WO2015122088A1 - フィードバック制御装置 - Google Patents

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洋臣 後藤
統宏 井上
森　隆弘
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株式会社島津製作所
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    • G05B2219/42034—Pi regulator

Definitions

  • the present invention relates to a device that performs feedback control of a controlled object by a PI control method.
  • controlled objects are wide-ranging.
  • pressure regulators, pressure regulators, back pressure regulators, back pressure regulators or flow controllers such as flow controllers in flow paths, or semiconductors in the field of manufacturing equipment are semiconductors.
  • the controlled object to which the present invention is applied is not limited to these.
  • a pressure control device used in a supercritical fluid chromatograph (SFC) or a supercritical fluid extractor (SFE) is used.
  • the opening degree of the back pressure regulating valve of the pressure control device provided downstream of the path detector is feedback-controlled using the piezo element as a drive element to control the pressure of the fluid passing therethrough (see Patent Documents 1 and 2). .)
  • the PI control method performs feedback control of a controlled object by a combination of a proportional component (P) and an integral component (I).
  • the control circuit becomes complicated and large as described later, and the control may become unstable.
  • the digital method takes time for AD conversion, DA conversion, and digital processing, there is a possibility that responsiveness cannot be satisfied depending on the control target.
  • An object of the present invention is to provide a feedback control device that can be easily implemented and can satisfy responsiveness.
  • P control is executed by an electric circuit in an analog manner
  • I control is executed by digital processing. That is, analog P and digital I mixed PI control is performed.
  • the feedback control device of the present invention includes a detector that detects an output value based on a control target, and a detection value and a target value of the detector as inputs of the differential amplifier circuit, and an output of the differential amplifier circuit.
  • a P control circuit composed of an analog circuit that outputs a P control component V P to the output, an I control unit that outputs an I control component V I by integrating a deviation between the detected value and the target value by digital processing, And a drive element that is driven based on the P control component V P from the P control circuit and the I control component V I from the I control unit to control the control target.
  • the P control can be executed by an electric circuit independent of the I control, the stability of the feedback control is high.
  • I control is executed by digital processing, complicated processing can be easily implemented.
  • Patent Document 3 or 4 that performs all PI control by digital processing has a problem in responsiveness depending on the control target.
  • a response of about 1 millisecond is required for P control, so AD (analog-digital) / DA (digital-analog) conversion time, software or firmware speed limit
  • AD analog-digital
  • DA digital-analog
  • software or firmware speed limit Such high-speed processing is difficult from the viewpoint. Therefore, it is desirable to execute the P control by an analog circuit.
  • a response speed of about 10 milliseconds is sufficient for the integration element, and it is suitable to execute by digital processing which is good at complicated processing.
  • the present invention is a system that effectively utilizes the excellent characteristics of both the analog system and the digital system.
  • the I controller as I control component V I is input to one input terminal of the differential amplifier circuit with a detection value of the detector A P control circuit is connected, and an output terminal of the differential amplifier circuit is connected to the drive element.
  • the I control unit includes a threshold value holding unit that holds a threshold value V P_upper for a deviation between the detected value and the target value, and a threshold value that holds the deviation in the threshold value holding unit. If V P_upper is exceeded, the output I-control component V I is reset to zero, and integration of the deviation is continued when the deviation is less than or equal to the threshold V P_upper held in the threshold holding unit. And 1 comparison unit.
  • I controller the absolute value of the I control component V I
  • a second comparison unit that regulates the absolute value
  • the target to which the feedback control device of the present invention is applied is not particularly limited, but examples include a supercritical fluid chromatograph (SFC) or a supercritical fluid extraction device (SFE).
  • the control target is a back pressure adjusting valve of a pressure control device provided downstream of the detector in the analysis flow path of SFC or SFE.
  • the detector is a pressure gauge provided upstream of the back pressure adjustment valve in the analysis flow path, and the drive element is an actuator that controls the back pressure adjustment valve.
  • the feedback control device performs PI control of the back pressure adjustment valve based on the detected value of the pressure gauge and the target value.
  • a supercritical fluid is used as a mobile phase, and the analysis flow path is maintained at a constant high pressure in order to prevent vaporization of the mobile phase.
  • a back pressure regulator BPR
  • the back pressure regulating valve is regulated by a piezo element or solenoid as an actuator.
  • the applied voltage to the piezo element or the solenoid is feedback-controlled so that the pressure detected by the pressure gauge provided immediately before the back pressure regulating valve becomes equal to the set value as the target value.
  • BPR2 the opening degree of the valve 6 installed in the flow path 4 (specifically, the opening area of the valve is controlled), and the pressure of the fluid passing therethrough is controlled.
  • the control device 12 uses the pressure signal value from the pressure gauge 8 installed in the flow path upstream of the BPR 2 as the monitor pressure P monitor , and if the monitor pressure P monitor is lower than the set pressure P set which is the target value, the control device 12 The valve 6 is pushed by a certain piezo element 10 to reduce the flow path cross-sectional area and increase the pressure. On the other hand, if the monitor pressure P monitor is higher than the set pressure P set , the control device 12 lowers the pressure by pulling the piezo element 10 to increase the flow path cross-sectional area.
  • PI control is adopted for the pressure control method by feedback control in BPR.
  • PI control is a method generally used for feedback control of pressure. The P control will be described before the description of the PI control, and then the PI control will be described.
  • the operation amount for actually pushing and pulling the piezo element 10 is a constant multiple of the difference between the set pressure P set and the monitoring pressure P monitor .
  • the voltage values obtained from the pressure gauge 8 and V P_mon, the set pressure P The set V a voltage value corresponding to P_set, when the gain and K P, tables voltage V PZT output to the piezoelectric element 10 in the formula (1) Is done.
  • V PZT K P (V P_set ⁇ V P_mon ) (1)
  • V P_mon 19.96 V
  • This residual of 0.04 MPa is called a steady deviation (offset), and PI control is used to eliminate the steady deviation.
