JP2009157691A

JP2009157691A - オートチューニング方法、温度調節器および熱処理装置

Info

Publication number: JP2009157691A
Application number: JP2007335828A
Authority: JP
Inventors: Masahito Tanaka; 政仁田中; Takaaki Yamada; 隆章山田
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2009-07-16

Abstract

【課題】冷却制御において、適切な制御パラメータを得られるようにする。
【解決手段】加熱冷却制御において、加熱側のオートチューニングは、期間Ｔ１において、１００％のステップ状の加熱操作量を印加してステップ応答波形から加熱側のＰＩＤゲインを算出し、冷却側のオートチューニングは、期間Ｔ３において、５０％以下である３０％のステップ状の冷却操作量を印加して冷却側のＰＩＤゲインを算出するようにしている。これによって、水冷のような非線形特性を示す冷却方式の場合に、１００％の冷却操作量を印加して冷却側のＰＩＤゲインを算出する従来例に比べて、より正確に制御対象の特性を同定して、適切な冷却制御の制御パラメータを求めることが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、温度制御における制御パラメータを調整するオートチューニング方法、温度調節器およびそれを用いた熱処理装置に関する。

一般に、押出し成形機などの発熱を伴う制御対象や常温付近で温度制御される環境試験機などの制御対象に対しては、加熱制御だけでは、充分に温度制御を行うことができないので、加熱および冷却の両方の制御を行う必要がある。

例えば、スクリューの回転で発熱する押出し成形機では、ヒータの通電を制御して加熱制御する一方、水冷のためのバルブの開閉を制御して冷却制御を行うことにより、シリンダの温度が設定温度になるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１１０１００

かかる加熱冷却制御を行なう温度調節器の制御パラメータであるＰＩＤ定数を求めるオートチューニングでは、例えば、操作量を１００％にステップ状に変化させてＰＩＤ定数を求めるステップ応答法、あるいは、操作量を０％と１００％とで２位置制御（オンオフ制御）してＰＩＤ定数を求めるリミットサイクル法などが用いられる。

一般に、加熱特性は、線形特性を示すが、水冷による冷却特性は、例えば、図６の実線で示すように、非線形特性となる。なお、図６において、横軸は冷却操作量を、縦軸は冷却能力（吸熱量）をそれぞれ示している。

このように水冷特性が非線形であるために、上述のように、操作量を１００％に設定してオートチューニングを行なう従来例では、制御対象の特性が、図６の破線で示すように、比較的緩慢なゲインとして同定されることになる。このような緩慢なゲインに対して、ＰＩＤ定数等の制御パラメータを設計すると、比例ゲイン等が急峻な特性となって発振する場合があり、かかる場合には、手動によって試行錯誤的に、冷却側の制御パラメータを調整しなければならないといった課題がある。

本発明は、上述のような点に鑑みて為されたものであって、冷却制御において、適切な制御パラメータを得られるようにすることを目的とする。

（１）本発明のオートチューニング方法は、冷却制御における制御パラメータを求めるためのオートチューニング用の冷却操作量の上限を、５０％以下に制限するものである。
冷却制御は、少なくとも比例制御を行うものであり、好ましくは、ＰＩＤ制御である。

冷却は、水冷、あるいは、油冷であるのが好ましい。

制御パラメータは、ステップ応答法、リミットサイクル法などを用いて求めることができる。

オートチューニング用の冷却操作量の上限は、５０％以下の範囲で、ユーザが任意に設定できるようにしてもよいし、水冷や油冷といった冷却方式に応じて、予め定めた上限値に制限するようにしてもよい。

オートチューニング用の冷却操作量の上限は、５０％以下であれば、特に制限はなく、例えば、４０％、３０％、２０％などであってもよい。

本発明のオートチューニング方法によると、オートチューニング用の冷却操作量の上限を、５０％以下に制限しているので、水冷のような非線形特性を示す冷却方式の場合に、１００％の冷却操作量を印加してオートチューニングを行う従来例に比べて、より正確に制御対象の特性を同定して、適切な冷却制御の制御パラメータを求めることが可能となる。

（２）本発明のオートチューニング方法の一つの実施形態では、前記冷却操作量を、５０％以下の操作量にステップ状に変化させる工程と、前記ステップ状の操作量による応答波形から前記制御パラメータを算出する工程とを含んでいる。

