JP3555609B2 - 制御装置、温度調節器および熱処理装置 - Google Patents
制御装置、温度調節器および熱処理装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象の温度や圧力などの物理状態を制御する制御装置、制御対象の温度を制御する温度調節器および温度調節器を用いた熱処理装置に関し、さらに詳しくは、例えば、スミス補償法のようなモデルを用いた制御を行う制御装置、温度調節器および熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、ＰＩＤの温度制御においては、目標値応答時のオーバーシュートを抑制するために、ＰＩＤゲインを弱めに設定して制御する場合がある。しかしながら、ＰＩＤゲインを弱めにして制御を行うと、目標温度に達するまでの時間が長くかかることになり、高速な昇温が求められる用途には適用できないことになる。
【０００３】
そこで、このような場合には、むだ時間を補償して、強いＰＩＤゲインで高速な昇温を可能にしつつ、目標値応答時のオーバシュートを抑制するために、スミス補償法が用いられることがある。
【０００４】
このスミス補償法は、制御対象を、むだ時間のない制御対象に見立てて制御しやすくするものであり、内部に設定した制御対象モデルを用いてむだ時間補償制御を行うものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
スミス補償法は、目標値応答時のオーバーシュートを抑制できるので、通常のＰＩＤ制御に比べて、上述のようにＰＩＤゲインを強めに設定することができ、このため、外乱が加わると、通常のＰＩＤ制御よりもハンチングし易いという難点がある。
【０００６】
また，スミス補償法では、むだ時間を補償するために、内部に制御対象モデルを設定する必要があるが、この制御対象モデルを設定するのに必要なプロセスゲインや時定数などのパラメータを求めるのが容易でないという難点もある。
【０００７】
本発明は、上述のような点に鑑みてなされたものであって、モデルを用いた制御において、目標値応答および外乱応答のいずれにおいてもオーバーシュートやハンチングなどを抑制することを主たる目的とし、さらには、モデルのパラメータを容易に求めることができるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。
【０００９】
すなわち、本発明の制御装置は、目標値とフィードバック量とに基づいて、制御対象に対する操作量を演算出力する操作量演算手段と、前記操作量演算手段からの操作量に基づいて、モデルを用いたむだ時間補償出力を与えるむだ時間補償手段と、前記むだ時間補償出力を前記操作量演算手段の入力側に与えてむだ時間補償制御を行うか、あるいは、前記むだ時間補償出力を前記操作量演算手段の入力側に与えることなく通常の制御を行うかを切換える切換手段とを備え、前記切換手段は、少なくとも目標値応答時には、前記むだ時間補償制御に切換えるものである。
【００１０】
ここで、通常の制御とは、むだ時間補償出力を用いない制御、すなわち、むだ時間補償を行わない制御をいう。
【００１１】
本発明によると、少なくとも目標値応答時は、むだ時間補償制御を行うので、オーバーシュートやハンチングなどが抑制される一方、目標値応答時以外は、通常の制御を行うことにより、むだ時間補償制御を継続した場合に比べて、外乱によるハンチングを抑制できることになる。
【００１２】
本発明の一実施態様においては、前記モデルが、制御対象モデルおよびむだ時間を除いた制御対象モデルであり、前記むだ時間補償制御が、スミス補償法によるむだ時間補償制御であり、前記むだ時間補償制御による制御ゲインを、前記通常の制御の制御ゲインよりも強くしている。
【００１３】
本発明によると、目標値応答時には、制御ゲインを強くしたスミス補償法によるむだ時間補償制御を行うので、目標値に高速に到達できるとともに、オーバーシュートなどを抑制できる一方、目標値応答時以外は、制御ゲインを弱くした通常の制御を行うことにより、外乱によるハンチングを抑制できることになる。
【００１４】
本発明の温度調節器は、目標温度と検出温度とに基づいて、制御対象に対する操作量を演算出力する操作量演算手段と、前記操作量演算手段からの操作量に基づいて、モデルを用いたむだ時間補償出力を与えるむだ時間補償手段と、前記むだ時間補償出力を前記操作量演算手段の入力側に与えてむだ時間補償制御を行うか、あるいは、前記むだ時間補償出力を前記操作量演算手段の入力側に与えることなく通常の制御を行うかを切換える切換手段とを備え、前記切換手段は、少なくとも目標値応答時には、前記むだ時間補償制御に切換えるものである。
【００１５】
本発明によると、少なくとも目標値応答時は、むだ時間補償制御を行うので、オーバーシュートやハンチングなどが抑制される一方、目標値応答時以外は、通常の制御を行うことにより、むだ時間補償制御を継続した場合に比べて、外乱によるハンチングを抑制できることになる。
【００１６】
本発明の一実施態様においては、前記モデルが、制御対象モデルおよびむだ時間を除いた制御対象モデルであり、前記むだ時間補償制御が、スミス補償法によるむだ時間補償制御であり、前記むだ時間補償制御による制御ゲインを、前記通常の制御の制御ゲインよりも強くしている。
【００１７】
本発明によると、目標値応答時には、制御ゲインを強くしたスミス補償法によるむだ時間補償制御を行うので、目標温度に高速に到達できるとともに、オーバーシュートなどを抑制できる一方、目標値応答時以外は、制御ゲインを弱くした通常の制御を行うことにより、外乱によるハンチングを抑制できることになる。
【００１８】
本発明の他の実施態様においては、前記操作量演算手段は、ＰＩ操作量またＰＩＤ操作量を出力するものである。
【００１９】
本発明によると、目標値応答時には、スミス補償法によるＰＩあるいはＰＩＤ制御を行う一方、目標値応答時以外には、通常のＰＩあるいはＰＩＤ制御を行うことにより、オーバーシュートやハンチングなどを抑制できる。
【００２０】
本発明の好ましい実施態様においては、前記モデルのパラメータを、ステップ応答法またはリミットサイクル法を用いて求めるものである。
【００２１】
本発明によると、制御パラメータを決定するためのステップ応答法やリミットサイクル法を用いてモデルのパラメータも求めることができる。
【００２２】
本発明の他の実施態様においては、前記モデルのパラメータを、整定時の操作量および検出温度に基づいて求めるものである。
