JP3869388B2 - 温度調節器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象の温度を制御する温度調節器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
制御装置、例えば、温度を制御する温度調節器のＰＩＤ制御やＰＩ制御などの積分制御における積分値は、スタート時から大きな偏差（現在値と設定値との差）を積分しており、そのため、温度が設定値に達するころには、相当大きな積分値になるのに対して、操作量は、一般に飽和特性を有するので、温度が設定値に達してから過大な積分操作量が働き、オーバーシュートが発生するという、いわゆる、リセットワインドアップと呼ばれる現象が生じる。
【０００３】
かかるリセットワインドアップ対策として、飽和した操作量に、比例ゲインの逆数を乗算して積分要素(積分演算部)の入力にフィードバックすることにより、積分操作量が過大とならないようにする方法がある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
須田信英他「ＰＩＤ制御」朝倉書店（システム制御情報学会編）、
２０００年３月１０日、ｐ５３
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記比例ゲインの逆数は、任意に設定すると、制御系が不安定になる場合があり、従来では、一定の固定値とされており、このため、制御対象の特性や用途などによっては、必ずしも充分なオーバーシュート抑制効果などが得られない場合があるという難点がある。
【０００６】
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、リセットワインドアップに対して有効な温度調節器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上述の目的を達成するために、次のように構成している。
【０００８】
すなわち、本発明の温度調節器は、制御対象からの測定温度を目標温度に一致させるように操作量を、比例ゲインを用いて演算出力する演算制御部と、該演算制御部からの操作量を制限して制御対象側へ出力するリミッタとを備える温度調節器において、前記演算制御部は、少なくとも比例演算部と積分演算部とを含み、前記積分演算部の入力側に、前記リミッタの入力と出力との差をフィードバックするフィードバック手段を設け、前記比例ゲインをＫｐ、係数値をＦ、前記フィードバック手段におけるフィードバックゲインをＦ／Ｋｐとしたときに、該フィードバックゲインＦ／Ｋｐの比例ゲインＫｐを変更することなく、前記係数値Ｆを、可変設定できるようにしたものである。
【００１０】
本発明によると、リミッタの入力と出力との差、すなわち、リミッタで制限された操作量の飽和量を、積分演算部の入力側にフィードバックするので、積分操作量が過大とならないようにしてオーバーシュート等を抑制することができる。しかも、フィードバックする際のフィードバックゲインを可変設定できるので、制御対象の特性や用途などに応じて、ユーザがフィードバックゲインを可変設定することができ、ユーザの要求に応じたオーバーシュート等の抑制効果を奏することができる。
【００１１】
また、本発明の温度調節器は、制御対象からの測定温度を目標温度に一致させるように操作量を、比例ゲインを用いて演算出力する演算制御部と、該演算制御部からの操作量を制限して制御対象側へ出力する第１のリミッタとを備える温度調節器において、前記演算制御部は、少なくとも比例演算部と積分演算部とを含み、前記演算制御部からの前記操作量を、前記第１のリミッタよりも狭い範囲に制限する第２のリミッタと、該第２のリミッタの入力と出力との差を、前記積分演算部の入力側にフィードバックするフィードバック手段とを設け、前記第２のリミッタは、その出力を前記制御対象側に与えることなく、前記演算制御部からの前記操作量を制限するものであり、前記比例ゲインをＫｐ、係数値をＦ、前記フィードバック手段におけるフィードバックゲインをＦ／Ｋｐとしたときに、該フィードバックゲインＦ／Ｋｐの比例ゲインＫｐを変更することなく、前記係数値Ｆを、可変設定できるようにしたものである。
【００１２】
ここで、第２のリミッタは、第１のリミッタよりも操作量を狭い範囲に制限するものであり、上限値および下限値の少なくとも一方の制限値は、制御対象の特性など応じて設定すればよく、定常偏差をなくすためには、定常状態における整定操作量が制限されないように設定するのが好ましい。
【００１３】
本発明によると、操作量を制限して制御対象側へ出力する第１のリミッタの入力と出力との差を、積分演算部にフィードバックするのではなく、第１のリミッタよりも狭い範囲で操作量を制限する第２のリミッタの入力と出力との差をフィードバックするように構成したので、例えば、制御対象によっては、整定操作量が小さいために、第１のリミッタでは、操作量が飽和せず、積分操作量が過大となるのを抑制できないような場合であっても、第２のリミッタでは、操作量が飽和してその飽和量をフィードバックして積分操作量を抑制することが可能となる。これによって、オーバーシュート等を抑制できるとともに、特に、周期的に繰り返し印加されるような外乱に対して、測定値がシフトするのを抑制することができる。しかも、制御対象の特性や用途などに応じて、ユーザがフィードバックゲインを可変設定することができ、ユーザの要求に応じたオーバーシュート等の抑制効果を奏することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３７】
