JP3805611B2 - 制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばモータにより駆動されるバルブの開度を制御し、センサで検出された制御対象の制御量を設定値に一致させるための制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図6は、従来の制御システムの構成を示すブロック図である。図において、101は制御機器、102は制御対象である。103は制御機器101から出力される操作指令により駆動されるモータ、104は制御対象102へ供給される流体の流路に配置されたバルブであり前記モータによりその弁開度が調整される。モータ103にはバルブ104の弁開度を電気信号として検出し制御機器101へモータフィードバック量として出力するポテンシオメータが取り付けられている。105は制御対象102の例えば温度、水位などの状態を検出するセンサであり、前記温度、水位などの状態を電気信号として検出し制御量入力として前記制御機器101へ出力する。
【0003】
図7は制御機器101の構成を示すブロック図であり、201は前記温度、水位などの設定量を設定するための設定量設定手段である。202は演算器であり、前記設定量設定手段201で設定された設定量と前記センサ105の制御量入力との差分を演算し増幅し、前記演算結果を出力する。203はPID制御手段であり、前記演算結果をもとにP(比例)I(積分)D(微分)演算を行い操作量を出力するものである。204は位置比例制御手段であり、モータ103に取り付けられた前記ポテンシオメータから出力される前記バルブ104の弁開度であるモータフィードバック量と前記操作量とをもとに操作指令を出力するものである。この位置比例制御手段204には、前記モータフィードバック量が前記操作量との関係で一定の範囲内にあるときには操作指令を出力しないように図8に示すような不感帯が設定されている。205は前記位置比例制御手段204に前記不感帯を設定するための不感帯設定手段である。
【0004】
次に動作について説明する。
制御機器101では、制御対象102のセンサ105から制御量を入力し、この制御量と設定量設定手段201により設定された設定量との差分を演算器202で演算する。この演算結果は増幅されてPID制御手段203へ出力される。PID制御手段203ではPID演算を行い操作量を演算する。また、前記モータ103に取り付けられた前記ポテンシオメータから出力されたモータフィードバック量と前記演算した操作量とから、位置比例制御手段204は開命令または閉命令の操作指令を出力する。そして、前記操作指令により前記モータ103を駆動し、前記バルブ104の弁開度を制御して制御対象102の制御量が前記設定量設定手段201により設定された設定量に一致するようにしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の制御装置は以上のように構成されているので、制御対象102における環境の変化やノイズなどの影響により制御対象102から出力される制御量がわずかに振れ、本来発生してはならない変化が生じると、その変化がわずかであってもPID制御手段203はこのわずかな制御量の変化を操作量に反映させて操作指令として出力してしまう。この結果、前記モータ103が駆動され、モータ103に設けられている前記ポテンシオメータの摺動部ではその都度、磨耗が発生する。このため前記不感帯を設定することで前記わずかな制御量の変化に対しては操作指令の出力を抑制するようにしているが、前記不感帯を大きな値にすると精度の高い制御ができなくなり、また前記不感帯を小さくするとハンチングなどの現象が発生する可能性が高くなるなど、設定された不感帯の範囲によっては精度の高い制御が可能になる一方、前記モータに設けられているポテンシオメータや操作指令を出力するためのリレー接点の寿命を短縮してしまうという課題があった。
【0006】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、モータに設けられているポテンシオメータを含む部品の長寿命化を図るとともに、制御対象の特性に応じた制御を実現できる制御装置を得ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る制御装置は、制御対象の制御量が設定値に一致するように操作指令を駆動手段へ出力し、前記駆動手段により駆動されるバルブの弁開度を制御する制御装置において、前記制御量と前記設定値とをもとに第1の操作量を出力する操作量演算手段と、前記操作量演算手段から出力された第1の操作量の変化率を操作量変化率制限値をもとに所定の操作量変化率以下に制限し、一定の周期毎に第2の操作量として出力する操作量変化率制限手段と、前記駆動手段に対し操作指令を出力しない不感帯が設定され、前記操作量変化率制限手段から出力された前記第2の操作量と、前記駆動手段により駆動される前記バルブの弁開度を示すフィードバック量とに基づいて、前記第2の操作量が前記不感帯の範囲外の値である場合、開若しくは閉の操作指令を出力する位置比例制御手段と、を備えたものである。
【0008】
この発明に係る制御装置は、操作量変化率制限手段が第1の操作量を制限するときの操作量変化率制限値を、バルブの弁開度が全閉と全開との間を移動するのに要する全開時間及び第2の算出量を演算する周期とに基づいて演算し出力する操作量変化率演算手段により演算するようにしたものである。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態について説明する。
実施の形態1.
