JP5484859B2

JP5484859B2 - 温度制御装置および温度制御方法

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Publication number: JP5484859B2
Application number: JP2009245266A
Authority: JP
Inventors: 雅人田中; 文仁菅原
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2029-10-26
Also published as: JP2011090609A

Description

本発明は、制御対象の温度を制御する温度制御装置および温度制御方法に係り、特にヒータの定格に合わせてＰＩＤ演算部の操作量上限値あるいは積分上限値を設定する技術に関するものである。

温調計などの汎用の温度制御装置は、加熱系を制御対象とする場合に、発熱機器として電気ヒータ（抵抗ヒータ）を使用し、制御指令値に応じて電気ヒータに電力を供給する電力調整器としてサイリスタを使用することが多い。電気ヒータやサイリスタを組合せる場合も含め、多くの場合に、温度制御装置から出力される制御指令値（操作量ＭＶ）と温度変化量との関係は、いわゆる線形特性にはなり難く、極端な場合には線形制御理論による制御に支障を与えるほどの強非線形系になることもある。そのような場合、操作量ＭＶを曲線補正や折線補正することにより、擬似的に非線形性を緩和するような機能が実用化されている（特許文献１参照）。

特開平１１−２１１１９１号公報

非線形性は、多かれ少なかれやむを得ない物理特性であるが、装置設計上の問題として、電力調整器とヒータの定格範囲が合ってない場合も発生する。
理解を容易にするために、電力調整器とヒータの特性を、完全な線形領域（定格領域）と飽和領域に分かれるものとする。図４は電力調整器とヒータの定格が合っている場合の電力調整器とヒータの入出力特性を示す図である。図４において、実線で示すＩＯ１は電力調整器の入出力特性、破線で示すＩＯ２はヒータの入出力特性である。なお、横軸、縦軸共に電力［Ｗ］で表しているが、電力調整器の実際の入力は温度制御装置から入力される操作量ＭＶである。

図４において、０〜４００Ｗまでの線形領域がヒータの事実上の定格範囲に相当する。電力調整器が４００Ｗまで完全な線形特性で、温度制御装置がこの特性に対応して操作量ＭＶの上限値ＯＨを１００％として設定しているとすると、操作量ＭＶが５０％のときに２００Ｗ分の加熱パワーが制御対象に供給され、操作量ＭＶが７５％のときに３００Ｗ分の加熱パワーが供給され、そして操作量ＭＶが１００％のときに４００Ｗ分の加熱パワーが供給されることになる。

ここで、２００Ｗまでが定格範囲になるヒータを組合せると、電力調整器とヒータの入出力特性は図５に示すようになる。図５から明らかなように、この組合せでは、電力調整器に入力される操作量ＭＶが５０％（電力値で２００Ｗ）以上の場合は全て２００Ｗの加熱パワーしか供給されない状態が発生する。厳密には、この電力調整器とヒータの定格範囲の不整合は装置設計上のミスとも言える。しかしながら、例えば図６に示す熱処理プロセス装置においては、ヒータ１０１−１〜１０１−４が多数利用されている。したがって、このような熱処理プロセス装置においては、必要なヒータ出力は各々異なるのが実状であり、電力調整器との組合せをきっちりと設計することは、設計上の手間になる。

そのため、装置設計者は、ヒータ出力に対して余裕を持って電力調整器を選定することになる。しかし、操作量上限値ＯＨ（図４、図５の例では１００％）が、実際のパワーの上限（図５の例では２００Ｗ）に達する部分と一致しないので、温度制御にＰＩＤ制御を用いると、いわゆる積分ワインドアップの現象が発生し、昇温時に制御対象の温度にオーバーシュートが発生しやすくなるというように、制御特性に悪影響を与えることになる。積分ワインドアップとは、温度制御装置がヒータの出力の上限を無視して必要以上に大きな操作量ＭＶを算出したために、整定が遅れ、オーバーシュートが大きくなる現象をいう。

