JP4196518B2 - バルブポジショナ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バルブポジショナに関するものであり、詳しくは入力信号を受信すると共に、バルブの弁開度を受信した入力信号に一致させるように制御するバルブポジショナにおいて、弁開度位置を検出して電気信号に変換する位置センサーと、この位置センサーからの信号を入力信号に一致させるように制御演算を行う制御演算部と、この制御演算部で演算した制御信号をバルブの駆動信号に変換する電空変換機構部とを具備し、これらから構成されている制御対象部位の特性を自動測定し、制御演算部のチューニングパラメータを制御対象部位の特性から演算により求めて、自動チューニングする機能を持つようにしたバルブポジショナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術におけるバルブポジショナは、内部に演算機能（ＣＰＵ等）を搭載しているので、バルブの弁開度を制御する制御アルゴリズムがソフトウェアで実現できるようになっている。この技術により、複雑な制御演算を行えるようになった為、バルブの制御性は前世代のメカニカル方式のバルブポジショナに比べると格段に制御性が向上している。その反面、制御アルゴリズムについては、その使用する制御パラメータが増えたことにより、そのチューニングも複雑になり、インスタレーションに工数がかかるようになった。この問題を解決するために、自動チューニング機能などを搭載する機種も出てきた。又、演算機能の利用は、制御演算の他にも、自己診断や、調節弁の診断等にも及ぶようになってきている。
【０００３】
しかし、バルブポジショナのチューニングが難しくしている原因の一つは、バルブポジショナが制御しなくてはならないバルブの種類が多機種に及ぶため、特定できないことにある。即ち、どのような特性を有するバルブがバルブポジショナに組み合わされるかが特定できないので、チューニングはどうしてもカットアンドトライの作業を繰り返すしかなかった。従って、チューニング作業を補助する機能を持ったバルブポジショナ、或いは自動チューニング機能を持つバルブポジショナが開発されるようになってきている。
【０００４】
この自動チューニング機能を具現化する自動チューニング方法として、▲１▼チューニング補助型のバルブポジショナと▲２▼自動チューニング型のバルブポジショナがある。
【０００５】
▲１▼チューニング補助型のバルブポジショナは、バルブポジショナに組み合わされるためのバルブの型名及びその種類や特性を作業者がバルブポジショナに入力することにより、バルブポジショナがそれらのデータをもとに適切なチューニングパラメータを選び出すという、所謂、セミオートチューニング方法のことである。
【０００６】
▲２▼自動チューニング型のバルブポジショナは、バルブポジショナにある自動設定信号を与えると、バルブのサイズやヒステリシスなどの特性を測定し、所定のパラメータテーブルから、制御パラメータのチューニングセットを選び出す方法である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術で説明したように、バルブポジショナにはバルブを制御するためのチューニングが困難であるため、上述のバルブの制御チューニング支援を行う機能である▲１▼チューニング補助型のバルブポジショナ、▲２▼自動チューニング型のバルブポジショナがあるが、それぞれは次に示すような問題点がある。
【０００８】
▲１▼の自動チューニング方法の問題点は、作業者がバルブの情報と知識が必要であるために、ある程度の専門能力を要求されることである。従って、バルブポジショナにバルブの情報や特性を入力しなければならないので、入力の工数がかかることになり、入力ミスなどの人的なミスを引き起こす危険性があるという問題がある。
【０００９】
▲２▼の自動チューニング方法の問題点は、無数の組み合わせが考えられるバルブの特性において、正確なチューニングを行おうとすると、バルブポジショナが持たなければならないパラメーターテーブルのデータ量が膨大になり、メモリなどのハードウェアが必要になりコストがかかることになる。この問題を解消するために、少ないパラメーターテーブルで済まそうとするならば、チューニングが粗くなり、正確性を欠いたチューニングとなるという問題がある。
【００１０】
このように、バルブポジショナ自体の要素において独特な特性からなる非線形性特性を持つものもあり、これらの影響を反映した実際的なチューニングができないという問題がある。これは、バルブポジショナの制御装置によっては制御対象はバルブだけではないからであり、具体的には、バルブの特性の測定方法によっては、正確な測定ができなかったり、測定に時間を要することにより、チューニングに係る時間が長くなるという問題がある。
【００１１】
従って、このような問題を解決し、より簡単に、より正確に、より早くバルブに対する自動チューニングを行う手法に解決しなければならない課題を有する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係るバルブポジショナは、次に示す構成にすることである。
【００１３】
（１） バルブの弁開度を設定する入力信号と、該バルブの弁開度を検出する位置センサーと、該位置センサーにより得られた弁開度信号と前記入力信号との偏差から前記バルブの弁開度を該入力信号に一致させるように制御演算して制御信号を生成する制御演算部と、該制御信号に基づいた空気流量を生成する電空変換機構部と、該電空変換機構部において生成された空気流量に基づく空気圧を前記バルブに供給する圧力増幅器とからなるバルブポジショナであって、
前記電空変換機構部と圧力増幅器と位置センサーとバルブとで構成されている制御対象部位は、自動設定信号を受けた時に、
前記バルブの弁開度が静止した状態から動き出す時に生じるスリップ現象のスリップ幅を測定し、該測定したスリップ幅からなるパラメータによって前記制御演算部で生成する制御信号のチューニングパラメータを演算すること
を特徴とするバルブポジショナ。
【００１６】
（２） 前記バルブの弁開度が静止した状態から動き出す時に生じるスリップ現象のスリップ幅を測定する際に、前記バルブの弁開度信号が静止していることを確認し、その時の弁開度ＰＶ１を記憶し、前記制御信号を変化させた時に前記弁開度信号が反応する際の弁開度信号の変化速度を測定し、弁開度信号の変化速度の変極点の時の弁開度信号ＰＶ２を記憶し、前記弁開度信号ＰＶ１とＰＶ２の差を、前記バルブのスリップ幅とすると共に該スリップ幅の値を記憶することを特徴とする（１）に記載のバルブポジショナ。
【００１７】
（３）前記バルブの弁開度が静止した状態から動き出す時に生じるスリップ現象のスリップ幅を測定する際に、前記弁開度信号が静止しているのを確認し、その時の弁開度ＰＶ１を記憶し、次に前記制御信号を変化させた時に前記バルブの弁開度信号が反応した後に、予め設定した短い時間後の弁開度信号ＰＶ２を記憶し、前記弁開度信号ＰＶ１とＰＶ２の差を、前記バルブのスリップ幅とすると共に該スリップ幅の値を記憶することを特徴とする（１）に記載のバルブポジショナ。
【００１８】
（４）記電空変換機構部と圧力増幅器と位置センサーとバルブとから構成されている制御対象部位は、自動設定信号を受けた時に、前記制御対象部位の特性を測定し、該測定した制御対象部位の特性の値が制御対象部位の特性からなる許容範囲情報の値を逸脱した場合には、外部に通信手段を通じて異常信号を出力することを特徴とする（２）乃至（３）に記載のバルブポジショナ。
【００１９】
このように、バルブのチューニングを自動的に行い且つ調節弁等の特性を測定したパラメータをチューニングパラメータにすることによって、チューニングの工数等を減らす事が可能であると共に正確なチューニングパラメータを設定することができるようになる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るバルブポジショナの実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
先ず、バルブポジショナは、制御するバルブを選べないのが宿命であり、どのような特性のあるバルブが取り付けられるかの特定ができない。即ち、バルブの空気アクチュエータの容量や、空気アクチュエータの入出力関係を決めるスプリングレンジ等の組み合わせは無数にあり、その組み合わせにより、応答特性がそれぞれ異なってくるからである。
【００２２】
又、バルブの持つ機械的摩擦力は、応答特性の無駄時間を助長し、応答特性を振動的にする作用がある。又、制御対象のもつ機械的摩擦力やガタから抜け出す時に、バルブが動き出す瞬間は、バルブの弁開度がある幅、素早く動き、滑るような動きをする、所謂、スリップ現象を引き起こす。このスリップ現象は、リミットサイクルのような振動現象を引き起こす。従って、バルブポジショナは、このようなバルブの持つ非線形性を吸収して入力信号に対し線形且つ安定して、制御しやすい特性にすることが求められている。
【００２３】
このように、バルブの持つ非線形性を吸収して入力信号に対し線形且つ安定し、制御し易い特性にするバルブポジショナが求められているが、この機能が要求されているバルブポジショナの開発にあたって、問題が二つある。
【００２４】
第一の問題は、バルブの非線形性を吸収するための制御アルゴリズムの設計である。制御アルゴリズムの設計により、バルブポジショナの制御性がほぼ決まると考えられるので、設計には細心の注意が払われるが、制御対象の非線形性を吸収するためには、制御アルゴリズムが複雑にならざるを得ない。その結果、制御アルゴリズムのチューニングパラメータも増えてきている。
【００２５】
第二の問題は、設計した制御アルゴリズムを制御対象に適用させるためのチューニングの方法である。例えば、ＰＩＤ制御アルゴリズムを例にとっても、チューニングパラメータは、比例ゲイン、積分時間、微分時間の三種類のチューニングパラメータが存在し、制御アルゴリズムを複雑にするにつれて制御パラメータは増えるため、チューニングを更に複雑化する傾向にある。チューニングが複雑化すると、チューニングに多大な工数が要求され、使い勝手が悪くなる。
【００２６】
従って、バルブポジショナの機能としては、自動的にチューニングパラメータを決定する機能が要求されるようになってきた。そして、自動的にチューニングパラメータを決める為には、制御対象の代表的な特性を把握する必要がある。制御対象の特性を把握するとしても、その中には、制御に大きな影響を与えるパラメータが存在し、それは、▲１▼制御対象の応答速度、▲２▼制御対象のヒステリシス、▲３▼制御対象のヒステリシスから生じるスリップ現象である。
【００２７】
このようなことを前提として、本願発明に係るバルブポジショナは、図１に示すように、最も一般的なものである空気圧で駆動するバルブを有する空気式バルブポジショナ１０である。この空気式バルブポジショナの構成は、入力信号を受信する信号受信装置１１と、バルブの弁開度を電気的な信号に変換した弁開度信号ＰＶと入力信号ＳＰとの偏差に基づいて入力信号ＳＰに一致させるように制御演算して制御信号ＭＶを出力する制御演算部である制御演算装置１２と、この制御信号ＭＶに基づいて空気流量を生成する電空変換機構部１３と、この空気流量に基づく空気圧をバルブ部１５に供給する圧力増幅器１４と、この空気圧に基づいてステムを変化させて弁体を調節するバルブ、即ち、バルブ部１５と、バルブ部１５のステム変位を検出して弁開度信号ＰＶを生成する位置センサー１６とから構成されている。この中で、電空変換機構部１３と圧力増幅器１４と位置センサー１６とバルブ部１５とで制御対象部位１７を構成する。
【００２８】
バルブ部１５は、図２に示すように、圧力増幅器１４からの空気圧信号Ｐoを受け入れる空気アクチュエータ部２０と、この空気アクチュエータ部２０に連設されているステム２３と、ステム２３の動きに連動して弁の開閉をする弁体２４とから構成されている。アクチュエータ部２０は、内部に空気室を設け、この空気室を二分割するようにして配置したダイアフラム２１と、ダイヤフラム２１を所定位置に弾性維持するスプリング２２とからなり、このダイアフラム２１の動きがステム２３に連動する構造となっている。
【００２９】
