KR101420920B1

KR101420920B1 - 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101420920B1
Application number: KR1020120060342A
Authority: KR
Inventors: 마사토 다나카
Original assignee: 아즈빌주식회사
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2014-07-16
Also published as: JP2013020397A; US20130018488A1; CN102880201A; CN102880201B; KR20130007965A; US8942858B2; JP5829066B2

Abstract

본 발명은, 설정값 변경시에 있어서 제어 수단과 그 이외의 수단 사이에서 행해지는 신호 전달의 빈도를 줄이면서, 각 제어 루프의 제어량이 설정값에 도달하는 시간이 거의 같아지도록 하는 것을 목적으로 한다.
제어 장치는, 복수의 제어 루프(Li)의 설정값(SPi)이 변경되었을 때, 각 제어 루프(Li)의 조작량 출력 상한값(OHi)을 규정 출력 상한값(MOi)으로 했을 때에 각 제어 루프(Li)의 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 승온 시간(TL)을 추정하는 승온 시간 추정부(1)와, 승온 시간(TL)으로 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 조작량 출력(MUi)을 제어 루프(Li)마다 추정하는 필요 출력 추정부(2)와, 조작량 출력(MUi)을 각 제어 루프(Li)의 조작량 출력 상한값(OHi)으로서 일시적으로 설정하는 출력 상한 설정부(3)와, 제어 루프(Li)마다 설치된 제어부(5-i)로 구성된다.

Description

제어 장치 및 방법{CONTROL APPARATUS AND CONTROL METHOD}

본 발명은, 복수의 제어 루프를 구비한 멀티 루프 제어계의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 설정값 변경시에 각 제어 루프의 제어량이 변경 후의 설정값에 도달하는 시간이 거의 같아지도록 제어하는 기술에 관한 것이다.

종래부터, 복수의 제어 루프를 구비한 가열 장치의 일례로서, 도 5에 도시된 바와 같은 산화 확산로가 알려져 있다. 산화 확산로(100) 내의 석영관(104) 내부에는, 실리콘 웨이퍼(105)가 반입된다. 온도 센서(102-1∼102-3)는, 각각 히터(103-1∼103-3)에 의해 가열되는 제어존(Z1∼Z3)의 온도(PV)를 측정한다. 조절계(101-1∼101-3)는, 각각 온도 센서(102-1∼102-3)에 의해 측정된 온도(PV)가 온도 설정값(SP)과 일치하도록 조작량(MV)을 산출하여 히터(103-1∼103-3)에 출력한다. 이렇게 해서, 산화 확산로(100) 내의 석영관(104) 내에 도입되는 산소와 실리콘 웨이퍼(105)를 가열함으로써, 실리콘 웨이퍼(105)의 표면에 산화막을 형성한다. 이 도 5에 도시된 가열 장치에 있어서는, 각 조절계(101-1∼101-3)가 각각 대응하는 제어존(Z1∼Z3)의 온도(PV)를 제어하는 제어 루프가 3개 형성되어 있게 된다.

이상과 같은 복수의 제어 루프를 구비한 가열 장치에서는, 각 제어존의 승온을 동시에 행하면, 제어 루프 사이의 온도 간섭에 의해 선행하여 온도 상승하고 있던 제어 루프에 오버 슈트가 발생하고, 제어의 정정(整定) 상태를 얻을 수 있을 때까지의 시간이 길어져서 장치 가동 효율을 손상시킨다.

그래서, 순차적으로 제어의 상황 파악을 행하면서, 설정값(SP) 램프업적인 동작[설정값(SP)을 조금씩 상승시키는 동작]을 행하는 제어 방법이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조). 이 특허문헌 1에 개시된 제어 방법에서는, 승온이 가장 느린 제1 제어 루프의 단계 응답의 진척도를 산출하고, 제1 제어 루프 이외의 다른 제어 루프의 온도가 제1 제어 루프의 온도에 동기하여 자동적으로 변화되도록, 다른 제어 루프의 설정값(SP)을 단계 응답의 진척도에 기초하여 보정하고 있다.

