JP2009294849A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の制御対象箇所を有する制御対象プロセスの物理状態を制御する制御装置において、各制御対象箇所を特定の制御対象箇所に追随させながら全体的に制御することが可能なモデル予測制御装置を提供すること。
【解決手段】目標とする物理状態を示す目標値とその目標値との差分、プロセスモデル、制約条件および物理状態に関して検出した検出値に基づいてモデル予測制御を行い、操作量を出力する際、第１の制御対象箇所に関する検出値と第２の制御対象箇所に関する検出値との差分を算出し、第１の制御対象箇所に関する検出値と算出した差分とを物理状態検出情報としてモデル予測制御への入力に用いる。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の制御対象箇所を有する制御対象プロセスの温度や圧力等の物理状態を制御する制御装置に関する。特に、目標とする温度等を、全評価区間に亘って均一に制御する形態に好適である。

従来、温度等の物理状態を制御する技術分野においては、制御対象プロセスのモデルを用いて過去の操作量から未来の制御量を予測し、この未来の制御量が目標値に近づくような操作量を算出し、制御対象プロセスへ出力する、いわゆるモデル予測制御を用いた制御方法が有効とされる。

このようなモデル予測制御を用いた制御方法のうち、複数の制御対象箇所の物理状態を制御する多点制御の制御装置がある。複数の制御対象箇所の物理状態を制御する例としては、例えば、半導体基板製造工程での温度均一化や熱処理工程などに多く見られ、一般に制御点間で互いに影響を与え合う干渉が大きいのが特徴である。

図４は、従来のモデル予測制御の概要を示す図である。
図４において、モデル予測制御器（ＭＰＣ：Model Predictive Controller）４６は、入力された目標値（ｒ₁、ｒ₂、・・・、ｒ_n）、制御対象プロセス１０を表すプロセスモデル、制約条件および制御対象プロセス１０の物理状態に関して検出した検出値（制御量：ｙ₁、ｙ₂、・・・、ｙ_n）に基づいて、未来の制御量を予測し、この未来の制御量が目標値に近づくような制御対象プロセス１０に付与するための操作量（ｕ₁、ｕ₂、・・・、ｕ_ｍ）を出力する。

上述のような複数の制御対象箇所の多点間で干渉のある温度制御問題に対しては、図４に示したように、多点温度制御対象プロセスに対して多変数制御系の特長を活かして、非線形処理モデルを用いた制約なしの標準的なモデル予測制御を直接適用する方法が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
特表２０００−５０９１７１号公報

しかしながら、温度均一化制御を例にとると、各制御対象箇所間の温度偏差を、例えば、「５℃以内に抑える」というような実際的で直感的にわかりやすい制御仕様を直接与えることができないという問題点があった。

本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、制御対象プロセス１０の動特性を考慮しながら制御仕様を制約条件のかたちで表現し、様々な制約条件を持つ多点の物理状態の制御を実行する制御装置に幅広く利用でき、与えられた種々の制約条件を満足する範囲で目標値への最適な追従を達成する制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、下記のような構成を採用した。
すなわち、本発明の一態様によれば、本発明の制御装置は、複数の制御対象箇所を有する制御対象プロセスの物理状態を制御する制御装置であって、目標とする物理状態を示す目標値を含む目標情報を入力する目標情報入力手段と、前記目標情報入力手段によって入力された目標情報、前記制御対象プロセスを表すプロセスモデル、所定の制約条件および前記制御対象プロセスの物理状態に関して検出した検出値を含む物理状態検出情報に基づいて、前記制御対象プロセスに付与するための操作量を出力するモデル予測制御手段とを備え、前記目標情報入力手段が、前記目標情報として、前記複数の制御対象箇所のうちの１つである第１の制御対象箇所に対する目標値としての第１の目標値を入力し、前記第１の制御対象箇所以外の制御対象箇所である第２の制御対象箇所に対する目標値である第２の目標値と前記第１の目標値との差分を示す差分情報を入力し、さらに、前記第１の制御対象箇所に関する検出値と前記第２の制御対象箇所に関する検出値との差分を算出し、前記第１の制御対象箇所に関する検出値および前記差分を前記物理状態検出情報として前記モデル予測制御手段へ出力する制御量変換手段を備え、前記モデル予測制御手段が、前記第１の目標値および前記第２の目標値と前記第１の目標値との差分情報とからなる前記目標情報と、前記制御対象プロセスから検出する物理状態検出情報とに基づいて、前記制御対象プロセスに付与するための操作量を出力することを特徴とする。

