JP5867517B2 - 流量制御装置及びプログラム - Google Patents
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Description
なお、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
図1は、流量制御装置1のハードウェア構成例を示すブロック図である。流量制御装置1は、製品の製造工程全体を制御する外部のホストコンピュータHと接続されている。流量制御装置1は、流量制御装置1が製品製造装置に供給すべきガスの流量を示す流量設定信号SspをホストコンピュータHから受け付ける。他方、流量制御装置1は、現在流しているガスの流量を示す流量出力信号SgoutをホストコンピュータHに出力する。
センサ部3は、流路部2が取り込んだガスの流量を検出する。制御部4は、センサ部3が検出したガスの流量値と流量設定信号Sspが示す流量設定値とを比較し、実際の流量値が設定流量値(目標流量値)になるように出力信号Soutをバルブ駆動回路5に出力する。バルブ駆動回路5は、出力信号Soutを入力し、入力した出力信号Soutに基づいて、バルブ部6を駆動するバルブ駆動信号Spztをバルブ部6に出力する。バルブ部6は、バルブ駆動信号Spztを入力し、入力したバルブ駆動信号Spztに基づいて、流路部2を流れるガスの流量を調整する。
流量制御装置1において、制御部4は、流量設定値及びセンサ部3が検出した流量に基づいて、バルブ部6をフィードバック制御することにより、流路部2を流れるガスの流量を制御する。
バイパス群31は、束ねられた複数のバイパス管からなり、流路部2の上流側に設けられている。センサ管32は、バイパス群31を迂回するように、バイパス群31の両端に設けられたステンレススチール製の毛細管である。センサ管32は、バイパス群31を流れるガスに対して少量の一定比率のガスを流すように構成されている。これにより、センサ管32には、流路部2を流れる全ガス流量に対して一定比率のガスが供給される。
なお、制御部4が流量制御に圧力検出信号Svを利用しない場合、圧力検出部34はなくてもよい。
バルブ駆動回路5は、バルブ駆動信号Spztを制御部4に出力してもよいし、出力しなくてもよい。
バルブ駆動回路5がバルブ駆動信号Spztを制御部4に出力する場合、制御部4はバルブ駆動回路5からバルブ駆動信号Spztを受け付ける。制御部4は、受け付けたバルブ駆動信号Spztを流量のフィードバック制御に利用する。
ケース60は、バルブ部6の各構成部を収納する箱である。ケース60は、センサ部3よりも下流側の流路部2上面に設けられており、ケース60の底部は流路部2と接合されている。ケース60の底部には、流体が流通可能な空間が設けられている。ケース60の底面には、2つの開口が開設されており、1つの開口は、バイパス群31を通過したガスがケース60底部の空間に流入する開口である。もう1つの開口は、ケース60底部の空間からガスが流路部2に流出する開口である。後者の開口は、バルブ部6の弁口69を構成している。
アクチュエータ61は、例えば積層圧電素子(ピエゾ素子)である。積層圧電素子は、多数のPZTセラミック円板を積層した構造をなす。積層圧電素子は、高いバルブ駆動電圧が印加された場合、積層方向に伸長し、低いバルブ駆動電圧が印加された場合、積層方向に収縮する。すなわち、アクチュエータ61は、印加されるバルブ駆動電圧によって、上下方向に機械的に伸縮する。
流量センサ信号Vfsは、アナログ入力回路71で所定のアナログ処理が施され、アナログ流量信号Vqcとなる。アナログ流量信号Vqcは、流量センサ信号Vfsの周波数特性によって高い周波数の成分が大きく減衰した信号であり、デジタル信号補正回路81によりこの減衰分が補償されてデジタル流量信号Vqdとなる。
アナログ入力回路71は、センサ部3に含まれてもよいし、制御部4に含まれてもよい。
なお、アナログ入力回路72は、バルブ駆動回路5に含まれてもよいし、制御部4に含まれてもよい。また、アナログ入力回路72は、各種アナログ処理を実行するフィルタを備えていてもよい。
