JP2010152479A - 制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定が困難な実体物の制御量の代わりに、実体物に関係する計測点の制御量を測定して制御する場合に、実体物の制御量の設定値への追従速度を向上させる。
【解決手段】制御装置は、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨとからなるオンラインデータから維持時間ＴＸを推定する推定用多項式を記憶する推定用多項式記憶部１と、推定用多項式を用い、入力されたオンラインデータから維持時間ＴＸを推定する維持時間ＴＸ推定値算出部４と、昇温開始時点から維持時間ＴＸが経過するまでの初期制御期間において、操作量維持値ＭＨを目標として操作量ＭＶを出力する操作量維持制御部５とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、プロセス制御技術に係り、例えば実プロセス中に温度測定が不可能な実体物の代わりに、実体物の近傍の温度を温度センサにより測定し、温度を制御する制御装置および制御方法に関するものである。

半導体製造装置におけるウエハ温度、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）製造装置におけるガラス基板温度、浸炭炉における金属片などは、いずれも熱処理プロセスにおいてそのワーク（実体物）の温度（実体温度）が制御・管理されるべき対象である。しかし、いずれの場合も熱処理プロセスの本稼働中（実プロセス中）に実体物の温度を計測するのは困難であるため、いくつかの対策が実施されている。

一般的な方法としては、実プロセス中に温度測定が不可能な実体物の代わりに、実体物の近傍の温度を温度センサにより測定し、温度を制御する方法がある。
また、別の方法として、熱伝導モデル数式をコントローラに実装して、熱伝導モデルにより実体温度を推定し、推定した温度を実体温度とみなして制御する方法がある（特許文献１参照）。

特開２００６−３２９８６９号公報

実体物の近傍の温度を制御する場合は、極めて正確に実体物の温度を制御することは不可能であるが、温度制御の正確さ以上に温度操作の速度が問題になる。例えば、低い温度から高い温度に昇温する場合に、実体物と温度計測点ではヒータからの熱伝達特性、熱伝導特性が異なるため、温度上昇の速度が異なる。温度計測点を最速昇温できるようにコントローラから制御指令を出した場合であっても、その制御指令による昇温が実体温度にとって最適な昇温になるとは限らない。すなわち、実体温度に対する動的特性が反映されない制御になるので、実体温度の操作の速度が事実上成り行き任せになるという問題点があった。

一方、熱伝導モデルによる実体温度推定を行なう場合は、温度操作の速度に限らず自由自在に制御できる可能性が得られる。しかし、熱伝導モデル数式を精密に設定し、数式に含まれるパラメータ数値を合わせ込んでいく必要があるため、専門知識が要求され、複雑な実施手順になるという問題点があった。すなわち、汎用的な実施手順を規定するのは困難である。

物理的に精密な熱伝導モデル数式に代えて、ニューラルネットワークなどによるブラックボックスモデルを用いることも、広く実施されているが、実体物の熱伝導のメカニズムがブラックボックスモデルの構造にうまく適合しなければならない。通常はモデル構造の限界により、熱伝導の動的特性まで再現することは困難である。すなわち、ブラックボックスモデルでは、温度操作の過渡状態において十分な精度の実体温度推定を行なうことは困難であり、温度操作の速度を制御するために利用することはできない。
なお、以上のような問題点は、温度に限らず、他の状態量においても同様に発生する可能性がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、測定が困難な実体物の制御量の代わりに、実体物に関係する計測点の制御量を測定して制御する場合に、簡単な実施手順で実体物の制御量の設定値への追従速度を向上させることができる制御装置および制御方法を提供することを目的とする。

本発明の制御装置は、制御の概要を指定するオンラインデータから初期制御期間の終了条件を推定する推定用多項式を予め記憶する推定用多項式記憶手段と、この推定用多項式記憶手段に記憶された推定用多項式を用い、入力されたオンラインデータから前記終了条件を推定する終了条件推定算出手段と、設定値変更時点から前記終了条件が満たされるまでの初期制御期間において、入力されたオンラインデータで指定される操作量維持値を目標として操作量を出力する操作量維持制御手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記操作量維持制御手段は、設定値と制御量を入力としてＰＩＤ制御演算により前記操作量を算出するものであり、前記初期制御期間において本来の設定値の代わりに、前記操作量を前記操作量維持値に維持するのに十分な設定値を内部で設定することを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記操作量維持制御手段は、前記終了条件が満たされ前記初期制御期間が終了した後に、本来の設定値に応じた操作量を出力することを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記操作量維持値は、前記操作量維持制御手段から出力された操作量を受ける操作手段によって決まる操作量上限値に設定されることを特徴とするものである。

