JP3915370B2 - 制御装置、温度調節器および熱処理装置 - Google Patents
制御装置、温度調節器および熱処理装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象の温度や圧力などの物理状態を制御する制御装置、制御対象の温度を制御する温度調節器および温度調節器を用いた熱処理装置に関し、さらに詳しくは、制御対象の物理状態を制御する状態制御手段を複数備え、各状態制御手段による制御が、他の状態制御手段による制御に影響を与える、いわゆる干渉のある制御対象の制御に好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の制御対象、例えば、半導体プロセスの熱処理装置として、図３８に示される熱酸化装置があり、この熱酸化装置１８は、シリコンのウェハを酸化するものであって、熱処理炉としての反応管１９に必要なガスを流しながら酸化膜の生成を行うものである。この熱酸化装置１８は、反応管１９を外囲する均熱管２０の周囲に分割して配置された複数、この例では、３つの第１〜第３のヒータ２１1〜２１3とそれに個別的に対応する第１〜第３の温度センサ２２1〜２２3とを有し、温度制御は、マイクロコンピュータ２３によって、ヒータおよび温度センサの各組に対応する領域（以下「ゾーン」という）毎に個別に行われている。
【０００３】
すなわち、第１のヒータ２１1および第１の温度センサ２２1が配置された上側の第１のゾーンでは、第１の温度センサ２２1の検出出力に基づいて、目標温度になるように第１のヒータ２１1が操作され、第２のヒータ２１2および第２の温度センサ２２2が配置された中間の第２のゾーンでは、第２の温度センサ２２2の検出出力に基づいて、目標温度になるように第２のヒータ２１2が操作され、第３のヒータ２１3および第３の温度センサ２２3が配置された下側の第３のゾーンでは、第３の温度センサ２２3の検出出力に基づいて、目標温度になるように第３のヒータ２１3が操作される。
【０００４】
しかしながら、各ゾーンは熱的に連続しているので、一つのゾーンのヒータによる熱量は、そのゾーンのみならず、他のゾーンの温度センサにも影響を与える、いわゆる干渉を生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような干渉があるために、特に、過渡時や外乱時に温度のバラツキが顕著となって均一な温度制御が困難であり、また、各ゾーンを異なる目標温度に制御するといったことが容易でない。
【０００６】
さらに、温度調節器における最適なＰＩＤ制御のパラメータを決定するためのオートチューニングが正しく実行できないという難点もある。
【０００７】
以下、オートチューニングが正しく実行できない理由について、制御のシュミレーションソフト（ＭＡＴＬＡＢ）を使用した例を用いて説明する。
【０００８】
先ず、正常にオートチューニングをできる例として、図３９に示される干渉のない独立な第１，第２の制御対象２４1，２４2を制御する場合について説明する。この例は、独立に二つの制御対象２４1，２４2を制御するものであり、第１のＰＩＤ制御手段２５1では、オートチューニングを実行し、第２のＰＩＤ制御手段２５2では、目標値をグランドとしてＰＩＤ制御を実行している。なお、２６1，２６2は、目標値とフィードバック量との制御偏差を出力する加算器である。
【０００９】
図４０は、このシステムにおける第１の制御対象２４1からの第１のフィードバック量ＰＶ１（破線）、第１のＰＩＤ制御手段２５1からの第１の操作量ＭＶ１（実線）、第２の制御対象２４2からの第２のフィードバック量ＰＶ２（二点鎖線）および第２のＰＩＤ制御手段２５2からの第２の操作量ＭＶ２（一点鎖線）を、スコープに表示した波形を示すものであり、第１の操作量ＭＶ１がオンオフするリミットサイクルが生じており、第１のフィードバック量ＰＶ１の周期と振幅とを使って第１のＰＩＤ制御手段２５1のＰＩＤ制御のパラメータを決定することができる。
【００１０】
なお、フィードバック量ＰＶ１，ＰＶ２は、例えば温度制御における温度センサで検出された検出温度に相当し、操作量ＭＶ１，ＭＶ２は、制御対象を加熱するヒータおよびそのヒータの通電をオンオフする電磁開閉器からなる操作手段に与えられる操作量である。
【００１１】
次に、図４１に示されるように、２入力（ＭＶ１，ＭＶ２）２出力（ＰＶ１，ＰＶ２）の干渉のある制御対象２７に独立な制御を実行した場合について説明する。
【００１２】
この制御対象２７は、図４２に示されるように、第１のＰＩＤ制御手段２５1からの第１の操作量ＭＶ１が、第１の加算器２８に与えられるとともに、第１の減衰器２９で０.９に減衰されて第２の加算器３０に与えられる一方、第２のＰＩＤ制御手段２５2からの第２の操作量ＭＶ２が、第２の加算器３０に与えられるとともに、第２の減衰器３１で０.９に減衰されて第１の加算器２８に与えられ、各加算器２８，３０の加算出力が、第１，第２の遅れ要素３２，３３にそれぞれ与えられる構成とされており、この例では、各操作量ＭＶ１，ＭＶ２が０.９の割合で他方に加えられて互いに干渉を生じるものである。
【００１３】
このような干渉のある制御対象２７では、第１のＰＩＤ制御手段２５1で、オートチューニングを実行し、第２のＰＩＤ制御手段２５2では、目標値をグランドとしてＰＩＤ制御を実行すると、図４３に示されるように、第１の操作量ＭＶ１（実線）に、オンオフのリミットサイクルが生じない場合があり、かかる場合には、第１のフィードバック量ＰＶ１（破線）の振動の振幅および周期を正しく測定できず、ＰＩＤ制御のパラメータも計算することができないことになる。
【００１４】
このように第１の操作量ＭＶ１がオンオフしない原因は、オートチューニングをしない側の第２のＰＩＤ制御手段２５2が干渉してオートチューニング側の第１のフィードバック量ＰＶ１の変化が生じないように勝手に動作してしまうからである。これは、第２の操作量ＭＶ２（一点鎖線）が、第１のフィードバック量ＰＶ１の変化とは逆向きの動きをしていることからも分かる。
【００１５】
このように、干渉のある制御対象では、ＰＩＤの制御パラメータを設定するためのオートチューニングが実行できず、試行錯誤的な設定にならざるを得ず、このため、設定に時間を要するとともに、所望の制御特性を得るのが困難である。
【００１６】
本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、干渉のある制御対象であっても、その干渉を低減することを目的とする。
【００１７】
【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。
【００１８】
すなわち、本発明の制御装置は、制御対象の物理状態をそれぞれ検出する複数の検出手段からの複数の検出情報と複数の目標情報との各偏差に基づいて、前記検出手段に個別的に対応する複数の操作手段に対して操作信号をそれぞれ出力する複数の状態制御手段を備える制御装置であって、或る検出手段に対応する偏差に基づいて、前記或る検出手段に対応する操作手段とは別の操作手段に対する操作信号を出力する非干渉化制御手段を、少なくとも一つ設け、前記複数の状態制御手段および非干渉化制御手段は、前記複数の検出情報と複数の目標情報との各偏差を、制御対象の前記物理状態の勾配を示す情報の偏差に変換するとともに、物理状態の代表状態を示す情報の偏差に変換する変換手段と、前記変換手段からの前記勾配を示す情報の偏差または前記代表状態を示す情報の偏差に基づいて、操作信号をそれぞれ出力する複数の状態制御手段と、前記各状態制御手段からの操作信号を、複数の操作手段に、各状態制御手段による制御が、他の状態制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分する配分手段として機能するものである。
【００１９】
ここで、物理状態とは、温度、圧力、流量、速度あるいは液位などの様々な物理量の状態をいう。
【００２０】
また、物理状態の勾配とは、温度勾配、圧力勾配、流量勾配、速度勾配などの様々な物理量の勾配をいう。
【００２１】
目標情報とは、物理状態の制御目標の情報をいい、例えば、目標温度、目標圧力、目標流量などをいう。
【００２２】
非干渉化制御手段とは、或る状態制御手段による制御が、別の状態制御手段による制御に与える影響をなくすまたは小さくするように制御するものである。
【００２３】
ここで、物理状態の勾配とは、温度勾配、圧力勾配、流量勾配、速度勾配などの様々な物理量の勾配をいう。
【００２４】
さらに、物理状態の代表状態とは、制御対象の物理状態を代表的に示す状態をいい、例えば、温度であれば、制御対象の平均温度、ある位置（例えば中央位置）における温度などをいう。
【００２５】
ここで、物理状態の勾配とは、温度勾配、圧力勾配、流量勾配、速度勾配などの様々な物理量の勾配をいう。
【００２６】
さらに、物理状態の代表状態とは、制御対象の物理状態を代表的に示す状態をいい、例えば、温度であれば、制御対象の平均温度、ある位置（例えば中央位置）における温度などをいう。
【００２７】
本発明の制御装置によると、複数の検出情報と複数の目標情報との各偏差に基づいて、前記検出手段に個別的に対応する複数の操作手段に対して操作信号をそれぞれ出力する複数の状態制御手段、すなわち、複数の各チャネルに個別的に対応する状態制御手段に加えて、或るチャネルの偏差に基づいて、別のチャネルの操作手段に対して操作信号を出力する非干渉化制御手段を設けているので、各チャネルの状態制御手段による制御が、別のチャネルの制御に及ぼす影響が低減される。しかも、複数の検出手段からの情報を、物理状態の勾配あるいは代表状態を利用した情報、すなわち、干渉のない独立の情報に変換して制御を行うとともに、各状態制御手段による制御が、他の状態制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分するので、干渉のある制御対象の制御において、その干渉を低減することが可能となる。
【００２８】
本発明の温度調節器は、制御対象の温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段からの複数の検出温度と複数の目標温度との各温度偏差に基づいて、前記温度検出手段に個別的に対応して前記制御対象を加熱（または冷却）する複数の加熱（または冷却）手段に対して操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手段を備える温度調節器であって、或る温度検出手段に対応する温度偏差に基づいて、前記或る温度検出手段に対応する加熱（または冷却）手段とは別の加熱（または冷却）手段に対する操作信号を出力する非干渉化制御手段を、少なくとも一つ設け、前記複数の温度制御手段および非干渉化制御手段は、前記複数の検出温度と複数の目標温度との各温度偏差を、傾斜温度の偏差に変換するとともに、代表温度の偏差に変換する変換手段と、前記変換手段からの傾斜温度の偏差または代表温度の偏差に基づいて、操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手段と、前記各温度制御手段からの操作信号を、前記制御対象を加熱（または冷却）する前記複数の加熱（または冷却）手段に、各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分する配分手段として機能するものである。
【００２９】
ここで、本発明の温度調節器は、複数の検出温度と複数の目標温度との各温度偏差に基づいて、前記温度検出手段に個別的に対応する複数の加熱（または冷却）手段に対して操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手段を備える複数チャネルの制御を行うものであり、いわゆる、多点制御の温度調節器であってもよいし、単点制御の温度調節器を複数組み合わせて本発明の温度調節器としてもよい。すなわち、本発明の温度調節器は、単点制御の温度調節器を複数組み合わせた構成も含むものである。
【００３０】
本発明によると、複数の検出温度と複数の目標温度との各温度偏差に基づいて、前記温度検出手段に個別的に対応する複数の加熱（または冷却）手段に対して操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手段、すなわち、複数の各チャネルに個別的に対応する温度制御手段に加えて、或るチャネルの偏差に基づいて、別のチャネルの加熱（また冷却）手段に対して操作信号を出力する非干渉化制御手段を設けているので、各チャネルの温度制御手段による制御が、別のチャネルの制御に及ぼす影響が低減される。しかも、複数の温度検出手段から得られる検出温度を、傾斜温度と代表温度、すなわち、干渉のない独立の情報に変換して制御を行うとともに、各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分するので、干渉のある制御対象の制御において、その干渉を低減することが可能となる。また、例えば、制御対象を複数のゾーン毎に区分して温度制御を行う場合に、特定のゾーンの検出温度を代表温度としてそのゾーンに着目した制御を行うことができる。
【００３３】
本発明の他の実施態様においては、前記代表温度が複数の検出温度に基づく平均温度である。
【００３４】
本発明によると、平均温度および傾斜温度を制御量として温度制御を行うので、例えば、制御対象を複数のゾーン毎に区分して各ゾーンの検出温度を制御量として温度制御を行う場合に比べてゾーンの間の干渉の度合いを低減できる。また、例えば、制御対象を複数のゾーンに区分して各ゾーンに温度検出手段を配置した場合に、或るゾーンの温度検出手段で検出された検出温度と、隣接するゾーンの温度検出手段で検出された検出温度との差である傾斜温度を制御量とすることができ、ゾーン毎に温度差を持たせた制御を行えることになる。
【００３５】
本発明の好ましい実施態様においては、前記複数の温度検出手段の検出信号線の断線を検出する断線検出手段を備え、前記断線検出手段は、各検出温度と前記平均温度との比較または前記傾斜温度と閾値との比較に基づいて断線を検出するものである。
【００３６】
本発明によると、温度検出手段の検出信号線の断線を検出できるので、断線が生じたときには、それを報知して直ちに適切な措置をとることができる。
【００３７】
本発明の他の実施態様においては、断線が検出された温度検出手段の検出出力を、複数の検出温度の平均温度または近接配置された他の温度検出手段の検出温度に置き換える置換手段を備えている。
【００３８】
本発明によると、断線が検出された温度検出手段の検出出力を、平均温度または近接配置された他の温度検出手段の検出温度に置き換えるので、断線が発生しても、制御対象の温度を、所望の状態に近い状態に制御できることになる。
【００３９】
本発明のさらに他の実施態様においては、前記温度検出手段が、赤外線カメラである。
【００４０】
本発明によると、温度検出手段として赤外線カメラを用いるので、非接触で温度を検出できるとともに、検出点を容易に変更できる。
【００４１】
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炉または熱処理盤と、該熱処理炉または熱処理盤を加熱（または冷却）する複数の加熱（または冷却）手段と、前記熱処理炉または熱処理盤の温度を検出する複数の温度検出手段とを備えている。
【００４２】
本発明によると、本発明の温度調節器によって熱処理炉あるいは熱処理盤の温度制御を行うので、干渉を低減した温度制御が可能となる。
【００４３】
【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。
【００４４】
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器を用いた温度制御システムの概略構成図である。
【００４５】
この実施の形態の温度制御システムは、制御対象３を加熱する複数のヒータ１1〜１ｎと、複数のヒータ１1〜１ｎに個別的に対応して制御対象３の温度を検出する複数の温度センサ２1〜２ｎと、これら温度センサ２1〜２ｎの検出出力に基づいて、各ヒータ１1〜１ｎを図示しない電磁開閉器などを介して操作して制御対象３の温度を制御する本発明に係る温度調節器４とを備えている。
【００４６】
制御対象３は、熱的に連続して干渉を生じるものであり、各ヒータ１1〜１ｎと対応する各温度センサ２1〜２ｎとがそれぞれ近接して配置されて複数のゾーンがそれぞれ形成されている。
【００４７】
この温度制御システムは、例えば、上述の図３８に示される熱酸化装置１８に適用できるものであり、制御対象３を、熱処理炉としての反応管１９とし、第１〜第３のヒータ１1〜１3を、反応管１９の周囲に分割して配置された第１〜第３のヒータ２１1〜２１3とし、第１〜第３の温度センサ２1〜２3を、各ゾーンの温度を検出する第１〜第３の温度センサ２２1〜２２3として適用することができるものである。
【００４８】
以下、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立って、本発明の温度調節器の機能について詳細に説明する。
【００４９】
