(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象の物理状態をそれぞれ検出する複数の検出手段からの情報と前記複数の検出手段に個別的に対応する複数の目標情報との偏差を、前記物理状態の勾配を示す情報の偏差に変換するとともに、物理状態の代表状態を示す情報の偏差に変換する変換手段と、
前記変換手段からの前記勾配を示す情報の偏差または前記代表状態を示す情報の偏差を制御偏差として操作信号をそれぞれ出力する複数の状態制御手段と、
前記各状態制御手段からの操作信号を、複数の操作手段に、各状態制御手段による制御が、他の状態制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分する配分手段と、
を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
制御対象の温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段から得られる検出温度を、複数の検出温度に基づく傾斜温度に変換するとともに、代表的な代表温度に変換する変換手段と、
前記変換手段からの傾斜温度または代表温度を制御量として操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手段と、
前記各温度制御手段からの操作信号を、前記制御対象を加熱（または冷却）する複数の加熱（または冷却）手段に、各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分する配分手段と、
複数の温度検出手段に個別的に対応する目標温度を、目標代表温度および目標傾斜温度に変換する目標温度変換手段とを備え、
前記各温度制御手段の操作信号を変化させて前記各温度検出手段の検出温度の変化を計測して前記配分手段による配分比を決定するための伝達係数（伝達関数）を予め求めることを特徴とする温度調節器。
【請求項３】
制御対象の温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段から得られる検出温度と前記複数の温度検出手段に個別的に対応する複数の目標温度との温度偏差を、傾斜温度の偏差に変換するとともに、代表的な代表温度の偏差に変換する変換手段と、
前記変換手段からの傾斜温度の偏差または代表温度の偏差を制御偏差として操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手段と、
前記各温度制御手段からの操作信号を、前記制御対象を加熱（または冷却）する複数の加熱（または冷却）手段に、各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分する配分手段と、
を備えることを特徴とする温度調節器。
【請求項４】
制御対象の温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段から得られる検出温度を、複数の検出温度に基づく傾斜温度に変換するとともに、代表的な代表温度に変換する変換手段と、
前記変換手段からの傾斜温度または代表温度を制御量として操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手段と、
前記各温度制御手段からの操作信号を、前記制御対象を加熱（または冷却）する複数の加熱（または冷却）手段に、各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分する配分手段と、
前記代表温度または前記目標代表温度に基づいて、予め設定された定数を用いた算出式に従って補正値を算出して前記温度制御手段の制御パラメータを補正する補正手段とを備え、
前記各温度制御手段の操作信号を変化させて前記各温度検出手段の検出温度の変化を計測して前記配分手段による配分比を決定するための伝達係数（伝達関数）を予め求めることを特徴とする温度調節器。
【請求項５】
前記算出式が、一次の近似式である請求項４記載の温度調節器。
【請求項６】
前記算出式が、二次以上の近似式である請求項４記載の温度調節器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象の温度や圧力などの物理状態を制御する制御装置、制御対象の温度を制御する温度調節器に関し、さらに詳しくは、制御対象の物理状態を制御する状態制御手段を複数備え、各状態制御手段による制御が、他の状態制御手段による制御に影響を与える、いわゆる干渉のある制御対象の制御に好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の制御対象、例えば、半導体プロセスの熱処理装置として、図２７に示される熱酸化装置があり、この熱酸化装置１８は、シリコンのウェハを酸化するものであって、熱処理炉としての反応管１９に必要なガスを流しながら酸化膜の生成を行うものである。この熱酸化装置１８は、反応管１９を外囲する均熱管２０の周囲に分割して配置された複数、この例では、３つの第１〜第３のヒータ２１1〜２１3とそれに個別的に対応する第１〜第３の温度センサ２２1〜２２3とを有し、温度制御は、マイクロコンピュータ２３によって、ヒータおよび温度センサの各組に対応する領域（以下「ゾーン」という）毎に個別に行われている。
【０００３】
すなわち、第１のヒータ２１1および第１の温度センサ２２1が配置された上側の第１のゾーンでは、第１の温度センサ２２1の検出出力に基づいて、目標温度になるように第１のヒータ２１1が操作され、第２のヒータ２１2および第２の温度センサ２２2が配置された中間の第２のゾーンでは、第２の温度センサ２２2の検出出力に基づいて、目標温度になるように第２のヒータ２１2が操作され、第３のヒータ２１3および第３の温度センサ２２3が配置された下側の第３のゾーンでは、第３の温度センサ２２3の検出出力に基づいて、目標温度になるように第３のヒータ２１3が操作される。
【０００４】
しかしながら、各ゾーンは熱的に連続しているので、一つのゾーンのヒータによる熱量は、そのゾーンのみならず、他のゾーンの温度センサにも影響を与える、いわゆる干渉を生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような干渉があるために、特に、過渡時や外乱時に温度のバラツキが顕著となって均一な温度制御が困難であり、また、各ゾーンを異なる目標温度に制御するといったことが容易でない。
【０００６】
さらに、温度調節器における最適なＰＩＤ制御のパラメータを決定するためのオートチューニングが正しく実行できないという難点もある。
【０００７】
以下、オートチューニングが正しく実行できない理由について、制御のシュミレーションソフト（ＭＡＴＬＡＢ）を使用した例を用いて説明する。
【０００８】
先ず、正常にオートチューニングをできる例として、図２８に示される干渉のない独立な第１，第２の制御対象２４1，２４2を制御する場合について説明する。この例は、独立に二つの制御対象２４1，２４2を制御するものであり、第１のＰＩＤ制御手段２５1では、オートチューニングを実行し、第２のＰＩＤ制御手段２５2では、目標値をグランドとしてＰＩＤ制御を実行している。なお、２６1，２６2は、目標値とフィードバック量との制御偏差を出力する加算器である。
【０００９】
図２９は、このシステムにおける第１の制御対象２４1からの第１のフィードバック量ＰＶ１（破線）、第１のＰＩＤ制御手段２５1からの第１の操作量ＭＶ１（実線）、第２の制御対象２４2からの第２のフィードバック量ＰＶ２（二点鎖線）および第２のＰＩＤ制御手段２５2からの第２の操作量ＭＶ２（一点鎖線）を、スコープに表示した波形を示すものであり、第１の操作量ＭＶ１がオンオフするリミットサイクルが生じており、第１のフィードバック量ＰＶ１の周期と振幅とを使って第１のＰＩＤ制御手段２５1のＰＩＤ制御のパラメータを決定することができる。
【００１０】
なお、フィードバック量ＰＶ１，ＰＶ２は、例えば温度制御における温度センサで検出された検出温度に相当し、操作量ＭＶ１，ＭＶ２は、制御対象を加熱するヒータおよびそのヒータの通電をオンオフする電磁開閉器からなる操作手段に与えられる操作量である。
【００１１】
次に、図３０に示されるように、２入力（ＭＶ１，ＭＶ２）２出力（ＰＶ１，ＰＶ２）の干渉のある制御対象２７に独立な制御を実行した場合について説明する。
【００１２】
