JP5548158B2 - Positioner - Google Patents

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Description

この発明は、調節弁の開度を制御するポジショナに関するものである。   The present invention relates to a positioner that controls the opening of a control valve.

従来より、調節弁に対してポジショナを設け、このポジショナによって調節弁の開度を制御するようにしている。このポジショナは、上位装置から送られてくる弁開度設定値と調節弁からフィードバックされてくる実開度値との偏差を求め、この偏差に所定の演算を施して得られる電気信号を制御出力として出力する制御部と、この制御部からの制御出力を空気圧信号に変換する電空変換器（ＥＰＭ）と、この電空変換器が変換した空気圧信号を増幅し調節弁の駆動部へ出力するパイロットリレーとを備えている（例えば、特許文献１参照）。   Conventionally, a positioner is provided for the control valve, and the position of the control valve is controlled by this positioner. This positioner obtains the deviation between the valve opening setting value sent from the host device and the actual opening value fed back from the control valve, and outputs the electrical signal obtained by applying a predetermined calculation to this deviation. A control unit that outputs the control signal, an electropneumatic converter (EPM) that converts the control output from the control unit into a pneumatic signal, and amplifies the pneumatic signal converted by the electropneumatic converter and outputs the amplified pneumatic signal to the control valve drive A pilot relay (see, for example, Patent Document 1).

図３に従来のポジショナの要部の構成を示す。同図において、１Ａはポジショナ、２は調節弁であり、調節弁２にはその弁開度（バルブの開度）を検出する開度センサ３が設けられている。ポジショナ１Ａは、制御部１１と、電空変換器１２と、パイロットリレー１３とを備えており、開度センサ３が検出する調節弁２の弁開度が実開度値Ｘｐｖとして制御部１１へフィードバックされるようになっている。   FIG. 3 shows a configuration of a main part of a conventional positioner. In the figure, 1A is a positioner, 2 is a control valve, and the control valve 2 is provided with an opening sensor 3 for detecting the valve opening (opening of the valve). The positioner 1A includes a control unit 11, an electropneumatic converter 12, and a pilot relay 13. The valve opening of the control valve 2 detected by the opening sensor 3 is set to the control unit 11 as an actual opening value Xpv. Feedback is coming.

ポジショナ１Ａにおいて、制御部１１は、上位装置（図示せず）からの弁開度設定値Ｘｓｐと開度センサ３からの実開度値Ｘｐｖとの偏差ｅを求め、この偏差ｅにＰＩＤ制御演算を施して得られる電気信号を制御出力ＭＶとして出力する。なお、偏差ｅの算出は偏差算出部１１ａにおいて行われ、偏差ｅに対するＰＩＤ制御演算はＰＩＤ制御演算部１１ｂで行われる。   In the positioner 1A, the control unit 11 obtains a deviation e between the valve opening set value Xsp from the host device (not shown) and the actual opening value Xpv from the opening sensor 3, and performs a PID control calculation on the deviation e. The electric signal obtained by performing the above is output as the control output MV. The deviation e is calculated by the deviation calculating unit 11a, and the PID control calculation for the deviation e is performed by the PID control calculating unit 11b.

電空変換器１２は、制御部１１からの制御出力ＭＶを空気圧信号（ノズル背圧）Ｐｎに変換する。パイロットリレー１３は、電空変換器１２からの空気圧信号Ｐｎを増幅し、空気圧Ｐｏとして調節弁２の駆動部２ａへ出力する。これにより、駆動部２ａ内のダイアフラム室に空気圧Ｐｏの空気が流入し、調節弁２のバルブ２ｂの開度が調整される。   The electropneumatic converter 12 converts the control output MV from the control unit 11 into an air pressure signal (nozzle back pressure) Pn. The pilot relay 13 amplifies the air pressure signal Pn from the electropneumatic converter 12 and outputs it as air pressure Po to the drive unit 2a of the control valve 2. Thereby, the air of the air pressure Po flows into the diaphragm chamber in the drive part 2a, and the opening degree of the valve 2b of the control valve 2 is adjusted.

なお、パイロットリレー１３は、その主要な構成要素として、シリンダ１３ａとポペット弁１３ｂとを備えている。また、パイロットリレー１３は空気圧の出力ポートを１つしか有しておらず、この１つの出力ポートから出力される空気圧Ｐｏによって調節弁２を正動作（制御出力ＭＶに対応した方向に駆動）あるいは逆動作（制御出力ＭＶに対して反対の方向に駆動）させる。このような動作形式のポジショナを単動型ポジショナと呼んでいる。   The pilot relay 13 includes a cylinder 13a and a poppet valve 13b as main components. The pilot relay 13 has only one air pressure output port, and the control valve 2 is normally operated (driven in a direction corresponding to the control output MV) by the air pressure Po output from the one output port. Reverse operation (driving in the direction opposite to the control output MV) is performed. This type of positioner is called a single-acting positioner.

このポジショナ１Ａに採用された制御方式の場合、制御部１１の制御対象には、調節弁２だけではなく、調節弁２に空気流量および空気圧力を加える電空変換器１２およびパイロットリレー１３も含まれる。電空変換器１２とパイロットリレー１３の特性が線形であり、素直な特性であれば、このような制御方式でも充分である。しかし、実際は電空変換器１２およびパイロットリレー１３ともヒステリシスや不感帯等の非線形要素を持ち、制御を複雑にしている。そのため、この制御方式では、速応性や整定性（安定性）において限界がある。そこで、バルブ開度制御の速応性を改善した制御方式が特許文献２に示され、バルブ開度制御の整定性を改善した制御方式が特許文献３に示されている。   In the case of the control method employed in the positioner 1A, the control unit 11 includes not only the control valve 2 but also an electropneumatic converter 12 and a pilot relay 13 that apply an air flow rate and air pressure to the control valve 2. It is. As long as the characteristics of the electropneumatic converter 12 and the pilot relay 13 are linear and the characteristics are straightforward, such a control method is sufficient. However, in actuality, both the electropneumatic converter 12 and the pilot relay 13 have nonlinear elements such as hysteresis and dead band, and control is complicated. For this reason, this control method has limitations in speed response and settling (stability). Therefore, a control method that improves the speed response of the valve opening control is shown in Patent Document 2, and a control method that improves the settling property of the valve opening control is shown in Patent Document 3.

