(57)【要約】【課題】制御対象の温度を、利用者が指定した目標温度に利用者が指定した整定時間で整定させることが可能な温度調節装置を提供する。【解決手段】温度調節装置１１０は、目標温度及び検出温度に基づいて、操作量を算出して出力する制御演算部２２０と、前記制御演算部２２０が利用する制御パラメータを算出する制御パラメータ算出部２１０とを備え、前記制御パラメータ算出部２１０は、整定時間τ、制御対象のプロセスパラメータＫ，Ｔ，Ｌ、目標温度ｙsp及び初期温度ｙ0に基づいて、操作量ｕtrを算出し、前記制御演算部は、所定の温度に達するまでは、前記操作量ｕtrを出力し、前記所定の温度に達した後は、ＰＩＤ制御を行う。【選択図】図２
2014164463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標温度及び検出温度に基づいて、操作量を算出して出力する制御演算部と、
前記制御演算部が利用する制御パラメータを算出する制御パラメータ算出部と
を備え、
前記制御パラメータ算出部は、
整定時間τ、制御対象のプロセスパラメータＫ，Ｔ，Ｌ、目標温度ｙsp及び初期温度ｙ0に基づいて、以下の式６及び９によって、操作量ｕtrを算出し、
【数１】
2014164463.tif 000043
【数２】
2014164463.tif 000044
前記制御演算部は、
所定の温度に達するまでは、前記操作量ｕtrを出力し、
前記所定の温度に達した後は、ＰＩＤ制御を行う
ことを特徴とする温度調節装置。
【請求項２】
前記所定の温度は、前記式６及び９並びに以下の式３及び１０によって算出されるａ'である
【数３】
2014164463.tif 000045
【数４】
2014164463.tif 000046
ことを特徴とする請求項１に記載の温度調節装置。
【請求項３】
前記ＰＩＤ制御で使用される比例帯パラメータａ，ｂは、制御量の上限ｕmax及び下限ｕminに基づいて、上記式３及び６並びに以下の式７及び８によって算出される
【数５】
2014164463.tif 000047
【数６】
2014164463.tif 000048
ことを特徴とする請求項２に記載の温度調節装置。
【請求項４】
前記ＰＩＤ制御で使用されるＰＩＤパラメータＫp、Ｔi及びＴdは、以下の式３、４及び５によって算出される
【数７】
2014164463.tif 000049
【数８】
2014164463.tif 000050
【数９】
2014164463.tif 000051
ことを特徴とする請求項３に記載の温度調節装置。
【請求項５】
前記式５のαは、０．７である
ことを特徴とする請求項４に記載の温度調節装置。
【請求項６】
複数の、請求項１〜５のいずれか一項に記載の温度制御装置と、
当該複数の温度制御装置の制御動作を同時に開始させる管理装置と
を備えることを特徴とする温度制御システム。
【請求項７】
前記管理装置は、各温度制御装置に対して、各温度制御装置が備える前記制御パラメータ算出部が利用する入力パラメータを設定することができる
ことを特徴とする請求項６に記載の温度制御システム。
【請求項８】
前記管理装置は、各温度制御装置が備える前記制御演算部が利用する制御パラメータを算出し、算出された各温度制御装置用の制御パラメータを、各温度制御装置に対して設定することができる
ことを特徴とする請求項６に記載の温度制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動制御システムにおける温度調節装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の構成要素からなるシステムや装置においては、各構成要素を、異なる温度に整定させることが必要な場合がある。このような場合、従来は、各構成要素（制御対象）毎に、温度調節計を設けて、各温度調節計が、独立に、各制御対象の温度を、所望の目標温度に整定させるようにしていた。
【０００３】
このような従来の方法では、一般に、制御対象の温度が目標温度に整定するまでの時間は、各制御対象毎に異なることになる。すなわち、相対的に、早く目標温度に整定する制御対象と、遅く目標温度に整定する制御対象とが出てくることになる。しかしながら、上記システム等が所望の動作を開始（例えば、生産装置の場合、生産を開始）するには、各制御対象がすべて、各目標温度に整定していることが必要となる。そのため、早く目標温度に整定した制御対象については、他の制御対象が目標温度に整定するまでの間、待機状態となり、待機状態の間は、制御対象の温度を目標温度に維持するため、無駄にエネルギーが消費されていることになる。
【０００４】
ここで、制御対象の温度を、利用者が指定した整定時間で目標温度に整定させることが可能な温度調節計を提供できれば、例えば、各温度調節計に同じ整定時間を設定した上で、各温度調節計の制御動作を同時に開始させれば、複数の制御対象の温度を、各制御対象毎に設定された目標温度に、同時に整定させることが可能となる。この場合、無駄な待機状態が発生せず、無駄にエネルギーが消費されることを防止することができることになる。
【０００５】
