TWI437400B - 精密溫度調節系統及其控制裝置 - Google Patents

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TWI437400B
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Fuji Electric Co Ltd
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Description

精密溫度調節系統及其控制裝置
本發明係關於精密溫度調節系統及其控制裝置。
在半導體製造工廠等使用的淨化室等(腔室)中,作業環境的條件要求嚴格。作為該條件,可以列舉例如室溫管理、清淨度的保持、肅靜性(無振動的空間)等。關於室內(腔室內)的溫度管理,要求藉由空調設備進行高精度的恆溫管理。將此種對於腔室等而進行高精度的恆溫管理的系統,稱為精密溫度調節系統。
作為這樣的精密溫度調節系統,眾所周知是使用例如反饋控制器(PID)的裝置。
又,例如專利文獻1中所記載的先前技術,亦為人們所公知。
專利文獻1的發明,係關於熱系設備(例如該專利文獻1的圖12中所示的押出成型機的氣缸)的溫度控制裝置,可以不依賴熟練者的感覺和經驗,且不使其產生扭曲(wind-up),能夠簡單地進行溫度控制。
專利文獻1的溫度控制裝置,係具有PID控制部、操作量附加部和規範模型Pm,並進而具備設有浪費時間消除手段的規範模型部,以及第一切換部。操作量附加部,係輸出用於操作控制對象P的操作量。浪費時間消除手段,係從規範模型Pm去除浪費時間要素e-Ls 。第一切換部 ,係在將來自操作量附加部的操作量輸入到控制對象P之側、和藉由PID控制部輸入操作量之側,此兩者之間,來切換電路。
而,上述規範模型部,係對於藉由浪費時間消除手段而使浪費時間要素e-Ls 被除去後的規範模型Pm之輸出作測定,當其測定結果達到預先設定的目標值時,則操作第一切換部,並使得來自操作量附加部的操作量不被輸入至控制對象P。
又,在專利文獻1中,對於設置有前授(feed forward)控制部一事,係亦有所揭示。
又,在專利文獻1中,如其圖3所示,還揭示有具備著具有上述規範模型Pm的干擾觀測部之構成。
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2001-265408號公報
在此,關於上述精密溫度調節系統,有時會產生例如伴隨某種作業而必須開閉腔室門的情況。由於這樣的門的開閉,外部氣體流入腔室內等,而使腔室內溫度產生變動。亦即是,由於干擾而產生溫度變動。對於這種型式的干擾(稱為非穩態干擾),本發明人藉由實驗等確認,在由前饋所進行之控制中多會有不夠充分的情況。
另外,上述非穩態干擾發生的原因,並不侷限於上述腔室門的開閉。作為其他例,例如,由於設在腔室處的閘門之開閉,相對於腔室的工件(晶片、玻璃基板等)之出入,機械臂的出入等,也會產生上述非穩態干擾。
如上所述,在專利文獻1中,還對於具有規範模型Pm的干擾觀測部而有所揭示。另外,不侷限於專利文獻1,以往,關於PID控制而設置規範模型或是干擾觀測部一事本身,係為人們所公知。
但是,其大多是將例如電動機、發電機等作為控制對象者,即使在上述專利文獻1中,也是以押出成型機(之氣缸)作為控制對象。亦即是,控制對象為機器(機械式裝置)。
另一方面,在上述精密溫度調節系統中,電性控制對象是風扇、加熱器、冷卻器等,但本質上的控制對象是腔室內溫度,而為空氣。
以往,在精密溫度調節系統中,對於相當於上述規範模型的控制對象模型或干擾觀測部而進行具體的模型化之例子,係幾乎找不到。特別是對於上述非穩態干擾而能夠進行充分有效控制的控制對象模型、干擾觀測部之具體例,係並未被發現。
本發明,是為了解決上述習知技術所存在之問題而提出者,本發明的課題在於,在精密溫度調節系統中,提供一種:即使在發生非穩態干擾的情況時,也能夠將溫度調節對象室中的空氣溫度變動抑制在最小限度之精密溫度調 節系統、和其之控制裝置等。
為了解決上述課題,本發明之技術手段如下:本發明之精密溫度調節系統的其中一種形態,係將以下精密溫度調節系統作為前提:該精密溫度調節系統包含:溫度調節對象室;和冷卻手段,設在向該溫度調節對象室供給冷卻空氣之供給路徑內;和加熱手段,設在上述供給路徑內,加熱從上述冷卻手段供給之空氣,向上述溫度調節對象室送風;和上述冷卻手段之第一控制裝置與上述加熱手段之第二控制裝置。
並且,上述第一、第二控制裝置之至少一者,係更進而設有干擾觀測(observer)部,生成與非穩態干擾相應的補償量,並加在操作量上。
該干擾觀測部包含:標稱模型(nominal plant)及干擾推定手段。標稱模型,係模擬關於包含上述溫度調節對象室、上述冷卻手段、上述加熱手段、以及上述供給路徑的系統全體之動作。干擾推定手段,係輸入從上述標稱模型輸出的溫度和從上述冷卻手段供給的空氣溫度或上述溫度調節對象室內的溫度之間的偏差,並根據該偏差生成/輸出干擾推定值,根 據該干擾推定手段之干擾推定值,決定上述補償量。
又,本發明之另一形態之精密溫度調節系統包含:溫度調節對象室;冷卻手段,設在向該溫度調節對象室供給冷卻空氣之供給路徑內;加熱手段,設在上述供給路徑內,加熱從上述冷卻手段供給之空氣,向上述溫度調節對象室送風;上述冷卻手段之第一控制裝置和上述加熱手段之第二控制裝置;其特徵在於:上述第一、第二控制裝置之至少某個將包含上述溫度調節對象室、上述冷卻手段、上述加熱手段、以及上述供給路徑的系統全體作為控制對象;上述第一、第二控制裝置之至少某個包含:反饋控制部,輸入設定值和上述控制對象的實測值的偏差,計算操作量;干擾觀測部,計算與非穩態干擾相應的補償量;第一加法器,將上述操作量和上述補償量進行加法運算,計算用於向上述控制對象輸入的控制量;上述干擾觀測部包含:標稱模型,模擬上述控制對象;干擾推定手段,輸入該標稱模型的輸出和上述控制對象實測值的偏差;加法增益器,使得該干擾推定手段的輸出乘以所定倍數,計算上述補償值; 第二加法器,計算向上述控制對象輸入的控制量和上述干擾推定手段的輸出的偏差,生成向上述標稱模型輸入的信號。
上述標稱模型,係將關於包含上述溫度調節對象室、上述冷卻手段、上述加熱手段、以及上述供給路徑的系統全體之動作模型化,再進而根據所設定之條件來使得該模型簡略化,並使用該簡略化模型進行決定。
例如,作為其中一例,若將關於標稱模型之模擬動作之結構式設為PN (s),則干擾推定手段之傳遞函數係設為1/PN (s)。
又,本發明之另一形態之精密溫度調節系統包含:溫度調節對象室;和冷卻手段,設在向該溫度調節對象室供給冷卻空氣之供給路徑內;和上述冷卻手段之控制裝置,上述控制裝置,係更進而設有干擾觀測部,生成與非穩態干擾相應的補償量,加在操作量上,該干擾觀測部包含:標稱模型,模擬關於包含上述溫度調節對象室、上述冷卻手段、以及上述供給路徑的系統全體之動作;和干擾推定手段,輸入從上述標稱模型輸出的溫度和從上述冷卻手段供給的空氣溫度或上述溫度調節對象室內的溫度之間的偏差,並根據該偏差生成/輸出干擾推定值,根據該干擾推定手段之干擾推定值,決定上述補償量 。
