(57)【要約】【課題】ザゼンソウ型制御アルゴリズムと、従来の汎用制御アルゴリズムとを融合させ、広範囲な制御対象に対して適応した物理量制御アルゴリズムを提供する。【解決手段】温度制御装置は、遅延器１、温度センサー３、第１のザゼンソウ型制御部、第２のＰＩＤ制御部１１、エネルギー発生器４，ヒーター５、混合器２１を備え、第１のザゼンソウ型制御部は現在温度と前回温度との時間変化勾配をパラメータとし、第２のＰＩＤ制御部１１は現在温度と目標温度との差をパラメータとし、第１のザゼンソウ型制御部と第２のＰＩＤ制御部１１が並列に接続されることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィードバック制御によって制御対象の物理量を目標値に制御する物理量制御装置であって、
所定の制御周期毎に物理量センサーによって測定された制御対象の各物理量から決定される第１の操作量を演算する第１の制御部と、
前記測定された制御対象の物理量と前記目標値とから決定される第２の操作量を演算する第２の制御部と、
演算された前記第１の操作量と前記第２の操作量とを並列処理して第３の操作量を決定する混合器と、
前記第３の操作量に応じて前記制御対象の物理量を前記目標値に制御する物理量制御部と、
を備えることを特徴とする物理量制御装置。
【請求項２】
前記第１の制御部は、前記第１の操作量をザゼンソウ型アルゴリズムに基づいて決定することを特徴とする、請求項１に記載の物理量制御装置。
【請求項３】
前記第２の制御部は、前記第２の操作量をＰＩＤアルゴリズムに基づいて決定することを特徴とする、請求項１又は２に記載の物理量制御装置。
【請求項４】
前記第１の制御部は、前記第１の操作量として前記測定された制御対象の前記物理量の現在値と前記物理量の前回値との差の時間勾配を演算することを特徴とする、請求項２に記載の物理量制御装置。
【請求項５】
前記第２の制御部は、前記第２の操作量として前記測定された制御対象の物理量と前記目標値との差を演算することを特徴とする、請求項３に記載の物理量制御装置。
【請求項６】
前記混合器は、前記第１の操作量と前記第２の操作量とを重み付け加算することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の物理量制御装置。
【請求項７】
制御対象の物理量が温度、圧力、流量、レベル、電流、電圧のいずれか１つであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の物理量制御装置。
【請求項８】
フィードバック制御によって制御対象の物理量を目標値に制御する方法であって、
所定の制御周期毎に物理量センサーによって測定された制御対象の各物理量から決定される第１の操作量を演算するステップと、
前記測定された制御対象の物理量と前記目標値とから決定される第２の操作量を演算するステップと、
演算された前記第１の操作量と前記第２の操作量とを並列処理して第３の操作量を決定するステップと、
前記第３の操作量に応じて前記制御対象の物理量を前記目標値に制御するステップと、
を含むことを特徴とする物理量制御方法。
【請求項９】
前記ステップ（ａ）は、前記第１の操作量をザゼンソウ型アルゴリズムに基づいて決定することを特徴とする、請求項８に記載の物理量制御方法。
【請求項１０】
前記ステップ（ｂ）は、前記第２の操作量をＰＩＤアルゴリズムに基づいて決定することを特徴とする、請求項８又は９に記載の物理量制御方法。
【請求項１１】
前記ステップ（ａ）は、前記第１の操作量として前記測定された制御対象の前記物理量の現在値と前記物理量の前回値との差の時間勾配を演算することを特徴とする、請求項９に記載の物理量制御方法。
【請求項１２】
前記ステップ（ｂ）は、前記第２の操作量として前記測定された制御対象の物理量と前記目標値との差を演算することを特徴とする、請求項１０に記載の物理量制御方法。
【請求項１３】
前記ステップ（ｄ）は、前記第１の操作量と前記第２の操作量とを重み付け加算することを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の物理量制御方法。
