JP2018112974A

JP2018112974A - 制御装置、制御方法、制御プログラム

Info

Publication number: JP2018112974A
Application number: JP2017004208A
Authority: JP
Inventors: 将宏尾崎; Masahiro Ozaki; 山田　隆章; Takaaki Yamada; 隆章山田; 亮介蓮井; Ryosuke Hasui; 明 ▲高▼石; Akira Takaishi; 浩範小川; Hironori Ogawa
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2017-01-13
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2037-01-13
Also published as: EP3349076B1; TW201826052A; KR20180083785A; EP3349076A1; JP6926482B2; CN108304012A; KR102043328B1; TWI681269B; US20180203422A1

Abstract

【課題】制御対象のハンチング現象を抑制する。【解決手段】温度調整装置１０は、制御部１２、入力部１３、および、フィルタ１５を備える。フィルタ１５は、入力部１３の前段に接続され、計測値ＳＳの高周波成分を遮断して、フィルタ処理後の計測値ＳＳＦを入力部１３に出力する。入力部１３は、制御対象のフィルタ処理後の計測値ＳＳＦが入力され、該フィルタ処理後の計測値ＳＳＦに基づく実測値ＰＶを出力する。制御部１２は、制御対象に対する目標値ＳＰに実測値ＰＶを近づけるように、制御対象に対する操作量ＭＶを算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、温度制御、モータ制御等の対象装置への制御技術に関する。

従来、温度調整器等の制御系機器には、特許文献１に示すようなＰＩＤ制御が多く利用されている。

ＰＩＤ制御装置は、適応制御またはオートチューニングを用いて、ＰＩＤ値（比例帯Ｐ、積分時間ＴＩ、微分時間Ｔｄ等）を算出する。ＰＩＤ制御装置は、このＰＩＤ値を用いて、制御対象に関する実測値を目標値に近づけるように、制御対象に対する操作量を決定している。

特開２００６−１０６９２５号公報

しかしながら、実測値が短時間で急激に変化する場合、操作量を適切に決定できないという問題が生じることがある。このような問題は、例えば、ヒータバーによる加熱を利用する製造工程において、ヒータバーの温度を温度調整装置によって一定の目標温度に制御する場合に生じる。具体的には、ヒータバーが製品を加熱する際に、ヒータバーの温度は急激に低下する。温度調整装置は、この温度の低下を補正するように操作量を決定する必要がある。しかしながら、この場合、計算された操作量が現実的には設定できない値となることがある。すなわち、操作量が飽和してしまうことがある。

この場合、ヒータバーは不要に大きく昇温してしまう。温度調整装置は、この不要な昇温を補償するために、当該昇温後には逆に不要に大きく降温してしまう。この昇温と降温とは、この後も繰り返されてしまい、収束し難い。そして、この昇温と降温の周期は、ヒータバーの温度変化の周期とに対して長い。

このように、操作量の飽和が生じると、長周期の温度ハンチング現象が発生してしまう。そして、このような温度ハンチング現象は、製品品質の不安定化、不良の発生につながり、望ましくない。なお、このようなハンチング現象は、温度制御のみならず、モータの回転数制御およびトルク制御等にも顕在する問題である。

したがって、本発明の目的は、制御対象のハンチング現象を抑制する制御技術を提供することにある。

この発明の制御装置は、フィルタ、入力部、および、制御部を備える。フィルタは、制御対象の計測値が入力され、計測値の高周波成分を遮断するフィルタ処理を行って入力部に出力する。入力部は、フィルタ処理された計測値に応じた実測値を出力する。制御部は、制御対象に対する目標値に実測値を近づけるように、制御対象に対する操作量を算出する。

この構成では、計測値の急激な変化が実測値に現れない。したがって、操作量が不適切な値になることが抑制される。

この発明の制御装置は、操作量を取得し、該操作量に応じてフィルタのフィルタ時定数を調整する設定部を備える。

この構成では、操作量に応じたフィルタ時定数が設定される。

また、この発明の制御装置では、設定部は、操作量を経時的に監視する。設定部は、操作量が異常値であることを検出すると、フィルタ時定数を増加させる。異常値の判定としては、具体的には、例えば、設定部は、操作量が飽和していることをもって異常値と判定する。

