JP5445932B2

JP5445932B2 - バルブ制御装置およびバルブ制御方法

Info

Publication number: JP5445932B2
Application number: JP2009236254A
Authority: JP
Inventors: みどり小久保
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2009-10-13
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-10-13
Also published as: JP2011085984A

Description

本発明は、バルブの開度を目標開度に一致させるように制御するバルブ制御装置およびバルブ制御方法に関する。

プラント等で用いられるバルブの開度を制御する装置として、デジタル電空変換ポジショナが使用されている。デジタル電空変換ポジショナの初期設定時には、ポジショナをバルブ・アクチュエータに取り付けた後、ゼロ・スパン調整を行い、バルブ開度を制御するためのフィードバック制御パラメータの設定を行う。その後の運転時には、コントローラより与えられた目標開度に実開度が追従するようにポジショナによりフィードバック制御を行う。

ところで、バルブの開度を制御するアクチュエータには、単動式／複動式アクチュエータがある。フィードバック制御では、流量制御ループにおいてポジショナの上位に位置するコントローラ等から送られる目標開度信号に、ポジショナのセンサで検出されたバルブの開度を一致させるように、アクチュエータに与える操作量を制御する。この操作量は制御対象が単動式アクチュエータの場合はポジショナ出力圧であり、複動式アクチュエータの場合はポジショナ出力差圧である。このように従来のポジショナでは、制御対象のアクチュエータが単動式か複動式かによらず、開度偏差（バルブの開度と目標開度信号の差分）に基づいてフィードバック制御を行っている。

特開２００７−１６４２３０号公報

ポジショナの制御対象であるバルブは、その操作部であるアクチュエータが単動式か複動式かで作動原理が異なる。

単動式アクチュエータは、ダイアフラムで仕切られたシリンダの一方の側にスプリングを有し、反対の側に外部から空気圧を送り込み、ダイアフラムを介しスプリングの反力と空気圧の力のつり合いによってピストン位置(バルブ開度)を調節する。つまり空気圧が決まればそれに対応したバルブ開度が一意に決まる。

一方、複動式アクチュエータでは、ピストンで仕切られた２つの空間に、それぞれ外部から空気圧を送り、両空間の差圧によってピストン位置(バルブ開度)を調節する。つまりピストンに働く差圧とその作用時間でバルブ開度変動量が決まる。

このように単動式か複動式かで、ポジショナの制御対象であるアクチュエータの作動原理は異なる。フィードバック制御により開度を制御する場合、複動式アクチュエータは自身が積分特性を持つため位相遅れが生じ、単動式より応答速度が遅くなる。一般的に応答速度を上げるためにはゲインを大きくするが、複動式アクチュエータの場合はＯ−リングシールによってシリンダを仕切っており、ダイアフラムを用いた単動式より摩擦・ヒステリシスが大きく制御が難しい。このため、ポジショナのフィードバックゲインを大きくすることで応答速度を速くしようとすると、ハンチングやリミットサイクルを起こす場合がある。したがって、ゲインのみによる応答速度の改善は難しい。

本発明の目的は、安定性を損なうことなくバルブの開度調整の応答速度を改善することができるバルブ制御装置およびバルブ制御方法を提供することにある。

本発明のバルブ制御装置は、バルブの開度を目標開度に一致させるように制御するバルブ制御装置において、バルブの開度を前記目標開度に向けてフィードフォワード制御するフィードフォワード制御手段と、前記フィードフォワード制御手段によるフィードフォワード制御の後、前記バルブの開度を前記目標開度に一致させるようにフィードバック制御するフィードバック制御手段と、を備え、前記フィードフォワード制御手段は、前記バルブの開度が前記目標開度で速度がゼロとなるような前記バルブの開度の加速度の時間関数を算出し、算出された前記加速度の時間関数に従ってフィードフォワード制御し、前記フィードバック制御手段は、前記加速度の時間関数に従ったフィードフォワード制御が終了した時点で、フィードバック制御を開始することを特徴とする。
このバルブ制御装置によれば、バルブの開度を目標開度に向けてフィードフォワード制御した後、バルブの開度を目標開度に一致させるようにフィードバック制御するので、安定性を損なうことなくバルブの開度調整の応答速度を改善することができる。