流量制御系は、流量設定値が0である場合、バルブ駆動回路5がバルブ部6に印加する電圧が0Vになるようにバルブ駆動回路5へ入力する電圧値に対応する電圧信号Voutintを、バルブ駆動回路5へ入力する出力信号Voutに設定する。一方、流量制御系は、流量設定値が0でない場合、Voutintと修正操作量信号Vffとを加え合わせ点A4で加算し、加算した信号をバルブ駆動回路5へ入力する出力信号Voutに設定する。
なお、制御部4がコンピュータを含んで構成される場合、図3には図示されていないAD/DA変換部46がバルブ駆動回路5の入力側に位置し、出力信号Voutは、AD/DA変換部46がバルブ駆動回路5に出力する信号に該当する。
アクチュエータ61を駆動するバルブ駆動回路5において、出力信号Voutから端子電圧Vpztまでの応答は、1次遅れ系の応答に類似している。しかし、バルブ駆動回路5における応答は、単なる1次遅れ系の応答とは異なり、2つの1次遅れ系による応答を重ね合わせたモデルによって近似することができる。以下、出力信号Voutから端子電圧Vpztまでの伝達特性を、2つの1次遅れ系を重ね合わせたモデルで表し、当該モデルを実態モデルと呼ぶ。実態モデルの伝達特性は、次の(1)式で表される。
(1)式の実態モデルにおける応答特性に係る伝達関数(第一伝達関数)は、次の(3)式で表される。
なお、ゲインKpzt はアクチュエータ61に係る積層圧電素子のみの電圧ゲインに応じた定数でもよく、時定数Tpzt sはアクチュエータ61に係る積層圧電素子のみの望ましい応答性に応じた変数でもよい。
また、(7)式において、Gaf(s)に0ではない適当な伝達関数を与えた場合、積層圧電素子の応答特性を調整することができることがわかる。
(5)式のGff(s)85は、次の(9)式となる。
また、制御部4は、流量設定値が0以外の値である場合、端子電圧vpzt に基づく電圧フィードバック信号を考慮した操作量信号vu に対して、バルブ部6の弁の与圧に必要な不感帯に相当する一定電圧値の信号vc (=voutthd−voutint)を加算する。
CPU41は、タイマ44から受け付けた日時に基づいて、一定周期Tsで割り込み処理を発生させ、図5及び図6に示す処理を繰り返し実行する。
なお、voutintは、積層圧電素子への印加電圧が0Vとなる出力信号vout である。voutthdは、積層圧電素子への印加電圧が開閉境界電圧となる出力信号vout である。
図7A、図7B、図7C及び図7Dは、バルブ駆動回路5の入力端子にステップ状の入力波形に応じた電圧を印加した場合における積層圧電素子の時間応答波形の一例を示す説明図である。図7A、図7B、図7C及び図7Dは、夫々流量設定値がその最大値の2%、20%、40%及び100%に変化した場合における積層圧電素子の応答波形を示している。実線は、実測した応答波形である。破線は、実態モデルの応答波形である。図7A、図7B、図7C及び図7Dにおける横軸は時間であり、単位は秒である。図7A、図7B、図7C及び図7Dにおける縦軸は、バルブ駆動回路5からの出力電圧である端子電圧VpztにゲインKmonを乗じた電圧であり、単位はボルトである。図7A、図7B、図7C及び図7Dにおける実態モデルの各定数値は、例えば以下の通りである。
Kpzt =44.3
K1_pzt =2.15/3.6=0.694、T1_pzt =0.158
K2_pzt =1.45/3.6=0.306、T2_pzt =0.044
図7A、図7B、図7C及び図7Dより、実態モデルは各流量設定値に対して、実測されたアクチュエータ61の応答特性をよく再現していることがわかる。
Tpzt =00.12
としてある。実線は、規範モデルの応答波形である。破線は、実態モデルの応答波形である。実態モデルよりも規範モデルの方が格段に速い応答を示していることが図8からわかる。
図9B、図10B及び図11Bにおける太い実線は、AD/DA変換部46からの出力信号Voutすなわちバルブ駆動回路5への入力信号の応答波形である。なお、図9B、図10B及び図11Bにおける縦軸のVout1は、流量設定信号Vspが2Vを示す場合にバルブ駆動回路5へ入力される出力信号Voutの定常値である。
