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の開度と流量の関係から得られる勾配の逆数と、制御弁２に付したロータリエンコーダ４で検出した最大開度での流量と、各開度の流量を最大開度の流量で正規化した正規化流量と、勾配を制御弁２の最大開度における流量により除して得られる正規化比例定数とを予め設定し、
オンラインにおいて、制御弁２の開度と流量を計測し、計測した開度に対応する正規化流量を記憶したデータから読み出し、計測した流量を読み出した正規化流量で除して、変動後の制御弁２の最大開度時の流量を求め、それに予め設定してあった正規化比例定数Ｋｚを乗じて新たな比例勾配を算出し、その逆数から適切な比例ゲインを求めて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の開度と流量の関係から得られる勾配の逆数と、制御弁２に付したロータリエンコーダ４で検出した最大開度での流量と、各開度の流量を最大開度の流量で正規化した正規化流量と、勾配を制御弁２の最大開度における流量により除して得られる正規化比例定数とを予め設定し、
オンラインにおいて、制御弁２の開度と流量を計測し、計測した開度に対応する正規化流量を記憶したデータから読み出し、計測した流量を読み出した正規化流量で除して、変動後の制御弁２の最大開度時の流量を求め、それに予め設定してあった正規化比例定数Ｋｚを乗じて新たな比例勾配を算出し、その逆数から適切な比例ゲインを求めて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を利用する方法が数多く提案されている。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、制御システムに使われる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、最初に設定した比例ゲインが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ー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、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体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、前記勾配を前記制御弁の最大開度時の流量で除して得られる正規化比例定数と、前記制御弁の各開度に対応する前記流量計から得た各流量を前記制御弁の最大開度時の流量で除して求めた正規化流量を前記制御弁の開度と対応させたデータとを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、前記制御弁の運転中の開度とそれに対応する流量を計測する第１の工程と、前記制御弁の運転中の開度に対応すべき正規化流量を、予め入力しておいた前記データから読み出す第２の工程と、前記制御弁の運転中の開度に対応する実流量を流量計で計測して、得られた実流量を前記第２の工程で読み出した前記正規化流量で除して、運転中の環境に対応する前記制御弁の最大開度時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制御弁の開度と流量の関係から得られる前記勾配を算出し、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使う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に説明する。
【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、開度を調整する例えばニードルを備えた制御弁２、流量計３が直列的に配置されている。制御弁２には開度を検出するロータリエンコーダ４が配置され、流量計３の出力、ロータリエンコーダ４の出力は演算制御装置５に接続され、演算制御装置５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６から流入し、制御弁２によって流量を調節され、流量計３により流量が測定されて配管出口７に至る。
【００１３】
流量計３が測定した流量値は逐次に演算制御装置５に送られ、制御弁２の開度を測定するロータリエンコーダ４からの情報も演算制御装置５に送られて逐次に演算処理される。
【００１４】
