JPS63232857A - 恒温装置の温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （（）産業上の利用分野 本発明は一般に理化学機器における恒温装置の温度制御
装置に関するものである。

υ）従来の技術 従来の此種恒温装置の温度制御に関する方法は例えば特
開昭６１−３５８５６号公報に示されている。此種恒温
装置は庫内を例えば１５°Ｃ〜３０℃のうちの何れかの
目標値に精密に温度制御することが要求され、そのため
に恒温装置内を加熱するためのヒータと冷却するための
圧縮機を有した冷却装置とを備えている。この圧縮機は
機構上頻繁な駆動停止が行えないため、此種精密な制御
のためには圧縮機を駆動したままでヒータの出力を制御
するのが一般的であるが、目標値が周囲温度よりも高い
場合は冷却が不要であるのに冷却することになり、その
分ヒータの出力も上昇するため多大な消費電力を必要と
していた。又、冷却装置の冷媒回路の減圧器の抵抗値を
変更したり、圧縮機の極数変換若しくはインバータ装置
による周波数変更によって冷却装置の冷却能力を段階的
に変更する事も考えられるが、何れにしても目標値が高
い時には使用者が手動で圧縮機を停止せしめるか、冷却
能力を低下せしめていたのが現状である。

この手間を省くために前記公報ではヒータを比例制御し
、ヒータの出力即ち比例制御演算における操作量が低下
したら圧縮機を駆動し、上昇したら停止せしめることに
よって自動的に圧縮機の運転を制御する方法を採ってい
る。

Ｑ９発明が解決しようとする問題点 前記公報ではヒータを比例制御していたが、更に精密に
制御するものとしてＰＩ若しくはＰＩＤ制御することが
考えられる。ここでＰＩ制御とは比例積分制御であり、
ＰＩＤ制御とは更に微分制御が加算される。以下にＰＩ
Ｄ制御の一般式を示す。

Ｋｐ　　　　　　　　ｄｅ ｙ＝Ｋｐｅ十看−ｆｅｄｔ＋ＫｐＴｄπ　・・・・・・
（１）ここで（ｙ）はヒータの出力となる操作量、Ｋｐ
は比例感度、Ｔｉは積分時間、Ｔｄは微分時間、ｅは目
標温度（ＳＶ）と恒温装置内の温度（ｐｖ）と量を示し
ている。比例操作量は偏差ｅの増加に比例し、それを減
少させる方向に作用し、積分操作量は偏差を積分して定
常的な偏差を無くする様作用し、微分操作量は急激な温
度変動を緩慢にする方向に作用するものである。

第６図に前記公報の如くヒータの出力である操作量（ｙ
）が例えば２０％である（ＹＬ）まで低下して圧縮機を
駆動し、その状態から８０％である（ｙ、りまで上昇し
たら停止させる制御装置が目標温度（ＳＶ）が周囲温度
より高い時に安定していた状態から周囲温度が上昇して
来た状態の温度（ＰＶ）の時間推移を示す。周囲温度の
上昇に伴ってヒータ出力である操作量（ｙ）が徐々に減
少して来て第６図中ｆ点にて操作ｉｔ　（ｙ）が（ｙＬ
）まで達すると圧縮機が起動する。操作量（ｙ）は非常
に小さく、従ってヒータの出力も少なく、一方圧縮機の
起動により温度（ＰＶ）は急激に低下し始めるため、こ
れに対応して操作１（ｙ）も、温度（ＰＶ）を目標温度
（ＳＶ）に戻そうとして急激に上昇し、第６図中ｇ点で
は（ｙｘ）に達してしまう。即ち周囲温度が高く冷却が
必要であるにも拘わらず圧縮機を停止せしめてしまうこ
とになる。すると圧縮機が停止したにも拘わらずヒータ
出力は（ｙｉ）以上であるため、過剰加熱となり温度（
ｐｖ）は急上昇し、ｈ点以後目標温度（ＳＶ）を大きく
オーバーシュートしてしまう。すると操作量（ｙ）は再
び急激に低下して行き、以下はこの様なサイクルを繰り
返えし、温度（ＰＶ）のオーバーシュートとアンダーシ
ーートが大きくなり、非常に不安定となる問題があった
。

本発明は斯かる問題点を解決することにある。

に）問題点を解決するための手段 本発明は恒温装置の温度制御装置において恒温装置内を
加熱する加熱手段と冷却する冷却手段とをそれぞれ駆動
することにより恒温装置内を目標温度に保持するもので
あって、恒温装置内の温度と目標温度に基づいてＰＩ若
しくはＰＩＤ演算を実行する演算部を有し、それによっ
て得られた操作量にて前記加熱手段を駆動すると共に必
要に応じて冷却手段の冷却能力を上昇若しくは降下せし
める制御手段を備え、該制御手段は冷却手段の冷却能力
を上昇及び降下せしめる時に演算部にそれぞれ所定の積
分初期値を設定する手段を設けたものである。