前記バルブの開度は複動式アクチュエータを介して制御されてもよい。

前記バルブの開度または前記目標開度に基づいて、現在の状態がフィードフォワード制御すべき状態か否かを判断する判断手段を備え、前記フィードフォワード制御手段は、前記判断手段による判断が肯定された場合に前記フィードフォワード制御を実行してもよい。

前記判断手段は、前記目標開度の変化幅に基づいて前記判断を行ってもよい。

前記判断手段は、前記バルブの開度と前記目標開度との間の偏差に基づいて前記判断を行ってもよい。

本発明のバルブ制御方法は、バルブの開度を目標開度に一致させるように制御するバルブ制御方法において、バルブの開度を前記目標開度に向けてフィードフォワード制御するステップと、前記フィードフォワードステップによるフィードフォワード制御の後、前記バルブの開度を前記目標開度に一致させるようにフィードバック制御するステップと、を備え、前記フィードフォワード制御するステップでは、前記バルブの開度が前記目標開度で速度がゼロとなるような前記バルブの開度の加速度の時間関数を算出し、算出された前記加速度の時間関数に従ってフィードフォワード制御し、前記フィードバック制御するステップでは、前記加速度の時間関数に従ったフィードフォワード制御が終了した時点で、フィードバック制御を開始することを特徴とする。
このバルブ制御方法によれば、バルブの開度を目標開度に向けてフィードフォワード制御した後、バルブの開度を目標開度に一致させるようにフィードバック制御するので、安定性を損なうことなくバルブの開度調整の応答速度を改善することができる。

本発明のバルブ制御装置によれば、バルブの開度を目標開度に向けてフィードフォワード制御した後、バルブの開度を目標開度に一致させるようにフィードバック制御するので、安定性を損なうことなくバルブの開度調整の応答速度を改善することができる。

本発明のバルブ制御方法によれば、バルブの開度を目標開度に向けてフィードフォワード制御した後、バルブの開度を目標開度に一致させるようにフィードバック制御するので、安定性を損なうことなくバルブの開度調整の応答速度を改善することができる。

一実施形態のバルブ制御装置としてのデジタル電空ポジショナの構成を示すブロック図。フィードフォワード制御時のアクチュエータの運動を示す図であり、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ加速度、速度および移動距離を示す図である。

以下、本発明によるバルブ制御装置の一実施形態について説明する。

図１は本実施形態のバルブ制御装置としてのデジタル電空ポジショナの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、デジタル電空ポジショナ１は、バルブを操作するアクチュエータ２をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御部１１と、アクチュエータ２をフィードバック制御するフィードバック制御部１２と、アクチュエータ２の位置に基づいてバルブの開度を測定する開度センサ１３と、フィードフォワード制御部１１による制御のタイミングおよびフィードフォワード制御およびフィードバック制御の切り替えを指示するためのタイマ１４とを備える。図１に示すように、アクチュエータ２は、タイマ１４の指示に応じてフィードフォワード制御部１１によるフィードフォワード制御またはフィードバック制御部１２によるフィードバック制御のいずれかを選択的に受け付ける。タイマ１４はフィードフォワード制御部１１により起動される。

本発明では、従来のフィードバック制御に加えフィードフォワード制御を先行実施することで、バルブ開度制御の応答速度を速めている。

フィードフォワード制御を行うためには、制御対象の特性を把握し、制御量を目標値に一致させるために必要な操作量を逆算すればよい。そこで、フィードフォワード制御により、アクチュエータ２を最短時間、かつオーバーシュートがないよう目標開度まで移動させる。すなわち、現在開度をプラスの最大加速度で出発し、ある時点でマイナスの最大加速度に切り変え、目標開度に到着するのと同時に加速度＝速度＝ゼロとすればよい。

プラスとマイナスの最大加速度は有限の固定値であり、それぞれａ₁、ａ₂とする。また、移動させたい距離をＸ、現在開度を出発してから加速度ａ₁を作用させる時間をＴ₁、加速度の正負を切り変えてから目標開度に到達するまで加速度ａ₂を作用させる時間をＴ₂とすると、図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）にそれぞれ示す加速度、速度および移動距離は以下のように求められる。

