(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁開度センサーの信号を取り込み、少なくとも積分器が搭載されている制御器を用いて設定信号に応じた値に前記弁開度を制御するバルブポジショナにおいて、前記設定信号の変化を検出する設定信号変化検出手段と、前記設定信号の変化に関連して変化する弁開度センサーの位置信号を検出する位置信号変化検知手段とを具備し、これらの検知手段の出力に基づいて前記積分器の機能をオンオフする積分スイッチを設けたことを特徴とするバルブポジショナ。
【請求項２】
設定信号変化検出手段が設定信号の変化を検出したときに積分器の機能をオフとし、位置信号変化検知手段が弁開度センサーの位置信号の変化を検出したときに積分器の機能をオンするように構成したことを特徴とする請求項１記載のバルブポジショナ。
【請求項３】
設定信号と弁開度センサーの位置信号の偏差を検出する偏差検出手段を具備し、この偏差検出手段が検出した偏差に関連して積分器の機能をオンオフするように構成したことを特徴とする請求項１記載のバルブポジショナ。
【請求項４】
偏差検出手段は偏差が３段階の予め定めた小，中，大の所定の範囲を判定する機能を有することを特徴とする請求項３記載のバルブポジショナ。
【請求項５】
偏差が小のときに積分機能をオフ、中のときにオン、大のときにオフとなるように構成したことを特徴とする請求項４記載のバルブポジショナ。
【請求項６】
設定信号の変化により変化する弁開度センサーの位置信号を検出する位置信号変化検知手段と、この位置信号変化検知手段からの出力に関連して機能する積分タイマを具備し、この積分タイマの設定時間に応じて積分機能をオンオフするように構成したことを特徴とする請求項１記載のバルブポジショナ。
【請求項７】
設定値に対して、動作点補償を行う為の、フィードフォアード演算機能を具備したことを特徴とする請求項６記載のバルブポジショナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気式駆動部を持った調節弁の弁開度を信号に応じた値に制御するバルブポジショナに関し、制御信号を演算する制御器の演算方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
調節弁を制御するアルゴリズムは、その製品の性能を決める重要な要素の一つである。従来、バルブポジショナは機械式のものが多く、制御アルゴリズムは機械機構により決まってきた為、圧倒的にＰ(比例)制御が多かった (逆に、Ｐ制御以外のアルゴリズムは、機械機構では困難であった) 。
【０００３】
しかし、近年では、電子式のバルブポジショナが開発され、更には、ＣＰＵ等の演算機能をバルブポジショナに搭載するようになった。この機能を持つことにより、制御アルゴリズムをソフトウエアで実現できるようになり、おおよそ全ての方式の制御演算が可能になってきた。
【０００４】
制御アルゴリズムは、Ｐ(比例)制御から、ＰＩＤ(比例、積分、微分)制御に発展してきた。その結果、調節弁の制御性は格段に向上した。しかし、技術革新の発展にしたがって市場の要求も更に厳しくなり、現在では、更に優れた制御性を持つバルブポジショナが求められている。
【０００５】
このような背景により、現在では調節弁の制御アルゴリズムの開発が活発に進められている。採用されているアルゴリズムは、ＰＩＤ制御アルゴリズムが一般的であるが、ＰＩＤアルゴリズムだけでは、調節弁が持っている非線形性を十分吸収することができない。その為、ＰＩＤアルゴリズムに色々な機能を付加することにより、調節弁の制御性を向上しようとしている。
【０００６】
図１０は従来のバルブポジショナの制御の一例を示すブロック構成図である。図において、積分器１ａ，比例器１ｂ，微分器１ｃを含むコントローラ１には入力信号ＳＰと位置センサ５からの出力信号ＰＶが入力し、コントローラ１からは制御信号ＭＶが出力する。
【０００７】
この信号ＭＶは信号変換器（Ｉ／Ｐ  Converter）２で空気信号に変換され、パイロットリレー３で増幅されて調節弁４に圧力を入力しバルブのステムを変位させる。ステムの変位は位置センサ５で検出され、フィードバック信号としてコントローラ１に入力する。
【０００８】
上記従来のバルブポジショナにおいて、最も一般的な、デジタルＰＩＤ制御の演算アルゴリズムは下記の通りである。
P(n) = Sp(n)-Pv(n)
I(n) = Δt/Ti*P(n)+I(n-1)
