CN103529869A - 压力控制装置、流量控制装置、压力控制方法及流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供压力控制装置、流量控制装置、压力控制方法及流量控制方法，即使在PID系数等增益设定得大的情况下也能防止阻尼振荡和上冲而不改变所述增益，即使在使设定了大的设定压力值时也能在短时间内变化到稳定状态，不论设定压力值为多少都能使从初始状态到达到稳定状态所需的时间一致。阀控制部（3）包括：开度操作量输出部（31），根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀的开度操作量；以及限制部（32），根据设定压力值设定开度操作量的上限值，当从所述开度操作量输出部（31）输出的开度操作量超过上限值时，以上限值的开度操作量控制压力控制阀（2）。

Description

压力控制装置、流量控制装置、压力控制方法及流量控制方法

技术领域

本发明涉及用于控制流体的压力的压力控制装置、通过所述压力控制装置的压力控制进行流体的流量控制的流量控制装置、压力控制方法、以及流量控制方法。

背景技术

在半导体制造工序等中，为了以规定的一定压力向保持真空的室（チャンバー）内导入材料气体等流体，使用压力控制装置。

具体而言，所述压力控制装置设置在所述室的上游的流路上，由压力传感器、压力控制阀和阀控制部构成，所述阀控制部控制所述压力控制阀，使得由所述压力传感器测量出的测量压力值成为设定压力值。

以往，在通过所述压力控制装置进行的流体的压力控制中，仅有从初始状态经过规定时间后的稳定状态中的压力控制的精度受到重视，但是近年，从初始状态到稳定状态的过渡状态中的压力控制的精度和响应性也逐渐受到重视。

例如，在半导体制造工序中，要求尽可能缩短过渡状态持续的时间，即，要求尽可能缩短作为从初始状态到成为稳定状态所需的时间的响应时间，并且进一步提高过渡状态中的压力控制的精度和响应性。具体而言，如果设定压力值大，则需要向所述室内填充的流体的流量也会变大，因此存在下述问题：与设定压力值小的情况相比，响应时间变长，从而导致响应性变差。

作为对这种问题的一个解决方法，可以例举当所述阀控制部通过PID控制来控制所述压力控制阀的开度操作量时，通过设定大的值作为各PID系数（增益）来优化压力控制的响应性。

然而，如果简单地设定大的值作为PID系数等增益，则虽然在设定压力值大的情况下，通过输入大的开度操作量能缩短响应时间，但是在作为目标值的设定压力值小的情况下，尽管无需向室内填充那么大程度的流体，但由于以过大的开度操作量控制压力控制阀，从而导致压力控制变得不稳定。即，如果以设定压力值大的情况作为基准来设定大的PID系数，则在设定压力值小的情况下会破坏控制的稳定性，如图10所示，在过渡状态中会产生阻尼振荡（リンギング），还会发生大的上冲（オーバーシュート）。为了在所有的设定压力值时都能够兼顾响应性与稳定性，可以根据设定压力值改变PID系数，从而优化响应性并且保持稳定性，但是需要对各设定压力值以实验的方式预先确定PID系数，因此使参数调整非常费事。

另一方面，专利文献1公开的压力控制装置，不是根据设定压力值适当地改变所述的PID系数，而是通过对过渡状态中的压力控制阀的开度操作量设置上限值（极限），来防止产生上冲并且得到令人满意的响应性。

所述压力控制装置包括：PID控制部，对设定压力值和测量压力值的偏差进行PID计算，并输出压力控制阀的开度操作量；以及限制部，在从升压开始时的初始状态到达到稳定状态的过渡响应期间，对从PID控制部输出的开度操作量设定上限值。

所述限制部以相对于从升压开始时到成为稳定状态所经过的时间成比例的方式提高开度操作量的上限值。即，在以开度操作量的上限值对所述压力控制阀从升压开始时起持续控制的情况下，开度相对于所经过的时间逐渐变大。

然而，按照所述压力控制装置，由于所述压力控制阀的开度操作量的上限值相对于从升压开始起所经过的时间固定，因此根据设定压力值，达到稳定状态所需的时间会大幅度地变化。具体而言，即使在设定压力值被设定为100％等大的值，并希望在短时间内使压力上升到设定压力值的情况下，由于所述限制部在升压开始时设定的开度操作量的上限值小，所以导致流体不怎么向下游流入，从而压力的上升量也变小。因而，与设定压力值被设定为50％等值的情况相比，设定压力值大的情况下达到达到稳定状态所需的响应时间变得非常长。

