JP5183202B2 - 電空制御システム及びそのためのフィードバック制御の方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に電空制御システムに関するものであり、より詳細には電空制御システムのためのフィードバック制御の方法に関するものである。

一般的には、プロセス制御プラントまたはプロセス制御システムは、複数の弁、ポンプ、ダンパー、ボイラー、および、複数のタイプの周知のプロセス制御デバイスまたはプロセス制御オペレータを備えている。近代のプロセス制御システムでは、プロセス制御デバイスまたはオペレータの動作を調整し一または複数のプロセス制御ルーチンを実行するために、プロセス制御デバイスのうちのすべてにではないがほとんどに、電子監視デバイス（たとえば、温度センサ、圧力センサ、位置センサなど）および電子制御デバイス（たとえば、プログラマブルコントローラ、アナログ制御回路など）が備えられている。

安全性、コストの効率性および信頼性のために、多くのプロセス制御デバイスは、周知のダイアフラム式またはピストン式のニューマチックアクチュエータを用いて、空気圧によって作動されている。典型的には、ニューマチックアクチュエータは、直接または一または複数の機械的リンク機構によってプロセス制御デバイスに接続されている。さらに、ニューマチックアクチュエータは、電空制御器によって、プロセス制御システム全体に接続されることが一般的である。電空制御器は、一または複数の制御信号（たとえば、４−２０ミリアンプ（ｍＡ）、０〜１０ボルトの直流（ＶＤＣ）、デジタルコマンドなど）を受信し、これらの制御信号をプロセス制御デバイスの所望の動作を引き起こすためニューマチックアクチュエータに供給する圧力に変換するように通常構成される。たとえば、プロセス制御ルーチンが、より多くの量のプロセス流体を流すために、空気圧により始動される方式を用いたノーマルクローズのストロークタイプ弁（ｐｎｅｕｍａｔｉｃａｌｌｙ−ａｃｔｉｖａｔｅｄ、ｎｏｒｍａｌｌｙ ｃｌｏｓｅｄ ｓｔｒｏｋｅ−ｔｙｐｅ ｖａｌｖｅ）を必要とする場合、当該弁に関連する電空制御器に加えられる制御信号の大きさは増大されうる（たとえば、電空制御器が４−２０ｍＡの制御信号を受け取るように構成されている場合、１０ｍＡ〜１５ｍＡまで）。次いで、電空制御器によって、弁に少なくとも部分的に接続されたニューマチックアクチュエータに供給される出力圧力は、弁を、完全な開弁状態の方向にストローク移動させるために上昇される。

電空制御器は、空気圧始動式デバイス（先の例に記載）の所望な設定点を示すための制御信号に加えて、空気圧始動式デバイスからフィードバック信号を受信するように構成されうる。このフィードバック信号は、通常、空気圧始動式デバイスの動作応答と関連している。たとえば、空気圧により始動される弁の場合、フィードバック信号は、位置センサにより測定されるような弁の位置に対応しうる。他の例では、フィードバック信号の導出のために、弁に接続されているニューマチックアクチュエータの位置が測定されうる。通常、フィードバック信号は、設定値または基準信号と比較されて、電空制御器内のフィードバック制御ループを作動させることにより、ニューマチックアクチュエータに加える圧力を決定し、所望の動作を達成するようになっている。フィードバック信号により電空制御器が被制御プロセスの変動を自動的に打ち消すまたは補償することが可能となるので、設定値制御のみの制御（また、オープンループ制御としても知られている）と比べて、フィードバック制御がより好まれることが多い。

多くの近代的な空気圧始動式のプロセス制御デバイスに用いられる電空制御器は、比較的複雑なデジタル制御回路を用いて実現されることが多い。たとえば、これらのデジタル制御回路は、関連するプロセス制御デバイスの動作を制御するために、マイクロコントローラを用いて実現されても良いしまたはマシンが読み取り可能なインストラクション、コード、ファームウェア、ソフトウェアなどを実行するいかなる他のタイプのプロセッサを用いて実現されても良い。

プロセス制御デバイスの応答時間を削減するために、電空制御器とニューマチックアクチュエータとの間に、一または複数の二次的ニューマチックパワーステージが接続されても良い。たとえば、二次的ニューマチックパワーステージは、ボリュームブースタおよび／または急速排気弁を備えうる。ボリュームブースタは、ニューマチックアクチュエータへ供給またはそこから排出される空気の量または空気の流量を増加させる。これにより、アクチュエータは、接続先のプロセス制御デバイスをより迅速に駆動（たとえば、ストローク動作）させることができるようになる。したがって、ボリュームブースタは、弁にプロセスの変動に対してより迅速に応答させることを可能とするために、アクチュエータが弁をストローク動作させることができる速度を増大させうる。

急速排気弁は、加圧下のアクチュエータから解放されるまたは排出される空気の流量を増大させるために、電空制御器とニューマチックアクチュエータとの間に接続されうる。典型的には、急速排気弁は空気を大気に解放するようになっている。急速排気弁は、空気の放出流量を増大させることにより、アクチュエータに、プロセス制御デバイスへ加える力を迅速に減少させることを可能としている。したがって、急速排気弁は、アクチュエータが弁を閉弁位置または開弁位置に向かってストローク動作させることができる速度を増大させるために用いられうる。

