JP2003014157A

JP2003014157A - バルブポジショナおよび制御器

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Publication number: JP2003014157A
Application number: JP2001195392A
Authority: JP
Inventors: Teruo Sato; 輝男佐藤; Masayuki Kobayashi; 賢行小林
Original assignee: KOSO SERVICE KK
Current assignee: KOSO SERVICE KK
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2003-01-15
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: JP4593020B2

Abstract

(57)【要約】【課題】行き過ぎ量を抑えつつより速やかに整定する
優れた制御性を有するバルブポジショナと、そのような
バルブポジショナに適用することができる制御器を提供
する【解決手段】設定値信号と弁開度測定信号を入力し偏
差を出力する減算器２１と、偏差を積分する第１積分器
２４と、偏差の比例値信号を出力する比例器２３と、積
分値信号と比例値信号を加算する加算器２５と、加算器
の出力を増幅する増幅器２６とからなる制御器にさらに
並列に偏差を積分する第２積分器２７と、弁開度の状態
を判定する弁開度状態判別器３０を備えて、弁開度状態
判別器３０が弁開度信号値が設定値信号値に近付きつつ
あると判定する間は第２積分器２７を積分値をリセット
し、逆に遠ざかりつつあると判定する間は第２積分器２
３が偏差を積分して加算器に加えて制御演算を行って、
行き過ぎ量を抑える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プロセス制御で使
用される調節弁の弁開度を外部からの設定信号に対応す
るように制御するバルブポジショナ、およびこのような
ポジショナに使用できる制御器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】バルブポジショナは、調節計等外部から
の信号と調節弁操作部の駆動軸位置を外力に抗して比例
関係に保つようにマイナーループで組んだフィードバッ
ク制御を行い、操作部が制御ループの中で十分に機能を
発揮させるために用いられるものである。したがって、
操作部全体として、応答性が良く単純な伝達特性を持つ
ようにすることが好ましい。また、制御弁は設置される
対象、位置、流量などにしたがってサイズや形式、流量
特性など条件が異なるが、制御弁に付属させるポジショ
ナは個々の対象ごとに合わせて設計製作して使用するの
ではコストが嵩むため、できるだけ共通に利用するよう
に設計されている。このため、バルブポジショナに組み
込まれる制御器は、比例積分微分演算を組み合わせたい
わゆるＰＩＤ制御を行うように構成され、対象ごとに比
例係数、積分時間、微分時間などのパラメータを最適化
して使用する。

【０００３】制御パラメータを調整するための目標とな
る制御の質を表す指標として行き過ぎ量、立ち上がり時
間、整定時間を用いることができるが、立ち上がり時間
と行き過ぎ量は一方を小さくすれば他方が大きくなる関
係にあり、また、たとえば行き過ぎがないという条件下
で最も速く整定するようにしたクリティカルダンピング
（限界制動）を目標とすれば整定時間はかなり長くな
る。ＰＩＤ制御を用いるバルブポジショナでは、バルブ
開度に行き過ぎが生じた場合に目標値方向に反転動作さ
せるには操作部に生ずる慣性力及び静止摩擦力を打ち消
すだけの強い操作出力が生じるまで待たなければならな
いので、整定時間が長くなる傾向があった。また、一旦
行き過ぎが生じると行き過ぎを戻す力のため逆方向に行
き過ぎが生じ、これを繰り返して制御が収束しなくなる
場合もある。このように、制御の質はどこかで妥協しな
ければならず、何をもって最適調整とするかは制御対象
の特性と設計者の判断にゆだねられる。

【０００４】ＰＩＤ制御法は古典制御理論において既に
確立された技術であり、それぞれの要素について伝達関
数を知れば簡単に最適調整ができる。しかし、制御ルー
プ中の各要素について解析的に伝達関数を求めることは
容易でない上、実際の対象は非線形特性を含むことが普
通であるため厳密な伝達関数を得ることはできない。こ
のため、実際にはステップ応答法や限界感度法など実地
試験に基づいた近似手法を用いて最適調整用パラメータ
を求めている。したがって、バルブポジショナの制御パ
ラメータの最適値は、ポジショナが組み込まれる調節弁
ごとに綿密な試験を行って決定しなければならない。

【０００５】なお、電子式制御器と空気式調節弁を組み
合わせる場合は、電子論理回路により制御演算を行うよ
うにした電空ポジショナを調節弁に組み込むことが多
い。このような電子回路では制御論理を比較的自由に選
択できるので、制御系の特性に合わせた適当な処理を取
り込むことにより良好な制御結果を得ることができる。

