KR20100126212A - 정밀온도조절 시스템 및 그 제어장치 - Google Patents

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후지 덴키 시스템즈 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 정밀온도조절 시스템에 있어서, 비정상 외란이 생긴 경우에서도 온도조절 대상공간의 공기온도의 변동을 최소한으로 억제한다.
외란추정부(11), 노미널 플랜트(14)를 구비하는 외란 옵저버부(10)를 설치한다. 노미널 플랜트(14)는 제어대상(4)을 모의하는 모델이다. 제어대상(4)의 모델화는, 온도조절 대상공간(챔버 등)이나 에어덕트에서의 공기의 열량, 흐름을 고려하여 행한다. 외란추정부(11)는, 상기 노미널 플랜트(14)의 모델에 따른 전달함수를 이용하여, 제어대상(5)의 출력(y)과 노미널 플랜트(14)의 출력(yN)과의 편차(yN-y)에 근거하여 외란추정값(dm)을 생성·출력한다. 상기 외란추정값(dm)에 대하여 소정의 게인(KADD)(≤1; 예컨대 0.7 정도)을 곱한 값을 조작량(MV(s))에 더한다.

Description

정밀온도조절 시스템 및 그 제어장치{PRECISION TEMPERATURE-ADJUSTMENT SYSTEM AND ITS CONTROL DEVICE}
본 발명은, 정밀온도조절 시스템에 관한 것이다.
반도체 제조공장 등에서 이용되는 클린룸 등(챔버)에 있어서는 작업 환경의 조건이 엄격하게 요구된다. 그 조건으로서는 예컨대, 실온관리·청정도의 유지 · 정숙(靜肅)성(진동이 없는 공간) 등을 들 수 있다. 실내(챔버 내)의 온도관리에 관해서는, 공기조절설비에 의한 고정밀도로 일정한 온도관리가 요구되고 있다. 이러한 챔버 등에 관해서 고정밀도로 일정한 온도관리를 행하는 시스템을 정밀온도조절 시스템이라 한다.
이러한 정밀온도조절 시스템으로서는, 예컨대 피드백 제어기(PID)를 이용하는 것이 잘 알려져 있다.
또한, 예컨대 특허문헌 1에 기재된 종래기술이 알려져 있다.
특허문헌 1의 발명은, 열시스템(熱系) 플랜트(예컨대, 그 도 12에 도시한 압출성형기의 실린더)의 온도제어장치에 관한 것이고, 숙련자의 감이나 경험에 의존하지 않으며, 또한, 와인드업(windup)을 발생시키지 않고, 간단히 온도를 제어할 수 있도록 하는 것이다.
특허문헌 1의 온도제어장치는, PID 제어부와 조작량 부가부와 규범모델(Pm)을 가지며, 데드타임(dead time) 제거수단을 갖는 규범모델부와, 제 1 전환부를 더 갖는다. 조작량 부가부는, 제어대상(P)을 조작하기 위한 조작량을 출력한다. 데드타임 제거수단은, 규범모델(Pm)로부터 데드타임 요소(e- Ls)를 제거한다. 제 1 전환부는 조작량 부가부로부터의 조작량을 제어대상(P)에 입력하는 쪽과, PID 제어부에 의한 조작량을 입력하는 쪽과의 사이에서 회로를 전환한다.
그리고, 상기 규범모델부는, 데드타임 제거수단에 의해 데드타임 요소(e- Ls)가 제거된 규범모델(Pm)의 출력을 측정하고, 이 측정결과가 미리 정해진 목표값에 도달했을 때에, 제 1 전환부를 조작하여, 조작량 부가부로부터의 조작량이 제어대상(P)에 입력되지 않도록 한다.
또한, 특허문헌 1에는 피드포워드(feedforward) 제어부를 설치하는 것도 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 1에는 그 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 규범모델(Pm)을 갖는 외란 옵저버(disturbance observer)부를 구비한 구성도 개시되어 있다.
[특허문헌 1] 일본특허공개공보 2001-265408호
여기서, 상기 정밀온도조절 시스템에 관하여, 예컨대 어떤 작업에 따라 챔버의 도어를 개폐할 필요가 생기는 경우가 있다. 이와 같은 도어의 개폐에 의해 외부공기가 챔버 내에 유입하거나 하여 챔버 내 온도가 변동한다. 즉, 외란에 의한 온도변동이 생긴다. 이러한 타입의 외란(‘비정상 외란’이라 함)에 대해서는, 피드포워드에 의한 제어로는 불충분한 경우가 많은 것을 본 발명자는 실험 등에 의해 확인하였다.
또, 상기 비정상 외란이 생기는 원인은 상술한 챔버의 도어 개폐에 한정되는 것은 아니다. 다른 예로서는, 예를 들어, 챔버에 설치된 셔터의 개폐, 챔버에 대한 워크(웨이퍼, 유리기판 등)의 출납, 로봇아암의 출납 등에 의해서도, 상기 비정상 외란이 생긴다.
상기한 바와 같이, 특허문헌 1에는 규범모델(Pm)을 갖는 외란 옵저버부에 대해서도 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 1에 한정되지 않으며, 종래부터 PID 제어에 관해 규범모델이나 외란 옵저버부를 설치하는 것 자체는 잘 알려져 있다.
그러나, 이것은 예컨대 전동기, 발전기 등을 제어대상으로 하고 있는 경우가 많고, 상기 특허문헌 1에 있어서도 압출성형기(그 실린더)를 제어대상으로 하고 있다. 즉, 제어대상이 머신(기계적인 것)인 경우이다.
한편, 상기 정밀온도조절 시스템에 있어서는, 전기적인 제어대상은 팬, 히터, 냉각기 등이지만, 본질적인 제어대상은 챔버 내 온도와 공기이다.
종래, 정밀온도조절 시스템에 있어서, 상기 규범모델에 상당하는 제어대상 모델이나, 외란 옵저버부에 관해서, 구체적인 모델화를 실시한 예는 거의 발견되지 않는다. 특히, 상기 비정상 외란에 대하여 충분히 효과적인 제어를 행할 수 있는 제어대상 모델, 외란 옵저버부의 구체예는 눈에 띄지 않는다.
본 발명의 과제는, 정밀온도조절 시스템에 있어서, 비정상 외란이 생긴 경우에서도 온도조절 대상공간의 공기온도의 변동을 최소한으로 억제할 수 있는 정밀온도조절 시스템 및 그 제어장치 등을 제공하는 것이다.
본 발명의 정밀온도조절 시스템은, 온도조절 대상공간과, 상기 온도조절 대상공간에 냉각된 공기를 공급하는 공급경로 내에 설치되는 냉각수단과, 상기 공급경로 내에 설치되며, 상기 냉각수단으로부터 공급되는 공기를 가열하여 상기 온도조절 대상공간에 송풍하는 가열수단과, 상기 냉각수단의 제 1 제어장치, 상기 가열수단의 제 2 제어장치를 구비하는 정밀온도조절 시스템을 전제로 한다.
그리고, 상기 제 1, 제 2 제어장치의 적어도 어느 한쪽은, 비정상 외란에 따른 보상(補償)량을 생성하여 조작량에 가산시키는 외란 옵저버부를 더 구비한다.
상기 외란 옵저버부는, 노미널 플랜트와 외란추정수단을 구비한다. 노미널 플랜트는 상기 온도조절 대상공간, 상기 냉각수단, 상기 가열수단, 및 상기 공급경로를 포함하는 시스템 전체에 관한 동작을 모의한다. 외란추정수단은, 상기 노미널 플랜트로부터 출력되는 온도와 상기 냉각수단으로부터 공급되는 공기의 온도 또는 상기 온도조절 대상공간 내의 온도와의 편차를 입력하고, 상기 편차에 근거하여 외란추정값을 생성·출력한다.
상기 노미널 플랜트는, 상기 온도조절 대상공간, 상기 냉각수단, 상기 가열수단, 및 상기 공급경로를 포함하는 시스템 전체에 관한 동작을 모델화하고, 또한 상기 모델을 소정의 조건에 기초하여 간략화한 간략화 모델을 이용하여, 결정된다.
가령 일례로서, 노미널 플랜트의 모의동작에 관한 구조식을 PN(s)로 하면, 외란추정수단의 전달함수는 1/PN(s)로 한다.
또한, 본 발명의 다른 정밀온도조절 시스템은, 온도조절 대상공간과, 상기 온도조절 대상공간에 냉각된 공기를 공급하는 공급경로 내에 설치되는 냉각수단과, 상기 냉각수단의 제어장치를 갖는 정밀온도조절 시스템으로서, 상기 제어장치는, 비정상 외란에 따른 보상량을 생성하여 조작량에 가산시키는 외란 옵저버부를 더 구비하고, 상기 외란 옵저버부는, 상기 온도조절 대상공간, 상기 냉각수단, 및 상기 공급경로를 포함하는 시스템 전체에 관한 동작을 모의하는 노미널 플랜트와, 상기 노미널 플랜트로부터 출력되는 온도와 상기 냉각수단으로부터 공급되는 공기의 온도 또는 상기 온도조절 대상공간 내의 온도와의 편차를 입력하고, 상기 편차에 근거하여 외란추정값을 생성·출력하는 외란추정수단을 가지며, 상기 외란추정수단에 의한 외란추정값에 근거하여 상기 보상량을 결정한다.
이와 같이, 상기 가열수단이 없는 구성에 있어서, 냉각수단의 제어장치에 상기 구성의 외란 옵저버부를 구비하는 구성으로 해도 된다.
본 발명의 정밀온도조절 시스템 및 그 제어장치 등에 따르면, 정밀온도조절 시스템에 있어서, 비정상 외란이 생긴 경우라도 온도조절 대상공간의 공기온도의 변동을 최소한으로 억제할 수 있다.
도 1은 본 예의 정밀온도조절 시스템에서의 제어장치의 구성도이다.
도 2는 본 예의 정밀온도조절 시스템에 관한 개략 구성도(사시 투과도)이다.
도 3은 본 예의 정밀온도조절 시스템의 시스템 구성도이다.
도 4의 (a)는 제어장치를 제어대상도 포함시켜 모델화한 도면, (b)는 제어장치의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 의 (a), (b)는 제어대상의 모델화에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 (b)에 도시한 모델을 간략화한 간략화 모델이다.
