JP2001075607A - Electropneumatic positioner - Google Patents

Electropneumatic positioner

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JP2001075607A
JP2001075607A JP25200099A JP25200099A JP2001075607A JP 2001075607 A JP2001075607 A JP 2001075607A JP 25200099 A JP25200099 A JP 25200099A JP 25200099 A JP25200099 A JP 25200099A JP 2001075607 A JP2001075607 A JP 2001075607A
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JP
Japan
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valve
control
state
stem
displacement
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JP25200099A
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Akira Inoue
晃 井上
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve valve control by calculating and feeding back the difference between at least one state variable among predicted state variables and measured data. SOLUTION: A controller 26 of a control arithmetic part 22 inputs signals relating to an input signal SP and a signal from a displacement sensor 15 which detects the displacement (y) of a system 14 to generate a controlled variable U(t), a feedback gain part 27 inputs the signal from the displacement sensor 15 and a state variable predicted value to send a feedback gain signal out to the controller 26, and a state observer 28 inputs the signal from the displacement sensor 15 and the controlled variable U(t) from the controller 26 to generate a state variable predicted value. The input signal to a valve and the displacement signal of a stem are inputted to output a controlled variable, and the flow rate of air supplied to an actuator is controlled. Then the state variables of the air flow rate and the displacement quantity of the stem are predicted and the difference between at least one state variable out of the predicted state variables and measured data is calculated and fed back.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電空ポジショナに
関するものであり、特にバルブを制御するステム変位信
号に基づいてバルブ制御の予測値を算出するようにした
電空ポジショナに関する。
The present invention relates to an electropneumatic positioner, and more particularly to an electropneumatic positioner which calculates a predicted value of valve control based on a stem displacement signal for controlling a valve.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来におけるバルブの制御アルゴリズム
については、ポジショナベンダー各社にていろいろと研
究され、製品の競争力に大きく反映されている。バルブ
の制御において最も難しいと考えられているのは、制御
対象であるバルブが持つ非線形性をいかに吸収し、より
正確に、より速く、より安定した状態で、バルブの弁開
度を望まれる設定値に近づけることである。バルブが持
つ非線形性の中で、最も制御を困難にしている特性は、
弁内の流体がステムに伝わって漏れることを防ぐために
用意されているグランドパッキンによる摩擦力が引き起
こすヒステリシスである。
2. Description of the Related Art Conventionally, valve control algorithms have been studied in various ways by positioner vendors, and are greatly reflected in the competitiveness of products. The most difficult factor in controlling a valve is how to absorb the nonlinearity of the valve to be controlled, and set the valve opening more precisely, faster, and more stable. Value. Among the non-linearity of the valve, the characteristic that is most difficult to control is
This is a hysteresis caused by a frictional force of a gland packing provided to prevent the fluid in the valve from being transmitted to the stem and leaking.

【0003】近年、プラントの効率運転が注目され、プ
ラントの配管を流れる流体の圧力が高くなり、また、流
体の温度も高温化している。このような高圧、高温の流
体の漏れを防ぐために摩擦力が大きいと考えられる石綿
系のグランドパッキンが使用され、更に石綿系のパッキ
ンをバルブステムに対してきつく絞めるような傾向にあ
る。また、環境問題からも、バルブの弁内流体の漏れを
低減するために同様の処置がなされている。即ち、バル
ブステムとグランドパッキンとの間に生じる摩擦力が大
きくなり、これがバルブのヒステリシスを増大させてい
る。摩擦力が増えても、バルブの空気アクチュエータの
力を大きくすればバルブヒステリシスは小さく押さえら
れるが、設備投資が押さえられている現状、空気アクチ
ュエータの変更を行うことは困難であり、現行のバルブ
の構造そのままで運転されていることが多い。結果とし
て、バルブのヒステリシスが大きくなり、このしわ寄せ
は、電空ポジショナで吸収される事が望まれている。
[0003] In recent years, attention has been paid to efficient operation of a plant, and the pressure of a fluid flowing through piping of the plant has increased, and the temperature of the fluid has also increased. In order to prevent such high-pressure, high-temperature fluid leakage, asbestos-based gland packing, which is considered to have a large frictional force, is used, and the asbestos-based packing tends to be tightly tightened against the valve stem. Also, due to environmental problems, similar measures are taken to reduce leakage of fluid in the valve. That is, the frictional force generated between the valve stem and the gland packing increases, which increases the hysteresis of the valve. Even if the frictional force increases, the valve hysteresis can be suppressed by increasing the force of the air actuator of the valve.However, it is difficult to change the air actuator under the current situation where capital investment is suppressed. It is often operated with the structure as it is. As a result, the hysteresis of the valve increases, and it is desired that this wrinkle be absorbed by the electropneumatic positioner.

【0004】バルブヒステリシスが大きいバルブを制御
するためにいろいろな方法が研究されているが、この分
野でのディジタル制御の歴史は浅く、制御アルゴリズム
としては入力信号に基づいて出力制御するPID制御
(比例,積分,微分動作)が主流である。
Various methods have been studied to control a valve having a large valve hysteresis. However, the history of digital control in this field is short, and as a control algorithm, PID control (proportional control) for controlling output based on an input signal is used. , Integration, and differential operation) are the mainstream.

