JPH08178551A - 燃焼制御系の温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 焼成室の温度制御に際し、焼成物の形状や数
量や置場所や物性など焼成室内の温度分布に影響を及ぼ
す不確定要素の影響を考慮した温度制御を実現する。 【構成】 メモリ２０に格納された経時パターンに基づ
いて指示される焼成室の目標温度Ｍ（k）は、第１の演
算手段１３において、焼成室１の温度を検出する焼成室
温度検出器１０の出力ｔｉ（ｔ）を入力とする調整手段
１９の出力Δ（k）で補正されて補正目標温度Ｍ’（k）
となり、第２の演算手段１４は、この補正目標温度Ｍ’
（k）と火炎温度検出器１０−１が出力する焼成バーナ
であるヒータ１６の火炎温度Ｔ１（k）の差ε（k）を算
出してＰＩＤコントローラ１５に出力し、ＰＩＤコント
ローラ１５は差ε（k）の絶対値が小さくなるようにヒ
ータ１６を制御する制御入力ｕ（k）をヒータ１６に出
力し、ヒータ１６は入力されたｕ（k）に基づいて燃焼
して焼成室に熱を加える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、陶磁器等の焼成品を焼
成する炉の燃焼制御系に係り、特に燃焼制御により炉内
温度を制御する場合の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】陶磁器を焼成する場合の焼成室の温度パ
ターンは、図３に示すように、焼成室の温度を、設定さ
れた焼成温度に所定の上昇率で上昇させたのち、その焼
成温度に必要な時間維持し、次いで、適切な降下率で降
下させるようにした経時パターンが一般的である。温度
を下げる場合、冷却が急激過ぎると焼成物に割れが生ず
るおそれがあり、逆にゆっくり過ぎると色が黒くなった
り、つやが悪くなったりする恐れがある。

【０００３】陶磁器を焼成する炉の燃焼制御及び温度制
御については、特開平５−１７２４７０号公報に開示さ
れた例がある。この公報開示の技術では、焼成室内の温
度を検出し、検出した温度に基づいて、炉の焼成室内を
所定の温度にするための焼成バーナに燃料を供給する燃
料調節弁を制御するようになっており、制御の流れは、
図１０に示すようになっている。この制御の流れにおけ
る温度設定から焼成室内に至るループでは、図９に示す
ように、設定された目標温度であるＭ（t）と焼成室の
測定温度Ｔ２（t）の偏差ε（t）がコントローラに入力
され、コントローラはε（t）が減少する方向にヒータ
を制御する信号ｕ（t）を出力し、ヒータはｕ（t）を入
力としてヒータ火炎温度Ｔ１（t）で表される熱を出力
し、ヒータ火炎温度Ｔ１（t）で表される熱の入力によ
って形成される焼成室の温度が検出され前記測定温度Ｔ
２（t）として偏差ε（t）の算出に用いられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、焼成室内の
温度変化は多くの不確定要素によって影響されている。
例えば、焼成物の形状や数量や置場所や物性などが焼成
室内の温度分布に影響を及ぼし、限られた数の温度検出
器では焼成室内の温度分布を正確に検出できない。それ
らの不確定要素を考慮するには、図９の温度制御ループ
構成では、コントローラ設計及びヒータ自体の非線形要
素を含めたハイブリッド構成が容易に実現できない。さ
らに燃焼系の特徴である遅れ（DELAY）を、ヒータの制
御と前記不確定要素の制御に関し、同一の制御ループ下
に考慮するには、サンプリングとの兼ね合いで調節が困
難である。

【０００５】つまり、上記公報には、所定の温度（経時
パターン）を実現するための実用的な温度制御の詳細に
ついては開示されていない。

【０００６】本発明の目的は、焼成室の温度制御に際
し、焼成物の形状や数量や置場所や物性など焼成室内の
温度分布に影響を及ぼす不確定要素の影響を考慮した温
度制御を実現するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するために、焼成室内に配置され焼成物が載置され
る棚と、焼成室に熱を供給するヒータと、該ヒータに供
給される流体燃料量を調節する燃料調節弁と、焼成室内
の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段の出
力と予め設定された経時パターンで指示される目標温度
の偏差を入力として前記燃料調節弁を制御するコントロ
ーラと、を含んでなる焼成炉における燃焼制御系の温度
制御方法において、温度制御の制御ループを、前記経時
パターンで指示される目標温度を、前記温度検出手段の
出力と前記経時パターンで指示される目標温度に基づい
て算出された補正値で補正する第１の帰還ループと、前
記ヒータ近傍の温度を検出し、この温度と前記補正され
た目標温度の偏差を算出し、算出された偏差を前記コン
トローラへの入力とする第２の帰還ループと、で構成し
たことを特徴とする。