【００２３】
本発明によると、目標温度で通常の制御を行いながら整定操作量と検出温度に基づいて、モデルのパラメータを求めることができる。
【００２４】
本発明の更に他の実施態様においては、前記モデルのパラメータを、制御を停止した後の検出温度の変化に基づいて求めるものである。
【００２５】
本発明によると、制御を一時停止した後の検出温度の変化からモデルのパラメータを求めることができる。
【００２６】
本発明の一実施態様においては、前記モデルのパラメータが、プロセスゲインまたは時定数である。
【００２７】
本発明によると、制御パラメータを設定するために、最大傾きおよびむだ時間を、従来と同様に求め、プロセスゲインまたは時定数のいずれか一方を求めることにより、モデルを設定するために必要なパラメータをすべて求めることができる。
【００２８】
本発明の熱処理装置は、本発明の温度調節器と、制御対象としての熱処理手段と、前記熱処理手段を加熱または冷却する手段とを備えている。
【００２９】
ここで、熱処理装置としては、例えば、半導体製造プロセスで用いられる熱酸化装置、拡散炉、ＣＶＤ装置あるいは成形機などがある。、
本発明によると、本発明の温度調節器によって、オーバーシュート、アンダーシュートあるいはハンチングが抑制された高速な温度制御が可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器のブロック図である。
【００３２】
この実施の形態の温度調節器１は、図示しない設定部からの設定温度ＳＰと、熱処理炉などの制御対象２の温度を検出する図示しない温度センサからのフィードバック入力である検出温度ＰＶとに基づいて、制御対象２の温度制御を行うものである。
【００３３】
この温度調節器１は、設定温度ＳＰとフィードバック量との偏差に基づいて、ＰＩＤ操作量ＭＶを演算出力するＰＩＤ演算手段３と、ＰＩＤ操作量ＭＶに基づいてむだ時間補償出力Ｙｔを与えるむだ時間補償器４とを備えている。
【００３４】
ＰＩＤ演算手段３は、強めのＰＩＤゲイン（Ｐ，Ｉ，Ｄ）と弱めのＰＩＤゲイン（Ｐ’，Ｉ’，Ｄ’）との２種類のＰＩＤゲインが設定されている。このＰＩＤ演算手段３は、むだ時間補償器４の出力Ｙｔを用いたスミス補償法によるむだ時間補償のＰＩＤ制御時には、強めのＰＩＤゲイン（Ｐ，Ｉ，Ｄ）を用いてＰＩＤ操作量ＭＶを演算出力する一方、むだ時間補償器４の出力を用いない通常のＰＩＤ制御時には、弱めのＰＩＤゲイン（Ｐ’，Ｉ’，Ｄ’）を用いてＰＩＤ操作量ＭＶを演算出力する。
【００３５】
ここで、弱めのＰＩＤゲイン（Ｐ’，Ｉ’，Ｄ’）は、例えば、通常のオートチューニングで求まるＰＩＤゲインであり、強めのＰＩＤゲイン（Ｐ，Ｉ，Ｄ）は、弱めのＰＩＤゲイン（Ｐ’，Ｉ’，Ｄ’）の、例えば、３倍程度の強さのＰＩＤゲインである。
【００３６】
むだ時間補償器４は、ＰＩＤ操作量ＭＶを伝達関数Ｐｏ（ｓ）を通した出力から、同じくＰＩＤ操作量ＭＶを伝達関数Ｐｏ（ｓ）ｅ−Ｌｓを通した出力を減算した出力（Ｐｏ（ｓ）−Ｐｏ（ｓ）ｅ−Ｌｓ）をＰＩＤ演算手段３の入力側に与えるものである。
【００３７】
ここで、Ｐｏ（ｓ）は、むだ時間のない理想条件の伝達関数、すなわち、制御対象の特性からむだ時間を除いた伝達関数であり、Ｐｏ（ｓ）ｅ−Ｌｓは、一次遅れおよびむだ時間をもつ制御対象の伝達関数である。なお、この実施の形態では、一次遅れモデルに適用して説明するが、本発明は、二次遅れなどの高次モデルにも適用できるものである。
【００３８】
すなわち、むだ時間補償器４は、むだ時間のない一次遅れの制御対象モデルと、むだ時間および一次遅れの制御対象モデルとの二つのモデルとを有しており、かかるモデルを設定するためのパラメータは、後述のようにして決定される。
【００３９】
むだ時間補償制御においては、むだ時間補償器４の出力Ｙｔは、温度センサからの検出温度ＰＶに加えられて見かけの検出温度（ＰＶ＋Ｙｔ）とされ、設定温度ＳＰとの偏差が算出されてＰＩＤ演算手段３に与えられる。
【００４０】
この実施の形態では、目標値応答および外乱応答のいずれにおいて、オーバーシュートやハンチングなどのない制御を行えるようにするために、次のようにしている。
【００４１】
すなわち、目標値応答時には、むだ時間補償器４の出力Ｙｔを検出温度ＰＶに加えて、ＰＩＤ演算手段３の入力側に与えるとともに、強めのＰＩＤゲイン（Ｐ，Ｉ，Ｄ）を用いたむだ時間補償ＰＩＤ制御を行う一方、目標値応答時以外、具体的には、整定した後には、切換え手段５によって、むだ時間補償器４を切り離すとともに、弱めのＰＩＤゲイン（Ｐ’，Ｉ’，Ｄ’）を用いた通常のＰＩＤ制御に切換えるものである。
【００４２】
なお、目標値応答時とは、最初の立ち上げ時に限らず、一旦目標温度に整定した後に目標温度が変更された場合も含むものである。さらには、制御対象が交換されることによって、整定状態、すなわち、偏差（目標温度と現在温度との差）が小さい状態から大きい状態に急に変化した場合も含むものである。例えば、水槽の中の液体を加熱して一定温度に制御する場合、何度も使っていると、液が汚れてくるので、定期的に液が交換されるが、液の温度を１００℃に保っていた状態で一度液を全部排水して全く新しい液（２０℃）に入れ替えたような時である。
【００４３】
このように目標値応答時は、むだ時間補償器４の出力を用いたスミス補償法によるむだ時間補償のＰＩＤ制御を行うので、オーバーシュートやハンチングを生じることがなく、しかも、ＰＩＤゲインを、スミス補償法を用いない通常のＰＩＤ制御に比べて強めにしているので、目標温度に達するまでの時間が短くなって高速な昇温が可能となる。
【００４４】
また、整定後は、スミス補償法を用いない弱めのＰＩＤゲインの通常のＰＩＤ制御に切換えるので、外乱によるオーバーシュートやハンチングが抑制されることになる。なお、整定したか否かの判断は、検出温度が一定の温度範囲に収まったか否かによって行ってもよいし、むだ時間補償器４の出力が０になったか否かによって行ってもよい。その他に、積分以外の操作量（すなわち比例操作量と微分操作量）が０になったか否かによって行ってもよい。
【００４５】
図２は、この実施の形態のスミス補償法によるむだ時間補償ＰＩＤ制御とスミス補償法を用いない通常のＰＩＤ制御の動作説明に供するフローチャートである。
【００４６】
先ず、目標値が変更されたか否かを判断し（ステップｎ１）、目標値が変更されたときには、スミス補償法を用いたむだ時間補償ＰＩＤ制御に移行し（ステップｎ３）、強めのＰＩＤゲインにして終了する（ステップｎ４）。
【００４７】
