(57)【要約】【課題】オーバシュートを抑制することができる制御装置を提供する。【解決手段】制御装置１は、制御対象１３の制御量を操作量により変化させて制御量を目標値に一致させるものであり、目標値よりも小さい少なくとも２つの中途目標値に制御量が到達するように中途目標値が大きくなる順序で少なくとも２回の制御を行う第１制御手段４ａと、第１制御手段４ａにより制御量が中途目標値に到達した後の所定時間内における操作量の平均値を平均操作量として算出する第１算出手段４ｂと、第１算出手段４ｂが算出した平均操作量に基づいて制御量が目標値に到達するときの推定操作量を算出する第２算出手段４ｃと、推定操作量を用いて制御を行う第２制御手段４ｄと、を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象の制御量を操作量により変化させて前記制御量を目標値に一致させる制御装置であって、
前記目標値よりも小さい少なくとも２つの中途目標値に前記制御量が到達するように前記中途目標値が大きくなる順序で少なくとも２回の制御を行う第１制御手段と、
前記第１制御手段により前記制御量が前記中途目標値に到達した後の所定時間内における操作量の平均値を平均操作量として算出する第１算出手段と、
前記第１算出手段が算出した平均操作量に基づいて前記制御量が前記目標値に到達するときの推定操作量を算出する第２算出手段と、
前記推定操作量を用いて制御を行う第２制御手段と、
を具備することを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記第２算出手段は、前記第１算出手段にて算出した平均操作量に基づく近似線上の前記目標値に対応する操作量を前記推定操作量として算出し、
前記第２制御手段が所定時間にわたり制御を行った後に前記制御量が前記目標値に一致するように操作量を微調整制御する第３制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記微調整制御が積分制御であることを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
【請求項４】
制御対象の制御量を操作量により変化させて前記制御量を目標値に一致させる制御方法であって、
前記目標値よりも小さい少なくとも２つの中途目標値に前記制御量が到達するように前記中途目標値が大きくなる順序で少なくとも２回の制御を行うステップと、
前記制御量が前記中途目標値に到達した後の所定時間内における操作量の平均値を平均操作量として算出するステップと、
前記平均操作量に基づいて前記制御量が前記目標値に到達するときの推定操作量を算出するステップと、
前記推定操作量を用いて制御を行うステップと、
を含むことを特徴とする制御方法。
【請求項５】
前記平均操作量に基づく近似線上の前記目標値に対応する操作量を前記推定操作量として算出するステップと、
前記近似線上の前記目標値に対応する操作量で所定時間にわたり制御を行った後に前記制御量が前記目標値に一致するように操作量を微調整制御するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の制御方法。
【請求項６】
前記微調整制御が積分制御であることを特徴とする請求項５に記載の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電気炉、流量系や化学反応系などの制御対象の温度、流量、湿度、圧力などの物理量を目標値に制御する制御装置および制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば電気炉では、炉内温度と目標値を比較し、その偏差に応じて演算を行ってヒータなどの加熱手段を制御する制御装置として調節計が一般的に知られている。
【０００３】
ところで、ディジタル式の調節計では、制御対象に応じたＰＩＤ定数の自動算出と設定を行うオートチューニング機能を搭載している。このオートチューニング機能では、調節計を一時的にオンオフ調節計として用い、オン／オフ動作により１００％と０％の操作量を交互に出力して制御対象に発生するハンチングの周期と振幅の値からＰＩＤ定数を算出するリミットサイクル法を採用している。
【０００４】
なお、本件出願人は、上述したリミットサイクル法として、下記特許文献１に開示されるように、設定値付近でのサイクリング（リミットサイクル）波形からＰＩＤ定数を求め、操作量を決定する制御装置を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１３６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したリミットサイクル法では、ＰＩＤ定数が適切に決定されていない場合、制御量が目標値を超過するオーバシュートという現象が発生する。このオーバシュートが発生すると、制御対象（例えば、製造品）に過大なストレスをかけてしまい、歩留りが悪化してしまうという問題があり、オーバシュートの抑制が望まれていた。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、オーバシュートを抑制することができる制御装置および制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載された制御装置は、制御対象の制御量を操作量により変化させて前記制御量を目標値に一致させる制御装置であって、