【0005】このPID制御に基づいて制御する、いわ
ゆる、ステム(Valve Stem;心棒)変位のみ
をフィールドバックする電空ポジショナ11は、図8に
示すように、アクチュエータ12の制御によるバルブ1
3のステム14の変位yを検出してフィードバックし、
アクチュエータ12への空気流量Qを制御するものであ
る。この電空ポジショナ11は、ステム14の変位yを
検出する変位センサー15、変位センサー15からの信
号をアナログ・ディジタル変換するA/D変換器16、
入力信号SPとA/D変換器16からのステム変位信号
yとを入力して制御演算を実行するディジタル制御回路
17、このディジタル制御回路17の演算信号をアナロ
グ信号に変換するD/A変換器18、この変換したアナ
ログ信号に基づいて供給されている空気圧力PNを制御
する電流/圧力変換器である入力モジュール19、この
入力モジュール19の信号及び供給圧力PNよりアクチ
ュエータ12への空気流量Qを制御する制御リレー20
とから構成されている。
[0005] An electropneumatic positioner 11 that controls based on the PID control, that is, a field-back only the so-called stem (valve stem) displacement, as shown in FIG.
Detecting the displacement y of the stem 14 of No. 3 and feeding it back,
It controls the air flow rate Q to the actuator 12. The electropneumatic positioner 11 includes a displacement sensor 15 for detecting a displacement y of the stem 14, an A / D converter 16 for converting a signal from the displacement sensor 15 from analog to digital,
A digital control circuit 17 for inputting the input signal SP and the stem displacement signal y from the A / D converter 16 and executing a control operation, and a D / A converter for converting the operation signal of the digital control circuit 17 into an analog signal 18, an input module 19, which is a current / pressure converter for controlling the air pressure PN supplied based on the converted analog signal, and the signal of the input module 19 and the air flow rate Q to the actuator 12 from the supply pressure PN. Control relay 20 to control
It is composed of

【0006】このような構成の電空ポジショナ11は、
圧縮空気の圧力によるステム変位yの状態と、与えられ
る入力信号SPとから、正常なバルブ操作が行えるよう
に制御動作を実行している。
The electropneumatic positioner 11 having such a configuration is
The control operation is executed based on the state of the stem displacement y due to the pressure of the compressed air and the applied input signal SP so that a normal valve operation can be performed.

【0007】しかしながら、このようなPID制御によ
るバルブ制御は、ステム14の変位(弁開度)yのみを
フィードバックして、操作信号を演算するため、制御対
象の非線形性を吸収することが困難であるという欠点を
有している。
However, in the valve control by the PID control, since only the displacement (valve opening degree) y of the stem 14 is fed back to calculate the operation signal, it is difficult to absorb the nonlinearity of the controlled object. There is a disadvantage that there is.

【0008】この問題を改善するものとして特表平9ー
502292号公報等が挙げられる。この技術は、バル
ブ位置制御装置(電空ポジショナ)の空気供給圧力の出
力圧を圧力センサーで検出してその微分値を制御に使用
するものである。また、この技術は、ステム変位yだけ
でなく、アクチュエータ12への操作信号に関連する空
気流量信号pの微分値をフィードバック制御に使用して
いることが特徴となっている。
[0008] Japanese Patent Publication No. 9-502292 discloses a solution to this problem. In this technique, an output pressure of an air supply pressure of a valve position control device (electro-pneumatic positioner) is detected by a pressure sensor, and a differential value thereof is used for control. Further, this technique is characterized in that not only the stem displacement y but also the differential value of the air flow signal p related to the operation signal to the actuator 12 is used for feedback control.

【0009】このような特徴を有するバルブ位置制御装
置(電空ポジショナ)11Aは、図9に示すように、ス
テム14の変位yと、アクチュエータ12への圧力pを
微分した値との両者によるフィードバックによってアク
チュエータ12への空気流量Qを制御するものである。
つまり、入力信号SPと、変位センサー15及びA/D
変換器16から与えられるステム変位yに対応する信号
と、圧力センサー21で測定した圧力信号pを微分回路
22に与えて空気流量信号qに変換したデータとをディ
ジタル制御回路17Aへフィードバックすることを特徴
とするものである。ディジタル制御回路17Aの出力信
号は、図8と同様に、D/A変換器18へ与えられ、更
に、入力モジュール19、制御リレー20を介して操作
信号である空気流量Qとしてアクチュエータ12へ供給
される。
As shown in FIG. 9, the valve position control device (electro-pneumatic positioner) 11A having the above-described characteristics provides feedback by both the displacement y of the stem 14 and the value obtained by differentiating the pressure p to the actuator 12. This controls the air flow rate Q to the actuator 12.
That is, the input signal SP, the displacement sensor 15 and the A / D
The feedback of the signal corresponding to the stem displacement y given from the converter 16 and the data obtained by giving the pressure signal p measured by the pressure sensor 21 to the differentiating circuit 22 and converting it into the air flow rate signal q to the digital control circuit 17A. It is a feature. The output signal of the digital control circuit 17A is supplied to the D / A converter 18 in the same manner as in FIG. 8, and further supplied to the actuator 12 via the input module 19 and the control relay 20 as an air flow rate Q as an operation signal. You.

【0010】このような構成の電空ポジショナ11A
は、入力信号SPとステム変位yに、空気流量信号Qを
考慮し、これらの3つの信号により制御演算を行なって
正常なバルブ操作を実行する。
[0010] The electropneumatic positioner 11A having such a configuration.
Takes into account the air flow signal Q in the input signal SP and the stem displacement y, performs a control operation using these three signals, and executes a normal valve operation.

【0011】[0011]

【発明が解決するための課題】しかしながら、図9で説
明したバルブ制御は、ステム変位yだけでなく空気流量
pもフィードバックする構成であるので、圧力センサー
21を設けることが必須となる。このため、圧力センサ
ー21を電空ポジショナ内に設置しなければならず、そ
の分コスト高になるという根本的な問題がある。
However, since the valve control described with reference to FIG. 9 is configured to feed back not only the stem displacement y but also the air flow rate p, the provision of the pressure sensor 21 is essential. For this reason, the pressure sensor 21 has to be installed in the electropneumatic positioner, and there is a fundamental problem that the cost increases accordingly.

【0012】また、圧力センサー21を付加することに
よって、この圧力センサー21が正常に動作しない場
合、または全く作動しないという故障が発生した場合に
は、バルブ制御が異常となり、最悪の場合には制御不能
になる危険性もあり、圧力センサー21を付加して正確
な制御を試みることがかえって電空ポシショナ自体の信
頼性の低下になるという問題も指摘されている。
Further, by adding the pressure sensor 21, if the pressure sensor 21 does not operate normally, or if a failure that it does not operate at all occurs, the valve control becomes abnormal. There is also a danger that the electro-pneumatic positioner itself may be degraded, and the reliability of the electropneumatic positioner itself may be reduced if an accurate control is attempted by adding the pressure sensor 21.