また、本発明の制御装置の１構成例において、前記オンラインデータは、制御量である温度の昇温開始時点における値を示す昇温開始点ＰＯと、昇温幅ＰＨと、前記操作量維持値ＭＨとを含み、前記終了条件推定算出手段は、前記オンラインデータから前記終了条件として維持時間ＴＸを算出するものであり、前記操作量維持制御手段は、設定値変更による昇温開始時点から前記維持時間ＴＸが経過するまでの初期制御期間において、前記操作量維持値ＭＨを目標として操作量を出力することを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記オンラインデータは、制御量である温度の昇温開始時点における値を示す昇温開始点ＰＯと、昇温幅ＰＨと、前記操作量維持値ＭＨとを含み、前記終了条件推定算出手段は、前記オンラインデータから前記終了条件として計測点到達温度ＰＵを算出するものであり、前記操作量維持制御手段は、設定値変更による昇温開始時点から温度計測点の温度が前記計測点到達温度ＰＵに到達するまでの初期制御期間において、前記操作量維持値ＭＨを目標として操作量を出力することを特徴とするものである。

また、本発明の制御装置の１構成例は、さらに、制御の開始前に、制御の概要を指定するデータと初期制御期間の終了条件との組からなる分析用データを用いて前記推定用多項式を算出し、この推定用多項式を前記推定用多項式記憶手段に設定する推定用多項式算出手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例は、さらに、制御の開始前に、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨと維持時間ＴＸの組からなる分析用データを用いて前記推定用多項式を算出し、この推定用多項式を前記推定用多項式記憶手段に設定する推定用多項式算出手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例は、さらに、制御の開始前に、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨと計測点到達温度ＰＵの組からなる分析用データを用いて前記推定用多項式を算出し、この推定用多項式を前記推定用多項式記憶手段に設定する推定用多項式算出手段を備えることを特徴とするものである。

また、本発明の制御方法は、推定用多項式記憶手段に記憶された推定用多項式を用い、制御の概要を指定するオンラインデータから初期制御期間の終了条件を推定する終了条件推定算出手順と、設定値変更時点から前記終了条件が満たされるまでの初期制御期間において、入力されたオンラインデータで指定される操作量維持値を目標として操作量を出力する操作量維持制御手順とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の制御方法の１構成例において、前記操作量維持制御手順は、設定値と制御量を入力としてＰＩＤ制御演算により前記操作量を算出するものであり、前記初期制御期間において本来の設定値の代わりに、前記操作量を前記操作量維持値に維持するのに十分な設定値を内部で設定することを特徴とするものである。
また、本発明の制御方法の１構成例は、さらに、前記終了条件が満たされ前記初期制御期間が終了した後に、本来の設定値に応じた操作量を出力する制御演算手順を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の制御方法の１構成例において、前記操作量維持値は、前記操作量維持制御手順で出力された操作量を受ける操作手段によって決まる操作量上限値に設定されることを特徴とするものである。
また、本発明の制御方法の１構成例は、さらに、制御の開始前に、制御の概要を指定するデータと初期制御期間の終了条件との組からなる分析用データを用いて前記推定用多項式を算出し、この推定用多項式を前記推定用多項式記憶手段に設定する推定用多項式算出手順を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、設定値変更時点から終了条件が満たされるまでの初期制御期間において、入力されたオンラインデータで指定される操作量維持値を目標として操作量を出力するようにしている。したがって、入力される任意のオンラインデータに応じて初期制御期間の最適な終了条件が推定されるように推定用多項式を予め設定しておけば、所望の制御応答を得ることができる。このため、測定が困難な実体物の制御量の代わりに、実体物に関係する計測点の制御量を測定して制御する場合に、実体物の制御量の設定値への追従速度を向上させることができる。また、本発明では、実プロセスの開始時は制御装置にオンラインデータを与えるだけでよいので、専門知識を必要とせず、簡単な実施手順で制御を実行することができる。

また、本発明では、初期制御期間において本来の設定値の代わりに、操作量を操作量維持値に維持するのに十分な設定値を内部で設定するようにしたので、初期制御期間が終了した後に本来の設定値に切り換えればよく、初期制御期間からその後の制御期間にわたって一貫してＰＩＤ制御演算を継続することができる。その結果、本発明では、制御演算自体の不連続な切り換えは発生せず、制御演算の切り換えに起因する制御量の乱れが発生することはない。

また、本発明では、制御の概要を指定するデータと初期制御期間の終了条件との組からなる分析用データを用いて推定用多項式を算出し、この推定用多項式を推定用多項式記憶手段に設定するようにしている。したがって、分析用データに含まれる初期制御期間の終了条件を、所望の制御応答が得られるように設定すれば、実プロセスの実行時に入力されるオンラインデータに対して最適と推定される初期制御期間の終了条件が算出されるので、実体物の制御量の設定値への追従速度を向上させることができる。

［発明の原理］
まず、本発明では、実体温度の昇温速度を向上させることのみに目的を限定する。すなわち、実体温度を推定することを目的とはしないという意味であり、制御方法を規定することのみを扱う。