【０００６】たとえば、特許第３０５７６３５号公報に
は、調節弁が全閉または全開状態にあることを検出した
ときに積分時間を短縮し、それが解除されたときに通常
の制御状態における積分時間に戻すようにしたバルブポ
ジショナが開示されている。この発明は、バルブの全閉
全開時には積分器が飽和点まで積分するため弁を中間位
置に戻すときに応答が鈍くなることに注目して行われた
もので、調節弁を飽和状態から迅速に復帰させることに
より調節弁の応答特性を改良することができる。しか
し、この開示発明は調節弁が可動領域の両端位置に達し
たときの応答性を改良するものであって、通常の制御動
作で重要になる中間位置における制御性に係わるもので
はない。

【０００７】また、特許第３０３９２６７号公報には、
制御偏差の極性あるいは制御偏差の一次差分の極性に応
じて比例係数などの制御パラメータを切り換えて制御演
算するバルブポジショナが開示されている。開示発明の
バルブポジショナにより、弁の駆動方向によって伝達特
性が異なる場合に、弁開度の増減方向を検出してそれぞ
れの伝達特性に適合した制御を行うことができる。しか
し、この開示発明は、調節弁の駆動方向が切り替わって
も最適なＰＩＤ制御動作を行うことができるようにした
もので、ＰＩＤ制御の線形性に起因する制御性能の制約
を回避することはできない。また、組み合わせる調節弁
が変わるたびに、最適パラメータを的確に設定するため
に必要とされる綿密な実物実験の繰り返しを避けること
はできない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の課題
は、行き過ぎ量を抑えつつより速やかに整定する優れた
制御性を有するバルブポジショナと、そのようなバルブ
ポジショナに適用することができる制御器を提供するこ
とである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のバルブポジショ
ナは、設定値信号と調節弁の弁開度測定信号を入力し前
者から後者を差し引いた偏差を出力する減算器と、この
偏差を積分した第１積分値信号を出力する第１積分器
と、第１積分器と並列に接続され偏差に比例した比例値
信号を出力する比例器と、第１積分値信号と比例値信号
を入力し加算して出力する加算器と、加算器の出力に所
定の係数を乗じて出力する増幅器とを備えて制御演算を
行い操作信号を出力する制御器を備えて、外部から与え
られる設定値に対応するように調節弁の弁開度を制御す
る。

【００１０】本発明のバルブポジショナは、上記の課題
を解決するために、制御器がさらに、第１積分器と並列
に配され偏差を積分して第２積分値信号を出力する第２
積分器と、弁開度信号と設定値信号を入力し弁開度の状
態を判定する弁開度状態判別器を備えて、弁開度状態判
別器が弁開度信号の値が設定値信号の値に近付きつつあ
ると判定する間は第２積分器は積分値をゼロ値など所定
の初期値にし、逆に遠ざかりつつあると判定する間は第
２積分器が偏差を積分して出力を加算器に加えるように
して、制御演算を行うことを特徴とする。

【００１１】本発明のバルブポジショナによれば、弁開
度が設定値に近づいている間は第２積分器の働きを停止
して調節弁特性に適合するように選択された通常の比例
積分動作を用いて適当な調整を行う。しかし、弁開度が
設定値を行き過ぎて設定値から遠ざかりつつある期間
は、第２積分器を働かせて行き過ぎ量を積分した第２積
分値を加算するので、行き過ぎを抑える制動方向の力が
加重され、従来の比例積分動作により生じる行き過ぎ量
を抑制することができる。弁開度が極値を過ぎて再び設
定値に戻ろうとするときには、第２積分器の働きを停止
する。

【００１２】本発明のバルブポジショナでは、比例器と
第１積分器を用いて実行される比例積分動作と比較する
と行き過ぎ量が小さくなるため、行き過ぎ後の戻り方向
に弁開度が変化したときの反対方向への行き過ぎ量は著
しく減少する。したがって、所定の偏差以内に収束する
ための整定時間は著しく短縮化される。また、第２積分
器により行き過ぎ量を減少させることができるため、比
例器と第１積分器の制御パラメータを行き過ぎ時間を短
くするように選択して、系の応答性を向上させることが
できる。

【００１３】本発明のバルブポジショナにおける第２積
分器は、弁開度の行き過ぎ量が増えつつあるときのみ行
き過ぎ量を積分して行き過ぎを減少させる方向に作用す
る。また、行き過ぎ量が減少する間は作用しないため、
線形制御における積分器のように設定値に達する前の偏
差は行き過ぎ抑制作用に影響を残さないので、逆方向の
行き過ぎを増大させることがない。したがって、調節弁
の伝達関数の如何に係わらず行き過ぎを抑制する効果を
有するため、適当に大きな積分時間を選択すればよく、
調節弁の形式や容量が変化して制御器の比例積分パラメ
ータが変化した場合でも調整し直すことなく同じ第２積
分器を適用することができる。なお、第２積分器の調整
効果を大きくするためには、第１積分器の積分時間より
短い積分時間を選択することが好ましい。

