JP5083611B2 - オートチューニング方法、温度調節器および熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、温度制御における制御パラメータを調整するオートチューニング方法、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、加熱冷却制御におけるオートチューニング方法、それを用いた温度調節器および成形機や半導体製造装置などの熱処理装置に関する。

一般に、押出し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。

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。

かかる加熱冷却制御を行なう温度調節器の制御パラメータであるＰＩＤ定数を求めるオートチューニングでは、加熱側のＰＩＤ定数は得られるものの、冷却側のＰＩＤ定数を求める最適な手法がなく、手動によって試行錯誤的に調整しなければならなかった。

このため、加熱側および冷却側のオートチューニングが可能な調節計も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第２８０２４６０号

しかしながら、上記特許文献１では、加熱側のＰＩＤ定数を求めるためのオートチューニングと、冷却側のＰＩＤ定数を求めるためのオートチューニングとの２回のオートチューニングを行わねばならず、制御対象やチャンネル数によっては、オートチューニングに長時間を要するといった課題がある。

本発明は、上述のような点に鑑みて為されたものであって、１回のオートチューニングによって、加熱側および冷却側の制御パラメータを得られるようにすることを目的とする。

（１）本発明のオートチューニング方法は、加熱冷却制御における制御パラメータを調整するオートチューニング方法であって、加熱側操作量および冷却側操作量を交互に出力して２位置制御を行なうステップと、前記制御パラメータである加熱側の比例帯を、前記２位置制御によるリミットサイクル波形の設定温度を基準とした昇温側の振幅に比例するように算出するとともに、前記制御パラメータである冷却側の比例帯を、前記２位置制御によるリミットサイクル波形の前記設定温度を基準とした降温側の振幅に比例するように算出するステップとを備えている。

加熱冷却制御は、少なくとも比例制御を行うものであり、好ましくは、ＰＩＤ制御である。

設定温度を基準とした昇温側の振幅とは、設定温度を基準（境界）として、設定温度よりも昇温側、すなわち、設定温度よりも高温側のリミットサイクル波形の振幅をいい、設定温度を基準とした降温側の振幅とは、設定温度を基準（境界）として、設定温度よりも降温側、すなわち、設定温度よりも低温側のリミットサイクル波形の振幅をいう。

一般に、制御システムの閉ループ特性を一定に制御するためには、本来、比例帯は、制御対象の定常ゲインに比例するのが望ましい。ここで、定常ゲインとは、操作量１００％出力時の加熱能力や冷却能力をいう。

すなわち、加熱側の比例帯を、加熱能力である加熱側のゲインに比例するように決定し、冷却側の比例帯を、冷却能力である冷却側のゲインに比例するように決定すればよい。

本件発明者は、２位置制御、すなわち、オンオフ制御によるリミットサイクル波形における設定温度を基準とした昇温側の振幅が、加熱側のゲインに比例し、前記設定温度を基準とした降温側の振幅が、冷却側のゲインに比例するとの知見を得て、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、加熱側の比例帯を、２位置制御によるリミットサイクル波形の設定温度を基準とした昇温側の振幅に比例するように算出し、冷却側の比例帯を、前記リミットサイクル波形の前記設定温度を基準とした降温側の振幅に比例するように算出するものである。

したがって、本発明によると、１回のオートチューニングによって、制御パラメータである加熱側の比例帯および冷却側の比例帯を同時に求めることが可能となり、加熱側の制御パラメータを求めるためのオートチューニングと冷却側の制御パラメータを求めるためのオートチューニングとの２回のオートチューニングが必要な従来例に比べて、オートチューニングに要する時間を大幅に短縮することができる。

