JP3831258B2 - フィードバック制御方法及びフィードバック制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロセス制御技術に係り、特に設定値に対して制御量が追従するように制御対象に操作量を与えて設定値追従制御を行うフィードバック制御方法及びフィードバック制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、実用性の高い汎用制御理論としてＰＩＤ制御が知られている。また、現代制御理論のような高度な制御理論として、例えば単純適応制御ＳＡＣ（Simple Adaptive Control ）が知られている。どちらの制御理論も、設定値ＳＰに対し制御量ＰＶが追従するように操作量ＭＶを制御演算結果として制御対象に出力するものであり、制御量ＰＶを計測し設定値ＳＰとの偏差Ｅｒに基づき制御演算を行なうものである。
【０００３】
通常のＰＩＤ制御は、線形制御理論であり、制御対象を含めた制御系が線形系になることを前提にした制御理論である。ただし、実際の制御対象は厳密な線形性を有するものではなく、ＰＩＤ制御にしても若干の非線形性は許容できる。しかし、半導体製造装置に利用されるＲＴＰ（Rapid Thermal Process ）のハロゲンランプによる加熱などは、ＰＩＤ制御が単純には通用しない非線形性の強い系である。この場合、制御系の安定性を追求するだけであればＰＩＤ制御でも対応できるが、ＲＴＰなどのように高速度な昇温とオーバーシュートの少ない応答波形が要求される条件では、ＰＩＤ制御は対応できない。
【０００４】
例えば、制御系の非線形特性が図１４のような特性Ｋで近似できる場合、設定値ＳＰのステップ変更に追従（ステップ応答）させて高速昇温させようとすると、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差Ｅｒが大きい時点では操作量ＭＶ（加熱出力）が１００％になり、平均的なプロセスゲイン特性は図１４のＫａｖ１に示される大きな傾きの特性になる。ところが、昇温が進んで偏差Ｅｒが小さくなるにつれて、例えば操作量ＭＶは２０％程度に降下してくる。こうなると平均的なプロセスゲイン特性は同じく図１４のＫａｖ２に示される別の小さな傾きの特性になる。
【０００５】
ＰＩＤコントローラのＰＩＤパラメータを高速昇温という仕様に合わせて調整し、このＰＩＤコントローラで図１４のような強非線形系を温度制御すると、設定値ＳＰのステップ変更に対して、昇温軌道（ステップ応答波形）は図１５のＰＶのようになる。すなわち、応答前半においては、プロセスゲインが大き過ぎる制御対象を制御するようなオーバーシュートが制御量ＰＶに発生し、応答後半においては、プロセスゲインが小さ過ぎる制御対象を制御するような制御量ＰＶの設定値ＳＰへの追従が極端に遅いという制御動作が発生する。結果的に、図１５のような昇温軌道になるが、半導体製造装置のようにオーバーシュートの少ない応答波形が要求される制御対象としては、適切な制御が行なわれたことにはならない。また、ＰＩＤパラメータの調整も、線形制御理論の範囲外なので極めて難しい。
【０００６】
一方、単純適応制御ＳＡＣなどの高度な適応制御理論は、制御対象のプロセスゲイン特性の変動に対し、常に適切な制御特性が得られるように制御演算部の内部パラメータが自動修正されるように設計されている。しかし、内部パラメータの自動修正（適応動作）が適切に動作するためには、過渡状態において十分な制御演算回数が必要になる。高速昇温の場合、昇温に要する所要時間として１．０〜１．５ｓｅｃ程度が要求されるため、制御周期が５０ｍｓｅｃの場合、ステップ応答中の制御演算回数は２０〜３０回程度になる。
【０００７】
このような条件で強非線形特性に起因するプロセスゲイン変化に追従するために与えられる制御演算回数は、図１６（ｂ）に示すようにせいぜい２〜３回程度になり、適応動作が機能するためには全く論外に制御演算回数が不足することになる。すなわち、実用レベルで考えると、高度な適応制御理論に基づく手法では、最終的に制御の安定性が得られる程度であり、強非線形特性の制御対象をきれいに高速昇温させることはできない。また実質的には、高速昇温に限らず、安定性を確保することだけが目的の技術である。さらに、適応動作を適切に動作させるために予め設定すべき多くのパラメータについて、その設定に関する実用水準の指針がない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来のＰＩＤ制御理論では、非線形性の強い系を制御対象とする場合、適切な設定値追従制御が実現できず、またＰＩＤパラメータの調整も困難になるという問題点があった。
また、単純適応制御ＳＡＣなどの高度な適応制御理論では、強非線形特性の制御対象について制御量を設定値に高速に追従させようとすると、適応動作を機能させるための制御演算回数が不足するため、適切な設定値追従制御が実現できず、またパラメータの調整も困難になるという問題点があった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、非線形性の強い系を制御対象とする場合でも、適切な設定値追従制御が実現でき、適切な設定値追従制御を行うためのパラメータ調整が容易なフィードバック制御方法及びフィードバック制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、設定値に対して制御量が追従するように制御対象に操作量を与えて設定値追従制御を行うフィードバック制御方法において、設定値追従制御の応答過程を追従フェーズと収束フェーズと安定フェーズの３段階に分割し、設定値変更開始時点を前記追従フェーズの開始時点として前記追従フェーズへの切り換えを行う第１のフェーズ切換手順（図３の１０１，１０５）と、前記追従フェーズにおいて制御量を設定値に追従させる操作量を継続的に出力する追従フェーズの操作量決定手順（１０２）と、前記追従フェーズにおいて制御量が設定値を超えない特定の設定値追従制御経過時点を前記収束フェーズの開始時点として前記収束フェーズへの切り換えを行う第２のフェーズ切換手順（１０３）と、前記収束フェーズにおいて制御量を設定値近傍に収束させる予め設定された一定レベルの操作量を継続的に出力する収束フェーズの操作量決定手順（１０４）と、前記収束フェーズにおいて制御量の収束が確定する予め設定された状況に到達した時点を前記安定フェーズの開始時点として前記安定フェーズへの切り換えを行う第３のフェーズ切換手順（１０６）と、前記安定フェーズにおいて制御量を設定値に安定させる操作量を継続的に出力する安定フェーズの操作量決定手順（１０７）とを実行し、前記第２のフェーズ切換手順は、前記追従フェーズにおいて現在の制御量から設定値に達するまでの時間である到達残り時間の予測値を、設定値と制御量との偏差及び制御量の変化率に基づいて計算し、計算した到達残り時間予測値が予め設定された時間指標よりも小さくなった時点を前記収束フェーズの開始時点とするようにしたものである。
【００１３】
また、本発明は、設定値追従制御の応答過程を追従フェーズと収束フェーズと安定フェーズの３段階に分割し、設定値に対して制御量が追従するように制御対象に操作量を与えて前記設定値追従制御を行うフィードバック制御装置であって、設定値変更開始時点を前記追従フェーズの開始時点として前記追従フェーズへの切り換えを行う第１のフェーズ切換部（図２の３）と、前記追従フェーズにおいて制御量が設定値を超えない特定の設定値追従制御経過時点を前記収束フェーズの開始時点として前記収束フェーズへの切り換えを行う第２のフェーズ切換部（４）と、前記収束フェーズにおいて制御量の収束が確定する予め設定された状況に到達した時点を前記安定フェーズの開始時点として前記安定フェーズへの切り換えを行う第３のフェーズ切換部（５）と、前記追従フェーズにおいて制御量を設定値に追従させる操作量を継続的に出力する第１の操作量決定部（６）と、前記収束フェーズにおいて制御量を設定値近傍に収束させる予め設定された一定レベルの操作量を継続的に出力する第２の操作量決定部（７）と、前記安定フェーズにおいて制御量を設定値に安定させる操作量を継続的に出力する第３の操作量決定部（８）とを備え、前記第２のフェーズ切換部は、前記追従フェーズにおいて現在の制御量から設定値に達するまでの時間である到達残り時間の予測値を、設定値と制御量との偏差及び制御量の変化率に基づいて計算し、計算した到達残り時間予測値が予め設定された時間指標よりも小さくなった時点を前記収束フェーズの開始時点とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
［参考例］
以下、本発明の参考例について図面を参照して詳細に説明する。本発明では、設定値変更に伴う設定値追従制御の応答過程を、以下に示す３段階のフェーズ（追従フェーズ，収束フェーズ，安定フェーズ）に分割し、各々のフェーズに適切かつ単純な操作量出力手順を割り当て、一連のフェーズの組み合わせにより設定値追従制御の応答波形を強制的かつ直接的に整形する。
【００１７】
図１は本発明における追従フェーズ、収束フェーズおよび安定フェーズを説明するための波形図であり、図１（ａ）は制御量ＰＶの変化（応答波形）を示す図、図１（ｂ）は操作量ＭＶの変化を示す図である。まず、応答過程において、設定値ＳＰ変更開始時点ｔ１から、制御量ＰＶが設定値ＳＰを超えない特定の設定値追従制御経過時点ｔ２までを追従フェーズとする。この追従フェーズでは、設定値追従制御の応答波形が乱れず、かつ制御量ＰＶが設定値ＳＰに追従するような操作量ＭＶを継続的に出力する。
【００１８】
次に、前記特定の設定値追従制御経過時点ｔ２から、予め指定された状況に到達する時点ｔ３までを収束フェーズとする。この収束フェーズでは、設定値追従制御の応答波形が乱れず、かつ制御量ＰＶが設定値ＳＰ近傍に収束するような操作量ＭＶを継続的に出力する。そして、前記予め指定された状況に到達した時点ｔ３以降を安定フェーズとする。この安定フェーズでは、制御量ＰＶが設定値ＳＰに安定するような操作量ＭＶを継続的に出力する。
【００１９】
図２は本発明の参考例となるフィードバック制御装置の構成を示すブロック図である。本参考例のフィードバック制御装置は、制御装置のオペレータによって設定された設定値ＳＰを入力する設定値入力部１と、図示しないセンサによって検出された制御量ＰＶを入力する制御量入力部２と、設定値変更開始時点を前記追従フェーズの開始時点ｔ１として追従フェーズへの切り換えを行う第１のフェーズ切換部３と、追従フェーズにおいて制御量ＰＶが設定値ＳＰを超えない特定の設定値追従制御経過時点を収束フェーズの開始時点ｔ２として収束フェーズへの切り換えを行う第２のフェーズ切換部４と、収束フェーズにおいて予め設定された状況に到達した時点を安定フェーズの開始時点ｔ３として安定フェーズへの切り換えを行う第３のフェーズ切換部５と、追従フェーズにおいて制御量ＰＶを設定値ＳＰに追従させる操作量ＭＶを継続的に出力する第１の操作量決定部６と、収束フェーズにおいて制御量ＰＶを設定値ＳＰ近傍に収束させる操作量ＭＶを継続的に出力する第２の操作量決定部７と、安定フェーズにおいて制御量ＰＶを設定値ＳＰに安定させる操作量ＭＶを継続的に出力する第３の操作量決定部８と、各フェーズに応じて決定された操作量ＭＶを図示しない制御対象に出力する操作量出力部９とを備えている。