D(n) = Td/(Δt+1/γ*Td)*(P(n-1)-P(n)+1/γ*D(n-1))
MV(n) = Kp*(P(n)+I(n)+D(n))
【０００９】
Sp(n):目標値
Pv(n):フィードバック値(バルブ弁開度の信号)
P(n):比例器
I(n):積分器
D(n):微分器
MV(n):制御信号
Δt:制御周期
Ti:積分時間
Td:微分時間
γ:微分ゲイン
Kp:比例ゲイン
【００１０】
次にこのアルゴリズムの動作を用いて説明する。
アルゴリズムは、ＰＩＤの文字通り、比例器(Ｐ)、積分器(Ｉ)、微分器(Ｄ)から構成され、制御信号ＭＶはそれぞれ、Ｐ,Ｉ,Ｄの値を加算した値に、ＫＰなる比例ゲインを乗算して得られる。
【００１１】
比例器Ｐは、ポジショナの入力信号であるＳＰと調節弁（図示省略）の弁開度を表すステム変位を、位置センサ５にて検出し、センサの電気信号をＡ／Ｄ変換器でデジタル値に変換したＰＶ値との差(偏差とも呼ぶ) を出力する。
【００１２】
積分器１aは、積分時間Tiで設定されるパラメータで決まる割合で、偏差を積分するものである。
微分器は、微分時間、微分ゲインで設定されるパラメータで決まる割合で、偏差を微分するものである。
最終的な、制御信号ＭＶは比例器１ｂ、積分器1ａ、微分器1ｃの値を加算したものに対し、比例ゲインＫＰを乗算した値で求まる。
【００１３】
コントローラ１は、ＰＶをＳＰにすばやく、正確にトラッキングさせる為に、このような演算を行い、ＭＶ値を求めている。
例えば、ＳＰとＰＶに差がある場合は、コントローラ１はＰＶとＳＰを近づける方向に、ＭＶ値を変化させる。また、ＳＰとＰＶに差が無い場合は、ＭＶ値は変化しない。
【００１４】
このアルゴリズムは、単純であるため、本質的に優れているが、制御対象に非線形性が存在する場合、制御性が著しく悪化する場合がある。(コントローラ１にとっての制御対象とは、ＭＶ値を与えるＩ／Ｐコンバータ２から調節弁４… バルブまでをさす。)
【００１５】
次に、具体的な制御対象の非線形性について述べる。
制御対象の代表的な非線形性としては、図１１に示すようなヒステリシス特性となるが、このヒステリシスには調節弁４やパイロットリレー３等各要素が持つヒステリシスが含まれる。
【００１６】
これらのヒステリシスが、ＰＩＤ制御に与える影響を示す。
パイロットリレーのヒステリシスは、Ｉ/Ｐコンバータ（電空変換機構）２が出力するノズル背圧の変化に対して、ヒステリシスをもち、ヒステリシスを打ち破るノズル背圧の変化が無いと、パイロットリレー３は、調節弁４の空気アクチュエータの空気流量を変化できない性質を持つ。
【００１７】
また、調節弁４のヒステリシスは、空気アクチュエータの空気圧が、ヒステリシスを打ち破るまで、調節弁４のステムを駆動することが出来ない性質を持つ。
前記した、ヒステリシスは代表的な例だが、本発明で扱うヒステリシスは、ポジショナのコントローラ１が演算した制御量(ＭＶ値)が、調節弁４の弁開度信号(ＰＶ値)であるフィードバック信号に、帰ってくるまでのヒステリシスをすべて含んでいる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
このようなヒステリシスが、制御対象に存在する場合、例えば、設定信号がポジショナに与えられたとすると、制御信号(ＭＶ値)がヒステリシスを打ち破らないと、ＰＶ値は変化しない。
【００１９】
また、ＭＶ値の変化に対して、ポジショナは、Ｉ/Ｐコンバータ２で電気信号を空気信号に変換する際に遅れが生じる。更に、空気信号の流量を増幅し、調節弁４に供給する際、調節弁４の空気アクチュエータの容量に応じた時定数の遅れが生じる。
【００２０】
この、ヒステリシスと遅れ時間により、設定信号を与えても、ＰＶ値はすぐには応答できず、無駄時間が生じる。ヒステリシスが大きいほど、無駄時間も長くなる。
【００２１】
従来積分器１aは、その積分時間に応じて、この偏差を溜める。やがて、ＰＶ値が変化し、偏差が減るが、無駄時間の際、溜めすぎた積分量が大きく、ＳＰの示す値で整定せず、行き過ぎが生じてしまう。
【００２２】
一旦行き過ぎが生じると、コントローラ１はこれを戻そうとする為の制御演算を行うが、ここでもヒステリシスが生じ、戻すには長い時間が必要となる。また、ヒステリシスが大きくかつ、遅れ時間が長い系になると、最悪の場合、行き過ぎを戻す際、さらに逆方向に行き過ぎが生じ、これを繰り返して発振する場合が考えられる。
【００２３】
