(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータにより加熱炉内を加熱することで、前記加熱炉内の温度を所定の最終目標時間で所定の最終目標温度まで上昇させ、前記最終目標温度で保持する際に、制御を開始してから前記最終目標時間が経過するまでの間の複数の時刻に対して、それぞれ、前記最終目標温度に到達するまでの前記加熱炉内の温度の変化が一定となるように途中目標温度を設定し、各時刻において前記加熱炉が対応する前記途中目標温度となるように、ヒータによる加熱温度の制御を、ＰＩＤ動作および比例要素と微分要素とを用いるフィードフォワード動作を含む目標値フィードフォワード型２自由度ＰＩＤ制御によって行う温度制御装置であって、
前記最終目標温度及び前記最終目標時間から、前記最終目標温度に比例するとともに、前記最終目標時間に反比例するオーバーシュート抑制温度を算出するオーバーシュート抑制温度算出手段と、
前記加熱炉の温度を検出する温度検出手段と、
前記比例要素の係数αの値を決定する決定手段と、
前記目標値フィードフォワード型２自由度ＰＩＤ制御により、前記ヒータによる加熱温度を制御する加熱温度制御手段とを備えており、
前記決定手段は、
前記温度検出手段において検出した前記加熱炉内の温度が、前記最終目標温度よりも前記オーバーシュート抑制温度だけ低い切り替え温度以下のときに、前記αの値を所定の第１の値に決定し、
前記温度検出手段において検出した前記加熱炉内の温度が、前記切り替え温度よりも高いときに、前記αの値を前記第１の値よりも大きな第２の値に決定することを特徴とする温度制御装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒータにより加熱炉内の温度を変化させる際のヒータによる加熱炉内の加熱温度を制御する温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度制御の分野においては、２自由度ＰＩＤ制御が広く用いられている。ここで、通常のＰＩＤ制御（１自由度ＰＩＤ制御）においては、非特許文献１に記載されているように、同一の調整部において目標値応答と外乱応答との両方を制御しているため、目標値応答を重視すると外乱応答が遅くなってしまい、外乱応答を重視すると目標値応答が振動的になる（オーバーシュートが発生する）。これに対して、２自由度ＰＩＤ制御においては、非特許文献１に記載されているように、外乱応答に対してはＰＩＤ部において対応するとともに、目標値応答に対してはＰＩＤ部及びフィードフォワード部の両方により対応することとなり、これにより、外乱応答と目標値応答とに独立して対応することができる。
【０００３】
より詳細には、非特許文献１に記載されている２自由度ＰＩＤ制御においては、ＰＩＤ部のパラメータを外乱応答用に調整しておき、ＰＩＤ部からの出力をフィードフォワード部からの出力によって抑えることにより、オーバーシュートが発生しないようにしている。これにより、フィードフォワード部のパラメータを調整することにより、外乱応答に影響を与えることなく目標値応答を自由に設定することができる。
【０００４】
さらに、非特許文献１の図９には、フィードフォワード部のパラメータα、βとオーバーシュート温度との関係が記載されており、この関係から、αが０．６５程度、βが１．０程度のときに、オーバーシュート温度を最小限に抑えることができることが分かる。
【０００５】
