JP4608548B2 - プロセス制御デバイスのフィードバック制御を切り替えるためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般にプロセス制御デバイスに関するものであり、さらに詳細には、複数のフィードバック制御機構を有するプロセス制御デバイスを制御するためのシステムおよび方法に関するものである。

本出願は、２００４年８月４日に出願された、「プロセス制御デバイスのフィードバック制御を切り替えるためのシステムおよび方法」という表題を有する米国特許仮出願第６０／５９８，７０１号に基づく優先権を主張しており、本明細書において参照することにより、そこに開示されている全内容をここに援用するものとする。

弁／アクチュエータ組立体または他のプロセス制御デバイスを制御するために、さまざまな制御機構を用いることが可能である。たとえば、弁コントローラは、弁／アクチュエータ組立体の制御にフィードバック制御の形態を通常用いている。フィードバック制御は、エラー信号に依存しており、エラー信号は、所望の設定値信号とセンサからのフィードバック信号との間の差に基づいており、フィードバック信号は、弁／アクチュエータ組立体の動作を示す情報を提供している。弁コントローラの出力は補正制御信号であり、従来、補正制御信号はエラー信号に比例している空圧信号であった。

空圧駆動式アクチュエータが依然として普及しているが、従来の制御デバイスは、空圧式でないエレメントも搭載している。したがって、空圧信号は、電子式のコントローラ、センサまたはトランスデューサ（たとえば、デジタル式の弁コントローラ）により通常測定される。さらに具体的にいえば、電子式コントローラが、エラー信号を処理するための制御ルーチンを実行して制御信号を生成し、この制御信号が、電流または他のアナログの制御信号に変換され、このアナログ信号が、弁コントローラ内の電流−圧力トランスデューサの如き電空コンバータに供給されて空圧信号が生成される。以下に記載の一部の具体例では、このような制御信号のことを、アナログまたはデジタルとは関係なく、駆動信号と呼ぶ。

ほとんどの場合、駆動信号は、３つのタイプの制御アルゴリズムのうちの１つから生成される：（ｉ）比例； （ｉｉ）比例および微分； （ｉｉｉ）比例、微分および積分。比例（Ｐ）タイプの制御アルゴリズムは、エラー信号に正比例する駆動信号を生成する。比例および微分（ＰＤ）タイプの制御アルゴリズムは、エラー信号に比例する信号とエラー信号の変化率に比例する信号との合計である駆動信号を生成する。比例、微分および積分（ＰＩＤ）タイプの制御アルゴリズムは、エラー信号に比例する信号と、エラー信号の変化率に比例する信号と、エラー信号の積分に比例する信号との合計である駆動信号を生成する。

エラー信号が決まるフィードバック信号は、弁／アクチュエータ組立体の動作を直接的にまたは間接的に示しうる。たとえば、弁／アクチュエータ組立体を通過する流量の１つの表示には、弁の位置を示す信号を生成する位置センサが関与しうる。したがって、設計された弁／アクチュエータ組立体は、弁位置を検出するために、位置センサと弁との間に機械的リンク機構を備えている場合が多い。位置センサは、機械的リンク機構に接続されて、弁位置信号を生じる。位置センサに基づくフィードバック制御機構を備えているシステムは、位置制御に依存しているといわれることが多い。

空圧駆動式アクチュエータを備えている弁用のコントローラは、位置制御装置の代わりに圧力センサを用いている。この場合、圧力センサは、弁を通る流れの量を示す情報を提供する。というのは、弁／アクチュエータ組立体のアクチュエータがバネを備え、このバネの圧縮が、バネに加えられる圧力にほぼ比例するからである。この制御機構はしばしば圧力制御と呼ばれる。

古いプロセスコントローラ、特にマイクロコンピュータ以前のプロセスコントローラは、しばしば位置制御ではなく圧力制御に依存している場合が多い。これらのシステムの近代化により、システムの一部のコンポーネントは、デジタル制御の様相を呈するために、交換または更新された。たとえば、弁用の空気圧制御装置を、デジタル式のコントローラに取り替えることができた。プラント全体の停止の回避には及ばないもののプロセスの停止を回避するために、新しいデジタル式の弁コントローラには、交換工程および設置工程を単純化すべく圧力制御が用いられていた。このようにして、弁／アクチュエータ組立体の交換または変更を必要とすることなく、古い空圧式制御装置を交換することができた。したがって、古い空圧式デバイスの交換およびそれに伴う新しいデジタル式コントローラの設置が、弁またはさらに一般的にはプロセスの稼働を妨げるまたは停止させることなく行われた。この交換および設置プロセスは、ホットカットオーバ（ｈｏｔ ｃｕｔｏｖｅｒ）として知られている。

ホットカットオーバによる設置が可能なデジタル式コントローラの一例としては、エマソンプロセスマネージメント−フィッシャ社（マーシャルタウン、アイオワ州）により製造されているＦＩＥＬＤＶＵＥ（登録商標）デジタル式弁コントローラ型ＤＶＣ５０００シリーズ、特にＤＶＣ５０００ｆ、ファームウェア、バージョン９が挙げられる。このＤＶＣ５０００ｆは、ホットカットオーバを可能とするために、圧力センサと、それに関連する圧力制御ルーチンとを備えている。また、ＤＶＣ５０００ｆコントローラは、位置センサと、位置制御に互換性のある設置のために位置制御を選択する機能とをさらに備えている。上述のように、交換を伴う設置のほとんどが位置制御に対応していなかった。これらの場合には、弁と位置センサとの間に機械的リンク機構を設置するには、弁の交換またはメンテナンスが要求され、プロセスを停止する可能性が非情に高かった。したがって、ＤＶＣ５０００ｆは、まず圧力制御がフィードバック機構として動作している状態で、設置されることになる。プロセスまたはプラントが停止したとき、弁／アクチュエータ組立体が位置制御を行うように構成されることになる。したがって、ＤＶＣ５０００ｆコントローラの設置および使用は、２つのステップの工程からなっているのがほとんどであり、これらの２つのステップの工程には、デジタル式圧力制御へホットカットオーバする最初のステップと、そのあと、停止中にリンク機構ならびに他の機械的コンポーネントおよび／または弁コンポーネントが設置されると、位置制御の選択を行うステップとが含まれていた。手動による位置制御の選択を可能とするために、オペレータによる利用が可能となされているインターフェイスにより、制御パラメータを変更して圧力制御から位置制御へ切り換える選択肢が提供されていた。

正常運転中は、位置フィードバックによる弁の制御が、弁の動作をより間接的に示す他のフィードバック機構と較べて好まれる。残念なことに、位置フィードバックのみを用いる制御は、故障しうる位置検出機構に全面的に依存することになってしまう。従来のデジタル式の弁コントローラは、位置センサの故障イベントまたは位置センサの故障に関連する他の不測の事態を受けても弁を依然として連続的に動作させるようには構成されていない。フィードバック制御の本質に起因しておよびその当然の成り行きとして、弁は、調子の良い状態にあるにもかかわらずセンサが故障しているために、動作不能状態におかれてしまう場合がある。一旦動作不能状態におかれてしまうと、弁は、プロセスまたはプラントの望ましくないかつ必要でもない停止を引き起こしてしまうことがある。

本発明の１つの態様によれば、プロセス制御デバイスの動作を示すフィードバック情報を生成する第一のセンサおよび第二のセンサを備えているプロセス制御デバイスのコントローラは、第一の制御モードに従ってプロセス制御デバイスを制御するために、第一のセンサからのフィードバック情報に基づいて第一の駆動信号を生成するための第一のサーボ制御モジュールと、第二の制御モードに従ってプロセス制御デバイスを制御するために、第二のセンサからのフィードバック情報に基づいて第二の駆動信号を生成するための第二のサーボ制御モジュールとを備えている。かかるコントローラは、第一のセンサからのフィードバック情報に基づいて第一の制御モードから第二の制御モードへプロセス制御デバイスの動作の制御を切り替えるためのフィードバック制御切替モジュールをさらに備えている。

一部の実施形態では、フィードバック制御切替モジュールは、第一のセンサからのフィードバック情報がプロセス制御デバイスの動作をもはや十分に示していないことを検出することができる故障検出モジュールを備えている。フィードバック制御切替モジュールは、第一の制御モードから第二の制御モードへプロセス制御デバイスの制御を切り替えることを開始するというユーザコマンドに応答しうる。

フィードバック制御切替モジュールは、第一のセンサからのフィードバック情報の記録を維持するメモリを有しうる。次いで、フィードバック制御切替モジュールは、このフィードバック情報のうちの第一のセンサから直前に受信した劣化していないデータを示す部分を抽出することができる。第二のサーボ制御モジュールは、第一の制御モードから第二の制御モードへプロセス制御デバイスの制御を切り替える間においてプロセス制御デバイスの不連続な移動を最小限に抑えるために、フィードバック情報のうちの劣化していないデータを示す部分に基づいて調節される出力信号を有する積分コントローラコンポーネントを備えうる。

