JP2007255447A - 電空変換装置及び電空変換装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電空変換手段の温度変化、経年変化及び外乱によらず、圧力増幅手段の不感帯位置を正確に把握すること。
【解決手段】温度センサ１６と、温度信号Ｏｎに基づくノズル背圧Ｐｎの変化を補償し、当該補償分を温度補償信号Ｉａとして出力する温度補償手段２２と、使用年月の経過及び外乱に基づくノズル背圧Ｐｎの変化を補償し、当該補償分を経年変化補償信号Ｉｂとして出力する経年変化補償手段２１と、操作信号ＭＶと温度補償信号Ｉａと経年変化補償信号Ｉｂとからノズル背圧算出値Ｐを算出するノズル背圧算出手段１９と、圧力センサ１４と、偏差圧算出手段２４と、ループゲイン制御手段２３と、目標値信号ＳＶ及び駆動圧信号ＰＶの差と前記ループゲイン制御手段２３からの指示とに基づき操作信号ＭＶを生成し、当該操作信号ＭＶによりＩ／Ｐモジュール１２を制御する出力制御手段１８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電空変換装置及び電空変換装置の制御方法に関する。

石油・石油化学、化学、鉄鋼などのプロセスプラントにおいて、プロセス制御が導入されている。当該プロセス制御は、空気式アクチュエータを駆動部とする空気式コントロールバルブが広く使用される。

空気式コントロールバルブを駆動する際、電空変換装置が使用される。電空変換装置は、電気信号を空気圧信号に変換する装置である。当該電空変換装置は、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用いられていた。

図５はこのような従来の電空変換装置５０の一例を示す構成ブロック図である。図５に示すように、電空変換装置５０は、減算回路５１と、出力制御手段５２と、電圧／電流変換手段５３と、Ｉ／Ｐ（電流／圧力）モジュール５４と、コントロールリレー５５と、調節弁５６と、圧力センサ５７と、を備えて構成される。

図５中、ＳＶ５１に示す目標値信号は減算回路５１の加算入力端子に印加される。また、減算回路５１の出力は出力制御手段５２に接続される。

出力制御手段５２の出力は、電圧／電流変換手段５３を介してＩ／Ｐモジュール５４に接続される。Ｉ／Ｐモジュール５４の出力であるノズル背圧Ｐｎはコントロールリレー５５に供給される。

そして、コントロールリレー５５の出力である駆動出力圧は制御対象である調節弁５６に供給されると共に圧力センサ５７に供給される。圧力センサ５７の出力である駆動圧信号（電気信号）は、図５中、ＰＶ５１に示す信号として減算回路５１の減算入力端子に印加される。

ここで、図５に示す従来例の動作を簡単に説明する。コントロールリレー５５の出力である駆動出力圧は圧力センサ５７によって検出され、検出された駆動出力圧は駆動圧信号ＰＶ５１として減算回路５１に入力され駆動圧の目標値信号ＳＶ５１との偏差が求められる。

出力制御手段５２で演算された信号は、電圧／電流変換手段５３で電流に変換される。変換された電流は、Ｉ／Ｐモジュール５４に印加される。Ｉ／Ｐモジュール５４より、入力された電流に基づきノズル背圧Ｐｎが発生し、コントロールリレー５５に供給される。コントロールリレー５５でこのノズル背圧Ｐｎを入力信号とし、駆動出力圧が調節弁５６に供給される。

すなわち、図５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ＰＶ５１が目標値信号ＳＶ５１に一致するように制御される。

次に、図６を参照してコントロールリレー５５の動作を詳細に説明する。図６はコントロールリレー５５の具体例を示す構成断面図である。

図６のコントロールリレー５５は排気弁６１と、入力ダイアフラム６２と、可動部６３と、フィードバックダイアフラム６４と、給気弁６５と、ポペット６６と、バネ６７と、ブリード孔６８と、を備えて構成される。

図６中、ＣＰ６１に示すようなノズル背圧Ｐｎの圧力が上昇した場合、入力ダイアフラム６２は図面右側に凸状態になるように変形して可動部６３を押し、排気弁６１に接するポペット６６を押す。

バネ６７により保持されているポペット６６に一定以上の圧力が加わると入力ダイアフラム６２は図面右側に凸状態になるようにして変形して可動部６３を押し、排気弁６１に接するポペット６６を押す。

一方、図６中ＣＰ６１に示すようなノズル背圧Ｐｎの圧力が増加した場合、入力ダイアフラム６２は図面右側に凸状態になるように変形して可動部６３を押す。そして、排気弁６１に接するポペット６６を押す。

バネ６７により保持されているポペット６６に一定以上の圧力が加わるとポペット６６は図面右側に移動する。そして、給気弁６５とポペット６６との間に隙間が生じて、図６中ＳＰ６１に供給されている供給圧が、図６中ＯＰ６１に示す出力圧側に流れ込み出力圧が上昇する。

一方、図６中ＣＰ６１に示すようなノズル背圧Ｐｎの圧力が低下した場合、入力ダイアフラム６２は図面右側に凸状態になるように変形して可動部６３を図面左側に引っ張る。

このため、排気弁６１とバネ６７により保持されているポペット６６との間に隙間が生じる。そして、図６中ＯＰ６１に示す出力圧側の圧力が図６中ＨＬ６１に示す可動部６３に設けられた穴から図６中ＶＥ６１に示す排気側に流れ込んで出力圧が低下する。

この結果、コントロールリレー５５に供給するノズル背圧Ｐｎ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５に示すようなアナログ制御の一般的な問題点として、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ことが挙げられる。したがって、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った。

