(57)【要約】【課題】状態量差が小さくなるように制御する際に、操作量の飽和を緩和し、本来の目的である状態量差を小さくするという効果が損なわれることを回避する。【解決手段】制御装置は、各制御ループの状態量計測値を状態量変換行列により各状態量計測値を線形結合した値に変換する状態量計測値変換部５と、変換された状態量計測値とこれに対応する状態量設定値との制御偏差に基づき各制御ループの操作量を算出するＰＩＤ制御演算部６−１〜６−３と、算出されたｎ個の操作量を操作量変換行列により各制御ループに配分されるように変換する操作量変換部７と、状態量設定値に対して急変動を抑制するフィルタリング処理を施す状態量フィルタリング設定値算出部３−１〜３−３とを備える。【選択図】  図１
2006221235.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ（ｎは２以上の自然数）個の制御ループを有する制御系の制御装置において、
前記ｎ個の制御ループの各状態量計測値をｎ×ｎの状態量変換行列により各状態量計測値を線形結合した値に変換する状態量変換部と、
前記変換された各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差に基づき各制御ループの操作量を算出する制御演算部と、
前記算出されたｎ個の操作量をｎ×ｎの操作量変換行列により各制御ループの操作量に配分されるように変換し、変換したｎ個の操作量をそれぞれ対応する制御ループの制御対象に出力する操作量変換部と、
前記制御演算部に入力される状態量設定値に対して急変動を抑制するフィルタリング処理を施す状態量フィルタリング設定値算出部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、
前記状態量変換行列は、前記変換された状態量計測値に、前記ｎ個の制御ループの各状態量計測値の平均である基準状態量計測値と、異なる制御ループの状態量計測値間の相対的な関係を与える相対状態量計測値とが含まれるように予め設定され、
前記操作量変換行列は、各制御演算部による制御が、他の制御演算部による制御に与える影響をなくす又は小さくするように予め設定され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、
前記状態量フィルタリング設定値算出部は、時間遅れ演算により前記フィルタリング処理を行うことを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項３記載の制御装置において、
さらに、前記フィルタリング処理の時定数を、前記制御演算部から出力される操作量の飽和が緩和されるように前記状態量設定値の変更量に応じて修正する修正手段を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置において、
前記操作量変換行列は、傾斜温度制御手法により設計されることを特徴とする制御装置。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置において、
前記操作量変換行列は、クロスコントローラ設計手法により設計されることを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロセス制御技術に関するものであり、特に少なくとも２個の制御ループを有する制御系において計測される状態量差などを制御対象とする制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５（ａ）に、従来の制御装置である温度調節計の構成を示す（例えば特許文献１参照）。炉１００１内には、熱処理ワーク１０１６が搬入され、またヒータ１０１１と、制御温度ＴＣ１を検出する検出手段１０１２と、ワーク１０１６の表面温度ＴＣ２を検出する検出手段１０１３と、ワーク１０１６の最深温度ＴＣ３を検出する検出手段１０１４とが配設されている。１００２は電力調整器を示している。制御部１００３は、制御温度ＴＣ１と実行プログラムパターン設定値１０３３とを比較する比較器１０３１と、比較器１０３１の出力により制御されるＰＩＤ等の制御演算部１０３２と、ワーク１０１６の表面温度ＴＣ２と最深温度ＴＣ３との差を検出する温度差検出器１０３４と、予め定められた温度差を設定する温度差設定器１０３５と、温度差検出器１０３４の出力と温度差設定器１０３５の出力とを比較する比較器１０３６と、最深温度ＴＣ３の温度変化率を検出する変化率検出器１０３８と、変化率検出器１０３８の出力と予め定められた温度変化率を設定する変化率設定器１０３９の出力とを比較する比較器１０４０と、比較器１０３６の出力と比較器１０４０の出力に基づいて傾斜演算し実行プログラムパターン設定値１０３３を制御する傾斜演算器１０３７とを有している。
【０００３】
温度差設定器１０３５には許容可能な最大の温度差が設定され、また変化率設定器１０３９には許容可能な最大の温度変化率が設定される。図５（ａ）の構成により、熱処理ワーク１０１６内の温度差、温度変化率の一方もしくは両方が指定された温度許容値以内に入るように、実行プログラムパターン設定値１０３３中の傾斜が常時修正される。
図５（ａ）中の破線で囲まれている部分に着目すると、計測された複数の温度ＴＣ１，ＴＣ２，ＴＣ３に基づき温度差（ＴＣ２−ＴＣ３）および温度変化率ｄＴＣ３／ｄｔを算出する状態量変換が行なわれていることが理解できる。すなわち、図５（ａ）の温度調節計は、温度差（ＴＣ２−ＴＣ３）および温度変化率ｄＴＣ３／ｄｔを算出する状態量変換部１０４１を備えていることになる（図５（ｂ））。
【０００４】