二次的ニューマチックパワーステージが空気圧始動式デバイスの応答時間を減少させる上で有益であると分かっているが、二次的ニューマチックパワーステージは、デバイスの応答に望ましくない過渡性能も生じうる。たとえば、ボリュームブースタは、弁を、弁道程の方向にオーバシュートさせ、望ましい定常状態制御位置を通過させてしまいうる。このようなオーバシュートを補償するため、ボリュームブースタは、弁をアンダーシュートさせ、定常状態制御位置を反対方向に通過させうる。他の例では、急速排気弁は、高容量および開閉の動作応答に起因する望ましくない過渡挙動を引き起こしうる。さらに、急速排気弁のトリップポイント（ｔｒｉｐ ｐｏｉｎｔ）は、当該急速排気弁のまわりにバイパスが形成されている状態であっても、非常に敏感で、制御が困難でありうる。典型的には、上述のような望ましくない過渡現象／制御状態は、デバイス入力に与えられる制御信号の変動に対する空気圧作動型デバイスの応答の遅れによって引き起こされる。この遅れは、多くの二次的ニューマチックパワーステージの非線形動作特性によって悪化されうる遅れである。

ある例示的な実施形態では、電空制御システムは、電空制御器と、この電空制御器に接続されている二次的ニューマチックパワーステージとを備えている。二次的ニューマチックパワーステージは、電空制御器にフィードバック信号を与えるように構成されうる。

他の例示的な実施形態では、電空制御器は、電空トランスデューサと、この電空トランスデューサに接続されている制御ユニットと、この制御ユニットへの入力部とを備えている。さらに、制御ユニットへの入力部は、二次的ニューマチックパワーステージに接続されるように構成されうる。

さらに他の例では、電空制御システム内の空気圧始動式デバイスをコントロールする方法は、二次的ニューマチックパワーステージに関連する動作応答を検出することと、二次的ニューマチックパワーステージに関連する動作応答に基づいて、空気圧始動式デバイスの動作を制御することとを含んでいる。

公知になっているように、一または複数の二次的ニューマチックパワーステージ（たとえば、ボリュームブースタ、急速排気弁など）が空気圧始動式デバイスの応答時間を減少させるために用いられうる。しかしながら、二次的ニューマチックパワーステージは、空気圧始動式デバイスの動作応答に望ましくない過渡現象も引き起こしうる。フィードバック制御は、空気圧始動式デバイスの測定された動作応答が、入力として電空制御器に与えられるが、入力の変化に応答する際の空気圧始動式デバイスの固有の遅れに起因する過渡現象を打ち消すまたは補うにあたって十分なものではない。本明細書記載の例示の方法および装置は、これらの制限に取り組むことに向けられている。

図１を参照すると、電空制御システムの既知の一例１００のブロック図が示されている。電空制御システム１００は、生産加工用途、商用途またはその他の所望の用途において導入されるプロセス制御システム（図示せず）の一部でありうる。たとえば、システム１００は、石油、ガス、化学薬品などを加工する産業用プロセス制御システムの一部でありうる。図１に示されているように、システム１００は、接続部または終端部１０４を通じて、電力および制御信号を受信する電空制御器１０２を備えている。一般的に、電空制御器１０２は、４−２０ｍＡ信号、０−１０ＶＤＣ信号および／またはデジタルコマンドなどの如き一または複数の制御信号を受信するようになっている。制御信号は、プロセス制御デバイス１０６（弁として例示されている）の出力圧力および／または動作状態（たとえば、位置）を制御するための設定値として電空制御器１０２により用いられうる。

実施形態によっては、電力および制御信号は、終端部１０４に接続される一または複数の配線およびワイヤを共有する場合がある。たとえば制御信号が４−２０ｍＡ信号である場合、この４−２０ｍＡ制御信号は、電空制御器１０２への電力も供給しうる。他の例では、制御信号は、たとえば０−１０ＶＤＣ信号であり、個別の電源ワイヤまたは電源線（たとえば、２４ＶＤＣまたは１２０交流電圧（ＶＡＣ））が電空制御器１０２に接続されうる。さらに他の場合、電力および／または制御信号は、デジタルデータ信号と、ワイヤまたは配線を共有しうる。たとえば、制御信号が４−２０ｍＡ信号である場合、周知のハイウェイアドレス可能遠隔トランスデューサ（ＨＡＲＴ）プロトコルなどの如きデジタルデータ通信プロトコルが、電空制御器１０２との通信に用いられうる。このようなデジタル通信は、識別情報、動作状態情報などを電空制御器１０２から取得するために、システム１００が接続されているプロセス制御システム全体により用いられうる。これに代えてまたはこれに加えて、デジタル通信は、一または複数の制御機能を実行するように、電空制御器１０２を制御するまたは電空制御器１０２に対して命令するために用いられてもよい。

終端部１０４は、ねじ込み端子、絶縁置換コネクタ、ピグテールコネクタ、その他のタイプの適切な電気コネククタまたはこれらを組み合わせたものでありうる。もちろん、終端部１０４は、一または複数の無線通信リンクと交換されても良いしまたはそれらにより補完されても良い。たとえば、電空制御器１０２は、プロセス制御システム全体で、当該電空制御器１０２に制御情報（設定値、動作ステータス情報など）を交換させることを可能とするために、一または複数の無線トランシーバユニット（図示せず）を備えうる。一または複数の無線トランシーバが電空制御器１０２により用いられる場合、電力は、たとえばローカルまたは遠隔の電力供給源に接続されるワイヤを通じて、電空制御器１０２に供給されうる。