なお、特開２００７−３４７７６号公報には、温度センサからの信号に応答して発熱体への入力量を制御するための複数のチャンネルを備えた温度調節計であって、前記複数のチャンネルのうちで最も遅く立ち上がるチャンネルをリーダーと判定し、該リーダー以外のチャンネルをフォロアと判定する判定手段と、前記判定手段で判定されたフォロアを、前記リーダーを追い越さないように、前記発熱体への入力をオン／オフさせることによって該リーダーに追随させ、以て前記複数のチャンネルを同時且つ同軌跡で立ち上げるフォロア制御を行う制御手段とを備えたことを特徴とする温度調節計が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３４７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、制御対象の温度を、利用者が指定した目標温度に利用者が指定した整定時間で整定させることが可能な温度調節装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る温度調節装置は、目標温度及び検出温度に基づいて、操作量を算出して出力する制御演算部と、前記制御演算部が利用する制御パラメータを算出する制御パラメータ算出部とを備え、前記制御パラメータ算出部は、整定時間τ、制御対象のプロセスパラメータＫ，Ｌ，Ｔ、目標温度ｙsp及び初期温度ｙ0に基づいて、以下の式６及び９によって、操作量ｕtrを算出し、
【０００９】
【数１】
2014164463.tif 000003
【００１０】
【数２】
2014164463.tif 000004
【００１１】
前記制御演算部は、所定の温度に達するまでは、前記操作量ｕtrを出力し、前記所定の温度に達した後は、ＰＩＤ制御を行うことを特徴とする。
【００１２】
この場合において、前記所定の温度は、前記式６及び９並びに以下の式３及び１０によって算出されるａ'であってもよい。
【００１３】
【数３】
2014164463.tif 000005
【００１４】
【数４】
2014164463.tif 000006
【００１５】
更に、この場合において、前記ＰＩＤ制御で使用される比例帯パラメータａ，ｂは、制御量の上限ｕmax及び下限ｕminに基づいて、上記式３及び６並びに以下の式７及び８によって算出されるようにしてもよい。
【００１６】
【数５】
2014164463.tif 000007
【００１７】
【数６】
2014164463.tif 000008
【００１８】
更に、この場合において、前記ＰＩＤ制御で使用されるＰＩＤパラメータＫp、Ｔi及びＴdは、以下の式３、４及び５によって算出されるようにしてもよい。
【００１９】
【数７】
2014164463.tif 000009
【００２０】
【数８】
2014164463.tif 000010
【００２１】
【数９】
2014164463.tif 000011
【００２２】
更に、この場合において、前記式５のαは、０．７であるようにしてもよい。
【００２３】
本発明に係る温度制御システムは、複数の前記温度制御装置と、当該複数の前記温度制御装置の制御動作を同時に開始させる管理装置とを備えることを特徴とする。
【００２４】
この場合において、前記管理装置は、各温度制御装置に対して、各温度制御装置が備える前記制御パラメータ算出部が利用する入力パラメータを設定することができるにしてもよい。また。前記管理装置は、各温度制御装置が備える前記制御演算部が利用する制御パラメータを算出し、算出された各温度制御装置用の制御パラメータを、各温度制御装置に対して設定することができるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、制御対象の温度を、利用者が指定した目標温度に利用者が指定した整定時間で整定させることが可能な温度調節装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明が適用される温度制御システムの構成例を説明するための図である。
【図２】温度調節計１１０の機能構成を説明するための図である。
【図３】制御パラメータ算出部２１０における処理の流れを説明するためのフローチャートである。
【図４】制御演算部２２０における処理の流れを説明するためのフローチャートである。
【図５】比例帯の構成を説明するための図である。
【図６】過渡応答の直線近似を説明するための図である。
【図７】温度調節計を複数利用した温度制御システムの構成例を説明するための図である。
【図８】本発明を適用していない温度制御システムのシミュレーション結果（温度の時間変化）を示す図である。
【図９】本発明を適用していない温度制御システムのシミュレーション結果（操作量の時間変化）を示す図である。
【図１０】本発明を適用した温度制御システムにおいて、整定時間を１６８０秒とした場合のシミュレーション結果（温度の時間変化）を示す図である。
【図１１】本発明を適用した温度制御システムにおいて、整定時間を１６８０秒とした場合のシミュレーション結果（操作量の時間変化）を示す図である。
【図１２】本発明を適用した温度制御システムにおいて、整定時間を３０００秒とした場合のシミュレーション結果（温度の時間変化）を示す図である。
