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JP7535469B2 - Flow control device, flow control method, and program for flow control device - Google Patents

Flow control device, flow control method, and program for flow control device Download PDF

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JP7535469B2
JP7535469B2 JP2021042802A JP2021042802A JP7535469B2 JP 7535469 B2 JP7535469 B2 JP 7535469B2 JP 2021042802 A JP2021042802 A JP 2021042802A JP 2021042802 A JP2021042802 A JP 2021042802A JP 7535469 B2 JP7535469 B2 JP 7535469B2
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Description

本発明は、例えば半導体製造プロセスにおいて流体の流量を制御する流量制御装置等に関するものである。 The present invention relates to a flow control device that controls the flow rate of a fluid, for example, in a semiconductor manufacturing process.

例えばプロセスチャンバ内に導入される各種ガスの流量を制御するためにマスフローコントローラとよばれる各種流体機器と制御機構がパッケージ化された流量制御装置が用いられている。 For example, mass flow controllers, which are flow control devices that package various fluid devices and control mechanisms, are used to control the flow rates of various gases introduced into a process chamber.

典型的な流量制御装置は、流路に対して設けられた流量センサと、流量センサの下流側に設けられた下流側バルブと、流量センサで測定される測定流量がユーザの設定する時間変化のある設定流量と一致するように下流側バルブの開度を制御する下流側バルブ制御器と、を備えている。 A typical flow control device includes a flow sensor provided in the flow path, a downstream valve provided downstream of the flow sensor, and a downstream valve controller that controls the opening of the downstream valve so that the measured flow rate measured by the flow sensor matches a time-varying set flow rate set by the user.

ところで、流量センサによる流体の測定点と下流側バルブによる流体の制御点は、流れ方向に対して所定距離ずれているので、流量センサの測定流量には下流側バルブを通過している流量に対して時間遅れが存在する。このような測定流量に含まれている時間遅れは、半導体製造プロセスで求められる流量制御の応答性を実現しようとする場合に問題となる。 However, since the point at which the fluid is measured by the flow sensor and the point at which the fluid is controlled by the downstream valve are offset by a certain distance in the flow direction, there is a time delay in the measured flow rate by the flow sensor compared to the flow rate passing through the downstream valve. This time delay contained in the measured flow rate poses a problem when trying to achieve the responsiveness of flow control required in semiconductor manufacturing processes.

このような問題を解決するために、下流側バルブを通過している実際の流量(以下、下流側バルブ流量ともいう)を測定できる下流側バルブ流量測定器を流量制御装置に適用することが試みられている。例えば下流側バルブ流量測定器は、従来からある圧力式流量センサと、下流側バルブ流量を算出する下流側バルブ流量算出器を備えている。下流側バルブ流量算出器は、圧力式流量センサが測定している層流素子を通過している流体の流量(以下、抵抗流量ともいう)と、圧力式流量センサと下流側バルブとの間の容積における圧力(以下、下流側圧力ともいう)とを用いて、下流側バルブ流量を算出する。具体的に下流側バルブ流量算出器は、抵抗流量から下流側圧力の時間微分値に所定係数を乗じた値を差し引くことで下流側バルブ流量を算出する。 In order to solve these problems, attempts have been made to apply a downstream valve flow measuring device capable of measuring the actual flow rate passing through the downstream valve (hereinafter also referred to as the downstream valve flow rate) to a flow control device. For example, a downstream valve flow measuring device includes a conventional pressure type flow sensor and a downstream valve flow rate calculator that calculates the downstream valve flow rate. The downstream valve flow rate calculator calculates the downstream valve flow rate using the flow rate of the fluid passing through the laminar flow element that is being measured by the pressure type flow sensor (hereinafter also referred to as the resistance flow rate) and the pressure in the volume between the pressure type flow sensor and the downstream valve (hereinafter also referred to as the downstream pressure). Specifically, the downstream valve flow rate calculator calculates the downstream valve flow rate by subtracting a value obtained by multiplying the time derivative of the downstream pressure by a predetermined coefficient from the resistance flow rate.

しかしながら、このような手法で測定される下流側バルブ流量は、流量制御に問題となるほど大きなノイズを含む場合がある。これは、下流側圧力が例えば電気的なノイズ等を含んでいると、下流側圧力の時間微分によってノイズが拡大されてしまうことに起因する。 However, the downstream valve flow measured using this method may contain noise large enough to cause problems in flow control. This is because if the downstream pressure contains, for example, electrical noise, the noise is amplified by the time derivative of the downstream pressure.

