JP6909259B2 - 成形機の温度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば射出成形機、押出成形機等の成形機の温度を制御する装置（温度制御装置）等に関し、典型的な実施形態は、加熱部のＩ−ＰＤ制御に関する。

従来、ＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Differential Controller）は、広く知られ、また、その改良は、様々な分野で、多く思考されている。例えば特許文献１は、少なくとも積分演算を行う制御装置を開示し、その制御装置の制御対象は、例えば温度、圧力、流量等である。より具体的には、特許文献１の制御装置は、積分処理停止部を備え、その積分処理停止部は、目的値の変更を検出し、この目的値変更検出時点から所定期間だけ積分演算処理を停止させるとともに、目的値変更検出時点の積分値を保持させてこの保持積分値を出力することができる。

なお、特許文献１の制御装置は、典型的には、目標値から入力信号を減算した偏差（制御偏差）に基づく比例演算部、積分演算部及び微分演算部と、比例演算部、積分演算部及び微分演算部からの３つの演算出力を加算して出力信号を出力する加算部と、を更に備え、従って、ＰＩＤ制御に積分処理停止部を加えることによって、ＰＩＤ制御を改良している。加えて、特許文献１の制御装置は、加算部からの出力（ＰＩＤ出力）を上限値と下限値との間に制限して出力信号を出力する出力リミッタを更に備えることもできる。

偏差に基づく比例演算部、積分演算部及び微分演算部を備える基本的なＰＩＤ制御とは異なる微分先行型ＰＩＤ制御（前記偏差の目標値を微分することをやめて、微分動作は入力信号だけに働くような構成）も、広く知られ、また、その改良は、例えば特許文献２に開示されている。

より具体的には、特許文献２の制御装置は、目標値から入力信号を減算した偏差（制御偏差）に基づく比例演算部及び積分演算部と、入力信号に基づく入力微分演算部と、比例演算部、積分演算部及び入力微分演算部からの３つの演算出力に基づく出力（第１のＰＩＤ出力）を出力する加算部と、を備える（微分先行型ＰＩＤ制御）。特許文献２の制御装置は、加算部からの出力（第１のＰＩＤ出力）を上限値と下限値との間に制限して出力信号を出力する第１の出力リミッタと、目標値に基づく目標値微分演算部と、第１の出力リミッタ及び目標値微分演算部からの２つの演算出力に基づく出力（第２のＰＩＤ出力）を出力する加算部と、この加算部からの出力（第２のＰＩＤ出力）を上限値と下限値との間に制限して出力信号を出力する第２の出力リミッタと、を更に備えることができる。

例えば特許文献３の制御装置は、特許文献１の比例演算部、積分演算部、微分演算部、加算部及び出力リミッタに相当する「制御演算部及び出力リミッタ」を備えている。より具体的には、特許文献３の制御演算部は、目標値（制御目標値）と制御対象からの入力信号（制御入力信号）とから求めた偏差（制御偏差）をなくすように位置形の比例演算、微分演算及び積分演算を行い、それらの演算出力を加算してＰＩＤ演算結果（ＰＩＤ出力）を得て出力リミッタに出力することができる。

特許文献３の制御装置は、積分演算修正部及び積分演算修正判断部を更に備えることができる。積分演算修正部は、ＰＩＤ演算結果が上限値又は下限値に制限されたとき、制御演算部の積分演算値を修正してＰＩＤ演算結果を上限値又は下限値に一致させるものである。積分演算修正判断部は、その入力信号（制御入力信号）の変化方向とＰＩＤ演算結果が上限値又は下限値を越える方向とから入力信号の変化の正常又は異常を判定し、異常と判定したときに積分演算修正部による積分演算値の修正を禁止し、更に、ＰＩＤ演算結果が上限値と下限値の間に戻ったとき、又は当該時点の入力信号が積分演算値の修正禁止をした時点より１時点前の入力信号レベルに戻ったとき、その積分演算値修正禁止を解除するものである。

特許第３１４４６０４号公報（段落［０００１］，請求項１，図１，段落［００１４］，図９参照） 特許第３０４７６５４号公報（図１参照） 特許第２９５００５０号公報（段落［００２８］，［００２９］，図１参照）

