(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力を発生させるための入力信号に応答する応答手段を備えた電流−圧力変換器と、
制御信号を受信するための制御信号受信手段と、
該制御信号受信手段と前記電流−圧力変換器との間に配置され、そのダイナミック入出力ゲイン特性を変化させうるように調節が可能な時定数を有するダイナミック入出力ゲイン特性を備えたフィルタと、
該フィルタを選択的に作動および非作動にしうる手段とを備えており、
前記フィルタの作動が、前記電流−圧力変換器に対する入力信号を発生させるように前記制御信号を調整するものであり、前記フィルタの非作動が、前記入力信号を発生させるように制御信号を調整しないものである、圧力を発生させるための制御信号に応答する装置。
【請求項２】
前記フィルタが前記電流−圧力変換器の一部分を構成してなる請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項３】
前記フィルタが主一次ラグフィルタである請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項４】
前記フィルタがローパスフィルタである請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項５】
前記フィルタが演算増幅器を備えてなる請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項６】
前記フィルタが前記演算増幅器に接続される抵抗器−コンデンサ回路を備えてなる請求の範囲第５項記載の装置。
【請求項７】
前記フィルタがディジタルフィルタである請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項８】
前記フィルタが、ダイナミック入出力特性を得るようにディジタル演算を実行するための演算手段を備えてなる請求の範囲第７項記載の装置。
【請求項９】
前記演算手段がマイクロプロッセッサを備えてなる請求の範囲第８項記載の装置。
【請求項１０】
プロセスパラメータを有するプロセスを制御するためのシステムであって、プロセスパラメータを検出するための検出手段と、検出されたプロセスパラメータから生じる入力信号を受信する受信手段および入力信号に応じた制御機出力信号を発進する発進手段を備えたプロセス制御機と、圧力を生ぜしめるために前記制御機出力信号を受信する電流−圧力変換器と、該変換器によって発生させられた圧力を受けるバルブアクチエータと、プロセス制御のために該バルブアクチエータが装備されたバルブとを備えており、その改良が、
前記プロセス制御機と電流−圧力変換器との間に配置されたフィルタと、該フィルタを選択的に作動および非作動させるための選択手段とを備えており、
前記フィルタがダイナミック入出力ゲイン特性を有しており、このダイナミック入出力ゲイン特性は該ゲイン特性自体を変化させるように調節が可能な時定数を含んでおり、このダイナミック入出力ゲイン特性はさらに、前記システムのゲインを、システム安定維持のためには十分に小さく且つプロセスパラメータを調整してプロセスの負荷変動を実質的に補償するためには十分に大きい値となるよう、実質的に保証し、
前記選択手段によるフィルタの作動は、前記フィルタが必要とされて前記プロセス制御システムの安定性が達成されるように調整されるほどに、プロセス制御システムにおける該プロセスの動力学が支配的でない場合に選択され、
前記選択手段によるフィルタの非作動は、プロセス制御システムにおける該プロセスの動力学が支配的であり且つ前記プロセス制御システムの安定性を達成するためにフィルタが必要とされない場合に選択される、プロセスを制御するためのシステム。
【請求項１１】
前記フィルタが前記電流−圧力変換器の一部分を構成してなる請求の範囲第１０項記載のシステム。
【請求項１２】
前記フィルタが主一次ラグフィルタである請求の範囲第１０項記載のシステム。
【請求項１３】
前記フィルタがローパスフィルタである請求の範囲第１０項記載のシステム。
【請求項１４】
前記フィルタが演算増幅器を備えてなる請求の範囲第１０項記載のシステム。
【請求項１５】
前記フィルタが前記演算増幅器に接続される抵抗器−コンデンサ回路を備えてなる請求の範囲第１４項記載のシステム。
【請求項１６】
前記フィルタがディジタルフィルタである請求の範囲第１０項記載のシステム。
【請求項１７】
前記フィルタが、ダイナミック入出力特性を得るようにディジタル演算を実行するための演算手段を備えてなる請求の範囲第１６項記載のシステム。
【請求項１８】
前記演算手段がマイクロプロッセッサを備えてなる請求の範囲第１７項記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は一般に電流−圧力変換器に関し、特に選択可能且つ調整可能な入力フィルターを備えた電流−圧力変換器に関する。
技術背景
