特許 7473397 マスフローコントローラおよびハンチング抑制方法

(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】

(24)【登録日】2024-04-15

(45)【発行日】2024-04-23

(54)【発明の名称】マスフローコントローラおよびハンチング抑制方法

(51)【国際特許分類】

   G05D 7/06 20060101AFI20240416BHJP

   G01F 1/00 20220101ALI20240416BHJP

【ＦＩ】

G05D7/06 Z

G01F1/00 X

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020091203

(22)【出願日】2020-05-26

(65)【公開番号】P2021189514

(43)【公開日】2021-12-13

【審査請求日】2023-03-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(72)【発明者】

【氏名】柳川 雄成

(72)【発明者】

【氏名】長谷部 亘

【審査官】松本 泰典

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１５８７５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－９０４０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平９－２１７８９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４７２１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／００５７８１６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｄ ７／０６

Ｇ０１Ｆ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流路を流れる流体の流量を計測するように構成されたフローセンサと、
前記流体の流量を制御するためのバルブと、
流量設定値と前記フローセンサによって得られた流量計測値とを入力として操作量を制御周期毎に算出するように構成されたＰＩＤ制御部と、
前記操作量に応じた駆動電流を前記バルブに出力するように構成されたバルブ駆動回路と、
前記流量設定値毎にＰＩＤ定数を記憶するように構成された記憶部と、
前記流量設定値が変更されたときに、変更後の流量設定値に対応するＰＩＤ定数を前記記憶部から取得して前記ＰＩＤ制御部に設定するように構成されたＰＩＤ定数設定部と、
前記流量計測値にハンチングが発生しているかどうかを判定するように構成されたハンチング検出部と、
前記ハンチング検出部によって流量計測値のハンチングが検出されたときに、前記ＰＩＤ制御部に設定されているＰＩＤ定数を変更し、前記記憶部に記憶されているＰＩＤ定数のうち、現在の流量設定値に対応するＰＩＤ定数を前記ＰＩＤ制御部に設定した変更後の値に更新するＰＩＤ定数変更部とを備え、
前記ＰＩＤ定数変更部は、前記ハンチング検出部によって流量計測値のハンチングが検出されたときに、前記ＰＩＤ制御部に設定されているＰＩＤ定数のうちの比例係数を所定の変更量だけ大きくするものであり、
マスフローコントローラの上流側の圧力と下流側の圧力との差圧と、前記流体の流量との関係が、ある差圧で流量にピークが生じるような特性を有することを特徴とするマスフローコントローラ。

【請求項2】

流路を流れる流体の流量を計測するように構成されたフローセンサと、
前記流体の流量を制御するためのバルブと、
流量設定値と前記フローセンサによって得られた流量計測値とを入力として操作量を制御周期毎に算出するように構成されたＰＩＤ制御部と、
前記操作量に応じた駆動電流を前記バルブに出力するように構成されたバルブ駆動回路と、
前記流量設定値毎にＰＩＤ定数を記憶するように構成された記憶部と、
前記流量設定値が変更されたときに、変更後の流量設定値に対応するＰＩＤ定数を前記記憶部から取得して前記ＰＩＤ制御部に設定するように構成されたＰＩＤ定数設定部と、
前記流量計測値にハンチングが発生しているかどうかを判定するように構成されたハンチング検出部と、
前記ハンチング検出部によって流量計測値のハンチングが検出されたときに、前記ＰＩＤ制御部に設定されているＰＩＤ定数を変更し、前記記憶部に記憶されているＰＩＤ定数のうち、現在の流量設定値に対応するＰＩＤ定数を前記ＰＩＤ制御部に設定した変更後の値に更新するＰＩＤ定数変更部とを備え、
前記ＰＩＤ定数変更部は、前記ハンチング検出部によって流量計測値のハンチングが検出されたときに、前記ＰＩＤ制御部に設定されているＰＩＤ定数のうちの積分時間を所定の変更量だけ小さくするものであり、
マスフローコントローラの上流側の圧力と下流側の圧力との差圧と、前記流体の流量との関係が、ある差圧で流量にピークが生じるような特性を有することを特徴とするマスフローコントローラ。

【請求項3】

請求項１または２記載のマスフローコントローラにおいて、
前記記憶部は、前記流量設定値の分割された範囲毎にＰＩＤ定数を記憶し、
前記ＰＩＤ定数設定部は、前記流量設定値が変更されたときに、変更後の流量設定値を含む範囲に対応するＰＩＤ定数を前記記憶部から取得して前記ＰＩＤ制御部に設定し、
前記ＰＩＤ定数変更部は、前記記憶部に記憶されているＰＩＤ定数のうち、現在の流量設定値を含む範囲に対応するＰＩＤ定数を、前記ＰＩＤ制御部に設定した変更後の値に更新することを特徴とするマスフローコントローラ。