从别的方面考虑，如专利文献1所示，如果使开度操作量的上限值相对于所经过的时间变化，则根据设定压力值，从初始状态到成为稳定状态所需的响应时间会各不相同，不能达到一致。因此，在半导体制造工序中，为了能够将材料气体稳定地导入至室内，将达到稳定状态所需的时间最长的值设定为等待时间，但是特别是在设定压力值小的情况下，将产生多余的待机时间，导致成品率降低。

此外，在根据从压力式的流量传感器输出的测量流量值进行流量控制的所谓的基于压力的流量控制装置中也同样会发生所述的问题。即，在压力式的流量传感器的情况下，根据产生压力损失的流体阻力的上游和下游的压力来测量流量，例如如果在下游连接室等，则下游的压力变成保持在大体真空或一定值，实际上与通过流量控制阀控制流体阻力的上游的流体的压力的值大体等价。因而，与所述的压力控制装置相同，如果为了在设定流量值大的情况下也能够缩短响应时间而设定大的PID系数，则在设定流量值小的情况下会破坏稳定性，导致产生上冲和阻尼振荡。

现有技术文献

专利文献1：日本专利公开公报特开2001-241841号

发明内容

鉴于所述的问题，本发明的目的是提供一种压力控制装置以及压力控制方法，即使在例如PID系数等增益设定得大的情况下也能够防止阻尼振荡和上冲而不改变所述增益，即使在设定了大的设定压力值的情况下也能够在短时间内变化到稳定状态，不论设定压力值为多少都能够使从初始状态到达到稳定状态所需的响应时间一致。此外，本发明的另一个目的是提供一种流量控制装置以及流量控制方法，能够解决流量控制中的与压力控制对应的技术问题。

即，本发明提供一种压力控制装置，其包括：压力传感器，测量流过流路的流体的压力；压力控制阀，设置在所述流路上；以及阀控制部，控制所述压力控制阀，使得由所述压力传感器测量出的测量压力值成为设定压力值，所述阀控制部包括：开度操作量输出部，根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀的开度操作量；以及限制部，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述压力控制阀，所述限制部根据设定压力值设定开度操作量的极限值。

在此，本说明书中的“开度操作量”是表示所述压力控制阀的绝对开度的量。

按照所述的压力控制装置，在使压力上升的控制中，所述限制部根据设定压力值来设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，因此在例如设定压力值大、到产生上冲为止比较充裕的情况下，设定大的上限值作为开度操作量的极限值，从而缩短达到达到稳定状态所需的时间，反之，在设定压力值小、如果开度操作量过大则立即产生上冲等的区域中，设定小的开度操作量的上限值使稳定性优先。

另外，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量超过上限值时，所述限制部以所设定的上限值的开度操作量控制所述压力控制阀，因此即使例如PID系数等增益设定得大，也能够防止产生上冲等。而且，如果PID系数等增益设定得大，则能够使过渡状态和稳定状态中的对指令值的跟随性和响应性得到优化。

反之，在从保持为一定压力值的状态到使压力下降到设定压力值的控制中，所述限制部根据设定压力值设定下限值作为开度操作量的极限值，并设定开度操作量的容许范围，因此不论设定压力值有多大都能够缩短响应时间，并且在压力降低量小的情况下能够防止产生上冲和阻尼振荡。

在从所述开度操作量输出部输出的开度操作量为所述限制部中所设定的开度操作量的上限值以下的情况下，为了在兼顾响应性和稳定性的状态下进行压力控制，优选的是，所述限制部设定上限值作为开度操作量的极限值，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量为上限值以下时，以从所述开度操作量输出部输出的开度操作量控制所述压力控制阀。

为了在设定了任意设定压力值的情况下使从初始状态到达到稳定状态所需的时间基本固定，优选的是，设定压力值越大，所述限制部将开度操作量的上限值设定得越大。按照该结构，设定压力值越大将开度操作量的上限值设定得越大，因此设定压力值越大就能够使通过所述压力控制阀的流体的量越多，设定压力值越大就能够使每单位时间的压力变化量越大。因此，对于各设定压力值，能够使从初始状态到成为稳定状态所需的时间基本固定。

为了使设定压力值与从初始状态到成为稳定状态的每单位时间的压力变化量大致成比例、且为了不论设定压力值为多少都能够使从初始状态到达到稳定状态所需的时间基本固定，优选的是，所述限制部对于所经过的时间使开度操作量的上限值针对设定压力值非线性地变化。按照该结构，即使所述压力控制阀的开度和通过的流体的流量之间的关系为非线性关系，也能够以反映这种非线性关系的方式来确定开度操作量的上限值，因此能够使从初始状态到达到稳定状态所需的响应时间一致。