도 7의 (a)는 냉각기의 일반적인 모델, (b)는 열교환 계수의 값의 결정에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 동정(同定)시험 결과의 일례를 도시한 도면이다.
도 9의 (a)는 종래, (b)는 본 방법에 의한 외란 발생시의 온도변동을 도시한 도면이다.
도 10의 (a)는 본 예의 정밀온도조절 시스템의 구성을 모식적으로 도시한 도면, (b) ∼ (d)는 다른 예에 대해 모식적으로 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다.
도 1은, 본 예의 정밀온도조절 시스템에서의 제어장치의 구성도이다.
상기 제어장치(1)는, 예컨대 후술하는 도 2, 도 3에 도시한 분출구 개별 가열기(26)를 제어하는 것이다. 제어장치(1)는, 각 분출구 개별 가열기(26)마다 대응하여 설치된다. 도 2, 도 3에 도시한 예에서는, 분출구 개별 가열기(26)는 3대이므로, 제어장치(1)도 3대 설치된다.
제어장치(1)에는, 종래의 구성에 덧붙여 외란 옵저버부(10)가 설치된다.
또, 제어장치(1)는 그 실태는 예컨대 CPU 등의 연산처리 프로세서이다. CPU 내부 또는 CPU 외부의 메모리에는, 미리 소정의 애플리케이션 프로그램이 저장되어 있다. CPU가 상기 애플리케이션 프로그램을 판독·실행함으로써, 이하에 설명하는 외란 옵저버부(10)의 처리기능이 실현된다. 이것은, 피드백 제어기(PID; 2) 등의 기존의 구성에 관해서도 마찬가지이다. 한편, 상기 애플리케이션 프로그램 내에는, 후술하는 각종 전달함수 등이 미리 설정되어 있다.
종래의 구성은 피드백 제어기(2) 등이다. 우선, 이러한 종래구성에 대해서 간단히 설명해 두기로 한다.
먼저, 도시한 가산기(4)에는 제어대상(5)으로부터 검출되는 온도조절 제어대상의 공간(온도조절 대상공간)온도(y)와, 목표온도(r)가 입력된다. 이 온도(y)는, 후술하는 도 3의 예에서는, 온도센서(TA01∼TA03) 중 어느 것에 의해 검출되는, 클린룸(25; 챔버) 내의 온도이다. 또, 후술하는 도 3에서는 분출구 개별 가열기(26c)를 예로 들고 있으며, 이하의 설명은 이 예에 근거하는 것으로 한다.
이로써, 이 예의 경우, 상기 온도(y)는 온도센서(TA03)에 의한 검출값이다.또한, 목표온도(r)는 도시하지 않은 컨트롤러로부터 입력된다. 작업원 등이 컨트롤러를 조작함으로써, 목표온도(r)가 설정/변경된다.
상기 가산기(4)에 의해, 목표온도(r)와 실제의 검출온도(y)와의 편차(E(s)= (r-y))가 얻어진다. 상기 편차(E(s))가 피드백 제어기(2)에 입력된다. 피드백 제어기(2)의 출력은 조작량(MV(s))이다.
상기 MV(s)는 이하의 (1)식에 의해 구해진다. 또, 이하의 (1)식, 및 후술하는 (2)식 이후의 각 식에서의 “ｓ”는 라플라스 연산자이다.
Figure pat00001
또, 상기한 바와 같이, 피드백 제어기(2) 자체는 기존의 구성이며, 상기 (1)식은 잘 알려진 것이므로, 여기에서는 특별히 설명하지 않는다.
종래에는, 피드백 제어기(2)의 출력인 조작량(MV(s))이, 제어대상(5)에 입력되고, 상기 조작량(MV(s))에 따른 동작이 행해진다. 도 3에 도시한 예에서는, 상기 조작량(MV(s))이 히터구동장치(44c)에 입력된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 제어장치(1)가 직접적으로 제어하는 대상인 분출구 개별 가열기(26c)는, 히터(21), 팬(22) 등을 가지고 있으며, 히터구동장치(44c)는 입력되는 조작량(MV(s))에 따라 히터(21)를 구동제어한다. 또, 실제로는 팬(22)의 제어도 이루어지지만, 여기에서는 팬(22)의 제어에 관해서는 언급하지 않고, 그 풍량은 일정한 것으로 하여 설명한다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 온도조절 대상공간(본 예에서는 클린룸(25)) 내에는 온도센서(TA03)가 설치되어 있다. 상기 온도센서(TA03)는 클린룸(25) 내의 온도를 검출하기 위한 센서이며, 특히 분출구 개별 가열기(26c)에 의해 영향을 받는 공간(그 부근, 예컨대 바로 아래 등의 공간)의 온도를 검출한다. 상기 온도센서(TA03)에 의해 검출되는 온도 데이터가 상기 검출온도(y)이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 상기 종래구성에 대하여 외란 옵저버부(10)를 설치함으로써, 제어대상(5)에는 가산기(3)에 의해 상기 조작량(MV(s))에 외란 옵저버부(10)의 출력을 가한 것이 입력된다. 외란 옵저버부(10)의 출력, 즉 가산 게인(12)으로부터의 출력은, 도시한 외란추정부(11)의 출력(dm)에 소정의 게인(KADD)을 곱한 것이다. 즉,
dm×KADD
이다.
외란추정부(11)에는, 상기 검출온도(y)와 노미널 플랜트(14)의 출력(yN)과의 편차(yN-y)가 입력되고, 상기 dm이 출력된다.
외란추정부(11)의 구조식(전달함수)을 이하의 (2)식에 나타낸다.
Figure pat00002
이로써, 상기 dm은 이하의 (3)식에 의해 구해진다.
Figure pat00003
또한, 노미널 플랜트(14)는 제어대상(5)을 모의하는 모델이며, 그 전달함수(PN(s))는 이하의 (4)식에서 나타낸 바와 같다.
Figure pat00004
여기서, 외란 옵저버부(10)의 구조 자체는, 도 4의 (a)에 나타낸 레벨까지 모식화한 경우에는, 종래부터 알려져 있는 일반적인 외란 옵저버의 구조와 거의 동일하다. 도 1에 도시한 외란 옵저버부(10)는, 이러한 일반적인 외란 옵저버의 구조에 근거하여, 더욱 특히 상기 외란추정부(11) 및 노미널 플랜트(14)에 관해서 상술한 (2)식, (4)식에 나타낸 전달함수를 생각해 낸 것이다.
일반적인 외란 옵저버의 구조는, 예컨대 일례로서는 참고문헌 1(일본특허공개공보 2002-108410호)에 개시되어 있다. 외란 옵저버에 관하여, 도 1의 구조가 참고문헌 1의 도 1, 도 2의 구조와 다른 점은 가산 게인(12)을 형성하고 있는 점이지만, 이것은 참고문헌 1에서는 게인(KADD)=1인 것으로 하고 있다고 생각하면, 본 구성과 참고문헌 1의 구성은 거의 동일하다고 생각된다.
또, 게인(KADD)의 값은 1 이하의 임의의 값이며, 설계자 등이 임의로 정해서 설정하면 되지만, 본 발명자는 실험·경험 등에 근거하여, 게인(KADD)=0.7 정도가 적절하다(양호한 제어결과가 됨)고 생각한다. 이것은, 게인(KADD)=1로 한 경우, 즉 외란추정부(11)의 출력(dm)을 그대로 이용한 경우, 과(過)보상이 되기 때문이다. 이것은, 노미널 플랜트(14)에 모델화 오차가 있기 때문에, 외란추정값인 dm에도 오차를 포함하기 때문이다. 또한, 통상적으로 제어대상(5)에 가해지는 외란을 추정할 때까지 시간이 걸리기 때문이다.
단, 종래와 같이 게인(KADD)=1로 해도 된다. 즉, 가산 게인(12)을 생략해도 된다. 본 설명에서는 설명의 간략화를 위해 가산 게인(12)을 생략하고 설명하는 경우가 있다.
가산 게인(12)을 생략한 경우의 제어장치(1)의 동작은, 먼저, 제어대상(5)의 입력은, 상기 피드백 제어기(2)의 출력인 조작량(MV(s))에 상기 외란추정부(11)의 출력(dm)이 가해진 것(MV(s)+dm)이 된다.
또한, 가산기(13)에 의해, 상기 “MV(s)+dm”과 상기 외란추정부(11)의 출력(외란추정값; dm)과의 편차가 얻어진다. 즉, 편차=MV(s)+dm-dm=MV(s)가 얻어진다. 그리고, 상기 편차가 노미널 플랜트(14)에 입력된다. 즉, 노미널 플랜트(14)에는 상기 피드백 제어기(2)의 출력인 조작량(MV(s))이 입력된다. 그리고, 상기 (4)식의 전달함수(PN(s))에 의해, 이 조작량(MV(s))에 따른 상기 yN이 얻어진다.
상기한 바와 같이, 외란 옵저버부(10)의 기본적인 구조(도 4의 (a)에 도시한 레벨) 자체는, 일반적인 것이어도 되지만, 본 예의 특징은 외란추정부(11)와 노미널 플랜트(14)의 내용에 있다.
먼저, 어떠한 제어대상을 모의하는 노미널 플랜트 자체는, 예컨대 상기 참고문헌 1에 도시한 바와 같이 종래부터 존재하는 것이다. 그러나, 예컨대 참고문헌 1에서는 전동기/발전기에 관한 모델화이며, 정밀온도조절 시스템에 관하여 구체적인 모델화가 이루어진 예는 발견되지 않는다. 본 발명자는, 이후에 도 5, 도 6에서 상세히 설명하는 바와 같이, 제어대상(5)에 관하여 구체적인 모델화를 행하고, 더욱 후술하는 바와 같이 소정의 가정에 근거하여 이 모델을 간략화하고, 이 간략화 모델에 근거하여 상기 (4)식을 결정하였다.
여기서, 본 예의 제어장치(1)가 직접적으로 제어하는 것은 분출구 개별 가열기(26; 본 예에서는 히터(21)) 뿐이다. 이것은, 온도조절 대상공간의 일례인 클린룸(25; 챔버) 내의 온도를 검출하여, 히터(21) 출력의 증감/유지를 결정·제어하고 있는 것이다. 그러나, 단순히 히터(21) 출력과 클린룸(25; 챔버) 내의 온도와의 관계를 모델화하면 된다는 것은 아니다.
