JPWO2006061892A1 - 温度制御方法、及び温度制御装置 - Google Patents

温度制御方法、及び温度制御装置 Download PDF

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Abstract

恒温植物の温度制御アルゴリズムを用い、このアルゴリズムを用いたフィードバック制御により、所定の物体の温度制御を行う。

Description

本発明は、温度制御方法、及び温度制御装置に関する。
制御対象の温度、圧力、流量、レベルなどの種々の状態変数が時間的に変化する条件において、目標範囲値に追従させる制御装置に与える操作量を制御する自動制御方法として、PID(比例、積分、微分)制御方法が知られている。このPID制御は、特に温度制御（温度恒温制御）などの分野においては広範に用いられている。
図１は、PID制御に基づく従来の温度制御アルゴリズムの一例を示すフローチャートである。図から明らかなように、PID制御を用いた温度制御においては、操作量を常に目標値（目標温度）と現在値（現在温度）との偏差に比例、積分、微分要素の各係数による演算を施すことによって決定するため、毎回の演算量が多く、演算速度に長時間を要するようになるため、十分な高速応答を実現することができなかった。
また、比例、積分、微分要素の各制御係数（KP、KI、KD）は数学的手法で導入されたものであり、基本的に温度制御対象の物理特性に直結するものではないため、前記各制御係数の最適値を理論的に求めることが事実上不可能であり、このため、前記各制御係数は経験的な勘若しくはカットアンドトライによって決定していた。かかる観点からも、正確かつ高速な応答を実現することができなかった。
さらに、図からも明らかなように、PID制御には目標値（目標温度）に到達するために積分要素が必要であり、そのため原理的に振動が生じることを避けることができず、このことからも十分正確かつ高速な応答を実現することができなかった。
上述したような問題に鑑み、PID制御に対して種々の改良が試みられている。例えば、特開2001-92501号公報においては、制御対象の制御量を、時間的に変化する目標値に追従させる自動制御の際、制御量の目標値に対して正確に追従させることができる設定値の設定方法が開示されている。かかる制御方法によれば、制御対象の系の特性に合わせ、正確に設定値に追従させてサーボ制御を行なうことができるという利点を有する。
また、特開2000-163101号公報には、制御対象から検出された現在値と目標となる設定値との偏差を演算するとともに、その演算された偏差に応じてPID制御演算を行なった後、制御対象機器の現在の動作量が所定範囲内にあるか否かを判定して、所定範囲内にあるときで、かつ、偏差の符号が反転したときは、その所定範囲内の動作量に応じて予め設定されている出力比をPID制御演算値に乗算して制御対象機器に制御動作信号を出力し、また、所定範囲外であるときは、その所定範囲外の動作量に応じて予め設定されている出力比をPID制御演算値に乗算して制御対象機器に制御動作信号を出力することを特徴とするPID制御方法が開示されている。
特開2001-92501号公報 特開2000-163101号公報
しかしながら、上述したようないずれのPID制御によっても正確かつ高速な応答性を有する温度制御を行うことは未だできていない。
本発明は、正確かつ高速な応答性を有する新規な温度制御アルゴリズムを提供し、この温度制御アルゴリズムを利用して、所定の物体の温度制御を正確かつ高速に行うことを目的とする。
上記目的を達成すべく、本発明は、
恒温植物の温度制御アルゴリズムを用い、このアルゴリズムを用いたフィードバック制御により、所定の物体の温度制御を行うことを特徴とする、温度制御方法に関する。
また、本発明は、
所定の物体を加熱するための加熱手段と、
前記加熱手段に対し、恒温植物の温度制御アルゴリズムを用いたフィードバック制御を施して、前記物体の温度制御を行う温度制御手段と、
を具えることを特徴とする、温度制御装置に関する。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施し、従来のPID制御に代わるような正確かつ高速な応答性を有する温度制御アルゴリズムの探索を実施した。その結果、自然界に存在する生物の恒温特性に着目し、その中でも採取が容易であり、極低温においても十分な恒温特性を有することができるという理由から、恒温植物の恒温特性を利用することを想到した。実際、岩手県などの寒冷地に自生するザゼンソウ(Symplocarpus foetidus)と呼ばれる植物は、氷点以下における外気温の変動にも関わらず、その体温を２０℃程度に維持できる。
したがって、本発明者らは、このような恒温植物の温度制御メカニズムを解析することによって、前記恒温植物は優れた正確かつ高速の応答性を有する温度制御アルゴリズムを有することを見出し、この温度制御アルゴリズムを利用することによって、目的とする物体の温度制御を行うことを想到した。
本発明の一態様において、前記温度制御は、前記物体の温度が目標の温度に達するまで一定値を操作量とする第１の温度制御工程と、前記物体の温度が前記目標の温度に達した後に、制御周期当たりの前記物体の前記温度の変化量がゼロとなるように操作量を決定する第２の温度制御工程とを含む。
また、本発明のその他の態様において、前記温度制御アルゴリズムは、
Figure 2006061892