一部の場合には、フィードバック制御切替モジュールおよび第二のサーボ制御モジュールは、第一の制御モードから第二の制御モードへのプロセス制御デバイスのフィードバック制御の切り替えに向けて、第一の駆動信号に基づいて第二の駆動信号を調節するように構成されている。第二の駆動信号は、フィードバック制御が切り替えられると、第一の駆動信号と第二の駆動信号とが等しくなるように調節されうる。第二のサーボ制御モジュールは、積分コントローラコンポーネントを備えうる。この積分コントローラコンポーネントの出力信号は、フィードバック制御の切り替えに向けて、第二の駆動信号が制御信号と等しくなるように調節されるようになっている。積分コントローラコンポーネントはアキュムレータを備えうる。また、アキュムレータは、フィードバック制御の切り替えに向けて第二の駆動信号を調節するようにリセットされうる。これに代えてまたはこれに加えて、第二のサーボ制御モジュールは、フィードバック制御切替モジュールから指示されると、第二の駆動信号の調節に用いる制御信号に基づいて調節係数を連続的に計算するようになっている。

本発明の他の態様によれば、プロセス制御デバイスを制御する方法は、第一のサーボ制御モードに従ってプロセス制御デバイスを制御するための第一の駆動信号を生成するステップと、第二のサーボ制御モードに従ってプロセス制御デバイスを制御するための第二の駆動信号を生成するステップと、第一のサーボ制御モードに従って、第一の駆動信号からプロセス制御デバイスのための制御信号を生成するステップとを有している。かかる方法は、制御信号に応答してプロセス制御デバイスの動作を示すフィードバック信号を受信するステップと、制御信号が第二の駆動信号から生成されるように、フィードバック信号に基づいてプロセス制御デバイスの動作中にプロセス制御デバイスの制御を第二のサーボ制御モードに切り替えるステップとをさらに有している。

一部の実施形態では、制御を切り替えるステップは、プロセス制御デバイスの動作の不良を検出するステップを有している。不良を検出するステップは、第一のサーボ制御モードに関連するプロセス制御デバイスのセンサが故障したか否かを判断するためにフィードバック信号を解析するステップを有しうる。フィードバックを解析するステップ、不良を検出するステップおよび制御を切り替えるステップは、自律的に行なわれても良い。

第一のサーボ制御モードおよび第二のサーボ制御モードは、それぞれ対応して、プロセス制御デバイスの位置センサおよび圧力センサに応答しうる。この場合および他の場合には、かかる方法は、制御を切り替えるステップが、センサからのデータ（たとえば、位置センサからの位置データ）の記録のうち劣化していないデータを示す情報を抽出するステップをさらに有するように、フィードバック信号のデータの記録を維持するステップを有しうる。

一部の場合には、第二の駆動信号を生成するステップは、フィードバック信号に基づいて第二の駆動信号を初期化するステップを有している。第二の駆動信号を初期化するステップは、フィードバック信号に基づいて第一の駆動信号の切替値を計算するステップを有しうる。第二の駆動信号を初期化するステップは、第一の駆動信号の切替値に基づいて第二のサーボ制御モードに関連する積分コントローラの出力を調節するステップを有しうる。積分コントローラを調節するステップは、第一の駆動信号と第二の駆動信号とが等しくなるようにセットするステップを有しうる。

それに代えてまたはそれに加えて、開示されている方法は、プロセス制御デバイスの動作を示す第二のフィードバック信号を受信するステップをさらに有していても良い。制御を切り替えるステップは、第一のフィードバック信号に基づいて制御信号の切り替えレベルを生成するステップを有しうる。また、第二の駆動信号を生成するステップは、第二のフィードバック信号および制御信号の切り替えレベルに基づいて第二の駆動信号の初期レベルを計算するステップを有しうる。初期レベルを計算するステップは、第二のフィードバック信号から比例コントローラおよび微分コントローラの値を計算するステップを有しうる。また、初期レベルを計算するステップは、制御信号の切り替えレベルと比例コントローラおよび微分コントローラの値の合計との間の差に基づいて、第二のサーボ制御モードに関連する積分コントローラのアキュムレータ出力をリセットするステップを有しうる。

本発明のさらに他の態様によれば、かかる方法は、プロセス制御デバイスの動作を示すフィードバック情報を生成する第一のセンサおよび第二のセンサを備えているプロセス制御デバイスを制御するにあたって有益である。第一のセンサからのフィードバック情報に基づいて、第一の駆動信号が生成され、この第一の駆動信号が、プロセス制御デバイスの動作を制御するために、プロセス制御デバイスに供給される。プロセス制御デバイスの制御は、第一の駆動信号に基づいて第二の駆動信号をまず生成することにより、第二のセンサに基づく第二の駆動信号に切り替えられる。

開示のコントローラおよび方法にはさまざまな実施形態が可能であるが、本発明の特定の実施形態が図面で示されている（そして、以下に記載されている）。これは、例示のみを意図したものであり、本発明を、本明細書に記載され図示されている特定の実施形態に制限することを意図したものでない。

開示のコントローラおよび方法についてより完全に理解するためには、次の詳述および添付の図面を参照されたい。

開示のコントローラおよび方法は、弁の如きプロセス制御デバイスのためのフィードバック制御機構に関するものである。開示のコントローラおよび方法が空圧式駆動弁とともに詳細に記述されているが、開示のコントローラおよび方法は、他の方法で駆動される弁および弁以外のプロセス制御デバイスに対して用いられるおよび実行されるのにもふさわしい。したがって、開示のコントローラおよび方法は、プロセス制御ネットワーク内のいかなるデバイスとともに用いられても良いしまたは実行されても良いが、特に、制御に利用可能な２つ以上の可能性のあるフィードバック機構を備えているデバイスに対して用いるのに非常に適している。さらに、開示のコントローラおよび方法を同一のまたは類似のタイプの２つのフィードバック制御とともに用いることも可能であるが、本明細書に記載の例示の実施形態は、２つの異なる制御機構間におけるフィードバック制御の切り替えを背景にしてコントローラおよび方法を呈示している。したがって、たとえば、開示のコントローラおよび方法は、同一タイプの２つのセンサ（たとえば、主用位置センサと、バックアップ位置センサまたは第二の位置センサ）に基づいてフィードバック制御を提供するような場合に用いられても良い。

一般的にいえば、本明細書に記載のコントローラおよび方法は、プロセス制御デバイスのフィードバック制御を切り替える状況において有用となる。また、開示のコントローラおよび方法は、（ｉ）フィードバック制御機構に関連する故障が発生した場合にプロセス制御デバイスを連続的に稼働させるおよび（ｉｉ）フィードバック制御を切り替える間においてプロセス制御デバイスを滑らかに稼働させることを担保するにあたって非常に有用である。このような制御の切り替えを、円滑に、連続的に、および／または、遮断なく実行することができる限り、プロセス制御デバイスが動作しているプロセスの停止または他の混乱を回避することができる。開示のコントローラおよび方法が、機能不良または他の故障に直面した場合に、連続的な稼働を支えるように構成されているが、かかるコントローラおよび方法は、フィードバック制御の切り替えにおけるいかなる特定の背景または状況にも限定されない。事実、一部の実施形態では、フィードバック制御の切り替えは、オペレータの判断によって、全体的にまたは部分的に開始または制御される場合もある。

開示されているコントローラおよび方法にかかるフィードバック制御の切り替えは、現時点におけるフィードバック制御スキームにより用いられているセンサ、すなわち制御を切り替えるまえに弁の動作を示す情報を伝達しようとしているセンサにより生成されるフィードバック情報に基づいている。すなわち、この制御の切り替えは、現時点におけるフィードバック制御スキームにより用いられているセンサにより生成されるフィードバック情報に依存している。たとえば、フィードバック制御の切り替えは、フィードバック情報が弁の動作をもはや十分に示していないという解析的な判断または他の判断が引き金となって引き起こされても良い。この場合、フィードバック制御の切り替えは、弁が間違ったフィードバック情報に基づいて不適切な位置へと導かれるまえに、その信頼性が認証される。開示されているコントローラおよび方法により実施される他のタイプの切り替えは、次のまたは目標のフィードバック制御スキームが、まず、前のまたは最初のフィードバック制御スキームにより弁を残されていった位置の近傍またはその位置と同一の位置に弁を位置付けすることを担保すべくフィードバック情報を用いることを通常含んでいる。したがって、目標のフィードバック制御スキームは、制御の切り替えにより、付随するセンサが、独立して作用し、弁を劇的におよび／または急激に移動させるであろうエラー信号（および、駆動信号）を生成することになっていたであろうか否かとは関係なく、弁を円滑に動作させるように調節される。あるいは、現時点のフィードバック制御スキームが、センサが故障している状況のように、間違ったフィードバック情報に基づいて動作していると疑われている場合、制御の切り替えは、弁を、（最も新しいフィードバック情報ではなく、最初のフィードバック制御スキームの終了時に居たであろう位置に対応している、）有効と考えられている最後のフィードバック情報に関連する位置に位置付けするように調節される目標のフィードバック制御スキームを必要としうる。また、第一の切り替えが、故障したセンサまたは他の機能不良のデバイスによりもたらされた場合、かかるコントローラおよび方法は、故障したセンサまたは他のデバイスを交換または修理したあと最初のフィードバック制御スキームへ戻るための円滑な第二の切り替えを担保するために用いられることが一般的である。