例如，为了即使作为压力控制对象的室等的容积发生变化，也使从初始状态到成为稳定状态之间所需的时间总是保持一定而不论设定压力值为多少，优选的是，在过渡状态中所述限制部根据所述压力控制阀的下游的容积来设定开度操作量的上限值。

特别是在所述压力控制阀的下游的容积大的情况下，为了一边保持响应性和稳定性一边使压力能够在短时间内从初始状态变化到稳定状态，优选的是，所述压力控制阀的下游的容积越大，所述限制部将开度操作量的上限值设定得越大。

作为用于不论设定压力值为多少都使从初始状态到达到稳定状态所需的时间一致的开度操作量的上限值的设定方法的具体例子，所述限制部将与所需的流量值对应的开度操作量设定为上限值，所述所需的流量值用于在从压力控制开始起经过目标时间后使所述压力控制阀的下游的容积中的压力成为设定压力值。

为了通过更改现有压力控制装置中的程序等来实现作为本发明的压力控制装置的功能，使用以下的压力控制方法即可。所述压力控制方法用于压力控制装置，所述压力控制装置包括：压力传感器，测量流过流路的流体的压力；以及压力控制阀，设置在所述流路上，所述压力控制方法包括阀控制步骤，所述阀控制步骤控制所述压力控制阀，使得由所述压力传感器测量出的测量压力值成为设定压力值，所述阀控制步骤包括：开度操作量输出步骤，根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀的开度操作量；以及限制步骤，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当在所述开度操作量输出步骤中输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述压力控制阀，在所述限制步骤中，根据设定压力值设定开度操作量的极限值。

为了不论设定流量值的大小都能够使从初始状态到达到稳定状态的响应时间基本一致、并且能够防止上冲和阻尼振荡，使用以下的流量控制装置即可。所述流量控制装置包括：压力传感器，测量流过流路的流体的压力；流量控制阀，设置在所述流路上；以及阀控制部，控制所述流量控制阀，使得根据由所述压力传感器测量出的测量压力值计算出的测量流量值成为设定流量值，所述阀控制部包括：开度操作量输出部，根据测量流量值和设定流量值输出所述流量控制阀的开度操作量；以及限制部，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述流量控制阀，所述限制部根据设定流量值设定开度操作量的极限值。

另外，为了通过更改现有流量控制装置的程序来附加不论设定流量值为多少都使响应时间保持一定且能防止上冲和阻尼振荡的功能，使用以下的流量控制方法即可。所述流量控制方法用于流量控制装置，所述流量控制装置包括：压力传感器，测量流过流路的流体的压力，以及流量控制阀，设置在所述流路上，所述流量控制方法包括阀控制步骤，所述阀控制步骤控制所述流量控制阀，使得根据由所述压力传感器测量出的测量压力值计算出的测量流量值成为设定流量值，所述阀控制步骤包括：开度操作量输出步骤，根据测量流量值和设定流量值输出所述流量控制阀的开度操作量；以及限制步骤，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述流量控制阀，在所述限制步骤中，根据设定流量值设定开度操作量的极限值。

按照本发明的压力控制装置，所述限制部不根据从初始状态经过的时间来改变所述压力控制阀的开度操作量的上限值，而是根据设定压力值确定开度操作量的上限值，因此即使设定压力值是不同的值也能够使从初始状态到达到稳定状态所需的时间一致。另外，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量超过所述限制部中所设定的开度操作量的上限值时，以该上限值对所述压力控制阀进行控制，所以即使在例如PID系数等增益设定得大而具有高响应的情况下，也能够防止产生上冲等。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的压力控制装置的示意图。

图2是表示第一实施方式的压力控制装置的控制系统的示意性框图。

图3是表示第一实施方式的压力控制阀的阀特性的图。

图4是表示第一实施方式的设定压力值与所需的流体的流量的关系的图。

图5是表示第一实施方式的设定压力值和开度操作量的上限值的关系的图。

图6是表示第一实施方式的压力控制装置的动作的流程图。

图7是表示第一实施方式的压力控制装置的压力控制结果的一个例子的图。

图8是表示第一实施方式的压力控制装置的变形例的设定压力值和开度操作量的上限值的关系的图。

图9是表示第二实施方式的流量控制装置的示意图。

图10是表示在以往的压力控制装置中提高PID系数时产生的问题的图。

附图标记说明

100 压力控制装置

1   压力传感器

2   压力控制阀

3   阀控制部

31  开度操作量输出部

32  限制部

4   流量传感器

5   室

6   真空泵

7   流路

具体实施方式

装置结构

以下参照附图对本发明的第一实施方式进行说明。

第一实施方式的压力控制装置100设置在室5的上游，用于在半导体制造工序中以规定的一定压力向室5内导入材料气体和载气等流体。第一实施方式的压力控制装置100不仅在稳定状态中跟随性具有特征，而且在过渡状态中的响应性和稳定性也具有特征，不论设定压力值为多少都能够使从初始状态过渡到稳定状态所需的时间基本固定。

