JP6477268B2 - 流量制御装置、流量制御システム、流量制御プログラム、及び流量制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、流量制御装置、流量制御システム、流量制御プログラム、及び流量制御方法に関する。

ＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Derivative Control）等の所定の制御方式を用いて流量調節弁の弁開度を操作することで、制御対象装置へ繋がる配管中の流体の流量を制御する場合に、外乱（設定値変更も含める）が発生することがある。

外乱は、例えば、上流において制御対象装置と配管を共有する他の装置に対する流量制御が変更されることにより発生する。こうした外乱が発生した場合、流量調節弁の一次圧力が変動する。そこで、外乱に起因する流量の変動を抑制するために、流量調節弁の弁開度を変更することが望ましい。

また、外乱は、例えば、制御対象装置の操業中に流量設定値が変更されることにより発生する。こうした外乱が発生した場合、流量調節弁の二次圧力が変動する。そこで、こうした外乱が発生した場合にも、流量調節弁の弁開度を変更することが望ましい。

なお、関連する技術として特許文献１が知られている。特許文献１では、流量制御装置は、流量調節弁の上流側圧力、バーナ前圧力、及び燃料流量要求値から流量調節弁のＣｖ値を算出し、算出したＣｖ値と流量調節弁の全開時のＣｖ値との比率に基づき流量調節弁の弁開度を算出する。そして、流量制御装置は、燃料流量値と燃料流量要求値との比較に基づき演算された補正値と、算出した弁開度とを加算した値によって流量調節弁の弁開度を制御する。

特開２００８−１６４２６４号公報

ＰＩＤ制御等の所定の流量制御を外乱発生時に継続した場合、制御後の流量を示す波形は流量設定値の周辺で波打ち、流量制御がハンチングすることがある。
ハンチングは流量調節弁の応答速度や感度の悪さに起因することが多い。そこで、ハンチングを抑制するためには、流量調節弁の応答性を良くし、不感帯を少なくすることが望ましい。しかしながら、例えば、大規模の発電プラントで用いられるような大口径の流量調節弁では費用等の点で対応が難しい場合がある。

なお、特許文献１では、流量調節弁が外乱発生時に弁開度算出結果で瞬時に動作しないと、流量調節弁の比例積分動作と弁開度算出結果の出力とが競合し、過剰制御を招く。このため、流量調節弁の応答速度や感度の悪い場合には、弁開度算出結果の出力が更なる外乱となって良好な流量制御にならない。また、特許文献１では、バーナ前圧力等を用いて算出したＣｖ値と、流量調節弁の全開時のＣｖ値、すなわち固定値との比率に基づいて流量調節弁の弁開度を算出する。このため、仮に、過剰制御を避けるために比例積分制御を休止し、弁開度算出結果のみで流量制御を行ったとしても、再開前後でショックのない連続した制御出力で比例積分制御を再開することは難しい。

本発明の一側面に係る目的は、外乱発生時のハンチングを抑制する流量制御装置を提供することである。

一実施形態に従った流量制御装置は、処理部、補正値演算部、及び加算部を含む。
処理部は、外乱が発生した場合に、流量調節弁の弁開度を操作する操作量を流量指示調節計が流量調節弁へ出力することを停止させる（すなわち、流量制御の現状を維持させる）。補正値演算部は、外乱発生前の流量調節弁のＣｖ値と外乱発生後の流量調節弁のＣｖ値との比率を演算し、演算した比率に従って操作量の補正値を取得する。加算部は、操作量の出力停止前に流量指示調節計から取得した操作量に補正値を加算し、補正値加算後の操作量を流量調節弁へ出力する。

一実施形態に従った流量制御装置によれば、外乱発生時のハンチングを抑制することができる。

実施形態に従った流量制御システムの構成例を示す図である。 流量調節弁の一次圧力が外乱発生により変動する一例を示す図である。 実施形態に従った流量制御方法の例示的なフローを示す図である。 実施形態に従った補正値演算方法の一例を説明する図である。 流量調節弁がイコールパーセント特性を有する場合の補正値演算の説明図である。 実施形態に従った流量制御プログラムを実行するコンピュータの構成例を示す図である。

以下、図面を参照しながら発明を実施するための形態を説明する。
図１は、実施形態に従った流量制御システムの構成例を示す図である。図１に示す一例では、流量制御システム１は、配管２、流量調節弁（ＦＣＶ：Flow rate Control Valve）３、及び流量指示調節計（ＦＩＣ：Flow rate Indicate Control）４を含む。また、流量制御システム１は、流量制御装置５、流量検出器（ＦＥ：Flow rate Element）６、及び流量発信器（ＦＴ：Flow rate Transmit）７を更に含む。そして、流量制御システム１は、圧力発信器（ＰＴ：Pressure Transmit）８及び遮断弁（ＳＯＶ：Shut Off Valve）９を更に含む。図１に示す一例では、配管２は、流量調節弁３よりも上流において、流量調節弁３を介して制御対象装置へ繋がる配管２Ａと、遮断弁９を介して他の装置へ繋がる配管２Ｂとに分岐する。制御対象装置は、例えば、ノズルやバーナー等である。

