JP2001296902A - 制御装置、温度調節器および熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】干渉のある制御対象の制御において、干渉を低
減するとともに、オートチューニングを正しく実行でき
るようにして制御パラメータの設定を可能とする。 【解決手段】個別的に対応する複数のヒータおよび複数
の温度センサを備えるとともに、複数のＰＩＤ制御手段
６₁〜６ｎを備え、平均温度・傾斜温度算出手段５で複
数の温度センサの検出温度の平均温度および検出温度に
基づく傾斜温度を算出し、各ＰＩＤ制御手段６₁〜６ｎ
は、それぞれ平均温度または各傾斜温度が目標値になる
ように操作信号を出力し、配分手段７によって、各ＰＩ
Ｄ制御手段６₁〜６ｎによる制御が、他のＰＩＤ制御手
段の制御に影響を与えないように、各ヒータに各ＰＩＤ
制御手段６₁〜６ｎからの操作信号を配分するようにし
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、制御対象の温度や
圧力などの物理状態を制御する制御装置、制御対象の温
度を制御する温度調節器および温度調節器を用いた熱処
理装置に関し、さらに詳しくは、制御対象の物理状態を
制御する状態制御手段を複数備え、各状態制御手段によ
る制御が、他の状態制御手段による制御に影響を与え
る、いわゆる干渉のある制御対象の制御に好適な技術に
関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の制御対象、例えば、半導体プロ
セスの熱処理装置として、図２８に示される熱酸化装置
があり、この熱酸化装置１８は、シリコンのウェハを酸
化するものであって、熱処理炉としての反応管１９に必
要なガスを流しながら酸化膜の生成を行うものである。
この熱酸化装置１８は、反応管１９を外囲する均熱管２
０の周囲に分割して配置された複数、この例では、３つ
の第１〜第３のヒータ２１₁〜２１₃とそれに個別的に対
応する第１〜第３の温度センサ２２₁〜２２₃とを有し、
温度制御は、マイクロコンピュータ２３によって、ヒー
タおよび温度センサの各組に対応する領域（以下「ゾー
ン」という）毎に個別に行われている。

【０００３】すなわち、第１のヒータ２１₁および第１
の温度センサ２２₁が配置された上側の第１のゾーンで
は、第１の温度センサ２２₁の検出出力に基づいて、目
標温度になるように第１のヒータ２１₁が操作され、第
２のヒータ２１₂および第２の温度センサ２２₂が配置さ
れた中間の第２のゾーンでは、第２の温度センサ２２₂
の検出出力に基づいて、目標温度になるように第２のヒ
ータ２１₂が操作され、第３のヒータ２１₃および第３の
温度センサ２２₃が配置された下側の第３のゾーンで
は、第３の温度センサ２２₃の検出出力に基づいて、目
標温度になるように第３のヒータ２１₃が操作される。

【０００４】しかしながら、各ゾーンは熱的に連続して
いるので、一つのゾーンのヒータによる熱量は、そのゾ
ーンのみならず、他のゾーンの温度センサにも影響を与
える、いわゆる干渉を生じる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような干渉がある
ために、特に、過渡時や外乱時に温度のバラツキが顕著
となって均一な温度制御が困難であり、また、各ゾーン
を異なる目標温度に制御するといったことが容易でな
い。

【０００６】さらに、温度調節器における最適なＰＩＤ
制御のパラメータを決定するためのオートチューニング
が正しく実行できないという難点もある。

【０００７】以下、オートチューニングが正しく実行で
きない理由について、制御のシュミレーションソフト
（ＭＡＴＬＡＢ）を使用した例を用いて説明する。

【０００８】先ず、正常にオートチューニングをできる
例として、図２９に示される干渉のない独立な第１，第
２の制御対象２４₁，２４₂を制御する場合について説明
する。この例は、独立に二つの制御対象２４₁，２４₂を
制御するものであり、第１のＰＩＤ制御手段２５₁で
は、オートチューニングを実行し、第２のＰＩＤ制御手
段２５₂では、目標値をグランドとしてＰＩＤ制御を実
行している。なお、２６₁，２６₂は、目標値とフィード
バック量との制御偏差を出力する加算器である。

【０００９】図３０は、このシステムにおける第１の制
御対象２４₁からの第１のフィードバック量ＰＶ１（破
線）、第１のＰＩＤ制御手段２５₁からの第１の操作量
ＭＶ１（実線）、第２の制御対象２４₂からの第２のフ
ィードバック量ＰＶ２（二点鎖線）および第２のＰＩＤ
制御手段２５₂からの第２の操作量ＭＶ２（一点鎖線）
を、スコープに表示した波形を示すものであり、第１の
操作量ＭＶ１がオンオフするリミットサイクルが生じて
おり、第１のフィードバック量ＰＶ１の周期と振幅とを
使って第１のＰＩＤ制御手段２５₁のＰＩＤ制御のパラ
メータを決定することができる。

【００１０】なお、フィードバック量ＰＶ１，ＰＶ２
は、例えば温度制御における温度センサで検出された検
出温度に相当し、操作量ＭＶ１，ＭＶ２は、制御対象を
加熱するヒータおよびそのヒータの通電をオンオフする
電磁開閉器からなる操作手段に与えられる操作量であ
る。

【００１１】次に、図３１に示されるように、２入力
（ＭＶ１，ＭＶ２）２出力（ＰＶ１，ＰＶ２）の干渉の
ある制御対象２７に独立な制御を実行した場合について
説明する。

【００１２】この制御対象２７は、図３２に示されるよ
うに、第１のＰＩＤ制御手段２５₁からの第１の操作量
ＭＶ１が、第１の加算器２８に与えられるとともに、第
１の減衰器２９で０.９に減衰されて第２の加算器３０
に与えられる一方、第２のＰＩＤ制御手段２５₂からの
第２の操作量ＭＶ２が、第２の加算器３０に与えられる
とともに、第２の減衰器３１で０.９に減衰されて第１
の加算器２８に与えられ、各加算器２８，３０の加算出
力が、第１，第２の遅れ要素３２，３３にそれぞれ与え
られる構成とされており、この例では、各操作量ＭＶ
１，ＭＶ２が０.９の割合で他方に加えられて互いに干
渉を生じるものである。

【００１３】このような干渉のある制御対象２７では、
第１のＰＩＤ制御手段２５₁で、オートチューニングを
実行し、第２のＰＩＤ制御手段２５₂では、目標値をグ
ランドとしてＰＩＤ制御を実行すると、図３３に示され
るように、第１の操作量ＭＶ１（実線）に、オンオフの
リミットサイクルが生じない場合があり、かかる場合に
は、第１のフィードバック量ＰＶ１（破線）の振動の振
幅および周期を正しく測定できず、ＰＩＤ制御のパラメ
ータも計算することができないことになる。

【００１４】このように第１の操作量ＭＶ１がオンオフ
しない原因は、オートチューニングをしない側の第２の
ＰＩＤ制御手段２５₂が干渉してオートチューニング側
の第１のフィードバック量ＰＶ１の変化が生じないよう
に勝手に動作してしまうからである。これは、第２の操
作量ＭＶ２（一点鎖線）が、第１のフィードバック量Ｐ
Ｖ１の変化とは逆向きの動きをしていることからも分か
る。

【００１５】このように、干渉のある制御対象では、Ｐ
ＩＤの制御パラメータを設定するためのオートチューニ
ングが実行できず、試行錯誤的な設定にならざるを得
ず、このため、設定に時間を要するとともに、所望の制
御特性を得るのが困難である。

【００１６】本発明は、上述の点に鑑みて為されたもの
であって、干渉のある制御対象であっても、その干渉を
低減するとともに、制御パラメータの設定を可能とする
ことを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明では、上述の目的
を達成するために、次のように構成している。

【００１８】すなわち、本発明の制御装置は、制御対象
の物理状態をそれぞれ検出する複数の検出手段からの情
報を、前記物理状態の勾配を示す情報に変換するととも
に、物理状態の代表状態を示す情報に変換する変換手段
と、前記変換手段からの各情報が個別的に与えられる複
数の状態制御手段と、前記各状態制御手段からの操作信
号を、複数の操作手段に、各状態制御手段による制御
が、他の状態制御手段による制御に与える影響をなくす
又は小さくするように配分する配分手段と、前記勾配を
示す情報が与えられる状態制御手段と代表状態を示す情
報が与えられる状態制御手段との状態制御のバランスを
調整する調整手段とを備えている。

【００１９】ここで、物理状態とは、温度、圧力、流
量、速度あるいは液位などの様々な物理量の状態をい
う。

【００２０】また、物理状態の勾配とは、温度勾配、圧
力勾配、流量勾配、速度勾配などの様々な物理量の勾配
をいう。

【００２１】さらに、物理状態の代表状態とは、制御対
象の物理状態を代表的に示す状態をいい、例えば、温度
であれば、制御対象の平均温度、ある位置（例えば中央
位置）における温度などをいう。

【００２２】また、状態制御のバランスを調整すると
は、勾配を示す情報に基づく状態制御と代表状態を示す
情報に基づく状態制御のいずれに重点をおいた（いずれ
を優先させた）状態制御を行うか、あるいは、状態制御
の強さや速さなどを調整することをいう。

