JP3805611B2

JP3805611B2 - 制御装置

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Publication number: JP3805611B2
Application number: JP2000314175A
Authority: JP
Inventors: 博文平山
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2006-08-02
Anticipated expiration: 2020-10-13
Also published as: JP2002123302A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばモータにより駆動されるバルブの開度を制御し、センサで検出された制御対象の制御量を設定値に一致させるための制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の制御システムの構成を示すブロック図である。図において、１０１は制御機器、１０２は制御対象である。１０３は制御機器１０１から出力される操作指令により駆動されるモータ、１０４は制御対象１０２へ供給される流体の流路に配置されたバルブであり前記モータによりその弁開度が調整される。モータ１０３にはバルブ１０４の弁開度を電気信号として検出し制御機器１０１へモータフィードバック量として出力するポテンシオメータが取り付けられている。１０５は制御対象１０２の例えば温度、水位などの状態を検出するセンサであり、前記温度、水位などの状態を電気信号として検出し制御量入力として前記制御機器１０１へ出力する。
【０００３】
図７は制御機器１０１の構成を示すブロック図であり、２０１は前記温度、水位などの設定量を設定するための設定量設定手段である。２０２は演算器であり、前記設定量設定手段２０１で設定された設定量と前記センサ１０５の制御量入力との差分を演算し増幅し、前記演算結果を出力する。２０３はＰＩＤ制御手段であり、前記演算結果をもとにＰ（比例）Ｉ（積分）Ｄ（微分）演算を行い操作量を出力するものである。２０４は位置比例制御手段であり、モータ１０３に取り付けられた前記ポテンシオメータから出力される前記バルブ１０４の弁開度であるモータフィードバック量と前記操作量とをもとに操作指令を出力するものである。この位置比例制御手段２０４には、前記モータフィードバック量が前記操作量との関係で一定の範囲内にあるときには操作指令を出力しないように図８に示すような不感帯が設定されている。２０５は前記位置比例制御手段２０４に前記不感帯を設定するための不感帯設定手段である。
【０００４】
次に動作について説明する。
制御機器１０１では、制御対象１０２のセンサ１０５から制御量を入力し、この制御量と設定量設定手段２０１により設定された設定量との差分を演算器２０２で演算する。この演算結果は増幅されてＰＩＤ制御手段２０３へ出力される。ＰＩＤ制御手段２０３ではＰＩＤ演算を行い操作量を演算する。また、前記モータ１０３に取り付けられた前記ポテンシオメータから出力されたモータフィードバック量と前記演算した操作量とから、位置比例制御手段２０４は開命令または閉命令の操作指令を出力する。そして、前記操作指令により前記モータ１０３を駆動し、前記バルブ１０４の弁開度を制御して制御対象１０２の制御量が前記設定量設定手段２０１により設定された設定量に一致するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の制御装置は以上のように構成されているので、制御対象１０２における環境の変化やノイズなどの影響により制御対象１０２から出力される制御量がわずかに振れ、本来発生してはならない変化が生じると、その変化がわずかであってもＰＩＤ制御手段２０３はこのわずかな制御量の変化を操作量に反映させて操作指令として出力してしまう。この結果、前記モータ１０３が駆動され、モータ１０３に設けられている前記ポテンシオメータの摺動部ではその都度、磨耗が発生する。このため前記不感帯を設定することで前記わずかな制御量の変化に対しては操作指令の出力を抑制するようにしているが、前記不感帯を大きな値にすると精度の高い制御ができなくなり、また前記不感帯を小さくするとハンチングなどの現象が発生する可能性が高くなるなど、設定された不感帯の範囲によっては精度の高い制御が可能になる一方、前記モータに設けられているポテンシオメータや操作指令を出力するためのリレー接点の寿命を短縮してしまうという課題があった。
