(57)【要約】【課題】正確かつ高速な応答性を有する新規な温度制御アルゴリズムを提供し、この温度制御アルゴリズムを利用して、所定の物体の温度制御を正確かつ高速に行う。【解決手段】温度制御システムは、発熱制御機構モデル（２）を適用した温度制御装置１０１と、ペルチェ素子などから構成される加熱装置１０２と、この加熱装置１０２上に載置され、温度制御に供する物体１０３とを備えて構成される。温度制御装置１０１に適用した発熱制御機構モデル（２）は、時間ｔ＜０（目標温度に到達する以前）のときに、初期温度（目標温度）Ｔ０を発生するための初期エネルギーＥ０を発生するエネルギー発生器４１と、時間ｔ≧０（目標温度に到達した後）のときに、温度変化量ΔＴｓがゼロになるようにフィードバック制御によりエネルギーΔＥを発生するエネルギー発生器４とを含んで構成される。【選択図】図４
2008234152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度制御アルゴリズムを用いたフィードバック制御により、所定の物体の温度制御を行う装置において、
前記物体の温度が目標温度に達するまでの間に、初期温度に応じた一定値を操作量として温度制御を行う第１の制御部と、
前記物体の温度が目標温度に達した後に、制御周期あたりの前記物体の温度変化量がゼロになるように、前記一定値に加えて前記温度変化量に応じた値を操作量として温度制御を行う第２の制御部とを備えることを特徴とする温度制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の温度制御装置において、
Ｅをエネルギー、Ｅ０を前記初期温度に応じた初期エネルギー、ΔＥを制御周期あたりのエネルギー変化量、Ａをフィードバック係数、及び、ΔＴｓを物体の温度変化量とした場合に、
前記第１の制御部は、次のエネルギーＥに応じた値を操作量として温度制御を行い、
2008234152.tif 000021
前記第２の制御部は、次のエネルギーＥに応じた値を操作量として温度制御を行う、
2008234152.tif 000022
ことを特徴とする温度制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の温度制御装置において、
Ｔｓを物体の温度、λを物体の熱伝達率、ηを物体が有するエネルギーから熱量への変換係数、Ｅ０を前記初期温度に応じた初期エネルギー、Ｑｅｘを物体と外気との間で授受される熱量、及び、ΔＥを前記温度変化量に応じたエネルギーとした場合に、
前記第１の制御部による温度制御アルゴリズムを、
2008234152.tif 000023
とし、
前記第２の制御部による温度制御アルゴリズムを、
2008234152.tif 000024
とすることを特徴とする温度制御装置。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一項に記載の温度制御装置において、
前記温度制御アルゴリズムをザゼンソウによる温度制御アルゴリズムとすることを特徴とする温度制御装置。
【請求項５】
温度制御アルゴリズムを用いたフィードバック制御により、所定の物体の温度制御を行う方法において、
前記物体の温度が目標温度に達するまでの間に、初期温度に応じた一定値を操作量として温度制御を行う第１のステップと、
前記物体の温度が目標温度に達した後に、制御周期あたりの前記物体の温度変化量がゼロになるように、前記一定値に加えて前記温度変化量に応じた値を操作量として温度制御を行う第２のステップとを有することを特徴とする温度制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載の温度制御方法において、
Ｅをエネルギー、Ｅ０を前記初期温度に応じた初期エネルギー、ΔＥを制御周期あたりのエネルギー変化量、Ａをフィードバック係数、及び、ΔＴｓを物体の温度変化量とした場合に、
前記第１のステップは、次のエネルギーＥに応じた値を操作量として温度制御を行い、
2008234152.tif 000025
前記第２のステップは、次のエネルギーＥに応じた値を操作量として温度制御を行う、
2008234152.tif 000026
ことを特徴とする温度制御方法。
【請求項７】
請求項５に記載の温度制御方法において、