클린룸(25; 챔버) 내의 온도는, 단순히 히터(21)의 출력에 의해 결정되는 것은 아니고, 냉각기(28)에 의한 냉각성능, 냉각기(28)에 이르기 전의 외부공기와의 혼합, 클린룸(25)에 대하여 출입하는 열량 등의 다양한 요소의 영향을 받는 것이며, 또한 경우에 따라서는 외란의 영향도 받는 것이다.
이로써, 도 1에 도시한 제어대상(5)은, 분출구 개별 가열기(26; 히터(21)) 만을 의미하는 것은 아니며, 도 2, 도 3에 도시한 정밀온도조절 시스템 전체를 의미하는 것이 된다. 즉, 도 1에 도시한 제어대상(5)은, 분출구 개별 가열기(26), 냉각기(28), 클린룸(25), 에어덕트(공급경로) 등으로 이루어진 시스템 전체를 의미한다. 그리고, 제어대상(5)의 동작을 모델화하기 위해서는, 히터(21)의 출력, 냉각기(28)에 의한 냉각성능뿐만 아니라, 공기(열량)의 흐름 등도 고려할 필요가 있다.
본 예의 노미널 플랜트(14)는, 이러한 의미에서의 “제어대상(5)”의 동작을 모의하는 모델이다. 노미널 플랜트(14)에 관해서는 자세하게는 이후에 설명한다.
또한, 외란추정부(11)의 상기 (2)식으로 나타낸 전달함수에 의해, 적절한 외란추정을 행할 수 있게 되었다. 여기서, 본 예의 최적 실시예에서는 상기 (2)식에 있어서,
KOBS=1/KP, TO1=TO로 한다.
여기서, 상기 (2)식에서의 분모의 「1+TO2s」는, 단순한 계측시스템의 노이즈 제거 등을 위한 것이고, 여기에서 TO2s를 무시하고 생각하면, 상기 최적 실시예에서는 상기 (2)식은 이하의 (5)식으로 나타내게 된다.
Figure pat00005
상기한 바와 같이, (5)식은 (2)식의 분모분자를 역전시킨 것, 즉 1/PN(S)가 된다. 이에 따라, 적절한 외란추정을 행하여, 적절한 출력값(외란추정값; dm)이 얻어지게 된다. 이러한 효과가 얻어지는 이론적인 설명은, 여기서는 충분하게는 할 수 없지만, 후술하는 바와 같이 효과가 얻어지는 것은 실험에 의해 확인되어 있다. 또한, 기본적인 사고방식에 대해서는, 이후에 도 4를 참조하여 자세히 설명한다.
이하, 도 4 이후의 설명을 하기 전에, 제어대상(5)의 구체예에 대해서, 또한 본 예의 제어장치(1)가 적용되는 정밀온도조절 시스템 전체에 대해서, 도 2, 도 3을 참조하여 설명해 둔다.
도 2는, 본 예의 정밀온도조절 시스템에 관한 개략 구성도(사시 투과도)이다. 또한, 도 3은 본 예의 정밀온도조절 시스템의 시스템 구성도이다. 또, 도 3에 있어서는, 도 2를 평면적으로 모식화하여 나타내고 있다. 또, 도 3은 도 2를 모식화하여 평면에 표현한 관계상, 각 부위의 배치관계를 상대적으로 묘화하고 있으며, 실제 설치위치를 나타낸 것은 아니다. 또, 도 2, 도 3은 제어대상(5)의 구조의 구체예의 일례이다.
도 2, 도 3에 있어서, 클린룸(25)은 본 시스템(20)에 의해 정밀한 온도조정을 행하는 대상이 되는 공간(온도조절 대상공간)의 일례이다. 이러한 온도조절 대상공간은, 클린룸에 한정되지 않지만(챔버 등이라 불리우는 것의 전반이 대상), 여기에서는 클린룸을 예로 든다.
클린룸(25) 내의 공기는, 도 2에는 도시하지 않았지만 도 3에 도시한 흡기덕트(27)로부터 에어덕트(공급경로) 내에 흡인된다.
여기서, 본 구성예에 있어서는, 「공급경로」는 복수의 칸(온도조절공간; 30(30a, 30b, 30c))과, 상부공간(32)과, 클린룸 상부공간(33)을 포함하는 것이다. 이것은 특히, 종래의 공급경로는 1개의 길로 이루어진 공간이었던 데 반해, 본 예에서는 복수의 칸(온도조절공간; 30(30a, 30b, 30c))으로 구획되어 있다. 클린룸(25) 내의 공기는, 상기 흡기덕트(27)로부터 도시한 칸(온도조절공간; 30a(가장 아래의 칸)에 흡입된다.
상기 칸(30a) 내에는, 냉각기(28)와 송풍기(팬; 24)가 설치되어 있다. 또한, 도 2에는 도시하지 않았지만(도 3에는 도시하였지만), 칸(온도조절공간; (30a))에는 외부공기를 흡입하는 흡기구(29)가 설치되어 있다. 상기 흡입된 클린룸(25) 내의 공기와, 흡기구(29)로부터 유입한 외부공기가 혼합되어, 냉각성능이 높은 수냉에 의한 냉각기(28)에 의해 냉각된 후, 송풍기(24)에 의해 상단(上段)의 칸(30b)으로 보내진다.
또, 도 3에 도시한 예에서는, 이 냉각에 관한 목표온도(후술하는 클린룸(25) 내의 온도에 관한 목표온도와 구별하기 위해, ‘냉각목표온도’라고 부르기로 한다)는 21.500℃이며, 따라서 칸(30b)으로 보내지는 공기(냉각공기)의 온도는 이 냉각목표온도 부근으로 되어 있을 것이다.
또한, 한편, 도 2에서는 칸(30a) 내에 있어서, 냉각기(28)와 송풍기(24)의 사이에 칸막이가 존재하지만, (도 3에 도시한 바와 같이) 이것은 없어도 된다.
칸(30b)으로 보내진 냉각공기는, 또 상단의 칸(30c)에 유입하고, 또한 거기에서 도시한 상부공간(32)에 유입하며, 또 클린룸 상부공간(33)에 유입한다. 도시한 바와 같이, 클린룸 상부공간(33)에는 분출구 개별 가열기(26)가 있다. 클린룸 상부공간(33)에 유입한 공기는, 도시한 복수대의 분출구 개별 가열기(26; 도시한 예에서는 26a, 26b, 26c의 3기)에 의해 각각 가열된다. 도 3에 도시한 예에서는 목표온도는 23.0℃이다. 즉, 정밀온도조절 시스템(20)은 클린룸(25) 내의 온도를 상기 목표온도(23.0℃)로 하도록 제어한다.
상기한 바와 같이, 클린룸(25) 내의 공기는, 냉각기(8)에 의해 일단 냉각된 후(냉각목표온도는 21.5℃), 각 분출구 개별 가열기(26; 26a, 26b, 26c)로 각각 개별적으로 가열되어 목표온도(23.0℃) 부근의 온도의 공기가 되어, 클린룸(25) 내에 유입한다. 또, 각 분출구 개별 가열기(26)는 도 3에 도시한 바와 같이, 팬(22)+히터(21)에 의해 구성된다. 또는 팬(22)+히터(21)+필터에 의해 구성되는 것이어도 된다.
클린룸 상부공간(33)의 공기(분출구 개별 가열기(26)에 유입하는 공기)는, 온도변동이 적게 되어 있으므로, 온도제어가 잘 이루어지게 되어 있고, 고정밀도의 온도제어가 가능해진다. 즉, 냉각기(28)에 의해 냉각된 공기(냉각공기)는, 상기 2개의 칸(30b, 30c)이나 상부공간(32)을 통해 클린룸 상부공간(33)에 유입한다. 각 칸(30b, 30c)이나 상부공간(32)에서 공기가 교반되므로, 온도가 거의 균일해진다(온도변동이 적어진다).
도 2에 도시한 예에서는, 각 칸(30) 사이, 및 칸(30c)-상부공간(32)의 사이에는, 공기의 흡기구/배기구가 되는 흡배(吸排)기구(31; 31a, 3lb, 31c)가 설치되어 있다. 공기는 상기 흡배기구(31)를 통해, 하단의 칸(30)으로부터 상단의 칸(30; 또는 상부공간(32))에 유입한다. 즉, 상류측에서 하류측으로 흐른다(큰 흐름으로서는 도시한 화살표 A로 나타낸 방향으로 흐른다). 즉, 칸(30a)에서의 상기 냉각공기는 도시한 흡배기구(31a)를 통해 그 상단의 칸(30b)에 유입한다. 마찬가지로, 칸(30b)의 공기는 도시한 흡배기구(31b)를 통해 그 상단의 칸(30c)에 유입한다. 마찬가지로, 칸(30c)의 공기는 도시한 흡배기구(31c)를 통해 그 상단의 상부공간(32)에 유입한다. 그리고, 또 상부공간(32)의 공기가 클린룸 상부공간(33)에 유입한다.
여기에서, 각 흡배기구(31)는, 공기의 흐름이 지그재그(비(非)직선적이며, 비교적 긴 거리의 공기의 흐름을 형성)가 되도록 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 각 칸(30; 온도조절공간)에 설치된 흡배기구(31)는, 적어도, 각 온도조절공간 내에서의 공기가 흐르는 거리가 최단이 되지 않는 위치에 설치된다. 예컨대, 각 온도조절공간 내에서 공기가 흐르는 거리, 즉 각 온도조절공간에서의 2개의 흡배기구간의 거리가, 가능한 한 길어지도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 예컨대 칸(30c)을 예로 들면, 흡배기구(3lb)가 도시한 바와 같이 룸의 한 쪽에 설치되어 있으면, 흡배기구(31c)는 도시한 바와 같이 반대쪽에 설치되어 있다.
이와 같이 함으로써, 에어덕트(공급경로)가 1개의 길인 경우에 비하면, 공기가 흐르는 방향에 대하여 장해가 되는 경우가 많기 때문에, 공기는 장해가 되는 것(칸(30)의 천장이나 측벽 등)으로 충돌방향을 바꿈으로써 교반되게 된다. 이에 따라 공기온도의 균일화를 도모할 수 있다. 더욱이, 콤팩트한 구성이어도 공기가 흐르는 거리를 길게 할 수 있고, 이에 의해서도 공기온도의 균일화를 도모할 수 있다. 이와 같이, 공기가 흐르는 거리뿐만 아니라 교반됨으로써, 공기가 서로 섞이며, 공기온도가 균일해지는 효과가 커진다. 또, 도 2에 도시한 화살표 A는 큰 흐름으로서 공기가 흐르는 방향(교반, 지그재그 등을 무시한 것)을 나타낸 것이다.