また、温度計測点の温度と実体物の整定温度とが、概ね一致している制御系、あるいは一定の関係にあってその関係が既知である制御系を前提とする。具体的には制御系は図１のような構成であり、熱バランスの関係上、実体物の温度は最終的な整定状態において温度計測点の温度に理論上一致する対象を前提とする。

図１の例では、加熱処理炉１００の内部に実体物であるワーク１０１とヒータ１０２と温度センサ１０３とが設置されている。ヒータ１０２は、加熱処理炉１００内の空気を加熱する。温度センサ１０３は、ワーク１０１の近傍の温度（例えばワーク１０１の近傍の空気の温度あるいはワーク１０１を載せる台の温度）を測定する。温調計１０４は、温度センサ１０３によって測定された温度が設定値と一致するように操作量を算出する。電力機器１０５は、操作量に応じた電力をヒータ１０２に供給する。こうして、温調計１０４は、ワーク１０１の近傍の温度を制御する。上位コントローラ１０６は、例えば温度センサ１０３が測定したワーク１０１の近傍の温度を表示器１０７に表示させる。

実体温度（図１の例ではワーク１０１の温度）は、熱容量のある物体の温度であり、通常のＰＩＤフィードバックループで使用される温度計測点の温度よりも、ヒータ加熱作用からのむだ時間（高次特性による等価むだ時間も含む）が大きい。したがって、例えば特許文献１のように、推定した実体温度の値をＰＩＤフィードバックループに取り込み、実体温度をＰＩＤで制御しようとすると、保守的な制御になりやすい。よって、温度計測点を制御しながら、その制御パターンを操作するのが得策であることに発明者は着眼した。

具体的には、一定の高い値の操作量ＭＨ（通常は最大値）を特定の維持時間ＴＸだけ維持して、最終的に温度計測点の温度を目標とする実体物の温度に整定させれば、実体温度の昇温速度を確実に向上させることができる。このとき、操作量ＭＶの物理的上限によって決まる操作量出力飽和の関係上、昇温開始点ＰＯが高温になるほど、維持時間ＴＸは長くなる。また、特定の昇温開始点からの昇温幅ＰＨが大きいほど、維持時間ＴＸは長くなる。また、上記一定の操作量維持値ＭＨをより高い値にするほど、維持時間ＴＸは短くなる。

すなわち、昇温開始点ＰＯ、昇温幅ＰＨおよび操作量維持値ＭＨのそれぞれと維持時間ＴＸとの関係は、単調な関係になる。具体的には、維持時間ＴＸは、昇温開始点ＰＯの増加または昇温幅ＰＨの増加に応じて単調増加し、操作量維持値ＭＨの増加に応じて単調減少する。そして、基本的には、特定の実体物における実体温度の昇温速度に影響するのは、この昇温開始点ＰＯ、昇温幅ＰＨおよび操作量維持値ＭＨの３個のパラメータに限られる。

したがって、この３個のパラメータを入力パラメータとし、維持時間ＴＸを出力パラメータとすれば、単調な関係のブラックボックスを形成できる。ゆえに、予めこれらの関係を得るためのデータを収集し、多変量解析などにより入出力関係を数式化すれば、単調な関係ゆえに信頼性の高い単純な制御規則を与えることが可能になる。

なお、制御パターンを操作するという発想で、操作量ＭＶの変化パターンを予め規定しておく方法（いわゆるオープンループ制御）が行なわれることがある。このオープンループ制御では、加熱アクチュエータ系の再現性も要求される。本発明は、加熱アクチュエータ系の再現性までは要求しないので、通常のオープンループ制御に比べて制約が緩和されることになる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図２は本発明の第１の実施の形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。
本実施の形態の制御装置は、温度計測点の温度の昇温開始時点における値を示す昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨと維持時間ＴＸの組からなる分析用データを取り込んで記憶する分析用データ記憶部１と、分析用データを用いて多変量解析手法により推定用多項式を算出する推定用多項式算出部２と、推定用多項式を記憶する推定用多項式記憶部３と、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨのオンラインデータを取り込んで維持時間ＴＸの推定値を算出する維持時間ＴＸ推定値算出部４と、設定値変更による昇温開始時点から維持時間ＴＸ推定値の時間が経過するまでの初期制御期間において、オンラインデータで指定された操作量維持値ＭＨを目標として操作量ＭＶを出力し、初期制御期間が終了した後に、本来の設定値ＳＰに応じた操作量ＭＶを出力する操作量維持制御部５とを備えている。

維持時間ＴＸ推定値算出部４は、初期制御期間の終了条件（本実施の形態では維持時間ＴＸ）を推定する終了条件推定算出手段を構成している。また、分析用データ記憶部１と推定用多項式算出部２と推定用多項式記憶部３とは、分析用データを収集し、分析用データを用いて推定用多項式を求めるオフラインの段階で使用されるオフライン部を構成し、推定用多項式記憶部３と維持時間ＴＸ推定値算出部４と操作量維持制御部５とは、オフラインの段階で求められた推定用多項式を用いて維持時間ＴＸを推定し、温度計測点の温度を制御するオンラインの段階で使用されるオンライン部を構成している。

