專利名稱：控制裝置、溫度調(diào)節(jié)器及熱處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)控制對(duì)象的溫度及壓力等物理狀態(tài)進(jìn)行控制的控制裝置、對(duì)控制對(duì)象的溫度進(jìn)行控制的溫度調(diào)節(jié)器及采用溫度調(diào)節(jié)器的熱處理裝置，更詳細(xì)地說(shuō)，涉及例如采用史密斯補(bǔ)償法那樣的模型進(jìn)行控制的控制裝置、溫度調(diào)節(jié)器及熱處理裝置。
背景技術(shù)：
歷來(lái)，在例如PID的溫度控制中，為了抑制目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)的上沖，有時(shí)會(huì)將PID增益設(shè)定得較弱進(jìn)行控制。但是，如果將PID設(shè)定得較弱進(jìn)行控制，則達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，就不能應(yīng)用于要求快速升溫的用途。
因此，在這樣的情況下，為了補(bǔ)償空耗的時(shí)間，能夠以高PID增益使高速升溫成為可能，同時(shí)抑制目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)的上沖，有時(shí)就采用史密斯補(bǔ)償法。
這種史密斯補(bǔ)償法是選定控制對(duì)象為沒(méi)有空耗時(shí)間的控制對(duì)象使其易于控制的方法，是采用內(nèi)部設(shè)定的控制對(duì)象模型進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償?shù)姆椒ā?br> 史密斯補(bǔ)償法因?yàn)槟芤种颇繕?biāo)值響應(yīng)時(shí)的上沖，所以與普通的PID控制相比，如上所述能夠把PID增益設(shè)定得較高，因此存在的問(wèn)題是，如果受到外界干擾，比普通PID控制更易發(fā)生波動(dòng)(hunting)。
此外，采用史密斯補(bǔ)償法，為了補(bǔ)償空耗時(shí)間，必須在內(nèi)部設(shè)定控制對(duì)象模型，但存在的問(wèn)題是，求得設(shè)定該控制對(duì)象模型所必需的過(guò)程增益及時(shí)間常數(shù)等參數(shù)并不容易。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述情況而作出的，主要目的在于，在采用模型的控制中，無(wú)論是在目標(biāo)值響應(yīng)還是外界干擾響應(yīng)中，均抑制上沖及波動(dòng)等，其目的還在于，使得能容易地求出模型的參數(shù)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)成如下。
即，本發(fā)明的控制裝置具有根據(jù)目標(biāo)值和反饋量，計(jì)算并輸出對(duì)控制對(duì)象的操作量的操作量運(yùn)算手段、根據(jù)來(lái)自所述操作量運(yùn)算手段的操作量，給出使用模型的空耗時(shí)間補(bǔ)償輸出的空耗時(shí)間補(bǔ)償手段，以及切換手段，該切換手段對(duì)是將所述空耗時(shí)間補(bǔ)償輸出提供給所述操作量運(yùn)算手段的輸入側(cè)進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償控制、還是不將所述空耗時(shí)間補(bǔ)償輸出提供給所述操作量運(yùn)算手段的輸入側(cè)地進(jìn)行通常的控制進(jìn)行切換；所述切換手段至少在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)切換成所述空耗時(shí)間補(bǔ)償控制。
在此，所謂通常的控制，是指不用空耗時(shí)間補(bǔ)償輸出的控制，即，不進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償?shù)目刂啤?br> 采用本發(fā)明，至少在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償控制，所以上沖及波動(dòng)等被抑制，另一方面，目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)之外進(jìn)行通常的控制，因此與持續(xù)進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償控制的情況相比，能抑制外界干擾引起的波動(dòng)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施狀況中，所述模型是控制對(duì)象模型及除去了空耗時(shí)間的控制對(duì)象模型，所述空耗時(shí)間補(bǔ)償控制是利用史密斯補(bǔ)償法的空耗時(shí)間補(bǔ)償控制，并使利用所述空耗時(shí)間補(bǔ)償控制的控制增益比所述通常控制的控制增益要強(qiáng)。