ステップｎ１において、目標値が変更されていないと判断されたときには、昇温中であるか否かを判断し（ステップｎ２）、昇温中であるときには、ステップｎ３に移ってむだ時間補償制御を継続し、昇温中でないときには、整定したか否かを判断し（ステップｎ５）、整定したと判断したときには、スミス補償法を用いない通常のＰＩＤ制御に移行し（ステップｎ６）、弱めのＰＩＤゲインにして終了する（ステップｎ７）。
【００４８】
図３は、この実施の形態におけるスミス補償法によるむだ時間補償制御の上述の図１の各部の信号波形図である。
【００４９】
同図において、実線Ｌ１はＰＩＤ演算手段３からのＰＩＤ操作量ＭＶを、破線Ｌ２は制御対象２の実際の検出温度ＰＶを、一点鎖線Ｌ３はむだ時間補償器４の出力Ｙｔを、二点鎖線Ｌ４は実際の検出温度ＰＶに、むだ時間補償器４の出力Ｙｔが加算され見かけの検出温度（ＰＶ＋Ｙｔ）をそれぞれ示している。
【００５０】
この図３に示されるように、スミス補償法によれば、実際の検出温度ＰＶは、むだ時間が経過した後に、上昇するのであるが、むだ時間補償器４の出力Ｙｔが加算された見かけの検出温度（ＰＶ＋Ｙｔ）は、直ちに上昇し、むだ時間のない理想の制御対象として制御を行うものである。また、検出温度ＰＶおよび操作量ＭＶが安定すると、むだ時間補償器４の出力Ｙｔは、０となり、実際の検出温度ＰＶとみかけの検出温度（ＰＶ＋Ｙｔ）とは、一致することになる。
【００５１】
この実施の形態では、この一致した後に、スミス補償法によるむだ時間補償ＰＩＤ制御から通常のＰＩＤ制御に切換えるものである。
【００５２】
図４は、この実施の形態の操作量ＭＶおよび検出温度ＰＶの変化を、スミス補償法を用いない従来のＰＩＤ制御の操作量および検出温度の変化と比較して示す波形図である。同図において、実線Ｌ１および破線Ｌ２は、この実施の形態のＰＩＤ操作量ＭＶおよび検出温度ＰＶをそれぞれ示し、一点鎖線Ｌ５は従来のＰＩＤ制御の操作量を、二点鎖線Ｌ６は従来の検出温度をそれぞれ示している。
【００５３】
この図４に示されるように、スミス補償法を用いない通常のＰＩＤ制御では、オーバーシュートが発生しているのに対して、この実施の形態では、目標値応答時にスミス補償法によるむだ時間補償制御を行っているので、オーバーシュートの発生がない。
【００５４】
この実施の形態では、上述のように、実際の検出温度ＰＶとみかけの検出温度（ＰＶ＋Ｙｔ）とが一致した後は、通常のＰＩＤ制御に切換えるものであり、このＰＩＤ制御では、ＰＩＤゲインが弱めに切換えられるので、外乱によるハンチングも抑制されることになる。なお、通常のＰＩＤ制御に移行した後に、目標温度が変更されたときには、再びスミス補償法を用いたむだ時間補償ＰＩＤ制御に移行することになる。
【００５５】
次に、むだ時間補償器４におけるモデルを設定するためのパラメータの求め方について説明する。
【００５６】
この実施の形態では、このパラメータを容易に求めることができるように、次のようにしている。
【００５７】
制御対象モデルＰｏ（ｓ）を設定するためには、プロセスゲインＫ、むだ時間Ｌおよび時定数Ｔを求める必要がある。
【００５８】
一般に、オートチューニングによってＰＩＤゲインを求めるのであるが、このオートチューニングでは、最大傾きＲとむだ時間Ｌとを求め、これらに基づいて、ＰＩＤゲインを算出するようにしている。
【００５９】
したがって、従来のオートチューニングでは、制御対象モデルの設定に必要なパラメータであるプロセスゲインＫおよび時定数Ｔが求まらないことになる。
【００６０】
そこで、この実施の形態では、オートチューニングによって求まる最大傾きＲと、制御対象モデルの設定に必要なプロセスゲインＫと、時定数Ｔとの間には、Ｒ＝Ｋ／Ｔなる関係があることを利用して、以下のようにして、プロセスゲインＫまたは時定数Ｔを求めるようにしている。
【００６１】
（１）ステップ応答法を用いたプロセスゲインＫの算出
ステップ入力に対する応答波形から従来のオートチューニングと同様に、むだ時間Ｌおよび最大傾きＲを算出するとともに、最大傾きＲが算出された後も、応答波形が整定するまでステップ入力を継続し、得られた出力側の変化から次式に基づいて、プロセスゲインＫを算出するものである。
Ｋ＝｛出力側の変化（温度変化）｝［％ＦＳ］／｛入力側の変化（操作量変化）｝［％］
図５は、このステップ応答法によるプロセスゲインＫの算出を説明するための波形図であり、同図（ａ）は検出温度の変化を、同図（ｂ）は操作量の変化をそれぞれ示している。
【００６２】
この図５においては、操作量がＢ％であり、温度変化がフルスケールＦＳに対してＡ％であるので、プロセスゲインＫは、Ｋ＝Ａ［％ＦＳ］／Ｂ［％］となる。
【００６３】
出力側の変化である温度変化は、上述のようにフルスケールに対する割合を示すものである。
【００６４】
このようにして、ステップ応答法によるオートチューニグを従来よりも長く継続することによって、むだ時間Ｌおよび最大傾きＲを求めると同時に、プロセスゲインＫを併せて求めることができる。
【００６５】
なお、時定数Ｔが長い場合には、プロセスゲインＫの算出に時間がかかることになるので、このような場合には、ステップ入力を小さな値、例えば、２０％などにするのが好ましい。
【００６６】
（２）整定操作量算出を用いたプロセスゲインＫの算出
図６（ａ）に示される検出温度が、例えば、目標温度ＳＰに到達して整定したときフルスケールに対する温度変化Ａ％ＦＳと、同図（ｂ）に示される整定操作量Ｂ％とを用いて次式に基づいて、プロセスゲインＫを算出するものである。
Ｋ＝Ａ［％ＦＳ］／Ｂ［％］
このように整定操作量Ｂ［％］に対する温度変化Ａ［％ＦＳ］としてプロセスゲインＫを算出するので、実際に制御したい目標温度ＳＰにおいて、プロセスゲインＫを算出できることになる。
【００６７】
なお、整定操作量が不安定な場合には、例えば、平均値などを用いるようにしてもよい。
【００６８】
（３）リミットサイクル法を用いたプロセスゲインＫの算出
図７は、リミットサイクル法を用いたプロセスゲインＫの算出を説明するための図であり、同図（ａ）は検出温度の変化を、同図（ｂ）は操作量の変化をそれぞれ示している。
【００６９】
操作量を、例えば、１００％とし、目標温度、例えば、１００℃に達したら操作量を０％とし、目標温度を下回ったら再び操作量を１００％とし、これを繰り返して安定したときのハンチング周期ＴＨに対する操作量１００％の期間の割合をＢ％とし、ハンチングの中心の温度までの温度変化のフルスケールに対する割合をＡ％ＦＳとすると、プロセスゲインＫは、Ｋ＝Ａ／Ｂとなる。
【００７０】
