特許 6241483 フィードバック制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6241483

(24)【登録日】2017年11月17日

(45)【発行日】2017年12月6日

(54)【発明の名称】フィードバック制御装置

(51)【国際特許分類】

   G05B 11/42 20060101AFI20171127BHJP

   G05B 11/36 20060101ALI20171127BHJP

   G01N 30/32 20060101ALI20171127BHJP

   G05D 16/20 20060101ALI20171127BHJP

【ＦＩ】

   G05B11/42 Z

   G05B11/36 N

   G01N30/32 A

   G05D16/20 C

【請求項の数】4

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2015-562702(P2015-562702)

(86)(22)【出願日】2014年12月11日

(86)【国際出願番号】JP2014082803

(87)【国際公開番号】WO2015122088

(87)【国際公開日】20150820

【審査請求日】2016年8月25日

(31)【優先権主張番号】特願2014-27870(P2014-27870)

(32)【優先日】2014年2月17日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100205981

【弁理士】

【氏名又は名称】野口 大輔

(72)【発明者】

【氏名】後藤 洋臣

(72)【発明者】

【氏名】井上 統宏

(72)【発明者】

【氏名】森 隆弘

【審査官】 田村 耕作

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５５−０８５９０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−３０９００５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−２０７２８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−１４８８５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第１９９７／０３９５２１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０５Ｂ １１／４２

Ｇ０１Ｎ ３０／３２

Ｇ０５Ｂ １１／３６

Ｇ０５Ｄ １６／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

制御対象に基づく出力値を検出する検出器と、
前記検出器の検出値と目標値を差動増幅回路のそれぞれの入力とし、前記差動増幅回路の出力にＰ制御成分Ｖ_Ｐを出力するアナログ回路からなるＰ制御回路と、
前記検出値と前記目標値との偏差をデジタル処理により積分することによりＩ制御成分Ｖ_Ｉを出力するＩ制御部と、
前記Ｐ制御回路からのＰ制御成分Ｖ_Ｐと前記Ｉ制御部からのＩ制御成分Ｖ_Ｉに基づいて駆動されて前記制御対象を制御する駆動素子と、を備え、
前記Ｉ制御成分Ｖ_Ｉが前記検出器の検出値とともに前記差動増幅回路の一方の入力端子に入力されるように前記Ｉ制御部と前記Ｐ制御回路が接続され、
前記差動増幅回路の出力端子が前記駆動素子に接続されている、フィードバック制御装置。

【請求項2】

前記Ｉ制御部は、前記検出値と前記目標値との偏差に対するしきい値Ｖ_{Ｐ_ｕｐｐｅｒ}を保持するしきい値保持部と、
前記偏差が前記しきい値保持部に保持されたしきい値Ｖ_{Ｐ_ｕｐｐｅｒ}を超えていれば出力のＩ制御成分Ｖ_Ｉをゼロにリセットし、前記偏差が前記しきい値保持部に保持されたしきい値Ｖ_{Ｐ_ｕｐｐｅｒ}以下のときに前記偏差の積分を継続する第１比較部と、
をさらに備えている請求項１に記載のフィードバック制御装置。

【請求項3】

前記Ｉ制御部は、Ｉ制御成分Ｖ_Ｉの上限値Ｖ_{Ｉ_ＭＡＸ}を保持する上限値保持部と、
Ｉ制御成分Ｖ_Ｉを前記上限値保持部に保持された上限値と比較してＩ制御成分Ｖ_Ｉ出力値が前記上限値を超えないように規制する第２比較部と、
をさらに備えている請求項１又は２に記載のフィードバック制御装置。

【請求項4】

前記制御対象は超臨界流体クロマトグラフ装置又は超臨界流体抽出装置の分析流路の検出器の下流に設けられた圧力制御装置の背圧調整弁であり、
前記検出器は前記分析流路において前記背圧調整弁の上流に設けられた圧力計であり、
前記駆動素子は前記背圧調整弁を制御するアクチュエータであり、
前記圧力計の検出値と目標値に基づいて前記背圧調整弁をＰＩ制御する請求項１から３のいずれか一項に記載のフィードバック制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は制御対象をＰＩ制御方式によりフィードバック制御する装置に関するものである。そのような制御対象は広範囲に及んでいる。例えば、分析装置の分野においては流路における圧力調整弁、圧力調整器、背圧調整器、背圧調整弁もしくはフローコントローラのような圧力や流量を調整する装置、又は製造装置の分野においては半導体製造装置、産業用ロボットもしくはＮＣ機械における可動体の位置決め装置等があるが、本発明が適用される制御対象はこれらに限定されるものではない。