【請求項１４】
制御対象の物理量が温度、圧力、流量、レベル、電流、電圧のいずれか１つであることを特徴とする、請求項８〜１３のいずれかに記載の物理量制御方法。
【請求項１５】
フィードバック制御によって制御対象の温度を目標値に制御する物理量制御装置として構成するコンピュータに、
所定の制御周期毎に物理量センサーによって測定された制御対象の各物理量から決定される第１の操作量を演算するステップと、
前記測定された制御対象の物理量と前記目標値とから決定される第２の操作量を演算するステップと、
演算された前記第１の操作量と前記第２の操作量とを並列処理して第３の操作量を決定するステップと、
前記第３の操作量に応じて前記制御対象の物理量を前記目標値に制御するステップと、
を実行させるための物理量制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィードバック制御アルゴリズムにより、制御対象の物理量を所定の値に制御する物理量制御装置、物理量制御方法及び物理量制御プログラムに関するものである。より詳細には、本発明は、ザゼンソウ型制御アルゴリズムと従来のＰＩＤ制御アルゴリズムとを融合したハイブリッド制御アルゴリズムに基づいて、広範な制御対象の物理量を制御する物理量制御装置、物理量制御方法及び物理量制御プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
家電製品を始めとする、工業・産業ロボットの制御や医療などの多くの分野において、温度・圧力・流量・レベルなどを目的値に制御する手法として、ＰＩＤアルゴリズムによるフィードバック制御（以下「ＰＩＤ制御」と称する）が知られている。このＰＩＤ制御は、比例・積分・微分の３つのパラメータを制御対象毎に設定し直すことによって最適な制御を実現する技術であり、様々な制御対象に対応できる柔軟性を有している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方、このようなＰＩＤ制御とは全く異なる発想に基づく、恒温植物に備わる温度制御機構を利用した温度制御手法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。一般に、植物の体温は外気温の変化とともに変動するが、サトイモ科の植物であるザゼンソウは、その肉穂花序が氷点下環境においても体温を約２０度前後に維持するという驚くべき特性を有することが知られている。ザゼンソウ型制御アルゴリズムは、こうした高度な温度制御機構を有するザゼンソウの温度制御アルゴリズムを推定してモデル化し、そのモデルを使用して制御対象の温度を制御する方法である。
【０００４】
ザゼンソウ型制御アルゴリズムは、基本的に微分型のフィードバック機構を有しているため、制御対象の特性が変化してもその制御性能への影響が小さい。即ち、ザゼンソウ型制御アルゴリズムは非線形の制御対象に有効な制御アルゴリズムである。ザゼンソウ型制御アルゴリズムにおける制御パラメータはフィードバック係数及び初期エネルギーの２つであるが、制御特性はこれらの値に敏感ではなく、高いロバスト性を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−９２５０１号公報
【特許文献２】特開２００８−２３４１５２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、ＰＩＤアルゴリズムは基本的には線形問題に対して有効なアルゴリズムであるため、例えば、ヒーターなどのように入力エネルギーと到達温度が非線形となる特性を示す多くの制御対象を制御する場合には、制御対象の特性変化に合わせて制御パラメータを随時調整する必要がある。これらの制御パラメータの設定には経験、勘及び試行錯誤による時間と労力をかけた調整に依存せざるを得ない場合が多く、そのコストは決して少なくない。こうした煩雑な制御パラメータの設定を自動化することが考えられるが、一般的に、これらのパラメータを厳密に決定するのは困難である。
【０００７】