また、圧力増幅手段としてはコントロールリレー５５が一般的に用いられているが、アナログ制御によっては、コントロールリレー５５の給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６において、出力圧の圧力上昇の際には、可動部６３がポペット６６を図面右側に押してもバネ６７のバネ力とポペット６６を押し付ける供給圧との関係で上述の隙間ができず、図６中、ＳＰ６１に示す供給圧がブリード孔６８を通して図６中、ＯＰ６１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７および図８は不感帯に捕捉された場合のポペット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６６はバネ６７のバネ定数とポペット６６を押し付ける供給圧によって力が均衡して移動することがないので、図７中、ＳＴ７１やＳＴ７２に示すようにポペット６６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６６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８中ＣＨ８１に示す特性曲線では、図８中ＯＳ８１やＯＳ８２に示すようなオーバーシュートが生じてしまう。

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ＯＳ８１やＯＳ８２（図８参照）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。

上記の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ジタル演算によって行うものが考えられている（例えば、特許文献１参照）。図９は特許文献１に記載された従来の問題点を改善した電空変換装置９０の一例を示す構成ブロック図である。

電空変換装置９０は、電空変換器９１と、コントロールリレー９２と、調節弁９３と、圧力センサ９４と、出力制御装置９５と、を備えて構成される。

電空変換器９１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Ｐｎを出力する。コントロールリレー９２は供給圧を用いて、当該ノズル背圧Ｐｎを増幅した制御圧力を出力する。調節弁９３は、制御対象であり、コントロールリレーの出力である制御圧力により制御される。圧力センサ９４は制御圧力をモニタする。出力制御装置９５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Ｐｎを調整する。

図９中、ＩＣ９１に示す制御信号は電空変換器９１及び出力制御装置９５にそれぞれ入力される。そして、電空変換器９１の出力であるノズル背圧Ｐｎはコントロールリレー９２に供給される。コントロールリレー９２の出力である制御圧力Ｐｏｕｔは制御対象である調節弁９３に供給されると共に圧力センサ９４にも供給される。

図９中、ＭＰ４１に示す圧力センサ９４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９５に接続される。そして、出力制御装置９５の出力は電空変換器９１の制御端子に印加される。

ここで、図９に示す電空変換装置９０の動作を簡単に説明する。電空変換器９１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Ｐｎを出力する。そして、コントロールリレー９２は供給圧を用いて当該ノズル背圧Ｐｎを増幅した制御圧力を出力する。さらに、当該制御圧力によって調節弁９３の弁の開度が制御され所定の流量が得られる。

一方、コントロールリレー９２の出力である制御圧力は圧力センサ９４で検出される。そして、出力制御装置９５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９１を制御してノズル背圧Ｐｎを微調整する。

さらに、このような制御系において電空変換装置９０（図９）では、電空変換器９１のノズル背圧Ｐｎと、コントロールリレー９２の制御圧力との関係から、コントロールリレー９２が不感帯に入っているか否かを判断する。そして、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１０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１０中、ＣＨ１０１に示す特性曲線は制御圧力の一例を示し、ＣＨ１０２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１０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する。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１０中、Ａ０からＡ１というように大きくして調節弁の制御遅れを改善させる。
特許第３３９６３７５号明細書

しかし、図９に示す電空変換器９１（電空変換手段）の入出力特性は、温度、経年変化及び外乱等によって変動する。つまり、電空変換手段へ入力する入力信号に誤差が出ると、ノズル背圧Ｐｎが変動してしまう。このため、コントロールリレー９２（圧力増幅手段）が正しく動作せず、圧力増幅手段の不感帯位置を正確に把握できないという問題点があった。

本発明の課題は、電空変換手段の温度変化、経年変化及び外乱によらず、圧力増幅手段の不感帯位置を正確に把握することである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明の電空変換装置は、
調節弁を駆動する駆動出力圧を発生する圧力増幅手段に対し所定の制御信号に応じたノズル背圧を出力する電空変換手段を有する電空変換装置において、
周囲温度を検出し、当該周囲温度を温度信号として出力する温度センサと、
前記温度信号に基づく前記ノズル背圧の変化を補償し、当該補償分を温度補償信号として出力する温度補償手段と、
使用年月の経過及び外乱に基づくノズル背圧の変化を補償し、当該補償分を経年変化補償信号として出力する経年変化補償手段と、
前記電空変換手段へ入力される操作信号と前記温度補償信号と前記経年変化補償信号とからノズル背圧算出値を算出するノズル背圧算出手段と、
前記圧力増幅手段から出力される駆動出力圧を検出し、当該駆動出力圧を駆動圧信号として出力する圧力センサと、
前記ノズル背圧算出値に前記圧力増幅手段の増幅率を積算した積算値と前記駆動圧信号との差により偏差圧を算出する偏差圧算出手段と、
前記偏差圧が偏差圧の変化に対して駆動出力圧の反応が鈍くなる偏差圧領域を示す前記圧力増幅手段固有の不感帯にあるか否かを判断し、前記偏差圧が前記圧力増幅手段固有の不感帯にある場合には不感帯にない場合と比較してフィードバック制御のループゲインを大きくするよう指示するループゲイン制御手段と、
前記制御信号及び前記駆動圧信号の差と前記ループゲイン制御手段からの指示とに基づき前記操作信号を生成し、当該操作信号により前記電空変換手段を制御する出力制御手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電空変換装置において、
前記ノズル背圧算出手段は、
前記操作信号と前記温度補償信号と前記経年変化補償信号とに基づいて前記ノズル背圧の電流推定値を算出し、当該ノズル背圧の電流推定値に基づいて前記ノズル背圧算出値を算出し、
前記温度補償手段は、
前記温度信号に基づく前記ノズル背圧値の電流推定値と常温における前記ノズル背圧値の電流推定値との差分値を補償する温度補償信号を出力することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電空変換装置において、
前記温度補償手段は、
前記差分値の補償を周期的に行うことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の電空変換装置において、
前記ノズル背圧算出手段は、
前記操作信号と前記温度補償信号と前記経年変化補償信号とに基づいて前記ノズル背圧の電流推定値を算出し、当該ノズル背圧の電流推定値に基づいて前記ノズル背圧算出値を算出し、
前記経年変化補償手段は、
前記制御信号と前記駆動圧信号と前記操作信号とを基準値として記憶する記憶手段を備え、
常温及び定常状態時に前記制御信号と前記駆動圧信号と前記操作信号とを最新値として測定した後、当該最新値と前記基準値との比較値を演算し、当該比較値が閾値を超えた場合は、前記基準値と前記最新値とに基づいて、前記ノズル背圧の電流推定値を補償する経年変化補償信号を出力することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の電空変換装置において、
前記経年変化補償手段は、
前記最新値の測定を周期的に行うことを特徴とする。