図４は特許文献２に示された制御方式の概略を示す図である。このポジショナ１Ｂでは、制御対象である調節弁２からフィードバックされてくる実開度値Ｘｐｖを第１のフィードバック値とする一方、パイロットリレー１３におけるシリンダ１３ａやポペット弁１３ｂの変位Ｘｐを位置センサ１４によって検出するようにし、この位置センサ１４によって検出された変位Ｘｐに定数Ｋｍを乗じた値Ｋｍ・Ｘｐを第２のフィードバック値としている。そして、制御部１１からの制御出力ＭＶをメジャー制御ループの制御出力とし、このメジャー制御ループの制御出力ＭＶから第２のフィードバック値Ｋｍ・Ｘｐをマイナー制御ループのフィードバック値として減算して補正制御出力ＭＶ’を求め、この補正制御出力ＭＶ’を電空変換器１２への制御出力としている。なお、変位Ｘｐに対する定数Ｋｍの乗算は乗算部（第２のフィードバック値算出部）１５で行い、メジャー制御ループの制御出力ＭＶからのマイナー制御ループのフィードバック値Ｋｍ・Ｘｐの減算は減算部（補正制御出力演算部）１６で行う。   FIG. 4 is a diagram showing an outline of the control method disclosed in Patent Document 2. In FIG. In the positioner 1B, the actual opening value Xpv fed back from the control valve 2 to be controlled is set as the first feedback value, while the displacement Xp of the cylinder 13a and the poppet valve 13b in the pilot relay 13 is detected by the position sensor 14. A value Km · Xp obtained by multiplying the displacement Xp detected by the position sensor 14 by a constant Km is used as the second feedback value. Then, the control output MV from the control unit 11 is used as the control output of the major control loop, and the second feedback value Km · Xp is subtracted from the control output MV of the major control loop as the feedback value of the minor control loop to obtain the corrected control output. MV ′ is obtained, and this correction control output MV ′ is used as a control output to the electropneumatic converter 12. The multiplication of the constant Xm to the displacement Xp is performed by a multiplication unit (second feedback value calculation unit) 15, and the subtraction of the minor control loop feedback value Km · Xp from the control output MV of the major control loop is performed by a subtraction unit (correction). Control output calculation unit) 16.

図５は特許文献３に示された制御方式の概略を示す図である。このポジショナ１Ｃでは、制御対象である調節弁２からフィードバックされてくる実開度値Ｘｐｖを第１のフィードバック値とする一方、パイロットリレー１３からの調節弁２への空気圧Ｐｏを圧力センサ１７によって検出するようにし、この圧力センサ１７によって検出される空気圧Ｐｏの微分値ｄＰｏ／ｄｔを圧力微分値とし、この圧力微分値ｄＰｏ／ｄｔに定数Ｋｍを乗じた値Ｋｍ・ｄＰｏ／ｄｔを第２のフィードバック値としている。そして、制御部１１からの制御出力ＭＶをメジャー制御ループの制御出力とし、このメジャー制御ループの制御出力ＭＶから第２のフィードバック値Ｋｍ・ｄＰｏ／ｄｔをマイナー制御ループのフィードバック値として減算して補正制御出力ＭＶ’を求め、この補正制御出力ＭＶ’を電空変換器１２への制御出力としている。なお、圧力微分値ｄＰｏ／ｄｔの算出およびこの圧力微分値ｄＰｏ／ｄｔに対する定数Ｋｍの乗算は乗算部（第２のフィードバック値算出部）１８で行い、メジャー制御ループの制御出力ＭＶからのマイナー制御ループのフィードバック値Ｋｍ・ｄＰｏ／ｄｔの減算は減算部（補正制御出力演算部）１９で行う。   FIG. 5 is a diagram showing an outline of the control method disclosed in Patent Document 3. As shown in FIG. In this positioner 1C, the actual opening value Xpv fed back from the control valve 2 to be controlled is set as the first feedback value, and the air pressure Po from the pilot relay 13 to the control valve 2 is detected by the pressure sensor 17. The differential value dPo / dt of the air pressure Po detected by the pressure sensor 17 is used as a pressure differential value, and a value Km · dPo / dt obtained by multiplying the pressure differential value dPo / dt by a constant Km is used as a second feedback. Value. The control output MV from the control unit 11 is used as the control output of the major control loop, and the second feedback value Km · dPo / dt is subtracted from the control output MV of the major control loop as the feedback value of the minor control loop for correction. A control output MV ′ is obtained, and this corrected control output MV ′ is used as a control output to the electropneumatic converter 12. The calculation of the pressure differential value dPo / dt and the multiplication of the pressure differential value dPo / dt by a constant Km are performed by the multiplication unit (second feedback value calculation unit) 18 and minor control from the control output MV of the major control loop. The subtraction of the loop feedback value Km · dPo / dt is performed by a subtraction unit (correction control output calculation unit) 19.