【００１４】本発明のバルブポジショナは、上で説明し
たような特有の働きを有する第２積分器を制御器に付設
したために、従来の線形制御方法と比較して、行き過ぎ
量が小さくかつ整定時間も短い良好な応答性を備えるよ
うにすることができる。したがって、本発明のバルブポ
ジショナを組み込んだ調節弁を使用すれば、プロセス制
御システム中の要素としての調節弁が制御性能に与える
影響が小さくなり、良好な制御を行うことが容易にな
る。また、適用性が大きく、各種の調節弁に簡単に適用
することができる。

【００１５】なお、本発明のバルブポジショナにおい
て、比例器、第１積分器、第２積分器、増幅器などがそ
れぞれ独立した要素として表されているが、これらの要
素を複合して等価的な１個の電子回路として組み上げる
ことができることはいうまでもない。また、論理回路や
マイクロコンピュータを用いて論理演算により制御演算
を行うこともできる。さらに、制御器に微分要素を備え
て比例積分微分動作による制御を行うことができるよう
にしても良い。

【００１６】本発明第２のバルブポジショナは、外部か
ら与えられる設定値に対応するように調節弁の弁開度を
制御するバルブポジショナであって、設定値信号を受け
てＡ／Ｄ変換し弁開度目標信号値を出力する設定値信号
Ａ／Ｄ変換部と、調節弁の弁開度信号を受けてＡ／Ｄ変
換し弁開度位置信号値を出力する弁開度信号Ａ／Ｄ変換
部と、制御演算部と、制御演算部が出力する操作信号値
を受けてＤ／Ａ変換し操作信号を出力する制御操作信号
Ｄ／Ａ変換手段とを備えることを特徴とする。

【００１７】この制御演算部は、弁開度位置目標信号値
から弁開度位置信号値を減じた偏差を算出する減算手段
と、偏差の比例値を算出する比例手段と、偏差に第１積
分係数を作用させて積分し第１積分値を算出する第１積
分手段と、偏差に第２積分係数を作用させて積分し第２
積分値を算出する第２積分手段と、偏差の極性を判定す
る偏差極性判定手段と、弁開度位置信号値の現在値から
所定時間前の値を減じて弁開度差分を算出する弁開度差
分算出手段と、偏差の比例値と第１積分値と第２積分値
を加算する加算手段と、加算結果に所定の係数を乗じて
制御演算を行い操作値として出力する操作量演算手段と
を備える。

【００１８】そして、偏差極性判定手段により偏差極性
が負、すなわち弁開度位置が設定値より大きいと判定さ
れかつ弁開度差分が正の値、すなわち弁開度が大きくな
りつつあるとき、もしくは偏差極性が正、すなわち弁開
度位置が設定値より小さいと判定されかつ弁開度差分が
負の値、すなわち弁開度が小さくなりつつあるときは、
第２積分値を加算して制御演算を行い操作値とする。ま
た、偏差極性判定手段により偏差極性が正と判定されか
つ弁開度差分が正の値であるときもしくは偏差極性が負
と判定されかつ弁開度差分が負の値であるときは、第２
積分値を初期化して制御演算を行い操作値とすることを
特徴とする。

【００１９】本発明第２のバルブポジショナは、制御演
算部を備えて、主要な制御演算を論理演算により実行す
るようにしたものである。制御演算部が実行する制御演
算は本発明第１のバルブポジショナで実行されるものと
同じであるから、上記説明と同じ作用と効果を得ること
ができる。なお、制御演算部がさらに偏差を微分して微
分値を算出して加算手段に供給する微分手段を備えても
よい。また、制御演算部が、マイクロコンピュータによ
り実行されるように構成されることが好ましい。さら
に、Ａ／Ｄ変換器などを含めた制御器全体がプリント基
板上に集積されていてもよい。このように、電子回路を
利用することにより、制御論理の選択性が著しく向上す
る上、設置するための容積が小さくなり、また設置位置
が自由に選択できるようになるので、パラメータの調整
が容易になりポジショナも小型になる。

【００２０】次に、本発明の制御器は、設定値信号と制
御量信号を入力し前者から後者を差し引いた偏差を出力
する減算器と、求めた偏差を積分した第１積分値信号を
出力する第１積分器と、第１積分器と並列に接続され偏
差に比例した比例値信号を出力する比例器と、第１積分
値信号と比例値信号を入力し加算して出力する加算器
と、加算器の出力に所定の係数を乗じて出力する増幅器
とを備えて制御演算を行い操作信号を出力する制御器で
ある。本発明の制御器は、上記課題を解決するため、さ
らに、第１積分器と並列に配されて上記の偏差を積分し
て第２積分値信号を出力する第２積分器と、制御量信号
と設定値信号を入力し制御量の状態を判定する制御量状
態判別器を備えている。そして、制御量状態判別器が制
御量信号の値が設定値信号の値に近付きつつあると判定
する間は第２積分器は積分値を初期化し、逆に遠ざかっ
ていると判定する間は第２積分器は偏差を積分して出力
を加算器に加えることを特徴とする。なお、減算器と比
例器と第１積分器と第２積分器と制御量状態判別器の部
分はマイクロコンピュータにより構成するようにするこ
とできる。

