(57)【要約】【課題】ガス燃焼炉と電気炉のハイブリッド型熱処理炉についてガスモードから電気モードに早く確実に切り換える。【解決手段】制御装置は、追従フェーズへ切り換える第１のフェーズ切換部３と、収束フェーズへ切り換える第２のフェーズ切換部４と、安定フェーズへ切り換える第３のフェーズ切換部５と、追従フェーズの操作量を出力する第１の操作量決定部６と、収束フェーズの操作量を出力する第２の操作量決定部７と、安定フェーズの操作量を出力する第３の操作量決定部８と、ハイブリッド型熱処理炉をガス燃焼炉として動作させる操作手段に第１の操作量決定部６からの操作量を出力するガスモード操作量出力部９と、ハイブリッド型熱処理炉を電気炉として動作させる操作手段に第２、第３の操作量決定部７，８からの操作量を出力する電気モード操作量出力部１０とを備える。【選択図】  図２
2010146331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
設定値変更開始時点を追従フェーズの開始時点として前記追従フェーズへの切り換えを行う第１のフェーズ切換手段と、
前記追従フェーズにおいて制御量が設定値を超えない特定の設定値追従制御経過時点を収束フェーズの開始時点として前記収束フェーズへの切り換えを行う第２のフェーズ切換手段と、
前記収束フェーズにおいて予め設定された状況に到達した時点を安定フェーズの開始時点として前記安定フェーズへの切り換えを行う第３のフェーズ切換手段と、
前記追従フェーズにおいて制御量を設定値に追従させる操作量を継続的に出力する第１の操作量決定手段と、
前記収束フェーズにおいて制御量を設定値近傍に収束させる操作量を継続的に出力する第２の操作量決定手段と、
前記安定フェーズにおいて制御量を設定値に安定させる操作量を継続的に出力する第３の操作量決定手段と、
エネルギー効率に優れた第１のモードと制御の応答性に優れた第２のモードの２つの動作モードを有する制御対象を前記第１のモードで動作させる第１の操作手段に、前記追従フェーズにおいて前記第１の操作量決定手段から出力された操作量を出力する第１の操作量出力手段と、
前記制御対象を前記第２のモードで動作させる第２の操作手段に、前記収束フェーズおよび安定フェーズにおいて前記第２の操作量決定手段または第３の操作量決定手段から出力された操作量を出力する第２の操作量出力手段とを備えることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の制御装置において、
前記制御対象は、ガス燃焼炉と電気炉のハイブリッド型熱処理炉であり、前記第１のモードは、ガス燃焼炉として動作するガスモードであり、前記第２のモードは、電気炉として動作する電気モードであることを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項１記載の制御装置において、
前記第２のフェーズ切換手段は、前記追従フェーズにおいて現在の制御量から設定値に達するまでの時間である到達残り時間の予測値を、設定値と制御量との偏差および制御量の変化率に基づいて計算し、計算した到達残り時間予測値が予め設定された時間指標よりも小さくなった時点を前記収束フェーズの開始時点とすることを特徴とする制御装置。
【請求項４】
設定値変更開始時点を追従フェーズの開始時点として前記追従フェーズへの切り換えを行う第１のフェーズ切換手順と、
前記追従フェーズにおいて制御量を設定値に追従させる操作量を継続的に出力する追従フェーズの操作量決定手順と、
エネルギー効率に優れた第１のモードと制御の応答性に優れた第２のモードの２つの動作モードを有する制御対象を前記第１のモードで動作させる第１の操作手段に、前記追従フェーズの操作量決定手順で決定された操作量を出力する追従フェーズの操作量出力手順と、
前記追従フェーズにおいて制御量が設定値を超えない特定の設定値追従制御経過時点を収束フェーズの開始時点として前記収束フェーズへの切り換えを行う第２のフェーズ切換手順と、
前記収束フェーズにおいて制御量を設定値近傍に収束させる操作量を継続的に出力する収束フェーズの操作量決定手順と、
前記制御対象を前記第２のモードで動作させる第２の操作手段に、前記収束フェーズの操作量決定手順で決定された操作量を出力する収束フェーズの操作量出力手順と、
前記収束フェーズにおいて予め設定された状況に到達した時点を安定フェーズの開始時点として前記安定フェーズへの切り換えを行う第３のフェーズ切換手順と、
前記安定フェーズにおいて制御量を設定値に安定させる操作量を継続的に出力する安定フェーズの操作量決定手順と、
前記第２の操作手段に、前記安定フェーズの操作量決定手順で決定された操作量を出力する安定フェーズの操作量出力手順とを備えることを特徴とする制御方法。
【請求項５】
