JPS6220902A - バルブポジシヨナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、空気式調節弁に用いるバルブポジショナに関
するものである。

〔従来の技術〕

従来の一般的なバルブポジショナは、入力信号と弁の変
位量との偏差を機械的変位量としてノズル−７ラツパに
与え、このノズル・７ラツパのノズル背圧を空気圧信号
として取シ出した後、パイロットリレーで圧力増幅し調
節弁のエアーモータに供給するように構成されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、このような従来のバルブポジショナでは、入力
信号と弁の変位量との偏差が大きい場合に高速で応動さ
せることが困難であった。特にエアーモータの容量が大
きい場合には空気回路に空気圧信号の容量増幅用のブー
スターリレーを別途付加するなどして高速応動に対応さ
せる必要があった。

〔問題点を解決するための手段〕

このような問題点を解決するために、本発明は、入力信
号と弁の開度との偏差を示ナバルブ駆動信号をパルス幅
変調した後空気圧信号に変換し、この空気圧信号によっ
て弁を駆動する手段に加え、バルブ駆動信号が示す偏差
の絶対値が所定値よυも大きいときに弁の駆動圧力室を
空気圧源または大気と連通させる手段を設け、かつ上記
所定の値を、弁開度が小さいときには大きく、大きいと
きには小さく設定する手段を備えたものである。

〔作用〕

入力信号と弁の開度との間に大きな偏差（絶対値）が存
在する場合、駆動圧力室が空気圧源または大気に直結さ
れることによシその圧力は急速に変化し弁の開度を大き
く変化させる。開度が小さい場合、つまフ高負荷の場合
と開度が大きい場合。

つまシ低負荷の場合とで、同じ入力信号の変化幅に対す
る応答特性に差が生じるが、本発明によれば、空気圧＠
または大気に連通させる偏差（所定値）を弁開度に応じ
て変化させることにより、負荷の如何にかかわらず円滑
に希望値に収束される。

〔実施例〕

第１図は本発明のバルブポジショナの一実施例を示すブ
ロック図である。

空気式調節弁１０は駆動圧力室１０１とバルブ１０２と
を含み、駆動圧力室１０１に供給される空気圧によって
バルブ１０２の開閉調節がなされる。

駆動圧力室１０１には空気管１２が接続されておシ、こ
の空気管１２の他端は三方切換弁１４．大容量給気弁１
６および大容量排気弁１８に接続されている。

三方切換弁１４は、空気管１２の他に圧力Ｐ１の空気圧
源に連通ずる空気管２０および圧力ＰＧの大気に連通す
る空気管２２と接続する。そして、空気管２０と空気管
１２の接続および空気管２２と空気管１２の接続の切少
換えをパルス幅変調器２４からの信号に応じて行なう。

大容量給気弁１６は、比較器２６からの信号によシ空気
管２０と空気管１２との断続を行なうオン・オフ切換弁
であシ、大容量排気弁１８は、比較器２８からの信号に
よシ空気管２２と空気管１２との断続を行なうオン・オ
フ切換弁である。

弁リフト検知器３０は、バルブ１０２の位置を検出して
その位置に応じた電圧値Ｖｌを出力するもので１、ロー
タリーエンコーダやポテンショメータ等によシ構成する
ことができる。

入力モジュール３２は、入力端子３４から入力される４
〜２０ｍＡの入力信号を電圧値ｖ２に変換するものであ
り、この電圧値ｖ２は比較部３６において弁リフト検知
器３０からの電圧値ｖ１と比較される。

電圧値ｖ１と電圧値Ｖ２との偏差εは入力信号の指標す
るバルブ位置と実際のバルブ位置との差を表すものであ
シ、バルブ駆動信号としてパルス幅変調器２４．比較器
２６および比較器２８に入力される。

パルス幅変調器２４は、第２図■の特性図に示すように
、入力したバルブ駆動信号ｅが、−δｌ≦Ｃ≦δｌ　　
　　　　　　　　−＠−−−（１）を満足するときだけ
、バルブ駆動信号ｅをパルス幅変調する。１＝−δ１　
のときのデユーティレシオを零とし、Ｃ；δｌのときの
デユーティレシオを「１」とし、（１）式を満足すると
きの８とデユーティレシオとの関係はリニアとなってい
る。