本発明者らは、成形機の温度制御には、比例・微分先行型ＰＩＤ（Ｉ−ＰＤ）が適しており、更に、Ｉ−ＰＤ演算結果（ＰＩＤ出力）から出力リミッタの出力を減算した値（出力リミッタで制限した値）を積分演算部にフィードバックする自動整合制御系が適していると考え、添付図面の図２の温度制御装置での成形機の温度制御を試みた。しかしながら、添付図面の図３（Ａ）に示す通り、成形機（加熱部）の検出温度（測定値：Process variable）ＰＶは、設定温度（設定値：Setting point value）ＳＶである例えば３５０℃に、到達する前に、飽和してしまう（オフセットの発生）。

図３（Ａ）の操作量（Manipulated variable）は、図２の出力リミッタからの出力信号（ＰＩＤ出力）であるＭＶ_{ＰＩＤｌｉｍ}である一方、図３（Ｂ）の操作量は、図２の微分演算部からの出力（Ｄ出力）である微分操作量ＭＶ_Ｄ（−Ｋ_Ｄ［ｄ（ＰＶ_ｎ−ＰＶ_ｎ−１）／ｄｔ］）を示す。本発明者らは、図２の出力リミッタの入力である操作量ＭＶ_ＰＩＤが出力リミッタによって制限される飽和状態である時に、図３（Ｂ）の上昇側（１００［％］を超える）の微分操作量ＭＶ_Ｄが図３（Ａ）の操作量ＭＶ_{ＰＩＤｌｉｍ}に反映されないことを認識した。

本発明の１つの目的は、Ｉ−ＰＤ演算結果（ＰＩＤ出力）が出力リミッタによって制限される状況であっても、検出温度ＰＶが設定温度ＳＶに到達可能である成形機の温度制御装置を提供することである。本発明の他の目的は、以下に例示する態様及び最良の実施形態、並びに添付の図面を参照することによって、当業者に明らかになるであろう。

以下に、本発明の概要を容易に理解するために、本発明に従う態様を例示する。

本発明に従う態様において、成形機の温度制御装置は、第１の出力リミッタと第２の出力リミッタと、を備える。第１の出力リミッタは、第２の出力リミッタの外側に組み込む。第２の出力リミッタは、例えば０［％］〜例えば１００％［％］の範囲で、その出力をリミッタする（加熱部のＯｎ／Ｏｆｆ操作の物理的限界）。第１の出力リミッタの出力範囲（好ましくは例えば−１［％］、より好ましくは例えば−１０［％］（例えば０［％］未満であればよい）〜好ましくは例えば１０１［％］、より好ましくは例えば１１０％［％］（例えば１００［％］を超えればよい）の範囲）は、第２の出力リミッタの出力範囲（例えば０［％］〜例えば１００％［％］の範囲）よりも大きい。

第１の出力リミッタには、Ｉ−ＰＤ演算結果（比例操作量、積分操作量及び微分操作量の操作量ＭＶ_ＰＩＤ）ではなく、Ｉ−Ｐ演算結果（比例操作量及び積分操作量の操作量ＭＶ_ＰＩ）が入力される。ここで、第１の出力リミッタで操作量ＭＶ_ＰＩが制限される時に、その制限された値を積分器から取り除いて、積分操作量が生成されている。第１の出力リミッタからの出力（操作量ＭＶ_ＰＩ）に微分操作量ＭＶ_Ｄが加味されて、Ｉ−ＰＤ演算結果（比例操作量、積分操作量及び微分操作量の操作量ＭＶ_ＰＩＤ）が得られる。この操作量ＭＶ_ＰＩＤが第２の出力リミッタに入力される。

このような第１の出力リミッタを設けたことで、第２の出力リミッタでＩ−ＰＤ演算結果（ＰＩＤ出力）に制限が掛かることが軽減されて、制御対象（典型的には、加熱部）の検出温度ＰＶが設定温度ＳＶで安定し易くなる（オフセットの解消）。

