JP2008040530A - Control device and temperature controller - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make it possible to linearize nonlinear characteristics of a control object. <P>SOLUTION: A linearizer 4 which compensates the influence of heat transfer between the control object 2 and an external world is set up. Temperature difference between sensed temperatures y<SB>1</SB>and y<SB>2</SB>of the control object 2 and temperature θ<SB>∞</SB>of the external world is fed back to an operation quantity side which is an input side of the control object 2 through the heat transfer items 10-1' and 10-2' and the influence of nonlinear heat transfer between the control object 2 and the external world is tried to be compensated. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、制御対象を制御する制御装置および温度調節器に関する。   The present invention relates to a control device and a temperature regulator for controlling a controlled object.

一般に、制御対象は、非線形特性を有し、かかる非線形特性に対応するために、従来のPID制御装置には、複数の温度領域の各領域毎に予めPID制御パラメータを求めておき、温度領域に応じて、PID制御パラメータを切り替えるように構成したものがある(例えば、特許文献1参照)。
特開昭62−070904号公報
In general, a control target has nonlinear characteristics, and in order to cope with such nonlinear characteristics, a conventional PID control apparatus obtains a PID control parameter for each of a plurality of temperature regions in advance, Accordingly, there is a configuration in which the PID control parameters are switched (see, for example, Patent Document 1).
Japanese Patent Laid-Open No. 62-070904

しかしながら、このように、各温度領域毎に、PID制御パラメータを切り替える従来例では、予め各温度領域毎に、PID制御パラメータを調整して求めておく必要があるが、かかるPID制御パラメータの調整は容易でない。   However, in the conventional example in which the PID control parameter is switched for each temperature region as described above, it is necessary to adjust the PID control parameter in advance for each temperature region. Not easy.

本発明は、上述のような点に鑑みてなされたものであって、非線形な制御対象にも容易に対応できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to easily cope with a non-linear control target.

(1)本発明の制御装置は、制御対象の非線形特性を線形化する線形化手段を備え、前記線形化手段は、前記制御対象と外界との熱移動の影響を打ち消して線形化するものである。   (1) The control device of the present invention includes linearization means for linearizing a nonlinear characteristic of a controlled object, and the linearizing means linearizes the influence of heat transfer between the controlled object and the outside world. is there.

熱移動とは、熱伝達や熱放射を含むものである。   Heat transfer includes heat transfer and heat radiation.

外界とは、制御対象の周囲をいう。   The outside world refers to the periphery of the controlled object.

線形化手段では、熱移動の影響を完全に打ち消すのが好ましいが、少なくとも熱移動の影響を低減できればよい。   In the linearization means, it is preferable to completely cancel the influence of heat transfer, but it is sufficient that at least the influence of heat transfer can be reduced.

本発明によると、制御対象と外界との熱伝達などの非線形な現象の影響を打ち消して線形化するので、制御性能が向上する。   According to the present invention, linearization is performed by canceling the influence of nonlinear phenomena such as heat transfer between the controlled object and the outside world, so that the control performance is improved.

(2)本発明の温度調節器は、前記制御対象の温度を検出する温度検出手段からの検出温度および目標温度に基づいて、前記制御対象に対する操作量を出力する温度制御手段と、前記制御対象の非線形特性を線形化する線形化手段とを備え、前記線形化手段は、前記制御対象と外界との熱伝達を打ち消して線形化するものである。   (2) The temperature controller of the present invention includes a temperature control unit that outputs an operation amount for the control target based on a detected temperature and a target temperature from a temperature detection unit that detects the temperature of the control target, and the control target Linearizing means for linearizing the non-linear characteristic, and the linearizing means cancels heat transfer between the controlled object and the outside world to linearize.

本発明によると、制御対象と外界との熱伝達などの非線形な現象の影響を打ち消して線形化するので、制御性能が向上する。   According to the present invention, linearization is performed by canceling the influence of nonlinear phenomena such as heat transfer between the controlled object and the outside world, so that the control performance is improved.

(3)好ましい実施形態では、前記線形化手段は、前記検出温度と前記外界の温度との温度差を、熱伝達項を介して操作量側にフィードバックするものである。   (3) In a preferred embodiment, the linearization means feeds back a temperature difference between the detected temperature and the outside temperature to the manipulated variable side through a heat transfer term.

熱伝達項は、制御対象の表面積と熱伝達率との積に対応するのが好ましい。   The heat transfer term preferably corresponds to the product of the surface area to be controlled and the heat transfer coefficient.

外界との温度差に起因して熱伝達による熱量の移動が生じるのであるが、 この実施形態によると、制御対象の検出温度と外界の温度との温度差を、熱伝達項を介して制御対象の入力側である操作量側にフィードバックするので、非線形な熱伝達の影響を打ち消して線形化することができる。   According to this embodiment, the temperature difference between the detected temperature of the controlled object and the temperature of the external environment is controlled via the heat transfer term. Is fed back to the manipulated variable side, which is the input side, so that the effect of nonlinear heat transfer can be canceled and linearized.

