(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
恒温植物の温度制御アルゴリズムを用いて、温度制御対象に対して温度制御を行う温度制御方法であって、
温度制御対象に対して、当該温度制御対象の温度が目標の温度に達するまで一定値を操作量とする第１の温度制御を実行する工程と、
前記温度制御対象の温度が前記目標の温度に達した後に、前記温度制御対象の制御周期当たりの温度の変化量がゼロとなるように第２の温度制御を実行する工程とを含み、
前記温度制御アルゴリズムは、
0004590569.tif 000005
（Ｑ:所定の加熱手段からの発熱量、Ｔｓ:加熱手段の温度、ＴＡ: 温度制御対象の周囲の外気温、Ｃ１−Ｃ３:恒温植物の温度特性に関する係数）
に基づいており、
前記第１の温度制御の工程により一定値を操作することが、当該式（１）の第２項（Ｃ２Ｑ）及び第３項（Ｃ３（ＴＡ−ＴＳ））に基づいており、
前記第２の温度制御の工程により変化量がゼロとなるように制御することが、当該式（１）の第１項（Ｃ１・ｄＱ／ｄｔ）に基づいていることを特徴とする、温度制御方法。
【請求項２】
恒温植物の温度制御アルゴリズムを用いて、温度制御対象に対して温度制御を行う温度制御装置であって、
温度制御対象に対して、当該温度制御対象の温度が目標の温度に達するまで一定値を操作量とする第１の温度制御を実行する第１の温度制御手段と、
前記温度制御対象の温度が前記目標の温度に達した後に、前記温度制御対象の制御周期当たりの温度の変化量がゼロとなるように第２の温度制御を実行する第２の温度制御手段とを備え、
前記温度制御アルゴリズムは、
0004590569.tif 000006
（Ｑ:所定の加熱手段からの発熱量、Ｔｓ:加熱手段の温度、ＴＡ: 温度制御対象の周囲の外気温、Ｃ１−Ｃ３: 恒温植物の温度特性に関する係数）
に基づいており、
前記第１の温度制御手段により一定値を操作することが、当該式（１）の第２項（Ｃ２Ｑ）及び第３項（Ｃ３（ＴＡ−ＴＳ））に基づいており、
前記第２の温度制御手段により変化量がゼロとなるように制御することが、当該式（１）の第１項（Ｃ１・ｄＱ／ｄｔ）に基づいてい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、温度制御方法、及び温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
制御対象の温度、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条件において、目標範囲値に追従させる制御装置に与える操作量を制御する自動制御方法として、ＰＩＤ(比例、積分、微分)制御方法が知られている。このＰＩＤ制御は、特に温度制御(温度恒温制御)などの分野においては広範に用いられている。
【０００３】
図１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フローチャートである。図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、常に目標値(目標温度)と現在値(現在温度)との偏差に比例、積分、微分要素の各係数による演算を施すことによって、操作量を決定する。そのため、毎回の演算量が多く、演算速度に長時間を要するようになることから、十分な高速応答を実現することができなかった。
【０００４】
また、比例、積分、微分要素の各制御係数（ＫＰ，ＫＩ，ＫＤ）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、前記各制御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、前記各制御係数は経験的な勘、若しくはカットアンドトライによって決定していた。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、図からも明らかなように、ＰＩＤ制御には目標値(目標温度)に到達するために積分要素が必要である。そ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】
上述したような間題に鑑み、ＰＩＤ制御に対して種々の改良が試みられている。例えば、特開２００１−９２５０１号公報においては、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、特開２０００−１６３１０１号公報にはＰＩＤ制御方法が開示されており、そのＰＩＤ制御方法は以下を含むことを特徴とする。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制御演算を行なうステップ。制御対象機器の現在の動作量が所定範囲内にあるか否かを判定するステップ。現在の動作量が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制御対象機器に制御動作信号を出カするステップ。また、現在の動作量が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ＰｌＤ制御演算値に乗算して制御対象機器に制御動作信号を出力するステップ。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−９２５０１号公報
