JP2016529441A - 容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法に関する。ここで、容積式ポンプは可動変位エレメントを有し、可動変位エレメントは、計量チャンバの境界を形成している。計量チャンバは、弁を介して、吸引・圧力ラインに接続されている。さらに、変位エレメントを振動させる駆動部が設けられている。変位エレメントの振動により、交互にに、吸引ラインを介して圧送流体を計量チャンバ内に吸引したり、圧力ラインを介して圧送流体を計量チャンバから押し出したりすることができるように、本発明に係る油圧パラメータを有する物理モデルを油圧系統に対して確立する。変位エレメントにより計量チャンバ内の流体に加わる力、又は、計量チャンバ内の圧力を決定して、変位エレメントの位置を決定する。少なくとも一つの油圧パラメータが最適化計算によって計算される。【選択図】図１

Description

本発明は、容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法に関する。容積式ポンプは、可動変位エレメントを有し、この可動変位エレメントは、計量チャンバの境界を形成している。計量チャンバは、弁を介して、吸引・圧力ラインに接続されており、変位エレメントの振動により、交互に、吸引ラインを介して圧送流体を計量チャンバ内に吸引したり、圧力ラインを介して圧送流体を計量チャンバから押し出したりすることができる。容積式ポンプは更に、変位エレメントを振動させる駆動部を有する。

例えば、電磁駆動式ダイアフラムポンプがある。その変位エレメントは、２つの極端位置間を前後に移動できるダイアフラムであり、第一の極端位置では計量チャンバの容積が最小となり、第二の極端位置では計量チャンバの容積が最大となる。これにより、ダイアフラムがその第一位置から第二位置に移動すると、計量チャンバ内の圧力が減少して、圧送流体が吸引ラインを介して計量チャンバ内に吸引される。後退時、即ち、第二位置から第一位置へ移動する場合、吸引ラインとの接続部が閉じられ、計量チャンバの容積が減少するため圧送流体の圧力が上昇する。その結果、圧力ラインへの弁が開き、圧送流体が圧力ライン内に移る。ダイアフラムが交互に振動することによって、圧送流体は吸引ラインから計量チャンバ内に吸引され、また圧送流体は計量チャンバ外に吸引され、そして圧送流体は計量チャンバから圧力ライン内に移送される。圧送流体の圧力ライン内への流れは、計量プロファイルとも呼ばれる。この計量プロファイルは、基本的に変位エレメントの移動プロファイルによって決定される。

電磁駆動式ダイアフラムポンプの場合、ダイアフラムはスラスト部材に接続されている。スラスト部材は、通常、ばね荷重により予め張力が与えられた状態で、少なくとも部分的に電磁石内に搭載される。電磁石に電流が流れていないと、その内部に磁束も形成されず、ばね荷重により予め与えられている張力により、スラスト部材ひいてはダイアフラムを、所定の位置、例えば、第二位置、即ち、計量チャンバの容量が最大となる位置に確実に保持することができる。ここで、電流が電磁石に流れると、磁束が形成される。この磁束に対応した形状のスラスト部材が電磁石内の第二位置から第一位置に移動し、計量チャンバ内の圧送流体が計量チャンバから圧力ライン内に移送される。

電磁石を作動させると、計量部材、即ち計量ダイアフラムが、第二位置から第一位置内へと実質的に急激にストロークを行う。

典型的に、このような電磁駆動式ダイアフラムポンプは、計量対象の流体容積が計量チャンバの容積よりも顕著に大きい場合に使用される。その結果、計量速度は基本的に、電磁石を流れる電流の周期又はタイミングによって決定される。例えば、計量速度が２倍になると、それと同時に電磁石に流す電流の周期も一時的に２倍となる。その結果、ダイアフラムの移動サイクルが短くなり、２倍の周期で行われることになる。

そのような磁気計量ポンプは、例えば欧州特許第１，７５７，８０９号明細書に記載されている。

しかし、この磁気計量ポンプの使用は、必要とされる計量速度が遅い場合のみに制限されている。この結果、全区間にわたる急激なストローク計量は望ましいものではない。

従って、上記欧州特許第１，７５７，８０９号明細書には、位置センサを設けて、それにより、スラスト部材、あるいはそれに接続されたダイアフラムの位置を決定することが既に提案されている。スラスト部材の実際の位置をスラスト部材の所定の目標位置と比較することによって、その移動を制御することができ、その結果、ストローク移動が急激にではなく制御された態様で行われることから、この磁気計量ポンプを使用して、非常に少ない量であっても流体を移送できる。

実際には、適切な制御パラメータを見出すことは難しい。事実、スラスト部材の異なる位置状態毎に、異なる制御パラメータを経験的に決定し、メモリに記憶している。それにより、ポンプは、スラスト部材の位置に応じて、対応する制御パラメータを読み出して使用できる。

しかし、制御パラメータを決定することは非常に骨の折れる作業である。加えて、この決定は、計量チャンバ内の状況、例えば圧送流体の密度及び粘度等に大きく依存する。従って、この制御は、システムが所望の状態にほぼ対応するときにのみ満足に機能する。特に、吸引ライン及び／又は圧力ラインに圧力変動があるときや、キャビテーションが生じているとき、計量チャンバ内に空気が蓄積しているとき、また、圧送流体の粘度に変化があるとき、メモリに記憶された制御パラメータは不適切なものとなり、制御精度が低下する。その結果、実際の計量プロファイルと望ましい計量プロファイルとは顕著に異なる。この状況は、例えば、飲料水を塩素処理する場合のように連続して計量する量が非常に少ない場合に特に望ましくない。

