JP2001075607A - 電空ポジショナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】バルブの制御に関し、予め状態変数を予測する
ようにして、圧力センサー等を使用しないで既存の設備
に数学モデルを援用して正確なバルブ制御をする電空ポ
ジショナを提供する。 【解決手段】電空ポジショナは、アクチュエータに気体
圧力を供給してバルブステムを変位させてバルブを制御
する電空ポジショナであって、バルブへの流体の供給量
を電気信号に変換した入力信号と、バルブステムの変位
量を電気信号に変換したステム変位信号とを入力して所
定の制御量を出力する制御演算手段と、制御量に基づい
てアクチュエータに供給する気体流量を制御する電空変
換手段と、制御量を入力して、気体流量並びにバルブス
テムの変位量の状態変数を予測し、この予測した状態変
数をフードバックして制御量を算出する１データとする
状態観測手段とから構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電空ポジショナに
関するものであり、特にバルブを制御するステム変位信
号に基づいてバルブ制御の予測値を算出するようにした
電空ポジショナに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来におけるバルブの制御アルゴリズム
については、ポジショナベンダー各社にていろいろと研
究され、製品の競争力に大きく反映されている。バルブ
の制御において最も難しいと考えられているのは、制御
対象であるバルブが持つ非線形性をいかに吸収し、より
正確に、より速く、より安定した状態で、バルブの弁開
度を望まれる設定値に近づけることである。バルブが持
つ非線形性の中で、最も制御を困難にしている特性は、
弁内の流体がステムに伝わって漏れることを防ぐために
用意されているグランドパッキンによる摩擦力が引き起
こすヒステリシスである。

【０００３】近年、プラントの効率運転が注目され、プ
ラントの配管を流れる流体の圧力が高くなり、また、流
体の温度も高温化している。このような高圧、高温の流
体の漏れを防ぐために摩擦力が大きいと考えられる石綿
系のグランドパッキンが使用され、更に石綿系のパッキ
ンをバルブステムに対してきつく絞めるような傾向にあ
る。また、環境問題からも、バルブの弁内流体の漏れを
低減するために同様の処置がなされている。即ち、バル
ブステムとグランドパッキンとの間に生じる摩擦力が大
きくなり、これがバルブのヒステリシスを増大させてい
る。摩擦力が増えても、バルブの空気アクチュエータの
力を大きくすればバルブヒステリシスは小さく押さえら
れるが、設備投資が押さえられている現状、空気アクチ
ュエータの変更を行うことは困難であり、現行のバルブ
の構造そのままで運転されていることが多い。結果とし
て、バルブのヒステリシスが大きくなり、このしわ寄せ
は、電空ポジショナで吸収される事が望まれている。

【０００４】バルブヒステリシスが大きいバルブを制御
するためにいろいろな方法が研究されているが、この分
野でのディジタル制御の歴史は浅く、制御アルゴリズム
としては入力信号に基づいて出力制御するＰＩＤ制御
（比例，積分，微分動作）が主流である。

【０００５】このＰＩＤ制御に基づいて制御する、いわ
ゆる、ステム（Ｖａｌｖｅ Ｓｔｅｍ；心棒）変位のみ
をフィールドバックする電空ポジショナ１１は、図８に
示すように、アクチュエータ１２の制御によるバルブ１
３のステム１４の変位ｙを検出してフィードバックし、
アクチュエータ１２への空気流量Ｑを制御するものであ
る。この電空ポジショナ１１は、ステム１４の変位ｙを
検出する変位センサー１５、変位センサー１５からの信
号をアナログ・ディジタル変換するＡ／Ｄ変換器１６、
入力信号ＳＰとＡ／Ｄ変換器１６からのステム変位信号
ｙとを入力して制御演算を実行するディジタル制御回路
１７、このディジタル制御回路１７の演算信号をアナロ
グ信号に変換するＤ／Ａ変換器１８、この変換したアナ
ログ信号に基づいて供給されている空気圧力ＰＮを制御
する電流／圧力変換器である入力モジュール１９、この
入力モジュール１９の信号及び供給圧力ＰＮよりアクチ
ュエータ１２への空気流量Ｑを制御する制御リレー２０
とから構成されている。

