JP7199926B2 - 制御装置及び物理量の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば温度、湿度などの物理量を制御する制御装置及び物理量の制御方法に関するものである。

ＰＩＤ制御は、入力値の制御を出力値と目標値との偏差、その積分および微分の３つの要素によって行う方法として知られている。従来、制御する物理量を温度として、上述したＰＩＤ制御が採用される温度制御器では、制御すべき対象について、適切なＰＩＤパラメータを各自で決定する必要があった。この決定法の一つとしてオートチューニングが知られており、オートチューニングを用いたＰＩＤコントローラが下記特許文献１に開示されている。

特開２００９－００９１７７号公報

しかしながら、従来の温度制御器では、一般に、ＰＩＤパラメータが自動で完全に最適化されることはなく、最終的にはＰＩＤパラメータの手動調整を要求されることもしばしばあり、ＰＩＤパラメータを完全に意識せずに温度制御器を利用することが困難であった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、ＰＩＤパラメータを意識せずに物理量を制御することができる制御装置および物理量の制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係る制御装置は、制御対象物に配置された主センサと、
前記制御対象物における物理量の影響を前記主センサよりも早く受け、かつ前記制御対象物における物理量の測定値が変化していく順序で前記制御対象物に配置された複数の副センサと、
前記主センサが検出した物理量の測定値に基づいて基本制御出力を演算し、前記複数の副センサが検出した物理量の測定値に基づいて出力補正量を演算し、前記基本制御出力を前記出力補正量により補正して補正制御出力を演算し、前記補正制御出力によって前記制御対象物における物理量を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る物理量の制御方法は、制御対象物に配置された主センサにて前記制御対象物における物理量を検出するステップと、
前記制御対象物における物理量の影響を前記主センサよりも早く受け、かつ前記制御対象物における物理量の測定値が変化していく順序で前記制御対象物に配置された複数の副センサにて物理量を検出するステップと、
前記主センサが検出した物理量に基づいて基本制御出力を演算するステップと、
前記複数の副センサが検出した物理量に基づいて出力補正量を演算するステップと、
前記基本制御出力を前記出力補正量により補正して補正制御出力を演算するステップと、
前記補正制御出力によって前記制御対象物における物理量を制御するステップとを含むことを特徴とする。

本発明に係る制御装置や物理量の制御方法は、前記物理量を温度として制御することができる。

本発明によれば、物理量の測定値が変化していく方向に配置した複数のセンサ（主センサ、副センサ）の情報によってのみ制御出力を決めることができ、オペレータがＰＩＤパラメータを意識することなく物理量を制御することができる。

本発明に係る制御装置のブロック構成図である。 本発明に係る制御装置にて制御される制御対象物のモデルの一例として想定した電気加熱炉の概略構成図である。 本発明に係る制御装置の副センサの入力波形の一例を示す図である。 本発明に係る制御装置の基本制御出力による制御結果の一例を示す図である。 本発明に係る制御装置にて制御すべき測定点の温度とそれ以外の測定点の温度の関係を示す図である。 本発明に係る制御装置の補正出力演算の一例を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。なお、添付する各図を参照した以下の説明において、方向乃至位置を示すために上、下、左、右の語を使用した場合、これはユーザが各図を図示の通りに見た場合の上、下、左、右に一致する。さらに、本明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺、縦横の寸法比、形状などについて、実物から変更し模式的に表現される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。

［本発明の概要について］
本発明は、１つの制御対象物において、例えば温度、湿度などの物理量の測定値が変化していく順に複数の測定点を持つ場合、この複数の測定点全ての物理量の測定値を利用して、ユーザがＰＩＤパラメータから完全に切り離され、その上で、最適な物理量の制御を行うことができる制御装置を提供するものである。

なお、制御対象物において制御すべき物理量は、物理量の測定値が変化していく方向において、より後段の測定点に限定される。以下、本実施の形態では、物理量が温度の場合を例にとって説明する。

［制御対象物について］
まず、本発明に係る制御装置にて制御される制御対象物について説明する。本実施の形態では、図２に示すような縦形の電気加熱炉１１を制御対象物のモデルとして用いた。

制御対象物としての電気加熱炉１１は、図２に示すように、不図示の被加熱物を配置するための空洞部１２が中央に形成された断熱材からなる筒状の均熱体１３を備える。そして、均熱体１３の下部に発熱体としてのヒーター１４が設置され、均熱体１３の周囲（図示の例では、均熱体１３の左側）の下部から上部にかけて複数のセンサ挿入口１５が形成される。図示の例では、均熱体１３の下部から上部に向かって８つのセンサ挿入口１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ，１５ｇ，１５ｈが形成される。

