JP2020086524A - Temperature control method and temperature control device - Google Patents
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Abstract
Description
加温・冷却体と実体制御目的物間の距離、測定されたエネルギー指標とその変化量のいずれかまたはその組合せに基づき、仮想的な制御点を想定し、この仮想的な制御点に対する温度制御を行うことにより、本体である実体制御目的物に対するハンチング、オーバーシュート、アンダーシュートの抑制を安定的にかつ効率的に行う温度制御方法および温度制御装置に関するものである。 A virtual control point is assumed based on the distance between the heating/cooling body and the physical control target, or the measured energy index and its change amount, or a combination thereof, and temperature control is performed for this virtual control point. The present invention relates to a temperature control method and a temperature control device for stably and efficiently suppressing hunting, overshoot, and undershoot with respect to a substance control target object which is a main body.
温度制御装置、すなわち、制御される対象物が到達すべき目標値とセンサ等によって検知された現在値とを比較し、その偏差に応じて演算を行いペルチェ素子やヒータなどの加温・冷却手段の操作を制御する装置は、ハンチングやオーバーシュートやアンダーシュートを極力抑制するように温度制御を行わなければならない。
ハンチングとは、図１２に示すように、制御される対象物の温度が設定された目標温度に対してオーバーシュートとアンダーシュートを繰り返し、安定して制御できない状態をいう。一時的に温度が一定になったとしてもまたハンチングを起こすこともあり、制御される対象物が直上にない場合や、エネルギー（温度）分布により仮想的な距離が存在している場合は、安定した温度制御が特に難しくなる。
このハンチングという現象は、一時的に安定したように見えても再び起きる場合があり、アンダーシュートとオーバーシュートが発生することは、例えば以下の分野で問題となる。
A temperature control device, that is, a target value to be reached by a controlled object is compared with a current value detected by a sensor or the like, and calculation is performed according to the deviation to heat or cool a Peltier element or a heater. The device for controlling the operation of 1 must perform temperature control so as to suppress hunting, overshoot, and undershoot as much as possible.
Hunting, as shown in FIG. 12, refers to a state in which the temperature of an object to be controlled repeats overshoot and undershoot with respect to a set target temperature, and stable control cannot be performed. Hunting may occur even if the temperature becomes constant temporarily, and it is stable if the controlled object is not directly above or if there is a virtual distance due to the energy (temperature) distribution. It is especially difficult to control the temperature.
This phenomenon of hunting may occur again even if it looks temporarily stable, and the occurrence of undershoot and overshoot is a problem in the following fields, for example.
化学反応の分野では、ある一定の温度条件によってのみ反応を起こすプロセスがあり、結晶生成の分野では、ある一定の温度条件によってのみ結晶ができる。また、生物化学的反応の分野では、バイオリアクタ等の温度条件によってのみ反応がおき、オーバーシュートによって生物が死滅してしまいリアクタが破損することがある。生物分野では、ある条件でのみ生息できる生命体を維持したり、またある条件でのみその形態や副生成物を内部または外部に生成したりすることがある。また、生物センサの場合も、化学的センサの場合も、温度の安定がそのセンシングにもたらす影響が大きい。さらに、精密測定の分野では、電子回路を含む温度ステップやサイクル試験で、綺麗な温度勾配やサイクルを呈さなければ、回路や部品の性能などを測れない実験がある。
したがって、これらの分野で使用される機器においては、ハンチング等の発生は厳禁である。
In the field of chemical reaction, there is a process that causes a reaction only under certain temperature conditions, and in the field of crystal formation, crystals are formed only under certain temperature conditions. Further, in the field of biochemical reaction, a reaction occurs only depending on temperature conditions of a bioreactor or the like, and organisms may be killed due to overshooting and the reactor may be damaged. In the biological field, life forms that can only live under certain conditions are maintained, and their forms and by-products are generated internally or externally only under certain conditions. Further, in the case of both the biological sensor and the chemical sensor, the temperature stability has a great influence on the sensing. Furthermore, in the field of precision measurement, there are experiments in which the performance of circuits and parts cannot be measured unless a clean temperature gradient or cycle is exhibited in a temperature step or cycle test including electronic circuits.
Therefore, the occurrence of hunting is strictly prohibited in the devices used in these fields.
ハンチングの抑制というテーマで、種々の特許出願がなされている。
特許文献１には、温調ブロック（検体と試薬を混合した反応液を収容する容器を保持するブロック）の温度変化量（現在周期の温度―前回周期の温度）を「大」から「無し」となるように熱源の操作量を制御することでハンチングを抑止する「核酸増幅装置、温度制御方法、及び温度制御装置」の発明が開示されている。
特許文献２には、エンジンの冷却水温度を制御する場合に、設定温度で安定した時のラジエータ放熱量を予測し、この予測値に応じて電子制御サーモスタットを制御することによりハンチングなどを発生させずに冷却水温度制御を行う「電子制御サーモスタットの制御方法」の発明が開示されている。
特許文献３には、冷却プレートの設定温度を基準温度Ｔ０からハンチング抑制温度Ｔ１に上げ、その後、所定の降温速度で基準温度Ｔ０まで降温させる「光学素子の成形方法及び成形装置」の発明が開示されている。
Various patent applications have been filed under the theme of suppressing hunting.