制御精度は、例えば、圧送流体の密度及び／又は粘度を測定し、その測定結果を用いて制御パラメータを選択することによって向上し得る。

しかし、このような測定には、少なくとも一つの追加のセンサが必要であり、このセンサのために、容積式ポンプの価格が上昇し、また、整備・修繕が更に必要となる。従って、密度及び粘度の変化は従来制御において考慮されていなかった。

欧州特許第１，７５７，８０９号明細書

従って、上述の技術水準を起点とした本発明の目的は、追加のセンサを必要とすることなく例えば圧送流体の密度又は粘度等の油圧パラメータを決定できる方法を提供することである。

これは、油圧パラメータを有する物理モデルを油圧系統に対して構築し、変位エレメントにより計量チャンバ内の流体に加わる力、又は計量チャンバ内の圧力及び変位エレメントの位置を決定し、少なくとも一つの油圧パラメータを最適化計算によってを計算する本発明よって達成される。

油圧パラメータとは、計量チャンバを通る圧送流体の流れに影響を及ぼす、油圧系統の（変位エレメントの位置を除く）全てのパラメータを意味する。

従って、油圧パラメータの例として、計量チャンバ内の圧送流体の密度、計量チャンバ内の流体の粘度が挙げられる。更に、油圧パラメータの例として、ホース又はパイプの長さ、少なくとも一時的に計量チャンバに接続されるホース及びパイプの直径が挙げられる。

変位エレメントの位置は、通常如何なる場合にも存在する位置センサによって適時決定できる。変位エレメントの速さ及び加速度は、変位エレメントの位置から決定し得る。

本発明に係る方法を電磁駆動式計量ポンプ、最適には電磁駆動式ダイアフラムポンプに使用すると、好適な実施形態において、電磁気駆動部を通る電流を測定でき、測定した電流及び変位エレメントの測定した位置から変位エレメントにより計量チャンバ内の流体に加わる力を決定する。この場合、別個の圧力センサを必要としない。しかし、本方法を、別個の圧力センサと共に使用することも勿論可能である。

計量チャンバを吸引・圧力ラインに接続する弁のうちの一つが開閉する際、油圧系統が常に顕著に変化することは容積式ポンプの固有の特性である。

吸引ラインへの弁を開き圧力ラインへの弁を閉じている場合に対して系統をモデル化することが最も簡単である。つまり、大気圧下で貯蔵タンクに終端する柔軟なホースは通常、吸引ラインへの弁に搭載される。

この状況は、所謂吸引ストロークの間、即ち、変位エレメントが第二位置から第一位置内に移動している間存在する。この油圧系統は、例えば、層流・乱流を考慮に入れた非線形ナビエ−ストークス方程式によって説明し得る。圧送流体の密度及び粘度に加えて、貯蔵タンクへの吸引弁に接続するホースの直径やホースの長さ、並びに、ホース内の流体が乗り越えなければならない高低差も油圧パラメータとして考慮される。

使用する系統によって、更に有意義な想定ができる。例えば、既知の勾配法又はレーベンバーグ・マーカートアルゴリズムによって行われる最適化計算によって、計量ヘッド内の圧力進行度、これから決定されるスラスト部材の移動又は速さ及び加速度を最適に説明する、物理モデルに含まれる油圧パラメータを決定できる。

最適化計算とは、系統の最適化パラメータを発見する全ての計算を意味する。最適化パラメータとは、系統を最適に説明するパラメータ、即ち、モデルと測定状況との間の差が最小となるパラメータである。

本発明に係る決定方法は、吸引ストロークの様子を繰り返し分析することによって基本的に簡単に行い得る。

或いは、他方で、吸引ラインへの弁を閉じ圧力ラインへの弁を開いている場合にも、油圧系統物理モデルを考慮できる。しかしながら、ポンプ製造者は概して、そもそもどの環境で計量ポンプが使用されるか分からないため、（圧力ラインを計量チャンバに接続する）圧力弁に取り付けられるパイプ系統も分からないことから、本明細書では、一般的な想定のみし得る。従って、構築される物理モデルは、圧力弁に取り付けられるパイプライン系統の知識なしでは、上述した最も簡単な吸引ストローク中の油圧系統用の形態の場合のように精度よく構築できない。

特に好適な実施形態において、上述した両油圧系統用の物理モデルを使用し、次いで開弁時点を測定／決定し、それぞれの適切な物理モデルを開弁時点の決定結果に応じて選択する。基本的に、本発明に係る方法を次に、吸引ストローク及び圧力ストロークに対して別々に実施する。いずれの場合も、例えば、実際には正確に対応していない圧送流体の密度及び粘度等の油圧パラメータの値が得られる。従って、原則的に、異なる値を平均することが可能である。ここで、吸引ストローク中の物理モデルの方がより良好に実際の状況を説明するため、平均化において、圧力ストローク中に確認された値よりも、吸引ストローク中に得た値を重み付けすることを考慮すべきである。

