(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２個の並列なＰＩＤ制御ループを有する制御系の制御方法において、
特定の基準となる状態量を基準状態量とし、この基準状態量との相対量が予め規定された値を維持するように制御される状態量を追従状態量としたとき、
前記追従状態量を制御するＰＩＤコントローラに入力される複数の制御演算用入力値のうち追従状態量設定値ＳＰｉを追従状態量内部設定値ＳＰｉ’に変換した上で前記ＰＩＤコントローラに入力する算出手順を備え、
前記算出手順は、前記制御演算用入力値として、予め設定された基準状態量設定値ＳＰｍと、計測された基準状態量計測値ＰＶｍと、予め設定された追従状態量設定値ＳＰｉと、計測された追従状態量計測値ＰＶｉとが入力されたとき、前記追従状態量計測値ＰＶｉの前記基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合を規定する第１の係数Ｂｉと、前記基準状態量計測値ＰＶｍの前記基準状態量設定値ＳＰｍへの応答性の度合を規定する第２の係数Ａｍとを用いて、前記追従状態量内部設定値ＳＰｉ’をＳＰｉ’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂｉ（ＳＰｉ−ＳＰｍ）＋（１−Ｂｉ）（ＰＶｉ−ＰＶｍ）により算出することにより、基準状態量計測値ＰＶｍの基準状態量設定値ＳＰｍへの追従性と、追従状態量計測値ＰＶｉと基準状態量計測値ＰＶｍの差分である相対量ＰＶｉ−ＰＶｍの追従状態量設定値ＳＰｉと基準状態量設定値ＳＰｍの差分である相対量ＳＰｉ−ＳＰｍへの追従性を分離して制御し、
さらに、前記追従状態量設定値ＳＰｉと前記追従状態量計測値ＰＶｉとの偏差に基づいて、前記第１の係数Ｂｉを切り換える切換判断手順を備え、
前記切換判断手順は、前記追従状態量設定値ＳＰｉから特定の範囲よりも遠いポイントに前記追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、前記第１の係数Ｂｉとして所定の第１の値を選択し、前記追従状態量設定値ＳＰｉから前記特定の範囲内の近いポイントに前記追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、前記追従性の度合が前記第１の値よりも弱い所定の第２の値を前記第１の係数Ｂｉとして選択することを特徴とする制御方法。
【請求項２】
少なくとも２個の並列なＰＩＤ制御ループを有する制御系の制御方法において、
特定の基準となる状態量を基準状態量とし、この基準状態量との相対量が予め規定された値を維持するように制御される状態量を追従状態量としたとき、
前記追従状態量を制御するＰＩＤコントローラに入力される複数の制御演算用入力値のうち追従状態量計測値ＰＶｉを追従状態量内部計測値ＰＶｉ’に変換した上で前記ＰＩＤコントローラに入力する算出手順を備え、
前記算出手順は、前記制御演算用入力値として、予め設定きれた基準状態量設定値ＳＰｍと、計測された基準状態量計測値ＰＶｍと、予め設定された追従状態量設定値ＳＰｉと、計測された追従状態量計測値ＰＶｉとが入力されたとき、前記追従状態量計測値ＰＶｉの前記基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合を規定する第１の係数Ｂｉと、前記基準状態量計測値ＰＶｍの前記基準状態量設定値ＳＰｍへの応答性の度合を規定する第２の係数Ａｍとを用いて、前記追従状態量内部計測値ＰＶｉ’をＰＶｉ’＝（１−Ａｍ）ＳＰｍ＋ＡｍＰＶｍ＋（１−Ｂｉ）（ＳＰｉ−ＳＰｍ）＋Ｂｉ（ＰＶｉ−ＰＶｍ）により算出することにより、基準状態量計測値ＰＶｍの基準状態量設定値ＳＰｍへの追従性と、追従状態量計測値ＰＶｉと基準状態量計測値ＰＶｍの差分である相対量ＰＶｉ−ＰＶｍの追従状態量設定値ＳＰｉと基準状態量設定値ＳＰｍの差分である相対量ＳＰｉ−ＳＰｍへの追従性を分離して制御し、
さらに、前記追従状態量設定値ＳＰｉと前記追従状態量計測値ＰＶｉとの偏差に基づいて、前記第１の係数Ｂｉを切り換える切換判断手順を備え、
前記切換判断手順は、前記追従状態量設定値ＳＰｉから特定の範囲よりも遠いポイントに前記追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、前記第１の係数Ｂｉとして所定の第１の値を選択し、前記追従状態量設定値ＳＰｉから前記特定の範囲内の近いポイントに前記追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、前記追従性の度合が前記第１の値よりも弱い所定の第２の値を前記第１の係数Ｂｉとして選択することを特徴とする制御方法。
【請求項３】
少なくとも２個の並列なＰＩＤ制御ループを有する制御系の制御方法において、
特定の基準となる状態量を基準状態量とし、この基準状態量との相対量が予め規定された値を維持するように制御される状態量を追従状態量としたとき、
前記追従状態量を制御するＰＩＤコントローラに入力される複数の制御演算用入力値に基づいて算出される追従状態量偏差Ｅｒｉを、追従状態量内部偏差Ｅｒｉ’に変換した上で前記コントローラに入力する算出手順を備え、
前記算出手順は、前記制御演算用入力値として、予め設定された基準状態量設定値ＳＰｍと、計測された基準状態量計測値ＰＶｍと、予め設定された追従状態量設定値ＳＰｉと、計測された追従状態量計測値ＰＶｉとが入力されたとき、前記追従状態量計測値ＰＶｉの前記基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合を規定する第１の係数Ｂｉと、前記基準状態量計測値ＰＶｍの前記基準状態量設定値ＳＰｍへの応答性の度合を規定する第２の係数Ａｍとを用いて、前記追従状態量内部偏差Ｅｒｉ’をＥｒｉ’＝Ａｍ（ＳＰｍ−ＰＶｍ）＋Ｂｉ｛（ＳＰｉ−ＳＰｍ）−（ＰＶｉ−ＰＶｍ）｝により算出することにより、基準状態量計測値ＰＶｍの基準状態量設定値ＳＰｍへの追従性と、追従状態量計測値ＰＶｉと基準状態量計測値ＰＶｍの差分である相対量ＰＶｉ−ＰＶｍの追従状態量設定値ＳＰｉと基準状態量設定値ＳＰｍの差分である相対量ＳＰｉ−ＳＰｍへの追従性を分離して制御し、
さらに、前記追従状態量設定値ＳＰｉと前記追従状態量計測値ＰＶｉとの偏差に基づいて、前記第１の係数Ｂｉを切り換える切換判断手順を備え、
前記切換判断手順は、前記追従状態量設定値ＳＰｉから特定の範囲よりも遠いポイントに前記追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、前記第１の係数Ｂｉとして所定の第１の値を選択し、前記追従状態量設定値ＳＰｉから前記特定の範囲内の近いポイントに前記追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、前記追従性の度合が前記第１の値よりも弱い所定の第２の値を前記第１の係数Ｂｉとして選択することを特徴とする制御方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御方法において、
前記切換判断手順は、予め設定された判断指標Ｃｒを超える前記追従状態量設定値ＳＰｉの変化があった時点で、この時点以降は前記第１の係数Ｂｉとして所定の第１の値を選択し、前記追従状態量設定値ＳＰｉと前記追従状態量計測値ＰＶｉとの偏差の大きさが予め設定された判断指標Ｃｓよりも小さくなった時点で、この時点以降は前記第１の係数Ｂｉとして所定の第２の値を選択することを特徴とする制御方法。
【請求項５】
少なくとも２個の並列なＰＩＤ制御ループを有する制御系の装置において、
特定の基準となる状態量を基準状態量とし、この基準状態量との相対量が予め規定された値を維持するように制御される状態量を追従状態量としたとき、
前記追従状態量を制御するための操作量を算出して、算出した操作量を対応するＰＩＤ制御ループの制御対象に出力するＰＩＤコントローラと、
前記ＰＩＤコントローラに入力される複数の制御演算用入力値のうち追従状態量設定値ＳＰｉを追従状態量内部設定値ＳＰｉ’に変換した上で前記ＰＩＤコントローラに入力する内部入力値算出部とを備え、
