JP2001280301A

JP2001280301A - バルブポジショナ

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Publication number: JP2001280301A
Application number: JP2000094658A
Authority: JP
Inventors: Akira Inoue; 晃井上
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2001-10-10
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JP4196518B2

Abstract

(57)【要約】【課題】バルブを制御するバルブポジショナにおい
て、制御対象部位の特性を自動測定して自動チューニン
グする。【解決手段】バルブの弁開度を設定する入力信号と、
このバルブの弁開度を検出する位置センサーと、この位
置センサーにより得られた弁開度信号と入力信号との偏
差から入力信号に一致させるように制御演算して制御信
号を生成する制御演算部と、この制御信号に基づいた空
気流量を生成する電空変換機構部と、この電空変換機構
部において生成された空気流量に基づく空気圧をバルブ
に供給する圧力増幅器とからなるバルブポジショナであ
って、電空変換機構部と圧力増幅器と位置センサーとバ
ルブとで構成されている制御対象部位は、自動設定信号
を受けた時に、制御対象部位のそれぞれの特性を自動測
定し、制御演算部の制御信号を生成するためのチューニ
ングパラメータを制御対象部位の特性から演算により求
め、現在のチューニングパラメータと置き換えるように
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バルブポジショナ
に関するものであり、詳しくは入力信号を受信すると共
に、バルブの弁開度を受信した入力信号に一致させるよ
うに制御するバルブポジショナにおいて、弁開度位置を
検出して電気信号に変換する位置センサーと、この位置
センサーからの信号を入力信号に一致させるように制御
演算を行う制御演算部と、この制御演算部で演算した制
御信号をバルブの駆動信号に変換する電空変換機構部と
を具備し、これらから構成されている制御対象部位の特
性を自動測定し、制御演算部のチューニングパラメータ
を制御対象部位の特性から演算により求めて、自動チュ
ーニングする機能を持つようにしたバルブポジショナに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術におけるバルブポジショナは、
内部に演算機能（ＣＰＵ等）を搭載しているので、バル
ブの弁開度を制御する制御アルゴリズムがソフトウェア
で実現できるようになっている。この技術により、複雑
な制御演算を行えるようになった為、バルブの制御性は
前世代のメカニカル方式のバルブポジショナに比べると
格段に制御性が向上している。その反面、制御アルゴリ
ズムについては、その使用する制御パラメータが増えた
ことにより、そのチューニングも複雑になり、インスタ
レーションに工数がかかるようになった。この問題を解
決するために、自動チューニング機能などを搭載する機
種も出てきた。又、演算機能の利用は、制御演算の他に
も、自己診断や、調節弁の診断等にも及ぶようになって
きている。

【０００３】しかし、バルブポジショナのチューニング
が難しくしている原因の一つは、バルブポジショナが制
御しなくてはならないバルブの種類が多機種に及ぶた
め、特定できないことにある。即ち、どのような特性を
有するバルブがバルブポジショナに組み合わされるかが
特定できないので、チューニングはどうしてもカットア
ンドトライの作業を繰り返すしかなかった。従って、チ
ューニング作業を補助する機能を持ったバルブポジショ
ナ、或いは自動チューニング機能を持つバルブポジショ
ナが開発されるようになってきている。

【０００４】この自動チューニング機能を具現化する自
動チューニング方法として、チューニング補助型のバ
ルブポジショナと自動チューニング型のバルブポジシ
ョナがある。

【０００５】チューニング補助型のバルブポジショナ
は、バルブポジショナに組み合わされるためのバルブの
型名及びその種類や特性を作業者がバルブポジショナに
入力することにより、バルブポジショナがそれらのデー
タをもとに適切なチューニングパラメータを選び出すと
いう、所謂、セミオートチューニング方法のことであ
る。

【０００６】自動チューニング型のバルブポジショナ
は、バルブポジショナにある自動設定信号を与えると、
バルブのサイズやヒステリシスなどの特性を測定し、所
定のパラメータテーブルから、制御パラメータのチュー
ニングセットを選び出す方法である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術で説明したように、バルブポジショナにはバルブ
を制御するためのチューニングが困難であるため、上述
のバルブの制御チューニング支援を行う機能であるチ
ューニング補助型のバルブポジショナ、自動チューニ
ング型のバルブポジショナがあるが、それぞれは次に示
すような問題点がある。

【０００８】の自動チューニング方法の問題点は、作
業者がバルブの情報と知識が必要であるために、ある程
度の専門能力を要求されることである。従って、バルブ
ポジショナにバルブの情報や特性を入力しなければなら
ないので、入力の工数がかかることになり、入力ミスな
どの人的なミスを引き起こす危険性があるという問題が
ある。

【０００９】の自動チューニング方法の問題点は、無
数の組み合わせが考えられるバルブの特性において、正
確なチューニングを行おうとすると、バルブポジショナ
が持たなければならないパラメーターテーブルのデータ
量が膨大になり、メモリなどのハードウェアが必要にな
りコストがかかることになる。この問題を解消するため
に、少ないパラメーターテーブルで済まそうとするなら
ば、チューニングが粗くなり、正確性を欠いたチューニ
ングとなるという問題がある。

【００１０】このように、バルブポジショナ自体の要素
において独特な特性からなる非線形性特性を持つものも
あり、これらの影響を反映した実際的なチューニングが
できないという問題がある。これは、バルブポジショナ
の制御装置によっては制御対象はバルブだけではないか
らであり、具体的には、バルブの特性の測定方法によっ
ては、正確な測定ができなかったり、測定に時間を要す
ることにより、チューニングに係る時間が長くなるとい
う問題がある。

【００１１】従って、このような問題を解決し、より簡
単に、より正確に、より早くバルブに対する自動チュー
ニングを行う手法に解決しなければならない課題を有す
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に係るバルブポジショナは、次に示す構成に
することである。

【００１３】（１）バルブの弁開度を設定する入力信号
と、該バルブの弁開度を検出する位置センサーと、該位
置センサーにより得られた弁開度信号と前記入力信号と
の偏差から前記バルブの弁開度を該入力信号に一致させ
るように制御演算して制御信号を生成する制御演算部
と、該制御信号に基づいた空気流量を生成する電空変換
機構部と、該電空変換機構部において生成された空気流
量に基づく空気圧を前記バルブに供給する圧力増幅器と
からなるバルブポジショナであって、前記電空変換機構
部と圧力増幅器と位置センサーとバルブとで構成されて
いる制御対象部位は、自動設定信号を受けた時に、前記
制御演算部の制御信号を生成するためのチューニングパ
ラメータを前記制御対象部位のそれぞれの特性を自動測
定して演算により求めると共に、現在のチューニングパ
ラメータと置き換えるようにしたことを特徴とするバル
ブポジショナ。

【００１４】（２）バルブの弁開度を設定する入力信号
と、該バルブの弁開度を検出する位置センサーと、該位
置センサーにより得られた弁開度信号と前記入力信号と
の偏差から前記バルブの弁開度を該入力信号に一致させ
るように制御演算して制御信号を生成する制御演算部
と、該制御信号に基づいた空気流量を生成する電空変換
機構部と、該電空変換機構部において生成された空気流
量に基づく空気圧を前記バルブに供給する圧力増幅器と
からなるバルブポジショナであって、前記電空変換機構
部と圧力増幅器と位置センサーとバルブとで構成されて
いる制御対象部位は、自動設定信号を受けた時に、該制
御対象部位の応答速度を自動測定し、該自動測定した応
答速度のパラメータにより前記制御演算部の制御信号を
生成するためのチューニングパラメータを演算すること
を特徴とするバルブポジショナ。（３）上記（２）のバルブポジショナにおいて、前記制
御対象部位の応答速度の自動測定は、前記電空変換機構
部の出力を飽和させ、その時のバルブの応答速度を測定
することであることを特徴とするバルブポジショナ。（４）上記（２）のバルブポジショナにおいて、前記制
御対象部位の応答速度の自動測定は、前記電空変換機構
部の出力の変化速度を一定に維持した状態にしておき、
その時のバルブの応答速度を測定することであることを
特徴とするバルブポジショナ。（５）上記（３）又は（４）のバルブポジショナにおい
て、前記バルブの応答速度の測定は、前記バルブが第１
の弁開度から第２の弁開度に変化する際の時間を測定す
ることであることを特徴とするバルブポジショナ。（６）上記（３）又は（４）のバルブポジショナにおい
て、前記バルブの応答速度の測定は、前記バルブの第１
の弁開度を前記位置センサーにおいて検出して得られた
弁開度信号を通過した後に、ある単位時間後の弁開度信
号を測定することであることを特徴とするバルブポジシ
ョナ。（７）上記（４）のバルブポジショナにおいて、前記電
空変換機構部の出力の変化速度を一定に維持した状態に
するのは、該電空変換機構部の構造上生じる不感帯を利
用することであることを特徴とするバルブポジショナ。

