JP4593020B2

JP4593020B2 - Valve positioners and controllers

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Publication number: JP4593020B2
Application number: JP2001195392A
Authority: JP
Inventors: 輝男佐藤; 賢行小林
Original assignee: 工装サービス株式会社
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: JP2003014157A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロセス制御で使用される調節弁の弁開度を外部からの設定信号に対応するように制御するバルブポジショナ、およびこのようなポジショナに使用できる制御器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
バルブポジショナは、調節計等外部からの信号と調節弁操作部の駆動軸位置を外力に抗して比例関係に保つようにマイナーループで組んだフィードバック制御を行い、操作部が制御ループの中で十分に機能を発揮させるために用いられるものである。したがって、操作部全体として、応答性が良く単純な伝達特性を持つようにすることが好ましい。また、制御弁は設置される対象、位置、流量などにしたがってサイズや形式、流量特性など条件が異なるが、制御弁に付属させるポジショナは個々の対象ごとに合わせて設計製作して使用するのではコストが嵩むため、できるだけ共通に利用するように設計されている。このため、バルブポジショナに組み込まれる制御器は、比例積分微分演算を組み合わせたいわゆるＰＩＤ制御を行うように構成され、対象ごとに比例係数、積分時間、微分時間などのパラメータを最適化して使用する。
【０００３】
制御パラメータを調整するための目標となる制御の質を表す指標として行き過ぎ量、立ち上がり時間、整定時間を用いることができるが、立ち上がり時間と行き過ぎ量は一方を小さくすれば他方が大きくなる関係にあり、また、たとえば行き過ぎがないという条件下で最も速く整定するようにしたクリティカルダンピング（限界制動）を目標とすれば整定時間はかなり長くなる。
ＰＩＤ制御を用いるバルブポジショナでは、バルブ開度に行き過ぎが生じた場合に目標値方向に反転動作させるには操作部に生ずる慣性力及び静止摩擦力を打ち消すだけの強い操作出力が生じるまで待たなければならないので、整定時間が長くなる傾向があった。また、一旦行き過ぎが生じると行き過ぎを戻す力のため逆方向に行き過ぎが生じ、これを繰り返して制御が収束しなくなる場合もある。
このように、制御の質はどこかで妥協しなければならず、何をもって最適調整とするかは制御対象の特性と設計者の判断にゆだねられる。
【０００４】
ＰＩＤ制御法は古典制御理論において既に確立された技術であり、それぞれの要素について伝達関数を知れば簡単に最適調整ができる。しかし、制御ループ中の各要素について解析的に伝達関数を求めることは容易でない上、実際の対象は非線形特性を含むことが普通であるため厳密な伝達関数を得ることはできない。このため、実際にはステップ応答法や限界感度法など実地試験に基づいた近似手法を用いて最適調整用パラメータを求めている。
したがって、バルブポジショナの制御パラメータの最適値は、ポジショナが組み込まれる調節弁ごとに綿密な試験を行って決定しなければならない。
【０００５】
なお、電子式制御器と空気式調節弁を組み合わせる場合は、電子論理回路により制御演算を行うようにした電空ポジショナを調節弁に組み込むことが多い。このような電子回路では制御論理を比較的自由に選択できるので、制御系の特性に合わせた適当な処理を取り込むことにより良好な制御結果を得ることができる。
【０００６】
たとえば、特許第３０５７６３５号公報には、調節弁が全閉または全開状態にあることを検出したときに積分時間を短縮し、それが解除されたときに通常の制御状態における積分時間に戻すようにしたバルブポジショナが開示されている。この発明は、バルブの全閉全開時には積分器が飽和点まで積分するため弁を中間位置に戻すときに応答が鈍くなることに注目して行われたもので、調節弁を飽和状態から迅速に復帰させることにより調節弁の応答特性を改良することができる。
しかし、この開示発明は調節弁が可動領域の両端位置に達したときの応答性を改良するものであって、通常の制御動作で重要になる中間位置における制御性に係わるものではない。
【０００７】
また、特許第３０３９２６７号公報には、制御偏差の極性あるいは制御偏差の一次差分の極性に応じて比例係数などの制御パラメータを切り換えて制御演算するバルブポジショナが開示されている。開示発明のバルブポジショナにより、弁の駆動方向によって伝達特性が異なる場合に、弁開度の増減方向を検出してそれぞれの伝達特性に適合した制御を行うことができる。
しかし、この開示発明は、調節弁の駆動方向が切り替わっても最適なＰＩＤ制御動作を行うことができるようにしたもので、ＰＩＤ制御の線形性に起因する制御性能の制約を回避することはできない。また、組み合わせる調節弁が変わるたびに、最適パラメータを的確に設定するために必要とされる綿密な実物実験の繰り返しを避けることはできない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の課題は、行き過ぎ量を抑えつつより速やかに整定する優れた制御性を有するバルブポジショナと、そのようなバルブポジショナに適用することができる制御器を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のバルブポジショナは、設定値信号と調節弁の弁開度測定信号を入力し前者から後者を差し引いた偏差を出力する減算器と、この偏差を積分した第１積分値信号を出力する第１積分器と、第１積分器と並列に接続され偏差に比例した比例値信号を出力する比例器と、第１積分値信号と比例値信号を入力し加算して出力する加算器と、加算器の出力に所定の係数を乗じて出力する増幅器とを備えて制御演算を行い操作信号を出力する制御器を備えて、外部から与えられる設定値に対応するように調節弁の弁開度を制御する。
【００１０】
本発明のバルブポジショナは、上記の課題を解決するために、制御器がさらに、第１積分器と並列に配され偏差を積分して第２積分値信号を出力する第２積分器と、弁開度信号と設定値信号を入力し弁開度の状態を判定する弁開度状態判別器を備えて、弁開度状態判別器が弁開度信号の値が設定値信号の値に近付きつつあると判定する間は第２積分器は積分値をゼロ値など所定の初期値にし、逆に遠ざかりつつあると判定する間は第２積分器が偏差を積分して出力を加算器に加えるようにして、制御演算を行うことを特徴とする。
【００１１】
本発明のバルブポジショナによれば、弁開度が設定値に近づいている間は第２積分器の働きを停止して調節弁特性に適合するように選択された通常の比例積分動作を用いて適当な調整を行う。しかし、弁開度が設定値を行き過ぎて設定値から遠ざかりつつある期間は、第２積分器を働かせて行き過ぎ量を積分した第２積分値を加算するので、行き過ぎを抑える制動方向の力が加重され、従来の比例積分動作により生じる行き過ぎ量を抑制することができる。
弁開度が極値を過ぎて再び設定値に戻ろうとするときには、第２積分器の働きを停止する。
【００１２】
本発明のバルブポジショナでは、比例器と第１積分器を用いて実行される比例積分動作と比較すると行き過ぎ量が小さくなるため、行き過ぎ後の戻り方向に弁開度が変化したときの反対方向への行き過ぎ量は著しく減少する。したがって、所定の偏差以内に収束するための整定時間は著しく短縮化される。
また、第２積分器により行き過ぎ量を減少させることができるため、比例器と第１積分器の制御パラメータを行き過ぎ時間を短くするように選択して、系の応答性を向上させることができる。
【００１３】