図２は、図１の温度調節器４の機能ブロック図であり、この実施の形態の温度調節器４は、複数の温度センサ２1〜２ｎの検出温度の平均温度および検出温度に基づく傾斜温度を後述のようにして算出する平均温度・傾斜温度算出手段（以下「モード変換器」ともいう）５と、この算出手段５で算出された平均温度または各傾斜温度がそれぞれ入力される複数の温度制御手段としてのＰＩＤ制御手段６1〜６ｎと、各ＰＩＤ制御手段６1〜６ｎからの操作信号（操作量）を後述のように所定の配分比で加熱手段を構成する各ヒータ１1〜１ｎに配分する配分手段（以下「前置補償器」ともいう）７とを備えている。平均温度・傾斜温度算出手段５、ＰＩＤ制御手段６1 〜６ｎおよび配分手段７は、例えば、マイクロコンピュータによって構成される。
【００５０】
従来では、上述の図３８に示されるように、各ゾーン毎に温度を検出して対応するヒータを個別に制御していたけれども、この実施の形態では、干渉をなくすために、平均温度・傾斜温度算出手段５で算出される代表温度としての平均温度および複数の各傾斜温度を制御量として温度制御を行うようにしている。
【００５１】
変換手段としての平均温度・傾斜温度算出手段５は、複数の温度センサ２1〜２ｎからの情報を、一つの平均温度と複数の傾斜温度との情報に変換するものであり、その理由は、干渉がなく、独立で分かりやすい情報にするためであり、例えば、次のような演算を行うものである。
【００５２】
すなわち、第１の温度センサ２1の検出出力をＳ１，第２の温度センサ２2の検出出力をＳ２，…第ｎの温度センサ２ｎの検出出力をＳｎとすると、下記に示される平均温度Ｔａｖ，第１の傾斜温度Ｔｔ１，第２の傾斜温度Ｔｔ２，…第ｎ−１の傾斜温度Ｔｔn-1を算出する。
【００５３】
Ｔａｖ＝（Ｓ１＋Ｓ２＋…Ｓｎ）÷ｎ
Ｔｔ１＝（Ｓ１＋Ｓ２＋…Ｓn-1）÷（ｎ−１）−Ｓｎ
Ｔｔ２＝（Ｓ１＋Ｓ２＋…Ｓn-2）÷（ｎ−２）−Ｓn-1
・
・
Ｔｔn-1＝Ｓ１−Ｓ２
ここで、Ｔａｖは、複数の温度センサ２1〜２ｎの検出温度の平均温度であり、傾斜温度Ｔｔ１は、複数の温度センサ２1〜２ｎを、温度センサ２1〜２n-1と温度センサ２ｎとの二つに区分した場合の温度センサ２1〜２n-1の平均検出温度と温度センサ２ｎの検出温度との差であり、傾斜温度Ｔｔ２は、複数の温度センサ２1〜２n-1を、温度センサ２1〜２n-2と温度センサ２n-1との二つに区分した場合の温度センサ２1〜２n-2の平均検出温度と温度センサ２n-1の検出温度との差であり、以下同様にして、傾斜温度Ｔｔn-1は、温度センサ２1と温度センサ２2との検出温度の差である。
【００５４】
以上の式をまとめて、モード変換行列Ｇｍと称する行列を用いて下記のように表すことができる。
【００５５】
【数１】
【００５６】
Ｔ＝Ｇｍ・Ｓ
ただし、Ｔ＝［Ｔａｖ Ｔｔ１ Ｔｔ２ ……Ｔｔn-1］T
Ｓ＝［Ｓ１ Ｓ２ Ｓ３ ……Ｓn］T
この実施の形態では、これら平均温度Ｔａｖと複数の傾斜温度Ｔｔ１〜Ｔｔn-1とを制御量として温度制御を行うものである。
【００５７】
なお、傾斜温度は、この実施の形態に限られるものではなく、例えば、下記のモード変換行列Ｇｍに示されるように隣り合う温度センサの検出温度の温度差や複数の温度センサを二つのグループに区分して各グループの平均検出温度の温度差などの種々の傾斜温度を用いることができる。
【００５８】
【数２】
【００５９】
また、傾斜温度は、複数の温度センサを大きく二つのグループに区分した各グループの平均検出温度の温度差、各グループをさらに二つに区分した各グループの平均検出温度の温度差、さらに各グループを二つに区分した各グループの平均検出温度の温度差といったように、マクロな傾斜温度からミクロな傾斜温度までを算出して用いるようにしてもよい。
【００６０】
要するに、温度の傾斜を意味する情報と平均の情報とに分離して制御できるようにすればよい。
【００６１】
第１のＰＩＤ制御手段６1は、平均温度・傾斜温度算出手段５からの平均温度と目標平均温度の制御偏差に基づいて、平均温度が目標平均温度になるように操作信号を配分手段７に出力し、第２のＰＩＤ制御手段６2は、平均温度・傾斜温度算出手段５からの第１の傾斜温度と第１の目標傾斜温度との制御偏差に基づいて、第１の傾斜温度が第１の目標傾斜温度になるように操作信号を配分手段７に出力し、第３のＰＩＤ制御手段６3は、平均温度・傾斜温度算出手段５からの第２の傾斜温度と第２の目標傾斜温度との制御偏差に基づいて、第２の傾斜温度が第２の目標傾斜温度になるように操作信号を配分手段７に出力し、以下同様にして、第ｎのＰＩＤ制御手段６ｎは、平均温度・傾斜温度算出手段５からの第ｎ−１の傾斜温度と第ｎ−１の目標傾斜温度との制御偏差に基づいて、第ｎ−１の傾斜温度が第ｎ−１の目標傾斜温度になるように操作信号を配分手段７に出力する。
【００６２】
すなわち、第１のＰＩＤ制御手段６1は、平均温度を制御し、第２〜第ｎの各ＰＩＤ制御手段６2〜６ｎは、第１〜第ｎ−１の傾斜温度をそれぞれ制御するものである。
【００６３】
次に配分手段７について説明する。
【００６４】
この配分手段７は、各ＰＩＤ制御手段６1〜６ｎからの操作信号（操作量）を、各ヒータ１1〜１nに配分するのであるが、その際に、各ＰＩＤ制御手段６1〜６ｎそれぞれによる平均温度または各傾斜温度の制御が、他のＰＩＤ制御手段６1〜６ｎそれぞれによる平均温度または傾斜温度の制御に与える干渉をなくすように配分するものである。
【００６５】
例えば、第１のＰＩＤ制御手段６1の操作信号によって平均温度を変化させる場合に、その操作信号によって傾斜温度が変化せず、また、第２のＰＩＤ制御手段６2の操作信号によって第１の傾斜温度を変化させる場合に、その操作信号によって平均温度および他の傾斜温度が変化せず、同様に、各ＰＩＤ制御手段の操作信号によって他のＰＩＤ制御手段による制御が影響されないように配分するのである。
【００６６】
この配分手段７による配分について、さらに詳細に説明する。
【００６７】
ここで、分かり易くするために、ｎ＝２、すなわち、ゾーンが２つであって、第１，第２のヒータ１1，１2、第１、第２の温度センサ２1，２2、平均温度を制御する第１のＰＩＤ制御手段６1および両温度センサ２1，２2の検出温度の差である傾斜温度を制御する第２のＰＩＤ制御手段６2を備える場合に適用して図３に基づいて説明する。
【００６８】
この図３は、上述の図４１，図４２の従来例で説明した２入力２出力の干渉のある制御対象２７に適用した例であり、図２に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００６９】
平均温度・傾斜温度検出手段５は、第１，第２の温度センサ２1，２2の検出出力に相当する制御対象３からのフィードバック量ＰＶ１，ＰＶ２を、図４に示されるように加算器８で加算して減衰器９で１／２に減衰して平均温度Ｔａｖを出力する一方、両温度センサ２1，２2の検出出力に相当するフィードバック量ＰＶ１，ＰＶ２を減算器１０で減算して傾斜温度Ｔｔを出力するものである。
【００７０】
第１のＰＩＤ制御手段６1は、平均温度・傾斜温度算出手段５からの平均温度Ｔａｖと目標平均温度の制御偏差に基づいて、平均温度が目標平均温度になるように操作信号（操作量）Ｈａｖを配分手段７に出力し、第２のＰＩＤ制御手段６2は、平均温度・傾斜温度算出手段５からの傾斜温度Ｔｔと目標傾斜温度との制御偏差に基づいて、傾斜温度が目標傾斜温度になるように操作信号（操作量）Ｈｔを配分手段７に出力する。
【００７１】
配分手段７は、各ＰＩＤ制御手段６1，６2の操作信号（操作量）Ｈａｖ，Ｈｔを以下のような配分比で各ヒータ１1，１2に配分する。
【００７２】
すなわち、図５は、図３のシステムの制御系のブロック線図である。平均温度を制御する第１のＰＩＤ制御手段６1から与えられる操作量Ｈａｖを、配分手段７で干渉をなくす、すなわち、非干渉化するための係数である非干渉化係数（配分比）ｋ1，ｋ2で第１，第２のヒータ１1，１2にそれぞれ配分するとともに、第２のＰＩＤ制御手段６2から与えられる操作量Ｈｔを、非干渉化係数（配分比）ｋ3，ｋ4で第１，第２のヒータ１1，１2にそれぞれ配分し、これによって、各ヒータ１1，１2に熱量Ｈ1，Ｈ2がそれぞれ与えられるとする。
【００７３】
また、第１のヒータ１1に与えられた熱量Ｈ1は、伝達係数（干渉係数）ｌ1で第１の温度センサ２1に伝わる一方、伝達係数（干渉係数）ｌ2で第２の温度センサ２2に伝わり、同様に、第２のヒータ１2に与えられた熱量Ｈ2は、伝達係数（干渉係数）ｌ3で第１の温度センサ２1に伝わる一方、伝達係数（干渉係数）ｌ4で第２の温度センサ２2に伝わるとする。
【００７４】
そして、第１の温度センサ２1で検出された検出温度Ｔ1と第２の温度センサ２2で検出された検出温度Ｔ2とから平均温度Ｔａｖおよび傾斜温度Ｔｔが算出されて各ＰＩＤ制御手段６1，６2に入力されるという制御ループが構成されている。
【００７５】
以上のことから平均温度Ｔａｖは、次のように示される。
【００７６】
ここで、平均温度Ｔａｖは、平均温度の操作量Ｈａｖのみの関数で、傾斜温度の操作量Ｈｔの影響をなくすように、すなわち、非干渉化を図るために、Ｈｔの項を０とする。
【００７７】
すなわち、（ｌ1＋ｌ2）・ｋ3＋（ｌ3＋ｌ4）・ｋ4＝０
したがって、ｋ4＝−｛（ｌ1＋ｌ2）／（ｌ3＋ｌ4）｝ｋ3
となる。
【００７８】
同様に、傾斜温度Ｔｔは、次のように示される。
【００７９】
ここで、傾斜温度Ｔｔは、傾斜温度の操作量Ｈｔのみの関数で、平均温度の操作量Ｈａｖの影響をなくすように、すなわち、非干渉化を図るために、Ｈａｖの項を０とする。
【００８０】
すなわち、（ｌ1−ｌ2）ｋ1＋（ｌ3−ｌ4）ｋ2＝０
したがって、ｋ2＝−｛（ｌ1−ｌ2）／（ｌ3−ｌ4）｝ｋ1
となる。
【００８１】
以上のことから傾斜温度に影響を与えずに平均温度を制御し、また、平均温度に影響を与えずに傾斜温度を制御する、すなわち、平均温度と傾斜温度との干渉をなくした非干渉制御を行うためには、非干渉化係数（配分比）ｋ1〜ｋ4で配分すればよく、この非干渉化係数（配分比）ｋ1〜ｋ4を算出するためには、第１のヒータ１1の熱量が第１，第２の温度センサ２1，２2に伝わる伝達係数（干渉係数）ｌ1，ｌ2および第２のヒータ１2の熱量が第１，第２の温度センサ２1，２2に伝わる伝達係数（干渉係数）ｌ3，ｌ4を知る必要がある。
【００８２】
なお、非干渉化係数（配分比）ｋ1〜ｋ4は、ｋ1とｋ2、ｋ3とｋ4との比率がそれぞれ分かれば、ＰＩＤ制御のゲインによって対応できるので、絶対値は必ずしも必要でない。
【００８３】
伝達係数（干渉係数）ｌ1〜ｌ4は、次のようにして求めることができる。すなわち、ヒータを一つだけ変動させて他のヒータは、一定値に固定、例えば、オンのままあるいはオフのままとし、ヒータの変化量に対する各温度センサの変化量の比率を伝達係数とするのである。
【００８４】
例えば、第２のヒータ２2をオフのままの状態で、第１のヒータ１1を、ある温度振幅で変動させたときに、第１，第２の温度センサ２1，２2の検出温度にどの程度の温度振幅の変動が生じるかによって伝達係数ｌ1，ｌ2を計測することができ、例えば、ヒータを温度振幅１で変動させたきに、温度センサの温度振幅が１０であれば、伝達係数は、１０（＝１０／１）となる。
【００８５】
ここで、図３の配分手段７における非干渉化係数（配分比）を用いた配分についてさらに具体的に説明する。制御対象２７の特性は、上述の図４２に示されており、この特性から伝達係数は、ｌ1＝１，ｌ2＝０.９，ｌ3＝０.９，ｌ4＝１である。
【００８６】
したがって、上述の非干渉化係数の式に代入すると、
となる。
【００８７】
そこで、仮に各ヒータに配分される熱量の合計が、Ｈａｖと等しくなるように、すなわち、ｋ1＋ｋ2＝１となるように設計し、分かり易さのために、ｋ3＝１という条件を加える。
【００８８】
これによって、
ｋ2＝ｋ1＝１／２
また、ｋ4＝−ｋ3＝−１
となり、配分比（非干渉化係数）が決定される。
【００８９】
つまり、図５に示されるように、平均温度の操作量Ｈａｖは、１／２ずつ各ヒータ１1，１2に配分し、傾斜温度の操作量Ｈｔは、第１のヒータ１1には、そのまま、第２のヒータ１2には、符号を変えて配分すればよい。
【００９０】
ここで、配分比（非干渉化係数）は、次のようにして求めることもできる。
【００９１】
すなわち、上述のモード変換行列Ｇｍと上述の伝達係数（干渉係数）の行列Ｐとから配分比（非干渉化係数）の行列（以下「前置補償行列」ともいう）Ｇｃは、以下のように逆行列として求めることもできる。
【００９２】
Ｇｃ＝（Ｇｍ・Ｐ）-1
この実施の形態に適用すると、制御対象のある時間の特性である伝達係数（干渉係数）の行列Ｐを、
【００９３】
【数３】
【００９４】
とすると、配分比（非干渉化係数）の行列である前置補償行列Ｇｃは、
【００９５】
【数４】
【００９６】
確かめとして、Ｇｍ・Ｐ・Ｇｃ＝１となるかどうかを計算する。
【００９７】
【数５】
【００９８】
なお、この実施の形態では、配分比（非干渉化係数）を、伝達係数を用いて算出したけれども、本発明の他の実施の形態として、伝達係数に代えて、周波数特性も表す伝達関数を用いて算出するようにしてもよい。
【００９９】
図３のシステムでは、配分手段７は、図６に示されるように、平均温度の操作信号（操作量）Ｈａｖは、各減衰器１１，１２でそれぞれ１／２に減衰して加算器１３および減算器１４にそれぞれ配分され、傾斜温度の操作信号（操作量）Ｈｔは、加算器１３および減算器１４にそれぞれ配分され、加算器１３の出力Ｈ1が第１のヒータ１1に、減算器１４の出力Ｈ2が第２のヒータ１2に与えられる。
【０１００】
この配分手段７によれば、平均温度の操作量Ｈａｖによって平均温度を変化させる場合には、各ヒータ１1，１2に操作量が等しく配分されるので、傾斜温度に影響を与えることなく、すなわち、干渉することなく、平均温度のみを変化させることができる。また、傾斜温度の操作量Ｈｔによって傾斜温度を変化させる場合には、一方のヒータ１1には、その操作量が１倍で与えられる一方、他方のヒータ１2には、−１倍で与えられるので、両ヒータに与える総熱量を変化させることなく、すなわち、平均温度に影響を与えることなく、傾斜温度のみを変化させることができる。
【０１０１】
図７は、図３のシステムにおいて、第１のＰＩＤ制御手段６1でオートチューニングを行った場合の平均温度・傾斜温度算出手段５からの平均温度Ｔａｖ（破線）、第１のＰＩＤ制御手段６1からの平均温度の操作量Ｈａｖ（実線）、平均温度・傾斜温度算出手段５からの傾斜温度Ｔｔ（二点鎖線）、第２のＰＩＤ制御手段６2からの傾斜温度の操作量Ｈｔ（一点鎖線）をスコープに表示した波形を示しており、平均温度の操作量Ｈａｖがオンオフするリミットサイクルが生じており、平均温度Ｔａｖの周期と振幅とを使ってＰＩＤ制御のパラメータを決定することができる。なお、平均温度Ｔａｖ、傾斜温度Ｔｔ、平均温度の操作量Ｈａｖ、傾斜温度の操作量Ｈｔが、上述の図４０，図４３の従来例のＰＶ１、ＰＶ２、ＭＶ１、ＭＶ２にそれぞれ対応する。
【０１０２】
なお、第１のＰＩＤ制御手段６1のＰＩＤ制御のパラメータが決定された後には、そのパラメータを設定し、次は、傾斜温度を制御する第２のＰＩＤ制御手段６2のオートチューニングを行ってＰＩＤ制御のパラメータを決定する。
【０１０３】
このように、平均温度と傾斜温度とを制御量として制御することにより、干渉のない制御が可能となり、ＰＩＤ制御のパラメータを決定するためのオートチューニングが可能となり、最適な制御パラメータを設定して所望の制御特性を得ることができる。
【０１０４】
このようにしてＰＩＤ制御のパラメータが設定された後の通常の制御では、平均温度が目標平均温度になるように、傾斜温度が目標傾斜温度になるように制御が行われる。
【０１０５】
次に、この実施の形態と従来例とのシミュレーションの結果を以下に説明する。このシミュレーションでは、以下のような制御対象のモデリングを行った。すなわち、熱干渉系の最も簡単な例として、図８に示すように２組のヒータ１1，１2と温度センサ２1，２2と、その間を熱伝導体５０でつないだ熱処理装置を考える。制御目的は、２点の温度を任意の設定温度で均一化することである。図９に制御対象の電気的な等価回路を示す。Ｒ1，Ｒ2は、温度センサから周囲の空気への熱抵抗、Ｃ1，Ｃ2は、温度センサ近傍の熱容量である。
【０１０６】
制御対象の入力は、２つのヒータ熱量であり、ヒータ１1の熱量ｐ1の一部は熱伝導体５０を伝わって、熱抵抗Ｒ3で温度センサ２2の温度θ2に干渉し、ヒータ１2の熱量ｐ2の一部は、同様に熱抵抗Ｒ3で温度センサ２1の温度θ1に干渉する。また、熱量ｐ2の一部の熱エネルギーは、熱抵抗Ｒ4で熱処理装置が固定されている機械装置本体に熱伝導する。ただし、機械装置本体の熱容量は、非常に大きいので、周囲温度と一致すると近似した。
【０１０７】
制御対象の等価回路のパラメータは、Ｒ1＝Ｒ2＝１０［℃／Ｗ］、Ｒ3＝１［℃／Ｗ］、Ｒ4＝０.２［℃／Ｗ］、Ｃ1＝Ｃ2＝１０［Ｊ／℃］とした。外乱は、１００Ｗのステップ状とし、従来例とこの実施の形態と同じ条件で印加した。
【０１０８】
下記の表１のパラメータによる従来のＰＩＤ制御の応答波形を図１０に、下記の表２のパラメータによるこの実施の形態の応答波形を、図１１に示す。
【０１０９】
【表１】
【０１１０】
【表２】
【０１１１】