【図１３】本発明を適用した温度制御システムにおいて、整定時間を３０００秒とした場合のシミュレーション結果（操作量の時間変化）を示す図である。
【図１４】本発明を適用した温度制御システムにおいて、整定時間を６０００秒とした場合のシミュレーション結果（温度の時間変化）を示す図である。
【図１５】本発明を適用した温度制御システムにおいて、整定時間を６０００秒とした場合のシミュレーション結果（操作量の時間変化）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２８】
図１は、本発明が適用される温度制御システムの構成例を説明するための図である。
【００２９】
同図に示すように、温度制御システム１００は、制御対象１０の温度を制御するためのシステムであって、温度調節計１１０と、ＳＳＲ１２０と、ヒータ１３０と、熱電対１４０とを備える。同図に示すように、温度調節計１１０には、ＳＳＲ１２０と熱電対１４０とが接続され、ＳＳＲ１２０には、ヒータ１３０が接続されている。
【００３０】
温度調節計１１０は、本発明が適用される温度調節装置であって、熱電対１４０によって検出される制御対象１０の温度に応じて、ＳＳＲ１２０に対して出力する操作信号を変化させて、制御対象１０の温度の調節を行うものである。温度調節計１１０は、通常のデジタル式温度調節計と同様のハードウェア構成を有するものであり、例えば、ＣＰＵ１１１、メモリ（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＥＥＰＲＯＭ）１１２、Ａ／Ｄ変換器１１３、入力部（例えば、キーやボタン）１１４、表示部（例えば、ＬＥＤやＬＣＤ）１１５、入出力インタフェース部１１６等を備えるものである。本実施形態においては、温度調節計１１０は、入力部１１４等を介して、利用者によって目標温度及び整定時間が指定されると、制御動作開始後、指定された整定時間において、指定された目標温度に、制御対象１０の温度が整定するように、ＳＳＲ１２０に対する操作信号を出力制御する。
【００３１】
ＳＳＲ１２０は、温度調節計１１０から出力される操作信号に従って、ヒータ１３０の駆動制御をする半導体リレーである。ヒータ１３０は、ＳＳＲ１２０によって駆動制御されて、制御対象１０の加熱を行う加熱装置である。ＳＳＲ１２０及びヒータ１３０は、温度制御システム１００の操作部を構成する。
【００３２】
熱電対１４０は、制御対象１０の温度を検出するための温度検出手段であり、温度制御システム１００の検出部を構成する。熱電対１４０は、検出した温度に対応した電圧を発生するものであり、熱電対１４０によって発生された電圧は、温度調節計１１０内部で適宜増幅された上で、Ａ／Ｄ変換器１１３によってデジタルデータに変換され、更に、ＣＰＵ１１１によって、温度データに変換される。
【００３３】
図２は、温度調節計１１０の機能構成を説明するための図である。同図に示すように、温度調節計１１０は、制御パラメータ算出部２１０と制御演算部２２０とを備える。制御パラメータ算出部２１０及び制御演算部２２０は、基本的に、温度調節計１１０が備えるＣＰＵ１１１がメモリ（ＲＯＭ）１１２に記憶されたプログラムを実行することで実現される。
【００３４】
制御パラメータ算出部２１０は、利用者によって適宜指定される入力パラメータ等に基づいて、制御演算部２２０によって利用される制御パラメータを算出するものである。制御パラメータ算出部２１０に入力される入力パラメータ及び制御パラメータ算出部２１０によって算出される制御パラメータについては後述する。
【００３５】
制御演算部２２０は、制御パラメータ算出部２１０によって算出された制御パラメータ、並びに、熱電対１４０によって検出された制御対象１０の温度、及び、利用者によって指定された目標温度に基づいて、操作部（ＳＳＲ１２０）を操作するための操作量を算出して出力するものである。
【００３６】
図３は、制御パラメータ算出部２１０における処理の流れを説明するためのフローチャートである。なお、以下に示す式１〜式１０の導出方法については後述する。
【００３７】
同図に示すように、まず、利用者によって、入力部１１４を介して、制御対象１０のプロセスパラメータＫ，Ｔ及びＬが入力される（Ｓ３１）。本実施形態においては、制御対象１０が、後述する式１１で記述可能であることを前提としており、プロセスパラメータＫ，Ｔ及びＬはそれぞれ、制御対象１０のプロセスゲイン（ゲイン定数）、時定数及びむだ時間を表す。制御対象１０のプロセスパラメータＫ，Ｔ及びＬは、利用者によって適宜予め求められる。
【００３８】
次に、利用者によって、入力部１１４を介して、目標温度ｙspが入力される（Ｓ３２）。
【００３９】
次に、制御対象１０の初期温度ｙ0として、現在の制御対象１０の検出温度が取得される（Ｓ３３）。
【００４０】
次に、以下に示す式１及び２に従った計算を行うことで、整定時間として指定可能な時間の下限及び上限が算出される（Ｓ３４）。なお、ｕmaxは、操作量の出力可能最大値（上限）である。
【００４１】
【数１０】
2014164463.tif 000012
【００４２】
【数１１】