流量制御用の制御弁には、様々な種類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。流量計についても種々の形式が使用可能であるが、本実施例においては超音波流量計が用いられている。
【００１５】
本実施例の眼目は、配管入口６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。比例制御動作に当たっては、制御弁２の開度をロータリエンコーダ４によって正確に把握し、予め入力しておいた開度に対する正規化流量を読み出して、環境変化後に推定される制御弁２の最大開度での流量を算出し、その結果を基に更新した比例ゲインを用いてフィードバック制御する。
【００１６】
図２は配管入口６での圧力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の最大開度ｄｐまで開いた時の最大流量Ｆｐが定義される。
【００１７】
図３は配管入口６での圧力を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と最大開度での流量Ｆａｐ、Ｆｂｐ、Ｆｃｐ、Ｆｄｐがそれぞれ求められる。
【００１８】
図４は入口６での圧力が変化した場合に、各開度において得られた流量値Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ、Ｆｄを、その時々の開度に対応して求まる制御弁２の最大開度での流量Ｆａｐ、Ｆｂｐ、Ｆｃｐ、Ｆｄｐで除して正規化した正規化流量をグラフ化したものである。図４は配管入口６の圧力が変化しても、各開度に対する流量は正規化によって一定になることを示しており、このことから（１）式が成立することが分かる。
Ｆａ／Ｆａｐ＝Ｆｂ／Ｆｂｐ＝Ｆｃ／Ｆｃｐ＝Ｆｄ／Ｆｄｐ ・・・（１）
【００１９】
従って、運転中の流量がＦｅであるならば、それに対応する制御弁２の最大開度での流量Ｆｅｐは（１）式を変換した（２）式から求められることになる。
Ｆｅｐ＝Ｆｅ／（Ｆａ／Ｆａｐ） ・・・（２）
【００２０】
即ち、（２）式は制御弁２の開度が固定されていても、環境変化によって配管入口６の圧力が変動して流量がＦａからＦｅに変動した場合に、制御弁２の最大開度での流量もＦａｐからＦｅｐに変動し、その値は正規化流量（Ｆａ／Ｆａｐ）が既知であれば、現実の流量Ｆｅと合わせて演算により推定可能であることを示している。
【００２１】
また、図４に示した関係から流量は正規化されると、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ため、正規化後の曲線の立ち上がり線形部分から、入口側圧力には依存しない正規化された比例定数Ｋｚを定義することができる。この正規化比例定数Ｋｚは図３に示す各入口側圧力に応じた勾配（Ｋａ〜Ｋｄ）と、それぞれの制御弁２の最大開度での流量（Ｆａｐ〜Ｆｄｐ）との比に相当し、次の（３）式で表すことができる。
Ｋｚ＝Ｋａ／Ｆａｐ＝Ｋｂ／Ｆｂｐ＝Ｋｃ／Ｆｃｐ＝Ｋｄ／Ｆｄｐ ・・・（３）
【００２２】
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、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（３）式を変換した次の（４）式で表すことができる。
Ｋｅ＝Ｋｚ×Ｆｅｐ ・・・（４）
【００２３】
（４）式から、求めるべき勾配Ｋｅは、正規化比例定数Ｋｚに（２）式で求めた制御弁２の最大開度時の流量Ｆｅｐを乗ずれば得られることが分る。このうち、正規化比例定数Ｋｚは例えば一定圧力Ｐｊの下に開度ｄｊと流量Ｆｊの関係を得て、その勾配とその開度に対応する制御弁２の最大開度での流量Ｆｊｐから求めることができる。
【００２４】
しかし、制御弁２の最大開度での流量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。その課題を解決するために、本実施例ではロータリエンコーダ４を使って正確に求めた運転中の制御弁２の開度と、その開度の値に対応する流量と正規化流量を求めて演算制御装置に予め入力し、現実の流量と共に（２）式に代入して変動後の制御弁２の最大開度での流量を演算する。
【００２５】
次いで、（４）式に従って得られた制御弁２の最大開度での流量に、これも予め入力しておいた正規化比例定数Ｋｚを乗じて、環境が変化した後の勾配を求め、その逆数から新しい比例ゲイン（１／Ｋｅ）を算出する。
【００２６】