この実施形態によると、ステップ応答法を用いて、冷却制御の制御パラメータを求めることができる。

（３）本発明のオートチューニング方法の他の実施形態では、前記冷却制御における冷却が、水冷である。

１００％の冷却操作量を印加してオートチューニングを行う従来例では、水冷の非線形特性のために、適切な制御パラメータを求めるのが困難であるのに対して、この実施形態によると、オートチューニング用の冷却操作量の上限を、５０％以下に制限しているので、従来例に比べて、より適切な冷却制御の制御パラメータを求めることが可能となる。

（４）本発明のオートチューニング方法は、加熱冷却制御における制御パラメータを求めるオートチューニング方法であって、冷却側の前記制御パラメータを求めるためのオートチューニング用の冷却操作量の上限を、５０％以下に制限するものである。

加熱側の制御パラメータは、従来と同様にして求めればよい。

オートチューニング用の冷却操作量を印加しているときには、加熱側の操作量は印加してもよいし、印加しなくてもよい。

（５）本発明のオートチューニング方法の一つの実施形態では、加熱操作量をステップ状に変化させる工程と、前記ステップ状の加熱操作量による応答波形から加熱側の前記制御パラメータを算出する工程と、前記冷却操作量を、５０％以下の操作量にステップ状に変化させる工程と、前記ステップ状の冷却操作量による応答波形から冷却側の前記制御パラメータを算出する工程とを含んでいる。

この実施形態によると、ステップ応答法を用いて、加熱側および冷却側の制御パラメータを求めることができる。

（６）本発明のオートチューニング方法の他の実施形態では、前記冷却制御における冷却が、水冷である。

（７）本発明の温度調節器は、制御対象の温度が設定温度になるように冷却制御する温度調節器であって、制御パラメータを求めるためのオートチューニング用の冷却操作量を出力するオートチューニング用操作量出力部と、前記冷却操作量による応答波形から前記制御パラメータを算出する算出部とを備え、前記オートチューニング用操作量出力部は、上限が５０％以下に制限された前記冷却操作量を出力するものである。

本発明の温度調節器によると、オートチューニング用の冷却操作量の上限を、５０％以下に制限しているので、水冷のような非線形特性を示す冷却方式の場合に、１００％の冷却操作量を印加してオートチューニングを行う従来例に比べて、より正確に制御対象の特性を同定して、適切な冷却制御の制御パラメータを求めることが可能となる。

（８）本発明の温度調節器の一つの実施形態では、前記オートチューニング用操作量出力部は、ステップ状の前記冷却操作量を出力するものであり、前記算出部は、前記ステップ状の冷却操作量の応答波形から前記制御パラメータを算出するものである。

この実施形態によると、ステップ応答法を用いて制御パラメータを求めることができる。

（９）本発明の温度調節器の他の実施形態では、前記算出部で算出された制御パラメータを用いて、前記制御対象を冷却する冷却装置に対する冷却操作量を出力する制御部を備え、前記冷却装置が、水冷の冷却装置である。

（１０）本発明の温度調節器の更に他の実施形態では、前記冷却装置に対応する冷却モードを選択する選択部を備え、前記オートチューニング用操作量出力部は、前記選択部で選択された冷却モードが水冷であるときに、オートチューニング用の前記冷却操作量の上限を、５０％以下に制限するものである。

選択部は、冷却装置に応じて、空冷、水冷、あるいは、油冷といった冷却モードを選択できるのが好ましい。

この選択部は、当該温度調節器に、選択操作できるように設けてもよいし、外部からの通信によって選択できるようにしてもよい。

この実施形態によると、冷却装置の冷却方式に応じて、選択部で冷却モードを選択することができ、冷却装置が水冷であるときには、選択部で水冷モードを選択することにより、オートチューニング用の前記冷却操作量の上限を、５０％以下に制限することができる。

（１１）本発明の温度調節器は、制御対象の温度が設定温度になるように加熱冷却制御する温度調節器であって、加熱側の制御パラメータおよび冷却側の制御パラメータをそれぞれ求めるためのオートチューニング用の加熱操作量およびオートチューニング用の冷却操作量を出力するオートチューニング用操作量出力部と、前記加熱操作量による応答波形から加熱側の前記制御パラメータを算出する一方、前記冷却操作量による応答波形から冷却側の前記制御パラメータを算出する算出部とを備え、前記オートチューニング用操作量出力部は、上限が５０％以下に制限された前記冷却操作量を出力するものである。

