JP5177140B2 - 多重モード制御アルゴリズム - Google Patents

Description

本発明は、制御システムに関し、より具体的には、制限するためではないが、本発明は、流体の流量を制御するためのシステムおよび方法に関する。

閉ループ制御アルゴリズムは、適切に調整される場合、特定の流体流量設定値からの偏差を生じさせる流体流量条件の変化に応じて、流体の流量を調節するために使用可能である。流体流量条件の変化は、例えば、圧力、温度等の変動によって生じる場合が多い。これらの変動によって生じる特定の流体流量設定値からの偏差は、閉ループ制御アルゴリズムのフィードバックループ内の感知装置によって生成される測定値（例えば、流量センサからの流量センサ測定値）に基づいて（例えば、フィードバック信号）、検出および補正される。

しかしながら、流体流量条件が、例えば、急激な圧力変化の結果、急激に変化すると、フィードバックループによって使用される感知装置は、フィードバック信号を飽和または不安定なフィードバック信号を生成し得る。流量制御器が、例えば、閉ループ制御アルゴリズム内のこれらの飽和および／または不安定なフィードバック信号を使用する場合、流量制御器は、特定の流体流量設定値に従って、流体を送達できない場合がある。流量制御器は、例えば、不安定なフィードバック信号に基づいて、流体流量条件の変化を過大補償または過小補償し得る。故に、流体流量条件下の急激な変化に応じて、現在の方法の欠点を解決する新しく革新的特徴を提供するための方法および／または装置の必要性が存在する。

（発明の概要）
図面に示される本発明の例示的な実施形態は、以下に要約されている。これらおよびその他の実施形態は、発明を実施するための形態の章により完全に記載される。しかしながら、本発明を、本発明の課題を解決するための手段または発明を実施するための形態に記載される形に制限する意図はないことは、理解されるものとする。当業者は、請求項で述べる本発明の精神および範囲に含まれる、数々の変形、同等物、および代替の構成があることを認識できるものとする。

本発明は、多重モード制御アルゴリズムを使用して、流体の流量を制御するためのシステムおよび方法を提供することができる。一実施形態では、方法は、センサによって生成される少なくとも１つのセンサ指標を受信するステップを含む。多重モード制御アルゴリズムは、少なくとも１つのセンサ指標に基づいて、閾値条件が充足されると、閉ループモードから開ループモードに修正される。多重モード制御アルゴリズムは、設定値に従って流体の流量を制御するために、流量制御器によって使用される。

別の実施形態では、方法は、圧力センサによって生成される流体の圧力測定値を受信するステップを含む。流体の流量を制御するために使用される弁位置は、フィードバック制御ループが係合解除されると、圧力測定値に基づいて計算される。フィードバック制御ループは、流体の圧力変化が閾値条件を充足すると係合解除される。

さらに別の実施形態では、装置は、プロセッサおよびメモリを含む。プロセッサは、フィードバック制御ループが係合解除されると、圧力測定値に基づいて、弁の弁位置指標を生成するように構成される。弁は、弁位置指標に応じて、流体の流量を制御する。フィードバック制御ループは、流体の圧力変化が閾値条件を充足すると係合解除される。メモリは、弁位置を計算するために、プロセッサによって使用される弁位置と、流体の流量と、および圧力測定値との間の数学的関係を格納するように構成される。

図１は、本発明の実施形態による、流量制御器が、多重モード制御アルゴリズムを使用し、流体ディスペンサから反応槽へ、流体の流量を制御する環境を図示するブロック図である。 図２Ａは、本発明の実施形態による、圧力センサによって示される圧力測定値を示すグラフである。図２Ｂは、本発明の実施形態による、圧力変化によって生じる寄生流量の値を示すグラフである。図２Ｃは、本発明の実施形態による、流量センサからの流量センサ測定値を示すグラフである。図２Ｄは、本発明の実施形態による、圧力変化に応じた補償流量を示すグラフである。図２Ｅは、本発明の実施形態による、多重モード制御アルゴリズムを実装する流量制御器によって制御される弁の弁位置を示すグラフである。図２Ｆは、本発明の実施形態による、多重モード制御アルゴリズムを使用して制御される弁を介する、実際の流体流量を示すグラフである。 図３は、本発明の実施形態による、多重モード制御アルゴリズムを修正するための方法を示す工程図である。 図４は、本発明の別の実施形態による、多重モード制御アルゴリズムを修正するための方法を示す工程図である。

本発明の種々の目的および利点、ならびにより完全な理解は、添付の図面とともに、続く詳細な説明、および添付の特許請求の範囲を参照することによって、明らかとなり、より容易に理解される。

（詳細な説明）
いくつかの実施形態によると、本発明は、閾値条件が充足される（例えば、計算値が、閾値を下回るまたは上回る）と、閉ループモード（閉ループ制御アルゴリズムに基づくモード）から開ループモード（開ループ制御アルゴリズムに基づくモード）に変化させるように構成される多重モード制御アルゴリズムを対象とする。多くの実施形態では、多重モード制御アルゴリズムは、突然の圧力変化等の外乱が、閉ループモードのフィードバックループにおいて使用される不安定なフィードバック測定値（例えば、寄生流量（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｆｌｏｗ））を生じさせると、閉ループモードから開ループモードに変化させるように構成される。外乱が抑制された後、または一定時間後、多重モード制御アルゴリズムは、開ループモードから閉ループモードに変化させるように構成される。