이러한 제어 방법을 실현하는 경우, 각 제어 루프의 조작량(MV)을 산출하는 PID 제어 연산 수단으로서는 가열 장치에 설치된 통상의 조절계 등을 그대로 이용하고, 설정값(SP)을 보정하는 SP 연산 수단으로서 조절계 이외의 상위 컨트롤러를 이용하는 경우가 많다고 생각된다. 따라서, 가열 제어이면, 승온 과정에서 계속적으로, 각 PID 제어 연산 수단으로부터 SP 연산 수단으로 제어량(PV)을 전달할 필요가 있고, 또한 SP 연산 수단으로부터 각 PID 제어 연산 수단으로 설정값(SP)을 전달할 필요가 있다.

[특허문헌 1] 일본 특허 제3798607호 공보

특허문헌 1에 개시된 제어 방법의 경우, 승온 과정 도중에 PID 제어 연산 수단(예컨대 조절계)과 SP 연산 수단(예컨대 상위 컨트롤러)의 신호 전달 기능에 이상이 발생했을 때에는, 할 수 없이 통상의 제어 동작으로 되돌리거나, 승온 자체를 중단할 필요가 있게 되어, 어느 쪽이든 간에 예정되어 있던 제어 동작을 계속할 수 없게 된다고 하는 문제점이 있었다.

또한, 이상과 같은 문제점은, 승온 제어에 한정되지 않고, 예컨대 강온 제어나 압력 제어에 있어서도 마찬가지로 발생한다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 설정값 변경시에 있어서, 제어 연산 수단과 그 이외의 수단 사이에서 행해지는 신호 전달의 빈도를 줄이면서, 각 제어 루프의 제어량이 변경 후의 설정값에 도달하는 시간이 거의 같아지도록 제어할 수 있는 제어 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제어 장치는, 복수의 제어 루프(Li)(i=1∼n)의 설정값(SPi)이 동시에 변경되었을 때, 각 제어 루프(Li)의 조작량 출력 상한값(OHi)을 규정 출력 상한값(MOi)으로 했을 때에 각 제어 루프(Li)의 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 제어량 변화 시간을 추정하는 제어량 변화 시간 추정 수단과, 각 제어 루프(Li)에 공통인 상기 제어량 변화 시간으로 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 조작량 출력(MUi)을 제어 루프(Li)마다 추정하는 필요 출력 추정 수단과, 상기 조작량 출력(MUi)을 각 제어 루프(Li)의 조작량 출력 상한값(OHi)으로서 일시적으로 설정하는 출력 상한 설정 수단과, 제어 루프(Li)마다 설치되고, 설정값(SPi)과 제어량(PVi)을 입력으로 하여 제어 연산에 의해 조작량(MVi)을 산출하며, 조작량(MVi)을 상기 조작량 출력 상한값(OHi) 이하로 제한하는 상한 처리를 실행하여 상한 처리 후의 조작량(MVi)을 대응하는 제어 루프(Li)의 제어 액츄에이터에 출력하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 제어 장치의 1 구성예는, 제어량 변화의 경과를 판단하여, 각 제어 루프(Li)의 조작량 출력 상한값(OHi)을 규정 출력 상한값(MOi)으로 복귀시키는 출력 상한 복귀 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 제어 장치의 1 구성예에 있어서, 상기 제어량 변화 시간 추정 수단은, 설정값(SPi)의 변경에 따른 제어량(PVi)의 변경량(ΔPVi)을 제어 루프(Li)마다 산출하는 제어량 변경량 산출 수단과, 현재의 조작량(MVi)의 상태로부터 조작량(MVi)을 규정 출력 상한값(MOi)으로 했을 때의 제어량(PVi)의 변화 레이트(THi)를 제어 루프(Li)마다 산출하는 제어량 변화 레이트 산출 수단과, 상기 변화 레이트(THi)와 변경량(ΔPVi)에 기초하여, 현재의 조작량(MVi)의 상태로부터 조작량(MVi)을 규정 출력 상한값(MOi)으로 했을 때에 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 제어량 변화 시간을 제어 루프(Li)마다 산출하는 시간 산출 수단과, 제어 루프(Li)마다의 제어량 변화 시간 중, 그 최대값을 각 제어 루프(Li)에 공통인 제어량 변화 시간으로서 선출하는 최대값 선출 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 제어 장치의 1 구성예에 있어서, 상기 설정값(SPi)은 온도 설정값이고, 상기 제어량(PVi)은 온도이며, 상기 설정값(SPi)의 변경은 상기 제어량(PVi)을 승온 방향으로 변화시키는 것이고, 상기 제어량 변화 시간은 승온 시간이다.

