JP4958415B2

JP4958415B2 - 温度調節計

Info

Publication number: JP4958415B2
Application number: JP2005218375A
Authority: JP
Inventors: 英一小宮山; 善一兵働
Original assignee: 東邦電子株式会社; 濱根洋人
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2025-07-28
Also published as: JP2007034776A

Description

本発明は、オーブン調理器、洗浄機、電気炉などといった多業種のさまざまな装置に導入されて温度制御を行う温度調節計に関し、特に全自動で多チャンネルを同時に同軌跡で立ち上げる技術に関する。

従来、複数チャンネルの各々が異なる軌跡で昇温差を生じながら整定する温度調節計が知られている。このような温度調節計には、生産性向上のために、安定な温度まで速やかに昇温させることが求められる。この要請に応えるために、従来は、加熱装置を複数のゾーンに分け、各ゾーンの昇温を独立に複数の温度調節計で制御している。そして、複数のゾーンを常温から設定温度まで昇温させるときには、各ゾーンの熱容量が異なっていても、各ゾーンに１００％入力を印加させ、全ゾーンを立ち上げていた。

このような温度調節計を備えた加熱装置では、各ヒータの発熱量が熱容量の異なる部位を介して温度制御対象（製品や材料）に伝達されるので、各チャンネルが異なる軌跡で立ち上がり、昇温差が発生する。このため、稼動初期の生産品にはボイド、焼け焦げなどの生産不良が生じたり、熱安定が悪く劣化し易い材料は、昇温の速い近接部位の局部加熱により、材料の劣化、分解、炭化といった不具合がみられたりしていた。

たとえば、射出・押出成形機では、劣化材料の混入を防ぐために、成形開始前に多量の材料を空出しする内部の清掃が必要であった。このような空出しは、多量の材料の損失やエネルギー損失、作業時間の遅延となり生産性を低下させている。また、業務用オーブン調理器では、昇温差による焼きムラが発生するので、材料の投入時期の調整や循環装置の装備などといった非省力な投資を要している。

また、各装置ともに、昇温速度の速いゾーンはオーバーシュートを起こし易く、多入出力ループの不安定化を招く原因となっていた。エネルギー効率の観点から、各装置ともに全チャンネルが設定温度に十分に整定した後に生産を開始するため、早めに整定したチャンネルは遅いチャンネルが整定するまで過剰のエネルギーを損失しながら待機している。したがって、たとえば起動に４〜５時間かかる地中送電線ＣＶケーブル皮膜製造のための成形機などといった大型装置は、そのエネルギー損失量も多い。

そこで、これらの問題点を改善し、製品品質や生産率の向上、省エネなどに寄与できる制御方法が要求されている。従来、これらの問題を解決するさまざまな提案がなされている。たとえば、特許文献１は、各チャンネルの昇温特性を“一次遅れ＋むだ時間”で近似し、予め行ったシミュレーションをもとに、各チャンネルの電源投入の開始時刻をずらす方法を開示している。また、特許文献２は、設定温度とそれよりも低い所定温度との差から各チャンネルの出力電力率のデータシートを作成して制御する方法を開示している。また、特許文献３は、遅いチャンネルの昇温率を事前の実験から求め、チャンネル毎にヒータ電力率のデータシートを作成してシーケンス制御する方法を開示している。

さらに、特許文献４は、速いチャンネルのむだ時間当りに遅いチャンネルが昇温する比率を求め速いチャンネルの目標値を逐次計算し、ＰＩＤ制御で追従する方法を開示している。この特許文献４に開示された成形機の自動昇温制御方法では、成形機が複数の温度制御対象区間に区分され、複数のそれら温度制御対象区間のうち所定の設定値への到達時間が最も遅い温度制御対象区間がマスタ区間とされ、そのマスタ区間以外の区間がスレーブ区間とされる。このマスタ区間に対しては、設定値および測定値に基づき任意の制御手法で操作量を算出して自動昇温制御が行われる。他方、スレーブ区間に対しては、マスタ区間の設定値と測定値との比率である測定値到達率に基づき操作量が算出され、自動昇温制御が行われる。

特開平１−１８０３１８号公報特開平１１−５８４８１号公報特開平４−１４８６５号公報特開２００５−３５０９０号公報

しかしながら、上述した特許文献１〜特許文献４に開示された方法では、事前の試験や事前情報が必要とされる。また、ＰＩＤパラメータなどの各々の初期設定に結果が依存する点、外乱に脆弱な点などが問題点としてあげられる。特に温度制御系はシステム変更が多く、毎回の事前試験は生産性を低下させる一因となる。また、多くのチャンネルへの適用が求められるため、組み込みシステムでの複雑なアルゴリズムは好ましくない。