【背景技術】

【0002】

制御対象の例として、超臨界流体クロマトグラフ装置（ＳＦＣ：Super-Critical Fluid Chromatography）又は超臨界流体抽出装置（ＳＦＥ：Super-Critical Fluid Extractor）に用いられる圧力制御装置をあげると、そこでは分析流路の検出器の下流に設けられた圧力制御装置の背圧調整弁の開度を、ピエゾ素子を駆動素子としてフィードバック制御し、通過する流体の圧力を制御している（特許文献１、２参照。）。

【0003】

制御対象のフィードバック制御方法の１つにＰＩ（Proportional Integral）制御方法がある。ＰＩ制御方法は比例成分（Ｐ）と積分成分（Ｉ）の組合せで制御対象をフィードバック制御するものである。

【0004】

ＰＩ制御方法を実装する方法として、電気回路によるアナログ方式と、ソフトウエアなどによりデジタル処理を行うデジタル方式（特許文献３、４参照。）がある。

【0005】

そのうち、アナログ方式は、制御対象によっては、後述するように制御回路が複雑で大規模なものとなり、また制御が不安定になるおそれがある。一方、デジタル方式はＡＤ変換、ＤＡ変換及びデジタル処理に時間がかかるため、制御対象によっては応答性を満たすことができないおそれがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平３−１７２６８８号公報

【特許文献2】米国特許出願公開ＵＳ２０１０−０１９９９８２Ａ１

【特許文献3】特許第２８４４１３７号公報

【特許文献4】特許第５３８２３９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は実装を容易にするとともに、応答性も満たすことのできるフィードバック制御装置を提供することを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明では、Ｐ制御をアナログ方式により電気回路で実行し、Ｉ制御をデジタル処理で実行する。すなわち、アナログＰ、デジタルＩ混合のＰＩ制御を行う。

【0009】

そのため、本発明のフィードバック制御装置は、制御対象に基づく出力値を検出する検出器と、前記検出器の検出値と目標値を差動増幅回路のそれぞれの入力とし、前記差動増幅回路の出力にＰ制御成分Ｖ_Pを出力するアナログ回路からなるＰ制御回路と、前記検出値と前記目標値との偏差をデジタル処理により積分することによりＩ制御成分Ｖ_Iを出力するＩ制御部と、前記Ｐ制御回路からのＰ制御成分Ｖ_Pと前記Ｉ制御部からのＩ制御成分Ｖ_Iに基づいて駆動されて前記制御対象を制御する駆動素子と、を備えている。

【発明の効果】

【0010】

Ｐ制御をＩ制御とは独立した電気回路で実行できるためフィードバック制御の安定度が高い。またＩ制御をデジタル処理により実行するため、複雑な処理を容易に実装可能となる。

【0011】

それに対し、ＰＩ制御すべてをデジタル処理で実行する特許文献３又は４の方式は、制御対象によっては応答性に問題が生じる。例えば、圧力制御の場合、Ｐ制御には１ミリ秒程度の応答性が要求されるため、ＡＤ（アナログ−デジタル）・ＤＡ（デジタル−アナログ）変換の時間、ソフトウエア又はファームウエアの速度制限の観点からそのような高速処理は困難である。そのため、Ｐ制御はアナログ回路で実行することが望ましい。一方、Ｉ制御は積分要素のために１０ミリ秒程度の応答速度で十分であり、また複雑な処理が得意であるデジタル処理で実行するのが適している。

【0012】

したがって、本発明は、アナログ方式とデジタル方式の両方の優れた特性を有効に活用した方式である。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】背圧調整器（ＢＰＲ）で行っている圧力制御の概念を示す概略図である。