【００１５】（８）バルブの弁開度を設定する入力信号
と、該バルブの弁開度を検出する位置センサーと、該位
置センサーにより得られた弁開度信号と前記入力信号と
の偏差から前記バルブの弁開度信号を該入力信号に一致
させるように制御演算して制御信号を生成する制御演算
部と、該制御信号に基づいた空気流量を生成する電空変
換機構部と、該電空変換機構部において生成された空気
流量に基づく空気圧をバルブに供給する圧力増幅器とか
らなるバルブポジショナであって、前記制御演算部は、
その制御演算において少なくとも一つの積分器を用い
て、前記弁開度信号と前記入力信号の偏差が予め設定さ
れている範囲内に入ったことを検出し、その時の前記制
御演算部から出力される制御信号を動作開始基準信号と
すると共に所定の記憶部に記憶するようにしたことを特
徴とするバルブポジショナ。（９）上記（８）のバルブポジショナにおいて、前記記
憶部に記憶してある動作開始基準信号は前記制御演算部
から出力する制御信号の基準点として使用することを特
徴とするバルブポジショナ。

【００１６】（１０）バルブの弁開度を設定する入力信
号と、該バルブの弁開度を検出する位置センサーと、該
位置センサーにより得られた弁開度信号と前記入力信号
との偏差から前記バルブの弁開度を該入力信号に一致さ
せるように制御演算して制御信号を生成する制御演算部
と、該制御信号に基づいた空気流量を生成する電空変換
機構部と、該電空変換機構部において生成された空気流
量に基づく空気圧をバルブに供給する圧力増幅器とから
なるバルブポジショナであって、前記電空変換機構部と
圧力増幅器と位置センサーとバルブとで構成されている
制御対象部位は、自動設定信号を受けた時に、該制御対
象部位のヒステリシスを自動測定し、該自動測定したヒ
ステリシスのパラメータにより前記制御演算部で生成す
る制御信号のチューニングパラメータを演算することを
特徴とするバルブポジショナ。（１１）上記（１０）のバルブポジショナにおいて、前
記制御対象部位のヒステリシスの自動測定は、前記バル
ブに供給する駆動信号を検出するセンサーを具備し、該
センサーの検出に基づいてバルブの入出力特性を測定す
ることにより、バルブのヒステリシスを演算により求め
て測定することを特徴とするバルブポジショナ。（１２）上記（１０）バルブポジショナにおいて、前記
制御対象部位のヒステリシスの自動測定は、前記制御演
算部の制御演算においては少なくとも比較器を用いた制
御アルゴリズムにより行い、前記入力信号を変化させて
前記バルブの弁開度信号を監視し、該弁開度信号が反応
した時の入力信号ＳＰ１を記憶し、次に前記入力信号の
変化方向を反転させ、前記バルブの弁開度信号が逆向き
に反応した時の入力信号ＳＰ２を記憶し、次に記憶して
ある入力信号ＳＰ１、ＳＰ２の差分から前記制御対象部
位のヒステリシスを演算により求めて測定することを特
徴とするバルブポジショナ。（１３）上記（１２）のバルブポジショナにおいて、前
記制御対象部位のヒステリシスの演算は、前記入力信号
ＳＰ１、ＳＰ２の差に、前記バルブのステムのループゲ
インを掛け算した値を使用することを特徴とするバルブ
ポジショナ。

【００１７】（１４）バルブの弁開度を設定する入力信
号と、該バルブの弁開度を検出する位置センサーと、該
位置センサーにより得られた弁開度信号と前記入力信号
との偏差から前記バルブの弁開度を該入力信号に一致さ
せるように制御演算して制御信号を生成する制御演算部
と、該制御信号に基づいた空気流量を生成する電空変換
機構部と、該電空変換機構部において生成された空気流
量に基づく空気圧をバルブに供給する圧力増幅器とから
なるバルブポジショナであって、前記電空変換機構部と
圧力増幅器と位置センサーとバルブとで構成されている
制御対象部位は、自動設定信号を受けた時に、前記バル
ブの弁開度が静止した状態から動き出す時に生じるスリ
ップ現象のスリップ幅を測定し、該測定したスリップ幅
からなるパラメータによって前記制御演算部で生成する
制御信号のチューニングパラメータを演算することを特
徴とするバルブポジショナ。（１５）上記（１４）のバルブポジショナにおいて、前
記スリップ幅を測定する際に、前記バルブの弁開度信号
が静止していることを確認し、その時の弁開度ＰＶ１を
記憶し、前記制御信号を変化させた時に前記弁開度信号
が反応する際の弁開度信号の変化速度を測定し、弁開度
信号の変化速度の変極点の時の弁開度信号ＰＶ２を記憶
し、前記弁開度信号ＰＶ１とＰＶ２の差を、前記バルブ
のスリップ幅とすると共に該スリップ幅の値を記憶する
ことを特徴とするバルブポジショナ。（１６）上記（１４）のバルブポジショナにおいて、前
記スリップ幅を測定する際に、前記弁開度信号が静止し
ているのを確認し、その時の弁開度ＰＶ１を記憶し、次
に前記制御信号を変化させた時に前記バルブの弁開度信
号が反応した後に、予め設定した短い時間後の弁開度信
号ＰＶ２を記憶し、前記弁開度信号ＰＶ１とＰＶ２の差
を、前記バルブのスリップ幅とすると共に該スリップ幅
の値を記憶することを特徴とするバルブポジショナ。

【００１８】（１７）バルブの弁開度を設定する入力信
号と、該バルブの弁開度を検出する位置センサーと、該
位置センサーにより得られた弁開度信号と前記入力信号
との偏差から前記バルブの弁開度を該入力信号に一致さ
せるように制御演算して制御信号を生成する制御演算部
と、該制御信号に基づいた空気流量を生成する電空変換
機構部と、該電空変換機構部において生成された空気流
量に基づく空気圧をバルブに供給する圧力増幅器とから
なるバルブポジショナであって、前記電空変換機構部と
圧力増幅器と位置センサーとバルブとから構成されてい
る制御対象部位は、自動設定信号を受けた時に、前記制
御対象部位の特性を測定し、該測定した制御対象部位の
特性の値が制御対象部位の特性からなる許容範囲情報の
値を逸脱した場合には、外部に通信手段を通じて異常信
号を出力することを特徴とするバルブポジショナ。

【００１９】このように、バルブのチューニングを自動
的に行い且つ調節弁等の特性を測定したパラメータをチ
ューニングパラメータにすることによって、チューニン
グの工数等を減らす事が可能であると共に正確なチュー
ニングパラメータを設定することができるようになる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るバルブポジシ
ョナの実施の形態について図面を参照して説明する。

【００２１】先ず、バルブポジショナは、制御するバル
ブを選べないのが宿命であり、どのような特性のあるバ
ルブが取り付けられるかの特定ができない。即ち、バル
ブの空気アクチュエータの容量や、空気アクチュエータ
の入出力関係を決めるスプリングレンジ等の組み合わせ
は無数にあり、その組み合わせにより、応答特性がそれ
ぞれ異なってくるからである。

【００２２】又、バルブの持つ機械的摩擦力は、応答特
性の無駄時間を助長し、応答特性を振動的にする作用が
ある。又、制御対象のもつ機械的摩擦力やガタから抜け
出す時に、バルブが動き出す瞬間は、バルブの弁開度が
ある幅、素早く動き、滑るような動きをする、所謂、ス
リップ現象を引き起こす。このスリップ現象は、リミッ
トサイクルのような振動現象を引き起こす。従って、バ
ルブポジショナは、このようなバルブの持つ非線形性を
吸収して入力信号に対し線形且つ安定して、制御しやす
い特性にすることが求められている。

【００２３】このように、バルブの持つ非線形性を吸収
して入力信号に対し線形且つ安定し、制御し易い特性に
するバルブポジショナが求められているが、この機能が
要求されているバルブポジショナの開発にあたって、問
題が二つある。

【００２４】第一の問題は、バルブの非線形性を吸収す
るための制御アルゴリズムの設計である。制御アルゴリ
ズムの設計により、バルブポジショナの制御性がほぼ決
まると考えられるので、設計には細心の注意が払われる
が、制御対象の非線形性を吸収するためには、制御アル
ゴリズムが複雑にならざるを得ない。その結果、制御ア
ルゴリズムのチューニングパラメータも増えてきてい
る。

【００２５】第二の問題は、設計した制御アルゴリズム
を制御対象に適用させるためのチューニングの方法であ
る。例えば、ＰＩＤ制御アルゴリズムを例にとっても、
チューニングパラメータは、比例ゲイン、積分時間、微
分時間の三種類のチューニングパラメータが存在し、制
御アルゴリズムを複雑にするにつれて制御パラメータは
増えるため、チューニングを更に複雑化する傾向にあ
る。チューニングが複雑化すると、チューニングに多大
な工数が要求され、使い勝手が悪くなる。

【００２６】従って、バルブポジショナの機能として
は、自動的にチューニングパラメータを決定する機能が
要求されるようになってきた。そして、自動的にチュー
ニングパラメータを決める為には、制御対象の代表的な
特性を把握する必要がある。制御対象の特性を把握する
としても、その中には、制御に大きな影響を与えるパラ
メータが存在し、それは、制御対象の応答速度、制
御対象のヒステリシス、制御対象のヒステリシスから
生じるスリップ現象である。