2014164463.tif 000013
【００４３】
次に、算出された整定時間として指定可能な時間の上限及び下限が、表示部１１５を介して、利用者に提示される（Ｓ３５）。
【００４４】
次に、利用者によって、提示された上限及び下限の範囲内で、所望の整定時間τが入力部１１４を介して入力される（Ｓ３６）。整定時間τとしては、制御動作を開始してから制御対象１０の温度が目標温度ｙspに整定するまでの時間を指定することになる。
【００４５】
次に、入力された入力パラメータ等に基づいて、制御演算部２２０によって利用される制御パラメータが算出される（Ｓ３７）。
【００４６】
すなわち、まず、以下に示す式３〜５に従った計算を行うことで、制御パラメータとしてのＰＩＤパラメータＫp，Ｔi，Ｔdが算出される。Ｋp，Ｔi及びＴdはそれぞれ、比例ゲイン、積分時間及び微分時間を表す。
【００４７】
【数１２】
2014164463.tif 000014
【００４８】
【数１３】
2014164463.tif 000015
【００４９】
【数１４】
2014164463.tif 000016
【００５０】
本実施形態においては、式５のαは０．７としている。なお、プロセスパラメータＫ，Ｔ及びＬと同様に、式５のαについても、０．５〜１．０の範囲内で利用者によって指定された値を使用するようにしてもよい。
【００５１】
次に、まず、以下に示す式６に従った計算を行うことで、制御パラメータｕspが算出され、更に、以下に示す式７〜１０に従った計算を行うことで、制御パラメータとしての比例帯パラメータａ，ｂ及び制御パラメータｕtr，ａ'が算出される。なお、ｕmaxは、前述したように操作量の出力可能最大値（上限）であり、ｕminは、操作量の出力可能最小値（下限）である。
【００５２】
【数１５】
2014164463.tif 000017
【００５３】
【数１６】
2014164463.tif 000018
【００５４】
【数１７】
2014164463.tif 000019
【００５５】
【数１８】
2014164463.tif 000020
【００５６】
【数１９】
2014164463.tif 000021
【００５７】
以上のようにして、算出されたＰＩＤパラメータＫp，Ｔi，Ｔd、並びに、比例帯パラメータａ，ｂ及び制御パラメータｕtr，ａ'は、制御演算部２２０に渡されて、制御演算部２２０において利用される。
【００５８】
図４は、制御演算部２２０における処理の流れを説明するためのフローチャートである。制御演算部２２０は、利用者によって、制御動作の開始が指示されると、同図に示す処理の実行を開始する。
【００５９】
同図に示すように、まず、制御パラメータ算出部２１０によって算出されたｕtrが操作量として出力される（Ｓ４１）。制御演算部２２０から出力された操作量は、適宜、操作信号に変換されて、ＳＳＲ１２０に対して出力される。
【００６０】
そして、熱電対１４０によって検出される制御対象１０の温度ｙが制御パラメータ算出部２１０によって算出されたａ'に達したか否かが判別され（Ｓ４２）、検出温度ｙがａ'に達していない場合は（Ｓ４２：Ｙｅｓ）、操作量ｕtrの出力が継続される（Ｓ４１）。
【００６１】
そして、操作量ｕtrの出力が継続された結果、検出温度ｙがａ'に達した場合は（Ｓ４２：Ｎｏ）、その後、制御パラメータ算出部２１０によって算出された比例帯パラメータａ，ｂ及びＰＩＤパラメータＫｐ，Ｔi，Ｔdを使ったＰＩＤ制御Ｓ４３〜Ｓ４７に移行する。
【００６２】
すなわち、まず、検出温度ｙが制御パラメータ算出部２１０によって算出されたａ未満であるか否かが判別され（Ｓ４３）、検出温度ｙがａ未満であった場合は（Ｓ４３：Ｙｅｓ）、操作量の出力可能最大値（上限）であるｕmaxが操作量として出力される（Ｓ４４）。そして、再度、Ｓ４３以下の処理が繰り返される。
【００６３】
一方、検出温度ｙがａ以上であった場合は（Ｓ４３：Ｎｏ）、今度は、検出温度ｙが制御パラメータ算出部２１０によって算出されたｂを超えているか否かが判別され（Ｓ４５）、検出温度ｙがｂを超えていた場合は（Ｓ４５：Ｙｅｓ）、操作量の出力可能最小値（下限）であるｕminが操作量として出力される（Ｓ４６）。そして、再度、Ｓ４３以下の処理が繰り返される。
【００６４】
一方、検出温度ｙがｂ以下であった場合（Ｓ４５：Ｎｏ）、すなわち、検出温度ｙがａ以上ｂ以下であった場合は、制御パラメータ算出部２１０によって算出されたＰＩＤパラメータＫｐ，Ｔi，Ｔdを使ったＰＩＤ演算が行われて操作量が算出され、出力される（Ｓ４７）。そして、再度、Ｓ４３以下の処理が繰り返される。
【００６５】
以上のような処理を行うことにより、制御対象１０の温度は、利用者によって指定された目標温度ｙspに、利用者によって指定された整定時間τで、オーバーシュートなく整定することになる。
【００６６】
次に、上述した式１〜１０の導出方法について説明する。
【００６７】
まず、本発明においては、前述したように、温度制御システムの制御対象が、以下の式１１に示すような伝達関数で記述可能であることを前提とする。
【００６８】
【数２０】
2014164463.tif 000022
【００６９】