  • PI control PI control is obtained by adding an integral term to Expression (1), and performs control represented by Expression (2). Even if the left side V PZT and the first term on the right side are suspended by the integral element of the second term in Expression (2), the second term on the right side is amplified until V P_set and V P_mon are equal to each other. By continuing to increase or decrease the pressing amount of 10, it is possible to continue to increase or decrease pressure until the pressure matches the target value.
  • FIG. 2A and 2B show conceptual diagrams of step responses of P control (FIG. 2A) and PI control (FIG. 2B), respectively.
  • P control P control
  • PI control PI control
  • FIG. 3 shows an example of an electric circuit for executing the P control.
  • This is a differential amplifier circuit using an operational amplifier circuit (op-amp) 14 and amplifies the voltage difference between V P_mon and V P_set with a gain of the resistance ratio R P / R (corresponding to K P in equation (1)). Then, a voltage is output to the piezo element 10 (displayed as PZT Drive).
  • op-amp operational amplifier circuit
  • FIG. 4 shows an example of control functions necessary for PI control.
  • a comparison circuit (s1) that compares the set value V P_set with the monitor value V P_mon , a proportional amplification circuit (s2) that amplifies it for P control, an integration circuit (s3) for I control, and P First, a circuit (s4) for adding the control component and the I control component is required.
  • the P control is executed by an electric circuit as shown in FIG. 3, and the I control is digital processing (software (S / W), firmware (F / W) or FPGA (field programmable). The so-called analog P and digital I mixed PI control executed in the gate array)) is performed.
  • FPGA is a kind of digital circuit, but uses a collection of logic LSIs.
  • An FPGA can easily produce an electric circuit (integrated circuit) that exhibits exactly the same operation just by writing software, and is very easy to mount.
  • an AD converter is provided on the input side and a DA converter is provided on the output side. Even if the FPGA for executing the I control has a complicated circuit configuration, it is connected to the analog circuit for P control via the DA converter, so that the stability of the P control is not affected.
  • FIG. 5 shows a conceptual diagram of the control.
  • the voltage value V P_mon from the pressure gauge 8 is input to the P control circuit 16 formed of an analog circuit and the I control unit 18 by digital processing.
  • the P control circuit 16 is, for example, the electric circuit shown in FIG. P control circuit 16 outputs a voltage value V P_mon, the running P control of the set voltage value V P_set corresponding to the set pressure P control component V P.
  • the I control unit 18 performs I control of the voltage value V P_mon and the set voltage value V P_set by digital processing, and outputs an I control component V I.
  • the P control component V P and the I control component V I are added to drive the piezo element 10 of the actuator.
  • SFC supercritical fluid chromatography
  • CO 2 that can obtain a supercritical state at a relatively low temperature and low pressure
  • a modifier mainly methanol
  • liquid CO 2 obtained from the CO 2 cylinder 101 is fed by the CO 2 pump 103, and similarly, the modifier 102 is fed by the modifier pump 104 and mixed by the mixer 105 to form a mobile phase.
  • the mobile phase into which the sample is injected by the autosampler 106 passes through the column 108 installed in the column oven 107, and the sample components are temporally separated in the column 108.
  • the sample components separated in time are detected by the UV detector 109.
  • the detection value of the UV detector 109 varies greatly depending on the density of the substance to be analyzed, and the supercritical fluid has a large pressure dependency on the density. For this reason, the pressure in the flow paths after the pumps 103 and 104 is configured to be maintained at a constant pressure of about 10 MPa or more by the pressure control valve 110 (back pressure regulator, BPR).
  • BPR back pressure regulator
  • the accuracy greatly contributes to the measurement stability of the UV detector 109. Therefore, a pressure control accuracy of about ⁇ 0.01 MPa with respect to the set pressure is required.
  • SFC a gradient analysis in which the mixing ratio of the modifier is changed with time is generally performed, and the pressure changes due to a large change in the composition of the fluid during the analysis.
  • a stainless steel tube 22 having an inner diameter of 0.1 mm generally used for SFC is connected to an inlet and an outlet of the body 21, respectively.
  • a pipe flow path 31 having an inner diameter of 0.3 mm is formed, and both ends of the pipe flow path 31 are connected to the stainless steel pipes 22.
  • the stainless steel tube 22 is centered by a ferrule 23 and is fixed to the body 21 by screws 24.
  • the body 21 has a recess for cutting the flow path 31.
  • a hole at the center of the recess is recessed in a conical shape so as to cut the flow path 31, and a lateral hole connected to the cut portion of the pipe flow path 31 is opened on the wall surface of the hole.
  • the conical depression wall surface has an opening connected to the flow path on the inlet side and the outlet side.
  • a conical lid 25 made of an elastic body is provided in the hole.
  • the lid 25 has a structure in which the peripheral portion is pressed against the peripheral portion of the hole by the seal member 26, and the portion entering the hole opens and closes the opening of the wall surface of the hole.
  • the wall surface of the conical hole that cuts the sealed minute flow path 31 is the valve seat portion 33, and the lid 25 is the valve body.
  • the piezo element 28 is a piezo actuator that is displaced by about 10 ⁇ m when a voltage is applied from 0V to 100V.
  • a stepping motor 29 is attached to the rear stage of the piezo element 28 as viewed from the valve body for coarse movement to displace the valve body in a larger range.
  • the control of the piezo actuator will be described.
  • the equilibrium pressure after the control is deviated from the set pressure by about ⁇ 0.1 MPa (steady deviation).
  • the value of the steady deviation depends on the equilibrium potential of the piezo element, and the equilibrium pressure changes in response to the piezo potential that changes according to the fluid composition that changes every moment during the gradient analysis.
  • the feedback control be PI control.
  • PI control is performed by the electric circuit shown in FIG.
  • Feedback control is performed by the differential amplifier circuit 14 using an operational amplifier so that the voltage value V P_mon from the pressure gauge is equal to the voltage value V P_set corresponding to the set pressure.