このような構成からなるバルブポジショナ１０において、先ず、信号受信装置１１がバルブ部１５の弁開度を設定する入力信号ＳＰを受信すると、制御演算装置１２において、この受信した入力信号ＳＰとバルブ部１５からのフィードバックされた弁開度信号ＰＶとの偏差により、入力した入力信号ＳＰにより弁開するバルブ部１５の実際の弁開と一致するように制御演算して制御信号ＭＶを生成する。この制御信号ＭＶは電空変換機構部１３に供給され、制御信号ＭＶに応じた空気流量を出力し圧力増幅器１４へ信号を与える。圧力増幅器１４は電空変換機構部１４により得られた信号に応じた空気流量と、空気圧信号Ｐｏを出力しバルブ部１５に供給する。バルブ部１５は、圧力増幅器１４から出力された空気圧信号Ｐｏを受け、空気アクチュエータ部２０内のダイヤフラム２１で圧力を受け、物理的な力に変換しステム２３にその変換した力を伝えステム２３を上下動させる。ステム２３は、プロセスの流体が流れる配管内の弁体２４に連結しており、ステム２３の動きに応じて、弁を開閉することによりプロセスの流体の流量を調節する。ここで、バルブポジショナ１０に内蔵されている位置センサー１６はリンク機構を通じてステム２３に連結されており、ステム２３の上下動する位置に応じた電気信号からなる弁開度信号ＰＶを制御演算装置１２にフィードバックして与える。これにより、バルブポジショナ１０とバルブ部１５は閉ループを構成し、バルブポジショナ１０は弁開度を制御する仕組みになっている。
【００３０】
このような、バルブポジショナ１０とバルブ部１５のシステムにおいて、制御演算装置１２の制御対象となる制御対象部位１７は、制御演算装置が出力する制御信号ＭＶ値から、位置センサー１６がセンシングする弁開度信号ＰＶ値までの信号変換要素の全てを指す。即ち、制御対象部位１７は、電空変換機構部１３と圧力増幅器１４とバルブ部１５と位置センサー１６とから構成されることになる。
【００３１】
制御演算装置１２では、制御対象部位１７の持つ飽和性や、非線形特性などが効率良く吸収するために、チューニングを行うにあたって、制御対象部位１７の特性を測定することにより、正確なチューニングができる。本発明においては、このような制御対象部位１７の特性を、自動的に測定し制御演算装置１２のチューニングパラメータを自動チューニングする。
【００３２】
以下、自動チューニングするために必要な［１］制御対象部位１７の応答速度、［２］制御対象部位１７のヒステリシス測定、［３］スリップ現象の測定、［４］電空変換機構部１３の動作点測定、［５］診断機能の順に説明する。
【００３３】
［１］制御対象部位１７の応答速度
制御対象部位１７の応答速度とは、制御演算装置１２が制御演算して生成する制御信号ＭＶの速度を示している。制御対象部位１７の応答速度がわかることにより、入力信号ＳＰと弁開度信号ＰＶの偏差をどれくらいの割合で増幅し、制御信号ＭＶとして出力すればよいかが計算できる。従って、バルブポジショナ１０とバルブ部１５のシステムのループゲインが決定できる。
【００３４】
空気アクチュエーター部２０で駆動してバルブ制御するバルブポジショナ１０の場合、応答速度の殆どは、圧力増幅器１４が処理できる空気処理能力と、バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０のサイズや、スプリング２２のレンジで決まってくる。空気アクチュエーター部２０には、図２で示したようなダイヤフラム式のものや、図示しないシリンダー内にピストンを持つ方式のものがある。
【００３５】
工場内で作られる空気圧は、安全性の面とコスト面から通常１０ｋｇｆ／ｃｍ2より少ない圧力である。又、１０ｋｇｆ／ｃｍ2がそのままバルブポジショナ１０に供給されるのではなく、減圧弁で絞った１．４ｋｇｆ／ｃｍ2から４ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力がバルブポジショナ１０に供給される。一方、バルブ部１５の空気アクチュエータ部２０は、弁体２４を流れる流体圧に打ち勝つだけの力を発生しなければならないので、そのダイヤフラム２１の面積又はシリンダーの断面積は大きく設計されている。従って、空気アクチュエータ部２０を駆動するためには、大容量の空気量が必要になる。
【００３６】
ここで、バルブポジショナ１０の圧力増幅器１４の処理できる空気量には限りがあるので、その応答速度は圧力増幅器１４が処理できる流量に依存する。つまり、バルブポジショナ１０の制御対象の応答速度は、殆どこの空気アクチュエータ部２０が必要とする空気量と圧力増幅器１４が処理できる空気処理量に支配されている。このようにして、バルブポジショナ１０の応答速度は、バルブ部１５の空気アクチュエータ部２０のサイズにより決まると思われがちだが、空気アクチュエータ部２０に空気流量を与え、駆動する圧力増幅器１４の空気処理流量により決まる。何故ならば、同じ空気アクチュエータ部２０のサイズを採用したバルブ部１５でも、圧力増幅器１４の空気処理能力が多ければ、応答速度は早くなるが、空気処理能力が少なければ、その応答速度は遅くなるからである。そして、圧力増幅器１４の空気処理能力は、バルブポジショナ１０に供給される供給圧や、バルブ部１５への空気配管の径や長さにより異なり、バルブポジショナ１０は、どのような条件でバルブ部１５に取り付けられるかが選べないのである。
【００３７】
このようにして、制御対象部位１７の応答速度を測定するにあたっては、圧力増幅器１４の処理する空気処理量に対しての、バルブ弁開度の応答速度を測定することによって得られる。具体的には、圧力増幅器１４が処理できる空気流量の範囲内で一定の空気流量をバルブ部１５の空気アクチュエータ部２０に与え、弁開度信号ＰＶの変化速度を測定することにより、応答速度が測定できる。
【００３８】
次に、制御対象部位１７の応答速度の測定方法について具体的に以下説明する。
【００３９】
制御対象部位１７の応答速度を測定する第１の測定方法は、最も簡単な手法であり、圧力増幅器１４の入力を最大にして、圧力増幅器１４の吸気空気処理量を飽和させる。或いは逆に、圧力増幅器１４の入力を最小にして、圧力増幅器１４の排気空気処理量を飽和させることにより、バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０に供給する空気流量を決定する方法である。その状態で、位置センサー１６の出力である弁開度信号ＰＶの変化速度を測定すればよい。しかしながら、この方法では以下に示す理由から測定値の誤差が大きく、うまく測定できない。
【００４０】
▲１▼圧力増幅器１４の最大処理流量をバルブ部１５に供給することになるので、バルブポジショナ１０内部の空気回路を流れる場合の圧損の影響が大きくなる。又、同様にバルブポジショナ１０とバルブ部１５を連結している空気配管径の圧損が大きくなるためである。▲２▼比較的小さな空気アクチュエーター部２０を持つバルブ部１５の場合、弁開度の変化速度が速すぎて、測定のばらつきが大きくなる。▲３▼圧力の変化が大きいので、空気流量が一定に保てず、測定誤差が大きくなる。▲４▼実際バルブ部１５を制御する時の空気流量の変化量は、圧力増幅器１４の処理流量の限界値ではないので、限界値で測定したデータと、実際制御する際の特性に差があるためである。
【００４１】
このような問題点を解決したのが本願発明に係る圧力増幅器１４における測定手法である。以下、制御対象部位１７の応答速度を測定する第２の測定方法について説明する。
【００４２】
制御対象部位１７の応答速度を測定する第２の測定方法は、図３に示した圧力増幅器１４における測定手法に関するものであり、この圧力増幅器１４は、供給圧室３０と出力圧室３１を給気弁座３２で連通し、出力圧室３１と大気圧室３３を排気弁座３４で連通し、給気弁座３２の開口面積を調節する弁体と排気弁座３４の開口面積を調節する弁体が一体になったポペット弁３５が装備されている。排気弁座３４には、出力圧ダイヤフラム３６と入力圧ダイヤフラム３７が取り付けられおり、出力圧ダイヤフラム３６と入力圧ダイヤフラム３７の中間には、大気圧室３３が設けられ、それぞれ、出力圧室３１と大気圧室３３、大気圧室３３と入力圧室３８の空気の流れを遮断している。排気弁座３４は、入力圧により入力圧ダイヤフラム３７が受ける力と、出力圧により出力圧ダイヤフラム３６が受ける力の差の力を受け、図３に対して、左右方向に移動する構造となっている。排気弁座３４が移動することにより、ポペット弁３５と排気弁座３４の開口面積を変化させることができ、出力圧室３１の空気量の排気流量を調節することができる。又、排気弁座３４がポペット弁３５と接触し、図３に対して更に左側に動くことにより、排気弁座３４はポペット弁３５を左側に押すことにより、給気弁座３２とポペット弁３５の開口面積を変化させることができ、出力圧室３１に供給圧室３０から空気流量の供給を調節することができる。このようにして、出力圧室３１の空気量の給排気調節を行い、排気弁座３４はある状態でバランスし、出力圧を入力圧に応じて変化することができる。又、図３の場合は、供給圧室３０と出力圧室３１の間にブリード孔３９が設けられ、供給圧室３０と出力圧室３１を一定の面積で連通している。尚、ブリード孔３９が出力圧室３１と大気圧室３３に設けられている構造の圧力増幅器も存在する。
【００４３】
次に、このような構造からなる圧力増幅器１４における動作について説明する。
【００４４】
先ず、▲１▼定常状態の場合、入力圧が一定であり、排気弁座３４がバランスしている場合に、ポペット弁３５は供給圧により力を受け、給気弁座３２に押しつけられている。従って、給気弁座３２は遮断されているが、ブリード孔３９から供給圧室３０の空気が出力圧室３１へ流れ込む。定常状態では、出力圧と入力圧の関係は崩れないので、出力圧室３１にブリード孔３９を通じて流れ込んだ流量は、排気弁座３４とポペット弁３５が作る隙間から排気されることになる。言い換えれば、ブリード孔３９から流れ込んだ流量を排気するための開口面積を保つように、排気弁座３４の位置が力のバランスにより決まる。従って、定常状態では、排気弁座３４とポペット弁３５は接触していない。
【００４５】
▲２▼排気動作をする場合、入力圧が減るか若しくは何らかの外乱で出力圧が増えた場合、排気弁座３４は図３に対して、左側に動き、ポペット弁３５との開口面積が減る。この時、ブリード孔３９から出力圧室３１に流れ込む流量に対して、出力圧室３１の空気が大気圧に排気される流量が減るので、出力圧室３１の圧力が上がる。更に、入力圧を増やした場合、排気弁座３４はポペット弁３５に接触し、出力圧室３１と大気圧室３３の流路を遮断する。この時、すぐに給気弁座３２とポペット弁３５は開かない。何故ならば、ポペット弁３５は、供給圧からその面積に応じた力を受け、その力は給気弁座３２で支えられているからである。更に、入力圧を増やした場合又は何らかの外乱で出力圧が増えた場合、ポペット弁３５が供給圧室３０から受けている力が全て、排気弁座３４に移った後に初めて排気弁座３４はポペット弁３５を、図３に対して左側に押し開けられ、給気弁座３２に対して開口面積を調節することができ、供給圧室３０から出力圧室３１に流れ込む流量を調節することができる。従って、排気弁座３４がポペット弁３５に接触し、給気弁座３２から押し開けるまでは、ポペット弁３５と給気弁座３２は閉まったままなので、供給圧室３０から出力圧室３１に流れ込む流量は、ブリード孔３９の面積により決まるので、その間の入力圧の変化量、或いは外乱により出力圧の増加量に対して流量の変化はないので不感帯となる。図４は、入力空気圧と出力空気流量の特性を示したもので、ブリード孔３９が出力圧室３１と大気圧室３３の間にある場合は、反対に排気方向に対して、不感帯が生じる。
【００４６】
このように、圧力増幅器１４の動作原理により、ポペット弁３５と給気弁座３２、或いは、ポペット弁３５と排気弁座３４の開口面積を一定に保てれば、バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０（図２参照）に送り込む空気流量は一定にできる。この方法は、電空変換機構部１３にある一定の制御信号ＭＶ値の変化を加えればよいが、排気弁座３４の変位は、出力圧や、入力圧のちょっとした変化により変化してしまうので、ポペット弁３５と給気弁座３２、或いはポペット弁３５と排気弁座３４の開口面積を一定に保つことは困難である。そこで、圧力増幅器１４の構造と特性に注目し、図３に示す方式の圧力増幅器１４特有の不感帯を利用して、一定の開口面積で供給圧室３０と出力圧室３１、或いは出力圧室３１と大気圧室３３を保つ方法が考えられる。
【００４７】
圧力増幅器１４の動作原理で説明したように、この方式の圧力増幅器１４には、入力圧と出力空気流量の関係に不感帯が存在する。その不感帯を利用することにより、ポペット弁３５と給気弁座３２及び排気弁座３４の両方が閉まった状態を作り出すのは、比較的容易である。何故ならば、圧力増幅器１４の不感帯幅は比較的広いからである。つまり、制御信号ＭＶ値をある範囲の中に収めることにより、電空変換機構部１３の出力がある範囲に収まり、圧力増幅器１４の入力圧を圧力増幅器１４の不感帯内に収めることができる。その状態では空気の流れはブリード孔３９を通じてのみとなる。ブリード孔３９の面積は固定で決まっており、ブリード孔３９が供給圧室３０と出力圧室３１の間にある場合は、バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０に流れ込む空気流量は一定となる。又、ブリード孔３９が出力圧室３１と大気圧室３３の間にある場合は、バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０から流れる空気流量は一定となる。
【００４８】