請求項４記載の制御方法において、
前記制御対象は、ガス燃焼炉と電気炉のハイブリッド型熱処理炉であり、前記第１のモードは、ガス燃焼炉として動作するガスモードであり、前記第２のモードは、電気炉として動作する電気モードであることを特徴とする制御方法。
【請求項６】
請求項４記載の制御方法において、
前記第２のフェーズ切換手順は、前記追従フェーズにおいて現在の制御量から設定値に達するまでの時間である到達残り時間の予測値を、設定値と制御量との偏差および制御量の変化率に基づいて計算し、計算した到達残り時間予測値が予め設定された時間指標よりも小さくなった時点を前記収束フェーズの開始時点とすることを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、設定値に対して制御量が追従するように制御対象に操作量を与えて設定値追従制御を行う制御装置および制御方法に係り、例えばガス燃焼炉と電気炉のハイブリッド型熱処理炉の昇温制御を行う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】
省エネルギー制御と高精度制御の両方の要求に可能な限り対応することを目的として、ガス燃焼炉と電気炉のハイブリッド型熱処理炉が開発されている。図６はハイブリッド型熱処理炉における温度制御系の１例を示す図である。図６の例では、加熱処理炉１００の内部に電気ヒータ１０１とガスヒータ１０２と温度センサ１０３とが設置されている。温度センサ１０３は、電気ヒータ１０１またはガスヒータ１０２によって加熱される空気の温度ＰＶを測定する。温調計１０４は、温度ＰＶが制御量設定値ＳＰと一致するように操作量ＭＶを算出する。電力調整器１０５は、操作量ＭＶに応じた電力を電気ヒータ１０１に供給する。ガス流量調整器１０６は、操作量ＭＶに応じた流量のガスをガスヒータ１０２に供給する。こうして、温調計１０４は、加熱処理炉１００内の温度を制御する。
【０００３】
図６のようなハイブリッド型熱処理炉では、加熱処理炉１００を低温から高温に昇温させる際は、ガス流量調整器１０６とガスヒータ１０２とを用いることにより、エネルギー的に有利なガス燃焼炉として動作する。一方、昇温後に加熱処理炉１００の温度を一定の値に高精度に維持する際は、電力調整器１０５と電気ヒータ１０１とを用いることにより、ガス燃焼炉よりもエネルギー効率で劣るが、制御の応答性で有利な電気炉として動作する。
【０００４】
ガス燃焼炉としての加熱機能と、電気炉としての加熱機能とでは、温度制御を実行するために温調計１０４から制御指令である操作量ＭＶが出力された時点から実際に加熱の効果が現れるまでの時間や、効果が現れた後の効果の大きさが異なる。すなわち、ガス燃焼炉として動作するとき（ガスモード）と、電気炉として動作するとき（電気モード）では、制御対象の特性が異なる。このように制御対象の特性が異なる場合、ガスモードと電気モードでは、例えばＰＩＤ制御におけるＰＩＤパラメータをそれぞれに適した値に切り換える必要がある。加熱処理炉１００を昇温させる際はガスモードとし、加熱処理炉１００を一定の温度に維持する際は電気モードとするような制御の切換方法では、電気モードが熱処理炉としての通常の稼働状態になるので、早めに稼働状態に移行するために、早めに電気モードでの安定した状態を得ることが好ましい。この場合、以下のような問題が生じる。
【０００５】
（Ａ）例えば制御を早めに切り換える方法として、ガスモードで加熱処理炉の温度が設定値ＳＰに到達した時点で電気モードに切り換える方法を採用すると、不連続な制御に特有の温度の乱れが発生する。この乱れが収束するまでは、熱処理炉としての稼働状態に入れないので、時間とエネルギーに損失が発生する。
（Ｂ）例えば制御を確実に切り換える方法として、ガスモードで加熱処理炉の温度が設定値ＳＰに整定した時点で電気モードに切り換える方法を採用すると、高精度の制御が難しいガスモードで時間をかけて温度を整定させることになる。この方法では、ガスモードで整定するまでの時間とエネルギーが実質的に損失分になる。
【０００６】
制御を切り換えたときに良好な制御特性が得られるようにする技術として、特許文献１に開示された制御装置がある。特許文献１に開示された制御装置は、制御量ＰＶの切り換え時に、過去の制御偏差および過去の制御偏差の変化量をゼロにリセットし、設定値ＳＰを切り換え時点の制御量ＰＶ＿curにし、同時に制御量ＰＶが切り換わった時点の操作量ＭＶ＿cur を直前の値にすることで、制御量ＰＶが切り換わる以前にＳＰ＝ＰＶ＿cur 、ＰＶ＝ＰＶ＿cur、ＭＶ＝ＭＶ＿cur で整定していた状況と実質的に等価の状態にして、この状態から段階的に本来の制御目標を達成する状態へと近付けていくために、設定値ＳＰに１次遅れのフィルタリング処理を適用して設定値ＳＰをＳＰ＝ＰＶ＿cur から本来目指すべき値に徐々に近付けていくようにするものである。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３４５７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上のように、ガス燃焼炉と電気炉のハイブリッド型熱処理炉では、ガスモードから電気モードへの切り換えの際に上記の（Ａ）、（Ｂ）のような問題点が発生する。