なお、図７では、検出温度は、２０℃から温度が上昇して９０℃と１３０℃との間を、１１０℃を中心として振れているので、前記Ａは、９０℃（＝１１０−２０）のフルスケールに対する割合として算出されることになる。
【００７１】
このリミットサイクル法によれば、従来と同様にハンチング周期と振幅からＰＩＤゲインを求める一方、プロセスゲインＫを併せて求めることができる。
【００７２】
（４）ステップ応答法を用いた時定数Ｔの算出
ステップ入力に対する応答波形から従来のオートチューニングと同様に、むだ時間Ｌおよび最大傾きＲを算出するとともに、最大傾きＲが算出された後も、応答波形が、整定するまでステップ入力を継続し、図８（ａ）に示されるように整定値の６３．２％に上昇するまでの時間として時定数Ｔを算出するものである。
【００７３】
このようにして、ステップ応答によるオートチューニグを従来よりも長く継続することによって、時定数Ｔを算出できることになる。
【００７４】
なお、時定数Ｔが長い場合には、その算出に時間がかかることになるので、このような場合には、ステップ入力を小さな値、例えば、２０％などにするのが好ましい。
【００７５】
（５）自然冷却による時定数Ｔの算出
任意の温度まで上昇した時点で、制御を一時停止し、自然冷却による温度変化から時定数Ｔを求めるものであり、図９に示されるように、制御を停止して自然冷却による温度低下の波形に接線を引いたときに、その接線と制御前の温度である、例えば、室温との交点を求め、制御を停止した時点から交点に至るまでの時間を時定数Ｔとするものである。
【００７６】
この自然冷却による時定数の算出は、自然冷却による温度低下の波形に、接線が引ければ、算出できるので、比較的短時間で時定数Ｔを算出することができる。
【００７７】
なお、元の制御へは、例えば、自然冷却による冷却側の最大傾きが算出された時点で戻ればよい。
【００７８】
以上のようにして求められたプロセスゲインＫ、時定数Ｔおよび従来と同様にオートチューニングによって求められたむだ時間Ｌから上述の制御対象モデルは、例えば、次のように示される。
【００７９】
すなわち、むだ時間のない一次遅れの制御対象モデルＰｏ（ｓ）は、
Ｐｏ（ｓ）＝Ｋ／（ＴＳ＋１）
また、むだ時間および一次遅れの制御対象モデルＰｏ（ｓ）ｅ−Ｌｓは、
Ｐｏ（ｓ）ｅ−Ｌｓ＝｛Ｋ／（ＴＳ＋１）｝ｅ−ＬＳ
ここで、Ｓはラプラス演算子である。
【００８０】
なお、モデルを設定するためのパラメータＫ，Ｔの上述の各求め方は、この実施の形態、すなわち、スミス補償法を用いたむだ時間補償ＰＩＤ制御と通常のＰＩＤ制御とを切換える温度調節器に限らず、スミス補償法を用いたむだ時間補償ＰＩＤ制御のみを行う温度調節器に適用することも可能である。
【００８１】
（その他の実施の形態）
上述の実施の形態では、目標値応答時は、むだ時間補償制御を、それ以外は、通常の制御を行ったけれども、本発明の他の実施の形態として、例えば、外乱が予測されるような場合には、その外乱が印加される前に、むだ時間補償制御から通常の制御に切換えるようにしてもよく、むだ時間補償制御を、目標値応答時以外も行うようにしてもよい。
【００８２】
上述の実施の形態では、むだ時間補償制御のＰＩＤゲインを、通常制御のＰＩＤゲインよりも強くしたけれども、必ずしも強くする必要はない。
【００８３】
上述の実施の形態では、ＰＩＤ制御に適用して説明したけれども、本発明は、ＰＩＤ制御に限らず、ＰＩ制御などにも同様に適用できるものである。
【００８４】
上述の実施の形態では、ヒータなとの加熱手段を用いた温度制御に適用して説明したけれども、本発明は、冷却器などを用いた温度制御に適用してもよい。
【００８５】
また、本発明は、温度制御に限らず、圧力、流量、速度あるいは液位などの他の物理状態の制御する制御装置に適用することもできる。
【００８６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、少なくとも目標値応答時は、むだ時間補償制御を行うので、オーバーシュートやハンチングなどが抑制される一方、目標値応答時以外は、通常の制御を行うことにより、外乱によるハンチングを抑制できることになる。
【００８７】
また、むだ時間補償制御の制御ゲインを強めにすることによって、高速で目標値に到達できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器のブロック図である。
【図２】図１の実施の形態の動作説明に供するフローチャートである。
【図３】図１の実施の形態におけるむだ時間補償制御の各部の信号波形図である。
【図４】図１の実施の形態の操作量および検出温度の変化を、従来のＰＩＤ制御と比較して示す波形図である。
【図５】ステップ応答によるプロセスゲインＫの算出を説明するための波形図である。
【図６】整定操作量を用いたプロセスゲインＫの算出を説明するための波形図である。
【図７】リミットサイクル法を用いたプロセスゲインＫの算出を説明するための波形図である。
【図８】ステップ応答法を用いた時定数Ｔの算出を説明するための波形図である。
【図９】自然冷却による時定数の算出を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１ 温度調節器
２ 制御対象
３ ＰＩＤ演算手段
４ むだ時間補償器
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象の温度や圧力などの物理状態を制御する制御装置、制御対象の温度を制御する温度調節器および温度調節器を用いた熱処理装置に関し、さらに詳しくは、例えば、スミス補償法のようなモデルを用いた制御を行う制御装置、温度調節器および熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、ＰＩＤの温度制御においては、目標値応答時のオーバーシュートを抑制するために、ＰＩＤゲインを弱めに設定して制御する場合がある。しかしながら、ＰＩＤゲインを弱めにして制御を行うと、目標温度に達するまでの時間が長くかかることになり、高速な昇温が求められる用途には適用できないことになる。
【０００３】
そこで、このような場合には、むだ時間を補償して、強いＰＩＤゲインで高速な昇温を可能にしつつ、目標値応答時のオーバシュートを抑制するために、スミス補償法が用いられることがある。
【０００４】
このスミス補償法は、制御対象を、むだ時間のない制御対象に見立てて制御しやすくするものであり、内部に設定した制御対象モデルを用いてむだ時間補償制御を行うものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