特許文献４に開示された成形機の自動昇温制御方法には、以下のような問題がある。すなわち、サンプリング毎にマスタの上昇率（傾き）を求める必要があるので、雑音や外乱の影響を大きく受ける対象の場合は、上昇率（傾き）を誤算出する可能性がある。もし、誤算出した場合は、スレーブの目標値は誤ったものになり昇温制御は失敗する。また、ＰＩＤ制御によってスレーブがマスタに追従するので、スレーブのＰＩＤパラメータが適切でないときは、スレーブがマスタに追いつかないという事態が生じる。すなわち、ユーザが誤ったＰＩＤパラメータを設定してしまうと昇温制御は失敗する。また、すべてのチャンネルのＰＩＤパラメータは予め調整しておく必要があり、昇温制御を完全自動化できない。さらに、アルゴリズム自体が複雑であり、サンプリング毎に傾きを求めるアルゴリズムでは、マイクロコンピュータに負担がかかり、チャンネル数の増加に限度がある。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、簡単なアルゴリズムによって複数のチャンネルを同時に且つ同軌跡で自動的に立ち上げることができる温度調節計を提供することを目的とする。

本発明に係る温度調節計は、上記課題を達成するために、
温度センサからの信号に応答して発熱体への入力量を制御するための複数のチャンネルを備えた温度調節計であって、
前記温度調節計は、筐体内に出し入れ可能に収容された被加熱物を複数のチャンネルのそれぞれごとに加熱するのに用いるようになっており、
前記複数のチャンネルは、それぞれのチャンネルに対応して前記筐体内に配置可能な複数のヒータを備え、
前記各チャンネルには予めそれぞれ個別の目標温度が設定されており、比例帯ＰＩＤ制御が行われるため、起動時には予め定められた各チャンネルごとの比例帯ＰＩＤ制御に基づいて比例帯にしたがって１００％入力が印加され、
前記温度調節計は、前記１００％入力の印加された各複数チャンネルのうちで、所定時間内において最も遅く立ち上がる遅い応答速度のチャンネルをリーダーと判定すると共に、当該リーダー以外のチャンネルをフォロアと判定する判定手段と、
前記判定手段で判定されたフォロアの温度が、リーダーの温度を越えて温度上昇しようとする時に、前記フォロアが予め定めた比例帯ＰＩＤ制御によって当該フォロアのヒータ入力がオンに指定されていても、当該フォロアのヒータ入力は強制的にオフにされ、前記フォロアのヒータ入力オフ時に当該フォロアの温度が下降しようとすると前記ヒータ入力をオンにするフォロア制御を行い、これによって前記判定手段で判定されたフォロアを、前記リーダーを追い越さないように当該リーダーに追随させ、以て前記複数のチャンネルを同時且つ同軌跡で立ち上げるフォロア制御を行う制御手段と、
前記フォロアのうち目標温度の最も低いチャンネルかリーダーの何れかが、それぞれ予め定められた比例帯ＰＩＤ制御アルゴリズムの比例帯の１００％入力が終了する目標温度に到達した場合に、その目標温度に達した時点で前記フォロア制御を終了して、前記目標温度に到達したチャンネルの制御を除いて、前記残りの全チャンネルをそれぞれ予め定められた比例帯ＰＩＤ制御に切り換え、これ以降前記各比例帯ＰＩＤ制御をそれぞれ実行し、前記残りの各チャンネルの目標温度が異なるときは、各チャンネルの目標温度に整定していくことで残りのチャンネルをそれぞれの目標温度に向かってＰＩＤ制御することを特徴としている。

また、好ましくは、請求項１記載の温度調節計において、前記制御手段は、さらに、前記発熱体への入力のオン／オフの切り換え近くではサンプル時間を短くしてハンチングを抑制することを特徴としている。

また、好ましくは、請求項１記載の温度調節計において、前記制御手段は、さらに、２回目以降のフォロア制御時は、先のフォロア制御時の発熱体への入力量に基づき該発熱体への入力量を決定してハンチングを抑制することを特徴としている。

また、好ましくは、請求項１記載の温度調節計において、前記温度調節計は、フォロア制御のオンオフ入力を利用して、未チューニングのチャンネルのＰＩＤパラメータを自動的に決定することを特徴としている。