(4)上記(3)の実施形態では、前記熱伝達項は、前記制御対象のモデルの構造に基づくものであって、該モデルの構造が、前記制御対象を複数の部分に仮想的に分割したときの各部分の熱容量に対応する熱容量項、各部分間の熱伝導に対応する熱伝導項、および、各部分と外界との間の熱伝達に対応する前記熱伝達項を含むようにしてもよい。   (4) In the embodiment of the above (3), the heat transfer term is based on the model structure of the controlled object, and the model structure virtually divides the controlled object into a plurality of parts. A heat capacity term corresponding to the heat capacity of each part, a heat conduction term corresponding to the heat conduction between the parts, and the heat transfer term corresponding to the heat transfer between each part and the outside. .

ここで、項とは、当該モデルを構成する単位をいい、数学における数式(等号や不等号などの関係記号は含まない)に相当するものをいう。   Here, the term means a unit constituting the model and corresponds to a mathematical expression (not including a relational symbol such as equal sign or inequality sign).

このモデルの構造は、前記各部分に個別的に対応する複数入力および複数出力を備えるのが好ましい。入力とは、当該モデルに対する入力をいい、制御対象に対して与えられる入力、例えば、操作量をいう。また、出力とは、当該モデルの出力をいい、制御対象の出力、例えば、検出温度をいう。   The model structure preferably comprises a plurality of inputs and a plurality of outputs individually corresponding to the parts. The input refers to an input to the model, and refers to an input given to the control target, for example, an operation amount. The output refers to the output of the model, and refers to the output of the control target, for example, the detected temperature.

熱容量項を複数備え、前記複数入力および前記複数出力の各入力および各出力を、各熱容量項に個別的にそれぞれ対応させてもよい。   A plurality of heat capacity terms may be provided, and each input and each output of the plurality of inputs and the plurality of outputs may individually correspond to each heat capacity term.

熱容量項の出力側の差を、前記熱伝導項を介して前記熱容量項の入力側にフィードバックするようにしてもよい。   The difference on the output side of the heat capacity term may be fed back to the input side of the heat capacity term via the heat conduction term.

熱容量項の出力側の差とは、当該モデルの出力側の差をいい、例えば、温度差をいう。   The difference on the output side of the heat capacity term means a difference on the output side of the model, for example, a temperature difference.

この実施形態によると、制御対象のモデルの構造に含まれる熱伝達項を用いて線形化することができる。   According to this embodiment, linearization can be performed using the heat transfer term included in the structure of the model to be controlled.

(5)上記(3)の実施形態では、前記熱伝達項のパラメータが、前記制御対象を、第1,第2の目標温度にそれぞれ制御して整定させて状態において、前記目標温度または前記操作量を変化させたときの前記検出温度の変化に基づいて決定されるようにしてもよい。   (5) In the embodiment of the above (3), when the parameter of the heat transfer term is set by controlling the controlled object to the first and second target temperatures, respectively, the target temperature or the operation You may make it determine based on the change of the said detected temperature when changing quantity.

第1,第2の目標温度は、使用する温度範囲の高温側および低温側の目標温度であるのが好ましい。   The first and second target temperatures are preferably the target temperatures on the high temperature side and the low temperature side of the temperature range to be used.

この実施形態によると、第1の目標温度に整定させた状態で、前記目標温度または前記操作量を変化させたときの前記検出温度の変化に基づいて、例えば、高温側における熱伝達項のパラメータを決定し、第2の目標温度に整定させた状態で、前記目標温度または前記操作量を変化させたときの前記検出温度の変化に基づいて、低温側における熱伝達項のパラメータを決定し、最終的に温度の関数である熱伝達項のパラメータを決定することができる。   According to this embodiment, based on the change in the detected temperature when the target temperature or the manipulated variable is changed in a state where the first target temperature is set, for example, the parameter of the heat transfer term on the high temperature side And determining the parameter of the heat transfer term on the low temperature side based on the change in the detected temperature when the target temperature or the manipulated variable is changed in the state of being set to the second target temperature, Finally, the parameter of the heat transfer term, which is a function of temperature, can be determined.

(6)上記(4)の実施形態では、前記温度制御手段を複数備え、各温度制御手段は、複数の前記温度検出手段からの各検出温度および目標温度に基づいて、前記制御対象に対する操作量をそれぞれ出力するものであり、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低減する非干渉化手段を備え、前記非干渉化手段は、各検出温度の差を、前記熱伝導項を介して操作量側にフィードバックするようにしてもよい。   (6) In the embodiment of the above (4), a plurality of the temperature control means are provided, and each temperature control means operates on the control object based on each detected temperature and target temperature from the plurality of temperature detection means. Are provided with non-interference means for eliminating or reducing the influence of the control by each temperature control means on the control by other temperature control means, and the non-interference means has a difference between the detected temperatures. May be fed back to the manipulated variable side via the heat conduction term.