流量調節弁３は、配管２Ａ中の流体の流量を調節する。配管２Ａ及び配管２Ｂを含む配管２中の流体は、「配管の圧力損失が流速の二乗に比例にする」という条件を満たす物体であればよく、例えば、気体又は液体である。

流量指示調節計４は、配管２Ａ中の流量が流量設定値と一致するように、流量調節弁３の弁開度を操作する操作量を流量制御装置５を介して流量調節弁３へ出力する。配管２Ａ中の流量は、流量調節弁３よりも上流に設置された流量検出器６により検出され、流量指示調節計４は、検出された配管２Ａ中の流量を流量発信器７から受信する。また、流量設定値は、例えば、流量指示調節計４が備える入力装置（図示せず）を通じて、流量制御システム１の運用者により流量指示調節計４に与えられる。流量指示調節計４から入力された操作量に従って流量調節弁３が弁開度を変更することで、配管２Ａ中の流量は、流量設定値と一致するように制御される。

流量制御装置５は実施形態に従った流量制御装置の一例である。流量制御装置５は、処理部５１、記憶部５２、入力部５３、第１の開閉部５４、第２の開閉部５５、及び加算部５６を含む。処理部５１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）といったプロセッサ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、又はＰＬＤ（Programmable Logic Device）である。記憶部５２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の主記憶装置や、磁気ディスク、光ディスク、又はフラッシュメモリ等の補助記憶装置である。入力部５３は、例えば、テンキー、キーボード、又はタッチパネルである。第１の開閉部５４及び第２の開閉部５５は、例えば、スイッチである。加算部５６は、各種の加算器である。

なお、流量制御装置５は、図１に示す一例では流量指示調節計４とは別の装置であるが、流量指示調節計４と一体化された装置であってもよい。この場合、記憶部５２及び入力部５３は、流量指示調節計４内の同一機能を有するユニットにより代用されてもよい。

外乱が発生していない場合、流量制御装置５は、例えば、次のように動作する。すなわち、処理部５１は、第１の開閉部５４をオフにし、第２の開閉部５５をオンにする。第２の開閉部５５がオン状態にあるため、流量指示調節計４から出力された操作量は、第２の開閉部５５を介して加算部５６に入力する。加算部５６は、操作量が入力される度に、最新の操作量を取得（保持）する。また、第１の開閉部５４がオフ状態にあるため、加算部５６には第１の開閉部５４を介して何も入力されない。そこで、加算部５６は、取得した操作量を流量指示調節計４及び流量調節弁３へ出力する。

一方、外乱が発生した場合に、流量制御装置５は、例えば、以下の説明のように動作する。
処理部５１は、外乱が発生した場合に、操作量を流量指示調節計４が流量調節弁３へ出力することを停止させる。すなわち、流量制御装置５は、流量制御の現状を流量指示調節計４に維持させる。また、処理部５１は、第２の開閉部５５をオフにし、外乱発生後の操作量が流量指示調節計４から加算部５６に入力することを防ぐ。処理部５１は、補正値演算部５１１を含む。

補正値演算部５１１は、外乱発生前の流量調節弁３のＣｖ値と外乱発生後の流量調節弁３のＣｖ値との比率を演算し、演算した比率に従って操作量の補正値を取得する。Ｃｖ値は、流量調節弁３の容量係数或いは流量係数であり、任意の弁開度（トラベル）において圧力差が１lbf/in2である時に、流量調節弁３を流れる60°Fの流体の流量をUS gal/minで表した値である。

処理部５１は、第１の開閉部５４をオンにする。補正値演算部５１１は、取得した補正値を第１の開閉部５４を介して加算部５６へ出力する。
加算部５６は、操作量の出力停止前に流量指示調節計４から取得した操作量に、補正値演算部５１１により取得された補正値を加算する。そして、加算部５６は、補正値加算後の操作量を流量調節弁３へ出力する。

このように、流量制御装置５は、外乱が発生した場合に流量指示調節計４による流量制御を停止（現状維持）させる。そして、流量制御装置５は、停止前の流量指示調節計４による流量制御を外乱に応じて補正して、流量制御を行う。したがって、実施形態に従った流量制御装置によれば、外乱発生時のハンチングを抑制することができる。

実施形態に従った流量制御装置が実行する流量制御の具体例を、流量調節弁３の一次圧力を変動させる外乱が発生した場合と、流量調節弁３の二次圧力を変動させる外乱が発生した場合とに分けて以下に説明する。なお、一次圧力とは、流量調節弁３の上流側の圧力、すなわち入口圧力を指し、二次圧力とは、流量調節弁３の下流側の圧力、すなわち出口圧力を指す。

＜流量調節弁の一次圧力を変動させる外乱の発生＞
図２は、流量調節弁の一次圧力が外乱発生により変動する一例を示す図である。図２に示すように、流量調節弁の一次圧力は、外乱発生により下降するケースもあれば上昇するケースもある。図３は、実施形態に従った流量制御方法の例示的なフローを示す図である。図３に示す流量制御方法は、例えば、流量制御装置５により実行される。

