JP2006260047A - 時間比例制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 時間比例出力のサイクルタイムが長い制御系において、その操作量ＭＶが大きく変化した場合であっても、追従性良く時間比例出力を変化させて応答性の良い制御結果を得ることのできる時間比例制御装置を提供する。
【解決手段】 制御対象に対する制御目標値と上記制御対象の状態を示す値との偏差に応じて、予め定められた周期に同期させて前記制御対象の状態を制御する為の時間比例出力を生成する時間比例制御装置において、特に前記制御目標値が変更されたとき、前記時間比例出力の生成タイミングをリセットし、このリセットタイミングに同期させて前記時間比例出力を新たに生成することを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば冷却器をオン・オフ制御して温度を制御するに適した時間比例制御装置に関する。

恒温槽内の温度制御や射出成形機におけるプラスチック原料の温度制御等においては、加熱器（ヒータ）による加熱能力と冷却器（クーラ）による冷却能力とが適宜使い分けられる。この種の制御はヒートクール制御と称され、専ら、オペレータにより設定される制御目標温度（設定値ＳＰ）とセンサにより検出される制御対象の温度（制御値ＰＶ）との偏差に応じて上記加熱器または冷却器に対する操作量ＭＶを求め、この操作量ＭＶに従って前記加熱器および冷却器の作動をそれぞれ制御するように構成される（例えば特許文献１を参照）。具体的には上記操作量ＭＶに応じて、例えばヒータの通電をオン・オフ制御し、また冷却器におけるコンプレッサの作動をオン・オフ制御するように構成される。

ちなみに上記操作量ＭＶは、例えばフィードバック制御ループに組み込まれたＰＩＤ制御演算により求められる（例えば特許文献２を参照）。そして上述した制御系において冷却器（コンプレッサ）の作動を制御する場合には、専ら、前記操作量ＭＶに応じた時間比例出力が用いられる。この時間比例出力は、予め設定された周期（サイクルタイム）内における出力信号のオン時間とオフ時間との割合を上記操作量ＭＶに応じて変化させたもので、例えば操作量ＭＶが５０％である場合、１サイクルタイムの前半時間をオン（ハイ）、後半時間をオフ（ロー）とした信号として出力される。

具体的には冷却器（コンプレッサ）の作動を制御する場合には、冷却制御系の機械的可動部品であるアクチュエータの耐久性（寿命）を配慮して、上述した時間比例出力のサイクルタイムは、例えば１０〜３０秒として長く設定される。これに対して加熱器（ヒータ）の通電制御については、専ら、機械的可動部品を用いることなく行われるので、例えばそのサイクルタイムは１秒程度と短く設定される。
特開平５−２８９７０４号公報 特開２００４−２２７０６２号公報

ところで上述したように時間比例出力のサイクルタイムを長く設定した制御系において、例えば制御目標温度（設定値ＳＰ）の変更に伴ってその操作量ＭＶが大きく変化した場合、その変化のタイミングが上記サイクルタイムの途中であると、次のサイクルタイムまで時間比例出力が変化することがないので、大幅な制御遅れが生じることが否めない。具体的には時間比例出力のサイクルタイムが３０秒であり、サイクルタイムが１０秒経過した時点で操作量ＭＶが大きく変化しても、その２０秒後の次のサイクルタイムが始まるまで時間比例出力が変化することはない。これ故、所望とする制御結果が得られないと言う不具合がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであって、その目的は、時間比例出力のサイクルタイムが長い制御系において、例えば制御目標温度（設定値ＳＰ）の変更に伴ってその操作量ＭＶが大きく変化した場合であっても、追従性良く時間比例出力を変化させて応答性の良い制御結果を得ることのできる時間比例制御装置を提供することにある。
特に本発明は、例えば冷却器の作動をオン・オフ制御して恒温槽等の温度制御を行う場合に好適な時間比例制御装置を提供することを目的としている。