【図2A】Ｐ制御のステップ応答の概念を示すグラフである。

【図2B】ＰＩ制御のステップ応答の概念を示すグラフである。

【図3】Ｐ制御を実行するための電気回路の一例を示す回路図である。

【図4】ＰＩ制御に必要な制御機能の例を示すブロック図である。

【図5】一実施形態を概略的に示すブロック図である。

【図6】超臨界流体クロマトグラフィー（ＳＦＣ）の装置構成を示す概略図である。

【図7】ＳＦＣシステムに用いる圧力調整弁の一例を示す断面図である。

【図8】ＰＩ制御の一実施形態を示す回路図である。

【図9】ＰＩ制御の他の実施形態を示す回路図である。

【図10】Ｉ制御部の一実施形態を示すブロック図である。

【図11】Ｉ制御部の一実施形態の処理の流れを示すブロック図である。

【図12】Ｉ制御部の一実施形態の処理の流れを示すフローチャートである。

【図13A】一実施例でのＰ制御の結果を示すグラフである。

【図13B】一実施例でのＰＩ制御の結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明において、回路構成をより簡略化するための好ましい形態は、Ｉ制御成分Ｖ_Iが前記検出器の検出値とともに前記差動増幅回路の一方の入力端子に入力されるようにＩ制御部とＰ制御回路が接続され、前記差動増幅回路の出力端子が前記駆動素子に接続されている構成である。

【0015】

好ましい一実施形態では、Ｉ制御部は、検出値と目標値との偏差に対するしきい値Ｖ_{P_upper}を保持するしきい値保持部と、前記偏差がしきい値保持部に保持されたしきい値Ｖ_{P_upper}を超えていれば出力のＩ制御成分Ｖ_Iをゼロにリセットし、前記偏差が前記しきい値保持部に保持されたしきい値Ｖ_{P_upper}以下のときに前記偏差の積分を継続する第１比較部と、をさらに備えている。

【0016】

好ましい他の実施形態では、Ｉ制御部は、Ｉ制御成分Ｖ_Iの絶対値|Ｖ_I|の上限値Ｖ_{I_MAX}を保持する上限値保持部と、Ｉ制御成分Ｖ_Iを上限値保持部に保持された上限値と比較してＩ制御成分Ｖ_I出力値の絶対値|Ｖ_I|が前記上限値を超えないように規制する第２比較部と、をさらに備えている。

【0017】

本発明のフィードバック制御装置が適用される対象は特に限定されるものではないが、一例として超臨界流体クロマトグラフ装置（ＳＦＣ）又は超臨界流体抽出装置（ＳＦＥ）を挙げることができる。そこでは、制御対象はＳＦＣ又はＳＦＥの分析流路の検出器の下流に設けられた圧力制御装置の背圧調整弁である。検出器は分析流路において背圧調整弁の上流に設けられた圧力計であり、駆動素子は背圧調整弁を制御するアクチュエータである。そして、その場合のフィードバック制御装置は、圧力計の検出値と目標値に基づいて背圧調整弁をＰＩ制御するものとなる。

【0018】

以下、実施例としてＳＦＣを取りあげて説明するが、それに限定されるものではない。

【0019】

ＳＦＣでは、超臨界流体を移動相として使用し、その移動相の気化を防ぐために分析流路を一定の高圧力状態に維持する。その圧力制御を行う圧力制御装置として、分析流路の検出器の下流に背圧調整器（ＢＰＲ； Back Pressure Regulator）が設けられる。背圧調整器では背圧調整弁をアクチュエータとしてのピエゾ素子又はソレノイドにより調節している。その背圧調整弁の上流側の直前に設けられた圧力計により検出した圧力が目標値としての設定値と等しくなるように、ピエゾ素子又はソレノイドへの印加電圧をフィードバック制御している。以下では、アクチュエータとしてピエゾ素子を用いた場合について説明する。