【００２７】このようなことを前提として、本願発明に
係るバルブポジショナは、図１に示すように、最も一般
的なものである空気圧で駆動するバルブを有する空気式
バルブポジショナ１０である。この空気式バルブポジシ
ョナの構成は、入力信号を受信する信号受信装置１１
と、バルブの弁開度を電気的な信号に変換した弁開度信
号ＰＶと入力信号ＳＰとの偏差に基づいて入力信号ＳＰ
に一致させるように制御演算して制御信号ＭＶを出力す
る制御演算部である制御演算装置１２と、この制御信号
ＭＶに基づいて空気流量を生成する電空変換機構部１３
と、この空気流量に基づく空気圧をバルブ部１５に供給
する圧力増幅器１４と、この空気圧に基づいてステムを
変化させて弁体を調節するバルブ、即ち、バルブ部１５
と、バルブ部１５のステム変位を検出して弁開度信号Ｐ
Ｖを生成する位置センサー１６とから構成されている。
この中で、電空変換機構部１３と圧力増幅器１４と位置
センサー１６とバルブ部１５とで制御対象部位１７を構
成する。

【００２８】バルブ部１５は、図２に示すように、圧力
増幅器１４からの空気圧信号Ｐoを受け入れる空気アク
チュエータ部２０と、この空気アクチュエータ部２０に
連設されているステム２３と、ステム２３の動きに連動
して弁の開閉をする弁体２４とから構成されている。ア
クチュエータ部２０は、内部に空気室を設け、この空気
室を二分割するようにして配置したダイアフラム２１
と、ダイヤフラム２１を所定位置に弾性維持するスプリ
ング２２とからなり、このダイアフラム２１の動きがス
テム２３に連動する構造となっている。

【００２９】このような構成からなるバルブポジショナ
１０において、先ず、信号受信装置１１がバルブ部１５
の弁開度を設定する入力信号ＳＰを受信すると、制御演
算装置１２において、この受信した入力信号ＳＰとバル
ブ部１５からのフィードバックされた弁開度信号ＰＶと
の偏差により、入力した入力信号ＳＰにより弁開するバ
ルブ部１５の実際の弁開と一致するように制御演算して
制御信号ＭＶを生成する。この制御信号ＭＶは電空変換
機構部１３に供給され、制御信号ＭＶに応じた空気流量
を出力し圧力増幅器１４へ信号を与える。圧力増幅器１
４は電空変換機構部１４により得られた信号に応じた空
気流量と、空気圧信号Ｐｏを出力しバルブ部１５に供給
する。バルブ部１５は、圧力増幅器１４から出力された
空気圧信号Ｐｏを受け、空気アクチュエータ部２０内の
ダイヤフラム２１で圧力を受け、物理的な力に変換しス
テム２３にその変換した力を伝えステム２３を上下動さ
せる。ステム２３は、プロセスの流体が流れる配管内の
弁体２４に連結しており、ステム２３の動きに応じて、
弁を開閉することによりプロセスの流体の流量を調節す
る。ここで、バルブポジショナ１０に内蔵されている位
置センサー１６はリンク機構を通じてステム２３に連結
されており、ステム２３の上下動する位置に応じた電気
信号からなる弁開度信号ＰＶを制御演算装置１２にフィ
ードバックして与える。これにより、バルブポジショナ
１０とバルブ部１５は閉ループを構成し、バルブポジシ
ョナ１０は弁開度を制御する仕組みになっている。

【００３０】このような、バルブポジショナ１０とバル
ブ部１５のシステムにおいて、制御演算装置１２の制御
対象となる制御対象部位１７は、制御演算装置が出力す
る制御信号ＭＶ値から、位置センサー１６がセンシング
する弁開度信号ＰＶ値までの信号変換要素の全てを指
す。即ち、制御対象部位１７は、電空変換機構部１３と
圧力増幅器１４とバルブ部１５と位置センサー１６とか
ら構成されることになる。

【００３１】制御演算装置１２では、制御対象部位１７
の持つ飽和性や、非線形特性などが効率良く吸収するた
めに、チューニングを行うにあたって、制御対象部位１
７の特性を測定することにより、正確なチューニングが
できる。本発明においては、このような制御対象部位１
７の特性を、自動的に測定し制御演算装置１２のチュー
ニングパラメータを自動チューニングする。

【００３２】以下、自動チューニングするために必要な
［１］制御対象部位１７の応答速度、［２］制御対象部
位１７のヒステリシス測定、［３］スリップ現象の測
定、［４］電空変換機構部１３の動作点測定、［５］診
断機能の順に説明する。

【００３３】［１］制御対象部位１７の応答速度制御対象部位１７の応答速度とは、制御演算装置１２が
制御演算して生成する制御信号ＭＶの速度を示してい
る。制御対象部位１７の応答速度がわかることにより、
入力信号ＳＰと弁開度信号ＰＶの偏差をどれくらいの割
合で増幅し、制御信号ＭＶとして出力すればよいかが計
算できる。従って、バルブポジショナ１０とバルブ部１
５のシステムのループゲインが決定できる。

【００３４】空気アクチュエーター部２０で駆動してバ
ルブ制御するバルブポジショナ１０の場合、応答速度の
殆どは、圧力増幅器１４が処理できる空気処理能力と、
バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０のサイズ
や、スプリング２２のレンジで決まってくる。空気アク
チュエーター部２０には、図２で示したようなダイヤフ
ラム式のものや、図示しないシリンダー内にピストンを
持つ方式のものがある。

【００３５】工場内で作られる空気圧は、安全性の面と
コスト面から通常１０ｋｇｆ／ｃｍ ²より少ない圧力で
ある。又、１０ｋｇｆ／ｃｍ²がそのままバルブポジシ
ョナ１０に供給されるのではなく、減圧弁で絞った１．
４ｋｇｆ／ｃｍ²から４ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力がバルブポ
ジショナ１０に供給される。一方、バルブ部１５の空気
アクチュエータ部２０は、弁体２４を流れる流体圧に打
ち勝つだけの力を発生しなければならないので、そのダ
イヤフラム２１の面積又はシリンダーの断面積は大きく
設計されている。従って、空気アクチュエータ部２０を
駆動するためには、大容量の空気量が必要になる。

【００３６】ここで、バルブポジショナ１０の圧力増幅
器１４の処理できる空気量には限りがあるので、その応
答速度は圧力増幅器１４が処理できる流量に依存する。
つまり、バルブポジショナ１０の制御対象の応答速度
は、殆どこの空気アクチュエータ部２０が必要とする空
気量と圧力増幅器１４が処理できる空気処理量に支配さ
れている。このようにして、バルブポジショナ１０の応
答速度は、バルブ部１５の空気アクチュエータ部２０の
サイズにより決まると思われがちだが、空気アクチュエ
ータ部２０に空気流量を与え、駆動する圧力増幅器１４
の空気処理流量により決まる。何故ならば、同じ空気ア
クチュエータ部２０のサイズを採用したバルブ部１５で
も、圧力増幅器１４の空気処理能力が多ければ、応答速
度は早くなるが、空気処理能力が少なければ、その応答
速度は遅くなるからである。そして、圧力増幅器１４の
空気処理能力は、バルブポジショナ１０に供給される供
給圧や、バルブ部１５への空気配管の径や長さにより異
なり、バルブポジショナ１０は、どのような条件でバル
ブ部１５に取り付けられるかが選べないのである。

【００３７】このようにして、制御対象部位１７の応答
速度を測定するにあたっては、圧力増幅器１４の処理す
る空気処理量に対しての、バルブ弁開度の応答速度を測
定することによって得られる。具体的には、圧力増幅器
１４が処理できる空気流量の範囲内で一定の空気流量を
バルブ部１５の空気アクチュエータ部２０に与え、弁開
度信号ＰＶの変化速度を測定することにより、応答速度
が測定できる。

【００３８】次に、制御対象部位１７の応答速度の測定
方法について具体的に以下説明する。

【００３９】制御対象部位１７の応答速度を測定する第
１の測定方法は、最も簡単な手法であり、圧力増幅器１
４の入力を最大にして、圧力増幅器１４の吸気空気処理
量を飽和させる。或いは逆に、圧力増幅器１４の入力を
最小にして、圧力増幅器１４の排気空気処理量を飽和さ
せることにより、バルブ部１５の空気アクチュエーター
部２０に供給する空気流量を決定する方法である。その
状態で、位置センサー１６の出力である弁開度信号ＰＶ
の変化速度を測定すればよい。しかしながら、この方法
では以下に示す理由から測定値の誤差が大きく、うまく
測定できない。

【００４０】圧力増幅器１４の最大処理流量をバルブ
部１５に供給することになるので、バルブポジショナ１
０内部の空気回路を流れる場合の圧損の影響が大きくな
る。又、同様にバルブポジショナ１０とバルブ部１５を
連結している空気配管径の圧損が大きくなるためであ
る。比較的小さな空気アクチュエーター部２０を持つ
バルブ部１５の場合、弁開度の変化速度が速すぎて、測
定のばらつきが大きくなる。圧力の変化が大きいの
で、空気流量が一定に保てず、測定誤差が大きくなる。
実際バルブ部１５を制御する時の空気流量の変化量
は、圧力増幅器１４の処理流量の限界値ではないので、
限界値で測定したデータと、実際制御する際の特性に差
があるためである。