采用本發(fā)明，在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)，根據(jù)使控制增益加強(qiáng)的史密斯補(bǔ)償法進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償控制，所以能高速達(dá)到目標(biāo)值，同時(shí)能抑制上沖等，而在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)之外的時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行使控制增益減弱的通?？刂疲虼四芤种仆饨绺蓴_引起的波動(dòng)。
本發(fā)明的溫度調(diào)節(jié)器具有根據(jù)目標(biāo)溫度和檢測(cè)溫度計(jì)算并輸出對(duì)控制對(duì)象的操作量的操作量運(yùn)算手段、根據(jù)來(lái)自所述操作量運(yùn)算手段的操作量，提供使用模型的空耗時(shí)間補(bǔ)償輸出的空耗時(shí)間補(bǔ)償手段，以及切換手段，該切換手段對(duì)是將所述空耗時(shí)間補(bǔ)償輸出提供給所述操作量運(yùn)算手段的輸入側(cè)來(lái)進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償控制，還是不將所述空耗時(shí)間補(bǔ)償輸出提供給所述操作量運(yùn)算手段的輸入側(cè)地進(jìn)行通?？刂七M(jìn)行切換，所述切換手段至少在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)，切換成所述空耗時(shí)間補(bǔ)償控制。
根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)橹辽僭谀繕?biāo)值響應(yīng)時(shí)進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償控制，所以能抑制上沖及波動(dòng)等，另一方面在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)之外的時(shí)間進(jìn)行通?？刂?，從而與持續(xù)進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償控制的情況相比，能抑制外界干擾引起的波動(dòng)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施狀況中，所述模型是控制對(duì)象模型及除去了空耗時(shí)間的控制對(duì)象模型，所述空耗時(shí)間補(bǔ)償控制是利用史密斯補(bǔ)償法的空耗時(shí)間補(bǔ)償控制，并使利用所述空耗時(shí)間補(bǔ)償控制的控制增益比所述通?？刂频目刂圃鲆嬉獜?qiáng)。
采用本發(fā)明，在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)，根據(jù)使控制增益加強(qiáng)的史密斯補(bǔ)償法進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償控制，所以能迅速達(dá)到目標(biāo)溫度，同時(shí)能抑制上沖等，另一方面，在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)之外的時(shí)間，進(jìn)行使控制增益減弱的通?？刂?，以此能抑制外界干擾引起的波動(dòng)。
在本發(fā)明其他的實(shí)施狀況中，所述操作量運(yùn)算手段是輸出PI操作量或PID操作量的運(yùn)算手段。
采用本發(fā)明，在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)，根據(jù)史密斯補(bǔ)償法進(jìn)行PI或PID控制，另一方面，在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)之外的時(shí)間，進(jìn)行通常的PI或PID控制，以此能抑制上沖及波動(dòng)等。
在本發(fā)明理想的實(shí)施狀況中，采用階躍(step)響應(yīng)法或極限循環(huán)(limit cycle)法求出所述模型的參數(shù)。