図１を参照すると、複数のフィードバック制御機構間においてフィードバック制御を切り替えることができる例示のコントローラが、１０で包括的に示されている。一部の場合には、コントローラ１０は、弁１２の複数のフィードバック制御スキームを実行するためにソフトウェアまたはコードが埋め込まれているデジタル式の弁コントローラである。以下でさらに説明するように、コントローラ１０は、弁１２の制御用の２つ以上のフィードバック制御ルーチンを実行するための複数のサーボ制御モジュールを備えうる。コントローラ１０およびそのサーボ制御モジュールの各々は、フィードバック制御スキームおよびフィードバック制御ルーチンに関連するソフトウェアまたはコードを実行するように構成されたデジタル式マイクロプロセサベースのコンピュータにより実行されうる。この例では、位置制御サーボモジュール１４および圧力制御サーボモジュール１６は、それぞれ対応する位置センサ１８および圧力センサ２０により生成されるフィードバック信号を通じて、弁１２の動作を示すフィードバック情報を受信する。位置センサ１８は、弁１２の位置、すなわち弁開度（ｖａｌｖｅ ｔｒａｖｅｌ）を直接示すフィードバック情報を提供し、圧力センサ２０は、弁の移動を駆動する方法に起因して弁１２の位置を間接的に示すフィードバック情報を提供する。

また、位置制御サーボモジュール１４および圧力制御サーボモジュール１６は、配線２１を通じて、コントローラ１０への入力信号として、図１に示されている弁１２のための設定値を示すデータを受信する。なお、コントローラ１０は、任意の入力／出力ハードウェア（図示せず）、さらに一般的には配線２１を通じて提供されるデータ、または、位置センサ１８、圧力センサ２０およびそれらに接続されたその他のデバイスによって提供される信号の解釈に適している任意の機能を備えている。そのようなハードウェアおよび機能は、当業者にとって周知のことであり、本明細書においてさらに詳細に記載することはしない。但し、コントローラ１０が、デジタル処理の準備においてアナログーデジタル変換の如きいかなる適用可能な変換をも実行することができるということは指摘しておく。

弁１２の本質が開示のコントローラおよび方法の実施と密接に関係していないので、弁１２の動作を詳細に記載することはしない。事実、弁１２は、フィードバックを通じて制御されるいかなるプロセス制御デバイス、特に、動作が２つ以上のセンサにより独立して評価されうるいかなるデバイスであっても良い。前記の場合、位置センサ１８および圧力センサ２０によって弁１２または他のデバイスを独立して評価することにより、２つの独立した制御スキームが可能となる。一般的に、２つ以上の制御スキームが異なるタイプの制御スキームを呈示する必要はないが、その代り、２つ以上の同一のタイプのセンサの形態をとることによりある程度の冗長性を有していても良い。

制御スキームの性質にかかわらず、ある時点における弁１２の動作は、アクチュエータ２２を駆動する制御スキームのうちの１つの実行に依存している。制御の切り替え間の電力を節約するために、コントローラ１０は、ある時点における実行を１つの制御スキーム（すなわち、アクチュエータ２２の駆動に責務を有するスキーム）に制限しても良いものの、より一般的にいえば、たとえば制御の切り替え中における遅延を回避する目的で、いかなる数の制御スキームが同時に実行されても良い。アクチュエータ２２は、弁１２の位置または状態を変更するための機械力を提供している。弁１２およびアクチュエータ２２は、弁１２をアクチュエータ２２に接続している機械的連結器２４を備えている弁／アクチュエータ組立体を形成している。一般的にいえば、機械的連結器２４とアクチュエータ２２の他のコンポーネントとは、入力を、弁１２を移動させるために必要とされる機械力に変換しうる。位置センサ１８は、弁１２の位置を導出するために、機械的連結器２４のようなアクチュエータのコンポーネントまたは弁／アクチュエータ組立体の他のコンポーネントと通信状態におかれうる。たとえば、位置センサ１８は、機械的リンク機構２６（図１に点線により示されている）を通じて弁／アクチュエータ組立体に構造的にリンクされていても良いが、当業者に知られているその他のモードの通信（たとえば、光学的通信）が用いられても良い。

この例示の実施形態では、アクチュエータ２２は、バネにより付勢されているコンポーネント（図示せず）を備えており、このコンポーネントには、他の空気圧配管と同様に図１において破線により示されている空気圧配管２８を通じて、空気圧が加えられている。配管２８内の空気または他の流体は、空気制御デバイス３０により供給されている。この空気制御デバイス３０は、電流−圧力トランスデューサと、リレイの如き空気制御用の他の共通のコンポーネントまたは配管３２を通じて供給される空気の圧力増幅用の他のコンポーネントとを備えうる。

アクチュエータ２２内のバネにより付勢されているコンポーネントは、空気圧の力による作用を受けると、アクチュエータ２２の有効バネ定数に応じて変位される。次いで、この変位は、機械的連結器２４および他の中間のコンポーネントに基づいて、弁１２の位置と相関関係を有することができる。その結果、配管２８内の流体の圧力は、間接的ではあるが、弁を流れる流量の表示情報を導出するために用いられうる。この表示情報が弁位置を間接的に示すために、圧力センサ２０により生成されるデータは、位置を測定する方法の如き他の検出方法により提供されるデータほど正確ではない場合がある。したがって、圧力センサ２０および関連する圧力制御サーボモジュール１６は、たとえば一または複数の他のフィードバック制御スキームのバックアップ（または、予備）として用いられるためのコントローラ１０に対する二次的な（または、主要ではない）役割を果たしうる。

位置センサ１８および圧力センサ２０は、配線３６、３８を通じて、それぞれ対応するフィードバック信号をコントローラ１０に送り返すようになっている。これらの２つのフィードバック信号により、正常運転用の主要機構と動作のバックアップモードまたは予備モード用の二次機構とからなる２つのフィードバック制御機構が確立される。一般的に、最も高い精度または優先性を有するフィードバック信号、この場合位置センサ１８からの配線３６上の信号が、いずれのフィードバック制御機構が主要機構として機能するのかを決定しうる。この場合、主要なフィードバック制御機構は、位置制御サーボモジュール１４による位置制御ルーチンの実行を必要とする。このような実行は、たとえば、位置センサ１８および位置制御スキームが正常に動作している（たとえば、位置センサ１８の仕様範囲内にあるかまたはそうでなければ弁位置の正確な表示情報を提供している）限り、継続されうる。位置センサ１８がもはや弁位置の正確な表示情報を提供していない場合または位置制御スキームがその他の理由で不適切に動作していると疑われている場合、コントローラ１０は、二次制御機構、すなわち圧力制御サーボモジュール１６により実行される圧力制御ルーチンへの切り換えを行うことができる。このようにして、コントローラ１０は、弁作動を維持して、弁１２が作動しているプロセスまたはプラントの停止を回避するようになっている。

各フィードバック信号は、センサの故障または他のフィードバック制御の機能不良を検出するために、切替・故障検出モジュール４０へ供給される。図１に示されているように、切替・故障検出モジュール４０は、以下でさらに詳細に説明されるように、各フィードバック信号の古い値に加えて、２つのフィードバック制御スキームの動作を示す他のデータまたは情報を格納するためのメモリを備えうる。切替・故障検出モジュール４０は、故障または機能不良が検知された場合に、コントローラ１０の制御選択スイッチ４２を切り換えることができる制御信号を生成するようになっている。このように、位置制御スキーム、すなわち主要制御スキームから圧力制御スキームへ移るという自主的な意志決定は、位置制御スキームが効果的に動作し続けているか否かに基づいている。切替・故障検出モジュール４０は、フィードバック信号に応答して、位置制御スキームに関連するフィードバック信号（すなわち、位置センサ１８によって生成される信号）、位置制御スキームにより生成されうる駆動信号（フィードバック信号に基づいている）、または、位置制御スキームの動作を示すその他の情報またはデータの解析に基づいて、制御の伝達を指示するようになっている。たとえば、切替・故障検出モジュール４０は、位置センサ１８が、リンク機構の故障により、オフライン状態になっていることまたは仕様の範囲外の信号を提供していることを検出しうる。

