(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
設定値信号と調節弁の弁開度測定信号を入力し前者から後者を差し引いた偏差を出力する減算器と、該偏差を積分した第１積分値信号を出力する第１積分器と、該第１積分器と並列に接続され前記偏差に比例した比例値信号を出力する比例器と、前記第１積分値信号と比例値信号を入力し加算して出力する加算器と、該加算器の出力に所定の係数を乗じて出力する増幅器とを備えて制御演算を行い操作信号を出力する制御器であって、さらに、前記第１積分器と並列に配されて前記偏差を積分した第２積分値信号を出力する第２積分器と、前記弁開度信号と前記設定値信号を入力し弁開度の状態を判定する弁開度状態判別器を備えて、前記弁開度状態判別器が前記弁開度信号の値が前記設定値信号の値に近付きつつあると判定する間は前記第２積分器は積分値を初期化し、逆に遠ざかりつつあると判定する間は前記第２積分器は前記偏差を積分して出力を前記加算器に加えることを特徴とする制御器を備えて、外部から与えられる設定値に対応するように調節弁の弁開度を制御するバルブポジショナ。
【請求項２】
設定値信号を受けてＡ／Ｄ変換し弁開度目標信号値を出力する設定値信号Ａ／Ｄ変換部と、調節弁の弁開度信号を受けてＡ／Ｄ変換し弁開度位置信号値を出力する弁開度信号Ａ／Ｄ変換部と、制御演算部と、該制御演算部が出力する操作信号値を受けてＤ／Ａ変換し操作信号を出力する制御操作信号Ｄ／Ａ変換手段とを備えた制御器であって、前記制御演算部が、前記弁開度位置目標信号値から前記弁開度位置信号値を減じて偏差を算出する減算手段と、該偏差の比例値を算出する比例手段と、該偏差に第１積分係数を作用させて積分し第１積分値を算出する第１積分手段と、該偏差に第２積分係数を作用させて積分し第２積分値を算出する第２積分手段と、該偏差の極性を判定する偏差極性判定手段と、前記弁開度位置信号値の現在値から所定時間前の値を減じて弁開度差分を算出する弁開度差分算出手段と、前記比例値と第１積分値と第２積分値を加算する加算手段と、該加算結果に所定の係数を乗じて制御演算を行い操作値として出力する制御演算手段とを備えて、前記偏差極性判定手段により前記偏差極性が負と判定されかつ前記弁開度差分が正の値であるときもしくは前記偏差極性が正と判定されかつ前記弁開度差分が負の値であるときは、前記第２積分値を加算して前記制御演算を行い操作値とし、前記偏差極性判定手段により前記偏差極性が正と判定されかつ前記弁開度差分が正の値であるときもしくは前記偏差極性が負と判定されかつ前記弁開度差分が負の値であるときは、前記第２積分値を初期化して前記制御演算を行い操作値とすることを特徴とする制御器を備えて、外部から与えられる設定値に対応するように調節弁の弁開度を制御するバルブポジショナ。
【請求項３】
前記制御演算部がさらに前記偏差を微分して微分値を算出して前記加算手段に供給する微分手段を備えることを特徴とする請求項２記載のバルブポジショナ。
【請求項４】
前記制御演算部が、マイクロコンピュータにより実行されることを特徴とする請求項２から請求項３のいずれかに記載のバルブポジショナ。
【請求項５】
前記制御器がプリント基板上に集積されていることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれかに記載のバルブポジショナ。
【請求項６】
設定値信号と制御量信号を入力し前者から後者を差し引いた偏差を出力する減算器と、該偏差を積分した第１積分値信号を出力する第１積分器と、該第１積分器と並列に接続され前記偏差に比例した比例値信号を出力する比例器と、前記第１積分値信号と比例値信号を入力し加算して出力する加算器と、該加算器の出力に所定の係数を乗じて出力する増幅器とを備えて制御演算を行い操作信号を出力する制御器であって、さらに、前記第１積分器と並列に配されて前記偏差を積分した第２積分値信号を出力する第２積分器と、前記制御量信号と前記設定値信号を入力し制御量の状態を判定する制御量状態判別器を備えて、前記制御量状態判別器が前記制御量信号の値が前記設定値信号の値に近付きつつあると判定する間は前記第２積分器は積分値を初期化し、逆に遠ざかっていると判定する間は前記第２積分器は前記偏差を積分して出力を前記加算器に加えることを特徴とする制御器。
【請求項７】
