JP7469089B2 - Mass flow controller and flow rate control method - Google Patents

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Description

本発明は、マスフローコントローラに関するものである。 The present invention relates to a mass flow controller.

従来より、流体の流量を制御するマスフローコントローラが製品化されている（例えば特許文献１参照）。マスフローコントローラは、フローセンサによって検出した流体の流量と設定流量とを比較演算して、その結果に基づいてバルブに駆動電流を出力することにより、流量制御を行う。このようなマスフローコントローラでは、バルブを制御して流量を制御する場合に、低流量を目標値とした場合の立ち上がり時間がバルブの特性の個体差により大きくばらつくことがある（バルブの駆動電流Ｉと流量Ｑとの関係を示すＩ－Ｑ特性のばらつき）。 Mass flow controllers that control the flow rate of a fluid have been commercially available (see, for example, Patent Document 1). Mass flow controllers perform a comparison calculation between the flow rate of the fluid detected by a flow sensor and a set flow rate, and control the flow rate by outputting a drive current to a valve based on the result. In such mass flow controllers, when controlling the flow rate by controlling the valve, the rise time when a low flow rate is set as the target value can vary greatly due to individual differences in the characteristics of the valve (variation in the I-Q characteristics that show the relationship between the valve drive current I and the flow rate Q).

低流量域での応答性を改善する方法として、以下の（I）、（II）の２とおりの方法が知られている。 The following two methods, (I) and (II), are known to improve responsiveness in the low flow range.

（I）一般に低流量域ではＩ－Ｑ特性の比例幅が大きく、中流量域および高流量域ではＩ－Ｑ特性の比例幅が小さくなる。そこで、一部のマスフローコントローラでは、低流量域でＰＩＤ制御を行う場合に３つのＰＩＤ定数（比例係数Ｋｐ、積分時間Ｔｉ、微分時間Ｔｄ）のうち比例係数Ｋｐを大きくし積分時間Ｔｉを小さくして流量Ｑの立ち上がり時間を短くし、流量Ｑが一定値に達すると、通常のＰＩＤ定数での制御を行うようにしていた。 (I) Generally, the proportional range of the I-Q characteristic is large in the low flow rate range, and the proportional range of the I-Q characteristic is small in the medium and high flow rate ranges. Therefore, in some mass flow controllers, when performing PID control in the low flow rate range, the proportional coefficient Kp of the three PID constants (proportional coefficient Kp, integral time Ti, derivative time Td) is increased and the integral time Ti is decreased to shorten the rise time of the flow rate Q, and when the flow rate Q reaches a certain value, control is performed with the normal PID constants.

（II）特許文献１に開示されたマスフローコントローラでは、制御モデルを用いて動的に制御パラメータを調節するようにしていた。 (II) The mass flow controller disclosed in Patent Document 1 dynamically adjusts control parameters using a control model.

上記の（I）の方法では、低流量域で用いるＰＩＤ定数をあらかじめ与えておく必要があり、バルブの個体差により低流量域での応答性を改善できない可能性があった。
上記の（II）の方法では、モデルを用いて最適な制御パラメータを求めているため、処理が複雑で、処理時間やプログラムサイズが増大するという課題があった。 In the above method (I), it is necessary to pre-specify the PID constants to be used in the low flow rate range, and there is a possibility that the responsiveness in the low flow rate range cannot be improved due to individual differences in the valve.
The above method (II) uses a model to find optimal control parameters, which makes the processing complicated and increases the processing time and program size.

特表２０１８－５２８５５０号公報JP 2018-528550 A

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、簡単な実装でバルブの個体差による低流量域での応答性を改善することができるマスフローコントローラおよび流量制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and aims to provide a mass flow controller and a flow control method that can be easily implemented to improve responsiveness in the low flow rate range due to individual differences in valves.

また、本発明のマスフローコントローラは、流路を流れる流体の流量を計測するように構成されたフローセンサと、前記流体の流量を制御するためのバルブと、操作量に応じた駆動電流を前記バルブに出力するように構成されたバルブ駆動回路と、流量設定値と前記フローセンサによって得られた流量計測値とを入力として第１の操作量を制御周期毎に算出するように構成されたＰＩＤ制御部と、前記流量設定値が０から変更された場合に変更時点からの経過時間に比例して増加する第２の操作量を制御周期毎に算出するように構成された操作量生成部と、１制御周期あたりの前記流量計測値の変化量が所定の変化量閾値以下のときに前記操作量生成部によって算出された第２の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、前記流量計測値の変化量が前記変化量閾値を超えた時点以降において前記ＰＩＤ制御部によって算出された第１の操作量を前記バルブ駆動回路に出力するように構成された操作量出力部とを備えることを特徴とするものである。 The mass flow controller of the present invention is characterized by comprising a flow sensor configured to measure the flow rate of a fluid flowing through a flow path, a valve for controlling the flow rate of the fluid, a valve drive circuit configured to output a drive current corresponding to a manipulated variable to the valve, a PID control unit configured to calculate a first manipulated variable for each control cycle using a flow rate set value and a flow rate measurement value obtained by the flow sensor as inputs, a manipulated variable generation unit configured to calculate a second manipulated variable for each control cycle when the flow rate set value is changed from 0, the second manipulated variable increasing in proportion to the elapsed time from the time of change, and a manipulated variable output unit configured to output the second manipulated variable calculated by the manipulated variable generation unit to the valve drive circuit when the amount of change in the flow rate measurement value per control cycle is equal to or less than a predetermined change amount threshold, and to output the first manipulated variable calculated by the PID control unit to the valve drive circuit after the amount of change in the flow rate measurement value exceeds the change amount threshold.