又,本發明之又一形態之精密溫度調節系統包含:溫度調節對象室;冷卻手段,設在向該溫度調節對象室供給冷卻空氣之供給路徑內;上述冷卻手段之控制裝置;其特徵在於:上述控制裝置將包含上述溫度調節對象室、上述冷卻手段、以及上述供給路徑的系統全體作為控制對象;上述控制裝置包含:反饋控制部,輸入設定值和上述控制對象的實測值的偏差,計算操作量;干擾觀測部,計算與非穩態干擾相應的補償量;第一加法器,將上述操作量和上述補償量進行加法運算,計算用於向上述控制對象輸入的控制量;上述干擾觀測部包含:標稱模型,模擬上述控制對象;干擾推定手段,輸入該標稱模型的輸出和上述控制對象實測值的偏差;加法增益器,使得該干擾推定手段的輸出乘以所定倍數,計算上述補償值;第二加法器,計算向上述控制對象輸入的控制量和上述干擾推定手段的輸出的偏差,生成向上述標稱模型輸入的信號。
如此這般,也可以在沒有上述加熱手段之構成中,設 為在冷卻手段之控制裝置中具備有上述構成之干擾觀測部的構成。
若依據本發明之精密溫度調節系統及其控制裝置等,在精密溫度調節系統中,即使是在產生非穩態干擾的情況時,也可以將溫度調節對象室之空氣溫度的變化抑制到最小限度。
下面,參照附圖詳細說明本發明之實施形態。在以下實施形態中,雖然對構成要素、種類、組合、形狀、相對配置等作了各種限定,但是,這些僅僅是例舉,本發明並不侷限於此。
圖1是本發明一實施例之精密溫度調節系統的控制裝置的構成圖。
該控制裝置1係控制例如後述的在圖2、圖3中所示之排氣口個別加熱器26的裝置。控制裝置1是與每個排氣口個別加熱器26相對應地設置。在圖2、圖3所示例中,排氣口個別加熱器26有三台,因此,控制裝置1也設有三台。
在控制裝置1中,除了習知技術的結構以外,亦設有干擾觀測部10。
另外,控制裝置1,其實施形態例如係為CPU等的運 算處理器。在CPU內或CPU外的記憶體中,係預先儲存有特定的應用程序。CPU係藉由讀出並實行該應用程序,而實現以下說明的干擾觀測部10的處理功能。此點,關於反饋控制器(PID)2等之習知結構,亦為相同。另外,在此應用程序內,係預先被設定有後述的各種傳遞函數等。
習知技術之構成,係為反饋控制器2等。首先,簡單說明該習知技術之構成。
首先,向圖示之加法器4輸入從控制對象5檢測出的溫度調節控制對象的室(溫度調節對象室)之溫度y、和目標溫度r。該溫度y,在後述圖3的例中,是由溫度感測器TA01~TA03中之某一個所檢測出來者,而是淨化室25(腔室)內的溫度。另外,在後述圖3中,係以排氣口個別加熱器26c作為例子,以下的說明係根據該例而進行。
因此,於此例的情況中,上述溫度y是由溫度感測器TA03所檢測出的值。另外,目標溫度r,是從未圖示的控制器所輸入者。作業員等藉由操作控制器,可對目標溫度r進行設定/變更。
經由上述加法器4,而得出目標溫度r和實際檢測溫度y之間的偏差E(s)=(r-y)。該偏差E(s),係被輸入至反饋控制器2。反饋控制器2的輸出,係為操作量MV(s)。
該MV(s)可以根據以下(1)式求得。另外,以下的 (1)式以及後述的(2)式以後的其他各式中之“s”,是拉普拉斯運算符。
另外,如上所述,反饋控制器2本身是習知結構,且上述(1)式為人們所公知,因此,在此不作特別說明。
在習知技術中,身為反饋控制器2之輸出的操作量MV(s),係被輸入至控制對象5處,並進行與該操作量MV(s)相應的動作。在圖3所示例中,該操作量MV(s)係被輸入至加熱器驅動裝置44c處。如圖3所示,身為控制裝置1之直接控制對象的排氣口個別加熱器26c,係具有加熱器21、風扇22等,加熱器驅動裝置44c,係根據輸入的操作量MV(s),而驅動控制加熱器21。另外,雖然實際上也進行有風扇22的控制,但是,在此並不言及風扇22之控制,並作為其風量為一定者來進行說明。
另外,如圖3所示,在溫度調節對象室(在本例中為淨化室25)內設有溫度感測器TA03。該溫度感測器TA03是用於檢測淨化室25內溫度的感測器,特別是檢測出受到排氣口個別加熱器26c所影響的空間(其附近,例如正下方等的空間)之溫度。由該溫度感測器TA03檢測出的溫度資料,是上述的檢測溫度y。
如圖1所示,藉由相對於上述習知結構而設置有干擾觀測部10,在控制對象5處,係被輸入有藉由加法器3而在上述操作量MV(s)處加上了干擾觀測部10的輸出所得到之值。干擾觀測部10的輸出,亦即是從加法增益器12而來的輸出,是在圖示之干擾推定部11的輸出dm處乘上了特定的增益(KADD )所得到的值。亦即是,dm×KADD
在干擾推定部11處,係被輸入有上述檢測溫度y和標稱模型14之輸出yN 之間的偏差(yN -y),並輸出上述之dm。
干擾推定部11的結構式(傳遞函數)以下面(2)式表示:
因此,上述dm可以根據下面(3)式求得:
另外,標稱模型14是模擬控制對象5的模式(model),其傳遞函數PN (s),係藉由以下(4)式表示:
在此,干擾觀測部10的結構本身,當被模式化至圖4(a)中所示之程度的情況時,係與習知的一般的干擾觀測器的結構大致相同。圖1中所示的干擾觀測部10,是根據此種一般性之干擾觀測器的結構,而更進而特別是關於上述干擾推定部11以及標稱模型14,而考慮有如同上述(2)式、(4)式中所示的傳遞函數者。
一般的干擾觀測器的結構,例如作為一例,公開在參考文獻1(日本特開2002-108410號公報)中。關於干擾觀測器,圖1的結構和參考文獻1的圖1、圖2之結構的不同點,是在於設有加法增益器12,但是,如果將此視為在參考文獻1中的增益KADD =1的情況來考慮,則本結構和參考文獻1的結構係大致相同。
另外,增益KADD 的值,係為1以下的任意值,設計者等可以任意決定,但是,本發明人根據實驗及經驗等,認為增益KADD =0.7左右是合適的(可得到良好的控制結果)。這是由於當增益KADD =1的場合,亦即是,將干擾推定部11的輸出dm保持原樣地使用的情況時,會成為過度補償之故。這是由於,在標稱模型14中,係存在有模型化誤差,且在作為干擾推定值的dm中也含有誤差的緣故。又,通常,直到推定出施加於控制對象5的干擾為止,係會耗費時間之故。
但是,和習知相同,也可以使得增益KADD =1。亦即是,可以省略加法增益器12。在本發明中,為了簡化說明,有時會省略加法增益器12而進行說明。
在省略了加法增益器12的情況之控制裝置1的動作,首先,控制對象5的輸入,係成為在身為上述反饋控制器2之輸出的操作量MV(s)上,加上了前述干擾推定部11的輸出dm所得到的值,亦即是,成為(MV(s)+dm)。
又,藉由加法器13,而得到該“MV(s)+dm”和上述干擾推定部11的輸出(干擾推定值)dm之間的偏差。亦即是,偏差=MV(s)+dm-dm=MV(s)。然後,該偏差係被輸入至標稱模型14處。亦即是,向標稱模型14輸入身為上述反饋控制器2之輸出的操作量MV(s)。並且,根據上述(4)式的傳遞函數PN (s),而得出與該操作量MV(s)對應的上述yN
如上所述,干擾觀測部10的基本結構(圖4(a)所示之級別)本身,可以是一般的結構,本實施形態的特徵,係在於干擾推定部11和標稱模型14的內容。
首先,模擬某種控制對象的標稱模型本身,例如是如上述參考文獻1中所示一般的習知設備。但是,在例如參考文獻1中,係關於電動機/發電機的模型化,關於精密溫度調節系統,係並沒有發現到進行具體的模型化之例子。本發明人,係如同後文對於圖5、圖6所作的詳細說明一般,對於控制對象5而進行具體的模型化,再進而如後 所述一般,根據特定假設,而使得該模型簡略化,並根據該簡略化模型而決定了上述(4)式。
在此,本實施例的控制裝置1所直接控制的,只有排氣口個別加熱器26(本實施例中的加熱器21)。其係將身為溫度調節對象室的其中一例之淨化室25(腔室)內的溫度檢測出來,並決定/控制加熱器21輸出的增減/維持者。但是,並不是僅簡單地將加熱器21之輸出和淨化室25(腔室)內溫度之間的關係模型化即可完成者。