なお、ＰＩＤ制御における積分時間および微分時間は、リミットサイクル波形の周期を用いて算出すればよい。

（２）本発明のオートチューニング方法は、加熱冷却制御における制御パラメータを調整するオートチューニング方法であって、加熱側操作量および冷却側操作量を交互に出力して２位置制御を行なうステップと、前記制御パラメータである加熱側の比例帯を、前記２位置制御によるリミットサイクル波形の設定温度を基準とした昇温側の振幅に基づいて、加熱側の算出式に従って算出するとともに、前記制御パラメータである冷却側の比例帯を、前記２位置制御によるリミットサイクル波形の前記設定温度を基準とした降温側の振幅に基づいて、冷却側の算出式に従って算出するステップとを含み、加熱側の前記算出式は、加熱側の比例帯が、前記２位置制御によるリミットサイクル波形の前記昇温側の振幅に比例する関係式であり、冷却側の前記算出式は、冷却側の比例帯が、前記２位置制御によるリミットサイクル波形の前記降温側の振幅に比例する関係式である。

本発明のオートチューニング方法によると、加熱側の比例帯が２位置制御によるリミットサイクル波形の設定温度を基準とした昇温側の振幅に比例する加熱側の算出式、および、冷却側の比例帯が、前記リミットサイクル波形の設定温度を基準とした降温側の振幅に比例する冷却側の算出式をそれぞれ用いて、加熱側の比例帯および冷却側の比例帯を算出するので、１回のオートチューニングによって、制御パラメータである加熱側の比例帯および冷却側の比例帯を同時に求めることが可能となる。これによって、加熱側の制御パラメータを求めるためのオートチューニングと冷却側の制御パラメータを求めるためのオートチューニングとの２回のオートチューニングが必要な従来例に比べて、オートチューニングに要する時間を大幅に短縮することができる。

（３）上記（２）の実施形態では、前記加熱側の比例帯をＰｈ、比例定数をＫｐｈ、前記昇温側の振幅をＡｕｐ、前記加熱側操作量をＭＶｈとし、前記冷却側の比例帯をＰｃ、比例定数をＫｐｃ、前記降温側の振幅をＡｄｏｗｎ、前記冷却側操作量をＭＶｃとしたときに、加熱側および冷却側の前記算出式を、
Ｐｈ＝Ｋｐｈ・Ａｕｐ／ＭＶｈ
Ｐｃ＝Ｋｐｃ・Ａｄｏｗｎ／ＭＶｃ
としてもよい。

比例定数Ｋｐｈ、Ｋｐｃは、予め、Ziegler・Nicholsの調整則などを用いて求めるのが好ましい。

この実施形態によると、加熱側の比例帯Ｐｈを、２位置制御によるリミットサイクル波形の設定温度を基準とした昇温側の振幅Ａｕｐ、加熱側操作量ＭＶｈを用いて算出することができ、また、冷却側の比例帯Ｐｃを、２位置制御によるリミットサイクル波形の設定温度を基準とした降温側の振幅Ａｄｏｗｎ、冷却側操作量ＭＶｃを用いて算出することができる。

（４）本発明の温度調節器は、制御対象の温度が設定温度になるように加熱冷却制御する温度調節器であって、加熱冷却制御における制御パラメータを調整するオートチューニング時に、加熱側操作量および冷却側操作量を交互に出力して２位置制御を行なう２位置制御部と、前記２位置制御によるリミットサイクル波形の特徴量を計測する特徴量計測部と、計測した前記特徴量に基づいて、前記制御パラメータである加熱側の比例帯および冷却側の比例帯を、それぞれ算出する制御パラメータ算出部と、算出された加熱側比例帯および冷却側比例帯を用いて、加熱冷却制御を行う制御部とを備え、前記特徴量計測部は、前記リミットサイクル波形の設定温度を基準とした昇温側の振幅および降温側の振幅を計測するものであり、前記制御パラメータ算出部は、前記加熱側の比例帯を、前記昇温側の振幅に比例するように算出するとともに、前記冷却側の比例帯を、前記降温側の振幅に比例するように算出するものである。

本発明の温度調節器によると、特徴量計測部で、２位置制御によるリミットサイクル波形の特徴量を計測し、制御パラメータ算出部で、加熱側の比例帯を、前記リミットサイクル波形の設定温度を基準とした昇温側の振幅に比例するように算出し、冷却側の比例帯を、前記リミットサイクル波形の前記設定温度を基準とした降温側の振幅に比例するように算出するので、１回のオートチューニングによって、加熱側の比例帯および冷却側の比例帯を同時に求めることが可能となり、従来例に比べて、オートチューニングに要する時間を大幅に短縮することができる。