これまでの記述では制御弁２の最大開度とそれに対応する流量を最大流量と定義したが、最大開度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、制御弁２を通常に制御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での開度としてもよい。
【００２７】
図５に示すフローチャート図に従って実施例１を説明する。図５のフローチャート図では、予めオフラインのステップＳ１において制御弁２の最大開度までの各開度ｄの値をロータリエンコーダ４を使って正確に求める。この開度に対応する流量Ｆｊと、制御弁の最大開度における流量Ｆｊｐと、各流量を制御弁２の最大開度での流量Ｆｊｐで除して得た正規化流量（Ｆｊ／Ｆｊｐ）を制御弁２の各開度に対応させたデータと、制御弁２の開度と流量の関係式における線形部分の勾配Ｋｊとその逆数である比例ゲイン（１／Ｋｊ）と、制御弁２の開度と正規化流量の関係式の勾配である正規化比例定数Ｋｚとを、予め定めて演算制御装置５に入力する。データの作成に当たっては、なるべくは多くの開度とそれに対応する流量を計測しておくことが望ましい。
【００２８】
本実施例では制御弁２の開度は、ロータリエンコーダ４を使用して求めているが、制御弁２を駆動するパルスモータの駆動パルスを計数することによっても測定可能である。
【００２９】
オンラインにおいては、ステップＳ２において、運転中の制御弁２の開度ｄｋをロータリエンコーダ４で計測し、流量計３によって流量Ｆｋを求めてデータとして演算制御装置５に取り込む。次に、ステップＳ３に進んで運転中の制御弁２の開度ｄｋに対応する実流量Ｆｋに対応すべき正規化流量（Ｆｊ／Ｆｊｐ）を、入力済みの正規化流量データから読み出す。
【００３０】
ステップＳ４では、環境の変化によって変動した制御弁２の最大開度における流量Ｆｋｐを、流量計３で測定される実流量Ｆｋとデータとして入力済みの正規化流量（Ｆｊ／Ｆｊｐ）とから（２）式によって求める。このように算出された制御弁２の最大開度での流量を既知の正規化比例定数Ｋｚと共に（４）式に代入すれば、ステップＳ５において更新されるべき比例勾配Ｋｋが求まり、ステップＳ６において比例勾配Ｋｋの逆数である比例ゲイン（１／Ｋｋ）が更新されることになる。
【００３１】
このように、その時々の状況に応じた最適な比例ゲイン（１／Ｋｋ）を求めて、自動更新することを繰り返せば、継続して応答の速い流量制御が可能になる。
【実施例２】
【００３２】
図６は図２と同様に制御弁２の開度と流量の関係を示したグラフ図である。図６には開度と流量の対応関係を示した曲線の上に、各開度に対応して演算された流量Ｆの微分係数Ｆ’が表示されている。流量の微分係数Ｆ’は制御弁２の開度と流量の関係を近似式に近似し、連続して測定された隣り合う各開度と流量の勾配から求める。しかし、流量の微分係数Ｆ’は制御弁２の開度と流量の関係を高次の方程式に近似して、そこから数学的な微分法によって求めてもよい。
【００３３】
実施例２に基づく制御方法では、実施例１が制御弁２の開度の情報を直接利用するのに対し、流量の微分係数Ｆ’を使用する。
【００３４】
図７は実施例２の制御の流れを示したフローチャート図である。予め、オフラインのステップＳ１において、制御弁２の開度と流量のデータを測定し、それらの関係式における線形部の勾配Ｋｊとその逆数である比例ゲイン（１／Ｋｊ）と、制御弁２の最大開度での流量を求めて各流量を正規化した正規化流量と、制御弁２の開度と正規化流量の関係式における直線部分の勾配である正規化比例定数Ｋｚとを定める。入力した開度と流量のデータから近似式を求め、その近似式から各開度における流量の微分係数を算出して、それらと共に制御弁２の最大開度の流量で正規化した正規化微分係数とをデータにして演算制御装置５に入力する。
【００３５】
次に、オンラインにおいてはステップＳ２において運転中の制御弁２の複数の開度ｄｍをロータリエンコーダ４により正確に計測し、流量Ｆｍを流量計３により計測する。更に、ステップ３において計測された制御弁２の開度ｄｍに対応する流量Ｆｍの正規化微分係数（Ｆｊ’／Ｆｊｐ）を入力済みの正規化微分係数データから読み出す。
【００３６】
微分係数を利用する場合には、制御弁２の開度ｄｍに対する流量Ｆｍのデータとして、連続した開度と流量の関係式における２点、例えば（ｄ３、Ｆ３）と（ｄ４、Ｆ４）が得られる。この環境下における制御弁２の最大開度での流量Ｆｍｐは、現開度において実際に計測された勾配（Ｆ４−Ｆ３）／（ｄ４−ｄ３）と、その開度に対応する正規化微分係数を予め保存しておいたデータから得て、次の（５）式から求める。
