流量制御方法
【課題】配管内に生ずる圧力等の状態変化に対応可能な比例制御動作を行うに際して、比例ゲインを自動的に更新し、良好な制御を行う。
【解決手段】オフラインにおいて、予め制御弁２の開度と流量の勾配の逆数と、勾配を制御弁２の最大開度における最大流量により除して得られる正規化比例定数Ｋｚと、最大開度での制御弁２の固有抵抗Ｒ０を初期値として設定し、
オンラインにおいて、制御弁２の入口４と出口５間の第１の圧力損失△Ｐと、流量計３による流量Ｆとから成る複数のデータを逐時に測定して、第１の圧力損失ΔＰと流量Ｆとから、制御弁２と流量計３の間に生ずる第２の圧力損失ΔＥと制御弁２の最大開度での全抵抗ｒとを演算により求め、予め設定してあった正規化比例定数Ｋｚとから新たな比例勾配Ｋｅを求め、その逆数から適切な比例ゲイン（１／Ｋｅ）を求めて比例制御動作に使用する。
【解決手段】オフラインにおいて、予め制御弁２の開度と流量の勾配の逆数と、勾配を制御弁２の最大開度における最大流量により除して得られる正規化比例定数Ｋｚと、最大開度での制御弁２の固有抵抗Ｒ０を初期値として設定し、
オンラインにおいて、制御弁２の入口４と出口５間の第１の圧力損失△Ｐと、流量計３による流量Ｆとから成る複数のデータを逐時に測定して、第１の圧力損失ΔＰと流量Ｆとから、制御弁２と流量計３の間に生ずる第２の圧力損失ΔＥと制御弁２の最大開度での全抵抗ｒとを演算により求め、予め設定してあった正規化比例定数Ｋｚとから新たな比例勾配Ｋｅを求め、その逆数から適切な比例ゲイン（１／Ｋｅ）を求めて比例制御動作に使用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流量を制御する流量制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の流量制御システムでは、流体の流量を制御するために比例制御動作を使用する方法が数多く使用されている。これらの比例制御動作を使用した流量制御法では、流量制御システムを工場から出荷し、又は現場で配管に設置する際に、最適と思われる比例ゲインを制御装置に固定的に設定し、流量計からの流量情報に基づいて、目標とする流量と流量計から得られる現実の流量との間に偏差が生じないようにフィードバックして制御弁を駆動する。
【０００３】
しかし、上述の比例ゲインは制御システムに使われる制御弁の入口側の圧力が一定の状態において、制御弁の開度と流量との関係から最適化されるもので、制御弁の入口側の圧力が変動した場合には最適化の条件が満たされなくなる結果、初期に固定設定された比例ゲインによる最適な制御は保証されなくなり、応答の速い流量制御の実施が困難になる虞れがある。
【０００４】
また、制御弁を使う流量制御方法においては、ステッピングモータの回転運動がスライド運動に変換されてダイヤフラムやニードル等の流量調節部を駆動し、流体が制御弁を通過するときの通過断面積を調整することが行われる。即ち、流体の通過断面積はニードル等がスライドする距離に比例するため、制御弁の開度もパルスで入力するステップの数によって調整可能と考えられている。
【０００５】
しかし、現実に駆動パルスと制御弁の動きを連動させようとすると、特に高速で作動させる場合には、制御弁が駆動パルス通りに駆動しない脱調現象が屡々生じ、与えたパルスの数に応じた制御弁の開度が得られなくなって、制御弁の最適な開度を一義的に決められない不具合が生ずる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように従来の流量制御方法では、配管内の圧力や流量、温度などの環境条件、特に前述した制御弁２の入口側の圧力が大きく変化すると、最初に設定された比例ゲインは必ずしも最適ではなくなる。従って、 制御弁の開度を調整しようとしても、特に少量の流体制御の場合にはオーバシュートやアンダシュート等の問題が生じて応答性が低下し、安定した流量制御が不可能になる。また、環境条件に的確に対応するには、きめ細かな圧力測定が必要になって制御システムが複雑になる。
【０００７】
本発明の目的は、上述した問題点を解消し、配管内における圧力等の状態変化に対応できるように、比例制御動作を行うに際して、最適な比例ゲインに自動的に更新し、簡素な制御システムを用いて良好な制御を行う流量制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る流量制御方法は、流量計により流体の流量を計測し、比例ゲインを用いた比例制御動作により制御弁を駆動して流量制御を行う場合に、予めオフラインにおいて制御プロセスの条件を求めておき、オンラインにおいてこれらの条件を使用して前記比例ゲインを更新し、更新した前記比例ゲインを用いて流量制御を行う流量制御方法において、前記オフラインにおいては、前記制御弁の入口側の圧力を一定にして、前記制御弁を全閉状態と最大開度の間で駆動して、前記制御弁の開度と前記流量計から得た流量との対応関係から求めた勾配の逆数と、前記制御弁の最大開度における流量により前記勾配を除して得られる正規化比例定数と、前記制御弁の最大開度における制御弁の固有抵抗とを予め求めて演算制御装置に設定すると共に、前記制御弁の入口から前記流量計を経て前記流量計出口間に生ずる第２の圧力損失と、前記制御弁を最大開度にしたときに制御弁、配管、流量計に発生する全抵抗との初期値を前記演算制御