采用本發(fā)明，利用確定控制參數(shù)用的階躍響應(yīng)法及極限循環(huán)法也可以求出模型的參數(shù)。
在本發(fā)明的另一實(shí)施狀況中，根據(jù)穩(wěn)定時(shí)的操作量及檢測(cè)溫度求所述模型的參數(shù)。
采用本發(fā)明，可以邊以目標(biāo)溫度進(jìn)行通?？刂?，邊根據(jù)穩(wěn)定操作量和檢測(cè)溫度，求出模型的參數(shù)。
在本發(fā)明的又一實(shí)施狀況中，是根據(jù)停止控制后的檢測(cè)溫度的變化，求出所述模型的參數(shù)的。
采用本發(fā)明，可以根據(jù)暫時(shí)停止控制后的檢測(cè)溫度的變化，求出模型參數(shù)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施狀況中，所述模型參數(shù)是過(guò)程增益或時(shí)間常數(shù)。
采用本發(fā)明，為了設(shè)定控制參數(shù)，與以往一樣求出最大傾斜及空耗時(shí)間，并求出過(guò)程增益和時(shí)間常數(shù)兩者之一，以此可以求出設(shè)定模型所必需的所有參數(shù)。
本發(fā)明的熱處理裝置具有本發(fā)明的溫度調(diào)節(jié)器、作為控制對(duì)象的熱處理手段、以及加熱或冷卻所述熱處理手段的手段。
在此，作為熱處理裝置，有例如半導(dǎo)體制造過(guò)程中使用的熱氧化裝置、擴(kuò)散爐、CVD裝置或成型機(jī)等。
采用本發(fā)明，利用本發(fā)明的溫度調(diào)節(jié)器，能夠進(jìn)行抑制上沖、下沖及波動(dòng)的高速溫度控制。


圖1為本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的溫度調(diào)節(jié)器的方框圖。
圖2為說(shuō)明圖1的實(shí)施形態(tài)的動(dòng)作用的流程圖。
圖3為圖1所示實(shí)施形態(tài)的空耗時(shí)間補(bǔ)償控制的各部分的信號(hào)波形圖。
圖4為將圖1的實(shí)施形態(tài)的操作量及檢測(cè)溫度的變化與已有的PID控制進(jìn)行比較顯示的波形圖。
圖5為說(shuō)明根據(jù)階躍響應(yīng)算出過(guò)程增益K用的波形圖。
圖6為說(shuō)明使用穩(wěn)定操作量的過(guò)程增益K的計(jì)算用的波形圖。
圖7為說(shuō)明使用極限循環(huán)法的過(guò)程增益K的計(jì)算用的波形圖。
圖8為說(shuō)明使用階躍響應(yīng)法的時(shí)間常數(shù)T的計(jì)算用的波形圖。
圖9為說(shuō)明自然冷卻的時(shí)間常數(shù)的計(jì)算用的波形圖。
符號(hào)說(shuō)明1溫度調(diào)節(jié)器2 控制對(duì)象3PID運(yùn)算手段 4 空耗時(shí)間補(bǔ)償器6加熱或冷卻手段具體實(shí)施形態(tài)下面根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)予以說(shuō)明。
圖1為本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的溫度調(diào)節(jié)器的方框圖。
該實(shí)施形態(tài)的溫度調(diào)節(jié)器1根據(jù)來(lái)自未圖示的設(shè)定部的設(shè)定溫度SP，以及來(lái)自檢測(cè)熱處理爐等控制對(duì)象2的溫度的、未圖示的溫度傳感器來(lái)的反饋輸入、即檢測(cè)溫度PV，進(jìn)行對(duì)控制對(duì)象2的溫度控制。
該溫度調(diào)節(jié)器1具有根據(jù)設(shè)定溫度SP和反饋量之差，計(jì)算并輸出PID操作量MV的PID運(yùn)算手段3，以及根據(jù)PID操作量MV提供空耗時(shí)間補(bǔ)償輸出Yt的空耗時(shí)間補(bǔ)償器4。
PID運(yùn)算手段3設(shè)定加強(qiáng)的PID增益(P、I、D)和減弱的PID增益(P’、I’、D’)這樣2種PID增益。該P(yáng)ID運(yùn)算手段3在利用使用空耗時(shí)間補(bǔ)償器4的輸出Yt的史密斯補(bǔ)償法進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償?shù)腜ID控制時(shí)，采用加強(qiáng)的PID增益(P、I、D)，計(jì)算并輸出PID操作量MV，另一方面，在不采用空耗時(shí)間補(bǔ)償器4的輸出的通常PID控制時(shí)，采用減弱的PID增益(P’、I’、D’)，計(jì)算并輸出PID操作量MV。