また、本発明のマスフローコントローラは、流路を流れる流体の流量を計測するように構成されたフローセンサと、前記流体の流量を制御するためのバルブと、操作量に応じた駆動電流を前記バルブに出力するように構成されたバルブ駆動回路と、流量設定値と前記フローセンサによって得られた流量計測値とを入力として第１の操作量を制御周期毎に算出するように構成されたＰＩＤ制御部と、前記流量設定値が０から変更された場合に変更時点からの経過時間に比例して増加する第２の操作量を制御周期毎に算出するように構成された操作量生成部と、前記ＰＩＤ制御部によって算出された第１の操作量および前記操作量生成部によって算出された第２の操作量のうちいずれかを選択的に前記バルブ駆動回路に出力するように構成された操作量出力部とを備え、前記操作量出力部は、予め設定された第１のモードの場合は、前記流量計測値が所定の流量閾値以下のときに前記第２の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、前記流量計測値が前記流量閾値を超えた時点以降において前記第１の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、予め設定された第２のモードの場合は、１制御周期あたりの前記流量計測値の変化量が所定の変化量閾値以下のときに前記第２の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、前記流量計測値の変化量が前記変化量閾値を超えた時点以降において前記第１の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、予め設定された通常モードの場合は、前記第１の操作量を前記バルブ駆動回路に出力することを特徴とするものである。 The mass flow controller of the present invention includes a flow sensor configured to measure the flow rate of a fluid flowing through a flow path, a valve for controlling the flow rate of the fluid, a valve drive circuit configured to output a drive current corresponding to an operation amount to the valve, a PID control unit configured to calculate a first operation amount for each control cycle using a flow rate set value and a flow rate measurement value obtained by the flow sensor as inputs, and an operation amount generation unit configured to calculate a second operation amount for each control cycle when the flow rate set value is changed from 0, the second operation amount increasing in proportion to the elapsed time from the time of change, and selectively outputting one of the first operation amount calculated by the PID control unit and the second operation amount calculated by the operation amount generation unit to the valve drive circuit. and a control amount output unit configured as described above, wherein the control amount output unit outputs the second control amount to the valve drive circuit when the flow measurement value is equal to or less than a predetermined flow rate threshold in a preset first mode, and outputs the first control amount to the valve drive circuit after the flow measurement value exceeds the flow rate threshold; in a preset second mode, the control amount output unit outputs the second control amount to the valve drive circuit when the change in the flow measurement value per control cycle is equal to or less than a predetermined change amount threshold, and outputs the first control amount to the valve drive circuit after the change in the flow measurement value exceeds the change amount threshold; and in a preset normal mode, the control amount output unit outputs the first control amount to the valve drive circuit.

また、本発明の流量制御方法は、流量設定値と制御対象の流体の流量計測値とを入力として第１の操作量を制御周期毎に算出する第１のステップと、前記流量設定値が０から変更された場合に変更時点からの経過時間に比例して増加する第２の操作量を制御周期毎に算出する第２のステップと、１制御周期あたりの前記流量計測値の変化量が所定の変化量閾値以下のときに、前記流体の流量を制御するためのバルブを駆動するバルブ駆動回路に前記第２の操作量を出力する第３のステップと、前記流量計測値の変化量が前記変化量閾値を超えた時点以降において前記第１の操作量を前記バルブ駆動回路に出力する第４のステップとを含むことを特徴とするものである。 The flow control method of the present invention is characterized by including a first step of calculating a first manipulated variable for each control cycle using a flow set value and a flow measurement value of the fluid to be controlled as inputs, a second step of calculating a second manipulated variable for each control cycle when the flow set value is changed from 0, the second manipulated variable increasing in proportion to the elapsed time from the time of change, a third step of outputting the second manipulated variable to a valve drive circuit that drives a valve for controlling the flow rate of the fluid when the amount of change in the flow measurement value per control cycle is equal to or less than a predetermined change threshold, and a fourth step of outputting the first manipulated variable to the valve drive circuit after the amount of change in the flow measurement value exceeds the change threshold.

