JPH0916273A - 温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 温度制御系の制御周期と温度サンプリング周
期とを独立に設定して、制御周期を温度サンプリング周
期より短くすることでエイリアシングの影響を押さえる
と共に応答の高速化と離散化誤差の低減を計る。 【構成】 ＰＩまたはＰＩＤ動作等による制御周期Ｔ0
のフィードバック温度制御装置において、温度変化の高
周波成分を低減させるために、温度センサーの周囲を熱
容量および熱抵抗の大きいシリコンオイル入りの容器等
で包囲する。この温度センサーからの出力値を、制御周
期Ｔ0 のｎ倍の周期Ｔ3 でサンプリングして温度情報を
出力させ、このサンプリングされた温度情報を０次ホー
ルドして、周期Ｔ0 で帰還情報を発生させることで、制
御周期と温度サンプリング周期を独立に設定することが
可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、サンプリング温度制御
系において、サンプリング温度検出器の制約から、制御
周期が長くなる制御系の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】制御対象物の温度を目標値に一定に保つ
定値制御や目標温度が随時変化する追従制御にフィード
バック制御系が利用されている。このフィードバック制
御系に使われる制御装置は検出部、調節部、操作部から
構成される。検出部は制御対象物の制御量、すなわち温
度を検出して調節部に入力する。調節部は目標温度と温
度とを比較してその結果に適当な増幅、演算、変換を施
してその結果を操作部に入力する。操作部は制御対象物
に対して熱の給排を行い温度を上げたり下げたりする。
これら一連の動作をある一定の制御周期で行うことで温
度制御が可能となる。制御の応答速度はこの制御周期に
よるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の制御系の制御周
期は、最も動作の遅い構成要素の動作周期とならざるを
得なかった。通常は、検出器のサンプリング周期が最も
遅く、その制御系の制御周期となっている。したがっ
て、より動作周期の短い調節部を用いても、サンプリン
グ周期によって決定される範囲での応答速度しか実現で
きず、操作部によって発生する離散化誤差も小さくする
ことが困難であった。

【０００４】また、通常温度検出部として使用される検
出素子は、非常に小型で質量も小さく製作されているの
で、温度検出器の熱時定数は極めて小さく、急激な温度
変化にも遅れを生じることなく追従性よく温度検出が可
能である。このことは、急な変化を示す温度外乱が発生
すると、温度の検出情報にはこの温度外乱に基づく情報
も含まれてしまうことを意味する。高精度の温度検出器
では、サンプリングの動作特性から、サンプリング周期
が数秒〜数十秒になることがある。

【０００５】前記温度外乱の周期が温度検出部のサンプ
リング周期よりも短くなるような場合には、従来の制御
系において、エイリアシングノイズが発生してしまう。
このため高精度でサンプリングを行っても制御装置全体
の精度を大幅に損なう事態に見舞われる可能性があっ
た。

【０００６】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、温度センサーに適切な熱時定数を付加する
ことで、エイリアシングノイズの低減を計ると共に、サ
ンプリング温度検出器のサンプリング周期と制御周期を
独立に短く設定可能とし、制御系の応答の高速化と、離
散化ノイズおよびエイリアシングノイズの低減を計った
温度制御装置を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するために、熱外乱の中で最も大きな成分の周期をＴ
2 として、該熱外乱の影響を受ける被制御体の温度を制
御する装置において、操作情報を受けてから応答時間Ｔ
1 をもって被制御体に対して熱の給排を行う熱給排手段
と、温度変化の高周波成分を低減させるために熱時定数
を有する部材で周囲を包囲してなる前記熱給排手段の温
度を検出する温度センサーと、前記温度センサーからの
出力値を周期Ｔ3 でサンプリングして温度情報を出力す
るサンプリング温度検出器と、前記サンプリング温度検
出器から入力される温度情報に基づいて、それらの温度
情報に対してｎ等分した周期Ｔ0 で帰還情報を発生する
帰還情報発生器と、指令温度を周期Ｔ0 でサンプリング
して指令情報を出力する指令サンプリング器と、前記指
令情報と前記帰還情報発生器から入力される帰還情報に
基づいて周期Ｔ0 で操作情報を出力する制御器と、を備
え、Ｔ0 乃至Ｔ3 およびｎの間に Ｔ1 ＜Ｔ0 ＜Ｔ2 ＜Ｔ3 ， Ｔ0 ＝Ｔ3 ／ｎ となる関係が設定されていることを特徴とする。