前記内部入力値算出部は、前記制御演算用入力値として、予め設定された基準状態量設定値ＳＰｍと、計測された基準状態量計測値ＰＶｍと、予め設定された追従状態量設定値ＳＰｉと、計測された追従状態量計測値ＰＶｉとが入力されたとき、前記追従状態量計測値ＰＶｉの前記基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合を規定する第１の係数Ｂｉと、前記基準状態量計測値ＰＶｍの前記基準状態量設定値ＳＰｍへの応答性の度合を規定する第２の係数Ａｍとを用いて、前記追従状態量内部設定値ＳＰｉ’をＳＰｉ’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂｉ（ＳＰｉ−ＳＰｍ）＋（１−Ｂｉ）（ＰＶｉ−ＰＶｍ）により算出することにより、基準状態量計測値ＰＶｍの基準状態量設定値ＳＰｍへの追従性と、追従状態量計測値ＰＶｉと基準状態量計測値ＰＶｍの差分である相対量ＰＶｉ−ＰＶｍの追従状態量設定値ＳＰｉと基準状態量設定値ＳＰｍの差分である相対量ＳＰｉ−ＳＰｍへの追従性を分離して制御し、
さらに、前記追従状態量設定値ＳＰｉと前記追従状態量計測値ＰＶｉとの偏差に基づいて、前記第１の係数Ｂｉを切り換える係数切換判断部を備え、
前記係数切換判断部は、前記追従状態量設定値ＳＰｉから特定の範囲よりも遠いポイントに前記追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、前記第１の係数Ｂｉとして所定の第１の値を選択し、前記追従状態量設定値ＳＰｉから前記特定の範囲内の近いポイントに前記追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、前記追従性の度合が前記第１の値よりも弱い所定の第２の値を前記第１の係数Ｂｉとして選択す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の相対量を制御対象とする制御方法および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、複数の状態量間の差を制御系に取り込む努力は従来から行なわれている。
【０００６】
さらに、本発明の発明者は、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応する形式で、状態量差のような相対的な状態量を優先的に制御しながら、状態量平均値のような基準となる絶対的な状態量も同時に制御できる制御方法を提案した（特許文献３、特許文献４、特許文献５参照）。この特許文献３、特許文献４、特許文献５に開示された制御方法（以下、先行出願の制御方法と呼ぶ）の原理を説明する。
【０００７】
まず、先行出願と本発明では、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、基準状態量との相対量（例えば状態量差）が予め規定された値を維持するように制御される状態量を追従状態量と称する。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、追従状態量に対する設定値を追従状態量設定値、追従状態量の計測値を追従状態量計測値、基準状態量と追従状態量との相対量に対する設定値を追従状態量相対設定値、基準状態量と追従状態量との相対量の計測値を追従状態量相対計測値、基準状態量に対してコントローラの内部に設定される内部設定値を基準状態量内部設定値、追従状態量に対してコントローラの内部に設定される内部設定値を追従状態量内部設定値と称する。状態量としては、例えば温度、圧力、流量などがある。
【０００８】
先行出願の制御方法では、外部から与えられる状態量設定値ＳＰとは別に、コントローラの内部に設定される状態量内部設定値ＳＰ’を用いて、操作量ＭＶを算出する。このとき、状態量内部設定値ＳＰ’は、基準状態量に対する要素ＳＰｍと、基準状態量と追従状態量との相対量に対する要素ΔＳＰとに分離しておく（ＳＰ’＝ＳＰｍ＋ΔＳＰ）。また、先行出願の制御方法では、状態量計測値との内挿外挿演算（ＳＰ’＝ＡＳＰ＋（１−Ａ）ＰＶ）により、実際に与えられている設定値ＳＰｍやΔＳＰをそのまま適用する場合よりも、実質的にコントローラの特性を低感度側にシフトさせたり、高感度側にシフトさせたりできることに着目し、基準状態量の感度と、基準状態量と追従状態量との相対量の感度とを、各々個別にシフトできる状態量内部設定値ＳＰ’に変換する。
【０００９】
このように、先行出願の制御方法では、状態量内部設定値ＳＰ’を基準状態量に対する要素ＳＰｍと基準状態量と追従状態量との相対量に対する要素ΔＳＰとに分離し、この状態量内部設定値ＳＰ’を状態量設定値ＳＰと状態量計測値ＰＶとの内挿外挿演算により求めて操作量ＭＶの算出に用いる構成とする。これにより、先行出願の制御方法では、状態量平均値のような基準状態量については応答特性を低感度側にシフトさせ、状態量差のような、基準状態量と追従状態量との相対量については応答特性を高感度側にシフトさせれば、基準状態量計測値ＰＶｍが基準状態量設定値ＳＰｍに追従するよりも前に、追従状態量相対計測値ΔＰＶが追従状態量相対設定値ΔＳＰに追従するようになるので、基準状態量と追従状態量との相対量を所望の値に維持しながら、基準状態量を所望の値に変更するような制御が可能になる。
【００１０】
また、先行出願の制御方法の構成によれば、通常の制御系との相違点は、状態量設定値ＳＰが状態量内部設定値ＳＰ’に変換されることだけになる。すなわち、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応する形式で、基準状態量と追従状態量との相対量を優先的に制御しながら、基準状態量も同時に制御する制御方法を提供することができる。
【００１１】
ここで、上記の２つの着眼点のうち、状態量設定値ＳＰと状態量計測値ＰＶとの内挿外挿演算による状態量内部設定値ＳＰ’の算出（以下、第１の着眼点と呼ぶ）について説明する。状態量設定値ＳＰと状態量計測値ＰＶとを参照し、特定の係数Ａを用いて、以下の数式によりコントローラの内部に設定される状態量内部設定値ＳＰ’に変換することを考える。
ＳＰ’＝ＡＳＰ＋（１−Ａ）ＰＶ                                  ・・・（１）
ただし、係数Ａは０より大きい実数とする。このとき、Ａ＝１とすれば、ＳＰ’＝ＳＰとなり、状態量設定値ＳＰは全く変換されないことを意味する。
【００１２】
式（１）において係数Ａの値を０＜Ａ＜１とすれば、変換された状態量内部設定値ＳＰ’は、元の状態量設定値ＳＰと状態量計測値ＰＶとの間の数値（内挿関係）になる。したがって、例えばＰＩＤコントローラなどで偏差を算出する場合、状態量設定値ＳＰと状態量計測値ＰＶとの偏差Ｅｒ＝ＳＰ−ＰＶよりも、状態量内部設定値ＳＰ’と状態量計測値ＰＶとの偏差Ｅｒ’＝ＳＰ’−ＰＶの方が、絶対値が小さい値になる。その結果、コントローラが偏差Ｅｒに基づいて操作量ＭＶを算出する場合よりも、偏差Ｅｒ’に基づいて操作量ＭＶ’を算出する場合の方が、操作量の変化は緩くなる。すなわち、係数Ａの値を０＜Ａ＜１とすれば、コントローラの応答特性は安定性重視の方向（低感度）の特性にシフトする。
【００１３】
一方、係数Ａの値をＡ＞１とすれば、変換された状態量内部設定値ＳＰ’は、元の状態量設定値ＳＰよりも更に状態量計測値ＰＶから離れた数値（外挿関係）になる。したがって、例えばＰＩＤコントローラなどで偏差を算出する場合、状態量設定値ＳＰと状態量計測値ＰＶとの偏差Ｅｒ＝ＳＰ−ＰＶよりも、状態量内部設定値ＳＰ’と状態量計測値ＰＶとの偏差Ｅｒ’＝ＳＰ’−ＰＶの方が、絶対値が大きい値になる。その結果、コントローラが偏差Ｅｒに基づいて操作量ＭＶを算出する場合よりも、偏差Ｅｒ’に基づいて操作量ＭＶ’を算出する場合の方が、操作量の変化は激しくなる。すなわち、係数Ａの値をＡ＞１とすれば、コントローラの応答特性は即応性重視の方向（高感度）の特性にシフトする。
【００１４】