請求項６に記載の発明の電空変換装置の制御方法は、
調節弁を駆動する駆動出力圧を発生する圧力増幅手段に対し所定の制御信号に応じたノズル背圧を出力する電空変換手段を有する電空変換装置の制御方法において、
周囲温度を検出し、当該周囲温度を温度信号として出力する工程と、
前記温度信号に基づく前記ノズル背圧の変化を補償し、当該補償分を温度補償信号として出力する温度補償工程と、
使用年月の経過及び外乱に基づくノズル背圧の変化を補償し、当該補償分を経年変化補償信号として出力する経年変化補償工程と、
前記電空変換手段へ入力される操作信号と前記温度補償信号と前記経年変化補償信号とからノズル背圧算出値を算出するノズル背圧算出工程と、
前記圧力増幅手段から出力される駆動出力圧を検出し、当該駆動出力圧を駆動圧信号として出力する工程と、
前記ノズル背圧算出値に前記圧力増幅手段の増幅率を積算した積算値と前記駆動圧信号との差により偏差圧を算出する偏差圧算出工程と、
前記偏差圧が偏差圧の変化に対して駆動出力圧の反応が鈍くなる偏差圧領域を示す前記圧力増幅手段固有の不感帯にあるか否かを判断し、前記偏差圧が前記圧力増幅手段固有の不感帯にある場合には不感帯にない場合と比較してフィードバック制御のループゲインを大きくするよう指示するループゲイン制御手段によりループゲインの制御を行う工程と、
前記制御信号及び前記駆動圧信号の差と前記ループゲイン制御手段からの指示とに基づき前記操作信号を生成し、当該操作信号により前記電空変換手段を制御する出力制御工程と、を含むことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明の電空変換装置の制御方法において、
前記ノズル背圧算出工程は、
前記操作信号と前記温度補償信号と前記経年変化補償信号とに基づいて前記ノズル背圧の電流推定値を算出し、当該ノズル背圧の電流推定値に基づいて前記ノズル背圧算出値を算出する工程であり、
前記温度補償工程は、
前記温度信号に基づく前記ノズル背圧値の電流推定値と常温における前記ノズル背圧値の電流推定値との差分値を補償する温度補償信号を出力することを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の電空変換装置の制御方法において、
前記温度補償工程は、
前記差分値の補償を周期的に行うことを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項６に記載の電空変換装置の制御方法において、
前記ノズル背圧算出工程は、
前記操作信号と前記温度補償信号と前記経年変化補償信号とに基づいて前記ノズル背圧の電流推定値を算出し、当該ノズル背圧の電流推定値に基づいて前記ノズル背圧算出値を算出する工程であり、
前記経年変化補償工程は、
前記制御信号と前記駆動圧信号と前記操作信号とを基準値として記憶し、
常温及び定常状態時に、前記制御信号と前記駆動圧信号と前記操作信号とを最新値として測定した後、当該最新値と前記基準値との比較値を演算し、当該比較値が閾値を超えた場合は、前記基準値と前記最新値とに基づいて、前記ノズル背圧の電流推定値を補償する経年変化補償信号を出力することを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の電空変換装置の制御方法において、
前記経年変化補償工程は、
前記最新値の測定を周期的に行うことを特徴とする。

請求項１、６に記載の発明によれば、操作信号と温度補償信号と経年補償信号とに基づいてノズル背圧算出値を算出する。したがって、温度変化、経年変化及び外乱によらず、圧力増幅手段の不感帯位置を正確に把握することができる。

請求項２、７に記載の発明によれば、操作信号と温度補償信号と経年変化補償信号とに基づいてノズル背圧の電流推定値を算出することができる。そして、当該ノズル背圧の電流推定値に基づいてノズル背圧算出値を算出することができる。また、温度信号に基づくノズル背圧値の電流推定値と常温におけるノズル背圧値の電流推定値との差分値を補償することができる。したがって、周囲温度の変化によるノズル背圧の変動を補償することができる。

請求項３、８に記載の発明によれば、温度信号に基づくノズル背圧値の電流推定値と常温におけるノズル背圧値の電流推定値との差分値の補償を周期的に行うことができる。

請求項４、９に記載の発明によれば、操作信号と温度補償信号と経年変化補償信号とに基づいてノズル背圧の電流推定値を算出することができる。そして、当該ノズル背圧の電流推定値に基づいてノズル背圧算出値を算出することができる。また、最新値と基準値との比較値を演算し、当該比較値が閾値を超えた場合は、基準値と最新値とに基づいて、ノズル背圧の電流推定値を補償することができる。したがって、経年変化及び外乱によるノズル背圧の変動を補償することができる。

請求項５、１０に記載の発明によれば、最新値の測定を周期的に行うことができる。

以下、添付図面を参照して本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。

図１〜３を参照して、本発明に係る実施の形態を説明する。図１に本発明の実施の形態の電空変換装置１００のブロック図を示す。図２にＩ／Ｐモジュール１２の構造図を示す。図３に温度変化に対する補償に関する図を示す。図４に経年変化および外乱に対する補償に関する図を示す。