また、こうした非線形特性を示す制御対象を制御する場合に、ごく狭い領域を制御範囲として線形近似を行うことによって、ＰＩＤ制御アルゴリズムを適用することも可能である。しかし、それでは制御対象の持つ性能を十分に利用したとは言えず、本来の制御内容よりオーバースペックの特性を要求することにつながりかねない。
【０００８】
一方、ザゼンソウ型制御アルゴリズムに関しても、現在提案されているアルゴリズムは目標値に対する追従性において改善の余地を有している。
【０００９】
このように、ＰＩＤ制御アルゴリズムにおける優れた目標値追従性と、ザゼンソウ型制御アルゴリズムにおける優れた安定性の双方を有し、広範囲な制御対象の特性に適応可能な制御アルゴリズムのニーズが存在する。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、植物の熱応答特性から得られたザゼンソウ型制御アルゴリズムと、従来から利用されている汎用制御アルゴリズムとを融合することによって、従来よりも広範囲な制御対象に対して、その特性に適応した制御を行う物理量制御装置、物理量制御方法及び物理量制御プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明によるフィードバック制御によって制御対象の物理量を目標値に制御する物理量制御装置は、所定の制御周期毎に物理量センサーによって測定された制御対象の各物理量から決定される第１の操作量を演算する第１の制御部と、前記測定された制御対象の物理量と前記目標値とから決定される第２の操作量を演算する第２の制御部と、演算された前記第１の操作量と前記第２の操作量とを並列処理して第３の操作量を決定する混合器と、前記第３の操作量に応じて前記制御対象の物理量を前記目標値に制御する物理量制御部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による物理量制御装置において、前記第１の制御部は、前記第１の操作量をザゼンソウ型アルゴリズムに基づいて決定することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による物理量制御装置において、前記第２の制御部は、前記第２の操作量をＰＩＤアルゴリズムに基づいて決定することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明による物理量制御装置において、前記第１の制御部は、前記第１の操作量として前記測定された制御対象の前記物理量の現在値と前記物理量の前回値との差の時間勾配を演算することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による物理量制御装置において、前記第２の制御部は、前記第２の操作量として前記測定された制御対象の物理量と前記目標値との差を演算することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による物理量制御装置において、前記混合器は、前記第１の操作量と前記第２の操作量とを重み付け加算することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明による物理量制御装置において、制御対象の物理量が温度、圧力、流量、レベル、電流、電圧のいずれか１つであることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明によるフィードバック制御によって制御対象の物理量を目標値に制御する方法は、所定の制御周期毎に物理量センサーによって測定された制御対象の各物理量から決定される第１の操作量を演算するステップと、前記測定された制御対象の物理量と前記目標値とから決定される第２の操作量を演算するステップと、演算された前記第１の操作量と前記第２の操作量とを並列処理して第３の操作量を決定するステップと、前記第３の操作量に応じて前記制御対象の物理量を前記目標値に制御するステップとを含むことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明による物理量制御方法において、前記ステップ（ａ）は、前記第１の操作量をザゼンソウ型アルゴリズムに基づいて決定することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明による物理量制御方法において、前記ステップ（ｂ）は、前記第２の操作量をＰＩＤアルゴリズムに基づいて決定することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明による物理量制御方法において、前記ステップ（ａ）は、前記第１の操作量として前記測定された制御対象の前記物理量の現在値と前記物理量の前回値との差の時間勾配を演算することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明による物理量制御方法において、前記ステップ（ｂ）は、前記第２の操作量として前記測定された制御対象の物理量と前記目標値との差を演算することを特徴とする。
【００２３】
また、本発明による物理量制御方法において、前記ステップ（ｄ）は、前記第１の操作量と前記第２の操作量とを重み付け加算することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明による物理量制御方法において、制御対象の物理量が温度、圧力、流量、レベル、電流、電圧のいずれか１つであることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明による物理量制御プログラムは、フィードバック制御によって制御対象の物理量を目標値に制御する物理量制御装置として構成するコンピュータに、所定の制御周期毎に物理量センサーによって測定された制御対象の各物理量から決定される第１の操作量を演算するステップと、前記測定された制御対象の物理量と前記目標値とから決定される第２の操作量を演算するステップと、演算された前記第１の操作量と前記第２の操作量とを並列処理して第３の操作量を決定するステップと、前記第３の操作量に応じて前記制御対象の物理量を前記目標値に制御するステップとを実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、線形特性を有する制御対象及び非線型特性を有する制御対象の双方に適応した物理量制御アルゴリズムを提供することができ、この物理量制御アルゴリズムを利用して、所定の制御対象の物理量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】
【００２７】
【図１】本発明による一実施例の物理量制御装置におけるハイブリッド制御アルゴリズムでのザゼンソウ型制御部とＰＩＤ制御部の接続方法を示している。
【図２】本発明による一実施例の物理量制御装置におけるハイブリッド制御アルゴリズムに基づく発熱制御機構モデルを示すブロック図である。
【図３】本発明による一実施例の物理量制御装置におけるハイブリッド制御アルゴリズムに基づく温度制御のフローチャートである。
【図４】本発明による一実施例の物理量制御装置におけるハイブリッド制御と、従来のＰＩＤ及びザゼンソウ型制御との性能の比較図である。
【図５】本発明によるハイブリッド制御アルゴリズムとＰＩＤ制御による、白熱電球の温度制御性能を示す図である。
【図６】本発明によるハイブリッド制御アルゴリズムとＰＩＤ制御による、白熱電球の温度制御における、外乱の影響を示す図である。
【図７】（ａ）従来のＰＩＤ制御による電力性能を示す図であり、（ｂ）従来のＰＩＤ制御による温度制御の操作量を示す図であり、（ｃ）本発明による一実施例の物理量制御装置におけるハイブリッド制御アルゴリズムによる電力性能を示す図であり、（ｄ）本発明による一実施例の物理量制御装置におけるハイブリッド制御アルゴリズムによる温度制御の操作量を示す図である。
【図８】ＰＩＤ制御アルゴリズムに基づくブロック図である。
【図９】ザゼンソウ型制御アルゴリズムに基づくブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明において、「物理量」を、温度、圧力、流量、レベル（水位などの液面の高さ）、電流、電圧などの制御可能な量として定義し、以下に、制御対象の物理量が温度である場合を例に、本発明による一実施例の温度制御装置について、図１〜９を参照して具体的に説明する。