【非特許文献１】ＯＭＲＯＮ  ＴＥＣＨＮＩＣＳ  Ｖｏｌ．２８  Ｎｏ．４  １９８８  Ｐ．２８５〜２９１  「２自由度ＰＩＤ制御方式による温度制御」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、非特許文献１のフィードフォワード部からの出力は、目標値に対して比例動作及び微分動作が作用したものである。そして、フィードフォワード部からの出力はαの値が大きくβの値が相対的に小さいほど比例動作の影響が大きなものとなり、αの値が小さくβの値が相対的に大きいほど、微分動作の影響が大きなものとなる。
【０００７】
また、２自由度ＰＩＤ制御による温度制御として、例えば、液晶パネル用ガラス基板焼成炉（加熱炉）などにおいては、ヒータによる焼成炉の加熱温度を制御することにより、焼成炉の温度を、一定の割合で、所定の最終目標時間で所定の最終目標温度まで上昇させ、最終目標温度で保持するような制御（ランプ制御）が広く行われている。そして、このようなランプ制御においては、温度の変化の割合を一定にするために、制御を開始してから目標時間が経過するまで間の複数の時刻に対してそれぞれ目標温度（以下途中目標温度とする）を設定し、各時刻において加熱炉の温度が対応する途中目標温度となるようにヒータによる加熱温度が制御される。
【０００８】
したがって、上述したようなランプ制御を２自由度ＰＩＤ制御により行う場合には、時間の経過とともに途中目標温度が頻繁に変更されるため、αの値が大きく（例えば、０．６５）βの値が相対的に小さいと、フィードフォワード部からの出力は、途中目標温度の時間変化（途中目標温度の微分）に対する影響が小さなものとなる、すなわち、途中目標温度の変化に対する追従性が低いものとなる。その結果、加熱炉内の温度は、各時刻から遅れて対応する途中目標温度に到達することとなってしまう。
【０００９】
逆に、αの値が小さく（例えば、０．１）βの値が相対的に大きいと、フィードフォワード部からの出力は、途中目標温度の時間変化に対する影響が大きなものとなる、すなわち、途中目標温度に対する追従性が高くなる。しかしながら、この場合には、非特許文献１の図９の記載から分かるようにオーバーシュートが大きくなってしまう。
【００１０】
本発明の目的は、２自由度ＰＩＤ制御を用いて加熱炉の温度を制御する際に、ランプ制御における、各時刻における途中目標温度に対する追従性が高く、且つ、最終目標温度に到達した後にオーバーシュートが生じないような、温度制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の温度制御装置は、ヒータにより加熱炉内を加熱することで、前記加熱炉内の温度を所定の最終目標時間で所定の最終目標温度まで上昇させ、前記最終目標温度で保持する際に、制御を開始してから前記最終目標時間が経過するまでの間の複数の時刻に対して、それぞれ、前記最終目標温度に到達するまでの前記加熱炉内の温度の変化が一定となるように途中目標温度を設定し、各時刻において前記加熱炉が対応する前記途中目標温度となるように、ヒータによる加熱温度の制御を、ＰＩＤ動作および比例要素と微分要素とを用いるフィードフォワード動作を含む目標値フィードフォワード型２自由度ＰＩＤ制御によって行う温度制御装置である。そして、前記最終目標温度及び前記最終目標時間から、前記最終目標温度に比例するとともに、前記最終目標時間に反比例するオーバーシュート抑制温度を算出するオーバーシュート抑制温度算出手段と、前記加熱炉の温度を検出する温度検出手段と、前記比例要素の係数αの値を決定する決定手段と、前記目標値フィードフォワード型２自由度ＰＩＤ制御により、前記ヒータによる加熱温度を制御する加熱温度制御手段とを備えている。前記決定手段は、前記温度検出手段において検出した前記加熱炉内の温度が、前記最終目標温度よりも前記オーバーシュート抑制温度だけ低い切り替え温度以下のときに、前記αの値を所定の第１の値に決定し、前記温度検出手段において検出した前記加熱炉内の温度が、前記切り替え温度よりも高いときに、前記αの値を前記第１の値よりも大きな第２の値に決定する（請求項１）。 