また、特許文献１に開示された技術は、制御すべき対象温度を切り換えることにより、切り換えの際に良好な特性が得られるようにするものである。しかしながら、ハイブリッド型熱処理炉におけるガスモードから電気モードへの切り換えでは切り換えた時点の制御量ＰＶと本来の設定値ＳＰとが最初から一致しているので、特許文献１に開示された技術が上記問題点の有効な解決策にならないことは明白である。
なお、以上のような問題点は、ハイブリッド型熱処理炉に限らず、２つの動作モードを有する制御対象であれば同様に発生する。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、エネルギー効率に優れた第１のモードと制御の応答性に優れた第２のモードの２つの動作モードを有する制御対象について、初めに第１のモードで動作させた後に第２のモードで動作させる際に、第１のモードから第２のモードに早く確実に切り換え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する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の制御装置は、設定値変更開始時点を追従フェーズの開始時点として前記追従フェーズへの切り換えを行う第１のフェーズ切換手段と、前記追従フェーズにおいて制御量が設定値を超えない特定の設定値追従制御経過時点を収束フェーズの開始時点として前記収束フェーズへの切り換えを行う第２のフェーズ切換手段と、前記収束フェーズにおいて予め設定された状況に到達した時点を安定フェーズの開始時点として前記安定フェーズへの切り換えを行う第３のフェーズ切換手段と、前記追従フェーズにおいて制御量を設定値に追従させる操作量を継続的に出力する第１の操作量決定手段と、前記収束フェーズにおいて制御量を設定値近傍に収束させる操作量を継続的に出力する第２の操作量決定手段と、前記安定フェーズにおいて制御量を設定値に安定させる操作量を継続的に出力する第３の操作量決定手段と、エネルギー効率に優れた第１のモードと制御の応答性に優れた第２のモードの２つの動作モードを有する制御対象を前記第１のモードで動作させる第１の操作手段に、前記追従フェーズにおいて前記第１の操作量決定手段から出力された操作量を出力する第１の操作量出力手段と、前記制御対象を前記第２のモードで動作させる第２の操作手段に、前記収束フェーズおよび安定フェーズにおいて前記第２の操作量決定手段または第３の操作量決定手段から出力された操作量を出力する第２の操作量出力手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記制御対象は、ガス燃焼炉と電気炉のハイブリッド型熱処理炉であり、前記第１のモードは、ガス燃焼炉として動作するガスモードであり、前記第２のモードは、電気炉として動作する電気モードであることを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記第２のフェーズ切換手段は、前記追従フェーズにおいて現在の制御量から設定値に達するまでの時間である到達残り時間の予測値を、設定値と制御量との偏差および制御量の変化率に基づいて計算し、計算した到達残り時間予測値が予め設定された時間指標よりも小さくなった時点を前記収束フェーズの開始時点とすることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の制御方法は、設定値変更開始時点を追従フェーズの開始時点として前記追従フェーズへの切り換えを行う第１のフェーズ切換手順と、前記追従フェーズにおいて制御量を設定値に追従させる操作量を継続的に出力する追従フェーズの操作量決定手順と、エネルギー効率に優れた第１のモードと制御の応答性に優れた第２のモードの２つの動作モードを有する制御対象を前記第１のモードで動作させる第１の操作手段に、前記追従フェーズの操作量決定手順で決定された操作量を出力する追従フェーズの操作量出力手順と、前記追従フェーズにおいて制御量が設定値を超えない特定の設定値追従制御経過時点を収束フェーズの開始時点として前記収束フェーズへの切り換えを行う第２のフェーズ切換手順と、前記収束フェーズにおいて制御量を設定値近傍に収束させる操作量を継続的