ここで、実体物の近傍の温度計測点の温度を温度センサにより測定し、その温度を制御する従来の制御方法を採用した場合の昇温の様子を、図３に示す。図３の例では、２００秒の時点から設定値ＳＰを３００℃に変更し、２００℃から３００℃への昇温を開始している。ＰＶ１は温度計測点の温度、ＰＶ２は実体温度である。ここでは、実体物として温度測定が可能なものを使用し、実体物に装着した温度センサで実体温度も測定できるものとする。

温度計測点の温度ＰＶ１は、２００秒の時点から上昇し、１８００秒弱のところで昇温が終了している。実体温度ＰＶ２は、６０００秒付近でほぼ昇温が終了しており、温度ＰＶ１に比べると昇温速度が成り行き任せになっていることが分かる。操作量ＭＶ（ヒータ出力）は、温度計測点の温度ＰＶ１を制御するために操作されており、１７００秒付近（昇温開始から約１５００秒経過した時点）のところで保温のための低い値に下がっている。したがって、１７００秒付近の時点で昇温が半分程度しか進んでいない実体温度ＰＶ２にとっては、効率の悪い昇温操作になる。

次に、本実施の形態の制御装置によって設定値ＳＰを４００℃に２６００秒間維持することで実体温度を速く昇温させる制御を採用した場合の昇温の様子を、図４に示す。図４について説明することにより、併せて分析用データの収集方法を説明する。図４の例では、操作量維持制御部５は、実体物の近傍の温度計測点の温度ＰＶ１を制御するためにＰＩＤ制御演算を用いており、設定値ＳＰ＝４００℃を２６００秒間（図４の２００秒時点から２８００秒時点の間）維持することで、この時間帯において操作量ＭＶが最大値（図４の例ではＭＨ＝７５％）になるようにしている。そして、操作量維持制御部５は、昇温開始から２６００秒経過した後に、本来の目標温度である３００℃に設定値ＳＰを切り換える。

すなわち、図４に示した制御では、設定値ＳＰを高く維持することが目的ではなく、操作量ＭＶを最大値に維持することが目的で、設定値ＳＰ＝４００℃に維持している。このときの設定値ＳＰ＝４００℃という数値は、ＰＩＤ制御演算によって操作量ＭＶが最大値ＭＨに算出されるのに十分な値であり、その意味ではＳＰ＝４５０℃でもＳＰ＝５００℃でもかまわない。このように構成することで、ＰＩＤ制御演算を一貫して継続することになるので、制御演算自体の不連続な切り換えは発生しない。

分析用データを収集するのはオフラインの段階であり、実プロセスの段階ではない。したがって、図１のワーク１０１等の実体物の表面に実体温度を計測するための温度センサを装着することが可能であり、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨと維持時間ＴＸを任意に変更することが可能である。

図５は設定値ＳＰ＝４００℃を２３００秒間維持した後に本来の目標温度である設定値ＳＰ＝３００℃に切り換えた場合の昇温の様子を示す図、図６は設定値ＳＰ＝４００℃を２９００秒間維持した後に設定値ＳＰ＝３００℃に切り換えた場合の昇温の様子を示す図である。また、図７は本実施の形態の制御装置のオフライン時の動作を示すフローチャートである。

分析用データを収集する作業者は、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨと維持時間ＴＸを条件変更しながら、適度な維持時間ＴＸを試行錯誤により求める。すなわち、図４〜図６で説明したように実体温度ＰＶ２を計測しながら、試行錯誤により維持時間ＴＸを求める。維持時間ＴＸは、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨと維持時間ＴＸを設定して昇温制御したときに、実体温度ＰＶ２が所望の特性で上昇するように決定すればよい。図５の例では、図４の例に比べて実体温度ＰＶ２の上昇が遅く、また図６の例では、実体温度ＰＶ２にオーバーシュートが発生している。したがって、図４〜図６の例の中では、図４の例で得られる維持時間ＴＸ＝２６００秒が適当であることが分かる。

こうして、作業者は、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨと維持時間ＴＸを任意に変更しながら、適度な維持時間ＴＸを試行錯誤により求めることで、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨと維持時間ＴＸの組からなる分析用データを収集する。図４の例からは、昇温開始点ＰＯ＝２００℃、昇温幅ＰＨ＝１００℃、操作量維持値ＭＨ＝７５％、維持時間ＴＸ＝２６００秒という分析用データが得られる。収集された分析用データは、制御装置の分析用データ記憶部１に登録される（図７ステップＳ１００）。分析用データの１例を表１に示す。

次に、制御装置の推定用多項式算出部２は、分析用データ記憶部１に記憶された分析用データに対して多変量解析を行うことにより、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨとから維持時間ＴＸを推定する推定用多項式を算出する（ステップＳ１０１）。表１の分析用データから求めた推定用多項式を以下に示す。

