控制装置的制作方法

本发明涉及一种控制装置,尤其涉及使用pid控制来抑制外部干扰的控制装置。

背景技术：

对控制对象进行控制的控制系统中,在有外部干扰时,进行控制使得控制对象的控制量收敛至目标值。通常,从控制理论而言,可以预见,在处理外部干扰时,将阶梯状或脉冲状的信号作为输入施加到控制对象时的控制量的变化。例如,为加热器供电的电源电压产生变动的情况下,该变动相当于外部干扰。

一方面,实际上不仅仅是根据这种外部干扰信号的控制量的变化,根据控制对象构造自身的变化,也经常产生控制量的变化。作为示例,安装有传感器的加热器被控制到一定温度,温度较低的被加热物定期地载置到加热器上进行加热。这种情况下,如果加热器的温度与被加热物的初期温度之间存在差值,根据该热容量间的热移动,将发生大的温度变化。作为具体示例,例如,射出成型机等的喷嘴部与模具接触的情况,半导体制造装置的加热板部上载置晶圆的情况,以及在加热器加热控制的控制对象与树脂片等的被加热物接触的情况等。作为温度处理控制中的外部干扰,需要考虑该控制对象构造自身变化引起的外部干扰特性和上述外部干扰信号输入引起的外部干扰特性的两方特性。

而且,作为抑制外部干扰的技术,已知专利文献1中记载的技术。在专利文献1中,相对于将已知会预先发生的外部干扰施加的控制对象,输出使来自该控制对象的控制量和预定目标值的偏差为零的主操作量。而且,基于外部干扰指示信号,计算消除外部干扰影响的消除操作量,基于指示下次外部干扰的外部干扰指示信号,向控制对象输出将消除操作量加到操作量mv上而得到的操作量mv。此时,需要从一次外部干扰发生时的控制结果开始,计算用于抑制外部干扰影响的两个前馈量和切换时间与动作时间。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本特开2004-220195号公报

技术实现要素：

[发明要解决的问题]

pid控制中,施加外部干扰的情况下,对控制对象进行控制,以使得温度等控制量进行变动后,进行外部干扰抑制用的控制并且返回原来的温度。此时,存在以下问题:如果产生超调量,则产品的品质下降(例如,过分加热),如果应答时间过晚,则返回原来温度将花费时间,生产周期将变长。为此,将外部干扰抑制功能施加到pid控制,来防止超调量和减少至稳定位置的时间。

上述控制对象的构造进行变化的外部干扰情况下,根据热移动,相对于构造变化前的控制对象的时间常数,温度以可见地非常快的速度下降。例如,如果温度传感器直接接触冷的物体,传感器的测量温度相对于加热器的时间常数急剧下降。在现有技术中,如果配合这种快速控制量变化来进行控制的话,将产生使操作量不必要地输出的超调量。

而且,在外部干扰施加前后的负荷率变动小(或者不变动)的控制对象的情况下,外部干扰引起的控制量pv下降将使偏差产生。如果这样执行积分动作的话,为了增大积分值,超调量发生,超调量后积分值如果不返回预定量的话,控制将不稳定。这尤其产生于热容量小的被加热物接触时或者脉冲状外部干扰发生时。热容量大的被加热物接触时或者阶梯状的外部干扰的情况下,因为负荷率变动大,与上述情况相比,超调量较小,但是即便如此,在根据动作被过积分的情况下,超调量也发生。

另一方面,在专利文献1的技术中,需要从一次外部干扰发生时的控制结果开始进行计算两个前馈量和切换时间与动作时间的参数的操作。因此,作为控制方式,在不反馈控制量pv的情况下确定直接施加的操作量的方式“前馈控制”成为基本的功能,所以使该功能有效动作的前提条件为:

·需要根据外部干扰指示信号来得知外部干扰发生时刻；

·根据外部干扰生成的温度变化特性应该有再现性。

因此,根据装置的构成,未获得外部干扰指示信号的情况下,专利文献1记载的技术不能使用。而且,如果温度变化特性中没有再现性,不能满足控制性。而且,为了进行自动计算或自动修正,用户在调整中花费功夫很多。为了解决上述问题,需要通用性的控制装置。

鉴于以上,本发明的目的在于提供一种控制装置,其可以根据控制对象上施加的外部干扰特性,自动求取操作量的补正需要与否和补正量,来抑制超调量。

[解决问题的手段]