また、好ましくは、請求項１記載の温度調節計において、前記温度調節計が互いに通信可能な通信機能を備えた１入力１出力の温度調節計を複数備えた温度調節計群からなることを特徴としている。

本発明によれば、フォロアを、リーダーを追い越さないように該リーダーに追随させて複数のチャンネルを同時且つ同軌跡で立ち上げるフォロア制御を行うので、すべてのチャンネルが生産開始点まで同軌跡で昇温差なく整定する。したがって、生産品質、省エネ、生産率を向上できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では、本発明に係る温度調節計がオーブン調理器に適用される場合を例に挙げて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る温度調節計が適用されたオーブン調理器の構成を示すブロック図である。このオーブン調理器は、筐体１の内部にセットされるトレー２を上方から均等に加熱するように配置された発熱体である５個のヒータ３₁〜３₅、ヒータ３₁〜３₅にそれぞれ対応して設けられた５個の温度センサ４₁〜４₅、ヒータ３₁〜３₅への通電をそれぞれ制御する５個の操作部５₁〜５₅および温度調節計６から構成されている。なお、図１では、図面が煩雑になるのを避けるために、温度センサ４₂〜４₄および操作部５₂〜５₄は、図示を省略してある。

温度センサ４₁〜４₅の各々は、例えば熱電対から構成されており、周囲の熱に応じて熱起電力を発生し、温度検出信号（電圧信号）として温度調節計６に送る。操作部５₁〜５₅は、温度調節計６からの指示に応じて、ヒータ３₁〜３₅へ電力を供給し、または電力の供給を停止する。

温度調節計６は、温度センサ４₁〜４₅からの温度検出信号に応じて、操作部５₁〜５₅を制御し、ヒータ３₁〜３₅へ供給する電力のオン／オフを制御する。この温度調節計６では、起動から所定温度に到達するまでは比例帯ＰＩＤ制御およびフォロワ制御または比例帯ＰＩＤ制御のみが行われ、所定温度に到達した後は、比例帯ＰＩＤ制御のみが行われる。温度調節計６で行われる処理の詳細は後述する。

次に、上記のように構成されるオーブン調理器に適用されている温度調節計６の詳細を説明する。まず、本発明の実施の形態に係る温度調節計６で採用した制御方法であるフォロア（ＦＯＬＬＯＷＥＲ）制御について説明する。

［１］フォロア制御の概要
フォロア制御は、多チャンネルを同時に同軌跡で立ち上げる制御方法である。フォロア制御では、各チャンネルは以下のように定義される。

定義１：ｎチャンネル（ｎは２以上の整数）のうちで、最も遅い応答速度のチャンネルを『リーダー（先行者）』、その他のｎ−１個のチャンネルを『フォロア（追従者）』と定義する。ただし、応用例によっては、複数のフォロアは応答速度順にランクづけされる場合もある。

今、従来の温度調節計と同様にして、以下の（１）式に示すように、ヒータによる入力ｕ_n（ｔ）が印加される。

ただし、ｕ_{n_max}は、各チャンネルの１００％入力である。温度調節計６は、比例帯ＰＩＤ制御が行われるため、起動時には比例帯Ｐｂ［％］にしたがって１００％入力が印加される。そして、フォロア制御を行うべき旨が選択されたときに、フォロアはリーダーを追従する。

図２は、リーダーとフォロアの動作を示す。フォロアは、常に、リーダーの出力温度より下のフォロア領域に潜り込んでいなければならない。フォロアは、一度、フォロア領域に潜り込むと、速い応答速度のフォロアは、遅い応答速度のリーダーを追い越そうとするが、越そうとすると強制的にヒータがオフされ、フォロアはリーダーを待つ。この動作により、フォロアは、リーダーに絡まりつくようにして、リーダーと同じ軌跡で立ち上がることになる。したがって、フォロア制御では、系全体の立ち上がり時間はリーダーの立ち上がり時間と等しくなる。

フォロア制御では、フォロアがフォロア領域に潜りこむことができればよく、たとえフォロアに目標値が設定されていなくとも、また、フォロアのヒータ出力比率を計算しなくとも、フォロアはリーダーの近傍で立ち上がる。それゆえ、フォロア制御のアルゴリズムでは、フォロアを如何にしてフォロア領域に潜り込ませるかが重要となる。

フォロアが、一度、フォロア領域に潜り込むと、温度調節計６に実装されているプログラムの中のＰＩＤ制御実行ルーチン内で、以下の（２）式に示すようなプログラムが、フォロア制御が選択されている時のみに強制的に実行される。

