JP3772340B2 - バルブポジショナ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気式駆動部を持った調節弁の弁開度を信号に応じた値に制御するバルブポジショナに関し、制御信号を演算する制御器の演算方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
調節弁を制御するアルゴリズムは、その製品の性能を決める重要な要素の一つである。従来、バルブポジショナは機械式のものが多く、制御アルゴリズムは機械機構により決まってきた為、圧倒的にP(比例)制御が多かった (逆に、P制御以外のアルゴリズムは、機械機構では困難であった) 。
【0003】
しかし、近年では、電子式のバルブポジショナが開発され、更には、CPU等の演算機能をバルブポジショナに搭載するようになった。この機能を持つことにより、制御アルゴリズムをソフトウエアで実現できるようになり、おおよそ全ての方式の制御演算が可能になってきた。
【0004】
制御アルゴリズムは、P(比例)制御から、PID(比例、積分、微分)制御に発展してきた。その結果、調節弁の制御性は格段に向上した。しかし、技術革新の発展にしたがって市場の要求も更に厳しくなり、現在では、更に優れた制御性を持つバルブポジショナが求められている。
【0005】
このような背景により、現在では調節弁の制御アルゴリズムの開発が活発に進められている。採用されているアルゴリズムは、PID制御アルゴリズムが一般的であるが、PIDアルゴリズムだけでは、調節弁が持っている非線形性を十分吸収することができない。その為、PIDアルゴリズムに色々な機能を付加することにより、調節弁の制御性を向上しようとしている。
【0006】
図10は従来のバルブポジショナの制御の一例を示すブロック構成図である。図において、積分器1a,比例器1b,微分器1cを含むコントローラ1には入力信号SPと位置センサ5からの出力信号PVが入力し、コントローラ1からは制御信号MVが出力する。
【0007】
この信号MVは信号変換器(I/P Converter)2で空気信号に変換され、パイロットリレー3で増幅されて調節弁4に圧力を入力しバルブのステムを変位させる。ステムの変位は位置センサ5で検出され、フィードバック信号としてコントローラ1に入力する。
【0008】
上記従来のバルブポジショナにおいて、最も一般的な、デジタルPID制御の演算アルゴリズムは下記の通りである。
P(n) = Sp(n)-Pv(n)
I(n) = Δt/Ti*P(n)+I(n-1)
D(n) = Td/(Δt+1/γ*Td)*(P(n-1)-P(n)+1/γ*D(n-1))
MV(n) = Kp*(P(n)+I(n)+D(n))
【0009】
Sp(n):目標値
Pv(n):フィードバック値(バルブ弁開度の信号)
P(n):比例器
I(n):積分器
D(n):微分器
MV(n):制御信号
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
【0010】
次にこのアルゴリズムの動作を用いて説明する。
アルゴリズムは、PIDの文字通り、比例器(P)、積分器(I)、微分器(D)から構成され、制御信号MVはそれぞれ、P,I,Dの値を加算した値に、KPなる比例ゲインを乗算して得られる。
【0011】
比例器Pは、ポジショナの入力信号であるSPと調節弁(図示省略)の弁開度を表すステム変位を、位置センサ5にて検出し、センサの電気信号をA/D変換器でデジタル値に変換したPV値との差(偏差とも呼ぶ) を出力する。
【0012】
積分器1aは、積分時間Tiで設定されるパラメータで決まる割合で、偏差を積分するものである。
微分器は、微分時間、微分ゲインで設定されるパラメータで決まる割合で、偏差を微分するものである。
最終的な、制御信号MVは比例器1b、積分器1a、微分器1cの値を加算したものに対し、比例ゲインKPを乗算した値で求まる。
【0013】
コントローラ1は、PVをSPにすばやく、正確にトラッキングさせる為に、このような演算を行い、MV値を求めている。
例えば、SPとPVに差がある場合は、コントローラ1はPVとSPを近づける方向に、MV値を変化させる。また、SPとPVに差が無い場合は、MV値は変化しない。
【0014】
