JP6441205B2

JP6441205B2 - サーボバランス式液面計の制御方法

Info

Publication number: JP6441205B2
Application number: JP2015227864A
Authority: JP
Inventors: 芳次勝呂; 拓寿柚下; 啓順三條
Original assignee: Tokyo Keiso Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiso Co Ltd
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2035-11-20
Also published as: JP2017096715A

Description

本発明は、例えばタンク内に貯留した液体に対し、リバランス時の自動制御系の応答性を改善するサーボバランス式液面計の制御方法に関するものである。

例えば、特許文献１に記載されたサーボバランス式液面計では、測定液位に相当する長さまで、ドラムに巻かれディスプレーサを設けた測長ワイヤを繰り出し、バランス点においてディスプレーサに作用する重力−浮力をドラムシャフトに連結したトルク検出機構により検出する。バランス点における重力と浮力との差が設定張力値よりも大きく、つまり偏差が大きい場合に、偏差に応じた量に対応してモータを回転させてリバランス制御を行う。

サーボバランス式液面計で求められる重要特性は、測定精度の確保と応答性である。従って、測定初期に液面にディスプレーサが到着したときの応答や、定常液面測定時に、液面が変化したとしても安定し、かつリンギング等のない円滑な応答が要求される。

実開昭６４−３４５２１号公報

この液面測定のためのリバランス制御においては、原点位置を液上部とする場合のディスプレーサが空中から液面に到達してから平衡点に達するまでの間、底面原点位置とする場合の底面からディスプレーサを上昇させて平衡点に至るまでの間にモータ制御系をＰＩＤ演算等により制御する。

サーボバランス式液面計のバランス機構は摩擦を持つ中心軸押さえ機構を有している。摩擦の影響は制御系からみるとヒステリシス（ｈ）を持つことになる。

ヒステリシスは機械的静止摩擦により生ずる。この静止摩擦を低減する方法として、制御系に微少振動を加えて、その影響を低減する方法としてディザ効果（Dither Effect）による制御が知られている。

しかし、ディザを常時加える従来の方法を用いると、摩擦の影響は低減するものの、ディザを常時使用するため、その分の電力を消費し、また機械系の摩耗を促進する問題点がある。

高精度液面測定での目標は、例えば３０ｍの液面高さにおいて１ｍｍ以内の精度を実現することである。しかし、機械系の部品の加工精度を向上させることにより機構部の摩擦を減少しヒステリシスを低減するという、機械加工精度に依存して高精度化を図る従来の方法は、加工精度の限界に近付いている。

また、液面計のリバランス制御の手法として、ジーグラ・ニコルスの限界感度法を含む各種のＰＩＤ演算手法が導入されているが、制御対象がヒステリシスを含む非線形系であるために、従来行われてきた線形制御系を対象とした単純なＰＩＤ制御の導入では、応答の改善と関連する精度向上には限界がある。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、液面測定のリバランス時において安定した応答と高精度化を実現するサーボバランス式液面計の制御方法を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明に係るサーボバランス式液面計の制御方法は、液のレベルを測定するに際し、ドラムに巻回した測長ワイヤの一端に液面に浸漬するディスプレーサを設け、前記測長ワイヤの張力を検出するセンサを設け、前記測長ワイヤの張力と平衡点との偏差を求め、該偏差の大きさに従って制御方式を変更するサーボバランス式液面計の制御方法であって、第１の閾値ε１、第２の閾値ε２を定め、前記偏差と前記第１、第２の閾値ε１、ε２とを比較しながら制御方式を選択し、前記第２の閾値ε２はヒステリシスを有する範囲とし、前記第１の閾値ε１は前記第２の閾値ε２よりも大きい範囲とし、前記偏差が前記第1の閾値ε１と前記第２の閾値ε２間の領域においてはサーボ系出力にディザをかけながら制御し、前記偏差が前記第２の閾値ε２内の領域では前記ディザを止めヒステリシスに対応する記述関数を制御対象の伝達特性に加味した制御を行い、前記偏差が前記第１の領域ε１外の領域では通常の制御方式により制御することを特徴とする。

本発明に係るサーボバランス式液面計の制御方法によれば、ディザを適宜に適用することにより、ヒステリシスの影響を緩和すると共に残存するヒステリシスに対しても、その記述関数に基いた制御を行うことにより応答が安定し、より正確な測定値が得られる。