勿論、吸引ストローク中の油圧系統がより複雑である適用場面もある。

本発明に係る態様で油圧パラメータを決定した後、こうして決定した油圧パラメータと共に構築した物理モデルを使用して計量チャンバ内の圧力を決定できる。

そして、この知識を使用して、スラスト部材の移動制御を向上できる。好適な実施形態において、モデルベース制御、特に変位エレメントの駆動部のために使用される非線形モデルベース制御を提供する。

モデルベース制御の場合、可能な限り完全なプロセス力学モデルが開発される。そして、このモデルを用いると、簡単に言えば、次の瞬間に系統変数がどこに移るか予測可能である。

このモデルから、次いで、適切な操作される変数も計算できる。従って、このようなモデルベース制御の特徴は、モデルによって与えられる系統変数を使用して測定した変数に基づいて操作される必要な変数の定数計算によって特徴付けられる。

基本的に、基礎をなす物性システムは、モデル化によって実質的に数学的に説明される。次いで、この数学的説明を、得られた測定変数に基づいて操作される変数を計算するために使用する。従って、既知の計量プロファイル最適化法とは違って、駆動部を「ブラックボックス」とは考慮しない。代わりに、既知の物性関係を使用して操作される変数を決定する。

この手段によって、顕著に良好な制御特性が達成される。

好適な実施形態において、変位エレメントの位置及び電磁気駆動部を通る電流を測定し、状態−空間モデルをモデルベース制御に使用する。ここで、変位エレメントの位置及び電磁気駆動部の磁化コイルを通る電流を測定変数として使用する。

特に好適な実施形態において、状態−空間モデルは、他に検出されるべき測定変数を有さない。即ち、このモデルは、検出されたスラスト部材の位置及び検出された磁化コイルを通る電流のみに基づいてスラスト部材の直後の移動を予測するように開発されている。

好適な実施形態において、決定された油圧パラメータを使用する。

状態−空間モデルとは通常、ある系統状態の物性仕様を意味する。例えば、状態変数によって、系統に含まれるエネルギー貯蔵エレメント内のエネルギー量を説明し得る。

例えば、変位エレメントの微分方程式をモデルベース制御のモデルとして使用できる。例えば、微分方程式は運動方程式であってもよい。運動方程式とは、外部影響の効果による変位エレメントの空間的・時間的移動を説明する数式を意味する。好適な実施形態において、スラスト部材に作用する、容積式ポンプに特有の力を、運動方程式においてモデル化する。従って、例えば、ばねによりスラスト部材に加わる力、又はそのばね定数ｋ、及び／又は磁気駆動部によりスラスト部材に加わる磁力をモデル化し得る。そして、圧送流体によりスラスト部材に加わる力を外乱変数として処理し得る。特に好適な実施形態において、次に、決定した油圧パラメータを用いてこの外乱変数を同様にモデル化できる。

このような状態−空間モデルによって、測定変数が検出されると、直後の系統の様子を予測し得る。

こうして予測された直後の様子が望ましい所定の様子から逸脱すると、系統は訂正される態様で影響を受ける。

適切な影響発揮がどのように見えるのかを計算するために、制御変数に対して利用可能な操作される変数の影響を同じモデルでシミュレートできる。次いで、既知の最適化方法を用いて、最適な制御戦略をその時々に適応させて選択できる。或いは、一度モデルに基づいて制御戦略を決定すれば、次にこれを検出された測定変数に応じて適用することも可能である。

従って、好適な実施形態において、非線形状態−空間モデルを状態−空間モデルとして選択し、制御リアプノフ関数、フラットネスに基づくフィードフォワード制御を用いるフラットネスに基づく制御法、積分器バックステッピング法、スライディングモード法、又は予測制御のいずれかによって非線形制御を行う。制御リアプノフ関数による非線形制御が好ましい。

５つの全方法は数学の分野において知られており、従って本明細書においては更に詳細には説明しない。

制御リアプノフ関数は、例えば、リアプノフ関数を概略的に説明したものである。適切に選択された制御リアプノフ関数によって、モデル範囲内で安定した様子が導かれる。

換言すれば、基礎をなすモデルにおいてモデルの安定した解決策を導く訂正機能が計算される。

一般に、基礎をなすモデルにおいて実際のプロファイルと目標プロファイルとの間の差をより小さくする制御可能性は数多い。

好適な実施形態において、モデルベース制御のベースを形成するモデルを使用して最適化問題を公式化する。ここで、最適化の第二条件として、電動モーター内の電圧、即ち計量ポンプに供給されるエネルギーを可能な限り小さくし、同時に、実際のプロファイルが、可能な限り素早く、且つ、可能な限り過剰とならないように目標プロファイルに近づけることを図る。また、ノイズの影響を減少させるために、基礎をなすモデルによる処理前にローパスフィルタを用いて測定信号に対してフィルタリングを行うことが利点となり得る。

更に特に好適な実施形態において、変位エレメントの検出された実際の位置プロファイルと変位エレメントの望ましい目標位置プロファイルとの間の差を吸引−圧力サイクル中に検出し、この差によって減少する望ましい目標位置プロファイルに対応する目標位置プロファイルを次の吸引−圧力サイクルに使用することを提供する。