第３図の波形図は、１＝εｌのときすなわちデユーティ
レシオがｒＯ，７Ｊ　のときのパルス幅変調器２４の出
力波形を示しておシ、繰ｆ返し周期ＴＯ７０係が“Ｈ”
レベル、残りの３０％が”Ｌ”レベルとなっている。

バルブ駆動信号８が ε〈−δｌ　　　　　　　　　　　　・・・・・（２）
を満足するときのパルス幅変調器２４の出力は２値信号
における”Ｌ”レベルとなう、バルブ駆動信号Ｃが、 Ｉ　〉　δ１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　・　・　・　・　・　（３ンと
満足するときのパルス幅変調器２４の出力は２値信号に
おける″Ｈ″レベルとなる。

なお、三方切換弁１４は、パルス幅変調器２４からの信
号が”Ｈ”レベルのときには空気管２２の開口部を塞い
で空気管２０と空気管１２を連通し、“Ｌ”レベルのと
きには空気管２０の開口部を塞いで空気管２２と空気管
１２を連通する。

比較器２６は、第２図体）の特性図に示すように、バル
ブ駆動信号Ｃが Ｃ≧δ２（ただし、δ２〉δ１）　　　・・・・・（４
）を満足するときには、２値出力値号が”Ｈ”レベルと
なシ、 ｅ〈δ２　　　　　　　　　　　　　　・・・・・（５
）を満足するときには、２値出力値号が”Ｌルベルとな
る。

大容量給気弁１６は、比較器２６からの信号が”Ｈ”レ
ベルのときには空気管２０の開口部が開かれて空気管２
０と空気管１２とが接続され、空気圧源（Ｐ、）と空気
式調節弁１０の駆動圧力室１０１とが連通し、比較器２
６からの信号が”Ｌ′″レベルのときには空気管２０の
開口部が閉じられて空気管２０と空気管１２との接続が
切シ離される。

また、比較器２８は、第２図（Ｑの特性図に示すように
、バルブ駆動信号Ｃが ｇ≦−δ２（ただし、−δ２〈−６１）　・・・・（６
）を満足するときには、２値出力値号が“Ｈ”レベルと
な９、 ｅ〉−δ２　　　　　　　　　　　　・・・・・（７）
を満足するときには、２値出力値号が′Ｌ”レベルとな
る。

大容量排気弁１８は、比較器２８からの信号が１Ｈ”し
゛ペルのときには空気管２２の開口部が開かれて空気管
２２と空気管１２とが接続され、空気式調節弁１０の駆
動圧力室１０１と大気（Ｐａ）とが連通し、比較器２８
からの信号が″′Ｌ″ルベルのときには空気管２２の開
口部が閉じられて空気管２２・と空気管１２との接続が
切シ離される。

つぎに、本実施例の動作を説明する。

比較部３６からのバルブ駆動信号ＩＦ）値が例えば第２
図（４）に示したように５１（０（１１（δ１）であっ
たとすると、パルス幅変調器２４はパルス幅変調動作を
実行すると同時に、比較器２６および２８の出力はとも
に”Ｌ″レベルなる。

すなわち、大容量給気弁１６および大容量排気弁１８は
いずれもが非連通状態となシ、駆動圧力室１０１と空気
圧源（Ｐ−）および大気（Ｐ・）とは三方切換弁１４の
みによって連通される。

三方切換弁１４は今デユーティレシオ０．７のパルス幅
変調信号によ）駆動されているため、駆動圧力室１０１
と連通ずる空気管１２は繰シ返し周期Ｔの７０％の時間
を空気管２０すなわち空気圧源（Ｐ−）に連通され、３
０％の時間を空気管２２すなわち大気（Ｐａ）に連通さ
れる。

しｆｃがって、空気圧源（Ｐｌ）の空気が徐々に駆動圧
力室１０１に供給され、これに伴ってバルブ１０２が徐
々に変位する。

仮に、入力端子３４に入力される信号が一定であるとす
ると、バルブ１０２の変位によってバルブ駆動信号Ｃは
次第に零に近づき、ｇ　＝　Ｑとなったときにパルス幅
変調器２４の出力信号のデユーティレシオは０．５とな
る。

空気式調節弁１０は、このときの供給空気圧でバルブ１
０２の変位が停止するように調節されてｈるため、以後
入力信号が変化しない限シバルプ１０２の駆動は停止す
る。

つぎに、入力端子３４に入力される信号が急激に増大し
た場合を考える。

入力信号レベルの増大によってノ（ルプ駆動信号Ｉが〔
ξ≧δ２）となったとすると、比較器２８は依然“Ｌ”
レベルの信号を出力して大容量排気弁１８を非連通状態
を保持させているが、比較器２６の出力は′″Ｈ”レベ
ルとなフ、大容量給気弁１６を連通状態にする。