In
In
これらの特許文献に記載された発明では、温度制御を行う対象である温調ブロック（特許文献１）を、サーモスタット（特許文献２）を、冷却プレート（特許文献３）を、つまり温度制御対象そのものを直接的に制御しようとする。
しかし、これらの従来の制御方法では次のような問題がある。
すなわち、１台の装置に多数の温度制御系が存在している場合、制御対象に直接温度センサを取り付けて制御しても、加温・冷却体それぞれを制御しても、各点での制御では、統合的動的な制御点に対する制御ができない。また、多数の制御対象が存在し、それぞれに制御点が存在している場合、各点の平均では一点に対する制御になるため、無駄に制御用の加温・冷却体が多くなって効率的ではない。さらに、制御対象が１個であり、これに対し多数の加温・冷却体があっても一点を対象にした処理では、無駄のない効率的な制御はできない。
したがって、ハンチングを抑制し、且つ効率的な制御ができる温度制御方法が望まれるのである。
In the inventions described in these patent documents, the temperature control block (patent document 1), the thermostat (patent document 2), the cooling plate (patent document 3), which is the target for temperature control, that is, the temperature control target itself. Try to control directly.
However, these conventional control methods have the following problems.
In other words, when multiple temperature control systems are present in one device, whether the temperature sensor is directly attached to the controlled object for control or the heating/cooling body is controlled respectively, control at each point Then, it is impossible to control the integrated dynamic control point. In addition, when there are many controlled objects and control points exist for each, the average of each point is control for one point, so the number of heating/cooling bodies for control is wastefully increased and it is not efficient. Absent. Further, the number of control objects is one, and even if there are many heating/cooling bodies, it is not possible to perform efficient control without waste in the processing for one point.
Therefore, a temperature control method capable of suppressing hunting and performing efficient control is desired.
ところで、温度制御の用途で多用されるペルチェ素子には、冷却・加熱・温度制御が自由に行えるという特長がある。つまり、ソフトウェアによって自在な温度制御が容易なのである。それならば、制御対象である目的物そのものではなく、その目的物を間接的に温度制御することで、ハンチングなどの発生を抑制することも可能なはずである。
そこで、本発明は、ペルチェ素子の制御方法を工夫して、簡便にハンチング等を抑制することを課題とする。
By the way, the Peltier element often used for temperature control has a feature that cooling, heating, and temperature control can be freely performed. In other words, it is easy to control the temperature freely by software. In that case, it should be possible to suppress the occurrence of hunting by indirectly controlling the temperature of the target object, not the target object itself to be controlled.
Therefore, it is an object of the present invention to devise a method of controlling a Peltier element to easily suppress hunting and the like.
上記の目的を達成するために、請求項１に係る温度制御方法の発明は、
実体制御目的物側の第１実体制御点、及び加温・冷却体側の第２実体制御点の位置やエネルギー指標のいずれか又はそれらの組合せに基づいて仮想制御点を定義するステップと、
一定時間間隔で区切った制御区間毎に、前記第１実体制御点近傍と前記第２実体制御点近傍の各エネルギー指標と、前記仮想制御点と前記第１実体制御点間の距離と前記仮想制御点と前記第２実体制御点間の距離の比とに基づき、前記仮想制御点の現在のエネルギー指標を推計するステップと、
前記実体制御目的物の目標値として設定されたエネルギー指標に対応するようなエネルギー指標に前記仮想制御点が到達して、その後安定してその目標値を継続できるようになるまで前記加温・冷却体の操作を前記制御区間毎に制御するステップと
からなることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention of a temperature control method according to
A step of defining a virtual control point based on any one or a combination of the positions and energy indices of the first substance control point on the substance control target side and the second substance control point on the heating/cooling body side;
For each control section divided at a constant time interval, each energy index near the first substance control point and the second substance control point, the distance between the virtual control point and the first substance control point, and the virtual control. Estimating a current energy index of the virtual control point based on a ratio of the distance between the point and the second substance control point;
The heating/cooling is performed until the virtual control point reaches an energy index corresponding to the energy index set as the target value of the physical control target object, and then the target value can be stably continued. Controlling the operation of the body for each control section.
このように、実体制御目的物と加温・冷却体のそれぞれの直上あるいは近傍にある実体制御点の示す指標だけを元に温度制御をするのではなく、実体制御目的物と加温・冷却体の位置関係やそれぞれのエネルギー指標から「仮想制御点」を定義し、これに対して温度制御を行うのである。仮想制御点のエネルギー指標を推計してこの推計値を元に、加温・冷却体の操作を制御（下記の実施形態ではＰＩ制御またはＰＩＤ制御を用いる）するので、ハンチングなどの不安定要素を可能な限り小さくできる。 In this way, the temperature is not controlled based only on the indices indicated by the substance control points directly above or in the vicinity of the substance control target and the heating/cooling body. The "virtual control point" is defined based on the positional relationship and the energy index of each, and temperature control is performed for this. Since the energy index of the virtual control point is estimated and the operation of the heating/cooling body is controlled (PI control or PID control is used in the following embodiments) based on this estimated value, instability factors such as hunting are eliminated. Can be as small as possible.
ここで、実体制御目的物とは加温・冷却体によって加温もしくは冷却しようとする目的物（例えば、検体）をいう。
加温・冷却体とは下記の実施形態ではペルチェ素子であるが、ヒータでも空冷ファンでもなんでもよい。
第１、第２実体制御点とは、実体制御目的物と加温・冷却体のそれぞれの表面や近傍に設けた現在のエネルギー指標を計測するための点であり、センサ類が接続している。
エネルギー指標とは、温度が代表的であるが、電気抵抗や電圧や電流の値でもよい。仮想制御点の推計値を算出する際、エネルギー指標をそのまま使用しても、前回取得したエネルギー指標との変化量を使用してもいずれでもよい。
仮想制御点とは、物理的に存在するわけではなく、推計値を算出するために便宜上想定した点である。
Here, the substance control target object means a target object (for example, a sample) to be heated or cooled by a heating/cooling body.
