JP6342665B2 - 制御弁の制御ユニット、制御方法及び制御弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、制御弁の制御ユニット、制御方法及び制御弁装置に関する。

弁の開度により流量を調整する制御弁の開度−風量（流量）特性は、直線で無いため、開度の大小によって応答性が異なる。つまり、同じ操作量に対する風量（流量）の変化量は、開度の大小によって異なる。また、風量（流量）は制御弁前後の差圧にも影響される。このような特性は弁の種類、大きさによっても異なり、また製造者が異なれば、同種の弁であっても異なる。

このような制御上の複雑さを回避するために、制御弁で流体の流量を制御する場合には、現在流量を計測し、目標流量と現在流量の偏差の大きさに応じて操作量を決定するフィードバック制御が行われてきた。

特開平９−２８７７９８号公報 特開２０１０−１６９３０６号公報 特開平５−２０４４６６号公報 特開２０１０−２２３５４０号公報

しかし、このフィードバック制御では、開度の大小によって応答性が変化するために、開度が小さい場合にはハンチングを起こし、開度が大きい場合には、緩慢な動作になるなどの問題があった。このため、実質的に制御範囲に上限・下限を設ける必要があるという問題もあった。

このような制御範囲の制約を緩和するために、制御弁の流路形状を工夫して開度−風量（流量）特性を直線に近づけるなどの工夫がなされてきたが、開度−風量（流量）特性を直線へ充分に近づける設計は難しく、また、流路形状が複雑化してしまう。

そこで本発明は、制御弁の特性や器差に係わらず、速やかに所望の制御を達成させることが可能な制御弁を制御する技術の提供を課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の制御弁装置は、
制御弁と当該制御弁の制御ユニットとを有し、
前記制御ユニットが、
流体の流量を弁の開閉によって制御する前記制御弁の開度、
前記制御を行うために用いられる値であって前記制御弁を通過する前記流体の流量若しくは前記流体の流速又は他の装置から受信して前記制御弁の弁開度を操作し得る開度指令値である制御基礎値、並びに、
前記制御弁を通過する前記流体の前記弁前後の差圧、
の関係を示す特性データを記憶した記憶部と、
前記弁前後の差圧を検出するまたは算出することで認識する差圧認識部と、
前記差圧認識部で認識した差圧並びに前記記憶部又は他の装置から前記制御弁の制御に
要する制御基礎値を取得し、前記取得した差圧並びに前記制御に要する制御基礎値に対応する制御弁の開度を前記特性データに基づいて求め、当該開度に基づく開度信号を出力する処理部と、
前記開度信号に基づく開度となるように前記弁を開閉させる駆動部と、を備え、
前記制御弁が、
前記流体の流路と、
開閉によって前記流体の流量を制御する前記弁と、
前記弁前後の差圧を前記差圧認識部へ伝える伝達手段と、
を備えた。

前記制御弁装置において、前記制御基礎値は前記制御弁を通過する前記流体の流量または前記流体の流速であり、前記制御に要する制御基礎値は前記制御弁を通過すべき要求流量または要求流速であり、前記特性データは、前記弁開度を、流量または流速と弁前後差圧との関数で示したデータであっても良い。

前記制御弁装置において、前記制御基礎値は前記制御弁を通過する前記流体の流量または前記流体の流速であり、前記制御に要する制御基礎値は前記制御弁を通過すべき要求流量または要求流速であり、前記特性データは、前記制御弁を通過する前記流体の流量または流速毎に設定され、流量または流速が変化した際、前記処理部は、前記制御弁の開度を当該流量または流速に該当する特性データに基づいて求めても良い。

前記制御弁装置において、前記特性データが、前記差圧毎に設定され、
前記処理部が、前記制御弁の開度を前記差圧に該当する特性データに基づいて求めても良い。

上記課題を解決するため、本発明の制御弁の制御方法は、
流体の流量を弁の開閉によって制御する制御弁の開度、
前記制御を行うために用いられる値であって前記制御弁を通過する前記流体の流量若しくは前記流体の流速又は他の装置から受信して前記制御弁の弁開度を操作し得る開度指令値である制御基礎値、並びに、
前記制御弁を通過する前記流体の前記弁前後の差圧、
の関係を示す特性データを記憶した記憶部から前記特性データを読み出すステップと、
差圧認識部が、前記弁前後の差圧を検出するまたは算出することで認識するステップと、
処理部が、前記差圧認識部で認識した差圧並びに前記記憶部又は他の装置から前記制御弁の制御に要する制御基礎値を取得し、前記取得した差圧並びに前記制御に要する制御基礎値に対応する制御弁の開度を前記特性データに基づいて求め、当該開度に基づく開度信号を出力するステップと、
を実行する。

前記制御方法において、前記制御基礎値は前記制御弁を通過する前記流体の流量または前記流体の流速であり、前記制御に要する制御基礎値は前記制御弁を通過すべき要求流量または要求流速であり、前記特性データは、前記弁開度を、流量または流速と弁前後差圧との関数で示したデータであっても良い。

前記制御方法において、前記制御基礎値は前記制御弁を通過する前記流体の流量または前記流体の流速であり、前記制御に要する制御基礎値は前記制御弁を通過すべき要求流量または要求流速であり、前記特性データは、前記制御弁を通過する前記流体の流量または流速毎に設定され、流量または流速が変化した際、前記処理部は、前記制御弁の開度を当該流量または流速に該当する特性データであっても良い。