【００２１】本発明の制御器は、本発明のバルブポジシ
ョナに適合する制御器であるが、さらに同様の制御性能
が要求される各種の制御システムに適用することによ
り、行き過ぎ量が少なくかつ整定時間が短い良好なフィ
ードバック制御を達成することができる。また、制御器
に線形要素のみを組み込んで制御する場合には、現場で
実地試験を行って解明する伝達特性に基づいて最適な比
例積分微分パラメータを厳密に決定しなければならな
い。これに対して、上に説明した特殊な作用効果を有す
る第２積分器を組み込んだ本発明の制御器を使用すれ
ば、第２積分器を使用しないときに得られる制御状態に
対して常に行き過ぎ量を減少させかつ整定時間を短くす
ることができる。したがって、異なる制御対象について
も、線形要素のみでは立ち上がり速度が若干速くなり振
動的な応答を行うような制御パラメータを適当に選択す
れば、第２積分器の作用により十分に満足できる制御性
を得ることができる。このため、本発明利用することに
より制御パラメータの決定も容易になる効果もある。

【００２２】

【発明の実施の形態】この発明について、以下に実施の
形態を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の
１実施例のバルブポジショナを使用した調節弁制御シス
テムを示すブロック図、図２は本実施例のプロセス制御
系における位置を説明するブロック図、図３は本実施例
の制御器部分の代表的な回路例を示す回路図、図４は本
実施例の第２積分器の動作論理を説明するフローチャー
ト、図５は第２積分器の出力変化を説明する出力図、図
６と図７は本実施例を適用したときの効果を説明する出
力図である。

【００２３】図１は、本実施例のバルブポジショナを調
節弁に適用して形成した操作部を示すブロック図であ
る。また、図２は調節弁で構成された操作部を使用した
フィードバック制御システムの例を示すブロック図であ
る。本実施例のバルブポジショナ１は調節弁２に組み込
まれて局所的なフィードバック制御系からなる操作部３
を構成し、調節弁の弁開度を調節器４の制御出力に対応
する値に調整して調節弁を通過する流体の流量を調整す
る。調整された流体流量は操作量として制御対象５に作
用して制御対象の制御量を制御する。制御量は検出器６
で検出して調節器４に供給する。調節器４では目標値と
の偏差について所定の制御演算を施して偏差が無くなる
ようにする操作量を算定して操作部３に弁開度の目標値
として供給する。

【００２４】バルブポジショナ１は、図１に示すよう
に、制御器１０と電空変換器４１と圧空式パイロットバ
ルブ４３と弁開度センサ４５から構成され、調節弁２と
組み合わせて使用する。電空変換器４１は制御器１０の
電気出力信号を入力して対応する圧空信号を出力する信
号変換器である。パイロットバルブ４３は圧空源から圧
空の供給を受けて圧空信号と対応する圧力を有する空気
を大量に供給して調節弁２を駆動する駆動空気源であ
る。弁開度センサ４５は、調節弁２のバルブステムに設
けられるリンク機構を介して調節弁の弁開度を検出し測
定信号を出力する弁開度変換器である。

【００２５】制御器１０は、設定値信号Ａ／Ｄ変換器１
１、制御操作信号Ｄ／Ａ変換器１２、弁開度信号Ａ／Ｄ
変換器１３、および制御演算部２０を備える。設定値信
号Ａ／Ｄ変換器１１はプロセス制御系の調節器４から出
力される調節弁２の弁開度目標値アナログ信号を論理回
路からなる制御演算部に適合するデジタルの設定値信号
ＳＶに変換するもの、制御操作信号Ｄ／Ａ変換器１２は
制御演算部２０から出力されるデジタル操作値信号を電
空変換器４１に適合するアナログの操作信号ＣＶに変換
するもの、弁開度信号Ａ／Ｄ変換器１３は弁開度センサ
４５のアナログ出力を制御演算部２０に適合するデジタ
ルの弁開度信号ＰＶに変換するものである。

【００２６】制御演算部２０は、減算器２１、微分器２
２、比例器２３、第１積分器２４、加算器２５、増幅器
２６、第２積分器２７、および制御量状態判別部３０で
構成される。減算器２１は、設定値信号ＳＶと弁開度信
号ＰＶを入力し前者から後者を差し引いた制御偏差Ｅ＝
ＳＶ−ＰＶを算出し出力する。微分器２２は設定された
微分時間Ｔｄに従い偏差Ｅを微分し求めた値を出力す
る。比例器２３は比例帯として指定される比例係数Ｋｐ
に従って偏差Ｅの比例値を出力する。また、第１積分器
２４は指定された積分時間Ｔｉに従って偏差Ｅを積分し
て第１積分値として出力する。これら演算素子の出力は
加算器２５で重畳され、増幅器２６で適当なスケールの
操作信号ＣＶとして出力される。