液体やガスの流動プロセスを制御するような制御システムは、通常、他方でプロセス制御弁に装備されたアクチエータに連結された電流−圧力変換器を有している。プロセス制御装置から出力された信号は、プロセスの制御のために電流−圧力変換器に受信される。
オープンループプロセスの制御システムにおいて、プロセス制御装置は４〜２０ｍＡの制御信号を電流−圧力変換器に供給し、電流−圧力変換器はこれを圧力出力に変換し、アクチエータをして予め設定された手順で前記バルブがプロセスを制御するように操作せしめる。反対に、クローズループプロセスにおいては、制御対象となるプロセスのパラメータ値をセンサが検出し、そのパラメータ値はプロセス制御装置にフィードバックされる。その後、プロセス制御装置は検出されたプロセスパラメータと入力指令との間の最小相違値、いわゆる目標値または検出されるプロセスパラメータの望ましい値、を維持すべく連続的に出力信号を制御する。
制御対象プロセスが小時定数を有するものであれば、スプリング−ダイアフラムアクチュエータと連携した低速の一次応答を有する電流−圧力変換器を採用するのが望ましい。このような電流−圧力変換器としては、フィッシャーコントロールズインターナショナル、インコーポレイテッド社製の５４６型電流−圧力変換器がある。この変換器は、その応答特性においては大時定数を持つ単極のローパス（low-pass）フィルターと機能的に類似している。
変換器技術の発達により、スプリング−ダイアフラムアクチュエータのようなアクチュエータと連結されたときに、より高速の二次ローパスフィルター特性のその変換器に付与することが可能になっている。これらの変換器は、高速プロセスのクローズループ制御におけるアクチュエータ駆動に用いることも可能であるが、これら変換器が比較的低速の一次ラグ（first order lag）を有する変換器と同程度のプロセスループ減衰を達成しうるように、プロセス制御装置を再同調してその比例ゲイン（proportional gain）を減少させなければならない。いくらかの場合、たとえシステムの安定を図るために制御装置が再同調された後においても、制御されたプロセスの変動もしくはパラメータが行き過ぎ量（over shoot）を示し、リミットサイクル（微少振幅の振動など）を示し、または指令入力信号や目標値に所望より密接に追従することがなく、目標値の変更に所望よりもゆっくりと反応する。
以上のような問題点は、たとえば電流−圧力変換器が、継続的振動による摩耗もしくは経年により、また不利な温度条件により、または通常の摩耗により、または単なる技術刷新もしくは他のシステム機器の導入要求、によって取り替えねばならない場合などに発生する。このような場合、変換器およびアクチエータの一次ラグから二次ラグへの応答特性の変更はプロセスループの同調および制御に逆効果を及ぼしうる。
発明の概要
本発明は、如上の問題を解消しうる、選択可能且つ調整可能な入力フィルタを有する電流−圧力変換器を提供するものである。
本発明の一つの態様において、圧力を発生させるための制御信号に応答する装置は、圧力を発生させるための制御信号に応答する応答手段を備えた電流−圧力変換器と、制御信号を受信するための制御信号受信手段と、該制御信号受信手段と前記電流−圧力変換器との間に配置され、そのダイナミック入出力ゲイン特性を変化させうるように調節が可能な時定数を有するダイナミック入出力ゲイン特性を備えたフィルタと、該フィルタを選択的に作動および非作動にしうる手段とを有している。前記フィルタは電流−圧力変換器の一部分として構成するのが好ましい。
一つの実施例において、前記フィルタは主一次ラグフィルタ（dominant，first-order lag filter）であり、好ましくはローパスフィルタである。このフィルタは演算増幅器を有していてもよく、さらに抵抗器−コンデンサ回路を前記演算増幅器に接続していてもよい。また、前記フィルタは、ディジルフィルタでもよく、ダイナミック入出力特性を得るためのディジタル演算を実行するディジタル演算手段を備えてもよい。後者の実施例の演算手段はマイクロプロッセッサを有している。
プロセスパラメータを有するプロセスを制御するためのシステムにおいて、このシステムは、プロセスパラメータを検出する手段と、検出されたプロセスパラメータから生じる入力信号を受信する手段および入力信号に応じた制御機出力信号を発進する手段を備えた制御機と、圧力を生ぜしめるために前記制御機出力信号を受信する電流−圧力変換器と、該変換器によって発生させられた圧力を受けるパルブアクチエータと、プロセス制御のために該バルブアクチエータが装備されたバルブとを備えており、本発明においては、プロセス制御器と電流−圧力変換器との間に配置されたフィルタを備えることによって改良がなされており、このフィルタは、システムのゲインを、システム安定維持のためには十分に小さく且つプロセスパラメータを調整してプロセスの負荷変動を実質的に補償するためには十分に大きい値となるように、実質的に保証しうるダイナミック入出力ゲイン特性を有している。このフィルタのダイナミック入出力ゲイン特性はそれを変化させうるようにユーザー調節可能時定数を有している。さらに、選択的にフィルタの作動・非作動をなしうる手段も備えられている。