本発明によれば、制御弁の特性や器差に係わらず、速やかに所望の制御を達成させることが可能な制御弁を制御する技術を提供できる。

図１は、実施形態１に係る制御弁装置の概略構成図である。 図２は、風量ＱとΔＰに係る値に対する弁体の開度を表す特性データの図である。 図３は、特性曲線の例を示す図である。 図４は、制御弁の制御方法の説明図である。 図５は、要求流量が上昇した際の制御弁の制御における具体的な動作の説明図である。 図６は、要求流量が上昇した際の制御弁の制御における具体的な動作の説明図である。 図７は、差圧が上昇した際の制御弁の制御における具体的な動作の説明図である。 図８は、差圧が上昇した際の制御弁の制御における具体的な動作の説明図である。 図９は、変形例１の特性データの一例を示す図である。 図１０は、変形例１の特性データを用いて弁体の開度を求める例を示す図である。 図１１は、変形例２の特性データの一例を示す図である。 図１２は、変形例２の特性データを用いて弁体の開度を求める例を示す図である。 図１３は、実施形態２に係る空調システムを示す概略図である。 図１４は、補正曲線の一例を示す図である。 図１５は、実施形態２に係る制御弁の制御方法の説明図である。

〈実施形態１〉
《装置構成》
図１は、本実施形態に係る制御弁装置１０の概略構成図である。図１に示すように、制御弁装置１０は、制御弁１と制御ユニット２とを有し、空調システムのダクト等に接続され、制御ユニット２が制御弁１の開閉を制御して、制御弁１内を通過する空気の流量（風量）を制御する。

制御弁１は、本体１１や、弁体（絞り機構）１２、差圧チューブ（伝達手段）１３を備えている。

本体１１は、内空を空気の流路とする管状の部材（管状体）であり、例えばＶＡＶ方式の空調システムにおける給気ダクトと接続される。

弁体１２は、制御ユニット２の制御によって開閉させられ、開状態で本体１１内空の開口面積を最大とし、閉状態で本体１１内空の開口面積を最小（開口を無くし、空気の通過を止めることも含む）とする絞り機構である。弁体１２は、開閉により風量を制御できれば、どのような形式であっても良いが、本実施形態では、回動軸１２１と絞り羽１２２とを有するバタフライ弁である。絞り羽１２２は、本体１１内を通過する空気の流通方向１９と直交する面における本体内空の形状と略同じ外形とした平板状の部材であり、回動軸１２１を中心に回動可能に保持されている。

差圧チューブ１３は、弁体１２前後の差圧を制御ユニット２に伝える伝達手段である。ここで弁体１２前後とは、弁体１２に対し、空気の流通方向１９において上流側を前、下流側を後としている。

差圧チューブ１３は、一端が弁体１２の前側で本体１１に接続されて空気の流路と連通し、他端が制御ユニット２と接続された前側チューブ（前側伝達手段）１３１と、一端が弁体１２の後側で本体１１に接続されて空気の流路と連通し、他端が制御ユニット２と接続された後側チューブ（後側伝達手段）１３２とを有している。

また、制御ユニット２は、記憶部２１や、差圧認識部２２、処理部２３、駆動部２４を備えている。

記憶部２１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＰＲＯＭ（Programmable Read-Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）など、データを記憶し、電気的に読み出し可能な記憶装置である。記憶部２１は、制御弁１の開度と、制御を行う際の要求流量（制御基礎値）と、制御弁１を通過する空気の弁前後の差圧との関係を示す特性データを記憶している。この特性データは市販の制御弁毎に異なるものであり、各々に対して予め試験（実測）して求め、記憶部２１に記憶しておく。なお、特性データは、実測したデータに限らず、実測したデータを補正したデータや、類似した制御弁の特性データから換算したデータ、制御弁の仕様から推定したデータ、シミュレーションによって算出したデータ等であっても良い。

差圧認識部２２は、弁前後の差圧を検出するまたは算出することで認識する。本実施形態の差圧認識部２２は、２点間の圧力の差を計測する差圧計であり、入力ポート（口金）２２１の一方に前側チューブ１３１が接続され、他方に後側チューブ１３２が接続されている。差圧認識部２２は、二つの入力ポートに伝達される圧力の差によって受圧素子（例えばダイアフラム）を変位させ、この変位量を半導体歪みゲージの抵抗値変化や電極間の静電容量変化等によって電気信号に変換し、差圧信号として出力する構成としている。なお、弁前後の差圧を計測する方法としてはこれに限らず、弁の前（上流側）と後（下流側）のそれぞれに圧力の絶対値を計測する圧力センサを設置し、当該圧力センサを通信線で差圧認識部と接続して、差圧認識部は２つの圧力センサで検知された数値の差から算出するものであってもよい。この場合、通信線が本願の伝達手段を構成する。

処理部２３は、差圧認識部２２で認識した差圧及び要求流量に対応する制御弁１の開度を前記特性データに基づいて求め、当該開度に基づく開度信号を出力する等、所定の処理を行うデバイスであり、例えばプログラムに基づいて前記処理を行う汎用のプロセッサー（ＣＰＵ、ＭＰＵ等）や、前記処理を行う特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、前記処理を行う論理回路を設定可能なプログラマブルロジックデバイス等である。

駆動部２４は、ステッピングモータ等の駆動源２４１や、駆動源２４１の駆動力を弁体１２の回動軸１２１に伝達する動力伝達機構２４２を有している。また、駆動部２４は、弁体１２の角度や位置、移動量等、弁体１２の開度を検出するためのセンサー（例えばエンコーダ）を有しても良い。

《特性データの説明》
弁体１２の開閉によって、制御弁１を通過する空気の流量（風量）が調整される際に、例えば弁体１２が閉じた状態、即ち弁体１２による抵抗が高い状態であると、動圧により弁体１２の前側で圧力が高くなり、弁体１２前後の圧力差は大きくなる。一方、弁体１２が開いた状態、即ち弁体１２による抵抗が低い状態であると、動圧による弁体１２前側で
の圧力の上昇が少なく、弁体１２前後の圧力差は小さくなる。

