制御装置および方法
【課題】設定値変更時において制御手段とそれ以外の手段との間で行われる信号伝達の頻度を減らしつつ、各制御ループの制御量が設定値に達する時間がほぼ同じになるようにする。
【解決手段】制御装置は、複数の制御ループＬｉの設定値ＳＰｉが変更されたとき、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な昇温時間ＴＬを推定する昇温時間推定部１と、昇温時間ＴＬで制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な操作量出力ＭＵｉを制御ループＬｉ毎に推定する必要出力推定部２と、操作量出力ＭＵｉを各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉとして一時的に設定する出力上限設定部３と、制御ループＬｉ毎に設けられた制御部５−ｉとから構成される。
【解決手段】制御装置は、複数の制御ループＬｉの設定値ＳＰｉが変更されたとき、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な昇温時間ＴＬを推定する昇温時間推定部１と、昇温時間ＴＬで制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な操作量出力ＭＵｉを制御ループＬｉ毎に推定する必要出力推定部２と、操作量出力ＭＵｉを各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉとして一時的に設定する出力上限設定部３と、制御ループＬｉ毎に設けられた制御部５−ｉとから構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の制御ループを備えたマルチループ制御系の制御装置および制御方法に係り、特に設定値変更時に各制御ループの制御量が変更後の設定値に達する時間がほぼ同じになるように制御する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、複数の制御ループを備えた加熱装置の１例として、図５に示すような酸化拡散炉が知られている。酸化拡散炉１００内の石英管１０４の内部には、シリコンウェハ１０５が搬入される。温度センサ１０２−１〜１０２−３は、それぞれヒータ１０３−１〜１０３−３によって加熱される制御ゾーンＺ１〜Ｚ３の温度ＰＶを測定する。調節計１０１−１〜１０１−３は、それぞれ温度センサ１０２−１〜１０２−３によって測定された温度ＰＶが温度設定値ＳＰと一致するように操作量ＭＶを算出してヒータ１０３−１〜１０３−３に出力する。こうして、酸化拡散炉１００内の石英管１０４内に導入される酸素とシリコンウェハ１０５とを加熱することにより、シリコンウェハ１０５の表面に酸化膜を形成する。この図５に示した加熱装置においては、各調節計１０１−１〜１０１−３がそれぞれ対応する制御ゾーンＺ１〜Ｚ３の温度ＰＶを制御する制御ループが３個形成されていることになる。
【０００３】
以上のような複数の制御ループを備えた加熱装置では、各制御ゾーンの昇温を同時に行なうと制御ループ間の温度干渉により、先行して温度上昇していた制御ループにオーバーシュートが発生し、制御の整定状態が得られるまでの時間が長くなり、装置稼働効率を損ねる。
【０００４】
そこで、逐次的に制御の状況把握を行ないながら、設定値ＳＰランプアップ的な動作（設定値ＳＰを少しずつ上昇させる動作）を行なう制御方法が提案されている（特許文献１参照）。この特許文献１に開示された制御方法では、昇温が最も遅い第１制御ループのステップ応答の進捗度を算出し、第１制御ループ以外の他の制御ループの温度が第１制御ループの温度に同期して自動的に変化するように、他の制御ループの設定値ＳＰをステップ応答の進捗度に基づいて補正している。
【０００５】
このような制御方法を実現する場合、各制御ループの操作量ＭＶを算出するＰＩＤ制御演算手段としては加熱装置に設けられた通常の調節計などをそのまま利用し、設定値ＳＰを補正するＳＰ演算手段として調節計以外の上位コントローラを利用することが多いと考えられる。したがって、加熱制御であれば昇温過程において継続的に、各ＰＩＤ制御演算手段からＳＰ演算手段へ制御量ＰＶを伝達する必要があり、またＳＰ演算手段から各ＰＩＤ制御演算手段へ設定値ＳＰを伝達する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３７９８６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示された制御方法の場合、昇温過程の途中でＰＩＤ制御演算手段（例えば調節計）とＳＰ演算手段（例えば上位コントローラ）との信号伝達機能に異常が発生したときには、やむを得ず通常の制御動作に戻すか、昇温自体を中断するかが必要になり、いずれにしろ予定されていた制御動作を継続できなくなるという問題点があった。
なお、以上のような問題点は、昇温制御に限らず、例えば降温制御や圧力制御においても同様に発生する。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、設定値変更時において、制御演算手段とそれ以外の手段との間で行われる信号伝達の頻度を減らしつつ、各制御ループの制御量が変更後の設定値に達する時間がほぼ同じになるように制御することができる制御方法および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】
【０００９】
本発明の制御装置は、複数の制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）の設定値ＳＰｉが同時に変更されたとき、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な制御量変化時間を推定する制御量変化時間推定手段と、各制御ループＬｉに共通の前記制御量変化時間で制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な操作量出力ＭＵｉを制御ループＬｉ毎に推定する必要出力推定手段と、前記操作量出力ＭＵｉを各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉとして一時的に設定する出力上限設定手段と、制御ループＬｉ毎に設けられ、設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉを入力として制御演算により操作量ＭＶｉを算出し、操作量ＭＶｉを前記操作量出力上限値ＯＨｉ以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量ＭＶｉを対応する制御ループＬｉの制御アクチュエータに出力する制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の制御装置の１構成例は、さらに、制御量変化の経過を判断して、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉに復帰させる出力上限復帰手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記制御量変化時間推定手段は、設定値ＳＰｉの変更に伴う制御量ＰＶｉの変更量ΔＰＶｉを制御ループＬｉ毎に算出する制御量変更量算出手段と、現在の操作量ＭＶｉの状態から操作量ＭＶｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときの制御量ＰＶｉの変化レートＴＨｉを制御ループＬｉ毎に算出する制御量変化レート算出手段と、前記変化レートＴＨｉと変更量ΔＰＶｉとに基づいて、現在の操作量ＭＶｉの状態から操作量ＭＶｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な制御量変化時間を制御ループＬｉ毎に算出する時間算出手段と、制御ループＬｉ毎の制御量変化時間のうち、その最大値を各制御ループＬｉに共通の制御量変化時間として選出する最大値選出手段とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記設定値ＳＰｉは温度設定値であり、前記制御量ＰＶｉは温度であり、前記設定値ＳＰｉの変更は前記制御量ＰＶｉを昇温方向に変化させるものであり、前記制御量変化時間は昇温時間である。