또한, 본 발명의 제어 방법은, 복수의 제어 루프(Li)(i=1∼n)의 설정값(SPi)이 동시에 변경되었을 때, 각 제어 루프(Li)의 조작량 출력 상한값(OHi)을 규정 출력 상한값(MOi)으로 했을 때에 각 제어 루프(Li)의 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 제어량 변화 시간을 추정하는 제어량 변화 시간 추정 단계와, 각 제어 루프(Li)에 공통인 상기 제어량 변화 시간으로 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 조작량 출력(MUi)을 제어 루프(Li)마다 추정하는 필요 출력 추정 단계와, 상기 조작량 출력(MUi)을 각 제어 루프(Li)의 조작량 출력 상한값(OHi)으로서 일시적으로 설정하는 출력 상한 설정 단계와, 설정값(SPi)과 제어량(PVi)을 입력으로서 제어 연산에 의해 조작량(MVi)을 산출하고, 조작량(MVi)을 상기 조작량 출력 상한값(OHi) 이하로 제한하는 상한 처리를 실행하여, 상한 처리 후의 조작량(MVi)을 대응하는 제어 루프(Li)의 제어 액츄에이터에 출력하는 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 따르면, 설정값(SPi)의 변경 시점에서 각 제어 루프(Li)의 조작량 출력 상한값(OHi)을 한 번 설정한 후에는, 설정값(SPi)의 변경에 따른 제어 도중에 조작량 출력 상한값(OHi)을 갱신할 필요는 원칙적으로 없다. 따라서, 제어 수단(예컨대 조절계)과 그 이외의 수단(예컨대 상위 컨트롤러) 사이에서 행해지는 신호 전달의 빈도를 줄일 수 있기 때문에, 조작량 출력 상한값(OHi)을 설정한 후에 제어 수단과 그 이외의 수단의 신호 전달에 이상이 발생하여도, 각 제어 루프(Li)의 제어량(PVi)이 변경 후의 설정값(SPi)에 도달하는 시간이 거의 같아지도록 예정대로의 제어 동작을 계속할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 제어 장치의 승온 시간 추정부의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 제어 장치의 동작을 설명한 흐름도이다.
도 4는 종래의 제어 장치의 동작예 및 본 발명의 실시형태에 따른 제어 장치의 동작예를 도시한 도면이다.
도 5는 복수의 제어 루프를 구비한 가열 장치의 구성예를 도시한 도면이다.

[발명의 원리]

대표적인 승온 능력(예컨대 최대 출력시의 승온 레이트)을 미리 기억해 두고, 임의의 출력 상한값[조작량(MV) 출력 상한값]으로 좁혔을 때의 승온 레이트를 추정하여, 승온 완료까지의 추정 시간이 각 제어 루프에서 거의 같아지는 출력 상한값을 구한다. 이에 따라, 각 제어 루프의 승온 완료 시간이 대략 같아져서, 가장 효율적인 상승 형태에 가깝게 할 수 있다.

이 제어 방법에서는, 출력 상한값을 승온 개시 시점에서 한 번 결정한 후에는, 승온 도중에 출력 상한값을 갱신할 필요는 원칙적으로 없다. 따라서, 만일 PID 제어 연산 수단(예컨대 조절계)과 출력 상한 연산 수단(예컨대 상위 컨트롤러)의 신호 전달에 이상이 발생하여도, 예정되어 있던 제어 동작을 계속할 수 있게 된다. 단, 어떠한 출력 상한 미수정 조작 등을 필요에 따라 행할 수 있는 신호 전달 상태에 있다면, 적절하게 행하여도 좋다.

소형의 조절계에서는, 알고리즘의 기억 용량이나 1 제어 주기 당 연산량도 한정되어 있다. 따라서, 각 제어 루프에 있어서의 최대 출력시의 승온 시간을 우선 산출하고, 산출한 각 제어 루프의 승온 시간으로부터 최대의 것을 추출하여, 그 승온 시간 근방을 소요 시간으로 했을 경우에 각 제어 루프의 출력 상한을 낮게 하는 정도를 구한다고 하는 연산 절차가 바람직하다.

또한, 이상의 원리는 승온 제어에 한정되지 않고, 강온 제어에 대해서도 마찬가지로 성립된다.

[실시형태]

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.