The heating/cooling body is a Peltier element in the following embodiments, but may be a heater or an air cooling fan.
The first and second substance control points are points for measuring current energy indexes provided on or near the respective surfaces of the substance control target and the heating/cooling body, and sensors are connected to them. ..
The energy index is typically temperature, but may be electric resistance, voltage, or current value. When calculating the estimated value of the virtual control point, the energy index may be used as it is, or the amount of change from the previously obtained energy index may be used.
The virtual control point does not physically exist, but is a point assumed for convenience in order to calculate the estimated value.
請求項１に記載の温度制御方法は、前記加温・冷却体の操作を制御する過程において、前記仮想制御点が静的または動的に定義されることを特徴とする。
仮想制御点は、プログラムの実行時に生ずる仮想的な存在なので、制御処理開始時点で静的に定義されているだけでなく、温度変化等に応じて、任意の位置に定義することができる。
The temperature control method according to
Since the virtual control point is a virtual existence that occurs when the program is executed, it is not only statically defined at the start of control processing, but also can be defined at any position according to temperature changes and the like.
請求項１に記載の温度制御方法は、実体制御目的物と加温・冷却体はそれぞれ１個以上任意個数あってもよい。
これにより、実体制御目的物上あるいは近傍にある第１実体制御点、加温・冷却体上あるいは近傍にある第２実体制御点の関係が多対多であっても、多対１であっても、１対多であっても安定した温度制御が可能になる。
このように、任意個数に対応できるということは、温度制御中に実体制御目的物の個数の増減などがあっても対応しうることにもなり、温度制御中に発生する実体制御点におけるエネルギー指標の動的変化に対して、より迅速に対応して安定した制御を実現できる。
In the temperature control method according to the first aspect, the physical control target object and the heating/cooling body may each be one or more in any number.
As a result, even if the relationship between the first substance control point on or near the substance control target and the second substance control point on or near the heating/cooling body is many-to-many, it is many-to-one. Also, stable temperature control becomes possible even with one-to-many.
In this way, the fact that it can handle an arbitrary number also means that it is possible to deal with an increase or decrease in the number of physical control objects during temperature control, and the energy index at the physical control point that occurs during temperature control. It is possible to more quickly respond to the dynamic change of and to realize stable control.
請求項４は、本発明の温度制御方法を適用した温度制御装置にかかる発明である。 Claim 4 relates to a temperature control device to which the temperature control method of the present invention is applied.
温度制御を行う点を実体制御目的物１点に集中させないために状況に応じて最適な仮想制御点を定義し、この仮想制御点に対して一定の時間に分割した制御区間毎に温度制御を行うのでハンチングが問題とならず、実体制御目的物への安定した温度制御を行うことが可能となる。 An optimal virtual control point is defined according to the situation in order to avoid concentrating the temperature control points on one point of the physical control target, and temperature control is performed for each control section divided into a certain time with respect to this virtual control point. Since hunting does not become a problem because it is performed, it becomes possible to perform stable temperature control to the physical control target object.
本発明の実施形態について、
（１）仮想制御点による温度制御方法
（２）仮想制御点の考え方を適用した温度制御装置
の順に説明する。
For the embodiment of the present invention,
(1) Temperature control method using virtual control points (2) A temperature control device to which the concept of virtual control points is applied will be described in this order.
（１）仮想制御点による温度制御方法
（１−１）加温・冷却体―実体制御目的物間の距離と仮想制御点
温度制御において、制御される側（実体制御目的物）と制御する側（加温・冷却体）との位置関係を大別すると、直接接している場合と、物理的に距離が離れている場合の２通りがある。
図１（１）のように、実体制御目的物１と加温・冷却体２が直接的に接しているのであれば、原則として従来の装置で温度制御が可能である。つまり、物理的な距離が無いので、熱伝達の遅れに伴うハンチングなどが問題とならないのである。
(1) Temperature control method by virtual control point (1-1) Distance between heating/cooling body-physical control target object and virtual control point In temperature control, the controlled side (actual control target object) and the controlling side The positional relationship with the (heating/cooling body) is roughly classified into two types, that is, a direct contact and a physical distance.