【請求項4】

ＰＩＤ定数を記憶している記憶部と、操作量を算出するＰＩＤ制御部と、制御対象の流体の流量を制御するためのバルブを駆動するバルブ駆動回路とを備えたマスフローコントローラを用いる流量制御系におけるハンチング抑制方法であって、
流量設定値が変更されたときに、流量設定値毎にＰＩＤ定数を記憶している前記記憶部を参照し、変更後の流量設定値に対応するＰＩＤ定数を前記記憶部から取得して前記ＰＩＤ制御部に設定する第１のステップと、
前記流量設定値と制御対象の流体の流量計測値とを入力として前記ＰＩＤ制御部が操作量を制御周期毎に算出する第２のステップと、
前記バルブ駆動回路に前記操作量を出力する第３のステップと、
前記流量計測値にハンチングが発生しているかどうかを判定する第４のステップと、
前記流量計測値のハンチングが検出されたときに、前記ＰＩＤ制御部に設定されているＰＩＤ定数を変更し、前記記憶部に記憶されているＰＩＤ定数のうち、現在の流量設定値に対応するＰＩＤ定数を前記ＰＩＤ制御部に設定した変更後の値に更新する第５のステップとを含み、
前記第５のステップは、前記流量計測値のハンチングが検出されたときに、前記ＰＩＤ制御部に設定されているＰＩＤ定数のうちの比例係数を所定の変更量だけ大きくするステップを含み、
前記マスフローコントローラの上流側の圧力と下流側の圧力との差圧と、前記流体の流量との関係が、ある差圧で流量にピークが生じるような特性を有する前記マスフローコントローラを用いることを特徴とするハンチング抑制方法。

【請求項5】

ＰＩＤ定数を記憶している記憶部と、操作量を算出するＰＩＤ制御部と、制御対象の流体の流量を制御するためのバルブを駆動するバルブ駆動回路とを備えたマスフローコントローラを用いる流量制御系におけるハンチング抑制方法であって、
流量設定値が変更されたときに、流量設定値毎にＰＩＤ定数を記憶している前記記憶部を参照し、変更後の流量設定値に対応するＰＩＤ定数を前記記憶部から取得して前記ＰＩＤ制御部に設定する第１のステップと、
前記流量設定値と制御対象の流体の流量計測値とを入力として前記ＰＩＤ制御部が操作量を制御周期毎に算出する第２のステップと、
前記バルブ駆動回路に前記操作量を出力する第３のステップと、
前記流量計測値にハンチングが発生しているかどうかを判定する第４のステップと、
前記流量計測値のハンチングが検出されたときに、前記ＰＩＤ制御部に設定されているＰＩＤ定数を変更し、前記記憶部に記憶されているＰＩＤ定数のうち、現在の流量設定値に対応するＰＩＤ定数を前記ＰＩＤ制御部に設定した変更後の値に更新する第５のステップとを含み、
前記第５のステップは、前記流量計測値のハンチングが検出されたときに、前記ＰＩＤ制御部に設定されているＰＩＤ定数のうちの積分時間を所定の変更量だけ小さくするステップを含み、
前記マスフローコントローラの上流側の圧力と下流側の圧力との差圧と、前記流体の流量との関係が、ある差圧で流量にピークが生じるような特性を有する前記マスフローコントローラを用いることを特徴とするハンチング抑制方法。

【請求項6】

請求項４または５記載のハンチング抑制方法において、
前記記憶部は、前記流量設定値の分割された範囲毎にＰＩＤ定数を記憶し、
前記第１のステップは、前記流量設定値が変更されたときに、変更後の流量設定値を含む範囲に対応するＰＩＤ定数を前記記憶部から取得して前記ＰＩＤ制御部に設定するステップを含み、
前記第５のステップは、前記記憶部に記憶されているＰＩＤ定数のうち、現在の流量設定値を含む範囲に対応するＰＩＤ定数を、前記ＰＩＤ制御部に設定した変更後の値に更新するステップを含むことを特徴とするハンチング抑制方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マスフローコントローラに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、流体の流量を制御するマスフローコントローラが製品化されている。マスフローコントローラにより流量制御を行う場合に、流量が一定の値にならずにハンチングを起こす場合がある。特に直動式のソレノイドバルブを用いたマスフローコントローラで２次側（下流側）の圧力損失が大きくなる計装において流量のハンチングが発生し易い。