本発明のバルブポジショナにおける第２積分器は、弁開度の行き過ぎ量が増えつつあるときのみ行き過ぎ量を積分して行き過ぎを減少させる方向に作用する。また、行き過ぎ量が減少する間は作用しないため、線形制御における積分器のように設定値に達する前の偏差は行き過ぎ抑制作用に影響を残さないので、逆方向の行き過ぎを増大させることがない。したがって、調節弁の伝達関数の如何に係わらず行き過ぎを抑制する効果を有するため、適当に大きな積分時間を選択すればよく、調節弁の形式や容量が変化して制御器の比例積分パラメータが変化した場合でも調整し直すことなく同じ第２積分器を適用することができる。なお、第２積分器の調整効果を大きくするためには、第１積分器の積分時間より短い積分時間を選択することが好ましい。
【００１４】
本発明のバルブポジショナは、上で説明したような特有の働きを有する第２積分器を制御器に付設したために、従来の線形制御方法と比較して、行き過ぎ量が小さくかつ整定時間も短い良好な応答性を備えるようにすることができる。したがって、本発明のバルブポジショナを組み込んだ調節弁を使用すれば、プロセス制御システム中の要素としての調節弁が制御性能に与える影響が小さくなり、良好な制御を行うことが容易になる。また、適用性が大きく、各種の調節弁に簡単に適用することができる。
【００１５】
なお、本発明のバルブポジショナにおいて、比例器、第１積分器、第２積分器、増幅器などがそれぞれ独立した要素として表されているが、これらの要素を複合して等価的な１個の電子回路として組み上げることができることはいうまでもない。また、論理回路やマイクロコンピュータを用いて論理演算により制御演算を行うこともできる。さらに、制御器に微分要素を備えて比例積分微分動作による制御を行うことができるようにしても良い。
【００１６】
本発明第２のバルブポジショナは、外部から与えられる設定値に対応するように調節弁の弁開度を制御するバルブポジショナであって、設定値信号を受けてＡ／Ｄ変換し弁開度目標信号値を出力する設定値信号Ａ／Ｄ変換部と、調節弁の弁開度信号を受けてＡ／Ｄ変換し弁開度位置信号値を出力する弁開度信号Ａ／Ｄ変換部と、制御演算部と、制御演算部が出力する操作信号値を受けてＤ／Ａ変換し操作信号を出力する制御操作信号Ｄ／Ａ変換手段とを備えることを特徴とする。
【００１７】
この制御演算部は、弁開度位置目標信号値から弁開度位置信号値を減じた偏差を算出する減算手段と、偏差の比例値を算出する比例手段と、偏差に第１積分係数を作用させて積分し第１積分値を算出する第１積分手段と、偏差に第２積分係数を作用させて積分し第２積分値を算出する第２積分手段と、偏差の極性を判定する偏差極性判定手段と、弁開度位置信号値の現在値から所定時間前の値を減じて弁開度差分を算出する弁開度差分算出手段と、偏差の比例値と第１積分値と第２積分値を加算する加算手段と、加算結果に所定の係数を乗じて制御演算を行い操作値として出力する操作量演算手段とを備える。
【００１８】
そして、偏差極性判定手段により偏差極性が負、すなわち弁開度位置が設定値より大きいと判定されかつ弁開度差分が正の値、すなわち弁開度が大きくなりつつあるとき、もしくは偏差極性が正、すなわち弁開度位置が設定値より小さいと判定されかつ弁開度差分が負の値、すなわち弁開度が小さくなりつつあるときは、第２積分値を加算して制御演算を行い操作値とする。また、偏差極性判定手段により偏差極性が正と判定されかつ弁開度差分が正の値であるときもしくは偏差極性が負と判定されかつ弁開度差分が負の値であるときは、第２積分値を初期化して制御演算を行い操作値とすることを特徴とする。
【００１９】
本発明第２のバルブポジショナは、制御演算部を備えて、主要な制御演算を論理演算により実行するようにしたものである。制御演算部が実行する制御演算は本発明第１のバルブポジショナで実行されるものと同じであるから、上記説明と同じ作用と効果を得ることができる。
なお、制御演算部がさらに偏差を微分して微分値を算出して加算手段に供給する微分手段を備えてもよい。
また、制御演算部が、マイクロコンピュータにより実行されるように構成されることが好ましい。さらに、Ａ／Ｄ変換器などを含めた制御器全体がプリント基板上に集積されていてもよい。
このように、電子回路を利用することにより、制御論理の選択性が著しく向上する上、設置するための容積が小さくなり、また設置位置が自由に選択できるようになるので、パラメータの調整が容易になりポジショナも小型になる。
【００２０】
次に、本発明の制御器は、設定値信号と制御量信号を入力し前者から後者を差し引いた偏差を出力する減算器と、求めた偏差を積分した第１積分値信号を出力する第１積分器と、第１積分器と並列に接続され偏差に比例した比例値信号を出力する比例器と、第１積分値信号と比例値信号を入力し加算して出力する加算器と、加算器の出力に所定の係数を乗じて出力する増幅器とを備えて制御演算を行い操作信号を出力する制御器である。
本発明の制御器は、上記課題を解決するため、さらに、第１積分器と並列に配されて上記の偏差を積分して第２積分値信号を出力する第２積分器と、制御量信号と設定値信号を入力し制御量の状態を判定する制御量状態判別器を備えている。そして、制御量状態判別器が制御量信号の値が設定値信号の値に近付きつつあると判定する間は第２積分器は積分値を初期化し、逆に遠ざかっていると判定する間は第２積分器は偏差を積分して出力を加算器に加えることを特徴とする。
なお、減算器と比例器と第１積分器と第２積分器と制御量状態判別器の部分はマイクロコンピュータにより構成するようにすることできる。
【００２１】
本発明の制御器は、本発明のバルブポジショナに適合する制御器であるが、さらに同様の制御性能が要求される各種の制御システムに適用することにより、行き過ぎ量が少なくかつ整定時間が短い良好なフィードバック制御を達成することができる。
また、制御器に線形要素のみを組み込んで制御する場合には、現場で実地試験を行って解明する伝達特性に基づいて最適な比例積分微分パラメータを厳密に決定しなければならない。これに対して、上に説明した特殊な作用効果を有する第２積分器を組み込んだ本発明の制御器を使用すれば、第２積分器を使用しないときに得られる制御状態に対して常に行き過ぎ量を減少させかつ整定時間を短くすることができる。したがって、異なる制御対象についても、線形要素のみでは立ち上がり速度が若干速くなり振動的な応答を行うような制御パラメータを適当に選択すれば、第２積分器の作用により十分に満足できる制御性を得ることができる。このため、本発明利用することにより制御パラメータの決定も容易になる効果もある。
【００２２】
【発明の実施の形態】
この発明について、以下に実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の１実施例のバルブポジショナを使用した調節弁制御システムを示すブロック図、図２は本実施例のプロセス制御系における位置を説明するブロック図、図３は本実施例の制御器部分の代表的な回路例を示す回路図、図４は本実施例の第２積分器の動作論理を説明するフローチャート、図５は第２積分器の出力変化を説明する出力図、図６と図７は本実施例を適用したときの効果を説明する出力図である。
【００２３】
図１は、本実施例のバルブポジショナを調節弁に適用して形成した操作部を示すブロック図である。また、図２は調節弁で構成された操作部を使用したフィードバック制御システムの例を示すブロック図である。
本実施例のバルブポジショナ１は調節弁２に組み込まれて局所的なフィードバック制御系からなる操作部３を構成し、調節弁の弁開度を調節器４の制御出力に対応する値に調整して調節弁を通過する流体の流量を調整する。調整された流体流量は操作量として制御対象５に作用して制御対象の制御量を制御する。制御量は検出器６で検出して調節器４に供給する。調節器４では目標値との偏差について所定の制御演算を施して偏差が無くなるようにする操作量を算定して操作部３に弁開度の目標値として供給する。
【００２４】
バルブポジショナ１は、図１に示すように、制御器１０と電空変換器４１と圧空式パイロットバルブ４３と弁開度センサ４５から構成され、調節弁２と組み合わせて使用する。
電空変換器４１は制御器１０の電気出力信号を入力して対応する圧空信号を出力する信号変換器である。パイロットバルブ４３は圧空源から圧空の供給を受けて圧空信号と対応する圧力を有する空気を大量に供給して調節弁２を駆動する駆動空気源である。弁開度センサ４５は、調節弁２のバルブステムに設けられるリンク機構を介して調節弁の弁開度を検出し測定信号を出力する弁開度変換器である。
【００２５】
制御器１０は、設定値信号Ａ／Ｄ変換器１１、制御操作信号Ｄ／Ａ変換器１２、弁開度信号Ａ／Ｄ変換器１３、および制御演算部２０を備える。