【０００６】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、モータに設けられているポテンシオメータを含む部品の長寿命化を図るとともに、制御対象の特性に応じた制御を実現できる制御装置を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る制御装置は、制御対象の制御量が設定値に一致するように操作指令を駆動手段へ出力し、前記駆動手段により駆動されるバルブの弁開度を制御する制御装置において、前記制御量と前記設定値とをもとに第１の操作量を出力する操作量演算手段と、前記操作量演算手段から出力された第１の操作量の変化率を操作量変化率制限値をもとに所定の操作量変化率以下に制限し、一定の周期毎に第２の操作量として出力する操作量変化率制限手段と、前記駆動手段に対し操作指令を出力しない不感帯が設定され、前記操作量変化率制限手段から出力された前記第２の操作量と、前記駆動手段により駆動される前記バルブの弁開度を示すフィードバック量とに基づいて、前記第２の操作量が前記不感帯の範囲外の値である場合、開若しくは閉の操作指令を出力する位置比例制御手段と、を備えたものである。
【０００８】
この発明に係る制御装置は、操作量変化率制限手段が第１の操作量を制限するときの操作量変化率制限値を、バルブの弁開度が全閉と全開との間を移動するのに要する全開時間及び第２の算出量を演算する周期とに基づいて演算し出力する操作量変化率演算手段により演算するようにしたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態について説明する。
実施の形態１．
図１は、この実施の形態１の制御システムの構成を示すブロック図、図２は前記制御システムにおける制御機器の構成を示すブロック図である。図１において、１は制御機器、２は前記制御機器１により例えば給湯温度が制御されるボイラーなどの制御対象である。３は制御機器１から出力される操作指令により駆動されるモータ（駆動手段）、４は制御対象２へ供給される例えば燃料の流路に配置されたバルブであり前記モータ３によりその弁開度が調整される。モータ３にはバルブ４の弁開度を電気信号として検出し制御機器１へモータフィードバック量として出力するポテンシオメータが取り付けられている。５は制御対象２の前記温度を検出するセンサであり、前記温度を電気信号として検出し制御量入力として前記制御機器１へ出力する。
【００１０】
図２において、２１は前記温度についての設定量を設定するための設定量設定手段である。２２は演算器（操作量演算手段）であり、前記設定量設定手段２１で設定された設定量と前記センサ５の制御量入力との差分を演算し増幅し、前記演算結果を出力する。２３はＰＩＤ制御手段（操作量演算手段）であり、前記演算結果をもとにＰ（比例）Ｉ（積分）Ｄ（微分）演算を行い第１の操作量を出力するものである。
【００１１】
２４は切替設定手段であり、制御性を重視する制御性重視モード、または前記ポテンシオメータの寿命を重視するポテンシオ寿命重視モードのうちのいずれかを設定する。
【００１２】
２５は操作量変化率設定手段であり、前記切替設定手段２４において制御性重視モードが設定されているときの操作量変化率を設定するものであり、この操作量変化率は制御機器１に設けられている図示していないキースイッチによりオペレータにより設定される。
【００１３】
２６はバルブ４の全閉から全開までの全開時間を秒単位で設定する全開時間設定手段であり、前記全開時間は制御機器１に設けられている図示していないキースイッチにより実際のバルブ４における全開時間に基づいてオペレータにより入力される。
【００１４】
２７は前記切替設定手段２４においてポテンシオ寿命重視モードが設定されているときの操作量変化率制限値を演算する操作量変化率演算手段であり、前記全開時間設定手段２６により設定された全開時間を、操作量変化率制限値を演算する際のパラメータとして使用する。この操作量変化率制限値を演算する演算式は〔１／{全開時間×（１／更新周期）}〕×係数×１００（％）であり、前記更新周期は例えば５００ｍｓであり、また前記係数は安全係数としての固定値であり例えば１．１とする。なお、この場合の操作量変化率制限値は前記全開時間の０．５％から５％の範囲内とする。