この制御対象２７は、図３１に示されるように、第１のＰＩＤ制御手段２５1からの第１の操作量ＭＶ１が、第１の加算器２８に与えられるとともに、第１の減衰器２９で０.９に減衰されて第２の加算器３０に与えられる一方、第２のＰＩＤ制御手段２５2からの第２の操作量ＭＶ２が、第２の加算器３０に与えられるとともに、第２の減衰器３１で０.９に減衰されて第１の加算器２８に与えられ、各加算器２８，３０の加算出力が、第１，第２の遅れ要素３２，３３にそれぞれ与えられる構成とされており、この例では、各操作量ＭＶ１，ＭＶ２が０.９の割合で他方に加えられて互いに干渉を生じるものである。
【００１３】
このような干渉のある制御対象２７では、第１のＰＩＤ制御手段２５1で、オートチューニングを実行し、第２のＰＩＤ制御手段２５2では、目標値をグランドとしてＰＩＤ制御を実行すると、図３２に示されるように、第１の操作量ＭＶ１（実線）に、オンオフのリミットサイクルが生じない場合があり、かかる場合には、第１のフィードバック量ＰＶ１（破線）の振動の振幅および周期を正しく測定できず、ＰＩＤ制御のパラメータも計算することができないことになる。
【００１４】
このように第１の操作量ＭＶ１がオンオフしない原因は、オートチューニングをしない側の第２のＰＩＤ制御手段２５2が干渉してオートチューニング側の第１のフィードバック量ＰＶ１の変化が生じないように勝手に動作してしまうからである。これは、第２の操作量ＭＶ２（一点鎖線）が、第１のフィードバック量ＰＶ１の変化とは逆向きの動きをしていることからも分かる。
【００１５】
このように、干渉のある制御対象では、ＰＩＤの制御パラメータを設定するためのオートチューニングが実行できず、試行錯誤的な設定にならざるを得ず、このため、設定に時間を要するとともに、所望の制御特性を得るのが困難である。
【００１６】
本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、干渉のある制御対象であっても、その干渉を低減するとともに、制御パラメータの設定を可能とすることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上述の目的を達成するために、次のように構成している。
【００１８】
すなわち、本発明による制御装置は、制御対象の物理状態をそれぞれ検出する複数の検出手段からの情報と前記複数の検出手段に個別的に対応する複数の目標情報との偏差を、前記物理状態の勾配を示す情報の偏差に変換するとともに、物理状態の代表状態を示す情報の偏差に変換する変換手段と、前記変換手段からの前記勾配を示す情報の偏差または前記代表状態を示す情報の偏差を制御偏差として操作信号をそれぞれ出力する複数の状態制御手段と、前記各状態制御手段からの操作信号を、複数の操作手段に、各状態制御手段による制御が、他の状態制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分する配分手段と、を備えている。
【００１９】
ここで、物理状態とは、温度、圧力、流量、速度あるいは液位などの様々な物理量の状態をいう。
【００２０】
また、物理状態の勾配とは、温度勾配、圧力勾配、流量勾配、速度勾配などの様々な物理量の勾配をいう。
【００２１】
さらに、物理状態の代表状態とは、制御対象の物理状態を代表的に示す状態をいい、例えば、温度であれば、制御対象の平均温度、ある位置（例えば中央位置）における温度などをいう。
【００２２】
また、目標情報とは、物理状態の制御目標の情報をいい、例えば、目標温度、目標圧力、目標流量などをいう。
【００２３】
本発明の制御装置によると、複数の検出手段からの情報と複数の目標情報との偏差を、物理状態の勾配を示す情報の偏差あるいは代表状態を示す情報の偏差、すなわち、干渉のない独立の情報に変換して制御を行うとともに、配分手段によって各状態制御手段による制御が、他の状態制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分するので、干渉のある制御対象の制御において、その干渉を低減することが可能となる。
【００２７】
また、本発明による温度調節器は、制御対象の温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段から得られる検出温度を、複数の検出温度に基づく傾斜温度に変換するとともに、代表的な代表温度に変換する変換手段と、前記変換手段からの傾斜温度または代表温度を制御量として操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手段と、前記各温度制御手段からの操作信号を、前記制御対象を加熱（または冷却）する複数の加熱（または冷却）手段に、各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分する配分手段と、複数の温度検出手段に個別的に対応する目標温度を、目標代表温度および目標傾斜温度に変換する目標温度変換手段とを備え、前記各温度制御手段の操作信号を変化させて前記各温度検出手段の検出温度の変化を計測して前記配分手段による配分比を決定するための伝達係数（伝達関数）を予め求めるものである。
【００２８】
本発明によると、複数の温度検出手段から得られる検出温度を、傾斜温度と代表温度、すなわち、干渉のない独立の情報に変換して制御を行うとともに、配分手段によって各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分するので、干渉のある制御対象の制御において、その干渉を低減することが可能となる。また、例えば、制御対象を複数のゾーン毎に区分して温度制御を行う場合に、特定のゾーンの検出温度を代表温度としてそのゾーンに着目した制御を行うことができる。
【００２９】
さらに、各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分するためには、各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段による制御にどの程度影響を与えるかを予め把握する必要があるが、各温度制御手段の操作信号を変化させて各検出手段の検出温度の変化を計測して伝達係数（伝達関数）、すなわち、加熱（または冷却）手段の熱量が、複数の温度検出手段にそれぞれ伝わる際の伝達係数（または伝達関数）を求めることでそれを把握できることになる。また、本発明によると、代表温度および傾斜温度を制御量として制御するので、目標代表温度（代表温度の目標値）および目標傾斜温度（傾斜温度の目標値）を設定する必要があるが、複数の温度検出手段に個別的に対応する目標温度を、目標代表温度および目標傾斜温度に変換する目標温度変換手段を備えることにより、ユーザは、目標代表温度および目標傾斜温度という不慣れな目標値を設定する必要がなく、従来と同様に、複数の温度検出手段に個別的に対応する目標温度、すなわち、各ｃｈ毎の目標温度を設定すればよい。
【００３６】
本発明の温度調節器は、制御対象の温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段から得られる検出温度と前記複数の温度検出手段に個別的に対応する複数の目標温度との温度偏差を、傾斜温度の偏差に変換するとともに、代表的な代表温度の偏差に変換する変換手段と、前記変換手段からの傾斜温度の偏差または代表温度の偏差を制御偏差として操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手段と、前記各温度制御手段からの操作信号を、前記制御対象を加熱（または冷却）する複数の加熱（または冷却）手段に、各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分する配分手段とを備えている。
【００３７】
本発明によると、複数の温度検出手段からの検出温度と目標温度との温度偏差を、傾斜温度の偏差と代表温度の偏差、すなわち、干渉のない独立の情報に変換して制御を行うとともに、配分手段によって各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分するので、干渉のある制御対象の制御において、その干渉を低減することが可能となる。また、例えば、制御対象を複数のゾーン毎に区分して温度制御を行う場合に、特定のゾーンの検出温度を代表温度としてそのゾーンに着目した制御を行うことができる。
【００３８】