これら風量Ｑ、差圧ΔＰ、抵抗係数ξとの関係は一般に以下の式で表される。ここで、Ａは弁体が設置された流路の断面積、ρは流体の密度である。

式１のうち、入力値である風量ＱとΔＰを左辺にまとめると、式２に示すように右辺は抵抗係数ξだけの関数となる。

抵抗係数ξが弁体１２の開度（本例では角度θ）毎に一意に定まる場合、右辺の値に対応するθは一意に定まる。即ち、右辺の値とθとの関係は、１本の曲線（以下、特性曲線とも称す）で表されることになる。

図２は、式２の右辺の値に対する角度θとの関係を表す特性曲線、即ち風量ＱとΔＰに係る値（式２の左辺の値）に対する弁体１２の開度を表す特性データの図である。

図２では、式２の左辺の値を縦軸にとり、弁体１２の角度θを横軸にとって、この対応関係を特性曲線３１で示している。この特性曲線３１は、制御弁１の弁体１２の角度θ毎に、制御弁１を通過する風量Ｑ及び弁体１２前後の差圧ΔＰに係る値との関係を、例えば建設しようとする設備に採用される弁やバルブを試験施設にて予め測定し、この対応関係を示す対応表や関係式等の特性データとして記憶部に記憶する。

これにより制御ユニット２の処理部は、目標とする風量、即ち制御によって要求する風量（以下、要求風量とも称す）Ｑ及び差圧ΔＰが入力された場合、図２に示すように、式２の左辺の値を求め、この値３２に対する角度θの値３３を特性曲線３１に基づいて求める。

ここで角度θは、例えば弁体１２を全閉状態としたときの角度を０°とし、この全閉状態から開く方向へ回動軸１２１を中心に回転させたときの弁体１２の位置までの回転角である。なお、弁体１２の開度は、角度θに限らず、例えば全閉状態を０％、全開状態を１００％とし、この０％から１００％までの値として示しても良い。

また、図２の例では、特性データとして、式２の左辺の値と角度θとの対応関係を求めたが、弁体１２の開度（角度θ）との対応関係を求める式は、これに限らず「抵抗係数」と「風量Ｑ及び差圧ΔＰ」とが、それぞれ異なる辺となるように式１を変数分離したものであれば、どのような式であっても良い。例えば、式１を変形して式３とし、弁体１２の開度との対応関係を求める値として式３の左辺の値を用いても良い。式３の左辺の値（抵抗係数ξ）と弁体１２の開度（角度θ）との対応関係を求めて特性データとしても良い。縦軸にとる値をＱ／√ΔＰ（式２の左辺）またはその逆数とするほうが、計算が簡易となる上に、数値の桁数も小さくなり、処理部２３による処理速度の向上につながるので、より好ましい。

また、高精度な制御性が求められる場合に、風量Ｑ（あるいは風速Ｖ）が異なるときの抵抗係数の違いの影響が無視できないことがある。このような場合は、風量Ｑ（あるいは風速Ｖ）毎の複数の特性曲線を使って制御しても良い。

図３は、風速３ｍ／ｓから風速７ｍ／ｓまでの１ｍ／ｓ毎に特性曲線３４〜３８を求めた場合を示している。これにより風量Ｑ（あるいは風速Ｖ）に応じた特性曲線３４〜３８を用いて精度良く弁体１２の開度（角度θ）を求めることができる。

例えば設定風速が４．１ｍ／ｓで、入力値の関数の値がＩａであった場合、図３に示すように、Ｉａと対応する特性曲線３５の値θ35と特性曲線３６の値θ36を求め、この間の風速４．１ｍ／ｓに相当する値θａを求める。

《制御方法》
図４は、制御弁１の制御方法の説明図である。制御ユニット２は、電源が投入されると、差圧認識部２２や処理部２３を動作させて図４の処理（制御方法）を実行する。

先ず、差圧認識部２２は、前側チューブ１３１を介して伝達される弁体１２前側の圧力と、後側チューブ１３２を介して伝達される弁体１２後側の圧力との差を検出し、この差圧に応じた電気信号を処理部２３に入力する（ステップＳ１）。この差圧の検出は、所定のサンプリング周期で検出するものでも良いし、処理部２３などから要求されたときに検出するものでも良い。

処理部２３は、予め設定されたプログラムやロジックに基づいて処理を開始し（ステップＳ２）、要求風量（設定風量）Ｑを取得する（ステップＳ３）。この要求風量Ｑの取得は、予め記憶部２１等に設定されたものを読み出すものでも良いし、空調システム等の他の装置から入力を受けるものでも良い。

差圧信号の受信及び要求風量の取得を行った処理部２３は、式２や式３の如く差圧信号及び要求風量に係る関数の値を求めると共に（ステップＳ４）、特性データを記憶部２１から読み出し（ステップＳ５）、差圧信号及び要求風量に係る関数の値と対応する弁体１２の開度（例えば角度θ）を特性データに基づいて求め、開度信号として駆動部２４に送信する（ステップＳ６）。

駆動部２４は、処理部２３からの開度信号に基づいてステッピングモータ等の駆動源２４１を駆動し、動力伝達機構２４２を介して駆動源２４１の駆動力を弁体１２の回動軸１２１に伝達して弁体１２を回転させ、前記開度信号の示す開度に調整する（ステップＳ７）。
ここで制御基礎値は要求流速であってもよく、取得した要求流速と予め取得しておいた流路断面積とで「流量＝流路断面積×流速」の式により、流速を流量に置き換えて制御に用いればよい。
また、流路の開口率を制御により変化させる場合の当該箇所における要求流速を制御基礎値とする場合は、「流量＝流路断面積×開口率×流速」の式により、入力された開口率と、予め取得しておいた流路断面積と、取得した要求流速とで、流量に置き換えて制御に用いればよい。

