JPH0136122B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はフイードバツク型制御装置さらに具体
的には、飽和入力（bang―bang）、比例出力を使
用するフイードバツク制御方法に関する。

本発明は電子写真複写機における溶融器ローラ
の温度制御にあてはめて詳細に説明されるが、本
発明はシステムの出力の厳密な制御を必要とし、
誤差入力信号を制御装置に対して発生するのに使
用されるフイードバツク感知素子が飽和信号を発
生する様な多くの他の場合にも使用される。後者
の条件は温度制御システムの代表的なものであ
る。

複写機の溶融器、生活空間および製造過程で見
受けられるような他の実在物から生ずる問題は熱
もれ、熱料の消費とその結果の温度変化との間の
遅延並びに加熱される装置、過程もしくは空間の
感知の如き外乱の存在下で一定温度を保持しよう
とする試みから生ずる点で共通する。

温度制御に対する通常の試みは設定値に関連し
て温度を感知する事である。温度が設定値以下の
時は熱が熱源からシステムに印加される。熱は温
度が設定値以上に上昇する迄加えられ、この点で
熱源が外され、温度は降下する。従つて温度には
最大値と最小値が存在する事になる。温度範囲、
即ち最大、最小温度間の差がどのように小さくて
も感知器には若干の温度の変化が常に存在する。
感知機を付勢するためには温度変化が存在しなけ
ればならない。さもないと感知器は常にオンかも
しくは常にオフである。温度範囲が小さければ小
さい程、システムの周期は大きくなる。即ち熱源
は単位時間に、よりしばしばオン及びオフにスイ
ツチされる。この事は特に開始及び遮断時に大き
な追加のサージ電力を必要とするシステムではエ
ネルギを消費する事を意味する。例えば、速い立
上がりが必要とされる場合は大きな最大の電力レ
ベルを使用する。

しかしながら温度範囲が大きいと、温度はより
一定でなくなる。生活空間においては快適温度よ
りも高い温度の期間もしくは低い温度の期間が存
在する。病院の如き環境においては、居住者（患
者）の生活に環境をより適合させるため最低温度
が高く保持されて、平均温度は必要よりも高くさ
れなければならない。

熱制御の問題は熱もれが温度に比例するという
事実によつてさらに複雑になる。高温度において
は熱の損失が増大し、より燃料を消費する。この
事は温度変化の範囲を制限しなければならない他
の理由である。

〔背景技法〕

最適制御理論においてバンバン（bang―bang）
制御装置とは、制御変数の係数の符号が正である
か負であるかに従つて各制御変数がその最大もし
くは最小の許容値を取り、飽和という制約を受け
た制御法則に従つて動作する装置として定義され
る。例えば、単一入力、単一出力システムの状態
空間表示は次の通りである。

ｘ′（ｔ）＝Ａｘ＋ｂｆ（ｔ） y′（ｔ）＝ｃ（tr）ｘ ここでｘ′（ｔ）＝dx／ｄベクトルｃ （tr）＝ｃベクトルの転置ベクトル Ａはマトリクス、ｆ（ｔ）＝入力値であ
る。

バンバン制御システムにおいて、ｆ（ｔ）の値
はその符号に従つてその最大もしくは最小値を占
める。

このシステムの例は多くの家庭において見出さ
れる普通のサーモスタツト制御加熱システムであ
る。サーモスタツトの設定値よりも温度が低いか
高いかに依存して入力値は夫々１もしくは０によ
つて表わされる。温度が設定値以下に下がる時は
入力値ｆ（ｔ）はスイツチが閉ざされる事を表わ
す１である。温度が設定値以上に上昇する時はｆ
（ｔ）はスイツチが開かれる事を表わす０であり、
炉が遮断される。温度が設定値よりも数度上昇す
る迄サーモスタツトのバイメタル・スイツチを閉
ざしているために小さな磁石が使用される。これ
によつてシステムの過度の乱調、即ち設定値のま
わりの短周期のサイクリングが防止されている。