  • the I control signal V I calculated by software or firmware is added to the input terminal to which the voltage value V P_mon from the pressure gauge is input.
  • Equation (3) shows the calculation in software or firmware for obtaining the I control signal V I.
  • K I is the integral gain, but appropriately adjusted in accordance with the control system, the gain of the entire I control is represented by K I R P / R I also to the amplification factor of the electric circuit shown in FIG. 8
  • K I R P / R I the gain of the entire I control is represented by K I R P / R I also to the amplification factor of the electric circuit shown in FIG. 8
  • the addition of the I component V I and the P component V P is not limited to the circuit shown in FIG. 8, and can be executed with a configuration as shown in FIG. 9 using a general addition circuit.
  • an operational amplifier 14a for adding the I component V I and the P component V P is required, and the amplification stage is increased by one stage. Therefore, from the viewpoint of stability, the circuit configuration of FIG.
  • the circuit of FIG. 8 does not perform an accurate addition process of the P control result and the I control result, and does not mathematically perform the operation represented by (2).
  • the processing is the same in the sense that the piezo voltage continues to increase or decrease until V P_set and V P_mon become equal, and as a result, PI control is performed.
  • the digital processing unit 20 is realized by an SFC or SFE dedicated computer or a general-purpose computer connected to the SFC or SFE for the purpose of data processing, for example, a personal computer.
  • an analog voltage (V P_Mon ) obtained from the pressure gauge 8 is converted into a digital value by the AD converter 22.
  • the AD conversion unit 22 may be an AD converter provided outside the digital processing unit 20, or may be realized as a function within the digital processing unit 20. Processing in the digital processing unit 20 is processed as a digital value.
  • the obtained pressure value is averaged by the averaging unit 24.
  • the averaging process is for removing noise generated in the pressure gauge 8 and noise generated during AD conversion.
  • the pressure value V P_Mon after the averaging is compared with the set pressure value V P_set, and the first comparison unit 28 calculates the difference.
  • Both the pressure value V P_mon and the set pressure value V P_set are voltage values corresponding to the pressure value.
  • the set pressure value V P_set can be generated by a circuit that generates a constant voltage, such as a reference voltage generation circuit, and is given to the digital processing unit 20 from the outside.
  • the set pressure value V P_set may be given each time when the first comparator 28 calculates the difference, or a set value holding unit 26 as shown in FIG. 10 is provided and held there. It may be.
  • the I control value V I accumulated so far is reset to zero.
  • the reason for this is that the I control is originally intended to eliminate the steady deviation of the P control.
  • the P control is not performed, and it is meaningless to integrate when the pressure value is greatly deviated from the target. This is because if the value of the I control value V I is large when it falls within the control range, an unnecessary time is required until it converges to the appropriate I control value V I , which is inconvenient.
  • the integration unit 34 performs integration. As used herein, the term integration and is to adding the difference value to the V I value that is currently held.
  • the I control value V I after the addition is a numerical value within a reasonable range, it is directly converted into an analog value by the DA converter 40 and output to the electric circuit. If the I control value V I is outside the valid range, Limit to that range and output.
  • an upper limit value (V I_MAX ) is held in the upper limit holding unit 36 and held in the second control unit 38 in the I control value V I after addition and the upper limit holding unit 36. The upper limit value (V I_MAX ) is compared.
  • P_mon is a value slightly lower than P_set (a value that is apparently indistinguishable from a steady deviation by P control), but the fluid fills the switched flow path. It takes time, and the pressure may not increase easily. If the deviation continues to accumulate during that time (I control value V I continues to rise), the pressure rises by an amount corresponding to the I control value V I accumulated when the flow path is filled and the pressure rises, and (3 ) Since it takes time to reduce the I control value V I by calculating the equation and the pressure is not stable, it is desirable to set an upper limit value for restriction.
  • FIG. 12 is a flowchart showing the processing of FIGS. 10 and 11 as a procedure.
  • the initial value of the I control value V I is 0 (step s1), and the I control value V I is output together with the start of control (step s2).
  • step s5 If the absolute value of the difference between the averaged V P_mon and the set pressure value V P_set is within ⁇ V P_upper , the held I control value V I is set to (V P_set ⁇ V P_mon ) and the gain K I Then, the product multiplied by the processing time dt is added (step s5).
  • FIG. 13B shows the results of an experiment in which pressure control was performed in the examples of FIGS. 8 and 10 to 12.
  • FIG. 13A shows the case of only P control.
  • the pressure value (upper graph in each figure) and the piezo voltage (lower graph in each figure) as a result of performing feedback control with a set value of 10.00 MPa are shown. Yes.
  • the piezo voltage changes in order to keep the pressure constant, and as a result, the value of the steady deviation changes, so the pressure It has changed slightly.
  • the pressure In the state after about 6 minutes, the pressure is in equilibrium. In the case of only the P control in FIG. 13A, the balanced pressure does not coincide with 10.00 MPa, and an offset of about 0.02 MPa occurs. After that, when the flow rate is changed, it can be confirmed that the pressure changes stepwise.