淨化室25(腔室)內的溫度,並不是僅由加熱器21的輸出所決定,還會受到冷卻器28的冷卻性能、到達冷卻器28前之和外部氣體間的混合、相對於淨化室25而進出之熱量等的各種要素之影響,進而,依存於情況的不同,還會受到干擾的影響。
因此,圖1中所示的控制對象5,並不是單指排氣口個別加熱器26(加熱器21),而係成為代表如圖2、圖3中所示的精密溫度調節系統全體者。亦即是,圖1中所示的控制對象5,是指由排氣口個別加熱器26、冷卻器28、淨化室25、通氣道(供給路徑)等所構成的系統全體。並且,為了將控制對象5的動作模型化,不僅要考慮加熱器21之輸出、冷卻器28的冷卻性能,還必須考慮空氣(熱量)的流動等。
本實施例的標稱模型14,係對於此種意義下的“控制對象5”的動作進行模擬之模型。關於標稱模型14將在後文作詳細說明。
又,藉由干擾推定部11之上述(2)式中所示的傳遞函數,而成為可進行適當的干擾推定。在此,在本例的最佳實施例中,在上述(2)式中,係設為:KOBS =1/KP 、TO1 =TO
在此,上述(2)式中的分母“1+TO2 s”係單純為用於測量系統的噪音去除等者。在此,如果忽略TO2 s的話,在上述最佳實施例中,上述(2)式係可此用下述之(5)式來表示:
如上所述,(5)式係將(2)式的分母分子翻轉,亦即是成為1/PN (s)。經由此,能夠進行適當的干擾推定,並得到適當的輸出值(干擾推定值)dm。關於能取得此種效果的理論性之說明,在此雖然無法充分進行,但是,如後所述一般,能夠透過實驗而對於可取得效果一事作確認。另外,針對基本的想法,於後文中,參照圖4來進行詳細說明。
下面,在對圖4以後的內容進行說明之前,參照圖2、圖3,對於控制對象5的具體例,並進而對於適用有本實施例之控制裝置1的精密溫度調節系統全體,而進行說明。
圖2是關於本發明一實施例之精密溫度調節系統的概略構成圖(立體透視圖)。另外,圖3是本發明一實施例之精密溫度調節系統的系統構成圖。在圖3中,係將圖2 平面性地作模式化表示。另外,圖3由於係將圖2模式化地在平面上作表示,因此,係將各部位的配置關係進行相對性的描述,而並不是表示實際的設置位置。又,圖2、圖3是控制對象5之結構的其中一個具體例。
在圖2、圖3中,淨化室25係作為藉由本系統20而實行精密的溫度調節之對象室(溫度調節對象室)的其中一例。此種溫度調節對象室,係並不侷限於淨化室(係以所有被稱為腔室等者作為對象),但是,在此係以淨化室為例。
淨化室25內的空氣,係從在圖2中並未被表示但在圖3中有所表示的吸氣通道27,而被吸入通氣道(供給路徑)內。
在此,在本構成例中,“供給路徑”係包含複數之小房間(溫度調節室)30(30a、30b、30c)、和上部空間32、和淨化室上部空間33。這裡特別的是,與習知的供給路徑為一個通道的空間相比,在本實施例中,係被分隔為多個小房間(溫度調節室)30(30a、30b、30c)。淨化室25內的空氣,是從上述吸氣通道27而被吸入至圖示之小房間(溫度調節室)30a(最下面的小房間)中。
在該小房間30a內,設有冷卻器28和送風器(風扇)24。又,圖2中雖並沒有表示(於圖3中表示),但是,在小房間(溫度調節室)30a處,係設有吸入外部空氣的吸氣口29。上述被吸入的淨化室25內的空氣、和從吸氣口29流入的外部空氣,係相互混合,並在經由冷卻性 能高的水冷之冷卻器28冷卻後,藉由送風器24而送入上層的小房間30b中。
另外,在圖3所示之例中,關於該冷卻的目標溫度(為了與後述淨化室25內的目標溫度作區分,稱為冷卻目標溫度)為21.5℃,因此,被送入小房間30b的空氣(冷卻空氣)之溫度,應該成為該冷卻目標溫度附近。
又,在圖2中,在小房間30a內,冷卻器28和送風器24之間是存在有區隔的,但是,(如圖3中所示)也可以沒有區隔。
被送入小房間30b的冷卻空氣,係進一步流入上層的小房間30c中,再從該處而流入圖示的上部空間32,再進而流入淨化室上部空間33中。如圖所示,在淨化室上部空間33,係設有排氣口個別加熱器26。流入淨化室上部空間33的空氣,係經由圖示之複數台的排氣口個別加熱器26(在圖示例中,為26a、26b、26c三台)而分別被加熱。在圖3所示之例中,目標溫度為23.0℃。亦即是,精密溫度調節系統20,係以將淨化室25內的溫度控制在此目標溫度(23.0℃)的方式來作控制。
如上所述,淨化室25內的空氣,係在藉由冷卻器28而暫時冷卻後(冷卻目標溫度為21.5℃),藉由各排氣口個別加熱器26(26a、26b、26c)而分別被加熱,並成為溫度接近目標溫度(23.0℃)的空氣,而流入淨化室25內。另外,各排氣口個別加熱器26,係如圖3中所示一般,為由風扇22+加熱器21所構成。或者是,也可以由 風扇22+加熱器21+過濾器所構成。
淨化室上部空間33的空氣(流入排氣口個別加熱器26的空氣),由於溫度變動變小,因此,係成為易於進行溫度控制,高精度的溫度控制成為可能。亦即是,經由冷卻器28而被冷卻的空氣(冷卻空氣),係通過上述之兩個小房間30b、30c或上部空間32,而流入至淨化室上部空間33中。在各小房間30b、30c或是上部空間32中,由於空氣係被攪拌,因此,溫度成為大致均一(溫度變動變小)。
在圖2所示之例中,在各小房間30之間、以及小房間30c和上部空間32之間,係設有成為空氣吸氣口/排氣口的吸排氣口31(31a、31b、31c)。空氣係經由此吸排氣口31,而從下層的小房間30來流入至上層的小房間30(或者上部空間32)中。亦即是,從上游側流入下游側(作為大的流向,係按照圖示箭頭標記A所示之方向而流動)。亦即是,在小房間30a中的上述冷卻空氣,係經由圖示的吸排氣口31a而流入其上層的小房間30b中。同樣的,小房間30b的空氣,係經由圖示的吸排氣口31b而流入其上層的小房間30c中。同樣的,小房間30c的空氣,係經由圖示的吸排氣口31c而流入其上層的上部空間32中。然後,進而,上部空間32的空氣,係流入淨化室上部空間33中。
在此,較理想,各吸排氣口31,係以使得空氣之流動成為鋸齒狀(形成非直線、比較長距離的空氣流動)的 方式來作配置。另外,設於各小房間30(溫度調節室)中之吸排氣口31,係至少被設置在不會使各溫度調節室內的空氣的流動距離成為最短的位置處。例如,較理想,在各溫度調節室內的空氣流動距離,亦即是在各溫度調節室處之兩個的吸排氣口之間的距離,係設為儘可能長。亦即是,例如以小房間30c為例,若吸排氣口31b如圖所示一般的而設置在房間的其中一側,則吸排氣口31c係如圖所示一般而設在相反側。
藉由設為此種構成,若與通氣道(供給路徑)為一根通道的情況相比,相對於空氣的流動方向,由於成為阻礙的地方變多,因此,空氣會成為與阻礙物(小房間30的房頂或側壁等)相碰撞並改變方向,並藉由此而成為被攪拌。藉由此,而能夠謀求空氣溫度的均一化。又,即使是緊緻(compact)化的結構,亦能夠將空氣的流動距離增長,藉由此,也可以謀求空氣溫度之均一化。如此這般,不僅是經由空氣流動之距離,更經由被作攪拌,而使空氣互相混合,並增大空氣溫度均一化的效果。另外,圖2中所示之箭頭標記A,係作為大的流動而對於空氣的流動方向(忽略攪拌、鋸齒形等)作表示者。
