計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.7, 51/58 (2004)

電子式バルブポジショナに搭載する空気圧式調節弁のヒステリシス補償機能
涌井徹也*・橋詰匠*・西島剛志**

Hysteresis Compensation Installed in Digital Positionerfor Pneumatic Control Valve with Tightened Grand Packing
Tetsuya WAKUI*・Takumi HASHIZUME*・Takashi NISHIJIMA**
Abstract: This paper analyzes the behavior of a pneumatic control valve-digital positioner system that has a large
hysteresis due to a tightened grand packing and examines its control scheme to improve the system performance. Theauthors have confirmed that introducing a PI-D control action with a gap in the integrator of the position control and aminor feedback control of the diaphragm pressure is an effective way to ensure the stability and dynamic response of
the system. In order to further improve the behavior of this cascading control to small changes of the position set point,
this paper proposes the hysteresis compensation algorithm installed in the digital positioner for the control valve with atightened grand packing considering flow conditions. In this compensation, the diaphragm pressure is controlled withfeedforward so that the stem immediately starts to move against the large valve hysteresis including the fluid resistance.
Through the experimental investigations, the effectiveness of this compensation algorithm is confirmed.
Keywords: control valve, positioner, flow control, hysteresis, dead time

１．緒

テリシスの影響が現れ，長い無駄時間を生じることも確認し言

プロセス制御の操作部には空気圧式調節弁が多く用いられ，ている．また，実流状態下では，調節弁が受ける流体反力がその大半にはステムの位置制御を行うバルブポジショナを使

ステムの駆動力に対して無視できない場合（例えば，大口径用する．近年のプラントの高効率運転に対応した高温・高圧弁の使用や高差圧ラインへの適用）には，ヒステリシス特性ラインに使用される調節弁では，流体の漏れ防止のためにグが無負荷状態下（流体を流さない場合）とは大きく異なり，ランドパッキンの締め付け力が増大している．また，プラン制御挙動に影響を及ぼすことにも留意すべきである．以上をトの運転に要するエネルギーを削減するべく，調節弁のダイ踏まえて本論文では，ステム位置の目標値変化に対して，水ヤフラム径を小さくする傾向にもある．これらは調節弁のヒ流状態下での調節弁のヒステリシス特性の影響を十分に低減ステリシスを増大させ，調節弁・ポジショナ系の制御性能をし，ステムが速やかに動き出すように，ダイヤフラム室内圧著しく悪化させる要因となっている．また，プラント運転の力をフィードフォワード操作するヒステリシス補償機能を提最適化は操作部にまで要求されるようになり，高度な調節弁案し，実験調査を通じてその有効性を明らかにしている．の制御を実現するためにポジショナの電子・多機能化も進ん

２．記号表でいる 1),2)．しかし，高性能なポジショナであっても，それをヒステリシスの大きな調節弁に使用する場合には，構成要素

TC: 離散演算周期sが有する非線形性の相互干渉により不具合を生じることが少TI: 積分時間sなくない．この不具合を改善するためには，各要素の更なるTD: 微分時間s

改良・高性能化が求められるが，電子式ポジショナの普及がKC: 比例ゲイン進みつつあることに留意するならば，離散演算部での制御手

P: ダイヤフラム室内圧力法の改良によりこれを実現できればより実用的である．そこ

s: ラプラス演算子

で筆者らは，位置制御調節計の積分器入力信号にギャップをX: ステム位置設けて微小偏差を許容し，さらにダイヤフラム室内圧力の制γ: 微分ゲインの逆数

MPamm

御ループを付与したカスケード制御系を導入することで，調添え字

節弁が大きなヒステリシスを持つ場合でも，その制御性能がA: ヒステリシス特性曲線上の動作点．しかし，ステム位置B: ヒステリシス特性曲線上の動作点の目標値変化幅が小さい場合には，依然として調節弁のヒスCC: 弁を閉じるのに必要な操作量著しく向上することを明らかにした

3)

CO : 弁を開けるのに必要な操作量
COM : 補償信号

* 早稲田大学理工学総合研究センター 新宿区喜久井町 17** 横河電機（株） 武蔵野市中町 2-9-32* Advanced Research Institute for Science & Engineering,
Waseda University** Yokogawa Electric Corporation(Received May 6, 2004)