  • BPR Back pressure regulator
  • control target 6
  • valve 8 pressure gauge as detector 10
  • piezo element 14 operational amplifier
  • P control circuit 18 I control unit 20
  • digital processing unit 28
  • difference calculation unit 30
  • threshold value holding unit 32
  • first comparison unit 34
  • integration unit 36
  • upper limit value holding unit 38 Second comparison part

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Abstract

制御対象に基づく出力値を検出する検出器と、前記検出器の検出値と目標値を差動増幅回路のそれぞれの入力とし、前記差動増幅回路の出力にＰ制御成分ＶPを出力するアナログ回路からなるＰ制御回路と、前記検出値と前記目標値との偏差をデジタル処理により積分することによりＩ制御成分ＶIを出力するＩ制御部と、前記Ｐ制御回路からのＰ制御成分ＶPと前記Ｉ制御部からのＩ制御成分ＶIに基づいて駆動されて前記制御対象を制御する駆動素子と、を備えたフィードバック制御装置である。

Description

フィードバック制御装置
　本発明は制御対象をＰＩ制御方式によりフィードバック制御する装置に関するものである。そのような制御対象は広範囲に及んでいる。例えば、分析装置の分野においては流路における圧力調整弁、圧力調整器、背圧調整器、背圧調整弁もしくはフローコントローラのような圧力や流量を調整する装置、又は製造装置の分野においては半導体製造装置、産業用ロボットもしくはＮＣ機械における可動体の位置決め装置等があるが、本発明が適用される制御対象はこれらに限定されるものではない。
　制御対象の例として、超臨界流体クロマトグラフ装置（ＳＦＣ：Super-Critical Fluid Chromatography）又は超臨界流体抽出装置（ＳＦＥ：Super-Critical Fluid Extractor）に用いられる圧力制御装置をあげると、そこでは分析流路の検出器の下流に設けられた圧力制御装置の背圧調整弁の開度を、ピエゾ素子を駆動素子としてフィードバック制御し、通過する流体の圧力を制御している（特許文献１、２参照。）。
　制御対象のフィードバック制御方法の１つにＰＩ（Proportional Integral）制御方法がある。ＰＩ制御方法は比例成分（Ｐ）と積分成分（Ｉ）の組合せで制御対象をフィードバック制御するものである。
　ＰＩ制御方法を実装する方法として、電気回路によるアナログ方式と、ソフトウエアなどによりデジタル処理を行うデジタル方式（特許文献３、４参照。）がある。
　そのうち、アナログ方式は、制御対象によっては、後述するように制御回路が複雑で大規模なものとなり、また制御が不安定になるおそれがある。一方、デジタル方式はＡＤ変換、ＤＡ変換及びデジタル処理に時間がかかるため、制御対象によっては応答性を満たすことができないおそれがある。
特開平３－１７２６８８号公報 米国特許出願公開ＵＳ２０１０－０１９９９８２Ａ１ 特許第２８４４１３７号公報 特許第５３８２３９３号公報
　本発明は実装を容易にするとともに、応答性も満たすことのできるフィードバック制御装置を提供することを目的とするものである。
　本発明では、Ｐ制御をアナログ方式により電気回路で実行し、Ｉ制御をデジタル処理で実行する。すなわち、アナログＰ、デジタルＩ混合のＰＩ制御を行う。
　そのため、本発明のフィードバック制御装置は、制御対象に基づく出力値を検出する検出器と、前記検出器の検出値と目標値を差動増幅回路のそれぞれの入力とし、前記差動増幅回路の出力にＰ制御成分ＶPを出力するアナログ回路からなるＰ制御回路と、前記検出値と前記目標値との偏差をデジタル処理により積分することによりＩ制御成分ＶIを出力するＩ制御部と、前記Ｐ制御回路からのＰ制御成分ＶPと前記Ｉ制御部からのＩ制御成分ＶIに基づいて駆動されて前記制御対象を制御する駆動素子と、を備えている。
　Ｐ制御をＩ制御とは独立した電気回路で実行できるためフィードバック制御の安定度が高い。またＩ制御をデジタル処理により実行するため、複雑な処理を容易に実装可能となる。
　それに対し、ＰＩ制御すべてをデジタル処理で実行する特許文献３又は４の方式は、制御対象によっては応答性に問題が生じる。例えば、圧力制御の場合、Ｐ制御には１ミリ秒程度の応答性が要求されるため、ＡＤ（アナログ－デジタル）・ＤＡ（デジタル－アナログ）変換の時間、ソフトウエア又はファームウエアの速度制限の観点からそのような高速処理は困難である。そのため、Ｐ制御はアナログ回路で実行することが望ましい。一方、Ｉ制御は積分要素のために１０ミリ秒程度の応答速度で十分であり、また複雑な処理が得意であるデジタル処理で実行するのが適している。
　したがって、本発明は、アナログ方式とデジタル方式の両方の優れた特性を有効に活用した方式である。