（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１のブロック図である。
【００３８】
この実施の形態の温度調節器１は、熱処理盤や熱処理炉などの制御対象２の温度を検出する図示しない温度センサからの測定温度（検出温度）ｙと目標温度ｒとの制御偏差ｅに基づいて、制御偏差がなくなるように操作量を演算出力する演算制御部２０と、この演算制御部２０からの操作量の上下限を制限して電磁開閉器およびヒータを含む図示しない加熱手段に出力するリミッタ６とを備えている。この実施の形態のリミッタ６は、操作量を、例えば、０％〜１００％の範囲に制限している。
【００３９】
演算制御部２０は、比例演算部(比例要素)３、微分演算部(微分要素)４および積分演算部(積分要素)５を備えている。
【００４０】
また、この実施の形態では、リセットワインドアップ対策のために、リミッタ６の入力と出力との差、すなわち、リミッタ６で制限された操作量の飽和量を、積分演算部５の入力側にフィードバックするフィードバック手段９を設けている。
【００４１】
このフィードバック手段９は、リミッタ６に入力される操作量からリミッタ６の出力を差し引いて操作量の飽和量を算出する第１の算出部としての減算部８と、この操作量の飽和量に、後述するフィードバックゲインＦ／Ｋｐを乗算するフィードバック要素７と、このフィードバック要素７の出力を、制御偏差ｅから差し引く第２の算出部としての減算部１０とを備えている。
【００４２】
演算制御部２０、リミッタ６およびフィードバック手段９は、例えば、マイクロコンピュータによって構成される。
【００４３】
なお、図１の比例演算部３、微分演算部４、積分演算部５およびフィードバック要素７におけるＫｐは比例ゲイン、ＴDは微分時間、λは不完全微分であることを示し、ＴIは積分時間、ｓはラプラス演算子、Ｆは後述のようにして設定算出される係数値である。
【００４４】
この実施の形態の温度調節器１では、リセットワインドアップ対策として、フィードバック要素７におけるフィードバックゲインを可変設定できるようにしており、しかも、制御系が不安定状態にならないように、設定可能範囲を、次のように制限している。
【００４５】
図２は、図１の操作量の飽和量をフィードバックするフィードバックループの部分１５を示すブロック図であり、この図２では、積分演算部５およびフィードバック要素７の伝達関数を、Ｚ変換してディジタル(離散系)で示している。なお、ΔＴは、サンプリング時間である。
【００４６】
この図２より、操作量の飽和量をフィードバックするフィードバックループの部分１５の式は、
【００４７】
【数１】
となる。よって、偏差ｅから操作量ｕまでのパルス伝達関数を計算すると、
【００４８】
【数２】
【００４９】
【数３】
【００５０】
【数４】
【００５１】
【数５】
となる。故に、特性方程式は、
【００５２】
【数６】
【００５３】
【数７】
【００５４】
【数８】
安定条件は、特性方程式の根の絶対値が、単位円内にあることなので、
【００５５】
【数９】
【００５６】
【数１０】
【００５７】
【数１１】
【００５８】
【数１２】
【００５９】
【数１３】
【００６０】
【数１４】
ここで、全パラメータは、正値なので、飽和量をフィードバックするフィードバックループ部分１５の安定条件は、上述の数１２および数１４より、
０＜ΔＴ・Ｆ／ＴI≦２
となる。
【００６１】
したがって、Ａ＝ΔＴ・Ｆ／ＴIとおくと、
フィードバックループの安定条件は、
０＜Ａ≦２となる。
【００６２】
図３に、Ａを、安定条件の範囲外であるＡ＝０．０およびＡ＝２．１に設定した場合と、安定条件の範囲内であるＡ＝２．０に設定した場合のシミュレーションの結果を示す。この図３では、目標温度を、１００℃に設定した例を示している。
【００６３】
破線で示されるＡ＝０．０および一点鎖線で示されるＡ＝２．１のいずれの場合も不安定となるのに対して、実線で示されるＡ＝２．０の場合は、安定となっている。
【００６４】
そこで、この実施の形態では、フィードバック要素７のフィードバックゲインＦ／Ｋｐの係数値Ｆを、０＜Ａ(＝ΔＴ・Ｆ／ＴI)≦２の安定条件を満足させるように設定するものである。
【００６５】
すなわち、この実施の形態の温度調節器１では、温度設定などの各種の設定を行なう図示しない操作キーの操作によって、所望の設定モードにしてＡの値を設定操作するものであり、この設定値Ａに基づいて、前記Ｆを算出してフィードバックゲインＦ／Ｋｐを設定するのである。なお、この設定値Ａは、通信によって上位のコンピュータなどから設定するようにしてもよい。
【００６６】