制御選択スイッチ４２は、リレイの如き物理的なスイッチである必要がなく、それに代えて、コントローラ１０内のソフトウェアまたはファームウェアにより実現されても良い。その結果、制御信号は、スイッチのタイプに対して適切な複数の形態（たとえば、デジタル、アナログなど）のうちのいずれか１つの形態をとりうる。いずれの場合であっても、制御選択スイッチ４２は、フィードバック制御スキームにより生成される駆動信号、この場合位置制御サーボモジュール１および圧力制御サーボモジュール１６により生成される駆動信号のうちの１つを選択する。次いで、制御選択スイッチ４２により選択された駆動信号は、デジタル制御信号、アナログ制御信号または他の電子制御信号として、空気制御デバイス３０へと送信される。

図１の実施形態によると、配線４４は、位置制御サーボモジュール１４を圧力制御サーボモジュール１６に接続している。配線４４は、２つのフィードバック制御スキーム間の通信リンクを表し、したがって、一方の実行されているフィードバック制御ルーチンから他方のフィードバック制御ルーチンへデータの通信を表しうる。したがって、配線４４は、ソフトウェアまたはファームウェアにより実現されても良く、コントローラ内の物理的なハードワイヤを構成する必要はない。以下でさらに詳細に説明するように、複数の制御スキーム間の通信により、制御の円滑な切り替えが可能となる。さらに具体的にいえば、目標フィードバック制御スキームの最初の実行は、駆動信号、フィードバック信号または先のもしくは最初の制御スキームによりもしくはそれとの関連により生成される他のデータに基づいて、一方のスキームから他方のスキームへとフィードバック制御を円滑に切り替えうる。このような制御の切り替えは、切替・故障検出モジュール４０に関連して先に説明したように、故障またはか機能不良から発生する必要はない。たとえば、このような制御の切り替えは、オペレータの自由裁量により生じても良い。しかし、円滑に制御の切り替えを担保することを願望することには変わらない。このような自由裁量による制御の切り替えは、故障または機能不良に関連する問題が対処されたあとで、フィードバック制御を、第二の制御スキームから主要制御スキームへと切り替えて戻すことに関連して発生しうる。主要制御スキームへ制御を切り替えて戻すという決断またはより一般的にはその他のフィードバック制御の切り替えは、図１に示されているように、コントローラ１０へ入力信号を供給するユーザ選択配線４６を通じて、ユーザまたはオペレータにより引き起こされても良いしまたは指示されても良い。当業者にとって明らかなように、ユーザ選択配線４６およびそれを通じて送信される入力信号が、パラメータ選択機能を提供するユーザインターフェイスにより実現されても良い。

配線４８、５０は、それぞれ対応して、切替・故障検出モジュール４０と位置制御サーボモジュール１４および圧力制御サーボモジュール１６との間の通信リンクを表わしている。このような通信は、フィードバック制御ルーチンの実行を開始するためにコマンドを搬送することを含みうる。また、このような通信は、フィードバック制御の円滑な切り替えの実行を支援するために、双方向でありうる。このように、２つの制御スキーム間の通信は、配線４４を通じて直接である必要がなく、それに代えて、配線４８、５０および切替・故障検出モジュール４０を通じて、間接的に遂行されても良い。

図２には、本発明の１つの実施形態に関連してコントローラ１０（図１）により実行されるフィードバック制御ルーチンが示されている。フィードバック制御ルーチンは、コントローラ１０の一または複数のメモリに格納されマイクロプロセッサにより実行される組み込みコードのうちの一部を形成しうる。このような組み込みコードおよびそれにより実行されるフィードバック制御ルーチンのステップは、位置制御サーボモジュール１４（図１）、圧力制御サーボモジュール１６（図１）および切替・故障検出モジュール４０（図１）のうちの一または複数に関連付けされうる。コントローラ１０の動作、すなわち図２のルーチンの実行は、自律的であっても良いし、これに代えてまたはこれに加えて、オペレータ制御により開始および終了されても良い。いずれの場合であっても、一旦開始されると、ルーチンは、弁／アクチュエータ組立体の自立的制御を実現する動作ループを形成する。また、動作ループは、何時であっても、ルーチンの実行を再開または終了する権利を含むユーザーベースの制御を実現する。

ルーチンは、ブロック６０において第一のフィードバック制御スキームおよび第二のフィードバック制御スキームの識別または選択から開始しうる。たとえば、制御選択スイッチ４２（図１）は、この時、コントローラ１０により生成される制御信号が位置制御サーボモジュール１４（図１）により生成される駆動信号から主として導かれるように、セットされても良い。あるいは、制御選択スイッチ４２が既にセットされており、第一のフィードバック制御スキームおよび第二のフィードバック制御スキームが、弁１２およびその関連するコンポーネントの特性（ｎａｔｕｒｅ）に基づいて、前もって決まっているまたは確定されている。一般的にいえば、制御スキームの識別は、関連するセンサの入手可能性により、図１の例示の実施形態では、第一の制御スキームが位置制御スキームであり第二の制御スキームが圧力制御スキームであるように決定される。一旦第一の制御スキームが選択されると、コントローラ１０は、ブロック６２において開始ルーチンを実行しうる。開始ルーチンは、コントローラ１０のコンポーネント（たとえば、位置制御サーボモジュール１４のＰＩＤコントローラ）をリセットし、第一の制御スキームに関連するセンサ（たとえば、位置センサ２６）がオンライン状態であるまたは他の方法で動作可能状態にあることを確認することを含みうる。いうまでもなく、コントローラ１０は、この時点で、第一のフィードバック制御ルーチンに加えてフィードバック制御ルーチンを初期化し、（バックグラウンドで）実行し始めても良い。また、初期化ルーチンは、一以上のセンサおよび／または弁／アクチュエータ組立体用の校正手順を含んでいても良い。たとえば、自動校正手順は、アクチュエータ／弁組立体の「ベンチセット」を決定するために、既存の位置センサ校正データを用いうる。この手続きにより、弁１２を完全に開くおよび閉じるのに必要な圧力範囲が提供される。次に、この圧力範囲は、アクチュエータ２２に加えられる圧力の圧力制御範囲を確立またはセットし、所望の弁位置の０〜１００％を対応する圧力にマッピング（関連付け）しうる。

コントローラ１０が初期化ルーチンを実行したあと、現時点におけるフィードバック制御スキームが、ブロック６４において実行される。図１の例示の実施形態では、位置制御サーボモジュール１４は、現在の設定値や、位置センサ１８からのフィードバック情報の如き他の入力データを受信し、次いで、そのデータを処理して、駆動信号を生成する。以下において、駆動信号が生成される方法をさらに説明する。しかし、一般的にいえば、駆動信号は、標準型ＰＩＤコントローラ技術および制御アルゴリズムを用いてブロック６４において生成されても良い。

また、フィードバック制御エラー検出ステップが実行される。図１の例示の実施形態では、エラー検出ステップは、切り替え故障検出モジュール４０により実行されうる。図示されているように、たとえば図２のルーチンでは、制御は、センサ故障エラーが生じたかまたは他のフィードバック制御エラーが生じたかを判断する判定ブロック６６に渡される。センサ故障には、センサがオフライン状態になったことを示すフィードバック情報が伴いうる。あるいは、フィードバック情報は、可能でない弁位置を示しても良い。フィードバック情報がオフライン状態または機能不良のセンサを示しうる他の方法は、そのセンサの仕様範囲の外にあるデータを搬送する方法である。また、今日または将来において当業者に公知となっているセンサまたは他の不良または故障を検出するための他の方法がさらに用いられても良い。

ブロック６６のエラー検出ステップの実行がブロック６４における駆動信号の生成のあとに続ものとして示されており、その結果、駆動信号（または、フィードバック信号から生成される他の信号またはデータ）もまたエラー検出チェックの一部として分析されうることになる。あるいは、ブロック６６が、駆動信号の生成のまえにまたはそれと同時に実行されても良い。そのような場合、エラー検出ステップは、センサに故障が生じたか否かを解析することに主として向けられても良い。他の実施形態では、ブロック６４は、フィードバック情報が処理されるにつれて、フィードバック情報を評価することを含んでも良い。たとえば、位置制御サーボモジュール１４（図１）は、位置センサ１８が仕様範囲の外で動作しているのかまたは他の方法で故障しているかを、定期的にチェックして判定しうる。実施形態によっては、コントローラ１０が、位置センサ１８（および、他のセンサ）のそのような評価を連続的に行なっている場合もある。したがって、いうまでもなく、ブロック６６は、ルーチン中の他のブロックとともにおよび／またはルーチンの他のポイントにおいて、実行されても良い。したがって、開示されている制御方法を実行するにあたって、図２に示されている通りの完全なステップの順序に制限されない。まだ、他の変形を加えることにより、代替えの（および／または付加的な）故障検出ステップが可能となることは、当業者にとって明らかである。