図１０，図１１を比較すると、従来の制御方式で２°Ｃの温度差が発生していたものが、この実施の形態では、２つのセンサ間の温度差を０．８°Ｃまで改善していることが分かる。
【０１１２】
このような特性の差を生み出せる理由は、この実施の形態では、傾斜温度と平均温度で独立にＰＩＤパラメータを設定できる点にある。この例では、表２に示すように比例ゲインＫｐに差をつけ平均温度よりも傾斜温度の収束を優先するように、傾斜温度制御の比例ゲインＫｐを平均温度制御の比例ゲインＫｐよりも大きな値に設定した。その結果、簡単なＰＩＤ制御のパラメータの設定であるにも関わらず、高精度な温度均一化を期待できるものである。
【０１１３】
さらに、この実施の形態と従来例との目標値応答および外乱応答の比較結果を、図１２〜図１５に示す。なお、ここでは、ＣＨＲ（Chien, Hrones and R eswick）の調整則の目標値応答オーバーシュート無しを平均温度制御に、外乱応答オーバーシュート２０％を傾斜温度制御に使用した。
【０１１４】
図１２および図１３が、この実施の形態の目標値応答および外乱応答の波形であり、図１４および図１５が、従来例の目標値応答および外乱応答の波形を示している。
【０１１５】
図１４の従来例の目標値応答では、整定時間も２９秒と長く、オーバーシュートも認められたけれども、この実施の形態の目標値応答では、図１２に示されるように整定時間も９秒と短く、オーバーシュートも認められなかった。
【０１１６】
また、図１５の従来例の外乱応答では、整定時間も３２秒と長く、オーバーシュートもやや認められたのに対して、この実施の形態の外乱応答では、図１３に示されるように、整定時間も６秒と短く、オーバーシュートも認められなかった。
【０１１７】
すなわち、この実施の形態では、平均温度制御は、弱くて遅い制御を、傾斜温度制御は、強くて速い制御を行ったので、目標値応答および外乱応答のいずれの場合も、オーバーシュートがなく整定時間も短く満足できるものとなった。
【０１１８】
上述の例では、簡単にするために、ｎ＝２の場合について説明したけれども、ゾーンが３つの場合、すなわち、ヒータ、温度センサおよびＰＩＤ制御手段が３つのｎ＝３の場合にも同様に適用できるものである。
【０１１９】
すなわち、上述の図５に対応する図１６のブロック線図に示されるように、第１〜第３のヒータ１1〜１3と、各ヒータ１1〜１3に個別的に対応する第１〜第３の温度センサ２1〜２3とが、第１〜第３の各ゾーンにそれぞれ配置されており、第１のゾーンと第２のゾーンとが隣接し、第２のゾーンと第３のゾーンとが隣接しているとし、簡単化のために、隣接するゾーン間でのみ干渉があるとし、第１のヒータ１1から第２の温度センサ２2への伝達係数（干渉係数）をｌ1、第２のヒータ１2から第１，第３の温度センサ２1，２3への伝達係数（干渉係数）をｌ2，ｌ3、第３のヒータ１3から第２の温度センサ２2への伝達係数（干渉係数）をｌ4とし、第１のヒータ１1から第１の温度センサ２1といった相対する伝達係数（干渉係数）は、１.０とする。
【０１２０】
また、干渉をなくすための非干渉化係数（配分比）について、平均温度を制御する第１のＰＩＤ制御手段６1の操作量Ｈａｖを第２，第３のヒータ１2，１3に配分するための非干渉化係数（配分比）をｋ1，ｋ2、第１の傾斜温度Ｔｔ1を制御する第２のＰＩＤ制御手段６2の操作量Ｈｔ1を第１，第３のヒータ１1，１3に配分するための非干渉化係数（配分比）をｋ3，ｋ4、第２の傾斜温度Ｔｔ2を制御する第３のＰＩＤ制御手段６3の操作量Ｈｔ２を第１，第２のヒータ１1，１2に配分するための非干渉化係数（配分比）をｋ5，ｋ6とし、第１のＰＩＤ制御手段６1から第１のヒータ１1といった相対する非干渉化係数は１.０とする。なお、この例では、第１の傾斜温度Ｔｔ１は、第２，第３の温度センサ２2，２3の検出温度Ｔ2，Ｔ3の平均の検出温度と第１の温度センサ２1の検出温度Ｔ1との差としており、また、第２の傾斜温度Ｔｔ2は、第２の温度センサ２2の検出温度Ｔ2と第３の温度センサ２3の検出温度Ｔ3との差としている。
【０１２１】
このとき、平均温度Ｔａｖは、次のように示される。
【０１２２】
ここで、平均温度Ｔａｖは、平均温度の操作量Ｈａｖのみの関数で、傾斜温度の操作量Ｈｔ1，Ｈｔ2の操作量の影響をなくすように、すなわち、非干渉化を図るために、Ｈｔ1，Ｈｔ2の項を０とする。
【０１２３】
すなわち、（１＋ｌ1）ｋ3＋（１＋ｌ2＋ｌ3）＋（１＋ｌ4）ｋ4＝０
（１＋ｌ1）ｋ5＋（１＋ｌ2＋ｌ3）ｋ6＋（１＋ｌ4）＝０
となる。
【０１２４】
これを以下のように簡略化する。
【０１２５】
ｌａ＋ｌｂ・ｋ3＋ｌｃ・ｋ4＝０ ……▲１▼
ｌｄ＋ｌｅ・ｋ5＋ｌｆ・ｋ6＝０ ……▲２▼
第１の傾斜温度Ｔｔ1についても同様にして、第１の傾斜温度の操作量Ｈｔ1のみの関数で、平均温度の操作量Ｈａｖおよび第２の傾斜温度の操作量Ｈｔ2の影響を受けないという条件を適用して、以下のような同様の方程式が得られる。
【０１２６】
ｌｇ＋ｌｈ・ｋ1＋ｌｉ・ｋ2＝０ ……▲３▼
ｌｊ＋ｌk・ｋ5＋ｌl・ｋ6＝０ ……▲４▼
また、第２の傾斜温度Ｔｔ2についても同様に、以下の方程式が得られる。
【０１２７】
ｌｍ＋ｌｎ・ｋ1＋ｌｏ・ｋ2＝０ ……▲５▼
ｌｐ＋ｌｑ・ｋ3＋ｌｒ・ｋ4＝０ ……▲６▼
伝達係数ｌ1〜ｌ4、したがって、ｌａ〜ｌｒは、ｎ＝２の場合と同様にして求められるので、非干渉化係数ｋ1〜ｋ6を未知数とする上記▲１▼〜▲６▼の６つ方程式が得られることになり、これら方程式を解くことにより、配分手段で配分するための非干渉化係数（配分比）ｋ1〜ｋ6が求まることになる。
【０１２８】
例えば、行列式で求めるとすれば、以下のようになる。
【０１２９】
【数６】
【０１３０】
【数７】
【０１３１】
以上のようにして、本発明は、ｎ＝３以上の制御系にも同様に適用することができるものである。
【０１３２】
なお、配分比（非干渉化係数）の行列である前置補償行列Ｇｃは、上述のように、モード変換行列Ｇｍと伝達係数（干渉係数）の行列Ｐとから求めることもでき、第１のＰＩＤ制御手段６1から第１のヒータ１1といった相対する非干渉化係数も含めて求めることができる。ここで、制御対象のある時間の特性である伝達係数（干渉係数）の行列Ｐを、
【０１３３】
【数８】
【０１３４】
仮に、ｌ１＝ｌ２＝ｌ３＝ｌ４＝０.９とすると、
【０１３５】
【数９】
【０１３６】
前置補償行列Ｇｃは、
【０１３７】
【数１０】
【０１３８】
確かめとして、Ｇｍ・Ｐ・Ｇｃ＝１となるかどうかを計算する。
【０１３９】
【数１１】
【０１４０】
上述の説明では、各ＰＩＤ制御手段は、平均温度が目標平均温度になるように、あるいは、傾斜温度が目標傾斜温度になるようにそれぞれ制御するものであり、目標平均温度および目標傾斜温度は、ユーザが設定するのであるが、従来では、各ｃｈ毎に目標温度を設定していたユーザにとっては、目標平均温度や目標傾斜温度の設定は理解しにくいものである。
【０１４１】
そこで、図１７に示されるように、各ｃｈ毎の目標温度ＳＰから目標平均温度および目標傾斜温度を演算するモード変換器５’を設けてもよい。なお、この図２１において、上述の図３に対応する部分には、同一の参照符号を付している。このモード変換器５’は、制御対象２７からのフィードバック量である各ｃｈの温度センサの検出温度から平均温度と傾斜温度とを算出するモード変換器５と同じ構成である。
【０１４２】
このようにモード変換器５’を追加することによって、ユーザは、平均温度や傾斜温度を考慮することなく、従来と同様に各ｃｈ毎に目標温度ＳＰを設定すればよい。
【０１４３】
さらに、図１８に示されるように、制御対象２７からのフィードバック量である各ｃｈの温度センサの検出温度と目標温度ＳＰとの温度偏差を求め、この各ｃｈ毎の温度偏差から制御偏差である平均温度偏差および傾斜温度偏差を演算するモード変換器５’’を設けてもよい。この構成によれば、ユーザは、平均温度や傾斜温度を考慮することなく、従来と同様に各ｃｈの目標温度を設定できる一方、モード変換器５’’を一つにすることができ、メモリ容量の削減と処理の簡素化を図ることができる。
【０１４４】
すなわち、上述のモード変換器５，５’は、複数の温度センサからの検出温度を、平均温度および傾斜温度に変換するものであったのに対して、この実施の形態のモード変換器５’’は、複数の温度センサからの検出温度と目標温度との温度偏差を、検出された平均温度と目標平均温度との偏差である平均温度偏差に変換するとともに、検出された傾斜温度と目標傾斜温度との偏差である傾斜温度偏差に変換するものである。
【０１４５】
つまり、上述の例では、検出温度を、平均温度および傾斜温度に変換した後に制御偏差を求めるのに対して、この例では、検出温度と目標温度との温度偏差を求め、その温度偏差を、制御偏差である平均温度偏差および傾斜温度偏差に変換するものである。
【０１４６】
以上のような本発明の温度調節器の機能の説明を終えて、以下に本発明の具体的な実施の形態について説明する。
【０１４７】
図１９は、本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器を備える温度制御システムの構成図であり、この実施の形態の温度調節器は、図１８の温度調節器と同じ機能を有するものであり、平均温度および傾斜温度に基づく非干渉化制御を行うものである。
【０１４８】
すなわち、この実施の形態の温度調節器は、図１８におけるモード変換器５’’、第１，第２のＰＩＤ制御手段６1，６2および前置補償器（配分手段）７を、加算器８０1，８０2および第１〜第４のＰＩＤ制御手段６1’〜６4’に置き換えることによって構成されるものである。
【０１４９】
図１８におけるモード変換器５’’、第１，第２のＰＩＤ制御手段６1，６2および前置補償器（配分手段）７における処理は、モード変換器５’’対応するモード変換行列Ｇｍと、第１，第２のＰＩＤ制御手段６1，６2に対応する行列ＧPIDと、前置補償器７に対応する前置補償行列Ｇｃとを用いて、Ｇｃ×ＧPID×Ｇｍで表され、これを、図１９に示される加算器８０1，８０2および第１〜第４のＰＩＤ制御手段６1’〜６4’に置き換えることができ、次のように表される。
【０１５０】
【数１２】
【０１５１】
モード変換行列Ｇｍおよび前置補償行列Ｇｃは、上述のようにして求めることができ、また、図１８の第１，第２のＰＩＤ制御手段６1，６2のＰＩＤパラメータもオートチューニングによって求めることができるので、上述の行列式を解けば、第１〜第４のＰＩＤ制御手段６1’〜６4’の各ＰＩＤパラメータを求めることができ、これによって、図１８の温度調節器のモード変換器５’’、第１，第２のＰＩＤ制御手段６1，６2および前置補償器（配分手段）７を、加算器８０1，８０2および第１〜第４のＰＩＤ制御手段６1’〜６4’を用いて実現できることになり、平均温度および傾斜温度に基づく制御が可能となり、干渉を低減できることになる。
【０１５２】
したがって、図２０に示される本発明の温度調節器において、オペレータが上述の行列式に基づいて、第１〜第４のＰＩＤ制御手段６1’〜６4’のＰＩＤパラメータを算出してそれを設定すればよい。
【０１５３】
本発明によれば、ＰＩＤ制御手段の数は増えるけれども、モード変換器５’’および前置補償器７が不要となる。
【０１５４】
なお、この図２０において、第１，第４のＰＩＤ制御手段６1’，６4’は、第１，第２の温度センサからの検出温度ＰＶ１，ＰＶ２に対応する温度偏差に基づいて、対応する第１，第２のヒータに操作信号をそれぞれ出力する各チャネルに対応した従来と同様のＰＩＤ制御手段であるのに対して、第２のＰＩＤ制御手段６2’は、第２の温度センサからの検出温度ＰＶ２に対応する温度偏差に基づいて、第１のヒータに操作信号を出力するものであり、第３のＰＩＤ制御手段６3’は、第１の温度センサからの検出温度ＰＶ１に対応する温度偏差に基づいて、第２のヒータに操作信号を出力するものである。すなわち、第２のＰＩＤ制御手段６2’は、第４のＰＩＤ制御手段６4’による制御が、第１のＰＩＤ制御手段６1’の制御に与える影響をなくすまたは小さくするように動作し、第３のＰＩＤ制御手段６3’は、第１のＰＩＤ制御手段６1’による制御が、第４のＰＩＤ制御手段６4’の制御に与える影響をなくすまたは小さくするように動作するものであり、非干渉化制御手段として動作する。
【０１５５】
本発明は、図２０のような入出力が複数の多点の温度調節器に限らず、単点温度制御の温度調節器の複数を組み合わせて構成してもよい。
【０１５６】
図２１は、かかる単点制御の温度調節器８１1〜８１4を４台組み合わせた例を示しており、その機能は、図２０の温度調節器と同じである。なお、第１，第２のＰＩＤ制御手段６1’，６2’の操作量を加算する加算器８０1および第３，第４のＰＩＤ制御手段６3’，６4’の操作量を加算する加算器８０2は、第１〜第４の温度調節器８１1〜８１4、例えば、第１，第４の温度調節器８１1，８１4に内蔵する構成としてもよいのは勿論である。
【０１５７】
このように単点制御の温度調節器８１1〜８１4を組み合わせて構成することにより、安価に実現できる。
【０１５８】
図２２は、本発明の他の実施の形態の構成図であり、図２０に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【０１５９】
この実施の形態では、オペレータが、モード変換行列Ｇｍ、前置補償行列Ｇｃおよび図１８の第１，第２のＰＩＤ制御手段６1，６2のＰＩＤパラメータである比例ゲインｋｐ、積分時定数Ｔｉ、微分時定数ＴDを設定することにより、計算手段８２によって自動的に第１〜第４のＰＩＤ制御手段６1’〜６4’のＰＩＤパラメータが演算されて設定されるものであり、オペレータが面倒な計算やＰＩＤパラメータの設定をする必要がない。
【０１６０】
この実施の形態では、２チャネルの温度制御に対して、４つのＰＩＤ制御手段６1’〜６4’を設けた構成としたけれども、少なくとも一つＰＩＤ制御手段を設ける構成、すなわち、ＰＩＤ制御手段を３つとしてもある程度の効果を奏することができるものである。
【０１６１】
例えば、非干渉化のための二つのＰＩＤ制御手段６2’，６3’のＰＩＤパラメータを算出した場合に、一方のゲインが大きく、他方のゲインがほとんど０であるときには、他方のＰＩＤ制御手段を省略して図２３に示されるように３つのＰＩＤ制御手段６2’，６3’，６4’で構成してもよい。
【０１６２】
上述の実施の形態では、２チャネルの場合について説明したけれども、本発明は、３チャネル以上も同様に構成できるものであり、例えば、３チャネルの場合には、図２４に示されるように、加算器８０1〜８０3および９つの第１〜第９のＰＩＤ制御手段６1’〜６9’で構成することができる。
【０１６３】
この場合の各ＰＩＤ制御手段６1’〜６9’のＰＩＤパラメータは、上述の図１８と同様に、３チャネルの場合のモード変換器５’’、第１〜第３のＰＩＤ制御手段６1〜６3および前置補償器７で構成したときのモード変換行列Ｇｍ、第１〜第３のＰＩＤ制御手段６1〜６3に対応する行列ＧPIDおよび前置補償行列Ｇｃとを用いて算出される。
【０１６４】
この図２４においては、第２のＰＩＤ制御手段６2’は、第２の温度センサに対応する第２のチャネルの制御が、第１の温度センサに対応する第１のチャネルの制御に与える影響をなくす又は小さくするように動作し、第３のＰＩＤ制御手段６3’は、第３の温度センサに対応する第３のチャネルの制御が、第１のチャネルに与える影響をなくす又は小さくするように動作するものであり、また、第４のＰＩＤ制御手段６4’は、第１のチャネルの制御が、第２のチャネルの制御に与える影響をなくす又は小さくするように動作し、第６のＰＩＤ制御手段６6’は、第３のチャネルの制御が、第２のチャネルの制御に与える影響をなくす又は小さくするように動作し、さらに、第７のＰＩＤ制御手段６7’は、第１のチャネルの制御が、第３のチャネルの制御に与える影響をなくす又は小さくするように動作し、第８のＰＩＤ制御手段６8’は、第２のチャネルの制御が、第３のチャネルの制御に与える影響をなくす又は小さくするように動作するものである。
【０１６５】
図２５は、本発明の他の実施の形態の要部のブロック図である。例えば、熱処理装置において、ウェハの熱処理を行っている場合に、温度センサからの検出信号線が断線したような場合には、それを直ちに検出してその影響を可及的に低減した制御を行えるようにし、これによって、不良品の発生を抑制することが望まれる。
【０１６６】
そこで、この実施の形態では、温度センサの断線を検出してそれを補償するセンサ断補償付きモード変換器５ａを備えており、このセンサ断補償付きモード変換器５ａは、上述のモード変換器５に加えて、３つの温度センサからの検出信号線の断線を検出する断線検出手段８３と、断線が検出された温度センサの検出出力を、温度センサからの検出温度の平均温度に置き換える置換手段８４とを備えている。
【０１６７】
なお、温度センサからの検出信号線の断線を検出してそれを補償するための構成は、この実施の形態のようにセンサ断補償付きモード変換器５ａとしてモード変換器５に設けるのではなく、モード変換器５の外部に別に設けてもよいのは勿論である。
【０１６８】
