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発明の名称 バルブポジショナのチューニング方法及びバルブポジショナ
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−142505(P2001−142505A)
公開日 平成13年5月25日(2001.5.25)
出願番号 特願平11−320954
出願日 平成11年11月11日(1999.11.11)
代理人
発明者 井上 晃 / 齋藤 洋二
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】少なくとも積分時間(Ti)と微分時間(Td)と比例ゲイン(Kp)とからなる制御パラメータを構成要素とするPID制御アルゴリズムによりバルブの制御を行うバルブポジショナのチューニング方法において、入力された前記バルブの仕様に基づいて前記制御パラメータを設定することを特徴とするバルブポジショナのチューニング方法。
【請求項2】前記PID制御アルゴリズムは、比例ゲインKpは少なくともバルブ容量V,バルブのスプリングレンジSR,バルブポジショナの供給圧Psup,バルブのストロークStの関数であり、積分時間Tiは少なくともバルブ容量V,バルブのヒステリシスVHの関数であり、微分時間Tdは少なくともバルブ容量V,バルブのヒステリシスVHの関数であり、微分ゲインγは少なくともバルブのヒステリシスVHの関数であることを特徴とする請求項1記載のバルブポジショナのチューニング方法。
【請求項3】前記バルブの仕様は、予め記録しておき、前記バルブの型名の入力により、記録してある前記バルブの仕様をアクセスして選択するようにしたことを特徴とする請求項1または請求項2記載のバルブポジショナのチューニング方法。
【請求項4】前記バルブポジショナのチューニングにあたり、予めその調整範囲を決めておくとともに、前記バルブの調整量をパーセント表示するようにした請求項1記載のバルブポジショナのチューニング方法。
【請求項5】調節弁の弁開度を所定のPIDアルゴリズムにより制御して、バルブをチューニングするとともに、前記弁開度に基づく信号をフィードバックして前記調節弁を制御するバルブポジショナにおいて、少なくとも積分時間(Ti)と微分時間(Td)と比例ゲイン(Kp)とからなる制御パラメータを構成要素とする前記PID制御アルゴリズムを演算する制御部と、入力された前記バルブの仕様を前記制御パラメータに変換する設定部とを備えることを特徴とするバルブポジショナ。
【請求項6】前記PID制御アルゴリズムは、比例ゲインKpは少なくともバルブ容量V,バルブのスプリングレンジSR,バルブポジショナの供給圧Psup,バルブのストロークStの関数であり、積分時間Tiは少なくともバルブ容量V,バルブのヒステリシスVHの関数であり、微分時間Tdは少なくともバルブ容量V,バルブのヒステリシスVHの関数であり、微分ゲインγは少なくともバルブのヒステリシスVHの関数であることを特徴とする請求項5記載のバルブポジショナ。
【請求項7】前記バルブの仕様は、予め記録しておき、前記バルブの型名の入力により、記録してある前記バルブの仕様をアクセスして選択するようにしたことを特徴とする請求項5または請求項6記載のバルブポジショナのチューニング方法。
【請求項8】前記バルブポジショナのチューニングにあたり、予めその調整範囲を決めておくとともに、前記バルブの調整量をパーセント表示するようにした請求項5記載のバルブポジショナ。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、バルブポジショナのチューニング方法及びバルブポジショナに関し特に、調節弁の弁開度を入力信号に応じて制御する制御演算をディジタルで行い、かつバルブの仕様の入力のみでバルブのチューニング(調整)ができるようにしたバルブポジショナのチューニング方法及びバルブポジショナに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来における、制御パラメータを設定する機能を有するバルブポジショナは、調節弁の弁開度に応じてバルブの開閉制御を行うため、制御演算に使用するチューニング・パラメータを直接バルブポジショナに入力して調節弁の制御を行うようにしている。
【0003】このチューニングをするために使用されるバルブの制御演算には、PID方式の演算アルゴリズムが使用されているが、バルブ本体が変わると制御対象が変わるため、PID方式の制御パラメータを可変させてバルブを制御するためのチューニングを行わなければならない。PID制御アルゴリズムを持つバルブポジショナの場合、制御信号MVをU(s)、偏差E(s)=(入力信号SP)−(弁開度信号PV)とすると、 U(s)=Kp(1+1/Tis+Tds)・E(s) ……(1)