当業者は、例示した本発明に従う態様が、本発明の精神を逸脱することなく、さらに変更され得ることを容易に理解できるであろう。

図１は、本発明に従う温度制御装置が適用される成形機の概略構成例を示す。 図２は、従来の温度制御装置の構成例を示す。 図３（Ａ）は、図２の温度制御装置でのＩ−ＰＤ演算結果（比例操作量、積分操作量及び微分操作量の操作量ＭＶ_{ＰＩＤｌｉｍ}）及び検出温度ＰＶを示し、図３（Ｂ）は、図２の温度制御装置での微分操作量ＭＶ_Ｄを示す。 図４は、本発明に従う温度制御装置の構成例を示す。 図５は、図４の温度制御装置のＰＩＤ演算部に等価である構成例を示す。 図６は、図４の温度制御装置でのＩ−ＰＤ演算結果（比例操作量、積分操作量及び微分操作量の操作量ＭＶ_{ＰＩＤｌｉｍ}）及び検出温度ＰＶを示す。

以下に説明する最良の実施形態は、本発明を容易に理解するために用いられている。従って、当業者は、本発明が、以下に説明される実施形態によって不当に限定されないことを留意すべきである。

図１は、本発明に従う温度制御装置が適用される成形機の概略構成例を示す。図１は、成形機として、例えば射出成形機Ｍが図示され、射出成形機Ｍは、射出装置Ｍｉと型締装置Ｍｃとを備える。図１の例において、射出装置Ｍｉは、樹脂材料を加熱するための加熱部を備え、加熱部は、典型的には、加熱筒である。図１の加熱筒は、例えば、前部３ａと、中間部３ｂと、後部３ｃと、を有し、加熱筒の前端には、射出ノズル２１が設けられるとともに、加熱筒の後端には、樹脂材料を供給するためのホッパ２２（広義には、材料供給部）が設けられる。型締装置Ｍｃの構成は、当業者によく知られているので、その説明は、省略するが、典型的には、図示されない可動型と固定型とからなる金型（mold）を備え、この金型には冷却用のウォータージャケット（図示せず）が設けられている。

図１の例において、加熱筒の内部にはスクリュ２が挿入され、このスクリュ２の後端には、材料供給部の後方へ延出することにより、スクリュ２を回転駆動及び進退駆動するスクリュ駆動部２３が接続される。なお、スクリュ駆動部２３の構成は、当業者によく知られているので、その説明は、省略する。

加熱筒の外部には、加熱部を構成する例えば３つのバンドヒータ４ａ，４ｂ，４ｃ（広義には、ヒータ、更に広義には、加熱体）が装着されている。射出成形機Ｍ（具体的には、加熱部、典型的には、樹脂材料の加熱筒）は、本発明に従う温度制御装置３１の制御対象１であり、例えば３つの温度センサ６ａ，６ｂ，６ｃが、加熱筒（前部３ａ、中間部３ｂ及び後部３ｃ）に、設けられている。なお、ホッパ２２から加熱筒の内部に供給された固形状のペレット（樹脂材料）は、スクリュ２の回転による剪断及び加熱筒による加熱により可塑化混練され、型締装置Ｍｃの金型に射出充填するための溶融樹脂が生成される。

図１の温度制御装置３１は、図４又は図５のＰＩＤ演算部７（具体的には、加熱部のＩ−ＰＤ制御を実行するコントローラ）を備えることができる。なお、温度制御装置３１は、典型的には、成形機制御装置１０の一部を構成し、成形機制御装置１０は、加熱の制御対象１だけでなく、スクリュ駆動部２３、型締装置Ｍｃ等、射出成形機Ｍ全体を制御することができ、その制御に必要な構成（図示せず）を温度制御装置３１と一緒に備えることができる。温度制御装置３１又は成形機制御装置１０の構成（又は温度制御装置３１を含む成形機制御装置１０を有する射出成形機Ｍ全体の制御装置の構成）は、当業者によく知られているので、その説明は、省略する。更に、温度制御装置３１は、加熱部のＩ−ＰＤ制御を実行するためのプログラムを格納する内部メモリ（図示せず）、Ｉ−ＰＤ制御の設定値（設定温度ＳＶ、比例帯［℃］、積分時間［秒］及び微分時間［秒］等）を入力し、且つ及びＩ−ＰＤ制御の測定値（検出温度ＰＶ）をモニタするためのディスプレイ（図示せず）を更に有することができる。

