JPH07198586A - 湿度試験装置の湿度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 材料等の湿度試験を行うための湿度試験装置
の湿度制御装置の応答性能を向上させる。 【構成】 制御対象を高次の１次遅れ系で近似（モデル
化）し、状態空間法に基づく極配置法により制御系の設
計パラメータを決定するよう構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被試験物の湿度特性を
試験するための湿度試験装置に関するもので特に試験槽
内の湿度を制御する湿度制御手段の改善に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】一般に、この種の湿度試験装置は、試験
槽と、この試験槽内を加湿する加湿器及び除湿する冷凍
機等の除湿機構からなる湿度制御要素と、試験槽内の湿
度を測定する湿度検出器と、上記湿度制御要素を制御す
る湿度制御手段とを有している。このような湿度試験装
置において、例えば湿度制御手段は、湿度検出器から出
力された試験槽内の湿度情報と使用者により設定された
目標湿度情報との偏差を求め、この偏差に基づきいわゆ
るＰＩＤ制御を実行していた。この際、湿度制御要素を
含む制御対象はむだ時間をもった１次遅れ系とみなさ
れ、むだ時間と１次遅れ系の時定数の値を求めることに
より、ジーグラ・ニコルスの方法にしたがって、ＰＩＤ
制御系の設計パラメータである比例ゲイン、積分時間及
び微分時間が一義的に決定される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この方法によれば、安
定な、比較的応答性の良い制御が可能となることが知ら
れているが、上記設計パラメータの決め方が一義的であ
るので、出力の応答特性もまた一義的なものとなってし
まい、加湿器あるいは除湿機構の性能を加味したきめ細
かい応答特性を実現するものとしては不十分である点が
あった。本発明はこの点に対してなされたものであり、
湿度制御要素の特性に応じたきめ細かな制御を可能にす
る湿度試験装置の湿度制御手段を提供することを目的と
する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】このため、本発明では湿
度制御要素を含む制御対象を高次の１次遅れ系で近似
し、各々の１次遅れ系の時定数の値を求め、状態空間法
に基づいた極配置法により、制御系の設計パラメータを
決定するようにしたものである。また、このような高次
の１次遅れ系として、

【数１】 の状態方程式を採用した。

【０００５】

【作用】このように、この発明では、実際の制御対象の
挙動に基づき、この制御対象を高次の１次遅れ系として
モデル化するようにしたので、制御系の設計パラメータ
を目的に応じてきめ細かに決定することができる。した
がって、所望の特性を有した湿度試験装置の湿度制御手
段を提供することができる。また、上述の状態方程式に
基づく状態変数は、制御対象の状態の予測（推定）情報
として捉えることができ、この予測（推定）情報をも制
御系に加味することができ良好の追従特性を得ることが
できる。

【０００６】

【実施例】以下、図面の実施例を参照して本発明を説明
する。図１は本発明の湿度制御手段の第１実施例装置を
示す構成説明図、図２は図１に示した試験槽８の湿度制
御要素である加湿器８１の動作特性を模式的に示す説明
図、図３は試験槽８の操作量−湿度特性を示す説明図、
図４は従来装置と第１実施例装置の制御特性を模式的に
示す比較図、図５は本発明の湿度制御手段の第２実施例
装置を示す構成説明図である。第１実施例装置及び第２
実施例装置ともに株式会社昭晃堂発行に関わる『基礎制
御理論−古典から現代まで』（平成４年１月２５日初版
１７刷発行）第１１５頁〜２１２頁に述べられた状態空
間法を用いている。

【０００７】まず、図１〜図３を参照して本発明の第１
実施例装置を説明する。図１において、１は目標湿度情
報ｒと試験槽８内の実際の湿度を示す出力湿度情報ｙと
の偏差を求める第１の演算部、２は積分器、３は乗算
器、４はこの乗算器３の出力と後述するレギュレータ７
の出力との偏差を求める第２の演算部、５は試験槽８内
の加湿器８１の駆動手段としてのパルス幅変調器（ＰＷ
Ｍ）、６は試験槽８の湿度状態の推定（予測）手段とし
て作用するオブザーバ、７はオブザーバー６で求められ
る湿度状態情報を出力するレギュレータ、８は試験槽で
ある。なお、試験槽８内には加湿器８１の他に除湿手段
としての除湿機構が備えられているが、この実施例装置
ではこの除湿機構は一定の運転制御が行われているの
で、ここには示していない。

【０００８】さて、状態空間法を用いた制御では、被制
御物（試験槽８）の挙動に応じて作成される状態方程式
に基づくモデル化された状態観測手段（オブザーバ）と
このオブザーバにより作成された被制御物の状態を表す
中間変数（状態変数）を取り出し制御系にフィードバッ
クする安定化手段（レギュレータ）とを有する。図１に
示す試験槽８の加湿器８１は、図２に示すように、加湿
器８１の制限により０〜１００％の間でその加湿能力を
増減することができる。従って、この加湿器８１の加湿
能力を指令する操作量が０以下（負の操作量も含む）ま
たは１以上の場合には加湿能力の制御は不可能である。