多重モード制御アルゴリズムによって参照される閾値条件は、例えば、閉ループモードのフィードバックループのためにセンサによって測定される値が、センサの通常作動範囲外であって、フィードバックループ内に合理的に依存できないと（例えば、流量センサの飽和値近傍）、多重モード制御アルゴリズムが閉ループモードから開ループモードに変化（例えば、適合）するように定義される。いくつかの実施形態では、閾値条件は、センサからの１つ以上の測定値に基づいて計算される１つ以上の値に関連する。いくつかの実施形態では例えば、多重モード制御アルゴリズムは、圧力変化が定義された閾値条件を上回ると、閉ループモードから開ループモードに変化される。

いくつかの実施形態では、流量制御器は、多重モード制御アルゴリズムが閉ループモードにある場合、フィードバックループ内の設定値指標および流量センサ指標を使用して、例えば、弁の位置（例えば、可変弁）を調節することによって、流体の流量を制御する。多くの実施形態では、閉ループモード／閉ループ制御アルゴリズムは、比例積分微分（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−ｉｎｔｅｇｒａｌ−ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ；ＰＩＤ）制御のいくつかの組み合わせに基づき、フィードバックループは、流量センサ等のセンサからの測定値（例えば、流量測定値または流量センサ指標）に基づく。多重モード制御アルゴリズムが、例えば、開ループモードに変化すると、制御アルゴリズムは、弁の位置を判断するための数学的関係を使用して、例えば、流体の流量を制御する。いくつかの実施形態では、数学的関係は、例えば、較正手順の際に特徴付けられる流量／弁感度データに基づく。

次に図面を参照すると、図１は、多重モード制御アルゴリズムを使用して、流体ディスペンサ１２０から反応槽１８０への流体の流量を制御する流量制御器１００を示す。流量制御器１００は、流量制御器１００から上流の流量センサ１４２および圧力センサ１４４から指標を受信する。流量センサ１４２からの指標は、流体ディスペンサ１２０から流れる流体の流量測定値を示す。圧力センサ１４４からの指標は、流体ディスペンサ１２０からの流体の圧力測定値を示す。流量制御器１００は、流体流量設定値を示す設定値指標１４６に従って、流体の流量を制御する。本例示的実施形態における流量制御器１００は、多重モード制御アルゴリズムを実装し、流体の流量を制御するために使用されるプロセッサ１０２と、弁１０４と、メモリ１０６とを含む。

本例示的実施形態では、流量制御器１００は、圧力センサ１４４によって示される圧力測定値に基づいて計算される圧力変化の比率（圧力変化率とも称する）が、閾値条件を充足（例えば、上回る）と、閉ループモードから開ループモードに多重モード制御アルゴリズムを変化させる。圧力センサ１４４からの圧力測定値に基づいて、後に計算される圧力変化の比率が、閾値条件を下回ると、多重モード制御アルゴリズムは、開ループモードから閉ループモードに戻る。閉ループモードにある場合、流量制御器１００は、フィードバックループ内の流体流量設定値および流量測定値を使用して、流体ディスペンサ１２０から反応槽１８０への流体の流量を制御する。開ループモードにある場合、流量制御器１００は、圧力測定値に基づく数学的関係を示す開ループ制御アルゴリズムを使用して、流体の流量を制御する。

いくつかの実施形態では、流体は、液体（例えば、硫酸）であり、他の実施形態では、気体（例えば、窒素）であるが、本開示の利益を有する当業者は、流量制御器１００によって送達される流体は、例えば、気体または液体等、任意の相の元素および／または化合物の混合物を含む、任意の種類の流体であってもよいことを理解するであろう。多重モード制御アルゴリズムは、いくつかの実施形態では、気体状態（例えば、窒素）、および／または液体状態（例えば、塩酸）である流体を、例えば、半導体施設内の道具へ送達するように構成される質量流量制御器である、流量制御器１００に実装される。多くの実施形態における流量制御器１００は、高圧下、低温下、あるいは異なるタイプのコンテナまたは容器へ流体を送達するように構成されている。

多くの実施形態における流量センサ１４２は、熱流量センサによって実現されるが、他の実施形態では、層流センサ、コリオリ流量センサ、超音波流量センサ、または差圧センサが利用される。圧力センサ１４４は、例えば、ゲージ圧力センサ、差動センサ、絶対圧力センサ、またはピエゾ抵抗圧力センサによって実現される。変形例では、流量センサ１０２および／または圧力センサ１４４は、他のセンサ（例えば、温度センサ）の任意の組み合わせと併用して使用され、流体の流量を正確に測定する。これらの組み合わせは、例えば、閉ループモードまたは開ループモードにおけるフィードバックループにおいて使用され、流体流量を制御および／または１つのモードから別のモードに多重モード制御アルゴリズムを変化すべきか判断する。いくつかの実施形態では、流量制御器１００は、別の装置、あるいは多重モード変化を判断するため、および／または流体の流量を制御する温度センサ（図示せず）等のセンサからの指標を受信および使用する。いくつかの実施形態では、センサのうちの１つ以上は、流量制御器１００から上流よりはむしろ、流量制御器１００から下流に位置する。