ステップＳ１０１で一連の処理が開始されると、処理部５１は、流量調節弁３の一次圧力を変動させる外乱が発生したか否かを判定する（ステップＳ１０２）。
例えば、処理部５１は、次のような処理により外乱発生の有無を判定するように構成される。すなわち、処理部５１は、流量調節弁３よりも上流側に設置された圧力発信器８により計測及び発信された一次圧力を逐次受信し、受信した一次圧力を所定時間保持する。そして、処理部５１は、保持する一次圧力の単位時間当たりの変化量が一定量を超える場合に、流量調節弁３の一次圧力を変動させる外乱が、圧力変化点（例えば、図２に示す時刻ｔ１或いは時刻ｔ３）で発生したと判定する。

また、例えば、処理部５１は、次のような処理により外乱発生の有無を判定するように構成される。すなわち、処理部５１は、遮断弁９が開放又は遮断されたことを示す信号を受信した場合に、流量調節弁３の一次圧力を変動させる外乱が発生したと判定する。図１に示すように、遮断弁９は、制御対象装置とは異なる他の装置へ繋がる配管２Ｂに設置される。遮断弁９が開放又は遮断されたことを示す信号は、図１に示すように遮断弁９から送信されてもよいし、遮断弁９の開閉を検出するリミットスイッチ（図示せず）から送信されてもよい。

流量調節弁３の一次圧力を変動させる外乱が発生したと判定する場合（ステップＳ１０２で“ＹＥＳ”）、処理部５１は、流量指示調節計４による流量制御を停止（現状維持）させる（ステップＳ１０３）。例えば、処理部５１は、操作量の出力停止（現状維持）を命じる指示信号を流量指示調節計４へ送信することで、流量指示調節計４による流量制御を停止（現状維持）させるように構成される。また、処理部５１は、第２の開閉部５５をオフにすることで、外乱発生後に流量指示調節計４が出力した操作量が流量調節弁３に入力することを防ぐ。

流量指示調節計４による流量制御が停止（現状維持）されると、補正値演算部５１１は、操作量の補正値を取得する（ステップＳ１０４）。具体的には、補正値演算部５１１は、外乱発生前の流量調節弁３のＣｖ値と外乱発生後の流量調節弁３のＣｖ値との比率を演算し、演算した比率に従った補正値を取得する。図４は、実施形態に従った補正値演算方法の一例を説明する図である。

例えば、配管２中を流れる流体が気体である場合、外乱発生前のＣｖ値Ｃｖ_１１は、次の式(1)で表される。

式(1)において、Ｑは流量設定値であり、ｋは定数であり、Ｐ_１１は外乱発生前の流量調節弁３の一次圧力であり、Ｐ_２は流量調節弁３の二次圧力である。また、ΔＰ_１は次の式(2)で表される。

同様に、外乱発生後のＣｖ値Ｃｖ_１２は、次の式(3)で表される。

式(3)において、Ｐ_１２は外乱発生後の流量調節弁３の一次圧力である。また、ΔＰ_２は次の式(4)で表される。

流量調節弁３の一次圧力を変動させる外乱が発生した場合、流量設定値Ｑ及び定数ｋは式(1)と式(3)とで同じである。そこで、外乱発生前のＣｖ値Ｃｖ_１１と外乱発生後のＣｖ値Ｃｖ_１２との比率ＣｖＣ_１は、次の式(5)で表される。

式(5)に示されるように、比率ＣｖＣ_１は、外乱発生前の一次圧力Ｐ_１１、外乱発生後の一次圧力Ｐ_１２、及び二次圧力Ｐ_２から演算可能である。そこで、図４から理解できるように、補正値演算部５１１は、外乱発生前の一次圧力Ｐ_１１、外乱発生後の一次圧力Ｐ_１２、及び二次圧力Ｐ_２から比率ＣｖＣ_１を演算する。

図４に示すように、式(5)における演算に用いられる二次圧力Ｐ_２は、制御対象装置（ノズルやバーナー等）が有する圧力−流量（Ｐ−Ｑ）特性に基づいて流量設定値Ｑから得られる。例えば、流量設定値Ｑは、入力部５３を通じて流量制御システム１の運用者により処理部５１に与えられる。そして、処理部５１内の補正値演算部５１１は、記憶部５２に予め記憶された制御対象装置の圧力−流量特性を用いて、与えられた流量設定値Ｑに対応する二次圧力Ｐ_２を取得する。

また、外乱発生前の一次圧力Ｐ_１１及び外乱発生後の一次圧力Ｐ_１２は、圧力発信器８により計測され、圧力発信器８から処理部５１に与えられる。
外乱発生前の一次圧力Ｐ_１１は、外乱による圧力変化点における一次圧力である。図２に示す一例では、外乱発生前の一次圧力Ｐ_１１は、時刻ｔ１或いは時刻ｔ３における値である。