また、本発明の流量制御方法は、流量設定値と制御対象の流体の流量計測値とを入力として第１の操作量を制御周期毎に算出する第１のステップと、前記流量設定値が０から変更された場合に変更時点からの経過時間に比例して増加する第２の操作量を制御周期毎に算出する第２のステップと、前記第１の操作量および前記第２の操作量のうちいずれかを、前記流体の流量を制御するためのバルブを駆動するバルブ駆動回路に出力する第３のステップとを含み、前記第３のステップは、予め設定された第１のモードの場合は、前記流量計測値が所定の流量閾値以下のときに前記第２の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、前記流量計測値が前記流量閾値を超えた時点以降において前記第１の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、予め設定された第２のモードの場合は、１制御周期あたりの前記流量計測値の変化量が所定の変化量閾値以下のときに前記第２の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、前記流量計測値の変化量が前記変化量閾値を超えた時点以降において前記第１の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、予め設定された通常モードの場合は、前記第１の操作量を前記バルブ駆動回路に出力するステップを含むことを特徴とするものである。 The flow control method of the present invention includes a first step of calculating a first operation amount for each control cycle using a flow rate set value and a flow rate measurement value of the fluid to be controlled as inputs, a second step of calculating a second operation amount for each control cycle that increases in proportion to the elapsed time from the time when the flow rate set value is changed from 0, and a third step of outputting either the first operation amount or the second operation amount to a valve drive circuit that drives a valve for controlling the flow rate of the fluid, and the third step includes a step of outputting the second operation amount to the valve drive circuit when the flow rate measurement value is equal to or less than a predetermined flow rate threshold in the case of a first mode that is preset, and outputting the first operation amount to the valve drive circuit after the time when the flow rate measurement value exceeds the flow rate threshold, outputting the second operation amount to the valve drive circuit when the change amount of the flow rate measurement value per control cycle is equal to or less than a predetermined change amount threshold in the case of a second mode that is preset, and outputting the first operation amount to the valve drive circuit after the change amount of the flow rate measurement value exceeds the change amount threshold, and in a normal mode that is preset, outputting the first operation amount to the valve drive circuit.

本発明によれば、操作量生成部と操作量出力部とを設けることにより、バルブの全閉状態からの流量計測値の立ち上がり時間を短くすることができ、簡単な実装でバルブの個体差による低流量域での応答性を改善することができる。 According to the present invention, by providing a manipulated variable generating unit and a manipulated variable output unit, it is possible to shorten the rise time of the flow measurement value from the fully closed state of the valve, and to improve responsiveness in the low flow rate range due to individual differences in the valve with simple implementation.

また、本発明では、動作モードと流量計測値に応じて第１の操作量および第２の操作量のうちいずれかを選択的にバルブ駆動回路に出力することにより、バルブの特性に適した動作モードを選択することが可能となる。 In addition, in the present invention, by selectively outputting either the first operation amount or the second operation amount to the valve drive circuit depending on the operation mode and the flow rate measurement value, it is possible to select an operation mode suitable for the characteristics of the valve.

図１は、マスフローコントローラのＩ－Ｑ特性の１例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of the IQ characteristic of a mass flow controller. 図２は、流量の時間変化のシミュレーション結果の１例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of a simulation result of a change in flow rate over time. 図３は、本発明の実施例に係るマスフローコントローラの構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of a mass flow controller according to an embodiment of the present invention. 図４は、本発明の実施例に係るマスフローコントローラのＰＩＤ制御部と操作量生成部と操作量出力部の動作を説明するフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart for explaining the operations of the PID control unit, the manipulated variable generating unit, and the manipulated variable output unit of the mass flow controller according to the embodiment of the present invention. 図５は、本発明の実施例の第１の迅速モードにおける流量計測値の時間変化の１例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of a change in the flow rate measurement value over time in the first rapid mode according to the embodiment of the present invention. 図６は、本発明の実施例の第２の迅速モードにおける流量計測値の時間変化の１例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of a change in the flow rate measurement value over time in the second rapid mode according to the embodiment of the present invention. 図７は、本発明の実施例に係るマスフローコントローラを実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。FIG. 7 is a block diagram showing an example of the configuration of a computer that realizes a mass flow controller according to an embodiment of the present invention.

［マスフローコントローラの低流量域での応答性］
マスフローコントローラの低流量域での応答性の問題は、バルブの個体差により低流量域でのＩ－Ｑ特性（Ｉはバルブの駆動電流、Ｑは流量）がバルブ個体により大きく異なることに由来する。この問題について更に詳細に説明する。 [Mass flow controller responsiveness in the low flow rate range]
The problem of responsiveness in the low flow rate range of a mass flow controller is caused by the fact that the I-Q characteristics (I is the valve drive current, Q is the flow rate) in the low flow rate range differ greatly depending on the individual valve due to individual differences in the valve. This problem will be explained in more detail.

図１はマスフローコントローラのＩ－Ｑ特性の１例を示す図である。図１のＡ，Ｂはそれぞれ異なるバルブのＩ－Ｑ特性を示している。図１に示すように、バルブの駆動電流Ｉに対して流量Ｑが緩い立ち上がりを示すが、この立ち上がり時間がバルブの個体差により大きくばらつく。例えば図１のＢの特性で示すバルブを用いた場合、低流量域（１０％ＦＳ以下）でのＩ－Ｑの感度が低い（Ｉ－Ｑ特性の傾きが緩い）ため、図１のＡの特性で示すバルブを用いた場合よりも流量Ｑの立ち上がり時間が長くなる。バルブの個体差は、バルブの機構部のばらつきによるものと推測される。 Figure 1 shows an example of the I-Q characteristics of a mass flow controller. A and B in Figure 1 show the I-Q characteristics of different valves. As shown in Figure 1, the flow rate Q rises slowly relative to the valve drive current I, but this rise time varies greatly due to individual differences in the valve. For example, when a valve with the characteristics shown in Figure 1B is used, the I-Q sensitivity is low (the slope of the I-Q characteristics is gentle) in the low flow rate range (below 10% FS), so the rise time of the flow rate Q is longer than when a valve with the characteristics shown in Figure 1A is used. It is presumed that the individual differences in the valves are due to variations in the valve mechanisms.