図１を参照して、本実施の形態の電空変換装置１００のブロック図を説明する。電空変換装置１００は、温度補償手段及び経年変化補償手段によりコントロールリレーの不感帯位置を正確に把握する装置である。電空変換装置１００は、制御手段１０と、電圧／電流変換手段１１と、電空変換手段としてのＩ／Ｐモジュール１２と、圧力増幅手段としてのコントロールリレー１３と、圧力センサ１４と、調節弁１５と、温度センサ１６と、を備えて構成される。

制御手段１０は、減算手段１７と、出力制御手段１８と、ノズル背圧算出手段１９と、不感帯補償手段２０と、経年変化補償手段２１と、温度補償手段２２と、を備えて構成される。減算手段１７と、出力制御手段１８と、ノズル背圧算出手段１９と、不感帯補償手段２０と、経年変化補償手段２１と、温度補償手段２２と、はＣＰＵ（Central Processing Unit）によって、各手段がソフトウエア的に実行される。具体的にＣＰＵは、図示しないＲＯＭに記憶されている各手段のプログラムの中から指定されたプログラムを、図示しないＲＡＭに展開する。そして、ＲＡＭに展開されたプログラムとの協働で各種処理を実行する。

減算手段１７は、偏差信号Ｅｒｒｏｒを演算する手段である。ここで、偏差信号Ｅｒｒｏｒとは、制御信号としての目標値信号ＳＶと駆動圧信号ＰＶの偏差である。目標値信号ＳＶは、駆動出力圧Ｐｏｕｔの目標値を示す信号である。また、駆動出力圧Ｐｏｕｔとはコントロールリレー１３から出力される空気圧のことをいう。目標値信号ＳＶは減算手段１７の加算入力端子に印加される。また、駆動圧信号ＰＶは駆動出力圧Ｐｏｕｔを電気信号へ変換した信号である。駆動圧信号ＰＶは減算手段１７の減算入力端子に印加される。減算手段１７は、これらの両信号の偏差を演算して、偏差信号Ｅｒｒｏｒとして出力制御手段１８に出力する。

出力制御手段１８は、操作信号ＭＶを生成し、当該操作信号ＭＶによりＩ／Ｐモジュール１２を制御する。ここで、操作信号ＭＶとは、Ｉ／Ｐモジュール１２を操作する信号である。操作信号ＭＶは、不感帯補償手段２０から出力された信号Ｉｄと偏差信号Ｅｒｒｏｒとに基づいて算出される。

ノズル背圧算出手段１９は、ノズル背圧Ｐｎの電流推定値Ｉｎを算出する。そして、当該ノズル背圧Ｐｎの電流推定値Ｉｎに基づいて、ノズル背圧算出値Ｐを算出する。ここで、ノズル背圧Ｐｎとは、Ｉ／Ｐモジュール１２から出力された圧力のことをいう。また、ノズル背圧Ｐｎの電流推定値Ｉｎとは、Ｉ／Ｐモジュール１２に入力される電流の推定値のことをいう。また、ノズル背圧算出値Ｐとは、ノズル背圧Ｐｎの算出値のことをいう。ノズル背圧算出値Ｐは、ノズル背圧Ｐｎの電流推定値Ｉｎに基づいて算出される。ノズル背圧の電流推定値Ｉｎは、操作信号ＭＶと温度補償信号Ｉａと経年変化補償信号Ｉｂとに基づいて算出される。温度補償信号Ｉａは、温度補償手段２２から出力される信号である。温度補償手段２２については後述する。また、経年変化補償信号Ｉｂは、経年変化補償手段２１から出力される信号である。経年変化補償手段２１については後述する。

電圧／電流変換手段１１は、操作信号ＭＶを電流信号ＩＶに変換する。また、Ｉ／Ｐモジュール１２は、トルクモーターにより構成され、電流信号ＩＶに対応するノズル背圧Ｐｎを出力する。コントロールリレー１３は、ノズル背圧Ｐｎを増幅した駆動出力圧Ｐｏｕｔを出力する。圧力センサ１４は、駆動出力圧Ｐｏｕｔを検知して駆動圧信号ＰＶに変換する。調節弁１５は、駆動出力圧Ｐｏｕｔに基づいて、弁の開度を制御し、所定の流量を出力する。

不感帯補償手段２０は、偏差圧算出手段２４と、ループゲイン制御手段２３と、を備えて構成される。偏差圧算出手段２４は、算出したノズル背圧算出値Ｐにコントロールリレー１３のゲインを積算して積算値Ｂを算出する。そして、当該積算値Ｂと駆動圧信号ＰＶとから偏差圧ΔＰを算出する。ループゲイン制御手段２３は、偏差圧ΔＰが不感帯にあるか否かによってループゲインＡを切り換え制御する。ここで、不感帯とは図６の説明を援用するものとする。また、ループゲインＡとは、電空変換装置１００における制御パラメータ（微分パラメータ、積分パラメータ等）のことをいう。また、ループゲイン制御手段２３の動作については、図１０の説明を援用するものとする。

温度センサ１６は、周囲温度を測定するセンサである。温度センサ１６は温度信号Ｏｎを出力する。ここで、温度信号Ｏｎとは、周囲温度の測定値のことをいう。

温度補償手段２２は、ノズル背圧Ｐｎの電流推定値Ｉｎに補償を行う手段である。補償は、温度補償信号Ｉａを演算することにより行う。ここで、温度補償信号Ｉａとは、温度信号Ｏｎに基づく電流推定値と常温の電流推定値との差分値のことをいう。

以下、温度補償手段２２で行われる温度補償信号Ｉａの演算について図２および図３を参照して説明する。図２はＩ／Ｐモジュール１２の構成図である。図３は、温度変化に対する補償を示したグラフである。

