(57)【要約】【課題】操作量が所定の範囲内となるような制限を受ける場合に、線径に近い緩やかな変化で操作量を短時間に収束させることができるガラス母材の外径制御方法及び外径制御装置を提供する。【解決手段】ガラス母材を加熱加工するときにガラス母材の外径の目標値ＳＶと計測値ＰＶとの偏差から操作量を求め、この操作量が所定の値となるように制御する。少なくとも比例演算手段１２および積分演算手段１３により算出された操作量Ｕを微分手段１７により微分した後、その微分値を変化率制限手段１６により所定の変化率以内に制限した微分値とし、次いで積分手段１８により積分して制御対象に対する操作量ＭＶとして出力すると共に、所定の変化率に制限する前の微分値δａと変化率制限手段を通過した微分値δｂの差分値を算出し、この差分値で前記の積分演算手段１３の偏差入力を制御する。【選択図】図１
2007210810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス母材を加熱加工するときにガラス母材の外径の目標値と計測値との偏差を求め、前記偏差を少なくとも比例演算手段および積分演算手段に入力して操作量を求め、前記操作量が所定の値となるように制御するガラス母材の外径制御方法であって、
少なくとも前記比例演算手段および前記積分演算手段により算出された操作量を微分手段により微分した後、その微分値を変化率制限手段により所定の変化率以内に制限した微分値とし、次いで積分手段により積分して制御対象に対する操作量として出力すると共に、所定の変化率に制限する前の微分値と前記変化率制限手段を通過した微分値の差分値を算出し、前記差分値で前記積分演算手段の偏差入力を制御することを特徴とするガラス母材の外径制御方法。
【請求項２】
前記微分値の差分値を、積分補正手段を介して前記積分演算手段の偏差入力を補正することを特徴とする請求項１に記載のガラス母材の外径制御方法。
【請求項３】
前記微分値の差分値で、前記積分演算手段の偏差入力をオン・オフすることを特徴とする請求項１に記載のガラス母材の外径制御方法。
【請求項４】
前記ガラス母材は管状ガラスで、ガラス外径の制御ために前記管状ガラスを加熱しながら内部に送り込むガス流量を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガラス母材の外径制御方法。
【請求項５】
前記ガラス母材は管状又は中実ガラスで、ガラス外径の制御ために前記ガラスを加熱しながら延伸量を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガラス母材の外径制御方法。
【請求項６】
ガラス母材を加熱加工するときにガラス母材の外径の目標値と計測値との偏差を求め、少なくとも比例演算手段および積分演算手段に入力して操作量を求め、前記操作量が所定の値となるように制御するガラス母材の外径制御装置であって、
少なくとも前記比例演算手段および前記積分演算手段により算出された操作量を微分する微分手段と、前記微分手段により微分された微分値を所定の変化率以内に制限する変化率制限手段と、前記変化率制限手段を通過した微分値を積分する積分手段と、前記変化率制限手段を通過する前後の微分値の差分値を算出して、前記差分値を前記積分演算手段の偏差入力にフィードバックさせる手段を備えたことを特徴とするガラス母材の外径制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ等のガラス母材の製造で、ガラス母材の外径が一定になるように制御する外径制御方法と外径制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバの製造に用いられるガラス母材の製造で、例えば、クラッド用のガラス管を加熱しながら該ガラス管の内側に、コア用のガラス微粒子を堆積させるＭＣＶＤ（Modified Chemical Vapor Deposition）がある。この方法は、ガラス管を回転させながら、ガラス管内にガラスの原料となるＳｉＣｌ４ガスやＧｅＣｌ４ガス及びＯ２ガス、場合によってはさらに不活性ガスを流し、ガラス微粒子を生成してガラス管に堆積させる。ガラス微粒子はガラス管に堆積するとほぼ同時に、または後工程で加熱されて透明ガラス化し、透明ガラス管が得られる。この透明ガラス管を中実にして光ファイバ用のガラス母材が得られる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
均一な品質の光ファイバを得るには、ガラス母材の外径が均一に形成されている必要がある。このため、ガラス母材の製造に際しては、ガラス管内へのガラス微粒子堆積時のガス供給量、延伸時の延伸速度等が制御される。これらの制御は、一般に、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御と言われている自動制御方法が用いられる。その際、立ち上げ時の制御を効果的に効かせるために操作量を大きくとることがあるが、操作量の変動量が大きすぎるとオーバーシュートが生じて操作量がいつまでたっても所定の値に落ち着かなくなる。