Ｔｓを物体の温度、λを物体の熱伝達率、ηを物体が有するエネルギーから熱量への変換係数、Ｅ０を前記初期温度に応じた初期エネルギー、Ｑｅｘを物体と外気との間で授受される熱量、及び、ΔＥを前記温度変化量に応じたエネルギーとした場合に、
前記第１のステップによる温度制御アルゴリズムを、
2008234152.tif 000027
とし、
前記第２のステップによる温度制御アルゴリズムを、
2008234152.tif 000028
とすることを特徴とする温度制御方法。
【請求項８】
請求項５から７までのいずれか一項に記載の温度制御方法において、
前記温度制御アルゴリズムをザゼンソウによる温度制御アルゴリズムとすることを特徴とする温度制御方法。
【請求項９】
温度制御アルゴリズムを用いたフィードバック制御により、所定の物体の温度制御を行うプログラムであって、コンピュータに、
前記物体の温度が目標温度に達するまでの間に、初期温度に応じた一定値を操作量として温度制御を行う処理と、
前記物体の温度が目標温度に達した後に、制御周期あたりの前記物体の温度変化量がゼロになるように、前記一定値に加えて前記温度変化量に応じた値を操作量として温度制御を行う処理とを実行させる温度制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の物体の温度制御を、フィードバック制御により行う温度制御装置、温度制御方法及び温度制御プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
温度、圧力、流量、レベルなどの種々の状態変数が時間的に変化する制御対象に対し、これらの状態変数が目標値に追従するように操作量を制御する自動制御手法として、ＰＩＤ（比例、積分、微分）制御が知られている。このＰＩＤ制御は、特に温度制御などの分野においては広範に用いられている。
【０００３】
図１２は、ＰＩＤ制御に基づく従来の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１２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、温度制御装置が、目標温度と現在の温度Ｔｓとの間の偏差を算出し、その偏差に基づいてＰＩＤ各要素の係数で演算を施すことにより、操作量を決定する。そして、制御対象は、この操作量により、温度Ｔｓが目標温度になるように制御される。このようなＰＩＤ制御では、毎回の演算量が多く、演算速度に長時間を要することから、十分な高速応答を実現することができなかった。
【０００４】
また、ＰＩＤ各要素の係数は数学的手法で導入されたものであり、基本的に温度制御対象の物理特性に直結するものではないため、前記各係数の最適値を理論的に求めることが事実上不可能である。このため、前記各係数は、経験的な勘またはカットアンドトライによって決定しており、適切な値に決定するのが容易でなかった。かかる観点からも、正確かつ高速な応答を実現することができなかった。
【０００５】
さらに、図１２からも明らかなように、ＰＩＤ制御には目標温度に到達するために積分要素が必要である。このため、原理的に振動が生じることを避けることができず、このことからも十分正確かつ高速な応答を実現することができなかった。
【０００６】
上述したような問題に鑑み、ＰＩＤ制御に対して種々の改良が試みられている。例えば、特許文献１においては、制御対象の制御量を、時間的に変化する目標値に追従させる自動制御の際、制御量の目標値に対して正確に追従させることができる設定値の設定方法が開示されている。かかる制御方法によれば、制御対象の系の特性に合わせ、正確に設定値に追従させてサーボ制御を行なうことができるという利点を有する。
【０００７】
また、特許文献２には、制御対象から検出された現在値と目標となる設定値との間の偏差を演算するとともに、その演算された偏差に応じてＰＩＤ制御演算を行なった後、温度制御装置の現在の動作量が所定範囲内にあるか否かを判定して、所定範囲内にあるときで、かつ、偏差の符号が反転したときは、その所定範囲内の動作量に応じて予め設定されている出力比をＰＩＤ制御演算値に乗算して出力し、また、所定範囲外であるときは、その所定範囲外の動作量に応じて予め設定されている出力比をＰＩＤ制御演算値に乗算して出力することを特徴とするＰＩＤ制御方法が開示されている。
【０００８】
しかしながら、上述したようないずれのＰＩＤ制御によっても、正確かつ高速な応答性を有する温度制御を行うことは未だできていない。