在此，減弱的PID增益(P’、I’、D)是例如用通常的自動(dòng)調(diào)諧求得的PID增益，而加強(qiáng)的PID增益(P、I、D)是減弱的PID增益(P’、I’、D’)的例如3倍左右強(qiáng)度的PID增益。
空耗時(shí)間補(bǔ)償器4從PID操作量MV通過(guò)傳遞函數(shù)Po(s)后的輸出中，減去同樣PID操作量MV通過(guò)傳遞函數(shù)Po(s)e-Ls之后的輸出，并將相減后的輸出(Po(s)-Po(s)e-Ls)輸入到PID運(yùn)算手段3的輸入側(cè)。
在此，Po(s)是無(wú)空耗時(shí)間的理想條件下的傳遞函數(shù)，即從控制對(duì)象的特性除去空耗時(shí)間的傳遞函數(shù)，Po(s)e-Ls是具有一次延遲及空耗時(shí)間的控制對(duì)象的傳遞函數(shù)。另外，在本實(shí)施形態(tài)中，應(yīng)用于一次延遲模型進(jìn)行說(shuō)明，但本發(fā)明也能應(yīng)用于二次延遲等高次模型。
亦即空耗時(shí)間補(bǔ)償器4具有無(wú)空耗時(shí)間的一次延遲的控制對(duì)象模型，以及空耗時(shí)間和一次延遲的控制對(duì)象模型這樣兩個(gè)模型，設(shè)定這樣的模型用的參數(shù)如下所述確定。
在空耗時(shí)間補(bǔ)償控制中，空耗時(shí)間補(bǔ)償器4的輸出Yt被加到來(lái)自溫度傳感器的檢測(cè)溫度PV，作為表觀檢測(cè)溫度(PV+Yt)，算出與設(shè)定溫度SP的差，提供給PID運(yùn)算手段3。
本發(fā)實(shí)施形態(tài)中，在目標(biāo)值響應(yīng)及外界干擾響應(yīng)之一中，為了能進(jìn)行無(wú)上沖及波動(dòng)等的控制，如下所述進(jìn)行。
即在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)，將空耗時(shí)間補(bǔ)償器4的輸出Yt與檢測(cè)溫度PV相加后，提供給PID運(yùn)算手段3的輸入側(cè)，同時(shí)進(jìn)行使用加強(qiáng)的PID增益(P、I、D)的空耗時(shí)間補(bǔ)償PID控制，而在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)之外，具體地說(shuō)，在穩(wěn)定之后，利用切換手段5切換離開(kāi)空耗時(shí)間補(bǔ)償器4，同時(shí)切換成使用減弱的PID增益(P’、I’、D’)的通常的PID控制。
另外，所謂目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)，是不限于最初的上升時(shí)間，也包括暫時(shí)穩(wěn)定于目標(biāo)溫度之后目標(biāo)溫度發(fā)生變更的情況。還包括由于控制對(duì)象更換，穩(wěn)定狀態(tài)、即差值(目標(biāo)溫度與目前溫度之差)小的狀態(tài)迅速變?yōu)榇蟮臓顟B(tài)的情況。例如在加熱水槽中的液體將其控制為一定溫度的情況下，如果多次使用液體會(huì)變臟，所以要定期更換液體，在液體溫度保持為100℃的狀態(tài)下，一次將液體全部排出換成全新的液體(20℃)那樣的時(shí)候。
這樣，在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)，因?yàn)楦鶕?jù)使用空耗時(shí)間補(bǔ)償器4的輸出的史密斯補(bǔ)償法進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償?shù)腜ID控制，所以，不會(huì)產(chǎn)生上沖或波動(dòng)，而且，因?yàn)槭筆ID增益比不使用史密斯補(bǔ)償法的通常的PID控制要強(qiáng)，所以達(dá)到目標(biāo)溫度所需時(shí)間變短，能夠高速升溫。
此外，因?yàn)榉€(wěn)定后切換成不使用史密斯補(bǔ)償法的弱PID增益的通常PID控制，所以能抑制外界干擾引起的上沖及波動(dòng)。另外，是否穩(wěn)定的判斷，可以根據(jù)檢測(cè)溫度是否處于一定的溫度范圍內(nèi)來(lái)進(jìn)行判斷，也可以根據(jù)空耗時(shí)間補(bǔ)償器4的輸出是否為0來(lái)進(jìn)行判斷。此外，也可以根據(jù)積分之外的操作量(即比例操作量和微分操作量)是否變?yōu)?來(lái)進(jìn)行判斷。
圖2為用來(lái)說(shuō)明本實(shí)施形態(tài)的使用史密斯補(bǔ)償法的空耗時(shí)間補(bǔ)償PID控制及不使用史密斯補(bǔ)償法的通常PID控制的動(dòng)作的流程圖。
