CN1195251C

CN1195251C - 控制装置、温度调节器及热处理装置

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Publication number: CN1195251C
Application number: CNB021548579A
Authority: CN
Inventors: 南野郁夫; 長见好洋; 内山隆; 米田元; 田中政仁
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2022-12-02
Also published as: CN1421756A; JP3555609B2; US6688532B2; JP2003167605A; DE60209077D1; EP1321836B1; EP1321836A1; US20030102383A1; DE60209077T8; KR20030044806A; DE60209077T2; KR100511670B1; TW200300877A; TW552489B

Abstract

一种控制装置，其在使用模型进行的控制中，即使在目标值响应或外界干扰响应时，也抑制上冲及波动等。其手段是，在目标值响应时，将空耗时间补偿器(4)的输出供给PID运算手段(3)的输入侧，同时用强的PID增益进行空耗时间补偿控制，另一方面，目标值响应时之外，不将空耗时间补偿器(4)的输出提供给PID运算手段(3)的输入侧，用弱的PID增益进行通常的PID控制。

Description

控制装置、温度调节器及热处理装置

技术领域

本发明涉及对控制对象的温度及压力等物理状态进行控制的控制装置、对控制对象的温度进行控制的温度调节器及采用温度调节器的热处理装置，更详细地说，涉及例如采用史密斯补偿法那样的模型进行控制的控制装置、温度调节器及热处理装置。

背景技术

历来，在例如PID的温度控制中，为了抑制目标值响应时的上冲，有时会将PID增益设定得较弱进行控制。但是，如果将PID设定得较弱进行控制，则达到目标温度的时间会变长，就不能应用于要求快速升温的用途。

因此，在这样的情况下，为了补偿空耗的时间，能够以高PID增益使高速升温成为可能，同时抑制目标值响应时的上冲，有时就采用史密斯补偿法。

这种史密斯补偿法是选定控制对象为没有空耗时间的控制对象使其易于控制的方法，是采用内部设定的控制对象模型进行空耗时间补偿的方法。

史密斯补偿法因为能抑制目标值响应时的上冲，所以与普通的PID控制相比，如上所述能够把PID增益设定得较高，因此存在的问题是，如果受到外界干扰，比普通PID控制更易发生波动(hunting)。

此外，采用史密斯补偿法，为了补偿空耗时间，必须在内部设定控制对象模型，但存在的问题是，求得设定该控制对象模型所必需的过程增益及时间常数等参数并不容易。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而作出的，主要目的在于，在采用模型的控制中，无论是在目标值响应还是外界干扰响应中，均抑制上冲及波动等，其目的还在于，使得能容易地求出模型的参数。

为了达到上述目的，本发明的构成如下。

即，本发明的控制装置具有：根据目标值和反馈量，计算并输出PID操作量的PID运算手段，该PID运算手段设定有加强的PID增益和减弱的PID增益的两种PID增益；根据来自所述PID运算手段的PID操作量，给出使用模型的空耗时间补偿输出的空耗时间补偿手段；以及切换手段，该切换手段对是将所述空耗时间补偿输出提供给所述PID运算手段的输入侧进行空耗时间补偿控制、还是不将所述空耗时间补偿输出提供给所述PID运算手段的输入侧地进行通常的控制进行切换，并且还将所述PID运算手段在该加强的PID增益和减弱的PID增益之间进行切换，所述切换手段至少在目标值响应时切换成所述空耗时间补偿控制，所述PID运算手段通过在目标值响应时，利用加强的PID增益进行空耗时间补偿，并在通常的PID控制时间，利用减弱的PID增益不进行空耗时间补偿，从而计算并输出该PID操作量。

在此，所谓通常的控制，是指不用空耗时间补偿输出的控制，即，不进行空耗时间补偿的控制。

采用本发明，至少在目标值响应时进行空耗时间补偿控制，所以上冲及波动等被抑制，另一方面，目标值响应时之外进行通常的控制，因此与持续进行空耗时间补偿控制的情况相比，能抑制外界干扰引起的波动。