As shown in FIG. 1 (1 ), if the
ところが、図１（２）のように、物理的に距離が離れている場合、実体制御目的物１の実体制御点１ｘのエネルギー指標に基づいて制御しようとしても、当該実体制御目的物１に熱変化が到達し、その到達した指標を安定的に継続できるようになるまでに時間がかかる。そのため、オーバーシュート、アンダーシュート、ハンチングが発生する。これは、加温・冷却体２が実体制御目的物１から離れているので、実体制御目的物１の変化には不安定なタイムラグが発生し、正確な制御ができないからである。
このような実体制御目的物１と加温・冷却体２とが離れている場合に、図３に示すような仮想制御点３を直接の制御対象とするのが本実施形態の温度制御方法なのである。
However, as shown in FIG. 1(2), when the
When the
（１−２）３台の車両の走行の比喩として仮想制御点の意義を説明
本実施形態の温度制御方法において、「仮想制御点」は最も特徴的な概念であるが、物理的に存在せず温度制御のアルゴリズム中でのみ存在する。そこで便宜上、自動車の安定的な走行に喩えて説明する。
図２に示すように、３台の車が連続して走行しているものとする。先頭車両は本実施形態の加温・冷却体の、後尾車両は実体制御目的物の、中間を走行している車両は仮想制御点のそれぞれ比喩である。
図２では、視界がよく前後の車両を十分に確認しながら走行できる状態にあり、この状態では、いずれの車両も等間隔で同じ速度で運転できるので、各車両の速度ｖの変化量（Δｖ）は等しい。
すなわち、本実施形態に即していえば、
Δ加温・冷却体の温度＝Δ仮想制御点の温度＝Δ実体制御目的物の温度
が成り立つ。
(1-2) Explain the meaning of the virtual control point as a metaphor for traveling of three vehicles In the temperature control method of the present embodiment, the “virtual control point” is the most characteristic concept, but it does not physically exist. Not present only in temperature control algorithms. Therefore, for the sake of convenience, the explanation will be made by analogy to stable driving of a car.
As shown in FIG. 2, it is assumed that three cars are running continuously. The leading vehicle is the heating/cooling body of the present embodiment, the trailing vehicle is the real control object, and the vehicle running in the middle is a virtual control point.
In FIG. 2, the visibility is good and the vehicles in front and behind can be traveled while being sufficiently checked. In this state, both vehicles can be driven at equal intervals and at the same speed, so that the variation amount (Δv ) Are equal.
That is, according to this embodiment,
Δ heating/cooling body temperature=Δ virtual control point temperature=Δ substance control target temperature.
本実施形態では、先頭の車両（＝加温・冷却体）が中間の車両（＝仮想制御点）を制御対象とする。対象までの距離が短くなっているので、制御は短時間且つ正確である。つまり、ハンチングは起こりにくい。中間の車両と後尾の車両（＝実体制御目的物）との間の距離も短いので短時間で追随する。結局、二つのサブシステム（１：仮想制御点に対する加温・冷却、２：仮想制御点から実体制御目的物への熱移動）の誤差を合計すると、効果は非線形であり本来の一つのシステム（実体制御目的物そのものを直接加温・冷却）で生じた誤差よりも小さくなるという現象が見られるのである。 In the present embodiment, the leading vehicle (=heating/cooling body) controls the intermediate vehicle (=virtual control point). Control is short and accurate because the distance to the target is short. That is, hunting is unlikely to occur. Since the distance between the middle vehicle and the rear vehicle (=substance control object) is short, it follows in a short time. After all, when the errors of the two subsystems (1: heating/cooling to the virtual control point, 2: heat transfer from the virtual control point to the physical control target) are summed, the effect is non-linear and the original one system ( There is a phenomenon in which the error is smaller than the error caused by directly heating or cooling the physical control object itself.
ただし、図２の比喩は分かりやすさを優先したのであって、仮想制御点は必ずしも加温・冷却体と実体制御目的物の中間に定義されるものではない。例えば、すでに制御されるべき車両（＝実体制御目的物）が先頭を走行していて、制御する車両（＝加温・冷却体）と仮想制御点に相当する車両が、前方の車両（＝実体制御目的物）を目指して走行する場合もある。
要は、第１実体制御点と第２実体制御点の固定位置に基づき、仮想制御点が静的に定義されるわけではなく、動的に定義されうるという点が重要なのである。
However, the metaphor of FIG. 2 gives priority to intelligibility, and the virtual control point is not necessarily defined between the heating/cooling body and the physical control target object. For example, a vehicle to be controlled (=entity control object) is traveling at the head, and a vehicle to be controlled (=heating/cooling body) and a vehicle corresponding to a virtual control point are vehicles in front (=entity). In some cases, the vehicle may travel toward the control object).
The point is that the virtual control points are not statically defined based on the fixed positions of the first entity control points and the second entity control points, but can be dynamically defined.
（１−３）仮想制御点の定義すなわち空間座標の決定、およびエネルギー指標の推計
以下、仮の数値を当てはめて、仮想制御点に関する説明を続ける。
実体制御目的物１の第１実体制御点１ｘが外的要因のために３０度を示し、加温・冷却体２の第２実体制御点２ｘが２５度であり、実体制御目的物１に対する最終目的温度が３５度であるものとする。
この場合、第１実体制御点１ｘ、第２実体制御点２ｘまたは仮想制御点３のいずれかを３５度に設定し、制御をスタートする。このようなスタートをさせるのは、２種類の実体制御点１ｘ、２ｘと仮想制御点３のいずれを先行させる必要があるかは外的要因によってケースバイケースであるからである。
(1-3) Definition of virtual control points, that is, determination of spatial coordinates, and estimation of energy index Hereinafter, the description regarding the virtual control points will be continued by applying temporary numerical values.