【０００４】
ＰＩＤ制御は、制御対象の目標値ＳＶと実際の計測値ＰＶの偏差Ｅを、比例演算（Ｐ制御）、積算演算（Ｉ制御）及び微分演算（Ｄ制御）して制御対象に制御操作量ＭＶを出力するものとして知られている。このＰＩＤ制御で、積分項が比例項の定常的な偏差をゼロにする機能を有する一方で、図３（Ａ）に示すように目標値ＳＶや負荷の大きな変動に対して積分演算を実行すると過積分となり、計測値ＰＶが目標値ＳＶを超えてオーバーシュートしてしまう、リセットワインドアップと言われている現象が生じる。
【０００５】
リセットワインドアップ現象は、偏差を少なくする操作量に制限を与えた場合に、操作量の増加が制限されているにも拘わらず偏差が生じているので、積分演算をそのまま続けることにある。これは、積分演算による操作量を出力させないままで、積分演算が続けられると積分量が巻き上げられた状態（ワインドアップ）となり、このワインドアップした積分量が巻き戻されるまでは、実際に積分項での操作量を減じる状態になっても、操作量の減少機能が回復しないためである。
【０００６】
このリセットワインドアップ現象を防止する方法として、例えば、出力リミッタで出力を制限するに際して、積分演算を停止させるなどの制御を行うことが知られている（例えば、特許文献２、非特許文献１参照）。図３（Ｂ）に示す例は、従来のリセットワインドアップ現象を防止する一例で、制御対象の目標値ＳＶと実際の計測値ＰＶの偏差Ｅを、比例演算部２、積分演算部３及び微分演算部４に加え、これらの演算部で演算された値を加算部５で加算して操作量Ｕを出力する。
【０００７】
操作量Ｕは、出力リミッタ６により上限値又は下限値を超える出力量を制限して、制御対象に対する操作量ＭＶとして出力する。このとき、出力リミッタ６の出力制限を受ける前の操作量Ｕと制限を受けた後の操作量ＭＶを減算部７で減算して、その算出結果を積分制御部８に入力し、積分演算部３にフィードバックしている。積分演算部３では、このフィードバックを受けて、積分演算を停止させる等の制御が行われ、過積分が生じないようにしている。
【特許文献１】特開２００４−９９３４２号公報
【特許文献２】特開平６−１６８００３号公報
【非特許文献１】加納  学、“ＭＡＴＬＡＢを利用した制御系設計（発展偏）”、２００１年８月、[平成１７年８月３０日検索]、インターネット＜URL：http://www-pse.cheme.kyoto-u.ac.jp/~kano/document/text-cont-advanced2.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光ファイバ用のガラス母材の製造に、図３（Ｂ）で例示したようなリセットワインドアップ現象対策を講じたＰＩＤ制御を適用することで、ある程度の過積分による問題は改善することができる。しかしながら、光ファイバ用のガラス母材の製造、例えば、上述のＭＣＶＤによるガラス管の製造の場合、ガラス管の加熱初期ではガラス管が比較的硬いので内圧による外径の変化は小さいが、加熱が進んで軟化状態となると内圧により外径が変化しやすくなる。ガラス管内の内圧は、管内に流すガス量で変化するが、特に、加熱初期からガラスが軟化状態に移る段階でガラス外径の変動が生じやすく、操作量の変化率を制限する必要があるがその場合上述のようなリセットワインドアップ現象が生じやすい。
【０００９】
上述したような操作量を制限する変化が生じたときに積分制御の演算を停止するというのは、操作量の変化率が急で非線形の制御となるため、精度を要する制御には好ましくなく、より緩やかに外径が制御される制御方法が要望されている。
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、操作量が所定の範囲内となるような制限を受ける場合に、線径に近い緩やかな変化で操作量を短時間に収束させることができるガラス母材の外径制御方法及び外径制御装置の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によるガラス母材の外径制御は、ガラス母材を加熱加工するときにガラス母材の外径の目標値と計測値との偏差を求め、この偏差を少なくとも比例演算手段および積分演算手段に入力して操作量を求め、この操作量が所定の値となるように制御する。少なくとも比例演算手段および積分演算手段により算出された操作量を微分手段により微分した後、その微分値を変化率制限手段により所定の変化率以内に制限した微分値とし、次いで積分手段により積分して制御対象に対する操作量として出力すると共に、所定の変化率に制限する前の微分値と変化率制限手段を通過した微分値の差分値を算出し、この差分値で前記の積分演算手段の偏差入力を制御する。
