CN106233209A - 反馈控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反馈控制装置控制，包括：检测器，其检测基于对象的输出值；P控制电路，其由将所述检测器的检测值和目标值作为差动放大电路的各自的输入、并将P控制成分V_P输出至所述差动放大电路的输出的模拟电路构成；I控制部，其通过用数字处理对所述检测值与所述目标值的偏差进行积分来输出I控制成分V_I；以及驱动元件，其基于来自所述P控制电路的P控制成分V_P和来自所述I控制部的I控制成分V_I而被驱动从而控制所述控制对象。

Description

反馈控制装置

技术领域

本发明涉及通过PI控制方式对控制对象进行反馈控制的装置。这样的控制对象遍及很广的范围。例如，在分析装置的领域中，流路的压力调整阀、压力调整器、背压调整器、背压调整阀或者流量控制器这样的调整压力或流量的装置，或在制造装置的领域中，半导体制造装置、工业机器人或者NC机械的可动体的定位装置等，但是适用本发明的控制对象并不限定于这些。

背景技术

如果列举超临界流体色谱装置(SFC：Super-Critical Fluid Chromatography)或超临界流体萃取装置(SFE：Super-Critical Fluid Extractor)所使用的压力控制装置作为控制对象的例子的话，在此以压电元件作为驱动元件，反馈控制设置于分析流路的检测器下游的压力控制装置的背压调整阀的开度，控制通过的流体的压力(参照专利文献1、2)。

控制对象的反馈控制方法之一为PI(Proportional Integral，比例积分)控制方法。PI控制方法通过比例成分(P)和积分成分(I)的组合来反馈控制控制对象。

作为执行PI控制方法的方法，具有根据电路的模拟方式、以及通过软件等进行数字处理的数字方式(参照专利文献3、4)。

其中，模拟方式存在着以下的忧虑：根据不同控制对象，如后述那样控制电路变得复杂且大规模，另外控制变得不稳定。另一方面，数字方式由于在AD转换、DA转换以及数字处理中花费时间，有针对不同控制对象而不能够满足响应性之虞。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开平3-172688号公报

专利文献2:美国专利申请公开US2010－0199982A1

专利文献3:日本专利第2844137号公报

专利文献4:日本专利第5382393号公报

发明内容

发明要解决的问题

本发明的目的在于提供一种能够容易地执行，并且也能够满足响应性的反馈控制装置。

解决问题的技术手段

在本发明中，通过模拟方式由电路执行P控制，用数字处理执行I控制。即，进行模拟P、数字I混合的PI控制。

因此，本发明的反馈控制装置包括：检测器，其检测基于控制对象的输出值；P控制电路，其由模拟电路构成，该模拟电路将所述检测器的检测值和目标值作为差动放大电路的各自的输入，并将P控制成分V_P输出至所述差动放大电路的输出；I控制部，其通过用数字处理对所述检测值与所述目标值的偏差进行积分来输出I控制成分V_I；以及驱动元件，其基于来自所述P控制电路的P控制成分V_P和来自所述I控制部的I控制成分V_I而被驱动从而控制所述控制对象。

发明的效果

由于能够用独立于I控制的电路执行P控制因此反馈控制的稳定性高。另外由于通过数字处理执行I控制，因此能够容易地执行复杂的处理。

相对于此，用数字处理执行全部PI控制的专利文献3或4的方式，根据不同控制对象在响应性上产生问题。例如，在压力控制的情况下，在P控制中要求1毫秒作用的响应性，而根据AD(模拟－数字)、DA(数字－模拟)转换的时间、软件或固件的速度限制的观点，这样的高速处理是困难的。因此，期望P控制由模拟电路执行。另一方面，I控制由于积分要素10毫秒左右的响应速度便已足够，另外复杂的处理适合用擅长的数字处理执行。