（ホ）作用 本発明によれば必要に応じて冷却手段の冷却能力を上昇
若しくは降下させるので消費電力を削減できる。又、冷
却手段の冷却能力の変動時に退部な積分初期値を設定す
る事によって温度が不安定となるのを防止できる。

（勺実施例 次に図面に従って本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の温度制御装置（１）の機能ブロック図
を示す。（２）は制御手段としての周知のマイクロコン
ピュータであり、マイクロコンピュータ（２）はその機
能としてＰＩＤ演算部（３）、積分操作量の記憶部（４
）、積分初期値設定部（５Ｘ６）、比較部（７）及びス
イッチ（８）を有する。（９）は図示しない恒温装置例
えばインキユベータの庫内の目標温度（ＳＶ）を設定す
る温度設定部であり、目標温度（ＳＶ）をＰＩＤ演算部
（３）に出力する。（１０）は該インキュベータの庫内
温度（ｐｖ）をＡ／Ｄ変換器（１１）を介してＰＩＤ演
算部（３）に出力する温度検出部である。（１３）は府
記庫内を加熱する加熱手段としてのヒータであり、ヒー
タ駆動回路（１４）に接続される。又、（１５）は図示
しない庫内冷却用の冷却装置の冷媒回路を構成する圧縮
機であり、圧縮機（１５）はスイッチ（１６）を介し、
又、ヒータ駆動回路（１４）はそのまま交流電源（エフ
）に接続される。

ＰＩＤ演算部（３）ハ温度（Ｐｖ）と目標温度（ＳＶ）
とから府記式（１）に基づいてＰＩＤ演算を行い、特に
そのうちの積分操作量（以下（Ｉ）と称す。）は算出が
終了する都度記憶部（４）に読み込まれ、新しい積分操
作量（Ｉ）が再び記憶される。そして操作量（ｙ）は他
の操作量（比例及び微分）に、記憶部（４）に記憶され
ている積分操作量（Ｉ）を加算して算出し、ヒータ駆動
回路（１４）に出力する。ヒータ駆動回路（１４）は操
作量（ｙ）に基づき通電時間のデー−ティ比調節により
ヒータ（１３）の発熱量を制御する。

積分初期値設定部（５）及び（６）はそれぞれ所定の積
分初期値（工。３）（例えば＋２５％）及び（工。Ｌ）
（例えば−２５％）を予め記憶せられていてその値を出
力しており、それぞれの出力はスイッチ（８）のａ接点
及びｂ接点に接続され、スイッチ（８）のコモンは記憶
部（４）に接続されている。

比較部（７）は記憶部（４）にある積分操作量（Ｉ）に
基づき、該操作量（Ｉ）が低下して所定の値（ＩＬ）（
例えば−４５％）以下となったらスイッチ（１６）を閉
じて圧縮機（１５）を起動し、一方スイッチ（８）を操
作して接点ａに一瞬閉じて積分初期値（工。３）を記憶
部（４）に入力し、その内容を消去して（工。Ｈ）と入
れ換える。又、操作量（Ｉ）が上昇して所定の値（１，
）（例えば＋４５％）以上となったらスイッチ（１６）
を開いて圧縮機（１５）を停止せしめ、一方スイッチ（
８）を接点すに一瞬閉じて今度は積分初期値（１，Ｌ）
を記憶部（４）に入力し、その内容を消去して（１，Ｌ
）と入れ換える。スイッチ（８）は常にはいずれの接点
にも閉じていないものとする。

次に第２図はマイクロコンピュータ（２）のソフトウェ
アを示すフローチャートである。電源投入と同時にスタ
ートし、ステップ（２０）で温度設定部（９）及び温度
検出部（１０）から目標温度（ＳＶ）と庫内温度（ｐｖ
）を読み込み、ステップ（２１）で（ｐｖ）が（ＳＶ）
より高いか否か判断し、高ければステップ（２８）に進
み、以下ならばステップ（２２）に進む。