Ｆｍｐ＝｛（Ｆ４−Ｆ３）／（ｄ４−ｄ３）｝／（Ｆｊ’／Ｆｊｐ） ・・・（５）
【００３７】
このように、図７のフローチャート図ではステップＳ４において計測したデータから得た勾配を正規化微分係数で除して、現実の制御弁２の開度に対応する最大開度時の流量Ｆｍｐを（５）式に従って推定する。制御弁２の最大開度時の流量Ｆｍｐが求まると、ステップＳ５に移って入力済みの正規化比例定数Ｋｚと共に（４）式に代入して新しい勾配Ｋｍが算出される。
【００３８】
ステップＳ６では求めた新しい勾配Ｋｍの逆数から新しい比例ゲイン（１／Ｋｍ）を算出し、求めた新しい比例ゲインによって制御弁２を制御する。
【実施例３】
【００３９】
これまで制御弁２の最大開度時の流量を求めるに当っては、実施例１では制御弁の開度と流量そのものを利用する方法を用い、実施例２では制御弁２の開度と流量の微分係数を利用する方法を示した。これらに対して、実施例３では制御弁２の開度と流量の関係から求めた最大開度時の流量と、制御弁２の開度と流量の微分係数の関係から求めた最大開度時の流量それぞれに重みを付けて平均化する（６）式を使うことによって制御を行う。
Ｆｐａｖ＝（Ｆｐ１×ρ１＋Ｆｐ２×ρ２）／（ρ１＋ρ２） ・・・（６）
【００４０】
ここで、Ｆｐａｖは重み付の平均化演算で求めた最大開度時の流量である。
Ｆｐ１は開度と流量から求めた制御弁２の最大開度時の流量である。
ρ１は開度と流量によって推定された最大開度時の流量に対する重み係数である。
Ｆｐ２は制御弁２の開度と流量の微分係数Ｆ’から求めた最大開度時の流量である。
ρ２は制御弁２の開度と流量の微分係数Ｆ’によって推定された最大開度時の流量に対する重み係数である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】制御システムの構成図である。
【図２】一定圧力における制御弁の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】実施例１の制御の流れのフローチャート図である。
【図６】一定圧力における開度と流量の近似式において各開度に対する流量の微分係数を表示したグラフ図である。
【図７】実施例２の制御の流れのフローチャート図である。
【符号の説明】
【００４２】
１ 配管
２ 制御弁
３ 流量計
４ ロータリエンコーダ
５ 演算制御装置
６ 配管入口
７ 配管出口
【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を利用する方法が数多く提案されている。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、制御システムに使われる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、最初に設定した比例ゲインが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ー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、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体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、前記勾配を前記制御弁の最大開度時の流量で除して得られる正規化比例定数と、前記制御弁の各開度に対応する前記流量計から得た各流量を前記制御弁の最大開度時の流量で除して求めた正規化流量を前記制御弁の開度と対応させたデータとを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、前記制御弁の運転中の開度とそれに対応する流量を計測する第１の工程と、前記制御弁の運転中の開度に対応すべき正規化流量を、予め入力しておいた前記データから読み出す第２の工程と、前記制御弁の運転中の開度に対応する実流量を流量計で計測して、得られた実流量を前記第２の工程で読み出した前記正規化流量で除して、運転中の環境に対応する前記制御弁の最大開度時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制御弁の開度と流量の関係から得られる前記勾配を算出し、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使う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に説明する。
