JP4433146B2 - 電空変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気信号を空気圧信号に変換する電空変換装置に関し、特に大きな不感帯を有するパイロットリレーを用い広い負荷容量範囲に対応可能な電空変換装置に関する。

従来の電気信号を空気圧信号に変換する電空変換装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特表平０４−５０７３１０号公報 特開平１０−０１９００５号公報

従来の電空変換装置の圧力制御に関しては、特に、４−２０ｍＡ型の電空変換装置においては演算増幅器を複数個使用したＰＩＤ（Proportional, Integration and Differential）制御をベースとしたアナログ制御が主に用いられている。

図８はこのような従来の電空変換装置の一例を示す構成ブロック図である。図８において１は減算回路、２は積分回路、３は加算回路、４は増幅回路、５は電圧／電流変換器、６はトルクモータ、７はパイロットリレー（コントロールリレーとも呼ぶ。）、８は制御対象である調節弁、９は圧力センサ、１０は１次遅れ微分回路である。

図８中”ＳＶ０１”に示す目標値信号は減算回路１の加算入力端子に印加され、減算回路１の出力は積分回路２の入力端子及び加算回路３の一方の入力端子にそれぞれ接続される。また、積分回路２の出力は加算回路３の他方の入力端子に接続される。

加算回路３の出力は増幅回路４の入力端子に接続され、増幅回路４の出力は電圧／電流変換器５を介してトルクモータ６に接続される。トルクモータ６からの空気圧信号（ノズル背圧）はパイロットリレー７に供給される。

そして、パイロットリレー７の出力である制御圧力は制御対象である調節弁８に供給されると共に圧力センサ９に供給される。圧力センサ９の出力である検出信号（電気信号）は１次遅れ微分回路１０に接続され、図８中”ＰＶ０１”に示す１次遅れ微分回路１０の出力は圧力値信号として減算回路１の減算入力端子に印加される。

ここで、図８に示す従来例の動作を簡単に説明する。パイロットリレー７の出力である制御圧力は圧力センサ９によって検出され、１次遅れ微分回路１０を介して圧力値信号”ＰＶ０１”として減算回路に入力され目標値信号”ＳＶ０１”との偏差が求められる。

そして、加算回路３で演算された偏差と積分された偏差との和を増幅回路４が適宜増幅し、電圧／電流変換器５で電流に変換した後トルクモータ６に印加される。トルクモータ６は入力される電流に基づき空気圧信号を発生させてパイロットリレー７に供給し、パイロットリレー７ではこの空気圧信号を適宜増幅して調節弁８に供給する。

すなわち、図８に示す制御ループでは上述の偏差が”０”になるように動作して圧力値信号”ＰＶ０１”が目標値信号”ＳＶ０１”に一致するように制御される。

また、図９を用いてパイロットリレー７の動作を詳細に説明する。図９はパイロットリレーの具体例を示す構成断面図である。

図９において１１は排気弁、１２は入力ダイアフラム、１３は可動部、１４はフィードバックダイアフラム、１５は給気弁、１６はポペット、１７はバネ、１８はブリード孔である。

図９中”ＣＰ２１”に示すようなノズル背圧の圧力が上昇した場合、入力ダイアフラム１２は図面右側に凸状態になるように変形して可動部１３を押し、排気弁１１に接するポペット１６を押す。

バネ１７により保持されているポペット１６に一定以上の圧力が加わるとポペット１６は図面右側に移動し、給気弁１５とポペット１６との間に隙間が生じて、図９中”ＳＰ１１”に供給されている供給圧が、図９中”ＯＰ１１”に示す出力圧側に流れ込み出力圧が上昇する。

一方、図９中”ＣＰ２１”に示すようなノズル背圧の圧力が低下した場合、入力ダイアフラム１２は図面左側に凸状態になるように変形して可動部１３を図面左側に引っ張る。

このため、排気弁１１とバネ１７により保持されているポペット１６との間に隙間が生じて、図９中”ＯＰ１１”に示す出力圧側の圧力が図９中”ＨＬ２１”に示す可動部１３に設けられた穴から図９中”ＶＥ１１”に示す排気側に流れ込んで出力圧が低下する。

この結果、パイロットリレー７に供給するノズル背圧を調整することにより、出力圧（制御圧力）を制御することが可能になる。

但し、図８に示すようなアナログ制御の一般的な問題点としては、当該アナログ回路の制御パラメータは回路の定数によって決まってしまうので、制御対象に関する負荷容量や配管長等のプラントにおける様々な条件の全てに対応することは実用上困難である。