２８は操作量変化率を切り替える切替手段であり、前記切替設定手段２４により設定された前記各モードに応じて、前記操作量変化率設定手段２５において設定された操作量変化率または前記操作量変化率演算手段２７において演算された操作量変化率制限値の何れかを選択し切り替えるものである。
【００１５】
２９は操作量変化率制限手段であり、前記更新周期ごとに、操作量変化率設定手段２５から入力された操作量変化率または操作量変化率演算手段２７から入力された操作量変化率制限値をリミットとして前記第１の操作量の変化率を制限し第２の操作量として出力するものであり、例えば入力された操作量変化率が１０％とすると、前記第１の操作量の変化率が０％から１００％へ変化する場合にその変化率を更新周期ごとに図３に示すように制限し、第２の操作量として出力する。
【００１６】
３１は不感帯設定手段であり、前記切替設定手段２４において制御性重視モードが設定されているときの不感帯の範囲を設定するものであり、この不感帯の範囲は制御機器１に設けられている図示していないキースイッチによりオペレータにより設定される。
【００１７】
３２は前記切替設定手段２４においてポテンシオ寿命重視モードが設定されているときの不感帯の範囲を演算する不感帯演算手段であり、（操作量変化率演算手段２７で演算された操作量変化率制限値）×（係数）を演算式として不感帯の範囲を演算する。この係数は固定値であり例えば８とする。またこの場合の不感帯の範囲は前記全開時間の４．０％から２０％の範囲内とする。
【００１８】
３３は切替手段であり、前記切替設定手段２４により設定された前記各モードに応じて、前記不感帯設定手段３１において設定された不感帯の範囲または前記不感帯演算手段３２において演算された不感帯の範囲の何れかを選択し切り替えるものである。
【００１９】
３４は位置比例制御手段であり、前記切替手段２４により選択された不感帯の範囲と前記第２の操作量と前記ポテンシオメータから出力されたモータフィードバック量とをもとに開命令または閉命令の操作指令を出力する。
【００２０】
次に動作について説明する。
制御機器１では、制御対象２のセンサ５から制御量を入力し、この制御量と設定量設定手段２１により設定された設定量との差分を演算器２２で演算する。この演算結果は増幅されてＰＩＤ制御手段２３へ出力される。ＰＩＤ制御手段２３ではＰＩＤ演算を行い第１の操作量を演算する。この第１の操作量は操作量変化率制限手段２９へ出力される。
【００２１】
ここで、先ず切替設定手段２４により制御性重視モードが設定されている場合について説明する。この制御性重視モードが設定されていると、操作量変化率設定手段２５により設定された操作量変化率が操作量変化率制限手段２９へ出力される。また、不感帯設定手段３１により設定された不感帯の範囲が位置比例制御手段３４へ出力される。これら操作量変化率および不感帯の範囲は制御機器１に設けられている図示していないキースイッチによりオペレータにより設定されたものである。操作量変化率制限手段２９では、前記オペレータにより設定された前記操作量変化率をもとに第１の操作量を制限し、第２の操作量として位置比例制御手段３４へ出力する。位置比例制御手段３４では、前記第２の操作量とモータフィードバック量とをもとに、不感帯設定手段３１により設定された前記不感帯の範囲を適用して操作指令を出力する。
【００２２】
図４（ａ）は、モータフィードバック量の現在値が第２の操作量より小さい場合の位置比例制御手段３４の制御特性を示しており、前記モータフィードバック量が前記不感帯の領域を越えて操作量より小さい場合には位置比例制御手段３４は開命令の操作指令を出力し、前記モータフィードバック量を前記第２の操作量へ近づけるようにモータ３によるバルブ４の弁開度を調節する。また、図４（ｂ）は、モータフィードバック量の現在値が第２の操作量より大きい場合の位置比例制御手段３４の制御特性を示しており、前記モータフィードバック量が前記不感帯の領域を越えて操作量より大きい場合には位置比例制御手段３４は閉命令の操作指令を出力し、前記モータフィードバック量を前記第２の操作量へ近づけるようにモータ３によるバルブ４の弁開度を調節する。また、図４（ｃ）は、モータフィードバック量の現在値が第２の操作量と一致する場合の位置比例制御手段３４の制御特性を示しており、この場合、位置比例制御手段３４は開命令、閉命令いずれの操作指令も出力しない。