因此，本发明是有效地活用了模拟方式和数字方式两方的优异特性的方式。

附图说明

图1为表示由背压调整器(BPR)进行的压力控制的概念的概略图。

图2A为表示P控制的阶跃响应的概念的图表。

图2B为表示PI控制的阶跃响应的概念的图表。

图3为表示用于执行P控制的电路的一个例子的电路图。

图4为表示PI控制所必要的控制功能的例子的框图。

图5为概略地表示一实施方式的框图。

图6为表示超临界流体色谱(SFC)的装置构成的概略图。

图7为表示SFC系统所使用的压力调整阀的一个例子的截面图。

图8为表示PI控制的一实施方式的电路图。

图9为表示PI控制的其他实施方式的电路图。

图10为表示I控制部的一实施方式的框图。

图11为表示I控制部的一实施方式的处理的流程的框图。

图12为表示I控制部的一实施方式的处理的流程的流程图。

图13A为表示一实施例中的P控制的结果的图表。

图13B为表示一实施例中的PI控制的结果的图表。

具体实施方式

在本发明中，用于更加简化电路构成的优选的方式为如下的构成：以I控制成分V_I与所述检测器的检测值一同输入所述差动放大电路的一方的输入端子的方式连接I控制部和P控制电路，所述差动放大电路的输出端子连接于所述驱动元件。

在优选的一实施方式中，I控制部还包括：阈值保持部，其保持针对检测值与目标值的偏差的阈值V_{P upper}；以及第1比较部，其在所述偏差超过阈值保持部所保持的阈值V_Pupper时将输出的I控制成分V_I重置为0，在所述偏差为所述阈值保持部所保持的阈值V_{P upper}以下时继续所述偏差的积分。

在优选的其他实施方式中，I控制部还包括：上限值保持部，其保持I控制成分V_I的绝对值|V_I|的上限值V_{I MAX}；以及第2比较部，其将I控制成分V_I与上限值保持部所保持的上限值进行比较并限制I控制成分V_I以使I控制成分V_I输出值的绝对值|V_I|不超过所述上限值。

本发明的反馈控制装置所适用的对象没有特别的限制，作为一个例子能够列举超临界流体色谱装置(SFC)或超临界流体萃取装置(SFE)。在此，控制对象为设置于SFC或SFE的分析流路的检测器的下游的压力控制装置的背压调整阀。检测器为在分析流路中设置于背压调整阀的上游的压力计，驱动元件为控制背压调整阀的执行器。于是，该情况的反馈控制装置基于压力计的检测值和目标值PI控制背压调整阀。

以下，举出SFC作为实施例进行说明，但并不限定于此。

在SFC中，使用超临界流体作为流动相，为了防止该流动相的气化将分析流路维持在一定的高压状态。在分析流路的检测器的下游设置有背压调整器(BPR；Back PressureRegulator)，作为进行该压力控制的压力控制装置。在背压调整器通过作为执行器的压电元件或电磁阀来调节背压调整阀。以由设置于该背压调整阀的上游侧正前方的压力计检测到的压力与作为目标值的设定值变得相等的方式，反馈控制向压电元件或电磁阀的施加电压。在以下中，对使用压电元件作为执行器的情况进行说明。

使用图1对由BPR进行的压力控制的概念进行说明。由BPR2控制设置于流路4的阀6的开度(阀的打开情况，具体地开口面积)，并控制通过的流体的压力。控制装置12以来自设置于BPR2的上游流路的压力计8的压力信号值作为监测压力P_monitor，如果监测压力P_monitor低于作为目标值的设定压力P_set，则通过作为执行器的压电元件10推压阀6，减小流路截面积来提高压力。相反地如果监测压力P_monitor高于设定压力P_set，则控制装置12通过拉起压电元件10增大流路截面积来降低压力。

在基于BPR的反馈控制的压力控制方式中采用PI控制。PI控制为压力的反馈控制中一般使用的方法。在PI控制的说明之前说明P控制，然后说明PI控制。

(P控制)

实际推拉压电元件10的动作量为设定压力P_set与监测压力P_monitor之差的常数倍。若从压力计8获得的电压值作为V_{P mon}，对应于设定压力P_set的电压值作为V_{P set}，增益作为K_P的话，则压电元件10所输出的电压V_PZT可用式(1)表示。

V_PZT＝K_P(V_{P set}－V_{P mon}) (1)

