JP3873853B2 - 温度調節器および熱処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度調節器およびそれを用いた熱処理装置に関し、更に詳しくは、加熱冷却の制御を行う温度調節器およびそれを用いた成形機や半導体製造装置などの熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、成形機などの発熱を伴う制御対象や常温付近で温度制御される環境機試験機などの制御対象に対しては、加熱制御だけでは、充分に温度制御を行うことができないので、加熱および冷却の両方の制御を行う必要がある。
【０００３】
例えば、スクリューの回転で発熱する押出し成形機では、ヒータの通電を制御して加熱制御する一方、水冷のためのバルブの開閉を制御して冷却制御を行うことにより、シリンダの温度が設定温度になるようにしている。
【０００４】
図８は、かかる加熱冷却制御を行う従来例の温度調節器２０のブロック図である。
【０００５】
温度調節器２０では、目標値生成部１からの設定温度（目標温度）と、センサ入力部２を介して与えられる温度センサ３からの制御対象４の検出温度との偏差に基づいて、ＰＩＤ制御部５で操作量を演算算出する。ＰＩＤ制御部５からの操作量は、加熱冷却切替え部６を介して、加熱制御用の加熱操作量として加熱出力部７に与えられ、あるいは、乗算器８で冷却係数を乗算して冷却制御用の冷却操作量として冷却出力部９に与えられる。加熱出力部７の出力によって図示しないヒータの通電が制御され、あるいは、冷却出力部９の出力によって図示しない冷却水用のバルブの開閉が制御される。
【０００６】
加熱冷却切替え部６は、例えば、図９に示されるように、操作量が５０％を越えると、加熱操作量を出力し、操作量が５０パーセント未満では、冷却操作量を出力する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来では、このような加熱冷却制御に用いられる冷却係数は、試行錯誤的に調整する必要があり、面倒であった。
【０００８】
本発明は、上述のような点に鑑みてなされたものであって、冷却係数を、自動的に設定できるようにすることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。
【００１４】
本発明の温度調節器は、制御対象の温度を、設定温度にするための操作量を出力する制御部を備え、この制御部からの操作量を、加熱操作量とする一方、冷却係数を乗じて冷却操作量とする温度調節器であって、加熱側のオートチューニングによって得られる前記制御対象の特性パラメータと、冷却側のオートチューニングによって得られる前記制御対象の特性パラメータとに基づいて、安定になるように前記制御部の制御パラメータおよび前記冷却係数を決定する手段を備え、前記制御対象の特性パラメータが、むだ時間、時定数、定常ゲイン、最大傾きであり、前記決定する手段は、加熱側のむだ時間と冷却側のむだ時間の内の長い方のむだ時間、加熱側の時定数と冷却側の時定数の内の小さい方の時定数、加熱側の定常ゲインと冷却側の定常ゲインの内の大きい方の定常ゲイン、および、加熱側の最大傾きと冷却側の最大傾きの内の大きい方の最大傾きの少なくともいずれか一つを用いて、前記制御パラメータおよび前記冷却係数を決定するものである。
【００１５】
本発明によると、加熱側および冷却側のオートチューニングを行なうことによって得られる制御対象の特性パラメータであるむだ時間、時定数、定常ゲイン、最大傾きに基づいて、安定になるように制御部の制御パラメータおよび冷却係数を決定するので、従来のように冷却係数を、試行錯誤的に調整する必要がない。
【００１８】
本発明の温度調節器は、制御対象の温度を、設定温度にするための操作量を出力する制御部を備え、この制御部からの操作量を、加熱操作量とする一方、冷却係数を乗じて冷却操作量とする温度調節器であって、加熱側のオートチューニングによって得られる加熱側ＰＩＤパラメータと、冷却側のオートチューニグによって得られる冷却側ＰＩＤパラメータとに基づいて、前記制御部の制御パラメータであるＰＩＤ制御パラメータを決定するとともに、前記冷却係数を決定する手段を備え、前記決定する手段は、前記ＰＩＤ制御パラメータが、前記加熱側ＰＩＤパラメータ以上に安定であって、かつ、前記ＰＩＤ制御パラメータに冷却係数を乗じたパラメータが、前記冷却側ＰＩＤパラメータ以上に安定となるように、前記ＰＩＤ制御パラメータおよび前記冷却係数を、下記不等式（１）〜（６）を満足するように、決定するものである。
Ｐｈ０≦Ｐｈ （１）
Ｐｈ０・Ｔｉｈ０≦Ｐｈ・Ｔｉｈ （２）
Ｐｈ０・Ｔｄｈ０≦Ｐｈ・Ｔｄｈ （３）
Ｐｃ０≦ｋｃ・Ｐｈ （４）
Ｐｃ０・Ｔｉｃ０≦ｋｃ・Ｐｈ・Ｔｉｈ （５）
Ｐｃ０・Ｔｄｃ０≦ｋｃ・Ｐｈ・Ｔｄｈ （６）
但し、Ｐｈは前記ＰＩＤ制御パラメータの比例帯、Ｔｉｈは前記ＰＩＤ制御パラメータの積分時間、Ｔｄｈは前記ＰＩＤ制御パラメータの微分時間、ｋｃは前記冷却係数、Ｐｈ０は前記加熱側ＰＩＤパラメータの比例帯、Ｔｉｈ０は前記加熱側ＰＩＤパラメータの積分時間、Ｔｄｈ０は前記加熱側ＰＩＤパラメータの微分時間、Ｐｃ０は前記冷却側ＰＩＤパラメータの比例帯、Ｔｉｃ０は前記冷却側ＰＩＤパラメータの積分時間、Ｔｄｃ０は前記冷却側ＰＩＤパラメータの微分時間である。
【００１９】
本発明によると、加熱側および冷却側のオートチューニングを行なうことによって得られる加熱側ＰＩＤパラメータおよび冷却側ＰＩＤパラメータに基づいて、制御部のＰＩＤ制御パラメータが、前記加熱側ＰＩＤパラメータ以上に安定であって、かつ、前記ＰＩＤ制御パラメータに、冷却係数を乗じたパラメータが、前記冷却側ＰＩＤパラメータ以上に安定となるように、すなわち、上記不等式（１）〜（６）を満足するように前記ＰＩＤ制御パラメータおよび前記冷却係数を決定するので、従来のように冷却係数を、試行錯誤的に調整する必要がない。
【００２０】
本発明の更に他の実施態様においては、一定の冷却操作量を出力しながら前記加熱側のオートチューニグを実行し、または、一定の加熱操作量を出力しながら前記冷却側のオートチューニングを実行するものである。
【００２１】
加熱側のオートチューニングの実行時に、加熱操作量のみを出力し、また、冷却側のオートチューニングの実行時に、冷却操作量のみを出力すると、加熱側のオートチューニングと冷却側のオートチューニングとでは、異なる目標温度を設定して行なわなければならないが、本発明によると、一定の冷却操作量を出力しながら加熱側のオートチューニグを実行し、あるいは、一定の加熱操作量を出力しながら冷却側のオートチューニングを実行するので、同一の目標温度で、加熱側および冷却側のオートチューニングを実行できることになり、用途に応じて、精度の高い制御パラメータおよび冷却係数の決定が行なえる。
【００２２】
本発明の熱処理装置は、本発明の温度調節器と、制御対象としての熱処理手段と、前記熱処理手段を加熱する加熱手段と、前記熱処理手段を冷却する冷却手段とを備えている。
【００２３】
本発明によると、温度調節器の冷却係数を容易に設定して熱処理装置の加熱冷却制御を安定して行える。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の態様を図面に基づいて説明する。