図１に図示される例示的実施形態では、流量制御器１００は、圧力センサ１４４によって測定される圧力測定値に基づいて計算される圧力変化率が、圧力変化閾値条件において定義される圧力変化閾値測定値／閾値を上回る（例えば、充足する）と、閉ループモードから開ループモードに多重モード制御アルゴリズムを変化させるように構成される。圧力および流量は相関するため、閾値条件は、流量センサ１４２がその通常作動範囲で動作している場合のみ、多重モード制御アルゴリズム内の閉ループ制御アルゴリズムが実装されるように、定義される。言い換えると、圧力閾値測定値は、多重モード制御アルゴリズムが、閉ループモードから開ループモードに変化し、閉ループモードにおける多重モード制御アルゴリズムのフィードバックループが、流量センサ１４２からの不安定および／または飽和流量測定値を使用することを防止するように定義される。本実施形態では、圧力変化閾値条件は、多重モード制御アルゴリズムが、流量センサ１４２の作動範囲の上限境界またはその近傍で、閉ループから開ループモードに変化するように定義される。

開ループモードにある場合、開ループ制御アルゴリズム内の数学的関係を使用して、流体ディスペンサ１２０から反応槽１８０への流体の流量を制御する。本例示的実施形態における数学的関係は、弁１０４の弁位置と相関する圧力測定値に基づく。本実施形態では、流体流量は、弁１０４の弁位置と相関する圧力測定値に基づいて制御される。圧力測定値が受信されると、流量制御器１００は、数学的関係を使用して、特定の流体流量設定値に従って、流体流量を生成する適切な弁位置を計算する。

いくつかの実施形態では、開ループモードは、圧力測定値（例えば、温度等）および／または特定の流体流量設定値に流体の流量を維持するためのシステムに関する知識に加え、あるいはその代わりに、他のセンサ示度に基づく数学的関係を使用する。システムに関する知識は、例えば、流量、弁位置、圧力、温度等の間の依存関係を特徴化および／または較正するステップを含む、特性化／較正プロセスの際に得られる。

圧力変化率が、圧力変化閾値を下回ることによって、閾値条件を充足しなくなると、多重モード制御アルゴリズムは、開ループモードから閉ループモードに戻る。開ループモードから閉ループモードに変化すると、流量制御器１００は、閉ループアルゴリズムのためのフィードバック信号に対し特定の比率における流体流量設定値および流量センサ測定値を使用し、開ループモードから閉ループモードへの平滑な移行をもたらす。この移行技術（「バンプレス（ｂｕｍｐｌｅｓｓ）」移行とも称される）は、流体流量が、開ループモードにおいて一定時間の動作後、流体流量設定値ではない、または実質的に流体流量設定値ではない場合、適切である。いくつかの実装では、バンプレス移行技術は、開ループモードから閉ループモードまたはその逆に変化させるために使用される。

流量制御器１００は、例えば、閉ループ制御アルゴリズムを係合解除および開ループ制御アルゴリズムを係合することによって、閉ループモードから開ループモードに変化する。いくつかの実施形態では、開ループ制御アルゴリズムを係合するステップは、例えば、ゼロを乗じることによって、閉ループ制御アルゴリズムに付随するフィルタおよび／または定数を計算から排除するステップを含む。同様に、閉ループ制御アルゴリズムが係合されると、開ループ制御アルゴリズム項は、例えば、ゼロを乗じることによって、排除される。

いくつかの実施形態では、他のセンサ（例えば、温度センサ、流量センサ）からの１つ以上のセンサ指標に基づく１つ以上の閾値は、閾値条件において定義される。いくつかの実装では、１つ以上の閾値が使用される、多重モード制御アルゴリズムに異なる修正を誘引する。例えば、特定の数学的関係は、圧力変化閾値および温度閾値の両方が上回ると、開ループモードにおいて使用されるが、異なる数学的関係は、圧力変化閾値が上回る場合のみ、開ループモードにおいて使用される。いくつかの変形例では、複数の閾値条件が、いくつかの例では、数学的組み合わせ（例えば、加算、除算等）またはブール論理を通して関連する１つ以上の閾値に基づいて定義される。

いくつかの実装では、閉ループモードから開ループモードまたは逆に多重モード制御アルゴリズムを変化させるステップは、タイマに基づく。例えば、多重モード制御アルゴリズムは、圧力閾値測定値に基づいて、閉ループモードから開ループモードに変化するが、タイマが経過すると、開ループモードから閉ループモードに戻る。

いくつかの実装では、多重モード制御アルゴリズムによって使用される修正のレベルおよび／または数学的関係は、閾値条件内の圧力変化閾値に相対する圧力変化率の大きさに基づく。例えば、圧力変化率が、圧力変化閾値を大幅に上回る場合、異なる数学的関係は、圧力変化率がほとんど閾値条件を充足しない場合、別様に使用される開ループモードと異なる、開ループモードにおいて使用される。