前記目標値よりも小さい少なくとも２つの中途目標値に前記制御量が到達するように前記中途目標値が大きくなる順序で少なくとも２回の制御を行う第１制御手段と、
前記第１制御手段により前記制御量が前記中途目標値に到達した後の所定時間内における操作量の平均値を平均操作量として算出する第１算出手段と、
前記第１算出手段が算出した平均操作量に基づいて前記制御量が前記目標値に到達するときの推定操作量を算出する第２算出手段と、
前記推定操作量を用いて制御を行う第２制御手段と、
を具備することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載された制御装置は、請求項１の制御装置において、
前記第２算出手段は、前記第１算出手段にて算出した平均操作量に基づく近似線上の前記目標値に対応する操作量を前記推定操作量として算出し、
前記第２制御手段が所定時間にわたり制御を行った後に前記制御量が前記目標値に一致するように操作量を微調整制御する第３制御手段をさらに具備することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載された制御装置は、請求項２の制御装置において、
前記微調整制御が積分制御であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載された制御方法は、制御対象の制御量を操作量により変化させて前記制御量を目標値に一致させる制御方法であって、
前記目標値よりも小さい少なくとも２つの中途目標値に前記制御量が到達するように前記中途目標値が大きくなる順序で少なくとも２回の制御を行うステップと、
前記制御量が前記中途目標値に到達した後の所定時間内における操作量の平均値を平均操作量として算出するステップと、
前記平均操作量に基づいて前記制御量が前記目標値に到達するときの推定操作量を算出するステップと、
前記推定操作量を用いて制御を行うステップと、
を含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載された制御方法は、請求項４の制御方法において、
前記平均操作量に基づく近似線上の前記目標値に対応する操作量を前記推定操作量として算出するステップと、
前記近似線上の前記目標値に対応する操作量で所定時間にわたり制御を行った後に前記制御量が前記目標値に一致するように操作量を微調整制御するステップと、
をさらに含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載された制御方法は、請求項５の制御方法において、
前記微調整制御が積分制御であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、目標値に対応する推定操作量を算出して制御した後、制御量が目標値に一致するように操作量を微調整制御することでオーバシュートを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る制御装置および制御方法によるチューニングと制御のタイミングチャートの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図１に示すように、本実施の形態の制御装置１は、例えば電気炉、流量系や化学反応系などの制御対象の温度、流量、湿度、圧力などの物理量を制御量とし、この制御量を操作量により変化させて制御量を目標値に一致させる調節計であり、チューニングと制御を実行するための構成として操作表示部２、記憶部３、制御部４を備えて概略構成される。
【００１８】
ここでは、図１に示すように、例えばヒータなどの加熱手段１１や温度センサ１２が炉内に設置された電気炉１３を制御対象とし、温度センサ１２が検出する炉内温度（制御量ＰＶ）が目標温度（目標値ＳＶ）に一致するように操作量ＭＶでアクチュエータ（不図示）を駆動して加熱手段１１を制御する場合を例にとって説明する。
【００１９】
操作表示部２は、装置前面に設けられる各種キー、液晶やＬＥＤなどの表示器を備えて構成される。操作表示部２は、チューニングの開始の指示、チューニング開始時のＰＩＤ定数、目標値ＳＶ、複数の中途目標値（例えば目標値ＳＶに対して負荷率６０％の中途目標値ＳＶ１と負荷率８０％の中途目標値ＳＶ２）、後述する所定時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の設定を行う。また、操作表示部２は、設定画面の表示の他、目標値ＳＶや制御量ＰＶの表示、プログラムパターンなどの各種データ、バーグラフ表示やトレンド表示などの各種モニタ表示を行う。