若对所述半导体制造工序的概况进行说明，则如图1的示意图所示，从上游开始依次设置有：用于监控流量的流量传感器4、所述压力控制装置100、有规定容积的室5、以及将所述室5内抽成真空的真空泵6。

如图1所示，所述压力控制装置100包括：压力传感器1，测量流过流路7的流体的压力；压力控制阀2，设置在所述流路7上；以及阀控制部3，根据所述压力传感器1测量出的测量压力值和设定压力值对所述压力控制阀2进行控制。所述压力控制阀2、所述压力传感器1、所述阀控制部3构成一个模块，并且各部件收容在未图示的外壳内。而且，在半导体制造工序的流路7上安装所述压力控制装置100的流入口和流出口，由此可以向二次侧的室5内以规定的压力导入流体。另外，图2表示该压力控制装置100的控制系统的框图。

以下对所述压力控制装置100的各部分进行说明。

所述压力传感器1设置在所述压力控制阀2的下游，可以测量所述流路7以及所述室5内的压力。

所述压力控制阀2例如为电磁阀，可以根据从所述阀控制部3施加的电压改变其开度。具体而言，所述压力控制阀2可以是从开度状态为0％的全闭状态到开度状态为100％的全开状态的各种开度状态。如图3的图所示，该压力控制阀2的开度和在该开度时通过的流体的流量具有非线性关系。即，开度和通过的流体的流量的关系具有以下特点：开度小时流量缓慢上升、达到规定的开度以上则流量急剧上升、接近全开时流量的上升量再次变小，在第一实施方式中，在考虑该压力控制阀2的流量特性的基础上进行压力控制。

所述阀控制部3由具有CPU、存储器、A/D、D/A转换器、输入输出设备等的所谓的计算机或微型计算机等构成，并且通过执行存储在存储器中的程序来实现其功能。所述阀控制部3对所述压力控制阀2进行控制，使得由所述压力传感器1测量出的测量压力值成为设定压力值，并且至少具有作为图2的框图中所示的开度操作量输出部31和限制部32的功能。

所述开度操作量输出部31根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀2的开度操作量。在此，开度操作量表示所述压力控制阀2的绝对开度，例如在全开开度为100％、全闭开度为0％的情况下，开度操作量对应于与0～100％的数值相对应的指令值、电压值、信号量。即，开度操作量不是表示从当前的压力控制阀2的开度只要变化多少开度即可的相对值，而是表示绝对值。

具体而言，如图2的框图所示，所述开度操作量输出部31接收测量压力值和设定压力值的偏差，并使用预先设定的PID系数对该偏差进行PID计算，将开度操作量输出至所述限制部32。在所述开度操作量输出部31中使用的PID系数在本实施方式中相对于设定压力值总是使用相同值，例如，考虑稳定状态中的设定压力值和测量压力值的容许差、过渡状态中的响应性、对干扰的稳健性等来设定在所述开度操作量输出部31中使用的PID系数。此外，由于以稳定状态中的响应性和对干扰的稳定性为优先来设定在所述开度操作量输出部31中设定的PID系数，因此当直接使用从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量时，在过渡状态中有发生阻尼振荡和上冲等的可能性。

所述限制部32接收作为指令值输入的设定压力值，根据设定压力值设定开度操作量的上限值（极限值），并设定开度操作量的容许范围，并且接收从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量，当该开度操作量超过上限值时，以上限值的开度操作量来控制所述压力控制阀2。另外，当从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量在上限值以下时，所述限制部32以从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量来控制所述压力控制阀2。换句话说，所述限制部32具有以下功能：作为极限值设定部（未图示）的功能，根据设定压力值来设定极限值；以及作为开度控制部（未图示）的功能，根据由极限值设定部设定的极限值和从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量来控制所述压力控制阀2的开度。