在此，方便起见，假定压力值[MPa]和电压值[V]的数值相等，考虑在设定压力P_set＝20.00MPa(V_{P set}＝20.00V)时增益K_P＝100的反馈控制中获得了监测压力P_monitor＝19.96MPa(V_{P mon}＝19.96V)的情况。此时根据式(1)向压电元件的输出电压为100×(20.00－19.96)＝4V，如果通过4V的向压电元件10的输出而被进行位置控制后的阀6的开度正好为保持流体为19.96MPa的开度的情况下，通过式(1)BPR2成为平衡状态，压力没有收敛于目标的20MPa。该残差0.04MPa称为稳态误差(偏移量)，为了消除稳态误差而使用的正是PI控制。

(PI控制)

PI控制在式(1)上增加积分项，进行式(2)所表示的控制。

V_PZT＝K_P(V_P-set-V_P-mon)+K_I∫(V_P-set-V_P-mon)dt (2)

根据式(2)的第二项的积分要素，即使左边V_PZT和右边第一相相平衡，也放大右边第二项直至V_{P set}与V_{P mon}成为相等的值为止，因此能够通过继续增加或减小压电元件10的推压量，继续升压或减压直至压力与目标值一致为止。

在图2A和图2B中分别表示P控制(图2A)和PI控制(图2B)的阶跃响应的概念图。在时间t＝0中，给予某目标压力值P_set的情况下，成为平衡状态的压力值P_e在P控制下相对于P_set保持某稳态误差(offset)，在PI控制下P_set与P_e变得一致。

在图3中，表示用于执行P控制的电路的一个例子。其为使用了运算放大电路(运算放大器)14的差动放大电路，将V_{P mon}与V_{P set}的电压差用电阻比R_P/R的增益(相当于式(1)中的K_P)进行放大，将电压输出至压电元件10(表示为PZT Drive)。

由于P控制发生稳态误差，而进行PI控制，但是PI控制电路由于在实际的压力控制装置中需要多个功能，电路变得复杂。在图4中，表示了PI控制所必要的控制功能的例子。具有比较设定值V_{P set}与监测值V_{P mon}的大小的比较电路(s1)，首先需要在P控制用中将其放大的比例放大电路(s2)、I控制用的积分回路(s3)、而且将P控制成分与I控制成分加在一起的电路(s4)。进而在SFC或SFE的压力控制中，在停止泵时、切换流路时发生即使将电压输出至压电元件10的运作范围的最大限，压力也不成为设定值，积分值过度积压的问题。因此，需要将积分值限制到适当的范围的电路(s5)。另外判断压力值很大地背离设定值(s6)，在这种情况下也需要将积分值重置为0的功能(s7)。如果将图4所示的控制在电路直接执行，则控制电路变得复杂且大规模，另外对稳定控制压力的P控制产生不利影响。

在此，在该实施方式中进行如下控制：P控制由图3所示那样的电路执行、且I控制由数字处理(软件(S/W)、固件(F/W)或者FPGA(现场可编程门阵列))执行的，所谓的模拟P、数字I混合的PI控制。

FPGA为数字电路的一种，使用逻辑电路LSI的集合体。FPGA仅通过写入软件能够简单地制作表示完全相同动作的电路(集成电路)，执行容易性非常地高。在模拟信号系统中使用FPGA时，在输入侧设置有AD转换器，在输出侧设置有DA转换器。即使假设执行I控制的FPGA成为复杂的电路构成，由于经由DA转换器与P控制用的模拟电路连接，也不会对P控制的稳定性产生影响。

在图5中，表示控制的概念图。将来自压力计8的电压值V_{P mon}输入至由模拟电路构成的P控制电路16和数字处理的I控制部18。P控制电路16例如为图3所示的电路。P控制电路16执行电压值V_{P mon}和相当于设定压力的设定电压值V_{P set}的P控制并输出P控制成分V_P。I控制部18通过数字处理，执行电压值V_{P mon}和设定电压值V_{P set}的I控制并输出I控制成分V_I。将P控制成分V_P和I控制成分V_I加在一起，驱动执行器的压电元件10。