この構成では、操作量が監視され、操作量の異常に応じて、フィルタ時定数が適正に調整される。

また、この発明の制御装置では、設定部は、所定時間長からなる監視時間を設定する。設定部は、監視時間内において、操作量が正常値であることを検出すると、フィルタ時定数を減少させる。正常値の判定としては、具体的には、例えば、設定部は、操作量が飽和していないことをもって正常値と判定する。

この構成では、フィルタの効き過ぎが抑制される。すなわち、計測値における遮断が必要な成分のみが遮断される。

また、この発明の制御装置では、設定部は、フィルタ時定数の減少を行なった後に操作量が異常値であることを検出すると、フィルタの時定数を、フィルタ時定数の減少を行う前のフィルタ時定数に設定する。

この構成では、フィルタ時定数の低下させ過ぎが抑制される。すなわち、計測値における遮断がより適正化される。

この発明によれば、制御対象のハンチング現象を抑制できる。

本発明の第１の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムの機能ブロック図である。フィルタ処理の有無による実測値ＰＶの変化の差異を表すグラフである。本願構成を有さない場合の操作量ＭＶの変化を示すグラフである。本願構成を有さない構成におけるヒートバーの圧着面温度の時間推移を示すグラフである。本願構成におけるヒートバーの圧着面温度の時間推移を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムの機能ブロック図である。本発明の第２の実施形態に係る温度調整装置のフィルタ時定数の第１の調整処理を示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態に係る温度調整装置のフィルタ時定数の第２の調整処理を示すフローチャートである。

本発明の第１の実施形態に係る制御装置、制御方法、および、制御プログラムについて、図を参照して説明する。なお、以下の実施形態では、制御の具体例としてヒータ等の温度調整（温度制御）の場合を示しているが、モータ等の回転制御、トルク制御等、他の物理量の制御に対しても適用することができる。図１は、本発明の第１の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムの機能ブロック図である。

図１に示すように、温度調整装置１０は、設定部１１、制御部１２、入力部１３、出力部１４、および、フィルタ１５を備える。温度調整装置１０は、本発明の「制御装置」に対応する。

図１に示すように、温度調整装置１０は、温度調整システム１の構成要素である。温度調整システム１は、温度調整装置１０、対象装置２０、および、センサ３０を備える。対象装置２０は、ヒータ２１、および、ヒートバー２２を備える。

ヒータ２１は、温度調整装置１０の出力部１４に接続されており、出力部１４からの通電電力に応じて加熱される。ヒータ２１は、例えばヒートバー２２に内蔵されており、ヒートバー２２を加温する。したがって、この場合、制御対象は、ヒートバー２２の所定位置（例えば、圧着面や溶着面等の近傍）の温度である。

センサ３０は、例えば、熱電対等からなり、ヒートバー２２の所定位置に装着されている。例えば、センサ３０は、ヒートバー２２における圧着面や溶着面の近傍に内蔵されている。センサ３０は、ヒートバー２２の温度を計測し、計測値ＳＳを出力する。計測値ＳＳは例えば電圧値等である。計測値ＳＳは、温度調整装置１０のフィルタ１５に入力される。

次に、温度調整装置１０の具体的な構成について説明する。

フィルタ１５は、センサ３０と入力部１３との間に接続されている。フィルタ１５は、ローパスフィルタである。フィルタ１５は、計測値ＳＳをフィルタ処理し、フィルタ処理後の計測値ＳＳＦを入力部１３に出力する。

フィルタ１５のフィルタ時定数は、計測値ＳＳの急激な変化によって生じる、計測値ＳＳの高周波成分を遮断する値に設定されている。

入力部１３は、フィルタ処理後の計測値ＳＳＦから実測値ＰＶを算出する。入力部１３は、実測値ＰＶを制御部１２に出力する。実測値ＰＶは、後述の目標値ＳＰと同じ単位の値である。例えば、目標値ＳＰが摂氏温度（℃）であれば、実測値ＰＶも摂氏温度（℃）である。