【０００６】このような構成の電空ポジショナ１１は、
圧縮空気の圧力によるステム変位ｙの状態と、与えられ
る入力信号ＳＰとから、正常なバルブ操作が行えるよう
に制御動作を実行している。

【０００７】しかしながら、このようなＰＩＤ制御によ
るバルブ制御は、ステム１４の変位（弁開度)ｙのみを
フィードバックして、操作信号を演算するため、制御対
象の非線形性を吸収することが困難であるという欠点を
有している。

【０００８】この問題を改善するものとして特表平９ー
５０２２９２号公報等が挙げられる。この技術は、バル
ブ位置制御装置（電空ポジショナ）の空気供給圧力の出
力圧を圧力センサーで検出してその微分値を制御に使用
するものである。また、この技術は、ステム変位ｙだけ
でなく、アクチュエータ１２への操作信号に関連する空
気流量信号ｐの微分値をフィードバック制御に使用して
いることが特徴となっている。

【０００９】このような特徴を有するバルブ位置制御装
置（電空ポジショナ）１１Ａは、図９に示すように、ス
テム１４の変位ｙと、アクチュエータ１２への圧力ｐを
微分した値との両者によるフィードバックによってアク
チュエータ１２への空気流量Ｑを制御するものである。
つまり、入力信号ＳＰと、変位センサー１５及びＡ／Ｄ
変換器１６から与えられるステム変位ｙに対応する信号
と、圧力センサー２１で測定した圧力信号ｐを微分回路
２２に与えて空気流量信号ｑに変換したデータとをディ
ジタル制御回路１７Ａへフィードバックすることを特徴
とするものである。ディジタル制御回路１７Ａの出力信
号は、図８と同様に、Ｄ／Ａ変換器１８へ与えられ、更
に、入力モジュール１９、制御リレー２０を介して操作
信号である空気流量Ｑとしてアクチュエータ１２へ供給
される。

【００１０】このような構成の電空ポジショナ１１Ａ
は、入力信号ＳＰとステム変位ｙに、空気流量信号Ｑを
考慮し、これらの３つの信号により制御演算を行なって
正常なバルブ操作を実行する。

【００１１】

【発明が解決するための課題】しかしながら、図９で説
明したバルブ制御は、ステム変位ｙだけでなく空気流量
ｐもフィードバックする構成であるので、圧力センサー
２１を設けることが必須となる。このため、圧力センサ
ー２１を電空ポジショナ内に設置しなければならず、そ
の分コスト高になるという根本的な問題がある。

【００１２】また、圧力センサー２１を付加することに
よって、この圧力センサー２１が正常に動作しない場
合、または全く作動しないという故障が発生した場合に
は、バルブ制御が異常となり、最悪の場合には制御不能
になる危険性もあり、圧力センサー２１を付加して正確
な制御を試みることがかえって電空ポシショナ自体の信
頼性の低下になるという問題も指摘されている。

【００１３】更に、電空ポジショナを含むフィールド機
器は、一般的に４〜２０ｍＡで動作するため、最悪４ｍ
Ａで内部の回路（ＣＰＵ、アクチュエータ、センサー
等、電流を消費するハードウェア）を駆動しなければな
らないという課題がある。従って、当然、圧力センサー
２１が増えることによる消費電流の基本的な設計が必要
で、その設計はきわめて厳しくなる。即ち、消費電流を
少なくするための回路設計は、近年フィールド機器がＣ
ＰＵ等の演算機能を搭載するようになってより厳しくな
り、エンジニアの悩みの種になっているという背景があ
る。

【００１４】また、新たに圧力センサー２１を搭載する
ことにより、電空ポジショナのみの設計に留まることな
く、基本的な設計、空気回路設計、信頼性の設計等、新
たな課題を抱えることになるという波及的な問題点もあ
る。

【００１５】さらに、圧力センサー２１を搭載するとし
ても、単純な検出では算出できない物理量、または機器
の構造上測定できない物理量は測定できないので、利用
範囲は限られたものになる。