次に、上記の２つの着眼点のうち、状態量内部設定値ＳＰ’を基準状態量に対する要素と基準状態量と追従状態量との相対量に対する要素とに分離する点（以下、第２の着眼点と呼ぶ）について説明する。基準状態量と、基準状態量と追従状態量との相対量とを同時に制御する場合、状態量設定値ＳＰは、次式のように、基準状態量に対する要素ＳＰｍと、基準状態量と追従状態量との相対量に対する要素ΔＳＰｍとに分離できる。
ＳＰ＝ＳＰｍ＋ΔＳＰｍ                                          ・・・（２）
【００１５】
また、状態量設定値ＳＰに合わせて、状態量計測値ＰＶについても、次式のように、基準状態量計測値ＰＶｍと、追従状態量相対計測値ΔＰＶｍとに分離できる。
ＰＶ＝ＰＶｍ＋ΔＰＶｍ                                          ・・・（３）
【００１６】
ここで、第１の着眼点と第２の着眼点とをまとめると、式（１）〜式（３）より以下のようになる。
ＳＰ’＝Ａ（ＳＰｍ＋ΔＳＰｍ）＋（１−Ａ）（ＰＶｍ＋ΔＰＶｍ）
＝ＡＳＰｍ＋（１−Ａ）ＰＶｍ＋ＡΔＳＰｍ＋（１−Ａ）ΔＰＶｍ
・・・（４）
【００１７】
このとき、式（４）中のＡＳＰｍ＋（１−Ａ）ＰＶｍは基準状態量に関する要素であり、ＡΔＳＰｍ＋（１−Ａ）ΔＰＶｍは基準状態量と追従状態量との相対量に関する要素である。すなわち、両者は各々個別に内挿関係と外挿関係を与える線形結合式に分離されている形になるので、以下のように個別の係数Ａ，Ｂにより、内挿関係と外挿関係を与えることが可能になる。
ＳＰ’＝ＡＳＰｍ＋（１−Ａ）ＰＶｍ＋ＢΔＳＰｍ＋（１−Ｂ）ΔＰＶｍ
・・・（５）
【００１８】
式（５）において、Ａは基準状態量に関する係数、Ｂは基準状態量と追従状態量との相対量に関する係数となる。複数の制御ループがある場合、基準状態量と追従状態量との相対量に関する係数Ｂは特に各制御ループ個別に与えられることが好ましく、その場合、複数の制御ループにおけるｉ（ｉは１，２，３・・・・）番目の追従状態量について、以下のような状態量設定値ＳＰｉの変換を実施すれば良い。
ＳＰｉ’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋ＢｉΔＳＰｉｍ
＋（１−Ｂｉ）ΔＰＶｉｍ                                ・・・（６）
【００１９】
式（６）において、ＳＰｉ’はｉ番目の追従状態量に対する内部設定値、ΔＳＰｉｍは基準状態量とｉ番目の追従状態量との相対量の設定値である追従状態量相対設定値、ΔＰＶｉｍは基準状態量とｉ番目の追従状態量との相対量の計測値である追従状態量相対計測値、Ｂｉは基準状態量とｉ番目の追従状態量との相対量に関する係数である。なお、基準状態量に関する係数Ａｍは、各制御ループ共通に与えても各制御ループ個別に与えてもかまわない。
【００２０】
また式（６）において、ΔＳＰｉｍ＝ＳＰｉ−ＳＰｍ、ΔＰＶｉｍ＝ＰＶｉ−ＰＶｍであることは言うまでもなく、以下のような等価な置換は容易に可能である。
ＳＰｉ’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋ＢｉΔＳＰｉｍ
＋（１−Ｂｉ）（ＰＶｉ−ＰＶｍ）                        ・・・（７）
ＳＰｉ’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂｉ（ＳＰｉ−ＳＰｍ）
＋（１−Ｂｉ）（ＰＶｉ−ＰＶｍ）                        ・・・（８）
【００２１】
以上の原理により、基準状態量の感度と、基準状態量と追従状態量との相対量の感度とを、各々個別にシフトできる状態量内部設定値ＳＰ’が得られる。続いて、基準状態量と追従状態量との相対量を優先的に制御する原理について説明する。式（８）において、基準状態量に関する係数Ａｍと基準状態量と追従状態量との相対量に関する係数Ｂｉとの関係をＡｍ＝Ｂｉ＝１とすれば、ＳＰｉ’＝ＳＰｉになる。このときの状態量内部設定値ＳＰｉ’は状態量設定値ＳＰｉから全く変化しておらず、感度についても通常の制御と全く変化はない。ここで、特に重要なのは基準状態量と追従状態量との相対量に関する係数Ｂｉであり、Ｂｉ＞１とすることで基準状態量と追従状態量との相対量について特に感度が向上するので、相対量を優先的に制御するように制御装置を動作させることができる。
【００２２】
【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】特開２００５−３０９９４１号公報
【特許文献４】特開２００５−３０９９４２号公報
【特許文献５】特開２００５−３０９９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
先行出願の制御方法では、相対量に関する係数Ｂｉは予め設定された一定値として扱われている。制御の過渡状態において状態量差を所望の範囲に制御し、かつ整定状態において安定的な挙動を得ることができるならば、係数Ｂｉを一定値として扱うことに全く問題はない。しかし、過渡状態において状態量差を高い精度で所望の範囲に制御しようとする場合は、係数Ｂｉを十分に大きな値にしなければならないが、係数Ｂｉを過度に大きくすると、整定状態での安定性が損なわれやすくなり、状況によっては係数Ｂｉを大きな値にしたことが制御の不安定化の要因になることもある。以下、係数Ｂｉの増大による制御の不安定化について図を用いて説明する。
【００２４】
図７は、温度制御ループが３個の場合のＰＩＤ制御によるステップ応答のシミュレーション結果を示す図である。図８、図９は、先行出願の制御方法において、温度制御ループが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すると共に追従状態量として３個の制御ループの各状態量を採用し、各制御ループの温度差を小さくすることを目的とした場合のシミュレーション結果を示す図である。図７（ａ）、図８（ａ）、図９（ａ）は、温度設定値ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３を０から４０に変更したときの制御系のステップ応答を示す図であり、図７（ｂ）、図８（ｂ）、図９（ｂ）は、それぞれ図７（ａ）、図８（ａ）、図９（ａ）を拡大した図である。なお、シミュレーションの詳細な条件については後述する。
【００２５】
通常のＰＩＤ制御は３個の制御ループに相互作用を持たせていないため、図７（ａ）、図７（ｂ）に示すＰＩＤ制御のシミュレーション結果では、過渡状態における温度差（温度計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３の差）が大きい。
図８（ａ）、図８（ｂ）に示すシミュレーション結果は、先行出願の制御方法において係数Ａｍの値を１．０に設定し、係数Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の値を３．０に設定したものであり、図７（ａ）、図７（ｂ）の場合に比べて過渡状態における温度差がかなり小さくなっているが、図８（ｂ）を詳細に見ると温度差を小さくする効果が不十分なことが分かる。
【００２６】
図９（ａ）、図９（ｂ）に示すシミュレーション結果は、先行出願の制御方法において係数Ａｍの値を１．０に設定し、係数Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の値を６．７に設定したものであり、図８（ａ）、図８（ｂ）の場合に比べて過渡状態における温度差がさらに小さくなっているが、温度差を小さくしようとする作用が強いため、温度計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３が温度設定値ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３に到達する付近で温度計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３に上下動が発生し、制御特性が劣化していることが分かる。