上述のように、例示的流量制御器１００内のプロセッサ１０２、弁１０４、およびメモリ１０６を使用して、多重モード制御アルゴリズムを実装し、流体ディスペンサ１２０から反応槽１８０への流体の流量を制御する。メモリ１０６は、例えば、制御アルゴリズム（例えば、ＰＩＤ制御アルゴリズム）、定数、フィルタ方程式、および／または多重モード制御アルゴリズム内のモードに付随するパラメータを含む、多重モード制御アルゴリズムを格納する。本実施形態では、多重モード制御アルゴリズムおよび付随するパラメータは、多重モード制御アルゴリズムが、圧力変化閾値条件が充足されるまで、閉ループモードであるように偏向される。メモリ１０６は、制限するものではないが、フラッシュメモリ、ランダムアクセスメモリ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ；ＲＡＭ）、および／またはハードディスクであることができる、任意のタイプの適切な格納装置である。

メモリ１０６は、パラメータ（例えば、時間周期（ｔｉｍｅ ｐｅｒｉｏｄ））、および／または多重モード制御アルゴリズムの修正に関連する方程式（例えば、修正率変化方程式）を格納する。また、開ループモードでの作動時に使用される１つ以上の数学的関係（例えば、数学的関係のライブラリ）は、メモリ１０６内に格納され、プロセッサ１０２によってアクセスされる。いくつかの例では、数学的関係のライブラリからの１つ以上の数学的関係は、特定の閾値条件に付随し、特定の閾値条件が充足されるとアクセスされる。

また、閾値条件は、メモリ１０６内に格納され、必要に応じて、流量制御器１００のプロセッサ１０２によってアクセスされる。本実施形態では、メモリ１０６は、プロセッサ１０２によってアクセス可能な圧力測定値、流量センサ値、および／または対応する測定時間を格納するように構成される。

プロセッサ１０２は、多重モード制御アルゴリズムに基づいて、設定値指標１４６、センサ測定値（例えば圧力センサ測定値、流量センサ測定値）、および／または数学的関係を処理し、流体ディスペンサ１２０から反応槽１８０への流体の流量を制御する。具体的には、本実施形態におけるセンサ１４２および１４４からの指標、数学的関係、および／または設定値指標１４６は、弁１０４を制御するための多重モード制御アルゴリズムを使用して、プロセッサ１０２によって処理され、設定値指標１４６によって特定される流量を生成する。設定値指標１４６によって示される新しい設定値が、閉ループモードにある場合に受信されると、流量制御器１００は、閉ループ制御アルゴリズムを使用して、新しい設定値に一致するように、流体の流量を調節する（例えば、弁１０４に送信される制御指標を介して）。

また、例示的実施形態におけるプロセッサ１０２は、圧力センサ１４４から受信した圧力測定値に基づいて、圧力変化率を計算する。圧力測定値および／または対応する測定時間は、圧力センサ１４４から直接受信および／またはメモリ１０６からアクセス可能である。プロセッサ１０２は、メモリ１０６内に格納された閾値条件および計算された圧力変化を使用して、多重モード制御アルゴリズムを１つのモードから別のモード（例えば、開ループモードから閉ループモード）に変化させるべきかを判断する。いくつかの実施形態では、絶対値検出器モジュール（図示せず）が採用され、例えば、プロセッサ１０２とともに、またはその代わりに、圧力変化率を検出する。

また、本実施形態では、プロセッサ１０２は、メモリ１０６内に格納された定数、フィルタ方程式、制御アルゴリズム、および／またはパラメータを調節し、圧力変化閾値条件が充足されると、例えば、閉ループモードから開ループモードに多重モード制御アルゴリズムを変化させるように構成される。いくつかの実装では、プロセッサ１０２は、例えば、メモリ１０６内に格納されるパラメータおよび／または定数にアクセスし、使用する、ハードウェアに実装された（例えば、ファームウェア）多重モード制御アルゴリズムとともに設計される。

弁１０４は、流体の流量を何らかの方法で変化させる、任意の適切な種類の弁（例えば、可変弁）である。例えば、いくつかの実施形態では、弁１０４は、可変オリフィスを有する弁であるか、または複数のプリセット位置を有する弁である。流量制御器１００は、弁１０４の位置を調節し、設定値指標１４６によって示される流体流量設定値に従って、流体ディスペンサ１２０から反応槽１８０への流体の流量を制御する。本実施形態では、弁１０４の位置は、流量制御器１００内のプロセッサ１０２によって実行される計算に基づく、弁位置指標に従って調節される。

図１は、プロセッサ１０２、弁１０４、およびメモリ１０６が、単一装置内の流量制御器１００に統合されることを示すが、いくつかの実施形態では、構成要素は、組み合わされるか、および／または異なる構成要素および／または装置に分離される。例えば、いくつかの実施形態では、メモリ１０６は、例えば、キャッシュのようなプロセッサ１０２に埋め込まれるか、流量制御器１００用、あるいはいくつかの分散型および／または直列流量制御器用のデータを格納する、別個の集中サーバ（図示せず）に統合される。いくつかの実装では、弁１０４は、例えば、流量センサ１４２、圧力センサ１４４および／または流量制御器１００から上流または下流にある、流量制御器１００と別個の構成要素である。他の実装では、流量センサ１４２および／または圧力センサ１４４は、流量制御器１００に統合される。また、プロセッサ１０２、弁１０４、およびメモリ１０６は、上述の実施形態に関連して記載されるが、当業者は、構成要素が、多重モード制御アルゴリズムの多くの変形例を実装するように適合可能であることを理解されるであろう。