まず、図２を参照してＩ／Ｐモジュール１２の温度変化に対するノズル背圧Ｐｎの変化について説明する。図２は、Ｉ／Ｐモジュール１２の構成図３０である。図２は、上部側のハウジング３１と、下部側のハウジング３２と、ポールピース３３と、ノズル３４と、永久磁石３５と、可動部材３６と、配管３７と、絞り３８と、導管３９と、排気孔４０と、ポールピース４１と、コイル４２と、を備えて構成される。ハウジング３１，３２は、いずれも純鉄、フェライト系のステンレス、パーマロイなどの軟磁性の材料で出来ている。ハウジング３１は、その外形部が円筒状をなしており、その中心部に軟磁性で出来た円柱状のポールピース３３が内側に向かって形成されている。さらに、このポールピース３３の中央部には内外部に貫通するノズル３４が形成されている。

ポールピース３３を囲んでドーナツ状の永久磁石３５が、ハウジング３１の内面に形成されている。永久磁石３５はその軸方向に、例えばハウジング３１と固着される側がＮ極、その反対側がＳ極に磁化されている。この永久磁石３５は、磁化方向の長さをあまり長くとる必要がないように、エネルギー積の大きなサマリウム−コバルト磁石、或いは鉄−ネオジウム磁石などが適している。

永久磁石３５のハウジング３１と固着された側とは反対側には、ダイアフラム状の可動部材３６がポールピース３３とは所定の間隙長Ｌｇ１を保持して、例えば永久磁石３５の吸引力により固定されており、外部からの力により上下方向に撓む。

可動部材３６は、例えば析出硬化系のステンレス鋼、鉄−ニッケル合金、鉄−クロム−コバルト合金などのバネ特性と、特に飽和磁束密度の高い磁気特性との両方の特性を持った磁性バネ材料で構成される。また、可動部材３６は、永久磁石３５によりＳ極又はＮ極のみの片極に磁化されている。

ノズル３４は、配管３７を介して絞り３８と接続され、この絞り３８には外部から空気圧ＰＳが供給され、絞り３８で生じたノズル背圧Ｐｎを導管３９を介して取り出す。さらに、ハウジング３１には外部と連通する排気孔４０が形成されている。

下部側のハウジング３２は、その外径部が円筒状をなしており、ハウジング３１の外径部と一体に固定されている。その中心部には軟磁性の材料で出来た円柱状のポールピース４１が可動部材３６と所定の間隙長Ｌｇ２を保持して固定されている。そして、このポールピース４１の回りには電流信号Ｉを流すコイル４２が巻かれている。

以上の構成において、コイル４２への電流を変化させることにより可動部材３６の両側のエアー・ギャップの磁束を変化させ、それにより可動部材３６とノズル３４との間隙をコントロールする。間隙が変化すると空気の漏れ量が変わることによりノズル背圧Ｐｎが変化する。

次に、図２と図３とを参照して、温度変化によるＩ／Ｐモジュール１２の入出力特性について説明する。図３のグラフの縦軸はノズル背圧Ｐｎ、横軸は電流信号ＩＶを示す。以下、Ｉ／Ｐモジュール１２の電流信号ＩＶが増加すると、ノズル背圧Ｐｎが増加する場合において説明する。一般的に周囲温度が低い場合、磁気抵抗が低下する。すると、図２に示す可動部材３６の釣り合い位置が変化する。このとき、可動部材３６は矢印Ａに示す方向に変化する。よって、可動部材３６の位置がノズル３４側に近づくため、低温時のノズル背圧Ｐｎは高くなる（後述する図３のａ点）。反対に、周囲温度が高い場合、磁気抵抗が増加する。すると、可動部材３６は矢印Ｂに示す方向に変化する。よって、可動部材３６の位置がノズル３４側から遠くなるため、高温時のノズル背圧Ｐｎは低くなる（後述する図３のｂ点）。

次に図３を参照して、温度変化に対する補償について説明する。ここで、常温での電流値をＩｃｈとする。上述の通り、周囲温度が低い場合はノズル背圧が高くなる（ａ点）。また、周囲温度が低い場合はノズル背圧が低くなる（ｂ点）。したがって、目標とするノズル背圧Ｐｎｃを出力するためには、周囲温度の変化分、温度補償を行う必要がある。

例えば、周囲温度が低温の場合、ノズル背圧Ｐｎｃ値を出力するためには、電流信号ＩＶはＩｃｌｏｗとなる。よって、ΔＩ１＝Ｉｃｈ−Ｉｃｌｏｗ分、補償を行う必要がある。同様に、高温の場合はΔＩ２＝Ｉｃｈｉｇｈ−Ｉｃｈ分、補償を行う必要がある。

温度補償手段２２は、ΔＩ１又はΔＩ２を温度補償信号Ｉａとして出力する。温度補償信号Ｉａはノズル背圧算出手段１９に入力される。そして、ノズル背圧算出手段１９において、ノズル背圧Ｐｎの電流推定値Ｉｎに温度補償信号Ｉａが加減算される。また、温度補償手段２２の温度補償周期は、制御手段１０の制御演算周期と比較して長い周期で行う。例えば、制御手段１０の演算周期が０．１秒とすると、温度補償手段２２の周期は数秒とする。

経年変化補償手段２１は、温度補償手段２２と同様に、ノズル背圧Ｐｎの電流推定値Ｉｎに補償を行う手段である。経年変化補償手段２１は、記憶手段２５を備える。記憶手段２５は、基準値を記憶する。ここで、基準値とは、予め測定された目標値信号ＳＶ１、操作信号ＭＶ１及び駆動圧信号ＰＶ１の値のことをいう。当該基準値を基準として、経年変化補償手段２１の補償が行われる。

経年変化補償手段２１の補償は、経年変化補償信号Ｉｂを演算することにより行う。ここで、経年変化補償信号Ｉｂとは、経年変化及び外乱等により変化した電流推定値と初期状態の電流推定値との差分値のことをいう。また、経年変化及び外乱等とは、温度サイクルドリフト、外部磁界の影響、衝撃の影響、振動の影響等のことをいう。