概括地说,本发明根据控制量pv变化和pid控制的内部计算量,在线地分析因外部干扰生成的温度变化特性,计算合适的控制输出的修正量,在合适时刻反映到控制输出中,从而具有抑制外部干扰的功能。例如,可以在外部干扰发生时自动地检测外部干扰,来进行上述功能。

根据本发明的技术方案,提供了一种控制装置,包括:

pid运算部,相对于控制对象,来计算与控制对象的控制量和预定目标值的偏差成比例的比例输出、与该偏差的积分值成比例的积分输出、和与该偏差的微分值成比例的微分输出,输出将比例输出、积分输出和微分输出合成的第一操作量；

外部干扰特性判断部,根据在所述控制对象上施加的外部干扰特性,判断是否补正第一操作量；

补正量运算部,根据在所述控制对象上施加的外部干扰特性,基于来自所述pid运算部的比例输出、积分输出和微分输出,计算相对于第一操作量的补正量；以及

补正量加法运算部,通过来自所述补正量运算部的补正量,补正来自所述pid运算部的第一操作量,求取第二操作量,输出到所述控制对象。

[发明效果]

根据本发明,可以提供一种控制装置,其可以根据控制对象上施加的外部干扰特性,自动求取操作量的补正需要与否和补正量,来抑制超调量。

附图说明

图1是本实施方式的控制系统的框图。

图2a是外部干扰判断方法的说明图(1)。

图2b是外部干扰判断方法的说明图(2)。

图3是半导体制造装置的基板部上载置晶圆时的示例中的应答波形的示例。

图4是外部干扰为电源电压变动时(阶梯状外部干扰的情况)的应答波形的示例。

图5是前馈量变更需要与否判断的第一次处理时刻和需要与否判断的说明图。

图6是第一次处理时刻的参数的说明图。

图7是第一次处理时刻的前馈量计算的说明图。

图8是前馈量变更需要与否的判断的第二次处理时刻的说明图。

图9是第二次前馈量变更需要与否判断的说明图。

图10是第二次处理时刻的参数的说明图。

图11是第二次处理时刻的前馈量计算的说明图。

图12示出外部干扰施加时控制量pv的下降速度快且外部干扰引起的负荷率变动小的对象所应用的应答波形。

图13示出外部干扰施加时控制量pv的下降速度慢且外部干扰引起的负荷率变动大的对象所应用的应答波形。

具体实施方式

以下,参照附图来说明本发明的实施方式。

(构成)

图1是本实施方式的控制系统的框图。

控制系统包括控制装置10和控制对象20。控制装置10包括:pid运算部11、外部干扰判断部12、pid运算值监测部13、外部干扰特性判断部14、ff量运算部(前馈量运算部、补正量运算部)15、ff量加法运算部(前馈量加法运算部、补正量加法运算部)16、和限制部17。

pid运算部11通过pid控制,计算使目标值sv和控制量pv的偏差为零的操作量(第一操作量)。更具体地,pid运算部11求取与偏差(sv-pv)成比例的比例要素输出(以下称为p输出)、基于偏差的积分值的积分要素输出(以下称为i输出)、和基于偏差的微分值的微分要素输出(以下称为d输出),对这些输出进行加法运算来求取第一操作量。用于求取p输出、i输出和d输出的各参数根据控制对象20的特性预先设定。

外部干扰判断部12根据目标值(sv)和控制量(pv)的偏差(sv-pv),来判断有没有外部干扰。外部干扰判断部12如果检测到外部干扰,例如使pid运算值监测部13、外部干扰特性判断部14和ff量运算部15工作,来实现本实施方式的处理的功能。此外,外部干扰的检测方法可以使用公知的方法(例如参考日本特开2002-297245号公报的第0027段)。

例如外部干扰判断部12检测到外部干扰,pid运算值监测部13监测pid运算部11中的p输出、i输出和d输出的各内部运算值、和控制量pv。pid运算值监测部13检测p+i+d的最大值,检测控制量pv的底部位置,在后述的各处理时刻将p、i和d的内部运算值和pv底部检测标记输出到外部干扰特性判断部14和ff量运算部15。

外部干扰特性判断部14输入pid运算值监测部13所输出的内部运算值和pv底部检测标记,来判断外部干扰特性。外部干扰特性判断部14根据外部干扰特性的判断结果,来判断是否变更前馈量(补正操作量),并且将前馈执行标记(以下称为ff执行标记)输出到ff量运算部15。

ff量运算部15如果接收到ff执行标记,根据pid内部运算值来计算前馈量(补正量),对于来自pid运算部11的输出值来进行前馈处理。此外,前馈量的初始值例如可以预设为零。ff量加法运算部16对来自pid运算部11的输出值(第一操作量)和ff量运算部15输出的前馈量进行加法运算,来求取操作量(第二操作量),进行输出。也就是说,通过ff量来补正第一操作量。限制部17将ff量加法运算部16输入的第二操作量抑制到预定的限制值以下,并且输出到控制对象20。