【００１６】従って、バルブの制御において、ステム変
位だけでなく、電空ポジショナの圧力をフィードバック
することにより、バルブの持つ非線形性を吸収しやすく
するとともに、電空ポジショナの制御性を向上させるこ
とができるようにすることに加えて、別途圧力センサー
を搭載することなくかつ設計に支障のない制御手法を解
決しなければならないという課題がある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に係る電空ポジショナは、アクチュエータに
気体圧力を供給してステムを変位させてバルブを制御す
る電空ポジショナであって、前記バルブへの入力信号と
前記ステムの変位信号とを入力して所定の制御量を出力
する制御演算手段と、前記制御量に基づいて前記アクチ
ュエータに供給する気体流量を制御する電空変換手段
と、前記制御量を入力して前記気体流量並びに前記ステ
ムの変位量の状態変数を予測し、この予測した状態変数
のうち少なくとも一つの前記状態変数と測定したデータ
との差を演算してフィードバックする状態観測手段とか
らなることを特徴とするものである。

【００１８】また、前記状態観測手段は、予め所定の数
学モデルを備え、前記制御のデータを該数学モデルで換
算して状態変数の予測値を算出すること；前記数学モデ
ルは、前記アクチュエータへの気体流量値を積分し、且
つその気体流量で決まる時定数を持つ一次遅れ系モデル
であること；前記数学モデルは、前記アクチュエータの
気体容積容量で決まる時定数を持つ一次遅れ系モデルに
近似させたこと；前記状態観測手段は、前記制御量と前
記ステム変位信号とを入力して気体流量並びに前記ステ
ムの変位量の状態変数の予測値を算出すること；前記制
御演算手段は、前記予測値に基づいて前記制御量を出力
すること；前記状態観測手段で得られた予測値は、前記
制御演算手段の自己診断及び前記バルブの自己診断のデ
ータとすること；前記予測した状態変数は、フィードバ
ックするゲインを適宜変更して固有値を設定変更するこ
とである。

【００１９】このように、電空ポジショナに、空気圧の
出力圧を予測する状態観測手段を備え、予測した圧力値
をバルブの制御に利用することにより、ステムに圧力セ
ンサーを設けなくとも非線形なバルブステムを正確に制
御することが可能になる。

【００２０】また、もともと変位センサー等で測定して
いたステム変位の値に基づいて状態観測手段により予測
値を算出するようにしたことにより、予測値の精度を高
めることができる。

【００２１】更に、状態観測手段においては、いろいろ
な制約条件により検出できなかった物理量も予測するこ
とができるため、今まで制御に利用できなかったパラメ
ータも制御に利用することができるようになる。

【００２２】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る電空ポジショ
ナの実施の形態について図面を参照して説明する。尚、
従来技術で説明したものと同じものには同一符号を付与
して説明する。

【００２３】図１に示すように、本発明の電空ポジショ
ナ１１Ｂは、アクチュエータ１２に空気流量Ｑを供給し
てステム１４を変位させてバルブ１３を制御するポジシ
ョナである。その構成は、数学モデルに基づいて制御量
Ｕ（ｔ）を演算する制御演算部２２と、この制御量Ｕ
（ｔ）に基づいてアクチュエータ１２に供給する空気流
量Ｑ（ｔ）を制御する電空変換部２３とからなる。

【００２４】制御演算部２２は、入力信号ＳＰとステム
１４の変位ｙを検出する変位センサー１５からの信号に
関連する信号とを入力して制御量Ｕ（ｔ）を生成するコ
ントローラ２６と、変位センサー１５からの信号と状態
変数予測値とを入力してフィードバック利得信号をコン
トローラ２６に送出するフィードバックゲイン部２７
と、変位センサー１５からの信号とコントローラ２６で
演算される制御量Ｕ（ｔ）とを入力して状態変数予測値
を生成する状態観測器２８とから構成されている。この
コントローラ２６は、入力信号ＳＰとフィードバックゲ
イン部２７からの利得信号とにより制御量Ｕ（ｔ）を演
算し、状態観測器２８と、後段の電空変換部２３内の電
磁アクチュエータ２９に出力する構成となっている。

【００２５】電空変換部２３は、制御演算部２２からの
制御量Ｕ（ｔ）に基づいて空気流量を制御する電磁アク
チュエータ２９と、この電磁アクチュエータ２９の制御
により空気アクチュエータ１２への空気流量Ｑ（ｔ）を
制御するパイロットリレー３０とから構成されている。