図１の例示のシステム１００に示されているように、電空制御器１０２の出力圧力は、二次的ニューマチックパワーステージ１１０を通じて、ニューマチックアクチュエータ１０８に接続されている。また、アクチュエータ１０８は、プロセス制御オペレータまたはプロセス制御デバイス１０６に接続されている。プロセス制御オペレータまたはプロセス制御デバイス１０６が弁として示されているが、それに代えて、他のデバイスまたはオペレータ（たとえば、ダンパー）が用いられても良い。ニューマチックアクチュエータ１０８は、デバイス１０６に直接接続されても良いし、またはこれに代えて、リンク機構などを介してデバイス１０６に接続されても良い。たとえば、プロセス制御デバイス１０６がストローク式弁である場合、ニューマチックアクチュエータ１０８の出力側シャフトは、デバイス１０６の制御側シャフトに直接接続されても良い。

二次的ニューマチックパワーステージ１１０は、たとえば一または複数のボリュームブースタおよび／または急速排気弁を備えうる。図１の例示のシステム１００では、ボリュームブースタは、１０２からの出力圧力がニューマチックアクチュエータ１０８の入力部に与えるまえに該出力圧力を増幅するために（すなわち、容量および／または圧力を増加させるために）、電空制御器１０２の出力部に接続されうる。これに代えてまたはこれに加えて、急速排気弁が、電空制御器１０２および／または一または複数のボリュームブースタの出力部とニューマチックアクチュエータ１０８の入力部との間に接続されても良い。このように構成することにより、急速排気弁は、ニューマチックアクチュエータ１０８内の圧力を大気中に排出することが可能となる。当業者にとって明らかなように、二次的ニューマチックパワーステージは、複数の構成が可能であり、それぞれ、一または複数のボリュームブースタ、急速排気弁などを備えている。好ましい構成は、制御されるプロセスに依存してさまざまである。

正常運転状態下では、位置検出器またはセンサ（図示せず）は、位置フィードバック信号１１２を電空制御器１０２へ与えるために用いられうる。与えられる場合、位置フィードバック信号１１２は、電空制御器１０２により、プロセス制御オペレータまたはプロセス制御デバイス１０６の位置（たとえば、弁が開弁／閉弁されるパーセンテージ）を正確に制御するようにその出力圧力を変えるために用いられうる。位置センサは、たとえばホール効果センサ、線形電圧変位変圧器、電位差計などの如きいかなる適切なセンサを用いて実現されても良い。

また、当業者にとって明らかなように、図１に示されている電空制御器１０２が単動式アクチュエータ（たとえば、アクチュエータ１０８）で用いるための一つの出力圧力を有するものとして示されているが、それと同様に、双動式の用途に用いられる２つの出力圧力を有する空気制御器が用いられても良い。たとえば、市販の双動式電空制御器の一つは、アイオワ州のマーシャルタウンにあるフィッシャ・コントロールズ・インターナショナル社により製造されているＤＶＣ６０００シリーズのデジタル式弁コントローラである。

図１の既知のシステムの一例１００に関連する制限に取り組むべく、本明細書記載の方法および装置を実現するための例示の電空制御システム２００が図２に示されている。図１および図２では、両方の図面に存在する略同様のブロックについては、同一の参照番号が付されており、また簡潔さのために、以下において同様の説明は繰り返さない。その代わりに、上記の図１の説明において、対応するブロックが完全に記載されている。

図２の電空制御システム２００は、二次的ニューマチックパワーステージ２０４の一または複数の動作応答を表す一または複数のフィードバック信号２０８を出力するように適切に修正された二次的ニューマチックパワーステージ２０４を備えている。たとえば、興味のある動作応答は、二次的ニューマチックパワーステージ２０４の出力部における空気質量流量に関連しうる。空気質量流量は、二次的ニューマチックパワーステージ２０４の出力部で測定されうるし、フィードバック信号２０８として用いられうる。たとえば、質量流量特性に対して既知の差圧を有するオリフィス板が、二次的ニューマチックパワーステージ２０４および／またはその内部のコンポーネントのうちの一または複数の出力流路の中へ挿入されうる。オリフィス板の既知の特性に基づいて、当該オリフィス板の差圧が測定され、対応する空気質量流量測定値へと変換されうる。このようにして、二次的ニューマチックパワーステージ２０４および／またはその内部のコンポーネントのうちの一または複数の出力部における空気質量流量が、測定され、一または複数のフィードバック信号２０８として、電空制御器２１２へ提供されうる。