【００４１】このような問題点を解決したのが本願発明
に係る圧力増幅器１４における測定手法である。以下、
制御対象部位１７の応答速度を測定する第２の測定方法
について説明する。

【００４２】制御対象部位１７の応答速度を測定する第
２の測定方法は、図３に示した圧力増幅器１４における
測定手法に関するものであり、この圧力増幅器１４は、
供給圧室３０と出力圧室３１を給気弁座３２で連通し、
出力圧室３１と大気圧室３３を排気弁座３４で連通し、
給気弁座３２の開口面積を調節する弁体と排気弁座３４
の開口面積を調節する弁体が一体になったポペット弁３
５が装備されている。排気弁座３４には、出力圧ダイヤ
フラム３６と入力圧ダイヤフラム３７が取り付けられお
り、出力圧ダイヤフラム３６と入力圧ダイヤフラム３７
の中間には、大気圧室３３が設けられ、それぞれ、出力
圧室３１と大気圧室３３、大気圧室３３と入力圧室３８
の空気の流れを遮断している。排気弁座３４は、入力圧
により入力圧ダイヤフラム３７が受ける力と、出力圧に
より出力圧ダイヤフラム３６が受ける力の差の力を受
け、図３に対して、左右方向に移動する構造となってい
る。排気弁座３４が移動することにより、ポペット弁３
５と排気弁座３４の開口面積を変化させることができ、
出力圧室３１の空気量の排気流量を調節することができ
る。又、排気弁座３４がポペット弁３５と接触し、図３
に対して更に左側に動くことにより、排気弁座３４はポ
ペット弁３５を左側に押すことにより、給気弁座３２と
ポペット弁３５の開口面積を変化させることができ、出
力圧室３１に供給圧室３０から空気流量の供給を調節す
ることができる。このようにして、出力圧室３１の空気
量の給排気調節を行い、排気弁座３４はある状態でバラ
ンスし、出力圧を入力圧に応じて変化することができ
る。又、図３の場合は、供給圧室３０と出力圧室３１の
間にブリード孔３９が設けられ、供給圧室３０と出力圧
室３１を一定の面積で連通している。尚、ブリード孔３
９が出力圧室３１と大気圧室３３に設けられている構造
の圧力増幅器も存在する。

【００４３】次に、このような構造からなる圧力増幅器
１４における動作について説明する。

【００４４】先ず、定常状態の場合、入力圧が一定で
あり、排気弁座３４がバランスしている場合に、ポペッ
ト弁３５は供給圧により力を受け、給気弁座３２に押し
つけられている。従って、給気弁座３２は遮断されてい
るが、ブリード孔３９から供給圧室３０の空気が出力圧
室３１へ流れ込む。定常状態では、出力圧と入力圧の関
係は崩れないので、出力圧室３１にブリード孔３９を通
じて流れ込んだ流量は、排気弁座３４とポペット弁３５
が作る隙間から排気されることになる。言い換えれば、
ブリード孔３９から流れ込んだ流量を排気するための開
口面積を保つように、排気弁座３４の位置が力のバラン
スにより決まる。従って、定常状態では、排気弁座３４
とポペット弁３５は接触していない。

【００４５】排気動作をする場合、入力圧が減るか若
しくは何らかの外乱で出力圧が増えた場合、排気弁座３
４は図３に対して、左側に動き、ポペット弁３５との開
口面積が減る。この時、ブリード孔３９から出力圧室３
１に流れ込む流量に対して、出力圧室３１の空気が大気
圧に排気される流量が減るので、出力圧室３１の圧力が
上がる。更に、入力圧を増やした場合、排気弁座３４は
ポペット弁３５に接触し、出力圧室３１と大気圧室３３
の流路を遮断する。この時、すぐに給気弁座３２とポペ
ット弁３５は開かない。何故ならば、ポペット弁３５
は、供給圧からその面積に応じた力を受け、その力は給
気弁座３２で支えられているからである。更に、入力圧
を増やした場合又は何らかの外乱で出力圧が増えた場
合、ポペット弁３５が供給圧室３０から受けている力が
全て、排気弁座３４に移った後に初めて排気弁座３４は
ポペット弁３５を、図３に対して左側に押し開けられ、
給気弁座３２に対して開口面積を調節することができ、
供給圧室３０から出力圧室３１に流れ込む流量を調節す
ることができる。従って、排気弁座３４がポペット弁３
５に接触し、給気弁座３２から押し開けるまでは、ポペ
ット弁３５と給気弁座３２は閉まったままなので、供給
圧室３０から出力圧室３１に流れ込む流量は、ブリード
孔３９の面積により決まるので、その間の入力圧の変化
量、或いは外乱により出力圧の増加量に対して流量の変
化はないので不感帯となる。図４は、入力空気圧と出力
空気流量の特性を示したもので、ブリード孔３９が出力
圧室３１と大気圧室３３の間にある場合は、反対に排気
方向に対して、不感帯が生じる。

【００４６】このように、圧力増幅器１４の動作原理に
より、ポペット弁３５と給気弁座３２、或いは、ポペッ
ト弁３５と排気弁座３４の開口面積を一定に保てれば、
バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０（図２参
照）に送り込む空気流量は一定にできる。この方法は、
電空変換機構部１３にある一定の制御信号ＭＶ値の変化
を加えればよいが、排気弁座３４の変位は、出力圧や、
入力圧のちょっとした変化により変化してしまうので、
ポペット弁３５と給気弁座３２、或いはポペット弁３５
と排気弁座３４の開口面積を一定に保つことは困難であ
る。そこで、圧力増幅器１４の構造と特性に注目し、図
３に示す方式の圧力増幅器１４特有の不感帯を利用し
て、一定の開口面積で供給圧室３０と出力圧室３１、或
いは出力圧室３１と大気圧室３３を保つ方法が考えられ
る。

【００４７】圧力増幅器１４の動作原理で説明したよう
に、この方式の圧力増幅器１４には、入力圧と出力空気
流量の関係に不感帯が存在する。その不感帯を利用する
ことにより、ポペット弁３５と給気弁座３２及び排気弁
座３４の両方が閉まった状態を作り出すのは、比較的容
易である。何故ならば、圧力増幅器１４の不感帯幅は比
較的広いからである。つまり、制御信号ＭＶ値をある範
囲の中に収めることにより、電空変換機構部１３の出力
がある範囲に収まり、圧力増幅器１４の入力圧を圧力増
幅器１４の不感帯内に収めることができる。その状態で
は空気の流れはブリード孔３９を通じてのみとなる。ブ
リード孔３９の面積は固定で決まっており、ブリード孔
３９が供給圧室３０と出力圧室３１の間にある場合は、
バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０に流れ込む
空気流量は一定となる。又、ブリード孔３９が出力圧室
３１と大気圧室３３の間にある場合は、バルブ部１５の
空気アクチュエーター部２０から流れる空気流量は一定
となる。

【００４８】このような状態での、バルブ部１５の弁開
度信号ＰＶの変化速度を測定する。ブリード孔３９の面
積は既知であり一定なので、ブリード孔３９の面積に対
するポペット弁３５と給気弁座３２の関係、或いはポペ
ット弁３５と排気弁座３４の関係に置き換えれば、圧力
増幅器１４が駆動できるバルブ部１５の応答速度が計算
により求めることができる。このような工夫をしても厳
密にいうと、空気アクチュエーター部２０に供給する空
気流量は一定ではない。

【００４９】ところで、圧力増幅器１４が不感帯に入っ
た場合のモデルは、図５のように表わすことができる。
このような場合、ブリード孔３９を流れる空気流量Ｑ
は、絞りの流量の式から次の式１で表すことができる。

【００５０】Ｑ＝Ｃｒ＊Ａ＊Ｐｓ＊Ψ（Ｐｏ／Ｐｓ）・・・・・式１ここで、Ｃｒ：流量係数、Ａ：ブリード孔面積、Ｐｓ：
供給圧、Ｐｏ：出力圧、Ψ（）：特性関数である。

【００５１】上記式１におけるΨ（Ｐo／Ｐs）がＰ1
／Ｐs＜０．５２８の時のΨ（Ｐo／Ｐs）は次の式２で
表すことができる。

【００５２】 Ψ（Ｐｏ／Ｐｓ）＝｛２ｇＫ／（ＲＴ（Ｋ＋１））・（２／（Ｋ＋１）^2/(K-1)｝^1/2・・・・・式２

【００５３】上記式１におけるΨ（Ｐo／Ｐs）が０．
５２８≦Ｐo／Ｐs≦０．９の時のΨ（Ｐo／Ｐs）は次の
式３で表すことができる。

【００５４】 Ψ（Ｐｏ／Ｐｓ）＝｛２ｇＫ／（ＲＴ（Ｋ−１）｝^1/2 ・｛（Ｐｏ／Ｐｓ）^2/K−（Ｐｏ／Ｐｓ）^(K+1)/K｝^1/2・・・・・式３

【００５５】上記式１におけるΨ（Ｐo／Ｐs）が０．
９＜Ｐo＜Ｐsの時のΨ（Ｐo／Ｐs）は次の式４で表すこ
とができる。

【００５６】 Ψ（Ｐｏ／Ｐｓ）＝｛２ｇ／ＲＴ｝^1/2 ・｛（Ｐｏ／Ｐｓ）−（Ｐｏ／Ｐｓ）²｝^1/2・・・・・式４

【００５７】但し、ｇ＝９８０ｃｍ／ｓ２、ｋ＝比熱比
（空気＝１．４）、Ｒ＝気体定数２９２７ｃｍ／°ｋ、
Ｔ＝絶対温度°ｋ、Ｃｒ＝流量係数、Ａ＝面積（ｃ
ｍ²）、Ｐ１、Ｐ２＝絶対圧力ｋｇｆ／ｃｍ²である。