【００２０】
図３は図２のフィードバック制御装置の動作を示すフローチャート図である。設定値ＳＰは、制御装置のオペレータによって設定され、設定値入力部１を介して第１のフェーズ切換部３、第２のフェーズ切換部４、第３のフェーズ切換部５、第１の操作量決定部６、第２の操作量決定部７及び第３の操作量決定部８に入力される。
【００２１】
また、制御対象の制御量ＰＶは、図示しないセンサによって検出され、制御量入力部２を介して第１のフェーズ切換部３、第２のフェーズ切換部４、第３のフェーズ切換部５、第１の操作量決定部６、第２の操作量決定部７及び第３の操作量決定部８に入力される。
【００２２】
初期状態では、安定フェーズが選択される。すなわち、制御開始に伴って、第１のフェーズ切換部３は、追従フェーズの開始時点ｔ１か否かを判断し（図３ステップ１０１）、開始時点ｔ１でないと判断した場合、フェーズ切り換えを行わずにステップ１０７に進んで安定フェーズのままとする。安定フェーズの場合、第３の操作量決定部８が予め規定された操作量ＭＶを出力し、操作量出力部９は、第３の操作量決定部８から出力された操作量を制御対象へ出力する（ステップ１０７）。
【００２３】
ステップ１０１において、追従フェーズの開始時点ｔ１と判断した場合、第１のフェーズ切換部３は、安定フェーズから追従フェーズへ切り換えを行い、追従フェーズへ切り換えたことを第２のフェーズ切換部４、第３のフェーズ切換部５及び第１の操作量決定部６に通知する。追従フェーズの場合、第１の操作量決定部６が予め規定された操作量ＭＶを出力し、操作量出力部９は、第１の操作量決定部６から出力された操作量を制御対象へ出力する（ステップ１０２）。
【００２４】
次に、追従フェーズに切り換えられた場合、第２のフェーズ切換部４は、収束フェーズの開始時点ｔ２か否かを判断し（ステップ１０３）、開始時点ｔ２でないと判断した場合、フェーズ切り換えを行わずにステップ１０２に戻り追従フェーズのままとする。
【００２５】
ステップ１０３において、収束フェーズの開始時点ｔ２と判断した場合、第２のフェーズ切換部４は、追従フェーズから収束フェーズへ切り換えを行い、収束フェーズへ切り換えたことを第１のフェーズ切換部３、第３のフェーズ切換部５及び第２の操作量決定部７に通知する。収束フェーズの場合、第２の操作量決定部７が予め規定された操作量ＭＶを出力し、操作量出力部９は、第２の操作量決定部７から出力された操作量を制御対象へ出力する（ステップ１０４）。
【００２６】
次に、収束フェーズに切り換えられた場合、第１のフェーズ切換部３は、追従フェーズの開始時点ｔ１か否かを判断し（ステップ１０５）、追従フェーズの開始時点ｔ１と判断した場合、ステップ１０２に進んで収束フェーズから追従フェーズへ切り換えを行い、追従フェーズへ切り換えたことを第２のフェーズ切換部４、第３のフェーズ切換部５及び第１の操作量決定部６に通知する。また、第１のフェーズ切換部３は、開始時点ｔ１でないと判断した場合、フェーズ切り換えを行わずにステップ１０６に進み収束フェーズのままとする。
【００２７】
続いて、第３のフェーズ切換部５は、安定フェーズの開始時点ｔ３か否かを判断し（ステップ１０６）、開始時点ｔ３でないと判断した場合、フェーズ切り換えを行わずにステップ１０４に戻り収束フェーズのままとする。
【００２８】
ステップ１０６において、安定フェーズの開始時点ｔ３と判断した場合、第３のフェーズ切換部５は、収束フェーズから安定フェーズへ切り換えを行い、安定フェーズへ切り換えたことを第１のフェーズ切換部３、第２のフェーズ切換部４及び第３の操作量決定部８に通知する。ステップ１０７の処理は前述のとおりである。以上のようなステップ１０１〜１０７の処理をオペレータ等の指令によって制御装置が停止するまで（ステップ１０８においてＹＥＳ）、制御周期ｄｔごとに繰り返す。
【００２９】
ここで、フェーズ切り換えについてより詳細に説明する。図４、図５は追従フェーズから収束フェーズへの切り換えを説明するための波形図である。追従フェーズから収束フェーズへ切り換えるか否かの判断方法には２通りあり、一方の判断方法によれば、第２のフェーズ切換部４は、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差Ｅｒが予め設定された偏差指標Ｅｘよりも小さくなった時点を、収束フェーズの開始時点（特定の設定値追従制御経過時点）ｔ２と判断し、追従フェーズから収束フェーズへの切り換えを行う（図４）。
【００３０】
また、もう一方の判断方法によれば、第２のフェーズ切換部４は、現在の制御周期における制御量ＰＶから設定値ＳＰに達するまでの時間である到達残り時間の予測値Ｔｒを設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差Ｅｒ及び制御量ＰＶの変化率ΔＰＶに基づいてＴｒ＝Ｅｒ／ΔＰＶにより計算し、計算した到達残り時間予測値Ｔｒが予め設定された時間指標Ｔｘよりも小さくなった時点を、収束フェーズの開始時点（特定の設定値追従制御経過時点）ｔ２と判断し、追従フェーズから収束フェーズへの切り換えを行う（図５）。
【００３１】
図６は収束フェーズから安定フェーズへの切り換えを説明するための波形図である。第３のフェーズ切換部５は、収束フェーズの開始時点ｔ２から、予め設定された時間指標Ｔｃが経過した時点を、安定フェーズの開始時点（予め指定された状況に到達する時点）ｔ３と判断し、収束フェーズから安定フェーズへの切り換えを行う。
【００３２】
次に、各フェーズにおける操作量決定手順について説明する。追従フェーズにおける操作量決定手順には３通りあり、第１の手順によれば、第１の操作量決定部６は、予め設定された操作量ＭＶ１を継続的に出力する。
【００３３】
また、第２の手順によれば、第１の操作量決定部６は、予め設定された操作量ＭＶ１を時間遅れフィルタ処理して、時間遅れフィルタ処理後の値ＭＶｆを継続的に出力する。すなわち、第２の手順では、操作量ＭＶ１を図７に示すような時間遅れフィルタに通して、時間遅れフィルタ処理後の操作量ＭＶｆを制御対象に与えることになる。
【００３４】
そして、第３の手順によれば、第１の操作量決定部６は、制御の即応性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズム（Ｐ，ＰＤ，ＰＩ制御を含む）により算出した操作量ＭＶｃを継続的に出力する。すなわち、第３の手順では、図８に示すようなＰＩＤ制御系により偏差Ｅｒから操作量ＭＶｃを算出して制御対象に与えることになる。
【００３５】
収束フェーズにおいて、第２の操作量決定部７は、予め設定された操作量ＭＶ２を継続的に出力する。また、安定フェーズにおいて、第３の操作量決定部８は、制御の安定性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズム（Ｐ，ＰＤ，ＰＩ制御を含む）により算出した操作量ＭＶｄを継続的に出力する。すなわち、第３の操作量決定部８は、図８と同様のＰＩＤ制御系により偏差Ｅｒから操作量ＭＶｄを算出して制御対象に与えることになる。
【００３６】
本発明では、前述のように、設定値追従制御の応答過程を３段階のフェーズ（追従フェーズ，収束フェーズ，安定フェーズ）に分割することが、重要な着眼点である。例えば非線形性の強い制御対象について、設定値ＳＰのステップ変更に制御量ＰＶを追従させるステップ応答制御を行う場合、図１４で説明したように、追従フェーズに相当する段階と、安定フェーズに相当する段階では、制御対象の平均的なプロセスゲイン特性が大きく異なる。
【００３７】
このとき、追従フェーズと安定フェーズとを同一特性の制御手法で制御しようとすると、追従フェーズに適切な制御特性であれば安定フェーズには不適切な制御特性になり、逆に安定フェーズに適切な制御特性であれば追従フェーズには不適切な制御特性になる。そして、温度制御における高速昇温などでは、これら追従フェーズと安定フェーズの特性の切り換わりが急激なため、切換時点の前後で制御応答波形が乱れる。すなわち、追従フェーズか安定フェーズのどちらかの制御特性が劣化するだけではなく、両者の中間段階での制御応答波形の乱れも顕著に現れる。
【００３８】
本発明は、追従フェーズと安定フェーズとに別の制御特性を与える手法により制御を行おうとするものであり、かつ追従フェーズと安定フェーズの切換時点の前後で制御応答波形が乱れないように、さらに別の制御特性を与えて制御を行うための収束フェーズを設けている。
【００３９】
そして、まず追従フェーズでは、制御量ＰＶが設定値ＳＰに追従することだけを目的とした操作量ＭＶを出力する。次に、収束フェーズでは、追従フェーズから安定フェーズに移行させるために制御量ＰＶが設定値ＳＰ近傍に収束することだけを目的とした操作量ＭＶを出力する。最後に、安定フェーズでは、制御量ＰＶが設定値ＳＰに安定することだけを目的とした操作量ＭＶを出力する。
【００４０】
また、本発明では、追従フェーズ、収束フェーズ、安定フェーズのそれぞれの制御特性を別々に調整できるので、実対象に合わせたパラメータ調整が容易になる。特に、設定値追従制御では、追従フェーズから収束フェーズへの切換時点を調整することと、収束フェーズにおける操作量ＭＶを調整することにより、設定値追従制御の応答波形を強制的かつ直接的に整形する作用が得られるため、きれいな設定値追従制御が実現できる。
【００４１】
なお、設定値追従特性と外乱抑制特性を別々に調整可能な制御手法として、２自由度ＰＩＤが提案されているが、設定値追従特性のフェーズ毎に別々に調整するという概念のものではないので、２自由度ＰＩＤでは本発明が解決する課題を解決できないことに留意しなければならない。本発明は、３段階のフェーズに分割していることと、中間段階の収束フェーズを設けてフェーズを円滑に移行させていくことに特徴がある。
【００４２】
次に、本参考例のより具体的な動作として、高速昇温制御に図２のフィードバック制御装置を適用した場合の動作を説明する。図９は本参考例のフィードバック制御装置の動作を示す波形図であり、図９（ａ）は制御量ＰＶの変化を示す図、図９（ｂ）は操作量ＭＶの変化を示す図である。なお、前述のように図３のステップ１０１〜１０８の処理は制御周期ｄｔごとに行われる。したがって、操作量ＭＶも制御周期ｄｔごとに出力される。図９（ｂ）の○印は制御周期ｄｔごとに出力される操作量ＭＶを表している。
【００４３】
本参考例では、追従フェーズから収束フェーズへの切換時点（特定の設定値追従制御経過時点）ｔ２を、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差Ｅｒが予め設定された偏差指標Ｅｘよりも小さくなった時点とし、収束フェーズから安定フェーズへの切換時点（予め指定された状況に到達する時点）ｔ３を、予め設定された時間指標Ｔｃが経過した時点とする。
【００４４】
