CN103488184B

CN103488184B - 定位器

Info

Publication number: CN103488184B
Application number: CN201310224746.6A
Authority: CN
Inventors: 野见山隆; 并河将树
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2033-06-06
Also published as: CN103488184A; JP2013254448A; US8925896B2; JP6010354B2; US20130327426A1

Abstract

本发明提供一种定位器，在控制过程中不会损害稳定性且可以显著改进迅速响应性能。不会产生振荡等不理想的控制。设有：模型部(6)，其具有将电空转换器(3)模型化了的输入输出特性，将来自于控制运算部(2)的控制信号MV进行输入并求出从电空转换器(3)输入至气动放大器(4)的输入空气压力Pn的推定值Pn～；和偏移量运算部(7)，其根据由模型部(6)求出的输入空气压力的推定值Pn～及从气动放大器(4)输出的输出空气压力Po来求得气动放大器(4)从平衡状态偏移的偏移量。控制运算部(2)根据实际开度信号PV、开度设定信号SP、及气动放大器从平衡状态偏移的偏移量d来决定控制信号MV，并输出至电空转换器(3)。

Description

定位器

技术领域

本发明涉及一种对阀开度进行控制的定位器。

背景技术

以往，作为对阀开度进行控制的定位器，例如有图4中示出其主要部分的结构的定位器。在该图中，200(200A)是定位器，300是阀，在阀300上设有对表示该阀开度的位置进行检测的位置传感器10。

定位器200A包括：电流SP转换部1、控制运算部2、电空转换器3、气动放大器4以及阀开度计算部5。

在该定位器200A中，电流SP转换部1将从上位装置以4～20mA的信号送来的输入信号转换成开度设定信号SP。阀开度计算部5根据位置传感器10检测出表示的阀开度的位置，对阀200A的当前的阀开度进行计算，输出与该计算出的阀开度相符的信号作为实际开度信号PV。控制运算部2求出来自于电流SP转换部1的开度设定信号SP与来自于阀开度计算部5的实际开度信号PV的偏差，且将对该偏差施行PID控制运算而得到的电信号进行输出作为控制信号MV。

电空转换器3将来自于控制运算部2的控制信号MV转换成空气压力(喷嘴背压)Pn。气动放大器4将来自于电空转换器3的空气压力Pn作为输入空气压力，对该输入空气压力Pn进行增幅并生成输出空气压力Po，且输出至阀300的操作器11。由此，操作器11内的隔膜室中流入空气压力Po的空气，阀部12的开度得以调整。

在该定位器200A中，对控制运算部2来说的控制对象也包含对阀300施加的空气流量和空气压力的电空转换器3及气动放大器4。电空转换器3和气动放大器4的特性为线性的，如果是自然的特性的话，即便是这种控制方式虽然也够了，但实际上电空转换器3和气动放大器4均具有滞后现象或不灵敏区等非线性因素，控制很复杂。并且，由于该定位器200A其反馈信息仅为阀300的实际开度信号PV，如果实际开度信号PV不出现变化的话，则控制输出(控制信号MV)就无变化。为此，控制性能成问题。所以，专利文献1中提出了对控制性能进行改进的定位器。

图5是专利文献1所示的定位器的概略示意图。在该定位器200(200B)中，除了表示阀300的当前的开度的实际开度信号PV以外，还将由气动放大器4输出的输出空气压力Po的微分值dPo/dt作为压力微分值反馈给控制运算部2。输出空气压力Po的变化早于实际开度信号PV的变化。为此，通过对输出空气压力Po的变化量进行反馈，可以对实际开度信号PV产生变化之前进行预测。由此，与仅反馈开度信息的情形相比，可以进行优异的控制。

现有技术文献

专利文献

专利文献1日本专利第3595554号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，在该专利文献1所示的定位器200B中，虽然对响应比阀300的实际开度快的气动放大器4的输出空气压力Po(操作器11的隔膜部的控制压力)的微分信息进行了反馈，但微分信息在加上了噪声等的时候，输出将变得极大。因此，存在控制容易变得不稳定的问题。

本发明正是为了解决这样的问题而做出的，其目的在于，提供一种在控制过程中无损于稳定性且能够显著改进快速响应性能的定位器。另外，在于提供一种除了改进快速响应性能以外，不用担心产生振荡等不理想的控制状况的定位器。