【0003】

従来のマスフローコントローラでは、ハンチングを検出したときにＰＩＤ演算に用いる係数をハンチング低減用の係数に変更するようにしていた（特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、ハンチング低減用の係数を予め決めておく必要があり、マスフローコントローラの計装環境に合わせることが難しいという課題があった。また、特許文献１に開示された技術では、比例係数Ｋｐを通常の値から小さくしたものをハンチング低減用の係数としている。しかし、比例係数Ｋｐを小さくする変更では、２次側の圧力損失が大きく、制御時に圧力が大きく変動するような場合に発生するハンチングを抑制できない可能性があった。このような場合には、マスフローコントローラの計装環境を見直す（例えば２次側の配管系を太くするなど）の対処を行う必要があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第６２２０６９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ＰＩＤ定数を計装環境に合わせることができ、２次側の圧力損失が大きく制御時に差圧が大きく変動するような場合であっても、ハンチングを抑制できるマスフローコントローラおよびハンチング抑制方法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】

【0006】

本発明のマスフローコントローラは、流路を流れる流体の流量を計測するように構成されたフローセンサと、前記流体の流量を制御するためのバルブと、流量設定値と前記フローセンサによって得られた流量計測値とを入力として操作量を制御周期毎に算出するように構成されたＰＩＤ制御部と、前記操作量に応じた駆動電流を前記バルブに出力するように構成されたバルブ駆動回路と、前記流量設定値毎にＰＩＤ定数を記憶するように構成された記憶部と、前記流量設定値が変更されたときに、変更後の流量設定値に対応するＰＩＤ定数を前記記憶部から取得して前記ＰＩＤ制御部に設定するように構成されたＰＩＤ定数設定部と、前記流量計測値にハンチングが発生しているかどうかを判定するように構成されたハンチング検出部と、前記ハンチング検出部によって流量計測値のハンチングが検出されたときに、前記ＰＩＤ制御部に設定されているＰＩＤ定数を変更し、前記記憶部に記憶されているＰＩＤ定数のうち、現在の流量設定値に対応するＰＩＤ定数を前記ＰＩＤ制御部に設定した変更後の値に更新するＰＩＤ定数変更部とを備え、前記ＰＩＤ定数変更部は、前記ハンチング検出部によって流量計測値のハンチングが検出されたときに、前記ＰＩＤ制御部に設定されているＰＩＤ定数のうちの比例係数を所定の変更量だけ大きくするものであり、マスフローコントローラの上流側の圧力と下流側の圧力との差圧と、前記流体の流量との関係が、ある差圧で流量にピークが生じるような特性を有することを特徴とするものである。
また、本発明のマスフローコントローラは、流路を流れる流体の流量を計測するように構成されたフローセンサと、前記流体の流量を制御するためのバルブと、流量設定値と前記フローセンサによって得られた流量計測値とを入力として操作量を制御周期毎に算出するように構成されたＰＩＤ制御部と、前記操作量に応じた駆動電流を前記バルブに出力するように構成されたバルブ駆動回路と、前記流量設定値毎にＰＩＤ定数を記憶するように構成された記憶部と、前記流量設定値が変更されたときに、変更後の流量設定値に対応するＰＩＤ定数を前記記憶部から取得して前記ＰＩＤ制御部に設定するように構成されたＰＩＤ定数設定部と、前記流量計測値にハンチングが発生しているかどうかを判定するように構成されたハンチング検出部と、前記ハンチング検出部によって流量計測値のハンチングが検出されたときに、前記ＰＩＤ制御部に設定されているＰＩＤ定数を変更し、前記記憶部に記憶されているＰＩＤ定数のうち、現在の流量設定値に対応するＰＩＤ定数を前記ＰＩＤ制御部に設定した変更後の値に更新するＰＩＤ定数変更部とを備え、前記ＰＩＤ定数変更部は、前記ハンチング検出部によって流量計測値のハンチングが検出されたときに、前記ＰＩＤ制御部に設定されているＰＩＤ定数のうちの積分時間を所定の変更量だけ小さくするものであり、マスフローコントローラの上流側の圧力と下流側の圧力との差圧と、前記流体の流量との関係が、ある差圧で流量にピークが生じるような特性を有することを特徴とするものである。