（５）本発明の温度調節器は、制御対象の温度が設定温度になるように加熱冷却制御する温度調節器であって、加熱冷却制御における制御パラメータを調整するオートチューニング時に、加熱側操作量および冷却側操作量を交互に出力して２位置制御を行なう２位置制御部と、前記２位置制御によるリミットサイクル波形の特徴量を計測する特徴量計測部と、計測した前記特徴量に基づいて、前記制御パラメータである加熱側の比例帯および冷却側の比例帯を、加熱側および冷却側の各算出式に従ってそれぞれ算出する制御パラメータ算出部と、算出された加熱側比例帯および冷却側比例帯を用いて、加熱冷却制御を行う制御部とを備え、前記特徴量計測部は、前記リミットサイクル波形の設定温度を基準とした昇温側の振幅および降温側の振幅を計測するものであり、前記加熱側の前記算出式は、加熱側の比例帯が、前記昇温側の振幅に比例する関係式であり、前記冷却側の前記算出式は、冷却側の比例帯が、前記降温側の振幅に比例する関係式である。

本発明の温度調節器によると、加熱側の比例帯が２位置制御によるリミットサイクル波形の設定温度を基準とした昇温側の振幅に比例する加熱側の算出式、および、冷却側の比例帯が、前記リミットサイクル波形の設定温度を基準とした降温側の振幅に比例する冷却側の算出式をそれぞれ用いて、加熱側の比例帯および冷却側の比例帯を算出するので、１回のオートチューニングによって、加熱側の比例帯および冷却側の比例帯を同時に求めることが可能となり、従来例に比べて、オートチューニングに要する時間を大幅に短縮することができる。

（６）上記（５）の実施形態では、前記加熱側の比例帯をＰｈ、比例定数をＫｐｈ、前記昇温側の振幅をＡｕｐ、前記加熱側操作量をＭＶｈとし、前記冷却側の比例帯をＰｃ、比例定数をＫｐｃ、前記降温側の振幅をＡｄｏｗｎ、前記冷却側操作量をＭＶｃとしたときに、加熱側および冷却側の前記算出式を、
Ｐｈ＝Ｋｐｈ・Ａｕｐ／ＭＶｈ
Ｐｃ＝Ｋｐｃ・Ａｄｏｗｎ／ＭＶｃ
としてもよい。

この実施形態によると、加熱側の比例帯Ｐｈを、２位置制御によるリミットサイクル波形の設定温度を基準とした昇温側の振幅Ａｕｐ、加熱側操作量ＭＶｈを用いて算出することができ、また、冷却側の比例帯Ｐｃを、２位置制御によるリミットサイクル波形の設定温度を基準とした降温側の振幅Ａｄｏｗｎ、冷却側操作量ＭＶｃを用いて算出することができる。

（７）本発明の熱処理装置は、本発明に係る温度調節器と、制御対象として熱処理手段と、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。

本発明の熱処理装置によれば、例えば、熱処理手段としての成形機におけるヒータなどによる加熱および水冷ジャケットなどによる冷却を制御する温度調節器の制御パラメータのチューニングを、従来に比べて短い時間で行うことが可能となる。

本発明によれば、制御パラメータである加熱側の比例帯を、２位置制御によるリミットサイクル波形の設定温度を基準とした昇温側の振幅に比例するように算出し、冷却側の比例帯を、前記リミットサイクル波形の前記設定温度を基準とした降温側の振幅に比例するように算出するので、１回のオートチューニングによって、加熱側の比例帯および冷却側の比例帯を同時に求めることが可能となり、２回のオートチューニングが必要な従来例に比べて、オートチューニングに要する時間を大幅に短縮することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（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を備える温度制御システムのブロック図である。