【0013】更に、電空ポジショナを含むフィールド機
器は、一般的に4〜20mAで動作するため、最悪4m
Aで内部の回路(CPU、アクチュエータ、センサー
等、電流を消費するハードウェア)を駆動しなければな
らないという課題がある。従って、当然、圧力センサー
21が増えることによる消費電流の基本的な設計が必要
で、その設計はきわめて厳しくなる。即ち、消費電流を
少なくするための回路設計は、近年フィールド機器がC
PU等の演算機能を搭載するようになってより厳しくな
り、エンジニアの悩みの種になっているという背景があ
る。
Further, a field device including an electropneumatic positioner generally operates at 4 to 20 mA.
There is a problem that an internal circuit (a hardware that consumes current, such as a CPU, an actuator, and a sensor) must be driven by A. Therefore, naturally, a basic design of the current consumption due to the increase in the pressure sensors 21 is required, and the design becomes extremely strict. In other words, in recent years, circuit devices for reducing current consumption have been
There is a background that it becomes stricter with the addition of arithmetic functions such as PUs, which is causing trouble for engineers.

【0014】また、新たに圧力センサー21を搭載する
ことにより、電空ポジショナのみの設計に留まることな
く、基本的な設計、空気回路設計、信頼性の設計等、新
たな課題を抱えることになるという波及的な問題点もあ
る。
Further, by newly installing the pressure sensor 21, new problems such as a basic design, a pneumatic circuit design, and a reliability design are not limited to the design of the electropneumatic positioner alone. There is also a spillover problem.

【0015】さらに、圧力センサー21を搭載するとし
ても、単純な検出では算出できない物理量、または機器
の構造上測定できない物理量は測定できないので、利用
範囲は限られたものになる。
Further, even if the pressure sensor 21 is mounted, a physical quantity that cannot be calculated by simple detection or a physical quantity that cannot be measured due to the structure of the device cannot be measured, so that the use range is limited.

【0016】従って、バルブの制御において、ステム変
位だけでなく、電空ポジショナの圧力をフィードバック
することにより、バルブの持つ非線形性を吸収しやすく
するとともに、電空ポジショナの制御性を向上させるこ
とができるようにすることに加えて、別途圧力センサー
を搭載することなくかつ設計に支障のない制御手法を解
決しなければならないという課題がある。
Therefore, in the control of the valve, not only the displacement of the stem but also the pressure of the electropneumatic positioner is fed back, so that the nonlinearity of the valve can be easily absorbed and the controllability of the electropneumatic positioner can be improved. In addition to being able to do so, there is a problem that it is necessary to solve a control method that does not hinder the design without separately mounting a pressure sensor.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に係る電空ポジショナは、アクチュエータに
気体圧力を供給してステムを変位させてバルブを制御す
る電空ポジショナであって、前記バルブへの入力信号と
前記ステムの変位信号とを入力して所定の制御量を出力
する制御演算手段と、前記制御量に基づいて前記アクチ
ュエータに供給する気体流量を制御する電空変換手段
と、前記制御量を入力して前記気体流量並びに前記ステ
ムの変位量の状態変数を予測し、この予測した状態変数
のうち少なくとも一つの前記状態変数と測定したデータ
との差を演算してフィードバックする状態観測手段とか
らなることを特徴とするものである。
In order to solve the above-mentioned problems, an electro-pneumatic positioner according to the present invention is an electro-pneumatic positioner for controlling a valve by supplying gas pressure to an actuator to displace a stem. Control operation means for inputting an input signal to the valve and a displacement signal of the stem and outputting a predetermined control amount; and electropneumatic conversion means for controlling a gas flow rate supplied to the actuator based on the control amount. Inputting the control amount, predicting the state variables of the gas flow rate and the displacement amount of the stem, and calculating and feeding back a difference between at least one of the predicted state variables and the measured data. And a state observing means.

【0018】また、前記状態観測手段は、予め所定の数
学モデルを備え、前記制御のデータを該数学モデルで換
算して状態変数の予測値を算出すること;前記数学モデ
ルは、前記アクチュエータへの気体流量値を積分し、且
つその気体流量で決まる時定数を持つ一次遅れ系モデル
であること;前記数学モデルは、前記アクチュエータの
気体容積容量で決まる時定数を持つ一次遅れ系モデルに
近似させたこと;前記状態観測手段は、前記制御量と前
記ステム変位信号とを入力して気体流量並びに前記ステ
ムの変位量の状態変数の予測値を算出すること;前記制
御演算手段は、前記予測値に基づいて前記制御量を出力
すること;前記状態観測手段で得られた予測値は、前記
制御演算手段の自己診断及び前記バルブの自己診断のデ
ータとすること;前記予測した状態変数は、フィードバ
ックするゲインを適宜変更して固有値を設定変更するこ
とである。
Further, the state observation means includes a predetermined mathematical model in advance, and converts the control data by the mathematical model to calculate a predicted value of a state variable; A first-order lag system model that integrates a gas flow value and has a time constant determined by the gas flow rate; the mathematical model is approximated to a first-order lag system model having a time constant determined by the gas volume capacity of the actuator. The state observation means receives the control amount and the stem displacement signal and calculates a predicted value of a state variable of the gas flow rate and the displacement amount of the stem; Outputting the controlled variable based on the predicted value obtained by the state observation means as self-diagnosis data of the control calculation means and self-diagnosis of the valve; Serial predicted state variable is to set changing the eigenvalues by changing the gain of the feedback as appropriate.

【0019】このように、電空ポジショナに、空気圧の
出力圧を予測する状態観測手段を備え、予測した圧力値
をバルブの制御に利用することにより、ステムに圧力セ
ンサーを設けなくとも非線形なバルブステムを正確に制
御することが可能になる。
As described above, the electropneumatic positioner is provided with the state observation means for predicting the output pressure of the air pressure, and the predicted pressure value is used for controlling the valve, so that the non-linear valve can be provided without providing the pressure sensor on the stem. The stem can be controlled accurately.