【００１１】
また、本発明の制御方法は、複数の制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）の設定値ＳＰｉが同時に変更されたとき、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な制御量変化時間を推定する制御量変化時間推定ステップと、各制御ループＬｉに共通の前記制御量変化時間で制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な操作量出力ＭＵｉを制御ループＬｉ毎に推定する必要出力推定ステップと、前記操作量出力ＭＵｉを各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉとして一時的に設定する出力上限設定ステップと、設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉを入力として制御演算により操作量ＭＶｉを算出し、操作量ＭＶｉを前記操作量出力上限値ＯＨｉ以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量ＭＶｉを対応する制御ループＬｉの制御アクチュエータに出力する制御ステップとを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、設定値ＳＰｉの変更時点において各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを１回設定した後は、設定値ＳＰｉの変更に伴う制御の途中で操作量出力上限値ＯＨｉを更新する必要は原則的にない。したがって、制御手段（例えば調節計）とそれ以外の手段（例えば上位コントローラ）との間で行われる信号伝達の頻度を減らすことができるので、操作量出力上限値ＯＨｉを設定した後に制御手段とそれ以外の手段との信号伝達に異常が発生しても、各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉが変更後の設定値ＳＰｉに達する時間がほぼ同じになるように予定どおりの制御動作を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係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係る制御装置の昇温時間推定部の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る制御装置の動作を説明するフローチャートである。
【図４】従来の制御装置の動作例および本発明の実施の形態に係る制御装置の動作例を示す図である。
【図５】複数の制御ループを備えた加熱装置の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［発明の原理］
代表的な昇温能力（例えば最大出力時の昇温レート）を予め記憶しておき、任意の出力上限値（操作量ＭＶ出力上限値）に絞ったときの昇温レートを推定し、昇温完了までの推定時間が各制御ループでほぼ同じになるような出力上限値を求める。これにより、各制御ループの昇温完了時間が概ね等しくなり、最も効率的な立ち上げ方に近づけることができる。
【００１５】
この制御方法では、出力上限値を昇温開始時点において１回決定した後は、昇温途中で出力上限値を更新する必要は原則的にない。したがって、仮にＰＩＤ制御演算手段（例えば調節計）と出力上限演算手段（例えば上位コントローラ）との信号伝達に異常が発生しても、予定されていた制御動作を継続できるようになる。ただし、何らかの出力上限微修正操作などを必要に応じて行なえる信号伝達状態にあるならば、適宜行なってもよい。
【００１６】
小型の調節計では、アルゴリズムの記憶容量や１制御周期当りの演算量も限られている。したがって、各制御ループにおける最大出力時の昇温時間をまず算出し、算出した各制御ループの昇温時間から最大のものを抽出し、その昇温時間近傍を所要時間とした場合に各制御ループの出力上限を低くする程度を求めるという演算手順が好ましい。
なお、以上の原理は昇温制御に限らず、降温制御についても同様に成り立つ。
【００１７】
［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。
本実施の形態の制御装置は、複数の制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ、ｎは２以上の整数）の設定値ＳＰｉが同時に変更されたとき、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な昇温時間ＴＬを推定する昇温時間推定部１と、各制御ループＬｉに共通の昇温時間ＴＬで制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な操作量出力ＭＵｉを制御ループＬｉ毎に推定する必要出力推定部２と、操作量出力ＭＵｉを各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉとして一時的に設定する出力上限設定部３と、制御量変化の経過を判断して、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉに復帰させる出力上限復帰部４と、制御ループＬｉ毎に設けられた制御部５−ｉとから構成される。
【００１８】
制御部５−ｉは、設定値ＳＰｉ入力部６−ｉと、制御量ＰＶｉ入力部７−ｉと、ＰＩＤ制御演算部８−ｉと、出力上限処理部９−ｉと、操作量ＭＶｉ出力部１０−ｉとから構成される。なお、本実施の形態では、制御装置を図５に示した加熱装置に適用するものとして説明する。この場合、図５に示した調節計１０１−ｉが制御部５−ｉとなる。
【００１９】
図２は制御量変化時間推定手段となる昇温時間推定部１の構成を示すブロック図である。昇温時間推定部１は、制御量ＰＶｉ変更量ΔＰＶｉ算出部１１と、制御量ＰＶｉ変化レートＴＨｉ算出部１２と、時間算出手段となる昇温時間ＴＬｉ推定部１３と、最大値選出部１４とから構成される。
【００２０】
以下、制御装置の動作について説明する。図３は制御装置の動作を説明するフローチャートである。
各制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）の設定値ＳＰｉは、加熱装置のオペレータによって設定され、設定値ＳＰｉ入力部６−ｉを介してＰＩＤ制御演算部８−ｉに入力される（図３ステップＳ１００）。また、設定値ＳＰｉは、設定値ＳＰｉ入力部６−ｉを介して昇温時間推定部１に入力される。
【００２１】
各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉ（温度）は、制御ループＬｉ毎に設けられた温度センサ（図５の例では温度センサ１０２−ｉ）によって測定され、制御量ＰＶｉ入力部７−ｉを介してＰＩＤ制御演算部８−ｉに入力される（ステップＳ１０１）。また、制御量ＰＶｉは、制御量ＰＶｉ入力部７−ｉを介して昇温時間推定部１に入力される。
【００２２】
次に、昇温時間推定部１は、各制御部５−ｉから取得した設定値ＳＰｉが同時に同方向（ここでは昇温方向）に変更されたとき（ステップＳ１０２においてＹＥＳ）、各制御部５−ｉの操作量出力上限値ＯＨｉをオペレータが予め設定した規定出力上限値ＭＯｉ（例えば１００％）にしたときに制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な昇温時間ＴＬを推定する。具体的には、昇温時間推定部１は、設定値ＳＰｉ変更前の操作量ＭＶｉを取得し、操作量ＭＶｉを操作量出力上限値ＯＨｉ＝ＭＯｉにした場合の制御ループＬｉ毎の昇温時間ＴＬｉを求め、その最大値を各制御ループＬｉに共通の昇温時間ＴＬとする。