【００１２】
これによると、加熱炉の温度が最終目標温度よりもオーバーシュート抑制温度だけ低い温度以下のときには、αの値を所定の第１の値とすることにより、加熱炉の途中目標温度に対する追従性を向上させることができる。さらに、加熱炉の温度が最終目標温度よりもオーバーシュート抑制温度だけ低い温度よりも高くなったときにαの値を第１の値よりも大きい第２の値とすることにより、加熱炉の温度が最終目標温度に到達したときに、オーバーシュートが生じにくくなる。
【００１３】
また、本発明の温度制御装置においては、前記オーバーシュート抑制温度算出手段が、前記最終目標温度に比例するとともに、前記最終目標時間に反比例する値となるように、前記オーバーシュート抑制温度を算出することが好ましい（請求項２）。これによると、オーバーシュート抑制温度をこのように決定することにより、加熱炉の途中目標温度に対する追従性が確実に高くなるとともに、最終目標温度に到達した後、オーバーシュートが確実に発生しにくくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１５】
図１は、本実施の形態に係る温度制御システムの概略構成図である。図１に示すように、温度制御システム１は、加熱炉２及び制御装置３を備えている。温度制御システム１においては、ユーザによって入力された、加熱炉２内の最終的な目標温度である最終目標温度ｎｘ、及び、制御を開始してから最終目標温度ｎｘに到達するまでの最終目標時間ｔに基づき、一定の割合で加熱炉２内の温度を上昇させ、最終目標時間ｔで加熱炉２内を最終目標温度ｎｘにするような制御を行っている（ランプ制御）。
【００１６】
より詳細には、温度上昇の割合が一定となるように、制御を開始してから最終目標時間が経過するまでの間の複数の時刻ｔ１〜ｔ４（図４参照）に対して、それぞれ途中目標温度ｎ１〜ｎ４（図４参照）を設定し、各時刻ｔ１〜ｔ４において対応する途中目標温度ｎ１〜ｎ４となるように後述するヒータ１２による加熱温度の制御を行っている。
【００１７】
加熱炉２は、加熱室１１、ヒータ１２、温度センサ（温度検出手段）１３、送風機１４、冷却ファン１５、排気弁１６、棚１７及び隔壁１８を有している。加熱室１１は、断熱材からなる外壁１９によって囲まれた空間である。ヒータ１２は加熱室１１内を加熱する。温度センサ１３は加熱室１１内（加熱炉２内）の温度を検出する。送風機１４は加熱室１１内の空気を循環させることにより、加熱室１１内の空気の温度を均一にする。
【００１８】
冷却ファン１５は、外壁１９の図１における右下端部付近に形成された吸気口１９ａに設けられており、冷却ファン１５を動作させることにより加熱室１１に外部から空気が導入される。排気弁１６は、外壁１９の図１における左下端部付近に形成された排気口１９ｂに設けられており、その上端の支持部１６ａを中心として回動する。冷却ファン１５が動作していないときには、排気弁１６は、図１の実線で示すように排気口１９ｂを塞いでいる。そして、冷却ファン１５を動作させる際には、図１の一点鎖線で示すように排気弁１６を、支持部１６ａを中心として回動させることによって排気口１９ｂを開放する。これにより、吸気口１９ａから加熱室１１内に外部の空気が導入されるとともに、加熱室１１内の空気が外部に排出され、加熱室１１内が冷却される。
【００１９】
棚１７は、図中上下方向に沿って配列されており、各棚１７に、例えば、液晶パネル用ガラス基板のような試料Ｐが配置される。隔壁１８は、ヒータ１２と棚１７との間に配置されており、ヒータ１２の熱が直接棚１７に配置された試料Ｐに伝播し、試料Ｐの温度が急激に上昇するのを防止している。
【００２０】