본 실시형태의 제어 장치는, 복수의 제어 루프(Li)(i=1∼n, n은 2 이상의 정수)의 설정값(SPi)이 동시에 변경되었을 때, 각 제어 루프(Li)의 조작량 출력 상한값(OHi)을 규정 출력 상한값(MOi)으로 했을 때에 각 제어 루프(Li)의 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 승온 시간(TL)을 추정하는 승온 시간 추정부(1)와, 각 제어 루프(Li)에 공통인 승온 시간(TL)으로 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 조작량 출력(MUi)을 제어 루프(Li)마다 추정하는 필요 출력 추정부(2)와, 조작량 출력(MUi)을 각 제어 루프(Li)의 조작량 출력 상한값(OHi)으로서 일시적으로 설정하는 출력 상한 설정부(3)와, 제어량 변화의 경과를 판단하여, 각 제어 루프(Li)의 조작량 출력 상한값(OHi)을 규정 출력 상한값(MOi)으로 복귀시키는 출력 상한 복귀부(4)와, 제어 루프(Li)마다 설치된 제어부(5-i)로 구성된다.

제어부(5-i)는, 설정값(SPi) 입력부(6-i)와, 제어량(PVi) 입력부(7-i)와, PID 제어 연산부(8-i)와, 출력 상한 처리부(9-i)와, 조작량(MVi) 출력부(10-i)로 구성된다. 또한, 본 실시형태에서는, 제어 장치를 도 5에 도시된 가열 장치에 적용하는 것으로서 설명한다. 이 경우, 도 5에 도시된 조절계(101-i)가 제어부(5-i)가 된다.

도 2는 제어량 변화 시간 추정 수단이 되는 승온 시간 추정부(1)의 구성을 도시한 블록도이다. 승온 시간 추정부(1)는, 제어량(PVi) 변경량(ΔPVi) 산출부(11)와, 제어량(PVi) 변화 레이트(THi) 산출부(12)와, 시간 산출 수단이 되는 승온 시간(TLi) 추정부(13)와, 최대값 선출부(14)로 구성된다.

이하, 제어 장치의 동작에 대해서 설명한다. 도 3은 제어 장치의 동작을 설명하는 흐름도이다.

각 제어 루프(Li)(i=1∼n)의 설정값(SPi)은, 가열 장치의 오퍼레이터에 의해 설정되고, 설정값(SPi) 입력부(6-i)를 통해 PID 제어 연산부(8-i)에 입력된다(도 3 단계 S100). 또한, 설정값(SPi)은, 설정값(SPi) 입력부(6-i)를 통해 승온 시간 추정부(1)에 입력된다.

각 제어 루프(Li)의 제어량(PVi)(온도)은, 제어 루프(Li)마다 설치된 온도 센서[도 5의 예에서는 온도 센서(102-i)]에 의해 측정되어, 제어량(PVi) 입력부(7-i)를 통해 PID 제어 연산부(8-i)에 입력된다(단계 S101). 또한, 제어량(PVi)은, 제어량(PVi) 입력부(7-i)를 통해 승온 시간 추정부(1)에 입력된다.

다음에, 승온 시간 추정부(1)는, 각 제어부(5-i)로부터 취득한 설정값(SPi)이 동시에 같은 방향(여기서는 승온 방향)으로 변경되었을 때(단계 S102에서 YES), 각 제어부(5-i)의 조작량 출력 상한값(OHi)을 오퍼레이터가 미리 설정한 규정 출력 상한값(MOi)(예컨대 100%)으로 했을 때에 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 승온 시간(TL)을 추정한다. 구체적으로는, 승온 시간 추정부(1)는, 설정값(SPi) 변경 전의 조작량(MVi)을 취득하고, 조작량(MVi)을 조작량 출력 상한값(OHi)=MOi로 했을 경우의 제어 루프(Li)마다의 승온 시간(TLi)을 구하여, 그 최대값을 각 제어 루프(Li)에 공통인 승온 시간(TL)으로 한다.

우선, 승온 시간 추정부(1) 내의 제어량(PVi) 변경량(ΔPVi) 산출부(11)는, 각 제어부(5-i)로부터 취득한 설정값(SPi)과 제어량(PVi)에 기초하여, 설정값(SPi)의 변경에 따른 제어량(PVi)의 변경량(ΔPVi)을 제어 루프(Li)마다 다음 식과 같이 산출한다(단계 S103).

