WO2006061892A1 - 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 PDFInfo
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- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D23/00—Control of temperature
- G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
Definitions
- the present invention relates to a temperature control method and a temperature control device.
- PID Proportional, integral, derivative
- FIG. 1 is a flowchart showing an example of a conventional temperature control algorithm based on PID control.
- the manipulated variable is always proportional to the deviation between the target value (target temperature) and the current value (current temperature), depending on the integral and derivative factors. Since it is determined by performing calculations, it takes a long time for the calculation speed, which requires a large amount of calculation each time. Therefore, it was not possible to realize a sufficiently high-speed response.
- control factor was determined by empirical intuition or cut and try. From this point of view, the team was unable to realize an accurate and high-speed response.
- JP 2000-163101 A calculates a deviation between a current value detected from a control target and a target set value, and performs a PID control calculation according to the calculated deviation. After that, it is determined whether or not the current operation amount of the control target device is within the predetermined range, and when it is within the predetermined range, and the sign of the deviation is reversed, it is within the predetermined range.
- the PID control calculation value is multiplied by a preset output ratio according to the amount of movement of the signal, and a control action signal is output to the device to be controlled.
- a PID control method is disclosed in which a control operation signal is output to a control target device by multiplying a PID control calculation value by a preset output ratio according to the above.
- Patent Document 1 JP 2001-92501 A
- Patent Document 2 JP 2000-163101 A
- the present invention provides a novel temperature control algorithm having an accurate and fast response.
- the purpose of this is to accurately and quickly control the temperature of a given object using this temperature control algorithm.
- the present invention relates to a temperature control method characterized by using a temperature control algorithm of a thermostatic plant and performing temperature control of a predetermined object by feedback control using this algorithm.
- the present invention also provides:
- Temperature control means for performing temperature control of the object by performing feedback control using a temperature control algorithm of a thermostatic plant on the heating means;
- the present inventors have intensively studied to achieve the above object, and have searched for a temperature control algorithm having an accurate and high-speed response in place of the conventional PID control.
- a temperature control algorithm having an accurate and high-speed response in place of the conventional PID control.
- the use of the thermostatic characteristics of thermostatic plants for the reason that they are easy to collect and have sufficient thermostatic characteristics even at extremely low temperatures. I came up with.
- a plant called Samplsocarpus foetidus which grows naturally in cold regions such as Iwate Prefecture, can maintain its body temperature at about 20 ° C, despite fluctuations in the outside air temperature below the freezing point.
- the present inventors have found that the thermostatic plant has a temperature control algorithm having excellent accurate and high-speed responsiveness by analyzing the temperature control mechanism of such a thermostatic plant. By using this temperature control algorithm, we came up with the idea of controlling the temperature of the target object.
- the temperature control includes a first temperature control step in which a constant value is set as an operation amount until the temperature of the object reaches a target temperature, and the temperature of the object is equal to the target temperature. And a second temperature control step of determining an operation amount so that a change amount of the temperature of the object per control cycle becomes zero after reaching the temperature.
- FIG. 1 is a flowchart showing a conventional PID control algorithm.
- FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of a temperature control device of the present invention.
- FIG. 3 is a flowchart showing an example of an algorithm in the temperature control method of the present invention.
- FIG. 4 is a graph showing an example of constant temperature control based on the temperature control method and temperature control device of the present invention.
- FIG. 5 is a graph showing an example of temperature rise temperature control based on the temperature control method and temperature control device of the present invention.
- FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of the temperature control device of the present invention
- FIG. 3 is a flowchart showing an example of a temperature control algorithm in the control unit of the temperature control device of FIG.
- an object 12 for temperature control is placed on a heating means 11 composed of a Peltier element or the like. Further, a control unit 13 is provided. The control unit 13 monitors temperature information from the object 12 one by one and, based on the temperature control algorithm shown in FIG. To control the temperature of the object 12.
- the temperature control algorithm shown in FIG. 3 is based on the thermostatic temperature control mechanism of the thermostatic plant according to the present invention, and includes a first temperature control step shown in FIG. 3 (a) and FIG. 3 (b).
- the second temperature control process shown in FIG. In the first temperature control step, a constant value is set as the manipulated variable until the temperature of the object 11 reaches the target temperature. In the second temperature control step, after the temperature of the object 11 reaches the target temperature, the operation amount is determined so that the amount of change in the temperature of the object per control cycle becomes zero.
- the operation amount for reaching the target temperature in the first temperature control step described above and the operation amount for maintaining the target temperature in the second temperature control step described above. Can be calculated independently, so that the time required for the calculation can be shortened. Accordingly, sufficient high-speed response can be realized in the temperature control of the object 11.
- the control coefficient in Fig. 3 is obtained by extracting the actual constant temperature plant power, it is easy to theoretically derive the control coefficient. Accordingly, an accurate and high-speed response can be realized, and the object 11 can reach the aforementioned target temperature in a short time and can be accurately and stably maintained.