また、空気圧増幅要素としてはパイロットリレーが一般的に用いられているが、アナログ制御によっては、パイロットリレーの吸気側もしくは排気側のいずれか一方に存在する不感帯の圧力制御に及ぼす影響を除去することが困難であった。

例えば、図９において、出力圧の圧力上昇の際には、可動部１３がポペット１６を図面左側に押してもバネ１７のバネ力との関係で上述の隙間ができず、図９中”ＳＰ１１”に示す供給圧がブリード孔１８を通して図９中”ＯＰ１１”に示す出力圧側に流れ込む状態が発生する。この状態を不感帯に捕捉されたものと定義する。

図１０及び図１１は不感帯に捕捉された場合のポペットの位置及び制御圧力の一例を示す特性曲線図である。

不感帯に捕捉された場合には、ポペット１６はバネ１７のバネ定数によって力が均衡して移動することがないので、図１０中”ＣＨ２１”に示す特性曲線では、図１０中”ＳＴ２１”や図１０中”ＳＴ２２”に示すようにポペット１６の位置が一定位置に捕捉されてしまう。

一方、上述のように不感帯に捕捉された状態（ポペット１６が一定位置に捕捉された状態）では供給圧がブリード孔を通じて流れ込むため、図１１中”ＣＨ３１”に示す特性曲線では、図１１中”ＯＳ３１”や図１１中”ＯＳ３２”に示すようなオーバーシュートが生じてしまうことになる。

すなわち、このような不感帯に捕捉されたことに起因する図１１中”ＯＳ３１”や図１１中”ＯＳ３２”に示すようなオーバーシュートの発生をアナログ制御によって抑制することが困難である。

このため、このような問題点を解決するためにＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算制御手段を用いて制御演算をディジタル演算によって行うものが考えられている。図１２は「特開平１０−０１９００５号公報」に記載された従来の問題点を改善した電空変換装置の一例を示す構成ブロック図である。

図１２において、１９は入力される制御信号に応じて供給圧を用いてノズル背圧を出力する電空変換器、２０は供給圧を用いて当該ノズル背圧を増幅した制御圧力を出力するパイロットリレー、２１は制御対象である調節弁、２２は制御圧力をモニタするための圧力センサ、２３は入力される制御信号とモニタされる制御圧力との偏差によりノズル背圧を調整する出力制御装置である。

図１２中”ＩＣ４１”に示す制御信号は電空変換器１９及び出力制御装置２３にそれぞれ入力され、電空変換器１９の出力であるノズル背圧”Ｐｎ”はパイロットリレー２０に供給される。パイロットリレー２０の出力である制御圧力”Ｐｏｕｔ”は制御対象である調節弁２１に供給されると共に圧力センサ２２にも供給される。

図１２中”ＭＰ４１”に示す圧力センサ２２の出力である制御圧力の検出信号（電気信号）は出力制御装置２３に接続され、出力制御装置２３の出力は電空変換器１９の制御端子に印加される。

ここで、図１２に示す従来例の動作を簡単に説明する。電空変換器１９は入力される制御信号に応じて供給圧を用いてノズル背圧を出力し、パイロットリレー２０は供給圧を用いて当該ノズル背圧を増幅した制御圧力を出力する。そして、当該制御圧力によって調節弁２１の弁の開度が制御され所定の流量が得られる。

一方、パイロットリレー２０の出力である制御圧力は圧力センサ２２で検出され、出力制御装置２３は入力される制御信号と検出信号との偏差（偏差圧）”ΔＰ”を演算して、当該偏差が”０”になるように電空変換器１９を制御してノズル背圧を微調整する。

さらに、このような制御系において図１２に示す従来例では、電空変換要素のノズル背圧と、パイロットリレーの制御圧力との関係から、パイロットリレーが不感帯に入っているか否かを判断し、不感帯にあると判断した場合には制御のループゲインを大きくすることにより、当該不感帯に起因して発生する調節弁の制御遅れを改善している。

例えば、図１３はこのようなループゲインの制御を説明する説明図である。図１３中”ＣＨ５１"に示す特性曲線は制御圧力の一例を示し、図１３中”ＣＨ５２"に示す特性曲線はループゲインの一例を示している。