しかしながら、用途によっては、空気質量流量を直接測定することが困難である場合も、または、非実用的である場合もあるので、空気質量流量となんらかの関係を有する他の動作応答が代わりに測定されることがある。たとえば、二次的ニューマチックパワーステージ２０４がボリュームブースタを備えている場合、フィードバック信号２０８は、ボリュームブースタの出力を制御するポペット弁の測定位置に対応しうる。このような構成では、ポペット弁の位置は、ほとんどの条件下で、ボリュームブースタの出力部における空気質量流量に比例するポペット弁の弁座流路面積と関連している。ホール効果センサの如きセンサが、ポペット弁の位置の測定に用いられうるし、また、二次的ニューマチックパワーステージ２０４の外側にあっても良くまたは二次的ニューマチックパワーステージ２０４と一体化されても良い。アクチュエータ１０８が単動式アクチュエータでありかつ二次的ニューマチックパワーステージ２０４が急速排気弁および／または一または複数のボリュームブースタを備えているような他の例においては、フィードバック信号２０８は、二次的ニューマチックパワーステージ２０４の出力部で測定される圧力を微分したもの対応しうる。アクチュエータ１０８が双動式のアクチュエータである場合、フィードバック信号２０８は、双動式のアクチュエータ１０８の少なくとも２つの入力に対応する二次的ニューマチックパワーステージ２０４の少なくとも２つの出力を用いて測定される差圧を微分したもの対応しうる。いずれの場合であっても、圧力測定は、たとえば、二次的ニューマチックパワーステージ２０４の出力部において、二次的ニューマチックパワーステージ２０４の下流側において、および／または、アクチュエータ１０８の入力部において行われうる。圧力タップは、たとえば圧力の測定に用いられうるし、また、二次的ニューマチックパワーステージ２０４の外側にあっても良いし、または 二次的ニューマチックパワーステージ２０４と一体化されても良い。測定圧力（または差圧）の微分は、電空制御器２１２によりフィードバック信号２０８に基づいて求められうる。

フィードバック信号２０８は、接続部または終端部２１６を通じて、適切に修正された電空制御器２１２に接続されている。例示のシステム２００では、電空制御器２１２は、さまざまな供給源（たとえば、ニューマチックアクチュエータ１０８および二次的ニューマチックパワーステージ２０４）から複数のフィードバック信号を受信するように構成されている。また、電空制御器２１２は、プロセス制御オペレータまたはプロセス制御デバイス１０６の位置を正確に制御するために、複数のフィードバック信号およびさらなる制御信号または基準信号に基づいて、その出力圧力を変えるように構成されうる。

図３は、図２のシステム２００に用いられうる電空制御器３００の一例を示す詳細なブロック図である。例示の電空制御器３００は、制御ユニット３０２と、電空トランスデューサ３０４と、空圧式リレイ３０６とを備えている。

制御ユニット３０２は、当該制御ユニット３０２が通信可能に接続されているプロセス制御システム全体から一または複数の制御信号（たとえば、４−２０ｍＡの制御信号）を受信し、制御信号３１０を電空トランスデューサ３０４に与えることにより、当該電空トランスデューサ３０４が作用可能に接続されているプロセス制御デバイス（たとえば、図２のデバイス１０６）の所望の出力圧力および／または所望の制御位置を達成するようになっている。制御ユニット３０２は、プロセッサに基づくシステム（たとえば、図５に関連して以下に記載のシステム５００）、離散型デジタル論理回路、特定用途向け集積回路、アナログ回路またはこれらを任意に組み合わせたものを用いて実現されうる。制御ユニット３０２の実現のためにプロセッサに基づいたシステムが用いられる場合、制御ユニット３０２は、その制御機能を実行するために、制御ユニット３０２内のメモリ（図示せず）に格納されているマシンが読み取り可能なインストラクション、ファームウェア、ソフトウェアなどを実行しうる。

また、制御ユニット３０２は、プロセス制御システム内の一または複数のデバイスからフィードバック信号を受信するように構成されている。例示の制御ユニット３０２は、アクチュエータ（たとえば、図２のアクチュエータ１０８）からフィードバック信号３１２を受信し、二次的ニューマチックパワーステージ（たとえば、図２の二次的ニューマチックパワーステージ２０４）からフィードバック信号３１４を受信するように構成されている。制御ユニット３０２は、制御信号３１０の適切な値を決定するために、制御信号３０８およびフィードバック信号３１２、３１４（および、以下に説明されるフィードバック信号３１８）を用いる。上記の制御信号３１０の適切な値は、電空トランスデューサ３０４に供給される。

一般に、電空トランスデューサ３０４および空圧式リレイ３０６は周知の構造を有している。電空トランスデューサ３０４は、電流から圧力へ変換するタイプのトランスデューサでありうる。この場合には、制御信号３１０は、プロセス制御デバイス１０６において所望の状態（たとえば、位置）を達成するために、制御ユニット３０２によって変えられる電流のことである。これに代えて、電空トランスデューサ３０４は、電圧から圧力へ変換するタイプのトランスデューサであっても良い。この場合には、制御信号３１０は、プロセス制御デバイス１０６を制御するために変えられる電圧のことである。空圧式リレイ３０６は、アクチュエータの制御のために、比較的低容量の（すなわち、低流量の）出力圧力３１６を比較的の高容量の出力に変換するようになっている。図３に示されているように、制御ユニット３０２は、空圧式リレイ３０６から出力圧力フィードバック信号３１８を受信するように構成されうる。しかしながら、用途によっては、空圧式リレイ３０６から出力圧力（または空気質量流量）を直接測定することが困難または非実用的である場合もあるので、フィードバック信号３１８は、他の関連する動作応答の測定値に対応するものであっても良い。たとえば、フィードバック信号３１８は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサによって測定されてアナログディジタル（Ａ／Ｄ）コンバータによって処理されるような空圧式リレイ３０６のリレイ位置に対応しても良い。フィードバック信号３１８は、診断信号として用いられても良いし、および／または 電空制御器３００の出力に対してより正確なクローズドループ制御を実現するために、圧力（または空気質量流量）をたとえば微分したものに変換されても良い。