サーボバランス式液面計の概念図である。構成図である。制御動作フローチャート図である。巻き下げ時の制御パターンの説明図である。平衡点近傍の制御方法の説明図である。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１はサーボバランス式液面計による液面測定の概念図、図２は構成図である。液体Ｘを貯溜したタンクＴの上方には、基台に軸支されたドラムシャフト１に対しドラム２が直接又はマグネティックカップリング３により回転自在に保持され、ドラム２にはドラムシャフト１により駆動力が伝達されるようになっている。ドラム２には測長ワイヤ４が巻回されており、測長ワイヤ４の下端に止着されたディスプレーサ５がタンクＴ内に吊り下げられている。

また、基台の他側にはモータ６が固定されており、モータ６の回転軸の回転は、プーリ７、ベルト８を介してウォームギア９に伝達されるようになっている。ウォームギア９はドラム２と同芯状態で回転するウォームホイール１０のギアと噛合している。

ウォームホイール１０の側面の中心を挟んだ上下の２個所には、コイルスプリング１１ａ、１１ｂの端部が固定されている。コイルスプリング１１ａ、１１ｂの他端はドラムシャフト１に固定されたバランスアーム１２の両側に突設したアーム１２ａ、１２ｂにそれぞれ取り付けられ、これらのコイルスプリング１１ａ、１１ｂは、左右のアーム１２ａ、１２ｂに対してほぼ直交して配されている。つまり、右方向に突出した上側のアーム１２ａには、コイルスプリング１１ａ上端が固着されており、左方向の下側のアーム１２ｂには、コイルスプリング１１ｂの下端が固着されている。

バランスアーム１２には、先端にマグネット１３を取り付けた固定アーム１４が固定されている。このマグネット１３の近傍のウォームホイール１０の面には、マグネット１３の磁束に感応し、バランスアーム１２の回動変位つまり測長ワイヤ４の張力の変動を検出する磁気センサ１５が取り付けられている。磁気センサ１５からの検知出力は、モータ６に駆動信号を供給するＭＰＵを搭載した演算制御回路１６に入力されている。

演算制御回路１６には、電源、磁気センサ１５の出力が接続されており、演算制御回路１６の出力はモータ６に接続され、更に演算制御回路１６から表示器１７に液面測定信号が出力されている。

液体Ｘの液面の測定に際しては、ディスプレーサ５の浮力は測長ワイヤ４の張力として検出され、この張力はドラム２を介してドラムシャフト１、バランスアーム１２を経てコイルスプリング１１ａ、１１ｂ、ウォームホイール１０に伝達される。

モータ６の回転駆動力は、ウォームギア９を介してウォームホイール１０に伝達され、更にコイルスプリング１１ａ、１１ｂ及びバランスアーム１２を介してドラムシャフト１に伝達されてドラム２が回転し、測長ワイヤ４の巻き取り及び繰り出しが行われる。

このドラム２の回転数を検出することにより、測長ワイヤ４の繰り出し量、巻き取り量はドラム２の回転として図示しない回転センサにより検出され、ディスプレーサ５の位置による液面レベルが測定される。

これらの場合についてのバランス停止位置の決め方を、諸元を次のように設定して説明する。

Ｔ：液体Ｘの液面測定時における測長ワイヤ４の張力
Ｖ：ディスプレーサ５の体積
ρ：液体Ｘの比重
Ｒ：ドラム２の半径
ｋ：コイルスプリング１１ａ、１１ｂのばね定数
ｒ：コイルスプリング１１ａ、１１ｂの取付半径
ｘ：液面の計測時におけるコイルスプリング１１ａ、１１ｂの伸び
Ｗ：ディスプレーサ５の自重

液体Ｘの液面の計測時におけるバランスを考えると、次の２式が成立する。
Ｔ＋（Ｖ／２）・ρ＝Ｗ・・・（１）
Ｔ・Ｒ＝２・ｘ・ｋ・ｒ・・・（２）

これらの（１）、（２）式から求められるコイルスプリング１１ａ、１１ｂの伸びｘから、液面のレベル計測時におけるバランスアーム１２のバランス停止位置（バランス中点）が決まる。このときの磁気センサ１５での検知出力に対する測定値は、バランス停止位置における測長ワイヤ４の張力の設定値として、演算制御回路１６に記憶されている。

最初に液面を計測するときは、ディスプレーサ５は液面まで降下してバランスし停止する。ここで、例えば液面が上昇すると、ディスプレーサ５の浮力が増加するので、コイルスプリング１１ａ、１１ｂの伸びｘが小さくなる。これによりバランスアーム１２が回動し、マグネット１３と磁気センサ１５の相対位置が変化することで、この変化量に伴い磁気センサ１５の出力が増大する。