図１２は設定値ＳＰが入力してから無駄時間を含むＰＶ値の変化と積分器の積分の様子を示している。
この現象を従来のＰＩＤで解決するには、比例ゲインを極端に下げ、積分時間を極端に長く設定するしか無かった。この調整は、調節弁４の応答特性を著しく悪化させる事になる。
【００２４】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、積分器１ｂの積分動作のタイミングを制御することにより、前述の発振や応答特性を改善したバルブポジショナを実現することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために本発明では、請求項１においては、弁開度センサーの信号を取り込み、少なくとも積分器が搭載されている制御器を用いて設定信号に応じた値に前記弁開度を制御するバルブポジショナにおいて、前記設定信号の変化を検出する設定信号変化検出手段と、前記設定信号の変化に関連して変化する弁開度センサーの位置信号を検出する位置信号変化検知手段とを具備し、これらの検知手段の出力に基づいて前記積分器の機能をオンオフする積分スイッチを設けたことを特徴とする。
【００２７】
請求項２においては、請求項１記載のバルブポジショナにおいて、
設定信号変化検出手段が設定信号の変化を検出したときに積分器の機能をオフとし、位置信号変化検知手段が弁開度センサーの位置信号の変化を検出したときに積分器の機能をオンするように構成したことを特徴とする。
【００２８】
請求項３においては、請求項１記載のバルブポジショナにおいて、
設定信号と弁開度センサーの位置信号の偏差を検出する偏差検出手段を具備し、この偏差検出手段が検出した偏差に関連して積分器の機能をオンオフするように構成したことを特徴とする。
【００２９】
請求項４においては、請求項３記載のバルブポジショナにおいて、
偏差検出手段は偏差が３段階の予め定めた小，中，大の所定の範囲を判定する機能を有することを特徴とする。
請求項５においては、請求項４記載のバルブポジショナにおいて、
偏差が小のときに積分機能をオフ、中のときにオン、大のときにオフとなるように構成したことを特徴とする。
【００３０】
請求項６においては、請求項1記載のバルブポジショナにおいて、
設定信号の変化により変化する弁開度センサーの位置信号を検出する位置信号変化検知手段と、この位置信号変化検知手段からの出力に関連して機能する積分タイマを具備し、この積分タイマの設定時間に応じて積分機能をオンオフするように構成したことを特徴とする。
【００３１】
請求項７においては、請求項６記載のバルブポジショナにおいて、
設定値に対して、動作点補償を行う為の、フィードフォアード演算機能を具備したことを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の請求項１に係る実施例の概略構成を示すもので、図１０で説明した従来例とは積分器１aの前段に積分スイッチ３０を設け、この積分スイッチ３０を機能させるトリガとしてＳＰ（設定信号）の変化を検知するＳＰ変化検知手段３１及びPV値検出手段３２を設け、これらの信号に基づいて積分スイッチ３０をオンオフする点が異なっている。なお、図１では信号変換器（Ｉ／Ｐ  Converter）２、パイロットリレー３及び調節弁４を纏めて駆動部２０としている。
【００３３】
図１の構成において、設定信号ＳＰが変化するとＳＰ変化検出手段３１がその変化を検出して信号を出力し積分スイッチ３０をオフとする。次にＳＰに応じた演算が行われ調節弁のステム位置が変位して位置センサ５からＰＶが出力されるが、PV値検出手段３２がこれを検出したら信号を出力し積分スイッチ３０をオンとして積分動作を開始する。
【００３４】
図２は図１に示す構成のバルブポジショナのフローチャートである。コントローラ１は設定信号が変化したことを検出したらＹ方向に進んでフラグをセットし、次にPV値が変化したことを検出した段階でＹ方向に進んで積分器を動作させるプラグをリセットする。ＰＶ値が変化しない間はＮ方向に進んで積分器をオフ（止める）の状態に維持する。
【００３５】
設定信号が変化しない場合は、フラグがセットされているかどうかを見て、されていない場合はＮ方向に進み積分器を動作させるフラグをリセットする。フラグがセットされている場合はＰＶ値の変化を待ってＹ方向に進んで積分器を動作させるフラグをリセットする。
【００３６】
図３は上記構成によるＳＰ及びＰＶの変化と積分器の積分動作を示すもので、無駄時間における積分器の積分動作をオフとすることによりＰＶのオーバーシュートが改善されていることがわかる。