設定値信号Ａ／Ｄ変換器１１はプロセス制御系の調節器４から出力される調節弁２の弁開度目標値アナログ信号を論理回路からなる制御演算部に適合するデジタルの設定値信号ＳＶに変換するもの、制御操作信号Ｄ／Ａ変換器１２は制御演算部２０から出力されるデジタル操作値信号を電空変換器４１に適合するアナログの操作信号ＣＶに変換するもの、弁開度信号Ａ／Ｄ変換器１３は弁開度センサ４５のアナログ出力を制御演算部２０に適合するデジタルの弁開度信号ＰＶに変換するものである。
【００２６】
制御演算部２０は、減算器２１、微分器２２、比例器２３、第１積分器２４、加算器２５、増幅器２６、第２積分器２７、および制御量状態判別部３０で構成される。
減算器２１は、設定値信号ＳＶと弁開度信号ＰＶを入力し前者から後者を差し引いた制御偏差Ｅ＝ＳＶ−ＰＶを算出し出力する。微分器２２は設定された微分時間Ｔｄに従い偏差Ｅを微分し求めた値を出力する。比例器２３は比例帯として指定される比例係数Ｋｐに従って偏差Ｅの比例値を出力する。また、第１積分器２４は指定された積分時間Ｔｉに従って偏差Ｅを積分して第１積分値として出力する。これら演算素子の出力は加算器２５で重畳され、増幅器２６で適当なスケールの操作信号ＣＶとして出力される。
【００２７】
図３は、制御演算部に用いる演算回路の１例で、図１に示した演算を実際に行うことができる回路例を示す回路図である。
図に示した演算回路は、増幅器５１に入力インピーダンス（Ｚｉ）５２とフィードバックインピーダンス（Ｚｆ）を組み合わせたもので、入力電圧ｅｉと出力電圧ｅｏの関係は、ｅｏ／ｅｉ＝Ｚｆ／Ｚｉで表される。フィードバックインピーダンス（Ｚｆ）は、比例器（Ｚｆｐ）５３、第１積分器（Ｚｆｉ）５４、微分器（Ｚｆｄ）５５、およびさらに第２積分器としての容量素子（Ｃｉ２）５６を並列に結合して構成される。
【００２８】
なお、従来の電気式調節器や空気式調節器では、回路上の都合から比例積分微分動作の増幅器を共用することが多く、この場合は比例器の比例係数を１として微分値、積分値、比例値を加算した後で比例係数を掛けて出力とする。
本実施例においても、従来型調節器によって蓄積された技術的知見を活用する場合は、増幅器２６の増幅率を比例係数Ｋｐに設定し、比例器２３における比例係数は１として、加算器２５で加算した後の信号に対して、一律に比例係数を掛けて出力するようにすることもできる。
【００２９】
第２積分器の容量素子５６には両極端子を短絡する放電スイッチ５７と積分値の出力を遮断する接続スイッチ５８が設けられており、ふたつのスイッチは連動して相互に逆方向に開閉するようになっていて、放電スイッチ５７と接続スイッチ５８は制御量状態判別部３０により制御される。
第２積分器２７は、制御偏差Ｅを積分時間Ｔｉ２に基づいて積分し第２積分値として加算器２５の入力に加えるものであるが、制御量状態判別部３０を付帯し、制御量状態判別部３０の判定する弁開度の状態に基づいて特殊な積分演算を行うことを特徴とする。
すなわち、弁開度ＰＶが設定値ＳＶを越えて設定値ＳＶから離れつつあるときのみ制御偏差Ｅを入力して積分し、求めた第２積分値を加算器２５に加え、逆に設定値ＳＶに近づきつつあるときには第２積分値をゼロとして制御演算に作用させないようにする。
【００３０】
制御量状態判別器３０は、制御偏差Ｅの符号を判定する偏差極性判定器３１と、弁開度位置信号の現在値ＰＶ（ｎ）から所定時間前の値ＰＶ（ｎ−１）を減じて弁開度差分ΔＰＶ＝ＰＶ（ｎ）−ＰＶ（ｎ−１）を算出する弁開度差分算出器３２と、これらの出力から弁開度状態を判定する判定器３３から構成され、弁開度ＰＶが設定値ＳＶに近づきつつあるか遠ざかりつつあるかを判定して、第２積分器２７を制御する。
なお、ノイズの影響を抑えて適切な差分を算出するためには、適当な時間間隔を用いたり弁開度信号を平均化して用いる必要がある。また、差分に換えて適当なフィルタを通した後の弁開度信号を対象とした微分を用いることもできる。
【００３１】
図４は制御量状態判別器３０が実行する論理を示すフローチャートである。
図４のフローチャートを参照すると、制御量状態判別器３０は、初めに偏差極性判定器３１の出力を入力して、偏差Ｅの正負を調べる（Ｓ１０）。偏差Ｅが正であれば弁開度ＰＶは設定値ＳＶより小さいので、弁開度差分算出器３２の差分出力ΔＰＶの正負を調べて、その結果により処理を選択する（Ｓ２０）。
弁開度ＰＶが設定値ＳＶより小さい場合には、弁開度ＰＶが減少するときに設定値ＳＶから遠ざかり、弁開度ＰＶが増大するときに設定値ＳＶに近づく。
【００３２】
そこで、弁開度差分ΔＰＶが負であるときには、放電スイッチ５７を解放し接続スイッチ５８を短絡して第２積分器２７に偏差Ｅの積分を実行させると共に他の比例積分微分演算回路に接続して第２積分値出力を供給する（Ｓ３０）。
また、弁開度差分ΔＰＶが正であるときには、放電スイッチ５７を閉成し接続スイッチ５８を解放して、第２積分器２７を他の比例積分微分演算回路から切り離すと共に第２積分器２７の容量要素Ｃｉ２に貯まった電荷を放電して過去の蓄積をリセットする（Ｓ４０）。
【００３３】
一方、偏差Ｅが負のときは、弁開度ＰＶは設定値ＳＶを上に越えていることを前提として弁開度差分算出器３２の差分出力ΔＰＶの正負を調べる（Ｓ５０）。弁開度ＰＶが設定値ＳＶを越えている場合は、弁開度ＰＶが増加するときに設定値ＳＶから遠ざかり、弁開度ＰＶが減少するときに設定値ＳＶに近づく。
そこで、弁開度差分ΔＰＶが正であるときに、第２積分器２７に偏差Ｅの積分を実行させると共に制御演算回路に第２積分値出力を供給する（Ｓ３０）。
また、弁開度差分ΔＰＶが負であるときに、第２積分器２７を制御演算回路から切り離すと共に第２積分器２７をリセットする（Ｓ４０）。
【００３４】
このように制御量状態判別器３０により弁開度の状態を判断して、弁開度ＰＶが設定値ＳＶに近づきつつあるときにのみ微分器２２、比例器２３、第１積分器２４を用いた従来の比例積分微分演算に第２積分器２７を加重し、その他の条件下では従来の比例積分微分演算のみで制御演算を行う（Ｓ６０）。
【００３５】
図５は、本実施例の制御器を用いたバルブポジショナにおいて、弁開度設定値ＳＶをステップ変化させたときの弁開度ＰＶの変化と、弁開度変化に応じた制御量状態判別器３０と第２積分器２７の出力変化を模式的に示す波形図である。
設定値が大きな値に変化すると、これに追従して弁開度が大きくなる（領域ａ）。領域ａでは、第２積分器２７は使用せず、微分器２２と比例器２３と第１積分器２４を使って制御演算が行われる。
立ち上がり時間が若干短くなるように比例積分微分パラメータを選択しておくと、弁開度は設定値を超えて行き過ぎる。制御器１０に含まれる第１積分器２４や遅れ要素の影響で、制御器１０は弁開度が設定値に到達したときにも過去の偏差Ｅについて蓄積した演算結果に基づいて調節弁２を開ける方向に作用する操作信号を出力している。
【００３６】
本実施例の制御器１０は、さらに第２積分器２７と制御量状態判別器３０を備える。したがって、この領域ｂでは、制御量状態判別器３０の出力がオンとなり第２積分器２７が偏差Ｅを積分して徐々に大きな値を出力するので、制御器１０は偏差Ｅが大きくなるにつれて弁開度を減少させる方向に加速するような操作信号ＣＶを出力するようになる。
弁開度が設定値を超えてから極大値を示すまでの領域ｂでは、偏差Ｅの符号が変化するのに伴って、制御器１０は偏差Ｅが減少する方向に操作信号を変化させていき、遂には弁開度が極大値を取って反転し設定値に向かって減少するようになる。
【００３７】
弁開度が極値を過ぎて減少し始めてから設定値に到達するまでの領域ｃでは、制御量状態判別器３０の出力がオフとなり第２積分器２７がリセットされるので、制御演算器は通常の比例積分微分演算に基づいて弁開度を調整する。この領域ｃでは、第２積分器２７の作用が消滅するので、その前の領域ｂにおける偏差Ｅの第２積分値は制御演算に影響を及ぼさない上、その領域ｂにおける偏差Ｅが通常のＰＩＤ演算のみによる場合より小さくなっている。したがって、弁開度を減少させる力が小さくなり、設定値を下の方に横切るときの勢いが弱くなって下方行き過ぎ量が減少する。
【００３８】
弁開度が設定値を下回って弁開度が設定値から離れる方向に変化する領域ｄでは、再び制御量状態判別器３０の出力がオンとなり、第２積分器２７は偏差Ｅを積分して出力する。このため、制御演算器は偏差が大きくなるにつれて弁開度を減少させる方向に加速するような操作信号を出力するので、弁開度はやがて極小値に達し設定値に向けて反転する。