前記減算器と比例器と第１積分器と第２積分器と制御量状態判別器が、マイクロコンピュータにより実行されることを特徴とする請求項６記載の制御器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロセス制御で使用される調節弁の弁開度を外部からの設定信号に対応するように制御するバルブポジショナ、およびこのようなポジショナに使用できる制御器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
バルブポジショナは、調節計等外部からの信号と調節弁操作部の駆動軸位置を外力に抗して比例関係に保つようにマイナーループで組んだフィードバック制御を行い、操作部が制御ループの中で十分に機能を発揮させるために用いられるものである。したがって、操作部全体として、応答性が良く単純な伝達特性を持つようにすることが好ましい。また、制御弁は設置される対象、位置、流量などにしたがってサイズや形式、流量特性など条件が異なるが、制御弁に付属させるポジショナは個々の対象ごとに合わせて設計製作して使用するのではコストが嵩むため、できるだけ共通に利用するように設計されている。このため、バルブポジショナに組み込まれる制御器は、比例積分微分演算を組み合わせたいわゆるＰＩＤ制御を行うように構成され、対象ごとに比例係数、積分時間、微分時間などのパラメータを最適化して使用する。
【０００３】
制御パラメータを調整するための目標となる制御の質を表す指標として行き過ぎ量、立ち上がり時間、整定時間を用いることができるが、立ち上がり時間と行き過ぎ量は一方を小さくすれば他方が大きくなる関係にあり、また、たとえば行き過ぎがないという条件下で最も速く整定するようにしたクリティカルダンピング（限界制動）を目標とすれば整定時間はかなり長くなる。
ＰＩＤ制御を用いるバルブポジショナでは、バルブ開度に行き過ぎが生じた場合に目標値方向に反転動作させるには操作部に生ずる慣性力及び静止摩擦力を打ち消すだけの強い操作出力が生じるまで待たなければならないので、整定時間が長くなる傾向があった。また、一旦行き過ぎが生じると行き過ぎを戻す力のため逆方向に行き過ぎが生じ、これを繰り返して制御が収束しなくなる場合もある。
このように、制御の質はどこかで妥協しなければならず、何をもって最適調整とするかは制御対象の特性と設計者の判断にゆだねられる。
【０００４】
ＰＩＤ制御法は古典制御理論において既に確立された技術であり、それぞれの要素について伝達関数を知れば簡単に最適調整ができる。しかし、制御ループ中の各要素について解析的に伝達関数を求めることは容易でない上、実際の対象は非線形特性を含むことが普通であるため厳密な伝達関数を得ることはできない。このため、実際にはステップ応答法や限界感度法など実地試験に基づいた近似手法を用いて最適調整用パラメータを求めている。
したがって、バルブポジショナの制御パラメータの最適値は、ポジショナが組み込まれる調節弁ごとに綿密な試験を行って決定しなければならない。
【０００５】
なお、電子式制御器と空気式調節弁を組み合わせる場合は、電子論理回路により制御演算を行うようにした電空ポジショナを調節弁に組み込むことが多い。このような電子回路では制御論理を比較的自由に選択できるので、制御系の特性に合わせた適当な処理を取り込むことにより良好な制御結果を得ることができる。
【０００６】
たとえば、特許第３０５７６３５号公報には、調節弁が全閉または全開状態にあることを検出したときに積分時間を短縮し、それが解除されたときに通常の制御状態における積分時間に戻すようにしたバルブポジショナが開示されている。この発明は、バルブの全閉全開時には積分器が飽和点まで積分するため弁を中間位置に戻すときに応答が鈍くなることに注目して行われたもので、調節弁を飽和状態から迅速に復帰させることにより調節弁の応答特性を改良することができる。
しかし、この開示発明は調節弁が可動領域の両端位置に達したときの応答性を改良するものであって、通常の制御動作で重要になる中間位置における制御性に係わるものではない。
【０００７】
また、特許第３０３９２６７号公報には、制御偏差の極性あるいは制御偏差の一次差分の極性に応じて比例係数などの制御パラメータを切り換えて制御演算するバルブポジショナが開示されている。開示発明のバルブポジショナにより、弁の駆動方向によって伝達特性が異なる場合に、弁開度の増減方向を検出してそれぞれの伝達特性に適合した制御を行うことができる。
