遅れ関係を決定し、決定された該進み／遅れ関係に基づいて前記不安定状態の発生源を決定するように構成されている、請求項３７記載のシステム。
【請求項４２】
前記第一の信号が圧力信号であり、前記第二の信号が移動量信号であり、前記第二のルーチンは、該圧力信号が該移動量信号より進んでいる場合、前記不安定状態の発生源が摩擦であるとみなすように構成されている、請求項４１記載のシステム。
【請求項４３】
前記第一の信号が圧力信号であり、前記第二の信号が移動量信号であり、前記第二のルーチンは、該圧力信号が該移動量信号に遅れている場合、前記不安定状態の発生源が外力であるとみなすように構成されている、請求項４１記載のシステム。
【請求項４４】
前記第一のルーチンは、第一の信号および第二の信号を表すデータを収集・格納するように構成されており、前記第二のルーチンは、該第一の信号と前記第二の信号との間の正の相関または負の相関を決定し、決定された該相関に基づいて前記不安定状態の発生源を決定するように構成されている、請求項３７記載のシステム。
【請求項４５】
前記第一の信号が圧力信号であり、前記第二の信号が移動量信号であり、前記第二のルーチンは、該圧力信号が該移動量信号と正の相関を有している場合、前記不安定状態の発生源が摩擦であるとみなすように構成されている、請求項４４記載のシステム。
【請求項４６】
前記第一の信号が圧力信号であり、前記第二の信号が移動量信号であり、前記第二のルーチンは、該圧力信号が該移動量信号と負の相関を有している場合、前記不安定状態の発生源を外力として特定するように構成されている、請求項４４記載のシステム。
【請求項４７】
前記第一のルーチンは、第一の信号および第二の信号を表すデータを収集・格納するように構成されており、前記第二のルーチンは、位相合計信号を生成するために、該第一の信号および該第二の信号の位相を加算し、前記不安定状態の発生源を特定するために、該位相合計信号をしきい値と比較するように構成されている、請求項３７記載のシステム。
【請求項４８】
前記第二のルーチンは、前記位相合計信号が-１８０度に略等しい場合、前記不安定状態の発生源が前記第一の信号と前記第二の信号との間のコンポーネントに存在することを決定するように構成されている、請求項４７記載のシステム。
【請求項４９】
前記第一のルーチンは、二つの信号に関するデータを収集・格納するように構成されており、前記第二のルーチンは、特定の期間にわたり該二つの信号の各々の反転数を検出し、該特定の期間にわたる該二つの信号の反転数の差を決定するように構成されている、請求項３７記載のシステム。
【請求項５０】
前記第二のルーチンは、不安定状態の存在を決定するために、前記一または複数の信号に対してフーリエ変換を実行し、該一または複数の信号のスペクトルの変化を検出するように構成されている、請求項３７記載のシステム。
【請求項５１】
前記第二のルーチンは、不安定状態の存在を決定するために、ウィーンヒンチンの関係を用いるように構成されている、請求項３７記載のシステム。
【請求項５２】
前記第二のルーチンは、前記一または複数の信号の分散の変化を算出することにより、該一または複数の信号のスペクトルの変化を検出するように構成されている、請求項５１記載のシステム。
【請求項５３】
前記第一のルーチンは、二つに信号に関するデータを収集・格納するように構成されており、前記第二のルーチンは、不安定状態の存在を決定するために、該二つの信号の分散を決定し、該二つの信号の分散の比率を算出し、該比率をプリセット値と比較するように構成されている、請求項３７記載のシステム。
【請求項５４】
前記第二のルーチンは、前記二つの信号の分散の比を繰り返し算出するように構成されている、請求項５３記載のシステム。
【請求項５５】
前記第二のルーチンは、忘却因数を利用して前記分散の比を繰り返し算出するように構成されている、請求項５３記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、プロセス制御ネットワークに関するものであり、さらに詳細には、たとえば、プロセス制御ループがプロセス環境内においてオンライン接続されている状態で、プロセス制御ループ内のリミットサイクルの如き不安定状態の原因を決定する方法および装置。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、１９９７年９月２９日に出願された、表題が「プロセス制御デバイスパラメータの測定値をオンライン状態で邪魔にならないように取得する方法および装置」である米国特許出願番号第08/939,364号の一部継続出願であり、また、１９９８年８月３１日に出願された、表題が「プロセス制御ループパラメータの推定値の統計的決定」である仮出願番号第60/098,464号に基づく通常出願でもある、１９９９年８月９日に出願された、表題が「プロセス制御ループパラメータの推定値の統計的決定」である米国特許出願番号第09/370,474号の一部継続出願である。
【０００３】
大規模な商業用の製造プロセスおよび精製プロセスは、流量センサ、温度センサ、または他のタイプのセンサの如き一または複数のセンサからのフィードバックに基づいてバルブの如き一または複数のプロセス制御デバイスの動作を制御するために、プロセスコントローラを用いることが一般的である。このようなコントローラデバイス、バルブデバイス、およびセンサデバイスからなる各々のセットにより、プロセス制御ループと一般的に呼ばれるものが形成される。さらに、各バルブデバイスまたは他のデバイスは内部ループ有している。この内部ループでは、たとえば、バルブポジショナが、制御信号に応答してバルブプラグの如き制御エレメントを移動させるためにバルブアクチュエータを制御し、そのバルブプラグの移動を制御するために位置センサの如きセンサからフィードバックを取得する。このような内部ループはサーボループと呼ばれることもある。いずれの場合であっても、プロセス制御デバイスの制御エレメントは、スプリングにより付勢されたダイアフラム上の流体圧の変化に応じてまたはシャフトの回転に応じて、移動させられる。これらの流体圧の変化およびシャフトの回転は、それぞれ、コマンド信号の変化により引き起こされうる。一つの標準バルブ機構では、コマンド信号が４〜２０ｍＡ（ミリアンペア）の範囲の大きさで変化することにより、ポジショナが、このコマンド信号の大きさに比例して圧力室内の流量、すなわち流体圧を変化させる。圧力室内の流体圧が変化すると、ダイアフラムがスプリングの付勢に抗して移動し、次いで、それにより、バルブプラグが移動させられる。
【０００４】