【図面の簡単な説明】
新規である本発明の特徴はとくに追加クレームによって説明される。本発明は添付図面と併せて以下の説明により、完璧に理解されるであろう。前記添付図面のいくらかにおいては、同様の構成部分に対しては同じ符号が用いられている。
図１は本発明に係る変換器が適用されたプロセス制御回路を示すブロック図である。
図２は本発明の選択可能且つ調節可能な入力フィルタを有する電流−圧力変換器を示すブロック図である。
図３は図２の入力フィルタのアナログ実施例を概略的に示す結線図である。そして、
図４は図２の入力フィルタのディジタル実施例を概略的に示すブロック図である。
詳細な説明
まず図１において、プロセス制御システム２０にはバルブアクチエータ２４に接続された電流−圧力変換器２２が備えられており、前記バルブアクチエータ２４はプロセス２８を制御するバルブ２６に接続されている。このプロセス２８は流動プロセス、液体圧プロセス、小体積ガス圧プロセスまたは所望のいかなるプロセスであってもよい。プロセス制御機３０はプロセス制御のために４〜２０ｍＡの制御信号を電流−圧力変換器２２に供給する。
プロセス制御システム２０はオープンループシステムでもよく、また、クローズループシステムでもよい。クローズループシステム（図１参照）においては、センサ３４がプロセスパラメータ３６、すなわち流量や圧力、温度、水位のようなパラメータまたは他の所望のパラメータを検出するために作動する。このパラメータ３６の検出値は、入力指令信号または目標値４２とセンサ３４によって検出されたパラメータ３６の値を示す信号４４との相違値４０を演算するための総和器（summer）３８の逆入力（inverting input）と連携される。オープンループプロセス制御システム２０（図示せず）では、前記センサ３４および総和器３８はともに装備されず、入力指令信号または目標値４２は、予め設定された手順（たとえば、制御器入力が検出されたプロセスパラメータ値３６に応答しない手順）によってプロセス２８を制御するために直接プロセス制御器３０に接続される。
図２に示すように、電流−圧力変換器２２は入力４８（典型的には４〜２９ｍＡの電流信号かまたは１〜５Ｖの電圧信号であり、いずれの場合も４〜２０ｍＡの制御信号３２に比例している）と圧力出力５４とを有している。電流−圧力変換器２２はまた、入力５２を有する変換器を備えている。前記電流−圧力変換器２２の圧力出力５４は前記変換器の出力５５と直接に連携される。
前記変換器の入力５２は、変換器の入力５２と連携すべき二つの入力のいずれかを選択するように作動可能な信号選択器５６に接続されている。さらに詳細には、信号選択器５６は入力フィルタ６０によって処理されたフィルタ処理信号（filtered signal）５８か、または単なる電流−圧力変換器２２への入力４８であるフィルタ非処理信号（unfiltered signal）６２のいずれかを選択するように作動する。言い換えれば、信号選択器５６はフィルタ６０のフィルタ機能の選択または非選択（切断）（de-select）の作動をするのであり、それによって電流−圧力変換器２２は、選択可能且つ調節可能に入力フィルタ６０とともにまたこれを除外して作動できるのである。
図１および図２に示すように、プロセス２８の動力学が制御システム２０中において支配的であるように構成されている場合、信号選択器５６は、主一次フィルタがそのような構成において必要とされない限りは入力フィルタ６０を非選択するように作動する（すなわち、フィルタ非処理信号６２を変換器の入力５２に連携させる等する）。他の構成、すなわちプロセス２８の動力学が支配的でないような構成においては、信号選択器５６は、入力フィルタ６０が選択されるように作動し（すなわち、フィルタ処理信号５８を変換器の入力５２に連携させる等する）、入力フィルタ６０は制御システム２０の安定を達成するように調節される。
図３を参照しつつ、入力フィルタ６０をより詳細に説明する。まず、以下にはフィルタ６０がアナログ回路に接続されたものとして説明するが、図３に示されるアナログフィルタ６０によって奏されるであろうものと同等の入出力特性を演算するように好適にプログラムされたマイクロプロセッサのような手段により、ディジタル手段によってもフィルタ機能が奏されることは当業者には容易に理解できるであろう。
図３に示すように、前記入力フィルタ６０は、正入力端子６６と、負入力端子６８と、演算増幅器６４が出力信号を発すべき出力端子７０とを備えている。前記出力信号は出力端子７０から負入力端子６８にフィードバックされる。入力４８と演算増幅器６４の正入力端子６６との間には抵抗器７２が接続されている。さらに、接地端子７６と演算増幅器６４の正入力端子６６との間にはコンデンサ７４が接続されている。
抵抗器７２の抵抗値とコンデンサ７４の静電容量とはそれぞれ、入力フィルタ６０がプロセス制御システム２０の安定にとって必要ないかなる値をも有しうるような時定数を得るように選択される。もちろん、前記時定数の値はプロセス制御システム２０に現れる全ての支配的なラグの特性によっている、ということは当業者にとって明白であろう。
