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CN105988486B - 定位器 - Google Patents

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CN105988486B
CN105988486B CN201610153253.1A CN201610153253A CN105988486B CN 105988486 B CN105988486 B CN 105988486B CN 201610153253 A CN201610153253 A CN 201610153253A CN 105988486 B CN105988486 B CN 105988486B
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valve
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environment temperature
characteristic value
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Abstract

本发明的定位器即便在环境温度较大程度地发生变化的情况下，也会抑制阀开度产生过冲或波动、不稳，实现稳定的流体控制。设置按压盖填料的每一类型来规定压盖填料的滑动阻力指标μk与环境温度的关系的第1表格TA。设置按操作器的每一尺寸来规定与滞后水平(HYS)相对应的控制参数的第2表格TB。以固定周期重复与来自第1表格TA的当前环境温度TR和压盖填料的类型相对应的当前滑动阻力指标μk的获取、以及与来自第2表格TB的操作器的尺寸和根据当前滑动阻力指标μk而求出的滞后水平(HYS)相对应的控制参数的选择，并使用所选择的控制参数来控制调节阀的阀开度。

Description

定位器
技术领域
本发明涉及一种控制调节阀的开度的定位器。
背景技术
一直以来，对设置在供流体流动的管路上的调节阀安装定位器，通过该定位器来控制调节阀的开度。
该定位器包括：控制部，其求出从上位装置送来的阀开度设定值与从调节阀反馈来的实际开度值的偏差，并将对该偏差实施指定运算而获得的电信号作为控制输出而输出；电空转换器，其将来自该控制部的控制输出转换成气压信号；以及气动放大器，其将该电空转换器所转换出的气压信号放大并输出至调节阀的操作器(例如，参考专利文献1)。
图5表示现有的定位器的主要部分的构成。在该图中，1为定位器，2为调节阀，在调节阀2上设置有检测其阀开度(阀的开度)的开度传感器3。定位器1包括控制部11、电空转换器(EPM)12及气动放大器13，开度传感器3所检测的调节阀2的阀开度作为实际开度值θpv被反馈至控制部11。
在定位器1中，控制部11求出来自上位装置(未图示)的阀开度设定值θsp与来自开度传感器3的实际开度值θpv的偏差，并将对该偏差实施PID控制运算而获得的电信号作为控制输出MV而输出。
电空转换器12将来自控制部11的控制输出MV转换成气压信号(喷嘴背压)Pn。气动放大器13将来自电空转换器12的气压信号Pn放大，并以气压Po的形式输出至调节阀2的操作器2a。由此，气压Po的空气流入至操作器2a内的膜片室，使得调节阀2的阀2b的开度得到调整。
再者，在该定位器1中，由电空转换器12和气动放大器13构成将来自控制部11的控制输出MV转换成去往调节阀2的气压(输出气压)Po的电空转换部14。此外，对电空转换器12及气动放大器13供给来自外部的供给气压(气动量仪压缩空气)Ps。