基本的に、本明細書では自己学習システムが実現される。本発明に係るモデルベース制御は既に制御の様子に関して有意な向上を導いているが、目標プロファイルと実際のプロファイルとの間には依然として偏差があり得る。特に、これは、エネルギーを最小化させる、制御干渉を選択する場合に回避できない。少なくともその後のサイクル中にこの偏差を更に減少させるために、あるサイクル中に偏差を検出し、次のサイクルにおいて、この検出された偏差を少なくとも部分的に望ましい目標位置プロファイルから減ずる。

換言すれば、次の圧力−吸引サイクルに「偽の」目標値プロファイルを計画的に設ける。「偽の」目標値プロファイルは、前サイクルで得られた知識から計算されるものである。つまり、次の吸引−圧力サイクルに、前回のサイクルと正確に同じ実際のプロファイルと目標プロファイルとの間の偏差があれば、「偽の」目標値プロファイルを使用することにより、達成される結果として実際の望ましい目標値プロファイルが導かれる。

一度上述の自己学習工程を行い、即ち、第一サイクルにおける、第二サイクルとの差並びにその後の全サイクルにおける差を測定し、対応するように目標値プロファイルを訂正することが基本的に可能であり、系統の周期的な様子から幾つかの適用場面においても十分であるが、実際のプロファイルと目標プロファイルとの間の差を定期的な間隔で（最適には全てのサイクルで）決定し、次のサイクルで対応するように考慮することが特に好ましい。

勿論、検出された差の部分を、次のサイクル又はその後のサイクルのプロファイル訂正用としてのみ使用することも可能である。これは、検出された差が非常に大きい場合に、目標値の急激な変化によって系統を不安定にさせないため、特に利点となり得る。

更にまた、存在する目標プロファイルと実際のプロファイルとの間の差を使用して、プロファイル訂正用として使用される検出された差の部分の大きさを決定することが可能である。

実際のプロファイルと目標プロファイルとの間の差を幾つかのサイクル（例えば、２サイクル）の間測定し、これから平均差を計算し、次いでこれを少なくとも部分的に次のサイクルの目標プロファイルから減ずることも可能である。

別の代替実施形態において、検出された差に依拠する機能のいずれも、次の目標位置プロファイルを訂正するために使用される。

更に好適な実施形態において、本発明に係るモデル化を使用して、容積式ポンプの物理的変数を決定し得る。従って、例えば、計量チャンバ内の流体圧力を決定し得る。

変位エレメントの運動方程式は、変位エレメントに作用する全ての力を考慮している。駆動部により変位エレメントに加わる力の他に、計量チャンバ内の流体圧力によりダイアフラム、即ち変位エレメントに加わる反力も含まれる。

従って、駆動部により変位エレメントに加わる力が分かれば、変位エレメントの位置、又はそこから導き得る変位エレメントの速さ若しくは加速度から、計量ヘッド内の流体圧力に関しての結論を導き得る。

例えば、実際の流体圧力が所定の最大値に到達するか又は超えると、警告信号が発するようにすることができ、受信した警告信号に応じて計量ポンプを遮断する自動遮断器に警告信号を送ることができる。従って、どのような理由でも弁が開いていないか又は圧力ラインに加わる圧力が急激に上昇すると、このことが、圧力センサを用いることなく本発明に係る方法によって確認でき、事前注意としてポンプを遮断し得る。基本的に、変位エレメントは、関連する駆動部と共に、圧力センサとしての追加的機能を引き継いでいる。

本方法の更に好適な実施形態において、目標流体圧力曲線、変位エレメントの目標位置曲線及び／又は電磁気駆動部を通る目標電流進行度を、変位エレメントの移動サイクル中に記憶させる。実際の流体圧力を目標流体圧力と比較し、変位エレメントの実際の位置を変位エレメントの目標位置と比較し、且つ／又は、電磁気駆動部を通る実際の電流を電磁気駆動部を通る目標電流と比較し得る。実際の値と目標値と差のが所定の基準を満たすと、警告信号が発するようにすることができる。

この方法工程のベースとなるアイデアは、例えば、油圧系統内の気泡又はポンプヘッド内のキャビテーションといったあるイベントが予期される流体圧力に認識可能な変化をもたらすことである。従って、流体圧力の決定から上記イベントに関しての結論を導き得る。

警告信号は、例えば、光インジケータ又は警報器を作動し得る。或いは、又はこれらと組み合わせて、受信した警告信号に応じて適切な対策を行う制御ユニットにも警告信号を直接的に利用可能とし得る。

最も簡単な場合として、一つ以上の測定／決定された変数の実際値と目標値との差を決定し、この差のうちの一つが所定の値を超えると、警告信号が発せられる。

しかし、例えば、計量チャンバ内の気泡又はキャビテーションの発生といった潜在的エラーイベントを検出するだけでなく、これらを区別するためにも、エラーイベント毎に個々の基準を定めることが可能である。

好適な実施形態において、目標値からの相対的偏差の重み付けされた和を決定でき、その基準は、重み付けされた和が所定の値を超えると警告信号が発せられるように選択できる。

異なる重み付け係数を異なるエラーイベントに割り振ることができる。理想的な場合、エラーイベントが起こると、一つの基準が的確に満たされ、その結果、そのエラーイベントを検証できる。

従って、上記方法を使用して、圧力センサに頼ることなく計量ヘッド内の圧力を決定することが可能である。こうして決定された圧力から、計量ヘッド内のある状態に関しての結論を導き得る。そして、ある次の測定を開始し得る。