ステップ（２２）では比較部（７）がスイッチ（１６）
を開いた状態を維持して圧縮機（１５）を停止したまま
とし、ステップ（２３）で温度（ｐｖ）を読み込んで、
ステップ（２４）でＰＩＤ演算部（３）におけるＰＩＤ
演算を実行する。そしてステップ（２５）にてその結果
（ｙ）を出力してヒータ駆動回路（１４）によってヒー
タ（１３）を発熱させる。次にステップ（２６）では記
憶部（４）の積分操作量（Ｉ）が（ＩＬ）以下か否か判
断し、否であればステップ（２３）に戻り、以下であれ
ばステップ（２７）に進み、比較部（７）はスイッチ（
８）をａ接点に閉じて記憶部（４）に積分初期値（１，
、）を書き込む。次にステップ（２８）でスイッチ（１
６）を閉じて圧縮機（１５）を駆動し、ステップ（２９
）で温度（ｐｖ）を読み込んで再びステップ（３０）で
ＰＩＤ演算を実行し、その結果である操作量（ｙ）によ
り、ヒータ駆動回路（３１）によってヒータ（１３）の
出力を制御する。次にステップ（３２）は記憶部（４）
の積分操作量（Ｉ）が（エヨ）以上か否か判断し、否で
あればステップ（２９）に戻り１以上であればステップ
（３３λこ進んでスイッチ（８）をｂ接点に閉じて記憶
部（４）に積分初期値（■。Ｌ）を書き込みステップ（
２２）に戻る。

次に第３図乃至第５図の温度（ｐｖ）の実際の制御状態
における時間推移を示す図を参照して本発明の温度制御
装置（１）の動作を説明する。第３図は目標温度（ＳＶ
）例えば＋３０’Ｃとり、ＰＩＤ演算部（３）における
比例帯をそれぞれ＋３１℃である（ＰＨ）と＋２９℃で
ある（ＰＬ）の範囲に設定し、周囲温度＋２０℃から電
源を投入して制御を開始した場合の温度（ｐｖ）の時間
推移を示す。この時点で温度（ｐｖ）は（ＳＶ）より低
いからステップ（２１）から（２２）に進み圧縮機（１
５）は起動せず、又、温度（ｐｖ）は比例帯より下方に
外れているからステップ（２５）におけるヒータ（１３
）の出力は１００％で、積分操作量（Ｉ）も算出されず
、以下ステップ（２３）から（２６）を繰り返えしてヒ
ータ（１３）を発熱させ、温度（ｐｖ）を急速に上昇さ
せる。やがて第３図中ｊ点において比例帯に入り、式（
ｉ）に基づく演算がステップ（２４）で開始され積分操
作量（Ｉ）も上昇して行く。一方ｊ点において温度（ｐ
ｖ）は急激なる上昇方向にあるから式（＋）における比
例及び微分操作量は操作量（ｙ）を低下させる方向に増
大しており、それによってヒータ（１３）出力は急速に
低下して行き（積分操作量（Ｉ）が増加する速度よりも
速いため。）、第３図中に点では操作量（ｙ）が例えば
２０％である（ｙ＋、）より低下してしまうが（（５’
Ｋ）　ハ８０％）、温度（Ｐｖ）は目標温度（ＳＶ）よ
り依然低いから積分操作量（Ｉ）は徐々に上昇している
ためｃ、　１．Ｌ、）以下となることはなく、従ってス
テップ（？６）から（２７Ｘ２８）で圧縮機（１５）が
駆動されることも無い。その後図中１点で目標温度（Ｓ
Ｖ）に到達した後、多少オーバーシーートするため積分
操作量（Ｉ）は減少し始めるが、比例及び微分操作量が
再び増大して、やがて温度（ＰＶ）は（−ＳＶ）に一致
して安定し、操作量（ｙ）及び積分操作量（Ｉ）も適当
な値に収束して行く。これに対して操作量（ｙ）が（ｙ
ｌ）になった時点にて圧縮機（１５）を駆動させる場合
は第３図中に点にて圧縮機（１５）が起動してしまい、
冷却が不要であるにも拘わらず、冷却してしまうため制
御状態が不安定となるが、温度制御回路（１）では斯か
る不都合は生じない。これは積分操作量（Ｉ）が偏差の
積分値により決定されるため、一時的な温度（ＰＶ）の
変化に対して最も安定した値を出力するからである。即
ち積分操作ｉ　（Ｉ）は周囲温度や庫内負荷条件の変化
によって変化し、定常偏差を無くす種出力されるものな
ので、これによって判断することにより過渡的な変動に
よって左右されず、冷却の真の必要性を判断する事がで
きるのである。

次に第４図には温度（ｐｖ）が目標温度（ＳＶ）に安定
している状態から周囲温度が上昇した場合の制御状態を
示す。この時ヒータ（１３）の出力である操作量（ｙ）
は温度（ｐｖ）を目標温度（ＳＶ）に合せようとして徐
々に低下して行き、積分操作量（Ｉ）も定常偏差を無く
すために低下して行き、やがてヒータ（１３）の出力低
下では間に合わなくなると第４図中ｍ点で積分操作量（
Ｉ）が（ＩＬ）に達するとステップ（２６）から（２７
）に進み、積分初期値（１，、）を設定し、操作量（ｙ
）を強制的に引き上げ、ステップ（２８）で圧縮機（１
５）を起動する。圧縮機（１５）がｍ点で起動して冷却
が開始されると温度（ｐｖ）は急速に低下しようとする
が、ヒータ（１３）の出力は積分初期値（工。８）の設
定により増大せられているので、温度（ｐｖ）の急激な
低下は抑えられる。その後ヒータ（１３）の出力及び積
分操作量（Ｉ）は温度（ｐｖ）が一時的に低下した分少
許上昇するが、やがてヒータ（１３）による加熱と圧縮
機（１５）の冷却による新しい安定状態に移行して行く
。