図２は、図１の制御装置３のブロック図である。図２に示すように、制御装置３は、オーバーシュート抑制温度算出部２１、α決定部２２、加熱温度制御部２３、冷却ファン制御部２４及び送風機制御部２５を有している。
【００２１】
オーバーシュート抑制温度算出部２１は、ユーザにより入力された最終目標温度ｎｘに比例するとともに最終目標時間ｔに反比例する、所定のオーバーシュート抑制温度ｎを算出する。具体的には、ｎ＝（ｎｘ／ｔ）・Ａの計算を行うことにより、オーバーシュート抑制温度ｎを算出する。ここで、Ａは、１＜Ａ＜２程度の定数である。
【００２２】
α決定部２２は、オーバーシュート抑制温度算出部２１において算出されたオーバーシュート抑制温度ｎ及び温度センサ１３において検出された加熱室１１の温度から、加熱温度制御部２３の、後述する２自由度ＰＩＤ制御におけるパラメータであるαの値を決定する。具体的には、加熱室１１内の温度が最終目標温度ｎｘよりもオーバーシュート抑制温度ｎだけ低い切り替え温度ｎｘ−ｎ以下のときには、αの値を設定可能な範囲における最小値（例えば、０、第１の値）に決定し、加熱室１１内の温度が切り替え温度ｎｘ−ｎよりも高いときにはαの値を０．６５（第１の値よりも大きな第２の値）に決定する。
【００２３】
加熱温度制御部２３は、ユーザによって入力された最終目標温度ｎｘ、最終目標時間ｔ及び温度センサ１３において検出された加熱室１１内の温度に基づいて、後述するように、ヒータ１２による加熱室１１の加熱温度を制御する。また、冷却ファン制御部２４は、加熱処理が終了した後、加熱室１１内を冷却する際の冷却ファン１５の動作を制御する。送風機制御部２５は、送風機１４の動作を制御する。
【００２４】
図３は、図２の加熱温度制御部２３による制御を示すブロック線図である。図３に示すように、加熱温度制御部２３は、ブロック線図で表した場合、ＰＩＤ部３１、フィードフォワード部３２、減算器３３、比例ゲイン部３４、加算器３５、制御対象３６、減算器３７によって構成されている。
【００２５】
ＰＩＤ部３１は、減算器３７から入力される、最終目標温度ｎｘの値と現在の温度センサ１３によって検出された加熱室１１内の温度の値との差に、「１＋［１／Ｔ１ｓ）］＋Ｔ０ｓ」を乗じた値を出力する。ここで、Ｔ０、Ｔ１は２自由度ＰＩＤ制御におけるパラメータであり、予め設定されている。また、ｓはラプラス変換における複素変数である。
【００２６】
フィードフォワード部３２は、ユーザによって入力された目標温度（途中目標温度ｎ１〜ｎ４、最終目標温度ｎｘ）の値に「α＋βＴ０ｓ」を乗じた値を出力する。すなわち、目標温度に対して比例動作及び微分動作を作用させたものを出力する。ここで、α、βは２自由度ＰＩＤ制御におけるパラメータであり、αの値は、後述するように、温度センサ１３において検出された加熱室１１内の温度に応じてα決定部２２において決定され、βの値は予め設定されている。
【００２７】
減算器３３は、ＰＩＤ部３１から出力された値と、フィードフォワード部３２から出力された値との差を比例ゲイン部３４に出力する。比例ゲイン部３４は、入力された値にＫｐを乗じた値を出力する。ここで、Ｋｐは、２自由度ＰＩＤ制御におけるパラメータであり、予め設定されている。
【００２８】
加算器３５は、比例ゲイン部３４からの出力の値と、外乱の値σとの和を制御対象に出力する。なお、加算器３５からの出力が、ヒータ１２による加熱温度の操作量を示している。
【００２９】
制御対象３６は、図１におけるヒータ１２及び温度センサ１３に対応しており、加算器３５から入力された値に応じてヒータ１２の加熱温度を変化させたときに、温度センサ１３において検出された温度を出力する。制御対象３６から出力された加熱室１１内の温度は、減算器３７に出力される（フィードバックされる）。
【００３０】