このように弁開度が行き過ぎて偏差が増加する場合に行き過ぎ量が通常の制御動作を行うより抑制され、行き過ぎを繰り返すごとに抑制効果が蓄積されるので整定時間が著しく短くなる。
【００３９】
なお、第２積分器２７の作用は積分時間Ｔｉ２が短い方が大きく、設定により調整することができる。
第２積分器２７は、通常の積分要素と異なり、弁開度が設定値に近付こうとする間にリセットされ設定値から離れる方向に変化する領域内の偏差Ｅのみ積分して制御演算に作用する。
このため、生じた偏差Ｅを抑制する作用しか持たないので、微分器２２、比例器２３、第１積分器２４に用いた比例積分微分パラメータの如何にかかわらず、積分時間Ｔｉ２を十分小さな値に選択することができる。
したがって、仕様の異なる調節弁にバルブポジショナを適用する場合にも、積分時間Ｔｉ２を変更しなくても使用することができる。
【００４０】
図６と図７は、本実施例を適用して調節弁を制御した例を示す出力波形図である。図は、時間を横軸に出力信号を縦軸にとり、設定値を２５％ステップ変化させて弁開度のインデシャル応答を観察したものである。
図中点線で表すグラフが第２積分器を用いないで調節弁を制御したときの弁開度変化、実線で表すグラフが第２積分器を取り込んだ本実施例の制御器を使用したときの弁開度変化である。
【００４１】
図６のケースは、多少振動的な振る舞いをするように制御パラメータを選択したものに対して、積分時間を５秒とした第２積分器を作用させたものである。行き過ぎ量が７１％から４５％と約０．６倍に減少し、整定時間が２２秒から９秒と約０．４倍に減少して、本発明の効果を証明している。
また、図７のケースは、通常のＰＩＤ動作で適正とされる制御パラメータを選択したものに対して、図６と同じ第２積分器を作用させたものである。この場合も、行き過ぎ量が４６％から２４％と約０．５倍に減少し、整定時間が５．１秒から３．４秒と約０．６６倍に減少している。
【００４２】
なお、上記実施例の説明ではＰＩＤ動作による制御演算を用いたが、調節弁の仕様によっては微分を用いず比例と積分を用いた制御演算によることもできる。
また、上記、図面を用いた説明では、理解を助けるため、アナログ演算回路により比例積分微分演算要素２２，２３，２４，２５，２６，２７を構成するものとしたが、これらをコンピュータが実行可能なプログラムやデジタル論理回路により構成することも可能である。デジタル演算処理により制御論理を組み立てるようにする場合は、取扱が容易になり回路構成や演算パラメータを簡単に変更して有効な制御を見出すことができる。
【００４３】
さらに、デジタル化することにより回路構成が単純かつ小型になるので、バルブポジショナ全体が小型化し低廉化する利益もある。特に単純なデジタル論理回路で構成した制御量状態判別部３０を含めてマイクロコンピュータを用いて構成する場合は、極めて効率の良い小型の装置とすることができる。
また、設定値信号Ａ／Ｄ変換器１１、制御操作信号Ｄ／Ａ変換器１２、弁開度信号Ａ／Ｄ変換器１３、およびデジタル演算回路２０を１枚のプリント基板上に搭載して組み込むと、バルブポジショナの大きさを著しく小型にすることができる。
【００４４】
さらに、本実施例では本発明の制御器をバルブポジショナに組み込んでマイナーループ内に使用したが、通常のフィードバック制御系におけるメインループに使用する調節器として使用しても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、プロセスのフィードバック制御を行う際に、第２積分器の働きにより、行き過ぎ量を抑制するとともに整定時間を短縮した良好な制御結果を得ることができる。特に調節弁に組み込むバルブポジショナの制御器に適用すると、調節弁の制御性が著しく改善され、応答性の良い良好な制御系を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例のバルブポジショナを使用した調節弁制御システムを示すブロック図である。
【図２】本実施例のプロセス制御系における位置を説明するブロック図である。
【図３】本実施例の制御器部分の代表的な回路例を示す回路図である。
【図４】本実施例の第２積分器の動作論理を説明するフローチャートである。
【図５】第２積分器の出力変化を説明する出力図である。
【図６】本実施例を適用したときの効果を説明する出力図である。
【図７】本実施例を適用したときの効果を説明する第２の出力図である。
【符号の説明】
１バルブポジショナ
２調節弁
３操作部
４調節器
５制御対象
６検出器
１０制御器
１１設定値信号Ａ／Ｄ変換器
１２制御操作信号Ｄ／Ａ変換器
１３弁開度信号Ａ／Ｄ変換器
２０制御演算部
２１減算器
２２微分器
２３比例器
２４第１積分器
２５加算器
２６増幅器
２７第２積分器
３０制御量状態判別部
４１電空変換器
４３圧空式パイロットバルブ
４５弁開度センサ
５１増幅器
５２入力インピーダンス（Ｚｉ）
５３比例器（Ｚｆｐ）
５４第１積分器（Ｚｆｉ）
５５微分器（Ｚｆｄ）
５６容量素子（Ｃｉ２）
５７放電スイッチ
５８接続スイッチ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a valve positioner that controls the valve opening of a control valve used in process control so as to correspond to a setting signal from the outside, and a controller that can be used for such a positioner.
[0002]
[Prior art]
The valve positioner performs feedback control in a minor loop so that the signal from the outside such as the controller and the drive shaft position of the control valve operating part are kept in a proportional relationship against external force, and the operating part is in the control loop. It is used for fully functioning. Therefore, it is preferable that the entire operation unit has a simple response characteristic with good responsiveness. In addition, the control valve has different conditions such as the size, type, and flow characteristics according to the installation target, position, flow rate, etc., but the positioner attached to the control valve is not designed, manufactured and used for each target. Since the cost increases, it is designed to be used as much as possible. For this reason, the controller incorporated in the valve positioner is configured to perform so-called PID control combined with proportional integral derivative operation, and optimizes and uses parameters such as proportional coefficient, integral time, and derivative time for each target.