まえ、パルス幅変調器２４はパルス幅変調動作を停止し
て”Ｈ”ジベル信号を出力し、これによって、三方切換
弁１４は常時空気管１２と空気管２０とを連通させる。

し九がって、駆動圧力室１０１は三方切換弁１４および
大容量給気弁１６の２つの弁を介して空気圧源（ｐｍ）
と連通することになシ、駆動圧力室１０１に供給される
圧力は急上昇し、バルブ１０２が大きく変位する。すな
わち、大きな入力の増加に対して高速に応答することに
なる。

バルブ１０２の変位によって、ｅの値が小さくなフ〔−
δ１≦１≦δ１〕となれば、上述し次パルス幅変調動作
に戻る。

逆に入力端子３４に入力される信号が急激に減少した場
合、すなわち〔ε≦−δ２〕となった場合には、パルス
幅変調器２４の出力および比較器２６の出力が”Ｌ”レ
ベル、比較器２８の出力が”Ｈ”レベルとなる。これに
よシ、三方切換弁１４は空気管１２と空気管２２ｔ一連
通状態にし、大容量給気弁１６を非連通状態にし、大容
量給気弁１８を連通状態にする。

したがって、駆動圧力室１０１は三方切換弁１４および
大容量排気弁１８の２つの弁を介して大気（ｐｏ）と連
通することになシ、駆動圧力室１０１に供給される圧力
は急降下し、εの値が大きくなった時とは逆の方向にバ
ルブ１０２が大きく変位する。

バルブ１０２の変位によって、Ｉの値が大きくなシ〔−
δ１≦Ｃ≦δ１〕となるとパルス幅変調動作に戻ること
は、上記の場合と同様である。

ところがここで、入力信号が同じように変化しても、そ
の時の負荷レベルの如何、つまシ、上記変化が生じる前
の駆動圧力室１０１内の圧力の如何によって、空気圧源
または大気と連通させたときの応答特性に差が生じる。

例えば、同じ入力信号の変化ｌ＠２０％増大または減少
に対し、負荷レベルが６０〜８０％程度と高い状態にあ
るときは正常な応答を示すが、負荷レベルが０〜２０％
程度と低い状態にあるときには応答はオーバーシュート
（０ｖｅｒｓｈｏｏｔ）の傾向をもつということが生じ
る。この原因は、本実施例が、大容量給気弁１６または
大容量排気弁１８が入力信号の変化によって開いて、偏
差がδ２になったときに閉じる構成をとっているが、弁
の無駄時間および応答時間によシ、電気的な信号が送出
されてから弁が実際に完全に閉じるまでに所定の時間を
要し、特に負荷レベルが低い場合には流量が大きいこと
から、この間に行き過ぎてしまうことにあると考えられ
る。

これを図を用いてざらに詳＃４ＢＶＣ説明する。第４図
（ロ））は、負荷レベルが０％（同図中０）で示す）と
７５％（同図中（ロ）で示す）の場合について、２５係
の入力信号増大に対してのバルブ１０２のステム位置に
対応した駆動圧力室１０１の圧力の変化を示したもの、
同図の）はそのときの大容量給気弁１６を駆動する比較
器２６の出力を示したものである。

仮にδ２が５％であるとして、１ｏにおいて入力信号が
図中１点鎖線で示したように２５ｑｂ増大すると、その
時点で偏差Ｃは２５％となって大容量給気弁２６が開く
。そして弁り７ト検知器３０がｔ＝５％を検知したとこ
ろで大容量給気弁２６は閉じ、あとはパルス幅変調信号
によシ駆動される三方切換弁１４の動きによシ希望値に
収束する。

ところが、圧力は図中破線で示したようＶｃＰＭ（本実
施例では１．４にｙ／ｃｍりに向けて指数関数的に増大
するため、ｔ１時点での圧力の微分係数、換言すれば流
量は、負荷レベルによシ異な夛、負荷レベルが小のとき
に大、大のときに小となる。また、空気系スイツチは電
気系のそれと比較して応答が遅いため、大容量給気弁１
６は実際には１．よシも遅れて閉まる。このため流量が
大きいとき、つまシ低負荷のときには希望値よりも行き
過ぎてしまう。これは、δ２の値を大きめにとることに
よシ解消できるが、そうすると逆に高負荷のときにオー
バーダンプ（Ｏｖｅｒｄａｍｐ　）　してしまう。以と
、入力信号の急増の場合について説明したが、急減の場
合も同様である。