上述控制裝置1,在圖2中雖並沒有顯示,但如圖3所示一般,係為對於排氣口個別加熱器26作控制者。如上所述,在此,以三台排氣口個別加熱器26中的一台(排氣口個別加熱器26c)為例進行說明。在此例中,與排氣口個別加熱器26c相對應的控制裝置1c,具備有相當 於上述反饋控制器2、加法器4、加法器3、干擾觀測部10的PID2c、加法器4c、加法器3c、干擾觀測部10c。另外,加熱器驅動裝置44c,在圖中係顯示為位於排氣口個別加熱器26c的外部,但也可以考慮被包含於排氣口個別加熱器26c中的構成。
上述偏差E(s)=(r-y),係從加法器4c而輸入至PID2c。在此,r=23.0℃,y是由溫度感測器TA03檢測出的溫度。溫度感測器TA03係為用以檢測出淨化室25內之溫度的感測器,尤其是為用以檢測出在淨化室25內之排氣口個別加熱器26c所對應的區域(例如排氣口個別加熱器26c的正下方空間)之溫度的感測器。
由溫度感測器TA03所檢測出的溫度y,係亦被輸入至干擾觀測部10c。然後,藉由加法器3,在PID2c的輸出處(操作量MV(s))加上從干擾觀測部10c而來的輸出(dm×KADD ,但,如上所述,在此,由於係設為KADD =1,因此,係成為dm)。然後,該加法結果(MV(s)+dm)係被輸入至加熱器驅動裝置44c,同時,也被輸入至干擾觀測部10c。
在此,如圖2、圖3所示,淨化室25設有門23。例如,操作員等是從該門23而進出。上述所謂“干擾”,是例如經由此門23之開閉所產生的淨化室25內之溫度上升(或者溫度下降)。干擾觀測部10c,係實行與該干擾所產生的影響相對應之補償。
另外,在圖3中,為了比較,關於與排氣口個別加熱 器26a、26b相對應的控制裝置,係表示習知之結構,但是,在實際上,這些控制裝置也是成為與上述控制裝置1c相同的如圖1所示的結構。如圖所示,在習知結構中,從PID2a、2b的輸出(操作量MV(s)),係保持原樣地而被輸入至加熱器驅動裝置44a、44b。
另外,在圖3中,雖概略表示有用以對於冷卻器28作控制的結構(加法器41、PID42、加熱器驅動裝置43、溫度感測器TA06、FS1、FS2、H1等),但是冷卻器28及其控制方法本身,由於可設為以與習知裝置大致相同,因此,並不作特別說明。
以下,亦參照圖4,而說明關於上述圖1中所示之控制裝置1的動作。
首先,如上所述,設置有干擾觀測部10的結構(圖4(a)所示程度)本身,係為習知技術的一般結構,其動作係按照例如前述參考文獻1中所示一般。亦即是,按照例如參考文獻1中的數式1、數式2、數式3所示一般。不同之處,係在於具備有加法增益器12之點,但是,如上所述,如果將參考文獻1視為KADD =1者,則可以視為大致相同。但是,關於這點先使用圖4(a)作說明。
圖4(a)係為使得上述圖1之控制裝置1亦包含控制對象5地而進行了模型化者。對於控制對象5的干擾的影響,係和參考文獻1的圖2之情況相同,設為將對於控制對象5的輸入減去干擾d後的值。亦即是,在KADD =1時,藉由圖示之加法器6,得到u+dm-d,其成為控制對象 5之輸入。
又,在圖4(a)中,為了簡略化,係將上述PID2之傳遞函數、亦即是上述(1)式中與E(s)相乘的部分,設為“C”,並將上述干擾推定部11之傳遞函數、亦即是上述(2)式,設為“PM ”。又,MV(s)設為“u”,P(s)設為“P”。藉由此,例如,對於控制對象5的輸入,係成為“u+KADD ‧dm-d”。
根據圖4(a)所示之模型,求得d→y的傳遞特性。
首先,藉由圖4(a)所示之模型,得出以下的(a)式、(b)式、(c)式:
(a);(yN -y)‧PM =dm
(b);(dm‧KADD +u-d)‧P=y
(c);(-dm+dm‧KADD +u)PN =yN
在此,上述參考文獻1中之數式2中,係將y以y=yu +yd 的形式作表示。亦即是,關於y,係受到操作量u的影響以及干擾d的影響。因此,例如也可以表示為yu =ku ×u,yd =kd ×d(ku ,kd 為係數)。在此,如果僅僅針對yd 作說明,則係將上述(a)式、(b)式、(c)式展開,而得到關於y的以下(6)式。
另外,當求取yd 的情況時,係在上述(a)式、(b)式、(c)式中設為沒有u而求得y的計算式。同樣的,在求取yu 的情況時,係在上述(a)式、(b)式、(c)式中設為沒有d而求得y的計算式。
(a)→(b) {(yN -y)‧PM ‧KADD -d}‧P=y‧‧‧(b)’
(a)→(c) {(yN -y)‧PM (KADD -1)})PN =yN →(yN -y)(KADD -1)‧PM PN =yN ‧‧‧(c)’ /(KADD PM PN -PM PN -1-PKADD PM )}×d‧‧‧(6)式
由(b)’
(yN -y)‧PM ‧KADD =(y/P)+d‧‧‧(b)”
根據(b)”→(c)’,得出以下(6)式:y={P(1-KADD PM PN +PM PN )
上述(6)式中,y相當於上述yd
因此,這裡在上述(6)式中,如果KADD =1,則得到以下(6)’式:yd ={P(1-PM PN +PM PN ) /(PM PN -PM PN -1-PPM )}×d =(P/-1-PPM )}×d ={-P/(1+PPM )}×d (6)’式 (-P/(1+PPM )=kd )
上述參考文獻1之數式2中的yd (第2項)是“-(P/(1+PL))”,由於PM 係可視為相當於L(雖然並非相同,在內容上有所差異),因此,上述(6)’式可認為和上述參考文獻1之數式2中的yd (第2項)相同。
關於yu ,並不作特別說明,但是,同樣的,如果設為KADD =1,則係成為與上述參考文獻1之數式2中的第1項相同。
如此這般,即使具有加法增益器12,也可認為是與習知技術大致相同的動作。
並且,在本實施例的控制裝置1中,如上所述,關於 精密溫度調節系統,係實行有控制對象5的具體模型化,且特別如同上述最佳實施例一般地,經由將干擾推定部11之傳遞函數設為與該模型(標稱模型14)相對應者,而成為能夠進行適當的干擾補償。關於此,參照圖4(b)而進行說明。另外,在此,係以KADD =1來進行說明。
在圖4(b)中,於第1層展示d之具體例,第2層為y,第3層為yN ,第4層為(yN -y),第5層為dm的具體例。
首先,如第1層所示一般,假設在某個時刻發生干擾,d發生變化(例如0→1)。此係例如設為上述門23被打開。又,在此,淨化室25內的溫度係設為比外部溫度高。此時,y的值、亦即是淨化室25內的溫度,係成為降低,但是,如第2層中所示一般,理應成為根據上述標稱模型14之傳遞函數((4)式)的溫度變化。亦即是,應成為根據PN =KP /(1+TO s)的溫度變化。另外,該第2層的溫度變化,係為表示不藉由干擾觀測部10而進行補償的情況者,當藉由干擾觀測部10而進行了補償的情況時,該溫度變化係成為非常小。
另一方面,標稱模型14的輸出yN 由於並不受到干擾的影響,因此,若例如u的值設為不變化,則便如第3層所示,輸出yN 的值也成為不變化。因此,如第4層所示,成為干擾推定部11的輸入之“yN -y”,係成為表示上述y的變化者。亦即是,係表示關於溫度調節對象室的溫度之因干擾所產生的影響度。
在此,上述最佳實施例的情況時,干擾推定部11之傳遞函數PM 為:PM =(1+TO s)/KP
亦即是,為上述標稱模型14之傳遞函數((4)式)的倒數。
因此,相對於“yN -y”的dm,係成為相對於上述d的y時之倒數。亦即是,如同第5層所示,成為相當於d者。藉由將該dm加到PID2的輸出u處,在圖4(a)所示之模型中的對於控制對象5之輸入“u+dm-d”,幾乎就是u,在理論上,若是u不變化,則y也不變化(但是,實際上不能完全排除干擾的影響)。