設定部１１は、目標値ＳＰを設定し、制御部１２に出力する。目標値ＳＰは、この場合温度であり、より具体的には、ヒートバー２２におけるセンサ３０で計測する位置の目標温度である。

制御部１２は、目標値ＳＰ、実測値ＰＶを用いて操作量ＭＶを算出する。より具体的には、制御部１２は、実測値ＰＶが目標値ＳＰに近づくように、ＰＩＤ制御等を用いて、操作量ＭＶを算出する。制御部１２は、操作量ＭＶを出力部１４に出力する。

出力部１４は、例えば、ＳＳＲ、電磁開閉器、または、電力調整器である。出力部１４は、操作量ＭＶに応じて動作し、ヒータ２１への通電を制御する。

このようなフィードバック制御を行うことによって、ヒートバー２２の温度が目標値を含む所定温度範囲内で安定する。

そして、本実施形態に係る温度調整装置１０では、フィルタ１５を備えることによって、以下に示すような作用効果が得られる。

図２は、フィルタ処理の有無による実測値ＰＶの変化の差異を表すグラフである。なお、図２は、制御演算周期を０．５［ｓ］とし、フィルタ時定数を２．０［ｓ］とし、ヒートバー２２による圧着（溶着）周期を２．０［ｓ］とした場合を示している。図２において、横軸は時間（秒）であり、縦軸は温度（℃）である。縦軸は実測値ＰＶに相当する。実線および○印は、本願構成の場合を示し、破線および◆印は、従来構成および計測値ＳＳをそのまま実測値にした場合を示す。

ヒートバー２２で製品等の圧着（溶着）を行った場合、ヒートバー２２の熱が製品側に伝搬するため、ヒートバー２２の温度は低下する。例えば、図２に示すように、２．０秒毎に温度が急激に低下する。この際、制御周期が０．５秒であるため、温度が急激に低下した後昇温する。このため、計測値ＳＳに想到する温度は、短い周期（ここでは２秒周期）で上下動することになる。特に、センサ３０がヒートバー２２の圧着面（溶着面）付近に配置された場合、この影響は大きく、計測値ＳＳは、短い周期（ここでは２秒周期）で大きく上下動することになる。

この短周期の温度の上下動が生じると、次のような問題が生じる。図３は、操作量の時間変化を示すグラフである。図３は、本願構成を有さない場合の操作量ＭＶの変化を示すグラフである。すなわち、図３は、フィルタ処理を行わない場合の操作量ＭＶの変化を示すグラフである。図３において、横軸は時間［ｓ］であり、縦軸は操作量ＭＶを示す。実線は実際の制御タイミング毎の操作量ＭＶの変化を示し、太実線は実際の操作量ＭＶの平滑値を示し、太破線は計算上の操作量の平滑値を示す。

フィルタ処理を行わない場合、計算上の操作量が実現不可能な値になることがある。例えば、操作量は０％から１００％の間で設定可能であるが、操作量ＭＶが０％未満になる区間が存在してしまう。これは、ＰＩＤ制御等のフィードバック制御において上述の短周期の温度の上下動に起因するものである。すなわち、フィードバック制御を行うことによって、実測値ＰＶが急激に変化すると、この変化を応じて操作量ＭＶが変化する。この際、操作量ＭＶが０％付近の場合、実測値ＰＶの急激な変化によって、計算上の操作量ＭＶが０％未満になってしまうことがある。この場合、制御部１２は、操作量ＭＶを０％として出力する。すなわち、操作量ＭＶの飽和が生じてしまう。このような操作量ＭＶの飽和が生じると、温度制御は適正でなくなり、さらにフィードバック制御によって、この適正制御からのズレを補償する制御が発生する。そして、この制御によって生じた新たなズレは、フィードバック制御によって更に補償されるように作用する。したがって、このようなズレを補償する制御が繰り返されることになる。