図６（ａ）に、従来の他の制御装置である温度調整装置の構成を示す（例えば特許文献２参照）。図中の２００２は縦型熱処理装置２０２０の反応管であり、この反応管２００２の内部には、ウエハボ−ト２０２１に搭載された半導体ウエハの近傍の温度を検出する温度センサＡが設けられると共に、反応管２００２の外面の温度を検出する温度センサＢが設けられている。偏差回路部２０３１は、温度センサＡの目標値から後述する補正値を引いた偏差、すなわち温度センサＢの目標値を出力する。偏差回路部２０３２は、温度センサＢの目標値から温度センサＢの検出値を引いた偏差をＰＩＤ調節部２００４に出力する。ＰＩＤ調節部２００４は、入力された偏差に基づいてＰＩＤ演算を行い、その演算結果を電力制御部２００５に出力し、電力制御部２００５は、ＰＩＤ調節部２００４の出力値に基づいて縦型熱処理装置２０２０の加熱源であるヒ−タ２００６への電力供給量を制御する。一方、補正値出力部２００７は、温度センサＢの検出値が目標値に収束したとき、この収束した時点の温度センサＡの検出値と温度センサＢの検出値との差（Ａ−Ｂ）を補正値とし、温度センサＢの目標値を補正値分だけ修正する。図６（ａ）の構成により、温度センサＡの検出値が目標値に収束する。
【０００５】
図６（ａ）中の破線で囲まれている部分に着目すると、計測された複数の温度Ａ，Ｂに基づき温度差（Ａ−Ｂ）を算出する状態量変換が行なわれていることが理解できる。すなわち、図６（ａ）の温度調整装置は、温度差（Ａ−Ｂ）を算出する状態量変換部２００８を備えていることになる（図６（ｂ））。
以上のように、実際の状態量そのものだけではなく、状態量差を制御系に取り込む努力は従来から行なわれており、特に状態量差を制御対象として制御系を構成するケースでは、制御系に前記状態量変換部が設けられる。
【０００６】
ここで、通常の２個の制御ループ（コントローラ、アクチュエータ、計測手段の組合せ）において、状態量ＰＶ１，ＰＶ２そのものではなく、状態量平均値ＰＶ１’と状態量差ＰＶ２’とを制御対象とすることを考える。この場合の制御装置を図７に示す。図７の制御装置は、状態量平均値ＰＶ１’に対する設定値ＳＰ１’と状態量平均値ＰＶ１’との差を出力する減算器３００１と、状態量差ＰＶ２’に対する設定値ＳＰ２’と状態量差ＰＶ２’との差を出力する減算器３００２と、減算器３００１，３００２の出力に基づいてそれぞれ操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’を算出するコントローラＣ１，Ｃ２と、制御対象プロセスＰ１，Ｐ２に対してそれぞれ操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’に応じた操作を行うアクチュエータＡ１，Ａ２と、状態量変換部３００３とを有する。
【０００７】
状態量変換部３００３は、制御対象プロセスＰ１，Ｐ２の状態量ＰＶ１，ＰＶ２に対してそれぞれ０．５を乗算する乗算器３００４，３００５と、状態量ＰＶ１，ＰＶ２に対してそれぞれ−１，１を乗算する乗算器３００６，３００７と、乗算器３００４と３００５の出力を加算する加算器３００８と、乗算器３００６と３００７の出力を加算する加算器３００９とから構成される。このような状態量変換部３００３により、状態量平均値ＰＶ１’と状態量差ＰＶ２’とは次式のようになる。
ＰＶ１’＝０．５ＰＶ１＋０．５ＰＶ２                              ・・・（１）
ＰＶ２’＝ＰＶ２−ＰＶ１                                          ・・・（２）
また、状態量変換部３００３の入出力の関係をマトリックスで表現すると、以下のようになる。
【０００８】
【数１】
2006221235.tif 000003
【０００９】
コントローラＣ１は状態量平均値ＰＶ１’を対象とし、コントローラＣ２は状態量差ＰＶ２’を対象とする。コントローラＣ１は、設定値ＳＰ１’と状態量平均値ＰＶ１’との偏差に基づき操作量ＭＶ１’を算出し、コントローラＣ２は、設定値ＳＰ２’と状態量差ＰＶ２’との偏差に基づき操作量ＭＶ２’を算出する。このとき、状態量平均値ＰＶ１’と状態量差ＰＶ２’とがそれぞれ制御可能な状態になるために、コントローラＣ１で算出される操作量ＭＶ１’はアクチュエータＡ１に送られ、コントローラＣ２で算出される操作量ＭＶ２’はアクチュエータＡ２に送られるように構成される。これにより、アクチュエータＡ１は状態量平均値ＰＶ１’を制御するために動作し、アクチュエータＡ２は状態量差ＰＶ２’を制御するために動作することになる。このように、図５（ｂ）や図６（ｂ）に示したものと同様の状態量変換部３００３を適用するだけで、状態量平均値ＰＶ１’を直接制御するコントローラＣ１と状態量差ＰＶ２’を直接制御するコントローラＣ２とを含むマルチループの制御系を構成でき、状態量平均値ＰＶ１’と状態量差ＰＶ２’とを所望の値に制御することができる。
【００１０】
しかし、アクチュエータＡ１の動作により状態量ＰＶ１に変化が与えられると、この変化は状態量変換部３００３の作用により状態量差ＰＶ２’にも影響を与える。同様に、アクチュエータＡ２の動作により状態量ＰＶ２に変化が与えられると、この変化は状態量変換部３００３の作用により状態量平均値ＰＶ１’にも影響を与える。すなわち、図７に示した制御装置では、状態量変換部３００３により人工的にループ間干渉が発生する構成となってしまう。また、上記２個の制御ループにもともとループ間の干渉がある場合は、さらに複雑なループ間干渉が発生するようになり、結果的に制御性が劣化しやすくなるという問題が発生する。
【００１１】
そこで、ループ間の非干渉化を実現するために、非特許文献１に開示されたクロスコントローラを適用することが容易に想到できる。非特許文献１に開示された制御装置の構成を図８に示す。図８の制御装置は、設定値ＳＰ１と状態量ＰＶ１との差を出力する減算器４００１と、設定値ＳＰ２と状態量ＰＶ２との差を出力する減算器４００２と、減算器４００１，４００２の出力に基づいてそれぞれ操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’を算出するコントローラ４００３，４００４と、操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’をそれぞれ変換した操作量ＭＶ１，ＭＶ２を出力するクロスコントローラ４００５とを有する。
【００１２】