在此，作为本发明所适用的例子，使用图6对使用BPR的超临界流体色谱(SFC)的装置构成进行说明。在SFC使用在比较低温度、低压力下获得超临界状态的CO₂作为流动相，另外为了提高测试试料的溶解性混入改性剂(主要为甲醇)。因此，经由CO₂泵103送液从CO₂瓶101获得的液体CO₂，同样地通过改性剂泵104送液改性剂102，经由搅拌器105混合作为流动相。由自动进样器106注入了试料的流动相通过柱温箱107内所设置的色谱柱108，在色谱柱108按时间地分离试料成分。按时间分离好的试料成分由UV检测器109检测。

UV检测器109的检测值根据被分析的物质的密度而发生很大的变化，超临界流体的密度的压力依存性很大。因此，以泵103、104以后的流路的压力由压力控制阀110(背压调整器，BPR)保持在大致10MPa以上的一定压力的方式构成，压力调整阀的压力稳定精度大大有助于UV检测器109的测试稳定性。因此相对于设定压力需要±0.01MPa左右的压力控制精度。特别是在SFC一般进行使改性剂的混入比例按时间变化的梯度分析，在分析中流体的组成发生很大的变化因此成为压力变动的原因。

随后，使用图7对为了使用于SFC系统的压力调整阀的一个例子进行说明。SFC一般所使用的内径0.1mm的不锈钢管22分别连接于机身21的入口、出口。在机身21内形成有内径0.3mm的管流路31，管流路31的两端被连接于这些不锈钢管22。不锈钢管22由金属环23确定中心，并通过螺钉24固定于机身21上。

在机身21形成有切断流路31的凹部。该凹部的中央部的孔以切断流路31的方式凹陷为圆锥形，在该孔的壁面开口有连接着管流路31切断的部分的横孔。从上方观察该孔的话，成为在凹陷为圆锥形的壁面能够看到连接着入口侧和出口侧的各自流路的开口的构成。在该孔穴设有由弹性体构成的圆锥形的盖25。盖25成为如下的构成：其周边部由密封构件26推压至该孔的周边部，其进入孔内的部分开闭该孔的壁面的开口。被密封的切断微小流路31的圆锥形的孔的壁面成为阀座部33，盖25成为阀芯。

由压电元件28经由压杆27推压盖25的背面(从该孔观察为相反一侧的面)，由此能够控制阀座部33的流路面积的大小，控制入口管路的压力。

压电元件28为从0V到100V为止施加电压时发生10μm左右移动的压电执行器。为了使阀芯在更大大范围移动的粗动，在从阀芯观察压电元件28的后段安装有步进马达29。

在此对压电执行器的控制进行说明。在图3所示的电路图的P控制中，控制后的平衡压力与设定压力产生±0.1MPa左右的偏差(稳态误差)。此外该稳态误差的值依赖于压电元件的平衡电压，在梯度分析时与对应于时刻变化的流体的组成相应变化的压电电位响应的形式下，平衡压力发生变化。为了避免这种情况，期望将反馈控制作为PI控制。

但是在应用BPR的SFC、SFE中，在使用了PI控制的情况下，在I控制中招致复杂的处理。例如，在泵停止时等压力值大幅偏离设定值的情况下将积分值重置为0，或在切换流路时压力稍微没有到达设定值的时间成为长时间时积分值过度积压，因而要防止这种情况，或者，无视将试料注入分析流路时的瞬时的过渡的压力上升。如果想要用电路执行这样的处理，则电路变得复杂且大规模，另外因此而增加噪音对P控制的性能也产生影响，因此产生不能获得理想的压力稳定性能的问题。

在此，在优选的一实施方式中，通过图8所示的电路，进行PI控制。通过使用运算放大器的差动放大电路14进行反馈控制，以使来自压力计的电压值V_{P mon}和对应设定压力的电压值V_{P set}成为相等。在差动放大电路14的输入端子中，在输入来自压力计的电压值V_{P mon}的一侧的输入端子，将由软件或固件计算出的I控制信号V_I加在一起。