【００２７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、複数の状態量間の状態量差等の相対量を所望の値に維持しつつ、複数の状態量の平均値等の絶対量を所望の値に変更する制御を行う制御系において、過渡状態における相対量の制御性と整定状態における制御の安定性とを両立させることができる制御方法および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】
【００２８】
本発明は、少なくとも２個の並列なＰＩＤ制御ループを有する制御系の制御方法において、特定の基準となる状態量を基準状態量とし、この基準状態量との相対量が予め規定された値を維持するように制御される状態量を追従状態量としたとき、前記追従状態量を制御するＰＩＤコントローラに入力される複数の制御演算用入力値のうち追従状態量設定値ＳＰｉを追従状態量内部設定値ＳＰｉ’に変換した上で前記ＰＩＤコントローラに入力する算出手順を備え、前記算出手順は、前記制御演算用入力値として、予め設定された基準状態量設定値ＳＰｍと、計測された基準状態量計測値ＰＶｍと、予め設定された追従状態量設定値ＳＰｉと、計測された追従状態量計測値ＰＶｉとが入力されたとき、前記追従状態量計測値ＰＶｉの前記基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合を規定する第１の係数Ｂｉと、前記基準状態量計測値ＰＶｍの前記基準状態量設定値ＳＰｍへの応答性の度合を規定する第２の係数Ａｍとを用いて、前記追従状態量内部設定値ＳＰｉ’をＳＰｉ’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂｉ（ＳＰｉ−ＳＰｍ）＋（１−Ｂｉ）（ＰＶｉ−ＰＶｍ）により算出することにより、基準状態量計測値ＰＶｍの基準状態量設定値ＳＰｍへの追従性と、追従状態量計測値ＰＶｉと基準状態量計測値ＰＶｍの差分である相対量ＰＶｉ−ＰＶｍの追従状態量設定値ＳＰｉと基準状態量設定値ＳＰｍの差分である相対量ＳＰｉ−ＳＰｍへの追従性を分離して制御し、さらに、前記追従状態量設定値ＳＰｉと前記追従状態量計測値ＰＶｉとの偏差に基づいて、前記第１の係数Ｂｉを切り換える切換判断手順を備え、前記切換判断手順は、前記追従状態量設定値ＳＰｉから特定の範囲よりも遠いポイントに前記追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、前記第１の係数Ｂｉとして所定の第１の値を選択し、前記追従状態量設定値ＳＰｉから前記特定の範囲内の近いポイントに前記追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、前記追従性の度合が前記第１の値よりも弱い所定の第２の値を前記第１の係数Ｂｉとして選択するようにしたものである。
また、本発明は、少なくとも２個の並列なＰＩＤ制御ループを有する制御系の制御方法において、特定の基準となる状態量を基準状態量とし、この基準状態量との相対量が予め規定された値を維持するように制御される状態量を追従状態量としたとき、前記追従状態量を制御するＰＩＤコントローラに入力される複数の制御演算用入力値のうち追従状態量計測値ＰＶｉを追従状態量内部計測値ＰＶｉ’に変換した上で前記ＰＩＤコントローラに入力する算出手順を備え、前記算出手順は、前記制御演算用入力値として、予め設定きれた基準状態量設定値ＳＰｍと、計測された基準状態量計測値ＰＶｍと、予め設定された追従状態量設定値ＳＰｉと、計測された追従状態量計測値ＰＶｉとが入力されたとき、前記追従状態量計測値ＰＶｉの前記基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合を規定する第１の係数Ｂｉと、前記基準状態量計測値ＰＶｍの前記基準状態量設定値ＳＰｍへの応答性の度合を規定する第２の係数Ａｍとを用いて、前記追従状態量内部計測値ＰＶｉ’をＰＶｉ’＝（１−Ａｍ）ＳＰｍ＋ＡｍＰＶｍ＋（１−Ｂｉ）（ＳＰｉ−ＳＰｍ）＋Ｂｉ（ＰＶｉ−ＰＶｍ）により算出することにより、基準状態量計測値ＰＶｍの基準状態量設定値ＳＰｍへの追従性と、追従状態量計測値ＰＶｉと基準状態量計測値ＰＶｍの差分である相対量ＰＶｉ−ＰＶｍの追従状態量設定値ＳＰｉと基準状態量設定値ＳＰｍの差分である相対量ＳＰｉ−ＳＰｍへの追従性を分離して制御し、さらに、前記追従状態量設定値ＳＰｉと前記追従状態量計測値ＰＶｉとの偏差に基づいて、前記第１の係数Ｂｉを切り換える切換判断手順を備え、前記切換判断手順は、前記追従状態量設定値ＳＰｉから特定の範囲よりも遠いポイントに前記追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、前記第１の係数Ｂｉとして所定の第１の値を選択し、前記追従状態量設定値ＳＰｉから前記特定の範囲内の近いポイントに前記追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、前記追従性の度合が前記第１の値よりも弱い所定の第２の値を前記第１の係数Ｂｉとして選択するようにしたものである。
【００２９】
また、本発明は、少なくとも２個の並列なＰＩＤ制御ループを有する制御系の制御方法において、特定の基準となる状態量を基準状態量とし、この基準状態量との相対量が予め規定された値を維持するように制御される状態量を追従状態量としたとき、前記追従状態量を制御するＰＩＤコントローラに入力される複数の制御演算用入力値に基づいて算出される追従状態量偏差Ｅｒｉを、追従状態量内部偏差Ｅｒｉ’に変換した上で前記コントローラに入力する算出手順を備え、前記算出手順は、前記制御演算用入力値として、予め設定された基準状態量設定値ＳＰｍと、計測された基準状態量計測値ＰＶｍと、予め設定された追従状態量設定値ＳＰｉと、計測された追従状態量計測値ＰＶｉとが入力されたとき、前記追従状態量計測値ＰＶｉの前記基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合を規定する第１の係数Ｂｉと、前記基準状態量計測値ＰＶｍの前記基準状態量設定値ＳＰｍへの応答性の度合を規定する第２の係数Ａｍとを用いて、前記追従状態量内部偏差Ｅｒｉ’をＥｒｉ’＝Ａｍ（ＳＰｍ−ＰＶｍ）＋Ｂｉ｛（ＳＰｉ−ＳＰｍ）−（ＰＶｉ−ＰＶｍ）｝により算出することにより、基準状態量計測値ＰＶｍの基準状態量設定値ＳＰｍへの追従性と、追従状態量計測値ＰＶｉと基準状態量計測値ＰＶｍの差分である相対量ＰＶｉ−ＰＶｍの追従状態量設定値ＳＰｉと基準状態量設定値ＳＰｍの差分である相対量ＳＰｉ−ＳＰｍへの追従性を分離して制御し、さらに、前記追従状態量設定値ＳＰｉと前記追従状態量計測値ＰＶｉとの偏差に基づいて、前記第１の係数Ｂｉを切り換える切換判断手順を備え、前記切換判断手順は、前記追従状態量設定値ＳＰｉから特定の範囲よりも遠いポイントに前記追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、前記第１の係数Ｂｉとして所定の第１の値を選択し、前記追従状態量設定値ＳＰｉから前記特定の範囲内の近いポイントに前記追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、前記追従性の度合が前記第１の値よりも弱い所定の第２の値を前記第１の係数Ｂｉとして選択するようにしたものである。
また、本発明の制御方法の１構成例において、前記切換判断手順は、予め設定された判断指標Ｃｒを超える前記追従状態量設定値ＳＰｉの変化があった時点で、この時点以降は前記第１の係数Ｂｉとして所定の第１の値を選択し、前記追従状態量設定値ＳＰｉと前記追従状態量計測値ＰＶｉとの偏差の大きさが予め設定された判断指標Ｃｓよりも小さくなった時点で、この時点以降は前記第１の係数Ｂｉとして所定の第２の値を選択するようにしたものである。
【００３０】