この実施の形態の温度調節器１は、例えば、押出し成形機などの制御対象２の加熱冷却制御を行うものであり、図示しない設定部からの設定温度ＳＰと、制御対象２としての押出し成形機のシリンダに配設された温度センサ８からの検出温度（現在温度）ＰＶとの偏差に基づいて、加熱冷却制御用の操作量ＭＶを演算出力するＰＩＤ制御部３と、このＰＩＤ制御部３の操作量ＭＶの正負に応じて、加熱側のＰＩＤ定数または冷却側のＰＩＤ定数を切換えるＰＩＤ定数切換部４と、ＰＩＤ制御部３からの操作量ＭＶが、正のときには、加熱操作量ＭＶｈとしてヒータ等の加熱装置５に出力し、負のときには、冷却操作量ＭＶｃとして冷却ジャケット等の冷却装置６への冷却配管のバルブ等に出力する操作量変換部７とを備えており、これらは、例えば、マイクロコンピュータによって構成される。

この実施形態では、１回のオートチューニングによって、加熱側および冷却側のＰＩＤ定数を同時に算出できるようにして、オートチューニングに要する時間を短縮するようにしている。

図２は、オートチューニング時のブロック図であり、図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。

この実施形態では、オートチューニング時には、２位置制御部９によって、検出温度（現在温度）ＰＶが、設定温度ＳＰよりも高いときには、加熱側ＯＦＦ、冷却側ＯＮとし、検出温度ＰＶが、設定温度ＳＰよりも低いときには、加熱側ＯＮ、冷却側ＯＦＦとして２位置制御（オンオフ制御）を行い、リミットサイクルを発生させる。

特徴量計測部１０は、２位置制御によるリミットサイクル波形の特徴量である後述の振幅、周期を計測し、ＰＩＤ定数算出部１１は、計測した特徴量に基づいて、後述の算出式に従って、加熱側および制御側のＰＩＤ定数をそれぞれ算出し、ＰＩＤ定数記憶部１２に記憶させる。

２位置制御部９、特徴量計測部１０、ＰＩＤ定数算出部１１およびＰＩＤ定数記憶部１２は、上述のマイクロコンピュータによって構成される。

図３は、このオートチューニング時の動作説明に供するフローチャートである。また、図４は、このオートチューニングによるリミットサイクルのタイムチャートであり、同図 （ａ）は検出温度ＰＶを、同図（ｂ）は操作量ＭＶをそれぞれ示している。

図３に示すように、先ず、加熱側の２位置操作量を設定する。例えば、加熱側のＯＮ時の操作量ＭＶｈを１００％に設定する（ステップｎ１）。次に、冷却側の２位置操作量を設定する。例えば、冷却側のＯＮ時の操作量ＭＶｃを−１００％に設定する（ステップｎ２）。なお、この操作量ＭＶｈ、ＭＶｃは、１００％、−１００％に限らず、ユーザが任意に設定することができる。

次に、２位置制御を行う。すなわち、図４に示すように、検出温度ＰＶが、設定温度ＳＰよりも高いときには、冷却側の２位置操作量ＭＶｃを出力し、検出温度ＰＶが、設定温度ＳＰよりも低いときには、加熱側の２位置操作量ＭＶｈを出力し、加熱冷却のリミットサイクル動作を行なう（ステップｎ３）。

この２位置制御によって得られる図４（ａ）に示すリミットサイクル波形の特徴量を計測する（ステップｎ４）。

この実施形態では、特徴量として、図４（ａ）に示すように、リミットサイクル波形の設定温度ＳＰを基準（境界）とした昇温（高温）側の振幅Ａｕｐを計測するとともに、設定温度ＳＰを基準（境界）とした降温（低温）側の振幅Ａｄｏｗｎを計測するようにしており、従来のリミットサイクルのように、昇温側および降温側に亘る全体の振幅を計測するものではなく、昇温側の振幅Ａｕｐと降温側の振幅Ａｄｏｗｎとを個別にそれぞれ計測するようにしている。

また、特徴量として、従来のリミットサイクルと同様に、リミットサイクルの周期Ｔｃを計測する。

次に、図３に示されるように、既定のリミットサイクルの周期、例えば、２周期に達したか否か判断し（ステップｎ５）、達していないときには、ステップｎ３に戻り、達したときには、ステップｎ６，ｎ７に移る。