（１２）本発明の温度調節器の一つの実施形態では、前記オートチューニング用操作量出力部は、ステップ状の前記加熱操作量およびステップ状の前記冷却操作量を出力するものであり、前記算出部は、前記ステップ状の加熱操作量による応答波形から加熱側の前記制御パラメータを算出する一方、前記ステップ状の前記冷却操作量による応答波形から冷却側の前記制御パラメータを算出するものである。

この実施形態によると、ステップ応答法を用いて加熱側および冷却側の制御パラメータを求めることができる。

（１３）本発明の温度調節器の他の実施形態では、前記算出部で算出された加熱側の制御パラメータを用いて、前記制御対象を加熱する加熱装置に対する加熱操作量を出力する一方、前記算出部で算出された冷却側の制御パラメータを用いて、前記制御対象を冷却する冷却装置に対する冷却操作量を出力する制御部を備え、前記冷却装置が、水冷の冷却装置である。

１００％の冷却操作量を用いて冷却側のオートチューニングを行う従来例では、水冷の非線形特性のために、適切な制御パラメータを求めるのが困難であるのに対して、この実施形態によると、オートチューニング用の冷却操作量の上限を、５０％以下に制限しているので、従来例に比べて、より適切な冷却側の制御パラメータを求めることが可能となる。

（１４）本発明の温度調節器の更に他の実施形態では、前記冷却装置に対応する冷却モードを選択する選択部を備え、前記オートチューニング用操作量出力部は、前記選択部で選択された冷却モードが水冷であるときに、オートチューニング用の前記冷却操作量の上限を、５０％以下に制限するものである。

（１５）本発明の熱処理装置は、本発明に係る温度調節器と、制御対象としての熱処理手段と、前記熱処理手段を加熱する加熱手段と、前記熱処理手段を冷却する冷却手段とを備えている。

本発明の熱処理装置によれば、例えば、熱処理手段としての成形機におけるヒータなどによる加熱および水冷ジャケットなどによる冷却を制御する温度調節器の制御パラメータ、特に冷却側の制御パラメータを、より適切なものとすることができる。

本発明によれば、オートチューニング用の冷却操作量の上限を、５０％以下に制限しているので、水冷のような非線形特性を示す冷却方式の場合に、１００％の冷却操作量を印加してオートチューニングを行う従来例に比べて、より正確に制御対象の特性を同定して、適切な冷却制御の制御パラメータを求めることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器を備える温度制御システムのブロック図である。

この実施の形態の温度調節器１は、例えば、押出し成形機などの制御対象２の加熱冷却制御を行うものであり、図示しない設定部からの設定温度ＳＰと、制御対象２としての押出し成形機のシリンダに配設された温度センサ８からの検出温度（現在温度）ＰＶとの偏差に基づいて、加熱冷却制御用の操作量ＭＶを演算出力するＰＩＤ制御部３と、このＰＩＤ制御部３の操作量ＭＶの正負に応じて、加熱側のＰＩＤ定数または冷却側のＰＩＤ定数を切換えるＰＩＤ定数切換部４と、ＰＩＤ制御部３からの操作量ＭＶが、正のときには、加熱操作量ＭＶｈとしてヒータ等の加熱装置５に出力し、負のときには、冷却操作量ＭＶｃとして冷却ジャケット等の水冷の冷却装置６への冷却配管のバルブ等に出力する操作量変換部７とを備えており、これらは、例えば、マイクロコンピュータによって構成される。

この実施形態では、ステップ応答法を用いたオートチューニングによって、制御パラメータとして、加熱側および冷却側のＰＩＤ定数を算出するようにしている。

図２は、オートチューニング時のブロック図であり、図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。

この実施形態では、加熱側のオートチューニング時には、オートチューニング用操作量出力部９によって、加熱側の操作量を出力し、冷却側のオートチューニング時には、後述のように加熱側および冷却側の操作量を出力する。

特徴量計測部１０は、ステップ応答波形の特徴量である後述の最大傾きおよびむだ時間を計測し、ＰＩＤ定数算出部１１は、計測した特徴量に基づいて、Ｚｉｅｇｌｅｒ＆Ｎｉｃｈｏｌｓの算出式に従って、制御パラメータである加熱側および冷却側のＰＩＤ定数をそれぞれ算出し、ＰＩＤ定数記憶部１２に記憶させる。