外乱発生後の一次圧力Ｐ_１２は、外乱が安定するか否かに関係なく、外乱発生前の一次圧力Ｐ_１１から所定量ΔＰの範囲内で変化した一次圧力である。図２に示す一例では、外乱発生後の一次圧力Ｐ_１２は、時刻ｔ２或いは時刻ｔ４における値である。仮に、外乱発生から外乱安定までの期間が長い場合に、外乱が安定するまで外乱発生後の一次圧力Ｐ_１２が特定できないならば、補正値演算部５１１は、比率ＣｖＣ_１を長時間に渡って演算できないことになる。流量指示調節計４による流量制御の停止（現状維持）中に、流量制御装置５による流量制御が長時間に渡って開始できないことは望ましくない。そこで、補正値演算部５１１は、外乱が安定するか否かに関係なく、外乱発生前の一次圧力Ｐ_１１から所定量ΔＰの範囲内で変化した一次圧力を外乱発生後の一次圧力Ｐ_１２に用いて比率ＣｖＣ_１を演算するように構成される。

ただし、外乱発生後の一次圧力Ｐ_１２は予測できるケースもある。例えば、遮断弁９が開放又は遮断されたことに起因する外乱が発生した場合の外乱発生後の一次圧力Ｐ_１２は、遮断弁９が過去に開放又は遮断された時の流量調節弁３の一次圧力の変動値から予測できる。そこで、補正値演算部５１１は、こうしたケースに対応するように次の説明のように構成されてもよい。すなわち、補正値演算部５１１は、遮断弁９が開放又は遮断された時の流量調節弁３の一次圧力の変動値を保持する。保持される変動値は、最新の変動値、すなわち、遮断弁９が前回開放又は遮断された時の変動値であってよい。また、保持される変動値は、遮断弁９が開放又は遮断された時の外乱発生後の一次圧力Ｐ_１２であってもよい。或いは、保持される変動値は、遮断弁９が開放又は遮断された時の流量調節弁３の一次圧力の変化量、すなわち、外乱発生前の一次圧力Ｐ_１１と外乱発生後の一次圧力Ｐ_１２との差分値であってもよい。補正値演算部５１１は、遮断弁９が開放又は遮断される外乱が新たに発生した場合に、外乱発生前の一次圧力Ｐ_１１と、保持する変動値とを用いて比率ＣｖＣ_１を演算する。こうした構成によれば、補正値演算部５１１は、比率ＣｖＣ_１を外乱が安定する前に短時間で演算できる。

補正値演算部５１１は、操作量の出力停止（ステップＳ１０３）前に流量指示調節計４が流量調節弁３へ出力した操作量の補正値を、演算された比率ＣｖＣ_１に従って取得する。具体的には、例えば、流量調節弁３がイコールパーセント特性を有する場合には、補正値演算部５１１は、演算された比率ＣｖＣ_１を流量調節弁３のＣｖ比率−補正値特性に適用して補正値を取得する。図５は、流量調節弁がイコールパーセント特性を有する場合の補正値演算の説明図である。例えば、図５に示すＣｖ比率−補正値特性は記憶部５２に記憶される。補正値演算部５１１は、Ｃｖ比率−補正値特性を記憶部５２から読み出して、演算された比率ＣｖＣ_１に対応する補正値を取得する。

例えば、流量調節弁３の一次圧力が外乱発生により下降するケース、すなわち、外乱発生前の一次圧力Ｐ_１１よりも外乱発生後の一次圧力Ｐ_１２が小さくなる（Ｐ_１１＞Ｐ_１２）ケースでは、補正値は、次の説明のようにプラスの値（調節弁を開ける方向）である。すなわち、このケースでは、式(1)及び式(3)から明らかなように、外乱発生前のＣｖ値Ｃｖ_１１は外乱発生後のＣｖ値Ｃｖ_１２よりも小さい。また、式(5)から明らかなように、比率ＣｖＣ_１の値は１よりも大きい。比率ＣｖＣ_１の値が１よりも大きい場合、図５に示すようなＣｖ比率−補正値特性から得られる補正値はプラスの値である。

一方、流量調節弁３の一次圧力が外乱発生により上昇するケース、すなわち、外乱発生前の一次圧力Ｐ_１１よりも外乱発生後の一次圧力Ｐ_１２が大きくなる（Ｐ_１１＜Ｐ_１２）ケースでは、補正値はマイナスの値（調節弁を閉める方向）である。すなわち、このケースでは、比率ＣｖＣ_１の値は１よりも小さいため、図５に示すようなＣｖ比率−補正値特性から得られる補正値はマイナスの値である。

処理部５１は、第１の開閉部５４をオンにする。補正値演算部５１１は、取得した補正値を第１の開閉部５４を介して加算部５６へ出力する。加算部５６は、操作量の出力停止前に第２の開閉部５５を介して流量指示調節計４から取得した操作量に、補正値演算部５１１により取得された補正値を加算する（ステップＳ１０５）。

例えば、流量調節弁３の一次圧力が外乱発生により下降するケースでは、流量調節弁３のＣｖ値を上げるために、流量調節弁３の弁開度は開けられる方向に補正される。すなわち、操作量の出力停止前に流量指示調節計４から取得した操作量には、プラスの値の補正値が加算される。

一方、流量調節弁３の一次圧力が外乱発生により上昇するケースでは、流量調節弁３のＣｖ値を下げるために、流量調節弁３の弁開度は閉められる方向に補正される。すなわち、操作量の出力停止前に流量指示調節計４から取得した操作量には、マイナスの値の補正値が加算される。