断線検出手段８３は、モード変換器５からの平均温度と第１〜第３の各温度センサからの検出温度ＰＶ１〜ＰＶ３とをそれぞれ比較して、その差が予め定めた閾値を越えたときには、断線であるとして平均温度を出力する第１〜第３の比較器８５1〜８５3を備え、置換手段８４は、各比較器８５1〜８５3の出力に応答して温度センサの出力を、比較器８５1〜８５3からの平均温度に切り替えて出力する第１〜第３の切り替え器８６1〜８６3を備えている。
【０１６９】
この図２５においては、第２の温度センサからの検出信号線が断線し、第２の比較器８５2でそれが検出されて平均温度が第２の切り替え器８６2に出力され、第２の切り替え器８６2は、第２の温度センサの出力ＰＶ２に代えてモード変換器５で算出された平均温度を、置換温度ＰＶｘとしてモード変換器５に出力するものである。
【０１７０】
モード変換器５は、第１〜第３の比較器８５1〜８５3の出力に応答して、断線が検出された温度センサに対応する置換された平均温度を用いることなく、断線していない温度センサからの検出温度のみで平均温度を算出するようにしてもよいし、置換された平均温度を用いて算出してもよい。なお、傾斜温度は、置換された平均温度を用いて算出する。
【０１７１】
図２６は、本発明の他の実施の形態の図２５に対応する図であり、対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【０１７２】
上述の実施の形態では、断線が検出された温度センサの出力を、比較器８５1〜８５3を介して与えられる平均温度で置換したのに対して、この実施の形態では、置換手段８４は、各温度センサの近接位置に配置されている複数の温度センサからの検出温度の平均を算出する近接点平均算出回路８７1〜８７ｎを複数備えており、断線が検出されたときには、その断線した温度センサに対応する近接点平均算出回路８７1〜８７ｎで算出された複数の近接点の検出温度の平均温度を置き換えて出力するようにしている。
【０１７３】
近接位置に配置されている複数の温度センサとしては、例えば、或る温度センサに対して、その両隣（両側）に配置されている二つの温度センサである。
【０１７４】
図２７は、本発明のさらに他の実施の形態の制御システムの構成図であり、５ａは、上述の図２５または図２６のセンサ断補償付きモード変換器５ａに対応する。
【０１７５】
この実施の形態では、上述のようにして温度センサの断線を検出して検出出力を置換したときには、各ＰＩＤ制御手段６1〜６3のＰＩＤパラメータを修正するものである。
【０１７６】
すなわち、断線した温度センサの検出出力を、他の近接した温度センサの検出温度などで置換した場合には、断線した本来の温度センサよりも熱伝導の距離が長くなるために、無駄時間が大きくなり、ハンチングが発生する虞れがあり、そこで、この実施の形態では、ＰＩＤパラメータ修正器８８を設け、このＰＩＤパラメータ修正器８８によって、断線が検出されて温度センサの検出出力を置換した場合には、各ＰＩＤ制御手段６1〜６3のＰＩＤパラメータを修正して比例ゲインを弱く、あるいは、積分時間および微分時間を長くするのである。なお、比例ゲイン、積分時間および微分時間のすべてを修正してもよいし、いずれか一つを修正してもよい。
【０１７７】
図２８は、本発明の他の実施の形態の図２７に対応する図であり、対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【０１７８】
上述の実施の形態では、断線が検出されて温度センサの検出出力を置換した場合には、各ＰＩＤ制御手段６1〜６3のＰＩＤパラメータを修正したのに対して、この実施の形態では、各ＰＩＤ制御手段６1〜６3からの操作信号を切り替える操作信号切り替え器８９を設けており、この操作信号切り替え器８９によって断線が検出された温度センサに対応するヒータに対する操作信号を、前記ヒータに近接するヒータに対する操作信号に切り替えるものである。
【０１７９】
図２９は、本発明のさらに他の実施の形態のセンサ断補償付きモード変換器５ａの構成図であり、この実施の形態では、モード変換器５は、第１〜第３の温度センサの検出温度ＰＶ１〜ＰＶ３を、平均温度と、第１の温度センサの検出温度ＰＶ１と第２の温度センサの検出温度ＰＶ２とに基づく第１の傾斜温度と、第２の温度センサの検出温度ＰＶ２と第３の温度センサの検出温度ＰＶ３とに基づく第２の傾斜温度とに変換するものである。
【０１８０】
この実施の形態では、温度センサの一つが断線すると、傾斜温度が大きく変化することを利用して断線を検出するものである。
【０１８１】
この実施の形態の断線検出手段８３は、第１，第２の傾斜温度と閾値とをそれぞれ比較する第１，第２の比較器９０1，９０2と、各比較器９０1，９０2の出力が与えられる第１〜第３のゲート回路９１1〜９１3とを備えており、第１の温度センサが断線すると、第１の傾斜温度が大きく変化して閾値を越えて第１の比較器９０1の出力がハイレベルとなって第１のゲート回路９１1が検出出力を与え、第２の温度センサが断線すると、第１，第２の傾斜温度が大きく変化して閾値を越えて第１，第２の比較器９０1，９０2の出力が共ににハイレベルとなって第２のゲート回路９１2が検出出力を与え、また、第３の温度センサが断線すると、第２の傾斜温度が大きく変化して閾値を越えて第２の比較器９０2の出力がハイレベルとなって第３のゲート回路９１3が検出出力を与えるのである。
【０１８２】
断線した温度センサの検出出力を置換する置換手段８４は、各ゲート回路９１1〜９１3の検出出力がそれぞれ与えられる第１〜第３の切り替え器９２1〜９２3を備えており、断線した温度センサに近接する温度センサの検出出力を、置換出力ＰＶｘとするように構成されており、第１の切り替え器９２1は、第３の温度センサの検出温度ＰＶ３を、第２，第３の切り替え器９２2，９２3は、第１の温度センサの検出温度ＰＶ１を、断線した温度センサの検出出力に置き換えるように構成されている。
【０１８３】
本発明の断線検出は、以上のような平均温度や傾斜温度に基づく制御に限らず、各チャネル毎に制御を行う従来例にも同様に適用できるものである。
【０１８４】
図３０は、本発明の断線検出を従来例に適用した制御システムの構成図であり、図３１は、そのセンサ断補償器９３のブロック図である。なお、図３０において、９４1〜９４3は、各チャネル毎のＰＩＤ制御手段である。
【０１８５】
このセンサ断補償器９３は、第１〜第３の切り替え器９５1〜９５3を介して与えられる第１〜第３の温度センサからの検出温度ＰＶ１〜ＰＶ３の平均温度を算出する平均温度計算器９６を備え、この平均温度計算器９６からの平均温度と、各温度センサの検出温度ＰＶ１〜ＰＶ３とを、第１〜第３の比較器９７1〜９７3で比較し、その差が、予め定めた閾値を越えたときに断線であるとして対応する切り替え器９５1〜９５3に平均温度を出力し、切り替え器９５1〜９５3は、その平均温度を、断線した温度センサの検出出力として置き換えて出力するのである。なお、平均温度計算器９６では、断線が検出されて置き換えられた平均温度を用いて平均温度を算出してもよいし、断線が検出されて置き換えられた平均温度を用いることなく、平均温度を算出してもよい。
【０１８６】
この例では、平均温度と比較して断線を検出したけれども、傾斜温度を算出してこの傾斜温度と比較して断線を検出するようにしてもよい。
【０１８７】
この図３０および図３１に示される断線補償の構成は、上述の図２４の本発明の温度調節器に容易に適用できるものである。
【０１８８】
上述の各実施の形態では、熱処理盤などの制御対象の温度を、複数の温度センサを用いて検出したけれども、本発明の他の実施の形態として、図３２に示されるように、複数の温度センサに代えて、赤外線カメラ（サーモカメラ）９８を用いて非接触で制御対象の温度を検出してもよい。
【０１８９】
平面状の制御対象の場合、赤外線カメラ９８からの情報を、モード変換器５に入力し、多くの情報から平均や温度分布の傾斜の情報を取り出して制御するのである。温度を検出する熱画像の画素数がｎで制御できるヒータの数がｍだとすると、モード変換器５はｎ入力ｍ出力の行列となる。図３２の場合は、ヒータの数ｍが２の場合である。平均温度ＰＶは、制御したい全画素の平均を計算し、傾斜温度ＰＶは、二つのヒータの間の最も変化の激しい部分とするなどができる。
【０１９０】
また、複数の温度センサでそれぞれ温度を検出していた領域（あるいは各ヒータが設置されている領域）に対応する熱画像の画素の平均値を、各温度センサで検出される検出温度とすれば、上述の各実施の形態の構成をそのまま適用することができる。最も単純には、例えば、各温度センサの設置箇所の中心位置（あるいは各ヒータの中心位置）に対応する熱画像の画素の温度を、各温度センサの検出温度とすれば、上述の各実施の形態をそのまま適用できる。すなわち、図３２において、赤外線カメラ９８の検出出力が、２つの温度センサに対応する２点の画素の温度の場合である。
【０１９１】
赤外線カメラ９８を用いた場合には、例えば、図３３に示されるように、熱処理盤９９で加熱処理されるウェハ等の被加熱体１００の温度を直接見ながら制御できるので、熱処理盤９９の温度を熱電対等の接触式の温度センサで検出して制御するのに比べて、被加熱体１００の温度を高精度に制御できる。しかも、温度を検出する検出点を簡単に変更することができる。
【０１９２】
図３４および図３５は、本発明の他の実施の形態の構成図であり、図３２および図３３に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【０１９３】
この実施の形態では、傾斜温度の制御は、赤外線カメラ９８からの信号で行う一方、平均温度の制御は熱電対等の接触式の温度センサ２を用いるのである。温度の絶対値を正確に計測できる接触式の温度センサ２の検出信号を平均温度に用いることで、平均温度制御の精度を高くでき、赤外線カメラ９８の絶対値精度の悪さを補うことができる。
【０１９４】
図３６は、本発明のさらに他の実施の形態の構成図であり、図３２に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【０１９５】
この実施の形態では、ヒータに代えてレーザ走査などによって多点非接触加熱１０１を行うものであり、きめ細かく温度を均一に制御するものである。
【０１９６】
複数の各ヒータで加熱される領域を、レーザの二次元走査で加熱する点に対応づけることにより、上述の各実施の形態をそのまま適用することができる。
【０１９７】
この図３６では、赤外線カメラ９８で検出した画素数分の温度検出信号の中から有効な画素を選択し、その中での平均温度と傾斜温度の信号をモード変換器５で算出し、その平均温度と傾斜温度に対して制御を行うのである。
【０１９８】
本発明の他の実施の形態として、平均温度に代えて、例えば、中央のゾーンの温度などを代表温度とし、代表温度と傾斜温度とを制御量として制御を行ってもよい。
【０１９９】
上述の実施の形態では、平均温度は、全体の平均温度一つだけを用いたけれども、本発明の他の実施の形態として、例えば、複数に区分した各グループの各平均温度、すなわち、複数の平均温度を用いるようにしてもよい。
【０２００】
上述の実施の形態では、ＰＩＤ制御に適用して説明したけれども、本発明は、ＰＩＤ制御に限らず、オンオフ制御、比例制御、積分制御、比例積分制御などの他の制御方式にも適用できるものである。
【０２０１】
また、本発明の熱処理装置は、熱酸化装置に限らず、拡散炉やＣＶＤ装置、例えば、図３７に示されるように、枚葉式のＣＶＤ装置における熱処理盤の温度制御にも適用できるものである。なお、図３７において、ウェーハ６０が載置される熱処理盤６１は、同心状に外円部６２、中間部６３、中心部６４に３分割されており、各部に個別的に対応するヒータ６５〜６７が設けられて各ゾーン毎に温度制御するものである。また、本発明の熱処理装置は、射出成形機のシリンダ部の温度制御あるいは包装機のヒータ台の温度制御などにも適用できるものである。
【０２０２】
上述の実施の形態では、ヒータなどの加熱手段を用いた温度制御に適用した説明したけれとも、ペルチェ素子や冷却器などを用いた温度制御に適用してもよいのは勿論であり、さらに、加熱手段と冷却手段とを併用する温度制御に適用してもよい。
【０２０３】
また、本発明は、温度制御に限らず、圧力、流量、速度あるいは液位などの他の物理状態の制御に適用することもできる。
【０２０４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、干渉のある制御対象の制御において、その干渉を低減することが可能となる。
【０２０５】
また、本発明によれば、温度検出手段の検出信号線の断線を検出して平均温度や近接配置された他の温度検出手段の検出温度に置き換えるので、断線が発生しても、制御対象の温度を、所望の状態に近い状態に制御できることになり、例えば、熱処理装置の熱処理における不良品の発生を抑制できる。
【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制御システムの概略構成図である。
【図２】図１の温度調節器のブロック図である。
【図３】温度センサ、ヒータおよびＰＩＤ制御手段が２つの場合の構成図である。
【図４】図３の平均温度・傾斜温度算出手段５のブロック図である。
【図５】図３の制御系のブロック線図である。
【図６】図３の配分手段のブロック図である。
【図７】図３のシステムのオートチューニングの際の波形図である。
【図８】制御対象のモデルを示す図である。
【図９】制御対象の等価回路図である。
【図１０】従来例の応答波形を示す図である。
【図１１】実施の形態の応答波形を示す図である。
【図１２】実施の形態の目標値応答波形を示す図である。
【図１３】実施の形態の外乱応答波形を示す図である。
【図１４】従来例の目標値応答波形を示す図である。
【図１５】従来例の外乱応答波形を示す図である。
【図１６】ゾーンが３つの場合の制御系のブロック線図である。
【図１７】本発明の他の実施の形態のブロック図である。
【図１８】本発明のさらに他の実施の形態のブロック図である。
【図１９】本発明の一つの実施の形態に係る制御システムの構成図である。
【図２０】図１９に対応する本発明の温度調節器の構成図である。
【図２１】本発明の他の実施の形態の温度調節器の構成図である。
【図２２】本発明のさらに他の実施の形態の制御システムの構成図である。
【図２３】本発明の他の実施の形態の温度調節器の構成図である。
【図２４】本発明のさらに他の実施の形態の構成図である。
【図２５】本発明の他の実施の形態の要部のブロック図である。
【図２６】本発明の他の実施の形態の要部のブロック図である。
【図２７】本発明の他の実施の形態の制御システムの構成図である。
【図２８】本発明のさらに他の実施の形態の制御システムの構成図である。
【図２９】本発明の他の実施の形態の要部のブロック図である。
【図３０】本発明の他の実施の形態の制御システムの構成図である。
【図３１】図３０の要部のブロック図である。
【図３２】本発明の他の実施の形態の制御システムの構成図である。
【図３３】図３２の温度検出の構成図である。
【図３４】本発明のさらに他の実施の形態の制御システムの構成図である。
【図３５】図３４の温度検出の構成図である。
【図３６】本発明の他の実施の形態の制御システムの構成図である。
【図３７】他の熱処理装置を示す図である。
【図３８】熱酸化装置の構成を示す図である。
【図３９】干渉のない二つの制御対象を制御するシステムの構成図である。
【図４０】図３９のシステムのオートチューニングの際の波形図である。
【図４１】干渉のある制御対象を制御するシステムの構成図である。
【図４２】図４１の制御対象の構成を示す図である。
【図４３】図４１のシステムのオートチューニングの際の波形図である。
【符号の説明】
１0〜１ｎ ヒータ
２0〜２ｎ 温度センサ
３ 制御対象
４ 温度調節器
５ 平均温度・傾斜温度算出手段
６1〜６ｎ，６1’〜６9’ ＰＩＤ制御手段
７ 配分手段
１５ ヒータプレート
１８ 熱酸化装置
８３ 断線検出手段
８４ 置換手段
９８ 赤外線カメラ
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象の温度や圧力などの物理状態を制御する制御装置、制御対象の温度を制御する温度調節器および温度調節器を用いた熱処理装置に関し、さらに詳しくは、制御対象の物理状態を制御する状態制御手段を複数備え、各状態制御手段による制御が、他の状態制御手段による制御に影響を与える、いわゆる干渉のある制御対象の制御に好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の制御対象、例えば、半導体プロセスの熱処理装置として、図３８に示される熱酸化装置があり、この熱酸化装置１８は、シリコンのウェハを酸化するものであって、熱処理炉としての反応管１９に必要なガスを流しながら酸化膜の生成を行うものである。この熱酸化装置１８は、反応管１９を外囲する均熱管２０の周囲に分割して配置された複数、この例では、３つの第１〜第３のヒータ２１1〜２１3とそれに個別的に対応する第１〜第３の温度センサ２２1〜２２3とを有し、温度制御は、マイクロコンピュータ２３によって、ヒータおよび温度センサの各組に対応する領域（以下「ゾーン」という）毎に個別に行われている。
【０００３】