【００２３】
まず、昇温時間推定部１内の制御量ＰＶｉ変更量ΔＰＶｉ算出部１１は、各制御部５−ｉから取得した設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉとに基づいて、設定値ＳＰｉの変更に伴う制御量ＰＶｉの変更量ΔＰＶｉを制御ループＬｉ毎に次式のように算出する（ステップＳ１０３）。
ΔＰＶｉ＝ＳＰｉ−ＰＶｉ ・・・（１）
【００２４】
昇温時間推定部１内の制御量ＰＶｉ変化レートＴＨｉ算出部１２は、各制御部５−ｉから現在の操作量ＭＶｉ（設定値ＳＰｉ変更前の操作量ＭＶｉ）を取得し、この操作量ＭＶｉの状態から最大出力ＭＶｉ＝ＭＯｉ＝１００．０％にしたときの制御量ＰＶｉの変化レートＴＨｉを制御ループＬｉ毎に次式のように算出する（ステップＳ１０４）。すなわち、制御量ＰＶｉ変化レートＴＨｉ算出部１２は、制御部５−ｉから取得した操作量ＭＶｉを式（２）に代入して制御量ＰＶｉの変化レートＴＨｉを算出する。
ＴＨｉ＝ＴＨｏｉ｛ΔＭｉ／（ＭＯｉ−ＭＶｉ）｝
＝ＴＨｏｉ｛１００．０／（１００．０−ＭＶｉ）｝ ・・・（２）
【００２５】
ＴＨｏｉは、操作量ＭＶｉ＝０．０％の状態から最大出力ＭＶｉ＝１００．０％にしたとき（すなわち操作量上昇幅ΔＭｉが１００．０％のとき）の制御量ＰＶｉの既知の変化レートである。ここでは、加熱装置を対象としているので、ＴＨｉ，ＴＨｏｉは共に昇温レート［ｓｅｃ．／℃］である。式（２）は、ＴＨｏｉを操作量上昇幅（ＭＯｉ−ＭＶｉ）＝（１００．０−ＭＶｉ）で換算する数式である。なお、設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉとに応じた制御はステップＳ１０４よりも後ろのステップで行われるので、制御量ＰＶｉ変化レートＴＨｉ算出部１２が各制御部５−ｉから操作量ＭＶｉをステップＳ１０４の時点で取得すれば、この操作量ＭＶｉは設定値変更前の操作量となる。
【００２６】
次に、昇温時間ＴＬｉ推定部１３は、制御量ＰＶｉの変化レートＴＨｉと変更量ΔＰＶｉとに基づいて、現在の操作量ＭＶｉの状態から最大出力ＭＶｉ＝１００．０％にしたときに制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な昇温時間ＴＬｉを制御ループＬｉ毎に次式のように算出する（ステップＳ１０５）。
ＴＬｉ＝ＴＨｉΔＰＶｉ ・・・（３）
【００２７】
最後に、最大値選出部１４は、制御ループＬｉ毎の昇温時間ＴＬｉのうち、その最大値を各制御ループＬｉに共通の昇温時間ＴＬとして選出する（ステップＳ１０６）。
ＴＬ＝ｍａｘ（ＴＬｉ） ・・・（４）
式（４）のｍａｘ（）が最大値を選出する関数を意味していることは言うまでもない。これで、昇温時間推定部１の処理が終了する。
【００２８】
次に、必要出力推定部２は、既知の変化レートＴＨｏｉと昇温時間ＴＬと制御量ＰＶｉの変更量ΔＰＶｉと現在の操作量ＭＶｉとに基づいて、各制御ループＬｉに共通の昇温時間ＴＬで制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な操作量出力ＭＵｉを制御ループＬｉ毎に次式のように算出する（ステップＳ１０７）。
ＭＵｉ＝｛ΔＭｉＴＨｏｉ／（ＴＬ／ΔＰＶｉ）｝＋ＭＶｉ
＝｛１００．０ＴＨｏｉ／（ＴＬ／ΔＰＶｉ）｝＋ＭＶｉ ・・・（５）
式（５）は、式（２）において、分母のＭＯｉ＝１００．０をＭＵｉに置換し、ＴＨｉ＝ＴＬ／ΔＰＶｉに置換し、ＭＵｉについて解くことにより得られる数式である。
【００２９】
出力上限設定部３は、オペレータが予め設定した現在の操作量出力上限値ＯＨｉ＝ＭＯｉを出力上限復帰部４に記憶させた上で、必要出力推定部２が算出した操作量出力ＭＵｉを各制御部５−ｉの操作量出力上限値ＯＨｉとして制御ループＬｉ毎に設定する（ステップＳ１０８）。なお、ステップＳ１０３〜Ｓ１０８の処理は、設定値ＳＰｉが変更されたときに１回だけ行えばよい。
【００３０】
次に、制御部５−ｉのＰＩＤ制御演算部８−ｉは、設定値ＳＰｉ入力部６−ｉから入力された設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉ入力部７−ｉから入力された制御量ＰＶｉに基づいて、周知のＰＩＤ制御演算により操作量ＭＶｉを算出する（ステップＳ１０９）。
【００３１】
出力上限処理部９−ｉは、以下の式のような操作量ＭＶｉの上限処理を行う（ステップＳ１１０）。
ＩＦ ＭＶｉ＞ＯＨｉ ＴＨＥＮ ＭＶｉ＝ＯＨｉ ・・・（６）
すなわち、出力上限処理部９−ｉは、操作量ＭＶｉが操作量出力上限値ＯＨｉより大きい場合、操作量ＭＶｉ＝ＯＨｉとする上限処理を行う。
【００３２】
操作量ＭＶｉ出力部１０−ｉは、出力上限処理部９−ｉによって上限処理された操作量ＭＶｉを制御対象（実際の出力先は図５の例ではヒータ１０３−ｉ）に出力する（ステップＳ１１１）。制御部５−ｉは制御ループＬｉに対応して設けられているので、ステップＳ１００，Ｓ１０１，Ｓ１０９〜Ｓ１１１の処理は制御部５−ｉ毎に実施されることになる。
【００３３】
次に、出力上限復帰部４は、昇温開始時点（設定値ＳＰｉが変更され操作量出力上限値ＯＨｉがＭＯｉからＭＵｉに設定変更された時点）から、昇温時間ＴＬのＡ倍（例えばＡ＝１．５）の時間が経過したときに（ステップＳ１１２においてＹＥＳ）、オペレータが予め設定した規定出力上限値ＭＯｉを各制御部５−ｉの操作量出力上限値ＯＨｉとして制御ループＬｉ毎に設定する（ステップＳ１１３）。なお、操作量出力上限値ＯＨｉの規定出力上限値ＭＯｉへの復帰までの目安とされる経過時間については、昇温時間ＴＬに基づくものに限られず、予めオペレータが設定した固定時間が経過したときに操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉに復帰させるようにしてもよい。
【００３４】
制御装置は、以上のようなステップＳ１００〜Ｓ１１３の処理を例えばオペレータの指示によって制御が終了するまで（ステップＳ１１４においてＹＥＳ）、一定時間毎に行う。
【００３５】
図４（Ａ）は、図５に示した３ゾーンの加熱制御系を従来技術で制御した昇温結果を示している。ここでは、制御ゾーンＺ１の温度ＰＶ１を制御する制御ループＬ１の調節計１０１−１に設定される操作量出力上限値をＯＨ１＝ＭＯ１＝１００％、制御ゾーンＺ２の温度ＰＶ２を制御する制御ループＬ２の調節計１０１−２に設定される操作量出力上限値をＯＨ２＝ＭＯ２＝１００％、制御ゾーンＺ３の温度ＰＶ３を制御する制御ループＬ３の調節計１０１−３に設定される操作量出力上限値をＯＨ３＝ＭＯ３＝１００％としている。
【００３６】
この例では、一般に、オーバーシュートの少ない綺麗な昇温が難しいと認識されている低温領域での昇温を行っている。図４（Ａ）によると、制御ループＬ２の温度ＰＶ２が制御ループＬ３からの熱干渉の影響もあって大きくオーバーシュートすることが分かる。一方、制御ループＬ１の温度ＰＶ１は、制御ループＬ２のオーバーシュート傾向に伴うＰＩＤ制御によるヒータ１０３−２の出力低下の影響を受けて、昇温終盤で昇温ペースが低下する。
【００３７】
図４（Ｂ）は、図５に示した３ゾーン（ｎ＝３）の加熱制御系を本実施の形態の制御装置で制御した昇温結果を示している。ここでは、規定出力上限値をＭＯ１＝ＭＯ２＝ＭＯ３＝１００％とし、昇温開始時に制御ループＬ１の制御部５−１（調節計１０１−１）に設定される操作量出力上限値をＯＨ１＝ＭＵ１＝１００％、昇温開始時に制御ループＬ２の制御部５−２（調節計１０１−２）に設定される操作量出力上限値をＯＨ２＝ＭＵ２＝７２％、昇温開始時に制御ループＬ３の制御部５−３（調節計１０１−３）に設定される操作量出力上限値をＯＨ３＝ＭＵ３＝９５％としている。
【００３８】