51

DIA : ダイヤフラム室内圧力

ERR : 偏差信号

O: 初期動作点

P: 圧力

S: ステム位置

SP: 目標値

u: 弁上流

0: 初期動作点

計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.7, 51/58 (2004)

まず，PC 上でステム位置の目標値が与えられる．この目標値

２．実験装置と角度センサより出力されたステム位置信号とが比較演算さ

調節弁・ポジショナ系の動特性の調査にはシミュレーショ，本論文では，構成れ，偏差に基づく出力信号が D/A 変換器，V/I 変換器を介し要素の非線形性が系の不具合に大きな影響を及ぼすことを重て電流信号として出力される．さらに電流信号は I/P 変換要素視し，実験調査による検討を行う．実験装置は水流試験設備

により圧力信号（ノズル背圧）に変換され，パイロットリレに設置された空気圧式調節弁，電子式ポジショナ，そしてポーを操作して作動空気をダイヤフラム室に供給することによ

ジショナの離散演算機能とデータ測定・記録機能を担う PCり，ステムを駆動する．離散演算周期は 15[ms]であり，調節より構成されている．

弁の動作に比べて十分速い演算周期を実現している．

ンモデルを用いた例が多く見られるが

2.14)

2.4

水流試験設備

計測系

水流試験設備のフローシートを Fig. 1 に示す．本設備は 3B収録する系の運転データは，ポジショナ内の角度センサか（80[mm]）管，4B（100[mm]）管の 2 つのラインを備えておら得られるステム位置，半導体圧力センサ（横河電機：FP101）

り，本論文では 4B 管ラインに対象調節弁を設置している．管にて測定するダイヤフラム室内圧力，ステムに内挿されたロ内流体である水は実験用水槽から多段渦巻きポンプ（日立製ードセル（日本キスラー：9341P）により測定する弁軸推力，作所：1[MPa]，1.2[m3/min]，45[kW]）により圧送され，調節PC 上で演算する調節計の各出力信号，そして前述の弁上，下弁にて減圧後（弁下流は大気圧開放），水槽に戻される．試験

流圧力と弁通過流量である．ここで使用する測定器は，いず区間は調節弁の流量係数の測定に関する JIS B2005 に準拠し，れも十分な動特性を持つことを確認している．以上のデータ

弁上流側直管長を 2400[mm]（24D 相当），下流側直管長をはポジショナでの離散演算周期と同一のサンプリング周期で測定し，A/D 変換器を介して PC のハードディスク上に保存し1100[mm]（11D 相当）としている．また，圧力伝送器（横河電機：EJA430）により，弁上流側 220[mm]（2D 相当），弁下Table 1 Specifications of test control valve

流側 610[mm]（6D 相当）にて調節弁の上，下流圧力を，試験区間後方に設置した電磁流量計（横河電機：YM200）によりItemActuator (MOTOYAMA)
Form弁通過流量を，それぞれ測定している．

Direction
Maximum range
Supply pressure
Spring range
Diaphragm diameter
Diaphragm effective area
Diaphragm maximum capacity
Body (MOTOYAMA)
Form
Valve size
Pressure rating
ActionRated CVSpecification
Multiple spring/ Single acting diaphragmAir to close
38 [mm]0.24[MPa]0.04～0.20[MPa]330[mm]515[cm2]
4510[cm3]
Groove4B(100[mm])JIS 10K
Direct action
140

Fig. 1 Flow experimental installation

2.2 空気圧式調節弁
空気圧式調節弁の主要諸元を Table 1 に示す．接続管口径は 4B（100[mm]），駆動部のダイヤフラム径は 330[mm]，定格Cv 値は 140 である．グランドパッキンは，高温・高圧下での使用を想定して，石綿系の網組みパッキン（P6610）とピラーフォイルのモールドパッキン（P118）の 2 種を組み合わせている．
2.3

電子式ポジショナ

ステムの位置制御を行うための電子式ポジショナは，Fig. 2に示すように，角度センサ，離散演算装置としての PC，I/P変換要素，パイロットリレーより構成される．PC を離散演算部とすることで任意の制御手法の構築が可能となり，その効果を実機にて確認できる点が大きな特徴と言える．電子式ポジショナのステム位置制御フローは以下のようになっている．