図２Ａから図２Ｆは、閉ループモードから開ループモードへの多重モード制御アルゴリズムの例示的修正を誘引する例示的圧力変化に関連する例示的測定値、信号、および計算値を示すグラフである。図２Ａから図２Ｆにおけるグラフは、そのそれぞれのｘ軸上に時間と、そのそれぞれのｙ軸上に種々の測定値および計算値を示す。本実施形態における多重モード制御アルゴリズムは、流体流量設定値に従って、弁を通る流体の流量を制御する流量制御器に実装される。

図２Ａは、圧力センサからの圧力センサ指標によって示される圧力測定値を示すグラフである。図２Ａは、時間ＡにおけるＸから時間ＤにおけるＹの圧力の変化を示す。図２Ａは、時間ＡとＣとの間の圧力の変化率が、線２４０の傾斜によって示される閾値圧力変化率閾値を上回ることを示す。閾値に対し過度の圧力変化率が、時間周期２１０の圧力変化２００に基づいて、時間Ｂにおいて検出された。時間Ｂにおける過度の圧力変化率の検出は、閉ループモードから開ループモードへの多重モード制御アルゴリズムの修正を誘引する。時間ＣとＤとの間、圧力変化率（時間周期２３０の圧力変化２２０によって示される）は、線２４０の傾斜によって示される閾値圧力変化率を下回る。その結果、時間Ｄでは、多重モード制御アルゴリズムは、開ループモードから閉ループモードに戻る。

要するに、図２Ａにおける圧力測定値プロファイルは、多重モード制御アルゴリズムが、時間Ｂの前は閉ループモード、時間ＢとＤとの間は開ループモード、および時間Ｄの後は閉ループモードであることを示す。種々のモードへの変化はすべて、線２４０の傾斜によって示される閾値圧力率変化閾値を上回るまたは下回る圧力変化率によって誘引される。

図２Ｂは、図２Ａに示される圧力変化から生じる寄生流量を示すグラフである。図２Ｂは、時間Ａにおいて、図２Ａに示されるように、圧力が上昇を始めると、寄生流量が、増加を開始することを示す。図２Ａにおける時間Ｂでは、図２Ｂに示されるように、圧力率の上昇に伴って、寄生流量が急激に増加する。時間Ｃでは、図２Ａに示されるように、圧力変化率の低下の結果、図２Ｂの寄生流量は、時間Ｄの直後、寄生流量が消失するまで急激に減少する。

図２Ｃは、流体の流量の流量センサ示度／測定値を示すグラフである。図２Ｃは、図２Ｂに示される寄生流量を含む。流量センサの作動範囲は、流量センサ測定値０とＲとの間のグラフ上に示される。ｙ軸上の流量センサ測定値Ｒを上回る流量センサ測定値は、安定性が低く、流量センサは、流量センサ測定値Ｓにおいて飽和する。図２Ｃは、時間Ｂにおいて、流量センサ測定値が不安定な範囲に到達直後、多重モード制御アルゴリズムが、開ループモードに変化するように、閾値圧力変化率値が選択されていることを示す。図２Ｃは、時間Ｄにおいて、流量センサ測定値が流量センサの特定の作動範囲に戻った後、多重モード制御アルゴリズムが、開ループモードから閉ループモードに戻るように、閾値圧力変化率値が選択されていることを示す。

図２Ｄは、多重モード制御アルゴリズムに付随する開ループ制御アルゴリズムが実装されていない場合、図２Ｂにおける寄生流量に基づいて補償される流量を示すグラフである。閉ループモードから開ループモードに変化させない場合、図２Ｄは、流量制御器が、図２Ａにおける圧力変化によって生じる、図２Ｂにおける寄生流量を逸脱して過大補償する（特に、時間ＢとＣとの間）ことを示す。

図２Ｅは、多重モード制御アルゴリズムを実装する流量制御器によって制御される、弁の弁位置を示すグラフである。弁位置は、圧力測定値を弁位置と相関させる数学的関係に従って、開ループ制御アルゴリズムに基づいて、時間ＢとＤとの間で制御される。図２Ｅは、本実施形態において、時間Ｄの後、多重モード制御アルゴリズムが開ループモードから閉ループモードに変化されると、閉ループ制御アルゴリズムが、多重モード制御アルゴリズムが開ループモードで作動された場合の弁位置における若干の超過を補正することを示す。

図２Ｆは、多重モード制御アルゴリズムを使用して制御される、弁を通る実際の流体の流量を示すグラフである。図２Ｆは、実際の流体流量測定値が、閉ループと開ループモードとの間の変化によって、Ｆにおいてｙ軸上に示される特定の流体流量設定値に近似して辿ることを示す。閉ループモードでのみ作動する場合、実際の流量は、図２Ｃに示されるように、流量センサからの不安定および／または飽和測定値に基づいて、著しく過大補償された流量（図２Ｄに示されるものに類似）のため、流体流量設定値から大幅に偏差したであろう。