【００２９】
〔温度制御装置〕
本実施例の温度制御装置１０１は、ＰＩＤアルゴリズムによる制御部（以下「ＰＩＤ制御部」と称する）１０３と、ザゼンソウ型アルゴリズムによる制御部（以下「ザゼンソウ型制御部」と称する）１０２と、温度制御部１０４とを備える。
【００３０】
本発明の理解を助けるために、まずＰＩＤ制御アルゴリズムとザゼンソウ型制御アルゴリズムの双方を説明する。
【００３１】
図８は、ＰＩＤ制御に基づく温度制御アルゴリズムの一例を示すブロック図である。図８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、ＰＩＤ制御部１０３が、目標温度Ｔｏと現在温度Ｔｓとの間の偏差を算出し、その偏差に基づいてＰＩＤ制御の各要素のパラメータを演算して操作量を決定する。現在温度Ｔｓが目標温度Ｔｏになるように制御される。
【００３２】
図９は、ザゼンソウ型制御アルゴリズムに基づく温度制御アルゴリズムの一例を示すブロック図である。図９に示すように、ザゼンソウ型制御部１０２は、温度時間変化勾配演算部１０２ａと制御信号演算部１０２ｂとを備える単純な構造を有している。ＰＩＤ制御においては、フィードバック制御に係る制御量は目標温度と現在温度との差を対象とするのに対し、ザゼンソウ型制御アルゴリズムにおいては、制御量は温度の時間変化勾配を対象とする。
【００３３】
ここで、本実施例によるザゼンソウ型制御アルゴリズムとＰＩＤ制御アルゴリズムとを融合させたアルゴリズム（以下「ハイブリッド制御アルゴリズム」と称する）について説明する。
【００３４】
図１は、本実施例によるハイブリッド制御アルゴリズムにおける温度制御装置１０１の構造を示している。ザゼンソウ型制御アルゴリズムとＰＩＤ制御アルゴリズムとを融合させる上で幾つかの方法が考えられる。このような場合、通常であれば直列接続が採用されるところを、本発明者らは、鋭意検討した結果、図１に示す並列型の接続方法を使用することによって、双方のアルゴリズムの利点を最も良好に融合できることを見いだした。即ち、ザゼンソウ型制御部１０２から出力される制御量とＰＩＤ制御部１０３から出力される制御量とを重み付け加算し（ただし１：１の場合も含む）、この加算された制御量に基づいて温度制御を行うことによって両アルゴリズムの利点を有し、正確かつ高速に温度制御を行うことが可能となる。
【００３５】
図２は、本発明による実施例のハイブリッド制御アルゴリズムの発熱制御機構モデルを示すブロック図である。この発熱制御機構モデルは、遅延器１、減算器２、温度センサー３、エネルギー発生器４、ヒーター５、減算器６、熱伝達器７、減算器８、熱伝達器９、加算器１０、ＰＩＤ制御部１１、減算器１２、及び混合器２１により構成される。
【００３６】
次に、各構成要素の動作について詳細に説明する。本発明による温度制御は、制御周期をτとし、制御周期毎に温度測定及び制御量を演算することによって、以前の測定温度と今回の測定温度の差がゼロになるように制御される。遅延器１は、ザゼンソウの現在温度Ｔｓ（ｔ）に対して、τだけ前の時刻における温度Ｔｓ（ｔ−τ）、即ち、前回温度を出力する。
【００３７】
減算器２は、ザゼンソウの現在温度Ｔｓ（ｔ）と前回温度Ｔｓ（ｔ−τ）との間の差分演算を行い、制御周期τにおける温度変化量（変化勾配）ΔＴｓを出力する。
【００３８】
温度センサー３は、所定の感度（ザゼンソウが０℃近傍に±０．９℃の不感帯が存在するため）を有し、入力された制御周期τにおける温度変化量ΔＴｓをフィードバック制御信号ΔＳに変換して、フィードバック制御信号ΔＳを出力する。
【００３９】
エネルギー発生器４は、フィードバック制御信号ΔＳにフィードバック係数Ａを乗算した生化学的エネルギーΔＥ１を発生する。ここで、フィードバック係数Ａは、フィードバックされた温度変化をどの程度伝達させるかを決定するパラメータである。
【００４０】
ヒーター５は、混合器２１から出力された生化学的エネルギーΔＥの一部が発熱量になることから、生化学的エネルギーΔＥに変換効率ηを乗算した熱量変化ΔＱを出力する。即ち、ヒーター５によって、生化学的エネルギーΔＥに応じた熱量ΔＱが出力される。ここで、変換効率ηは生化学的エネルギーから熱量への変換効率を示すパラメータである。