低流量域での応答性が仕様を満たせない場合には、バルブの選別を行うか、低流量域での応答性の仕様を変更する必要があるが、本発明では、このようなバルブの選別や仕様の変更を行うことなく、低流量域での応答性を改善する。 If the responsiveness at low flow rates does not meet the specifications, it is necessary to select the valve or change the specifications for responsiveness at low flow rates. However, this invention improves responsiveness at low flow rates without selecting the valve or changing the specifications.

なお、低流量域での流量Ｑの立ち上がり特性が規定を満足するようなバルブ特性はＰＩＤシミュレーションにより求めることができる。ＰＩＤシミュレーションにより求めた流量Ｑの変化は例えば図２のようになる。図２の横軸のＴは時間である。低流量域での流量Ｑの立ち上がり特性が規定を満足すること、すなわち流量Ｑの立ち上がり時間がΔＴ以内となることの条件は、時刻０からΔＴ経過したときの流量Ｑの変化がΔＱ以上であることである。 Valve characteristics that satisfy the regulations for the rise characteristics of the flow rate Q in the low flow rate range can be obtained by PID simulation. The change in the flow rate Q obtained by PID simulation is shown, for example, in Figure 2. T on the horizontal axis in Figure 2 is time. The condition for the rise characteristics of the flow rate Q in the low flow rate range to satisfy the regulations, i.e., the rise time of the flow rate Q being within ΔT, is that the change in the flow rate Q when ΔT has elapsed from time 0 is equal to or greater than ΔQ.

［実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図３は本発明の実施例に係るマスフローコントローラの構成を示すブロック図である。マスフローコントローラは、例えば樹脂製の流路ボディ１と、流路ボディ１に装着されたセンサパッケージ２と、流体の流量を制御するための比例ソレノイドバルブ３と、流量設定値ＳＰと流量計測値Ｑとを入力として操作量ＭＶ（第１の操作量）を制御周期毎に算出するＰＩＤ制御部４と、流量設定値ＳＰが０から変更された場合に変更時点からの経過時間に比例して増加する操作量ＭＶ（第２の操作量）を制御周期毎に算出する操作量生成部５と、ＰＩＤ制御部４によって算出された操作量ＭＶおよび操作量生成部５によって算出された操作量ＭＶのうちいずれかを選択的に出力する操作量出力部６と、比例ソレノイドバルブ３を駆動するバルブ駆動回路７とを備えている。 [Example]
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Fig. 3 is a block diagram showing the configuration of a mass flow controller according to an embodiment of the present invention. The mass flow controller includes a flow path body 1 made of, for example, resin, a sensor package 2 attached to the flow path body 1, a proportional solenoid valve 3 for controlling the flow rate of a fluid, a PID control unit 4 for calculating a manipulated variable MV (first manipulated variable) for each control period using a flow rate set value SP and a flow rate measurement value Q as inputs, a manipulated variable generating unit 5 for calculating a manipulated variable MV (second manipulated variable) for each control period that increases in proportion to the elapsed time from the time when the flow rate set value SP is changed from 0, a manipulated variable output unit 6 for selectively outputting one of the manipulated variable MV calculated by the PID control unit 4 and the manipulated variable MV calculated by the manipulated variable generating unit 5, and a valve driving circuit 7 for driving the proportional solenoid valve 3.

図１において、１０は流路ボディ１の内部に形成された流路、１１は流路１０の入口側の開口、１２は流路１０の出口側の開口、１３はセンサパッケージ２に搭載されたフローセンサである。 In FIG. 1, 10 is a flow path formed inside the flow path body 1, 11 is an opening on the inlet side of the flow path 10, 12 is an opening on the outlet side of the flow path 10, and 13 is a flow sensor mounted on the sensor package 2.

流体は、開口１１から流路１０に流入して比例ソレノイドバルブ３を通過し、開口１２から排出される。このとき、フローセンサ１３は流体の流量Ｑを計測する。フローセンサ１３は、センサパッケージ２に搭載され、計測対象の流体に晒されるように流路ボディ１に装着される。 The fluid flows into the flow path 10 from the opening 11, passes through the proportional solenoid valve 3, and is discharged from the opening 12. At this time, the flow sensor 13 measures the flow rate Q of the fluid. The flow sensor 13 is mounted on the sensor package 2 and attached to the flow path body 1 so as to be exposed to the fluid to be measured.

以下、本実施例の特徴的な動作について説明する。図４はＰＩＤ制御部４と操作量生成部５と操作量出力部６の動作を説明するフローチャートである。 The characteristic operations of this embodiment are described below. Figure 4 is a flowchart explaining the operations of the PID control unit 4, the operation amount generation unit 5, and the operation amount output unit 6.

ＰＩＤ制御部４は、流量計測値Ｑをフローセンサ１３から取得する（図４ステップＳ１００）。そして、ＰＩＤ制御部４は、例えばオペレータによって設定された流量設定値ＳＰとステップＳ１００で取得した流量計測値Ｑとを入力として、流量計測値Ｑが流量設定値ＳＰと一致するようにＰＩＤ演算を行って操作量ＭＶを算出する（図４ステップＳ１０１）。 The PID control unit 4 acquires the flow rate measurement value Q from the flow sensor 13 (step S100 in FIG. 4). Then, the PID control unit 4 receives as input, for example, a flow rate setting value SP set by an operator and the flow rate measurement value Q acquired in step S100, and performs a PID calculation to calculate the operation volume MV so that the flow rate measurement value Q coincides with the flow rate setting value SP (step S101 in FIG. 4).