【０００８】また、本発明は前記手段に加えて、温度変
化の高周波成分を低減させるために熱時定数を有する部
材で周囲を包囲してなる前記熱給排手段の温度を検出す
る２個の温度センサーと、前記２個の温度センサーから
の出力値をそれぞれ周期Ｔ3，Ｔ4 でサンプリングして
温度情報を出力する２個のサンプリング温度検出器と、
前記２個の温度サンプリング検出器から入力される温度
情報に基づいて、それらの温度情報に対してｎ等分、ｎ
2 等分した周期Ｔ0 で帰還情報を発生する２個の帰還情
報発生器と、指令温度を周期Ｔ0 でサンプリングして指
令情報を出力する指令サンプリング器と、前記指令情報
と前記２個の帰還情報発生器から入力される２つの帰還
情報に基づいて周期Ｔ0 で操作情報を出力する制御器
と、を備え、Ｔ0 乃至Ｔ4 、ｎおよびｎ2 との間に Ｔ1 ＜Ｔ0 ＜Ｔ2 ＜Ｔ3 ， Ｔ0 ＝Ｔ3 ／ｎ Ｔ1 ＜Ｔ0 ＜Ｔ2 ＜Ｔ4 ， Ｔ0 ＝Ｔ4 ／ｎ2 となる関係が設定されていることを特徴とする。

【０００９】また、本発明は前記手段に加えて、指令温
度を周期Ｔ5 でサンプリングしてサンプリング情報を出
力する指令サンプリング器と、前記指令サンプリング器
から入力されるサンプリング情報に基づいて、それらの
サンプリング情報に対してｎ3 等分した周期Ｔ0 で指令
情報を出力する指令情報発生器と、を備え、Ｔ0 、Ｔ5
およびｎ3 の間に Ｔ0 ＝Ｔ5 ／ｎ3 となる関係が設定されていることを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明によれば、サンプリング温度検出器から
の複数の情報を等分することにより同一の周期の帰還情
報を生成するので、サンプリング周期と制御周期を独立
に設定することができる。

【００１１】また、温度センサーの周囲を適切な熱容量
と熱抵抗を有する部材で包囲することで、温度変化の高
周波成分を低減することができる。

【００１２】

【実施例】本発明の好適な実施例を図１に示す。指令温
度は、指令サンプリング器１により、制御周期Ｔ0 と同
じ周期でサンプリングされ指令情報となる。この指令情
報は、同じ周期Ｔ0 の帰還情報をマイナスとした差動増
幅器と、比例、微分、積分等の制御動作を含む制御則に
より周期Ｔ0 の操作情報となる。温度操作器３は、Ｔ0
よりも短い応答時間Ｔ1 を持ち、操作情報に従い被制御
体４との間で熱を給排して、被制御体４とともに温度操
作器３自身の温度をも変化させる。制御を乱そうとする
雰囲気等の熱変動をモデル化して外乱発生部５として表
わすと共に、外乱の中で最も大きい成分の周期をＴ2 と
して表わす。被制御体４は、この外乱発生部５から周期
Ｔ2 を持つ温度外乱を受ける。

【００１３】温度操作器３のより詳しい構成例を図２に
示す。温度操作器３は、操作情報を増幅しペルチェ素子
３ｂに印加する電圧を発生させるアンプ３ａと、ペルチ
ェ素子３ｂと、被制御体４とペルチェ素子３ｂとを熱的
に結合する熱伝達媒体３ｃによって構成される。また、
温度センサー６は熱伝達媒体３ｃに取り付けられてい
る。温度センサー６を被制御体４ではなく熱伝達媒体３
ｃに取り付けることで、被制御体４を取り替えてもその
都度制御則を変更することなく安定した制御が可能とな
る。また、温度センサー６を付けたりはずしたりする作
業も不要で、被制御体４に温度センサー６を取り付けら
れないような場合でも温度検出可能である。

【００１４】温度センサー６には、サンプリング温度検
出器７のサンプリング周期Ｔ3 により発生するエイリア
シングノイズを防ぐために温度変化の高周波成分を低減
させる必要があり、温度センサー部の周囲を熱容量や熱
抵抗の大きい物、たとえばシリコンオイル入りの容器等
で包み込むことで熱時定数を適切に付与している。この
ようにして与えられる熱時定数の値は、一般的にサンプ
リング周期Ｔ3 の２倍以上に設定することが多い。ま
た、温度センサーが温度に比例した電圧信号を生じるよ
うなものの場合は、温度センサーの出力信号にローパス
フィルターを掛けることで、略同様の効果を得ることも
できる。これにより、温度センサー部で検出される温度
情報からサンプリング周期Ｔ3 よりも短い周期Ｔ2 の成
分の前記温度外乱を除去することが出来る。但し、大き
すぎる熱時定数は、制御性を損なうので、エイリアシン
グノイズを防ぐのに必要最低限の熱時定数に設定するこ
とが必要である。