クロスコントローラ４００５は、ループ間干渉による影響分を予め打ち消す処理を操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’に対して行うものであり、操作量ＭＶ１’に係数Ｍ１２を乗算する乗算器４００７と、操作量ＭＶ２’に係数Ｍ２１を乗算する乗算器４００８と、操作量ＭＶ１’と乗算器４００８の出力との差を操作量ＭＶ１として出力する減算器４００９と、操作量ＭＶ２’と乗算器４００７の出力との差を操作量ＭＶ２として出力する減算器４０１０とから構成される。ここでは説明を簡単にするため、プロセス時定数やプロセスむだ時間などの動的特性は無視することにする。そしてまず、上記２個の制御ループにもともと発生しているループ間干渉を以下のように仮定する。
【００１３】
【数２】
2006221235.tif 000004
【００１４】
操作量ＭＶ１，ＭＶ２と状態量平均値ＰＶ１’，状態量差ＰＶ２’との関係は以下のようになる。
【００１５】
【数３】
2006221235.tif 000005
【００１６】
非特許文献１によれば、非干渉化のためのクロスコントローラ４００５は以下のように設計できる。
【００１７】
【数４】
2006221235.tif 000006
【００１８】
式（６）より、前述の係数Ｍ１２は−１．０、係数Ｍ２１は１．０となる。コントローラ４００３により算出された操作量ＭＶ１’は、クロスコントローラ４００５により操作量ＭＶ１に変換された後に図示しないアクチュエータを介して制御対象プロセス４００６に送られ、コントローラ４００４により算出された操作量ＭＶ２’は、クロスコントローラ４００５により操作量ＭＶ２に変換された後にアクチュエータを介して制御対象プロセス４００６に送られる。
【００１９】
図８に示したクロスコントローラ４００５を図７の制御装置に適用した構成を図９に示す。式（５）と式（６）より、コントローラＣ１，Ｃ２からの操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’と状態量平均値ＰＶ１’，状態量差ＰＶ２’との関係は以下のようになる。
【００２０】
【数５】
2006221235.tif 000007
【００２１】
式（７）では、行列部分が対角行列になっており、ＭＶ１’，ＭＶ２’とＰＶ１’，ＰＶ２’との間には相互干渉が発生しないことになる。この非干渉化は、クロスコントローラの本質的な効果である。したがって、操作量ＭＶ１’を算出するコントローラＣ１を、状態量平均値ＰＶ１’を制御する専用コントローラとして独立に動作させ、操作量ＭＶ２’を算出するコントローラＣ２を、状態量差ＰＶ２’を制御する専用コントローラとして独立に動作させることが可能になる。
【００２２】
図８に示した制御装置と実質的に同じ手法を用いたものとして、傾斜温度制御の手法を用いた制御装置がある（例えば特許文献３参照）。特許文献３に開示された制御装置の構成を図１０に示す。図１０の制御装置は、制御対象プロセス５００２の温度を制御する温度調節器５００１を有し、温度調節器５００１は、図示しない複数の温度センサによって計測された制御対象プロセス５００２の温度（状態量）ＰＶ１，ＰＶ２から平均温度（状態量平均値）ＰＶ１’と傾斜温度（状態量差）ＰＶ２’とを算出する平均温度・傾斜温度算出手段５００３と、状態量平均値ＰＶ１’，状態量差ＰＶ２’に基づいてそれぞれ操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’を算出するコントローラ５００４，５００５と、操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’を図示しないアクチュエータに所定の配分比で配分する配分手段５００６とを有する。
【００２３】
ここで、２個の制御ループにもともと発生しているループ間干渉については式（４）と同じとし、操作量ＭＶ１，ＭＶ２と状態量平均値ＰＶ１’，状態量差ＰＶ２’との関係については式（５）と同じとする。特許文献３によれば、式（５）の行列部分の逆行列により、配分手段５００６は以下のように設計できる。
【００２４】
【数６】
2006221235.tif 000008
【００２５】
コントローラ５００４により算出された操作量ＭＶ１’は、配分手段５００６により操作量ＭＶ１に変換された後に図示しないアクチュエータを介して制御対象プロセス５００２に送られ、コントローラ５００５により算出された操作量ＭＶ２’は、配分手段５００６により操作量ＭＶ２に変換された後にアクチュエータを介して制御対象プロセス５００２に送られる。式（５）と式（８）より、コントローラ５００４，５００５からの操作量ＭＶ１’，ＭＶ２’と状態量平均値ＰＶ１’，状態量差ＰＶ２’との関係は以下のようになる。
【００２６】
【数７】
2006221235.tif 000009
【００２７】
式（９）においても、行列部分が対角行列になっており、ＭＶ１’，ＭＶ２’とＰＶ１’，ＰＶ２’との間には相互干渉が発生しないことになる。この非干渉化は、傾斜温度制御の本質的な効果である。したがって、操作量ＭＶ１’を算出するコントローラ５００４を、状態量平均値ＰＶ１’を制御する専用コントローラとして独立に動作させ、操作量ＭＶ２’を算出するコントローラ５００５を、状態量差ＰＶ２’を制御する専用コントローラとして独立に動作させることが可能になる。
【００２８】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【特許文献１】特開平８−０９５６４７号公報
【特許文献２】特開平９−１９９４９１号公報
【特許文献３】特許第３２７８８０７号公報
【非特許文献１】広井和男，「ディジタル計装制御システムの基礎と応用」，工業技術社，１９８７年１０月，ｐ．１５２−１５６，ＩＳＢＮ４−９０５９５７−００−１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
図９、図１０に示した制御装置では、状態量変換部３００３又は平均温度・傾斜温度算出手段５００３において状態量平均値ＰＶ１’と状態量差ＰＶ２’を算出しているが、状態量平均値ＰＶ１’は「基準となる絶対的な状態量」に相当する基準状態量であり、状態量差ＰＶ２’は「状態量差などの相対的な状態量」に相当する相対状態量である。そして、操作量に制約がない範囲で上下動させることができれば、相対状態量（状態量差）を要求通りに制御することが可能である。
【００３０】
しかし、操作量飽和が発生する場合、要求通りに制御できない状況も発生する。以下、図９、図１０に示した従来の制御装置の問題点を図１１（ａ）、図１１（ｂ）を用いて説明する。ここでは、制御ループがI，II，IIIの３つあり、制御ループ間の状態量差を小さくすることを制御の目的とする。また、このときの各制御ループのコントローラの制御アルゴリズムはＰＩＤであるとする。図１１（ａ）は、各制御ループI，II，IIIのコントローラに設定値ＳＰ＝３０％のステップ入力が加わったときの制御応答を示し、図１１（ｂ）は、このステップ入力時に各制御ループI，II，IIIのコントローラから出力される操作量ＭＶを示している。
【００３１】
設定値ＳＰのステップ入力が加わると、通常のＰＩＤの演算では操作量出力ＭＶが大きく変化し、状態量ＰＶが設定値ＳＰに追従する方向に変化する。このときの過渡状態において、状態量差を要求通りに制御するためには、操作量ＭＶが０〜１００％の範囲にあって、かつ自在に増減できることが必要である。しかし、図９、図１０に示した従来の制御装置では、状態量平均値（すなわち基準状態量）に対する設定値ＳＰ’にステップ入力が加わることにより、状態量平均値を制御するための操作量ＭＶ’が１００％を大きく超える範囲でＰＩＤ演算されている場合、非干渉化の処理によって最終的に制御対象に出力される操作量ＭＶも、物理的には上限値１００％で飽和したまま変化しないという状況になってしまう。したがって、状態量差を小さくするという効果が得られなくなる。以上のように、従来の制御装置では、操作量飽和の発生により、本来の効果が損なわれるという問題点がある。
【００３２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、少なくとも２個の制御ループを有する制御系において状態量差が小さくなるように制御する際に、状態量設定値（特に基準状態量設定値）のステップ入力時に発生する操作量の飽和を緩和することができ、本来の目的である状態量差を小さくするという効果が損なわれることを回避できる制御装置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】
【００３３】
本発明は、ｎ（ｎは２以上の自然数）個の制御ループを有する制御系の制御装置において、前記ｎ個の制御ループの各状態量計測値をｎ×ｎの状態量変換行列により各状態量計測値を線形結合した値に変換する状態量変換部と、前記変換された各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差に基づき各制御ループの操作量を算出する制御演算部と、前記算出されたｎ個の操作量をｎ×ｎの操作量変換行列により各制御ループの操作量に配分されるように変換し、変換したｎ個の操作量をそれぞれ対応する制御ループの制御対象に出力する操作量変換部と、前記制御演算部に入力される状態量設定値に対して急変動を抑制するフィルタリング処理を施す状態量フィルタリング設定値算出部とを備えるものである。
【００３４】
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記状態量変換行列は、前記変換された状態量計測値に、前記ｎ個の制御ループの各状態量計測値の平均である基準状態量計測値と、異なる制御ループの状態量計測値間の相対的な関係を与える相対状態量計測値とが含まれるように予め設定され、前記操作量変換行列は、各制御演算部による制御が、他の制御演算部による制御に与える影響をなくす又は小さくするように予め設定されるものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記状態量フィルタリング設定値算出部は、時間遅れ演算により前記フィルタリング処理を行うものである。
また、本発明の制御装置の１構成例は、さらに、前記フィルタリング処理の時定数を、前記制御演算部から出力される操作量の飽和が緩和されるように前記状態量設定値の変更量に応じて修正する修正手段を備えるものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記操作量変換行列は、傾斜温度制御手法により設計されるものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記操作量変換行列は、クロスコントローラ設計手法により設計されるものである。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、ｎ個の制御ループの各状態量計測値をｎ×ｎの状態量変換行列により各状態量計測値を線形結合した値に変換する状態量変換部と、変換された各状態量計測値とこれに対応する各状態量設定値との制御偏差に基づき各制御ループの操作量を算出する制御演算部と、算出されたｎ個の操作量をｎ×ｎの操作量変換行列により各制御ループの操作量に配分されるように変換し、変換したｎ個の操作量をそれぞれ対応する制御ループの制御対象に出力する操作量変換部とを設けることにより、複数の状態量間の状態量差などの相対状態量を所望の値に維持しつつ、基準状態量を所望の値に変更する制御を実現することができる。さらに、本発明では、状態量設定値に対して急変動を抑制するフィルタリング処理を施すことにより、状態量差などの相対量が小さくなるように制御する際に、操作量の飽和を緩和することができ、本来の目的である、状態量差を小さくするという効果が損なわれることを回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
［発明の原理］
以下、本発明では、例えば状態量平均値のような基準となる絶対的な状態量を基準状態量、例えば状態量差のような相対的な状態量を相対状態量と称する。また、基準状態量に対する設定値を基準状態量設定値、基準状態量の計測値を基準状態量計測値、相対状態量に対する設定値を相対状態量設定値、相対状態量の計測値を相対状態量計測値と称する。状態量としては、例えば温度、圧力、流量などがある。
【００３７】