このような構造の電気加熱炉１１においてヒーター１４を加熱した場合、均熱体１３の下部から上部に向かって熱が伝搬し、温度の測定値が測定点Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｇ→Ｈの順に変化していく。したがって、制御すべき温度は、最上部のセンサ挿入口１５ｈで計測される測定点Ｈの温度となる。

［制御装置の構成について］
次に、制御装置の構成について説明する。図１に示すように、制御装置１は、図２の電気加熱炉１１のヒーター１４を制御するものであり、主センサ２、副センサ３、制御部４を備えて概略構成される。

主センサ２は、温度センサで構成され、電気加熱炉１１において目標温度に制御したい測定点である均熱体１３の最上部のセンサ挿入口１５ｈに配置され、最上部の測定点Ｈの温度を検出する。

副センサ３は、主センサ２と同様の温度センサで構成され、計測される温度の測定値が最上部の測定点Ｈの温度の測定値に向けて変化していく測定点の順（Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｇ）、すなわち、センサ挿入口１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ，１５ｇの順にそれぞれ配置され、各測定点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇごとに温度を検出する。

なお、本実施の形態では、副センサ３を７つの温度センサで構成しているが、計測される温度の測定値が最上部の測定点Ｈの温度の測定値に向けて変化していく少なくとも一つの測定点、すなわち、少なくとも１つのセンサ挿入口１５に配置される温度センサを副センサ３としてもよい。

制御部４は、主センサ２からの温度情報と副センサ３からの温度情報を用いて演算される補正制御出力によってヒーター１４を制御するもので、基本制御出力演算部４ａ、出力補正量演算部４ｂ、制御出力演算部４ｃを備える。

基本制御出力演算部４ａは、主センサ２からの温度情報（主センサ２が検出した温度の測定値）を用いて後述する式（２）から基本制御出力を演算する。

出力補正量演算部４ｂは、副センサ３からの温度情報（副センサ３が検出した温度の測定値）を用いて後述する式（３）から出力補正量を演算する。

制御出力演算部４ｃは、基本制御出力演算部４ａにて演算した基本制御出力を、出力補正量演算部４ｂにて演算した出力補正量により補正して補正制御出力を演算する。

次に、上記のように構成される制御装置１の動作について説明する。図２の電気加熱炉１１をヒーター１４により加熱した場合、このとき制御すべき温度は、電気加熱炉１１の最上部のセンサ挿入口１５ｈに配置された主センサ２で計測される測定点Ｈの温度となる。

制御装置１は、複数の温度センサとして主センサ２と副センサ３を備え、図２における最上部のセンサ挿入口１５ｈで計測される測定点Ｈの温度が制御すべき温度であり、最上部のセンサ挿入口１５ｈに配置された主センサ２にて検出した温度の測定値が温度情報として制御部４に入力される。また、その他のセンサ挿入口１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ，１５ｇに配置された副センサ３にて検出した温度の測定値が温度情報として制御部４に入力される。

主センサ２および副センサ３による温度情報が制御部４に入力されると、基本制御出力演算部４ａが主センサ２の温度情報を用いて後述する式（２）から基本制御出力（目標温度に制御するための出力）を演算する。

また、出力補正量演算部４ｂが主センサ２の温度情報と副センサ３の温度情報を用いて後述する式（３）から出力補正量を演算する。

主センサ２および副センサ３による温度情報は、電気加熱炉１１の構成から、図３に示すように遅延を伴って昇温することが期待されるため、図３の波形情報を用いて出力補正量を計算することができる。

そして、制御出力演算部４ｃは、基本制御出力演算部４ａで得られた基本制御出力を出力補正量演算部４ｂで得られた出力補正量により修正することで、最終的な制御出力を演算する。

このように、図２の電気加熱炉１１において熱が伝搬する方向に複数の温度センサ（主センサ２、副センサ３）が配置され、かつその温度情報を制御部４に入力情報として取得することができれば、制御すべき温度の測定点に向かい熱が伝搬する特性を解析することが可能であり、適切な制御出力を計算できる。

また、熱が伝搬する特性を解析することで、制御対象物の数式モデルを作ることもでき、これによりさらに適切な制御出力を計算できる。

そして、本実施の形態によれば、熱伝搬の方向に配置した複数の温度センサ（主センサ２、副センサ３）の情報によってのみ制御出力を決めることができる。これにより、オペレータは従来のＰＩＤパラメータからは完全に解放されるので、オペレータがＰＩＤパラメータを意識することなく温度を制御することができる。また、センサの配置する量を増やすことで、熱伝搬の特性がより明らかになり、よりきめ細やかな制御が可能になる。