本發明人,係實際地製作完成本實施例的控制裝置1,並根據實驗而確認了其效果。亦即是,如圖9(a)、(b)所示,與沒有藉由干擾觀測部10而進行補償的習知技術結構相比,確認可以減少由干擾所帶來的影響(淨化室25內的溫度變化)。
在該實驗中,門23打開60秒。在習知技術控制中,如圖9(a)所示,最大產生0.024℃的溫度降低。另一方面,在本實施例的控制中,如圖9(b)所示,最大產生0.009℃的溫度變化。另外,根據本實驗確認到:當設為KADD =0.7左右的情況時,效果最佳。
另外,在本實驗中,係將上述標稱模型14之傳遞函數((4)式)以及干擾推定部11之傳遞函數PM 中的TO 、KP 之值,設為預先根據其他實驗所決定的值。關於這 點,於後文參照圖8進行說明。
以下,參照圖5、圖6說明如何決定上述標稱模型14之傳遞函數((4)式)。
首先,本實施例的控制裝置1,係為控制加熱器21之輸出的裝置,但是,控制對象的模型化,係必須針對圖2、圖3中所示系統20全體而進行。
另外,圖2、圖3的結構,僅僅代表其中一例,本發明並不侷限於這個例子。在圖2、圖3結構中,係為藉由將通氣道(供給路徑)分隔成複數之小房間(溫度調節室)30(30a、30b、30c),而能夠取得上述效果者。但是,本方法的適用對象,並不侷限於這個例子,雖沒有特別作圖示,但也可以將通氣道(供給路徑)的結構設為如習知技術那樣的一根通道(單通道)。
於圖5(a)中,表示在圖2、圖3中所示的結構全體(控制對象5)之簡略模型。
在該簡略模型中,首先,將身為溫度調節對象室的淨化室25內之總熱量設為Q1,並將與該總熱量Q1相應的室內溫度設為t1。上述溫度感測器TA03檢測出的溫度,係為t1。又,將經由排氣口個別加熱器26而流入淨化室25內的熱量設為q0(空氣溫度為t0),並將從吸氣通道27而向淨化室25外流出(流入通氣道(供給路徑)內)的熱量設為q1。又,將風扇22的風量設為Fa。因應於此,從吸氣通道27所流出空氣的風量也視為Fa。又,將由於門23打開所產生的溫度變化(干擾)設為td。另外, 將從吸氣口29流入的外部空氣之溫度設為tOA
上述熱量q1的空氣和上述溫度tOA 的外部空氣,係以特定比例(在此,設為“r:(1-r)”,其中,r為0以上、未滿1的值,作為一例,例如設為0~0.3左右)混合,並在冷卻器28被冷卻,將冷卻器28冷卻後的空氣熱量設為q2。該空氣,係經由排氣口個別加熱器26(加熱器21)而被加熱,並流入淨化室25內。
在上述簡略模型中,首先,上述Q1係藉由以下(7)式而表示。亦即是,作為熱量q1和熱量q0之間之差分的積分而表示。
又,在此,定義兩個“空氣溫度-熱量變換係數”ka、kv。
若風扇風量設為Fa〔m3 /s〕,空氣密度設為ρ〔kg/m3 〕,比熱設為c〔J/kg‧K〕,裝置容積設為V〔m3 〕(V為淨化室25(腔室)之容積),則ka、kv係成為由下式表示:ka=Fa×ρ×c[J/s‧K]
kv=V×ρ×c[J/K]
若使用此些之“空氣溫度-熱量變換係數”來表示上述q0、t1、q1,則係成為下式一般。其中,熱量為[W],溫度為[℃]。
q0=ka×t0
t1=Q1/kv
q1=ka×t1
將圖5(a)所示的簡略模型使用上述“空氣溫度-熱量變換係數”來作表示的模型,係為圖5(b)。
另外,在圖5(b)中,還考慮有伴隨風扇22之旋轉所發生的熱量qF 。熱量qF 是由風扇的馬達旋轉所產生的熱量,或是由推出空氣時所致之摩擦而產生的熱量等。
首先,如上所述,在冷卻器28冷卻後的空氣熱量,係為q2,如圖5(b)中所示,在排氣口個別加熱器26中,藉由將上述熱量qF 和由加熱器21所產生的熱量u[W]加入到該熱量q2處,熱量q0進入腔室內。
在圖5(b)中,虛線圍住的部分是在腔室內熱量的流入/流出之模型,該模型的輸出,是從腔室流出的熱量q1。該熱量q1被作反饋並得到“q0-q1”。藉由對該“q0-q1”進行積分,而得到腔室內的總熱量Q1。
該總熱量Q1,係藉由上述“空氣溫度-熱量變換係數”kv而被換算成空氣溫度。亦即是,對於t=Q×(1/kv)作運算。藉由在該空氣溫度t上加上上述干擾td(但是,在此,td是負值),而得到上述t1。亦即是,得到腔室內的空氣溫度t1。藉由該空氣溫度t1和上述“空氣溫度-熱量變換係數”ka,而求得從腔室流出的熱量(上述q1)。該q1,係如同上述一般地作反饋,並得到“q0-q1”。
如上所述,“在腔室內的熱量的流入/流出的模型”的輸出,係為q1,該圖上右側的模型,是通氣道(供給路徑)的模型。首先,使用上述“空氣溫度-熱量變換係 數”ka來將上述熱量q1換算成空氣溫度{t3=q1×(1/ka)}。如上所述,由於係將該溫度t3的空氣和溫度tOA 的外部空氣按特定比例作混合,因此,如圖所示,經由式“t4={t3×(1-r)}+(tOA ×r)”(r為例如0.3左右),而求得混合空氣的溫度t4。在使用“空氣溫度-熱量變換係數”ka而將該空氣溫度t4換算成熱量後,輸入至冷卻器模型,並從從冷卻器模型而輸出熱量q2。
在此,藉由以下(1)-(3)的假設,來將圖5(b)的模型簡略化。
[假設]
(1)風扇熱量qF 無變化。或者伴隨其變化而對於溫度調節對象室內溫度的影響,與非穩態干擾產生的影響相比,係為充分小。這代表風扇的風量無變化。
(2)外部氣體溫度tOA 無變化。或者在控制對象時間內的溫度變化與非穩態干擾產生的影響相比,係為充分小(小到可忽略的程度)。
(3)冷卻器的冷水線圈之冷水溫度無變化。或者其對於溫度調節對象室內溫度的影響,與非穩態干擾產生的影響相比,係為充分小。
根據上述假設,圖5(b)的模型可以設為如圖6所示的簡略化模型。
首先,根據上述假設(1)和(2),圖5(b)的模型中,可將相關於風扇熱量qF 以及外部氣體溫度tOA 的部 分省略。又,“在腔室內的熱量的流入/流出的模型”本身,係和圖5(b)相同。又,根據上述假設(1)、(3),冷卻器(其冷水線圈)係可進行如圖6所示的模型化。
在如圖6所示的簡略化模型中,流入腔室內的熱量q0,係成為q0=q2+u。又,身為“在腔室內的熱量的流入/流出的模型”之輸出的熱量q1,係與上述圖5(b)同樣地而被反饋,並得到“q0-q1”。
在此,於圖式之冷卻器(冷水線圈)中,係被輸入有上述熱量q1和t1(換算成熱量q1之前),如圖所示,其輸出q2係成為如下所示:q2=q1-(t1‧kf)
(在此,kf是將t1和熱交換量間之關係在t1周圍作了線性近似的係數,單位是[W/K]。在以下之說明中,將本係數作為熱交換係數)。
在此,參照圖7,針對冷卻器的簡略模型化作說明。
首先,在圖7(a)中,表示冷卻器的一般性之概略構成圖。
在該概略構成中,主要表示冷卻器的冷水線圈(其他構成省略)。溫度ta的空氣(熱量q1)以風量Fa流入冷水線圈,並成為熱量q2的空氣(風速無變化,Fa)而流出。冷水線圈中,冷卻水以水速Fw而作流入/流出。將正要流入冷水線圈之前的冷水線圈之冷卻水的溫度設為twa,將剛從冷水線圈而流出的冷卻水溫度設為tw1。另外, 在冷卻器中,當然也存在生成/送出冷卻水的結構,但是,在此係省略。
若將該冷卻線圈中的熱交換量設為qex,則係成為:q2=q1-qex。
在此,冷卻線圈中的熱交換量qex係藉由下式而求得:qex=kf×(ta-twa)
在此,根據上述假設(3),由於冷水溫度twa無變化,因此,冷水溫度twa係省略(視為0),而上述式成為如下:qex=kf×ta