装置に予め入力する予備工程を有し、前記オンラインにおいては、作動中の前記制御弁により生ずる前記制御弁の前後の差圧である第１の圧力損失と、前記流量計によりそのときの流量とを逐時に求める第１の工程と、該第１の工程で得られた前記第１の圧力損失と前記流量とから成る複数のデータを基に、前記制御弁と前記流量計を含む配管により生ずる第２の圧力損失と、前記制御弁の最大開度における前記制御弁と前記流量計とを含む配管による全抵抗とを演算で求める第２の工程と、該第２の工程で求めた前記第２の圧力損失と前記全抵抗とに基づいて、前記制御弁の最大開度での流量を演算によって求める第３の工程と、該第３の工程で求めた前記制御弁の前記最大開度での流量と前記オフラインで設定した前記正規化比例定数とを基に前記勾配を算出し、その逆数から新たな前記比例ゲインを求めて前記演算制御装置に設定する第４の工程と、前記流量計により流量を測定しながら前記比例ゲインを用いた比例制御動作により前記制御弁を駆動して前記流量をフィードバック制御する第５の工程とから成り、前記第１〜第５の工程を繰り返すことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る流量制御方法は、簡素な制御システムを用いて、最適な比例ゲインを自動的に得て、良好な流量制御を行う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明を図示の実施例に基づいて詳細を説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は流量制御システムの構成図である。流体が流れる配管１に、開度を調整して流量を調整する制御弁２、流量を測定する流量計３が直列的に配置されている。制御弁２の入口４と出口５には、その間の圧力損失を測定する差圧センサ６の検出端が接続されており、差圧センサ６の出力、流量計３の出力は演算制御装置７に接続され、演算制御装置７の出力は制御弁２に接続されている。
【００１２】
流体は配管１の配管入口側から流入し、制御弁２の入口４と出口５の間の圧力損失は差圧センサ６によって測定される。制御弁２によって流量を調節された流体は、流量計３によってその流量が測定されて流量計出口８に至る。
【００１３】
差圧センサ６で計測された制御弁２の入口４と出口５の圧力差である第１の圧力損失と、流量計３により測定した流量値とは逐次に演算制御装置７に送られる。これらの情報は、後述するように演算制御装置７内で演算処理され、制御弁２の開度を制御する信号として出力される。
【００１４】
流量制御用の制御弁２には、様々な種類の弁が使用可能であるが、本実施例ではニードル弁が使われている。また、流量計３についても種々の型のものが使用可能であるが、本実施例においては超音波式流量計が用いられている。
【００１５】
本実施例の眼目は、制御弁２の入口４の圧力変化によって最適値からずれるに至った比例制御動作（Ｐ動作）の比例ゲインを、オンラインで適切に更新してゆくことにある。比例制御動作に当っては、制御弁２の作動中に入口４と出口５との間に生ずる第１の圧力損失と、流量計３で得られる流量とを基に、制御弁２を最大開度まで開放した時の流量を推定することにより適切な比例ゲインを得て、この比例ゲインを用いてフィードバック制御する。
【００１６】
図２は制御弁２の入口４の圧力Ｐの下で制御弁２の開度ｄを変えて、得られた流量Ｆをグラフ化したものである。これにより、初期の立ち上がり部分から勾配Ｋと、制御弁２を全閉状態から最大開度ｄｐまで開いた時の流量Ｆｐが定義される。
【００１７】
図３は入口４の圧力をＰａ〜Ｐｄまで変えた場合のグラフ図である。図３から、各圧力における勾配Ｋａ、Ｋｂ、Ｋｃ、Ｋｄと最大開度ｄｐでの流量Ｆａｐ、Ｆｂｐ、Ｆｃｐ、Ｆｄｐがそれぞれ求められる。
【００１８】
図４は各開度における流量値を、それぞれの制御弁２の最大開度ｄｐでの流量Ｆａｐ、Ｆｂｐ、Ｆｃｐ、Ｆｄｐで除して正規化した流量をグラフ化したものである。図４に示すように正規化された流量は、制御弁２の入口４の圧力がＰａからＰｄまで変化しても、制御弁２の開度に対してはほぼ一致して概略１本の曲線で表されるようになり、この曲線の立ち上がりの線形部分から、入口４の圧力には依存しない正規化された比例定数Ｋｚが定義される。この正規化比例定数Ｋｚは圧力に依存しないため、入口４の圧力が一定の状態で求めた開度と流量の直線部分の勾配を、最大開度ｄｐでの流量Ｆｐで除すことによって求めることができる。
【００１９】
正規化比例定数Ｋｚは図３に示す入口４の各圧力に応じた勾配（Ｋａ〜Ｋｄ）と、それぞれの制御弁２の最大開度ｄｐにおける流量（Ｆａｐ〜Ｆｄｐ）との比に相当し、次の（１）式で表すことができる。
Ｋｚ＝Ｋａ／Ｆａｐ＝Ｋｂ／Ｆｂｐ＝Ｋｃ／Ｆｃｐ＝Ｋｄ／Ｆｄｐ・・（１）
【００２０】
図３から分かるように、いま流量制御時の環境条件が変化して、入口４の圧力が例えば図示しないＰｅになったとすると、そのときの勾配Ｋｅ及びその逆数である比例ゲイン（１／Ｋｅ）も変わるはずである。この際に、勾配Ｋｅは（１）式を変換した（２）式のように表すことができる。
Ｋｅ＝Ｋｚ×Ｆｅｐ ・・・（２）
【００２１】