本発明に係る方法によって、圧力の変化を非常に精度良く決定し得る。

従って、更なる実施形態において、測定又は決定した変数の時間的勾配を確認し、これが所定の閾値を超える場合、開弁又は閉弁したと検証される。

代替実施形態において、変位エレメントの質量ｍ、変位エレメントに予め張力をかけるばねのばね定数ｋ、減衰定数ｄ及び／又は電磁気駆動部の電気抵抗Ｒ_Cuが、物理的変数として決定される。

特に好適な実施形態において、上記全ての変数を実際に決定する。これは、例えば、最小化計算によって行い得る。計量チャンバ内の圧力を除いた上記変数は全て、定数を表し、この定数は、実験によって決定できるものであり、概してポンプの動作中変化しない。但し、定数の値を変化させる、異なるエレメントおける疲労症状は起こり得る。例えば、測定した圧力−軌道進行度を、予期される圧力−軌道進行度と比較することができる。一つのサイクルにわたって積分された勾配の二つの差を、定数を変えることによって最小化し得る。例えば、ばね定数が変化したと確定されれば、ばねに欠陥があると検証し得る。

このような最小化は、非加圧状態、即ち、計量チャンバ内に流体が存在しない状態でも行い得る。

本発明の更なる利点、特徴、及び適用可能性は、以下の好適な実施形態の説明及び関連する図面を用いることによって明らかになる。図には以下のものがある：

図１は、容積式ポンプに取り付けられた吸引ラインの概略図である。 図２ａ〜２ｅは、油圧パラメータ及びそれらの時間依存的に展開する例である。 図３は、理想的移動プロファイルの概略図である。 図４は、自己学習機能の概略図である。 図５は、正常な状態の圧力−軌道図及び軌道−時間図の概略図である。 図６は、計量チャンバ内に気泡がある状態の圧力−軌道図及び軌道−時間図の概略図である。

電磁気計量ポンプ系統の物理モデルのデザイン、特に計量チャンバ又は計量チャンバに接続されたラインにおける油圧プロセスの非線形系統仕様によって、リアルタイムでモデルベース識別方法を使用することが可能となる。これにより、油圧モデルの油圧パラメータ、即ち、状態変数が評価され、系統力学及び油圧プロセスのパラメータが決定される。

変位エレメントの位置、又はこれより決定される変位エレメントの速さ及び加速度、並びにダイアフラムによって圧送流体に加わる力から決定し得る計量チャンバ内の圧力が、測定される変数、又は決定される外部変数である。

概して、容積式ポンプと呼ばれるものにおいて、吸引ラインは、吸引ストローク（即ち、圧力弁が閉じている間、吸引弁が開く動作）用の吸引弁を貯蔵タンクに接続するホースからなることから、油圧系統は、図１に示すように簡略化して説明できる。吸引ラインは、直径Ｄ_S及びホース長Ｌのホースからなる。このホースは高低差Ｚ間延びる。

吸引ラインが一定の直径を有し、拡張可能なものでなく、且つ、圧縮不可能な流体が使用されると想定した場合、非線形ナビエ−ストークス方程式は簡略化できる。

ここで、既知の最適化方法、例えば勾配法又はレーベンバーグ・マーカートアルゴリズムといった方法を用いて、油圧パラメータが決定される。これらの油圧パラメータは、構築したモデルをベースとして用いて、スラスト部材の測定位置及び計量チャンバ内の測定／決定された圧力を最適に説明し得る。

本明細書に係る図２ａ〜２ｅでは、圧送流体の例としてグリセロールを使った各場合において、油圧パラメータ（点線）並びに本発明に係る方法により得られた値（実線）を経時的に示している。

従って、例えば、図２ａには圧送流体の密度が示されている。これは約１２６０ｋｇ／ｍ³である（点線）。本発明に係る方法によって約１００秒内に密度を決定できることが分かる。ｔ＝０秒の時点では決定値は実数値よりも明らかに小さいが、連続して最適化する結果、本発明に係る方法によって決定される密度の値は真値に非常に早く近づく（実線）。

このことは、ホース長Ｌ（図２ｂ参照）、高低差Ｚ（図２ｃ参照）、ホース径（図２ｄ参照）及び粘度（図２ｅ参照）についても同様である。

次いで、本発明に係る方法によって決定されるパラメータを、構築した物理モデルと共に使用して、油圧系統によってスラスト部材に加わる力を決定し得る。

この情報は制御に使用できる。特に、モデルベース非線形制御戦略をスラスト部材の移動の制御に採用する場合、本明細書の開発されたモデルによって、物性的に油圧系統の効果をモデル化でき、このことを考慮に入れた外乱変数フィードフォワードを構築できる。