52

Fig. 2 Schematic of pneumatic control valvedigital positioner system

計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.7, 51/58 (2004)ている．なお，使用する PC の CPU は PentiumII-233[MHz]，るために必要なダイヤフラム室内圧力は高くなることがわか

RAM は 128[MB]である．

る．これに伴い，ダイヤフラム室内圧力に対するステム位置のゲイン dX/dP が小さくなることも確認できる．

３．調節弁のヒステリシス特性

以上のように調節弁には大きなヒステリシスが存在するた

無負荷状態下において，対象調節弁のダイヤフラム室内圧

め，ステム位置の目標値の変化方向と変化前のステムの動作力をごく緩やかにフルスパン（0.04～0.20[MPa]）変化させた方向との関係により，その応答に顕著な違いが現れる．ここ時のステム位置とダイヤフラム室内圧力の関係を Fig. 3 に示

では便宜上，目標値の変化と変化前のステム動作が同一方向す．グランドパッキンの摩擦力により，同一のステム位置での 場 合 を FORWARD MODE ， 逆 方 向 の 場 合 を REVERSE

あっても，閉動作時（図中赤線）と開動作時（図中青線）でMODE と呼ぶ．REVERSE MODE では，ダイヤフラム室内圧ダイヤフラム室内圧力が大きく異なることがわかる．本論文

力がヒステリシス相当分を変化するまで（弁軸推力がパッキ

では，ステム位置（フルスパン：0～38[mm]）に対するダイヤンの静止摩擦力に打ち勝つまで），ステムは動き出すことが出フラム室内圧力のヒステリシスを調節弁のヒステリシスと定来ない．

義する．実験の再現性を保証するため，前述のグランドパッ

４．カスケード制御による不具合

キンを充填した時の無負荷状態下での調節弁のヒステリシスが 16%（約 1300[N]）になるように常に調整し，以降の実験を4.1

カスケード制御の概要 3)行っている．しかし，水流状態下では調節弁が流体反力を受本研究では，Fig. 5 に示すように，調節弁・ポジショナ系けるため，ヒステリシス特性が無負荷状態下と大きく異なるの制御性能を向上させるため，位置制御調節計にダイヤフラことには留意を要する．そこで，ステム位置 50%における弁ム室内圧力の制御ループを付与したカスケード制御を採用し上流圧力が 0.1，0.2，0.3[MPa]となるように，調節弁上流のボている．前述のようにポジショナの制御動作は離散的に行わ

ール弁開度を固定した上で測定した水流状態下でのヒステリれるが，ここでは簡便のため連続系で示している．まず，位シス特性を，無負荷状態の特性と併せて Fig. 4 に示す．これ

置制御調節計では，ステム位置の目標値と実際のステム位置より，ステム位置 50%で設定した弁上流圧力を高くするほど，とが比較演算（PI-D 動作）される．しかし，積分器が偏差をまた，弁開度が小さくなり弁上流圧力が上昇するほど，調節許容しないために訂正動作を繰り返し，ハンチングが生じや弁はより大きな流体反力を受け，同一のステム位置を保持すすいことから，積分器入力信号にはフルスパンに対して±0.25%のギャップを設け，偏差がギャップ内に入った場合には積分演算を停止（積分器出力信号は保持）させる．また，I/P変換要素，パイロットリレーから成る圧力操作部は強い非線形性を有するため，位置制御調節計の出力信号に対するダイヤフラム室内圧力の応答性が悪く，系の制御性能を低下させる主要因となっている．そこで，位置制御調節計の出力信号を目標値とする圧力制御調節計（P-D 動作）を付与している．

Fig. 3 Hysteresis characteristics of test control valve
under no load condition

Fig. 5 System configuration of cascading control

Fig. 4 Hysteresis characteristics of test control valve
under flow conditions

Fig. 6 Block diagram of cascading controller

53計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.7, 51/58 (2004)

各調整値の設定に関しては，圧力制御調節計では一巡ゲインを十分大きくし，圧力操作部の非線形性の低減を優先した調整としている．また，位置制御調節計については，オーバーシュートを生じない調整が系の整定性から見て有利なことを確認しているため，Chien-Hrones-Reswick 法のオーバーシュー
トなしの条件 5)を適用している．各調整値の設定の違いが挙動に及ぼす影響については文献 3）を参照のこと．以上に述
べたカスケード制御系のブロック線図を Fig. 6 に，調整値を-a) Stem position