すなわち、偏差（偏差圧）”ΔＰ”が図１３中”Ｐ１”〜”Ｐ２”の間に入っているか否か、言い換えれば、不感帯に入っているか否かを判断し、もし、不感帯に入っていると判断した場合には、ループゲインを図３中”Ａ０”から”Ａ１”と言うように大きくして調節弁の制御遅れを改善させる。

しかし、図１２に示すような従来例では、電空変換要素の入出力特性は、温度や経年変化等によって変動するものであり、入力される制御信号とノズル背圧との関係もまた変動してしまい入出力特性の変化を補正しないと正しく動作しないと言った問題点があった。

また、パイロットリレーの入出力特性に関しても上述と同様の問題があり、ノズル背圧と制御圧力との関係から、不感帯に入っていることを正しく判断することができなくなってしまう可能性があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、大きな不感帯を有するパイロットリレーを用い広い負荷容量範囲に対応可能な電空変換装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
電気信号を空気圧信号に変換する電空変換装置において、
入力される電圧信号を電流に変換する電圧／電流変換器と、この電圧／電流変換器の出力に基づきノズル背圧を出力するトルクモータと、このトルクモータからの前記ノズル背圧を増幅して制御圧力として制御対象に供給するパイロットリレーと、このパイロットリレーの前記制御圧力を検出する圧力センサと、この圧力センサの出力である圧力値信号と入力される目標値信号との偏差を求め当該偏差が零になるように前記電圧信号を調整して前記圧力値信号が前記目標値信号に一致するように制御する演算制御手段とを備え、前記演算制御手段が、値の異なる複数のループゲインを有し、ステップ幅および負荷容量に応じて前記ループゲインを切り替えることにより、広範囲の負荷領域全体で満足できる応答特性を得ることが可能になる。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である電空変換装置において、
前記演算制御手段が、
前記目標値信号から前記ステップ幅を求めることにより、広範囲の負荷領域全体で満足できる応答特性を得ることが可能になる。

請求項３記載の発明は、
請求項１記載の発明である電空変換装置において、
前記演算制御手段が、
前記目標値信号と前記圧力値信号との偏差値に基づき前記ステップ幅を求めることにより、広範囲の負荷領域全体で満足できる応答特性を得ることが可能になる。

請求項４記載の発明は、
電気信号を空気圧信号に変換する電空変換装置において、
入力される電圧信号を電流に変換する電圧／電流変換器と、この電圧／電流変換器の出力に基づきノズル背圧を出力するトルクモータと、このトルクモータからの前記ノズル背圧を増幅して制御圧力として制御対象に供給するパイロットリレーと、このパイロットリレーの前記制御圧力を検出する圧力センサと、この圧力センサの出力である圧力値信号と入力される目標値信号との偏差を求め当該偏差が零になるように前記電圧信号を調整して前記圧力値信号が前記目標値信号に一致するように制御する演算制御手段とを備え、前記偏差の積算値の大きさにより負荷容量の大小を推定し、推定された負荷容量の大小に応じて前記ループゲインを切り替えることにより、広範囲の負荷領域全体で満足できる応答特性を得ることが可能になる。

請求項５記載の発明は、
請求項４記載の発明である電空変換装置において、
前記演算制御手段が、
前記圧力値信号の微分値から予め設定された時間後に前記圧力値信号が前記目標値信号を超えることができないと判断した場合に前記目標値信号と前記圧力値信号との偏差値を積算し、当該積算値が予め設定された閾値を超過した場合には負荷容量が大きいと判断することにより、広範囲の負荷領域全体で満足できる応答特性を得ることが可能になる。

請求項６記載の発明は、
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発明である電空変換装置において、
前記演算制御手段が、
前記ループゲインの切り替えの後に偏差が十分小さくなったことを確認した後に負荷容量全域で発振を生じないループゲインにループゲインを戻すことにより、広範囲の負荷領域全体で満足できる応答特性を得ることが可能になる。

請求項７記載の発明は、
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の発明である電空変換装置において、
前記演算制御手段が、
微分時間を長くして微分動作を効かせたループゲインの設定をすると共に位相進み補償制御を行うことにより、不感帯に捕捉される時間を極力短くして制御圧力におけるオーバーシュートの発生を抑えることが可能になる。