（Q：所定の加熱手段からの発熱量、TS:加熱手段の温度、TA:外気温、C1〜C3:恒温植物の温度特性に関する係数）
なる式に基づく。
以上説明したように、本発明によれば、正確かつ高速な応答性を有する新規な温度制御アルゴリズムを提供することができ、この温度制御アルゴリズムを利用して、所定の物体の温度制御を正確かつ高速に行うことができる。
従来のPID制御のアルゴリズムを示すフローチャートである。 本発明の温度制御装置の一例を示す構成図である。 本発明の温度制御方法におけるアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。 本発明の温度制御方法及び温度制御装置に基づいた恒温温度制御の一例を示すグラフである。 本発明の温度制御方法及び温度制御装置に基づいた昇温温度制御の一例を示すグラフである。
以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。
図２は、本発明の温度制御装置の一例を示す構成図であり、図３は、図２の温度制御装置の制御部における温度制御アルゴリズムの一例を示すフローチャートである。
図２に示す温度制御装置１０では、ペルチェ素子などから構成される加熱手段１１上に、温度制御に供する物体１２が載置されている。さらに、制御部１３が設けられており、この制御部１３は物体１２からの温度情報を逐一モニタリングするとともに、図３に示す温度制御アルゴリズムに基づいて、加熱手段１１に対して所定の電力を供給し、物体１２の温度制御を行う。
図３に示す温度制御アルゴリズムは、本発明に従って恒温植物の恒温温度制御メカニズムに基づいており、図３(ａ)に示す第１の温度制御工程と、図３（ｂ）に示す第２の温度制御工程とから構成される。前記第１の温度制御工程では、物体１１の温度が目標の温度に達するまで一定値を操作量とする。前記第２の温度制御工程では、物体１１の温度が前記目標の温度に達した後に、制御周期当たりの前記物体の前記温度の変化量がゼロとなるように操作量を決定する。
図３に示す温度制御アルゴリズムでは、上述した第１の温度制御工程における目標温度に達するまでの操作量と、上述した第２の温度制御工程における前記目標温度を維持するための操作量とをそれぞれ独立に演算することができるので、演算に要する時間を短時間化することができる。したがって、物体１１の温度制御において十分な高速応答性を実現することができる。
また、図３における制御係数は実在の恒温植物から抽出しているため、前記制御係数を理論的に導出することは容易である。したがって、正確かつ高速な応答を実現することができ、物体１１の前述した目標温度への短時間の到達及び正確かつ安定した維持が可能となる。
さらに、図３に示すアルゴリズムでは積分要素を有しないため、従来のような振動を生じることがない。したがって、物体１１の前述した目標温度への短時間の到達及び正確かつ安定した維持が可能となる。
なお、図２に示すような装置を用いた場合、制御部１３におけるアルゴリズム制御は、
Figure 2006061892