（２）式は求めるべき勾配Ｋｅが正規化比例定数Ｋｚに最大開度ｄｐの流量Ｆｅｐを乗ずることにより得られることを示している。このとき、正規化比例定数Ｋｚは前述の方法に従って、入口４の或る一定の圧力における勾配と最大開度ｄｐでの流量から求め、予め演算制御装置７に記憶させておけばよいが、入口４の圧力が変化した場合の最大開度ｄｐでの流量については、これを制御動作中に毎回計測することは事実上不可能に近い。
【００２２】
この課題を解消するために、本実施例では制御弁２の前後の第１の圧力損失と流量計３で測定した流量とから、制御弁２の最大開度ｄｐでの流量Ｆｐを自動的に推定している。
【００２３】
図５は上記システムをモデル化した等価回路であり、等価回路の各記号を次のように定義する。
【００２４】
ΔＰ：制御弁２の入口４と出口５との間の差圧センサ６で実測される第１の圧力損失。
ΔＥ：制御弁２の入口４から流量計３を経て流量計出口８間に生ずる推定の第２の圧力損失。
Ｆ：流量計３で実測される流量。
ｒ’：入口４と流量計出口８との間の制御弁２を除いた流量計３、配管１内の抵抗。
ｒ：制御弁２を最大開度ｄｐにしたときに制御弁２、配管１、流量計３に発生する推定の全抵抗（ｒ＝Ｒ０＋ｒ’）。
Ｒ０：最大開度ｄｐにおいて制御弁２が有する固有抵抗。
Ｒ：制御弁２の開度に依存する制御弁２の抵抗であり、固有抵抗Ｒ０に上乗せされた制御弁２の抵抗であって、開度が大きくなると共に減少し、最大開度ｄｐではＲ＝０と見倣せる。
【００２５】
図５に示した本システムの等価回路から、第１、第２の圧力損失ΔＰ、ΔＥに関して、次の（３）、（４）式が誘導される。
ΔＰ＝（Ｒ＋Ｒ０）×Ｆ ・・・（３）
ΔＰ＝ΔＥ−ｒ’×Ｆ ・・・（４）
【００２６】
（３）、（４）式を展開すると、次式が得られる。
（Ｒ＋Ｒ０）×Ｆ＝ΔＥ−ｒ’×Ｆ
（Ｒ＋Ｒ０＋ｒ’）×Ｆ＝ΔＥ
【００２７】
この式から、Ｆ＝ΔＥ／（Ｒ＋Ｒ０＋ｒ’）の関係が求まる。ここで、最大開度ｄｐのときはＲ＝０になると見倣すことができ、また制御弁２の最大開度ｄｐにおける全抵抗ｒは前述の通り、ｒ＝Ｒ０＋ｒ’になるため、最大開度ｄｐでの流量Ｆｐは、次の（５）式によって求まることになる。
Ｆｐ＝ΔＥ／ｒ ・・・（５）
【００２８】
このように、制御弁２の最大開度ｄｐの時の流量Ｆｐは、配管１内の第２の圧力損失ΔＥと、制御弁２の最大開度ｄｐにおける全抵抗ｒから演算により求まる。
【００２９】
以上の考え方に基づいて、（６）式に従って最大流量Ｆｐを求め、（２）式に戻って得た比例勾配Ｋｅから比例ゲイン（１／Ｋｅ）を求めて自動的に更新する。そのために、予めオフラインにおいて制御プロセスの条件を求めておき、オンラインにおいてこれらの条件を使用して比例ゲインを更新すればよい。
【００３０】
図６は実施例１の動作のフローチャート図を示す。演算制御装置７に内蔵したプログラムによりオフラインのステップＳ１においては、予備工程として、前述の方法で求めた制御弁２の開度と流量との対応関係から求めた勾配の逆数と、正規化比例定数Ｋｚと、制御弁２の最大開度における固有抵抗Ｒ０をそれぞれ求めて、演算制御装置７にプロセスの定数として予め入力する。
【００３１】
制御弁２の固有抵抗Ｒ０は、制御弁２の最大開度ｄｐにおいて定義される固定抵抗である。また、制御弁２の入口４と出口５間に生ずる第１の圧力損失ΔＰは制御弁２の最大開度ｄｐでの流量Ｆｐに比例するので、（６）式が成立する。
ΔＰ＝Ｒ０×Ｆｐ ・・・・・・・・・（６）
【００３２】
固有抵抗Ｒ０を求めるには、制御弁２を最大開度ｄｐまで開き、制御弁２の入口４の圧力を変えて、複数の第１の圧力損失ΔＰと最大開度ｄｐでの流量Ｆｐの複数のデータを得て（６）式に代入し、連立方程式を解けばよい。
【００３３】
第２の圧力損失ΔＥ、制御弁２の最大開度ｄｐの全抵抗ｒについては、初期値として、例えば仮の値を演算制御装置７に記憶しておけばよい。
【００３４】
オンラインにおいては、ステップＳ２で制御弁２の入口４と出口５との間に生ずる流体の第１の圧力損失ΔＰ、流量計３による流量とを逐時に求め、複数組のデータを取り込んで、演算制御装置７に記憶する。
【００３５】
ここに第１の圧力損失ΔＰは、制御弁２が最大開度ｄｐのときの全抵抗ｒ＝Ｒ０＋ｒ’の関係を（４）式に代入した（７）式によって表される。
ΔＰ＝ΔＥ−（ｒ−Ｒ０）×Ｆ ・・・・・（７）
【００３６】
ステップＳ３において、流量計３で求めた流量Ｆと、第１の圧力損失ΔＰの複数組のデータと、予め入力されている抵抗Ｒ０とを、（７）式にそれぞれ代入した複数の式による連立方程式を解くと、運転中の第２の圧力損失ΔＥ、制御弁２の最大開度ｄｐの全抵抗ｒを求めることができる。得られた第２の圧力損失ΔＥ、制御弁２の最大開度ｄｐの全抵抗ｒはそれまでの記憶値と置換され、演算制御装置７に記憶される。
【００３７】
更にステップＳ４において、ステップＳ３で求めた第２の圧力損失ΔＥと、全抵抗ｒを（５）式に代入すると、制御弁２の最大開度ｄｐでの最大流量Ｆｐが新たに算出される。比例ゲイン（１／Ｋｆ）は最大流量ＦｐとオフラインのステップＳ１で初期設定しておいた正規化比例定数Ｋｚから、次の（８）式に従って求められる。得られた比例ゲイン（１／Ｋｆ）は新たな最適値として更新される。
１／Ｋｆ＝１／（Ｋｚ×Ｆｐ） ・・・（８）
【００３８】
そしてステップＳ５において、この比例ゲイン（１／Ｋｆ）を用いて制御弁２を駆動する。
【００３９】
このように、ステップＳ２〜Ｓ５の手順に従って、逐時に最適な比例ゲイン（１／Ｋｆ）を求めて、演算制御装置７で自動更新することを繰り返し、この比例ゲインによるフィードバックによる比例動作制御を行うことにより、継続して応答性の良い流量制御が可能になる。