【００２７】図３は、制御演算部に用いる演算回路の１
例で、図１に示した演算を実際に行うことができる回路
例を示す回路図である。図に示した演算回路は、増幅器
５１に入力インピーダンス（Ｚｉ）５２とフィードバッ
クインピーダンス（Ｚｆ）を組み合わせたもので、入力
電圧ｅｉと出力電圧ｅｏの関係は、ｅｏ／ｅｉ＝Ｚｆ／
Ｚｉで表される。フィードバックインピーダンス（Ｚ
ｆ）は、比例器（Ｚｆｐ）５３、第１積分器（Ｚｆｉ）
５４、微分器（Ｚｆｄ）５５、およびさらに第２積分器
としての容量素子（Ｃｉ２）５６を並列に結合して構成
される。

【００２８】なお、従来の電気式調節器や空気式調節器
では、回路上の都合から比例積分微分動作の増幅器を共
用することが多く、この場合は比例器の比例係数を１と
して微分値、積分値、比例値を加算した後で比例係数を
掛けて出力とする。本実施例においても、従来型調節器
によって蓄積された技術的知見を活用する場合は、増幅
器２６の増幅率を比例係数Ｋｐに設定し、比例器２３に
おける比例係数は１として、加算器２５で加算した後の
信号に対して、一律に比例係数を掛けて出力するように
することもできる。

【００２９】第２積分器の容量素子５６には両極端子を
短絡する放電スイッチ５７と積分値の出力を遮断する接
続スイッチ５８が設けられており、ふたつのスイッチは
連動して相互に逆方向に開閉するようになっていて、放
電スイッチ５７と接続スイッチ５８は制御量状態判別部
３０により制御される。第２積分器２７は、制御偏差Ｅ
を積分時間Ｔｉ２に基づいて積分し第２積分値として加
算器２５の入力に加えるものであるが、制御量状態判別
部３０を付帯し、制御量状態判別部３０の判定する弁開
度の状態に基づいて特殊な積分演算を行うことを特徴と
する。すなわち、弁開度ＰＶが設定値ＳＶを越えて設定
値ＳＶから離れつつあるときのみ制御偏差Ｅを入力して
積分し、求めた第２積分値を加算器２５に加え、逆に設
定値ＳＶに近づきつつあるときには第２積分値をゼロと
して制御演算に作用させないようにする。

【００３０】制御量状態判別器３０は、制御偏差Ｅの符
号を判定する偏差極性判定器３１と、弁開度位置信号の
現在値ＰＶ（ｎ）から所定時間前の値ＰＶ（ｎ−１）を
減じて弁開度差分ΔＰＶ＝ＰＶ（ｎ）−ＰＶ（ｎ−１）
を算出する弁開度差分算出器３２と、これらの出力から
弁開度状態を判定する判定器３３から構成され、弁開度
ＰＶが設定値ＳＶに近づきつつあるか遠ざかりつつある
かを判定して、第２積分器２７を制御する。なお、ノイ
ズの影響を抑えて適切な差分を算出するためには、適当
な時間間隔を用いたり弁開度信号を平均化して用いる必
要がある。また、差分に換えて適当なフィルタを通した
後の弁開度信号を対象とした微分を用いることもでき
る。

【００３１】図４は制御量状態判別器３０が実行する論
理を示すフローチャートである。図４のフローチャート
を参照すると、制御量状態判別器３０は、初めに偏差極
性判定器３１の出力を入力して、偏差Ｅの正負を調べる
（Ｓ１０）。偏差Ｅが正であれば弁開度ＰＶは設定値Ｓ
Ｖより小さいので、弁開度差分算出器３２の差分出力Δ
ＰＶの正負を調べて、その結果により処理を選択する
（Ｓ２０）。弁開度ＰＶが設定値ＳＶより小さい場合に
は、弁開度ＰＶが減少するときに設定値ＳＶから遠ざか
り、弁開度ＰＶが増大するときに設定値ＳＶに近づく。

【００３２】そこで、弁開度差分ΔＰＶが負であるとき
には、放電スイッチ５７を解放し接続スイッチ５８を短
絡して第２積分器２７に偏差Ｅの積分を実行させると共
に他の比例積分微分演算回路に接続して第２積分値出力
を供給する（Ｓ３０）。また、弁開度差分ΔＰＶが正で
あるときには、放電スイッチ５７を閉成し接続スイッチ
５８を解放して、第２積分器２７を他の比例積分微分演
算回路から切り離すと共に第２積分器２７の容量要素Ｃ
ｉ２に貯まった電荷を放電して過去の蓄積をリセットす
る（Ｓ４０）。