通常、プロセス制御デバイスは、コマンド信号に対するデバイスの応答を表すフィードバック信号を作成または生成し、このフィードバック信号（または応答表示）をプロセスコントローラまたはバルブアクチュエータに供与し、プロセスまたはバルブの制御に利用する。たとえば、通常、バルブ機構は、バルブプラグの位置（たとえば、開度量）、バルブの流体室内の圧力、またはバルブプラグの実際の位置に関連するなんらかの他の現象の値を表すフィードバック信号を生成する。
【０００５】
プロセスコントローラは、一般的に、プロセス全体の制御もたらす高度に調整された集中型制御アルゴリズムに対する入力として、これらのフィードバック信号を他の信号とともに用いるが、依然として、プロセス制御ループ内の不安定状態などを含むその制御ループ内で接続されている個々の制御デバイスの劣悪な動作状態により劣悪な制御ループ性能がもたらされていることが分かっている。システムは、動作中に平衡点に達することができないと、「不安定状態」になる。プラントの作業員は、しばしば、これらの不安定状態を、システムが平衡点または「ラインアウト」に達する正常動作に対して、サイクリング、ハンティング、またはスインギングと呼ぶ。
【０００６】
ほとんどの場合は、個々のプロセス制御デバイスのうちの一または複数に関連する問題をプロセスコントローラにより制御ループから除去することができなく、その結果、その性能が低下した制御ループを、手動操作に切り替えるか、またはそのループを実質的に手動操作と変わらないところまで修正する。また、ある種の場合には、プラントの作業員は、サイクリングを起こしている個々のループを突き止めることができ、それに関連するコントローラを修正するか、またはその不良ループを手動操作に切り替える。そのシステムが安定すれば、サイクリングがハードウェアの問題ではなくチューニングの問題であったことがプラントの作業員により認識されることになる。同様に、プロセスが周知の高速ダイナミックス（たとえば、フローループ）を有している場合、オペレータは、コントローラの出力をプロセス変数と相関させる。コントローラの出力が三角波であり、プロセス変数が方形波である場合、オペレータは、その制御バルブが固着していると結論付けすることが多い。このようなその場限りの手法が、多くのプラントの作業員により用いられているが、複数の制限を含んでいる。たとえば、最初の手法では、オペレータがそのシステムを手動操作に切り替える必要があるが、とくに暴走するプロセスでは、手動操作への切り替えが許容されえない。二番目の手法では、プロセス制御ループにより誘発されるリミットサイクルの特定にはよいが、サーバループの不安定状態を突き止めることが可能でない。さらに、コマンド信号とプロセス変数との間の相関は、統合型プロセスダイナミックス、非線形性プロセスダイナミックス、相互結合型プロセスダイナミックス、およびプロセス擾乱の合併により、必ずしも単純であるとは限らない。とくに、サーボループにおける不安定状態を識別することは、プラントの作業員が制御バルブの内部状態変数にアクセスできないので、困難である。また、負の勾配の場合のように、不安定状態がプロセス流体により影響を受けるときは、さらなる問題が発生する。これらの状況では、バルブは、使用状態では振動することがあるが、ラインから切り話されると問題なく動作する。
【０００７】
制御ループ内で接続されているプロセス制御デバイスの各々、または、少なくともそのループ内で接続されている最も重要なプロセス制御デバイスの動作状態または「調子」を監視し、性能が劣悪であるプロセス制御デバイスを修理または交換することにより、制御ループの劣悪な性能を解消できるのが一般的である。プロセス制御デバイスに関連する一または複数のパラメータを測定し、その一または複数のパラメータが許容範囲の外にあるか否かを判断することにより、プロセス制御デバイスの調子を決定することができる。観察されうる問題のうちの一つは、プロセスループまたは制御デバイスにおいて不安定状態を検出することである。この不安定状態は、たとえば、ループを振動させるリミットサイクルに起因するものである。
【０００８】
具体的にいえば、リミットサイクルという用語は、一般的に、スライドするバルブステムの如き、プロセス制御デバイス内の可動エレメントの望ましくないサイクリック運動を表している。リミットサイクルには多くの原因が存在し、たとえば、外力、摩擦、および機械的異常が挙げられる。たとえばバルブプラグを負側に変化させるバフェティングストリーム、ジェットストリーム、または他の力の如き外力が、上記のエレメントを移動させ、次いで、サーボループの内部または外部の制御機構がその移動を補償しうる。摩擦、たとえば可動エレメントの側部の負荷により増大した摩擦は、そのエレメントの初期移動を妨げ、それにより制御機構にその可動エレメントに対する圧力を増大させうる。この増大した圧力により、オーバシューティングが起こり、それにより、そのエレメントのサイクリック運動が起きる。機械的異常またはデバイス異常には、アクチュエータと、空気供給レギュレータ、ボリュームブースタ、またはクイックリリースバルブの如き支援装置との間の気体力学的相互作用、またはその支援装置に付随する異常が含まれる。要するに、リミットサイクルは、プロセス制御ループそれ自体、外力、バルブ付属部品、摩擦などにより引き起こされうる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来、時間および費用のかかる、テクニシャンによるシステムの検査・診断を行わずに、プロセス制御ループ内の不安定状態の発生源または原因を決定することは困難であった。場合によっては、これらの人たちは、デバイスのベンチ試験を行うために制御ループからプロセス制御デバイスを取り除かねばならないこともあり、あるいは、特定のプロセス制御デバイスをバイパスしプロセスの動作中にデバイスの試験を行うために、制御ループそれ自体にバイパスバルブおよび冗長プロセス制御デバイスが設けられることもあった。あるいは、オペレータは、不安定状態の発生源でありうる、プロセス内の個々のプロセス制御デバイスを試験するために、プロセスの休止またはプロセスの定期シャットダウンまで待たなければならなかった。これらの選択肢の各々は、時間がかかり、費用がかさみ、システムの不安定状態を断続的に決定するのみである。さらに、これらの方法は、いずれも、プロセスがオンライン状態で動作している状態で、すなわちプロセスを干渉せずにまたはシャットダウンせずに、不安定状態の発生源を決定するためにとくに適しているというわけではない。
【００１０】