상기 제어장치(1)는, 도 2에는 도시하지 않았으나, 도 3에 도시한 바와 같이, 분출구 개별 가열기(26)를 제어하는 것이다. 상기한 바와 같이, 여기에서는 3대의 분출구 개별 가열기(26) 중 1대(분출구 개별 가열기(26c))를 예로 들어 설명하는 것으로 한다. 이 예에 있어서, 분출구 개별 가열기(26c)에 대응하는 제어장치(1c)는, 상기 피드백 제어기(2), 가산기(4), 가산기(3), 외란 옵저버부(10)에 상당하는, PID(2c), 가산기(4c), 가산기(3c), 외란 옵저버부(10c)를 구비한다. 또한, 히터구동장치(44c)는, 도면 상에서는 분출구 개별 가열기(26c)의 외부에 나타내고 있지만, 분출구 개별 가열기(26c)에 포함되는 구성으로 생각해도 된다.
PID(2c)에는 가산기(4c)로부터 상기 편차(E(s)= (r-y))가 입력된다. 여기에서는, r=23.0℃이며 y는 온도센서(TA03)에 의해 검출되는 온도이다. 온도센서(TA03)는, 클린룸(25) 내의 온도를 검출하기 위한 센서이며, 특히 클린룸(25) 내에 있어서 분출구 개별 가열기(26c)가 대응하는 영역(예컨대 분출구 개별 가열기(26c)의 바로 아래의 공간)의 온도를 검출하는 센서이다.
온도센서(TA03)에 의해 검출되는 온도(y)는, 외란 옵저버부(10c)에도 입력된다. 그리고, 가산기(3)에 의해, PID(2c)의 출력(조작량(MV(s)))에 외란 옵저버부(10c)로부터의 출력(dm×KADD; 단, 상기한 바와 같이, 여기에서는 KADD=1로 하므로, dm)이 가산된다. 그리고, 상기 가산결과(MV(s)+dm)가 히터구동장치(44c)에 입력되는 동시에, 외란 옵저버(10c)에도 입력된다.
여기서, 도 2, 도 3에 도시한 바와 같이 클린룸(25)에는 도어(23)가 설치되어 있다. 예컨대, 작업원 등이 상기 도어(23)를 통해 출입한다. 상기 “외란”이란, 예컨대 상기 도어(23)의 개폐에 의해 생기는, 클린룸(25) 내의 온도상승(또는 온도저하)이다. 외란 옵저버부(10c)는, 상기 외란에 의한 영향에 따른 보상을 행하는 것이다.
또, 도 3에서는 비교를 위해, 분출구 개별 가열기(26a, 26b)에 대응하는 제어장치에 대해서는, 종래의 구성을 나타내고 있으나, 실제로는 이들 제어장치도 상기 제어장치(1c)와 마찬가지로 도 1에 도시한 구성으로 되어 있다. 도시한 바와 같이, 종래의 구성에서는, PID(2a, 2b)로부터의 출력(조작량(MV(s)))이, 그대로 히터구동장치(44a, 44b)에 입력된다.
또한, 도 3에는 냉각기(28)를 제어하기 위한 구성을 개략적으로 나타내고 있지만(가산기(41), PID(42), 히터구동장치(43), 온도센서(TA06), FS1, FS2, H1 등), 냉각기(28) 및 그 제어방법 자체는 종래와 거의 동일해도 되므로 특별히 설명하지 않는다.
이하, 상기 도 1에 도시한 제어장치(1)의 동작에 대해서 도 4도 참조하여 설명한다.
먼저, 이미 설명한 바와 같이, 외란 옵저버부(10)를 설치한 구성(도 4의 (a)에 도시한 레벨) 자체는, 종래의 일반적인 구성이며, 그 동작은 예컨대 상기 참고문헌 1에 나타나 있는 바와 같다. 즉, 예컨대, 참고문헌 1에서의 수식 1, 수식 2, 수식 3에 나타낸 바와 같다. 가산 게인(12)이 있는 것에 차이가 있지만, 상술하고 있는 바와 같이, 참고문헌 1에서는 KADD=1인 것으로 하고 있다고 간주하면, 거의 동일하다고 생각해도 된다. 단, 이것에 대해서 일단, 도 4의 (a)를 이용하여 설명해 둔다.
도 4의 (a)는, 상기 도 1에 도시한 제어장치(1)를 제어대상(5)도 포함시켜 모델화한 것이다. 제어대상(5)에 대한 외란의 영향은, 참고문헌 1에서의 도 2의 경우와 마찬가지로, 제어대상(5)으로의 입력을 외란(d)을 뺀 것으로 한다. 즉, KADD=1로 한 경우에는, 도시한 가산기(6)에 의해 u+dm-d가 얻어지고, 이것이 제어대상(5)의 입력이 된다.
또한, 도 4의 (a)에서는 간략화를 위해, 상기 PID(2)의 전달함수, 즉 상기 (1)식에 있어서 E(s)에 곱한 부분을 “C”로 하고, 상기 외란추정부(11)의 전달함수, 즉 상기 (2)식을 “PM”으로 하고 있다. 또한, MV(s)는 “u”로 하고, P(s)는 P로 하고 있다. 이에 따라, 예컨대, 제어대상(5)으로의 입력은 “u+KADD·dm-d”가 된다.
도 4의 (a)에서 도시한 모델에 근거하여, d→y의 전달특성을 구한다.
먼저, 도 4의 (a)에 도시한 모델로부터 이하의 (a)식, (b)식, (c)식이 얻어진다.
(a); (yN-ｙ)·PM=dm
(b); (dm·KADD+u-ｄ)·Ｐ=y
(c); (-dm+dm·KADD+u)PN=yN
여기서, 상기 참고문헌 1에서의 수식 2는, y를 y=yu+yd의 형태로 나타낸 것이다. 즉, y에 관해서는 조작량(u)에 의한 영향과 외란(d)에 의한 영향이 있다. 따라서, 예컨대 yu=ku×u, yd=kd×d(ku, kd; 계수)로 나타낼 수도 있다. 여기에서는, yd에 대해서만 설명하면, 상기 (a)식, (b)식, (c)식을 전개하여 y에 관한 이하의 (6)식이 얻어지는 것이다.
또, yd를 구하는 경우에는, 상기 (a)식, (b)식, (c)식에 있어서 u가 없는 것으로 하여 y의 산출식을 구한다. 마찬가지로 하여, yu를 구하는 경우에는 상기 (a)식, (b)식, (c)식에 있어서 d가 없는 것으로 하여 y의 산출식을 구한다.
(a)→（b)
{(yN-ｙ)·PM·KADD-d}·Ｐ=y ···（b）’
(a)→（c)
{(yN-ｙ)·PM(KADD-1)})PN=yN
→（yN-y) (KADD-1)·PMPN=yN ···（c）’
(b)’로부터
(yN-ｙ)·PM·KADD= (y/P)+d ···（b)’’
(b)’’→（c）’로부터 이하의 (6)식이 얻어진다.
y={P(1-KADDPMPN+PMPN)
/(KADDPMPN-PMPN-1-PKADDPM)}×d ···（6)식
상기 (6)식에서의 y가 상기 yd에 상당하게 된다.
이로써, 여기에서 상기 (6)식에 있어서 KADD=1로 하면, 이하의 (6）’식이 얻어진다.
yd={P(1-PMPN+PMPN)
/(PMPN-PMPN-1-PPM)}×d
＝（P/-1-PPM)}×d
＝{-P/(1+PPM)}×d (6)’식
(-P/(1+PPM)=kd)
상기 참고문헌 1의 수식 2에서의 yd(제2항)는 “-(P/(1+PL))”이며, PM은 L에 상당하는 것으로 생각해도 되므로(동일하지 않고, 내용은 다르지만), 따라서 상기 (6)’식은, 상기 참고문헌 1의 수식 2에서의 yd(제2항)와 같다고 생각해도 된다.
yu에 대해서는 특별히 설명하지 않지만, 마찬가지이며, KADD=1로 하면, 상기 참고문헌 1의 수식 2에서의 제1항과 같게 된다.
이와 같이, 가산 게인(12)이 있어도, 종래와 거의 동일한 동작이 된다고 생각하면 된다.
그리고, 본 예의 제어장치(1)에서는 상술하고 있는 바와 같이, 정밀온도조절 시스템에 관하여 제어대상(5)의 구체적인 모델화가 이루어지며, 또한 특히 상기 최적 실시예와 같이 외란추정부(11)의 전달함수를 이 모델(노미널 플랜트(14))에 따른 것으로 함으로써, 적절한 외란보상이 이루어지게 된다. 이에 대해서, 도 4의 (b)를 참조하여 설명한다. 또, 여기에서는 KADD=1로 하여 설명한다.
도 4의 (b)에는, 그 1단째에 d, 2단째에 y, 3단째에 yN, 4단째에 “yN-y”, dm의 구체예를 나타낸다.
먼저, 1단째에 나타내는 바와 같이, 어떤 타이밍에서 외란이 생겨, d가 변화되었다고 한다(예컨대 0→1). 이것은, 예컨대, 상기 도어(23)가 열린 것으로 한다. 또한, 여기에서는 클린룸(25) 내의 온도는 외부온도보다 높은 것으로 한다. 이 경우, y의 값, 즉 클린룸(25) 내의 온도는 저하되어 가게 되지만, 이것은 2단째에 나타낸 바와 같이, 상기 노미널 플랜트(14)의 전달함수((4)식)에 따른 온도변화가 될 것이다. 즉,
PN=KP/(1+TOs)
에 따른 온도변화가 된다. 또, 상기 2단째의 온도변화는 외란 옵저버부(10)에 의한 보상이 이루어지지 않았던 경우를 나타낸 것이며, 외란 옵저버부(10)에 의한 보상이 이루어진 경우, 이 온도변화는 매우 작은 것이 된다.