【0020】また、もともと変位センサー等で測定して
いたステム変位の値に基づいて状態観測手段により予測
値を算出するようにしたことにより、予測値の精度を高
めることができる。
Further, since the predicted value is calculated by the state observation means based on the value of the stem displacement originally measured by the displacement sensor or the like, the accuracy of the predicted value can be improved.

【0021】更に、状態観測手段においては、いろいろ
な制約条件により検出できなかった物理量も予測するこ
とができるため、今まで制御に利用できなかったパラメ
ータも制御に利用することができるようになる。
Further, the state observing means can also predict physical quantities that could not be detected due to various constraints, so that parameters that could not be used for control can be used for control.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る電空ポジショ
ナの実施の形態について図面を参照して説明する。尚、
従来技術で説明したものと同じものには同一符号を付与
して説明する。
Next, an embodiment of an electropneumatic positioner according to the present invention will be described with reference to the drawings. still,
The same components as those described in the related art will be described with the same reference numerals.

【0023】図1に示すように、本発明の電空ポジショ
ナ11Bは、アクチュエータ12に空気流量Qを供給し
てステム14を変位させてバルブ13を制御するポジシ
ョナである。その構成は、数学モデルに基づいて制御量
U(t)を演算する制御演算部22と、この制御量U
(t)に基づいてアクチュエータ12に供給する空気流
量Q(t)を制御する電空変換部23とからなる。
As shown in FIG. 1, the electropneumatic positioner 11B of the present invention is a positioner that controls the valve 13 by displacing the stem 14 by supplying an air flow rate Q to the actuator 12. The configuration includes a control operation unit 22 that calculates a control amount U (t) based on a mathematical model,
And an electropneumatic converter 23 for controlling the air flow rate Q (t) supplied to the actuator 12 based on (t).

【0024】制御演算部22は、入力信号SPとステム
14の変位yを検出する変位センサー15からの信号に
関連する信号とを入力して制御量U(t)を生成するコ
ントローラ26と、変位センサー15からの信号と状態
変数予測値とを入力してフィードバック利得信号をコン
トローラ26に送出するフィードバックゲイン部27
と、変位センサー15からの信号とコントローラ26で
演算される制御量U(t)とを入力して状態変数予測値
を生成する状態観測器28とから構成されている。この
コントローラ26は、入力信号SPとフィードバックゲ
イン部27からの利得信号とにより制御量U(t)を演
算し、状態観測器28と、後段の電空変換部23内の電
磁アクチュエータ29に出力する構成となっている。
The control operation unit 22 receives the input signal SP and a signal related to the signal from the displacement sensor 15 for detecting the displacement y of the stem 14 to generate a control amount U (t), A feedback gain unit 27 that receives the signal from the sensor 15 and the predicted value of the state variable and sends a feedback gain signal to the controller 26
And a state observer 28 that receives a signal from the displacement sensor 15 and a control amount U (t) calculated by the controller 26 to generate a predicted state variable value. The controller 26 calculates the control amount U (t) based on the input signal SP and the gain signal from the feedback gain unit 27, and outputs the control amount U (t) to the state observer 28 and the electromagnetic actuator 29 in the electropneumatic conversion unit 23 at the subsequent stage. It has a configuration.

【0025】電空変換部23は、制御演算部22からの
制御量U(t)に基づいて空気流量を制御する電磁アク
チュエータ29と、この電磁アクチュエータ29の制御
により空気アクチュエータ12への空気流量Q(t)を
制御するパイロットリレー30とから構成されている。
The electropneumatic converter 23 controls an air flow rate based on the control amount U (t) from the control operation section 22 and an air flow rate Q to the air actuator 12 under the control of the electromagnetic actuator 29. (T).

【0026】制御対象側は、パイロットリレー30によ
り制御された空気流量Q(t)を入力して、ステム14
を変位させる空気アクチュエータ12と、空気アクチュ
エータ12の動作によって変位するステム14と、ステ
ム14の変位により開度を制御されるバルブ13とから
なる。空気アクチュエータ12は、所定の容量Vで空気
を収容する空気室12aと、この空気室12a内の圧力
で動作するダイヤフラム12bと、このダイアフラム1
2bを抗するスプリング12cとを備え、ダイヤフラム
12bの動きに連動してステム14を変位させる構造と
なっている。
The controlled object inputs the air flow rate Q (t) controlled by the pilot relay 30 and
, A stem 14 that is displaced by the operation of the air actuator 12, and a valve 13 whose opening is controlled by the displacement of the stem 14. The air actuator 12 includes an air chamber 12a that accommodates air with a predetermined volume V, a diaphragm 12b that operates with pressure in the air chamber 12a, and a diaphragm 1b.
And a spring 12c for resisting the movement of the diaphragm 12b to displace the stem 14 in conjunction with the movement of the diaphragm 12b.

【0027】このように構成されている本発明の電空ポ
ジショナは、機能的には、セットポイントである入力信
号SP(目標値V(t))を入力し、バルブ13のステ
ム14を制御するので、基本的には1入力、1出力の制
御システムを構成する。また、検出できるパラメータ
は、ステム変位だけとすることができる。このような場
合の制御システムは、仮想的に、図2に示すような機能
ブロックで表わすことができる。尚、この場合の制御対
象は、電空ポジショナ11B内の電空変換部23と、バ
ルブ側(空気アクチュエータ12,バルブ13,ステム
14)を含む。この図に示すように、コントローラ26
からの制御量U(t)は制御対象側に与えられ、制御対
象からのステム変位Y(t)は状態観測器28へ与えら
れる。状態観測器28は、このステム変位Y(t)に基
づいて状態変数X(t)により予測値X^(t)を算出
し、目標値V(t)と共に演算部27へ供給する。演算
部27の出力はコントローラ26へ出力される。
The electropneumatic positioner of the present invention thus configured functionally inputs an input signal SP (target value V (t)) as a set point and controls the stem 14 of the valve 13. Therefore, a 1-input, 1-output control system is basically configured. Further, the parameter that can be detected can be only the stem displacement. The control system in such a case can be virtually represented by functional blocks as shown in FIG. In this case, the control targets include the electropneumatic converter 23 in the electropneumatic positioner 11B and the valve side (the air actuator 12, the valve 13, and the stem 14). As shown in FIG.
Is supplied to the control target side, and the stem displacement Y (t) from the control target is supplied to the state observer 28. The state observer 28 calculates a predicted value X ^ (t) based on the state variable X (t) based on the stem displacement Y (t), and supplies the calculated value X ^ (t) to the calculation unit 27 together with the target value V (t). The output of the calculation unit 27 is output to the controller 26.