図４は、このフィードバック要素７のフィードバックゲインの設定のフローチャートであり、かかる処理は、上述のマイクロコンピュータによって行われる。
【００６７】
先ず、設定された設定値Ａを読み込み(ステップｎ１)、安定条件 ０＜Ａ≦２を満足するか否かを判断し(ステップｎ２)、満足するときには、Ｆ（＝ＴI×Ａ／ΔＴ）を算出し(ステップｎ３)、満足しないときには、ステップｎ１に戻り、例えば、設定値Ａが、設定可能範囲でないことを報知して再度の設定を促す。ステップｎ４では、算出されたＦをフィードバック要素７に設定して終了する。
【００６８】
なお、比例ゲインＫｐ、微分時間ＴDおよび積分時間ＴIは、従来と同様にオートチューニングによって決定される。
【００６９】
図５は、この実施の形態によるオーバーシュートの抑制のシミュレーション結果を示す図である。
【００７０】
この図５では、設定値Ａを、上述の設定可能範囲であるＡ＝０．０１(実線)、Ａ＝０．０２(破線)、Ａ＝１．００(一点鎖線)にそれぞれ設定した場合を示しており、目標温度を、１００℃としている。
【００７１】
この図５に示されるように、設定値Ａによって、オーバーシュート量を調整できることが分かる。
【００７２】
したがって、制御対象の特性や用途などに応じて、ユーザが設定可能範囲で設定値Ａを設定することにより、所望のオーバーシュート抑制効果を得ることができる。
【００７３】
設定値Ａは、このようにオーバーシュートを抑制できるだけではなく、次のような周期的な繰り返し外乱の印加による温度シフトを抑制する効果もある。
【００７４】
例えば、半導体ウェハを、熱処理盤に載置して順番に熱処理する熱処理装置では、図６に示されるように、目標温度である１００℃に制御された熱処理盤に、外乱として半導体ウェハを載置する度に、半導体ウェハに熱が奪われて熱処理盤の温度が一旦低下し、半導体ウェハが熱処理される間に再び目標温度に復帰し、次の半導体ウェハが載置されると、再び熱処理盤の温度が低下し、再び目標温度に復帰するという温度変化を周期的に繰り返すものである。
【００７５】
なお、周期的とは、一定周期に限らず、処理工程上の多少の時間的なずれを含むものである。
【００７６】
このような熱処理盤の温度制御において、オーバーシュートを抑制するために積分時間を大きめに設定すると、図６の破線で示されるように、全体的に温度が徐々に上昇するという温度シフトの問題がある。
【００７７】
これに対して、この実施の形態では、操作量の飽和量をフィードバックすることにより、徐々に蓄積される過大な積分操作量を抑制することができる。特に、上述の設定値Ａの設定によって、この温度シフトを抑制することができ、例えば、図６の実線で示されるように、Ａ＝０．１に設定した場合には、温度のシフトをなくすことができる。
【００７８】
（実施の形態２）
図７は、本発明の他の実施の形態の温度調節器１−１のブロック図であり、上述の実施の形態に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００７９】
上述の実施の形態では、操作量の上下限を制限するリミッタ６は、例えば、０％〜１００％の範囲で操作量を制限するものであり、したがって、操作量が０％〜１００％の範囲にあるとき、すなわち、操作量が飽和しない限りは、減算部８の出力が０となってフィードバックループが機能せず、積分操作量を抑制できないことになる。
【００８０】
したがって、例えば、制御対象の特性によって、定常状態における整定操作量が低く、リミッタ６で操作量が制限されないような場合には、上述の実施の形態の構成では、積分操作量を抑制するフィードバックループが機能せず、積分操作量が過大となるのを有効に抑制できないことになる。
【００８１】
特に、上述の半導体ウェハの熱処理のような周期的な外乱が繰り返されるような場合には、操作量が飽和しないときには、徐々に蓄積される過大な積分操作量によって、図８に示されるように、温度が全体的に徐々に上昇するという温度シフトが上述のように生じることになる。
【００８２】
そこで、この実施の形態では、図７に示されるように、演算制御部２０からの操作量を制限して制御対象２側に出力するリミッタ６（以下「第１のリミッタ」という）とは別に、この第１のリミッタ６よりも狭い範囲、例えば、０％〜２０％の範囲に操作量を制限する第２のリミッタ２１を設けている。
【００８３】
そして、この第２のリミッタ２１の入力と出力との差、すなわち、第２のリミッタ２１によって制限された操作量の飽和量を、上述の実施の形態と同様に、積分演算部５の入力側にフィードバックしている。その他の構成は、上述の実施の形態と同様である。
【００８４】
この実施の形態によれば、整定操作量が、例えば、１０％〜１５％程度と小さく、第１のリミッタ６で操作量が制限されることがないような制御対象であっても、周期的な外乱が繰り返されるような場合には、第２のリミッタ２１では、操作量が制限されて飽和量がフィードバックされて過大な積分操作量が抑制できることになる。したがって、周期的な繰り返し外乱の印加による温度シフトを、図９に示されるように、十分に抑制することができる。
【００８５】