となり、ここでの制御パラメータは、Kp;比例ゲインTi;積分時間Td;微分時間である。また、ディジタル信号で制御量を計算するため、微分項については、更に微分ゲインγなる制御パラメータが必要となる。従来、バルブポジショナの制御性をチューニングするにあたり、これらの制御パラメータを可変させるという作業を繰り返し行っていた。これらの作業は、制御アルゴリズムが複雑になるとともに、パラメータも増える傾向にあり、ますます複雑になってきている。このようにチューニングを行うことは大変な作業であり、かつある程度の制御に対する知識がなければうまくチューニングすることができない。
【0004】このようなチューニングが困難な理由は、バルブポジショナはバルブを制御するための機器であり、その内容は制御工学という、ある専門分野に深く関わっているからである。まず、機械式ポジショナの場合は、制御アルゴリズム自体が比例制御しか実現できず、その制御パラメータは設計値で決まるため、ゼロ・スパン調整を行う以外の操作は不要であった。そのため、バルブポジショナの制御性はある程度、犠牲になっていた。一方、演算機能をもった電気式ポジショナの場合は、ディジタル演算で制御演算を実現できるため、さまざまな制御アルゴリズムの実現が可能となった。その結果、機械式ポジショナでは実現できなかったPIDアルゴリズムを持つポジショナが開発され、バルブポジショナの制御性は格段に向上した。しかし、制御アルゴリズムが複雑になればチューニング・バラメータも増えるため、ゼロ・スパン調整の他に、制御パラメータをチューニングするという作業が必要になり、この作業を行うにあたっては、制御工学の知識が必要になってきたため、マン・マシン・インターフェイスが悪化してきている。
【0005】
【発明が解決するための課題】このように、従来の制御パラメータによるチューニング方法は、制御パラメータを直接扱うので、Kp(比例ゲイン)、Ti(積分時間)、Td(微分時間)、γ(微分ゲイン)等、専門的な用語と内容を理解しなければチューニングできないという問題点がある。
【0006】また、そのチューニングするための値については、適当な値が感覚的に分からなかったので、チューニングに多大な工数がかかり、時間をかけた割りには正しい値を見つけるのが困難であるという問題も存在する。
【0007】従って、バルブのチューニングを行う制御パラメータを専門的な知識がなくとも正確に選択して行うことができる手法に解決しなければならない課題を有する。
【0008】
【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バルブポジショナのチューニング方法及びバルブポジショナは、次の通りである。
(1)少なくとも積分時間(Ti)と微分時間(Td)と比例ゲイン(Kp)とからなる制御パラメータを構成要素とするPID制御アルゴリズムによりバルブの制御を行うバルブポジショナのチューニング方法において、入力された前記バルブの仕様に基づいて前記制御パラメータを設定することを特徴とするバルブポジショナのチューニング方法。
(2)前記PID制御アルゴリズムは、比例ゲインKpは少なくともバルブ容量V,バルブのスプリングレンジSR,バルブポジショナの供給圧Psup,バルブのストロークStの関数であり、積分時間Tiは少なくともバルブ容量V,バルブのヒステリシスVHの関数であり、微分時間Tdは少なくともバルブ容量V,バルブのヒステリシスVHの関数であり、微分ゲインγは少なくともバルブのヒステリシスVHの関数であることを特徴とする(1)記載のバルブポジショナのチューニング方法。
(3)前記バルブの仕様は、予め記録しておき、前記バルブの型名の入力により、記録してある前記バルブの仕様をアクセスして選択するようにしたことを特徴とする(1)または(2)記載のバルブポジショナのチューニング方法。
(4)前記バルブポジショナのチューニングにあたり、予めその調整範囲を決めておくとともに、前記バルブの調整量をパーセント表示するようにした(1)記載のバルブポジショナのチューニング方法。
(5)調節弁の弁開度を所定のPIDアルゴリズムにより制御して、バルブをチューニングするとともに、前記弁開度に基づく信号をフィードバックして前記調節弁を制御するバルブポジショナにおいて、少なくとも積分時間(Ti)と微分時間(Td)と比例ゲイン(Kp)とからなる制御パラメータを構成要素とする前記PID制御アルゴリズムを演算する制御部と、入力された前記バルブの仕様を前記制御パラメータに変換する設定部とを備えることを特徴とするバルブポジショナ。