ここで、ｕ_fLOWERはフォロアのヒータ入力の下限値、｜ＳＳＳ（Settling Start Sensitivity）｜はフォロアのオン／オフのタイミングにヒステリシスを持たせ、オン／オフするタイミングを微調整するためのパラメータである。図３に示すように、フォロアが、リーダーの上側の点Ｐ１を越えて上昇しようとする時にヒータ入力がオフにされ、下側の点Ｐ２を越えて下降しようとする時にヒータ入力がオンにされる。通常は、ｕ_fLOWERおよび｜ＳＳＳ｜は零に設定される。フォロア制御のアルゴリズムは、他の制御方法と比較して、非常にシンプルである。したがって、計算能力の小さい組み込みシステムであっても、多くのチャンネルに拡張できる。

次に、フォロア制御における具体的な制御方法を説明する。以下では、簡単のために２チャンネルを例に挙げて説明する。リーダーとフォロアに分類すると、異なる初期値と異なるむだ時間の組み合わせは計６通り考えられる。しかし、フォロアをフォロア領域に潜り込ませるアルゴリズムを実現するには、６通り考える必要はなく、後述する定理１より、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示す３通りのみを考えればよい。図２（ａ）は各チャンネルの初期値が同じで異なるむだ時間の場合を示し、図２（ｂ）および図２（ｃ）は各チャンネルの初期値が異なりむだ時間が異なる場合を示す。

補題１：フォロア制御における各チャンネルのむだ時間は、下記の（３）式を満足する。

ここで、θ_Ｌはリーダーのむだ時間，θ_Ｆｋはフォロアのむだ時間、ｋ（＝ｎ−１）はフォロアのチャンネル番号である。

すなわち、各チャンネルの応答を、以下の（４）式で近似する。

温度制御システムは、線形システムとして

を満足するように設計されている。定義１より、リーダーとフォロアは応答速度の違いから定義されるため、（４）式より、下記の（５）式が成立する。

すなわち、補題１は成立して、リーダーとフォロアの応答は、図２に示す組み合わせとなる。

定理１：フォロア制御におけるリーダーとフォロアの判別は、３通りの組み合わせを考慮すればよい。

自動でフォロアをフォロア領域に潜り込ませるためには、３通りのケースに対応できるアルゴリズムを作成すればよい。このように、複雑な判定条件を回避することで、組み込みシステムのための簡素な条件分岐で自動化を図ることができる。

なお、付加機能として、実際には起こりえないが上述した仮定が成立しない場合、または、予め判定が確定済みの場合のために、マニュアルモードでリーダーとフォロアを設定できる機能も用意されている。自動判定アルゴリズムの詳細は、後述する［３］において説明する。

［２］フォロア制御のアルゴリズム
次に、温度調節計６において行われるフォロア制御のアルゴリズムを説明する。図４は、フォロア制御の実行過程を示すフローチャートである。

温度調節計６が起動されると、まず、加熱が開始されるとともに、各チャンネルの制御開始時の初期温度が保存される（ステップＳ１）。すなわち、温度調節計６は、操作部５₁〜５₅に対して通電開始を指示するとともに、温度センサ４₁〜４₅から温度検出信号を取得して内部の図示しないメモリに格納する。これにより、ヒータ３₁〜３₅による加熱が開始される。

次いで、雑音フィルタにより出力ノイズが除去される（ステップＳ２）。すなわち、温度調節計６は、温度センサ４₁〜４₅から取得した温度検出信号の雑音を除去する処理を行う。雑音フィルタは、リーダーを探す精度を向上させるために設けられている。この雑音フィルタは、簡単には、温度センサ４₁〜４₅から取得した温度検出信号の移動平均をとることにより実現できる。

次いで、リーダー・フォロアを自動判定するアルゴリズムが開始される。判定の成功率を上げるために、上昇温度検出（ステップＳ３）および変曲点検出（ステップＳ４）といった２つの方法が併用されている。これらの判定方法の詳細は、後述する［３］において説明する。

次いで、フォロア制御をするか否かが最終判定される（ステップＳ５）。この最終判定において、すべてのチャンネルが近い応答速度でありフォロア制御をする必要がないと判断されると、フォロア制御を行わず、シーケンスはステップＳ７へ進んで、従来のＰＩＤ制御が開始される。一方、上記ステップＳ５における最終判定において、各チャンネルが異なる応答速度でありフォロア制御をする必要があると判断されると、フォロア制御が開始される（ステップＳ６）。具体的には、ＰＩＤ制御実行ルーチン内で、上述した（２）式に示すプログラムが実行されるように制御される。これにより、比例帯ＰＩＤ制御によってフォロアのヒータ入力がオンに指定されても、（２）式の条件を満足するときは、ヒータ入力は強制的にオフにされる。