【０００９】今、この試験槽８の加湿器８１に、図２に
示す加湿制御可能領域（不飽和領域）内で所定の単位操
作量（一定値）を所定時間与えたとする。試験槽８内の
湿度は、図３に示すように最初わずかに上昇し次いで比
較的急激な上昇となりその後ある一定湿度に近づくよう
に推移する。この時の操作量をＵ、試験槽８内の実際の
湿度をｙとすると、その状態方程式は、例えば次のよう
に表すことができる。

【数１】図１に示した第１実施例装置では、この数１に
示した状態方程式に基づきオブザーバ６を作成してい
る。

【００１０】図１を参照する。目標湿度情報ｒは、使用
者が操作パネルを用いて設定する試験槽８内の目標湿度
値である。この目標湿度情報ｒは、第１の演算部１にお
いて、試験槽８内の実際の湿度情報ｙとの偏差（ｒ−
ｙ）が演算される。次いで、この偏差は積分器２、乗算
器３からなる第１操作量生成手段に順次入力され実際量
偏差に基づく第１の操作量Ｕ１を作成するために使用さ
れる。これら第１の演算部１、積分器２及び乗算器３
（第１操作量生成手段）は従来のサーボ制御と同等な構
成及び動作を達成するものである。

【００１１】第２の演算部４では第１の操作量Ｕ１とレ
ギュレータ７からの第２の操作量Ｕ２との演算（Ｕ１−
Ｕ２）が行われる。この演算により試験槽８に付与する
実際の操作量Ｕが決定される。この実際の操作量ＵはＰ
ＷＭから成る加湿器駆動回路５に出力される。従って、
試験槽８内の加湿器８１は実際の操作量Ｕに応じた所定
の加湿を行い試験槽８内を目標湿度に一致させる動作を
行う。試験槽８内の湿度検出器８２は試験槽８内の実際
の湿度を測定し湿度情報ｙとして出力する。この湿度情
報ｙが第１の演算部１にフィードバックされるとともに
オブザーバー６の後段に入力される。

【００１２】さて、第２の演算部４の出力である実際の
操作量Ｕは分岐されてオブザーバー６の前段にも入力さ
れる。オブザーバー６は直列に接続された演算部６０
１、積分器６０２、演算部６０３、積分器６０４、演算
部６０５、積分器６０６、乗算器６０７、演算部６０８
と、この演算部６０８の出力をそれぞれ分岐して設計パ
ラメータ（ｋ３）、（ｋ２）、（ｋ１）をそれぞれ乗算
するとともに上記演算部６０１、６０３、６０５にそれ
ぞれ出力する乗算器６０９、６１０、６１１を有してい
る。また、このオブザーバー６の積分器６０２の出力、
積分器６０４の出力及び積分器６０６の出力はそれぞれ
乗算器６１２、乗算器６１３及び乗算器６１４を介して
それぞれａ１倍、ａ２倍及びａ３倍されて演算部６０１
に再度入力演算されている。

【００１３】この演算部６０１には前述した実際の操作
量Ｕがその一方の入力として入力され、演算部６０８に
は試験槽８の実際の湿度情報ｙが一方の入力として入力
されている。演算部６０１の出力は、積分器６０２によ
り積分され、演算部６０３を経て積分器６０４にて２回
目の積分が行われる。そして、さらに演算部６０５を経
て積分器６０６により３回目の積分が成される。この３
回目の積分出力は前述の状態方程式の状態変数ｘに相当
する値である。同様に、積分器６０６の前段の値がｘ１
（ｘの１回微分に相当する値）、積分器６０４の前段の
値がｘ２（ｘの２回微分に相当する値）、積分器６０２
の前段の値がｘ３（ｘの３回微分に相当する値）に相当
する状態変数である。最後の状態変数ｘに乗算器６０７
でｈ１を乗算することにより、試験槽８のモデル湿度情
報（推定湿度情報）ｈ１・ｘを得ることができる。この
推定湿度情報ｈ１・ｘと実際の湿度情報ｙとの偏差（ｙ
−ｈ１・ｘ）が演算部６０８で求められ、この偏差出力
と各乗算器６０９、６１０および６１１とで各状態変数
ｘ１、ｘ２、およびｘ３を補正して推定湿度情報ｈ１・
ｘと実際の湿度情報ｙとが一致するよう動作させてい
る。