一般的にいえば、フィードバック制御エラーが検出されない場合、弁／アクチュエータ組立体を制御するための制御信号として、現時点におけるフィードバック制御スキーム（たとえば、位置制御サーボモジュール１４）により生成される駆動信号がブロック６８に提供される。次に、一対の判定ブロック７０および７２が、サーボ制御ルーチンの次の繰り返しの実行を可能とするまえに、コントローラ１０のステータスをチェックする。図２の例示的な実施形態では、ブロック７０において、第一のステータスチェックによりオペレータが新しいフィードバック制御スキームを選択したか否か判定され、ブロック７２において、第二のステータスチェックにより第一のフィードバック制御スキームが現在実行されているか否かが判定される。これらおよび他のステータスチェックは、連続的にまたは離散的に、ルーチン内のいずれのポイントにおいて実行されても良いが、図２では、単に便宜上の理由から、ルーチン内のそのポイントにおいて示されている。図２の例示的な実施形態に示されているように、制御は、オペレータが第一の制御スキーム（たとえば、位置制御）から第二の制御スキーム（たとえば、圧力制御）へ制御を切り換えることを決断しない限り、一巡してブロック６４へと戻され、次のサーボ制御ルーチンが繰り返される。

図２に示されているルーチンのその他の部分はフィードバック制御を１つのフィードバック制御スキームから他のフィードバック制御スキームへ切り替えうる複数の異なる状況に向けられている。１つの状況では、フィードバック制御の切り替えは、フィードバック制御スキームに関連するセンサの故障または他のエラーに関連して生じうる。たとえば、ブロック６６は、エラーまたは故障を検出し、その結果、制御をブロック７４に渡し、次いで、ブロック７４は、エラーまたは故障が発生したことを示すアラート、アラームまたは他のメッセージを、オペレータのもとへ送信しても良い。次に、ブロック７６では、オペレータが、故障またはエラーに関するアラート、アラームまたは他のメッセージに応答して、新しいフィードバック制御スキームを選択したか否かが判定される。このように、第二のフィードバック制御スキームへの切り替えは、ブロック７８において、コントローラ１０（より一般には、弁１２）の動作中に生じるようになっており、さらに、第一のフィードバック制御スキームに関連するまたはそれに関連して提供されるフィードバック情報に基づいている。この場合、フィードバック情報は、第一のフィードバック制御スキームに関連する問題またはエラーを示している。その問題にもかかわらず、制御を切り替えることにより、弁１２は動作状態のまま留まっていることが可能となる。さらに一般的にはおよびブロック７０に関してたとえば示されているように、ブロック７８は、オペレータにより同様に開始される他の制御スキームの切り替えによりで実行される。

また、開示のコントローラおよび方法に従って制御スキームを切り替えることには、コントローラ１０により講じられる自律的の処置が含まれる。たとえば、自律的な切り替えは、オペレータがブロック７４において生成されるアラートもしくはアラームに応答しない場合、または、コントローラ１０の実施形態がアラーム機能もしくはアラート機能を含んでいない場合、ブロック８０において起きうる。したがって、ある実施形態では、コントローラ１０は、第一の制御スキームに関連する故障、エラーまたは問題の場合に、自動的に第二の制御スキームに依存するように搭載されても良いしまたは構成されても良い。いずれの場合であっても、ブロック８０において実行される切り替え操作は、一旦第一の制御スキームに関連するフィードバック情報の解析および／または処理により故障、エラーまたは問題が検出された場合、フィードバック制御を第二の制御スキームへ切り替える。

他の自律的の切り替えの具体例としては、コントローラ１０が、第二の制御スキームから第一の制御スキームに切り換えて戻す機会を有している状況が挙げられる。たとえば、この状況は、位置センサ１８に関する問題が取り組まれたあと（たとえば、位置センサ１８と弁／アクチュエータ組立体との間のリンク機構が修理されたあと）に発生しうる。さらに具体的にいうとおよび図２の例示的な実施形態を参照すると、第一の制御スキームに関する故障または問題の発生のあとブロック７８、８０のうちの１つを実行したため、フィードバック制御は、第二の制御スキーム（たとえば、圧力制御）へと切り替えられている。ブロック６４、６６、６８、７０、７２を含むループの一または複数の繰り返しが実行され、それにより、弁１２が圧力サーボ制御モジュール１６（図１）により制御されている。各ループの実行中、ブロック７２は、コントローラ１０が第一の制御スキーム下にないことを判定し、制御は、ブロック８２に渡され、ブロック８２は、制御の最初の切り替えの原因である問題が解決されたかまたは対処されたかを質問する。問題が解決されている場合、制御はブロック８４へ渡され、ブロック８４は、第一の制御スキームへの切り替えを実行する。問題が解決されていない場合、ブロック６４のサーボ制御ルーチンは、第二の制御スキームに従ってさらに実行される。他の実施形態では、ブロック８２、８４の手順は、これらの状況の下においてコントローラ１０の自律的切り替えを有効とする機能を制限するためのオペレータのオーバーライド選択肢または他の機能を含みうる。したがって、開示のコントローラおよび方法は、第一の制御スキームに関連する問題が対処されたあと、オペレータに、第一の制御スキームへの切り替えを実行するか否かおよびいつそれを実行するかを決定させることを可能とするルーチンを含みうる。

ここで、図３を参照すると、たとえば第二の制御スキームから第一の制御スキームへの切り替えが含まれているとともに、フィードバック制御スキーム間のより一般的な（すなわち、故障または機能不良のみに関しているだけではない）切り替えを支援する、開示のコントローラおよび方法の実施形態が示されている。さらに具体的にいえば、この実施形態では、切り替え時に弁／アクチュエータ組立体に加えられる制御信号（または、駆動信号）を用いることで、フィードバック制御スキーム間の円滑な切り替えを可能とし、かかる制御信号は、制御信号（または、駆動信号）の導出に用いられるフィードバック情報に基づいている。図３の例示的な実施形態では、他のモジュールへ制御を円滑に切り替えるためのコンポーネントおよび機能を備えている図１の位置制御サーボモジュール１４および圧力制御サーボモジュール１６がさらに詳細に示されている。

図３の例示的な実施形態の位置制御サーボモジュール１４および圧力制御サーボモジュール１６の各々は、対応するフィードバック信号および設定値に基づいてＰＩＤコントローラまたは比例・積分・微分制御装置を構築するための一組のコンポーネントを備えている。位置制御サーボモジュール１４および圧力制御サーボモジュール１６のフィードバック信号は、それぞれ対応して回線１００、１０２を通じて送信され、加算器１０４を用いた設定値との比較を可能としている。この２つのサーボ制御モジュール１４、１６の実施形態に共通の加算器１０４および他のコンポーネントが類似の参照符号により識別されるようになっているが、これは、単に便宜上のためになされているだけであって、開示のコントローラおよび方法の実施を、２つのサーボ制御モジュール１４、１６によりコンポーネントが共有される実施形態に限定するものではないということを理解する必要がある。たとえば、１つの実施形態によれば、２つの別個の加算器１０４（または、加算演算）を含む２つの別個の制御ルーチンの実行は、連続的かつ同時に起こりうる。このようなバックグラウンド演算作業のために一または複数のルーチンの一部または全部を連続して実行することにより、直ぐに用いることができる値が提供されることとなり、このことにより、切り替えの実行にあたって、切り替え期間の必要性が排除されるとともにフィードバック情報の予期せぬ損失の可能性が回避されることになる。本明細書に説明されているように、そのような連続的な演算作業は、制御スキームに含まれるすべての計算を含んでいる必要があるわけではなく、制御の切り替え中に必要となる計算（たとえば、積分器の調節のための計算）だけを含んでいるだけでも良い。あるいは、他の実施形態では、電力を保存する目的で、制御の切り替え間において単一のルーチンのみが実行されている場合もある。この単一のルーチンは、現在実行されているフィードバック制御スキーム（すなわち、位置制御、圧力制御など）を実行するための調節が可能である。

比較の結果、すなわちエラー信号は、１０６で包括的に示されている比例コントローラおよび１０８で包括的に示されている積分コントローラに送信される。当業者とって公知であるように、各比例コントローラ１０６は、利得セットを有しているまたはエラー信号に比例した信号を生成するのに適切なようにチューニングされている増幅器１１０を備えている。個々のサーボ制御モジュールの利得は、フィードバック信号の異なる特性およびフィードバック制御スキームの他の態様に基づいて異なっていても良い。各積分コントローラ１０８は、１１４で包括的に示されているとともに経過時間にわたるエラーを積分するアキュムレータのためにエラー信号を調整する利得を有している増幅器１１２を備えている。各アキュムレータ１１４は、加算器１１６と、前回の積算値を格納し、それを加算器１１６に提供する遅延器１１８とを備えている。比例コントローラ１０６および積分コントローラ１０８により生成される信号は、サーボ制御モジュールのための駆動信号を生成するために、１２０で包括的に示されている微分コントローラにより生成される信号とともに加算器１２２に送信される。各微分コントローラ１２０は、フィードバック信号の時間に対する微分の表示情報を生成する微分オペレータ１２４と、当業者とって公知であるように、利得セットを有しているまたはチューニングされている増幅器１２６とを備えている。