フォロア制御が開始されると、ステップＳ７において外部から導入されるフォロア制御条件に従って、フォロア制御が実行される。フォロア制御条件には、特別機能のオプションの指定が含まれる。オプションには、オートチューニング追加オプションおよびフォロア制御の制御方式の設定オプションが含まれる。

オートチューニング追加オプションは、以下の機能を実現する。すなわち、フォロア制御において、フォロアは、リーダーに対して所謂オン／オフ制御で、リーダーの近傍に絡みつくように同じ軌跡で上昇する。したがって、フォロアにおいては、前もってＰＩＤパラメータがチューニングされる必要はない。図５に示すように、リーダーが整定したら、フォロアは、そのままオートチューニングモードに入る。また、リーダー自身も、ＰＩＤパラメータが決定していなくてもよい。この場合、リーダーは、セルフチューニングと併用してＰＩＤパラメータをチューニングする。結局、フォロア制御では、すべてのチャンネルのＰＩＤパラメータが未知であっても、動作可能となる。このように、セルフチューニングとオートチューニングとを併用して、ＰＩＤパラメータのチューニングも同時に行うことができる。

また、フォロア制御の制御方式の設定オプションは、以下の機能を実現する。すなわち、フォロア制御中においては、リーダーは、ＰＩＤ制御またはオン／オフ制御の何れも可能である。フォロアは、フォロア制御中に、一時、オン／オフ制御となるが、途中からＰＩＤ制御に変わる。勿論、そのままオン／オフ制御を継続するともできる。このように、フォロア制御では、外部からの設定により、制御方式を自由に選択することができる。

このフォロア制御条件にしたがったフォロア制御が開始されると、次いで、フォロア制御の終了であるかどうかが調べられる(ステップＳ８）。具体的には、目標値の最も低いチャンネルかリーダーの比例帯ＰＩＤ制御アルゴリズムのＰＩＤ制御開始位置Ｔ_PID（比例帯の１００％入力が終了する温度値［゜Ｃ］）に到達したかどうかが調べられる。ＰＩＤ制御開始位置Ｔ_PIDは、下記の（６）式によって算出される。

ここで、ＲＥＦは設定温度［゜Ｃ］、Ｆ_ｓは温度調整計６のフルスパン［゜Ｃ］（一般に１２００゜Ｃに設定されることが多い）、Ｐｂは比例帯［％］である。

このステップＳ８において、フォロア制御の終了でないことが判断されると、ステップＳ８を繰り返し実行しながら、フォロア制御の実行が継続される。そして、ステップＳ８において、フォロア制御の終了であることが判断されると、全チャンネルが一般の比例帯ＰＩＤ制御に切り換えられる（ステップＳ９）。以降はＰＩＤ制御が実行される。これにより、各チャンネルの目標値が異なるときは、各チャンネルの目標値に整定していく。

なお、ステップＳ８においては、ＰＩＤ制御開始位置Ｔ_PIDに到達したか否かを調べる代わりに、決められた所定温度Ｔ_PIDまで到達したか否かを調べるように構成することもできる。また、各チャンネルの目標値が同じ場合は、そのままフォロア制御を実施するように構成することもできる。

以上のようにしてフォロア制御が終了すると従来のＰＩＤ制御が行われる。フォロア制御では、予めの情報は必要でなく完全な自動化で実施される。

［３］リーダー・フォロアの自動判定アルゴリズム
上述したリーダー・フォロアの自動判定アルゴリズムとして、以下の（ア）〜（カ）に示す６つの方法を用いることができる。
（ア）各チャンネル間の温度差が開いたときに判定する方法
（イ）測定１点から昇温傾きを求めて判定する方法
（ウ）測定ｎ点から昇温傾きを求めて判定する方法
（エ）イまたはウの昇温傾きを基準化（ノーマライズ）して判定する方法
（オ）目標値の２０％近傍で判定する方法
（カ）エおよびオを組み合わせた方法