【００２５】
（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のブロック図であり、上述の従来例に対応する部分には、同一の参照符を付す。
【００２６】
この実施の形態の温度調節器２１は、熱処理装置、例えば、押出し成形機の加熱冷却制御を行うものであり、この温度調節器２１では、目標値生成部１からの設定温度と、センサ入力部２を介して与えられる温度センサ３からの制御対象４の検出温度との偏差に基づいて、ＰＩＤ制御部５で操作量を演算算出する。ＰＩＤ制御部５からの操作量は、加熱冷却切替え部６を介して、加熱制御用の加熱操作量として加熱出力部７に与えられ、あるいは、乗算器８で冷却係数を乗算して冷却制御用の冷却操作量として冷却出力部９に与えられる。加熱出力部７の出力によって図示しないヒータに通電されて制御対象４が加熱され、あるいは、冷却出力部９の出力によって図示しない冷却水用のバルブの開閉が制御されて制御対象４が冷却される。
【００２７】
加熱冷却切替え部６は、例えば、上述の図９に示されるように、操作量が５０％を越えると、加熱操作量として出力し、操作量が５０パーセント未満では、冷却操作量として出力する。
【００２８】
以上の構成は、上述の図８の従来例と同様である。
【００２９】
この実施の形態では、上述のように乗算器８の冷却係数を試行錯誤的に調整する必要をなくすために、次のように構成している。
【００３０】
すなわち、この実施の形態では、加熱側のオートチューニングおよび冷却側のオートチューニングをそれぞれ行なって、加熱制御パラメータおよび冷却制御パラメータをそれぞれ求め、得られた加熱制御パラメータおよび冷却制御パラメータに基づいて、安定になるように、ＰＩＤ制御部５に設定する制御パラメータおよび乗算器８に設定する冷却係数を決定するものである。
【００３１】
なお、以下の説明においては、ＰＩＤ制御部５に設定する制御パラメータを、設定制御パラメータと称する。
【００３２】
図２は、加熱側および冷却側のオートチューニングによって得られる加熱側ＰＩＤパラメータである加熱制御パラメータおよび冷却側ＰＩＤパラメータである冷却制御パラメータに基づいて、安定になるように、ＰＩＤ制御パラメータとしての設定制御パラメータおよび冷却係数を決定するための手順を説明するための図であり、制御パラメータとして、ＰＩＤパラメータである比例帯、積分時間および微分時間の例を示している。
【００３３】
同図においては、加熱側および冷却側のオートチューニングによって得られる加熱制御パラメータおよび冷却制御パラメータをブロックＡに示し、本方式の加熱側に対応する設定制御パラメータ、冷却係数および前記設定制御パラメータに対応する冷却側の制御パラメータをブロックＢに示し、それらの間に成立する関係をブロックＣに示し、さらに、それらの関係式（不等式）を変形整理したものをブロックＤに示しており、それぞれ上段が加熱側、下段が冷却側に対応している。なお、加熱側および冷却側のオートチューニングによってそれぞれ得られる加熱制御パラメータおよび冷却制御パラメータは、加熱側のＰＩＤ制御部と冷却側のＰＩＤ制御部とを独立に備える場合には、各ＰＩＤ制御部にそれぞれ独立に設定される制御パラメータであるために、独立方式として示しており、また、この実施の形態を本方式として示している。
【００３４】
先ず、ブロックＡに示されるように、加熱側のオートチューニングによって得られる加熱制御パラメータである加熱側ＰＩＤパラメータを、比例帯Ｐｈ０、積分時間Ｔｉｈ０および微分時間Ｔｄｈ０とし、冷却側のオートチューニングによって得られる冷却制御パラメータである冷却側ＰＩＤパラメータを、比例帯Ｐｃ０、積分時間Ｔｉｃ０、微分時間Ｔｄｃ０とする。
【００３５】
また、ブロックＢに示されるように、ＰＩＤ制御部５に設定される加熱側に対応する設定制御パラメータであるＰＩＤパラメータを、比例帯Ｐｈ、積分時間Ｔｉｈおよび微分時間Ｔｄｈとし、冷却係数をｋｃとすると、冷却側に対応する制御パラメータであるＰＩＤパラメータは、比例帯Ｐｃ＝ｋｃ・Ｐｈ、積分時間Ｔｉｃ＝Ｔｉｈおよび微分時間Ｔｄｃ＝Ｔｄｈとなる。
【００３６】
ここで、安定になるように、ＰＩＤ制御部５に設定されるＰＩＤ制御パラメータＰｈ、Ｔｉｈ、Ｔｄｈおよび冷却係数ｋｃを決定するとは、ブロックＣに示される各不等式を満足するように決定することである。
【００３７】
このブロックＣにおける冷却側の不等式に、Ｐｃ＝ｋｃ・Ｐｈ、Ｔｉｃ＝ＴｉｈおよびＴｄｃ＝Ｔｄｈを代入したものが、ブロックＤである。
【００３８】
したがって、ＰＩＤ制御部５に設定される設定制御パラメータであるＰＩＤ制御パラメータ、すなわち、比例帯Ｐｈ、積分時間Ｔｉｈおよび微分時間Ｔｄｈ、および、乗算器８に設定される冷却係数ｋｃは、ブロックＤにおける下記の不等式（１）〜（６）
Ｐｈ０≦Ｐｈ （１）
Ｐｈ０・Ｔｉｈ０≦Ｐｈ・Ｔｉｈ （２）
Ｐｈ０・Ｔｄｈ０≦Ｐｈ・Ｔｄｈ （３）
Ｐｃ０≦ｋｃ・Ｐｈ （４）
Ｐｃ０・Ｔｉｃ０≦ｋｃ・Ｐｈ・Ｔｉｈ （５）
Ｐｃ０・Ｔｄｃ０≦ｋｃ・Ｐｈ・Ｔｄｈ （６）
の全て満足するように決定されるものである。しかも、不等式（１）〜（６）の等号が成立する値に近い値に決定されるのが好ましいが、後述のように、パラメータの値の大小関係から簡単に選択して決定することができるものである。
【００３９】
前記（１）〜（６）式によれば、ＰＩＤ制御部５に設定される設定制御パラメータが、加熱側のオートチューニングによって得られる加熱制御パラメータ以上に安定であって、かつ、前記設定制御パラメータに冷却係数を乗じたパラメータが、冷却側のオートチューニングによって得られた冷却制御パラメータ以上に安定となるように、設定制御パラメータおよび冷却係数が決定されることになる。
【００４０】
このように、ＰＩＤ制御部５に設定される設定制御パラメータである比例帯Ｐｈ、積分時間Ｔｉｈ、微分時間Ｔｄｈおよび冷却係数ｋｃが、加熱側および冷却側のオートチューニングによって得られる加熱制御パラメータおよび冷却制御パラメータから決定できるということは、加熱制御パラメータおよび冷却制御パラメータ、すなわち、加熱および冷却のＰＩＤパラメータに限らず、オートチューニングで得られる加熱特性パラメータおよび冷却特性パラメータに基づいて決定することもできるものである。
【００４１】
すなわち、図３は、加熱側および冷却側のオートチューニングの各段階で得られるパラメータに基づくＰＩＤ制御部５の設定制御パラメータであるＰＩＤパラメータおよび冷却係数の決定を説明するための図である。
【００４２】
先ず、ブロックＥに示される加熱側および冷却側のオートチューニングによる時間応答波形、すなわち、加熱時の制御対象応答波形および冷却時の制御対象応答波形から安定な制御となるように、ブロックＨに示される設定制御パラメータであるＰＩＤパラメータおよび冷却係数を決定することができる。
【００４３】