図３に示されている開示のコントローラおよび方法の例示的な実施形態によれば、各積分コントローラ１０８は、積分値のリセットを可能とするスイッチ１２６をさらに備えている。スイッチ１２６は、フィードバック制御の切り替えの決定の結果生成される信号により制御されうる。スイッチ１２６は、物理的なまたは電子的な意味におけるスイッチであることが必要ではなく、アキュムレータ１１４により生成される信号または値に対してアクセスを提供できれば良いしまたは修正する機能を有していれば良い。図３には、遅延器１１８の下流に配置されているスイッチ１２６によるアクセスが示されている。あるいは、スイッチ１２６は、遅延器１１８の上流のアキュムレータ１１４にアクセスしても良いし、または、アキュムレータ１１４の内容を修正する機能を提供する他のいかなる方法であっても良い。アキュムレータ１１４内の積分値の変更には、両方のサーボ制御モジュール（すなわち、最初のおよび目標のサーボ制御スキームに関連するサーボ制御モジュール）からのデータに応答してリセットモジュール１２８により行われるリセットが含まれる。さらに具体的にいえば、リセットモジュール１２８は、その時に弁／アクチュエータ組立体に供給されている制御信号に基づいて、積分コントローラ１０８またはアキュムレータ１１４のための新しい値を計算する。制御信号は、フィードバック制御のために実行されているサーボ制御モジュールにより生成される駆動信号から導かれる。したがって、１つのサーボ制御モジュール（たとえば、圧力制御サーボモジュール１６）のリセットモジュール１２８は、現時点におけるサーボ制御モジュール（たとえば、位置制御サーボモジュール１４）の駆動信号に基づいて計算を実行する。この駆動信号は、現時点におけるサーボ制御モジュールに関連付けされている対応するセンサから受信されるフィードバック情報に基づいている。

また、図３に示されているように、各リセットモジュール１２８も、それが備わっているサーボ制御モジュール（すなわち、制御の切り替え先である目標のサーボ制御モジュール、たとえば圧力制御サーボモジュール１６のＰｐおよびＤｐ）の比例コントローラおよび微分コントローラの出力に応答する。このように、各リセットモジュール１２８は、目標のサーボ制御モジュールの比例コントローラおよび微分コントローラの出力の合計をその他のサーボ制御モジュール（または逆に）からの制御信号または駆動信号から減算する加算演算を、実行しうる。結果として得られる差は、積分コントローラ１０８中の積分レベルを調節するためにリセットモジュール１２８により提供されるリセット値を構成する。

上述のリセット動作の結果、目標のサーボ制御モジュールにより生成される駆動信号は、制御が切り替えられている元のサーボ制御モジュールにより生成される駆動信号と一致するまたは近似するように調節される。いずれの場合であっても、円滑な切り替えが可能となる。そうでなければ、弁１２は、制御が切り替えられる場合に、急で不連続な方法で移動するように仕向けられうる。すなわち、上述の調節なしでは、目標のサーボ制御モジュールの駆動信号は、制御が切り替えられている元のサーボ制御モジュールの駆動信号と等しくならない恐れがある。このような不一致は、関与しているフィードバック制御スキームの各センサに存在している動作エラー、各コントローラに対してセットされている利得値、または、その他の動作特性に基づいて、大きくかつ予測不能である場合がある。

開示のコントローラおよび方法の実行は、図３に示されているコントローラのコンポーネントの構成に制限されない。換言すれば、積分コントローラ１０８の出力は、目標のサーボ制御モジュールの駆動信号を調節する複数の方法で変更されうる。１つの実施形態（図３に図示せず）では、リセットモジュール１２８は、加算器１１６の下流側で、積分コントローラ１０８出力に直接に作用する。このように、目標のサーボ制御モジュールにより生成される最初の駆動信号は、その他のサーボ制御モジュールの最後の駆動信号と正確に一致するようにセットされうる。あるいは、図３に示されているように、リセットモジュール１２８は、遅延器１１８から加算器１１６に供給される信号を調節するようになっている。その場合、増幅器１１２へ供給されるエラー信号は、目標のサーボ制御モジュールにより生成される最初の駆動信号がその他のサーボ制御モジュールの最後の駆動信号と正確に一致することを必要とはしないもののその近傍に来るように、積分値を変更するためにリセットモジュール１２８が作動したあと積分コントローラの出力を変更しうる。いずれの場合であっても、弁１２および弁／アクチュエータ組立体のための動作結果として、フィードバック制御スキーム間の円滑な切り替え、換言すれば凸凹のない（ｂｕｍｐｌｅｓｓ）切り替えが得られる。

たとえば図３のアキュムレータリセット１２８を用いた凸凹のない切り替え動作は、フィードバック制御のオペレータ選択切り替えまたはオペレータ始動切り替えに関連して実行されうる。オペレータ選択切り替えの一例は、図２のブロック７８に関連するものである。しかしながら、ブロック７８に関連して取られるステップは、制御がブロック７８に渡される状況に基づいて異なりうる。さらに具体的にいえば、図４には、エラーまたはアラームとは別に、オペレータが制御移転を始動したとき、開示のコントローラおよび方法にかかる１つの実施形態に従って取られるステップが示されている。この場合、ブロック７０は（図２に示されているように）制御をブロック７８へ渡し、切り替えを実行するために取られるステップは、図３に関連してこれまでに記載された事項に追従しうる。それに対して、図５には、オペレータが、フィードバック制御のエラーまたは故障に関するアラームまたは他の表示情報に応答してフィードバック制御の切り替えを選択したとき、開示のコントローラおよび方法にかかる他の実施形態に従って取られるステップが示されている。

ここで、図４を参照すると、ＰＩＤコントローラを有する制御スキームのための凸凹のない切り替えルーチンが示されている。図４のルーチンは、すべての切り替え状況に関連して用いられうるが、フィードバック制御のエラー、故障または問題に遭遇しない場合に実行するにあたって特に適しうる。すなわち、図４のルーチンは、最初のフィードバック制御スキーム（すなわち、制御が切り替えられる元の制御スキーム）が正常に動作しており、それに関連する最新のフィードバック情報が、被制御デバイスの動作を示す上で十分に正確であると仮定している。したがって、ルーチンは、図３に関して先に記載されているように、切り替えの計算を行なうにあたってそのフィードバック情報に依存しうる。そのためには、凸凹のない切り替えルーチンは、目標のフィードバック制御スキームのためのフィードバック情報を受信するブロック１４０に、制御を渡すことから始まる。次いで、目標フィードバック制御スキームに対する比例コントローラおよび微分コントローラの値（Ｐｉ、Ｄｉ）の如き最初のコントローラの値が、フィードバック情報と設定値とから生成されるエラー信号に伴う計算結果に基づいて、ブロック１４２で決定される。また、この時点において、積分コントローラの計算の如き目標のサーボ制御スキームに関連する他の最初のフィードバック制御計算が行われても良い。しかしながら、開示のコントローラおよび方法に従ってリセットされうる計算は、リセット動作のあとまでも遅れても良い。次いで、リセット動作がブロック１４４で行なわれる。ブロック１４４では、一般的にいえば、目標のサーボ制御スキームの計算値または格納値は、最初のサーボ制御スキームのフィードバック情報に基づいて、初期化されるかまたはリセットされる。フィードバック情報は、最初のサーボ制御スキームからの駆動信号の切替値を判定する目的で、実行順序の早期の（たとえば、図２のブロック６４に関連する）時点において、または、ブロック１４４の実行のうちの一部として、頼られる。次いで、ブロック１４４は、駆動信号の切替値に照らして、目標のサーボ制御スキームを初期化するための計算を実行する。たとえば、図３の例示的な実施形態に示されている目標のサーボ制御スキームの積分コントローラ１０８の積分値（Ｉｉ）は、駆動信号の切替値とブロック１４２で計算された最初のコントローラの値との比較に基づいて調節されうる。

さらに図４を参照すると、目標のサーボ制御スキームは、現時点で、フィードバック制御を引き受ける準備が整っており、制御の切り替えは、ブロック１４６で実行され、目標の制御スキームの駆動信号は、最初のコントローラの値（たとえば、Ｐｉ、Ｄｉ）および最初に調節されたコントローラの値（たとえば、Ｉｉ）から決定される。次いで、ブロック１４８において、弁／アクチュエータ組立体のための制御信号を生成するために、駆動信号が加えられる。そのあと、図２の例示的な実施形態では、現時点におけるフィードバック制御スキームと今の時点では考えられている目標のフィードバック制御スキームに関連するフィードバック制御ルーチンの次の繰り返しのために、制御がブロック６４に渡されうる。