サーモスタツトによつて制御される炉も１次の
ラグ頂を有するフイードバツク制御システムの例
である。この頂はサーモスタツト・スイツチのオ
ンから、炉のオンの結果として生ずる温度の上昇
迄の遅延を表わす。先ず回転扉をオンに転ずる前
に十分高い温度に炉中のプレナムを熱源が加熱す
る迄の時間遅延が存在する。次に、加熱された空
気が加熱さるべき空間を巡回してその温度を十分
上昇させる迄の他の時間遅延が存在する。

周知の初期のシステムの１つであるとは云え、
バンバン制御システムは分析するのが最も困難で
ある。非線形技法はモデリングもしくはグラフイ
ツク手順或いはこの両者を含む。バンバン制御装
置は或る最適点、例えば複素平面の原点に出来る
だけ速く到着するためにシステムのパラメータを
操作する事によつて発生される軌跡によつてグラ
フ的に表わされる。

バンバン・サーボ・システムの例は米国特許第
3924170号に示されている。線形制御システムは
比例、積分もしくは微分制御或るいはこれ等の３
つの任意の組合せとして分類される。特定の応用
には各制御の利点及び欠点が存在する事は周知で
ある。積分制御システムの利点は制御装置の入力
の時間積分に比例する信号を発生する点にある。
伝達関数を用いて表わすと、負の実軸上の０点と
複素ｓ平面の原点におけるポールを加える事と等
価である。もしシステムが安定していると、この
システムは比例システムの次数１だけを増大し、
一定の定常状態誤差を０に減少する。一方もし複
素ｓ平面の負の実軸上の点が正しく選択されない
と、より高次のシステムは不安定になる。

比例出力制御装置はこの分野で周知である。例
えば米国特許第3878358号は所望の出力温度の瞬
間的誤差に種々の割合で比例する出力を与えるシ
ステムを開示している（しかしながら本発明の重
要な特徴である温度が閾値を境に振動する場合の
閾値の上方、あるいは下方における持続時間の測
定についての開示はない。）。比例する出力は出力
パルス列のデユーテイ・サイクルもしくは一定時
間枠中のパルスの総数を変化させる事によつて得
られる。

〔本発明の開示〕

本発明に従い、２つの所与の限界値に比較され
る時間ベース測定値が与えられる。時間の測定が
制御システムの制御変数と閾値が交差する各時点
間でなされる。もし交差によつてオーバーシユー
トが生ずると、時間ベース測定値によつて表わさ
れるアンダーシユートの期間が、所与の下方許容
上限値よりも大きければ計数がインクレメントさ
れる。もし交差によつてアンダーシユートが生
じ、時間ベース測定値によつて表わされるオーバ
ーシユートの期間が所与の上方許容上限値以上な
らば計数がデクレメントされる。この計数はアン
ダーシユート期間中にシステムの出力を制御する
のに使用される。

本発明の制御システムはバンバン制御装置の簡
単さという利点を有し、しかも比例出力システム
に関連する正確な制御に接近させる事が出来る。

本発明は静電型複写機における溶融器のホツ
ト・ローラの温度を制御する場合について説明さ
れる。本発明は小さな複写機、特に溶融器の温度
を正確に制御された状態に保持するためにプログ
ラム使用マイクロプロセツサによつて制御される
場合に有用である。この結果、一貫性ある良好な
品質のコピーが得られる。又、組合せによつて適
応型の制御装置を生ずる。

〔詳細な説明〕

フイードバツク制御システムの標準の構造体が
第１図に示されている。制御対象（被制御装置）
は静電写真複写機において使用される型の溶融器
のホツト・ローラ１４として示されている。制御
装置１１は出力変数ｙとして表わされた温度を制
御するために溶融器に制御信号を供給する。制御
装置１１の伝達関数はK1として示される。K1は
通常複素ｓ平面中のｓの関数である事が知られて
いる。制御装置１１に対して与えられる入力信号
は加減算器１０からの誤差信号ｅである。この誤
差信号は時に基準入力と呼ばれる設定点信号ｘ及
び出力変数ｙから誘導される信号から誘導され
る。出力変数ｙから誘導される信号は増幅率１の
フイードバツク信号、即ち出力変数ｙ自体であり
得る。第１図において、フイードバツク信号はブ
ロツク１５中のｙ（１／（１＋sT））として示さ
れている。sT値は出力変数ｙと加減算器１０に
フイードバツクされる信号間に１次の時間ラグが
存在する事を示している。