【0028】一方、この制御システムにおける制御対象
の数学モデルの状態方程式と出力方程式とは、下記の式
(1)、式(2)のように仮定することができる。
On the other hand, the state equation and the output equation of the mathematical model to be controlled in this control system can be assumed as in the following equations (1) and (2).

【0029】 dX(t)/dt=A*X(t)+B*U(t) (1) Y(t)=C*X(t) (2)DX (t) / dt = A * X (t) + B * U (t) (1) Y (t) = C * X (t) (2)

【0030】また、状態フィードバック行列をK、コン
トローラ26を1倍のゲインを持つ比例制御器とする
と、上記の制御システムの状態方程式(1),(2)
は、 dX(t)/dt=A*X(t)+B*(−K*X(t)+V(t))(3) Y(t)=C*X(t) (4) である。尚、式(3)は下記の式(5)のように変形で
きる。 dX(t)/dt=(A−B*K)X(t)+B*V(t) (5)
If the state feedback matrix is K and the controller 26 is a proportional controller having a gain of one, the state equations (1) and (2) of the control system described above are used.
Is as follows: dX (t) / dt = A * X (t) + B * (-K * X (t) + V (t)) (3) Y (t) = C * X (t) (4) Expression (3) can be modified as in the following expression (5). dX (t) / dt = (A−B * K) X (t) + B * V (t) (5)

【0031】式(5)を解くことによりX(t)が決ま
り、この状態変数X(t)がどのような挙動を示すかは
A−BKの固有値で決まる。また、状態フィードバック
行列Kを設定することにより、A−BKの値を任意に変
えることができる。
X (t) is determined by solving equation (5), and the behavior of the state variable X (t) is determined by the eigenvalue of A-BK. Further, by setting the state feedback matrix K, the value of A-BK can be changed arbitrarily.

【0032】ここで上述したように、状態観測器28に
搭載されている数学モデルを図2に示すようなブロック
で構成すると、上述の仮定した状態方程式(式(1))
と出力方程式(式(2))は、下記の式(6),式
(7)に近似させて表すことができる。 dX^(t)/dt =A*X^(t)+B*U(t)+G*{Y(t)−W(t)} (6) W(t)=C*X^(t) (7)
As described above, if the mathematical model mounted on the state observer 28 is composed of blocks as shown in FIG. 2, the above-described assumed state equation (Equation (1))
And the output equation (Equation (2)) can be expressed by approximating Equations (6) and (7) below. dX ^ (t) / dt = A * X ^ (t) + B * U (t) + G * {Y (t) -W (t)} (6) W (t) = C * X ^ (t) ( 7)

【0033】この式(6),(7)より、 dX^(t)/dt =(A−G*C)*X^(t)+G*Y(t)+B*U(t) (8) が成立する。ここで、行列Gは状態観測器フィードバッ
クゲイン行列とする。
From the equations (6) and (7), dX ^ (t) / dt = (A−G * C) * X ^ (t) + G * Y (t) + B * U (t) (8) Holds. Here, the matrix G is a state observer feedback gain matrix.

【0034】従って、この式(8)を解くことにより、
状態変数X(t)の予測値X^(t)を求めることがで
きる。また、[A−G*C]の固有値に基づいて状態観
測器28の特性を決定することができ、[A−G*C]
の固有値は行列Gを設定することにより任意に可変する
ことができる。更にまた、予測した値X^(t)に、フ
ィードバック行列Kを乗算することにより、演算部27
へのフィードバック信号とすることができる。つまり、
式(5)の状態変数X(t)の代わりに、予測値X^
(t)を使用することにより、同様の制御システムを成
立させることができる。
Therefore, by solving this equation (8),
The predicted value X ^ (t) of the state variable X (t) can be obtained. In addition, the characteristic of the state observer 28 can be determined based on the eigenvalue of [A-G * C], and [AG-C]
Can be arbitrarily varied by setting a matrix G. Furthermore, by multiplying the predicted value X ^ (t) by the feedback matrix K, the arithmetic unit 27
To the feedback signal. That is,
Instead of the state variable X (t) in equation (5), a predicted value X ^
By using (t), a similar control system can be established.

【0035】ここで問題となるのは、A、B、C行列を
どのように決めるかである。即ち、電空ポジショナ11
Bにおける電気信号を空気流量に変換するための電空変
換部23をどのように制御するかであり、その手法はい
ろいろな方法による。最も一般的なものは、ノズルフラ
ッパーを駆動する電磁アクチュエータ29により、電流
信号を空気信号であるノズル背圧に変換し、このノズル
背圧に応じた空気圧を出力圧力に変換するパイロットリ
レー30によって空気流量を決めるものである。
The problem here is how to determine the A, B, and C matrices. That is, the electropneumatic positioner 11
How to control the electropneumatic conversion unit 23 for converting the electric signal in B into the air flow rate is controlled by various methods. The most common one is that an electromagnetic actuator 29 that drives a nozzle flapper converts a current signal into a nozzle back pressure, which is an air signal, and a pilot relay 30 that converts an air pressure corresponding to the nozzle back pressure into an output pressure to output air. It determines the flow rate.