特許文献１に開示された技術では、例えばヒータの入出力特性の非線形性に起因する問題を解決することはできても、電力調整器とヒータの定格範囲が合っていないことに起因する積分ワインドアップの問題を解決することはできなかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、電力調整器とヒータの定格範囲が合っていない場合であっても、積分ワインドアップの発生を回避することができる温度制御装置および温度制御方法を提供することを目的とする。

本発明の温度制御装置は、通常の制御動作時にヒータに電力を供給する電力調整器に操作量ＭＶを出力して制御対象の温度を制御するＰＩＤ演算手段と、前記電力調整器に一定振幅の操作量ＭＶを繰り返し出力するリミットサイクルを発生させて前記ＰＩＤ演算手段のＰＩＤパラメータを設定するリミットサイクル方式のオートチューニング（ＡＴ）を実行するときの複数回分の操作量上限値ＯＨ＿ＡＴを予め規定するＡＴ操作量上限値記憶手段と、前記複数回分の操作量上限値ＯＨ＿ＡＴに応じてＡＴを複数回実行するＡＴ動作実行手段と、ＡＴ実行時の制御対象の温度の振幅を１回のＡＴ毎に検出する振幅検出手段と、この振幅検出手段が前記振幅を検出したときの操作量上限値ＯＨ＿ＡＴの条件が異なる振幅同士の比率を算出する振幅比率算出手段と、この振幅比率算出手段が算出した比率と所定の閾値との関係に基づき、ヒータ出力が飽和する操作量ＭＶの飽和推定値を決定する比率判定手段と、この比率判定手段が決定した操作量ＭＶの飽和推定値を、前記ＰＩＤ演算手段が通常の制御動作時に使用する操作量上限値ＯＨあるいは積分上限値ＩＨとして設定する操作量上限値設定手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の温度制御装置の１構成例において、前記比率判定手段は、前記比率を算出する際に分子側の振幅に対して分母側を小さな振幅とした場合には、前記比率が前記所定の閾値よりも小さい場合に、ヒータ出力が飽和していると判定することを特徴とするものである。
また、本発明の温度制御装置の１構成例において、前記比率判定手段は、前記比率を算出する際に分子側の振幅に対して分母側を大きな振幅とした場合には、前記比率が前記所定の閾値よりも大きい場合に、ヒータ出力が飽和していると判定することを特徴とするものである。
また、本発明の温度制御装置の１構成例において、前記振幅比率算出手段は、前記振幅を検出したときの操作量上限値ＯＨ＿ＡＴの条件が隣接する振幅同士で前記比率を算出することを特徴とするものである。
また、本発明の温度制御装置の１構成例において、前記操作量上限値設定手段は、前記ＰＩＤ演算手段が前記積分上限値ＩＨに基づく積分動作停止機能を備えている場合は、前記比率判定手段が決定した操作量ＭＶの飽和推定値を前記積分上限値ＩＨとして設定し、前記ＰＩＤ演算手段が積分動作停止機能を備えていない場合は、前記比率判定手段が決定した操作量ＭＶの飽和推定値を前記操作量上限値ＯＨとして設定することを特徴とするものである。