図２の例示の電空制御システム２００を背景にして図３の電空制御器３００の動作をよりよく理解するため、電空制御器４０２により実行されうる例示のフィードバック制御システム４００を示す詳細な機能ブロック図を図４に示す。図２の例示のシステム２００と同様に、電空制御システム４００は、ニューマチックアクチュエータ４０６に接続されているプロセス制御デバイス４０４（たとえば、弁）を備えている。電空制御器４０２は、二次的ニューマチックパワーステージ４０８を通じて、ニューマチックアクチュエータ４０６に接続されている。図２の二次的ニューマチックパワーステージ２０４と同様に、二次的ニューマチックパワーステージ４０８は、一または複数のボリュームブースタ、急速排気弁などを備えている。

プロセス制御デバイス４０４が所望の設定値を示すために、基準制御信号４１０（たとえば、図３の制御信号３０８）が電空制御器４０２の入力部に与えられる。また、電空制御器４０２は、ニューマチックアクチュエータ４０６および二次的ニューマチックパワーステージ４０８からフィードバック信号４１２（たとえば、フィードバック信号３１２）およびフィードバック信号４１４（たとえば、フィードバック信号３１４）をそれぞれ対応して受信するように構成されている。図３の例示の電空制御器３００と同様に、電空制御器４０２は、入力電気制御信号を圧力信号に変換するために、電空トランスデューサ４１６（たとえば、電空トランスデューサ３０４）を備えている。また、制御器４０２は、トランスデューサ４１６からの比較的低容量の出力圧力を比較的高容量の出力圧力に変換するために、リレイ４１８（たとえば、空気圧リレイ３０６）を備えている。

電空制御器４０２の制御ユニット（図３の制御ユニット３０２のような、しかし図４に示されていない）は下記に述べられるような図４の例示のフィードバック制御システムを実現するように構成される。基準制御入力４１０およびアクチュエータフィードバック信号４１２は、フォワードパス比例ゲイン要素（ｆｏｒｗａｒｄ ｐａｔｈ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｇａｉｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）４２０（Ｋ）に与えられる誤差信号を生成するために減算される。また、アクチュエータフィードバック信号４１２は、フィードバック微分ゲイン要素（ｆｅｅｄｂａｃｋ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ ｇａｉｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）４２２（Ｋｘｓ）に与えられる。したがって、比例微分（ＰＤ）負フィードバック制御は、アクチュエータフィードバック信号４１２から導かれる。

さらに、リレイ４１８からのフィードバック信号４２４（たとえば、図３のフィードバック信号３１８）は、マイナーループ比例ゲイン要素（ｍｉｎｏｒ ｌｏｏｐ ｐｒｏｐｒｔｉｏｎａｌ ｇａｉｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）４２６（Ｋｍｉ）へ与えられる。二次的ニューマチックパワーステージフィードバック信号４１４は、他のマイナーループ比例ゲイン要素４２８（Ｋｍｉ２）へ与えられる。最後に、ゲイン要素４２２、４２６、４２８の出力は、ゲイン要素４２０の出力から差し引かれ、電空トランスデューサ４１６へ与えられる入力制御信号４３０（たとえば、制御信号３１０）が生成される。当業者にとって明らかなように、フィードバックゲイン要素４２０、４２２、４２４、４２６のうちのいずれかまたは全部が、入力信号（たとえば、圧力信号）を適切なタイプの出力信号（たとえば、電気信号）に変換しうる。したがって、フィードバックゲイン要素４２０、４２２、４２４、４２６に関連する単位は、ゲイン要素に入力を与え、ゲイン要素から出力を受け取るデバイスの特性に依存してさまざまである。

先に記載されているように、プロセス制御デバイス（たとえば、プロセス制御デバイス４０４）およびそれらに対応するアクチュエータ（たとえば、アクチュエータ４０６）は、比較的遅い応答時間を有しうる。その結果、比例ゲイン要素４２０および微分ゲイン要素４２２を通じてアクチュエータフィードバック信号４１２から導出されるフィードバック制御は、それぞれ、二次的ニューマチックパワーステージ４０８により導入されうる過度的な変化を打ち消すまたは補償するには十分ではない場合がある。しかしながら、例示の電空制御器４０２は、マイナーループ比例ゲイン要素４２８を通じて、二次的ニューマチックパワーステージフィードバック信号４１４から導出される負のフィードバック制御によってこれらの過渡信号を補償しうる。さらに、二次的ニューマチックパワーステージフィードバック信号４１４がたとえば二次的ニューマチックパワーステージ４０８に関連する空気質量流量を表わす場合、電空制御器４０２は、この情報を用いることにより、デバイス４０４（または、関連するアクチュエータ４０６）の状態を表す信号がフィードバック信号ただ一つであった場合に較べてより迅速にプロセス制御デバイス４０４の状態の変化に応答することが可能となる。したがって、電空制御器４０２は、望ましい収束速度を備えるとともに、オーバシュート／アンダーシュートの所望の範囲内の応答の如き所望の特性を備えた総合的なシステム応答を達成することができる。