実開昭６２−２８１１８号公報Japanese Utility Model Publication No. 62-28118 特表２００４−５２３０１６号公報JP-T-2004-523016 特開２００１−２２１２０１号公報JP 2001-221201 A

しかしながら、特許文献２に示された制御方式（図４）では、ムダ時間や時定数を縮めることによりバルブ開度制御の速応性の改善は望めるが、整定性の改善は難しい。また、特許文献３に示された制御方式（図５）では、圧力値そのものを見ているため、オーバシュートや整定時間など整定性の改善は望めるが、速応性の改善は難しい。   However, in the control method shown in Patent Document 2 (FIG. 4), it is possible to improve the quick response of the valve opening control by shortening the waste time and the time constant, but it is difficult to improve the settling. Further, in the control method shown in Patent Document 3 (FIG. 5), since the pressure value itself is observed, improvement of settling such as overshoot and settling time can be expected, but improvement of rapid response is difficult.

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、バルブ開度制御の速応性と整定性の改善を両立することが可能なポジショナを提供することにある。   The present invention has been made in order to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a positioner capable of satisfying both of quick response of valve opening control and improvement of settling. is there.

このような目的を達成するために本発明は、制御対象である調節弁からフィードバックされてくる実開度値を第１のフィードバック値とし、この第１のフィードバック値と上位装置から送られてくる弁開度設定値との偏差を求め、この偏差に所定の演算を施して得られる電気信号を制御出力として出力する制御手段と、この制御手段からの制御出力を空気圧に変換し調節弁の駆動部へ出力する電空変換手段とを備えたポジショナにおいて、電空変換手段からの調節弁の駆動部への空気圧を検出する空気圧検出手段と、空気圧検出手段によって検出された空気圧の微分値を圧力微分値として第２のフィードバック値を算出する第２のフィードバック値算出手段と、調節弁からフィードバックされてくる実開度値の微分値を弁開度微分値として第３のフィードバック値を算出する第３のフィードバック値算出手段と、算出された第２のフィードバック値と第３のフィードバック値との和をマイナー制御ループのフィードバック値として算出する加算手段と、制御手段からの制御出力をメジャー制御ループの制御出力とし、このメジャー制御ループの制御出力から加算手段によって算出されたマイナー制御ループのフィードバック値を減算して補正制御出力を求め、この補正制御出力を電空変換手段への制御出力として出力する補正制御出力演算手段とを備えることを特徴とする。   In order to achieve such an object, according to the present invention, an actual opening value fed back from a control valve that is a control target is set as a first feedback value, and the first feedback value and a higher-level device are sent. A control means for obtaining a deviation from the valve opening set value and performing a predetermined calculation on the deviation and outputting an electric signal as a control output, and converting the control output from the control means into a pneumatic pressure to drive the control valve In a positioner provided with an electropneumatic conversion means for outputting to an air pressure section, an air pressure detection means for detecting the air pressure from the electropneumatic conversion means to the drive part of the control valve, and a differential value of the air pressure detected by the air pressure detection means Second feedback value calculation means for calculating a second feedback value as a differential value, and a differential value of an actual opening value fed back from the control valve as a valve opening differential value A third feedback value calculating means for calculating the feedback value, an adding means for calculating the sum of the calculated second feedback value and the third feedback value as a feedback value of the minor control loop, The control output is taken as the control output of the major control loop, and the correction control output is obtained by subtracting the feedback value of the minor control loop calculated by the adding means from the control output of this major control loop, and this correction control output is electro-pneumatic converting means. And a correction control output calculation means for outputting as a control output.

この発明によれば、電空変換手段からの調節弁の駆動部への空気圧が検出され、この検出された空気圧の微分値を圧力微分値として第２のフィードバック値が算出される。例えば、圧力微分値に第１の定数を乗じた値が第２のフィードバック値として算出される。また、調節弁からフィードバックされてくる実開度値の微分値を弁開度微分値として第３のフィードバック値が算出される。例えば、弁開度微分値に第２の定数を乗じた値が第３のフィードバック値として算出される。そして、この第２のフィードバック値と第３のフィードバック値との和がマイナー制御ループのフィードバック値とされ、このマイナー制御ループのフィードバック値をメジャー制御ループの制御出力から減算して補正制御出力が求められ、この求められた補正制御出力が電空変換手段への制御出力とされる。   According to the present invention, the air pressure from the electropneumatic conversion means to the drive portion of the control valve is detected, and the second feedback value is calculated using the detected differential value of the air pressure as the pressure differential value. For example, a value obtained by multiplying the pressure differential value by a first constant is calculated as the second feedback value. Further, the third feedback value is calculated using the differential value of the actual opening value fed back from the control valve as the valve opening differential value. For example, a value obtained by multiplying the valve opening differential value by the second constant is calculated as the third feedback value. The sum of the second feedback value and the third feedback value is used as the feedback value of the minor control loop, and the correction control output is obtained by subtracting the feedback value of the minor control loop from the control output of the major control loop. The obtained correction control output is used as a control output to the electropneumatic conversion means.

この発明において、第２のフィードバック値と第３のフィードバック値との和は、例えば上述した第１の定数や第２の定数として適正な値を与えることによって、電空変換手段から出力される空気の流量に相当する量とすることが可能である。この場合、電空変換手段から出力される空気の流量に相当する量がメジャー制御ループの制御出力から減算されるものとなり、バルブ開度制御の速応性と整定性の改善が両立されるものとなる。   In the present invention, the sum of the second feedback value and the third feedback value is, for example, the air output from the electropneumatic conversion means by giving an appropriate value as the first constant or the second constant described above. It is possible to make it an amount corresponding to the flow rate. In this case, the amount corresponding to the flow rate of the air output from the electropneumatic conversion means is subtracted from the control output of the major control loop, and both the quick response and the stability of the valve opening control are compatible. Become.