本発明では、図１１（ａ）、図１１（ｂ）を用いて説明した従来の制御装置の問題点の発生要因が設定値ＳＰのステップ入力時に起こるＰＩＤ制御演算特有の微分キックであることに着眼する。例えば、ＰＩＤの微分動作に対して設定値ＳＰの急変が作用すると、設定値ＳＰの急変に追従する方向に操作量ＭＶも急変し、操作量飽和が発生する。操作量ＭＶが飽和した状態になると、ＰＩＤ制御演算による操作量ＭＶの算出は、例えば操作量上限値の１００％を超えた値を上下させるような状況になる。この場合、従来の制御装置による状態量差を小さくするための操作量ＭＶの上下動は、操作量飽和により実質的に取り除かれ、状態量差を小さくするという効果が得られなくなる。
【００３８】
従来の制御装置の問題点を解決するには、前述の問題点の発生要因に基づき、操作量上下限値を外れない範囲（すなわち０〜１００％）に操作量ＭＶをできる限り維持できるようにすればよい。特に、微分キックが緩和されることが重要であり、設定値ＳＰの急変がＰＩＤ制御演算に作用しないか、あるいは十分に緩和されればよい。そこで、本発明では、設定値ＳＰの変化にダンピングの効果を与えるフィルタを適用する。このフィルタとしては、構造が簡単な１次遅れ、２次遅れなどの時間遅れフィルタが適当である。
【００３９】
フィルタの設定方法としては、予め操作量飽和の発生の程度を調べておいて、例えば１次遅れフィルタの時定数を適当に設定する方法がある。ただし、この方法は、予め見通せるパターンでしか制御動作が発生しない場合にのみ適用可能である。より好ましくは、操作量飽和の発生に応じて１次遅れフィルタの時定数を自動修正できるようにするべきである。操作量飽和の発生原因が設定値ＳＰの急変であるならば、設定値ＳＰの変更幅に連動して１次遅れフィルタの時定数を自動修正すればよく、設定値ＳＰの変更幅が大きいときは時定数を大きくするような要領になる。また、より詳細には、設定値ＳＰの変更前の操作量ＭＶ値や、設定されているＰＩＤパラメータなども参照して時定数を自動修正するべきである。
【００４０】
［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態となる制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、制御ループが３個で、基準状態量として３個の制御ループの状態量平均値を採用し、相対状態量として３個の制御ループの各状態量の差を採用する場合の例であるが、２個以上の制御ループであれば同様の原理で、同様の制御系を構成できる。
【００４１】
図１の制御装置は、第１の状態量に関する第１の計測系の構成として、状態量設定値ＳＰ１入力部１−１と、状態量計測値ＰＶ１入力部２−１と、状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”算出部３−１とを備え、第２の状態量に関する第２の計測系の構成として、状態量設定値ＳＰ２入力部１−２と、状態量計測値ＰＶ２入力部２−２と、状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”算出部３−２とを備え、第３の状態量に関する第３の計測系の構成として、状態量設定値ＳＰ３入力部１−３と、状態量計測値ＰＶ３入力部２−３と、状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”算出部３−３とを備える。
【００４２】
また、図１の制御装置は、状態量変換に関する構成として、状態量変換行列Ｔにより状態量フィルタリング設定値の変換を実行する状態量設定値変換部４と、状態量変換行列Ｔにより状態量計測値の変換を実行する状態量計測値変換部５とを備える。
【００４３】
また、図１の制御装置は、制御に関する構成として、基準状態量設定値ＳＰ１’と計測値ＰＶ１’に基づき操作量ＭＶ１’を算出するＰＩＤ制御演算部（ＰＩＤコントローラ）６−１と、相対状態量設定値ＳＰ２’と計測値ＰＶ２’に基づき操作量ＭＶ２’を算出するＰＩＤ制御演算部６−２と、相対状態量設定値ＳＰ３’と計測値ＰＶ３’に基づき操作量ＭＶ３’を算出するＰＩＤ制御演算部６−３と、操作量変換行列Ｕにより操作量の変換を実行する操作量変換部７と、操作量ＭＶ１出力部８−１と、操作量ＭＶ２出力部８−２と、操作量ＭＶ３出力部８−３とを備える。
【００４４】
さらに、図１の制御装置は、フィルタ時定数適応修正に関する構成として、状態量設定値ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３のうち少なくとも１つが変更された場合に、この設定値変更による基準状態量設定値ＳＰ１’の変更量ΔＳＰ１’を算出する設定値変更量算出部９と、基準状態量設定値ＳＰ１’の変更量ΔＳＰ１’と予め設定された比率αに基づいてフィルタリング時定数Ｔｆを算出し、このフィルタリング時定数Ｔｆを状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”算出部３−１と状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”算出部３−２と状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”算出部３−３とに設定するフィルタリング時定数決定部１０とを備える。設定値変更量算出部９とフィルタリング時定数決定部１０とは、フィルタリング時定数Ｔｆを修正する修正手段を構成している。
【００４５】
図２は本実施の形態における制御系のブロック線図である。Ａ１は第１の状態量を制御するアクチュエータ、Ａ２は第２の状態量を制御するアクチュエータ、Ａ３は第３の状態量を制御するアクチュエータ、Ｐ１は第１の状態量に係る制御対象プロセス、Ｐ２は第２の状態量に係る制御対象プロセス、Ｐ３は第３の状態量に係る制御対象プロセス、Ｇｐ１はアクチュエータＡ１とプロセスＰ１とを含むブロックの伝達関数、Ｇｐ２はアクチュエータＡ２とプロセスＰ２とを含むブロックの伝達関数、Ｇｐ３はアクチュエータＡ３とプロセスＰ３とを含むブロックの伝達関数である。
【００４６】