[0003]
The overshoot amount, rise time, and settling time can be used as an index that represents the target control quality for adjusting the control parameter, but the rise time and overshoot amount have a relationship that increases when one is reduced. For example, if the target is critical damping (limit braking) that is set fastest under the condition that there is no overshoot, the settling time becomes considerably long.
In the valve positioner using the PID control, when the valve opening degree is excessive, in order to reverse the operation in the direction of the target value, it is necessary to wait until a strong operation output enough to cancel the inertial force and static friction force generated in the operation unit is generated. As a result, the settling time tended to be longer. Also, once overshoot occurs, overshoot occurs in the opposite direction due to the force to return overshoot, and there is a case where control is not converged by repeating this.
In this way, the quality of control must be compromised somewhere, and what is used for optimum adjustment depends on the characteristics of the controlled object and the judgment of the designer.
[0004]
The PID control method is a technique already established in the classical control theory, and optimal adjustment can be easily performed by knowing the transfer function for each element. However, it is not easy to analytically obtain a transfer function for each element in the control loop, and since an actual object usually includes nonlinear characteristics, a precise transfer function cannot be obtained. For this reason, the optimum adjustment parameter is actually obtained by using an approximation method based on a field test such as a step response method or a limit sensitivity method.
Therefore, the optimum value of the control parameter of the valve positioner must be determined by conducting a thorough test for each control valve in which the positioner is incorporated.
[0005]
In the case of combining an electronic controller and a pneumatic control valve, an electropneumatic positioner adapted to perform a control operation by an electronic logic circuit is often incorporated in the control valve. In such an electronic circuit, the control logic can be selected relatively freely, so that a good control result can be obtained by incorporating an appropriate process in accordance with the characteristics of the control system.
[0006]
For example, in Japanese Patent No. 3057635, the integration time is shortened when it is detected that the control valve is in a fully closed or fully opened state, and is returned to the integration time in the normal control state when it is released. A valve positioner is disclosed. The present invention was made by paying attention to the fact that when the valve is fully closed and fully opened, the integrator integrates to the saturation point, so that the response becomes dull when the valve is returned to the intermediate position. By returning, the response characteristic of the control valve can be improved.
However, this disclosed invention improves the response when the control valve reaches the both end positions of the movable region, and does not relate to the controllability at the intermediate position which is important in normal control operation.
[0007]
Japanese Patent No. 3039267 discloses a valve positioner that performs control calculation by switching a control parameter such as a proportional coefficient according to the polarity of the control deviation or the primary difference of the control deviation. With the valve positioner of the disclosed invention, when the transfer characteristic varies depending on the drive direction of the valve, it is possible to detect the increase / decrease direction of the valve opening and perform control suitable for each transfer characteristic.
However, according to the disclosed invention, the optimum PID control operation can be performed even if the drive direction of the control valve is switched, and it is impossible to avoid the restriction of the control performance due to the linearity of the PID control. . Further, every time the control valve to be combined is changed, it is impossible to avoid the repetition of a detailed real experiment required for accurately setting the optimum parameters.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a valve positioner having excellent controllability that settles more quickly while suppressing an overshoot amount, and a controller that can be applied to such a valve positioner.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The valve positioner of the present invention inputs a set value signal and a valve opening measurement signal of a control valve, outputs a deviation obtained by subtracting the latter from the former, and outputs a first integrated value signal obtained by integrating the deviation. 1 integrator, a proportional device connected in parallel with the first integrator and outputting a proportional value signal proportional to the deviation, an adder for inputting and adding the first integrated value signal and the proportional value signal, and adding An amplifier that multiplies the output of the controller by a predetermined coefficient and outputs a control signal, and a controller that outputs an operation signal to adjust the valve opening of the control valve so as to correspond to a set value given from the outside. Control.
[0010]
In order to solve the above problems, the valve positioner of the present invention further includes a second integrator in which a controller is arranged in parallel with the first integrator and integrates a deviation to output a second integrated value signal; A valve opening state discriminator is provided for determining the valve opening state by inputting the opening signal and the set value signal, and the valve opening state discriminator is approaching the value of the set value signal. While it is determined that there is, the second integrator sets the integration value to a predetermined initial value such as zero, and conversely, while it is determined that it is moving away, the second integrator integrates the deviation and adds the output to the adder. Thus, the control calculation is performed.
[0011]
According to the valve positioner of the present invention, while the valve opening is approaching the set value, the second integrator is stopped and the normal proportional integral operation selected so as to match the control valve characteristic is used. Make appropriate adjustments. However, during the period when the valve opening exceeds the set value and moves away from the set value, the second integral value obtained by integrating the overshoot amount by adding the second integrator is added. In addition, it is possible to suppress the amount of overshoot caused by the conventional proportional integration operation.
When the valve opening exceeds the extreme value and attempts to return to the set value again, the operation of the second integrator is stopped.
[0012]
In the valve positioner of the present invention, since the overshoot amount is smaller than the proportional integral operation performed using the proportional device and the first integrator, the reverse direction when the valve opening degree changes in the return direction after overshoot. The amount of overshoot is significantly reduced. Therefore, the settling time for convergence within a predetermined deviation is significantly shortened.
Further, since the overshoot amount can be reduced by the second integrator, the control parameters of the proportional and first integrators can be selected so as to shorten the overshoot time, thereby improving the response of the system.
[0013]
The second integrator in the valve positioner of the present invention acts in a direction to reduce the overshoot by integrating the overshoot amount only when the overshoot amount of the valve opening is increasing. Further, since it does not act while the overshoot amount decreases, the deviation before reaching the set value as in the integrator in the linear control does not leave an influence on the overshoot suppression action, and therefore does not increase the reverse overshoot. Therefore, it has the effect of suppressing overshooting regardless of the transfer function of the control valve, so an appropriately large integration time may be selected, and the proportional integral parameter of the controller changes as the type and capacity of the control valve change. In this case, the same second integrator can be applied without re-adjustment. In order to increase the adjustment effect of the second integrator, it is preferable to select an integration time shorter than the integration time of the first integrator.
[0014]
Since the valve positioner of the present invention has the second integrator having the specific function as described above attached to the controller, the overshoot amount is small and the settling time is short as compared with the conventional linear control method. Responsiveness can be provided. Therefore, if the control valve incorporating the valve positioner of the present invention is used, the influence of the control valve as an element in the process control system on the control performance is reduced, and good control can be easily performed. In addition, the applicability is great and it can be easily applied to various control valves.
[0015]
In the valve positioner of the present invention, the proportional unit, the first integrator, the second integrator, the amplifier, and the like are represented as independent elements, but these elements are combined to provide one equivalent electron. Needless to say, the circuit can be assembled. In addition, the control operation can be performed by a logical operation using a logic circuit or a microcomputer. Further, the controller may be provided with a differential element so that the control by the proportional integral differential operation can be performed.
[0016]
The second valve positioner of the present invention is a valve positioner that controls the valve opening degree of the control valve so as to correspond to a set value given from the outside, receives the set value signal, and performs A / D conversion to obtain a valve opening target. A set value signal A / D converter that outputs a signal value, a valve opening signal A / D converter that receives the valve opening signal of the control valve, performs A / D conversion, and outputs a valve opening position signal value; And a control operation signal D / A conversion unit that receives an operation signal value output from the control operation unit and performs D / A conversion and outputs an operation signal.