本発明に係る方法は、磁気計量ポンプに関連して開発された。好適な実施形態において、このような磁気計量ポンプは、コンロッドが堅固に接続された可動スラスト部材を有する。スラスト部材は、磁気ケーシング内に同心で長軸方向に移動できるように搭載される。磁気ケーシングはポンプハウジング内に堅固に定着される。その結果、磁気ケーシング内の磁化コイルが電気的に駆動されると、コンロッドを備えたスラスト部材は圧力ばねの作用に抗して磁気ケーシングの穴に引き込まれ、磁石が作動停止した後、スラスト部材は圧力ばねによって開始位置に戻る。この結果、磁化コイルが連続的に作動・作動停止されると、スラスト部材及びこれにより作動したダイアフラムは振動する。長軸方向に配置された計量ヘッドにおいて、この振動によって、出口・入口弁と協働して、ポンピングストローク（圧力ストローク）及び吸入ストローク（吸引ストローク）が行われる。磁化コイルは、磁化コイルに加わる電圧によって作動する。従って、スラスト部材の移動は、磁化コイルに対する電圧の時間的進行度によって確定できる。

圧力ストローク及び吸引ストロークは同じ時間続けなければならないものではないと理解されたい。逆に、吸引ストロークが行われる間、計量は行われないので、むしろ計量チャンバが圧送流体により再び満たされるだけであり、毎回可能な限り早く吸引ストロークが行われるという利点がある。但し、キャビテーションが圧力チャンバにないように注意すべきである。

他方、圧力ストロークは、特に、非常に少量の流体を計量するためのみに適用する場合、非常に長い時間続くことがあり得る。この結果、スラスト部材は、計量チャンバの方向に少しずつ移動する。図３に理想的態様として示すようにスラスト部材を移動させるためには、スラスト部材の移動を制御しなければならない。スラスト部材の位置及び磁化コイルを通る電流の大きさだけが、測定される変数として習慣的に利用可能である。

本発明によって、磁気系統の状態を説明する（非線形）モデルが開発された。

以下のモデルが好適な実施形態となる：

これは非線形微分方程式システムであり、出発点から始まる系統の直後の様子の予測を可能とする。

従って、このモデルを用いて、未来又は既に実際に存在する目標曲線と実際の曲線との偏差を識別することが可能である。加えて、このモデルは、制御干渉から見込まれる効果を計算するために使用できる。

電流の強さ及びスラスト部材の位置を測定することから、どのようにシステムが開発されやすいかがリアルタイムで決定される。また、どのような制御干渉（即ち、磁化コイルにかかる電圧の変化）を介してシステムが所望の方向に戻るのかを計算し得る。

勿論、制御に関して、系統が干渉される数多くの可能性がある。従って、全ての時点において、ダイナミックな系統に対して安定した解決策が求められる。この計算工程は、最適な制御を得るために、常時、即ち、利用可能な計算力がある限り、繰り返される。

本明細書において提案するモデルの場合、一般に、全ての時点において、ダイナミックな系統に対して新たな安定した解決策を決定することは必要とされていない。概して、測定される変数に応じて、即ち、スラスト部材の位置及び磁気駆動部にかかる電圧に応じて適切な訂正機能を一度決定し、その後はこの訂正機能を制御に使用すれば十分である。

この制御にも、選択されるモデルが理想を表現しているにすぎないように、目標値と実数値との間に不可避的な偏差がある。加えて、検出・測定される変数は、常にエラー（ノイズ）を含む。

実際のプロファイルと目標プロファイルとの差を更に減らすために、この差を圧力−吸引サイクル中に測定し、測定した差と所望の目標プロファイルの和を次のサイクルの目標プロファイルとして使用する。換言すれば、圧力ストロークサイクルが繰り返されることを利用する。従って、次のサイクルにおいて、実際の望ましい目標値プロファイルとは異なる目標値プロファイルが特定される。

この自己制御法則を明確化のために図４に概略的に示す。ｙ軸はスラスト部材の位置を示し、ｘ軸は時間を示す。

第一サイクルでは、制御に使用される目標プロファイルが点線で示されている。この目標プロファイルは、第三サイクルでの比較用基準プロファイルとしてモデル化される望ましい目標プロファイルに対応する。本発明に係るモデルベース制御にもかかわらず、実際のプロファイルは、目標プロファイルから逸脱する。従って、図４の第一サイクルでは、実際のプロファイルは一例として実線で示されている。明確化のために、実際のプロファイルと目標プロファイルとの偏差は、実際に起こるよりもより顕著な態様で示されている。

次いで、第二サイクルでは、第一サイクルの実際のプロファイルと基準プロファイルとの差を第一サイクルで使用される目標プロファイルから減し、この差を第二サイクル中の制御のための目標プロファイルとして使用する。こうして得られた目標プロファイルは、第二サイクルにおいて点線で示されている。

理想的には、第二サイクルでは、実際のプロファイルは、第一サイクルで観察されたのと同じ程度で使用される目標プロファイルから逸脱する。この結果、基準プロファイルに対応する実際のプロファイルとなる（第二サイクルで実線で描かれている）。

スラスト部材の位置及び磁気駆動部を通る電流を測定することによって、Ｆ_p、即ち、移送チャンバ内の流体圧力によるスラスト部材に加わる力だけが未知の変数となる。従って、上記モデルを使用して、移送チャンバ内の流体圧力によるスラスト部材に加わる力を決定することが出来る。流体圧力が加わるスラスト部材の表面積は分かっているので、流体圧力をこの力から計算できる。