ここでは、上記の各方法を検討した結果から、計算精度および計算量ともに組み込みマイコンによる自動化に最も適している（カ）の方法を説明する。この方法では、図６に示すように、初期温度と現在の測定温度との角度差が用いられる。測定点としては、図３に示すフローチャートの雑音フィルタ（ステップＳ２）の後のデータが利用される。プロセスの時定数やむだ時間が大きい対象の場合は、図６（ａ）に示すように、各チャンネルの立ち上がり時の角度差が無く判定しづらい。そこで、図６（ｂ）に示すように、各チャンネルの角度差が小さくなった状態から特定のチャンネルを角度π／４に座標変換して基準化する。そして、他のチャンネルも同尺度に変換し、基準のπ／４との差で判定している。すなわち、グラフのスケールを適切に調整し比較を行うことでデータ判定を容易にしている。

たとえば、２チャンネルのうちチャンネル１を基準化すれば、下式（７）および（８）に示すように、出力温度のみで角度を算出できる。

ただし、Ｙ_ｃｈｎはｎチャンネルの雑音フィルタを通した測定温度、Ｙ_{０_ｃｈｎ}は初期温度である。

すなわち、角度をスケール変換することにより、異なる物理量と分解能をもつ時間と温度で演算することなく、精度とメモリ消化を改善している。

最終的なリーダーとフォロアの判定には、上述した（７）および（８）式をもとにして、下記の（９）式または（１０）式の昇温率が所定値Ｔ_ａｎｇに遅く到達したチャンネルをリーダーとする。

（９）式と（１０）式との違いは、測定１点から算出するか測定ｎ点から算出するかの違いである。

また、他の方法として、所定の温度において、下記の（１１）式に示すように、最も小さな角度となるチャンネルをリーダーとすることもできる。

上述したように、リーダーとフォロアが自動的に判定されるので、フォロア制御は、完全に自動化されて実行される。しかしながら、雑音や外乱に乱された系の場合には、１回の判定のみでは昇温率（傾き）の測定に失敗する可能性がある。そこで、安全策として、以下のアルゴリズムを導入するように構成できる。一般に、自然界における昇温特性はＳ字カーブであり、２次以上の高次モデルの応答となる。高次モデルで近似した場合には、一般に、変曲点を近似するためには、図７に示すように、温度設定値と初期温度の差の２０％と７０％の２点に接線を引いて求めるのが最もよいことが知られている。

そこで、昇温率の測定に失敗した場合は、目標値の２０％の温度に最後に到達したチャンネルをリーダーとして選択するように構成することができる。また、昇温率の測定に成功した場合であっても、この目標値の２０％の点において、先に選択したリーダーが正しいリーダーであるかどうかを確認するように構成できる。この２０％付近でリーダーを再判定する機能と上述した自動判定する機能とを併用することにより、リーダー・フォロアの自動判定の成功率を高めることができる。

［４］ハンチング抑制機能付きフォロア制御
フォロア制御においては、フォロア入力のオン／オフに起因してリーダー近傍でハンチング現象が引き起こされる。フォロア制御が終了して装置の生産に移った時は一般のＰＩＤ制御が開始されているためハンチングは起こらないが、立ち上がり時のハンチングは以下の方法で改善することができる。ハンチング振幅はサンプル時間に依存し、サンプル時間が短いほどハンチングは低減する。そこで、以下の方法でハンチングを抑制することができる。

フォロアの応答は、図８（ａ）に示すように、サンプル時間が長い一定周期でオン／オフするので、オン／オフの切り換え近くでは、図８（ｂ）に示すように、サンプル時間を短くするように制御する。これにより、フォロアの応答を、滑らかにオン／オフさせてハンチングを抑制することができる。ハンチングのフォロア領域外への進入幅は、（２）式のヒステリシス｜ＳＳＳ｜で調整できる。通常は｜ＳＳＳ｜はゼロに設定されている。また、フォロアのオフ時の入力量を完全にゼロとはせずに（２）式のｕ_fLOWERを調整することでハンチングを抑制することができる。

上述した微調整方法の他に、全自動化のハンチング抑制機能付きフォロア制御をオプション機能として付加することができる。２回目以降のフォロア制御で、この機能が実施される。図４に示すフローチャートのステップＳ６のフォロア制御開始時刻Ｔ_startおよびステップＳ９のフォロア制御終了時刻Ｔ_endが保存される。１回目のフォロア制御時の入力量を平滑化して、下記の（１２）式にしたがって、２回目以降の入力量が生成される。