また、本参考例では、追従フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、予め設定された操作量ＭＶ１を継続的に出力する手順とし、収束フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、予め設定された操作量ＭＶ２を継続的に出力する手順とし、安定フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、制御の安定性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｄを継続的に出力する手順とする。
【００４５】
本参考例では、フェーズを示すパラメータをＦとし、Ｆ＝１のとき追従フェーズ、Ｆ＝２のとき収束フェーズ、Ｆ＝３のとき安定フェーズとする。また、現在の制御周期ｎにおける設定値をＳＰ（ｎ）、制御周期ｎにおける制御量をＰＶ（ｎ）、制御周期ｎにおける操作量をＭＶ（ｎ）、制御周期ｎにおける制御偏差をＥｒ（ｎ）とする。
【００４６】
第１のフェーズ切換部３は、図３のステップ１０１又は１０５において、現在の制御周期ｎにおける設定値ＳＰ（ｎ）が１制御周期前の設定値ＳＰ（ｎ−１）よりも昇温側に変更されている場合、現時点を追従フェーズの開始時点ｔ１と判断し、フェーズを示すパラメータＦの値をＦ＝１（追従フェーズ）とし、このＦ＝１を第２のフェーズ切換部４、第３のフェーズ切換部５及び第１の操作量決定部６に出力する。すなわち、第１のフェーズ切換部３は以下のような処理を行なう。
ｉｆ ＳＰ（ｎ）＞ＳＰ（ｎ−１） ｔｈｅｎ Ｆ←１ ・・・（１）
【００４７】
なお、第１のフェーズ切換部３は、第２のフェーズ切換部４または第３のフェーズ切換部５からＦ＝２またはＦ＝３の通知を受けた場合、第１の操作量決定部６に出力しているパラメータＦの値を通知を受けた値Ｆ＝２またはＦ＝３に変更する。
【００４８】
また、本参考例では、昇温制御のため、ＳＰ（ｎ）＞ＳＰ（ｎ−１）が成立したとき追従フェーズに切り換えているが、設定値ＳＰ（ｎ）が１制御周期前の設定値ＳＰ（ｎ−１）より小さくなったとき（ＳＰ（ｎ）＜ＳＰ（ｎ−１））追従フェーズに切り換えるようにしてもよい。
【００４９】
次に、第１の操作量決定部６には、追従フェーズにおける操作量出力値ＭＶ１が予め設定されている。操作量出力値ＭＶ１については、制御量ＰＶが所望の追従特性で設定値ＳＰに追従するように設定すればよい。高速昇温制御に本発明を適用する場合、ＭＶ１＝１００％が適当である。
【００５０】
第１の操作量決定部６は、第１のフェーズ切換部３から出力されたパラメータＦの値がＦ＝１である場合、予め設定された値ＭＶ１を操作量ＭＶ（ｎ）として出力する（図３ステップ１０２、図９（ｂ））。すなわち、第１の操作量決定部６は以下のような処理を行なう。
ｉｆ Ｆ＝１ ｔｈｅｎ ＭＶ（ｎ）←ＭＶ１ ・・・（２）
【００５１】
次に、第２のフェーズ切換部４は、現在の制御周期ｎにおける設定値ＳＰ（ｎ）と制御量ＰＶ（ｎ）との偏差Ｅｒ（ｎ）を算出する。
Ｅｒ（ｎ）＝ＳＰ（ｎ）−ＰＶ（ｎ） ・・・（３）
【００５２】
また、第２のフェーズ切換部４には、フェーズ切換判断のための偏差指標Ｅｘが予め設定されている。第２のフェーズ切換部４は、図３のステップ１０３において、パラメータＦの値がＦ＝１で、設定値ＳＰ（ｎ）が設定値ＳＰ（ｎ−１）から変更されておらず、かつ偏差Ｅｒ（ｎ）が偏差指標Ｅｘよりも小さい場合、現時点を収束フェーズの開始時点ｔ２と判断し、パラメータＦの値をＦ＝２（収束フェーズ）とし、このＦ＝２を第１のフェーズ切換部３、第３のフェーズ切換部５及び第２の操作量決定部７に出力する。すなわち、第２のフェーズ切換部４は以下のような処理を行なう。
【００５３】
偏差指標Ｅｘについては、追従フェーズから収束フェーズへ移行するタイミングが適切となるように、すなわち制御量ＰＶが所望の追従特性（応答波形）で設定値ＳＰに追従するように試行錯誤で調整すればよい。高速昇温制御に本発明を適用する場合、図１０に示すように、オーバーシュート傾向か昇温不足傾向が２段階で現れる。偏差指標Ｅｘの調整では１段階目に着目し、オーバーシュートが発生する場合は偏差指標Ｅｘを大きな値に、昇温不足の場合は偏差指標Ｅｘを小さな値に修正すれば良い。偏差指標Ｅｘは、設定値追従制御の応答波形を強制的かつ直接的に整形する作用のある数値なので、試行錯誤により容易に適切な値を求めることができる。
【００５４】
なお、第２のフェーズ切換部４は、第１のフェーズ切換部３または第３のフェーズ切換部５からＦ＝１またはＦ＝３の通知を受けた場合、第２の操作量決定部７に出力しているパラメータＦの値を通知を受けた値Ｆ＝１またはＦ＝３に変更する。
【００５５】
次に、第２の操作量決定部７には、収束フェーズにおける操作量出力値ＭＶ２が予め設定されている。第２の操作量決定部７は、第２のフェーズ切換部４から出力されたパラメータＦの値がＦ＝２である場合、予め設定された値ＭＶ２を操作量ＭＶ（ｎ）として出力する（図３ステップ１０４、図９（ｂ））。すなわち、第２の操作量決定部７は以下のような処理を行なう。
ｉｆ Ｆ＝２ ｔｈｅｎ ＭＶ（ｎ）←ＭＶ２ ・・・（５）
【００５６】
操作量出力値ＭＶ２については、制御量ＰＶが所望の特性で設定値ＳＰに収束するように試行錯誤で調整すればよい。高速昇温制御に本発明を適用する場合、図１１に示すように、オーバーシュート傾向か昇温不足傾向が２段階で現れる。操作量出力値ＭＶ２の調整では２段階目に着目し、オーバーシュートが発生する場合は操作量出力値ＭＶ２を小さな値に、昇温不足の場合は操作量出力値ＭＶ２を大きな値に修正すれば良い。操作量出力値ＭＶ２は、設定値追従制御の応答波形を強制的かつ直接的に整形する作用のある数値なので、試行錯誤により容易に適切な値を求めることができる。
【００５７】
次に、第３のフェーズ切換部５には、フェーズ切換判断のための時間指標Ｔｃが予め設定されている。第３のフェーズ切換部５は、図３のステップ１０６において、パラメータＦの値がＦ＝２で、かつＦ＝２（収束フェーズ）にセットされた時点ｔ２からの経過時間ｔｎが時間指標Ｔｃよりも長い場合、現時点を安定フェーズの開始時点ｔ３と判断し、パラメータＦの値をＦ＝３（安定フェーズ）とし、このＦ＝３を第１のフェーズ切換部３、第２のフェーズ切換部４及び第３の操作量決定部８に出力する。すなわち、第３のフェーズ切換部５は、以下のような処理を行なう。
ｉｆ Ｆ＝２ ａｎｄ ｔｎ＞Ｔｃ ｔｈｅｎ Ｆ←３ ・・・（６）
【００５８】
時間指標Ｔｃについては、制御量ＰＶが所望の特性で設定値ＳＰに収束するように試行錯誤で調整すればよい。高速昇温制御に本発明を適用する場合、制御対象のプロセスむだ時間Ｌｐの１〜２倍程度の時間が適当である。なお、第３のフェーズ切換部５は、第１のフェーズ切換部３または第２のフェーズ切換部４からＦ＝１またはＦ＝２の通知を受けた場合、第３の操作量決定部８に出力しているパラメータＦの値を通知を受けた値Ｆ＝１またはＦ＝２に変更する。
【００５９】
次に、第３の操作量決定部８は、第３のフェーズ切換部５から出力されたパラメータＦの値がＦ＝３である場合、制御の安定性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｄ（ｎ）を操作量ＭＶ（ｎ）として出力する（図３ステップ１０７、図９（ｂ））。すなわち、第３の操作量決定部８は以下のような処理を行なう。
ｉｆ Ｆ＝３ ｔｈｅｎ ＭＶ（ｎ）←ＭＶｄ（ｎ） ・・・（６）
【００６０】
ここで、制御の安定性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムは、ラプラス演算子ｓを用いた伝達関数で表すと次式のようになる。
式（７）において、Ｋｇ３は比例ゲイン、Ｔｉ３は積分時間、Ｔｄ３は微分時間である。なお、安定性重視のためのパラメータＫｇ３，Ｔｉ３，Ｔｄ３の設定の仕方については周知であるので、説明は省略する。
【００６１】
［第１の実施の形態］
次に、本発明の第１の実施の形態について説明する。本実施の形態は高速昇温制御への別の適用事例を示すものである。本実施の形態においてもフィードバック制御装置の構成と処理の流れは図２、図３のとおりであるので、図２、図３の符号を用いて説明する。図１２は本実施の形態のフィードバック制御装置の動作を示す波形図であり、図１２（ａ）は制御量ＰＶの変化を示す図、図１２（ｂ）は操作量ＭＶの変化を示す図である。図１２（ｂ）の○印は制御周期ｄｔごとに出力される操作量ＭＶである。
【００６２】
本実施の形態では、追従フェーズから収束フェーズへの切換時点（特定の設定値追従制御経過時点）ｔ２を、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差Ｅｒ及び制御量ＰＶの変化率ΔＰＶに基づいて計算される到達残り時間予測値Ｔｒ＝Ｅｒ／ΔＰＶが予め設定された時間指標Ｔｘよりも小さくなった時点とする。また、収束フェーズから安定フェーズへの切換時点（予め指定された状況に到達する時点）ｔ３を、予め設定された時間指標Ｔｃが経過した時点とする。
【００６３】
また、本実施の形態では、追従フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、予め設定された操作量ＭＶ１を時間遅れフィルタ処理して、時間遅れフィルタ処理後の値ＭＶｆを継続的に出力する手順とし、収束フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、予め設定された操作量ＭＶ２を継続的に出力する手順とし、安定フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、制御の安定性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｄを継続的に出力する手順とする。
【００６４】
まず、第１のフェーズ切換部３の動作は参考例と同じである。次に、第１の操作量決定部６には、追従フェーズにおける操作量出力値ＭＶ１と１次遅れフィルタ時定数Ｔｆとが予め設定されている。第１の操作量決定部６は、第１のフェーズ切換部３から出力されたパラメータＦの値がＦ＝１である場合、予め設定された値ＭＶ１を１次遅れフィルタ処理して、１次遅れフィルタ処理後の値ＭＶｆ（ｎ）を操作量ＭＶ（ｎ）として出力する（図３ステップ１０２、図１２（ｂ））。すなわち、第１の操作量決定部６は以下のような処理を行なう。
ｉｆ Ｆ＝１ ｔｈｅｎ ＭＶ（ｎ）←ＭＶｆ（ｎ） ・・・（８）
【００６５】
ここで、１次遅れフィルタ処理の演算式を、ラプラス演算子ｓを用いた伝達関数で表現すると次式のようになる。
ＭＶｆ（ｎ）＝｛１／（１＋Ｔｆｓ）｝ＭＶ１ ・・・（９）
第１の操作量決定部６は、式（９）により１次遅れフィルタ処理後の値ＭＶｆ（ｎ）を算出する。
【００６６】
操作量出力値ＭＶ１については、制御量ＰＶが所望の追従特性で設定値ＳＰに追従するように設定すればよい。高速昇温制御に本発明を適用する場合、ＭＶ１＝１００％が適当である。また、１次遅れフィルタ時定数Ｔｆについては、制御量ＰＶが設定値ＳＰに追従する速度が所望の速度になるように任意に設定すればよい。高速昇温制御に本発明を適用する場合、１次遅れフィルタ時定数Ｔｆを長くすることにより昇温速度を遅くする調整が可能である。
【００６７】