上記の電磁気計量ポンプ系統の非線形系統仕様のデザインによって、モデルベース検証方法を使用することが可能である。これにより、系統モデルの状態変数が評価され、電磁気計量ポンプのポンプヘッド内の圧力が決定される。ここで、ポンプ系統は、制御技術に必要な電流・位置センサを既に内蔵している結果、その情報は既に利用可能であり、更なる計量ポンプを設ける必要はない。次いで、状態変数の経時変化及びポンプの計量ヘッド内の圧力を使用して、検証アルゴリズムを実行し得る。

従って、例えば、プロセス中の過剰圧力についてのモデルベースの検証やポンプの自動停止を実現し得る。

開弁時点及び閉弁時点は、例えば、系統モデルの統合された状態変数の時間的勾配を決定・評価することによって識別し得る。状態の勾配が所定の制限によって過剰又は不足する時を検出することができ、これにより開弁時点及び閉弁時点を識別する。

或いは、圧力も、スラスト部材の位置に応じて決定でき、評価することによって開弁時点及び閉弁時点を導き得る。対応する圧力−軌道図を図５の左側に示す。関連する軌道−時間図を図５の右側に示す。軌道−時間図は、スラスト部材の、経時的移動を示す。スラスト部材はまず開始位置１（ｘ＝０ｍｍ）から前方に移動すると、計量チャンバの容積が減少する（圧力段階）ことが分かる。時点３で、スラスト部材は最大値を通り、次いで開始位置に戻る（吸引段階）。

対応する圧力−軌道図を図５の左側に示す。これは時計回り方向に進むものであり、開始される座標原点では、スラスト部材は位置１にある。圧力段階では、まず、計量チャンバ内の圧力は急激に上昇する。この上昇は、圧力によって圧力ラインへの弁が開くことができるようになるまで続く。一度圧力弁が開くと、計量チャンバ内の圧力は基本的に一定のままである。開弁点は参照番号２で示されている。この時点から（この時点も図５の右側に記録される）、計量が行われる。スラスト部材が更に移動するごとに、計量される流体は圧力ライン内に送り込まれる。一度スラスト部材が最大位置（時点３）に到達すると、スラスト部材は逆方向に移動し、圧力弁は直ぐに閉じ、計量チャンバ内の圧力は再び降下する。一度最小圧力に到達すると（時点４）、計量チャンバを吸引ラインに接続している吸引弁が開き、開始位置に到達する再びまで、計量される流体が計量チャンバ内に吸引される。

閉弁時点は、スラスト部材の変位最大点にあることから、軌道−時間図から決定し得る。時点２及び４、即ち、開弁時点を決定することは、簡単ではない。これは、特に圧力−軌道図は実際には丸みをおびた「角」を有しているからである。圧力−軌道図の位置１から始まって、例えば、圧力最大点の９０％に到達すると（位置３からわかる）、その軌道を読み取ることができ、点１及び２間の圧力−軌道図の上昇を決定し得る。９０％曲線を点線で示す。これから得られる直線は、開弁時点において曲線ｐ＝ｐ_maxと交差する。時点４も同様に決定し得る。このような決定は各サイクルで行われ、結果は後のサイクルで使用される。こうして、開弁時点の変化も検出できる。

系統モデルの個々の状態変数の目標軌跡と実際の軌跡とを比較することによって、油圧系統内の気泡、計量ユニットのポンプヘッド内のキャビテーション及び／又は計量ユニットの開弁時点及び閉弁時点を検証できる。特に、目標軌跡と実際の軌跡との間で所定のエラーリミットを超えると、警告信号が発せられ、対応する測定が行われる。

図６に一例を示す。ここでも、左側に圧力−軌道図を示し、右側に軌道−時間図を示す。右側の図は、図５の対応する図と同一である。圧縮可能な気泡が油圧系統にあると、この存在により圧力弁は時点２’においてのみ開き、吸引弁は時点４’においてのみ開くことになる。従って、開弁時点の明確なシフトを利用して「計量チャンバ内の空気」の状態を検証できる。キャビテーションの場合、開弁時点４’のみがシフトし、開弁時点２はシフトしない。その結果、このような様子を利用して「キャビテーション」の状態を検証できる。

個々の統合された系統状態変数の分析によって、提示してきたモデルベース法は、現時点までに実現されたものよりも、基本的により網羅的でより価値のある検証を可能とする。

また、これにより、センサに関して低コストで実現でき、また信頼性及び依存性は高い。ここで、計量精度が大きく向上し得ることから、この高い検証特性によって電磁気計量ポンプ系統を使用する分野を拡大できる可能性は高い。

しかし、このような測定には、少なくとも一つの追加のセンサが必要であり、このセンサのために、容積式ポンプの価格が上昇し、また、整備・修繕が更に必要となる。従って、密度及び粘度の変化は従来制御において考慮されていなかった。
欧州特許出願公開第２，５５７，２８７号明細書には、排気ガス処理装置内の、計量装置からの還元剤を計量する方法が記載されている。文献「Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ Ｎｏｖｅｌ Ｔｙｐｅ Ｄｉａｐｈｒａｇｍ Ｐｕｍｐ」、Ｋａｓａら、ＩＥＥＥ、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ，Ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ、２００９年、６４７〜６５２頁、岡山、日本には、新規のダイアフラムポンプモデルが提案されている。

本発明によれば、これは、請求項１に記載の方法によって達成される。

Claims (18)