操作量出力部６は、後述する第１の迅速モード、第２の迅速モードのいずれでもなく、通常モードの場合（図４ステップＳ１０２，Ｓ１０３においてＮＯ）、ＰＩＤ制御部４によって算出された操作量ＭＶをバルブ駆動回路７に出力する（図４ステップＳ１０４）。
バルブ駆動回路７は、操作量出力部６から出力された操作量ＭＶに応じて比例ソレノイドバルブ３にバルブ駆動電流（ソレノイド電流）Ｉを出力する。こうして、比例ソレノイドバルブ３は、操作量ＭＶに応じた開度となるように制御される。 When the control mode is not the first rapid mode or the second rapid mode described later but the normal mode (NO in steps S102 and S103 in FIG. 4), the control variable output unit 6 outputs the control variable MV calculated by the PID control unit 4 to the valve drive circuit 7 (step S104 in FIG. 4).
The valve drive circuit 7 outputs a valve drive current (solenoid current) I to the proportional solenoid valve 3 in accordance with the operation amount MV output from the operation amount output unit 6. In this way, the proportional solenoid valve 3 is controlled so as to have an opening degree in accordance with the operation amount MV.

マスフローコントローラは、例えばオペレータによって装置の動作終了が指示されるまで（図４ステップＳ１０５においてＹＥＳ）、ステップＳ１００～Ｓ１０４の処理を制御周期毎に実行する。 The mass flow controller executes steps S100 to S104 for each control cycle, for example, until an operator instructs the device to stop operating (YES in step S105 in FIG. 4).

以上の通常モードは一般的なＰＩＤ制御を常時行う動作モードである。これに対して、本実施例では、流量Ｑの立ち上がり特性を改善するために、通常モードとは別に２つの動作モードを備えている。 The normal mode described above is an operating mode in which general PID control is always performed. In contrast, in this embodiment, two operating modes are provided in addition to the normal mode in order to improve the rise characteristics of the flow rate Q.

操作量生成部５は、例えばオペレータによって第１の迅速モードに設定され（図４ステップＳ１０２においてＹＥＳ）、流量設定値ＳＰが０（比例ソレノイドバルブ３が全閉）から変更された場合、流量設定値ＳＰの変更時点からの経過時間に比例して増加する操作量ＭＶを算出する（図４ステップＳ１０６）。このとき、操作量ＭＶの増加率は、ＰＩＤ制御の場合よりも流量Ｑの立ち上がりが早くなるように設定されている。 When the operation amount generating unit 5 is set to the first rapid mode by the operator (YES in step S102 in FIG. 4), for example, and the flow rate set value SP is changed from 0 (proportional solenoid valve 3 is fully closed), the operation amount generating unit 5 calculates the operation amount MV that increases in proportion to the elapsed time from the time when the flow rate set value SP was changed (step S106 in FIG. 4). At this time, the increase rate of the operation amount MV is set so that the rise of the flow rate Q is faster than in the case of PID control.

操作量出力部６は、第１の迅速モードに設定されている場合で、かつ流量計測値Ｑが所定の流量閾値Ｑｔｈ（例えば０．１ＦＳ）以下のとき（図４ステップＳ１０７においてＹＥＳ）、操作量生成部５によって算出された操作量ＭＶをバルブ駆動回路７に出力する（図４ステップＳ１０８）。
こうして、第１の迅速モードでは、流量計測値Ｑが流量閾値Ｑｔｈを超えるまでステップＳ１００～Ｓ１０２，Ｓ１０６～Ｓ１０８の処理が制御周期毎に実行される。 When the control input output unit 6 is set to the first rapid mode and the flow rate measurement value Q is equal to or less than a predetermined flow rate threshold value Qth (e.g., 0.1 FS) (YES in step S107 in FIG. 4), the control input output unit 6 outputs the control input MV calculated by the control input generation unit 5 to the valve drive circuit 7 (step S108 in FIG. 4).
Thus, in the first rapid mode, the processes of steps S100 to S102 and S106 to S108 are executed every control period until the flow rate measurement value Q exceeds the flow rate threshold value Qth.

操作量出力部６は、流量計測値Ｑが流量閾値Ｑｔｈを超えると（ステップＳ１０７においてＮＯ）、ＰＩＤ制御部４によって算出された操作量ＭＶをバルブ駆動回路７に出力する（図４ステップＳ１０９）。
こうして、第１の迅速モードでは、流量計測値Ｑが流量閾値Ｑｔｈを超えると通常のＰＩＤ制御が開始される。 When the flow rate measurement value Q exceeds the flow rate threshold value Qth (NO in step S107), the manipulated variable output unit 6 outputs the manipulated variable MV calculated by the PID control unit 4 to the valve drive circuit 7 (step S109 in FIG. 4).
Thus, in the first rapid mode, when the flow rate measurement value Q exceeds the flow rate threshold value Qth, normal PID control is started.