次に、本実施の形態において加熱室１１内の温度を制御する方法について説明する。図４は、図１に示す温度制御システム１における途中目標温度の変化を示す図である。温度制御システム１においては、加熱室１１内の温度を、最終目標時間ｔの間に一定の割合で最終目標温度ｎｘまで変化させるために、図４に示すように、制御を開始してから最終目標時間ｔが経過するまでの間の複数の時刻ｔ１〜ｔ４に対して、それぞれ途中目標温度ｎ１〜ｎ４を設定し、時間の経過とともに、図３における目標温度を変更する。具体的には、図３の目標温度として、時刻ｔ１までは温度ｎ１、時刻ｔ１〜ｔ２の間は温度ｎ２、時刻ｔ２〜ｔ３の間は温度ｎ３、時刻ｔ３〜ｔ４の間は温度ｎ４、ｔ４以降は温度ｎｘをそれぞれ入力する。これにより、各時刻ｔ１〜ｔ４において、加熱室１１内の温度が、それぞれ対応する途中目標温度ｎ１〜ｎ４となるように、ヒータ１２による加熱温度が制御される。なお、図４では、途中目標温度が４つ存在する場合を例に挙げて説明したが、途中目標温度の数はこれには限られない。
【００３１】
図５は、図１に示す温度制御システム１において加熱炉２内の温度を制御したときの、加熱炉２内の温度の時間変化を示す図であり、（ａ）がαの値を０．６５に固定した場合、（ｂ）がαの値を最小値（例えば、０．１）に固定した場合、（ｃ）が本実施の形態の場合を示している。なお、以下では、一例として、定数Ａを１．３７とし、ランプ制御により加熱室１１内の温度を８０分（最終目標時間ｔ）で、４００℃（最終目標温度ｎｘ）まで上昇させる場合を例に挙げて説明する。この場合、オーバーシュート抑制温度ｎは、
ｎ＝（４００／８０）・１．３７＝６．８５（℃）
と算出される。
【００３２】
上述したように２自由度ＰＩＤ制御により加熱室１１内の温度を制御する場合、フィードフォワード部３２におけるαの値が一定であると、αの値が大きく（例えば、０．６５程度）βの値が相対的に小さい場合には、フィードフォワード部３２からの出力は、目標温度の微分（目標温度の時間変化）の影響が小さなものとなる、すなわち、目標温度の変化に対する追従性が低いものとなる。その結果、図４に示すように、時間の経過とともに途中目標温度が頻繁に変化する場合、図５（ａ）に示すように、加熱室１１内の温度が最終目標温度ｎｘに到達した後、さらに温度が上昇するオーバーシュートは発生しにくいが、最終目標温度ｎｘに到達するまでの各時刻における途中目標温度に対する追従性は低下してしまう（各時刻ｔ１〜ｔ４から遅れて対応する途中目標温度ｎ１〜ｎ４に到達する）。
【００３３】
逆に、αの値が小さくβの値が相対的に大きい場合には、フィードフォワード部３２からの出力は、目標温度の時間変化に対する影響が大きなものとなる、すなわち、目標温度の時間変化に対する追従性が高いものとなる。その結果、図５（ｂ）に示すように、最終目標温度ｎｘに到達するまでの各時刻における途中目標温度ｎ１〜ｎ４に対する追従性は高くなるが、最終目標温度ｎｘに到達した後にさらに温度が上昇するオーバーシュートが発生してしまう。
【００３４】
これに対して、本実施の形態では、図５（ｃ）に示すように、加熱室１１内の温度が最終目標温度よりもオーバーシュート抑制温度ｎだけ低い切り替え温度ｎｘ−ｎ（上記例では、３９３．１５℃）以下のときには、αの値を設定可能な範囲で最小値（例えば、０．１）に設定する。これにより、加熱室１１内の温度が切り替え温度ｎｘ−ｎ（上記例では３９３．１５℃）に到達するまでの各時刻における途中目標温度ｎ１〜ｎ４に対する追従性は高くなる。このとき、加熱室１１内の温度は最終目標温度ｎｘには到達していないので、最終目標温度ｎｘよりもさらに温度が上昇するオーバーシュートが生じることはない。
【００３５】