しかし、この開示発明は、調節弁の駆動方向が切り替わっても最適なＰＩＤ制御動作を行うことができるようにしたもので、ＰＩＤ制御の線形性に起因する制御性能の制約を回避することはできない。また、組み合わせる調節弁が変わるたびに、最適パラメータを的確に設定するために必要とされる綿密な実物実験の繰り返しを避けることはできない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の課題は、行き過ぎ量を抑えつつより速やかに整定する優れた制御性を有するバルブポジショナと、そのようなバルブポジショナに適用することができる制御器を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のバルブポジショナは、設定値信号と調節弁の弁開度測定信号を入力し前者から後者を差し引いた偏差を出力する減算器と、この偏差を積分した第１積分値信号を出力する第１積分器と、第１積分器と並列に接続され偏差に比例した比例値信号を出力する比例器と、第１積分値信号と比例値信号を入力し加算して出力する加算器と、加算器の出力に所定の係数を乗じて出力する増幅器とを備えて制御演算を行い操作信号を出力する制御器を備えて、外部から与えられる設定値に対応するように調節弁の弁開度を制御する。
【００１０】
本発明のバルブポジショナは、上記の課題を解決するために、制御器がさらに、第１積分器と並列に配され偏差を積分して第２積分値信号を出力する第２積分器と、弁開度信号と設定値信号を入力し弁開度の状態を判定する弁開度状態判別器を備えて、弁開度状態判別器が弁開度信号の値が設定値信号の値に近付きつつあると判定する間は第２積分器は積分値をゼロ値など所定の初期値にし、逆に遠ざかりつつあると判定する間は第２積分器が偏差を積分して出力を加算器に加えるようにして、制御演算を行うことを特徴とする。
【００１１】
本発明のバルブポジショナによれば、弁開度が設定値に近づいている間は第２積分器の働きを停止して調節弁特性に適合するように選択された通常の比例積分動作を用いて適当な調整を行う。しかし、弁開度が設定値を行き過ぎて設定値から遠ざかりつつある期間は、第２積分器を働かせて行き過ぎ量を積分した第２積分値を加算するので、行き過ぎを抑える制動方向の力が加重され、従来の比例積分動作により生じる行き過ぎ量を抑制することができる。
弁開度が極値を過ぎて再び設定値に戻ろうとするときには、第２積分器の働きを停止する。
【００１２】
本発明のバルブポジショナでは、比例器と第１積分器を用いて実行される比例積分動作と比較すると行き過ぎ量が小さくなるため、行き過ぎ後の戻り方向に弁開度が変化したときの反対方向への行き過ぎ量は著しく減少する。したがって、所定の偏差以内に収束するための整定時間は著しく短縮化される。
また、第２積分器により行き過ぎ量を減少させることができるため、比例器と第１積分器の制御パラメータを行き過ぎ時間を短くするように選択して、系の応答性を向上させることができる。
【００１３】
本発明のバルブポジショナにおける第２積分器は、弁開度の行き過ぎ量が増えつつあるときのみ行き過ぎ量を積分して行き過ぎを減少させる方向に作用する。また、行き過ぎ量が減少する間は作用しないため、線形制御における積分器のように設定値に達する前の偏差は行き過ぎ抑制作用に影響を残さないので、逆方向の行き過ぎを増大させることがない。したがって、調節弁の伝達関数の如何に係わらず行き過ぎを抑制する効果を有するため、適当に大きな積分時間を選択すればよく、調節弁の形式や容量が変化して制御器の比例積分パラメータが変化した場合でも調整し直すことなく同じ第２積分器を適用することができる。なお、第２積分器の調整効果を大きくするためには、第１積分器の積分時間より短い積分時間を選択することが好ましい。
【００１４】
本発明のバルブポジショナは、上で説明したような特有の働きを有する第２積分器を制御器に付設したために、従来の線形制御方法と比較して、行き過ぎ量が小さくかつ整定時間も短い良好な応答性を備えるようにすることができる。したがって、本発明のバルブポジショナを組み込んだ調節弁を使用すれば、プロセス制御システム中の要素としての調節弁が制御性能に与える影響が小さくなり、良好な制御を行うことが容易になる。また、適用性が大きく、各種の調節弁に簡単に適用することができる。