接下来，对用于确定所述限制部32的开度操作量的上限值、设定开度操作量的容许范围的结构进行详细说明。

所述限制部32根据设定压力值、在第一实施方式中由室5的容积Ｖ代表的所述压力控制阀2的下游的容积、以及所述压力控制阀2的流量特性来设定开度操作量的上限值。

具体而言，在第一实施方式中，所述开度操作量的上限值根据在目标响应时间内达到设定压力所需的流体的流量来确定，所述目标响应时间是从开始进行压力控制的初始状态到以设定压力值附近的压力保持在大体一定压力的稳定状态所需的时间的目标值。

从初始状态到成为设定压力值所需的流量可以根据气体的状态方程式用以下的计算式1计算。

计算式1：

$P_{\mathrm{set}}-P_{\mathrm{start}}=\frac{\mathrm{RT}}{\mathrm{VM}}{\∫}_0^{\mathrm{tr}}\mathrm{Qdt}$

在此，P_set表示设定压力值、P_start表示初始状态的流体的压力值、V表示室5的容积（压力控制阀2下游的容积）、tr表示从初始状态到成为稳定状态所需的目标响应时间、R表示气体常数、T表示流体的温度、M表示流体的分子量、Q表示从初始状态到成为设定压力值所需的流体的流量。另外，在初始状态下保持在大致真空状态等的情况下，P_start被视为0，因此可以仅利用P_set进行计算。在本实施方式中，由于室5内保持大致真空，所以对P_start可忽略不计。

此外，在从初始状态到成为稳定状态期间，如果所述压力控制阀2的开度被固定在规定的开度，则流量Q成为一定，因此可以从计算式1求出Q，如计算式2所示。

计算式2：

$Q=\frac{P_{\mathrm{set}}\mathrm{VM}}{\mathrm{TRtr}}$

在此，由于V、R、T、tr、M是固定值，所以可知设定压力值P_set和所需的流量Q之间存在如图4所示的线性关系。

此外，可以参照如图3所示的表示开度操作量和流量之间的关系的阀特性图来确定能够使所需的流量Q流过的压力控制阀2的开度操作量，所述所需的流量Q是用于实现由计算式2计算出的设定压力值P_set所需要的流量。

在第一实施中，在赋予了设定压力值的情况下，根据计算式2计算出所需的流量Q，并利用该流量Q参照图3所示的阀特性图得到开度操作量，并将该开度操作量作为针对各设定压力值的开度操作量的上限值进行设定。

如上所述，设定压力值和所需的流量之间存在如图4所示的线性关系，所述压力控制阀2的开度操作量和流量之间存在如图3所示的非线性关系，因此所述限制部32以使开度操作量的上限值与各设定压力值具有图5所示的非线性关系的方式，来针对各设定压力值设定开度操作量的上限值。

此外，根据图5可以判明：所述限制部32以下述方式设定上限值，使总体上随着设定压力值的增大使开度操作量的上限值也变大，并且使开度操作量的上限值相对于设定压力值的变化率随着设定压力值的增大而减小。

另外，如计算式2所示，所述限制部32使针对各设定压力值设定的开度操作量的上限值随着室5的容积而变化。具体而言，由计算式2可知，室5的容积V变得越大，所需的流量Q也变得越大，因此室5的容积V变得越大，所述限制部32也同时将开度操作量的上限值设定得越大。装置的动作

参照图6的流程图对如上所述构成的压力控制装置100的动作进行说明。

首先，由使用者设定设定压力值，如果开始压力控制（步骤S1），则所述限制部32根据设定的设定压力值来设定开度操作量的上限值（步骤S2）。

接着，所述开度操作量输出部31对设定压力值和当前的测量压力值的偏差进行PID计算，并输出开度操作量（步骤S3）。

在限制部32中，判断从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量是否大于在所述限制部32中设定的上限值（步骤S4）。

当从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量超过上限值时，限制部32以上限值的开度操作量对所述压力控制阀2进行控制（步骤S5）。另一方面，当从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量小于上限值时，以在开度操作量输出部中输出的开度操作量本身对所述压力控制阀2进行控制（步骤S6）。这样，利用某个开度操作量对压力控制阀2进行控制，完成一个控制循环的控制（步骤S7）。

另外，如果开始下一个控制循环，则再次重复步骤S3～步骤S7的动作。

在此，对从初始状态到经过大致目标响应时间为止的期间亦即过渡状态中的压力控制装置100的动作进一步详述。从初始状态到达到稳定状态为止的期间，设定压力值和测量压力值的偏差大，因此所述开度操作量输出部31对偏差进行PID计算后输出的开度操作量的值也大，而成为大体总是超过所述限制部32中所设定的上限值的状态。