次に、第２のフェーズ切換部４は、現在の制御周期ｎにおける設定値ＳＰ（ｎ）と制御量ＰＶ（ｎ）との偏差Ｅｒ（ｎ）を前述の式（３）により算出する。さらに、第２のフェーズ切換部４は、現在の制御周期ｎにおける制御量ＰＶ（ｎ）から設定値ＳＰに達するまでの時間である到達残り時間の予測値Ｔｒ（ｎ）を次式のように算出する。
式（１０）において、ｄｔは制御周期、ＰＶ（ｎ−１）は１制御周期前の制御量である。
【００６８】
また、第２のフェーズ切換部４には、フェーズ切換判断のための時間指標Ｔｘが予め設定されている。第２のフェーズ切換部４は、図３のステップ１０３において、パラメータＦの値がＦ＝１で、設定値ＳＰ（ｎ）が設定値ＳＰ（ｎ−１）から変更されておらず、かつ到達残り時間予測値Ｔｒ（ｎ）が時間指標Ｔｘよりも小さい場合、パラメータＦの値をＦ＝２（収束フェーズ）とし、このＦ＝２を第１のフェーズ切換部３、第３のフェーズ切換部５及び第２の操作量決定部７に出力する。すなわち、第２のフェーズ切換部４は以下のような処理を行なう。
【００６９】
時間指標Ｔｘについては、追従フェーズから収束フェーズへ移行するタイミングが適切となるように、すなわち制御量ＰＶが所望の追従特性で設定値ＳＰに追従するように試行錯誤で調整すればよい。高速昇温制御に本発明を適用する場合、図１０で説明したとおり、オーバーシュート傾向か昇温不足傾向が２段階で現れる。時間指標Ｔｘの調整では１段階目に着目し、オーバーシュートが発生する場合は時間指標Ｔｘを大きな値に、昇温不足の場合は時間指標Ｔｘを小さな値に修正すれば良い。時間指標Ｔｘは、設定値追従制御の応答波形を強制的かつ直接的に整形する作用のある数値なので、試行錯誤により容易に適切な値を求めることができる。
【００７０】
第２の操作量決定部７、第３のフェーズ切換部５及び第３の操作量決定部８の動作は参考例と同じである。
【００７１】
［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。本実施の形態は高速昇温制御への別の適用事例を示すものである。本実施の形態においてもフィードバック制御装置の構成と処理の流れは図２、図３のとおりであるので、図２、図３の符号を用いて説明する。図１３は本実施の形態のフィードバック制御装置の動作を示す波形図であり、図１３（ａ）は制御量ＰＶの変化を示す図、図１３（ｂ）は操作量ＭＶの変化を示す図である。図１３（ｂ）の○印は制御周期ｄｔごとに出力される操作量ＭＶである。
【００７２】
本実施の形態では、追従フェーズから収束フェーズへの切換時点（特定の設定値追従制御経過時点）ｔ２を、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差Ｅｒ及び制御量ＰＶの変化率ΔＰＶに基づいて計算される到達残り時間予測値Ｔｒ＝Ｅｒ／ΔＰＶが予め設定された時間指標Ｔｘよりも小さくなった時点とする。また、収束フェーズから安定フェーズへの切換時点（予め指定された状況に到達する時点）ｔ３を、予め設定された時間指標Ｔｃが経過した時点とする。
【００７３】
また、本実施の形態では、追従フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、制御の即応性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｃを継続的に出力する手順とし、収束フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、予め設定された操作量ＭＶ２を継続的に出力する手順とし、安定フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、制御の安定性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｄを継続的に出力する手順とする。
【００７４】
まず、第１のフェーズ切換部３の動作は参考例と同じである。次に、第１の操作量決定部６は、第１のフェーズ切換部３から出力されたパラメータＦの値がＦ＝１である場合、制御の即応性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｃ（ｎ）を操作量ＭＶ（ｎ）として出力する（図３ステップ１０２、図１３（ｂ））。すなわち、第１の操作量決定部６は以下のような処理を行なう。
ｉｆ Ｆ＝１ ｔｈｅｎ ＭＶ（ｎ）←ＭＶｃ（ｎ） ・・・（１２）
【００７５】
ここで、制御の即応性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムは、ラプラス演算子ｓを用いた伝達関数で表すと次式のようになる。
式（１３）において、Ｋｇ１は比例ゲイン、Ｔｉ１は積分時間、Ｔｄ１は微分時間である。なお、即応性重視のためのパラメータＫｇ１，Ｔｉ１，Ｔｄ１の設定の仕方については周知であるので、説明は省略する。
【００７６】
第２のフェーズ切換部４の動作は第１の実施の形態と同じである。また、第２の操作量決定部７、第３のフェーズ切換部５及び第３の操作量決定部８の動作は参考例と同じである。
【００７７】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。例えば、参考例で説明したとおり、安定フェーズから追従フェーズへ切り換えるか否かの判断方法が１通り、追従フェーズから収束フェーズへ切り換えるか否かの判断方法が２通り、収束フェーズから安定フェーズへ切り換えるか否かの判断方法が１通り、追従フェーズの操作量決定手順が３通り、収束フェーズの操作量決定手順が１通り、安定フェーズの操作量決定手順が１通りなので、各判断方法と各操作量決定手順のとり得る組み合わせは１×２×１×３×１×１の計６通りあり、このいずれの組み合わせを用いてもよい。
【００７８】
また、追従フェーズにおける操作量決定手順のうち第３の手順（第２の実施の形態）によれば、第１の操作量決定部６は、制御の即応性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｃを継続的に出力するようにしているが、これに限るものではなく、例えばＩＭＣ（Internal Model Control）等の他の制御アルゴリズムを用いて、即応性を重視した制御を行うようにしてもよい。
【００７９】
同様に、安定フェーズにおいて、第３の操作量決定部８は、制御の安定性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｄを継続的に出力するようにしているが、これに限るものではなく、他の制御アルゴリズムを用いて、安定性を重視した制御を行うようにしてもよい。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によれば、設定値追従制御の応答過程を追従フェーズと収束フェーズと安定フェーズの３段階に分割し、設定値変更開始時点を追従フェーズの開始時点とし、追従フェーズにおいて制御量が設定値を超えない特定の設定値追従制御経過時点を収束フェーズの開始時点とし、収束フェーズにおいて予め設定された状況に到達した時点を安定フェーズの開始時点として各フェーズの切り換えを行い、追従フェーズでは制御量を設定値に追従させる操作量を出力し、収束フェーズでは制御量を設定値近傍に収束させる操作量を出力し、安定フェーズでは制御量を設定値に安定させる操作量を出力するようにしたことにより、追従フェーズ、収束フェーズ、安定フェーズのそれぞれの制御特性を別々に調整することができるので、実対象に合わせたパラメータ調整が容易になる。特に、追従フェーズから収束フェーズへの切換時点を調整することと、収束フェーズにおける操作量を調整することにより、設定値追従制御の応答波形を強制的かつ直接的に整形する作用が得られるため、非線形性の強い系を制御対象とする場合でも、適切な設定値追従制御を実現することができる。また、本発明は、単純適応制御ＳＡＣ等の高度な適応制御理論では制御演算回数が不足する場合、例えば高速昇温などの場合でも、適切な設定値追従制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における追従フェーズ、収束フェーズ及び安定フェーズを説明するための波形図である。
【図２】 本発明の参考例となるフィードバック制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】 図２のフィードバック制御装置の動作を示すフローチャート図である。
【図４】 追従フェーズから収束フェーズへの切り換えを説明するための波形図である。
【図５】 追従フェーズから収束フェーズへの切り換えを説明するための波形図である。
【図６】 収束フェーズから安定フェーズへの切り換えを説明するための波形図である。
【図７】 追従フェーズにおける操作量決定手順を説明するための図である。
【図８】 追従フェーズにおける操作量決定手順を説明するための図である。
【図９】 本発明の参考例のフィードバック制御装置の動作を示す波形図である。
【図１０】 本発明の参考例において偏差指標の調整方法を説明するための波形図である。
【図１１】 本発明の参考例において第２の操作量決定部の操作量出力値の調整方法を説明するための波形図である。
【図１２】 本発明の第１の実施の形態のフィードバック制御装置の動作を示す波形図である。
【図１３】 本発明の第２の実施の形態のフィードバック制御装置の動作を示す波形図である。
【図１４】 強非線形系のプロセスゲイン特性の１例を示す図である。
【図１５】 ＰＩＤ制御による強非線形系のステップ応答の１例を示す図である。
【図１６】 単純適応制御ＳＡＣ等の高度な適応制御理論の問題点を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１…設定値入力部、２…制御量入力部、３…第１のフェーズ切換部、４…第２のフェーズ切換部、５…第３のフェーズ切換部、６…第１の操作量決定部、７…第２の操作量決定部、８…第３の操作量決定部、９…操作量出力部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロセス制御技術に係り、特に設定値に対して制御量が追従するように制御対象に操作量を与えて設定値追従制御を行うフィードバック制御方法及びフィードバック制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、実用性の高い汎用制御理論としてＰＩＤ制御が知られている。また、現代制御理論のような高度な制御理論として、例えば単純適応制御ＳＡＣ（Simple Adaptive Control ）が知られている。どちらの制御理論も、設定値ＳＰに対し制御量ＰＶが追従するように操作量ＭＶを制御演算結果として制御対象に出力するものであり、制御量ＰＶを計測し設定値ＳＰとの偏差Ｅｒに基づき制御演算を行なうものである。
【０００３】
通常のＰＩＤ制御は、線形制御理論であり、制御対象を含めた制御系が線形系になることを前提にした制御理論である。ただし、実際の制御対象は厳密な線形性を有するものではなく、ＰＩＤ制御にしても若干の非線形性は許容できる。しかし、半導体製造装置に利用されるＲＴＰ（Rapid Thermal Process ）のハロゲンランプによる加熱などは、ＰＩＤ制御が単純には通用しない非線形性の強い系である。この場合、制御系の安定性を追求するだけであればＰＩＤ制御でも対応できるが、ＲＴＰなどのように高速度な昇温とオーバーシュートの少ない応答波形が要求される条件では、ＰＩＤ制御は対応できない。