（Q：所定の加熱手段からの発熱量、TS:加熱手段の温度、TA:外気温、C1〜C3:恒温植物の温度特性に関する係数）
なる式に基づいて行われる。上記（１）式は、本発明者らが、ザゼンコウなど種々の恒温植物の、恒温制御に基づく温度制御メカニズムに対する解析を行った結果、得たものである。
なお、（１）式において、第２項（C2Q）及び第３項(C3(TA-TS)は、上述した第１の温度制御工程に基づく一定値を操作することに起因するものであり、第１項（C1・ｄQ/dt）は、上述した第２の温度制御工程に基づく変化量がゼロとなるように操作することに起因するものである。
図３及び（１）式に示すような温度制御アルゴリズムによれば、物体１１の温度制御、特に恒温制御を正確かつ高速に行うことができるようになる。例えば、恒温制御の場合、目的とする温度に対して−０．５℃〜＋０．５℃の制御誤差で温度制御を行うことができる。また、昇温制御及び降温制御において、オーバーシュートやアンダーシュートをほとんど生じることがない。
本発明で用いる恒温植物の種類は、その恒温特性に優れており、好ましくは（１）式で示されるようなアルゴリズムが抽出できるようなものであれば特に限定されない。しかしながら、好ましくはザゼンソウを用いる。
図４は、図２に示す温度制御装置１０を用いた場合の、外気温変化に対する物体１１の温度変化を示したものである。図４に示す温度制御は、ザゼンソウから抽出した（１）式に示すアルゴリズムに基づいて実施したものである。図から明らかなように、外気温が所定の時間間隔において、約１０℃の大きさで変化しているにも拘わらず、物体１１の温度はほぼ一定に保持されていることが分かる。
図５は、図２に示す温度制御装置１０を用いた場合の、昇温制御過程を示したものである。図５に示す温度制御も、ザゼンソウから抽出した（１）式に示すアルゴリズムに基づいて実施している。図から明らかなように、数十度に亘る昇温操作においても、オーバーシュートやアンダーシュートは観測されず、極めて正確かつ高速の応答性に下に、昇温制御が行われていることが分かる。
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

Claims (14)

  1. 恒温植物の温度制御アルゴリズムを用い、このアルゴリズムを用いたフィードバック制御により、所定の物体の温度制御を行うことを特徴とする、温度制御方法。
  2. 前記温度制御は、前記物体の温度が目標の温度に達するまで一定値を操作量とする第１の温度制御工程と、前記物体の温度が前記目標の温度に達した後に、制御周期当たりの前記物体の前記温度の変化量がゼロとなるように操作量を決定する第２の温度制御工程とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の温度制御方法。
  3. 前記温度制御アルゴリズムは、
    Figure 2006061892

    （Q：所定の加熱手段からの発熱量、TS:加熱手段の温度、TA:外気温、C1〜C3:恒温植物の温度特性に関する係数）
    なる式に基づくことを特徴とする、請求項１又は２に記載の温度制御方法。
  4. 前記恒温植物はザセンソウであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の温度制御方法。
  5. 前記物体を恒温制御することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の温度制御方法。
  6. 前記恒温制御の制御誤差が−０．５℃〜＋０．５℃であることを特徴とする、請求項５に記載の温度制御方法。
  7. 前記物体を昇温制御又は降温制御し、オーバーシュート及びアンダーシュートを生じせしめないことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の温度制御方法。
  8. 所定の物体を加熱するための加熱手段と、
    前記加熱手段に対し、恒温植物の温度制御アルゴリズムを用いたフィードバック制御を施して、前記物体の温度制御を行う温度制御手段と、
    を具えることを特徴とする、温度制御装置。
  9. 前記温度制御は、前記物体の温度が目標の温度に達するまで一定値を操作量とする第１の温度制御工程と、前記物体の温度が前記目標の温度に達した後に、制御周期当たりの前記物体の前記温度の変化量がゼロとなるように操作量を決定する第２の温度制御工程とを含むことを特徴とする、請求項８に記載の温度制御装置。
  10. 前記温度制御アルゴリズムは、
    Figure 2006061892

    （Q：所定の加熱手段からの発熱量、TS:加熱手段の温度、TA:外気温、C1〜C3:恒温植物の温度特性に関する係数）
    なる式に基づくことを特徴とする、請求項８又は９に記載の温度制御装置。
  11. 前記恒温植物はザセンソウであることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一に記載の温度制御装置。
  12. 前記物体を恒温制御することを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一に記載の温度制御装置。
  13. 前記恒温制御の制御誤差が−０．５℃〜＋０．５℃であることを特徴とする、請求項１２に記載の温度制御装置。
  14. 前記物体を昇温制御又は降温制御し、オーバーシュート及びアンダーシュートを生じせしめないことを特徴とする、請求項８〜１３のいずれか一に記載の温度制御装置。
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