当業者にとって明らかなように、図４の実施形態は、例示の電空制御器４０２の如き電空制御器により実現されうるフィードバック制御システムの一例にすぎない。たとえば、電空制御器４０２は、二次的ニューマチックパワーステージ４０８だけからのフィードバック信号、二次的ニューマチックパワーステージ４０８からの複数のフィードバック信号、および／または、複数の二次的ニューマチックパワーステージ４０８からのフィードバック信号を受信するように構成されうる。また、電空制御器４０２は、フィードバック制御の他の構成を実現するように構成されうる。たとえば、電空制御器４０２は、一または複数の制御信号および／またはフィードバック信号に基づいて、比例制御、微分制御、積分制御またはこれらを組み合わせたものを実現するように構成されうる。もちろん、好ましい構成は、被制御プロセスに依存してさまざまである。

ほとんどのプロセス制御アプリケーションでは、所望のシステム応答は臨界的に減衰（ｃｒｉｔｉｃａｌｌｙ ｄａｍｐｅｄ）されるようになっている。臨界的に減衰されるシステムは、所望の収束速度内でかつ最小量のオーバシュート／アンダーシュートで、所望の設定値に到達するステップ応答を有している。図４の例示のシステム４００では、ゲイン要素４２０、４２２、４２６、４２８は、ニューマチックアクチュエータ４０６および／またはプロセス制御デバイス４０４において臨海的減衰応答を達成するために、調節されうる。

所望の（たとえば、臨海的に減衰される）動作応答を達成するために、ゲイン要素４２０、４２２、４２６、４２８のうちのいずれかまたは全部は、たとえばフィードバック制御システム４００の初期校正中に調整可能であるように構成されうる。当業者にとって明らかなように、ゲイン要素４２０、４２２、４２６および／または４２８の値を調節するために用いられる技術は、フィードバック制御システム４００を用いる特別のプロセス制御アプリケーションの構成および／または特性に依存してさまざまである。

図２を参照すると、当業者にとって明らかなように、二次的ニューマチックパワーステージ２０４および／またはその内部のコンポーネントからの一または複数のフィードバック信号２０８は、有用な診断の情報を、電空制御器２１２に与えても良い。たとえば、図１の既知の制御システムの一例１００では、フィードバック信号１１２は、ニューマチックアクチュエータ１０８の動作状況を評価するためにも用いられうる。しかしながら、図１の例示の制御システム１００に示されているように、二次的ニューマチックパワーステージ１１０のための診断情報を提供する信号は容易に利用可能ではない。図２の例示の制御システム２００の場合には、フィードバック信号２０８は、二次的ニューマチックパワーステージ２０４の動作状況に関連する診断情報および／またはニューマチックアクチュエータ１０８に対応するさらなる診断情報を提供するために、フィードバック信号１１２と同様の方法で用いられてうる。たとえば、フィードバック信号２０８のうちの一つがボリュームブースタの出力部で測定される圧力に対応する場合、ボリュームブースタが正常な動作の仕様内で機能しているか否か判断するために、フィードバック信号２０８の値が用いられうる。このタイプの情報は、制御システム２００に関する既存の問題を分析するにあたって、および／または、潜在的な問題が生じるまえにそれを改善するにあたって役立ちうる。

図５は、図３の制御ユニット３０２を実行するために用いられてうる例示のプロセッサシステム５００である。図５に示されているように、プロセッサシステム５００は、相互接続バスまたはネットワーク５１４に接続されているプロセッサ５１２を備えている。プロセッサ５１２は、いかなる適切なプロセッサ、処理ユニット、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラであっても良い。一例として、モトローラ（登録商標）のマイクロコントローラシリーズのマイクロコントローラ（たとえば、ＨＣ０５、ＨＣ１１またはＨＣ１２）、ＡＲＭ（登録商標）埋め込み式プロセッサに基づくプロセッサ（たとえば、ＡＲＭ７またはＡＲＭ９）などが挙げられる。図５には示されていないが、システム５００は、マルチプロセッサシステムであっても良く、それ故、プロセッサ５１２と同一または同様な、相互接続バスまたはネットワーク５１４に接続されている一または複数のさらなるプロセッサを備えうる。