【００２６】制御対象側は、パイロットリレー３０によ
り制御された空気流量Ｑ（ｔ）を入力して、ステム１４
を変位させる空気アクチュエータ１２と、空気アクチュ
エータ１２の動作によって変位するステム１４と、ステ
ム１４の変位により開度を制御されるバルブ１３とから
なる。空気アクチュエータ１２は、所定の容量Ｖで空気
を収容する空気室１２ａと、この空気室１２ａ内の圧力
で動作するダイヤフラム１２ｂと、このダイアフラム１
２ｂを抗するスプリング１２ｃとを備え、ダイヤフラム
１２ｂの動きに連動してステム１４を変位させる構造と
なっている。

【００２７】このように構成されている本発明の電空ポ
ジショナは、機能的には、セットポイントである入力信
号ＳＰ（目標値Ｖ（ｔ））を入力し、バルブ１３のステ
ム１４を制御するので、基本的には１入力、１出力の制
御システムを構成する。また、検出できるパラメータ
は、ステム変位だけとすることができる。このような場
合の制御システムは、仮想的に、図２に示すような機能
ブロックで表わすことができる。尚、この場合の制御対
象は、電空ポジショナ１１Ｂ内の電空変換部２３と、バ
ルブ側（空気アクチュエータ１２，バルブ１３，ステム
１４）を含む。この図に示すように、コントローラ２６
からの制御量Ｕ（ｔ）は制御対象側に与えられ、制御対
象からのステム変位Ｙ（ｔ）は状態観測器２８へ与えら
れる。状態観測器２８は、このステム変位Ｙ（ｔ）に基
づいて状態変数Ｘ（ｔ）により予測値Ｘ＾（ｔ）を算出
し、目標値Ｖ（ｔ）と共に演算部２７へ供給する。演算
部２７の出力はコントローラ２６へ出力される。

【００２８】一方、この制御システムにおける制御対象
の数学モデルの状態方程式と出力方程式とは、下記の式
（１）、式（２）のように仮定することができる。

【００２９】 ｄＸ（ｔ）／ｄｔ＝Ａ＊Ｘ（ｔ）＋Ｂ＊Ｕ（ｔ） （１） Ｙ（ｔ）＝Ｃ＊Ｘ（ｔ） （２）

【００３０】また、状態フィードバック行列をＫ、コン
トローラ２６を１倍のゲインを持つ比例制御器とする
と、上記の制御システムの状態方程式（１），（２）
は、 ｄＸ（ｔ）／ｄｔ＝Ａ＊Ｘ（ｔ）＋Ｂ＊（−Ｋ＊Ｘ（ｔ）＋Ｖ（ｔ））（３） Ｙ（ｔ）＝Ｃ＊Ｘ（ｔ） （４） である。尚、式（３）は下記の式（５）のように変形で
きる。 ｄＸ（ｔ）／ｄｔ＝（Ａ−Ｂ＊Ｋ）Ｘ（ｔ）＋Ｂ＊Ｖ（ｔ） （５）

【００３１】式（５）を解くことによりＸ（ｔ）が決ま
り、この状態変数Ｘ（ｔ）がどのような挙動を示すかは
Ａ−ＢＫの固有値で決まる。また、状態フィードバック
行列Ｋを設定することにより、Ａ−ＢＫの値を任意に変
えることができる。

【００３２】ここで上述したように、状態観測器２８に
搭載されている数学モデルを図２に示すようなブロック
で構成すると、上述の仮定した状態方程式（式（１））
と出力方程式（式（２））は、下記の式（６），式
（７）に近似させて表すことができる。 ｄＸ＾（ｔ）／ｄｔ ＝Ａ＊Ｘ＾（ｔ）＋Ｂ＊Ｕ（ｔ）＋Ｇ＊{Ｙ（ｔ）−Ｗ（ｔ）} （６） Ｗ（ｔ）＝Ｃ＊Ｘ＾（ｔ） （７）

【００３３】この式（６），（７）より、 ｄＸ＾（ｔ）／ｄｔ ＝（Ａ−Ｇ＊Ｃ）＊Ｘ＾（ｔ）＋Ｇ＊Ｙ（ｔ）＋Ｂ＊Ｕ（ｔ） （８） が成立する。ここで、行列Ｇは状態観測器フィードバッ
クゲイン行列とする。