しかも、ユーザは、複数の温度検出手段に個別的に対応する目標温度、すなわち、各ｃｈ毎の目標温度を設定すればよく、目標代表温度（代表温度の目標値）および目標傾斜温度（傾斜温度の目標値）という不慣れな目標値を設定する必要がない。
【００３９】
本発明の温度調節器は、制御対象の温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段から得られる検出温度を、複数の検出温度に基づく傾斜温度に変換するとともに、代表的な代表温度に変換する変換手段と、前記変換手段からの傾斜温度または代表温度を制御量として操作信号をそれぞれ出力する複数の温度制御手段と、前記各温度制御手段からの操作信号を、前記制御対象を加熱（または冷却）する複数の加熱（または冷却）手段に、各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分する配分手段と、前記代表温度または前記目標代表温度に基づいて、予め設定された定数を用いた算出式に従って補正値を算出して前記温度制御手段の制御パラメータを補正する補正手段とを備え、前記各温度制御手段の操作信号を変化させて前記各温度検出手段の検出温度の変化を計測して前記配分手段による配分比を決定するための伝達係数（伝達関数）を予め求めるものである。
【００４０】
制御する温度が変化すると、加熱手段であるヒータの抵抗値が変化し、あるいは、時定数が変化するので、そのままではハチングやオバーシュートが発生することになるが、本発明よると、平均温度などの代表温度または代表温度の目標値である目標代表温度に基づいて、制御パラメータを補正するので、自動的に温度補償が行われてハンチングやオバーシュートの発生を抑制できることになる。特に、過渡状態を除いて代表温度とほぼ等しい固定の目標代表温度に基づいて補正することにより、時々刻々変化する代表温度に基づいて補正する構成に比べて処理が簡素化される。
【００４２】
本発明によると、予め定数を設定することにより、自動的に温度に応じて制御パラメータが補正されることになる。
【００４３】
本発明の好ましい実施態様においては、前記算出式が、一次の近似式であり、本発明によると、簡単な直線近似式で温度補償を行えることになる。
【００４４】
本発明の他の実施態様においては、前記算出式が、二次以上の近似式であり、本発明によると、より精度の高い温度補償が行えることになる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００５１】
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器を用いた温度制御システムの概略構成図である。
【００５２】
この実施の形態の温度制御システムは、制御対象３を加熱する複数のヒータ１1〜１ｎと、複数のヒータ１1〜１ｎに個別的に対応して制御対象３の温度を検出する複数の温度センサ２1〜２ｎと、これら温度センサ２1〜２ｎの検出出力に基づいて、各ヒータ１1〜１ｎを図示しない電磁開閉器などを介して操作して制御対象３の温度を制御する本発明に係る温度調節器４とを備えている。
【００５３】
制御対象３は、熱的に連続して干渉を生じるものであり、各ヒータ１1〜１ｎと対応する各温度センサ２1〜２ｎとがそれぞれ近接して配置されて複数のゾーンがそれぞれ形成されている。
【００５４】
この温度制御システムは、例えば、上述の図２７に示される熱酸化装置１８に適用できるものであり、制御対象３を、熱処理炉としての反応管１９とし、第１〜第３のヒータ１1〜１3を、反応管１９の周囲に分割して配置された第１〜第３のヒータ２１1〜２１3とし、第１〜第３の温度センサ２1〜２3を、各ゾーンの温度を検出する第１〜第３の温度センサ２２1〜２２3として適用することができるものである。
【００５５】
図２は、図１の温度調節器４の要部の概略構成を示すブロック図であり、後述する図２１〜図２３の具体的な実施例１〜３の前提となる主要な構成を説明するためのものである。この温度調節器４は、複数の温度センサ２1〜２ｎの検出温度の平均温度および検出温度に基づく傾斜温度を後述のようにして算出する平均温度・傾斜温度算出手段（以下「モード変換器」ともいう）５と、この算出手段５で算出された平均温度または各傾斜温度がそれぞれ入力される複数の温度制御手段としてのＰＩＤ制御手段６1〜６ｎと、各ＰＩＤ制御手段６1〜６ｎからの操作信号（操作量）を後述のように所定の配分比で加熱手段を構成する各ヒータ１1〜１ｎに配分する配分手段（以下「前置補償器」ともいう）７とを備えている。平均温度・傾斜温度算出手段５、ＰＩＤ制御手段６1〜６ｎおよび配分手段７は、例えば、マイクロコンピュータによって構成される。
【００５６】
従来では、上述の図２７に示されるように、各ゾーン毎に温度を検出して対応するヒータを個別に制御していたけれども、この実施の形態では、干渉をなくすために、平均温度・傾斜温度算出手段５で算出される代表温度としての平均温度および複数の各傾斜温度を制御量として温度制御を行うようにしている。
【００５７】
変換手段としての平均温度・傾斜温度算出手段５は、複数の温度センサ２1〜２ｎからの情報を、一つの平均温度と複数の傾斜温度との情報に変換するものであり、その理由は、干渉がなく、独立で分かりやすい情報にするためであり、例えば、次のような演算を行うものである。
【００５８】
すなわち、第１の温度センサ２1の検出出力をＳ１，第２の温度センサ２2の検出出力をＳ２，…第ｎの温度センサ２ｎの検出出力をＳｎとすると、下記に示される平均温度Ｔａｖ，第１の傾斜温度Ｔｔ１，第２の傾斜温度Ｔｔ２，…第ｎ−１の傾斜温度Ｔｔn-1を算出する。
【００５９】
0003911953.tif 000002
ここで、Ｔａｖは、複数の温度センサ２1〜２ｎの検出温度の平均温度であり、傾斜温度Ｔｔ１は、複数の温度センサ２1〜２ｎを、温度センサ２1〜２n-1と温度センサ２ｎとの二つに区分した場合の温度センサ２1〜２n-1の平均検出温度と温度センサ２ｎの検出温度との差であり、傾斜温度Ｔｔ２は、複数の温度センサ２1〜２n-1を、温度センサ２1〜２n-2と温度センサ２n-1との二つに区分した場合の温度センサ２1〜２n-2の平均検出温度と温度センサ２n-1の検出温度との差であり、以下同様にして、傾斜温度Ｔｔn-1は、温度センサ２1と温度センサ２2との検出温度の差である。
【００６０】
以上の式をまとめて、モード変換行列Ｇｍと称する行列を用いて下記のように表すことができる。
【数１】
0003911953.tif 000003
Ｔ＝Ｇｍ・Ｓ
ただし、Ｔ＝［Ｔａｖ Ｔｔ１ Ｔｔ２ ……Ｔｔn-1］T
Ｓ＝［Ｓ１ Ｓ２ Ｓ３ ……Ｓn］T
この実施の形態では、これら平均温度Ｔａｖと複数の傾斜温度Ｔｔ１〜Ｔｔn-1とを制御量として温度制御を行うものである。
【００６１】
なお、傾斜温度は、この実施の形態に限られるものではなく、例えば、下記のモード変換行列Ｇｍに示されるように隣り合う温度センサの検出温度の温度差や複数の温度センサを二つのグループに区分して各グループの平均検出温度の温度差などの種々の傾斜温度を用いることができる。
【数２】
0003911953.tif 000004
また、傾斜温度は、複数の温度センサを大きく二つのグループに区分した各グループの平均検出温度の温度差、各グループをさらに二つに区分した各グループの平均検出温度の温度差、さらに各グループを二つに区分した各グループの平均検出温度の温度差といったように、マクロな傾斜温度からミクロな傾斜温度までを算出して用いるようにしてもよい。
【００６２】
要するに、温度の傾斜を意味する情報と平均の情報とに分離して制御できるようにすればよい。
【００６３】
第１のＰＩＤ制御手段６1は、平均温度・傾斜温度算出手段５からの平均温度と目標平均温度の制御偏差に基づいて、平均温度が目標平均温度になるように操作信号を配分手段７に出力し、第２のＰＩＤ制御手段６2は、平均温度・傾斜温度算出手段５からの第１の傾斜温度と第１の目標傾斜温度との制御偏差に基づいて、第１の傾斜温度が第１の目標傾斜温度になるように操作信号を配分手段７に出力し、第３のＰＩＤ制御手段６3は、平均温度・傾斜温度算出手段５からの第２の傾斜温度と第２の目標傾斜温度との制御偏差に基づいて、第２の傾斜温度が第２の目標傾斜温度になるように操作信号を配分手段７に出力し、以下同様にして、第ｎのＰＩＤ制御手段６ｎは、平均温度・傾斜温度算出手段５からの第ｎ−１の傾斜温度と第ｎ−１の目標傾斜温度との制御偏差に基づいて、第ｎ−１の傾斜温度が第ｎ−１の目標傾斜温度になるように操作信号を配分手段７に出力する。
【００６４】