一方、加熱室１１内の温度が切り替え温度ｎｘ−ｎ（上記例では３９３．１５℃）よりも高くなったときには、αの値を０．６５に切り替える。これにより、これ以降、加熱室１１内の温度の最終目標温度ｎｘに対する追従性が低くなり、加熱室１１内の温度が最終目標温度ｎｘに到達したときにさらに温度が上昇するオーバーシュートが起こりにくい。
【００３６】
ここで、加熱室１１内の温度が、ヒータ１２による加熱前の温度よりも最終目標温度ｎｘに近い切り替え温度ｎｘ−ｎとなったときに、αの値を増加させているので、この後、加熱室１１内の温度の各時刻における途中目標温度に対する追従性が低いとしても、最終目標温度ｎｘに到達するまでの間に、加熱室１１内の温度が各途中目標温度から大きくずれてしまうことはない。
【００３７】
以上に説明した実施の形態によると、加熱室１１内の温度が、最終目標温度ｎｘよりもオーバーシュート抑制温度ｎだけ低い切り替え温度ｎｘ−ｎ以下のときには、αの値を設定可能な範囲で最小値とすることにより、加熱室１１内の温度の、途中目標温度の変化に対する追従性が低くなるとともに、加熱室１１内の温度が切り替え温度ｎｘ−ｎよりも高くなったときにαの値を増加させることにより、加熱室１１内の温度の最終目標温度ｎｘに対する追従性が低くなるため、加熱室１１内が最終目標温度ｎｘ到達した後、さらに温度が上昇するオーバーシュートが生じにくくなる。したがって、加熱室１１内の温度を、ランプ制御の最終目標温度及び途中目標温度に対して精度よく制御することができる。
【００３８】
また、オーバーシュート抑制温度算出部２１において、最終目標温度ｎｘに比例するとともに、最終目標時間ｔに反比例する値となるように、オーバーシュート抑制温度ｎを算出することにより、加熱室１１内の温度のランプ制御における最終目標温度及び途中目標温度に対する追従性を確実に高くすることができる。
【００３９】
次に、本実施の形態に変更を加えた変形例について説明する。
【００４０】
本実施の形態においては、オーバーシュート抑制温度ｎを、最終目標温度ｎｘに比例し、最終目標時間ｔに反比例する値となるように決定したが、オーバーシュート抑制温度ｎの決定方法はこれには限られず、最終目標温度ｎｘと最終目標時間ｔに応じて他の方法によって決定してもよい。
【００４１】
また、本実施の形態では、加熱室１１内の温度が切り替え温度ｎｘ−ｎ以下のときにαの値を設定可能な範囲で最小値とし、加熱室１１内の温度が切り替え温度ｎｘ−ｎよりも高くなったときにαの値を０．６５に決定したが、加熱室１１内の温度が切り替え温度ｎｘ−ｎよりも高いときのαの値（第２の値）が、加熱炉２内の温度が切り替え温度ｎｘ−ｎ以下のときのαの値（第１の値）よりも大きければ、αの値を他の値にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明における実施の形態に係る温度制御システムの概略構成図である。
【図２】図１の制御装置のブロック図である。
【図３】図２の温度制御システムにおける制御を示すブロック線図である。
【図４】図１の温度制御システムにおける途中目標温度の変化を示す図である。
【図５】図１の温度制御システムにより加熱室の温度制御を行った結果を示す図であり、（ａ）がαの値を０．６５に固定した場合、（ｂ）がαの値を最小値とした場合、（ｃ）が本実施の形態の場合を示している。
【符号の説明】
【００４３】
１  温度制御システム
２  加熱炉
３  制御装置
１１  加熱室
１２  ヒータ
１３  温度センサ
２１  オーバーシュート抑制温度算出部
２２  α決定部
２３  加熱温度制御部
【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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