【００３４】従って、この式（８）を解くことにより、
状態変数Ｘ（ｔ）の予測値Ｘ＾（ｔ）を求めることがで
きる。また、［Ａ−Ｇ＊Ｃ］の固有値に基づいて状態観
測器２８の特性を決定することができ、［Ａ−Ｇ＊Ｃ］
の固有値は行列Ｇを設定することにより任意に可変する
ことができる。更にまた、予測した値Ｘ＾（ｔ）に、フ
ィードバック行列Ｋを乗算することにより、演算部２７
へのフィードバック信号とすることができる。つまり、
式（５）の状態変数Ｘ（ｔ）の代わりに、予測値Ｘ＾
（ｔ）を使用することにより、同様の制御システムを成
立させることができる。

【００３５】ここで問題となるのは、Ａ、Ｂ、Ｃ行列を
どのように決めるかである。即ち、電空ポジショナ１１
Ｂにおける電気信号を空気流量に変換するための電空変
換部２３をどのように制御するかであり、その手法はい
ろいろな方法による。最も一般的なものは、ノズルフラ
ッパーを駆動する電磁アクチュエータ２９により、電流
信号を空気信号であるノズル背圧に変換し、このノズル
背圧に応じた空気圧を出力圧力に変換するパイロットリ
レー３０によって空気流量を決めるものである。

【００３６】このような電空変換部２３は、図３に示す
ように、その主要な構成を抽出してみると、コントロー
ラ２６からの制御量Ｕ（ｔ）に対応する電流ｉ（ｔ）を
入力する電磁アクチュエータ２９と、電磁アクチュエー
タ２９からのノズル背圧ｐｎ（ｔ）を入力して空気流量
ｑ（ｔ）を出力するパイロットリレー３０と、パイロッ
トリレー３０から空気流量ｑ（ｔ）を入力して制御圧力
ｐ（ｔ）として出力するバルブ空気アクチュエータ１２
から構成されるものである。

【００３７】このような構成において、以下にモデルを
仮定すると、電流ｉ（ｔ）から制御圧力ｐｎ（ｔ）まで
の変換は、この構成内の空気容量で決まる時定数で定ま
る一次遅れの系である。また、この空気容量は、パイロ
ットリレー３０内部の排気弁、又は吸気弁の開口面積、
バルブ空気アクチュエータ１２の空気容量等で決まる値
となる。

【００３８】ここで、電磁アクチュエータ２９の電空変
換ゲインをＧａ、ノズル背圧Ｐｎ（ｔ）の時定数をＴｎ
とし、ラプラス変換した式で表すと、 Ｐｎ（Ｓ）／Ｉ（Ｓ）＝Ｇａ／（Ｉ＋Ｔｎ＊Ｓ） （９） と表される。

【００３９】一方、電空ポジショナ１１Ｂの出力圧ｐ
（ｔ）は、パイロットリレー３０の空気圧増幅ゲインを
Ｇｐ、バルブ１４側の空気アクチュエータ１２の容量で
決まる一次遅れの時定数をＴｖとすると、ラプラス変換
すると、 Ｐ（Ｓ）／Ｐｎ（Ｓ）＝Ｇｐ／（１＋Ｔｖ＊Ｓ） （１０） と表される。

【００４０】ここで、バルブを制御する空気アクチュエ
ータ１２は、図４に示すように、空気圧ｐ（ｔ）を入力
する空気室１２ａと、空気室１２ａの底面に設けたダイ
アフラム１２ｂ（面積ａ）と、ダイアフラム１２ｂの圧
力に抗するバネ１２ｃ（バネ定数ｋ）とからなる。

【００４１】このような構成からなる空気アクチュエー
タ１２において、空気圧ｐ（ｔ）からステム変位ｙ
（ｔ）までの運動方程式をラプラス変換した式で表す
と、 Ｙ（Ｓ）／Ｐ（Ｓ）＝ａ／（ｍＳ＊Ｓ＋ｃＳ＋ｋ） （１１） である。