【００４０】
これまで、制御弁２の最大開度ｄｐとそれに対応する流量を最大流量Ｆｐと定義したが、最大開度ｄｐとは必ずしも制御弁２を全開した状態での開度とする必要はなく、制御の際に制御弁２が通常に作動する開度範囲を規定し、その開度範囲内で最も開いた状態を最大開度ｄｐとしてもよい。
【実施例２】
【００４１】
図７は実施例２の動作フローチャート図である。実施例１の図６のステップＳ２とＳ３の間に、ステップＳ１１、Ｓ１２が加えられている。
【００４２】
実際に、オンラインで流体の流量を制御する場合に、制御弁２の入口４の圧力の僅かな変化に敏感に対応して比例ゲインを頻繁に変更するよりは、第１の圧力損失ΔＰの変化量に所定の閾値を設けて、一定以上の変化幅が得られた場合にのみ、比例ゲインを更新した方が制御が円滑になる場合がある。
【００４３】
そのため、実施例２のステッ プＳ１１では、実施した制御弁２による第１の圧力損失ΔＰと流量Ｆとから、記憶されている第２の圧力損失ΔＥから制御弁２の抵抗ｒ’（ｒ’＝ｒ−Ｒ０）による圧力損失を差し引いた値との差を求め、それをパラメータＭと定義する。このパラメータＭは（９）式のように表される。
Ｍ＝｜ΔＥ−（ｒ−Ｒ０）×Ｆ−ΔＰ｜ ・・・（９）
【００４４】
運転中はパラメータＭの変化から現在設定されている比例ゲインが最適かどうかを常に監視し、ステップＳ１２でパラメータＭが閾値を超えて、比例ゲインの最適状態からのずれを確認すると、それを更新する作業を次のステップＳ３において行う。つまり、パラメータＭが閾値を超えた場合には、ステップＳ３で第２の圧力損失△Ｅ、全抵抗ｒを求め、ステップＳ４で新たな比例ゲイン（１／Ｋｆ）を求め、ステップＳ５に進む。
【００４５】
一方、パラメータＭが閾値よりも小さければ、現在設定されている比例ゲインでよいと判断し、ステップＳ３、Ｓ４を省略し、ステップＳ５に進む。
【００４６】
ステップＳ５においては、得られている比例ゲイン（１／Ｋｆ）により実施例１と同様な制御を行う。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】制御システムの構成図である。
【図２】一定圧力における開度と流量の関係のグラフ図である。
【図３】複数の入力圧力の基で、制御弁の開度と流量の関係のグラフ図である。
【図４】正規化後の流量と制御弁の開度との関係のグラフ図である。
【図５】等価回路図である。
【図６】実施例１の動作フローチャート図である。
【図７】実施例２の動作フローチャート図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 配管
２ 制御弁
３ 流量計
４ 制御弁入口
５ 制御弁出口
６ 差圧センサ
７ 演算制御装置
８ 流量計出口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流量を制御する流量制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の流量制御システムでは、流体の流量を制御するために比例制御動作を使用する方法が数多く使用されている。これらの比例制御動作を使用した流量制御法では、流量制御システムを工場から出荷し、又は現場で配管に設置する際に、最適と思われる比例ゲインを制御装置に固定的に設定し、流量計からの流量情報に基づいて、目標とする流量と流量計から得られる現実の流量との間に偏差が生じないようにフィードバックして制御弁を駆動する。
【０００３】
しかし、上述の比例ゲインは制御システムに使われる制御弁の入口側の圧力が一定の状態において、制御弁の開度と流量との関係から最適化されるもので、制御弁の入口側の圧力が変動した場合には最適化の条件が満たされなくなる結果、初期に固定設定された比例ゲインによる最適な制御は保証されなくなり、応答の速い流量制御の実施が困難になる虞れがある。
【０００４】
また、制御弁を使う流量制御方法においては、ステッピングモータの回転運動がスライド運動に変換されてダイヤフラムやニードル等の流量調節部を駆動し、流体が制御弁を通過するときの通過断面積を調整することが行われる。即ち、流体の通過断面積はニードル等がスライドする距離に比例するため、制御弁の開度もパルスで入力するステップの数によって調整可能と考えられている。
【０００５】
しかし、現実に駆動パルスと制御弁の動きを連動させようとすると、特に高速で作動させる場合には、制御弁が駆動パルス通りに駆動しない脱調現象が屡々生じ、与えたパルスの数に応じた制御弁の開度が得られなくなって、制御弁の最適な開度を一義的に決められない不具合が生ずる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように従来の流量制御方法では、配管内の圧力や流量、温度などの環境条件、特に前述した制御弁２の入口側の圧力が大きく変化すると、最初に設定された比例ゲインは必ずしも最適ではなくなる。従って、 制御弁の開度を調整しようとしても、特に少量の流体制御の場合にはオーバシュートやアンダシュート等の問題が生じて応答性が低下し、安定した流量制御が不可能になる。また、環境条件に的確に対応するには、きめ細かな圧力測定が必要になって制御システムが複雑になる。
【０００７】