図５，図６は、要求風量（流量）が上昇した際の制御弁１の制御における具体的な動作の説明図である。

要求風量Ｑ１に対し、弁体１２前後の差圧ΔＰ１、弁体１２の開度θ１で、要求どおりの風量Ｑ１が流れているときに（Ｔ１）、要求風量がＱ１からＱ２に上昇した場合（Ｔ２）、処理部２３は、特性曲線（特性データ）５１に基づいてＱ２／√ΔＰ１と対応する角度θ２を求め、弁体１２の角度をθ２とするように開度信号を駆動部２４へ送る（Ｔ３）。
駆動部２４は、開度信号に従って弁体１２を回転させ、弁体１２の角度をθ２とする（Ｔ４）。

しかし、弁体１２の角度をθ１からθ２に変動させると、弁体１２が開方向に動くので、弁体１２前後の差圧がΔＰ１から例えばΔＰ２に低下し（Ｔ５）、開度がθ２に達しても風量がＱ２に到達しない（Ｑ２´）。

そこで、弁体１２の角度がθ２に達し、差圧がΔＰ２となった際、処理部２３は、Ｑ２／√ΔＰ２と対応する角度θ３を求め、弁体１２の角度をθ３とするように開度信号を駆動部２４へ送る（Ｔ６）。
駆動部２４は、開度信号に従って弁体１２を回転させ、弁体１２の角度をθ３とする（Ｔ７）。

しかし、弁体１２の角度をθ２からθ３に変動させると、弁体１２が開方向に動くので、弁体１２前後の差圧がΔＰ２よりも低下し（Ｔ８）、開度がθ３に達しても風量がＱ２に到達しない。

そこで前述と同様に角度θを求めて弁体１２の角度を制御する処理を繰り返し、最終的に風量が要求風量Ｑ２となるときには、差圧がΔＰ２よりも低いΔＰ３、開度がθ２よりも大きいθ４で収束する（Ｔ９）。

例えば、ステッピングモータ（駆動源２４１）により弁体１２を回転させる場合に、風量が要求風量Ｑ２に近づくに従って回転量が徐々に小さくなっていき、開度信号に基づく角度と現在角度との差が、駆動部２４の最小駆動量（例えば０．１８°）以下となって収束する。

図５に示すように制御弁装置１０は、現状の差圧と対応する弁体の角度（開度）を特性データに基づいて決定し、弁体１２を制御することにより、風量を速やかに要求どおりの風量にすることができる。

例えば従来のフィードバック制御であると、現状の風量を検出して要求風量との風量偏差を算出し、風量偏差に比例した大きさの補正動作を行うことで、要求風量に近づける動作を行っている。このとき補正量を算出する際の比例定数が過大であると、要求風量を挟んで行き来するような動作（ハンチング）を生じる。逆に、フィードバック制御の比例定数は、弁体の開度が小さいほど小さくする必要があるため、小さい開度まで流量制御に使おうとすると、比例定数を小さくして動作を緩慢にさせる必要が生じる。

これに対し本実施形態の制御弁装置では、上述のように、弁が開く方向に開度が変わる時は差圧が減少するため１回の動作では要求風量よりも僅かに少なく、逆に閉じる方向に開度が変わる時は差圧が増加するため１回の動作では要求風量よりも僅かに多くなる。このように、本願の制御弁装置による動作では要求風量を通り過ぎることが無いため、要求風量を挟んで行き来するような動作（ハンチング）が起こることは無い。また、本願のこ
のような特性は、弁体の動作速度に依存しないため、動作速度をモータ性能の限界まで早く設定してもハンチングの無い安定した動作が確保できる。

なお、上記図５、図６の説明では、図５の処理Ｔ３，Ｔ５，Ｔ９において図６に示す特性曲線（特性データ）５１から差圧及び風量（Ｑ／√ΔＰ）に応じた弁体の開度θを求めたが、これに限らず、図３に示すように風量Ｑ或いは風速Ｖ毎の複数の特性曲線に基づき、差圧及び制御基礎値（Ｑ／√ΔＰ）に応じた弁体の開度θを複数の特性曲線から近似して求めても良い。

例えば、要求どおりの風量Ｑ１が流れ、差圧がΔＰ１のときに、要求風量がＱ２に上昇した場合、Ｑ２／√ΔＰ１の値を図３におけるＩａ、風速をＶａとし、複数の特性曲線３４〜３８のうち、風速Ｖａの前後の特性曲線から値Ｉａと対応する開度θを求め、夫々の開度θから風速Ｖａに相当する開度θを近似する。即ち、風速Ｖａ＝４．１m/sであれば
、風速Ｖ＝４m/sの特性曲線３５と風速Ｖ＝５m/sの特性曲線３６から値Ｉａと対応する開度θ35，θ36を求め、夫々の開度θ35，θ36から風速Ｖａに相当する開度θaを近似する
。

図７，図８は、差圧が上昇した際の制御弁１の制御における具体的な動作の説明図である。

要求流量Ｑａに対し、弁体１２前後の差圧ΔＰｄ、弁体１２の開度θｄで、要求どおりの風量Ｑａが流れているときに（Ｔ１１）、差圧がΔＰｄからΔＰｃに上昇した場合（Ｔ１２）、処理部２３は、特性曲線（特性データ）５２に基づいてＱａ／√ΔＰｃと対応する角度θｃを求め、弁体１２の角度をθｃとするように開度信号を駆動部２４へ送る（Ｔ１３）。
駆動部２４は、開度信号に従って弁体１２を回転させ、弁体１２の角度をθｃとする（Ｔ１４）。

しかし、弁体１２の角度をθｄからθｃに変動させると、弁体１２が閉方向に動くので、弁体１２前後の差圧がΔＰｃから例えばΔＰｂに上昇し（Ｔ５）、開度がθｃとなっても風量がＱｂへ上昇する。