また、射出成形機Ｍの構成は、図１の例に限定されず、例えば、射出成形機Ｍは、加熱筒の冷却部を更に備えることができる。言い換えれば、加熱筒は、少なくとも加熱部を備え、好ましくは、樹脂材料を加熱可能又は冷却可能である加熱冷却部である。図示されない冷却部（例えば、図示されないエア供給部からの送風による空冷を行う冷却部）の構成は、当業者によく知られているので、その説明は、省略する。

更に、射出成形機Ｍの構成は、図１の例に限定されず、例えば、射出成形機Ｍの加熱部を構成する例えば３つのバンドヒータ４ａ，４ｂ，４ｃは、例えば４つのバンドヒータで構成されてもよく、加えて、射出成形機Ｍは、加熱部として、射出ノズル２１部に設けられるバンドヒータ（図示せず）及び／又は加熱筒の最後部に設けられるバンドヒータ（図示せず）を更に有することができる。冷却部は、このような加熱部に対応して、冷却範囲を拡大することができるとともに、射出成形機Ｍは、樹脂材料の落下口の冷却部（例えば、落下口の冷却用に設けたウォータジャケット）を更に有することができる。

成形機の１例として、図１に射出成形機Ｍを示したが、加熱部を有する例えば押出成形機等のその他の成形機（プラスチック製品を製造するための装置）に、温度制御装置３１が適用されてもよい。型締装置Ｍｃを備えず、射出ノズル２１内部にダイ（die）が設けられた押出成形機の構成は、当業者によく知られているので、その説明は、省略する。

図４は、本発明に従う温度制御装置３１（ＰＩＤ演算部７）の構成例を示し、図５は、図４の温度制御装置３１のＰＩＤ演算部７に等価である構成例を示す。図４に示されるように、温度制御装置３１のＰＩＤ演算部７は、積分演算部４１、比例演算部４２、微分演算部４３、第１の加算部４４、第１の出力リミッタ４５、経路４６、第２の加算部４７及び第２の出力リミッタ４８を備える。

積分演算部４１は、設定温度ＳＶ［℃］から検出温度ＰＶ［℃］を減算した値である偏差ｅに基づく積分操作量を演算することができる。比例演算部４２は、検出温度ＰＶに基づく比例操作量を演算することができる。第１の加算部４４は、積分演算部４１からの出力と比例演算部４２からの出力の反転とを加算することができる。第１の出力リミッタ４５は、第１の加算部４４からの出力（比例操作量及び積分操作量の操作量ＭＶ_ＰＩ）を第１の上限値と第１の下限値との間に制限することができる。経路４６は、第１の加算部４４からの出力（操作量ＭＶ_ＰＩ）から第１の出力リミッタ４５からの出力（操作量ＭＶ_{ＰＩｌｉｍ}）を減算した値を積分演算部４１にフィードバックすることができる。

微分演算部４３は、検出温度ＰＶに基づく微分操作量を演算することができる。第２の加算部４７は、第１の加算部４４からの出力と微分演算部４３からの出力の反転とを加算することができる。第２の出力リミッタ４８は、第２の加算部４７からの出力（比例操作量、積分操作量及び微分操作量の操作量ＭＶ_ＰＩＤ）を第２の上限値（＜第１の上限値）と第２の下限値（＞第１の下限値）との間に制限することができる。第２の出力リミッタ４８からの出力（比例操作量、積分操作量及び微分操作量の操作量ＭＶ_{ＰＩＤｌｉｍ}）は、操作量として制御対象１に出力される。

図５において、図４の積分演算部４１は、積分器と、（１／Ｔ_Ｉ）×（１００／ＰＢ）を有するゲイン設定部と、を含む。図４の比例演算部４２は、１００／ＰＢを有するゲイン設定部を含む。図４の経路４６は、ＰＢ／１００を有するゲイン設定部を含み、より具体的には、減算した値（操作量ＭＶ_ＰＩ−操作量ＭＶ_{ＰＩｌｉｍ}）を積分演算部４１にフィードバックするための２つの加算器を更に含む。ここで、ＰＢ、Ｔ_Ｉ及びＴ_Ｄは、それぞれ、比例帯［℃］、積分時間［秒］及び微分時間［秒］である。