本発明の目的は、上述した問題点を解消し、配管内における圧力等の状態変化に対応できるように、比例制御動作を行うに際して、最適な比例ゲインに自動的に更新し、簡素な制御システムを用いて良好な制御を行う流量制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る流量制御方法は、流量計により流体の流量を計測し、比例ゲインを用いた比例制御動作により制御弁を駆動して流量制御を行う場合に、予めオフラインにおいて制御プロセスの条件を求めておき、オンラインにおいてこれらの条件を使用して前記比例ゲインを更新し、更新した前記比例ゲインを用いて流量制御を行う流量制御方法において、前記オフラインにおいては、前記制御弁の入口側の圧力を一定にして、前記制御弁を全閉状態と最大開度の間で駆動して、前記制御弁の開度と前記流量計から得た流量との対応関係から求めた勾配の逆数と、前記制御弁の最大開度における流量により前記勾配を除して得られる正規化比例定数と、前記制御弁の最大開度における制御弁の固有抵抗とを予め求めて演算制御装置に設定すると共に、前記制御弁の入口から前記流量計を経て前記流量計出口間に生ずる第２の圧力損失と、前記制御弁を最大開度にしたときに制御弁、配管、流量計に発生する全抵抗との初期値を前記演算制御装置に予め入力する予備工程を有し、前記オンラインにおいては、作動中の前記制御弁により生ずる前記制御弁の前後の差圧である第１の圧力損失と、前記流量計によりそのときの流量とを逐時に求める第１の工程と、該第１の工程で得られた前記第１の圧力損失と前記流量とから成る複数のデータを基に、前記制御弁と前記流量計を含む配管により生ずる第２の圧力損失と、前記制御弁の最大開度における前記制御弁と前記流量計とを含む配管による全抵抗とを演算で求める第２の工程と、該第２の工程で求めた前記第２の圧力損失と前記全抵抗とに基づいて、前記制御弁の最大開度での流量を演算によって求める第３の工程と、該第３の工程で求めた前記制御弁の前記最大開度での流量と前記オフラインで設定した前記正規化比例定数とを基に前記勾配を算出し、その逆数から新たな前記比例ゲインを求めて前記演算制御装置に設定する第４の工程と、前記流量計により流量を測定しながら前記比例ゲインを用いた比例制御動作により前記制御弁を駆動して前記流量をフィードバック制御する第５の工程とから成り、前記第１〜第５の工程を繰り返すことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る流量制御方法は、簡素な制御システムを用いて、最適な比例ゲインを自動的に得て、良好な流量制御を行う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明を図示の実施例に基づいて詳細を説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は流量制御システムの構成図である。流体が流れる配管１に、開度を調整して流量を調整する制御弁２、流量を測定する流量計３が直列的に配置されている。制御弁２の入口４と出口５には、その間の圧力損失を測定する差圧センサ６の検出端が接続されており、差圧センサ６の出力、流量計３の出力は演算制御装置７に接続され、演算制御装置７の出力は制御弁２に接続されている。
【００１２】
流体は配管１の配管入口側から流入し、制御弁２の入口４と出口５の間の圧力損失は差圧センサ６によって測定される。制御弁２によって流量を調節された流体は、流量計３によってその流量が測定されて流量計出口８に至る。
【００１３】
差圧センサ６で計測された制御弁２の入口４と出口５の圧力差である第１の圧力損失と、流量計３により測定した流量値とは逐次に演算制御装置７に送られる。これらの情報は、後述するように演算制御装置７内で演算処理され、制御弁２の開度を制御する信号として出力される。
【００１４】
流量制御用の制御弁２には、様々な種類の弁が使用可能であるが、本実施例ではニードル弁が使われている。また、流量計３についても種々の型のものが使用可能であるが、本実施例においては超音波式流量計が用いられている。
【００１５】
本実施例の眼目は、制御弁２の入口４の圧力変化によって最適値からずれるに至った比例制御動作（Ｐ動作）の比例ゲインを、オンラインで適切に更新してゆくことにある。比例制御動作に当っては、制御弁２の作動中に入口４と出口５との間に生ずる第１の圧力損失と、流量計３で得られる流量とを基に、制御弁２を最大開度まで開放した時の流量を推定することにより適切な比例ゲインを得て、この比例ゲインを用いてフィードバック制御する。
【００１６】
図２は制御弁２の入口４の圧力Ｐの下で制御弁２の開度ｄを変えて、得られた流量Ｆをグラフ化したものである。これにより、初期の立ち上がり部分から勾配Ｋと、制御弁２を全閉状態から最大開度ｄｐまで開いた時の流量Ｆｐが定義される。
【００１７】
図３は入口４の圧力をＰａ〜Ｐｄまで変えた場合のグラフ図である。図３から、各圧力における勾配Ｋａ、Ｋｂ、Ｋｃ、Ｋｄと最大開度ｄｐでの流量Ｆａｐ、Ｆｂｐ、Ｆｃｐ、Ｆｄｐがそれぞれ求められる。
【００１８】