また、図４に示されている円滑な切り替えルーチンは、非オペレータ始動型の切り替えに関連して実行されても良い。たとえば、図２のブロック８４では、問題が対処されたあと制御を第二の制御スキームから第一の制御スキームへ切り替えることにより第一の制御スキームの適切な機能を可能とする状況が説明されている。ブロック８４、すなわち図４の円滑な切り替えルーチンは、問題が対処されたということが認識された場合、自律的に実行されうる。あるいは、オペレータは、ブロック８２に関連して第一のスキームの問題が対処されたか否かを判定し、それにより、ブロック８４の制御の切り替えを実行するか否かおよびいつ実行するかを選択的に判定する。

図５には、問題、エラーまたは故障が、現時点におけるフィードバック制御スキームに関連して検出されたとき、フィードバック制御の切り替えに関連するステップが示されている。たとえばフィードバック制御またはセンサの故障に関連する図２の制御移行ブロック７８、８０を参照されたい。このような状況下では、一般的にいえば、現時点におけるフィードバック制御スキームに関連するフィードバック情報または他のデータが、弁／アクチュエータ組立体の動作を正確に反映していると信頼することができるか否かが明らかではない。その結果、図４に示されているルーチンに従った円滑な切り替えは、このままでは、不適当である場合がある。それに代えて、図５の実施形態では、そのような盲目の切り替えが回避されている。その目的のため、ブロック１５０では、円滑な切り替えが、利用可能か否か、および／または、実行可能な状態になっているか否かが判断される。たとえば、ユーザ選択可能な選択肢は、センサの故障または機能不良を示すアラームが発生した場合には、円滑な切り替えを動作不能状態にしうる。円滑な切り替えが実行可能の状態になっていないまたは他の方法で利用可能でない場合、制御は、ブロック１５２へ渡される。ブロック１５２では、今の時点において機能不良となっている制御スキームに関連するフィードバック情報に基づいてコントローラの値を調節することなく、フィードバック制御の他の制御スキームへの切り替えが達成される。

図５に示されているルーチンのその他の部分は、アラーム状態においてオペレータが円滑な切り替えを動作可能とする場合、または、円滑な切り替えがアラーム状態が存在するか否かにかかわらず一般に利用可能である場合に関するものである。一般的にいえば、図５の例示的な実施形態では、最良のデータが入手される場合に、円滑な切り替えが実行される。この目的のため、ブロック１５４は、不良でないまたは間違っていない最近のフィードバック情報を収集するために、たとえば切替・故障検出モジュール４０（図１を参照）のメモリに格納されているフィードバック情報の記録にアクセスする。この判定とは別に、開示のコントローラおよび方法は、フィードバック情報記録の解析を含みうる。この解析は、フィードバック情報がいつ信頼できなくなったまたは不良になったかを評価するようになっている。あるいは、上記のコントローラおよび方法は、オペレータにより前もって決められているまたは選択されているある過去の時点からのフィードバック情報に関連するデータを参照しても良い。次いで、ブロック１５６で、メモリからのリコールフィードバック情報を与えられると、現時点におけるフィードバック制御スキームのための駆動信号が計算される（または、再計算される）。計算された駆動信号を入手すると、円滑な切り替え動作は、ブロック１５８で実行され、たとえば図４に関連して記載されているルーチンのステップを追従しうる。

開示のコントローラおよび方法の実行は、位置制御または圧力制御の如き特別のタイプのフィードバック機構とともに用いることに制限されていない。したがって、開示のコントローラおよび方法は、当業者により現在知られているまたは将来知られるであろうさまざまセンサのうちのいずれの１つにより実現されても良い。あるレベルでは、センサのタイプの選択は、制御される特別のプロセス制御デバイスにとって何が最も適切なことであるかにより決断されうる。開示のコントローラおよび方法は、どのように情報がプロセス制御デバイスの動作を示しているかとは関係なく、制御されているプロセス制御デバイスの動作を示すフィードバックまたは他の情報を提供することができるいかなるセンサに対してでも互換性を有している。開示のコントローラおよび方法のそのよう広範な互換性により、さまざまなプロセスおよびプロセス制御分野における実施が支えられている。

先の実施形態は２つの異なる制御スキームを有するコントローラおよび方法に関連して記載されているものの、開示されているコントローラおよび方法は、２つのスキームによる実施形態に制限されているわけでもなければ、圧力センサおよび位置センサがフィードバック制御のための唯一の手段として頼られている実施形態に制限されているわけもない。同様に、コントローラがデジタル式の弁コントローラである必要もなければ、方法が弁または他の空圧駆動式プロセス制御デバイスに関連する動作に制限されるわけではない。それどころか、開示のコントローラおよび方法の実行は、いかなる数のプロセス制御環境において、いかなるプロセス制御デバイスと関連して、および、ＰＩＤ制御以外のさまざまなフィードバック制御スキームと関連して、有益である。いうまでもなく、制御スキームに関連するサーボ制御モジュールは、同一である必要がなく、それどころか、制御スキームに合わせて最適化されても良い。

切替・故障検出モジュール４０のメモリは、コントローラ１０により実行される任意の数の前述のルーチンに対して、または、コントローラ１０の任意の数の前述のコンポーネントに対してメモリ機能を提供するデータス格納デバイスの一部分を構成しうる。メモリは、コントローラ１０の他のコンポーネントと一体化されても良いしまたは別個になっていても良く、当業者による入手が可能であるとともに当業者に公知となっている複数のデバイスのうちのいずれか一つにより提供されても良い。

開示のコントローラおよび方法のコンポーネントおよび態様が、個別のモジュールまたはブロックとして先で図示されているが、コンポーネントおよび態様の各々は、ハードウェア、ソフトウェアおよびファームウェアの任意の組み合わせにより、開示のコントローラおよび方法の一または複数の他のコンポーネント、モジュールまたは他の態様と別々にまたは組み合わされて実行されても良いしまたは用いられても良い。先に記載された各ルーチンは、汎用コンピュータ、マイクロプロセッサまたは他のコンピュータのプロセッサにより実行のために提供されるインストラクションに従って実行されても良いし、コンピュータ読み取り可能媒体（プロセッサと通信状態にあるメモリ等）に格納されても良い。これらは、単独でまたはその他のルーチンのうちの一または複数と組み合わさって行われても良いし、また、単独でまたは制御ルーチンおよび制御方法の実現に必要なその他のハードウェアまたはファームウェアとの組み合わせで行われても良い。

より一般的にいえば、開示のコントローラおよび方法の実施形態は、ハードウェア、ソフトウェアまたはファームウェアとのいかなる組み合わせで実現されても良い。一部の実施形態は、少なくとも１つのプロセッサまたは処理システムと、データ格納システム（揮発性および不揮発性のメモリならびに／または記憶素子を含む）と、少なくとも１つの入力装置と、少なくとも１つの出力装置とを備えているプログラマブルシステム上で実行されるコンピュータプログラムとして実現されても良い。プログラムコードは、本明細書記載の機能を実行し出力情報を生成するために、入力データに適用されても良い。出力情報は、既知の方法で、一または複数の出力デバイスに加えられても良い。処理システムは、たとえばデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはマイクロプロセッサの如きプロセッサを有しているいかなるシステムを備えていても良い。

プログラムは、処理システムと通信するためのハイレベルな手続き向きプログラミング言語またはオブジェクト指向型プログラミング言語により実現されても良い。所望ならば、プログラムは、アセンブリ言語または機械言語で実現されても良い。事実、開示のシステムおよび方法の実行はいかなる具体的なプログラミング言語にも制限されることはない。いずれの場合であっても、言語は、コンパイラ型言語であっても良いしまたはインタープリタ型言語であっても良い。

プログラムは、処理システムが本明細書に記載されているルーチンまたはステップを実行するために格納媒体または格納デバイスを検索するとき、汎用的なプログラム可能処理システムまたは特定目的のプログラム可能処理システムが、処理システムの設定および動作のために、検索することが可能な格納媒体または格納デバイス（たとえば、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＤ−ＲＯＭデバイス、フラッシュメモリデバイス、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）または他の格納デバイス）に格納されても良い。また、開示のコントローラおよび方法の実施形態は、処理システムに利用可能なように構成されているマシンにより読み取り可能な格納媒体として実現されると考えられうる。格納媒体がこのように構成されると、処理システムは、本明細書記載の機能を実行するために、特定のかつ前もって定められた方法で作動する。

先の記載は、理解を明確にするのみに与えられており、そこから、不必要な制限を解釈すべきではない。当業者ならば、発明の範囲内の変形は明らかである。

本発明の１つの実施形態であって、弁／アクチュエータ組立体を制御すべく弁／アクチュエータ組立体に接続されたコントローラを示すブロック図である。 本発明の１つの実施形態であって、図１のコントローラにより実行されるフィードバック制御ルーチンを示すフロー図である。 円滑に制御を切り替えるべくフィードバック制御切り替えルーチンを実行するための機能を備えた、本発明の１つの実施形態にかかる図１のコントローラの一対のサーボ制御モジュールを示すブロック図である。 本発明の１つの実施形態であって、図１のコントローラにより実行されるフィードバック制御切り替えルーチン、一般的にかつさらに詳細にいえば、図３の一対のサーボ制御モジュールを示すフロー図である。 本発明の他の実施形態であって、図１のコントローラにより実行されるフィードバック制御切り替えルーチンのうちの一部を示すフロー図である

