加熱冷却制御について(その弐)
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前回の『加熱冷却制御について(その壱)』に引き続き、加熱冷却制御に関して考えていきます。
今回は、いくつかの冷却方式と得られる冷却特性について紹介したあと、コントローラの出力値に対して比例的な冷却効果が得られない(非線形な冷却特性を有する)場合のPID定数設定手段について考えてみます。

4.冷却方式と冷却特性
1)電子冷却器
 電子冷却器は、ペルチェ効果を利用した冷却器で、ペルチェ素子の吸熱面を被加熱(冷却)物に密着させて吸熱するため、コントローラの冷却出力値に対してほぼ直線と見なせる吸熱ができます。

2)ファンを用いた空気冷却
 空冷式のプラスチック成形機などで用いられている空気冷却方式は、電動ファンで風を送って被加熱(冷却)物の冷却を行っており、通常リレーやSSRなどの操作器を用いて、あらかじめ設定した出力周期時間に対するオンオフ比率により冷却量を制御しています。
このため、コントローラの「出力値」と「ファンモータの通電比率」は比例した関係になるのですが、ファンの慣性や熱伝達の影響で、冷却出力値と得られる吸熱量は直線的と見なすことができない非線形な関係となります。

ファンを用いた空気冷却の説明図
3)プラスチック成形機・水冷
 水冷式のプラスチック成形機などで用いられている冷却方式は、100℃以上の被加熱(冷却)物に設備された冷却配管に電磁弁を用いて水を流し冷却する方式のため、冷媒となる水の相変化や熱伝達の影響により、前記の空冷式と同様にコントローラの出力値と吸熱量は直線的な関係にはならず、非常に強い非線形特性となります。

樹脂押出機の吸熱量と冷却出力値の関係グラフ

5.非線形な冷却特性とPIDのチューニング
 前項では、加熱冷却制御が用いられるアプリケーションの中には、冷却側の静特性が非線形となってしまう場合があること紹介しました。
さて、PID定数の決定には加熱系および冷却系の静特性も考慮する必要があり、この特性が線形(直線的)と見なせる場合には、1組のPID定数設定ですべての負荷条件がカバーできますが、線形と見なすことができない場合は運転条件に合わせた調整が必要となります。
では、このような制御対象に対して、どのようにPID定数を決めればよいのでしょうか?

1)制御点に大きな変動が生じない場合
温度設定値:SVがいつも一定で変わりなくまた、大きな外乱もない場合は、運転条件近傍の応答特性で線形近似してPID定数を決めることができます。
たとえば、右図のような冷却特性を持つ制御対象で、定常運転時の負荷率が冷却20%近傍である場合、冷却20%近傍の冷却特性を直線近似してPID定数を決定することで、この負荷率付近で制御する分には良好に制御ができます。
樹脂押出機の吸熱量と冷却出力値の関係グラフ:負荷率20%近傍の特性で線形近似の例

2)制御点が大きく変わるような場合
 設定温度:SVの変更幅や外乱が大きい場合は、装置運転時の負荷条件も大きく異なるため、一つの運転条件だけで線形近似する事ができません。
このため、PID定数は設定温度条件や負荷変動条件などの考慮して、それぞれの条件ごとに切り替えて制御させる必要が生じます。
前の例では、
  「冷却負荷率:20%未満で制御する条件」
  「冷却負荷率:20%前後で制御する条件」
  「冷却負荷率:20%を越えて制御する条件」
などの負荷条件で線形近似してPID定数を決定しておき、運転条件に応じて定数設定を切り替える必要が生じます。
樹脂押出機の吸熱量と冷却出力値の関係グラフ:制御点が大きく変わる場合

6.まとめ
 今回は、加熱冷却制御の冷却側制御に注目してみましたが如何でしたでしょうか。
冷却側制御は、冷却方式によっては非線形な特性となる場合もあり、通常の加熱制御と比べて設計が難しくなりますが、それでも ”1台の調節計で加熱と冷却の両方の操作量を用いて制御できる”という点で非常に有効な制御方式であるといえます。
 当社ではこの加熱冷却制御のメリットを最大限に生かせるように、当社温調計に搭載されている加熱冷却PID制御には今回紹介した「ファンによる空冷」や「100℃を越える条件で使用される被加熱物に対する水冷却」に対しても良好な制御結果が得られるように制御アルゴリズムの工夫を施しています。
また、PID定数の決定についても加熱冷却制御アルゴリズムの性能を十分に生かすことのできるオートチューニング機能を、
  「ほぼ線形な冷却特性を持つ冷却制御系」
  「空冷式の押出機に見られるような線形とは見なすことのできない冷却特性を持つ冷却制御系」
  「水冷式の押出機に見られる非常に強い非線形性をもつ冷却制御系」
のそれぞれの条件ごとに用意しており、幅広いアプリケーションへの対応ができるようになっています。


加熱/冷却PID制御が選べる主な商品のご紹介

CBシリーズ 温度調節計 CBシリーズ写真
(CB100, CB500, CB700, CB400, CB900)
やさしい操作と見やすい表示で評判の豊富なサイズが揃ったスタンダード温度調節計です。

FBシリーズ 温度調節計 FBシリーズ写真
(FB900, FB400)
サンプリング0.1秒と精度0.1%の高性能仕様。
冷却側のアンダーシュート抑制を強化した新型加熱冷却PID制御と進化したオートチューニングを採用しています。
さらに、奥行き60mmのウルトラスリム設計です。

SRZシリーズ モジュールタイプ温度調節計 SRZシリーズ写真
(Z-COM, Z-TIO, Z-DIO)
SRZモジュールタイプデジタル温度調節計(温調計)は、4チャネル仕様で幅30mm奥行き85mm(コネクタ仕様は、76.9mm), 高さ100mmのコンパクト設計でさらに1モジュール単位で分散設置を実現し省スペース・省配線を実現します。


他にも、多数の加熱冷却制御機能を備えた温度調節計がござます。

以 上

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