図11Bにおけるスパイク状の信号は、電気容量が大きい積層圧電素子に対して短時間に大きな電流が供給されることを示しており、開閉境界状態まで一気に開くバルブ部6の弁の動作に対応する。
図11Bにおける小さなオーバーシュートは、積層圧電素子に対して大きいが、過剰でない電流を供給することにより、開閉境界状態から所望の弁開度まで急速に開くバルブ部6の弁の動作に対応する。図11Bにおける波形は、急速に一定値に収束する。これにより、流量制御装置1は、バルブ部6の弁が所望の弁開度よりも開きすぎることを抑制している。
流量制御装置1はプログラム1Pに基づくデジタル制御により流量を制御するが、伝達関数を構成するアナログ回路で制御部4を置き換えてもよい。かかる場合も、上述と同様の効果を奏する。
実施の形態1では、流量偏差信号Veに対してPI制御を行なった。しかし、流量偏差信号Veは、PID制御、微分先行型PID制御、I−PD制御等によって処理されてもよい。
流量制御装置1は、積層圧電素子が有する大きな電気的容量に起因する応答遅れを短縮することにより、より高速な流量の応答制御を可能にする。従って、流量制御装置1を用いることにより、製品の生産効率を向上させることができる。
実施の形態2は、制御部4からバルブ駆動回路5に出力される信号に対応するスパイク状の電圧変化を緩和する緩和フィルタを流量制御系に追加する形態に関する。
なお、実施の形態2において、実施の形態1と同様の構成部分には、同一の参照番号を付してその詳細な説明を省略する。
図12において、図3と異なる動作部分は、0及び不感帯補償電圧Vcを選択切り替えした信号を、緩和フィルタに対応する伝達関数Gss(s)86で緩和処理し、緩和処理した信号Vcfを加え合わせ点A2及び伝達関数Grf(s)84に入力している部分である。
図13において、図4と異なる動作部分は、0及び不感帯補償電圧Vcを選択切り替えした信号を、緩和フィルタに対応する伝達関数Gss(s)86で緩和処理し、緩和処理した信号Vcfを加え合わせ点A2に入力している部分である。
入力信号Vpi及び不感帯補償信号Vcから端子電圧Vpztまでの伝達特性は、次の(13)式で表される。
他方、図12の構成の場合、制御部4は、バルブ部6の弁の与圧に必要な不感帯に相当する一定電圧値の信号vc(voutthd−voutint)がステップ状に立ち上がるように、緩和フィルタに対応する伝達関数Gss(s)86で信号vcを緩和処理し、緩和処理後の信号Vcfを生成する。そして、制御部4は、流量設定値が0以外の値である場合、端子電圧vpztに基づく電圧フィードバック信号を考慮した操作量信号Vuに対して、生成した信号Vcfを加算する。その際、制御部4は、端子電圧vpztと、信号Vcfを伝達関数Grf(s)84により補正した補正信号Vrfとを考慮して電圧フィードバック信号を生成する。
流量制御装置1の緩和フィルタに対応する伝達関数Gss(s)86は、制御部4からバルブ駆動回路5に出力される信号に対応するスパイク状の電圧変化を緩和することができる。バルブ駆動回路5は、印加される電圧がバルブ駆動回路5の電源電圧よりも高い場合、飽和してしまう。また、このような場合に飽和を回避するには、高い電圧を供給できる電源を別途設けたり、回路素子に高電圧対応の特殊な素子を用いたりする必要があり、装置サイズやコストの増大を招く。しかし、伝達関数Gss(s)86は、バルブ駆動回路5に印加されるスパイク状の電圧変化を低減し、ステップ状の電圧変化に変えるので、バルブ駆動回路5の飽和を抑制することができる。また、伝達関数Gss(s)86は、標準的な回路素子と既存の電源による構成の範囲での応答高速化を可能とする。その一方で、流量制御装置1の伝達関数Gss(s)86は、バルブ駆動回路5及びアクチュエータ61に印加される電圧の印加時間をより長くすることで、バルブ駆動回路5及びアクチュエータ61に供給する電気エネルギーを減少させることなく、積層圧電素子の高速応答制御を実現している。
2 流路部(流路)
3 センサ部(検出手段)
31 バイパス群
32 センサ管
31R コイル
32R コイル
33 センサ回路
34 圧力検出部
4 制御部(制御手段、コンピュータ)