因而，在从压力控制开始时刻到经过了大致目标响应时间之间的偏差大的期间里，实际上限制部32以按照各设定压力值设定的上限值来持续进行压力控制阀2的开度控制。

另一方面，在过度状态中的接近稳定状态的末端部分和稳定状态中，设定压力值和测量压力值的偏差变得非常小，所以所述开度操作量输出部31输出的开度操作量变得小于上限值，使根据偏差进行的控制能以很好的响应性持续进行。

效果

按照如上所述构成的第一实施方式的压力控制装置100，由于所述限制部32根据各设定压力值设定开度操作量的上限值，所以即使所述开度操作量输出部31中设定的PID系数被设定为较高的值，在过渡状态这样的偏差大的状态下，开度操作量也会被限制在根据设定压力值设定的上限值，压力控制阀2不会被控制成超过所需要的开度以上的开度。因而，不论是怎样的设定压力值，都能在PID系数为高增益的状态下抑制上冲和阻尼振荡。

此外，因为无需考虑过渡状态中的上冲和阻尼振荡而将PID系数抑制为小的值，所以压力控制装置100是在稳定状态中响应性好，并且是抗干扰能力强的控制系统。

另外，可以使所述开度操作量输出部31中的PID系数固定，而不根据设定压力值改变，因此与例如根据设定压力值适当改变PID系数的控制系统相比，能够使结构简单，从而容易降低成本。

另外，将针对所述限制部32中设定的各设定压力值的开度操作量的上限值设定为：与根据目标响应时间tr、室5的容积V和设定压力值所求出的、为达到设定压力值所需的流体的流量Q对应的压力控制阀2的开度操作量，因此如图7所示，不论设定压力值为多少，都可以使从初始状态到达到稳定状态所需的时间与目标响应时间tr基本一致。

具体而言，作为设定压力值从大到小有P₁、P₂、P₃时，如图4所示，为了在目标响应时间tr内达到设定压力值，根据计算式2计算出应该向所述室5填充的流量Q₁、Q₂、Q₃，并且从图3的阀特性图中选择出与该流量Q₁、Q₂、Q₃对应的所述压力控制阀2的开度操作量MV₁、MV₂、MV₃，将它们分别作为上限值MV₁、MV₂、MV₃进行设定。因此，室5的容积V和压力控制阀2的阀特性的非线性关系反映在上限值中。此外，在设定了各设定压力值P₁、P₂、P₃时，在偏差大的过渡状态中以开度操作量的上限值MV₁、MV₂、MV₃持续控制压力控制阀2的开度。因此，由计算式2的逆运算可知，不论在哪个设定压力值的情况下，从初始状态到达到稳定状态所需的时间都成为目标响应时间tr，因此不论设定压力值为多少都可以使过渡状态的持续时间一致。

变形例

对第一实施方式的变形例进行说明。在第一实施方式中，以反映压力控制阀2的阀特性的非线性的形式设定了开度操作量的上限值，但是根据所需要的精度也可以如图8的图所示，使所述限制部32以与设定压力值成比例的方式设定开度操作量的上限值。按照该结构，不仅能够以更简单的结构构成控制系统，而且也能够期待对上冲和阻尼振荡的抑制效果。

此外，也可以根据所述压力控制阀2的上游的压力和下游的压力的压差，对所述限制部32根据设定压力值设定的上限值（极限值）进行修正。具体而言，只要在所述压力控制阀2的上游设置初级压力传感器（未图示），使所述限制部接收所述初级压力传感器的测量压力值和所述压力传感器1的测量压力值的压差值，并且根据压差值的大小改变修正量即可。即，所述限制部在压差大的情况下，只要将开度操作量的上限值修正为比通常值小的值，并且在压差小的情况下，将开度操作量的上限值修正为比通常值大的值即可。按照该构成，设定的上限值是考虑了所述压力控制阀2的上游和下游的压力状态造成的流体的易流动性的上限值，从而使兼顾压力控制的响应性和稳定性变得更加容易。

下面对第二实施方式进行说明。

如图9所示，本发明的第二实施方式的流量控制装置200从上游依次包括：流量控制阀2、上游压力传感器11、用来产生压力损失的节流孔等流体阻力12、以及下游压力传感器13。而且，所述上游压力传感器11、流体阻力12、以及下游压力传感器13构成例如根据哈根-泊萧叶（Hagen-Poiseuille）公式等输出测量流量值的流量传感器F，所述流量控制装置200还包括阀控制部3，所述阀控制部3控制所述流量控制阀2，使得由所述流量传感器F测量出的测量流量值成为设定流量值。