また、本発明の制御装置は、前記モデル予測制御手段が、前記第１の制御対象箇所に関する検出値と前記第２の制御対象箇所に関する検出値との差分値に対して制約条件を設定することが望ましい。

また、本発明の制御装置は、前記目標情報入力手段が、前記複数の制御対象箇所のうち最も前記物理状態の応答速度の遅い制御対象箇所を前記第１の制御対象箇所として選択することが望ましい。

また、本発明の制御装置は、前記制約条件が、前記制御対象プロセスから検出する物理状態検出情報に関する制約および前記制御対象プロセスに付与する操作量に関する制約を含むことが望ましい。

また、本発明の制御装置は、前記制御対象プロセスは前記複数の制御対象箇所のそれぞれに対応するＰＩＤ制御手段を有し、前記モデル予測制御手段は、前記ＰＩＤ制御手段へ、前記複数の制御対象箇所のそれぞれに付与するための操作量を出力することが望ましい。

また、本発明の制御装置は、前記物理状態が温度または圧力であることが望ましい。

本発明は、複数の制御対象箇所を有する制御対象プロセス１０を、その制御対象箇所を代表するマスタ部分と残りの制御対象箇所であるスレーブ部分とに分け、マスタ部分についてはマスタ部分の物理状態を検出した物理状態検出情報を制御量として出力し、スレーブ部分についてはマスタとの差分であるマスタ・スレーブ間偏差を制御量として出力するように、制御対象プロセス１０のプロセスモデルを構成した。そして、目標値と制御量との制御偏差、すなわち、マスタ部分の物理状態検出情報とその目標値との差分およびマスタ・スレーブ間偏差とその目標値との物理状態検出情報の差分を評価するように目的関数（評価関数）を定義し、目的関数を最適化する操作量を後退ホライズン方策に基づき生成するモデル予測制御器を用いた。これにより、物理状態制御に対して制御量偏差重みに意味付けができ、どの制御量偏差を優先して小さくするか等というような、調整のし易さを有するという効果を奏する。

また、制御量と目標値をマスタ・スレーブ形式に変換することで、スレーブ部分に関しては制御量がマスタ・スレーブ間偏差となる。すると、スレーブ部分はマスタ部分に追従し、マスタ部分との物理状態の差は特定の範囲以内を保つという、人間にとって理解しやすい制御仕様が、制御量であるマスタ・スレーブ間偏差に課する上下限制約そのものとなる。これにより、本来の制御仕様を制御パラメータとしてモデル予測制御器に直接与えることができる、静的な（固定値の）制約であっても、従来技術ではなし得なかった過渡期における制御量間の追従性を制約により制御できる、マスタ部分に対する制約によりオーバシュートやアンダーシュートを抑制できるという効果を奏する。

また、最も応答の遅い部分をマスタ部分として選択することで、マスタ部分が最も制御にパワーを要する部分と考えることができるので、マスタ部分を制しておけばその他のスレーブ部分の制御はマスタ部分に比較して容易になるので、同期制御を実現しやすいという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。すべての図面において、実施の形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。

図１は、本発明が対象とするモデル予測制御の概要を説明するための図である。
図１において、制御対象プロセス１０は、例えば、半導体基板製造工程において、半導体基板を載置し、半導体基板の物理状態、例えば温度を制御する。この温度制御には、加熱をするヒーターおよび温度を測定するセンサを用いるのが通常であるが、近年の半導体基板の大型化に伴い、制御対象プロセス１０を複数に分けて制御することがある。

図１に示した例では、制御対象プロセス１０を、第１の制御対象箇所１１、第２の制御対象箇所１２、第３の制御対象箇所１３、第４の制御対象箇所１４および第５の制御対象箇所１５の５つに分け、それぞれを、モデル予測制御器４６の下、第１のヒーターおよび温度センサを有する加熱板２１〜第５のヒーターおよび温度センサを有する加熱板２５、および第１の制御器３１〜第５の制御器３５を用いて、加熱および温度測定する。なお、図１において制御対象プロセス１０は、少なくとも第１〜第５の加熱板２１〜２５を構成要件とする。制御対象プロセス１０は、第１〜第５の制御器３１〜３５を構成要件に含めてもよいし、さらに制御対象箇所１１〜１５の上に載置される半導体などの基板を構成要件に含めてもよい。