このような状態での、バルブ部１５の弁開度信号ＰＶの変化速度を測定する。ブリード孔３９の面積は既知であり一定なので、ブリード孔３９の面積に対するポペット弁３５と給気弁座３２の関係、或いはポペット弁３５と排気弁座３４の関係に置き換えれば、圧力増幅器１４が駆動できるバルブ部１５の応答速度が計算により求めることができる。このような工夫をしても厳密にいうと、空気アクチュエーター部２０に供給する空気流量は一定ではない。
【００４９】
ところで、圧力増幅器１４が不感帯に入った場合のモデルは、図５のように表わすことができる。このような場合、ブリード孔３９を流れる空気流量Ｑは、絞りの流量の式から次の式１で表すことができる。
【００５０】
Ｑ＝Ｃｒ＊Ａ＊Ｐｓ＊Ψ（Ｐｏ／Ｐｓ）・・・・・式１
ここで、Ｃｒ：流量係数、Ａ：ブリード孔面積、Ｐｓ：供給圧、Ｐｏ：出力圧、
Ψ（）：特性関数である。
【００５１】
▲１▼上記式１におけるΨ（Ｐo／Ｐs）がＰ1／Ｐs＜０．５２８の時のΨ（Ｐo／Ｐs）は次の式２で表すことができる。
【００５２】
【００５３】
▲２▼上記式１におけるΨ（Ｐo／Ｐs）が０．５２８≦Ｐo／Ｐs≦０．９の時の
Ψ（Ｐo／Ｐs）は次の式３で表すことができる。
【００５４】
Ψ（Ｐｏ／Ｐｓ）＝｛２ｇＫ／（ＲＴ（Ｋ−１）｝1/2
・｛（Ｐｏ／Ｐｓ）2/K−（Ｐｏ／Ｐｓ）(K+1)/K｝1/2・・・・・式３
【００５５】
▲３▼上記式１におけるΨ（Ｐo／Ｐs）が０．９＜Ｐo＜Ｐsの時のΨ（Ｐo／Ｐs）は次の式４で表すことができる。
【００５６】
Ψ（Ｐｏ／Ｐｓ）＝｛２ｇ／ＲＴ｝1/2
・｛（Ｐｏ／Ｐｓ）−（Ｐｏ／Ｐｓ）2｝1/2・・・・・式４
【００５７】
但し、ｇ＝９８０ｃｍ／ｓ２、ｋ＝比熱比（空気＝１．４）、Ｒ＝気体定数２９２７ｃｍ／°ｋ、Ｔ＝絶対温度°ｋ、Ｃｒ＝流量係数、Ａ＝面積（ｃｍ2）、Ｐ１、Ｐ２＝絶対圧力ｋｇｆ／ｃｍ2である。
【００５８】
従って、Ψ（Ｐo／Ｐs）がＰo／Ｐs／０．５２８の状態で測定すれば、流量Ｑは一定となるが、Ψ（Ｐo／Ｐs）がＰo／Ｐs≦０．５２８の状態で測定した場合、出力圧Ｐoの変化により、流量Ｑが変化してしまう。しかし、これも、供給圧Ｐｓに対し、出力圧Ｐｏが小さく、圧力変化の少ない区間で測定することにより、誤差を小さくすることができる。
【００５９】
又、この方法の場合、電空変換機構部１３の応答速度が考慮されていないが、電空変換機構部１３の応答速度は、圧力増幅器１４とバルブ部１５の空気アクチュエーター部１５の応答速度に対して十分早いので、考慮しなくとも測定誤差の中に埋もれてしまう。又、電空変換機構部１３の応答速度をある一定値で考慮することにより、制御対象部位１７の応答速度が求められる。
【００６０】
次に、具体的な応答速度を測定するための手順をフローチャートを参照して説明する。
【００６１】
第１の測定方法の手順について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。
【００６２】
先ず、設定信号を受けて測定が開始すると、制御信号ＭＶ値の初期化が行われるステップＳＴ１０）。弁開度信号ＰＶ値が予め設定されている値Ｙ１より低くなることを確認し、低くなると、次に、制御信号ＭＶ＝初期値＋ΔＭＶとして、圧力増幅器１４の不感帯の不感帯に排気弁座３４を入れる（ステップＳＴ１１、ＳＴ１２）。この状態で、ポペット弁３５と給気弁座３２と排気弁座３４は閉まった状態となり、ブリード孔３９だけは、バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０に空気の流量を与える。
【００６３】
次に、弁開度信号ＰＶ値が予め設定されている値Ｙ１を超えるのを確認する（ステップＳＴ１３）。Ｙ１を超えるのを確認した後に、タイマーをスタートさせ、弁開度信号ＰＶ値がＹ１の値よりも大きな予め設定されている値Ｙ２を超えるのを確認する。Ｙ２を超えるのを確認した後にタイマーをストップさせる（ステップＳＴ１４、ＳＴ１５、ＳＴ１６）。
【００６４】
そして、応答速度を移動したＹ２−Ｙ１の値とそれに要した時間で割ることにより求める。そして、チューニングパラメータであるループゲインを応答速度から求めて測定は終了する（ステップＳＴ１７、ＳＴ１８）。
【００６５】
次に、第２の測定方法の手順について、図７に示すフローチャートを参照して説明する。
【００６６】
先ず、設定信号を受け測定が開始されると、制御信号ＭＶ値を初期化する（ステップＳＴ２０）。そして、弁開度信号ＰＶ値が予め設定されている値Ｙ１より低くなることを確認する。Ｙ１より低くなることを確認した後に、制御信号ＭＶ＝初期値＋ΔＭＶとして、圧力増幅器１４の不感帯に排気弁座３４を入れる（ステップＳＴ２１、ＳＴ２２）。この状態でポペット弁３５と給気弁座３２と排気弁座３４は閉まった状態となり、ブリード孔３９だけで、バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０に空気の流量を与える。そして、弁開度信号ＰＶ値がＹ１を超えるのを確認する（ステップＳＴ２３）。Ｙ１を超えたことを確認した後にタイマーをスタートさせる。そして、タイマーをスタートさせた後に単位時間待つ（ステップＳＴ２４、ＳＴ２５）。
【００６７】
単位時間経った時の弁開度信号ＰＶ値をＹ２とする（ステップＳＴ２６）。応答速度を移動したＹ２−Ｙ１の値とそれに要した単位時間で割ることにより求める。そして、チューニングパラメータであるループゲインを応答速度から求めて測定は終了する（ステップＳＴ２７）。
【００６８】
［２］制御対象部位１７のヒステリシス測定
制御対象部位１７のヒステリシスとは、制御演算装置１２が出力する制御信号ＭＶから、位置センサー１６が出力する弁開度信号ＰＶまでの入出力関係に存在するヒステリシスのことである。このヒステリシスは、制御対象部位１７の特性の非線形性の代表格であり、その特性が制御に与える影響は大きい。制御対象部位１７がヒステリシスを抜けるまで、弁開度信号ＰＶは変化しないので、制御信号ＭＶを与えた時から、弁開度信号ＰＶが変化するまで遅れ時間が生じる。この遅れ時間は無駄時間となり、大きな位相遅れ要因となる。従って、制御演算装置１２が例えばＰＩＤ制御アルゴリズムを持っているとすると、位相補償を行っている微分時間や、積分時間のチューニングパラメータに影響する。
【００６９】
このヒステリシスの測定手法は、図１に示す電空変換機構部１３、圧力増幅器１４のヒステリシスを予めわかっているとすると、バルブ部１５のヒステリシスを直接測定する手法である。
【００７０】
このバルブ部１５のヒステリシスの測定は、図８に示すように、制御信号ＭＶをバルブ部１５から得られる弁開度信号ＰＶが変化するまで増加させ、弁開度信号ＰＶが変化した後に、制御信号ＭＶをバルブ部１５から得られた弁開度信号ＰＶが逆方向に変化するまで減少させる。この一連の動作のバルブ部１５の駆動信号である圧力信号と弁開度信号ＰＶを記憶することにより、バルブ部１５のヒステリシスは計算できる。このようにして、一連の圧力信号と弁開度信号ＰＶのデータを測定することにより、ヒステリシスを測定できるが、データ量が多くなるため、メモリなどのハードウエアのリソースが大量に必要になる。従って、ステムの動きを監視し、図８の▲３▼と▲４▼の圧力のデータのみを記憶することにより、ヒステリシスを計算することもできる。
【００７１】
しかしながら、この方法では、バルブ部１５の駆動信号である圧力を測定するセンサーが必要になるので、コスト、消費電力の点から不利になる。又、この方法の場合、バルブ部１５のヒステリシスしか測定できないというデメリットもある。
【００７２】
バルブ部１５の駆動信号を検出するセンサーがなくとも、ヒステリシスを測定する方法もある。その方法とは、制御信号ＭＶと弁開度信号ＰＶの入出力関係を測定することによりヒステリシスを測定する方法である。
【００７３】
即ち、制御信号ＭＶをゆっくり変化させ、弁開度信号ＰＶの変化を検出し、弁開度信号ＰＶに変化が現れたときの制御信号ＭＶ値であるＭＶ１を記録し、制御信号ＭＶを今まで変化した方向と逆方向に変化させ、弁開度信号ＰＶ値が変化した時の制御信号ＭＶ値であるＭＶ２を記録し、ＭＶ１−ＭＶ２によりヒステリシスは求められる。
【００７４】
しかし、この方法は、バルブポジショナ１０とバルブ部１５をオープンループにして測定するため、制御信号ＭＶ値の変化に対して、電空変換機構部１３＋圧力増幅器１４のゲインが高く設定されている場合は測定が困難である。従って、本発明では、バルブポジショナ１０とバルブ部１５をクローズトループにして、測定する方法を提案するものである。
【００７５】
制御演算装置１２の制御アルゴリズムを、少なくとも比例制御を持つ制御アルゴリズムとする。例えば、比例制御、或いは比例、微分制御とする。この制御アルゴリズムに、ある入力値を与え、弁開度信号ＰＶの値を整定したことを確認して入力信号ＳＰをゆっくりと変化させていく。弁開度信号ＰＶの値が入力の変化に反応した時点の入力信号ＳＰのＳＰ１を記録する。次に、入力信号ＳＰをそれまで変化してきた方向と逆方向にゆっくりと変化させる。弁開度信号ＰＶの値が入力の変化に対応した時点の入力信号ＳＰ２を記録する。
【００７６】
このアルゴリズムは比例制御である場合、制御ループの外乱（この場合ヒステリシス）は、制御ループのループゲイン分の１となり、定常偏差が残る。
【００７７】
ここで、図９に示すように、ユニティフィードバックのシステムを考えた場合、下記の式５で表すことができる。
【００７８】
Ｙ（Ｓ）＝ＳＰ（Ｓ）
＊Ｇ（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））＋Ｄ（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））・・・・・式５
ここで、Ｇ（Ｓ）：システムの伝達関数、ＳＰ（Ｓ）：入力信号、Ｄ（Ｓ）：システム全体の流れ、Ｙ（Ｓ）：ステム変位である。
【００７９】
今、ＳＰ１（Ｓ）からＳＰ２（Ｓ）までＹ（Ｓ）に変化がなかったとすると、次の式６、式７を得ることができる。
【００８０】
Ｙ１（Ｓ）＝ＳＰ１（Ｓ）＊
Ｇ（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））＋Ｄ１（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））・・・・・式６
【００８１】
Ｙ２（Ｓ）＝ＳＰ２（Ｓ）＊
Ｇ（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））＋Ｄ２（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））・・・・・式７
【００８２】
Ｄ（Ｓ）の変化量がヒステリシスに当たる。ここで、Ｙ１（Ｓ）＝Ｙ２（Ｓ）なので上式をまとめ、Ｄ（Ｓ）の変化量の式に直すと次の式８になる。
【００８３】
Ｄ２（Ｓ）−Ｄ１（Ｓ）＝（ＳＰ１（Ｓ）−ＳＰ２（Ｓ））＊Ｇ（Ｓ）・・・式８
このように、ヒステリシスは入力の変化にループゲインを掛けた式になる。
【００８４】
ヒステリシスには符号がないので、
Ｈｙｓ＝｜ＳＰ１−ＳＰ２｜＊ループゲイン
で求めることができる。
【００８５】
具体的なヒステリシスの測定方法について、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。
【００８６】
先ず、測定信号を受け測定が開始されると、制御演算装置１２の制御アルゴリズムを比較制御する（ステップＳＴ３０）。ループゲインをヒステリシス測定用設定パラメータに置き換えると共に、入力信号ＳＰを初期値に設定する（ステップＳＴ３１）。弁開度信号ＰＶの値が静止するのを待つ（ステップＳＴ３２）。弁開度信号ＰＶが静止している場合は、入力信号ＳＰ＝ＳＰ＋ΔＳＰとし、入力信号ＳＰを少しずつ増加させる方向に変化させる（ステップＳＴ３３、ＳＴ３４）。弁開度信号ＰＶが動き出したら、その時の入力信号ＳＰの値をＳＰ１として記憶する（ステップＳＴ３３、ＳＴ３５）。弁開度信号ＰＶが静止するのを待つ（ステップＳＴ３６）。弁開度信号ＰＶが静止している場合は、入力信号ＳＰ＝ＳＰ−ΔＳＰとし、入力信号ＳＰを少しずつ減少させる方向に変化させる（ステップＳＴ３７、ＳＴ３８）。弁開度信号ＰＶが動き出したら、その時の入力信号ＳＰの値をＳＰ２として記憶する（ステップＳＴ３９）。Ｈｙｓ＝｜ＳＰ１−ＳＰ２｜＊ループゲインの式でヒステリシスを求める（ステップＳＴ４０）。Ｈｙｓの値をもとに、制御パラメータの計算を行う。微分時間＝ｆ（Ｈｙｓ）、積分時間＝ｆ（ＨｙS）である。
【００８７】
［３］スリップ現象の測定
スリップ現象を起こした場合のステムの動きは、図１１に示すように、バルブの駆動信号である圧力信号を増加させていき、バルブ部１５がヒステリシスを抜けた瞬間、バルブの弁開度信号は素早く動き、その後、圧力の変化に応じた変化速度に落ち着く。このように、ヒステリシスを抜けた瞬間、弁開度信号が滑るような動きをする現象をスリップ現象と呼び、この現象が大きく制御性に影響する。