背圧調整器（ＢＰＲ）で行っている圧力制御の概念を示す概略図である。 Ｐ制御のステップ応答の概念を示すグラフである。 ＰＩ制御のステップ応答の概念を示すグラフである。 Ｐ制御を実行するための電気回路の一例を示す回路図である。 ＰＩ制御に必要な制御機能の例を示すブロック図である。 一実施形態を概略的に示すブロック図である。 超臨界流体クロマトグラフィー（ＳＦＣ）の装置構成を示す概略図である。 ＳＦＣシステムに用いる圧力調整弁の一例を示す断面図である。 ＰＩ制御の一実施形態を示す回路図である。 ＰＩ制御の他の実施形態を示す回路図である。 Ｉ制御部の一実施形態を示すブロック図である。 Ｉ制御部の一実施形態の処理の流れを示すブロック図である。 Ｉ制御部の一実施形態の処理の流れを示すフローチャートである。 一実施例でのＰ制御の結果を示すグラフである。 一実施例でのＰＩ制御の結果を示すグラフである。
　本発明において、回路構成をより簡略化するための好ましい形態は、Ｉ制御成分ＶIが前記検出器の検出値とともに前記差動増幅回路の一方の入力端子に入力されるようにＩ制御部とＰ制御回路が接続され、前記差動増幅回路の出力端子が前記駆動素子に接続されている構成である。
　好ましい一実施形態では、Ｉ制御部は、検出値と目標値との偏差に対するしきい値ＶP_upperを保持するしきい値保持部と、前記偏差がしきい値保持部に保持されたしきい値ＶP_upperを超えていれば出力のＩ制御成分ＶIをゼロにリセットし、前記偏差が前記しきい値保持部に保持されたしきい値ＶP_upper以下のときに前記偏差の積分を継続する第１比較部と、をさらに備えている。
　好ましい他の実施形態では、Ｉ制御部は、Ｉ制御成分ＶIの絶対値|ＶI|の上限値ＶI_MAXを保持する上限値保持部と、Ｉ制御成分ＶIを上限値保持部に保持された上限値と比較してＩ制御成分ＶI出力値の絶対値|ＶI|が前記上限値を超えないように規制する第２比較部と、をさらに備えている。
　本発明のフィードバック制御装置が適用される対象は特に限定されるものではないが、一例として超臨界流体クロマトグラフ装置（ＳＦＣ）又は超臨界流体抽出装置（ＳＦＥ）を挙げることができる。そこでは、制御対象はＳＦＣ又はＳＦＥの分析流路の検出器の下流に設けられた圧力制御装置の背圧調整弁である。検出器は分析流路において背圧調整弁の上流に設けられた圧力計であり、駆動素子は背圧調整弁を制御するアクチュエータである。そして、その場合のフィードバック制御装置は、圧力計の検出値と目標値に基づいて背圧調整弁をＰＩ制御するものとなる。
　以下、実施例としてＳＦＣを取りあげて説明するが、それに限定されるものではない。
　ＳＦＣでは、超臨界流体を移動相として使用し、その移動相の気化を防ぐために分析流路を一定の高圧力状態に維持する。その圧力制御を行う圧力制御装置として、分析流路の検出器の下流に背圧調整器（ＢＰＲ； Back Pressure Regulator）が設けられる。背圧調整器では背圧調整弁をアクチュエータとしてのピエゾ素子又はソレノイドにより調節している。その背圧調整弁の上流側の直前に設けられた圧力計により検出した圧力が目標値としての設定値と等しくなるように、ピエゾ素子又はソレノイドへの印加電圧をフィードバック制御している。以下では、アクチュエータとしてピエゾ素子を用いた場合について説明する。
　図１を用いてＢＰＲで行っている圧力制御の概念について説明する。ＢＰＲ２では流路４に設置した弁６の開度（弁の開き具合で、具体的には開口面積）を制御し、通過する流体の圧力を制御する。制御装置１２は、ＢＰＲ２の上流の流路に設置している圧力計８からの圧力信号値をモニタ圧力Ｐmonitorとし、モニタ圧力Ｐmonitorが目標値である設定圧力Ｐsetよりも低ければアクチュエータであるピエゾ素子１０により弁６を押し、流路断面積を小さくして圧力を高める。反対にモニタ圧力Ｐmonitorが設定圧力Ｐsetよりも高ければ、制御装置１２はピエゾ素子１０を引いて流路断面積を大きくすることによって圧力を下げる。
　ＢＰＲにおけるフィードバック制御による圧力制御方式にはＰＩ制御が採用されている。ＰＩ制御は、圧力のフィードバック制御に一般に用いられる方法である。ＰＩ制御の説明の前にＰ制御を説明し、続いてＰＩ制御を説明する。
（Ｐ制御）
　ピエゾ素子１０を実際に押し引きする動作量は設定圧力Ｐsetとモニタリング圧力Ｐmonitorの差の定数倍である。圧力計８から得られる電圧値をＶP_monとし、設定圧力Ｐsetに対応する電圧値をＶP_set、ゲインをＫPとすると、ピエゾ素子１０に出力される電圧ＶPZTは式（１）で表される。
　ＶPZT＝ＫP（ＶP_set－ＶP_mon）　　　（１）
　ここで、便宜的に圧力値［ＭＰａ］と電圧値［Ｖ］は数値が等しいと仮定し、設定圧力Ｐset＝２０.００ＭＰａ（ＶP_set＝２０．００Ｖ）のときにゲインＫP＝１００のフィードバック制御でモニタリング圧力Ｐmonitor＝１９.９６ＭＰａ（ＶP_mon＝１９.９６Ｖ）が得られた場合を考える。このとき式（１）よりピエゾへの出力電圧は１００×（２０.００－１９.９６）＝４Ｖとなるが、もし４Ｖのピエゾ素子１０への出力で位置制御された弁６の開度がちょうど流体を１９.９６ＭＰａに保つ開度であった場合、式（１）によりＢＰＲ２は平衡状態となってしまい、圧力は目標の２０ＭＰａに収束しないこととなる。この残差０.０４ＭＰａを定常偏差（オフセット）と呼ぶが、定常偏差を解消するために用いられるのがＰＩ制御である。
（ＰＩ制御）
　ＰＩ制御は式（１）に積分項を加えたもので、式（２）で表される制御を行う。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
式（２）の第二項の積分要素によって、左辺ＶPZTと右辺第一項がつりあったとしても、右辺第二項はＶP_setとＶP_monが等しい値となるまで増幅されるため、ピエゾ素子１０の押し量を増加又は減少させ続けることによって、圧力が目標値と一致するまで昇圧又は減圧させ続けることが可能となる。