【００３７】
図４は請求項２に関する実施形態の１例を示すものである。この例において図１０で説明した従来例とは積分器１aの前段に積分スイッチ３０を設け、この積分スイッチ３０を機能させるトリガとしてコントローラ１０の前段に偏差検出手段３３を設け、この偏差検出手段３３の信号に基づいて積分スイッチ３０をオンオフする点が異なっている。なお、図４においても信号変換器（Ｉ／Ｐ  Converter）２、パイロットリレー３及び調節弁４を纏めて駆動部２０としている。
【００３８】
図４において、偏差検出手段は図５に示すように、偏差｜ＳＰ−ＰＶ｜が予め定めた第1の所定の範囲（例えば１％以内 …Ａ）であれば積分スイッチ３０をオフ状態とし、｜ＳＰ−ＰＶ｜が第1の所定の範囲を超え、第2の所定の範囲以内（例えば１％以上→１０％以内 …Ｂ）であれば積分スイッチ３０をオン状態とし、更に｜ＳＰ−ＰＶ｜が第２の所定の範囲（例えば１０％以上 …Ｃ）を超えた場合には積分スイッチ３０をオフ状態とする。
【００３９】
図４の構成によれば偏差が極めて小さい（１％以内）間は積分機能を停止し、中程度（１〜１０％の範囲）では積分機能を持たせ、偏差が大きい（１０％以上）では積分機能を停止する。このようにある一定以上の偏差が発生した場合、積分器１ａの積分動作を止めて無駄時間の影響を積分器１ａから低減することにより偏差に応じた制御が可能となる。
【００４０】
図６は請求項３に関する実施形態の１例を示すブロック構成図である。図６において、図１０で説明した従来例とは積分器の前段に積分スイッチ３０を設け、この積分スイッチ３０を機能させるトリガとしてＳＰ変化検出手段３１とこの検出手段の出力によって作動する積分タイマー３４を設けた点が異なっている。
【００４１】
また、図ではフィードフォワード演算器（以下、単にFF演算器という）３５を設けているがこのFF演算器３５の機能については後述する。なお、図６においても信号変換器（Ｉ／Ｐ  Converter）２、パイロットリレー３及び調節弁４を纏めて駆動部２０としている。
【００４２】
図７は図６に示すバルブポジショナのフローチャートを示している。図７において、設定信号ＳＰが変化したらＹ方向に進み積分タイマー３４をセットし、このタイマー３４がタイムアウトするまで積分器１ａの動作を停止する。
変化していない場合は、Ｎ方向に進み積分タイマーがタイムアウトしているかどうかを判断する。そしてタイムアウトしている場合は積分器１ａを動作させ、していない場合はＮ方向に進んで積分器１ａの動作を止める。
【００４３】
このように、設定値（ＳＰ）が変化した場合、タイマー３４をセットし、タイマーが動作しているときは、積分を止め、タイマーがタイムアウトしたら積分を再開させる。即ち、ヒステリシスと遅れ時間から生じる無駄時間よりも、積分タイマー３４の動作時間が長い場合、無駄時間に積分器が溜める余計な積分量はなくなる。
【００４４】
この場合、タイマー３４の時間は、無駄時間よりも長ければ良いが、ヒステリシスの状態の予測は、非常に難しいので、タイマーは長めに設定することになる。すると、積分の本来の機能である、目標値変更による生じる動作点補正が積分停止時間にかかってしまい、定常偏差を生む原因となる場合がある。
【００４５】
この場合、タイマーがタイムアウトして、積分器１ａが動作し始めるとこの定常偏差は積分器１ａが吸収し、取除くことが出来るが、整定時間が長くなるというデメリットがある。そこでフォワード側の動作点補正は、あらかじめフォワード側のゲインが分かっているので、フィードフォワードで補うことができ、ＳＰに応じたフィードフォワードを加えることにより、積分タイマーを長く設定しても定常偏差がでない制御が出来る。
【００４６】
この場合のMV値の計算は
MV = Kp＊(P+I+D)+FF(フィードフォアード)
となる。
ここで、積分タイマー３４が動作して、積分器１ｂが止まっている場合の状態を、Ｐ制御と仮定し、説明の簡素化の為に、図８に示す制御系のブロックを考える。
図８において、入力をＳＰで与え、比例制御を行い、操作量Ｕを出力し、外乱Ｗが与えられる制御系の場合、ノイズ等は考慮せずに、ステップ応答に対しても、制御量及び、操作量が最終的に一定値に落ち着くような安定な制御系であるとする。この時の定常偏差は次式であらわすことができる。
【００４７】
Ｅrr（定常偏差）＝ＳＰ−ＰＶ
ＰＶ＝Ｇ×（Ｕ＋Ｗ）
Ｕ＝Ｋｐ×Ｅrr
従って
