JP2015040569A - バルブポジショナ - Google Patents

Abstract

【課題】バルブの特性が変化した場合でも良好な応答が得られるバルブポジショナを実現すること。【解決手段】バルブ５の制御パラメータを決定するオートチューニング機能７を有するバルブポジショナにおいて、オートチューニング後の制御パラメータを基準にしたパラメータテーブルを作成するパラメータテーブル作成手段と、パラメータテーブル作成手段で作成されたパラメータテーブルを格納するメモリと、バルブ５の応答変化を観測する応答変化観測手段９と、応答変化観測手段の観測結果に基づいてバルブ５のパッキンの状態を推定し、メモリに格納されているパラメータテーブルから適切な制御パラメータを選択してバルブ５に設定するパラメータ選択手段１０、を設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、バルブポジショナに関し、詳しくは、オートチューニング機能を有するバルブポジショナの改良に関する。

バルブポジショナは、弁開度調節手段として、バルブと組み合わせて使用されるものである。バルブにおけるステム位置の検出信号と操作手段から出力される弁操作信号を比較し、これら両信号の差分がゼロになるように操作手段に与える空気信号を制御するように構成されている。

このようなバルブポジショナの一種に、たとえば引用文献１に記載されているようなオートチューニング機能を有するものがある。オートチューニング機能により、各種のバルブに対してポジショナのゼロ調整、スパン調整、動作点調整、パラメータチューニングなどを行うことができる。

また、ポジショナの構成要素が有するヒステリシスや不感帯などの非線形な特性を補償する補償手段を設けることにより、オートチューニングを実施した後にバルブの特性が変化しなければ、良好な応答が得られる。

特開２００１−２８０３０１号公報

しかし、たとえば温度変化によりバルブのパッキンの特性が変化すると、良好な応答が得られなくなることがある。

本発明は、このような課題を解決するものであって、その目的は、バルブの特性が変化した場合でも良好な応答が得られるバルブポジショナを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
バルブの制御パラメータを決定するオートチューニング機能を有するバルブポジショナにおいて、
オートチューニング後の制御パラメータを基準にしたパラメータテーブルを作成するパラメータテーブル作成手段と、
パラメータテーブル作成手段で作成されたパラメータテーブルを格納するメモリと、
前記バルブの応答変化を観測する応答変化観測手段と、
応答変化観測手段の観測結果に基づいて前記バルブのパッキンの状態を推定し、前記メモリに格納されているパラメータテーブルから適切な制御パラメータを選択して前記バルブに設定するパラメータ選択手段、
を設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載のバルブポジショナにおいて、
前記応答変化観測手段は、前記バルブのパッキンの状態を所定時間における積算値として測定することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項１または２記載のバルブポジショナにおいて、
前記オートチューニングは、速度型のデジタルＰＩＤ制御に基づいて行われることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、
請求項１から３のいずれかに記載のバルブポジショナにおいて、
前記バルブポジショナは、制御系に非線形補償部を備えることを特徴とする。

これらにより、バルブの特性が変化した場合でも良好な応答が得られる。

本発明の一実施例を示す構成説明図である。 コントロールリレーの具体例を示す構成説明図である。 不感帯に捕捉された場合のステップ応答特性例図である。 応答測定によるバルブパッキンの状態推定例図である。 オートチューニング後のパラメータを基準にして作成したパラメータテーブルの具体例である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例を示す構成説明図である。図１において、制御部１は各種の制御演算を行うものであり、その演算結果は図示しないＤ/Ａ変換器によりアナログ電圧に変換されて電圧/電流変換部２に出力される。

電圧/電流変換部２はこのアナログ電圧信号を電流信号に変換して電空変換部３に出力し、電空変換部３は電流信号を圧力信号に変換してコントロールリレー４に出力する。

コントロールリレー４は、負荷であるバルブ５に対して給気／排気を行うために、入力される圧力信号に応じて空気の流れる方向を入力圧力に応じて変える。具体的には、バルブ５の開度位置を非接触型の変位センサ６で検出して電圧信号に変換し、制御演算のためのフィードバック信号としてオートチューニング部７を介して制御部１に取り込む。

オートチューニング部７は、さまざまなバルブに対してポジショナのゼロ、スパン調、動作点調整、パラメータチューニングなどを行うことができる。制御アルゴリズムを一般的なデジタルＰＩＤ制御とした場合のアルゴリズムは、下記の式のようになる。

Ｐ（ｎ）＝ＳＰ（ｎ）−ＰＶ（ｎ）
I（ｎ）＝Δｔ/Ｔｉ＊ｐ（ｎ）＋Ｉ（ｎ−１）
Ｄ（ｎ）＝Td／(Δt＋１／γ＊Ｔｄ）＊（ｐ（ｎ）-Ｐ（ｎ-1)＋１／γ＊Ｄ（ｎ−１））
Ｕ（ｎ）＝Ｋｐ＊（ｐ（ｎ）＋Ｉ（ｎ）＋Ｄ（ｎ））