上述した目的を達成するべく本発明に係る時間比例制御装置は、制御対象に対する制御目標値と上記制御対象の状態を示す値との偏差に応じて、予め定められた周期に同期させて前記制御対象の状態を制御する為の時間比例出力を生成するものであって、
特に前記制御目標値が変更されたとき、前記時間比例出力の生成タイミングをリセットし、このリセットタイミングに同期させて前記時間比例出力を新たに生成するようにしたことを特徴としている。

ちなみに前記制御対象は、例えば冷却器により制御される温度であって、前記時間比例出力は、予め定められた周期（サイクルタイム）内における上記冷却器のオン時間を規定する信号として求められる［請求項２］。
或いは前記制御対象は、例えば冷却器および加熱器により制御される温度であって、前記時間比例出力は、予め定められた第１の周期内における上記冷却器のオン時間を規定する信号、または予め定められた第２の周期内における前記加熱器のオン時間を規定する信号として択一的に生成されるものからなる［請求項３］。この場合、前記制御目標値の変更時における前記時間比例出力の生成タイミングのリセットについては、前記冷却器に対する時間比例出力に対して実行することが好ましい［請求項４］。

上述した構成の時間比例制御装置によれば、制御対象に対する制御目標値ＳＰが変更されたとき、前記時間比例出力の生成タイミングをリセットし、上記制御目標値ＳＰの変更に伴って新たに求められる操作量ＭＶに応じた時間比例出力を上記リセットタイミングに同期させて生成するので、時間比例出力のサイクルタイムに依存する制御遅れをなくして応答性の良い制御結果を得ることができる。しかも時間比例出力のサイクルタイム自体をリセットし、このリセットタイミングを基準として新たに時間比例出力を生成するだけで良いので、簡単な制御だけで制御応答性を効果的に高めることができる。

特に冷却器の作動をオン・オフ制御して温度制御するような場合、時間比例出力のサイクルタイムを短くすることなく、上述したリセット処理によって単にそのサイクルタイムの開始時点をずらすだけなので、冷却制御系におけるアクチュエータの耐久性（寿命）を犠牲にすることなく、その制御応答性を改善することができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る時間比例制御装置について、制御対象の温度制御を行うへく時間比例出力により冷却器をオン・オフ制御する場合を例に説明する。
図１はこの時間比例制御装置における制御系の概略構成を示す図で、１０はマイクロプロセッサ等を主体として構成される制御部（時間比例制御装置）、また２０は恒温槽等の制御対象である。この制御対象２０の温度は冷却器２１を用いて制御されるようになっており、またその温度（制御値ＰＶ）は温度センサ２２を介して検出されるようになっている。

制御部（時間比例制御装置）１０は、基本的にはキーボードやタッチパネル等の操作部１１を介してオペレータにより設定される制御目標温度（目標設定値ＳＰ）１２と、前述した温度センサ２２を介して検出される制御対象２０の温度（制御値ＰＶ）１３との偏差に従い、例えばＰＩＤ制御部１４にて上記偏差に応じた操作量ＭＶをＰＩＤ出力として求めると共に、時間比例出力部１５において予め設定された周期（サイクルタイム）毎に上記操作量（ＰＩＤ出力）ＭＶに応じた時間比例出力ＴＣを求めるように構成される。

ちなみに上記ＰＩＤ出力は、例えば０〜１００％の操作量ＭＶに対応する０〜１０Ｖの連続電圧出力、或いは４〜２０ｍＡの連続電流出力からなる。また時間比例出力ＴＣは、例えば３０秒のサイクルタイムにおける連続したオン信号の出力時間の割合を、上記０〜１００％の操作量ＭＶに対応させて０〜１００％に亘ってリニアに変化させた後にオフとなる信号からなる。前述した冷却器２１は、このような時間比例出力ＴＣにより該時間比例出力Ｔｃのオン期間にだけ作動して制御対象２０を冷却する。