図４は各開度における流量値を、それぞれの制御弁２の最大開度ｄｐでの流量Ｆａｐ、Ｆｂｐ、Ｆｃｐ、Ｆｄｐで除して正規化した流量をグラフ化したものである。図４に示すように正規化された流量は、制御弁２の入口４の圧力がＰａからＰｄまで変化しても、制御弁２の開度に対してはほぼ一致して概略１本の曲線で表されるようになり、この曲線の立ち上がりの線形部分から、入口４の圧力には依存しない正規化された比例定数Ｋｚが定義される。この正規化比例定数Ｋｚは圧力に依存しないため、入口４の圧力が一定の状態で求めた開度と流量の直線部分の勾配を、最大開度ｄｐでの流量Ｆｐで除すことによって求めることができる。
【００１９】
正規化比例定数Ｋｚは図３に示す入口４の各圧力に応じた勾配（Ｋａ〜Ｋｄ）と、それぞれの制御弁２の最大開度ｄｐにおける流量（Ｆａｐ〜Ｆｄｐ）との比に相当し、次の（１）式で表すことができる。
Ｋｚ＝Ｋａ／Ｆａｐ＝Ｋｂ／Ｆｂｐ＝Ｋｃ／Ｆｃｐ＝Ｋｄ／Ｆｄｐ・・（１）
【００２０】
図３から分かるように、いま流量制御時の環境条件が変化して、入口４の圧力が例えば図示しないＰｅになったとすると、そのときの勾配Ｋｅ及びその逆数である比例ゲイン（１／Ｋｅ）も変わるはずである。この際に、勾配Ｋｅは（１）式を変換した（２）式のように表すことができる。
Ｋｅ＝Ｋｚ×Ｆｅｐ ・・・（２）
【００２１】
（２）式は求めるべき勾配Ｋｅが正規化比例定数Ｋｚに最大開度ｄｐの流量Ｆｅｐを乗ずることにより得られることを示している。このとき、正規化比例定数Ｋｚは前述の方法に従って、入口４の或る一定の圧力における勾配と最大開度ｄｐでの流量から求め、予め演算制御装置７に記憶させておけばよいが、入口４の圧力が変化した場合の最大開度ｄｐでの流量については、これを制御動作中に毎回計測することは事実上不可能に近い。
【００２２】
この課題を解消するために、本実施例では制御弁２の前後の第１の圧力損失と流量計３で測定した流量とから、制御弁２の最大開度ｄｐでの流量Ｆｐを自動的に推定している。
【００２３】
図５は上記システムをモデル化した等価回路であり、等価回路の各記号を次のように定義する。
【００２４】
ΔＰ：制御弁２の入口４と出口５との間の差圧センサ６で実測される第１の圧力損失。
ΔＥ：制御弁２の入口４から流量計３を経て流量計出口８間に生ずる推定の第２の圧力損失。
Ｆ：流量計３で実測される流量。
ｒ’：入口４と流量計出口８との間の制御弁２を除いた流量計３、配管１内の抵抗。
ｒ：制御弁２を最大開度ｄｐにしたときに制御弁２、配管１、流量計３に発生する推定の全抵抗（ｒ＝Ｒ０＋ｒ’）。
Ｒ０：最大開度ｄｐにおいて制御弁２が有する固有抵抗。
Ｒ：制御弁２の開度に依存する制御弁２の抵抗であり、固有抵抗Ｒ０に上乗せされた制御弁２の抵抗であって、開度が大きくなると共に減少し、最大開度ｄｐではＲ＝０と見倣せる。
【００２５】
図５に示した本システムの等価回路から、第１、第２の圧力損失ΔＰ、ΔＥに関して、次の（３）、（４）式が誘導される。
ΔＰ＝（Ｒ＋Ｒ０）×Ｆ ・・・（３）
ΔＰ＝ΔＥ−ｒ’×Ｆ ・・・（４）
【００２６】
（３）、（４）式を展開すると、次式が得られる。
（Ｒ＋Ｒ０）×Ｆ＝ΔＥ−ｒ’×Ｆ
（Ｒ＋Ｒ０＋ｒ’）×Ｆ＝ΔＥ
【００２７】
この式から、Ｆ＝ΔＥ／（Ｒ＋Ｒ０＋ｒ’）の関係が求まる。ここで、最大開度ｄｐのときはＲ＝０になると見倣すことができ、また制御弁２の最大開度ｄｐにおける全抵抗ｒは前述の通り、ｒ＝Ｒ０＋ｒ’になるため、最大開度ｄｐでの流量Ｆｐは、次の（５）式によって求まることになる。
Ｆｐ＝ΔＥ／ｒ ・・・（５）
【００２８】
このように、制御弁２の最大開度ｄｐの時の流量Ｆｐは、配管１内の第２の圧力損失ΔＥと、制御弁２の最大開度ｄｐにおける全抵抗ｒから演算により求まる。
【００２９】
以上の考え方に基づいて、（６）式に従って最大流量Ｆｐを求め、（２）式に戻って得た比例勾配Ｋｅから比例ゲイン（１／Ｋｅ）を求めて自動的に更新する。そのために、予めオフラインにおいて制御プロセスの条件を求めておき、オンラインにおいてこれらの条件を使用して比例ゲインを更新すればよい。
【００３０】
図６は実施例１の動作のフローチャート図を示す。演算制御装置７に内蔵したプログラムによりオフラインのステップＳ１においては、予備工程として、前述の方法で求めた制御弁２の開度と流量との対応関係から求めた勾配の逆数と、正規化比例定数Ｋｚと、制御弁２の最大開度における固有抵抗Ｒ０をそれぞれ求めて、演算制御装置７にプロセスの定数として予め入力する。
【００３１】
制御弁２の固有抵抗Ｒ０は、制御弁２の最大開度ｄｐにおいて定義される固定抵抗である。また、制御弁２の入口４と出口５間に生ずる第１の圧力損失ΔＰは制御弁２の最大開度ｄｐでの流量Ｆｐに比例するので、（６）式が成立する。
ΔＰ＝Ｒ０×Ｆｐ ・・・・・・・・・（６）
【００３２】
固有抵抗Ｒ０を求めるには、制御弁２を最大開度ｄｐまで開き、制御弁２の入口４の圧力を変えて、複数の第１の圧力損失ΔＰと最大開度ｄｐでの流量Ｆｐの複数のデータを得て（６）式に代入し、連立方程式を解けばよい。
【００３３】
第２の圧力損失ΔＥ、制御弁２の最大開度ｄｐの全抵抗ｒについては、初期値として、例えば仮の値を演算制御装置７に記憶しておけばよい。
【００３４】
オンラインにおいては、ステップＳ２で制御弁２の入口４と出口５との間に生ずる流体の第１の圧力損失ΔＰ、流量計３による流量とを逐時に求め、複数組のデータを取り込んで、演算制御装置７に記憶する。
【００３５】
ここに第１の圧力損失ΔＰは、制御弁２が最大開度ｄｐのときの全抵抗ｒ＝Ｒ０＋ｒ’の関係を（４）式に代入した（７）式によって表される。