【0036】このような電空変換部23は、図3に示す
ように、その主要な構成を抽出してみると、コントロー
ラ26からの制御量U(t)に対応する電流i(t)を
入力する電磁アクチュエータ29と、電磁アクチュエー
タ29からのノズル背圧pn(t)を入力して空気流量
q(t)を出力するパイロットリレー30と、パイロッ
トリレー30から空気流量q(t)を入力して制御圧力
p(t)として出力するバルブ空気アクチュエータ12
から構成されるものである。
As shown in FIG. 3, the electro-pneumatic converter 23 extracts a main component of the current i (t) corresponding to the control amount U (t) from the controller 26, as shown in FIG. An electromagnetic actuator 29 to be input, a pilot relay 30 that inputs a nozzle back pressure pn (t) from the electromagnetic actuator 29 to output an air flow q (t), and an air flow q (t) from the pilot relay 30 Pneumatic actuator 12 which outputs as control pressure p (t)
It is composed of

【0037】このような構成において、以下にモデルを
仮定すると、電流i(t)から制御圧力pn(t)まで
の変換は、この構成内の空気容量で決まる時定数で定ま
る一次遅れの系である。また、この空気容量は、パイロ
ットリレー30内部の排気弁、又は吸気弁の開口面積、
バルブ空気アクチュエータ12の空気容量等で決まる値
となる。
In such a configuration, assuming a model below, the conversion from the current i (t) to the control pressure pn (t) is a first-order lag system determined by a time constant determined by the air capacity in the configuration. is there. Further, this air capacity is determined by the opening area of the exhaust valve or the intake valve inside the pilot relay 30,
The value is determined by the air capacity of the valve air actuator 12 and the like.

【0038】ここで、電磁アクチュエータ29の電空変
換ゲインをGa、ノズル背圧Pn(t)の時定数をTn
とし、ラプラス変換した式で表すと、 Pn(S)/I(S)=Ga/(I+Tn*S) (9) と表される。
Here, the electropneumatic conversion gain of the electromagnetic actuator 29 is Ga, and the time constant of the nozzle back pressure Pn (t) is Tn.
When expressed by a Laplace-transformed equation, Pn (S) / I (S) = Ga / (I + Tn * S) (9)

【0039】一方、電空ポジショナ11Bの出力圧p
(t)は、パイロットリレー30の空気圧増幅ゲインを
Gp、バルブ14側の空気アクチュエータ12の容量で
決まる一次遅れの時定数をTvとすると、ラプラス変換
すると、 P(S)/Pn(S)=Gp/(1+Tv*S) (10) と表される。
On the other hand, the output pressure p of the electropneumatic positioner 11B
(T) is given by Laplacian conversion assuming that the air pressure amplification gain of the pilot relay 30 is Gp and the time constant of the first-order lag determined by the capacity of the air actuator 12 on the valve 14 side is Tp, and P (S) / Pn (S) = Gp / (1 + Tv * S) (10)

【0040】ここで、バルブを制御する空気アクチュエ
ータ12は、図4に示すように、空気圧p(t)を入力
する空気室12aと、空気室12aの底面に設けたダイ
アフラム12b(面積a)と、ダイアフラム12bの圧
力に抗するバネ12c(バネ定数k)とからなる。
As shown in FIG. 4, the air actuator 12 for controlling the valve includes an air chamber 12a for inputting an air pressure p (t), a diaphragm 12b (area a) provided on the bottom surface of the air chamber 12a. And a spring 12c (spring constant k) which resists the pressure of the diaphragm 12b.

【0041】このような構成からなる空気アクチュエー
タ12において、空気圧p(t)からステム変位y
(t)までの運動方程式をラプラス変換した式で表す
と、 Y(S)/P(S)=a/(mS*S+cS+k) (11) である。
In the air actuator 12 having such a configuration, the stem displacement y is calculated from the air pressure p (t).
When the equation of motion up to (t) is expressed by a Laplace transform equation, Y (S) / P (S) = a / (mS * S + cS + k) (11)

【0042】従って、電空変換部23も含めた全体のブ
ロックは、図5に示すように、上述の式(9)、式(1
0),(11)を数学モデルで表すことができる。
Accordingly, as shown in FIG. 5, the entire block including the electro-pneumatic converter 23 has the above-mentioned equations (9) and (1).
0) and (11) can be represented by a mathematical model.

【0043】ここで、もう少し詳しく内部変数の式を作
成してみると、 y(t)=x1(t) (12) x2(t)=dx1(t)/dt p(t)=x3(t) pn(t)=x4(t) とすると、 dx1(t)/dt=x2(t) dx2(t)/dt =−c/m*x2(t)−k/m*x1(t)+a/m*x3(t) dx3(t)/dt=−1/Tv*x3(t)+Gp/Tv*x4(t) dx4(t)/dt=−1/Tn*x4(t)+Ga/Tn*i(t) となる。
Here, when formulas of internal variables are prepared in more detail, y (t) = x1 (t) (12) x2 (t) = dx1 (t) / dtp (t) = x3 (t Assuming that pn (t) = x4 (t), dx1 (t) / dt = x2 (t) dx2 (t) / dt = -c / m * x2 (t) -k / m * x1 (t) + a / M * x3 (t) dx3 (t) / dt = -1 / Tv * x3 (t) + Gp / Tv * x4 (t) dx4 (t) / dt = -1 / Tn * x4 (t) + Ga / Tn * I (t).

【0044】これらの式をまとめると、システムの状態
方程式は、下記の式(13)を生成することができる。
To summarize these equations, the state equation of the system can generate the following equation (13).

【0045】[0045]

【式13】 (Equation 13)

【0046】また、出力方程式は、式(12)より、下
記の式(14)を生成することができる。
As an output equation, the following equation (14) can be generated from the equation (12).

【0047】[0047]

【式14】 (Equation 14)

【0048】このようにして上述の式(13)、式(1
4)により、行列A、B、Cを求めることができ、この
時の数学モデルのブロック図は、図6に示すようにな
る。
As described above, the above equations (13) and (1)
According to 4), the matrices A, B, and C can be obtained, and the block diagram of the mathematical model at this time is as shown in FIG.