第１図のシステム中における熱損失は計算する
事が出来、溶融器への入力変数ｚとして示されて
いる。溶融器１４への他の入力は制御装置１１に
よつて供給される熱を表わす信号ｗである。

古典制御理論において、制御装置の伝達関数は
通常比例伝達関数、即ちｗ＝K1＊ｅ、もしくは
積分伝達関数ew／dt＝K1＊ｅである（記号＊は
乗算を表わしている）。システムの外乱と呼ばれ
る熱損失はK2＊Ｗ／Ｋで表わされ、供給熱量に
比例するものと仮定すると、システムは比例制御
システムであり、次の条件で安定する。

ｙ＝（K1＊ｘ−K2＊ｚ）／（K1＋K2） 積分制御装置の場合にはK2／（Ｑ＊sqrt2）に
比例する固有振動がシステム内に存在する。

しかしながら、バンバン制御装置の場合には、
システムの動作は非線型となり、分析が困難であ
る。

本発明に従うシステムは第２図に示されてい
る。古典的な制御装置の方法はアナログ値を使用
するが、本発明の方法は主にデイジタル値を使用
する。第２図のシステムの動作はトライアツク２
９のオン・オフ期間を制御し、トライアツク２９
は溶融器の加熱器３２へのAC電力供給を制御す
る。本発明の基本的なアイデアは閾値の上方及び
下方で夫々時間の上方許容上限及び下方許容上限
値を与え、制御変数、この場合は溶融器のホツ
ト・ロールの温度の相次ぐ閾値交差間の期間を与
える事である（ここで交差とは制御変数が前に閾
値よりも低ければ、閾値よりも高くなり、前に閾
値よりも高ければ、閾値よりも低くなるように制
御変数の値が変化する時を意味している）。換言
すれば、もし制御変数の値を閾値から引算して
（もしくは逆に引算して）、結果の符号が変化する
時に交差が生ずる。もし温度が閾値よりも低い期
間（tm）が予定の限界（ｔ下方許容上限）より
も大きいとｋ計数値がインクレメントされる。も
し温度が閾値より大きい期間（tm）が予定の限
界値（ｔ上方許容上限）よりも大きければ、ｋ計
数値はデクレメントされる。温度が閾値以下であ
る期間中に可変電力が比ｋ／ｎに従つて溶融器の
加熱器３２に印加される。ここでｋはｎ以下であ
る。ここで可変出力とはその可能な最大値の一部
もしくはこれに比例する出力を意味する。これは
最大の可能な値の一部である出力レベルの表わす
比、最大の可能な値の一部であるパルス幅或いは
所与の数の相次ぐパルスもしくはサイクルの中か
ら選択されるパルス数もしくはサイクルとして表
わされ得る。本明細書ではパルス数に比例するも
のとして説明される。即ち、各ｎ個の相次ぐAC
電力サイクルからｋ個が加熱器に供給される。ｋ
＝ｎである時には、全電力が印加される。ｋ＝０
である時には、電力は印加されない。すなわち
ｋ／ｎの電力が、０≦ｋ≦ｎの値に従つて可変に印 加されるということである。

上述の一般的説明から、入力変数もしくは設定
点ｘが閾値で感知温度が制御変数ｙである事は明
らかである。結果の誤差信号ｅは制御変数（温
度）の値が入力変数（閾値）よりも大きいか小さ
いかを示す２つの可能な値の１つを占める。この
ために、システムはバンバン制御装置型と呼ばれ
る。

この出力信号は或る期間にわたつてシステムの
パホーマンスを積分する比例信号で、即ち積分制
御装置の出力信号である。第２図に示された本発
明に従うシステムについて以下詳細に説明され
る。トライアツク２９がトリガーされる時AC電
力が溶融器のホツト・ローラ（加熱器）３２に印
加される。感知器３４が溶融器ホツト・ローラの
温度を検出してフイードバツク信号を制御システ
ムに供給する。