請求項８記載の発明は、
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の発明である電空変換装置において、
前記演算制御手段が、
入力される前記目標値信号と前記圧力値信号との差分を演算する減算手段と、この減算手段の出力を積分する積分手段と、前記減算手段の出力と前記積分手段の出力を加算する加算手段と、この加算手段の出力を増幅して前記電圧信号として出力させる増幅手段と、前記圧力センサの出力を１次遅れ微分すると共に前記圧力値信号として出力する１次遅れ微分手段とから構成されたことにより、広範囲の負荷領域全体で満足できる応答特性を得ることが可能になる。

請求項９記載の発明は、
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の発明である電空変換装置において、
前記演算制御手段が、
入力される前記目標値信号と前記圧力値信号との差分を演算する減算手段と、この減算手段の出力を積分する積分手段と、前記減算手段の出力と前記積分手段の出力を加算する加算手段と、この加算手段の出力を増幅する増幅手段と、この増幅手段の出力に位相進み補償を行い前記電圧信号として出力させる位相進みフィルタ手段と、前記圧力センサの出力を１次遅れ微分すると共に前記圧力値信号として出力する１次遅れ微分手段とから構成されたことにより、不感帯に捕捉される時間を極力短くして制御圧力におけるオーバーシュートの発生を抑えることが可能になる。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，３，４，５，６及び請求項８の発明によれば、演算制御手段が、ステップ応答の幅に応じてループゲインを切り替え、或いは、負荷容量を推定して推定した負荷容量に応じてループゲインを切り替えることにより、広範囲の負荷領域全体で満足できる応答特性を得ることが可能になる。

また、請求項７及び請求項９の発明によれば、演算制御手段が、微分時間を長くして微分動作を効かせたゲイン設定をすると共に位相進みフィルタ手段によって位相進み補償制御を行うことにより、不感帯に捕捉される時間を極力短くして制御圧力におけるオーバーシュートの発生を抑えることが可能になる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る電空変換装置の一実施例を示す構成ブロック図である。図１において５，６，７，８及び９は図８に示す従来例と同一符号を付してあり、２４は減算手段、２５は積分手段、２６は加算手段、２７は増幅手段、２８は位相進みフィルタ手段、２９は１次遅れ微分手段である。

また、減算手段２４、積分手段２５、加算手段２６、増幅手段２７、位相進みフィルタ手段２８及び１次遅れ微分手段２９はそれぞれＣＰＵ等の演算制御手段５０においてソフトウェア的に実現される手段である。

図１中”ＳＶ６１”に示す目標値信号は減算手段２４の加算入力端子に印加され、減算手段２４の出力は積分手段２５の入力端子及び加算手段２６の一方の入力端子にそれぞれ接続される。また、積分手段２５の出力は加算手段２６の他方の入力端子に接続される。

加算手段２６の出力は増幅手段２７の入力端子に接続され、増幅手段２７の出力は位相進みフィルタ手段２８に接続される。また、位相進みフィルタ手段２８の出力は電圧／電流変換器５を介してトルクモータ６に接続される。トルクモータ６からの空気圧信号（ノズル背圧）はパイロットリレー７に供給される。

そして、パイロットリレー７の出力である制御圧力は制御対象である調節弁８に供給されると共に圧力センサ９に供給される。圧力センサ９の出力である検出信号（電気信号）は１次遅れ微分手段２９に接続され、図１中”ＰＶ６１”に示す１次遅れ微分手段２９の出力は圧力値信号として減算手段２４の減算入力端子に印加される。

ここで、図１に示す実施例の動作を図２、図３、図４、図５及び図６を用いて説明する。図２は位相進みフィルタ手段２８を用いない場合の制御圧力の一例を示す特性曲線図、図３は位相進みフィルタ手段２８を用いた場合の制御圧力の一例を示す特性曲線図、図４はステップ幅に応じてゲイン切り替えをした場合の制御圧力の一例を示す特性曲線図、図５は負荷容量の推定方法を説明する説明図、図６は推定された負荷容量に応じてゲイン切り替えをした場合の制御圧力の一例を示す特性曲線図である。但し、図８に示す従来例と同様の部分に関する動作の説明は省略する。

但し、ループゲインとは、全ての制御パラメータ、具体的には、一次遅れ微分手段、積分手段、増幅手段、位相進みフィルタ手段の制御パラメータに相当するものである。

図１中の演算制御手段５０では、比較的高いループゲインを用いて従来例で問題となっていた不感帯に捕捉される時間を極力短くして制御圧力におけるオーバーシュートの発生を抑える必要性がある。このため、微分時間を長くして微分動作を効かせたゲイン設定をする必要性があった。