【0007】

また、本発明のマスフローコントローラの１構成例において、前記記憶部は、前記流量設定値の分割された範囲毎にＰＩＤ定数を記憶し、前記ＰＩＤ定数設定部は、前記流量設定値が変更されたときに、変更後の流量設定値を含む範囲に対応するＰＩＤ定数を前記記憶部から取得して前記ＰＩＤ制御部に設定し、前記ＰＩＤ定数変更部は、前記記憶部に記憶されているＰＩＤ定数のうち、現在の流量設定値を含む範囲に対応するＰＩＤ定数を、前記ＰＩＤ制御部に設定した変更後の値に更新することを特徴とするものである。

【0008】

また、本発明は、ＰＩＤ定数を記憶している記憶部と、操作量を算出するＰＩＤ制御部と、制御対象の流体の流量を制御するためのバルブを駆動するバルブ駆動回路とを備えたマスフローコントローラを用いる流量制御系におけるハンチング抑制方法であって、流量設定値が変更されたときに、流量設定値毎にＰＩＤ定数を記憶している前記記憶部を参照し、変更後の流量設定値に対応するＰＩＤ定数を前記記憶部から取得して前記ＰＩＤ制御部に設定する第１のステップと、前記流量設定値と制御対象の流体の流量計測値とを入力として前記ＰＩＤ制御部が操作量を制御周期毎に算出する第２のステップと、前記バルブ駆動回路に前記操作量を出力する第３のステップと、前記流量計測値にハンチングが発生しているかどうかを判定する第４のステップと、前記流量計測値のハンチングが検出されたときに、前記ＰＩＤ制御部に設定されているＰＩＤ定数を変更し、前記記憶部に記憶されているＰＩＤ定数のうち、現在の流量設定値に対応するＰＩＤ定数を前記ＰＩＤ制御部に設定した変更後の値に更新する第５のステップとを含み、前記第５のステップは、前記流量計測値のハンチングが検出されたときに、前記ＰＩＤ制御部に設定されているＰＩＤ定数のうちの比例係数を所定の変更量だけ大きくするステップを含み、前記マスフローコントローラの上流側の圧力と下流側の圧力との差圧と、前記流体の流量との関係が、ある差圧で流量にピークが生じるような特性を有する前記マスフローコントローラを用いることを特徴とするものである。
また、本発明は、ＰＩＤ定数を記憶している記憶部と、操作量を算出するＰＩＤ制御部と、制御対象の流体の流量を制御するためのバルブを駆動するバルブ駆動回路とを備えたマスフローコントローラを用いる流量制御系におけるハンチング抑制方法であって、流量設定値が変更されたときに、流量設定値毎にＰＩＤ定数を記憶している前記記憶部を参照し、変更後の流量設定値に対応するＰＩＤ定数を前記記憶部から取得して前記ＰＩＤ制御部に設定する第１のステップと、前記流量設定値と制御対象の流体の流量計測値とを入力として前記ＰＩＤ制御部が操作量を制御周期毎に算出する第２のステップと、前記バルブ駆動回路に前記操作量を出力する第３のステップと、前記流量計測値にハンチングが発生しているかどうかを判定する第４のステップと、前記流量計測値のハンチングが検出されたときに、前記ＰＩＤ制御部に設定されているＰＩＤ定数を変更し、前記記憶部に記憶されているＰＩＤ定数のうち、現在の流量設定値に対応するＰＩＤ定数を前記ＰＩＤ制御部に設定した変更後の値に更新する第５のステップとを含み、前記第５のステップは、前記流量計測値のハンチングが検出されたときに、前記ＰＩＤ制御部に設定されているＰＩＤ定数のうちの積分時間を所定の変更量だけ小さくするステップを含み、前記マスフローコントローラの上流側の圧力と下流側の圧力との差圧と、前記流体の流量との関係が、ある差圧で流量にピークが生じるような特性を有する前記マスフローコントローラを用いることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、流量計測値にハンチングが発生したときに、ＰＩＤ制御部に設定されているＰＩＤ定数を自動的に変更するので、ＰＩＤ定数をマスフローコントローラの計装環境に合わせることができ、マスフローコントローラの２次側の圧力損失が大きく制御時に１次側と２次側の差圧が大きく変動するような場合であっても、ハンチングを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、Ｐ－Ｑ特性の１例を示す図である。