代表的溶融器ホツト・ローラの詳細は第４図に
示されている。ホツト・ローラは主にローラ部分
３１を形成する可撓性材料より成る。加熱素子３
２がローラ部分３１の内部に配向され、ローラ部
分に熱を与えている。金属スリーブ３３がローラ
に熱的に結合されている。炭素、グラフアイトも
しくは類似の材料から形成される従車３４がロー
ラ３１が回転する時に金属ブロツク３３上をこす
る様に配列されている。従車３４中にはサーミス
タの如き熱感知装置が存在する。この配列によつ
てローラ３１が回転していてもホツト・ローラ３
１の温度を表わす信号を供給する事が出来る。

ローラ３１の加熱と温度変化間には或る避けが
たい時間遅延が存在する。通常の温度制御システ
ムを使用する時には、この時間遅延はオーバーシ
ユート及びアンダーシユートの原因となる。

第２図に示された如く、感知器３４は溶融器ホ
ツト・ローラ３２の温度を表わすアナログ信号を
アナログ比較器２０に供給する。アナログ比較器
２０に対する他の入力はレジスタ２１中に記憶さ
れ得る予定の閾値を表わす信号である。

アナログ比較器２０に適した回路は第３図に詳
細に示されている。演算（高利得、高入力インピ
ーダンス）増幅器３０は反転入力及び非反転入力
を受取る様に結合されている。演算増幅器の利得
が極めて高い（例えば80dB）ために、２つの入
力間の小さな電圧差（例えば１ミリボルト）は電
源電圧によつて制限された高い（正）もしくは低
い（負）値に上昇もしくは降下される出力信号を
生ずる。

ｙ入力電圧は２つの抵抗器３５及び３６より成
る分圧器から発生される。抵抗器３６は上述の如
く溶融器ホツト・ロールの温度を感知するサーミ
スタもしくは類似の装置であり得る。他の抵抗器
３５は比較器の動作点の調節を可能にするために
通常可変抵抗器である。

ｘ入力は代表的には基準電圧である。第３図に
示された如く、この電圧はｘ値即ち閾値に対して
変更がなされる様に制御入力を有する分圧器から
与えられる。もし、例えば、制御信号として＋Ｖ
もしくは０ボルトが供給され、抵抗器Ｒ１，Ｒ
２，Ｒ３及びＲ４の値が等しいとすると、閾値電
圧ｘは制御入力電圧を選択的に供給する事によつ
てＶ／４、Ｖ／２もしくは3V／４に等しくなる
様に変化される。反転及び非反転増幅器入力が接
続されていて、溶融器ホツト・ロールの温度が所
望の閾値以下にある時は、比較器２０からの出力
信号が高くなり、温度が所望の閾値以上である時
は、比較器２０からの出力信号は低くなる。

比較器２０からの出力信号は排他的OR回路
（XOR）５８及び遅延回路５９より成るパルサ回
路によつてパルスに変換される。比較器２０から
の出力信号が値を変える時、XOR５８は遅延回
路５９の遅延定数に等しい期間出力信号を発生す
る。この期間が過ぎると遅延回路に供給された
XOR５８の入力端子は他の入力端子と同一極性
信号を受取る。

時間計数器５５はクロツク回路５４からの出力
信号によつて定期的にインクレメントされる。ク
ロツク周波数及び時間計数器５５のビツト数は所
望の精度及び最大の期間に依存して選択される。
この計数器の値がシステムの動作のための時間ベ
ースを与える。

XOR５８の出力信号は２つのANDゲート５６
及び５７に入力を与え、時間計数器５５をリセツ
トする。時間計数器５５のリセツト信号は遅延回
路５３によつて遅延され、ANDゲート５６及び
５７からの出力信号が時間計数器５５の早まつた
リセツトによつて悪い影響が与えられない様にさ
れている。時間限界値７１及び７２の２つの源が
時間の上方許容上限及び下方許容上限値（２進
値）を夫々供給する。上限及び下限値は夫々温度
のオーバシユート及びアンダーシユートのための
最大の所望の時間を示している。各値のビツトは
入力信号として１対の２進比較器７３及び７４の
一方に結合される。各比較器は比較器７３及び７
４の他の入力信号として結合される時間計数器５
５の値のビツトが、関連する上方許容上限もしく
は下方許容上限値を越える時に出力信号を夫々
AND回路５６及び５７に与える。アナログ比較
器２０からの出力信号はANDゲート５６に与え
られ、又この出力信号の反転されたものが反転器
５２からANDゲート５７に供給される。ANDゲ
ート５６及び５７から出力信号は夫々ORゲート
２２及び２３を介してｋ計数器７５をデクレメン
トもしくはインクレメントする。ｋ計数器７５中
の値が以下説明される如くシステムの出力信号の
比率ｋ／ｎを決定する。