但し、このような制御パラメータの調整だけでは、制御対象に関する負荷容量が”２０ｃｃ〜３０００ｃｃ”と言った広範囲においてオーバーシュートの発生を抑えながら制御することは困難である。

すなわち、オーバーシュートの発生を抑えるため比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインのそれぞれを高く設定しているため”２０ｃｃ〜３０００ｃｃ”と言った負荷領域を制御することは困難であり、負荷容量が小さな場合には発振を生じやすい。このため、図１に示す実施例では増幅手段２７の後段に位相進みフィルタ手段２８を挿入する。

例えば、図１において、積分手段２５の伝達関数を”１／(Ｔｉ・ｓ)”、増幅手段２７のゲインを”Ｋｐ”、位相進みフィルタ手段２８の伝達関数を”{１＋(γ２＋１)・ＴＤ２・ｓ}／(１＋γ２・ＴＤ２・ｓ)”、１次遅れ微分手段２９の伝達関数を”(１＋ＴＤ１・ｓ)／(１＋γ１・ＴＤ１・ｓ)”とし、
Ｋｐ＝０．２１
Ｔｉ＝０．０４５
ＴＤ１＝０．７５
γ１＝０．２８
ＴＤ２＝０
γ２＝０ （１）
とした場合、言い換えれば、位相進みフィルタ手段２８を用いない場合は、図２中”ＣＨ７１”に示すような特性曲線となり、図２中”ＣＨ７１”に示す特性曲線から明らかなように制御圧力は発振している。

一方、例えば、各種パラメータを、
Ｋｐ＝０．２１
Ｔｉ＝０．０４５
ＴＤ１＝０．７５
γ１＝０．２８
ＴＤ２＝０．０５
γ２＝０．０２ （２）
とした場合、言い換えれば、位相進みフィルタ手段２８を用いる（位相進み補償制御を行う）場合は、図３中”ＣＨ８１”に示すような特性曲線となり、図３中”ＣＨ８１”に示す特性曲線から明らかなように制御圧力の発振が抑えられ特性の改善が図られている。

この結果、演算制御手段５０が、微分時間を長くして微分動作を効かせたゲイン設定をすると共に位相進みフィルタ手段２８によって位相進み補償制御を行うことにより、不感帯に捕捉される時間を極力短くして制御圧力におけるオーバーシュートの発生を抑えることが可能になる。

但し、位相進みフィルタ手段２８を導入することにより特性の改善を図られるものの、位相進みフィルタ手段２８だけでは”２０ｃｃ〜３０００ｃｃ”と言った広範囲の負荷領域全体で満足できる応答特性を得ることはできないので、ステップ幅及び負荷容量に応じてループゲインの切り替え制御を行う必要性がある。

例えば、１０％の圧力上昇／下降を生じるステップ応答特性における５つのループゲインの切り替え制御方法を例にとって説明する。使用される５つのループゲインは、
ゲイン１：低ステップ応答で全負荷容量条件で使用。
ゲイン２：１０％応答付近より大きなステップ応答入力で
負荷容量が小さい場合に使用。
ゲイン３：１０％応答付近より大きなステップ応答入力で
負荷容量が大きい場合に使用。
ゲイン４：１０％応答付近のステップ応答入力で
負荷容量が小さい場合に使用。
ゲイン５：１０％応答付近のステップ応答入力で
負荷容量が大きい場合に使用。
である。

また、それぞれのループゲインの大小関係は、
ゲイン１＜ゲイン２＜ゲイン３<ゲイン４＜ゲイン５ （３）
である。

ここで、ステップ幅に応じたループゲインの切り替え制御について図４を用いて説明する。図４は”ゲイン１”と”ゲイン２”との間のループゲインの切り替えの有無による制御圧力の一例を示す特性曲線図である。

”ゲイン２”は応答速度が速く、負荷容量全域で使用可能なループゲインではあるが、図４中”ＣＨ９１”に示す特性曲線から明らかなように２％応答の低ステップでは不感帯に捕捉されてしまい、図４中”ＯＳ９１”や図４中”ＯＳ９２”と言った５０％程度のオーバーシュートが生じてしまうことになる。

このため、演算制御手段５０は、２％応答等の低ステップ応答の目標値信号”ＳＶ６１”が入力された場合にはループゲインを”ゲイン２”から低ステップ応答では不感帯に捕捉されない”ゲイン１”に切り替える制御を行うことにより、図４中”ＣＨ９２”に示す特性曲線のようになり、図４中”ＯＳ９１”や図４中”ＯＳ９２”と言ったオーバーシュートを低減することが可能になる。

