JP2008009838A - バルブの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流路系に過大な圧力が過渡的に加わることなく、制御目標値である弁の開度に到達する時間を適切にするバルブの制御装置を提供する。
【解決手段】バルブが全開状態から全閉状態に移行するまでに要する閉止時間を所定の値で除した単位時間およびこの単位時間を更に複数の時間間隔に等分割したサンプリング時間を用いて単位時間毎にバルブの開度設定値を求め、この求めた単位時間毎の開度設定値に等比数列を順次かけて得られる値を単位時間毎にそれぞれ順次加えて単位時間毎のバルブの開度設定値とし、更にこの単位時間毎のバルブの開度設定値をサンプリング時間で等分割して、このサンプリング時間毎にサーボアンプに与える開度設定値を求める。
【選択図】図１

Description

本発明はバルブの制御装置に関する。

従来、例えば図６に示すように一定の流量で流体（例えば、油）を吐出するポンプ１によって駆動制御されるサーボバルブ２を備えたバルブの制御装置が知られている（例えば、特許文献１または２を参照）。このサーボバルブ２は、サーボアンプ１０と組み合わされてフィードバック制御系を構成する。
サーボバルブ２は、図７にその概略構成を示すように流体の流量等を調整する弁の役割を担うスプール（制御対象３）、電磁力によってスプールを駆動操作するボイスコイル（操作部４）およびボイスコイルによって駆動・操作されたスプールの制御量を検出して主フィードバック信号を出力するＬＤＶＴ（差圧変圧器：開度検出部５）を備えて構成される。

一方、このサーボバルブ２を駆動制御するサーボアンプ１０は、サーボバルブ２の開度設定値を設定する設定部１１、この設定部１１に設定された設定値とサーボバルブ２の開度検出部５から出力される主フィードバック信号との偏差を求める比較部１２およびこの比較部１２によって求められた偏差からサーボバルブ２のボイスコイル（操作部４）に操作信号（可変電圧）を与える調節部１３を備えて構成される。

ところで、バルブ２を全開（開度１００％）から全閉（開度０％）に変化させると、図８に示すように最初、流量は、ポンプ１から吐出される流体の流量が一定であるならば、ほとんど変化しないが、圧力が徐々に増加していく。そして更にバルブ２を閉めていくと流量が制限されるとともにやがて一定の圧力に落ち着く。
特開２００３−３３６６０６号公報 特開２００１−０３２９５２号公報

しかしながら、前述した従来のサーボバルブの制御装置は、バルブ閉止時に生じる圧力変化に過渡的な振動を生ずることがあり、流路系に過大な圧力が過渡的に加わったり、制御目標値である弁の開度に到達するまでに時間がかかったりするという問題があった。
本発明は、このような従来の問題点を解決すべくなされたもので、その目的とするところは、流路系に過大な圧力が過渡的に加わることなく、制御目標値である弁の開度に到達する時間を適切にするバルブの制御装置を提供することにある。

上述した目的を達成すべく本発明のバルブの制御装置は、所定の配管に介挿されて、その開度によりこの配管に流れる流体の流量を調整するバルブと、このバルブに接続されて、該バルブの開度を制御するサーボアンプと、このサーボアンプに接続されて、該サーボアンプに前記バルブの開度を調整する開度設定値を与えるコントローラとを具備するバルブの制御装置であって、
前記バルブは、該バルブの開度を検出する開度検出部を備え、
前記サーボアンプは、前記開度検出部が検出した前記バルブの開度と前記コントローラから与えられた前記開度設定値との偏差を零にする開度信号を生成して前記バルブの開度を制御する開度制御部を備え、
前記コントローラは、前記バルブが全開状態から全閉状態に移行するまでに要する閉止時間を所定の値で除した単位時間およびこの単位時間を更に複数の時間間隔に等分割したサンプリング時間をそれぞれ保持するパラメータ保持部と、前記単位時間毎に前記バルブの開度設定値を求め、この求めた単位時間毎の開度設定値に等比数列を順次かけて得られる値を前記単位時間毎にそれぞれ順次加えて前記単位時間毎のバルブの開度設定値とし、更にこの単位時間毎のバルブの開度設定値を前記サンプリング時間で等分割して、このサンプリング時間毎に前記サーボアンプに与える前記開度設定値を求める開度演算部と
を備えることを特徴としている。