図４（Ｂ）によると、昇温完了までの推定時間が各制御ループでほぼ同じになるような出力上限値ＭＵ１，ＭＵ２，ＭＵ３で制御されていることが分かる。昇温ペースを揃えることにより、制御ループＬ２の温度ＰＶ２のオーバーシュート傾向が抑制される。さらに、このオーバーシュート傾向の抑制により制御ループＬ２の制御が安定するので、制御ループＬ１の温度ＰＶ１の昇温ペースも安定する。
【００３９】
以上のように、本実施の形態では、制御部５−ｉ（例えば調節計）とそれ以外の装置（例えば上位コントローラ）との間で行われる信号伝達の頻度を減らすことができるので、昇温開始時に操作量出力上限値ＯＨｉを設定した後に制御部５−ｉとそれ以外の装置との信号伝達に異常が発生しても、各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉが変更後の設定値ＳＰｉに達する時間がほぼ同じになるように予定どおりの制御動作を継続することができる。
【００４０】
また、本実施の形態では、操作量ＭＶｉ自体を直接的に変化させるのではなく、操作量出力上限値ＯＨｉを一定時間だけ別な固定値に変化させるだけなので、操作量ＭＶｉには無意味な上下動は発生しない。したがって、ＰＩＤ制御演算への悪影響も発生せず、不自然さのない制御応答波形が得られる。
なお、本実施の形態では、昇温制御の場合を例に挙げて説明しているが、これに限るものではなく、本発明は例えば降温制御や圧力制御にも適用することができる。
【００４１】
本実施の形態の制御装置は、制御部５−ｉとそれ以外の装置（昇温時間推定部１、必要出力推定部２、出力上限設定部３および出力上限復帰部４）の２つの装置に分かれるが、各々の装置は、ＣＰＵ、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。各々の装置のＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、マルチループ制御系において、設定値変更時に各制御ループの制御量が変更後の設定値に達する時間がほぼ同じになるように制御する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１…昇温時間推定部、２…必要出力推定部、３…出力上限設定部、４…出力上限復帰部、５−ｉ…制御部、６−ｉ…設定値ＳＰｉ入力部、７−ｉ…制御量ＰＶｉ入力部、８−ｉ…ＰＩＤ制御演算部、９−ｉ…出力上限処理部、１０−ｉ…操作量ＭＶｉ出力部、１１…制御量ＰＶｉ変更量ΔＰＶｉ算出部、１２…制御量ＰＶｉ変化レートＴＨｉ算出部、１３…昇温時間ＴＬｉ推定部、１４…最大値選出部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の制御ループを備えたマルチループ制御系の制御装置および制御方法に係り、特に設定値変更時に各制御ループの制御量が変更後の設定値に達する時間がほぼ同じになるように制御する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、複数の制御ループを備えた加熱装置の１例として、図５に示すような酸化拡散炉が知られている。酸化拡散炉１００内の石英管１０４の内部には、シリコンウェハ１０５が搬入される。温度センサ１０２−１〜１０２−３は、それぞれヒータ１０３−１〜１０３−３によって加熱される制御ゾーンＺ１〜Ｚ３の温度ＰＶを測定する。調節計１０１−１〜１０１−３は、それぞれ温度センサ１０２−１〜１０２−３によって測定された温度ＰＶが温度設定値ＳＰと一致するように操作量ＭＶを算出してヒータ１０３−１〜１０３−３に出力する。こうして、酸化拡散炉１００内の石英管１０４内に導入される酸素とシリコンウェハ１０５とを加熱することにより、シリコンウェハ１０５の表面に酸化膜を形成する。この図５に示した加熱装置においては、各調節計１０１−１〜１０１−３がそれぞれ対応する制御ゾーンＺ１〜Ｚ３の温度ＰＶを制御する制御ループが３個形成されていることになる。
【０００３】
以上のような複数の制御ループを備えた加熱装置では、各制御ゾーンの昇温を同時に行なうと制御ループ間の温度干渉により、先行して温度上昇していた制御ループにオーバーシュートが発生し、制御の整定状態が得られるまでの時間が長くなり、装置稼働効率を損ねる。
【０００４】
そこで、逐次的に制御の状況把握を行ないながら、設定値ＳＰランプアップ的な動作（設定値ＳＰを少しずつ上昇させる動作）を行なう制御方法が提案されている（特許文献１参照）。この特許文献１に開示された制御方法では、昇温が最も遅い第１制御ループのステップ応答の進捗度を算出し、第１制御ループ以外の他の制御ループの温度が第１制御ループの温度に同期して自動的に変化するように、他の制御ループの設定値ＳＰをステップ応答の進捗度に基づいて補正している。
【０００５】
このような制御方法を実現する場合、各制御ループの操作量ＭＶを算出するＰＩＤ制御演算手段としては加熱装置に設けられた通常の調節計などをそのまま利用し、設定値ＳＰを補正するＳＰ演算手段として調節計以外の上位コントローラを利用することが多いと考えられる。したがって、加熱制御であれば昇温過程において継続的に、各ＰＩＤ制御演算手段からＳＰ演算手段へ制御量ＰＶを伝達する必要があり、またＳＰ演算手段から各ＰＩＤ制御演算手段へ設定値ＳＰを伝達する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３７９８６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示された制御方法の場合、昇温過程の途中でＰＩＤ制御演算手段（例えば調節計）とＳＰ演算手段（例えば上位コントローラ）との信号伝達機能に異常が発生したときには、やむを得ず通常の制御動作に戻すか、昇温自体を中断するかが必要になり、いずれにしろ予定されていた制御動作を継続できなくなるという問題点があった。
なお、以上のような問題点は、昇温制御に限らず、例えば降温制御や圧力制御においても同様に発生する。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、設定値変更時において、制御演算手段とそれ以外の手段との間で行われる信号伝達の頻度を減らしつつ、各制御ループの制御量が変更後の設定値に達する時間がほぼ同じになるように制御することができる制御方法および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】
【０００９】
本発明の制御装置は、複数の制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）の設定値ＳＰｉが同時に変更されたとき、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な制御量変化時間を推定する制御量変化時間推定手段と、各制御ループＬｉに共通の前記制御量変化時間で制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な操作量出力ＭＵｉを制御ループＬｉ毎に推定する必要出力推定手段と、前記操作量出力ＭＵｉを各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉとして一時的に設定する出力上限設定手段と、制御ループＬｉ毎に設けられ、設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉを入力として制御演算により操作量ＭＶｉを算出し、操作量ＭＶｉを前記操作量出力上限値ＯＨｉ以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量ＭＶｉを対応する制御ループＬｉの制御アクチュエータに出力する制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の制御装置の１構成例は、さらに、制御量変化の経過を判断して、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉに復帰させる出力上限復帰手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記制御量変化時間推定手段は、設定値ＳＰｉの変更に伴う制御量ＰＶｉの変更量ΔＰＶｉを制御ループＬｉ毎に算出する制御量変更量算出手段と、現在の操作量ＭＶｉの状態から操作量ＭＶｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときの制御量ＰＶｉの変化レートＴＨｉを制御ループＬｉ毎に算出する制御量変化レート算出手段と、前記変化レートＴＨｉと変更量ΔＰＶｉとに基づいて、現在の操作量ＭＶｉの状態から操作量ＭＶｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な制御量変化時間を制御ループＬｉ毎に算出する時間算出手段と、制御ループＬｉ毎の制御量変化時間のうち、その最大値を各制御ループＬｉに共通の制御量変化時間として選出する最大値選出手段とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例において、前記設定値ＳＰｉは温度設定値であり、前記制御量ＰＶｉは温度であり、前記設定値ＳＰｉの変更は前記制御量ＰＶｉを昇温方向に変化させるものであり、前記制御量変化時間は昇温時間である。