また、本発明は、少なくとも２個の並列なＰＩＤ制御ループを有する制御系の装置において、特定の基準となる状態量を基準状態量とし、この基準状態量との相対量が予め規定された値を維持するように制御される状態量を追従状態量としたとき、前記追従状態量を制御するための操作量を算出して、算出した操作量を対応するＰＩＤ制御ループの制御対象に出力するＰＩＤコントローラと、前記ＰＩＤコントローラに入力される複数の制御演算用入力値のうち追従状態量設定値ＳＰｉを追従状態量内部設定値ＳＰｉ’に変換した上で前記ＰＩＤコントローラに入力する内部入力値算出部とを備え、前記内部入力値算出部は、前記制御演算用入力値として、予め設定された基準状態量設定値ＳＰｍと、計測された基準状態量計測値ＰＶｍと、予め設定された追従状態量設定値ＳＰｉと、計測された追従状態量計測値ＰＶｉとが入力されたとき、前記追従状態量計測値ＰＶｉの前記基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合を規定する第１の係数Ｂｉと、前記基準状態量計測値ＰＶｍの前記基準状態量設定値ＳＰｍへの応答性の度合を規定する第２の係数Ａｍとを用いて、前記追従状態量内部設定値ＳＰｉ’をＳＰｉ’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂｉ（ＳＰｉ−ＳＰｍ）＋（１−Ｂｉ）（ＰＶｉ−ＰＶｍ）により算出することにより、基準状態量計測値ＰＶｍの基準状態量設定値ＳＰｍへの追従性と、追従状態量計測値ＰＶｉと基準状態量計測値ＰＶｍの差分である相対量ＰＶｉ−ＰＶｍの追従状態量設定値ＳＰｉと基準状態量設定値ＳＰｍの差分である相対量ＳＰｉ−ＳＰｍへの追従性を分離して制御し、さらに、前記追従状態量設定値ＳＰｉと前記追従状態量計測値ＰＶｉとの偏差に基づいて、前記第１の係数Ｂｉを切り換える係数切換判断部を備え、前記係数切換判断部は、前記追従状態量設定値ＳＰｉから特定の範囲よりも遠いポイントに前記追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、前記第１の係数Ｂｉとして所定の第１の値を選択し、前記追従状態量設定値ＳＰｉから前記特定の範囲内の近いポイントに前記追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、前記追従性の度合が前記第１の値よりも弱い所定の第２の値を前記第１の係数Ｂｉとして選択するものである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、少なくとも２個の制御ループを有する制御系において、特定の基準となる状態量を基準状態量とし、この基準状態量との相対量が予め規定された値を維持するように制御される状態量を追従状態量としたとき、追従状態量を制御するコントローラに入力される複数の制御演算用入力値のうち１つを内部入力値に変換した上でコントローラに入力する算出手順を実行し、この算出手順において内部入力値を基準状態量に対する第１の要素と相対量に対する第２の要素との和として算出することにより、基準状態量と追従状態量との状態量差などの相対量を所望の値に維持しつつ、状態量平均値などの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。また、本発明では、コントローラの操作量と実際のアクチュエータの出力とが１対１に対応する制御系を構成することができるので、積分ワインドアップを防止することができ、従来考案されているパラメータ調整方法や自動調整機能などを適用してコントローラを調整することができる。また、内部入力値の第２の要素として、相対量に対する制御演算用入力値の要素に第１の係数を掛けた値を使用することにより、相対量を優先的に制御しながら、基準状態量も同時に制御することができる。さらに、本発明では、追従状態量設定値ＳＰｉから特定の範囲よりも遠いポイントに追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、第１の係数として所定の第１の値を選択し、追従状態量設定値ＳＰｉから特定の範囲内の近いポイントに追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、追従状態量計測値ＰＶｉの基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合が第１の値よりも弱い所定の第２の値を第１の係数として選択することにより、過渡状態では相対量が所望の値に追従する効果を強く得ることができ、かつ整定状態に近づいたときは相対量を制御する効果を弱くして、追従状態量計測値の上下動を抑えることができるので、過渡状態における相対量の制御性と整定状態における制御の安定性とを両立させることができる。
【００３３】
また、本発明では、予め設定された判断指標Ｃｒと追従状態量設定値ＳＰｉの変化とを比較することにより、追従状態量設定値ＳＰｉから特定の範囲よりも遠いポイントに追従状態量計測値ＰＶｉがある否かを判断することができ、追従状態量毎の偏差を代表する値と予め設定された判断指標Ｃｓとを比較することにより、追従状態量設定値ＳＰｉから特定の範囲内の近いポイントに追従状態量計測値ＰＶｉがあるか否かを判断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
［発明の原理］
過渡状態において、追従状態量設定値ＳＰｉから追従状態量計測値ＰＶｉが比較的離れたポイントにあるときは、状態量差を小さくする効果が強めに働いた方が好ましく、このとき追従状態量計測値ＰＶｉと追従状態量設定値ＳＰｉが離れているために追従状態量計測値ＰＶｉの上下動は実質的には目立たない。一方、追従状態量設定値ＳＰｉから追従状態量計測値ＰＶｉが比較的近いポイントにあるときは、状態量差を小さくする効果が強めに働く必要性が小さくなるのと同時に、追従状態量計測値ＰＶｉの上下動が目立つようになる。本発明は、この点に着眼する。すなわち、ステップ応答について言えば、追従状態量設定値ＳＰｉから追従状態量計測値ＰＶｉが比較的離れた応答前半においては図９（ａ）、図９（ｂ）のような動きが好ましく、追従状態量設定値ＳＰｉから追従状態量計測値ＰＶｉが比較的近い応答後半においては図８（ａ）、図８（ｂ）のような動きが好ましい。
【００３５】
本発明は、上記着眼点に基づき、追従状態量設定値ＳＰｉから特定の範囲よりも遠いポイントに追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、係数Ｂｉとして所定の第１の値を選択し、追従状態量設定値ＳＰｉから特定の範囲内の近いポイントに追従状態量計測値ＰＶｉがあるときは、追従状態量計測値ＰＶｉの基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合が第１の値よりも弱い所定の第２の値を係数Ｂｉとして選択するように切り換えることで、前述の課題を解決する。
【００３６】
具体的には、予め設定された判断指標Ｃｒを超える追従状態量設定値ＳＰｉの変化があった時点で、この時点以降は係数Ｂｉとして第１の値を選択するように切り換え、追従状態量毎の偏差を代表する値が予め設定された判断指標Ｃｓよりも小さくなった時点で、この時点以降は係数Ｂｉとして第２の値を選択するように切り換える形に構成する。追従状態量毎の偏差を代表する値としては、例えば追従状態量設定値ＳＰｉと追従状態量計測値ＰＶｉとの偏差の絶対値の平均値がある。なお、係数Ｂｉを第１の値と第２の値の２つに限らず、３つ以上用意して、追従状態量計測値ＰＶｉの基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合をさらに細かく切り換えるようにしてもよい。
【００３７】