此外,可以通过合适的传感器或计测装置来检测控制量pv。

(动作概要)

本实施方式的控制装置10,为了抑制外部干扰施加时的超调量,在外部干扰施加后在线确认外部干扰的特性,计算与外部干扰特性相应的合适输出补正量(前馈量),来进行输出。据此,不需要前馈量的调整操作,用户可以简单使用,即使根据外部干扰的温度变化特性没有再现性,也可以合适地抑制超调量。

本实施方式中,进行两次前馈量的变更判断。前馈量的变更功能的on/off根据外部干扰的特性进行切换。而且,根据外部干扰特性自动地计算前馈量。此外,前馈量的变更判断不限于两次,可以是其他合适的次数。

(外部干扰特性的测量)

首先,说明外部干扰特性的测量。外部干扰特性判断部14测量外部干扰施加后马上的控制量pv的下降速度(第一外部干扰特性)和外部干扰施加前后的负荷率的变动量(第二外部干扰特性),来作为外部干扰特性。

图2a是外部干扰判断方法的说明图(1)。

关于外部干扰施加后立即的控制量pv的下降速度,例如相对于控制对象20的时间常数,来判断外部干扰施加时的控制量pv的下降速度是快还是慢。外部干扰被施加的情况下,如果根据控制对象20的特性使用调整后的pid的各参数来进行控制的话,微分输出易于变大。本实施方式中,外部干扰被施加,在从温度等控制量pv下降开始至达到下降峰值(控制量变为最小的点,以下称为底部)的期间中,对微分输出(d输出)和比例输出(p输出)的峰值量(最大值)进行比较,来进行以下判断。

也就是说,微分输出的峰值大于比例输出的峰值时,外部干扰特性判断部14判断出控制量pv下降速度快的外部干扰特性。另一方面,微分输出的峰值小于比例输出的峰值时,外部干扰特性判断部14判断出控制量pv下降速度慢的外部干扰特性。此外,微分输出的峰值与比例输出的峰值相同的情况下,判断结果是设为控制量pv下降速度快的外部干扰特性还是设为控制量pv下降速度慢的外部干扰特性,可以进行预先定义。

图2b是外部干扰判断方法的说明图(2)。

关于外部干扰施加前后的负荷率的变动量,因为根据负荷率的变动量,超调量的发生量进行变化,故在线判断该变动量。本实施方式中,使用根据控制对象20的特性而调整的pid的各参数来进行控制的情况下,根据pid运算值的峰值(pid运算部11的最大输出)的时刻和控制量pv的下降峰值(底部)的时刻,来进行以下判断。

也就是说,相对于控制量pv成为底部的时刻,pid运算部11的输出变成最大的时刻较快的情况下,外部干扰特性判断部14将外部干扰引起的负荷率变动判断为小。另一方面,相对于控制量pv成为底部的时刻,pid运算部11的输出变成最大的时刻较慢的情况下(时间轴上靠后的位置),外部干扰特性判断部14将外部干扰引起的负荷率变动判断为大。

这里,示出两个外部干扰示例和外部干扰特性的关系。图3为晶圆装载在半导体制造装置的基板部的示例。这种情况下,控制量pv的下降速度快,负荷率变动小。控制量pv成为底部之前,pid运算部11的输出为最大。而且,超调量比较大。

图4是外部干扰为电源电压变动的情况(阶梯状外部干扰的情况)的示例。这种情况下,控制量pv的下降速度慢,负荷率变动大。而且,pid运算部11的最大输出倾向于出现在控制量pv的底部位置附近。而且,超调量比较小。

(补正量的自动运算)

接着,说明前馈量(补正量)的运算。图5是前馈量变更需要与否判断的第一次处理时刻和需要与否判断的说明图。

首先,作为一个示例,在控制量的pv底部检测之前操作量mv的最大输出被检测出的时刻,作为前馈量变更的第一次处理时刻。此外,除了将操作量mv的最大输出的时刻作为处理时刻之外,也可以在控制量pv的底部检测之前,以操作量mv的最大输出被检测出为契机,将合适的时刻(优选地,控制量pv的底部检测前的时刻)作为处理时刻。此外,本实施方式的处理时刻的示例,不妨碍前馈量变更的需要与否判断和前馈量的变更时刻中延时的存在。