オンライン状態でプロセス制御デバイスからデータを収集し、そのデータからデバイス特性の兆候を取得しようとする試みがいくつかあった。たとえば、グランプストラップらに付与された米国特許番号第5,687,098では、デバイスデータを収集しそのデバイスの応答特性を作成・表示するシステムが開示されている。同様に、１９９７年９月２９日に出願され、それに基づいて本出願が優先権を主張している、表題が「プロセス制御デバイスパラメータの測定値をオンライン状態で邪魔にならないように取得する方法および装置」である米国特許出願番号第08/939,364号により、オンライン状態でデータを収集しこのデータを用いてデッドバンド、デッドタイムの如き特定のデバイスパラメータを直接に算出するシステムが開示されている。プロセス制御デバイスパラメータのオンライン状態で測定値を取得する装置および方法にとくに関連しているこの出願の開示内容（すなわち、図１から図３に関連している開示内容）は、本明細書において参照することによりここで明示的に援用するものとする。さらに、１９９９年８月９日に出願された、表題が「プロセス制御ループパラメータの推定値の統計的決定」である米国特許出願番号第09/370,474号の開示内容についても、本明細書において参照することによりここで明示的に援用するものとする。しかしながら、公知の従来技術の方法またはシステムのなかには、プロセス制御システムがとくにオンラインで動作している状態で、プロセス制御システム内の不安定状態の原因を決定する方法またはシステムはない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明にかかる方法および装置は、プロセス環境内でプロセス制御ループがオンライン状態で接続されている状態で、プロセス制御システムまたはプロセス制御デバイス内の不安定状態の原因または発生源を検出または決定する。かかる方法および装置は、不安定状態の発生中に、プロセス制御ループまたはバルブの如きプロセス制御デバイスに対する入力またはそれからの出力のなんらかの測定を行い、その収集したデータを用いて、その不安定状態の存在または発生源を決定する。このシステムにより、プロセスオペレータは、制御ループからプロセス制御デバイスを取り除くことなく、制御ループ内のプロセス制御デバイスをバイパスすることなく、制御ループ内に試験信号を付加することなく、またプロセスをシャットダウンするかまたは他の方法でプロセスを干渉することなく、不安定状態の原因または発生源を決定すべく、継続的に、プロセス内の一または複数のプロセス制御デバイスまたはプロセス制御ループを邪魔にならないように監視することが可能になる。
【００１２】
一つの実施例では、プロセス制御ループ内の不安定状態の発生源を決定する方法および装置は、その不安定状態がプロセス制御ループのサーボループ内またはサーボループ外で引き起こされているのか否かを決定する。さらに、かかるシステムおよび方法は、たとえばサーボループ内の不安定状態が外力、摩擦、または機械的な異常により引き起こされているのか否かを決定しうる。また、かかるシステムおよび方法は、関連する圧力信号と移動量信号とが正または負のいずれの方向に相関しているのかを試験することにより、あるいは、アクチュエータ圧力測定信号がバルブ開度測定信号より位相が進んでいるかまたは遅れているかを決定することにより、などにより決定を実行しうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１を参照すると、単一入力かつ単一出力のプロセス制御ループ10がプロセス制御デバイス13へたとえば４〜２０ｍＡコマンド信号を送信するプロセスコントローラ12を備えているものとして例示されている。デジタルポジショナ14とバルブアクチュエータを有する制御バルブ15とを備えうるこのプロセス制御デバイス13は、電流−圧力（Ｉ／Ｐ）トランスデューサ17に対してサーボコントローラ出力を送信するサーボコントローラ16を備えているものとして例示されている。Ｉ／Ｐトランスデューサ17は、第一段階の圧力信号を、たとえばスプールバルブまたはニューマティックリレイでありうる第二段階のニューマティック（駆動用気体供給装置）装置18に送信する。次いで、この第二段階のニューマティック装置18は、圧力信号（たとえば、圧縮空気）を用いてバルブアクチュエータおよびバルブ15を気体力学的に制御する。バルブ15の操作により、その内部に配置されたバルブステムの如き可動バルブ部材（図示せず）の連結が制御され、それにより、プロセス20内のプロセス変数が制御される。標準では、トランスミッタ22は、プロセス20のプロセス変数を測定し、コントローラ12に関連する加算中継器24に対して測定されたプロセス変数の表示情報を伝送する。この加算中継器24は、（正規化されたパーセント表示に変換された、）プロセス変数の測定値をその目標値と比較し、それらの差を表すエラー信号を生成する。次いで、加算中継器24は、この算出されたエラー信号をプロセスコントローラ12へ供与する。ユーザ、オペレータ、または他のコントローラにより生成されうる上記の目標値は、０パーセントと１００パーセントとの間で正規化され、プロセス変数の所望の値を表すことが一般的である。プロセスコントローラ12は、上記のエラー信号を用いて、任意の所望の技術に従ってコマンド信号を生成し、そのコマンド信号を上記のデバイス14に伝送し、そこにある加算中継器26において、位置センサ27により生成された、バルブステムの実際のまたは現時点の位置を表す信号とコマンド信号とを合計する。加算中継器26は、エラー信号を生成し、そのエラー信号は、サーボコントローラ16に伝送され、プロセス変数の制御を実行する。
【００１４】
プロセス制御デバイス13が、統合されたＩ／Ｐユニット17を有するポジショナ14を備えているものとして例示されているが、プロセス制御デバイス13は、図１に例示されているバルブ機構またはエレメントに加えてまたはそれらに代えて、スタンドアロンポジショナおよびＩ／Ｐユニットを有するデバイスなどを含むいかなるタイプのバルブ機構またはエレメントを備えてもよい。さらに、プロセス制御デバイス13は、その他の所望のまたは公知の方法でプロセス変数を制御する（バルブタイプデバイス以外の）その他のタイプのデバイスであってもよい。プロセス制御デバイス13は、たとえば、ダンパーなどでありうる。
【００１５】
プロセスループ10内の、またはほとんどの場合、プロセス制御デバイス13それ自体の内の不安定状態の存在を検出し、その発生源を決定しうる推定ユニット30は、公知のセンサを用いて、プロセス制御デバイス13またはプロセス制御ループ10のその他の部分に接続されている。内部にメモリ31とプロセッサ32とを有するマイクロコンピュータの如きコンピュータを備えうる推定ユニット30は、プロセス制御ループ10内の信号のうちの一または複数に関するデータを収集し、メモリ31に格納されてプロセッサ32で実行されるように構成された一または複数のコンピュータプログラムまたはコンピュータアルゴリズム33などを用いて、その収集されたデータからプロセス制御システム10内の不安定状態存在および不安定状態の推定発生源を判定する。