ΔＰ＝ΔＥ−（ｒ−Ｒ０）×Ｆ ・・・・・（７）
【００３６】
ステップＳ３において、流量計３で求めた流量Ｆと、第１の圧力損失ΔＰの複数組のデータと、予め入力されている抵抗Ｒ０とを、（７）式にそれぞれ代入した複数の式による連立方程式を解くと、運転中の第２の圧力損失ΔＥ、制御弁２の最大開度ｄｐの全抵抗ｒを求めることができる。得られた第２の圧力損失ΔＥ、制御弁２の最大開度ｄｐの全抵抗ｒはそれまでの記憶値と置換され、演算制御装置７に記憶される。
【００３７】
更にステップＳ４において、ステップＳ３で求めた第２の圧力損失ΔＥと、全抵抗ｒを（５）式に代入すると、制御弁２の最大開度ｄｐでの最大流量Ｆｐが新たに算出される。比例ゲイン（１／Ｋｆ）は最大流量ＦｐとオフラインのステップＳ１で初期設定しておいた正規化比例定数Ｋｚから、次の（８）式に従って求められる。得られた比例ゲイン（１／Ｋｆ）は新たな最適値として更新される。
１／Ｋｆ＝１／（Ｋｚ×Ｆｐ） ・・・（８）
【００３８】
そしてステップＳ５において、この比例ゲイン（１／Ｋｆ）を用いて制御弁２を駆動する。
【００３９】
このように、ステップＳ２〜Ｓ５の手順に従って、逐時に最適な比例ゲイン（１／Ｋｆ）を求めて、演算制御装置７で自動更新することを繰り返し、この比例ゲインによるフィードバックによる比例動作制御を行うことにより、継続して応答性の良い流量制御が可能になる。
【００４０】
これまで、制御弁２の最大開度ｄｐとそれに対応する流量を最大流量Ｆｐと定義したが、最大開度ｄｐとは必ずしも制御弁２を全開した状態での開度とする必要はなく、制御の際に制御弁２が通常に作動する開度範囲を規定し、その開度範囲内で最も開いた状態を最大開度ｄｐとしてもよい。
【実施例２】
【００４１】
図７は実施例２の動作フローチャート図である。実施例１の図６のステップＳ２とＳ３の間に、ステップＳ１１、Ｓ１２が加えられている。
【００４２】
実際に、オンラインで流体の流量を制御する場合に、制御弁２の入口４の圧力の僅かな変化に敏感に対応して比例ゲインを頻繁に変更するよりは、第１の圧力損失ΔＰの変化量に所定の閾値を設けて、一定以上の変化幅が得られた場合にのみ、比例ゲインを更新した方が制御が円滑になる場合がある。
【００４３】
そのため、実施例２のステッ プＳ１１では、実施した制御弁２による第１の圧力損失ΔＰと流量Ｆとから、記憶されている第２の圧力損失ΔＥから制御弁２の抵抗ｒ’（ｒ’＝ｒ−Ｒ０）による圧力損失を差し引いた値との差を求め、それをパラメータＭと定義する。このパラメータＭは（９）式のように表される。
Ｍ＝｜ΔＥ−（ｒ−Ｒ０）×Ｆ−ΔＰ｜ ・・・（９）
【００４４】
運転中はパラメータＭの変化から現在設定されている比例ゲインが最適かどうかを常に監視し、ステップＳ１２でパラメータＭが閾値を超えて、比例ゲインの最適状態からのずれを確認すると、それを更新する作業を次のステップＳ３において行う。つまり、パラメータＭが閾値を超えた場合には、ステップＳ３で第２の圧力損失△Ｅ、全抵抗ｒを求め、ステップＳ４で新たな比例ゲイン（１／Ｋｆ）を求め、ステップＳ５に進む。
【００４５】
一方、パラメータＭが閾値よりも小さければ、現在設定されている比例ゲインでよいと判断し、ステップＳ３、Ｓ４を省略し、ステップＳ５に進む。
【００４６】
ステップＳ５においては、得られている比例ゲイン（１／Ｋｆ）により実施例１と同様な制御を行う。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】制御システムの構成図である。
【図２】一定圧力における開度と流量の関係のグラフ図である。
【図３】複数の入力圧力の基で、制御弁の開度と流量の関係のグラフ図である。
【図４】正規化後の流量と制御弁の開度との関係のグラフ図である。
【図５】等価回路図である。
【図６】実施例１の動作フローチャート図である。
【図７】実施例２の動作フローチャート図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 配管
２ 制御弁
３ 流量計
４ 制御弁入口
５ 制御弁出口
６ 差圧センサ
７ 演算制御装置
８ 流量計出口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流量計により流体の流量を計測し、比例ゲインを用いた比例制御動作により制御弁を駆動して流量制御を行う場合に、予めオフラインにおいて制御プロセスの条件を求めておき、オンラインにおいてこれらの条件を使用して前記比例ゲインを更新し、更新した前記比例ゲインを用いて流量制御を行う流量制御方法において、
前記オフラインにおいては、前記制御弁の入口側の圧力を一定にして、前記制御弁を全閉状態と最大開度の間で駆動して、前記制御弁の開度と前記流量計から得た流量との対応関係から求めた勾配の逆数と、前記制御弁の最大開度における流量により前記勾配を除して得られる正規化比例定数と、前記制御弁の最大開度における制御弁の固有抵抗とを予め求めて演算制御装置に設定すると共に、前記制御弁の入口から前記流量計を経て前記流量計出口間に生ずる第２の圧力損失と、前記制御弁を最大開度にしたときに制御弁、配管、流量計に発生する全抵抗との初期値を前記演算制御装置に予め入力する予備工程を有し、
前記オンラインにおいては、作動中の前記制御弁により生ずる前記制御弁の前後の差圧である第１の圧力損失と、前記流量計によりそのときの流量とを逐時に求める第１の工程と、