上述の論理回路によつて、もし時間計数器５５
の値によつて示される期間が予定の下方許容上限
値７２よりも大きい（もしくは等しい）ならば、
溶融ホツト・ロールの感知温度が低レベルから閾
値を交差する時にインクレメントされる。ｋ計数
器のインクレメントは、温度交差が生じて
（XOR５８からの出力信号）、比較器２０の出力
信号が、溶融器のホツト・ロールが閾値以下であ
る事を示し（反転器５２からの出力信号）、且つ
比較器７４が出力信号を生ずる時にANDゲート
５７からの出力信号によつて遂行される。

感知された温度が閾値温度以上であることを比
較器７４からの出力信号を示すときにｋ計数器は
同様にしてデクレメントされる（適切な動作のた
めには、交差後の比較器２０の出力信号は交差後
に存在する感知温度の関連を示している事を知つ
ている事が重要である）。

ｋ計数器７５中の値は計数器８０に転送されて
後続のｎサイクル中加熱器に供給されるAC電力
信号の比率を制御、すなわちｎサイクル中に供給
されるべきｋサイクルのｋ値を決定する。計数器
８０の出力信号はOR回路網８１によつて解読さ
れ、計数器８０の内容が０でない事を示す出力信
号が発生される。OR回路網８１からの非零出力
信号はトリガ回路８２を動作させ、計数器８０が
非零値を含む限り印加AC電力の各半サイクルで
トライアツク２９をオンに転ずる。ANDゲート
１０１は溶融器ホツト・ロール温度が閾値以下に
ある時にのみ、トライアツク回路２９をオンに転
ずる。

零交差検出器８３はAC電力入力の各半サイク
ル中に出力信号を生ずる。1/2計数器８４はAC電
力入力の各サイクルごとに出力信号を生じ、計数
器８４からの出力信号は計数器８０の内容をデク
レメントするのに使用される。計数器８０中の計
数が０に達すると、ANDゲート８６は脱勢され、
計数器８０は零値を越えて計数を行わない。OR
回路網８１はもはや付勢されず、トリガ回路８２
をオフに転じ、トライアツク２９をオフに転じて
加熱器３２にはもはやAC電力は供給されない。

ｎ回の電力サイクルが１／ｎ計数器８２によつ
て計数されると、ｋの値が再び計数器８０にロー
ドされ、AC電力のｎ個のサイクルのうちｋ個が
再び加熱器３２へ供給される。

第２図の回路の上述の説明は感知温度が閾値の
上及び下にある期間に従つて、調節された比例出
力信号を与える制御論理装置を示している。

相次ぐ交差間に不規則な期間を与える様なロー
ル温度が存在する可能性がある。例えばAC線間
電圧が溶融器の動作中に降下する様な場合が存在
する。交差を示さない不当に長い期間を減少する
ために、限界外検査論理回路が与えられる。

限界外値（ｔ長）９３が与えられ、これが加算
累算器回路９４に加えられる。累算器の内容は最
初０であるので、累算器９４内の最初の値はｔ長
値にセツトされる。もしこの値を時間計数器５５
の値と比較して、時間計数器の値がｔ長値を越え
ると、比較器９５から信号が発生され遅延回路及
びXOR９７より成るパルサ回路を介してパルス
が発生される。このパルスはANDゲート９１も
しくは９２を介して、温度が閾値の上もしくは下
のどちらにあるかに依存して夫々ｋ計数をデクレ
メントもしくはインクレメントする。ADDCと
表された同じ信号はORゲート９０を付勢し、他
のｔ長値が累算器９４に加えられる。従つて、他
の期間がｔ長値に等しくなると、ｋ計数が再び調
節される。この様にして感知温度が交差間に長い
遅延を生ずる程長く閾値から離れている時にはｋ
計数が付勢され、即ちシステムが過度に長期間閾
値と交差しない現象が防止される。