首先，判斷目標(biāo)值是否發(fā)生變更(步驟n1)，目標(biāo)值變更時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂檬访芩寡a(bǔ)償法的空耗時(shí)間補(bǔ)償PID控制(步驟n3)，變?yōu)榧訌?qiáng)的PID增益而后結(jié)束(步驟n4)。
在步驟n1中判斷為目標(biāo)值未發(fā)生變更時(shí)，判斷是否在升溫過(guò)程中(步驟n2)，在升溫過(guò)程中時(shí)，進(jìn)入步驟n3，繼續(xù)進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償控制，不在升溫過(guò)程中時(shí)，判斷是否穩(wěn)定了(步驟n5)，判斷為穩(wěn)定了時(shí)，進(jìn)入不使用史密斯補(bǔ)償法的通常的PID控制(步驟n6)，變成弱的PID增益而后結(jié)束(步驟n7)。
圖3為根據(jù)本實(shí)施形態(tài)中的史密斯補(bǔ)償法進(jìn)行的空耗時(shí)間補(bǔ)償控制的、上述圖1的各部分的信號(hào)波形圖。
在該圖中，實(shí)線L1表示來(lái)自PID運(yùn)算手段3的PID操作量MV，虛線L2表示控制對(duì)象2的實(shí)際檢測(cè)溫度PV，點(diǎn)劃線L3表示空耗時(shí)間補(bǔ)償器4的輸出Yt，雙點(diǎn)劃線L4表示在實(shí)際的檢測(cè)溫度PV上加上空耗時(shí)間補(bǔ)償器4的輸出Yt后的表觀檢測(cè)溫度(PV+Yt)。
如圖3所示，如果采用史密斯補(bǔ)償法，實(shí)際的檢測(cè)溫度PV是在經(jīng)過(guò)空耗時(shí)間之后上升的，而加上了空耗時(shí)間補(bǔ)償器4的輸出Yt的表觀檢測(cè)溫度(PV+Yt)是立即上升、作為無(wú)空耗時(shí)間的理想控制對(duì)象進(jìn)行控制的。此外，如果檢測(cè)溫度PV及操作量MV穩(wěn)定，則空耗時(shí)間補(bǔ)償器4的輸出Yt為0，實(shí)際的檢測(cè)溫度PV與表觀檢測(cè)溫度(PV+Yt)就變?yōu)橐恢隆?br> 在本實(shí)施形態(tài)中，該一致實(shí)現(xiàn)之后，就從根據(jù)史密斯補(bǔ)償法的空耗時(shí)間補(bǔ)償PID控制切換成通常的PID控制。
圖4為將本實(shí)施形態(tài)的操作量MV和檢測(cè)溫度PV的變化與未使用史密斯補(bǔ)償法的已有的PID控制的操作量和檢測(cè)溫度的變化進(jìn)行比較示顯示的波形圖。在該圖中，實(shí)線L1及虛線L2分別表示本實(shí)施形態(tài)的PID操作量MV及檢測(cè)溫度PV，點(diǎn)劃線L5表示以往的PID控制的操作量，雙點(diǎn)劃線L6表示以往的檢測(cè)溫度。
如該圖4所示，在未使用史密斯補(bǔ)償法的通常PID控制中，發(fā)生了上沖，而在本實(shí)施形態(tài)中，因?yàn)樵谀繕?biāo)值響應(yīng)時(shí)進(jìn)行根據(jù)史密斯補(bǔ)償法的空耗時(shí)間補(bǔ)償控制，所以不發(fā)生上沖。
在本實(shí)施形態(tài)中，如上所述，在實(shí)際檢測(cè)溫度PV與表觀檢測(cè)溫度(PV+Yt)一致實(shí)現(xiàn)之后，切換成通常的PID控制，在該P(yáng)ID控制中，切換成弱的PID增益，所以，外界干擾引起的波動(dòng)也被抑制。又，變成通常的PID控制之后，在目標(biāo)溫度發(fā)生變更時(shí)，再次轉(zhuǎn)換成使用史密斯補(bǔ)償法的空耗時(shí)間補(bǔ)償PID控制。
下面對(duì)空耗時(shí)間補(bǔ)償器4的設(shè)定模型用的參數(shù)的求法進(jìn)行說(shuō)明。
在本實(shí)施形態(tài)中，如下所述進(jìn)行以便能夠方便地求出該參數(shù)。
為了設(shè)定控制對(duì)象模型Po(s)，必須求出過(guò)程增益K、空耗時(shí)間L及時(shí)間常數(shù)T。
一般情況下，通過(guò)自動(dòng)調(diào)諧求PID增益，在該自動(dòng)調(diào)諧中，求最大傾斜R和空耗時(shí)間L，據(jù)此算出PID增益。
因此，在已有的自動(dòng)調(diào)諧中，不求出控制對(duì)象模型的設(shè)定必需的參數(shù)即過(guò)程增益K及時(shí)間常數(shù)T。
因此，在本實(shí)施形態(tài)中，利用在由自動(dòng)調(diào)諧求得的最大傾斜R、控制對(duì)象模型的設(shè)定必需的過(guò)程增益K及時(shí)間常數(shù)T之間存在R＝K/T的關(guān)系這一點(diǎn)，如下所述求過(guò)程增益K或時(shí)間常數(shù)T。
