JPH0455738B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野 本発明は一般に理化学機器における恒温装置の
温度制御装置に関するものである。

(ロ) 従来の技術 従来の此種恒温装置の温度制御に関する方法は
例えば特開昭61−35856号公報に示されている。
此種恒温装置は庫内を例えば15℃〜30℃のうちの
何れかの目標値に精密に温度制御することが要求
され、そのために恒温装置内を加熱するためのヒ
ータと冷却するための圧縮機を有した冷却装置と
を備えている。

この場合目標値が恒温装置の周囲温度よりも高
い時はヒータの駆動は必要であるが冷却装置の駆
動は不要である。一方、周囲温度付近からそれ以
下で制御する場合はヒータと共に冷却装置による
冷却が必要とされ、又、目標値が高い場合であつ
ても、高温の試料等が収納された時はやはり冷却
が必要となる。ここで冷却装置の圧縮機はヒータ
と異なり、その機構上頻繁な駆動停止が行なえな
いため、此種精密な制御のためには圧縮機を駆動
したままでヒータの出力を制御するのが一般的で
あるが当然に電力消費が多大となるため目標値が
高い時は使用者が手動で圧縮機を停止せしめてい
た。

この手間を省くため前記公報ではヒータと圧縮
機を交互に駆動し、この切換えは自動的に行うと
共に、ヒータは比例制御することによつて消費電
力を削減する方法を採つている。

(ハ) 発明が解決しようとする問題点 前記公報ではヒータを比例制御していたが、更
に精密に制御するものとしてPI若しくはPID制御
することが考えられる。ここでPI制御とは比例
積分制御であり、PID制御とは更に微分制御が加
算される。以下にPID制御の一般式を示す。

ｙ＝Kpe＋Kp／Ti∫edt＋KpTdde／dt ……(i) ここでｙはヒータの出力となる操作量、Kpは
比例感度、Tiは積分時間、Tdは微分時間、ｅは
目標値（以下（SV）とする。）と恒温装置内の温
度（以下(C)とする。）との偏差であり、式(i)中
Kpeは比例操作量を、Kp／Ti∫edtは積分操作量を、 KpTdde／dtは微分操作量を示している。

比例操作量は偏差ｅの増加に比例し、それを減
少させる方向に作用し、積分操作量は偏差を積分
して定常的な偏差を無くする様作用し、微分操作
量は急激な温度変動を緩慢にする方向に作用する
ものである。

第５図に目標値（SV）を例えば＋５℃としそ
の上下±0.5℃に上限値（DH）、下限値（DL）を
設定し、温度（Ｃ）が（DL）まで低下して圧縮
機を停止し、（DH）まで上昇して駆動すると共
に、圧縮機の停止中はヒータをPID制御にて発熱
させる場合の温度（Ｃ）の時間推移を示す。この
場合は圧縮機が駆動されて温度（Ｃ）が低下して
行き図中ｆ点にて圧縮機が停止すると、その時点
で温度（Ｃ）は目標値（SV）より低いため比例
及び積分操作量はヒータの出力を増加させる方向
に、又、圧縮機が停止しても温度（Ｃ）はアンダ
ーシユートのため低下しているので微分操作量も
ヒータの出力を増加させる方向に出力を発生する
ので操作量ｙ全体としては100％の状態となる。
そのため温度（Ｃ）は急上昇する。この時、式(i)
の積分項は図中ｆ点からｇ点までの斜線範囲を出
力が増加する方向で積分し、ｇ点からｈ点までの
斜線範囲を出力が減少する方向で積分している
が、アンダーシユートがあるため、ｆ点からｇ点
までの積分がｇ点からｈ点までの積分を上回つて
おり、ｈ点でヒータの出力が停止されても積分操
作量はヒータ出力を増加する方向で残存してしま
うため、これが蓄積されて行き、次回ヒータによ
る加熱が開始される際、再びヒータ出力は100％
となり、結果的に圧縮機とヒータを100％の出力
で交互に駆動するものと同じになつてしまい、温
度制御はアンダーシユート及びオーバシユートの
大きい不安定なものとなつてしまう。

本発明は斯かる問題点を解決するために成され
たものである。

(ニ) 問題点を解決するための手段 本発明は恒温装置の温度制御装置において恒温
装置内を加熱する加熱手段と冷却する冷却手段と
をそれぞれ駆動することにより恒温装置内を目標
温度に保持するものであつて、目標温度を設定す
る手段と、恒温装置内の温度を検出する手段と、
目標温度と恒温装置内の温度に基づき加熱手段若
しくは冷却手段を交互に駆動すると共に加熱手段
をPI若しくはPID制御するための演算部を有した
制御手段とを備え、制御手段には冷却手段が停止
する時に演算部に所定の積分初期値を設定する手
段を設けたものである。