干渉による熱量の移動に基づく制御対象の温度変化は、制御対象の温度差に起因するのであるが、この実施形態によると、制御対象の各検出温度の差(温度座)を、熱伝導項を介して干渉を打ち消すように操作量側にフィードバックすることができ、高精度の非干渉化が可能となる。   The temperature change of the controlled object based on the movement of the amount of heat due to interference is caused by the temperature difference of the controlled object. According to this embodiment, the difference (temperature seat) of each detected temperature of the controlled object is expressed as the heat conduction term. Therefore, it is possible to feed back to the operation amount side so as to cancel the interference, and it is possible to achieve non-interference with high accuracy.

本発明によれば、制御対象と外界との熱伝達などの非線形な現象の影響を打ち消して線形化することができ、制御性能が向上する。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the influence of nonlinear phenomena, such as heat transfer with a control object and the external field, can be negated, and it can linearize, and control performance improves.

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本発明の一つの実施形態に係る温度調節器を用いた温度制御システムの構成図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a temperature control system using a temperature controller according to an embodiment of the present invention.

この実施の形態の温度調節器1は、制御対象2の後述のモデルの構造を用いて線形化を行なうものであり、制御対象2からの二つの検出温度y,yと各目標温度SP,SPとの偏差に基づいて、操作量u’,u’をそれぞ演算出力する温度制御手段としての二つのPID制御手段3,3と、両PID制御手段3,3からの操作量u’,u’を、線形化するように処理して制御対象2に対して出力する線形化器4とを備えている。 The temperature controller 1 of this embodiment performs linearization using the structure of the model to be described later of the controlled object 2, and includes two detected temperatures y 1 and y 2 from the controlled object 2 and each target temperature SP. 1 , two PID control means 3 1 , 3 2 as temperature control means for calculating and outputting the manipulated variables u 1 ′, u 2 ′ based on the deviation from SP 2, and both PID control means 3 1 , And a linearizer 4 that processes the manipulated variables u 1 ′ and u 2 ′ from 3 2 so as to linearize them and outputs them to the controlled object 2.

両PID制御手段3,3および線形化器4などは、マイクロコンピュータによって構成されている。 Both the PID control means 3 1 , 3 2 and the linearizer 4 are constituted by a microcomputer.

図2は、この線形化器4および制御対象2のモデルの構造のブロック線図である。   FIG. 2 is a block diagram of the structure of the linearizer 4 and the model of the controlled object 2.

ここで、線形化器4の説明に先立って、この線形化に利用する制御対象2のモデルの構造についての理論的説明を行なう。   Here, prior to the description of the linearizer 4, a theoretical description will be given of the structure of the model of the controlled object 2 used for this linearization.

ここで扱う制御対象は、物体の温度分布を無視して熱容量だけを集中系として取り扱う集中熱容量モデルとする。議論を簡単にするため、図3に示すように、制御対象が2つのセル7−1,7−2に分割され、それぞれ集中熱容量モデルで表現できるものとする。   The control target handled here is a concentrated heat capacity model that ignores the temperature distribution of the object and handles only the heat capacity as a concentrated system. In order to simplify the discussion, as shown in FIG. 3, it is assumed that the controlled object is divided into two cells 7-1 and 7-2 and can be expressed by a concentrated heat capacity model.

先ず、1つのセルを支配する物理法則について考える。   First, consider the physical laws governing one cell.

セルのダイミックスは、内部エネルギーの変化、セル間の熱伝導、セルと外界との熱伝達で決定される。まず、セルの内部エネルギーの変化は、セルが体積Vの均質物質で構成されるとき、熱力学第1法則のエネルギー保存の法則から以下の式が導かれる。   The cell die mix is determined by changes in internal energy, heat conduction between cells, and heat transfer between the cell and the outside world. First, the change of the internal energy of the cell is derived from the following formula from the law of conservation of energy of the first law of thermodynamics when the cell is composed of a homogeneous material having a volume V.

cρV(dθ/dt)=Qin−Qout+Vq …(1)
ここで、cとρはそれぞれセルの比熱[J/(kg・K)]と密度[kg/m]であり、q[W/m]は単位体積当たりの発熱量である。なお、2つのセルの体積が同じ場合を考えて定圧比熱と定積比熱は等しくcで表している。
cρV (dθ / dt) = Q in −Q out + Vq v (1)
Here, c and ρ are the specific heat [J / (kg · K)] and density [kg / m 3 ] of the cell, respectively, and q v [W / m 3 ] is the calorific value per unit volume. The constant pressure specific heat and the constant volume specific heat are equally represented by c in consideration of the case where the volumes of the two cells are the same.