(1)使用階躍響應(yīng)法是過(guò)程增益K根據(jù)對(duì)階躍輸入的響應(yīng)波形，與已有的自動(dòng)調(diào)諧一樣，算出空耗時(shí)間L及最大傾斜R，同時(shí)在算出最大傾斜R之后仍繼續(xù)階躍輸入，直至響應(yīng)波形穩(wěn)定為止，并根據(jù)下式從獲得的輸出側(cè)變化算出過(guò)程增益K。
K＝{輸出側(cè)變化(溫度變化)}[％FS]/{輸入側(cè)變化(操作量變化)}[％]圖5為說(shuō)明根據(jù)該階躍響應(yīng)法算出過(guò)程增益K用的波形圖，該5(a)示出檢測(cè)溫度的變化，圖5(b)示出操作量的變化。
在該圖5中，操作量為B％，溫度變化相對(duì)于全標(biāo)尺FS為A％，所以過(guò)程增益K＝A[％FS]/B[％]。
輸出側(cè)的變化即溫度變化如上所述，是表示對(duì)全標(biāo)尺的比例的。
這樣，通過(guò)使根據(jù)階躍響應(yīng)法的自動(dòng)調(diào)諧持續(xù)得比以往要長(zhǎng)，能求出空耗時(shí)間L和最大傾斜R，同時(shí)能夠一起求出過(guò)程增益K。
另外，在時(shí)間常數(shù)T較長(zhǎng)時(shí)，因?yàn)檫^(guò)程增益K的算出很費(fèi)時(shí)間，所以在這樣的情況下，將階躍輸入取為較小的值、例如20％等為宜。
(2)采用穩(wěn)定操作量計(jì)算的過(guò)程增益K的計(jì)算用圖6(a)所示的檢測(cè)溫度達(dá)到例如目標(biāo)溫度SP實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定時(shí)，相對(duì)于全標(biāo)尺的溫度變化A％FS，以及該圖(b)所示的穩(wěn)定操作量B％，根據(jù)下式算出過(guò)程增益K。
K＝A[％FS]/B[％]這樣，因?yàn)槭亲鳛橄喈?dāng)于穩(wěn)定操作量B[％]的溫度變化A[％FS]來(lái)算出過(guò)程增益K，所以在實(shí)際想控制的目標(biāo)溫度SP，能算出過(guò)程增益K。
又，在穩(wěn)定操作量不為一定值時(shí)，也可以使用例如平均值等。
(3)使用極限循環(huán)法計(jì)算過(guò)程增益K圖7為說(shuō)明使用極限循環(huán)法算出過(guò)程增益K用的圖，該圖(a)示出檢測(cè)溫度的變化，該圖(b)示出操作量的變化。
將操作量例如設(shè)為100％，如果達(dá)到目標(biāo)溫度例如100℃，將操作量設(shè)為0，如果低于目標(biāo)溫度了，再次將操作量設(shè)為100％，重復(fù)進(jìn)行，將相對(duì)于穩(wěn)定時(shí)的波動(dòng)周期TH的操作量100％期間的比例設(shè)為B％，將到波動(dòng)中心溫度為止的溫度變化相對(duì)全標(biāo)尺的比例設(shè)為A％FS，則過(guò)程增益K為K＝A/B。
在圖7中，因?yàn)闄z測(cè)溫度從20℃上升并以110℃為中心在90℃與130℃之間擺動(dòng)，所以，上述A作為90℃(＝110-20)對(duì)全標(biāo)度的比例被算出。
采用該極限循環(huán)法，能與以往一樣，根據(jù)波動(dòng)周期和振幅求PID增益，另一方面，能同時(shí)求出過(guò)程增益K。
(4)使用階躍響應(yīng)法的時(shí)間常數(shù)T的計(jì)算根據(jù)對(duì)于階躍輸入的響應(yīng)波形，與已有的自動(dòng)調(diào)諧一樣算出空耗時(shí)間L和最大傾斜R，同時(shí)在算出最大傾斜R之后仍繼續(xù)階躍輸入直至響應(yīng)波形穩(wěn)定為止，如圖8所示，作為上升到穩(wěn)定值的63.2％為止的時(shí)間，算出時(shí)間常數(shù)T。
這樣，通過(guò)使利用階躍響應(yīng)的自動(dòng)調(diào)諧比以往繼續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間，就能算出時(shí)間常數(shù)T。
又，時(shí)間常數(shù)T較長(zhǎng)時(shí)，其算出就很費(fèi)時(shí)間，所以在這樣的情況下，最好將階躍輸入取為較小的值、例如20％等。
(5)通過(guò)自然冷卻計(jì)算時(shí)間常數(shù)T在上升到任意溫度的時(shí)刻，暫時(shí)停止控制，根據(jù)自然冷卻引起的溫度變化來(lái)求時(shí)間常數(shù)T，如圖9所示，在停止控制后自然冷卻引起的溫度下降的波形上引切線時(shí)，求出該切線與控制之前的溫度、即例如室溫的交點(diǎn)，將停止控制的時(shí)刻起至交點(diǎn)為止的時(shí)間作為時(shí)間常數(shù)T。