図1は、この実施の形態1の制御システムの構成を示すブロック図、図2は前記制御システムにおける制御機器の構成を示すブロック図である。図1において、1は制御機器、2は前記制御機器1により例えば給湯温度が制御されるボイラーなどの制御対象である。3は制御機器1から出力される操作指令により駆動されるモータ(駆動手段)、4は制御対象2へ供給される例えば燃料の流路に配置されたバルブであり前記モータ3によりその弁開度が調整される。モータ3にはバルブ4の弁開度を電気信号として検出し制御機器1へモータフィードバック量として出力するポテンシオメータが取り付けられている。5は制御対象2の前記温度を検出するセンサであり、前記温度を電気信号として検出し制御量入力として前記制御機器1へ出力する。
【0010】
図2において、21は前記温度についての設定量を設定するための設定量設定手段である。22は演算器(操作量演算手段)であり、前記設定量設定手段21で設定された設定量と前記センサ5の制御量入力との差分を演算し増幅し、前記演算結果を出力する。23はPID制御手段(操作量演算手段)であり、前記演算結果をもとにP(比例)I(積分)D(微分)演算を行い第1の操作量を出力するものである。
【0011】
24は切替設定手段であり、制御性を重視する制御性重視モード、または前記ポテンシオメータの寿命を重視するポテンシオ寿命重視モードのうちのいずれかを設定する。
【0012】
25は操作量変化率設定手段であり、前記切替設定手段24において制御性重視モードが設定されているときの操作量変化率を設定するものであり、この操作量変化率は制御機器1に設けられている図示していないキースイッチによりオペレータにより設定される。
【0013】
26はバルブ4の全閉から全開までの全開時間を秒単位で設定する全開時間設定手段であり、前記全開時間は制御機器1に設けられている図示していないキースイッチにより実際のバルブ4における全開時間に基づいてオペレータにより入力される。
【0014】
27は前記切替設定手段24においてポテンシオ寿命重視モードが設定されているときの操作量変化率制限値を演算する操作量変化率演算手段であり、前記全開時間設定手段26により設定された全開時間を、操作量変化率制限値を演算する際のパラメータとして使用する。この操作量変化率制限値を演算する演算式は〔1/{全開時間×(1/更新周期)}〕×係数×100(%)であり、前記更新周期は例えば500msであり、また前記係数は安全係数としての固定値であり例えば1.1とする。なお、この場合の操作量変化率制限値は前記全開時間の0.5%から5%の範囲内とする。
28は操作量変化率を切り替える切替手段であり、前記切替設定手段24により設定された前記各モードに応じて、前記操作量変化率設定手段25において設定された操作量変化率または前記操作量変化率演算手段27において演算された操作量変化率制限値の何れかを選択し切り替えるものである。
【0015】
29は操作量変化率制限手段であり、前記更新周期ごとに、操作量変化率設定手段25から入力された操作量変化率または操作量変化率演算手段27から入力された操作量変化率制限値をリミットとして前記第1の操作量の変化率を制限し第2の操作量として出力するものであり、例えば入力された操作量変化率が10%とすると、前記第1の操作量の変化率が0%から100%へ変化する場合にその変化率を更新周期ごとに図3に示すように制限し、第2の操作量として出力する。
【0016】
31は不感帯設定手段であり、前記切替設定手段24において制御性重視モードが設定されているときの不感帯の範囲を設定するものであり、この不感帯の範囲は制御機器1に設けられている図示していないキースイッチによりオペレータにより設定される。
【0017】
32は前記切替設定手段24においてポテンシオ寿命重視モードが設定されているときの不感帯の範囲を演算する不感帯演算手段であり、(操作量変化率演算手段27で演算された操作量変化率制限値)×(係数)を演算式として不感帯の範囲を演算する。この係数は固定値であり例えば8とする。またこの場合の不感帯の範囲は前記全開時間の4.0%から20%の範囲内とする。