次に、セルの表面から物体周りの空気との関係は、空気が流体であるため、熱伝達である。セルに流れ込む方向をプラスに考え、θをセルから十分離れた場所の周囲温度とすると、ニュートンの冷却法則より、
Q=−Ah(θ−θ) …(2)
となる。ここで、h[W/(m・K)]は熱伝達率である。なお、熱伝達率は、熱伝導率のような物質固有の値ではなく、流体の流れの状態によって変化する。厳密には、流れの状態は物体の各表面で異なるので、熱伝達率も局所的に異なった値となる。
Next, the relationship between the cell surface and the air around the object is heat transfer because air is a fluid. Considering the direction of flow into the cell as positive, and θ as the ambient temperature at a location sufficiently away from the cell, from Newton's cooling law,
Q = -A s h (θ 1 -θ ∞) ... (2)
It becomes. Here, h [W / (m 2 · K)] is a heat transfer coefficient. It should be noted that the heat transfer coefficient is not a substance-specific value such as heat conductivity, but changes depending on the state of fluid flow. Strictly speaking, since the flow state is different on each surface of the object, the heat transfer coefficient is locally different.

最後に2つのセル間の熱伝導(干渉)を考える。断面積A[m]、セル間距離d[m]の平板において、2つのセルの温度をそれぞれθ,θ[K]とすると、熱伝導で左側から右側へ通過する伝熱量は、フーリエの法則より、次式で表される。 Finally, consider the heat conduction (interference) between two cells. In a flat plate having a cross-sectional area A [m 2 ] and an inter-cell distance d [m], assuming that the temperatures of the two cells are θ 1 and θ 2 [K], respectively, the amount of heat transferred from the left side to the right side by heat conduction is From Fourier's law, it is expressed by the following equation.

Q=−Aλ{(θ−θ)/d} …(3)
ここで、λ[W/(m・K)]は熱伝導率である。
Q = −Aλ {(θ 2 −θ 1 ) / d} (3)
Here, λ [W / (m · K)] is the thermal conductivity.

次に、2つセルの結合による物理モデルを考える。   Next, consider a physical model by combining two cells.

上述の3つの物理法則を組み合わせて、2分割セルの場合の物理モデルを導く。便宜上、左側のセル7−1をセル1とし、右側のセル7−2をセル2とする。それぞれのセルに対する熱エネルギー保存則(熱力学第1法則)の式は、次のようになる。   A physical model in the case of a two-divided cell is derived by combining the above three physical laws. For convenience, the left cell 7-1 is referred to as cell 1, and the right cell 7-2 is referred to as cell 2. The formula of the thermal energy conservation law (the first law of thermodynamics) for each cell is as follows.

セル1: cρV(dθ/dt)=−Q−Q12+H …(4)
セル2: cρV(dθ/dt)=−Q−Q12+H …(5)
となる。ただし、Q12はセル1からセル2への熱流を正としている。ただし、Q12はセル1からセル2への熱流を正としている。HとHとはヒータの伝達特性を表す。
Cell 1: cρV 1 (dθ 1 / dt) = − Q 1 −Q 12 + H 1 u 1 (4)
Cell 2: cρV 2 (dθ 2 / dt) = − Q 2 −Q 12 + H 2 u 2 (5)
It becomes. However, Q 12 has a heat flow from the cell 1 to cell 2 and positive. However, Q 12 has a heat flow from the cell 1 to cell 2 and positive. H 1 and H 2 represent the transfer characteristics of the heater.

また、セル1とセル2の間の熱伝導は、セル1と2の間の断面積をA12として、
12=−A12λ{(θ−θ)/d} …(6)
であり、それぞれのセル表面から周囲への放熱である熱伝達は、θをセルから十分に離れた場所の周囲温度として、
セル1: Q=−A−θ) …(7)
セル2: Q=−A−θ) …(8)
となる。これらの式から制御対象のブロック線図を構成すると、図4となる。ただし、AとAはセル1と2の表面積である。
The heat conduction between the cell 1 and cell 2, the cross-sectional area between the cells 1 and 2 as A 12,
Q 12 = −A 12 λ {(θ 2 −θ 1 ) / d} (6)
The heat transfer, which is heat dissipation from the surface of each cell to the surroundings, is defined as θ as the ambient temperature at a location sufficiently away from the cell.
Cell 1: Q 1 = −A 1 h 11 −θ ) (7)
Cell 2: Q 2 = −A 2 h 22 −θ ) (8)
It becomes. When a block diagram to be controlled is constructed from these equations, FIG. 4 is obtained. However, A 1 and A 2 are the surface areas of the cells 1 and 2.

ただし、E=cρV、E=cρV、β=A12λ/dであり、βは、セル1と2の間の干渉による熱抵抗の逆数を意味する。また、α=A、α=Aであり、それぞれセルから周囲温度への熱抵抗の逆数を表す。 However, E 1 = cρV 1 , E 2 = cρV 2 , β = A 12 λ / d, and β means the reciprocal of the thermal resistance due to the interference between the cells 1 and 2. Also, α 1 = A 1 h 1 and α 2 = A 2 h 2 , respectively, representing the reciprocal of the thermal resistance from the cell to the ambient temperature.