The first
In this case, either the first
ここで、仮想制御点３の位置座標が問題となるが、予備実験済みであって、第１・第２実体制御点１ｘ、２ｘとの距離の比率（図３のＳ１：Ｓ２）として適切な値が判明していたならば、それを元に計算される値とすればよい。未だ実験されていなければ１：１すなわち２種類の実体制御点の中点の座標としてもよい。なお、本実施形態の温度制御方法を適用した装置を試作し、多数回実験を繰り返したところ、仮想制御点３を単純に中点に設定してもハンチング抑制の効果が得られた。
Here, the position coordinates of the
次に、仮想制御点３に対する制御方法は次のとおりである。
まず加温・冷却体側がＰＩＤ制御またはＰＩ制御（以下、「ＰＩＤ制御」）によって約３３度まで到達したならば、定義済みの仮想制御点３を利用してＰＩＤ制御を開始する。実体制御目的物１の温度状況を検知しながら、予備実験等でどの位置に定義された仮想制御点３の設定温度を何度にすればよいかがわかっている場合、仮想制御点３が設定された温度に到達するように加温・冷却体２の制御を続ける。この制御により仮想制御点３の温度が変化し、これに伴い実体制御目的物１が目標の温度に近づいていく。
この過程で、仮想制御点３と２つの実体制御点との距離Ｓ１，Ｓ２を変化させることもある。つまり仮想制御点３は動的に定義されるわけである。加温・冷却体２の操作を制御するコンピュータプログラムの実行過程において計算上でのみ存在するので、仮想制御点３はどのようにでも定義が可能なのである。勿論静的に一定比を保つ方が良い場合もある。
Next, the control method for the
First, when the heating/cooling body side reaches about 33 degrees by PID control or PI control (hereinafter, “PID control”), the PID control is started using the defined
In this process, the distances S1 and S2 between the
仮想制御点３は位置だけでなく、開始時点における温度の設定も自由である。例えば、実験開始時点において実体制御目的物１が１０度、加温・冷却体２が２５度、仮想制御点３がマイナス２００度でスタートすることも可能である。仮想制御点３は計算上の存在だからであり、初期値が大幅に上回っていたり下回ったりしていた方が制御しやすい場合もあるからである。
Not only the position of the
次に、図３を参照しながら、温度制御処理を開始してからの仮想制御点３の温度変化量の推計方法の一例を説明する。
図３に示す例では、加温・冷却体２近傍の第２実体制御点２ｘの空間座標と実体制御目的物１近傍の第１実体制御点１ｘの空間座標とを両端とする線分上に仮想制御点３を定義する。
Ｓ１＝加温・冷却体２の実体制御点２ｘと仮想制御点３との距離
Ｓ２＝実体制御目的物１の実体制御点１ｘと仮想制御点３との距離
ＥＩ１＝実体制御目的物１の実体制御点１ｘで計測されたエネルギー指標
ＥＩ２＝加温・冷却体２の実体制御点２ｘで計測されたエネルギー指標
ＶＣＰ＝仮想制御点３のエネルギー指標（計算で導き出す推計値）
とする。
仮想制御点３におけるエネルギー指標の前回との変化量であるΔＶＣＰは次の数式で推計する。
ΔＶＣＰ＝（（ΔＥＩ１−ΔＥＩ２）×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２））＋ΔＥＩ２
なお、この式は直線補間であるが、温度分布が一様でない場合等は曲線補間であってもかまわない。このように、数式を用いて算出してもよいが、予備試験結果などに基づいて作成したルックアップテーブルを参照して取得したり、任意に推計値を当てはめたりする方法もある。
Next, an example of a method of estimating the temperature change amount of the
In the example shown in FIG. 3, on the line segment having the space coordinates of the second
S1=Distance between
And
ΔVCP, which is the change amount of the energy index at the
ΔVCP=((ΔEI1-ΔEI2)×S1/(S1+S2))+ΔEI2
Note that this equation is linear interpolation, but curved interpolation may be used when the temperature distribution is not uniform. As described above, it may be calculated using a mathematical formula, but there is also a method of obtaining it by referring to a look-up table created based on preliminary test results or the like, or applying an estimated value arbitrarily.
（１−４）仮想制御点のエネルギー指標が目標値に到達するように加温・冷却体の操作を制御
加温・冷却体２の操作を制御するソフトウェアあるいはハードウェアは、仮想制御点３の推計温度を参照しＰＩＤ制御を行う。
ＰＩＤ制御は、仮想制御点３の現在の推計値と仮想制御点３の目標温度として設定された値との偏差を求め、これに比例した出力をする比例動作と積分した値に比例した出力をする積分動作と微分した値に比例した出力をする微分動作とによって偏差を解消する方向で加温・冷却体２に対する操作を制御する。
この実施形態では、一般的なＰＩＤ制御を用いているが、入力値が仮想制御点３の現在推計値と目標値との偏差であるという点が特徴的である。ＰＩＤ制御によっても目標温度に近づくに従い、温度の変化量が緩やかとなってハンチングを低減する働きがあるが、それでもハンチング抑制には十分でない。この実施形態では、仮想制御点を設けたことによって、この弱点を補うものである。
(1-4) Controlling the operation of the heating/cooling body so that the energy index of the virtual control point reaches the target value The software or hardware for controlling the operation of the heating/
In the PID control, the deviation between the current estimated value of the
In this embodiment, general PID control is used, but it is characterized in that the input value is the deviation between the current estimated value and the target value of the
（１−５）加温・冷却体と実体制御目的物の少なくとも一方の個数が複数の場合
加温・冷却体と実体制御目的物が各１個の場合を想定して説明してきたが、少なくとも一方が複数個あっても仮想制御点を利用した温度制御が可能である。以下、少なくとも一方が複数ある場合の簡単な仮想制御点の定義の仕方を説明する。
図４は、加温・冷却体２が２個と実体制御目的物１が１個の場合である。なお、加温・冷却体２は３個以上でも考え方は同様である。
一方の加温・冷却体２ａと実体制御目的物１との距離をＡ，他方の加温・冷却体２ｂと実体制御目的物１との距離をＢ，加温・冷却体２ａ、２ｂ同士の距離をＣとする。Ａ：Ｂ：Ｃの比率から仮想制御点３を定義する。この仮想制御点３を温度制御の示標とすることで実体制御目的物１自体を安定的に制御することが可能となる。
仮想制御点３の位置は、Ａ，Ｂ，Ｃを３辺とする三角形の重心や外心に限らず、測定されたエネルギー指標等に基づき動的に決めればよい。
(1-5) When the number of at least one of the heating/cooling body and the physical control target object is plural, the description has been made assuming that there is one heating/cooling body and one physical control target object. Even if there are multiple ones, temperature control using virtual control points is possible. Hereinafter, a simple method of defining a virtual control point when there is a plurality of at least one will be described.