次に、図４を参照して、経年変化補償について説明する。図４は、図３と同じくＩ／Ｐモジュール１２の入出力特性を示した図である。図４のグラフの縦軸はノズル背圧Ｐｎ、横軸は電流信号ＩＶを示す。図４において、基準値測定時の入出力特性をＡとする。また、経年変化および外乱を受けた入出力特性をＢとする。Ｂに示すように、Ｉ／Ｐモジュール１２の入出力特性は、経年変化及び外乱により差（オフセット）を生じる。例えば、任意の電流信号をＩｃ１とすると、入出力特性Ａのノズル背圧ＰｎはＰｎｃ２となる。また、経年変化及び外乱を受けた時のノズル背圧ＰｎはＰｎｃ３となる。したがって、Ｐｎｃ３−Ｐｎｃ２分のオフセットを生じる。ここで、例えばノズル背圧Ｐｎｃ２を目標として出力する場合を想定する。この場合、入出力特性Ａでは、電流信号Ｉｃ１のとき、ノズル背圧Ｐｎｃ２が出力される。しかし、経年変化及び外乱を受けたとき、ノズル背圧Ｐｎｃ２を出力するには、電流信号はＩｃ２となる。したがって、ΔＩ３＝Ｉｃ１−Ｉｃ２分の補償を行う必要がある。

上記ΔＩ３の補償を行うため、経年変化補償手段２１は、最新値として目標値信号ＳＶ２、操作信号ＭＶ２及び駆動圧信号ＰＶ２の最新値を測定（以下、最新値）する。ここで、最新値とは最新の目標値信号ＳＶ２、操作信号ＭＶ２及び駆動信号ＰＶ２の測定値のことをいう。また、最新値は常温及び定常状態時に測定される。ここで、常温とは例えば、１５〜３０℃の範囲の温度のことをいう。また、定常状態とは電空変換装置１００において、駆動出力圧Ｐｏｕｔの変化量が時間的に一定の状態のことをいう。そして、基準値が記憶手段２５から読み出される。読み出された基準値と最新値とを比較して比較値を算出する。ここで、比較値とは、基準値と最新値との差のことをいい、図４の例ではΔＩ３に該当する。当該比較値が一定の閾値を超えた場合は、ΔＩ３分を経年補償信号Ｉｂとして出力する。

経年変化補償信号Ｉｂはノズル背圧算出手段１９に入力される。そして、ノズル背圧算出手段１９において、ノズル背圧Ｐｎの電流推定値Ｉｎに経年変化補償信号Ｉｂが加減算される。ここで、比較値が一定の閾値を超えた場合、基準値は更新される。例えば、上記の説明の場合、目標値信号ＳＶ２、操作信号ＭＶ２及び駆動圧信号ＰＶ２が基準値として更新される。また、経年変化補償の周期は温度補償の周期よりも長い周期で行う。例えば、温度補償の周期が数秒であるのに対して、経年変化補償の周期は数ヶ月の周期で行う。

次に、以上のように構成された電空変換システム１００の動作について説明する。先ず、目標値信号ＳＶが、減算手段１７の加算入力端子に印加される。また、減算手段１７の減算入力端子に駆動圧信号ＰＶが印加される。そして、減算手段１７により目標値信号ＳＶと駆動圧信号ＰＶとの差である偏差信号Ｅｒｒｏｒが算出される。減算手段１７の偏差信号Ｅｒｒｏｒは、出力制御手段１８に印加される。

出力制御手段１８には、偏差信号Ｅｒｒｏｒと不感帯補償手段２０の出力信号Ｉｄとが印加される。そして、操作信号ＭＶが算出される。算出された操作信号ＭＶは電圧／電流変換手段１１へ印加される。電圧／電流変換手段１１より操作信号ＭＶが電流信号ＩＶへ変換される。

電圧／電流変換手段１１により変換された電流信号ＩＶはＩ／Ｐモジュール１２に印加される。Ｉ／Ｐモジュール１２により電流信号ＩＶはノズル背圧Ｐｎへ変換される。ノズル背圧Ｐｎはコントロールリレー１３に供給される。

ノズル背圧Ｐｎはコントロールリレー１３により駆動出力圧Ｐｏｕｔへ変換される。駆動出力圧Ｐｏｕｔは、制御対象である調節弁１５に供給されると共に圧力センサ１４に供給される。圧力センサ１４の駆動圧信号ＰＶは、減算手段の減算入力端子にフィードバックされる。

また、圧力センサ１４より出力される駆動圧信号ＰＶは、不感帯補償手段２０と経年変化補償手段２１とに印加される。経年変化補償手段２１は、駆動圧信号ＰＶの他に、目標値信号ＳＶと操作信号ＭＶとが印加される。そして、記憶手段２５に記憶されている初期値と測定値との比較値を算出する。比較値が一定の閾値よりも大きい場合は、経年変化補償信号Ｉｂがノズル背圧算出手段１９へ出力される。

また、温度センサ１６により測定された温度信号Ｏｎは、温度補償手段２２に入力される。温度補償手段２２により、周囲温度値に基づいて温度補償信号Ｉａがノズル背圧算出手段１９へ出力される。

ノズル背圧算出手段１９は、温度補償信号Ｉａ、経年変化補償信号Ｉｂ、及び操作信号ＭＶに基づいてノズル背圧Ｐｎの電流推定値Ｉｎを算出する。そして、当該ノズル背圧Ｐｎの電流推定値Ｉｎに基づいて、ノズル背圧算出値Ｐが算出される。算出されたノズル背圧算出値Ｐは、不感帯補償手段２０の偏差圧算出手段２４へ出力される。