【０００８】前記補正値の算出は、ファジィ推論を用い
ることにより、行うことができる。

【０００９】

【作用】焼成物の不確定要素に対応して目標温度を補正
する制御がまず第１の帰還ループで行われ、補正された
目標温度にヒータの出力を追従させる制御が第２の帰還
ループで行われる。ヒータの出力の制御がヒータ近傍の
温度を測定する温度検出器の出力をフィードバックして
行われ、焼成室の温度が関係しなくなるので焼成物の不
確定要素の影響を無くした制御となる。焼成物の不確定
要素の影響への対応を含んだ制御、つまり焼成室の温度
を設定された経時パターンの目標温度に近付ける制御
は、ヒータ自体の制御とは別の制御ループで行われるの
で、ヒータの応答遅れや動作特性とは無関係に実現でき
る。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図面を参照しなが
ら説明する。図２は陶芸用焼成炉の構成の概略図であ
り、焼成炉には焼成室１が設けられており、この焼成室
１の上部に連接して２次燃焼室２が形成され、２次燃焼
室２は触媒層１２を介して排気筒３に連なっている。２
次燃焼室２は還元雰囲気で運転する際に発生する排ガス
中の一酸化炭素および炭素を再燃焼させるために設けら
れている。焼成室１の下部には焼成バーナ４が設置さ
れ、２次燃焼室２には２次バーナ５が設けられている。
焼成バーナ４には燃料調節弁６−１を介して燃料が供給
され、空気調節弁７−１を介して空気が供給されるよう
になっている。

【００１１】また、２次バーナ５には同様に燃料調節弁
６−２を介して燃料が供給され、空気調節弁７−２を介
して空気が供給されるようになっている。還元雰囲気で
運転する際は高温であることと、触媒の作用により２次
バーナ５には燃料を供給しなくて空気を送り込んでやる
だけで再燃焼する場合もある。さらに、焼成室１内には
酸素濃度を検出するための酸素検出器８、一酸化炭素濃
度を検出するための一酸化炭素検出器９および温度を検
出するための焼成室温度検出器１０、火炎温度検出器１
０−１が配設されており、焼成用陶芸作品を配置するた
めの棚板１１が上下に２段に配列されている。温度検出
器１０は複数個配置されていて焼成室内の複数個所の温
度を、火炎温度検出器１０−１はヒータ１６を構成する
焼成バーナ４の燃焼火炎近傍の温度を、それぞれ検出す
るように配置されている。火炎温度検出器１０−１の検
出出力をヒータを構成する焼成バーナ４の出力Ｔ１
（t）とする。ここでいうヒータ１６は、焼成バーナ
４、燃料調節弁６−１及び空気調節弁７−１を含んで構
成されたものをいう。

【００１２】制御の流れは基本的に前記図１０に示すも
のに倣っているが、温度設定から焼成室内温度形成にい
たる制御ループは、図１に示すように、経時パターンの
各サンプリング時点での目標温度Ｍ（ｋ）を経時パター
ンの調整値Δ（ｋ）で修正しヒータ出力の目標値Ｍ'
（ｋ）として出力する第１の演算手段１３と、ヒータ出
力の目標値Ｍ'（ｋ）とヒータ出力の測定値Ｔ１（t）の
偏差ε（ｋ）を算出出力する第２の演算手段１４と、偏
差ε（ｋ）を入力として該偏差ε（ｋ）を低減する方向
にヒータ１６を制御する制御信号ｕ（k）を出力するＰ
ＩＤコントローラ１５と、制御信号ｕ（k）を入力とし
て動作し熱を発生するヒータ１６と、ヒータ１６が出力
する熱を検出しヒータ出力の測定値Ｔ１（k）として前
記第２の演算手段１４に出力する火炎温度検出器１０−
１と、ヒータの出力する熱によって形成された焼成室の
温度を複数個所で検出し焼成室温度Ｔ２（t）として出
力する焼成室温度検出器１０と、焼成室温度Ｔ２（t）
を入力として経時パターンの調整値Δ（k）を算出し前
記第１の演算手段１３に出力する調整手段１９と、から
構成されている。