加算部５６は、補正値加算後の操作量を流量調節弁３へ出力する（ステップＳ１０６）。流量調節弁３は、流量制御装置５から入力された操作量に従って弁開度を変更する。この結果、流量調節弁３の一次圧力を変動させる外乱が発生した場合に、配管２Ａ中の流量は流量設定値と一致するように制御される。

また、加算部５６は、補正値加算後の操作量を流量指示調節計４へ出力する。この結果、流量指示調節計４による流量制御が再開された場合には、流量指示調節計４による流量制御は、補正値加算後の操作量を用いて再開される。したがって、流量制御が流量制御装置５から流量指示調節計４へ戻された場合に、ショックのない連続した制御出力で流量指示調節計４による流量制御を再開できる。

ステップＳ１０７において、処理部５１は、発生した外乱が安定したか否かを判定する。具体的には、処理部５１は、補正値取得（ステップＳ１０４）後に流量調節弁３の一次圧力の単位時間当たりの変化量が一定量以下であるか否かを判定する。

前述したように、補正値演算部５１１は、外乱が安定するか否かに関係なく、外乱発生前の一次圧力Ｐ_１１から所定量ΔＰの範囲内で変化した一次圧力を外乱発生後の一次圧力Ｐ_１２に用いて補正値を演算するように構成される。そこで、補正値取得後も外乱が安定しない場合には、補正値取得後に所定量ΔＰの範囲内で更に変化する一次圧力を外乱発生後の一次圧力Ｐ_１２に用いて、補正値が再度演算されるように構成される。すなわち、補正値取得後の一次圧力の単位時間当たりの変化量が一定量を超える場合（ステップＳ１０７で“ＮＯ”）には、処理部５１は、一連の処理をステップＳ１０４に戻す。一方、補正値取得後の一次圧力の単位時間当たりの変化量が一定量以下である場合（ステップＳ１０７で“ＹＥＳ”）、処理部５１は、ステップＳ１０８へ処理を進める。

なお、遮断弁９が過去に開放又は遮断された時の一次圧力の変動値を外乱発生後の一次圧力Ｐ_１２に用いて補正値が演算される場合には、ステップＳ１０７での処理は省略されてもよい。この場合には、処理部５１は、ステップＳ１０６での処理終了後、ステップＳ１０８へ処理を進める。

ステップＳ１０８において、処理部５１は流量指示調節計４による流量制御を再開させる。例えば、処理部５１は、操作量の出力再開を命じる指示信号を流量指示調節計４へ送信することで、流量指示調節計４による流量制御を再開させるように構成される。また、処理部５１は、第１の開閉部５４をオフにし、第２の開閉部５５をオンにすることで、流量指示調節計４が出力した操作量が流量調節弁３に入力することを再開させる。

なお、処理部５１は、流量調節弁３の感度及び応答速度に応じて決定された、操作量の出力停止（現状維持）時間が経過した後に、流量指示調節計４による流量制御を再開させるように構成されてもよい。例えば、流量調節弁３の感度及び応答速度が悪い場合には、流量指示調節計４による流量制御の再開タイミングを遅らせ、流量制御装置５による流量制御が長く行われるように、操作量の出力停止（現状維持）時間は長く設定される。こうした構成によれば、ハンチングの発生を、流量調節弁３の感度及び応答速度に応じてより抑制できる。

流量指示調節計４による流量制御を再開させると、処理部５１は一連の処理を終了する（ステップＳ１０９）。
このように、流量制御装置５は、外乱が発生した場合に流量指示調節計４による流量制御を停止（現状維持）させる。そして、流量制御装置５は、停止前の流量指示調節計４による流量制御を外乱に応じて補正して、流量制御を行う。したがって、実施形態に従った流量制御方法によれば、外乱発生時のハンチングを抑制することができる。

＜流量調節弁の二次圧力を変動させる外乱の発生＞
流量調節弁３の二次圧力を発生させる外乱は、例えば、流量設定値が変更されることにより発生する。例えば、流量調節弁３の二次圧力は、流量設定値が増やされると下降し、流量設定値が減らされると上昇する。

ステップＳ１０１で一連の処理が開始されると、処理部５１は、流量調節弁３の二次圧力を変動させる外乱が発生したか否かを判定する（ステップＳ１０２）。例えば、処理部５１は、入力部５３を介して入力された流量設定値が変更されたことを検出した場合に、外乱が発生したと判定する。

流量調節弁３の二次圧力を変動させる外乱が発生したと判定する場合（ステップＳ１０２で“ＹＥＳ”）、処理部５１は、流量指示調節計４による流量制御を停止（現状維持）させる（ステップＳ１０３）。流量指示調節計４による流量制御を停止（現状維持）させる処理部５１の具体的な構成例は前述した。また、処理部５１は、第２の開閉部５５をオフにすることで、外乱発生後に流量指示調節計４が出力した操作量が流量調節弁３に入力することを防ぐ。

流量指示調節計４による流量制御が停止（現状維持）されると、補正値演算部５１１は、外乱発生前の流量調節弁３のＣｖ値と外乱発生後の流量調節弁３のＣｖ値との比率を演算し、演算した比率に従った補正値を取得する（ステップＳ１０４）。