に出力する収束フェーズの操作量決定手順と、前記制御対象を前記第２のモードで動作させる第２の操作手段に、前記収束フェーズの操作量決定手順で決定された操作量を出力する収束フェーズの操作量出力手順と、前記収束フェーズにおいて予め設定された状況に到達した時点を安定フェーズの開始時点として前記安定フェーズへの切り換えを行う第３のフェーズ切換手順と、前記安定フェーズにおいて制御量を設定値に安定させる操作量を継続的に出力する安定フェーズの操作量決定手順と、前記第２の操作手段に、前記安定フェーズの操作量決定手順で決定された操作量を出力する安定フェーズの操作量出力手順とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、エネルギー効率に優れた第１のモードと制御の応答性に優れた第２のモードの２つの動作モードを有する制御対象について、初めに第１のモードで動作させた後に第２のモードで動作させる際に、第１のモードから第２のモードに早く確実に切り換えることができる。したがって、ハイブリッド型熱処理炉の場合であれば、ガスモードから電気モードに早く確実に切り換えることができる。また、本発明では、追従フェーズ、収束フェーズ、安定フェーズのそれぞれの制御特性を別々に調整することができるので、実対象に合わせたパラメータ調整が容易になる。特に、追従フェーズから収束フェーズへの切換時点を調整することと、収束フェーズにおける操作量を調整することにより、設定値追従制御の応答波形を強制的かつ直接的に整形する作用が得られるため、非線形性の強い系を制御対象とする場合でも、適切な設定値追従制御を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［発明の原理］
従来のハイブリッド型熱処理炉の課題の本質的、具体的な解決策の捉え方は、ガスモード（燃焼方式）と電気モード（電気方式）の連動により、稼働状態に入るまでの時間、すなわち整定までの時間を短縮することである。つまり、ガスモード（燃焼方式）と電気モード（電気方式）が連動して、低温から高温に早く昇温して早く整定するという理想的な昇温軌道を描くことが、課題解決に繋がる。
【００１４】
この場合、一連の動作においてガスモード（燃焼方式）による昇温動作では操作量ＭＶが高い数値に維持され、電気モード（電気方式）における整定動作では操作量ＭＶが低い数値に維持されることになる。すなわち、操作量帯域が分離された一連の昇温整定動作として設計するのが妥当であると分析できる。
【００１５】
そこで、発明者は、特開２００３−２０８２０１号公報に開示された制御装置における追従フェーズから収束フェーズへの移行は、不連続な操作量出力動作であるので、操作量帯域が分離された一連の昇温整定動作と類似であることに着眼した。そして、加熱方式の切り換えを追従フェーズから収束フェーズへ移行するタイミングで実行するのが適していることに想到した。すなわち、追従フェーズをガスモード（燃焼方式）で動作させ、収束フェーズと安定フェーズを電気モード（電気方式）で動作させればよい。
【００１６】
［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る制御装置の動作を示す波形図であり、図１（Ａ）は制御量ＰＶの変化を示す図、図１３（Ｂ）は操作量ＭＶの変化を示す図である。図１３（Ｂ）の○印は制御周期ｄｔごとに出力される操作量ＭＶである。本実施の形態では、設定値変更に伴う設定値追従制御の応答過程を、以下に示す３段階のフェーズ（追従フェーズ、収束フェーズ、安定フェーズ）に分割する。
【００１７】
まず、応答過程において、設定値ＳＰ変更開始時点ｔ１から、制御量ＰＶが設定値ＳＰを超えない特定の設定値追従制御経過時点ｔ２までを追従フェーズとする。この追従フェーズでは、設定値追従制御の応答波形が乱れず、かつ制御量ＰＶが設定値ＳＰに追従するような操作量ＭＶを継続的に出力する。次に、前記特定の設定値追従制御経過時点ｔ２から、予め指定された状況に到達する時点ｔ３までを収束フェーズとする。この収束フェーズでは、設定値追従制御の応答波形が乱れず、かつ制御量ＰＶが設定値ＳＰ近傍に収束するような操作量ＭＶを継続的に出力する。そして、前記予め指定された状況に到達した時点ｔ３以降を安定フェーズとする。この安定フェーズでは、制御量ＰＶが設定値ＳＰに安定するような操作量ＭＶを継続的に出力する。
【００１８】