オートチューニング用操作量出力部９、特徴量計測部１０、ＰＩＤ定数算出部１１およびＰＩＤ定数記憶部１２は、上述のマイクロコンピュータによって構成される。
図３は、このオートチューニング時のステップ応答のタイムチャートであり、同図（ａ）は検出温度ＰＶを、同図（ｂ）は加熱側および冷却側の操作量ＭＶをそれぞれ示している。また、図４は、このオートチューニング時の動作説明に供するフローチャートである。

先ず、加熱側のステップ応答を行う（ステップｎ１）。すなわち、図３（ｂ）に示すように、加熱側の操作量を１００％にステップ状に変化させ、ステップ応答波形の最大傾きが計測されるまでの期間Ｔ１に亘って継続する。

次に、図５に示すように計測される最大傾きおよびむだ時間Ｌから、Ｚｉｅｇｌｅｒ＆Ｎｉｃｈｏｌｓ法により、加熱側のＰＩＤゲインである比例ゲインＰ、積分時間Ｉおよび微分時間Ｄを、次式に従って算出する（ステップｎ２）。

Ｐ＝Ｒ×Ｌ／１．２
Ｉ＝２．０×Ｌ
Ｄ＝０．５×Ｌ
比例ゲインＰの算出式におけるＲは、計測される最大傾きとステップ状に印加される操作量ｍを用いて次式で算出される。

Ｒ＝（最大傾き）×１００／ｍ
加熱側のオートチューニングにおける操作量ｍは、１００％であるので、計測される最大傾きが、Ｒと等しくなる。

次に、図４に示すように、ステップｎ２で算出した加熱側のＰＩＤゲインを用いたＰＩＤ制御に切り替え（ステップｎ３）、図３に示すように、温度が安定するまで期間Ｔ２待機する（ステップｎ４）。

次に、この実施形態では、従来例よりも適切な冷却側のＰＩＤゲインが得られるように、冷却側のステップ応答を次のようにして行う（ステップｎ５）。

すなわち、冷却側のステップ応答では、図３（ｂ）に示すように、加熱側の操作量は、温度が安定している状態の操作量を維持しつつ、冷却側の操作量を、５０％以下の操作量である３０％にステップ状に変化させ、ステップ応答波形の最大傾きが計測されるまでの期間Ｔ３に亘って継続する。

次に、ステップ応答波形の最大傾きおよびむだ時間Ｌから、冷却側のＰＩＤゲインを、Ｚｉｅｇｌｅｒ＆Ｎｉｃｈｏｌｓ法により、加熱側と同様にして算出する（ステップｎ６）。

なお、上述の比例ゲインＰの算出式におけるＲは、ステップ状に印加される操作量ｍ＝３０を用いて上述と同様に算出される。

次に、算出した冷却側のＰＩＤゲインと上述のステップｎ２で算出した加熱側のＰＩＤゲインとを用いて加熱冷却のＰＩＤ制御に切り替えて終了する（ステップｎ７）。

このように、冷却側のＰＩＤゲインの算出に際しては、冷却側の操作量を、１００％にステップ状に変化させるのではなく、５０％以下である３０％にステップ状に変化させている。

したがって、上述の図６の水冷特性において、操作量が３０％の場合、図の一点鎖線で示す傾きのゲインとして働き、破線で示される従来のゲインに比べて、実際に使用される水冷特性に近いものとなり、より適切な冷却側のＰＩＤゲインが算出される。

上述の実施形態では、加熱冷却制御に適用して説明したけれども、本発明は、加熱冷却制御に限らず、冷却制御に適用してもよいのは勿論である。

本発明の他の実施形態として、温度調節器に、冷却装置の冷却方式に応じた冷却モードを選択操作できる選択部を設け、ユーザが、水冷、空冷、油冷といった冷却モードを選択できるようにして、水冷モードが選択されたときに、冷却側のオートチューニング用の操作量の上限を５０％以下の値に制限するようにしてもよい。

本発明の他の実施形態として、油冷の場合にも、オートチューニング用の冷却操作量の上限を、５０％以下に制限するようにしてもよい。

本発明は、冷却制御に有用である。

本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器の加熱冷却制御時のブロック図である。図１の温度調節器のオートチューニング時のブロック図である。オートチューニング時の検出温度および操作量のタイムチャートである。図１の温度調節器のオートチューニング時のフローチャートである。ステップ応答波形の最大傾きおよびむだ時間を示す図である。水冷特性を示す図である。