【００４２】従って、電空変換部２３も含めた全体のブ
ロックは、図５に示すように、上述の式（９）、式（１
０），（１１）を数学モデルで表すことができる。

【００４３】ここで、もう少し詳しく内部変数の式を作
成してみると、 ｙ（ｔ）＝ｘ１（ｔ） （１２） ｘ２（ｔ）＝ｄｘ１（ｔ）／ｄｔ ｐ（ｔ）＝ｘ３（ｔ） ｐｎ（ｔ）＝ｘ４（ｔ） とすると、 ｄｘ１（ｔ）／ｄｔ＝ｘ２（ｔ） ｄｘ２（ｔ）／ｄｔ ＝−ｃ／ｍ＊ｘ２（ｔ）−ｋ／ｍ＊ｘ１（ｔ）＋ａ／ｍ＊ｘ３（ｔ） ｄｘ３（ｔ）／ｄｔ＝−１／Ｔｖ＊ｘ３（ｔ）＋Ｇｐ／Ｔｖ＊ｘ４（ｔ） ｄｘ４（ｔ）／ｄｔ＝−１／Ｔｎ＊ｘ４（ｔ）＋Ｇａ／Ｔｎ＊ｉ（ｔ） となる。

【００４４】これらの式をまとめると、システムの状態
方程式は、下記の式（１３）を生成することができる。

【００４５】

【式１３】

【００４６】また、出力方程式は、式（１２）より、下
記の式（１４）を生成することができる。

【００４７】

【式１４】

【００４８】このようにして上述の式（１３）、式（１
４）により、行列Ａ、Ｂ、Ｃを求めることができ、この
時の数学モデルのブロック図は、図６に示すようにな
る。

【００４９】尚、上述した式（１３）、式（１４）にお
いて、システムの状態変数を４個設定したが、更に状態
変数を増大して詳細なモデルを作ることにより、より精
巧なモデルを構築することができる。逆に、状態変数が
多過ぎると演算量が増えるデメリットもある。しかしな
がら、上述した図６のＴｎとＴｖは、Ｔｎ＜＜Ｔｖとす
ると、ｘ３（ｔ）の動作は、Ｔｖが支配的になり、ｘ４
（ｔ）を省くことができる。

【００５０】また、図７に示すように、電流ｉ（ｔ）か
ら圧力ｘ３（ｔ）までのゲインをＧ１とすると、システ
ムの状態方程式及び出力方程式は、下記に示す式（１
５）及び式（１６）を得ることができる。

【００５１】

【式１５】

【００５２】

【式１６】

【００５３】このようにして状態変数が３個の場合であ
っても、行列Ａ、Ｂ、Ｃを決定することができる。ま
た、このような状態変数は、予め所定の値を設定してお
けば、制御演算部２２の自己診断及びバルブ１３の自己
診断データとして使用することができる。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、電空ポジショナに
状態観測手段を備えたことにより、バルブを制御するた
めの状態変数を予測することができ、予測した値をバル
ブの制御に利用してバルブの制御を向上させることがで
きるという効果がある。

【００５５】また、従来では、バルブ制御に使用される
状態変数の一部を測定するために、空気圧力センサーを
別途設ける必要があったが、状態観測手段を搭載するよ
うにすると、数学モデルを用いて状態変数を予測して処
理することができるようになり、別途空気圧力センサー
を設けなくとも正確なバルブ制御を行うことができると
いう効果がある。

【００５６】更に、従来ではバルブ制御の状態変数の中
でも、測定できないパラメータもあり、バルブ制御に利
用することができなかったが、状態観測手段を搭載する
ことによって、状態変数の予測が可能になり、この予測
値を制御に利用することができるため、下記のメリット
を生じる。 （１）制御対象の状態変数を測定するために、上述した
ように新たな空気圧力センサーが不必要となる。 （２）空気圧力センサーを取り付ける必要がなくなるた
め、コストが安い電空ポジショナが実現できる。 （３）空気圧力センサーを設けなくとも予測値による制
御により、電空ポジショナの信頼性を向上させることが
できる。 （４）空気圧力センサーを設けない構造にすると、その
分機器の設計が楽になる。 （５）今まで検出できなかったパラメータについても制
御することができるようになり、より綿密でかつ正確な
制御が可能になる。 （６）電空ポジショナ内部のモデルを、バルブの空気ア
クチュエータ容量で決まる時定数を持つ一次遅れの要素
で近似することにより、内部モデルを簡素化することが
出来るため、状態観測手段を導入しても、演算部の負荷
を軽減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明に係る電空ポジショナを略示的に示し
たブロック図である。