偏差圧算出手段２４により、ノズル背圧算出値Ｐとコントロールリレー１３のゲインとを積算した積算値Ｂが算出される。そして、当該積算値Ｂと駆動圧信号ＰＶとから偏差圧ΔＰが算出される。偏差圧ΔＰはループゲイン制御手段２３により、偏差圧ΔＰが不感帯にあるか否かが判断される。偏差圧ΔＰが不感帯にあると判断された場合、ループゲインＡが切替え制御される。そして、ループゲイン制御手段２３からの指示に基づいて出力信号Ｉｄが出力される。当該出力信号Ｉｄと偏差信号Ｅｒｒｏｒとに基づいて、出力制御手段１８により操作信号ＭＶが出力される。上記の動作が、目標値信号ＳＶと駆動圧信号ＰＶの偏差Ｅｒｒｏｒが０になるまで繰り返えされる。

以上、本実施の形態によれば、操作信号ＭＶと温度補償信号Ｉａと経年補償信号Ｉｂとに基づいてノズル背圧算出値Ｐを算出する。したがって、温度変化、経年変化及び外乱によらず、コントロールリレー１３の不感帯位置を正確に把握することができる。

また、操作信号ＭＶと温度補償信号Ｉａと経年変化補償信号Ｉｂとに基づいてノズル背圧Ｐｎの電流推定値Ｉｎを算出することができる。そして、当該ノズル背圧Ｐｎの電流推定値Ｉｎに基づいてノズル背圧算出値Ｐを算出することができる。また、温度信号Ｏｎに基づくノズル背圧値Ｐｎの電流推定値Ｉｎと常温におけるノズル背圧値Ｐｎの電流推定値Ｉｎとの差分値を補償することができる。したがって、周囲温度の変化によるノズル背圧Ｐｎの変動を補償することができる。

また、温度信号Ｏｎに基づくノズル背圧値Ｐｎの電流推定値Ｉｎと常温におけるノズル背圧値Ｐｎの電流推定値Ｉｎとの差分値の補償を周期的に行うことができる。

また、操作信号ＭＶと温度補償信号Ｉａと経年変化補償信号Ｉｂとに基づいてノズル背圧Ｐｎの電流推定値Ｉｎを算出することができる。そして、当該ノズル背圧Ｐｎの電流推定値Ｉｎに基づいてノズル背圧算出値Ｐを算出することができる。また、最新値と基準値との比較値を演算し、当該比較値が閾値を超えた場合は、基準値と最新値とに基づいて、ノズル背圧Ｐｎの電流推定値Ｉｎを補償することができる。したがって、経年変化及び外乱によるノズル背圧Ｐｎの変動を補償することができる。また、最新値の測定を周期的に行うことができる。

その他、本実施の形態における電空変換装置１００の細部構成及び詳細動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の実施の形態における電空変換システム１００のブロック図である。 Ｉ／Ｐモジュール１２の構造図である。 温度変化に対する補償を示す図である。 経年変化及び外乱に対する補償を示す図である。 従来の電空変換システム５０の一例を示すブロック図である。 コントロールリレー５５の具体例を示す図である。 不感帯に補足された場合のポペット位置を示す図である。 不感帯に補足された場合の制御圧力の一例を示す特性曲線図である。 従来の電空変換装置９０の一例を示すブロック図である。 ループゲインの制御を説明する図である。

符号の説明

１０ 制御手段
１１ 電流変換手段
１２ Ｉ／Ｐモジュール
１３ コントロールリレー
１４ 圧力センサ
１５ 調節弁
１６ 温度センサ
１７ 減算手段
１８ 出力制御手段
１９ ノズル背圧算出手段
２０ 不感帯補償手段
２１ 経年変化補償手段
２２ 温度補償手段
２３ ループゲイン制御手段
２４ 偏差圧算出手段
２５ 記憶手段
３０ 構成図
３１，３２ ハウジング
３３ ポールピース
３４ ノズル
３５ 永久磁石
３６ 可動部材
３７ 配管
３８ 絞り
３９ 導管
４０ 排気孔
４１ 導管
４２ コイル
４３ ポールピース
５１ 減算回路
５２ 出力制御手段
５３ 電流変換手段
５４ Ｉ／Ｐモジュール
５５ コントロールリレー
５６ 調節弁
５７ 圧力センサ
６１ 排気弁
６２ 入力ダイアフラム
６３ 可動部
６４ フィードバックダイアフラム
６５ 給気弁
６６ ポペット
６７ バネ
６８ ブリード孔
９０ 電空変換装置
９１ 電空変換器
９２ コントロールリレー
９３ 調節弁
９４ 圧力センサ
９５ 出力制御装置
１００ 電空変換システム
Ａ ループゲイン
Ｅｒｒｏｒ 偏差信号
Ｉ 電流信号
Ｉａ 温度補償信号
Ｉｂ 経年変化補償信号
Ｉｄ 出力信号
Ｉｎ 電流推定値
ＩＶ 電流信号
Ｌｇ１ 間隙長
Ｌｇ２ 間隙長
ＭＶ 操作信号
Ｏｎ 温度信号
Ｐｎ ノズル背圧
Ｐｏｕｔ 駆動出力圧
ＰＳ 空気圧
ＰＶ 駆動圧信号
ＳＶ 目標値信号
ΔＰ 偏差圧

Claims (10)