このような制御システムにおいて、制御対象の温度（以下、制御量という）ｙ(t)が時刻τで目標温度（以下、目標値という）ｙspに到達するためのステップ入力ｕ(t)＝ｕtrを考える。これはむだ時間を考慮して、以下の式１２に示すように、
【００７０】
【数２１】
2014164463.tif 000023
とし、以下の式１３に示すように、むだ時間を取り除いたものにおいて、時刻τ'で目標値ｙspに到達するためのステップ入力ｕ(t)＝ｕtrを考えることと同値である。
【００７１】
【数２２】
2014164463.tif 000024
【００７２】
Ｐ'(s)に大きさＭのステップ入力を印加したときの応答ｙ'(t)は、以下に示す式１４のようになる。
【００７３】
【数２３】
2014164463.tif 000025
【００７４】
従って、ｙ'(τ')＝ｙspを満たすｕtrは、制御量の初期値をｙ0とすると、以下に示す式１５のようになる。
【００７５】
【数２４】
2014164463.tif 000026
【００７６】
また、制御量が目標値ｙspで平衡状態となる操作量ｕspは、以下に示す式１６のようになる。
【００７７】
【数２５】
2014164463.tif 000027
【００７８】
以上のことから、制御量を時刻τで目標値ｙspにオーバーシュートすることなく整定させる操作量ｕ(t)は、以下に示す式１７の通りとなる。
【００７９】
【数２６】
2014164463.tif 000028
【００８０】
式１７では、時間によって操作量を切り替えるようになっており、シーケンス制御となる。これをフィードバック制御にするため、まず、操作量を切り替える基準を、時間から制御量に変換する。そのために、式１７の操作量を、Ｐ(s)に印加したときの応答をｙ(t)とし、時刻τ'における制御量をａ'＝ｙ(τ')とおくと、ａ'の値は、以下に示す式１８のように求まる。
【００８１】
【数２７】
2014164463.tif 000029
【００８２】
このａ'を用いると、式１７は、以下に示す式１９のようになり、操作量を切り換える基準が、制御量で表されるようになる。
【００８３】
【数２８】
2014164463.tif 000030
【００８４】
次に、式１９に示した操作量の切り換えのタイミングを、ＰＩＤ制御において利用する比例帯の構造に組み入れる。偏差ｅ(t)＝０となるとき、ｕ(t)＝ｕspとなれば、目標値ｙspに整定することから、式１９に示した操作量の切り換えのタイミングを組み入れた比例帯は図５のようになる。
【００８５】
同図から、比例ゲインＫp及び点ａ、ｂ、ａ'の値は、幾何学的に、以下に示す式２０〜２３のように表せることになる。
【００８６】
【数２９】
2014164463.tif 000031
【００８７】
【数３０】
2014164463.tif 000032
【００８８】
【数３１】
2014164463.tif 000033
【００８９】
【数３２】
2014164463.tif 000034
【００９０】
前述した制御パラメータ算出部２１０では、このようして求めた式２１及び式２２（すなわち、前述した式７及び式８）を使って、ａ及びｂを算出している。
【００９１】
一方、Ｋpについては、更に、式２０に、式１５、式１６及び式１８を代入すると、以下に示す式２４のようになる。
【００９２】
【数３３】
2014164463.tif 000035
【００９３】
また、ｕtrについては、式１２、式１５及び式１６から、以下に示す式２５のように表すことができる。
【００９４】
【数３４】
2014164463.tif 000036
【００９５】
更に、ａ'については、式２３に、式１６、式２４及び式２５で求めた値を代入することで求められることになる。
【００９６】
前述した制御パラメータ算出部２１０では、このようして求めた式２４及び式２５（すなわち、前述した式３及び式９）を使って、比例ゲインＫp及びｕtrを算出し、更に、式２３（すなわち、前述した式１０）を使ってａ'を算出している。
【００９７】
図５に示した比例帯を使った制御では、制御量ｙ(t)がａ'に到達するまでは、ｕtrを印加し、ａ'に到達した後は、ａ≦ｙ(t)≦ｂの範囲でＰＩＤ制御を行い、ｙ(t)＜ａのときは、操作量の上限であるｕmaxを印加し、ｙ(t)＞ｂのときは、操作量の下限であるｕminを印加する。
【００９８】
ＰＩＤ制御のうち、比例制御による制御対象への操作量ｕp(t)は、以下に示す式２６のようになる。
【００９９】
【数３５】
2014164463.tif 000037
【０１００】
この場合、区間ａ≦ｙ(t)≦ｙspでは、ｕp(t)≧ｕspとなるため、式２６では、式１９を実現できずに、オーバーシュートが発生することになる。そこで、微分制御にて操作量を調整するようにする。微分制御は、微分先行型とし、以下の式２７に示すような操作量ｕd(t)を、微分制御による制御対象への操作量として導入する。
【０１０１】
【数３６】
2014164463.tif 000038
【０１０２】
ここで、式１９に示した理想的な入力を印加した時の過渡応答が、図６に示すような直線で近似できるとすると、区間ａ'≦ｙ(t)≦ｙspにおける制御量の微分は、以下の式２８に示すように近似できる。