磁気センサ１５の出力を受信する演算制御回路１６では、この磁気センサ１５の出力と設定値とを比較し、この比較値がゼロとなるまで、測定ワイヤ２の巻き取り方向にモータ６が回転するように、モータ６に信号を供給する。これにより、ウォームギア９を介してウォームホイール１０が回転し、ウォームホイール１０の磁気センサ１５とバランスアーム１２に取り付けられたマグネット１３との相対位置が変動前の状態、つまりバランス停止位置まで戻り停止する。このとき、ドラム２がドラムシャフト１により回転して測長ワイヤ４が巻き取られ、この測長ワイヤ４の巻取長、つまりドラム２の回転数から液面の測定値が測定される。

また、液面が下降するとディスプレーサ５の浮力が減少し、コイルスプリング１１ａ、１１ｂが伸び、磁気センサ１５の出力が減少する方向にマグネット１３と磁気センサ１５の相対位置が変化する。これにより、上述した逆の動作によりバランス停止位置までモータ６が逆転するので、ドラム２は測長ワイヤ４の繰り出し方向に回転し、このときのドラム２の回転数に対応するパルス積算値から液面が計測される。

このように磁気センサ１５の出力が設定値に近付くように制御するリバランス時に、制御系がヒステリシスを有する領域では高精度な制御ができないことは前述した通りである。

本実施例においては、設定値である平衡点付近に近付くと、モータ６の微小回動によって機械系の制御出力にディザによる制御を行って、ヒステリシスの影響を低減し、また平衡点付近の低減されたヒステリシスを有する領域では、ヒステリシスに対応する記述関数を用いた系の伝達特性を加味して制御する。以下この方式を記述関数方式と称する。この方法により、従来技術の限界であったヒステリシスによる精度や応答への悪影響を大幅に低減することができる。

図３はヒステリシスの影響を低減して、サーボバランス式液面計においてリバランス制御を行う場合の演算制御回路１６のプログラムによる制御動作のフローチャート図であり、Ｓ１〜Ｓ１４はステップを表す。

図４はディスプレーサ５の巻き下げ時の制御パターンの説明図である。横軸は演算制御回路１６からモータ６に発信するパルスｎの積算値Σｎであり、縦軸はディスプレーサ５の巻き下げ速度である。

ディスプレーサ５が上方から下降を始める動作スタートで、演算制御回路１６から送りパルス（ｎ）がモータ６に発信される。それに応じてモータ６、ドラム２が回転し、測長ワイヤ４を巻き下げることにより、ディスプレーサ５は初速度Ｖ１から加速しながら（ステップＳ１）、パルスｎの積算値ΣｎがＮ１になるまで下降する（ステップＳ２）。

続いて、定速度Ｖ２で下降し（ステップＳ３）、パルス積算値がＮ２になるまで下降する（ステップＳ４）。積算値Ｎ２からは一定加速度で減速しながら下降し（ステップＳ５）、積算値ΣｎがＮ３に達すると（ステップＳ６）、ディスプレーサ５の下降を停止する（ステップＳ７）。

以後は、ディザ印加／ディザ除去を経て力バランスの偏差がゼロとなるように記述関数方式によるバランス制御を行い、液面測定値が平衡点で仕様精度内の安定した状態の整定に至る（ステップＳ８〜Ｓ１４）。

整定した状態の積算数をＮ４とし、Ｎ４/Ｋ（Ｋは積算値Σｎの表示、電流等の出力への換算係数）を液面計の出力とする。

図５は平衡点近傍の制御方法の説明図である。ヒステリシスは機構部に必然的に付随する摩擦によって生ずる。この影響を減少する手段として、実施例ではコイルスプリング１１ａ、１１ｂの伸びｘと平衡点Ｌとの偏差Ｅが所定の領域に達したときにディザを加え、それよりも平衡点Ｌの近傍ではディザは中止する。

即ち、伸びｘによる平衡点Ｌからの偏差Ｅが第１の閾値ε１よりも大きい場合には通常の制御を行う。偏差Ｅが閾値ε１よりも小さく第２の閾値ε２（ε１＞ε２）よりも大きい場合には、ディザを加えて制御を行いヒステリシスの影響を緩和する。偏差Ｅが閾値ε２よりも小さくなるとディザを止め、記述関数方式によって制御を行う。また、閾値ε２よりも更に小さな例えば呼称精度の１／２程度の第３の閾値ε３を決め、偏差Ｅがこの閾値ε３よりも小さな範囲では整定とみなすように制御する。