41 CPU(出力手段、補償手段、生成手段、信号生成手段、変換手段)
42 RAM
43 ROM
44 タイマ
45 入出力インタフェース(受付手段)
46 AD/DA変換部
5 バルブ駆動回路(駆動回路、出力手段)
6 バルブ部(流量調整弁)
60 ケース
61 アクチュエータ(圧電素子)
62 規制部材
63 ばね座
64 コイルばね
65 弁棒
66 球体
67 スラストボタン
68 ダイヤフラム(弁体)
69 弁口
72 アナログ入力回路
83 Gaf(s)(信号生成手段)
84 Grf(s)(変換手段)
85 Gff(s)(補償手段)
86 Gss(s)(緩和手段)
H ホストコンピュータ
G ガス管
A1 加え合わせ点(生成手段)
Claims (17)
- 流量調整弁を構成する弁体に連結されており、該弁体を作動させることにより、流量を調整する圧電素子と、
該圧電素子に電圧を印加することにより該圧電素子を駆動する駆動回路と、
目標流量を受け付ける受付手段と、
流量を前記受付手段が受け付けた目標流量と一致するように変化させるべく、前記圧電素子に印加する電圧に対応する信号を前記駆動回路に出力する出力手段と
を備える流量制御装置において、
前記出力手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、該流量調整弁が閉状態でない場合に該目標流量が変化したときよりも、変化後の目標流量に対応する目標電圧値に対してより大きな振幅を示す電圧変化に対応する信号を過渡的に出力し、その後該目標電圧値に収束する電圧変化に対応する信号を出力するようにしてある
ことを特徴とする流量制御装置。 - 前記出力手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、スパイク状の電圧変化に対応する信号を前記駆動回路に出力するようにしてある
ことを特徴とする請求項2に記載の流量制御装置。 - 前記出力手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、変化後の目標流量に対応する目標電圧値よりも高い電圧値までステップ状に立ち上がる電圧変化に対応する信号を出力し、その後該目標電圧値に収束する電圧変化に対応する信号を前記駆動回路に出力するようにしてある
ことを特徴とする請求項2に記載の流量制御装置。 - 流路を流れる流体の流量を検出する検出手段と、
前記流路を開閉する流量調整弁を構成する弁体に連結されており、該弁体を作動させることにより、流量を調整する圧電素子と、
該圧電素子に電圧を印加することにより該圧電素子を駆動する駆動回路と、
流体の目標流量を受け付ける受付手段と、
該受付手段が受け付けた目標流量及び前記検出手段が検出した流量の偏差に基づいて、前記圧電素子に印加する電圧に対応する信号を前記駆動回路に出力することにより、該駆動回路及び該圧電素子を介して流量を制御する制御手段と
を備える流量制御装置において、
前記制御手段は、
前記偏差に対応する信号を生成する生成手段と、
前記圧電素子の電気的特性に係る数値及び該圧電素子の応答特性に応じた定数を含む制御要素により、前記生成手段が生成した信号を補償する補償手段と
を有し、
前記補償手段が補償した信号を前記駆動回路に出力するようにしてある
ことを特徴とする流量制御装置。 - 前記制御要素は、
前記圧電素子の電気的特性に係るゲインを含む第一伝達関数と、
前記圧電素子の応答特性に応じた定数及び前記ゲインを含む第二伝達関数と
を有する
ことを特徴とする請求項5に記載の流量制御装置。 - 前記第一及び第二伝達関数は前記駆動回路の電気的特性に係るゲインを含む
ことを特徴とする請求項6に記載の流量制御装置。 - 前記制御要素は、前記制御手段から前記駆動回路へ信号を入力してから、前記圧電素子が前記弁体を作動させるまでの応答に係る
ことを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の流量制御装置。 - 前記制御手段は、前記流量調整弁を閉じる場合、前記駆動回路に対して前記圧電素子に印加させる電圧を、該流量調整弁の弁開度がゼロになる電圧から該流量調整弁を更に閉じる方向に所定電圧Vcだけ異なるようにしてあり、