【００２３】
従って、この制御性重視モードが設定される場合には、操作量変化率設定手段２５により設定する操作量と不感帯設定手段３１により設定する不感帯の範囲とを状況に応じた制御性のよい値にそれぞれ設定することで制御性を重視した制御が実現できる。
【００２４】
次に、切替設定手段２４によりポテンシオ寿命重視モードが設定されている場合について説明する。このポテンシオ寿命重視モードが設定されていると、操作量変化率演算手段２７により前記演算式で演算された操作量変化率制限値が操作量変化率制限手段２９へ出力される。また、不感帯演算手段３２により前記演算式で演算された不感帯の範囲が位置比例制御手段３４へ出力される。前記操作量変化率制限値は、全開時間設定手段２６において制御機器１に設けられている図示していないキースイッチによりオペレータにより設定された前記全開時間と更新周期を利用して演算される。また、このとき前記演算のもとになる調整結果には誤差が存在しているため固定値である安全係数を乗じ、前記誤差のためにモータ３の１更新周期あたりの動作幅よりも前記演算結果が小さくなることを防止する。
【００２５】
なお、前記演算式により求められた操作量変化率制限値により第１の操作量の変化率を制限するということは次のような知見から行われるものである。すなわち、ＰＩＤ制御手段２３の出力した第１の操作量が大きく変化しても、モータ３の全閉から全開までの動作は、前記第１の操作量の変化に追従できず、時間を要し、モータ３の動作によるバルブ４の開閉速度以上に第１の操作量が変化しても前記モータ３は追従できない。従って、前記第１の操作量はモータ３の１更新周期あたりの動作幅分だけ変化し増減すればよく、このようなことから前記第１の操作量の変化をモータ３の１更新周期あたりの動作幅分だけの変化に制限する。
【００２６】
操作量変化率制限手段２９では、このようにして演算された操作量変化率制限値により第１の操作量の変化率を制限し、第２の操作量として位置比例制御手段３４へ出力する。位置比例制御手段３４では、不感帯演算手段３２において前記演算式をもとに演算された不感帯の範囲が設定された制御特性で、前記第２の操作量と前記モータフィードバック量とをもとに操作指令を生成しモータ３へ出力する。
【００２７】
図５は、切替設定手段２４においてポテンシオ寿命重視モードが設定されたときの位置比例制御手段３４の制御特性の一例を示しており、図５では不感帯演算手段３２により設定された不感帯の範囲は、操作量変化率演算手段２７で演算された操作量変化率制限値から計算して４更新周期分現在の値よりも第１の操作量が連続して一方向へ大きな値を取った場合に操作指令が出力されるような範囲、すなわち、操作量変化率演算手段２７で演算された操作量変化率制限値の８倍を不感帯の範囲としている。ただし、不感帯の範囲が広すぎると制御不能となるため不感帯の幅の上限を前記全開時間の２０％に対応する範囲に規定した。従って、操作量変化率演算手段２７で演算された操作量変化率制限値によっては最悪でも２更新周期でモータ３には操作指令が出力され、モータ３が駆動される。
【００２８】
図５（ａ）は、第１の操作量と第２の操作量とモータフィードバック量とが一致している状態を示し、この場合には位置比例制御手段３４は操作指令を出力しない。
【００２９】
図５（ｂ）は、図５（ａ）の状態で第１の操作量が大きく変化した１更新周期後を示している。この場合、位置比例制御手段３４へ出力される第２の操作量は前記第１の操作量の変化に追従せず、図３に一例として示したように、前記操作量変化率演算手段２７で演算した操作量変化率制限値により制限された操作量ＭＶ_１Ｔとなる。また、このときのモータフィードバック量は、前記大きく変化した第１の操作量によりモータ３の駆動が開始するとした場合の前記１更新周期後のモータフィードバック量として示されている。
【００３０】
図５（ｃ）は、図５（ｂ）の状態からさらに１更新周期後（２更新周期目）を示している。この場合、位置比例制御手段３４へ出力される第２の操作量は図３に示すように、前記操作量変化率演算手段２７で演算した操作量変化率制限値により制限された２更新周期目（２Ｔ）の操作量ＭＶ_２Ｔとなる。また、このときのモータフィードバック量は、前記大きく変化した第１の操作量によりモータ３の駆動が開始するとした場合の前記２更新周期目のモータフィードバック量を示している。