ΔPVi=SPi-PVi ···(1)

승온 시간 추정부(1) 내의 제어량(PVi) 변화 레이트(THi) 산출부(12)는, 각 제어부(5-i)로부터 현재의 조작량(MVi)[설정값(SPi) 변경 전의 조작량(MVi)]을 취득하고, 이 조작량(MVi)의 상태로부터 최대 출력(MVi)=MOi=100.0%로 했을 때의 제어량(PVi)의 변화 레이트(THi)를 제어 루프(Li)마다 다음 식과 같이 산출한다(단계 S104). 즉, 제어량(PVi) 변화 레이트(THi) 산출부(12)는, 제어부(5-i)로부터 취득한 조작량(MVi)을 식 (2)에 대입하여 제어량(PVi)의 변화 레이트(THi)를 산출한다.

THi=THoi{ΔMi/(MOi-MVi)}

=THoi{100.0/(100.0-MVi)} ···(2)

THoi는, 조작량(MVi)=0.0%의 상태로부터 최대 출력(MVi)=100.0%로 했을 때[즉 조작량 상승폭(ΔMi)이 100.0%일 때]의 제어량(PVi)의 기지의 변화 레이트이다. 여기서는, 가열 장치를 대상으로 하고 있기 때문에, THi, THoi는 모두 승온 레이트[sec./℃]이다. 식 (2)는, THoi를 조작량 상승폭 (MOi-MVi)=(100.0-MVi)로 환산하는 수식이다. 또한, 설정값(SPi)과 제어량(PVi)에 따른 제어는 단계 S104보다도 뒤의 단계에서 행해지기 때문에, 제어량(PVi) 변화 레이트(THi) 산출부(12)가 각 제어부(5-i)로부터 조작량(MVi)을 단계 S104의 시점에서 취득하면, 이 조작량(MVi)은 설정값 변경 전의 조작량이 된다.

다음에, 승온 시간(TLi) 추정부(13)는, 제어량(PVi)의 변화 레이트(THi)와 변경량(ΔPVi)에 기초하여, 현재의 조작량(MVi)의 상태로부터 최대 출력(MVi)=100.0%로 했을 때에 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 승온 시간(TLi)을 제어 루프(Li)마다 다음 식과 같이 산출한다(단계 S105).

TLi=THiΔPVi ···(3)

마지막으로, 최대값 선출부(14)는, 제어 루프(Li)마다의 승온 시간(TLi) 중, 그 최대값을 각 제어 루프(Li)에 공통인 승온 시간(TL)으로서 선출한다(단계 S106).

TL=max(TLi) ···(4)

식 (4)의 max()가 최대값을 선출하는 함수를 의미하고 있는 것은 물론이다. 이것으로서, 승온 시간 추정부(1)의 처리가 종료된다.

다음에, 필요 출력 추정부(2)는, 기지의 변화 레이트(THoi)와 승온 시간(TL)과 제어량(PVi)의 변경량(ΔPVi)과 현재의 조작량(MVi)에 기초하여, 각 제어 루프(Li)에 공통인 승온 시간(TL)으로 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 조작량 출력(MUi)을 제어 루프(Li)마다 다음 식과 같이 산출한다(단계 S107).

MUi={ΔMiTHoi/(TL/ΔPVi)}+MVi

={100.0 THoi/(TL/ΔPVi)}+MVi ···(5)

식 (5)는, 식 (2)에 있어서, 분모인 MOi=100.0을 MUi로 치환하고, THi=TL/ΔPVi로 치환하여, MUi에 대해서 풂으로써 얻어지는 수식이다.

출력 상한 설정부(3)는, 오퍼레이터가 미리 설정한 현재의 조작량 출력 상한값(OHi=MOi)을 출력 상한 복귀부(4)에 기억시킨 후에, 필요 출력 추정부(2)가 산출한 조작량 출력(MUi)을 각 제어부(5-i)의 조작량 출력 상한값(OHi)으로서 제어 루프(Li)마다 설정한다(단계 S108). 또한, 단계 S103∼S108의 처리는, 설정값(SPi)이 변경되었을 때에 한 번만 행하면 된다.

다음에, 제어부(5-i)의 PID 제어 연산부(8-i)는, 설정값(SPi) 입력부(6-i)로부터 입력된 설정값(SPi)과 제어량(PVi) 입력부(7-i)로부터 입력된 제어량(PVi)에 기초하여, 주지의 PID 제어 연산에 의해 조작량(MVi)을 산출한다(단계 S109).

출력 상한 처리부(9-i)는, 이하의 식과 같은 조작량(MVi)의 상한 처리를 행한다(단계 S110).