比例ソレノイドバルブ３の全閉状態から流量設定値ＳＰが変更され流量制御が開始された場合、比例ソレノイドバルブ３が開となるためには、ある値以上のバルブ駆動電流（このときの値をバルブ開電流と呼ぶ）が流れる必要がある。したがって、通常のＰＩＤ制御を全閉状態から始めるとバルブ開電流に達するまでに時間がかかる。 When the flow rate set value SP is changed and flow rate control is started from the fully closed state of the proportional solenoid valve 3, a valve drive current of a certain value or more (the value at this time is called the valve opening current) must flow in order for the proportional solenoid valve 3 to open. Therefore, when normal PID control is started from the fully closed state, it takes time to reach the valve opening current.

一方、本実施例の第１の迅速モードでは、ＰＩＤ制御による無駄時間を削減するためにバルブ駆動電流（操作量ＭＶ）を急速に立ち上げて、流量計測値Ｑが流量閾値Ｑｔｈを超えた時点以降にＰＩＤ制御を開始する。図５は第１の迅速モードにおける流量計測値Ｑの時間変化の１例を示す図である。図５の例では、時刻０において流量設定値ＳＰが０より大きい値に変更され、時刻０からの経過時間に比例して増加する操作量ＭＶの出力によって流量計測値Ｑが増加する。そして、流量計測値Ｑが流量閾値Ｑｔｈを超えたＴ１の時点でＰＩＤ制御が開始される。 On the other hand, in the first rapid mode of this embodiment, the valve drive current (operating volume MV) is rapidly increased to reduce wasted time due to PID control, and PID control is started after the flow measurement value Q exceeds the flow threshold value Qth. FIG. 5 is a diagram showing an example of the change in the flow measurement value Q over time in the first rapid mode. In the example of FIG. 5, the flow set value SP is changed to a value greater than 0 at time 0, and the flow measurement value Q increases due to the output of the operating volume MV, which increases in proportion to the time elapsed since time 0. Then, PID control is started at the point T1 when the flow measurement value Q exceeds the flow threshold value Qth.

次に、操作量生成部５は、例えばオペレータによって第２の迅速モードに設定され（図４ステップＳ１０３においてＹＥＳ）、流量設定値ＳＰが０から変更された場合、流量設定値ＳＰの変更時点からの経過時間に比例して増加する操作量ＭＶを算出する（図４ステップＳ１１０）。このステップＳ１１０の処理は、ステップＳ１０６と同じである。 Next, when the operation amount generating unit 5 is set to the second quick mode by, for example, an operator (YES in step S103 in FIG. 4) and the flow rate set value SP is changed from 0, the operation amount generating unit 5 calculates the operation amount MV that increases in proportion to the elapsed time from the time when the flow rate set value SP was changed (step S110 in FIG. 4). The processing in step S110 is the same as that in step S106.

操作量出力部６は、第２の迅速モードに設定されている場合で、かつ１制御周期あたりの流量計測値Ｑの変化量ΔＱが所定の変化量閾値ΔＱｔｈ（例えば０．２ＦＳ）以下のとき（図４ステップＳ１１１においてＹＥＳ）、操作量生成部５によって算出された操作量ＭＶをバルブ駆動回路７に出力する（図４ステップＳ１１２）。
こうして、第２の迅速モードでは、流量計測値Ｑの変化量ΔＱが変化量閾値ΔＱｔｈを超えるまでステップＳ１００～Ｓ１０３，Ｓ１１０～Ｓ１１２の処理が制御周期毎に実行される。 When the control input output unit 6 is set to the second rapid mode and the change ΔQ in the flow rate measurement value Q per control cycle is equal to or smaller than a predetermined change threshold ΔQth (e.g., 0.2FS) (YES in step S111 of FIG. 4), the control input output unit 6 outputs the control input MV calculated by the control input generation unit 5 to the valve drive circuit 7 (step S112 of FIG. 4).
Thus, in the second rapid mode, the processes of steps S100 to S103 and S110 to S112 are executed every control period until the change amount ΔQ of the flow rate measurement value Q exceeds the change amount threshold ΔQth.

操作量出力部６は、流量計測値Ｑの変化量ΔＱが変化量閾値ΔＱｔｈを超えると（ステップＳ１１１においてＮＯ）、ＰＩＤ制御部４によって算出された操作量ＭＶをバルブ駆動回路７に出力する（ステップＳ１０９）。
こうして、第２の迅速モードでは、流量計測値Ｑの変化量ΔＱが変化量閾値ΔＱｔｈを超えると通常のＰＩＤ制御が開始される。 When the change amount ΔQ in the flow rate measurement value Q exceeds the change amount threshold ΔQth (NO in step S111), the manipulated variable output unit 6 outputs the manipulated variable MV calculated by the PID control unit 4 to the valve drive circuit 7 (step S109).
Thus, in the second rapid mode, when the change amount ΔQ of the flow rate measurement value Q exceeds the change amount threshold ΔQth, normal PID control is started.