Ｅrr＝｛１／（１＋Ｇ×Ｋｐ）｝×ＳＰ−｛Ｇ／（１＋Ｇ×Ｋｐ）｝×Ｗ …１
式１によれば、P制御の場合、ＳＰに比例した、定常偏差が残ることが分かる。
この定常偏差は、１式の第１項で示される、入力ＳＰによる定常偏差と、第２項で示される、外乱Ｗによる定常偏差から成り立っている。
【００４８】
従って、このような定常偏差を取除く為には、積分器１ｂが必要となっていた。
しかし、積分タイマー３４を使用した場合、タイマーがタイムアウトするまで、積分器１ｂは動作しない為、１式の定常偏差が残ってしまい、タイマー３４がタイムアウトしたあと、積分器１ｂは定常偏差を吸収する。この場合、積分タイマー３４の時間の設定にもよるが、あまり良い応答特性は望めない。
【００４９】
ここで、G,Kp,Spは既知であるので、フィードフォワードにより、１式の第１項の定常偏差は予測可能である。第２項は、外乱Ｗの大きさの予測が困難である為、フィードフォワードに組み込むことは困難である。従って、フィードフォワードFFを以下の式で設定し、図９のような制御系を構成することにより、積分器１ｂが止まっている間の特性を改善することが出来る。
【００５０】
FF＝SP／G …２
このブロックの場合の定常偏差Errは
Ｅrr＝−｛Ｇ×Ｗ／（１＋Ｇ×Ｋｐ）｝…３
となり、ＳＰによる定常偏差がなくなる。
【００５１】
FFを導入することにより、積分タイマーで積分器１ｂが止まっても、定常偏差を少なくすることが出来る。また、外乱Ｗについては、図６の駆動部２０で示す、Ｉ／Ｐコンバータ２＋パイロットリレー３の温度特性のような外乱が考えられ、このような外乱は、積分タイマー３４のタイムアウト時間に比べ、十分大きい時定数を持ち、式３の外乱は、通常の積分器１ｂで吸収可能である。
【００５２】
なお、本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、弁開度センサーの信号を取り込み、少なくとも積分器が搭載されている制御器を用いて設定信号に応じた値に前記弁開度を制御するバルブポジショナにおいて、前記設定信号の変化を検出する設定信号変化検出手段と、前記設定信号の変化に関連して変化する弁開度センサーの位置信号を検出する位置信号変化検知手段とを具備し、これらの検知手段の出力に基づいて前記積分器の機能をオンオフする積分スイッチを設けたので、積分器の積分動作のタイミングを制御することにより、発振や応答特性を改善したバルブポジショナを実現することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るバルブポジショナの実施の形態の一例を示す概略構成図である。
【図２】図１に示すバルブポジショナのフローチャートである。
【図３】設定値ＳＰが入力してから無駄時間を含むＰＶ値の変化と積分器の積分の様子を示す図である。
【図４】本発明に係るバルブポジショナの他の一例を示す概略構成図である。
【図５】図４の構成のバルブポジショナの偏差と積分器のオンオフの関係を示す図である。
【図６】本発明に係るバルブポジショナの他の一例を示す概略構成図である。
【図７】図６に示すバルブポジショナのフローチャートである。
【図８】図８に示すバルブポジショナに外乱が与えられた場合の制御系の仮定図である。
【図９】フィードフォワードを構成して、積分器が止まっている間の特性の改善例を示す図である。
【図１０】従来のバルブポジショナを示す構成図である。
【図１１】バルブポジショナに発生するヒステリシスを示す図である。
【図１２】設定値（ＳＰ）と動作量（ＰＶ）の関係を示す図である。
【符号の説明】
１，１０      コントローラ
１ａ          積分器
１ｂ          比例器
１ｃ          微分器
２            Ｉ／Ｐコンバータ
３            パイロットリレー
４            調節弁
５            位置（ポジション）センサ
２０          駆動部
３０          積分スイッチ
３１          ＳＰ変化検出手段
３２          ＰＶ変化検出手段
３３          偏差検出手段
３４          積分タイマー
３５          フィードフォワード演算器
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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