Claims (16)

1. プロセス制御デバイスの動作を示すフィードバック情報を生成する第一のセンサおよび第二のセンサを有しているプロセス制御デバイスのためのコントローラであって、
   第一の制御モードに従って前記プロセス制御デバイスを制御するために、前記第一のセンサからの前記フィードバック情報に基づいて第一の駆動信号を生成する第一のサーボ制御モジュールと、
   前記第一の制御モードとは異なる第二の制御モードに従って前記プロセス制御デバイスを制御するために、前記第二のセンサからの前記フィードバック情報に基づいて第二の駆動信号を生成する第二のサーボ制御モジュールと、
   前記第一のセンサからの前記フィードバック情報に基づいて、前記第一の制御モードから前記第二の制御モードへ前記プロセス制御デバイスの動作の制御を切り替えるためのフィードバック制御切替モジュールと
   を備え、
   前記第一のセンサは第一のパラメータを検出し、前記第二のセンサは前記第一のパラメータとは異なる第二のパラメータを検出し、前記フィードバック制御切替モジュールは、前記第一のセンサからの前記フィードバック情報の記録を維持するためのメモリを備え、
   前記フィードバック制御切替モジュールは、前記第一のセンサからの前記フィードバック情報が前記プロセス制御デバイスの動作をもはや十分に示していないとの故障を検出することができる故障検出モジュールを備え、当該故障検出モジュールにより当該故障が検出されると前記第一の制御モードから前記第二の制御モードへ前記プロセス制御デバイスの制御を切り替えるよう動作し、
   前記フィードバック制御切替モジュールが、前記第一の制御モードから前記第二の制御モードへの前記プロセス制御デバイスのフィードバック制御の切り替えに向けて、前記フィードバック情報の記録のうちの前記第一のセンサから直前に受信した劣化していないデータを示す部分を抽出し、
   前記フィードバック制御切替モジュールおよび前記第一のサーボ制御モジュールが、前記フィードバック制御の切り替えに向けて、前記劣化していないデータを示す部分に基づいて、前記第一の駆動信号を再計算し、
   前記フィードバック制御切替モジュールおよび前記第二のサーボ制御モジュールが、前記フィードバック制御が切り替えられた時点で前記第二の駆動信号が前記再計算された第一の駆動信号と等しくなるように、前記フィードバック制御の切り替えに向けて、前記再計算された第一の駆動信号に基づいて前記第二の駆動信号を初期化する、コントローラ。
2. 前記フィードバック制御切替モジュールが、前記第一の制御モードから前記第二の制御モードへ前記プロセス制御デバイスの制御を切り替えることを開始するというユーザコマンドに応答するように構成されてなる、請求項１記載のコントローラ。
3. 前記第一のセンサが位置センサであり、前記第二のセンサが圧力センサである、請求項１記載のコントローラ。
4. 前記第二のサーボ制御モジュールが積分コントローラコンポーネントを有しており、前記積分コントローラコンポーネントからの出力信号に基づいて前記第二の駆動信号を生成し、
   前記積分コントローラコンポーネントが、前記フィードバック制御の切り替えの間に前記プロセス制御デバイスが不連続に移動することを最小限に抑えるため、前記フィードバック制御の切り替えに向けて、前記再計算された第一の駆動信号に基づいて前記出力信号を調節し、前記第二のサーボ制御モジュールが、前記フィードバック制御の切り替えに向けて、前記調節された出力信号に基づいて前記第二の駆動信号を初期化する、請求項１記載のコントローラ。
5. 前記第二のサーボ制御モジュールが積分コントローラコンポーネントを備えており、前記積分コントローラコンポーネントからの出力信号に基づいて前記第二の駆動信号を生成し、
   前記積分コントローラコンポーネントが、前記フィードバック制御の切り替えに向けて、前記第二の駆動信号が前記再計算された第一の駆動信号と等しくなるようにして、前記出力信号を調節する、請求項１記載のコントローラ。
6. 前記積分コントローラコンポーネントがアキュムレータを備えており、前記アキュムレータが、前記フィードバック制御の切り替えに向けて、前記フィードバック制御が切り替えられた時点で前記第二の駆動信号が前記再計算された第一の駆動信号と等しくなるようにして、前記再計算された第一の駆動信号に基づいて前記出力信号を調節するようリセットされるように構成されてなる、請求項５記載のコントローラ。
7. プロセス制御デバイスの動作を示すフィードバック信号を生成する第一のセンサおよび第二のセンサを備えているプロセス制御デバイスを制御するための方法であって、
   第一のサーボ制御モードに従って前記プロセス制御デバイスを制御するために、前記第一のセンサにより生成される前記フィードバック信号に基づいて第一の駆動信号を生成するステップと、
   前記第一のサーボ制御モードとは異なる第二のサーボ制御モードに従って前記プロセス制御デバイスを制御するため、前記第二のセンサにより生成される前記フィードバック信号に基づいて第二の駆動信号を生成するステップと、
   前記第一のサーボ制御モードに従って、前記第一の駆動信号から前記プロセス制御デバイスのための制御信号を生成するステップと、
   前記制御信号に応答した前記プロセス制御デバイスの動作を示すフィードバック信号を受信するステップと、
   前記第一のセンサからの前記フィードバック信号のデータの記録を維持するステップと、
   前記第一のセンサからの前記フィードバック信号が前記プロセス制御デバイスの動作をもはや十分に示していないとの故障を検出するステップと、
   前記故障が検出されると、前記制御信号が前記第二の駆動信号から生成されるように、前記プロセス制御デバイスの動作中に前記プロセス制御デバイスのフィードバック制御を前記第二のサーボ制御モードに切り替える制御切替ステップと
   を有し、
   前記第一のセンサが第一のパラメータを生成し、前記第二のセンサが第二のパラメータを生成し、前記第二のパラメータが前記第一のパラメータとは異なるものであり、
   前記制御切替ステップが、
   前記第一のサーボ制御モードから前記第二のサーボ制御モードへの制御モードの切り替えに向けて、前記データの記録のうち前記第一のセンサから直前に受信した劣化していないデータを示す部分を抽出するステップと、
   前記制御モードの切り替えに向けて、前記劣化していないデータを示す部分に基づいて前記第一の駆動信号を再計算するステップと、
   前記制御モードの切り替えに向けて、前記制御モードが切り替えられた時点で前記第二の駆動信号が前記再計算された第一の駆動信号と等しくなるように、前記再計算された第一の駆動信号に基づいて前記第二の駆動信号を初期化するステップとを有する、方法。
8. 前記故障を検出するステップが、前記第一のセンサが故障したか否かを判定するために前記フィードバック信号を解析するステップを有する、請求項７記載の方法。
9. 前記フィードバック信号を解析するステップ、前記故障を検出するステップおよび前記制御切替ステップが自律的に実行される、請求項８記載の方法。
10. 前記第一のセンサが位置センサであり、前記第二のセンサが圧力センサである、請求項７記載の方法。
11. 前記第二の駆動信号を生成するステップが、前記第二の駆動信号を初期化するステップの後まで実行されない、請求項７記載の方法。
12. 前記第二の駆動信号を生成するステップが、積分コントローラからの出力に基づいて前記第二の駆動信号を生成するステップとを有し、
    前記第二の駆動信号を初期化するステップが、前記再計算された第一の駆動信号に基づいて前記積分コントローラの出力を調節するステップと、前記調節された出力に基づいて前記第二の駆動信号を初期化するステップとを有する、請求項７記載の方法。
13. 前記積分コントローラの出力を調節するステップが、前記調節された出力に基づいて初期化される前記第二の駆動信号が前記再計算された第一の駆動信号と等しくなるようにして、当該出力を調節するステップを有する、請求項１２記載の方法。
14. 前記第二の駆動信号を初期化するステップが、前記第二のセンサからの前記フィードバック信号を受信するステップをさらに有する、請求項７記載の方法、
15. 前記第二の駆動信号を初期化するステップが、前記第二のセンサからの前記フィードバック信号および前記再計算された第一の駆動信号に基づいて、前記第二の駆動信号を初期化するステップを有する、請求項１４記載の方法。
16. 前記第二の駆動信号を初期化するステップが、前記第二のセンサからの前記フィードバック信号から比例コントローラの値および微分コントローラの値をそれぞれ計算するステップと、前記再計算された第一の駆動信号と前記比例コントローラの値および前記微分コントローラの値の合計との間の差に基づいて、前記第二のサーボ制御モードに関連する積分コントローラのアキュムレータの出力をリセットするステップと、前記リセットされた前記アキュムレータの出力と、前記比例コントローラの値および前記微分コントローラの値との合計から前記第二の駆動信号を決定するステップとを有する、請求項１５記載の方法。

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