ＴＸ＝２．０×［−３８．９３２１×｛（０．２×ＰＯ−３４．５５）／３．９６３｝³
＋３．０４９６×｛（０．２×ＰＯ−３４．５５）／３．９６３｝²
×（０．２×ＰＯ＋０．２×ＰＨ−５４．５５）／１１．１７
＋０．７２４５×｛（０．２×ＰＯ−３４．５５）／３．９６３｝²
×（ＭＨ−９０）／８．１６５
＋８．５６７４×｛（０．２×ＰＯ−３４．５５）／３．９６３｝²
−７．４５×（０．２×ＰＯ−３４．５５）／３．９６３
×｛（０．２×ＰＯ＋０．２×ＰＨ−５４．５５）／１１．１７｝²
−０．５８６６×（０．２×ＰＯ−３４．５５）／３．９６３×（０．２×ＰＯ
＋０．２×ＰＨ−５４．５５）／１１．１７×（ＭＨ−９０）／８．１６５
＋１５．２３１４×（０．２×ＰＯ−３４．５５）／３．９６３×（０．２×ＰＯ
＋０．２×ＰＨ−５４．５５）／１１．１７
−４．５４７２×（０．２×ＰＯ−３４．５５）／３．９６３×（ＭＨ−９０）
／８．１６５×（ＭＨ−９０）／８．１６５
＋２１．１８９６×（０．２×ＰＯ−３４．５５）／３．９６３×（ＭＨ−９０）
／８．１６５
−７９．５０３８×（０．２×ＰＯ−３４．５５）／３．９６３
＋８．９２１８×｛（０．２×ＰＯ＋０．２×ＰＨ−５４．５５）／１１．１７｝³
−７．３８７４×｛（０．２×ＰＯ＋０．２×ＰＨ−５４．５５）／１１．１７｝²
×（ＭＨ−９０）／８．１６５
＋０．７４５４×｛（０．２×ＰＯ＋０．２×ＰＨ−５４．５５）／１１．１７｝²
＋１６．４１０８×（０．２×ＰＯ＋０．２×ＰＨ−５４．５５）／１１．１７
×｛（ＭＨ−９０）／８．１６５｝²
−８６．７８６８×（０．２×ＰＯ＋０．２×ＰＨ−５４．５５）／１１．１７
×（ＭＨ−９０）／８．１６５
＋４５２．８６０５×（０．２×ＰＯ＋０．２×ＰＨ−５４．５５）／１１．１７
−４３．３２７４×｛（ＭＨ−９０）／８．１６５｝³
＋２８．１２５×｛（ＭＨ−９０）／８．１６５｝²
−８９．３６２８×（ＭＨ−９０）／８．１６５
＋９４５．６８５５］ ・・・（１）

ここでは、多変量解析手法としてＳＶＲ（Support Vector Regression）法を採用しており、平均値を中心に標準偏差の範囲を［−１，１］に変換する正規化などの処理が必要であり、やや複雑な式になっている。通常の重回帰分析などによっても同等の数式を算出可能であることは言うまでもない。
推定用多項式算出部２が算出した推定用多項式は、推定用多項式記憶部３に記憶される（ステップＳ１０２）。以上で、制御装置のオフライン時の動作が終了する。

図８は本実施の形態の制御装置のオンライン時の動作を示すフローチャートである。制御装置のオペレータは、オンライン開始時、すなわち実プロセスの開始時に、オンラインデータとして昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨとを制御装置に入力する（図８ステップＳ２００）。このとき、操作量維持値ＭＨは、操作量ＭＶを受ける操作手段（図１の例ではヒータ１０２と電力機器１０５）によって決まる操作量上限値に設定される。なお、設定値ＳＰ＝ＰＯ＋ＰＨであるから、設定値ＳＰをオンラインデータと別に入力しなくてもよい。

維持時間ＴＸ推定値算出部４は、推定用多項式記憶部３に記憶されている推定用多項式を用い、オペレータが入力した昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨとから維持時間ＴＸの値を推定する（ステップＳ２０１）。

操作量維持制御部５は、温度センサによって計測された温度計測点の温度ＰＶ１を入力としてＰＩＤ制御演算により操作量ＭＶを算出し、操作量ＭＶを制御対象（図１の例における実際の出力先は電力機器１０５）へ出力する（ステップＳ２０２）。このとき、操作量維持制御部５は、本来の設定値ＳＰ＝ＰＯ＋ＰＨの代わりに、操作量ＭＶをオンラインデータで指定された操作量維持値ＭＨに維持するのに十分な高い値の設定値ＳＰ０（ＳＰ０＞ＳＰ）を内部で設定する。これにより、操作量維持制御部５は、操作量維持値ＭＨを目標として操作量ＭＶを出力する。