また、本発明の温度制御方法は、ヒータに電力を供給する電力調整器に一定振幅の操作量ＭＶを繰り返し出力するリミットサイクルを発生させてＰＩＤ演算手段のＰＩＤパラメータを設定するリミットサイクル方式のオートチューニング（ＡＴ）を実行する際に、予め規定された複数回分の操作量上限値ＯＨ＿ＡＴに応じてＡＴを複数回実行するＡＴ動作実行手順と、ＡＴ実行時の制御対象の温度の振幅を１回のＡＴ毎に検出する振幅検出手順と、この振幅検出手順で前記振幅を検出したときの操作量上限値ＯＨ＿ＡＴの条件が異なる振幅同士の比率を算出する振幅比率算出手順と、この振幅比率算出手順で算出した比率と所定の閾値との関係に基づき、ヒータ出力が飽和する操作量ＭＶの飽和推定値を決定する比率判定手順と、この比率判定手順で決定した操作量ＭＶの飽和推定値を、前記ＰＩＤ演算手段が通常の制御動作時に使用する操作量上限値ＯＨあるいは積分上限値ＩＨとして設定する操作量上限値設定手順とを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、ヒータ出力が飽和する操作量ＭＶの飽和推定値を検出することにより、ヒータの定格範囲を推定することができ、この操作量ＭＶの飽和推定値を、ＰＩＤ演算手段が通常の制御動作時に使用する操作量上限値ＯＨあるいは積分上限値ＩＨとして設定することにより、ヒータの定格に合わせた設定を実現することができるので、電力調整器とヒータの定格範囲が合っていない場合であっても、積分ワインドアップの発生を回避することができる。また、本発明では、既存のリミットサイクル方式のオートチューニング機能を利用して、制御対象の温度の振幅を検出し、この振幅から比率を算出し、この比率に基づいてヒータ出力が飽和する操作量ＭＶの飽和推定値を決定するようにしたので、特別な機能の追加を抑えつつ、積分ワインドアップの発生を回避することができる。

リミットサイクル方式のオートチューニングの実行中における制御対象の温度の波形の例を示す図である。本発明の実施の形態に係る温度制御装置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制御装置のオートチューニング実行時の動作を示すフローチャートである。電力調整器とヒータの定格が合っている場合の電力調整器とヒータの入出力特性を示す図である。電力調整器とヒータの定格が合っていない場合の電力調整器とヒータの入出力特性を示す図である。熱処理プロセス装置の１例を示す図である。

［発明の原理］
本発明は、電力調整器とヒータの定格範囲が合っていない場合に、適正なパラメータ設定側に自動修正する温度制御装置を提供する。具体的には積分ワインドアップ対策のパラメータが修正の対象であり、このパラメータとしては例えば操作量上限値ＯＨがある。
ただし、温度制御装置によっては、積分上限値ＩＨと操作量上限値ＯＨを別のパラメータとして備えるものもあり、その場合の本発明の修正の対象は、積分上限値ＩＨとして捉える必要がある。積分上限値ＩＨとは、操作量ＭＶの出力値の上限値が例えば１００％に設定されている場合であっても、ＰＩＤ演算を実行する際に、操作量ＭＶが積分上限値ＩＨ（例えば８０％）を超えたら積分動作（Ｉ動作の演算）を停止させるというように、積分動作を特殊なポイントで停止させる構成において採用されるパラメータである。

操作量上限値ＯＨ（あるいは積分上限値ＩＨ）を修正するため、ＡＴ実行時の操作量上限値ＯＨ＿ＡＴを変更してオートチューニング（ＡＴ）機能を利用することで、ヒータ温度を高く上昇させず、かつ特別な機能を多く追加することなく、ヒータ出力上限の範囲（定格範囲）を推定として絞り込めることに、発明者は着眼した。また、操作量上限値ＯＨ＿ＡＴを変更しての絞り込みなので、そのまま操作量上限値ＯＨ（あるいは積分上限値ＩＨ）の設定に反映することが可能であり、前述の実質的な積分ワインドアップ現象を低減することができる。そして、操作量上限値ＯＨ＿ＡＴを変更して複数回のＡＴ動作（ＡＴ等価動作でよい）を自動実行し、温度ＰＶの振幅が最大不変（予め規定した閾値以下の変化量）になる操作量上限値ＯＨ＿ＡＴの中で、最小の操作量上限値ＯＨ＿ＡＴを制御動作実行時の操作量上限値ＯＨ（あるいは積分上限値ＩＨ）として自動設定すればよいことに想到した。

［実施の形態］
次に、本発明の実施の形態について説明する。図１は、操作量振幅が一定のリミットサイクルを発生させて温度制御装置の制御パラメータを調整するリミットサイクル方式のＡＴの実行中における制御対象の温度ＰＶ（制御量）の波形の例を示す図である。図１において、ＳＰは温度設定値である。