次に、Ｘとａ₁とａ₂が与えられた場合、最短時間、かつオーバーシュートがないように移動するためにＴ₁とＴ₂が満足する条件を示す。時刻ｔ＝Ｔ₁＋Ｔ₂のときの移動距離はｘであるので、これを式(２)に代入すると、

という関係式が得られ、上式におけるＴ₁をＸ、ａ₁、ａ₂で表すと、

と求まる。また、式(１)に、オーバーシュートがないための条件、''時刻ｔ＝Ｔ₁＋Ｔ₂のとき速度はゼロ''を代入すると、Ｔ₁とＴ₂の関係は、

と求まるので、この関係を式(３)に代入し、Ｔ₂をＸ、ａ１、ａ２で表すと、

と求まる。

移動距離Ｘは開度センサ１３から出力される開度測定値および外部から与えられる目標開度により常時把握でき、プラスとマイナスの最大加速度ａ₁、ａ₂はアクチュエータ２のシリンダ容量とポジショナ１に供給される空気圧で決まる。ポジショナ１に供給される空気圧は若干の変動はあるが固定圧力とされる。したがって、ポジショナ１に時間を測定する機構をもたせ、初期設定時にバルブ・アクチュエータを動かして加速度ａ₁と加速度ａ₂を予め測定することで、加速度ａ₁、ａ₂の作用時間Ｔ₁、Ｔ₂は式(３)と式(４)で決まり、フィードフォワード制御が可能となる。

次に、デジタル電空変換ポジショナ１の初期設定手順について説明する。

初期設定手順では、ポジショナ１をバルブに取り付けた後、（１）ゼロ・スパン調整を行い、（２）フィードバック制御のパラメータ調整を行い、次に、（３）フィードフォワード制御のためのパラメータ調整を行う。ここで（１）および（２）の作業は従来と同じである。

（３）の作業では、バルブを開く方向と閉じる方向それぞれの最大加速度を測定する。この作業では、まずポジショナの２系統の出力のうち一方（出力Ａ）を大気開放に、他方（出力Ｂ）を最大出力圧(ポジショナ供給圧)にして開度０％点に移動させる (バルブはAir To Openであると仮定する。)。次に、開度０％で安定したことを確認できたら、ポジショナ出力Ａを最大出力圧(ポジショナ供給圧)に、出力Ｂを大気開放にして開度１００パーセント点に移動させ、この移動時間を測定する。この移動は等加速度運動であるので、移動距離(バルブのスパンは（１）で測定済み)と移動時間が分かれば、バルブが開く方向への最大加速度は計算できる。

同様に、開度１００％点で安定したことを確認できたら、ポジショナ出力Ａを大気開放に、出力Ｂを最大出力圧(ポジショナ供給圧)にして１００％点から０％点に移動させ、この移動時間を測定し、バルブが閉まる方向への最大加速度を計算する。そしてバルブが開く方向と閉まる方向の最大加速度ａ₁、ａ₂をフィードフォワード制御パラメータとしてポジショナ内部に記憶する。

次に、デジタル電空ポジショナ１による制御動作について説明する。

フィードフォワード制御部１１は、フィードフォワード制御を開始する条件の成立を認識すると、タイマ１４を起動させ、これにより制御方法をフィードバック制御からフィードフォワード制御に切り変える。条件の成立は、目標開度の変化の検知、あるいは、偏差（開度測定値と目標開度との差分）を検知として認識される。またこのとき、フィードフォワード制御部１１は、タイマ１４の起動時刻をｔ＝０とする。さらに、フィードフォワード制御部１１は、バルブを動かしたい方向(偏差の正負)に応じて、ａ₁およびａ₂にバルブが開く方向と閉まる方向の最大加速度を代入し、式（３）に従ってＴ₁を、式（４）に従ってＴ₂を、それぞれ算出する。なお、バルブを開きたい場合は、ａ₁にバルブが開く方向の最大加速度を、ａ₂にバルブが閉まる方向の最大加速度を代入する。ここで、移動距離Ｘは時刻ｔ＝０における偏差に対応する距離（偏差にマイナス１をかけた値）である。

次に、フィードフォワード制御部１１は、タイマ１４の計時が時刻０〜Ｔ₁の間、アクチュエータ２の加速度がａ₁となるようポジショナ１における一方の出力圧を最大(供給圧)に、他方の出力圧を大気開放にする。

