专利名称：质量流量控制器和流量控制方法
技术领域：
本发明涉及控制气体或液体等流体的流量的质量流量控制器和流量控制方法。
背景技术：
例如，在向半导体制造装置提供用于制造半导体的各种气体等情况下，在所述各种气体的流路中分别设置有质量流量控制器，通过所述质量流量控制器来分别调节气体流量。作为所述质量流量控制器的流量控制方式，基本的是PIDO^roportional control Integral control Derivative control，比例控制积分控制微分控制)控制，但是例如如专利文献1所示，公知的也有进行对PID控制实施了变化的反馈控制的方式。具体地说，如所述专利文献1所示的控制方式，对偏差进行PID计算，在计算结果上乘上流量设定值越小值越大的函数，从而计算出反馈控制值。使用所述控制方式虽然可以进行最佳控制，但在追求更高精度的控制的情况下， 存在下面的问题。即，在专利文献1所示控制方式的质量流量控制器中，在使流量设定值例如从100%减少到2%等所希望的流量设定值的情况下(下降时)，存在下面的问题。即，如图5所示，在下降时的流量设定值变化后，存在质量流量控制器的流量控制阀的阀外加电压或由质量流量控制器控制的实际流量变成超过目标值的值的问题。此外，存在由于阀外加电压超过目标值，对流量控制阀施加多余的力，使阀的劣化变快的问题。专利文献1 日本专利公开公报特开2004-280689号
发明内容
因此，鉴于所述问题，本发明的主要目的是提供一种质量流量控制器和流量控制方法，可以使质量流量控制器的流量控制阀使用的时间更长，并且在减少流量设定值的情况下可以更正确地控制实际流量。S卩，本发明提供一种质量流量控制器，包括流量传感器部，测量在流路内流动的流体的流量，并输出表示测量出的测量值的流量测量信号；流量控制阀，设置在所述流量传感器部的上游一侧或下游一侧；计算部，对所述流量测量信号表示的流量测量值和作为目标值的流量设定值的偏差至少进行比例计算，从而计算出对所述流量控制阀的反馈控制值；以及开度控制信号输出部，根据所述反馈控制值生成开度控制信号，并将该开度控制信号向所述流量控制阀输出，所述质量流量控制器的特征在于，使用把所述流量设定值代入规定函数得到的值作为在所述比例计算中的所述偏差上乘上的增益值，并且在减少变化期间，把使用减少前的流量设定值和减少后的流量设定值的变化部分得到的计算值代入用于所述减少变化期间的所述规定函数，所述计算值越小，用于所述减少变化期间的所述规定函数计算出的值越大，所述减少变化期间是从使所述流量设定值减少了规定量以上的时刻起的规定期间。按照所述的质量流量控制器，使用减少前的流量设定值和减少后的流量设定值的变化部分得到的计算值越小，函数计算出的值越大，使用这样的函数计算增益值，因此在减少变化期间可以正确地控制实际流量。此外通过使用所述的函数，可以防止在减少变化期间阀外加电压超过目标值，从而可以防止在流量控制阀上施加多余的力，可以使流量控制阀使用的时间更长。优选的是，在增加变化期间，代入用于所述增加变化期间的所述规定函数中的流量设定值越小，用于所述增加变化期间的所述规定函数计算出的值越大，所述增加变化期间是从使所述流量设定值增加了规定量以上的时刻起的规定期间。按照所述的质量流量控制器，由于在增加变化期间和减少变化期间之间对控制进行切换，所以可以进行适合增加变化期间的流量变化特性和减少变化期间的流量变化特性的最佳流量控制。因此，无论在增加变化期间还是在减少变化期间，都可以使实际流量非常快地跟上变化后的流量设定值，从而可以提高流量的稳定性。在此，增加变化期间或减少变化期间可以总是固定的，为了提高控制稳定性，也可以根据情况改变持续的时间。其中的一个例子是在所述流量测量值和所述流量设定值的偏差收敛到一定范围内的时刻，使所述增加变化期间或所述减少变化期间结束。