具体实施方式

[P－Q特性]

P－Q特性，即质量流量控制器的1次侧(上游侧)的压力与2次侧(下游侧)的压力的差压P与流体的流量Q的关系可以如下模型化。

Q＝CP₁(P₀/P₁＜1/2的情况) ···(1)

C＝－K₀P+K₁M－F ···(3)

P＝P₁－P₀ ···(4)

在式(1)～式(4)中，C是阀容量系数、P₁是1次侧的流体的压力、P₀是2次侧的流体的压力、M是阀门控制量、K₀是相对于压力的开度系数、K₁是相对于控制量的开度系数、F(＝－K₀P’+K₁M’)是根据流量开始流动时的阀门控制量M’以及差压P’求出的量。

在流体是气体、2次侧大气开放的情况下，流量Q如下所示(P₀＝0、P＝P₁)。

Q＝－K₀{(P－m/2)²－m^2/4} ···(5)

m＝(K₁M－F)/K₀ ···(6)

图1为表示在流体是气体、2次侧大气开放这样的条件下根据式(5)、式(6)求出的P－Q特性的例子的图。当2次侧大气开放时，在1次侧的压力P₁在m/2以上的情况下流量Q容易过冲，但是作为阀门m要尽可能得大为好。在1次侧的压力P₁在m/2以上的情况下流量Q容易过冲的原因是，如果为了增加流量Q而增大阀门的开度，流量Q增加而差压P瞬间减少，因此发生流量Q进一步增加这样的现象，从表面上看，成为比例带小(灵敏度高)的行为。

图2、图3为表示在流体是气体、2次侧大气开放这样的条件下使用质量流量控制器调查的P－Q特性的例子的图。图2为表示阀门口径是6mm的情况，图3为表示阀门口径是12mm的情况。在图2、图3的例子中，表示了将阀门的开度保持为恒定、使1次侧的压力P₁变动的情况下的流量Q。图2、图3的up1、up2表示使压力P₁从小的值变化为大的值时的P－Q特性，down1、down2表示使压力P₁从大的值变化为小的值时的P－Q特性。在图2、图3、的横轴中，将压力P₁分别为10kPa、20kPa、50kPa、100kPa、150kPa、200kPa、250kPa、300kPa以及350kPa的情况记载为1、2、3、4、5、6、7、8以及9。图2、图3表示在压力P₁变化的方向上流量Q的绝对值变化但达到最大流量的压力、整体的趋势不变。

如果1次侧的压力P₁变得比150kPa(在图2、图3的横轴中的5)大，则流量Q伴随着压力P₁的增加而减少。因此，例如如果以300kPa(在图2、图3的横轴中的8)急剧地打开阀门，虽然流量Q增加，但是1次侧的压力P₁减少，因此流量Q进一步增加。为了避免这样的现象，需要使流量Q具有相对于使用差压而单调增加的特性。

[波动稳定化]

作为流量Q的波动的主要原因，除了单纯PID的标准设定有问题的情况(比例系数Kp过大，积分时间Ti过小)之外，在质量流量控制器的2次侧有节流阀，或压差P根据流量Q动态地变化这样的环境中，由于到目前为止描述的P－Q特性问题，采用标准的PID常数则发生波动的可能性高。这样的波动能够通过变更PID常数来抑制。

以下将说明变更PID常数而变得稳定的例子。图4为表示在质量流量控制器的2次侧设有节流阀的环境中以低流量进行流量控制的情况下的操作量MV和流量Q的图。在此，以将规定的最大值FS(满量程)设为100％的归一化后的值来表示流量Q。横轴的时间的单位是5msec。在图4的例子中，将时刻0msec中的流量设定值从0变更到5％FS，将流量设定值SP和流量Q作为输入，将以标准的PID常数PID运算出的操作量MV用PWM(Pulse WidthModulation脉冲宽度调制)信号输出到阀门。1次侧的压力P₁是300kPa。关于PID常数，将比例系数Kp设为0.02，积分时间Ti设为4。

从图4可知，以低流量且标准PID设定的情况下，流量Q产生波动。图5为表示在与图4相同的条件下将比例系数Kp从0.02增大为0.05的情况下的操作量MV和流量Q的图。图6为表示在与图4相同的条件下将积分时间Ti从4减小为2的情况下的操作量MV和流量Q的图。根据图5、图6可知，若将比例系数Kp增加或将积分时间Ti减小，则流量Q的波动会平息。

