JPH09171412A - 弁制御方法及び弁制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流量制御の精度が良好で、応答の速い弁制御
装置を提供することを課題とする。 【解決手段】 流量検出手段３１によって検出された実
流量を増幅する第４の演算手段３５と、第３の演算手段
３４によって演算された第１の補正弁開度と第４の演算
手段３５によって演算された増幅流量とを取り込んで、
第２の補正弁開度を演算する第５の演算手段３６と、第
５の演算手段３６で演算された第２の補正弁開度から、
位相ずれ及びむだ時間の補償を行ない、次の弁開度を演
算する第６の演算手段３７とを設けるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流量特性が非線形
である弁への操作出力を制御する弁制御方法及び弁制御
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液体の流量を制御する方法としては、移
送配管中に弁開度の調整が可能な弁 (例えば、ボール
弁,バタフライ弁等)を設け、これらの弁の弁開度を制御
することによって行っている。

【０００３】一方、写真工業の写真製造における乳剤塗
布工程では、乳剤であるハロゲン化銀の溶液を用いるラ
インがある。この様なラインは、塗布品種の切替を行う
際に、移送配管中の前品種の残留物や気泡があったりす
ると、写真性能を大きく損ってしまう。

【０００４】しかし、上述の弁を用いると、内部構造が
複雑なために、清掃に手間が掛かかる。しかも、ハロゲ
ン化銀は金属と反応しやすいので、接液部が金属の上述
の弁では、コンタミが発生する。

【０００５】よって、このようなラインにおいては、可
撓性のホースを用い、この可撓性のホースを挟むピンチ
弁が用いられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ピンチ弁の特
性は複雑で、例えば、 図１１に示すような PID 制御を
行なった場合、図１２に示すように、挟む圧力 (弁開
度) に対し、流量の特性が非線形で、又、ピンチ弁が開
く時(+)と、閉じる時(□)とで、流量にヒステリシスが
発生し、更に、これらの特性が時間と共に変化する。

【０００７】よって、安定な制御を行うためには、 PID
制御の応答を遅くせざるを得ない。このため図１３に
示すように、設定値変更,突発的な外乱に対して、制御
の収拾に時間が掛かるという問題点がある。

【０００８】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、流量制御の精度が良好で、応答の速
い弁制御方法及び弁制御装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の弁制御方法は、流量特性が非線形である弁への操作
出力を制御する弁制御方法において、目標流量を設定
し、設定された目標流量とモデル式より、最適弁開度を
計算し、実流量と前記設定流量との偏差に演算を施し、
第１の補正弁開度を求め、前記実流量を増幅し前記第１
の補正弁開度に加えた値に、位相ずれ及び無だ時間を補
正する演算を施して得られた第２の補正弁開度を用いて
弁を制御する方法である。

【００１０】また、本発明の流量制御装置は、流量特性
が非線形である弁への操作出力を制御する弁制御装置に
おいて、予め設定された設定流量とモデル式から最適弁
開度を計算する第１の演算手段と、前記弁の下流に設け
られ、実流量を検出する流量検出手段と、該流量検出手
段によって検出された実流量と、前記設定流量とを比較
し、その差を求める比較手段と、該比較手段によって求
められた実流量と設定流量との差に基づき、最適弁開度
からの変化量を演算する第２の演算手段と、該第２の演
算手段の演算結果と、前記第１の演算手段の演算結果と
を加え、第１の補正弁開度を得る第３の演算手段と、前
記流量検出手段によって検出された実流量を増幅する第
４の演算手段と、前記第１の補正弁開度と前記第４の演
算手段によって演算された増幅流量を加える第５の演算
手段と、該第５の演算手段で演算された演算結果に対し
て、位相ずれ及びむだ時間による影響を打ち消すように
修正を加え、次の弁開度である第２の補正弁開度を演算
する第６の演算手段とを具備するものである。

【００１１】これら弁制御方法及び弁制御装置におい
て、流量特性が非線形である弁の一例としては、液体移
動配管の径を変化させることにより前記液体移送配管内
の流量を制御するピンチ弁がある。

【００１２】本発明の弁制御方法及び制御装置には、以
下の二つの制御からなる。 (1) 実流量と目標流量との偏差に基づいて演算を施し、
微調整を行ない第１の補正弁開度を求める制御 (2) 実流量を増幅し(ゲインを乗じ)、第１の補正弁開度
にフィードバックして第２の補正弁開度を求める制御 ここで、まず(2)の制御の作動を考える。即ち、実流量
に従来以上のゲインを乗じて第１の補正弁開度に加える
と、第１の弁開度と実流量との関係が線形化され、更
に、流量を直接弁開度に加えるので流量変動への応答が
速くなるが、大ゲインのフィードバックを行なうことに
より、不安定になりやすい。そこで、補償回路を設け、
位相ずれ,むだ時間の補正を行ない第２の補正弁開度を
求める。