此外，如图6中调节阀2的主要部分的构成所示，调节阀2设置有通过供给至操作器2a内的膜片室2c的、来自定位器1的气压Po而上下运动的阀轴(阀杆)2d，并且在阀轴2d的外周面与轴插通孔2e的内周面之间设置有压盖填料2f。压盖填料2f由沿阀轴2d的轴向紧贴设置的多个环状填料构成，防止流体从该间隙泄露至外部。
在该定位器1中，为了执行调节阀2的恰当的开度控制，必须在控制部11中设定与调节阀2的特性相应的恰当的控制参数。因此，在现场设置(新设置或更换设置)而实际进行调节阀2的开度控制之前或者定期的维护等时，要进行控制部11中所使用的控制参数的调整。该控制参数的调整是在自动设置时等自动进行(例如，参考专利文献2)。
在该情况下，当控制部11接收到自动调整指令时，便实际驱动调节阀2，求出调节阀2的阀开度例如从10％位置连续转变至90％位置时的响应时间作为动作时间，并根据该求出的动作时间，参考规定好操作器的尺寸与动作时间的对应的操作器尺寸-动作时间表格来确定操作器2a的尺寸(图7所示的步骤S101)。
继而，控制部11根据从调节阀2的阀开度位置的例如40％位置到60％位置的阶跃响应来求出调节阀2的阀轴2d的滑动阻力(阀杆运动阻力)作为摩擦力(步骤S102)，并根据该求出的摩擦力，参考滞后水平(HYS)-摩擦力表格来确定滞后水平(H/M/L)(步骤S103)。
继而，控制部11根据步骤S101中所确定的操作器的尺寸和步骤S103中所确定的滞后水平，参考规定好操作器的尺寸与滞后水平与控制参数的对应的控制参数表格来选择对应的控制参数(步骤S104)，并将该所选择的控制参数设定为控制调节阀2的阀开度时所使用的恰当的控制参数(步骤S105)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1；日本专利实开昭62-28118号公报
专利文献2；日本专利第3511458号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在现有的定位器中，即便通过自动调整来设定与操作器的尺寸和滞后水平相应的恰当的控制参数，但由于调节阀的阀轴的滑动阻力(摩擦力)会因调节阀的环境温度的变化而发生变化，因此控制参数也会偏离最佳值，导致阀开度产生过冲或波动、不稳，从而存在流体控制变得不稳定的情况。
利用图6所示的调节阀2加以说明，调节阀2的阀轴2d的滑动阻力(摩擦力)发生变化的主要原因在于因压盖填料2f及阀轴2d的线性膨胀系数所引起的形状变化。例如，即便在环境温度20℃下进行控制参数的自动调整而将控制参数设定成了最佳值，若环境温度在这之后在一般的产品规格内即-40℃～80℃内发生变化，则压盖填料2f的周边温度变动幅度也将达到±60℃。因此，压盖填料2f及阀轴2d产生因线性膨胀系数所引起的形状变化，导致调节阀2的阀轴2d的滑动阻力(摩擦力)发生变化。因此，控制参数偏离最佳值，导致阀开度产生过冲或波动、不稳，流体控制变得不稳定。
再者，在流体为高温及低温的情况下，大多为如下结构：在操作器2a与阀2b之间连接伸长型阀盖2g，在结构上将压盖填料及阀杆部(A部)与阀部(B部)分离而设置温度梯度，并设置保冷板(保温板)2h，由此，尽可能不受流体温度的影响。因此，大部分的压盖填料及阀杆部(A部)可认为与环境温度相等。即，仅考虑调节阀2的环境温度即可。此外，在环境温度不同于前一次调整时的情况下，虽然再次进行调整即可，但难以在1天内的温差较大的现场始终对恰当的控制参数持续进行调整。
本发明是为了解决这种问题而成，其目的在于提供一种如下定位器：即便在环境温度较大程度地发生变化的情况下，也会抑制阀开度产生过冲或波动、不稳，可实现稳定的流体控制。
解决问题的技术手段