【０００９】
ところで、このようなＰＩＤ制御による問題を解決するために、恒温植物の温度制御アルゴリズムを利用した制御手法が、特許文献３，４に開示されている。この制御手法は、恒温植物の一種であるザゼンソウが、外気温度が氷点下になっても、その体温を約２０度前後に維持するという特性を利用したものであり、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、そのモデルを用いて制御対象となる所定の物体の温度を制御するものである。
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−９２５０１号公報
【特許文献２】特開２０００−１６３１０１号公報
【特許文献３】特開２００５−６３１８０号公報
【特許文献４】国際公開ＷＯ２００６／０６１８９２Ａ１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、正確かつ高速な応答性を有する新規な温度制御アルゴリズムを提供し、この温度制御アルゴリズムを利用して、所定の物体の温度制御を正確かつ高速に行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成すべく、本発明は、温度制御アルゴリズムを用いたフィードバック制御により、所定の物体の温度制御を行う装置において、前記物体の温度が目標温度に達するまでの間に、初期温度に応じた一定値を操作量として温度制御を行う第１の制御部と、前記物体の温度が目標温度に達した後に、制御周期あたりの前記物体の温度変化量がゼロになるように、前記一定値に加えて前記温度変化量に応じた値を操作量として温度制御を行う第２の制御部とを備えることを特徴とする、温度制御装置に関する。
【００１３】
また、本発明は、前記温度制御装置の発明に実質的に相当する方法及びプログラムとしても実現し得るものであり、本発明には、温度制御方法及び温度制御プログラムも包含される。
【００１４】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を行い、従来のＰＩＤ制御の代わりとなる新たな制御方式として、正確かつ高速な応答性を有する温度制御アルゴリズムの探索を行った。その結果、自然界に存在する生物の恒温特性に着目し、その中でも採取が容易であり、極低温においても十分な恒温特性を有することができるという理由から、恒温植物の恒温特性を利用することを想到した。実際、岩手県などの寒冷地に自生するザゼンソウ（Ｓｙｍｐｌｏｃａｒｐｕｓ  ｆｏｅｔｉｄｕｓ）と呼ばれる植物は、氷点以下における外気温度の変動にも関わらず、その体温を２０℃程度に維持できる。
【００１５】
したがって、本発明者らは、このような恒温植物の温度制御メカニズムを解析することによって、前記恒温植物は優れた正確かつ高速の応答性を有する温度制御アルゴリズムを有することを見出し、この温度制御アルゴリズムを利用することによって、目的とする物体の温度制御を行うことを想到した。
【００１６】
本発明の一態様において、Ｅをエネルギー、Ｅ０を前記初期温度に応じた初期エネルギー、ΔＥを制御周期あたりのエネルギー変化量、Ａをフィードバック係数、及び、ΔＴｓを物体の温度変化量とした場合に、物体の温度が目標温度に達するまでの間は、次のエネルギーＥ
2008234152.tif 000003
に応じた値を操作量とし、物体の温度が目標温度に達した後は、次のエネルギーＥ
2008234152.tif 000004
に応じた値を操作量として温度制御を行う。
【００１７】
また、本発明の一態様において、Ｔｓを物体の温度、λを物体の熱伝達率、ηを物体が有するエネルギーから熱量への変換係数、Ｅ０を前記初期温度に応じた初期エネルギー、Ｑｅｘを物体と外気との間で授受される熱量、及び、ΔＥを前記温度変化量に応じたエネルギーとした場合に、物体の温度が目標温度に達するまでの間の温度制御アルゴリズムを、
2008234152.tif 000005
とし、物体の温度が目標温度に達した後の温度制御アルゴリズムを、
2008234152.tif 000006