基本的にはこのような機能を備えて構成される制御部１０においてこの発明が特徴とするところは、前記操作部１１によって設定される制御目標温度（目標設定値ＳＰ）１２を監視し、この制御目標温度（目標設定値ＳＰ）１２が変更されたとき、前記時間比例出力部１５におけるサイクルタイムをリセットする出力制御部１６を備える点にある。即ち、この出力制御部１６は、図２に示すように常時、前記制御目標温度（目標設定値ＳＰ）１２が変更されたか否かを監視しており〈ステップＳ１〉、制御目標温度（目標設定値ＳＰ）１２の変更が検出されたとき、時間比例出力Ｔｃのサイクルタイムをリセットすることでその時点での操作量ＭＶに応じた時間比例出力Ｔｃを求め直すものとなっている〈ステップＳ２〉。

具体的には図３にその動作タイミングを示すように制御目標温度（目標設定値ＳＰ）１２が変更されたとき、サイクルタイムの時間経過に拘わることなくそのサイクルタイムをリセットし、このリセットタイミングを新たなサイクルタイムのスタート時点として設定する。そして上記リセットタイミングにおいて求められるＰＩＤ出力（操作量ＭＶ）に従って新たな時間比例出力Ｔｃを生成し、これを出力するものとなっている。

かくしてこのようにして時間比例出力のサイクルタイムをリセットし、そのリセットタイミングから新たな時間比例出力Ｔｃを生成するように構成された時間比例制御装置によれば制御目標温度（目標設定値ＳＰ）１２が変更されても、その変更された制御目標温度（目標設定値ＳＰ）１２と制御対象２０の温度（制御値ＰＶ）１３との偏差に応じて速やかに冷却器２１の作動を制御することが可能となるので、その制御応答遅れを解消して所望とする制御結果を追従性良く得ることが可能となる。しかも時間比例出力のサイクルタイムをリセットすると言う簡単な制御アルゴリズムを加えるだけで、冷却器２１に対する制御仕様（サイクルタイム）を維持したまま、その制御応答性を向上させることが可能となる。

即ち、図４に本発明に係る時間比例制御による応答特性Ｘと従来の時間比例制御による応答特性Ｙとを対比して示すように、本発明によれば目標設定値ＳＰが変更された時点で速やかに新たな時間比例出力Ｔｃが発せられるので、時間遅れなく制御対象を制御して、新たな目標設定値ＳＰに逸早く追従させることができる。故に、目標設定値ＳＰの変更に対する応答性を高めることができる。

ところで制御対象２０の温度制御を行うに際して、冷却器２１の冷却能力と加熱器（ヒータ）の加熱能力とを併用する場合がある。この場合には、例えば図５に示すように０〜１００％の操作量ＭＶとして与えられるＰＩＤ出力を５０％を境として、０〜１００％の加熱制御用の操作量ＭＶheatと、０〜１００％の冷却制御用の操作量ＭＶcoolとにそれぞれ変換し、これらの操作量ＭＶheat,ＭＶcoolに応じて加熱器および冷却器を択一的に作動させることが行われる。そしてこの場合においても、例えば図６にその要部構成を示すように上記各操作量ＭＶheat,ＭＶcoolのそれぞれに応じて、その時間比例出力Ｔｈ,Ｔｃをそれぞれ求めて所定の周期（サイクルタイム）毎に加熱器および冷却器のオン・オフ制御が行われる。

但し、前述したように加熱器に対する時間比例制御は短い周期で行われ、冷却器２１に対する時間比例制御だけが長い周期で実行される。従って制御応答の遅れが問題となるのは、主として冷却器２１に対する時間比例制御だけなので、前述したようにその操作量ＭＶの大きな変化に伴って時間比例出力を変更する場合には、冷却器２１側のサイクルタイムをリセットするだけで十分である。