(6)前記PID制御アルゴリズムは、比例ゲインKpは少なくともバルブ容量V,バルブのスプリングレンジSR,バルブポジショナの供給圧Psup,バルブのストロークStの関数であり、積分時間Tiは少なくともバルブ容量V,バルブのヒステリシスVHの関数であり、微分時間Tdは少なくともバルブ容量V,バルブのヒステリシスVHの関数であり、微分ゲインγは少なくともバルブのヒステリシスVHの関数であることを特徴とする(5)記載のバルブポジショナ。
(7)前記バルブの仕様は、予め記録しておき、前記バルブの型名の入力により、記録してある前記バルブの仕様をアクセスして選択するようにしたことを特徴とする(5)または(6)記載のバルブポジショナのチューニング方法。
(8)前記バルブポジショナのチューニングにあたり、予めその調整範囲を決めておくとともに、前記バルブの調整量をパーセント表示するようにした(5)記載のバルブポジショナ。
【0009】このように、従来は、制御パラメータを直接入力してバルブ・ポジショナのチューニングを行っていたため、制御パラメータの内容を理解しないとチューニングできないという問題があったが、本発明のようにバルブの容量、バルブのヒステリシス等を代入することにより、バルブポジショナまたは操作部側で制御パラメータを演算作成するため、制御パラメータについて理解していなくともバルブのチューニング作業を行うことが可能になる。
【0010】また、従来のように、チューニングの粗調整のようなことができなかったため、チューニングをする制御パラメータを追い込むまでに時間がかかっていたが、本発明のように、バルブの仕様を代入することにより、チューニングをする制御パラメータを決めるため、この作業が粗調整となる。制御性を更に向上させたい場合には、チューニングする制御パラメータ自体を少しづつ変化させる。または、バルブの仕様を少し変化させればよい。
【0011】更に、従来は、制御パラメータを直接調節する際、はじめに代入すべき値の判断が困難であったが、本発明によれば、制御パラメータの調整範囲を予め決めてパーセント表示することにより、調整加減が感覚で得ることができるようになり分かりやすくなる。
【0012】
【発明の実施の形態】次に、本発明にかかるバルブポジショナのチューニング方法及びバルブポジショナの実施の形態について図面を参照して説明する。
【0013】本発明にかかる第1の実施の形態のバルブポジショナのチューニング方法を具現化するバルブポジショナを図1に示す。この図に示すように、本発明のバルブポジショナは、操作部10で入力したバルブ14の仕様に基づいてバルブポジショナ11側で制御パラメータを設定してバルブポジショナ11のチューニングを行う構成となっており、バルブ14の仕様をキーボードまたはボタン10aから入力する操作部10と、操作部10と電流信号に重畳されるディジタル通信または4−20mAで通信される入力信号を入力し、調節弁12を制御するバルブポジショナ11と、調節弁12とステム13を介して接続されたバルブ14とから構成されている。
【0014】操作部10は、マン・マシン・インターフエイスであり、バルブ14の仕様データをキーボード等より入力する。このバルブ14の仕様は、バルブの容量V、調節弁12への供給圧Psup、バルブ14内のスプリング・レンジSR等である。これらは、所定の通信プロトコルに従って、バルブポジショナ11に送出される。
【0015】バルブポジショナ11は、操作部10からの入力信号を受信する信号受信手段15と、入力信号により制御パラメータを演算して設定する設定部、即ち、制御パラメータ設定部16a及び調節弁14のフィードバック信号である弁開度信号との偏差を算出するバルブ制御演算部16bとを有する制御部16と、バルブ14の仕様を蓄積してあるデータベースである記録部17と、制御部16で演算された制御信号(制御量)をアナログ信号に変換するD/A変換器18と、アナログ信号に変換された制御信号に基づいて調節弁12の空気流量を制御する電空変換器19と、調節弁12の弁開度に応じて変位するステム変位信号を検出する角度センサー器20と、角度センサー器20で検出した信号をディジタル信号に変換して弁開度信号を生成するA/D変換器21とから構成されている。
【0016】調節弁12は、電空変換器19で生成された出力圧Poutにより図示しないダイアフラムを制御してステム13を往復運動させる。このステム13はバルブ14の弁プラグに直結しており、弁プラグを開閉制御してプロセス流体の制御を直接行う構成となっている。また、バルブ14内部にはスプリングが収納され、弁プラグを常時一方方向に付勢するとともに調節弁12のダイアフラムへの空気流量の制御によりスプリングの付勢力に対抗して弁プラグを開閉制御する構造となっている。
【0017】この制御パラメータ設定部16aにおける制御パラメータを計算するアルゴリズムは、まず、従来技術で説明した(1)式の制御アルゴリズム、即ち、PID制御アルゴリズム(U(s)=Kp(1+(1/Tis)+Tds)・E(s))を有するバルブポジショナにおいては次の式により演算される。