上述处理时刻中,外部干扰特性判断部14判断是否进行前馈量的第一次变更。其中,在操作量mv为最大的时刻时的微分输出(dmax)大于同时刻的比例输出(pmax)的情况下,也就是控制量pv的下降速度快的外部干扰特性的情况下,外部干扰特性判断部14判断为进行第一次前馈量变更。另一方面,上述微分输出(dmax)在同时刻的比例输出(pmax)以下的情况下,也就是控制量pv的下降速度慢的外部干扰特性的情况下,外部干扰特性判断部14判断为不进行第一次前馈量变更。

进行第一次前馈量变更的情况下,外部干扰特性判断部14对示出进行第一次前馈量变更的ff执行标记进行设定,并且输出到ff量运算部15。

ff量运算部15如果收到来自外部干扰特性判断部14的ff执行标记,计算出新的前馈量。例如,ff量运算部15求取:pid运算部11的输出最大时的从积分要素稳定状态开始的变化量与比例要素和微分要素的比率(第一参数比率:ratio_i_pd1)。例如,ff量运算部15根据以下公式来求取第一参数比率:ratio_i_pd1)。

(式1)

ratio_i_pd1＝(imove1×2)/(pmax+dmax)

其中,pmax是pid运算部11的输出最大时刻的比例输出,imove1是从pid运算部11的输出最大时刻的积分输出的稳定状态开始的变化量,dmax是pid运算部11的输出最大时刻的微分输出(参见图6)。

此外,上述稳定状态是指控制量pv稳定的状态,例如,控制量pv的变动被收敛至预定允许范围内的状态。在稳定状态中,可以提前适当地存储积分输出。而且,在式1中,将分子乘以2的目的是调整因分母和分子而产生的参数的不同,也可以是2之外的合适的数,也可以省略,也可以将合适的系数乘以其他参数。

ff量运算部15基于第一参数比率,来求取前馈量,例如以使得第一参数比率越小前馈量的绝对值越大。本实施方式中,因为通过ff量加法运算部16来对pid运算部11的输出和前馈量进行加法运算的构成,故求取第一参数比率越小绝对值越大且为负值的前馈量。

图7是计算前馈量的说明图。在图示的图表中,横轴示出第一参数比率ratio_i_pd1,纵轴示出前馈量。例如,预设前馈量的最大值(纵轴的-100％),根据第一参数比率ratio_i_pd1,前馈量在0至前馈量最大值之间变化。此外,第一参数比率ratio_i_pd1大于1的情况下,也可以将前馈量设为0,不进行根据前馈量的补正。

例如可以基于上述imove1值来求取前馈量的最大值。

此外,虽然在图7中相对于第一参数比率ratio_i_pd1使前馈量线性变化,但是也可以是非线性的。例如,也可以将第一参数比率ratio_i_pd1分成多个区间,在每个区间中确定前馈量等,前馈量相对于第一参数比率ratio_i_pd1呈阶梯状变化。在这种情况下也是,当比较各区间的代表值(例如中间值)时,可以是第一参数比率ratio_i_pd1的代表值越小,前馈量的代表值的绝对值越大的关系。

而且,虽然在图7的示例中相对于第一参数比率ratio_i_pd1的前馈量的变化比例为固定的(斜率相同),但是将第一参数比率ratio_i_pd1分成多个区间,各区间的斜率也可以不同。而且,不限于直线形状,前馈量也可为曲线状变化。

图8是前馈量变更需要与否的判断的第二次处理时刻的说明图。作为一个示例,控制量pv的底部被检测到的时刻,作为前馈量变更的第二次处理时刻。此外,也可以是控制量pv的底部的前后规定范围的时刻。

上述处理时刻中,外部干扰特性判断部14判断是否进行前馈量的第二次变更。图9是第二次前馈量变更需要与否判断的说明图。其中,检测pid运算部11的输出最大值的时刻早于控制量pv的底部的时刻的情况下(也就是负荷率变动小的情况),外部干扰特性判断部14判断执行第二次前馈量变更。另一方面,检测pid运算部11的输出最大值的时刻晚于控制量pv的底部的时刻的情况下(也就是负荷率变动大的情况),外部干扰特性判断部14判断不执行第二次前馈量变更。此外,该处理时刻的时点前,如果检测到pid运算部11的输出成为最大的点,若检测到pid运算部11的输出的最大值的时刻在控制量pv的底部的时刻之后,在该处理时刻的时点,可以判断为不执行第二次前馈量变更。