ＡＴ実行時の操作量上限値ＯＨ＿ＡＴは１００％であり、操作量下限値ＯＬ＿ＡＴは０％に設定されている。このとき、図１に示すように、２００℃を中心に１９５℃から２０８℃の間で温度ＰＶが上下動しているので、温度ＰＶの振幅ＰＨは上下動幅の半分の４．５℃として求められる。

図２は本発明の実施の形態に係る温度制御装置の構成を示すブロック図である。温度制御装置は、温度センサによって測定された温度ＰＶを入力するＰＶ入力部１と、通常の制御動作時に温度設定値ＳＰと温度ＰＶとの偏差に基づき操作量ＭＶを算出するＰＩＤ演算部２と、ＰＩＤ演算部２によって算出された操作量ＭＶを電力調整器に出力するＭＶ出力部３と、ＡＴ実行時の操作量上限値ＯＨ＿ＡＴを記憶するＡＴ操作量上限値記憶部４と、リミットサイクル方式のＡＴによりＰＩＤパラメータを算出し、算出したＰＩＤパラメータをＰＩＤ演算部２に設定するＡＴ動作実行部５と、ＡＴ実行時の温度ＰＶの振幅を検出する振幅検出部６と、温度ＰＶの振幅を記憶する振幅記憶部７と、検出された振幅の比率を算出する振幅比率算出部８と、振幅比率算出部８が算出した比率と所定の閾値との関係に基づき、ヒータ出力が飽和する操作量ＭＶの飽和推定値を決定する比率判定部９と、比率判定部９が決定した操作量ＭＶの飽和推定値を、ＰＩＤ演算部２が通常の制御動作時に使用する操作量上限値ＯＨあるいは積分上限値ＩＨとして設定する操作量上限値設定部１０と、操作量上限値設定部１０が設定した操作量上限値ＯＨあるいは積分上限値ＩＨを記憶する操作量上限値記憶部１１とを備える。

本実施の形態の温度制御装置は、例えば図６に示した熱処理プロセス装置に適用される。図６の例では、ヒータ１０１−１〜１０１−４と温度センサ１０２−１〜１０２−４とが加熱処理炉１００内のゾーン毎に設置されている。温度センサ１０２−１〜１０２−４は、それぞれヒータ１０１−１〜１０１−４によって加熱される空気の温度ＰＶを測定する。温調計１０３−１〜１０３−４は、それぞれ温度センサ１０２−１〜１０２−４によって測定された温度ＰＶが温度設定値ＳＰと一致するように操作量ＭＶを算出する。電力調整器１０４−１〜１０４−４は、それぞれ温調計１０３−１〜１０３−４から出力された操作量ＭＶに応じた電力を決定し、この決定した電力をヒータ１０１−１〜１０１−４に供給する。こうして、温調計１０３−１〜１０３−４は、加熱処理炉１００内の温度を制御する。本実施の形態の温度制御装置は、この温調計１０３−１〜１０３−４の内部にそれぞれ設けられるものである。なお、図６において、表示器１０６は、通信専用機器１０５を通じて温調計１０３−１〜１０３−４のデータを収集して表示するものである。

本実施の形態ではＡＴ動作を以下のように活用する。図３は本実施の形態の温度制御装置のＡＴ実行時の動作を示すフローチャートである。
まず、ＡＴ操作量上限値記憶部４には、ＡＴ実行時の操作量上限値ＯＨ＿ＡＴが複数とおり予め登録されている。本実施の形態の目的は積分ワインドアップ対策であり、精度の高い結果が必要なわけではないので、例えば操作量上限値がＯＨ＿ＡＴ１〜ＯＨ＿ＡＴ５の５とおり予め登録されていて、ＯＨ＿ＡＴ１＝２０％、ＯＨ＿ＡＴ２＝４０％、ＯＨ＿ＡＴ３＝６０％、ＯＨ＿ＡＴ４＝８０％、ＯＨ＿ＡＴ５＝１００％であるとする。ただし、操作量上限値ＯＨ＿ＡＴの登録方法はこれに限るものではない。例えばベースの操作量上限値ＯＨ＿ＡＴ１を２０％とし、この操作量上限値ＯＨ＿ＡＴ１に加算量ΔＯＨ＝２０％を加算していくことで、複数とおりの操作量上限値ＯＨ＿ＡＴを生成するようにしてもよい。