状態量設定値ＳＰ１入力部１−１と、状態量計測値ＰＶ１入力部２−１と、状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”算出部３−１と、状態量設定値変換部４と、状態量計測値変換部５と、ＰＩＤ制御演算部６−１，６−２，６−３と、操作量変換部７と、操作量ＭＶ１出力部８−１と、アクチュエータＡ１と、プロセスＰ１とは、第１の制御系（第１の制御ループ）を構成している。状態量設定値ＳＰ２入力部１−２と、状態量計測値ＰＶ２入力部２−２と、状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”算出部３−２と、状態量設定値変換部４と、状態量計測値変換部５と、ＰＩＤ制御演算部６−１，６−２，６−３と、操作量変換部７と、操作量ＭＶ２出力部８−２と、アクチュエータＡ２と、プロセスＰ２とは、第２の制御系（第２の制御ループ）を構成している。そして、状態量設定値ＳＰ３入力部１−３と、状態量計測値ＰＶ３入力部２−３と、状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”算出部３−３と、状態量設定値変換部４と、状態量計測値変換部５と、ＰＩＤ制御演算部６−１，６−２，６−３と、操作量変換部７と、操作量ＭＶ３出力部８−３と、アクチュエータＡ３と、プロセスＰ３とは、第３の制御系（第３の制御ループ）を構成している。
【００４７】
次に、本実施の形態の制御装置の動作を図３を用いて説明する。まず、状態量計測値ＰＶ１は、図示しない第１の検出手段によって検出され、状態量計測値ＰＶ１入力部２−１を介して状態量計測値変換部５に入力される（図３ステップＳ１０１）。状態量計測値ＰＶ２は、図示しない第２の検出手段によって検出され、状態量計測値ＰＶ２入力部２−２を介して状態量計測値変換部５に入力される（ステップＳ１０２）。状態量計測値ＰＶ３は、図示しない第３の検出手段によって検出され、状態量計測値ＰＶ３入力部２−３を介して状態量計測値変換部５に入力される（ステップＳ１０３）。
【００４８】
状態量設定値ＳＰ１は、制御装置のオペレータによって設定され、状態量設定値ＳＰ１入力部１−１を介して状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”算出部３−１と設定値変更量算出部９とに入力される（ステップＳ１０４）。状態量設定値ＳＰ２は、オペレータによって設定され、状態量設定値ＳＰ２入力部１−２を介して状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”算出部３−２と設定値変更量算出部９とに入力される（ステップＳ１０５）。状態量設定値ＳＰ３は、オペレータによって設定され、状態量設定値ＳＰ３入力部１−３を介して状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”算出部３−３と設定値変更量算出部９とに入力される（ステップＳ１０６）。
【００４９】
設定値変更量算出部９は、状態量設定値ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３のうち少なくとも１つが変更された場合、変更された設定値ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３の変更量ΔＳＰ１，ΔＳＰ２，ΔＳＰ３を検出して、この設定値変更による基準状態量設定値ＳＰ１’の変更量ΔＳＰ１’を次式のように算出する（ステップＳ１０７）。
ΔＳＰ１’＝（１／３）ΔＳＰ１＋（１／３）ΔＳＰ２＋（１／３）ΔＳＰ３
・・・（１０）
なお、式（１０）における設定値変更量ΔＳＰ１，ΔＳＰ２，ΔＳＰ３のうち、変更されていない設定値については変更量が０であることは言うまでもない。
【００５０】
フィルタリング時定数決定部１０は、設定値変更量算出部９において設定値変更が検出されたとき、フィルタリング時定数Ｔｆを次式のように算出し、このフィルタリング時定数Ｔｆを状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”算出部３−１と状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”算出部３−２と状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”算出部３−３とに設定する（ステップＳ１０８）。
Ｔｆ＝α｜ΔＳＰ１’｜                                          ・・・（１１）
式（１１）で用いる比率αは、制御シミュレーションにより決定され、フィルタリング時定数決定部１０に予め設定されている。
【００５１】
次に、状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”算出部３−１は、状態量設定値ＳＰ１に対して次式の伝達関数式のような１次遅れフィルタリング処理を実行し、状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”を算出する（ステップＳ１０９）。
ＳＰ１”＝ＳＰ１／（１＋Ｔｆｓ）                                ・・・（１２）
式（１２）において、ｓはラプラス演算子である。
【００５２】
状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”算出部３−２は、状態量設定値ＳＰ２に対して次式の伝達関数式のような１次遅れフィルタリング処理を実行し、状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”を算出する（ステップＳ１１０）。
ＳＰ２”＝ＳＰ２／（１＋Ｔｆｓ）                                ・・・（１３）
【００５３】
状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”算出部３−３は、状態量設定値ＳＰ３に対して次式の伝達関数式のような１次遅れフィルタリング処理を実行し、状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”を算出する（ステップＳ１１１）。