［具体例］
次に、上述した制御装置１にて図２の電気加熱炉１１の温度を制御する場合の具体例について説明する。

図２の電気加熱炉１１で制御すべき温度の測定点は、構造上、最も遅く熱が到達する均熱体１３の最上部のセンサ挿入口１５ｈに配置された主センサ２にて温度が検出される測定点（図２のＨ）である。そこで、この主センサ２にて検出される測定点Ｈの温度をＰＶ１（ｔ）、目標温度をＳＶ１（ｔ）、偏差をＥＶ１（ｔ）とする。なお、ｔは時間である。

また、目標温度ＳＶ１（ｔ）は作業従事者が決定するものとし、本例では時間に依らず一定値とする。さらに、ヒーター１４に初期投入する出力ＩｎｉｔＭＶも作業従事者が決定し、本例ではＩｎｉｔＭＶ＝１００（％）とする。

このとき制御を開始した時刻ｔ＝０のときの偏差ＥＶ１（０）は、ＥＶ１（０）＝ＳＶ１（０）－ＰＶ１（０）…式（１）と書ける。

そして、図１の基本制御出力演算部４ａの演算結果をＭａｉｎＭＶ（ｔ）とし、上記式（１）を用いて表現すると、ＭａｉｎＭＶ（ｔ）＝（ＩｎｉｔＭＶ／ＥＶ１（０））＊ＥＶ（ｔ）…式（２）となる。なお、式（２）において、０≦ＭａｉｎＭＶ（ｔ）≦１００とする。この状態では、ＩｎｉｔＭＶ／ＥＶ１（０）を比例定数とした、比例制御となっている。

しかし、このような比例制御では、図４に示すように、測定点Ｈの温度ＰＶ１（ｔ）が目標温度ＳＶ１（ｔ）に辿り着かず、オフセットを持つことが知られている。

そこで、本実施の形態では、図１の副センサ３の入力情報を用いた出力補正量演算部４ｂにより、センサ挿入口１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ，１５ｇに配置される副センサ３ごとの出力補正量ΔＭＶ２_n を計算し、上記オフセットを減少させることを考えた。

なお、出力補正量ΔＭＶ２_n のサフィックスｎは、均熱体１３の下部のセンサ挿入口１５ａ（測定点Ａ）からセンサ挿入口１５ｇ（測定点Ｇ）に向かって副センサ３に付した通し番号（本例では、ｎ＝１～７）である。

今、図２のセンサ挿入口１５ｇに配置された副センサ３による測定点Ｇの温度をＰＶ２_n=7 （ｔ）、目標温度をＳＶ２_n=7 （ｔ）とする。このとき、ＳＶ２_n=7 （ｔ）は作業従事者が既知の値を指定する方法、あるいは値を予想する方法が考えられる。あるいは、予測する演算を制御装置１に組み込む方法が考えられる。

ここで、主センサ２による測定点Ｈの温度ＰＶ１（ｔ）が図４のように制御されているとき、副センサ３による測定点Ｇの温度ＰＶ２_n=7 （ｔ）は図５のように目標温度ＳＶ２_n=7 （ｔ）に対してオフセットを持っていると考えられる。

したがって、副センサ３による測定点Ｇにおけるオフセットを減少させることで、主センサ２による測定点Ｈのオフセットを減少させることができる。この演算方法について以下に説明する。

なお、本例では、副センサ３による測定点Ａの温度をＰＶ２_n=1 （ｔ）、測定点Ｂの温度をＰＶ２_n=2 （ｔ）、測定点Ｃの温度をＰＶ２_n=3 （ｔ）、測定点Ｄの温度をＰＶ２_n=4 （ｔ）、測定点Ｅの温度をＰＶ２_n=5 （ｔ）、測定点Ｆの温度をＰＶ２_n=6 （ｔ）、測定点Ｇの温度をＰＶ２_n=7 （ｔ）としている。

図６において、副センサ３による測定点Ｇの温度ＰＶ２_n=7 （ｔ）が直線的に温度上昇している部分から目標温度ＳＶ２_n=7 （ｔ）に対して仮想直線を引き、これを補助設定値ＡｓｓｉｓｔＳＶ２_n=7 （ｔ）とする。