为了达成这种目的，本发明为一种定位器，其包括：控制部，其将与从上位装置送来的阀开度设定值与从调节阀反馈来的实际开度值的偏差相应的电信号作为控制输出而输出；以及电空转换部，其将来自该控制部的控制输出转换成气压并输出至调节阀的操作器，该定位器的特征在于，包括：特性值环境温度关系存储部，其存储表示根据环境温度而变化的调节阀的阀轴的滑动性能的特性值与环境温度的关系；控制参数存储部，其存储特性值的水平与控制调节阀的阀开度时所使用的控制参数的对应；温度传感器，其测定调节阀的当前环境温度；当前特性值获取部，其根据特性值环境温度关系存储部中所存储的关系来获取与由温度传感器所测定的调节阀的当前环境温度相对应的特性值作为当前特性值；以及控制参数选择部，其从控制参数存储部中选择与由当前特性值获取部所获取的当前特性值的水平相对应的控制参数；并且，控制部以固定周期重复由当前特性值获取部进行的当前特性值的获取、以及由控制参数选择部进行的与当前特性值的水平相对应的控制参数的选择，并使用所选择的控制参数来控制调节阀的阀开度。
根据本发明，由温度传感器测定调节阀的当前环境温度，并根据特性值环境温度关系存储部中所存储的关系来获取与由该温度传感器所测定的调节阀的当前环境温度相对应的特性值作为当前特性值。例如，在本发明中，在将表示根据环境温度而发生变化的调节阀的阀轴的滑动性能的特性值设为以摩擦系数μ与侧压系数k的积表示压盖填料的滑动阻力指标的μk(μk＝μ·k)的情况下，获取压盖填料的滑动阻力指标μk作为当前特性值。继而，从控制参数存储部中选择与该所获取的当前特性值的水平(例如，根据压盖填料的滑动阻力指标μk而求出的摩擦力所属的滞后水平)相对应的控制参数。
在本发明中，控制部以固定周期重复当前特性值的获取、以及与所获取的当前特性值的水平相对应的控制参数的选择，并使用所选择的控制参数来控制调节阀的阀开度。由此，始终使用与调节阀的当前环境温度相应的恰当的控制参数，从而实现稳定的流体控制。
在本发明中，是由温度传感器测定调节阀的当前环境温度，但由该温度传感器测定的调节阀的当前环境温度可为定位器的内部的温度，也可为外部空气温度。此外，在特性值环境温度关系存储部中，表示根据环境温度而变化的调节阀的阀轴的滑动性能的特性值与环境温度的关系能以表格的形式加以存储，也能以公式的形式加以存储。此外，在特性值环境温度关系存储部中，可按调节阀所使用的压盖填料的每一类型来存储作为表示调节阀的阀轴的滑动性能的特性值的该压盖填料的滑动阻力指标μk与环境温度的关系，在控制参数存储部中，可按调节阀所使用的操作器的每一尺寸来存储特性值的水平与控制调节阀的阀开度时所使用的控制参数的对应。
发明的效果
根据本发明，由于以固定周期重复表示与调节阀的当前环境温度相对应的调节阀的阀轴的滑动性能的特性值(当前特性值)的获取、以及与所获取的当前特性值的水平相对应的控制参数的选择，并使用所选择的控制参数来控制调节阀的阀开度，因此，始终使用与调节阀的当前环境温度相应的恰当的控制参数，即便在环境温度较大程度地发生变化的情况下，也会抑制阀开度产生过冲或波动、不稳，可实现稳定的流体控制。
附图说明
图1为表示本发明的定位器的一实施方式的主要部分的图。
图2为该定位器中的控制部的主要部分的功能框图。
图3为表示调节阀所使用的压盖填料的分类的图。
图4为表示因填料的种类而不同的滑动阻力指标μk的图。
图5为表示现有的定位器的主要部分的构成的图。
图6为表示调节阀的主要部分的构成的图。
图7为用以说明现有的定位器的自动调整的流程图。
具体实施方式
下面，根据附图，对本发明的实施方式进行详细说明。
图1为表示本发明的定位器的一实施方式的主要部分的图。在该图中，与图5相同的符号表示与参考图5而说明的构成要素相同或同等的构成要素，其说明省略。