ＳＰ３”＝ＳＰ３／（１＋Ｔｆｓ）                                ・・・（１４）
【００５４】
続いて、状態量設定値変換部４は、予め設定された状態量変換行列Ｔを用いて次式のように状態量フィルタリング設定値変換を実行して、基準状態量設定値ＳＰ１’と相対状態量設定値ＳＰ２’，ＳＰ３’を算出し、基準状態量設定値ＳＰ１’をＰＩＤ制御演算部６−１に出力すると共に、相対状態量設定値ＳＰ２’，ＳＰ３’をＰＩＤ制御演算部６−２，６−３に出力する（ステップＳ１１２）。
【００５５】
【数８】
2006221235.tif 000010
【００５６】
状態量設定値変換部４に予め設定された状態量変換行列Ｔは、次式のようになる。
【００５７】
【数９】
2006221235.tif 000011
【００５８】
なお、式（１０）による基準状態量設定値ＳＰ１’の変更量ΔＳＰ１’の算出は、式（１６）の状態量変換行列Ｔにおける基準状態量設定値算出部分（第１行）に基づくものである。
【００５９】
一方、状態量計測値変換部５は、予め設定された状態量変換行列Ｔを用いて次式のように状態量計測値変換を実行して、状態量計測値ＰＶ１’，ＰＶ２’，ＰＶ３’を算出し、状態量計測値ＰＶ１’，ＰＶ２’，ＰＶ３’をＰＩＤ制御演算部６−１，６−２，６−３に出力する（ステップＳ１１３）。
【００６０】
【数１０】
2006221235.tif 000012
【００６１】
次に、ＰＩＤ制御演算部６−１は、次式の伝達関数式のようなＰＩＤ制御演算を行って操作量ＭＶ１’を算出して、操作量変換部７に出力する（ステップＳ１１４）。
ＭＶ１’＝（１００／Ｐｂ１）｛１＋（１／Ｔｉ１ｓ）＋Ｔｄ１ｓ｝（ＳＰ１”
−ＰＶ１’）                                          ・・・（１８）
式（１８）において、Ｐｂ１は比例帯、Ｔｉ１は積分時間、Ｔｄ１は微分時間である。
【００６２】
ＰＩＤ制御演算部６−２は、次式の伝達関数式のようなＰＩＤ制御演算を行って操作量ＭＶ２’を算出して、操作量変換部７に出力する（ステップＳ１１５）。
ＭＶ２’＝（１００／Ｐｂ２）｛１＋（１／Ｔｉ２ｓ）＋Ｔｄ２ｓ｝（ＳＰ２”
−ＰＶ２’）                                          ・・・（１９）
式（１９）において、Ｐｂ２は比例帯、Ｔｉ２は積分時間、Ｔｄ２は微分時間である。
【００６３】
ＰＩＤ制御演算部６−３は、次式の伝達関数式のようなＰＩＤ制御演算を行って操作量ＭＶ３’を算出して、操作量変換部７に出力する（ステップＳ１１６）。
ＭＶ３’＝（１００／Ｐｂ３）｛１＋（１／Ｔｉ３ｓ）＋Ｔｄ３ｓ｝（ＳＰ３”
−ＰＶ３’）                                          ・・・（２０）
式（２０）において、Ｐｂ３は比例帯、Ｔｉ３は積分時間、Ｔｄ３は微分時間である。
【００６４】
操作量変換部７は、予め設定された操作量変換行列Ｕを用いて次式のように操作量変換を実行して、操作量ＭＶ１，ＭＶ２，ＭＶ３を算出し、操作量ＭＶ１，ＭＶ２，ＭＶ３を操作量ＭＶ１出力部８−１，８−２，８−３に出力する（ステップＳ１１７）。
【００６５】
【数１１】
2006221235.tif 000013
【００６６】
操作量変換部７に予め設定された操作量変換行列Ｕは、次式のようになる。
【００６７】
【数１２】
2006221235.tif 000014
【００６８】
式（２２）のＰ-1は、制御対象のゲイン行列Ｐの逆行列である。ゲイン行列Ｐは、制御ループ数がｎの場合はｎ×ｎの正方行列であり、本実施の形態では次式のようになる。
【００６９】
【数１３】
2006221235.tif 000015
【００７０】
式（２３）において、Ｉ11は操作量ＭＶ１が状態量計測値ＰＶ１に伝わるときのゲイン、Ｉ21は操作量ＭＶ２が状態量計測値ＰＶ１に伝わるときのゲイン、Ｉ31は操作量ＭＶ３が状態量計測値ＰＶ１に伝わるときのゲイン、Ｉ12は操作量ＭＶ１が状態量計測値ＰＶ２に伝わるときのゲイン、Ｉ22は操作量ＭＶ２が状態量計測値ＰＶ２に伝わるときのゲイン、Ｉ32は操作量ＭＶ３が状態量計測値ＰＶ２に伝わるときのゲイン、Ｉ13は操作量ＭＶ１が状態量計測値ＰＶ３に伝わるときのゲイン、Ｉ23は操作量ＭＶ２が状態量計測値ＰＶ３に伝わるときのゲイン、Ｉ33は操作量ＭＶ３が状態量計測値ＰＶ３に伝わるときのゲインである。ゲイン（伝達係数）Ｉ11〜Ｉ33は、特許文献３に記載されているように、予め複数のループ間の干渉を調査することにより与えられる。
【００７１】
操作量ＭＶ１出力部８−１は、操作量変換部７によって変換された操作量ＭＶ１をアクチュエータＡ１に出力する（ステップＳ１１８）。アクチュエータＡ１は、操作量ＭＶ１に基づいて第１の状態量を制御するために動作する。
操作量ＭＶ２出力部８−２は、操作量変換部７によって変換された操作量ＭＶ２をアクチュエータＡ２に出力する（ステップＳ１１９）。アクチュエータＡ２は、操作量ＭＶ２に基づいて第２の状態量を制御するために動作する。
操作量ＭＶ３出力部８−３は、操作量変換部７によって変換された操作量ＭＶ３をアクチュエータＡ３に出力する（ステップＳ１２０）。アクチュエータＡ３は、操作量ＭＶ３に基づいて第３の状態量を制御するために動作する。
【００７２】
以上のようなステップＳ１０１〜Ｓ１２０の処理が例えばオペレータによって制御の終了が指示されるまで（ステップＳ１２１においてＹＥＳ）、制御周期毎に繰り返し実行される。
【００７３】
図４は、本実施の形態の制御装置のシミュレーション結果を示す図である。図４（ａ）は、図１の制御装置にＳＰ１＝ＳＰ２＝ＳＰ３＝３０％のステップ入力が加わったときの制御応答を示し、図４（ｂ）は、このステップ入力時に制御装置から出力される操作量ＭＶ１，ＭＶ２，ＭＶ３を示している。シミュレーションの条件は以下の通りである。
【００７４】