【００８８】
具体的には、スリップ現象を起こしている区間は、制御不能状態である。従って、例えば、０．１パーセントなどの微少な弁開度を制御しようとした場合、スリップ現象を起こすと、０．１パーセントの位置で弁開度が静止できないため、行き過ぎが生じてしまう。行き過ぎが生じた時、行き過ぎを戻そうとして、制御演算装置１２が逆側に制御する。この時、又、行き過ぎが生じ、この繰り返しでリミットサイクルが起こる。リミットサイクルを止めるためには、スリップ現象が起こる区間では、積極的に制御を行わないようにすればよい。従って、スリップ現象を起こす区間は制御アルゴリズムを変更するなどの処理が必要になってくる。スリップ現象を、バルブのヒステリシスで説明したが、この現象は、位置センサーとステムとのリンク機構のガタが原因で起こる。従って、制御対象全体の特性で測定する必要がある。
【００８９】
測定方法としては、制御演算装置１２が出力する制御信号ＭＶをゆっくり変化させ、弁開度信号ＰＶの変化のようすを測定する。現象としては、制御対象がヒステリシスや不感帯などを抜けた瞬間、弁開度信号がある幅だけ素早く動き、その後は正常な変化をするので、弁開度信号の変化速度を測定すればよい。弁開度信号ＰＶが静止している状態から、弁開度信号ＰＶが動き出す時の変化速度のようすを示したのが図１２である。図１２において、弁開度信号ＰＶの変化速度の変極点を検出すれば、スリップ現象の幅が測定できる。
【００９０】
つまり、図１１において、弁開度信号ＰＶが静止している時の弁開度信号ＰＶ信号の値であるＰＶ３を記憶し、弁開度信号ＰＶの変化速度の変極点の時の弁開度信号ＰＶをＰＶ４とすることにより、スリップ幅は、スリップ幅＝｜ＰＶ４−ＰＶ３｜で求める。
【００９１】
又、単に、弁開度信号ＰＶが静止している初期値をＰＶ３とし、制御信号ＭＶの値を変化させてやり、弁開度信号ＰＶが動き出した後、短いある一定時間後の弁開度信号ＰＶをＰＶ４とすることにより、スリップ現象のデータとしてもよい。但し、この場合、測定誤差が大きくなる可能性はある。
【００９２】
具体的なスリップ現象の測定方法について、図１３のフローチャートを参照して説明する。
【００９３】
先ず、測定信号を受け測定がスタートする。制御信号ＭＶ＝初期値に設定する（ステップＳＴ５０）。弁開度信号ＰＶが静止するまで待つ（ステップＳＴ５１）。制御信号ＭＶ＝ＭＶ＋ΔＭＶとし、ゆっくりと制御信号を、弁開度信号ＰＶ値が動くまで変化させる（ステップＳＴ５２、ＳＴ５３）。この作業により、いったん制御対象のヒステリシスをリセットさせる。次に、弁開度信号ＰＶが静止するまで待つ。弁開度信号ＰＶが静止した時のＰＶ値をＰＶ３として記憶する。即ち、ＰＶ３＝ＰＶとする（ステップＳＴ５４、ＳＴ５５）。
【００９４】
次に、制御信号ＭＶ＝ＭＶ−ΔＭＶとし、ゆっくりと制御信号を今までとは逆方向に変化させる。今回の弁開度信号ＰＶの変化速度を測定する。弁開度信号ＰＶの変化速度の変極点を検出するまで繰り返す（ステップＳＴ５６、ＳＴ５７、ＳＴ５８、ＳＴ５９）。
【００９５】
そして、弁開度信号ＰＶの変化速度の変極点を検出した時の弁開度信号をＰＶ４として記憶する。即ち、ＰＶ４＝ＰＶ、スリップ幅＝｜ＰＶ４−ＰＶ３｜、制御アルゴリズムの切り替え条件＝ｆ（スリップ幅）で決定する（ステップＳＴ６０、ＳＴ６１）。
【００９６】
［４］電空変換機構部１３の動作点測定
電空変換機構部１３は、ノズルフラッパー機構を電磁アクチュエータで駆動し、ノズル背圧を変化させることにより、電空変換を行っている。この電空変換機構部１３はバルブポジショナ１０の場合、外部から供給される電気的エネルギーが制限されているため、ローパワーで働くことが求められ、電磁アクチュエータに供給できるエネルギーが限られている。従って、電空変換機構部１３に求められる変換ゲインを稼ぐために、ノズルフラッパ機構の前段の空気流量を絞り、ノズルフラッパー機構のゲインを上げている。その結果、ノズルとフラッパーの僅かな間隙で、電空変換を行うことになり、外乱に対して敏感になっていることと、バルブポジショナ１０に供給される供給圧の範囲は広いため、実際の動作点に対し、電空変換機構部１３の駆動信号は大幅に広く設計し、外乱や供給圧変動による動作点ズレを吸収できるような設計になっている。
【００９７】
制御演算装置１２は、内部に積分器を積んでおり、外乱に応じて制御信号ＭＶを変化させ、外乱を吸収している。従って、電源立ち上げ時などのリセット後、積分器の値がリセットされた場合、電空変換機構部１３の動作点がずれてしまい、積分器がワインドアップした状態のように、バルブ部１５からの弁開度信号ＰＶが定常値に戻るまでには長い時間を要し、素早く立ち上がれない。
【００９８】
この問題を解決するために、積分器の出力を不揮発性メモリ等に記憶させておけば、電源立ち上げ時などのリセット時でも電空変換機構部１３の動作点ズレは少なくてすむが、積分器の出力を不揮発性メモリなどに記憶することは実質的にできない。何故ならば、不揮発性メモリには更新回数の限界値があるため、データを定期更新した場合、いずれ劣化して故障してしまうためである。
【００９９】
この問題の解決方法としては、電空変換機構部１３の動作点を測定し、動作点をオフセット（Ｏｆｆｓｅｔ）として、不揮発性メモリに記憶しておくことにより、電源立ち上げ時等のリセット時にデータをロードすることにより、動作点が補正できる。
【０１００】
ＰＩＤ制御アルゴリズムを例にすると、例えば、電空変換機構部１３の動作点が制御信号ＭＶ＝５０である場合、積分器のリセット時の初期値がゼロである場合、入力信号ＳＰと弁開度信号ＰＶの偏差をＥとすると、積分器出力＝１／Ｔｉ∫Ｅｄｔ＝５０になるまで、定常偏差が残る（Ｔｉ；積分時間）。特に、積分時間が長い場合は、定常偏差がなくなるまで時間がかかる。従って、予め電空変換機構部１３の動作点を測定してＯｆｆｓｅｔ値として記憶しておき、ＰＩＤ演算部にたし込んでやれば、動作点補正ができ、たとえ積分器がリセットされても、立ち上がり時間は大幅に改善できる。即ち、制御信号ＭＶ＝Ｋｐ＊（Ｐ＋Ｉ＋Ｄ）＋Ｏｆｆｓｅｔ とすればよい。
【０１０１】
測定方法は、制御演算装置１２の制御アルゴリズムを少なくとも積分器がある制御アルゴリズムに設定し、入力信号ＳＰを５０パーセントに設定し、偏差が設定値、例えば±１パーセントに入るまで待つ。この時の制御信号ＭＶの値をＯｆｆｓｅｔ値として記憶する。このようにすることによって、次からのリセット時からの立ち上がり時間を短縮できる。
【０１０２】
具体的な電空変換機構部１３の動作点の測定方法について、図１４に示すフローチャートを参照して説明する。
【０１０３】
先ず、設定信号を受け測定が開始される。制御演算装置の制御アルゴリズムを比例積分（ＰＩ）制御にする（ステップＳＴ７０）。入力信号ＳＰに初期値を与える制御が始まり、弁開度信号ＰＶが入力信号ＳＰに近づく（ステップＳＴ７１）。入力信号ＳＰと弁開度信号ＰＶの偏差がある設定値以下になるまで制御を続ける。偏差がある設定値以下になった時点での制御信号ＭＶ値をＯｆｆｓｅｔとして記憶する。そして測定は終了する（ステップＳＴ７２、ＳＴ７３）。
【０１０４】
［５］診断機能について
制御対象部位１７の特性を、測定し、自動チューニングをする際、測定した制御対象部位１７の特性が一般的な制御対象部位と比べて、大きく逸脱した特性が得られた場合、それは、バルブポジショナ１０のインスタレーションエラーとも考えられるので、エラーメッセージ又はワーニングメッセージを出すことができるようにする。例えば、制御対象部位１７の応答速度測定結果が通常の値より、桁違いに遅い結果が出た場合は、バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０（図２参照）の漏れや、供給空気圧の設定ミスなどが考えられる。又、制御対象部位１７のヒステリシスの測定結果が、通常の値より大きい場合は、バルブ部１５のカジリや、変位センサーのステムへのリンクの異常等が考えられる。また、制御対象部位１７のスリップ幅の測定結果が、通常の値より大きい場合は、位置センサー１６の故障やバルブ部１５の故障が考えられる。更に、電空変換機構部１３の動作点の測定結果が、通常の値より大きくずれている場合は、供給空気圧の設定ミスや、電空変換機構部１３の故障などが考えられる。このような場合、自動チューニングが終わった後、作業者に知らせるようなメッセージを出力するようにする。
【０１０５】
【発明の効果】
上記説明したように、本発明に係るバルブポジショナは次に示すような効果を有する。
【０１０６】
（１）バルブポジショナに自動チューニング機能を備えたことにより、作業者を選ばず、誰でも容易にバルブポジショナのチューニングができるようになるという効果がある。
【０１０７】
（２）又、バルブポジショナに自動チューニング機能を備えることにより、バルブポジショナの立ち上がり工数を減らすことができるという効果がある。
【０１０８】
（３）更に、制御対象部位の特性から演算によりチューニングパラメータを求めることにより、正確なチューニングができるという効果がある。
【０１０９】
（４）制御対象部位の応答速度を測定することにより、バルブの特性のみならず、より正確なチューニング情報が得られるという効果がある。
【０１１０】
（５）制御対象部位のヒステリシスを測定することにより、より正確なチューニング情報が得られるという効果がある。
【０１１１】
（６）制御対象部位のスリップ幅を測定することにより、より正確なチューニング情報が得られるという効果がある。
【０１１２】
（７）電空変換機構部の動作点を測定することにより、バルブポジショナのリセット時からの立ち上がり時間を短くできるという効果がある。
【０１１３】
（８）制御対象部位を測定し、測定結果によってはエラーメッセージ又はワーニングメッセージを出すことにより、ポジショナのインスタレーションエラーを未然に妨げることができるという効果がある。
【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全体構成を略示的に示したブロック図である。
【図２】同図１におけるバルブ部を略示的に示した説明図である。
【図３】同図１における圧力増幅器の構造を示した平面図である。
【図４】同図３における圧力増幅器におけるノズル背圧と空気流量特性による不感帯を示したグラフである。
【図５】同図３における圧力増幅器のブリード孔の構成を示した説明図である。
【図６】同制御対象部位における応答速度を測定する手法を示したフローチャートである。
【図７】同制御対象部位における応答速度を測定する手法を示したフローチャートである。
【図８】同バルブ部のヒステリシスを計算するための手法を示した説明図である。
【図９】同ユニティフィードバックのシステムを示した概念図である。
【図１０】同ヒステリシスを求めるためのフローチャートである。
【図１１】同スリップ現象を起こした場合のステムの動きを示した説明図である。
【図１２】同ステム速度の変極点を示したグラフである。
【図１３】同スリップ幅を測定するための具体的な測定方法を示したフローチャートである。
【図１４】同積分器を搭載した制御演算装置における制御信号を測定する手法を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１０；バルブポジショナ、１１；信号受信装置、１２；制御演算装置、１３；電空変換機構部、１４；圧力増幅器、１５；バルブ部、１６；位置センサー、１７；制御対象部位、２０；空気アクチュエーター部、２１；ダイヤフラム、２２；スプリング、２３；ステム、２４；弁体、３０；供給圧室、３１；出力圧室、３２；給気弁座、３３；大気圧室、３４；排気弁座、３５；ポペット弁、３６；出力圧ダイアフラム、３７；入力圧ダイアフラム、３８；入力圧室、３９；ブリード孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、バルブポジショナに関するものであり、詳しくは入力信号を受信すると共に、バルブの弁開度を受信した入力信号に一致させるように制御するバルブポジショナにおいて、弁開度位置を検出して電気信号に変換する位置センサーと、この位置センサーからの信号を入力信号に一致させるように制御演算を行う制御演算部と、この制御演算部で演算した制御信号をバルブの駆動信号に変換する電空変換機構部とを具備し、これらから構成されている制御対象部位の特性を自動測定し、制御演算部のチューニングパラメータを制御対象部位の特性から演算により求めて、自動チューニングする機能を持つようにしたバルブポジショナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術におけるバルブポジショナは、内部に演算機能（ＣＰＵ等）を搭載しているので、バルブの弁開度を制御する制御アルゴリズムがソフトウェアで実現できるようになっている。この技術により、複雑な制御演算を行えるようになった為、バルブの制御性は前世代のメカニカル方式のバルブポジショナに比べると格段に制御性が向上している。その反面、制御アルゴリズムについては、その使用する制御パラメータが増えたことにより、そのチューニングも複雑になり、インスタレーションに工数がかかるようになった。この問題を解決するために、自動チューニング機能などを搭載する機種も出てきた。又、演算機能の利用は、制御演算の他にも、自己診断や、調節弁の診断等にも及ぶようになってきている。