【００５８】従って、Ψ（Ｐo／Ｐs）がＰo／Ｐs／０．
５２８の状態で測定すれば、流量Ｑは一定となるが、Ψ
（Ｐo／Ｐs）がＰo／Ｐs≦０．５２８の状態で測定した
場合、出力圧Ｐoの変化により、流量Ｑが変化してしま
う。しかし、これも、供給圧Ｐｓに対し、出力圧Ｐｏが
小さく、圧力変化の少ない区間で測定することにより、
誤差を小さくすることができる。

【００５９】又、この方法の場合、電空変換機構部１３
の応答速度が考慮されていないが、電空変換機構部１３
の応答速度は、圧力増幅器１４とバルブ部１５の空気ア
クチュエーター部１５の応答速度に対して十分早いの
で、考慮しなくとも測定誤差の中に埋もれてしまう。
又、電空変換機構部１３の応答速度をある一定値で考慮
することにより、制御対象部位１７の応答速度が求めら
れる。

【００６０】次に、具体的な応答速度を測定するための
手順をフローチャートを参照して説明する。

【００６１】第１の測定方法の手順について、図６に示
すフローチャートを参照して説明する。

【００６２】先ず、設定信号を受けて測定が開始する
と、制御信号ＭＶ値の初期化が行われるステップＳＴ１
０）。弁開度信号ＰＶ値が予め設定されている値Ｙ１よ
り低くなることを確認し、低くなると、次に、制御信号
ＭＶ＝初期値＋ΔＭＶとして、圧力増幅器１４の不感帯
の不感帯に排気弁座３４を入れる（ステップＳＴ１１、
ＳＴ１２）。この状態で、ポペット弁３５と給気弁座３
２と排気弁座３４は閉まった状態となり、ブリード孔３
９だけは、バルブ部１５の空気アクチュエーター部２０
に空気の流量を与える。

【００６３】次に、弁開度信号ＰＶ値が予め設定されて
いる値Ｙ１を超えるのを確認する（ステップＳＴ１
３）。Ｙ１を超えるのを確認した後に、タイマーをスタ
ートさせ、弁開度信号ＰＶ値がＹ１の値よりも大きな予
め設定されている値Ｙ２を超えるのを確認する。Ｙ２を
超えるのを確認した後にタイマーをストップさせる（ス
テップＳＴ１４、ＳＴ１５、ＳＴ１６）。

【００６４】そして、応答速度を移動したＹ２−Ｙ１の
値とそれに要した時間で割ることにより求める。そし
て、チューニングパラメータであるループゲインを応答
速度から求めて測定は終了する（ステップＳＴ１７、Ｓ
Ｔ１８）。

【００６５】次に、第２の測定方法の手順について、図
７に示すフローチャートを参照して説明する。

【００６６】先ず、設定信号を受け測定が開始される
と、制御信号ＭＶ値を初期化する（ステップＳＴ２
０）。そして、弁開度信号ＰＶ値が予め設定されている
値Ｙ１より低くなることを確認する。Ｙ１より低くなる
ことを確認した後に、制御信号ＭＶ＝初期値＋ΔＭＶと
して、圧力増幅器１４の不感帯に排気弁座３４を入れる
（ステップＳＴ２１、ＳＴ２２）。この状態でポペット
弁３５と給気弁座３２と排気弁座３４は閉まった状態と
なり、ブリード孔３９だけで、バルブ部１５の空気アク
チュエーター部２０に空気の流量を与える。そして、弁
開度信号ＰＶ値がＹ１を超えるのを確認する（ステップ
ＳＴ２３）。Ｙ１を超えたことを確認した後にタイマー
をスタートさせる。そして、タイマーをスタートさせた
後に単位時間待つ（ステップＳＴ２４、ＳＴ２５）。

【００６７】単位時間経った時の弁開度信号ＰＶ値をＹ
２とする（ステップＳＴ２６）。応答速度を移動したＹ
２−Ｙ１の値とそれに要した単位時間で割ることにより
求める。そして、チューニングパラメータであるループ
ゲインを応答速度から求めて測定は終了する（ステップ
ＳＴ２７）。

【００６８】［２］制御対象部位１７のヒステリシス測
定制御対象部位１７のヒステリシスとは、制御演算装置１
２が出力する制御信号ＭＶから、位置センサー１６が出
力する弁開度信号ＰＶまでの入出力関係に存在するヒス
テリシスのことである。このヒステリシスは、制御対象
部位１７の特性の非線形性の代表格であり、その特性が
制御に与える影響は大きい。制御対象部位１７がヒステ
リシスを抜けるまで、弁開度信号ＰＶは変化しないの
で、制御信号ＭＶを与えた時から、弁開度信号ＰＶが変
化するまで遅れ時間が生じる。この遅れ時間は無駄時間
となり、大きな位相遅れ要因となる。従って、制御演算
装置１２が例えばＰＩＤ制御アルゴリズムを持っている
とすると、位相補償を行っている微分時間や、積分時間
のチューニングパラメータに影響する。

【００６９】このヒステリシスの測定手法は、図１に示
す電空変換機構部１３、圧力増幅器１４のヒステリシス
を予めわかっているとすると、バルブ部１５のヒステリ
シスを直接測定する手法である。

【００７０】このバルブ部１５のヒステリシスの測定
は、図８に示すように、制御信号ＭＶをバルブ部１５か
ら得られる弁開度信号ＰＶが変化するまで増加させ、弁
開度信号ＰＶが変化した後に、制御信号ＭＶをバルブ部
１５から得られた弁開度信号ＰＶが逆方向に変化するま
で減少させる。この一連の動作のバルブ部１５の駆動信
号である圧力信号と弁開度信号ＰＶを記憶することによ
り、バルブ部１５のヒステリシスは計算できる。このよ
うにして、一連の圧力信号と弁開度信号ＰＶのデータを
測定することにより、ヒステリシスを測定できるが、デ
ータ量が多くなるため、メモリなどのハードウエアのリ
ソースが大量に必要になる。従って、ステムの動きを監
視し、図８のとの圧力のデータのみを記憶すること
により、ヒステリシスを計算することもできる。

【００７１】しかしながら、この方法では、バルブ部１
５の駆動信号である圧力を測定するセンサーが必要にな
るので、コスト、消費電力の点から不利になる。又、こ
の方法の場合、バルブ部１５のヒステリシスしか測定で
きないというデメリットもある。

【００７２】バルブ部１５の駆動信号を検出するセンサ
ーがなくとも、ヒステリシスを測定する方法もある。そ
の方法とは、制御信号ＭＶと弁開度信号ＰＶの入出力関
係を測定することによりヒステリシスを測定する方法で
ある。

【００７３】即ち、制御信号ＭＶをゆっくり変化させ、
弁開度信号ＰＶの変化を検出し、弁開度信号ＰＶに変化
が現れたときの制御信号ＭＶ値であるＭＶ１を記録し、
制御信号ＭＶを今まで変化した方向と逆方向に変化さ
せ、弁開度信号ＰＶ値が変化した時の制御信号ＭＶ値で
あるＭＶ２を記録し、ＭＶ１−ＭＶ２によりヒステリシ
スは求められる。

【００７４】しかし、この方法は、バルブポジショナ１
０とバルブ部１５をオープンループにして測定するた
め、制御信号ＭＶ値の変化に対して、電空変換機構部１
３＋圧力増幅器１４のゲインが高く設定されている場合
は測定が困難である。従って、本発明では、バルブポジ
ショナ１０とバルブ部１５をクローズトループにして、
測定する方法を提案するものである。

【００７５】制御演算装置１２の制御アルゴリズムを、
少なくとも比例制御を持つ制御アルゴリズムとする。例
えば、比例制御、或いは比例、微分制御とする。この制
御アルゴリズムに、ある入力値を与え、弁開度信号ＰＶ
の値を整定したことを確認して入力信号ＳＰをゆっくり
と変化させていく。弁開度信号ＰＶの値が入力の変化に
反応した時点の入力信号ＳＰのＳＰ１を記録する。次
に、入力信号ＳＰをそれまで変化してきた方向と逆方向
にゆっくりと変化させる。弁開度信号ＰＶの値が入力の
変化に対応した時点の入力信号ＳＰ２を記録する。