すなわち、第１のＰＩＤ制御手段６1は、平均温度を制御し、第２〜第ｎの各ＰＩＤ制御手段６2〜６ｎは、第１〜第ｎ−１の傾斜温度をそれぞれ制御するものである。
【００６５】
次に配分手段７について説明する。
【００６６】
この配分手段７は、各ＰＩＤ制御手段６1〜６ｎからの操作信号（操作量）を、各ヒータ１1〜１nに配分するのであるが、その際に、各ＰＩＤ制御手段６1〜６ｎそれぞれによる平均温度または各傾斜温度の制御が、他のＰＩＤ制御手段６1〜６ｎそれぞれによる平均温度または傾斜温度の制御に与える干渉をなくすように配分するものである。
【００６７】
例えば、第１のＰＩＤ制御手段６1の操作信号によって平均温度を変化させる場合に、その操作信号によって傾斜温度が変化せず、また、第２のＰＩＤ制御手段６2の操作信号によって第１の傾斜温度を変化させる場合に、その操作信号によって平均温度および他の傾斜温度が変化せず、同様に、各ＰＩＤ制御手段の操作信号によって他のＰＩＤ制御手段による制御が影響されないように配分するのである。
【００６８】
この配分手段７による配分について、さらに詳細に説明する。
【００６９】
ここで、分かり易くするために、ｎ＝２、すなわち、ゾーンが２つであって、第１，第２のヒータ１1，１2、第１、第２の温度センサ２1，２2、平均温度を制御する第１のＰＩＤ制御手段６1および両温度センサ２1，２2の検出温度の差である傾斜温度を制御する第２のＰＩＤ制御手段６2を備える場合に適用して図３に基づいて説明する。
【００７０】
この図３は、上述の図３０，図３１の従来例で説明した２入力２出力の干渉のある制御対象２７に適用した例であり、図２に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００７１】
平均温度・傾斜温度検出手段５は、第１，第２の温度センサ２1，２2の検出出力に相当する制御対象３からのフィードバック量ＰＶ１，ＰＶ２を、図４に示されるように加算器８で加算して減衰器９で１／２に減衰して平均温度Ｔａｖを出力する一方、両温度センサ２1，２2の検出出力に相当するフィードバック量ＰＶ１，ＰＶ２を減算器１０で減算して傾斜温度Ｔｔを出力するものである。
【００７２】
第１のＰＩＤ制御手段６1は、平均温度・傾斜温度算出手段５からの平均温度Ｔａｖと目標平均温度の制御偏差に基づいて、平均温度が目標平均温度になるように操作信号（操作量）Ｈａｖを配分手段７に出力し、第２のＰＩＤ制御手段６2は、平均温度・傾斜温度算出手段５からの傾斜温度Ｔｔと目標傾斜温度との制御偏差に基づいて、傾斜温度が目標傾斜温度になるように操作信号（操作量）Ｈｔを配分手段７に出力する。
【００７３】
配分手段７は、各ＰＩＤ制御手段６1，６2の操作信号（操作量）Ｈａｖ，Ｈｔを以下のような配分比で各ヒータ１1，１2に配分する。
【００７４】
すなわち、図５は、図３のシステムの制御系のブロック線図である。平均温度を制御する第１のＰＩＤ制御手段６1から与えられる操作量Ｈａｖを、配分手段７で干渉をなくす、すなわち、非干渉化するための係数である非干渉化係数（配分比）ｋ1，ｋ2で第１，第２のヒータ１1，１2にそれぞれ配分するとともに、第２のＰＩＤ制御手段６2から与えられる操作量Ｈｔを、非干渉化係数（配分比）ｋ3，ｋ4で第１，第２のヒータ１1，１2にそれぞれ配分し、これによって、各ヒータ１1，１2に熱量Ｈ1，Ｈ2がそれぞれ与えられるとする。
【００７５】
また、第１のヒータ１1に与えられた熱量Ｈ1は、伝達係数（干渉係数）ｌ1で第１の温度センサ２1に伝わる一方、伝達係数（干渉係数）ｌ2で第２の温度センサ２2に伝わり、同様に、第２のヒータ１2に与えられた熱量Ｈ2は、伝達係数（干渉係数）ｌ3で第１の温度センサ２1に伝わる一方、伝達係数（干渉係数）ｌ4で第２の温度センサ２2に伝わるとする。
【００７６】
そして、第１の温度センサ２1で検出された検出温度Ｔ1と第２の温度センサ２2で検出された検出温度Ｔ2とから平均温度Ｔａｖおよび傾斜温度Ｔｔが算出されて各ＰＩＤ制御手段６1，６2に入力されるという制御ループが構成されている。
【００７７】
以上のことから平均温度Ｔａｖは、次のように示される。
【００７８】
0003911953.tif 000005
ここで、平均温度Ｔａｖは、平均温度の操作量Ｈａｖのみの関数で、傾斜温度の操作量Ｈｔの影響をなくすように、すなわち、非干渉化を図るために、Ｈｔの項を０とする。
【００７９】
すなわち、（ｌ1＋ｌ2）・ｋ3＋（ｌ3＋ｌ4）・ｋ4＝０
したがって、ｋ4＝−｛（ｌ1＋ｌ2）／（ｌ3＋ｌ4）｝ｋ3
となる。
【００８０】
同様に、傾斜温度Ｔｔは、次のように示される。
【００８１】
0003911953.tif 000006
ここで、傾斜温度Ｔｔは、傾斜温度の操作量Ｈｔのみの関数で、平均温度の操作量Ｈａｖの影響をなくすように、すなわち、非干渉化を図るために、Ｈａｖの項を０とする。
【００８２】
すなわち、（ｌ1−ｌ2）ｋ1＋（ｌ3−ｌ4）ｋ2＝０
したがって、ｋ2＝−｛（ｌ1−ｌ2）／（ｌ3−ｌ4）｝ｋ1
となる。
【００８３】
以上のことから傾斜温度に影響を与えずに平均温度を制御し、また、平均温度に影響を与えずに傾斜温度を制御する、すなわち、平均温度と傾斜温度との干渉をなくした非干渉制御を行うためには、非干渉化係数（配分比）ｋ1〜ｋ4で配分すればよく、この非干渉化係数（配分比）ｋ1〜ｋ4を算出するためには、第１のヒータ１1の熱量が第１，第２の温度センサ２1，２2に伝わる伝達係数（干渉係数）ｌ1，ｌ2および第２のヒータ１2の熱量が第１，第２の温度センサ２1，２2に伝わる伝達係数（干渉係数）ｌ3，ｌ4を知る必要がある。
【００８４】
なお、非干渉化係数（配分比）ｋ1〜ｋ4は、ｋ1とｋ2、ｋ3とｋ4との比率がそれぞれ分かれば、ＰＩＤ制御のゲインによって対応できるので、絶対値は必ずしも必要でない。
【００８５】
伝達係数（干渉係数）ｌ1〜ｌ4は、次のようにして求めることができる。すなわち、ヒータを一つだけ変動させて他のヒータは、一定値に固定、例えば、オンのままあるいはオフのままとし、ヒータの変化量に対する各温度センサの変化量の比率を伝達係数とするのである。
【００８６】
例えば、第２のヒータ２2をオフのままの状態で、第１のヒータ１1を、ある温度振幅で変動させたときに、第１，第２の温度センサ２1，２2の検出温度にどの程度の温度振幅の変動が生じるかによって伝達係数ｌ1，ｌ2を計測することができ、例えば、ヒータを温度振幅１で変動させたきに、温度センサの温度振幅が１０であれば、伝達係数は、１０（＝１０／１）となる。
【００８７】
ここで、図３の配分手段７における非干渉化係数（配分比）を用いた配分についてさらに具体的に説明する。制御対象２７の特性は、上述の図３１に示されており、この特性から伝達係数は、ｌ1＝１，ｌ2＝０.９，ｌ3＝０.９，ｌ4＝１である。
【００８８】
したがって、上述の非干渉化係数の式に代入すると、
0003911953.tif 000007
となる。
【００８９】
そこで、仮に各ヒータに配分される熱量の合計が、Ｈａｖと等しくなるように、すなわち、ｋ1＋ｋ2＝１となるように設計し、分かり易さのために、ｋ3＝１という条件を加える。
【００９０】
これによって、
ｋ2＝ｋ1＝１／２
また、ｋ4＝−ｋ3＝−１
となり、配分比（非干渉化係数）が決定される。
【００９１】
つまり、図５に示されるように、平均温度の操作量Ｈａｖは、１／２ずつ各ヒータ１1，１2に配分し、傾斜温度の操作量Ｈｔは、第１のヒータ１1には、そのまま、第２のヒータ１2には、符号を変えて配分すればよい。
【００９２】
ここで、配分比（非干渉化係数）は、次のようにして求めることもできる。
【００９３】
すなわち、上述のモード変換行列Ｇｍと上述の伝達係数（干渉係数）の行列Ｐとから配分比（非干渉化係数）の行列（以下「前置補償行列」ともいう）Ｇｃは、以下のように逆行列として求めることもできる。
【００９４】
Ｇｃ＝（Ｇｍ・Ｐ）-1
この実施の形態に適用すると、制御対象のある時間の特性である伝達係数（干渉係数）の行列Ｐを、
【数３】
0003911953.tif 000008
とすると、配分比（非干渉化係数）の行列である前置補償行列Ｇｃは、
【数４】
0003911953.tif 000009
確かめとして、Ｇｍ・Ｐ・Ｇｃ＝１となるかどうかを計算する。
【数５】
0003911953.tif 000010
なお、この実施の形態では、配分比（非干渉化係数）を、伝達係数を用いて算出したけれども、本発明の他の実施の形態として、伝達係数に代えて、周波数特性も表す伝達関数を用いて算出するようにしてもよい。