【００３１】
図５（ｄ）は、図５（ｃ）の状態からさらに１更新周期後（３更新周期目）を示している。この場合、位置比例制御手段３４へ出力される第２の操作量は図３に示すように、前記操作量変化率演算手段２７で演算した操作量変化率制限値により制限された３更新周期目（３Ｔ）の操作量ＭＶ_３Ｔとなる。また、このときのモータフィードバック量は、前記大きく変化した第１の操作量によりモータ３の駆動が開始するとした場合の前記３更新周期目のモータフィードバック量を示している。
【００３２】
図５（ｅ）は、図５（ｄ）の状態からさらに１更新周期後（４更新周期目）を示している。この場合、位置比例制御手段３４へ出力される第２の操作量は図３に示すように、前記操作量変化率演算手段２７で演算した操作量変化率制限値により制限された４更新周期目（４Ｔ）の操作量ＭＶ_４Ｔとなる。また、このときのモータフィードバック量は、前記大きく変化した第１の操作量によりモータ３の駆動が開始するとした場合の前記４更新周期目のモータフィードバック量を示している。
このとき、前述したように不感帯演算手段３２により設定された不感帯の範囲は、操作量変化率演算手段２７で演算された操作量変化率制限値から計算して４更新周期分現在の値よりも第１の操作量が連続して一方向へ大きな値を取った場合に操作指令が出力されるような範囲に設定されているため、４更新周期目（４Ｔ）の操作量ＭＶ_４Ｔ＞開命令の操作指令の閾値となり、位置比例制御手段３４からは開命令の操作指令が出力される。
【００３３】
すなわち、前記不感帯の範囲を規定する８更新周期内で操作量が例えば環境の変化やノイズなどにより一時的に変動しても位置比例制御手段３４からは操作指令は出力されず、モータ３の駆動回数が抑制されるため、ポテンシオメータを含む部品の長寿命化を図ることができる。
【００３４】
このように、実際のバルブ４における全開時間に基づいて操作量変化率が決定されるため、１更新周期あたりの操作量の変化量が明らかになり、第２の操作量の変化を実際の弁開度の変化に追従させることができる。また、不感帯についても前記決定された操作量変化率をもとに設定されるため、実際の弁開度の変化に対応した範囲に設定できる。この結果、操作指令が出力されないスキャン回数を予測でき、制御対象２における環境の変化やノイズなどの影響により制御対象２から出力される制御量に生じる変動に応じた操作量変化率と不感帯をそれぞれの現場における実際のバルブおよびそのバルブを駆動するモータに対応させ最適な値に設定でき、モータ３に設けられているポテンシオメータを含む部品の長寿命化を図ることができ、制御対象２の特性に応じた制御を実現できる制御装置が得られる効果がある。
【００３５】
参考例．
なお、前記実施の形態１では、ＰＩＤ制御手段２３から出力される第１の操作量を、操作量変化率演算手段２７で演算した操作量変化率制限値により制限し、前記操作量変化率制限値をもとに位置比例制御手段３４の不感帯の範囲を設定するように構成したが、モータ３へ出力する操作指令の演算結果を毎更新周期ではなく、前記更新周期より長い一定の周期でしか出力しないような構成にしてもよい。また、位置比例制御手段３４におけるモータ３への操作指令を出力する時間比例出力の出力ドライバ部分の演算結果へ渡すＰＩＤ操作量を一定期間更新しないような構成にしてもよい。また、位置比例制御手段３４におけるモータ３への操作指令を出力する時間比例出力の出力ドライバ部分の演算結果へ渡すＰＩＤ操作量に対しフィルタをかけるように構成してもよい。また、位置比例制御手段３４において開方向または閉方向への同一命令が操作指令として連続して一定回数出力される場合に開命令、閉命令とし、停止命令は即時行うような構成にしてもよい。