なお、操作量維持制御部５は温度計測点の温度ＰＶ１が設定値ＳＰ０と一致するように制御するため、操作量維持制御部５から実際に出力される操作量ＭＶが操作量維持値ＭＨよりも低い値になる状況は有り得る。その理由は、設定値ＳＰ０が、例えば実プロセスで許容し得る既知の最高温度に設定されるからであり、操作量維持値ＭＨが、維持することが好ましい最大値を示しているからである。操作量維持制御部５は、以上のような操作量ＭＶの算出・出力を制御周期毎に行う。

続いて、操作量維持制御部５は、設定値ＳＰ０への設定値変更による昇温開始時点からの経過時間が、維持時間ＴＸ推定値算出部４で推定された維持時間ＴＸを超過したかどうかを判定する（ステップＳ２０３）。維持時間ＴＸを超過していない場合はステップＳ２０２に戻る。

操作量維持制御部５は、昇温開始時点からの経過時間が維持時間ＴＸを超過した場合、初期制御期間が終了したと判定し、設定値ＳＰ０から本来の設定値ＳＰ＝ＰＯ＋ＰＨに切り換え、この設定値ＳＰと温度センサによって計測された温度計測点の温度ＰＶ１とからＰＩＤ制御演算によって操作量ＭＶを算出し、算出した操作量ＭＶを制御対象に出力する（ステップＳ２０５）。操作量維持制御部５は、このような操作量ＭＶの算出・出力を制御周期毎に行う。

以上のように、本実施の形態では、昇温開始時点から維持時間ＴＸが経過するまでの初期制御期間において、オンラインデータで指定される高い値の操作量維持値ＭＨを目標として操作量ＭＶを出力するようにしている。したがって、入力される任意のオンラインデータに応じて最適と推定される維持時間ＴＸが算出されるように推定用多項式を予め設定しておけば、所望の制御応答を得ることができる。このため、実プロセス中に温度測定が不可能な実体物の代わりに、実体物の近傍の温度を温度センサにより測定し、温度を制御する場合に、図４に示したような昇温を再現することができ、実体温度の昇温速度を向上させることができる。また、本実施の形態では、実プロセスの開始時は制御装置にオンラインデータを与えるだけでよいので、専門知識を必要とせず、簡単な実施手順で制御を実行することができる。

また、本実施の形態では、初期制御期間において本来の設定値ＳＰの代わりに、操作量ＭＶを操作量維持値ＭＨに維持するのに十分な設定値ＳＰ０を操作量維持制御部５の内部で設定するようにしたので、初期制御期間が終了した後に本来の設定値ＳＰに切り換えればよく、初期制御期間からその後の制御期間にわたって一貫してＰＩＤ制御演算を継続することができる。その結果、本実施の形態では、制御演算自体の不連続な切り換えは発生しない。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、維持時間ＴＸを直接の管理対象としていたが、図９、図１０に示されるように、昇温制御中に温度計測点の温度ＰＶ１が到達する最高温度である計測点到達温度ＰＵは維持時間ＴＸに対応する目安になるので、維持時間ＴＸの代わりに計測点到達温度ＰＵを採用してもよい。図９は、図４の例と同様に昇温開始時の設定値ＳＰが４００℃、本来の設定値ＳＰが３００℃、昇温幅ＰＨが１００℃、操作量維持値ＭＨが７５％で、昇温開始点ＰＯを１５０℃に変更した場合の昇温の様子を示す図、図１０は、昇温開始点ＰＯを２５０℃に変更した場合の昇温の様子を示す図である。図９の例では、維持時間ＴＸは２４００秒となり、図１０の例では、維持時間ＴＸは２８６０秒となる。

図１１は本発明の第２の実施の形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の制御装置は、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨと計測点到達温度ＰＵの組からなる分析用データを取り込んで記憶する分析用データ記憶部１ａと、分析用データを用いて多変量解析手法により推定用多項式を算出する推定用多項式算出部２ａと、推定用多項式を記憶する推定用多項式記憶部３ａと、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨのオンラインデータを取り込んで計測点到達温度ＰＵの推定値を算出する計測点到達温度ＰＵ推定値算出部４ａと、設定値変更による昇温開始時点から温度計測点の温度が計測点到達温度ＰＵの推定値に到達するまでの初期制御期間において、オンラインデータで指定された操作量維持値ＭＨを目標として操作量ＭＶを出力し、初期制御期間が終了した後に、本来の設定値ＳＰに応じた操作量ＭＶを出力する操作量維持制御部５ａとを備えている。

計測点到達温度ＰＵ推定値算出部４ａは、初期制御期間の終了条件（本実施の形態では計測点到達温度ＰＵ）を推定する終了条件推定算出手段を構成している。また、分析用データ記憶部１ａと推定用多項式算出部２ａと推定用多項式記憶部３ａとは、オフライン部を構成し、推定用多項式記憶部３ａと計測点到達温度ＰＵ推定値算出部４ａと操作量維持制御部５ａとは、オンライン部を構成している。