すなわち、第１のヒータ２１1および第１の温度センサ２２1が配置された上側の第１のゾーンでは、第１の温度センサ２２1の検出出力に基づいて、目標温度になるように第１のヒータ２１1が操作され、第２のヒータ２１2および第２の温度センサ２２2が配置された中間の第２のゾーンでは、第２の温度センサ２２2の検出出力に基づいて、目標温度になるように第２のヒータ２１2が操作され、第３のヒータ２１3および第３の温度センサ２２3が配置された下側の第３のゾーンでは、第３の温度センサ２２3の検出出力に基づいて、目標温度になるように第３のヒータ２１3が操作される。
【０００４】
しかしながら、各ゾーンは熱的に連続しているので、一つのゾーンのヒータによる熱量は、そのゾーンのみならず、他のゾーンの温度センサにも影響を与える、いわゆる干渉を生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような干渉があるために、特に、過渡時や外乱時に温度のバラツキが顕著となって均一な温度制御が困難であり、また、各ゾーンを異なる目標温度に制御するといったことが容易でない。
【０００６】
さらに、温度調節器における最適なＰＩＤ制御のパラメータを決定するためのオートチューニングが正しく実行できないという難点もある。
【０００７】
以下、オートチューニングが正しく実行できない理由について、制御のシュミレーションソフト（ＭＡＴＬＡＢ）を使用した例を用いて説明する。
【０００８】
先ず、正常にオートチューニングをできる例として、図３９に示される干渉のない独立な第１，第２の制御対象２４1，２４2を制御する場合について説明する。この例は、独立に二つの制御対象２４1，２４2を制御するものであり、第１のＰＩＤ制御手段２５1では、オートチューニングを実行し、第２のＰＩＤ制御手段２５2では、目標値をグランドとしてＰＩＤ制御を実行している。なお、２６1，２６2は、目標値とフィードバック量との制御偏差を出力する加算器である。
【０００９】
図４０は、このシステムにおける第１の制御対象２４1からの第１のフィードバック量ＰＶ１（破線）、第１のＰＩＤ制御手段２５1からの第１の操作量ＭＶ１（実線）、第２の制御対象２４2からの第２のフィードバック量ＰＶ２（二点鎖線）および第２のＰＩＤ制御手段２５2からの第２の操作量ＭＶ２（一点鎖線）を、スコープに表示した波形を示すものであり、第１の操作量ＭＶ１がオンオフするリミットサイクルが生じており、第１のフィードバック量ＰＶ１の周期と振幅とを使って第１のＰＩＤ制御手段２５1のＰＩＤ制御のパラメータを決定することができる。
【００１０】
なお、フィードバック量ＰＶ１，ＰＶ２は、例えば温度制御における温度センサで検出された検出温度に相当し、操作量ＭＶ１，ＭＶ２は、制御対象を加熱するヒータおよびそのヒータの通電をオンオフする電磁開閉器からなる操作手段に与えられる操作量である。
【００１１】
次に、図４１に示されるように、２入力（ＭＶ１，ＭＶ２）２出力（ＰＶ１，ＰＶ２）の干渉のある制御対象２７に独立な制御を実行した場合について説明する。
【００１２】
この制御対象２７は、図４２に示されるように、第１のＰＩＤ制御手段２５1からの第１の操作量ＭＶ１が、第１の加算器２８に与えられるとともに、第１の減衰器２９で０.９に減衰されて第２の加算器３０に与えられる一方、第２のＰＩＤ制御手段２５2からの第２の操作量ＭＶ２が、第２の加算器３０に与えられるとともに、第２の減衰器３１で０.９に減衰されて第１の加算器２８に与えられ、各加算器２８，３０の加算出力が、第１，第２の遅れ要素３２，３３にそれぞれ与えられる構成とされており、この例では、各操作量ＭＶ１，ＭＶ２が０.９の割合で他方に加えられて互いに干渉を生じるものである。
【００１３】
このような干渉のある制御対象２７では、第１のＰＩＤ制御手段２５1で、オートチューニングを実行し、第２のＰＩＤ制御手段２５2では、目標値をグランドとしてＰＩＤ制御を実行すると、図４３に示されるように、第１の操作量ＭＶ１（実線）に、オンオフのリミットサイクルが生じない場合があり、かかる場合には、第１のフィードバック量ＰＶ１（破線）の振動の振幅および周期を正しく測定できず、ＰＩＤ制御のパラメータも計算することができないことになる。
【００１４】
このように第１の操作量ＭＶ１がオンオフしない原因は、オートチューニングをしない側の第２のＰＩＤ制御手段２５2が干渉してオートチューニング側の第１のフィードバック量ＰＶ１の変化が生じないように勝手に動作してしまうからである。これは、第２の操作量ＭＶ２（一点鎖線）が、第１のフィードバック量ＰＶ１の変化とは逆向きの動きをしていることからも分かる。
【００１５】
このように、干渉のある制御対象では、ＰＩＤの制御パラメータを設定するためのオートチューニングが実行できず、試行錯誤的な設定にならざるを得ず、このため、設定に時間を要するとともに、所望の制御特性を得るのが困難である。
【００１６】
本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、干渉のある制御対象であっても、その干渉を低減することを目的とする。
【００１７】
【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。
【００１８】
すなわち、本発明の制御装置は、制御対象の物理状態をそれぞれ検出する複数の検出手段からの複数の検出情報と複数の目標情報との各偏差に基づいて、前記検出手段に個別的に対応する複数の操作手段に対して操作信号をそれぞれ出力する複数の状態制御手段を備える制御装置であって、或る検出手段に対応する偏差に基づいて、前記或る検出手段に対応する操作手段とは別の操作手段に対する操作信号を出力する非干渉化制御手段を、少なくとも一つ設け、前記複数の状態制御手段および非干渉化制御手段は、前記複数の検出情報と複数の目標情報との各偏差を、制御対象の前記物理状態の勾配を示す情報の偏差に変換するとともに、物理状態の代表状態を示す情報の偏差に変換する変換手段と、前記変換手段からの前記勾配を示す情報の偏差または前記代表状態を示す情報の偏差に基づいて、操作信号をそれぞれ出力する複数の状態制御手段と、前記各状態制御手段からの操作信号を、複数の操作手段に、各状態制御手段による制御が、他の状態制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分する配分手段として機能するものである。
【００１９】
ここで、物理状態とは、温度、圧力、流量、速度あるいは液位などの様々な物理量の状態をいう。
【００２０】
また、物理状態の勾配とは、温度勾配、圧力勾配、流量勾配、速度勾配などの様々な物理量の勾配をいう。
【００２１】
目標情報とは、物理状態の制御目標の情報をいい、例えば、目標温度、目標圧力、目標流量などをいう。
【００２２】
非干渉化制御手段とは、或る状態制御手段による制御が、別の状態制御手段による制御に与える影響をなくすまたは小さくするように制御するものである。
【００２３】
ここで、物理状態の勾配とは、温度勾配、圧力勾配、流量勾配、速度勾配などの様々な物理量の勾配をいう。
【００２４】
さらに、物理状態の代表状態とは、制御対象の物理状態を代表的に示す状態をいい、例えば、温度であれば、制御対象の平均温度、ある位置（例えば中央位置）における温度などをいう。
【００２５】
ここで、物理状態の勾配とは、温度勾配、圧力勾配、流量勾配、速度勾配などの様々な物理量の勾配をいう。
【００２６】
さらに、物理状態の代表状態とは、制御対象の物理状態を代表的に示す状態をいい、例えば、温度であれば、制御対象の平均温度、ある位置（例えば中央位置）における温度などをいう。
【００２７】
本発明の制御装置によると、複数の検出情報と複数の目標情報との各偏差に基づいて、前記検出手段に個別的に対応する複数の操作手段に対して操作信号をそれぞれ出力する複数の状態制御手段、すなわち、複数の各チャネルに個別的に対応する状態制御手段に加えて、或るチャネルの偏差に基づいて、別のチャネルの操作手段に対して操作信号を出力する非干渉化制御手段を設けているので、各チャネルの状態制御手段による制御が、別のチャネルの制御に及ぼす影響が低減される。しかも、複数の検出手段からの情報を、物理状態の勾配あるいは代表状態を利用した情報、すなわち、干渉のない独立の情報に変換して制御を行うとともに、各状態制御手段による制御が、他の状態制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分するので、干渉のある制御対象の制御において、その干渉を低減することが可能となる。
【００２８】
本発明の温度調節器は、制御対象の温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段からの複数の検出温度と複数の目標温度との各温度偏差に基づいて、前記温度検出手段に個別的に対応して前記制御対象を加熱（または冷却）する複数の加熱（または冷却）手段に対して操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手段を備える温度調節器であって、或る温度検出手段に対応する温度偏差に基づいて、前記或る温度検出手段に対応する加熱（または冷却）手段とは別の加熱（または冷却）手段に対する操作信号を出力する非干渉化制御手段を、少なくとも一つ設け、前記複数の温度制御手段および非干渉化制御手段は、前記複数の検出温度と複数の目標温度との各温度偏差を、傾斜温度の偏差に変換するとともに、代表温度の偏差に変換する変換手段と、前記変換手段からの傾斜温度の偏差または代表温度の偏差に基づいて、操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手段と、前記各温度制御手段からの操作信号を、前記制御対象を加熱（または冷却）する前記複数の加熱（または冷却）手段に、各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分する配分手段として機能するものである。
【００２９】
ここで、本発明の温度調節器は、複数の検出温度と複数の目標温度との各温度偏差に基づいて、前記温度検出手段に個別的に対応する複数の加熱（または冷却）手段に対して操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手段を備える複数チャネルの制御を行うものであり、いわゆる、多点制御の温度調節器であってもよいし、単点制御の温度調節器を複数組み合わせて本発明の温度調節器としてもよい。すなわち、本発明の温度調節器は、単点制御の温度調節器を複数組み合わせた構成も含むものである。
【００３０】
本発明によると、複数の検出温度と複数の目標温度との各温度偏差に基づいて、前記温度検出手段に個別的に対応する複数の加熱（または冷却）手段に対して操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手段、すなわち、複数の各チャネルに個別的に対応する温度制御手段に加えて、或るチャネルの偏差に基づいて、別のチャネルの加熱（また冷却）手段に対して操作信号を出力する非干渉化制御手段を設けているので、各チャネルの温度制御手段による制御が、別のチャネルの制御に及ぼす影響が低減される。しかも、複数の温度検出手段から得られる検出温度を、傾斜温度と代表温度、すなわち、干渉のない独立の情報に変換して制御を行うとともに、各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分するので、干渉のある制御対象の制御において、その干渉を低減することが可能となる。また、例えば、制御対象を複数のゾーン毎に区分して温度制御を行う場合に、特定のゾーンの検出温度を代表温度としてそのゾーンに着目した制御を行うことができる。
【００３３】
本発明の他の実施態様においては、前記代表温度が複数の検出温度に基づく平均温度である。
【００３４】
本発明によると、平均温度および傾斜温度を制御量として温度制御を行うので、例えば、制御対象を複数のゾーン毎に区分して各ゾーンの検出温度を制御量として温度制御を行う場合に比べてゾーンの間の干渉の度合いを低減できる。また、例えば、制御対象を複数のゾーンに区分して各ゾーンに温度検出手段を配置した場合に、或るゾーンの温度検出手段で検出された検出温度と、隣接するゾーンの温度検出手段で検出された検出温度との差である傾斜温度を制御量とすることができ、ゾーン毎に温度差を持たせた制御を行えることになる。
【００３５】
本発明の好ましい実施態様においては、前記複数の温度検出手段の検出信号線の断線を検出する断線検出手段を備え、前記断線検出手段は、各検出温度と前記平均温度との比較または前記傾斜温度と閾値との比較に基づいて断線を検出するものである。
【００３６】
本発明によると、温度検出手段の検出信号線の断線を検出できるので、断線が生じたときには、それを報知して直ちに適切な措置をとることができる。
【００３７】
本発明の他の実施態様においては、断線が検出された温度検出手段の検出出力を、複数の検出温度の平均温度または近接配置された他の温度検出手段の検出温度に置き換える置換手段を備えている。
【００３８】
本発明によると、断線が検出された温度検出手段の検出出力を、平均温度または近接配置された他の温度検出手段の検出温度に置き換えるので、断線が発生しても、制御対象の温度を、所望の状態に近い状態に制御できることになる。
【００３９】
本発明のさらに他の実施態様においては、前記温度検出手段が、赤外線カメラである。
【００４０】
本発明によると、温度検出手段として赤外線カメラを用いるので、非接触で温度を検出できるとともに、検出点を容易に変更できる。
【００４１】
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炉または熱処理盤と、該熱処理炉または熱処理盤を加熱（または冷却）する複数の加熱（または冷却）手段と、前記熱処理炉または熱処理盤の温度を検出する複数の温度検出手段とを備えている。
【００４２】
本発明によると、本発明の温度調節器によって熱処理炉あるいは熱処理盤の温度制御を行うので、干渉を低減した温度制御が可能となる。
【００４３】
【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。
【００４４】
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器を用いた温度制御システムの概略構成図である。
【００４５】
この実施の形態の温度制御システムは、制御対象３を加熱する複数のヒータ１1〜１ｎと、複数のヒータ１1〜１ｎに個別的に対応して制御対象３の温度を検出する複数の温度センサ２1〜２ｎと、これら温度センサ２1〜２ｎの検出出力に基づいて、各ヒータ１1〜１ｎを図示しない電磁開閉器などを介して操作して制御対象３の温度を制御する本発明に係る温度調節器４とを備えている。
【００４６】
制御対象３は、熱的に連続して干渉を生じるものであり、各ヒータ１1〜１ｎと対応する各温度センサ２1〜２ｎとがそれぞれ近接して配置されて複数のゾーンがそれぞれ形成されている。
【００４７】
この温度制御システムは、例えば、上述の図３８に示される熱酸化装置１８に適用できるものであり、制御対象３を、熱処理炉としての反応管１９とし、第１〜第３のヒータ１1〜１3を、反応管１９の周囲に分割して配置された第１〜第３のヒータ２１1〜２１3とし、第１〜第３の温度センサ２1〜２3を、各ゾーンの温度を検出する第１〜第３の温度センサ２２1〜２２3として適用することができるものである。
【００４８】
以下、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立って、本発明の温度調節器の機能について詳細に説明する。
【００４９】
図２は、図１の温度調節器４の機能ブロック図であり、この実施の形態の温度調節器４は、複数の温度センサ２1〜２ｎの検出温度の平均温度および検出温度に基づく傾斜温度を後述のようにして算出する平均温度・傾斜温度算出手段（以下「モード変換器」ともいう）５と、この算出手段５で算出された平均温度または各傾斜温度がそれぞれ入力される複数の温度制御手段としてのＰＩＤ制御手段６1〜６ｎと、各ＰＩＤ制御手段６1〜６ｎからの操作信号（操作量）を後述のように所定の配分比で加熱手段を構成する各ヒータ１1〜１ｎに配分する配分手段（以下「前置補償器」ともいう）７とを備えている。平均温度・傾斜温度算出手段５、ＰＩＤ制御手段６1 〜６ｎおよび配分手段７は、例えば、マイクロコンピュータによって構成される。
【００５０】
従来では、上述の図３８に示されるように、各ゾーン毎に温度を検出して対応するヒータを個別に制御していたけれども、この実施の形態では、干渉をなくすために、平均温度・傾斜温度算出手段５で算出される代表温度としての平均温度および複数の各傾斜温度を制御量として温度制御を行うようにしている。
【００５１】
変換手段としての平均温度・傾斜温度算出手段５は、複数の温度センサ２1〜２ｎからの情報を、一つの平均温度と複数の傾斜温度との情報に変換するものであり、その理由は、干渉がなく、独立で分かりやすい情報にするためであり、例えば、次のような演算を行うものである。
【００５２】