温度設定値ＳＰは、オペレータによって設定され、ＰＩＤ演算部２とＡＴ動作実行部５とに入力される。温度ＰＶは、温度センサによって測定され、ＰＶ入力部１を介してＰＩＤ演算部２とＡＴ動作実行部５と振幅検出部６とに入力される。

例えばオペレータの指示によりＡＴ機能が起動すると（図３ステップＳ１）、ＡＴ動作実行部５は、リミットサイクルを発生させてＡＴを実行する（ステップＳ２）。つまり、ＡＴ動作実行部５は、温度ＰＶが温度設定値ＳＰより大きい場合、予め定められた操作量下限値ＯＬ＿ＡＴを操作量ＭＶとして制御対象に出力し、温度ＰＶが温度設定値ＳＰ以下の場合、ＡＴ操作量上限値記憶部４に登録された操作量上限値ＯＨ＿ＡＴを操作量ＭＶとして制御対象に出力することを、一定の動作周期毎に繰り返し行う。こうして、図１に示したような操作量ＭＶの振幅が一定のリミットサイクルが発生する。なお、ここでの操作量ＭＶの出力先が電力調整器であることは言うまでもない。

そして、ＡＴ動作実行部５は、操作量ＭＶの出力に応じた温度ＰＶの応答に基づいてＰＩＤパラメータを算出し、このＰＩＤパラメータをＰＩＤ演算部２に設定する（ステップＳ２）。なお、リミットサイクル方式のＡＴについては、例えば特開２００３−３３０５０４号公報に開示されているので、ＰＩＤパラメータの算出方法については説明を省略する。

振幅検出部６は、ＡＴ実行時の温度ＰＶの振幅ＰＨを検出し、この振幅ＰＨを振幅記憶部７に記憶させる（ステップＳ３）。
ＰＩＤパラメータの設定後、ＡＴ動作実行部５は、ＡＴ操作量上限値記憶部４に登録された全ての操作量上限値ＯＨ＿ＡＴについてＡＴを実行したかどうかを判定し（ステップＳ４）、使用していない操作量上限値ＯＨ＿ＡＴが残っている場合には、ＡＴで使用する操作量上限値ＯＨ＿ＡＴを使用していない値に変更して（ステップＳ５）、ステップＳ２に戻り、再びＡＴを実行する。こうして、ＡＴ操作量上限値記憶部４に登録された操作量上限値ＯＨ＿ＡＴの各々についてステップＳ２，Ｓ３の処理が実行される。上記の登録例では、操作量上限値がＯＨ＿ＡＴ１〜ＯＨ＿ＡＴ５の５とおり登録されているので、ステップＳ２，Ｓ３の処理が５回実行されることになる。

以上の動作により、本実施の形態では、操作量上限値ＯＨ＿ＡＴ１＝２０％のときに温度ＰＶの振幅ＰＨ１＝２．０℃という結果が得られ、操作量上限値ＯＨ＿ＡＴ２＝４０％のときに温度ＰＶの振幅ＰＨ２＝４．０℃という結果が得られ、操作量上限値ＯＨ＿ＡＴ３＝６０％のときに温度ＰＶの振幅ＰＨ３＝５．２℃という結果が得られ、操作量上限値ＯＨ＿ＡＴ４＝８０％のときに温度ＰＶの振幅ＰＨ４＝５．４℃という結果が得られ、操作量上限値ＯＨ＿ＡＴ５＝１００％のときに温度ＰＶの振幅ＰＨ５＝５．６℃という結果が得られたものとする。