【００１５】サンプリング温度検出器７には前記温度セ
ンサー部で検出された温度情報が絶えず入力されてい
る。このサンプリング温度検出器７は周期Ｔ3 で温度情
報をサンプリングすると共にこの温度情報は帰還情報発
生器に入力される。

【００１６】帰還情報発生器８では、サンプリング温度
検出器７から得られた周期Ｔ3 の情報を次のサンプリン
グ時まで保持し、Ｔ0 ＝Ｔ3 ／ｎとなるようｎで等分し
て周期Ｔ0 の帰還情報を発生させる。この様子を、図３
に示す。現在のサンプル値Ｓj から、Ｔ3 をｎ分割した
Ｔ0 ＝Ｔ3 ／ｎ時間毎の直線Ａ上の点Ｑk （k=0 〜n-1
）を求め帰還情報とする。

【００１７】図４は、前記帰還情報発生を行う装置の構
成例である。発振器のクロックをｎ分周した周期Ｔ3 で
サンプリングされ、Ａ／Ｄコンバータによってデジタル
データに変換された現在のサンプル値Ｓj から、マイク
ロプロセッサ等により発振器のクロックＴ0 ごとに、 Ｑk ＝ Ｓj （k ＝0,1,2,...,n-1 ） の式のようにデジタルデータを発生させる。これは新し
いサンプル値Ｓj+1 が得られるまでＳj を先行するサン
プル値と仮定することである。また、被制御体の熱伝達
特性は、１次もしくは、多次遅れの特性をもつモデルで
近似出来るので、過去のサンプル値をこの近似モデルと
同一の特性を持つフィルター８９を通し、より誤差の小
さい帰還情報を仮定することもある。得られた周期Ｔ0
のデジタルデータは、Ｄ／Ａコンバータにより帰還情報
となる。ここで、Ｔ1 ＜Ｔ0 ＜Ｔ2＜Ｔ3 なる関係が
あるとすると、このサンプリング温度制御系は、制御周
期がＴ0 であることから、指令情報に対する応答は、Ｔ
0 でその応答の上限を制限されるが、サンプリング温度
検出器７のサンプリング周期Ｔ3 による制限を受けな
い。また、サンプリング温度検出器７からの帰還情報
は、周期Ｔ0 に応じた小さい離散化ノイズで、制御周期
Ｔ0 の制御系に組み込まれることになる。

【００１８】本発明の他の好適な実施例を図５に示す。
図１の構成に、温度操作器３に取り付けられた温度セン
サー９の情報をサンプリング温度検出器７のサンプリン
グ周期Ｔ3 とは異なる周期Ｔ4 でサンプリングするサン
プリング検出器１０と、帰還情報発生器１１を追加した
構成である。なお、温度センサー９にも温度センサー６
と同様に適切な時定数が設定してある。帰還情報発生器
１１内では、Ｔ0 ＝Ｔ4 ／ｎ2 となるｎ2 により、帰還
情報発生器１０から得られた周期Ｔ4 の情報を図３と同
様な方法で、図４と同様な構成の装置により、周期Ｔ0
の帰還情報を発生させる。ここで、Ｔ1 ＜Ｔ0 ＜Ｔ3 ，
Ｔ1 ＜Ｔ0 ＜Ｔ4 なる関係があるとすると、サンプリン
グ周期の異なるサンプリング温度検出器７とサンプリン
グ温度検出器１０からの帰還情報をそれぞれ独立に、し
かも、それぞれの離散化ノイズならびにエイリアシング
ノイズを増加させることなく、制御周期Ｔ0 の制御系で
活用することができ、それぞれの情報を利用した制御特
性を独立に向上させることが出来る。

【００１９】また、同様にしてサンプリング周期の異な
るｍ個のサンプリング検出器を制御周期Ｔ0 の制御系で
活用することにより、それぞれの情報を利用した制御特
性を独立に向上させることが出来る。

【００２０】本発明の他の好適な実施例を図６に示す。
図１もしくは図５の構成に、指令情報発生器１２を追加
した構成で、指令サンプリング器１のサンプリング周期
が制御周期Ｔ0 と異なる周期Ｔ5 でサンプリングされる
場合である。指令情報発生器１２内では、Ｔ0 ＝Ｔ5 ／
ｎ3 となるｎ3 により、指令サンプリング器１から得ら
れた周期Ｔ5 の情報を図３と同様な方法で、図４と同様
な構成の装置により、周期Ｔ0 の指令情報を発生させ
る。ここで、Ｔ1 ＜Ｔ0 ＜Ｔ3 ，Ｔ1 ＜Ｔ0 ＜Ｔ4 ，Ｔ
1 ＜Ｔ0 ＜Ｔ5 なる関係があるとすると、サンプリン
グ周期の異なる指令サンプリング器１、サンプリング温
度検出器７、サンプリング温度検出器１０からの各サン
プリング周期Ｔ5 ，Ｔ3 ，Ｔ4 と、制御周期Ｔ0 を独立
に、しかも、それぞれの離散化ノイズならびにエイリア
シングノイズを増加させることなく、制御周期Ｔ0 の制
御系で活用することができ、それぞれの情報を利用した
制御特性を独立に向上させることが出来る。