【００１３】次に、(1)の制御では、線形化された第２
補正弁開度と目標流量との関係モデル式から、設定流量
に対する最適弁開度を求める。次に、測定した実際の流
量と、設定流量との偏差に演算(例えば、PID演算)を行
ない、最適な弁開度(第１の補正弁開度)を求める。

【００１４】このようにして、最適な弁開度を得ること
ができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】先ず、図２を用いて、本発明の実
施の形態例に用いられるピンチ弁１の構造を説明する。
図において、２はベース、４はベース２上にアーム３を
介して設けられるシリンダ部、５はシリンダ部４によっ
て駆動される押圧部でである。

【００１６】ベース２上には、液体移送配管としての弾
性を有するホース７を保持するガイド６が設けられてい
る。押圧部５は、基端部が連結体１０を介してシリンダ
部４のロッド１１の背端部に接続され、シリンダ部４に
よって上下方向に起動される押圧軸８と、この押圧軸８
の先端部に設けられ、ホース７を押圧し、ガイド６と共
働して、ホース７を挟むピンチ部９とから構成されてい
る。尚、ピンチ部９は、耐食性が良好なテフロン樹脂等
で形成されている。

【００１７】次に、シリンダ部４の説明を行う。１３は
シリンダ１２の内部を摺動可能に設けられたピストン
で、前述のロッド１１の基端部が取付けられている。そ
して、シリンダ１２内には、ピストン１３で区切られた
上室１４と、下室１５とが形成されている。これら上室
１４,下室１５のポート１４ａ,１５ａは、それぞれ配管
１６,１７を介してエア切替部１８に接続されている。
尚、１９,２０はポート１４ａ,１５ａに取付けられ、配
管１６,１７を介して供給されるエアの流速を規制し、
ピストン１３の急激な移動を規制するスピードコントロ
ーラである。

【００１８】２１はシリンダ１２に設けられ、ピストン
１３の位置を検出するリードスイッチである。このリー
ドスイッチ２１は、要求されるピンチ弁１の制御範囲及
び制御ステップに応じて複数個配設される。

【００１９】２４はエア切替部１８へエアを供給するエ
ア供給手段、２２はリードスイッチ２１からのピストン
１３の位置検出信号を取り込み、弁制御装置２３で設定
された操作出力に応じて、エア供給手段２４及び切替部
１８を駆動するピンチ弁駆動部である。

【００２０】又、シリンダ部４には、ブレーキ機構２５
が設けられ、弁制御装置２３で設定された弁開度にピン
チ弁１が制御されると、ブレーキ機構２５が作動して、
ロッド１１の移動を禁止し、ピンチ状態を保持し、スト
ローク誤差が発生しないようになっている。

【００２１】次に、弁制御装置２３のブロック図である
図１を用いて、弁制御装置２３の説明を行う。図におい
て、３０は設定流量(SV)とフィードフォワード計算式か
らピンチ弁１の最適弁開度(MVFF)を演算する第１の演算
手段、３１はピンチ弁１が設けられたホース７の下流に
設けられ、実流量を検出する流量検出手段としての流量
計である。

【００２２】３２は流量計によって検出された実流量(P
V)と、設定流量(SV)との偏差(e)を求める比較手段であ
る。３３は比較手段３２によって求められた偏差(e)に
基づいて、PID制御演算を行なう第２の演算手段であ
る。

【００２３】３４は第２の演算手段３３の演算結果(MVP
ID)と第１の演算手段３０との演算結果(MVFF)を足し合
わせ、第１の補正弁開度(MV0)を得る第３の演算手段で
ある。

【００２４】３５は流量計３１で検出された実流量(PV)
を増幅する第４の演算手段、３６は第３の演算手段３４
によって演算された第１の補正弁開度(MV0)と第２の演
算手段によって演算された増幅流量を足し合わせる第５
の演算手段である。

【００２５】３７は第５の演算手段３６で演算された結
果から、位相ずれ及びむだ時間を補償する演算を施し
て、次の弁開度である第２の補正弁開度(MV)を演算する
第６の演算手段である。

【００２６】ここで、第６の演算手段３７の詳しい説明
を図３を用いて行なう。図において、３８は位相のずれ
た信号がフィードバックされて応答が不安定にならない
ように補正する位相補償手段、３９は信号が出力されて
から実際に装置が働き始める迄の遅れ時間を補正するむ
だ時間補償要素である。