【００１４】レギュレータ７は、この実施例装置ではオ
ブザーバ６により作成される状態変数ｘ、ｘ１、および
ｘ２を取出し所定のフィードバック定数（設計パラメー
タ）ｆ１、ｆ２およびｆ３）をそれぞれ乗算するととも
に加算して補正操作量（第２の操作量）Ｕ２（＝ｆ３・
ｘ２＋ｆ２・ｘ１＋ｆ１・ｘ）を作成する。この補正操
作量Ｕ２を第２の演算部４にフィードバックしている。
ところで、前述のオブザーバ６で作成される状態変数
ｘ、ｘ１、ｘ２、およびｘ３は、それぞれ湿度、湿度の
変化率、この湿度変化率の変化率およびそのさらなる変
化率を表しているということができる。そして、これら
はその時点よりも前の時点の実際の湿度情報により修正
されており、順次修正されるこれらの状態変数は過去の
事象に基づいて次の時点における実際の湿度を推定もし
くは予測するものであるということができる。すなわ
ち、このレギュレータ７の出力である第２の操作量Ｕ２
は次の時点の推定（予測）量であるということができ
る。

【００１５】このように、この図１に示した湿度制御装
置は、試験槽８の実際の湿度情報ｙだけでなく、この湿
度情報ｙにより修正される推定（予測）情報としての状
態変数をもフィードバックする手段を有している。図４
に示すように、従来装置に比べて速やかな追従が可能に
なるとともにオーバーシュートが低減される利点があ
る。なお、この第１の実施例装置においては、状態変数
としてｘ、ｘ１およびｘ２を取り出すよう構成したが、
その取り出しかたとしては、ｘのみまたは、ｘとｘ１あ
るいはｘ、ｘ１、ｘ２およびｘ３全部を取り出すように
してもよい。これらの状態変数の取り出し数を多くすれ
ばするほど実際の値と近づくようになる。

【００１６】次に図５を参照して、本発明の第２実施例
装置を説明する。この第２実施例装置は、先に述べた第
１実施例装置と次の２点で異なる。 第２の演算部４の出力である実際の操作量４の上下限
を設定するリミッタ９５を設けたこと。 第１の演算部１の後段に２つの積分器２１、２２を設
けるとともにこれら各積分器２１、２２のそれぞれ前段
にスイッチ９１、９２を設け、さらにこれらのスイッチ
を制御するスイッチコントローラ９２、９４を有したこ
と。

【００１７】リミッタ９５は、図２に示すように試験槽
８の加湿器８１が飽和領域を有することから、実際の操
作量Ｕが飽和領域（０以下または１以上の値）にある場
合その操作量を０または１に設定するものである。これ
により、オブザーバ６に付与される実際の操作量を試験
槽８の加湿器８１の不飽和領域内とすることができ、実
際の操作量Ｕが飽和領域の値であったとしてもオブザー
バ６を試験槽８のモデルとして利用することができる。

【００１８】第１の積分器２１の前段に設けられたスイ
ッチ９１は、スイッチコントローラ９２により制御され
る。このスイッチコントローラ９２は第１の演算部１の
出力（ｒ−ｙ）と実際の操作量Ｕとを入力としており、
これらの２つの入力が次のいずれかの関係となる時スイ
ッチ９１をオン、それ以外の時オフとするよう構成され
ている。 実際の操作量Ｕが図２に示す不飽和領域内である場
合。 実際の操作量Ｕが１以上の飽和領域であり、かつ偏差
（ｒ−ｙ）が負である場合（目標湿度より実際の湿度が
高い場合）。 実際の操作量Ｕが０以下の飽和領域であり、かつ偏差
（ｒ−ｙ）が正である場合。 このような制御を実行することにより、実際の操作量Ｕ
が飽和している時であってさらにその飽和を続行させよ
うとする動作が生じるような場合には、第１の積分器２
１に余分な指令値が蓄積されず、応答性のよい制御が実
行できる。

【００１９】また、第２の積分器２２の前段に取り付け
られるスイッチ９２はスイッチコントローラ９４により
制御されている。このスイッチコントローラ９４には第
１の演算部１の出力（偏差ｒ−ｙ）と第２の演算部４の
出力（実際の操作量Ｕ）及び第１の積分器２１の出力が
入力されており、これらの信号が次のいずれかの関係に
ある時スイッチ９２をオンとし、それ以外の時にオフと
するよう動作している 。実際の操作量Ｕが図２に示す不飽和領域にある場
合。 実際の操作量Ｕが１以上の飽和領域であり、かつ偏差
（ｒ−ｙ）、積分器２１の出力がともに負である場合。 実際の操作量Ｕが０以下の飽和領域であり、かつ偏差
（ｒ−ｙ）、積分器２１の出力がともに正である場合。 この第２の積分器２２及びスイッチ９３を付加すること
により、一定の湿度勾配（定加速度）で湿度制御を行う
場合等において、より高精度な制御が実現できる。