本発明によれば、調節弁の駆動部への空気圧の微分値を圧力微分値として第２のフィードバック値を算出し、調節弁からフィードバックされてくる実開度値の微分値を弁開度微分値として第３のフィードバック値を算出し、この算出された第２のフィードバック値と第２のフィードバック値との和をマイナー制御ループのフィードバック値とするようにしたので、電空変換手段から出力される空気の流量に相当する量をメジャー制御ループの制御出力から減算するようにして、バルブ開度制御の速応性と整定性の改善を両立することが可能となる。   According to the present invention, the second feedback value is calculated using the differential value of the air pressure to the drive portion of the control valve as the pressure differential value, and the differential value of the actual opening value fed back from the control valve is calculated as the valve opening differential value. Since the third feedback value is calculated as the value, and the sum of the calculated second feedback value and the second feedback value is used as the feedback value of the minor control loop, it is output from the electropneumatic conversion means. By subtracting the amount corresponding to the flow rate of the air from the control output of the major control loop, it is possible to improve both the quick response and the settling of the valve opening control.

本発明に係るポジショナの一実施の形態（実施の形態１（単動型））の要部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the principal part of one Embodiment (Embodiment 1 (single action type)) of the positioner which concerns on this invention. 本発明に係るポジショナの他の実施の形態（実施の形態２（複動型））の要部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the principal part of other embodiment (Embodiment 2 (double acting type)) of the positioner which concerns on this invention. 従来のポジショナの要部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the principal part of the conventional positioner. 特許文献２に示された制御方式の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the control system shown by patent document 2. FIG. 特許文献３に示された制御方式の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the control system shown by patent document 3. FIG.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

〔実施の形態１：単動型ポジショナ〕
図１はこの発明に係るポジショナの一実施の形態（実施の形態１）の要部の構成を示す図である。同図において、図５と同一符号は図５を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。 [Embodiment 1: Single-acting positioner]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a main part of an embodiment (embodiment 1) of a positioner according to the present invention. 5, the same reference numerals as those in FIG. 5 denote the same or equivalent components as those described with reference to FIG. 5, and the description thereof will be omitted.

このポジショナ１Ｄでは、調節弁２からフィードバックされてくる実開度値Ｘｐｖの微分値Ｘｐｖ／ｄｔを弁開度微分値とし、この弁開度微分値ｄＸｐｖ／ｄｔに定数Ｋｎを乗じた値Ｋｎ・ｄＸｐｖ／ｄｔを第３のフィードバック値とし、第２のフィードバック値Ｋｍ・ｄＰｏ／ｄｔと第３のフィードバック値Ｋｎ・ｄＸｐｖ／ｄｔとの和ＦＢを求め（ＦＢ＝Ｋｍ・ｄＰｏ／ｄｔ＋Ｋｎ・ｄＸｐｖ／ｄｔ）、この第２のフィードバック値と第３のフィードバック値との和ＦＢをマイナー制御ループのフィードバック値としている。そして、制御部１１からの制御出力ＭＶをメジャー制御ループの制御出力とし、このメジャー制御ループの制御出力ＭＶからマイナー制御ループのフィードバック値ＦＢを減算して補正制御出力ＭＶ’を求め、この補正制御出力ＭＶ’を電空変換器１２への制御出力としている。   In this positioner 1D, a differential value Xpv / dt of the actual opening value Xpv fed back from the control valve 2 is used as a valve opening differential value, and a value Kn ·· obtained by multiplying the valve opening differential value dXpv / dt by a constant Kn. Using dXpv / dt as the third feedback value, a sum FB of the second feedback value Km · dPo / dt and the third feedback value Kn · dXpv / dt is obtained (FB = Km · dPo / dt + Kn · dXpv / dt). ), The sum FB of the second feedback value and the third feedback value is used as the feedback value of the minor control loop. The control output MV from the control unit 11 is used as the control output of the major control loop, and the correction value MV ′ is obtained by subtracting the feedback value FB of the minor control loop from the control output MV of this major control loop. The output MV ′ is a control output to the electropneumatic converter 12.

なお、弁開度微分値ｄＸｐｖ／ｄｔの算出およびこの弁開度微分値ｄＸｐｖ／ｄｔに対する定数Ｋｎの乗算は乗算部（第３のフィードバック値算出部）２０で行い、第２のフィードバック値Ｋｍ・ｄＰｏ／ｄｔと第３のフィードバック値Ｋｎ・ｄＸｐｖ／ｄｔとの和ＦＢの算出は加算部２１で行う。また、メジャー制御ループの制御出力ＭＶからのマイナー制御ループのフィードバック値ＦＢの減算は減算部（補正制御出力演算部）２２で行う。   The calculation of the valve opening differential value dXpv / dt and the multiplication of the valve opening differential value dXpv / dt by a constant Kn are performed by the multiplication unit (third feedback value calculation unit) 20, and the second feedback value Km · The addition unit 21 calculates the sum FB of dPo / dt and the third feedback value Kn · dXpv / dt. The subtraction unit (correction control output calculation unit) 22 subtracts the feedback value FB of the minor control loop from the control output MV of the major control loop.

このポジショナ１Ｄにおいて、圧力センサ１７は、パイロットリレー１３からの調節弁２の駆動部２ａへの空気圧Ｐｏを検出する。乗算部（第２のフィードバック値算出部）１８は、圧力センサ１７によって検出された空気圧Ｐｏの微分値ｄＰｏ／ｄｔを圧力微分値として算出し、この圧力微分値ｄＰｏ／ｄｔに定数Ｋｍ（第１の定数）を乗じた値Ｋｍ・ｄＰｏ／ｄｔを第２のフィードバック値として出力する。   In this positioner 1D, the pressure sensor 17 detects the air pressure Po from the pilot relay 13 to the drive unit 2a of the regulating valve 2. The multiplication unit (second feedback value calculation unit) 18 calculates the differential value dPo / dt of the air pressure Po detected by the pressure sensor 17 as a pressure differential value, and adds a constant Km (first value) to the pressure differential value dPo / dt. The value Km · dPo / dt multiplied by the constant) is output as the second feedback value.