【特許文献２】
特開２０００−１６３１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【００１０】
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（温度制御対象）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】
【００１１】
本発明によれば、上記目的を達成すべく、恒温植物の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（温度制御対象）の温度制御を行うことを特徴とする温度制御方法を提供する。
【００１２】
また、本発明によれば、所定の物体（温度制御対象）を加熱するための加熱手段と、前記加熱手段に対し、恒温植物の温度制御アルゴリズムを用いたフィードバック制御を施して、前記物体（温度制御対象）の温度制御を行う温度樹御手設と、を具えることを特徴とする、温度制御装置を提供する。
【００１３】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施し、従来のＰＩＤ制御に代わるような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実施した。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から導き出された温度制御のアルゴリズムを利用することを想到した。実際、日本国の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の変動にも関わらず、その体温を２０℃程度に維持できる。
【００１４】
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（温度制御対象）の温度制御を行うことを試みた。
【００１５】
本発明の一態様において、本発明の温度制御方法は、恒温植物の温度制御アルゴリズムを用いて、温度制御対象に対して温度制御を行う温度制御方法であって、
温度制御対象に対して、当該温度制御対象の温度が目標の温度に達するまで一定値を操作量とする第１の温度制御を実行する工程と、
前記温度制御対象の温度が前記目標の温度に達した後に、前記温度制御対象の制御周期当たりの温度の変化量がゼロとなるように第２の温度制御を実行する工程とを含み、
前記温度制御アルゴリズムは、
0004590569.tif 000002
（Ｑ:所定の加熱手段からの発熱量、Ｔｓ:加熱手段の温度、ＴＡ: 温度制御対象の周囲の外気温、Ｃ１−Ｃ３:恒温植物の温度特性に関する係数）
に基づいており、
前記第１の温度制御の工程により一定値を操作することが、当該式（１）の第２項（Ｃ２Ｑ）及び第３項（Ｃ３（ＴＡ−ＴＳ））に基づいており、
前記第２の温度制御の工程により変化量がゼロとなるように制御することが、当該式（１）の第１項（Ｃ１・ｄＱ／ｄｔ）に基づいていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の温度制御装置は、恒温植物の温度制御アルゴリズムを用いて、温度制御対象に対して温度制御を行う温度制御装置であって、
温度制御対象に対して、当該温度制御対象の温度が目標の温度に達するまで一定値を操作量とする第１の温度制御を実行する第１の温度制御手段と、
前記温度制御対象の温度が前記目標の温度に達した後に、前記温度制御対象の制御周期当たりの温度の変化量がゼロとなるように第２の温度制御を実行する第２の温度制御手段とを備え、
前記温度制御アルゴリズムは、
0004590569.tif 000003
（Ｑ:所定の加熱手段からの発熱量、Ｔｓ:加熱手段の温度、ＴＡ: 温度制御対象の周囲の外気温、Ｃ１−Ｃ３: 恒温植物の温度特性に関する係数）
に基づいており、
前記第１の温度制御手段により一定値を操作することが、当該式（１）の第２項（Ｃ２Ｑ）及び第３項（Ｃ３（ＴＡ−ＴＳ））に基づいており、
前記第２の温度制御手段により変化量がゼロとなるように制御することが、当該式（１）の第１項（Ｃ１・ｄＱ／ｄｔ）に基づいていることを特徴とする。
【００１７】
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（温度制御対象）の温度制御を正確かつ高速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来のＰＩＤ制御のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図２】本発明の温度制御装置の一例を示す構成図である。
【図３】本発明の温度制御方法におけるアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の温度制御方法及び温度制御装置に基づいた恒温温度制御の一例を示すグラフである。
【図５】本発明の温度制御方法及び温度制御装置に基づいた昇温温度制御の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図２は、本発明の温度制御装置の一例を示す構成図であり、図３は、図２の温度制御装置の制御部における温度制御アルゴリズムの一例を示すフローチャートである。