【0020】

図１を用いてＢＰＲで行っている圧力制御の概念について説明する。ＢＰＲ２では流路４に設置した弁６の開度（弁の開き具合で、具体的には開口面積）を制御し、通過する流体の圧力を制御する。制御装置１２は、ＢＰＲ２の上流の流路に設置している圧力計８からの圧力信号値をモニタ圧力Ｐ_monitorとし、モニタ圧力Ｐ_monitorが目標値である設定圧力Ｐ_setよりも低ければアクチュエータであるピエゾ素子１０により弁６を押し、流路断面積を小さくして圧力を高める。反対にモニタ圧力Ｐ_monitorが設定圧力Ｐ_setよりも高ければ、制御装置１２はピエゾ素子１０を引いて流路断面積を大きくすることによって圧力を下げる。

【0021】

ＢＰＲにおけるフィードバック制御による圧力制御方式にはＰＩ制御が採用されている。ＰＩ制御は、圧力のフィードバック制御に一般に用いられる方法である。ＰＩ制御の説明の前にＰ制御を説明し、続いてＰＩ制御を説明する。

【0022】

（Ｐ制御）
ピエゾ素子１０を実際に押し引きする動作量は設定圧力Ｐ_setとモニタリング圧力Ｐ_monitorの差の定数倍である。圧力計８から得られる電圧値をＶ_{P_mon}とし、設定圧力Ｐ_setに対応する電圧値をＶ_{P_set}、ゲインをＫ_Pとすると、ピエゾ素子１０に出力される電圧Ｖ_PZTは式（１）で表される。
Ｖ_PZT＝Ｋ_P（Ｖ_{P_set}−Ｖ_{P_mon}） （１）

【0023】

ここで、便宜的に圧力値［ＭＰａ］と電圧値［Ｖ］は数値が等しいと仮定し、設定圧力Ｐ_set＝２０.００ＭＰａ（Ｖ_{P_set}＝２０．００Ｖ）のときにゲインＫ_P＝１００のフィードバック制御でモニタリング圧力Ｐ_monitor＝１９.９６ＭＰａ（Ｖ_{P_mon}＝１９.９６Ｖ）が得られた場合を考える。このとき式（１）よりピエゾへの出力電圧は１００×（２０.００−１９.９６）＝４Ｖとなるが、もし４Ｖのピエゾ素子１０への出力で位置制御された弁６の開度がちょうど流体を１９.９６ＭＰａに保つ開度であった場合、式（１）によりＢＰＲ２は平衡状態となってしまい、圧力は目標の２０ＭＰａに収束しないこととなる。この残差０.０４ＭＰａを定常偏差（オフセット）と呼ぶが、定常偏差を解消するために用いられるのがＰＩ制御である。

【0024】

（ＰＩ制御）
ＰＩ制御は式（１）に積分項を加えたもので、式（２）で表される制御を行う。

式（２）の第二項の積分要素によって、左辺Ｖ_PZTと右辺第一項がつりあったとしても、右辺第二項はＶ_{P_set}とＶ_{P_mon}が等しい値となるまで増幅されるため、ピエゾ素子１０の押し量を増加又は減少させ続けることによって、圧力が目標値と一致するまで昇圧又は減圧させ続けることが可能となる。

【0025】

図２Ａと図２ＢにそれぞれＰ制御（図２Ａ）とＰＩ制御（図２Ｂ）のステップ応答の概念図を示す。時間ｔ＝０において、ある目標圧力値Ｐ_setを与えた場合、平衡状態になった圧力値Ｐ_eはＰ制御ではＰ_setに対してある定常偏差（offset）を持ち、ＰＩ制御ではＰ_setとＰ_eは一致する。

【0026】

図３に、Ｐ制御を実行するための電気回路の一例を示す。演算増幅回路（オペアンプ）１４を用いた差動増幅回路であり、Ｖ_{P_mon}とＶ_{P_set}の電圧差を抵抗比Ｒ_P／Ｒのゲイン（式（１）中のＫ_Pに相当する。）で増幅し、ピエゾ素子１０に電圧を出力する（PZT Driveと表示されている。）。