【０００４】
例えば、制御系の非線形特性が図１４のような特性Ｋで近似できる場合、設定値ＳＰのステップ変更に追従（ステップ応答）させて高速昇温させようとすると、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差Ｅｒが大きい時点では操作量ＭＶ（加熱出力）が１００％になり、平均的なプロセスゲイン特性は図１４のＫａｖ１に示される大きな傾きの特性になる。ところが、昇温が進んで偏差Ｅｒが小さくなるにつれて、例えば操作量ＭＶは２０％程度に降下してくる。こうなると平均的なプロセスゲイン特性は同じく図１４のＫａｖ２に示される別の小さな傾きの特性になる。
【０００５】
ＰＩＤコントローラのＰＩＤパラメータを高速昇温という仕様に合わせて調整し、このＰＩＤコントローラで図１４のような強非線形系を温度制御すると、設定値ＳＰのステップ変更に対して、昇温軌道（ステップ応答波形）は図１５のＰＶのようになる。すなわち、応答前半においては、プロセスゲインが大き過ぎる制御対象を制御するようなオーバーシュートが制御量ＰＶに発生し、応答後半においては、プロセスゲインが小さ過ぎる制御対象を制御するような制御量ＰＶの設定値ＳＰへの追従が極端に遅いという制御動作が発生する。結果的に、図１５のような昇温軌道になるが、半導体製造装置のようにオーバーシュートの少ない応答波形が要求される制御対象としては、適切な制御が行なわれたことにはならない。また、ＰＩＤパラメータの調整も、線形制御理論の範囲外なので極めて難しい。
【０００６】
一方、単純適応制御ＳＡＣなどの高度な適応制御理論は、制御対象のプロセスゲイン特性の変動に対し、常に適切な制御特性が得られるように制御演算部の内部パラメータが自動修正されるように設計されている。しかし、内部パラメータの自動修正（適応動作）が適切に動作するためには、過渡状態において十分な制御演算回数が必要になる。高速昇温の場合、昇温に要する所要時間として１．０〜１．５ｓｅｃ程度が要求されるため、制御周期が５０ｍｓｅｃの場合、ステップ応答中の制御演算回数は２０〜３０回程度になる。
【０００７】
このような条件で強非線形特性に起因するプロセスゲイン変化に追従するために与えられる制御演算回数は、図１６（ｂ）に示すようにせいぜい２〜３回程度になり、適応動作が機能するためには全く論外に制御演算回数が不足することになる。すなわち、実用レベルで考えると、高度な適応制御理論に基づく手法では、最終的に制御の安定性が得られる程度であり、強非線形特性の制御対象をきれいに高速昇温させることはできない。また実質的には、高速昇温に限らず、安定性を確保することだけが目的の技術である。さらに、適応動作を適切に動作させるために予め設定すべき多くのパラメータについて、その設定に関する実用水準の指針がない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来のＰＩＤ制御理論では、非線形性の強い系を制御対象とする場合、適切な設定値追従制御が実現できず、またＰＩＤパラメータの調整も困難になるという問題点があった。
また、単純適応制御ＳＡＣなどの高度な適応制御理論では、強非線形特性の制御対象について制御量を設定値に高速に追従させようとすると、適応動作を機能させるための制御演算回数が不足するため、適切な設定値追従制御が実現できず、またパラメータの調整も困難になるという問題点があった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、非線形性の強い系を制御対象とする場合でも、適切な設定値追従制御が実現でき、適切な設定値追従制御を行うためのパラメータ調整が容易なフィードバック制御方法及びフィードバック制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、設定値に対して制御量が追従するように制御対象に操作量を与えて設定値追従制御を行うフィードバック制御方法において、設定値追従制御の応答過程を追従フェーズと収束フェーズと安定フェーズの３段階に分割し、設定値変更開始時点を前記追従フェーズの開始時点として前記追従フェーズへの切り換えを行う第１のフェーズ切換手順（図３の１０１，１０５）と、前記追従フェーズにおいて制御量を設定値に追従させる操作量を継続的に出力する追従フェーズの操作量決定手順（１０２）と、前記追従フェーズにおいて制御量が設定値を超えない特定の設定値追従制御経過時点を前記収束フェーズの開始時点として前記収束フェーズへの切り換えを行う第２のフェーズ切換手順（１０３）と、前記収束フェーズにおいて制御量を設定値近傍に収束させる予め設定された一定レベルの操作量を継続的に出力する収束フェーズの操作量決定手順（１０４）と、前記収束フェーズにおいて制御量の収束が確定する予め設定された状況に到達した時点を前記安定フェーズの開始時点として前記安定フェーズへの切り換えを行う第３のフェーズ切換手順（１０６）と、前記安定フェーズにおいて制御量を設定値に安定させる操作量を継続的に出力する安定フェーズの操作量決定手順（１０７）とを実行し、前記第２のフェーズ切換手順は、前記追従フェーズにおいて現在の制御量から設定値に達するまでの時間である到達残り時間の予測値を、設定値と制御量との偏差及び制御量の変化率に基づいて計算し、計算した到達残り時間予測値が予め設定された時間指標よりも小さくなった時点を前記収束フェーズの開始時点とするようにしたものである。
【００１３】
また、本発明は、設定値追従制御の応答過程を追従フェーズと収束フェーズと安定フェーズの３段階に分割し、設定値に対して制御量が追従するように制御対象に操作量を与えて前記設定値追従制御を行うフィードバック制御装置であって、設定値変更開始時点を前記追従フェーズの開始時点として前記追従フェーズへの切り換えを行う第１のフェーズ切換部（図２の３）と、前記追従フェーズにおいて制御量が設定値を超えない特定の設定値追従制御経過時点を前記収束フェーズの開始時点として前記収束フェーズへの切り換えを行う第２のフェーズ切換部（４）と、前記収束フェーズにおいて制御量の収束が確定する予め設定された状況に到達した時点を前記安定フェーズの開始時点として前記安定フェーズへの切り換えを行う第３のフェーズ切換部（５）と、前記追従フェーズにおいて制御量を設定値に追従させる操作量を継続的に出力する第１の操作量決定部（６）と、前記収束フェーズにおいて制御量を設定値近傍に収束させる予め設定された一定レベルの操作量を継続的に出力する第２の操作量決定部（７）と、前記安定フェーズにおいて制御量を設定値に安定させる操作量を継続的に出力する第３の操作量決定部（８）とを備え、前記第２のフェーズ切換部は、前記追従フェーズにおいて現在の制御量から設定値に達するまでの時間である到達残り時間の予測値を、設定値と制御量との偏差及び制御量の変化率に基づいて計算し、計算した到達残り時間予測値が予め設定された時間指標よりも小さくなった時点を前記収束フェーズの開始時点とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
［参考例］
以下、本発明の参考例について図面を参照して詳細に説明する。本発明では、設定値変更に伴う設定値追従制御の応答過程を、以下に示す３段階のフェーズ（追従フェーズ，収束フェーズ，安定フェーズ）に分割し、各々のフェーズに適切かつ単純な操作量出力手順を割り当て、一連のフェーズの組み合わせにより設定値追従制御の応答波形を強制的かつ直接的に整形する。
【００１７】
図１は本発明における追従フェーズ、収束フェーズおよび安定フェーズを説明するための波形図であり、図１（ａ）は制御量ＰＶの変化（応答波形）を示す図、図１（ｂ）は操作量ＭＶの変化を示す図である。まず、応答過程において、設定値ＳＰ変更開始時点ｔ１から、制御量ＰＶが設定値ＳＰを超えない特定の設定値追従制御経過時点ｔ２までを追従フェーズとする。この追従フェーズでは、設定値追従制御の応答波形が乱れず、かつ制御量ＰＶが設定値ＳＰに追従するような操作量ＭＶを継続的に出力する。
【００１８】
次に、前記特定の設定値追従制御経過時点ｔ２から、予め指定された状況に到達する時点ｔ３までを収束フェーズとする。この収束フェーズでは、設定値追従制御の応答波形が乱れず、かつ制御量ＰＶが設定値ＳＰ近傍に収束するような操作量ＭＶを継続的に出力する。そして、前記予め指定された状況に到達した時点ｔ３以降を安定フェーズとする。この安定フェーズでは、制御量ＰＶが設定値ＳＰに安定するような操作量ＭＶを継続的に出力する。
【００１９】
図２は本発明の参考例となるフィードバック制御装置の構成を示すブロック図である。本参考例のフィードバック制御装置は、制御装置のオペレータによって設定された設定値ＳＰを入力する設定値入力部１と、図示しないセンサによって検出された制御量ＰＶを入力する制御量入力部２と、設定値変更開始時点を前記追従フェーズの開始時点ｔ１として追従フェーズへの切り換えを行う第１のフェーズ切換部３と、追従フェーズにおいて制御量ＰＶが設定値ＳＰを超えない特定の設定値追従制御経過時点を収束フェーズの開始時点ｔ２として収束フェーズへの切り換えを行う第２のフェーズ切換部４と、収束フェーズにおいて予め設定された状況に到達した時点を安定フェーズの開始時点ｔ３として安定フェーズへの切り換えを行う第３のフェーズ切換部５と、追従フェーズにおいて制御量ＰＶを設定値ＳＰに追従させる操作量ＭＶを継続的に出力する第１の操作量決定部６と、収束フェーズにおいて制御量ＰＶを設定値ＳＰ近傍に収束させる操作量ＭＶを継続的に出力する第２の操作量決定部７と、安定フェーズにおいて制御量ＰＶを設定値ＳＰに安定させる操作量ＭＶを継続的に出力する第３の操作量決定部８と、各フェーズに応じて決定された操作量ＭＶを図示しない制御対象に出力する操作量出力部９とを備えている。
【００２０】
図３は図２のフィードバック制御装置の動作を示すフローチャート図である。設定値ＳＰは、制御装置のオペレータによって設定され、設定値入力部１を介して第１のフェーズ切換部３、第２のフェーズ切換部４、第３のフェーズ切換部５、第１の操作量決定部６、第２の操作量決定部７及び第３の操作量決定部８に入力される。
【００２１】
また、制御対象の制御量ＰＶは、図示しないセンサによって検出され、制御量入力部２を介して第１のフェーズ切換部３、第２のフェーズ切換部４、第３のフェーズ切換部５、第１の操作量決定部６、第２の操作量決定部７及び第３の操作量決定部８に入力される。
【００２２】
初期状態では、安定フェーズが選択される。すなわち、制御開始に伴って、第１のフェーズ切換部３は、追従フェーズの開始時点ｔ１か否かを判断し（図３ステップ１０１）、開始時点ｔ１でないと判断した場合、フェーズ切り換えを行わずにステップ１０７に進んで安定フェーズのままとする。安定フェーズの場合、第３の操作量決定部８が予め規定された操作量ＭＶを出力し、操作量出力部９は、第３の操作量決定部８から出力された操作量を制御対象へ出力する（ステップ１０７）。