한편, 노미널 플랜트(14)의 출력(yN)은, 외란의 영향을 받는 것은 아니므로, 예컨대 u의 값이 변화되지 않는다고 하면 3단째에 나타내는 바와 같이 출력(yN)의 값은 변화되지 않는 것이 된다. 따라서, 4단째에 나타내는 바와 같이, 외란추정부(11)의 입력이 되는 “yN-y”는, 상기 y의 변화를 나타내는 것이 된다. 즉, 온도조절 대상공간의 온도에 관한 외란에 의한 영향도를 나타내는 것이 된다.
여기에서, 상기 최적 실시예의 경우, 외란추정부(11)의 전달함수(PM)는
PM= (1+TOs)/KP
가 된다. 즉, 상기 노미널 플랜트(14)의 전달함수((4)식)의 반대가 된다.
이로써, “yN-y”에 대한 dm은, 상기 d에 대한 ｙ의 경우의 반대가 된다. 즉, 5단째에 나타내는 바와 같이 d에 상당하는 것이 된다. 상기 dm이 PID(2)의 출력(u)에 가해짐으로써, 도 4의 (a)에 도시한 모델에서의 제어대상(5)으로의 입력 “u+dm-d”은, 거의 “u”가 되며, 이론상으로는 u가 변화되지 않으면 y도 변화되지 않게 된다(실제로는 외란의 영향을 완전히 제외하는 것은 불가능하다).
본 발명자는, 실제로 본 예의 제어장치(1)를 작성하고 실험에 의해 그 효과를 확인하고 있다. 즉, 도 9의 (a), (b)에 도시한 바와 같이, 외란 옵저버부(10)에 의한 보상이 없는 종래 구성에 비해, 외란에 의한 영향(클린룸(25) 내의 온도변동)을 적게 할 수 있는 것이 확인되어 있다.
이 실험에서는 도어(23)를 60초 동안 개방하고 있다. 종래의 제어에서는, 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 최대 0.024℃의 온도 저하가 생긴다. 한편, 본 예의 제어에서는, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 최대 0.009℃의 온도변화로 족하다. 또, 본 실험에 의해 KADD=0.7 정도로 한 경우가 가장 효과가 높은 것이 확인되었다.
또, 본 실험에 있어서는, 상기 노미널 플랜트(14)의 전달함수((4)식) 및 외란추정부(11)의 전달함수(PM)에서의 TO, KP의 값을, 미리 다른 실험에 근거하여 결정한 값으로 하고 있다. 이에 대해서는 이후에 도 8을 참조하여 설명한다.
이하, 도 5, 도 6을 참조하여, 상기 노미널 플랜트(14)의 전달함수((4)식)를, 어떻게 하여 결정했는지에 대해서 설명한다.
먼저, 본 예의 제어장치(1)는 히터(21)의 출력을 제어하는 것이지만, 제어대상의 모델화는 도 2, 도 3에 도시한 시스템(20) 전체에 대하여 행할 필요가 있다.
또, 도 2, 도 3의 구성은 일례를 도시한 것뿐이며, 이 예에 한정되지 않는다. 도 2, 도 3의 구성에서는 에어덕트(공급경로)를 복수의 칸(온도조절공간; 30(30a, 30b, 30c))으로 구획지음으로써, 상술한 효과가 얻어지는 것이다. 그러나, 본 방법의 적용대상은 이 예에 한정되지 않으며, 특별히 도시하지 않았지만 에어덕트(공급경로)의 구성을 종래와 같이 1개의 길(단순한 통로)로 해도 된다.
도 5의 (a)에, 도 2, 도 3에 도시한 구성 전체(제어대상(5))의 간략 모델을 나타낸다.
상기 간략 모델에서는, 먼저, 온도조절 대상공간인 클린룸(25) 내의 총 열량을 Q1로 하고, 이 총 열량(Q1)에 따른 실내온도를 t1로 한다. 상기 온도센서(TA03)에서 검출되는 온도는 t1이 된다. 또한, 분출구 개별 가열기(26)에 의해 클린룸(25) 내에 유입하는 열량을 q0(공기온도를 t0)으로 하고, 흡기덕트(27)로부터 클린룸(25) 외부로 유출하는(에어덕트(공급경로) 내에 유입하는) 열량을 q1로 한다. 또한, 팬(22)의 풍량을 Fa로 한다. 이에 따라, 흡기덕트(27)로부터의 유출 공기의 풍량도 Fa로 간주한다. 또한, 도어(23)가 열린 것에 의한 온도변화(외란)를 td로 한다. 또한, 흡기구(29)로부터 유입하는 외부공기의 온도를 tOA로 한다.
상기 열량(q1)의 공기와 상기 온도(TOA)와의 외부공기가 소정의 비율(여기서는 「r:1-r」 (r; 0 이상 1 미만의 값(일례로서는 0∼0.3 정도))으로 함)로 혼합되어, 냉각기(28)로 냉각된다. 냉각기(28)로 냉각된 후의 공기의 열량을 q2로 한다. 이 공기가 분출구 개별 가열기(26; 히터(21))에 의해 가열되어, 클린룸(25) 내에 유입한다.
상기 간략모델에 있어서, 먼저, 상기 Q1은 이하의 (7)식으로 나타낸다. 즉, 열량(q1)과 열량(q0)과의 차분(分)의 적분으로 하여 나타낸다.
Figure pat00006
또한, 여기에서 2개의 「공기온도-열량변환계수」(ka, kv)를 정의한다.
이것은,
팬 풍량; Fa[m3/s], 공기밀도; ρ[kg/m3], 비열; c[J/kg·K], 장치용적;V[m3]
으로 하면(또, V는 클린룸(25; 챔버)의 용적임）
ka=Fa×ρ×c[J/s·K］
kv=V×ρ×c[J/K]
가 되는 것이다.
이들 「공기온도-열량변환계수」를 이용하여 상기 q0, t1, q1을 나타내면 아래와 같이 된다. 또, 열량은 [W], 온도는 [℃]이다.
q0=ka×t0
t1=Q1/kv
q1=ka×t1
도 5의 (a)에 도시한 간략모델을 상기 「공기온도-열량변환계수」를 이용하여 나타낸 모델이 도 5의 (b)이다.
또, 도 5의 (b)에서는 팬(22)의 회전에 따라 발생하는 열량(qF)도 고려하고 있다. 열량(qF)은 팬의 모터회전에 의해 발생하는 열량이나, 공기를 밀어내는 것에 의한 마찰에 의해 발생하는 열량 등이다.
먼저, 상기한 바와 같이 냉각기(28)로 냉각한 후의 공기의 열량은 q2이며, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 분출구 개별 가열기(26)에서 상기 열량(qF)과, 히터(21)에 의한 열량(u[W])이 상기 열량(q2)에 가해짐으로써, 열량(q0)이 챔버 내에 들어간다.
도 5의 (b)에 있어서 점선이 둘러싼 부분이, 챔버 내에서의 열의 유입·유출의 모델이며, 이 모델의 출력은 챔버로부터 유출하는 열량(q1)이다. 상기 열량(q1)은 피드백되어 「q0-q1」이 얻어진다. 상기 「q0-q1」을 적분함으로써, 챔버내의 총열량(Q1)이 얻어진다.
상기 총 열량(Q1)을 상기 「공기온도-열량변환계수」(kv)에 의해 공기온도로 환산한다. 즉, t=Q×(1/kv)를 연산한다. 이 공기온도(t)에 상기 외란(td)을 가함(단, 여기에서는 td는 마이너스인 것으로 함)으로써, 상기 t1이 얻어진다. 즉, 챔버 내의 공기온도(t1)가 얻어진다. 상기 공기온도(t1)와 상기 「공기온도-열량변환계수」(ka)에 의해, 챔버로부터 유출하는 열량(상기 q1)을 구한다. 상기 q1은 상기한 바와 같이 피드백되어 「q0-q1」이 얻어진다.
상기한 바와 같이 「챔버내에서의 열의 유입·유출의 모델」의 출력은 q1이며, 그 도면 상부 우측의 모델은 에어덕트(공급경로)의 모델이다. 먼저, 상기 열량(q1)을 상기 「공기온도-열량변환계수」(ka)를 이용하여 공기온도로 환산한다 {t3=q1×(1/ka)}. 상기한 바와 같이, 상기 온도(t3)의 공기와, 온도(toA)의 외부공기가 소정의 비율로 혼합되므로, 도시한 바와 같이, 「t4={t3×(1-r)}+ (toA×r)」 (r; 예컨대 0.3 정도)에 의해 혼합공기의 온도(t4)를 구한다. 상기 공기온도(t4)를 상기 「공기온도-열량변환계수」(ka)를 이용하여 열량으로 환산한 다음에, 냉각기 모델에 입력하고, 냉각기 모델로부터 열량(q2)이 출력된다.
여기에서, 이하의 (1)∼(3)의 가정에 의해, 도 5의 (b)의 모델을 간략화한다.
<가정>
(1) 팬 열량(qF)은 변화되지 않는다. 혹은 그 변화에 따른 온도조절 대상공간 내의 온도에 대한 영향이, 비정상(非定常) 외란에 의한 영향에 비해 충분히 작다. 이것은 팬의 풍량이 변화되지 않는 것을 의미한다.
(2) 외부공기온도(toA)가 변화되지 않는다. 혹은, 제어의 대상시간 내에서의 온도변화가, 비정상 외란에 의한 영향에 비해 충분히 작다(무시할 수 있을 만큼 작다).
(3) 냉각기에서의 냉수코일의 냉수온도는 변화되지 않는다. 또는 온도조절 대상공간 내의 온도에 대한 영향이, 비정상 외란에 의한 영향에 비해 충분히 작다.
상기 가정하에서는, 도 5의 (b)의 모델은 도 6에 도시한 간략 모델로 할 수 있다.
먼저, 상기 가정(1)과 (2)에 의해, 도 5의 (b)의 모델에서의 팬 열량(qF), 및 외부공기온도(tOA)에 관계되는 부분은 생략할 수 있다. 또한, 「챔버 내에서의 열의 유입·유출의 모델」자체는 도 5의 (b)와 동일하다. 또한, 상기 가정(1), (3)에 의해, 냉각기(그 냉수코일)는 도 6에 도시한 바와 같이 모델화할 수 있다.