在本发明的一个实施状况中，所述模型是控制对象模型及除去了空耗时间的控制对象模型，所述空耗时间补偿控制是利用史密斯补偿法的空耗时间补偿控制，并使利用所述空耗时间补偿控制的控制增益比所述通常控制的控制增益要强。

采用本发明，在目标值响应时，根据使控制增益加强的史密斯补偿法进行空耗时间补偿控制，所以能高速达到目标值，同时能抑制上冲等，而在目标值响应时之外的时间内，进行使控制增益减弱的通常控制，因此能抑制外界干扰引起的波动。

本发明的温度调节器具有：根据目标温度和检测温度计算并输出PID操作量的PID运算手段，该PID运算手段设定有加强的PID增益和减弱的PID增益的两种PID增益；根据来自所述PID运算手段的PID操作量，提供使用模型的空耗时间补偿输出的空耗时间补偿手段；以及切换手段，该切换手段对是将所述空耗时间补偿输出提供给所述PID运算手段的输入侧来进行空耗时间补偿控制，还是不将所述空耗时间补偿输出提供给所述PID运算手段的输入侧地进行通常控制进行切换，并且还将所述PID运算手段在该加强的PID增益和减弱的PID增益之间进行切换，所述切换手段至少在目标值响应时，切换成所述空耗时间补偿控制，所述PID运算手段通过在目标值响应时，利用加强的PID增益进行空耗时间补偿，并在通常的PID控制时间，利用减弱的PID增益不进行空耗时间补偿，从而计算并输出该PID操作量。

根据本发明，因为至少在目标值响应时进行空耗时间补偿控制，所以能抑制上冲及波动等，另一方面在目标值响应时之外的时间进行通常控制，从而与持续进行空耗时间补偿控制的情况相比，能抑制外界干扰引起的波动。

采用本发明，在目标值响应时，根据使控制增益加强的史密斯补偿法进行空耗时间补偿控制，所以能迅速达到目标温度，同时能抑制上冲等，另一方面，在目标值响应时之外的时间，进行使控制增益减弱的通常控制，以此能抑制外界干扰引起的波动。