【０００３】
しかし、バルブポジショナのチューニングが難しくしている原因の一つは、バルブポジショナが制御しなくてはならないバルブの種類が多機種に及ぶため、特定できないことにある。即ち、どのような特性を有するバルブがバルブポジショナに組み合わされるかが特定できないので、チューニングはどうしてもカットアンドトライの作業を繰り返すしかなかった。従って、チューニング作業を補助する機能を持ったバルブポジショナ、或いは自動チューニング機能を持つバルブポジショナが開発されるようになってきている。
【０００４】
この自動チューニング機能を具現化する自動チューニング方法として、▲１▼チューニング補助型のバルブポジショナと▲２▼自動チューニング型のバルブポジショナがある。
【０００５】
▲１▼チューニング補助型のバルブポジショナは、バルブポジショナに組み合わされるためのバルブの型名及びその種類や特性を作業者がバルブポジショナに入力することにより、バルブポジショナがそれらのデータをもとに適切なチューニングパラメータを選び出すという、所謂、セミオートチューニング方法のことである。
【０００６】
▲２▼自動チューニング型のバルブポジショナは、バルブポジショナにある自動設定信号を与えると、バルブのサイズやヒステリシスなどの特性を測定し、所定のパラメータテーブルから、制御パラメータのチューニングセットを選び出す方法である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術で説明したように、バルブポジショナにはバルブを制御するためのチューニングが困難であるため、上述のバルブの制御チューニング支援を行う機能である▲１▼チューニング補助型のバルブポジショナ、▲２▼自動チューニング型のバルブポジショナがあるが、それぞれは次に示すような問題点がある。
【０００８】
▲１▼の自動チューニング方法の問題点は、作業者がバルブの情報と知識が必要であるために、ある程度の専門能力を要求されることである。従って、バルブポジショナにバルブの情報や特性を入力しなければならないので、入力の工数がかかることになり、入力ミスなどの人的なミスを引き起こす危険性があるという問題がある。
【０００９】
▲２▼の自動チューニング方法の問題点は、無数の組み合わせが考えられるバルブの特性において、正確なチューニングを行おうとすると、バルブポジショナが持たなければならないパラメーターテーブルのデータ量が膨大になり、メモリなどのハードウェアが必要になりコストがかかることになる。この問題を解消するために、少ないパラメーターテーブルで済まそうとするならば、チューニングが粗くなり、正確性を欠いたチューニングとなるという問題がある。
【００１０】
このように、バルブポジショナ自体の要素において独特な特性からなる非線形性特性を持つものもあり、これらの影響を反映した実際的なチューニングができないという問題がある。これは、バルブポジショナの制御装置によっては制御対象はバルブだけではないからであり、具体的には、バルブの特性の測定方法によっては、正確な測定ができなかったり、測定に時間を要することにより、チューニングに係る時間が長くなるという問題がある。
【００１１】
従って、このような問題を解決し、より簡単に、より正確に、より早くバルブに対する自動チューニングを行う手法に解決しなければならない課題を有する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係るバルブポジショナは、次に示す構成にすることである。
【００１３】
（１） バルブの弁開度を設定する入力信号と、該バルブの弁開度を検出する位置センサーと、該位置センサーにより得られた弁開度信号と前記入力信号との偏差から前記バルブの弁開度を該入力信号に一致させるように制御演算して制御信号を生成する制御演算部と、該制御信号に基づいた空気流量を生成する電空変換機構部と、該電空変換機構部において生成された空気流量に基づく空気圧を前記バルブに供給する圧力増幅器とからなるバルブポジショナであって、
前記電空変換機構部と圧力増幅器と位置センサーとバルブとで構成されている制御対象部位は、自動設定信号を受けた時に、
前記バルブの弁開度が静止した状態から動き出す時に生じるスリップ現象のスリップ幅を測定し、該測定したスリップ幅からなるパラメータによって前記制御演算部で生成する制御信号のチューニングパラメータを演算すること
を特徴とするバルブポジショナ。
【００１６】
（２） 前記バルブの弁開度が静止した状態から動き出す時に生じるスリップ現象のスリップ幅を測定する際に、前記バルブの弁開度信号が静止していることを確認し、その時の弁開度ＰＶ１を記憶し、前記制御信号を変化させた時に前記弁開度信号が反応する際の弁開度信号の変化速度を測定し、弁開度信号の変化速度の変極点の時の弁開度信号ＰＶ２を記憶し、前記弁開度信号ＰＶ１とＰＶ２の差を、前記バルブのスリップ幅とすると共に該スリップ幅の値を記憶することを特徴とする（１）に記載のバルブポジショナ。
【００１７】
（３）前記バルブの弁開度が静止した状態から動き出す時に生じるスリップ現象のスリップ幅を測定する際に、前記弁開度信号が静止しているのを確認し、その時の弁開度ＰＶ１を記憶し、次に前記制御信号を変化させた時に前記バルブの弁開度信号が反応した後に、予め設定した短い時間後の弁開度信号ＰＶ２を記憶し、前記弁開度信号ＰＶ１とＰＶ２の差を、前記バルブのスリップ幅とすると共に該スリップ幅の値を記憶することを特徴とする（１）に記載のバルブポジショナ。
【００１８】
（４）記電空変換機構部と圧力増幅器と位置センサーとバルブとから構成されている制御対象部位は、自動設定信号を受けた時に、前記制御対象部位の特性を測定し、該測定した制御対象部位の特性の値が制御対象部位の特性からなる許容範囲情報の値を逸脱した場合には、外部に通信手段を通じて異常信号を出力することを特徴とする（２）乃至（３）に記載のバルブポジショナ。
【００１９】
このように、バルブのチューニングを自動的に行い且つ調節弁等の特性を測定したパラメータをチューニングパラメータにすることによって、チューニングの工数等を減らす事が可能であると共に正確なチューニングパラメータを設定することができるようになる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るバルブポジショナの実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
先ず、バルブポジショナは、制御するバルブを選べないのが宿命であり、どのような特性のあるバルブが取り付けられるかの特定ができない。即ち、バルブの空気アクチュエータの容量や、空気アクチュエータの入出力関係を決めるスプリングレンジ等の組み合わせは無数にあり、その組み合わせにより、応答特性がそれぞれ異なってくるからである。
【００２２】
又、バルブの持つ機械的摩擦力は、応答特性の無駄時間を助長し、応答特性を振動的にする作用がある。又、制御対象のもつ機械的摩擦力やガタから抜け出す時に、バルブが動き出す瞬間は、バルブの弁開度がある幅、素早く動き、滑るような動きをする、所謂、スリップ現象を引き起こす。このスリップ現象は、リミットサイクルのような振動現象を引き起こす。従って、バルブポジショナは、このようなバルブの持つ非線形性を吸収して入力信号に対し線形且つ安定して、制御しやすい特性にすることが求められている。
【００２３】
このように、バルブの持つ非線形性を吸収して入力信号に対し線形且つ安定し、制御し易い特性にするバルブポジショナが求められているが、この機能が要求されているバルブポジショナの開発にあたって、問題が二つある。
【００２４】
第一の問題は、バルブの非線形性を吸収するための制御アルゴリズムの設計である。制御アルゴリズムの設計により、バルブポジショナの制御性がほぼ決まると考えられるので、設計には細心の注意が払われるが、制御対象の非線形性を吸収するためには、制御アルゴリズムが複雑にならざるを得ない。その結果、制御アルゴリズムのチューニングパラメータも増えてきている。
【００２５】
第二の問題は、設計した制御アルゴリズムを制御対象に適用させるためのチューニングの方法である。例えば、ＰＩＤ制御アルゴリズムを例にとっても、チューニングパラメータは、比例ゲイン、積分時間、微分時間の三種類のチューニングパラメータが存在し、制御アルゴリズムを複雑にするにつれて制御パラメータは増えるため、チューニングを更に複雑化する傾向にある。チューニングが複雑化すると、チューニングに多大な工数が要求され、使い勝手が悪くなる。
【００２６】
従って、バルブポジショナの機能としては、自動的にチューニングパラメータを決定する機能が要求されるようになってきた。そして、自動的にチューニングパラメータを決める為には、制御対象の代表的な特性を把握する必要がある。制御対象の特性を把握するとしても、その中には、制御に大きな影響を与えるパラメータが存在し、それは、▲１▼制御対象の応答速度、▲２▼制御対象のヒステリシス、▲３▼制御対象のヒステリシスから生じるスリップ現象である。
【００２７】
このようなことを前提として、本願発明に係るバルブポジショナは、図１に示すように、最も一般的なものである空気圧で駆動するバルブを有する空気式バルブポジショナ１０である。この空気式バルブポジショナの構成は、入力信号を受信する信号受信装置１１と、バルブの弁開度を電気的な信号に変換した弁開度信号ＰＶと入力信号ＳＰとの偏差に基づいて入力信号ＳＰに一致させるように制御演算して制御信号ＭＶを出力する制御演算部である制御演算装置１２と、この制御信号ＭＶに基づいて空気流量を生成する電空変換機構部１３と、この空気流量に基づく空気圧をバルブ部１５に供給する圧力増幅器１４と、この空気圧に基づいてステムを変化させて弁体を調節するバルブ、即ち、バルブ部１５と、バルブ部１５のステム変位を検出して弁開度信号ＰＶを生成する位置センサー１６とから構成されている。この中で、電空変換機構部１３と圧力増幅器１４と位置センサー１６とバルブ部１５とで制御対象部位１７を構成する。
【００２８】
バルブ部１５は、図２に示すように、圧力増幅器１４からの空気圧信号Ｐoを受け入れる空気アクチュエータ部２０と、この空気アクチュエータ部２０に連設されているステム２３と、ステム２３の動きに連動して弁の開閉をする弁体２４とから構成されている。アクチュエータ部２０は、内部に空気室を設け、この空気室を二分割するようにして配置したダイアフラム２１と、ダイヤフラム２１を所定位置に弾性維持するスプリング２２とからなり、このダイアフラム２１の動きがステム２３に連動する構造となっている。
【００２９】
このような構成からなるバルブポジショナ１０において、先ず、信号受信装置１１がバルブ部１５の弁開度を設定する入力信号ＳＰを受信すると、制御演算装置１２において、この受信した入力信号ＳＰとバルブ部１５からのフィードバックされた弁開度信号ＰＶとの偏差により、入力した入力信号ＳＰにより弁開するバルブ部１５の実際の弁開と一致するように制御演算して制御信号ＭＶを生成する。この制御信号ＭＶは電空変換機構部１３に供給され、制御信号ＭＶに応じた空気流量を出力し圧力増幅器１４へ信号を与える。圧力増幅器１４は電空変換機構部１４により得られた信号に応じた空気流量と、空気圧信号Ｐｏを出力しバルブ部１５に供給する。バルブ部１５は、圧力増幅器１４から出力された空気圧信号Ｐｏを受け、空気アクチュエータ部２０内のダイヤフラム２１で圧力を受け、物理的な力に変換しステム２３にその変換した力を伝えステム２３を上下動させる。ステム２３は、プロセスの流体が流れる配管内の弁体２４に連結しており、ステム２３の動きに応じて、弁を開閉することによりプロセスの流体の流量を調節する。ここで、バルブポジショナ１０に内蔵されている位置センサー１６はリンク機構を通じてステム２３に連結されており、ステム２３の上下動する位置に応じた電気信号からなる弁開度信号ＰＶを制御演算装置１２にフィードバックして与える。これにより、バルブポジショナ１０とバルブ部１５は閉ループを構成し、バルブポジショナ１０は弁開度を制御する仕組みになっている。
【００３０】
このような、バルブポジショナ１０とバルブ部１５のシステムにおいて、制御演算装置１２の制御対象となる制御対象部位１７は、制御演算装置が出力する制御信号ＭＶ値から、位置センサー１６がセンシングする弁開度信号ＰＶ値までの信号変換要素の全てを指す。即ち、制御対象部位１７は、電空変換機構部１３と圧力増幅器１４とバルブ部１５と位置センサー１６とから構成されることになる。
【００３１】