此外，本发明还提供一种流量控制方法，该流量控制方法用于质量流量控制器，该质量流量控制器包括流量传感器部，测量在流路内流动的流体的流量，并输出表示测量出的测量值的流量测量信号；以及流量控制阀，设置在所述流量传感器部的上游一侧或下游一侧，所述流量控制方法的特征在于，所述流量控制方法使计算机作为计算部和开度控制信号输出部所述计算部对所述流量测量信号表示的流量测量值和作为目标值的流量设定值的偏差至少进行比例计算，从而计算出对所述流量控制阀的反馈控制值，所述开度控制信号输出部根据所述反馈控制值生成开度控制信号，并将该开度控制信号向所述流量控制阀输出，所述计算部使用把所述流量设定值代入规定函数得到的值作为在所述比例计算中的所述偏差上乘上的增益值，并且在减少变化期间，把使用减少前的流量设定值和减少后的流量设定值的变化部分得到的计算值代入用于所述减少变化期间的所述规定函数，所述计算值越小，用于所述减少变化期间的所述规定函数计算出的值越大，所述减少变化期间是从使所述流量设定值减少了规定量以上的时刻起的规定期间。按照所述构成的本发明，可以提供一种质量流量控制器和流量控制方法，该质量流量控制器和流量控制方法可以使质量流量控制器的流量控制阀使用的时间更长，并且在使流量设定值减少的情况下，可以更正确地控制实际流量。
图1是本发明一个实施方式的流量测量系统的示意结构图。图2是与图1为相同实施方式的使用了质量流量控制器的流量控制系统的构成例子。图3是与图1为相同实施方式的控制部的功能框图。图4是与图1为相同实施方式的控制流程图。图5是表示以往的下降时的阀外加电压和实际流量变化的示意图。附图标记说明100……质量流量控制器
1……流路(内部流路)2……流量传感器部3……流量控制阀6……计算部7……开度控制信号输出部
具体实施例方式下面参照附图对本发明的流量测量系统的一个实施方式进行说明。<装置构成>如图1中表示的示意图所示，本实施方式的质量流量控制器100包括内部流路 1 ；流量传感器部2，测量在所述内部流路1内流动的流体F的流量；流量控制阀3，设置在所述流量传感器部2的例如下游一侧；以及控制部4。如图2所示，质量流量控制器100用于向半导体工序中的室中供气的系统。对各部分进行说明，内部流路1以上游端为导入口 P1、以下游端为导出口 P2分别开口，例如在导入口 Pl上通过外部配管连接有气瓶等流体供给源B，在导出口 P2上通过外部配管连接有用于制造半导体的室(图中没有表示)。此外，如相同的图所示，在该实施方式中，从一个流体供给源B分出多根配管，在各配管上分别设置有质量流量控制器100。此夕卜，压力调节器I3R仅设在流体供给源B的出口，在各配管上不设置质量流量控制器100用的压力调节器。此外，附图标记“FV”表示气动阀(pneumatic valve) 0流量传感器部2在图中没有详细表示，例如装备有设在流路1上的一对热敏传感器(热传感器，thermal sensor)，流体F的瞬时流量通过该热敏传感器作为电信号被检测出来，通过内部电路使该电信号放大等，作为具有与检测流量对应的值的流量测量信号输出ο流量控制阀3也在图中没有详细表示，例如通过由压电元件构成的驱动器可以改变流量控制阀3的开度，通过从外部赋予作为电信号的开度控制信号，驱动所述驱动器，调节成与所述开度控制信号的值对应的阀开度，从而控制流体F的流量。控制部4包括CPU、存储器以及具有A/D转换器、D/A转换器等的数字或者模拟电路，控制部4可以是专用的，也可以在控制部4的一部分或全部中利用个人计算机等通用计算机。此外，也可以不用CPU，仅用模拟电路发挥作为所述各部的功能；还可以由在物理上无需是一体的、通过有线或无线相互连接的多个设备构成控制部4。在所述存储器中存储规定的程序，通过按照所述程序使CPU和其外围设备协调动作，所述控制部4如图3所示，至少发挥作为信号接收部5、计算部6、开度控制信号输出部 7和流量输出部8的功能。信号接收部5接收从流量传感器部2发送来的流量测量信号及从别的计算机等输入的流量设定信号等，把这些值存储到例如存储器内的规定区域。计算部6包括偏差计算部61，获得所述流量测量信号表示的流量测量值，并且计算所述流量测量值和目标值的偏差，即计算所述流量测量值和所述流量设定信号表示的流量设定值的偏差；以及控制值计算部62，对所述偏差至少进行比例计算(在本实施方式中为PID计算)，从而计算出对流量控制阀3的反馈控制值。