この補助設定値ＡｓｓｉｓｔＳＶ２_n=7 （ｔ）を用いて、副センサ３による測定点Ｇにおける出力補正量ΔＭＶ２_{n =7}（ｔ）を以下のように算出する。

ΔＭＶ２_n=7 （ｔ）＝（ＩｎｉｔＭＶ／ＥＶ１（０））＊（ＡｓｓｉｓｔＳＶ２_n=7 （ｔ）－ＰＶ２_n=7 （ｔ））＋ΔＭＶ２_n=7 （ｔ－１）…式（３）

これにより、図１の制御出力演算部４ｃにて演算される出力ＭＶ（ｔ）は、ＭＶ（ｔ）＝ＭａｉｎＭＶ（ｔ）＋ΔＭＶ２_n=7 （ｔ）…式（４）と書ける。

なお、センサ挿入口１５に設置された副センサ３による他の測定点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆにおける出力補正量ΔＭＶ２_n=1 （ｔ），ΔＭＶ２_n=2 （ｔ），ΔＭＶ２_n=3 （ｔ），ΔＭＶ２_n=4 （ｔ），ΔＭＶ２_n=5 （ｔ），ΔＭＶ２_n=6 （ｔ）も同様に計算することができる。

その結果、制御出力演算部４ｃにて演算される最終的な出力ＭＶ（ｔ）は、主センサ２による演算結果ＭａｉｎＭＶ（ｔ）と、副センサ３による各測定点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇにおける出力補正量ΔＭＶ２_n=1 （ｔ），ΔＭＶ２_n=2 （ｔ），ΔＭＶ２_n=3 （ｔ），ΔＭＶ２_n=4 （ｔ），ΔＭＶ２_n=5 （ｔ），ΔＭＶ２_n=6 （ｔ），ΔＭＶ２_n=7 （ｔ）との和、すなわち、下記式（５）で表すことができる。なお、式（５）において、０≦ＭａｉｎＭＶ（ｔ）≦１００とする。

なお、上記制御演算は、副センサ３による１つの測定点（図２のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇの何れか１つ）の温度情報だけを用いても可能である。

しかし、比較的早く反応する副センサ３による測定点の温度を用いて補正すれば、測定点Ｈの温度ＰＶ１（ｔ）が目標温度ＳＶ１（ｔ）に到達する時間が早くなる。

また、演算に用いる副センサ３による測定点の数を増やすことにより、測定点Ｈの温度ＰＶ１（ｔ）を目標温度ＳＶ１（ｔ）に早く到達させることができる。

ところで、上述した実施の形態では、図２の電気加熱炉１１の温度を制御する場合を例にとって説明したが、物理量は温度に限定されず例えば湿度などであってもよく、図３に示すように、同じ特性で遅延を伴って物理量が変化する場合に採用することができる。

以上、本発明に係る制御装置及び物理量の演算方法の最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術などはすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。

１ 制御装置
２ 主センサ
３ 副センサ
４ 制御部
４ａ 基本制御出力演算部
４ｂ 出力補正量演算部
４ｃ 制御出力演算部
１１ 電気加熱炉（制御対象物）
１２ 空洞
１３ 均熱体
１４ ヒーター（制御対象）
１５（１５ａ～１５ｈ） 温度センサ挿入口

Claims (4)

1. 制御対象物に配置された主センサと、
   前記制御対象物における物理量の影響を前記主センサよりも早く受け、かつ前記制御対象物における物理量の測定値が変化していく順序で前記制御対象物に配置された複数の副センサと、
   前記主センサが検出した物理量の測定値に基づいて基本制御出力を演算し、前記複数の副センサが検出した物理量の測定値に基づいて出力補正量を演算し、前記基本制御出力を前記出力補正量により補正して補正制御出力を演算し、前記補正制御出力によって前記制御対象物における物理量を制御する制御部とを備えたことを特徴とする制御装置。
2. 前記物理量が温度であることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 制御対象物に配置された主センサにて前記制御対象物における物理量を検出するステップと、
   前記制御対象物における物理量の影響を前記主センサよりも早く受け、かつ前記制御対象物における物理量の測定値が変化していく順序で前記制御対象物に配置された複数の副センサにて物理量を検出するステップと、
   前記主センサが検出した物理量に基づいて基本制御出力を演算するステップと、
   前記複数の副センサが検出した物理量に基づいて出力補正量を演算するステップと、
   前記基本制御出力を前記出力補正量により補正して補正制御出力を演算するステップと、
   前記補正制御出力によって前記制御対象物における物理量を制御するステップとを含むことを特徴とする物理量の制御方法。
4. 前記物理量が温度であることを特徴とする請求項３に記載の物理量の制御方法。

Images