図２は、本発明が適用されるモデル予測制御の概要を示す図である。
上述の課題を解決するために、本発明が適用されるモデル予測制御においては、複数の制御対象箇所を有する制御対象プロセス１０をその代表となるマスタ部分、例えば第１の制御対象箇所１１と、残りの制御対象箇所であるスレーブ部分、すなわち第２の制御対象箇所１２、第３の制御対象箇所１３、第４の制御対象箇所１４および第５の制御対象箇所１５の２つに分け、マスタ部分についてはマスタ部分の物理状態を検出した物理状態検出情報を制御量として出力し、スレーブ部分についてはマスタとの差分であるマスタ・スレーブ間偏差を制御量として出力するように、制御対象プロセス１０のプロセスモデルを構成した。そして、目標値と制御量との制御偏差、すなわち、マスタ部分の物理状態検出情報とその目標値との差分およびマスタ・スレーブ間偏差とその目標値との物理状態検出情報の差分を評価するように目的関数（評価関数）を定義し、目的関数を最適化する操作量を後退ホライズン方策に基づき生成するモデル予測制御器４６を用いた。ここで、マスタ部分については、マスタ部分を追従させたい目標値をモデル予測制御器４６に入力し、スレーブ部分についてはマスタ部分との差分となる目標値を上記モデル予測制御器４６に入力する。そして、このモデル予測制御器４６は、与えられた制約条件を満たしながら特定の目的関数が最小となるように操作量を生成する。

図３は、本発明のモデル予測制御の実施の形態を説明するための図である。
上記で概説した本発明の実施の形態について、図３を用いてさらに詳細に説明する。
図３に示したように、本発明を適用した制御装置は、目標値変換部１０１、モデル予測制御器４６および制御量変換部１０２を備え、制御対象プロセス１０を制御する。

目標値変換部１０１は、第１の制御対象箇所１１、第２の制御対象箇所１２、第３の制御対象箇所１３、第４の制御対象箇所１４および第５の制御対象箇所１５の各制御点に絶対値で与えられる目標温度ｒ₁、ｒ₂、ｒ₃、ｒ₄およびｒ₅を、制御量変換にあわせてｒ₁´、ｒ₂´、ｒ₃´、ｒ₄´およびｒ₅´に変換する。制御量変換部１０２は、センサで検出した制御量ｙ₁、ｙ₂、ｙ₃、ｙ₄およびｙ₅をマスタ・スレーブ形式のための制御量ｙ₁´、ｙ₂´、ｙ₃´、ｙ₄´、ｙ₅´に変換する。これらの変換は目標値変換部１０１および制御量変換部１０２とも同じであり、

となる。
ここで、マスタ部分については、変換後の変換後制御量ｙ₁´は変換前の制御量ｙ₁のまま、すなわちｙ₁´＝ｙ₁とする。そして、スレーブ部分については、マスタ部分の制御量ｙ₁を基準とした差分ｙ₂´＝ｙ₂−ｙ₁、・・・、ｙ₅´=ｙ₅−ｙ₁にそれぞれ変換する。また、目標値についても制御量の変換と同じ変換をおこない、ｒ₁´＝ｒ₁、ｒ₂´＝ｒ₂−ｒ₁、・・・、ｒ₅´＝ｒ₅−ｒ₁とする。

これにより、制御仕様は制御偏差ｒ₁´−ｙ₁´、ｒ₂´−ｙ₂´、・・・、ｒ₅´−ｙ₅´をできるだけ小さくすることで表現される。また、図２や図３に示すようにモデル予測制御に内部プロセスとして与えるプロセスモデルは、モデル予測制御器から見た制御対象のモデルを用いることから、制御対象プロセスＰに対して制御量変換Ｔ_０を施したＴ_０Ｐを用いる。干渉項の動特性を反映した制御対象プロセスモデルを用いて、上記制御偏差を評価する目的関数、例えば、Ｑ、Ｒを重み行列、操作量変化量をΔuとして、

を構成すれば、制御対象プロセス１０の動特性を十分に考慮したモデル予測制御器４６を実現することが可能となる。

すなわち、本発明の制御装置は、目標値変換部１０１、および制御量変換部１０２を備え、例えば第１の制御対象箇所１１、第２の制御対象箇所１２、第３の制御対象箇所１３、第４の制御対象箇所１４および第５の制御対象箇所１５のような複数の制御対象箇所を有する制御対象プロセス１０の物理状態を制御する制御装置に適用可能である。