図５の例において、図４の第１の出力リミッタ４５の第１の上限値及び第１の下限値は、それぞれ、例えば１１０［％］及び例えば−１０［％］である。図４の第２の出力リミッタ４８の第２の上限値及び第２の下限値は、それぞれ、例えば１００［％］及び例えば０［％］である。第２の上限値及び第２の下限値は、それぞれ、加熱部のＯｎ／Ｏｆｆ操作の物理的限界である。ここで、加熱部を構成するヒータは、時間比例で制御され、物理的限界である上限値（第２の上限値）は、１００［％］の時間でヒータが常にＯｎされ、０［％］の時間でヒータが常にＯｆｆされる（電流が流れない）。

本発明者らは、図２の出力リミッタの入力である操作量ＭＶ_ＰＩＤが出力リミッタによって制限される飽和状態である時に、図３（Ｂ）の上昇側（１００［％］を超える）の微分操作量ＭＶ_Ｄが図３（Ａ）の操作量ＭＶ_{ＰＩＤｌｉｍ}に反映されないことを認識した。したがって、図４又は図５の本発明に従う温度制御装置３１（ＰＩＤ演算部７）では、Ｉ−ＰＤ演算結果（ＰＩＤ出力）が出力リミッタによって制限される状況であっても、検出温度ＰＶが設定温度ＳＶに到達可能であるように、図４の第１の出力リミッタ４５は、第２の出力リミッタ４８の内側に組み込む。第１の出力リミッタ４５の出力範囲（例えば−１［％］〜例えば１０１％［％］の範囲、好ましくは例えば−５［％］〜例えば１０５％［％］の範囲、より好ましくは例えば−１０［％］〜例えば１１０％［％］の範囲）は、第２の出力リミッタ４８の出力範囲（例えば０［％］〜例えば１００％［％］の範囲）よりも大きい。

なお、第２の出力リミッタ４８の出力範囲は、第１の出力リミッタ４５の出力範囲の内側に設定されることで、本発明に従う効果が得られ、第１の出力リミッタ４５の上限値は、例えば１００％に近づく程、その効果が薄くなり、同様に、第１の出力リミッタ４５の下限値は、例えば０％に近づく程、その効果が薄くなる。

加えて、図４の第１の出力リミッタ４５には、図２のＩ−ＰＤ演算結果（比例操作量、積分操作量及び微分操作量の操作量ＭＶ_ＰＩＤ）ではなく、図４のＩ−Ｐ演算結果（比例操作量及び積分操作量の操作量ＭＶ_ＰＩ）が入力される。ここで、図４の第１の出力リミッタ４５で操作量ＭＶ_ＰＩが制限される時に、その制限された値を積分器（積分演算部４１）から取り除いて、積分操作量が生成されている。第１の出力リミッタ４５からの出力（操作量ＭＶ_ＰＩ）に微分操作量ＭＶ_Ｄ（図２（Ｂ）参照）が加味されて、図４のＩ−ＰＤ演算結果（比例操作量、積分操作量及び微分操作量の操作量ＭＶ_ＰＩＤ）が得られる。この操作量ＭＶ_ＰＩＤが第２の出力リミッタ４８に入力される。

図４又は図５のＰＩＤ制御系においては、以下に示す演算式が成立する。

ここで、Ｋ_Ｉ及びＫ_Ｐは、それぞれ、積分ゲイン及び比例ゲインである。また、Ｋ_Ｉ＝（１／Ｔ_Ｉ）×（１００／ＰＢ）であり、Ｋ_Ｐ＝１００／ＰＢである。

ここで、ＵＬ_１及びＬＬ_１は、それぞれ、第１の上限値（例えば１１０［％］）及び第１の下限値（例えば−１０［％］）である。なお、第１の上限値は、１１０［％］に限定されず、例えば、１０５［％］から１１０［％］までの値であることが好ましい。同様に、第１の下限値は、−１０［％］に限定されず、例えば、−５［％］から−１０［％］までの値であることが好ましい。