因此,q2=q1-kf×ta
在上述圖5、圖6之例中,由於ta=t1,因此,係成為下式:q2=q1-kf×t1
對其進行模型化後,則成為如圖6所示的冷水線圈之模型。
在此,熱交換係數kf的值,係如同圖7(b)中所示之特性圖一般,為由風量Fa、水速Fw以及冷水線圈的結構而決定。因此,若將風量Fa和水速Fw設為一定,並預先決定其值,則可得到與其相對應的熱交換係數kf之值。在圖示之例中,風量Fa=40,水速Fw設為圖示的“水速1”,與其對應的熱交換係數kf的值設為360。藉由此,在本說明中,以熱交換係數kf=360[W/K]來進行說明。
使用此種如圖6所示一般之簡略化模型,如下所述,進行“u→t1”的導出。但是,設為沒有干擾td(如上所述,標稱模型14本身並不受干擾的影響)。
首先,若參照圖6,則可得出以下(d)式、(e)式、(f)式。
(u+q2-q1)‧(1/kv‧s)=t1‧‧‧(d)式
q1=t1‧ka‧‧‧(e)式
q1-(t1‧kf)=q2‧‧‧(f)式
並且,如果將(e)式代入(f)式,可得出以下(f)’式:(t1‧ka)-(t1‧kf)=q2‧‧‧(f)’式
接著,如果將上述(e)式、(f)’式代入(d)式,並按以下方式展開,則可得出“u→t1”的導出式。
(u+t1‧ka-t1‧kf-t1‧ka)‧(1/kv‧s)=t1(u-t1‧kf)‧(1/kv‧s)=t1u=t1‧kv‧s+t1‧kf=t1(kv‧s+kf) (g)式
根據上述(g)式,可得出以下(8)式:
在上述(8)式中,如果設為kv/kf=TO ,1/kf=Kp,則係成為以下(9)式:
上述(9)式,係和(4)式相同。亦即是,如上所述 ,決定標稱模型14的傳遞函數PN (s)。又,如上所述,KOBS =1/Kp,所以,KOBS =kf。
又,上述TO ,Kp的具體一例(實際作了實驗的裝置之例),係如下所示一般。
在本例中,裝置容積V=6m3 。又,設定kf=360[W/K]。
如果改變單位,則成為:kf=360[W/K]≒0.4[W/0.001℃]。
因此,首先,係成為:Kp=1/kf=1/0.4=2.5[0.001℃/W]。
又,如果設為空氣密度ρ=1.203[kg/m3 ]、比熱c=1.006[kJ/kg‧K],則成為:kv=6×1.203×1.006×103 =7261[J/K]。
因此,成為:To=kv/kf=7261×360≒20[sec]
因此,在該具體例中,標稱模型14的傳遞函數PN (s)。係成為下述之(10)式:
但是,本發明人係亦使用其他實驗裝置而進行實驗。以下之說明,是對其他實驗進行說明。
在此,於圖8中表示實驗結果之一例。
圖8中所示的圖線,係為在例如圖2、圖3所示的結構中,進行如同下述一般之參數同定試驗(加熱器發熱特性),並使用市售之一般性的同定工具來作表示者。
同定試驗概略:本試驗,係將各排氣口個別加熱器26中之加熱器21的輸出,以10%、20%、30%的三個階段而作變化,並求得各輸出下之溫度感測器TA01、TA02、TA03(控制點溫度)的溫度變化。
更具體的試驗內容如下:
[收集條件]
冷水線圈:自動(SV值:通常運用值)
風扇22:運轉(額定運轉)
加熱器21:手動(輸出初始值:0,以後按10%、20%、30%而階段性變化)
內部負載:0W
[收集方法]
在操作端輸入部溫度、控制點溫度之雙方穩定後,繼續收集數據10分鐘。
最初,加熱器21的輸出設為10%,如上所述,收集數據。
接著,加熱器21的輸出設為20%,如上所述,收集數據。最後,加熱器21的輸出設為30%,如上所述,收集數據。
圖8中所示各波形,係如下所述一般:PV:控制點溫度
Ident01:同定波形(所推定的設備模型之PV波形)
SV:目標溫度
MV:操作量(加熱器21之輸出量)
根據圖8中所示之數據,使用上述市售的同定工具來決定參數。
其結果,得到以下的傳遞函數G1(s):
其中,G1(s)表示作為處理的同定試驗之結果得到的模型(傳遞函數),亦即是,時間常數T=20[sec],增益K=0.8。
在此,浪費時間L為0.01,由於與時間常數T相比係為可忽略,所以,於觀測中係忽略。
因此,上述傳遞函數G1(s)可以看作:G1(s)=0.8/(20s+1)
另外,所謂時間常數,係指達到最終值之63.2%的時間。又,所謂浪費時間,係指輸入信號發送傳遞時的延遲時間。
關於干擾推定部11和標稱模型14之傳遞函數的具體數值,例如係可根據實驗來決定即可。
例如,在圖8之例中,如上所述,在根據實驗結果所得出的傳遞函數G1(s)中,增益K=0.8,時間常數T=20,因此,可以將這些數值直接作為標稱模型14之傳遞函數的具體數值。亦即是,在標稱模型14之傳遞函數PN (s)中,可以設定增益Kp=0.8,時間常數TO =20。
又,關於干擾推定部11,由於其傳遞函數中的觀測 增益KOBS =1/Kp,因此,可設定KOBS =1/0.8=1.25。又,如上所述,上述(2)式中TO1 由於係設為與上述TO 相同,所以,可以設為TO1 =20。又,關於上述(2)式中的TO2 ,如上所述,由於係為用以去除噪音等,因此,本發明人係設定自己認為合適的任意值(在此為1sec)。
藉由此,在本具體例中,上述(2)式係成為如下一般:
如上所述,在針對(2)式、(4)式而設定具體參數,再如上所述而設定KADD =0.7後,實際上藉由設備來作實驗,其結果,如上所述,為如圖9(b)所示者。關於此,由於係已經作了說明,故在此不再作特別說明。
另外,在本說明書中,上述所謂“干擾”係特別指已經在課題中所說明了的“非穩態干擾”,如同已經在課題中所述一般,作為此種非穩態干擾的發生原因,並不侷限於上述門23的開閉,即使是其他原因,例如設置在腔室處的閘門之開閉,相對於腔室之工件(晶片,玻璃基板等)的出入,機械臂的出入等,也會產生上述非穩態干擾。
亦即是,“非穩態干擾”發生的主要原因之一,係由於門或閘門之開閉等所導致的外部氣體之相對於腔室(溫度調節對象室)的暫時流入。又,“非穩態干擾”發生的主要原因還有其他原因,例如晶圓、機器材料、人等進入腔室內,其形成中長期的發熱源。亦即是,在腔室等的溫 度調節對象室內,因從外部進入外部氣體、人等的某種的溫度變化主要因素,而會產生“非穩態干擾”。
但是,“非穩態干擾”發生的主要原因,並不侷限於上述“相對於溫度調節對象室而從外部進入有溫度變化主要因素”,還有例如內部負荷之變動(裝置之運轉/停止等)等,也會成為“非穩態干擾”發生的原因。
本實施例之干擾觀測器,係為與此種非穩態干擾相對應者,能將非穩態干擾之影響(控制點溫度之變化,亦即是腔室內之溫度變化)抑制至最小限度。
另外上述說明,係僅為其中一例,本發明並不侷限於這個例子。
例如,在圖10(a)中,係模式地表示上述一例之精密溫度調節系統的結構。如圖10(a)所示,上述一例之精密溫度調節系統,可以說是“冷卻器+加熱裝置(OBS功能)”的結構。亦即是,將從身為溫度調節對象室的一例之淨化室25(在圖10中係記載為溫度調節對象室25)而來的空氣,暫時在冷卻器28冷卻,之後,藉由排氣口個別加熱器26來作加熱的結構,在上述構成中,係將由本方法所致之OBS功能適用於加熱裝置26’。亦即是,係為將例如圖1中所示的干擾觀測部10作了追加之結構。