なお、この実施の形態では、第１，第２のリミッタ６，２１は、並列的に設けたけれども、本発明の他の実施の形態として、例えば、図１０に示されるように、第１のリミッタ６の後段に、第２のリミッタ２１を設けるようにしてもよい。
【００８６】
(実施の形態３)
図１１は、本発明の他の実施の形態の温度調節器１−３のブロック図であり、上述の図１の実施の形態に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００８７】
従来、オフセット調整などのために、補正値を設定することにより、制御対象２の温度を検出する温度センサからの入力である検出温度(測定温度)に、前記補正値を加算して入力を補正するようにしている。
【００８８】
このような従来例では、整定状態において、入力補正を行なうと、例えば、図１２の一点鎖線で示されるようにオーバーシュートや温度の振れが生じるという難点がある。
【００８９】
この図１２においては、１００℃に整定している状態で、１℃の入力補正を行なった例を示している。
【００９０】
そこで、この実施の形態では、図１１に示されるように、補正手段としての入力補正手段１１には、設定された補正値が入力される一次遅れフィルタ１２を設けており、この一次遅れフィルタ１２の出力を、加算部１３において、温度センサからの検出温度に加算して補正入力値としている。
【００９１】
この実施の形態では、一次遅れフィルタの特性を、例えば、
{１＋(１−Ｂ)ＣＴIｓ}／(１＋ＣＴIｓ)としている。
【００９２】
ここで、Ｂ，Ｃは、固定値あるいはユーザが設定可能なパラメータである。
【００９３】
図１３は、Ｂ＝０．６、Ｃ＝１．０とした場合の一次遅れフィルタ１２の出力を示すものである。この図１３においては、補正値として、実線で示されるように１℃を設定した場合の一次遅れフィルタ１２の出力を破線で示している。
【００９４】
この図１３に示されるように、設定された補正値が、加算部１３にそのまま与えられるのではなく、徐々に設定された補正値なるような補正値が加算部１３に与えられることになり、これによって、上述の図１２の実線で示されるように、入力補正時のオーバーシュートや温度の振れが抑制されることになる。
【００９５】
なお、上述のＢの値によって、曲線状に変化を開始する点を調整することができ、Ｃの値によって、設定された補正値に達するまでの時間を調整することができる。
【００９６】
この実施の形態の入力補正手段１１を、上述の実施の形態２に設けてもよい。
【００９８】
上述の実施の形態では、制御対象を加熱する場合に適用して説明したけれども、本発明は、制御対象を冷却する場合にも適用できるのは勿論であり、アンダーシュートを抑制することができる。
【００９９】
上述の実施の形態では、ＰＩＤ制御に適用したけれども、本発明は、比例積分制御などの積分制御を含む他の制御（例えば現代制御、ファジィやニューロなどの知識型制御であっても積分を使うもの）にも適用できるものである。
【０１０１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、操作量の飽和量を、積分演算部の入力側にフィードバックする際に、フィードバックゲインを設定可能としているので、制御対象の特性や用途などに応じて、ユーザがフィードバックゲインを可変設定することができ、所望のオーバーシュート等の抑制効果や周期的な繰り返し外乱印加による測定値のシフトを抑制する効果などを奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器のブロック図
【図２】図１の操作量の飽和量のフィードバックループ部分のブロック図
【図３】設定値Ａによる制御特性の相違を示す図
【図４】フィードバックゲイン設定のフローチャート
【図５】設定値Ａによるオーバーシュート抑制効果を示す図
【図６】図１の実施の形態の温度シフト抑制効果を示す図
【図７】本発明の他の実施の形態に係る温度調節器のブロック図
【図８】操作量が飽和しない場合の温度シフトを示す図
【図９】図７の実施の形態の温度シフト抑制効果を示す図
【図１０】図７の変形例を示すブロック図
【図１１】本発明の他の実施の形態に係る温度調節器のブロック図
【図１２】図１１の実施の形態によるオーバーシュート抑制効果を示す図
【図１３】フィルタ特性の一例を示す図
【符号の説明】
１，１−１〜３ 温度調節器 ２ 制御対象 ３ 比例演算部
４ 微分演算部 ５ 積分演算部 ６，２１ リミッタ
７ フィードバック要素 ９ フィードバック手段
１１ 入力補正手段 １２ 一次遅れフィルタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象の温度を制御する温度調節器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
制御装置、例えば、温度を制御する温度調節器のＰＩＤ制御やＰＩ制御などの積分制御における積分値は、スタート時から大きな偏差（現在値と設定値との差）を積分しており、そのため、温度が設定値に達するころには、相当大きな積分値になるのに対して、操作量は、一般に飽和特性を有するので、温度が設定値に達してから過大な積分操作量が働き、オーバーシュートが発生するという、いわゆる、リセットワインドアップと呼ばれる現象が生じる。