【００２３】
ステップ１０１において、追従フェーズの開始時点ｔ１と判断した場合、第１のフェーズ切換部３は、安定フェーズから追従フェーズへ切り換えを行い、追従フェーズへ切り換えたことを第２のフェーズ切換部４、第３のフェーズ切換部５及び第１の操作量決定部６に通知する。追従フェーズの場合、第１の操作量決定部６が予め規定された操作量ＭＶを出力し、操作量出力部９は、第１の操作量決定部６から出力された操作量を制御対象へ出力する（ステップ１０２）。
【００２４】
次に、追従フェーズに切り換えられた場合、第２のフェーズ切換部４は、収束フェーズの開始時点ｔ２か否かを判断し（ステップ１０３）、開始時点ｔ２でないと判断した場合、フェーズ切り換えを行わずにステップ１０２に戻り追従フェーズのままとする。
【００２５】
ステップ１０３において、収束フェーズの開始時点ｔ２と判断した場合、第２のフェーズ切換部４は、追従フェーズから収束フェーズへ切り換えを行い、収束フェーズへ切り換えたことを第１のフェーズ切換部３、第３のフェーズ切換部５及び第２の操作量決定部７に通知する。収束フェーズの場合、第２の操作量決定部７が予め規定された操作量ＭＶを出力し、操作量出力部９は、第２の操作量決定部７から出力された操作量を制御対象へ出力する（ステップ１０４）。
【００２６】
次に、収束フェーズに切り換えられた場合、第１のフェーズ切換部３は、追従フェーズの開始時点ｔ１か否かを判断し（ステップ１０５）、追従フェーズの開始時点ｔ１と判断した場合、ステップ１０２に進んで収束フェーズから追従フェーズへ切り換えを行い、追従フェーズへ切り換えたことを第２のフェーズ切換部４、第３のフェーズ切換部５及び第１の操作量決定部６に通知する。また、第１のフェーズ切換部３は、開始時点ｔ１でないと判断した場合、フェーズ切り換えを行わずにステップ１０６に進み収束フェーズのままとする。
【００２７】
続いて、第３のフェーズ切換部５は、安定フェーズの開始時点ｔ３か否かを判断し（ステップ１０６）、開始時点ｔ３でないと判断した場合、フェーズ切り換えを行わずにステップ１０４に戻り収束フェーズのままとする。
【００２８】
ステップ１０６において、安定フェーズの開始時点ｔ３と判断した場合、第３のフェーズ切換部５は、収束フェーズから安定フェーズへ切り換えを行い、安定フェーズへ切り換えたことを第１のフェーズ切換部３、第２のフェーズ切換部４及び第３の操作量決定部８に通知する。ステップ１０７の処理は前述のとおりである。以上のようなステップ１０１〜１０７の処理をオペレータ等の指令によって制御装置が停止するまで（ステップ１０８においてＹＥＳ）、制御周期ｄｔごとに繰り返す。
【００２９】
ここで、フェーズ切り換えについてより詳細に説明する。図４、図５は追従フェーズから収束フェーズへの切り換えを説明するための波形図である。追従フェーズから収束フェーズへ切り換えるか否かの判断方法には２通りあり、一方の判断方法によれば、第２のフェーズ切換部４は、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差Ｅｒが予め設定された偏差指標Ｅｘよりも小さくなった時点を、収束フェーズの開始時点（特定の設定値追従制御経過時点）ｔ２と判断し、追従フェーズから収束フェーズへの切り換えを行う（図４）。
【００３０】
また、もう一方の判断方法によれば、第２のフェーズ切換部４は、現在の制御周期における制御量ＰＶから設定値ＳＰに達するまでの時間である到達残り時間の予測値Ｔｒを設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差Ｅｒ及び制御量ＰＶの変化率ΔＰＶに基づいてＴｒ＝Ｅｒ／ΔＰＶにより計算し、計算した到達残り時間予測値Ｔｒが予め設定された時間指標Ｔｘよりも小さくなった時点を、収束フェーズの開始時点（特定の設定値追従制御経過時点）ｔ２と判断し、追従フェーズから収束フェーズへの切り換えを行う（図５）。
【００３１】
図６は収束フェーズから安定フェーズへの切り換えを説明するための波形図である。第３のフェーズ切換部５は、収束フェーズの開始時点ｔ２から、予め設定された時間指標Ｔｃが経過した時点を、安定フェーズの開始時点（予め指定された状況に到達する時点）ｔ３と判断し、収束フェーズから安定フェーズへの切り換えを行う。
【００３２】
次に、各フェーズにおける操作量決定手順について説明する。追従フェーズにおける操作量決定手順には３通りあり、第１の手順によれば、第１の操作量決定部６は、予め設定された操作量ＭＶ１を継続的に出力する。
【００３３】
また、第２の手順によれば、第１の操作量決定部６は、予め設定された操作量ＭＶ１を時間遅れフィルタ処理して、時間遅れフィルタ処理後の値ＭＶｆを継続的に出力する。すなわち、第２の手順では、操作量ＭＶ１を図７に示すような時間遅れフィルタに通して、時間遅れフィルタ処理後の操作量ＭＶｆを制御対象に与えることになる。
【００３４】
そして、第３の手順によれば、第１の操作量決定部６は、制御の即応性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズム（Ｐ，ＰＤ，ＰＩ制御を含む）により算出した操作量ＭＶｃを継続的に出力する。すなわち、第３の手順では、図８に示すようなＰＩＤ制御系により偏差Ｅｒから操作量ＭＶｃを算出して制御対象に与えることになる。
【００３５】
収束フェーズにおいて、第２の操作量決定部７は、予め設定された操作量ＭＶ２を継続的に出力する。また、安定フェーズにおいて、第３の操作量決定部８は、制御の安定性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズム（Ｐ，ＰＤ，ＰＩ制御を含む）により算出した操作量ＭＶｄを継続的に出力する。すなわち、第３の操作量決定部８は、図８と同様のＰＩＤ制御系により偏差Ｅｒから操作量ＭＶｄを算出して制御対象に与えることになる。
【００３６】
本発明では、前述のように、設定値追従制御の応答過程を３段階のフェーズ（追従フェーズ，収束フェーズ，安定フェーズ）に分割することが、重要な着眼点である。例えば非線形性の強い制御対象について、設定値ＳＰのステップ変更に制御量ＰＶを追従させるステップ応答制御を行う場合、図１４で説明したように、追従フェーズに相当する段階と、安定フェーズに相当する段階では、制御対象の平均的なプロセスゲイン特性が大きく異なる。
【００３７】
このとき、追従フェーズと安定フェーズとを同一特性の制御手法で制御しようとすると、追従フェーズに適切な制御特性であれば安定フェーズには不適切な制御特性になり、逆に安定フェーズに適切な制御特性であれば追従フェーズには不適切な制御特性になる。そして、温度制御における高速昇温などでは、これら追従フェーズと安定フェーズの特性の切り換わりが急激なため、切換時点の前後で制御応答波形が乱れる。すなわち、追従フェーズか安定フェーズのどちらかの制御特性が劣化するだけではなく、両者の中間段階での制御応答波形の乱れも顕著に現れる。
【００３８】
本発明は、追従フェーズと安定フェーズとに別の制御特性を与える手法により制御を行おうとするものであり、かつ追従フェーズと安定フェーズの切換時点の前後で制御応答波形が乱れないように、さらに別の制御特性を与えて制御を行うための収束フェーズを設けている。
【００３９】
そして、まず追従フェーズでは、制御量ＰＶが設定値ＳＰに追従することだけを目的とした操作量ＭＶを出力する。次に、収束フェーズでは、追従フェーズから安定フェーズに移行させるために制御量ＰＶが設定値ＳＰ近傍に収束することだけを目的とした操作量ＭＶを出力する。最後に、安定フェーズでは、制御量ＰＶが設定値ＳＰに安定することだけを目的とした操作量ＭＶを出力する。
【００４０】
また、本発明では、追従フェーズ、収束フェーズ、安定フェーズのそれぞれの制御特性を別々に調整できるので、実対象に合わせたパラメータ調整が容易になる。特に、設定値追従制御では、追従フェーズから収束フェーズへの切換時点を調整することと、収束フェーズにおける操作量ＭＶを調整することにより、設定値追従制御の応答波形を強制的かつ直接的に整形する作用が得られるため、きれいな設定値追従制御が実現できる。
【００４１】
なお、設定値追従特性と外乱抑制特性を別々に調整可能な制御手法として、２自由度ＰＩＤが提案されているが、設定値追従特性のフェーズ毎に別々に調整するという概念のものではないので、２自由度ＰＩＤでは本発明が解決する課題を解決できないことに留意しなければならない。本発明は、３段階のフェーズに分割していることと、中間段階の収束フェーズを設けてフェーズを円滑に移行させていくことに特徴がある。
【００４２】
次に、本参考例のより具体的な動作として、高速昇温制御に図２のフィードバック制御装置を適用した場合の動作を説明する。図９は本参考例のフィードバック制御装置の動作を示す波形図であり、図９（ａ）は制御量ＰＶの変化を示す図、図９（ｂ）は操作量ＭＶの変化を示す図である。なお、前述のように図３のステップ１０１〜１０８の処理は制御周期ｄｔごとに行われる。したがって、操作量ＭＶも制御周期ｄｔごとに出力される。図９（ｂ）の○印は制御周期ｄｔごとに出力される操作量ＭＶを表している。
【００４３】
本参考例では、追従フェーズから収束フェーズへの切換時点（特定の設定値追従制御経過時点）ｔ２を、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差Ｅｒが予め設定された偏差指標Ｅｘよりも小さくなった時点とし、収束フェーズから安定フェーズへの切換時点（予め指定された状況に到達する時点）ｔ３を、予め設定された時間指標Ｔｃが経過した時点とする。
【００４４】
また、本参考例では、追従フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、予め設定された操作量ＭＶ１を継続的に出力する手順とし、収束フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、予め設定された操作量ＭＶ２を継続的に出力する手順とし、安定フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、制御の安定性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｄを継続的に出力する手順とする。
【００４５】
本参考例では、フェーズを示すパラメータをＦとし、Ｆ＝１のとき追従フェーズ、Ｆ＝２のとき収束フェーズ、Ｆ＝３のとき安定フェーズとする。また、現在の制御周期ｎにおける設定値をＳＰ（ｎ）、制御周期ｎにおける制御量をＰＶ（ｎ）、制御周期ｎにおける操作量をＭＶ（ｎ）、制御周期ｎにおける制御偏差をＥｒ（ｎ）とする。
【００４６】
第１のフェーズ切換部３は、図３のステップ１０１又は１０５において、現在の制御周期ｎにおける設定値ＳＰ（ｎ）が１制御周期前の設定値ＳＰ（ｎ−１）よりも昇温側に変更されている場合、現時点を追従フェーズの開始時点ｔ１と判断し、フェーズを示すパラメータＦの値をＦ＝１（追従フェーズ）とし、このＦ＝１を第２のフェーズ切換部４、第３のフェーズ切換部５及び第１の操作量決定部６に出力する。すなわち、第１のフェーズ切換部３は以下のような処理を行なう。