図２Ａから図２Ｆに示される実施形態は、圧力上昇に関するが、いくつかの実装では、多重モード制御アルゴリズムは、圧力が急激に低下し、負の寄生流量が生じると、閉ループモードから開ループモードに変化するように構成される。当業者は、図２Ａから図２Ｆに適用される原理が、圧力の低下を伴うシナリオにも同様に適用されることを理解するであろう。

図３は、定義された圧力変化閾値条件、およびタイマに基づき、多重モード制御アルゴリズムを修正するための方法を示す工程図である。本実施形態では、閾値条件は、圧力変化率を上回ると、閉ループモードから開ループモードへの多重モード制御アルゴリズムの修正を誘引する圧力変化率値を含む。圧力変化率は、圧力センサからの少なくとも２つの圧力測定値と、圧力測定値のそれぞれに対応する対応測定時間とを使用して、計算される。本実施形態では、多重モード制御アルゴリズムは、タイマが経過すると、開ループモードから閉ループモードに戻るように修正される。

図３に示されるように、３００において、流体流量測定値を示す流量センサ指標が受信され、流体の流量が、流量センサ指標に基づいて、閉ループモードにおける多重モード制御アルゴリズムを使用して制御される。流体流量は、流体流量設定値に従って制御される。示されるように、３１０において、圧力変化率は、圧力測定値（例えば、特定の時間周期の少なくとも２つの圧力測定値間の差異）に基づいて計算される。３２０において、圧力変化率が、定義された圧力変化閾値を上回らない場合、３００において、流量センサ指標（すなわち、流量センサ測定値）は、継続して受信され、流体流量は、閉ループモードにおける多重モード制御アルゴリズムを使用して、継続して制御される。ブロック３００〜ブロック３２０における動作は、多くの実施形態では、並行してまたは実質的に同時に、施行／実行される。

３２０において、３１０で計算された圧力変化率が、圧力変化閾値を上回ると、多重モード制御アルゴリズムは、３３０において、閉ループモードから開ループモードに修正され、３４０において、タイマが開始される。本実施形態では、タイマは、３秒の時間周期で起動する。時間周期が経過するまで、３５０において、圧力センサ指標が受信され、圧力センサ指標に基づき、開ループモードにおける多重モード制御アルゴリズムを使用して、流体流量が制御される。

３６０において、タイマによって判断される時間周期が経過しなかった場合、３５０において、圧力センサ指標は、継続して受信され、流体流量は、開ループモードにおける多重モード制御アルゴリズムに基づいて制御される。流体流量は、数学的関係（例えば、流量／弁感度曲線）を使用して、開ループモードにおいて制御される。３６０において、時間周期が経過している場合、３７０において、多重モード制御アルゴリズムは、開ループモードから閉ループモードに戻るように修正される。

いくつかの実施形態では、時間周期の長さは、流量制御器の応答時間または対応する閾値を上回る圧力測定値のセンサ指標の偏差等の要因に依存する。例えば、いくつかの実施形態では、タイマによって使用される時間周期は、特定の時間周期内の圧力変化が、特定の量だけ閾値を上回るおよび／または下回ると、延長および／または短縮される。さらに他の実施形態では、タイマの時間周期は、後の圧力変化または圧力変化率が、タイマが開始された後に検出されると、修正される（例えば、延長または短縮される）。

いくつかの実施形態では、多重モード制御アルゴリズムは、いくつかのモードのそれぞれに対応する閾値条件に基づいて、いくつかのモードのうちの１つに修正される。例えば、第１の閾値条件が充足される場合、多重モード制御アルゴリズムは、第２の閾値条件が充足された場合と異なる開ループモードに変化される。いくつかの実装では、多重モード制御アルゴリズムは、第１の閉ループモードから、開ループモードに、次いで、第２の閉ループモードに変化させる。いくつかの実施形態では、１つ以上の閾値条件が定義され、例えば、圧力変化率値およびタイマ等の閾値条件／値の組み合わせを使用する。

いくつかの実施形態では、多重モード制御アルゴリズムは、修正が、例えば、急激によりむしろ低速に起こるように、数学的方程式またはルールに基づいたアルゴリズムに従って、閉ループモードから開ループモードに修正される。いくつかの実施形態では、多重モード制御アルゴリズムの１つのモードから別のモードへの修正の割合および／または修正のレベル（例えば、いくつかのうちの１つの開ループモードへ）は、例えば、流量および／または圧力が増加しているか減少しているかに依存する。また、他の実装では、多重モード制御アルゴリズム変化は、圧力測定値または圧力変化率の変化よりむしろ、圧力測定値（例えば、特定の圧力測定値に基づく閾値条件）によって誘引される。

いくつかの実施形態では、圧力測定値に加えまたはその代わりに、１つ以上のセンサ測定値が使用され、閉ループモードから開ループモードに多重モード制御アルゴリズムを変化させるべきか判断する。例えば、いくつかの実装では、流量センサ測定値および対応する閾値条件が使用され、１つのモードから別のモードに多重モード制御アルゴリズムを変化させるべきか判断する。