そこで、このように負荷レベルによシ応答性に差異が生
ずるのを避けるため、本発明ではδ２の値を負荷レベル
に応じて変えるものとする。これは１例えば周知のプロ
セッサユニットを備えたマイクロコンビ二−タを利用す
ることによりきわめて容易に実現できる。例えば第５図
は、第１図上で比較器２６．２８およびパルス幅変調器
２４をマイクロコンピュータを利用して構成した場合に
プロセッサユニットが実行する処理プログラムの一例を
示したものである。同図において、プロセッサユニット
はＡＤ変換された入力信号および弁リフト検知器３０の
出力を取シ込み、負荷レベルＸを求める（ステップ１０
１）。次いで偏差ζを算出するとともに、予めメモリに
与えられている第６図に示すような負荷レベルとａ２の
値とを関係づけるデータ（図示の例ではδ２＝１／ｘ）
から対応するδ２Ｘを求める（ステップ１０２）。そし
てｅの絶対値とδ２にとの大小関係をチェックしくステ
ップ１０３）、前者が後者を下回れば所定のパルス幅変
調信号を与えて三方切換弁１４を動作させ（ステップ１
０４）、前者が後者以上の場合にはｇの正負によｐ大容
量給気弁１６または大容量排気弁１８を動作させる（ス
テップ１０５）。以上ノ処理・プログラムを所定周期で
繰シ返し実行する。

なお、上述し九実施例では負荷レベルと２２の値との関
係を固定データとして予め与えたが、動作初期において
学習により獲得させるものとすれば１個々の装置ごとに
適しなよシ望ましい制御が行なえる。

Ｍ７図は本発明の他の実施例を示すブロック図である。

本実施例は１ｇ１図に示し次バルブポジショナに、偏差
が零に近いときには駆動圧力室内の圧力を封止する手段
を付加したものである。

すなわち、従来のバルブポジショナにはノズル・７５ツ
バとパイロットリレーが用いられているが、このノズル
・７ラツパとパイロットリレーに平衡状態であっても空
気を消費する。具体的には、セミブリード型パイロット
リレーやブリード型パイロットリレーを用いたバルブポ
ジショナではノズル部とパイロットリレ一部で５〜１５
Ｎｔ／ｍｉｍの空気消費がある。

平衡状態での空気消費を極力少なくしたパイロットリレ
ーとして、従来からノンブリード型パイロットリレーが
あるが、これとても空気消費が零ではなく、ま次、ノズ
ル部での空気消費は避けられない、しかもノンブリード
型パイロットリレーは応答性が悪いという欠点を有して
いる。

本実施例はこのような事情に鑑みて、上述したように入
力信号と弁の変位量との偏差が大きい場合てあってもブ
ースターリレーを用いることなく調節弁を高速に応動さ
せ得ることに加え、平衡状態での空気消費量を零とした
バルブポジショナを提供するものである。

第７図において、第１図と同一もしくは相当部分は同一
の符号上付してその詳細な説明は省略する。

比較器４０は、第８図の特性図に示すように、入力した
バルブ駆動信号Ｃが、 一δｏくさくδ０　　　　　　　　・拳・−・（８）（
ただし、−δｌく−６０＜０．０＜δ０くδ１）を満足
するときだけ”Ｌ”レベルを出力し、その他のときは”
Ｈ″レベル出力する。

比較器４０の出力はオン・オフ切換弁４２およびゲート
回路４４に対して与えられる。

オン・オフ切換弁４２は、三方切換弁１４、大容量給気
弁１６および大容量排気弁１８に連通する空気管１２１
と駆動圧力室」０１に連通する空気管１２２の間に設け
られ、比較器４０の出力が“Ｌ“レベルのときには非連
通状態となって駆動圧力室１０１内の圧力を封止し、比
較器４０の出力が”ｒレベルのときには連通状態となる
。

ゲート回路４４は、パルス幅変調器２４と三方切換弁１
４の信号入力端子との間に設けられ、比較器４０の出力
が”Ｌ”レベルのときには出方信号が”Ｌ″レベルなシ
、比較器４０の出力が“Ｈ”レベルのときにはパルス幅
変調器２４の出力信号がそのまま出力される。