閾値ε２は次のように決定する。
｛４Ａ／（π２）｝・ε２・sinφ＝２ｈ

ただし、２ｈはヒステリシス幅、φはヒステリシスに対する記述関数の位相差、Ａは液面計の変換ゲイン、４Ａ／（π・ε２）はヒステリシスに対する記述関数のゲインである。

このように、閾値ε２はヒステリシスｈの大きさに従って、ヒステリシスの範囲を覆うような大きさとし、閾値ε１は閾値ε２よりも大きく、概して経験的に定める。

偏差Ｅが閾値ε１の領域で示す領域内に入ると（ステップＳ９）、ディザを加える（ステップＳ１０）。例えば、ディザの印加はモータ６のサーボ系出力に重畳して振動を加えることにより実現し、このディザにより機械系の摩擦の影響を低減することができる。

ディザの波形は例えばＡsinω１ｔ（ω１＝２πｆ1ｔ）であり、振幅Ａは液面計制御精度の０．５〜５倍の０．５〜５ｍｍとし、周波数ｆ1は液面系の応答周波数の１０〜３０倍の１０〜３０Ｈｚとすることが好適である。なお、波形は必ずしも正弦波でなくとも、平均値がゼロとなる正負の振幅を持つ三角波、矩形波等でもよい。

更に、偏差Ｅが閾値ε２よりも小さい領域に達すると（ステップＳ１１）、ディザを停止し記述関数方式のみによる制御を行う（ステップＳ１２）。

この閾値ε２の領域において、偏差Ｅが閾値ε３よりも小さくなると（ステップＳ１３）、整定域に入ったとみなす（ステップＳ１４）。また、偏差Ｅが再び閾値ε３よりも大きくなると、ステップＳ１２に戻り、記述関数による制御を行う。

整定域に入ったパルス積算値ΣｎをＮ４として、Ｎ４・Ｋを測定液面として出力／表示する。

このように本実施例では、ヒステリシスが制御に影響を与えるような偏差領域の近傍に近付くと、先ず制御出力にディザを加えてヒステリシスの影響を低減し、更に平衡点Ｌの近傍に近付くと特にディザを中止し、記述関数方式の制御に移行する。

従って、常時ディザを行う場合よりも、ディザにより電力を無駄に消費することなく、また機構の摩擦による摩耗等を減少することができる。ディザにより減じたヒステリシスを含む液面計の制御に対しても、良好な応答特性を実現できる。

１ドラムシャフト
２ドラム
３マグネティックカップリング
４測長ワイヤ
５ディスプレーサ
６モータ
１１ａ、１１ｂコイルスプリング
１２バランスアーム
１５磁気センサ

Claims

液のレベルを測定するに際し、ドラムに巻回した測長ワイヤの一端に液面に浸漬するディスプレーサを設け、前記測長ワイヤの張力を検出するセンサを設け、前記測長ワイヤの張力と平衡点との偏差を求め、該偏差の大きさに従って制御方式を変更するサーボバランス式液面計の制御方法であって、
第１の閾値ε１、第２の閾値ε２を定め、前記偏差と前記第１、第２の閾値ε１、ε２とを比較しながら制御方式を選択し、前記第２の閾値ε２はヒステリシスを有する範囲とし、前記第１の閾値ε１は前記第２の閾値ε２よりも大きい範囲とし、
前記偏差が前記第1の閾値ε１と前記第２の閾値ε２間の領域においてはサーボ系出力にディザをかけながら制御し、
前記偏差が前記第２の閾値ε２内の領域では前記ディザを止めヒステリシスに対応する記述関数を制御対象の伝達特性に加味した制御を行い、
前記偏差が前記第１の領域ε１外の領域では通常の制御方式により制御することを特徴とするサーボバランス式液面計の制御方法。
前記偏差が前記第２の閾値ε２よりも小さな第３の閾値ε３の範囲では、整定とみなすように制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のサーボバランス式液面計の制御方法。
前記偏差が前記第２の閾値ε２以内の範囲では、前記サーボ系のヒステリシス幅に対応した制御理論上の記述関数に基づく伝達関数により制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のサーボバランス式液面計の制御方法。
前記ディザはＰＩＤ動作の状態において印加することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のサーボバランス式液面計の制御方法。
前記ディザの信号周波数は液面計の応答周波数の１０〜３０倍の範囲とし、その振幅は精度の０．５〜５倍の範囲とすることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のサーボバランス式液面計の制御方法。