例えば、配管２中を流れる流体が気体である場合、外乱発生前のＣｖ値Ｃｖ_２１は、次の式(6)で表される。

式(6)において、Ｑ_１は外乱発生前の流量設定値であり、Ｐ_１は流量調節弁３の一次圧力であり、Ｐ_２１は外乱発生前の流量調節弁３の二次圧力である。また、ΔＰ_３は次の式(7)で表される。

同様に、外乱発生後のＣｖ値Ｃｖ_2２は、次の式(8)で表される。

式(8)において、Ｑ_２は外乱発生後の流量設定値であり、Ｐ_２２は外乱発生後の流量調節弁３の二次圧力である。また、ΔＰ_４は次の式(9)で表される。

流量調節弁３の二次圧力を変動させる外乱が発生した場合、一次圧力Ｐ_１及び定数ｋは式(6)と式(8)とで同じである。そこで、外乱発生前のＣｖ値Ｃｖ_２１と外乱発生後のＣｖ値Ｃｖ_2２との比率ＣｖＣ_２は、次の式(10)で表される。

式(10)に示されるように、比率ＣｖＣ_２は、外乱発生前の流量設定値Ｑ_１、外乱発生後の流量設定値Ｑ_２、一次圧力Ｐ_１、外乱発生前の二次圧力Ｐ_２１、及び外乱発生後の二次圧力Ｐ_２２から演算可能である。そこで、図４から理解できるように、補正値演算部５１１は、外乱発生前の流量設定値Ｑ_１、外乱発生後の流量設定値Ｑ_２、一次圧力Ｐ_１、外乱発生前の二次圧力Ｐ_２１、及び外乱発生後の二次圧力Ｐ_２２から比率ＣｖＣ_２を演算する。 前述したように、式(10)における演算に用いられる一次圧力Ｐは、圧力発信器８により計測され、圧力発信器８から処理部５１に与えられる。また、外乱発生前の流量設定値Ｑ_１及び外乱発生後の流量設定値Ｑ_２は、入力部５３を通じて流量制御システム１の運用者により処理部５１に与えられる。そして、外乱発生前の二次圧力Ｐ_２１は、流量調節弁３が有する圧力−流量特性に基づいて外乱発生前の流量設定値Ｑ_１から得られる。同様に、外乱発生後の二次圧力Ｐ_２２は、流量調節弁３が有する圧力−流量特性に基づいて外乱発生後の流量設定値Ｑ_２から得られる。二次圧力を取得する補正値演算部５１１の具体的な構成例は前述した。

補正値演算部５１１は、操作量の出力停止（ステップＳ１０３）前に流量指示調節計４が流量調節弁３へ出力した操作量の補正値を、演算された比率ＣｖＣ_２に従って取得する。具体的には、例えば、流量調節弁３がイコールパーセント特性を有する場合には、補正値演算部５１１は、演算された比率ＣｖＣ_２を流量調節弁３のＣｖ比率−補正値特性に適用して補正値を取得する。補正値を取得する処理部５１の具体的な構成例は前述した。

例えば、流量調節弁３の二次圧力が外乱発生により下降するケースでは、補正値は、次の説明のようにプラスの値である。すなわち、このケースでは、外乱発生前の流量設定値Ｑ_１よりも外乱発生後の流量設定値Ｑ_２が大きくなり（Ｑ_１＜Ｑ_２）、外乱発生前の二次圧力Ｐ_２１よりも外乱発生後の二次圧力Ｐ_２２が小さくなる（Ｐ_２１＞Ｐ_２２）。そこで、式(6)及び式(8)から明らかなように、外乱発生前のＣｖ値Ｃｖ_２１は外乱発生後のＣｖ値Ｃｖ_２２よりも小さい。また、式(10)から明らかなように、比率ＣｖＣ_２の値は１よりも大きい。比率ＣｖＣ_２が１よりも大きい場合、図５に示すようなＣｖ比率−補正値特性から得られる補正値はプラスの値である。

一方、流量調節弁３の二次圧力が外乱発生により上昇するケースでは、補正値はマイナスの値である。すなわち、このケースでは、比率ＣｖＣ_２の値は１よりも小さいため、図５に示すようなＣｖ比率−補正値特性から得られる補正値はマイナスの値である。

処理部５１は、第１の開閉部５４をオンにする。補正値演算部５１１は、取得した補正値を第１の開閉部５４を介して加算部５６へ出力する。加算部５６は、操作量の出力停止前に第２の開閉部５５を介して流量指示調節計４から取得した操作量に、補正値演算部５１１により取得された補正値を加算する（ステップＳ１０５）。

例えば、流量調節弁３の二次圧力が外乱発生により下降するケースでは、流量調節弁３のＣｖ値を上げるために、流量調節弁３の弁開度は開けられる方向に補正される。すなわち、操作量の出力停止前に流量指示調節計４から取得した操作量には、プラスの値の補正値が加算される。

一方、流量調節弁３の二次圧力が外乱発生により上昇するケースでは、流量調節弁３のＣｖ値を下げるために、流量調節弁３は閉められる方向に補正される。すなわち、操作量の出力停止前に流量指示調節計４から取得した操作量には、マイナスの値の補正値が加算される。