そこで、弁体１２の角度がθｃに達し、差圧がΔＰｂとなった際、処理部２３は、Ｑａ／√ΔＰｂと対応する角度θｂを求め、弁体１２の角度をθｂとするように開度信号を駆動部２４へ送る（Ｔ１６）。
駆動部２４は、開度信号に従って弁体１２を回転させ、弁体１２の角度をθｂとする（Ｔ１７）。

弁体１２の角度をθｃからθｂに変動させると、再度、弁体１２が閉方向に動くので、弁体１２前後の差圧がΔＰｂよりも上昇し（Ｔ１８）、開度がθｂとなっても風量がＱａよりも高くなる。

そこで前述と同様に角度θを求めて弁体１２の角度を制御する処理を繰り返し、
最終的に風量が要求風量Ｑａとなるときには、例えば差圧がΔＰｃよりも高いΔＰａ、開度がθｃよりも小さいθａで収束する（Ｔ１９）。

図７に示す例においても制御弁装置１０は、現状の差圧と対応する弁体の角度（開度）を特性データに基づいて決定することで、前述の図５の例と同様、速やかに要求どおりの風量にすることができる。

《実施形態１の効果》
以上のように本実施形態によれば、要求風量と弁体１２前後の差圧から一意に弁体１２の開度が求まるため、フィードバック制御と比べて速やかに要求風量を達成するように制御弁１を制御できる。

また、本実施形態によれば、制御弁１の特性に左右されることなく、全閉から全開までの広い範囲で高い応答性が得られ、応答性の影響を受けることなくレンジアビリティの高い制御が可能となる。

また、処理部２３は、制御弁１の現在の開度の値及び差圧認識部２２で認識した差圧の入力を受けて、特性データに基づいて現在の風量（流量）を求めるようにしても良い。このようにすることで、現在の風量（流量）を確認でき、要求風量の入力を受けてから実際の風量が要求どおりの風量となるまで迅速に制御されているか否かを監視することができる。

《変形例１》
前述の実施形態１では、差圧及び制御基礎値と対応する開度の関係を示す特性データに基づいて開度を求める構成としたが、これに限らず、本変形例１は、差圧と対応する開度の関係を制御基礎値毎に示す特性データに基づいて開度を求める構成とした。なお、この他の構成は、実施形態１と同じであるので、同一の要素には同符号を付すなどして再度の説明を省略する。

図９は、本変形例１の特性データの一例を示す図である。図９の特性データは、縦軸に差圧ΔＰを取り、横軸に弁体１２の開度θを取り、差圧ΔＰと開度θとの関係を風速Ｖ毎の複数の特性曲線で示した。この特性曲線は、例えば建設しようとする設備に採用される弁やバルブを試験施設にて予め測定して求めることができる。なお、本変形例１の特性データは、風速Ｖ毎の特性曲線に限らず、風量Ｑといった制御基礎値毎の特性曲線であっても良い。

この特性曲線を要求する風速Ｖの最小値から最大値にかけて所定のピッチで求めて記憶部２１に記憶しておく。図９では、風速１m/sから風速１０m/sの複数の特性曲線５４〜５９を示している。各特性曲線を求める風速のピッチ(間隔)は、等間隔であっても良いし、不等間隔であっても良い。

図１０は、本変形例１の特性データを用いて弁体１２の開度を求める例を示す図である。例えば設定風速が９．２m/sで、差圧認識部２２で検出した差圧がＰａであった場合、
先ず設定風速９．２m/sを挟む２本の特性曲線、即ち風速９．２m/sより風速Ｖの低い特性曲線と風速Ｖの高い特性曲線を選択する。図１０では、風速Ｖの低い特性曲線のうち最も設定風速９．２m/sに近い特性曲線５５と、風速Ｖの高い特性曲線のうち最も設定風速９
．２m/sに近い特性曲線５４とが選択される。

次に差圧認識部２２により入力された差圧Ｐａと特性曲線５４、５５とが交わる位置の開度θ54，θ55を求め、この風速９m/sの開度θ55と風速１０m/sのθ54を風速９．２m/s
で按分して開度θsを求める。

このように本変形例１によれば、弁体１２前後の差圧ΔＰと要求風速Ｖとから一意に弁体１２の開度θが求まるため、フィードバック制御と比べて速やかに要求風速Ｖを達成するように制御弁１を制御できる。

また、本変形例１では、差圧ΔＰと弁体１２の開度θとの対応関係を特性データとして
記憶しているため、制御時に、検出した差圧ΔＰをそのまま用いて、対応する弁体１２の開度θを求めることができ、制御時の処理を簡素化できる。

更に、本変形例１では、特性データを風速Ｖ或は風量Ｑ毎に設定しているので、各特性曲線の差圧ΔＰと開度θとの関係を夫々の風量Ｑ或は風速Ｖに応じた値に設定でき、風量Ｑ或は風速Ｖが異なるときの差圧ΔＰと開度θとの関係の違いの影響を抑えて精度良く制御弁１の制御を行うことができる。

《変形例２》
前述の実施形態１では、差圧及び制御基礎値と対応する開度の関係を示す特性データに基づいて開度を求める構成としたが、これに限らず、本変形例２は、制御基礎値と対応する開度との関係を差圧毎に示す特性データに基づいて弁体の開度を求める構成とした。なお、この他の構成は、実施形態１と同じであるので、同一の要素には同符号を付すなどして再度の説明を省略する。

図１１は、本変形例２の特性データの一例を示す図である。図１１の特性データは、縦軸に風速Ｖを取り、横軸に弁体１２の開度θを取り、風速Ｖと開度θとの関係を差圧ΔＰ毎の複数の特性曲線で示した。この特性曲線は、例えば建設しようとする設備に採用される弁やバルブを試験施設にて予め測定して求めることができる。なお、本変形例２の特性データは、風速Ｖに対する特性曲線に限らず、風量Ｑといった制御基礎値と弁体１２の開度θとの関係を差圧ΔＰ毎の複数の特性曲線で示したものであっても良い。