【００１１】
また、本発明の制御方法は、複数の制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）の設定値ＳＰｉが同時に変更されたとき、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な制御量変化時間を推定する制御量変化時間推定ステップと、各制御ループＬｉに共通の前記制御量変化時間で制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な操作量出力ＭＵｉを制御ループＬｉ毎に推定する必要出力推定ステップと、前記操作量出力ＭＵｉを各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉとして一時的に設定する出力上限設定ステップと、設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉを入力として制御演算により操作量ＭＶｉを算出し、操作量ＭＶｉを前記操作量出力上限値ＯＨｉ以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量ＭＶｉを対応する制御ループＬｉの制御アクチュエータに出力する制御ステップとを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、設定値ＳＰｉの変更時点において各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを１回設定した後は、設定値ＳＰｉの変更に伴う制御の途中で操作量出力上限値ＯＨｉを更新する必要は原則的にない。したがって、制御手段（例えば調節計）とそれ以外の手段（例えば上位コントローラ）との間で行われる信号伝達の頻度を減らすことができるので、操作量出力上限値ＯＨｉを設定した後に制御手段とそれ以外の手段との信号伝達に異常が発生しても、各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉが変更後の設定値ＳＰｉに達する時間がほぼ同じになるように予定どおりの制御動作を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係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係る制御装置の昇温時間推定部の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る制御装置の動作を説明するフローチャートである。
【図４】従来の制御装置の動作例および本発明の実施の形態に係る制御装置の動作例を示す図である。
【図５】複数の制御ループを備えた加熱装置の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［発明の原理］
代表的な昇温能力（例えば最大出力時の昇温レート）を予め記憶しておき、任意の出力上限値（操作量ＭＶ出力上限値）に絞ったときの昇温レートを推定し、昇温完了までの推定時間が各制御ループでほぼ同じになるような出力上限値を求める。これにより、各制御ループの昇温完了時間が概ね等しくなり、最も効率的な立ち上げ方に近づけることができる。
【００１５】
この制御方法では、出力上限値を昇温開始時点において１回決定した後は、昇温途中で出力上限値を更新する必要は原則的にない。したがって、仮にＰＩＤ制御演算手段（例えば調節計）と出力上限演算手段（例えば上位コントローラ）との信号伝達に異常が発生しても、予定されていた制御動作を継続できるようになる。ただし、何らかの出力上限微修正操作などを必要に応じて行なえる信号伝達状態にあるならば、適宜行なってもよい。
【００１６】
小型の調節計では、アルゴリズムの記憶容量や１制御周期当りの演算量も限られている。したがって、各制御ループにおける最大出力時の昇温時間をまず算出し、算出した各制御ループの昇温時間から最大のものを抽出し、その昇温時間近傍を所要時間とした場合に各制御ループの出力上限を低くする程度を求めるという演算手順が好ましい。
なお、以上の原理は昇温制御に限らず、降温制御についても同様に成り立つ。
【００１７】
［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。
本実施の形態の制御装置は、複数の制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ、ｎは２以上の整数）の設定値ＳＰｉが同時に変更されたとき、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な昇温時間ＴＬを推定する昇温時間推定部１と、各制御ループＬｉに共通の昇温時間ＴＬで制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な操作量出力ＭＵｉを制御ループＬｉ毎に推定する必要出力推定部２と、操作量出力ＭＵｉを各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉとして一時的に設定する出力上限設定部３と、制御量変化の経過を判断して、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉに復帰させる出力上限復帰部４と、制御ループＬｉ毎に設けられた制御部５−ｉとから構成される。
【００１８】
制御部５−ｉは、設定値ＳＰｉ入力部６−ｉと、制御量ＰＶｉ入力部７−ｉと、ＰＩＤ制御演算部８−ｉと、出力上限処理部９−ｉと、操作量ＭＶｉ出力部１０−ｉとから構成される。なお、本実施の形態では、制御装置を図５に示した加熱装置に適用するものとして説明する。この場合、図５に示した調節計１０１−ｉが制御部５−ｉとなる。
【００１９】
図２は制御量変化時間推定手段となる昇温時間推定部１の構成を示すブロック図である。昇温時間推定部１は、制御量ＰＶｉ変更量ΔＰＶｉ算出部１１と、制御量ＰＶｉ変化レートＴＨｉ算出部１２と、時間算出手段となる昇温時間ＴＬｉ推定部１３と、最大値選出部１４とから構成される。
【００２０】
以下、制御装置の動作について説明する。図３は制御装置の動作を説明するフローチャートである。
各制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）の設定値ＳＰｉは、加熱装置のオペレータによって設定され、設定値ＳＰｉ入力部６−ｉを介してＰＩＤ制御演算部８−ｉに入力される（図３ステップＳ１００）。また、設定値ＳＰｉは、設定値ＳＰｉ入力部６−ｉを介して昇温時間推定部１に入力される。
【００２１】