【0018】
33は切替手段であり、前記切替設定手段24により設定された前記各モードに応じて、前記不感帯設定手段31において設定された不感帯の範囲または前記不感帯演算手段32において演算された不感帯の範囲の何れかを選択し切り替えるものである。
【0019】
34は位置比例制御手段であり、前記切替手段24により選択された不感帯の範囲と前記第2の操作量と前記ポテンシオメータから出力されたモータフィードバック量とをもとに開命令または閉命令の操作指令を出力する。
【0020】
次に動作について説明する。
制御機器1では、制御対象2のセンサ5から制御量を入力し、この制御量と設定量設定手段21により設定された設定量との差分を演算器22で演算する。この演算結果は増幅されてPID制御手段23へ出力される。PID制御手段23ではPID演算を行い第1の操作量を演算する。この第1の操作量は操作量変化率制限手段29へ出力される。
【0021】
ここで、先ず切替設定手段24により制御性重視モードが設定されている場合について説明する。この制御性重視モードが設定されていると、操作量変化率設定手段25により設定された操作量変化率が操作量変化率制限手段29へ出力される。また、不感帯設定手段31により設定された不感帯の範囲が位置比例制御手段34へ出力される。これら操作量変化率および不感帯の範囲は制御機器1に設けられている図示していないキースイッチによりオペレータにより設定されたものである。操作量変化率制限手段29では、前記オペレータにより設定された前記操作量変化率をもとに第1の操作量を制限し、第2の操作量として位置比例制御手段34へ出力する。位置比例制御手段34では、前記第2の操作量とモータフィードバック量とをもとに、不感帯設定手段31により設定された前記不感帯の範囲を適用して操作指令を出力する。
【0022】
図4(a)は、モータフィードバック量の現在値が第2の操作量より小さい場合の位置比例制御手段34の制御特性を示しており、前記モータフィードバック量が前記不感帯の領域を越えて操作量より小さい場合には位置比例制御手段34は開命令の操作指令を出力し、前記モータフィードバック量を前記第2の操作量へ近づけるようにモータ3によるバルブ4の弁開度を調節する。また、図4(b)は、モータフィードバック量の現在値が第2の操作量より大きい場合の位置比例制御手段34の制御特性を示しており、前記モータフィードバック量が前記不感帯の領域を越えて操作量より大きい場合には位置比例制御手段34は閉命令の操作指令を出力し、前記モータフィードバック量を前記第2の操作量へ近づけるようにモータ3によるバルブ4の弁開度を調節する。また、図4(c)は、モータフィードバック量の現在値が第2の操作量と一致する場合の位置比例制御手段34の制御特性を示しており、この場合、位置比例制御手段34は開命令、閉命令いずれの操作指令も出力しない。
【0023】
従って、この制御性重視モードが設定される場合には、操作量変化率設定手段25により設定する操作量と不感帯設定手段31により設定する不感帯の範囲とを状況に応じた制御性のよい値にそれぞれ設定することで制御性を重視した制御が実現できる。
【0024】
次に、切替設定手段24によりポテンシオ寿命重視モードが設定されている場合について説明する。このポテンシオ寿命重視モードが設定されていると、操作量変化率演算手段27により前記演算式で演算された操作量変化率制限値が操作量変化率制限手段29へ出力される。また、不感帯演算手段32により前記演算式で演算された不感帯の範囲が位置比例制御手段34へ出力される。前記操作量変化率制限値は、全開時間設定手段26において制御機器1に設けられている図示していないキースイッチによりオペレータにより設定された前記全開時間と更新周期を利用して演算される。また、このとき前記演算のもとになる調整結果には誤差が存在しているため固定値である安全係数を乗じ、前記誤差のためにモータ3の1更新周期あたりの動作幅よりも前記演算結果が小さくなることを防止する。