【００４１】
生化学的エネルギーから発生した熱の一部は外気に放出される。ニュートンの冷却則によれば、ザゼンソウ（の肉穂花序）と外気との間で授受される熱量Ｑｅｘは、これらの温度差に比例する。そこで、減算器６は、ザゼンソウの温度Ｔｓ（ｔ）と外気温度Ｔａ（ｔ）との間の差分演算を行い、この温度差を出力する。
【００４２】
熱伝達器７は、入力された温度差に熱伝達率ｈを乗算して熱量Ｑｅｘを出力する。ここで、熱伝達率ｈは、ザゼンソウと外気との間の熱伝達係数を示すパラメータである。
【００４３】
減算器８は、生化学的エネルギーΔＥに応じた熱量ΔＱと、ザゼンソウと外気との間で授受される熱量Ｑｅｘとの間の差分演算を行い、総熱量変化量ΔＱ’を出力する。
【００４４】
熱伝達器９は、総熱量変化量ΔＱ’に熱伝達率の逆数１／λを乗算して温度に変換する。
【００４５】
加算器１０は、熱伝達器９により変換された温度と、初期温度Ｔ０（時刻ｔ＝０のときのザゼンソウの温度）との間の加算演算を行い、ザゼンソウの現在温度Ｔｓが求められる。ここで、熱伝達率λは、ザゼンソウの熱伝達率を示すパラメータである。
【００４６】
ＰＩＤ制御部１１は、前述の通り、目標温度Ｔｏと現在温度Ｔｓを入力として、それらの間の偏差を算出し、得られた偏差に基づいてＰＩＤ各要素の係数で演算を施すことにより補正量を決定し、エネルギーΔＥ２を出力する。制御対象は、この操作量によって、温度Ｔｓが目標温度になるように制御される。このＰＩＤ制御部１１には、積分先行型のＰＩＤ制御アルゴリズムの融合アルゴリズム制御型や干渉型、及び非干渉型、位置型や速度型といったＰＩＤ制御器の応用型は勿論、現代制御理論に基づいた他の制御器を用いることも可能である。
【００４７】
減算器１２は、目標温度Ｔｏと現在温度Ｔｓとの間の差分演算を行い、この温度差を出力する。
【００４８】
混合器２１は、エネルギー発生器４から出力されたザゼンソウ型制御アルゴリズムによる生化学的エネルギーΔＥ１と、ＰＩＤ制御部１１から出力されたＰＩＤ制御アルゴリズムによるエネルギーΔＥ２を重み付け加算して、補正された生化学的エネルギーΔＥ＝Ｍ（αΔＥ１＋（１−α）ΔＥ２）をヒーター５に出力する。ここで０＜α＜１である。
【００４９】
このように、図２に示したザゼンソウの発熱制御機構モデルによれば、例えば外気温度Ｔａが下がると、ザゼンソウと外気との間で授受される熱量Ｑｅｘが大きくなり、マイナスの総熱量変化量ΔＱ’によりザゼンソウの温度Ｔｓが下がる。ザゼンソウ型制御部において、制御周期τの温度変化量ΔＴｓに応じたエネルギーΔＥ２を発生する。ＰＩＤ制御部１１においては、低下したザゼンソウの温度Ｔｓと目標温度の差からエネルギーΔＥ１を発生する。ΔＥ１とΔＥ２とが混合されてΔＥが得られ、この値に応じた生化学的エネルギーを発生する。この生化学的エネルギーに応じた熱量ΔＱを出力して総熱量変化量ΔＱ’がゼロになるように制御する。その結果、ザゼンソウの温度Ｔｓは一定を維持する。すなわち、外気温度Ｔａが下がると、制御周期τの温度変化量ΔＴｓがゼロになるように、エネルギー発生器４が生化学的エネルギーΔＥを発生し、ヒーター５がこの生化学的エネルギーΔＥに応じた熱量ΔＱを出力する。
【００５０】
ハイブリッド制御アルゴリズムは、ＰＩＤ制御部における比例・積分・微分の３つのパラメータと、ザゼンソウ型制御部におけるフィードバック係数及び初期エネルギーの２つのパラメータの計５つの制御パラメータが存在するが、制御特性はこれらのパラメータの値に敏感ではない。これは、ザゼンソウ型制御アルゴリズムのパラメータ設定において観察される特性を継承していることを示しており、ＰＩＤ制御の利点である目標値追随性を有しつつ、煩雑なパラメータ設定のコストを低減できることを意味している。この結果、制御対象のカテゴリ等に応じてパラメータを予め準備しておきさえすれば、個体差に応じたパラメータ調整を必要としないため、利用者にとって扱いが容易な調整系を構成することが可能になる。
【００５１】