【図2】図２は、Ｐ－Ｑ特性の別の例を示す図である。

【図3】図３は、Ｐ－Ｑ特性の別の例を示す図である。

【図4】図４は、マスフローコントローラの２次側に絞りが設けられている環境において低流量で流量制御した場合の操作量ＭＶと流量Ｑとを示す図である。

【図5】図５は、マスフローコントローラの２次側に絞りが設けられている環境においてＰＩＤ定数を変更した場合の操作量ＭＶと流量Ｑとを示す図である。

【図6】図６は、マスフローコントローラの２次側に絞りが設けられている環境においてＰＩＤ定数を変更した場合の操作量ＭＶと流量Ｑとを示す図である。

【図7】図７は、図４～図６における立ち上がり時の操作量ＭＶを示す図である。

【図8】図８は、本発明の実施例に係るマスフローコントローラの構成を示すブロック図である。

【図9】図９は、本発明の実施例に係るマスフローコントローラのＰＩＤ制御部とＰＩＤ定数設定部とハンチング検出部とＰＩＤ定数変更部の動作を説明するフローチャートである。

【図10】図１０は、本発明の実施例に係るマスフローコントローラを実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

［Ｐ－Ｑ特性］
Ｐ－Ｑ特性、すなわちマスフローコントローラの１次側（上流側）の圧力と２次側（下流側）の圧力との差圧Ｐと、流体の流量Ｑとの関係は次のようにモデル化できる。
Ｑ＝ＣＰ₁ （Ｐ₀／Ｐ₁＜１／２の場合） ・・・（１）
Ｑ＝Ｃ√（Ｐ・Ｐ₀） （Ｐ₀／Ｐ₁≧１／２の場合） ・・・（２）
Ｃ＝－Ｋ₀Ｐ＋Ｋ₁Ｍ－Ｆ ・・・（３）
Ｐ＝Ｐ₁－Ｐ₀ ・・・（４）

【0012】

式（１）～式（４）において、Ｃは弁容量係数、Ｐ₁は１次側の流体の圧力、Ｐ₀は２次側の流体の圧力、Ｍはバルブ制御量、Ｋ₀は圧力に対する開度係数、Ｋ₁は制御量に対する開度係数、Ｆ（＝－Ｋ₀Ｐ’＋Ｋ₁Ｍ’）は流量が流れ始めるときのバルブ制御量Ｍ’および差圧Ｐ’から求める量である。

【0013】

流体が気体で、２次側が大気開放の場合、流量Ｑは次のように表される（Ｐ₀＝０、Ｐ＝Ｐ₁）。
Ｑ＝－Ｋ₀｛（Ｐ－ｍ／２）²－ｍ^2/4｝ ・・・（５）
ｍ＝（Ｋ₁Ｍ－Ｆ）／Ｋ₀ ・・・（６）

【0014】

図１は、流体が気体で、２次側が大気開放という条件で式（５）、式（６）から求めたＰ－Ｑ特性の例を示す図である。２次側が大気開放の場合、１次側の圧力Ｐ₁がｍ／２以上の場合に流量Ｑがオーバシュートし易いが、バルブとしてはなるべくｍが大きなものがよい。１次側の圧力Ｐ₁がｍ／２以上の場合に流量Ｑがオーバシュートし易くなる理由は、流量Ｑを増やすためにバルブの開度を大きくすると、流量Ｑが増えて瞬時的に差圧Ｐが減り、そのために更に流量Ｑが増えるという現象が起きて、見かけ上、比例帯が小さい（感度が高い）挙動となるためである。

【0015】

図２、図３は、流体が気体で、２次側が大気開放という条件でマスフローコントローラを用いて調べたＰ－Ｑ特性の例を示す図である。図２はバルブ口径が６ｍｍの場合、図３はバルブ口径が１２ｍｍの場合を示している。図２、図３の例では、バルブの開度を一定にしたまま、１次側の圧力Ｐ₁を変動させた場合の流量Ｑを示している。図２、図３のｕｐ１，ｕｐ２は圧力Ｐ₁を小さい値から大きい値に変化させたときのＰ－Ｑ特性を示し、ｄｏｗｎ１，ｄｏｗｎ２は圧力Ｐ₁を大きい値から小さい値に変化させたときのＰ－Ｑ特性を示している。図２、図３の横軸では、圧力Ｐ₁がそれぞれ１０ｋＰａ、２０ｋＰａ、５０ｋＰａ、１００ｋＰａ、１５０ｋＰａ、２００ｋＰａ、２５０ｋＰａ、３００ｋＰａ、３５０ｋＰａの場合を１、２、３、４、５、６、７、８、９として記載している。図２、図３は、圧力Ｐ₁が変化する方向で流量Ｑの絶対値が変わるが、最大流量となる圧力や全体の傾向は変わらないことを示している。