【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、開度を調整する例えばニードルを備えた制御弁２、流量計３が直列的に配置されている。制御弁２には開度を検出するロータリエンコーダ４が配置され、流量計３の出力、ロータリエンコーダ４の出力は演算制御装置５に接続され、演算制御装置５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６から流入し、制御弁２によって流量を調節され、流量計３により流量が測定されて配管出口７に至る。
【００１３】
流量計３が測定した流量値は逐次に演算制御装置５に送られ、制御弁２の開度を測定するロータリエンコーダ４からの情報も演算制御装置５に送られて逐次に演算処理される。
【００１４】
流量制御用の制御弁には、様々な種類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。流量計についても種々の形式が使用可能であるが、本実施例においては超音波流量計が用いられている。
【００１５】
本実施例の眼目は、配管入口６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。比例制御動作に当たっては、制御弁２の開度をロータリエンコーダ４によって正確に把握し、予め入力しておいた開度に対する正規化流量を読み出して、環境変化後に推定される制御弁２の最大開度での流量を算出し、その結果を基に更新した比例ゲインを用いてフィードバック制御する。
【００１６】
図２は配管入口６での圧力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の最大開度ｄｐまで開いた時の最大流量Ｆｐが定義される。
【００１７】
図３は配管入口６での圧力を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と最大開度での流量Ｆａｐ、Ｆｂｐ、Ｆｃｐ、Ｆｄｐがそれぞれ求められる。
【００１８】
図４は入口６での圧力が変化した場合に、各開度において得られた流量値Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ、Ｆｄを、その時々の開度に対応して求まる制御弁２の最大開度での流量Ｆａｐ、Ｆｂｐ、Ｆｃｐ、Ｆｄｐで除して正規化した正規化流量をグラフ化したものである。図４は配管入口６の圧力が変化しても、各開度に対する流量は正規化によって一定になることを示しており、このことから（１）式が成立することが分かる。
Ｆａ／Ｆａｐ＝Ｆｂ／Ｆｂｐ＝Ｆｃ／Ｆｃｐ＝Ｆｄ／Ｆｄｐ ・・・（１）
【００１９】
従って、運転中の流量がＦｅであるならば、それに対応する制御弁２の最大開度での流量Ｆｅｐは（１）式を変換した（２）式から求められることになる。
Ｆｅｐ＝Ｆｅ／（Ｆａ／Ｆａｐ） ・・・（２）
【００２０】
即ち、（２）式は制御弁２の開度が固定されていても、環境変化によって配管入口６の圧力が変動して流量がＦａからＦｅに変動した場合に、制御弁２の最大開度での流量もＦａｐからＦｅｐに変動し、その値は正規化流量（Ｆａ／Ｆａｐ）が既知であれば、現実の流量Ｆｅと合わせて演算により推定可能であることを示している。
【００２１】
また、図４に示した関係から流量は正規化されると、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ため、正規化後の曲線の立ち上がり線形部分から、入口側圧力には依存しない正規化された比例定数Ｋｚを定義することができる。この正規化比例定数Ｋｚは図３に示す各入口側圧力に応じた勾配（Ｋａ〜Ｋｄ）と、それぞれの制御弁２の最大開度での流量（Ｆａｐ〜Ｆｄｐ）との比に相当し、次の（３）式で表すことができる。
Ｋｚ＝Ｋａ／Ｆａｐ＝Ｋｂ／Ｆｂｐ＝Ｋｃ／Ｆｃｐ＝Ｋｄ／Ｆｄｐ ・・・（３）
【００２２】
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、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（３）式を変換した次の（４）式で表すことができる。
Ｋｅ＝Ｋｚ×Ｆｅｐ ・・・（４）
【００２３】
（４）式から、求めるべき勾配Ｋｅは、正規化比例定数Ｋｚに（２）式で求めた制御弁２の最大開度時の流量Ｆｅｐを乗ずれば得られることが分る。このうち、正規化比例定数Ｋｚは例えば一定圧力Ｐｊの下に開度ｄｊと流量Ｆｊの関係を得て、その勾配とその開度に対応する制御弁２の最大開度での流量Ｆｊｐから求めることができる。