すなわち、第１の温度センサ２1の検出出力をＳ１，第２の温度センサ２2の検出出力をＳ２，…第ｎの温度センサ２ｎの検出出力をＳｎとすると、下記に示される平均温度Ｔａｖ，第１の傾斜温度Ｔｔ１，第２の傾斜温度Ｔｔ２，…第ｎ−１の傾斜温度Ｔｔn-1を算出する。
【００５３】
Ｔａｖ＝（Ｓ１＋Ｓ２＋…Ｓｎ）÷ｎ
Ｔｔ１＝（Ｓ１＋Ｓ２＋…Ｓn-1）÷（ｎ−１）−Ｓｎ
Ｔｔ２＝（Ｓ１＋Ｓ２＋…Ｓn-2）÷（ｎ−２）−Ｓn-1
・
・
Ｔｔn-1＝Ｓ１−Ｓ２
ここで、Ｔａｖは、複数の温度センサ２1〜２ｎの検出温度の平均温度であり、傾斜温度Ｔｔ１は、複数の温度センサ２1〜２ｎを、温度センサ２1〜２n-1と温度センサ２ｎとの二つに区分した場合の温度センサ２1〜２n-1の平均検出温度と温度センサ２ｎの検出温度との差であり、傾斜温度Ｔｔ２は、複数の温度センサ２1〜２n-1を、温度センサ２1〜２n-2と温度センサ２n-1との二つに区分した場合の温度センサ２1〜２n-2の平均検出温度と温度センサ２n-1の検出温度との差であり、以下同様にして、傾斜温度Ｔｔn-1は、温度センサ２1と温度センサ２2との検出温度の差である。
【００５４】
以上の式をまとめて、モード変換行列Ｇｍと称する行列を用いて下記のように表すことができる。
【００５５】
【数１】
Ｔ＝Ｇｍ・Ｓ
ただし、Ｔ＝［Ｔａｖ Ｔｔ１ Ｔｔ２ ……Ｔｔn-1］T
Ｓ＝［Ｓ１ Ｓ２ Ｓ３ ……Ｓn］T
この実施の形態では、これら平均温度Ｔａｖと複数の傾斜温度Ｔｔ１〜Ｔｔn-1とを制御量として温度制御を行うものである。
【００５７】
なお、傾斜温度は、この実施の形態に限られるものではなく、例えば、下記のモード変換行列Ｇｍに示されるように隣り合う温度センサの検出温度の温度差や複数の温度センサを二つのグループに区分して各グループの平均検出温度の温度差などの種々の傾斜温度を用いることができる。
【００５８】
【数２】
また、傾斜温度は、複数の温度センサを大きく二つのグループに区分した各グループの平均検出温度の温度差、各グループをさらに二つに区分した各グループの平均検出温度の温度差、さらに各グループを二つに区分した各グループの平均検出温度の温度差といったように、マクロな傾斜温度からミクロな傾斜温度までを算出して用いるようにしてもよい。
【００６０】
要するに、温度の傾斜を意味する情報と平均の情報とに分離して制御できるようにすればよい。
【００６１】
第１のＰＩＤ制御手段６1は、平均温度・傾斜温度算出手段５からの平均温度と目標平均温度の制御偏差に基づいて、平均温度が目標平均温度になるように操作信号を配分手段７に出力し、第２のＰＩＤ制御手段６2は、平均温度・傾斜温度算出手段５からの第１の傾斜温度と第１の目標傾斜温度との制御偏差に基づいて、第１の傾斜温度が第１の目標傾斜温度になるように操作信号を配分手段７に出力し、第３のＰＩＤ制御手段６3は、平均温度・傾斜温度算出手段５からの第２の傾斜温度と第２の目標傾斜温度との制御偏差に基づいて、第２の傾斜温度が第２の目標傾斜温度になるように操作信号を配分手段７に出力し、以下同様にして、第ｎのＰＩＤ制御手段６ｎは、平均温度・傾斜温度算出手段５からの第ｎ−１の傾斜温度と第ｎ−１の目標傾斜温度との制御偏差に基づいて、第ｎ−１の傾斜温度が第ｎ−１の目標傾斜温度になるように操作信号を配分手段７に出力する。
【００６２】
すなわち、第１のＰＩＤ制御手段６1は、平均温度を制御し、第２〜第ｎの各ＰＩＤ制御手段６2〜６ｎは、第１〜第ｎ−１の傾斜温度をそれぞれ制御するものである。
【００６３】
次に配分手段７について説明する。
【００６４】
この配分手段７は、各ＰＩＤ制御手段６1〜６ｎからの操作信号（操作量）を、各ヒータ１1〜１nに配分するのであるが、その際に、各ＰＩＤ制御手段６1〜６ｎそれぞれによる平均温度または各傾斜温度の制御が、他のＰＩＤ制御手段６1〜６ｎそれぞれによる平均温度または傾斜温度の制御に与える干渉をなくすように配分するものである。
【００６５】
例えば、第１のＰＩＤ制御手段６1の操作信号によって平均温度を変化させる場合に、その操作信号によって傾斜温度が変化せず、また、第２のＰＩＤ制御手段６2の操作信号によって第１の傾斜温度を変化させる場合に、その操作信号によって平均温度および他の傾斜温度が変化せず、同様に、各ＰＩＤ制御手段の操作信号によって他のＰＩＤ制御手段による制御が影響されないように配分するのである。
【００６６】
この配分手段７による配分について、さらに詳細に説明する。
【００６７】
ここで、分かり易くするために、ｎ＝２、すなわち、ゾーンが２つであって、第１，第２のヒータ１1，１2、第１、第２の温度センサ２1，２2、平均温度を制御する第１のＰＩＤ制御手段６1および両温度センサ２1，２2の検出温度の差である傾斜温度を制御する第２のＰＩＤ制御手段６2を備える場合に適用して図３に基づいて説明する。
【００６８】
この図３は、上述の図４１，図４２の従来例で説明した２入力２出力の干渉のある制御対象２７に適用した例であり、図２に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００６９】
平均温度・傾斜温度検出手段５は、第１，第２の温度センサ２1，２2の検出出力に相当する制御対象３からのフィードバック量ＰＶ１，ＰＶ２を、図４に示されるように加算器８で加算して減衰器９で１／２に減衰して平均温度Ｔａｖを出力する一方、両温度センサ２1，２2の検出出力に相当するフィードバック量ＰＶ１，ＰＶ２を減算器１０で減算して傾斜温度Ｔｔを出力するものである。
【００７０】
第１のＰＩＤ制御手段６1は、平均温度・傾斜温度算出手段５からの平均温度Ｔａｖと目標平均温度の制御偏差に基づいて、平均温度が目標平均温度になるように操作信号（操作量）Ｈａｖを配分手段７に出力し、第２のＰＩＤ制御手段６2は、平均温度・傾斜温度算出手段５からの傾斜温度Ｔｔと目標傾斜温度との制御偏差に基づいて、傾斜温度が目標傾斜温度になるように操作信号（操作量）Ｈｔを配分手段７に出力する。
【００７１】
配分手段７は、各ＰＩＤ制御手段６1，６2の操作信号（操作量）Ｈａｖ，Ｈｔを以下のような配分比で各ヒータ１1，１2に配分する。
【００７２】
すなわち、図５は、図３のシステムの制御系のブロック線図である。平均温度を制御する第１のＰＩＤ制御手段６1から与えられる操作量Ｈａｖを、配分手段７で干渉をなくす、すなわち、非干渉化するための係数である非干渉化係数（配分比）ｋ1，ｋ2で第１，第２のヒータ１1，１2にそれぞれ配分するとともに、第２のＰＩＤ制御手段６2から与えられる操作量Ｈｔを、非干渉化係数（配分比）ｋ3，ｋ4で第１，第２のヒータ１1，１2にそれぞれ配分し、これによって、各ヒータ１1，１2に熱量Ｈ1，Ｈ2がそれぞれ与えられるとする。
【００７３】
また、第１のヒータ１1に与えられた熱量Ｈ1は、伝達係数（干渉係数）ｌ1で第１の温度センサ２1に伝わる一方、伝達係数（干渉係数）ｌ2で第２の温度センサ２2に伝わり、同様に、第２のヒータ１2に与えられた熱量Ｈ2は、伝達係数（干渉係数）ｌ3で第１の温度センサ２1に伝わる一方、伝達係数（干渉係数）ｌ4で第２の温度センサ２2に伝わるとする。
【００７４】
そして、第１の温度センサ２1で検出された検出温度Ｔ1と第２の温度センサ２2で検出された検出温度Ｔ2とから平均温度Ｔａｖおよび傾斜温度Ｔｔが算出されて各ＰＩＤ制御手段６1，６2に入力されるという制御ループが構成されている。
【００７５】
以上のことから平均温度Ｔａｖは、次のように示される。
【００７６】
【００７７】
すなわち、（ｌ1＋ｌ2）・ｋ3＋（ｌ3＋ｌ4）・ｋ4＝０
したがって、ｋ4＝−｛（ｌ1＋ｌ2）／（ｌ3＋ｌ4）｝ｋ3
となる。
【００７８】
同様に、傾斜温度Ｔｔは、次のように示される。
【００７９】
【００８０】
すなわち、（ｌ1−ｌ2）ｋ1＋（ｌ3−ｌ4）ｋ2＝０
したがって、ｋ2＝−｛（ｌ1−ｌ2）／（ｌ3−ｌ4）｝ｋ1
となる。
【００８１】
以上のことから傾斜温度に影響を与えずに平均温度を制御し、また、平均温度に影響を与えずに傾斜温度を制御する、すなわち、平均温度と傾斜温度との干渉をなくした非干渉制御を行うためには、非干渉化係数（配分比）ｋ1〜ｋ4で配分すればよく、この非干渉化係数（配分比）ｋ1〜ｋ4を算出するためには、第１のヒータ１1の熱量が第１，第２の温度センサ２1，２2に伝わる伝達係数（干渉係数）ｌ1，ｌ2および第２のヒータ１2の熱量が第１，第２の温度センサ２1，２2に伝わる伝達係数（干渉係数）ｌ3，ｌ4を知る必要がある。
【００８２】
なお、非干渉化係数（配分比）ｋ1〜ｋ4は、ｋ1とｋ2、ｋ3とｋ4との比率がそれぞれ分かれば、ＰＩＤ制御のゲインによって対応できるので、絶対値は必ずしも必要でない。
【００８３】
伝達係数（干渉係数）ｌ1〜ｌ4は、次のようにして求めることができる。すなわち、ヒータを一つだけ変動させて他のヒータは、一定値に固定、例えば、オンのままあるいはオフのままとし、ヒータの変化量に対する各温度センサの変化量の比率を伝達係数とするのである。
【００８４】
例えば、第２のヒータ２2をオフのままの状態で、第１のヒータ１1を、ある温度振幅で変動させたときに、第１，第２の温度センサ２1，２2の検出温度にどの程度の温度振幅の変動が生じるかによって伝達係数ｌ1，ｌ2を計測することができ、例えば、ヒータを温度振幅１で変動させたきに、温度センサの温度振幅が１０であれば、伝達係数は、１０（＝１０／１）となる。
【００８５】
ここで、図３の配分手段７における非干渉化係数（配分比）を用いた配分についてさらに具体的に説明する。制御対象２７の特性は、上述の図４２に示されており、この特性から伝達係数は、ｌ1＝１，ｌ2＝０.９，ｌ3＝０.９，ｌ4＝１である。
【００８６】
したがって、上述の非干渉化係数の式に代入すると、
【００８７】
そこで、仮に各ヒータに配分される熱量の合計が、Ｈａｖと等しくなるように、すなわち、ｋ1＋ｋ2＝１となるように設計し、分かり易さのために、ｋ3＝１という条件を加える。
【００８８】
これによって、
ｋ2＝ｋ1＝１／２
また、ｋ4＝−ｋ3＝−１
となり、配分比（非干渉化係数）が決定される。
【００８９】
つまり、図５に示されるように、平均温度の操作量Ｈａｖは、１／２ずつ各ヒータ１1，１2に配分し、傾斜温度の操作量Ｈｔは、第１のヒータ１1には、そのまま、第２のヒータ１2には、符号を変えて配分すればよい。
【００９０】
ここで、配分比（非干渉化係数）は、次のようにして求めることもできる。
【００９１】
すなわち、上述のモード変換行列Ｇｍと上述の伝達係数（干渉係数）の行列Ｐとから配分比（非干渉化係数）の行列（以下「前置補償行列」ともいう）Ｇｃは、以下のように逆行列として求めることもできる。
【００９２】
Ｇｃ＝（Ｇｍ・Ｐ）-1
この実施の形態に適用すると、制御対象のある時間の特性である伝達係数（干渉係数）の行列Ｐを、
【００９３】
【数３】
とすると、配分比（非干渉化係数）の行列である前置補償行列Ｇｃは、
【００９５】
【数４】
確かめとして、Ｇｍ・Ｐ・Ｇｃ＝１となるかどうかを計算する。
【００９７】
【数５】
なお、この実施の形態では、配分比（非干渉化係数）を、伝達係数を用いて算出したけれども、本発明の他の実施の形態として、伝達係数に代えて、周波数特性も表す伝達関数を用いて算出するようにしてもよい。
【００９９】
図３のシステムでは、配分手段７は、図６に示されるように、平均温度の操作信号（操作量）Ｈａｖは、各減衰器１１，１２でそれぞれ１／２に減衰して加算器１３および減算器１４にそれぞれ配分され、傾斜温度の操作信号（操作量）Ｈｔは、加算器１３および減算器１４にそれぞれ配分され、加算器１３の出力Ｈ1が第１のヒータ１1に、減算器１４の出力Ｈ2が第２のヒータ１2に与えられる。
【０１００】
この配分手段７によれば、平均温度の操作量Ｈａｖによって平均温度を変化させる場合には、各ヒータ１1，１2に操作量が等しく配分されるので、傾斜温度に影響を与えることなく、すなわち、干渉することなく、平均温度のみを変化させることができる。また、傾斜温度の操作量Ｈｔによって傾斜温度を変化させる場合には、一方のヒータ１1には、その操作量が１倍で与えられる一方、他方のヒータ１2には、−１倍で与えられるので、両ヒータに与える総熱量を変化させることなく、すなわち、平均温度に影響を与えることなく、傾斜温度のみを変化させることができる。
【０１０１】
図７は、図３のシステムにおいて、第１のＰＩＤ制御手段６1でオートチューニングを行った場合の平均温度・傾斜温度算出手段５からの平均温度Ｔａｖ（破線）、第１のＰＩＤ制御手段６1からの平均温度の操作量Ｈａｖ（実線）、平均温度・傾斜温度算出手段５からの傾斜温度Ｔｔ（二点鎖線）、第２のＰＩＤ制御手段６2からの傾斜温度の操作量Ｈｔ（一点鎖線）をスコープに表示した波形を示しており、平均温度の操作量Ｈａｖがオンオフするリミットサイクルが生じており、平均温度Ｔａｖの周期と振幅とを使ってＰＩＤ制御のパラメータを決定することができる。なお、平均温度Ｔａｖ、傾斜温度Ｔｔ、平均温度の操作量Ｈａｖ、傾斜温度の操作量Ｈｔが、上述の図４０，図４３の従来例のＰＶ１、ＰＶ２、ＭＶ１、ＭＶ２にそれぞれ対応する。
【０１０２】
なお、第１のＰＩＤ制御手段６1のＰＩＤ制御のパラメータが決定された後には、そのパラメータを設定し、次は、傾斜温度を制御する第２のＰＩＤ制御手段６2のオートチューニングを行ってＰＩＤ制御のパラメータを決定する。
【０１０３】
このように、平均温度と傾斜温度とを制御量として制御することにより、干渉のない制御が可能となり、ＰＩＤ制御のパラメータを決定するためのオートチューニングが可能となり、最適な制御パラメータを設定して所望の制御特性を得ることができる。
【０１０４】
このようにしてＰＩＤ制御のパラメータが設定された後の通常の制御では、平均温度が目標平均温度になるように、傾斜温度が目標傾斜温度になるように制御が行われる。
【０１０５】
次に、この実施の形態と従来例とのシミュレーションの結果を以下に説明する。このシミュレーションでは、以下のような制御対象のモデリングを行った。すなわち、熱干渉系の最も簡単な例として、図８に示すように２組のヒータ１1，１2と温度センサ２1，２2と、その間を熱伝導体５０でつないだ熱処理装置を考える。制御目的は、２点の温度を任意の設定温度で均一化することである。図９に制御対象の電気的な等価回路を示す。Ｒ1，Ｒ2は、温度センサから周囲の空気への熱抵抗、Ｃ1，Ｃ2は、温度センサ近傍の熱容量である。
【０１０６】
制御対象の入力は、２つのヒータ熱量であり、ヒータ１1の熱量ｐ1の一部は熱伝導体５０を伝わって、熱抵抗Ｒ3で温度センサ２2の温度θ2に干渉し、ヒータ１2の熱量ｐ2の一部は、同様に熱抵抗Ｒ3で温度センサ２1の温度θ1に干渉する。また、熱量ｐ2の一部の熱エネルギーは、熱抵抗Ｒ4で熱処理装置が固定されている機械装置本体に熱伝導する。ただし、機械装置本体の熱容量は、非常に大きいので、周囲温度と一致すると近似した。
【０１０７】
制御対象の等価回路のパラメータは、Ｒ1＝Ｒ2＝１０［℃／Ｗ］、Ｒ3＝１［℃／Ｗ］、Ｒ4＝０.２［℃／Ｗ］、Ｃ1＝Ｃ2＝１０［Ｊ／℃］とした。外乱は、１００Ｗのステップ状とし、従来例とこの実施の形態と同じ条件で印加した。
【０１０８】
下記の表１のパラメータによる従来のＰＩＤ制御の応答波形を図１０に、下記の表２のパラメータによるこの実施の形態の応答波形を、図１１に示す。
【０１０９】
【表１】
【表２】
図１０，図１１を比較すると、従来の制御方式で２°Ｃの温度差が発生していたものが、この実施の形態では、２つのセンサ間の温度差を０．８°Ｃまで改善していることが分かる。
【０１１２】
このような特性の差を生み出せる理由は、この実施の形態では、傾斜温度と平均温度で独立にＰＩＤパラメータを設定できる点にある。この例では、表２に示すように比例ゲインＫｐに差をつけ平均温度よりも傾斜温度の収束を優先するように、傾斜温度制御の比例ゲインＫｐを平均温度制御の比例ゲインＫｐよりも大きな値に設定した。その結果、簡単なＰＩＤ制御のパラメータの設定であるにも関わらず、高精度な温度均一化を期待できるものである。
【０１１３】
さらに、この実施の形態と従来例との目標値応答および外乱応答の比較結果を、図１２〜図１５に示す。なお、ここでは、ＣＨＲ（Chien, Hrones and R eswick）の調整則の目標値応答オーバーシュート無しを平均温度制御に、外乱応答オーバーシュート２０％を傾斜温度制御に使用した。
【０１１４】
図１２および図１３が、この実施の形態の目標値応答および外乱応答の波形であり、図１４および図１５が、従来例の目標値応答および外乱応答の波形を示している。
【０１１５】
図１４の従来例の目標値応答では、整定時間も２９秒と長く、オーバーシュートも認められたけれども、この実施の形態の目標値応答では、図１２に示されるように整定時間も９秒と短く、オーバーシュートも認められなかった。
【０１１６】
また、図１５の従来例の外乱応答では、整定時間も３２秒と長く、オーバーシュートもやや認められたのに対して、この実施の形態の外乱応答では、図１３に示されるように、整定時間も６秒と短く、オーバーシュートも認められなかった。
【０１１７】
すなわち、この実施の形態では、平均温度制御は、弱くて遅い制御を、傾斜温度制御は、強くて速い制御を行ったので、目標値応答および外乱応答のいずれの場合も、オーバーシュートがなく整定時間も短く満足できるものとなった。
【０１１８】