【００１３】調整手段１９は、焼成室温度検出器１０
（複数個）の出力を扱い、焼成物の不確定要素を考慮
し、焼成室内の温度変化パターンを柔軟に判断し、それ
に応じて経時パターンの調整値Δ（ｔ）を出力するもの
で、例えばニューラルネット技術、ファジィ技術、及び
両者を融合させた技術を適用して構成される。本実施例
においては、ファジィ技術を適用した調整手段１９を用
いた。

【００１４】調整手段１９は、図４に示すように、複数
の焼成室温度検出器１０からのデータＴ２（t）(ここで
はｔi（t）とする，ｉ＝１〜Ｎは複数の焼成室温度検出
器１０のそれぞれの番号を示す）が入力され温度誤差ｅ
ｒ（k）及び温度誤差変化量ｅｃ（k）を算出、記憶して
出力するデータ変換部１９Ａと、データ変換部１９Ａに
接続され温度誤差ｅｒ（k）及び温度変化変化量ｅｃ
（k）を入力として調整値Δ（k）を算出、出力するファ
ジィルール部１９Ｂとを含んで構成されている。メモリ
２０は、図１０に示す制御の流れにおいて、経時設定→
温度設定の部分を担当するもので、焼成室温度の経時パ
ターンを格納し、時間の経過につれて変化する目標温度
Ｍ（k）及びＭ（k−１）を出力する。なお、上述の説明
において、変数ｔは、ｔ＝ｋＴoで表され、Ｔoは温度検
出器のサンプリング周期を、ｋは何番目のサンプリング
かを、それぞれ示す数で、ｋ＝０，１，２，……であ
る。

【００１５】以下、上記構成の調整手段１９の動作につ
いて説明する。まず、データ変換部１９Ａは、入力され
たｔi（t）（ｉ＝１〜ｎ）の平均温度Ｔ₂（k）を次式に
より、算出する。

【００１６】

【数１】

【００１７】データ変換部１９Ａは、メモリ２０から入
力される経時パターンの温度Ｍ（k−１）と前記算出し
たＴ₂（k）を用いて下記式（２−１）により、温度誤差
ｅｒ（k）を算出する。また、前回のサンプリング時に
記憶したＴ₂（k−１）と今回算出したＴ₂（k）、メモリ
２０から入力される経時パターンの温度Ｍ（k−１）と
Ｍ（k）を用い、下記式（２−２）により、温度誤差変
化量ｅｃ（k）を算出する。次式で表されるｅｒ（k），
ｅｃ（k）は、それぞれｋ回目のサンプリングにおける
温度誤差及び温度誤差変化量である。ｅｒ（k），ｅｃ
（k）の演算が終わると、今回算出されたＴ₂（k）が、
Ｔ₂（k−１）として格納記憶される。

【００１８】

【数２】

【００１９】ｍは、焼成室目標温度の経時パターンにお
ける１サンプリング間隔での温度変化の最小値より小さ
い正の数で、０＜ｍ＜┃Ｍ（ｋ）−Ｍ（ｋ−１）┃（経
時パターンの全領域のｋについて成立すること）で表さ
れる係数である。

【００２０】算出されたｅｒ（k），ｅｃ（k）はファジ
ィルール部１９Ｂに送られる。ファジィルール部１９Ｂ
は、入力されたｅｒ（k），ｅｃ（k）を評価し、補正量
Δ（k）を次式により算出する。Ｆは、ファジィ推論関
係を表す。