在本发明其他的实施状况中，所述操作量运算手段是输出PI操作量或PID操作量的运算手段。

采用本发明，在目标值响应时，根据史密斯补偿法进行PI或PID控制，另一方面，在目标值响应时之外的时间，进行通常的PI或PID控制，以此能抑制上冲及波动等。

在本发明理想的实施状况中，采用阶跃(step)响应法或极限循环(limit cycle>法求出所述模型的参数。

采用本发明，利用确定控制参数用的阶跃响应法及极限循环法也可以求出模型的参数。

在本发明的另一实施状况中，根据稳定时的操作量及检测温度求所述模型的参数。

采用本发明，可以边以目标温度进行通常控制，边根据稳定操作量和检测温度，求出模型的参数。

在本发明的又一实施状况中，是根据停止控制后的检测温度的变化，求出所述模型的参数的。

采用本发明，可以根据暂时停止控制后的检测温度的变化，求出模型参数。

在本发明的一个实施状况中，所述模型参数是过程增益或时间常数。

采用本发明，为了设定控制参数，与以往一样求出最大倾斜及空耗时间，并求出过程增益和时间常数两者之一，以此可以求出设定模型所必需的所有参数。

本发明的热处理装置具有本发明的温度调节器、作为控制对象的热处理手段、以及加热或冷却所述热处理手段的手段。

在此，作为热处理装置，有例如半导体制造过程中使用的热氧化装置、扩散炉、CVD装置或成型机等。

采用本发明，利用本发明的温度调节器，能够进行抑制上冲、下冲及波动的高速温度控制。

附图说明

图1为本发明一实施形态的温度调节器的方框图。

图2为说明图1的实施形态的动作用的流程图。

图3为图1所示实施形态的空耗时间补偿控制的各部分的信号波形图。

图4为将图1的实施形态的操作量及检测温度的变化与已有的PID控制进行比较显示的波形图。

图5为说明根据阶跃响应算出过程增益K用的波形图。

图6为说明使用稳定操作量的过程增益K的计算用的波形图。

图7为说明使用极限循环法的过程增益K的计算用的波形图。

图8为说明使用阶跃响应法的时间常数T的计算用的波形图。

图9为说明自然冷却的时间常数的计算用的波形图。

符号说明

1 温度调节器 2 控制对象

3 PID运算手段 4 空耗时间补偿器

6 加热或冷却手段

具体实施形态

下面根据附图对本发明的实施形态予以说明。

图1为本发明一实施形态的温度调节器的方框图。

该实施形态的温度调节器1根据来自未图示的设定部的设定温度SP，以及来自检测热处理炉等控制对象2的温度的、未图示的温度传感器来的反馈输入、即检测温度PV，进行对控制对象2的温度控制。

该温度调节器1具有：根据设定温度SP和反馈量之差，计算并输出PID操作量MV的PID运算手段3，以及根据PID操作量MV提供空耗时间补偿输出Yt的空耗时间补偿器4。

PID运算手段3设定加强的PID增益(P、I、D)和减弱的PID增益(P’、I’、D’)这样2种PID增益。该PID运算手段3在利用使用空耗时间补偿器4的输出Yt的史密斯补偿法进行空耗时间补偿的PID控制时，采用加强的PID增益(P、I、D)，计算并输出PID操作量MV，另一方面，在不采用空耗时间补偿器4的输出的通常PID控制时，采用减弱的PID增益(P’、I’、D’)，计算并输出PID操作量MV。

在此，减弱的PID增益(P’、I’、D)是例如用通常的自动调谐求得的PID增益，而加强的PID增益(P、I、D)是减弱的PID增益(P’、I’、D’)的例如3倍左右强度的PID增益。

空耗时间补偿器4从PID操作量MV通过传递函数Po(s)后的输出中，减去同样PID操作量MV通过传递函数Po(s)e^-Ls之后的输出，并将相减后的输出(Po(s)-Po(s)e^-Ls)输入到PID运算手段3的输入侧。

在此，Po(s)是无空耗时间的理想条件下的传递函数，即从控制对象的特性除去空耗时间的传递函数，Po(s)e^-Ls是具有一次延迟及空耗时间的控制对象的传递函数。另外，在本实施形态中，应用于一次延迟模型进行说明，但本发明也能应用于二次延迟等高次模型。

亦即空耗时间补偿器4具有无空耗时间的一次延迟的控制对象模型，以及空耗时间和一次延迟的控制对象模型这样两个模型，设定这样的模型用的参数如下所述确定。

在空耗时间补偿控制中，空耗时间补偿器4的输出Yt被加到来自温度传感器的检测温度PV，作为表观检测温度(PV+Yt)，算出与设定温度SP的差，提供给PID运算手段3。

本发实施形态中，在目标值响应及外界干扰响应之一中，为了能进行无上冲及波动等的控制，如下所述进行。

即在目标值响应时，将空耗时间补偿器4的输出Yt与检测温度PV相加后，提供给PID运算手段3的输入侧，同时进行使用加强的PID增益(P、I、D)的空耗时间补偿PID控制，而在目标值响应时之外，具体地说，在稳定之后，利用切换手段5切换离开空耗时间补偿器4，同时切换成使用减弱的PID增益(P’、I’、D’)的通常的PID控制。

另外，所谓目标值响应时，是不限于最初的上升时间，也包括暂时稳定于目标温度之后目标温度发生变更的情况。还包括由于控制对象更换，稳定状态、即差值(目标温度与目前温度之差)小的状态迅速变为大的状态的情况。例如在加热水槽中的液体将其控制为一定温度的情况下，如果多次使用液体会变脏，所以要定期更换液体，在液体温度保持为100℃的状态下，一次将液体全部排出换成全新的液体(20℃)那样的时候。

这样，在目标值响应时，因为根据使用空耗时间补偿器4的输出的史密斯补偿法进行空耗时间补偿的PID控制，所以，不会产生上冲或波动，而且，因为使PID增益比不使用史密斯补偿法的通常的PID控制要强，所以达到目标温度所需时间变短，能够高速升温。