进行第二次前馈量变更的情况下,外部干扰特性判断部14对示出进行第二次前馈量变更的ff执行标记进行设定,并且输出到ff量运算部15。

ff量运算部15如果收到来自外部干扰特性判断部14的ff执行标记,计算出新的前馈量。虽然计算方法可以与第一次前馈量变更相同,但是计算用的参数可以不同。

例如,ff量运算部15求取:控制量pv从底部时的积分要素的稳定状态开始的变化量、和控制量pv至成为底部的比例要素的最大值和微分要素的最大值的比率(第二参数比率:ratio_i_pd2)。例如,ff量运算部15根据以下公式来求取第二参数比率(ratio_i_pd2)。

(式2)

ratio_i_pd2＝(imove2×2)/(pbtm+dbtm)

其中,imove2为控制量pv从底部时的积分输出的稳定状态开始的变化量,pbtm为控制量pv至成为底部的比例输出的最大值,dbtm为控制量pv至成为底部的微分输出的最大值(参见图10)。此外,式2中分子乘以2的点与第一参数比率相同。

ff量运算部15基于第二参数比率,来求取前馈量,例如以使得第二参数比率越小前馈量的绝对值越大。本实施方式中,因为通过ff量加法运算部16来对pid运算部11的输出和前馈量进行加法运算的构成,故求取第二参数比率越小绝对值越大且为负值的前馈量。

图11是计算前馈量的说明图。在图示的图表中,横轴示出第二参数比率ratio_i_pd2,纵轴示出前馈量。例如,预设前馈量的最大值(相当于纵轴的-100％),根据第二参数比率ratio_i_pd2,前馈量在0至前馈量最大值之间变化。此外,第二参数比率ratio_i_pd2大于1的情况下,也可以将前馈量设为0,不进行根据前馈量的补正。

例如可以基于上述的imove2值来求取前馈量的最大值。因此,可以与第一次前馈量变更时所求取的前馈量的最大值不同。

此外,相对于第二参数比率ratio_i_pd2的前馈量的变更方法,可以与第一次前馈量变更相同,不限于线形,也可以为其他变更方式。

(动作结果的示例)

图12和图13示出了本实施方式的控制装置应用于特性不同的两个对象的应答波形。

图12为外部干扰施加时控制量pv的下降速度快且根据外部干扰的负荷率变动小的情况下的示例。与使用通常的pid控制的情况相比,可以抑制超调量并且使控制量尽快地稳定。

图13为外部干扰施加时控制量pv的下降速度慢且根据外部干扰的负荷率变动大的情况下的示例。与使用通常的pid控制的情况相比,这种情况也可以抑制超调量并且使控制量尽快地稳定。

这样,本实施方式中,根据控制对象上施加的外部干扰特性,可以自动求取操作量的前馈执行与否和前馈量,以及抑制超调量。而且,本实施方式中,可以在线自动计算出前馈量,所以用户可以简单地抑制外部干扰。

根据本实施方式,即使不是已知的外部干扰,也可以使控制系统适当地动作。例如,不知道外部干扰发生时刻,外部干扰不定期地发生的情况下,也可以适当地使控制系统动作。而且,即使外部干扰没有再现性,也可以使控制系统适当地动作。例如,热容量不同的物体顺序地装载在加热器的情况下,也可以使控制系统适当地动作。

此外,在上述实施方式中,虽然进行了两次前馈量变更需要与否的判断,但是也可以进行其中的一次。而且,第一次前馈量变更判断为不需要,判断为进行第二次前馈量变更的情况下,与第二次判断对应的前馈量变更实质上是第一次变更。

而且,在上述实施方式中,最大和最小分别可以是极大和极小。上述各判断中使用的操作量可以是pid运算部11的输出(第一操作量),可以是ff量加法运算部16的输出(第二操作量),可以是实际上输入控制对象20的操作量(图1的示例中为限制部17的输出)。

以上,虽然相对于本实施方式的控制装置进行了说明,但是不限于控制装置,也可以根据执行上述各处理的控制方法、计算机处理部中执行上述各处理的程序或程序制品、存储程序的非临时记录媒体等,来实现本发明。

[工业上的应用可能性]

本发明可用于例如控制温度的控制装置。

[符号说明]

10控制装置

20控制对象

11pid运算部

12外部干扰判断部

13pid运算值监测部

14外部干扰特性判断部

15ff量运算部(前馈量运算部)

16ff量加法运算部(前馈量加法运算部)

17限制部