【００２３】本発明によると、複数の検出手段からの情
報を、物理状態の勾配を示す情報と代表状態を示す情
報、すなわち、干渉のない独立の情報に変換して制御を
行うとともに、配分手段によって各状態制御手段による
制御が、他の状態制御手段による制御に与える影響をな
くす又は小さくするように配分するので、干渉のある制
御対象の制御において、その干渉を低減することが可能
となる。

【００２４】また、調整手段によって、勾配を示す情報
に基づく状態制御と代表状態を示す情報に基づく状態制
御との状態制御のバランスを調整できることになり、用
途や制御対象の特性などに応じて適切な状態制御を行え
ることになる。

【００２５】また、本発明の制御装置は、制御対象の物
理状態をそれぞれ検出する複数の検出手段からの情報と
前記複数の検出手段に個別的に対応する複数の目標情報
との偏差を、前記物理状態の勾配を示す情報の偏差に変
換するとともに、物理状態の代表状態を示す情報の偏差
に変換する変換手段と、前記変換手段からの前記勾配を
示す情報の偏差または前記代表状態を示す情報の偏差を
制御偏差として操作信号をそれぞれ出力する複数の状態
制御手段と、前記各状態制御手段からの操作信号を、複
数の操作手段に、各状態制御手段による制御が、他の状
態制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さく
するように配分する配分手段と、前記勾配を示す情報の
偏差を制御偏差として操作信号を出力する状態制御手段
と前記代表状態を示す情報の偏差を制御偏差として操作
信号を出力する状態制御手段との状態制御のバランスを
調整する調整手段とを備えている。

【００２６】ここで、目標情報とは、物理状態の制御目
標の情報をいい、例えば、目標温度、目標圧力、目標流
量などをいう。

【００２７】本発明の制御装置によると、複数の検出手
段からの情報を、物理状態の勾配あるいは代表状態を利
用した情報、すなわち、干渉のない独立の情報に変換し
て制御を行うとともに、配分手段によって各状態制御手
段による制御が、他の状態制御手段による制御に与える
影響をなくす又は小さくするように配分するので、干渉
のある制御対象の制御において、その干渉を低減するこ
とが可能となる。

【００２８】また、調整手段によって、勾配を示す情報
に基づく状態制御と代表状態を示す情報に基づく状態制
御との状態制御のバランスを調整できることになり、用
途や制御対象の特性などに応じて適切な状態制御を行え
ることになる。

【００２９】また、本発明の温度調節器は、制御対象の
温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段から得られ
る検出温度を、複数の検出温度に基づく傾斜温度に変換
するとともに、代表的な代表温度に変換する変換手段
と、前記変換手段からの傾斜温度または代表温度を制御
量として操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手
段と、前記各温度制御手段からの操作信号を、前記制御
対象を加熱（または冷却）する複数の加熱（または冷
却）手段に、各温度制御手段による制御が、他の温度制
御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくする
ように配分する配分手段と、前記傾斜温度を制御量とし
て操作信号を出力する温度制御手段と前記代表温度を制
御量として操作信号を出力する温度制御手段との温度制
御のバランスを調整する調整手段とを備えている。

【００３０】本発明によると、複数の温度検出手段から
得られる検出温度を、傾斜温度と代表温度、すなわち、
干渉のない独立の情報に変換して制御を行うとともに、
配分手段によって各温度制御手段による制御が、他の温
度制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さく
するように配分するので、干渉のある制御対象の制御に
おいて、その干渉を低減することが可能となる。また、
例えば、制御対象を複数のゾーン毎に区分して温度制御
を行う場合に、特定のゾーンの検出温度を代表温度とし
てそのゾーンに着目した制御を行うことができる。

【００３１】さらに、調整手段によって、傾斜温度に基
づく温度制御と代表温度に基づく温度制御との温度制御
のバランスを調整できるものであり、用途や制御対象の
特性などに応じて適切な温度制御を行えることになる。

【００３２】また、本発明の温度調節器は、制御対象の
温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段から得られ
る検出温度と前記複数の温度検出手段に個別的に対応す
る複数の目標温度との偏差を、傾斜温度の偏差に変換す
るとともに、代表的な代表温度の偏差に変換する変換手
段と、前記変換手段からの傾斜温度の偏差または前記代
表温度の偏差を制御偏差として操作信号をそれぞれ出力
する複数の温度制御手段と、前記各温度制御手段からの
操作信号を、複数の操作手段に、各温度制御手段による
制御が、他の温度制御手段による制御に与える影響をな
くす又は小さくするように配分する配分手段と、前記傾
斜温度の偏差が与えられる温度制御手段と前記代表温度
の偏差が与えられる温度制御手段との温度制御のバラン
スを調整する調整手段とを備えている。

【００３３】本発明によると、複数の温度検出手段から
得られる検出温度と目標温度を、傾斜温度の偏差および
代表温度の偏差、すなわち、干渉のない独立の情報に変
換して制御を行うとともに、配分手段によって各温度制
御手段による制御が、他の温度制御手段による制御に与
える影響をなくす又は小さくするように配分するので、
干渉のある制御対象の制御において、その干渉を低減す
ることが可能となる。また、例えば、制御対象を複数の
ゾーン毎に区分して温度制御を行う場合に、特定のゾー
ンの検出温度を代表温度としてそのゾーンに着目した制
御を行うことができる。

【００３４】さらに、調整手段によって、傾斜温度に基
づく温度制御と代表温度に基づく温度制御との温度制御
のバランスを調整できるものであり、用途や制御対象の
特性などに応じて適切な温度制御を行えることになる。

【００３５】本発明の一実施態様においては、前記調整
手段は、設定に応じて、前記温度制御手段の制御パラメ
ータおよび操作信号を制限するリミッタの少なくとも一
方を調整するものである。

【００３６】本発明によれば、設定によって、ＰＩＤの
制御パラメータやリミッタのリミット値を調整して傾斜
温度に基づく温度制御と代表温度に基づく温度制御との
温度制御のバランスを適切な状態に調整できることにな
る。

【００３７】本発明の他の実施態様においては、前記代
表温度が複数の検出温度に基づく平均温度であり、前記
調整手段は、設定に応じて、平均温度を制御量として操
作信号を出力する温度制御手段または平均温度の偏差が
与えられる温度制御手段の操作信号を制限するリミッタ
の上限値を調整するものである。

【００３８】本発明によると、平均温度に基づく温度制
御手段の操作信号を制限するリミッタの上限値を、例え
ば、小さく調整することにより、平均温度による制御よ
りも傾斜温度に基づく制御をより優先した制御を行える
ことになる。

【００３９】本発明の好ましい実施態様においては、本
発明に係る温度調節器と、制御対象としての熱処理炉ま
たは熱処理盤と、前記熱処理炉または熱処理盤を加熱
（または冷却）する複数の加熱（または冷却）手段と、
前記熱処理炉または熱処理盤の温度を検出する複数の温
度検出手段とを備えている。

【００４０】本発明によると、本発明の温度調節器によ
って熱処理炉あるいは熱処理盤の温度制御を行うので、
干渉を低減した温度制御が可能になるとともに、用途や
制御対象の特性などに応じて適切な温度制御が行える。

【００４１】

【発明の実施の形態】以下、図面によって本発明の実施
の形態について詳細に説明する。

【００４２】図１は、本発明の一つの実施の形態に係る
温度調節器を用いた温度制御システムの概略構成図であ
る。

【００４３】この実施の形態の温度制御システムは、制
御対象３を加熱する複数のヒータ１ ₁〜１ｎと、複数の
ヒータ１₁〜１ｎに個別的に対応して制御対象３の温度
を検出する複数の温度センサ２₁〜２ｎと、これら温度
センサ２₁〜２ｎの検出出力に基づいて、各ヒータ１₁〜
１ｎを図示しない電磁開閉器などを介して操作して制御
対象３の温度を制御する本発明に係る温度調節器４とを
備えている。

【００４４】制御対象３は、熱的に連続して干渉を生じ
るものであり、各ヒータ１₁〜１ｎと対応する各温度セ
ンサ２₁〜２ｎとがそれぞれ近接して配置されて複数の
ゾーンがそれぞれ形成されている。

【００４５】この温度制御システムは、例えば、上述の
図２８に示される熱酸化装置１８に適用できるものであ
り、制御対象３を、熱処理炉としての反応管１９とし、
第１〜第３のヒータ１₁〜１₃を、反応管１９の周囲に分
割して配置された第１〜第３のヒータ２１₁〜２１₃と
し、第１〜第３の温度センサ２₁〜２₃を、各ゾーンの温
度を検出する第１〜第３の温度センサ２２₁〜２２₃とし
て適用することができるものである。

【００４６】図２は、図１の温度調節器４のブロック図
であり、この実施の形態の温度調節器４は、複数の温度
センサ２₁〜２ｎの検出温度の平均温度および検出温度
に基づく傾斜温度を後述のようにして算出する平均温度
・傾斜温度算出手段（以下「モード変換器」ともいう）
５と、この算出手段５で算出された平均温度または各傾
斜温度がそれぞれ入力される複数の温度制御手段として
のＰＩＤ制御手段６₁〜６ｎと、各ＰＩＤ制御手段６₁〜
６ｎからの操作信号（操作量）を後述のように所定の配
分比で加熱手段を構成する各ヒータ１₁〜１ｎに配分す
る配分手段（以下「前置補償器」ともいう）７とを備え
ている。平均温度・傾斜温度算出手段５、ＰＩＤ制御手
段６_1〜６ｎおよび配分手段７は、例えば、マイクロコ
ンピュータによって構成される。