この図4のモデルの構造は、1/Eまたは1/Eを含む熱容量項8−1,8−2と、βからなる熱伝導項9と、αまたはαからなる熱伝達項10−1,10−2とを含んでいる。なお、20はヒータブロックである。 The model structure of FIG. 4 includes heat capacity terms 8-1 and 8-2 including 1 / E 1 or 1 / E 2 , a heat conduction term 9 composed of β, and a heat transfer term composed of α 1 or α 2. 10-1 and 10-2. Reference numeral 20 denotes a heater block.

熱容量項8−1のEまたはEは、それぞれE=cρV、E=cρVであり、各セル7−1,7−2の熱容量に対応し、熱伝導項9のβは、β=A12λ/dであり、上述のフーリエの法則による熱伝導に対応し、熱伝達項10−1,10−2のαまたはαは、それぞれα=A、α=Aであり、上述のニュートンの冷却の法則による熱伝達に対応するものである。 E 1 or E 2 of the heat capacity term 8-1 is E 1 = cρV 1 , E 2 = cρV 2 , respectively, corresponding to the heat capacity of each of the cells 7-1 and 7-2, and β of the heat conduction term 9 is , Β = A 12 λ / d, which corresponds to the heat conduction according to the Fourier law described above, and α 1 or α 2 of the heat transfer terms 10-1 and 10-2 is α 1 = A 1 h 1 , respectively. α 2 = A 2 h 2 , which corresponds to the heat transfer by Newton's law of cooling described above.

再び、図2を参照して、この実施形態では、制御対象2のモデルの構造として、上述のようにして導出される図4の物理モデルを用いるものであり、図4に対応する部分には、同一の参照符号を付している。   Referring again to FIG. 2, in this embodiment, the physical model of FIG. 4 derived as described above is used as the structure of the model of the controlled object 2, and the part corresponding to FIG. The same reference numerals are attached.

一般に、制御対象の非線形特性は、熱伝達という非線形な現象によるところが大きく、したがって、この非線形な熱伝達という現象の影響を打ち消すことにより、線形化できることになる。    In general, the non-linear characteristic of the controlled object is largely due to a non-linear phenomenon called heat transfer, and therefore can be linearized by canceling out the effect of this non-linear heat transfer phenomenon.

そこで、この実施形態では、線形化器4によって、熱伝達の影響を打ち消して線形化するものであり、制御対象2の各出力y,yと外界の温度θとの温度差をそれぞれ算出する減算器5,6と、各減算器5,6からの出力を、制御対象2のモデル構造の熱伝達項10−1,10−2にそれぞれ対応する補償用の熱伝達項10−1’,10−2’と、ヒータの伝達特性H,Hをそれぞれ補償する補償項11,12と、この補償項11,12の出力を、入力される操作量u’,u’からそれぞれ減算する減算器13,14とを備えている。 Therefore, in this embodiment, the linearizer 4 performs linearization by canceling the influence of heat transfer, and the temperature difference between the outputs y 1 and y 2 of the controlled object 2 and the temperature θ ∞ of the outside world is respectively obtained. The subtracters 5 and 6 to be calculated and the outputs from the subtracters 5 and 6 are used as heat transfer terms 10-1 for compensation corresponding to the heat transfer terms 10-1 and 10-2 of the model structure of the control target 2, respectively. ', 10-2', the compensation terms 11 and 12 for compensating the transfer characteristics H 1 and H 2 of the heater, respectively, and the outputs of the compensation terms 11 and 12 are inputted as manipulated variables u 1 'and u 2 '. Are provided with subtractors 13 and 14 for subtracting from the subtracters 13 and 14, respectively.

制御対象2の各出力y,yと外界の温度θとの温度差をそれぞれ算出する各減算器5,6では、制御対象2のモデル構造とは逆向きに、すなわち、外界の温度θから制御対象2の出力y,yをそれぞれ減算する。 In each of the subtractors 5 and 6 for calculating the temperature difference between the outputs y 1 and y 2 of the controlled object 2 and the temperature θ ∞ of the external environment, in the opposite direction to the model structure of the controlled object 2, that is, the external temperature. The outputs y 1 and y 2 of the controlled object 2 are subtracted from θ .

次に、線形化器4の補償用の熱伝達項10−1’,10−2’、したがって、制御対象2のモデルの構造の熱伝達項10−1,10−2のパラメータの同定の手法について説明する。   Next, a method for identifying the parameters of the heat transfer terms 10-1 ′ and 10-2 ′ for compensation of the linearizer 4 and, therefore, the heat transfer terms 10-1 and 10-2 of the model structure of the controlled object 2 Will be described.

ここで、2点の制御対象の等価回路は、図5に示すように表すことができる。
但し、C:1chの容量成分、C:2chの容量成分、Z:1chの熱抵抗[℃/W]、Z:2chの熱抵抗[℃/W]Z12:1chと2ch間の熱抵抗[℃/W]、θ:1chの温度[℃]、θ:2chの温度[℃]、Q:1chに入力した熱量[W]、Q:2chに入力した熱量[W]である。
Here, two equivalent control target circuits can be expressed as shown in FIG.
However, C 1 : 1ch capacitive component, C 2 : 2ch capacitive component, Z 1 : 1ch thermal resistance [° C / W], Z 2 : 2ch thermal resistance [° C / W] Z 12 : between 1ch and 2ch Thermal resistance [° C./W], θ 1 : temperature of 1 ch [° C.], θ 2 : temperature of 2 ch [° C.], Q 1 : amount of heat input to 1 ch [W], Q 2 : amount of heat input to 2 ch [ W].