として温度制御を行う。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、正確かつ高速な応答性を有する新規な温度制御アルゴリズムを提供することができ、この温度制御アルゴリズムを利用して、所定の物体の温度制御を正確かつ高速に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００２０】
〔ザゼンソウによる温度制御〕
まず、ザゼンソウによる温度制御について、その温度特性及び発熱制御機構モデルを用いて詳細に説明する。
図１は、急激な温度変化に対するザゼンソウの温度特性の一例を示すグラフである。この温度特性は、群落地から採取したザゼンソウを人口気象室内へ移植し、室内温度（ザゼンソウの外気温度、以下、「外気温度」という。）Ｔａを急激に変化させたとき（０．５〜１℃／分）の、ザゼンソウの肉穂花序の温度（以下、「ザゼンソウの温度」という。）Ｔｓの変化を示すものである。ザゼンソウは、外気温度Ｔａが変化した場合であっても、その温度Ｔｓを一定に保つように発熱制御を行う。図１によれば、ザゼンソウの温度Ｔｓは、外気温度Ｔａの変化に従ってやや遅れて追従するが、その後穏やかに回復して、ほぼ元の温度に戻っていることがわかる。この場合、ザゼンソウの温度Ｔｓ変化の周期は、約５８分である。
【００２１】
図２は、緩慢な温度変化に対するザゼンソウの温度特性の一例を示すグラフである。この温度特性は、図１と同様の人口気象室内において、外気温度Ｔａを緩慢に変化させたとき（０．０１５℃／分）の、ザゼンソウの温度Ｔｓの変化を示すものである。図２によれば、ザゼンソウの温度Ｔｓは、外気温度Ｔａが下がるとともに低下し続け、内在する温度センサの感度である±０．９℃を超える体温変化（最大１．５℃）に対しても無反応であることが分かる。
【００２２】
図３は、ザゼンソウの発熱制御機構モデル（１）を示すブロック図である。この発熱制御機構モデル（１）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及び加算器１０により構成される。遅延器１は、ザゼンソウの温度Ｔｓ（ｔ）に対してτだけ遅延させた温度Ｔｓ（ｔ−τ）を生成する。ここで、τは制御周期に相当するサンプリング時間を示す。減算器２は、ザゼンソウの温度Ｔｓ（ｔ）と温度Ｔｓ（ｔ−τ）との間の差分演算を行い、制御周期τの温度変化量（変化勾配）ΔＴｓを出力する。
【数１】
2008234152.tif 000007
【００２３】
温度センサー３は、所定の感度（図３の温度センサー３の箇所に示したように、０℃近傍に±０．９℃の不感帯が存在する。）を有し、制御周期τの温度変化量ΔＴｓをフィードバック制御信号ΔＳに変換し、フィードバック制御信号ΔＳを出力する。
【数２】
2008234152.tif 000008
【００２４】
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ΔＥを発生する。
【数３】
2008234152.tif 000009
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。
【００２５】
エネルギー発生器４により発生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、ヒーター５は、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。すなわち、ヒーター５により、生化学的エネルギーΔＥに応じた熱量ΔＱが出力される。
【数４】
2008234152.tif 000010
ここで、変換効率ηは、生化学的エネルギーから熱量へ変換する際の効率を示すパラメータである。
【００２６】
また、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、ニュートンの冷却則より、これらの温度差に比例すると考えられる。ここで、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、この温度差を出力し、熱伝達器７は、この温度差（Ｔｓ（ｔ）−Ｔａ（ｔ））に熱伝達率ｈを乗算した熱量Ｑｅｘを出力する。したがって、ザゼンソウと外気との間で授受される熱量Ｑｅｘは以下のとおりになる。
【数５】
2008234152.tif 000011
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。
【００２７】