【００１６】
図１に例示されているように、推定ユニット30は、電流センサ34を用いて加算中継器26に伝送されるコマンド信号のうちの一または複数の検出、圧力センサ35を用いてＩ／Ｐユニット17からの出力圧力の検出、一または複数の圧力センサ36を用いて第二段階のニューマティック装置18によるアクチュエータコマンド信号の出力の検出、位置センサ27を用いてバルブ15の出力部でのバルブ位置の検出を行いうる。さらに、ステム移動量は、位置センサ27の出力を用いてステム移動量センサ37により決定または測定されうる。サーボ出力ユニット38は、サーボコントローラ16の出力を監視し、この測定値を推定ユニット30に供与しうる。このサーボ出力ユニット38は、Ｉ／Ｐユニット17に流れる電流の物理的測定を行いうるし、またはサーボコントローラ16内の制御アルゴリズムからのデジタル出力を送信しうる。さらに、ホール効果デバイスなどでありうる第二段階の変位センサ39は、第二段階のニューマティック装置18内のスプールバルブまたはリレイの変位の測定に用いられうる。もちろん、上記のセンサまたは他のデバイス34〜39の出力を推定ユニット30に供与してもよい。図１には例示されていないが、変位センサ39の出力は、ポジショナ／バルブデバイス13の動的応答をたとえば減衰すべくサーボコントローラ16により用いられてもよい。所望ならば、圧力センサ36は、ピストンアクチュエータを支えるポジショナにより一般的に提供される供給圧力測定値および二つの出力圧力測定値を有していても提供してもよい。
【００１７】
それに加えてまたはそれに代えて、推定ユニット30は、プロセス制御デバイス13の移動もしくは動作の原因になるもしくはそれを示す、またはプロセス制御ループ10に関連する目標値信号、加算中継器24の出力部におけるエラー信号、加算中継器26の出力部におけるエラー信号、プロセス変数、トランスミッタ22の出力、またはその他の信号もしくは現象を検出しうる。なお、他のタイプのプロセス制御デバイスも、推定ユニット30により利用されうる関連する他の信号または現象を有しうる。
【００１８】
明らかになるように、推定ユニット30は、コントローラコマンド信号、ポジショナサーボ出力、Ｉ／Ｐユニット17からの圧力信号、アクチュエータ圧力信号、第二段階のニューマティック装置18の変位、位置センサ27によりすでに供与されているバルブ位置、ステム移動量などの表示情報を読み取りうる。もちろん、推定ユニット30により利用されるセンサは、いかなる公知のセンサであってもよく、アナログセンサまたはデジタルセンサのいずれであってもよい。たとえば、位置センサ27は、電位差計、線形式可変差動トランス（ＬＶＤＴ）、回転式可変差動トランス（ＲＶＤＴ）、ホール効果型運動センサ、可変容量型運動センサなどを含むいかなる所望の運動または位置を測定するデバイスであってもよい。いうまでもなく、これらのセンサがアナログセンサの場合、推定ユニット30は、アナログ信号を採取しこの採取された信号を推定ユニット30に関連付けされているメモリ31に格納する一または複数のアナログ−デジタルコンバータを備えてもよい。しかしながら、これらのセンサが、デジタルセンサである場合には、これらのセンサがデジタル信号を直接推定ユニット30に供給し、次いで、推定ユニット30が、任意の所望の方法で、これらの信号をメモリ31に格納してもよい。さらに、二つ以上の信号が収集される場合には、推定ユニット30は、任意の特定の時間に関連付けされるデータポイントの構成成分として、これらの信号をメモリ31のランダムアクセス部に格納してもよい。たとえば、時間Ｔ1、Ｔ2、…Ｔnにおける各データポイントは、入力コマンド信号成分、圧力信号成分、アクチュエータ移動量信号成分などを有しうる。もちろん、これらのデータポイントまたはそれらの成分は、いかなる所望のまたは公知の方法で、メモリ31またはその他のメモリに格納されてもよい。
【００１９】
推定ユニット30がプロセス制御デバイス13から分離されているものとして（たとえば、ホストデバイスなどに設置されているものとして）示されているが、これに代えて、このユニットは、プロセス制御デバイス13内に設置されていてもよく、または、ハンドヘルドデバイスを含む、プロセス制御ネットワーク内のその他のプロセス制御デバイス（たとえば、フィールドデバイス）に設けられてもよい。プロセス制御デバイス13がマイクロプロセッサをベースにするデバイスである場合、推定ユニット30は、このプロセス制御デバイス13にすでに存在するプロセッサおよびメモリを共用しうる。あるいは、推定ユニット30は、それ自体のプロセッサおよびメモリを有してもよい。したがって、不安定状態の発生源の分析を測定が行われるデバイス（たとえば、任意のフィールドデバイス）において実行し、その結果をユーザ表示画面またはホストデバイスに送信して利用すること、あるいは、（フィールドデバイスまたはハンドヘルドユニットの如き）デバイスにより信号測定を行い、その測定値を（ホストデバイスの如き）遠隔の場所に送信し、そこで、不安定状態の分析を行うことが検討されている。
【００２０】
推定ユニット30は、好ましくはプロセス制御デバイス13またはプロセス制御ループ10がプロセス環境内でオンライン状態で動作中に行われた測定の値に基づいた一または複数の数学的または統計的な解析を用いて、プロセス制御ループ10、プロセス制御デバイス13（、またはプロセス制御ループ10の他のデバイスまたは部分）の内のリミットサイクルの如き不安定状態の発生源を決定または推定する。一般的には、不安定状態の存在または発生源を決定するために、推定ユニット30は、たとえばプロセス制御デバイス13内で一または複数の信号を採取し、その採取されたデータをメモリに格納する。所望ならば、推定ユニット30は、収集されたデータをメモリに格納するまえまたはあとで、必要でないデータ、はずれ値などを除去するためにデータを操作してもよい。一または複数の全リミットサイクルからのデータまたはリミットサイクルの一部からのデータの如き、不安定状態の存在または発生源を決定しうるデータを十分に収集したあと、推定ユニット30は、ループ10、デバイス13などの内の不安定状態の存在または発生源を決定するために、推定ユニット30に関連付けされているメモリ31に格納されうるとともに推定ユニット30内のプロセッサで実行されうる一または複数の分析ルーチン33を使用する。推定ユニット30は、いかなる所望の統計的分析用のルーチンまたは手順を用いてもよいが、リミットサイクルの存在または発生源を決定する分析ルーチンのうちのいくつかの例が以下に記載されている。いうまでもなく、これらのルーチンは、推定ユニット30内に格納されそれにより実行される適切に書き込まれたいかなるコンピュータプログラムまたはアルゴリズムを用いても実現されうる。