制御演算装置１２では、制御対象部位１７の持つ飽和性や、非線形特性などが効率良く吸収するために、チューニングを行うにあたって、制御対象部位１７の特性を測定することにより、正確なチューニングができる。本発明においては、このような制御対象部位１７の特性を、自動的に測定し制御演算装置１２のチューニングパラメータを自動チューニングする。
【００３２】
以下、自動チューニングするために必要な［１］制御対象部位１７の応答速度、［２］制御対象部位１７のヒステリシス測定、［３］スリップ現象の測定、［４］電空変換機構部１３の動作点測定、［５］診断機能の順に説明する。
【００３３】
［１］制御対象部位１７の応答速度
制御対象部位１７の応答速度とは、制御演算装置１２が制御演算して生成する制御信号ＭＶの速度を示している。制御対象部位１７の応答速度がわかることにより、入力信号ＳＰと弁開度信号ＰＶの偏差をどれくらいの割合で増幅し、制御信号ＭＶとして出力すればよいかが計算できる。従って、バルブポジショナ１０とバルブ部１５のシステムのループゲインが決定できる。
【００３４】
空気アクチュエーター部２０で駆動してバルブ制御するバルブポジショナ１０の場合、応答速度の殆どは、圧力増幅器１４が処理できる空気処理能力と、バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０のサイズや、スプリング２２のレンジで決まってくる。空気アクチュエーター部２０には、図２で示したようなダイヤフラム式のものや、図示しないシリンダー内にピストンを持つ方式のものがある。
【００３５】
工場内で作られる空気圧は、安全性の面とコスト面から通常１０ｋｇｆ／ｃｍ2より少ない圧力である。又、１０ｋｇｆ／ｃｍ2がそのままバルブポジショナ１０に供給されるのではなく、減圧弁で絞った１．４ｋｇｆ／ｃｍ2から４ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力がバルブポジショナ１０に供給される。一方、バルブ部１５の空気アクチュエータ部２０は、弁体２４を流れる流体圧に打ち勝つだけの力を発生しなければならないので、そのダイヤフラム２１の面積又はシリンダーの断面積は大きく設計されている。従って、空気アクチュエータ部２０を駆動するためには、大容量の空気量が必要になる。
【００３６】
ここで、バルブポジショナ１０の圧力増幅器１４の処理できる空気量には限りがあるので、その応答速度は圧力増幅器１４が処理できる流量に依存する。つまり、バルブポジショナ１０の制御対象の応答速度は、殆どこの空気アクチュエータ部２０が必要とする空気量と圧力増幅器１４が処理できる空気処理量に支配されている。このようにして、バルブポジショナ１０の応答速度は、バルブ部１５の空気アクチュエータ部２０のサイズにより決まると思われがちだが、空気アクチュエータ部２０に空気流量を与え、駆動する圧力増幅器１４の空気処理流量により決まる。何故ならば、同じ空気アクチュエータ部２０のサイズを採用したバルブ部１５でも、圧力増幅器１４の空気処理能力が多ければ、応答速度は早くなるが、空気処理能力が少なければ、その応答速度は遅くなるからである。そして、圧力増幅器１４の空気処理能力は、バルブポジショナ１０に供給される供給圧や、バルブ部１５への空気配管の径や長さにより異なり、バルブポジショナ１０は、どのような条件でバルブ部１５に取り付けられるかが選べないのである。
【００３７】
このようにして、制御対象部位１７の応答速度を測定するにあたっては、圧力増幅器１４の処理する空気処理量に対しての、バルブ弁開度の応答速度を測定することによって得られる。具体的には、圧力増幅器１４が処理できる空気流量の範囲内で一定の空気流量をバルブ部１５の空気アクチュエータ部２０に与え、弁開度信号ＰＶの変化速度を測定することにより、応答速度が測定できる。
【００３８】
次に、制御対象部位１７の応答速度の測定方法について具体的に以下説明する。
【００３９】
制御対象部位１７の応答速度を測定する第１の測定方法は、最も簡単な手法であり、圧力増幅器１４の入力を最大にして、圧力増幅器１４の吸気空気処理量を飽和させる。或いは逆に、圧力増幅器１４の入力を最小にして、圧力増幅器１４の排気空気処理量を飽和させることにより、バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０に供給する空気流量を決定する方法である。その状態で、位置センサー１６の出力である弁開度信号ＰＶの変化速度を測定すればよい。しかしながら、この方法では以下に示す理由から測定値の誤差が大きく、うまく測定できない。
【００４０】
▲１▼圧力増幅器１４の最大処理流量をバルブ部１５に供給することになるので、バルブポジショナ１０内部の空気回路を流れる場合の圧損の影響が大きくなる。又、同様にバルブポジショナ１０とバルブ部１５を連結している空気配管径の圧損が大きくなるためである。▲２▼比較的小さな空気アクチュエーター部２０を持つバルブ部１５の場合、弁開度の変化速度が速すぎて、測定のばらつきが大きくなる。▲３▼圧力の変化が大きいので、空気流量が一定に保てず、測定誤差が大きくなる。▲４▼実際バルブ部１５を制御する時の空気流量の変化量は、圧力増幅器１４の処理流量の限界値ではないので、限界値で測定したデータと、実際制御する際の特性に差があるためである。
【００４１】
このような問題点を解決したのが本願発明に係る圧力増幅器１４における測定手法である。以下、制御対象部位１７の応答速度を測定する第２の測定方法について説明する。
【００４２】
制御対象部位１７の応答速度を測定する第２の測定方法は、図３に示した圧力増幅器１４における測定手法に関するものであり、この圧力増幅器１４は、供給圧室３０と出力圧室３１を給気弁座３２で連通し、出力圧室３１と大気圧室３３を排気弁座３４で連通し、給気弁座３２の開口面積を調節する弁体と排気弁座３４の開口面積を調節する弁体が一体になったポペット弁３５が装備されている。排気弁座３４には、出力圧ダイヤフラム３６と入力圧ダイヤフラム３７が取り付けられおり、出力圧ダイヤフラム３６と入力圧ダイヤフラム３７の中間には、大気圧室３３が設けられ、それぞれ、出力圧室３１と大気圧室３３、大気圧室３３と入力圧室３８の空気の流れを遮断している。排気弁座３４は、入力圧により入力圧ダイヤフラム３７が受ける力と、出力圧により出力圧ダイヤフラム３６が受ける力の差の力を受け、図３に対して、左右方向に移動する構造となっている。排気弁座３４が移動することにより、ポペット弁３５と排気弁座３４の開口面積を変化させることができ、出力圧室３１の空気量の排気流量を調節することができる。又、排気弁座３４がポペット弁３５と接触し、図３に対して更に左側に動くことにより、排気弁座３４はポペット弁３５を左側に押すことにより、給気弁座３２とポペット弁３５の開口面積を変化させることができ、出力圧室３１に供給圧室３０から空気流量の供給を調節することができる。このようにして、出力圧室３１の空気量の給排気調節を行い、排気弁座３４はある状態でバランスし、出力圧を入力圧に応じて変化することができる。又、図３の場合は、供給圧室３０と出力圧室３１の間にブリード孔３９が設けられ、供給圧室３０と出力圧室３１を一定の面積で連通している。尚、ブリード孔３９が出力圧室３１と大気圧室３３に設けられている構造の圧力増幅器も存在する。
【００４３】
次に、このような構造からなる圧力増幅器１４における動作について説明する。
【００４４】
先ず、▲１▼定常状態の場合、入力圧が一定であり、排気弁座３４がバランスしている場合に、ポペット弁３５は供給圧により力を受け、給気弁座３２に押しつけられている。従って、給気弁座３２は遮断されているが、ブリード孔３９から供給圧室３０の空気が出力圧室３１へ流れ込む。定常状態では、出力圧と入力圧の関係は崩れないので、出力圧室３１にブリード孔３９を通じて流れ込んだ流量は、排気弁座３４とポペット弁３５が作る隙間から排気されることになる。言い換えれば、ブリード孔３９から流れ込んだ流量を排気するための開口面積を保つように、排気弁座３４の位置が力のバランスにより決まる。従って、定常状態では、排気弁座３４とポペット弁３５は接触していない。
【００４５】
▲２▼排気動作をする場合、入力圧が減るか若しくは何らかの外乱で出力圧が増えた場合、排気弁座３４は図３に対して、左側に動き、ポペット弁３５との開口面積が減る。この時、ブリード孔３９から出力圧室３１に流れ込む流量に対して、出力圧室３１の空気が大気圧に排気される流量が減るので、出力圧室３１の圧力が上がる。更に、入力圧を増やした場合、排気弁座３４はポペット弁３５に接触し、出力圧室３１と大気圧室３３の流路を遮断する。この時、すぐに給気弁座３２とポペット弁３５は開かない。何故ならば、ポペット弁３５は、供給圧からその面積に応じた力を受け、その力は給気弁座３２で支えられているからである。更に、入力圧を増やした場合又は何らかの外乱で出力圧が増えた場合、ポペット弁３５が供給圧室３０から受けている力が全て、排気弁座３４に移った後に初めて排気弁座３４はポペット弁３５を、図３に対して左側に押し開けられ、給気弁座３２に対して開口面積を調節することができ、供給圧室３０から出力圧室３１に流れ込む流量を調節することができる。従って、排気弁座３４がポペット弁３５に接触し、給気弁座３２から押し開けるまでは、ポペット弁３５と給気弁座３２は閉まったままなので、供給圧室３０から出力圧室３１に流れ込む流量は、ブリード孔３９の面積により決まるので、その間の入力圧の変化量、或いは外乱により出力圧の増加量に対して流量の変化はないので不感帯となる。図４は、入力空気圧と出力空気流量の特性を示したもので、ブリード孔３９が出力圧室３１と大気圧室３３の間にある場合は、反対に排気方向に対して、不感帯が生じる。
【００４６】
このように、圧力増幅器１４の動作原理により、ポペット弁３５と給気弁座３２、或いは、ポペット弁３５と排気弁座３４の開口面積を一定に保てれば、バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０（図２参照）に送り込む空気流量は一定にできる。この方法は、電空変換機構部１３にある一定の制御信号ＭＶ値の変化を加えればよいが、排気弁座３４の変位は、出力圧や、入力圧のちょっとした変化により変化してしまうので、ポペット弁３５と給気弁座３２、或いはポペット弁３５と排気弁座３４の開口面積を一定に保つことは困難である。そこで、圧力増幅器１４の構造と特性に注目し、図３に示す方式の圧力増幅器１４特有の不感帯を利用して、一定の開口面積で供給圧室３０と出力圧室３１、或いは出力圧室３１と大気圧室３３を保つ方法が考えられる。
【００４７】
圧力増幅器１４の動作原理で説明したように、この方式の圧力増幅器１４には、入力圧と出力空気流量の関係に不感帯が存在する。その不感帯を利用することにより、ポペット弁３５と給気弁座３２及び排気弁座３４の両方が閉まった状態を作り出すのは、比較的容易である。何故ならば、圧力増幅器１４の不感帯幅は比較的広いからである。つまり、制御信号ＭＶ値をある範囲の中に収めることにより、電空変換機構部１３の出力がある範囲に収まり、圧力増幅器１４の入力圧を圧力増幅器１４の不感帯内に収めることができる。その状態では空気の流れはブリード孔３９を通じてのみとなる。ブリード孔３９の面積は固定で決まっており、ブリード孔３９が供給圧室３０と出力圧室３１の間にある場合は、バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０に流れ込む空気流量は一定となる。又、ブリード孔３９が出力圧室３１と大気圧室３３の間にある場合は、バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０から流れる空気流量は一定となる。
【００４８】
このような状態での、バルブ部１５の弁開度信号ＰＶの変化速度を測定する。ブリード孔３９の面積は既知であり一定なので、ブリード孔３９の面積に対するポペット弁３５と給気弁座３２の関係、或いはポペット弁３５と排気弁座３４の関係に置き換えれば、圧力増幅器１４が駆動できるバルブ部１５の応答速度が計算により求めることができる。このような工夫をしても厳密にいうと、空気アクチュエーター部２０に供給する空気流量は一定ではない。
【００４９】
ところで、圧力増幅器１４が不感帯に入った場合のモデルは、図５のように表わすことができる。このような場合、ブリード孔３９を流れる空気流量Ｑは、絞りの流量の式から次の式１で表すことができる。
【００５０】
Ｑ＝Ｃｒ＊Ａ＊Ｐｓ＊Ψ（Ｐｏ／Ｐｓ）・・・・・式１
ここで、Ｃｒ：流量係数、Ａ：ブリード孔面積、Ｐｓ：供給圧、Ｐｏ：出力圧、
Ψ（）：特性関数である。
【００５１】
▲１▼上記式１におけるΨ（Ｐo／Ｐs）がＰ1／Ｐs＜０．５２８の時のΨ（Ｐo／Ｐs）は次の式２で表すことができる。
【００５２】
▲２▼上記式１におけるΨ（Ｐo／Ｐs）が０．５２８≦Ｐo／Ｐs≦０．９の時の
Ψ（Ｐo／Ｐs）は次の式３で表すことができる。
【００５４】
Ψ（Ｐｏ／Ｐｓ）＝｛２ｇＫ／（ＲＴ（Ｋ−１）｝1/2