1. 可動な変位エレメントを有し、該可動な変位エレメントが、計量チャンバの境界を形成し、該計量チャンバが、弁を介して、吸引・圧力ラインに接続され、前記変位エレメントの振動により、交互に、前記吸引ラインを介して圧送流体を前記計量チャンバ内に吸引したり、前記圧力ラインを介して圧送流体を前記計量チャンバから押し出したりでき、前記変位エレメントを振動させる駆動部が設けられた容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法において、
   油圧パラメータを有する物理モデルを油圧系統に対して構築し、
   前記変位エレメントにより前記計量チャンバ内の流体に加わる力、又は、前記計量チャンバ内の圧力及び前記変位エレメントの位置を決定し、
   少なくとも一つの油圧パラメータを最適化計算によって計算することを特徴とする容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法。
2. 前記計量チャンバ内の流体の密度及び／又は前記計量チャンバ内の流体の粘度を、油圧パラメータとして決定することを特徴とする請求項１に記載の容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法。
3. 前記容積式ポンプが、電磁駆動式計量ポンプ、好ましくは電磁駆動式ダイアフラムポンプであることを特徴とする請求項１又は２に記載の容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法。
4. 前記電磁気駆動部を通る電流を測定し、測定された電流及び前記変位エレメントの測定された位置から、前記変位エレメントにより前記計量チャンバ内の流体に加わる力を決定することを特徴とする請求項３に記載の容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法。
5. 前記物理モデルを、前記吸引ラインへの弁を開き前記圧力ラインへの弁を閉じている場合、及び／又は、前記吸引ラインへの弁を閉じ前記圧力ラインへの弁を開いている場合に対して構築し、
   前記物理モデルを、前記吸引ラインへの弁を開き前記圧力ラインへの弁を閉じている場合、及び、前記吸引ラインへの弁を閉じ前記圧力ラインへの弁を開いている場合の両方の場合に対して構築する際に、開弁時点を決定し、
   前記物理モデルを、前記開弁時点の決定結果に応じて選択する
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法。
6. 前記油圧パラメータの決定後、これと前記物理モデルを使用して前記圧送流体により前記変位エレメントに加わる力を決定し、
   こうして決定された力を前記変位エレメントの移動の制御に使用する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法。
7. モデルベース制御を前記駆動部に使用して前記容積式ポンプの計量プロファイルを最適化することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法。
8. 前記変位エレメントの微分方程式、好ましくは運動方程式を、前記モデルベース制御のモデルとして使用することを特徴とする請求項７に記載の容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法。
9. スラスト部材に作用する、容積式ポンプに特有の力を、前記微分方程式においてモデル化することを特徴とする請求項７又は８に記載の容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法。
10. 非線形状態−空間モデルを状態−空間モデルとして選択し、
    制御リアプノフ関数、フラットネスに基づくベースフィードフォワード制御を用いるフラットネスに基づくベース制御法、積分器バックステッピング法、スライディングモード法、又は予測制御のいずれかによって非線形制御が行われ、
    好ましくは、制御リアプノフ関数によって前記非線形制御を行うことを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法。
11. 前記変位エレメントの検出される実際の位置プロファイルと前記変位エレメントの所定の目標位置プロファイルとの差を、吸引−圧力サイクル中に検出し、
    検出された差の少なくとも一部と前記所定の目標位置プロファイルとの差を次の吸引−圧力サイクルの目標値プロファイルとして使用する
    ことを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法。
12. 前記微分方程式又は運動方程式を使用して、容積式ポンプの物理的変数を決定することを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一項に記載の容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法。
13. 前記容積式ポンプの計量チャンバ内の圧送流体の流体圧力ｐを物理的変数として決定することを特徴とする請求項１２に記載の容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法。
14. 実際の流体圧力が所定の最大値に到達するか又は超えると、警告信号を発し、
    前記警告信号を好ましくは、受信した警告信号に応じて前記計量ポンプを遮断する自動遮断器に送る
    ことを特徴とする請求項１２又は１３のいずれか一項に記載の容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法。
15. 目標流体圧力曲線、前記変位エレメントの目標位置曲線、及び／又は、前記電磁気駆動部を通る目標電流進行度を、前記変位エレメントの移動サイクル中に記憶し、
    実際の流体圧力を目標流体圧力と比較し、前記変位エレメントの実際の位置を前記変位エレメントの目標位置と比較し、且つ／又は、前記電磁気駆動部を通る実際の電流を電磁気駆動部を通る目標電流と比較し、
    実際の値と目標値との差が所定の基準を満たすと、警告信号を発する
    ことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法。
16. 前記目標値からの相対的偏差の重み付けされた和を決定し、
    前記基準を、重み付けされた和が所定の値を超えると警告信号が発せられるように選択する
    ことを特徴とする請求項１５に記載の容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法。
17. 幾つかの基準を予め決定し、
    各基準に対してエラーイベントを割り当て、
    ある基準が満たされると、その割り当てられたエラーイベントを検証する
    ことを特徴とする請求項１５又は１６に記載の方法。
18. 前記変位エレメントの質量ｍ、前記変位エレメントに予め張力をかけるばねのばね定数ｋ、減衰定数ｄ及び／又は前記電磁気駆動部の電気抵抗Ｒ_Cuを、物理的変数として決定することを特徴とする請求項７〜１７のいずれか一項に記載の容積式ポンプの油圧パラメータの決定方法。

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