[0017]
The control calculation unit includes a subtracting means for calculating a deviation obtained by subtracting the valve opening position signal value from the valve opening position target signal value, a proportional means for calculating a proportional value of the deviation, and a first integral coefficient acting on the deviation. The first integration means for calculating and integrating the first integration value; the second integration means for calculating the second integration value by applying the second integration coefficient to the deviation; and the deviation polarity for determining the polarity of the deviation Determining means, valve opening difference calculating means for calculating a valve opening difference by subtracting a value of a predetermined time from the current value of the valve opening position signal value, a proportional value of deviation, a first integral value, and a second integral Adding means for adding values; and an operation amount calculating means for multiplying the addition result by a predetermined coefficient and performing control calculation to output as an operation value.
[0018]
And when the deviation polarity is negative by the deviation polarity judging means, i.e., the valve opening position is determined to be larger than the set value and the valve opening difference is a positive value, i.e., the valve opening degree is increasing, or the deviation polarity is When positive, that is, when the valve opening position is determined to be smaller than the set value and the valve opening difference is a negative value, that is, when the valve opening is becoming smaller, the second integral value is added to perform the control calculation. Value. When the deviation polarity is determined to be positive by the deviation polarity determination means and the valve opening difference is a positive value, or when the deviation polarity is determined to be negative and the valve opening difference is a negative value, the second An integral value is initialized and a control calculation is performed to obtain an operation value.
[0019]
The second valve positioner of the present invention is provided with a control operation unit, and performs a main control operation by a logical operation. Since the control calculation executed by the control calculation unit is the same as that executed by the first valve positioner of the present invention, the same operation and effect as described above can be obtained.
The control calculation unit may further include a differentiation unit that differentiates the deviation, calculates a differential value, and supplies the differential value to the addition unit.
Moreover, it is preferable that the control calculation unit is configured to be executed by a microcomputer. Further, the entire controller including the A / D converter may be integrated on the printed circuit board.
In this way, by using the electronic circuit, the selectivity of the control logic is remarkably improved, the volume for installation is reduced, and the installation position can be freely selected, so that parameter adjustment is easy. Therefore, the positioner is also small.
[0020]
Next, the controller of the present invention inputs a set value signal and a control amount signal, outputs a deviation obtained by subtracting the latter from the former, and outputs a first integrated value signal obtained by integrating the obtained deviation. An integrator, a proportional device connected in parallel with the first integrator and outputting a proportional value signal proportional to the deviation, an adder for inputting and outputting the first integrated value signal and the proportional value signal, and an adder And an amplifier that multiplies the output of the output by a predetermined coefficient and outputs the operation signal.
In order to solve the above problems, the controller of the present invention further includes a second integrator that is arranged in parallel with the first integrator, integrates the deviation, and outputs a second integrated value signal, and a control amount signal. And a control amount state discriminator that receives the set value signal and determines the state of the control amount. While the control amount state discriminator determines that the value of the control amount signal is approaching the value of the set value signal, the second integrator initializes the integration value, and conversely, The two integrator is characterized by integrating the deviation and adding the output to the adder.
Note that the subtractor, the proportional unit, the first integrator, the second integrator, and the control amount state discriminator can be configured by a microcomputer.
[0021]
The controller of the present invention is a controller suitable for the valve positioner of the present invention. However, by applying it to various control systems that require similar control performance, the overshoot amount is small and the settling time is short. Feedback control can be achieved.
In addition, when controlling by incorporating only linear elements into the controller, the optimal proportional-integral-derivative parameter must be strictly determined based on the transfer characteristics that are elucidated through field tests in the field. On the other hand, if the controller of the present invention incorporating the second integrator having the special effect described above is used, the control state always obtained when the second integrator is not used is always excessive. The amount can be reduced and the settling time can be shortened. Therefore, even for different control objects, if the control parameters are selected appropriately so that the rising speed is slightly faster with only linear elements and the oscillatory response is performed, the controllability sufficiently satisfactory can be obtained by the action of the second integrator. be able to. For this reason, the use of the present invention also has the effect of facilitating the determination of control parameters.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a control valve control system using a valve positioner of one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram for explaining positions in the process control system of this embodiment, and FIG. 3 is a control of this embodiment. FIG. 4 is a flowchart for explaining the operation logic of the second integrator of this embodiment, FIG. 5 is an output diagram for explaining the output change of the second integrator, and FIG. FIG. 7 is an output diagram for explaining the effect when this embodiment is applied.
[0023]
FIG. 1 is a block diagram showing an operation unit formed by applying the valve positioner of this embodiment to a control valve. FIG. 2 is a block diagram showing an example of a feedback control system using an operation unit composed of a control valve.
The valve positioner 1 of the present embodiment constitutes an operation unit 3 that is incorporated in the control valve 2 and includes a local feedback control system, and adjusts the valve opening of the control valve to a value corresponding to the control output of the regulator 4. To adjust the flow rate of the fluid passing through the control valve. The adjusted fluid flow rate acts on the control target 5 as an operation amount to control the control amount of the control target. The control amount is detected by the detector 6 and supplied to the adjuster 4. The controller 4 performs a predetermined control calculation on the deviation from the target value to calculate an operation amount that eliminates the deviation and supplies the calculated operation amount to the operation unit 3 as a target value of the valve opening.
[0024]
As shown in FIG. 1, the valve positioner 1 includes a controller 10, an electropneumatic converter 41, a pneumatic pilot valve 43 and a valve opening sensor 45, and is used in combination with the control valve 2.
The electropneumatic converter 41 is a signal converter that inputs an electrical output signal of the controller 10 and outputs a corresponding compressed air signal. The pilot valve 43 is a driving air source that receives a supply of compressed air from a compressed air source and supplies a large amount of air having a pressure corresponding to the compressed air signal to drive the control valve 2. The valve opening sensor 45 is a valve opening converter that detects the valve opening of the control valve via a link mechanism provided in the valve stem of the control valve 2 and outputs a measurement signal.
[0025]
The controller 10 includes a set value signal A / D converter 11, a control operation signal D / A converter 12, a valve opening signal A / D converter 13, and a control calculation unit 20.
The set value signal A / D converter 11 converts the valve opening target value analog signal of the control valve 2 output from the process control system adjuster 4 into a digital set value signal SV suitable for a control arithmetic unit comprising a logic circuit. The control operation signal D / A converter 12 converts the digital operation value signal output from the control calculation unit 20 into an analog operation signal CV suitable for the electropneumatic converter 41, and the valve opening signal A The / D converter 13 converts the analog output of the valve opening sensor 45 into a digital valve opening signal PV suitable for the control calculation unit 20.
[0026]
The control calculation unit 20 includes a subtractor 21, a differentiator 22, a proportional device 23, a first integrator 24, an adder 25, an amplifier 26, a second integrator 27, and a control amount state determination unit 30.
The subtractor 21 receives the set value signal SV and the valve opening signal PV, calculates and outputs a control deviation E = SV−PV obtained by subtracting the latter from the former. The differentiator 22 outputs a value obtained by differentiating the deviation E according to the set differentiation time Td. The proportional device 23 outputs a proportional value of the deviation E according to the proportional coefficient Kp designated as the proportional band. Further, the first integrator 24 integrates the deviation E according to the designated integration time Ti and outputs it as a first integrated value. The outputs of these arithmetic elements are superimposed by an adder 25 and output as an operation signal CV having an appropriate scale by an amplifier 26.
[0027]
FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of an arithmetic circuit used in the control arithmetic unit, which can actually perform the arithmetic operation shown in FIG.
The arithmetic circuit shown in the figure is a combination of amplifier 51 with input impedance (Zi) 52 and feedback impedance (Zf), and the relationship between input voltage ei and output voltage eo is expressed by eo / ei = Zf / Zi. The The feedback impedance (Zf) is obtained by connecting a proportional device (Zfp) 53, a first integrator (Zfi) 54, a differentiator (Zfd) 55, and a capacitive element (Ci2) 56 as a second integrator in parallel. Composed.