Table 2 にそれぞれ示す．
Table 2 Parameters of cascading controller
ItemPosition controller
Proportional gain
Integral time
Derivative time
Derivative action gain
Pressure controller
Loop gain
Derivative time
Derivative action gain
Discrete operating period

4.2Parameter
3.57
3.30 [s]0.232 [s]10-b) Diaphragm pressure and position controller output

120
0.125[s]1015[ms]

カスケード制御による不具合の調査

カスケード制御を行う際の不具合として，1%幅のステム位-c) Valve inlet pressure

置の目標値ステップ状変化（初期ステム位置 50%，閉動作）

Fig. 7 Responses to 1% step change in FORWARD MODEに対するステム位置，ダイヤフラム室内圧力，位置制御調節計の出力信号，弁上流圧力の応答を Fig. 7，Fig. 8 に示す．ここでは，FORWARD MODE と REVERSE MODE について，無負荷状態下と水流状態下（ステム位置 50%時の弁上流圧力：0.3[MPa]）での応答をそれぞれ比較している．
まず，調節弁のヒステリシスに起因する初期動作点の違いに注目する．無負荷状態下，水流状態下いずれの場合も，FORWARD MODE（Fig. 7）では，目標値が変化した後にステムが速やかに動き出すのに対して，REVERSE MODE（Fig.8）-a) Stem position

では，ステムが動き出すまでにダイヤフラム室内圧力がヒステリシス相当分（16%）を変化する必要があり，長い無駄時間を生じていることがわかる．カスケード制御では位置制御調節計の出力信号が圧力制御調節計の目標値となるが，ここに取り上げるようなステム位置の目標値変化幅が小さい場合には，位置制御調節計の出力信号の大部分を積分器（オーバーシュートを避けるため積分時間は長めに設定）が担うため，圧力の変化に多くの時間を要することになる．変化幅の大き-b) Diaphragm pressure and position controller output

なステム位置の目標値変化に対しては，位置制御調節計の出力信号が調節弁のヒステリシスよりも大きく変化することにより，初期状態による応答の違いがほとんど現れないことを確認している．次に，無負荷状態下と水流状態下の応答を比較すると，いずれの初期動作点においても，水流状態下では無負荷状態下に比べてステムの応答速度が緩やかになることがわかる．これは，弁上流圧力が調節弁の閉動作に対応して上昇するため，ダイヤフラム室内圧力に対するステム位置の-c) Valve inlet pressure

ゲイン dX/dP が小さくなり（Fig. 4），一巡ゲインが低下する

Fig. 8 Responses to 1% step change in REVERSE MODE

ことによる．なお，目標値が変化した後のむだ時間には水流54計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.7, 51/58 (2004)

５．調節弁のヒステリシス補償
5.1

ヒステリシス補償の概要

前章での調査を踏まえると，カスケード制御による不具合（REVERSE MODE の時に生じる長いむだ時間）を改善する
ためには，圧力制御調節計の目標値（位置制御調節計の出力信号）に調節弁のヒステリシスの影響を低減する圧力操作信号を加えることで，必要な圧力変化量の積分器への依存を極-a) No load condition

力小さくすることが有効と言える．そこで，Fig. 10 に示すよ
うに，位置制御調節計と圧力制御調節計との間に新たに補償器を設け，ステム位置の目標値変化に対して，ステムがすぐに動き出すよう，ダイヤフラム室内圧力をフィードフォワード操作するヒステリシス補償を導入する．具体的には，補償器で調節弁のヒステリシス特性を把握し，まず，ステム位置の目標値変化に対して，調節弁のヒステリシスを打ち消してステムが動き出すまでに必要なダイヤフラム室内圧力の変化-b) Flow condition

量を補償信号 PCOM として算出する．この補償信号を位置制御調節計の出力信号 PSP に加えたものを圧力制御調節計の目標

Fig. 9 Behavior of control valve to 1% step change

値 P’SP とし，ダイヤフラム室内圧力をこれに追従させる制御動作を行うものである．の有無で違いが見られないことから，ヒステリシス幅は流体水流下での調節弁のヒステリシス特性の把握方法反力の影響を受けないことを確認できる．以上の応答を Fig. 9