スミス補償法は、目標値応答時のオーバーシュートを抑制できるので、通常のＰＩＤ制御に比べて、上述のようにＰＩＤゲインを強めに設定することができ、このため、外乱が加わると、通常のＰＩＤ制御よりもハンチングし易いという難点がある。
【０００６】
また，スミス補償法では、むだ時間を補償するために、内部に制御対象モデルを設定する必要があるが、この制御対象モデルを設定するのに必要なプロセスゲインや時定数などのパラメータを求めるのが容易でないという難点もある。
【０００７】
本発明は、上述のような点に鑑みてなされたものであって、モデルを用いた制御において、目標値応答および外乱応答のいずれにおいてもオーバーシュートやハンチングなどを抑制することを主たる目的とし、さらには、モデルのパラメータを容易に求めることができるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。
【０００９】
すなわち、本発明の制御装置は、目標値とフィードバック量とに基づいて、制御対象に対する操作量を演算出力する操作量演算手段と、前記操作量演算手段からの操作量に基づいて、モデルを用いたむだ時間補償出力を与えるむだ時間補償手段と、前記むだ時間補償出力を前記操作量演算手段の入力側に与えてむだ時間補償制御を行うか、あるいは、前記むだ時間補償出力を前記操作量演算手段の入力側に与えることなく通常の制御を行うかを切換える切換手段とを備え、前記切換手段は、少なくとも目標値応答時には、前記むだ時間補償制御に切換えるものである。
【００１０】
ここで、通常の制御とは、むだ時間補償出力を用いない制御、すなわち、むだ時間補償を行わない制御をいう。
【００１１】
本発明によると、少なくとも目標値応答時は、むだ時間補償制御を行うので、オーバーシュートやハンチングなどが抑制される一方、目標値応答時以外は、通常の制御を行うことにより、むだ時間補償制御を継続した場合に比べて、外乱によるハンチングを抑制できることになる。
【００１２】
本発明の一実施態様においては、前記モデルが、制御対象モデルおよびむだ時間を除いた制御対象モデルであり、前記むだ時間補償制御が、スミス補償法によるむだ時間補償制御であり、前記むだ時間補償制御による制御ゲインを、前記通常の制御の制御ゲインよりも強くしている。
【００１３】
本発明によると、目標値応答時には、制御ゲインを強くしたスミス補償法によるむだ時間補償制御を行うので、目標値に高速に到達できるとともに、オーバーシュートなどを抑制できる一方、目標値応答時以外は、制御ゲインを弱くした通常の制御を行うことにより、外乱によるハンチングを抑制できることになる。
【００１４】
本発明の温度調節器は、目標温度と検出温度とに基づいて、制御対象に対する操作量を演算出力する操作量演算手段と、前記操作量演算手段からの操作量に基づいて、モデルを用いたむだ時間補償出力を与えるむだ時間補償手段と、前記むだ時間補償出力を前記操作量演算手段の入力側に与えてむだ時間補償制御を行うか、あるいは、前記むだ時間補償出力を前記操作量演算手段の入力側に与えることなく通常の制御を行うかを切換える切換手段とを備え、前記切換手段は、少なくとも目標値応答時には、前記むだ時間補償制御に切換えるものである。
【００１５】
本発明によると、少なくとも目標値応答時は、むだ時間補償制御を行うので、オーバーシュートやハンチングなどが抑制される一方、目標値応答時以外は、通常の制御を行うことにより、むだ時間補償制御を継続した場合に比べて、外乱によるハンチングを抑制できることになる。
【００１６】
本発明の一実施態様においては、前記モデルが、制御対象モデルおよびむだ時間を除いた制御対象モデルであり、前記むだ時間補償制御が、スミス補償法によるむだ時間補償制御であり、前記むだ時間補償制御による制御ゲインを、前記通常の制御の制御ゲインよりも強くしている。
【００１７】
本発明によると、目標値応答時には、制御ゲインを強くしたスミス補償法によるむだ時間補償制御を行うので、目標温度に高速に到達できるとともに、オーバーシュートなどを抑制できる一方、目標値応答時以外は、制御ゲインを弱くした通常の制御を行うことにより、外乱によるハンチングを抑制できることになる。
【００１８】
本発明の他の実施態様においては、前記操作量演算手段は、ＰＩ操作量またＰＩＤ操作量を出力するものである。
【００１９】
本発明によると、目標値応答時には、スミス補償法によるＰＩあるいはＰＩＤ制御を行う一方、目標値応答時以外には、通常のＰＩあるいはＰＩＤ制御を行うことにより、オーバーシュートやハンチングなどを抑制できる。
【００２０】
本発明の好ましい実施態様においては、前記モデルのパラメータを、ステップ応答法またはリミットサイクル法を用いて求めるものである。
【００２１】
本発明によると、制御パラメータを決定するためのステップ応答法やリミットサイクル法を用いてモデルのパラメータも求めることができる。
【００２２】
本発明の他の実施態様においては、前記モデルのパラメータを、整定時の操作量および検出温度に基づいて求めるものである。
【００２３】
本発明によると、目標温度で通常の制御を行いながら整定操作量と検出温度に基づいて、モデルのパラメータを求めることができる。
【００２４】
本発明の更に他の実施態様においては、前記モデルのパラメータを、制御を停止した後の検出温度の変化に基づいて求めるものである。
【００２５】
本発明によると、制御を一時停止した後の検出温度の変化からモデルのパラメータを求めることができる。
【００２６】
本発明の一実施態様においては、前記モデルのパラメータが、プロセスゲインまたは時定数である。
【００２７】
本発明によると、制御パラメータを設定するために、最大傾きおよびむだ時間を、従来と同様に求め、プロセスゲインまたは時定数のいずれか一方を求めることにより、モデルを設定するために必要なパラメータをすべて求めることができる。
【００２８】
本発明の熱処理装置は、本発明の温度調節器と、制御対象としての熱処理手段と、前記熱処理手段を加熱または冷却する手段とを備えている。
【００２９】
ここで、熱処理装置としては、例えば、半導体製造プロセスで用いられる熱酸化装置、拡散炉、ＣＶＤ装置あるいは成形機などがある。、
本発明によると、本発明の温度調節器によって、オーバーシュート、アンダーシュートあるいはハンチングが抑制された高速な温度制御が可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器のブロック図である。