したがって、ゲート回路４４の出力は第９図に示すよう
に、 ■（ｇ（−ａｚ　、−ａｏ＜、＜δＯ〕のときには”Ｌ
”レベルとなシ。

■〔１〉δ１〕のときには”Ｈ”レベルとなシ、■〔−
δ１≦ε≦−δ０．δＯ≦６≦δ１〕のときにはパルス
幅変調動作となる。

つぎに、本実施例の動作を説明する。

バルブ駆動信号Ｉの値が。

Ｃく−δＱ、ＪＱ（ｇ を満足するときには、前述した実施例と同じ動作をする
ので、その説明は省略する。

そこで、バルブ駆動信号Ｃの値が、 −δ０くＩくδＯ となったときの動作を説明する。

バルブ駆動信号ｅの値が〔−δ０くｅくδ０〕の範囲内
に入ると、三方切換弁１４はパルス幅変調動作を止めて
空気管２０ｆ：塞ぐ。一方大容量給気弁１６は、バルブ
駆動信号Ｃの値がＣ＝＜δ２〕であることから非連通状
態となっている。そのため、空気圧源（ｐｍ）からの空
気供給経路は一切Ｓ断され、この状態での空気消費は零
となる。

一方、オン・オフ切換弁４２は、バルブ原動信号−の値
が一δＯく８〈δ０の範囲内に入ることによって非連通
状態となるため、空気ｆ１２１が三方切換弁１４ｔ−介
して大気（ｐｏ）と連通しているが、駆動圧力室１０１
内の空気が排気されることはなく、バルブ１０２の位置
が一定に保持される。

なお、新たな信号入力によってバルブ駆動信号ｅの値が
変化して〔−δ０くＣくδＯ〕の範囲外となれば、この
封止状態は解除される。

本実施例においても、前述したと同様にδ２を可変設定
することにより、負荷レベルによらず良好な応答特性が
得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明のバルブポジショナによれ
ば、入力信号と弁の開度との偏差を示すバルブ、駆動信
号をパルス幅変調した後空気圧信号に変換し、この空気
圧信号によシ空気式調節弁を駆動すると井に、バルブ駆
動信号が示す偏差が所定値よりも大きい場合に空気式調
節弁の駆動圧力室を空気圧源または大気と連通させるの
で、入力信号と弁の変位量との偏差が大きい場合であっ
てもブースターリレーを用いることなく調節弁を高速に
応動させることができる。しかも、上記所定値を弁の開
度に応じて可変設定するようにしたことによｐ、負荷レ
ベルによらず常に最適の応答特性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のバルブポジショナの一実ｍ例を示すブ
ロック図、第２図は前記実施例のパルス幅変調器および
比較器の特性図、第３図はパルス幅変調器の出力波形図
、第４図は負荷レベルによる応答特性の違いを説明する
ための図、第５図は比較器２６．２８およびパルス幅変
調器２４ｔ−マイクロコンピュータを利用して構成した
場合のプロセッサユニットにおける処理プログラムの一
例を示す７０−チャート、第６図は負荷レベルとδ２の
値との関係の一例を示す図、第７図は本発明のバルブポ
ジショナの他の実施例を示すブロック図、第８図は比較
器の特性図、第９図はゲート回路の特性図である。 １０・・・・空気式調節弁、１０１−・・・駆動圧力室
、１０２・・・・バルブ、１２　、１２１　、１２２゜
２０．２２・・・・空気管、１４・・・・三方切換弁、
１６・・・・大容量給気弁、１８・・・・大容量排気弁
、２４・・・・パルス＠変調器、２６゜２８・・・・比
較器、３０・・・・弁す７ト検知器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 入力信号と空気式調節弁の弁の開度との偏差を示すバル
   ブ駆動信号をパルス幅変調する手段と、前記パルス幅変
   調手段の出力信号をパルス幅変調された空気圧信号に変
   換し、この空気圧信号を前記空気式調節弁の弁の開度を
   変位させるための駆動圧力室に入力する手段と、前記バ
   ルブ駆動信号の絶対値が所定の値よりも大きいときに前
   記駆動圧力室を空気圧源または大気と連通させる手段と
   、上記所定の値を、上記弁の開度が大きいときに小さく
   、当該開度が小さいときには大きく設定する手段とを備
   えたことを特徴とするバルブポジショナ。