【００７６】このアルゴリズムは比例制御である場合、
制御ループの外乱（この場合ヒステリシス）は、制御ル
ープのループゲイン分の１となり、定常偏差が残る。

【００７７】ここで、図９に示すように、ユニティフィ
ードバックのシステムを考えた場合、下記の式５で表す
ことができる。

【００７８】Ｙ（Ｓ）＝ＳＰ（Ｓ）＊Ｇ（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））＋Ｄ（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））・・・・・式５ここで、Ｇ（Ｓ）：システムの伝達関数、ＳＰ（Ｓ）：
入力信号、Ｄ（Ｓ）：システム全体の流れ、Ｙ（Ｓ）：
ステム変位である。

【００７９】今、ＳＰ１（Ｓ）からＳＰ２（Ｓ）までＹ
（Ｓ）に変化がなかったとすると、次の式６、式７を得
ることができる。

【００８０】Ｙ１（Ｓ）＝ＳＰ１（Ｓ）＊Ｇ（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））＋Ｄ１（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））・・・・・式６

【００８１】Ｙ２（Ｓ）＝ＳＰ２（Ｓ）＊Ｇ（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））＋Ｄ２（Ｓ）／（１＋Ｇ（Ｓ））・・・・・式７

【００８２】Ｄ（Ｓ）の変化量がヒステリシスに当た
る。ここで、Ｙ１（Ｓ）＝Ｙ２（Ｓ）なので上式をまと
め、Ｄ（Ｓ）の変化量の式に直すと次の式８になる。

【００８３】Ｄ２（Ｓ）−Ｄ１（Ｓ）＝（ＳＰ１（Ｓ）−ＳＰ２（Ｓ））＊Ｇ（Ｓ）・・・式８このように、ヒステリシスは入力の変化にループゲイン
を掛けた式になる。

【００８４】ヒステリシスには符号がないので、Ｈｙｓ＝｜ＳＰ１−ＳＰ２｜＊ループゲインで求めることができる。

【００８５】具体的なヒステリシスの測定方法につい
て、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。

【００８６】先ず、測定信号を受け測定が開始される
と、制御演算装置１２の制御アルゴリズムを比較制御す
る（ステップＳＴ３０）。ループゲインをヒステリシス
測定用設定パラメータに置き換えると共に、入力信号Ｓ
Ｐを初期値に設定する（ステップＳＴ３１）。弁開度信
号ＰＶの値が静止するのを待つ（ステップＳＴ３２）。
弁開度信号ＰＶが静止している場合は、入力信号ＳＰ＝
ＳＰ＋ΔＳＰとし、入力信号ＳＰを少しずつ増加させる
方向に変化させる（ステップＳＴ３３、ＳＴ３４）。弁
開度信号ＰＶが動き出したら、その時の入力信号ＳＰの
値をＳＰ１として記憶する（ステップＳＴ３３、ＳＴ３
５）。弁開度信号ＰＶが静止するのを待つ（ステップＳ
Ｔ３６）。弁開度信号ＰＶが静止している場合は、入力
信号ＳＰ＝ＳＰ−ΔＳＰとし、入力信号ＳＰを少しずつ
減少させる方向に変化させる（ステップＳＴ３７、ＳＴ
３８）。弁開度信号ＰＶが動き出したら、その時の入力
信号ＳＰの値をＳＰ２として記憶する（ステップＳＴ３
９）。Ｈｙｓ＝｜ＳＰ１−ＳＰ２｜＊ループゲインの式
でヒステリシスを求める（ステップＳＴ４０）。Ｈｙｓ
の値をもとに、制御パラメータの計算を行う。微分時間
＝ｆ（Ｈｙｓ）、積分時間＝ｆ（ＨｙS）である。

【００８７】［３］スリップ現象の測定スリップ現象を起こした場合のステムの動きは、図１１
に示すように、バルブの駆動信号である圧力信号を増加
させていき、バルブ部１５がヒステリシスを抜けた瞬
間、バルブの弁開度信号は素早く動き、その後、圧力の
変化に応じた変化速度に落ち着く。このように、ヒステ
リシスを抜けた瞬間、弁開度信号が滑るような動きをす
る現象をスリップ現象と呼び、この現象が大きく制御性
に影響する。

【００８８】具体的には、スリップ現象を起こしている
区間は、制御不能状態である。従って、例えば、０．１
パーセントなどの微少な弁開度を制御しようとした場
合、スリップ現象を起こすと、０．１パーセントの位置
で弁開度が静止できないため、行き過ぎが生じてしま
う。行き過ぎが生じた時、行き過ぎを戻そうとして、制
御演算装置１２が逆側に制御する。この時、又、行き過
ぎが生じ、この繰り返しでリミットサイクルが起こる。
リミットサイクルを止めるためには、スリップ現象が起
こる区間では、積極的に制御を行わないようにすればよ
い。従って、スリップ現象を起こす区間は制御アルゴリ
ズムを変更するなどの処理が必要になってくる。スリッ
プ現象を、バルブのヒステリシスで説明したが、この現
象は、位置センサーとステムとのリンク機構のガタが原
因で起こる。従って、制御対象全体の特性で測定する必
要がある。

【００８９】測定方法としては、制御演算装置１２が出
力する制御信号ＭＶをゆっくり変化させ、弁開度信号Ｐ
Ｖの変化のようすを測定する。現象としては、制御対象
がヒステリシスや不感帯などを抜けた瞬間、弁開度信号
がある幅だけ素早く動き、その後は正常な変化をするの
で、弁開度信号の変化速度を測定すればよい。弁開度信
号ＰＶが静止している状態から、弁開度信号ＰＶが動き
出す時の変化速度のようすを示したのが図１２である。
図１２において、弁開度信号ＰＶの変化速度の変極点を
検出すれば、スリップ現象の幅が測定できる。

【００９０】つまり、図１１において、弁開度信号ＰＶ
が静止している時の弁開度信号ＰＶ信号の値であるＰＶ
３を記憶し、弁開度信号ＰＶの変化速度の変極点の時の
弁開度信号ＰＶをＰＶ４とすることにより、スリップ幅
は、スリップ幅＝｜ＰＶ４−ＰＶ３｜で求める。

【００９１】又、単に、弁開度信号ＰＶが静止している
初期値をＰＶ３とし、制御信号ＭＶの値を変化させてや
り、弁開度信号ＰＶが動き出した後、短いある一定時間
後の弁開度信号ＰＶをＰＶ４とすることにより、スリッ
プ現象のデータとしてもよい。但し、この場合、測定誤
差が大きくなる可能性はある。

【００９２】具体的なスリップ現象の測定方法につい
て、図１３のフローチャートを参照して説明する。

【００９３】先ず、測定信号を受け測定がスタートす
る。制御信号ＭＶ＝初期値に設定する（ステップＳＴ５
０）。弁開度信号ＰＶが静止するまで待つ（ステップＳ
Ｔ５１）。制御信号ＭＶ＝ＭＶ＋ΔＭＶとし、ゆっくり
と制御信号を、弁開度信号ＰＶ値が動くまで変化させる
（ステップＳＴ５２、ＳＴ５３）。この作業により、い
ったん制御対象のヒステリシスをリセットさせる。次
に、弁開度信号ＰＶが静止するまで待つ。弁開度信号Ｐ
Ｖが静止した時のＰＶ値をＰＶ３として記憶する。即
ち、ＰＶ３＝ＰＶとする（ステップＳＴ５４、ＳＴ５
５）。

【００９４】次に、制御信号ＭＶ＝ＭＶ−ΔＭＶとし、
ゆっくりと制御信号を今までとは逆方向に変化させる。
今回の弁開度信号ＰＶの変化速度を測定する。弁開度信
号ＰＶの変化速度の変極点を検出するまで繰り返す（ス
テップＳＴ５６、ＳＴ５７、ＳＴ５８、ＳＴ５９）。

【００９５】そして、弁開度信号ＰＶの変化速度の変極
点を検出した時の弁開度信号をＰＶ４として記憶する。
即ち、ＰＶ４＝ＰＶ、スリップ幅＝｜ＰＶ４−ＰＶ３
｜、制御アルゴリズムの切り替え条件＝ｆ（スリップ
幅）で決定する（ステップＳＴ６０、ＳＴ６１）。

【００９６】［４］電空変換機構部１３の動作点測定電空変換機構部１３は、ノズルフラッパー機構を電磁ア
クチュエータで駆動し、ノズル背圧を変化させることに
より、電空変換を行っている。この電空変換機構部１３
はバルブポジショナ１０の場合、外部から供給される電
気的エネルギーが制限されているため、ローパワーで働
くことが求められ、電磁アクチュエータに供給できるエ
ネルギーが限られている。従って、電空変換機構部１３
に求められる変換ゲインを稼ぐために、ノズルフラッパ
機構の前段の空気流量を絞り、ノズルフラッパー機構の
ゲインを上げている。その結果、ノズルとフラッパーの
僅かな間隙で、電空変換を行うことになり、外乱に対し
て敏感になっていることと、バルブポジショナ１０に供
給される供給圧の範囲は広いため、実際の動作点に対
し、電空変換機構部１３の駆動信号は大幅に広く設計
し、外乱や供給圧変動による動作点ズレを吸収できるよ
うな設計になっている。