【００２１】
さらに、不安定状態の存在または可能性のある発生源を決定したあと、推定ユニット30は、その不安定状態または発生源の表示情報を表示デバイス40に表示しうる。この表示デバイス40は、たとえば、いかなる種類のＣＲＴスクリーン、プリンタ、音声発生装置、もしくはアラーム発生装置であってもよく、または推定ユニット30と同一のデバイス内のまたは推定ユニット30に通信可能に接続された他のデバイスの内のその他所望の通信デバイスであってもよい。もちろん、推定ユニット30は、その他所望の方法で、不安定状態の存在または発生源に関してユーザに警告を与えてもよい。所望ならば、推定ユニット30は、検出された発生源に基づいて不安定状態を除去する方法に関してアドバイスを提供してもよく、さらに実行すべき診断またはアクションを提案してもよい。そのようなアドバイスまたは診断結果はメモリ31に格納され、たとえば、検出された不安定状態の発生源に基づいてアクセスされる。
【００２２】
プロセス制御デバイス13がオンライン状態で動作中に、推定ユニット30が必要なデータの測定を行ってもよいので、推定ユニット30は、不安定状態の存在または発生源を検出するためにプロセス制御デバイス13にフルストロークシーケンスまたは試験ストロークシーケンスで動作することを必ずしも要求する必要がなく、またプロセス制御デバイス13にオフライン状態であることまたは正常動作環境から出ることを必ずしも要求する必要がない。さらに、推定ユニット30が、プロセス制御ループ10に接続され、このプロセス制御ループ10の正常動作中に不安定状態の推定を行うために必要な信号を測定するので、推定ユニット30は、プロセス20またはプロセス制御ループ10の動作と干渉することなく継続的に不安定状態の存在または発生源を検出しうる。
【００２３】
推定ユニット30は、任意の所望の分析法を利用して不安定状態の存在または発生源を決定するようにプログラムまたは構成してもよいので、ある種の不安定状態の発生源に対してとくに有用な統計的手段を本明細書において詳細に記載する。しかしながら、本発明は、これらの手段のうちのいずれの利用にも限定されるわけではなく、また、特別に記載される不安定状態の発生源のみの推定に限定されるわけではない。いうまでもなく、これらのまたは他の不安定状態の決定に他の数学的手段を用いてもよい。
【００２４】
推定ユニット30は、いかなる所望の時点においてでも、プロセス制御ループまたはプロセス制御システムの内の不安定状態の存在または発生源を検出する一または複数の分析を実行しうる。したがって、所望ならば、推定ユニット30は、たとえばオペレータがループまたはデバイスの内の不安定状態に気づいたときに、そのオペレータにより手動で実行されてもよい。これに代えてまたはこれに加えて、推定ユニット30は自動的に実行されてもよい。たとえば、推定ユニット30は、システム内のアクチュエータ圧力またはバルブ開度の如き信号のうちの一または複数にショートフーリエ変換を実行してその信号のスペクトルの偏差を調べうる不安定状態検出ソフトウェア33Aを用いてもよい。予期しないまたは望ましくない周波数の電力が不安定状態の存在を示す。もちろん、これに加えてまたはこれに代えて、このソフトウェアは、リミットサイクルの如き不安定状態の存在を検出するために、複数の公知かつ標準のパターン認識アルゴリズムのうちのいずれかを用いること、時系列データのリサジュープロットまたは位相平面プロットを検査することなどを行ってもよい。
【００２５】
たとえば、不安定状態検出ルーチン33Aは、不安定状態の存在を検出するために、ウィーンヒンチンの関係を用いてもよい。一般的に、ウィーンヒンチンの関係によると、上記のスペクトルの面積はその信号の分散に比例する。この原理に基づいて、検出ソフトウェア33Aは、ある信号の分散の変化を算出することによりその信号のスペクトルの変化を特定しうる。さらに、検出ソフトウェア33Aは、コマンド信号および移動量信号の如き二つの信号の間の分散の比の評価、すなわちＦ検定を実行しうる。システムが正常に動作している場合、分散比は、コマンド信号と移動量信号との間のゲインが約１に等しいので、約１に等しくなる。しかしながら、サーボループの不安定状態が、たとえば摩擦、負の変化度、またはバルブの付属品により引き起こされる場合、分散比は非常に大きくなる。換言すれば、サーボループが不安定状態にある場合、システムからの出力電力はそのシステムへの入力電力よりも大きくなる。
【００２６】
さらなる利点として、この手段は、外側のプロセスループがサイクリングを起こしている場合には、分析を実行しない。このことは、安定状態を識別するのに役立つ。検出を促進するために、分散比は、最新のデータのみを用いるための「忘却因数」を用いて繰り返して算出されうる。しかしながら、いったんリミットサイクルが（なんらかの手段により）検出されると、分散比を用いてその問題が外側のプロセス制御ループにあるのかまたは内側のサーボ制御ループにあるのかを突き止めることができる。分散比が１よりも大きい場合、その不安定状態の発生源はサーボループである確率が高い。図２，図３，および図４の例はこのようなケースを示している。あるいは、分散比が１よりも非常に小さい場合、その不安定状態の発生源はプロセスループである確率が高い。図５Ａおよび図５Ｂの例はこのようなケースを示している。
【００２７】
所望の場合には、不安定状態の検出アルゴリズムまたは識別アルゴリズムは連続的に実行され、識別アルゴリズムのなんらかのしきい値を超えた場合に、検出のフラッグがたてられる。たとえば、サーボループの位相角が−１８０度に接近した場合、以下で説明するように、推定ソフトウェアまたは検出ソフトウェアは、アラームを発生するかまたはオペレータに不安定状態およびその発生源を通知しうる。
【００２８】