【００３２】
この実施の形態の温度調節器１は、図示しない設定部からの設定温度ＳＰと、熱処理炉などの制御対象２の温度を検出する図示しない温度センサからのフィードバック入力である検出温度ＰＶとに基づいて、制御対象２の温度制御を行うものである。
【００３３】
この温度調節器１は、設定温度ＳＰとフィードバック量との偏差に基づいて、ＰＩＤ操作量ＭＶを演算出力するＰＩＤ演算手段３と、ＰＩＤ操作量ＭＶに基づいてむだ時間補償出力Ｙｔを与えるむだ時間補償器４とを備えている。
【００３４】
ＰＩＤ演算手段３は、強めのＰＩＤゲイン（Ｐ，Ｉ，Ｄ）と弱めのＰＩＤゲイン（Ｐ’，Ｉ’，Ｄ’）との２種類のＰＩＤゲインが設定されている。このＰＩＤ演算手段３は、むだ時間補償器４の出力Ｙｔを用いたスミス補償法によるむだ時間補償のＰＩＤ制御時には、強めのＰＩＤゲイン（Ｐ，Ｉ，Ｄ）を用いてＰＩＤ操作量ＭＶを演算出力する一方、むだ時間補償器４の出力を用いない通常のＰＩＤ制御時には、弱めのＰＩＤゲイン（Ｐ’，Ｉ’，Ｄ’）を用いてＰＩＤ操作量ＭＶを演算出力する。
【００３５】
ここで、弱めのＰＩＤゲイン（Ｐ’，Ｉ’，Ｄ’）は、例えば、通常のオートチューニングで求まるＰＩＤゲインであり、強めのＰＩＤゲイン（Ｐ，Ｉ，Ｄ）は、弱めのＰＩＤゲイン（Ｐ’，Ｉ’，Ｄ’）の、例えば、３倍程度の強さのＰＩＤゲインである。
【００３６】
むだ時間補償器４は、ＰＩＤ操作量ＭＶを伝達関数Ｐｏ（ｓ）を通した出力から、同じくＰＩＤ操作量ＭＶを伝達関数Ｐｏ（ｓ）ｅ−Ｌｓを通した出力を減算した出力（Ｐｏ（ｓ）−Ｐｏ（ｓ）ｅ−Ｌｓ）をＰＩＤ演算手段３の入力側に与えるものである。
【００３７】
ここで、Ｐｏ（ｓ）は、むだ時間のない理想条件の伝達関数、すなわち、制御対象の特性からむだ時間を除いた伝達関数であり、Ｐｏ（ｓ）ｅ−Ｌｓは、一次遅れおよびむだ時間をもつ制御対象の伝達関数である。なお、この実施の形態では、一次遅れモデルに適用して説明するが、本発明は、二次遅れなどの高次モデルにも適用できるものである。
【００３８】
すなわち、むだ時間補償器４は、むだ時間のない一次遅れの制御対象モデルと、むだ時間および一次遅れの制御対象モデルとの二つのモデルとを有しており、かかるモデルを設定するためのパラメータは、後述のようにして決定される。
【００３９】
むだ時間補償制御においては、むだ時間補償器４の出力Ｙｔは、温度センサからの検出温度ＰＶに加えられて見かけの検出温度（ＰＶ＋Ｙｔ）とされ、設定温度ＳＰとの偏差が算出されてＰＩＤ演算手段３に与えられる。
【００４０】
この実施の形態では、目標値応答および外乱応答のいずれにおいて、オーバーシュートやハンチングなどのない制御を行えるようにするために、次のようにしている。
【００４１】
すなわち、目標値応答時には、むだ時間補償器４の出力Ｙｔを検出温度ＰＶに加えて、ＰＩＤ演算手段３の入力側に与えるとともに、強めのＰＩＤゲイン（Ｐ，Ｉ，Ｄ）を用いたむだ時間補償ＰＩＤ制御を行う一方、目標値応答時以外、具体的には、整定した後には、切換え手段５によって、むだ時間補償器４を切り離すとともに、弱めのＰＩＤゲイン（Ｐ’，Ｉ’，Ｄ’）を用いた通常のＰＩＤ制御に切換えるものである。
【００４２】
なお、目標値応答時とは、最初の立ち上げ時に限らず、一旦目標温度に整定した後に目標温度が変更された場合も含むものである。さらには、制御対象が交換されることによって、整定状態、すなわち、偏差（目標温度と現在温度との差）が小さい状態から大きい状態に急に変化した場合も含むものである。例えば、水槽の中の液体を加熱して一定温度に制御する場合、何度も使っていると、液が汚れてくるので、定期的に液が交換されるが、液の温度を１００℃に保っていた状態で一度液を全部排水して全く新しい液（２０℃）に入れ替えたような時である。
【００４３】
このように目標値応答時は、むだ時間補償器４の出力を用いたスミス補償法によるむだ時間補償のＰＩＤ制御を行うので、オーバーシュートやハンチングを生じることがなく、しかも、ＰＩＤゲインを、スミス補償法を用いない通常のＰＩＤ制御に比べて強めにしているので、目標温度に達するまでの時間が短くなって高速な昇温が可能となる。
【００４４】
また、整定後は、スミス補償法を用いない弱めのＰＩＤゲインの通常のＰＩＤ制御に切換えるので、外乱によるオーバーシュートやハンチングが抑制されることになる。なお、整定したか否かの判断は、検出温度が一定の温度範囲に収まったか否かによって行ってもよいし、むだ時間補償器４の出力が０になったか否かによって行ってもよい。その他に、積分以外の操作量（すなわち比例操作量と微分操作量）が０になったか否かによって行ってもよい。
【００４５】
図２は、この実施の形態のスミス補償法によるむだ時間補償ＰＩＤ制御とスミス補償法を用いない通常のＰＩＤ制御の動作説明に供するフローチャートである。
【００４６】
先ず、目標値が変更されたか否かを判断し（ステップｎ１）、目標値が変更されたときには、スミス補償法を用いたむだ時間補償ＰＩＤ制御に移行し（ステップｎ３）、強めのＰＩＤゲインにして終了する（ステップｎ４）。
【００４７】
ステップｎ１において、目標値が変更されていないと判断されたときには、昇温中であるか否かを判断し（ステップｎ２）、昇温中であるときには、ステップｎ３に移ってむだ時間補償制御を継続し、昇温中でないときには、整定したか否かを判断し（ステップｎ５）、整定したと判断したときには、スミス補償法を用いない通常のＰＩＤ制御に移行し（ステップｎ６）、弱めのＰＩＤゲインにして終了する（ステップｎ７）。
【００４８】
図３は、この実施の形態におけるスミス補償法によるむだ時間補償制御の上述の図１の各部の信号波形図である。
【００４９】
同図において、実線Ｌ１はＰＩＤ演算手段３からのＰＩＤ操作量ＭＶを、破線Ｌ２は制御対象２の実際の検出温度ＰＶを、一点鎖線Ｌ３はむだ時間補償器４の出力Ｙｔを、二点鎖線Ｌ４は実際の検出温度ＰＶに、むだ時間補償器４の出力Ｙｔが加算され見かけの検出温度（ＰＶ＋Ｙｔ）をそれぞれ示している。
【００５０】
この図３に示されるように、スミス補償法によれば、実際の検出温度ＰＶは、むだ時間が経過した後に、上昇するのであるが、むだ時間補償器４の出力Ｙｔが加算された見かけの検出温度（ＰＶ＋Ｙｔ）は、直ちに上昇し、むだ時間のない理想の制御対象として制御を行うものである。また、検出温度ＰＶおよび操作量ＭＶが安定すると、むだ時間補償器４の出力Ｙｔは、０となり、実際の検出温度ＰＶとみかけの検出温度（ＰＶ＋Ｙｔ）とは、一致することになる。
【００５１】