此外，因为稳定后切换成不使用史密斯补偿法的弱PID增益的通常PID控制，所以能抑制外界干扰引起的上冲及波动。另外，是否稳定的判断，可以根据检测温度是否处于一定的温度范围内来进行判断，也可以根据空耗时间补偿器4的输出是否为0来进行判断。此外，也可以根据积分之外的操作量(即比例操作量和微分操作量)是否变为0来进行判断。

图2为用来说明本实施形态的使用史密斯补偿法的空耗时间补偿PID控制及不使用史密斯补偿法的通常PID控制的动作的流程图。

首先，判断目标值是否发生变更(步骤n1)，目标值变更时，转变为使用史密斯补偿法的空耗时间补偿PID控制(步骤n3)，变为加强的PID增益而后结束(步骤n4)。

在步骤n1中判断为目标值未发生变更时，判断是否在升温过程中(步骤n2)，在升温过程中时，进入步骤n3，继续进行空耗时间补偿控制，不在升温过程中时，判断是否稳定了(步骤n5)，判断为稳定了时，进入不使用史密斯补偿法的通常的PID控制(步骤n6)，变成弱的PID增益而后结束(步骤n7)。

图3为根据本实施形态中的史密斯补偿法进行的空耗时间补偿控制的、上述图1的各部分的信号波形图。

在该图中，实线L1表示来自PID运算手段3的PID操作量MV，虚线L2表示控制对象2的实际检测温度PV，点划线L3表示空耗时间补偿器4的输出Yt，双点划线L4表示在实际的检测温度PV上加上空耗时间补偿器4的输出Yt后的表观检测温度(PV+Yt)。

如图3所示，如果采用史密斯补偿法，实际的检测温度PV是在经过空耗时间之后上升的，而加上了空耗时间补偿器4的输出Yt的表观检测温度(PV+Yt)是立即上升、作为无空耗时间的理想控制对象进行控制的。此外，如果检测温度PV及操作量MV稳定，则空耗时间补偿器4的输出Yt为0，实际的检测温度PV与表观检测温度(PV+Yt)就变为一致。

在本实施形态中，该一致实现之后，就从根据史密斯补偿法的空耗时间补偿PID控制切换成通常的PID控制。

图4为将本实施形态的操作量MV和检测温度PV的变化与未使用史密斯补偿法的已有的PID控制的操作量和检测温度的变化进行比较示显示的波形图。在该图中，实线L1及虚线L2分别表示本实施形态的PID操作量MV及检测温度PV，点划线L5表示以往的PID控制的操作量，双点划线L6表示以往的检测温度。

如该图4所示，在未使用史密斯补偿法的通常PID控制中，发生了上冲，而在本实施形态中，因为在目标值响应时进行根据史密斯补偿法的空耗时间补偿控制，所以不发生上冲。

在本实施形态中，如上所述，在实际检测温度PV与表观检测温度(PV+Yt)一致实现之后，切换成通常的PID控制，在该PID控制中，切换成弱的PID增益，所以，外界干扰引起的波动也被抑制。又，变成通常的PID控制之后，在目标温度发生变更时，再次转换成使用史密斯补偿法的空耗时间补偿PID控制。

下面对空耗时间补偿器4的设定模型用的参数的求法进行说明。

在本实施形态中，如下所述进行以便能够方便地求出该参数。

为了设定控制对象模型Po(s)，必须求出过程增益K、空耗时间L及时间常数T。

一般情况下，通过自动调谐求PID增益，在该自动调谐中，求最大倾斜R和空耗时间L，据此算出PID增益。

因此，在已有的自动调谐中，不求出控制对象模型的设定必需的参数即过程增益K及时间常数T。

因此，在本实施形态中，利用在由自动调谐求得的最大倾斜R、控制对象模型的设定必需的过程增益K及时间常数T之间存在R＝K/T的关系这一点，如下所述求过程增益K或时间常数T。

(1)使用阶跃响应法是过程增益K

根据对阶跃输入的响应波形，与已有的自动调谐一样，算出空耗时间L及最大倾斜R，同时在算出最大倾斜R之后仍继续阶跃输入，直至响应波形稳定为止，并根据下式从获得的输出侧变化算出过程增益K。