【００４７】従来では、上述の図２８に示されるよう
に、各ゾーン毎に温度を検出して対応するヒータを個別
に制御していたけれども、この実施の形態では、干渉を
なくすために、平均温度・傾斜温度算出手段５で算出さ
れる代表温度としての平均温度および複数の各傾斜温度
を制御量として温度制御を行うようにしている。

【００４８】変換手段としての平均温度・傾斜温度算出
手段５は、複数の温度センサ２₁〜２ｎからの情報を、
一つの平均温度と複数の傾斜温度との情報に変換するも
のであり、その理由は、干渉がなく、独立で分かりやす
い情報にするためであり、例えば、次のような演算を行
うものである。

【００４９】すなわち、第１の温度センサ２₁の検出出
力をＳ１，第２の温度センサ２₂の検出出力をＳ２，…
第ｎの温度センサ２ｎの検出出力をＳｎとすると、下記
に示される平均温度Ｔａｖ，第１の傾斜温度Ｔｔ１，第
２の傾斜温度Ｔｔ２，…第ｎ−１の傾斜温度Ｔｔ_n-1を
算出する。

【００５０】 Ｔａｖ＝（Ｓ１＋Ｓ２＋…Ｓｎ）÷ｎ Ｔｔ１＝（Ｓ１＋Ｓ２＋…Ｓ_n-1）÷（ｎ−１）−Ｓｎ Ｔｔ２＝（Ｓ１＋Ｓ２＋…Ｓ_n-2）÷（ｎ−２）−Ｓ_n-1 ・ ・ Ｔｔ_n-1＝Ｓ１−Ｓ２ ここで、Ｔａｖは、複数の温度センサ２₁〜２ｎの検出
温度の平均温度であり、傾斜温度Ｔｔ１は、複数の温度
センサ２₁〜２ｎを、温度センサ２₁〜２_n-1と温度セン
サ２ｎとの二つに区分した場合の温度センサ２₁〜２_n-1
の平均検出温度と温度センサ２ｎの検出温度との差であ
り、傾斜温度Ｔｔ２は、複数の温度センサ２₁〜２
_n-1を、温度センサ２₁〜２_n-2と温度センサ２_n-1との二
つに区分した場合の温度センサ２₁〜２_n-2の平均検出温
度と温度センサ２_n-1の検出温度との差であり、以下同
様にして、傾斜温度Ｔｔ_n-1は、温度センサ２₁と温度セ
ンサ２ ₂との検出温度の差である。

【００５１】以上の式をまとめて、モード変換行列Ｇｍ
と称する行列を用いて下記のように表すことができる。

【００５２】

【数１】

【００５３】Ｔ＝Ｇｍ・Ｓ ただし、Ｔ＝［Ｔａｖ Ｔｔ１ Ｔｔ２ ……Ｔｔ_n-1］^T Ｓ＝［Ｓ１ Ｓ２ Ｓ３ ……Ｓ_n］^T この実施の形態では、これら平均温度Ｔａｖと複数の傾
斜温度Ｔｔ１〜Ｔｔ_{n- 1}とを制御量として温度制御を行
うものである。

【００５４】なお、傾斜温度は、この実施の形態に限ら
れるものではなく、例えば、下記のモード変換行列Ｇｍ
に示されるように隣り合う温度センサの検出温度の温度
差や複数の温度センサを二つのグループに区分して各グ
ループの平均検出温度の温度差などの種々の傾斜温度を
用いることができる。

【００５５】

【数２】

【００５６】また、傾斜温度は、複数の温度センサを大
きく二つのグループに区分した各グループの平均検出温
度の温度差、各グループをさらに二つに区分した各グル
ープの平均検出温度の温度差、さらに各グループを二つ
に区分した各グループの平均検出温度の温度差といった
ように、マクロな傾斜温度からミクロな傾斜温度までを
算出して用いるようにしてもよい。

【００５７】要するに、温度の傾斜を意味する情報と平
均の情報とに分離して制御できるようにすればよい。

【００５８】第１のＰＩＤ制御手段６₁は、平均温度・
傾斜温度算出手段５からの平均温度と目標平均温度の制
御偏差に基づいて、平均温度が目標平均温度になるよう
に操作信号を配分手段７に出力し、第２のＰＩＤ制御手
段６₂は、平均温度・傾斜温度算出手段５からの第１の
傾斜温度と第１の目標傾斜温度との制御偏差に基づい
て、第１の傾斜温度が第１の目標傾斜温度になるように
操作信号を配分手段７に出力し、第３のＰＩＤ制御手段
６₃は、平均温度・傾斜温度算出手段５からの第２の傾
斜温度と第２の目標傾斜温度との制御偏差に基づいて、
第２の傾斜温度が第２の目標傾斜温度になるように操作
信号を配分手段７に出力し、以下同様にして、第ｎのＰ
ＩＤ制御手段６ｎは、平均温度・傾斜温度算出手段５か
らの第ｎ−１の傾斜温度と第ｎ−１の目標傾斜温度との
制御偏差に基づいて、第ｎ−１の傾斜温度が第ｎ−１の
目標傾斜温度になるように操作信号を配分手段７に出力
する。

【００５９】すなわち、第１のＰＩＤ制御手段６₁は、
平均温度を制御し、第２〜第ｎの各ＰＩＤ制御手段６₂
〜６ｎは、第１〜第ｎ−１の傾斜温度をそれぞれ制御す
るものである。

【００６０】次に配分手段７について説明する。

【００６１】この配分手段７は、各ＰＩＤ制御手段６₁
〜６ｎからの操作信号（操作量）を、各ヒータ１₁〜１_n
に配分するのであるが、その際に、各ＰＩＤ制御手段６
₁〜６ｎそれぞれによる平均温度または各傾斜温度の制
御が、他のＰＩＤ制御手段６ ₁〜６ｎそれぞれによる平
均温度または傾斜温度の制御に与える干渉をなくすよう
に配分するものである。

【００６２】例えば、第１のＰＩＤ制御手段６₁の操作
信号によって平均温度を変化させる場合に、その操作信
号によって傾斜温度が変化せず、また、第２のＰＩＤ制
御手段６₂の操作信号によって第１の傾斜温度を変化さ
せる場合に、その操作信号によって平均温度および他の
傾斜温度が変化せず、同様に、各ＰＩＤ制御手段の操作
信号によって他のＰＩＤ制御手段による制御が影響され
ないように配分するのである。

【００６３】この配分手段７による配分について、さら
に詳細に説明する。

【００６４】ここで、分かり易くするために、ｎ＝２、
すなわち、ゾーンが２つであって、第１，第２のヒータ
１₁，１₂、第１、第２の温度センサ２₁，２₂、平均温度
を制御する第１のＰＩＤ制御手段６₁および両温度セン
サ２₁，２₂の検出温度の差である傾斜温度を制御する第
２のＰＩＤ制御手段６₂を備える場合に適用して図３に
基づいて説明する。

【００６５】この図３は、上述の図３１，図３２の従来
例で説明した２入力２出力の干渉のある制御対象２７に
適用した例であり、図２に対応する部分には、同一の参
照符号を付す。

【００６６】平均温度・傾斜温度検出手段５は、第１，
第２の温度センサ２₁，２₂の検出出力に相当する制御対
象２７からのフィードバック量ＰＶ１，ＰＶ２を、図４
に示されるように加算器８で加算して減衰器９で１／２
に減衰して平均温度Ｔａｖを出力する一方、両温度セン
サ２₁，２₂の検出出力に相当するフィードバック量ＰＶ
１，ＰＶ２を減算器１０で減算して傾斜温度Ｔｔを出力
するものである。

【００６７】第１のＰＩＤ制御手段６₁は、平均温度・
傾斜温度算出手段５からの平均温度Ｔａｖと目標平均温
度の制御偏差に基づいて、平均温度が目標平均温度にな
るように操作信号（操作量）Ｈａｖを配分手段７に出力
し、第２のＰＩＤ制御手段６ ₂は、平均温度・傾斜温度
算出手段５からの傾斜温度Ｔｔと目標傾斜温度との制御
偏差に基づいて、傾斜温度が目標傾斜温度になるように
操作信号（操作量）Ｈｔを配分手段７に出力する。

【００６８】配分手段７は、各ＰＩＤ制御手段６₁，６₂
の操作信号（操作量）Ｈａｖ，Ｈｔを以下のような配分
比で各ヒータ１₁，１₂に配分する。

【００６９】すなわち、図５は、図３のシステムの制御
系のブロック線図である。平均温度を制御する第１のＰ
ＩＤ制御手段６₁から与えられる操作量Ｈａｖを、配分
手段７で干渉をなくす、すなわち、非干渉化するための
係数である非干渉化係数（配分比）ｋ₁，ｋ₂で第１，第
２のヒータ１₁，１₂にそれぞれ配分するとともに、第２
のＰＩＤ制御手段６₂から与えられる操作量Ｈｔを、非
干渉化係数（配分比）ｋ₃，ｋ₄で第１，第２のヒータ１
₁，１₂にそれぞれ配分し、これによって、各ヒータ
１₁，１₂に熱量Ｈ₁，Ｈ₂がそれぞれ与えられるとする。