例えば、同様に、演算制御手段５０は、目標値信号”ＳＶ６１”のステップ応答の幅が１０％応答付近か、或いは、１０％応答付近よりも大きいものであれば、”ゲイン４”、或いは、”ゲイン２”等にループゲインを切り替えることにより良好な応答特性を得ることができる。

また、演算制御手段５０は、ループゲインの切り替えの後に偏差が十分小さくなったことを確認した後に”ゲイン１”に適宜ループゲインを切り替える。

この結果、演算制御手段５０が、微分時間を長くして微分動作を効かせたゲイン設定をし位相進みフィルタ手段２８によって位相進み補償制御を行うと共にステップ応答の幅に応じてループゲインを切り替えることにより、”２０ｃｃ〜３０００ｃｃ”と言った広範囲の負荷領域全体で満足できる応答特性を得ることが可能になる。

さらに、負荷容量に応じたループゲインの切り替え制御について図５及び図６を用いて説明する。図５は負荷容量の推定方法の一例を示す説明図、図６は”ゲイン４”と”ゲイン５”との間のループゲインの切り替えの有無による制御圧力の一例を示す特性曲線図である。

前述のステップ幅に応じたループゲインの切り替え制御により、目標値信号”ＳＶ６１”が入力され、当該ステップ幅に応じて、演算制御手段５０が、ループゲインを”ゲイン１”から”ゲイン２”に切り替えている状態を想定する。

この状態で、演算制御手段５０は、演算制御の周期毎（予め設定された時間毎）に圧力値信号”ＰＶ６１”の微分値から負荷容量を推定する。

例えば、演算制御周期（予め設定された時間）を”１秒”とした場合、１秒後に圧力値信号”ＰＶ６１”が目標値信号”ＳＶ６１”を超過できるか否かを判断し、目標値信号”ＳＶ６１”を超えられないと判断した場合にはカウンタ（演算制御手段５０内で実現する）を動作させる。

例えば、図５中”ＣＨ１０１”に示すような特性曲線の場合には、圧力値信号”ＰＶ６１”の微分値から図５中”ＤＰ１０１”に示す１秒後の信号の増加分を求めてみると、１秒後には目標値信号”ＳＶ６１”を超過することが分かるのでカウンタの動作を行わない。

一方、例えば、図５中”ＣＨ１０２”に示すような特性曲線の場合には、圧力値信号”ＰＶ６１”の微分値から図５中”ＤＰ１０２”に示す１秒後の信号の増加分を求めてみると、１秒後には目標値信号”ＳＶ６１”を超過できないことが分かるのでカウンタの動作を開始させる。

そして、演算制御手段５０は、当該カウンタの積算値が予め設定された閾値を超過した場合には負荷容量が大きいと判断すると共にループゲインを”ゲイン２”から”ゲイン３”に切り替える。

さらに、例えば、前述の状態から１０％ステップ応答の目標値信号”ＳＶ６１”が入力された場合、前述のステップ幅に応じたループゲインの切り替え制御により、ループゲインは”ゲイン３”から”ゲイン４”に切り替わる。

そして、図６中”ＣＨ１１１”に示す特性曲線は負荷容量に応じてループゲインの切り替えを行わない場合の一例であり、この場合、ループゲインは”ゲイン４”のままなので図６中”ＯＳ１１１”に示すようなオーバーシュートを生じている。

一方、図６中”ＣＨ１１２”に示す特性曲線は負荷容量に応じてループゲインの切り替えを行う場合の一例であり、負荷容量の推定によって大きな負荷容量と判断された場合、”ゲイン４”から”ゲイン５”にループゲインを切り替えることにより良好な応答特性を得ることができる。

また、演算制御手段５０は、ループゲインの切り替えの後に偏差が十分小さくなったことを確認した後に”ゲイン１”に適宜ループゲインを切り替える。

この結果、演算制御手段５０が、微分時間を長くして微分動作を効かせたゲイン設定をし位相進みフィルタ手段２８によって位相進み補償制御を行うと共にステップ応答の幅に応じてループゲインを切り替え、更に、負荷容量を推定して推定した負荷容量に応じてループゲインを切り替えることにより、”２０ｃｃ〜３０００ｃｃ”と言った広範囲の負荷領域全体で満足できる応答特性を得ることが可能になる。