【００３３】一方、偏差Ｅが負のときは、弁開度ＰＶは
設定値ＳＶを上に越えていることを前提として弁開度差
分算出器３２の差分出力ΔＰＶの正負を調べる（Ｓ５
０）。弁開度ＰＶが設定値ＳＶを越えている場合は、弁
開度ＰＶが増加するときに設定値ＳＶから遠ざかり、弁
開度ＰＶが減少するときに設定値ＳＶに近づく。そこ
で、弁開度差分ΔＰＶが正であるときに、第２積分器２
７に偏差Ｅの積分を実行させると共に制御演算回路に第
２積分値出力を供給する（Ｓ３０）。また、弁開度差分
ΔＰＶが負であるときに、第２積分器２７を制御演算回
路から切り離すと共に第２積分器２７をリセットする
（Ｓ４０）。

【００３４】このように制御量状態判別器３０により弁
開度の状態を判断して、弁開度ＰＶが設定値ＳＶに近づ
きつつあるときにのみ微分器２２、比例器２３、第１積
分器２４を用いた従来の比例積分微分演算に第２積分器
２７を加重し、その他の条件下では従来の比例積分微分
演算のみで制御演算を行う（Ｓ６０）。

【００３５】図５は、本実施例の制御器を用いたバルブ
ポジショナにおいて、弁開度設定値ＳＶをステップ変化
させたときの弁開度ＰＶの変化と、弁開度変化に応じた
制御量状態判別器３０と第２積分器２７の出力変化を模
式的に示す波形図である。設定値が大きな値に変化する
と、これに追従して弁開度が大きくなる（領域ａ）。領
域ａでは、第２積分器２７は使用せず、微分器２２と比
例器２３と第１積分器２４を使って制御演算が行われ
る。立ち上がり時間が若干短くなるように比例積分微分
パラメータを選択しておくと、弁開度は設定値を超えて
行き過ぎる。制御器１０に含まれる第１積分器２４や遅
れ要素の影響で、制御器１０は弁開度が設定値に到達し
たときにも過去の偏差Ｅについて蓄積した演算結果に基
づいて調節弁２を開ける方向に作用する操作信号を出力
している。

【００３６】本実施例の制御器１０は、さらに第２積分
器２７と制御量状態判別器３０を備える。したがって、
この領域ｂでは、制御量状態判別器３０の出力がオンと
なり第２積分器２７が偏差Ｅを積分して徐々に大きな値
を出力するので、制御器１０は偏差Ｅが大きくなるにつ
れて弁開度を減少させる方向に加速するような操作信号
ＣＶを出力するようになる。弁開度が設定値を超えてか
ら極大値を示すまでの領域ｂでは、偏差Ｅの符号が変化
するのに伴って、制御器１０は偏差Ｅが減少する方向に
操作信号を変化させていき、遂には弁開度が極大値を取
って反転し設定値に向かって減少するようになる。

【００３７】弁開度が極値を過ぎて減少し始めてから設
定値に到達するまでの領域ｃでは、制御量状態判別器３
０の出力がオフとなり第２積分器２７がリセットされる
ので、制御演算器は通常の比例積分微分演算に基づいて
弁開度を調整する。この領域ｃでは、第２積分器２７の
作用が消滅するので、その前の領域ｂにおける偏差Ｅの
第２積分値は制御演算に影響を及ぼさない上、その領域
ｂにおける偏差Ｅが通常のＰＩＤ演算のみによる場合よ
り小さくなっている。したがって、弁開度を減少させる
力が小さくなり、設定値を下の方に横切るときの勢いが
弱くなって下方行き過ぎ量が減少する。

【００３８】弁開度が設定値を下回って弁開度が設定値
から離れる方向に変化する領域ｄでは、再び制御量状態
判別器３０の出力がオンとなり、第２積分器２７は偏差
Ｅを積分して出力する。このため、制御演算器は偏差が
大きくなるにつれて弁開度を減少させる方向に加速する
ような操作信号を出力するので、弁開度はやがて極小値
に達し設定値に向けて反転する。このように弁開度が行
き過ぎて偏差が増加する場合に行き過ぎ量が通常の制御
動作を行うより抑制され、行き過ぎを繰り返すごとに抑
制効果が蓄積されるので整定時間が著しく短くなる。

【００３９】なお、第２積分器２７の作用は積分時間Ｔ
ｉ２が短い方が大きく、設定により調整することができ
る。第２積分器２７は、通常の積分要素と異なり、弁開
度が設定値に近付こうとする間にリセットされ設定値か
ら離れる方向に変化する領域内の偏差Ｅのみ積分して制
御演算に作用する。このため、生じた偏差Ｅを抑制する
作用しか持たないので、微分器２２、比例器２３、第１
積分器２４に用いた比例積分微分パラメータの如何にか
かわらず、積分時間Ｔｉ２を十分小さな値に選択するこ
とができる。したがって、仕様の異なる調節弁にバルブ
ポジショナを適用する場合にも、積分時間Ｔｉ２を変更
しなくても使用することができる。