【００２４】
しかし、制御弁２の最大開度での流量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。その課題を解決するために、本実施例ではロータリエンコーダ４を使って正確に求めた運転中の制御弁２の開度と、その開度の値に対応する流量と正規化流量を求めて演算制御装置に予め入力し、現実の流量と共に（２）式に代入して変動後の制御弁２の最大開度での流量を演算する。
【００２５】
次いで、（４）式に従って得られた制御弁２の最大開度での流量に、これも予め入力しておいた正規化比例定数Ｋｚを乗じて、環境が変化した後の勾配を求め、その逆数から新しい比例ゲイン（１／Ｋｅ）を算出する。
【００２６】
これまでの記述では制御弁２の最大開度とそれに対応する流量を最大流量と定義したが、最大開度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、制御弁２を通常に制御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での開度としてもよい。
【００２７】
図５に示すフローチャート図に従って実施例１を説明する。図５のフローチャート図では、予めオフラインのステップＳ１において制御弁２の最大開度までの各開度ｄの値をロータリエンコーダ４を使って正確に求める。この開度に対応する流量Ｆｊと、制御弁の最大開度における流量Ｆｊｐと、各流量を制御弁２の最大開度での流量Ｆｊｐで除して得た正規化流量（Ｆｊ／Ｆｊｐ）を制御弁２の各開度に対応させたデータと、制御弁２の開度と流量の関係式における線形部分の勾配Ｋｊとその逆数である比例ゲイン（１／Ｋｊ）と、制御弁２の開度と正規化流量の関係式の勾配である正規化比例定数Ｋｚとを、予め定めて演算制御装置５に入力する。データの作成に当たっては、なるべくは多くの開度とそれに対応する流量を計測しておくことが望ましい。
【００２８】
本実施例では制御弁２の開度は、ロータリエンコーダ４を使用して求めているが、制御弁２を駆動するパルスモータの駆動パルスを計数することによっても測定可能である。
【００２９】
オンラインにおいては、ステップＳ２において、運転中の制御弁２の開度ｄｋをロータリエンコーダ４で計測し、流量計３によって流量Ｆｋを求めてデータとして演算制御装置５に取り込む。次に、ステップＳ３に進んで運転中の制御弁２の開度ｄｋに対応する実流量Ｆｋに対応すべき正規化流量（Ｆｊ／Ｆｊｐ）を、入力済みの正規化流量データから読み出す。
【００３０】
ステップＳ４では、環境の変化によって変動した制御弁２の最大開度における流量Ｆｋｐを、流量計３で測定される実流量Ｆｋとデータとして入力済みの正規化流量（Ｆｊ／Ｆｊｐ）とから（２）式によって求める。このように算出された制御弁２の最大開度での流量を既知の正規化比例定数Ｋｚと共に（４）式に代入すれば、ステップＳ５において更新されるべき比例勾配Ｋｋが求まり、ステップＳ６において比例勾配Ｋｋの逆数である比例ゲイン（１／Ｋｋ）が更新されることになる。
【００３１】
このように、その時々の状況に応じた最適な比例ゲイン（１／Ｋｋ）を求めて、自動更新することを繰り返せば、継続して応答の速い流量制御が可能になる。
【実施例２】
【００３２】
図６は図２と同様に制御弁２の開度と流量の関係を示したグラフ図である。図６には開度と流量の対応関係を示した曲線の上に、各開度に対応して演算された流量Ｆの微分係数Ｆ’が表示されている。流量の微分係数Ｆ’は制御弁２の開度と流量の関係を近似式に近似し、連続して測定された隣り合う各開度と流量の勾配から求める。しかし、流量の微分係数Ｆ’は制御弁２の開度と流量の関係を高次の方程式に近似して、そこから数学的な微分法によって求めてもよい。
【００３３】
実施例２に基づく制御方法では、実施例１が制御弁２の開度の情報を直接利用するのに対し、流量の微分係数Ｆ’を使用する。
【００３４】
図７は実施例２の制御の流れを示したフローチャート図である。予め、オフラインのステップＳ１において、制御弁２の開度と流量のデータを測定し、それらの関係式における線形部の勾配Ｋｊとその逆数である比例ゲイン（１／Ｋｊ）と、制御弁２の最大開度での流量を求めて各流量を正規化した正規化流量と、制御弁２の開度と正規化流量の関係式における直線部分の勾配である正規化比例定数Ｋｚとを定める。入力した開度と流量のデータから近似式を求め、その近似式から各開度における流量の微分係数を算出して、それらと共に制御弁２の最大開度の流量で正規化した正規化微分係数とをデータにして演算制御装置５に入力する。