【０００３】
かかるリセットワインドアップ対策として、飽和した操作量に、比例ゲインの逆数を乗算して積分要素(積分演算部)の入力にフィードバックすることにより、積分操作量が過大とならないようにする方法がある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
須田信英他「ＰＩＤ制御」朝倉書店（システム制御情報学会編）、
２０００年３月１０日、ｐ５３
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記比例ゲインの逆数は、任意に設定すると、制御系が不安定になる場合があり、従来では、一定の固定値とされており、このため、制御対象の特性や用途などによっては、必ずしも充分なオーバーシュート抑制効果などが得られない場合があるという難点がある。
【０００６】
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、リセットワインドアップに対して有効な温度調節器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上述の目的を達成するために、次のように構成している。
【０００８】
すなわち、本発明の温度調節器は、制御対象からの測定温度を目標温度に一致させるように操作量を、比例ゲインを用いて演算出力する演算制御部と、該演算制御部からの操作量を制限して制御対象側へ出力するリミッタとを備える温度調節器において、前記演算制御部は、少なくとも比例演算部と積分演算部とを含み、前記積分演算部の入力側に、前記リミッタの入力と出力との差をフィードバックするフィードバック手段を設け、前記比例ゲインをＫｐ、係数値をＦ、前記フィードバック手段におけるフィードバックゲインをＦ／Ｋｐとしたときに、該フィードバックゲインＦ／Ｋｐの比例ゲインＫｐを変更することなく、前記係数値Ｆを、可変設定できるようにしたものである。
【００１０】
本発明によると、リミッタの入力と出力との差、すなわち、リミッタで制限された操作量の飽和量を、積分演算部の入力側にフィードバックするので、積分操作量が過大とならないようにしてオーバーシュート等を抑制することができる。しかも、フィードバックする際のフィードバックゲインを可変設定できるので、制御対象の特性や用途などに応じて、ユーザがフィードバックゲインを可変設定することができ、ユーザの要求に応じたオーバーシュート等の抑制効果を奏することができる。
【００１１】
また、本発明の温度調節器は、制御対象からの測定温度を目標温度に一致させるように操作量を、比例ゲインを用いて演算出力する演算制御部と、該演算制御部からの操作量を制限して制御対象側へ出力する第１のリミッタとを備える温度調節器において、前記演算制御部は、少なくとも比例演算部と積分演算部とを含み、前記演算制御部からの前記操作量を、前記第１のリミッタよりも狭い範囲に制限する第２のリミッタと、該第２のリミッタの入力と出力との差を、前記積分演算部の入力側にフィードバックするフィードバック手段とを設け、前記第２のリミッタは、その出力を前記制御対象側に与えることなく、前記演算制御部からの前記操作量を制限するものであり、前記比例ゲインをＫｐ、係数値をＦ、前記フィードバック手段におけるフィードバックゲインをＦ／Ｋｐとしたときに、該フィードバックゲインＦ／Ｋｐの比例ゲインＫｐを変更することなく、前記係数値Ｆを、可変設定できるようにしたものである。
【００１２】
ここで、第２のリミッタは、第１のリミッタよりも操作量を狭い範囲に制限するものであり、上限値および下限値の少なくとも一方の制限値は、制御対象の特性など応じて設定すればよく、定常偏差をなくすためには、定常状態における整定操作量が制限されないように設定するのが好ましい。
【００１３】
本発明によると、操作量を制限して制御対象側へ出力する第１のリミッタの入力と出力との差を、積分演算部にフィードバックするのではなく、第１のリミッタよりも狭い範囲で操作量を制限する第２のリミッタの入力と出力との差をフィードバックするように構成したので、例えば、制御対象によっては、整定操作量が小さいために、第１のリミッタでは、操作量が飽和せず、積分操作量が過大となるのを抑制できないような場合であっても、第２のリミッタでは、操作量が飽和してその飽和量をフィードバックして積分操作量を抑制することが可能となる。これによって、オーバーシュート等を抑制できるとともに、特に、周期的に繰り返し印加されるような外乱に対して、測定値がシフトするのを抑制することができる。しかも、制御対象の特性や用途などに応じて、ユーザがフィードバックゲインを可変設定することができ、ユーザの要求に応じたオーバーシュート等の抑制効果を奏することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３７】
（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１のブロック図である。
【００３８】