図６は第２の迅速モードにおける流量計測値Ｑの時間変化の１例を示す図である。図６の例では、時刻０において流量設定値ＳＰが０より大きい値に変更され、時刻０からの経過時間に比例して増加する操作量ＭＶの出力によって流量計測値Ｑが増加する。そして、１制御周期あたりの流量計測値Ｑの変化量ΔＱが変化量閾値ΔＱｔｈを超えたＴ２の時点でＰＩＤ制御が開始される。 Figure 6 shows an example of the change over time of the flow measurement value Q in the second rapid mode. In the example of Figure 6, the flow set value SP is changed to a value greater than 0 at time 0, and the flow measurement value Q increases due to the output of the manipulated variable MV, which increases in proportion to the time elapsed since time 0. Then, PID control is started at the point T2 when the change amount ΔQ of the flow measurement value Q per one control cycle exceeds the change amount threshold ΔQth.

以上のように、本実施例のマスフローコントローラは、第１の迅速モードと第２の迅速モードの２つを備えることにより、流量計測値Ｑの立ち上がり時間を短くすることができ、低流量域での応答性を改善することができる。
また、２つのモードを備えることにより、搭載されている比例ソレノイドバルブ３の特性に適した方のモードを選択することが可能である。 As described above, the mass flow controller of this embodiment is provided with two modes, the first rapid mode and the second rapid mode, thereby making it possible to shorten the rise time of the flow measurement value Q and improve responsiveness in the low flow rate range.
Furthermore, by providing two modes, it is possible to select the mode that is most suitable for the characteristics of the proportional solenoid valve 3 installed.

本実施例のマスフローコントローラのうち少なくともＰＩＤ制御部４と操作量生成部５と操作量出力部６とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と記憶装置とインタフェースとを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図７に示す。 At least the PID control unit 4, the manipulated variable generating unit 5, and the manipulated variable output unit 6 of the mass flow controller of this embodiment can be realized by a computer equipped with a CPU (Central Processing Unit), a storage device, and an interface, and a program that controls these hardware resources. An example of the configuration of this computer is shown in Figure 7.

コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、フローセンサ１３とバルブ駆動回路７などが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の流量制御方法を実現させるためのプログラムは記憶装置２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。 The computer includes a CPU 200, a storage device 201, and an interface device (I/F) 202. The flow sensor 13, the valve drive circuit 7, and the like are connected to the I/F 202. In such a computer, a program for implementing the flow control method of the present invention is stored in the storage device 201. The CPU 200 executes the processing described in this embodiment according to the program stored in the storage device 201.

本発明は、流量制御系に適用することができる。 The present invention can be applied to flow control systems.

１…流路ボディ、２…センサパッケージ、３…比例ソレノイドバルブ、４…ＰＩＤ制御部、５…操作量生成部、６…操作量出力部、７…バルブ駆動回路、１０…流路、１３…フローセンサ。 1...flow path body, 2...sensor package, 3...proportional solenoid valve, 4...PID control section, 5...operation amount generating section, 6...operation amount output section, 7...valve drive circuit, 10...flow path, 13...flow sensor.

Claims (4)