この実施の形態では、この一致した後に、スミス補償法によるむだ時間補償ＰＩＤ制御から通常のＰＩＤ制御に切換えるものである。
【００５２】
図４は、この実施の形態の操作量ＭＶおよび検出温度ＰＶの変化を、スミス補償法を用いない従来のＰＩＤ制御の操作量および検出温度の変化と比較して示す波形図である。同図において、実線Ｌ１および破線Ｌ２は、この実施の形態のＰＩＤ操作量ＭＶおよび検出温度ＰＶをそれぞれ示し、一点鎖線Ｌ５は従来のＰＩＤ制御の操作量を、二点鎖線Ｌ６は従来の検出温度をそれぞれ示している。
【００５３】
この図４に示されるように、スミス補償法を用いない通常のＰＩＤ制御では、オーバーシュートが発生しているのに対して、この実施の形態では、目標値応答時にスミス補償法によるむだ時間補償制御を行っているので、オーバーシュートの発生がない。
【００５４】
この実施の形態では、上述のように、実際の検出温度ＰＶとみかけの検出温度（ＰＶ＋Ｙｔ）とが一致した後は、通常のＰＩＤ制御に切換えるものであり、このＰＩＤ制御では、ＰＩＤゲインが弱めに切換えられるので、外乱によるハンチングも抑制されることになる。なお、通常のＰＩＤ制御に移行した後に、目標温度が変更されたときには、再びスミス補償法を用いたむだ時間補償ＰＩＤ制御に移行することになる。
【００５５】
次に、むだ時間補償器４におけるモデルを設定するためのパラメータの求め方について説明する。
【００５６】
この実施の形態では、このパラメータを容易に求めることができるように、次のようにしている。
【００５７】
制御対象モデルＰｏ（ｓ）を設定するためには、プロセスゲインＫ、むだ時間Ｌおよび時定数Ｔを求める必要がある。
【００５８】
一般に、オートチューニングによってＰＩＤゲインを求めるのであるが、このオートチューニングでは、最大傾きＲとむだ時間Ｌとを求め、これらに基づいて、ＰＩＤゲインを算出するようにしている。
【００５９】
したがって、従来のオートチューニングでは、制御対象モデルの設定に必要なパラメータであるプロセスゲインＫおよび時定数Ｔが求まらないことになる。
【００６０】
そこで、この実施の形態では、オートチューニングによって求まる最大傾きＲと、制御対象モデルの設定に必要なプロセスゲインＫと、時定数Ｔとの間には、Ｒ＝Ｋ／Ｔなる関係があることを利用して、以下のようにして、プロセスゲインＫまたは時定数Ｔを求めるようにしている。
【００６１】
（１）ステップ応答法を用いたプロセスゲインＫの算出
ステップ入力に対する応答波形から従来のオートチューニングと同様に、むだ時間Ｌおよび最大傾きＲを算出するとともに、最大傾きＲが算出された後も、応答波形が整定するまでステップ入力を継続し、得られた出力側の変化から次式に基づいて、プロセスゲインＫを算出するものである。
Ｋ＝｛出力側の変化（温度変化）｝［％ＦＳ］／｛入力側の変化（操作量変化）｝［％］
図５は、このステップ応答法によるプロセスゲインＫの算出を説明するための波形図であり、同図（ａ）は検出温度の変化を、同図（ｂ）は操作量の変化をそれぞれ示している。
【００６２】
この図５においては、操作量がＢ％であり、温度変化がフルスケールＦＳに対してＡ％であるので、プロセスゲインＫは、Ｋ＝Ａ［％ＦＳ］／Ｂ［％］となる。
【００６３】
出力側の変化である温度変化は、上述のようにフルスケールに対する割合を示すものである。
【００６４】
このようにして、ステップ応答法によるオートチューニグを従来よりも長く継続することによって、むだ時間Ｌおよび最大傾きＲを求めると同時に、プロセスゲインＫを併せて求めることができる。
【００６５】
なお、時定数Ｔが長い場合には、プロセスゲインＫの算出に時間がかかることになるので、このような場合には、ステップ入力を小さな値、例えば、２０％などにするのが好ましい。
【００６６】
（２）整定操作量算出を用いたプロセスゲインＫの算出
図６（ａ）に示される検出温度が、例えば、目標温度ＳＰに到達して整定したときフルスケールに対する温度変化Ａ％ＦＳと、同図（ｂ）に示される整定操作量Ｂ％とを用いて次式に基づいて、プロセスゲインＫを算出するものである。
Ｋ＝Ａ［％ＦＳ］／Ｂ［％］
このように整定操作量Ｂ［％］に対する温度変化Ａ［％ＦＳ］としてプロセスゲインＫを算出するので、実際に制御したい目標温度ＳＰにおいて、プロセスゲインＫを算出できることになる。
【００６７】
なお、整定操作量が不安定な場合には、例えば、平均値などを用いるようにしてもよい。
【００６８】
（３）リミットサイクル法を用いたプロセスゲインＫの算出
図７は、リミットサイクル法を用いたプロセスゲインＫの算出を説明するための図であり、同図（ａ）は検出温度の変化を、同図（ｂ）は操作量の変化をそれぞれ示している。
【００６９】
操作量を、例えば、１００％とし、目標温度、例えば、１００℃に達したら操作量を０％とし、目標温度を下回ったら再び操作量を１００％とし、これを繰り返して安定したときのハンチング周期ＴＨに対する操作量１００％の期間の割合をＢ％とし、ハンチングの中心の温度までの温度変化のフルスケールに対する割合をＡ％ＦＳとすると、プロセスゲインＫは、Ｋ＝Ａ／Ｂとなる。
【００７０】
なお、図７では、検出温度は、２０℃から温度が上昇して９０℃と１３０℃との間を、１１０℃を中心として振れているので、前記Ａは、９０℃（＝１１０−２０）のフルスケールに対する割合として算出されることになる。
【００７１】
このリミットサイクル法によれば、従来と同様にハンチング周期と振幅からＰＩＤゲインを求める一方、プロセスゲインＫを併せて求めることができる。
【００７２】
（４）ステップ応答法を用いた時定数Ｔの算出
ステップ入力に対する応答波形から従来のオートチューニングと同様に、むだ時間Ｌおよび最大傾きＲを算出するとともに、最大傾きＲが算出された後も、応答波形が、整定するまでステップ入力を継続し、図８（ａ）に示されるように整定値の６３．２％に上昇するまでの時間として時定数Ｔを算出するものである。
【００７３】
このようにして、ステップ応答によるオートチューニグを従来よりも長く継続することによって、時定数Ｔを算出できることになる。
【００７４】
なお、時定数Ｔが長い場合には、その算出に時間がかかることになるので、このような場合には、ステップ入力を小さな値、例えば、２０％などにするのが好ましい。
【００７５】
（５）自然冷却による時定数Ｔの算出
任意の温度まで上昇した時点で、制御を一時停止し、自然冷却による温度変化から時定数Ｔを求めるものであり、図９に示されるように、制御を停止して自然冷却による温度低下の波形に接線を引いたときに、その接線と制御前の温度である、例えば、室温との交点を求め、制御を停止した時点から交点に至るまでの時間を時定数Ｔとするものである。