【0025】
なお、前記演算式により求められた操作量変化率制限値により第1の操作量の変化率を制限するということは次のような知見から行われるものである。すなわち、PID制御手段23の出力した第1の操作量が大きく変化しても、モータ3の全閉から全開までの動作は、前記第1の操作量の変化に追従できず、時間を要し、モータ3の動作によるバルブ4の開閉速度以上に第1の操作量が変化しても前記モータ3は追従できない。従って、前記第1の操作量はモータ3の1更新周期あたりの動作幅分だけ変化し増減すればよく、このようなことから前記第1の操作量の変化をモータ3の1更新周期あたりの動作幅分だけの変化に制限する。
【0026】
操作量変化率制限手段29では、このようにして演算された操作量変化率制限値により第1の操作量の変化率を制限し、第2の操作量として位置比例制御手段34へ出力する。位置比例制御手段34では、不感帯演算手段32において前記演算式をもとに演算された不感帯の範囲が設定された制御特性で、前記第2の操作量と前記モータフィードバック量とをもとに操作指令を生成しモータ3へ出力する。
【0027】
図5は、切替設定手段24においてポテンシオ寿命重視モードが設定されたときの位置比例制御手段34の制御特性の一例を示しており、図5では不感帯演算手段32により設定された不感帯の範囲は、操作量変化率演算手段27で演算された操作量変化率制限値から計算して4更新周期分現在の値よりも第1の操作量が連続して一方向へ大きな値を取った場合に操作指令が出力されるような範囲、すなわち、操作量変化率演算手段27で演算された操作量変化率制限値の8倍を不感帯の範囲としている。ただし、不感帯の範囲が広すぎると制御不能となるため不感帯の幅の上限を前記全開時間の20%に対応する範囲に規定した。従って、操作量変化率演算手段27で演算された操作量変化率制限値によっては最悪でも2更新周期でモータ3には操作指令が出力され、モータ3が駆動される。
【0028】
図5(a)は、第1の操作量と第2の操作量とモータフィードバック量とが一致している状態を示し、この場合には位置比例制御手段34は操作指令を出力しない。
【0029】
図5(b)は、図5(a)の状態で第1の操作量が大きく変化した1更新周期後を示している。この場合、位置比例制御手段34へ出力される第2の操作量は前記第1の操作量の変化に追従せず、図3に一例として示したように、前記操作量変化率演算手段27で演算した操作量変化率制限値により制限された操作量MV1Tとなる。また、このときのモータフィードバック量は、前記大きく変化した第1の操作量によりモータ3の駆動が開始するとした場合の前記1更新周期後のモータフィードバック量として示されている。
【0030】
図5(c)は、図5(b)の状態からさらに1更新周期後(2更新周期目)を示している。この場合、位置比例制御手段34へ出力される第2の操作量は図3に示すように、前記操作量変化率演算手段27で演算した操作量変化率制限値により制限された2更新周期目(2T)の操作量MV2Tとなる。また、このときのモータフィードバック量は、前記大きく変化した第1の操作量によりモータ3の駆動が開始するとした場合の前記2更新周期目のモータフィードバック量を示している。
【0031】
図5(d)は、図5(c)の状態からさらに1更新周期後(3更新周期目)を示している。この場合、位置比例制御手段34へ出力される第2の操作量は図3に示すように、前記操作量変化率演算手段27で演算した操作量変化率制限値により制限された3更新周期目(3T)の操作量MV3Tとなる。また、このときのモータフィードバック量は、前記大きく変化した第1の操作量によりモータ3の駆動が開始するとした場合の前記3更新周期目のモータフィードバック量を示している。
【0032】