この実施の形態の温度調節器１は、熱処理盤や熱処理炉などの制御対象２の温度を検出する図示しない温度センサからの測定温度（検出温度）ｙと目標温度ｒとの制御偏差ｅに基づいて、制御偏差がなくなるように操作量を演算出力する演算制御部２０と、この演算制御部２０からの操作量の上下限を制限して電磁開閉器およびヒータを含む図示しない加熱手段に出力するリミッタ６とを備えている。この実施の形態のリミッタ６は、操作量を、例えば、０％〜１００％の範囲に制限している。
【００３９】
演算制御部２０は、比例演算部(比例要素)３、微分演算部(微分要素)４および積分演算部(積分要素)５を備えている。
【００４０】
また、この実施の形態では、リセットワインドアップ対策のために、リミッタ６の入力と出力との差、すなわち、リミッタ６で制限された操作量の飽和量を、積分演算部５の入力側にフィードバックするフィードバック手段９を設けている。
【００４１】
このフィードバック手段９は、リミッタ６に入力される操作量からリミッタ６の出力を差し引いて操作量の飽和量を算出する第１の算出部としての減算部８と、この操作量の飽和量に、後述するフィードバックゲインＦ／Ｋｐを乗算するフィードバック要素７と、このフィードバック要素７の出力を、制御偏差ｅから差し引く第２の算出部としての減算部１０とを備えている。
【００４２】
演算制御部２０、リミッタ６およびフィードバック手段９は、例えば、マイクロコンピュータによって構成される。
【００４３】
なお、図１の比例演算部３、微分演算部４、積分演算部５およびフィードバック要素７におけるＫｐは比例ゲイン、ＴDは微分時間、λは不完全微分であることを示し、ＴIは積分時間、ｓはラプラス演算子、Ｆは後述のようにして設定算出される係数値である。
【００４４】
この実施の形態の温度調節器１では、リセットワインドアップ対策として、フィードバック要素７におけるフィードバックゲインを可変設定できるようにしており、しかも、制御系が不安定状態にならないように、設定可能範囲を、次のように制限している。
【００４５】
図２は、図１の操作量の飽和量をフィードバックするフィードバックループの部分１５を示すブロック図であり、この図２では、積分演算部５およびフィードバック要素７の伝達関数を、Ｚ変換してディジタル(離散系)で示している。なお、ΔＴは、サンプリング時間である。
【００４６】
この図２より、操作量の飽和量をフィードバックするフィードバックループの部分１５の式は、
【００４７】
【数１】
【００４８】
【数２】
【数３】
【数４】
【数５】
【００５２】
【数６】
【数７】
【数８】
【００５５】
【数９】
【数１０】
【数１１】
【数１２】
【数１３】
【数１４】
０＜ΔＴ・Ｆ／ＴI≦２
となる。
【００６１】
したがって、Ａ＝ΔＴ・Ｆ／ＴIとおくと、
フィードバックループの安定条件は、
０＜Ａ≦２となる。
【００６２】
図３に、Ａを、安定条件の範囲外であるＡ＝０．０およびＡ＝２．１に設定した場合と、安定条件の範囲内であるＡ＝２．０に設定した場合のシミュレーションの結果を示す。この図３では、目標温度を、１００℃に設定した例を示している。
【００６３】
破線で示されるＡ＝０．０および一点鎖線で示されるＡ＝２．１のいずれの場合も不安定となるのに対して、実線で示されるＡ＝２．０の場合は、安定となっている。
【００６４】
そこで、この実施の形態では、フィードバック要素７のフィードバックゲインＦ／Ｋｐの係数値Ｆを、０＜Ａ(＝ΔＴ・Ｆ／ＴI)≦２の安定条件を満足させるように設定するものである。
【００６５】
すなわち、この実施の形態の温度調節器１では、温度設定などの各種の設定を行なう図示しない操作キーの操作によって、所望の設定モードにしてＡの値を設定操作するものであり、この設定値Ａに基づいて、前記Ｆを算出してフィードバックゲインＦ／Ｋｐを設定するのである。なお、この設定値Ａは、通信によって上位のコンピュータなどから設定するようにしてもよい。
【００６６】
図４は、このフィードバック要素７のフィードバックゲインの設定のフローチャートであり、かかる処理は、上述のマイクロコンピュータによって行われる。
【００６７】
先ず、設定された設定値Ａを読み込み(ステップｎ１)、安定条件 ０＜Ａ≦２を満足するか否かを判断し(ステップｎ２)、満足するときには、Ｆ（＝ＴI×Ａ／ΔＴ）を算出し(ステップｎ３)、満足しないときには、ステップｎ１に戻り、例えば、設定値Ａが、設定可能範囲でないことを報知して再度の設定を促す。ステップｎ４では、算出されたＦをフィードバック要素７に設定して終了する。
【００６８】
なお、比例ゲインＫｐ、微分時間ＴDおよび積分時間ＴIは、従来と同様にオートチューニングによって決定される。
【００６９】
図５は、この実施の形態によるオーバーシュートの抑制のシミュレーション結果を示す図である。
【００７０】
この図５では、設定値Ａを、上述の設定可能範囲であるＡ＝０．０１(実線)、Ａ＝０．０２(破線)、Ａ＝１．００(一点鎖線)にそれぞれ設定した場合を示しており、目標温度を、１００℃としている。
【００７１】
この図５に示されるように、設定値Ａによって、オーバーシュート量を調整できることが分かる。