FIG. 4 shows a case where there are two heating/
The distance between one heating/
The position of the
図５は、加温・冷却体２が１個と実体制御目的物１が２個の場合である。なお、実体制御目的物は３個以上でも考え方は同様である。
加温・冷却体２と一方の実体制御目的物１ａとの距離をＡ，加温・冷却体２と他方の実体制御目的物１ｂとの距離をＢ，実体制御目的物１ａ、１ｂ同士の距離をＣとする。Ａ：Ｂ：Ｃの比率から仮想制御点３の位置を決定する。この仮想制御点３を温度制御の対象とすることで実体制御目的物１ａ、１ｂ自体を安定的に制御することが可能となる。
FIG. 5 shows a case where there is one heating/
The distance between the heating/
図６は、加温・冷却体２と実体制御目的物１が各２個の場合である。なお、２個に限らず３個以上でも考え方は同様である。
頂点Ｐを共有する２つの三角形を考え、一方の三角形の辺Ａ：Ｂ：Ｃの比率などに基づき仮想点Ｐ１を求め、他方の三角形の辺Ｄ：Ｅ：Ｆの比率などに基づき仮想点Ｐ２を求める。この仮想点Ｐ１と仮想点Ｐ２とから仮想制御点３の位置を決定し、この点の温度制御を介して、２つの実体制御目的物１ａ，１ｂの温度制御を安定的に行う。なお、頂点Ｐが必ずしも仮想制御点３と一致するとは限らない。
FIG. 6 shows a case where each of the heating/
Considering two triangles sharing the vertex P, a virtual point P 1 is obtained based on the ratio of sides A:B:C of one of the triangles, and a virtual point based on the ratio of sides D:E:F of the other triangle. Find P 2 . The position of the
（１−６）その他
実体制御目的物１と加温・冷却体２が物理的に離れている場合に仮想制御点３の考え方を適用する意味がある。したがって、直接的に接している場合は、仮想制御点の概念を取り入れるまでもない。しかし、実体制御目的物１と加温・冷却体２とエネルギー指標の差たとえば温度差が著しい等の特別な場合は、仮想制御点３を設けることに意義がある。この点について、図７を参照しながら説明する。
実体制御目的物１と加温・冷却体２が密接しているのでＳ１＝Ｓ２＝０であり、
ΔＥＩ１＝ΔＶＣＰ＝ΔＥＩ２となる。しかし、実体制御目的物１と加温・冷却体２が何らかの特殊なエネルギー分布を持ち、実体制御点１ｘと実体制御点２ｘの間に仮想的な空間が存在しても同然な状況の場合、Ｓ１とＳ２は現実の距離である必要はなく、エネルギー指標の差などを勘案して比を適宜当てはめることも可能である。
(1-6) Others It is meaningful to apply the idea of the
Since the
ΔEI1=ΔVCP=ΔEI2. However, when the
さらに、図８のように、実体制御点１ｘが実体制御目的物１に直接的に接触していなかったり、実体制御点２ｘが加温・冷却体２に直接的に接触していなかったりすることもある。このような場合であっても実体制御点１ｘ、２ｘのエネルギー指標が実体制御目的物１と加温・冷却体２のそれぞれのエネルギー状態を反映しているのであれば問題がない。
例えば、実体制御目的物１が流体であって直接温度を計測できなくても、この流体を通す管上の１点において温度が計測できれば、この１点を実体制御点１ｘとすればよい。
Further, as shown in FIG. 8, the
For example, even if the
（２）仮想制御点の考え方を適用した温度制御装置
図９の機能ブロックに従い、温度制御装置１０について説明する。
温度制御装置１０は、入出力部１０１と記憶部１０２と制御部１０３と制御Ｉ／Ｆ部１０４と検出Ｉ／Ｆ部１０５と通信Ｉ／Ｆ部１０６を備える。
(2) Temperature Control Device Applying Concept of Virtual Control Point The
The
入出力部１０１は、キーボード、マウス、タッチパネル、ディスプレイ画面などであって、温度制御装置１０の使用者は、入出力部１０１を介して設定温度を入力したり、温度制御結果を取得したりする。なお、入出力部１０１は、温度制御装置１０に内蔵されていたり、直接接続されていたりしなくても、通信Ｉ／Ｆ部１０６を介して接続する外部のサーバの入出力装置やクラウドサービスの操作画面でもよい。
制御部１０３は、図示しないＣＰＵが記憶部１０２に格納されているコンピュータプログラムをメモリ上に読み込み、これを実行することにより一連の温度制御処理を制御する。またマクロ言語処理機能があるならば、温度制御装置１０はそのマクロ言語処理機能を利用することで、起動直後に自動的に温度制御処理を開始したり定型的な作業を自動化したりすることも可能である。
記憶部１０２は、マクロ言語処理機能を含むコンピュータプログラムのほかに、処理途中の演算結果なども記憶する。
The input/
The
The
制御Ｉ／Ｆ部１０４は、制御部１０３の演算処理結果によって加温・冷却体２の操作を制御するためのインターフェースである。
検出Ｉ／Ｆ部１０５は、加温・冷却体２上または近傍の実体制御点２ｘに設けられた検出部２ｙと、実体制御目的物１上または近傍の実体制御点１ｘに設けられた検出部１ｙとから得られたエネルギー指標を制御部１０３にフィードバックするときのインターフェースである。
通信Ｉ／Ｆ部１０６は、他装置とデータの授受などの連携をするときのインターフェースである。他装置には、ファンやヒータなどの周辺機器、測定機器、エッジ処理を行うコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラなどが含まれる。また、通信Ｉ／Ｆ部１０６は、有線通信だけではなくＷｉＦｉ（登録商標）等の無線通信によっても他装置と接続可能である。つまり、ＷｉＦｉ等を通してスマートフォンやパソコンなどから容易に監視や操作ができるのである。また温度制御装置１０にはＷＥＢサーバ機能が含まれていてもよい。