【0049】尚、上述した式(13)、式(14)にお
いて、システムの状態変数を4個設定したが、更に状態
変数を増大して詳細なモデルを作ることにより、より精
巧なモデルを構築することができる。逆に、状態変数が
多過ぎると演算量が増えるデメリットもある。しかしな
がら、上述した図6のTnとTvは、Tn<<Tvとす
ると、x3(t)の動作は、Tvが支配的になり、x4
(t)を省くことができる。
In the above equations (13) and (14), four state variables of the system are set, but a more elaborate model is constructed by further increasing the state variables to create a detailed model. can do. Conversely, there is a disadvantage in that the amount of computation increases if there are too many state variables. However, if Tn << Tv in Tn and Tv in FIG. 6 described above, the operation of x3 (t) is dominated by Tv, and x4 (t) becomes x4 (t).
(T) can be omitted.

【0050】また、図7に示すように、電流i(t)か
ら圧力x3(t)までのゲインをG1とすると、システ
ムの状態方程式及び出力方程式は、下記に示す式(1
5)及び式(16)を得ることができる。
As shown in FIG. 7, when the gain from the current i (t) to the pressure x3 (t) is G1, the state equation and the output equation of the system are as follows.
5) and equation (16) can be obtained.

【0051】[0051]

【式15】 (Equation 15)

【0052】[0052]

【式16】 (Equation 16)

【0053】このようにして状態変数が3個の場合であ
っても、行列A、B、Cを決定することができる。ま
た、このような状態変数は、予め所定の値を設定してお
けば、制御演算部22の自己診断及びバルブ13の自己
診断データとして使用することができる。
In this way, even when there are three state variables, the matrices A, B, and C can be determined. If such a state variable is set to a predetermined value in advance, it can be used as self-diagnosis data of the control operation unit 22 and self-diagnosis data of the valve 13.

【0054】[0054]

【発明の効果】以上説明したように、電空ポジショナに
状態観測手段を備えたことにより、バルブを制御するた
めの状態変数を予測することができ、予測した値をバル
ブの制御に利用してバルブの制御を向上させることがで
きるという効果がある。
As described above, by providing the electropneumatic positioner with the state observation means, it is possible to predict a state variable for controlling the valve, and use the predicted value for controlling the valve. There is an effect that control of the valve can be improved.

【0055】また、従来では、バルブ制御に使用される
状態変数の一部を測定するために、空気圧力センサーを
別途設ける必要があったが、状態観測手段を搭載するよ
うにすると、数学モデルを用いて状態変数を予測して処
理することができるようになり、別途空気圧力センサー
を設けなくとも正確なバルブ制御を行うことができると
いう効果がある。
Conventionally, an air pressure sensor had to be separately provided in order to measure some of the state variables used for valve control. However, if a state observation means is provided, a mathematical model is required. This makes it possible to predict and process the state variables by using the parameters, and has the effect that accurate valve control can be performed without providing a separate air pressure sensor.

【0056】更に、従来ではバルブ制御の状態変数の中
でも、測定できないパラメータもあり、バルブ制御に利
用することができなかったが、状態観測手段を搭載する
ことによって、状態変数の予測が可能になり、この予測
値を制御に利用することができるため、下記のメリット
を生じる。 (1)制御対象の状態変数を測定するために、上述した
ように新たな空気圧力センサーが不必要となる。 (2)空気圧力センサーを取り付ける必要がなくなるた
め、コストが安い電空ポジショナが実現できる。 (3)空気圧力センサーを設けなくとも予測値による制
御により、電空ポジショナの信頼性を向上させることが
できる。 (4)空気圧力センサーを設けない構造にすると、その
分機器の設計が楽になる。 (5)今まで検出できなかったパラメータについても制
御することができるようになり、より綿密でかつ正確な
制御が可能になる。 (6)電空ポジショナ内部のモデルを、バルブの空気ア
クチュエータ容量で決まる時定数を持つ一次遅れの要素
で近似することにより、内部モデルを簡素化することが
出来るため、状態観測手段を導入しても、演算部の負荷
を軽減できる。
Further, in the related art, among the state variables of the valve control, some parameters cannot be measured and cannot be used for the valve control. However, the state variables can be predicted by installing the state observation means. Since this predicted value can be used for control, the following advantages are obtained. (1) In order to measure a state variable of a control target, a new air pressure sensor is not necessary as described above. (2) Since there is no need to attach an air pressure sensor, a low-cost electropneumatic positioner can be realized. (3) The reliability of the electropneumatic positioner can be improved by control based on predicted values without providing an air pressure sensor. (4) If the air pressure sensor is not provided, the design of the device becomes easier. (5) Parameters that could not be detected until now can be controlled, and more precise and accurate control can be performed. (6) Since the internal model can be simplified by approximating the model inside the electropneumatic positioner with a first-order lag element having a time constant determined by the air actuator capacity of the valve, the state observation means is introduced. Also, the load on the calculation unit can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本願発明に係る電空ポジショナを略示的に示し
たブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram schematically showing an electropneumatic positioner according to the present invention.

【図2】同電空ポジショナと制御対象との制御を数学モ
デルで表したブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram showing a control between the electropneumatic positioner and a control target in a mathematical model.

【図3】同電空ポジショナに連結した制御対象側の略示
的な構成を示したブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of a control target connected to the electropneumatic positioner.

【図4】同バルブの機構を略示的に示した説明図であ
る。
FIG. 4 is an explanatory view schematically showing a mechanism of the valve.

【図5】同バルブ機構における制御を数学モデルで示し
たブロック図である。
FIG. 5 is a block diagram showing control in the valve mechanism by a mathematical model.

【図6】同状態観測器における4個のパラメータによる
数学モデルを示したブロック図である。
FIG. 6 is a block diagram showing a mathematical model based on four parameters in the state observer.

【図7】同状態観測器における3個のパラメータによる
数学モデルを示したブロック図である。
FIG. 7 is a block diagram showing a mathematical model based on three parameters in the same state observer.