도 6에 도시한 간략화 모델에서는, 챔버내에 유입하는 열량(q0)은 q0=q2+u가 된다. 또한, 「챔버내에서의 열의 유입·유출의 모델」의 출력인 열량(q1)은, 상기 도 5의 (b)와 같이 피드백되어 「q0-q1」을 얻는다.
여기에서, 도시한 냉각기(냉수코일)에는, 상기 열량(q1)과, t1(열량(q1)으로 환산하기 전)이 입력되고, 도시한 바와 같이 그 출력(q2)은 아래와 같아진다.
q2=q1- (t1·kf)
(여기서, kf는, t1과 열교환량의 관계를 t1의 근방에서 선형근사한 계수이며, 단위는 [W/K]이다. 이후의 설명에서는 본 계수를 ‘열교환 계수’라고 한다.)
여기서, 도 7을 참조하여 냉각기의 간략 모델화에 대해서 설명한다.
먼저, 도 7의 (a)에는 냉각기의 일반적인 개략 구성도를 나타낸다.
이러한 개략구성에서는, 냉각기의 냉수코일을 메인으로 나타낸다(다른 구성은 생략함). 온도(ta)의 공기(열량(q1))가 풍량(Fa)으로 냉수코일에 유입하고, 열량(q2)의 공기(풍속은 변함없이 Fa)가 되어 유출된다. 냉수코일에는, 유속(水速)(Fw)으로 냉각수가 유입·유출하고 있다. 냉수코일에 유입하기 직전의 냉각수의 온도를 twa, 냉수코일로부터 유출한 직후의 냉각수 온도를 tw1로 한다. 또, 냉각기에는 당연히 냉각수를 생성·송출하는 구성도 존재하지만, 여기에서는 생략하기로 한다.
상기 냉각 코일에서의 열 교환량을 qex로 하면,
q2=q1-qex가 된다.
여기서, 냉수코일에서의 열 교환량(qex)은 이하의 식에 의해 구해진다.
qex=kf×(ta-twa)
여기서, 상기 가정(3)에 의해 냉수온도(twa)는 변화되지 않으므로, 냉수온도(twa)는 생략하고(0으로 간주함), 상기의 식은 다음과 같이 된다.
qex=kf×ta
이로써, q2=q1-kf×ta가 된다.
상기 도 5, 도 6의 예에서는 ta=t1이므로,
q2=q1-kf×t1
이 된다. 이것을 모델화한 것이 도 6에 도시한 냉수코일의 모델이다.
여기서, 열교환 계수(kf)의 값은, 도 7의 (b)에 도시한 특성도와 같이, 풍량(Fa)과 유속(Fw), 및 냉수코일의 구조에 의해 정해지는 것이다. 따라서, 풍량(Fa)과 유속(Fw)을 일정하게 하고, 미리 그 값을 정해 두면, 이에 대응하는 열교환 계수(kf)의 값이 얻어진다. 도시한 예에서는, 풍량(Fa)=40, 유속(Fw)은 도시한 「유속 1」로 하고, 이에 대응하는 열교환 계수(kf)의 값은 360인 것으로 한다. 이에 따라, 본 설명에서는 열교환 계수(kf)=360[W/K]인 것으로 하여 설명한다.
이와 같은 도 6에 도시한 간략화 모델을 이용하여, 이하에 기술하는 바와 같이 「u→t1」의 도출을 행한다. 단, 외란(td)은 없는 것으로 한다(상기한 바와 같이, 노미널 플랜트(14) 자체는 외란의 영향을 받는 것이 아니다).
먼저, 도 6을 참조하면 이하의 (d)식, (e)식, (f)식이 얻어지는 것은 명백하다.
(u+q2-q1)·(1/kv·s)=t1···(d)식
q1=t1·ka ···(e)식
q1- (t1·kf)=q2···(f)식
그리고 (f)식에 (e)식을 대입하면, 이하의 (f)’식이 얻어진다.
(t1·ka)- (t1·kf)=q2···(f）’식
다음에, 상기 (e)식, (f)’식을 (d)식에 대입하여 다음과 같이 전개하면, 「u→ t1」의 도출식이 얻어진다.
(u+t1·ka-t1·kf-t1·ka)·(1/kv·s)=t1
(u-t1·kf)·(1/kv·s)=t1
u=t1·kv·s+t1·kf=t1(kv·s+kf) (g)식
상기 (g)식으로부터 이하의 (8)식이 얻어진다.
Figure pat00007
상기 (8)식에 있어서, kv/kf=To, 1/kf=Kp로 하면 이하의 (9)식이 된다.
Figure pat00008
상기 (9)식은 (4)식과 동일하다. 즉, 상술한 바와 같이 하여 노미널 플랜트(14)의 전달함수(PN(s))가 결정된다. 또한, 상기한 바와 같이 KOBS=1/Kp이므로 KOBS=kf가 된다.
또한, 상기 To, Kp의 구체적 일례(실제로 실험한 장치의 예)는 하기와 같다.
본 예에서는 장치용적(V)=6m3이다. 또한, kf=360[W/K]으로 설정하였다.
이것은 단위를 바꾸면 kf=360[W/K］≒ 0.4[W/0.001℃]가 된다.
이로써, 먼저 Kp=1/kf=1/0.4=2.5[0.001℃/W]가 된다.
또한, 공기밀도(ｐ)=1.203[kg/m3], 비열(c)=1.006[kJ/kg·K]로 하면,
kv=6×1.203×1.006×103=7261[J/K]
이 된다. 이로써,
To=kv/kf=7261×360≒20[sec]
이 된다.
이로써, 이 구체예에서는 노미널 플랜트(14)의 전달함수(PN(s))는 이하의 (10)식이 된다.
Figure pat00009
단, 본 발명자는 다른 실험장치에 의한 실험도 행하였다. 이하의 설명은, 다른 실험에 대해서 기술하는 것이다.
여기서 도 8에 실험결과의 일례를 나타낸다.
도 8에 도시한 그래프는, 예컨대 도 2, 도 3에 도시한 구성에 있어서, 이하와 같은 동정(同定)시험(히터 발열특성)을 실시하고, 시판되는 일반적인 동정 툴을 이용하여 표시시킨 것이다.
동정시험 개략; 본 시험은, 각 분출구 개별 가열기(26)에서의 히터(21)의 출력을, 10%, 20%, 30%의 3단계로 변화시키고, 각각의 출력시에서의 온도센서(TA01, TA02, TA03; 제어점 온도)의 온도변화를 구한 것이다.
보다 구체적인 시험 내용은 다음과 같다.
<수집조건>
냉수 코일; 자동(SV값; 통상 운용값)
팬(22); 운전(운용 정격)
히터(21); 수동(출력 초기값; 0, 이후, 10%, 20%, 30%로 단계적으로 변화)
내부 부하; 0W
<수집방법>
조작단 입력부 온도, 제어점 온도가 모두 정정(整定)된 후, 10분 후까지 데이터를 계속 수집한다.
최초에는, 히터(21)의 출력을 10%로 하고 상기한 바와 같이 데이터를 수집한다.
다음에, 히터(21)의 출력을 20%로 하고 상기한 바와 같이 데이터를 수집한다. 최후에, 히터(21)의 출력을 30%로 하고 상기한 바와 같이 데이터를 수집한다.
도 8에 도시한 각 파형은 다음과 같다.
PV；제어점 온도
Ident01; 동정파형(추정한 플랜트 모델의 PV 파형)
SV；목표온도
MV；조작량(히터(21)의 출력량)
도 8에 도시한 데이터에 근거하여, 상기 시판되는 동정 툴을 이용해서 파라미터를 결정한다.
그 결과, 이하의 전달함수(G1(s))가 얻어졌다.
Figure pat00010
즉, 시정수(T)=20[sec], 게인(K)=0.8이 된다.
여기서, 데드타임(L)은 시정수(T)에 비해 충분히 작으므로, 옵저버로서는 무시한다.
이로써, 상기 전달함수(G1(s))는
G1(s)=0.8/(20s+1)
로 간주할 수 있다.
또, 시정수란 최종값의 63.2%에 달하는 시간을 말한다. 또한, 데드타임이란, 입력신호가 보내져 전해질 때의 지연시간을 말한다.
외란추정부(11) 및 노미널 플랜트(14)의 전달함수의 구체적인 수치에 관해서는, 예컨대 실험에 근거하여 결정하면 된다.
예컨대, 도 8의 예에서는, 상기한 바와 같이 실험결과에 의해 얻어지는 전달함수(G1(s))에서의 게인(K)=0.8, 시정수(T)=20이므로, 이것을 그대로 노미널 플랜트(14)의 전달함수의 구체적인 수치로 하면 된다. 즉, 노미널 플랜트(14)의 전달함수(PN(s))에서의 게인(Kp)=0.8, 시정수(To)=20으로 하면 된다.
또한, 외란추정부(11)에 관해서는, 그 전달함수에서의 옵저버 게인(KOBS)=1/Kp이므로, KOBS=1/0.8=1.25로 하면 된다. 또한, 이미 기술한 바와 같이, 상기 (2)식에서의 To1은, 상기 To와 같으므로 To1=20으로 하면 된다. 또한, 상기 (2)식에서의 To2에 관해서는, 상기한 바와 같이 노이즈 제거 등을 위한 것이므로, 본 발명자는 자기가 적절하다고 생각하는 임의의 값(여기서는 1sec)을 설정하였다.
이에 따라, 본 구체예에서는 상기 (2)식은 다음과 같게 된다.
Figure pat00011
상기한 바와 같이, (2)식, (4)식에 대해서 구체적인 파라미터를 설정하고, 또한 상기한 바와 같이 KADD=0.7을 설정한 다음에 실제로 실기(實機)에 의해 실험한 결과가, (이미 기술한 대로) 도 9의 (b)에 도시한 것이다. 이에 대해서는 이미 기술하였으므로, 여기에서는 특별히 설명하지 않는다.
또, 본 설명에서의 상기 「외란」이란, 특히 이미 과제에서 기술한 「비정상 외란」을 말하며, 이미 과제에서 기술한 바와 같이, 이러한 비정상 외란이 생기는 원인으로서는, 상술한 도어(23)의 개폐에 한정되는 것이 아니라, 그 이외에도 예컨대, 챔버에 설치된 셔터의 개폐, 챔버에 대한 워크(웨이퍼, 유리기판 등)의 출납, 로봇아암의 출납 등에 의해서도, 상기 비정상 외란이 생긴다.