【００７０】また、第１のヒータ１₁に与えられた熱量
Ｈ₁は、伝達係数（干渉係数）ｌ₁で第１の温度センサ２
₁に伝わる一方、伝達係数（干渉係数）ｌ₂で第２の温度
センサ２₂に伝わり、同様に、第２のヒータ１₂に与えら
れた熱量Ｈ₂は、伝達係数（干渉係数）ｌ₃で第１の温度
センサ２₁に伝わる一方、伝達係数（干渉係数）ｌ₄で第
２の温度センサ２₂に伝わるとする。

【００７１】そして、第１の温度センサ２₁で検出され
た検出温度Ｔ₁と第２の温度センサ２ ₂で検出された検出
温度Ｔ₂とから平均温度Ｔａｖおよび傾斜温度Ｔｔが算
出されて各ＰＩＤ制御手段６₁，６₂に入力されるという
制御ループが構成されている。

【００７２】以上のことから平均温度Ｔａｖは、次のよ
うに示される。

【００７３】 Ｔａｖ＝（Ｔ₁＋Ｔ₂）／２ ＝｛（ｌ₁・Ｈ₁＋ｌ₃・Ｈ₂）＋（ｌ₂・Ｈ₁＋ｌ₄・Ｈ₂）｝／２ ＝｛（ｌ₁＋ｌ₂）Ｈ₁＋（ｌ₃＋ｌ₄）Ｈ₂｝／２ ＝｛（ｌ₁＋ｌ₂）（ｋ₁・Ｈａｖ＋ｋ₃・Ｈｔ） ＋（ｌ₃＋ｌ₄）（ｋ₂・Ｈａｖ＋ｋ₄・Ｈｔ）｝／２ ＝〔｛（ｌ₁＋ｌ₂）ｋ₁＋（ｌ₃＋ｌ₄）ｋ₂｝Ｈａｖ ＋｛（ｌ₁＋ｌ₂）ｋ₃＋（ｌ₃＋ｌ₄）ｋ₄｝Ｈｔ〕／２ ここで、平均温度Ｔａｖは、平均温度の操作量Ｈａｖの
みの関数で、傾斜温度の操作量Ｈｔの影響をなくすよう
に、すなわち、非干渉化を図るために、Ｈｔの項を０と
する。

【００７４】 すなわち、（ｌ₁＋ｌ₂）・ｋ₃＋（ｌ₃＋ｌ₄）・ｋ₄＝０ したがって、ｋ₄＝−｛（ｌ₁＋ｌ₂）／（ｌ₃＋ｌ₄）｝
ｋ₃ となる。

【００７５】同様に、傾斜温度Ｔｔは、次のように示さ
れる。

【００７６】 Ｔｔ＝Ｔ₁−Ｔ₂ ＝（ｌ₁・Ｈ₁＋ｌ₃・Ｈ₂）−（ｌ₂・Ｈ₁＋ｌ₄・Ｈ₂） ＝（ｌ₁−ｌ₂）Ｈ₁＋（ｌ₃−ｌ₄）Ｈ₂ ＝（ｌ₁−ｌ₂）（ｋ₁・Ｈａｖ＋ｋ₃・Ｈｔ） ＋（ｌ₃−ｌ₄）（ｋ₂・Ｈａｖ＋ｋ₄・Ｈｔ） ＝｛（ｌ₁−ｌ₂）ｋ₁＋（ｌ₃−ｌ₄）ｋ₂｝Ｈａｖ ＋｛（ｌ₁−ｌ₂）ｋ₃＋（ｌ₃−ｌ₄）ｋ₄｝Ｈｔ ここで、傾斜温度Ｔｔは、傾斜温度の操作量Ｈｔのみの
関数で、平均温度の操作量Ｈａｖの影響をなくすよう
に、すなわち、非干渉化を図るために、Ｈａｖの項を０
とする。

【００７７】 すなわち、（ｌ₁−ｌ₂）ｋ₁＋（ｌ₃−ｌ₄）ｋ₂＝０ したがって、ｋ₂＝−｛（ｌ₁−ｌ₂）／（ｌ₃−ｌ₄）｝
ｋ₁ となる。

【００７８】以上のことから傾斜温度に影響を与えずに
平均温度を制御し、また、平均温度に影響を与えずに傾
斜温度を制御する、すなわち、平均温度と傾斜温度との
干渉をなくした非干渉制御を行うためには、非干渉化係
数（配分比）ｋ₁〜ｋ₄で配分すればよく、この非干渉化
係数（配分比）ｋ₁〜ｋ₄を算出するためには、第１のヒ
ータ１₁の熱量が第１，第２の温度センサ２₁，２₂に伝
わる伝達係数（干渉係数）ｌ₁，ｌ₂および第２のヒータ
１₂の熱量が第１，第２の温度センサ２₁，２₂に伝わる
伝達係数（干渉係数）ｌ₃，ｌ₄を知る必要がある。

【００７９】なお、非干渉化係数（配分比）ｋ₁〜ｋ
₄は、ｋ₁とｋ₂、ｋ₃とｋ₄との比率がそれぞれ分かれ
ば、ＰＩＤ制御のゲインによって対応できるので、絶対
値は必ずしも必要でない。

【００８０】伝達係数（干渉係数）ｌ₁〜ｌ₄は、次のよ
うにして求めることができる。すなわち、ヒータを一つ
だけ変動させて他のヒータは、一定値に固定、例えば、
オンのままあるいはオフのままとし、ヒータの変化量に
対する各温度センサの変化量の比率を伝達係数とするの
である。

【００８１】例えば、第２のヒータ２₂をオフのままの
状態で、第１のヒータ１₁を、ある温度振幅で変動させ
たときに、第１，第２の温度センサ２₁，２₂の検出温度
にどの程度の温度振幅の変動が生じるかによって伝達係
数ｌ₁，ｌ₂を計測することができ、例えば、ヒータを温
度振幅１で変動させたきに、温度センサの温度振幅が１
０であれば、伝達係数は、１０（＝１０／１）となる。

【００８２】ここで、図３の配分手段７における非干渉
化係数（配分比）を用いた配分についてさらに具体的に
説明する。制御対象２７の特性は、上述の図３２に示さ
れており、この特性から伝達係数は、ｌ₁＝１，ｌ₂＝
０.９，ｌ₃＝０.９，ｌ₄＝１である。

【００８３】したがって、上述の非干渉化係数の式に代
入すると、 ｋ₄＝−｛（ｌ₁＋ｌ₂）／（ｌ₃＋ｌ₄）｝ｋ₃ ＝−｛（１＋０.９）／（０.９＋１）｝ｋ₃ ＝−ｋ₃ また、ｋ₂＝−｛（ｌ₁−ｌ₂）／（ｌ₃−ｌ₄）｝ｋ₁ ＝−｛（１−０.９）／（０.９−１）｝ｋ₁ ＝ｋ₁ となる。

【００８４】そこで、仮に各ヒータに配分される熱量の
合計が、Ｈａｖと等しくなるように、すなわち、ｋ₁＋
ｋ₂＝１となるように設計し、分かり易さのために、ｋ₃
＝１という条件を加える。

【００８５】これによって、 ｋ₂＝ｋ₁＝１／２ また、ｋ₄＝−ｋ₃＝−１となり、配分比（非干渉化係
数）が決定される。

【００８６】つまり、図５に示されるように、平均温度
の操作量Ｈａｖは、１／２ずつ各ヒータ１₁，１₂に配分
し、傾斜温度の操作量Ｈｔは、第１のヒータ１₁には、
そのまま、第２のヒータ１₂には、符号を変えて配分す
ればよい。

【００８７】ここで、配分比（非干渉化係数）は、次の
ようにして求めることもできる。

【００８８】すなわち、上述のモード変換行列Ｇｍと上
述の伝達係数（干渉係数）の行列Ｐとから配分比（非干
渉化係数）の行列（以下「前置補償行列」ともいう）Ｇ
ｃは、以下のように逆行列として求めることもできる。

【００８９】Ｇｃ＝（Ｇｍ・Ｐ）^-1 この実施の形態に適用すると、制御対象のある時間の特
性である伝達係数（干渉係数）の行列Ｐを、

【００９０】

【数３】

【００９１】とすると、配分比（非干渉化係数）の行列
である前置補償行列Ｇｃは、

【００９２】

【数４】

【００９３】確かめとして、Ｇｍ・Ｐ・Ｇｃ＝１となる
かどうかを計算する。

【００９４】

【数５】

【００９５】なお、この実施の形態では、配分比（非干
渉化係数）を、伝達係数を用いて算出したけれども、本
発明の他の実施の形態として、伝達係数に代えて、周波
数特性も表す伝達関数を用いて算出するようにしてもよ
い。