【００２１】 Δ（k）＝Ｆ（ｅｒ（k），ｅｃ（k）），ｋ＝０，１，…… （３） つまり、前回サンプリングの温度変化特徴を前件部と
し、次回の経時パターン値に対する補正量を後件部とし
てファジィ推論が行われる。図５，６，７に、温度誤
差、温度誤差変化量を評価して補正量を出力するための
メンバーシップ関数の例を示す。

【００２２】まず、算出されたｅｒ（k）を図５の横軸
に当てはめ、図示されたＮＬ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＬ
の各グラフの値を読み取る。図５の横軸のｅmin〜ｅmax
は、実際に評価したい温度誤差の幅を表すもので、ｅmi
nには想定される最小のｅｒ（k）（負側の最大）が、ｅ
maxには想定される最大のｅｒ（k）（正側の最大）が、
それぞれ設定される。また、ｅnは、負の温度誤差に対
してｅminと原点（誤差０）との間に置かれる、理想的
な場合（ＺＯ）と負の誤差が非常に大きな場合（ＮＬ）
を区分する境界点となる温度誤差の値を示し、ｅpは、
正の温度誤差に対してｅmaxと原点（誤差０）との間に
置かれる、理想的な場合（ＺＯ）と正の誤差が非常に大
きな場合（ＰＬ）を区分する境界点となる温度誤差の値
を示す。の値は、制御の定数として予め選択し、設定さ
れる。例えば、−１００℃〜１００℃の温度誤差ｅｒ
（ｋ）を評価しようとする場合、 ｅmin＝−１００℃， ｅn ＝ −５０℃， ０ ＝ ０℃ ｅp ＝ ５０℃， ｅmax＝ １００℃ のように等分割をとって決められる。

【００２３】次に、ｅｃ（ｋ）（温度誤差変化量）が図
６のメンバシップ関数の横軸に当てはめられ、ＳＷ，Ｏ
Ｋ，ＦＡの各グラフの値が読み取られる。

【００２４】読み取られた上記各グラフの値を適用する
ファジィ推論ルールは表１により与えられる。

【００２５】

【表１】

【００２６】図７のグラフの表１で与えられたファジィ
推論ルールに、図５及び図６で読み取られた値を当ては
め、横軸の値に示される補正量が得られる。図７の横軸
のΔ６とΔ３は、経時パターン補正量の減少側最大値
と、増加側最大値をそれぞれ示すものである。例えば、
減少側最大値を−３０℃、増加側最大値を３０℃とした
場合、０，Δ１，Δ２，Δ４，Δ５は、簡単に等分割
で、 ０＝ ０℃ Δ１＝ １０℃ Δ２＝ ２０℃ Δ３＝ ３０℃ Δ４＝−１０℃ Δ５＝−２０℃ Δ６＝−３０℃ に設定することができる。

【００２７】調整手段１９は、上述の手順で補正量Δ
（ｋ）を算出し、算出したΔ（ｋ）を第１の演算手段１
３に出力する。図８に調整手段１９の動作の手順を示
す。図示の手順がサンプリング周期ごとに繰り返され
る。

【００２８】第１の演算手段１３には、メモリ２０から
Ｍ（ｋ）が入力されており、調整手段１９から入力され
たΔ（ｋ）を加算して、ヒータ出力の目標値Ｍ’（ｋ）
として第２の演算手段１４に出力する。第２の演算手段
１４は、演算手段１３から入力されたＭ’（ｋ）と火炎
温度検出器１０−１から入力された火炎近傍の実測温度
であるヒータ出力Ｔ１（ｋ）の偏差ε（ｋ）を算出し、
ＰＩＤコントローラ１５に出力する。ＰＩＤコントロー
ラ１５は、入力された偏差ε（ｋ）の絶対値が減少する
方向にヒータ１６を制御する制御信号ｕ（ｋ）を出力
し、ヒータ１６の出力、つまりは焼成バーナ４の燃焼量
を制御する。ヒータ１６の出力は、焼成バーナ４の燃焼
火炎近傍の温度で表され、火炎温度検出器１０−１の出
力Ｔ１（ｋ）として第２の演算手段１４にフィードバッ
クされるのである。すなわち、第２の演算手段１４、Ｐ
ＩＤコントローラ１５、ヒータ１６（実際は燃料調節弁
６−１、空気調節弁７−１）及び火炎温度検出器１０−
１で構成される第２の帰還ループ（燃焼制御ループ）
は、焼成室の温度に直接にはかかわりなく、ヒータ出力
Ｔ１（ｋ）が目標値Ｍ’（ｋ）に一致するように制御す
ればよく、制御が単純化されている。