- the algorithm shown in Fig. 3 does not have an integral element, and thus does not generate vibration as in the conventional case. Therefore, the object 11 can reach the target temperature mentioned above for a short time and can be accurately and stably maintained.
- the second term (C Q) and the third term (C (T -T) are the first temperature described above.
- the temperature control of the object 11, particularly the constant temperature control can be performed accurately and at high speed.
- temperature control can be performed with a control error of 0.5 ° C— + 0.5 ° C with respect to the target temperature. Also, almost no overshoot or undershoot occurs during temperature rise control and temperature drop control.
- the type of the thermostat plant used in the present invention is not particularly limited as long as it has excellent thermostat characteristics, and preferably can extract an algorithm represented by the formula (1). Shi Preferably, use Zazen Sou.
- FIG. 4 shows a temperature change of the object 11 with respect to a change in the outside air temperature when the temperature control device 10 shown in FIG. 2 is used.
- the temperature control shown in Fig. 4 was implemented based on the algorithm shown in Equation (1), which was also extracted by Zazen Soka. As can be seen from the figure, the temperature of the object 11 remains almost constant even though the outside air temperature changes by about 10 ° C in the predetermined time interval. .
- FIG. 5 shows a temperature increase control process when the temperature control device 10 shown in FIG. 2 is used.
- the temperature control shown in Fig. 5 is also implemented based on the algorithm shown in equation (1) extracted from Zazenso. As is clear from the figure, overshoot and undershoot are not observed even in the temperature raising operation over several tens of degrees, and it is understood that the temperature raising control is performed with extremely accurate and high-speed response. .
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
明 細 書
温度制御方法、及び温度制御装置
技術分野
[0001] 本発明は、温度制御方法、及び温度制御装置に関する。
背景技術
[0002] 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）などの分野にぉ 、ては広範に用いられて 、る。
[0003] 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、毎回の演算量が多ぐ演算速度に長 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力つた。
[0004] また、比例、積分、微分要素の各制御係数 (K、 K、 K )は数学的手法で導入され
P I D
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力つた。
[0005] 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力つた。
[0006] 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。力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。
[0007] 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。
[0008] 特許文献 1 :特開 2001-92501号公報
特許文献 2：特開 2000-163101号公報
[0009] し力しながら、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 、な 、。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] 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。
課題を解決するための手段
[0011] 上記目的を達成すベぐ本発明は、
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
[0012] 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。
[0013] 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 ンソゥ (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°C程度に維持できる。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] また、本発明のその他の態様にぉ 、て、前記温度制御アルゴリズムは、 = Cl + C2 Q + C3( TA_ TS) ( 1 ) 式 d t2 d t
(Q :所定の加熱手段からの発熱量、 T：加熱手段の温度、 T：外気温、 C
S A 1一 C：恒温 3 植物の温度特性に関する係数）
なる式に基づく。
発明の効果
[0017] 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。
図面の簡単な説明
[0018] [図 1]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。
[図 2]本発明の温度制御装置の一例を示す構成図である。
[図 3]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。
[図 4]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。
[図 5]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。
発明を実施するための最良の形態
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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 、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。
[0022] 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 力-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。
[0023] 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。
[0024] また、図 3における制御係数は実在の恒温植物力 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。
[0025] 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。
[0026] 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
^Q = Cl ^ + C2Q + C3( TA- Ts) C D 式
d t2 d t
(Q :所定の加熱手段からの発熱量、 T：加熱手段の温度、 Τ：外気温、 C一 C：恒温
S A 1 3 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、ザゼンコゥなど種々の恒 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。
[0027] なお、（1)式において、第 2項 (C Q)及び第 3項 (C (T -T )は、上述した第 1の温度
2 3 A S
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 (Cl ' 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。
[0028] 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°C— + 0. 5°C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 、。
[0029] 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 、。し
力しながら、好ましくはザゼンソゥを用いる。
[0030] 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 1 1の温度変化を示したものである。図 4に示す温度制御は、ザゼンソゥカも抽出した（ 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°C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 ヽることが分かる。
[0031] 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、ザゼンソゥから抽出した（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。
[0032] 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ぐ本発明の範疇を逸脱しない 限りにお 、てあらゆる変形や変更が可能である。
Claims
[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、 = Cl + C2Q + C3( TA_ TS) ( 1 ) 式 d t2 d t
(Q :所定の加熱手段からの発熱量、 T
S：加熱手段の温度、 T
A：外気温、 C
1一 C
3：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ゥであることを特徴とする、請求項 1一 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 1一 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°C— + 0. 5°C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 1一 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、
^Q = Cl ^ + C2Q + C3( TA- Ts) C D 式
d t2 d t
(Q :所定の加熱手段からの発熱量、 T：加熱手段の温度、 Τ：外気温、 C
S A 1一 C：恒温
3 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ゥ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°C— + 0. 5°Cであることを特徴とする、請求項 1
2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!/、ことを特徴とする、請求項 8— 13の 、ずれか一に記載の温度制御装置
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