如果将流量Q波动的情况和不波动的情况下的操作量MV作比较，如图7所示，尽管流量设定值SP的上升时的操作量MV几乎相同，但流量Q的行为却极端不同。在图7的例子中，将图4的例子的操作量MV设为MV0、将图5的例子的操作量MV设为MV1以及将图6的例子的操作量MV设为MV2。

尽管操作量MV几乎相同，但流量Q的行为却不同的理由可以想到有如下(I)、(II)的情况。

(I)由于在比例系数Kp大的情况下，差压P的变动大，因此动作区域从流量Q相对于差压P的增加而减少的不稳定区域(图1的m/2右侧的区域)移动到流量Q相对于差压P的增加而增加的稳定区域(图1的m/2左侧的区域)，由于在该稳定区域中进行流量控制动作，因此变得稳定。

(II)在比例系数Kp小的情况下，由于动作区域变为流量Q相对于差压P的增加而减少的不稳定区域，因此流量Q会在产生波动。

因此，作为应对在2次侧的压力损失大、控制时差压P大幅变动那样的情况下的波动的对策，将比例系数Kp增大或将积分时间Ti减小，在稳定区域中进行控制即可。

[实施例]

以下将参照附图来说明本发明的实施例。图8为表示本发明的实施例的质量流量控制器的构成的框图。质量流量控制器具备：例如树脂制的流路主体1；传感器封装2，其安装在流路主体1；比例电磁阀3，其用于控制流体的流量；PID控制部4，其将流量设定值SP和流量测量值Q作为输入并针对每个控制周期算出操作量MV；存储部5，其针对每个流量设定值SP存储PID常数；PID常数设定部6，其当流量设定值SP已被变更时，从存储部5获取与变更后的流量设定值SP对应的PID常数，并将其设定于PID控制部4；波动检测部7，其判定流量测量值Q是否发生波动；PID常数变更部8，其当由所述波动检测部7检测出流量测量值Q的波动时，变更设定于所述PID控制部4的PID常数，将存储在所述存储部5的PID常数中的、与当前流量设定值SP对应的PID常数更新为已在PID控制部4中设定的变更后的值；以及阀门驱动电路9，其用于驱动比例电磁阀3。

在图8中，10是形成在流路主体1的内部的流路、11是流路10的入口侧的开口、12是流路10的出口侧的开口以及13是装载在传感器封装2中的流量传感器。

流体从开口11流入流路10并通过比例电磁阀3从开口12排出。此时，流量传感器13测量流体的流量Q。流量传感器13装载在传感器封装2中，以暴露在作为测量对象的流体中的方式被安装在流路主体1上。

以下将说明本实施例的特征性的动作。图9为说明PID控制部4、PID常数设定部6、波动检测部7以及PID常数变更部8的动作的流程图。

当例如由操作员变更了流量设定值SP时(图9步骤S100的“是”)，PID常数设定部6将与变更后的流量设定值SP对应的PID常数设定于PID控制部4(图9步骤S101)。在存储部5中，针对每个流量设定值SP存储PID常数(比例系数Kp、积分时间Ti以及微分时间Td)。更具体来说，从0％FS到100％FS为止的流量设定值SP的全范围被分割为多个范围(例如分割为10个)，针对每个分割出的范围，PID常数被存储在存储部5中。PID常数设定部6从存储部5获取与包含变更后的流量设定值SP的流量设定值SP的范围对应的PID常数，将其设定于PID控制部4。

PID控制部4从流量传感器13获取流量测量值Q(图9步骤S102)。然后，PID控制部4将流量设定值SP和在步骤S102中获取到的流量测量值Q作为输入，以流量测量值Q与流量设定值SP一致的方式来进行PID运算从而算出操作量MV(图9步骤S103)。使用PID常数的PID运算的算式如式(7)所示。e是流量设定值SP与流量测量值Q的偏差。

[公式1]

PID控制部4将算出的操作量MV输出到阀门驱动电路9(图9步骤S104)。阀门驱动电路9根据从PID控制部4输出的操作量MV向比例电磁阀3输出阀门驱动电流(电磁电流)I。像这样，比例电磁阀3被控制成与操作量MV相应的开度。