(ホ) 作用 本発明によれば加熱手段と冷却手段を同時に駆
動しないので消費電力を削減できる。又、加熱手
段のPI若しくはPID制御によつて加熱手段による
安定した温度制御が可能となる。特に冷却手段の
停止後のヒータの制御が適節に行え温度変動の少
ない制御が可能となる。

(ヘ) 実施例 次に図面に従つて本発明の実施例を説明する。
第１図は本発明の温度制御装置１の機能ブロツク
図を示す。２は制御手段としての周知のマイクロ
コンピユータであり、マイクロコンピユータ２は
その機能として切換え制御部３、PID演算部４、
積分初期値設定部５及びスイツチ６を有する。７
は図示しない恒温装置例えばインキユーベータの
庫内の目標温度SVを設定する温度設定部であり、
目標温度SVを切換え制御部３とPID演算部４に
出力する。８は該インキユベータの庫内温度Ｃを
検出する温度検出部であり、温度ＣをＡ／Ｄ変換
器９を介して切換え制御部３及びPID演算部４に
出力する。１１は商用交流電源であり、その出力
には切換えスイツチ１２が接続されている。１３
は図示しない庫内冷却用の冷却装置の冷媒回路を
構成する圧縮機でスイツチ１２のａ接点に接続さ
れる。１４は前記庫内を加熱する為のヒータであ
り、その発熱量はスイツチ１２のｂ接点に接続さ
れてスイツチング素子から構成されるヒータ駆動
回路１５によつて通電時間をデユーテイ比調節さ
れる。

切換え制御部３は目標値SVの上下例えば±0.5
℃の点に上限温度DH及び下限温度DLを設定し、
温度ＣがDHより高い時はスイツチ１２をａ接点
に閉じ、その状態から低下してDLに達したらｂ
接点に閉じ、更にその状態から温度Ｃが上昇して
DHに達したらａ接点に再び閉じる。又、スイツ
チ１２をａ接点に閉じている時はPID演算部４の
演算を休止せしめると共に、ａ接点からｂ接点に
切換える時にイツチ６を瞬時的に閉じて積分初期
値設定部５より所定の積分初期値I₀をPID演算４
に入力せしめPID演算部４内に蓄積されている積
分操作量と入れ換える。PID演算部４はスイツチ
１２がｂ接点に閉じている間、温度Ｃと目標値
SVとから前記式(i)に基づいてPID演算を行い、
その結果である操作量ｙをヒータ駆動回路１５に
出力し、そのスイツチング素子を制御して操作量
ｙに基づいてヒータ１４の発熱量を制御する。

次に第２図のマイクロコンピユータ２のソフト
ウエアを示すフローチヤートに基づき、第３図の
温度Ｃの時間推移を示す図を参照して動作を説明
する。電源投入からスタートしてステツプ２０で
温度設定部７から目標温度SVを読み込み、ステ
ツプ２１で温度検出部８から庫内温度Ｃを読み込
み、それに基づいて偏差ｅをステツプ２２で算出
し、ステツプ２３でそれに基づき、式(i)によつて
PID演算を実行し操作量ｙを決定する。次にステ
ツプ２４で温度Ｃが上限温度DH以上か否か判別
する。

ここで第３図は周囲温度が例えば＋20℃で目標
温度SVが＋５℃である時の温度制御を示してお
り、図中ｉ点では温度ＣはDHより高いからステ
ツプ２６に進んでスイツチ１２をａ接点に閉じ、
圧縮機１３を駆動してヒータ１４の出力は停止さ
せる。次にステツプ２７と２８で同様に目標温度
SVと温度Ｃを読み込み、ステツプ２９で温度Ｃ
がDL以下か否か判断する。第３図中ｉ点では否
であるからステツプ２６に戻る。以下ステツプ２
６から２９を繰り返えしてインキユベータ内を冷
却して行き、第３図中ｊ点おいて温度ＣがDLに
達するとステツプ２９から３０に進み、スイツチ
６を閉じてPID演算部４に積分初期値I₀を入力さ
せる。PID演算部４における積分操作量の変化は
第３図中最下段に示す。即ち温度ＣがDLに達し
た時点で積分操作量は所定の低い値（例えば−50
％）であるI₀に初期値設定される。次にステツプ
２０に戻り以下ステツプ２１から２３まで実行
し、ステツプ２４では否であるからステツプ２５
に進んでスイツチ１２をｂ接点に切換え、ヒータ
１４に操作量ｙに基づいて給電される状態とし、
圧縮機１３を停止させる。