前記補償手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、前記生成手段が生成した信号に前記Vcを重畳した信号を補償するようにしてある
ことを特徴とする請求項6から請求項8までのいずれか一項に記載の流量制御装置。 - 前記駆動回路は前記圧電素子に印加する電圧に対応する信号を前記制御手段に出力する出力手段を有し、
前記制御手段は、前記出力手段が出力した信号に基づいて、前記圧電素子の応答特性を調整するためのフィードバック信号を生成する信号生成手段を有し、
前記補償手段は、前記生成手段が生成した信号に前記Vcを重畳した信号及び前記信号生成手段が生成したフィードバック信号を補償するようにしてある
ことを特徴とする請求項9に記載の流量制御装置。 - 前記第二伝達関数に基づいて、前記Vcに対応する信号を変換する変換手段を備え、
前記信号生成手段は、前記出力手段が出力した信号及び前記変換手段が変換した信号を補償することにより、フィードバック信号を生成するようにしてある
ことを特徴とする請求項10に記載の流量制御装置。 - 前記Vcの変化を緩和する緩和手段を備え、
前記補償手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、前記生成手段が生成した信号に前記緩和手段が緩和したVcを重畳した信号を補償するようにしてある
ことを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の流量制御装置。 - 前記Vcの変化を緩和する緩和手段を備え、
前記変換手段は前記緩和手段が緩和したVcに対応する信号を変換するようにしてあり、
前記補償手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、前記生成手段が生成した信号に前記緩和手段が緩和したVcを重畳した信号及び前記信号生成手段が生成したフィードバック信号を補償するようにしてある
ことを特徴とする請求項11に記載の流量制御装置。 - 前記圧電素子は積層圧電素子である
ことを特徴とする請求項5から請求項13までのいずれか一項に記載の流量制御装置。 - 前記流量調整弁は前記流路に設けられた弁口を含み、
前記弁体は、前記圧電素子からの押圧で弾性的に変形することにより、前記弁口の周囲に着座可能な板状のダイヤフラムである
ことを特徴とする請求項5から請求項14までのいずれか一項に記載の流量制御装置。 - 流量を検出する検出手段と、
流量調整弁を構成する弁体に連結されており、該弁体を作動させることにより、流量を調整する圧電素子と、
該圧電素子に電圧を印加することにより該圧電素子を駆動する駆動回路と、
目標流量を受け付ける受付手段と
を備える流量制御装置が有するコンピュータに、前記受付手段が受け付けた目標流量及び前記検出手段が検出した流量の偏差に基づいて、前記圧電素子に印加する電圧に対応する信号を前記駆動回路に出力することにより、該駆動回路及び該圧電素子を介して流量を制御する処理を実行させるプログラムにおいて、
前記偏差に基づいて、前記駆動回路に出力する信号を生成し、
前記圧電素子の電気的特性に係る数値及び該圧電素子の応答特性に応じた定数に基づいて、生成した信号に係る補償計算を実行する
処理をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。 - 前記補償計算を実行する処理は、前記圧電素子の電気的特性に係るゲインを含む第一伝達関数並びに該圧電素子の応答特性に応じた定数及び該ゲインを含む第二伝達関数の比からなる伝達関数により、生成した信号に係る補償計算を実行する
ことを特徴とする請求項16に記載のプログラム。 - 前記受付手段が受け付けた目標流量が所定値未満から所定値以上に変化した場合、前記信号を生成する処理が生成した信号に所定電圧に対応する信号を加算する
ことを特徴とする請求項16又は請求項17に記載のプログラム。
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