另一方面，波动检测部7基于流量测量值Q和流量设定值SP来判定流量测量值Q是否发生波动(图9步骤S105)。例如当流量设定值SP与流量测量值Q的偏差e＝SP-Q的绝对值|e|达到稳定判定基准值δ以上的流量测量值Q的峰值连续有三个时，波动检测部7判定在流量测量值Q发生波动。稳定判定基准值δ比通常的控制中的变化量(偏差e)要小，并且是在稳定状态下应该被维持的最大的偏差的指标。另外，波动的检测方法不限定于上述的例子这件事无需赘述。

当检测出流量测量值Q的波动时(步骤S105的“是”)，PID常数变更部8将设定于PID控制部4的PID常数中的比例系数Kp仅增大规定的比例系数变更量(图9步骤S106)。

然后，PID常数变更部8将存储在存储部5的PID常数中、与包含当前的流量设定值SP的流量设定值SP的范围对应的比例系数Kp更新为在步骤S106中变更后的值(图9步骤S107)。

另外，步骤S106、S107的处理可以仅在流量设定值SP的变更后最初检测出波动时进行一次。

质量流量控制器在每个控制周期实行步骤S100～S107的处理，直到例如由操作员指示装置的动作结束为止(图9步骤S108的“是”)。

如上所述，在本实施例中，当流量测量值Q发生了波动时，由于自动地将设定于PID控制部4的比例系数Kp增大，因此能够将PID常数与质量流量控制器的仪表装配环境相匹配，即使是在2次侧的压力损失大、控制时差压P大幅变动这样的情况下，也能够抑制波动。如果在流量设定值SP的变更后发生波动，由于会再次实施比例系数Kp的变更，比例系数Kp会缓慢地变更到不发生波动的程度。

另外，在本实施例中，当发生波动时将比例系数Kp增大，但是也可以是减小积分时间Ti。在这种情况下，当检测出流量测量值Q的波动时(步骤S105的“是”)，PID常数变更部8将设定于PID控制部4的PID常数中的积分时间Ti仅减小规定的积分时间变更量(步骤S106)。然后，PID常数变更部8将存储在存储部5的PID常数中的、与包含当前的流量设定值SP的流量设定值SP的范围对应的积分时间Ti更新为在步骤S106中变更后的值(步骤S107)。

另外，以往就有各种各样关于PID控制的方式，也有使用了模型的PID控制。但是使用模型会有例如如以下记载的问题点。

(A)通用方法虽然适用范围广，但程序复杂，不能在廉价的CPU中安装。

(B)适应性地推定模型这样的操作需要花费运算时间，因此不适合面向实际的现场。

在本发明中，仅以应付发生波动的特定的因素为目的，提出了更加简单并实用的方法。具体地说，本发明提出了一种用于抑制波动现象的简单并实用的方法，该波动现象是在使用了电磁阀的直动式阀门驱动方式上的问题点(P－Q特性不是单调增加这一问题点)导致下游侧的压力损失较大的仪表装配的情况下下游侧的压力由于流量而变动所造成的。在先导阀方式的情况下，不发生使用了电磁阀的情况下的问题点，下游侧的压力变动而导致的波动通常不会发生，因此本发明不适用。本发明如图1所示，对于具有由于某种压力而流量Q产生峰值这样的P－Q特性的质量流量控制器是有效的。

本实施例的质量流量控制器中至少PID控制部4、存储部5、PID常数设定部6、波动检测部7以及PID常数变更部8能够通过具备CPU(Central Processing Unit中央处理单元)、存储装置以及接口的计算机和控制这些硬件资源的程序来实现。该计算机的构成如图10所示。

计算机具备CPU200、存储装置201以及接口装置(I/F)202。I/F202连接有流量传感器13和阀门驱动电路9等。在这样的计算机中，用于实现本发明的波动抑制方法的程序存储在存储装置201中。CPU200遵循存储在存储装置201中的程序来实行在本实施例中说明的处理。

[产业上的利用可能性]

本发明能够应用于流量控制系统。

符号说明

1…流路主体、2…传感器封装、3…比例电磁阀、4…PID控制部、5…存储部、6…PID常数设定部、7…波动检测部、8…PID常数变更部、9…阀门驱动电路、10…流路、13…流量传感器。