例えば、リミットサイクル法の場合には、加熱側のハンチング周期と冷却側のハンチング周期の内の長い方のハンチング周期を、また、加熱側のハンチングの振幅と冷却側のハンチングの振幅の内の大きい方の振幅、すなわち、不安定な方を採用して設定制御パラメータであるＰＩＤパラメータおよび冷却係数を決定するものであり、これによって、安定な制御パラメータおよび冷却係数が決定されることになる。なお、必ずしも、ハンチング周期の長い方および振幅の大きい方の両者を採用する必要はない。
【００４４】
また、ステップ応答法の場合には、加熱側のむだ時間と冷却側のむだ時間の内の長い方のむだ時間を、加熱側の振幅（オーバーシュート量）と冷却側の振幅の内の大きい方の振幅を採用して設定制御パラメータであるＰＩＤパラメータおよび冷却係数を決定する。なお、必ずしも、むだ時間の長い方および振幅の大きい方の両者を採用する必要はない。
【００４５】
また、時間応答波形に代えて、ブロックＦに示されるように、加熱側および冷却側のオートチューニングによる制御対象パラメータ、すなわち、加熱時の制御対象パラメータおよび冷却時の制御対象パラメータから安定な制御となるように、ブロックＨに示される設定制御パラメータであるＰＩＤパラメータおよび冷却係数を決定してもよい。
【００４６】
この制御対象パラメータとしては、例えば、むだ時間、時定数、定常ゲイン、最大傾きがあり、加熱側のむだ時間と冷却側のむだ時間の内の長い方のむだ時間を、加熱側の時定数と冷却側の時定数の内の小さい方の時定数を、加熱側の定常ゲインと冷却側の定常ゲインの内の大きい方の定常ゲインを、加熱側の最大傾きと冷却側の最大傾きの内の大きい方の最大傾きを採用してＰＩＤパラメータおよび冷却係数を決定するのである。なお、必ずしも、むだ時間の長い方、時定数の小さい方、定常ゲインの大きい方、最大傾きの大きい方の全てを採用する必要はなく、少なくともいずれか一つを採用すればよい。
【００４７】
また、上述のように、加熱側および冷却側のオートチューニングによるブロックＧに示される加熱制御パラメータである加熱用のＰＩＤパラメータおよび冷却制御パラメータである冷却用のＰＩＤパラメータから安定な制御となるように、ブロックＨに示される設定制御パラメータであるＰＩＤパラメータおよび冷却係数を決定してもよい。例えば、加熱側の比例帯と冷却側の比例帯の内の大きい方の比例帯を、加熱側の積分時間と冷却側の積分時間の内の長い方の積分時間を、加熱側の微分時間と冷却側の微分時間の内の長い方の微分時間を採用するのである。なお、比例帯の大きい方、積分時間および微分時間の長い方の全てを採用する必要はなく、少なくと一つを採用すればよい。
【００４８】
このように加熱側および冷却側のオートチューニングを行なって得られる加熱側および冷却側のパラメータに基づいて、制御パラメータおよび冷却係数を決定するために、この実施の形態の温度調節器は、上述の図１に示されるように、制御対象４のパラメータを同定するための同定信号発生部１０と、通常の制御時には、ＰＩＤ制御部５からの操作量を加熱冷却切替え部６に出力し、加熱側および冷却側のオートチューニング時には、同定信号発生部１０からの同定信号を加熱冷却切替え部６に切替え出力するモード切替え部１１と、加熱時および冷却時に制御対象４のパラメータを同定する制御対象パラメータ同定部１２と、同定されたパラメータに基づいて、ＰＩＤ制御部５のＰＩＤパラメータおよび乗算器８に対する冷却係数を決定して設定するＰＩＤパラメータ・冷却係数設定部１３とを備えている。
【００４９】
同定信号発生部１０は、リミットサイクル用の２値の操作量あるいはステップ応答のためのステップ状の操作量を同定信号として出力するものである。
【００５０】
制御対象パラメータ同定部１２は、リミットサイクル波形からハンチング周期および振幅を同定し、あるいは、ステップ応答波形から最大傾きおよびむだ時間を同定する。
【００５１】
ＰＩＤパラメータ・冷却係数設定部１３は、同定されたパラメータに基づいて、安定になるように、ＰＩＤパラメータおよび冷却係数を決定してＰＩＤ制御部５および乗算器８に設定する。
【００５２】
ＰＩＤ制御部５、同定信号発生部１０、モード切替部１１、制御対象パラメータ同定部１２、ＰＩＤパラメータ・冷却係数設定部１３および加熱冷却切替え部６などは、例えば、マイクロコンピュータによって構成されている。
【００５３】
図４は、この実施の形態の動作説明に供するフローチャートであり、図５（ａ），（ｂ）は、加熱側および冷却側のオートチューニング（ＡＴ）における温度変化を示している。
【００５４】
先ず、リミットサイクル法による加熱側のオートチューニングを行う。このオートチューニングは、加熱側のオートチューニング用の目標温度ＳＰを設定して従来と同様に行なわれる。このオートチューニングによって、加熱側のむだ時間Ｌ１および加熱側の最大傾きＲ１を求め、一時的に保存する（ステップｎ１）。なお、この加熱側のオートチューニングでは、冷却出力は、オフする。
【００５５】
次に、リミットサイクル法による冷却側のオートチューニングを、
冷却側の目標温度ＳＰを設定して従来と同様に行い、冷却側のむだ時間Ｌ２および冷却側の最大傾きＲ２を求め、一時的に保存する（ステップｎ２）。なお、この冷却側のオートチューニングでは、加熱出力はオフする。
【００５６】
次に、加熱側および冷却側のむだ時間Ｌ１，Ｌ２および最大傾きＲ１，Ｒ２に基づいて、安定になるようにＰＩＤパラメータを算出する。この例では、最大傾きＲは、加熱側の最大傾きＲ１を採用し、むだ時間Ｌは、むだ時間Ｌ１，Ｌ２の内の長い方（不安定）のむだ時間を採用してＰＩＤパラメータ（ＰＩＤゲイン）を算出する（ステップｎ３）。すなわち、不安定なむだ時間を採用してＰＩＤパラメータを算出するので、算出されるＰＩＤパラメータは、安定なものとなる。
【００５７】
次に、冷却係数Ａｃを、冷却側と加熱側との最大傾きの比Ｒ２／Ｒ１として算出するものである（ステップｎ４）。
【００５８】
以上のようにして決定されるＰＩＤパラメータおよび冷却係数は、上述の（１）〜（６）の全ての不等式を満足するものである。
【００５９】
このようにして、パラメータの大小関係からＰＩＤパラメータおよび冷却係数を決定するので、従来のように試行錯誤的に調整して設定する必要がなく、自動的に設定することが可能となる。
【００６０】
次に、加熱側および冷却側のオートチューニングによる応答波形のパラメータ、制御対象のパラメータおよび制御パラメータに基づく、設定制御パラメータおよび冷却係数の具体的な数値例を、図６に示す。この図６では、実施例１，２の二つの実施例を示しており、式中のａ，ｂ，ｃ，ｄは、調整則によって異なる定数である。
【００６１】
先ず、加熱側の応答波形の振幅Ａｈが１、周期Ｔｈが１０であり、冷却側の応答波形の振幅Ａｃが２、周期Ｔｃが５である場合を示している。
【００６２】
この場合、制御対象パラメータである加熱側の最大傾きＲｈは、０．１４、むだ時間Ｌｈは２．５となり、冷却側の最大傾きＲｃは０．５６、むだ時間Ｌｃは１．２５となる。
【００６３】
この場合、加熱側の比例帯Ｐｈ０は０．２９１７、積分時間Ｔｉｈ０は５、微分時間Ｔｄｈ０は１．２５となり、冷却側の比例帯Ｐｃ０は０．５８３３、積分時間Ｔｉｃ０は２．５、微分時間Ｔｄｃ０は０．６２５となる。
【００６４】