用于解决课题的手段

为了实现这样的目的，本发明的定位器，包括：控制运算部，其将由上位装置送来的对于阀的开度设定信号和表示阀的当前的开度的实际开度信号作为输入，根据该开度设定信号和实际开度信号来生成控制信号；电空转换器，其将来自于该控制运算部的控制信号转换成空气压力；和气动放大器，其将该电空转换器所转换的空气压力作为输入空气压力，将该输入空气压力增幅并生成输出空气压力，并输出至对阀进行驱动的驱动单元，其特征在于，包括：模型部，其具有将电空转换器模型化了的输入输出特性，将来自于控制运算部的控制信号进行输入并求出由电空转换器输入给气动放大器的输入空气压力的推定值；和偏差量运算部，其根据由模型部求出的输入空气压力的推定值和由气动放大器输出的输出空气压力，来求出气动放大器从平衡状态偏移的偏移量，控制运算部根据实际开度信号、开度设定信号、及气动放大器从平衡状态偏移的偏移量来决定向电空转换器的控制输出。

虽然气动放大器的输出空气压力取决于输入空气压力，但输入空气压力从平衡状态变化时，输出空气压力在响应之前会有延迟。另外，给气动放大器的输入空气压力相对于控制输出具有非线性因素及无益的时间。为此，如果将其用于控制的话，恐怕会导致振荡等不理想的控制。

因此，在本发明中，通过设置具有将电空转换器模型化了的输入输出特性、将来自于控制运算部的控制信号进行输入并求出由电空转换器输入给气动放大器的输入空气压力的推定值的模型部，且根据由该模型部求出的输入空气压力的推定值和由气动放大器输出的输出空气压力来求出气动放大器从平衡状态偏移的偏移量，并还考虑该气动放大器从平衡状态偏移的偏移量来决定给电空转换器的控制输出，即，通过在输出空气压力实际变化之前对按照至气动放大器的输入空气压力的变化而变化的输出空气压力的变化量进行预测，在控制过程中不会损害稳定性且将改进迅速响应性能。另外，不用担心产生振荡等不理想的控制。

例如，在本发明中，气动放大器从平衡状态的偏差量用Po-(K·Pn^～-F)来求得。式中：Pn^～为由模型部求出的输入给气动放大器的输入空气压力Pn的推定值，Po为输出空气压力，F为Po到开始变化之前所需要的力，K为dPo/dPn。

另外，例如，在本发明中，根据由模型部求得的输入至气动放大器的输入空气压力的推定值和从电空转换器输入至气动放大器的输入空气压力的实际值，对由模型部求得的输入至气动放大器的输入空气压力的推定值进行补偿。电空转换器的特性容易因温度或空气电路的堵塞而变化。于是，由模型部求出的输入空气压力Pn的推定值Pn^～与实际的输入空气压力Pn之间就产生偏差。这种偏差一旦产生，则即使输入空气压力Pn与输出空气压力Po均衡，也会判断为不均衡，并反馈至控制信号。因此，根据由模型部求得的输入空气压力Pn的推定值Pn^～与实际的输入空气压力Pn，例如赋予对其差进行积分所得的值等，对由模型部求得的输入空气压力Pn的推定值Pn^～进行补偿。

发明的效果

根据本发明，因为设有具有将电空转换器模型化了的输入输出特性、将来自于控制运算部的控制信号进行输入并求出从电空转换器输入至气动放大器的输入空气压力的推定值的模型部，根据由模型部求出的输入空气压力的推定值和从气动放大器输出的输出空气压力来求出气动放大器从平衡状态偏移的偏移量，控制运算部根据实际开度信号、开度设定信号、及气动放大器从平衡状态偏移的偏移量来决定控制输出，并作为至电空转换器的控制信号进行输出，所以能够在输出空气压力实际变化之前对根据输入至气动放大器的输入空气压力的变化而变化的输出空气压力的变化量进行预测，不会损害稳定性且可以改进迅速响应性能。另外，由于使用由模型部求出的输入空气压力的推定值，所以能够抑制输入至气动放大器的输入空气压力相对于控制输出具有的非线性因素及无益的时间所带来的不良影响，不用担心产生振荡等不理想的控制。

附图说明

图1是本发明的定位器的一实施方式(实施方式1)的主要部分的结构示意图。

图2是对由该定位器的偏差量运算部求得的气动放大器从平衡状态偏移的偏移量进行说明的图。

图3是本发明的定位器的别的实施方式(实施方式2)的主要部分的结构示意图。

图4是现有的定位器的主要部分的结构示意图。

图5是专利文献1所示的定位器的主要部分的结构示意图。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行详细地说明。

〔实施方式1〕

图1是本发明的定位器的一实施方式(实施方式1)的主要部分的结构示意图。在该图中，与图4相同的符号表示是与参照图4进行说明的结构要素相同或者同等的结构要素，其说明省略。为了将本发明的定位器与现有的定位器进行区别用符号100来表示。