上述の例では、簡単にするために、ｎ＝２の場合について説明したけれども、ゾーンが３つの場合、すなわち、ヒータ、温度センサおよびＰＩＤ制御手段が３つのｎ＝３の場合にも同様に適用できるものである。
【０１１９】
すなわち、上述の図５に対応する図１６のブロック線図に示されるように、第１〜第３のヒータ１1〜１3と、各ヒータ１1〜１3に個別的に対応する第１〜第３の温度センサ２1〜２3とが、第１〜第３の各ゾーンにそれぞれ配置されており、第１のゾーンと第２のゾーンとが隣接し、第２のゾーンと第３のゾーンとが隣接しているとし、簡単化のために、隣接するゾーン間でのみ干渉があるとし、第１のヒータ１1から第２の温度センサ２2への伝達係数（干渉係数）をｌ1、第２のヒータ１2から第１，第３の温度センサ２1，２3への伝達係数（干渉係数）をｌ2，ｌ3、第３のヒータ１3から第２の温度センサ２2への伝達係数（干渉係数）をｌ4とし、第１のヒータ１1から第１の温度センサ２1といった相対する伝達係数（干渉係数）は、１.０とする。
【０１２０】
また、干渉をなくすための非干渉化係数（配分比）について、平均温度を制御する第１のＰＩＤ制御手段６1の操作量Ｈａｖを第２，第３のヒータ１2，１3に配分するための非干渉化係数（配分比）をｋ1，ｋ2、第１の傾斜温度Ｔｔ1を制御する第２のＰＩＤ制御手段６2の操作量Ｈｔ1を第１，第３のヒータ１1，１3に配分するための非干渉化係数（配分比）をｋ3，ｋ4、第２の傾斜温度Ｔｔ2を制御する第３のＰＩＤ制御手段６3の操作量Ｈｔ２を第１，第２のヒータ１1，１2に配分するための非干渉化係数（配分比）をｋ5，ｋ6とし、第１のＰＩＤ制御手段６1から第１のヒータ１1といった相対する非干渉化係数は１.０とする。なお、この例では、第１の傾斜温度Ｔｔ１は、第２，第３の温度センサ２2，２3の検出温度Ｔ2，Ｔ3の平均の検出温度と第１の温度センサ２1の検出温度Ｔ1との差としており、また、第２の傾斜温度Ｔｔ2は、第２の温度センサ２2の検出温度Ｔ2と第３の温度センサ２3の検出温度Ｔ3との差としている。
【０１２１】
このとき、平均温度Ｔａｖは、次のように示される。
【０１２２】
【０１２３】
すなわち、（１＋ｌ1）ｋ3＋（１＋ｌ2＋ｌ3）＋（１＋ｌ4）ｋ4＝０
（１＋ｌ1）ｋ5＋（１＋ｌ2＋ｌ3）ｋ6＋（１＋ｌ4）＝０
となる。
【０１２４】
これを以下のように簡略化する。
【０１２５】
ｌａ＋ｌｂ・ｋ3＋ｌｃ・ｋ4＝０ ……▲１▼
ｌｄ＋ｌｅ・ｋ5＋ｌｆ・ｋ6＝０ ……▲２▼
第１の傾斜温度Ｔｔ1についても同様にして、第１の傾斜温度の操作量Ｈｔ1のみの関数で、平均温度の操作量Ｈａｖおよび第２の傾斜温度の操作量Ｈｔ2の影響を受けないという条件を適用して、以下のような同様の方程式が得られる。
【０１２６】
ｌｇ＋ｌｈ・ｋ1＋ｌｉ・ｋ2＝０ ……▲３▼
ｌｊ＋ｌk・ｋ5＋ｌl・ｋ6＝０ ……▲４▼
また、第２の傾斜温度Ｔｔ2についても同様に、以下の方程式が得られる。
【０１２７】
ｌｍ＋ｌｎ・ｋ1＋ｌｏ・ｋ2＝０ ……▲５▼
ｌｐ＋ｌｑ・ｋ3＋ｌｒ・ｋ4＝０ ……▲６▼
伝達係数ｌ1〜ｌ4、したがって、ｌａ〜ｌｒは、ｎ＝２の場合と同様にして求められるので、非干渉化係数ｋ1〜ｋ6を未知数とする上記▲１▼〜▲６▼の６つ方程式が得られることになり、これら方程式を解くことにより、配分手段で配分するための非干渉化係数（配分比）ｋ1〜ｋ6が求まることになる。
【０１２８】
例えば、行列式で求めるとすれば、以下のようになる。
【０１２９】
【数６】
【数７】
以上のようにして、本発明は、ｎ＝３以上の制御系にも同様に適用することができるものである。
【０１３２】
なお、配分比（非干渉化係数）の行列である前置補償行列Ｇｃは、上述のように、モード変換行列Ｇｍと伝達係数（干渉係数）の行列Ｐとから求めることもでき、第１のＰＩＤ制御手段６1から第１のヒータ１1といった相対する非干渉化係数も含めて求めることができる。ここで、制御対象のある時間の特性である伝達係数（干渉係数）の行列Ｐを、
【０１３３】
【数８】
仮に、ｌ１＝ｌ２＝ｌ３＝ｌ４＝０.９とすると、
【０１３５】
【数９】
前置補償行列Ｇｃは、
【０１３７】
【数１０】
確かめとして、Ｇｍ・Ｐ・Ｇｃ＝１となるかどうかを計算する。
【０１３９】
【数１１】
上述の説明では、各ＰＩＤ制御手段は、平均温度が目標平均温度になるように、あるいは、傾斜温度が目標傾斜温度になるようにそれぞれ制御するものであり、目標平均温度および目標傾斜温度は、ユーザが設定するのであるが、従来では、各ｃｈ毎に目標温度を設定していたユーザにとっては、目標平均温度や目標傾斜温度の設定は理解しにくいものである。
【０１４１】
そこで、図１７に示されるように、各ｃｈ毎の目標温度ＳＰから目標平均温度および目標傾斜温度を演算するモード変換器５’を設けてもよい。なお、この図２１において、上述の図３に対応する部分には、同一の参照符号を付している。このモード変換器５’は、制御対象２７からのフィードバック量である各ｃｈの温度センサの検出温度から平均温度と傾斜温度とを算出するモード変換器５と同じ構成である。
【０１４２】
このようにモード変換器５’を追加することによって、ユーザは、平均温度や傾斜温度を考慮することなく、従来と同様に各ｃｈ毎に目標温度ＳＰを設定すればよい。
【０１４３】
さらに、図１８に示されるように、制御対象２７からのフィードバック量である各ｃｈの温度センサの検出温度と目標温度ＳＰとの温度偏差を求め、この各ｃｈ毎の温度偏差から制御偏差である平均温度偏差および傾斜温度偏差を演算するモード変換器５’’を設けてもよい。この構成によれば、ユーザは、平均温度や傾斜温度を考慮することなく、従来と同様に各ｃｈの目標温度を設定できる一方、モード変換器５’’を一つにすることができ、メモリ容量の削減と処理の簡素化を図ることができる。
【０１４４】
すなわち、上述のモード変換器５，５’は、複数の温度センサからの検出温度を、平均温度および傾斜温度に変換するものであったのに対して、この実施の形態のモード変換器５’’は、複数の温度センサからの検出温度と目標温度との温度偏差を、検出された平均温度と目標平均温度との偏差である平均温度偏差に変換するとともに、検出された傾斜温度と目標傾斜温度との偏差である傾斜温度偏差に変換するものである。
【０１４５】
つまり、上述の例では、検出温度を、平均温度および傾斜温度に変換した後に制御偏差を求めるのに対して、この例では、検出温度と目標温度との温度偏差を求め、その温度偏差を、制御偏差である平均温度偏差および傾斜温度偏差に変換するものである。
【０１４６】
以上のような本発明の温度調節器の機能の説明を終えて、以下に本発明の具体的な実施の形態について説明する。
【０１４７】
図１９は、本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器を備える温度制御システムの構成図であり、この実施の形態の温度調節器は、図１８の温度調節器と同じ機能を有するものであり、平均温度および傾斜温度に基づく非干渉化制御を行うものである。
【０１４８】
すなわち、この実施の形態の温度調節器は、図１８におけるモード変換器５’’、第１，第２のＰＩＤ制御手段６1，６2および前置補償器（配分手段）７を、加算器８０1，８０2および第１〜第４のＰＩＤ制御手段６1’〜６4’に置き換えることによって構成されるものである。
【０１４９】
図１８におけるモード変換器５’’、第１，第２のＰＩＤ制御手段６1，６2および前置補償器（配分手段）７における処理は、モード変換器５’’対応するモード変換行列Ｇｍと、第１，第２のＰＩＤ制御手段６1，６2に対応する行列ＧPIDと、前置補償器７に対応する前置補償行列Ｇｃとを用いて、Ｇｃ×ＧPID×Ｇｍで表され、これを、図１９に示される加算器８０1，８０2および第１〜第４のＰＩＤ制御手段６1’〜６4’に置き換えることができ、次のように表される。
【０１５０】
【数１２】
モード変換行列Ｇｍおよび前置補償行列Ｇｃは、上述のようにして求めることができ、また、図１８の第１，第２のＰＩＤ制御手段６1，６2のＰＩＤパラメータもオートチューニングによって求めることができるので、上述の行列式を解けば、第１〜第４のＰＩＤ制御手段６1’〜６4’の各ＰＩＤパラメータを求めることができ、これによって、図１８の温度調節器のモード変換器５’’、第１，第２のＰＩＤ制御手段６1，６2および前置補償器（配分手段）７を、加算器８０1，８０2および第１〜第４のＰＩＤ制御手段６1’〜６4’を用いて実現できることになり、平均温度および傾斜温度に基づく制御が可能となり、干渉を低減できることになる。
【０１５２】
したがって、図２０に示される本発明の温度調節器において、オペレータが上述の行列式に基づいて、第１〜第４のＰＩＤ制御手段６1’〜６4’のＰＩＤパラメータを算出してそれを設定すればよい。
【０１５３】
本発明によれば、ＰＩＤ制御手段の数は増えるけれども、モード変換器５’’および前置補償器７が不要となる。
【０１５４】
なお、この図２０において、第１，第４のＰＩＤ制御手段６1’，６4’は、第１，第２の温度センサからの検出温度ＰＶ１，ＰＶ２に対応する温度偏差に基づいて、対応する第１，第２のヒータに操作信号をそれぞれ出力する各チャネルに対応した従来と同様のＰＩＤ制御手段であるのに対して、第２のＰＩＤ制御手段６2’は、第２の温度センサからの検出温度ＰＶ２に対応する温度偏差に基づいて、第１のヒータに操作信号を出力するものであり、第３のＰＩＤ制御手段６3’は、第１の温度センサからの検出温度ＰＶ１に対応する温度偏差に基づいて、第２のヒータに操作信号を出力するものである。すなわち、第２のＰＩＤ制御手段６2’は、第４のＰＩＤ制御手段６4’による制御が、第１のＰＩＤ制御手段６1’の制御に与える影響をなくすまたは小さくするように動作し、第３のＰＩＤ制御手段６3’は、第１のＰＩＤ制御手段６1’による制御が、第４のＰＩＤ制御手段６4’の制御に与える影響をなくすまたは小さくするように動作するものであり、非干渉化制御手段として動作する。
【０１５５】
本発明は、図２０のような入出力が複数の多点の温度調節器に限らず、単点温度制御の温度調節器の複数を組み合わせて構成してもよい。
【０１５６】
図２１は、かかる単点制御の温度調節器８１1〜８１4を４台組み合わせた例を示しており、その機能は、図２０の温度調節器と同じである。なお、第１，第２のＰＩＤ制御手段６1’，６2’の操作量を加算する加算器８０1および第３，第４のＰＩＤ制御手段６3’，６4’の操作量を加算する加算器８０2は、第１〜第４の温度調節器８１1〜８１4、例えば、第１，第４の温度調節器８１1，８１4に内蔵する構成としてもよいのは勿論である。
【０１５７】
このように単点制御の温度調節器８１1〜８１4を組み合わせて構成することにより、安価に実現できる。
【０１５８】
図２２は、本発明の他の実施の形態の構成図であり、図２０に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【０１５９】
この実施の形態では、オペレータが、モード変換行列Ｇｍ、前置補償行列Ｇｃおよび図１８の第１，第２のＰＩＤ制御手段６1，６2のＰＩＤパラメータである比例ゲインｋｐ、積分時定数Ｔｉ、微分時定数ＴDを設定することにより、計算手段８２によって自動的に第１〜第４のＰＩＤ制御手段６1’〜６4’のＰＩＤパラメータが演算されて設定されるものであり、オペレータが面倒な計算やＰＩＤパラメータの設定をする必要がない。
【０１６０】
この実施の形態では、２チャネルの温度制御に対して、４つのＰＩＤ制御手段６1’〜６4’を設けた構成としたけれども、少なくとも一つＰＩＤ制御手段を設ける構成、すなわち、ＰＩＤ制御手段を３つとしてもある程度の効果を奏することができるものである。
【０１６１】
例えば、非干渉化のための二つのＰＩＤ制御手段６2’，６3’のＰＩＤパラメータを算出した場合に、一方のゲインが大きく、他方のゲインがほとんど０であるときには、他方のＰＩＤ制御手段を省略して図２３に示されるように３つのＰＩＤ制御手段６2’，６3’，６4’で構成してもよい。
【０１６２】
上述の実施の形態では、２チャネルの場合について説明したけれども、本発明は、３チャネル以上も同様に構成できるものであり、例えば、３チャネルの場合には、図２４に示されるように、加算器８０1〜８０3および９つの第１〜第９のＰＩＤ制御手段６1’〜６9’で構成することができる。
【０１６３】
この場合の各ＰＩＤ制御手段６1’〜６9’のＰＩＤパラメータは、上述の図１８と同様に、３チャネルの場合のモード変換器５’’、第１〜第３のＰＩＤ制御手段６1〜６3および前置補償器７で構成したときのモード変換行列Ｇｍ、第１〜第３のＰＩＤ制御手段６1〜６3に対応する行列ＧPIDおよび前置補償行列Ｇｃとを用いて算出される。
【０１６４】
この図２４においては、第２のＰＩＤ制御手段６2’は、第２の温度センサに対応する第２のチャネルの制御が、第１の温度センサに対応する第１のチャネルの制御に与える影響をなくす又は小さくするように動作し、第３のＰＩＤ制御手段６3’は、第３の温度センサに対応する第３のチャネルの制御が、第１のチャネルに与える影響をなくす又は小さくするように動作するものであり、また、第４のＰＩＤ制御手段６4’は、第１のチャネルの制御が、第２のチャネルの制御に与える影響をなくす又は小さくするように動作し、第６のＰＩＤ制御手段６6’は、第３のチャネルの制御が、第２のチャネルの制御に与える影響をなくす又は小さくするように動作し、さらに、第７のＰＩＤ制御手段６7’は、第１のチャネルの制御が、第３のチャネルの制御に与える影響をなくす又は小さくするように動作し、第８のＰＩＤ制御手段６8’は、第２のチャネルの制御が、第３のチャネルの制御に与える影響をなくす又は小さくするように動作するものである。
【０１６５】
図２５は、本発明の他の実施の形態の要部のブロック図である。例えば、熱処理装置において、ウェハの熱処理を行っている場合に、温度センサからの検出信号線が断線したような場合には、それを直ちに検出してその影響を可及的に低減した制御を行えるようにし、これによって、不良品の発生を抑制することが望まれる。
【０１６６】
そこで、この実施の形態では、温度センサの断線を検出してそれを補償するセンサ断補償付きモード変換器５ａを備えており、このセンサ断補償付きモード変換器５ａは、上述のモード変換器５に加えて、３つの温度センサからの検出信号線の断線を検出する断線検出手段８３と、断線が検出された温度センサの検出出力を、温度センサからの検出温度の平均温度に置き換える置換手段８４とを備えている。
【０１６７】
なお、温度センサからの検出信号線の断線を検出してそれを補償するための構成は、この実施の形態のようにセンサ断補償付きモード変換器５ａとしてモード変換器５に設けるのではなく、モード変換器５の外部に別に設けてもよいのは勿論である。
【０１６８】
断線検出手段８３は、モード変換器５からの平均温度と第１〜第３の各温度センサからの検出温度ＰＶ１〜ＰＶ３とをそれぞれ比較して、その差が予め定めた閾値を越えたときには、断線であるとして平均温度を出力する第１〜第３の比較器８５1〜８５3を備え、置換手段８４は、各比較器８５1〜８５3の出力に応答して温度センサの出力を、比較器８５1〜８５3からの平均温度に切り替えて出力する第１〜第３の切り替え器８６1〜８６3を備えている。
【０１６９】
この図２５においては、第２の温度センサからの検出信号線が断線し、第２の比較器８５2でそれが検出されて平均温度が第２の切り替え器８６2に出力され、第２の切り替え器８６2は、第２の温度センサの出力ＰＶ２に代えてモード変換器５で算出された平均温度を、置換温度ＰＶｘとしてモード変換器５に出力するものである。
【０１７０】
モード変換器５は、第１〜第３の比較器８５1〜８５3の出力に応答して、断線が検出された温度センサに対応する置換された平均温度を用いることなく、断線していない温度センサからの検出温度のみで平均温度を算出するようにしてもよいし、置換された平均温度を用いて算出してもよい。なお、傾斜温度は、置換された平均温度を用いて算出する。
【０１７１】
図２６は、本発明の他の実施の形態の図２５に対応する図であり、対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【０１７２】
上述の実施の形態では、断線が検出された温度センサの出力を、比較器８５1〜８５3を介して与えられる平均温度で置換したのに対して、この実施の形態では、置換手段８４は、各温度センサの近接位置に配置されている複数の温度センサからの検出温度の平均を算出する近接点平均算出回路８７1〜８７ｎを複数備えており、断線が検出されたときには、その断線した温度センサに対応する近接点平均算出回路８７1〜８７ｎで算出された複数の近接点の検出温度の平均温度を置き換えて出力するようにしている。
【０１７３】
近接位置に配置されている複数の温度センサとしては、例えば、或る温度センサに対して、その両隣（両側）に配置されている二つの温度センサである。
【０１７４】
図２７は、本発明のさらに他の実施の形態の制御システムの構成図であり、５ａは、上述の図２５または図２６のセンサ断補償付きモード変換器５ａに対応する。
【０１７５】
この実施の形態では、上述のようにして温度センサの断線を検出して検出出力を置換したときには、各ＰＩＤ制御手段６1〜６3のＰＩＤパラメータを修正するものである。
【０１７６】