該利用自然冷卻的時(shí)間常數(shù)計(jì)算，只要在自然冷卻引起的溫度下降的波形上引切線就能算出，所以能以較短的時(shí)間算出時(shí)間常數(shù)T。
還有，回到原來(lái)的控制，例如在算出自然冷卻造成的冷卻側(cè)的最大傾斜的時(shí)刻返回即可。
根據(jù)如上所述求得的過(guò)程增益K、時(shí)間常數(shù)T及與以往一樣通過(guò)自動(dòng)調(diào)諧求得的空耗時(shí)間L，上述控制對(duì)象模型例如如下所示。
即，無(wú)空耗時(shí)間的一次延遲的控制對(duì)象模型Po(s)為Po(s)＝K/(Ts+1)還有，空耗時(shí)間及一次延遲的控制對(duì)象模型Po(s)e-Ls為Po(s)e-Ls＝[K/(Ts+1)]e-Ls其中，s為拉普拉斯算符。
又，設(shè)定模型用的參數(shù)K、T的上述各求法，不限于應(yīng)用于本實(shí)施形態(tài)、即對(duì)使用史密斯補(bǔ)償法的空耗時(shí)間補(bǔ)償PID控制與通常的PID控制進(jìn)行切換的溫度調(diào)節(jié)器，也可以應(yīng)用于僅進(jìn)行使用史密斯補(bǔ)償法的空耗時(shí)間補(bǔ)償PID控制的溫度調(diào)節(jié)器。
其他實(shí)施形態(tài)在上述實(shí)施形態(tài)中，目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償控制，除此之外進(jìn)行通常的控制，但是，作為本發(fā)明其他的實(shí)施形態(tài)，例如預(yù)測(cè)到有外界干擾時(shí)，也可以在受到該外界干擾之前，從空耗時(shí)間補(bǔ)償控制切換成通常的控制，或者也可以在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)之外也進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償控制。
在上述實(shí)施形態(tài)中，使空耗時(shí)間補(bǔ)償控制的PID增益比通常控制的PID增益更強(qiáng)，但未必一定要更強(qiáng)。
在上述實(shí)施形態(tài)中，以應(yīng)用于PID控制進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明不限于PID控制，同樣也能應(yīng)用于PI控制等。
在上述實(shí)施形態(tài)中，對(duì)用于采用加熱器等加熱手段的溫度控制的應(yīng)用進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明也可以應(yīng)用于采用冷卻器等的溫度控制。
此外，本發(fā)明不限于溫度控制，也能應(yīng)用于控制壓力、流量、速度或液位等其他物理狀態(tài)的控制裝置。
如上所述，采用本發(fā)明，因?yàn)橹辽僭谀繕?biāo)值響應(yīng)時(shí)，進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償控制，所以能夠抑制上沖及波動(dòng)等現(xiàn)象，另一方面，在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)以外，通過(guò)進(jìn)行通常的控制，能抑制外界干擾引起的波動(dòng)。
此外，通過(guò)使空耗時(shí)間補(bǔ)償控制的控制增益增強(qiáng)，能迅速達(dá)到目標(biāo)值。
權(quán)利要求
1.一種控制裝置，其特征在于，具有根據(jù)目標(biāo)值和反饋量，計(jì)算并輸出對(duì)控制對(duì)象的操作量的操作量運(yùn)算手段，根據(jù)來(lái)自所述操作量運(yùn)算手段的操作量，給出使用模型的空耗時(shí)間補(bǔ)償輸出的空耗時(shí)間補(bǔ)償手段，以及切換手段，該切換手段對(duì)是將所述空耗時(shí)間補(bǔ)償輸出提供給所述操作量運(yùn)算手段的輸入側(cè)進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償控制，還是不將所述空耗時(shí)間補(bǔ)償輸出提供給所述操作量運(yùn)算手段的輸入側(cè)地進(jìn)行通常的控制進(jìn)行切換，所述切換手段至少在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)，切換成所述空耗時(shí)間補(bǔ)償控制。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的控制裝置，其特征在于，所述模型是控制對(duì)象模型及除去了空耗時(shí)間的控制對(duì)象模型，所述空耗時(shí)間補(bǔ)償控制是利用史密斯補(bǔ)償法的空耗時(shí)間補(bǔ)償控制，并使利用所述空耗時(shí)間補(bǔ)償控制的控制增益比所述通常控制的控制增益要強(qiáng)。