IF MVi>OHi THEN MVi=OHi ···(6)

즉, 출력 상한 처리부(9-i)는, 조작량(MVi)이 조작량 출력 상한값(OHi)보다 큰 경우, 조작량(MVi)=OHi로 하는 상한 처리를 행한다.

조작량(MVi) 출력부(10-i)는, 출력 상한 처리부(9-i)에 의해 상한 처리된 조작량(MVi)을 제어 대상[실제의 출력 목적지는 도 5의 예에서는 히터(103-i)]에 출력한다(단계 S111). 제어부(5-i)는 제어 루프(Li)에 대응하여 설치되어 있기 때문에, 단계 S100, S101, S109∼S111의 처리는 제어부(5-i)마다 실시되게 된다.

다음에, 출력 상한 복귀부(4)는, 승온 개시 시점[설정값(SPi)이 변경되어 조작량 출력 상한값(OHi)이 MOi에서 MUi로 설정 변경된 시점]으로부터, 승온 시간(TL)의 A배(예컨대 A=1.5)의 시간이 경과했을 때에(단계 S112에서 YES), 오퍼레이터가 미리 설정한 규정 출력 상한값(MOi)을, 각 제어부(5-i)의 조작량 출력 상한값(OHi)으로서 제어 루프(Li)마다 설정한다(단계 S113). 또한, 조작량 출력 상한값(OHi)의 규정 출력 상한값(MOi)으로의 복귀까지의 목표가 되는 경과 시간에 대해서는, 승온 시간(TL)에 기초한 것에 한정되지 않고, 미리 오퍼레이터가 설정한 고정 시간이 경과했을 때에 조작량 출력 상한값(OHi)을 규정 출력 상한값(MOi)으로 복귀시키도록 하여도 좋다.

제어 장치는, 이상과 같은 단계 S100∼S113의 처리를, 예컨대 오퍼레이터의 지시에 의해 제어가 종료될 때까지(단계 S114에서 YES), 일정 시간마다 행한다.

도 4의 (A)는, 도 5에 도시된 3존의 가열 제어계를 종래 기술에서 제어한 승온 결과를 나타내고 있다. 여기서는, 제어존(Z1)의 온도(PV1)를 제어하는 제어 루프(L1)의 조절계(101-1)에 설정되는 조작량 출력 상한값을 OH1=MO1=100%, 제어존(Z2)의 온도(PV2)를 제어하는 제어 루프(L2)의 조절계(101-2)에 설정되는 조작량 출력 상한값을 OH2=MO2=100%, 제어존(Z3)의 온도(PV3)를 제어하는 제어 루프(L3)의 조절계(101-3)로 설정되는 조작량 출력 상한값을 OH3=MO3=100%로 하고 있다.

이 예에서는, 일반적으로, 오버슈트가 적은 깨끗한 승온이 어렵다고 인식되어 있는 저온 영역에서의 승온을 행하고 있다. 도 4의 (A)에 따르면, 제어 루프(L2)의 온도(PV2)가 제어 루프(L3)로부터의 열간섭의 영향도 있어, 크게 오버슈트하는 것을 알 수 있다. 한편, 제어 루프(L1)의 온도(PV1)는, 제어 루프(L2)의 오버슈트 경향에 따른 PID 제어에 의한 히터(103-2)의 출력 저하의 영향을 받아, 승온 종반에서 승온 페이스가 저하된다.

도 4의 (B)는, 도 5에 도시된 3존(n=3)의 가열 제어계를 본 실시형태의 제어 장치로 제어한 승온 결과를 나타내고 있다. 여기서는, 규정 출력 상한값을 MO1=MO2=MO3=100%로 하고, 승온 개시시에 제어 루프(L1)의 제어부(5-1)(조절계 101-1)에 설정되는 조작량 출력 상한값을 OH1=MU1=100%, 승온 개시시에 제어 루프(L2)의 제어부(5-2)(조절계 101-2)에 설정되는 조작량 출력 상한값을 OH2=MU2=72%, 승온 개시시에 제어 루프(L3)의 제어부(5-3)(조절계 101-3)에 설정되는 조작량 출력 상한값을 OH3=MU3=95%로 하고 있다.