【００９６】図３のシステムでは、配分手段７は、図６
に示されるように、平均温度の操作信号（操作量）Ｈａ
ｖは、各減衰器１１，１２でそれぞれ１／２に減衰して
加算器１３および減算器１４にそれぞれ配分され、傾斜
温度の操作信号（操作量）Ｈｔは、加算器１３および減
算器１４にそれぞれ配分され、加算器１３の出力Ｈ₁が
第１のヒータ１₁に、減算器１４の出力Ｈ₂が第２のヒー
タ１₂に与えられる。

【００９７】この配分手段７によれば、平均温度の操作
量Ｈａｖによって平均温度を変化させる場合には、各ヒ
ータ１₁，１₂に操作量が等しく配分されるので、傾斜温
度に影響を与えることなく、すなわち、干渉することな
く、平均温度のみを変化させることができる。また、傾
斜温度の操作量Ｈｔによって傾斜温度を変化させる場合
には、一方のヒータ１₁には、その操作量が１倍で与え
られる一方、他方のヒータ１₂には、−１倍で与えられ
るので、両ヒータに与える総熱量を変化させることな
く、すなわち、平均温度に影響を与えることなく、傾斜
温度のみを変化させることができる。

【００９８】図７は、図３のシステムにおいて、第１の
ＰＩＤ制御手段６₁でオートチューニングを行った場合
の平均温度・傾斜温度算出手段５からの平均温度Ｔａｖ
（破線）、第１のＰＩＤ制御手段６₁からの平均温度の
操作量Ｈａｖ（実線）、平均温度・傾斜温度算出手段５
からの傾斜温度Ｔｔ（二点鎖線）、第２のＰＩＤ制御手
段６₂からの傾斜温度の操作量Ｈｔ（一点鎖線）をスコ
ープに表示した波形を示しており、平均温度の操作量Ｈ
ａｖがオンオフするリミットサイクルが生じており、平
均温度Ｔａｖの周期と振幅とを使ってＰＩＤ制御のパラ
メータを決定することができる。なお、平均温度Ｔａ
ｖ、傾斜温度Ｔｔ、平均温度の操作量Ｈａｖ、傾斜温度
の操作量Ｈｔが、上述の図３０，図３３の従来例のＰＶ
１、ＰＶ２、ＭＶ１、ＭＶ２にそれぞれ対応する。

【００９９】なお、第１のＰＩＤ制御手段６₁のＰＩＤ
制御のパラメータが決定された後には、そのパラメータ
を設定し、次は、傾斜温度を制御する第２のＰＩＤ制御
手段６₂のオートチューニングを行ってＰＩＤ制御のパ
ラメータを決定する。

【０１００】このように、平均温度と傾斜温度とを制御
量として制御することにより、干渉のない制御が可能と
なり、ＰＩＤ制御のパラメータを決定するためのオート
チューニングが可能となり、最適な制御パラメータを設
定して所望の制御特性を得ることができる。

【０１０１】このようにしてＰＩＤ制御のパラメータが
設定された後の通常の制御では、平均温度が目標平均温
度になるように、傾斜温度が目標傾斜温度になるように
制御が行われる。

【０１０２】次に、この実施の形態と従来例とのシミュ
レーションの結果を以下に説明する。このシミュレーシ
ョンでは、以下のような制御対象のモデリングを行っ
た。すなわち、熱干渉系の最も簡単な例として、図８に
示すように２組のヒータ１₁，１₂と温度センサ２₁，２₂
と、その間を熱伝導体５０でつないだ熱処理装置を考え
る。制御目的は、２点の温度を任意の設定温度で均一化
することである。図９に制御対象の電気的な等価回路を
示す。Ｒ₁，Ｒ₂は、温度センサから周囲の空気への熱抵
抗、Ｃ₁，Ｃ₂は、温度センサ近傍の熱容量である。

【０１０３】制御対象の入力は、２つのヒータ熱量であ
り、ヒータ１₁の熱量ｐ₁の一部は熱伝導体５０を伝わっ
て、熱抵抗Ｒ₃で温度センサ２₂の温度θ₂に干渉し、ヒ
ータ１₂の熱量ｐ₂の一部は、同様に熱抵抗Ｒ₃で温度セ
ンサ２₁の温度θ₁に干渉する。また、熱量ｐ₂の一部の
熱エネルギーは、熱抵抗Ｒ₄で熱処理装置が固定されて
いる機械装置本体に熱伝導する。ただし、機械装置本体
の熱容量は、非常に大きいので、周囲温度と一致すると
近似した。

【０１０４】制御対象の等価回路のパラメータは、Ｒ₁
＝Ｒ₂＝１０［℃／Ｗ］、Ｒ₃＝１［℃／Ｗ］、Ｒ₄＝０.
２［℃／Ｗ］、Ｃ₁＝Ｃ₂＝１０［Ｊ／℃］とした。外乱
は、１００Ｗのステップ状とし、従来例とこの実施の形
態と同じ条件で印加した。

【０１０５】下記の表１のパラメータによる従来のＰＩ
Ｄ制御の応答波形を図１０に、下記の表２のパラメータ
によるこの実施の形態の応答波形を、図１１に示す。

【０１０６】

【表１】

【０１０７】

【表２】

【０１０８】図１０，図１１を比較すると、従来の制御
方式で２°Ｃの温度差が発生していたものが、この実施
の形態では、２つのセンサ間の温度差を０．８°Ｃまで
改善していることが分かる。

【０１０９】このような特性の差を生み出せる理由は、
この実施の形態では、傾斜温度と平均温度で独立にＰＩ
Ｄパラメータを設定できる点にある。この例では、表２
に示すように比例ゲインＫｐに差をつけ平均温度よりも
傾斜温度の収束を優先するように、傾斜温度制御の比例
ゲインＫｐを平均温度制御の比例ゲインＫｐよりも大き
な値に設定した。その結果、簡単なＰＩＤ制御のパラメ
ータの設定であるにも拘わらず、高精度な温度均一化を
期待できるものである。

【０１１０】さらに、この実施の形態と従来例との目標
値応答および外乱応答の比較結果を、図１２〜図１５に
示す。なお、ここでは、ＣＨＲ（Chien, Hrones and Re
swick）の調整則の目標値応答オーバーシュート無しを
平均温度制御に、外乱応答オーバーシュート２０％を傾
斜温度制御に使用した。

【０１１１】図１２および図１３が、この実施の形態の
目標値応答および外乱応答の波形であり、図１４および
図１５が、従来例の目標値応答および外乱応答の波形を
示している。

【０１１２】図１４の従来例の目標値応答では、整定時
間も２９秒と長く、オーバーシュートも認められたけれ
ども、この実施の形態の目標値応答では、図１２に示さ
れるように整定時間も９秒と短く、オーバーシュートも
認められなかった。

【０１１３】また、図１５の従来例の外乱応答では、整
定時間も３２秒と長く、オーバーシュートもやや認めら
れたのに対して、この実施の形態の外乱応答では、図１
３に示されるように、整定時間も６秒と短く、オーバー
シュートも認められなかった。

【０１１４】すなわち、この実施の形態では、平均温度
制御は、弱くて遅い制御を、傾斜温度制御は、強くて速
い制御を行ったので、目標値応答および外乱応答のいず
れの場合も、オーバーシュートがなく整定時間も短く満
足できるものとなった。

【０１１５】上述の例では、簡単にするために、ｎ＝２
の場合について説明したけれども、ゾーンが３つの場
合、すなわち、ヒータ、温度センサおよびＰＩＤ制御手
段が３つのｎ＝３の場合にも同様に適用できるものであ
る。

【０１１６】すなわち、上述の図５に対応する図１６の
ブロック線図に示されるように、第１〜第３のヒータ１
₁〜１₃と、各ヒータ１₁〜１₃に個別的に対応する第１〜
第３の温度センサ２₁〜２₃とが、第１〜第３の各ゾーン
にそれぞれ配置されており、第１のゾーンと第２のゾー
ンとが隣接し、第２のゾーンと第３のゾーンとが隣接し
ているとし、簡単化のために、隣接するゾーン間でのみ
干渉があるとし、第１のヒータ１₁から第２の温度セン
サ２₂への伝達係数（干渉係数）をｌ₁、第２のヒータ１
₂から第１，第３の温度センサ２₁，２₃への伝達係数
（干渉係数）をｌ₂，ｌ₃、第３のヒータ１₃から第２の
温度センサ２₂への伝達係数（干渉係数）をｌ₄とし、第
１のヒータ１₁から第１の温度センサ２₁といった相対す
る伝達係数（干渉係数）は、１.０とする。

【０１１７】また、干渉をなくすための非干渉化係数
（配分比）について、平均温度を制御する第１のＰＩＤ
制御手段６₁の操作量Ｈａｖを第２，第３のヒータ１₂，
１₃に配分するための非干渉化係数（配分比）をｋ₁，ｋ
₂、第１の傾斜温度Ｔｔ₁を制御する第２のＰＩＤ制御手
段６₂の操作量Ｈｔ₁を第１，第３のヒータ１₁，１₃に配
分するための非干渉化係数（配分比）をｋ₃，ｋ₄、第２
の傾斜温度Ｔｔ₂を制御する第３のＰＩＤ制御手段６₃の
操作量Ｈｔ２を第１，第２のヒータ１₁，１₂に配分する
ための非干渉化係数（配分比）をｋ₅，ｋ₆とし、第１の
ＰＩＤ制御手段６₁から第１のヒータ１₁といった相対す
る非干渉化係数は１.０とする。なお、この例では、第
１の傾斜温度Ｔｔ１は、第２，第３の温度センサ２₂，
２₃の検出温度Ｔ₂，Ｔ₃の平均の検出温度と第１の温度
センサ２₁の検出温度Ｔ₁との差としており、また、第２
の傾斜温度Ｔｔ₂は、第２の温度センサ２₂の検出温度Ｔ
₂と第３の温度センサ２₃の検出温度Ｔ₃との差としてい
る。