調節弁のヒステリシス特性は無負荷状態下と水流状態下でに示すダイヤフラム室内圧力とステム位置との関係に見る調大きく異なるが（Fig. 4），本論文では，Fig. 11 に示すように，節弁の挙動で評価する．図には調節弁のヒステリシス特性曲水流状態下でのヒステリシス特性が，無負荷状態下でのヒス線を併せて示しているが，無負荷状態下，水流状態下いずれテリシス特性と流体反力より構成されることに着目する．その場合も，REVERSE MODE では，ステム位置の目標値変化

こで，水流状態下で静特性実験を行い，弁軸推力より算出しが入力する以前は FORWARD MODE の場合と反対側のヒスた流体反力（ダイヤフラム室内圧力に換算）と弁前後差圧のテリシス特性曲線上で整定していることがわかる．しかし，目標値が変化すると，FORWARD MODE 時のヒステリシス特性曲線に到達するまでダイヤフラム室内圧力が変化して初めてステムは動き出し，その後の整定するまでの挙動はFORWARD MODE とほぼ同様になる．
なお，初期弁開度が異なると給気，排気応答の速度に差異を生じるが，圧力制御調節計を付与することでその影響は十分小さくなること，また，Fig. 3，Fig. 4 に見るように，ヒステリシス幅はいずれの弁開度においてもほぼ同様であることから，本論文では，初期弁開度を 50%とし，閉動作となるス
テム位置の目標値ステップ状変化に対する挙動を持って系のFig. 11 Model of valve hysteresis characteristics
under flow condition

特性を代表している．なお，実験調査を通して，他の初期弁開度や開動作においてもほぼ同様の挙動が得られることを確認している．

Fig. 12 Relation between fluid resistance andvalve differential pressure

Fig. 10 Block diagram of cascading controller
with valve hysteresis compensation55

計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.7, 51/58 (2004)

関係を整理した結果を Fig. 12 に示す．流体反力は弁前後差圧る．なお，ヒステリシス補償の有無によらず，調整値はこれにほぼ比例することがわかる．ここでは，運転中も準定常的までと同様（Table 2）である．ヒステリシス補償を導入するにこの線形関係が成立するものと仮定し，前述の補償器にて場合には，ステム位置の目標値変化の入力に応じて，位置制把握している無負荷状態下でのヒステリシス特性（Fig. 3 に見御調節計の出力信号に補償信号が加算されるため，ダイヤフるように 2 つの直線で近似可能）に，計測した弁前後差圧よラム室内圧力が調節弁のヒステリシス分を速やかに変化するり算出する流体反力に起因するダイヤフラム室内圧力の増加（図中 A）．よって，ステム位置の応答に見る無駄時間が著し分を加えることで，水流状態下のヒステリシス特性を得る．

く短くなり，Fig. 7 に示す FORWARD MODE の場合とほぼ同様の挙動になることがわかる．なお，本ヒステリシス補償は流体反力によるダイヤフラム室内圧力に対するステム位置のゲイン dX/dP の低下を補償するものではないため，ステムの応答速度の改善は期待できない．さらに，1%，0.1％幅のステム位置の目標値連続ステップ状変化に対する系の応答を Fig.
15，Fig. 16 にそれぞれ示す．目標値入力の変化幅が 1%の場合（Fig. 15）は 60[s]毎に目標値が変化し，180[s]と 420[s]において REVERSE MODE となる目標値変化が入力される．この時の調節弁の動作点と弁前後差圧はそれぞれ Fig. 14 の場合と異なるが，適切な補償信号が算出されているため， それぞれFORWARD MODE とほぼ同様の挙動が得られていることがわ

Fig. 13 Calculating method of compensation signal

かる．また，近年導入が進む高度制御で重視される極微小変化に対する追従性 6)を評価するための 0.1%幅の目標値連続変補償信号の算出方法

化入力に対する応答では（Fig. 16），位置制御調節計の出力信補償信号はステム位置，ダイヤフラム室内圧力，ステム位号を積分器がほぼ全て担うことになる．この場合，目標値入置の目標値との偏差，そして弁前後差圧より算出する．Fig. 13