流路を流れる流体の流量を計測するように構成されたフローセンサと、
前記流体の流量を制御するためのバルブと、
操作量に応じた駆動電流を前記バルブに出力するように構成されたバルブ駆動回路と、
流量設定値と前記フローセンサによって得られた流量計測値とを入力として第１の操作量を制御周期毎に算出するように構成されたＰＩＤ制御部と、
前記流量設定値が０から変更された場合に変更時点からの経過時間に比例して増加する第２の操作量を制御周期毎に算出するように構成された操作量生成部と、
１制御周期あたりの前記流量計測値の変化量が所定の変化量閾値以下のときに前記操作量生成部によって算出された第２の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、前記流量計測値の変化量が前記変化量閾値を超えた時点以降において前記ＰＩＤ制御部によって算出された第１の操作量を前記バルブ駆動回路に出力するように構成された操作量出力部とを備えることを特徴とするマスフローコントローラ。 a flow sensor configured to measure a flow rate of a fluid through a flow path;
a valve for controlling the flow rate of the fluid;
a valve drive circuit configured to output a drive current to the valve in accordance with an operation amount;
a PID control unit configured to calculate a first manipulated variable for each control period using a flow rate set value and a flow rate measurement value obtained by the flow sensor as inputs;
a manipulated variable generating unit configured to calculate, for each control period, a second manipulated variable that increases in proportion to an elapsed time from a time point when the flow rate set value is changed from 0;
and a manipulated variable output unit configured to output a second manipulated variable calculated by the manipulated variable generation unit to the valve drive circuit when an amount of change in the flow rate measurement value per control cycle is equal to or smaller than a predetermined change amount threshold, and to output a first manipulated variable calculated by the PID control unit to the valve drive circuit after the amount of change in the flow rate measurement value exceeds the change amount threshold. 流路を流れる流体の流量を計測するように構成されたフローセンサと、
前記流体の流量を制御するためのバルブと、
操作量に応じた駆動電流を前記バルブに出力するように構成されたバルブ駆動回路と、
流量設定値と前記フローセンサによって得られた流量計測値とを入力として第１の操作量を制御周期毎に算出するように構成されたＰＩＤ制御部と、
前記流量設定値が０から変更された場合に変更時点からの経過時間に比例して増加する第２の操作量を制御周期毎に算出するように構成された操作量生成部と、
前記ＰＩＤ制御部によって算出された第１の操作量および前記操作量生成部によって算出された第２の操作量のうちいずれかを選択的に前記バルブ駆動回路に出力するように構成された操作量出力部とを備え、
前記操作量出力部は、予め設定された第１のモードの場合は、前記流量計測値が所定の流量閾値以下のときに前記第２の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、前記流量計測値が前記流量閾値を超えた時点以降において前記第１の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、予め設定された第２のモードの場合は、１制御周期あたりの前記流量計測値の変化量が所定の変化量閾値以下のときに前記第２の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、前記流量計測値の変化量が前記変化量閾値を超えた時点以降において前記第１の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、予め設定された通常モードの場合は、前記第１の操作量を前記バルブ駆動回路に出力することを特徴とするマスフローコントローラ。 a flow sensor configured to measure a flow rate of a fluid through a flow path;
a valve for controlling the flow rate of the fluid;
a valve drive circuit configured to output a drive current to the valve in accordance with an operation amount;
a PID control unit configured to calculate a first manipulated variable for each control period using a flow rate set value and a flow rate measurement value obtained by the flow sensor as inputs;
a manipulated variable generating unit configured to calculate, for each control period, a second manipulated variable that increases in proportion to an elapsed time from a time point when the flow rate set value is changed from 0;
a manipulated variable output unit configured to selectively output to the valve drive circuit one of a first manipulated variable calculated by the PID control unit and a second manipulated variable calculated by the manipulated variable generation unit,
the manipulated variable output unit, in a preset first mode, outputs the second manipulated variable to the valve drive circuit when the flow rate measurement value is equal to or less than a predetermined flow rate threshold, and outputs the first manipulated variable to the valve drive circuit after the point at which the flow rate measurement value exceeds the flow rate threshold; in a preset second mode, outputs the second manipulated variable to the valve drive circuit when a change in the flow rate measurement value per control cycle is equal to or less than a predetermined change amount threshold, and outputs the first manipulated variable to the valve drive circuit after the change in the flow rate measurement value exceeds the change amount threshold; and in a preset normal mode, outputs the first manipulated variable to the valve drive circuit. 流量設定値と制御対象の流体の流量計測値とを入力として第１の操作量を制御周期毎に算出する第１のステップと、
前記流量設定値が０から変更された場合に変更時点からの経過時間に比例して増加する第２の操作量を制御周期毎に算出する第２のステップと、
１制御周期あたりの前記流量計測値の変化量が所定の変化量閾値以下のときに、前記流体の流量を制御するためのバルブを駆動するバルブ駆動回路に前記第２の操作量を出力する第３のステップと、
前記流量計測値の変化量が前記変化量閾値を超えた時点以降において前記第１の操作量を前記バルブ駆動回路に出力する第４のステップとを含むことを特徴とする流量制御方法。 a first step of calculating a first manipulated variable for each control cycle using a flow rate set value and a flow rate measurement value of a fluid to be controlled as inputs;
a second step of calculating, for each control cycle, a second manipulated variable that increases in proportion to an elapsed time from a time point when the flow rate set value is changed from 0;
a third step of outputting the second manipulated variable to a valve drive circuit that drives a valve for controlling the flow rate of the fluid when a change in the flow rate measurement value per one control cycle is equal to or smaller than a predetermined change threshold value;
and a fourth step of outputting the first manipulated variable to the valve drive circuit after a point in time when an amount of change in the flow rate measurement value exceeds the amount of change threshold. 流量設定値と制御対象の流体の流量計測値とを入力として第１の操作量を制御周期毎に算出する第１のステップと、
前記流量設定値が０から変更された場合に変更時点からの経過時間に比例して増加する第２の操作量を制御周期毎に算出する第２のステップと、
前記第１の操作量および前記第２の操作量のうちいずれかを、前記流体の流量を制御するためのバルブを駆動するバルブ駆動回路に出力する第３のステップとを含み、
前記第３のステップは、予め設定された第１のモードの場合は、前記流量計測値が所定の流量閾値以下のときに前記第２の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、前記流量計測値が前記流量閾値を超えた時点以降において前記第１の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、予め設定された第２のモードの場合は、１制御周期あたりの前記流量計測値の変化量が所定の変化量閾値以下のときに前記第２の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、前記流量計測値の変化量が前記変化量閾値を超えた時点以降において前記第１の操作量を前記バルブ駆動回路に出力し、予め設定された通常モードの場合は、前記第１の操作量を前記バルブ駆動回路に出力するステップを含むことを特徴とする流量制御方法。 a first step of calculating a first manipulated variable for each control cycle using a flow rate set value and a flow rate measurement value of a fluid to be controlled as inputs;
a second step of calculating, for each control cycle, a second manipulated variable that increases in proportion to an elapsed time from a time point when the flow rate set value is changed from 0;
and a third step of outputting either the first operation amount or the second operation amount to a valve drive circuit that drives a valve for controlling a flow rate of the fluid,
the third step including the steps of: in a preset first mode, outputting the second operation amount to the valve drive circuit when the flow measurement value is equal to or less than a predetermined flow rate threshold, and outputting the first operation amount to the valve drive circuit after the point at which the flow measurement value exceeds the flow rate threshold; in a preset second mode, outputting the second operation amount to the valve drive circuit when an amount of change in the flow measurement value per control cycle is equal to or less than a predetermined change amount threshold, and outputting the first operation amount to the valve drive circuit after the amount of change in the flow measurement value exceeds the change amount threshold; and in a preset normal mode, outputting the first operation amount to the valve drive circuit.
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