ＳＰ；目標値（入力信号）、ＰＶ（ｎ）；フィードバック値（バルブ弁開度の信号；ステム変位信号）、ｐ（ｎ）；比例器、Ｉ（ｎ）；積分器、Ｄ（ｎ）；微分器、Ｕ（ｎ）；制御信号（操作量）、Δt；制御周期、Ｔｉ；積分時間、Ｔｄ；微分時間、γ；微分ゲイン、Ｋｐ；比例ゲイン

オートチューニング部７によりバルブ５の容量やヒステリシスなどの特性とポジショナのコンポーネントのもつゲインを測定し、それから、上記Ｔｉ,Ｔｄ,γ,Ｋｐについて良い応答が得られるパラメータを算出する。

図２は、コントロールリレー４の具体例を示す構成説明図である。コントロールリレー４の内部には、可動弁座４１と固定弁座として機能する隔壁４２とポペット４３が設けられ、可動弁座４１とポペット４３は軸方向に沿って変位可能に配置されている。

可動弁座４１の一端４１ａは円板状に形成されていてその側面は左方向に凸状態になるように形成された入力ダイアフラム４４を介して内壁に支持され、他端４１ｂは円筒状に形成されていて端部近傍の外周面は右方向に凸状態になるように形成されたフィードバックダイアフラム４５を介して内壁に支持されている。

ポペット４３の一端４３ａは、隔壁４２に設けられている貫通穴４２ａを貫通して可動弁座４１の円筒状の開口部に嵌め合ってその開口部を開閉するように球面状に形成され、排気弁４６を構成している。なお、隔壁４２の貫通穴４２ａの近傍にはブリード孔４２ｂが設けられている。

ポペット４３の他端４３ｂは、隔壁４２の貫通穴４２ａを位置決めストッパとしてこの貫通穴４２ａを開閉するように一端４３ａと同一方向に一端４３ａよりも径の大きな球面状に形成され、給気弁４７を構成している。なお、ポペット４３の他端４３ｂは、バネ４８を介して内壁に連結されている。

図２の構成において、圧力上昇の指示値が制御系に与えられるとコントロールリレー４のノズル背圧が上昇し、入力ダイアフラム４４は可動弁座４１を介してポペット４３を内壁側に押し付ける方向に変形する。

バネ４８の弾性力を超える所定以上の力がポペット４３に加わると、ポペット４３はバネ４８を圧縮するように図２中の左方向に移動する。この結果、給気弁４７を構成するポペット４３と貫通穴４２ａとの間に隙間ができて供給圧側から出力圧側へ空気が流れ、出力圧は急激に上昇する。ここで、圧力上昇の際、可動弁座４１がポペット４３を押してもバネ４８のバネ力と供給圧の影響で給気弁４７には隙間ができず、供給側からブリード孔４２ｂを通してのみ空気が流れる状態を「不感帯に捕捉された」と定義する。

たとえば２線式のフィールドバス計器では、フィールドバスから給電を行う必要があるため、機器全体の消費電流は少ない。そのため、電気信号を空気圧に変換する要素への供給電流も少なく、必要な空気圧出力を得るために、構成要素の一つであるコントロールリレー４のゲインを高くしなければならない。それにより、見かけ上の不感帯の幅が広くなる。コントロールリレー４の出力圧をすばやく上昇させるためにはこの不感帯を打ち破って給気する必要がある。不感帯に捕捉されている間は、ブリード孔４２ｂを介してわずかな空気が出力側に流れ、圧力上昇は緩やかに行われる。

図３は不感帯に捕捉された場合のステップ応答特性例図であり、（Ａ）は制御圧力の特性例を示し、（Ｂ）はポペット位置を示している。ポペット４３が不感帯の位置にいる間では、ブリード孔４２ｂからの給気のみのため、圧力上昇に制約が加わり、応答速度が遅くなり、昇圧から減圧指令となっても不感帯から抜け出せず、大きなオーバーシュートとなって応答特性に現れる。

したがって、制御系設計においては、不感帯に捕捉された場合には操作量を増やしてオーバーシュートの発生を抑える必要がある。そこで、ＰＩＤ制御を制御則の軸として、図１に示すように、不感帯に捕捉された場合に操作量を増やすための非線形補償部８を設ける。また、電空変換部３にはヒステリシス特性があり、整定時間が長くなる原因になるためにこれも非線形補償器部８で補償する。