在本实施方式的定位器1中，在定位器1的内部设置温度传感器15，并将该温度传感器15所测定的定位器1的内部的温度作为调节阀2的环境温度TR而给予控制部11。
此外，在该定位器1中，控制部11具备以固定周期选择、设定控制调节阀2的阀开度时所使用的最佳控制参数的控制参数选择设定功能F1作为本实施方式特有的功能。
以下，将本实施方式的定位器1设为1A，与图5所示的现有的定位器1(1B)进行区别。此外，将本实施方式的控制部11设为11A，与图5所示的现有的定位器1B中的控制部11(11B)进行区别。控制部11A通过由处理器、存储装置构成的硬件和与这些硬件协作而实现各种功能的程序来实现。
图2表示控制部11A的主要部分的功能框图。控制部11A为了实现控制参数选择设定功能F1而包括第1表格存储部16、第2表格存储部17及控制参数选择设定部18。
在第1表格存储部16中存储有如下的第1表格TA：将本发明中所说的表示根据环境温度而发生变化的调节阀的阀轴的滑动性能的特性值设为压盖填料的滑动阻力指标μk(μk＝μ·k，μ：摩擦系数，k：侧压系数)，按压盖填料的每一类型来规定好该压盖填料的滑动阻力指标μk与环境温度的关系。
如图3所示，调节阀2所使用的压盖填料按不同用途(超高温用、高温用、常温低温用)加以分类，因形式、构成材料、适用流体等差异而存在多种压盖填料，滑动阻力指标μk因填料的种类而不同(参考图4)。
在本实施方式中，通过实验和计算，按压盖填料的每一类型(A(超高温)、B(高温)、C(常温低温))来求出代表性的压盖填料的滑动阻力指标μk与环境温度的关系，并将该求出的关系以第1表格(滑动阻力指标表格)TA的形式存储在第1表格存储部16中。再者，该压盖填料的滑动阻力指标μk与环境温度的关系也能以温度特性公式的形式预先存储好。
在第2表格存储部17中存储有如下的第2表格(控制参数表格)TB：将本发明中所说的表示调节阀的阀轴的滑动性能的特性值的水平设为滞后水平(HYS)，按调节阀2所使用的操作器的每一尺寸来规定好滞后水平(HYS)与控制参数(KP、TI、TD、GE、GKP、GTI、GTD)的对应。在本实施方式中，将滞后水平(HYS)分为H/M/L三个等级，规定了与这3个等级的滞后水平(HYS)相对应的控制参数。
控制参数选择设定部18包括滑动阻力指标获取部18-1、摩擦力计算部18-2、滞后水平转换部18-3、参数选择部18-4及参数设定部18-5。下面，关于该控制参数选择设定部18中的各部的功能，将与其动作一起进行说明。
在初始设定时或压盖填料更换时，操作人员对定位器1A设定调节阀2所使用的压盖填料的类型。对该定位器1A设定的压盖填料的类型被给予滑动阻力指标获取部18-1。此外，温度传感器15所测定的调节阀2的当前环境温度TR也被给予滑动阻力指标获取部18-1。
滑动阻力指标获取部18-1将调节阀2所使用的压盖填料的类型和调节阀2的当前环境温度TR作为输入，从第1表格TA中获取与该所输入的调节阀2所使用的压盖填料的类型和调节阀2的当前环境温度TR相对应的滑动阻力指标μk作为当前滑动阻力指标μk。该滑动阻力指标获取部18-1所获取的当前滑动阻力指标μk被送至摩擦力计算部18-2。
摩擦力计算部18-2将来自滑动阻力指标获取部18-1的当前滑动阻力指标μk代入至下述式(1)，求出阀杆运动阻力F作为调节阀2的阀轴2d的滑动阻力(摩擦力)。该摩擦力计算部18-2所求出的摩擦力F被送至滞后水平转换部18-3。
F＝μ·k·π·D·H·P(N)····(1)
其中，D为阀轴直径(mm)，H为压盖填料的高度(mm)，P为压盖填料紧固表面压力(N/mm2)，μk＝μ·k。