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。
【数６】
2008234152.tif 000012
【００２８】
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し、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（境界ｔ＝０のときのザゼンソウの温度：Ｔｓ（０））との間の加算演算を行い、ザゼンソウの温度Ｔｓが求められる。
【数７】
2008234152.tif 000013
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。
【００２９】
したがって、図３に示したザゼンソウの発熱制御機構モデル（１）における発熱制御システムは、以下の式により表すことができる。
【数８】
2008234152.tif 000014
【００３０】
このように、図３に示したザゼンソウの発熱制御機構モデル（１）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。そして、制御周期τの温度変化量ΔＴｓに応じた生化学的エネルギーΔＥを発生し、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。
【００３１】
次に、前述した（８）式において、初期温度Ｔ０を発生するために必要な初期エネルギーをＥ０とした場合のモデル（２）について説明する。この場合の発熱制御システムは、以下の式により表すことができる。
【数９】
2008234152.tif 000015
【００３２】
但し、生化学的エネルギーΔＥ及び初期エネルギーＥ０は、以下のとおりである。
【数１０】
2008234152.tif 000016
【００３３】
前述した（９）式は時間ｔ≧０の場合を示しており、時間ｔ＜０の場合は、以下のように、単純な発熱の式により表すことができる。
【数１１】
2008234152.tif 000017
【００３４】
図４は、ザゼンソウの発熱制御機構モデル（２）を示すブロック図である。この発熱制御機構モデル（２）は、前述した（８）式及び（９）式をモデル化したものであり、ザゼンソウ体温のカオス次元解析から得られた制御要素の次元数（２以上３未満）に基づいて、その発熱制御システムにおける制御要素を、炭水化物から生化学的エネルギーを発生する器官（ＴＣＡサイクル）と、その生化学的エネルギーを熱エネルギーに変換する器官（ミトコンドリア）とに区別して構成したものである。
【００３５】
図４に示すように、発熱制御機構モデル（２）は、遅延器１、減算器２、温度センサー３、エネルギー発生器４０、ヒーター５０、加算器２１、減算器２２、減算器６、熱伝達器７及び熱伝達器９により構成される。また、エネルギー発生器４０は、時間ｔ≧０の場合におけるフィードバック制御用のエネルギー発生器４と、時間ｔ＜０の場合におけるエネルギー発生器４１とを備えている。また、ヒーター５０は、同様に、時間ｔ≧０の場合におけるフィードバック制御用のヒーター５と、時間ｔ＜０の場合におけるヒーター５１とを備えている。ここで、エネルギー発生器４０が、炭水化物から生化学的エネルギーを発生する器官（ＴＣＡサイクル）に相当し、ヒーター５０が、その生化学的エネルギーを熱エネルギーに変換する器官（ミトコンドリア）に相当する。
【００３６】
図３に示した発熱制御機構モデル（１）と図４に示す発熱制御機構モデル（２）とを比較すると、両モデルは、フィードバック制御のための遅延器１、減算器２、温度センサー３、エネルギー発生器４及びヒーター５を備え、また、ザゼンソウと外気との間で授受される熱量Ｑｅｘを生成するための減算器６及び熱伝達器７を備え、さらに、熱量を温度に変換する熱伝達器９を備えている点で共通し、図４に示す発熱制御機構モデル（２）が、初期温度Ｔ０を発生するために必要な初期エネルギーをＥ０とした場合のエネルギー発生器４１及びヒーター５１を備え、また、加算器２１及び減算器２２を備えている点で相違する。以下、図４において、図３と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３７】
エネルギー発生器４１は、初期温度Ｔ０を発生するために必要な生化学的な初期エネルギーＥ０を発生する。初期エネルギーＥ０は、前述した（１０）式の右側に示した式により表すことができる。