実施例１では、比例帯Ｐｈは加熱側の比例帯と等しい０．２９１７であり、積分時間Ｔｉｈは、加熱側の積分時間Ｔｉｈ０と冷却側の積分時間Ｔｉｃ０との長い方の積分時間である５を採用し、微分時間Ｔｄｈは、加熱側の微分時間Ｔｄｈ０と冷却側の微分時間Ｔｄｃ０との長い方の微分時間である１．２５を採用しており、冷却係数ｋｃは、加熱時と冷却時との振幅の比として２としている。
【００６５】
この場合、冷却側の比例帯Ｐｃは、０．５８３３となり、積分時間Ｔｉｃは５となり、微分時間Ｔｄｃは１．２５となり、独立方式の冷却側の微分時間Ｔｄｃ０＝０．６２５に比べて長く、安定となっている。
【００６６】
なお、この実施例１の冷却側は、積分時間Ｔｉｃとして、加熱側の積分時間Ｔｉｈ０と冷却側の積分時間Ｔｉｃ０との長い方の積分時間である５を採用し、微分時間Ｔｄｈとして、加熱側の微分時間Ｔｄｈ０と冷却側の微分時間Ｔｄｃ０との長い方の微分時間である１．２５を採用したものである。
【００６７】
次に、実施例２では、比例帯Ｐｈは加熱側の比例帯と等しい０．２９１７であり、積分時間Ｔｉｈは、加熱側の積分時間Ｔｉｈ０と冷却側の積分時間Ｔｉｃ０との長い方の積分時間である５を採用し、微分時間Ｔｄｈは、加熱側の微分時間Ｔｄｈ０と冷却側の微分時間Ｔｄｃ０との長い方の微分時間である１．２５を採用しており、冷却係数ｋｃは、加熱時と冷却時との最大傾きの比として４としている。
【００６８】
この場合、冷却側の比例帯Ｐｃは、１．１６６７となり、積分時間Ｔｉｃは５となり、微分時間Ｔｄｃは１．２５となり、独立方式の冷却側の比例帯Ｐｃ０＝０．５８３３に比べて大きく、また、微分時間Ｔｄｃ０＝０．６２５に比べて長く、安定となっている。
【００６９】
なお、この実施例２の冷却側は、積分時間Ｔｉｃとして、加熱側の積分時間Ｔｉｈ０と冷却側の積分時間Ｔｉｃ０との長い方の積分時間である５を採用し、微分時間Ｔｄｈとして、加熱側の微分時間Ｔｄｈ０と冷却側の微分時間Ｔｄｃ０との長い方の微分時間である１．２５を採用したものである。
【００７０】
この実施例１，２における比例帯Ｐｈ、積分時間Ｔｉｈ、微分時間Ｔｄｈおよび冷却係数ｋｃは、上述の（１）〜（６）の全ての不等式を満足するものである。
【００７１】
このようにして、加熱側および冷却側のオートチューニングによって得られる各種のパラメータを、その大小関係から選択することにより、安定になるように、ＰＩＤ制御部５に設定する設定制御パラメータおよび乗算器８に設定する冷却係数を容易に決定することが可能となる。
【００７２】
（その他の実施の形態）
上述の実施の形態では、図５に示されるように、加熱側のオートチューニングおよび冷却側のオートチューニングでは、それぞれ加熱側および冷却側の目標温度を設定して行なったけれども、本発明の他の実施の形態として、同一の目標温度で加熱側のオートチューニングおよび冷却側のオートチューニングを行なうようにしてもよい。
【００７３】
図７は、同一の目標温度で加熱側および冷却側のオートチューニングを行なった場合の例を示しており、同図（ａ）は、目標温度ｒおよび真制御量ｙを示し、同図（ｂ）は、加熱操作量および冷却操作量を示している。
【００７４】
前半の加熱側のオートチューニング（ＡＴ）では、加熱操作量のみを与えるのに対して、後半の冷却側のオートチューニング（ＡＴ）では、冷却操作量を与えると同時に、一定の加熱操作量も与えるものであり、これによって、同一の目標温度で加熱側および冷却側のオートチューニングを行なうことが可能となる。なお、この一定の加熱操作量は、加熱側のオートチューニング時の加熱操作量の時間平均に定数Ｃｈを乗じたものであるのが好ましい。この定数Ｃｈは、１以上であるのが好ましく、より具体的には、加熱能力（ワット数）と冷却能力（ワット数）とが釣り合うところが好ましい。
【００７５】
したがって、例えば、加熱能力をＧｈ[Ｗ]、冷却能力をＧｃ[Ｗ]とすると、前記定数Ｃｈは、
Ｃｈ＝１＋(０．５×Ｇｃ／Ｇｈ)
であるのが好ましい。
【００７６】
この図７では、一定の加熱操作量を与えて冷却側のオートチューニングを行なったけれども、逆に、一定の冷却操作量を与えて加熱側のオートチューニングを行なうようにしてもよい。
【００７７】
この場合、この一定の冷却操作量は、冷却側のオートチューニング時の冷却操作量の時間平均に定数Ｃｃを乗じたものであるのが好ましい。この定数Ｃｃは、上述の加熱操作量の定数Ｃｈと同様に、１以上であるのが好ましく、より具体的には、
Ｃｃ＝１＋(０．５×Ｇｈ／Ｇｃ)
であるのが好ましい。
【００７８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、加熱側のパラメータと冷却側のパラメータとに基づいて、安定になるように制御部の制御パラメータおよび冷却係数を決定するので、従来のように冷却係数を、試行錯誤的に調整する必要がなく、自動的に設定することが可能となる。
【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である。
【図２】制御パラメータおよび冷却係数を決定するための手順を説明するための図である。
【図３】加熱側および冷却側のオートチューニングで得られるパラメータに基づくＰＩＤパラメータおよび冷却係数の決定を説明するための図である。
【図４】オートチューニングの動作説明に供するフローチャートである。
【図５】加熱側および冷却側のオートチューニングにおける温度変化を示す図である。
【図６】各種パラメータおよび冷却係数の数値例を示す図である。
【図７】本発明の他の実施の形態のオートチューニングのタイムチャートである。
【図８】従来例のブロック図である。
【図９】加熱冷却切替え部の出力を示す図である。
【符号の説明】
３ 温度センサ
４ 制御対象
５ ＰＩＤ制御部
６ 加熱冷却切替部
８ 乗算器
２０，２１ 温度調節器
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度調節器およびそれを用いた熱処理装置に関し、更に詳しくは、加熱冷却の制御を行う温度調節器およびそれを用いた成形機や半導体製造装置などの熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、成形機などの発熱を伴う制御対象や常温付近で温度制御される環境機試験機などの制御対象に対しては、加熱制御だけでは、充分に温度制御を行うことができないので、加熱および冷却の両方の制御を行う必要がある。
【０００３】
例えば、スクリューの回転で発熱する押出し成形機では、ヒータの通電を制御して加熱制御する一方、水冷のためのバルブの開閉を制御して冷却制御を行うことにより、シリンダの温度が設定温度になるようにしている。
【０００４】
図８は、かかる加熱冷却制御を行う従来例の温度調節器２０のブロック図である。
【０００５】
温度調節器２０では、目標値生成部１からの設定温度（目標温度）と、センサ入力部２を介して与えられる温度センサ３からの制御対象４の検出温度との偏差に基づいて、ＰＩＤ制御部５で操作量を演算算出する。ＰＩＤ制御部５からの操作量は、加熱冷却切替え部６を介して、加熱制御用の加熱操作量として加熱出力部７に与えられ、あるいは、乗算器８で冷却係数を乗算して冷却制御用の冷却操作量として冷却出力部９に与えられる。加熱出力部７の出力によって図示しないヒータの通電が制御され、あるいは、冷却出力部９の出力によって図示しない冷却水用のバルブの開閉が制御される。