另外，在该例中，由于操作器2a为直动型操作器，因此求出阀杆运动阻力F作为调节阀2的阀轴2d的滑动阻力(摩擦力)，但在操作器2a为旋转型操作器的情况下，是通过下述式(2)求出阀杆转矩T作为调节阀2的阀轴2d的滑动阻力(摩擦力)。
T＝(F·D/2)·0.001(N·m)····(2)
滞后水平转换部18-3将来自摩擦力计算部18-2的摩擦力F转换成滞后水平(HYS)，并将该转换出来的滞后水平(HYS)送至参数选择部18-4。
在本实施方式中，滞后水平(HYS)被分为H/M/L三个等级，选择来自摩擦力计算部18-2的摩擦力F所属的滞后水平(HYS)，并从滞后水平转换部18-3送至参数选择部18-4。
调节阀2所使用的操作器2a的尺寸是在自动设置时加以确定。即，根据操作器2a的动作时间，使用操作器尺寸-动作时间表格来确定操作器的尺寸。该所确定的操作器的尺寸被给予参数选择部18-4。
参数选择部18-4将调节阀2所使用的操作器的尺寸和来自滞后水平转换部18-3的滞后水平(HYS)作为输入，从第2表格TB中选择与该所输入的操作器的尺寸和滞后水平(HYS)相对应的控制参数。该参数选择部18-4所选择的控制参数被送至参数设定部18-5。
当从参数选择部18-4送来控制参数时，参数设定部18-5将从参数选择部18-4送来的控制参数代替之前所使用的控制参数，并将其设定为控制调节阀2的阀开度时所使用的新的控制参数。
控制参数选择设定部18以固定周期重复该滑动阻力指标获取部18-1、摩擦力计算部18-2、滞后水平转换部18-3、参数选择部18-4及参数设定部18-5所进行的一系列动作。
由此，始终使用与调节阀2的当前环境温度TR相应的恰当的控制参数，即便在环境温度较大程度地发生变化的情况下，也会抑制阀开度产生过冲或波动、不稳，可实现稳定的流体控制。
另外，在图2所示的构成中，第1表格存储部16相当于本发明中所说的特性值环境温度关系存储部，第2表格存储部17相当于控制参数存储部，滑动阻力指标获取部18-1相当于当前特性值获取部，包括摩擦力计算部18-2、滞后水平转换部18-3及参数选择部18-4的构成相当于参数选择部。
此外，在上述实施方式中，是通过温度传感器15来测定定位器1的内部的温度作为调节阀2的环境温度TR，但也可在调节阀2的附近设置温度传感器15来测定调节阀2的环境温度TR，并且，也可将外部空气温度用作调节阀2的环境温度TR。
此外，在上述实施方式中，在环境温度无变化或者变化较小时，也可不进行由滑动阻力指标获取部18-1进行的滑动阻力指标μk的获取，即，不进行由控制参数选择设定部18进行的控制参数的选择，而仅进行由温度传感器15进行的温度测量，从而减轻软件负荷。环境温度无变化或者变化小时的判断根据任意设定值来进行。
符号说明
1(1A) 定位器
2 调节阀
2a 操作器
2b 阀
2d 阀轴(阀杆)
2f 压盖填料
3 开度传感器
11(11A) 控制部
12 电空转换器
13 气动放大器
14 电空转换部
15 温度传感器
16 第1表格存储部
17 第2表格存储部
18 控制参数选择设定部
18-1 滑动阻力指标获取部
18-2 摩擦力计算部
18-3 滞后水平转换部
18-4 参数选择部
18-5 参数设定部
F1 控制参数选择设定功能
TA 第1表格(滑动阻力指标表格)
TB 第2表格(控制参数表格)。

Claims (6)

1.一种定位器，包括：控制部，其将与从上位装置送来的阀开度设定值与从调节阀反馈来的实际开度值的偏差相应的电信号作为控制输出而输出；以及电空转换部，其将来自该控制部的控制输出转换成气压并输出至所述调节阀的操作器，
该定位器的特征在于，包括：