【００９７】制御演算装置１２は、内部に積分器を積ん
でおり、外乱に応じて制御信号ＭＶを変化させ、外乱を
吸収している。従って、電源立ち上げ時などのリセット
後、積分器の値がリセットされた場合、電空変換機構部
１３の動作点がずれてしまい、積分器がワインドアップ
した状態のように、バルブ部１５からの弁開度信号ＰＶ
が定常値に戻るまでには長い時間を要し、素早く立ち上
がれない。

【００９８】この問題を解決するために、積分器の出力
を不揮発性メモリ等に記憶させておけば、電源立ち上げ
時などのリセット時でも電空変換機構部１３の動作点ズ
レは少なくてすむが、積分器の出力を不揮発性メモリな
どに記憶することは実質的にできない。何故ならば、不
揮発性メモリには更新回数の限界値があるため、データ
を定期更新した場合、いずれ劣化して故障してしまうた
めである。

【００９９】この問題の解決方法としては、電空変換機
構部１３の動作点を測定し、動作点をオフセット（Ｏｆ
ｆｓｅｔ）として、不揮発性メモリに記憶しておくこと
により、電源立ち上げ時等のリセット時にデータをロー
ドすることにより、動作点が補正できる。

【０１００】ＰＩＤ制御アルゴリズムを例にすると、例
えば、電空変換機構部１３の動作点が制御信号ＭＶ＝５
０である場合、積分器のリセット時の初期値がゼロであ
る場合、入力信号ＳＰと弁開度信号ＰＶの偏差をＥとす
ると、積分器出力＝１／Ｔｉ∫Ｅｄｔ＝５０になるま
で、定常偏差が残る（Ｔｉ；積分時間）。特に、積分時
間が長い場合は、定常偏差がなくなるまで時間がかか
る。従って、予め電空変換機構部１３の動作点を測定し
てＯｆｆｓｅｔ値として記憶しておき、ＰＩＤ演算部に
たし込んでやれば、動作点補正ができ、たとえ積分器が
リセットされても、立ち上がり時間は大幅に改善でき
る。即ち、制御信号ＭＶ＝Ｋｐ＊（Ｐ＋Ｉ＋Ｄ）＋Ｏｆ
ｆｓｅｔとすればよい。

【０１０１】測定方法は、制御演算装置１２の制御アル
ゴリズムを少なくとも積分器がある制御アルゴリズムに
設定し、入力信号ＳＰを５０パーセントに設定し、偏差
が設定値、例えば±１パーセントに入るまで待つ。この
時の制御信号ＭＶの値をＯｆｆｓｅｔ値として記憶す
る。このようにすることによって、次からのリセット時
からの立ち上がり時間を短縮できる。

【０１０２】具体的な電空変換機構部１３の動作点の測
定方法について、図１４に示すフローチャートを参照し
て説明する。

【０１０３】先ず、設定信号を受け測定が開始される。
制御演算装置の制御アルゴリズムを比例積分（ＰＩ）制
御にする（ステップＳＴ７０）。入力信号ＳＰに初期値
を与える制御が始まり、弁開度信号ＰＶが入力信号ＳＰ
に近づく（ステップＳＴ７１）。入力信号ＳＰと弁開度
信号ＰＶの偏差がある設定値以下になるまで制御を続け
る。偏差がある設定値以下になった時点での制御信号Ｍ
Ｖ値をＯｆｆｓｅｔとして記憶する。そして測定は終了
する（ステップＳＴ７２、ＳＴ７３）。

【０１０４】［５］診断機能について制御対象部位１７の特性を、測定し、自動チューニング
をする際、測定した制御対象部位１７の特性が一般的な
制御対象部位と比べて、大きく逸脱した特性が得られた
場合、それは、バルブポジショナ１０のインスタレーシ
ョンエラーとも考えられるので、エラーメッセージ又は
ワーニングメッセージを出すことができるようにする。
例えば、制御対象部位１７の応答速度測定結果が通常の
値より、桁違いに遅い結果が出た場合は、バルブ部１５
の空気アクチュエーター部２０（図２参照）の漏れや、
供給空気圧の設定ミスなどが考えられる。又、制御対象
部位１７のヒステリシスの測定結果が、通常の値より大
きい場合は、バルブ部１５のカジリや、変位センサーの
ステムへのリンクの異常等が考えられる。また、制御対
象部位１７のスリップ幅の測定結果が、通常の値より大
きい場合は、位置センサー１６の故障やバルブ部１５の
故障が考えられる。更に、電空変換機構部１３の動作点
の測定結果が、通常の値より大きくずれている場合は、
供給空気圧の設定ミスや、電空変換機構部１３の故障な
どが考えられる。このような場合、自動チューニングが
終わった後、作業者に知らせるようなメッセージを出力
するようにする。

【０１０５】

【発明の効果】上記説明したように、本発明に係るバル
ブポジショナは次に示すような効果を有する。

【０１０６】（１）バルブポジショナに自動チューニン
グ機能を備えたことにより、作業者を選ばず、誰でも容
易にバルブポジショナのチューニングができるようにな
るという効果がある。

【０１０７】（２）又、バルブポジショナに自動チュー
ニング機能を備えることにより、バルブポジショナの立
ち上がり工数を減らすことができるという効果がある。

【０１０８】（３）更に、制御対象部位の特性から演算
によりチューニングパラメータを求めることにより、正
確なチューニングができるという効果がある。

【０１０９】（４）制御対象部位の応答速度を測定する
ことにより、バルブの特性のみならず、より正確なチュ
ーニング情報が得られるという効果がある。

【０１１０】（５）制御対象部位のヒステリシスを測定
することにより、より正確なチューニング情報が得られ
るという効果がある。

【０１１１】（６）制御対象部位のスリップ幅を測定す
ることにより、より正確なチューニング情報が得られる
という効果がある。

【０１１２】（７）電空変換機構部の動作点を測定する
ことにより、バルブポジショナのリセット時からの立ち
上がり時間を短くできるという効果がある。

【０１１３】（８）制御対象部位を測定し、測定結果に
よってはエラーメッセージ又はワーニングメッセージを
出すことにより、ポジショナのインスタレーションエラ
ーを未然に妨げることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るバルブポジショナの全体構成を略
示的に示したブロック図である。