【００３８】
エネルギー発生器４１により発生された初期エネルギーＥ０の一部が発熱量になることから、ヒーター５１は、初期エネルギーＥ０に変換効率ηを乗算した初期熱量Ｑ０を出力する。すなわち、ヒーター５１により、初期エネルギーＥ０に応じた初期熱量Ｑ０が出力される。
【００３９】
加算器２１は、制御周期におけるザゼンソウの温度差からフィードバック制御により生じた、生化学的エネルギーΔＥに応じた熱量ΔＱと、初期エネルギーＥ０に応じた初期熱量Ｑ０との間の加算演算を行い、加算熱量を出力する。
【００４０】
減算器２２は、前記加算熱量と、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Ｑを出力する。そして、熱伝達器９は、総熱量Ｑに熱伝達率の逆数１／λを乗算し、ザゼンソウの温度Ｔｓが求められる。
【００４１】
このように、図４に示したザゼンソウの発熱制御機構モデル（２）によれば、図３に示した発熱制御機構モデル（１）と同様に、外気温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。そして、制御周期τの温度変化量ΔＴｓに応じた生化学的エネルギーΔＥを発生し、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、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。
【００４２】
次に、図４に示したザゼンソウの発熱制御機構モデル（２）における発熱制御システムを表す（９）式について、実物のザゼンソウとの間の整合性を検証する。以下、（９）式を用いたコンピュータシミュレーションの結果を示す。尚、各パラメータは、制御周期τ＝３（分）、変換効率η＝０．１、熱伝達率ｈ＝０．３（ｋｃａｌ／ｍ２ｈ℃）、フィードバック係数Ａ＝０．８、熱伝達率λ＝０．３３（ｋｃａｌ／ｍ２ｈ℃）、初期エネルギーＥ０＝８０（Ｗ・ｓ）、初期温度Ｔ０＝２０（℃）とする。ここで、ザゼンソウの発熱制御システムにおいて、制御係数は、制御性能に関係するフィードバック係数Ａ、及びザゼンソウ体温の振動周期に関係する制御周期τである。
【００４３】
図５は、図４に示した発熱制御機構モデル（２）のシミュレーションにおいて、急激な温度変化に対する温度特性の一例を示すグラフである。この温度特性は、図１と同様の条件の下で、外気温度Ｔａを急激に変化させたときのザゼンソウの温度Ｔｓ変化を示すものである。図５によれば、外気温度Ｔａの変化に対して明らかに、温度Ｔｓを一定に保つように発熱制御を行っており、温度Ｔｓ変化の周期は約６０分であることがわかる。つまり、シミュレーションによれば、図５に示した発熱制御機構モデルによる温度特性は、図１に示した実物のザゼンソウの温度特性と同様であることがわかる。
【００４４】
図６は、図４に示した発熱制御機構モデル（２）のシミュレーションにおいて、緩慢な温度変化に対するザゼンソウの温度特性の一例を示すグラフである。この温度特性は、図２と同様の条件下で、外気温度Ｔａを緩慢に変化させたときのザゼンソウの温度Ｔｓ変化を示すものである。図６によれば、温度Ｔｓは、外気温度Ｔａが下がるとともに低下し続け、開始から約３４０分経過した後の温度Ｔｓの低下量は、約１．５℃であることがわかる。つまり、シミュレーションによれば、図６に示した発熱制御機構モデルによる温度特性は、図２に示した実物のザゼンソウの温度特性と同様であることがわかる。
【００４５】
このように、図５及び図６に示したシミュレーションの結果は、実物のザゼンソウの温度特性を良く再現しており、ザゼンソウの発熱制御機構モデルとして確からしいことがわかる。これにより、図４に示したザゼンソウの発熱制御機構モデル（２）における発熱制御システムを表す（９）式は、実物のザゼンソウとの間で整合性があるといえる。
【００４６】
次に、図４に示したザゼンソウの発熱制御機構モデル（２）による温度制御と従来のＰＩＤ制御との相違について説明する。図７は、図４に示した発熱制御機構モデル（２）によるザゼンソウアルゴリズム及びＰＩＤ制御アルゴリズムのシミュレーションによって算出した、ステップ応答特性の一例を示すグラフである。このステップ応答特性は、制御対象を１／（ｓ＋１）とし、ザゼンソウアルゴリズムにおいて、初期エネルギーＥ０＝２．０、フィードバック係数Ａ＝１．５、制御周期τ＝０．０１とし、ＰＩＤ制御アルゴリズムにおいて、Ｐ＝２．１００７、Ｉ＝２．２５５、Ｄ＝０．００５６とした場合の特性である。