【００２９】一方、焼成室の温度は複数の焼成室温度検
出器１０で検出され、前述のように、調整手段１９で補
正量Δ（ｋ）に変換されて第１の演算手段１３に出力さ
れる。つまり、焼成室の温度は、第１の演算手段１３、
焼成室温度検出器１０及び調整手段１９で構成される第
１の帰還ループ（温度制御ループ）で制御されるのであ
る。この温度制御ループは、焼成バーナ４の燃焼制御は
直接には関係せず、焼成室温度に基づいてヒータ出力を
指示する。そして、前記燃焼制御ループは、ヒータ出力
が指示されたヒータ出力になるようにヒータを制御する
のである。したがって、ヒータ出力が指示されたヒータ
出力になっても焼成室温度が焼成室温度の目標経時パタ
ーンで指示される温度Ｍ（ｋ）に達しない場合は、調整
手段は正の補正量Δ（ｋ）を出力し、ヒータ出力の目標
値Ｍ’（ｋ）を増大させることになる。

【００３０】本実施例によれば、焼成物の不確定要素へ
の対応をヒータの制御と切り離すことが可能となり、焼
成物の不確定要素への対応が容易になり、様々な調整手
段に対応する経時パターンの自動修正が可能になる。さ
らに、焼成温度の遅れ（DELAY）やヒータの制御ループ
の立上り時間や燃焼制御系のサンプリング周期の選択な
どが、明確な関係で調整できる。それによってきめこま
かな温度制御が実現できる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、温度制御における焼成
物の不確定要素への対応をヒータの制御と切り離すこと
が可能となり、焼成物の不確定要素への対応が容易にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す制御ブロック図である。

【図２】本発明が適用される焼成炉の例を示す断面図で
ある。

【図３】焼成炉の温度の経時パターンの例を示す概念図
である。

【図４】図１に示す実施例の部分の詳細を示す制御ブロ
ック図である。

【図５】本発明に適用されるメンバシップ関数の例を示
す図である。

【図６】本発明に適用されるメンバシップ関数の例を示
す図である。

【図７】本発明に適用されるメンバシップ関数の例を示
す図である。

【図８】図４に示す調整手段の動作手順を示す手順図で
ある。

【図９】従来技術の例を示す制御ブロック図である。

【図１０】従来技術の例を示す制御ループ図である。

【符号の説明】

１ 焼成室 ２ ２次燃焼室 ３ 排気筒 ４ 焼成バーナ
（ヒータ） ５ ２次バーナ ６−１ 燃焼調節
弁 ７−１ 空気調節弁 ８ 酸素検出器 ９ 一酸化炭素検出器 １０ 焼成室温度
検出器 １０−１ 火炎温度検出器 １１ 棚板 １２ 触媒層 １３ 第１の演算
手段 １４ 第２の演算手段 １５ ＰＩＤコン
トローラ １６ ヒータ １８ 焼成窯 １９ 調整手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 焼成室内に配置され焼成物が載置される
   棚と、焼成室に熱を供給するヒータと、該ヒータに供給
   される流体燃料量を調節する燃料調節弁と、焼成室内の
   温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段の出力
   と予め設定された経時パターンで指示される目標温度の
   偏差を入力として前記燃料調節弁を制御するコントロー
   ラと、を含んでなる焼成炉における燃焼制御系の温度制
   御方法において、 前記経時パターンで指示される目標温度を、前記温度検
   出手段の出力と前記経時パターンで指示される目標温度
   に基づいて算出された補正値で補正する第１の帰還ルー
   プと、前記ヒータ近傍の温度を検出し、この温度と前記
   補正された目標温度の偏差を算出し、算出された偏差を
   前記コントローラへの入力とする第２の帰還ループと、
   を設けたことを特徴とする燃焼制御系の温度制御方法。
2. 【請求項２】 補正値の算出をファジィ推論により行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃焼制御系の温度制
   御方法。