【００７２】
したがって、制御対象の特性や用途などに応じて、ユーザが設定可能範囲で設定値Ａを設定することにより、所望のオーバーシュート抑制効果を得ることができる。
【００７３】
設定値Ａは、このようにオーバーシュートを抑制できるだけではなく、次のような周期的な繰り返し外乱の印加による温度シフトを抑制する効果もある。
【００７４】
例えば、半導体ウェハを、熱処理盤に載置して順番に熱処理する熱処理装置では、図６に示されるように、目標温度である１００℃に制御された熱処理盤に、外乱として半導体ウェハを載置する度に、半導体ウェハに熱が奪われて熱処理盤の温度が一旦低下し、半導体ウェハが熱処理される間に再び目標温度に復帰し、次の半導体ウェハが載置されると、再び熱処理盤の温度が低下し、再び目標温度に復帰するという温度変化を周期的に繰り返すものである。
【００７５】
なお、周期的とは、一定周期に限らず、処理工程上の多少の時間的なずれを含むものである。
【００７６】
このような熱処理盤の温度制御において、オーバーシュートを抑制するために積分時間を大きめに設定すると、図６の破線で示されるように、全体的に温度が徐々に上昇するという温度シフトの問題がある。
【００７７】
これに対して、この実施の形態では、操作量の飽和量をフィードバックすることにより、徐々に蓄積される過大な積分操作量を抑制することができる。特に、上述の設定値Ａの設定によって、この温度シフトを抑制することができ、例えば、図６の実線で示されるように、Ａ＝０．１に設定した場合には、温度のシフトをなくすことができる。
【００７８】
（実施の形態２）
図７は、本発明の他の実施の形態の温度調節器１−１のブロック図であり、上述の実施の形態に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００７９】
上述の実施の形態では、操作量の上下限を制限するリミッタ６は、例えば、０％〜１００％の範囲で操作量を制限するものであり、したがって、操作量が０％〜１００％の範囲にあるとき、すなわち、操作量が飽和しない限りは、減算部８の出力が０となってフィードバックループが機能せず、積分操作量を抑制できないことになる。
【００８０】
したがって、例えば、制御対象の特性によって、定常状態における整定操作量が低く、リミッタ６で操作量が制限されないような場合には、上述の実施の形態の構成では、積分操作量を抑制するフィードバックループが機能せず、積分操作量が過大となるのを有効に抑制できないことになる。
【００８１】
特に、上述の半導体ウェハの熱処理のような周期的な外乱が繰り返されるような場合には、操作量が飽和しないときには、徐々に蓄積される過大な積分操作量によって、図８に示されるように、温度が全体的に徐々に上昇するという温度シフトが上述のように生じることになる。
【００８２】
そこで、この実施の形態では、図７に示されるように、演算制御部２０からの操作量を制限して制御対象２側に出力するリミッタ６（以下「第１のリミッタ」という）とは別に、この第１のリミッタ６よりも狭い範囲、例えば、０％〜２０％の範囲に操作量を制限する第２のリミッタ２１を設けている。
【００８３】
そして、この第２のリミッタ２１の入力と出力との差、すなわち、第２のリミッタ２１によって制限された操作量の飽和量を、上述の実施の形態と同様に、積分演算部５の入力側にフィードバックしている。その他の構成は、上述の実施の形態と同様である。
【００８４】
この実施の形態によれば、整定操作量が、例えば、１０％〜１５％程度と小さく、第１のリミッタ６で操作量が制限されることがないような制御対象であっても、周期的な外乱が繰り返されるような場合には、第２のリミッタ２１では、操作量が制限されて飽和量がフィードバックされて過大な積分操作量が抑制できることになる。したがって、周期的な繰り返し外乱の印加による温度シフトを、図９に示されるように、十分に抑制することができる。
【００８５】
なお、この実施の形態では、第１，第２のリミッタ６，２１は、並列的に設けたけれども、本発明の他の実施の形態として、例えば、図１０に示されるように、第１のリミッタ６の後段に、第２のリミッタ２１を設けるようにしてもよい。
【００８６】
(実施の形態３)
図１１は、本発明の他の実施の形態の温度調節器１−３のブロック図であり、上述の図１の実施の形態に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００８７】
従来、オフセット調整などのために、補正値を設定することにより、制御対象２の温度を検出する温度センサからの入力である検出温度(測定温度)に、前記補正値を加算して入力を補正するようにしている。
【００８８】
このような従来例では、整定状態において、入力補正を行なうと、例えば、図１２の一点鎖線で示されるようにオーバーシュートや温度の振れが生じるという難点がある。
【００８９】
この図１２においては、１００℃に整定している状態で、１℃の入力補正を行なった例を示している。
【００９０】
そこで、この実施の形態では、図１１に示されるように、補正手段としての入力補正手段１１には、設定された補正値が入力される一次遅れフィルタ１２を設けており、この一次遅れフィルタ１２の出力を、加算部１３において、温度センサからの検出温度に加算して補正入力値としている。