　図２Ａと図２ＢにそれぞれＰ制御（図２Ａ）とＰＩ制御（図２Ｂ）のステップ応答の概念図を示す。時間ｔ＝０において、ある目標圧力値Ｐsetを与えた場合、平衡状態になった圧力値ＰeはＰ制御ではＰsetに対してある定常偏差（offset）を持ち、ＰＩ制御ではＰsetとＰeは一致する。
　図３に、Ｐ制御を実行するための電気回路の一例を示す。演算増幅回路（オペアンプ）１４を用いた差動増幅回路であり、ＶP_monとＶP_setの電圧差を抵抗比ＲP／Ｒのゲイン（式（１）中のＫPに相当する。）で増幅し、ピエゾ素子１０に電圧を出力する（PZT Driveと表示されている。）。
　Ｐ制御は定常偏差が発生するため、ＰＩ制御を行うが、ＰＩ制御回路は実際の圧力制御装置では複数の機能を必要とするため、回路が複雑になる。図４に、ＰＩ制御に必要な制御機能の例を示す。設定値ＶP_setとモニタ値ＶP_monとの大小を比較する比較回路（ｓ１）があり、Ｐ制御用にそれを増幅する比例増幅回路（ｓ２）、Ｉ制御用の積分回路（ｓ３）、そしてＰ制御成分とＩ制御成分を加算する回路（ｓ４）がまず必要となる。さらにはＳＦＣ又はＳＦＥにおける圧力制御中では、ポンプを停止した際や流路を切り替えた際にピエゾ素子１０の稼動範囲の最大限に電圧を出力しても圧力が設定値にならず、積分値が溜まりすぎる問題が発生する。そのため、積分値を適当な範囲に制限する回路（ｓ５）が必要となる。また圧力値が設定値と大きく乖離したことを判断（ｓ６）し、その場合は積分値を０にリセットする機能（ｓ７）も必要となる。図４に示した制御を電気回路でそのまま実装すれば、制御回路が複雑で大規模なものとなり、また圧力を安定制御するＰ制御に悪影響を及ぼしかねない。
　そこで、この実施形態では、Ｐ制御を図３に示したような電気回路で実行し、Ｉ制御はデジタル処理（ソフトウエア（Ｓ／Ｗ）、ファームウエア（Ｆ／Ｗ）又はＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ））で実行する、いわゆるアナログＰ、デジタルＩ混合のＰＩ制御を行う。
　ＦＰＧＡはデジタル回路の一種であるが、ロジックＬＳＩの集合体を使用する。ＦＰＧＡは、ソフトウエアを書くだけで全く同じ動作を示す電気回路(集積回路)を簡単に制作可能であり、実装容易性が非常に高い。ＦＰＧＡをアナログ信号系で使用するときは、入力側にＡＤ変換器が設けられ、出力側にＤＡ変換器が設けられる。仮にＩ制御を実行するＦＰＧＡが複雑な回路構成となったとしても、ＤＡ変換器を介してＰ制御用のアナログ回路と接続されるために、Ｐ制御の安定度には影響を及ぼさない。
　図５に、制御の概念図を示す。圧力計８からの電圧値ＶP_monをアナログ回路からなるＰ制御回路１６とデジタル処理によるＩ制御部１８に入力する。Ｐ制御回路１６は例えば図３に示した電気回路である。Ｐ制御回路１６は、電圧値ＶP_monと、設定圧力に相当する設定電圧値ＶP_setとのＰ制御を実行してＰ制御成分ＶPを出力する。Ｉ制御部１８は、デジタル処理により、電圧値ＶP_monと設定電圧値ＶP_setとのＩ制御を実行してＩ制御成分ＶIを出力する。Ｐ制御成分ＶPとＩ制御成分ＶIが加算されて、アクチュエータのピエゾ素子１０を駆動する。
　ここで、本発明が適用される例として、ＢＰＲを使用する超臨界流体クロマトグラフィー（ＳＦＣ）の装置構成について図６を用いて説明する。ＳＦＣでは比較的低温度、低圧力で超臨界状態が得られるＣＯ2を移動相として用い、また測定試料の溶解性を高めるためにモディファイヤー（主にはメタノール）を混入させる。そのため、ＣＯ2ボンベ１０１から得られる液体ＣＯ2をＣＯ2ポンプ１０３にて送液し、同様にモディファイヤー１０２をモディファイヤーポンプ１０４で送液し、ミキサー１０５にて混合して移動相とする。オートサンプラー１０６によって試料を注入された移動相は、カラムオーブン１０７内に設置されたカラム１０８を通り、カラム１０８で試料成分が時間的に分離される。時間的に分離された試料成分はＵＶ検出器１０９によって検出さる。
　ＵＶ検出器１０９の検出値は分析される物質の密度によって大きく変化し、超臨界流体は密度の圧力依存性が大きい。そのため、ポンプ１０３，１０４以降の流路の圧力が圧力制御弁１１０（背圧調整器、ＢＰＲ）によって１０ＭＰａ程度以上の一定圧に保たれるように構成されているが、圧力調整弁の圧力安定精度がＵＶ検出器１０９の測定安定性に大きく寄与する。そのため設定圧力に対して±０.０１ＭＰａ程度の圧力制御精度が必要となる。特にＳＦＣではモディファイヤーの混入割合を時間的に変化させるグラジエント分析が一般に行われ、分析中に流体の組成が大きく変化するため圧力が変動する原因となる。
　次に、ＳＦＣシステムに用いるための、圧力調整弁について図７を用いてその一例を説明する。ＳＦＣに一般に用いられる内径０.１ｍｍのステンレス管２２がボディ２１の入口、出口にそれぞれを接続されている。ボディ２１内には内径０.３ｍｍの管流路３１が形成されており、管流路３１の両端がそれらのステンレス管２２に接続されている。ステンレス管２２はフェルール２３により中心が決められ、ネジ２４によってボディ２１に固定されている。
　ボディ２１には流路３１を切断する凹部が形成されている。その凹部の中央部の穴が流路３１を切断するように円錐形にくぼみ、その穴の壁面には管流路３１の切断された部分につながる横穴が開口している。その穴を上から覗くと、円錐形のくぼみの壁面に入口側と出口側のそれぞれ流路につながる開口が見える構造になっている。その穴に弾性体からなる円錐形の蓋２５が設けられている。蓋２５は、その周辺部がシール部材２６によりその穴の周辺部に押しつけており、その穴内に入った部分がその穴の壁面の開口を開閉する構造となっている。シールされた微小な流路３１を切断している円錐形の穴の壁面が弁座部３３となり、蓋２５が弁体となっている。