【００４７】
図４に示した発熱制御機構モデル（２）のザゼンソウアルゴリズムにおいて、ｔ＜０のとき（すなわち、Ｔｓ＝Ｔ０以前）は、図４に示したエネルギー発生器４１により、固定（一定）の操作量Ｅ０が図示しない制御対象に出力され、ｔ≧０のとき（すなわち、Ｔｓ＝Ｔ０以降）は、図４に示したフィードバック制御にてエネルギー発生器４により、可変の操作量ΔＥが図示しない制御対象に出力される。
【００４８】
すなわち、制御対象に出力される操作量は、図４において、エネルギー発生器４０からヒーター５０に入力されるエネルギーＥである。
【数１２】
2008234152.tif 000018
フィードバック制御が開始する前のｔ＜０では、（１３）式のエネルギーに相当する操作量が出力され、フィードバック制御が開始した後のｔ≧０では、（１４）式のエネルギーに相当する操作量が出力される。
【数１３】
2008234152.tif 000019
【数１４】
2008234152.tif 000020
【００４９】
図７によれば、ザゼンソウアルゴリズムのステップ応答特性において、ｔ＜０のときは、固定（一定）の操作量Ｅ０が出力されるから、温度Ｔｓはそれに従って上昇し、ｔ≧０のときは、フィードバック制御により温度差ΔＴｓがゼロになるように可変の操作量ΔＥが出力され、ほぼ一定の温度Ｔｓとなっていることがわかる。また、ザゼンソウアルゴリズムのステップ応答特性は、ｔ＝０付近の特性を除いて、ＰＩＤ制御アルゴリズムのステップ応答特性とほぼ同等であることがわかる。
【００５０】
図８は、図４に示した発熱制御機構モデル（２）によるザゼンソウアルゴリズム及びＰＩＤ制御アルゴリズムのシミュレーションによって算出した、ステップ応答特性の一例を示すグラフである。このステップ応答特性は、制御対象を１／（ａ・ｓ＋１）とし、ａ＝１，１．５，２とした場合のそれぞれの特性を示している。図８によれば、ザゼンソウアルゴリズムでは、図７と同様に、大幅な性能劣化がないことがわかる。
【００５１】
〔温度制御装置〕
次に、図４に示した発熱制御機構モデル（２）を温度制御装置に適用した例について説明する。図９は、本発明の実施の形態による温度制御装置を含むシステムを示す概略図である。この温度制御システムは、発熱制御機構モデル（２）を適用した温度制御装置１０１と、ペルチェ素子などから構成される加熱装置１０２と、この加熱装置１０２上に載置され、温度制御に供する物体１０３とを備えて構成される。温度制御装置１０１は、物体１０３から温度情報（物体の温度）を入力し、図４に示した発熱制御機構モデル（２）のザゼンソウアルゴリズムにより、（１２）〜（１４）式に示したエネルギーＥを算出し、この値に相当する操作量の電力を加熱装置１０２へ出力する。加熱装置１０２は、入力した電力に応じて加熱され、これにより、物体１０３の温度が一定に維持するように制御される。
【００５２】
図９に示した温度制御システムの温度制御装置１０１は、図４に示した発熱制御機構モデル（２）の遅延器１、減算器２、温度センサー３、エネルギー発生器４０及び加算器１０に相当し、加熱装置１０２は、ヒーター５０及び加算器２１に相当し、物体１０３は、減算器６、熱伝達器７、減算器２２及び熱伝達器９に相当する。また、温度制御装置１０１が入力する物体１０３の温度はＴｓ（ｔ）に相当し、温度制御装置１０１が出力する電力（操作量）は、ΔＥ及びＥ０に相当する。
【００５３】
図１０は、図９に示した温度制御装置１０１によるステップ応答特性を示すグラフである。このステップ応答特性は、図９に示した実機の温度制御システムによる特性である。図１０によれば、物体１０３の温度Ｔｓは、オーバーシュート及びアンダーシュートすることなく、素早く一定の温度を維持し、安定した応答となることがわかる。
【００５４】
図１１は、図９に示した温度制御装置によるステップ応答特性、及び、図１２に示したＰＩＤ制御アルゴリズムを有する温度制御装置によるステップ応答特性を示すグラフである。図１１によれば、ザゼンソウアルゴリズムでは、図１０と同様に、大幅な性能劣化がないことがわかる。
【００５５】
以上のように、本発明の実施の形態による温度制御装置１０１によれば、物体１０３の温度制御を正確かつ高速に行うことができ、オーバーシュートやアンダーシュートをほとんど生じることがない。