【００３５】
次に、オンラインにおいてはステップＳ２において運転中の制御弁２の複数の開度ｄｍをロータリエンコーダ４により正確に計測し、流量Ｆｍを流量計３により計測する。更に、ステップ３において計測された制御弁２の開度ｄｍに対応する流量Ｆｍの正規化微分係数（Ｆｊ’／Ｆｊｐ）を入力済みの正規化微分係数データから読み出す。
【００３６】
微分係数を利用する場合には、制御弁２の開度ｄｍに対する流量Ｆｍのデータとして、連続した開度と流量の関係式における２点、例えば（ｄ３、Ｆ３）と（ｄ４、Ｆ４）が得られる。この環境下における制御弁２の最大開度での流量Ｆｍｐは、現開度において実際に計測された勾配（Ｆ４−Ｆ３）／（ｄ４−ｄ３）と、その開度に対応する正規化微分係数を予め保存しておいたデータから得て、次の（５）式から求める。
Ｆｍｐ＝｛（Ｆ４−Ｆ３）／（ｄ４−ｄ３）｝／（Ｆｊ’／Ｆｊｐ） ・・・（５）
【００３７】
このように、図７のフローチャート図ではステップＳ４において計測したデータから得た勾配を正規化微分係数で除して、現実の制御弁２の開度に対応する最大開度時の流量Ｆｍｐを（５）式に従って推定する。制御弁２の最大開度時の流量Ｆｍｐが求まると、ステップＳ５に移って入力済みの正規化比例定数Ｋｚと共に（４）式に代入して新しい勾配Ｋｍが算出される。
【００３８】
ステップＳ６では求めた新しい勾配Ｋｍの逆数から新しい比例ゲイン（１／Ｋｍ）を算出し、求めた新しい比例ゲインによって制御弁２を制御する。
【実施例３】
【００３９】
これまで制御弁２の最大開度時の流量を求めるに当っては、実施例１では制御弁の開度と流量そのものを利用する方法を用い、実施例２では制御弁２の開度と流量の微分係数を利用する方法を示した。これらに対して、実施例３では制御弁２の開度と流量の関係から求めた最大開度時の流量と、制御弁２の開度と流量の微分係数の関係から求めた最大開度時の流量それぞれに重みを付けて平均化する（６）式を使うことによって制御を行う。
Ｆｐａｖ＝（Ｆｐ１×ρ１＋Ｆｐ２×ρ２）／（ρ１＋ρ２） ・・・（６）
【００４０】
ここで、Ｆｐａｖは重み付の平均化演算で求めた最大開度時の流量である。
Ｆｐ１は開度と流量から求めた制御弁２の最大開度時の流量である。
ρ１は開度と流量によって推定された最大開度時の流量に対する重み係数である。
Ｆｐ２は制御弁２の開度と流量の微分係数Ｆ’から求めた最大開度時の流量である。
ρ２は制御弁２の開度と流量の微分係数Ｆ’によって推定された最大開度時の流量に対する重み係数である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】制御システムの構成図である。
【図２】一定圧力における制御弁の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】実施例１の制御の流れのフローチャート図である。
【図６】一定圧力における開度と流量の近似式において各開度に対する流量の微分係数を表示したグラフ図である。
【図７】実施例２の制御の流れのフローチャート図である。
【符号の説明】
【００４２】
１ 配管
２ 制御弁
３ 流量計
４ ロータリエンコーダ
５ 演算制御装置
６ 配管入口
７ 配管出口
【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体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、前記勾配を前記制御弁の最大開度時の流量で除して得られる正規化比例定数と、前記制御弁の各開度に対応する前記流量計から得た各流量を前記制御弁の最大開度時の流量で除して求めた正規化流量を前記制御弁の開度と対応させたデータとを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、前記制御弁の運転中の開度とそれに対応する流量を計測する第１の工程と、
前記制御弁の運転中の開度に対応すべき正規化流量を、予め入力しておいた前記データから読み出す第２の工程と、
前記制御弁の運転中の開度に対応する実流量を流量計で計測して、得られた実流量を前記第２の工程で読み出した前記正規化流量で除して、運転中の環境に対応する前記制御弁の最大開度時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制御弁の開度と流量の関係から得られる前記勾配を算出し、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使う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】