図5(e)は、図5(d)の状態からさらに1更新周期後(4更新周期目)を示している。この場合、位置比例制御手段34へ出力される第2の操作量は図3に示すように、前記操作量変化率演算手段27で演算した操作量変化率制限値により制限された4更新周期目(4T)の操作量MV4Tとなる。また、このときのモータフィードバック量は、前記大きく変化した第1の操作量によりモータ3の駆動が開始するとした場合の前記4更新周期目のモータフィードバック量を示している。
このとき、前述したように不感帯演算手段32により設定された不感帯の範囲は、操作量変化率演算手段27で演算された操作量変化率制限値から計算して4更新周期分現在の値よりも第1の操作量が連続して一方向へ大きな値を取った場合に操作指令が出力されるような範囲に設定されているため、4更新周期目(4T)の操作量MV4T>開命令の操作指令の閾値となり、位置比例制御手段34からは開命令の操作指令が出力される。
【0033】
すなわち、前記不感帯の範囲を規定する8更新周期内で操作量が例えば環境の変化やノイズなどにより一時的に変動しても位置比例制御手段34からは操作指令は出力されず、モータ3の駆動回数が抑制されるため、ポテンシオメータを含む部品の長寿命化を図ることができる。
【0034】
このように、実際のバルブ4における全開時間に基づいて操作量変化率が決定されるため、1更新周期あたりの操作量の変化量が明らかになり、第2の操作量の変化を実際の弁開度の変化に追従させることができる。また、不感帯についても前記決定された操作量変化率をもとに設定されるため、実際の弁開度の変化に対応した範囲に設定できる。この結果、操作指令が出力されないスキャン回数を予測でき、制御対象2における環境の変化やノイズなどの影響により制御対象2から出力される制御量に生じる変動に応じた操作量変化率と不感帯をそれぞれの現場における実際のバルブおよびそのバルブを駆動するモータに対応させ最適な値に設定でき、モータ3に設けられているポテンシオメータを含む部品の長寿命化を図ることができ、制御対象2の特性に応じた制御を実現できる制御装置が得られる効果がある。
【0035】
参考例.
なお、前記実施の形態1では、PID制御手段23から出力される第1の操作量を、操作量変化率演算手段27で演算した操作量変化率制限値により制限し、前記操作量変化率制限値をもとに位置比例制御手段34の不感帯の範囲を設定するように構成したが、モータ3へ出力する操作指令の演算結果を毎更新周期ではなく、前記更新周期より長い一定の周期でしか出力しないような構成にしてもよい。また、位置比例制御手段34におけるモータ3への操作指令を出力する時間比例出力の出力ドライバ部分の演算結果へ渡すPID操作量を一定期間更新しないような構成にしてもよい。また、位置比例制御手段34におけるモータ3への操作指令を出力する時間比例出力の出力ドライバ部分の演算結果へ渡すPID操作量に対しフィルタをかけるように構成してもよい。また、位置比例制御手段34において開方向または閉方向への同一命令が操作指令として連続して一定回数出力される場合に開命令、閉命令とし、停止命令は即時行うような構成にしてもよい。あるいはまた、前記各構成のうちの2つ以上の構成を組み合わせるようにしてもよく、同様な効果が期待できる。
【0036】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、制御対象の制御量が設定値に一致するように操作指令を駆動手段へ出力し、前記駆動手段により駆動されるバルブの弁開度を制御する制御装置において、前記制御量と前記設定値とをもとに第1の操作量を出力する操作量演算手段と、前記操作量演算手段から出力された第1の操作量の変化率を操作量変化率制限値をもとに所定の操作量変化率以下に制限し、一定の周期毎に第2の操作量として出力する操作量変化率制限手段と、前記駆動手段に対し操作指令を出力しない不感帯が設定され、前記操作量変化率制限手段から出力された前記第2の操作量と、前記駆動手段により駆動される前記バルブの弁開度を示すフィードバック量とに基づいて、前記第2の操作量が前記不感帯の範囲外の値である場合、開若しくは閉の操作指令を出力する位置比例制御手段と、を備えるように構成したので、前記第2の操作量の変化率を抑えることができるため、環境の変化やノイズなどの影響により制御対象から出力される制御量に生じる変動に対し操作指令が出力される頻度を抑制でき、前記駆動手段に取り付けられている前記フィードバック量を取り出すための検出装置や操作指令出力用のリレーなどを含む部品の長寿命化を図れるとともに、制御対象の特性に応じた制御を実現できる効果がある。