[0028]
It should be noted that conventional electric regulators and pneumatic regulators often share an amplifier for proportional-integral-derivative operation due to circuit problems. In this case, the proportional coefficient of the proportional device is set to 1, and the differential value, integral value, After adding the proportional value, it is multiplied by the proportional coefficient to produce an output.
Also in this embodiment, when utilizing the technical knowledge accumulated by the conventional regulator, the amplification factor of the amplifier 26 is set to the proportional coefficient Kp, the proportional coefficient in the proportional device 23 is set to 1, and the adder 25 It is also possible to output the signal after the addition by uniformly multiplying the proportional coefficient.
[0029]
The capacitive element 56 of the second integrator is provided with a discharge switch 57 for short-circuiting both pole terminals and a connection switch 58 for cutting off the output of the integral value, and the two switches are interlocked to open and close in opposite directions. The discharge switch 57 and the connection switch 58 are controlled by the control amount state determination unit 30.
The second integrator 27 integrates the control deviation E based on the integration time Ti2 and adds it as a second integral value to the input of the adder 25. The second integrator 27 is accompanied by a control amount state determination unit 30 and controls the control amount state. A special integration calculation is performed based on the state of the valve opening determined by the unit 30.
That is, the control deviation E is input and integrated only when the valve opening PV exceeds the set value SV and is away from the set value SV, and the obtained second integrated value is added to the adder 25, and conversely, the set value SV is set. When approaching the value, the second integral value is set to zero so as not to affect the control calculation.
[0030]
The control amount state discriminator 30 subtracts the value PV (n−1) of a predetermined time from the deviation polarity determiner 31 that determines the sign of the control deviation E and the current value PV (n) of the valve opening position signal. A valve opening difference calculator 32 for calculating a valve opening difference ΔPV = PV (n) −PV (n−1) and a determination unit 33 for determining a valve opening state from these outputs are provided. It is determined whether the PV is approaching or moving away from the set value SV, and the second integrator 27 is controlled.
In order to suppress the influence of noise and calculate an appropriate difference, it is necessary to use an appropriate time interval or average the valve opening signal. Moreover, it is also possible to use differentiation for the valve opening signal after passing through an appropriate filter instead of the difference.
[0031]
FIG. 4 is a flowchart showing the logic executed by the control amount state discriminator 30.
Referring to the flowchart of FIG. 4, the control amount state discriminator 30 first inputs the output of the deviation polarity discriminator 31 and checks the sign of the deviation E (S10). If the deviation E is positive, the valve opening PV is smaller than the set value SV. Therefore, the positive / negative of the difference output ΔPV of the valve opening difference calculator 32 is checked, and the process is selected based on the result (S20).
When the valve opening PV is smaller than the set value SV, the valve opening PV is moved away from the set value SV when the valve opening PV decreases, and approaches the set value SV when the valve opening PV increases.
[0032]
Therefore, when the valve opening difference ΔPV is negative, the discharge switch 57 is released and the connection switch 58 is short-circuited to cause the second integrator 27 to perform integration of the deviation E and to be connected to another proportional-integral-derivative operation circuit. Then, the second integrated value output is supplied (S30).
When the valve opening difference ΔPV is positive, the discharge switch 57 is closed and the connection switch 58 is released to disconnect the second integrator 27 from other proportional-integral-derivative operation circuits and The charge stored in the capacitive element Ci2 is discharged to reset the past accumulation (S40).
[0033]
On the other hand, when the deviation E is negative, the positive / negative of the differential output ΔPV of the valve opening difference calculator 32 is examined on the assumption that the valve opening PV exceeds the set value SV (S50). When the valve opening PV exceeds the set value SV, the valve opening PV moves away from the set value SV when the valve opening PV increases, and approaches the set value SV when the valve opening PV decreases.
Therefore, when the valve opening difference ΔPV is positive, the second integrator 27 is caused to integrate the deviation E, and the second integrated value output is supplied to the control arithmetic circuit (S30).
Further, when the valve opening difference ΔPV is negative, the second integrator 27 is disconnected from the control arithmetic circuit and the second integrator 27 is reset (S40).
[0034]
In this way, the state of the valve opening is determined by the control amount state discriminator 30, and only when the valve opening PV is approaching the set value SV, the differentiator 22, the proportional device 23, and the first integrator 24 are used. The second integrator 27 is weighted to the conventional proportional integral differential calculation, and the control calculation is performed only by the conventional proportional integral differential calculation under other conditions (S60).
[0035]
FIG. 5 shows a change in the valve opening PV when the valve opening set value SV is changed in steps in the valve positioner using the controller of this embodiment, and a control amount state discriminator corresponding to the change in the valve opening. 30 is a waveform diagram schematically showing changes in the output of 30 and the second integrator 27. FIG.
When the set value changes to a large value, the valve opening increases following this (region a). In the region a, the second integrator 27 is not used, and the control calculation is performed using the differentiator 22, the proportional device 23, and the first integrator 24.
If the proportional integral differential parameter is selected so that the rise time is slightly shorter, the valve opening exceeds the set value and goes too far. Due to the influence of the first integrator 24 and the delay element included in the controller 10, the controller 10 controls the control valve 2 based on the calculation result accumulated for the past deviation E even when the valve opening degree reaches the set value. An operation signal that acts in the opening direction is output.
[0036]
The controller 10 of the present embodiment further includes a second integrator 27 and a controlled variable state discriminator 30. Accordingly, in this region b, the output of the control amount state discriminator 30 is turned on, and the second integrator 27 integrates the deviation E and gradually outputs a large value. Therefore, the controller 10 increases the valve as the deviation E increases. An operation signal CV that accelerates in the direction of decreasing the opening is output.
In the region b from when the valve opening degree exceeds the set value to the maximum value, the controller 10 changes the operation signal in a direction in which the deviation E decreases as the sign of the deviation E changes. Eventually, the valve opening takes the maximum value, reverses, and decreases toward the set value.
[0037]
In the region c from when the valve opening degree starts to decrease beyond the extreme value and reaches the set value, the output of the control amount state discriminator 30 is turned off and the second integrator 27 is reset. The valve opening is adjusted based on normal proportional integral differential calculation. In this region c, the action of the second integrator 27 disappears, so that the second integral value of the deviation E in the previous region b does not affect the control calculation, and the deviation E in the region b is a normal PID. It is smaller than the case using only calculation. Therefore, the force for decreasing the valve opening is reduced, the momentum when the set value is crossed downward is weakened, and the amount of excessive overtravel is reduced.
[0038]
In the region d in which the valve opening is less than the set value and the valve opening changes in a direction away from the set value, the output of the control amount state discriminator 30 is turned on again, and the second integrator 27 integrates the deviation E. Output. For this reason, the control calculator outputs an operation signal that accelerates in a direction to decrease the valve opening as the deviation increases, so that the valve opening eventually reaches a minimum value and reverses toward the set value.
In this way, when the valve opening degree is excessive and the deviation increases, the excessive amount is suppressed rather than performing the normal control operation, and the suppression effect is accumulated every time the excessive operation is repeated, so that the settling time is remarkably shortened.
[0039]
The action of the second integrator 27 is larger when the integration time Ti2 is shorter, and can be adjusted by setting.
Unlike the normal integration element, the second integrator 27 is reset while the valve opening degree is about to approach the set value, and integrates only the deviation E within a region that changes in a direction away from the set value, and performs control calculation. Works.
For this reason, since it only has an effect of suppressing the generated deviation E, the integration time Ti2 is set to a sufficiently small value regardless of the proportional-integral-derivative parameter used in the differentiator 22, the proportional unit 23, and the first integrator 24. You can choose.
Therefore, even when the valve positioner is applied to the control valve having different specifications, it can be used without changing the integration time Ti2.