力 が 30[s] 毎 に 変 化 し ， 330[s] と 930[s] に お い て
REVERSE MODE となる目標値変化が入力される．これに対は水流状態下での調節弁のヒステリシス特性を模式的に示しているが，弁が閉じる時にはダイヤフラム室内圧力が図中の曲線(A)上に，弁が開く時には図中の曲線(B)上に到達して，初めてステムは動き出すことができる．よって，調節弁がス
テム位置 X0，ダイヤフラム室内圧力 P0 なる初期動作点にある
場合，閉動作（ステム目標値との偏差が正）に対してステムが動き出すために必要な圧力操作量∆PCC は，∆PCC = PA − P0

(1)

ここに，PA：ステム位置 X0 における曲線(A)上のダイヤフ-a) Stem position

ラム室内圧力．
また，開動作（ステム目標値との偏差が負）に対してステムが動き出すために必要な圧力操作量∆PCO は，∆PCO = P0 − PB

A

(2)

ここに，PB：ステム位置 X0 における曲線(B)上のダイヤフラム室内圧力．となる．補償器はこの圧力操作量に相当する補償信号 PCOM を-b) Diaphragm pressure and its set point

出力する．また，積分器入力信号に設けている±0.25%幅のギャップとの干渉を避けるため，ステム偏差が±0.5%より大きくなった場合に補償信号を出力する．
5.2

ヒステリシス補償の実証試験

以上に構築した調節弁のヒステリシス補償を導入した場合の，1%幅のステム位置の目標値ステップ状変化（初期ステム位置 50%，初期弁上流圧力 0.3[MPa]，閉動作）に対するステム位置，ダイヤフラム室内圧力，圧力制御調節計の目標値，-c) Valve inlet pressure

弁上流圧力の応答を Fig. 14 に示す．ここでは，調節弁のヒス
Fig. 14 Comparing result of responses to 1% stepchange in REVERSE MODE

テリシスの影響が現れる REVERSE MODE を取り上げ，カスケード制御のみを行う場合の応答についても併せて示してい56

計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.7, 51/58 (2004)

してヒステリシス補償器では，偏差が±0.5%に到達すると補には，調節弁のヒステリシスにより長いむだ時間を生じるた

償信号を出力するため，カスケード制御のみを行う場合に比め，本論文では，このヒステリシスの影響を十分に低減しうべて，ステムが速やかに目標値に追従することを確認できる．

る補償機能を提案し，その有効性を実証した．本論文で得られた成果を以下にまとめる．

なお，位置制御調節計の出力信号に加算する補償信号量を1)変化させた場合の実験を行った結果，補償信号をより大きくREVERSE MODE の時に発生する長いむだ時間は，ステした場合には，ステムの応答速度は向上するものの，積分器ムが動き出すまでにダイヤフラム室内圧力がヒステリシ入力に付与するギャップを越えるオーバーシュートを生じ，ス相当分を変化する必要があるのに対して，位置制御調系が整定するまでに多くの時間を要する．また，補償信号を節計の出力信号（圧力制御調節計の目標値）の大部分を小さくした場合には，ヒステリシスの影響を十分に低減する積分器が担うことにより生じる．
2)ことが出来ず，依然としてむだ時間が生じる（カスケード制水流状態下では調節弁に流体反力が作用するため，ステ御のみを行う場合に比べると著しく短くなる）ことを確認し

ムの応答速度が無負荷状態下よりも緩やかになり，ヒスている．よって，補償信号は調節弁のヒステリシス特性曲線テリシス特性も大きく異なる．静特性実験より流体反力に到達するための圧力操作量とすることが望ましい．

は弁前後差圧から推定できることを明らかにした．
3)

６．結REVERSE MODE の時のむだ時間を改善するため，位置制御調節計と圧力制御調節計との間に補償器を設け，水言

空気圧式調節弁・電子式ポジショナを一制御系と捉え，調流状態下での調節弁のヒステリシスの影響を相殺してス節弁のヒステリシスが大きな場合に生じる不具合を改善し，テムがすぐに動き出すための圧力操作信号を算出し，ダ制御性能を向上させるための系の制御手法を検討した．これ

イヤフラム室内圧力をフィードフォワード操作するヒスまでに，電子式ポジショナの位置制御調節計の積分器入力信テリシス補償を構築した．
4)号にギャップを設けて微小偏差を許容し，さらにダイヤフラ水流設備による実証試験を行った結果，本補償機能を導ム室内圧力の制御ループを付与したカスケード制御を導入す入することにより，調節弁のヒステリシスの影響が十分ることで，系の制御性能が著しく向上することを明らかにし小さくなり，REVERSE MODE におけるむだ時間が著している