【０１１８】このとき、平均温度Ｔａｖは、次のように
示される。

【０１１９】 Ｔａｖ＝（Ｔ₁＋Ｔ₂＋Ｔ₃）／３ ＝｛（Ｈ₁＋ｌ₂・Ｈ₂）＋（ｌ₁・Ｈ₁＋Ｈ₂＋ｌ₄・Ｈ₃） ＋（ｌ₃・Ｈ₂＋Ｈ₃）｝／３ ＝｛（１＋ｌ₁）Ｈ₁＋（１＋ｌ₂＋ｌ₃）Ｈ₂＋（１＋ｌ₄）Ｈ₃｝／３ ＝｛（１＋ｌ₁）（Ｈａｖ＋ｋ₃・Ｈｔ₁＋ｋ₅・Ｈｔ₂） ＋（１＋ｌ₂＋ｌ₃）（ｋ₁・Ｈａｖ＋Ｈｔ₁＋ｋ₆・Ｈｔ₂） ＋（１＋ｌ₄）（ｋ₂・Ｈａｖ＋ｋ₄・Ｈｔ₁＋Ｈｔ₂）｝／３ ＝〔｛（１＋ｌ₁）＋（１＋ｌ₂＋ｌ₃）ｋ₁＋（１＋ｌ₄）ｋ₂｝Ｈａｖ ＋｛（１＋ｌ₁）ｋ₃＋（１＋ｌ₂＋ｌ₃）＋（１＋ｌ₄）ｋ₄｝Ｈｔ₁ ＋｛（１＋ｌ₁）ｋ₅＋（１＋ｌ₂＋ｌ₃）ｋ₆＋（１＋ｌ₄）｝Ｈｔ₂〕／３ ここで、平均温度Ｔａｖは、平均温度の操作量Ｈａｖの
みの関数で、傾斜温度の操作量Ｈｔ₁，Ｈｔ₂の操作量の
影響をなくすように、すなわち、非干渉化を図るため
に、Ｈｔ₁，Ｈｔ₂の項を０とする。

【０１２０】すなわち、（１＋ｌ₁）ｋ₃＋（１＋ｌ₂＋
ｌ₃）＋（１＋ｌ₄）ｋ₄＝０ （１＋ｌ₁）ｋ₅＋（１＋ｌ₂＋ｌ₃）ｋ₆＋（１＋ｌ₄）＝
０ となる。

【０１２１】これを以下のように簡略化する。

【０１２２】 ｌａ＋ｌｂ・ｋ₃＋ｌｃ・ｋ₄＝０ …… ｌｄ＋ｌｅ・ｋ₅＋ｌｆ・ｋ₆＝０ …… 第１の傾斜温度Ｔｔ₁についても同様にして、第１の傾
斜温度の操作量Ｈｔ₁のみの関数で、平均温度の操作量
Ｈａｖおよび第２の傾斜温度の操作量Ｈｔ₂の影響を受
けないという条件を適用して、以下のような同様の方程
式が得られる。

【０１２３】 ｌｇ＋ｌｈ・ｋ₁＋ｌｉ・ｋ₂＝０ …… ｌｊ＋ｌ_k・ｋ₅＋ｌ_l・ｋ₆＝０ …… また、第２の傾斜温度Ｔｔ₂についても同様に、以下の
方程式が得られる。

【０１２４】 ｌｍ＋ｌｎ・ｋ₁＋ｌｏ・ｋ₂＝０ …… ｌｐ＋ｌｑ・ｋ₃＋ｌｒ・ｋ₄＝０ …… 伝達係数ｌ₁〜ｌ₄、したがって、ｌａ〜ｌｒは、ｎ＝２
の場合と同様にして求められるので、非干渉化係数ｋ₁
〜ｋ₆を未知数とする上記〜の６つ方程式が得られ
ることになり、これら方程式を解くことにより、配分手
段で配分するための非干渉化係数（配分比）ｋ₁〜ｋ₆が
求まることになる。

【０１２５】例えば、行列式で求めるとすれば、以下の
ようになる。

【０１２６】

【数６】

【０１２７】

【数７】

【０１２８】以上のようにして、本発明は、ｎ＝３以上
の制御系にも同様に適用することができるものである。

【０１２９】なお、配分比（非干渉化係数）の行列であ
る前置補償行列Ｇｃは、上述のように、モード変換行列
Ｇｍと伝達係数（干渉係数）の行列Ｐとから求めること
もでき、第１のＰＩＤ制御手段６₁から第１のヒータ１₁
といった相対する非干渉化係数も含めて求めることがで
きる。ここで、制御対象のある時間の特性である伝達係
数（干渉係数）の行列Ｐを、

【０１３０】

【数８】

【０１３１】仮に、ｌ１＝ｌ２＝ｌ３＝ｌ４＝０.９と
すると、

【０１３２】

【数９】

【０１３３】前置補償行列Ｇｃは、

【０１３４】

【数１０】

【０１３５】確かめとして、Ｇｍ・Ｐ・Ｇｃ＝１となる
かどうかを計算する。

【０１３６】

【数１１】

【０１３７】図１７は、本発明の他の実施の形態の温度
調節器のブロック図であり、上述の図３の実施の形態に
対応する部分には、同一の参照符号を付す。

【０１３８】この実施の形態では、平均温度制御と傾斜
温度制御との制御のバランスを微調整するファインチュ
ーニング器８０を備えており、ユーザが、ファインチュ
ーニング器８０に制御バランス係数を、例えば通信によ
って設定することにより、ファインチューニング器８０
では、制御バランス係数に応じた平均温度制御補正値と
傾斜温度制御補正値とを出力し、その補正値で各ＰＩＤ
制御手段６₁，６₂のパラメータを変更するものである。
変更するパラメータとしては、例えば、ＰＩＤの制御パ
ラメータや操作量を制限する後述のリミッタのリミット
値である。

【０１３９】この制御バランス係数によって、傾斜温度
の制御は強く速く、平均温度の制御は弱く遅く、あるい
は、傾斜温度の制御は弱く遅く、平均温度の制御は強く
速くなどを決定するのである。強さの程度は、用途や制
御対象の特性により最適な条件が変化するので、ユーザ
が、その変化に合わせてこの制御バランス係数を変更
し、用途や制御対象の特性に合った制御条件の微調整
（ファインチューニング）を行うのである。

【０１４０】強く調整する例としては、比例ゲインを大
きくすることやリミット値を大きくする場合であり、逆
に弱く調整する例としては、比例ゲインを小さくするこ
とやリミット値を小さくする場合である。また、速く調
整する例としては、積分時定数や微分時定数を短くする
場合であり、逆に遅く調整する例としては、積分時定数
や微分時定数を大きくする場合である。

【０１４１】すなわち、この実施の形態では、ユーザ
が、用途や制御対象の特性に応じて制御バランス係数を
設定することにより、それに応じたＰＩＤの制御パラメ
ータ等がファインチューニング器８０で演算されて対応
するＰＩＤ制御手段６₁，６₂の制御パラメータ等が変更
されるものである。したがって、ファインチューニング
器８０による演算処理は、変更するパラメータおよび制
御バランス係数などに応じて規定されることになる。

【０１４２】この図１７では、ｎ＝２の場合について説
明したけれども、ｎ＝３以上であっても同様に適用でき
るものであり、また、制御バランス係数によるパラメー
タの変更は、複数のＰＩＤ制御手段の少なくとも一つに
ついて行えばよい。

【０１４３】本発明の他の実施の形態として、図１８に
示されるように、制御バランス係数を、平均温度制御補
正値と同じものとし、この平均温度制御補正値に応じ
て、ファインチューニング器８１で傾斜温度制御補正値
を決定するようにしている。つまり、平均温度制御のパ
ラメータを元に傾斜温度制御のパラメータを変更するの
である。用途や制御対象の特性などによっては、逆に傾
斜温度制御のパラメータを元に平均温度制御のパラメー
タを変更する場合もある。

【０１４４】傾斜温度制御と平均温度制御とは、後述の
ようにトレードオフの条件になることがある。例えば、
傾斜温度制御の一つのパラメータを強めた場合には、平
均温度制御の方のパラメータは弱くするのが最適である
という関係や傾斜温度制御の特性を改善するためには平
均温度制御のパラメータを弱めるといった操作である。

【０１４５】このようにファインチューニング器８０，
８１によってオートチューニングで不充分なとき、原理
を詳しく知らない人でも、傾斜温度制御を優先するか、
あるいは、平均温度制御を優先するかを調整してより最
適な状態にＰＩＤ制御手段の条件を近づけることがで
き、ユーザが非常に使いやすくなる。