次に図４を参照すると、定義された閾値条件に基づき、閉ループモードから開ループモードに多重モード制御アルゴリズムを修正するための方法を示す工程図である。本実施形態では、閾値条件は、計算された圧力変化率を上回ると、閉ループモードから開ループモードへの多重モード制御アルゴリズムの修正を誘引する、最大圧力変化率として定義される。圧力変化率は、特定の時間周期の圧力変化の大きさとして計算される。後に、圧力変化率が閾値を下回る（例えば、充足されていない）と、多重モード制御アルゴリズムは、開ループモードから閉ループモードに戻るように修正される。本実施形態では、開ループモードから閉ループモードへの変化は、圧力変化率によって誘引されるが、他の実施形態では、変化は、圧力変化率に加え、他の測定値（例えば、温度測定値および／または流量測定値）に依存する。

図４に示されるように、４００において、流体流量率を示す流量センサ指標が受信され、流体の流量が、流量センサ指標に基づいて、閉ループモードにおける多重モード制御アルゴリズムを使用して、流体流量設定値に従って制御される。示されるように、４１０において、圧力変化率は、圧力測定値に基づいて計算される。圧力変化率は、特定の時間周期の少なくとも２つの圧力測定値間の差異として計算される。４２０において、圧力変化率が、定義された圧力変化閾値を上回らない場合、４００において、流量センサ指標は、継続して受信され、流体流量は、閉ループモードにおける多重モード制御アルゴリズムを使用して、継続して制御される。ブロック４００〜ブロック４２０における動作は、多くの実施形態では、並行してまたは実質的に同時に、施行／実行される。

図４に示されるように、４２０において、４１０で計算された圧力変化率が、閾値を上回ると、多重モード制御アルゴリズムは、４３０において、閉ループモードから開ループモードに修正される。多重モード閉ループアルゴリズムが、開ループモードに修正されると、４４０において、圧力測定値および数学的関係に基づいて、流体流量は、開ループモードにおける多重モード制御アルゴリズムを使用して制御される。４５０において、圧力変化率は、圧力センサから受信された圧力測定値に基づいて、継続的に（いくつかの実施形態では、断続的に）計算される。

４６０において、計算された圧力変化率が、閾値を継続して上回る場合、４５０において、圧力測定値は、継続して受信され、流体流量は、開ループモードにおける多重モード制御アルゴリズムを使用して制御される。４６０において、４５０で計算された圧力変化率が、閾値を下回ると、４７０において、多重モード制御アルゴリズムは、開ループモードから閉ループモードに戻るように修正される。

いくつかの実施形態では、複数のセンサ（例えば、流量、温度、および圧力センサ）は、対応する閾値を参照して監視され、多重モード制御アルゴリズムが、閉ループモードから開ループモードおよびその逆に修正されるべきかを判断する。いくつかの実装では、閾値条件内の値（すなわち、パラメータ）は、例えば、特定の流量制御器に関連する実験データに基づき定義される。

いくつかの実施形態では、閉ループモードから開ループモードに多重モード制御アルゴリズムを修正するための第１の閾値は、開ループモードから閉ループモードにアルゴリズムを戻すかどうか判断するために使用される第２の閾値と異なる。さらに他の実施形態では、閾値条件は、値（例えば、時間、圧力等）の複雑な組み合わせ（例えば、減算、乗算）またはブール条件（例えば、「論理和」ブール条件）に基づく。例えば、閾値条件は、温度指標および圧力指標の両方から導出された値および／または計算値が、そのそれぞれ対応する閾値を上回る場合のみ、充足される。

いくつかの多重モードアルゴリズムでは、１つ以上の閾値条件は、測定および／または計算値が、１つ以上の閾値条件を上回るまたは下回ると、多重モードアルゴリズムが、１つのモードから別のモードに変化するように定義される。例えば、いくつかの実施形態では、閾値条件における閾値圧力変化率値は、絶対値として計算される絶対値および圧力変化率である。

いくつかの用途では、１つ以上の閾値条件は、狭い流量センサ範囲に適合するように定義される。例えば、狭い流量センサ範囲を有する低流量センサを使用する低流量用途では、閾値条件は、微小圧力変化を伴う開ループモードへの多重モード制御アルゴリズムの変化を誘引し、閉ループ制御アルゴリズムによる低流量センサからの飽和流量測定値への依存を防止するように定義される。

いくつかの実施形態では、閾値条件は、例えば、３つを超える連続的圧力変化率が閾値を上回る場合のみ、多重モード制御アルゴリズムが修正されるように定義される。このような方法で閾値条件を定義することによって、多重モード制御アルゴリズムは、開ループモード等の別のモードに修正される前に、閉ループモード等の特定のモードに保持される。

結論として、本発明は、多重モード制御アルゴリズムを使用して、流体の流量を制御するためのシステムおよび方法を提供する。当業者は、本発明で数々の変形および代用を行ってもよく、その使用および構成は、本願に記載の実施形態によって達成されるのと同じ結果を達成することを、容易に理解できる。したがって、本発明を開示された例示的な形態に制限する意図は全く存在しない。多くの変形、修正、および代替の構成は、特許請求の範囲に表すような、開示される本発明の範囲および精神に含まれる。

Claims (17)