将用于求I控制信号V_I的软件或固件的计算在式(3)示出。

V_I＝K_I∫(V_{P set}-V_{P Mon})dt (3)

在此K_I为积分增益，配合控制系统进行适当地调整，I控制整体的增益与图8所示的电路的放大率合在一起用K_IR_P/R_I表达。

I成分V_I和P成分V_P的加算，并不限定于图8所示的电路，也能够使用一般的加算电路执行图9那样的构成。但是，在图9的电路，由于除了用于P控制的运算放大器14之外，还需要用于I成分V_I与P成分V_P的加算的运算放大器14a，放大级增加1级因此根据稳定性的观点优选放大级少的图8的电路构成。图8的电路不会成为P控制的结果和I控制的结果的准确的加算处理，数学上不会进行(2)所表示的运算。但是，在压电电压持续增加或减少直至V_{P set}与V_{P mon}成为相等为止的意味上时相同的处理，其结果成为PI控制。

在图10和图11中，将数字处理表示为功能。数字处理部20通过SFC或SFE的专用计算机，或者通过用于数据处理等目的而被连接于SFC或SFE的通用的计算机，例如个人电脑实现。

在数字处理中，首先将从压力计8获得的模拟电压(V_{P Mon})由AD转换部22转换为数值。AD转换部22可以为设置于数字处理部20的外部的AD转换器，也可以作为数字处理部20内的功能而实现。在数字处理部20内的处理作为数值而被处理。

通过平均化部24平均化处理获得的压力值。平均化处理用于去除在压力计8产生的噪声、在AD转变时产生的噪声。将平均化后的压力值V_{P Mon}与设定压力值V_{P set}进行比较，在第1比较部28中计算其差分。压力值V_{P mon}和设定压力值V_{P set}均为与压力值相当的电压值。设定压力值V_{P set}能够通过基准电压发生电路等产生一定电压的电路产生，并从外部赋予数字处理部20。设定压力值V_{P set}在第1比较部28中计算其差分时，可以每次都被给予，或者也可以如图10那样设置设定值保持部26，在其中保持。

计算差分的结果，在其差分值大幅过度偏离的情况下将到此为止积压的I控制值V_I重置为0。其理由为，I控制是用于消除原来P控制的稳态误差，P控制也不能进行，压力值大幅度偏离目标时即使积分也没有意义，另外在进入了P控制范围内的情况下I控制值V_I的值大量积存时，花费到收敛至适当的I控制值V_I为止的不需要的时间而不方便。在差分值为适当的范围内的值的情况下，在积分部34中执行积分。在此所说的积分是指将差分值加入现在保有的V_I值。

如果加算后的I控制值V_I为合理的范围的数值，则直接通过DA转换部40转换为模拟值并输出至电路，如果I控制值V_I为合理的范围外，则限制到该范围内并输出。为了进行这样的限制，将上限值(V_{I MAX})保持在上限值保持部36，在第2比较部38中比较加算后的I控制值V_I和上限值保持部36所保持的上限值(V_{I MAX})。

该限制的理由如下所述。例如，在切换流路时等，P_mon为稍微低于P_set的值(无法明显地与P控制的稳态误差进行区别的值)，流体充满切换后的流路需要时间，有时压力怎么也不上升。由于如果在此期间继续积存偏差(继续上升I控制值V_I)，则在流路被充满后压力上升时压力不必要地上升了相应于积存的I控制值V_I，要花费时间来根据(3)式的计算减小I控制值V_I，压力怎么也不稳定，因此期望设置用于限制的上限值。