【００９１】
この実施の形態では、一次遅れフィルタの特性を、例えば、
{１＋(１−Ｂ)ＣＴIｓ}／(１＋ＣＴIｓ)としている。
【００９２】
ここで、Ｂ，Ｃは、固定値あるいはユーザが設定可能なパラメータである。
【００９３】
図１３は、Ｂ＝０．６、Ｃ＝１．０とした場合の一次遅れフィルタ１２の出力を示すものである。この図１３においては、補正値として、実線で示されるように１℃を設定した場合の一次遅れフィルタ１２の出力を破線で示している。
【００９４】
この図１３に示されるように、設定された補正値が、加算部１３にそのまま与えられるのではなく、徐々に設定された補正値なるような補正値が加算部１３に与えられることになり、これによって、上述の図１２の実線で示されるように、入力補正時のオーバーシュートや温度の振れが抑制されることになる。
【００９５】
なお、上述のＢの値によって、曲線状に変化を開始する点を調整することができ、Ｃの値によって、設定された補正値に達するまでの時間を調整することができる。
【００９６】
この実施の形態の入力補正手段１１を、上述の実施の形態２に設けてもよい。
【００９８】
上述の実施の形態では、制御対象を加熱する場合に適用して説明したけれども、本発明は、制御対象を冷却する場合にも適用できるのは勿論であり、アンダーシュートを抑制することができる。
【００９９】
上述の実施の形態では、ＰＩＤ制御に適用したけれども、本発明は、比例積分制御などの積分制御を含む他の制御（例えば現代制御、ファジィやニューロなどの知識型制御であっても積分を使うもの）にも適用できるものである。
【０１０１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、操作量の飽和量を、積分演算部の入力側にフィードバックする際に、フィードバックゲインを設定可能としているので、制御対象の特性や用途などに応じて、ユーザがフィードバックゲインを可変設定することができ、所望のオーバーシュート等の抑制効果や周期的な繰り返し外乱印加による測定値のシフトを抑制する効果などを奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器のブロック図
【図２】図１の操作量の飽和量のフィードバックループ部分のブロック図
【図３】設定値Ａによる制御特性の相違を示す図
【図４】フィードバックゲイン設定のフローチャート
【図５】設定値Ａによるオーバーシュート抑制効果を示す図
【図６】図１の実施の形態の温度シフト抑制効果を示す図
【図７】本発明の他の実施の形態に係る温度調節器のブロック図
【図８】操作量が飽和しない場合の温度シフトを示す図
【図９】図７の実施の形態の温度シフト抑制効果を示す図
【図１０】図７の変形例を示すブロック図
【図１１】本発明の他の実施の形態に係る温度調節器のブロック図
【図１２】図１１の実施の形態によるオーバーシュート抑制効果を示す図
【図１３】フィルタ特性の一例を示す図
【符号の説明】
１，１−１〜３ 温度調節器 ２ 制御対象 ３ 比例演算部
４ 微分演算部 ５ 積分演算部 ６，２１ リミッタ
７ フィードバック要素 ９ フィードバック手段
１１ 入力補正手段 １２ 一次遅れフィルタ
Claims (2)
- 制御対象からの測定温度を目標温度に一致させるように操作量を、比例ゲインを用いて演算出力する演算制御部と、該演算制御部からの操作量を制限して制御対象側へ出力するリミッタとを備える温度調節器において、
前記演算制御部は、少なくとも比例演算部と積分演算部とを含み、
前記積分演算部の入力側に、前記リミッタの入力と出力との差をフィードバックするフィードバック手段を設け、
前記比例ゲインをＫｐ、係数値をＦ、前記フィードバック手段におけるフィードバックゲインをＦ／Ｋｐとしたときに、該フィードバックゲインＦ／Ｋｐの比例ゲインＫｐを変更することなく、前記係数値Ｆを、可変設定できるようにしたことを特徴とする温度調節器。 - 制御対象からの測定温度を目標温度に一致させるように操作量を、比例ゲインを用いて演算出力する演算制御部と、該演算制御部からの操作量を制限して制御対象側へ出力する第１のリミッタとを備える温度調節器において、
前記演算制御部は、少なくとも比例演算部と積分演算部とを含み、
前記演算制御部からの前記操作量を、前記第１のリミッタよりも狭い範囲に制限する第２のリミッタと、該第２のリミッタの入力と出力との差を、前記積分演算部の入力側にフィードバックするフィードバック手段とを設け、
前記第２のリミッタは、その出力を前記制御対象側に与えることなく、前記演算制御部からの前記操作量を制限するものであり、
前記比例ゲインをＫｐ、係数値をＦ、前記フィードバック手段におけるフィードバックゲインをＦ／Ｋｐとしたときに、該フィードバックゲインＦ／Ｋｐの比例ゲインＫｐを変更することなく、前記係数値Ｆを、可変設定できるようにしたことを特徴とする温度調節器。
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