またこのような加熱器と冷却器とを併用して温度制御を行うに際して、前述したＰＩＤ出力が５０％の近傍で変化しているような場合、具体的には操作量ＭＶが５５％で加熱器を作動させている状態から上記操作量ＭＶが４５％に変化し、これに伴って上記加熱器に変えて冷却器２１を作動させることが必要となった場合には、冷却器２１が０％の時間比例出力Ｔｃにより休止している状態から速やかに作動させることが必要である。このような状況下においても、本発明に係る時間比例制御装置によれば操作量ＭＶの大きな変化に伴って冷却器２１に対する時間比例出力のサイクルタイムが前述したようにリセットされるので、その制御が加熱から冷却に変わった時点で速やかに冷却器２１を時間比例制御により作動させることができる。従ってその制御モードの切り換え遅れを効果的に防いで所望とする制御結果を遅滞なく得ることが可能となる。

更には上述したサイクルタイムのリセット機能を備えることにより、例えば前述した特許文献２に開示されるようなオートチューニングを実施する際、その実施タイミングが時間比例周期の途中であってもその時間比例出力を遅滞なく１００％に変更設定することができるので、オートチューニングを効率的に実行することが可能となる等の効果が奏せられる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば時間比例周期（サイクルタイム）をカウンタのオーバーフローにより制御し、同時にこのカウンタの計数値とＰＩＤ出力値とを比較して時間比例出力を生成しているような場合には、このカウンタをリセットすることで時間比例周期（サイクルタイム）のリセットを実行するようにすれば十分である。

また時間比例出力のサイクルタイムをリセットする際、そのときの時間比例周期の経過時間に応じて新たに生成する時間比例出力に補正を加え、時間比例出力の急激な変化を抑えるようにしても良い。また制御目標温度（目標設定値ＳＰ）１２が変更されたとき、これに伴う操作量ＭＶの変化の大きさを判定して前述した時間比例周期（サイクルタイム）のリセットを適応的に実行するようにしても良い。具体的には操作量ＭＶの変化が所定の閾値よりも大きいときにだけ時間比例周期（サイクルタイム）のリセットを実行し、上記操作量ＭＶの変化が小さい場合には、上記リセット処理を省略するようにしても良い。また上述した温度以外の制御対象を時間比例制御する場合にも、本発明を同様に適用可能なことは言うまでもない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係る時間比例制御装置を用いた温度制御系の概略構成図。 図１に示す時間比例制御装置における時間比例周期（サイクルタイム）のリセット処理の制御手順を示す図。 図１に示す時間比例制御装置における時間比例出力の制御形態を示すタイミング図。 本発明に係る時間比例制御の効果を従来例と対比して示す図。 加熱器と冷却器とを併用した温度制御系におけるＰＩＤ出力と加熱用および冷却用の操作量との関係を示す図。 加熱器と冷却器とを併用した温度制御系における時間比例制御装置の要部概略構成を示す図。

符号の説明

１０ 制御部（時間比例制御装置）
１１ 操作部
１４ ＰＩＤ制御部
１５ 時間比例出力部
１６ 出力制御部
２０ 制御対象
２１ 冷却器
２２ 温度センサ

Claims (4)

1. 制御対象に対する制御目標値と上記制御対象の状態を示す値との偏差に応じて、予め定められた周期に同期させて前記制御対象の状態を制御する為の時間比例出力を生成する時間比例制御装置であって、
   前記制御目標値が変更されたとき、前記時間比例出力の生成タイミングをリセットし、このリセットタイミングに同期させて前記時間比例出力を生成することを特徴とする時間比例制御装置。
2. 前記制御対象は、冷却器により制御される温度であって、
   前記時間比例出力は、予め定められた周期内における上記冷却器のオン時間を規定する信号からなる請求項１に記載の時間比例制御装置。
3. 前記制御対象は、冷却器および加熱器により制御される温度であって、
   前記時間比例出力は、予め定められた第１の周期内における上記冷却器のオン時間を規定する信号、または予め定められた第２の周期内における前記加熱器のオン時間を規定する信号として択一的に生成されるものである請求項１に記載の時間比例制御装置。
4. 前記制御目標値の変更時における前記時間比例出力の生成タイミングのリセットは、前記冷却器に対する時間比例出力に対して実行されるものである請求項３に記載の時間比例制御装置。

Images