この特性曲線を差圧ΔＰの最小値から最大値にかけて所定のピッチで求めて記憶部２１に記憶しておく。図１１では、差圧１００Ｐａから差圧１０００Ｐａの複数の特性曲線７１〜７６を示している。各特性曲線を求める差圧のピッチ(間隔)は、等間隔であっても良いし、不等間隔であっても良い。

図１２は、本変形例２の特性データを用いて弁体１２の開度を求める例を示す図である。例えば設定風速がＶａで、差圧認識部２２で検出した差圧が９２０Ｐａであった場合、先ず差圧９２０Ｐａを挟む２本の特性曲線、即ち差圧９２０Ｐａより差圧の低い特性曲線と差圧の高い特性曲線を選択する。図１１では、差圧の低い特性曲線のうち最も差圧９２０Ｐａに近い特性曲線７５と、差圧の高い特性曲線のうち最も差圧９２０Ｐａに近い特性曲線７６とが選択される。

次に設定風速Ｖと特性曲線７５、７６とが交わる位置の開度θ75，θ76を求め、この差圧９００Ｐａの開度θ75と差圧１０００Ｐａの開度θ76を差圧９２０Ｐａで按分して開度θxを求める。

このように本変形例１によれば、要求風速Ｖと弁体１２前後の差圧ΔＰとから一意に弁体１２の開度θが求まるため、フィードバック制御と比べて速やかに要求風速Ｖを達成するように制御弁１を制御できる。

また、本変形例１では、要求風速Ｖと弁体１２の開度θとの対応関係を特性データとして記憶しているため、制御時に、要求風速Ｖをそのまま用いて、対応する弁体１２の開度θを求めることができ、制御時の処理を簡素化できる。

〈実施形態２〉
本実施形態２は、前記制御弁装置１０を空調システム１００の排気経路に適用した例について示す。図１３は、本実施形態２に係る空調システム１００を示す概略図である。

図１３に示すように、空調システム１００は、空調機４や、定風量制御装置５、室圧計６、調節計（制御装置）７、制御弁装置１０を有し、部屋８内の空気調和を行うシステムである。なお、部屋８は定風量装置で給気を受け、制御弁１の開閉を制御することにより排気量を制御される室圧制御室であり、扉の開閉時の外乱時に室圧が乱れないことが求められる（第一実施形態でもこの用途に好適に適用できる）。
制御弁装置１０は、前述の実施形態１と同様の構成である。このため同一の要素には同符号を付す等して再度の説明は省略する。

本実施形態２において、制御弁装置１０の要求風量が変化した場合や、弁体１２前後の差圧が変化した場合の動作は、前述の図４〜図８と同じであり、これに加えて本実施形態２では、調節計７からの開度指令値を特性データに基づいて補正し、補正後の開度となるように弁体１２の開度を制御する構成が前述の実施形態１と異なっている。

空調機４は、外気を導入して、温度や湿度、清浄度等が所定の条件となるように調整し、給気として供給するものである。

定風量制御装置５は、空調機４からの給気を介する給気経路６１中に配置され、給気経路６１内の静圧が変化しても、部屋８内へ供給される給気が設定された風量になるよう風速センサー（不図示）で通過風速を計測しながら制御弁（不図示）で風量制御を行う装置である。

室圧計６は、部屋８内の圧力を計測する圧力計であり、測定した圧力を電気信号（室圧信号）として調節計７に入力する。

調節計７は、室圧計６で測定した室圧に基づいて制御弁装置１０の開度を決定し、制御弁装置１０の開度を制御して部屋８内の圧力を調整する装置である。

制御弁装置１０は、排気経路６２中に配置され、調節計７からの開度指令値等に応じて排気の風量を制御する装置である。本実施形態２の制御弁装置１０は、調節計７からの開度指令値を補正するため特性データ（補正曲線）を記憶部２１に記憶している。

図１４は、補正曲線の一例を示す図である。補正曲線は、要求風量を達成するために調節計７が出力する開度指令値と、当該要求風量を達成したときの制御弁装置１０の弁体１２の開度との対応関係を予め求め、関係式や対応表等のデータとして記憶したものである。いわば、調節計７の開度指令値を要求風量の代用値（制御基礎値）として利用する。

また、補正曲線は、弁体１２前後の差圧によっても対応関係が変化するので、差圧を異ならせて求めた複数の補正曲線を記憶している。図１４の例では、差圧ΔＰを１００Ｐａ，２００Ｐａ，３００Ｐａとしたときの補正曲線を夫々求めた。

図１５は、本実施形態２に係る制御弁１の制御方法の説明図である。制御ユニット２は、電源が投入されると、差圧認識部２２や処理部２３を動作させて図１５の処理（制御方法）を実行する。

先ず、差圧認識部２２は、前側チューブ１３１を介して伝達される弁体１２前側の圧力と、後側チューブ１３２を介して伝達される弁体１２後側の圧力との差を検出し、この差圧に応じた電気信号を処理部２３に入力する（ステップＳ１１）。

処理部２３は、調節計７から制御基礎値としての開度信号（開度指令値）を受信したか否かを判定し（ステップＳ１２）、開度信号を受信した場合（ステップＳ１２，Ｙｅｓ）
、補正曲線（特性データ）を記憶部２１から読み出し（ステップＳ１３）、前記開度信号と対応する弁体１２の開度を補正曲線に基づいて求め、開度信号として駆動部２４に送信する（ステップＳ１４）。

駆動部２４は、処理部２３からの開度信号に基づいてステッピングモータ等の駆動源２４１を駆動し、動力伝達機構２４２を介して駆動源２４１の駆動力を弁体１２の回動軸１２１に伝達して弁体１２を回転させ、前記開度信号の示す開度に調整する（ステップＳ１５）。なお、ステップＳ１１〜Ｓ１５の処理は、電源がオフになるまで繰り返し実行する。