ここで、ｕ_ｎＦは１回目のフォロア制御におけるｎチャンネルのフォロア制御時の入力である。

または、より正確に立ち上げるために昇温特性を忠実に表現して、下記の（１３）式にしたがって、区分的入力量を生成する。

ここで、分割数ｋ＝１，…，ｍについて、Ｔ₀（ｋ＝０）＝Ｔ_star，Ｔ_ｍ（ｋ＝ｍ）＝Ｔ_endである。たとえば、Ｓ字カーブの昇温特性を考慮して、設定温度の２０％および７０％の変曲点で３区分する。それぞれの分割は現在の測定温度をもとに変換され、各チャンネルの初期値によらず現在温度に対応した平滑化後の入力量が印加される。このように、２回目以降はなめらかな入力を印加することで、ハンチングを抑制することができる。

次に、フォロア制御の有効性を、調節計開発用システムによる実験で検証したので、その結果を説明する。図９は、実験装置の仕様を示す。この実験では、図１０に示すような加熱ブロックを温度制御対象とし、チャンネル毎に熱容量が異なるさまざまな温度制御対象を構成できるものを使用した。

以下では、従来のＰＩＤ制御とフォロア制御の比較、ハンチング抑制機能付きフォロア制御、外乱・システム変更試験についての実験結果を示す。また、説明を簡単にするために、温度制御対象をＣＨ１とＣＨ２の２チャンネルとし、定常状態では設定温度に問題なく整定するため、立ち上がり部のみを拡大した実験結果を示す。すべての実験は、全自動によるフォロア制御によって行った。

＜従来のＰＩＤ制御とフォロア制御の比較＞
図１１に、従来のＰＩＤ制御およびフォロア制御の実験結果を示す。従来のＰＩＤ制御では、図１１（ａ）に示すように、チャンネル間（ＣＨ１とＣＨ２との間）に昇温差を生じながら異なる軌跡で立ち上がっている。一方、フォロア制御は、図１１（ｂ）に示すように、両チャンネルともに同軌跡で立ち上がっている。ＣＨ１においては、装置のウォーミングアップ期間の消費電力が従来のＰＩＤ制御に較べて約４０％の省エネとなった。このことから、起動時に各チャンネルの昇温差はないことから、加熱部位によらずに製品や材料に均一な加熱を行うことができることがわかる。

＜ハンチング抑制機能付きフォロア制御＞
図１２にハンチング抑制機能付きフォロア制御の結果を示す。図１１に示すようなハンチングが抑制され滑らかなフォロア制御が実現していることを確認できる。フォロア制御の入力を平滑化することで、高性能な制御が実現できた。

＜外乱・システム変更試験＞
図１３は、フォロア制御の外乱・システム変更試験を示す。温度制御系は、システム稼働中に頻繁に多くのシステム変更を伴う。外乱やシステム変更によらずフォロアはリーダーに追従しなくてはならない。実験では実際に起こりうるものよりも大きな外乱やシステム変更の影響量を与えた。実験結果より、たとえ外乱やシステム変更が生じても、フォロア制御が成功していることを確認できる。フォロア制御は、フォロアがフォロア領域内に収まることを方針としているために、非常に外乱に強い特長を有している。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る温度調節計によれば、全自動化で多チャンネルを同時に同軌跡で立ち上げるフォロア制御を採用したので、以下の効果を奏する。すなわち、加熱ムラが生じにくくなり生産品の品質が向上する。また、全チャンネルを同時に同軌跡で起動させるため無駄なエネルギーを削減し省エネとなる。また、材料の空だしなどの作業が必要なくなり生産率を向上できる。また、システムや運転条件が変更されても、予備試験を必要とせず汎用的である。さらに、均一な温度制御が必要な装置や起動の時間が長い装置に効果を発揮できる。

なお、上述した実施形態において、好ましくは温度調節計がフォロア制御のオンオフ入力を利用して未チューニングのチャンネルのＰＩＤパラメータを自動に決定するのが良い。これによって、温度調節計の使い勝手をより高めることができる。

また、上述した実施形態の代わりに、図１に代替的な構成を一部示した変形例のように、温度調節計が互いに通信可能な通信機能を備えた１入力１出力の温度調節計を複数備えた温度調節計群から構成されていても良い。これによっても、本発明の作用を十分発揮することが可能である。

