JP4196518B2 - バルブポジショナ - Google Patents
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Description
【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
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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