1. 調節弁を駆動する駆動出力圧を発生する圧力増幅手段に対し所定の制御信号に応じたノズル背圧を出力する電空変換手段を有する電空変換装置において、
   周囲温度を検出し、当該周囲温度を温度信号として出力する温度センサと、
   前記温度信号に基づく前記ノズル背圧の変化を補償し、当該補償分を温度補償信号として出力する温度補償手段と、
   使用年月の経過及び外乱に基づくノズル背圧の変化を補償し、当該補償分を経年変化補償信号として出力する経年変化補償手段と、
   前記電空変換手段へ入力される操作信号と前記温度補償信号と前記経年変化補償信号とからノズル背圧算出値を算出するノズル背圧算出手段と、
   前記圧力増幅手段から出力される駆動出力圧を検出し、当該駆動出力圧を駆動圧信号として出力する圧力センサと、
   前記ノズル背圧算出値に前記圧力増幅手段の増幅率を積算した積算値と前記駆動圧信号との差により偏差圧を算出する偏差圧算出手段と、
   前記偏差圧が偏差圧の変化に対して駆動出力圧の反応が鈍くなる偏差圧領域を示す前記圧力増幅手段固有の不感帯にあるか否かを判断し、前記偏差圧が前記圧力増幅手段固有の不感帯にある場合には不感帯にない場合と比較してフィードバック制御のループゲインを大きくするよう指示するループゲイン制御手段と、
   前記制御信号及び前記駆動圧信号の差と前記ループゲイン制御手段からの指示とに基づき前記操作信号を生成し、当該操作信号により前記電空変換手段を制御する出力制御手段と、
   を備えることを特徴とする電空変換装置。
2. 前記ノズル背圧算出手段は、
   前記操作信号と前記温度補償信号と前記経年変化補償信号とに基づいて前記ノズル背圧の電流推定値を算出し、当該ノズル背圧の電流推定値に基づいて前記ノズル背圧算出値を算出し、
   前記温度補償手段は、
   前記温度信号に基づく前記ノズル背圧値の電流推定値と常温における前記ノズル背圧値の電流推定値との差分値を補償する温度補償信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の電空変換装置。
3. 前記温度補償手段は、
   前記差分値の補償を周期的に行うことを特徴とする請求項２に記載の電空変換装置。
4. 前記ノズル背圧算出手段は、
   前記操作信号と前記温度補償信号と前記経年変化補償信号とに基づいて前記ノズル背圧の電流推定値を算出し、当該ノズル背圧の電流推定値に基づいて前記ノズル背圧算出値を算出し、
   前記経年変化補償手段は、
   前記制御信号と前記駆動圧信号と前記操作信号とを基準値として記憶する記憶手段を備え、
   常温及び定常状態時に前記制御信号と前記駆動圧信号と前記操作信号とを最新値として測定した後、当該最新値と前記基準値との比較値を演算し、当該比較値が閾値を超えた場合は、前記基準値と前記最新値とに基づいて、前記ノズル背圧の電流推定値を補償する経年変化補償信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の電空変換装置。
5. 前記経年変化補償手段は、
   前記最新値の測定を周期的に行うことを特徴とする請求項４に記載の電空変換装置。
6. 調節弁を駆動する駆動出力圧を発生する圧力増幅手段に対し所定の制御信号に応じたノズル背圧を出力する電空変換手段を有する電空変換装置の制御方法において、
   周囲温度を検出し、当該周囲温度を温度信号として出力する工程と、
   前記温度信号に基づく前記ノズル背圧の変化を補償し、当該補償分を温度補償信号として出力する温度補償工程と、
   使用年月の経過及び外乱に基づくノズル背圧の変化を補償し、当該補償分を経年変化補償信号として出力する経年変化補償工程と、
   前記電空変換手段へ入力される操作信号と前記温度補償信号と前記経年変化補償信号とからノズル背圧算出値を算出するノズル背圧算出工程と、
   前記圧力増幅手段から出力される駆動出力圧を検出し、当該駆動出力圧を駆動圧信号として出力する工程と、
   前記ノズル背圧算出値に前記圧力増幅手段の増幅率を積算した積算値と前記駆動圧信号との差により偏差圧を算出する偏差圧算出工程と、
   前記偏差圧が偏差圧の変化に対して駆動出力圧の反応が鈍くなる偏差圧領域を示す前記圧力増幅手段固有の不感帯にあるか否かを判断し、前記偏差圧が前記圧力増幅手段固有の不感帯にある場合には不感帯にない場合と比較してフィードバック制御のループゲインを大きくするよう指示するループゲイン制御手段によりループゲインの制御を行う工程と、
   前記制御信号及び前記駆動圧信号の差と前記ループゲイン制御手段からの指示とに基づき前記操作信号を生成し、当該操作信号により前記電空変換手段を制御する出力制御工程と、
   を含むことを特徴とする電空変換装置の制御方法。
7. 前記ノズル背圧算出工程は、
   前記操作信号と前記温度補償信号と前記経年変化補償信号とに基づいて前記ノズル背圧の電流推定値を算出し、当該ノズル背圧の電流推定値に基づいて前記ノズル背圧算出値を算出する工程であり、
   前記温度補償工程は、
   前記温度信号に基づく前記ノズル背圧値の電流推定値と常温における前記ノズル背圧値の電流推定値との差分値を補償する温度補償信号を出力することを特徴とする請求項６に記載の電空変換装置の制御方法。
8. 前記温度補償工程は、
   前記差分値の補償を周期的に行うことを特徴とする請求項７に記載の電空変換装置の制御方法。
9. 前記ノズル背圧算出工程は、
   前記操作信号と前記温度補償信号と前記経年変化補償信号とに基づいて前記ノズル背圧の電流推定値を算出し、当該ノズル背圧の電流推定値に基づいて前記ノズル背圧算出値を算出する工程であり、
   前記経年変化補償工程は、
   前記制御信号と前記駆動圧信号と前記操作信号とを基準値として記憶し、
   常温及び定常状態時に、前記制御信号と前記駆動圧信号と前記操作信号とを最新値として測定した後、当該最新値と前記基準値との比較値を演算し、当該比較値が閾値を超えた場合は、前記基準値と前記最新値とに基づいて、前記ノズル背圧の電流推定値を補償する経年変化補償信号を出力することを特徴とする請求項６に記載の電空変換装置の制御方法。
10. 前記経年変化補償工程は、
    前記最新値の測定を周期的に行うことを特徴とする請求項９に記載の電空変換装置の制御方法。

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