この時第３図中ｊ点では温度Ｃはアンダーシユ
ートにより低下する方向であるため、ステツプ２
３によるPID演算では式(i)の比例項及び微分項は
ヒータ１４の発熱を増加させる方向即ち第３図中
の操作量ｙを増大させる方向に増加している。し
かし乍ら積分項はステツプ３０でマイナス方向の
I₀に初期値設定されているので操作量ｙ全体とし
ては第５図の如く100％とはならず例えば30％程
となつているため、その後の温度Ｃの上昇は緩慢
となる。以後ステツプ２０から２５を繰り返えし
てヒータ１４をPID制御することによつて庫内を
加熱して行くが、ヒータ１４の発熱開始時の出力
が低いため上限温度DH付近では操作量ｙ即ちヒ
ータ１４の出力は相当低い値となつているため温
度Ｃの上昇速度は緩慢となつているため、第３図
中１点でDHに達し、ステツプ２４から２６に進
んで圧縮機１３による冷却が開始されることによ
り、温度Ｃは直ぐに低下し始め、これによつて第
３図中ｌ点以降の如く温度Ｃのオーバーシユート
は最少限に抑えられる。又、ｌ点までの時間が長
くなるので圧縮機１３起動時の負担が少なくな
る。以後これを繰り返えし、温度ＣをDHとDL
の範囲内に制御して行く。特に周囲温度より目標
温度SVが低い場合は、圧縮機１３が停止すれば
ヒータ１４を発熱させずとも温度Ｃは自然に上昇
して行くものであるから、積分初期値I₀を設定し
ない場合は第５図の如く温度Ｃが非常に不安定と
なつてしまうが、本発明の如く制御すれば第３図
の如くオーバーシユートの少ない制御が達成され
るので、本発明は斯かる状況では格別有効とな
る。

第４図は周囲温度が＋20℃で目標温度SVが例
えば＋30℃である場合の制御を示す。電源投入
時、温度Ｃは目標温度SVよりも十分低いからス
テツプ２３における操作量ｙは100％の状態から
開始され、ステツプ２０から２５を繰り返えして
温度Ｃはヒータ１４の加熱によつて上昇して行
く。ヒータ１４の出力は目標温度SVに近づくに
従つて減少して行くが、図中ｍ点で温度DHに達
した時点でステツプ２４から２６に進みスイツチ
１２をａ接点に切換えて圧縮機１３の冷却が開始
される。ステツプ２６から２９を繰り返えして冷
却が進行し図中ｎ点でDLに達したらステツプ２
９から３０に進んで積分初期値I₀を設定してステ
ツプ２０に戻り、以下同様にステツプ２０から２
５を繰り返えしてヒータ１４のPID制御により庫
内の温度制御を行う。この場合もヒータ１４の発
熱が開始された時点で操作量ｙは低い値となつて
いるから、その後目標温度SVに接近する過程で
温度Ｃの上昇率は緩慢となつているため目標温度
SVからのオーバーシユートは少なく、その後は
ヒータ１４のPID制御によつて温度Ｃは目標温度
SVに安定的に制御されて行く。尚、実施例では
PID制御について述べたがPI制御であつても差支
えない。

(ト) 発明の効果 本発明によれば加熱手段と冷却手段を同時に駆
動しないので消費電力の削減が図れると共に、そ
れらの切換えも制御装置が自動的に行うので使用
者による管理が容易となる。特に冷却が不要な場
合は加熱手段のPI若しくはPID制御によつて安定
的な温度制御が可能となると共に、冷却が必要な
状況下で冷却手段の停止時にはPI若しくはPID演
算の積分操作量を所定の初期値に設定するので加
熱過剰によるオーバーシユートを減少せしめる事
になり、安定した恒温装置の温度制御が可能とな
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の実施例を示すもの
で、第１図は温度制御装置の機能ブロツク図、第
２図はマイクロコンピユータのソフトウエアを示
すフローチヤート、第３図及び第４図は恒温装置
内温度の時間推移を示す図であり、第５図は第３
図に相当する従来の制御装置による温度の時間推
移を示す図である。 １……温度制御装置、２……マイクロコンピユ
ータ、３……切換え制御部、４……PID演算部、
５……積分初期値設定部、７……温度設定部、８
……温度検出部、１３……圧縮機、１４……ヒー
タ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 恒温装置内を加熱する加熱手段と冷却する冷
   却手段とをそれぞれ駆動することにより前記恒温
   装置内を目標温度に保持するものにおいて、前記
   目標温度を設定する手段と、前記恒温装置内の温
   度を検出する手段と、前記目標温度と前記恒温装
   置内の温度に基づき前記加熱手段若しくは冷却手
   段を交互に駆動すると共に前記加熱手段をPI若
   しくはPID制御するための演算部を有した制御手
   段とを備え、該制御手段は前記冷却手段が停止す
   る時に前記演算部に所定の積分初期値を設定する
   手段を具備している事を特徴とする恒温装置の温
   度制御装置。