도 4의 (B)에 따르면, 승온 완료까지의 추정 시간이 각 제어 루프에서 거의 같아지는 출력 상한값(MU1, MU2, MU3)으로 제어되고 있는 것을 알 수 있다. 승온 페이스를 맞춤으로써, 제어 루프(L2)의 온도(PV2)의 오버슈트 경향이 억제된다. 또한, 이 오버슈트 경향의 억제에 의해 제어 루프(L2)의 제어가 안정되기 때문에, 제어 루프(L1)의 온도(PV1)의 승온 페이스도 안정된다.

이상과 같이, 본 실시형태에서는, 제어부(5-i)(예컨대 조절계)와 그 이외의 장치(예컨대 상위 컨트롤러) 사이에서 행해지는 신호 전달의 빈도를 줄일 수 있기 때문에, 승온 개시시에 조작량 출력 상한값(OHi)을 설정한 후에 제어부(5-i)와 그 이외의 장치의 신호 전달에 이상이 발생하여도, 각 제어 루프(Li)의 제어량(PVi)이 변경 후의 설정값(SPi)에 도달하는 시간이 거의 같아지도록 예정대로의 제어 동작을 계속할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 조작량(MVi) 자체를 직접적으로 변화시키는 것이 아니라, 조작량 출력 상한값(OHi)을 일정 시간만큼 다른 고정값으로 변화시킬 뿐이기 때문에, 조작량(MVi)에는 무의미한 상하 움직임은 발생하지 않는다. 따라서, PID 제어 연산에의 악영향도 발생하지 않고, 부자연스러움이 없는 제어 응답 파형을 얻을 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 승온 제어의 경우를 예를 들어 설명하고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 본 발명은, 예컨대 강온 제어나 압력 제어에도 적용할 수 있다.

본 실시형태의 제어 장치는, 제어부(5-i)와 그 이외의 장치[승온 시간 추정부(1), 필요 출력 추정부(2), 출력 상한 설정부(3) 및 출력 상한 복귀부(4)]의 2개의 장치로 분리되지만, 각각의 장치는, CPU, 기억 장치 및 인터페이스를 구비한 컴퓨터와, 이들의 하드웨어 자원을 제어하는 프로그램에 의해 실현할 수 있다. 각각의 장치의 CPU는, 기억 장치에 저장된 프로그램에 따라 본 실시형태에서 설명한 처리를 실행한다.

본 발명은, 멀티 루프 제어계에 있어서, 설정값 변경시에 각 제어 루프의 제어량이 변경 후의 설정값에 도달하는 시간이 거의 같아지도록 제어하는 기술에 적용할 수 있다.

1 : 승온 시간 추정부 2 : 필요 출력 추정부
3 : 출력 상한 설정부 4 : 출력 상한 복귀부
5-i : 제어부 6-i : 설정값(SPi) 입력부
7-i : 제어량(PVi) 입력부 8-i : PID 제어 연산부
9-i : 출력 상한 처리부 10-i : 조작량(MVi) 출력부
11 : 제어량(PVi) 변경량(ΔPVi) 산출부
12 : 제어량(PVi) 변화 레이트(THi) 산출부
13 : 승온 시간(TLi) 추정부 14 : 최대값 선출부