好ましくは、前記パラメータ保持部は、更に前記圧力判定部が検出した圧力が安定するに要する圧力安定時間を保持し、前記コントローラは、更に前記バルブの上流側の前記配管内に取り付けられて、この配管内の圧力を検出する圧力検出部と、この圧力検出部が検出した前記配管内の圧力が所定の圧力値を超えているか否かを判定する圧力判定部を具備し、前記開度演算部は、前記圧力判定部が所定の圧力を超えていると判定したとき、前記サンプリング時間に変えて前記圧力安定時間を用いて前記開度設定値を求めることが望ましい。

より好ましくは、前記開度演算部は、前記圧力判定部が前記配管内の圧力が所定の圧力を超えていると判定した際、前記サーボアンプに前記開度設定値を与える前後の前記圧力の差圧を求め、この差圧が所定の圧力範囲内にあるとき、前記サーボアンプに前回の単位時間において出力した開度設定値と同一の開度設定値を更に加える一方、前記差圧が所定の圧力値を超えているとき、前回の単位時間において出力した開度設定値の１／２の開度設定値を更に加えて前記サーボアンプに与えることが望ましい。

上述したように本発明のバルブの制御装置は、コントローラがバルブを制御するサーボアンプに対して出力する開度設定値を所定の単位時間毎に分割して、例えば（１／２）、（１／４）、（１／８）・・・（１／２）^ｎ・・・というような等比数列を開度設定値にかけて得られた値を前記単位時間毎にそれぞれ順次加えて前記単位時間毎のバルブの開度設定値とし、更に開度演算部にて単位時間毎に更に所定のサンプリング時間で細分した開度設定値を求めてバルブの開度信号としているので管路内における圧力変化を滑らかにすることができる。

特に本発明のバルブの制御装置は、所定の圧力に達したとき、パラメータ保持部が保持する圧力安定時間をサンプリング時間として設定するとともに、配管内の圧力が所定の圧力を超えていると判定した際、サーボアンプに開度設定値を与える前後の前記圧力の差圧を求め、この差圧が所定の圧力範囲内にあるとき、サーボアンプに出力した開度設定値を次の圧力安定時間に同じ開度設定値を出力する一方、差圧が所定の圧力値を超えているとき、サーボアンプに出力した開度設定値の（１／２）の開度設定値をサーボアンプに与えている。このため目標値に到達するとき、流路系に過大な圧力が過渡的に加わることを防止するとともに、速やかに制御目標値である弁の開度に到達することができるという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の一実施形態に係るバルブの制御装置について添付図面を参照しながら説明する。尚、図１〜図５は、発明を実施する形態の一例であって、これらの図において従来例を示す図６および図７と同一の符号を付した部分は同一物を表し、基本的な構成はこの図に示す従来のものと同様であるのでその説明を省略する。
さて、図１において２は、図示しない所定の配管に介挿されて、その開度によりこの配管に流れる流体（例えば、油）の流量を調整するバルブである。このバルブ２には、バルブ２の開度を制御するサーボアンプ（開度制御部）１０が接続されている。そして２０は、このサーボアンプ１０に接続されて、サーボアンプ（開度制御部）１０にバルブ２の開度を調整する開度設定値を与えるコントローラである。

このコントローラ２０は、更にバルブ２の上流側の配管内（特に図示せず）に取り付けられて、この配管内の圧力を検出する圧力検出部２１と、この圧力検出部２１が検出した前記配管内の圧力が所定の圧力値を超えているか否かを判定する圧力判定部２２を備える。またコントローラ２０には、前記バルブ２が全開状態から全閉状態に移行するまでに要する閉止時間を所定の値で除した単位時間、この単位時間を更に複数の時間間隔に等分割したサンプリング時間および圧力判定部が検出した圧力が安定するに要する圧力安定時間をそれぞれ保持するパラメータ保持部２３が設けられている。