ステップｎ６，ｎ７では、後述の算出式に従って、加熱側のＰＩＤ定数および冷却側のＰＩＤ定数をそれぞれ算出し、算出した加熱側および冷却側のＰＩＤ定数を、ＰＩＤ定数記憶部１２にそれぞれ記憶し（ステップｎ８，ｎ９）、オートチューニングを終了し、以後は、上述の図１の構成で、記憶したＰＩＤ定数を用いて加熱冷却制御を行なう。

次に、この実施形態のＰＩＤ定数の算出式について説明する。

この実施形態では、加熱側の比例帯Ｐｈ、加熱側の積分時間Ｔｉｈ、加熱側の微分時間Ｔｄｈを下記の式に従って算出する。

加熱側比例帯Ｐｈ＝Ｋｐ・Ａｕｐ／ＭＶｈ （１）
加熱側積分時間Ｔｉｈ＝Ｋｉ・Ｔｃ （２）
加熱側微分時間Ｔｄｈ＝Ｋｄ・Ｔｃ （３）
また、冷却側の比例帯Ｐｃ、冷却側の積分時間Ｔｉｃ、冷却側の微分時間Ｔｄｃを下記の式に従って算出する。

冷却側比例帯Ｐｃ＝Ｋｐ・Ａｄｏｗｎ／ＭＶｃ （４）
冷却側積分時間Ｔｉｃ＝Ｋｉ・Ｔｃ （５）
冷却側微分時間Ｔｄｃ＝Ｋｄ・Ｔｃ （６）
ここで、Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄは、予め設計者が決めておく定数であり、ＡｕｐおよびＡｄｏｗｎは、上述の図４（ａ）に示されるリミットサイクル波形の設定温度ＳＰを基準とした昇温側および降温側の振幅であり、Ｔｃはリミットサイクル周期である。また、ＭＶｈおよびＭＶｃは、図４（ｂ）に示される加熱側および冷却側の操作量の設定値であり、例えば、１００％である。

この実施形態では、式（１）に示すように、加熱側の比例帯Ｐｈを、加熱側の振幅Ａｕｐに比例するように算出し、また、式（４）に示すように、冷却側の比例帯Ｐｃを、冷却側の振幅Ａｄｏｗｎに比例するように算出している。

この比例帯の算出式について更に説明する。

オートチューニングの目的は、制御対象の特性に拘らず、制御系全体の特性を一定に保つようなＰＩＤ定数を決定することである。

簡単のため、ＰＩＤのうちＰ機能のみ考察する。また、図５に示すブロック線図の構造では、開ループ特性が同一なら閉ループ特性も同一なので、閉ループより簡単な開ループについて考察する。

図５のブロック線図で、コントローラのゲインをＫｐ、制御対象の定常ゲインをＫ、制御対象の遅れ特性をｆ（ｓ）とすると、目標値ｘから出力ｙまでの開ループ特性ｇは、
ｇ＝Ｋｐ・Ｋ・ｆ（ｓ）
となる。定常ゲインＫが上記制御対象のａ倍である制御対象に対して、開ループ特性を同等にするためにはコントローラのゲインを元の（１／ａ）にすればよい。例えば、図６に示すように、制御対象の定常ゲインＫが２Ｋの場合には、Ｋｐを（Ｋｐ／２）とすればよい。このときの、開ループ特性ｈが元の開ループ特性ｇと同じになることを示す。

ｈ＝（Ｋｐ／２）・２Ｋ・ｆ（ｓ）＝ Ｋｐ・Ｋ・ｆ（ｓ）＝ｇ
したがって、 コントローラのゲインＫｐの算出式は、制御対象の定常ゲインＫに反比例することが望ましい。比例帯Ｐｂで言えば、比例帯ＰｂはゲインＫｐの逆数であるから、比例帯Ｐｂは制御対象の定常ゲインに比例することが望ましい。