【0027】

Ｐ制御は定常偏差が発生するため、ＰＩ制御を行うが、ＰＩ制御回路は実際の圧力制御装置では複数の機能を必要とするため、回路が複雑になる。図４に、ＰＩ制御に必要な制御機能の例を示す。設定値Ｖ_{P_set}とモニタ値Ｖ_{P_mon}との大小を比較する比較回路（ｓ１）があり、Ｐ制御用にそれを増幅する比例増幅回路（ｓ２）、Ｉ制御用の積分回路（ｓ３）、そしてＰ制御成分とＩ制御成分を加算する回路（ｓ４）がまず必要となる。さらにはＳＦＣ又はＳＦＥにおける圧力制御中では、ポンプを停止した際や流路を切り替えた際にピエゾ素子１０の稼動範囲の最大限に電圧を出力しても圧力が設定値にならず、積分値が溜まりすぎる問題が発生する。そのため、積分値を適当な範囲に制限する回路（ｓ５）が必要となる。また圧力値が設定値と大きく乖離したことを判断（ｓ６）し、その場合は積分値を０にリセットする機能（ｓ７）も必要となる。図４に示した制御を電気回路でそのまま実装すれば、制御回路が複雑で大規模なものとなり、また圧力を安定制御するＰ制御に悪影響を及ぼしかねない。

【0028】

そこで、この実施形態では、Ｐ制御を図３に示したような電気回路で実行し、Ｉ制御はデジタル処理（ソフトウエア（Ｓ／Ｗ）、ファームウエア（Ｆ／Ｗ）又はＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ））で実行する、いわゆるアナログＰ、デジタルＩ混合のＰＩ制御を行う。

【0029】

ＦＰＧＡはデジタル回路の一種であるが、ロジックＬＳＩの集合体を使用する。ＦＰＧＡは、ソフトウエアを書くだけで全く同じ動作を示す電気回路(集積回路)を簡単に制作可能であり、実装容易性が非常に高い。ＦＰＧＡをアナログ信号系で使用するときは、入力側にＡＤ変換器が設けられ、出力側にＤＡ変換器が設けられる。仮にＩ制御を実行するＦＰＧＡが複雑な回路構成となったとしても、ＤＡ変換器を介してＰ制御用のアナログ回路と接続されるために、Ｐ制御の安定度には影響を及ぼさない。

【0030】

図５に、制御の概念図を示す。圧力計８からの電圧値Ｖ_{P_mon}をアナログ回路からなるＰ制御回路１６とデジタル処理によるＩ制御部１８に入力する。Ｐ制御回路１６は例えば図３に示した電気回路である。Ｐ制御回路１６は、電圧値Ｖ_{P_mon}と、設定圧力に相当する設定電圧値Ｖ_{P_set}とのＰ制御を実行してＰ制御成分Ｖ_Pを出力する。Ｉ制御部１８は、デジタル処理により、電圧値Ｖ_{P_mon}と設定電圧値Ｖ_{P_set}とのＩ制御を実行してＩ制御成分Ｖ_Iを出力する。Ｐ制御成分Ｖ_PとＩ制御成分Ｖ_Iが加算されて、アクチュエータのピエゾ素子１０を駆動する。

【0031】

ここで、本発明が適用される例として、ＢＰＲを使用する超臨界流体クロマトグラフィー（ＳＦＣ）の装置構成について図６を用いて説明する。ＳＦＣでは比較的低温度、低圧力で超臨界状態が得られるＣＯ₂を移動相として用い、また測定試料の溶解性を高めるためにモディファイヤー（主にはメタノール）を混入させる。そのため、ＣＯ₂ボンベ１０１から得られる液体ＣＯ₂をＣＯ₂ポンプ１０３にて送液し、同様にモディファイヤー１０２をモディファイヤーポンプ１０４で送液し、ミキサー１０５にて混合して移動相とする。オートサンプラー１０６によって試料を注入された移動相は、カラムオーブン１０７内に設置されたカラム１０８を通り、カラム１０８で試料成分が時間的に分離される。時間的に分離された試料成分はＵＶ検出器１０９によって検出さる。