以上のように本実施形態２によれば、調節計７からの開度指令値を特性データに基づいて補正して制御弁の開度を制御するので、制御弁１の特性に依らず、どのような形式の制御弁１と調節計７を組み合わせて用いても適切に制御を行うことができる。

１ 制御弁
２ 制御ユニット
４ 空調機
５ 定風量制御装置
６ 室圧計
７ 調節計
８ 部屋
１０ 制御弁装置
１１ 本体
１２ 弁体
１３ 差圧チューブ
２１ 記憶部
２２ 差圧認識部
２３ 処理部
２４ 駆動部
１００ 空調システム

Claims (9)

1. 流体の流量または流速を弁の開閉によって制御する制御弁の開度、
   前記制御を行うために用いられる値であって前記制御弁を通過する前記流体の流量若しくは前記流体の流速又は他の装置から受信して前記制御弁の弁開度を操作し得る開度指令値である制御基礎値、並びに、
   前記制御弁を通過する前記流体の前記弁前後の差圧、の関係を示す特性データを記憶した記憶部と、
   前記弁前後の差圧を検出または算出することで認識する差圧認識部と、
   前記差圧認識部で認識した差圧、並びに前記記憶部又は他の装置から前記制御弁の制御に要する制御基礎値を取得し、前記取得した差圧並びに前記制御に要する制御基礎値に対応する制御弁の開度を前記特性データに基づいて求め、当該開度に基づく開度信号を出力し、前記制御に要する制御基礎値が変更された場合、前記制御弁を通過している流体の制御基礎値が前記変更後の制御に要する制御基礎値に達するまで、前記出力を繰り返す処理部と、を備え、
   前記特性データは、前記制御弁を通過する前記流体の流量または流速毎に設定され、あるいは前記特性データは、前記弁前後の差圧毎に設定され、
   前記処理部は、前記制御基礎値が前記制御弁を通過する前記流体の流量若しくは前記流体の流速である場合には、前記制御弁の開度を複数の前記流量または流速毎に設定された、あるいは複数の前記弁前後の差圧毎に設定された特性データに基づいて求め、
   前記処理部は、前記制御基礎値が他の装置から受信して前記制御弁の弁開度を操作し得る開度指令値である場合には、前記制御弁の開度を複数の前記弁前後の差圧毎に設定された特性データに基づいて求める、
   制御弁の制御ユニット。
2. 流体の流量または流速を弁の開閉によって制御する制御弁の開度、
   前記制御を行うために用いられる値であって前記制御弁を通過する前記流体の流量若しくは前記流体の流速又は他の装置から受信して前記制御弁の弁開度を操作し得る開度指令値である制御基礎値、並びに、
   前記制御弁を通過する前記流体の前記弁前後の差圧、の関係を示す特性データを記憶した記憶部と、
   前記弁前後の差圧を検出または算出することで認識する差圧認識部と、
   前記差圧認識部で認識した差圧、並びに前記記憶部又は他の装置から前記制御弁の制御に要する制御基礎値を取得し、前記取得した差圧並びに前記制御に要する制御基礎値に対応する制御弁の開度を前記特性データに基づいて求め、当該開度に基づく開度信号を出力し、前記差圧の変動が認識された場合、前記制御弁を通過している流体の制御基礎値が前記制御に要する制御基礎値に達するまで、前記出力を繰り返す処理部と、を備え、
   前記特性データは、前記制御弁を通過する前記流体の流量または流速毎に設定され、あるいは前記特性データは、前記弁前後の差圧毎に設定され、
   前記処理部は、前記制御基礎値が前記制御弁を通過する前記流体の流量若しくは前記流体の流速である場合には、前記制御弁の開度を複数の前記流量または流速毎に設定された、あるいは複数の前記弁前後の差圧毎に設定された特性データに基づいて求め、
   前記処理部は、前記制御基礎値が他の装置から受信して前記制御弁の弁開度を操作し得る開度指令値である場合には、前記制御弁の開度を複数の前記弁前後の差圧毎に設定された特性データに基づいて求める、
   制御弁の制御ユニット。
3. 前記処理部は、
   前記制御弁の制御に要する制御基礎値よりも小さい前記制御基礎値の前記特性データと、前記制御弁の制御に要する制御基礎値よりも大きい前記制御基礎値の前記特性データとから、前記弁前後の差圧に対応する開度を求め、
   前記制御弁の制御に要する制御基礎値よりも小さい前記制御基礎値の前記特性データから求められた開度と、前記制御弁の制御に要する制御基礎値よりも大きい前記制御基礎値の前記特性データから求められた開度とを按分し、前記差圧並びに前記制御に要する制御基礎値に対応する制御弁の開度を求める、
   請求項１又は２に記載の制御弁の制御ユニット。
4. 流体の流量または流速を弁の開閉によって制御する制御弁の開度、
   前記制御を行うために用いられる値であって前記制御弁を通過する前記流体の流量若しくは前記流体の流速又は他の装置から受信して前記制御弁の弁開度を操作し得る開度指令値である制御基礎値、並びに、
   前記制御弁を通過する前記流体の前記弁前後の差圧、の関係を示す特性データを記憶した記憶部と、
   前記弁前後の差圧を検出または算出することで認識する差圧認識部と、
   前記差圧認識部で認識した差圧、並びに前記記憶部又は他の装置から前記制御弁の制御に要する制御基礎値を取得し、前記取得した差圧並びに前記制御に要する制御基礎値に対応する制御弁の開度を前記特性データに基づいて求め、当該開度に基づく開度信号を出力する処理部と、を備え、
   前記特性データは、前記弁前後の差圧毎に設定され、
   前記処理部は、前記制御弁の開度を複数の前記特性データに基づいて求め、
   前記制御弁を通過している流体の制御基礎値と、前記制御に要する制御基礎値との差に基づく前記制御弁の開度のフィードバック制御を行うことなく、前記処理部において出力された前記開度信号に従って前記制御弁を駆動させる、