すなわち、制御システムの閉ループ特性を一定に制御するために、比例帯Ｐは、制御対象の定常ゲインに比例することが望ましい。具体的には、定常ゲインとは、操作量１００％出力時の加熱能力や冷却能力のことである。

したがって、設定温度ＳＰを基準とした昇温側の振幅Ａｕｐが加熱能力に比例し、降温側の振幅Ａｄｏｗｎが冷却能力に比例していれば、加熱側および冷却側の比例帯Ｐを、前記振幅Ａｕｐおよび振幅Ａｄｏｗｎに比例させれば、上記の関係を満たすことが分かる。

実際に、コンピュータ上でのシミュレーション実験により、図７のブロック線図の制御対象について、加熱の定常ゲインｋｈおよび冷却の定常ゲインｋｃを変更し、加熱の定常ゲインｋｈが昇温側の振幅Ａｕｐに比例し、冷却の定常ゲインｋｃが降温側の振幅Ａｄｏｗｎに比例することを確認した。

なお、図７は、加熱装置、冷却装置を含む制御対象の全体を、伝達関数で示したものである。

次に、加熱側比例帯Ｐｈおよび冷却側比例帯Ｐｃの算出式（１），（４）における定数Ｋｐの値について説明する。

この実施形態では、従来のリミットサイクル法において、Ziegler・NicholsのＰＩＤ調整則を、加熱制御のみに適用した場合に得られるＰＩＤ定数の算出式に基づいて、上記定数Ｋｐを決定するようにしている。

ここで、従来のリミットサイクル法において、Ziegler・NicholsのＰＩＤ調整則を、加熱制御のみに適用した場合の加熱比例帯Ｐ、積分時間Ｔｉ、微分時間Ｔｄは、下記式によって算出される。また、図８は、従来のリミットサイクルのタイムチャートを示すものであり、同図（ａ）はリミットサイクル波形、同図（ｂ）は操作量をそれぞれ示している。
加熱比例帯Ｐ
＝１／０．６Ｋｃｐ＝ （π・Ｘ０） ／（０．６・４・Ｍ） （７）
積分時間Ｔｉ＝０．５Ｔｃ （８）
微分時間Ｔｄ＝０．１２５Ｔｃ （９）
ただし、Ｍは図８（ｂ）に示される操作量ＭＶの振幅、Ｘ０は図８（ａ）に示される検出温度ＰＶの昇温側および降温側の全体に亘る振幅、Ｔｃはリミットサイクル周期である。

本発明に係る算出式である上記式（１）と、従来の式（７）とを比較する。
加熱側比例帯Ｐｈ＝Ｋｐ・Ａｕｐ／ＭＶｈ （１）
加熱比例帯Ｐ＝（π・Ｘ０） ／（０．６・４・Ｍ） （７）
上記式で、Ｐｈ＝ＰとおいてＫｐについて式を整理することにより、従来法を拡大して適用した場合のＫｐ値を類推する。

Ｋｐ・Ａｕｐ／ＭＶｈ＝ （π・Ｘ０） ／（０．６・４・Ｍ）
Ｋｐ＝ ＭＶｈ （π・Ｘ０） ／（０．６・４・Ｍ・Ａｕｐ）
ここで、「加熱操作量振幅ＭＶｈ＝Ｍ」、「制御量振幅Ｘ０≒２・Ａｕｐ」 とすれば、
Ｋｐ＝Ｍ （π・２・Ａｕｐ ）／（０．６・４・Ｍ・Ａｕｐ）＝π／１．２≒２．６
したがって、従来法からの類推によれば、定数Ｋｐは約２．６となり、その周辺の値が推奨値とすることが望ましい。

ただし、定数Ｋｐをあまり小さく設定すると発振するため、上記「約２．６」よりも過度に小さくすることは望ましくない。一方、定数Ｋｐを大きく設定しても応答が遅くなり、より安定になるが、その変化は緩慢なため、推奨値範囲としてはＫｐを大きくする方向に広く取れる。

以上の事項を勘案して、定数Ｋｐは、２．０以上２０以下とするのが望ましい。

また、積分時間および微分時間の定数Ｋｉ、Ｋｄについては、式（２）と式（８）、および、式（３）と式（９）とをそれぞれ比較することにより、Ｋｉ≒０．５、Ｋｄ≒０．１２５程度が望ましい。