容量成分C,Cが入っている状態では、パラメータの同定が複雑になるため、容量成分C,Cが飽和した状態、すなわち、制御対象にある入力を与え、定常状態になった場合における熱抵抗の同定について考える。定常状態を考慮すると、容量成分C,Cを取り除いた図6の等価回路に置き換えることができる。 In the state where the capacitance components C 1 and C 2 are included, the identification of the parameters becomes complicated, so that the capacitance components C 1 and C 2 are saturated, that is, the input to the control target is given and the steady state is obtained. Consider the identification of thermal resistance in the case. Considering the steady state, it can be replaced with the equivalent circuit of FIG. 6 from which the capacitive components C 1 and C 2 are removed.

この図6よりキルヒホッフの電流則を利用すると、次式が得られる。   From this FIG. 6, when Kirchhoff's current law is used, the following equation is obtained.

=(θ/Z)+(θ−θ)/Z12
=(θ/Z)+(θ−θ)/Z12
行列式に書き直すと、次式の通りとなる。
Q 1 = (θ 1 / Z 1 ) + (θ 1 −θ 2 ) / Z 12
Q 2 = (θ 2 / Z 2 ) + (θ 2 −θ 1 ) / Z 12
When rewritten into a determinant, the following equation is obtained.

Q=θ・Z
したがって、熱抵抗Zは、
Z=θ−1・Q
となる。
Q = θ · Z
Therefore, the thermal resistance Z is
Z = θ −1 · Q
It becomes.

したがって、各chの入力Qを、例えば、ステップ状に変化させたときに、出力θの変化を計測することによって、熱抵抗Zを求めることができ、この熱抵抗Zの逆数として熱伝達項のαを算出できることになる。   Therefore, when the input Q of each channel is changed stepwise, for example, the thermal resistance Z can be obtained by measuring the change in the output θ, and the reciprocal number of the thermal resistance Z is α can be calculated.

なお、正方行列にできない場合には、擬似逆行列を用いて熱抵抗Zを算出すればよい。   If the square matrix cannot be obtained, the thermal resistance Z may be calculated using a pseudo inverse matrix.

また、3点の制御対象においても、2点のときと同様に、3点のときの等価回路において、キルヒホッフの電流則を利用し、熱流に関する式を求め、行列式に書き直し、温度の行列の擬似逆行列を利用することにより、熱抵抗を求めることができる。   In addition, in the three-point controlled object, as in the case of two points, in the equivalent circuit at the three-point, using Kirchhoff's current law, an equation relating to heat flow is obtained, rewritten into a determinant, and the temperature matrix The thermal resistance can be obtained by using the pseudo inverse matrix.

図7は、熱伝達項のパラメータの決定の手順を説明するためのフローチャートである。   FIG. 7 is a flowchart for explaining the procedure for determining the parameter of the heat transfer term.

熱伝達項のαは、温度θの関数α(θ)であり、このため、この実施形態では、当該温度調節器1を使用する温度範囲の高温側と低温側とで熱伝達項のαをそれぞれ同定し、直線近似して温度に対する熱伝達項のα(θ)を決定するものである。   Α of the heat transfer term is a function α (θ) of the temperature θ. Therefore, in this embodiment, α of the heat transfer term is set between the high temperature side and the low temperature side of the temperature range in which the temperature controller 1 is used. Each is identified and linearly approximated to determine α (θ) of the heat transfer term with respect to temperature.

先ず、例えば、低温側の設定温度(目標温度)θに設定して制御対象2を制御し(ステップn1)、低温側のパラメータを同定する(ステップn2)。 First, for example, the control target 2 is controlled by setting the set temperature (target temperature) θ L on the low temperature side (step n1), and the low temperature side parameters are identified (step n2).

図8は、このパラメータの同定を説明するための設定温度SP、操作量MVおよび検出温度PVの変化を示す図であり、実線が1chを、破線が2chをそれぞれ示している。
このパラメータの同定は、設定温度θに整定した定常状態において、先ず、実線で示される1chの設定温度を、図8(a)に示すように、例えば、1℃下げ、安定した状態における図8(b)に示す各chの操作量の変化Q1,Q2を計測するとともに、図8(c)に示す制御対象2の検出温度PVの変化θ1,θ2を計測する。この図8(c)では、破線で示される2chの検出温度PVは変化していない例を示している。
FIG. 8 is a diagram illustrating changes in the set temperature SP, the manipulated variable MV, and the detected temperature PV for explaining the identification of the parameters, where the solid line indicates 1ch and the broken line indicates 2ch.
The identification of this parameter is in a steady state was stabilized at the set temperature theta L, firstly, the set temperature of the 1ch indicated by the solid line, as shown in FIG. 8 (a), for example, lowered 1 ° C., Figure in a stable state Changes in the manipulated variables Q1 and Q2 of each channel shown in FIG. 8B are measured, and changes θ1 and θ2 in the detected temperature PV of the control target 2 shown in FIG. 8C are measured. FIG. 8C shows an example in which the detected temperature PV of 2ch indicated by a broken line is not changed.