ここで積分初期値（１，、）を設定しない場合は圧縮ａ
　（１５）が起動した時点でヒータ（１３）出力も低下
しているため温度（ｐｖ）が急速に低下するため。

再び操作量（ｙ）（Ｉ）が上昇して冷却が必要であるの
に圧縮機（１５）が停止せしめられる事により制御が不
安定となるが、本発明では斯かる問題は無い。

次に第５図は圧縮機（１５）が駆動されていて温度（ｐ
ｖ）が目標温度（ＳＶ）に安定している状態から・周囲
温度が低下した場合の制御状態を示す。この時操作量（
ｙ）及び積分操作量（Ｉ）は面述とは逆に上昇して行き
、やがて冷却が不要となると図中ｎ点にて積分操作量（
Ｉ）が（１，）に達し、ステップ（３２）から（３３）
に進み積分初期値（Ｉｏ、）を設定し、ステップ（２２
）で圧縮機（１５）を停止する。ｎ点で圧縮機（１５）
が停止すると、温度（ｐｖ）は急速に上昇しようとする
がヒータ（１３）の出力ｉ積分操作量ＣＩ）が（工。Ｌ
）に引き下げられているために強制的に減少せられてい
るため温度（ＰＶ）の急激な上昇は抑えられ、その後は
ヒータ（１３）のみのＰＩＤ制御による安定状態に移行
して行く。

ここで積分初期値（ＩｏＬ）を設定しない場合は圧縮機
（１５）が停止した時点でヒータ（１３）の出力も上昇
しているため温度（ｐｖ）が急速に上昇するため、再び
操作量（ｙ）（Ｉ）が低下して冷却が不要であるのに圧
縮機（１５）が起動される事により制御が不安定となる
が、本発明では斯かる問題カダ解消される。

尚積分初期値（１，、）（Ｉ。、）の絶対値はそれぞれ
（■ヨ）（ＩＬ）の絶対値よりも小さいものとする。又
、実施例では圧縮機（１５）を起動、停止により制御し
たが、それ以外に例えば冷媒回路の減圧器の抵抗値を段
階的に変更すること等によって冷却手段の冷却能力を段
階的に上昇若しくは下降せしめるものであっても本願は
有効である。

（ト）発明の効果 本発明によれば冷却手段による冷却が必要な場合のみ冷
却能力を上昇させ、加熱手段のＰＩ若しくはＰＩＤ制御
によって安定的に温度制御することに上り消費電力を削
減できる。特に冷却能力の上昇及び降下に伴いＰＩ若し
くはＰＩＤ演算の積分操作量を所定の初期値に設定する
ので、扉剰冷却及び加熱によるアンダーシーート及びオ
ーバーシュートを減少せしめることができ、安定した恒
温装置の温度制御が可能となるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は本発明の実施例を示すもので、第１
図は温度制御装置の機能ブロック図、第２図はマイクロ
コンピュータのソフトウェアを示すフローチャート、第
３図、第４図及び第５図は恒温装置内温度の時間推移を
示す図であり、第６図は第４図及び第５図に相当する従
来の制御装置による温度の時間推移を示す図である。 （１）・・・温度制御装置、　（２）・・・マイクロコ
ンピュータ、　（３）・・・ＰＩＤ演算部、（４）・・
・記憶部、（５Ｘ６）・・・積分初期値設定部、（７）
・・・比較部、（１３）−°°上ヒータ　（１５）・・
・圧縮機。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、恒温装置内を加熱する加熱手段と冷却する冷却手段
   とをそれぞれ駆動することにより前記恒温装置内を目標
   温度に保持するものであって、前記恒温装置内の温度と
   前記目標温度に基づいてＰＩ若しくはＰＩＤ演算を実行
   する演算部を有し、それによって得られた操作量にて前
   記加熱手段を駆動すると共に必要に応じて前記冷却手段
   の冷却能力を上昇若しくは降下せしめる制御手段を備え
   、該制御手段は前記冷却手段の冷却能力を上昇及び降下
   せしめる時に前記演算部にそれぞれ所定の積分初期値を
   設定する手段を具備している事を特徴とする恒温装置の
   温度制御装置。