【００１５】
なお、本発明のバルブポジショナにおいて、比例器、第１積分器、第２積分器、増幅器などがそれぞれ独立した要素として表されているが、これらの要素を複合して等価的な１個の電子回路として組み上げることができることはいうまでもない。また、論理回路やマイクロコンピュータを用いて論理演算により制御演算を行うこともできる。さらに、制御器に微分要素を備えて比例積分微分動作による制御を行うことができるようにしても良い。
【００１６】
本発明第２のバルブポジショナは、外部から与えられる設定値に対応するように調節弁の弁開度を制御するバルブポジショナであって、設定値信号を受けてＡ／Ｄ変換し弁開度目標信号値を出力する設定値信号Ａ／Ｄ変換部と、調節弁の弁開度信号を受けてＡ／Ｄ変換し弁開度位置信号値を出力する弁開度信号Ａ／Ｄ変換部と、制御演算部と、制御演算部が出力する操作信号値を受けてＤ／Ａ変換し操作信号を出力する制御操作信号Ｄ／Ａ変換手段とを備えることを特徴とする。
【００１７】
この制御演算部は、弁開度位置目標信号値から弁開度位置信号値を減じた偏差を算出する減算手段と、偏差の比例値を算出する比例手段と、偏差に第１積分係数を作用させて積分し第１積分値を算出する第１積分手段と、偏差に第２積分係数を作用させて積分し第２積分値を算出する第２積分手段と、偏差の極性を判定する偏差極性判定手段と、弁開度位置信号値の現在値から所定時間前の値を減じて弁開度差分を算出する弁開度差分算出手段と、偏差の比例値と第１積分値と第２積分値を加算する加算手段と、加算結果に所定の係数を乗じて制御演算を行い操作値として出力する操作量演算手段とを備える。
【００１８】
そして、偏差極性判定手段により偏差極性が負、すなわち弁開度位置が設定値より大きいと判定されかつ弁開度差分が正の値、すなわち弁開度が大きくなりつつあるとき、もしくは偏差極性が正、すなわち弁開度位置が設定値より小さいと判定されかつ弁開度差分が負の値、すなわち弁開度が小さくなりつつあるときは、第２積分値を加算して制御演算を行い操作値とする。また、偏差極性判定手段により偏差極性が正と判定されかつ弁開度差分が正の値であるときもしくは偏差極性が負と判定されかつ弁開度差分が負の値であるときは、第２積分値を初期化して制御演算を行い操作値とすることを特徴とする。
【００１９】
本発明第２のバルブポジショナは、制御演算部を備えて、主要な制御演算を論理演算により実行するようにしたものである。制御演算部が実行する制御演算は本発明第１のバルブポジショナで実行されるものと同じであるから、上記説明と同じ作用と効果を得ることができる。
なお、制御演算部がさらに偏差を微分して微分値を算出して加算手段に供給する微分手段を備えてもよい。
また、制御演算部が、マイクロコンピュータにより実行されるように構成されることが好ましい。さらに、Ａ／Ｄ変換器などを含めた制御器全体がプリント基板上に集積されていてもよい。
このように、電子回路を利用することにより、制御論理の選択性が著しく向上する上、設置するための容積が小さくなり、また設置位置が自由に選択できるようになるので、パラメータの調整が容易になりポジショナも小型になる。
【００２０】
次に、本発明の制御器は、設定値信号と制御量信号を入力し前者から後者を差し引いた偏差を出力する減算器と、求めた偏差を積分した第１積分値信号を出力する第１積分器と、第１積分器と並列に接続され偏差に比例した比例値信号を出力する比例器と、第１積分値信号と比例値信号を入力し加算して出力する加算器と、加算器の出力に所定の係数を乗じて出力する増幅器とを備えて制御演算を行い操作信号を出力する制御器である。
本発明の制御器は、上記課題を解決するため、さらに、第１積分器と並列に配されて上記の偏差を積分して第２積分値信号を出力する第２積分器と、制御量信号と設定値信号を入力し制御量の状態を判定する制御量状態判別器を備えている。そして、制御量状態判別器が制御量信号の値が設定値信号の値に近付きつつあると判定する間は第２積分器は積分値を初期化し、逆に遠ざかっていると判定する間は第２積分器は偏差を積分して出力を加算器に加えることを特徴とする。
なお、減算器と比例器と第１積分器と第２積分器と制御量状態判別器の部分はマイクロコンピュータにより構成するようにすることできる。
【００２１】