【0037】
この発明によれば、操作量変化率制限手段が第1の操作量を制限するときの操作量変化率制限値を、バルブの弁開度が全閉と全開との間を移動するのに要する全開時間及び第2の算出量を演算する周期とに基づいて演算し出力する操作量変化率演算手段により演算するように構成したので、第2の操作量の変化を実際の弁開度の変化に追従させることができ、これにより操作指令が出力されない更新周期回数を予測できるため、環境の変化やノイズなどの影響により制御対象から出力される制御量に生じる変動に対し実際の弁開度の変化に応じた最適な不感帯を設定でき、操作指令が出力される頻度を抑制でき、前記駆動手段に取り付けられているフィードバック量を取り出すための検出装置や操作指令出力用のリレーなどを含む部品の長寿命化を図れるとともに、制御対象の特性に応じた制御を実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図2】この発明の実施の形態1の制御システムにおける制御機器の構成を示すブロック図である。
【図3】この発明の実施の形態1の制御システムにおける第1の操作量と第2の操作量との関係の一例を示す説明図である。
【図4】この発明の実施の形態1の制御システムにおける制御性重視モードが選択されているときの位置比例制御手段の制御特性図である。
【図5】この発明の実施の形態1の制御システムにおけるポテンシオ寿命重視モードが選択されているときの位置比例制御手段の制御特性図である。
【図6】従来の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図7】従来の制御システムにおける制御機器の構成を示すブロック図である。
【図8】従来の制御システムにおける制御機器の位置比例制御手段の制御特性図である。
【符号の説明】
1 制御機器
2 制御対象
3 モータ(駆動手段)
4 バルブ
22 演算器(操作量演算手段)
23 PID制御手段(操作量演算手段)
27 操作量変化率演算手段
29 操作量変化率制限手段
32 不感帯演算手段
34 位置比例制御手段
Claims (2)
- 制御対象の制御量が設定値に一致するように操作指令を駆動手段へ出力し、前記駆動手段により駆動されるバルブの弁開度を制御する制御装置において、
前記制御量と前記設定値とをもとに第1の操作量を出力する操作量演算手段と、
前記操作量演算手段から出力された第1の操作量の変化率を操作量変化率制限値をもとに所定の操作量変化率以下に制限し、一定の周期毎に第2の操作量として出力する操作量変化率制限手段と、
前記駆動手段に対し操作指令を出力しない不感帯が設定され、前記操作量変化率制限手段から出力された前記第2の操作量と、前記駆動手段により駆動される前記バルブの弁開度を示すフィードバック量とに基づいて、前記第2の操作量が前記不感帯の範囲外の値である場合、開若しくは閉の操作指令を出力する位置比例制御手段と、
を備えたことを特徴とする制御装置。 - 操作量変化率制限手段が第1の操作量を制限するときの操作量変化率制限値を、バルブの弁開度が全閉と全開との間を移動するのに要する全開時間及び第2の算出量を演算する周期とに基づいて演算し出力する操作量変化率演算手段により演算することを特徴とする請求項1記載の制御装置。
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