次に、ＡＴ終了後、振幅比率算出部８は、振幅記憶部７に記憶された振幅ＰＨ同士の比率を算出する（ステップＳ６）。ここでは、操作量上限値ＯＨ＿ＡＴの条件が近い振幅同士で比率を算出すればよい。上記の例であれば、ＰＨ２／ＰＨ１＝２．０、ＰＨ３／ＰＨ２＝１．３、ＰＨ４／ＰＨ３＝１．０３８、ＰＨ５／ＰＨ４＝１．０３７が算出される。ただし、比率の算出方法はこれに限るものではない。例えば複数の振幅ＰＨのうちの最大振幅を分母として、各振幅ＰＨと最大振幅との比率を算出するようにしてもよい。

続いて、比率判定部９は、振幅比率算出部８が算出した比率と予め設定された閾値α（例えばα＝１．０５）とを比較することにより、ヒータ出力が飽和する（すなわち、ヒータが定格範囲外となる）操作量ＭＶの飽和推定値を決定する（ステップＳ７）。ここでは、比率判定部９は、比率が閾値αよりも小さくなったときに、対応する操作量上限値ＯＨ＿ＡＴが操作量ＭＶの飽和推定値であり、この飽和推定値以上でヒータが定格範囲外となると判定する。

上記の例であれば、ＰＨ４／ＰＨ３＝１．０３８、ＰＨ５／ＰＨ４＝１．０３７なので、比率判定部９は、操作量上限値ＯＨ＿ＡＴ３＝６０％が操作量ＭＶの飽和推定値であり、この飽和推定値以上でヒータが定格範囲外となると判定する。なお、原理的には起こり得ないことであるが、ＰＨ４／ＰＨ３が閾値αよりも小さくて、ＰＨ５／ＰＨ４が閾値αよりも大きい場合は、操作量ＭＶがＯＨ＿ＡＴ５以下の範囲がヒータの定格範囲外にないものと判定する。

すなわち、比率判定部９は、振幅ＰＨの比率が閾値αよりも小さい場合に、その比率の算出元となった振幅ＰＨを検出したときの操作量上限値ＯＨ＿ＡＴのうち最小値を仮の飽和推定値とし、この仮の飽和推定値以上の操作量上限値ＯＨ＿ＡＴにおいて検出した振幅ＰＨから算出された比率が閾値α以上になることがない場合に、仮の飽和推定値を、ヒータ出力が飽和する操作量ＭＶの飽和推定値として確定する。

なお、振幅ＰＨの比率の算出方法によって比率判定部９の動作は異なる。上記の例では、振幅ＰＨの比率を算出する際に分母側を小さな振幅ＰＨとしているが、分母側を大きな振幅ＰＨとして算出する場合には、比率判定部９の動作は以下のようになる。この場合、比率判定部９は、振幅ＰＨの比率が予め設定された閾値β（例えばβ＝０．９５）よりも大きい場合に、その比率の算出元となった振幅ＰＨを検出したときの操作量上限値ＯＨ＿ＡＴのうち最小値を仮の飽和推定値とし、この仮の飽和推定値以上の操作量上限値ＯＨ＿ＡＴにおいて検出した振幅ＰＨから算出された比率が閾値β以下になることがない場合に、仮の飽和推定値を、ヒータ出力が飽和する操作量ＭＶの飽和推定値として確定する。

操作量上限値設定部１０は、比率判定部９が決定した操作量ＭＶの飽和推定値を、通常のＰＩＤ制御動作時の操作量上限値ＯＨとして操作量上限値記憶部１１に設定する（ステップＳ８）。なお、操作量上限値設定部１０は、ＰＩＤ演算部２が積分上限値ＩＨに基づく積分動作停止機能を備えている場合、比率判定部９が決定した操作量ＭＶの飽和推定値を、積分上限値ＩＨとして操作量上限値記憶部１１に設定する。上記の例のように操作量ＭＶの飽和推定値が６０％になる場合は、６０％が操作量上限値ＯＨ（あるいは積分上限値ＩＨ）になる。
以上で、温度制御装置のＡＴ実行時の動作が終了する。