次に、図8(a)の破線に示すように、同様に2chの設定温度を、1℃下げ、安定した状態における図8(b)に示す各chの操作量の変化Q3,Q4を計測するとともに、図8(c)に示す制御対象2の検出温度PVの変化θ3,θ4を計測する。この図8(c)では、実線で示される1chの検出温度PVは変化していない例を示している。   Next, as shown by the broken line in FIG. 8A, similarly, the set temperature of 2ch is lowered by 1 ° C., and the change Q3 and Q4 of the operation amount of each ch shown in FIG. At the same time, changes θ3 and θ4 of the detected temperature PV of the controlled object 2 shown in FIG. FIG. 8C shows an example in which the detection temperature PV of 1ch indicated by a solid line is not changed.

かかるQおよびθの計測結果と上述の行列式から熱抵抗Zを算出し、その逆数として低温側における熱伝達項のパラメータを算出する。   The thermal resistance Z is calculated from the measurement results of Q and θ and the above determinant, and the parameter of the heat transfer term on the low temperature side is calculated as the reciprocal thereof.

次、図7に示すように、高温側の設定温度θに設定して制御対象2を制御し(ステップn3)、低温側と同様にして高温側の熱伝達項のパラメータを同定する(ステップn4)。 Next, as shown in FIG. 7, the control object 2 is controlled by setting the set temperature θ H on the high temperature side (step n3), and the parameters of the heat transfer term on the high temperature side are identified in the same manner as the low temperature side (step n). n4).

次に、図9に示すように、低温側θのパラメータと高温側θのパラメータから温度に対する熱伝達項のパラメータα(θ)を決定するものである(ステップn5)。 Next, as shown in FIG. 9, it is what determines the parameter alpha (theta) of the heat transfer section with respect to the temperature from the parameters of the parameter and the high temperature side theta H of the low-temperature side theta L (step n5).

以上のような熱伝達項のパラメータの決定は、予めパソコンおよびデータロガー等の上位装置を用いて行い、決定した熱伝達項のパラメータを温度調節器1の線形化器4に設定してもよいし、あるいは、図10に示すように、温度調節器1にパラメータ決定器31を内蔵させ、上述のように目標温度を変化させ、そのときの検出温度の変化を計測して熱伝達項のパラメータを決定し、線形器4に設定するようにしてもよい。   The determination of the parameter of the heat transfer term as described above may be performed in advance using a host device such as a personal computer and a data logger, and the determined parameter of the heat transfer term may be set in the linearizer 4 of the temperature controller 1. Alternatively, as shown in FIG. 10, a parameter determiner 31 is built in the temperature controller 1, the target temperature is changed as described above, the change in the detected temperature at that time is measured, and the parameter of the heat transfer term is measured. May be determined and set in the linearizer 4.

(実施形態2)
上述の実施形態では、モデル構造の熱伝達項を用いて線形化したけれども、本発明は、モデル構造の熱伝導項を用いて非干渉化を図るようにしてもよい。
(Embodiment 2)
In the above-described embodiment, linearization is performed using the heat transfer term of the model structure. However, the present invention may be made non-interfering using the heat conduction term of the model structure.

図11は、上述の線形化器4に加えて、非干渉化器25を追加した温度調節器の図2に対応する図であり、対応する部分には、同一の参照符号を付す。   FIG. 11 is a diagram corresponding to FIG. 2 of a temperature controller in which a decoupling device 25 is added in addition to the linearizer 4 described above, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals.

非干渉化器25は、制御対象2のモデル構造の二つの出力y,yの差を算出する減算器26と、この減算器26からの出力を、制御対象2の熱伝導項9に対応する補償用の熱伝導項9’と、この熱伝導項9’の出力を、ヒータの伝達特性H,Hをそれぞれ補償する補償項27,28を介して入力される操作量u’,u’に、加算または減算する加算器29および減算器30を備えており、熱伝導項9’の出力を、制御対象2のモデルの構造の熱伝導項9の出力とは、正負を逆にしてフィードバックしている。 The non-interference unit 25 calculates a difference between the two outputs y 1 and y 2 of the model structure of the controlled object 2, and outputs the output from the subtractor 26 to the heat conduction term 9 of the controlled object 2. Corresponding heat conduction term 9 'for compensation and the output of this heat conduction term 9' are manipulated variable u 1 inputted via compensation terms 27 and 28 for compensating the transfer characteristics H 1 and H 2 of the heater, respectively. An adder 29 and a subtractor 30 for adding or subtracting to “, u 2 ” are provided, and the output of the heat conduction term 9 ′ is positive or negative with respect to the output of the heat conduction term 9 of the structure of the controlled object 2 model. The feedback is reversed.