図４は、本願構成を有さない構成（従来構成）におけるヒートバーの圧着面温度の時間推移を示すグラフである。図４において、横軸は時間［ｓ］であり、縦軸は温度［℃］である。

図４に示すように、上述の制御が繰り返されることによって、ヒートバー２２の温度変化の周期（上述の短周期）よりも長周期の温度ハンチング現象が発生する。

しかしながら、本願構成、すなわち、フィルタ１５を備えることによって、図２の実線に示すように、入力部１３に入力されるフィルタ処理後の計測値ＳＳＦの変化は、計測値ＳＳの変化が鈍ったものとなり、短周期の温度の上下動が抑制される。これにより、操作量ＭＶが正常値の範囲（上述の０％から１００％の間）から殆ど逸脱しなくなる。したがって、適正な操作量ＭＶが継続的に出力される。これにより、ヒータ２１の通電制御が適正になり、ヒートバー２２の圧着面温度の制御が安定化される。

図５は、本願構成におけるヒートバーの圧着面温度の時間推移を示すグラフである。図４において、横軸は時間［ｓ］であり、縦軸は温度［℃］である。

図５に示すように、本願構成を用いることよって、ヒートバー２２の温度変化の周期（上述の短周期）よりも長周期の温度ハンチング現象の発生が抑制される。

このように、本実施形態の構成を用いることによって、制御対象の短周期の急激な変化が生じていても、長周期のハンチング現象を抑制できる。

なお、上述の説明では、長周期のハンチング現象の抑制を、複数の機能部で実現する態様を示した。しかしながら、制御部１２、入力部１３、および、フィルタ１５の処理をプログラム化して記憶しておき、ＣＰＵ等の情報処理装置で当該プログラムを実行することで、長周期のハンチング現象を抑制できる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る制御装置、制御方法、および、制御プログラムについて、図を参照して説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る温度調整装置を含む温度調整システムの機能ブロック図である。

本実施形態に係る温度調整システム１Ａは、温度調整装置１０Ａの構成、より具体的には、設定部１１Ａおよびフィルタ１５Ａの構成および処理において、第１の実施形態に係る温度調整システム１と異なる。温度調整システム１Ａおよび温度調整装置１０Ａの他の構成は、温度調整システム１および温度調整装置１０と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。

設定部１１Ａは、制御部１２が順次出力する操作量ＭＶを監視する。設定部１１Ａは、操作量ＭＶに応じてフィルタ１５Ａのフィルタ時定数を調整する。フィルタ１５Ａは、調整されたフィルタ時定数によって、計測値ＳＳに対するフィルタ処理を行う。

より具体的には、設定部１１Ａは、次に示すように、フィルタ時定数を調整する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る温度調整装置のフィルタ時定数の第１の調整処理を示すフローチャートである。

設定部１１Ａは、操作量ＭＶを取得して、操作量ＭＶが正常か異常かを判定する。設定部１１Ａは、操作量ＭＶが異常であれば（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、フィルタ時定数を増加する（Ｓ１０２）。すなわち、フィルタ１５Ａの遮断周波数を低周波数側にシフトさせる。

フィルタ時定数の増加後、設定部１１Ａは、操作量ＭＶが異常であれば（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、さらに、フィルタ時定数を増加する（Ｓ１０２）。設定部１１Ａは、操作量ＭＶが正常であれば（Ｓ１０３：ＮＯ）、フィルタ時定数の調整処理を終了する。

設定部１１Ａは、ステップＳ１０１において、操作量ＭＶが正常であれば（Ｓ１０１：ＮＯ）、フィルタ時定数が０か否かを判定する。

設定部１１Ａは、フィルタ時定数が０であれば（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、フィルタ時定数の調整処理を終了する。

設定部１１Ａは、フィルタ時定数が０でなければ（Ｓ１０４：ＮＯ）、フィルタ時定数を減少させる（Ｓ１０５）。すなわち、フィルタ１５Ａの遮断周波数を高周波数側にシフトさせる。