(比例ゲイン)Kp=f(V,SR,Psup,St)……(2)
(積分時間) Ti=f(V,VH) ……(3)
(微分時間) Td=f(V,PF) ……(4)
(微分ゲイン )γ=f(VH) ……(5)
V;バルブの容量SR;バルブのスプリングレンジPsup;ポジショナの供給圧St;バルブのストローク(ステム往復運動)
VH;バルブのヒステリシス尚、このPID制御アルゴリズムによる演算は、記録部17で行ってもよい。この場合には、演算した結果を設定部16aが受け取るようになる。
【0018】このような構成からなるバルブポジショナ11において、演算、生成された制御パラメータによるチューニングについて、図2に示すフローチャートを参照にして以下説明する。
【0019】先ず、バルブポジショナ11をバルブ14側に取り付け、ゼロ・スパン調整を行う(ステップST10、ST11)。
【0020】次に、操作部10からバルブの仕様又は型名を入力する(ステップST12)。そうすると、バルブポジショナ11においてこのバルブ14の型名を入力する場合には、その型名に応じたバルブ14の仕様をアクセスして読み出すとともに、このバルブ14の仕様に応じた制御パラメータをデータベース(記録部17)から読み出す。また、バルブ14の仕様を入力する場合には、そのバルブ14の仕様に応じた制御パラメータをデータベース(記録部17)から読み出す。そして、上述の(2)式から(5)式の制御パラメータを設定し、(1)式のPID制御アルゴリズムにより演算する。この制御パラメータに基づいて演算生成された制御量(制御信号)に基づいてバルブのチューニング、即ち、粗調整を行う(ステップST13)。そして、この制御量に基づくバルブ14の制御性は良いか否かを判断する(ステップST14)。不具合がある場合には、微調整を行う(ステップST15)。この微調整は、バルブの仕様を変更するかまたは直接制御パラメータを変更することにより行い、再度制御性をみる。この微調整を繰り返し行いファイン・チューニングを行って一連の調整は完了する。
【0021】このように、バルブの仕様により設定された制御パラメータ((2)式〜(5)式))に基づくチューニングを行うことができ、チューニング・パラメータを直接扱わなくともバルブ14の調整を行うことができる。
【0022】もちろんバルブ14自体及びバルブ14を構成する付属物によるバラツキがある場合は、制御パラメータでチューニングしても最適であるわけではないが、おおよその調整(粗調整)はできる。そして、後の微調整において、入力するバルブの仕様を少しづつ可変する。または従来と同じようにチューニング・パラメータを直接変化させてチューニングを行えばよい。
【0023】また、ここで、チューニング・パラメータを直接扱う場合には、その調整量のみきわめができないため、予め調整できる範囲を決めてパーセント表示をすることにより、より感覚的に調整することができる。更に、バルブ14の仕様を入力する際に、バルブ14のストローク、即ち、バルブ14を全閉、全開させることにより、角度センサー器20の変化量でおおよその値を測定することができる。バルブ14のパッキン・フリクションは、バルブ14の不感帯をトルク・モータ供給電流幅の測定でおおよその値を測定できる。
【0024】このようにして、バルブ14の仕様がわからなくても、バルブポジショナ11自体で測定し、決めることができる。最終的に全ての必要なバルブ14の仕様がバルブポジショナ11側で自己測定できればチューニングは全て自動化できる。但し、この場合は、微調整が必要になる場合がある。
【0025】次に、本発明にかかる第2の実施の形態のバルブポジショナのチューニング方法及びバルブポジショナについて図3及び図4を参照して説明する。
【0026】第2の実施の形態のバルブポジショナのチューニング方法を具現化するバルブポジショナは、図3に示す。図3の例は、操作部10において制御パラメータを設定する構成となっており、バルブ14の仕様をキーボードまたはボタンから入力する操作部10と、操作部10と通信バスを介して接続され、仕様データからなる入力信号を入力し、調節弁12を制御するバルブポジショナ11と、調節弁12とステム13を介して接続されているバルブ14とから構成される。
【0027】操作部10は、マン・マシン・インターフェイスであり、バルブ14の仕様データをキーボード等を使用して入力するとともに、バルブ14の仕様の入力により制御パラメータを設定する制御パラメータ設定部10aを備えた構成となっている。このバルブ14の仕様は、バルブの容量V、バルブポジショナ11への供給圧Psup、バルブ14内のスプリング・レンジ等である。