なお、上記の例のようにＯＨ＿ＡＴ１＝２０％、ＯＨ＿ＡＴ２＝４０％、ＯＨ＿ＡＴ３＝６０％、ＯＨ＿ＡＴ４＝８０％、ＯＨ＿ＡＴ５＝１００％をＡＴ操作量上限値記憶部４に登録している場合、操作量上限値記憶部１１に設定される操作量上限値ＯＨ（あるいは積分上限値ＩＨ）は２０％、４０％、６０％、８０％、１００％のいずれかになる。図５に示したように、操作量ＭＶが５０％以上において全て２００Ｗの加熱パワーしか供給されない状態が発生する場合は、操作量上限値を５０％に設定するのが適切であるが、６０％に自動修正されるのであれば、１００％に比べれば十分に適正なパラメータ設定側に自動修正されていることになる。

次に、温度制御装置の通常のＰＩＤ制御動作について説明する。ＰＩＤ演算部２は、温度設定値ＳＰとＰＶ入力部１から入力された温度ＰＶに基づいて周知のＰＩＤ制御演算を行い、温度設定値ＳＰと温度ＰＶとが一致するように操作量ＭＶを算出してＭＶ出力部３に出力する。このとき、ＰＩＤ演算部２は、算出した操作量ＭＶが操作量上限値記憶部１１に設定された操作量上限値ＯＨより大きい場合、操作量ＭＶ＝ＯＨをＭＶ出力部３に出力する。また、ＰＩＤ演算部２は、積分上限値ＩＨに基づく積分動作停止機能を備えていて、算出した操作量ＭＶが操作量上限値記憶部１１に設定された積分上限値ＩＨを超えた場合、積分動作を停止し、ＰＤ制御演算で算出した操作量ＭＶをＭＶ出力部３に出力する。図６の例の場合、操作量ＭＶはＭＶ出力部３を介して電力調整器に出力されることは言うまでもない。

以上のように、本実施の形態では、ヒータ出力が飽和する操作量ＭＶの飽和推定値を検出することにより、ヒータの定格範囲を推定することができ、この操作量ＭＶの飽和推定値を、ＰＩＤ演算部２が通常の制御動作時に使用する操作量上限値ＯＨあるいは積分上限値ＩＨとして設定することにより、ヒータの定格に合わせた設定を実現することができるので、電力調整器とヒータの定格範囲が合っていない場合であっても、積分ワインドアップの発生を回避することができる。

なお、本実施の形態で説明した温度制御装置は、ＣＰＵ、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、制御対象の温度を制御するプロセス制御技術に適用することができる。

１…ＰＶ入力部、２…ＰＩＤ演算部、３…ＭＶ出力部、４…ＡＴ操作量上限値記憶部、５…ＡＴ動作実行部、６…振幅検出部、７…振幅記憶部、８…振幅比率算出部、９…比率判定部、１０…操作量上限値設定部、１１…操作量上限値記憶部。