乗算部（第３のフィードバック値算出部）２０は、開度センサ３からの実開度値Ｘｐｖを分岐して入力し、この実開度値Ｘｐｖの微分値ｄＸｐｖ／ｄｔを弁開度微分値として算出し、この弁開度微分値ｄＸｐｖ／ｄｔに定数Ｋｎ（第２の定数）を乗じた値Ｋｎ・ｄＸｐｖ／ｄｔを第３のフィードバック値として出力する。   The multiplication unit (third feedback value calculation unit) 20 branches and inputs the actual opening value Xpv from the opening sensor 3, and the differential value dXpv / dt of the actual opening value Xpv is the valve opening differential value. And a value Kn · dXpv / dt obtained by multiplying the valve opening differential value dXpv / dt by a constant Kn (second constant) is output as a third feedback value.

加算部２１は、乗算部１８からの第２のフィードバック値Ｋｍ・ｄＰｏ／ｄｔと乗算部２０からの第３のフィードバック値Ｋｎ・ｄＸｐｖ／ｄｔとを加算し、その加算値をマイナー制御ループのフィードバック値ＦＢとして減算部（補正制御出力演算部）２２へ送る。   The adding unit 21 adds the second feedback value Km · dPo / dt from the multiplying unit 18 and the third feedback value Kn · dXpv / dt from the multiplying unit 20, and feeds the added value back to the minor control loop. The value FB is sent to the subtraction unit (correction control output calculation unit) 22.

減算部（補正制御出力演算部）２２は、制御部１１からの制御出力ＭＶをメジャー制御ループの制御出力として入力し、このメジャー制御ループの制御出力ＭＶからマイナー制御ループのフィードバック値ＦＢを減算して補正制御出力ＭＶ’を求め、この補正制御出力ＭＶ’を電空変換器１２への制御出力とする。   The subtraction unit (correction control output calculation unit) 22 inputs the control output MV from the control unit 11 as the control output of the major control loop, and subtracts the feedback value FB of the minor control loop from the control output MV of this major control loop. Thus, a correction control output MV ′ is obtained, and this correction control output MV ′ is used as a control output to the electropneumatic converter 12.

このポジショナ１Ｄにおいて、第２のフィードバック値Ｋｍ・ｄＰｏ／ｄｔと第３のフィードバック値Ｋｎ・ｄＸｐｖ／ｄｔとの和は、第１の定数Ｋｍおよび第２の定数Ｋｎを適正な値とすることによって、パイロットリレー１３から出力される空気の流量に相当する量としている。これにより、パイロットリレー１３から出力される空気の流量に相当する量をメジャー制御ループの制御出力ＭＶから減算するようにして、すなわちマイナー制御ループのフィードバック値ＦＢを流量等価物理量として、バルブ開度制御の速応性と整定性の改善を両立させている。   In this positioner 1D, the sum of the second feedback value Km · dPo / dt and the third feedback value Kn · dXpv / dt is obtained by setting the first constant Km and the second constant Kn to appropriate values. The amount corresponds to the flow rate of air output from the pilot relay 13. Thus, the valve opening degree control is performed by subtracting the amount corresponding to the flow rate of air output from the pilot relay 13 from the control output MV of the major control loop, that is, using the feedback value FB of the minor control loop as the flow rate equivalent physical quantity. It improves both quick response and settling.

〔流量等価物理量の導出〕
以下、マイナー制御ループのフィードバック値ＦＢとして得られる「Ｋｍ・ｄＰｏ／ｄｔ＋Ｋｎ・ｄＸｐｖ／ｄｔ」がパイロットリレー１３から出力される空気の流量に相当する量（流量等価物理量）であることについて、その理論的な裏付けを説明する。 [Derivation of flow equivalent physical quantity]
Hereinafter, the theory that “Km · dPo / dt + Kn · dXpv / dt” obtained as the feedback value FB of the minor control loop is an amount corresponding to the flow rate of air output from the pilot relay 13 (flow rate equivalent physical quantity). Explain the basic support.

調節弁２の駆動部２ａのダイアフラム室へ流入（もしくは流出）する流量と弁開度および出力空気圧との関係式を求める。なお、ここでは、Ｐをダイアフラム室の圧力、Ｖをダイアフラム室の体積、θをダイアフラム室の温度、Ａをダイアフラム室の有効面積、Ｘを弁開度、Ｗをダイアフラム室の気体の物質量、Ｒを気体定数とする。   A relational expression between the flow rate that flows (or flows out) into the diaphragm chamber of the drive unit 2a of the control valve 2, the valve opening degree, and the output air pressure is obtained. Here, P is the pressure of the diaphragm chamber, V is the volume of the diaphragm chamber, θ is the temperature of the diaphragm chamber, A is the effective area of the diaphragm chamber, X is the valve opening, W is the amount of gas in the diaphragm chamber, Let R be the gas constant.

先ず、ダイアフラム室内について、気体の状態方程式を用いて考える。今、ダイアフラム室内の空気について、状態方程式は下記（１）式で表される。
Ｐ・Ｖ＝Ｗ・Ｒ・θ ・・・・（１） First, the diaphragm chamber is considered using a gas equation of state. Now, for the air in the diaphragm chamber, the equation of state is expressed by the following equation (1).
P ・ V = W ・ R ・ θ ・ ・ ・ ・ (1)