図２は本実施の形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。制御装置は、制御装置のオペレータによって設定された設定値ＳＰを入力する設定値入力部１と、図示しないセンサによって検出された制御量ＰＶを入力する制御量入力部２と、設定値変更開始時点を追従フェーズの開始時点ｔ１として追従フェーズへの切り換えを行う第１のフェーズ切換部３と、追従フェーズにおいて制御量ＰＶが設定値ＳＰを超えない特定の設定値追従制御経過時点を収束フェーズの開始時点ｔ２として収束フェーズへの切り換えを行う第２のフェーズ切換部４と、収束フェーズにおいて予め設定された状況に到達した時点を安定フェーズの開始時点ｔ３として安定フェーズへの切り換えを行う第３のフェーズ切換部５と、追従フェーズにおいて制御量ＰＶを設定値ＳＰに追従させるための予め規定された操作量ＭＶを継続的に出力する第１の操作量決定部６と、収束フェーズにおいて制御量ＰＶを設定値ＳＰ近傍に収束させるための予め規定された操作量ＭＶを継続的に出力する第２の操作量決定部７と、安定フェーズにおいて制御量ＰＶを設定値ＳＰに安定させるための予め規定された操作量ＭＶを継続的に出力する第３の操作量決定部８と、追従フェーズにおいてハイブリッド型熱処理炉をガス燃焼炉として動作させる第１の操作手段に、第１の操作量決定部６から出力された操作量ＭＶを出力するガスモード操作量出力部９と、収束フェーズまたは安定フェーズにおいてハイブリッド型熱処理炉を電気炉として動作させる第２の操作手段に、第２の操作量決定部７または第３の操作量決定部８から出力された操作量ＭＶを出力する電気モード操作量出力部１０とを備えている。
【００１９】
本実施の形態の制御装置を適用する温度制御系は、図６に示したとおりである。制御装置は、図６の温調計１０４の内部に設けられる。ガスヒータ１０２とガス流量調整器１０６とは、第１の操作手段を構成し、電気ヒータ１０１と電力調整器１０５とは、第２の操作手段を構成している。
【００２０】
以下、本実施の形態の制御装置の動作を説明する。図３は制御装置の動作を示すフローチャートである。
設定値ＳＰは、制御装置のオペレータによって設定され、設定値入力部１を介して第１のフェーズ切換部３、第２のフェーズ切換部４、第３のフェーズ切換部５、第１の操作量決定部６、第２の操作量決定部７および第３の操作量決定部８に入力される。制御量ＰＶは、センサ（図６の例では温度センサ１０３）によって検出され、制御量入力部２を介して第１のフェーズ切換部３、第２のフェーズ切換部４、第３のフェーズ切換部５、第１の操作量決定部６、第２の操作量決定部７および第３の操作量決定部８に入力される。
【００２１】
初期状態では、安定フェーズが選択される。すなわち、制御開始に伴って、第１のフェーズ切換部３は、追従フェーズの開始時点ｔ１か否かを判断し（図３ステップＳ１０１）、開始時点ｔ１でないと判断した場合、フェーズ切り換えを行わずにステップＳ１０７に進んで安定フェーズのままとする。安定フェーズの場合、第３の操作量決定部８が予め規定された操作量ＭＶを出力し、電気モード操作量出力部１０は、第３の操作量決定部８から出力された操作量ＭＶを制御対象（実際の出力先は電力調整器１０５）へ出力する（ステップＳ１０７）。ただし、図１（Ｂ）から明らかなように、初期状態で出力される操作量ＭＶは例えば０％であり、収束フェーズから安定フェーズへ切り換えられたときに出力される操作量ＭＶとは異なる。
【００２２】
図１（Ａ）に示すように設定値ＳＰが変更されたことにより、追従フェーズの開始時点ｔ１と判断した場合（ステップＳ１０１においてＹＥＳ）、第１のフェーズ切換部３は、安定フェーズから追従フェーズへ切り換えを行い、追従フェーズへ切り換えたことを第２のフェーズ切換部４、第３のフェーズ切換部５および第１の操作量決定部６に通知する。追従フェーズの場合、第１の操作量決定部６が予め規定された操作量ＭＶを出力し、ガスモード操作量出力部９は、第１の操作量決定部６から出力された操作量ＭＶを制御対象（実際の出力先はガス流量調整器１０６）へ出力する（ステップＳ１０２）。
【００２３】
次に、追従フェーズに切り換えられた場合、第２のフェーズ切換部４は、収束フェーズの開始時点ｔ２か否かを判断し（ステップＳ１０３）、開始時点ｔ２でないと判断した場合、フェーズ切り換えを行わずにステップＳ１０２に戻り追従フェーズのままとする。
【００２４】
ステップＳ１０３において、収束フェーズの開始時点ｔ２と判断した場合、第２のフェーズ切換部４は、追従フェーズから収束フェーズへ切り換えを行い、収束フェーズへ切り換えたことを第１のフェーズ切換部３、第３のフェーズ切換部５および第２の操作量決定部７に通知する。収束フェーズの場合、第２の操作量決定部７が予め規定された操作量ＭＶを出力し、電気モード操作量出力部１０は、第２の操作量決定部７から出力された操作量ＭＶを制御対象へ出力する（ステップＳ１０４）。
【００２５】