　蓋２５の背面（その穴からみて反対側の面）を押さえ棒２７を介してピエゾ素子２８で押し引きすることにより、弁座部３３の流路面積の大きさが制御され、入口管路の圧力を制御することが可能となる。
　ピエゾ素子２８は電圧を０Ｖから１００Ｖまで印加すると１０μｍ程度変位するピエゾアクチュエータである。弁体をさらに大きい範囲で変位させる粗動のために、弁体からみてピエゾ素子２８の後段にステッピングモータ２９が取り付けられている。
　ここでピエゾアクチュエータの制御について説明する。図３に示した回路図によるＰ制御では、制御後の平衡圧力が設定圧力と±０.１ＭＰａ程度のずれ（定常偏差）が生じる。しかもこの定常偏差の値はピエゾ素子の平衡電位に依存し、グラジエント分析の際に刻々と変化する流体の組成に対応して変化させるピエゾ電位に応答する形で、平衡圧力が変化してしまう。これを避けるため、フィードバック制御をＰＩ制御とすることが望ましい。
　しかしＢＰＲを適応するＳＦＣやＳＦＥでは、ＰＩ制御とした場合に、Ｉ制御に複雑な処理が求められる。例えば、ポンプを停止した際等に圧力値が設定値と大きく乖離した場合には積分値を０にリセットしたり、流路を切り替えた際に圧力がわずかに設定値に到達しない時間が長時間になると積分値が溜まりすぎるので、それを防止したり、又は、試料を分析流路に注入する際の瞬時の過渡的な圧力上昇は無視したりするといったことである。このような処理を電気回路で実装しようとすると、回路が複雑で大規模になり、またそのためにノイズが増加してＰ制御の性能にも影響を及ぼすため理想的な圧力安定性能が得られないという問題が生じる。
　そこで、好ましい一実施形態では、図８に示す電気回路により、ＰＩ制御を行う。圧力計からの電圧値ＶP_monと設定圧力に対応する電圧値ＶP_setが等しくなるようオペアンプを用いた差動増幅回路１４によりフィードバック制御を行う。差動増幅回路１４の入力端子のうち、圧力計からの電圧値ＶP_monを入力する側の入力端子に、ソフトウエア又はファームウエアで計算したＩ制御信号ＶIを加算する。
　Ｉ制御信号ＶIを求めるためのソフトウエア又はファームウエアおける計算を式（３）に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
ここでＫIは積分ゲインであり、制御系に合わせて適当に調整するが、Ｉ制御全体のゲインは図８に示した電気回路の増幅率も合わせてＫIＲP／ＲIで表される。
　Ｉ成分ＶIとＰ成分ＶPの加算は、図８に示した回路に限定されず、一般的な加算回路を用いて図９のような構成でも実行できる。しかし、図９の回路では、Ｐ制御のための演算増幅器１４のほかに、Ｉ成分ＶIとＰ成分ＶPの加算のための演算増幅器１４ａが必要となり、増幅段が１段増すことになるために安定度の観点からは増幅段の少ない図８の回路構成の方が好ましい。図８の回路はＰ制御の結果とＩ制御の結果の正確な加算処理にはなっておらず、数学的には（２）で表わされる演算を行っているわけではない。しかし、ＶP_setとＶP_monが等しくなるまでピエゾ電圧が増加又は減少を続けるという意味では同じ処理であり、結果的にＰＩ制御がなされる。
　図１０と図１１に、デジタル処理を機能として示す。デジタル処理部２０はＳＦＣ又はＳＦＥの専用コンピュータにより、又はＳＦＣ又はＳＦＥにデータ処理などの目的のために接続された汎用のコンピュータ、例えばパーソナルコンピュータにより実現される。
　デジタル処理では、まず圧力計８から得られるアナログ電圧（ＶP_Mon）をＡＤ変換部２２によってデジタル値に変換する。ＡＤ変換部２２はデジタル処理部２０の外部に設けられたＡＤ変換器であってもよく、デジタル処理部２０内での機能として実現されるものであってもよい。デジタル処理部２０内での処理はデジタル値として処理される。
　得られた圧力値を平均化部２４により平均化処理する。平均化処理は圧力計８で発生するノイズや、ＡＤ変換の際に発生するノイズを除去するためのものである。平均化後の圧力値ＶP_Monを設定圧力値ＶP_setと比較し、第１比較部２８においてその差分を計算する。圧力値ＶP_monも設定圧力値ＶP_setも圧力値に相当する電圧値である。設定圧力値ＶP_setは基準電圧発生回路など、一定電圧を発生する回路により発生することができ、デジタル処理部２０に外部から与えられる。設定圧力値ＶP_setは第１比較部２８においてその差分を計算する際に、その都度与えられるようにしてもよく、又は図１０のように設定値保持部２６を設けて、そこに保持するようにしてもよい。
　差分を計算した結果、その差分値が大きく離れすぎている場合はこれまで溜めてきたＩ制御値ＶIを０にリセットする。この理由は、Ｉ制御は元来Ｐ制御の定常偏差をなくすためのものであり、Ｐ制御もできておらず圧力値が目標から大きく外れているときは積分しても意味がなく、またＰ制御範囲内に入った場合にＩ制御値ＶIの値が大きく溜まっていては適切なＩ制御値ＶIに収束するまでの不要な時間を要し不都合になるためである。差分値が適切な範囲内の値である場合には、積分部３４において積分を実行する。ここで言う積分とは、現在保有しているＶI値に差分値を加算することである。
　加算後のＩ制御値ＶIが妥当な範囲の数値であればそのままＤＡ変換部４０によりアナログ値に変換して電気回路に出力するが、Ｉ制御値ＶIが妥当な範囲外であれば、その範囲内に制限し、出力する。この制限を行うために、上限値保持部３６に上限値（ＶI_MAX）を保持しておき、第２比較部３８において加算後のＩ制御値ＶIと上限値保持部３６に保持されている上限値（ＶI_MAX）を比較する。