즉, 「비정상 외란」이 생기는 요인 중 하나는, 도어나 셔터의 개폐 등에 의해 챔버(온도조절 대상공간)에 대하여 일시적으로 외부공기가 유입하는 것이다. 또한, 「비정상 외란」이 생기는 요인은, 그 이외에도, 예컨대, 웨이퍼, 기재(機材), 인간 등이 챔버 내에 들어감으로써, 이들이 중장기적인 발열원이 되는 것이다. 즉, 챔버 등의 온도조절 대상공간 내에, 외부로부터 외부공기, 인간 등의 어떠한 온도변화 요인이 진입함에 따라, 「비정상 외란」이 생긴다.
단, 「비정상 외란」이 생기는 요인은, 상술한 「온도조절 대상공간에 대하여 외부로부터 온도변화 요인이 진입하는 것」에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 내부 부하의 변동(장치의 운전/정지 등) 등도 「비정상 외란」이 생기는 원인이 된다.
본 예의 외란 옵저버는, 이와 같은 비정상 외란에 대응하는 것이며, 비정상 외란의 영향(제어점 온도의 변동, 즉 챔버 내의 온도 변동)을 최소한으로 억제할 수 있다.
또, 상술한 설명은 일례를 나타낸 것이며, 이 예에 한정되는 것은 아니다.
예컨대, 도 10의 (a)에는 상술한 일례의 정밀온도조절 시스템의 구성을 모식적으로 나타낸 것이다. 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이, 상술한 일례의 정밀온도조절 시스템은, 「냉각기+가열장치(OBS 기능)」의 구성이라고 할 수 있다. 즉, 온도조절 대상공간의 일례인 클린룸(25; 도 10에서는 온도조절 대상공간(25)으로 함)으로부터의 공기를, 일단 냉각기(28)로 냉각한 후에 분출구 개별 가열기(26)로 가열하는 구성에 있어서, 가열장치(26’)에 본 방법에 의한 OBS 기능을 적용한 것이다. 즉, 예컨대 도 1에 도시한 외란 옵저버부(10)를 추가한 것이다.
또, 도 10의 (a)∼(d)에 도시한 가열장치(26’)는, 예컨대 도 3 등의 예에서는 분출구 개별 가열기(26)와 그 제어장치(도 3에 도시한 1c나 히터구동장치(44c) 등)를 의미한다. 마찬가지로, 도시한 냉각기(28’)는, 예컨대 냉각기(28)와 그 제어장치(도 3에 도시한 가산기(41), PID(42), 히터구동장치(43) 등)를 의미한다. 어떠한 경우에도, 실제로는 제어장치에 대하여 본 방법에 의한 OBS 기능을 적용하는 것이 된다.
본 발명의 정밀온도조절 시스템은 상기한 바와 같이, 도 10의 (a)와 같은 구성예에 한정되지 않고, 예컨대 도 10의 (b), (c), (d)에 도시한 구성으로 해도 된다.
도 10의 (b)는 「냉각기(OBS 기능)」의 구성이다. 도 10의 (c)는 「냉각기(OBS 기능)+가열장치」의 구성이다. 도 10의 (d)는 「냉각기(OBS 기능)+가열장치(OBS 기능)」의 구성이다. 이와 같이, 본 방법에 의한 OBS 기능은, 가열장치(26’)에만 적용하는 예에 한정되지 않으며, 냉각기(28’)에만 적용해도 되고, 또는 가열장치(26’)와 냉각기(28’) 모두에 적용해도 된다. 또한, 전제로 하는 구성도 「냉각기+가열장치」뿐만 아니라, 「냉각기만」으로 해도 되며, 이 경우에 상기 도 10의 (b)와 같이 냉각기(28’)에 본 방법에 의한 OBS 기능을 적용해도 된다.
본 방법에 의한 OBS 기능을 냉각기(28’)에 적용하는 경우에는, 예컨대 도 3 에 도시한 가산기(41), PID(42), 히터구동장치(43)로 이루어진 제어장치에 대하여, 본 방법에 의한 OBS 기능을 적용(예컨대 도 1에 도시한 외란 옵저버부(10)를 추가)하면 된다.
단, 도 10의 (b)의 구성에서는, 냉각기(28)에 의한 냉각공기가 그대로 온도조절 대상공간(25)에 유입하므로, 상기 가산기(41)에 입력되는 목표온도(r)는, 온도조절 대상공간(25)의 목표온도(도 3의 예에서는 23.0℃) 등으로 해도 된다. 또한, 이 경우, 가산기(41)에 입력하는 검출온도(y)는, 도 3에 도시한 바와 같이 칸(온도조절공간; 30a)에 설치된 온도센서(TA06; 냉각공기의 온도를 검출하는 센서)에 의한 검출결과를 이용해도 되고, 예컨대 온도조절 대상공간(25)에 설치된 온도센서(TA03) 등을 이용해도 된다. 또는, 도 3에는 도시하지 않았지만, 온도조절 대상공간(25)에 유입하기 직전의 공기온도를 검출하는 온도센서를 설치하고, 그 검출 데이터를 가산기(41)에 입력하는 검출온도(y)로 해도 된다.
또한, 도 10의 (c)에 도시한 구성에 있어서는, 가산기(41)에 입력하는 검출온도(y)는 상기 온도센서(TA06)를 이용해도 된다. 또는, 도 3에는 도시하지 않았지만, 분출(吹出)구 개별 가열기(26)에 대한 취입(吹入)측의 공기온도(클린룸 상부공간(33)의 공기온도)를 검출하는 온도센서를 새롭게 설치하고, 이 온도센서에 의한 검출결과를, 가산기(41)에 입력하는 검출온도(y)로 해도 된다.
또는, 도 10의 (c)에 도시한 구성에 있어서, 가산기(41)에 입력하는 검출온도(y)는, 상기 온도센서(TA03) 등을 이용해도 된다. 단, 이 경우에는 가산기(41)에 의한 편차(r-y)에는, 가열장치(26’)에 의한 변화분(α; 온도상승)이 포함되게 된다. 즉, 도 3의 예에서는 변화분(α)=1.5℃ 정도가 되고, 검출온도(y)는 23℃ 정도가 된다. 이로써, 이 경우에는 예컨대, 상기 가산기(41)에 입력하는 목표온도(r)는 21.5℃가 아닌 23.0℃ 등으로 한다.
1 : 제어장치
2 : 피드백 제어기(PID)
3 : 가산기
4 : 가산기
5 : 제어대상
10 : 외란 옵저버부
11 : 외란추정부
12 : 가산 게인
13 : 가산기
14 : 노미널 플랜트
20 : 정밀온도조절 시스템
21 : 히터
22 : 팬
23 : 도어
24 : 송풍기(팬)
25 : 클린룸
26 : 분출구 개별 가열기
27 : 흡기덕트
28 : 냉각기
29 : 흡기구
30 : 칸
31 : 흡배기구
32 : 상부공간
33 : 클린룸 상부공간
41 : 가산기
42 : PID
43 : 히터구동장치
44 : 히터구동장치

Claims (14)

  1. 온도조절 대상공간과,
    상기 온도조절 대상공간에 냉각된 공기를 공급하는 공급경로 내에 설치되는 냉각수단과,
    상기 공급경로 내에 설치되며, 상기 냉각수단으로부터 공급되는 공기를 가열하여 상기 온도조절 대상공간에 송풍하는 가열수단과,
    상기 냉각수단의 제 1 제어장치, 상기 가열수단의 제 2 제어장치를 갖는 정밀온도조절 시스템으로서,
    상기 제 1, 제 2 제어장치의 적어도 어느 한쪽은,
    비정상 외란에 따른 보상량을 생성하여 조작량에 가산시키는 외란 옵저버부를 더 구비하고,
    상기 외란 옵저버부는,
    상기 온도조절 대상공간, 상기 냉각수단, 상기 가열수단, 및 상기 공급경로를 포함하는 시스템 전체에 관한 동작을 모의하는 노미널 플랜트와,
    상기 노미널 플랜트로부터 출력되는 온도와 상기 냉각수단으로부터 공급되는 공기의 온도 또는 상기 온도조절 대상공간 내의 온도와의 편차를 입력하고,
    상기 편차에 근거하여 외란추정값을 생성·출력하는 외란추정수단을 가지며,
    상기 외란추정수단에 의한 외란추정값에 근거하여 상기 보상량을 결정하는 것을 특징으로 하는 정밀온도조절 시스템.
  2. 온도조절 대상공간과,
    상기 온도조절 대상공간에 냉각된 공기를 공급하는 공급경로 내에 설치되는 냉각수단과,
    상기 공급경로 내에 설치되며, 상기 냉각수단으로부터 공급되는 공기를 가열하여 상기 온도조절 대상공간에 송풍하는 가열수단과,
    상기 냉각수단의 제 1 제어장치, 상기 가열수단의 제 2 제어장치를 갖는 정밀온도조절 시스템으로서,
    상기 제 1, 제 2 제어장치의 적어도 어느 한쪽은,
    상기 온도조절 대상공간, 상기 냉각수단, 상기 가열수단, 및 상기 공급경로를 포함하는 시스템 전체를 제어대상으로 하며,
    설정값과 상기 제어대상의 실측값과의 편차를 입력하여 조작량을 연산하는 피드백 제어부와,
    비정상 외란에 따른 보상량을 연산하는 외란 옵저버부와,
    상기 조작량과 상기 보상량을 가산하여 상기 제어대상으로 입력하기 위한 제어량을 연산하는 제 1 가산기를 구비하고,
    상기 외란 옵저버부는,
    상기 제어대상을 모의하는 노미널 플랜트와,
    상기 노미널 플랜트의 출력과 상기 제어대상의 실측값과의 편차가 입력되는 외란추정수단과,
    상기 외란추정부의 출력을 소정 배(倍)로 해서 상기 보상량을 연산하는 가산 게인과,
    상기 제어대상으로 입력되는 제어량과 상기 외란추정부의 출력과의 편차를 연산하여 상기 노미널 플랜트로 입력하는 신호를 생성하는 제 2 가산기를 구비하는 것을 특징으로 하는 정밀온도조절 시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 노미널 플랜트는,
    상기 온도조절 대상공간, 상기 냉각수단, 상기 가열수단, 및 상기 공급경로를 포함하는 시스템 전체에 관한 동작을 모델화하고, 또한 상기 모델을 소정의 조건에 근거하여 간략화한 간략화 모델을 이용하여, 결정되는 것을 특징으로 하는 정밀온도조절 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 온도조절 대상공간으로부터 상기 공급경로 내에 유입하는 공기와 외부공기가 혼합된 후 상기 냉각수단에 의해 냉각되는 구성의 경우,
    상기 소정의 조건은,
    ·상기 가열수단 또는 냉각수단에 의한 송풍의 풍량이 변화되지 않거나, 또는 그 변화에 따른 온도조절 대상공간 내의 온도에 대한 영향이, 상기 비정상 외란에 의한 영향에 비해 충분히 작은 것
    ·상기 외부공기의 온도변화가 없거나, 또는 그 변화에 따른 온도조절 대상공간 내의 온도에 대한 영향이, 상기 비정상 외란에 의한 영향에 비해 충분히 작은 것
    ·상기 냉각수단에서의 냉각 능력이 변화되지 않거나, 또는 온도조절 대상공간 내의 온도에 대한 영향이, 상기 비정상 외란에 의한 영향에 비해 충분히 작은 것인 것을 특징으로 하는 정밀온도조절 시스템.