本発明の制御器は、本発明のバルブポジショナに適合する制御器であるが、さらに同様の制御性能が要求される各種の制御システムに適用することにより、行き過ぎ量が少なくかつ整定時間が短い良好なフィードバック制御を達成することができる。
また、制御器に線形要素のみを組み込んで制御する場合には、現場で実地試験を行って解明する伝達特性に基づいて最適な比例積分微分パラメータを厳密に決定しなければならない。これに対して、上に説明した特殊な作用効果を有する第２積分器を組み込んだ本発明の制御器を使用すれば、第２積分器を使用しないときに得られる制御状態に対して常に行き過ぎ量を減少させかつ整定時間を短くすることができる。したがって、異なる制御対象についても、線形要素のみでは立ち上がり速度が若干速くなり振動的な応答を行うような制御パラメータを適当に選択すれば、第２積分器の作用により十分に満足できる制御性を得ることができる。このため、本発明利用することにより制御パラメータの決定も容易になる効果もある。
【００２２】
【発明の実施の形態】
この発明について、以下に実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の１実施例のバルブポジショナを使用した調節弁制御システムを示すブロック図、図２は本実施例のプロセス制御系における位置を説明するブロック図、図３は本実施例の制御器部分の代表的な回路例を示す回路図、図４は本実施例の第２積分器の動作論理を説明するフローチャート、図５は第２積分器の出力変化を説明する出力図、図６と図７は本実施例を適用したときの効果を説明する出力図である。
【００２３】
図１は、本実施例のバルブポジショナを調節弁に適用して形成した操作部を示すブロック図である。また、図２は調節弁で構成された操作部を使用したフィードバック制御システムの例を示すブロック図である。
本実施例のバルブポジショナ１は調節弁２に組み込まれて局所的なフィードバック制御系からなる操作部３を構成し、調節弁の弁開度を調節器４の制御出力に対応する値に調整して調節弁を通過する流体の流量を調整する。調整された流体流量は操作量として制御対象５に作用して制御対象の制御量を制御する。制御量は検出器６で検出して調節器４に供給する。調節器４では目標値との偏差について所定の制御演算を施して偏差が無くなるようにする操作量を算定して操作部３に弁開度の目標値として供給する。
【００２４】
バルブポジショナ１は、図１に示すように、制御器１０と電空変換器４１と圧空式パイロットバルブ４３と弁開度センサ４５から構成され、調節弁２と組み合わせて使用する。
電空変換器４１は制御器１０の電気出力信号を入力して対応する圧空信号を出力する信号変換器である。パイロットバルブ４３は圧空源から圧空の供給を受けて圧空信号と対応する圧力を有する空気を大量に供給して調節弁２を駆動する駆動空気源である。弁開度センサ４５は、調節弁２のバルブステムに設けられるリンク機構を介して調節弁の弁開度を検出し測定信号を出力する弁開度変換器である。
【００２５】
制御器１０は、設定値信号Ａ／Ｄ変換器１１、制御操作信号Ｄ／Ａ変換器１２、弁開度信号Ａ／Ｄ変換器１３、および制御演算部２０を備える。
設定値信号Ａ／Ｄ変換器１１はプロセス制御系の調節器４から出力される調節弁２の弁開度目標値アナログ信号を論理回路からなる制御演算部に適合するデジタルの設定値信号ＳＶに変換するもの、制御操作信号Ｄ／Ａ変換器１２は制御演算部２０から出力されるデジタル操作値信号を電空変換器４１に適合するアナログの操作信号ＣＶに変換するもの、弁開度信号Ａ／Ｄ変換器１３は弁開度センサ４５のアナログ出力を制御演算部２０に適合するデジタルの弁開度信号ＰＶに変換するものである。
【００２６】
制御演算部２０は、減算器２１、微分器２２、比例器２３、第１積分器２４、加算器２５、増幅器２６、第２積分器２７、および制御量状態判別部３０で構成される。
減算器２１は、設定値信号ＳＶと弁開度信号ＰＶを入力し前者から後者を差し引いた制御偏差Ｅ＝ＳＶ−ＰＶを算出し出力する。微分器２２は設定された微分時間Ｔｄに従い偏差Ｅを微分し求めた値を出力する。比例器２３は比例帯として指定される比例係数Ｋｐに従って偏差Ｅの比例値を出力する。また、第１積分器２４は指定された積分時間Ｔｉに従って偏差Ｅを積分して第１積分値として出力する。これら演算素子の出力は加算器２５で重畳され、増幅器２６で適当なスケールの操作信号ＣＶとして出力される。