そして詳細は後述するがコントローラ２０には、パラメータ保持部２３に保持された各種パラメータ情報と、圧力判定部２２の判定結果によってサーボアンプ１０に与える開度設定値を求める開度演算部２４が備えられている。
概略的には上述のように構成された本発明の一実施形態に係るバルブの制御装置の作動について、図２および図３に示すフローチャートを参照しながら説明する。

最初にバルブの制御装置を操作する担当者等は、コントローラ２０のパラメータ保持部２３に上述した単位時間Ｔｕ、サンプリングタイムＴｓ、圧力安定待ち時間Ｔｐのほかに、管路内における圧力上昇の目安となる目標圧力値Ｐｓｐ、圧力が目標圧力に近づいたか否かを判定する管路内の判定圧力値Ｐｄ、乗数パラメータＭおよび許容圧力範囲Ｐｅをそれぞれ設定する（ステップＳ１）。乗数パラメータＭは、詳細は後述するがバルブ２を閉止することによって上昇する管路内の圧力が、設定した目標圧力に近づきつつあるのかを判定する指標となるものである。また、許容圧力範囲Ｐｅは、最終的に到達する目標圧力から許容される圧力範囲であり、例えば、目標圧力値Ｐｓｐを１００％とすれば、その±５％程度の値が設定される。

次いでコントローラ２０の開度演算部２４には、開度設定入力値が入力される（ステップＳ２）。この開度設定入力値は、例えばバルブの制御装置を操作する担当者等や、図示しない別の制御装置（例えば、プロセスコントローラ等）から与えられる。すると開度演算部２４は、図７に示したようなバルブ開度と制御電圧との関係を参照し、ステップ２で入力された開度設定値からバルブ開度に応じた制御電圧Ｖｓｖを求める（ステップＳ３）。次いで開度演算部２４は、パラメータ保持部２３に設定された単位時間ＴｕおよびサンプリングタイムＴｓから、単位時間内におけるサンプリング数Ｓｎを［Ｓｎ＝Ｔｕ／Ｔｓ］として求める（ステップＳ４）。サンプリングタイムＴｓは、単位時間Ｔｕ内においてサーボアンプ１０に与える開度設定値Ｖｓｔの設定周期を表すものである。そして開度演算部２４は、開度設定値Ｖｓｔを演算する等比数列の冪乗数ｒを初期化する（ｒ＝１）。

次いで開度演算部２４は、現在のサーボアンプに与えている制御電圧Ｖｂと上述したようにして求めた制御電圧Ｖｓｖに公比を［１／２］とする級数をかけた値を加えて、単位時間Ｔｕ内の制御電圧設定値Ｖｃを求め（ステップＳ６）、図４に示すようにこの制御電圧設定値Ｖｃを単位時間Ｔｕ内においてサンプリング数で等分割した階段信号を生成して（ステップＳ７）、サーボアンプ１０へ順次与える（ステップＳ８）。

このときコントローラ２０の圧力検出部２１は、管路内の計測圧力Ｐａを検出して後段の圧力判定部２２に与える。圧力判定部２２は、圧力検出部２１が検出した管路内の計測圧力Ｐａを受けて、この計測圧力Ｐａがパラメータ保持部２３に保持された判定圧力値Ｐｄを超えていないかどうかを判定する（ステップＳ９）。この判定圧力値Ｐｄは、パラメータ保持部２３に設定した目標圧力値Ｐｓｐの９０％程度の圧力値とし、バルブ閉止時に上昇する管路内の圧力値が目標圧力値Ｐｓｐに近づいているかどうかという判定をする目安となる閾値である。

開度演算部２４は、ステップＳ９で圧力判定部２２が、計測圧力Ｐａが判定圧力値Ｐｄを超えていないと判定したとき、等比数列の冪乗数ｒをインクリメントする（ステップＳ１０）。そうして開度演算部２４は、ステップＳ６以降を繰り返す。つまり開度演算部２４は、冪乗数ｒをインクリメントすることによってステップＳ６で、制御電圧Ｖｓｖの（１／２）、（１／４）、（１／８）・・・（１／２^ｒ）の電圧を制御電圧設定値Ｖｃに加えていくことになる。