【００２０】なお、本発明を説明するにあたり湿度のみ
を制御する試験装置を例示したが、本発明と本出願人が
同日出願した「温度試験装置の温度制御装置」とを組み
合わせることも可能である。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
制御対象を高次の１次遅れ系にモデル化しているので、
所望の特性に適切に追従する湿度試験装置の湿度制御装
置を実現できる利点がある。また、この発明では制御対
象のモデル化を前述の数１に示すように行ったので、そ
の状態変数を制御対象の状態の予測（推定）情報として
取り扱うことができ、速やかな応答特性が得られる湿度
試験装置の湿度制御装置を実現できる。さらに、この発
明の実施例装置はノイズの影響を受けやすい微分器を用
いることなく応答性の優れた湿度制御装置を実現できる
利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１実施例を示す構成説明図
である。

【図２】図２は、この発明に関わる湿度試験装置の湿度
制御要素である加湿器の動作特性を示す説明図である。

【図３】図３は、この発明に関わる湿度試験装置の試験
槽の操作量−湿度特性を模式的に示す説明図である。

【図４】図４は、従来装置と第１実施例装置との制御特
性の比較図である。

【図５】図５は、本発明の第２実施例の構成説明図であ
る。

【符号の説明】

６：オブザーバー ７：レギュレータ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被試験物を試験槽内に保持した状態で該試
   験槽内の湿度を所定の湿度に制御するため、使用者が指
   示する目標湿度に応じて上記試験槽内の湿度制御要素を
   駆動する操作量を生成する操作量生成手段と、該操作量
   生成手段に上記試験槽内の実際の湿度情報をフィードバ
   ックする実際量フィードバック手段とを有した被試験物
   の湿度に対する性質を試験する湿度試験装置の湿度制御
   装置において、 上記試験槽内の湿度に関する状態を推定（予測）する湿
   度状態推定（予測）手段を設け、該湿度状態推定（予
   測）手段の出力である湿度状態推定（予測）情報を上記
   操作量生成手段にフィードバックする推定（予測）量フ
   ィードバック手段とを有したことを特徴とする湿度試験
   装置の湿度制御装置。
2. 【請求項２】上記湿度状態推定（予測）手段は上記試験
   槽内の湿度制御要素を駆動する操作量を入力とし、また
   該湿度状態推定（予測）手段の出力である湿度状態推定
   （予測）情報は上記試験槽内の実際の湿度情報により修
   正されることを特徴とする請求項１記載の湿度試験装置
   の湿度制御装置。
3. 【請求項３】目標湿度情報ｒと試験槽８の実際の湿度を
   示す出力湿度情報ｙとの実際量偏差（ｒ−ｙ）を演算す
   る第１の演算部１と、該第１の演算部１により出力され
   た実際量偏差に対し所定の処理を施し該実際量偏差に基
   づく第１の操作量Ｕ１を生成する第１操作量生成手段
   （２、３、２１、２２、３１、３２）と、該第１操作量
   生成手段（２、３、２１、２２、３１、３２）により生
   成された第１の操作量Ｕ１と第２の操作量Ｕ２とを演算
   （Ｕ１−Ｕ２）して実際の操作量Ｕを生成する第２の演
   算部４と、該第２の演算部４の出力操作量Ｕにより駆動
   される湿度制御要素８１を有した試験槽８と、該試験槽
   ８の実際の湿度を示す出力湿度情報ｙを出力する湿度検
   出器８２と、上記試験槽８の湿度に関する実際の挙動に
   基づき作成されるとともに該試験槽８の湿度に関して推
   定（予測）される湿度状態情報を生成するオブザーバー
   ６と、該オブザーバー６の湿度状態情報に基づき推定
   （予測）量としての第２の操作量Ｕ２を生成するレギュ
   レータ７と、 を有することを特徴とする湿度試験装置の湿度制御装
   置。
4. 【請求項４】オブザーバー６は実際の操作量Ｕを入力と
   し、かつ該オブザーバー６内で生成される試験槽８の推
   定（予測）される湿度状態情報は実際の出力湿度情報ｙ
   により修正されるよう構成し、さらにこのオブザーバー
   ６の前段に上記試験槽８の湿度制御要素の動作制限に基
   づいてこのオブザーバー６に入力される実際の操作量Ｕ
   を制限するリミッタ９５を設けたことを特徴とする請求
   項３記載の湿度試験装置の湿度制御装置。
5. 【請求項５】第１操作量生成手段（２、３、２１、２
   ２、３１、３２）内に少なくとも１個の積分器（２、２
   １、２２）を設けたものにおいて、この制御系が所定の
   状態にあるとき該積分器（２、２１、２２）に対する指
   令値の蓄積を停止する積分器切り離し手段（９１、９
   ２）を設けたことを特徴とする請求項３記載の湿度試験
   装置の湿度制御装置。