このアルゴリズムは、単純であるため、本質的に優れているが、制御対象に非線形性が存在する場合、制御性が著しく悪化する場合がある。(コントローラ1にとっての制御対象とは、MV値を与えるI/Pコンバータ2から調節弁4… バルブまでをさす。)
【0015】
次に、具体的な制御対象の非線形性について述べる。
制御対象の代表的な非線形性としては、図11に示すようなヒステリシス特性となるが、このヒステリシスには調節弁4やパイロットリレー3等各要素が持つヒステリシスが含まれる。
【0016】
これらのヒステリシスが、PID制御に与える影響を示す。
パイロットリレーのヒステリシスは、I/Pコンバータ(電空変換機構)2が出力するノズル背圧の変化に対して、ヒステリシスをもち、ヒステリシスを打ち破るノズル背圧の変化が無いと、パイロットリレー3は、調節弁4の空気アクチュエータの空気流量を変化できない性質を持つ。
【0017】
また、調節弁4のヒステリシスは、空気アクチュエータの空気圧が、ヒステリシスを打ち破るまで、調節弁4のステムを駆動することが出来ない性質を持つ。
前記した、ヒステリシスは代表的な例だが、本発明で扱うヒステリシスは、ポジショナのコントローラ1が演算した制御量(MV値)が、調節弁4の弁開度信号(PV値)であるフィードバック信号に、帰ってくるまでのヒステリシスをすべて含んでいる。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
このようなヒステリシスが、制御対象に存在する場合、例えば、設定信号がポジショナに与えられたとすると、制御信号(MV値)がヒステリシスを打ち破らないと、PV値は変化しない。
【0019】
また、MV値の変化に対して、ポジショナは、I/Pコンバータ2で電気信号を空気信号に変換する際に遅れが生じる。更に、空気信号の流量を増幅し、調節弁4に供給する際、調節弁4の空気アクチュエータの容量に応じた時定数の遅れが生じる。
【0020】
この、ヒステリシスと遅れ時間により、設定信号を与えても、PV値はすぐには応答できず、無駄時間が生じる。ヒステリシスが大きいほど、無駄時間も長くなる。
【0021】
従来積分器1aは、その積分時間に応じて、この偏差を溜める。やがて、PV値が変化し、偏差が減るが、無駄時間の際、溜めすぎた積分量が大きく、SPの示す値で整定せず、行き過ぎが生じてしまう。
【0022】
一旦行き過ぎが生じると、コントローラ1はこれを戻そうとする為の制御演算を行うが、ここでもヒステリシスが生じ、戻すには長い時間が必要となる。また、ヒステリシスが大きくかつ、遅れ時間が長い系になると、最悪の場合、行き過ぎを戻す際、さらに逆方向に行き過ぎが生じ、これを繰り返して発振する場合が考えられる。
【0023】
図12は設定値SPが入力してから無駄時間を含むPV値の変化と積分器の積分の様子を示している。
この現象を従来のPIDで解決するには、比例ゲインを極端に下げ、積分時間を極端に長く設定するしか無かった。この調整は、調節弁4の応答特性を著しく悪化させる事になる。
【0024】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、積分器1bの積分動作のタイミングを制御することにより、前述の発振や応答特性を改善したバルブポジショナを実現することを目的とする。
【0025】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために本発明では、請求項1においては、弁開度センサーの信号を取り込み、少なくとも積分器が搭載されている制御器を用いて設定信号に応じた値に前記弁開度を制御するバルブポジショナにおいて、前記設定信号の変化を検出する設定信号変化検出手段と、前記設定信号の変化に関連して変化する弁開度センサーの位置信号を検出する位置信号変化検知手段とを具備し、これらの検知手段の出力に基づいて前記積分器の機能をオンオフする積分スイッチを設けたことを特徴とする。
【0027】
請求項2においては、請求項1記載のバルブポジショナにおいて、
設定信号変化検出手段が設定信号の変化を検出したときに積分器の機能をオフとし、位置信号変化検知手段が弁開度センサーの位置信号の変化を検出したときに積分器の機能をオンするように構成したことを特徴とする。
【0028】
請求項3においては、請求項1記載のバルブポジショナにおいて、
設定信号と弁開度センサーの位置信号の偏差を検出する偏差検出手段を具備し、この偏差検出手段が検出した偏差に関連して積分器の機能をオンオフするように構成したことを特徴とする。