[0040]
6 and 7 are output waveform diagrams showing an example in which the control valve is controlled by applying this embodiment. In the figure, the time response is plotted on the horizontal axis, the output signal is plotted on the vertical axis, and the set value is changed in 25% steps, and the indental response of the valve opening is observed.
The graph represented by the dotted line in the figure shows the change in the valve opening when the control valve is controlled without using the second integrator, and the graph represented by the solid line shows the case where the controller of this embodiment incorporating the second integrator is used. This is a change in valve opening.
[0041]
In the case of FIG. 6, the second integrator with an integration time of 5 seconds is applied to the control parameter selected so that it behaves somewhat oscillating. The overshoot amount is reduced by about 0.6 times from 71% to 45%, and the settling time is reduced from about 22 seconds to about 0.4 times from 9 seconds to prove the effect of the present invention.
In the case of FIG. 7, the same second integrator as in FIG. 6 is applied to the control parameter that is appropriate in the normal PID operation. Also in this case, the overshoot amount is reduced from 46% to 24% by about 0.5 times, and the settling time is reduced from 5.1 seconds to 3.4 seconds to about 0.66 times.
[0042]
In the description of the above embodiment, the control calculation based on the PID operation is used. However, depending on the specification of the control valve, the control calculation using proportionality and integration can be performed without using differentiation.
Further, in the above description using the drawings, in order to help understanding, the proportional integral differential element 22, 23, 24, 25, 26, 27 is configured by an analog arithmetic circuit, but these can be executed by a computer. It is also possible to configure with simple programs and digital logic circuits. When the control logic is assembled by digital arithmetic processing, handling becomes easy, and effective control can be found by simply changing the circuit configuration and arithmetic parameters.
[0043]
Further, since the circuit configuration becomes simple and small by digitization, there is an advantage that the entire valve positioner is reduced in size and cost. In particular, when a microcomputer is used including the control amount state determination unit 30 configured by a simple digital logic circuit, a very efficient and compact device can be obtained.
Further, the set value signal A / D converter 11, the control operation signal D / A converter 12, the valve opening signal A / D converter 13, and the digital arithmetic circuit 20 are mounted on a single printed board and incorporated. As a result, the size of the valve positioner can be significantly reduced.
[0044]
Furthermore, in this embodiment, the controller of the present invention is incorporated in the valve positioner and used in the minor loop. However, the same effect can be obtained even if it is used as a regulator used in the main loop in a normal feedback control system. Needless to say.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when the process feedback control is performed, it is possible to obtain a good control result in which the amount of overshoot is suppressed and the settling time is shortened by the action of the second integrator. In particular, when applied to a controller for a valve positioner incorporated in a control valve, the controllability of the control valve is remarkably improved, and a good control system with good responsiveness can be configured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a control valve control system using a valve positioner according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a position in a process control system according to the present embodiment.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a typical circuit example of a controller portion of the present embodiment.
FIG. 4 is a flowchart illustrating the operation logic of the second integrator of the present embodiment.
FIG. 5 is an output diagram illustrating an output change of a second integrator.
FIG. 6 is an output diagram for explaining an effect when this embodiment is applied.
FIG. 7 is a second output diagram for explaining an effect when the present embodiment is applied;
[Explanation of symbols]
1 Valve positioner
2 Control valve
3 Operation part
4 controller
5 Control target
6 Detector
10 Controller
11 Setpoint signal A / D converter
12 Control operation signal D / A converter
13 Valve opening signal A / D converter
20 Control calculation part
21 Subtractor
22 Differentiator
23 Proportional device
24 First integrator
25 Adder
26 Amplifier
27 Second integrator
30 Control amount state determination unit
41 Electro-pneumatic converter
43 Pneumatic pilot valve
45 Valve opening sensor
51 amplifier
52 Input impedance (Zi)
53 Proportional device (Zfp)
54 1st integrator (Zfi)
55 Differentiator (Zfd)
56 Capacitance element (Ci2)
57 Discharge switch
58 Connection switch

Claims

A subtractor that outputs a deviation obtained by subtracting the latter from the former by inputting a set value signal and a valve opening measurement signal of the control valve; a first integrator that outputs a first integral value signal obtained by integrating the deviation; A proportional device connected in parallel with one integrator and outputting a proportional value signal proportional to the deviation; an adder for inputting and adding the first integral value signal and the proportional value signal; and an output of the adder And a controller for performing a control operation and outputting an operation signal, and further comprising: a second integral that is arranged in parallel with the first integrator and integrates the deviation A second integrator that outputs a value signal; and a valve opening state discriminator that inputs the valve opening signal and the set value signal to determine the state of the valve opening, While it is determined that the value of the valve opening signal is approaching the value of the set value signal, The integrator initializes an integral value, and conversely, while determining that the integrator is moving away, the second integrator integrates the deviation and adds an output to the adder. A valve positioner that controls the valve opening of the control valve to correspond to the set value given by

A set value signal A / D converter that receives the set value signal and A / D converts and outputs a target valve opening signal value, and a A / D converter that receives the valve opening signal of the control valve and converts the valve opening position signal Valve operation signal A / D conversion unit for outputting a value, control calculation unit, and control operation signal D / A conversion for receiving an operation signal value output from the control calculation unit and D / A converting and outputting an operation signal A subtracting means for calculating a deviation by subtracting the valve opening position signal value from the valve opening position target signal value, and a proportional value of the deviation. A proportional means for calculating, a first integrating means for calculating a first integral value by applying a first integral coefficient to the deviation, and a second integrating value by integrating a second integrating coefficient for calculating the first integrated value. From the second integration means for calculating, the deviation polarity determining means for determining the polarity of the deviation, and the current value of the valve opening position signal value A valve opening difference calculating means for calculating a valve opening difference by subtracting a value before a predetermined time; an adding means for adding the proportional value, the first integral value and the second integral value; and a predetermined coefficient for the addition result Control arithmetic unit that performs control calculation by multiplying and outputs as an operation value, and when the deviation polarity determination unit determines that the deviation polarity is negative and the valve opening difference is a positive value or the deviation When it is determined that the polarity is positive and the valve opening difference is a negative value, the second integral value is added to perform the control calculation to obtain an operation value, and the deviation polarity is determined by the deviation polarity determination means. And when the valve opening difference is a positive value or when the deviation polarity is determined negative and the valve opening difference is a negative value, the second integrated value is initialized and the second integral value is initialized. A controller characterized by performing control calculations and operating values. Ete, valve positioner for controlling the valve opening degree of the regulating valve so as to correspond to the set value given from the outside.

The valve positioner according to claim 2, wherein the control calculation unit further includes a differentiation unit that differentiates the deviation to calculate a differential value and supplies the differential value to the addition unit.

The valve positioner according to any one of claims 2 to 3, wherein the control calculation unit is executed by a microcomputer.

The valve positioner according to any one of claims 2 to 4, wherein the controller is integrated on a printed circuit board.

A subtractor that inputs a set value signal and a control amount signal and outputs a deviation obtained by subtracting the latter from the former, a first integrator that outputs a first integrated value signal obtained by integrating the deviation, and a parallel to the first integrator Connected to each other, and outputs a proportional value signal proportional to the deviation, an adder that inputs the first integrated value signal and the proportional value signal, adds them, and outputs a predetermined coefficient to the output of the adder. A controller that outputs an operation signal by performing a control operation, and further outputs a second integrated value signal that is arranged in parallel with the first integrator and integrates the deviation. A second integrator; and a control amount state discriminator that inputs the control amount signal and the set value signal and determines a state of the control amount, wherein the control amount state discriminator sets the value of the control amount signal to the setting While determining that the value of the value signal is approaching, the second integrator Controller value to initialize, the inter determines that the away Conversely said second integrator, characterized in that added output by integrating the deviation to the adder.

7. The controller according to claim 6, wherein the subtractor, the proportional unit, the first integrator, the second integrator, and the control amount state discriminator are executed by a microcomputer.