【０１０３】
【数３７】
2014164463.tif 000039
【０１０４】
ここで、ｙsp−ａ'は、ｙ(t)＝ａ'の時の偏差と等しいので、ｅａ'＝ｙsp−ａ'と置くと、ｙ(t)＝ａ'における比例制御と微分制御とを組み合わせた操作量ｕa'は、以下に示した式２９のようになる。
【０１０５】
【数３８】
2014164463.tif 000040
【０１０６】
式２９において、Ｔd＝Ｌと置くと、ｕa'＝ｕspとなり、式１９に示した理想的な入力が実現できる。このＴd＝Ｌは、前述したように過渡応答を直線で近似したものから算出しており、実際のｙ(t)＝ａ'における制御量の傾きはｅa'／Ｌより大きくなる。従って、最適なＴdの値は、Ｌより小さくなるといえる。ＰＩＤ定数の最適調整法として温度制御系でよく利用されるＣＨＲ法によれば、振幅減衰比０％の微分時間Ｔdが０．５Ｌとなることから、Ｔd＝αＬ（０．５≦α≦１．０）とする。
【０１０７】
前述した制御パラメータ算出部２１０では、このようして求めた式Ｔd＝αＬ（０．５≦α≦１．０）（すなわち、前述した式５）を使って、微分時間Ｔdを算出している。但し、前述した制御パラメータ算出部２１０においては、シミュレーションによる解析結果から、α＝０．７を最適値として採用している。なお、前述したように、αの値は、０．５〜１．０の範囲内で、利用者が適宜指定できるようにしてもよい。
【０１０８】
また、プロセスゲインＫの誤差による目標値とのオフセットを改善するために積分制御を導入する。積分時間Ｔiの値は、ＣＨＲ法における振幅減衰比０％のものを利用して、Ｔi＝Ｔとし、以下の式３０に示すような操作量ｕi(t)を、積分制御による制御対象への操作量として導入する。
【０１０９】
【数３９】
2014164463.tif 000041
【０１１０】
このような積分制御を導入することにより、プロセスゲインＫの誤差による目標値とのオフセットも解消されることになる。
【０１１１】
前述した制御パラメータ算出部２１０では、このようして求めた式Ｔi＝Ｔ（すなわち、前述した式４）を使って、積分時間Ｔiを算出している。
【０１１２】
最後に、利用者によって指定される整定時刻τの下限値τmin及び上限値τmaxについて説明する。操作量の上限を、ｕmaxとすると、物理的に最短の整定時刻τminは、式１４及び式１２より、以下に示す式３１のようになる。
【０１１３】
【数４０】
2014164463.tif 000042
【０１１４】
前述した制御パラメータ算出部２１０では、このようして求めた式３１（すなわち、前述した式１）を使って、整定時刻τの下限値τminを算出している。
【０１１５】
一方、物理的に最長の整定時刻τmaxは、式１５において、τ＝∞（τ'＝∞）とすると、ｕtr＝ｕspとなるので、τmax＝∞ということになる。しかしながら、一次遅れ系のステップ応答は、時刻ｔ＝３Ｔのとき、最終値との差が５％、時刻ｔ＝４Ｔのとき、最終値との差が２％となることから、τ＞３Ｔの値に設定しても応答に大きな変化は現れないと言える。そこで、前述した制御パラメータ算出部２１０では、前述した式２で示したように、τmax＝３Ｔとしている。なお、実際のシステムにはむだ時間が存在するが、特に温度制御系の場合は、Ｔ≫Ｌとなるため、τmaxの決定にあっては無視することができる。
【０１１６】
以上、説明したように、前述した温度調節計１１０によれば、制御対象１０の温度を、利用者が指定した目標温度に、利用者が指定した整定時間でオーバーシュートなく整定させることが可能となる。
【０１１７】
これまでは、一つの温度調節計を利用した温度制御システムについて説明してきたが、次に、前述した温度調節計を複数利用した温度制御システムについて説明する。
【０１１８】
図７は、前述した温度調節計を複数利用した温度制御システムの構成例を説明するための図である。
【０１１９】
同図に示すように、温度制御システム７００は、複数（本実施形態においては３つ）の制御対象１０ａ〜１０ｃの温度を制御するためのシステムであって、複数（本実施形態においては３つ）の温度調節計１１０ａ〜１１０ｃと、複数（本実施形態においては３つ）のＳＳＲ１２０ａ〜１２０ｃと、複数（本実施形態においては３つ）のヒータ１３０ａ〜１３０ｃと、複数（本実施形態においては３つ）の熱電対１４０ａ〜１４０ｃと、管理装置１５０とを備える。同図に示すように、温度調節計１１０ａには、ＳＳＲ１２０ａと熱電対１４０ａとが接続され、ＳＳＲ１２０ａには、ヒータ１３０ａが接続されている。同様に、温度調節計１１０ｂには、ＳＳＲ１２０ｂと熱電対１４０ｂとが接続され、ＳＳＲ１２０ｂには、ヒータ１３０ｂが接続されている。また、温度調節計１１０ｃには、ＳＳＲ１２０ｃと熱電対１４０ｃとが接続され、ＳＳＲ１２０ｃには、ヒータ１３０ｃが接続されている。また、管理装置１５０は、各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃと、通信可能なように、ＲＳ−４８５等の通信回線７０１を介して接続されている。
【０１２０】