【0032】

ＵＶ検出器１０９の検出値は分析される物質の密度によって大きく変化し、超臨界流体は密度の圧力依存性が大きい。そのため、ポンプ１０３，１０４以降の流路の圧力が圧力制御弁１１０（背圧調整器、ＢＰＲ）によって１０ＭＰａ程度以上の一定圧に保たれるように構成されているが、圧力調整弁の圧力安定精度がＵＶ検出器１０９の測定安定性に大きく寄与する。そのため設定圧力に対して±０.０１ＭＰａ程度の圧力制御精度が必要となる。特にＳＦＣではモディファイヤーの混入割合を時間的に変化させるグラジエント分析が一般に行われ、分析中に流体の組成が大きく変化するため圧力が変動する原因となる。

【0033】

次に、ＳＦＣシステムに用いるための、圧力調整弁について図７を用いてその一例を説明する。ＳＦＣに一般に用いられる内径０.１ｍｍのステンレス管２２がボディ２１の入口、出口にそれぞれを接続されている。ボディ２１内には内径０.３ｍｍの管流路３１が形成されており、管流路３１の両端がそれらのステンレス管２２に接続されている。ステンレス管２２はフェルール２３により中心が決められ、ネジ２４によってボディ２１に固定されている。

【0034】

ボディ２１には流路３１を切断する凹部が形成されている。その凹部の中央部の穴が流路３１を切断するように円錐形にくぼみ、その穴の壁面には管流路３１の切断された部分につながる横穴が開口している。その穴を上から覗くと、円錐形のくぼみの壁面に入口側と出口側のそれぞれ流路につながる開口が見える構造になっている。その穴に弾性体からなる円錐形の蓋２５が設けられている。蓋２５は、その周辺部がシール部材２６によりその穴の周辺部に押しつけており、その穴内に入った部分がその穴の壁面の開口を開閉する構造となっている。シールされた微小な流路３１を切断している円錐形の穴の壁面が弁座部３３となり、蓋２５が弁体となっている。

【0035】

蓋２５の背面（その穴からみて反対側の面）を押さえ棒２７を介してピエゾ素子２８で押し引きすることにより、弁座部３３の流路面積の大きさが制御され、入口管路の圧力を制御することが可能となる。

【0036】

ピエゾ素子２８は電圧を０Ｖから１００Ｖまで印加すると１０μｍ程度変位するピエゾアクチュエータである。弁体をさらに大きい範囲で変位させる粗動のために、弁体からみてピエゾ素子２８の後段にステッピングモータ２９が取り付けられている。

【0037】

ここでピエゾアクチュエータの制御について説明する。図３に示した回路図によるＰ制御では、制御後の平衡圧力が設定圧力と±０.１ＭＰａ程度のずれ（定常偏差）が生じる。しかもこの定常偏差の値はピエゾ素子の平衡電位に依存し、グラジエント分析の際に刻々と変化する流体の組成に対応して変化させるピエゾ電位に応答する形で、平衡圧力が変化してしまう。これを避けるため、フィードバック制御をＰＩ制御とすることが望ましい。

【0038】

しかしＢＰＲを適応するＳＦＣやＳＦＥでは、ＰＩ制御とした場合に、Ｉ制御に複雑な処理が求められる。例えば、ポンプを停止した際等に圧力値が設定値と大きく乖離した場合には積分値を０にリセットしたり、流路を切り替えた際に圧力がわずかに設定値に到達しない時間が長時間になると積分値が溜まりすぎるので、それを防止したり、又は、試料を分析流路に注入する際の瞬時の過渡的な圧力上昇は無視したりするといったことである。このような処理を電気回路で実装しようとすると、回路が複雑で大規模になり、またそのためにノイズが増加してＰ制御の性能にも影響を及ぼすため理想的な圧力安定性能が得られないという問題が生じる。

【0039】

そこで、好ましい一実施形態では、図８に示す電気回路により、ＰＩ制御を行う。圧力計からの電圧値Ｖ_{P_mon}と設定圧力に対応する電圧値Ｖ_{P_set}が等しくなるようオペアンプを用いた差動増幅回路１４によりフィードバック制御を行う。差動増幅回路１４の入力端子のうち、圧力計からの電圧値Ｖ_{P_mon}を入力する側の入力端子に、ソフトウエア又はファームウエアで計算したＩ制御信号Ｖ_Iを加算する。