在第二实施方式中，在所述下游压力传感器13的下游连接有作为真空源的泵，所述流体阻力12的下游的压力以大致真空的状态保持在一定的压力。因此，从所述流量传感器F输出的测量流量值基本上仅由所述上游压力传感器11输出的测量压力值来决定。

因此，第二实施方式的流量控制装置200可以作为下述的压力控制装置：在图9的以假想线表示的部分中，通过将所述流体阻力12的上游的测量压力值控制成与设定流量值对应的设定压力值，来将测量流量值控制成目标的设定流量值。因此，在没有后述的阀控制部的结构的情况下，与以往的压力控制装置中产生的问题一样，在为了能够在设定流量值大时也能够缩短响应时间而设定大的PID系数的情况下，当设定了小的设定流量值时，会产生阻尼振荡和上冲。

在第一实施方式的阀控制部3中用于反馈的值为压力值，而在第二实施方式的阀控制部3中将用于反馈的值改变成流量值。

具体而言，所述阀控制部3包括：开度操作量输出部31，根据测量流量值和设定流量值输出所述流量控制阀2的开度操作量；以及限制部32，设定开度操作量的上限值（极限值），并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量是容许范围外的值时，以上限值的开度操作量控制所述流量控制阀2，并且所述限制部32根据设定流量值设定开度操作量的上限值。

按照所述构成，在基于压力的流量控制中也与第一实施方式的压力控制的情况一样，不论设定流量值的大小，都可以使从初始状态到成为稳定状态为止的响应时间与目标响应时间一致，并且能够防止产生上冲和阻尼振荡。

下面对第二实施方式的变形实施方式进行说明。

在第二实施方式所示的例子中，流体阻力12的下游的压力保持基本固定，因此流体阻力12的上游的压力在流量控制中起到支配性作用，但本发明也能够适用于流体阻力12的下游的压力变化的情况，而且能够得到与第二实施方式的效果大致相同的效果。

另外，第二实施方式中的流量传感器F由上游压力传感器11、由节流孔形成的流体阻力12、以及下游压力传感器13构成，但第二实施方式中的流量传感器F也可以仅由上游流量传感器11和作为流体阻力12的音速喷嘴来构成。另外，在将音速喷嘴作为流体阻力12使用的情况下，也可以还设置下游压力传感器13。按照该构成，同样可以进行令人满意的流量控制。

下面对其他实施方式进行说明。

在所述第一实施方式与所述第二实施方式中，压力传感器设置在阀的下游，但是不限于该顺序，例如也可以从上游依次配置压力传感器和阀。

所述限制部设定的开度操作量的上限值只要至少根据设定压力值变化即可，根据情况可以不反映压力控制阀的下游的容积。

另外，所述限制部设定的开度操作量的极限值不仅可以是上限值，也可以是下限值。例如，在通过压力控制装置从规定的压力值使压力降低的情况下，所述限制部根据设定压力值来设定开度操作量的下限值，由此可以使从初始状态到成为稳定状态为止的响应时间一致而与设定压力值无关，并且能够防止下冲和阻尼振荡。

此外，在第一实施方式中表示了从初始状态的压力为0的状态到压力上升到设定压力值的情况，但是本发明的压力控制装置也可以用于从初始状态时保持在规定的初始压力值的状态到压力上升到设定压力值的情况。

在该情况下，对于所述限制部设定的上限值，将从设定压力值减去初始压力值得出的值作为压力值代入计算式1和计算式2中，计算出压力上升所需的流体的流量值，并将适合所需的流量值的压力控制阀的开度操作量作为上限值进行设定即可。另外，用来确定上限值的计算式不限于第一实施方式中所示的计算式，例如也可以根据标准化后的流量和压力的关系式等计算出上限值。此外，也可以以在过渡状态的大体整个区域中使从所述开度操作量输出部输出的开度操作量超过上限值的方式，设定开度操作量的上限值。也可以以只在过渡状态的一部分区域中使从所述开度操作量输出部输出的开度操作量超过上限值的方式，设定开度操作量的上限值。另外，也可以以在设定压力的整个范围中使从所述开度操作量输出部输出的开度操作量超过上限值的方式，设定开度操作量的上限值。也可以以只在设定压力值的一部分区域中使从所述开度操作量输出部输出的开度操作量超过上限值的方式，设定开度操作量的上限值。即，只要由所述限制部设定适合目标响应时间及所要求的过渡状态中的响应特性的开度操作量的上限值即可。