【００４０】図６と図７は、本実施例を適用して調節弁
を制御した例を示す出力波形図である。図は、時間を横
軸に出力信号を縦軸にとり、設定値を２５％ステップ変
化させて弁開度のインデシャル応答を観察したものであ
る。図中点線で表すグラフが第２積分器を用いないで調
節弁を制御したときの弁開度変化、実線で表すグラフが
第２積分器を取り込んだ本実施例の制御器を使用したと
きの弁開度変化である。

【００４１】図６のケースは、多少振動的な振る舞いを
するように制御パラメータを選択したものに対して、積
分時間を５秒とした第２積分器を作用させたものであ
る。行き過ぎ量が７１％から４５％と約０．６倍に減少
し、整定時間が２２秒から９秒と約０．４倍に減少し
て、本発明の効果を証明している。また、図７のケース
は、通常のＰＩＤ動作で適正とされる制御パラメータを
選択したものに対して、図６と同じ第２積分器を作用さ
せたものである。この場合も、行き過ぎ量が４６％から
２４％と約０．５倍に減少し、整定時間が５．１秒から
３．４秒と約０．６６倍に減少している。

【００４２】なお、上記実施例の説明ではＰＩＤ動作に
よる制御演算を用いたが、調節弁の仕様によっては微分
を用いず比例と積分を用いた制御演算によることもでき
る。また、上記、図面を用いた説明では、理解を助ける
ため、アナログ演算回路により比例積分微分演算要素２
２，２３，２４，２５，２６，２７を構成するものとし
たが、これらをコンピュータが実行可能なプログラムや
デジタル論理回路により構成することも可能である。デ
ジタル演算処理により制御論理を組み立てるようにする
場合は、取扱が容易になり回路構成や演算パラメータを
簡単に変更して有効な制御を見出すことができる。

【００４３】さらに、デジタル化することにより回路構
成が単純かつ小型になるので、バルブポジショナ全体が
小型化し低廉化する利益もある。特に単純なデジタル論
理回路で構成した制御量状態判別部３０を含めてマイク
ロコンピュータを用いて構成する場合は、極めて効率の
良い小型の装置とすることができる。また、設定値信号
Ａ／Ｄ変換器１１、制御操作信号Ｄ／Ａ変換器１２、弁
開度信号Ａ／Ｄ変換器１３、およびデジタル演算回路２
０を１枚のプリント基板上に搭載して組み込むと、バル
ブポジショナの大きさを著しく小型にすることができ
る。

【００４４】さらに、本実施例では本発明の制御器をバ
ルブポジショナに組み込んでマイナーループ内に使用し
たが、通常のフィードバック制御系におけるメインルー
プに使用する調節器として使用しても同様の効果が得ら
れることはいうまでもない。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、プロセスのフィードバック制御を行う際に、第２積
分器の働きにより、行き過ぎ量を抑制するとともに整定
時間を短縮した良好な制御結果を得ることができる。特
に調節弁に組み込むバルブポジショナの制御器に適用す
ると、調節弁の制御性が著しく改善され、応答性の良い
良好な制御系を構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例のバルブポジショナを使用し
た調節弁制御システムを示すブロック図である。

【図２】本実施例のプロセス制御系における位置を説明
するブロック図である。

【図３】本実施例の制御器部分の代表的な回路例を示す
回路図である。

【図４】本実施例の第２積分器の動作論理を説明するフ
ローチャートである。

【図５】第２積分器の出力変化を説明する出力図であ
る。

【図６】本実施例を適用したときの効果を説明する出力
図である。

【図７】本実施例を適用したときの効果を説明する第２
の出力図である。

【符号の説明】

１バルブポジショナ２調節弁３操作部４調節器５制御対象６検出器１０制御器１１設定値信号Ａ／Ｄ変換器１２制御操作信号Ｄ／Ａ変換器１３弁開度信号Ａ／Ｄ変換器２０制御演算部２１減算器２２微分器２３比例器２４第１積分器２５加算器２６増幅器２７第２積分器３０制御量状態判別部４１電空変換器４３圧空式パイロットバルブ４５弁開度センサ５１増幅器５２入力インピーダンス（Ｚｉ）５３比例器（Ｚｆｐ）５４第１積分器（Ｚｆｉ）５５微分器（Ｚｆｄ）５６容量素子（Ｃｉ２）５７放電スイッチ５８接続スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3H065 BB12 5H004 GA03 GA11 GB01 HA07 HB07 JA03 JB19 KA69 KB02 KB04 KB06 KB39 KC39 LA05 LA17 LB05 LB06 MA41 MA42 MA43