【0029】
請求項4においては、請求項3記載のバルブポジショナにおいて、
偏差検出手段は偏差が3段階の予め定めた小,中,大の所定の範囲を判定する機能を有することを特徴とする。
請求項5においては、請求項4記載のバルブポジショナにおいて、
偏差が小のときに積分機能をオフ、中のときにオン、大のときにオフとなるように構成したことを特徴とする。
【0030】
請求項6においては、請求項1記載のバルブポジショナにおいて、
設定信号の変化により変化する弁開度センサーの位置信号を検出する位置信号変化検知手段と、この位置信号変化検知手段からの出力に関連して機能する積分タイマを具備し、この積分タイマの設定時間に応じて積分機能をオンオフするように構成したことを特徴とする。
【0031】
請求項7においては、請求項6記載のバルブポジショナにおいて、
設定値に対して、動作点補償を行う為の、フィードフォアード演算機能を具備したことを特徴とする。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図1は本発明の請求項1に係る実施例の概略構成を示すもので、図10で説明した従来例とは積分器1aの前段に積分スイッチ30を設け、この積分スイッチ30を機能させるトリガとしてSP(設定信号)の変化を検知するSP変化検知手段31及びPV値検出手段32を設け、これらの信号に基づいて積分スイッチ30をオンオフする点が異なっている。なお、図1では信号変換器(I/P Converter)2、パイロットリレー3及び調節弁4を纏めて駆動部20としている。
【0033】
図1の構成において、設定信号SPが変化するとSP変化検出手段31がその変化を検出して信号を出力し積分スイッチ30をオフとする。次にSPに応じた演算が行われ調節弁のステム位置が変位して位置センサ5からPVが出力されるが、PV値検出手段32がこれを検出したら信号を出力し積分スイッチ30をオンとして積分動作を開始する。
【0034】
図2は図1に示す構成のバルブポジショナのフローチャートである。コントローラ1は設定信号が変化したことを検出したらY方向に進んでフラグをセットし、次にPV値が変化したことを検出した段階でY方向に進んで積分器を動作させるプラグをリセットする。PV値が変化しない間はN方向に進んで積分器をオフ(止める)の状態に維持する。
【0035】
設定信号が変化しない場合は、フラグがセットされているかどうかを見て、されていない場合はN方向に進み積分器を動作させるフラグをリセットする。フラグがセットされている場合はPV値の変化を待ってY方向に進んで積分器を動作させるフラグをリセットする。
【0036】
図3は上記構成によるSP及びPVの変化と積分器の積分動作を示すもので、無駄時間における積分器の積分動作をオフとすることによりPVのオーバーシュートが改善されていることがわかる。
【0037】
図4は請求項2に関する実施形態の1例を示すものである。この例において図10で説明した従来例とは積分器1aの前段に積分スイッチ30を設け、この積分スイッチ30を機能させるトリガとしてコントローラ10の前段に偏差検出手段33を設け、この偏差検出手段33の信号に基づいて積分スイッチ30をオンオフする点が異なっている。なお、図4においても信号変換器(I/P Converter)2、パイロットリレー3及び調節弁4を纏めて駆動部20としている。
【0038】
図4において、偏差検出手段は図5に示すように、偏差|SP−PV|が予め定めた第1の所定の範囲(例えば1%以内 …A)であれば積分スイッチ30をオフ状態とし、|SP−PV|が第1の所定の範囲を超え、第2の所定の範囲以内(例えば1%以上→10%以内 …B)であれば積分スイッチ30をオン状態とし、更に|SP−PV|が第2の所定の範囲(例えば10%以上 …C)を超えた場合には積分スイッチ30をオフ状態とする。
【0039】
図4の構成によれば偏差が極めて小さい(1%以内)間は積分機能を停止し、中程度(1〜10%の範囲)では積分機能を持たせ、偏差が大きい(10%以上)では積分機能を停止する。このようにある一定以上の偏差が発生した場合、積分器1aの積分動作を止めて無駄時間の影響を積分器1aから低減することにより偏差に応じた制御が可能となる。
【0040】