目標値変換部１０１は、第１の制御対象箇所１１に対して目標とする物理状態を示す目標値と、この目標値と第１の制御対象箇所１１以外である第２の制御対象箇所１２等に対する目標値としての第２の目標値との差分とを含む目標情報を直接入力するか、あるいは、前記第１の制御対象箇所１１に対する目標値としての第１の目標値と前記第２の制御対象箇所１２等に対する目標値としての第２の目標値との差分を算出し、算出した差分を前記差分情報としてモデル予測制御器４６に入力する。

モデル予測制御手段４６は、入力された目標情報、前記制御対象プロセス１０を表すプロセスモデル、所定の制約条件および前記制御対象プロセス１０の物理状態に関して検出した検出値を含む物理状態検出情報に基づいて、前記制御対象プロセス１０に付与するための操作量を出力する。その際、前記第１の制御対象箇所１１に対しては前記第１の目標値を用いて前記操作量としての第１の操作量を出力し、前記第２の制御対象箇所１２等に対しては前記差分情報を用いて前記操作量としての第２の操作量を出力する。

制御量変換部１０２は、前記第１の制御対象箇所１１に関する検出値と前記第２の制御対象箇所１２等に関する検出値との差分を算出し、前記第１の制御対象箇所１１に関する検出値および前記差分を前記物理状態検出情報として前記モデル予測制御手段４６へ出力する。

なお、マスタ部分を第２の制御対象箇所１２、第３の制御対象箇所１３、第４の制御対象箇所１４または第５の制御対象箇所１５とした場合の変換を、それぞれＴ_o（２）、Ｔ_o（３）、Ｔ_o（４）、Ｔ_o（５）として以下に示す。

本変換は、制御対象箇所の数が増加した場合にも自然に拡張できる。
また、制御量と目標値をマスタ・スレーブ形式に変換すると、スレーブ部分に関しては制御量がマスタ・スレーブ間偏差となる。すると、スレーブ部分はマスタ部分に追従し、マスタ部分との温度差は特定の温度幅以内を保つという人間にわかりやすい制御仕様は、制御量であるマスタ・スレーブ間偏差に課する上下限制約そのものとなる。また、マスタ部分に関しては、制御量であるマスタ部分の温度の上限を目標温度あるいはその少し上に設定することで、制御量のオーバシュートを抑制する制御仕様を制約条件の設定パラメータとして直接、モデル予測制御器４６に反映することができる。アンダーシュートについても同様である。

すなわち、本発明を適用した制御装置は、モデル予測制御器４６に、マスタ部分である第１の制御対象箇所に関する検出値とスレーブ部分である第２以降の制御対象箇所に関する検出値との差分値（マスタ・スレーブ間偏差）に対して制約を設定する。図４のような従来技術では、通常の静的な（固定値の）制約を用いる場合、各箇所のオーバシュートやアンダーシュートしか抑制できず、過渡期における制御量間の追従性に制約をかけられない。一方、上記の構成を用いることで、従来技術ではなし得なかった過渡期における制御量間の追従性を静的な制約にもかかわらず制御できる。さらに、代表であるマスタ部分に対する制約によりスレーブ部分のオーバシュートやアンダーシュートも抑制できる。よって、過渡状態も含めた均一な温度制御等を実現できる。

また、一般に多変数制御対象プロセスにおいては、その伝達特性の対角要素は非対角要素の伝達特性、すなわち干渉ができるだけ小さくなるように選択される。このような場合に最も応答の遅い部分（制御量）をマスタ部分として選択する。より具体的には対角項の伝達特性を一次遅れとむだ時間で近似する場合には、時定数が最も長い項あるいは時定数＋むだ時間が最も長い項をマスタ部分に選ぶ。

すなわち、本発明を適用した制御装置は、前記複数の制御対象箇所１１から１５のうち最も前記物理状態の応答速度の遅い制御対象箇所を前記第１の制御対象箇所１１として選択することができる。

また、モデル予測制御問題は通常、制御偏差や操作量および操作量変化分に重み付けをした二次形式となる目的関数を、操作量変化量に対する線形不等式制約を満たす範囲で最適化する操作量変化量を求める二次計画問題として定式化できる。モデル予測制御の制約条件として、操作量制約は直接的に、制御量制約は制御対象プロセスのモデルを用いて操作量変化量に関する線形不等式制約に変換でき、双方をまとめて

に変換することができる。
すなわち、本発明を適用した制御装置は、制約条件として、前記制御対象プロセスから検出する物理状態検出情報に関する制約および前記制御対象プロセスに付与する操作量に関する制約を含むことができる。