开度控制信号输出部7生成具有基于所述反馈控制值的值的开度控制信号，并把该开度控制信号向流量控制阀3输出。流量输出部8对所述流量测量值进行规定的计算，计算出流量显示值，并输出表示所述流量显示值的数值的流量显示信号(模拟或数字信号)，使得在外部可以利用。于是，在该实施方式中，控制值计算部62使作为在PID计算中的偏差上乘上的增益值在增加变化期间(例如2秒左右)和减少变化期间(例如2秒左右)相互不同，所述增加变化期间为从使所述流量设定值增加了规定量以上的时刻开始起的一定期间，所述减少变化期间为从使所述流量设定值减少了规定量以上的时刻开始起的一定期间。具体地说，控制值计算部使用把所述流量设定值代入规定函数得到的值作为在 PID计算中的偏差上乘上的增益值，并且在所述增加变化期间和所述减少变化期间使用相互不同的所述函数。此外，作为在PID计算中的偏差上乘上的增益值，控制值计算部使作为在所述增加变化期间和所述减少变化期间以外的期间的稳定期间使用的函数与所述增加变化期间和所述减少变化期间的函数不同。在增加变化期间使用的函数(下面在区分时也称为第一函数)是代入的流量设定值越小计算出的值越大的函数，在此例如用下面的式子(1)表示。(S) = (IO(Ha1)/(ai+S)......(1)其中，S为增加后的流量设定值(相对于整个范围(full scale)的％值)， 为调整系数。在减少变化期间使用的函数(下面在区分时也称为第二函数)是代入使用减少前的流量设定值和减少后的流量设定值的差得到的计算值、且是该计算值越小计算出的值越大的函数，在此例如用下面的式子( 表示。f2 (Sn) = (100+ ) / (a2+Sn)...... (2)其中，&= (S-Slri) XK+Sn—” a2 为调整系数。其中，S是减少后的流量设定值(相对于整个范围的％值)，Sn为此次计算的计算值，Slri为上次计算的计算值，K为任意的系数。在稳定期间使用的函数(下面在区分时也称为第三函数)是代入的流量设定值越小计算出的值越小的函数，在此例如用下面的式子(3)表示。f3 (S) = S · a3+D......(3)其中，a3为调整系数，D为偏差常数。下面参照图4的流程图，以控制部4为中心对所述构成的质量流量控制器100的工作进行说明。信号接收部5接收从流路传感器部2平时输出的流量测量信号及从专用的输入设备或其他的计算机输出的流量设定信号，以一定间隔取样。如果在流量设定值变化了规定量以上的情况下，信号接收部5将从流量设定值变化了规定量以上的时刻开始起的一定期间(约2秒)判断为是变化期间，前进到步骤S2，信号接收部5将除此以外的期间判断为是稳定期间，前进到步骤S9(步骤Si)。在判断为是变化期间的情况下，再判断流量设定值的规定量以上的变化是增加还是减少，在是增加的情况下判断为是增加变化期间，前进到步骤S3，在是减少的情况下判断为是减少变化期间，前进到步骤S6。