【図２】同図１におけるバルブ部を略示的に示した説明
図である。

【図３】同図１における圧力増幅器の構造を示した平面
図である。

【図４】同図３における圧力増幅器におけるノズル背圧
と空気流量特性による不感帯を示したグラフである。

【図５】同図３における圧力増幅器のブリード孔の構成
を示した説明図である。

【図６】同制御対象部位における応答速度を測定する手
法を示したフローチャートである。

【図７】同制御対象部位における応答速度を測定する手
法を示したフローチャートである。

【図８】同バルブ部のヒステリシスを計算するための手
法を示した説明図である。

【図９】同ユニティフィードバックのシステムを示した
概念図である。

【図１０】同ヒステリシスを求めるためのフローチャー
トである。

【図１１】同スリップ現象を起こした場合のステムの動
きを示した説明図である。

【図１２】同ステム速度の変極点を示したグラフであ
る。

【図１３】同スリップ幅を測定するための具体的な測定
方法を示したフローチャートである。

【図１４】同積分器を搭載した制御演算装置における制
御信号を測定する手法を示したフローチャートである。

【符号の説明】

１０；バルブポジショナ、１１；信号受信装置、１２；
制御演算装置、１３；電空変換機構部、１４；圧力増幅
器、１５；バルブ部、１６；位置センサー、１７；制御
対象部位、２０；空気アクチュエーター部、２１；ダイ
ヤフラム、２２；スプリング、２３；ステム、２４；弁
体、３０；供給圧室、３１；出力圧室、３２；給気弁
座、３３；大気圧室、３４；排気弁座、３５；ポペット
弁、３６；出力圧ダイアフラム、３７；入力圧ダイアフ
ラム、３８；入力圧室、３９；ブリード孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｆ１６Ｋ 17/32 Ｆ１６Ｋ 17/32 ９Ａ００１ 31/126 31/126 ＺＦターム(参考） 3H001 AA01 AB10 AC03 AD04 AE12 3H056 AA01 BB24 CA07 CB01 CC02 CC05 CC20 CD04 DD10 EE01 EE06 GG12 3H060 AA03 BB03 CC32 DC05 DC14 DD04 EE08 HH06 3H065 AA01 BA01 BA07 BB12 BB26 BC13 5H004 GA11 GA28 GA30 HA07 HB07 KA62 KB02 KB04 KB06 KB39 KC32 KC45 KC48 KD70 LA05 LA06 LA07 LA17 MA05 MA41 9A001 KK32 LL05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バルブの弁開度を設定する入力信号と、該
バルブの弁開度を検出する位置センサーと、該位置セン
サーにより得られた弁開度信号と前記入力信号との偏差
から前記バルブの弁開度を該入力信号に一致させるよう
に制御演算して制御信号を生成する制御演算部と、該制
御信号に基づいた空気流量を生成する電空変換機構部
と、該電空変換機構部において生成された空気流量に基
づく空気圧を前記バルブに供給する圧力増幅器とからな
るバルブポジショナであって、前記電空変換機構部と圧力増幅器と位置センサーとバル
ブとで構成されている制御対象部位は、自動設定信号を
受けた時に、前記制御演算部の制御信号を生成するため
のチューニングパラメータを前記制御対象部位のそれぞ
れの特性を自動測定して演算により求めると共に、現在
のチューニングパラメータと置き換えるようにしたこと
を特徴とするバルブポジショナ。
【請求項２】バルブの弁開度を設定する入力信号と、該
バルブの弁開度を検出する位置センサーと、該位置セン
サーにより得られた弁開度信号と前記入力信号との偏差
から前記バルブの弁開度を該入力信号に一致させるよう
に制御演算して制御信号を生成する制御演算部と、該制
御信号に基づいた空気流量を生成する電空変換機構部
と、該電空変換機構部において生成された空気流量に基
づく空気圧を前記バルブに供給する圧力増幅器とからな
るバルブポジショナであって、前記電空変換機構部と圧力増幅器と位置センサーとバル
ブとで構成されている制御対象部位は、自動設定信号を
受けた時に、該制御対象部位の応答速度を自動測定し、
該自動測定した応答速度のパラメータにより前記制御演
算部の制御信号を生成するためのチューニングパラメー
タを演算することを特徴とするバルブポジショナ。
【請求項３】上記請求項２のバルブポジショナにおい
て、前記制御対象部位の応答速度の自動測定は、前記電
空変換機構部の出力を飽和させ、その時のバルブの応答
速度を測定することであることを特徴とするバルブポジ
ショナ。
【請求項４】上記請求項２のバルブポジショナにおい
て、前記制御対象部位の応答速度の自動測定は、前記電
空変換機構部の出力の変化速度を一定に維持した状態に
しておき、その時のバルブの応答速度を測定することで
あることを特徴とするバルブポジショナ。
【請求項５】上記請求項３又は４のバルブポジショナに
おいて、前記バルブの応答速度の測定は、前記バルブが
第１の弁開度から第２の弁開度に変化する際の時間を測
定することであることを特徴とするバルブポジショナ。
【請求項６】上記請求項３又は４のバルブポジショナに
おいて、前記バルブの応答速度の測定は、前記バルブの
第１の弁開度を前記位置センサーにおいて検出して得ら
れた弁開度信号を通過した後に、ある単位時間後の弁開
度信号を測定することであることを特徴とするバルブポ
ジショナ。
【請求項７】上記請求項４のバルブポジショナにおい
て、前記電空変換機構部の出力の変化速度を一定に維持
した状態にするのは、該電空変換機構部の構造上生じる
不感帯を利用することであることを特徴とするバルブポ
ジショナ。
【請求項８】バルブの弁開度を設定する入力信号と、該
バルブの弁開度を検出する位置センサーと、該位置セン
サーにより得られた弁開度信号と前記入力信号との偏差
から前記バルブの弁開度信号を該入力信号に一致させる
ように制御演算して制御信号を生成する制御演算部と、
該制御信号に基づいた空気流量を生成する電空変換機構
部と、該電空変換機構部において生成された空気流量に
基づく空気圧をバルブに供給する圧力増幅器とからなる
バルブポジショナであって、前記制御演算部は、その制御演算において少なくとも一
つの積分器を用いて、前記弁開度信号と前記入力信号の
偏差が予め設定されている範囲内に入ったことを検出
し、その時の前記制御演算部から出力される制御信号を
動作開始基準信号とすると共に所定の記憶部に記憶する
ようにしたことを特徴とするバルブポジショナ。
【請求項９】上記請求項８のバルブポジショナにおい
て、前記記憶部に記憶してある動作開始基準信号は前記
制御演算部から出力する制御信号の基準点として使用す
ることを特徴とするバルブポジショナ。
【請求項１０】バルブの弁開度を設定する入力信号と、
該バルブの弁開度を検出する位置センサーと、該位置セ
ンサーにより得られた弁開度信号と前記入力信号との偏
差から前記バルブの弁開度を該入力信号に一致させるよ
うに制御演算して制御信号を生成する制御演算部と、該
制御信号に基づいた空気流量を生成する電空変換機構部
と、該電空変換機構部において生成された空気流量に基
づく空気圧をバルブに供給する圧力増幅器とからなるバ
ルブポジショナであって、前記電空変換機構部と圧力増幅器と位置センサーとバル
ブとで構成されている制御対象部位は、自動設定信号を
受けた時に、該制御対象部位のヒステリシスを自動測定
し、該自動測定したヒステリシスのパラメータにより前
記制御演算部で生成する制御信号のチューニングパラメ
ータを演算することを特徴とするバルブポジショナ。
【請求項１１】上記請求項１０のバルブポジショナにお
いて、前記制御対象部位のヒステリシスの自動測定は、
前記バルブに供給する駆動信号を検出するセンサーを具
備し、該センサーの検出に基づいてバルブの入出力特性
を測定することにより、バルブのヒステリシスを演算に
より求めて測定することを特徴とするバルブポジショ
ナ。
【請求項１２】上記請求項１０のバルブポジショナにお
いて、前記制御対象部位のヒステリシスの自動測定は、
前記制御演算部の制御演算においては少なくとも比較器
を用いた制御アルゴリズムにより行い、前記入力信号を
変化させて前記バルブの弁開度信号を監視し、該弁開度
信号が反応した時の入力信号ＳＰ１を記憶し、次に前記
入力信号の変化方向を反転させ、前記バルブの弁開度信
号が逆向きに反応した時の入力信号ＳＰ２を記憶し、次
に記憶してある入力信号ＳＰ１、ＳＰ２の差分から前記
制御対象部位のヒステリシスを演算により求めて測定す
ることを特徴とするバルブポジショナ。
【請求項１３】上記請求項１２のバルブポジショナにお
いて、前記制御対象部位のヒステリシスの演算は、前記
入力信号ＳＰ１、ＳＰ２の差に、前記バルブのステムの
ループゲインを掛け算した値を使用することを特徴とす
るバルブポジショナ。
【請求項１４】バルブの弁開度を設定する入力信号と、
該バルブの弁開度を検出する位置センサーと、該位置セ
ンサーにより得られた弁開度信号と前記入力信号との偏
差から前記バルブの弁開度を該入力信号に一致させるよ
うに制御演算して制御信号を生成する制御演算部と、該
制御信号に基づいた空気流量を生成する電空変換機構部
と、該電空変換機構部において生成された空気流量に基
づく空気圧をバルブに供給する圧力増幅器とからなるバ
ルブポジショナであって、前記電空変換機構部と圧力増幅器と位置センサーとバル
ブとで構成されている制御対象部位は、自動設定信号を
受けた時に、前記バルブの弁開度が静止した状態から動
き出す時に生じるスリップ現象のスリップ幅を測定し、
該測定したスリップ幅からなるパラメータによって前記
制御演算部で生成する制御信号のチューニングパラメー
タを演算することを特徴とするバルブポジショナ。
【請求項１５】上記請求項１４のバルブポジショナにお
いて、前記スリップ幅を測定する際に、前記バルブの弁
開度信号が静止していることを確認し、その時の弁開度
ＰＶ１を記憶し、前記制御信号を変化させた時に前記弁
開度信号が反応する際の弁開度信号の変化速度を測定
し、弁開度信号の変化速度の変極点の時の弁開度信号Ｐ
Ｖ２を記憶し、前記弁開度信号ＰＶ１とＰＶ２の差を、
前記バルブのスリップ幅とすると共に該スリップ幅の値
を記憶することを特徴とするバルブポジショナ。
【請求項１６】上記請求項１４のバルブポジショナにお
いて、前記スリップ幅を測定する際に、前記弁開度信号
が静止しているのを確認し、その時の弁開度ＰＶ１を記
憶し、次に前記制御信号を変化させた時に前記バルブの
弁開度信号が反応した後に、予め設定した短い時間後の
弁開度信号ＰＶ２を記憶し、前記弁開度信号ＰＶ１とＰ
Ｖ２の差を、前記バルブのスリップ幅とすると共に該ス
リップ幅の値を記憶することを特徴とするバルブポジシ
ョナ。
【請求項１７】バルブの弁開度を設定する入力信号と、
該バルブの弁開度を検出する位置センサーと、該位置セ
ンサーにより得られた弁開度信号と前記入力信号との偏
差から前記バルブの弁開度を該入力信号に一致させるよ
うに制御演算して制御信号を生成する制御演算部と、該
制御信号に基づいた空気流量を生成する電空変換機構部
と、該電空変換機構部において生成された空気流量に基
づく空気圧をバルブに供給する圧力増幅器とからなるバ
ルブポジショナであって、前記電空変換機構部と圧力増幅器と位置センサーとバル
ブとから構成されている制御対象部位は、自動設定信号
を受けた時に、前記制御対象部位の特性を測定し、該測
定した制御対象部位の特性の値が制御対象部位の特性か
らなる許容範囲情報の値を逸脱した場合には、外部に通
信手段を通じて異常信号を出力することを特徴とするバ
ルブポジショナ。