開度演算部２４は、ステップＳ９で圧力判定部２２が計測圧力Ｐａが判定圧力値Ｐｄ以上となったとき、サンプリングタイムＴｓを圧力判定待ち時間Ｔｐに変更し（ステップＳ１１）、それ以降、前述した単位時間Ｔｕを用いた制御に代えて圧力検出部２１が検出した圧力検出値に基づく制御方法に変更する。この圧力安定待ち時間Ｔｐは、コントローラ２０がサーボアンプ１０に対して開度設定値Ｖｓｔを出力し、バルブ２が閉じる際、時間経過によって管路内の圧力が一定値に落ち着くまでの時間であって、サンプリングタイムＴｓの数倍の時間である（例えば、サンプリングタイムＴｓが５０ｍｓであれば、圧力判定待ち時間Ｔｐは、１００〜２００ｍｓの時間に設定する）。

次いで圧力検出部２１は、圧力を計測して制御電圧出力前の圧力値Ｐｂを得る（ステップＳ１２）一方、開度演算部は、ステップＳ８で求めた開度設定値Ｖｓｔをサーボアンプ１０へ出力する（ステップＳ１３）。そして圧力検出部２１は、前述した圧力安定待ち時間Ｔｐ経過後、圧力を計測して制御電圧出力後の計測圧力Ｐａを得る（ステップＳ１４）。

開度演算部２４は、ステップＳ１４で圧力検出部２１が計測した計測圧力Ｐａが、［目標圧力値Ｐｓｐ±許容圧力範囲Ｐｅ］にあると判定したとき(ステップＳ１５)、サーボアンプ１０に与える開度設定値Ｖｓｔとして前回のサンプリングタイム時に与えた制御電圧と同一の制御電圧を更に加えて新たな制御電圧とし、次の圧力安定待ち時間Ｔｐ（変更したサンプリングタイム）間に出力する（ステップＳ１６）。

一方、ステップＳ１５で開度演算部２４は、ステップＳ１４で圧力検出部２１が計測した計測圧力Ｐａが、［目標圧力値Ｐｓｐ＋許容圧力範囲Ｐｅ］以上であると判定したとき、サーボアンプ１０に与える開度設定値Ｖｓｔとして前回のサンプリングタイム時に与えた制御電圧値を（−１／２）にした制御電圧を更に加えて新たな制御電圧とし、次の圧力安定待ち時間Ｔｐ（変更したサンプリングタイム）間に出力する（ステップＳ１７）。

更に開度演算部２４は、ステップＳ１５においてステップＳ１４で圧力検出部２１が計測した計測圧力Ｐａが、［目標圧力値Ｐｓｐ−許容圧力範囲Ｐｅ］未満であると判定したとき、ステップＳ１２で圧力検出部２１が検出した制御電圧出力前の圧力値Ｐｂとの差分［ΔＰ＝Ｐｂ−Ｐａ］を求め（ステップＳ１８）、この求めた差圧ΔＰに乗数パラメータＭをかけて制御電圧出力前の圧力値Ｐｂを加えた圧力値Ｐｃ（Ｐｃ＝Ｐｂ＋ΔＰ×Ｍ）を演算する（ステップＳ１９）。ステップＳ１９で開度演算部２４が行う演算は、バルブ２を閉じていく過程において、どの程度、目標圧力値Ｐｓｐに近づいているのかという目安を得るための演算であって、乗数パラメータＭは、例えば５〜１０に予め設定される。

そして開度演算部２４は、ステップＳ１９で求めた圧力値Ｐｃと目標圧力値Ｐｓｐとを比較し、［Ｐｃ≦Ｐｓｐ］のときステップＳ１６を、［Ｐｃ＞Ｐｓｐ］のとき前回加えた制御電圧値の（１／２）を新たに加えるステップＳ２１を実行する。開度演算部２４は、ステップＳ１６およびステップＳ２１でサーボアンプ１０に開度設定値Ｖｓｔを出力した後、次の圧力安定待ち時間Ｔｐ（変更したサンプリングタイム）間だけ待って、再びステップＳ１２以降を繰り返して実行する。