いったん不安定状態が検出されると、この不安定状態の発生源は一または複数の他のソフトウェアルーチン33B、33Cなどを用いて決定されうる。不安定状態の発生源の推定を決定する一つの方法は、特定の期間にわたって、バルブ15の（図１の位置センサ27などにより感知される）アクチュエータの移動量または位置と（図１の圧力センサ35、36などにより感知される）アクチュエータ圧力とに関するデータを推定ユニット30に収集させることである。通常、このように収集されたデータは、一連のデータポイントとしてメモリに格納される。ここで、各データポイントは、測定されたアクチュエータ圧力信号から導かれるアクチュエータ圧力成分と、測定されたアクチュエータ位置信号または移動量信号から導かれるアクチュエータ位置成分とからなる。もちろん、いうまでもなく、いずれのデータポイントであっても、そのアクチュエータ圧力成分とアクチュエータ位置成分とは同一時間におけるものである。したがって、二つ以上の測定信号を用いる場合には、時間的に相関関係を有するデータを得るために同一時間にそれらの信号を採取することが好ましい。このようにして、推定ユニット30は、制御ループまたはその制御ループの一部の入力信号に関連するデータポイントおよびその制御ループまたはその制御ループの一部の出力信号に関連するデータポイントを収集し、次いで、そのシステムまたは制御ループに関連する入力／出力曲線を形成するために任意の方法でこれらのデータポイントを利用する。もちろん、入力信号および出力信号に関連するデータポイントは、要望に応じて、別々にまたは一緒に格納されてもよいが、入力／出力曲線の構成成分を形成するように、一般的に、同一時間または約同一時間に関連付けされたものである必要がある。
【００２９】
次に、不安定状態発生源推定ソフトウェア33B、33Cは、複数の方法のうちのいずれかの方法でデータを分析することにより不安定状態の発生源を決定する。これらの複数の方法には、たとえば、不安定状態がデバイスそれ自体によりまたはそのデバイスの外部から引き起こされたこと、不安定状態がバルブプラグの摩擦もしくは負の変化度より引き起こされたこと、または不安定状態が機械的な異常により引き起こされたことを決定することが含まれる。
【００３０】
一つに実施例では、不安定状態の発生源は、サーボループ内で収集されるデータ、すなわち図１のコマンド信号とバルブ開度信号との間にあるすべてから決定される。これらの信号のみを用いて、推定ユニット30は、指定のシステムの複数の不安定状態の根本原因を突き止めることができる。この技術の主要な利点は、上記の分析をプロセスに関する事前の知識なしにオンライン状態で実行できることであり、このことにより、これらのタイプの診断の開始・維持に必要なコストが著しく削減される。
【００３１】
一つの例示的な分析では、推定ソフトウェア33B、33Cは、検出された不安定状態が、プロセス制御ループにより引き起こされたのか、またはそれに代えて、サーボループの内の発生源、すなわちデバイス13内の発生源により引き起こされたのかを決定することができる。とくに、プロセス制御ループがリミットサイクルに入った場合には、そのシステムのすべての構成要素は、同一の周波数でサイクリングを起こす。さらに、そのシステムがサイクリングを起こすと、そのループ内の連続的な動的構成要素の間の位相角の総和は−１８０度になる。その結果、図１のサーボループの連続的な構成要素内の位相角の総和が−１８０度よりも大きい、たとえば−９０度である場合、サーボループは安定しておりその不安定状態の発生源ではない。しかしながら、サーボループ13内の位相角の総和が−１８０度と等しいかまたはそれに略等しい場合には、そのリミットサイクルの発生源はサーボループそれ自体の内にある。推定ルーチン33Bは、プロセス制御ループ10のサーボループ13またはその他の部分の連続的な動的構成要素に関連する位相角を決定し、これらの位相角の総和を算出することができる。その位相角の総和が−１８０度の近傍である場合、リミットサイクルの原因はプロセス制御ループ10のサーボループまたは他の部分の内にある。位相角の総和が−１８０度よりも著しく大きい場合、プロセス制御ループ10のサーボループまたは他の部分はリミットサイクルの発生源ではないが、外側のループの問題にそれらが著しく寄与している可能性は存在する。
【００３２】
所望の場合には、推定ユニット30は、サーボループ13の連続的な複数のエレメントの各々の如きプロセス制御ループ内の複数のエレメントの各々により持ち込まれた位相遅れを測定し、次いで、そのプロセス制御ループにおいて最大の位相遅をもたらすエレメントを特定してもよい。所望ならば、推定ユニット30は、各エレメントがプロセス制御ループに持ち込む位相遅れの量に応じてそれらのエレメントを順序づけしてもよく、またはそれらのエレメントの各々に対して検出された位相遅れを示す累積位相遅れチャートを作成してもよい。この情報は、表示デバイス40を利用してユーザに対して表示されてもよい。
【００３３】
フェイルオープンのスプリング作用を備える制御バルブのサーボループにおいて不安定状態を有するシステムの簡単な例が図２Ａおよび図２Ｂに示されている。これらの図は、時間に対して、入力コマンド信号、バルブ開度、および正味アクチュエータ圧力をプロットしている。図２〜図５では、サーボループまたはデバイス13の終点もしくは外部の信号が上側のグラフに例示されており、そのサーボループまたはデバイス13の完全に内側の信号が下側のグラフに例示されている。図２Ａおよび図２Ｂから、プロセス制御ループ、すなわち外側のループが（コマンド信号の振動により明らかなように）アクティブな状態であり、制御バルブ15により持ち込まれた擾乱を修正使用としていることが明白である。加算中継器26からのエラー信号（すなわち、コマンド信号からバルブ開度を引いたもの）とバルブ開度との間の総合位相角度は約−１８０度に等しい。これにより、その不安定状態がサーボループ内に位置していることが分かる。
【００３４】
あるいは、推定ユニット30は、コマンド入力とバルブ開度またはコマンド入力とアクチュエータ圧力の如き二つの信号の間の分散の比を調べてもよい。上記のように、システムが正常に動作している場合、分散比は、コマンド信号と開度信号との間のゲインが約１に等しいので、約１に等しくなる。しかしながら、サーボループの不安定状態が、たとえば摩擦、負の変化度、またはバルブの付属品により引き起こされている場合、分散比は非常に大きくなる。換言すれば、サーボループの不安定状態の場合、システムからの出力はそのシステムへの入力よりも大きくなる。その分散比が約１よりも小さい場合、その不安定状態はプロセスループ内に存在する。図２Ａおよび図２Ｂの例では、バルブ開度の分散はコマンド入力の分散を超えており、これにより、その不安定状態がサーボループにおいて存在することが分かる。すなわち、バルブ開度信号の分散がコマンド信号の分散よりも著しく大きいので、その不安定状態の原因がサーボループ内に存在すると判定される。
【００３５】
上記のような信号の各々の位相および分散を決定する多くの公知の方法があるが、本明細書においてそれらの方法を詳細に説明しない。さらに、たとえばサーボループ内の複数の連続的な信号の各々の位相を総和してもよいが、加算中継器26からのエラー信号および位置センサ27からのフィードバック信号の如きそのループ内の最初の信号および最後の信号の位相を加えて、その合計が約−１８０度であるか否かを決定してもよい。もちろん、そのループにおける信号うちのいずれの信号が最大位相値を有しているかを明らかにするためにそのループにおける信号の各々の位相を分析してもよい。すなわち、そのループにおける信号の各々の位相と不安定状態を引き起こしている構成要素とを関連付けしてもよい。