【図8】従来技術におけるステムの変位のみによるバル
ブ制御をする電空ポジショナの略示的なブロック図であ
る。
FIG. 8 is a schematic block diagram of an electropneumatic positioner that performs valve control only by displacement of a stem in the related art.

【図9】従来技術におけるステムの変位と空気圧力の圧
力センサーからの信号とによりバルブを制御するバルブ
位置制御装置を示した略示的なブロック図である。
FIG. 9 is a schematic block diagram showing a valve position control device for controlling a valve based on a displacement of a stem and a signal from a pressure sensor of air pressure according to the related art.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11;電空ポジショナ、11A;電空ポジショナ、11
B;電空ポジショナ、12;アクチュエータ、13;バ
ルブ、14;ステム、15;変位センサー、16;A/
D変換器、17;デジタル制御回路、17A;デジタル
制御回路、18;D/A変換器、19;入力モジュー
ル、20;制御リレー、21;微分回路、22;制御演
算部(制御演算手段)、23;電空変換部(電空変換手
段)、24;パイプ、25;流体流量検出部、26;コ
ントローラ、27;フィードバックゲイン部、28;状
態観測器(状態観測手段)、29;電磁アクチュエー
タ、30;パイロットリレー
11; electropneumatic positioner, 11A; electropneumatic positioner, 11
B; electropneumatic positioner, 12; actuator, 13; valve, 14; stem, 15; displacement sensor, 16;
D converter, 17; digital control circuit, 17A; digital control circuit, 18; D / A converter, 19; input module, 20; control relay, 21; differentiating circuit, 22; control operation unit (control operation means), 23; electro-pneumatic converter (electro-pneumatic converter), 24; pipe, 25; fluid flow rate detector, 26; controller, 27; feedback gain unit, 28; state observer (state observing means), 29; 30; pilot relay

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 アクチュエータに気体圧力を供給してス
テムを変位させてバルブを制御する電空ポジショナであ
って、 前記バルブへの入力信号と前記ステムの変位信号とを入
力して所定の制御量を出力する制御演算手段と、 前記制御量に基づいて前記アクチュエータに供給する気
体流量を制御する電空変換手段と、 前記制御量を入力して前記気体流量並びに前記ステムの
変位量の状態変数を予測し、この予測した状態変数のう
ち少なくとも一つの前記状態変数と測定したデータとの
差を演算してフィードバックする状態観測手段とからな
ることを特徴とするバルブ電空ポジショナ。
1. An electro-pneumatic positioner for controlling a valve by displacing a stem by supplying gas pressure to an actuator, wherein a predetermined control amount is inputted by inputting an input signal to the valve and a displacement signal of the stem. Control arithmetic means for outputting the control amount; electropneumatic conversion means for controlling a gas flow rate supplied to the actuator based on the control amount; and inputting the control amount to obtain a state variable of the gas flow rate and the displacement amount of the stem. A valve electro-pneumatic positioner comprising: a state observing means for predicting and calculating a difference between at least one of the predicted state variables and the measured data and feeding back the difference.
【請求項2】 前記状態観測手段は、予め所定の数学モ
デルを備え、前記制御量のデータをこの数学モデルで換
算して状態変数の予測値を算出することを特徴とする請
求項1に記載のバルブ位置制御装置。
2. The state observation unit according to claim 1, wherein the state observation means includes a predetermined mathematical model in advance, and calculates the predicted value of the state variable by converting the data of the control amount using the mathematical model. Valve position control device.
【請求項3】 前記数学モデルは、前記アクチュエータ
への気体流量値を積分し、かつその気体流量で決まる時
定数を持つ一次遅れ系モデルであることを特徴とする請
求項2に記載の電空ポジショナ。
3. The electropneumatic device according to claim 2, wherein the mathematical model is a first-order lag system model that integrates a gas flow value to the actuator and has a time constant determined by the gas flow. Positioner.
【請求項4】 前記数学モデルは、前記アクチュエータ
の気体容積容量で決まる時定数を持つ一次遅れ系モデル
に近似させたことを特徴とする請求項2に記載の電空ポ
ジショナ。
4. The electropneumatic positioner according to claim 2, wherein the mathematical model is approximated to a first-order lag system model having a time constant determined by a gas volume capacity of the actuator.
【請求項5】 前記状態観測手段は、前記制御量と前記
ステム変位信号とを入力して気体流量並びに前記ステム
の変位量の状態変数の予測値を算出することを特徴とす
る請求項1に記載の電空ポジショナ。
5. The apparatus according to claim 1, wherein the state observation means inputs the control amount and the stem displacement signal and calculates a predicted value of a state variable of a gas flow rate and a displacement amount of the stem. Electro-pneumatic positioner as described.
【請求項6】 前記制御演算手段は、前記予測値に基づ
いて前記制御量を出力することを特徴とする請求項1に
記載の電空ポジショナ。
6. The electropneumatic positioner according to claim 1, wherein the control calculation means outputs the control amount based on the predicted value.
【請求項7】 前記状態観測手段で得られた予測値は、
前記制御演算手段の自己診断及び前記バルブの自己診断
のデータとすることを特徴とする請求項1に記載の電空
ポジショナ。
7. The predicted value obtained by the state observation means is:
2. The electropneumatic positioner according to claim 1, wherein the self-diagnosis data of the control calculation means and the self-diagnosis of the valve are used.
【請求項8】 前記予測した状態変数は、フィードバッ
クするゲインを適宜変更して固有値を設定変更すること
を特徴とする請求項1に記載の電空ポジショナ。
8. The electro-pneumatic positioner according to claim 1, wherein the predicted state variable changes a setting of an eigenvalue by appropriately changing a gain to be fed back.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008503010A (en) * 2004-06-14 2008-01-31 フィッシャー コントロールズ インターナショナル リミテッド ライアビリティー カンパニー Feedback control method and apparatus for electropneumatic control system
JP2009257513A (en) * 2008-04-18 2009-11-05 Yokogawa Electric Corp Valve positioner
JP2011127698A (en) * 2009-12-18 2011-06-30 Yokogawa Electric Corp Electropneumatic converter

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