ここで上述した制御手順について図５を参照しながらより具体的に説明する。この図は、横軸に時間、縦軸にコントローラ２０がサーボアンプ１０に与える開度設定値（制御電圧）の変化をそれぞれ示したものである。
まず時刻ｔ_１においてコントローラ２０は、サーボアンプ１０に対して開度設定値Ｖｓｔに対してＶ_１だけ高い電圧を印加する。このＶ_１は、上述したステップＳ８において開度演算部２４が出力するステップ電圧である。このステップ電圧は、前述した単位時間Ｔｕ毎のサンプリングタイムＴｓに従って出力される。すると制御遅れΔｔを伴いながら圧力が上昇してＰ_１になる。このときの圧力変化は、ステップ電圧を印加された時点で、オーバシュートやオーバダンピングした応答を示す。目標圧力値Ｐｓｐを１００％としたとき、以後、開度演算部２４は、その圧力のＮ％（Ｎ＜１００）の判定圧力値Ｐｄになるまでサーボアンプ１０にステップ状の開度設定値Ｖｓｔを印加する。この図では、時刻ｔ_１〜ｔ_３の期間が相当する。ちなみにサンプリング時間毎の開度設定値の変化は、それぞれ等しく、この図では、Ｖ_１＝Ｖ_２＝Ｖ_３となる。一方、圧力の変化量は、内圧の上昇ともに減少するのでＰ_１＜Ｐ_２＜Ｐ_３となる。

時刻ｔ_３になると、圧力値が判定圧力値（Ｎ％）を超えるので開度演算部２４は、サンプリングタイムＴｓを圧力安定待ち時間Ｔｐに変更し（ステップＳ１１）、ステップ電圧の印加前後の圧力変化（差圧）ΔＰを求める（ステップＳ１８）。次いで開度演算部２４は、ステップＳ１９に示す演算（算出圧力Ｐｃ＝Ｐｂ＋ΔＰ×Ｍ）を施し（ステップＳ１９）、その結果、算出圧力Ｐｃが目標圧力値Ｐｓｐ（１００％）を超えないとき前回と同じ制御電圧の変化分を更に加えてサーボアンプ１０に与える（ステップＳ１６）。

ここでは開度演算部２４がステップＳ１９で演算を施した結果、時刻ｔ_４において算出圧力Ｐｃが目標圧力値Ｐｓｐ（１００％）を超えたとすると、前回の制御電圧の変化分×（１／２）の値（Ｖ_４）を更に加えてサーボアンプ１０に与える（ステップＳ２１）。以後、圧力安定待ち時間Ｔｐ毎に制御電圧（開度設定値Ｖｓｔ）を変化させる（時刻ｔ_７まで）。

そうして時刻ｔ_７になると検出した圧力は、目標圧力値Ｐｓｐ（１００％）を超えてＰ_７ａに達する。この圧力Ｐ_７ａが［Ｐｓｐ＋Ｐｅ］より大きいとき、前回の制御電圧の変化分×（−１／２）の値（Ｖ_８）をサーボアンプ１０に与える（ステップＳ１７、時刻ｔ_８）。すると圧力は、所望の目標圧力値Ｐｓｐに滑らかに到達する。
かくして本発明のバルブの制御装置は、コントローラ２０がバルブ２を制御するサーボアンプ１０に対して出力する開度設定値を所定の単位時間毎に分割して、例えば（１／２）、（１／４）、（１／８）・・・（１／２）^ｎ・・・というような等比数列を開度設定値Ｖｓｔにかけて得られる値を単位時間Ｔｕ毎にそれぞれ順次加えて単位時間Ｔｕ毎のバルブ２の開度設定値を求め、更に開度演算部２４にて単位時間毎に所定のサンプリング時間で細分した開度設定値Ｖｓｔを求めてサーボアンプ１０を介してバルブ２に開度信号を与えているので管路内における圧力変化を滑らかにすることができる。

特に本発明のバルブの制御装置は、所定の圧力に達したとき、パラメータ保持部２３が保持する圧力安定待ち時間Ｔｄをサンプリングタイムとして設定し直すとともに、配管内の圧力が所定の圧力（判定圧力値Ｐｄ）を超えていると判定した際、サーボアンプ１０に開度設定値を与える前後の差圧を求め、この差圧が許容圧力範囲Ｐｅ内にあるとき、サーボアンプ１０に出力した開度設定値を次の圧力安定時間に同じ開度設定値を出力する一方、差圧が所定の圧力値を超えているとき、サーボアンプ１０に出力した開度設定値の１／２の開度設定値をサーボアンプ１０に与えている。このため目標値に到達するとき、流路系に過大な圧力が過渡的に加わることを防止することができる、速やかに制御目標値である弁の開度に到達することができるという優れた効果を奏し得る。