フィルタ時定数の減少後、設定部１１Ａは、操作量ＭＶが異常でなければ（Ｓ１０６：ＮＯ）、ステップＳ１０４に戻る。設定部１１Ａは、操作量ＭＶが異常であれば（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、フィルタ時定数を前回値、すなわち、今回のフィルタ時定数の減少処理の直前の値に設定する（Ｓ１０７）。

このような構成および処理を用いることによって、短周期の温度変動に応じて、フィルタ時定数を適切に設定できる。これにより、長周期の温度ハンチング現象を抑制しながら、冗長なフィルタ処理を抑制できる。したがって、フィルタ処理によって遮断すべきではない周波数成分の遮断を抑制でき、より適切な温度制御が可能になる。

なお、フィルタ時定数の設定処理は、次に示す処理を用いてもよい。図８は、本発明の第２の実施形態に係る温度調整装置のフィルタ時定数の第２の調整処理を示すフローチャートである。

設定部１１Ａは、経過時間ｔｔを初期化する（Ｓ２０１）。設定部１１Ａは、経過時間ｔｔが監視時間ｔｍ内であるか否かを判定する。監視時間ｔｍは、予め設定されており、上述の長周期の温度ハンチング現象の周期または短周期の温度変動の周期の推定値や実験値等に基づいて設定されており、例えば、短周期の温度変動の周期よりも長く、長周期の温度ハンチング現象の周期よりも短く設定されている。

設定部１１Ａは、経過時間ｔｔが監視時間ｔｍ内であれば（Ｓ２０２：ＹＥＳ）、操作量ＭＶを計測する（Ｓ２０３）。設定部１１Ａは、操作量ＭＶが１００％以上（ＭＶ≧１００％）または０％以下（ＭＶ≦０％）であれば（Ｓ２０４：ＹＥＳ）、フィルタ時定数を増加する（Ｓ２０５）。すなわち、設定部１１Ａは、操作量ＭＶが異常値であれば、フィルタ時定数を増加する。

設定部１１Ａは、操作量ＭＶが１００％以上（ＭＶ≧１００％）または０％以下（ＭＶ≦０％）でなければ（Ｓ２０４：ＮＯ）、ステップＳ２０２に戻る。

ステップＳ２０５によるフィルタ時定数の増加後、設定部１１Ａは、経過時間ｔｔを初期化する（Ｓ２０６）。設定部１１Ａは、経過時間ｔｔが監視時間ｔｍ内であれば（Ｓ２０７：ＹＥＳ）、操作量ＭＶを計測する（Ｓ２０８）。設定部１１Ａは、操作量ＭＶが１００％以上（ＭＶ≧１００％）または０％以下（ＭＶ≦０％）であれば（Ｓ２０９：ＹＥＳ）、ステップＳ２０５に戻り、フィルタ時定数を増加する（Ｓ２０５）。

設定部１１Ａは、操作量ＭＶが１００％以上（ＭＶ≧１００％）または０％以下（ＭＶ≦０％）でなければ（Ｓ２０９：ＮＯ）、ステップＳ２０７に戻る。

ステップＳ２０７において、設定部１１Ａは、経過時間ｔｔが監視時間ｔｍ内であれば（Ｓ２０７：ＮＯ）、フィルタ時定数の調整処理を終了する。

説明をステップＳ２０２に戻り、設定部１１Ａは、経過時間ｔｔが監視時間ｔｍ内であれば（Ｓ２０２：ＮＯ）、フィルタ時定数が０か否かを判定する。

設定部１１Ａは、フィルタ時定数が０であれば（Ｓ２１０：ＹＥＳ）、フィルタ時定数の調整処理を終了する。

設定部１１Ａは、フィルタ時定数が０でなければ（Ｓ２１０：ＮＯ）、フィルタ時定数を減少させる（Ｓ２１１）。

ステップＳ２１１によるフィルタ時定数の減少後、設定部１１Ａは、経過時間ｔｔを初期化する（Ｓ２１２）。設定部１１Ａは、経過時間ｔｔが監視時間ｔｍ内であれば（Ｓ２１３：ＹＥＳ）、操作量ＭＶを計測する（Ｓ２１４）。設定部１１Ａは、経過時間ｔｔが監視時間ｔｍ内でなければ（Ｓ２１３：ＮＯ）、ステップＳ２１０に戻る。