Claims

복수의 제어 루프(Li)(i=1∼n)의 설정값(SPi)이 동시에 변경되었을 때, 각 제어 루프(Li)의 조작량 출력 상한값(OHi)을 규정 출력 상한값(MOi)으로 했을 때에 각 제어 루프(Li)의 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 제어량 변화 시간을 추정하는 제어량 변화 시간 추정 수단과,
각 제어 루프(Li)에 공통인 상기 제어량 변화 시간으로 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 조작량 출력(MUi)을 제어 루프(Li)마다 추정하는 필요 출력 추정 수단과,
상기 조작량 출력(MUi)을 각 제어 루프(Li)의 조작량 출력 상한값(OHi)으로서 일시적으로 설정하는 출력 상한 설정 수단과,
제어 루프(Li)마다 설치되고, 설정값(SPi)과 제어량(PVi)을 입력으로 하여 제어 연산에 의해 조작량(MVi)을 산출하며, 조작량(MVi)을 상기 조작량 출력 상한값(OHi) 이하로 제한하는 상한 처리를 실행하여, 상한 처리 후의 조작량(MVi)을 대응하는 제어 루프(Li)의 제어 액츄에이터에 출력하는 제어 수단
을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제1항에 있어서, 제어량 변화의 경과를 판단하여, 각 제어 루프(Li)의 조작량 출력 상한값(OHi)을 규정 출력 상한값(MOi)으로 복귀시키는 출력 상한 복귀 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어량 변화 시간 추정 수단은,
설정값(SPi)의 변경에 따른 제어량(PVi)의 변경량(ΔPVi)을 제어 루프(Li)마다 산출하는 제어량 변경량 산출 수단과,
현재의 조작량(MVi)의 상태로부터 조작량(MVi)을 규정 출력 상한값(MOi)으로 했을 때의 제어량(PVi)의 변화 레이트(THi)를 제어 루프(Li)마다 산출하는 제어량 변화 레이트 산출 수단과,
상기 변화 레이트(THi)와 변경량(ΔPVi)에 기초하여, 현재의 조작량(MVi)의 상태로부터 조작량(MVi)을 규정 출력 상한값(MOi)으로 했을 때에 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 제어량 변화 시간을 제어 루프(Li)마다 산출하는 시간 산출 수단과,
제어 루프(Li)마다의 제어량 변화 시간 중, 그 최대값을 각 제어 루프(Li)에 공통인 제어량 변화 시간으로서 선출하는 최대값 선출 수단
으로 구성되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제3항에 있어서, 상기 설정값(SPi)은 온도 설정값이고, 상기 제어량(PVi)은 온도이며, 상기 설정값(SPi)의 변경은 상기 제어량(PVi)을 승온 방향으로 변화시키는 것이고, 상기 제어량 변화 시간은 승온 시간인 것을 특징으로 하는 제어 장치.
복수의 제어 루프(Li)(i=1∼n)의 설정값(SPi)이 동시에 변경되었을 때, 각 제어 루프(Li)의 조작량 출력 상한값(OHi)을 규정 출력 상한값(MOi)으로 했을 때에 각 제어 루프(Li)의 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 제어량 변화 시간을 추정하는 제어량 변화 시간 추정 단계와,
각 제어 루프(Li)에 공통인 상기 제어량 변화 시간으로 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 조작량 출력(MUi)을 제어 루프(Li)마다 추정하는 필요 출력 추정 단계와,
상기 조작량 출력(MUi)을 각 제어 루프(Li)의 조작량 출력 상한값(OHi)으로서 일시적으로 설정하는 출력 상한 설정 단계와,
설정값(SPi)과 제어량(PVi)을 입력으로 하여 제어 연산에 의해 조작량(MVi)을 산출하고, 조작량(MVi)을 상기 조작량 출력 상한값(OHi) 이하로 제한하는 상한 처리를 실행하여, 상한 처리 후의 조작량(MVi)을 대응하는 제어 루프(Li)의 제어 액츄에이터에 출력하는 제어 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
제5항에 있어서, 제어량 변화의 경과를 판단하여, 각 제어 루프(Li)의 조작량 출력 상한값(OHi)을 규정 출력 상한값(MOi)으로 복귀시키는 출력 상한 복귀 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 제어량 변화 시간 추정 단계는,
설정값(SPi)의 변경에 따른 제어량(PVi)의 변경량(ΔPVi)을 제어 루프(Li)마다 산출하는 제어량 변경량 산출 단계와,
현재의 조작량(MVi)의 상태로부터 조작량(MVi)을 규정 출력 상한값(MOi)으로 했을 때의 제어량(PVi)의 변화 레이트(THi)를 제어 루프(Li)마다 산출하는 제어량 변화 레이트 산출 단계와,
상기 변화 레이트(THi)와 변경량(ΔPVi)에 기초하여, 현재의 조작량(MVi)의 상태로부터 조작량(MVi)을 규정 출력 상한값(MOi)으로 했을 때에 제어량(PVi)이 설정값(SPi)까지 도달하는 데 필요한 제어량 변화 시간을 제어 루프(Li)마다 산출하는 시간 산출 단계와,
제어 루프(Li)마다의 제어량 변화 시간 중, 그 최대값을 각 제어 루프(Li)에 공통인 제어량 변화 시간으로서 선출하는 최대값 선출 단계
로 구성되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
제7항에 있어서, 상기 설정값(SPi)은 온도 설정값이고, 상기 제어량(PVi)은 온도이며, 상기 설정값(SPi)의 변경은 상기 제어량(PVi)을 승온 방향으로 변화시키는 것이고, 상기 제어량 변화 시간은 승온 시간인 것을 특징으로 하는 제어 방법.