【００３６】
他のケースでは、推定ソフトウェア33Cは、不安定状態が、摩擦によりまたはバルブプラグ上の負の変化度の如き外部の力により引き起こされているのかを決定しうる。一般的にいえば、推定ソフトウェア33Cは、関連する圧力信号と移動量信号との間の相関関係および／または進み／遅れ関係を調べることにより、不安定状態の発生源として摩擦または外力を識別できる。たとえば、摺動型ステムバルブのケースでは、推定ソフトウェア33Cは、圧力センサ36により検出されるアクチュエータ圧力と位置センサ27により検出されるバルブ開度とを用いることができる。ある期間にわたりバルブ15の圧力センサおよび位置センサから収集されたデータを用いて、推定ソフトウェア33Cは、その圧力応答と位置応答との間に負の相関関係が存在するか正の相関関係が存在するかを判定する。開度が増加すると圧力が減少し、開度が減少すると圧力が増加するような負の相関関係の場合には、その不安定状態は外力に起因するものである。このような負の相関関係は、バルブステムの位置の急激な変化に対してそのバルブステムを逆方向に移動させることによりサーボコントローラ16が補正を行おうと試みることにより生じる。図３Ａおよび図３Ｂから分かるように、正味アクチュエータ圧力はバルブ開度の減少に応じて増加する。とくに、図３Ａおよび図３Ｂでは、バルブ15内のバフェッティングまたはジェットストリームの如き外力により引き起こされる不安定状態は、１２秒の時点と１５秒の時点との間で発生する。１２秒の時点では、バルブステムは、バフェッティングの結果としてそれが上昇する方向に移動する。それとほとんど同時にアクチュエータ圧力が減少し始める。正味アクチュエータ圧力は、バルブを元の位置に戻すために、バルブ開度が横ばい状態になったあとでさえも減少し続ける。しかしながら、バルブ開度がその出発点よりも減少すると（１３．５秒時点）、アクチュエータ圧力は、バルブをその元の位置に戻すために増加する。したがって、バルブ開度の増加はアクチュエータ圧力の減少と相関し、バルブ開度の減少はアクチュエータ圧力の増加と相関しているおり、このことは、外力がサーボループ内の振動を引き起こしていることを示唆している。同様に、それとは負の相関関係にある振動が、図３Ａおよび図３Ｂの２２秒時点および３２秒時点において発生している。
【００３７】
圧力が増加すると開度が増加し圧力が減少すると開度が減少するような正の相関関係の場合には、推定ソフトウェア33Cは、ポジショナ15が、移動が起こるまで、バルブステムに対する圧力を増加させることによりバルブステムをその増加方向に移動させようとしている（または、バルブステムに対する圧力を減少させることによりバルブステムをその減少方向に移動させようとしている）ので、その不安定状態は摩擦に起因するものであると決定する。図４Ａおよび図４Ｂはこのような現象を例示している。たとえば、約４９２秒の時点から、正味アクチュエータ圧力は、サーボコントローラが基準値（設定値）と開度との間のエラー信号を訂正しようとしているので、増加する。バルブステムは、摩擦帯域内で固着しているので、移動しない。５１８秒の時点で、バルブステムに対する正味の圧力が摩擦しきい値を超え、バルブステムはその増加方向に移動し始める。この時点で、正味アクチュエータ圧力は、アクチュエータ内の容積変化のために減少し、それにより、開度応答が遅くなる。しかしながら、正味の力が減少しバルブの速度が零に接近する場合でも、開度は、摩擦が消滅した時点で突然極大値にジャンプする。正味の圧力が減少するときも、（たとえば、５２６秒の時点と５３８秒に時点との間で）同様のプロセスが起きる。しかしながら、このときの開度の（減少方向への）応答はさらに顕著である。したがって、この場合には、アクチュエータ圧力の増加はバルブ開度の増加を引き起こし、アクチュエータ圧力の減少はバルブ開度の減少を引き起こすかまたはバルブ開度の減少を伴う。
【００３８】
したがって、アクチュエータ圧力とバルブ開度とが正の相関関係を有しているのか負の相関関係を有しているのかを判定することにより、推定ソフトウェア33Cは、リミットサイクルの発生源が外力によるものかまたはバルブ内の摩擦によるものかを決定することができる。もちろん、いうまでもなく、アクチュエータ圧力の増減の方向とバルブステム移動量の増減の方向とが同一方向である場合に正の相関関係となり、アクチュエータ圧力の増減の方向とバルブステム移動量の増減の方向とが逆方向である場合に負の相関関係となる。したがって、特定のアクチュエータ／バルブ構成において、またはバルブ開度の「減少」の定義のされ方に応じて、アクチュエータ圧力の上昇に対してバルブ開度が「減少」したとしても、これらの関係が正の相関関係になる場合がある。
【００３９】
摩擦に起因する不安定状態と外力に起因する不安定状態とを区別する他の方法は、圧力応答と開度応答との間の進み／遅れ関係を調べる方法である。圧力応答が開度応答より遅れる場合、その不安定状態は、サーボコントローラ16がバルブ位置の変化に応答して作動しているので、外力に起因する。あるいは、開度応答が圧力応答より遅れている場合、その不安定状態は、サーボコントローラ16がバルブを移動させようとしているので、摩擦に起因する。図４Ａおよび図４Ｂから分かるように、約４９２秒の時点から５１８秒の時点まで、圧力は増加しているがそれに対応するバルブ18の移動がない。５１８秒の時点で、応答圧力が摩擦力を上回り、バルブ18を移動させることができる。５２６秒の時点でも、同様の現象がおきている。この時点から５３８秒の時点まで、バルブの位置に変化がない。５３８秒の時点で、応答圧力が摩擦力を上回り、それにより、バルブステムが下方向に移動させられる。このケースでは、バルブ（図示せず）に対するコマンド信号は一定に保たれている。正味の圧力とバルブ開度との間の位相角度は約−１８０度であり、開度応答は圧力応答より遅れている。このことは、その不安定状態がサーボループ内に存在しており、その問題がアクチュエータとバルブステムとの間に存在していることを意味している。
【００４０】
あるいは、上記のように、図３Ａおよび図３Ｂは、負の変化度を有するバルブの時系列プロットを例示している。この場合、バルブに対するコマンド信号は約一定に保たれている。変化度がそれほど大きいものでないので、その不安定状態は周期的でない。にもかかわらず、そのシステムは、リヤプノフ（すなわち、平衡点が存在しない）の意味において、不安定である。ここで、圧力と開度との間の位相シフトを調べることにより、この負の変化度を識別することができる。負の変化度の場合、バルブステムがまず移動し、次いで、ポジショナがその移動を訂正しようとする。分かりやすくいえば、アクチュエータ圧力は開度より遅れる。この不安定状態は、アクチュエータ圧力が開度に先行する、摩擦に起因する不安定状態と明らかに正反対の関係にある。