設定部１１Ａは、操作量ＭＶが１００％以上（ＭＶ≧１００％）または０％以下（ＭＶ≦０％）であれば（Ｓ２１５：ＹＥＳ）、フィルタ時定数を前回値、すなわち、今回のフィルタ時定数の減少処理の直前の値に設定する（Ｓ２１６）。設定部１１Ａは、操作量ＭＶが１００％以上（ＭＶ≧１００％）または０％以下（ＭＶ≦０％）でなければ（Ｓ２１５：ＮＯ）、ステップＳ２１３に戻る。

このような処理を用いることによって、短周期の温度変動に応じて、フィルタ時定数を適切に設定できる。これにより、長周期の温度ハンチング現象を抑制しながら、冗長なフィルタ処理を抑制できる。さらに、フィルタ時定数が小さくなりすぎることを抑制でき、長周期の温度ハンチング現象を、より確実に抑制できる。すなわち、フィルタ時定数を最適に設定できる。

なお、上述の説明では、フィルタをローパスフィルタで形成する態様を示した。しかしながら、フィルタは、計測値に含まれる上述の短周期の温度変動による成分を減衰、遮断できるフィルタであれば、他のフィルタであってもよい。例えば、短周期の温度変動による周波数を減衰極の周波数とするノッチフィルタを用いてもよい。この場合、上述の遮断周波数の調整は、減衰極周波数の調整に置き換えればよい。

１、１Ａ：温度調整システム
１０、１０Ａ：温度調整装置
１１、１１Ａ：設定部
１２：制御部
１３：入力部
１４：出力部
１５、１５Ａ：フィルタ
２０：対象装置
２１：ヒータ
２２：ヒートバー
３０：センサ
ＰＶ：実測値
ＳＰ：目標値
ＳＳ：計測値
ＳＳＦ：フィルタ処理後の計測値

Claims

制御対象の計測値が入力され、前記計測値の高周波成分を遮断するフィルタ処理を行って出力するフィルタと、
前記フィルタ処理された計測値に応じた実測値を出力する入力部と、
前記制御対象に対する目標値に前記実測値を近づけるように、前記制御対象に対する操作量を算出する制御部と、
を備える、制御装置。
前記操作量を取得し、該操作量に応じて前記フィルタのフィルタ時定数を調整する設定部を備える、
請求項１に記載の制御装置。
前記設定部は、
前記操作量を監視し、
前記操作量が異常値であることを検出すると、前記フィルタ時定数を増加させる、
請求項２に記載の制御装置。
前記設定部は、
前記操作量が飽和していることをもって前記異常値と判定する、
請求項３に記載の制御装置。
前記設定部は、
所定時間長からなる監視時間を設定し、
前記監視時間内において、前記操作量が正常値であることを検出すると、前記フィルタ時定数を減少させる、
請求項３または請求項４に記載の制御装置。
前記設定部は、
前記操作量が飽和していないことをもって前記正常値と判定する、
請求項５に記載の制御装置。
前記設定部は、
前記フィルタ時定数の減少を行なった後に前記操作量が異常値であることを検出すると、前記フィルタの時定数を、前記フィルタ時定数の減少を行う前のフィルタ時定数に設定する、
請求項５または請求項６に記載の制御装置。
制御装置が、
制御対象の計測値の高周波成分を遮断するフィルタ処理を実行し、
フィルタ処理後の計測値に基づく実測値を算出し、
前記制御対象に対する目標値に前記実測値を近づけるように、前記制御対象に対する操作量を算出する、
制御方法。
制御対象の計測値の高周波成分を遮断するフィルタ処理と、
フィルタ処理後の計測値に基づく実測値の算出処理と、
前記制御対象に対する目標値に前記実測値を近づけるように、前記制御対象に対する操作量を算出する制御処理と、
を、制御装置に実行させる、
制御プログラム。