加熱冷却制御について(その壱)
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1.加熱冷却制御とは
 通常用いられているようなヒータ加熱制御系は、一つの制御点に対して目標温度(SV)と測定温度(PV)が一致するようにPID制御演算を行い、ヒータ供給電力を制御していることはご存じの通りだと思います。

下図に示す「タンク内の液体温度の制御」を例に考えてみましょう。
<< タンク内の液温制御の例1 >>
 このアプリケーションでは、制御対象である液体の冷却手段が自然放熱以外ありませんから、タンクが設置されている雰囲気(外気)温度より高い温度設定にしなければ温度制御が成り立ちません。

 従って、タンクが設置されている雰囲気(外気)温度に対して「高い温度設定」だけでなく「低い温度設定」に対しても制御が出来るようにする場合には、ヒータだけでなく液体を冷却する機構を設けて、ヒータと冷却機構を同時に制御する必要が生じます。
<< タンク内の液温制御の例2 >>
 加熱冷却制御は、このようなアプリケーションに用いられる制御方式で、1台の調節計で加熱出力と冷却出力の2系統の出力を操作し制御する方式を言います。

一般的な加熱冷却制御動作が選択できる温度調節計では、加熱側は「逆動作」、冷却側は「正動作」で動作します。

  逆動作: 温度測定値が増加した場合に調節計の出力が減少する制御動作を言います。
(温度が上昇→加熱出力が減少)
正動作: 温度測定値が増加した場合に調節計の出力も増加する制御動作を言います。
(温度が上昇→冷却出力が増加)

2.加熱冷却制御のPID設定
 加熱冷却制御が必要なアプリケーションは、加熱制御系(ヒータ〜温度センサ)と冷却制御系(冷却機構〜温度センサ)という2つの制御系を持ち、ほとんどの場合は、加熱系と冷却系の応答特性は異なります。

<< 加熱系と冷却系の応答特性の違い >>

 このため、調節計も加熱系と冷却系のそれぞれに対してPID定数が設定出来るように作られています。

加熱冷却PID定数の設定方式
 加熱冷却制御におけるPID定数の設定方式は2種類あり、どちらの方式かは調節計の機種やグレード、また調節計メーカにより異なっています。
(1) 比例帯のみ加熱と冷却で異なる設定が可能なタイプ
比例帯設定のみ加熱系および冷却系に対して「加熱比例帯」「冷却比例帯」と個別に設定が可能で、「積分時間設定」と「微分時間設定」は加熱と冷却で共通の設定値を用います。
従って、加熱冷却PID調節計としては、「加熱比例帯」「冷却比例帯」「積分時間」「微分時間」の4つのPIDパラメータで制御演算が行われます。
このPID定数設定方式の場合、設定項目の増加が1つのみであるため調整自体はそれほど困難にはなりませんが、反面、緻密な調整という観点では制約されることになります。

(2) 加熱制御系と冷却制御系でそれぞれ独立したPID定数設定が可能なタイプ
加熱と冷却各々に対して独立したPID定数が設定できるため、より緻密な定数あわせ込みが可能になりますが、その分PID定数設定の最適化が難しくなります。

3.加熱冷却PID動作
 では、加熱冷却制御動作について、簡単化のため加熱側:比例制御、冷却側:比例制御の場合を考えてみましょう。

図の赤いラインは加熱出力、青のラインは冷却出力を示しています。

この図からわかるように、設定温度:SVに対して、温度測定値が低い領域では加熱側、高い領域では冷却側の出力値が出力されます。

また、加熱出力と冷却出力の切り替わりポイントで不感帯(デットバンド)を設けたり、逆にオーバーラップさせて出力することが可能です。
Ph:加熱比例帯設定[℃]
Pc:冷却比例帯設定[℃]
DB:デットバンド設定[℃]
<< 加熱・冷却:共に比例動作時の出力動作 >>
以 上

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