また、モデル予測制御の制御対象プロセス１０には、通常、モデル予測制御器４６を上位制御系とし、下位制御系として比例（Proportional）制御と積分（Integral）制御と微分（Differential）制御とを組み合わせたＰＩＤ制御を施すことができる。複数の制御対象箇所のそれぞれに対してＰＩＤ制御を施すことにより、制御対象プロセス１０をより効果的に安定化できる。また、ＰＩＤ制御を用いた場合、制御対象プロセス１０の定常ゲインは単位行列になると考えられるので、内部モデルパラメータの数を減らしたり、目的関数の重みを規格化したりし易いなど、モデル予測制御系の設計を容易化することができる。

以上、本発明の各実施の形態を、図面を参照しながら説明してきたが、本発明が適用される制御装置は、その機能が実行されるのであれば、上述の各実施の形態等に限定されることなく、単体の装置であっても、複数の装置からなるシステムあるいは統合装置であっても、ＬＡＮ、ＷＡＮ等のネットワークを介して処理が行なわれるシステムであってもよいことは言うまでもない。

すなわち、本発明は、以上に述べた各実施の形態等に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成又は形状を取ることができる。

本発明が対象とするモデル予測制御の概要を説明するための図である。 本発明が適用されるモデル予測制御の概要を示す図である。 本発明のモデル予測制御の実施の形態を説明するための図である。 従来のモデル予測制御の概要を示す図である。

符号の説明

１０ 制御対象プロセス
１１ 第１の制御対象箇所
１２ 第２の制御対象箇所
１３ 第３の制御対象箇所
１４ 第４の制御対象箇所
１５ 第５の制御対象箇所
２１ 第１のヒーターおよび温度センサを有する加熱板
２２ 第２のヒーターおよび温度センサを有する加熱板
２３ 第３のヒーターおよび温度センサを有する加熱板
２４ 第４のヒーターおよび温度センサを有する加熱板
２５ 第５のヒーターおよび温度センサを有する加熱板
３１ 第１の制御器
３２ 第２の制御器
３３ 第３の制御器
３４ 第４の制御器
３５ 第５の制御器
４６ モデル予測制御器（ＭＰＣ：Model Predictive Controller）
１０１ 目標値変換部
１０２ 制御量変換部

Claims (6)

1. 複数の制御対象箇所を有する制御対象プロセスの物理状態を制御する制御装置において、
   目標とする物理状態を示す目標値を含む目標情報を入力する目標情報入力手段と、
   前記目標情報入力手段によって入力された目標情報、前記制御対象プロセスを表すプロセスモデル、所定の制約条件および前記制御対象プロセスの物理状態に関して検出した検出値を含む物理状態検出情報に基づいて、前記制御対象プロセスに付与するための操作量を出力するモデル予測制御手段と、
   を備え、
   前記目標情報入力手段は、前記目標情報として、前記複数の制御対象箇所のうちの１つである第１の制御対象箇所に対する目標値としての第１の目標値を入力し、前記第１の制御対象箇所以外の制御対象箇所である第２の制御対象箇所に対する目標値である第２の目標値と前記第１の目標値との差分を示す差分情報を入力し、
   さらに、前記第１の制御対象箇所に関する検出値と前記第２の制御対象箇所に関する検出値との差分を算出し、前記第１の制御対象箇所に関する検出値および前記差分を前記物理状態検出情報として前記モデル予測制御手段へ出力する制御量変換手段を備え、
   前記モデル予測制御手段は、前記第１の目標値および前記第２の目標値と前記第１の目標値との差分情報とからなる前記目標情報と、前記制御対象プロセスから検出する物理状態検出情報とに基づいて、前記制御対象プロセスに付与するための操作量を出力する、
   ことを特徴とする制御装置。
2. 前記モデル予測制御手段は、前記第１の制御対象箇所に関する検出値と前記第２の制御対象箇所に関する検出値との差分値に対して制約条件を設定することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記目標情報入力手段は、前記複数の制御対象箇所のうち最も前記物理状態の応答速度の遅い制御対象箇所を前記第１の制御対象箇所として選択することを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置。
4. 前記制約条件は、前記制御対象プロセスから検出する物理状態検出情報に関する制約および前記制御対象プロセスに付与する操作量に関する制約を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の制御装置。
5. 前記制御対象プロセスは、前記複数の制御対象箇所のそれぞれに対応するＰＩＤ制御手段を有し、前記モデル予測制御手段は、前記ＰＩＤ制御手段へ、前記複数の制御対象箇所のそれぞれに付与するための操作量を出力することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の制御装置。
6. 前記物理状態は、温度または圧力であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の制御装置。