　この制限の理由は次の通りである。例えば、流路を切り替えた際等に、Ｐ_monがＰ_setよりわずかに低い値（見かけ上Ｐ制御による定常偏差と区別が付かない値）であるが、切り替えた流路を流体が満たすことに時間を要し、なかなか圧力が上昇しない場合がある。その間に偏差を溜め続ける（Ｉ制御値ＶIを上昇し続ける）と、流路が満たされて圧力が上昇する際に溜まっているＩ制御値ＶI分だけ余計に圧力が上昇し、（３）式の計算によってＩ制御値ＶIを小さくすることに時間がかかり、なかなか圧力が安定しないため、制限のための上限値を設けることが望ましい。
　図１２に、図１０、図１１の処理を手順としてフローチャートで示す。制御開始前、Ｉ制御値ＶIの初期値は０であり（ステップｓ１）、制御開始と共にＩ制御値ＶIを出力する（ステップｓ２）。次に圧力計８から得られた電圧値ＶP_monを平均化する（ステップｓ３）。平均化後のＶP_monと目標となる設定圧力値ＶP_setの差の絶対値がある閾値ＶP_upperを越えていれば（ステップｓ４）、Ｉ制御値ＶI＝０とし、積分値をリセットする。平均化後のＶP_monと設定圧力値ＶP_setの差の絶対値が±ＶP_upper以内に収まっていれば、保持しているＩ制御値ＶIに、（ＶP_set－ＶP_mon）にゲインＫIおよび処理時間ｄｔを掛けたものを加算する（ステップｓ５）。最後に積分結果（加算後）のＩ制御値ＶIの絶対値がある一定の値ＶI_MAXを超える場合にはＩ制御値ＶIが正の値の場合にはＶI＝ＶI_MAX、Ｉ制御値ＶIが負の値の場合にはＶI＝－ＶI_MAXとし、Ｉ制御値ＶIの絶対値がＶI_MAXを超えない場合にはそのままＩ制御値ＶIの値を保持し（ステップｓ６）、ステップｓ２に戻ってＩ制御値ＶIの出力値を変更する。
　図１３Ｂに、図８、図１０～図１２の実施例で圧力制御を行った実験結果を示す。比較のため図１３ＡにＰ制御のみの場合を示す。Ｐ制御とＰＩ制御のどちらの場合も１０.００ＭＰａを設定値とし、フィードバック制御を行った結果の圧力値（各図の上側のグラフ）とピエゾ電圧（各図の下側のグラフ）を示している。
　ポンプによる送液開始の直後は状態が安定せず、Ｐ制御とＰＩ制御のいずれの場合も圧力を一定に保つためにピエゾ電圧が変化し、結果的に定常偏差の値が変化するため圧力がわずかに変化している。
　６分程度後の状態は、圧力が平衡になっている。図１３ＡのＰ制御のみの場合はその平衡となった圧力は１０.００ＭＰａと一致せず、０.０２ＭＰａ程度のオフセットが生じている。その後、流量を変化させると圧力がステップ状に変化している様子が確認できる。
　一方、本実施例によるアナログＰ、デジタルＩ混合のＰＩ制御では、図１３Ｂに示すように、送液開始後すぐに圧力が安定し、流量を変化させても１０.００ＭＰａの値を保持している。
　　２　　　制御対象としての背圧調整器（ＢＰＲ）
　　６　　　弁
　　８　　　検出器としての圧力計
　１０　　　ピエゾ素子
　１４　　　演算増幅器
　１６　　　Ｐ制御回路
　１８　　　Ｉ制御部
　２０　　　デジタル処理部
　２８　　　差分算出部
　３０　　　しきい値保持部
　３２　　　第１比較部
　３４　　　積分部
　３６　　　上限値保持部
　３８　　　第２比較部

Claims (5)

  1. 　制御対象に基づく出力値を検出する検出器と、
    　前記検出器の検出値と目標値を差動増幅回路のそれぞれの入力とし、前記差動増幅回路の出力にＰ制御成分ＶPを出力するアナログ回路からなるＰ制御回路と、
    　前記検出値と前記目標値との偏差をデジタル処理により積分することによりＩ制御成分ＶIを出力するＩ制御部と、
    　前記Ｐ制御回路からのＰ制御成分ＶPと前記Ｉ制御部からのＩ制御成分ＶIに基づいて駆動されて前記制御対象を制御する駆動素子と、
    を備えたフィードバック制御装置。
  2. 　前記Ｉ制御成分ＶIが前記検出器の検出値とともに前記差動増幅回路の一方の入力端子に入力されるように前記Ｉ制御部と前記Ｐ制御回路が接続され、
    　前記差動増幅回路の出力端子が前記駆動素子に接続されている請求項１に記載のフィードバック制御装置。
  3. 　前記Ｉ制御部は、前記検出値と前記目標値との偏差に対するしきい値ＶP_upperを保持するしきい値保持部と、
    　前記偏差が前記しきい値保持部に保持されたしきい値ＶP_upperを超えていれば出力のＩ制御成分ＶIをゼロにリセットし、前記偏差が前記しきい値保持部に保持されたしきい値ＶP_upper以下のときに前記偏差の積分を継続する第１比較部と、
    をさらに備えている請求項１又は２に記載のフィードバック制御装置。
  4. 　前記Ｉ制御部は、Ｉ制御成分ＶIの上限値ＶI_MAXを保持する上限値保持部と、
    　Ｉ制御成分ＶIを前記上限値保持部に保持された上限値と比較してＩ制御成分ＶI出力値が前記上限値を超えないように規制する第２比較部と、
    をさらに備えている請求項１から３のいずれか一項に記載のフィードバック制御装置。
  5. 　前記制御対象は超臨界流体クロマトグラフ装置又は超臨界流体抽出装置の分析流路の検出器の下流に設けられた圧力制御装置の背圧調整弁であり、
    　前記検出器は前記分析流路において前記背圧調整弁の上流に設けられた圧力計であり、
    　前記駆動素子は前記背圧調整弁を制御するアクチュエータであり、
    　前記圧力計の検出値と目標値に基づいて前記背圧調整弁をＰＩ制御する請求項１から４のいずれか一項に記載のフィードバック制御装置。
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