【００９５】
図３のシステムでは、配分手段７は、図６に示されるように、平均温度の操作信号（操作量）Ｈａｖは、各減衰器１１，１２でそれぞれ１／２に減衰して加算器１３および減算器１４にそれぞれ配分され、傾斜温度の操作信号（操作量）Ｈｔは、加算器１３および減算器１４にそれぞれ配分され、加算器１３の出力Ｈ1が第１のヒータ１1に、減算器１４の出力Ｈ2が第２のヒータ１2に与えられる。
【００９６】
この配分手段７によれば、平均温度の操作量Ｈａｖによって平均温度を変化させる場合には、各ヒータ１1，１2に操作量が等しく配分されるので、傾斜温度に影響を与えることなく、すなわち、干渉することなく、平均温度のみを変化させることができる。また、傾斜温度の操作量Ｈｔによって傾斜温度を変化させる場合には、一方のヒータ１1には、その操作量が１倍で与えられる一方、他方のヒータ１2には、−１倍で与えられるので、両ヒータに与える総熱量を変化させることなく、すなわち、平均温度に影響を与えることなく、傾斜温度のみを変化させることができる。
【００９７】
図７は、図３のシステムにおいて、第１のＰＩＤ制御手段６1でオートチューニングを行った場合の平均温度・傾斜温度算出手段５からの平均温度Ｔａｖ（破線）、第１のＰＩＤ制御手段６1からの平均温度の操作量Ｈａｖ（実線）、平均温度・傾斜温度算出手段５からの傾斜温度Ｔｔ（二点鎖線）、第２のＰＩＤ制御手段６2からの傾斜温度の操作量Ｈｔ（一点鎖線）をスコープに表示した波形を示しており、平均温度の操作量Ｈａｖがオンオフするリミットサイクルが生じており、平均温度Ｔａｖの周期と振幅とを使ってＰＩＤ制御のパラメータを決定することができる。なお、平均温度Ｔａｖ、傾斜温度Ｔｔ、平均温度の操作量Ｈａｖ、傾斜温度の操作量Ｈｔが、上述の図２９，図３２の従来例のＰＶ１、ＰＶ２、ＭＶ１、ＭＶ２にそれぞれ対応する。
【００９８】
なお、第１のＰＩＤ制御手段６1のＰＩＤ制御のパラメータが決定された後には、そのパラメータを設定し、次は、傾斜温度を制御する第２のＰＩＤ制御手段６2のオートチューニングを行ってＰＩＤ制御のパラメータを決定する。
【００９９】
このように、平均温度と傾斜温度とを制御量として制御することにより、干渉のない制御が可能となり、ＰＩＤ制御のパラメータを決定するためのオートチューニングが可能となり、最適な制御パラメータを設定して所望の制御特性を得ることができる。
【０１００】
このようにしてＰＩＤ制御のパラメータが設定された後の通常の制御では、平均温度が目標平均温度になるように、傾斜温度が目標傾斜温度になるように制御が行われる。
【０１０１】
次に、この実施の形態と従来例とのシミュレーションの結果を以下に説明する。このシミュレーションでは、以下のような制御対象のモデリングを行った。すなわち、熱干渉系の最も簡単な例として、図８に示すように２組のヒータ１1，１2と温度センサ２1，２2と、その間を熱伝導体５０でつないだ熱処理装置を考える。制御目的は、２点の温度を任意の設定温度で均一化することである。図９に制御対象の電気的な等価回路を示す。Ｒ1，Ｒ2は、温度センサから周囲の空気への熱抵抗、Ｃ1，Ｃ2は、温度センサ近傍の熱容量である。
【０１０２】
制御対象の入力は、２つのヒータ熱量であり、ヒータ１1の熱量ｐ1の一部は熱伝導体５０を伝わって、熱抵抗Ｒ3で温度センサ２2の温度θ2に干渉し、ヒータ１2の熱量ｐ2の一部は、同様に熱抵抗Ｒ3で温度センサ２1の温度θ1に干渉する。また、熱量ｐ2の一部の熱エネルギーは、熱抵抗Ｒ4で熱処理装置が固定されている機械装置本体に熱伝導する。ただし、機械装置本体の熱容量は、非常に大きいので、周囲温度と一致すると近似した。
【０１０３】
制御対象の等価回路のパラメータは、Ｒ1＝Ｒ2＝１０［℃／Ｗ］、Ｒ3＝１［℃／Ｗ］、Ｒ4＝０.２［℃／Ｗ］、Ｃ1＝Ｃ2＝１０［Ｊ／℃］とした。外乱は、１００Ｗのステップ状とし、従来例とこの実施の形態と同じ条件で印加した。
【０１０４】
下記の表１のパラメータによる従来のＰＩＤ制御の応答波形を図１０に、下記の表２のパラメータによるこの実施の形態の応答波形を、図１１に示す。
【表１】
0003911953.tif 000011
【表２】
0003911953.tif 000012
図１０，図１１を比較すると、従来の制御方式で２°Ｃの温度差が発生していたものが、この実施の形態では、２つのセンサ間の温度差を０．８°Ｃまで改善していることが分かる。
【０１０５】
このような特性の差を生み出せる理由は、この実施の形態では、傾斜温度と平均温度で独立にＰＩＤパラメータを設定できる点にある。この例では、表２に示すように比例ゲインＫｐに差をつけ平均温度よりも傾斜温度の収束を優先するように、傾斜温度制御の比例ゲインＫｐを平均温度制御の比例ゲインＫｐよりも大きな値に設定した。その結果、簡単なＰＩＤ制御のパラメータの設定であるにも関わらず、高精度な温度均一化を期待できるものである。
【０１０６】
さらに、この実施の形態と従来例との目標値応答および外乱応答の比較結果を、図１２〜図１５に示す。なお、ここでは、ＣＨＲ（Chien, Hrones and Reswick）の調整則の目標値応答オーバーシュート無しを平均温度制御に、外乱応答オーバーシュート２０％を傾斜温度制御に使用した。
【０１０７】
図１２および図１３が、この実施の形態の目標値応答および外乱応答の波形であり、図１４および図１５が、従来例の目標値応答および外乱応答の波形を示している。
【０１０８】
図１４の従来例の目標値応答では、整定時間も２９秒と長く、オーバーシュートも認められたけれども、この実施の形態の目標値応答では、図１２に示されるように整定時間も９秒と短く、オーバーシュートも認められなかった。
【０１０９】
また、図１５の従来例の外乱応答では、整定時間も３２秒と長く、オーバーシュートもやや認められたのに対して、この実施の形態の外乱応答では、図１３に示されるように、整定時間も６秒と短く、オーバーシュートも認められなかった。
【０１１０】
すなわち、この実施の形態では、平均温度制御は、弱くて遅い制御を、傾斜温度制御は、強くて速い制御を行ったので、目標値応答および外乱応答のいずれの場合も、オーバーシュートがなく整定時間も短く満足できるものとなった。
【０１１１】
上述の例では、簡単にするために、ｎ＝２の場合について説明したけれども、ゾーンが３つの場合、すなわち、ヒータ、温度センサおよびＰＩＤ制御手段が３つのｎ＝３の場合にも同様に適用できるものである。
【０１１２】
すなわち、上述の図５に対応する図１６のブロック線図に示されるように、第１〜第３のヒータ１1〜１3と、各ヒータ１1〜１3に個別的に対応する第１〜第３の温度センサ２1〜２3とが、第１〜第３の各ゾーンにそれぞれ配置されており、第１のゾーンと第２のゾーンとが隣接し、第２のゾーンと第３のゾーンとが隣接しているとし、簡単化のために、隣接するゾーン間でのみ干渉があるとし、第１のヒータ１1から第２の温度センサ２2への伝達係数（干渉係数）をｌ1、第２のヒータ１2から第１，第３の温度センサ２1，２3への伝達係数（干渉係数）をｌ2，ｌ3、第３のヒータ１3から第２の温度センサ２2への伝達係数（干渉係数）をｌ4とし、第１のヒータ１1から第１の温度センサ２1といった相対する伝達係数（干渉係数）は、１.０とする。
【０１１３】
また、干渉をなくすための非干渉化係数（配分比）について、平均温度を制御する第１のＰＩＤ制御手段６1の操作量Ｈａｖを第２，第３のヒータ１2，１3に配分するための非干渉化係数（配分比）をｋ1，ｋ2、第１の傾斜温度Ｔｔ1を制御する第２のＰＩＤ制御手段６2の操作量Ｈｔ1を第１，第３のヒータ１1，１3に配分するための非干渉化係数（配分比）をｋ3，ｋ4、第２の傾斜温度Ｔｔ2を制御する第３のＰＩＤ制御手段６3の操作量Ｈｔ２を第１，第２のヒータ１1，１2に配分するための非干渉化係数（配分比）をｋ5，ｋ6とし、第１のＰＩＤ制御手段６1から第１のヒータ１1といった相対する非干渉化係数は１.０とする。なお、この例では、第１の傾斜温度Ｔｔ１は、第２，第３の温度センサ２2，２3の検出温度Ｔ2，Ｔ3の平均の検出温度と第１の温度センサ２1の検出温度Ｔ1との差としており、また、第２の傾斜温度Ｔｔ2は、第２の温度センサ２2の検出温度Ｔ2と第３の温度センサ２3の検出温度Ｔ3との差としている。
【０１１４】
このとき、平均温度Ｔａｖは、次のように示される。
【０１１５】
0003911953.tif 000013
ここで、平均温度Ｔａｖは、平均温度の操作量Ｈａｖのみの関数で、傾斜温度の操作量Ｈｔ1，Ｈｔ2の操作量の影響をなくすように、すなわち、非干渉化を図るために、Ｈｔ1，Ｈｔ2の項を０とする。