バルブ５の特性が変化しなければ、以上のような構成のシステムにより良好な応答が得られる。ところが、温度変化の影響を受けてバルブ５のパッキンの摩擦特性が変化することによりオートチューニングしたパラメータにずれが生じ、応答が劣化することがある。そこで、このような対応策として、さらに図１に示すように応答観測部９とパラメータ選択部１０を設ける。

図４は、応答測定によるバルブパッキンの状態推定例図である。圧力が上がる給気側のステップが入ったときにステップアップタイマを起動する。仮に現在の圧力値をＡ点とすると、Ａ点での微分値により求められた１秒後の予測値をＢ点とし、Ａ点での偏差とＡ点からＢ点の圧力変化幅の差分をカウンタ値とする。ステップアップタイマが起動してからカウンタ値をゼロよりも大きいときにのみ積算していく。これは、表現を変えると、目標値が１秒後後の予測値より大きいときにのみ積算していくということになる。偏差をErrとし圧力変化幅をDiffとした場合にカウンタ値がゼロよりも大きいときは次式となる。

Err−Diff＞０ （１）

また、偏差Errは次式となる。
Err＝Setpoint−Addata （２）

式（１）、（２）より次式が成り立つ。
Setpoint−(Addata+ Diff)＞０ （３）

式（３）は目標値が１秒後の予測値よりも大きいことを示す。応答測定によるバルブパッキンの状態推定は、ある一定時間での積算値により行う。周囲温度が高くパッキンの摩擦力が小さい場合は、応答が速いために１秒後の予測値がすぐに大きい値になりカウンタ値の積算値は大きくならないが、周囲温度が低くパッキンの摩擦力が大きい場合は応答が遅いためにカウンタ値の積算値は大きくなる。

応答観測部９により推定したバルブパッキンの状態に対して良い制御性を確保するためのパラメータを選択するのがパラメータ選択部１０である。オートチューニング後の積分時間をＴｉ、微分時間をTd、微分ゲインをγ、比例ゲインをＫｐとし、それらの値を基準にして図5のようにパラメータテーブルを作成し、図示しないメモリに保存する。

図５は、オートチューニング後のパラメータを基準にして作成したパラメータテーブルである。図５において、Kmnは任意の係数であり、Ｋ３１、Ｋ３２、Ｋ３３、Ｋ３４は１である。図５のパラメータを応答観測部９とパラメータ選択部１０を用いて切り替える。このとき、制御パラメータの切り替えを滑らかにするために、制御則として速度型を用いる。

このように構成することにより、オートチューニング機能と非線形補償部によりさまざまなバルブに対して良好な応答が得られ、また、オートチューニング後のパラメータを基準にしたパラメータテーブルを作成し、応答の変化に基づいてバルブのパッキンの状態を推定して制御パラメータを切り替えることにより、バルブの特性が変化した場合でも良好な応答が得られる

なお、構成を簡略化するために場合によっては非線形補償部を省いてもよいが、高精度の制御を実現するためには非線形補償部も設けることが望ましい。

以上説明したように、本発明によれば、バルブの特性が変化した場合でも良好な応答が得られるバルブポジショナを実現することができる。

１ 制御部
２ 電圧/電流変換部
３ 電空変換部
４ コントロールリレー
４１ 弁座
４１ａ 一端（円板状）
４１ｂ 他端（円筒状）
４２ 隔壁
４２ａ 貫通穴
４２ｂ ブリード孔
４３ ポペット
４３ａ 一端
４３ｂ 他端
４４ 入力ダイアフラム
４５ フィードバックダイフラム
４６ 排気弁
４７ 給気弁
４８ バネ
５ バルブ
６ 変位センサ
７ オートチューニング部
８ 非線形補償部
９ 応答観測部
１０ パラメータ選択部

Claims (4)

1. バルブの制御パラメータを決定するオートチューニング機能を有するバルブポジショナにおいて、
   オートチューニング後の制御パラメータを基準にしたパラメータテーブルを作成するパラメータテーブル作成手段と、
   パラメータテーブル作成手段で作成されたパラメータテーブルを格納するメモリと、
   前記バルブの応答変化を観測する応答変化観測手段と、
   応答変化観測手段の観測結果に基づいて前記バルブのパッキンの状態を推定し、前記メモリに格納されているパラメータテーブルから適切な制御パラメータを選択して前記バルブに設定するパラメータ選択手段、
   を設けたことを特徴とするバルブポジショナ。
2. 前記応答変化観測手段は、前記バルブのパッキンの状態を所定時間における積算値として測定することを特徴とする請求項１記載のバルブポジショナ。
3. 前記オートチューニングは、速度型のデジタルＰＩＤ制御に基づいて行われることを特徴とする請求項１または２記載のバルブポジショナ。
4. 前記バルブポジショナは、制御系に非線形補償部を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のバルブポジショナ。