1. 圧力センサによって生成される流体の圧力測定値を受信するステップと、
   フィードバック制御ループが係合解除されている場合に、前記圧力測定値に基づいて、前記流体の流量を制御するための弁の位置を計算するステップと、
   前記流体の圧力変化率が閾値条件を充足する場合に前記フィードバック制御ループを係合解除するとともに該係合解除により前記流体の圧力変化率に基づいて定義されるタイマを開始して該タイマの時間周期が経過すると前記フィードバック制御ループを再係合するステップとを備え、
   前記フィードバック制御ループは、設定値指標および流量センサによって生成される前記流体の流量測定値を使用して前記流体の流量を制御するように構成される、方法。
2. 前記フィードバック制御ループは、前記流体の流量を感知する前記流量センサを使用して該流体の流量を制御するように構成され、前記閾値条件は、前記流量センサがその通常作動範囲で動作している場合のみ、前記フィードバック制御ループが係合されるように定義される、請求項１に記載の方法。
3. 前記弁の位置を計算するステップは、前記流体の流量、前記弁の位置、前記圧力測定値、温度等の間の依存関係を特徴化および／または較正する過程で得られるシステムに関する知識に基づいて計算するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記閾値条件が充足から非充足に変化する場合に、前記フィードバック制御ループを再係合するステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
5. 前記圧力変化率は、それぞれ対応する測定時間を伴う少なくとも２つの測定値を使用して計算される圧力変化率である、請求項１に記載の方法。
6. 前記圧力測定値は、第２の時間における第２の圧力測定値であり、
   前記流体の圧力変化を検出するステップをさらに包含し、該圧力変化は、第１の時間における第１の圧力測定値と、前記第１の時間後の前記第２の時間における前記第２の圧力測定値との間の差異である、請求項１に記載の方法。
7. 前記閾値条件は、第１の閾値条件であり、
   第２の閾値条件が充足される場合に、前記フィードバック制御ループを再係合するステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
8. 前記圧力測定値は、第１の時間における第１の圧力測定値であり、前記閾値条件は、第１の閾値条件であり、
   前記タイマの時間周期の継続時間は、第２の時間における第２の圧力測定値と前記第１の圧力測定値との間の差異の大きさが、前記第１の閾値条件または第２の閾値条件のうちの少なくとも１つを充足する場合に修正される、請求項１に記載の方法。
9. 圧力センサによって生成される流体の圧力測定値を受信するステップと、
   前記圧力測定値から求まる流体の圧力変化率が閾値条件を充足する場合に、閉ループモードから開ループモードに多重モード制御アルゴリズムを修正するステップと、
   前記閉ループモードから開ループモードへの修正により前記流体の圧力変化率に基づいて定義されるタイマを開始するステップと、
   前記タイマの時間周期が経過すると開ループモードから閉ループモードに多重モード制御アルゴリズムを再修正するステップと、を備え、
   前記多重モード制御アルゴリズムは、設定値指標および流量センサによって生成される前記流体の流量測定値に基づいて前記流体の流量を制御する流量制御器によって使用され、さらに
   前記開ループモードを使用し、かつ前記流体の前記圧力測定値を使用して、前記設定値指標に従って前記流体を送達するように前記流体の流量を制御するための弁の位置を計算するステップを包含する、方法。
10. 前記弁の位置は、数学的関係に基づいて計算される、請求項９に記載の方法。
11. 前記閉ループモードは、前記流体の流量を感知する前記流量センサを使用して、前記流体の流量を制御するように構成され、前記閾値条件は、前記流量センサがその通常作動範囲で動作している場合のみ、前記多重モード制御アルゴリズムが前記閉ループモードに修正されるように定義される、請求項９に記載の方法。
12. 前記閾値条件が充足から非充足に変化する場合に、前記開ループモードから前記閉ループモードに前記制御アルゴリズムを修正するステップをさらに包含する、請求項９に記載の方法。
13. 前記閾値条件は、第１の閾値条件であり、前記流体の圧力測定値は、第１の時間で受信され、
    前記圧力センサから第２の時間で受信された第２の圧力測定値に基づいて、第２の閾値条件が充足される場合に、前記開ループモードから前記閉ループモードに前記制御アルゴリズムを修正するステップをさらに包含する、請求項９に記載の方法。
14. 前記開ループモードは、充足されている前記閾値条件に応じて、一組の開ループモードから選択される、請求項９に記載の方法。
15. フィードバック制御ループが係合解除されている場合に、圧力測定値に基づいて流体の流量を制御するための弁の位置を計算するように構成されるプロセッサであって、前記フィードバック制御ループは、流体の圧力変化率が閾値条件を充足する場合に係合解除されるとともに該係合解除により開始され前記流体の前記圧力変化率に基づいて定義されるタイマの時間周期が経過すると再係合されるように構成され、さらに、設定値指標および流量センサによって生成される前記流体の流量測定値に基づいて前記弁により該弁の位置に応じて前記流体の流量を制御するように構成されている、プロセッサと、
    前記弁の位置と、前記流体の流量と、前記圧力測定値との間の数学的関係を格納するように構成されるメモリであって、前記数学的関係は、前記弁の位置を計算するために前記プロセッサによって使用される、メモリと
    を備える、装置。
16. 前記閾値条件を格納するように構成されるメモリをさらに備え、前記プロセッサは、前記メモリから、前記閾値条件にアクセスするように構成される、請求項１５に記載の装置。
17. 前記フィードバック制御ループは、前記閾値条件が充足から非充足に変化する場合にも再係合されるように構成されている、請求項１５に記載の装置。

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