【０００６】
加熱冷却切替え部６は、例えば、図９に示されるように、操作量が５０％を越えると、加熱操作量を出力し、操作量が５０パーセント未満では、冷却操作量を出力する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来では、このような加熱冷却制御に用いられる冷却係数は、試行錯誤的に調整する必要があり、面倒であった。
【０００８】
本発明は、上述のような点に鑑みてなされたものであって、冷却係数を、自動的に設定できるようにすることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。
【００１４】
本発明の温度調節器は、制御対象の温度を、設定温度にするための操作量を出力する制御部を備え、この制御部からの操作量を、加熱操作量とする一方、冷却係数を乗じて冷却操作量とする温度調節器であって、加熱側のオートチューニングによって得られる前記制御対象の特性パラメータと、冷却側のオートチューニングによって得られる前記制御対象の特性パラメータとに基づいて、安定になるように前記制御部の制御パラメータおよび前記冷却係数を決定する手段を備え、前記制御対象の特性パラメータが、むだ時間、時定数、定常ゲイン、最大傾きであり、前記決定する手段は、加熱側のむだ時間と冷却側のむだ時間の内の長い方のむだ時間、加熱側の時定数と冷却側の時定数の内の小さい方の時定数、加熱側の定常ゲインと冷却側の定常ゲインの内の大きい方の定常ゲイン、および、加熱側の最大傾きと冷却側の最大傾きの内の大きい方の最大傾きの少なくともいずれか一つを用いて、前記制御パラメータおよび前記冷却係数を決定するものである。
【００１５】
本発明によると、加熱側および冷却側のオートチューニングを行なうことによって得られる制御対象の特性パラメータであるむだ時間、時定数、定常ゲイン、最大傾きに基づいて、安定になるように制御部の制御パラメータおよび冷却係数を決定するので、従来のように冷却係数を、試行錯誤的に調整する必要がない。
【００１８】
本発明の温度調節器は、制御対象の温度を、設定温度にするための操作量を出力する制御部を備え、この制御部からの操作量を、加熱操作量とする一方、冷却係数を乗じて冷却操作量とする温度調節器であって、加熱側のオートチューニングによって得られる加熱側ＰＩＤパラメータと、冷却側のオートチューニグによって得られる冷却側ＰＩＤパラメータとに基づいて、前記制御部の制御パラメータであるＰＩＤ制御パラメータを決定するとともに、前記冷却係数を決定する手段を備え、前記決定する手段は、前記ＰＩＤ制御パラメータが、前記加熱側ＰＩＤパラメータ以上に安定であって、かつ、前記ＰＩＤ制御パラメータに冷却係数を乗じたパラメータが、前記冷却側ＰＩＤパラメータ以上に安定となるように、前記ＰＩＤ制御パラメータおよび前記冷却係数を、下記不等式（１）〜（６）を満足するように、決定するものである。
Ｐｈ０≦Ｐｈ （１）
Ｐｈ０・Ｔｉｈ０≦Ｐｈ・Ｔｉｈ （２）
Ｐｈ０・Ｔｄｈ０≦Ｐｈ・Ｔｄｈ （３）
Ｐｃ０≦ｋｃ・Ｐｈ （４）
Ｐｃ０・Ｔｉｃ０≦ｋｃ・Ｐｈ・Ｔｉｈ （５）
Ｐｃ０・Ｔｄｃ０≦ｋｃ・Ｐｈ・Ｔｄｈ （６）
但し、Ｐｈは前記ＰＩＤ制御パラメータの比例帯、Ｔｉｈは前記ＰＩＤ制御パラメータの積分時間、Ｔｄｈは前記ＰＩＤ制御パラメータの微分時間、ｋｃは前記冷却係数、Ｐｈ０は前記加熱側ＰＩＤパラメータの比例帯、Ｔｉｈ０は前記加熱側ＰＩＤパラメータの積分時間、Ｔｄｈ０は前記加熱側ＰＩＤパラメータの微分時間、Ｐｃ０は前記冷却側ＰＩＤパラメータの比例帯、Ｔｉｃ０は前記冷却側ＰＩＤパラメータの積分時間、Ｔｄｃ０は前記冷却側ＰＩＤパラメータの微分時間である。
【００１９】
本発明によると、加熱側および冷却側のオートチューニングを行なうことによって得られる加熱側ＰＩＤパラメータおよび冷却側ＰＩＤパラメータに基づいて、制御部のＰＩＤ制御パラメータが、前記加熱側ＰＩＤパラメータ以上に安定であって、かつ、前記ＰＩＤ制御パラメータに、冷却係数を乗じたパラメータが、前記冷却側ＰＩＤパラメータ以上に安定となるように、すなわち、上記不等式（１）〜（６）を満足するように前記ＰＩＤ制御パラメータおよび前記冷却係数を決定するので、従来のように冷却係数を、試行錯誤的に調整する必要がない。
【００２０】
本発明の更に他の実施態様においては、一定の冷却操作量を出力しながら前記加熱側のオートチューニグを実行し、または、一定の加熱操作量を出力しながら前記冷却側のオートチューニングを実行するものである。
【００２１】
加熱側のオートチューニングの実行時に、加熱操作量のみを出力し、また、冷却側のオートチューニングの実行時に、冷却操作量のみを出力すると、加熱側のオートチューニングと冷却側のオートチューニングとでは、異なる目標温度を設定して行なわなければならないが、本発明によると、一定の冷却操作量を出力しながら加熱側のオートチューニグを実行し、あるいは、一定の加熱操作量を出力しながら冷却側のオートチューニングを実行するので、同一の目標温度で、加熱側および冷却側のオートチューニングを実行できることになり、用途に応じて、精度の高い制御パラメータおよび冷却係数の決定が行なえる。
【００２２】
本発明の熱処理装置は、本発明の温度調節器と、制御対象としての熱処理手段と、前記熱処理手段を加熱する加熱手段と、前記熱処理手段を冷却する冷却手段とを備えている。
【００２３】
本発明によると、温度調節器の冷却係数を容易に設定して熱処理装置の加熱冷却制御を安定して行える。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の態様を図面に基づいて説明する。
【００２５】
（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のブロック図であり、上述の従来例に対応する部分には、同一の参照符を付す。
【００２６】
この実施の形態の温度調節器２１は、熱処理装置、例えば、押出し成形機の加熱冷却制御を行うものであり、この温度調節器２１では、目標値生成部１からの設定温度と、センサ入力部２を介して与えられる温度センサ３からの制御対象４の検出温度との偏差に基づいて、ＰＩＤ制御部５で操作量を演算算出する。ＰＩＤ制御部５からの操作量は、加熱冷却切替え部６を介して、加熱制御用の加熱操作量として加熱出力部７に与えられ、あるいは、乗算器８で冷却係数を乗算して冷却制御用の冷却操作量として冷却出力部９に与えられる。加熱出力部７の出力によって図示しないヒータに通電されて制御対象４が加熱され、あるいは、冷却出力部９の出力によって図示しない冷却水用のバルブの開閉が制御されて制御対象４が冷却される。
【００２７】
加熱冷却切替え部６は、例えば、上述の図９に示されるように、操作量が５０％を越えると、加熱操作量として出力し、操作量が５０パーセント未満では、冷却操作量として出力する。
【００２８】
以上の構成は、上述の図８の従来例と同様である。
【００２９】
この実施の形態では、上述のように乗算器８の冷却係数を試行錯誤的に調整する必要をなくすために、次のように構成している。
【００３０】