在该实施方式中，定位器100(100A)包括：具有将电空转换器3模型化了的输入输出特性，将来自于控制运算部2的控制信号MV进行输入并求出从电空转换器3输入至气动放大器4的输入空气压力Pn的推定值Pn^～的模型部6；和根据由模型部6求得的输入空气压力的推定值Pn^～与从气动放大器4输出的输出空气压力Po来求出气动放大器4从平衡状态偏移的偏移量d的偏移量运算部7。另外，控制运算部2具有根据实际开度信号PV、开度设定信号SP、及由偏差量运算部6求得的气动放大器4从平衡状态的偏移量d，来决定控制信号MV，并输出至电空转换器3的功能。

偏移量运算部7根据由模型部6求得的输入至气动放大器4的输入空气压力Pn的推定值Pn^～和从气动放大器4输出的输出空气压力Po，由下述的(1)式所示的运算式求出自气动放大器4的平衡状态偏移的偏移量d。

d＝Po-(K·Pn^～-F)····(1)

式中：Pn^～为由模型部6求出的输入给气动放大器4的输入空气压力Pn的推定值，Po为由气动放大器4输出的输出空气压力，F为Po开始变化之前所需要的力，K为dPo/dPn。

由该偏移量运算部7所求得的气动放大器4从平衡状态偏移的偏移量d，是在输出空气压力Po实际变化之前对根据输入至气动放大器4的输入空气压力Pn的变化而变化的输出空气压力Po的变化量进行预测的值。图2示出了气动放大器4的输入输出特性。气动放大器4的输出空气压力Po如该输入输出特性I所示，按照由Po＝K·Pn-F所示的式子而变化。输入空气压力Pn与输出空气压力Po的关系在处于该输入输出特性I上时为气动放大器4的平衡状态。

在气动放大器4的平衡状态下，输出空气压力Po取与输入空气压力Pn相应的值。但是，由于输出空气压力Po的响应比输入空气压力Pn滞后，所以输入空气压力Pn变化后暂时偏离该输入输出特性I。在这种情况下，可以想到当前的输出空气压力Po为K·Pn-F＞Po的情形和K·Pn-F＜Po的情形。如果当前的输出空气压力Po为K·Pn-F＞Po时(图2所示的(1)的状态)，可以预测输出空气压力Po增加自平衡状态偏移了偏移量d。当前的输出空气压力Po为K·Pn-F＜Po时(图2所示的(2)的状态)，可以预测输出空气压力Po减少自平衡状态偏移了偏移量d。

因此，气动放大器4从平衡状态偏移的偏移量d可以说是在输出空气压力Po实际变化之前对根据输入至气动放大器4的输入空气压力Pn的变化而变化的输出空气压力Po的变化量进行预测的值。在偏移量运算部7中，以Po-(K·Pn^～-F)求出该气动放大器4从平衡状态偏移的偏移量d，将该求出的偏移量d送至控制运算部2。该偏移量d是输出空气压力Po的变化量的预测，通过将此进行反馈，可以在比将输出空气压力Po的变化量进行反馈要早的段階对开度变化进行预测。为此，控制性能将得以显著地改善。

控制运算部2根据实际开度信号PV、开度设定信号SP、及由偏移量运算部7求出的气动放大器4从平衡状态偏移的偏移量d来决定控制信号MV，并输出至电空转换器3。此外，控制信号MV由下述的(2)式决定。

MV＝Kp·(SP-PV)+∫Ki·(SP-PV)dt+Kd·(dPV/dt)+Km·d····(2)

式中：Kp为比例增益、Ki为积分增益、Kd为微分增益、Km为偏移量增益。

此时，由于控制运算部2根据实际开度信号PV、开度设定信号SP、及气动放大器4从平衡状态偏移的偏移量来决定控制输出，并作为控制信号MV输出给电空转换器3，所以可以在输出空气压力Po实际变化之前对根据输入至气动放大器4的输入空气压力Pn的变化而变化的输出空气压力Po的变化量进行预测，因而不会损害稳定性且可以显著改进迅速响应性能。

另外，在本实施方式中，因为使用了由模型部6求出的输入给气动放大器4的输入空气压力Pn的推定值Pn^～，所以，能够抑制给气动放大器4的输入空气压力Pn相对于控制输出具有的非线性因素及无益的时间所带来的不良影响，不用担心产生振荡等不理想的控制。

〔实施方式2〕

图3示出了本发明的定位器的别的实施方式(实施方式2)的主要部分的结构。在该图中，与图1相同的符号表示与参照图1说明的结构要素相同或者同等的结构要素，其说明予以省略。