【0040】

Ｉ制御信号Ｖ_Iを求めるためのソフトウエア又はファームウエアおける計算を式（３）に示す。

ここでＫ_Iは積分ゲインであり、制御系に合わせて適当に調整するが、Ｉ制御全体のゲインは図８に示した電気回路の増幅率も合わせてＫ_IＲ_P／Ｒ_Iで表される。

【0041】

Ｉ成分Ｖ_IとＰ成分Ｖ_Pの加算は、図８に示した回路に限定されず、一般的な加算回路を用いて図９のような構成でも実行できる。しかし、図９の回路では、Ｐ制御のための演算増幅器１４のほかに、Ｉ成分Ｖ_IとＰ成分Ｖ_Pの加算のための演算増幅器１４ａが必要となり、増幅段が１段増すことになるために安定度の観点からは増幅段の少ない図８の回路構成の方が好ましい。図８の回路はＰ制御の結果とＩ制御の結果の正確な加算処理にはなっておらず、数学的には（２）で表わされる演算を行っているわけではない。しかし、Ｖ_{P_set}とＶ_{P_mon}が等しくなるまでピエゾ電圧が増加又は減少を続けるという意味では同じ処理であり、結果的にＰＩ制御がなされる。

【0042】

図１０と図１１に、デジタル処理を機能として示す。デジタル処理部２０はＳＦＣ又はＳＦＥの専用コンピュータにより、又はＳＦＣ又はＳＦＥにデータ処理などの目的のために接続された汎用のコンピュータ、例えばパーソナルコンピュータにより実現される。

【0043】

デジタル処理では、まず圧力計８から得られるアナログ電圧（Ｖ_{P_Mon}）をＡＤ変換部２２によってデジタル値に変換する。ＡＤ変換部２２はデジタル処理部２０の外部に設けられたＡＤ変換器であってもよく、デジタル処理部２０内での機能として実現されるものであってもよい。デジタル処理部２０内での処理はデジタル値として処理される。

【0044】

得られた圧力値を平均化部２４により平均化処理する。平均化処理は圧力計８で発生するノイズや、ＡＤ変換の際に発生するノイズを除去するためのものである。平均化後の圧力値Ｖ_{P_Mon}を設定圧力値Ｖ_{P_set}と比較し、第１比較部２８においてその差分を計算する。圧力値Ｖ_{P_mon}も設定圧力値Ｖ_{P_set}も圧力値に相当する電圧値である。設定圧力値Ｖ_{P_set}は基準電圧発生回路など、一定電圧を発生する回路により発生することができ、デジタル処理部２０に外部から与えられる。設定圧力値Ｖ_{P_set}は第１比較部２８においてその差分を計算する際に、その都度与えられるようにしてもよく、又は図１０のように設定値保持部２６を設けて、そこに保持するようにしてもよい。

【0045】

差分を計算した結果、その差分値が大きく離れすぎている場合はこれまで溜めてきたＩ制御値Ｖ_Iを０にリセットする。この理由は、Ｉ制御は元来Ｐ制御の定常偏差をなくすためのものであり、Ｐ制御もできておらず圧力値が目標から大きく外れているときは積分しても意味がなく、またＰ制御範囲内に入った場合にＩ制御値Ｖ_Iの値が大きく溜まっていては適切なＩ制御値Ｖ_Iに収束するまでの不要な時間を要し不都合になるためである。差分値が適切な範囲内の値である場合には、積分部３４において積分を実行する。ここで言う積分とは、現在保有しているＶ_I値に差分値を加算することである。

【0046】

加算後のＩ制御値Ｖ_Iが妥当な範囲の数値であればそのままＤＡ変換部４０によりアナログ値に変換して電気回路に出力するが、Ｉ制御値Ｖ_Iが妥当な範囲外であれば、その範囲内に制限し、出力する。この制限を行うために、上限値保持部３６に上限値（Ｖ_{I_MAX}）を保持しておき、第２比較部３８において加算後のＩ制御値Ｖ_Iと上限値保持部３６に保持されている上限値（Ｖ_{I_MAX}）を比較する。