バルブ動作時は等温変化であると仮定し、上記（１）式を全微分すると、
Ｐ・ｄｖ／ｄｔ＋Ｖ・ｄＰ／ｄｔ＝Ｒ・θ・ｄＷ／ｄｔ ・・・・（２）
質量流量Ｇは、Ｗの時間変化で表されるため、（２）式をｄＷ／ｄｔについて整理すると、
Ｇ＝ｄＷ／ｄｔ＝〔１／（Ｒ・θ）〕・（Ｐ・ｄｖ／ｄｔ＋Ｖ・ｄＰ／ｄｔ） ・・・・（３） Assuming that the valve operation is isothermal, the above equation (1) is fully differentiated,
P · dv / dt + V · dP / dt = R · θ · dW / dt (2)
Since the mass flow rate G is represented by the time change of W, when formula (2) is arranged for dW / dt,
G = dW / dt = [1 / (R · θ)] · (P · dv / dt + V · dP / dt) (3)

ここで、ダイアフラム室の体積変化は、弁開度Ｘで下記（４）式のように表される。
ｄｖ／ｄｔ＝Ａ・ｄＸ／ｄｔ ・・・・（４）
（４）式を（３）式に代入し、質量流量Ｇと圧力微分値および弁開度微分値の関係として次式を得る。
Ｇ＝ｄＷ／ｄｔ＝〔１／（Ｒ・θ）〕・（Ｖ・ｄＰ／ｄｔ＋Ｐ・Ａ・ｄＸ／ｄｔ〕＝Ｋｍ・ｄＰ／ｄｔ＋Ｋｎ・ｄＸ／ｄｔ・・・・（５） Here, the volume change of the diaphragm chamber is expressed as the following equation (4) by the valve opening X.
dv / dt = A · dX / dt (4)
Substituting the equation (4) into the equation (3), the following equation is obtained as the relationship between the mass flow rate G, the pressure differential value, and the valve opening differential value.
G = dW / dt = [1 / (R · θ)] · (V · dP / dt + P · A · dX / dt] = Km · dP / dt + Kn · dX / dt (5)

以上より、圧力微分値ｄＰ／ｄｔおよび弁開度微分値ｄＸ／ｄｔをセンシングし、適当な定数ＫｍおよびＫｎを与えれれば、「Ｋｍ・ｄＰ／ｄｔ＋Ｋｎ・ｄＸ／ｄｔ」が調節弁２の駆動部２ａのダイアフラム室への流量に相当する量（流量等価物理量）として得られることが分かる。   As described above, if the pressure differential value dP / dt and the valve opening differential value dX / dt are sensed and appropriate constants Km and Kn are given, “Km · dP / dt + Kn · dX / dt” drives the control valve 2. It can be seen that it is obtained as an amount (flow equivalent physical quantity) corresponding to the flow rate to the diaphragm chamber of the part 2a.

〔実施の形態２：複動型ポジショナ〕
図２はこの発明に係るポジショナの他の実施の形態（実施の形態２）の要部の構成を示す図である。同図において、図１と同一符号は図１を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。 [Embodiment 2: Double-acting positioner]
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a main part of another embodiment (embodiment 2) of the positioner according to the present invention. 1, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or equivalent components as those described with reference to FIG. 1, and the description thereof will be omitted.

このポジショナ１Ｅにおいて、パイロットリレー１３は、空気圧の出力ポートを２つ有しており、第１のポートから空気圧Ｐｏ１を出力し、第２のポートから空気圧Ｐｏ２を出力する。このポジショナ１Ｅにおいて、調節弁２を正動作（制御出力ＭＶに対応した方向に駆動）させる場合には第１のポートの空気圧Ｐｏ１を第２のポートの空気圧Ｐｏ２よりも高くし、調節弁２を逆動作（制御出力ＭＶに対して反対の方向に駆動）させる場合には第２のポートの空気圧Ｐｏ２を第１のポートの空気圧Ｐｏ１よりも高くする。このような動作形式のポジショナを複動型ポジショナと呼んでいる。   In this positioner 1E, the pilot relay 13 has two air pressure output ports, outputs the air pressure Po1 from the first port, and outputs the air pressure Po2 from the second port. In this positioner 1E, when the control valve 2 is operated normally (driven in a direction corresponding to the control output MV), the air pressure Po1 of the first port is made higher than the air pressure Po2 of the second port, and the control valve 2 is When performing reverse operation (driving in the direction opposite to the control output MV), the air pressure Po2 of the second port is set higher than the air pressure Po1 of the first port. This type of positioner is called a double-acting positioner.

このポジショナ１Ｅでは、図１に示した圧力センサ１７に代えて差圧センサ２３を設け、調節弁２の駆動部２ａへの第１のポートの空気圧Ｐｏ１と第２のポートの空気圧Ｐｏ２との差圧ΔＰｏ（ΔＰｏ＝Ｐｏ１−Ｐｏ２）を検出し、この検出した差圧ΔＰｏを乗算部（第２のフィードバック値算出部）１８へ送るようにしている。   In this positioner 1E, a differential pressure sensor 23 is provided instead of the pressure sensor 17 shown in FIG. 1, and the difference between the air pressure Po1 of the first port and the air pressure Po2 of the second port to the drive unit 2a of the control valve 2 is provided. The pressure ΔPo (ΔPo = Po1−Po2) is detected, and the detected differential pressure ΔPo is sent to the multiplication unit (second feedback value calculation unit) 18.

そして、乗算部（第２のフィードバック値算出部）１８において、差圧センサ２３からの差圧ΔＰｏの微分値ｄΔＰｏ／ｄｔを圧力微分値として算出し、この圧力微分値ｄΔＰｏ／ｄｔに定数Ｋｍ（第１の定数）を乗じた値Ｋｍ・ｄΔＰｏ／ｄｔを第２のフィードバック値として加算部２１へ出力するようにしている。   Then, the multiplication unit (second feedback value calculation unit) 18 calculates the differential value dΔPo / dt of the differential pressure ΔPo from the differential pressure sensor 23 as a pressure differential value, and a constant Km ( A value Km · dΔPo / dt multiplied by the first constant) is output to the adding unit 21 as a second feedback value.