なお、図１に示す実施例においては説明簡単のために演算制御手段５０内にアナログ回路に相当する各種手段を例示しているが、各種手段の機能は演算制御手段５０内でソフトウェア的に実現されるものであって、微分時間を長くして微分動作を効かせたゲイン設定をして位相進み補償制御を行うものであれば図１に示す構成には何ら限定されるものではない。

また、図５に示す負荷容量の推定方法としては圧力値信号”ＰＶ６１”の微分値に基づきカウンタを動作させ積算値が予め設定された閾値を超過するか否かによって負荷容量を推定しているが、目標値（目標値信号）と圧力値（圧力値信号）との偏差値を積算して負荷容量を推定しても構わない。

図７はこのような目標値（目標値信号）と圧力値（圧力値信号）との偏差値の積算による負荷容量の推定方法を説明する説明図である。

例えば、演算制御周期（予め設定された時間）を”１秒”とした場合、１秒後に圧力値信号”ＰＶ６１”が目標値信号”ＳＶ６１”を超過できるか否かを判断し、目標値信号”ＳＶ６１”を超えられないと判断した場合には目標値（目標値信号：ＳＶ）と圧力値（圧力値信号：ＰＶ）との偏差値を積算する。

例えば、図７中”ＣＨ１２１”に示すような特性曲線の場合には、圧力値信号”ＰＶ６１”の微分値から図７中”ＤＰ１２１”に示す１秒後の信号の増加分を求めてみると、１秒後には目標値信号”ＳＶ６１”を超過することが分かるので前記偏差値の積算を行わない。

一方、例えば、図７中”ＣＨ１２２”に示すような特性曲線の場合には、圧力値信号”ＰＶ６１”の微分値から図７中”ＤＰ１２２”に示す１秒後の信号の増加分を求めてみると、１秒後には目標値信号”ＳＶ６１”を超過できないことが分かるので前記偏差値の積算を開始させる。

そして、演算制御手段５０は、当該積算値が予め設定された閾値を超過した場合には負荷容量が大きいと判断すると共にループゲインを前述のように適宜に切り替える。

また、図１等における説明に際しては、５つのループゲインを設けてステップ幅や負荷容量に応じて切り替えているが、使用するループゲイン数は勿論５つの限定される訳ではなく任意の数であって構わない。但し、”ゲイン１”のような負荷容量全域で発振を生じないループゲインから切り替える。

また、図１等における説明に際しては、目標値信号”ＳＶ６１”からステップ幅を求めているが、目標値信号（ＳＶ）と圧力値信号（ＰＶ）との偏差値に基づきステップ幅を求めてループゲインを切り替えても構わない。

また、演算制御手段５０は、ループゲインの切り替えの後に偏差が十分小さくなったことを確認した後に負荷容量全域で発振を生じないループゲイン（例えば、”ゲイン１”等）にループゲインを戻しても構わない。

また、図１等における説明に際しては、位相進みフィルタ手段２８で位相進み補償制御を行いながら、ステップ応答の幅に応じてループゲインを切り替えたり、或いは、推定された負荷容量の大小に応じてループゲインを切り替えることを例示しているが、位相進み補償制御を行うことなく、ただ単に、ステップ応答の幅に応じてループゲインを切り替えたり、或いは、推定された負荷容量の大小に応じてループゲインを切り替えても構わない。

本発明に係る電空変換装置の一実施例を示す構成ブロック図である。 位相進みフィルタ手段を用いない場合の制御圧力の一例を示す特性曲線図である。 位相進みフィルタ手段を用いた場合の制御圧力の一例を示す特性曲線図である。 ステップ幅に応じてゲイン切り替えをした場合の制御圧力の一例を示す特性曲線図である。 負荷容量の推定方法を説明する説明図である。 推定された負荷容量に応じてゲイン切り替えをした場合の制御圧力の一例を示す特性曲線図である。 目標値と圧力値との偏差値の積算による負荷容量の推定方法を説明する説明図である。 従来の電空変換装置の一例を示す構成ブロック図である。 パイロットリレーの具体例を示す構成断面図である。 不感帯に捕捉された場合のポペットの位置の一例を示す特性曲線図である。 不感帯に捕捉された場合の制御圧力の一例を示す特性曲線図である。 従来の問題点を改善した電空変換装置の一例を示す構成ブロック図である。 ループゲインの制御を説明する説明図である。