ｉｆ ＳＰ（ｎ）＞ＳＰ（ｎ−１） ｔｈｅｎ Ｆ←１ ・・・（１）
【００４７】
なお、第１のフェーズ切換部３は、第２のフェーズ切換部４または第３のフェーズ切換部５からＦ＝２またはＦ＝３の通知を受けた場合、第１の操作量決定部６に出力しているパラメータＦの値を通知を受けた値Ｆ＝２またはＦ＝３に変更する。
【００４８】
また、本参考例では、昇温制御のため、ＳＰ（ｎ）＞ＳＰ（ｎ−１）が成立したとき追従フェーズに切り換えているが、設定値ＳＰ（ｎ）が１制御周期前の設定値ＳＰ（ｎ−１）より小さくなったとき（ＳＰ（ｎ）＜ＳＰ（ｎ−１））追従フェーズに切り換えるようにしてもよい。
【００４９】
次に、第１の操作量決定部６には、追従フェーズにおける操作量出力値ＭＶ１が予め設定されている。操作量出力値ＭＶ１については、制御量ＰＶが所望の追従特性で設定値ＳＰに追従するように設定すればよい。高速昇温制御に本発明を適用する場合、ＭＶ１＝１００％が適当である。
【００５０】
第１の操作量決定部６は、第１のフェーズ切換部３から出力されたパラメータＦの値がＦ＝１である場合、予め設定された値ＭＶ１を操作量ＭＶ（ｎ）として出力する（図３ステップ１０２、図９（ｂ））。すなわち、第１の操作量決定部６は以下のような処理を行なう。
ｉｆ Ｆ＝１ ｔｈｅｎ ＭＶ（ｎ）←ＭＶ１ ・・・（２）
【００５１】
次に、第２のフェーズ切換部４は、現在の制御周期ｎにおける設定値ＳＰ（ｎ）と制御量ＰＶ（ｎ）との偏差Ｅｒ（ｎ）を算出する。
Ｅｒ（ｎ）＝ＳＰ（ｎ）−ＰＶ（ｎ） ・・・（３）
【００５２】
また、第２のフェーズ切換部４には、フェーズ切換判断のための偏差指標Ｅｘが予め設定されている。第２のフェーズ切換部４は、図３のステップ１０３において、パラメータＦの値がＦ＝１で、設定値ＳＰ（ｎ）が設定値ＳＰ（ｎ−１）から変更されておらず、かつ偏差Ｅｒ（ｎ）が偏差指標Ｅｘよりも小さい場合、現時点を収束フェーズの開始時点ｔ２と判断し、パラメータＦの値をＦ＝２（収束フェーズ）とし、このＦ＝２を第１のフェーズ切換部３、第３のフェーズ切換部５及び第２の操作量決定部７に出力する。すなわち、第２のフェーズ切換部４は以下のような処理を行なう。
偏差指標Ｅｘについては、追従フェーズから収束フェーズへ移行するタイミングが適切となるように、すなわち制御量ＰＶが所望の追従特性（応答波形）で設定値ＳＰに追従するように試行錯誤で調整すればよい。高速昇温制御に本発明を適用する場合、図１０に示すように、オーバーシュート傾向か昇温不足傾向が２段階で現れる。偏差指標Ｅｘの調整では１段階目に着目し、オーバーシュートが発生する場合は偏差指標Ｅｘを大きな値に、昇温不足の場合は偏差指標Ｅｘを小さな値に修正すれば良い。偏差指標Ｅｘは、設定値追従制御の応答波形を強制的かつ直接的に整形する作用のある数値なので、試行錯誤により容易に適切な値を求めることができる。
【００５４】
なお、第２のフェーズ切換部４は、第１のフェーズ切換部３または第３のフェーズ切換部５からＦ＝１またはＦ＝３の通知を受けた場合、第２の操作量決定部７に出力しているパラメータＦの値を通知を受けた値Ｆ＝１またはＦ＝３に変更する。
【００５５】
次に、第２の操作量決定部７には、収束フェーズにおける操作量出力値ＭＶ２が予め設定されている。第２の操作量決定部７は、第２のフェーズ切換部４から出力されたパラメータＦの値がＦ＝２である場合、予め設定された値ＭＶ２を操作量ＭＶ（ｎ）として出力する（図３ステップ１０４、図９（ｂ））。すなわち、第２の操作量決定部７は以下のような処理を行なう。
ｉｆ Ｆ＝２ ｔｈｅｎ ＭＶ（ｎ）←ＭＶ２ ・・・（５）
【００５６】
操作量出力値ＭＶ２については、制御量ＰＶが所望の特性で設定値ＳＰに収束するように試行錯誤で調整すればよい。高速昇温制御に本発明を適用する場合、図１１に示すように、オーバーシュート傾向か昇温不足傾向が２段階で現れる。操作量出力値ＭＶ２の調整では２段階目に着目し、オーバーシュートが発生する場合は操作量出力値ＭＶ２を小さな値に、昇温不足の場合は操作量出力値ＭＶ２を大きな値に修正すれば良い。操作量出力値ＭＶ２は、設定値追従制御の応答波形を強制的かつ直接的に整形する作用のある数値なので、試行錯誤により容易に適切な値を求めることができる。
【００５７】
次に、第３のフェーズ切換部５には、フェーズ切換判断のための時間指標Ｔｃが予め設定されている。第３のフェーズ切換部５は、図３のステップ１０６において、パラメータＦの値がＦ＝２で、かつＦ＝２（収束フェーズ）にセットされた時点ｔ２からの経過時間ｔｎが時間指標Ｔｃよりも長い場合、現時点を安定フェーズの開始時点ｔ３と判断し、パラメータＦの値をＦ＝３（安定フェーズ）とし、このＦ＝３を第１のフェーズ切換部３、第２のフェーズ切換部４及び第３の操作量決定部８に出力する。すなわち、第３のフェーズ切換部５は、以下のような処理を行なう。
ｉｆ Ｆ＝２ ａｎｄ ｔｎ＞Ｔｃ ｔｈｅｎ Ｆ←３ ・・・（６）
【００５８】
時間指標Ｔｃについては、制御量ＰＶが所望の特性で設定値ＳＰに収束するように試行錯誤で調整すればよい。高速昇温制御に本発明を適用する場合、制御対象のプロセスむだ時間Ｌｐの１〜２倍程度の時間が適当である。なお、第３のフェーズ切換部５は、第１のフェーズ切換部３または第２のフェーズ切換部４からＦ＝１またはＦ＝２の通知を受けた場合、第３の操作量決定部８に出力しているパラメータＦの値を通知を受けた値Ｆ＝１またはＦ＝２に変更する。
【００５９】
次に、第３の操作量決定部８は、第３のフェーズ切換部５から出力されたパラメータＦの値がＦ＝３である場合、制御の安定性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｄ（ｎ）を操作量ＭＶ（ｎ）として出力する（図３ステップ１０７、図９（ｂ））。すなわち、第３の操作量決定部８は以下のような処理を行なう。
ｉｆ Ｆ＝３ ｔｈｅｎ ＭＶ（ｎ）←ＭＶｄ（ｎ） ・・・（６）
【００６０】
ここで、制御の安定性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムは、ラプラス演算子ｓを用いた伝達関数で表すと次式のようになる。
【００６１】
［第１の実施の形態］
次に、本発明の第１の実施の形態について説明する。本実施の形態は高速昇温制御への別の適用事例を示すものである。本実施の形態においてもフィードバック制御装置の構成と処理の流れは図２、図３のとおりであるので、図２、図３の符号を用いて説明する。図１２は本実施の形態のフィードバック制御装置の動作を示す波形図であり、図１２（ａ）は制御量ＰＶの変化を示す図、図１２（ｂ）は操作量ＭＶの変化を示す図である。図１２（ｂ）の○印は制御周期ｄｔごとに出力される操作量ＭＶである。
【００６２】
本実施の形態では、追従フェーズから収束フェーズへの切換時点（特定の設定値追従制御経過時点）ｔ２を、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差Ｅｒ及び制御量ＰＶの変化率ΔＰＶに基づいて計算される到達残り時間予測値Ｔｒ＝Ｅｒ／ΔＰＶが予め設定された時間指標Ｔｘよりも小さくなった時点とする。また、収束フェーズから安定フェーズへの切換時点（予め指定された状況に到達する時点）ｔ３を、予め設定された時間指標Ｔｃが経過した時点とする。
【００６３】
また、本実施の形態では、追従フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、予め設定された操作量ＭＶ１を時間遅れフィルタ処理して、時間遅れフィルタ処理後の値ＭＶｆを継続的に出力する手順とし、収束フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、予め設定された操作量ＭＶ２を継続的に出力する手順とし、安定フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、制御の安定性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｄを継続的に出力する手順とする。
【００６４】
まず、第１のフェーズ切換部３の動作は参考例と同じである。次に、第１の操作量決定部６には、追従フェーズにおける操作量出力値ＭＶ１と１次遅れフィルタ時定数Ｔｆとが予め設定されている。第１の操作量決定部６は、第１のフェーズ切換部３から出力されたパラメータＦの値がＦ＝１である場合、予め設定された値ＭＶ１を１次遅れフィルタ処理して、１次遅れフィルタ処理後の値ＭＶｆ（ｎ）を操作量ＭＶ（ｎ）として出力する（図３ステップ１０２、図１２（ｂ））。すなわち、第１の操作量決定部６は以下のような処理を行なう。
ｉｆ Ｆ＝１ ｔｈｅｎ ＭＶ（ｎ）←ＭＶｆ（ｎ） ・・・（８）
【００６５】
ここで、１次遅れフィルタ処理の演算式を、ラプラス演算子ｓを用いた伝達関数で表現すると次式のようになる。
ＭＶｆ（ｎ）＝｛１／（１＋Ｔｆｓ）｝ＭＶ１ ・・・（９）
第１の操作量決定部６は、式（９）により１次遅れフィルタ処理後の値ＭＶｆ（ｎ）を算出する。
【００６６】
操作量出力値ＭＶ１については、制御量ＰＶが所望の追従特性で設定値ＳＰに追従するように設定すればよい。高速昇温制御に本発明を適用する場合、ＭＶ１＝１００％が適当である。また、１次遅れフィルタ時定数Ｔｆについては、制御量ＰＶが設定値ＳＰに追従する速度が所望の速度になるように任意に設定すればよい。高速昇温制御に本発明を適用する場合、１次遅れフィルタ時定数Ｔｆを長くすることにより昇温速度を遅くする調整が可能である。
【００６７】
次に、第２のフェーズ切換部４は、現在の制御周期ｎにおける設定値ＳＰ（ｎ）と制御量ＰＶ（ｎ）との偏差Ｅｒ（ｎ）を前述の式（３）により算出する。さらに、第２のフェーズ切換部４は、現在の制御周期ｎにおける制御量ＰＶ（ｎ）から設定値ＳＰに達するまでの時間である到達残り時間の予測値Ｔｒ（ｎ）を次式のように算出する。
【００６８】
また、第２のフェーズ切換部４には、フェーズ切換判断のための時間指標Ｔｘが予め設定されている。第２のフェーズ切換部４は、図３のステップ１０３において、パラメータＦの値がＦ＝１で、設定値ＳＰ（ｎ）が設定値ＳＰ（ｎ−１）から変更されておらず、かつ到達残り時間予測値Ｔｒ（ｎ）が時間指標Ｔｘよりも小さい場合、パラメータＦの値をＦ＝２（収束フェーズ）とし、このＦ＝２を第１のフェーズ切換部３、第３のフェーズ切換部５及び第２の操作量決定部７に出力する。すなわち、第２のフェーズ切換部４は以下のような処理を行なう。
時間指標Ｔｘについては、追従フェーズから収束フェーズへ移行するタイミングが適切となるように、すなわち制御量ＰＶが所望の追従特性で設定値ＳＰに追従するように試行錯誤で調整すればよい。高速昇温制御に本発明を適用する場合、図１０で説明したとおり、オーバーシュート傾向か昇温不足傾向が２段階で現れる。時間指標Ｔｘの調整では１段階目に着目し、オーバーシュートが発生する場合は時間指標Ｔｘを大きな値に、昇温不足の場合は時間指標Ｔｘを小さな値に修正すれば良い。時間指標Ｔｘは、設定値追従制御の応答波形を強制的かつ直接的に整形する作用のある数値なので、試行錯誤により容易に適切な値を求めることができる。
【００７０】