【００２７】本実施例では、上記位相補償手段３８は、
下記のように設定した。図４は系の周波数特性とゲイン
との位相を示す図である。横軸に角周波数、縦軸にゲイ
ンのデシベル値と位相おくれをとってあり、安定性の判
断に使用される。

【００２８】位相おくれ180°のとき、すなわち振動が
ちょうど1周期ずれるとき、ゲインが1以上(0db以上)だ
と、振幅がどんどん増加されて加えられ発散してしま
う。したがって、この時のゲインは小さい方がよい。位
相おくれが180°のとき、ゲインが0dbからどれだけ離れ
ているかをゲイン余有といい、大きい方が安定である 同様に、ゲインが0dbのとき、すなわち系に等しく値が
加えられている場合、位相が1周期ずれている(位相おく
れが180°である)と発散する。このときも位相おくれが
小さい方がよい。ゲインが0dbのとき、位相おくれの180
°からの差を位相余有といい、大きい方が安定である。

【００２９】ボード線図の補償なしの場合(図において
点線で示す)では、ゲイン余有が35db、位相余有が60°
であるこの安定性を向上させるために、グラフを下げる
ような補償要素を設計する。

【００３０】設計の目安としてω=10rad/secでゲインを
12db下げるよう設計し、その結果、補償要素として、(s
+1)(5s+1)を得た。補償要素を付加した系のボード線図
は図において、実線で示し、ゲイン余有は50db、位相余
有は90°とそれぞれ15db、30°増加しており、安定性が
向上する。

【００３１】図５は第１の補正弁開度(MV0)を20％きざ
みで変化させていくステップ応答シミュレーションを示
し、(a)は補償要素なしの場合、(b)は補償要素がある場
合を示している。(a)図及び(b)図から、補償要素を用い
ることで、初期弁開度MV0の変動時の振動が押えられる
ことが分る。

【００３２】また、本実施例ではむだ時間補償要素３９
は下記ように設定した。制御対象のむだ時間が大きい
と、位相のずれにより制御が不安定となる。図１１に示
すような構成において、3kg/cm²に加圧された水をもち
いて、弁開度(MV)と流量のステップ応答とを測定してみ
ると、図６に示すように、1秒前後のむだ時間をもって
いる。

【００３３】むだ時間を補償する方法として代表的なも
のに、スミス法がある。ここで、スミス法について図７
を用いて説明を行なう。図７(a)に示すようにむだ時間
e-Lsをもつプロセスに対し、入力伝達関数は下記の式の
ようになる。

【００３４】

【数１】

【００３５】分母である特性方程式の内部にむだ時間が
存在し、制御系の設計が難しい。そこで、コントローラ
の周りに本実施例のような図７(b)に示すむだ時間要素
を含む補償要素を加える。

【００３６】この系の入出力特性方程式を求めてみる。
まず、コントローラと補償要素を纏めて、

【００３７】

【数２】

【００３８】とする。入力伝達関数は、

【００３９】

【数３】

【００４０】となり、特性方程式におけるむだ時間要素
を除去できる。次に、本実施例のフロー図である図８を
用いて、本実施例の全体の動作を説明する。第１の演算
手段３０に設定流量(SV)を入力する (ステップ1) 。

【００４１】第１の演算手段３０は設定流量(SV)よりフ
ィードフォワード演算を行ない最適弁開度(MVFF)を求め
る (ステップ2) 。流量計３１はホース７内の流量を読
みこむ(ステップ3)。

【００４２】比較手段３２は流量計３１より実流量(PV)
を読み込み、実流量と設定流量との偏差(e)を求める。
第２の演算手段３３はこの偏差(e)に基づいてPID演算を
行ない、第３の演算手段３４は第２の演算手段で演算さ
れたPID演算値(MVPID)と最適弁開度(MVFF)とを加え、第
１の補正弁開度(MV0)を求める(ステップ4)。

【００４３】第４の演算手段３５は流量計３１で検出さ
れた流量にフィードバックゲイン(K)を乗じ、第１の補
正弁開度(MV0)に加える(ステップ5)。そして、第６の演
算手段３７は位相ずれ及びむだ時間を補償する演算を施
して弁開度(MV)を求め、ピンチ弁１へ出力し(ステップ
5)、ステップ３へ戻る。

【００４４】この様な構成弁制御装置によれば、流量制
御の精度が良好で、応答が速い。図９は本実施例の弁制
御装置を用いた場合の初期弁開度(MV0)と流量の関係を
示す図、図１０は制御結果を示す図である。

【００４５】図９で分るように、入力である弁開度と出
力である流量との関係が直線的となり、しかも、ヒステ
リシスも小さくなって特性が大幅に改善されている。ま
た、図１０では、制御開始から流量が安定するまでの時
間が約40秒となり、大幅に改善されていることがわか
る。