加算部２１は、乗算部１８からの第２のフィードバック値Ｋｍ・ｄΔＰｏ／ｄｔと乗算部２０からの第３のフィードバック値Ｋｎ・ｄＸｐｖ／ｄｔとを加算し、その加算値をマイナー制御ループのフィードバック値ＦＢとして減算部（補正制御出力演算部）２２へ送る。   The adder 21 adds the second feedback value Km · dΔPo / dt from the multiplier 18 and the third feedback value Kn · dXpv / dt from the multiplier 20, and feeds the added value back to the minor control loop. The value FB is sent to the subtraction unit (correction control output calculation unit) 22.

減算部（補正制御出力演算部）２２は、制御部１１からの制御出力ＭＶをメジャー制御ループの制御出力として入力し、このメジャー制御ループの制御出力ＭＶからマイナー制御ループのフィードバック値ＦＢを減算して補正制御出力ＭＶ’を求め、この補正制御出力ＭＶ’を電空変換器１２への制御出力とする。   The subtraction unit (correction control output calculation unit) 22 inputs the control output MV from the control unit 11 as the control output of the major control loop, and subtracts the feedback value FB of the minor control loop from the control output MV of this major control loop. Thus, a correction control output MV ′ is obtained, and this correction control output MV ′ is used as a control output to the electropneumatic converter 12.

このポジショナ１Ｅにおいて、第２のフィードバック値Ｋｍ・ｄΔＰｏ／ｄｔと第３のフィードバック値Ｋｎ・ｄＸｐｖ／ｄｔとの和は、第１の定数Ｋｍおよび第２の定数Ｋｎを適正な値とすることによって、パイロットリレー１３から出力される空気の流量に相当する量としている。これにより、パイロットリレー１３から出力される空気の流量に相当する量をメジャー制御ループの制御出力ＭＶから減算するようにして、すなわちマイナー制御ループのフィードバック値ＦＢを流量等価物理量として、バルブ開度制御の速応性と整定性の改善を両立させている。   In this positioner 1E, the sum of the second feedback value Km · dΔPo / dt and the third feedback value Kn · dXpv / dt is obtained by setting the first constant Km and the second constant Kn to appropriate values. The amount corresponds to the flow rate of air output from the pilot relay 13. Thus, the valve opening degree control is performed by subtracting the amount corresponding to the flow rate of air output from the pilot relay 13 from the control output MV of the major control loop, that is, using the feedback value FB of the minor control loop as the flow rate equivalent physical quantity. It improves both quick response and settling.

なお、この実施の形態２では、差圧センサ２３によって調節弁２の駆動部２ａへの第１のポートの空気圧Ｐｏ１と第２のポートの空気圧Ｐｏ２との差圧ΔＰｏを検出するようにしたが、第１のポートの空気圧Ｐｏ１と第２のポートの空気圧Ｐｏ２を個別に検出し、その検出した空気圧Ｐｏ１とＰｏ２との差として差圧ΔＰｏを求めるようにしてもよい。   In the second embodiment, the differential pressure sensor 23 detects the differential pressure ΔPo between the first port air pressure Po1 and the second port air pressure Po2 to the drive unit 2a of the control valve 2. Alternatively, the air pressure Po1 of the first port and the air pressure Po2 of the second port may be individually detected, and the differential pressure ΔPo may be obtained as a difference between the detected air pressures Po1 and Po2.

また、上述した実施の形態１，２では、制御部１１において、弁開度設定値Ｘｓｐと開度センサ３からの実開度値Ｘｐｖとの偏差ｅにＰＩＤ制御演算を施すようにしているが、偏差ｅに施す演算はＰＩＤ制御演算に限られるものではない。また、ＰＩＤ制御演算部１１ｂに実開度Ｘｐｖを分岐して与え、実開度Ｘｐｖに対して先に微分を行うようにする微分先行型のＰＩＤ制御演算を偏差ｅに対して施すようにしてもよい。   In the first and second embodiments described above, the control unit 11 performs the PID control calculation on the deviation e between the valve opening set value Xsp and the actual opening value Xpv from the opening sensor 3. The calculation performed on the deviation e is not limited to the PID control calculation. Further, the actual opening Xpv is branched and given to the PID control calculation unit 11b, and a differential preceding type PID control calculation is performed on the deviation e so that the actual opening Xpv is differentiated first. Also good.

また、上述した実施の形態１，２では、電空変換器１２とパイロットリレー１３との組み合わせが本発明でいう電空変換手段に相当する。
また、上述した実施の形態１，２において、開度センサ３はポジショナ１Ｄの外側に設けられているものとしているが、ポジショナ１Ｄの内部に設けられていてもよい。 In the first and second embodiments, the combination of the electropneumatic converter 12 and the pilot relay 13 corresponds to the electropneumatic conversion means referred to in the present invention.
In the first and second embodiments described above, the opening degree sensor 3 is provided outside the positioner 1D, but may be provided inside the positioner 1D.

本発明のポジショナは、電気信号を空気圧信号に変換し、この変換された空気圧信号に基づき調節弁の弁開度を制御する機器として、プロセス制御など様々な分野で利用することが可能である。   The positioner of the present invention can be used in various fields such as process control as a device that converts an electrical signal into a pneumatic signal and controls the valve opening of the control valve based on the converted pneumatic signal.