図6は請求項3に関する実施形態の1例を示すブロック構成図である。図6において、図10で説明した従来例とは積分器の前段に積分スイッチ30を設け、この積分スイッチ30を機能させるトリガとしてSP変化検出手段31とこの検出手段の出力によって作動する積分タイマー34を設けた点が異なっている。
【0041】
また、図ではフィードフォワード演算器(以下、単にFF演算器という)35を設けているがこのFF演算器35の機能については後述する。なお、図6においても信号変換器(I/P Converter)2、パイロットリレー3及び調節弁4を纏めて駆動部20としている。
【0042】
図7は図6に示すバルブポジショナのフローチャートを示している。図7において、設定信号SPが変化したらY方向に進み積分タイマー34をセットし、このタイマー34がタイムアウトするまで積分器1aの動作を停止する。
変化していない場合は、N方向に進み積分タイマーがタイムアウトしているかどうかを判断する。そしてタイムアウトしている場合は積分器1aを動作させ、していない場合はN方向に進んで積分器1aの動作を止める。
【0043】
このように、設定値(SP)が変化した場合、タイマー34をセットし、タイマーが動作しているときは、積分を止め、タイマーがタイムアウトしたら積分を再開させる。即ち、ヒステリシスと遅れ時間から生じる無駄時間よりも、積分タイマー34の動作時間が長い場合、無駄時間に積分器が溜める余計な積分量はなくなる。
【0044】
この場合、タイマー34の時間は、無駄時間よりも長ければ良いが、ヒステリシスの状態の予測は、非常に難しいので、タイマーは長めに設定することになる。すると、積分の本来の機能である、目標値変更による生じる動作点補正が積分停止時間にかかってしまい、定常偏差を生む原因となる場合がある。
【0045】
この場合、タイマーがタイムアウトして、積分器1aが動作し始めるとこの定常偏差は積分器1aが吸収し、取除くことが出来るが、整定時間が長くなるというデメリットがある。そこでフォワード側の動作点補正は、あらかじめフォワード側のゲインが分かっているので、フィードフォワードで補うことができ、SPに応じたフィードフォワードを加えることにより、積分タイマーを長く設定しても定常偏差がでない制御が出来る。
【0046】
この場合のMV値の計算は
MV = Kp*(P+I+D)+FF(フィードフォアード)
となる。
ここで、積分タイマー34が動作して、積分器1bが止まっている場合の状態を、P制御と仮定し、説明の簡素化の為に、図8に示す制御系のブロックを考える。
図8において、入力をSPで与え、比例制御を行い、操作量Uを出力し、外乱Wが与えられる制御系の場合、ノイズ等は考慮せずに、ステップ応答に対しても、制御量及び、操作量が最終的に一定値に落ち着くような安定な制御系であるとする。この時の定常偏差は次式であらわすことができる。
【0047】
Err(定常偏差)=SP−PV
PV=G×(U+W)
U=Kp×Err
従って
Err={1/(1+G×Kp)}×SP−{G/(1+G×Kp)}×W …1
式1によれば、P制御の場合、SPに比例した、定常偏差が残ることが分かる。
この定常偏差は、1式の第1項で示される、入力SPによる定常偏差と、第2項で示される、外乱Wによる定常偏差から成り立っている。
【0048】
従って、このような定常偏差を取除く為には、積分器1bが必要となっていた。
しかし、積分タイマー34を使用した場合、タイマーがタイムアウトするまで、積分器1bは動作しない為、1式の定常偏差が残ってしまい、タイマー34がタイムアウトしたあと、積分器1bは定常偏差を吸収する。この場合、積分タイマー34の時間の設定にもよるが、あまり良い応答特性は望めない。
【0049】
ここで、G,Kp,Spは既知であるので、フィードフォワードにより、1式の第1項の定常偏差は予測可能である。第2項は、外乱Wの大きさの予測が困難である為、フィードフォワードに組み込むことは困難である。従って、フィードフォワードFFを以下の式で設定し、図9のような制御系を構成することにより、積分器1bが止まっている間の特性を改善することが出来る。
【0050】
FF=SP/G …2
このブロックの場合の定常偏差Errは
Err=−{G×W/(1+G×Kp)}…3
となり、SPによる定常偏差がなくなる。
【0051】
FFを導入することにより、積分タイマーで積分器1bが止まっても、定常偏差を少なくすることが出来る。また、外乱Wについては、図6の駆動部20で示す、I/Pコンバータ2+パイロットリレー3の温度特性のような外乱が考えられ、このような外乱は、積分タイマー34のタイムアウト時間に比べ、十分大きい時定数を持ち、式3の外乱は、通常の積分器1bで吸収可能である。