ここで、Ｋ_Ｄは、微分ゲインである。また、Ｋ_Ｄ＝Ｔ_Ｄ×（１００／ＰＢ）である。

ここで、ＵＬ２及びＬＬ２は、それぞれ、第２の上限値（例えば１００［％］）及び第２の下限値（例えば０［％］）である。

図６は、図４の温度制御装置３１（ＰＩＤ演算部７）でのＩ−ＰＤ演算結果（比例操作量、積分操作量及び微分操作量の操作量ＭＶ_{ＰＩＤｌｉｍ}）及び検出温度ＰＶを示す。図４に示されるように、温度制御装置３１は、第１の出力リミッタ４５を備えることで、第２の出力リミッタ４８でＩ−ＰＤ演算結果（ＰＩＤ出力）に制限が掛かることが軽減されて、制御対象１の検出温度ＰＶが設定温度ＳＶ（例えば３５０［℃］）で安定し易くなり、オフセットが解消される（図６参照）。

なお、設定温度ＳＶは、図３（Ａ）及び図６の３５０［℃］に限定されない。

本発明は、上述の例示的な実施形態に限定されず、また、当業者は、上述の例示的な実施形態を特許請求の範囲に含まれる範囲まで、容易に変更することができるであろう。

１・・・制御対象、２・・・スクリュ、３ａ，３ｂ，３ｃ・・・加熱筒の前部，中間部，後部）、４ａ，４ｂ，４ｃ・・・バンドヒータ、６ａ，６ｂ，６ｃ・・・温度センサ、７・・・ＰＩＤ演算部、１０・・・成形機制御装置、２１・・・射出ノズル、２２・・・ホッパ、２３…スクリュ駆動部、３１・・・温度制御装置、４１・・・積分演算部、４２・・・比例演算部、４３・・・微分演算部、４４・・・第１の加算部、４５・・・第１の出力リミッタ、４６・・・経路、４７・・・第２の加算部、４８・・・第２の出力リミッタ。

Claims (2)

1. 樹脂材料を加熱するための加熱部の設定温度から前記加熱部の検出温度を減算した値である偏差に基づく積分演算部と、
   前記検出温度に基づく比例演算部と、
   前記検出温度に基づく微分演算部と、
   前記積分演算部からの出力と前記比例演算部からの出力の反転とを加算する第１の加算部と、
   前記第１の加算部からの出力を第１の上限値と第１の下限値との間に制限する第１の出力リミッタと、
   前記第１の加算部からの前記出力から前記第１の出力リミッタからの出力を減算した値を前記積分演算部にフィードバックする経路と、
   前記第１の加算部からの前記出力と前記微分演算部からの出力の反転とを加算する第２の加算部と、
   前記第２の加算部からの出力を、第２の上限値と第２の下限値との間に制限する第２の出力リミッタと、
   を備え、
   前記第２の出力リミッタからの出力は、前記加熱部を構成するヒータのＯｎ／Ｏｆｆ操作をするための操作量として制御対象である前記加熱部に出力され、
   前記積分演算部は、積分器と、（１／Ｔ _Ｉ ）×（１００／ＰＢ）を有するゲイン設定部と、を含み、
   前記比例演算部は、１００／ＰＢを有するゲイン設定部を含み、
   前記微分演算部は、微分器と、Ｔ _Ｄ ×（１００／ＰＢ）を有するゲイン設定部と、を含み、
   前記経路は、ＰＢ／１００を有するゲイン設定部と、を含み、
   前記第２の上限値は、１００［％］であり、
   前記第２の下限値は、０［％］であり、
   前記検出温度が前記設定温度に到達可能であるように、前記第１の上限値は、前記第２前記第２の上限値よりも高く、前記第１の下限値は、前記第２の下限値よりも低く、
   ここで、ＰＢ、Ｔ _Ｉ 及びＴ _Ｄ は、それぞれ、比例帯、積分時間及び微分時間であり、
   前記ヒータは、時間比例で制御され、前記第２の上限値が前記加熱部に出力される場合、１００［％］の時間で前記ヒータが常にＯｎされ、前記第２の下限値が前記加熱部に出力される場合、０［％］の時間で前記ヒータが常にＯｆｆされる
   ことを特徴とする前記加熱部を含む成形機の温度制御装置。
2. 前記第１の上限値は、１０１［％］から１１０［％］までの値であり、
   前記第１の下限値は、−１［％］から−１０［％］までの値であることを特徴とする請求項１に記載の成形機の温度制御装置。

Images