次に、上記算出式（１）〜（６）式において、Ｋｉ＝０．５、Ｋｄ＝０．１２５とし、Ｋｐを変化させた場合の性能を、シミュレーションによって比較した。

制御対象の特性は、むだ時間を１０秒、一次遅れ時定数Ｔを１２００秒、 加熱装置のゲイン、すなわち、操作量１００％としたときに整定する温度を１０００℃ 、冷却装置のゲイン、すなわち、操作量−１００％としたときに整定する温度を−６０００℃とした。なお、「−６０００℃」とは、実際に−６０００℃に達するという意味ではなく、実際に使用する比較的高温の状態、例えば、成形機では、２００℃〜３００℃での冷却速度を、１次遅れ曲線等で近似し、低温領域まで延長すると、仮想的に−６０００℃に達するという意味である。

図９〜図１３は、シミュレーション結果の制御波形を示すものであり、実線は、目標温度を２５０℃から１５０℃に変化させた場合の検出温度（現在温度）の変化を示し、破線は、外乱の印加を示している。

図９は、定数Ｋｐを、従来法から類推されたＫｐ＝２．６としたものであり、図１０は、定数Ｋｐの推奨値の下限であるＫｐ＝２．０としたものであり、図１１は、定数Ｋｐの推奨値の上限であるＫｐ＝２０としたものである。

これに対して、図１２は、定数Ｋｐの推奨値の範囲外の過小値であるＫｐ＝１．０としたものであり、図１３は、定数Ｋｐの推奨値の範囲外の過大値であるＫｐ＝４０としたものである。

定数Ｋｐが過小である図１２では、発振が生じており、また、定数Ｋｐが過大である図１３は、ハンチングが生じているのに対して、定数Ｋｐが推奨範囲、すなわち、２．０以上２０以下である図９〜図１１は、良好であることが分かる。

本発明は、加熱冷却制御に有用である。

本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器の加熱冷却制御時のブロック図である。 図１の温度調節器のオートチューニング時のブロック図である。 図１の温度調節器のオートチューニング時のフローチャートである。 オートチューニング時の検出温度および操作量のタイムチャートである。 制御ループの特性を説明するためのブロック線図である。 制御ループの特性を説明するためのブロック線図である。 制御対象のブロック線図である。 従来のリミットサイクルのタイムチャートである。 定数Ｋｐ＝２．６の場合の制御波形を示す図である。 定数Ｋｐ＝２．０の場合の制御波形を示す図である。 定数Ｋｐ＝２０の場合の制御波形を示す図である。 定数Ｋｐ＝１．０の場合の制御波形を示す図である。 定数Ｋｐ＝４０の場合の制御波形を示す図である。

符号の説明

１ 温度調節器
２ 制御対象
３ ＰＩＤ制御部
９ ２位置制御部
１０ 特徴量計測部
１１ ＰＩＤ定数算出部
１２ ＰＩＤ定数記憶部

Claims (7)