【００２０】
記憶部３は、操作表示部２の操作により設定された設定値（ＰＩＤ定数、目標値ＳＶ、中途目標値ＳＶ１，ＳＶ２、所定時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）、後述する推定操作量ＭＶ３、式（１）による近似線などを含め、電気炉１３の炉内温度の制御に関わる各種情報を記憶する。
【００２１】
制御部４は、操作表示部２の操作により設定された設定値、記憶部３に記憶された各種情報、電気炉１３の温度センサ１２が検出する炉内温度に基づいて制御装置１を統括制御するものである。制御部４は、チューニングを実行するための構成として、第１制御手段４ａ、第１算出手段４ｂ、第２算出手段４ｃを備え、目標値ＳＶに一致するように制御量ＰＶを調整する制御を実行するための構成として、第２制御手段４ｄ、第３制御手段４ｅを備える。
【００２２】
第１制御手段４ａは、操作表示部２の操作により設定された複数の中途目標値に制御量ＰＶが到達するように中途目標値が大きくなる順序で操作量ＭＶによりアクチュエータを駆動して加熱手段１１を制御する。
【００２３】
具体的に、例えば目標値ＳＶに対して負荷率６０％の中途目標値ＳＶ１と負荷率８０％の中途目標値ＳＶ２が設定されている場合、第１制御手段４ａは、まず負荷率６０％の中途目標値ＳＶ１に電気炉１３の温度センサ１２の温度（制御量ＰＶ）が到達するように操作量ＭＶでアクチュエータを駆動して加熱手段１１をＰＩＤ制御する。その後、第１制御手段４ａは、負荷率８０％の中途目標値ＳＶ２に電気炉１３の温度センサ１２の温度（制御量ＰＶ）が到達するように操作量ＭＶでアクチュエータを駆動して加熱手段１１をＰＩＤ制御する。なお、アクチュエータの駆動による加熱手段１１の制御は、ＰＩＤ制御に限定されるものではない。
【００２４】
第１算出手段４ｂは、第１制御手段４ａにより制御量ＰＶがそれぞれの中途目標値に到達した後の所定時間内における操作量ＭＶの平均値を平均操作量として算出する。
【００２５】
具体的に、例えば目標値ＳＶに対して負荷率６０％の中途目標値ＳＶ１と負荷率８０％の中途目標値ＳＶ２が設定されている場合、第１算出手段４ｂは、制御量ＰＶが目標値ＳＶに対して負荷率６０％の中途目標値ＳＶ１に到達した後の所定時間Ｔ１内における操作量ＭＶの平均値を平均操作量ＭＶ１として算出する。また、第１算出手段４ｂは、制御量ＰＶが目標値ＳＶに対して負荷率８０％の中途目標値ＳＶ２に到達した後の所定時間Ｔ２内における操作量ＭＶの平均値を平均操作量ＭＶ２として算出する。
【００２６】
なお、所定時間Ｔ１は、制御量ＰＶが目標値ＳＶに対して負荷率６０％の中途目標値ＳＶ１に到達して安定するまでの時間に設定される。また、所定時間Ｔ２は、制御量ＰＶが目標値ＳＶに対して負荷率８０％の中途目標値ＳＶ２に到達して安定するまでの時間に設定される。
【００２７】
第２算出手段４ｃは、第１算出手段４ｂが算出した平均操作量に基づく近似線上の目標値ＳＶに対応する操作量ＭＶを、制御量ＰＶが目標値ＳＶに到達するときの推定操作量として算出する。
【００２８】
具体的に、例えば目標値ＳＶに対して負荷率６０％の中途目標値ＳＶ１と負荷率８０％の中途目標値ＳＶ２が設定されている場合、第２算出手段４ｃは、第１算出手段４ｂが算出した２つの平均操作量ＭＶ１，ＭＶ２から１次関数の式（１）：ｙ＝５（ＭＶ２−ＭＶ１）ｘ＋ＭＶ２−４（ＭＶ２−ＭＶ１）を作成する。この１次関数の式（１）は、２つの平均操作量ＭＶ１＝０．６×ａ＋ｂ、ＭＶ２＝０．８×ａ＋ｂとしたとき、ａ＝５（ＭＶ２−ＭＶ１）、ｂ＝ＭＶ２−４（ＭＶ２−ＭＶ１）をｙ＝ａｘ＋ｂに代入することにより作成される。そして、この１次関数の式（１）による近似線上の目標値ＳＶに対応する操作量ＭＶを、制御量ＰＶが目標値ＳＶに到達するときの推定操作量ＭＶ３として算出する。
【００２９】
なお、上述した近似線は、２つの平均操作量ＭＶ１，ＭＶ２から作成される１次関数の式（１）で示されるが、１次関数の式（１）のみに限定されるものではない。例えば中途目標値が３つ以上設定される場合、これら３つ以上の中途目標値から作成される２次関数の式で示される近似線を用いれば、さらに精度の向上を図ることができる。
【００３０】
第２制御手段４ｄは、第２算出手段４ｃにて算出した固定値による推定操作量ＭＶ３でアクチュエータを駆動して加熱手段１１を制御する。
【００３１】
第３制御手段４ｅは、第２制御手段４ｄが推定操作量ＭＶ３で所定時間Ｔ３にわたり加熱手段１１の制御を行った後、制御量ＰＶが目標値ＳＶに一致するように推定操作量ＭＶ３に加えて積分制御により操作量ＭＶを微調整し、アクチュエータを駆動して加熱手段１１を制御する。
【００３２】
次に、上記のように構成される制御装置１によるチューニングと制御の方法について図２を参照しながら説明する。