閾値交差が発生する時XOR５８からの出力パ
ルスはINH信号を供給し、ORゲート９０及び他
のANDゲート９８を介してｔ長値を再び累算器
に加算する。この累算器の値は９４内の加算器に
は供給されない。この結果、閾値交差時に累算器
はｔ長値にセツトされる。

ｎ、ｔ長、ｔ上方許容上限及びｔ下方許容上限
の実際値は使用される特定のシステムのパラメー
タに依存する。しかしながら、これ等の値は実験
的に決定される。１つの構造的実施例において
は、ｔ上方許容上限及びｔ下方許容上限の値は閾
値下にある時間が17秒で、閾値上にある時間が４
秒である如く選択される。ｔ長値は34秒に等しく
なる様に選択される。ｎの値は16である。結果の
温度曲線は第５図に示されている。熱を与えるた
めのエネルギは閾値を示すTo線の下の斜線領域
に比例する。

第２図のシステムの種々の素子の機能を遂行さ
せるために本発明の好ましい実施例においては適
切にプログラムされたマイクロコンピユータを使
用する。そのプログラム論理を示した流れ図は第
６図に示されている。説明の目的のためには、プ
ログラムは連続したループ・プログラムとして示
されているが、他方実施においては、サブルーチ
ンである事が好ましい。

ｔ長、ｔ下方許容上限、ｔ上方許容上限及びｎ
の値はシステムのパラメータに従つて予じめ決定
される。その値はプログラムの最初の段階として
セツトされもしくは読取り専用メモリ中に永久的
に符号化されている。溶融器のホツト・ロールに
印加される電力の割合を制御するためのｋ計数は
第７図に示された如く接続された割込可能マイク
ロコンピユータ４において適切に具体化され得
る。４本のデータ・インもしくはデータ・アウト
線は次の様に使用される。

１ 線６は第３図に示された比較器の演算増幅器
３０から得られる高レベル(1)もしくは低レベル
（０）信号を受取る。

２ 線７及び８は上述の如く第３図に示された比
較器の閾値レベルをセツトする制御信号を供給
する。

３ 線９９はトライアツク回路をオンに転ずる出
力信号を与える。

４ 線５は割込み（INT）入力線及びマイクロ
コンピユータにINTルーチンを実行させるも
のである。

線５上の割込み信号は第２図に示された零交差
検出器８３から受取られる。割込みは各半サイク
ル毎に生ずるので、ｋ及びｎの値は1/2計数器の
ための必要が除去される様に２倍にされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の制御システムのブロツク図で
ある。第２図は本発明のハードウエア実施例の論
理図である。第３図は本発明と共に使用されるに
適した入力感知器の概略図である。第４図は溶融
器のホツト・ロールの主要部分の断面図である。
第５図は本発明の一実施例の温度と時間の関係を
示した図である。第６図はプログラム可能な制御
プロセツサを含むシステムで本発明を実施するた
めのプログラムの流れ図である。第７図は本発明
のマイクロコンピユータ実施例のブロツク図であ
る。 ４……マイクロコンピユータ、１０……加算／
減算器、１１……制御装置、１４……溶融器のホ
ツト・ローラ、２０……比較器、２１……閾値レ
ジスタ、２９……トライアツク回路、３２……溶
融器のホツト・ローラ、３４……温度感知器、５
５……時間計数器、７１……時間の上方許容上限
値源、７２……時間の下方許容上限値源、７３，
７４……比較器、７５……ｋ計数器、８０……計
数器、８２……トリガ回路、８３……零交差検出
器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 予め定められた閾値の上方及び下方に予め定
   められる時間の上方許容上限値及び下方許容上限
   値を夫々設定する段階と、 制御変数を決定する可変出力信号を供給する段
   階と、 制御変数の値が上記閾値と交差した後に基準信
   号を発生する段階と、 相次いで発生する基準信号間の期間を測定する
   段階と、 上記制御変数の値が上記閾値を下まわつている
   期間が上記時間の下方許容上限値以上である時に
   上記可変出力信号の値を増大させる段階と、 上記制御変数の値が上記閾値を上まわつている
   期間が上記時間の上方許容上限値より大である時
   に上記可変出力信号の値を減少させる段階とより
   成るフイードバツク制御方法。