この実施形態によれば、線形化器4によって線形化を図ることができるとともに、非干渉化器25によって非干渉化を図ることができる。   According to this embodiment, linearization can be achieved by the linearizer 4 and non-interference can be achieved by the non-interference unit 25.

本発明は、温度調節器などの制御装置に有用である。   The present invention is useful for a control device such as a temperature controller.

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構成図である。It is a block diagram of the temperature control system using the temperature regulator which concerns on one embodiment of this invention. 図1の制御対象のモデル構造および線形化器のブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram of a model structure to be controlled and a linearizer in FIG. 1. モデルの構造についての理論的な説明に供する図である。It is a figure where it uses for the theoretical description about the structure of a model. モデルの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of a model. 2点の制御対象の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of two points of control object. 容量成分を除いた等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram excluding the capacitive component. 熱伝達項のパラメータの同定手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the identification procedure of the parameter of a heat transfer term. 熱伝達項のパラメータの同定手順の説明に供する波形図である。It is a wave form diagram with which it uses for description of the identification procedure of the parameter of a heat transfer term. 熱伝達項のパラメータの決定を説明するための図である。It is a figure for demonstrating determination of the parameter of a heat transfer term. 本発明の他の実施形態の図1に対応する構成図である。It is a block diagram corresponding to FIG. 1 of other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態の図2に対応するブロック線図である。It is a block diagram corresponding to FIG. 2 of other embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 温度調節器 2 制御対象
4 線形化器 25 非干渉化器
1 Temperature controller 2 Control target
4 Linearizer 25 Decoupler

Claims (6)

制御対象の非線形特性を線形化する線形化手段を備え、
前記線形化手段は、前記制御対象と外界との熱移動の影響を打ち消して線形化することを特徴とする制御装置。
A linearization means for linearizing the nonlinear characteristic of the controlled object is provided,
The linearization means performs linearization by canceling the influence of heat transfer between the controlled object and the outside world.
前記制御対象の温度を検出する温度検出手段からの検出温度および目標温度に基づいて、前記制御対象に対する操作量を出力する温度制御手段と、
前記制御対象の非線形特性を線形化する線形化手段とを備え、
前記線形化手段は、前記制御対象と外界との熱伝達を打ち消して線形化することを特徴とする温度調節器。
Temperature control means for outputting an operation amount for the control object based on a detected temperature and a target temperature from a temperature detection means for detecting the temperature of the control object;
Linearizing means for linearizing the nonlinear characteristic of the controlled object,
The temperature regulator is characterized in that the linearization means linearizes the heat transfer between the controlled object and the outside world.
前記線形化手段は、前記検出温度と前記外界の温度との温度差を、熱伝達項を介して操作量側にフィードバックする請求項2に記載の温度調節器。   The temperature regulator according to claim 2, wherein the linearization unit feeds back a temperature difference between the detected temperature and the temperature of the outside world to an operation amount side through a heat transfer term. 前記熱伝達項は、前記制御対象のモデルの構造に基づくものであって、該モデルの構造が、前記制御対象を複数の部分に仮想的に分割したときの各部分の熱容量に対応する熱容量項、各部分間の熱伝導に対応する熱伝導項、および、各部分と外界との間の熱伝達に対応する前記熱伝達項を含む請求項3に記載の温度調節器。   The heat transfer term is based on the structure of the model of the controlled object, and the structure of the model corresponds to the heat capacity of each part when the controlled object is virtually divided into a plurality of parts. The temperature regulator according to claim 3, further comprising: a heat conduction term corresponding to heat conduction between the parts, and the heat transfer term corresponding to heat transfer between the parts and the outside. 前記熱伝達項のパラメータが、前記制御対象を、第1,第2の目標温度にそれぞれ制御して整定させた状態において、前記目標温度または前記操作量を変化させたときの前記検出温度の変化に基づいて決定される請求項3または4に記載の温度調節器。 Changes in the detected temperature when the target temperature or the manipulated variable is changed in a state where the parameter of the heat transfer term is set by controlling the control target to the first and second target temperatures, respectively. The temperature regulator according to claim 3 or 4, which is determined on the basis of. 前記温度制御手段を複数備え、各温度制御手段は、複数の前記温度検出手段からの各検出温度および目標温度に基づいて、前記制御対象に対する操作量をそれぞれ出力するものであり、
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低減する非干渉化手段を備え、
前記非干渉化手段は、各検出温度の差を、前記熱伝導項を介して操作量側にフィードバックする請求項4に記載の温度調節器。
A plurality of the temperature control means are provided, each temperature control means outputs an operation amount for the control object based on each detected temperature and target temperature from the plurality of temperature detection means,
A non-interference means for eliminating or reducing the influence of the control by each temperature control means on the control by the other temperature control means,
The temperature regulator according to claim 4, wherein the non-interacting unit feeds back a difference between the detected temperatures to the manipulated variable side through the heat conduction term.
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