【００３３】
まず、操作表示部２の操作によりＰＩＤ定数を任意に設定するとともに、目標値ＳＶ、操作量ＭＶ、中途目標値を設定する。ここでは、中途目標値として、目標値ＳＶの負荷率６０％が中途目標値ＳＶ１、目標値ＳＶの負荷率８０％が中途目標値ＳＶ２に設定されているものとする。
【００３４】
上記設定を終え、操作表示部２の操作によりチューニングを開始すると、制御部４の第１制御手段４ａは、図２の区間（イ）に示すように、電気炉１３の炉内温度が目標値ＳＶの負荷率６０％の中途目標値ＳＶ１＝０．６×ＳＶ［％］となるように操作量ＭＶでアクチュエータを駆動して加熱手段１１をＰＩＤ制御する。このＰＩＤ制御は、制御量ＰＶによって操作量ＭＶが設定され、制御量ＰＶが中途目標値ＳＶ１に到達後、所定時間Ｔ１だけ継続する。
【００３５】
そして、制御部４の第１算出手段４ｂは、制御量ＰＶが中途目標値ＳＶ１に到達した後の所定時間Ｔ１内における操作量ＭＶの平均値を平均操作量ＭＶ１として算出する。具体的には、所定時間Ｔ１のサンプリング数をｎ１とすると、平均操作量ＭＶ１＝Σ（ＭＶｎ１）／ｎ１［％］として算出される。
【００３６】
次に、制御部４の第１制御手段４ａは、図２の区間（ロ）に示すように、電気炉１３の炉内温度が目標値ＳＶの負荷率８０％の中途目標値ＳＶ２＝０．８×ＳＶ［％］となるように操作量ＭＶでアクチュエータを駆動して加熱手段１１をＰＩＤ制御する。このＰＩＤ制御は、制御量ＰＶによって操作量ＭＶが設定され、制御量ＰＶが中途目標値ＳＶ２に到達後、所定時間Ｔ２だけ継続する。
【００３７】
そして、制御部４の第１算出手段４ｂは、制御量ＰＶが中途目標値ＳＶ２に到達した後の所定時間Ｔ２内における操作量ＭＶの平均値を平均操作量ＭＶ２として算出する。具体的には、所定時間Ｔ２のサンプリング数をｎ２とすると、平均操作量ＭＶ２＝Σ（ＭＶｎ２）／ｎ２［％］として算出される。
【００３８】
次に、制御部４の第２算出手段４ｃは、平均操作量ＭＶ１，ＭＶ２から１次関数の近似線を作成する。具体的には、ＭＶ１＝０．６×ａ＋ｂ、ＭＶ２＝０．８×ａ＋ｂとすると、ａ＝５（ＭＶ２−ＭＶ１）、ｂ＝ＭＶ２−４（ＭＶ２−ＭＶ１）となる。このａ，ｂをｙ＝ａｘ＋ｂに代入し、ｙ＝５（ＭＶ２−ＭＶ１）ｘ＋ＭＶ２−４（ＭＶ２−ＭＶ１）からなる１次関数の式（１）による近似線を作成する。
【００３９】
そして、制御部４の第２算出手段４ｃは、作成した１次関数の式（１）による近似線上の目標値ＳＶに対応する操作量ＭＶを、制御量ＰＶが目標値ＳＶに到達するときの推定操作量ＭＶ３として算出する。すなわち、１次関数の式（１）より、推定操作量ＭＶ３＝５（ＭＶ２−ＭＶ１）＋ＭＶ２−４（ＭＶ２−ＭＶ１）［％］となるので、第１算出手段４ｂにて算出した平均操作量ＭＶ１，ＭＶ２を代入することにより推定操作量ＭＶ３を算出する。
【００４０】
そして、制御部４の第２制御手段４ｄは、図２の区間（ハ）に示すように、操作量ＭＶを推定操作量ＭＶ３として所定時間Ｔ３だけ出力を継続し、推定操作量ＭＶ３でアクチュエータを駆動して加熱手段１１を制御する。
【００４１】
さらに、制御部４の第３制御手段４ｅは、図２の区間（ニ）に示すように、推定操作量ＭＶ３による制御が所定時間Ｔ３を経過すると、推定操作量ＭＶ３に加えて積分制御を開始し、操作量ＭＶを微調整制御する。これにより、オーバシュートを抑制した状態で制御量ＰＶが目標値ＳＶに一致するように制御が実行される。
【００４２】
ところで、上述した実施の形態では、制御対象として電気炉１３の炉内温度を目標値ＳＶに制御する制御装置のチューニングと制御を例にとって説明したが、これに限定されるものではない。例えば流量系や化学反応系などにおける流量、湿度、圧力などの物理量を目標値に制御する制御装置のチューニングと制御として用いることもできる。
【００４３】
このように、本実施の形態によれば、チューニングと制御により、目標値に対応する推定操作量を算出して制御した後、制御量が目標値に一致するように操作量を微調整制御するので、オーバシュートを抑制して制御量が目標値を超えずにチューニングと制御を行うことが可能となる。
【００４４】
以上、本発明に係る制御装置および制御方法の最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術などはすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。
【符号の説明】
【００４５】
１  制御装置
２  操作表示部
３  記憶部
４  制御部
４ａ  第１制御手段
４ｂ  第１算出手段
４ｃ  第２算出手段
４ｄ  第２制御手段
４ｅ  第３制御手段
１１  加熱手段
１２  温度センサ
１３  電気炉（制御対象）
【図１】
2020149569.tif 000003
【図２】
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