【００１１】
また、微分値の差分値で、積分補正手段を介して積分演算手段の偏差入力を補正するか、又は積分演算手段の偏差入力をオン・オフする。外径制御するガラス母材は管状ガラスで、ガラス外径の制御のために管状ガラスを加熱しながら内部に送り込むガス流量を制御する。また、外径制御するガラス母材は管状又は中実ガラスで、外径の制御ためにガラスを加熱しながら延伸量を制御する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、操作量の変化率が所定の範囲を越えた場合は、その変化率を所定値内に制御するとともに、積分演算の入力にフィードバックさせて、積分量の調整又は積分停止等の制御を行うことができる。これにより、操作量の急激な変動を抑制して緩やかな変動とするとともに、リセットワインドアップを効果的に抑制して目標値に収束させるまでの時間を短縮し、その間の時間の無駄および材料の無駄をなくすことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の対象とするガラス母材は、管状又は中実のガラス母材である。管状ガラスをＭＣＶＤ法で製造する場合においては、ガラス管を所定の外径とするために制御する場合は、測定対象はガラス管の外径であり、目標値、計測値とも外径値であるが、実際にフィードバック制御をかけるのはガラス管内に流入させるガスの供給量である。ガラス管の外径値からガス流量への換算は制御コントローラに内包される。管状ガラスや中実ガラスを加熱しながら延伸させて所定の外径のガラス母材とする際には、実際にフィードバック制御をかけるのはガラス母材の引っ張り速度（延伸量）である。ガラス母材の外径値から引っ張り速度への換算は制御コントローラに内包される。
【００１４】
図１により本発明における制御方法の概略を説明する。図中、１１は減算手段、１２は比例演算手段、１３は積分演算手段、１４は微分演算手段、１５は加算手段、１６は変化率制限手段、１７は微分手段、１８は積分手段、１９は減算手段、２０は積分補正手段、２１は減算手段を示す。なお、図の矩形ブロック内に示す記号は、制御系の伝達関数を示し、Ｋｐは比例定数（積分、微分項の定数も同じと仮定)、Ｔｉは積分時間（１／ＴｉＳで積分器による積分制御を表す）、Ｔｄは微分時間（ＴｄＳで微分制御を表す）、Ｓは微分、１／Ｓは積分を表している。
【００１５】
本発明では、従来と同様に、目標値ＳＶと制御対象の計測値ＰＶの偏差Ｅを減算手段１１で算出し、該偏差Ｅを少なくとも比例演算手段１２（Ｐ制御：伝達関数  Ｋｐ（１））と積分演算手段（Ｉ制御：伝達関数  Ｋｐ（１／ＴｉＳ））により演算し、加算手段１５で合成して操作量Ｕを算出する。Ｐ制御とＩ制御による制御は、一般にＰＩ制御と言われている。また、本発明では、微分演算手段１４（Ｄ制御：伝達関数  Ｋｐ（ＴｄＳ））により演算し、Ｐ制御とＩ制御に加えて、ＰＩＤ制御としてもよく、図には、このＰＩＤ制御による例で示してある。
【００１６】
ＰＩＤ制御により演算されたそれぞれの操作量は、加算手段１５により合算され、操作量Ｕとされる。この操作量Ｕは、微分手段１７により微分され、その微分値を変化率制限手段１６により所定の値に制限した後、積分手段１８により積分して制御対象に供給する操作量ＭＶとして出力される。微分手段１７は、ＰＩＤ制御により算出された操作量Ｕが単位時間又はサンプリング時間（デジタル処理の場合）で、どの程度増加（又は減少）しているかを算定するもので、その微分値δａは、操作量Ｕの変化率を示している。
【００１７】
この変化率が大きいということは、操作量が短時間で増減することを意味し、制御対象に対しては急激な変化を与える。このため、制御対象側の応答性が遅い場合は、操作量が所定量与えられたにも関わらず、さらに操作量を供給し続けるためオーバーシュートが生じる。変化率が小さければ、操作量は時間をかけて緩やかに供給されるので、制御対象側の応答性が多少遅くても、操作量の増減に対応することができ、オーバーシュートは生じない。
【００１８】
制御対象がガラス母材の外径制御であるような場合、加熱により軟化状態が変化するため、一般に、その応答性は遅く負荷が大きいためオーバーシュートが生じやすく不安定になりやすい。また、オーバーシュートによりガラス外径が部分的に一旦大きく増大すると、元に戻すのが難しくなるので、ガラス母材の製造におけるオーバーシュートの発生を抑制する制御は、極めて重要となる。このため、本発明においては、図１に示すように、微分手段１７、変化率制限手段１６、積分手段１８により、制御対象に与える操作量ＭＶを、所定の変化率以下となるように制限するようにしている。なお、この他、図１では省略しているが、アクチュエータ自体が対応できる操作量の制限もあり、例えば、図３（Ｂ）で示したような出力リミッタ手段を積分手段１８の下流に配して、操作量Ｕ又は操作量ＭＶに飽和値を設定するようにしてもよい。