在判断为是增加变化期间的情况下，偏差计算部61计算由信号接收部5接收到的流量测量信号值(流量测量值)和作为所述流量设定信号的值的流量设定值的差，即计算偏差ε (步骤S3)。然后，控制值计算部62对所述偏差进行PID计算，计算出对流量控制阀3的反馈控制值。此时，使用把所述流量设定值代入所述第一函数得到的值，作为在PID计算中的偏差ε上乘上的增益值(步骤S4)。然后，开度控制信号输出部7根据所述反馈控制值生成开度控制信号，并将该开度控制信号向流量控制阀3输出，改变流量控制阀3的开度，从而进行流量调节(步骤S5)。另一方面，在判断为是减少变化期间的情况下，偏差计算部61计算由信号接收部 5接收到的流量测量信号的值(流量测量值)和作为所述流量设定信号的值的流量设定值的差，即计算偏差ε (步骤S6)。然后，控制值计算部62对所述偏差进行PID计算，计算出对流量控制阀3的反馈控制值。此时，使用把所述流量设定值代入所述第二函数得到的值，作为在PID计算中的偏差ε上乘上的增益值(步骤S7)。然后，与步骤S5相同，开度控制信号输出部7根据所述反馈控制值生成开度控制信号，并将该开度控制信号向流量控制阀3输出，改变流量控制阀3的开度，从而进行流量调节(步骤S8)。此外，在判断为是稳定期间的情况下，与步骤S3、S6相同，偏差计算部61计算由信号接收部5接收到的流量测量信号的值(流量测量值)和作为所述流量设定信号的值的流量设定值的差，即计算偏差ε (步骤S9)。然后，控制值计算部62对所述偏差ε进行PID计算，计算出对流量控制阀3的反馈控制值。此时，使用把所述流量设定值代入所述第三函数得到的值，作为在PID计算中的偏差ε上乘上的增益值(步骤S 10)。这样，如果计算出反馈控制值，则与步骤S5、S8相同，开度控制信号输出部7根据所述反馈控制值生成开度控制信号，并将该开度控制信号向流量控制阀3输出，改变流量控制阀3的开度，从而进行流量调节(步骤Sll)。〈本实施方式的效果〉按照所述构成的本实施方式的质量流量控制器100，由于在稳定期间、增加变化期间和减少变化期间之间对控制进行切换，所以在流量设定值发生变化的变化期间，可以使实际流量非常快地跟上变化后的流量设定值，在流量设定值几乎不变的稳定期间，即使发生一次侧的压力(质量流量控制器100上游一侧的压力)变动等扰动，也可以抑制对该扰动的超敏感性反应，从而可以实现使实际流量稳定。此外，由于在增加变化期间和减少变化期间之间对控制进行切换，所以可以进行与增加变化期间的流量变化特性和减少变化期间的流量变化特性一致的最佳流量控制。因此，即使在增加变化期间或减少变化期间的任意期间内，都可以使实际流量非常快地跟上变化后的流量设定值，从而可以提高流量稳定性。 特别是按照本实施方式的质量流量控制器100，由于使用利用减少前的流量设定值和减少后的流量设定值的变化部分得到的计算值越小计算出的值越大的函数来计算增益值，所以在减少变化期间，可以更正确地控制实际流量。此外，通过利用所述的函数，可以防止在减少变化期间阀外加电压超过目标值，可以防止对流量控制阀施加多余的力，从而可以使流量控制阀使用的时间更长<其他变形实施方式>此外，本发明不限于所述的实施方式。例如变化期间可以不总是固定不变的，可以用计时器以外的任何触发器使变化期间结束。作为其中的一个例子，在流量测量值和流量设定值的偏差收敛到一定范围内的时亥IJ，使所述变化期间结束。此外，即使在使增加变化期间和减少变化期间分别一定的情况下，也可以无需使增加变化期间和减少变化期间相同，而是使增加变化期间和减少变化期间相互不同。此外，在各期间中使用的函数可以是在各期间中不变的一定的函数，也可以是变动的函数。例如，可以考虑在所述变化期间使用的函数(第一函数)随经过的时间逐渐(不分阶段连续地)变化。在这种情况下，在从变化期间切换到稳定期间时，使第一函数的值和第二函数的值大体相同，即如果在切换时的控制系数(增益值)大体相同，则可以消除因切换时控制系数的变动造成的控制不稳定的因素。此外，代入所述实施方式的第二函数的&除了用& = (S-Slri) XK+Sn_i得到的计算值以外，也可以代入通过移动平均得到的计算值。除此以外，也可以通过使第一函数的调整系数％和第二函数的调整系数％不同，使增加变化期间的增益值和减少变化期间的增益值相互不同。此外，也可以把控制阀设在流量传感器部2的上游一侧，流量传感器部2不限于所述热传感器，流量传感器部2也可以是差压式传感器等其他的流量测量方式的传感器。此外，本发明不限于所述实施方式，在不脱离本发明宗旨的范围内当然可以进行各种变形。