あるいはまた、前記各構成のうちの２つ以上の構成を組み合わせるようにしてもよく、同様な効果が期待できる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、制御対象の制御量が設定値に一致するように操作指令を駆動手段へ出力し、前記駆動手段により駆動されるバルブの弁開度を制御する制御装置において、前記制御量と前記設定値とをもとに第１の操作量を出力する操作量演算手段と、前記操作量演算手段から出力された第１の操作量の変化率を操作量変化率制限値をもとに所定の操作量変化率以下に制限し、一定の周期毎に第２の操作量として出力する操作量変化率制限手段と、前記駆動手段に対し操作指令を出力しない不感帯が設定され、前記操作量変化率制限手段から出力された前記第２の操作量と、前記駆動手段により駆動される前記バルブの弁開度を示すフィードバック量とに基づいて、前記第２の操作量が前記不感帯の範囲外の値である場合、開若しくは閉の操作指令を出力する位置比例制御手段と、を備えるように構成したので、前記第２の操作量の変化率を抑えることができるため、環境の変化やノイズなどの影響により制御対象から出力される制御量に生じる変動に対し操作指令が出力される頻度を抑制でき、前記駆動手段に取り付けられている前記フィードバック量を取り出すための検出装置や操作指令出力用のリレーなどを含む部品の長寿命化を図れるとともに、制御対象の特性に応じた制御を実現できる効果がある。
【００３７】
この発明によれば、操作量変化率制限手段が第１の操作量を制限するときの操作量変化率制限値を、バルブの弁開度が全閉と全開との間を移動するのに要する全開時間及び第２の算出量を演算する周期とに基づいて演算し出力する操作量変化率演算手段により演算するように構成したので、第２の操作量の変化を実際の弁開度の変化に追従させることができ、これにより操作指令が出力されない更新周期回数を予測できるため、環境の変化やノイズなどの影響により制御対象から出力される制御量に生じる変動に対し実際の弁開度の変化に応じた最適な不感帯を設定でき、操作指令が出力される頻度を抑制でき、前記駆動手段に取り付けられているフィードバック量を取り出すための検出装置や操作指令出力用のリレーなどを含む部品の長寿命化を図れるとともに、制御対象の特性に応じた制御を実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１の制御システムにおける制御機器の構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態１の制御システムにおける第１の操作量と第２の操作量との関係の一例を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１の制御システムにおける制御性重視モードが選択されているときの位置比例制御手段の制御特性図である。
【図５】この発明の実施の形態１の制御システムにおけるポテンシオ寿命重視モードが選択されているときの位置比例制御手段の制御特性図である。
【図６】従来の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図７】従来の制御システムにおける制御機器の構成を示すブロック図である。
【図８】従来の制御システムにおける制御機器の位置比例制御手段の制御特性図である。
【符号の説明】
１制御機器
２制御対象
３モータ（駆動手段）
４バルブ
２２演算器（操作量演算手段）
２３ＰＩＤ制御手段（操作量演算手段）
２７操作量変化率演算手段
２９操作量変化率制限手段
３２不感帯演算手段
３４位置比例制御手段

Claims

制御対象の制御量が設定値に一致するように操作指令を駆動手段へ出力し、前記駆動手段により駆動されるバルブの弁開度を制御する制御装置において、
前記制御量と前記設定値とをもとに第１の操作量を出力する操作量演算手段と、
前記操作量演算手段から出力された第１の操作量の変化率を操作量変化率制限値をもとに所定の操作量変化率以下に制限し、一定の周期毎に第２の操作量として出力する操作量変化率制限手段と、
前記駆動手段に対し操作指令を出力しない不感帯が設定され、前記操作量変化率制限手段から出力された前記第２の操作量と、前記駆動手段により駆動される前記バルブの弁開度を示すフィードバック量とに基づいて、前記第２の操作量が前記不感帯の範囲外の値である場合、開若しくは閉の操作指令を出力する位置比例制御手段と、
を備えたことを特徴とする制御装置。
操作量変化率制限手段が第１の操作量を制限するときの操作量変化率制限値を、バルブの弁開度が全閉と全開との間を移動するのに要する全開時間及び第２の算出量を演算する周期とに基づいて演算し出力する操作量変化率演算手段により演算することを特徴とする請求項１記載の制御装置。