【0016】

１次側の圧力Ｐ₁が１５０ｋＰａ（図２、図３の横軸では５）より大きくなると、圧力Ｐ₁の増加に伴って流量Ｑが減少している。したがって、例えば３００ｋＰａ（図２、図３の横軸では８）でバルブを急激に開けると、流量Ｑが増えるが１次側の圧力Ｐ₁が減少して、そのためにさらに流量Ｑが増える。このような現象を避けるためには、使用差圧に対して流量Ｑが単調増加の特性になるようにする必要がある。

【0017】

［ハンチング安定化］
流量Ｑのハンチングの要因としては、単純にＰＩＤの標準設定に問題がある場合（比例係数Ｋｐが大き過ぎる、積分時間Ｔｉが小さ過ぎる）以外に、マスフローコントローラの２次側に絞りがあったり、流量Ｑにより差圧Ｐが動的に変動したりするような環境においては、これまでに述べたＰ－Ｑ特性の問題により標準のＰＩＤ定数でハンチングを起こす可能性が高い。このようなハンチングは、ＰＩＤ定数を変更することにより抑えることが可能である。

【0018】

以下、ＰＩＤ定数を変更して安定となる例を説明する。図４は、マスフローコントローラの２次側に絞りが設けられている環境において、低流量で流量制御した場合の操作量ＭＶと流量Ｑとを示す図である。ここでは、所定の最大値ＦＳ（フルスケール）を１００％とする正規化した値で流量Ｑを示している。横軸の時間の単位は５ｍｓｅｃである。図４の例では、時刻０ｍｓｅｃにおいて流量設定値ＳＰを０から５％ＦＳに変更しており、流量設定値ＳＰと流量Ｑとを入力とし、標準のＰＩＤ定数でＰＩＤ演算した操作量ＭＶをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号でバルブに出力している。１次側の圧力Ｐ₁は３００ｋＰａである。ＰＩＤ定数については、比例係数Ｋｐを０．０２、積分時間Ｔｉを４としている。

【0019】

図４から分かるように、低流量でかつ標準ＰＩＤ設定の場合、流量Ｑにハンチングが生じている。図５は、図４と同じ条件で比例係数Ｋｐを０．０２から０．０５に大きくした場合の操作量ＭＶと流量Ｑとを示す図である。図６は、図４と同じ条件で積分時間Ｔｉを４から２に小さくした場合の操作量ＭＶと流量Ｑとを示す図である。図５、図６によれば、比例係数Ｋｐを大きくするか、積分時間Ｔｉを小さくすると、流量Ｑのハンチングが治まることが分かる。

【0020】

流量Ｑがハンチングする場合とハンチングしない場合の操作量ＭＶを比較すると、図７に示すように流量設定値ＳＰの立ち上がり時の操作量ＭＶはほとんど同じであるにも関わらず、流量Ｑの挙動が極端に異なる。図７の例では、図４の例の操作量ＭＶをＭＶ０、図５の例の操作量ＭＶをＭＶ１、図６の例の操作量ＭＶをＭＶ２としている。

【0021】

操作量ＭＶがほとんど同じであるにも関わらず、流量Ｑの挙動が異なる理由として次の（Ｉ）、（II）のようなことが考えられる。
（I）比例係数Ｋｐが大きい場合、差圧Ｐの変動が大きいことにより、動作領域が、差圧Ｐの増加に対して流量Ｑが減少する不安定領域（図１のｍ／２より右側の領域）から、差圧Ｐの増加に対して流量Ｑが増加する安定領域（図１のｍ／２より左側の領域）に移動し、この安定領域において流量制御動作を行うために安定となる。

【0022】

（II）比例係数Ｋｐが小さい場合、動作領域が、差圧Ｐの増加に対して流量Ｑが減少する不安定領域になるために、流量Ｑにハンチングが生じる。

【0023】

したがって、２次側の圧力損失が大きく、制御時に差圧Ｐが大きく変動するような場合のハンチング対策としては、比例係数Ｋｐを大きくするか、積分時間Ｔｉを小さくして、安定領域で制御を行わせるようにすればよい。