各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉ（温度）は、制御ループＬｉ毎に設けられた温度センサ（図５の例では温度センサ１０２−ｉ）によって測定され、制御量ＰＶｉ入力部７−ｉを介してＰＩＤ制御演算部８−ｉに入力される（ステップＳ１０１）。また、制御量ＰＶｉは、制御量ＰＶｉ入力部７−ｉを介して昇温時間推定部１に入力される。
【００２２】
次に、昇温時間推定部１は、各制御部５−ｉから取得した設定値ＳＰｉが同時に同方向（ここでは昇温方向）に変更されたとき（ステップＳ１０２においてＹＥＳ）、各制御部５−ｉの操作量出力上限値ＯＨｉをオペレータが予め設定した規定出力上限値ＭＯｉ（例えば１００％）にしたときに制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な昇温時間ＴＬを推定する。具体的には、昇温時間推定部１は、設定値ＳＰｉ変更前の操作量ＭＶｉを取得し、操作量ＭＶｉを操作量出力上限値ＯＨｉ＝ＭＯｉにした場合の制御ループＬｉ毎の昇温時間ＴＬｉを求め、その最大値を各制御ループＬｉに共通の昇温時間ＴＬとする。
【００２３】
まず、昇温時間推定部１内の制御量ＰＶｉ変更量ΔＰＶｉ算出部１１は、各制御部５−ｉから取得した設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉとに基づいて、設定値ＳＰｉの変更に伴う制御量ＰＶｉの変更量ΔＰＶｉを制御ループＬｉ毎に次式のように算出する（ステップＳ１０３）。
ΔＰＶｉ＝ＳＰｉ−ＰＶｉ ・・・（１）
【００２４】
昇温時間推定部１内の制御量ＰＶｉ変化レートＴＨｉ算出部１２は、各制御部５−ｉから現在の操作量ＭＶｉ（設定値ＳＰｉ変更前の操作量ＭＶｉ）を取得し、この操作量ＭＶｉの状態から最大出力ＭＶｉ＝ＭＯｉ＝１００．０％にしたときの制御量ＰＶｉの変化レートＴＨｉを制御ループＬｉ毎に次式のように算出する（ステップＳ１０４）。すなわち、制御量ＰＶｉ変化レートＴＨｉ算出部１２は、制御部５−ｉから取得した操作量ＭＶｉを式（２）に代入して制御量ＰＶｉの変化レートＴＨｉを算出する。
ＴＨｉ＝ＴＨｏｉ｛ΔＭｉ／（ＭＯｉ−ＭＶｉ）｝
＝ＴＨｏｉ｛１００．０／（１００．０−ＭＶｉ）｝ ・・・（２）
【００２５】
ＴＨｏｉは、操作量ＭＶｉ＝０．０％の状態から最大出力ＭＶｉ＝１００．０％にしたとき（すなわち操作量上昇幅ΔＭｉが１００．０％のとき）の制御量ＰＶｉの既知の変化レートである。ここでは、加熱装置を対象としているので、ＴＨｉ，ＴＨｏｉは共に昇温レート［ｓｅｃ．／℃］である。式（２）は、ＴＨｏｉを操作量上昇幅（ＭＯｉ−ＭＶｉ）＝（１００．０−ＭＶｉ）で換算する数式である。なお、設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉとに応じた制御はステップＳ１０４よりも後ろのステップで行われるので、制御量ＰＶｉ変化レートＴＨｉ算出部１２が各制御部５−ｉから操作量ＭＶｉをステップＳ１０４の時点で取得すれば、この操作量ＭＶｉは設定値変更前の操作量となる。
【００２６】
次に、昇温時間ＴＬｉ推定部１３は、制御量ＰＶｉの変化レートＴＨｉと変更量ΔＰＶｉとに基づいて、現在の操作量ＭＶｉの状態から最大出力ＭＶｉ＝１００．０％にしたときに制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な昇温時間ＴＬｉを制御ループＬｉ毎に次式のように算出する（ステップＳ１０５）。
ＴＬｉ＝ＴＨｉΔＰＶｉ ・・・（３）
【００２７】
最後に、最大値選出部１４は、制御ループＬｉ毎の昇温時間ＴＬｉのうち、その最大値を各制御ループＬｉに共通の昇温時間ＴＬとして選出する（ステップＳ１０６）。
ＴＬ＝ｍａｘ（ＴＬｉ） ・・・（４）
式（４）のｍａｘ（）が最大値を選出する関数を意味していることは言うまでもない。これで、昇温時間推定部１の処理が終了する。
【００２８】
次に、必要出力推定部２は、既知の変化レートＴＨｏｉと昇温時間ＴＬと制御量ＰＶｉの変更量ΔＰＶｉと現在の操作量ＭＶｉとに基づいて、各制御ループＬｉに共通の昇温時間ＴＬで制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な操作量出力ＭＵｉを制御ループＬｉ毎に次式のように算出する（ステップＳ１０７）。
ＭＵｉ＝｛ΔＭｉＴＨｏｉ／（ＴＬ／ΔＰＶｉ）｝＋ＭＶｉ
＝｛１００．０ＴＨｏｉ／（ＴＬ／ΔＰＶｉ）｝＋ＭＶｉ ・・・（５）
式（５）は、式（２）において、分母のＭＯｉ＝１００．０をＭＵｉに置換し、ＴＨｉ＝ＴＬ／ΔＰＶｉに置換し、ＭＵｉについて解くことにより得られる数式である。
【００２９】
出力上限設定部３は、オペレータが予め設定した現在の操作量出力上限値ＯＨｉ＝ＭＯｉを出力上限復帰部４に記憶させた上で、必要出力推定部２が算出した操作量出力ＭＵｉを各制御部５−ｉの操作量出力上限値ＯＨｉとして制御ループＬｉ毎に設定する（ステップＳ１０８）。なお、ステップＳ１０３〜Ｓ１０８の処理は、設定値ＳＰｉが変更されたときに１回だけ行えばよい。
【００３０】
次に、制御部５−ｉのＰＩＤ制御演算部８−ｉは、設定値ＳＰｉ入力部６−ｉから入力された設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉ入力部７−ｉから入力された制御量ＰＶｉに基づいて、周知のＰＩＤ制御演算により操作量ＭＶｉを算出する（ステップＳ１０９）。
【００３１】
出力上限処理部９−ｉは、以下の式のような操作量ＭＶｉの上限処理を行う（ステップＳ１１０）。
ＩＦ ＭＶｉ＞ＯＨｉ ＴＨＥＮ ＭＶｉ＝ＯＨｉ ・・・（６）
すなわち、出力上限処理部９−ｉは、操作量ＭＶｉが操作量出力上限値ＯＨｉより大きい場合、操作量ＭＶｉ＝ＯＨｉとする上限処理を行う。
【００３２】
操作量ＭＶｉ出力部１０−ｉは、出力上限処理部９−ｉによって上限処理された操作量ＭＶｉを制御対象（実際の出力先は図５の例ではヒータ１０３−ｉ）に出力する（ステップＳ１１１）。制御部５−ｉは制御ループＬｉに対応して設けられているので、ステップＳ１００，Ｓ１０１，Ｓ１０９〜Ｓ１１１の処理は制御部５−ｉ毎に実施されることになる。
【００３３】
次に、出力上限復帰部４は、昇温開始時点（設定値ＳＰｉが変更され操作量出力上限値ＯＨｉがＭＯｉからＭＵｉに設定変更された時点）から、昇温時間ＴＬのＡ倍（例えばＡ＝１．５）の時間が経過したときに（ステップＳ１１２においてＹＥＳ）、オペレータが予め設定した規定出力上限値ＭＯｉを各制御部５−ｉの操作量出力上限値ＯＨｉとして制御ループＬｉ毎に設定する（ステップＳ１１３）。なお、操作量出力上限値ＯＨｉの規定出力上限値ＭＯｉへの復帰までの目安とされる経過時間については、昇温時間ＴＬに基づくものに限られず、予めオペレータが設定した固定時間が経過したときに操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉに復帰させるようにしてもよい。
【００３４】
制御装置は、以上のようなステップＳ１００〜Ｓ１１３の処理を例えばオペレータの指示によって制御が終了するまで（ステップＳ１１４においてＹＥＳ）、一定時間毎に行う。
【００３５】
図４（Ａ）は、図５に示した３ゾーンの加熱制御系を従来技術で制御した昇温結果を示している。ここでは、制御ゾーンＺ１の温度ＰＶ１を制御する制御ループＬ１の調節計１０１−１に設定される操作量出力上限値をＯＨ１＝ＭＯ１＝１００％、制御ゾーンＺ２の温度ＰＶ２を制御する制御ループＬ２の調節計１０１−２に設定される操作量出力上限値をＯＨ２＝ＭＯ２＝１００％、制御ゾーンＺ３の温度ＰＶ３を制御する制御ループＬ３の調節計１０１−３に設定される操作量出力上限値をＯＨ３＝ＭＯ３＝１００％としている。
【００３６】
この例では、一般に、オーバーシュートの少ない綺麗な昇温が難しいと認識されている低温領域での昇温を行っている。図４（Ａ）によると、制御ループＬ２の温度ＰＶ２が制御ループＬ３からの熱干渉の影響もあって大きくオーバーシュートすることが分かる。一方、制御ループＬ１の温度ＰＶ１は、制御ループＬ２のオーバーシュート傾向に伴うＰＩＤ制御によるヒータ１０３−２の出力低下の影響を受けて、昇温終盤で昇温ペースが低下する。
【００３７】