図５のプロセッサ５１２はチップセット５１８に接続されている、このチップセット５１８はメモリ制御器５２０と入出力（Ｉ／Ｏ）制御器５２２とを備えている。周知になっているように、チップセットは、通常、Ｉ／Ｏ管理機能およびメモリ管理機能を提供することに加えて、チップセットに接続されている一または複数のプロセッサによりアクセス可能なまたは用いられる複数の多目的および／または特定目的のレジスタ、タイマなどを提供する。メモリ制御器５２０は、プロセッサ５１２（または、複数のプロセッサがある場合に複数のプロセッサ）にシステムメモリ５２４にアクセスさせることを可能とする機能を実行する。システムメモリは、たとえば静的ランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、動的ランダムアクセスメモリなど（ＤＲＡＭ）などの如き任意の所望のタイプの揮発性メモリを含みうる。Ｉ／Ｏ制御器５２２は、プロセッサ５１２にＩ／Ｏバス５３０を通じて周辺機器の入出力（Ｉ／Ｏ）デバイス５２６、５２８と通信させることを可能とする機能を実行する。Ｉ／Ｏデバイス５２６、５２８は、いかなる所望のタイプのＩ／Ｏデバイスであっても良い。この例としては、たとえば、液晶表示（ＬＣＤ）スクリーン、ローカルユーザインターフェイス（ＬＵＩ）に含まれる複数の押しボタンなどが挙げられる。メモリ制御器５２０およびＩ／Ｏ制御器５２２が、チップセット５１８内の別個の機能ブロックであるものとして図５に示されているが、これらのブロックにより実行される機能は、単一の半導体回路内に一体化されても良いし、または、２つ以上の別個の集積回路を用いて実現されても良い。

図５のデバイスの如きシステム内に本明細書記載の方法および／または装置を実現することに代えて、本明細書記載の方法および装置は、プロセッサおよび／またはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）の如き構造内に埋め込まれても良い。これに代えて、本明細書記載の方法および／または装置は、離散的なアナログ論理要素および／またはデジタル論理要素を用いて実現されても良い。

ある例示の方法および装置が本明細書記載に記載されているが、本発明の範疇はそれらに限定されるわけではない。それどころか、本発明は、文字通りにまたは均等論に従って添付の特許請求の範囲に正当に含まれる方法および装置のすべてを網羅する。

既知の電空制御システムを示すブロック図である。 二次的ニューマチックパワーステージからのフィードバック信号を含む例示の電空制御システムを示すブロック図である。 図２のシステムに用いられうる例示の電空制御器を示す詳細なブロック図である。 図２の例示の電空制御システムの詳細な機能ブロック図である。 図２の制御ユニットを実現するために用いられうる例示のプロセッサシステムである。

Claims (45)