本発明では、ｎ個の制御ループに対して、相対量を所望の値に維持する制御、より具体的には状態量差を小さくする制御を想定する。ステップ応答時の過渡状態では、状態量変化の速度が大きいため状態量差が目標水準（あるいは許容水準）に対して外れる確率は当然高くなる。すなわち、例えば２個の状態量があり、ある制御周期（計測周期）において全く同じ状態量値（追従状態量計測値）にあったとき、次の制御周期で観測される２個の状態量変化幅の比が４：３であったとき、状態量変化の速度が大きいほどこの比の差は大きな状態量差として現れる。逆にほぼ整定状態にあるときに、同様に２個の状態量変化幅の比が４：３であっても、状態量変化の速度が小さいのであるから、この比の差が状態量差として現れても小さな状態量差にしかならない。したがって、状態量変化の速度が大きい過渡状態ほど、状態量差を小さくするような作用が強めに働く必要がある。
【００３８】
一方、整定状態あるいは追従状態量計測値ＰＶｉが全体的に追従状態量設定値ＳＰｉから特定の範囲以内に収束した状態では、基本的に状態量差自体も所望の許容範囲内に収束していることになるので、状態量差を小さくしようとする必要性も小さいし、むしろ状態量差を小さくするためにむやみに操作量ＭＶｉを動かさない方が好ましいぐらいになる。したがって、整定状態あるいはそれに準ずる状態では、状態量差を小さくするような作用が強めに働く必要はない。
【００３９】
［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、追従状態量として３個の制御ループの各状態量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。
【００４０】
図１の制御装置は、第１の追従状態量に関する第１の制御系の構成として、追従状態量設定値ＳＰ１入力部１−１と、追従状態量計測値ＰＶ１入力部２−１と、操作量ＭＶ１出力部３−１と、ＰＩＤ制御演算部（ＰＩＤコントローラ）４−１と、追従状態量計測値ＰＶ１の基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合を規定する係数Ｂ１として、第１の値と追従性の度合が第１の値よりも弱い第２の値とを記憶する係数Ｂ１記憶部５−１と、追従状態量内部設定値ＳＰ１’算出部６−１とを備える。また、図１の制御装置は、第２の追従状態量に関する第２の制御系の構成として、追従状態量設定値ＳＰ２入力部１−２と、追従状態量計測値ＰＶ２入力部２−２と、操作量ＭＶ２出力部３−２と、ＰＩＤ制御演算部（ＰＩＤコントローラ）４−２と、追従状態量計測値ＰＶ２の基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合を規定する係数Ｂ２として、第１の値と追従性の度合が第１の値よりも弱い第２の値とを記憶する係数Ｂ２記憶部５−２と、追従状態量内部設定値ＳＰ２’算出部６−２とを備える。また、図１の制御装置は、第３の追従状態量に関する第３の制御系の構成として、追従状態量設定値ＳＰ３入力部１−３と、追従状態量計測値ＰＶ３入力部２−３と、操作量ＭＶ３出力部３−３と、ＰＩＤ制御演算部（ＰＩＤコントローラ）４−３と、追従状態量計測値ＰＶ３の基準状態量計測値ＰＶｍへの追従性の度合を規定する係数Ｂ３として、第１の値と追従性の度合が第１の値よりも弱い第２の値とを記憶する係数Ｂ３記憶部５−３と、追従状態量内部設定値ＳＰ３’算出部６−３とを備える。
【００４１】
また、図１の制御装置は、基準状態量に関する構成として、追従状態量設定値ＳＰ１とＳＰ２とＳＰ３の平均値を基準状態量設定値ＳＰｍとして算出する基準状態量設定値ＳＰｍ算出部７と、追従状態量計測値ＰＶ１とＰＶ２とＰＶ３の平均値を基準状態量計測値ＰＶｍとして算出する基準状態量計測値ＰＶｍ算出部８と、係数Ａｍ記憶部９とを備える。
【００４２】
さらに、図１の制御装置は、係数Ｂｉ（ｉは追従状態量の個数で、本実施の形態ではｉ＝１，２，３）の切り換えに関する構成として、追従状態量設定値ＳＰｉと追従状態量計測値ＰＶｉとの偏差の絶対値から追従状態量毎の偏差を代表する値である基準偏差Ｅｒｍを算出し、追従状態量設定値ＳＰｉのうち少なくとも１つに予め設定された判断指標Ｃｒを超える変化があった時点で、この時点以降は係数Ｂｉとして第１の値を出力するよう係数Ｂ１記憶部５−１と係数Ｂ２記憶部５−２と係数Ｂ３記憶部５−３に指示し、基準偏差Ｅｒｍが予め設定された判断指標Ｃｓよりも小さくなった時点で、この時点以降は係数Ｂｉとして第２の値を出力するよう係数Ｂ１記憶部５−１と係数Ｂ２記憶部５−２と係数Ｂ３記憶部５−３に指示する係数Ｂｉ切換判断部１０を備える。この係数Ｂｉ切換判断部１０は、基準偏差Ｅｒｍを算出する基準偏差算出部（不図示）を内部に備えている。
【００４３】
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。図２において、Ｅｒ１’は第１の追従状態量の内部設定値ＳＰ１’と第１の追従状態量の計測値ＰＶ１との偏差、Ｅｒ２’は第２の追従状態量の内部設定値ＳＰ２’と第２の追従状態量の計測値ＰＶ２との偏差、Ｅｒ３’は第３の追従状態量の内部設定値ＳＰ３’と第３の追従状態量の計測値ＰＶ３との偏差、Ａｍは基準状態量に関する係数、Ｂ１は第１の追従状態量と基準状態量との状態量差に関する係数、Ｂ２は第２の追従状態量と基準状態量との状態量差に関する係数、Ｂ３は第３の追従状態量と基準状態量との状態量差に関する係数、Ａ１は第１の追従状態量を制御するアクチュエータ、Ａ２は第２の追従状態量を制御するアクチュエータ、Ａ３は第３の追従状態量を制御するアクチュエータ、Ｐ１は第１の追従状態量に係る制御対象プロセス、Ｐ２は第２の追従状態量に係る制御対象プロセス、Ｐ３は第３の追従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。
【００４４】
追従状態量設定値ＳＰ１入力部１−１と、追従状態量計測値ＰＶ１入力部２−１と、操作量ＭＶ１出力部３−１と、ＰＩＤ制御演算部４−１と、追従状態量内部設定値ＳＰ１’算出部６−１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。追従状態量設定値ＳＰ２入力部１−２と、追従状態量計測値ＰＶ２入力部２−２と、操作量ＭＶ２出力部３−２と、ＰＩＤ制御演算部４−２と、追従状態量内部設定値ＳＰ２’算出部６−２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、追従状態量設定値ＳＰ３入力部１−３と、追従状態量計測値ＰＶ３入力部２−３と、操作量ＭＶ３出力部３−３と、ＰＩＤ制御演算部４−３と、追従状態量内部設定値ＳＰ３’算出部６−３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。
【００４５】
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、追従状態量設定値ＳＰ１は、制御装置のオペレータによって設定され、追従状態量設定値ＳＰ１入力部１−１を介して追従状態量内部設定値ＳＰ１’算出部６−１と基準状態量設定値ＳＰｍ算出部７と係数Ｂｉ切換判断部１０とに入力される（図３ステップＳ１０１）。追従状態量設定値ＳＰ２は、オペレータによって設定され、追従状態量設定値ＳＰ２入力部１−２を介して追従状態量内部設定値ＳＰ２’算出部６−２と基準状態量設定値ＳＰｍ算出部７と係数Ｂｉ切換判断部１０とに入力される（ステップＳ１０２）。追従状態量設定値ＳＰ３は、オペレータによって設定され、追従状態量設定値ＳＰ３入力部１−３を介して追従状態量内部設定値ＳＰ３’算出部６−３と基準状態量設定値ＳＰｍ算出部７と係数Ｂｉ切換判断部１０とに入力される（ステップＳ１０３）。
【００４６】
追従状態量計測値ＰＶ１は、図示しない第１の検出手段によって検出され、追従状態量計測値ＰＶ１入力部２−１を介してＰＩＤ制御演算部４−１と追従状態量内部設定値ＳＰ１’算出部６−１と基準状態量計測値ＰＶｍ算出部８と係数Ｂｉ切換判断部１０とに入力される（ステップＳ１０４）。追従状態量計測値ＰＶ２は、図示しない第２の検出手段によって検出され、追従状態量計測値ＰＶ２入力部２−２を介してＰＩＤ制御演算部４−２と追従状態量内部設定値ＳＰ２’算出部６−２と基準状態量計測値ＰＶｍ算出部８と係数Ｂｉ切換判断部１０とに入力される（ステップＳ１０５）。追従状態量計測値ＰＶ３は、図示しない第３の検出手段によって検出され、追従状態量計測値ＰＶ３入力部２−３を介してＰＩＤ制御演算部４−３と追従状態量内部設定値ＳＰ３’算出部６−３と基準状態量計測値ＰＶｍ算出部８と係数Ｂｉ切換判断部１０とに入力される（ステップＳ１０６）。