另外,圖10(a)~(d)所示之加熱裝置26’,例如在圖3等的例中,是指排氣口個別加熱器26及其控制裝置(圖3中所示之1c或加熱器驅動裝置44c等)。同樣的,圖示之冷卻器28’,例如是指冷卻器28及其控制裝 置(圖3中所示之加法器41、PID42、加熱器驅動裝置43等)。不論是任何場合,實際上均係對於控制裝置適用本方法所致之OBS功能者。
本發明之精密溫度調節系統,如上所述,並不侷限於圖10(a)一般之構成例,也可以是例如圖10(b)、(c)、(d)中所示之結構。
圖10(b),係為“冷卻器(OBS功能)”的結構。圖10(c),係為“冷卻器(OBS功能)+加熱裝置”的結構。圖10(d),係為“冷卻器(OBS功能)+加熱裝置(OBS功能)”的結構。如此這般,本方法所致之OBS功能,係並不侷限於單獨適用於加熱裝置26’的例子,也可以單獨適用於冷卻器28’,或者適用於加熱裝置26’和冷卻器28’兩方。又,作為前提的構成也不僅僅是“冷卻器+加熱裝置”,也可以是“單獨冷卻器”,於此情況,如上述圖10(b)所示,也可以將本方法所致之OBS功能適用於冷卻器28’。
在將本方法所致之OBS功能適用於冷卻器28’的情況時,例如只要對於圖3中所示之由加法器41、PID42、加熱器驅動裝置43所構成之控制裝置,而適用本方法所致之OBS功能(追加例如圖1中所示之干擾觀測部10)即可。
但是,在圖10(b)之結構中,由於冷卻器28產生的冷卻空氣係直接流入溫度調節對象室25,因此,輸入到上述加法器41中的目標溫度r,也可以設為溫度調節 對象室25的目標溫度(在圖3例中為23.0℃)等。又,此時,輸入到加法器41中的檢測溫度y,既可以採用藉由如圖3中所示的設在小房間(溫度調節室)30a中之溫度感測器TA06(檢測冷卻空氣溫度之感測器)所得到的檢測結果,也可以使用例如在溫度調節對象室25內設置的溫度感測器TA03等。或者,雖然在圖3中沒有顯示,但是也可以設置溫度感測器,而將正要流入溫度調節對象室25前的空氣溫度檢測出來,並將該檢測數據作為輸入至加法器41中的檢測溫度y。
又,在圖10(c)所示之結構中,輸入至加法器41中的檢測溫度y,也可以採用上述溫度感測器TA06。或者,雖然在圖3中沒有顯示,也可以新設置溫度感測器,用於檢測相對於排氣口個別加熱器26的吹入側之空氣溫度(淨化室上部空間33的空氣溫度),並將該溫度感測器的檢測結果作為輸入至加法器41中的檢測溫度y。
或者,在圖10(c)所示之結構中,輸入至加法器41中的檢測溫度y,也可以使用上述溫度感測器TA03等。但是,於此情況,在藉由加法器41生成的偏差(r-y)中,係成為包含有由加熱裝置26’所產生的變化部分α(溫度上升)。亦即是,在圖3之例中,係成為變化部分α=1.5℃左右,檢測溫度y係成為23℃左右。因此,於此情況,例如,輸入至上述加法器41中的目標溫度r,並不是21.5℃,而是23.0℃等。
本發明已以較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定 本發明,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作些許之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧控制裝置
2‧‧‧反饋控制器(PID)
3‧‧‧加法器
4‧‧‧加法器
5‧‧‧控制對象
10‧‧‧干擾觀測部
11‧‧‧干擾推定部
12‧‧‧加法增益器
13‧‧‧加法器
14‧‧‧標稱模型
20‧‧‧精密溫度調節系統
21‧‧‧加熱器
22‧‧‧風扇
23‧‧‧門
24‧‧‧送風扇(風扇)
25‧‧‧淨化室
26‧‧‧排氣口個別加熱器
27‧‧‧吸氣通道
28‧‧‧冷卻器
29‧‧‧吸氣口
30‧‧‧小房間
31‧‧‧吸排氣口
32‧‧‧上部空間
33‧‧‧淨化室上部空間
41‧‧‧加法器
42‧‧‧PID
43‧‧‧加熱器驅動裝置
44‧‧‧加熱器驅動裝置
圖1是本發明一實施例之精密溫度調節系統的控制裝置的構成圖。
圖2是本發明一實施例之精密溫度調節系統的概略構成圖(立體透視圖)。
圖3是本發明一實施例之精密溫度調節系統的系統構成圖。
圖4(a)是將控制裝置亦包含控制對象地而進行了模型化者,(b)是用於說明控制裝置功能的圖。
圖5(a)、(b)係用於針對控制對象的模型化作說明的圖。
圖6是將圖5(b)中所示模型作了簡略化的簡略化模型。
圖7(a)是冷卻器的普通模型,(b)係用於對於熱交換係數值的決定作說明的圖。
圖8係表示同定試驗結果其中一例的圖。
圖9(a)係表示由習知技術所致之發生干擾時的溫度變化圖,(b)係表示由本發明方法所致之發生干擾時的溫度變化圖。
圖10(a)係模式地表示本發明一實施例之精密溫度調節系統之構成的圖,(b)-(d)係模式地表示其他實施例的圖。
1‧‧‧控制裝置
2‧‧‧反饋控制器(PID)
3‧‧‧加法器
4‧‧‧加法器
5‧‧‧控制對象
10‧‧‧干擾觀測部
11‧‧‧干擾推定部
12‧‧‧加法增益器
13‧‧‧加法器
14‧‧‧標稱模型
15‧‧‧加法器

Claims (14)

  1. 一種精密溫度調節系統,包含:溫度調節對象室;和冷卻手段,設在向該溫度調節對象室供給冷卻空氣之供給路徑內;和加熱手段,設在上述供給路徑內,加熱從上述冷卻手段供給之空氣,向上述溫度調節對象室送風;和上述冷卻手段之第一控制裝置和上述加熱手段之第二控制裝置,其特徵為:上述第一、第二控制裝置之至少一個,係更進而設有干擾觀測部,生成與非穩態干擾相應的補償量,加在操作量上;該干擾觀測部包含:標稱模型(nominal plant),模擬關於包含上述溫度調節對象室、上述冷卻手段、上述加熱手段、以及上述供給路徑的系統全體之運作;和干擾推定手段,輸入從上述標稱模型輸出的溫度和從上述冷卻手段供給的空氣溫度或上述溫度調節對象室內的溫度之間的偏差,根據該偏差生成/輸出干擾推定值,根據該干擾推定手段之干擾推定值,決定上述補償量。
  2. 一種精密溫度調節系統,包含:溫度調節對象室;和 冷卻手段,設在向該溫度調節對象室供給冷卻空氣之供給路徑內;和加熱手段,設在上述供給路徑內,加熱從上述冷卻手段供給之空氣,向上述溫度調節對象室送風;和上述冷卻手段之第一控制裝置和上述加熱手段之第二控制裝置,其特徵為:上述第一、第二控制裝置之至少一個,係將包含上述溫度調節對象室、上述冷卻手段、上述加熱手段、以及上述供給路徑的系統全體,作為控制對象,上述第一、第二控制裝置之至少一個,係包含:反饋控制部,輸入設定值和上述控制對象的實測值間的偏差,並計算操作量;和干擾觀測部,計算與非穩態干擾相應的補償量;和第一加法器,將上述操作量和上述補償量進行加法運算,計算用於向上述控制對象輸入的控制量,上述干擾觀測部,係包含:標稱模型,模擬上述控制對象;和干擾推定手段,輸入該標稱模型的輸出和上述控制對象實測值間的偏差;和加法增益器,使得該干擾推定手段的輸出乘以所定倍數,而計算上述補償量;和第二加法器,計算向上述控制對象輸入的控制量和上述干擾推定手段的輸出間的偏差,生成向上述標稱模型 輸入的信號。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所記載之精密溫度調節系統,其中,上述標稱模型,係使用將關於包含上述溫度調節對象室、上述冷卻手段、上述加熱手段、以及上述供給路徑的系統全體之運作模型化,並進而根據所設定之條件來將該模型簡略化後所得的簡略化模型,來進行決定。