図４（Ｂ）は、図５に示した３ゾーン（ｎ＝３）の加熱制御系を本実施の形態の制御装置で制御した昇温結果を示している。ここでは、規定出力上限値をＭＯ１＝ＭＯ２＝ＭＯ３＝１００％とし、昇温開始時に制御ループＬ１の制御部５−１（調節計１０１−１）に設定される操作量出力上限値をＯＨ１＝ＭＵ１＝１００％、昇温開始時に制御ループＬ２の制御部５−２（調節計１０１−２）に設定される操作量出力上限値をＯＨ２＝ＭＵ２＝７２％、昇温開始時に制御ループＬ３の制御部５−３（調節計１０１−３）に設定される操作量出力上限値をＯＨ３＝ＭＵ３＝９５％としている。
【００３８】
図４（Ｂ）によると、昇温完了までの推定時間が各制御ループでほぼ同じになるような出力上限値ＭＵ１，ＭＵ２，ＭＵ３で制御されていることが分かる。昇温ペースを揃えることにより、制御ループＬ２の温度ＰＶ２のオーバーシュート傾向が抑制される。さらに、このオーバーシュート傾向の抑制により制御ループＬ２の制御が安定するので、制御ループＬ１の温度ＰＶ１の昇温ペースも安定する。
【００３９】
以上のように、本実施の形態では、制御部５−ｉ（例えば調節計）とそれ以外の装置（例えば上位コントローラ）との間で行われる信号伝達の頻度を減らすことができるので、昇温開始時に操作量出力上限値ＯＨｉを設定した後に制御部５−ｉとそれ以外の装置との信号伝達に異常が発生しても、各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉが変更後の設定値ＳＰｉに達する時間がほぼ同じになるように予定どおりの制御動作を継続することができる。
【００４０】
また、本実施の形態では、操作量ＭＶｉ自体を直接的に変化させるのではなく、操作量出力上限値ＯＨｉを一定時間だけ別な固定値に変化させるだけなので、操作量ＭＶｉには無意味な上下動は発生しない。したがって、ＰＩＤ制御演算への悪影響も発生せず、不自然さのない制御応答波形が得られる。
なお、本実施の形態では、昇温制御の場合を例に挙げて説明しているが、これに限るものではなく、本発明は例えば降温制御や圧力制御にも適用することができる。
【００４１】
本実施の形態の制御装置は、制御部５−ｉとそれ以外の装置（昇温時間推定部１、必要出力推定部２、出力上限設定部３および出力上限復帰部４）の２つの装置に分かれるが、各々の装置は、ＣＰＵ、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。各々の装置のＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、マルチループ制御系において、設定値変更時に各制御ループの制御量が変更後の設定値に達する時間がほぼ同じになるように制御する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１…昇温時間推定部、２…必要出力推定部、３…出力上限設定部、４…出力上限復帰部、５−ｉ…制御部、６−ｉ…設定値ＳＰｉ入力部、７−ｉ…制御量ＰＶｉ入力部、８−ｉ…ＰＩＤ制御演算部、９−ｉ…出力上限処理部、１０−ｉ…操作量ＭＶｉ出力部、１１…制御量ＰＶｉ変更量ΔＰＶｉ算出部、１２…制御量ＰＶｉ変化レートＴＨｉ算出部、１３…昇温時間ＴＬｉ推定部、１４…最大値選出部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）の設定値ＳＰｉが同時に変更されたとき、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な制御量変化時間を推定する制御量変化時間推定手段と、
各制御ループＬｉに共通の前記制御量変化時間で制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な操作量出力ＭＵｉを制御ループＬｉ毎に推定する必要出力推定手段と、
前記操作量出力ＭＵｉを各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉとして一時的に設定する出力上限設定手段と、
制御ループＬｉ毎に設けられ、設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉを入力として制御演算により操作量ＭＶｉを算出し、操作量ＭＶｉを前記操作量出力上限値ＯＨｉ以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量ＭＶｉを対応する制御ループＬｉの制御アクチュエータに出力する制御手段とを備えることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の制御装置において、
さらに、制御量変化の経過を判断して、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉに復帰させる出力上限復帰手段を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の制御装置において、
前記制御量変化時間推定手段は、
設定値ＳＰｉの変更に伴う制御量ＰＶｉの変更量ΔＰＶｉを制御ループＬｉ毎に算出する制御量変更量算出手段と、
現在の操作量ＭＶｉの状態から操作量ＭＶｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときの制御量ＰＶｉの変化レートＴＨｉを制御ループＬｉ毎に算出する制御量変化レート算出手段と、
前記変化レートＴＨｉと変更量ΔＰＶｉとに基づいて、現在の操作量ＭＶｉの状態から操作量ＭＶｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な制御量変化時間を制御ループＬｉ毎に算出する時間算出手段と、
制御ループＬｉ毎の制御量変化時間のうち、その最大値を各制御ループＬｉに共通の制御量変化時間として選出する最大値選出手段とから構成されることを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御装置において、
前記設定値ＳＰｉは温度設定値であり、前記制御量ＰＶｉは温度であり、前記設定値ＳＰｉの変更は前記制御量ＰＶｉを昇温方向に変化させるものであり、前記制御量変化時間は昇温時間であることを特徴とする制御装置。
【請求項５】
複数の制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）の設定値ＳＰｉが同時に変更されたとき、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な制御量変化時間を推定する制御量変化時間推定ステップと、
各制御ループＬｉに共通の前記制御量変化時間で制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な操作量出力ＭＵｉを制御ループＬｉ毎に推定する必要出力推定ステップと、
前記操作量出力ＭＵｉを各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉとして一時的に設定する出力上限設定ステップと、
設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉを入力として制御演算により操作量ＭＶｉを算出し、操作量ＭＶｉを前記操作量出力上限値ＯＨｉ以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量ＭＶｉを対応する制御ループＬｉの制御アクチュエータに出力する制御ステップとを備えることを特徴とする制御方法。
【請求項６】
請求項５記載の制御方法において、
さらに、制御量変化の経過を判断して、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉに復帰させる出力上限復帰ステップを備えることを特徴とする制御方法。
【請求項７】
請求項５または６記載の制御方法において、
前記制御量変化時間推定ステップは、
設定値ＳＰｉの変更に伴う制御量ＰＶｉの変更量ΔＰＶｉを制御ループＬｉ毎に算出する制御量変更量算出ステップと、