本実施の形態においても、制御装置のオフライン時の処理の流れは第１の実施の形態と同様であるので、図７を参照して制御装置のオフライン時の動作を説明する。
分析用データを収集する作業者は、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨと計測点到達温度ＰＵを任意に変更しながら、適度な計測点到達温度ＰＵを試行錯誤により求める。計測点到達温度ＰＵは、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨと計測点到達温度ＰＵを設定して昇温制御したときに、実体温度ＰＶ２が所望の特性で上昇するように決定すればよい。こうして、作業者は、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨと計測点到達温度ＰＵの組からなる分析用データを収集する。収集された分析用データは、分析用データ記憶部１ａに登録される（図７ステップＳ１００）。

推定用多項式算出部２ａは、分析用データ記憶部１ａに記憶された分析用データに対して多変量解析を行うことにより、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨとから計測点到達温度ＰＵを推定する推定用多項式を算出する（ステップＳ１０１）。
推定用多項式算出部２ａが算出した推定用多項式は、推定用多項式記憶部３ａに記憶される（ステップＳ１０２）。以上で、制御装置のオフライン時の動作が終了する。

図１２は本実施の形態の制御装置のオンライン時の動作を示すフローチャートである。制御装置のオペレータは、オンライン開始時に、オンラインデータとして昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨとを制御装置に入力する（図１２ステップＳ４００）。第１の実施の形態と同様に、操作量維持値ＭＨは、操作量ＭＶを受ける操作手段によって決まる操作量上限値に設定される。

計測点到達温度ＰＵ推定値算出部４ａは、推定用多項式記憶部３ａに記憶されている推定用多項式を用い、オペレータが入力した昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨとから計測点到達温度ＰＵの値を推定する（ステップＳ４０１）。

操作量維持制御部５ａは、温度センサによって計測された温度計測点の温度ＰＶ１を入力としてＰＩＤ制御演算により操作量ＭＶを算出し、操作量ＭＶを制御対象へ出力する（ステップＳ４０２）。第１の実施の形態と同様に、操作量維持制御部５ａは、本来の設定値ＳＰ＝ＰＯ＋ＰＨの代わりに、操作量ＭＶをオンラインデータで指定された操作量維持値ＭＨに維持するのに十分な高い値の設定値ＳＰ０を内部で設定する。これにより、操作量維持制御部５ａは、操作量維持値ＭＨを目標として操作量ＭＶを出力する。操作量維持制御部５ａは、操作量ＭＶの算出・出力を制御周期毎に行う。

続いて、操作量維持制御部５ａは、温度センサによって計測された温度計測点の温度ＰＶ１が、計測点到達温度ＰＵ推定値算出部４ａで推定された計測点到達温度ＰＵに到達したかどうかを判定する（ステップＳ４０３）。計測点到達温度ＰＵに到達していない場合はステップＳ４０２に戻る。

操作量維持制御部５ａは、温度計測点の温度ＰＶ１が計測点到達温度ＰＵに到達した場合、初期制御期間が終了したと判定し、設定値ＳＰ０から本来の設定値ＳＰ＝ＰＯ＋ＰＨに切り換え、この設定値ＳＰと温度センサによって計測された温度計測点の温度ＰＶ１とからＰＩＤ制御演算によって操作量ＭＶを算出し、算出した操作量ＭＶを制御対象に出力する（ステップＳ４０５）。操作量維持制御部５ａは、このような操作量ＭＶの算出・出力を制御周期毎に行う。
以上のようにして、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、第１、第２の実施の形態の制御装置は、ＣＰＵ、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、例えば実プロセス中に温度測定が不可能な実体物の代わりに、実体物の近傍の温度を温度センサにより測定し、温度を制御する技術に適用することができる。

本発明を適用する制御系の例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。 従来の制御方法を採用して温度計測点を昇温制御した場合の温度計測点の温度と実体温度の１例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る制御装置によって昇温制御した場合の温度計測点の温度と実体温度の１例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る制御装置によって昇温制御した場合の温度計測点の温度と実体温度の他の例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る制御装置によって昇温制御した場合の温度計測点の温度と実体温度の他の例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る制御装置のオフライン時の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態に係る制御装置のオンライン時の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る制御装置によって昇温制御した場合の温度計測点の温度と実体温度の１例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る制御装置によって昇温制御した場合の温度計測点の温度と実体温度の他の例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る制御装置のオンライン時の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１，１ａ…分析用データ記憶部、２，２ａ…推定用多項式算出部、３，３ａ…推定用多項式記憶部、４…維持時間ＴＸ推定値算出部、４ａ…計測点到達温度ＰＵ推定値算出部、５，５ａ…操作量維持制御部、１００…加熱処理炉、１０１…ワーク、１０２…ヒータ、１０３…温度センサ、１０４…温調計、１０５…電力機器、１０６…上位コントローラ、１０７…表示器。