本発明の実施の形態に係る温度調節計及びその変形例が適用されたオーブン調理器の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態に係る温度調節計におけるリーダーとフォロアの動作を示す図である。本発明の実施の形態に係る温度調節計におけるフォロアのヒステリシスを説明するための図である。本発明の実施の形態に係る温度調節計で実施されるフォロア制御の実行過程を示すフローチャートである。本発明の実施の形態に係る温度調節計におけるオートチューニング追加オプションを説明するための図である。本発明の実施の形態に係る温度調節計におけるリーダー・フォロアの自動判定アルゴリズムを説明するための図である。本発明の実施の形態に係る温度調節計におけるリーダー・フォロアの自動判定の失敗時の安全策を説明するための図である。本発明の実施の形態に係る温度調節計におけるハンチング抑制機能を説明するための図である。本発明の実施の形態に係る温度調節計の有効性検証に用いた実験装置の仕様を説明するための図である。本発明の実施の形態に係る温度調節計の有効性検証で温度制御対象として用いた加熱ブロックを説明するための図である。本発明の実施の形態に係る温度調節計によるフォロア制御と従来のＰＩＤ制御とを比較して説明するための図である。本発明の実施の形態に係る温度調節計によるハンチング抑制機能付きフォロア制御の結果を示す図である。本発明の実施の形態に係る温度調節計によるフォロア制御の外乱・システム変更試験を示す図である。

符号の説明

１筐体
２トレー
３₁〜３₅ ヒータ
４₁〜４₅ 温度センサ
５₁〜５₅ 操作部
６温度調節計

Claims

温度センサからの信号に応答して発熱体への入力量を制御するための複数のチャンネルを備えた温度調節計であって、
前記温度調節計は、筐体内に出し入れ可能に収容された被加熱物を複数のチャンネルのそれぞれごとに加熱するのに用いるようになっており、
前記複数のチャンネルは、それぞれのチャンネルに対応して前記筐体内に配置可能な複数のヒータを備え、
前記各チャンネルには予めそれぞれ個別の目標温度が設定されており、比例帯ＰＩＤ制御が行われるため、起動時には予め定められた各チャンネルごとの比例帯ＰＩＤ制御に基づいて比例帯にしたがって１００％入力が印加され、
前記温度調節計は、前記１００％入力の印加された各複数チャンネルのうちで、所定時間内において最も遅く立ち上がる遅い応答速度のチャンネルをリーダーと判定すると共に、当該リーダー以外のチャンネルをフォロアと判定する判定手段と、
前記判定手段で判定されたフォロアの温度が、リーダーの温度を越えて温度上昇しようとする時に、前記フォロアが予め定めた比例帯ＰＩＤ制御によって当該フォロアのヒータ入力がオンに指定されていても、当該フォロアのヒータ入力は強制的にオフにされ、前記フォロアのヒータ入力オフ時に当該フォロアの温度が予め設定された温度を超えて下降しようとすると前記ヒータ入力をオンにするフォロア制御を行い、これによって前記判定手段で判定されたフォロアを、前記リーダーを追い越さないように当該リーダーに追随させ、以て前記複数のチャンネルを同時且つ同軌跡で立ち上げるフォロア制御を行う制御手段と、
前記フォロアのうち目標温度の最も低いチャンネルかリーダーの何れかが、それぞれ予め定められた比例帯ＰＩＤ制御アルゴリズムの比例帯の１００％入力が終了する目標温度に到達した場合に、その目標温度に達した時点で前記フォロア制御を終了して、前記目標温度に到達したチャンネルの制御を除いて、前記残りの全チャンネルをそれぞれ予め定められた比例帯ＰＩＤ制御に切り換え、これ以降前記各比例帯ＰＩＤ制御をそれぞれ実行し、前記残りの各チャンネルの目標温度が異なるときは、各チャンネルの目標温度に整定していくことで残りのチャンネルをそれぞれの目標温度に向かってＰＩＤ制御することを特徴とする温度調節計。
前記制御手段は、さらに、
前記発熱体への入力のオン／オフの切り換え近くではサンプル時間を短くしてハンチングを抑制することを特徴とする請求項１記載の温度調節計。
前記制御手段は、さらに、
２回目以降のフォロア制御時は、先のフォロア制御時の発熱体への入力量に基づき該発熱体への入力量を決定してハンチングを抑制することを特徴とする請求項１記載の温度調節計。
前記温度調節計は、フォロア制御のオンオフ入力を利用して、未チューニングのチャンネルのＰＩＤパラメータを自動的に決定することを特徴とする請求項１に記載の温度調節計。
前記温度調節計が互いに通信可能な通信機能を備えた１入力１出力の温度調節計を複数備えた温度調節計群からなることを特徴とする請求項１に記載の温度調節計。