次に、収束フェーズに切り換えられた場合、第１のフェーズ切換部３は、追従フェーズの開始時点ｔ１か否かを判断し（ステップＳ１０５）、追従フェーズの開始時点ｔ１と判断した場合、ステップＳ１０２に進んで収束フェーズから追従フェーズへ切り換えを行い、追従フェーズへ切り換えたことを第２のフェーズ切換部４、第３のフェーズ切換部５および第１の操作量決定部６に通知する。また、第１のフェーズ切換部３は、開始時点ｔ１でないと判断した場合、フェーズ切り換えを行わずにステップＳ１０６に進み収束フェーズのままとする。
【００２６】
続いて、第３のフェーズ切換部５は、安定フェーズの開始時点ｔ３か否かを判断し（ステップＳ１０６）、開始時点ｔ３でないと判断した場合、フェーズ切り換えを行わずにステップＳ１０４に戻り収束フェーズのままとする。
【００２７】
ステップＳ１０６において、安定フェーズの開始時点ｔ３と判断した場合、第３のフェーズ切換部５は、収束フェーズから安定フェーズへ切り換えを行い、安定フェーズへ切り換えたことを第１のフェーズ切換部３、第２のフェーズ切換部４および第３の操作量決定部８に通知する。安定フェーズの場合、第３の操作量決定部８が予め規定された操作量ＭＶを出力し、電気モード操作量出力部１０は、第３の操作量決定部８から出力された操作量ＭＶを制御対象へ出力する（ステップＳ１０７）。以上のようなステップＳ１０１〜Ｓ１０７の処理をオペレータ等の指令によって制御装置が停止するまで（ステップＳ１０８においてＹＥＳ）、制御周期ｄｔごとに繰り返す。
【００２８】
ここで、フェーズ切り換えについてより詳細に説明する。図４は追従フェーズから収束フェーズへの切り換えを説明するための波形図である。第２のフェーズ切換部４は、現在の制御周期における制御量ＰＶから設定値ＳＰに達するまでの時間である到達残り時間の予測値Ｔｒを設定値ＳＰと制御量ＰＶとの偏差Ｅｒおよび制御量ＰＶの変化率ΔＰＶに基づいてＴｒ＝Ｅｒ／ΔＰＶにより計算し、計算した到達残り時間予測値Ｔｒが予め設定された時間指標Ｔｘよりも小さくなった時点を、収束フェーズの開始時点（特定の設定値追従制御経過時点）ｔ２と判断し、追従フェーズから収束フェーズへの切り換えを行う。
【００２９】
図５は収束フェーズから安定フェーズへの切り換えを説明するための波形図である。第３のフェーズ切換部５は、収束フェーズの開始時点ｔ２から、予め設定された時間指標Ｔｃが経過した時点を、安定フェーズの開始時点（予め指定された状況に到達する時点）ｔ３と判断し、収束フェーズから安定フェーズへの切り換えを行う。
【００３０】
次に、各フェーズにおける操作量決定手順について説明する。追従フェーズにおける操作量決定手順には３通りあり、第１の手順によれば、第１の操作量決定部６は、予め設定された操作量ＭＶ１を出力する。第２の手順によれば、第１の操作量決定部６は、予め設定された操作量ＭＶ１を時間遅れフィルタ処理して、時間遅れフィルタ処理後の値ＭＶｆを出力する。第３の手順によれば、第１の操作量決定部６は、制御の即応性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズム（Ｐ，ＰＤ，ＰＩ制御を含む）により、偏差Ｅｒから操作量ＭＶｃを算出して出力する。
【００３１】
収束フェーズにおいて、第２の操作量決定部７は、予め設定された操作量ＭＶ２を出力する。
安定フェーズにおいて、第３の操作量決定部８は、制御の安定性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズム（Ｐ，ＰＤ，ＰＩ制御を含む）により、偏差Ｅｒから操作量ＭＶｄを算出して出力する。
【００３２】
本実施の形態は、追従フェーズと安定フェーズとに別の制御特性を与える手法により制御を行おうとするものであり、かつ追従フェーズと安定フェーズの切換時点の前後で制御応答波形が乱れないように、さらに別の制御特性を与えて制御を行うための収束フェーズを設けている。追従フェーズでは、制御量ＰＶが設定値ＳＰに追従することだけを目的とした操作量ＭＶを出力する。次に、収束フェーズでは、追従フェーズから安定フェーズに移行させるために制御量ＰＶが設定値ＳＰ近傍に収束することだけを目的とした操作量ＭＶを出力する。最後に、安定フェーズでは、制御量ＰＶが設定値ＳＰに安定することだけを目的とした操作量ＭＶを出力する。
【００３３】
本実施の形態では、追従フェーズ、収束フェーズ、安定フェーズのそれぞれの制御特性を別々に調整できるので、実対象に合わせたパラメータ調整が容易になる。特に、設定値追従制御では、追従フェーズから収束フェーズへの切換時点を調整することと、収束フェーズにおける操作量ＭＶを調整することにより、設定値追従制御の応答波形を強制的かつ直接的に整形する作用が得られるため、きれいな設定値追従制御が実現できる。
【００３４】
次に、本実施の形態のより具体的な動作を図１（Ａ）、図１（Ｂ）を用いて説明する。前述のように図３のステップＳ１０１〜Ｓ１０８の処理は制御周期ｄｔごとに行われる。したがって、操作量ＭＶも制御周期ｄｔごとに出力される。