Claims (14)

1. 制御の概要を指定するオンラインデータから初期制御期間の終了条件を推定する推定用多項式を予め記憶する推定用多項式記憶手段と、
   この推定用多項式記憶手段に記憶された推定用多項式を用い、入力されたオンラインデータから前記終了条件を推定する終了条件推定算出手段と、
   設定値変更時点から前記終了条件が満たされるまでの初期制御期間において、入力されたオンラインデータで指定される操作量維持値を目標として操作量を出力する操作量維持制御手段とを備えることを特徴とする制御装置。
2. 請求項１記載の制御装置において、
   前記操作量維持制御手段は、設定値と制御量を入力としてＰＩＤ制御演算により前記操作量を算出するものであり、前記初期制御期間において本来の設定値の代わりに、前記操作量を前記操作量維持値に維持するのに十分な設定値を内部で設定することを特徴とする制御装置。
3. 請求項１または２記載の制御装置において、
   前記操作量維持制御手段は、前記終了条件が満たされ前記初期制御期間が終了した後に、本来の設定値に応じた操作量を出力することを特徴とする制御装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御装置において、
   前記操作量維持値は、前記操作量維持制御手段から出力された操作量を受ける操作手段によって決まる操作量上限値に設定されることを特徴とする制御装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置において、
   前記オンラインデータは、制御量である温度の昇温開始時点における値を示す昇温開始点ＰＯと、昇温幅ＰＨと、前記操作量維持値ＭＨとを含み、
   前記終了条件推定算出手段は、前記オンラインデータから前記終了条件として維持時間ＴＸを算出するものであり、
   前記操作量維持制御手段は、設定値変更による昇温開始時点から前記維持時間ＴＸが経過するまでの初期制御期間において、前記操作量維持値ＭＨを目標として操作量を出力することを特徴とする制御装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置において、
   前記オンラインデータは、制御量である温度の昇温開始時点における値を示す昇温開始点ＰＯと、昇温幅ＰＨと、前記操作量維持値ＭＨとを含み、
   前記終了条件推定算出手段は、前記オンラインデータから前記終了条件として計測点到達温度ＰＵを算出するものであり、
   前記操作量維持制御手段は、設定値変更による昇温開始時点から温度計測点の温度が前記計測点到達温度ＰＵに到達するまでの初期制御期間において、前記操作量維持値ＭＨを目標として操作量を出力することを特徴とする制御装置。
7. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置において、
   さらに、制御の開始前に、制御の概要を指定するデータと初期制御期間の終了条件との組からなる分析用データを用いて前記推定用多項式を算出し、この推定用多項式を前記推定用多項式記憶手段に設定する推定用多項式算出手段を備えることを特徴とする制御装置。
8. 請求項５記載の制御装置において、
   さらに、制御の開始前に、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨと維持時間ＴＸの組からなる分析用データを用いて前記推定用多項式を算出し、この推定用多項式を前記推定用多項式記憶手段に設定する推定用多項式算出手段を備えることを特徴とする制御装置。
9. 請求項６記載の制御装置において、
   さらに、制御の開始前に、昇温開始点ＰＯと昇温幅ＰＨと操作量維持値ＭＨと計測点到達温度ＰＵの組からなる分析用データを用いて前記推定用多項式を算出し、この推定用多項式を前記推定用多項式記憶手段に設定する推定用多項式算出手段を備えることを特徴とする制御装置。
10. 推定用多項式記憶手段に記憶された推定用多項式を用い、制御の概要を指定するオンラインデータから初期制御期間の終了条件を推定する終了条件推定算出手順と、
    設定値変更時点から前記終了条件が満たされるまでの初期制御期間において、入力されたオンラインデータで指定される操作量維持値を目標として操作量を出力する操作量維持制御手順とを備えることを特徴とする制御方法。
11. 請求項１０記載の制御方法において、
    前記操作量維持制御手順は、設定値と制御量を入力としてＰＩＤ制御演算により前記操作量を算出するものであり、前記初期制御期間において本来の設定値の代わりに、前記操作量を前記操作量維持値に維持するのに十分な設定値を内部で設定することを特徴とする制御方法。
12. 請求項１０または１１記載の制御方法において、
    さらに、前記終了条件が満たされ前記初期制御期間が終了した後に、本来の設定値に応じた操作量を出力する制御演算手順を備えることを特徴とする制御方法。
13. 請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の制御方法において、
    前記操作量維持値は、前記操作量維持制御手順で出力された操作量を受ける操作手段によって決まる操作量上限値に設定されることを特徴とする制御方法。
14. 請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の制御方法において、
    さらに、制御の開始前に、制御の概要を指定するデータと初期制御期間の終了条件との組からなる分析用データを用いて前記推定用多項式を算出し、この推定用多項式を前記推定用多項式記憶手段に設定する推定用多項式算出手順を備えることを特徴とする制御方法。

Images