すなわち、この実施の形態では、加熱側のオートチューニングおよび冷却側のオートチューニングをそれぞれ行なって、加熱制御パラメータおよび冷却制御パラメータをそれぞれ求め、得られた加熱制御パラメータおよび冷却制御パラメータに基づいて、安定になるように、ＰＩＤ制御部５に設定する制御パラメータおよび乗算器８に設定する冷却係数を決定するものである。
【００３１】
なお、以下の説明においては、ＰＩＤ制御部５に設定する制御パラメータを、設定制御パラメータと称する。
【００３２】
図２は、加熱側および冷却側のオートチューニングによって得られる加熱側ＰＩＤパラメータである加熱制御パラメータおよび冷却側ＰＩＤパラメータである冷却制御パラメータに基づいて、安定になるように、ＰＩＤ制御パラメータとしての設定制御パラメータおよび冷却係数を決定するための手順を説明するための図であり、制御パラメータとして、ＰＩＤパラメータである比例帯、積分時間および微分時間の例を示している。
【００３３】
同図においては、加熱側および冷却側のオートチューニングによって得られる加熱制御パラメータおよび冷却制御パラメータをブロックＡに示し、本方式の加熱側に対応する設定制御パラメータ、冷却係数および前記設定制御パラメータに対応する冷却側の制御パラメータをブロックＢに示し、それらの間に成立する関係をブロックＣに示し、さらに、それらの関係式（不等式）を変形整理したものをブロックＤに示しており、それぞれ上段が加熱側、下段が冷却側に対応している。なお、加熱側および冷却側のオートチューニングによってそれぞれ得られる加熱制御パラメータおよび冷却制御パラメータは、加熱側のＰＩＤ制御部と冷却側のＰＩＤ制御部とを独立に備える場合には、各ＰＩＤ制御部にそれぞれ独立に設定される制御パラメータであるために、独立方式として示しており、また、この実施の形態を本方式として示している。
【００３４】
先ず、ブロックＡに示されるように、加熱側のオートチューニングによって得られる加熱制御パラメータである加熱側ＰＩＤパラメータを、比例帯Ｐｈ０、積分時間Ｔｉｈ０および微分時間Ｔｄｈ０とし、冷却側のオートチューニングによって得られる冷却制御パラメータである冷却側ＰＩＤパラメータを、比例帯Ｐｃ０、積分時間Ｔｉｃ０、微分時間Ｔｄｃ０とする。
【００３５】
また、ブロックＢに示されるように、ＰＩＤ制御部５に設定される加熱側に対応する設定制御パラメータであるＰＩＤパラメータを、比例帯Ｐｈ、積分時間Ｔｉｈおよび微分時間Ｔｄｈとし、冷却係数をｋｃとすると、冷却側に対応する制御パラメータであるＰＩＤパラメータは、比例帯Ｐｃ＝ｋｃ・Ｐｈ、積分時間Ｔｉｃ＝Ｔｉｈおよび微分時間Ｔｄｃ＝Ｔｄｈとなる。
【００３６】
ここで、安定になるように、ＰＩＤ制御部５に設定されるＰＩＤ制御パラメータＰｈ、Ｔｉｈ、Ｔｄｈおよび冷却係数ｋｃを決定するとは、ブロックＣに示される各不等式を満足するように決定することである。
【００３７】
このブロックＣにおける冷却側の不等式に、Ｐｃ＝ｋｃ・Ｐｈ、Ｔｉｃ＝ＴｉｈおよびＴｄｃ＝Ｔｄｈを代入したものが、ブロックＤである。
【００３８】
したがって、ＰＩＤ制御部５に設定される設定制御パラメータであるＰＩＤ制御パラメータ、すなわち、比例帯Ｐｈ、積分時間Ｔｉｈおよび微分時間Ｔｄｈ、および、乗算器８に設定される冷却係数ｋｃは、ブロックＤにおける下記の不等式（１）〜（６）
Ｐｈ０≦Ｐｈ （１）
Ｐｈ０・Ｔｉｈ０≦Ｐｈ・Ｔｉｈ （２）
Ｐｈ０・Ｔｄｈ０≦Ｐｈ・Ｔｄｈ （３）
Ｐｃ０≦ｋｃ・Ｐｈ （４）
Ｐｃ０・Ｔｉｃ０≦ｋｃ・Ｐｈ・Ｔｉｈ （５）
Ｐｃ０・Ｔｄｃ０≦ｋｃ・Ｐｈ・Ｔｄｈ （６）
の全て満足するように決定されるものである。しかも、不等式（１）〜（６）の等号が成立する値に近い値に決定されるのが好ましいが、後述のように、パラメータの値の大小関係から簡単に選択して決定することができるものである。
【００３９】
前記（１）〜（６）式によれば、ＰＩＤ制御部５に設定される設定制御パラメータが、加熱側のオートチューニングによって得られる加熱制御パラメータ以上に安定であって、かつ、前記設定制御パラメータに冷却係数を乗じたパラメータが、冷却側のオートチューニングによって得られた冷却制御パラメータ以上に安定となるように、設定制御パラメータおよび冷却係数が決定されることになる。
【００４０】
このように、ＰＩＤ制御部５に設定される設定制御パラメータである比例帯Ｐｈ、積分時間Ｔｉｈ、微分時間Ｔｄｈおよび冷却係数ｋｃが、加熱側および冷却側のオートチューニングによって得られる加熱制御パラメータおよび冷却制御パラメータから決定できるということは、加熱制御パラメータおよび冷却制御パラメータ、すなわち、加熱および冷却のＰＩＤパラメータに限らず、オートチューニングで得られる加熱特性パラメータおよび冷却特性パラメータに基づいて決定することもできるものである。
【００４１】
すなわち、図３は、加熱側および冷却側のオートチューニングの各段階で得られるパラメータに基づくＰＩＤ制御部５の設定制御パラメータであるＰＩＤパラメータおよび冷却係数の決定を説明するための図である。
【００４２】
先ず、ブロックＥに示される加熱側および冷却側のオートチューニングによる時間応答波形、すなわち、加熱時の制御対象応答波形および冷却時の制御対象応答波形から安定な制御となるように、ブロックＨに示される設定制御パラメータであるＰＩＤパラメータおよび冷却係数を決定することができる。
【００４３】
例えば、リミットサイクル法の場合には、加熱側のハンチング周期と冷却側のハンチング周期の内の長い方のハンチング周期を、また、加熱側のハンチングの振幅と冷却側のハンチングの振幅の内の大きい方の振幅、すなわち、不安定な方を採用して設定制御パラメータであるＰＩＤパラメータおよび冷却係数を決定するものであり、これによって、安定な制御パラメータおよび冷却係数が決定されることになる。なお、必ずしも、ハンチング周期の長い方および振幅の大きい方の両者を採用する必要はない。
【００４４】
また、ステップ応答法の場合には、加熱側のむだ時間と冷却側のむだ時間の内の長い方のむだ時間を、加熱側の振幅（オーバーシュート量）と冷却側の振幅の内の大きい方の振幅を採用して設定制御パラメータであるＰＩＤパラメータおよび冷却係数を決定する。なお、必ずしも、むだ時間の長い方および振幅の大きい方の両者を採用する必要はない。
【００４５】
また、時間応答波形に代えて、ブロックＦに示されるように、加熱側および冷却側のオートチューニングによる制御対象パラメータ、すなわち、加熱時の制御対象パラメータおよび冷却時の制御対象パラメータから安定な制御となるように、ブロックＨに示される設定制御パラメータであるＰＩＤパラメータおよび冷却係数を決定してもよい。
【００４６】
この制御対象パラメータとしては、例えば、むだ時間、時定数、定常ゲイン、最大傾きがあり、加熱側のむだ時間と冷却側のむだ時間の内の長い方のむだ時間を、加熱側の時定数と冷却側の時定数の内の小さい方の時定数を、加熱側の定常ゲインと冷却側の定常ゲインの内の大きい方の定常ゲインを、加熱側の最大傾きと冷却側の最大傾きの内の大きい方の最大傾きを採用してＰＩＤパラメータおよび冷却係数を決定するのである。なお、必ずしも、むだ時間の長い方、時定数の小さい方、定常ゲインの大きい方、最大傾きの大きい方の全てを採用する必要はなく、少なくともいずれか一つを採用すればよい。