また、本発明によるハイブリッド制御部の制御構造は、図１に示したように並列型であるため、ＰＩＤ制御アルゴリズム単独で使用した場合と比較して演算速度は同等であり、更に制御周期を小さくすることによって制御特性を向上できるという、ザゼンソウ型制御アルゴリズムの利点も継承している。これは本発明によるハイブリッド制御アルゴリズムをプログラムとした場合に、実行するプロセッサの性能向上とともに、制御特性もまた向上することを意味している。
【００５２】
図４は、本発明によるハイブリッド制御アルゴリズムと、従来のザゼンソウ型制御アルゴリズム及びＰＩＤ制御アルゴリズムとによる制御性能比較試験の結果を示した図である。図から明らかなように、ＰＩＤ制御は、設定値１０％に対してオーバーシュートが発生し、かつハンチング（振動現象）が発生していることが分かる。一方、ザゼンソウ型制御は安定した制御性能を示すものの、パラメータの調整によっては図のような定常偏差（オフセット）が発生し、目標温度に到達しない場合が存在する。これらの制御法に対し、本発明によるハイブリッド制御アルゴリズムによる結果は、ＰＩＤ制御において観察されたオーバーシュートが発生せず、かつ目標温度への到達時間は３つのアルゴリズムの中で最も早い。更にザゼンソウ型制御において観察された定常偏差が発生せず、目標値に正確に追従していることが分かる。
【００５３】
図５は、白熱電球の温度を制御した場合の特性を示している。図５に示すように、ＰＩＤ制御アルゴリズムでは３００℃付近は制御不能となっており、また６５０℃への急激な温度変化に対してオーバーシュートが発生している。一方、ハイブリッド制御アルゴリズムでは、ＰＩＤ制御アルゴリズムで制御不能な上記の領域においても非常に良好な制御特性を示し、かつ急激な温度変化に対してもオーバーシュートが発生しないことが分かる。
【００５４】
図６は、白熱電球の温度制御における外乱の効果を示している。スイッチを一旦切断し、再びスイッチを接続した時の白熱電球の温度と出力変化を示している。図から明らかなように、ＰＩＤ制御においては外乱に対して大きなオーバーシュートが発生し、回復時間は約３０秒である。また、温度制御のための出力は一時的に１００％に達する。一方、ハイブリッド制御においては、オーバーシュートはほぼ抑制され、回復時間は僅か１秒程度と著しく低減されている。また、温度制御のための出力変化も非常に小さい。これは温度制御に係る電力消費が低減されることを意味しており、省エネルギーの制御系実現の可能性を示している。
【００５５】
図７は、植物栽培用のインキュベータにて温度を２０℃に制御する際の操作量と瞬時電力を示している。ここで、操作量はヒーターに対してのみであり、瞬時電力はヒーター以外に冷凍機（ＯＮ／ＯＦＦ制御を行っている）も含んだ値である。従って、図７では、ザゼンソウハイブリッド制御において操作量が０％にも関わらず、瞬時電力量が出ているのである。図７（ａ）及び（ｂ）から明らかなように従来のＰＩＤ制御においては、温度制御のための操作量が常時１０％程度であり、操作量が２０％、瞬時電力が１０００Ｗを越える場合がしばしば観察される。一方、図７（ｃ）及び（ｄ）から明らかなように、ハイブリッド制御においては、ほぼ操作されることなく安定した温度制御を実現している。このようなハイブリッド制御による安定した温度制御により、消費電力は従来のＰＩＤ制御に対して約８％低減されることが明らかとなった。
【００５６】
［制御方法］
図３は、本発明によるハイブリッド制御アルゴリズムにおける制御部の動作の例を示すフローチャートである。構成要素の説明に関しては、図２の符号を使用する。前述の通り、本発明の制御部は、ザゼンソウ型制御部と、汎用のアルゴリズムであるＰＩＤ制御部１１とを有する。
【００５７】
まず、ステップ５０１において、今回測定した温度と前回測定した温度を読み込む。
【００５８】
次に、ステップ５０２において、ザゼンソウ型制御アルゴリズムに基づく制御量の演算を行う。ステップ５０１で読み出された、今回測定した温度と前回測定した温度とから、温度変化勾配を計算し、エネルギー発生器４にてエネルギーΔＥ１を混合器２１に出力する。
【００５９】