なお、図９において、太線で表した双方向矢印は熱が双方向に移動しうることを示している。
The control I/F unit 104 is an interface for controlling the operation of the heating/
The detection I/
The communication I/F unit 106 is an interface for cooperation such as data exchange with other devices. Other devices include peripheral devices such as fans and heaters, measuring devices, computers that perform edge processing, programmable logic controllers, and the like. The communication I/F unit 106 can be connected to other devices not only by wired communication but also by wireless communication such as WiFi (registered trademark). That is, it is possible to easily monitor and operate from a smartphone or a personal computer through WiFi or the like. Further, the
Note that, in FIG. 9, a double-headed arrow indicated by a thick line indicates that heat can move in both directions.
次に、制御部１０３を中心とした処理について、図１０を参照しながら説明する。
温度制御装置１０あるいはこれに接続している装置の所定箇所に実体制御目的物１を収容する（ステップＳ１０）。入出力部１０１を操作したり或は通信Ｉ／Ｆ部１０６を介してＷＥＢサーバや周辺機器などに接続したり、さらにはスタートアップマクロの自動設定機能により、仮想制御点３における目標エネルギー指標を設定する（ステップＳ１１）。その目標エネルギー指標は実体制御目的物１に対する値そのものに限らず、その実体制御目的物１に対する値と逸脱していても、この設定値で実体制御目的物１が目的の温度になることをあらかじめ実験等で検証した結果の値であればそれでよい。
Next, processing centered on the
The
ところで、温度制御装置１０は、ハンチング抑制のために一定の時間間隔で制御を行うが、この点について簡単に説明する。
加温・冷却体２としてペルチェ素子が適しているが、このペルチェの性質として温度Ｔａから温度Ｔｂへ変化させる上で、２次曲線の様に温度が降下するのが通常である。これに対し、時間軸上に多数の区間を設け、区間毎にあたかも直線的に温度降下させる制御をする場合がある。この実施形態ではスタート時点ｔから時間ｋ（単位はミリ秒、秒など）毎に多数の区間（ｔ〜ｔ＋ｋ、ｔ＋ｋ〜ｔ＋２ｋ、ｔ＋２ｋ〜ｔ＋３ｋ、・・・）を設け、これらを温度制御装置１０による温度制御のための制御区間とする。１つの制御区間について以下のステップＳ１２〜ステップＳ１６の処理を繰り返す。細かく分割された制御区間あたりの制御は、図１１に示すように直線的であってほとんどハンチングは問題にはならない。しかしこの場合も、より目的の温度に近く制御するために仮想制御点を使用することで、より目的に近い直線で制御することが可能となる。
By the way, the
A Peltier element is suitable as the heating/
検出部２ｙと検出部１ｙによって検出されるエネルギー指標のウェイト値を予め設定する（ステップＳ１２）。またはいずれかの検出部によるエネルギー指標を基準としたパーセンテージ値を設定してもよい。例えば、検出部１ｙと検出部２ｙがエネルギー指標としてＥ１とＥ２を検出したとする。検出部１ｙと検出部２ｙのエネルギー指標の重みを１：２とすると、各検出部のウェイト値は１＊Ｅ１と２＊Ｅ２になる。検出部２ｙを基準とした場合パーセンテージ値が６０％であればＥ２＋（Ｅ１−Ｅ２）×０．６と設定してもよい。
区間毎に検出Ｉ／Ｆ部１０５ を介して検出部１ｙおよび検出部２ｙが計測したエネルギー指標を取得する（ステップＳ１３）。その計測値と上記の設定されたウェイト値あるいはパーセンテージ値を元に、区間毎に仮想制御点３のエネルギー指標を計算し導き出す（ステップＳ１４）。
The weight value of the energy index detected by the detection unit 2y and the detection unit 1y is set in advance (step S12). Alternatively, a percentage value may be set based on the energy index obtained by any of the detection units. For example, it is assumed that the detection units 1y and 2y detect E 1 and E 2 as energy indices. If the weights of the energy indices of the detection units 1y and 2y are 1:2, the weight values of the detection units are 1*E 1 and 2*E 2 . When the detection unit 2y is used as a reference and the percentage value is 60%, it may be set as E 2 +(E 1 −E 2 )×0.6.