次に、フィードフォワード制御部１１は、タイマ１４の計時が時刻ｔ＝Ｔ₁〜Ｔ₁＋Ｔ₂の間、アクチュエータ２の加速度がａ₂となるようにポジショナ１の２つの出力圧を逆転させた状態を維持する。

次に、時刻ｔ＝Ｔ₁＋Ｔ₂においてタイマ１４を止めてフィードフォワード制御からフィードバック制御に切り変える。

以上のように、本実施形態のバルブ制御装置によれば、アクチュエータを駆動する際、従来のフィードバック制御の前に、フィードフォワード制御によりアクチュエータを適切な位置まで駆動することで、安定性を損なうことなくアクチュエータの作動速度を速くすることができる。とくに複動式アクチュエータを応答性よく制御可能となる。また、フィードフォワード制御の後にフィードバック制御に移行することで、フィードフォワード制御のみでは対処できない外乱や不確定要素にも対処できる。フィードフォワード制御とフィードバック制御とを交互に繰り返すことで、応答性が良好で精度の高い制御が可能となる。

本発明のバルブ制御装置において、フィードフォワード制御を開始する条件は任意に定めることができる。例えば、目標開度の変化幅が一定値以上となった場合にフィードフォワード制御を開始してもよい。あるいは、偏差（開度測定値と目標開度との差分）が一定値以上となった場合にフィードフォワード制御を開始することもできる。上記条件は、アクチュエータの位置を大きな幅で急激に変化させたい状況でフィードフォワード制御が適用されるように設定されることが望ましい。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、バルブの開度を目標開度に一致させるように制御するバルブ制御装置およびバルブ制御方法に対し、広く適用することができる。

１１フィードフォワード制御部（フィードフォワード制御手段、判断手段）
１２フィードバック制御部（フィードバック制御手段）

Claims

バルブの開度を目標開度に一致させるように制御するバルブ制御装置において、
バルブの開度を前記目標開度に向けてフィードフォワード制御するフィードフォワード制御手段と、
前記フィードフォワード制御手段によるフィードフォワード制御の後、前記バルブの開度を前記目標開度に一致させるようにフィードバック制御するフィードバック制御手段と、
を備え、
前記フィードフォワード制御手段は、前記バルブの開度が前記目標開度で速度がゼロとなるような前記バルブの開度の加速度の時間関数を算出し、算出された前記加速度の時間関数に従ってフィードフォワード制御し、
前記フィードバック制御手段は、前記加速度の時間関数に従ったフィードフォワード制御が終了した時点で、フィードバック制御を開始することを特徴とするバルブ制御装置。
前記バルブの開度は複動式アクチュエータを介して制御されることを特徴とする請求項１に記載のバルブ制御装置。
前記バルブの開度または前記目標開度に基づいて、現在の状態がフィードフォワード制御すべき状態か否かを判断する判断手段を備え、
前記フィードフォワード制御手段は、前記判断手段による判断が肯定された場合に前記フィードフォワード制御を実行することを特徴とする請求項１または２に記載のバルブ制御装置。
前記判断手段は、前記目標開度の変化幅に基づいて前記判断を行うことを特徴とする請求項３に記載のバルブ制御装置。
前記判断手段は、前記バルブの開度と前記目標開度との間の偏差に基づいて前記判断を行うことを特徴とする請求項３に記載のバルブ制御装置。
バルブの開度を目標開度に一致させるように制御するバルブ制御方法において、
バルブの開度を前記目標開度に向けてフィードフォワード制御するステップと、
前記フィードフォワードステップによるフィードフォワード制御の後、前記バルブの開度を前記目標開度に一致させるようにフィードバック制御するステップと、
を備え、
前記フィードフォワード制御するステップでは、前記バルブの開度が前記目標開度で速度がゼロとなるような前記バルブの開度の加速度の時間関数を算出し、算出された前記加速度の時間関数に従ってフィードフォワード制御し、
前記フィードバック制御するステップでは、前記加速度の時間関数に従ったフィードフォワード制御が終了した時点で、フィードバック制御を開始することを特徴とするバルブ制御方法。