該第１の工程で得られた前記第１の圧力損失と前記流量とから成る複数のデータを基に、前記制御弁と前記流量計を含む配管により生ずる第２の圧力損失と、前記制御弁の最大開度における前記制御弁と前記流量計とを含む配管による全抵抗とを演算で求める第２の工程と、
該第２の工程で求めた前記第２の圧力損失と前記全抵抗とに基づいて、前記制御弁の最大開度での流量を演算によって求める第３の工程と、
該第３の工程で求めた前記制御弁の前記最大開度での流量と前記オフラインで設定した前記正規化比例定数とを基に前記勾配を算出し、その逆数から新たな前記比例ゲインを求めて前記演算制御装置に設定する第４の工程と、
前記流量計により流量を測定しながら前記比例ゲインを用いた比例制御動作により前記制御弁を駆動して前記流量をフィードバック制御する第５の工程とから成り、
前記第１〜第５の工程を繰り返すことを特徴とする流量制御方法。
【請求項２】
前記制御弁を最大開度にしたときに前記制御弁、前記配管、前記流量計に発生する前記全抵抗から前記制御弁の固有抵抗を除いた抵抗により生ずる圧力損失を前記第２の圧力損失から差し引いた値と、前記第１の圧力損失との差が所定の閾値よりも小さい場合には、前記第４の工程を省略して前記第５の工程を実行することを特徴とする請求項１に記載の流量制御方法。
【請求項３】
前記最大開度での流量は前記制御弁を使用する開度範囲での最大開度における最大流量であることを特徴とする請求項１に記載の流量制御方法。
【請求項４】
前記第１の圧力損失は差圧センサによって求めることを特徴とする請求項１に記載の流量制御方法。
【請求項１】
流量計により流体の流量を計測し、比例ゲインを用いた比例制御動作により制御弁を駆動して流量制御を行う場合に、予めオフラインにおいて制御プロセスの条件を求めておき、オンラインにおいてこれらの条件を使用して前記比例ゲインを更新し、更新した前記比例ゲインを用いて流量制御を行う流量制御方法において、
前記オフラインにおいては、前記制御弁の入口側の圧力を一定にして、前記制御弁を全閉状態と最大開度の間で駆動して、前記制御弁の開度と前記流量計から得た流量との対応関係から求めた勾配の逆数と、前記制御弁の最大開度における流量により前記勾配を除して得られる正規化比例定数と、前記制御弁の最大開度における制御弁の固有抵抗とを予め求めて演算制御装置に設定すると共に、前記制御弁の入口から前記流量計を経て前記流量計出口間に生ずる第２の圧力損失と、前記制御弁を最大開度にしたときに制御弁、配管、流量計に発生する全抵抗との初期値を前記演算制御装置に予め入力する予備工程を有し、
前記オンラインにおいては、作動中の前記制御弁により生ずる前記制御弁の前後の差圧である第１の圧力損失と、前記流量計によりそのときの流量とを逐時に求める第１の工程と、
該第１の工程で得られた前記第１の圧力損失と前記流量とから成る複数のデータを基に、前記制御弁と前記流量計を含む配管により生ずる第２の圧力損失と、前記制御弁の最大開度における前記制御弁と前記流量計とを含む配管による全抵抗とを演算で求める第２の工程と、
該第２の工程で求めた前記第２の圧力損失と前記全抵抗とに基づいて、前記制御弁の最大開度での流量を演算によって求める第３の工程と、
該第３の工程で求めた前記制御弁の前記最大開度での流量と前記オフラインで設定した前記正規化比例定数とを基に前記勾配を算出し、その逆数から新たな前記比例ゲインを求めて前記演算制御装置に設定する第４の工程と、
前記流量計により流量を測定しながら前記比例ゲインを用いた比例制御動作により前記制御弁を駆動して前記流量をフィードバック制御する第５の工程とから成り、
前記第１〜第５の工程を繰り返すことを特徴とする流量制御方法。
【請求項２】
前記制御弁を最大開度にしたときに前記制御弁、前記配管、前記流量計に発生する前記全抵抗から前記制御弁の固有抵抗を除いた抵抗により生ずる圧力損失を前記第２の圧力損失から差し引いた値と、前記第１の圧力損失との差が所定の閾値よりも小さい場合には、前記第４の工程を省略して前記第５の工程を実行することを特徴とする請求項１に記載の流量制御方法。
【請求項３】
前記最大開度での流量は前記制御弁を使用する開度範囲での最大開度における最大流量であることを特徴とする請求項１に記載の流量制御方法。
【請求項４】
前記第１の圧力損失は差圧センサによって求めることを特徴とする請求項１に記載の流量制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２８２８１９（Ｐ２００９−２８２８１９Ａ）
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３５１０６（Ｐ２００８−１３５１０６）
【出願日】平成２０年５月２３日（２００８．５．２３）
【出願人】（３９００２６９９６）東京計装株式会社 (57)
【出願人】（５０６２５９６３４）清華大学 (13)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２３日（２００８．５．２３）
【出願人】（３９００２６９９６）東京計装株式会社 (57)
【出願人】（５０６２５９６３４）清華大学 (13)
【Ｆターム（参考）】
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