【００４１】
推定ソフトウェア33Cは、進み／遅れ関係を判定のために、圧力信号の開始または終了および開度信号の開始または終了を示す開始点、終了点、中間点、またはなんらかの他の統計的な尺度を利用しうるし、これらの圧力信号および開度信号のうちのいずれが先行または遅延しているのかを判定するために、これらの二つのポイントを比較しうる。もちろん、所望ならば、推定ルーチン33cは、開度測定信号と圧力測定信号との相関関係および開度測定信号と圧力測定信号との進み／遅れ関係のうちの一方または両方を測定または決定することにより、不安定状態の発生源を決定することが可能である。
【００４２】
不安定状態の存在または発生源を検出するためにソフトウェア33が実行可能な他の簡易な安定性分析手法は、所与の期間にわたる信号の反転数、またはバルブ開度信号、アクチュエータ圧力信号、コマンド信号などの如き異なる信号の反転数の差を調べることである。サーボループが不安定状態にある場合、開度信号の反転数はコマンド信号の反転数を著しく超える（図２Ａおよび図２Ｂを参照）。プロセスが不安定状態にある場合、開土信号の反転数はコマンド信号の反転数と略同じである（図５Ａおよび図５Ｂ参照）。この同一の分析手法を他の信号に適用し、それらの信号に関連する構成要素間のエレメントにおける不安定状態の存在を検出することもできる。
【００４３】
図５Ａおよび図５Ｂは、推定ユニット30が上記の技術を用いてサーボループの外側に存在している不安定状態の発生源を決定しうるさらなる例を示している。図５Ａおよび図５Ｂにおいて、不安定状態は、過剰のゲインにより、すなわちフェイルクローズド式のスプリング作用を備えるバルブに併せて用いられた場合の図１のプロセスコントローラ12内の過剰のゲインにより引き起こされている。ここでは、バルブ開度の分散に対するコマンド信号の分散の比は１よりも小さく、その問題の発生源がサーボループの外側に存在することを示している。同様に、そのサーボループ内の位相角の合計は、約−９０度であり、その不安定状態の発生源がサーボループの外側に存在することをさらに示している。
【００４４】
推定ユニット30が、バルブデバイスの如きプロセス制御デバイス内の不安定状態を検出し、その評価または有力な原因を決定するものとして本明細書では記載されているが、いうまでもなく、他の分析手法を用いて、プロセスまたはプロセス制御ループの内でオンライン状態で測定されたデータに基づいて、これらの不安定状態の評価または他のプロセス制御デバイス、プロセス制御ループなどの他の不安定状態の評価を決定してもよい。
【００４５】
同様に、いうまでもなく、推定ユニット30は、一または複数の信号を検出・格納し、そのような信号に統計的または数学的な解析を実行することができる、マイクロプロセッサの如きいかなる所望のハードワイヤードロジックデバイスまたはソフトウェア制御式処理デバイスとして実現されてもよい。好ましくは、統計的分析法は、推定ユニット30のコンピュータ読み取り可能メモリ内に格納される（いかなる所望のタイプの）プログラミングにより実行される。しかしながら、本明細書で記載または使用される分析ステップは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、またはそれらの組み合わせにより、いかなる所望の方法で実現されてもよい。
本発明は特定の例を参照して記載したが、これらの例は説明のみを意図し、本発明を限定することを意図したものではなく、本発明の精神および範疇から逸脱することなく、開示された実施例に変更、追加、または削除を加えうることは当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】プロセス制御ループまたはプロセス制御デバイス内の不安定状態の存在または発生源を決定するデバイスを備えるプロセス制御ループのブロック線図である。
【図２Ａ】不安定状態にあるシステムの場合における、移動量信号、コマンド信号、および正味アクチュエータ圧力信号と時間との関係を示すグラフである。
【図２Ｂ】不安定状態にあるシステムの場合における、移動量信号、コマンド信号、および正味アクチュエータ圧力信号と時間との関係を示すグラフである。
【図３Ａ】不安定状態が摩擦により誘発される場合における、移動量信号、コマンド信号、および正味アクチュエータ圧力信号と時間との関係を示すグラフである。
【図３Ｂ】不安定状態が摩擦により誘発される場合における、移動量信号、コマンド信号、および正味アクチュエータ圧力信号と時間との関係を示すグラフである。
【図４Ａ】故障の場合に閉鎖状態するスプリング作用を有する制御バルブでの負の勾配により引き起こされる不安定状態の場合における、移動量信号、コマンド信号、および正味アクチュエータ圧力信号と時間との関係を例示すグラフである。
【図４Ｂ】故障の場合に閉鎖状態するスプリング作用を有する制御バルブでの負の勾配により引き起こされる不安定状態の場合における、移動量信号、コマンド信号、および正味アクチュエータ圧力信号と時間との関係を例示すグラフである。
【図５Ａ】プロセスコントローラにおける過度のゲインにより引き起こされる不安定状態の場合における、移動量信号、コマンド信号、および正味アクチュエータ圧力信号と時間とを例示すグラフである。
【図５Ｂ】プロセスコントローラにおける過度のゲインにより引き起こされる不安定状態の場合における、移動量信号、コマンド信号、および正味アクチュエータ圧力信号と時間とを例示すグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
10  プロセス制御ループ
12  プロセスコントローラ
13  プロセス制御デバイス
14  デジタルポジショナ
15  制御バルブ
16  サーボコントローラ
17  電流−圧力（Ｉ／Ｐ）トランスデューサ
18  ニュウマティック装置
20  プロセス
22  トランスミッタ
24、26  加算中継器
27  位置センサ
30  推定ユニット
31  内部メモリ
32  プロセッサ
33  コンピュータアルゴリズム
33A  不安定状態検出ソフトウェア
33B、33C  ソフトウェアルーチン
34  電流センサ
35、36  圧力センサ
38  サーボ出力ユニット
39  変位センサ
40  表示デバイス
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際調査報告】
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