   制御弁の制御ユニット。
5. 前記処理部は、
   前記取得した差圧よりも低い差圧の前記特性データと、前記取得した差圧よりも高い差圧の前記特性データとから、前記制御弁の制御に要する制御基礎値に対応する開度を求め、
   前記取得した差圧よりも低い差圧の前記特性データから求められた開度と、前記取得した差圧よりも高い差圧の前記特性データから求められた開度とを按分し、前記差圧並び
   に前記制御に要する制御基礎値に対応する制御弁の開度を求める、
   請求項４に記載の制御弁の制御ユニット。
6. 前記制御基礎値は前記制御弁を通過する前記流体の流量または前記流体の流速であり、
   前記制御に要する制御基礎値は前記制御弁を通過すべき要求流量または要求流速であり、
   前記特性データは、前記弁開度を、流量または流速と弁前後差圧との関数で示したデータである、
   請求項１から３のうちいずれか１項に記載の制御ユニット。
7. 前記制御基礎値は前記制御弁を通過する前記流体の流量または前記流体の流速であり、
   前記制御に要する制御基礎値は前記制御弁を通過すべき要求流量または要求流速であり、
   前記特性データは、前記弁開度を、弁前後差圧の関数で示し、前記制御弁を通過する流体の流量または流速毎に設定されたデータである、
   請求項１から３のうちいずれか１項に記載の制御ユニット。
8. 制御弁と当該制御弁の制御ユニットとを有する制御弁装置であって、
   前記制御ユニットが、
   流体の流量を弁の開閉によって制御する前記制御弁の開度、
   前記制御を行うために用いられる値であって前記制御弁を通過する前記流体の流量若しくは前記流体の流速又は他の装置から受信して前記制御弁の弁開度を操作し得る開度指令値である制御基礎値、並びに、
   前記制御弁を通過する前記流体の前記弁前後の差圧、の関係を示す特性データを記憶した記憶部と、
   前記弁前後の差圧を検出するまたは算出することで認識する差圧認識部と、
   前記差圧認識部で認識した差圧並びに前記記憶部又は他の装置から前記制御弁の制御に要する制御基礎値を取得し、前記取得した差圧並びに前記制御に要する制御基礎値に対応する制御弁の開度を前記特性データに基づいて求め、当該開度に基づく開度信号を出力し、前記制御に要する制御基礎値が変更された場合、前記制御弁を通過している流体の制御基礎値が前記変更後の制御に要する制御基礎値に達するまで、前記出力を繰り返し、前記差圧の変動が認識された場合、前記制御弁を通過している流体の制御基礎値が前記制御に要する制御基礎値に達するまで、前記出力を繰り返す処理部と、
   前記開度信号に基づく開度となるように前記弁を開閉させる駆動部と、を備え、
   前記特性データは、前記制御弁を通過する前記流体の流量または流速毎に設定され、あるいは前記特性データは、前記弁前後の差圧毎に設定され、
   前記処理部は、前記制御基礎値が前記制御弁を通過する前記流体の流量若しくは前記流体の流速である場合には、前記制御弁の開度を複数の前記流量または流速毎に設定された、あるいは複数の前記弁前後の差圧毎に設定された特性データに基づいて求め、
   前記処理部は、前記制御基礎値が他の装置から受信して前記制御弁の弁開度を操作し得る開度指令値である場合には、前記制御弁の開度を複数の前記弁前後の差圧毎に設定された特性データに基づいて求め、
   前記制御弁が、
   前記流体の流路と、
   開閉によって前記流体の流量を制御する前記弁と、
   前記弁前後の差圧を前記差圧認識部へ伝える伝達手段と、
   を備えた制御弁装置。
9. 流体の流量を弁の開閉によって制御する制御弁の開度、
   前記制御を行うために用いられる値であって前記制御弁を通過する前記流体の流量若し
   くは前記流体の流速又は他の装置から受信して前記制御弁の弁開度を操作し得る開度指令値である制御基礎値、並びに、
   前記制御弁を通過する前記流体の前記弁前後の差圧、の関係を示す特性データを記憶した記憶部から前記特性データを読み出すステップと、
   差圧認識部が、前記弁前後の差圧を検出するまたは算出することで認識するステップと、
   処理部が、前記差圧認識部で認識した差圧並びに前記記憶部又は他の装置から前記制御弁の制御に要する制御基礎値を取得し、前記取得した差圧並びに前記制御に要する制御基礎値に対応する制御弁の開度を前記特性データに基づいて求め、当該開度に基づく開度信号を出力し、前記制御に要する制御基礎値が変更された場合、前記制御弁を通過している流体の制御基礎値が前記変更後の制御に要する制御基礎値に達するまで、前記出力を繰り返し、前記差圧の変動が認識された場合、前記制御弁を通過している流体の制御基礎値が前記制御に要する制御基礎値に達するまで、前記出力を繰り返す出力ステップと、を実行し、
   前記特性データは、前記制御弁を通過する前記流体の流量または流速毎に設定され、あるいは前記特性データは、前記弁前後の差圧毎に設定され、
   前記処理部は、前記制御基礎値が前記制御弁を通過する前記流体の流量若しくは前記流体の流速である場合には、前記制御弁の開度を複数の前記流量または流速毎に設定された、あるいは複数の前記弁前後の差圧毎に設定された特性データに基づいて求め、
   前記処理部は、前記制御基礎値が他の装置から受信して前記制御弁の弁開度を操作し得る開度指令値である場合には、前記制御弁の開度を複数の前記弁前後の差圧毎に設定された特性データに基づいて求める、
   制御弁の制御方法。

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