温度調節計１１０ａ〜１１０ｃはそれぞれ、前述した温度調節計１１０と同様の構成を有するものである。但し、各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃは、管理装置１５０と通信回線７０１を介して通信ができるように通信機能を備えている。一方、ＳＳＲ１２０ａ〜１２０ｃはそれぞれ、前述したＳＳＲ１２０と同様の構成を有するものであり、ヒータ１３０ａ〜１３０ｃはそれぞれ、前述したヒータ１３０と同様の構成を有するものであり、熱電対１４０ａ〜１４０ｃはそれぞれ、前述した熱電対１４０と同様の構成を有するものである。
【０１２１】
温度調節計１１０ａ、ＳＳＲ１２０ａ、ヒータ１３０ａ、制御対象１０ａ及び熱電対１４０ａが一つの温度制御ループを構成し、温度調節計１１０ｂ、ＳＳＲ１２０ｂ、ヒータ１３０ｂ、制御対象１０ｂ及び熱電対１４０ｂが別の温度制御ループを構成し、温度調節計１１０ｃ、ＳＳＲ１２０ｃ、ヒータ１３０ｃ、制御対象１０ｃ及び熱電対１４０ｃが更に別の温度制御ループを構成している。
【０１２２】
各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃは、前述した温度調節計１１０と同様に、前述した制御パラメータ算出部２１０及び制御演算部２２０を備えるものであり、利用者が指定した整定時間に、利用者が指定した目標温度に、各制御対象１０ａ〜１０ｃの温度を整定させることができるものである。
【０１２３】
従って、各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃに同じ整定時間を設定し、各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃの制御動作を同時に開始させれば、各制御対象１０ａ〜１０ｃの温度は、利用者が指定した各目標温度に、同時に整定することになる。
【０１２４】
管理装置１５０は、各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃの動作を管理するものであって、各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃに対するパラメータ設定や、各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃの制御動作の開始を指示するものである。管理装置１５０は、各種パラメータの設定や利用者の指示を入力するための入力部と、各種情報を表示するための表示部とを備えるものであり、例えば、キーボード等の入力装置とＣＲＴやＬＣＤ等の表示装置とを備えた通常のパーソナルコンピュータその他のコンピュータによって構成される。なお、マスター/スレーブモードを有する温度調節計を利用して、マスターモードに設定した温度調節計（親機）で、管理装置１５０を構成し、スレーブモードに設定した温度調節計（子機）で、温度調節計１１０ａ〜１１０ｃを構成することも考えられる。
【０１２５】
温度制御システム７００においては、利用者は、管理装置１５０によって、各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃに対して、各制御対象１０ａ〜１０ｃのプロセスパラメータ、目標温度、整定時間の指定を行う。利用者によって指定された入力パラメータは、通信回線７０１を介して、管理装置１５０から、各各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃに送信される。なお、整定時間の設定の際は、管理装置１５０は、各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃの制御パラメータ算出部２１０において算出された整定時間の下限τmin_a〜τmin_c及び上限τmax_a〜τmax_cを、各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃから受け取り、τmin_a〜τmin_cのうちの最大値（＝max(τmin_a，τmin_b，τmin_c)）及びτmax_a〜τmax_cのうちの最小値（＝min(τmax_a，τmax_b，τmax_c)）を算出して、それぞれ、温度制御システム７００において設定可能な整定時間の下限及び上限として、利用者に提示する。
【０１２６】
提示範囲内において、利用者が整定時間τを指定すると、管理装置１５０は、指定された整定時間τを、各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃに対して送る。各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃの制御パラメータ算出部２１０は、受け取った整定時間τ等に基づいて、制御パラメータを算出する。
【０１２７】
必要なパラメータの設定が完了すると、利用者は、制御動作開始を管理装置１５０に対して指示する。利用者によって、制御動作開始時が指示されると、管理装置１５０は、各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃに対して、制御動作の開始を指示する。