【図２】同電空ポジショナと制御対象との制御を数学モ
デルで表したブロック図である。

【図３】同電空ポジショナに連結した制御対象側の略示
的な構成を示したブロック図である。

【図４】同バルブの機構を略示的に示した説明図であ
る。

【図５】同バルブ機構における制御を数学モデルで示し
たブロック図である。

【図６】同状態観測器における４個のパラメータによる
数学モデルを示したブロック図である。

【図７】同状態観測器における３個のパラメータによる
数学モデルを示したブロック図である。

【図８】従来技術におけるステムの変位のみによるバル
ブ制御をする電空ポジショナの略示的なブロック図であ
る。

【図９】従来技術におけるステムの変位と空気圧力の圧
力センサーからの信号とによりバルブを制御するバルブ
位置制御装置を示した略示的なブロック図である。

【符号の説明】

１１；電空ポジショナ、１１Ａ；電空ポジショナ、１１
Ｂ；電空ポジショナ、１２；アクチュエータ、１３；バ
ルブ、１４；ステム、１５；変位センサー、１６；Ａ／
Ｄ変換器、１７；デジタル制御回路、１７Ａ；デジタル
制御回路、１８；Ｄ／Ａ変換器、１９；入力モジュー
ル、２０；制御リレー、２１；微分回路、２２；制御演
算部（制御演算手段）、２３；電空変換部（電空変換手
段）、２４；パイプ、２５；流体流量検出部、２６；コ
ントローラ、２７；フィードバックゲイン部、２８；状
態観測器（状態観測手段）、２９；電磁アクチュエー
タ、３０；パイロットリレー

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アクチュエータに気体圧力を供給してス
   テムを変位させてバルブを制御する電空ポジショナであ
   って、 前記バルブへの入力信号と前記ステムの変位信号とを入
   力して所定の制御量を出力する制御演算手段と、 前記制御量に基づいて前記アクチュエータに供給する気
   体流量を制御する電空変換手段と、 前記制御量を入力して前記気体流量並びに前記ステムの
   変位量の状態変数を予測し、この予測した状態変数のう
   ち少なくとも一つの前記状態変数と測定したデータとの
   差を演算してフィードバックする状態観測手段とからな
   ることを特徴とするバルブ電空ポジショナ。
2. 【請求項２】 前記状態観測手段は、予め所定の数学モ
   デルを備え、前記制御量のデータをこの数学モデルで換
   算して状態変数の予測値を算出することを特徴とする請
   求項１に記載のバルブ位置制御装置。
3. 【請求項３】 前記数学モデルは、前記アクチュエータ
   への気体流量値を積分し、かつその気体流量で決まる時
   定数を持つ一次遅れ系モデルであることを特徴とする請
   求項２に記載の電空ポジショナ。
4. 【請求項４】 前記数学モデルは、前記アクチュエータ
   の気体容積容量で決まる時定数を持つ一次遅れ系モデル
   に近似させたことを特徴とする請求項２に記載の電空ポ
   ジショナ。
5. 【請求項５】 前記状態観測手段は、前記制御量と前記
   ステム変位信号とを入力して気体流量並びに前記ステム
   の変位量の状態変数の予測値を算出することを特徴とす
   る請求項１に記載の電空ポジショナ。
6. 【請求項６】 前記制御演算手段は、前記予測値に基づ
   いて前記制御量を出力することを特徴とする請求項１に
   記載の電空ポジショナ。
7. 【請求項７】 前記状態観測手段で得られた予測値は、
   前記制御演算手段の自己診断及び前記バルブの自己診断
   のデータとすることを特徴とする請求項１に記載の電空
   ポジショナ。
8. 【請求項８】 前記予測した状態変数は、フィードバッ
   クするゲインを適宜変更して固有値を設定変更すること
   を特徴とする請求項１に記載の電空ポジショナ。