K＝{输出侧变化(温度变化)}[％FS]/{输入侧变化(操作量变化)}[％]

图5为说明根据该阶跃响应法算出过程增益K用的波形图，该5(a)示出检测温度的变化，图5(b)示出操作量的变化。

在该图5中，操作量为B％，温度变化相对于全标尺FS为A％，所以过程增益K＝A[％FS]/B[％]。

输出侧的变化即温度变化如上所述，是表示对全标尺的比例的。

这样，通过使根据阶跃响应法的自动调谐持续得比以往要长，能求出空耗时间L和最大倾斜R，同时能够一起求出过程增益K。

另外，在时间常数T较长时，因为过程增益K的算出很费时间，所以在这样的情况下，将阶跃输入取为较小的值、例如20％等为宜。

(2)采用稳定操作量计算的过程增益K的计算

用图6(a)所示的检测温度达到例如目标温度SP实现稳定时，相对于全标尺的温度变化A％FS，以及该图(b)所示的稳定操作量B％，根据下式算出过程增益K。

K＝A[％FS]/B[％]

这样，因为是作为相当于稳定操作量B[％]的温度变化A[％FS]来算出过程增益K，所以在实际想控制的目标温度SP，能算出过程增益K。

又，在稳定操作量不为一定值时，也可以使用例如平均值等。

(3)使用极限循环法计算过程增益K

图7为说明使用极限循环法算出过程增益K用的图，该图(a)示出检测温度的变化，该图(b)示出操作量的变化。

将操作量例如设为100％，如果达到目标温度例如100℃，将操作量设为0，如果低于目标温度了，再次将操作量设为100％，重复进行，将相对于稳定时的波动周期TH的操作量100％期间的比例设为B％，将到波动中心温度为止的温度变化相对全标尺的比例设为A％FS，则过程增益K为K＝A/B。

在图7中，因为检测温度从20℃上升并以110℃为中心在90℃与130℃之间摆动，所以，上述A作为90℃(＝110-20)对全标度的比例被算出。

采用该极限循环法，能与以往一样，根据波动周期和振幅求PID增益，另一方面，能同时求出过程增益K。

(4)使用阶跃响应法的时间常数T的计算

根据对于阶跃输入的响应波形，与已有的自动调谐一样算出空耗时间L和最大倾斜R，同时在算出最大倾斜R之后仍继续阶跃输入直至响应波形稳定为止，如图8所示，作为上升到稳定值的63.2％为止的时间，算出时间常数T。

这样，通过使利用阶跃响应的自动调谐比以往继续更长的时间，就能算出时间常数T。

又，时间常数T较长时，其算出就很费时间，所以在这样的情况下，最好将阶跃输入取为较小的值、例如20％等。

(5)通过自然冷却计算时间常数T

在上升到任意温度的时刻，暂时停止控制，根据自然冷却引起的温度变化来求时间常数T，如图9所示，在停止控制后自然冷却引起的温度下降的波形上引切线时，求出该切线与控制之前的温度、即例如室温的交点，将停止控制的时刻起至交点为止的时间作为时间常数T。

该利用自然冷却的时间常数计算，只要在自然冷却引起的温度下降的波形上引切线就能算出，所以能以较短的时间算出时间常数T。

还有，回到原来的控制，例如在算出自然冷却造成的冷却侧的最大倾斜的时刻返回即可。

根据如上所述求得的过程增益K、时间常数T及与以往一样通过自动调谐求得的空耗时间L，上述控制对象模型例如如下所示。

即，无空耗时间的一次延迟的控制对象模型Po(s)为：

Po(s)＝K/(Ts+1)

还有，空耗时间及一次延迟的控制对象模型Po(s)e^-Ls为：

Po(s)e^-Ls＝[K/(Ts+1)]e^-Ls

其中，s为拉普拉斯算符。

又，设定模型用的参数K、T的上述各求法，不限于应用于本实施形态、即对使用史密斯补偿法的空耗时间补偿PID控制与通常的PID控制进行切换的温度调节器，也可以应用于仅进行使用史密斯补偿法的空耗时间补偿PID控制的温度调节器。