【００２７】
図３は、制御演算部に用いる演算回路の１例で、図１に示した演算を実際に行うことができる回路例を示す回路図である。
図に示した演算回路は、増幅器５１に入力インピーダンス（Ｚｉ）５２とフィードバックインピーダンス（Ｚｆ）を組み合わせたもので、入力電圧ｅｉと出力電圧ｅｏの関係は、ｅｏ／ｅｉ＝Ｚｆ／Ｚｉで表される。フィードバックインピーダンス（Ｚｆ）は、比例器（Ｚｆｐ）５３、第１積分器（Ｚｆｉ）５４、微分器（Ｚｆｄ）５５、およびさらに第２積分器としての容量素子（Ｃｉ２）５６を並列に結合して構成される。
【００２８】
なお、従来の電気式調節器や空気式調節器では、回路上の都合から比例積分微分動作の増幅器を共用することが多く、この場合は比例器の比例係数を１として微分値、積分値、比例値を加算した後で比例係数を掛けて出力とする。
本実施例においても、従来型調節器によって蓄積された技術的知見を活用する場合は、増幅器２６の増幅率を比例係数Ｋｐに設定し、比例器２３における比例係数は１として、加算器２５で加算した後の信号に対して、一律に比例係数を掛けて出力するようにすることもできる。
【００２９】
第２積分器の容量素子５６には両極端子を短絡する放電スイッチ５７と積分値の出力を遮断する接続スイッチ５８が設けられており、ふたつのスイッチは連動して相互に逆方向に開閉するようになっていて、放電スイッチ５７と接続スイッチ５８は制御量状態判別部３０により制御される。
第２積分器２７は、制御偏差Ｅを積分時間Ｔｉ２に基づいて積分し第２積分値として加算器２５の入力に加えるものであるが、制御量状態判別部３０を付帯し、制御量状態判別部３０の判定する弁開度の状態に基づいて特殊な積分演算を行うことを特徴とする。
すなわち、弁開度ＰＶが設定値ＳＶを越えて設定値ＳＶから離れつつあるときのみ制御偏差Ｅを入力して積分し、求めた第２積分値を加算器２５に加え、逆に設定値ＳＶに近づきつつあるときには第２積分値をゼロとして制御演算に作用させないようにする。
【００３０】
制御量状態判別器３０は、制御偏差Ｅの符号を判定する偏差極性判定器３１と、弁開度位置信号の現在値ＰＶ（ｎ）から所定時間前の値ＰＶ（ｎ−１）を減じて弁開度差分ΔＰＶ＝ＰＶ（ｎ）−ＰＶ（ｎ−１）を算出する弁開度差分算出器３２と、これらの出力から弁開度状態を判定する判定器３３から構成され、弁開度ＰＶが設定値ＳＶに近づきつつあるか遠ざかりつつあるかを判定して、第２積分器２７を制御する。
なお、ノイズの影響を抑えて適切な差分を算出するためには、適当な時間間隔を用いたり弁開度信号を平均化して用いる必要がある。また、差分に換えて適当なフィルタを通した後の弁開度信号を対象とした微分を用いることもできる。
【００３１】
図４は制御量状態判別器３０が実行する論理を示すフローチャートである。
図４のフローチャートを参照すると、制御量状態判別器３０は、初めに偏差極性判定器３１の出力を入力して、偏差Ｅの正負を調べる（Ｓ１０）。偏差Ｅが正であれば弁開度ＰＶは設定値ＳＶより小さいので、弁開度差分算出器３２の差分出力ΔＰＶの正負を調べて、その結果により処理を選択する（Ｓ２０）。
弁開度ＰＶが設定値ＳＶより小さい場合には、弁開度ＰＶが減少するときに設定値ＳＶから遠ざかり、弁開度ＰＶが増大するときに設定値ＳＶに近づく。
【００３２】
そこで、弁開度差分ΔＰＶが負であるときには、放電スイッチ５７を解放し接続スイッチ５８を短絡して第２積分器２７に偏差Ｅの積分を実行させると共に他の比例積分微分演算回路に接続して第２積分値出力を供給する（Ｓ３０）。
また、弁開度差分ΔＰＶが正であるときには、放電スイッチ５７を閉成し接続スイッチ５８を解放して、第２積分器２７を他の比例積分微分演算回路から切り離すと共に第２積分器２７の容量要素Ｃｉ２に貯まった電荷を放電して過去の蓄積をリセットする（Ｓ４０）。
【００３３】
一方、偏差Ｅが負のときは、弁開度ＰＶは設定値ＳＶを上に越えていることを前提として弁開度差分算出器３２の差分出力ΔＰＶの正負を調べる（Ｓ５０）。弁開度ＰＶが設定値ＳＶを越えている場合は、弁開度ＰＶが増加するときに設定値ＳＶから遠ざかり、弁開度ＰＶが減少するときに設定値ＳＶに近づく。
そこで、弁開度差分ΔＰＶが正であるときに、第２積分器２７に偏差Ｅの積分を実行させると共に制御演算回路に第２積分値出力を供給する（Ｓ３０）。