在该实施方式2的定位器100B中，设置推定值补偿部8，将由模型部6求得的气动放大器4的输入空气压力Pn的推定值Pn^～与从电空转换器3输入至气动放大器4的输入空气压力的实际值Pn之差进行积分所得的值赋给模型部6，来对由模型部6求出的输入至气动放大器4的输入空气压力Pn的推定值Pn^～进行补偿。

通过设置这样的推定值补偿部8，即使来自于模型部6的输入空气压力Pn的推定值Pn^～与实际的输入空气压力Pn不同，也能够使控制无障碍地进行。

即，电空转换器3的特性容易因温度或空气电路堵塞而产生变化。于是，来自模型部6的输入空气压力Pn的推定值Pn^～与实际的输入空气压力Pn之间将产生偏差。一旦产生这种偏差，则即使Po-(K·Pn-F)＝0，也变成Po-(K·Pn^～-F)≠0，而将产生固定偏差。在本实施方式中，由于通过用对输入空气压力Pn的推定值Pn^～与实际的输入空气压力Pn之差进行积分所得的值来补偿输入空气压力Pn的推定值Pn^～，使得模型部6的特性与电空转换器3的实际的特性一致，因而即使输入空气压力Pn的推定值Pn^～与实际的输入空气压力Pn不同，也可以使控制无障碍地进行。

此外，在上述实施方式1中，虽然采用上述(1)式求得气动放大器4从平衡状态偏移的偏移量d，但并不限于这样的计算式。例如，也可以根据将上述(1)式的关系作为数据存储的表，来读取气动放大器4从平衡状态偏移的偏移量d。另外，在上述实施方式中，虽然位置传感器10设在定位器100的外侧，但也可以设在定位器100的内部。

另外，在上述实施方式2中，虽然将对输入空气压力的推定值Pn^～与输入空气压力的实际值Pn之差进行积分所得的值赋予模型部6，但也可以将输入空气压力的推定值Pn^～与输入空气压力的实际值Pn进行比较，将规定量补贴到补偿量中等。

另外，在上述实施方式1，2中，定位器100中的控制运算部2、模型部6、偏差量运算部7、推定值补偿部8等的功能可以通过由处理器和存储装置构成的硬件以及与这些硬件协作并使作为控制装置的各种功能实现的程序来实现。

〔实施方式的扩展〕

以上，虽然参照实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式。对于本发明的结构及细节，在本发明的技术思想范围内，本行业技术人员可以进行能够理解的各种变更。

符号说明

1…电流SP转换部、2…控制运算部、3…电空转换器、4…气动放大器、5…阀开度计算部、6…模型部、7…偏差量运算部、8…推定值补偿部、10…位置传感器、11…操作器、12…阀部、100(100A，100B)…定位器、300…阀。

Claims

1.一种定位器，包括：

控制运算部，其将由上位装置送来的对于阀的开度设定信号和表示所述阀的当前的开度的实际开度信号作为输入，根据该开度设定信号和实际开度信号来生成控制信号；

电空转换器，其将来自于该控制运算部的控制信号转换成空气压力；和

气动放大器，其将该电空转换器所转换的空气压力作为输入空气压力，将该输入空气压力放大并生成输出空气压力，并输出至对所述阀进行驱动的驱动单元，

所述定位器的特征在于，包括：

模型部，其具有将所述电空转换器模型化了的输入输出特性，将来自于所述控制运算部的控制信号进行输入并求出由所述电空转换器输入给所述气动放大器的输入空气压力的推定值；

推定值补偿部，其根据由所述模型部求出的输入给气动放大器的输入空气压力的推定值和由所述电空转换器输入给气动放大器的输入空气压力的实际值，对由所述模型部求出的输入给气动放大器的输入空气压力的推定值进行补偿；和

偏移量运算部，其根据由所述模型部求出的输入空气压力的推定值和由所述气动放大器输出的输出空气压力，求出所述气动放大器从平衡状态偏移的偏移量，

所述控制运算部，根据所述实际开度信号、所述开度设定信号、及所述气动放大器从平衡状态偏移的偏移量来决定至所述电空转换器的控制输出。

2.根据权利要求1所述的定位器，其特征在于，

所述偏移量运算部将所述气动放大器从平衡状态偏移的偏移量用Po-(K·Pn～-F)求出，

式中：Pn～为模型部所求出的输入给气动放大器的输入空气压力Pn的推定值；Po为由气动放大器输出的输出空气压力；F为Po开始变化之前所需要的力；K为dPo/dPn。