1. 加熱冷却制御における制御パラメータを調整するオートチューニング方法であって、
   加熱側操作量および冷却側操作量を交互に出力して２位置制御を行なうステップと、
   前記制御パラメータである加熱側の比例帯を、前記２位置制御によるリミットサイクル波形の設定温度を基準とした昇温側の振幅に比例するように算出するとともに、前記制御パラメータである冷却側の比例帯を、前記２位置制御によるリミットサイクル波形の前記設定温度を基準とした降温側の振幅に比例するように算出するステップと、
   を備えることを特徴とするオートチューニング方法。
2. 加熱冷却制御における制御パラメータを調整するオートチューニング方法であって、
   加熱側操作量および冷却側操作量を交互に出力して２位置制御を行なうステップと、
   前記制御パラメータである加熱側の比例帯を、前記２位置制御によるリミットサイクル波形の設定温度を基準とした昇温側の振幅に基づいて、加熱側の算出式に従って算出するとともに、前記制御パラメータである冷却側の比例帯を、前記２位置制御によるリミットサイクル波形の前記設定温度を基準とした降温側の振幅に基づいて、冷却側の算出式に従って算出するステップとを含み、
   加熱側の前記算出式は、加熱側の比例帯が、前記２位置制御によるリミットサイクル波形の前記昇温側の振幅に比例する関係式であり、冷却側の前記算出式は、冷却側の比例帯が、前記２位置制御によるリミットサイクル波形の前記降温側の振幅に比例する関係式であることを特徴とするオートチューニング方法。
3. 前記加熱側の比例帯をＰｈ、比例定数をＫｐｈ、前記昇温側の振幅をＡｕｐ、前記加熱側操作量をＭＶｈとし、前記冷却側の比例帯をＰｃ、比例定数をＫｐｃ、前記降温側の振幅をＡｄｏｗｎ、前記冷却側操作量をＭＶｃとしたときに、加熱側および冷却側の前記算出式が、
   Ｐｈ＝Ｋｐｈ・Ａｕｐ／ＭＶｈ
   Ｐｃ＝Ｋｐｃ・Ａｄｏｗｎ／ＭＶｃ
   である請求項２に記載のオートチューニング方法。
4. 制御対象の温度が設定温度になるように加熱冷却制御する温度調節器であって、
   加熱冷却制御における制御パラメータを調整するオートチューニング時に、加熱側操作量および冷却側操作量を交互に出力して２位置制御を行なう２位置制御部と、
   前記２位置制御によるリミットサイクル波形の特徴量を計測する特徴量計測部と、
   計測した前記特徴量に基づいて、前記制御パラメータである加熱側の比例帯および冷却側の比例帯を、それぞれ算出する制御パラメータ算出部と、
   算出された加熱側比例帯および冷却側比例帯を用いて、加熱冷却制御を行う制御部とを備え、
   前記特徴量計測部は、前記リミットサイクル波形の設定温度を基準とした昇温側の振幅および降温側の振幅を計測するものであり、
   前記制御パラメータ算出部は、前記加熱側の比例帯を、前記昇温側の振幅に比例するように算出するとともに、前記冷却側の比例帯を、前記降温側の振幅に比例するように算出することを特徴とする温度調節器。
5. 制御対象の温度が設定温度になるように加熱冷却制御する温度調節器であって、
   加熱冷却制御における制御パラメータを調整するオートチューニング時に、加熱側操作量および冷却側操作量を交互に出力して２位置制御を行なう２位置制御部と、
   前記２位置制御によるリミットサイクル波形の特徴量を計測する特徴量計測部と、
   計測した前記特徴量に基づいて、前記制御パラメータである加熱側の比例帯および冷却側の比例帯を、加熱側および冷却側の各算出式に従ってそれぞれ算出する制御パラメータ算出部と、
   算出された加熱側比例帯および冷却側比例帯を用いて、加熱冷却制御を行う制御部とを備え、
   前記特徴量計測部は、前記リミットサイクル波形の設定温度を基準とした昇温側の振幅および降温側の振幅を計測するものであり、
   前記加熱側の前記算出式は、加熱側の比例帯が、前記昇温側の振幅に比例する関係式であり、前記冷却側の前記算出式は、冷却側の比例帯が、前記降温側の振幅に比例する関係式であることを特徴とする温度調節器。
6. 前記加熱側の比例帯をＰｈ、比例定数をＫｐｈ、前記昇温側の振幅をＡｕｐ、前記加熱側操作量をＭＶｈとし、前記冷却側の比例帯をＰｃ、比例定数をＫｐｃ、前記降温側の振幅をＡｄｏｗｎ、前記冷却側操作量をＭＶｃとしたときに、加熱側および冷却側の前記算出式が、
   Ｐｈ＝Ｋｐｈ・Ａｕｐ／ＭＶｈ
   Ｐｃ＝Ｋｐｃ・Ａｄｏｗｎ／ＭＶｃ
   である請求項５に記載の温度調節器。
7. 前記請求項４〜６のいずれか一項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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