また、弁開度差分ΔＰＶが負であるときに、第２積分器２７を制御演算回路から切り離すと共に第２積分器２７をリセットする（Ｓ４０）。
【００３４】
このように制御量状態判別器３０により弁開度の状態を判断して、弁開度ＰＶが設定値ＳＶに近づきつつあるときにのみ微分器２２、比例器２３、第１積分器２４を用いた従来の比例積分微分演算に第２積分器２７を加重し、その他の条件下では従来の比例積分微分演算のみで制御演算を行う（Ｓ６０）。
【００３５】
図５は、本実施例の制御器を用いたバルブポジショナにおいて、弁開度設定値ＳＶをステップ変化させたときの弁開度ＰＶの変化と、弁開度変化に応じた制御量状態判別器３０と第２積分器２７の出力変化を模式的に示す波形図である。
設定値が大きな値に変化すると、これに追従して弁開度が大きくなる（領域ａ）。領域ａでは、第２積分器２７は使用せず、微分器２２と比例器２３と第１積分器２４を使って制御演算が行われる。
立ち上がり時間が若干短くなるように比例積分微分パラメータを選択しておくと、弁開度は設定値を超えて行き過ぎる。制御器１０に含まれる第１積分器２４や遅れ要素の影響で、制御器１０は弁開度が設定値に到達したときにも過去の偏差Ｅについて蓄積した演算結果に基づいて調節弁２を開ける方向に作用する操作信号を出力している。
【００３６】
本実施例の制御器１０は、さらに第２積分器２７と制御量状態判別器３０を備える。したがって、この領域ｂでは、制御量状態判別器３０の出力がオンとなり第２積分器２７が偏差Ｅを積分して徐々に大きな値を出力するので、制御器１０は偏差Ｅが大きくなるにつれて弁開度を減少させる方向に加速するような操作信号ＣＶを出力するようになる。
弁開度が設定値を超えてから極大値を示すまでの領域ｂでは、偏差Ｅの符号が変化するのに伴って、制御器１０は偏差Ｅが減少する方向に操作信号を変化させていき、遂には弁開度が極大値を取って反転し設定値に向かって減少するようになる。
【００３７】
弁開度が極値を過ぎて減少し始めてから設定値に到達するまでの領域ｃでは、制御量状態判別器３０の出力がオフとなり第２積分器２７がリセットされるので、制御演算器は通常の比例積分微分演算に基づいて弁開度を調整する。この領域ｃでは、第２積分器２７の作用が消滅するので、その前の領域ｂにおける偏差Ｅの第２積分値は制御演算に影響を及ぼさない上、その領域ｂにおける偏差Ｅが通常のＰＩＤ演算のみによる場合より小さくなっている。したがって、弁開度を減少させる力が小さくなり、設定値を下の方に横切るときの勢いが弱くなって下方行き過ぎ量が減少する。
【００３８】
弁開度が設定値を下回って弁開度が設定値から離れる方向に変化する領域ｄでは、再び制御量状態判別器３０の出力がオンとなり、第２積分器２７は偏差Ｅを積分して出力する。このため、制御演算器は偏差が大きくなるにつれて弁開度を減少させる方向に加速するような操作信号を出力するので、弁開度はやがて極小値に達し設定値に向けて反転する。
このように弁開度が行き過ぎて偏差が増加する場合に行き過ぎ量が通常の制御動作を行うより抑制され、行き過ぎを繰り返すごとに抑制効果が蓄積されるので整定時間が著しく短くなる。
【００３９】
なお、第２積分器２７の作用は積分時間Ｔｉ２が短い方が大きく、設定により調整することができる。
第２積分器２７は、通常の積分要素と異なり、弁開度が設定値に近付こうとする間にリセットされ設定値から離れる方向に変化する領域内の偏差Ｅのみ積分して制御演算に作用する。
このため、生じた偏差Ｅを抑制する作用しか持たないので、微分器２２、比例器２３、第１積分器２４に用いた比例積分微分パラメータの如何にかかわらず、積分時間Ｔｉ２を十分小さな値に選択することができる。
したがって、仕様の異なる調節弁にバルブポジショナを適用する場合にも、積分時間Ｔｉ２を変更しなくても使用することができる。
【００４０】
図６と図７は、本実施例を適用して調節弁を制御した例を示す出力波形図である。図は、時間を横軸に出力信号を縦軸にとり、設定値を２５％ステップ変化させて弁開度のインデシャル応答を観察したものである。
図中点線で表すグラフが第２積分器を用いないで調節弁を制御したときの弁開度変化、実線で表すグラフが第２積分器を取り込んだ本実施例の制御器を使用したときの弁開度変化である。
【００４１】