【０１２８】
管理装置１５０から制御動作開示が指示されると、温度調節計１１０ａ〜１１０ｃはそれぞれ、各制御対象１０ａ〜１０ｃの温度が、指定された整定時間τで、指定された各目標温度に整定するように、各ＳＳＲ１２０ａ〜１２０ｃに対する出力を制御する。その結果、各制御対象１０ａ〜１０ｃの温度は、指定された各目標温度に、指定された整定時間τ、すなわち、同時に整定することになる。
【０１２９】
なお、複数の温度調節計１１０ａ〜１１０ｃについては、図７に示したように、各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃを、１チャンネルの温度調節計で実現するようにしてもよいし、多チャンネルの温度調節計一つで、複数の温度調節計を論理的に実現するようにしてもよい。
【０１３０】
また、管理装置１５０に、制御パラメータ算出部２１０を設け、各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃ用の制御パラメータを、管理装置１５０の制御パラメータ算出部２１０で算出した上で、算出された各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃ用の制御パラメータを、各温度調節計１１０ａ〜１１０ｃに送信するようにしてもよい。
【０１３１】
図８〜図１５は、本発明の効果を説明するためのシミュレーション結果を示す図である。ここでは、図７に示した温度制御システム７００のように３つの制御対象を３つ（チャンネル１〜３）の温度調節計で独立に制御する場合を考えている。そして、制御対象としては、プロセスパラメータＫ，Ｔ及びＬがそれぞれ、５．０、５０００及び１２０であるもの（チャンネル１）、１０．０、１００００及び１２０であるもの（チャンネル２）、並びに、１０．０、２００００及び１２０のもの（チャンネル３）を考えている。また、チャンネル１の目標温度を１３０℃、チャンネル２及び３の目標温度を１００℃とし、初期温度は２５℃であるとしている。また、指定する整定時間としては、１６８０秒、３０００秒及び６０００秒の３つの場合を考えている。
【０１３２】
図８及び図９は、本発明を適用していない従来の温度制御システムのシミュレーション結果を示しており、図１０〜図１５は、本発明を適用した温度制御システムのシミュレーション結果を示している。図８、図１０、図１２及び図１４はそれぞれ、制御対象の温度の時間的な変化を示すグラフであり、縦軸は温度を示し横軸は時間を示す。一方、図９、図１１、図１３及び図１５はそれぞれ、温度調節計の操作量の時間的な変化を示すグラフであり、縦軸は操作量を示し横軸は時間を示す。また、図１０及び図１１は、整定時間として１６８０秒を指定した場合、図１２及び図１３は、整定時間として３０００秒を指定した場合、図１４及び図１５は、整定時間として６０００秒を指定した場合を示している。
【０１３３】
図８に示すように、本発明を適用していない従来の温度制御システムでは、チャンネル２がまず最初に、目標温度である１００℃に整定し、次に、チャンネル１が、目標温度である１３０℃に整定し、最後に、チャンネル３が、目標温度である１００℃に整定している。このように、すべてのチャンネル１〜３において、各目標温度に整定するまでの時間が異なっている。
【０１３４】
一方、図１０、図１２及び図１４に示すように、本発明を適用した温度制御システムでは、指定された整定時間である１６８０秒、３０００秒及び６０００秒に、すべてのチャンネル１〜３が、各目標温度に整定している。すなわち、すべてのチャンネル１〜３が、各目標温度に同時に整定している。
【符号の説明】
【０１３５】
１０，１０ａ〜１０ｃ    制御対象
１００    温度制御システム
１１０，１１０ａ〜１１０ｃ    温度調節計
１１１  ＣＰＵ
１１２  メモリ
１１３  Ａ／Ｄ変換器
１１４  入力部
１１５  表示部
１１６  入出力インタフェース部
１２０，１２０ａ〜１２０ｃ    ＳＳＲ
１３０，１３０ａ〜１３０ｃ    ヒータ
１４０，１４０ａ〜１４０ｃ    熱電対
１５０    管理装置
２１０    制御パラメータ算出部
２２０    制御演算部
７００    温度制御システム
【図１】
2014164463.tif 000052
【図２】
2014164463.tif 000053
【図３】
2014164463.tif 000054
【図４】
2014164463.tif 000055
【図５】
2014164463.tif 000056
【図６】
2014164463.tif 000057
【図７】
2014164463.tif 000058
【図８】
2014164463.tif 000059
【図９】
2014164463.tif 000060
【図１０】
2014164463.tif 000061
【図１１】
2014164463.tif 000062
【図１２】
2014164463.tif 000063
【図１３】
2014164463.tif 000064
【図１４】
2014164463.tif 000065
【図１５】
2014164463.tif 000066