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权利要求
1.一种质量流量控制器，包括流量传感器部，测量在流路内流动的流体的流量，并输出表示测量出的测量值的流量测量信号；流量控制阀，设置在所述流量传感器部的上游一侧或下游一侧；计算部，对所述流量测量信号表示的流量测量值和作为目标值的流量设定值的偏差至少进行比例计算，从而计算出对所述流量控制阀的反馈控制值；以及开度控制信号输出部，根据所述反馈控制值生成开度控制信号，并将该开度控制信号向所述流量控制阀输出，所述质量流量控制器的特征在于，使用把所述流量设定值代入规定函数得到的值作为在所述比例计算中的所述偏差上乘上的增益值，并且在减少变化期间，把使用减少前的流量设定值和减少后的流量设定值的变化部分得到的计算值代入用于所述减少变化期间的所述规定函数，所述计算值越小，用于所述减少变化期间的所述规定函数计算出的值越大，所述减少变化期间是从使所述流量设定值减少了规定量以上的时刻起的规定期间。
2.根据权利要求1所述的质量流量控制器，其特征在于，在增加变化期间，代入用于所述增加变化期间的所述规定函数中的流量设定值越小，用于所述增加变化期间的所述规定函数计算出的值越大，所述增加变化期间是从使所述流量设定值增加了规定量以上的时刻起的规定期间。
3.根据权利要求2所述的质量流量控制器，其特征在于，在所述流量测量值和所述流量设定值的偏差收敛到一定范围内的时刻，使所述增加变化期间或所述减少 变化期间结束ο
4.一种流量控制方法，该流量控制方法用于质量流量控制器，该质量流量控制器包括 流量传感器部，测量在流路内流动的流体的流量，并输出表示测量出的测量值的流量测量信号；以及流量控制阀，设置在所述流量传感器部的上游一侧或下游一侧，所述流量控制方法的特征在于，所述流量控制方法使计算机作为计算部和开度控制信号输出部，所述计算部对所述流量测量信号表示的流量测量值和作为目标值的流量设定值的偏差至少进行比例计算，从而计算出对所述流量控制阀的反馈控制值，所述开度控制信号输出部根据所述反馈控制值生成开度控制信号，并将该开度控制信号向所述流量控制阀输出，所述计算部使用把所述流量设定值代入规定函数得到的值作为在所述比例计算中的所述偏差上乘上的增益值，并且在减少变化期间，把使用减少前的流量设定值和减少后的流量设定值的变化部分得到的计算值代入用于所述减少变化期间的所述规定函数，所述计算值越小，用于所述减少变化期间的所述规定函数计算出的值越大，所述减少变化期间是从使所述流量设定值减少了规定量以上的时刻起的规定期间。
全文摘要
本发明提供质量流量控制器和流量控制方法，能使质量流量控制器的流量控制阀使用的时间更长，并且在使流量设定值减少的情况下可以更正确地控制实际流量。质量流量控制器包括流量传感器部(2)；流量控制阀(3)；计算部(6)，对流量测量值和流量设定值的偏差至少进行比例计算，从而计算出对流量控制阀(3)的反馈控制值；以及开度控制信号输出部(7)，根据反馈控制值生成开度控制信号，并向流量控制阀(3)输出。在作为从使流量设定值减少了规定量以上的时刻起的规定期间的减少变化期间中，使用利用减少前的流量设定值和减少后的流量设定值的变化部分得到的计算值越小计算出的值越大的函数，计算在所述比例计算中的偏差上乘上的增益值。
文档编号G05D7/06GK102467132SQ201110339758
公开日2012年5月23日 申请日期2011年11月1日 优先权日2010年11月8日
发明者田中祐纪, 米田丰 申请人:株式会社堀场Stec