同様に、ステップ５０３において、ＰＩＤ制御アルゴリズムに基づく制御量の演算を行う。まず、ステップ５０２で読み出された今回測定した温度と目標温度との差を計算する。得られた差の値に基づいてＰＩＤ演算を行い、得られた制御量ΔＥ２を混合器２１に出力する。
【００６０】
ここで、ステップ５０２及び５０３の順序は逆でもよい。
【００６１】
最後に、ステップ５０４にて、ステップ５０２において入力されたザゼンソウ型制御アルゴリズムによる制御量ΔＥ１と、ステップ５０３において入力されたＰＩＤ制御アルゴリズムによる制御量ΔＥ２を重み付け加算して（ただし１：１の場合も含む）、制御量ΔＥ＝Ｍ（αΔＥ１＋（１−α）ΔＥ２）をヒーター５に出力する。ここで０＜α＜１である。得られたΔＥに基づいて、ヒーター５が発熱し、熱伝達器９を経て、次の温度が測定される。
【００６２】
このように、前回測定された温度と、今回測定された温度の差がゼロになるまでステップ５０１〜５０３を繰り返す。
【００６３】
本発明による温度制御装置は、ＣＰＵ、ＲＡＭなどの揮発性記憶媒体、ＲＯＭなどの不揮発性記憶媒体、マウス、キーボード、及びポインティングデバイス等の入力装置、画像やデータを表示する表示器、及び外部と通信するためのインターフェースを備えたコンピュータによって構成される。上記温度制御方法は、本発明によるハイブリッド制御アルゴリズムを記述したプログラムを実行させることができる。また、これらのプログラムは、磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリなどの記憶媒体に格納して頒布することもできる。
【００６４】
以上、本実施例の物理量制御装置について、温度を制御対象とする一例について説明したが、制御対象が温度以外の圧力、レベル、電流、電圧など物理量に対しても適用できる。例えば、配管内を通過する液体の圧力を測定して液体流量を制御する際に、ポンプや操作端などに起因する液体の流れの乱れや振動が雑音として測定信号に混入する場合が多いが、本実施例の物理量制御装置によれば、図６に示した外乱に対する優れた応答特性が得られることから明らかなように、上記の雑音混入に対してもオーバーシュートがなく、かつ回復時間の小さな制御が可能である。また、水位を測定してボイラドラムにおける水位を制御する際に、水面に発生する波立ちが雑音として混入する場合が多いが、本実施例の物理量制御装置によれば同様に良好な制御が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、１．むだ時間が長く設定値の変化幅が少ない制御対象（空調制御、液温制御、恒温恒湿制御など）、２．応答までのむだ時間は長いが、一旦応答すると応答速度の速い制御対象（精密金属熱処理に使用される高周波加熱炉、燃料電池の水素／酸素ガスの排圧制御、流量制御など）、３．重合反応のように、反応が進むと自己発熱を起こし、それが外乱となる制御対象（化学系に代表される重合反応での温度制御など）、４．操作量と制御量の関係が線形でない制御対象（半導体製造装置でハロゲンランプを用いた熱処理制御装置、半導体炉内に流し込むガス流量制御など）に有用である。
【００６６】
以上、具体例を挙げて本発明を詳細に説明してきたが、本発明の特許請求の範囲から逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能であることは当業者に明らかである。従って、本発明は上記の実施例に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００６７】
１  遅延器
２，６，８，１２，１０６，１０７  減算器
３  温度センサー
４  エネルギー発生器
５  ヒーター
７，９  熱伝達器
１０  加算器
１１  ＰＩＤ制御部
２１  混合器
１０１  温度制御装置
１０２  ザゼンソウ型制御部
１０２ａ  温度時間変化勾配演算部
１０２ｂ  制御信号演算部
１０３  ＰＩＤ制御部
１０４  温度制御部
１０５  混合器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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