第２の操作量決定部７、第３のフェーズ切換部５及び第３の操作量決定部８の動作は参考例と同じである。
【００７１】
［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。本実施の形態は高速昇温制御への別の適用事例を示すものである。本実施の形態においてもフィードバック制御装置の構成と処理の流れは図２、図３のとおりであるので、図２、図３の符号を用いて説明する。図１３は本実施の形態のフィードバック制御装置の動作を示す波形図であり、図１３（ａ）は制御量ＰＶの変化を示す図、図１３（ｂ）は操作量ＭＶの変化を示す図である。図１３（ｂ）の○印は制御周期ｄｔごとに出力される操作量ＭＶである。
【００７２】
本実施の形態では、追従フェーズから収束フェーズへの切換時点（特定の設定値追従制御経過時点）ｔ２を、設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差Ｅｒ及び制御量ＰＶの変化率ΔＰＶに基づいて計算される到達残り時間予測値Ｔｒ＝Ｅｒ／ΔＰＶが予め設定された時間指標Ｔｘよりも小さくなった時点とする。また、収束フェーズから安定フェーズへの切換時点（予め指定された状況に到達する時点）ｔ３を、予め設定された時間指標Ｔｃが経過した時点とする。
【００７３】
また、本実施の形態では、追従フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、制御の即応性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｃを継続的に出力する手順とし、収束フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、予め設定された操作量ＭＶ２を継続的に出力する手順とし、安定フェーズの操作量ＭＶの決定手順を、制御の安定性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｄを継続的に出力する手順とする。
【００７４】
まず、第１のフェーズ切換部３の動作は参考例と同じである。次に、第１の操作量決定部６は、第１のフェーズ切換部３から出力されたパラメータＦの値がＦ＝１である場合、制御の即応性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｃ（ｎ）を操作量ＭＶ（ｎ）として出力する（図３ステップ１０２、図１３（ｂ））。すなわち、第１の操作量決定部６は以下のような処理を行なう。
ｉｆ Ｆ＝１ ｔｈｅｎ ＭＶ（ｎ）←ＭＶｃ（ｎ） ・・・（１２）
【００７５】
ここで、制御の即応性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムは、ラプラス演算子ｓを用いた伝達関数で表すと次式のようになる。
【００７６】
第２のフェーズ切換部４の動作は第１の実施の形態と同じである。また、第２の操作量決定部７、第３のフェーズ切換部５及び第３の操作量決定部８の動作は参考例と同じである。
【００７７】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。例えば、参考例で説明したとおり、安定フェーズから追従フェーズへ切り換えるか否かの判断方法が１通り、追従フェーズから収束フェーズへ切り換えるか否かの判断方法が２通り、収束フェーズから安定フェーズへ切り換えるか否かの判断方法が１通り、追従フェーズの操作量決定手順が３通り、収束フェーズの操作量決定手順が１通り、安定フェーズの操作量決定手順が１通りなので、各判断方法と各操作量決定手順のとり得る組み合わせは１×２×１×３×１×１の計６通りあり、このいずれの組み合わせを用いてもよい。
【００７８】
また、追従フェーズにおける操作量決定手順のうち第３の手順（第２の実施の形態）によれば、第１の操作量決定部６は、制御の即応性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｃを継続的に出力するようにしているが、これに限るものではなく、例えばＩＭＣ（Internal Model Control）等の他の制御アルゴリズムを用いて、即応性を重視した制御を行うようにしてもよい。
【００７９】
同様に、安定フェーズにおいて、第３の操作量決定部８は、制御の安定性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｄを継続的に出力するようにしているが、これに限るものではなく、他の制御アルゴリズムを用いて、安定性を重視した制御を行うようにしてもよい。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によれば、設定値追従制御の応答過程を追従フェーズと収束フェーズと安定フェーズの３段階に分割し、設定値変更開始時点を追従フェーズの開始時点とし、追従フェーズにおいて制御量が設定値を超えない特定の設定値追従制御経過時点を収束フェーズの開始時点とし、収束フェーズにおいて予め設定された状況に到達した時点を安定フェーズの開始時点として各フェーズの切り換えを行い、追従フェーズでは制御量を設定値に追従させる操作量を出力し、収束フェーズでは制御量を設定値近傍に収束させる操作量を出力し、安定フェーズでは制御量を設定値に安定させる操作量を出力するようにしたことにより、追従フェーズ、収束フェーズ、安定フェーズのそれぞれの制御特性を別々に調整することができるので、実対象に合わせたパラメータ調整が容易になる。特に、追従フェーズから収束フェーズへの切換時点を調整することと、収束フェーズにおける操作量を調整することにより、設定値追従制御の応答波形を強制的かつ直接的に整形する作用が得られるため、非線形性の強い系を制御対象とする場合でも、適切な設定値追従制御を実現することができる。また、本発明は、単純適応制御ＳＡＣ等の高度な適応制御理論では制御演算回数が不足する場合、例えば高速昇温などの場合でも、適切な設定値追従制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における追従フェーズ、収束フェーズ及び安定フェーズを説明するための波形図である。
【図２】 本発明の参考例となるフィードバック制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】 図２のフィードバック制御装置の動作を示すフローチャート図である。
【図４】 追従フェーズから収束フェーズへの切り換えを説明するための波形図である。
【図５】 追従フェーズから収束フェーズへの切り換えを説明するための波形図である。
【図６】 収束フェーズから安定フェーズへの切り換えを説明するための波形図である。
【図７】 追従フェーズにおける操作量決定手順を説明するための図である。
【図８】 追従フェーズにおける操作量決定手順を説明するための図である。
【図９】 本発明の参考例のフィードバック制御装置の動作を示す波形図である。
【図１０】 本発明の参考例において偏差指標の調整方法を説明するための波形図である。
【図１１】 本発明の参考例において第２の操作量決定部の操作量出力値の調整方法を説明するための波形図である。
【図１２】 本発明の第１の実施の形態のフィードバック制御装置の動作を示す波形図である。
【図１３】 本発明の第２の実施の形態のフィードバック制御装置の動作を示す波形図である。
【図１４】 強非線形系のプロセスゲイン特性の１例を示す図である。
【図１５】 ＰＩＤ制御による強非線形系のステップ応答の１例を示す図である。
【図１６】 単純適応制御ＳＡＣ等の高度な適応制御理論の問題点を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１…設定値入力部、２…制御量入力部、３…第１のフェーズ切換部、４…第２のフェーズ切換部、５…第３のフェーズ切換部、６…第１の操作量決定部、７…第２の操作量決定部、８…第３の操作量決定部、９…操作量出力部。
Claims (2)
- 設定値に対して制御量が追従するように制御対象に操作量を与えて設定値追従制御を行うフィードバック制御方法において、
設定値追従制御の応答過程を追従フェーズと収束フェーズと安定フェーズの３段階に分割し、
設定値変更開始時点を前記追従フェーズの開始時点として前記追従フェーズへの切り換えを行う第１のフェーズ切換手順と、
前記追従フェーズにおいて制御量を設定値に追従させる操作量を継続的に出力する追従フェーズの操作量決定手順と、
前記追従フェーズにおいて制御量が設定値を超えない特定の設定値追従制御経過時点を前記収束フェーズの開始時点として前記収束フェーズへの切り換えを行う第２のフェーズ切換手順と、
前記収束フェーズにおいて制御量を設定値近傍に収束させる予め設定された一定レベルの操作量を継続的に出力する収束フェーズの操作量決定手順と、
前記収束フェーズにおいて制御量の収束が確定する予め設定された状況に到達した時点を前記安定フェーズの開始時点として前記安定フェーズへの切り換えを行う第３のフェーズ切換手順と、
前記安定フェーズにおいて制御量を設定値に安定させる操作量を継続的に出力する安定フェーズの操作量決定手順とを実行し、
前記第２のフェーズ切換手順は、前記追従フェーズにおいて現在の制御量から設定値に達するまでの時間である到達残り時間の予測値を、設定値と制御量との偏差及び制御量の変化率に基づいて計算し、計算した到達残り時間予測値が予め設定された時間指標よりも小さくなった時点を前記収束フェーズの開始時点とすることを特徴とするフィードバック制御方法。 - 設定値追従制御の応答過程を追従フェーズと収束フェーズと安定フェーズの３段階に分割し、設定値に対して制御量が追従するように制御対象に操作量を与えて前記設定値追従制御を行うフィードバック制御装置であって、
設定値変更開始時点を前記追従フェーズの開始時点として前記追従フェーズへの切り換えを行う第１のフェーズ切換部と、
前記追従フェーズにおいて制御量が設定値を超えない特定の設定値追従制御経過時点を前記収束フェーズの開始時点として前記収束フェーズへの切り換えを行う第２のフェーズ切換部と、
前記収束フェーズにおいて制御量の収束が確定する予め設定された状況に到達した時点を前記安定フェーズの開始時点として前記安定フェーズへの切り換えを行う第３のフェーズ切換部と、
前記追従フェーズにおいて制御量を設定値に追従させる操作量を継続的に出力する第１の操作量決定部と、
前記収束フェーズにおいて制御量を設定値近傍に収束させる予め設定された一定レベルの操作量を継続的に出力する第２の操作量決定部と、
前記安定フェーズにおいて制御量を設定値に安定させる操作量を継続的に出力する第３の操作量決定部とを備え、
前記第２のフェーズ切換部は、前記追従フェーズにおいて現在の制御量から設定値に達するまでの時間である到達残り時間の予測値を、設定値と制御量との偏差及び制御量の変化率に基づいて計算し、計算した到達残り時間予測値が予め設定された時間指標よりも小さくなった時点を前記収束フェーズの開始時点とすることを特徴とするフィードバック制御装置。
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