本実施の形態では、フェーズを示すパラメータをＦとし、Ｆ＝１のとき追従フェーズ、Ｆ＝２のとき収束フェーズ、Ｆ＝３のとき安定フェーズとする。また、現在の制御周期ｎにおける設定値をＳＰ（ｎ）、制御周期ｎにおける制御量をＰＶ（ｎ）、制御周期ｎにおける操作量をＭＶ（ｎ）、制御周期ｎにおける制御偏差をＥｒ（ｎ）とする。
【００３５】
第１のフェーズ切換部３は、図３のステップＳ１０１又はＳ１０５において、現在の制御周期ｎにおける設定値ＳＰ（ｎ）が１制御周期前の設定値ＳＰ（ｎ−１）よりも大きい場合、現時点を追従フェーズの開始時点ｔ１と判断し、フェーズを示すパラメータＦの値をＦ＝１（追従フェーズ）とし、このＦ＝１を第２のフェーズ切換部４、第３のフェーズ切換部５および第１の操作量決定部６に出力する。なお、第１のフェーズ切換部３は、第２のフェーズ切換部４または第３のフェーズ切換部５からＦ＝２またはＦ＝３の通知を受けた場合、第１の操作量決定部６に出力しているパラメータＦの値を通知を受けた値Ｆ＝２またはＦ＝３に変更する。
【００３６】
第１の操作量決定部６は、第１のフェーズ切換部３から出力されたパラメータＦの値がＦ＝１である場合、制御の即応性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｃ（ｎ）を操作量ＭＶ（ｎ）として出力する（図３ステップＳ１０２、図１（Ｂ））。ここで、制御の即応性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムは、ラプラス演算子ｓを用いた伝達関数で表すと次式のようになる。
ＭＶｃ（ｎ）＝Ｋｇ１｛１＋（１／Ｔｉ１ｓ）＋Ｔｄ１ｓ｝｛ＳＰ（ｎ）
−ＰＶ（ｎ）｝                                    ・・・（１）
【００３７】
式（１）において、Ｋｇ１は比例ゲイン、Ｔｉ１は積分時間、Ｔｄ１は微分時間である。即応性重視のためのパラメータＫｇ１，Ｔｉ１，Ｔｄ１の設定の仕方については周知であるので、説明は省略する。ここでは、追従フェーズにおける操作量決定手順として、上記第３の手順を採用しているが、第１の手順または第２の手順を採用してもよいことは言うまでもない。
【００３８】
次に、第２のフェーズ切換部４は、現在の制御周期ｎにおける設定値ＳＰ（ｎ）と制御量ＰＶ（ｎ）との偏差Ｅｒ（ｎ）＝ＳＰ（ｎ）−ＰＶ（ｎ）を算出する。さらに、第２のフェーズ切換部４は、現在の制御周期ｎにおける制御量ＰＶ（ｎ）から設定値ＳＰに達するまでの時間である到達残り時間の予測値Ｔｒ（ｎ）を次式のように算出する。
Ｔｒ（ｎ）＝Ｅｒ（ｎ）／ΔＰＶ
＝Ｅｒ（ｎ）ｄｔ／｛ＰＶ（ｎ）−ＰＶ（ｎ−１）｝      ・・・（２）
式（２）において、ＰＶ（ｎ−１）は１制御周期前の制御量である。
【００３９】
また、第２のフェーズ切換部４には、フェーズ切換判断のための時間指標Ｔｘが予め設定されている。第２のフェーズ切換部４は、図３のステップＳ１０３において、パラメータＦの値がＦ＝１で、設定値ＳＰ（ｎ）が設定値ＳＰ（ｎ−１）から変更されておらず、かつ到達残り時間予測値Ｔｒ（ｎ）が時間指標Ｔｘよりも小さい場合、パラメータＦの値をＦ＝２（収束フェーズ）とし、このＦ＝２を第１のフェーズ切換部３、第３のフェーズ切換部５および第２の操作量決定部７に出力する。なお、第２のフェーズ切換部４は、第１のフェーズ切換部３または第３のフェーズ切換部５からＦ＝１またはＦ＝３の通知を受けた場合、第２の操作量決定部７に出力しているパラメータＦの値を通知を受けた値Ｆ＝１またはＦ＝３に変更する。
【００４０】
次に、第２の操作量決定部７には、収束フェーズにおける操作量出力値ＭＶ２が予め設定されている。第２の操作量決定部７は、第２のフェーズ切換部４から出力されたパラメータＦの値がＦ＝２である場合、予め設定された値ＭＶ２を操作量ＭＶ（ｎ）として出力する（図３ステップＳ１０４、図１（Ｂ））。
【００４１】
次に、第３のフェーズ切換部５には、フェーズ切換判断のための時間指標Ｔｃが予め設定されている。第３のフェーズ切換部５は、図３のステップＳ１０６において、パラメータＦの値がＦ＝２で、かつＦ＝２（収束フェーズ）にセットされた時点ｔ２からの経過時間ｔｎが時間指標Ｔｃよりも長い場合、現時点を安定フェーズの開始時点ｔ３と判断し、パラメータＦの値をＦ＝３（安定フェーズ）とし、このＦ＝３を第１のフェーズ切換部３、第２のフェーズ切換部４および第３の操作量決定部８に出力する。なお、第３のフェーズ切換部５は、第１のフェーズ切換部３または第２のフェーズ切換部４からＦ＝１またはＦ＝２の通知を受けた場合、第３の操作量決定部８に出力しているパラメータＦの値を通知を受けた値Ｆ＝１またはＦ＝２に変更する。
【００４２】