【００２１】

【発明の効果】サンプリング温度制御系において、温度
センサーに、適切な熱時定数を設定し、さらに、制御周
期をサンプリング温度検出器のサンプリング周期とは別
に、より短い制御周期に設定することにより、制御系の
応答を向上させて、高速な応答を実現できる。

【００２２】また、制御系の精度を損なう離散化ノイズ
を低減すると共に、エイリアシングノイズをも低減させ
ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施例を示すブロック図であ
る。

【図２】温度操作器の内部を示すブロック図である。

【図３】サンプリング温度と帰還情報を示すグラフであ
る。

【図４】帰還情報発生器の内部を示すブロック図であ
る。

【図５】本発明に係る他の実施例を示すブロック図であ
る。

【図６】本発明に係る他の実施例を示すブロック図であ
る。

【符号の説明】

1 指令サンプリング器 2 制御器 3 温度操作器 4 被制御体 5 外乱発生部 6,9 温度センサー 7,10 サンプリング温度検出器 8,11 帰還情報発生器 12 指令情報発生器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱外乱の中で最も大きな成分の周期をＴ
   2 として、該熱外乱の影響を受ける被制御体の温度を制
   御する装置において、 操作情報を受けてから応答時間Ｔ1 をもって被制御体に
   対して熱の給排を行う熱給排手段と、 温度変化の高周波成分を低減させるために熱時定数を有
   する部材で周囲を包囲してなる前記熱給排手段の温度を
   検出する温度センサーと、 前記温度センサーからの出力値を周期Ｔ3 でサンプリン
   グして温度情報を出力するサンプリング温度検出器と、 前記サンプリング温度検出器から入力される温度情報に
   基づいて、ｎ等分した周期Ｔ0 で帰還情報を発生する帰
   還情報発生器と、 指令温度を周期Ｔ0 でサンプリングして指令情報を出力
   する指令サンプリング器と、 前記指令情報と前記帰還情報発生器から入力される帰還
   情報に基づいて周期Ｔ0 で操作情報を出力する制御器
   と、 を備え、Ｔ0 乃至Ｔ3 およびｎの間に Ｔ1 ＜Ｔ0 ＜Ｔ2 ＜Ｔ3 ， Ｔ0 ＝Ｔ3 ／ｎ となる関係が設定されていることを特徴とする温度制御
   装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、 温度変化の高周波成分を低減させるために熱時定数を有
   する部材で周囲を包囲してなる前記熱給排手段の温度を
   検出する２個の温度センサーと、 前記２個の温度センサーからの出力値をそれぞれ周期Ｔ
   3 ，Ｔ4 でサンプリングして温度情報を出力する２個の
   サンプリング温度検出器と、 前記２個の温度サンプリング検出器から入力される温度
   情報に基づいて、ｎ等分、ｎ2 等分した周期Ｔ0 で帰還
   情報を発生する２個の帰還情報発生器と、 指令温度を周期Ｔ0 でサンプリングして指令情報を出力
   する指令サンプリング器と、 前記指令情報と前記２個の帰還情報発生器から入力され
   る２つの帰還情報に基づいて周期Ｔ0 で操作情報を出力
   する制御器と、 を備え、Ｔ0 乃至Ｔ4 、ｎおよびｎ2 との間に Ｔ1 ＜Ｔ0 ＜Ｔ2 ＜Ｔ3 ， Ｔ0 ＝Ｔ3 ／ｎ Ｔ1 ＜Ｔ0 ＜Ｔ2 ＜Ｔ4 ， Ｔ0 ＝Ｔ4 ／ｎ2 となる関係が設定されていることを特徴とする温度制御
   装置。
3. 【請求項３】 請求項１および２において、 指令温度を周期Ｔ5 でサンプリングしてサンプリング情
   報を出力する指令サンプリング器と、 前記指令サンプリング器から入力されるサンプリング情
   報に基づいて、ｎ3 等分した周期Ｔ0 で指令情報を出力
   する指令情報発生器と、 を備え、Ｔ0 、Ｔ5 およびｎ3 の間に Ｔ0 ＝Ｔ5 ／ｎ3 となる関係が設定されていることを特徴とする温度制御
   装置。