【０１１６】
すなわち、（１＋ｌ1）ｋ3＋（１＋ｌ2＋ｌ3）＋（１＋ｌ4）ｋ4＝０
（１＋ｌ1）ｋ5＋（１＋ｌ2＋ｌ3）ｋ6＋（１＋ｌ4）＝０
となる。
これを以下のように簡略化する。
【０１１７】
ｌａ＋ｌｂ・ｋ3＋ｌｃ・ｋ4＝０          ……▲１▼
ｌｄ＋ｌｅ・ｋ5＋ｌｆ・ｋ6＝０          ……▲２▼
第１の傾斜温度Ｔｔ1についても同様にして、第１の傾斜温度の操作量Ｈｔ1のみの関数で、平均温度の操作量Ｈａｖおよび第２の傾斜温度の操作量Ｈｔ2の影響を受けないという条件を適用して、以下のような同様の方程式が得られる。
【０１１８】
ｌｇ＋ｌｈ・ｋ1＋ｌｉ・ｋ2＝０          ……▲３▼
ｌｊ＋ｌk・ｋ5＋ｌl・ｋ6＝０            ……▲４▼
また、第２の傾斜温度Ｔｔ2についても同様に、以下の方程式が得られる。
【０１１９】
ｌｍ＋ｌｎ・ｋ1＋ｌｏ・ｋ2＝０          ……▲５▼
ｌｐ＋ｌｑ・ｋ3＋ｌｒ・ｋ4＝０          ……▲６▼
伝達係数ｌ1〜ｌ4、したがって、ｌａ〜ｌｒは、ｎ＝２の場合と同様にして求められるので、非干渉化係数ｋ1〜ｋ6を未知数とする上記▲１▼〜▲６▼の６つ方程式が得られることになり、これら方程式を解くことにより、配分手段で配分するための非干渉化係数（配分比）ｋ1〜ｋ6が求まることになる。
【０１２０】
例えば、行列式で求めるとすれば、以下のようになる。
【数６】
0003911953.tif 000014
【数７】
0003911953.tif 000015
以上のようにして、本発明は、ｎ＝３以上の制御系にも同様に適用することができるものである。
【０１２１】
なお、配分比（非干渉化係数）の行列である前置補償行列Ｇｃは、上述のように、モード変換行列Ｇｍと伝達係数（干渉係数）の行列Ｐとから求めることもでき、第１のＰＩＤ制御手段６1から第１のヒータ１1といった相対する非干渉化係数も含めて求めることができる。ここで、制御対象のある時間の特性である伝達係数（干渉係数）の行列Ｐを、
【数８】
0003911953.tif 000016
仮に、ｌ１＝ｌ２＝ｌ３＝ｌ４＝０.９とすると、
【数９】
0003911953.tif 000017
前置補償行列Ｇｃは、
【数１０】
0003911953.tif 000018
確かめとして、Ｇｍ・Ｐ・Ｇｃ＝１となるかどうかを計算する。
【数１１】
0003911953.tif 000019
上述のように、配分比（非干渉化係数）の行例である前置補償行列Ｇｃは、モード変換行列Ｇｍと伝達係数（干渉係数）の行列Ｐとから以下のように逆行列として求めることができる。
【０１２２】
Ｇｃ＝（Ｇｍ・Ｐ）-1
したがって、前置補償行列Ｇｃを求めるには、上述のように伝達係数（干渉係数）の行列Ｐを知る必要がある。
【０１２３】
なお、上述のように伝達係数に代えて、周波数特性も表す伝達関数を用いてもよいので、以下においては、伝達関数（干渉係数）として、その行列Ｐの計測方法の具体例を説明する。
【０１２４】
図１７は、本発明の一つの実施の形態に係るステップ応答法を利用した干渉係数の行列Ｐの計測方法を説明するための操作量ＭＶおよびフィードバック量ＰＶの変化を示す図である。
【０１２５】
例えば、図１８に示される温度制御システム、すなわち、制御対象３を加熱する第０から第ｎの複数のヒータ１0〜１ｎと、各ヒータ１0〜１ｎに個別的に対応して制御対象３の温度を検出する第０から第ｎの複数の温度センサ２0〜２ｎと、これら温度センサ２0〜２ｎの検出出力に基づいて、各ヒータ１0〜１ｎを図示しない電磁開閉器などを介して操作して制御対象３の温度を制御する本発明に係る温度調節器４とを備えているシステムにおいて、図１７（ａ）〜（ｄ）に示されるように各ヒータ１0〜１ｎに順番にステップ状の操作量ＭＶ０，ＭＶ１…ＭＶｎを与え、図１７（ｅ）〜（ｈ）に示される各温度センサ２0〜２ｎからのフィードバック量である検出温度ＰＶ０，ＰＶ１…ＰＶｎに基づいて、一定時間ｔｍ後の上昇直前の温度に対する温度上昇値ΔＰＶを単位時間Ｌで割った値ΔＰＶ／Ｌを、下記に示される干渉係数（伝達関数）の行列Ｐのａ00〜ａnnとして設定するものである。なお、本発明の他の実施の形態として、単位時間Ｌで割らなくてもよい。
【数１２】
0003911953.tif 000020
例えば、第０のヒータ１0に図１７（ａ）に示されるステップ状の操作量ＭＶ０を与えたときの図１７（ｅ）に示される第０の温度センサ２0の検出温度ＰＶ０に基づく上述の単位時間当たりの温度上昇値ΔＰＶ／Ｌをａ00とし、図１７（ｆ）に示される第１の温度センサ２1の検出温度ＰＶ１に基づく単位時間当たりの温度上昇値ΔＰＶ／Ｌをａ10とし、図１７（ｇ）に示される第２の温度センサ２2の検出温度ＰＶ２に基づく単位時間当たりの温度上昇値ΔＰＶ／Ｌをａ20とし、同様に、図１７（ｈ）に示される第ｎの温度センサ２ｎの検出温度ＰＶｎに基づく単位時間当たりの温度上昇値ΔＰＶ／Ｌをａn0とする。また、第１のヒータ１1に図１７（ｂ）に示されるステップ状の操作量ＭＶ１を与えたときの図１７（ｅ）に示される第０の温度センサ２0の検出温度ＰＶ０に基づく単位時間当たりの温度上昇値ΔＰＶ／Ｌをａ01とし、図１７（ｆ）に示される第１の温度センサ２1の検出温度ＰＶ１に基づく単位時間当たりの温度上昇値ΔＰＶ／Ｌをａ11とし、図１７（ｇ）に示される第２の温度センサ２2の検出温度ＰＶ２に基づく単位時間当たりの温度上昇値ΔＰＶ／Ｌをａ21とし、同様に、図１７（ｈ）に示される第ｎの温度センサ２ｎの検出温度ＰＶｎに基づく単位時間当たりの温度上昇値ΔＰＶ／Ｌをａn1とする。
【０１２６】
以下同様にして、第ｎのヒータに図１７（ｄ）に示されるステップ状の操作量ＭＶｎを与えたときの図１７（ｅ）に示される第０の温度センサ２0の検出温度ＰＶ０に基づく単位時間当たりの温度上昇値ΔＰＶ／Ｌをａ0nとし、図１７（ｆ）に示される第１の温度センサ２1の検出温度ＰＶ１に基づく単位時間当たりの温度上昇値ΔＰＶ／Ｌをａ1nとし、図１７（ｇ）に示される第２の温度センサ２2の検出温度ＰＶ２に基づく単位時間当たりの温度上昇値ΔＰＶ／Ｌをａ2nとし、同様に、図１７（ｈ）に示される第ｎの温度センサ２ｎの検出温度ＰＶｎに基づく単位時間当たりの温度上昇値ΔＰＶ／Ｌをａnnとするものである。なお、図１７においては、ｔｃは、操作量ＭＶの変化に対して検出温度ＰＶの変化が安定するまでの一定時間である。
【０１２７】
このように、あるヒータにステップ状の操作量を与えたときに、各温度センサの検出温度がどれだけの影響を受けるかを順次に計測して干渉係数（伝達関数）の行列Ｐを求めるものであり、この干渉係数（伝達関数）の行列Ｐの計測は、温度制御システムの立ち上げ時に自動的に行われ、この干渉係数（伝達関数）の行列Ｐおよび予め設定されているモード変換行列Ｇｍから上述のように配分比（非干渉化係数）の行例である前置補償行列Ｇｃが求められ、この前置補償行列Ｇｃに基づいて、操作量が配分されて上述した干渉のない制御が行われることになる。  さらに、この実施の形態では、干渉係数（伝達関数）の行列Ｐを求める際には、温度調節器４を構成する各ＰＩＤ制御手段６0〜６ｎは、ステップ状の操作量を順番に出力するだけであって、上述の図３２の従来例のように、ＰＩＤ制御は行っていないので、干渉係数の行列Ｐを求めると同時に、各ＰＩＤ制御手段６0〜６ｎのＰＩＤ制御のパラメータも併せて求めることができる。
【０１２８】
この実施の形態では、ステップ状の操作量ＭＶを与えるので、温度が上昇することになるので、かかる温度の上昇をなくして、例えば室温で干渉係数を計測できるよう図１９（ａ）〜（ｄ）に示されるように、一定の幅を有するパルス状の操作量ＭＶ０〜ＭＶｎを順番に与えるようにしてもよい。その他の構成は、図１７の実施の形態と同様である。
【０１２９】
なお、干渉の程度が弱いところ同士では、同時に計測を行っても構わない。例えば、第０のヒータ１0と第ｎのヒータ１ｎとが、遠く離れていてほとんど干渉しない場合には、第０のヒータ１0と第ｎのヒータ１ｎとに同時に操作量ＭＶ０，ＭＶｎを与え、そのときのＭＶ０に対するＰＶｎは０、ＭＶｎに対するＰＶ０は０とするものであり、このように干渉の弱いところでは、同時に計測を行うことによって計測時間を短縮できる。
【０１３０】
図２０は、本発明の他の実施の形態に係るリミットサイクル法を利用して干渉係数（伝達関数）の行列Ｐの計測方法を説明するための上述の図１７に対応する図である。
【０１３１】