The energy index measured by the detection unit 1y and the detection unit 2y is acquired via the detection I/
ＰＩＤ制御を行うための計算式に仮想制御点３の計算されたエネルギー指標値を代入し、代入によって得られた解を制御値として制御Ｉ／Ｆ部１０４を介して加温・冷却体２に対し、加温・停止（エネルギー供給停止）・冷却が起きるようにエネルギーを印加する（ステップＳ１５）。
The calculated energy index value of the
制御区間毎に、仮想制御点３のエネルギー指標の計算、および加温・冷却体２の操作の制御を繰り返し、設定済みの目標エネルギー値へ到達し、且つその状態が安定的に継続されるまで（ステップＳ１６でＮｏ）は、ステップＳ１２〜Ｓ１５までの処理を繰り返す。目標エネルギー値に到達してもその後ハンチングを起こすことがあるので、安定してその目標エネルギー値を継続するために温度制御を続けるのである。なお、ステップＳ１６でＮｏの場合、ステップＳ１３の処理に戻ることとし、ステップＳ１２の処理は、区間毎の制御を開始する前に予め実行してもよい。図１０のフローは例示にすぎず、よりよい結果が得られればケースバイケースでよいのである。
もし、目標エネルギー値へ到達し、且つその状態が安定的に継続されるに至ったならば（ステップＳ１６でＹｅｓ）、入出力部１０１等を介して、またはあらかじめ設定しておいたマクロ言語処理機能によって選択された目的の状態（停止、次の目的値の再設定など）に移行する（ステップＳ１７）。
The calculation of the energy index of the
If the target energy value is reached and the state is stably continued (Yes in step S16), the macro language processing is performed via the input/
本発明は、ハンチングなどを簡単に抑制できることから、厳しい温度条件が課される装置への適用が期待できる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY Since the present invention can easily suppress hunting and the like, it can be expected to be applied to an apparatus to which severe temperature conditions are imposed.
１：実体制御目的物
２：加温・冷却体
３：仮想制御点
１０：温度制御装置
1: Physical control object 2: Heating/cooling body 3: Virtual control point 10: Temperature control device
Claims (4)
一定時間間隔で区切った制御区間毎に、前記第１実体制御点近傍と前記第２実体制御点近傍の各エネルギー指標と、前記仮想制御点と前記第１実体制御点間の距離と前記仮想制御点と前記第２実体制御点間の距離の比とに基づいて、前記仮想制御点の現在のエネルギー指標を推計するステップと、
前記実体制御目的物の目標値として設定されたエネルギー指標に対応するようなエネルギー指標に前記仮想制御点が到達して、その後安定してその目標値を継続できるようになるまで前記加温・冷却体の操作を前記制御区間毎に制御するステップと
からなる
ことを特徴とする温度制御方法。 A step of defining a virtual control point based on any one or a combination of the positions and energy indices of the first substance control point on the substance control target side and the second substance control point on the heating/cooling body side;
For each control section divided at a constant time interval, each energy index near the first substance control point and the second substance control point, the distance between the virtual control point and the first substance control point, and the virtual control. Estimating a current energy index of the virtual control point based on a ratio of a distance between the point and the second substance control point;
The heating/cooling is performed until the virtual control point reaches an energy index corresponding to the energy index set as the target value of the physical control target object, and then the target value can be stably continued. Controlling the operation of the body for each of the control sections.
制御部と、加温・冷却体の操作を制御する制御インターフェース部と、加温・冷却体および実体制御目的物から検出されたエネルギー指標を取得する検出インターフェース部を備え、
前記制御部は、前記実体制御目的物側の第１実体制御点、及び前記加温・冷却体側の第２実体制御点の位置やエネルギー指標のいずれか又はそれらの組合せに基づいて仮想制御点を定義し、一定時間間隔で区切った制御区間毎に、前記第１実体制御点近傍と前記第２実体制御点近傍の各エネルギー指標と、前記仮想制御点と前記第１実体制御点間の距離と前記仮想制御点と前記第２実体制御点間の距離の比とに基づき、前記仮想制御点の現在のエネルギー指標を推計し、前記実体制御目的物の目標値として設定されたエネルギー指標に対応するようなエネルギー指標に前記仮想制御点が到達して、その後安定してその目標値を継続できるようになるまで前記加温・冷却体の操作を前記制御区間毎に制御する
ことを特徴とする温度制御装置。
A temperature control device for performing temperature control so that the energy index of a physical control target object reaches a target value,
A control unit, a control interface unit that controls the operation of the heating/cooling body, and a detection interface unit that acquires the energy index detected from the heating/cooling body and the physical control target object,
The control unit determines a virtual control point based on any one or a combination of positions and energy indices of the first substance control point on the substance control target side and the second substance control point on the heating/cooling body side. The energy index near the first substance control point and the energy index near the second substance control point, and the distance between the virtual control point and the first substance control point are defined for each control section defined at regular time intervals. The current energy index of the virtual control point is estimated based on the ratio of the distance between the virtual control point and the second physical control point and corresponds to the energy index set as the target value of the physical control target object. A temperature characterized by controlling the operation of the heating/cooling body for each of the control sections until the virtual control point reaches such an energy index, and then the target value can be stably continued. Control device.
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