次に、第３の操作量決定部８は、第３のフェーズ切換部５から出力されたパラメータＦの値がＦ＝３である場合、制御の安定性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムにより算出した操作量ＭＶｄ（ｎ）を操作量ＭＶ（ｎ）として出力する（図３ステップＳ１０７、図１（Ｂ））。ここで、制御の安定性を重視したＰＩＤ制御アルゴリズムは、伝達関数で表すと次式のようになる。
ＭＶｄ（ｎ）＝Ｋｇ３｛１＋（１／Ｔｉ３ｓ）＋Ｔｄ３ｓ｝｛ＳＰ（ｎ）
−ＰＶ（ｎ）｝                                    ・・・（３）
式（３）において、Ｋｇ３は比例ゲイン、Ｔｉ３は積分時間、Ｔｄ３は微分時間である。安定性重視のためのパラメータＫｇ３，Ｔｉ３，Ｔｄ３の設定の仕方については周知であるので、説明は省略する。
【００４３】
なお、追従フェーズにおける操作量決定手順として、第１、第２の手順を採用する場合の操作量出力値ＭＶ１とフィルタ時定数の設定の仕方については、特開２００３−２０８２０１号公報に開示されている。同様に、時間指標Ｔｘ，Ｔｃ、操作量出力値ＭＶ２の設定の仕方についても、特開２００３−２０８２０１号公報に開示されている。
【００４４】
図６に示したハイブリッド型熱処理炉における温度制御系においては、高精度な制御を行なうための電気ヒータ１０１は温度センサ１０３に近い位置に存在し、ガスヒータ１０２は電気ヒータ１０１よりも遠い位置に存在している。結果的に、電気ヒータ１０１の出力変化が温度センサ１０３で計測される温度に反映されるまでのむだ時間Ｌは、ガスヒータ１０２のむだ時間Ｌよりも短い。
【００４５】
一方で、電気ヒータ１０１は、制御装置からの指令である操作量ＭＶに反応して発熱状態が変化する速さはゆっくりしている。専門的にはむだ時間Ｌではなく時定数Ｔが長いという特性になる。これに対し、ガスヒータ１０２は、ガスの燃焼によって発熱するため、操作量ＭＶに反応して発熱状態が変化する速さは迅速である。専門的には時定数Ｔが短いという特性になる。
【００４６】
つまり、電気ヒータ１０１は、むだ時間／時定数の比（Ｌ／Ｔ比）が小さいので、即応性重視のＰＩＤ調整が行ないやすく、ガスヒータ１０２は、電気ヒータ１０１よりもＬ／Ｔ比が大きいので、安定性重視の調整にしなければならない。すなわち、即応性を犠牲にして安定性を重視せざるを得ないガスヒータ１０２を用いて最終的な整定まで到達させるには時間がかかる。
【００４７】
本実施の形態では、ガスヒータ１０２によって最終的な整定まで到達させることは避け、一連の昇温動作において操作量ＭＶが不連続になるポイントを狙って加熱機能を切り換えていることになる。すなわち、理想的な昇温軌道を得るために連続的な操作量出力が行なわれるのであるが、実質的に唯一の操作量出力が不連続になるポイントを、加熱機能の不連続なポイントと一致させている。
こうして、本実施の形態では、ガスモードから電気モードに早く確実に切り換えることができる。
【００４８】
なお、追従フェーズにおける操作量決定手順のうち第３の手順によれば、第１の操作量決定部６は、ＰＩＤ制御アルゴリズムにより操作量ＭＶを算出するが、これに限るものではなく、例えばＩＭＣ（Internal Model Control）等の他の制御アルゴリズムを用いてもよい。同様に、第３の操作量決定部８においても他の制御アルゴリズムを用いてもよい。
【００４９】
本実施の形態の制御装置は、ＣＰＵ、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、例えばガス燃焼炉と電気炉のハイブリッド型熱処理炉の昇温制御に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態に係る制御装置の動作を示す波形図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】追従フェーズから収束フェーズへの切り換えを説明するための波形図である。
【図５】収束フェーズから安定フェーズへの切り換えを説明するための波形図である。
【図６】ハイブリッド型熱処理炉における温度制御系の１例を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…設定値入力部、２…制御量入力部、３…第１のフェーズ切換部、４…第２のフェーズ切換部、５…第３のフェーズ切換部、６…第１の操作量決定部、７…第２の操作量決定部、８…第３の操作量決定部、９…ガスモード操作量出力部、１０…電気モード操作量出力部。
【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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