一旦、例えば室温の状態に制御しておき、各ヒータ１0〜１ｎに与える操作量ＭＶ０〜ＭＶｎを順番にプラス側とマイナス側とに変動させてそのときの検出温度ＰＶ０〜ＰＶｎの最大振幅ΔＰＶを単位時間で割った値ΔＰＶ／Ｌを計測し、上述の干渉係数（伝達関数）の行列Ｐのａ00〜ａn0とするものである。その他の構成は、上述のステップ応答法と同様である。
【０１３２】
このリミットサイクル法を利用した場合には、操作量ＭＶをプラス側とマイナス側とに変化させるので、例えば、実動作温度に維持した状態で干渉係数（伝達関数）の行列Ｐを計測できることになり、より高い精度で干渉係数を求めることができる。
【０１３３】
上述の各実施の形態では、各ＰＩＤ制御手段は、平均温度が目標平均温度になるように、あるいは、傾斜温度が目標傾斜温度になるようにそれぞれ制御するものであり、目標平均温度および目標傾斜温度は、ユーザが設定するのであるが、従来では、各ｃｈ毎に目標温度を設定していたユーザにとっては、目標平均温度や目標傾斜温度の設定は理解しにくいものである。
【０１３４】
そこで、図２１に示されるように、本発明の具体的な実施例１では、各ｃｈ毎の目標温度ＳＰから目標平均温度および目標傾斜温度を演算するモード変換器５’を設けている。なお、この図２１において、上述の図３に対応する部分には、同一の参照符号を付している。このモード変換器５’は、制御対象２７からのフィードバック量である各ｃｈの温度センサの検出温度から平均温度と傾斜温度とを算出するモード変換器５と同じ構成である。
【０１３５】
このようにモード変換器５’を追加することによって、ユーザは、平均温度や傾斜温度を考慮することなく、従来と同様に各ｃｈ毎に目標温度ＳＰを設定すればよい。
【０１３６】
さらに、本発明の具体的な実施例２として、図２２に示されるように、制御対象２７からのフィードバック量である各ｃｈの温度センサの検出温度と目標温度ＳＰとの温度偏差を求め、この各ｃｈ毎の温度偏差から制御偏差である平均温度偏差および傾斜温度偏差を演算するモード変換器５’’を設けてもよい。この構成によれば、ユーザは、平均温度や傾斜温度を考慮することなく、従来と同様に各ｃｈの目標温度を設定できる一方、モード変換器５’’を一つにすることができ、メモリ容量の削減と処理の簡素化を図ることができる。
【０１３７】
すなわち、上述の実施例１では、モード変換器５は、複数の温度センサからの検出温度を、平均温度および傾斜温度に変換する一方、モード変換器５’は、各ｃｈの目標温度を、目標平均温度および目標傾斜温度に変換するものであったのに対して、この実施の形態のモード変換器５’’は、複数の温度センサからの検出温度と目標温度との温度偏差を、検出された平均温度と目標平均温度との偏差である平均温度偏差に変換するとともに、検出された傾斜温度と目標傾斜温度との偏差である傾斜温度偏差に変換するものである。
【０１３８】
つまり、上述の実施例１では、検出温度を、平均温度および傾斜温度に変換した後に制御偏差を求めるのに対して、この実施例２では、検出温度と目標温度との温度偏差を求め、その温度偏差を、制御偏差である平均温度偏差および傾斜温度偏差に変換するものである。
【０１３９】
図２３は、本発明の具体的な実施例３の構成図であり、上述の各実施例に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【０１４０】
一般に温度が上昇すると、ヒータの抵抗値が大きくなって流れる電流が低下して制御ループのゲインが低下し、また、時定数も低下することになり、そのままでは、ハンチングやオーバーシュートを生じることになる。そこで、従来では、制御する温度に応じて、制御パラメータを変更設定しているが、かかる変更設定操作は、面倒である。
【０１４１】
そこで、この実施例３では、制御対象２７からのフィードバック量ＰＶである複数の温度センサの検出温度に基づく平均温度に応じて各ＰＩＤ制御手段６1〜６ｎのＰＩＤパラメータを補正するものである。
【０１４２】
図２４は、図２３のＰＩＤ制御手段６1の内部のブロック線図である。
【０１４３】
この実施例３では、モード変換器５からの平均温度に基づいて、比例要素８０の比例ゲインＫｐを補正手段８１で補正して温度変化によるヒータの抵抗値の変化に起因するゲインの変化を補償する一方、積分要素８２の積分時間Ｔｉおよび微分要素８３の微分時間Ｔｄを補正手段８４で補正して温度変化による時定数の変化を補償するようにしている。
【０１４４】
各補正手段８１，８４による補正についてさらに詳細に説明する。先ず、ヒータは、図２５の実線Ａで示されるように温度によってその抵抗値が変化するために、制御ループのゲインが変化するのであるが、この実線Ａで示される実際の変化に対して、例えば、破線Ｂで示される下記の近似直線式を考える。
【０１４５】
Ｒ／Ｒ0＝ηｐ（Ｔ−Ｔ0）＋１.０
ここで、Ｒ0は、基準温度Ｔ0、例えば室温における抵抗値、ηｐは温度係数である。
【０１４６】
ヒータに印加する電圧Ｖは、一定であるので、ヒータに流れる電流は、ヒータの抵抗値の変化に応じて変化することになり、同じパルス幅で駆動したとしても電力Ｐは、温度によって次のように変化することになる。
【０１４７】
0003911953.tif 000021
つまり、制御ループのゲインＧは、温度によって下記のように変化する。
【０１４８】
0003911953.tif 000022
なお、Ｐ0，Ｇ0は、基準温度Ｔ0における電力およびゲインである。
【０１４９】
前記式から明らかなように温度が上昇してヒータの抵抗値Ｒが増加すると、ゲインが低下することになる。
【０１５０】
そこで、この実施例３では、平均温度と予め設定される前記温度係数ηｐとに基づいて、下記の一次近似式に従って比例ゲインＫｐの補正値を算出して比例要素８０の比例ゲインを補正手段８１で補正するのである。
【０１５１】
Ｋｐ＝｛ηｐ（ＰＶ−ＰＶ0）＋１｝Ｋｐ0
ここで、ＰＶ0は室温などの基準温度、Ｋｐ0は基準温度における比例ゲインである。
【０１５２】
また、時定数τは、図２６の実線で示されるように、温度によって変化するのであるが、この実線Ａで示される実際の変化に対して、例えば、破線Ｂで示される下記の近似直線式を考えることができる。
【０１５３】
τ／τ0＝−ｋτ（Ｔ−Ｔ0）＋１.０
ここで、τ0は、基準温度Ｔ0、例えば室温における時定数、−ｋτは近似式の傾きである。
【０１５４】
このように温度変化に対する時定数τの変化を直線近似するのと同様に、時定数τに対応するＰＩＤパラメータの積分時間Ｔｉおよび微分時間Ｔｄも下記のように直線近似することができる。
【０１５５】
Ｔｉ＝｛ηｉ（ＰＶ−ＰＶ0）＋１｝Ｔｉ0
Ｔｄ＝｛ηｄ（ＰＶ−ＰＶ0）＋１｝Ｔｄ0
ここで、Ｔｉ0，Ｔｄ0は基準温度Ｔ0における積分時間および微分時間であり、ηｉ，ηｄは、温度係数である。
【０１５６】
この温度係数ηｉ，ηｄは、例えば、予めステップ応答法によって無駄時間を計測することによって算出することができる。
【０１５７】
そこで、この実施例３では、図２４に示されるように、温度センサからの検出温度に基づく平均温度と予め設定される前記温度係数ηｉ，ηｄとに基づいて、補正手段によって上記一次近似式に従って積分時間Ｔｉおよび微分時間Ｔｄの補正値を算出して積分要素８２および微分要素８３の積分時間Ｔｉおよび微分時間Ｔｄを補正するのである。
【０１５８】
このように検出温度に基づく平均温度に応じて比例ゲインＫｐ、積分時間Ｔｉおよび微分時間Ｔｄを補正してＰＩＤ制御を行うので、ゲインの温度による変化が補償されるとともに、時定数τの温度による変化が補償されることになり、従来例のように、制御する温度に応じてＰＩＤパラメータを変更設定しなくても、ハンチングやオーバーシュートの発生を抑制できることになる。
【０１５９】
この実施例３では、検出温度に基づく平均温度を用いて比例ゲインＫｐ、積分時間Ｔｉおよび微分時間Ｔｄを補正したけれども、他の例として、目標平均温度を用いて補正してもよい。
【０１６０】
目標平均温度は、過渡的な状態を除いてほとんど検出温度に基づく平均温度と等しいので、時々刻々変化する平均温度を用いる場合に比べて、固定値である目標平均温度を用いることで処理の負担を大幅に低減することができる。
【０１６１】
また、この実施例３では、比例ゲインＫｐ、積分時間Ｔｉおよび微分時間Ｔｄのすべてを補正したけれども、他の例として、比例ゲインＫｐ、積分時間Ｔｉおよび微分時間Ｔｄの少なくとも一つを補正してもよい。
【０１６２】