【0052】
なお、本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【0053】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、弁開度センサーの信号を取り込み、少なくとも積分器が搭載されている制御器を用いて設定信号に応じた値に前記弁開度を制御するバルブポジショナにおいて、前記設定信号の変化を検出する設定信号変化検出手段と、前記設定信号の変化に関連して変化する弁開度センサーの位置信号を検出する位置信号変化検知手段とを具備し、これらの検知手段の出力に基づいて前記積分器の機能をオンオフする積分スイッチを設けたので、積分器の積分動作のタイミングを制御することにより、発振や応答特性を改善したバルブポジショナを実現することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るバルブポジショナの実施の形態の一例を示す概略構成図である。
【図2】図1に示すバルブポジショナのフローチャートである。
【図3】設定値SPが入力してから無駄時間を含むPV値の変化と積分器の積分の様子を示す図である。
【図4】本発明に係るバルブポジショナの他の一例を示す概略構成図である。
【図5】図4の構成のバルブポジショナの偏差と積分器のオンオフの関係を示す図である。
【図6】本発明に係るバルブポジショナの他の一例を示す概略構成図である。
【図7】図6に示すバルブポジショナのフローチャートである。
【図8】図8に示すバルブポジショナに外乱が与えられた場合の制御系の仮定図である。
【図9】フィードフォワードを構成して、積分器が止まっている間の特性の改善例を示す図である。
【図10】従来のバルブポジショナを示す構成図である。
【図11】バルブポジショナに発生するヒステリシスを示す図である。
【図12】設定値(SP)と動作量(PV)の関係を示す図である。
【符号の説明】
1,10 コントローラ
1a 積分器
1b 比例器
1c 微分器
2 I/Pコンバータ
3 パイロットリレー
4 調節弁
5 位置(ポジション)センサ
20 駆動部
30 積分スイッチ
31 SP変化検出手段
32 PV変化検出手段
33 偏差検出手段
34 積分タイマー
35 フィードフォワード演算器
Claims (7)
- 弁開度センサーの信号を取り込み、少なくとも積分器が搭載されている制御器を用いて設定信号に応じた値に前記弁開度を制御するバルブポジショナにおいて、前記設定信号の変化を検出する設定信号変化検出手段と、前記設定信号の変化に関連して変化する弁開度センサーの位置信号を検出する位置信号変化検知手段とを具備し、これらの検知手段の出力に基づいて前記積分器の機能をオンオフする積分スイッチを設けたことを特徴とするバルブポジショナ。
- 設定信号変化検出手段が設定信号の変化を検出したときに積分器の機能をオフとし、位置信号変化検知手段が弁開度センサーの位置信号の変化を検出したときに積分器の機能をオンするように構成したことを特徴とする請求項1記載のバルブポジショナ。
- 設定信号と弁開度センサーの位置信号の偏差を検出する偏差検出手段を具備し、この偏差検出手段が検出した偏差に関連して積分器の機能をオンオフするように構成したことを特徴とする請求項1記載のバルブポジショナ。
- 偏差検出手段は偏差が3段階の予め定めた小,中,大の所定の範囲を判定する機能を有することを特徴とする請求項3記載のバルブポジショナ。
- 偏差が小のときに積分機能をオフ、中のときにオン、大のときにオフとなるように構成したことを特徴とする請求項4記載のバルブポジショナ。
- 設定信号の変化により変化する弁開度センサーの位置信号を検出する位置信号変化検知手段と、この位置信号変化検知手段からの出力に関連して機能する積分タイマを具備し、この積分タイマの設定時間に応じて積分機能をオンオフするように構成したことを特徴とする請求項1記載のバルブポジショナ。
- 設定値に対して、動作点補償を行う為の、フィードフォアード演算機能を具備したことを特徴とする請求項6記載のバルブポジショナ。
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