・｛（Ｐｏ／Ｐｓ）2/K−（Ｐｏ／Ｐｓ）(K+1)/K｝1/2・・・・・式３
【００５５】
▲３▼上記式１におけるΨ（Ｐo／Ｐs）が０．９＜Ｐo＜Ｐsの時のΨ（Ｐo／Ｐs）は次の式４で表すことができる。
【００５６】
Ψ（Ｐｏ／Ｐｓ）＝｛２ｇ／ＲＴ｝1/2
・｛（Ｐｏ／Ｐｓ）−（Ｐｏ／Ｐｓ）2｝1/2・・・・・式４
【００５７】
但し、ｇ＝９８０ｃｍ／ｓ２、ｋ＝比熱比（空気＝１．４）、Ｒ＝気体定数２９２７ｃｍ／°ｋ、Ｔ＝絶対温度°ｋ、Ｃｒ＝流量係数、Ａ＝面積（ｃｍ2）、Ｐ１、Ｐ２＝絶対圧力ｋｇｆ／ｃｍ2である。
【００５８】
従って、Ψ（Ｐo／Ｐs）がＰo／Ｐs／０．５２８の状態で測定すれば、流量Ｑは一定となるが、Ψ（Ｐo／Ｐs）がＰo／Ｐs≦０．５２８の状態で測定した場合、出力圧Ｐoの変化により、流量Ｑが変化してしまう。しかし、これも、供給圧Ｐｓに対し、出力圧Ｐｏが小さく、圧力変化の少ない区間で測定することにより、誤差を小さくすることができる。
【００５９】
又、この方法の場合、電空変換機構部１３の応答速度が考慮されていないが、電空変換機構部１３の応答速度は、圧力増幅器１４とバルブ部１５の空気アクチュエーター部１５の応答速度に対して十分早いので、考慮しなくとも測定誤差の中に埋もれてしまう。又、電空変換機構部１３の応答速度をある一定値で考慮することにより、制御対象部位１７の応答速度が求められる。
【００６０】
次に、具体的な応答速度を測定するための手順をフローチャートを参照して説明する。
【００６１】
第１の測定方法の手順について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。
【００６２】
先ず、設定信号を受けて測定が開始すると、制御信号ＭＶ値の初期化が行われるステップＳＴ１０）。弁開度信号ＰＶ値が予め設定されている値Ｙ１より低くなることを確認し、低くなると、次に、制御信号ＭＶ＝初期値＋ΔＭＶとして、圧力増幅器１４の不感帯の不感帯に排気弁座３４を入れる（ステップＳＴ１１、ＳＴ１２）。この状態で、ポペット弁３５と給気弁座３２と排気弁座３４は閉まった状態となり、ブリード孔３９だけは、バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０に空気の流量を与える。
【００６３】
次に、弁開度信号ＰＶ値が予め設定されている値Ｙ１を超えるのを確認する（ステップＳＴ１３）。Ｙ１を超えるのを確認した後に、タイマーをスタートさせ、弁開度信号ＰＶ値がＹ１の値よりも大きな予め設定されている値Ｙ２を超えるのを確認する。Ｙ２を超えるのを確認した後にタイマーをストップさせる（ステップＳＴ１４、ＳＴ１５、ＳＴ１６）。
【００６４】
そして、応答速度を移動したＹ２−Ｙ１の値とそれに要した時間で割ることにより求める。そして、チューニングパラメータであるループゲインを応答速度から求めて測定は終了する（ステップＳＴ１７、ＳＴ１８）。
【００６５】
次に、第２の測定方法の手順について、図７に示すフローチャートを参照して説明する。
【００６６】
先ず、設定信号を受け測定が開始されると、制御信号ＭＶ値を初期化する（ステップＳＴ２０）。そして、弁開度信号ＰＶ値が予め設定されている値Ｙ１より低くなることを確認する。Ｙ１より低くなることを確認した後に、制御信号ＭＶ＝初期値＋ΔＭＶとして、圧力増幅器１４の不感帯に排気弁座３４を入れる（ステップＳＴ２１、ＳＴ２２）。この状態でポペット弁３５と給気弁座３２と排気弁座３４は閉まった状態となり、ブリード孔３９だけで、バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０に空気の流量を与える。そして、弁開度信号ＰＶ値がＹ１を超えるのを確認する（ステップＳＴ２３）。Ｙ１を超えたことを確認した後にタイマーをスタートさせる。そして、タイマーをスタートさせた後に単位時間待つ（ステップＳＴ２４、ＳＴ２５）。
【００６７】
単位時間経った時の弁開度信号ＰＶ値をＹ２とする（ステップＳＴ２６）。応答速度を移動したＹ２−Ｙ１の値とそれに要した単位時間で割ることにより求める。そして、チューニングパラメータであるループゲインを応答速度から求めて測定は終了する（ステップＳＴ２７）。
【００６８】
［２］制御対象部位１７のヒステリシス測定
制御対象部位１７のヒステリシスとは、制御演算装置１２が出力する制御信号ＭＶから、位置センサー１６が出力する弁開度信号ＰＶまでの入出力関係に存在するヒステリシスのことである。このヒステリシスは、制御対象部位１７の特性の非線形性の代表格であり、その特性が制御に与える影響は大きい。制御対象部位１７がヒステリシスを抜けるまで、弁開度信号ＰＶは変化しないので、制御信号ＭＶを与えた時から、弁開度信号ＰＶが変化するまで遅れ時間が生じる。この遅れ時間は無駄時間となり、大きな位相遅れ要因となる。従って、制御演算装置１２が例えばＰＩＤ制御アルゴリズムを持っているとすると、位相補償を行っている微分時間や、積分時間のチューニングパラメータに影響する。
【００６９】
このヒステリシスの測定手法は、図１に示す電空変換機構部１３、圧力増幅器１４のヒステリシスを予めわかっているとすると、バルブ部１５のヒステリシスを直接測定する手法である。
【００７０】
このバルブ部１５のヒステリシスの測定は、図８に示すように、制御信号ＭＶをバルブ部１５から得られる弁開度信号ＰＶが変化するまで増加させ、弁開度信号ＰＶが変化した後に、制御信号ＭＶをバルブ部１５から得られた弁開度信号ＰＶが逆方向に変化するまで減少させる。この一連の動作のバルブ部１５の駆動信号である圧力信号と弁開度信号ＰＶを記憶することにより、バルブ部１５のヒステリシスは計算できる。このようにして、一連の圧力信号と弁開度信号ＰＶのデータを測定することにより、ヒステリシスを測定できるが、データ量が多くなるため、メモリなどのハードウエアのリソースが大量に必要になる。従って、ステムの動きを監視し、図８の▲３▼と▲４▼の圧力のデータのみを記憶することにより、ヒステリシスを計算することもできる。
【００７１】
しかしながら、この方法では、バルブ部１５の駆動信号である圧力を測定するセンサーが必要になるので、コスト、消費電力の点から不利になる。又、この方法の場合、バルブ部１５のヒステリシスしか測定できないというデメリットもある。
【００７２】
バルブ部１５の駆動信号を検出するセンサーがなくとも、ヒステリシスを測定する方法もある。その方法とは、制御信号ＭＶと弁開度信号ＰＶの入出力関係を測定することによりヒステリシスを測定する方法である。
【００７３】
即ち、制御信号ＭＶをゆっくり変化させ、弁開度信号ＰＶの変化を検出し、弁開度信号ＰＶに変化が現れたときの制御信号ＭＶ値であるＭＶ１を記録し、制御信号ＭＶを今まで変化した方向と逆方向に変化させ、弁開度信号ＰＶ値が変化した時の制御信号ＭＶ値であるＭＶ２を記録し、ＭＶ１−ＭＶ２によりヒステリシスは求められる。
【００７４】
しかし、この方法は、バルブポジショナ１０とバルブ部１５をオープンループにして測定するため、制御信号ＭＶ値の変化に対して、電空変換機構部１３＋圧力増幅器１４のゲインが高く設定されている場合は測定が困難である。従って、本発明では、バルブポジショナ１０とバルブ部１５をクローズトループにして、測定する方法を提案するものである。
【００７５】
制御演算装置１２の制御アルゴリズムを、少なくとも比例制御を持つ制御アルゴリズムとする。例えば、比例制御、或いは比例、微分制御とする。この制御アルゴリズムに、ある入力値を与え、弁開度信号ＰＶの値を整定したことを確認して入力信号ＳＰをゆっくりと変化させていく。弁開度信号ＰＶの値が入力の変化に反応した時点の入力信号ＳＰのＳＰ１を記録する。次に、入力信号ＳＰをそれまで変化してきた方向と逆方向にゆっくりと変化させる。弁開度信号ＰＶの値が入力の変化に対応した時点の入力信号ＳＰ２を記録する。
【００７６】
このアルゴリズムは比例制御である場合、制御ループの外乱（この場合ヒステリシス）は、制御ループのループゲイン分の１となり、定常偏差が残る。
【００７７】
ここで、図９に示すように、ユニティフィードバックのシステムを考えた場合、下記の式５で表すことができる。
【００７８】
Ｙ（Ｓ）＝ＳＰ（Ｓ）
＊Ｇ（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））＋Ｄ（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））・・・・・式５
ここで、Ｇ（Ｓ）：システムの伝達関数、ＳＰ（Ｓ）：入力信号、Ｄ（Ｓ）：システム全体の流れ、Ｙ（Ｓ）：ステム変位である。
【００７９】
今、ＳＰ１（Ｓ）からＳＰ２（Ｓ）までＹ（Ｓ）に変化がなかったとすると、次の式６、式７を得ることができる。
【００８０】
Ｙ１（Ｓ）＝ＳＰ１（Ｓ）＊
Ｇ（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））＋Ｄ１（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））・・・・・式６
【００８１】
Ｙ２（Ｓ）＝ＳＰ２（Ｓ）＊
Ｇ（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））＋Ｄ２（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））・・・・・式７
【００８２】
Ｄ（Ｓ）の変化量がヒステリシスに当たる。ここで、Ｙ１（Ｓ）＝Ｙ２（Ｓ）なので上式をまとめ、Ｄ（Ｓ）の変化量の式に直すと次の式８になる。
【００８３】
Ｄ２（Ｓ）−Ｄ１（Ｓ）＝（ＳＰ１（Ｓ）−ＳＰ２（Ｓ））＊Ｇ（Ｓ）・・・式８
このように、ヒステリシスは入力の変化にループゲインを掛けた式になる。
【００８４】
ヒステリシスには符号がないので、
Ｈｙｓ＝｜ＳＰ１−ＳＰ２｜＊ループゲイン
で求めることができる。
【００８５】
具体的なヒステリシスの測定方法について、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。
【００８６】
先ず、測定信号を受け測定が開始されると、制御演算装置１２の制御アルゴリズムを比較制御する（ステップＳＴ３０）。ループゲインをヒステリシス測定用設定パラメータに置き換えると共に、入力信号ＳＰを初期値に設定する（ステップＳＴ３１）。弁開度信号ＰＶの値が静止するのを待つ（ステップＳＴ３２）。弁開度信号ＰＶが静止している場合は、入力信号ＳＰ＝ＳＰ＋ΔＳＰとし、入力信号ＳＰを少しずつ増加させる方向に変化させる（ステップＳＴ３３、ＳＴ３４）。弁開度信号ＰＶが動き出したら、その時の入力信号ＳＰの値をＳＰ１として記憶する（ステップＳＴ３３、ＳＴ３５）。弁開度信号ＰＶが静止するのを待つ（ステップＳＴ３６）。弁開度信号ＰＶが静止している場合は、入力信号ＳＰ＝ＳＰ−ΔＳＰとし、入力信号ＳＰを少しずつ減少させる方向に変化させる（ステップＳＴ３７、ＳＴ３８）。弁開度信号ＰＶが動き出したら、その時の入力信号ＳＰの値をＳＰ２として記憶する（ステップＳＴ３９）。Ｈｙｓ＝｜ＳＰ１−ＳＰ２｜＊ループゲインの式でヒステリシスを求める（ステップＳＴ４０）。Ｈｙｓの値をもとに、制御パラメータの計算を行う。微分時間＝ｆ（Ｈｙｓ）、積分時間＝ｆ（ＨｙS）である。
【００８７】
［３］スリップ現象の測定
スリップ現象を起こした場合のステムの動きは、図１１に示すように、バルブの駆動信号である圧力信号を増加させていき、バルブ部１５がヒステリシスを抜けた瞬間、バルブの弁開度信号は素早く動き、その後、圧力の変化に応じた変化速度に落ち着く。このように、ヒステリシスを抜けた瞬間、弁開度信号が滑るような動きをする現象をスリップ現象と呼び、この現象が大きく制御性に影響する。
【００８８】
具体的には、スリップ現象を起こしている区間は、制御不能状態である。従って、例えば、０．１パーセントなどの微少な弁開度を制御しようとした場合、スリップ現象を起こすと、０．１パーセントの位置で弁開度が静止できないため、行き過ぎが生じてしまう。行き過ぎが生じた時、行き過ぎを戻そうとして、制御演算装置１２が逆側に制御する。この時、又、行き過ぎが生じ、この繰り返しでリミットサイクルが起こる。リミットサイクルを止めるためには、スリップ現象が起こる区間では、積極的に制御を行わないようにすればよい。従って、スリップ現象を起こす区間は制御アルゴリズムを変更するなどの処理が必要になってくる。スリップ現象を、バルブのヒステリシスで説明したが、この現象は、位置センサーとステムとのリンク機構のガタが原因で起こる。従って、制御対象全体の特性で測定する必要がある。
【００８９】
測定方法としては、制御演算装置１２が出力する制御信号ＭＶをゆっくり変化させ、弁開度信号ＰＶの変化のようすを測定する。現象としては、制御対象がヒステリシスや不感帯などを抜けた瞬間、弁開度信号がある幅だけ素早く動き、その後は正常な変化をするので、弁開度信号の変化速度を測定すればよい。弁開度信号ＰＶが静止している状態から、弁開度信号ＰＶが動き出す時の変化速度のようすを示したのが図１２である。図１２において、弁開度信号ＰＶの変化速度の変極点を検出すれば、スリップ現象の幅が測定できる。