まず、アクチュエータＡ１とプロセスＰ１とを含むブロックの伝達関数Ｇｐ１、アクチュエータＡ２とプロセスＰ２とを含むブロックの伝達関数Ｇｐ２、アクチュエータＡ３とプロセスＰ３とを含むブロックの伝達関数Ｇｐ３を次式のように設定する。ここでは、制御ループ間の干渉はないものとする。
Ｇｐ１＝０．３４３ｅｘｐ（−２．０ｓ）
／｛（１＋７０．０ｓ）（１＋１０．０ｓ）｝              ・・・（２４）
Ｇｐ２＝０．８００ｅｘｐ（−２．０ｓ）
／｛（１＋６０．０ｓ）（１＋１０．０ｓ）｝              ・・・（２５）
Ｇｐ３＝０．３０８ｅｘｐ（−２．０ｓ）
／｛（１＋５０．０ｓ）（１＋１０．０ｓ）｝              ・・・（２６）
【００７５】
操作量ＭＶ１，ＭＶ２，ＭＶ３に応じて状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３は、次式のように定まる。
ＰＶ１＝Ｇｐ１ＭＶ１                                            ・・・（２７）
ＰＶ２＝Ｇｐ２ＭＶ２                                            ・・・（２８）
ＰＶ３＝Ｇｐ３ＭＶ３                                            ・・・（２９）
【００７６】
ＰＩＤ制御演算部６−１のＰＩＤパラメータである比例帯Ｐｂ１を２５．０、積分時間Ｔｉ１を３５．０、微分時間Ｔｄ１を２０．０とし、ＰＩＤ制御演算部６−２のＰＩＤパラメータである比例帯Ｐｂ２を１０．０、積分時間Ｔｉ２を３５．０、微分時間Ｔｄ２を２０．０とし、ＰＩＤ制御演算部６−３のＰＩＤパラメータである比例帯Ｐｂ３を１０．０、積分時間Ｔｉ３を３５．０、微分時間Ｔｄ３を２０．０とする。また、フィルタリング時定数決定のための比率αを２．５とする。この結果、フィルタリング時定数決定部１０で算出されるフィルタリング時定数Ｔｆは約７５秒となる。
【００７７】
図４（ｂ）から分かるように、本実施の形態によれば、操作量ＭＶ１，ＭＶ２，ＭＶ３が上限値１００％を大きく超えるような状況は生じておらず、操作量飽和を緩和できることが分かる。その結果、本実施の形態では、図４（ａ）に示すように、制御ループ間の状態量差を小さくするという効果が損なわれることを回避でき、図４（ａ）に示すように状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３を概ね一致させることができる。
【００７８】
なお、本実施の形態で説明した制御装置は、演算装置、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。
また、本実施の形態では、状態量変換行列Ｔにより変換される前の状態量設定値ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３に対してフィルタリング処理を実施しているが、状態量変換行列Ｔにより変換された後の状態量設定値ＳＰ１’，ＳＰ２’，ＳＰ３’に対してフィルタリング処理を実施するような構成にしても良い。
【００７９】
また、本実施の形態では、特許文献３に開示された傾斜温度制御の手法に基づいて制御装置を構成しているが、非特許文献１に開示されたクロスコントローラの手法に基づいて制御装置を図９のように構成する場合も、本実施の形態と同様に構成すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、プロセス制御技術に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施の形態となる制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態における制御系のブロック線図である。
【図３】本発明の実施の形態における制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態における制御装置の動作のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】従来の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】従来の他の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図７】状態量平均値と状態量差とを制御対象とする従来の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図８】クロスコントローラを用いた従来の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図９】図８のクロスコントローラを図７の制御装置に適用した構成を示すブロック図である。
【図１０】傾斜温度制御の手法を用いた従来の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】従来の制御装置の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８２】
３−１…状態量フィルタリング設定値ＳＰ１”算出部、３−２…状態量フィルタリング設定値ＳＰ２”算出部、３−３…状態量フィルタリング設定値ＳＰ３”算出部、４…状態量設定値変換部、５…状態量計測値変換部、６−１、６−２、６−３…ＰＩＤ制御演算部、７…操作量変換部、９…設定値変更量算出部、１０…フィルタリング時定数決定部。
【図１】
2006221235.tif 000016
【図２】
2006221235.tif 000017
【図３】
2006221235.tif 000018
【図４】
2006221235.tif 000019
【図５】
2006221235.tif 000020
【図６】
2006221235.tif 000021
【図７】
2006221235.tif 000022
【図８】
2006221235.tif 000023
【図９】
2006221235.tif 000024
【図１０】
2006221235.tif 000025
【図１１】
2006221235.tif 000026