  5. 온도조절 대상공간과,
    상기 온도조절 대상공간에 냉각된 공기를 공급하는 공급경로 내에 설치되는 냉각수단과,
    상기 냉각수단의 제어장치를 갖는 정밀온도조절 시스템으로서,
    상기 제어장치는,
    비정상 외란에 따른 보상량을 생성하여 조작량에 가산시키는 외란 옵저버부를 더 구비하고,
    상기 외란 옵저버부는,
    상기 온도조절 대상공간, 상기 냉각수단, 및 상기 공급경로를 포함하는 시스템 전체에 관한 동작을 모의하는 노미널 플랜트와,
    상기 노미널 플랜트로부터 출력되는 온도와 상기 냉각수단으로부터 공급되는 공기의 온도 또는 상기 온도조절 대상공간 내의 온도와의 편차를 입력하고,
    상기 편차에 근거하여 외란추정값을 생성·출력하는 외란추정수단을 가지며,
    상기 외란추정수단에 의한 외란추정값에 근거하여 상기 보상량을 결정하는 것을 특징으로 하는 정밀온도조절 시스템.
  6. 온도조절 대상공간과,
    상기 온도조절 대상공간에 냉각된 공기를 공급하는 공급경로 내에 설치되는 냉각수단과,
    상기 냉각수단의 제어장치를 갖는 정밀온도조절 시스템으로서,
    상기 제어장치는,
    상기 온도조절 대상공간, 상기 냉각수단, 및 상기 공급경로를 포함하는 시스템 전체를 제어대상으로 하며,
    설정값과 상기 제어대상의 실측값과의 편차를 입력하여 조작량을 연산하는 피드백 제어부와,
    비정상 외란에 따른 보상량을 연산하는 외란 옵저버부와,
    상기 조작량과 상기 보상량을 가산하여 상기 제어대상으로 입력하기 위한 제어량을 연산하는 제 1 가산기를 구비하고,
    상기 외란 옵저버부는,
    상기 제어대상을 모의하는 노미널 플랜트와,
    상기 노미널 플랜트의 출력과 상기 제어대상의 실측값과의 편차가 입력되는 외란추정수단과,
    상기 외란추정부의 출력을 소정 배로 해서 상기 보상량을 연산하는 가산 게인과,
    상기 제어대상으로 입력되는 제어량과 상기 외란추정부의 출력과의 편차를 연산하여 상기 노미널 플랜트로 입력하는 신호를 생성하는 제 2 가산기를 구비하는 것을 특징으로 하는 정밀온도조절 시스템.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 노미널 플랜트는,
    상기 온도조절 대상공간, 상기 냉각수단, 및 상기 공급경로를 포함하는 시스템 전체에 관한 동작을 모델화하고,
    또한 상기 모델을 소정의 조건에 근거하여 간략화한 모델을 이용하여, 결정되는 것을 특징으로 하는 정밀온도조절 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 온도조절 대상공간으로부터 상기 공급경로 내에 유입하는 공기와 외부공기가 혼합된 후 상기 냉각수단에 의해 냉각되는 구성의 경우,
    상기 소정의 조건은,
    ·상기 냉각수단에 의한 송풍의 풍량이 변화되지 않거나, 또는 그 변화에 따른 온도조절 대상공간 내의 온도에 대한 영향이, 상기 비정상 외란에 의한 영향에 비해 충분히 작은 것
    ·상기 외부공기의 온도변화가 없거나, 또는 그 변화에 따른 온도조절 대상공간 내의 온도에 대한 영향이, 상기 비정상 외란에 의한 영향에 비해 충분히 작은 것
    ·상기 냉각수단에서의 냉각능력이 변화되지 않거나, 또는 온도조절 대상공간 내의 온도에 대한 영향이, 상기 비정상 외란에 의한 영향에 비해 충분히 작은 것인 것을 특징으로 하는 정밀온도조절 시스템.
  9. 제 1항, 제 2항, 제 5항, 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노미널 플랜트는, 다음과 같으며,
    [수학식 12]
    Figure pat00012

    상기 외란추정수단의 전달함수는 1/PN(s)인 것을 특징으로 하는 정밀온도조절 시스템.
  10. 제 1항, 제 2항, 제 5항, 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비정상 외란은,
    상기 온도조절 대상공간에 대하여 외부로부터 온도변화 요인이 진입함으로써 생기는, 상기 온도조절 대상공간 내의 온도변화인 것을 특징으로 하는 정밀온도조절 시스템.
  11. 온도조절 대상공간과,
    상기 온도조절 대상공간에 냉각된 공기를 공급하는 공급경로 내에 설치되는 냉각수단과,
    상기 공급경로 내에 설치되며, 상기 냉각수단으로부터 공급되는 공기를 가열하여 상기 온도조절 대상공간에 송풍하는 가열수단을 갖는 정밀온도조절 시스템에 서의 상기 냉각수단의 제어장치 또는 상기 가열수단의 제어장치로서,
    상기 제어장치는,
    비정상 외란에 따른 보상량을 생성하여 조작량에 가산시키는 외란 옵저버부를 더 구비하고,
    상기 외란 옵저버부는,
    상기 온도조절 대상공간, 상기 냉각수단, 상기 가열수단, 및 상기 공급경로를 포함하는 시스템 전체에 관한 동작을 모의하는 노미널 플랜트와,
    상기 노미널 플랜트로부터 출력되는 온도와 상기 냉각수단으로부터 공급되는 공기의 온도 또는 상기 온도조절 대상공간 내의 온도와의 편차를 입력하고,
    상기 편차에 근거하여 외란추정값을 생성·출력하는 외란추정수단을 가지며,
    상기 외란추정수단에 의한 외란추정값에 근거하여 상기 보상량을 결정하는 것을 특징으로 하는 정밀온도조절 시스템의 제어장치.
  12. 온도조절 대상공간과,
    상기 온도조절 대상공간에 냉각된 공기를 공급하는 공급경로 내에 설치되는 냉각수단과,
    상기 공급경로 내에 설치되며, 상기 냉각수단으로부터 공급되는 공기를 가열하여 상기 온도조절 대상공간에 송풍하는 가열수단을 갖는 정밀온도조절 시스템에 서의 상기 냉각수단의 제어장치 또는 상기 가열수단의 제어장치로서,
    상기 제어장치는,
    상기 온도조절 대상공간, 상기 냉각수단, 상기 가열수단, 및 상기 공급경로를 포함하는 시스템 전체를 제어대상으로 하며,
    설정값과 상기 제어대상의 실측값과의 편차를 입력하여 조작량을 연산하는 피드백 제어부와,
    비정상 외란에 따른 보상량을 연산하는 외란 옵저버부와,
    상기 조작량과 상기 보상량을 가산하여 상기 제어대상으로 입력하기 위한 제어량을 연산하는 제 1 가산기를 구비하고,
    상기 외란 옵저버부는,
    상기 제어대상을 모의하는 노미널 플랜트와,
    상기 노미널 플랜트의 출력과 상기 제어대상의 실측값과의 편차가 입력되는 외란추정수단과,
    상기 외란추정부의 출력을 소정 배로 해서 상기 보상량을 연산하는 가산 게인과,
    상기 제어대상으로 입력되는 제어량과 상기 외란추정부의 출력과의 편차를 연산하여 상기 노미널 플랜트로 입력하는 신호를 생성하는 제 2 가산기를 구비하는 것을 특징으로 하는 정밀온도조절 시스템의 제어장치.
  13. 온도조절 대상공간과,
    상기 온도조절 대상공간에 냉각된 공기를 공급하는 공급경로 내에 설치되는 냉각수단을 갖는 정밀온도조절 시스템에서의 상기 냉각수단의 제어장치로서,
    상기 제어장치는,
    비정상 외란에 따른 보상량을 생성하여 조작량에 가산시키는 외란 옵저버부를 더 구비하고,
    상기 외란 옵저버부는,
    상기 온도조절 대상공간, 상기 냉각수단, 및 상기 공급경로를 포함하는 시스템 전체에 관한 동작을 모의하는 노미널 플랜트와,
    상기 노미널 플랜트로부터 출력되는 온도와 상기 냉각수단으로부터 공급되는 공기의 온도 또는 상기 온도조절 대상공간 내의 온도와의 편차를 입력하고,
    상기 편차에 근거하여 외란추정값을 생성·출력하는 외란추정수단을 가지며,
    상기 외란추정수단에 의한 외란추정값에 근거하여 상기 보상량을 결정하는 것을 특징으로 하는 정밀온도조절 시스템의 제어장치.
  14. 온도조절 대상공간과,
    상기 온도조절 대상공간에 냉각된 공기를 공급하는 공급경로 내에 설치되는 냉각수단을 갖는 정밀온도조절 시스템에서의 상기 냉각수단의 제어장치로서,
    상기 제어장치는,
    상기 온도조절 대상공간, 상기 냉각수단, 및 상기 공급경로를 포함하는 시스템 전체를 제어대상으로 하며,
    설정값과 상기 제어대상의 실측값과의 편차를 입력하여 조작량을 연산하는 피드백 제어부와,
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