【0028】制御パラメータ設定部10aは、入力されたバルブ14の仕様に基づいて、図示しないデータベースをアクセスして、第1の実施の形態で述べた(2)〜(5)式の制御パラメータを設定する。即ち、(比例ゲイン)Kp=f(V(バルブ14の容量),SR(バルブ14のスプリングレンジ),Psup(バルブポジショナ11の供給圧),St(バルブ14のストローク)),(積分時間)Ti=f(V(バルブ14の容量),PF(バルブ14のパッキンフリクション))、(微分時間)Td=f(V(バルブ14の容量),VH(バルブヒステリシス))、(微分ゲイン)γ=f(VH(バルブヒステリシス))を設定する。
【0029】バルブポジショナ11は、操作部10で入力しかつ演算された制御パラメータからなる入力信号を受信する信号受信手段15と、入力信号の制御パラメータによるチューニングを行うために調節弁12のフィードバック信号である弁開度信号との偏差を算出するバルブ制御演算部16bとを有する制御部16と、制御部16で演算された制御信号(制御量)をアナログ信号に変換するD/A変換器18と、アナログ信号に変換された制御信号に基づいて調節弁12の空気流量を制御し出力圧Poutを生成する電空変換器19と、調節弁12の弁開度に応じて変位するステム変位信号を検出する角度センサー部器20と、角度センサー器20で検出した信号をディジタル信号に変換して弁開度信号を生成するA/D変換器21とから構成されている。尚、調節弁12については第1の実施の形態と同様であるのでの説明は省略する。
【0030】バルブ制御演算部16bは、従来技術で説明した(1)式の制御アルゴリズム、即ち、PID制御アルゴリズム(U(s)=Kp(1+(1/Tis)+Tds)・E(s))を備えており、操作部10から入力されたバルブ14の仕様を変換して得られた制御パラメータを代入して制御量を演算する。この演算に関しては図示しない弁開度信号との偏差を算出して制御量を生成し、バルブ制御演算部16bのチューニングを行う。このようにして第1の実施の形態と同様にバルブポジショナ11のチューニングパラメータを直接扱わなくともバルブポジショナ11の調整はできる構成である。
【0031】このような構成からなるバルブポジショナ11における制御パラメータによるチューニングについて図4に示すフローチャートを参照にして以下説明する。
【0032】まず、バルブポジショナ11をバルブ14側に取り付け、ゼロ・スパン調整を行う(ステップST20,ST21)。
【0033】次に、操作部10からバルブ14の仕様または型名を入力する(ステップST22)。これにより、操作部10にあってこのバルブ14の仕様に応じたデータをデータベースから読み出し、上述した(2)〜(5)式の制御パラメータを設定する(ステップST23)。この制御パラメータをバルブポジショナ11側にバスを介して送る。バルブポジショナ11側は、この制御パラメータを受け取ると、演算して調節弁12へ制御信号として送り、バルブ14のチューニング、即ち、粗調整を行い、バルブ14の制御性は良いか否かを判断する(ステップST24,ST25)。不具合がある場合には、微調整を行う。この微調整はバルブの仕様を変更するか又は直接制御パラメータを変更することにより行い、再度制御性をみる。この微調整を繰り返し行いファインチューニングを行って一連の調整は完了する。
【0034】尚、上述の第1の実施の形態と同様に、バルブ14自体及びバルブ14を構成する付属物によるバラツキがある場合は、制御パラメータをチューニングした最適値が決まるわけではないが、おおよその調整はできる。後の微調整において、入力するバルブ14の仕様を少しづつ可変する。または従来と同じようにチューニング・パラメータを直接変化させてチューニングを行えばよい。また、ここで、チューニング・パラメータを直接扱う場合には、その調整量のみきわめができないため、予め調整できる範囲を決めてパーセント表示をすることにより、より感覚的に調整することができる。
【0035】
【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかるバルブポジショナのチューニング方法及びバルブポジショナは、チューニングを行うにあたって、制御の専門用語、例えば比例ゲインKp、積分時間Ti、微分時間Td等の制御専門の用語や制御パラメータを直接扱わなくともよいため、制御の知識を要せずバルブのチューニングができるという効果がある。
【0036】また、バルブの仕様を入力することにより、ある程度のチューニング(粗調整)ができるため、チューニングが簡単にできるようになり、かつチューニング時間が節約できるという効果がある。
【0037】更に、バルブの型名等を入力するだけでチューニング・パラメータを決めることができるため、チューニング時間を大幅に短縮することができるという効果がある。




 

 


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