【００２１】
図２に示す温度制御装置１０では、ペルチェ素子などから構成される加熱手段１１上に、温度制御に供する物体（温度制御対象）１２が載置されている。さらに、制御部１３が温度制御装置１０に設けられており、この制御部１３は物体（温度制御対象）１２からの温度情報を逐一モニタリングするとともに、図３に示す温度制御アルゴリズムに基づいて、加熱手段１１に対して所定の電力を供給し、物体（温度制御対象）１２の温度制御を行う。
【００２２】
図３に示す温度制御アルゴリズムは、本発明に従って恒温植物の恒温温度制御メカニズムに基づいており、図３（ａ）に示す第１の温度制御工程と、図３（ｂ）に示す第２の温度制御工程とから構成される。前記第１の温度制御工程では、物体（温度制御対象）１２の温度が目標の温度に達するまで一定値を操作量とする。前記第２の温度制御工程では、物体（温度制御対象）１２の温度が前記目標の温度に達した後に、制御周期当たりの前記物体（温度制御対象）の前記温度の変化量がゼロとなるように操作量を決定する。
【００２３】
図３に示す温度制御アルゴリズムでは、上述した第１の温度制御工程における目標温度に達するまでの操作量と、上述した第２の温度制御工程における前記目標温度を維持するための操作量とをそれぞれ独立に演算することができるので、演算に要する時間を短時間化することができる。したがって、物体（温度制御対象）１２の温度制御において十分な高速応答性を実現することができる。
【００２４】
また、図３における制御係数は実在の恒温植物から抽出して、理論的に導出することは容易である。したがって、正確かつ高速な応答を実現することができ、物体（温度制御対象）１２の前述した目標温度への短時間の到達及び正確かつ安定した維持が可能となる。
【００２５】
さらに、図３に示すアルゴリズムでは積分要素を有しないため、従来のような振動を生じることがない。したがって、物体（温度制御対象）１２の前述した目標温度への短時間の到達及び正確かつ安定した維持が可能となる。
【００２６】
なお、図２に示すような装置を用いた場合、制御部１３におけるアルゴリズム制御は式
（１）に基づいて行われる。
0004590569.tif 000004
（Ｑ:所定の加熱手段からの発熱量、Ｔｓ:加熱手段の温度、ＴＡ: 温度制御対象の周囲の外気温、Ｃ１−Ｃ３: 恒温植物の温度特性に関する係数）
【００２７】
上記式（１）は、本発明者らによって、ザゼンソウなど種々の恒温植物の、恒温制御に基づく温度制御メカニズムに対する解析を行われた結果、得られたものである。
【００２８】
なお、式（１）において、第２項（Ｃ２）及び第３項（Ｃ３（ＴＡ−ＴS））は、上述した第１の温度制御工程に基づく一定値を操作することに起因するものであり、第１項（Ｃ１・ｄＱ／ｄｔ）は、上述した第２の温度制御工程に基づく変化量がゼロとなるように操作することに起因するものである。
【００２９】
図３及び式（１）に示すような温度制御アルゴリズムによれば、物体（温度制御対象）２の温度制御、特に恒温制御を正確かつ高速に行うことができるようになる。例えば、恒温制御の場合、目的とする温度に対して−０．５℃から＋０．５℃の制御誤差で温度制御を行うことができる。また、昇温制御及び降温制御において、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。
【００３０】
本発明で用いる恒温植物の種類は、その恒温特性に優れており、好ましくは式（１）で示されるようなアルゴリズムが抽出できるようなものであれば特に限定されない。
【００３１】
しかしながら、好ましくはザゼンソウを用いる。図４は、図２に示す温度制御装置１０を用いた場合の、外気温変化に対する物体（温度制御対象）１２の温度変化を示したものである。図４に示す温度制御は、ザゼンソウから抽出した式（１）に示すアルゴリズムに基づいた実施例である。図から明らかなように、外気温が所定の時間間隔において、約１０℃の大きさで変化しているにも拘わらず、物体（温度制御対象）１２の温度はほぼ一定に保持されていることが分かる。
【００３２】
図５は、図２に示す温度制御装置１０を用いた場合の、昇温制御過程を示したものである。図５に示す温度制御も、ザゼンソウから抽出した式（１）に示すアルゴリズムに基づいた実施例である。図から明らかなように、数十度に亘る昇温操作においても、オーバーシュートやアンダーシュートは観測されず、極めて正確かつ高速の応答性に下に、昇温制御が行われていることが分かる。
【００３３】
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、本発明の範囲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。
【符号の説明】
【００３４】
１０  温度制御装置
１１  加熱手段
１２  物体（温度制御対象）
１３  制御部
【図１】
0004590569.tif 000007
【図２】
0004590569.tif 000008
【図３】
0004590569.tif 000009
【図４】
0004590569.tif 000010
【図５】
0004590569.tif 000011