加算部５６は、補正値加算後の操作量を流量調節弁３へ出力する（ステップＳ１０６）。流量調節弁３は、流量制御装置５から入力された操作量に従って弁開度を変更する。この結果、流量調節弁３の二次圧力を変動させる外乱が発生した場合に、配管２Ａ中の流量は流量設定値と一致するように制御される。

また、加算部５６は、補正値加算後の操作量を流量指示調節計４へ出力する。この結果、流量指示調節計４による流量制御が再開された場合には、流量指示調節計４による流量制御は、補正値加算後の操作量を用いて再開される。したがって、流量制御が流量制御装置５から流量指示調節計４へ戻された場合に、ショックのない連続した制御出力で流量指示調節計４による流量制御を再開できる。

ステップＳ１０７において、処理部５１は、発生した外乱が安定したか否かを判定する。具体的には、処理部５１は、補正値取得（ステップＳ１０４）後に流量調節弁３の二次圧力の単位時間当たりの変化量が一定量以下であるか否かを判定する。補正値取得後の二次圧力の単位時間当たりの変化量が一定量を超える場合（ステップＳ１０７で“ＮＯ”）、処理部５１は、一連の処理をステップＳ１０４に戻す。一方、補正値取得後の二次圧力の単位時間当たりの変化量が一定量以下である場合（ステップＳ１０７で“ＹＥＳ”）、処理部５１は、ステップＳ１０８へ処理を進める。なお、流量設定値の変更に起因する外乱のように、外乱発生後の二次圧力が予測できる外乱の場合には、ステップＳ１０７での処理は省略されてもよい。この場合、処理部５１は、ステップＳ１０６での処理終了後、ステップＳ１０８へ処理を進める。

ステップＳ１０８において、処理部５１は流量指示調節計４による流量制御を再開させる。流量指示調節計４による流量制御を再開させる処理部５１の具体的な構成例は前述した。また、処理部５１は、第１の開閉部５４をオフにし、第２の開閉部５５をオンにすることで、流量指示調節計４が出力した操作量が流量調節弁３に入力することを再開させる。なお、処理部５１は、流量調節弁３の感度及び応答速度に応じて決定された、操作量の出力停止時間が経過した後に、流量指示調節計４による流量制御を再開させるように構成されてもよい。流量指示調節計４による流量制御を再開させると、処理部５１は、一連の処理を終了する（ステップＳ１０９）。

このように、流量制御装置５は、外乱が発生した場合に流量指示調節計４による流量制御を停止（現状維持）させる。そして、流量制御装置５は、停止前の流量指示調節計４による流量制御を外乱に応じて補正して、流量制御を行う。したがって、実施形態に従った流量制御方法によれば、外乱発生時のハンチングを抑制することができる。

次に、流量制御装置５により実行される流量制御方法を上述したが、実施形態に従った流量制御方法は、流量制御装置５が行う各処理が規律された流量制御プログラムを実行するコンピュータによって実施することも可能である。

図５は、実施形態に従った流量制御プログラムを実行するコンピュータの構成例を示す図である。図５に示す一例では、コンピュータ１０は、ＣＰＵ１０１、主記憶装置１０２、補助記憶装置１０３、入力装置１０４、表示装置１０５、記憶媒体駆動装置１０６、及び通信インタフェース１０７を含む。コンピュータ１０に含まれるこれらのユニット１０１〜１０７はバス１０８を介して相互に接続される。

例えば、実施形態に従った流量制御プログラムは可搬型記憶媒体に予め記録される。可搬型記憶媒体の一例としては、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、及びフラッシュメモリ等が挙げられる。可搬型記憶媒体に記録された流量制御プログラムは、記憶媒体駆動装置１０６により読み取られ、補助記憶装置１０３にインストールされる。或いは、例えば、実施形態に従った流量制御プログラムは、他のコンピュータ（図示せず）に予め記憶され、通信インタフェース１０７を介して補助記憶装置１０３にインストールされる。

ＣＰＵ１０１は、流量制御プログラムを補助記憶装置１０３から主記憶装置１０２に読み出し、読み出した流量制御プログラムを実行する。
なお、入力装置１０４は、例えば、キーボード、マウス、又はタッチパネルである。また、表示装置１０５は、例えば、液晶ディスプレイである。

実施形態に従った流量制御プログラムをコンピュータが実行することによって、前述した効果と同様の効果を得ることができる。
本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１ 流量制御システム
２、２Ａ、２Ｂ 配管
３ 流量調節弁（ＦＣＶ：Flow rate Control Valve）
４ 流量指示調節計（ＦＩＣ：Flow rate Indication Control）
５ 流量制御装置
５１ 処理部
５１１ 補正値演算部
５２ 記憶部
５３ 入力部
５４ 第１の開閉部
５５ 第２の開閉部
５６ 加算部
６ 流量検出器（ＦＥ：Flow rate Element）
７ 流量発信器（ＦＴ：Flow rate Transmit）
８ 圧力発信器（ＰＴ：Pressure Transmit）
９ 遮断弁（ＳＯＶ：Shut Off Valve）
１０ コンピュータ
１０１ ＣＰＵ
１０２ 主記憶装置
１０３ 補助記憶装置
１０４ 入力装置
１０５ 表示装置
１０６ 記憶媒体駆動装置
１０７ 通信インタフェース
１０８ バス