図２４では、平均温度を制御するＰＩＤ制御手段６1について説明したが、傾斜温度を制御する各ＰＩＤ制御手段６2〜６ｎも、同様にモード変換器５からの平均温度に基づいて、比例ゲインＫｐ、積分時間Ｔｉおよび微分時間Ｔｄを補正するものである。
【０１６３】
上述の実施例３では、一次の直線近似を行ったけれども、本発明は、二次以上の近似式を用いてもよい。例えば、時定数τについての二次の近似式の例を示す。
【０１６４】
τ／τ0＝ｋａ（Ｔ−Ｔ0）2＋ｋｂ（Ｔ−Ｔ0）＋ｋｃ
３つのパラメータ（ｋａ，ｋｂ，ｋｃ）は、次のようにして求める。近似する元の制御対象の特性曲線のデータ３点の温度の値（Ｔ1，Ｔ2，Ｔ3）に対するτ／τ0を、（τ1／τ0，τ2／τ0，τ3／τ0）とすると、以下の３つの方程式ができる。
【０１６５】
τ1／τ0＝ｋａ（Ｔ1−Ｔ0）2＋ｋｂ（Ｔ1−Ｔ0）＋ｋｃ
τ2／τ0＝ｋａ（Ｔ2−Ｔ0）2＋ｋｂ（Ｔ2−Ｔ0）＋ｋｃ
τ3／τ0＝ｋａ（Ｔ3−Ｔ0）2＋ｋｂ（Ｔ3−Ｔ0）＋ｋｃ
この３つの式から３つの変数は、数学的に求まるので、３つのパラメータ（ｋａ，ｋｂ，ｋｃ）は、求まる。
【０１６６】
ｎ次の近似式も同様にｎ＋１点の温度に対する時定数の変化τ／τ0データで求めることができる。
【０１６７】
このように複数の次数で求めると、制御対象の変化曲線に一致した近似式が作れるので、より精度の高い補正が実現できるという効果が有る。
【０１６８】
本発明の他の実施の形態として、平均温度に代えて、例えば、中央のゾーンの温度の温度などを代表温度とし、代表温度と傾斜温度とを制御量として制御を行ってもよい。
【０１６９】
上述の実施の形態では、平均温度は、全体の平均温度一つだけを用いたけれども、本発明の他の実施の形態として、例えば、複数に区分した各グループの各平均温度、すなわち、複数の平均温度を用いるようにしてもよい。
【０１７０】
上述の実施の形態では、ＰＩＤ制御に適用して説明したけれども、本発明は、ＰＩＤ制御に限らず、オンオフ制御、比例制御、積分制御などの他の制御方式にも適用できるものである。
【０１７１】
また、本発明の熱処理装置は、熱酸化装置に限らず、拡散炉やＣＶＤ装置、例えば、図３３に示されるように、枚葉式のＣＶＤ装置における熱処理盤の温度制御にも適用できるものである。なお、図３３において、ウェーハ６０が載置される熱処理盤６１は、同心状に外円部６２、中間部６３、中心部６４に３分割されており、各部に個別的に対応するヒータ６５〜６７が設けられて各ゾーン毎に温度制御するものである。また、本発明の熱処理装置は、射出成形機のシリンダ部の温度制御あるいは包装機のヒータ台の温度制御などにも適用できるものである。
【０１７２】
上述の実施の形態では、ヒータなどの加熱手段を用いた温度制御に適用した説明したけれとも、ペルチェ素子や冷却器などを用いた温度制御に適用してもよいのは勿論であり、さらに、加熱手段と冷却手段とを併用する温度制御に適用してもよい。
【０１７３】
また、本発明は、温度制御に限らず、圧力、流量、速度あるいは液位などの他の物理状態の制御に適用することもできる。
【０１７４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、干渉のある制御対象の制御において、その干渉を低減することが可能となるとともに、最適な制御パラメータの設定も可能となる。
【０１７５】
しかも、配分手段の配分比を決定するための伝達係数（伝達関数）を、各状態制御手段の操作信号を変化させて各検出手段の情報の変化を計測することで容易に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一つの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の温度調節器のブロック図である。
【図３】  温度センサ、ヒータおよびＰＩＤ制御手段が２つの場合の構成図である。
【図４】  図３の平均温度・傾斜温度算出手段５のブロック図である。
【図５】  図３の制御系のブロック線図である。
【図６】  図３の配分手段のブロック図である。
【図７】  図３のシステムのオートチューニングの際の波形図である。
【図８】  制御対象のモデルを示す図である。
【図９】  制御対象の等価回路図である。
【図１０】  従来例の応答波形を示す図である。
【図１１】  実施の形態の応答波形を示す図である。
【図１２】  実施の形態の目標値応答波形を示す図である。
【図１３】  実施の形態の外乱応答波形を示す図である。
【図１４】  従来例の目標値応答波形を示す図である。
【図１５】  従来例の外乱応答波形を示す図である。
【図１６】  ゾーンが３つの場合の制御系のブロック線図である。
【図１７】  ステップ応答法を利用した干渉係数の行列Ｐの計測方法を説明するための図である。
【図１８】  図１７に対応する温度制御システムの概略構成図である。
【図１９】  本発明の他の実施形態の図１７に対応する図である。
【図２０】  リミットサイクル法を利用した干渉係数の行列Ｐの計測方法を説明するための図である。
【図２１】  本発明の実施例１のブロック図である。
【図２２】  本発明の実施例２のブロック図である。
【図２３】  本発明の実施例３のブロック図である。
【図２４】  図２３のＰＩＤ制御手段のブロック線図である。
【図２５】  温度とヒータ抵抗値との関係を示す特性図である。
【図２６】  温度と時定数との関係を示す特性図である。
【図２７】  熱酸化装置の構成を示す図である。
【図２８】  干渉のない二つの制御対象を制御するシステムの構成図である。
【図２９】  図２８のシステムのオートチューニングの際の波形図である。
【図３０】  干渉のある制御対象を制御するシステムの構成図である。
【図３１】  図３０の制御対象の構成を示す図である。
【図３２】  図３０のシステムのオートチューニングの際の波形図である。
【図３３】  他の熱処理装置を示す図である。
【符号の説明】
１0〜１ｎ             ヒータ
２0〜２ｎ             温度センサ
３                    制御対象
４                    温度調節器
５                    平均温度・傾斜温度算出手段
６1〜６ｎ             ＰＩＤ制御手段
７                    配分手段
１５                  ヒータプレート
１８                  熱酸化装置
【図１】
0003911953.tif 000023
【図２】
0003911953.tif 000024
【図３】
0003911953.tif 000025
【図４】
0003911953.tif 000026
【図５】
0003911953.tif 000027
【図６】
0003911953.tif 000028
【図７】
0003911953.tif 000029
【図８】
0003911953.tif 000030
【図９】
0003911953.tif 000031
【図１０】
0003911953.tif 000032
【図１１】
0003911953.tif 000033
【図１２】
0003911953.tif 000034
【図１３】
0003911953.tif 000035
【図１４】
0003911953.tif 000036
【図１５】
0003911953.tif 000037
【図１６】
0003911953.tif 000038
【図１７】
0003911953.tif 000039
【図１８】
0003911953.tif 000040
【図１９】
0003911953.tif 000041
【図２０】
0003911953.tif 000042
【図２１】
0003911953.tif 000043
【図２２】
0003911953.tif 000044
【図２３】
0003911953.tif 000045
【図２４】
0003911953.tif 000046
【図２５】
0003911953.tif 000047
【図２６】
0003911953.tif 000048
【図２７】
0003911953.tif 000049
【図２８】
0003911953.tif 000050
【図２９】
0003911953.tif 000051
【図３０】
0003911953.tif 000052
【図３１】
0003911953.tif 000053
【図３２】
0003911953.tif 000054
【図３３】
0003911953.tif 000055