【００９０】
つまり、図１１において、弁開度信号ＰＶが静止している時の弁開度信号ＰＶ信号の値であるＰＶ３を記憶し、弁開度信号ＰＶの変化速度の変極点の時の弁開度信号ＰＶをＰＶ４とすることにより、スリップ幅は、スリップ幅＝｜ＰＶ４−ＰＶ３｜で求める。
【００９１】
又、単に、弁開度信号ＰＶが静止している初期値をＰＶ３とし、制御信号ＭＶの値を変化させてやり、弁開度信号ＰＶが動き出した後、短いある一定時間後の弁開度信号ＰＶをＰＶ４とすることにより、スリップ現象のデータとしてもよい。但し、この場合、測定誤差が大きくなる可能性はある。
【００９２】
具体的なスリップ現象の測定方法について、図１３のフローチャートを参照して説明する。
【００９３】
先ず、測定信号を受け測定がスタートする。制御信号ＭＶ＝初期値に設定する（ステップＳＴ５０）。弁開度信号ＰＶが静止するまで待つ（ステップＳＴ５１）。制御信号ＭＶ＝ＭＶ＋ΔＭＶとし、ゆっくりと制御信号を、弁開度信号ＰＶ値が動くまで変化させる（ステップＳＴ５２、ＳＴ５３）。この作業により、いったん制御対象のヒステリシスをリセットさせる。次に、弁開度信号ＰＶが静止するまで待つ。弁開度信号ＰＶが静止した時のＰＶ値をＰＶ３として記憶する。即ち、ＰＶ３＝ＰＶとする（ステップＳＴ５４、ＳＴ５５）。
【００９４】
次に、制御信号ＭＶ＝ＭＶ−ΔＭＶとし、ゆっくりと制御信号を今までとは逆方向に変化させる。今回の弁開度信号ＰＶの変化速度を測定する。弁開度信号ＰＶの変化速度の変極点を検出するまで繰り返す（ステップＳＴ５６、ＳＴ５７、ＳＴ５８、ＳＴ５９）。
【００９５】
そして、弁開度信号ＰＶの変化速度の変極点を検出した時の弁開度信号をＰＶ４として記憶する。即ち、ＰＶ４＝ＰＶ、スリップ幅＝｜ＰＶ４−ＰＶ３｜、制御アルゴリズムの切り替え条件＝ｆ（スリップ幅）で決定する（ステップＳＴ６０、ＳＴ６１）。
【００９６】
［４］電空変換機構部１３の動作点測定
電空変換機構部１３は、ノズルフラッパー機構を電磁アクチュエータで駆動し、ノズル背圧を変化させることにより、電空変換を行っている。この電空変換機構部１３はバルブポジショナ１０の場合、外部から供給される電気的エネルギーが制限されているため、ローパワーで働くことが求められ、電磁アクチュエータに供給できるエネルギーが限られている。従って、電空変換機構部１３に求められる変換ゲインを稼ぐために、ノズルフラッパ機構の前段の空気流量を絞り、ノズルフラッパー機構のゲインを上げている。その結果、ノズルとフラッパーの僅かな間隙で、電空変換を行うことになり、外乱に対して敏感になっていることと、バルブポジショナ１０に供給される供給圧の範囲は広いため、実際の動作点に対し、電空変換機構部１３の駆動信号は大幅に広く設計し、外乱や供給圧変動による動作点ズレを吸収できるような設計になっている。
【００９７】
制御演算装置１２は、内部に積分器を積んでおり、外乱に応じて制御信号ＭＶを変化させ、外乱を吸収している。従って、電源立ち上げ時などのリセット後、積分器の値がリセットされた場合、電空変換機構部１３の動作点がずれてしまい、積分器がワインドアップした状態のように、バルブ部１５からの弁開度信号ＰＶが定常値に戻るまでには長い時間を要し、素早く立ち上がれない。
【００９８】
この問題を解決するために、積分器の出力を不揮発性メモリ等に記憶させておけば、電源立ち上げ時などのリセット時でも電空変換機構部１３の動作点ズレは少なくてすむが、積分器の出力を不揮発性メモリなどに記憶することは実質的にできない。何故ならば、不揮発性メモリには更新回数の限界値があるため、データを定期更新した場合、いずれ劣化して故障してしまうためである。
【００９９】
この問題の解決方法としては、電空変換機構部１３の動作点を測定し、動作点をオフセット（Ｏｆｆｓｅｔ）として、不揮発性メモリに記憶しておくことにより、電源立ち上げ時等のリセット時にデータをロードすることにより、動作点が補正できる。
【０１００】
ＰＩＤ制御アルゴリズムを例にすると、例えば、電空変換機構部１３の動作点が制御信号ＭＶ＝５０である場合、積分器のリセット時の初期値がゼロである場合、入力信号ＳＰと弁開度信号ＰＶの偏差をＥとすると、積分器出力＝１／Ｔｉ∫Ｅｄｔ＝５０になるまで、定常偏差が残る（Ｔｉ；積分時間）。特に、積分時間が長い場合は、定常偏差がなくなるまで時間がかかる。従って、予め電空変換機構部１３の動作点を測定してＯｆｆｓｅｔ値として記憶しておき、ＰＩＤ演算部にたし込んでやれば、動作点補正ができ、たとえ積分器がリセットされても、立ち上がり時間は大幅に改善できる。即ち、制御信号ＭＶ＝Ｋｐ＊（Ｐ＋Ｉ＋Ｄ）＋Ｏｆｆｓｅｔ とすればよい。
【０１０１】
測定方法は、制御演算装置１２の制御アルゴリズムを少なくとも積分器がある制御アルゴリズムに設定し、入力信号ＳＰを５０パーセントに設定し、偏差が設定値、例えば±１パーセントに入るまで待つ。この時の制御信号ＭＶの値をＯｆｆｓｅｔ値として記憶する。このようにすることによって、次からのリセット時からの立ち上がり時間を短縮できる。
【０１０２】
具体的な電空変換機構部１３の動作点の測定方法について、図１４に示すフローチャートを参照して説明する。
【０１０３】
先ず、設定信号を受け測定が開始される。制御演算装置の制御アルゴリズムを比例積分（ＰＩ）制御にする（ステップＳＴ７０）。入力信号ＳＰに初期値を与える制御が始まり、弁開度信号ＰＶが入力信号ＳＰに近づく（ステップＳＴ７１）。入力信号ＳＰと弁開度信号ＰＶの偏差がある設定値以下になるまで制御を続ける。偏差がある設定値以下になった時点での制御信号ＭＶ値をＯｆｆｓｅｔとして記憶する。そして測定は終了する（ステップＳＴ７２、ＳＴ７３）。
【０１０４】
［５］診断機能について
制御対象部位１７の特性を、測定し、自動チューニングをする際、測定した制御対象部位１７の特性が一般的な制御対象部位と比べて、大きく逸脱した特性が得られた場合、それは、バルブポジショナ１０のインスタレーションエラーとも考えられるので、エラーメッセージ又はワーニングメッセージを出すことができるようにする。例えば、制御対象部位１７の応答速度測定結果が通常の値より、桁違いに遅い結果が出た場合は、バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０（図２参照）の漏れや、供給空気圧の設定ミスなどが考えられる。又、制御対象部位１７のヒステリシスの測定結果が、通常の値より大きい場合は、バルブ部１５のカジリや、変位センサーのステムへのリンクの異常等が考えられる。また、制御対象部位１７のスリップ幅の測定結果が、通常の値より大きい場合は、位置センサー１６の故障やバルブ部１５の故障が考えられる。更に、電空変換機構部１３の動作点の測定結果が、通常の値より大きくずれている場合は、供給空気圧の設定ミスや、電空変換機構部１３の故障などが考えられる。このような場合、自動チューニングが終わった後、作業者に知らせるようなメッセージを出力するようにする。
【０１０５】
【発明の効果】
上記説明したように、本発明に係るバルブポジショナは次に示すような効果を有する。
【０１０６】
（１）バルブポジショナに自動チューニング機能を備えたことにより、作業者を選ばず、誰でも容易にバルブポジショナのチューニングができるようになるという効果がある。
【０１０７】
（２）又、バルブポジショナに自動チューニング機能を備えることにより、バルブポジショナの立ち上がり工数を減らすことができるという効果がある。
【０１０８】
（３）更に、制御対象部位の特性から演算によりチューニングパラメータを求めることにより、正確なチューニングができるという効果がある。
【０１０９】
（４）制御対象部位の応答速度を測定することにより、バルブの特性のみならず、より正確なチューニング情報が得られるという効果がある。
【０１１０】
（５）制御対象部位のヒステリシスを測定することにより、より正確なチューニング情報が得られるという効果がある。
【０１１１】
（６）制御対象部位のスリップ幅を測定することにより、より正確なチューニング情報が得られるという効果がある。
【０１１２】
（７）電空変換機構部の動作点を測定することにより、バルブポジショナのリセット時からの立ち上がり時間を短くできるという効果がある。
【０１１３】
（８）制御対象部位を測定し、測定結果によってはエラーメッセージ又はワーニングメッセージを出すことにより、ポジショナのインスタレーションエラーを未然に妨げることができるという効果がある。
【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全体構成を略示的に示したブロック図である。
【図２】同図１におけるバルブ部を略示的に示した説明図である。
【図３】同図１における圧力増幅器の構造を示した平面図である。
【図４】同図３における圧力増幅器におけるノズル背圧と空気流量特性による不感帯を示したグラフである。
【図５】同図３における圧力増幅器のブリード孔の構成を示した説明図である。
【図６】同制御対象部位における応答速度を測定する手法を示したフローチャートである。
【図７】同制御対象部位における応答速度を測定する手法を示したフローチャートである。
【図８】同バルブ部のヒステリシスを計算するための手法を示した説明図である。
【図９】同ユニティフィードバックのシステムを示した概念図である。
【図１０】同ヒステリシスを求めるためのフローチャートである。
【図１１】同スリップ現象を起こした場合のステムの動きを示した説明図である。
【図１２】同ステム速度の変極点を示したグラフである。
【図１３】同スリップ幅を測定するための具体的な測定方法を示したフローチャートである。
【図１４】同積分器を搭載した制御演算装置における制御信号を測定する手法を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１０；バルブポジショナ、１１；信号受信装置、１２；制御演算装置、１３；電空変換機構部、１４；圧力増幅器、１５；バルブ部、１６；位置センサー、１７；制御対象部位、２０；空気アクチュエーター部、２１；ダイヤフラム、２２；スプリング、２３；ステム、２４；弁体、３０；供給圧室、３１；出力圧室、３２；給気弁座、３３；大気圧室、３４；排気弁座、３５；ポペット弁、３６；出力圧ダイアフラム、３７；入力圧ダイアフラム、３８；入力圧室、３９；ブリード孔
Claims (4)
- バルブの弁開度を設定する入力信号と、該バルブの弁開度を検出する位置センサーと、該位置センサーにより得られた弁開度信号と前記入力信号との偏差から前記バルブの弁開度を該入力信号に一致させるように制御演算して制御信号を生成する制御演算部と、該制御信号に基づいた空気流量を生成する電空変換機構部と、該電空変換機構部において生成された空気流量に基づく空気圧を前記バルブに供給する圧力増幅器とからなるバルブポジショナであって、
前記電空変換機構部と圧力増幅器と位置センサーとバルブとで構成されている制御対象部位は、自動設定信号を受けた時に、
前記バルブの弁開度が静止した状態から動き出す時に生じるスリップ現象のスリップ幅を測定し、該測定したスリップ幅からなるパラメータによって前記制御演算部で生成する制御信号のチューニングパラメータを演算すること
を特徴とするバルブポジショナ。 - 前記バルブの弁開度が静止した状態から動き出す時に生じるスリップ現象のスリップ幅を測定する際に、前記バルブの弁開度信号が静止していることを確認し、その時の弁開度ＰＶ１を記憶し、前記制御信号を変化させた時に前記弁開度信号が反応する際の弁開度信号の変化速度を測定し、弁開度信号の変化速度の変極点の時の弁開度信号ＰＶ２を記憶し、前記弁開度信号ＰＶ１とＰＶ２の差を、前記バルブのスリップ幅とすると共に該スリップ幅の値を記憶することを特徴とする請求項１に記載のバルブポジショナ。
- 前記バルブの弁開度が静止した状態から動き出す時に生じるスリップ現象のスリップ幅を測定する際に、前記弁開度信号が静止しているのを確認し、その時の弁開度ＰＶ１を記憶し、次に前記制御信号を変化させた時に前記バルブの弁開度信号が反応した後に、予め設定した短い時間後の弁開度信号ＰＶ２を記憶し、前記弁開度信号ＰＶ１とＰＶ２の差を、前記バルブのスリップ幅とすると共に該スリップ幅の値を記憶することを特徴とする請求項１に記載のバルブポジショナ。
- 前記電空変換機構部と圧力増幅器と位置センサーとバルブとから構成されている制御対象部位は、自動設定信号を受けた時に、前記制御対象部位の特性を測定し、該測定した制御対象部位の特性の値が制御対象部位の特性からなる許容範囲情報の値を逸脱した場合には、外部に通信手段を通じて異常信号を出力することを特徴とする請求項２乃至３に記載のバルブポジショナ。
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