特性值环境温度关系存储部，其存储表示根据环境温度而变化的所述调节阀的阀轴的滑动性能的特性值即滞后与环境温度的关系；
控制参数存储部，其存储所述滞后的水平与控制所述调节阀的阀开度时所使用的控制参数的对应关系；
温度传感器，其测定所述调节阀的当前环境温度；
当前特性值获取部，其根据所述特性值环境温度关系存储部中所存储的关系来获取与由所述温度传感器所测定的所述调节阀的当前环境温度相对应的特性值作为当前特性值；以及
控制参数选择部，其从所述控制参数存储部中选择与由所述当前特性值获取部所获取的当前特性值的水平相对应的控制参数；并且，
所述控制部以固定周期重复由所述当前特性值获取部进行的当前特性值的获取、以及由所述控制参数选择部进行的与当前特性值的水平相对应的控制参数的选择，并使用所选择的控制参数来控制所述调节阀的阀开度。
2.根据权利要求1所述的定位器，其特征在于，
所述调节阀的操作器为直动型，
所述特性值环境温度关系存储部按所述调节阀所使用的压盖填料的每一类型来存储作为所述特性值的该压盖填料的滑动阻力指标μk与环境温度的关系，
所述当前特性值获取部根据所述特性值环境温度关系存储部中所存储的关系来获取与所述调节阀所使用的压盖填料的类型和由所述温度传感器所测定的所述调节阀的当前环境温度相对应的滑动阻力指标μk作为当前特性值，
所述控制参数选择部将由所述当前特性值获取部作为当前特性值获取的滑动阻力指标μk代入至下述式(1)，求出阀杆运动阻力F作为所述调节阀的阀轴的滑动阻力，并从所述控制参数存储部中选择与该求出的调节阀的阀轴的滑动阻力的水平相对应的控制参数，
F＝μ·k·π·D·H·P(N)····(1)
其中，μ为摩擦系数，k为侧压系数，D为阀轴直径，H为压盖填料的高度，P为压盖填料紧固表面压力，μk＝μ·k。
3.根据权利要求1所述的定位器，其特征在于，
所述调节阀的操作器为旋转型，
所述特性值环境温度关系存储部按所述调节阀所使用的压盖填料的每一类型来存储作为所述特性值的该压盖填料的滑动阻力指标μk与环境温度的关系，
所述当前特性值获取部根据所述特性值环境温度关系存储部中所存储的关系来获取与所述调节阀所使用的压盖填料的类型和由所述温度传感器所测定的所述调节阀的当前环境温度相对应的滑动阻力指标μk作为当前特性值，
所述控制参数选择部将由所述当前特性值获取部作为当前特性值获取的滑动阻力指标μk代入至下述式(2)而求出阀杆运动阻力F，并将该求出的阀杆运动阻力F代入至下述式(3)而求出阀杆转矩T作为所述调节阀的阀轴的滑动阻力，从所述控制参数存储部中选择与该求出的调节阀的阀轴的滑动阻力的水平相对应的控制参数，
F＝μ·k·π·D·H·P(N)····(2)
T＝(F·D/2)·0.001(N·m)····(3)
其中，μ为摩擦系数，k为侧压系数，D为阀轴直径，H为压盖填料的高度，P为压盖填料紧固表面压力，μk＝μ·k。
4.根据权利要求1所述的定位器，其特征在于，
所述特性值环境温度关系存储部以表格的形式存储表示根据环境温度而变化的所述调节阀的阀轴的滑动性能的特性值与环境温度的关系。
5.根据权利要求1所述的定位器，其特征在于，
所述特性值环境温度关系存储部以公式的形式存储表示根据环境温度而变化的所述调节阀的阀轴的滑动性能的特性值与环境温度的关系。
6.根据权利要求1所述的定位器，其特征在于，
所述控制参数存储部按所述调节阀所使用的操作器的每一尺寸来存储所述特性值的水平与控制所述调节阀的阀开度时所使用的控制参数的对应关系，
所述控制参数选择部从所述控制参数存储部中选择与由所述当前特性值获取部所获取的当前特性值的水平和所述调节阀所使用的操作器的尺寸相对应的控制参数。
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