3)

く改善された良好な応答が得られることを確認した．

．しかし，ステム位置の目標値変化幅が小さい場合-a) Stem position-a) Stem position-b) Diaphragm pressure and its set point-b) Diaphragm pressure and its set point-c) Valve inlet pressure-c) Valve inlet pressure

Fig. 15 Comparing result of responses to 1% continual
step change

Fig. 16 Comparing result of responses to 0.1%
continual step change

57計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.7, 51/58 (2004)

5） K.L. Chien, J.A. Hrones and J.B. Reswick : On the AutomaticControl of Generalized Passive System, Transaction of ASME, 74,175/185（1952）
6） Entech : Control Valve Dynamic Specification Ver.3.0, 1/20 (1998)
7） 長谷川，真島：ヒステリシス特性のオンライン同定法，計測
自動制御学会論文集，33-7，732/734（1997）
8） T.Wakui, T. Hashizume and T. Nishijima : Hysteresis
Compensation Loaded in Digital Positioner for Pneumatic Control
Valve with Tightened Grand Packing, Proceedings of SICE Annual
Conference 2003, WPI-6-2, 2220/2224 (2003)

なお，本論文では，静特性実験より得られた流体反力と弁前後差圧の相関関係を準定常と仮定し，その関係を補償器にて数式化しているが，実証実験の結果より，このような仮定が相応の妥当性を持つものと考える．以上より，カスケード制御系にヒステリシス補償機能を装備することで，電子式ポジショナをヒステリシスの大きな調節弁に使用した場合でも，その制御性能が著しく向上しうることを明らかにした．
本論文で構築したヒステリシス補償機能の実装に当たっては，適切な圧力操作量を算出するために，無負荷状態下での調節弁のヒステリシス特性を把握する必要がある．調節弁の［著

ヒステリシスは周囲の外気温度やグランドパッキンの劣化等
涌の影響を大きく受けるため，この点を考慮したオンライン診井徹也

者 紹 介］（正会員）
2001 年早稲田大学大学院理工学研究科博士後期課

7)

断機能の開発 が不可欠といえる．また，無負荷状態下では，程修了．博士（工学）．1999 年日本学術振興会特電子式ポジショナ内の離散演算方法のみを変更することでヒ別研究員，早稲田大学理工学総合研究センター助

ステリシス補償が構築できることを確認しているが 8)，水流手を経て，2003 年同客員講師，現在に至る．エネ

状態下では，ヒステリシス特性に流体反力を考慮するため，ルギーシステムの最適運用に向けた計測制御シス

弁前後の差圧を計測する圧力センサが新たに必要となること

テム，フィールド機器の開発・研究に従事．日本機械学会，電気学会他会員には留意を要する．近年普及の進むフィールドバス対応機器
橋を用いることで，補償機能の構築が容易になるものと考えら

詰匠（正会員）1979 年早稲田大学大学院理工学研究科博士後期課れるため，この点についても引き続き検討を加えたい．

程修了．
工学博士．76 年同大学理工学研究所助手，同専任講師，同助教授を経て，87 年同教授，現在参考文献

同大学理工学総合研究センター教授．エネルギ

1） 石塚光正：バルブのスマート化がもたらすもの～ユーザ評価と開発課題を通して，計装，44-5，27/29（2001）2） 呂，友近：インテリジェントポジショナからインテリジェン
トバルブへの進展，計装，44-5，35/38（2001）3） 涌井，橋詰，西島，石井：ヒステリシスの大きな空気圧式調節弁に使用する電子式ポジショナの高性能化，計測自動制御
学会産業論文集，2-5，34/41（2003）
4） たとえば，香川，清水，本田，小山：空気圧パイロット弁の非線形性を考慮した電空ポジショナの特性解析，計測自動制
御学会論文集，29-11，1337/1341（1993）

ー・動力システムに関する研究等に従事．日本機械学会，電気学会，日本フルードパワーシステム
学会他会員

西島

剛

志（正会員）
1981 年東京都立大学理学部物理学科卒業．同年（株）北辰電機製作所（（現）横河電機（株））入社．これまでに，バルブポジショナ，電磁流量計，温度伝送器など，フィールド機器の開発に従事．
現在に至る．

58