其他实施形态

在上述实施形态中，目标值响应时进行空耗时间补偿控制，除此之外进行通常的控制，但是，作为本发明其他的实施形态，例如预测到有外界干扰时，也可以在受到该外界干扰之前，从空耗时间补偿控制切换成通常的控制，或者也可以在目标值响应时之外也进行空耗时间补偿控制。

在上述实施形态中，使空耗时间补偿控制的PID增益比通常控制的PID增益更强，但未必一定要更强。

在上述实施形态中，以应用于PID控制进行了说明，但本发明不限于PID控制，同样也能应用于PI控制等。

在上述实施形态中，对用于采用加热器等加热手段的温度控制的应用进行了说明，但本发明也可以应用于采用冷却器等的温度控制。

此外，本发明不限于温度控制，也能应用于控制压力、流量、速度或液位等其他物理状态的控制装置。

如上所述，采用本发明，因为至少在目标值响应时，进行空耗时间补偿控制，所以能够抑制上冲及波动等现象，另一方面，在目标值响应时以外，通过进行通常的控制，能抑制外界干扰引起的波动。

此外，通过使空耗时间补偿控制的控制增益增强，能迅速达到目标值。

Claims

1、一种控制装置，其特征在于，具有：

根据目标值和反馈量，计算并输出PID操作量的PID运算手段，该PID运算手段设定有加强的PID增益和减弱的PID增益的两种PID增益，

根据来自所述PID运算手段的PID操作量，给出使用模型的空耗时间补偿输出的空耗时间补偿手段，以及

切换手段，该切换手段对是将所述空耗时间补偿输出提供给所述PID运算手段的输入侧进行空耗时间补偿控制、还是不将所述空耗时间补偿输出提供给所述PID运算手段的输入侧进行通常的控制进行切换，并且还将所述PID运算手段在该加强的PID增益和减弱的PID增益之间进行切换，

所述切换手段至少在目标值响应时，切换成所述空耗时间补偿控制，

所述PID运算手段通过在目标值响应时，利用加强的PID增益进行空耗时间补偿，并在通常的PID控制时间，利用减弱的PID增益不进行空耗时间补偿，从而计算并输出该PID操作量。

2、根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，

所述模型是控制对象模型及除去了空耗时间的控制对象模型，

所述空耗时间补偿控制是利用史密斯补偿法的空耗时间补偿控制，

并使利用所述空耗时间补偿控制的控制增益比所述通常控制的控制增益要强。

3、一种温度调节器，其特征在于，具有：

根据目标温度和检测温度计算并输出PID操作量的PID运算手段，该PID运算手段设定有加强的PID增益和减弱的PID增益的两种PID增益，

根据来自所述PID运算手段的PID操作量，给出使用模型的空耗时间补偿输出的空耗时间补偿手段，以及，

切换手段，该切换手段对是将所述空耗时间补偿输出提供给所述PID运算手段的输入侧来进行空耗时间补偿控制、还是不将所述空耗时间补偿输出提供给所述PID运算手段的输入侧进行通常控制进行切换，并且还将所述PID运算手段在该加强的PID增益和减弱的PID增益之间进行切换，

4、根据权利要求3所述的温度调节器，其特征在于，

使利用所述空耗时间补偿控制的控制增益比所述通常控制的控制增益要强。

5、根据权利要求4所述的温度调节器，其特征在于，所述PID运算手段输出PI操作量或PID操作量。

6、根据权利要求5所述的温度调节器，其特征在于，采用阶跃响应法或极限循环法求出所述模型的参数。

7、根据权利要求5所述的温度调节器，其特征在于，根据稳定时的操作量及检测温度来求所述模型的参数。

8、根据权利要求5所述的温度调节器，其特征在于，根据停止控制后的检测温度的变化，求出所述模型的参数。

9、根据权利要求6-8中的任一项所述的温度调节器，其特征在于，所述模型的参数是过程增益或时间常数。

10、一种热处理装置，其特征在于，具有：权利要求3～9中的任一项所述的温度调节器，作为控制对象的热处理手段，以及加热或冷却所述热处理手段的手段。