Claims (12)

1. 外乱が発生した場合に、流量調節弁の弁開度を操作する操作量を流量指示調節計が前記流量調節弁へ出力することを停止させる処理部と、
   前記外乱発生前の前記流量調節弁のＣｖ値と前記外乱発生後の前記流量調節弁のＣｖ値との比率を演算し、演算した前記比率に従って前記操作量の補正値を取得する補正値演算部と、
   前記操作量の出力停止前に前記流量指示調節計から取得した前記操作量に前記補正値を加算し、前記補正値加算後の前記操作量を前記流量調節弁へ出力する加算部と
   を含む流量制御装置。
2. 制御対象装置の圧力−流量特性を予め記憶する記憶部を更に含み、
   前記補正値演算部は、前記流量調節弁の一次圧力が変動する外乱が発生した場合に、前記流量調節弁の二次圧力の値を前記圧力−流量特性から取得し、前記外乱発生前の前記一次圧力の値、前記外乱発生後の前記一次圧力の値、及び取得された前記二次圧力の値を用いて前記比率を演算する
   請求項１に記載の流量制御装置。
3. 前記補正値演算部は、前記補正値取得後に前記流量調節弁の一次圧力の単位時間当たりの変化量が一定量を超える場合に前記比率を再度演算する
   請求項２に記載の流量制御装置。
4. 前記補正値演算部は、
   前記流量調節弁よりも上流において分岐した配管に設置された遮断弁が開放又は遮断された時の前記流量調節弁の一次圧力の変動値を保持し、
   前記遮断弁が開放又は遮断される外乱が発生した場合に、前記外乱発生前の前記一次圧力の値と前記変動値とを用いて前記比率を演算する
   請求項１〜３の何れか一項に記載の流量制御装置。
5. 制御対象装置の圧力−流量特性を予め記憶する記憶部を更に含み、
   前記補正値演算部は、流量設定値が変更される外乱が発生した場合に、前記外乱発生前の前記流量調節弁の二次圧力の値と前記外乱発生後の前記二次圧力の値とを前記圧力−流量特性から取得し、取得された、前記外乱発生前の前記二次圧力の値及び前記外乱発生後の前記二次圧力の値を用いて前記比率を演算する
   請求項１〜４の何れか一項に記載の流量制御装置。
6. 前記補正値演算部は、前記補正値取得後に前記流量調節弁の二次圧力の単位時間当たりの変化量が一定量を超える場合に前記比率を再度演算する
   請求項５に記載の流量制御装置。
7. 前記加算部は、前記補正値加算後の前記操作量を前記流量指示調節計へ出力する
   請求項１〜６の何れか一項に記載の流量制御装置。
8. 前記処理部は、前記流量調節弁の感度及び応答速度に応じて決定された、前記操作量の出力停止時間が経過した後に、前記操作量を前記流量指示調節計が前記流量調節弁へ出力することを再開させる
   請求項１〜７の何れか一項に記載の流量制御装置。
9. 前記流量調節弁はイコールパーセント特性を有する
   請求項１〜８の何れか一項に記載の流量制御装置。
10. 配管中の流体の流量を調節する流量調節弁と、
    前記流量調節弁の弁開度を操作する操作量を前記流量調節弁へ出力する流量指示調節計と、
    外乱が発生した場合に、前記操作量を前記流量指示調節計が前記流量調節弁へ出力することを停止させ、前記外乱発生前の前記流量調節弁のＣｖ値と前記外乱発生後の前記流量調節弁のＣｖ値との比率を演算し、演算した前記比率に従って前記操作量の補正値を取得し、前記操作量の出力停止前に前記流量指示調節計から取得した前記操作量に前記補正値を加算し、前記補正値加算後の前記操作量を前記流量調節弁へ出力する流量制御装置と
    を含む流量制御システム。
11. 外乱が発生した場合に、流量調節弁の弁開度を操作する操作量を流量指示調節計が前記流量調節弁へ出力することを停止させ、
    前記外乱発生前の前記流量調節弁のＣｖ値と前記外乱発生後の前記流量調節弁のＣｖ値との比率を演算し、
    演算した前記比率に従って前記操作量の補正値を取得し、
    前記操作量の出力停止前に前記流量指示調節計から取得した前記操作量に前記補正値を加算し、
    前記補正値加算後の前記操作量を前記流量調節弁へ出力する
    処理をコンピュータに実行させる流量制御プログラム。
12. 外乱が発生した場合に、流量調節弁の弁開度を操作する操作量を流量指示調節計が前記流量調節弁へ出力することを停止させ、
    前記外乱発生前の前記流量調節弁のＣｖ値と前記外乱発生後の前記流量調節弁のＣｖ値との比率から前記操作量の補正値を取得し、
    前記操作量の出力停止前に前記流量指示調節計から取得した前記操作量に前記補正値を加算し、
    前記補正値加算後の前記操作量を前記流量調節弁へ出力する
    流量制御方法。