所述开度操作量输出部也可以使用PID控制以外的例如PI控制等其它控制方式，对此没有特别的限定。总之，所述开度操作量输出部只要能够根据设定压力值和测量压力值的偏差输出开度操作量即可。在所述各实施方式中，所述开度操作量输出部直接计算出与控制阀的开度的绝对值对应的值，并且向所述限制部输出，但是在例如是所述开度操作量输出部根据偏差计算出距当前开度的变化量的情况下，向所述限制部输出当前开度和变化量的合计值即可。即，只要是采用下述方式即可：在开度操作量以绝对值输出的情况下，直接将开度操作量输入至所述限制部，而在作为增量输出开度的变化量的情况下，将当前的开度加上变化量作为绝对值，并且由所述限制部判断该绝对值是否在由极限值规定的容许范围内。

在例如希望采用后附加的方式将与本发明相同的压力控制功能附加到现有的压力控制装置上的情况下，只要用记录有实现所述阀控制部功能的程序的记录介质，将所述程序安装在计算机等上即可。在此，记录介质指的是例如CD-ROM和DVD-ROM等实物介质。

按照本发明，在进行压力控制和流量控制的流路中形成有规定体积的部分，对该规定体积填充流体或使流体流出都需要消耗时间，因此如果想简单地以加大增益的方式来优化响应性，则会导致破坏控制的稳定性，而本发明能够改善过渡响应状态的响应特性。因此，能够适合用于特别是对过渡响应具有严格要求的压力控制装置和流量控制装置。

此外，在不违反本发明的宗旨的范围内，可以对实施方式进行各种变形和组合。

工业实用性

按照本发明，能够提供一种压力控制装置和流量控制装置，在例如用于半导体制造装置等时，即使在PID系数等增益设定得大而具有高响应的情况下，也能够防止产生上冲等。

Claims (7)

1.一种压力控制装置，其特征在于，

所述压力控制装置包括：

压力传感器，测量流过流路的流体的压力；

压力控制阀，设置在所述流路上；以及

阀控制部，控制所述压力控制阀，使得由所述压力传感器测量出的测量压力值成为设定压力值，

所述阀控制部包括：

开度操作量输出部，根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀的开度操作量；以及

限制部，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述压力控制阀，

所述限制部根据设定压力值设定开度操作量的极限值。

2.根据权利要求1所述的压力控制装置，其特征在于，

所述限制部设定上限值作为开度操作量的极限值，

当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量为上限值以下时，以从所述开度操作量输出部输出的开度操作量控制所述压力控制阀。

3.根据权利要求2所述的压力控制装置，其特征在于，设定压力值越大，所述限制部将开度操作量的上限值设定得越大。

4.根据权利要求2所述的压力控制装置，其特征在于，所述限制部将与所需的流量值对应的开度操作量设定为上限值，所述所需的流量值用于从压力控制开始经过目标时间后使所述压力控制阀的下游的容积中的压力成为设定压力值。

5.一种压力控制方法，用于压力控制装置，所述压力控制装置包括：压力传感器，测量流过流路的流体的压力；以及压力控制阀，设置在所述流路上，

所述压力控制方法的特征在于，

所述压力控制方法包括阀控制步骤，所述阀控制步骤控制所述压力控制阀，使得由所述压力传感器测量出的测量压力值成为设定压力值，

所述阀控制步骤包括：

开度操作量输出步骤，根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀的开度操作量；以及

限制步骤，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当在所述开度操作量输出步骤中输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述压力控制阀，

在所述限制步骤中，根据设定压力值设定开度操作量的极限值。

6.一种流量控制装置，其特征在于，

所述流量控制装置包括：

压力传感器，测量流过流路的流体的压力；

流量控制阀，设置在所述流路上；以及

阀控制部，控制所述流量控制阀，使得根据由所述压力传感器测量出的测量压力值计算出的测量流量值成为设定流量值，

所述阀控制部包括：

开度操作量输出部，根据测量流量值和设定流量值输出所述流量控制阀的开度操作量；以及

限制部，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述流量控制阀，

所述限制部根据设定流量值设定开度操作量的极限值。

7.一种流量控制方法，用于流量控制装置，所述流量控制装置包括：压力传感器，测量流过流路的流体的压力，以及流量控制阀，设置在所述流路上，

所述流量控制方法的特征在于，

所述流量控制方法包括阀控制步骤，所述阀控制步骤控制所述流量控制阀，使得根据由所述压力传感器测量出的测量压力值计算出的测量流量值成为设定流量值，

所述阀控制步骤包括：

开度操作量输出步骤，根据测量流量值和设定流量值输出所述流量控制阀的开度操作量；以及

限制步骤，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述流量控制阀，

在所述限制步骤中，根据设定流量值设定开度操作量的极限值。

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