【０１４６】図１９は、本発明のさらに具体的な実施の
形態の一例を示す温度調節器のブロック図であり、上述
の実施の形態に対応する部分には、同一の参照符号を付
す。

【０１４７】上述の図１７および図１８の実施の形態で
は、制御バランス係数に応じてＰＩＤの制御パラメータ
を調整したけれども、この実施の形態では、制御バラン
ス係数によって平均温度制御のＰＩＤ制御手段６₁の操
作量を制限するリミッタ８２の上限値を変更するように
している。

【０１４８】ここで、平均温度制御と傾斜温度制御との
関係について、さらに詳細に説明する。操作量が飽和す
るような大きな外乱が全体に加わるような場合、例え
ば、熱処理盤にウェハを載置したような場合に、リミッ
タ８２で平均温度制御の操作量を制限することで、温度
を均一化（傾斜温度＝０）する均一化制御性能を向上さ
せることができる。

【０１４９】その理由を以下に詳述する。例えば、熱処
理盤に、外乱としてウェハを載置するような面内温度均
一化の外乱応答時に、操作量の飽和がある場合は、平均
温度制御と傾斜温度制御とはトレードオフとなってい
る。

【０１５０】説明の準備として、２入出力系の例で、２
組ある操作量ＭＶについて、図２０を用いて述べる。平
均用ＰＩＤコントローラ６₁から出力される信号が平均
ＭＶ、傾斜用ＰＩＤコントローラ６₂から出力される信
号が傾斜ＭＶである。平均ＭＶと傾斜ＭＶは、前置補償
器（配分手段）７を通過し、さらに、飽和リミッタ８３
₁，８３₂を通過し、ｃｈ１ＭＶとｃｈ２ＭＶとのｃｈ毎
のＭＶとなる。前置補償器７は、簡単のため図２０に示
されるように、１と−１とで構成している。したがっ
て、ｃｈ１ＭＶ＝平均ＭＶ−傾斜ＭＶとなっており、ｃ
ｈ２ＭＶ＝平均ＭＶ＋傾斜ＭＶの意味になっている。ｃ
ｈ毎に各ＭＶは、当然０％以下と１００％以上は出力で
きないのでリミットされている。

【０１５１】トレードオフの原因は、図２１に示される
ように、平均ＭＶが１００％に既に飽和している場合、
傾斜ＭＶが温度差を０にする制御のための値を出力した
としても、ｃｈ毎のＭＶの飽和の中に埋もれてしまい、
機能しないためである。

【０１５２】逆に、傾斜ＭＶが制御量である温度差を０
にするように働かせたいならば、図２２のように、平均
ＭＶでｃｈ毎のＭＶが飽和しないように平均ＭＶのリミ
ット値で抑制すればよい。そうすれば、傾斜ＭＶの値
は、ｃｈ毎ＭＶに反映され、温度差が０に速く収束す
る。つまり、均一化制御が上手く働くのである。その代
わり、ｃｈ毎のＭＶは、１００％よりも小さな値になる
ために、平均的な温度の収束時間は長引くのである。こ
れがトレードオフである。

【０１５３】そこで、この実施の形態では、図１９に示
されるように、リミッタ８２によって平均温度制御の操
作量を抑制するので、ＰＩＤ制御手段６₁〜６_nからの操
作量が飽和するような大きな外乱を受けた場合に、傾斜
温度制御は、ｃｈ毎の操作量の飽和の中に隠れることな
く、表に現れて均一動作が可能となる。 この場合、制
御バランス係数の設定によりリミッタ８２における平均
温度制御の操作量の上限値を大きくすれば、平均制御優
先（即応性優先）の制御となり、小さくすれば、平均を
制限して傾斜制御優先（均一性優先）の制御となる。

【０１５４】図２３は、本発明の他の実施の形態のブロ
ック図であり、上述の実施の形態に対応する部分には、
同一の参照符号を付す。

【０１５５】この実施の形態では、制御バランス係数と
検出された平均温度とに基づいて、ファインチューニン
グ器８４で平均温度制御の操作量の上限のリミット値を
演算するものである。

【０１５６】温度が高く、リミット値の上限値を高くし
たい場合に有効である。すなわち、高温になると、熱処
理によって奪われる熱量は、大きくなる。例えば、高温
の熱処理盤に、ウェハを載置した場合にウェハに奪われ
る熱量は大きくなる。つまり、外乱が大きくなり、平均
温度が飽和しやすくなる。飽和によって平均温度制御の
操作量が小さいと、平均温度の復帰に時間を要する。こ
れを防ぐためには、高温では、平均温度制御の操作量の
上限値を大きくしたい場合があり、かかる場合に有効で
ある。すなわち、ファインチューニング器８４では、制
御バランス係数および平均温度・傾斜温度制御手段（モ
ード変換器）５からの平均温度（ＰＶ平均）に基づい
て、温度が高くなればリミッタ８２の上限値を大きくす
るように動作するのである。

【０１５７】例えば、（ＰＶ平均−室温）×制御バラン
ス係数＋リミット値を、新たなリミット値とするもので
あり、リミット値は、室温で１００％となるように設定
され、制御バランス係数は、プラス側で即応性優先（平
均制御優先）となり、マイナス側で均一性優先（傾斜制
御優先）となる。

【０１５８】なお、本発明の他の実施の形態として、図
２４に示されるように、制御バランス係数によって傾斜
温度制御の操作量を制限する少なくとも一つのリミッタ
８５の上限値を制限して傾斜温度制御を制限して平均温
度制御を優先してもよい。

【０１５９】また、平均温度制御のリミッタおよび傾斜
温度制御のリミッタの両者のリミット値を変更するよう
にしてもよく、さらには、ＰＩＤの制御パラメータを併
せて変更するようにしてもよい。

【０１６０】上述の実施の形態では、リミッタの上限値
を変更したけれども、本発明の他の実施の形態として、
リミッタの下限値あるいは両者を変更するようにしても
よい。

【０１６１】なお、本発明は、傾斜温度が０の均一性制
御に限らず、傾斜温度がある値を有する温度勾配を持た
せた制御に適用してもよいのは勿論である。

【０１６２】上述の各実施の形態では、各ＰＩＤ制御手
段は、平均温度が目標平均温度になるように、あるい
は、傾斜温度が目標傾斜温度になるようにそれぞれ制御
するものであり、目標平均温度および目標傾斜温度は、
ユーザが設定するのであるが、従来では、各ｃｈ毎に目
標温度を設定していたユーザにとっては、目標平均温度
や目標傾斜温度の設定は理解しにくいものである。

【０１６３】そこで、図２５に示されるように、各ｃｈ
毎の目標温度ＳＰから目標平均温度および目標傾斜温度
を演算するモード変換器５’を設けてもよい。なお、こ
の図２５において、上述の図３に対応する部分には、同
一の参照符号を付している。このモード変換器５’は、
制御対象２７からのフィードバック量である各ｃｈの温
度センサの検出温度から平均温度と傾斜温度とを算出す
るモード変換器５と同じ構成である。

【０１６４】このようにモード変換器５’を追加するこ
とによって、ユーザは、平均温度や傾斜温度を考慮する
ことなく、従来と同様に各ｃｈ毎に目標温度ＳＰを設定
すればよい。

【０１６５】さらに、本発明の他の実施の形態として、
図２６に示されるように、制御対象２７からのフィード
バック量である各ｃｈの温度センサの検出温度と目標温
度ＳＰとの温度偏差を求め、この各ｃｈ毎の温度偏差か
ら制御偏差である平均温度偏差および傾斜温度偏差を演
算するモード変換器５’’を設けてもよい。この構成に
よれば、ユーザは、平均温度や傾斜温度を考慮すること
なく、従来と同様に各ｃｈの目標温度を設定できる一
方、モード変換器５’’を一つにすることができ、メモ
リ容量の削減と処理の簡素化を図ることができる。

【０１６６】すなわち、上述の各実施の形態では、モー
ド変換器５，５’は、複数の温度センサからの検出温度
を、平均温度および傾斜温度に変換するものであったの
に対して、この実施の形態のモード変換器５’’は、複
数の温度センサからの検出温度と目標温度との温度偏差
を、検出された平均温度と目標平均温度との偏差である
平均温度偏差に変換するとともに、検出された傾斜温度
と目標傾斜温度との偏差である傾斜温度偏差に変換する
ものである。

【０１６７】つまり、上述の各実施の形態では、検出温
度を、平均温度および傾斜温度に変換した後に制御偏差
を求めるのに対して、この実施の形態では、検出温度と
目標温度との温度偏差を求め、その温度偏差を、制御偏
差である平均温度偏差および傾斜温度偏差に変換するも
のである。

【０１６８】本発明の他の実施の形態として、平均温度
に代えて、例えば、中央のゾーンの温度などを代表温度
とし、代表温度と傾斜温度とを制御量として制御を行っ
てもよい。

【０１６９】本発明の他の実施の形態として、制御バラ
ンス係数を自動的に切り換えるようにしてもよい、例え
ば、熱処理盤にウェハが載置されるのに応じて制御バラ
ンス係数を切り換えるのである。