  4. 如申請專利範圍第3項所記載之精密溫度調節系統,其中,當先將從上述溫度調節對象室流入上述供給路徑內的空氣和外部空氣混合後,再藉由上述冷卻手段來進行冷卻的情況時,上述所設定之條件為:由上述加熱手段或冷卻手段產生的送風風量不發生變化,或者伴隨其變化的對於溫度調節對象室內溫度之影響,與上述非穩態干擾產生之影響相比,係為可忽略;上述外部空氣的溫度無變化,或者伴隨其變化的對於溫度調節對象室內溫度之影響,與上述非穩態干擾產生之影響相比,係為可忽略;上述冷卻手段的冷卻能力無變化,或者對於溫度調節對象室內溫度之影響,與上述非穩態干擾產生之影響相比,係為可忽略。
  5. 一種精密溫度調節系統,包含:溫度調節對象室;和冷卻手段,設在向該溫度調節對象室供給冷卻空氣之 供給路徑內;和上述冷卻手段之控制裝置,其特徵為:上述控制裝置,係更進而設有干擾觀測部,生成與非穩態干擾相應的補償量,加在操作量上,該干擾觀測部,係包含:標稱模型,模擬關於包含上述溫度調節對象室、上述冷卻手段、以及上述供給路徑的系統全體之運作;和干擾推定手段,輸入從上述標稱模型輸出的溫度和從上述冷卻手段供給的空氣溫度或上述溫度調節對象室內的溫度之間的偏差,根據該偏差生成/輸出干擾推定值,根據該干擾推定手段之干擾推定值,決定上述補償量。
  6. 一種精密溫度調節系統,包含:溫度調節對象室;和冷卻手段,設在向該溫度調節對象室供給冷卻空氣之供給路徑內;和上述冷卻手段之控制裝置,其特徵為:上述控制裝置,係將包含上述溫度調節對象室、上述冷卻手段、以及上述供給路徑的系統全體作為控制對象,上述控制裝置,係包含:反饋控制部,輸入設定值和上述控制對象的實測值 間的偏差,並計算操作量;和干擾觀測部,計算與非穩態干擾相應的補償量;和第一加法器,將上述操作量和上述補償量進行加法運算,而計算用於向上述控制對象輸入的控制量,上述干擾觀測部,係包含:標稱模型,模擬上述控制對象;和干擾推定手段,輸入該標稱模型的輸出和上述控制對象實測值間的偏差;和加法增益器,將該干擾推定手段的輸出乘以所定倍數,計算上述補償量;和第二加法器,計算向上述控制對象輸入的控制量和上述干擾推定手段的輸出間的偏差,生成向上述標稱模型輸入的信號。
  7. 如申請專利範圍第5項或第6項所記載之精密溫度調節系統,其中,上述標稱模型,係使用將關於包含上述溫度調節對象室、上述冷卻手段、以及上述供給路徑的系統全體之運作模型化,並進而根據所設定之條件來將該模型簡略化後所得的模型,來進行決定。
  8. 如申請專利範圍第7項所記載之精密溫度調節系統,其中,當先將從上述溫度調節對象室流入上述供給路徑內的空氣和外部空氣混合後,再藉由上述冷卻手段來進行冷卻的情況時,上述所設定之條件為:由上述冷卻手段產生的送風風量不發生變化,或者伴 隨其變化的對於溫度調節對象室內溫度之影響,與上述非穩態干擾產生之影響相比,係為可忽略;上述外部空氣的溫度無變化,或者伴隨其變化的對於溫度調節對象室內溫度之影響,與上述非穩態干擾產生之影響相比,係為可忽略;上述冷卻手段的冷卻能力無變化,或者對於溫度調節對象室內溫度之影響,與上述非穩態干擾產生之影響相比,係為可忽略。
  9. 如申請專利範圍第1、2、5、6項之任一項所記載之精密溫度調節系統,其中,上述標稱模型,係如下所示: ,其中,KP 為模型的增益,TO 為模型的時間常數,上述干擾推定手段之傳遞函數為1/PN (s)。
  10. 如申請專利範圍第1、2、5、6項之任一項所記載之精密溫度調節系統,其中,上述非穩態干擾,係指由於相對於上述溫度調節對象室而從外部進入有溫度變化要因而產生的上述溫度調節對象室內之溫度變化。
  11. 一種精密溫度調節系統之控制裝置,係為精密溫度調節系統中之冷卻手段的控制裝置或是加熱手段之控制裝置,上述精密溫度調節系統包含:溫度調節對象室;和 冷卻手段,設在向該溫度調節對象室供給冷卻空氣之供給路徑內;和加熱手段,設在上述供給路徑內,加熱從上述冷卻手段供給之空氣,向上述溫度調節對象室送風,上述精密溫度調節系統之控制裝置,其特徵為:上述精密溫度調節系統之控制裝置,係更進而設有干擾觀測部,生成與非穩態干擾相應的補償量,加在操作量上,該干擾觀測部包含:標稱模型,模擬關於包含上述溫度調節對象室、上述冷卻手段、上述加熱手段、以及上述供給路徑的系統全體之運作;和干擾推定手段,輸入從上述標稱模型輸出的溫度和從上述冷卻手段供給的空氣溫度或上述溫度調節對象室內的溫度之間的偏差,根據該偏差生成/輸出干擾推定值,根據該干擾推定手段之干擾推定值,決定上述補償量。
  12. 一種精密溫度調節系統之控制裝置,係為精密溫度調節系統中之冷卻手段的控制裝置或是加熱手段之控制裝置,上述精密溫度調節系統包含:溫度調節對象室;和冷卻手段,設在向該溫度調節對象室供給冷卻空氣之供給路徑內;和加熱手段,設在上述供給路徑內,加熱從上述冷卻手 段供給之空氣,向上述溫度調節對象室送風,上述精密溫度調節系統之控制裝置;其特徵為:上述精密溫度調節系統之控制裝置,係將包含上述溫度調節對象室、上述冷卻手段、上述加熱手段、以及上述供給路徑的系統全體作為控制對象,上述控制裝置包含:反饋控制部,輸入設定值和上述控制對象的實測值間的偏差,並計算操作量;和干擾觀測部,計算與非穩態干擾相應的補償量;和第一加法器,將上述操作量和上述補償量進行加法運算,而計算用於向上述控制對象輸入的控制量,上述干擾觀測部包含:標稱模型,模擬上述控制對象;和干擾推定手段,輸入該標稱模型的輸出和上述控制對象實測值間的偏差;和加法增益器,將該干擾推定手段的輸出乘以所定倍數,而計算上述補償量;和第二加法器,計算向上述控制對象輸入的控制量和上述干擾推定手段的輸出間的偏差,生成向上述標稱模型輸入的信號。
  13. 一種精密溫度調節系統之控制裝置,係為精密溫度調節系統中之冷卻手段的控制裝置,上述精密溫度調節系統包含:溫度調節對象室;和 冷卻手段,設在向該溫度調節對象室供給冷卻空氣之供給路徑內,上述精密溫度調節系統之控制裝置,其特徵為:上述精密溫度調節系統之控制裝置,係更進而設有干擾觀測部,生成與非穩態干擾相應的補償量,加在操作量上,該干擾觀測部包含:標稱模型,模擬關於包含上述溫度調節對象室、上述冷卻手段、以及上述供給路徑的系統全體之運作;和干擾推定手段,輸入從上述標稱模型輸出的溫度和從上述冷卻手段供給的空氣溫度或上述溫度調節對象室內的溫度之間的偏差,根據該偏差生成/輸出干擾推定值,根據該干擾推定手段之干擾推定值,決定上述補償量。
  14. 一種精密溫度調節系統之控制裝置,係為精密溫度調節系統中之冷卻手段的控制裝置,上述精密溫度調節系統包含:溫度調節對象室;和冷卻手段,設在向該溫度調節對象室供給冷卻空氣之供給路徑內,上述精密溫度調節系統之控制裝置,其特徵為:上述精密溫度調節系統之控制裝置,係將包含上述溫度調節對象室、上述冷卻手段、以及上述供給路徑的系統全體作為控制對象, 上述控制裝置包含:反饋控制部,輸入設定值和上述控制對象的實測值間的偏差,並計算操作量;和干擾觀測部,計算與非穩態干擾相應的補償量;和第一加法器,將上述操作量和上述補償量進行加法運算,而計算用於向上述控制對象輸入的控制量,上述干擾觀測部包含:標稱模型,模擬上述控制對象;和干擾推定手段,輸入該標稱模型的輸出和上述控制對象實測值間的偏差;和加法增益器,將該干擾推定手段的輸出乘以所定倍數,而計算上述補償量;和第二加法器,計算向上述控制對象輸入的控制量和上述干擾推定手段的輸出間的偏差,生成向上述標稱模型輸入的信號。
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