【００４７】
また、上述のように、加熱側および冷却側のオートチューニングによるブロックＧに示される加熱制御パラメータである加熱用のＰＩＤパラメータおよび冷却制御パラメータである冷却用のＰＩＤパラメータから安定な制御となるように、ブロックＨに示される設定制御パラメータであるＰＩＤパラメータおよび冷却係数を決定してもよい。例えば、加熱側の比例帯と冷却側の比例帯の内の大きい方の比例帯を、加熱側の積分時間と冷却側の積分時間の内の長い方の積分時間を、加熱側の微分時間と冷却側の微分時間の内の長い方の微分時間を採用するのである。なお、比例帯の大きい方、積分時間および微分時間の長い方の全てを採用する必要はなく、少なくと一つを採用すればよい。
【００４８】
このように加熱側および冷却側のオートチューニングを行なって得られる加熱側および冷却側のパラメータに基づいて、制御パラメータおよび冷却係数を決定するために、この実施の形態の温度調節器は、上述の図１に示されるように、制御対象４のパラメータを同定するための同定信号発生部１０と、通常の制御時には、ＰＩＤ制御部５からの操作量を加熱冷却切替え部６に出力し、加熱側および冷却側のオートチューニング時には、同定信号発生部１０からの同定信号を加熱冷却切替え部６に切替え出力するモード切替え部１１と、加熱時および冷却時に制御対象４のパラメータを同定する制御対象パラメータ同定部１２と、同定されたパラメータに基づいて、ＰＩＤ制御部５のＰＩＤパラメータおよび乗算器８に対する冷却係数を決定して設定するＰＩＤパラメータ・冷却係数設定部１３とを備えている。
【００４９】
同定信号発生部１０は、リミットサイクル用の２値の操作量あるいはステップ応答のためのステップ状の操作量を同定信号として出力するものである。
【００５０】
制御対象パラメータ同定部１２は、リミットサイクル波形からハンチング周期および振幅を同定し、あるいは、ステップ応答波形から最大傾きおよびむだ時間を同定する。
【００５１】
ＰＩＤパラメータ・冷却係数設定部１３は、同定されたパラメータに基づいて、安定になるように、ＰＩＤパラメータおよび冷却係数を決定してＰＩＤ制御部５および乗算器８に設定する。
【００５２】
ＰＩＤ制御部５、同定信号発生部１０、モード切替部１１、制御対象パラメータ同定部１２、ＰＩＤパラメータ・冷却係数設定部１３および加熱冷却切替え部６などは、例えば、マイクロコンピュータによって構成されている。
【００５３】
図４は、この実施の形態の動作説明に供するフローチャートであり、図５（ａ），（ｂ）は、加熱側および冷却側のオートチューニング（ＡＴ）における温度変化を示している。
【００５４】
先ず、リミットサイクル法による加熱側のオートチューニングを行う。このオートチューニングは、加熱側のオートチューニング用の目標温度ＳＰを設定して従来と同様に行なわれる。このオートチューニングによって、加熱側のむだ時間Ｌ１および加熱側の最大傾きＲ１を求め、一時的に保存する（ステップｎ１）。なお、この加熱側のオートチューニングでは、冷却出力は、オフする。
【００５５】
次に、リミットサイクル法による冷却側のオートチューニングを、
冷却側の目標温度ＳＰを設定して従来と同様に行い、冷却側のむだ時間Ｌ２および冷却側の最大傾きＲ２を求め、一時的に保存する（ステップｎ２）。なお、この冷却側のオートチューニングでは、加熱出力はオフする。
【００５６】
次に、加熱側および冷却側のむだ時間Ｌ１，Ｌ２および最大傾きＲ１，Ｒ２に基づいて、安定になるようにＰＩＤパラメータを算出する。この例では、最大傾きＲは、加熱側の最大傾きＲ１を採用し、むだ時間Ｌは、むだ時間Ｌ１，Ｌ２の内の長い方（不安定）のむだ時間を採用してＰＩＤパラメータ（ＰＩＤゲイン）を算出する（ステップｎ３）。すなわち、不安定なむだ時間を採用してＰＩＤパラメータを算出するので、算出されるＰＩＤパラメータは、安定なものとなる。
【００５７】
次に、冷却係数Ａｃを、冷却側と加熱側との最大傾きの比Ｒ２／Ｒ１として算出するものである（ステップｎ４）。
【００５８】
以上のようにして決定されるＰＩＤパラメータおよび冷却係数は、上述の（１）〜（６）の全ての不等式を満足するものである。
【００５９】
このようにして、パラメータの大小関係からＰＩＤパラメータおよび冷却係数を決定するので、従来のように試行錯誤的に調整して設定する必要がなく、自動的に設定することが可能となる。
【００６０】
次に、加熱側および冷却側のオートチューニングによる応答波形のパラメータ、制御対象のパラメータおよび制御パラメータに基づく、設定制御パラメータおよび冷却係数の具体的な数値例を、図６に示す。この図６では、実施例１，２の二つの実施例を示しており、式中のａ，ｂ，ｃ，ｄは、調整則によって異なる定数である。
【００６１】
先ず、加熱側の応答波形の振幅Ａｈが１、周期Ｔｈが１０であり、冷却側の応答波形の振幅Ａｃが２、周期Ｔｃが５である場合を示している。
【００６２】
この場合、制御対象パラメータである加熱側の最大傾きＲｈは、０．１４、むだ時間Ｌｈは２．５となり、冷却側の最大傾きＲｃは０．５６、むだ時間Ｌｃは１．２５となる。
【００６３】
この場合、加熱側の比例帯Ｐｈ０は０．２９１７、積分時間Ｔｉｈ０は５、微分時間Ｔｄｈ０は１．２５となり、冷却側の比例帯Ｐｃ０は０．５８３３、積分時間Ｔｉｃ０は２．５、微分時間Ｔｄｃ０は０．６２５となる。
【００６４】
実施例１では、比例帯Ｐｈは加熱側の比例帯と等しい０．２９１７であり、積分時間Ｔｉｈは、加熱側の積分時間Ｔｉｈ０と冷却側の積分時間Ｔｉｃ０との長い方の積分時間である５を採用し、微分時間Ｔｄｈは、加熱側の微分時間Ｔｄｈ０と冷却側の微分時間Ｔｄｃ０との長い方の微分時間である１．２５を採用しており、冷却係数ｋｃは、加熱時と冷却時との振幅の比として２としている。
【００６５】
この場合、冷却側の比例帯Ｐｃは、０．５８３３となり、積分時間Ｔｉｃは５となり、微分時間Ｔｄｃは１．２５となり、独立方式の冷却側の微分時間Ｔｄｃ０＝０．６２５に比べて長く、安定となっている。
【００６６】
なお、この実施例１の冷却側は、積分時間Ｔｉｃとして、加熱側の積分時間Ｔｉｈ０と冷却側の積分時間Ｔｉｃ０との長い方の積分時間である５を採用し、微分時間Ｔｄｈとして、加熱側の微分時間Ｔｄｈ０と冷却側の微分時間Ｔｄｃ０との長い方の微分時間である１．２５を採用したものである。
【００６７】
次に、実施例２では、比例帯Ｐｈは加熱側の比例帯と等しい０．２９１７であり、積分時間Ｔｉｈは、加熱側の積分時間Ｔｉｈ０と冷却側の積分時間Ｔｉｃ０との長い方の積分時間である５を採用し、微分時間Ｔｄｈは、加熱側の微分時間Ｔｄｈ０と冷却側の微分時間Ｔｄｃ０との長い方の微分時間である１．２５を採用しており、冷却係数ｋｃは、加熱時と冷却時との最大傾きの比として４としている。
【００６８】
この場合、冷却側の比例帯Ｐｃは、１．１６６７となり、積分時間Ｔｉｃは５となり、微分時間Ｔｄｃは１．２５となり、独立方式の冷却側の比例帯Ｐｃ０＝０．５８３３に比べて大きく、また、微分時間Ｔｄｃ０＝０．６２５に比べて長く、安定となっている。
【００６９】