【００７６】
この自然冷却による時定数の算出は、自然冷却による温度低下の波形に、接線が引ければ、算出できるので、比較的短時間で時定数Ｔを算出することができる。
【００７７】
なお、元の制御へは、例えば、自然冷却による冷却側の最大傾きが算出された時点で戻ればよい。
【００７８】
以上のようにして求められたプロセスゲインＫ、時定数Ｔおよび従来と同様にオートチューニングによって求められたむだ時間Ｌから上述の制御対象モデルは、例えば、次のように示される。
【００７９】
すなわち、むだ時間のない一次遅れの制御対象モデルＰｏ（ｓ）は、
Ｐｏ（ｓ）＝Ｋ／（ＴＳ＋１）
また、むだ時間および一次遅れの制御対象モデルＰｏ（ｓ）ｅ−Ｌｓは、
Ｐｏ（ｓ）ｅ−Ｌｓ＝｛Ｋ／（ＴＳ＋１）｝ｅ−ＬＳ
ここで、Ｓはラプラス演算子である。
【００８０】
なお、モデルを設定するためのパラメータＫ，Ｔの上述の各求め方は、この実施の形態、すなわち、スミス補償法を用いたむだ時間補償ＰＩＤ制御と通常のＰＩＤ制御とを切換える温度調節器に限らず、スミス補償法を用いたむだ時間補償ＰＩＤ制御のみを行う温度調節器に適用することも可能である。
【００８１】
（その他の実施の形態）
上述の実施の形態では、目標値応答時は、むだ時間補償制御を、それ以外は、通常の制御を行ったけれども、本発明の他の実施の形態として、例えば、外乱が予測されるような場合には、その外乱が印加される前に、むだ時間補償制御から通常の制御に切換えるようにしてもよく、むだ時間補償制御を、目標値応答時以外も行うようにしてもよい。
【００８２】
上述の実施の形態では、むだ時間補償制御のＰＩＤゲインを、通常制御のＰＩＤゲインよりも強くしたけれども、必ずしも強くする必要はない。
【００８３】
上述の実施の形態では、ＰＩＤ制御に適用して説明したけれども、本発明は、ＰＩＤ制御に限らず、ＰＩ制御などにも同様に適用できるものである。
【００８４】
上述の実施の形態では、ヒータなとの加熱手段を用いた温度制御に適用して説明したけれども、本発明は、冷却器などを用いた温度制御に適用してもよい。
【００８５】
また、本発明は、温度制御に限らず、圧力、流量、速度あるいは液位などの他の物理状態の制御する制御装置に適用することもできる。
【００８６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、少なくとも目標値応答時は、むだ時間補償制御を行うので、オーバーシュートやハンチングなどが抑制される一方、目標値応答時以外は、通常の制御を行うことにより、外乱によるハンチングを抑制できることになる。
【００８７】
また、むだ時間補償制御の制御ゲインを強めにすることによって、高速で目標値に到達できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器のブロック図である。
【図２】図１の実施の形態の動作説明に供するフローチャートである。
【図３】図１の実施の形態におけるむだ時間補償制御の各部の信号波形図である。
【図４】図１の実施の形態の操作量および検出温度の変化を、従来のＰＩＤ制御と比較して示す波形図である。
【図５】ステップ応答によるプロセスゲインＫの算出を説明するための波形図である。
【図６】整定操作量を用いたプロセスゲインＫの算出を説明するための波形図である。
【図７】リミットサイクル法を用いたプロセスゲインＫの算出を説明するための波形図である。
【図８】ステップ応答法を用いた時定数Ｔの算出を説明するための波形図である。
【図９】自然冷却による時定数の算出を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１ 温度調節器
２ 制御対象
３ ＰＩＤ演算手段
４ むだ時間補償器
Claims (10)
- 目標値とフィードバック量とに基づいて、制御対象に対する操作量を演算出力する操作量演算手段と、
前記操作量演算手段からの操作量に基づいて、モデルを用いたむだ時間補償出力を与えるむだ時間補償手段と、
前記むだ時間補償出力を前記操作量演算手段の入力側に与えてむだ時間補償制御を行うか、あるいは、前記むだ時間補償出力を前記操作量演算手段の入力側に与えることなく通常の制御を行うかを切換える切換手段とを備え、
前記切換手段は、少なくとも目標値応答時には、前記むだ時間補償制御に切換えることを特徴とする制御装置。 - 前記モデルが、制御対象モデルおよびむだ時間を除いた制御対象モデルであり、
前記むだ時間補償制御が、スミス補償法によるむだ時間補償制御であり、
前記むだ時間補償制御による制御ゲインを、前記通常の制御の制御ゲインよりも強くした請求項１記載の制御装置。 - 目標温度と検出温度とに基づいて、制御対象に対する操作量を演算出力する操作量演算手段と、
前記操作量演算手段からの操作量に基づいて、モデルを用いたむだ時間補償出力を与えるむだ時間補償手段と、
前記むだ時間補償出力を前記操作量演算手段の入力側に与えてむだ時間補償制御を行うか、あるいは、前記むだ時間補償出力を前記操作量演算手段の入力側に与えることなく通常の制御を行うかを切換える切換手段とを備え、
前記切換手段は、少なくとも目標値応答時には、前記むだ時間補償制御に切換えることを特徴とする温度調節器。 - 前記モデルが、制御対象モデルおよびむだ時間を除いた制御対象モデルであり、
前記むだ時間補償制御が、スミス補償法によるむだ時間補償制御であり、
前記むだ時間補償制御による制御ゲインを、前記通常の制御の制御ゲインよりも強くした請求項３記載の温度調節器。 - 前記操作量演算手段は、ＰＩ操作量またＰＩＤ操作量を出力するものである請求項３または４記載の温度調節器。
- 前記モデルのパラメータを、ステップ応答法またはリミットサイクル法を用いて求める請求項３〜５のいずれかに記載の温度調節器。
- 前記モデルのパラメータを、整定時の操作量および検出温度に基づいて求める請求項３〜５のいずれかに記載の温度調節器。
- 前記モデルのパラメータを、制御を停止した後の検出温度の変化に基づいて求める請求項３〜５のいずれかに記載の温度調節器。
- 前記モデルのパラメータが、プロセスゲインまたは時定数である請求項６〜８のいずれかに記載の温度調節器。
- 請求項３〜９のいずれかに記載の温度調節器と、制御対象としての熱処理手段と、前記熱処理手段を加熱または冷却する手段とを備えることを特徴とする熱処理装置。
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