１Ｄ，１Ｅ…ポジショナ、２…調節弁、２ａ…駆動部、２ｂ…バルブ、３…開度センサ、１１…制御部、１１ａ…、１１ｂ…ＰＩＤ制御演算部、１２…電空変換器、１３…パイロットリレー、１３ａ…シリンダ、１３ｂ，１３ｂ１，１３ｂ２…ポペット弁、１７…圧力センサ、１８…乗算部（第２のフィードバック値算出部）、２０…乗算部（第３のフィードバック値算出部）、２１…加算部、２２…減算部（補正制御出力演算部）、２３…差圧センサ。   1D, 1E ... Positioner, 2 ... Control valve, 2a ... Drive unit, 2b ... Valve, 3 ... Opening sensor, 11 ... Control unit, 11a ..., 11b ... PID control calculation unit, 12 ... Electropneumatic converter, 13 ... Pilot relay, 13a ... cylinder, 13b, 13b1, 13b2 ... poppet valve, 17 ... pressure sensor, 18 ... multiplier (second feedback value calculator), 20 ... multiplier (third feedback value calculator), 21 ... addition part, 22 ... subtraction part (correction control output calculation part), 23 ... differential pressure sensor.

Claims (3)

制御対象である調節弁からフィードバックされてくる実開度値を第１のフィードバック値とし、この第１のフィードバック値と上位装置から送られてくる弁開度設定値との偏差を求め、この偏差に所定の演算を施して得られる電気信号を制御出力として出力する制御手段と、
この制御手段からの制御出力を空気圧に変換し前記調節弁の駆動部へ出力する電空変換手段とを備えたポジショナにおいて、
前記電空変換手段からの前記調節弁の駆動部への空気圧を検出する空気圧検出手段と、
前記空気圧検出手段によって検出された空気圧の微分値を圧力微分値として第２のフィードバック値を算出する第２のフィードバック値算出手段と、
前記調節弁からフィードバックされてくる実開度値の微分値を弁開度微分値として第３のフィードバック値を算出する第３のフィードバック値算出手段と、
前記算出された第２のフィードバック値と第３のフィードバック値との和をマイナー制御ループのフィードバック値として算出する加算手段と、
前記制御手段からの制御出力をメジャー制御ループの制御出力とし、このメジャー制御ループの制御出力から前記加算手段によって算出されたマイナー制御ループのフィードバック値を減算して補正制御出力を求め、この補正制御出力を前記電空変換手段への制御出力として出力する補正制御出力演算手段と
を備えることを特徴とするポジショナ。 The actual opening value fed back from the control valve to be controlled is set as the first feedback value, and a deviation between the first feedback value and the valve opening setting value sent from the host device is obtained. A control means for outputting an electrical signal obtained by performing a predetermined operation on the control output;
In a positioner comprising electropneumatic conversion means for converting the control output from the control means into air pressure and outputting it to the drive portion of the control valve,
Air pressure detection means for detecting air pressure from the electropneumatic conversion means to the drive portion of the control valve;
Second feedback value calculating means for calculating a second feedback value using a differential value of the air pressure detected by the air pressure detecting means as a pressure differential value;
Third feedback value calculating means for calculating a third feedback value using a differential value of the actual opening value fed back from the control valve as a valve opening differential value;
Adding means for calculating a sum of the calculated second feedback value and third feedback value as a feedback value of a minor control loop;
The control output from the control means is used as the control output of the major control loop, and the feedback value of the minor control loop calculated by the adding means is subtracted from the control output of the major control loop to obtain the correction control output. And a correction control output calculation means for outputting an output as a control output to the electropneumatic conversion means. 請求項１に記載されたポジショナにおいて、
前記第２のフィードバック値算出手段は、
前記圧力微分値に第１の定数を乗じた値を前記第２のフィードバック値とし、
前記第３のフィードバック値算出手段は、
前記弁開度微分値に第２の定数を乗じた値を前記第３のフィードバック値とする
ことを特徴とするポジショナ。 The positioner as claimed in claim 1,
The second feedback value calculation means includes:
A value obtained by multiplying the pressure differential value by a first constant is used as the second feedback value.
The third feedback value calculation means includes
A positioner obtained by multiplying the valve opening differential value by a second constant is used as the third feedback value. 請求項１に記載されたポジショナにおいて、
前記電空変換手段は、
前記調節弁の駆動部への空気圧の出力ポートとして第１のポートと第２のポートとを有し、前記調節弁を前記制御出力に対応した方向に駆動させる場合には前記第１のポートの空気圧を前記第２のポート空気圧よりも高くし、前記調節弁を前記制御出力に対して反対方向に駆動させる場合には前記第２のポートの空気圧を前記第１のポートの空気圧よりも高くし、
前記空気圧検出手段は、
前記電空変換手段の第１のポートの空気圧と第２のポートの空気圧との差圧を検出し、
前記第２のフィードバック値算出手段は、
前記空気圧検出手段によって検出された差圧の微分値を圧力微分値としこの圧力微分値に第１の定数を乗じた値を前記第２のフィードバック値として算出し、
前記第３のフィードバック値算出手段は、
前記調節弁からフィードバックされてくる実開度値の微分値を弁開度微分値としこの弁開度微分値に第２の定数を乗じた値を前記第３のフィードバック値として算出する
ことを特徴とするポジショナ。 The positioner as claimed in claim 1,
The electropneumatic conversion means includes
When the control valve is driven in the direction corresponding to the control output, it has a first port and a second port as an output port of air pressure to the drive portion of the control valve. When the air pressure is higher than the second port air pressure, and the control valve is driven in the opposite direction to the control output, the air pressure of the second port is higher than the air pressure of the first port. ,
The air pressure detecting means includes
Detecting a differential pressure between the air pressure of the first port and the air pressure of the second port of the electropneumatic conversion means;
The second feedback value calculation means includes:
A differential value of the differential pressure detected by the air pressure detection means is set as a pressure differential value, and a value obtained by multiplying the pressure differential value by a first constant is calculated as the second feedback value.
The third feedback value calculation means includes
The differential value of the actual opening value fed back from the control valve is a valve opening differential value, and a value obtained by multiplying the valve opening differential value by a second constant is calculated as the third feedback value. And positioner.
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