なお、この実施例２の冷却側は、積分時間Ｔｉｃとして、加熱側の積分時間Ｔｉｈ０と冷却側の積分時間Ｔｉｃ０との長い方の積分時間である５を採用し、微分時間Ｔｄｈとして、加熱側の微分時間Ｔｄｈ０と冷却側の微分時間Ｔｄｃ０との長い方の微分時間である１．２５を採用したものである。
【００７０】
この実施例１，２における比例帯Ｐｈ、積分時間Ｔｉｈ、微分時間Ｔｄｈおよび冷却係数ｋｃは、上述の（１）〜（６）の全ての不等式を満足するものである。
【００７１】
このようにして、加熱側および冷却側のオートチューニングによって得られる各種のパラメータを、その大小関係から選択することにより、安定になるように、ＰＩＤ制御部５に設定する設定制御パラメータおよび乗算器８に設定する冷却係数を容易に決定することが可能となる。
【００７２】
（その他の実施の形態）
上述の実施の形態では、図５に示されるように、加熱側のオートチューニングおよび冷却側のオートチューニングでは、それぞれ加熱側および冷却側の目標温度を設定して行なったけれども、本発明の他の実施の形態として、同一の目標温度で加熱側のオートチューニングおよび冷却側のオートチューニングを行なうようにしてもよい。
【００７３】
図７は、同一の目標温度で加熱側および冷却側のオートチューニングを行なった場合の例を示しており、同図（ａ）は、目標温度ｒおよび真制御量ｙを示し、同図（ｂ）は、加熱操作量および冷却操作量を示している。
【００７４】
前半の加熱側のオートチューニング（ＡＴ）では、加熱操作量のみを与えるのに対して、後半の冷却側のオートチューニング（ＡＴ）では、冷却操作量を与えると同時に、一定の加熱操作量も与えるものであり、これによって、同一の目標温度で加熱側および冷却側のオートチューニングを行なうことが可能となる。なお、この一定の加熱操作量は、加熱側のオートチューニング時の加熱操作量の時間平均に定数Ｃｈを乗じたものであるのが好ましい。この定数Ｃｈは、１以上であるのが好ましく、より具体的には、加熱能力（ワット数）と冷却能力（ワット数）とが釣り合うところが好ましい。
【００７５】
したがって、例えば、加熱能力をＧｈ[Ｗ]、冷却能力をＧｃ[Ｗ]とすると、前記定数Ｃｈは、
Ｃｈ＝１＋(０．５×Ｇｃ／Ｇｈ)
であるのが好ましい。
【００７６】
この図７では、一定の加熱操作量を与えて冷却側のオートチューニングを行なったけれども、逆に、一定の冷却操作量を与えて加熱側のオートチューニングを行なうようにしてもよい。
【００７７】
この場合、この一定の冷却操作量は、冷却側のオートチューニング時の冷却操作量の時間平均に定数Ｃｃを乗じたものであるのが好ましい。この定数Ｃｃは、上述の加熱操作量の定数Ｃｈと同様に、１以上であるのが好ましく、より具体的には、
Ｃｃ＝１＋(０．５×Ｇｈ／Ｇｃ)
であるのが好ましい。
【００７８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、加熱側のパラメータと冷却側のパラメータとに基づいて、安定になるように制御部の制御パラメータおよび冷却係数を決定するので、従来のように冷却係数を、試行錯誤的に調整する必要がなく、自動的に設定することが可能となる。
【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である。
【図２】制御パラメータおよび冷却係数を決定するための手順を説明するための図である。
【図３】加熱側および冷却側のオートチューニングで得られるパラメータに基づくＰＩＤパラメータおよび冷却係数の決定を説明するための図である。
【図４】オートチューニングの動作説明に供するフローチャートである。
【図５】加熱側および冷却側のオートチューニングにおける温度変化を示す図である。
【図６】各種パラメータおよび冷却係数の数値例を示す図である。
【図７】本発明の他の実施の形態のオートチューニングのタイムチャートである。
【図８】従来例のブロック図である。
【図９】加熱冷却切替え部の出力を示す図である。
【符号の説明】
３ 温度センサ
４ 制御対象
５ ＰＩＤ制御部
６ 加熱冷却切替部
８ 乗算器
２０，２１ 温度調節器
Claims (4)
- 制御対象の温度を、設定温度にするための操作量を出力する制御部を備え、この制御部からの操作量を、加熱操作量とする一方、冷却係数を乗じて冷却操作量とする温度調節器であって、
加熱側のオートチューニングによって得られる前記制御対象の特性パラメータと、冷却側のオートチューニングによって得られる前記制御対象の特性パラメータとに基づいて、安定になるように前記制御部の制御パラメータおよび前記冷却係数を決定する手段を備え、
前記制御対象の特性パラメータが、むだ時間、時定数、定常ゲイン、最大傾きであり、
前記決定する手段は、加熱側のむだ時間と冷却側のむだ時間の内の長い方のむだ時間、加熱側の時定数と冷却側の時定数の内の小さい方の時定数、加熱側の定常ゲインと冷却側の定常ゲインの内の大きい方の定常ゲイン、および、加熱側の最大傾きと冷却側の最大傾きの内の大きい方の最大傾きの少なくともいずれか一つを用いて、前記制御パラメータおよび前記冷却係数を決定することを特徴とする温度調節器。 - 制御対象の温度を、設定温度にするための操作量を出力する制御部を備え、この制御部からの操作量を、加熱操作量とする一方、冷却係数を乗じて冷却操作量とする温度調節器であって、
加熱側のオートチューニングによって得られる加熱側ＰＩＤパラメータと、冷却側のオートチューニグによって得られる冷却側ＰＩＤパラメータとに基づいて、前記制御部の制御パラメータであるＰＩＤ制御パラメータを決定するとともに、前記冷却係数を決定する手段を備え、
前記決定する手段は、前記ＰＩＤ制御パラメータが、前記加熱側ＰＩＤパラメータ以上に安定であって、かつ、前記ＰＩＤ制御パラメータに冷却係数を乗じたパラメータが、前記冷却側ＰＩＤパラメータ以上に安定となるように、前記ＰＩＤ制御パラメータおよび前記冷却係数を、下記不等式（１）〜（６）を満足するように、決定することを特徴とする温度調節器。
Ｐｈ０≦Ｐｈ （１）
Ｐｈ０・Ｔｉｈ０≦Ｐｈ・Ｔｉｈ （２）
Ｐｈ０・Ｔｄｈ０≦Ｐｈ・Ｔｄｈ （３）
Ｐｃ０≦ｋｃ・Ｐｈ （４）
Ｐｃ０・Ｔｉｃ０≦ｋｃ・Ｐｈ・Ｔｉｈ （５）
Ｐｃ０・Ｔｄｃ０≦ｋｃ・Ｐｈ・Ｔｄｈ （６）
但し、Ｐｈは前記ＰＩＤ制御パラメータの比例帯、Ｔｉｈは前記ＰＩＤ制御パラメータの積分時間、Ｔｄｈは前記ＰＩＤ制御パラメータの微分時間、ｋｃは前記冷却係数、Ｐｈ０は前記加熱側ＰＩＤパラメータの比例帯、Ｔｉｈ０は前記加熱側ＰＩＤパラメータの積分時間、Ｔｄｈ０は前記加熱側ＰＩＤパラメータの微分時間、Ｐｃ０は前記冷却側ＰＩＤパラメータの比例帯、Ｔｉｃ０は前記冷却側ＰＩＤパラメータの積分時間、Ｔｄｃ０は前記冷却側ＰＩＤパラメータの微分時間である。 - 一定の冷却操作量を出力しながら前記加熱側のオートチューニグを実行し、または、一定の加熱操作量を出力しながら前記冷却側のオートチューニングを実行する請求項１または２に記載の温度調節器。
- 請求項１〜３のいずれかに記載の温度調節器と、制御対象としての熱処理手段と、前記熱処理手段を加熱する加熱手段と、前記熱処理手段を冷却する冷却手段とを備えることを特徴とする熱処理装置。
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