【００５６】
また、本発明の実施の形態による温度制御装置１０１によれば、初期エネルギーＥ０、フィードバック係数Ａ及び制御周期τの３つのパラメータを設定するに際し、初期エネルギーＥ０は、目標温度である初期温度Ｔ０を超える熱量となるように大きめに設定し、フィードバック係数Ａは、正確に目標温度である初期温度Ｔ０に到達するように大きめに設定し、制御周期τは、サンプリング時間として任意に設定すればよい。従来のＰＩＤ制御では、ＰＩＤの各パラメータの設定が非常に困難であったが、温度制御装置１０１によるザゼンソウアルゴリズムの制御では、前記３つのパラメータを、ＰＩＤの各パラメータに比べて容易に設定することができる。
【００５７】
尚、温度制御装置１０１は、ＣＰＵ、ＲＡＭなどの揮発性の記憶媒体、ＲＯＭなどの不揮発性の記憶媒体、マウスやキーボード、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、並びに外部と通信するためのインタフェースを備えたコンピュータによって構成される。温度制御装置１０１の機能は、ザゼンソウアルゴリズムを記述したプログラムをＣＰＵに実行させることによりそれぞれ実現される。また、これらのプログラムは、磁気ディスク（フロッピィーディスク、ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）、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。
【００５８】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を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。例えば、本発明で用いる温度制御アルゴリズムとしてザゼンソウのような恒温植物を挙げたが、好ましくは（９）式で示されるアルゴリズムが抽出できるような恒温特性を有するものであれば特に限定されない。しかしながら、好ましくはザゼンソウを用いる。また、本発明の物体としては、固体に限定することなく、液体や気体にも適用されることは上記説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】急激な温度変化に対するザゼンソウの温度特性の一例を示すグラフである。
【図２】緩慢な温度変化に対するザゼンソウの温度特性の一例を示すグラフである。
【図３】ザゼンソウの発熱制御機構モデル（１）を示すブロック図である。
【図４】ザゼンソウの発熱制御機構モデル（２）を示すブロック図である。
【図５】図４のモデルのシミュレーションにおいて、急激な温度変化に対する温度特性の一例を示すグラフである。
【図６】図４のモデルのシミュレーションにおいて、緩慢な温度変化に対する温度特性の一例を示すグラフである。
【図７】図４のモデルによるアルゴリズム及びＰＩＤ制御アルゴリズムのシミュレーションによって算出した、ステップ応答特性の一例を示すグラフである。
【図８】図４のモデルによるアルゴリズム及びＰＩＤ制御アルゴリズムのシミュレーションによって算出した、ステップ応答特性の一例を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態による温度制御装置を含むシステムを示す概略図である。
【図１０】図９の温度制御装置によるステップ応答特性を示すグラフである。
【図１１】図９の温度制御装置によるステップ応答特性、及び、図１２のＰＩＤ制御アルゴリズムを有する温度制御装置によるステップ応答特性を示すグラフである。
【図１２】ＰＩＤ制御に基づく従来の温度制御アルゴリズムの一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  遅延器
２，６，８，２２  減算器
３  温度センサー
４，４０，４１  エネルギー発生器
５，５０，５１  ヒーター
７，９  熱伝達器
１０，２１  加算器
１００  温度制御システム
１０１  温度制御装置
１０２  加熱装置
１０３  物体
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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