【0047】

この制限の理由は次の通りである。例えば、流路を切り替えた際等に、Ｐ_{_mon}がＰ_{_set}よりわずかに低い値（見かけ上Ｐ制御による定常偏差と区別が付かない値）であるが、切り替えた流路を流体が満たすことに時間を要し、なかなか圧力が上昇しない場合がある。その間に偏差を溜め続ける（Ｉ制御値Ｖ_Iを上昇し続ける）と、流路が満たされて圧力が上昇する際に溜まっているＩ制御値Ｖ_I分だけ余計に圧力が上昇し、（３）式の計算によってＩ制御値Ｖ_Iを小さくすることに時間がかかり、なかなか圧力が安定しないため、制限のための上限値を設けることが望ましい。

【0048】

図１２に、図１０、図１１の処理を手順としてフローチャートで示す。制御開始前、Ｉ制御値Ｖ_Iの初期値は０であり（ステップｓ１）、制御開始と共にＩ制御値Ｖ_Iを出力する（ステップｓ２）。次に圧力計８から得られた電圧値Ｖ_{P_mon}を平均化する（ステップｓ３）。平均化後のＶ_{P_mon}と目標となる設定圧力値Ｖ_{P_set}の差の絶対値がある閾値Ｖ_{P_upper}を越えていれば（ステップｓ４）、Ｉ制御値Ｖ_I＝０とし、積分値をリセットする。平均化後のＶ_{P_mon}と設定圧力値Ｖ_{P_set}の差の絶対値が±Ｖ_{P_upper}以内に収まっていれば、保持しているＩ制御値Ｖ_Iに、（Ｖ_{P_set}−Ｖ_{P_mon}）にゲインＫ_Iおよび処理時間ｄｔを掛けたものを加算する（ステップｓ５）。最後に積分結果（加算後）のＩ制御値Ｖ_Iの絶対値がある一定の値Ｖ_{I_MAX}を超える場合にはＩ制御値Ｖ_Iが正の値の場合にはＶ_I＝Ｖ_{I_MAX}、Ｉ制御値Ｖ_Iが負の値の場合にはＶ_I＝−Ｖ_{I_MAX}とし、Ｉ制御値Ｖ_Iの絶対値がＶ_{I_MAX}を超えない場合にはそのままＩ制御値Ｖ_Iの値を保持し（ステップｓ６）、ステップｓ２に戻ってＩ制御値Ｖ_Iの出力値を変更する。

【0049】

図１３Ｂに、図８、図１０〜図１２の実施例で圧力制御を行った実験結果を示す。比較のため図１３ＡにＰ制御のみの場合を示す。Ｐ制御とＰＩ制御のどちらの場合も１０.００ＭＰａを設定値とし、フィードバック制御を行った結果の圧力値（各図の上側のグラフ）とピエゾ電圧（各図の下側のグラフ）を示している。
ポンプによる送液開始の直後は状態が安定せず、Ｐ制御とＰＩ制御のいずれの場合も圧力を一定に保つためにピエゾ電圧が変化し、結果的に定常偏差の値が変化するため圧力がわずかに変化している。

【0050】

６分程度後の状態は、圧力が平衡になっている。図１３ＡのＰ制御のみの場合はその平衡となった圧力は１０.００ＭＰａと一致せず、０.０２ＭＰａ程度のオフセットが生じている。その後、流量を変化させると圧力がステップ状に変化している様子が確認できる。

【0051】

一方、本実施例によるアナログＰ、デジタルＩ混合のＰＩ制御では、図１３Ｂに示すように、送液開始後すぐに圧力が安定し、流量を変化させても１０.００ＭＰａの値を保持している。

【符号の説明】

【0052】

２ 制御対象としての背圧調整器（ＢＰＲ）
６ 弁
８ 検出器としての圧力計
１０ ピエゾ素子
１４ 演算増幅器
１６ Ｐ制御回路
１８ Ｉ制御部
２０ デジタル処理部
２８ 差分算出部
３０ しきい値保持部
３２ 第１比較部
３４ 積分部
３６ 上限値保持部
３８ 第２比較部

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13A】

【図13B】