尚、上述した公比［１／２］の数値は、この値に限定されることなく制御系が最適な作動を行うようにチューニングを行って設定すればよい。
また、本発明のバルブの制御装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることが可能である。

本発明の一実施形態に係るバルブの制御装置の要部概略構成を示す図。 図１に示すバルブの制御装置におけるコントローラの作動手順を示すフローチャート。 図２に続くコントローラの作動手順を示すフローチャート。 単位時間内における制御電圧と、サンプリングタイム毎の設定値を示すグラフ。 図１に示すバルブの制御装置におけるコントローラ開度設定値（制御電圧）と圧力変化の一例を示すグラフ。 従来のバルブの制御装置の要部概略構成を示す図。 図６に示すサーボアンプとサーボバルブの内部概略構成を示す図。 バルブ開度と圧力および流量の関係の一例を示すグラフ。

符号の説明

２ サーボバルブ
３ 制御対象
４ 操作部
５ 開度検出部
１０ サーボアンプ
１１ 設定部
１２ 比較部
１３ 調節部
２０ コントローラ
２１ 圧力検出部
２２ 圧力判定部
２３ パラメータ保持部
２４ 開度演算部

Claims (3)

1. 所定の配管に介挿されて、その開度によりこの配管に流れる流体の流量を調整するバルブと、
   このバルブに接続されて、該バルブの開度を制御するサーボアンプと、
   このサーボアンプに接続されて、該サーボアンプに前記バルブの開度を調整する開度設定値を与えるコントローラと
   を具備するバルブの制御装置であって、
   前記バルブは、該バルブの開度を検出する開度検出部を備え、
   前記サーボアンプは、前記開度検出部が検出した前記バルブの開度と前記コントローラから与えられた前記開度設定値との偏差を零にする開度信号を生成して前記バルブの開度を制御する開度制御部を備え、
   前記コントローラは、前記バルブが全開状態から全閉状態に移行するまでに要する閉止時間を所定の値で除した単位時間およびこの単位時間を更に複数の時間間隔に等分割したサンプリング時間をそれぞれ保持するパラメータ保持部と、
   前記単位時間毎に前記バルブの開度設定値を求め、この求めた単位時間毎の開度設定値に等比数列を順次かけて得られる値を前記単位時間毎にそれぞれ順次加えて前記単位時間毎のバルブの開度設定値とし、更にこの単位時間毎のバルブの開度設定値を前記サンプリング時間で等分割して、このサンプリング時間毎に前記サーボアンプに与える前記開度設定値を求める開度演算部と
   を備えることを特徴とするバルブの制御装置。
2. 前記パラメータ保持部は、更に前記圧力判定部が検出した圧力が安定するに要する圧力安定時間を保持し、
   前記コントローラは、更に前記バルブの上流側の前記配管内に取り付けられて、この配管内の圧力を検出する圧力検出部と、
   この圧力検出部が検出した前記配管内の圧力が所定の圧力値を超えているか否かを判定する圧力判定部を具備し、
   前記開度演算部は、前記圧力判定部が所定の圧力を超えていると判定したとき、前記サンプリング時間に変えて前記圧力安定時間を用いて前記開度設定値を求めることを特徴とする請求項１に記載のバルブの制御装置。
3. 前記開度演算部は、前記圧力判定部が前記配管内の圧力が所定の圧力を超えていると判定した際、前記サーボアンプに前記開度設定値を与える前後の前記圧力の差圧を求め、この差圧が所定の圧力範囲内にあるとき、前記サーボアンプに前回の単位時間において出力した開度設定値と同一の開度設定値を更に加える一方、前記差圧が所定の圧力値を超えているとき、前回の単位時間において出力した開度設定値の１／２の開度設定値を更に加えて前記サーボアンプに与えることを特徴とするバルブの制御装置。

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