3.一種溫度調(diào)節(jié)器，其特征在于，具有根據(jù)目標(biāo)溫度和檢測(cè)溫度計(jì)算并輸出對(duì)控制對(duì)象的操作量的操作量運(yùn)算手段，根據(jù)來(lái)自所述操作量運(yùn)算手段的操作量，給出使用模型的空耗時(shí)間補(bǔ)償輸出的空耗時(shí)間補(bǔ)償手段，以及，切換手段，該切換手段對(duì)是將所述空耗時(shí)間補(bǔ)償輸出提供給所述操作量運(yùn)算手段的輸入側(cè)來(lái)進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償控制、還是不將所述空耗時(shí)間補(bǔ)償輸出提供給所述操作量運(yùn)算手段的輸入側(cè)地進(jìn)行通常控制進(jìn)行切換，所述切換手段至少在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)，切換成所述空耗時(shí)間補(bǔ)償控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的溫度調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述模型是控制對(duì)象模型及除去了空耗時(shí)間的控制對(duì)象模型，所述空耗時(shí)間補(bǔ)償控制是利用史密斯補(bǔ)償法的空耗時(shí)間補(bǔ)償控制，使利用所述空耗時(shí)間補(bǔ)償控制的控制增益比所述通?？刂频目刂圃鲆嬉獜?qiáng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的溫度調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述操作量運(yùn)算手段是輸出PI操作量或PID操作量的溫度調(diào)節(jié)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5項(xiàng)所述的溫度調(diào)節(jié)器，其特征在于，采用階躍響應(yīng)法或極限循環(huán)法求出所述模型的參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的溫度調(diào)節(jié)器，其特征在于，根據(jù)穩(wěn)定時(shí)的操作量及檢測(cè)溫度來(lái)求所述模型的參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的溫度調(diào)節(jié)器，其特征在于，根據(jù)停止控制后的檢測(cè)溫度的變化，求出所述模型的參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8中的任一項(xiàng)所述的溫度調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述模型的參數(shù)是過(guò)程增益或時(shí)間常數(shù)。
10.一種熱處理裝置，其特征在于，具有權(quán)利要求3～9中的任一項(xiàng)所述的溫度調(diào)節(jié)器，作為控制對(duì)象的熱處理手段，以及加熱或冷卻所述熱處理手段的手段。
全文摘要
一種控制裝置，其在使用模型進(jìn)行的控制中，即使在目標(biāo)值響應(yīng)或外界干擾響應(yīng)時(shí)，也抑制上沖及波動(dòng)等。其手段是，在目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)，將空耗時(shí)間補(bǔ)償器(4)的輸出供給PID運(yùn)算手段(3)的輸入側(cè)，同時(shí)用強(qiáng)的PID增益進(jìn)行空耗時(shí)間補(bǔ)償控制，另一方面，目標(biāo)值響應(yīng)時(shí)之外，不將空耗時(shí)間補(bǔ)償器(4)的輸出提供給PID運(yùn)算手段(3)的輸入側(cè)，用弱的PID增益進(jìn)行通常的PID控制。
文檔編號(hào)G05B17/02GK1421756SQ0215485
公開(kāi)日2003年6月4日 申請(qǐng)日期2002年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月30日
發(fā)明者南野郁夫, 長(zhǎng)見(jiàn)好洋, 內(nèi)山隆, 米田元, 田中政仁 申請(qǐng)人:歐姆龍株式會(huì)社