【００４６】

【発明の効果】以上述べたように本発明の弁制御方法及
び弁制御装置によれば、下記のような効果を得ることが
できる。

【００４７】(1) 設定流量よりモデル式に基づいて演算
を行ない最適弁開度を求めておくようにしたことによ
り、制御開始時にこの最適弁開度を出力することで、制
御の応答性が速くなる。

【００４８】(2) 流量計によって得られたホース内の実
流量と、設定流量との偏差を求め、この偏差に基づいて
演算を行ない最適弁開度への補正量を求め、この補正量
と最適弁開度とを加え、第１の補正弁開度を求めるよう
にしたことにより、モデル式により求められた最適弁開
度に微調整を加えることができる。

【００４９】(3) 流量計で検出された流量にフィードバ
ックゲインを乗じ、この増幅流量と第１の補正弁開度と
を加え、この加えた結果に位相ずれ及びむだ時間を補償
する演算を施して次の弁開度である第２の補正弁開度を
求めるようにしたことにより、弁の流量特性を改善する
ことができる。

【００５０】(4) 大規模な演算装置などを必要とせず、
流量制御の精度が良好で、応答の速い弁制御装置を実現
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態例の弁制御装置のブロック
図である。

【図２】本発明の実施の形態例に用いられるピンチ弁の
構造を説明する図である。

【図３】図１における第６の演算手段のブロック図であ
る。

【図４】系の周波数特性とゲインとの位相を示す図であ
る。

【図５】初期弁開度(MV0)を20％きざみで変化させてい
くステップ応答シミュレーションを示す図である。

【図６】従来装置のむだ時間を説明する図である。

【図７】スミス法を説明する図である。

【図８】図１に示す構成の作動を説明するフロー図であ
る。

【図９】図１に示す構成の弁制御装置を用いた場合の初
期弁開度(MV0)と流量の関係を示す図である。

【図１０】図１に示す構成の弁制御装置を用いた場合の
制御結果を示す図である。

【図１１】従来の弁制御装置のブロック図である。

【図１２】図１１に示す構成の弁制御装置を用いた場合
の弁開度(MV)と流量の関係を示す図である。

【図１３】図１１に示す構成の弁制御装置を用いた場合
の制御結果を示す図である。

【符号の説明】

３０ 第１の演算手段 ３１ 流量計 ３２ 比較手段 ３３ 第２の演算手段 ３４ 第３の演算手段 ３５ 第４の演算手段 ３６ 第５の演算手段 ３７ 第６の演算手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流量特性が非線形である弁への操作出力
   を制御する弁制御方法において、 目標流量を設定し、 設定された目標流量とモデル式より、最適弁開度を計算
   し、 実流量と前記設定流量との偏差に演算を施し、第１の補
   正弁開度を求め、 前記実流量を増幅し前記第１の補正弁開度に加えた値
   に、位相ずれ及び無だ時間を補正する演算を施して得ら
   れた第２の補正弁開度を用いて弁を制御することを特徴
   とする弁制御方法。
2. 【請求項２】 前記弁は、液体移動配管の径を変化させ
   ることにより前記液体移送配管内の流量を制御するピン
   チ弁であることを特徴とする請求項１記載の弁制御方
   法。
3. 【請求項３】 流量特性が非線形である弁への操作出力
   を制御する弁制御装置において、 予め設定された設定流量とモデル式から最適弁開度を計
   算する第１の演算手段と、 前記弁の下流に設けられ、実流量を検出する流量検出手
   段と、 該流量検出手段によって検出された実流量と、前記設定
   流量とを比較し、その差を求める比較手段と、 該比較手段によって求められた実流量と設定流量との差
   に基づき、最適弁開度からの変化量を演算する第２の演
   算手段と、 該第２の演算手段の演算結果と、前記第１の演算手段の
   演算結果とを加え、第１の補正弁開度を得る第３の演算
   手段と、 前記流量検出手段によって検出された実流量を増幅する
   第４の演算手段と、 前記第１の補正弁開度と前記第４の演算手段によって演
   算された増幅流量を加える第５の演算手段と、 該第５の演算手段で演算された演算結果に対して、位相
   ずれ及びむだ時間による影響を打ち消すように修正を加
   え、次の弁開度である第２の補正弁開度を演算する第６
   の演算手段とを具備したことを特徴とする弁制御装置。
4. 【請求項４】 前記弁は液体移動配管の径を変化させる
   ことにより前記液体移送配管内の流量を制御するピンチ
   弁であることを特徴とする請求項３記載の弁制御装置。