さらに、フィルタ６０の選択・非選択のための手段として、前記信号選択器５６の使用に代えて、抵抗器７２の適切な抵抗値およびコンデンサ７４の適切な静電容量をそれぞれ選択することによってフィルタ６０は効果的に非選択され、それによってフィルタ６０の時定数は非常に小さくまたはゼロとなる。言い換えれば、抵抗器７２の抵抗値は小さく、ゼロに近くすべきであり、いかなる場合でもそれに適応して選択された演算増幅器６４の入力インピーダンスよりはるかに小さくなければならない。前記コンデンサは高品質の低漏洩タイプのもの（たとえば、タンタル材またはセラミック材から形成されたもの）であるべきであり、過渡状態において入力４８を負荷するのに十分に大きくはないようにすべきである。
アナログ実施例において、抵抗値および静電容量は、フィルタ６０に対して必要な値を有する抵抗要素と静電要素とを単に組み合わせることによって選択されうる。または、ディジタル実施例において、ユーザー定義パラメータが、単にデジタルフィルタを好適にプログラミングされる（すなわち、必要に応じてソフトウェアプログミングされるかまたはファームウェアプログラミングされる）ことにより、フィルタ６０に要求される時定数に対応する値に設定されてもよい。さらに、ディジタル実施例において、他のユーザー定義パラメータが、フィルタ６０の選択・非選択に用いられてもよい。それにより、このディジタル実施例においても、前述のフィルタ６０のアナログ実施例における信号選択器５６よって提供される機能性と同一の機能性が提供される。
もちろん、図３に示され且つ前述された演算増幅器−抵抗器−コンデンサの回路に代えて、他のアナログまたはディジタルの電気的または機械的な手段によっても、前記フィルタ６０のフィルタ機能が提供されうることは当業者には容易に理解できることであろう。いかなる場合であっても重要なことは、フィルタ６０があるダイナミック入出力特性を有しており、このダイナミック入出力特性が実質的に、プロセス制御システム２０（図１）がシステム２０の安定性を実質的に維持するするのに十分に小さく、プロセス２８（図１）における負荷変動が実質的に補正されるようにプロセスパラメータ３６（図１）を調節しうるに十分なほど大きいことを実質的に保証していることである。さらに、前記変換器２２中に使用されているこのフィルタ６０は、そのタイプに拘らず、そのダイナミック入出力特性は、前述したようにダイナミック入出力特性を変化させるように調節しうる時定数を有するべきである。このようにして、電流−圧力変換器２２がプロセス制御システム２０中に組み込まれた場合には、入力フィルタ６０のゲインは、プロセス制御システムの安定性を維持しつつフィルタ６０の入出力特性を調節するために増大せしめられる。
図４に示すように、フィルタ６０のディジタル実施例は、マイクロプロッセッサ７８と演算手段とを備えており、この演算手段は、入力ビットストリーム８４（これは並列でも直列でもよい）から出力ビットストリーム８２に誘導することによってフィルタ６０のダイナミック入出力特性を実行するためにマイクロプロッセッサ７８によって実行されうるようにされたプログラム８０のようなものである。このプログラム８０をフィルタ６０のディジタル実施例を実行するのに必要な演算を行うように発展させることは当業者にとって簡単なことである。ディジタルフィルタ６０は、フィルタ６０の時定数を選択するためのユーザー定義パラメータ８６とフィルタ６０を選択・非選択するためのユーザー定義パラメータ８８とを有している。ディジタル実施例のオショナルな追加的特徴として、一方のユーザー定義パラメータ８６がゼロに設定され且つ他方のユーザー定義パラメータ８８がフィルタ６０を選択するように設定されたときに、前記プログラム８０が時定数に対して省略時設定（default setting）を採用してもよい。
再度図２を参照すれば、フィルタ６０が常に必要とされる構成（たとえば、プロセス２８の動力学がプロセス制御システム２０において支配的でないような構成）における使用のためには、電流−圧力変換器２２に対してたとえば前述の信号選択器５６により、切断（非選択）され得ないフィルタ６０が選択的に組み込まれてもよい。
選択可能且つ調節可能なフィルタ６０を有する本発明の変換器２２は、従来のフィルタを有しない電流−圧力変換器を備えたプロセス制御システム２０によって達成され得るよりも、目標値４２からの変化に対する比較的素早いプロセスパラメータ３６の応答を可能にする。
如上の説明は当業者が本発明を実施するうえでの最良の態様を示すためになされ、且つ単なる例示と解釈されるべきである。数値変更や本発明の他の実施例は、当業者にとってはこの説明から明らかになるであろう。ここに開示された構成の詳細は本発明の思想から実質的に離れることなく改変されてもよく、また、追加クレームの範囲内での全ての変形の独占的使用は留保される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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