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】設定値信号と調節弁の弁開度測定信号を
入力し前者から後者を差し引いた偏差を出力する減算器
と、該偏差を積分した第１積分値信号を出力する第１積
分器と、該第１積分器と並列に接続され前記偏差に比例
した比例値信号を出力する比例器と、前記第１積分値信
号と比例値信号を入力し加算して出力する加算器と、該
加算器の出力に所定の係数を乗じて出力する増幅器とを
備えて制御演算を行い操作信号を出力する制御器であっ
て、さらに、前記第１積分器と並列に配されて前記偏差
を積分した第２積分値信号を出力する第２積分器と、前
記弁開度信号と前記設定値信号を入力し弁開度の状態を
判定する弁開度状態判別器を備えて、前記弁開度状態判
別器が前記弁開度信号の値が前記設定値信号の値に近付
きつつあると判定する間は前記第２積分器は積分値を初
期化し、逆に遠ざかりつつあると判定する間は前記第２
積分器は前記偏差を積分して出力を前記加算器に加える
ことを特徴とする制御器を備えて、外部から与えられる
設定値に対応するように調節弁の弁開度を制御するバル
ブポジショナ。
【請求項２】設定値信号を受けてＡ／Ｄ変換し弁開度
目標信号値を出力する設定値信号Ａ／Ｄ変換部と、調節
弁の弁開度信号を受けてＡ／Ｄ変換し弁開度位置信号値
を出力する弁開度信号Ａ／Ｄ変換部と、制御演算部と、
該制御演算部が出力する操作信号値を受けてＤ／Ａ変換
し操作信号を出力する制御操作信号Ｄ／Ａ変換手段とを
備えた制御器であって、前記制御演算部が、前記弁開度
位置目標信号値から前記弁開度位置信号値を減じて偏差
を算出する減算手段と、該偏差の比例値を算出する比例
手段と、該偏差に第１積分係数を作用させて積分し第１
積分値を算出する第１積分手段と、該偏差に第２積分係
数を作用させて積分し第２積分値を算出する第２積分手
段と、該偏差の極性を判定する偏差極性判定手段と、前
記弁開度位置信号値の現在値から所定時間前の値を減じ
て弁開度差分を算出する弁開度差分算出手段と、前記比
例値と第１積分値と第２積分値を加算する加算手段と、
該加算結果に所定の係数を乗じて制御演算を行い操作値
として出力する制御演算手段とを備えて、前記偏差極性
判定手段により前記偏差極性が負と判定されかつ前記弁
開度差分が正の値であるときもしくは前記偏差極性が正
と判定されかつ前記弁開度差分が負の値であるときは、
前記第２積分値を加算して前記制御演算を行い操作値と
し、前記偏差極性判定手段により前記偏差極性が正と判
定されかつ前記弁開度差分が正の値であるときもしくは
前記偏差極性が負と判定されかつ前記弁開度差分が負の
値であるときは、前記第２積分値を初期化して前記制御
演算を行い操作値とすることを特徴とする制御器を備え
て、外部から与えられる設定値に対応するように調節弁
の弁開度を制御するバルブポジショナ。
【請求項３】前記制御演算部がさらに前記偏差を微分
して微分値を算出して前記加算手段に供給する微分手段
を備えることを特徴とする請求項２記載のバルブポジシ
ョナ。
【請求項４】前記制御演算部が、マイクロコンピュー
タにより実行されることを特徴とする請求項２から請求
項３のいずれかに記載のバルブポジショナ。
【請求項５】前記制御器がプリント基板上に集積され
ていることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれ
かに記載のバルブポジショナ。
【請求項６】設定値信号と制御量信号を入力し前者か
ら後者を差し引いた偏差を出力する減算器と、該偏差を
積分した第１積分値信号を出力する第１積分器と、該第
１積分器と並列に接続され前記偏差に比例した比例値信
号を出力する比例器と、前記第１積分値信号と比例値信
号を入力し加算して出力する加算器と、該加算器の出力
に所定の係数を乗じて出力する増幅器とを備えて制御演
算を行い操作信号を出力する制御器であって、さらに、
前記第１積分器と並列に配されて前記偏差を積分した第
２積分値信号を出力する第２積分器と、前記制御量信号
と前記設定値信号を入力し制御量の状態を判定する制御
量状態判別器を備えて、前記制御量状態判別器が前記制
御量信号の値が前記設定値信号の値に近付きつつあると
判定する間は前記第２積分器は積分値を初期化し、逆に
遠ざかっていると判定する間は前記第２積分器は前記偏
差を積分して出力を前記加算器に加えることを特徴とす
る制御器。
【請求項７】前記減算器と比例器と第１積分器と第２
積分器と制御量状態判別器が、マイクロコンピュータに
より実行されることを特徴とする請求項６記載の制御
器。