Claims

通常の制御動作時にヒータに電力を供給する電力調整器に操作量ＭＶを出力して制御対象の温度を制御するＰＩＤ演算手段と、
前記電力調整器に一定振幅の操作量ＭＶを繰り返し出力するリミットサイクルを発生させて前記ＰＩＤ演算手段のＰＩＤパラメータを設定するリミットサイクル方式のオートチューニング（ＡＴ）を実行するときの複数回分の操作量上限値ＯＨ＿ＡＴを予め規定するＡＴ操作量上限値記憶手段と、
前記複数回分の操作量上限値ＯＨ＿ＡＴに応じてＡＴを複数回実行するＡＴ動作実行手段と、
ＡＴ実行時の制御対象の温度の振幅を１回のＡＴ毎に検出する振幅検出手段と、
この振幅検出手段が前記振幅を検出したときの操作量上限値ＯＨ＿ＡＴの条件が異なる振幅同士の比率を算出する振幅比率算出手段と、
この振幅比率算出手段が算出した比率と所定の閾値との関係に基づき、ヒータ出力が飽和する操作量ＭＶの飽和推定値を決定する比率判定手段と、
この比率判定手段が決定した操作量ＭＶの飽和推定値を、前記ＰＩＤ演算手段が通常の制御動作時に使用する操作量上限値ＯＨあるいは積分上限値ＩＨとして設定する操作量上限値設定手段とを備えることを特徴とする温度制御装置。
請求項１記載の温度制御装置において、
前記比率判定手段は、前記比率を算出する際に分子側の振幅に対して分母側を小さな振幅とした場合には、前記比率が前記所定の閾値よりも小さい場合に、ヒータ出力が飽和していると判定することを特徴とする温度制御装置。
請求項１記載の温度制御装置において、
前記比率判定手段は、前記比率を算出する際に分子側の振幅に対して分母側を大きな振幅とした場合には、前記比率が前記所定の閾値よりも大きい場合に、ヒータ出力が飽和していると判定することを特徴とする温度制御装置。
請求項１記載の温度制御装置において、
前記振幅比率算出手段は、前記振幅を検出したときの操作量上限値ＯＨ＿ＡＴの条件が隣接する振幅同士で前記比率を算出することを特徴とする温度制御装置。
請求項１記載の温度制御装置において、
前記操作量上限値設定手段は、前記ＰＩＤ演算手段が前記積分上限値ＩＨに基づく積分動作停止機能を備えている場合は、前記比率判定手段が決定した操作量ＭＶの飽和推定値を前記積分上限値ＩＨとして設定し、前記ＰＩＤ演算手段が積分動作停止機能を備えていない場合は、前記比率判定手段が決定した操作量ＭＶの飽和推定値を前記操作量上限値ＯＨとして設定することを特徴とする温度制御装置。
ヒータに電力を供給する電力調整器に一定振幅の操作量ＭＶを繰り返し出力するリミットサイクルを発生させてＰＩＤ演算手段のＰＩＤパラメータを設定するリミットサイクル方式のオートチューニング（ＡＴ）を実行する際に、予め規定された複数回分の操作量上限値ＯＨ＿ＡＴに応じてＡＴを複数回実行するＡＴ動作実行手順と、
ＡＴ実行時の制御対象の温度の振幅を１回のＡＴ毎に検出する振幅検出手順と、
この振幅検出手順で前記振幅を検出したときの操作量上限値ＯＨ＿ＡＴの条件が異なる振幅同士の比率を算出する振幅比率算出手順と、
この振幅比率算出手順で算出した比率と所定の閾値との関係に基づき、ヒータ出力が飽和する操作量ＭＶの飽和推定値を決定する比率判定手順と、
この比率判定手順で決定した操作量ＭＶの飽和推定値を、前記ＰＩＤ演算手段が通常の制御動作時に使用する操作量上限値ＯＨあるいは積分上限値ＩＨとして設定する操作量上限値設定手順とを備えることを特徴とする温度制御方法。
請求項６記載の温度制御方法において、
前記比率判定手順は、前記比率を算出する際に分子側の振幅に対して分母側を小さな振幅とした場合には、前記比率が前記所定の閾値よりも小さい場合に、ヒータ出力が飽和していると判定することを特徴とする温度制御方法。
請求項６記載の温度制御方法において、
前記比率判定手順は、前記比率を算出する際に分子側の振幅に対して分母側を大きな振幅とした場合には、前記比率が前記所定の閾値よりも大きい場合に、ヒータ出力が飽和していると判定することを特徴とする温度制御方法。
請求項６記載の温度制御方法において、
前記振幅比率算出手順は、前記振幅を検出したときの操作量上限値ＯＨ＿ＡＴの条件が隣接する振幅同士で前記比率を算出することを特徴とする温度制御方法。
請求項６記載の温度制御方法において、
前記操作量上限値設定手順は、前記ＰＩＤ演算手段が前記積分上限値ＩＨに基づく積分動作停止機能を備えている場合は、前記比率判定手順で決定した操作量ＭＶの飽和推定値を前記積分上限値ＩＨとして設定し、前記ＰＩＤ演算手段が積分動作停止機能を備えていない場合は、前記比率判定手順で決定した操作量ＭＶの飽和推定値を前記操作量上限値ＯＨとして設定することを特徴とする温度制御方法。