すなわち、断線した温度センサの検出出力を、他の近接した温度センサの検出温度などで置換した場合には、断線した本来の温度センサよりも熱伝導の距離が長くなるために、無駄時間が大きくなり、ハンチングが発生する虞れがあり、そこで、この実施の形態では、ＰＩＤパラメータ修正器８８を設け、このＰＩＤパラメータ修正器８８によって、断線が検出されて温度センサの検出出力を置換した場合には、各ＰＩＤ制御手段６1〜６3のＰＩＤパラメータを修正して比例ゲインを弱く、あるいは、積分時間および微分時間を長くするのである。なお、比例ゲイン、積分時間および微分時間のすべてを修正してもよいし、いずれか一つを修正してもよい。
【０１７７】
図２８は、本発明の他の実施の形態の図２７に対応する図であり、対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【０１７８】
上述の実施の形態では、断線が検出されて温度センサの検出出力を置換した場合には、各ＰＩＤ制御手段６1〜６3のＰＩＤパラメータを修正したのに対して、この実施の形態では、各ＰＩＤ制御手段６1〜６3からの操作信号を切り替える操作信号切り替え器８９を設けており、この操作信号切り替え器８９によって断線が検出された温度センサに対応するヒータに対する操作信号を、前記ヒータに近接するヒータに対する操作信号に切り替えるものである。
【０１７９】
図２９は、本発明のさらに他の実施の形態のセンサ断補償付きモード変換器５ａの構成図であり、この実施の形態では、モード変換器５は、第１〜第３の温度センサの検出温度ＰＶ１〜ＰＶ３を、平均温度と、第１の温度センサの検出温度ＰＶ１と第２の温度センサの検出温度ＰＶ２とに基づく第１の傾斜温度と、第２の温度センサの検出温度ＰＶ２と第３の温度センサの検出温度ＰＶ３とに基づく第２の傾斜温度とに変換するものである。
【０１８０】
この実施の形態では、温度センサの一つが断線すると、傾斜温度が大きく変化することを利用して断線を検出するものである。
【０１８１】
この実施の形態の断線検出手段８３は、第１，第２の傾斜温度と閾値とをそれぞれ比較する第１，第２の比較器９０1，９０2と、各比較器９０1，９０2の出力が与えられる第１〜第３のゲート回路９１1〜９１3とを備えており、第１の温度センサが断線すると、第１の傾斜温度が大きく変化して閾値を越えて第１の比較器９０1の出力がハイレベルとなって第１のゲート回路９１1が検出出力を与え、第２の温度センサが断線すると、第１，第２の傾斜温度が大きく変化して閾値を越えて第１，第２の比較器９０1，９０2の出力が共ににハイレベルとなって第２のゲート回路９１2が検出出力を与え、また、第３の温度センサが断線すると、第２の傾斜温度が大きく変化して閾値を越えて第２の比較器９０2の出力がハイレベルとなって第３のゲート回路９１3が検出出力を与えるのである。
【０１８２】
断線した温度センサの検出出力を置換する置換手段８４は、各ゲート回路９１1〜９１3の検出出力がそれぞれ与えられる第１〜第３の切り替え器９２1〜９２3を備えており、断線した温度センサに近接する温度センサの検出出力を、置換出力ＰＶｘとするように構成されており、第１の切り替え器９２1は、第３の温度センサの検出温度ＰＶ３を、第２，第３の切り替え器９２2，９２3は、第１の温度センサの検出温度ＰＶ１を、断線した温度センサの検出出力に置き換えるように構成されている。
【０１８３】
本発明の断線検出は、以上のような平均温度や傾斜温度に基づく制御に限らず、各チャネル毎に制御を行う従来例にも同様に適用できるものである。
【０１８４】
図３０は、本発明の断線検出を従来例に適用した制御システムの構成図であり、図３１は、そのセンサ断補償器９３のブロック図である。なお、図３０において、９４1〜９４3は、各チャネル毎のＰＩＤ制御手段である。
【０１８５】
このセンサ断補償器９３は、第１〜第３の切り替え器９５1〜９５3を介して与えられる第１〜第３の温度センサからの検出温度ＰＶ１〜ＰＶ３の平均温度を算出する平均温度計算器９６を備え、この平均温度計算器９６からの平均温度と、各温度センサの検出温度ＰＶ１〜ＰＶ３とを、第１〜第３の比較器９７1〜９７3で比較し、その差が、予め定めた閾値を越えたときに断線であるとして対応する切り替え器９５1〜９５3に平均温度を出力し、切り替え器９５1〜９５3は、その平均温度を、断線した温度センサの検出出力として置き換えて出力するのである。なお、平均温度計算器９６では、断線が検出されて置き換えられた平均温度を用いて平均温度を算出してもよいし、断線が検出されて置き換えられた平均温度を用いることなく、平均温度を算出してもよい。
【０１８６】
この例では、平均温度と比較して断線を検出したけれども、傾斜温度を算出してこの傾斜温度と比較して断線を検出するようにしてもよい。
【０１８７】
この図３０および図３１に示される断線補償の構成は、上述の図２４の本発明の温度調節器に容易に適用できるものである。
【０１８８】
上述の各実施の形態では、熱処理盤などの制御対象の温度を、複数の温度センサを用いて検出したけれども、本発明の他の実施の形態として、図３２に示されるように、複数の温度センサに代えて、赤外線カメラ（サーモカメラ）９８を用いて非接触で制御対象の温度を検出してもよい。
【０１８９】
平面状の制御対象の場合、赤外線カメラ９８からの情報を、モード変換器５に入力し、多くの情報から平均や温度分布の傾斜の情報を取り出して制御するのである。温度を検出する熱画像の画素数がｎで制御できるヒータの数がｍだとすると、モード変換器５はｎ入力ｍ出力の行列となる。図３２の場合は、ヒータの数ｍが２の場合である。平均温度ＰＶは、制御したい全画素の平均を計算し、傾斜温度ＰＶは、二つのヒータの間の最も変化の激しい部分とするなどができる。
【０１９０】
また、複数の温度センサでそれぞれ温度を検出していた領域（あるいは各ヒータが設置されている領域）に対応する熱画像の画素の平均値を、各温度センサで検出される検出温度とすれば、上述の各実施の形態の構成をそのまま適用することができる。最も単純には、例えば、各温度センサの設置箇所の中心位置（あるいは各ヒータの中心位置）に対応する熱画像の画素の温度を、各温度センサの検出温度とすれば、上述の各実施の形態をそのまま適用できる。すなわち、図３２において、赤外線カメラ９８の検出出力が、２つの温度センサに対応する２点の画素の温度の場合である。
【０１９１】
赤外線カメラ９８を用いた場合には、例えば、図３３に示されるように、熱処理盤９９で加熱処理されるウェハ等の被加熱体１００の温度を直接見ながら制御できるので、熱処理盤９９の温度を熱電対等の接触式の温度センサで検出して制御するのに比べて、被加熱体１００の温度を高精度に制御できる。しかも、温度を検出する検出点を簡単に変更することができる。
【０１９２】
図３４および図３５は、本発明の他の実施の形態の構成図であり、図３２および図３３に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【０１９３】
この実施の形態では、傾斜温度の制御は、赤外線カメラ９８からの信号で行う一方、平均温度の制御は熱電対等の接触式の温度センサ２を用いるのである。温度の絶対値を正確に計測できる接触式の温度センサ２の検出信号を平均温度に用いることで、平均温度制御の精度を高くでき、赤外線カメラ９８の絶対値精度の悪さを補うことができる。
【０１９４】
図３６は、本発明のさらに他の実施の形態の構成図であり、図３２に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【０１９５】
この実施の形態では、ヒータに代えてレーザ走査などによって多点非接触加熱１０１を行うものであり、きめ細かく温度を均一に制御するものである。
【０１９６】
複数の各ヒータで加熱される領域を、レーザの二次元走査で加熱する点に対応づけることにより、上述の各実施の形態をそのまま適用することができる。
【０１９７】
この図３６では、赤外線カメラ９８で検出した画素数分の温度検出信号の中から有効な画素を選択し、その中での平均温度と傾斜温度の信号をモード変換器５で算出し、その平均温度と傾斜温度に対して制御を行うのである。
【０１９８】
本発明の他の実施の形態として、平均温度に代えて、例えば、中央のゾーンの温度などを代表温度とし、代表温度と傾斜温度とを制御量として制御を行ってもよい。
【０１９９】
上述の実施の形態では、平均温度は、全体の平均温度一つだけを用いたけれども、本発明の他の実施の形態として、例えば、複数に区分した各グループの各平均温度、すなわち、複数の平均温度を用いるようにしてもよい。
【０２００】
上述の実施の形態では、ＰＩＤ制御に適用して説明したけれども、本発明は、ＰＩＤ制御に限らず、オンオフ制御、比例制御、積分制御、比例積分制御などの他の制御方式にも適用できるものである。
【０２０１】
また、本発明の熱処理装置は、熱酸化装置に限らず、拡散炉やＣＶＤ装置、例えば、図３７に示されるように、枚葉式のＣＶＤ装置における熱処理盤の温度制御にも適用できるものである。なお、図３７において、ウェーハ６０が載置される熱処理盤６１は、同心状に外円部６２、中間部６３、中心部６４に３分割されており、各部に個別的に対応するヒータ６５〜６７が設けられて各ゾーン毎に温度制御するものである。また、本発明の熱処理装置は、射出成形機のシリンダ部の温度制御あるいは包装機のヒータ台の温度制御などにも適用できるものである。
【０２０２】
上述の実施の形態では、ヒータなどの加熱手段を用いた温度制御に適用した説明したけれとも、ペルチェ素子や冷却器などを用いた温度制御に適用してもよいのは勿論であり、さらに、加熱手段と冷却手段とを併用する温度制御に適用してもよい。
【０２０３】
また、本発明は、温度制御に限らず、圧力、流量、速度あるいは液位などの他の物理状態の制御に適用することもできる。
【０２０４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、干渉のある制御対象の制御において、その干渉を低減することが可能となる。
【０２０５】
また、本発明によれば、温度検出手段の検出信号線の断線を検出して平均温度や近接配置された他の温度検出手段の検出温度に置き換えるので、断線が発生しても、制御対象の温度を、所望の状態に近い状態に制御できることになり、例えば、熱処理装置の熱処理における不良品の発生を抑制できる。
【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制御システムの概略構成図である。
【図２】図１の温度調節器のブロック図である。
【図３】温度センサ、ヒータおよびＰＩＤ制御手段が２つの場合の構成図である。
【図４】図３の平均温度・傾斜温度算出手段５のブロック図である。
【図５】図３の制御系のブロック線図である。
【図６】図３の配分手段のブロック図である。
【図７】図３のシステムのオートチューニングの際の波形図である。
【図８】制御対象のモデルを示す図である。
【図９】制御対象の等価回路図である。
【図１０】従来例の応答波形を示す図である。
【図１１】実施の形態の応答波形を示す図である。
【図１２】実施の形態の目標値応答波形を示す図である。
【図１３】実施の形態の外乱応答波形を示す図である。
【図１４】従来例の目標値応答波形を示す図である。
【図１５】従来例の外乱応答波形を示す図である。
【図１６】ゾーンが３つの場合の制御系のブロック線図である。
【図１７】本発明の他の実施の形態のブロック図である。
【図１８】本発明のさらに他の実施の形態のブロック図である。
【図１９】本発明の一つの実施の形態に係る制御システムの構成図である。
【図２０】図１９に対応する本発明の温度調節器の構成図である。
【図２１】本発明の他の実施の形態の温度調節器の構成図である。
【図２２】本発明のさらに他の実施の形態の制御システムの構成図である。
【図２３】本発明の他の実施の形態の温度調節器の構成図である。
【図２４】本発明のさらに他の実施の形態の構成図である。
【図２５】本発明の他の実施の形態の要部のブロック図である。
【図２６】本発明の他の実施の形態の要部のブロック図である。
【図２７】本発明の他の実施の形態の制御システムの構成図である。
【図２８】本発明のさらに他の実施の形態の制御システムの構成図である。
【図２９】本発明の他の実施の形態の要部のブロック図である。
【図３０】本発明の他の実施の形態の制御システムの構成図である。
【図３１】図３０の要部のブロック図である。
【図３２】本発明の他の実施の形態の制御システムの構成図である。
【図３３】図３２の温度検出の構成図である。
【図３４】本発明のさらに他の実施の形態の制御システムの構成図である。
【図３５】図３４の温度検出の構成図である。
【図３６】本発明の他の実施の形態の制御システムの構成図である。
【図３７】他の熱処理装置を示す図である。
【図３８】熱酸化装置の構成を示す図である。
【図３９】干渉のない二つの制御対象を制御するシステムの構成図である。
【図４０】図３９のシステムのオートチューニングの際の波形図である。
【図４１】干渉のある制御対象を制御するシステムの構成図である。
【図４２】図４１の制御対象の構成を示す図である。
【図４３】図４１のシステムのオートチューニングの際の波形図である。
【符号の説明】
１0〜１ｎ ヒータ
２0〜２ｎ 温度センサ
３ 制御対象
４ 温度調節器
５ 平均温度・傾斜温度算出手段
６1〜６ｎ，６1’〜６9’ ＰＩＤ制御手段
７ 配分手段
１５ ヒータプレート
１８ 熱酸化装置
８３ 断線検出手段
８４ 置換手段
９８ 赤外線カメラ
Claims (7)
- 制御対象の物理状態をそれぞれ検出する複数の検出手段からの複数の検出情報と複数の目標情報との各偏差に基づいて、前記検出手段に個別的に対応する複数の操作手段に対して操作信号をそれぞれ出力する複数の状態制御手段を備える制御装置であって、
或る検出手段に対応する偏差に基づいて、前記或る検出手段に対応する操作手段とは別の操作手段に対する操作信号を出力する非干渉化制御手段を、少なくとも一つ設け、
前記複数の状態制御手段および非干渉化制御手段は、前記複数の検出情報と複数の目標情報との各偏差を、制御対象の前記物理状態の勾配を示す情報の偏差に変換するとともに、物理状態の代表状態を示す情報の偏差に変換する変換手段と、前記変換手段からの前記勾配を示す情報の偏差または前記代表状態を示す情報の偏差に基づいて、操作信号をそれぞれ出力する複数の状態制御手段と、前記各状態制御手段からの操作信号を、複数の操作手段に、各状態制御手段による制御が、他の状態制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分する配分手段として機能することを特徴とする制御装置。 - 制御対象の温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段からの複数の検出温度と複数の目標温度との各温度偏差に基づいて、前記温度検出手段に個別的に対応して前記制御対象を加熱（または冷却）する複数の加熱（または冷却）手段に対して操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手段を備える温度調節器であって、
或る温度検出手段に対応する温度偏差に基づいて、前記或る温度検出手段に対応する加熱（または冷却）手段とは別の加熱（または冷却）手段に対する操作信号を出力する非干渉化制御手段を、少なくとも一つ設け、
前記複数の温度制御手段および非干渉化制御手段は、前記複数の検出温度と複数の目標温度との各温度偏差を、傾斜温度の偏差に変換するとともに、代表温度の偏差に変換する変換手段と、前記変換手段からの傾斜温度の偏差または代表温度の偏差に基づいて、操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手段と、前記各温度制御手段からの操作信号を、前記制御対象を加熱（または冷却）する前記複数の加熱（または冷却）手段に、各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分する配分手段として機能することを特徴とする温度調節器。 - 前記代表温度が複数の検出温度に基づく平均温度である請求項２記載の温度調節器。
- 前記複数の温度検出手段の検出信号線の断線を検出する断線検出手段を備え、
前記断線検出手段は、各検出温度と前記平均温度との比較または前記傾斜温度と閾値との比較に基づいて断線を検出する請求項２または３記載の温度調節器。 - 断線が検出された温度検出手段の検出出力を、複数の検出温度の平均温度または近接配置された他の温度検出手段の検出温度に置き換える置換手段を備える請求項４記載の温度調節器。
- 前記温度検出手段が、赤外線カメラである請求項２または３記載の温度調節器。
- 請求項２ないし６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炉または熱処理盤と、該熱処理炉または熱処理盤を加熱（または冷却）する複数の加熱（または冷却）手段と、前記熱処理炉または熱処理盤の温度を検出する複数の温度検出手段とを備えることを特徴とする熱処理装置。
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