符号の説明

１ 減算回路
２ 積分回路
３ 加算回路
４ 増幅回路
５ 電圧／電流変換器
６ トルクモータ
７，２０ パイロットリレー
８，２１ 調節弁
９，２２ 圧力センサ
１０ １次遅れ微分回路
１１ 排気弁
１２ 入力ダイアフラム
１３ 可動部
１４ フィードバックダイアフラム
１５ 給気弁
１６ ポペット
１７ バネ
１８ ブリード孔
１９ 電空変換器
２３ 出力制御装置
２４ 減算手段
２５ 積分手段
２６ 加算手段
２７ 増幅手段
２８ 位相進みフィルタ手段
２９ １次遅れ微分手段
５０ 演算制御手段

Claims (9)

1. 電気信号を空気圧信号に変換する電空変換装置において、
   入力される電圧信号を電流に変換する電圧／電流変換器と、
   この電圧／電流変換器の出力に基づきノズル背圧を出力するトルクモータと、
   このトルクモータからの前記ノズル背圧を増幅して制御圧力として制御対象に供給するパイロットリレーと、
   このパイロットリレーの前記制御圧力を検出する圧力センサと、
   この圧力センサの出力である圧力値信号と入力される目標値信号との偏差を求め当該偏差が零になるように前記電圧信号を調整して前記圧力値信号が前記目標値信号に一致するように制御する演算制御手段とを備え、
   前記演算制御手段が、値の異なる複数のループゲインを有し、ステップ幅および負荷容量に応じて前記ループゲインを切り替えることを特徴とする電空変換装置。
2. 前記演算制御手段が、
   前記目標値信号から前記ステップ幅を求めることを特徴とする請求項１記載の電空変換装置。
3. 前記演算制御手段が、
   前記目標値信号と前記圧力値信号との偏差値に基づき前記ステップ幅を求めることを特徴とする請求項１記載の電空変換装置。
4. 電気信号を空気圧信号に変換する電空変換装置において、
   入力される電圧信号を電流に変換する電圧／電流変換器と、
   この電圧／電流変換器の出力に基づきノズル背圧を出力するトルクモータと、
   このトルクモータからの前記ノズル背圧を増幅して制御圧力として制御対象に供給するパイロットリレーと、
   このパイロットリレーの前記制御圧力を検出する圧力センサと、
   この圧力センサの出力である圧力値信号と入力される目標値信号との偏差を求め当該偏差が零になるように前記電圧信号を調整して前記圧力値信号が前記目標値信号に一致するように制御する演算制御手段とを備え、
   前記偏差の積算値の大きさにより負荷容量の大小を推定し、推定された負荷容量の大小に応じて前記ループゲインを切り替えることを特徴とする電空変換装置。
5. 前記演算制御手段が、
   前記圧力値信号の微分値から予め設定された時間後に前記圧力値信号が前記目標値信号を超えることができないと判断した場合に前記目標値信号と前記圧力値信号との偏差値を積算し、当該積算値が予め設定された閾値を超過した場合には負荷容量が大きいと判断することを特徴とする請求項４記載の電空変換装置。
6. 前記演算制御手段が、
   前記ループゲインの切り替えの後に偏差が十分小さくなったことを確認した後に負荷容量全域で発振を生じないループゲインにループゲインを戻すことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電空変換装置。
7. 前記演算制御手段が、
   微分時間を長くして微分動作を効かせたループゲインの設定をすると共に位相進み補償制御を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の電空変換装置。
8. 前記演算制御手段が、
   入力される前記目標値信号と前記圧力値信号との差分を演算する減算手段と、
   この減算手段の出力を積分する積分手段と、
   前記減算手段の出力と前記積分手段の出力を加算する加算手段と、
   この加算手段の出力を増幅して前記電圧信号として出力させる増幅手段と、
   前記圧力センサの出力を１次遅れ微分すると共に前記圧力値信号として出力する１次遅れ微分手段とから構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の電空変換装置。
9. 前記演算制御手段が、
   入力される前記目標値信号と前記圧力値信号との差分を演算する減算手段と、
   この減算手段の出力を積分する積分手段と、
   前記減算手段の出力と前記積分手段の出力を加算する加算手段と、
   この加算手段の出力を増幅する増幅手段と、
   この増幅手段の出力に位相進み補償を行い前記電圧信号として出力させる位相進みフィルタ手段と、
   前記圧力センサの出力を１次遅れ微分すると共に前記圧力値信号として出力する１次遅れ微分手段とから構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の電空変換装置。