【００４７】
係数Ｂｉ切換判断部１０は、次式に示すように追従状態量設定値ＳＰ１と追従状態量計測値ＰＶ１との偏差の絶対値｜Ｅｒ１｜、追従状態量設定値ＳＰ２と追従状態量計測値ＰＶ２との偏差の絶対値｜Ｅｒ２｜、および追従状態量設定値ＳＰ３と追従状態量計測値ＰＶ３との偏差の絶対値｜Ｅｒ３｜を算出し、さらに偏差の絶対値｜Ｅｒ１｜と｜Ｅｒ２｜と｜Ｅｒ３｜の平均値を基準偏差Ｅｒｍとして算出する（ステップＳ１０７）。
｜Ｅｒ１｜＝｜ＳＰ１−ＰＶ１｜                                  ・・・（９）
｜Ｅｒ２｜＝｜ＳＰ２−ＰＶ２｜                                  ・・・（１０）
｜Ｅｒ３｜＝｜ＳＰ３−ＰＶ３｜                                  ・・・（１１）
Ｅｒｍ＝（｜Ｅｒ１｜＋｜Ｅｒ２｜＋｜Ｅｒ３｜）／３              ・・・（１２）
【００４８】
そして、係数Ｂｉ切換判断部１０は、追従状態量設定値ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３のうち少なくとも１つに１制御周期あたりの変化量が予め設定された判断指標Ｃｒよりも大きい変化が生じた時点で、追従状態量設定値ＳＰｉから特定の範囲よりも遠いポイントに追従状態量計測値ＰＶｉがあると判断して、この時点以降は係数Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３として所定の第１の値を出力するよう係数Ｂ１記憶部５−１と係数Ｂ２記憶部５−２と係数Ｂ３記憶部５−３に指示する（ステップＳ１０８）。また、係数Ｂｉ切換判断部１０は、基準偏差Ｅｒｍが予め設定された判断指標Ｃｓよりも小さくなった時点で、追従状態量設定値ＳＰｉから特定の範囲内の近いポイントに追従状態量計測値ＰＶｉがあると判断して、この時点以降は係数Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３として所定の第２の値を出力するよう係数Ｂ１記憶部５−１と係数Ｂ２記憶部５−２と係数Ｂ３記憶部５−３に指示する（ステップＳ１０８）。
【００４９】
次に、基準状態量設定値ＳＰｍ算出部７は、次式のように、追従状態量設定値ＳＰ１と追従状態量設定値ＳＰ２と追従状態量設定値ＳＰ３との平均値を基準状態量設定値ＳＰｍとして算出し、この基準状態量設定値ＳＰｍを追従状態量内部設定値ＳＰ１’算出部６−１と追従状態量内部設定値ＳＰ２’算出部６−２と追従状態量内部設定値ＳＰ３’算出部６−３とに出力する（ステップＳ１０９）。
ＳＰｍ＝（ＳＰ１＋ＳＰ２＋ＳＰ３）／３                          ・・・（１３）
【００５０】
基準状態量計測値ＰＶｍ算出部８は、次式のように、追従状態量計測値ＰＶ１と追従状態量計測値ＰＶ２と追従状態量計測値ＰＶ３との平均値を基準状態量計測値ＰＶｍとして算出し、この基準状態量計測値ＰＶｍを追従状態量内部設定値ＳＰ１’算出部６−１と追従状態量内部設定値ＳＰ２’算出部６−２と追従状態量内部設定値ＳＰ３’算出部６−３とに出力する（ステップＳ１１０）。
ＰＶｍ＝（ＰＶ１＋ＰＶ２＋ＰＶ３）／３                          ・・・（１４）
【００５１】
係数Ａｍ記憶部９は、基準状態量に関する係数Ａｍを予め記憶している。係数Ｂ１記憶部５−１は、第１の追従状態量と基準状態量との状態量差に関する係数Ｂ１として第１の値と第２の値を記憶しており、この第１の値と第２の値のうち係数Ｂｉ切換判断部１０から指示された方の値を追従状態量内部設定値ＳＰ１’算出部６−１に出力する。追従状態量内部設定値ＳＰ１’算出部６−１は、係数Ａｍ，Ｂ１と基準状態量設定値ＳＰｍと基準状態量計測値ＰＶｍと追従状態量設定値ＳＰ１と追従状態量計測値ＰＶ１とに基づき、追従状態量内部設定値ＳＰ１’を次式のように算出する（ステップＳ１１１）。
ＳＰ１’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂ１（ＳＰ１−ＳＰｍ）
＋（１−Ｂ１）（ＰＶ１−ＰＶｍ）                      ・・・（１５）
【００５２】
係数Ｂ２記憶部５−２は、第２の追従状態量と基準状態量との状態量差に関する係数Ｂ２として第１の値と第２の値を記憶しており、この第１の値と第２の値のうち係数Ｂｉ切換判断部１０から指示された方の値を追従状態量内部設定値ＳＰ２’算出部６−２に出力する。追従状態量内部設定値ＳＰ２’算出部６−２は、係数Ａｍ，Ｂ２と基準状態量設定値ＳＰｍと基準状態量計測値ＰＶｍと追従状態量設定値ＳＰ２と追従状態量計測値ＰＶ２とに基づき、追従状態量内部設定値ＳＰ２’を次式のように算出する（ステップＳ１１２）。
ＳＰ２’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂ２（ＳＰ２−ＳＰｍ）
＋（１−Ｂ２）（ＰＶ２−ＰＶｍ）                        ・・・（１６）
【００５３】
係数Ｂ３記憶部５−３は、第３の追従状態量と基準状態量との状態量差に関する係数Ｂ３として第１の値と第２の値を記憶しており、この第１の値と第２の値のうち係数Ｂｉ切換判断部１０から指示された方の値を追従状態量内部設定値ＳＰ３’算出部６−３に出力する。追従状態量内部設定値ＳＰ３’算出部６−３は、係数Ａｍ，Ｂ３と基準状態量設定値ＳＰｍと基準状態量計測値ＰＶｍと追従状態量設定値ＳＰ３と追従状態量計測値ＰＶ３とに基づき、追従状態量内部設定値ＳＰ３’を次式のように算出する（ステップＳ１１３）。
ＳＰ３’＝ＡｍＳＰｍ＋（１−Ａｍ）ＰＶｍ＋Ｂ３（ＳＰ３−ＳＰｍ）
＋（１−Ｂ３）（ＰＶ３−ＰＶｍ）                        ・・・（１７）
【００５４】
次に、ＰＩＤ制御演算部４−１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、ｓはラプラス演算子である。なお、ＰＩＤ制御演算部４−１は、算出した操作量ＭＶ１がアクチュエータＡ１の出力の下限値ＯＬ１より小さい場合、操作量ＭＶ１＝ＯＬ１とし、算出した操作量ＭＶ１がアクチュエータＡ１の出力の上限値ＯＨ１より大きい場合、操作量ＭＶ１＝ＯＨ１とする操作量上下限処理を積分ワインドアップの対策として行う。
【００５５】
積分ワインドアップとは、設定値ＳＰに対して状態量計測値ＰＶが低い場合にコントローラがアクチュエータ出力の上限値を無視して必要以上に大きな操作量ＭＶを算出したために、設定値ＳＰが小さい値に変更されたときに操作量ＭＶの降下が遅れる現象であり、コントローラがアクチュエータの物理的な上下限を考慮して操作量を算出しないことに起因する。
【００５６】
ＰＩＤ制御演算部４−２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。なお、ＰＩＤ制御演算部４−２は、算出した操作量ＭＶ２がアクチュエータＡ２の出力の下限値ＯＬ２より小さい場合、操作量ＭＶ２＝ＯＬ２とし、算出した操作量ＭＶ２がアクチュエータＡ２の出力の上限値ＯＨ２より大きい場合、操作量ＭＶ２＝ＯＨ２とする操作量上下限処理を積分ワインドアップの対策として行う。
【００５７】
ＰＩＤ制御演算部４−３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。なお、ＰＩＤ制御演算部４−３は、算出した操作量ＭＶ３がアクチュエータＡ３の出力の下限値ＯＬ３より小さい場合、操作量ＭＶ３＝ＯＬ３とし、算出した操作量ＭＶ３がアクチュエータＡ３の出力の上限値ＯＨ３より大きい場合、操作量ＭＶ３＝ＯＨ３とする操作量上下限処理を積分ワインドアップの対策として行う。
【００５８】
操作量ＭＶ１出力部３−１は、ＰＩＤ制御演算部４−１によって算出された操作量ＭＶ１をアクチュエータＡ１に出力する（ステップＳ１１７）。アクチュエータＡ１は、操作量ＭＶ１に基づいて第１の追従状態量を制御するために動作する。