【0024】

［実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図８は本発明の実施例に係るマスフローコントローラの構成を示すブロック図である。マスフローコントローラは、例えば樹脂製の流路ボディ１と、流路ボディ１に装着されたセンサパッケージ２と、流体の流量を制御するための比例ソレノイドバルブ３と、流量設定値ＳＰと流量計測値Ｑとを入力として操作量ＭＶを制御周期毎に算出するＰＩＤ制御部４と、流量設定値ＳＰ毎にＰＩＤ定数を記憶する記憶部５と、流量設定値ＳＰが変更されたときに、変更後の流量設定値ＳＰに対応するＰＩＤ定数を記憶部５から取得してＰＩＤ制御部４に設定するＰＩＤ定数設定部６と、流量計測値Ｑにハンチングが発生しているかどうかを判定するハンチング検出部７と、ハンチング検出部７によって流量計測値Ｑのハンチングが検出されたときに、ＰＩＤ制御部４に設定されているＰＩＤ定数を変更し、記憶部５に記憶されているＰＩＤ定数のうち、現在の流量設定値ＳＰに対応するＰＩＤ定数をＰＩＤ制御部４に設定した変更後の値に更新するＰＩＤ定数変更部８と、比例ソレノイドバルブ３を駆動するバルブ駆動回路９とを備えている。

【0025】

図８において、１０は流路ボディ１の内部に形成された流路、１１は流路１０の入口側の開口、１２は流路１０の出口側の開口、１３はセンサパッケージ２に搭載されたフローセンサである。

【0026】

流体は、開口１１から流路１０に流入して比例ソレノイドバルブ３を通過し、開口１２から排出される。このとき、フローセンサ１３は流体の流量Ｑを計測する。フローセンサ１３は、センサパッケージ２に搭載され、計測対象の流体に晒されるように流路ボディ１に装着される。

【0027】

以下、本実施例の特徴的な動作について説明する。図９はＰＩＤ制御部４とＰＩＤ定数設定部６とハンチング検出部７とＰＩＤ定数変更部８の動作を説明するフローチャートである。

【0028】

ＰＩＤ定数設定部６は、例えばオペレータによって流量設定値ＳＰが変更されたときに（図９ステップＳ１００においてＹＥＳ）、変更後の流量設定値ＳＰに対応するＰＩＤ定数をＰＩＤ制御部４に設定する（図９ステップＳ１０１）。記憶部５には、流量設定値ＳＰ毎にＰＩＤ定数（比例係数Ｋｐ、積分時間Ｔｉ、微分時間Ｔｄ）が記憶されている。より具体的には、０％ＦＳから１００％ＦＳまでの流量設定値ＳＰの全範囲が複数の範囲に分割され（例えば１０分割）、分割された範囲毎にＰＩＤ定数が記憶部５に記憶されている。ＰＩＤ定数設定部６は、変更後の流量設定値ＳＰを含む流量設定値ＳＰの範囲に対応するＰＩＤ定数を記憶部５から取得してＰＩＤ制御部４に設定する。

【0029】

ＰＩＤ制御部４は、流量計測値Ｑをフローセンサ１３から取得する（図９ステップＳ１０２）。そして、ＰＩＤ制御部４は、流量設定値ＳＰとステップＳ１０２で取得した流量計測値Ｑとを入力として、流量計測値Ｑが流量設定値ＳＰと一致するようにＰＩＤ演算を行って操作量ＭＶを算出する（図９ステップＳ１０３）。ＰＩＤ定数を用いるＰＩＤ演算の式は式（７）のようになる。ｅは流量設定値ＳＰと流量計測値Ｑとの偏差である。

【0030】

【数1】

【0031】

ＰＩＤ制御部４は、算出した操作量ＭＶをバルブ駆動回路９に出力する（図９ステップＳ１０４）。バルブ駆動回路９は、ＰＩＤ制御部４から出力された操作量ＭＶに応じて比例ソレノイドバルブ３にバルブ駆動電流（ソレノイド電流）Ｉを出力する。こうして、比例ソレノイドバルブ３は、操作量ＭＶに応じた開度となるように制御される。

【0032】

一方、ハンチング検出部７は、流量計測値Ｑと流量設定値ＳＰとに基づき流量計測値Ｑにハンチングが発生しているかどうかを判定する（図９ステップＳ１０５）。ハンチング検出部７は、例えば流量設定値ＳＰと流量計測値Ｑとの偏差ｅ＝ＳＰ－Ｑの絶対値｜ｅ｜が整定判定基準値δ以上となる流量計測値Ｑのピークが３つ連続したとき、流量計測値Ｑにハンチングが発生していると判定する。整定判定基準値δは、通常の制御中の変化量（偏差ｅ）より小さく、かつ整定状態で維持されるべき最大の偏差の指標である。なお、ハンチングの検出方法は上記の例に限らないことは言うまでもない。