【０１７０】上述の実施の形態では、平均温度は、全体
の平均温度一つだけを用いたけれども、本発明の他の実
施の形態として、例えば、複数に区分した各グループの
各平均温度、すなわち、複数の平均温度を用いるように
してもよい。

【０１７１】上述の実施の形態では、ＰＩＤ制御に適用
して説明したけれども、本発明は、ＰＩＤ制御に限ら
ず、オンオフ制御、比例制御、積分制御などの他の制御
方式にも適用できるものである。

【０１７２】また、本発明の熱処理装置は、熱酸化装置
に限らず、拡散炉やＣＶＤ装置、例えば、図２７に示さ
れるように、枚葉式のＣＶＤ装置における熱処理盤の温
度制御にも適用できるものである。なお、図２７におい
て、ウェーハ６０が載置される熱処理盤６１は、同心状
に外円部６２、中間部６３、中心部６４に３分割されて
おり、各部に個別的に対応するヒータ６５〜６７が設け
られて各ゾーン毎に温度制御するものである。また、本
発明の熱処理装置は、射出成形機のシリンダ部の温度制
御あるいは包装機のヒータ台の温度制御などにも適用で
きるものである。

【０１７３】上述の実施の形態では、ヒータなどの加熱
手段を用いた温度制御に適用した説明したけれとも、ペ
ルチェ素子や冷却器などを用いた温度制御に適用しても
よいのは勿論であり、さらに、加熱手段と冷却手段とを
併用する温度制御に適用してもよい。

【０１７４】また、本発明は、温度制御に限らず、圧
力、流量、速度あるいは液位などの他の物理状態の制御
に適用することもできる。

【０１７５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、干渉のあ
る制御対象の制御において、その干渉を低減することが
可能となるとともに、最適な制御パラメータの設定も可
能となる。

【０１７６】しかも、調整手段によって、状態制御のバ
ランスを調整できることになり、用途や制御対象の特性
などに応じて適切な状態制御を行えることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一つの実施の形態に係る温度制御シス
テムの概略構成図である。

【図２】図１の温度調節器のブロック図である。

【図３】温度センサ、ヒータおよびＰＩＤ制御手段が２
つの場合の構成図である。

【図４】図３の平均温度・傾斜温度算出手段５のブロッ
ク図である。

【図５】図３の制御系のブロック線図である。

【図６】図３の配分手段のブロック図である。

【図７】図３のシステムのオートチューニングの際の波
形図である。

【図８】制御対象のモデルを示す図である。

【図９】制御対象の等価回路図である。

【図１０】従来例の応答波形を示す図である。

【図１１】実施の形態の応答波形を示す図である。

【図１２】実施の形態の目標値応答波形を示す図であ
る。

【図１３】実施の形態の外乱応答波形を示す図である。

【図１４】従来例の目標値応答波形を示す図である。

【図１５】従来例の外乱応答波形を示す図である。

【図１６】ゾーンが３つの場合の制御系のブロック線図
である。

【図１７】本発明の他の実施の形態のブロック図であ
る。

【図１８】本発明のさらに他の実施の形態のブロック図
である。

【図１９】本発明の他の実施の形態のブロック図であ
る。

【図２０】操作量を説明するための構成図である。

【図２１】傾斜温度制御が働かない場合の操作量の変化
を示す図である。

【図２２】傾斜温度制御が働く場合の操作量の変化を示
す図である。

【図２３】本発明の他の実施の形態のブロック図であ
る。

【図２４】本発明のさらに他の実施の形態のブロック図
である。

【図２５】本発明の他の実施の形態のブロック図であ
る。

【図２６】本発明のさらに他の実施の形態のブロック図
である。

【図２７】他の熱処理装置を示す図である。

【図２８】熱酸化装置の構成を示す図である。

【図２９】干渉のない二つの制御対象を制御するシステ
ムの構成図である。

【図３０】図２９のシステムのオートチューニングの際
の波形図である。

【図３１】干渉のある制御対象を制御するシステムの構
成図である。

【図３２】図３１の制御対象の構成を示す図である。

【図３３】図３１のシステムのオートチューニングの際
の波形図である。

【符号の説明】

１₀〜１ｎ ヒータ ２₀〜２ｎ 温度センサ ３ 制御対象 ４ 温度調節器 ５ 平均温度・傾斜温度算出手段 ６₁〜６ｎ ＰＩＤ制御手段 ７ 配分手段 １５ ヒータプレート １８ 熱酸化装置 ８０，８1 ファインチューニング器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古川 大富 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オ ムロン株式会社内 (72)発明者 高石 明 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オ ムロン株式会社内 Ｆターム(参考） 5H004 GB15 GB20 HA01 HB01 JA22 JB08 JB11 JB18 JB20 KA54 KA71 KB02 KB04 KB06 LA15 LA18 5H323 AA27 AA40 BB04 CA06 CB02 CB42 DA01 EE11 FF01 FF10 HH03 KK05 LL01 LL02 LL12 MM06

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御対象の物理状態をそれぞれ検出する
   複数の検出手段からの情報を、前記物理状態の勾配を示
   す情報に変換するとともに、物理状態の代表状態を示す
   情報に変換する変換手段と、 前記変換手段からの各情報が個別的に与えられる複数の
   状態制御手段と、 前記各状態制御手段からの操作信号を、複数の操作手段
   に、各状態制御手段による制御が、他の状態制御手段に
   よる制御に与える影響をなくす又は小さくするように配
   分する配分手段と、 前記勾配を示す情報が与えられる状態制御手段と代表状
   態を示す情報が与えられる状態制御手段との状態制御の
   バランスを調整する調整手段と、 を備えることを特徴とする制御装置。
2. 【請求項２】 制御対象の物理状態をそれぞれ検出する
   複数の検出手段からの情報と前記複数の検出手段に個別
   的に対応する複数の目標情報との偏差を、前記物理状態
   の勾配を示す情報の偏差に変換するとともに、物理状態
   の代表状態を示す情報の偏差に変換する変換手段と、 前記変換手段からの前記勾配を示す情報の偏差または前
   記代表状態を示す情報の偏差を制御偏差として操作信号
   をそれぞれ出力する複数の状態制御手段と、 前記各状態制御手段からの操作信号を、複数の操作手段
   に、各状態制御手段による制御が、他の状態制御手段に
   よる制御に与える影響をなくす又は小さくするように配
   分する配分手段と、 前記勾配を示す情報の偏差を制御偏差として操作信号を
   出力する状態制御手段と前記代表状態を示す情報の偏差
   を制御偏差として操作信号を出力する状態制御手段との
   状態制御のバランスを調整する調整手段と、 を備えることを特徴とする制御装置。
3. 【請求項３】 制御対象の温度をそれぞれ検出する複数
   の温度検出手段から得られる検出温度を、複数の検出温
   度に基づく傾斜温度に変換するとともに、代表的な代表
   温度に変換する変換手段と、 前記変換手段からの傾斜温度または代表温度を制御量と
   して操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手段
   と、 前記各温度制御手段からの操作信号を、前記制御対象を
   加熱（または冷却）する複数の加熱（または冷却）手段
   に、各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段に
   よる制御に与える影響をなくす又は小さくするように配
   分する配分手段と、 前記傾斜温度を制御量として操作信号を出力する温度制
   御手段と前記代表温度を制御量として操作信号を出力す
   る温度制御手段との温度制御のバランスを調整する調整
   手段と、 を備えることを特徴とする温度調節器。
4. 【請求項４】 制御対象の温度をそれぞれ検出する複数
   の温度検出手段から得られる検出温度と前記複数の温度
   検出手段に個別的に対応する複数の目標温度との偏差
   を、傾斜温度の偏差に変換するとともに、代表的な代表
   温度の偏差に変換する変換手段と、 前記変換手段からの傾斜温度の偏差または前記代表温度
   の偏差を制御偏差として操作信号をそれぞれ出力する複
   数の温度制御手段と、 前記各温度制御手段からの操作信号を、複数の操作手段
   に、各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段に
   よる制御に与える影響をなくす又は小さくするように配
   分する配分手段と、 前記傾斜温度の偏差が与えられる温度制御手段と前記代
   表温度の偏差が与えられる温度制御手段との温度制御の
   バランスを調整する調整手段と、 を備えることを特徴とする温度調節器。
5. 【請求項５】 前記調整手段は、設定に応じて、前記温
   度制御手段の制御パラメータおよび操作信号を制限する
   リミッタの少なくとも一方を調整する請求項３または４
   記載の温度調節器。
6. 【請求項６】 前記代表温度が複数の検出温度に基づく
   平均温度であり、前記調整手段は、設定に応じて、平均
   温度を制御量として操作信号を出力する温度制御手段ま
   たは平均温度の偏差が与えられる温度制御手段の操作信
   号を制限するリミッタの上限値を調整する請求項５記載
   の温度調節器。
7. 【請求項７】 請求項３ないし６のいずれかに記載の温
   度調節器と、制御対象としての熱処理炉または熱処理盤
   と、前記熱処理炉または熱処理盤を加熱（または冷却）
   する複数の加熱（または冷却）手段と、前記熱処理炉ま
   たは熱処理盤の温度を検出する複数の温度検出手段とを
   備えることを特徴とする熱処理装置。