在图12中，将图10、图11的处理作为顺序用流程图示出。控制开始前，I控制值V_I的初始值为0(步骤s1)，与控制开始一同输出I控制值V_I(步骤s2)。随后将从压力计8获得的电压值V_{P mon}平均化(步骤s3)。如果平均化后的V_{P mon}与作为目标的设定压力值V_{P set}之差的绝对值超过某閾值V_{P upper}(步骤s4)，则以I控制值V_I＝0，重置积分值。如果平均化后的V_{P mon}与设定压力值V_{P set}之差的绝对值收敛于±V_{P upper}以内，向保持的I控制值V_I加入对(V_{P set}－V_{P mon})乘以增益K_I以及处理时间dt后的值(步骤s5)。最后在积分结果(加算后)的I控制值V_I的绝对值超过某一定的值V_{I MAX}的情况下，在I控制值V_I为正的值的情况令V_I＝V_{I MAX}，在I控制值V_I为负的值的情况令V_I＝－V_{I MAX}，在I控制值V_I的绝对值不超过V_{I MAX}的情况下直接保持I控制值V_I的值(步骤s6)，返回步骤s2并变更I控制值V_I的输出值。

在图13B中，示出了由图8、图10～图12的实施例进行的压力控制后的试验结果。为了比较在图13A中示出了仅P控制的情况。P控制和PI控制两者的情况都以10.00MPa作为设定值，示出了进行了反馈控制后的结果的压力值(各图的上侧的图形)和压电电压(各图的下侧的图形)。

紧随泵的送液开始状态变得不稳定，P控制和PI控制两者的情况下都为了保持压力为一定而变化压电电压，结果由于稳态误差的值发生变化因此压力稍微变化。

6分左右后的状态，压力变为平衡。图13A的仅P控制的情况成为其平衡的压力与10.00MPa不一致，产生0.02MPa左右的偏移量。随后，如果使流量发生变化则能够确认压力发生阶梯状地变化。

另一方面，如图13B所示，通过本实施例的模拟P、数字I混合的PI控制，在送液开始后压力马上稳定，即使使流量发生变化也保持10.00MPa的值。

符号说明

2 作为控制对象的背压调整器(BPR)

6 阀

8 作为检测器的压力计

10 压电元件

14 运算放大器

16 P控制电路

18 I控制部

20 数字处理部

28 差分算出部

30 阈值保持部

32 第1比较部

34 积分部

36 上限值保持部

38 第2比较部。

Claims (5)

1.一种反馈控制装置，其特征在于，包括：

检测器，其检测基于控制对象的输出值；

P控制电路，其由模拟电路构成，该模拟电路将所述检测器的检测值和目标值作为差动放大电路的各自的输入，并将P控制成分V_P输出至所述差动放大电路的输出；

I控制部，其通过用数字处理对所述检测值与所述目标值的偏差进行积分来输出I控制成分V_I；以及

驱动元件，其基于来自所述P控制电路的P控制成分V_P和来自所述I控制部的I控制成分V_I而被驱动从而控制所述控制对象。

2.如权利要求1所述的反馈控制装置，其特征在于，

以所述I控制成分V_I与所述检测器的检测值一同被输入至所述差动放大电路的一方的输入端子的方式连接所述I控制部和所述P控制电路，

所述差动放大电路的输出端子连接于所述驱动元件。

3.如权利要求1或2所述的反馈控制装置，其特征在于，

所述I控制部还包括：

阈值保持部，其保持针对所述检测值与所述目标值的偏差的阈值V_{P upper}；以及

第1比较部，其在所述偏差超过所述阈值保持部所保持的阈值V_{P upper}时将输出的I控制成分V_I重置为0，在所述偏差为所述阈值保持部所保持的阈值V_{P upper}以下时继续所述偏差的积分。

4.如权利要求1-3中任一项所述的反馈控制装置，其特征在于，

所述I控制部还包括：

上限值保持部，其保持I控制成分V_I的上限值V_{I MAX}；以及

第2比较部，其将I控制成分V_I与所述上限值保持部所保持的上限值进行比较并限制I控制成分V_I以使I控制成分V_I输出值不超过所述上限值。

5.如权利要求1-4中任一项所述的反馈控制装置，其特征在于，

所述控制对象为在超临界流体色谱装置或超临界流体萃取装置的分析流路的检测器的下游所设置的压力控制装置的背压调整阀，

所述检测器为在所述分析流路中设置于所述背压调整阀的上游的压力计，

所述驱动元件为控制所述背压调整阀的执行器，

基于所述压力计的检测值和目标值来PI控制所述背压调整阀。