【0033】

ＰＩＤ定数変更部８は、流量計測値Ｑのハンチングが検出されたときに（ステップＳ１０５においてＹＥＳ）、ＰＩＤ制御部４に設定されているＰＩＤ定数のうちの比例係数Ｋｐを所定の比例係数変更量だけ大きくする（図９ステップＳ１０６）。

【0034】

そして、ＰＩＤ定数変更部８は、記憶部５に記憶されているＰＩＤ定数のうち、現在の流量設定値ＳＰを含む流量設定値ＳＰの範囲に対応する比例係数Ｋｐを、ステップＳ１０６で変更した値に更新する（図９ステップＳ１０７）。
なお、ステップＳ１０６，Ｓ１０７の処理は、流量設定値ＳＰの変更後に最初にハンチングが検出されたときに１回だけ行えばよい。

【0035】

マスフローコントローラは、例えばオペレータによって装置の動作終了が指示されるまで（図９ステップＳ１０８においてＹＥＳ）、ステップＳ１００～Ｓ１０７の処理を制御周期毎に実行する。

【0036】

以上のように、本実施例では、流量計測値Ｑにハンチングが発生したときに、ＰＩＤ制御部４に設定されている比例係数Ｋｐを自動的に大きくするので、ＰＩＤ定数をマスフローコントローラの計装環境に合わせることができ、２次側の圧力損失が大きく、制御時に差圧Ｐが大きく変動するような場合であっても、ハンチングを抑制することができる。流量設定値ＳＰの変更後にハンチングが発生すれば、再び比例係数Ｋｐの変更が実施されるので、比例係数Ｋｐはハンチングが起きない程度まで徐々に変更される。

【0037】

なお、本実施例では、ハンチングが発生したときに比例係数Ｋｐを大きくしているが、積分時間Ｔｉを小さくしてもよい。この場合、ＰＩＤ定数変更部８は、流量計測値Ｑのハンチングが検出されたときに（ステップＳ１０５においてＹＥＳ）、ＰＩＤ制御部４に設定されているＰＩＤ定数のうちの積分時間Ｔｉを所定の積分時間変更量だけ小さくする（ステップＳ１０６）。そして、ＰＩＤ定数変更部８は、記憶部５に記憶されているＰＩＤ定数のうち、現在の流量設定値ＳＰを含む流量設定値ＳＰの範囲に対応する積分時間Ｔｉを、ステップＳ１０６で変更した値に更新する（ステップＳ１０７）。

【0038】

なお、従来よりＰＩＤ制御に関しては様々な方式があり、モデルを用いたＰＩＤ制御もある。しかし、モデルを用いたものには、例えば以下のような問題点がある。

【0039】

（Ａ）汎用的な方法は適用範囲が広いが、プログラムが複雑になり、安価なＣＰＵでは実装できない。
（Ｂ）モデルを適応的に推定するようなものは演算に時間がかかり、実際の現場向きではない。

【0040】

本発明では、ハンチングが発生する特定の要因に対処することだけを目的として、より簡単で実用的な方法を提案している。具体的には、本発明は、ソレノイドバルブを用いた直動式バルブ駆動方式上の問題点（Ｐ－Ｑ特性が単調増加ではないという問題点）により、下流側の圧力損失が大きい計装の場合に下流側の圧力が流量により変動することに起因するハンチング現象を抑えるための簡単で実用的な方法を提案している。パイロットバルブ方式の場合には、ソレノイドバルブを用いた場合の問題点が発生せず、下流側の圧力変動に起因するハンチングが通常は発生しないので、本発明は適用できない。本発明は、図１に示したように、ある圧力で流量Ｑにピークが生じるようなＰ－Ｑ特性を持つマスフローコントローラに有効である。

【0041】

本実施例のマスフローコントローラのうち少なくともＰＩＤ制御部４と記憶部５とＰＩＤ定数設定部６とハンチング検出部７とＰＩＤ定数変更部８とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と記憶装置とインタフェースと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。このコンピュータの構成例を図１０に示す。

【0042】

コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、フローセンサ１３とバルブ駆動回路９などが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明のハンチング抑制方法を実現させるためのプログラムは記憶装置２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。

【産業上の利用可能性】

【0043】

本発明は、流量制御系に適用することができる。

【符号の説明】

【0044】

１…流路ボディ、２…センサパッケージ、３…比例ソレノイドバルブ、４…ＰＩＤ制御部、５…記憶部、６…ＰＩＤ定数設定部、７…ハンチング検出部、８…ＰＩＤ定数変更部、９…バルブ駆動回路、１０…流路、１３…フローセンサ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】