現在の操作量ＭＶｉの状態から操作量ＭＶｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときの制御量ＰＶｉの変化レートＴＨｉを制御ループＬｉ毎に算出する制御量変化レート算出ステップと、
前記変化レートＴＨｉと変更量ΔＰＶｉとに基づいて、現在の操作量ＭＶｉの状態から操作量ＭＶｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な制御量変化時間を制御ループＬｉ毎に算出する時間算出ステップと、
制御ループＬｉ毎の制御量変化時間のうち、その最大値を各制御ループＬｉに共通の制御量変化時間として選出する最大値選出ステップとから構成されることを特徴とする制御方法。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の制御方法において、
前記設定値ＳＰｉは温度設定値であり、前記制御量ＰＶｉは温度であり、前記設定値ＳＰｉの変更は前記制御量ＰＶｉを昇温方向に変化させるものであり、前記制御量変化時間は昇温時間であることを特徴とする制御方法。
【請求項１】
複数の制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）の設定値ＳＰｉが同時に変更されたとき、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な制御量変化時間を推定する制御量変化時間推定手段と、
各制御ループＬｉに共通の前記制御量変化時間で制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な操作量出力ＭＵｉを制御ループＬｉ毎に推定する必要出力推定手段と、
前記操作量出力ＭＵｉを各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉとして一時的に設定する出力上限設定手段と、
制御ループＬｉ毎に設けられ、設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉを入力として制御演算により操作量ＭＶｉを算出し、操作量ＭＶｉを前記操作量出力上限値ＯＨｉ以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量ＭＶｉを対応する制御ループＬｉの制御アクチュエータに出力する制御手段とを備えることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の制御装置において、
さらに、制御量変化の経過を判断して、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉに復帰させる出力上限復帰手段を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の制御装置において、
前記制御量変化時間推定手段は、
設定値ＳＰｉの変更に伴う制御量ＰＶｉの変更量ΔＰＶｉを制御ループＬｉ毎に算出する制御量変更量算出手段と、
現在の操作量ＭＶｉの状態から操作量ＭＶｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときの制御量ＰＶｉの変化レートＴＨｉを制御ループＬｉ毎に算出する制御量変化レート算出手段と、
前記変化レートＴＨｉと変更量ΔＰＶｉとに基づいて、現在の操作量ＭＶｉの状態から操作量ＭＶｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な制御量変化時間を制御ループＬｉ毎に算出する時間算出手段と、
制御ループＬｉ毎の制御量変化時間のうち、その最大値を各制御ループＬｉに共通の制御量変化時間として選出する最大値選出手段とから構成されることを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御装置において、
前記設定値ＳＰｉは温度設定値であり、前記制御量ＰＶｉは温度であり、前記設定値ＳＰｉの変更は前記制御量ＰＶｉを昇温方向に変化させるものであり、前記制御量変化時間は昇温時間であることを特徴とする制御装置。
【請求項５】
複数の制御ループＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）の設定値ＳＰｉが同時に変更されたとき、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに各制御ループＬｉの制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な制御量変化時間を推定する制御量変化時間推定ステップと、
各制御ループＬｉに共通の前記制御量変化時間で制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な操作量出力ＭＵｉを制御ループＬｉ毎に推定する必要出力推定ステップと、
前記操作量出力ＭＵｉを各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉとして一時的に設定する出力上限設定ステップと、
設定値ＳＰｉと制御量ＰＶｉを入力として制御演算により操作量ＭＶｉを算出し、操作量ＭＶｉを前記操作量出力上限値ＯＨｉ以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量ＭＶｉを対応する制御ループＬｉの制御アクチュエータに出力する制御ステップとを備えることを特徴とする制御方法。
【請求項６】
請求項５記載の制御方法において、
さらに、制御量変化の経過を判断して、各制御ループＬｉの操作量出力上限値ＯＨｉを規定出力上限値ＭＯｉに復帰させる出力上限復帰ステップを備えることを特徴とする制御方法。
【請求項７】
請求項５または６記載の制御方法において、
前記制御量変化時間推定ステップは、
設定値ＳＰｉの変更に伴う制御量ＰＶｉの変更量ΔＰＶｉを制御ループＬｉ毎に算出する制御量変更量算出ステップと、
現在の操作量ＭＶｉの状態から操作量ＭＶｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときの制御量ＰＶｉの変化レートＴＨｉを制御ループＬｉ毎に算出する制御量変化レート算出ステップと、
前記変化レートＴＨｉと変更量ΔＰＶｉとに基づいて、現在の操作量ＭＶｉの状態から操作量ＭＶｉを規定出力上限値ＭＯｉにしたときに制御量ＰＶｉが設定値ＳＰｉまで達するのに必要な制御量変化時間を制御ループＬｉ毎に算出する時間算出ステップと、
制御ループＬｉ毎の制御量変化時間のうち、その最大値を各制御ループＬｉに共通の制御量変化時間として選出する最大値選出ステップとから構成されることを特徴とする制御方法。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の制御方法において、
前記設定値ＳＰｉは温度設定値であり、前記制御量ＰＶｉは温度であり、前記設定値ＳＰｉの変更は前記制御量ＰＶｉを昇温方向に変化させるものであり、前記制御量変化時間は昇温時間であることを特徴とする制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−２０３９７（Ｐ２０１３−２０３９７Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５２５０８（Ｐ２０１１−１５２５０８）
【出願日】平成２３年７月１１日（２０１１．７．１１）
【出願人】（０００００６６６６）アズビル株式会社 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１１日（２０１１．７．１１）
【出願人】（０００００６６６６）アズビル株式会社 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
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