【００１９】
変化率制限手段１６により、ＭＣＶＤによる管状ガラスの製造で、ガス流入量の変化率を一定値以下にして、大きなオーバーシュートは抑制することができる。しかし、変化率を制限し操作量ＭＶを抑えた分は、制御が繰り延べられたこととなり、これが過積分となってリセットワインドアップを発生させる。そこで、本発明においては、微分手段１７によって算出された微分値δａとこれを変化率制限手段１６によって制限された状態の微分値δｂを減算手段１９により演算して差分を求め、その差分値を積分演算手段１３の偏差入力にフィーバックさせるようにしている。
【００２０】
例えば、変化率制限手段１６の制限値が±３％／秒に設定されているものとする。ここで、加算手段１５から出力される操作量Ｕを、微分手段１７で微分したときの微分値δａが＋５％／秒であったとすると、変化率制限手段１６によって＋３％／秒の微分値δｂに制限され、積分手段１８を介して制御対象への操作量ＭＶとして出力される。微分値δａとδｂは、減算手段１９により演算され、その差分値２％／秒が、例えば、積分補正手段２０を介してフィードバックされ、その補正量が積分演算手段１３の偏差入力側に配された減算手段２１に入力される。なお、積分補正手段２０の伝達関数は、図に示すように、算出方法は省略するが、「１／Ｋｐ（１＋ＴｄＳ）Ｓ」で表すことができる。
【００２１】
減算手段２１では、積分演算手段１３に入力される偏差Ｅから、積分補正手段２０で算出された補正量が減算され、積分演算手段１３による操作量が制御調整される。上記の例では、減算手段１９による演算値が＋２％／秒であることから、積分演算手段１３には積分量を減じる制御がかかり、変化率制限手段で制限された差分値に見合う量が減じられ、リセットワインドアップの発生を抑制する。これは、従来の積分演算手段による積分を停止するということではなく、変化率制限手段で制限を受ける変化率に応じて線形状に積分量を減じるということである。
【００２２】
一方、微分手段１７による微分値が２％／秒である場合は、変化率制限手段１６により制限される制限値未満であるので、制限を受けずに変化率制限手段１６を素通りし、積分手段１８により元の操作量Ｕに戻されて、制御対象への操作量ＭＶとして出力される。すなわち、δａ＝δｂとなるので、減算手段１９に入力されて演算される差分値がゼロとなる。このため、積分補正手段２０を介してのフィードバックもゼロとなり、積分演算手段１３への入力は変化せず、定常状態での積分要素の演算が行われ、通常のＰＩＤ制御となる。
【００２３】
図２は、他の実施形態を説明する図で、図１の例との違いは、変化率制限手段１６の前後の微分値δａとδｂを減算手段１９により演算した後、その差分値を積分演算手段１３の入力側に直接フィードバックして、スイッチ手段２２をオン・オフするようにしていることである。なお、スイッチ手段２２に対しては、例えば、減算手段１９での演算値がゼロならオン、ゼロでなければオフとするように設定する。
【００２４】
したがって、操作量Ｕの変化率が制限範囲内にあれば、δａ＝δｂであるので、スイッチ手段２２はオンとされ、偏差Ｅが積分演算手段１３に入力され、定常状態での積分要素の演算が行われ、通常のＰＩＤ制御で制御される。しかし、変化率制限が生じてδａ≠δｂとなった場合は、減算手段１９にゼロ以外の制御値が生じ、スイッチ手段２２をオフとする。すなわち、積分演算手段１３への偏差入力を遮断し、積分演算を停止させ過積分を防ぎリセットワインドアップの発生を抑制する。図１の例と比べると、積分要素をオン・オフすることで制御の直線性と滑らかさは多少低下するが、構成が簡単で安価なものとすることができる。
【００２５】
上記の制御方法を用いて、ガラス母材の外径変化に対する制御を行うことで、立ち上げ時の加工工程で生じやすいオーバーシュートの抑制に極めて有用で、操作量を、線形に近い形態で緩やかに変化させながら与えることができ、しかも、リセットワインドアップの発生を効果的に抑えることができる。この結果、加工開始から均一な管状ガラス母材が得られるまでの時間を短縮し、その間の無駄を省くことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態の概略を説明する図である。
【図２】本発明の他の実施形態を説明する図である。
【図３】従来の技術を説明する図である。
【符号の説明】
【００２７】
１１…減算手段、１２…比例演算手段、１３…積分演算手段、１４…微分演算手段、１５…加算手段、１６…変化率制限手段、１７…微分手段、１８…積分手段、１９…減算手段、２０…積分補正手段、２１…減算手段、２２…スイッチ手段。
【図１】
2007210810.tif 000003
【図２】
2007210810.tif 000004
【図３】
2007210810.tif 000005