図６のケースは、多少振動的な振る舞いをするように制御パラメータを選択したものに対して、積分時間を５秒とした第２積分器を作用させたものである。行き過ぎ量が７１％から４５％と約０．６倍に減少し、整定時間が２２秒から９秒と約０．４倍に減少して、本発明の効果を証明している。
また、図７のケースは、通常のＰＩＤ動作で適正とされる制御パラメータを選択したものに対して、図６と同じ第２積分器を作用させたものである。この場合も、行き過ぎ量が４６％から２４％と約０．５倍に減少し、整定時間が５．１秒から３．４秒と約０．６６倍に減少している。
【００４２】
なお、上記実施例の説明ではＰＩＤ動作による制御演算を用いたが、調節弁の仕様によっては微分を用いず比例と積分を用いた制御演算によることもできる。
また、上記、図面を用いた説明では、理解を助けるため、アナログ演算回路により比例積分微分演算要素２２，２３，２４，２５，２６，２７を構成するものとしたが、これらをコンピュータが実行可能なプログラムやデジタル論理回路により構成することも可能である。デジタル演算処理により制御論理を組み立てるようにする場合は、取扱が容易になり回路構成や演算パラメータを簡単に変更して有効な制御を見出すことができる。
【００４３】
さらに、デジタル化することにより回路構成が単純かつ小型になるので、バルブポジショナ全体が小型化し低廉化する利益もある。特に単純なデジタル論理回路で構成した制御量状態判別部３０を含めてマイクロコンピュータを用いて構成する場合は、極めて効率の良い小型の装置とすることができる。
また、設定値信号Ａ／Ｄ変換器１１、制御操作信号Ｄ／Ａ変換器１２、弁開度信号Ａ／Ｄ変換器１３、およびデジタル演算回路２０を１枚のプリント基板上に搭載して組み込むと、バルブポジショナの大きさを著しく小型にすることができる。
【００４４】
さらに、本実施例では本発明の制御器をバルブポジショナに組み込んでマイナーループ内に使用したが、通常のフィードバック制御系におけるメインループに使用する調節器として使用しても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、プロセスのフィードバック制御を行う際に、第２積分器の働きにより、行き過ぎ量を抑制するとともに整定時間を短縮した良好な制御結果を得ることができる。特に調節弁に組み込むバルブポジショナの制御器に適用すると、調節弁の制御性が著しく改善され、応答性の良い良好な制御系を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例のバルブポジショナを使用した調節弁制御システムを示すブロック図である。
【図２】本実施例のプロセス制御系における位置を説明するブロック図である。
【図３】本実施例の制御器部分の代表的な回路例を示す回路図である。
【図４】本実施例の第２積分器の動作論理を説明するフローチャートである。
【図５】第２積分器の出力変化を説明する出力図である。
【図６】本実施例を適用したときの効果を説明する出力図である。
【図７】本実施例を適用したときの効果を説明する第２の出力図である。
【符号の説明】
１  バルブポジショナ
２  調節弁
３  操作部
４  調節器
５  制御対象
６  検出器
１０  制御器
１１  設定値信号Ａ／Ｄ変換器
１２  制御操作信号Ｄ／Ａ変換器
１３  弁開度信号Ａ／Ｄ変換器
２０  制御演算部
２１  減算器
２２  微分器
２３  比例器
２４  第１積分器
２５  加算器
２６  増幅器
２７  第２積分器
３０  制御量状態判別部
４１  電空変換器
４３  圧空式パイロットバルブ
４５  弁開度センサ
５１  増幅器
５２  入力インピーダンス（Ｚｉ）
５３  比例器（Ｚｆｐ）
５４  第１積分器（Ｚｆｉ）
５５  微分器（Ｚｆｄ）
５６  容量素子（Ｃｉ２）
５７  放電スイッチ
５８  接続スイッチ
【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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【図６】
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【図７】
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