流量計により流体の流量を測定しながら前記比例ゲインを使う比例動作により流体の流量制御を行う場合に、前記制御弁の複数の開度に対応する流量の関係を近似式に近似し、運転中の前記開度に対応する流量の微分係数及び流量の正規化微分係数を求めて前記制御弁の最大開度時の流量を算出し、これを用いて比例ゲインを得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】
前記開度に対応する前記制御弁の最大開度時の流量は、前記流量を使って求めた最大開度時の流量と前記流量の前記微分係数を使って求めた最大開度時の流量のそれぞれに重み係数を乗じ、平均化して求めることを特徴とする請求項２に記載の流量制御方法。
【請求項４】
前記制御弁の最大開度時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５】
前記制御弁の開度はロータリエンコーダにより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体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、前記勾配を前記制御弁の最大開度時の流量で除して得られる正規化比例定数と、前記制御弁の各開度に対応する前記流量計から得た各流量を前記制御弁の最大開度時の流量で除して求めた正規化流量を前記制御弁の開度と対応させたデータとを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、前記制御弁の運転中の開度とそれに対応する流量を計測する第１の工程と、
前記制御弁の運転中の開度に対応すべき正規化流量を、予め入力しておいた前記データから読み出す第２の工程と、
前記制御弁の運転中の開度に対応する実流量を流量計で計測して、得られた実流量を前記第２の工程で読み出した前記正規化流量で除して、運転中の環境に対応する前記制御弁の最大開度時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制御弁の開度と流量の関係から得られる前記勾配を算出し、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使う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】
流量計により流体の流量を測定しながら前記比例ゲインを使う比例動作により流体の流量制御を行う場合に、前記制御弁の複数の開度に対応する流量の関係を近似式に近似し、運転中の前記開度に対応する流量の微分係数及び流量の正規化微分係数を求めて前記制御弁の最大開度時の流量を算出し、これを用いて比例ゲインを得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】
前記開度に対応する前記制御弁の最大開度時の流量は、前記流量を使って求めた最大開度時の流量と前記流量の前記微分係数を使って求めた最大開度時の流量のそれぞれに重み係数を乗じ、平均化して求めることを特徴とする請求項２に記載の流量制御方法。
【請求項４】
前記制御弁の最大開度時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５】
前記制御弁の開度はロータリエンコーダにより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２０１０−２６５７６（Ｐ２０１０−２６５７６Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８３７５２（Ｐ２００８−１８３７５２）
【出願日】平成２０年７月１５日（２００８．７．１５）
【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２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１５日（２００８．７．１５）
【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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