符号の説明

１温度調節器
２制御対象
３ＰＩＤ制御部
９オートチューニング用操作量出力部
１０特徴量計測部
１１ＰＩＤ定数算出部
１２ＰＩＤ定数記憶部

Claims

冷却制御における制御パラメータを求めるためのオートチューニング用の冷却操作量の上限を、５０％以下に制限することを特徴とするオートチューニング方法。
前記冷却操作量を、５０％以下の操作量にステップ状に変化させる工程と、
前記ステップ状の操作量による応答波形から前記制御パラメータを算出する工程と、
を含む請求項１に記載のオートチューニング方法。
前記冷却制御における冷却が、水冷である請求項１または２に記載のオートチューニング方法。
加熱冷却制御における制御パラメータを求めるオートチューニング方法であって、
冷却側の前記制御パラメータを求めるためのオートチューニング用の冷却操作量の上限を、５０％以下に制限することを特徴とするオートチューニング方法。
加熱操作量をステップ状に変化させる工程と、
前記ステップ状の加熱操作量による応答波形から加熱側の前記制御パラメータを算出する工程と、
前記冷却操作量を、５０％以下の操作量にステップ状に変化させる工程と、
前記ステップ状の冷却操作量による応答波形から冷却側の前記制御パラメータを算出する工程と、
を含む請求項４に記載のオートチューニング方法。
前記冷却制御における冷却が、水冷である請求項４または５に記載のオートチューニング方法。
制御対象の温度が設定温度になるように冷却制御する温度調節器であって、
制御パラメータを求めるためのオートチューニング用の冷却操作量を出力するオートチューニング用操作量出力部と、
前記冷却操作量による応答波形から前記制御パラメータを算出する算出部とを備え、
前記オートチューニング用操作量出力部は、上限が５０％以下に制限された前記冷却操作量を出力することを特徴とする温度調節器。
前記オートチューニング用操作量出力部は、ステップ状の前記冷却操作量を出力するものであり、
前記算出部は、前記ステップ状の冷却操作量の応答波形から前記制御パラメータを算出する請求項７に記載の温度調節器。
前記算出部で算出された制御パラメータを用いて、前記制御対象を冷却する冷却装置に対する冷却操作量を出力する制御部を備え、
前記冷却装置が、水冷の冷却装置である請求項７または８に記載の温度調節器。
前記冷却装置に対応する冷却モードを選択する選択部を備え、
前記オートチューニング用操作量出力部は、前記選択部で選択された冷却モードが水冷であるときに、オートチューニング用の前記冷却操作量の上限を、５０％以下に制限する請求項７または８に記載の温度調節器。
制御対象の温度が設定温度になるように加熱冷却制御する温度調節器であって、
加熱側の制御パラメータおよび冷却側の制御パラメータをそれぞれ求めるためのオートチューニング用の加熱操作量およびオートチューニング用の冷却操作量を出力するオートチューニング用操作量出力部と、
前記加熱操作量による応答波形から加熱側の前記制御パラメータを算出する一方、前記冷却操作量による応答波形から冷却側の前記制御パラメータを算出する算出部とを備え、
前記オートチューニング用操作量出力部は、上限が５０％以下に制限された前記冷却操作量を出力することを特徴とする温度調節器。
前記オートチューニング用操作量出力部は、ステップ状の前記加熱操作量およびステップ状の前記冷却操作量を出力するものであり、
前記算出部は、前記ステップ状の加熱操作量による応答波形から加熱側の前記制御パラメータを算出する一方、前記ステップ状の前記冷却操作量による応答波形から冷却側の前記制御パラメータを算出する請求項１１に記載の温度調節器。
前記算出部で算出された加熱側の制御パラメータを用いて、前記制御対象を加熱する加熱装置に対する加熱操作量を出力する一方、前記算出部で算出された冷却側の制御パラメータを用いて、前記制御対象を冷却する冷却装置に対する冷却操作量を出力する制御部を備え、
前記冷却装置が、水冷の冷却装置である請求項１１または１２に記載の温度調節器。
前記冷却装置に対応する冷却モードを選択する選択部を備え、
前記オートチューニング用操作量出力部は、前記選択部で選択された冷却モードが水冷であるときに、オートチューニング用の前記冷却操作量の上限を、５０％以下に制限する請求項１１または１２に記載の温度調節器。
前記請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の温度調節器と、制御対象としての熱処理手段と、前記熱処理手段を加熱する加熱手段と、前記熱処理手段を冷却する冷却手段とを備えることを特徴とする熱処理装置。