操作量ＭＶ２出力部３−２は、ＰＩＤ制御演算部４−２によって算出された操作量ＭＶ２をアクチュエータＡ２に出力する（ステップＳ１１８）。アクチュエータＡ２は、操作量ＭＶ２に基づいて第２の追従状態量を制御するために動作する。
操作量ＭＶ３出力部３−３は、ＰＩＤ制御演算部４−３によって算出された操作量ＭＶ３をアクチュエータＡ３に出力する（ステップＳ１１９）。アクチュエータＡ３は、操作量ＭＶ３に基づいて第３の追従状態量を制御するために動作する。
【００５９】
以上のようなステップＳ１０１〜Ｓ１１９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Ｓ１２０においてＹＥＳ）、制御周期毎に繰り返し実行される。
【００６０】
図４に本実施の形態の制御装置の動作のシミュレーション結果を示す。図４（ａ）は追従状態量設定値ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３を０から４０に変更したときの制御系のステップ応答を示す図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）を拡大した図である。シミュレーションの条件は以下の通りである。
【００６１】
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＝３．６ｅｘｐ（−２．０ｓ）／｛（１＋７０．０ｓ）（１＋１０．０ｓ）｝
・・・（２１）
Ｇｐ２＝４．８ｅｘｐ（−２．０ｓ）／｛（１＋６０．０ｓ）（１＋１０．０ｓ）｝
・・・（２２）
Ｇｐ３＝６．０ｅｘｐ（−２．０ｓ）／｛（１＋５０．０ｓ）（１＋１０．０ｓ）｝
・・・（２３）
【００６２】
ＰＩＤ制御演算部４−１の操作量下限値ＯＬ１を０％、上限値ＯＨ１を１００％とし、ＰＩＤ制御演算部４−２の操作量下限値ＯＬ２を０％、上限値ＯＨ２を１００％とし、ＰＩＤ制御演算部４−３の操作量下限値ＯＬ３を０％、上限値ＯＨ３を１００％とする。
操作量ＭＶ１，ＭＶ２，ＭＶ３に応じて追従状態量計測値ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３は、次式のように定まる。
ＰＶ１＝Ｇｐ１ＭＶ１                                            ・・・（２４）
ＰＶ２＝Ｇｐ２ＭＶ２                                            ・・・（２５）
ＰＶ３＝Ｇｐ３ＭＶ３                                            ・・・（２６）
【００６３】
ＰＩＤ制御演算部４−１のＰＩＤパラメータである比例帯Ｐｂ１を１５０．０、積分時間Ｔｉ１を３５．０、微分時間Ｔｄ１を２０．０とし、ＰＩＤ制御演算部４−２のＰＩＤパラメータである比例帯Ｐｂ２を２００．０、積分時間Ｔｉ２を３５．０、微分時間Ｔｄ２を２０．０とし、ＰＩＤ制御演算部４−３のＰＩＤパラメータである比例帯Ｐｂ３を３００．０、積分時間Ｔｉ３を３５．０、微分時間Ｔｄ３を２０．０とする。なお、前記の図７〜図９についても、以上の条件でシミュレーションを行っている。
【００６４】
図４（ａ）、図４（ｂ）に示すシミュレーション結果は、本実施の形態においてＡｍ＝１．０と設定し、係数Ｂｉの第１の値をＢ１＝Ｂ２＝Ｂ３＝６．７と設定し、係数Ｂｉの第２の値をＢ１＝Ｂ２＝Ｂ３＝３．０と設定し、判断指標をＣｒ＝Ｃｓ＝４．０と設定したことにより得られたものである。図４（ａ）、図４（ｂ）の例では、ＰＶｉ＝３６付近（Ｅｒｍ＝４．０）のところで第１の値から第２の値に切り換えられている。図４（ａ）、図４（ｂ）から分かるように、ＰＶｉ＝３７付近までは図９（ａ）、図９（ｂ）と同じように状態量差が小さく、ＰＶｉ＝３７付近を通過した以降はＰＶｉの上下動が減少しており、図９（ａ）、図９（ｂ）のような状態量差の大きな乱れは軽減されている。よって、本実施の形態では、過渡状態における状態量差の制御性と整定状態における制御の安定性とを両立できていることが分かる。
【００６５】
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。
【００６６】
また、本実施の形態では、特許文献３に開示された構成に基づいて、ＰＩＤ制御演算部に入力される複数の制御演算用入力値のうち追従状態量設定値ＳＰｉを内部入力値である追従状態量内部設定値ＳＰｉ’に変換した上でＰＩＤ制御演算部に入力するようにしているが、本発明の原理は他の制御演算用入力値を内部入力値に変換する場合でも適用可能であり、本実施の形態と同じ効果を得ることができる。他の制御演算用入力値としては、特許文献４で用いた追従状態量計測値ＰＶｉや、特許文献５で用いた追従状態量偏差Ｅｒｉがある。
【００６７】
ｉ番目の追従状態量計測値ＰＶｉを内部入力値である追従状態量内部計測値ＰＶｉ’に変換する場合には、次式により変換すればよい。
ＰＶｉ’＝（１−Ａｍ）ＳＰｍ＋ＡｍＰＶｍ＋（１−Ｂｉ）（ＳＰｉ−ＳＰｍ）
＋Ｂｉ（ＰＶｉ−ＰＶｍ）                                ・・・（２７）
そして、ｉ番目のＰＩＤ制御演算部に対して、追従状態量内部計測値ＰＶｉ’を入力すると共に、追従状態量設定値ＳＰｉを変換せずにそのまま入力すればよい。このとき、ＰＩＤ制御演算部は、次式により操作量ＭＶｉを算出する。
ＭＶｉ＝（１００／Ｐｂｉ）｛１＋（１／Ｔｉｉｓ）＋Ｔｄｉｓ｝（ＳＰｉ
−ＰＶｉ’）                                            ・・・（２８）
式（２８）において、Ｐｂｉは比例帯、Ｔｉｉは積分時間、Ｔｄｉは微分時間である。
【００６８】
一方、ｉ番目の追従状態量偏差Ｅｒｉを内部入力値である追従状態量内部偏差Ｅｒｉ’に変換する場合には、次式により変換すればよい。
Ｅｒｉ’＝Ａｍ（ＳＰｍ−ＰＶｍ）
＋Ｂｉ｛（ＳＰｉ−ＳＰｍ）−（ＰＶｉ−ＰＶｍ）｝        ・・・（２９）
そして、ｉ番目のＰＩＤ制御演算部に対して、追従状態量内部偏差Ｅｒｉ’を入力すればよい。このとき、ＰＩＤ制御演算部は、次式により操作量ＭＶｉを算出する。
ＭＶｉ＝（１００／Ｐｂｉ）｛１＋（１／Ｔｉｉｓ）＋Ｔｄｉｓ｝Ｅｒｉ’
・・・（３０）
【産業上の利用可能性】
【００６９】
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】
【００７０】
【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】図１の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】図１の制御装置によるステップ応答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】従来のＰＩＤ制御によるステップ応答のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】先行出願の制御方法によるステップ応答のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】先行出願の制御方法によるステップ応答のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
４−１，４−２，４−３…ＰＩＤ制御演算部、５−１…係数Ｂ１記憶部、５−２…係数Ｂ２記憶部、５−３…係数Ｂ３記憶部、６−１…追従状態量内部設定値ＳＰ１’算出部、６−２…追従状態量内部設定値ＳＰ２’算出部、６−３…追従状態量内部設定値ＳＰ３’算出部、７…基準状態量設定値ＳＰｍ算出部、８…基準状態量計測値ＰＶｍ算出部、９…係数Ａｍ記憶部、１０…係数Ｂｉ切換判断部。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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