1. 電空制御システムであって、
   制御ユニットと、電空トランスデューサと、空圧式リレイとから成る電空制御器と、
   前記電空制御器に接続されている二次的ニューマチックパワーステージであって、二次的ニューマチックパワーステージから前記電空制御器に第一のフィードバック信号を与える二次的ニューマチックパワーステージとを備え、
   前記二次的ニューマチックパワーステージ及び前記電空制御器の各々は、ニューマチックアクチュエータに接続されるように構成され、
   前記電空制御器は、前記ニューマチックアクチュエータから第二のフィードバック信号を受け取るように構成され、
   前記第二のフィードバック信号は、前記第一のフィードバック信号と異なる、電空制御システム。
2. 前記二次的ニューマチックパワーステージがボリュームブースタを有してなる、請求項１記載の電空制御システム。
3. 前記二次的ニューマチックパワーステージが急速排気弁を有してなる、請求項１記載の電空制御システム。
4. 前記第一のフィードバック信号が位置の測定に基づいている、請求項１記載の電空制御システム。
5. 前記位置がポペット弁の位置に基づいている、請求項４記載の電空制御システム。
6. 前記ポペット弁の位置を測定するためにホール効果センサをさらに備えてなる、請求項５記載の電空制御システム。
7. 前記第一のフィードバック信号が、前記二次的ニューマチックパワーステージの出力部に関連する圧力に基づいている、請求項１記載の電空制御システム。
8. 前記第一のフィードバック信号が、前記圧力を微分したものに基づいている、請求項７記載の電空制御システム。
9. 前記第一のフィードバック信号が、前記二次的ニューマチックパワーステージの第一の出力に関連する第一の圧力と、前記二次的ニューマチックパワーステージの第二の出力に関連する第二の圧力に基づいている、請求項１記載の電空制御システム。
10. 前記第一のフィードバック信号が、前記第一の圧力と前記第二の圧力との間の差に基づいている、請求項９記載の電空制御システム。
11. 前記第一のフィードバック信号が、前記第一の圧力と前記第二の圧力との間の差を微分したものに基づいている、請求項１０記載の電空制御システム。
12. 前記電空制御器が、前記二次的ニューマチックパワーステージの出力部に関連する空気質量流量に対応するように前記第一のフィードバック信号を変換するように構成されてなる、請求項１記載の電空制御システム。
13. 前記電空制御器が、前記第一のフィードバック信号に基づいてフィードバックループを実行するように構成されてなる、請求項１記載の電空制御システム。
14. 前記フィードバックループが、負のフィードバックループである、請求項１３記載の電空制御システム。
15. 前記電気制御器は、該第一のフィードバック信号に基づいて第三のフィードバック信号を決定するように構成され、前記フィードバックループが該第三のフィードバック信号に基づいている、請求項１３記載の電空制御システム。
16. 前記第三のフィードバック信号が、利得係数によって拡大縮小された前記第一のフィードバック信号に等しい、請求項１５記載の電空制御システム。
17. 前記利得係数が、空気圧始動式デバイスの応答特性に基づいている、請求項１６記載の電空制御システム。
18. 前記電空制御器に第二のフィードバック信号を与えるために前記電空制御器に接続されている前記ニューマチックアクチュエータをさらに備えてなる、請求項１記載の電空制御システム。
19. 前記電空制御器が、前記第一のフィードバック信号と前記第二のフィードバック信号とに基づいてフィードバックループを実行するように構成されてなる、請求項１８記載の電空制御システム。
20. 前記電空制御器が、前記第一のフィードバック信号に基づいた第三のフィードバック信号および前記第二のフィードバック信号に基づいた第四のフィードバック信号のうちの少なくとも一つを決定するように構成されており、前記フィードバックループが、前記第三のフィードバック信号および前記第四のフィードバック信号のうちの少なくとも一つに基づいている、請求項１９記載の電空制御システム。
21. 前記第三のフィードバック信号が、第一の利得係数によって拡大縮小された前記第一のフィードバック信号と等しく、前記第四のフィードバック信号が、第二の利得係数によって拡大縮小された前記第二のフィードバック信号と等しい、請求項２０記載の電空制御システム。
22. 前記電空制御器が、前記第一のフィードバック信号に基づいて第一の診断モニターを実行するように構成されてなる、請求項１記載の電空制御システム。
23. 前記電空制御器が、第二のフィードバック信号に基づいて第二の診断モニターを実行するように構成されてなる、請求項２２記載の電空制御システム。
24. 前記制御ユニットに入力するための第一の入力部及び第二の入力部を備えており、
    制御ユニットは、前記電空トランスデューサに接続され、
    前記第一の入力部は、前記二次的ニューマチックパワーステージと接続されるように構成され、
    前記第二の入力部は、前記ニューマチックアクチュエータと接続されるように構成されてなる、請求項１に記載の電空制御システム。
25. 前記制御ユニットが、前記第一の入力部に基づいてフィードバックループを実行するように構成されてなる、請求項２４記載の電空制御システム。
26. 前記第二の入力部は、前記ニューマチックアクチュエータと接続される空気圧始動式デバイスの動作応答を示すように構成されてなる、請求項２４記載の電空制御システム。
27. 前記制御ユニットが、前記第一の入力部と前記第二の入力部に基づいて、フィードバックループを実行するように構成されてなる、請求項２４記載の電空制御システム。
28. 前記制御ユニットが、前記第一の入力部に基づいて第一の診断モニターを実行するように構成されてなる、請求項２４記載の電空制御システム。
29. 電空制御システム内の空気圧始動式デバイスを制御するための方法であって、
    電空制御器に接続される二次的ニューマチックパワーステージを設けることと、
    前記二次的ニューマチックパワーステージに関連する第一の動作応答を前記電空制制御器を介して検出することと、
    ニューマチックアクチュエータの第二の動作応答を前記電空制制御器を介して検出することと、
    前記第一及び第二の動作応答に基づいて前記空気圧始動式デバイスの動作を制御することとを含む、方法。
30. 前記第二の動作応答は、前記空気圧始動式デバイスの動作を示している、請求項２９記載の方法。
31. 前記二次的ニューマチックパワーステージが、ボリュームブースタおよび急速排気弁のうちの少なくとも１つを有してなる、請求項２９記載の方法。
32. 前記第一の動作応答を検出することが、前記二次的ニューマチックパワーステージの出力部に関連する圧力を測定することを含んでいる、請求項２９記載の方法。
33. 前記第一の動作応答を検出することが、前記圧力を微分したものを決定することを含んでいる、請求項３２記載の方法。
34. 前記第一の動作応答を検出することが、前記二次的ニューマチックパワーステージの第一の出力部に関連する第一の圧力および前記二次的ニューマチックパワーステージの第二の出力部に関連する第二の圧力を測定することを含んでいる、請求項２９記載の方法。
35. 前記第一の動作応答を検出することが、前記第一の圧力と前記第二の圧力との間の差を決定することを含んでいる、請求項３４記載の方法。
36. 前記第一の動作応答を検出することが、前記第一の圧力と前記第二の圧力との間の差を微分したものを決定することを含んでいる、請求項３５記載の方法。
37. 前記第一の動作応答を検出することが、位置を測定することを含んでいる、請求項２９記載の方法。
38. 前記位置を測定することが、ポペット弁の位置を測定することを含んでいる、請求項３７記載の方法。
39. 前記空気圧始動式デバイスの動作を制御することが、前記二次的ニューマチックパワーステージの出力部に関連する空気質量流量に対応するように前記第一の動作応答を変換することを含んでいる、請求項２９記載の方法。
40. 前記空気圧始動式デバイスの動作を制御することが、前記第一の動作応答に基づいて、フィードバックループを実行することを含んでいる、請求項２９記載の方法。
41. 前記フィードバックループが負のフィードバックループである、請求項４０記載の方法。
42. 前記空気圧始動式デバイスの動作を制御することが、前記第一の動作応答に基づいて第三の動作応答を決定することを含んでおり、前記フィードバックループが前記第三の動作応答に基づいている、請求項４０記載の方法。
43. 前記第三の動作応答が、利得係数によって拡大縮小される前記第一の動作応答と等しい、請求項４２記載の方法。
44. 前記利得係数が、前記空気圧始動式デバイスに関連する第二の動作応答に基づいている、請求項４３記載の方法。
45. 前記第一の動作応答に基づいて、前記二次的ニューマチックパワーステージおよび前記空気圧始動式デバイスのうちの少なくとも一つに対する診断情報を決定することをさらに含んでいる、請求項２９記載の方法。

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