このような場合に、下流側圧力又は下流側バルブ流量をローパスフィルタに通すことによってノイズを除去することも考えられるが、そうするとフィルタによる時間遅れが発生するので実際の下流側バルブ流量を時間遅れなく得られなくなってしまう。 In such cases, it may be possible to remove noise by passing the downstream pressure or downstream valve flow through a low-pass filter, but doing so would cause a time delay due to the filter, making it impossible to obtain the actual downstream valve flow without time delay.

特開2004-280688号公報JP 2004-280688 A

本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、下流側バルブを通過している流体の流量を時間遅れはほとんど発生させずに、ノイズを大幅に低減した形で得ることができ、応答性を従来よりも向上させることができる流量制御装置を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned problems, and aims to provide a flow control device that can obtain the flow rate of fluid passing through a downstream valve with almost no time delay and with significantly reduced noise, and that can improve responsiveness compared to conventional devices.

本発明に係る流量制御装置は、流路に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量と、前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間にある内部容積内の圧力である下流側圧力の時間変化量とに基づいて、前記下流側バルブを通過する流体の流量である下流側バルブ流量を測定する下流側バルブ流量測定器と、前記下流側バルブの開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記下流側バルブ流量を推定する下流側バルブ流量推定モデルを具備するオブザーバと、を備え、前記オブザーバが、前記下流側バルブ流量測定器の出力する前記下流側バルブ流量の測定値と、前記下流側バルブ流量推定モデルの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差がフィードバックされるように構成されたことを特徴とする。 The flow control device according to the present invention comprises a fluid resistance provided in a flow path, a downstream valve provided downstream of the fluid resistance, a downstream valve flow measuring device that measures the downstream valve flow rate, which is the flow rate of fluid passing through the downstream valve, based on a resistance flow rate, which is the flow rate of fluid flowing through the fluid resistance, and a time change in downstream pressure, which is the pressure in the internal volume between the fluid resistance and the downstream valve, and an observer having a downstream valve flow rate estimation model that estimates the downstream valve flow rate based on input parameters that change the opening of the downstream valve, and is characterized in that the observer is configured to feed back the deviation between the measured value of the downstream valve flow rate output by the downstream valve flow measuring device and the estimated value of the downstream valve flow rate output by the downstream valve flow rate estimation model.

また、本発明に係る流量制御方法は、流路に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、を備えた流量制御装置を用いた流量制御方法であって、前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量と、前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間にある内部容積内の圧力である下流側圧力の時間変化量とに基づいて、前記下流側バルブを通過する流体の流量である下流側バルブ流量を測定することと、前記下流側バルブの開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記下流側バルブ流量を推定する下流側バルブ流量推定モデルを具備するオブザーバを用いて前記下流側バルブ流量を推定することと、を含み、前記オブザーバに前記下流側バルブ流量の測定値と、前記下流側バルブ流量推定モデルの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差をフィードバックすることを特徴とする。 The flow control method according to the present invention is a flow control method using a flow control device equipped with a fluid resistance provided in a flow path and a downstream valve provided downstream of the fluid resistance, and includes measuring a downstream valve flow rate, which is the flow rate of fluid passing through the downstream valve, based on a resistance flow rate, which is the flow rate of fluid flowing through the fluid resistance, and a time change in downstream pressure, which is the pressure in the internal volume between the fluid resistance and the downstream valve, and estimating the downstream valve flow rate using an observer having a downstream valve flow rate estimation model that estimates the downstream valve flow rate based on input parameters that change the opening of the downstream valve, and is characterized in that the deviation between the measured value of the downstream valve flow rate and the estimated value of the downstream valve flow rate output by the downstream valve flow rate estimation model is fed back to the observer.

このようなものであれば、前記オブザーバが前記下流側バルブ流量推定モデルに基づいて時間遅れと例えば電気的なノイズを含まない形で前記下流側バルブ流量を推定できる。また、前記下流側バルブ流量の測定値と推定値の偏差が前記オブザーバにフィードバックされるので、初期値等において測定値と推定値とが乖離している場合には速やかにそのような乖離が解消されて実際の流量制御装置の状態を示す推定値を得られるようになる。これらのことから、前記オブザーバが出力する前記下流側バルブ流量の推定値に基づいて、流量制御の応答性を従来よりも向上させることができる。 In this way, the observer can estimate the downstream valve flow rate based on the downstream valve flow rate estimation model without including time delays and, for example, electrical noise. In addition, the deviation between the measured and estimated values of the downstream valve flow rate is fed back to the observer, so that if there is a discrepancy between the measured and estimated values at the initial values, etc., such a discrepancy is quickly eliminated and an estimated value indicating the actual state of the flow control device can be obtained. As a result, the responsiveness of flow control can be improved compared to conventional methods based on the estimated value of the downstream valve flow rate output by the observer.

前記下流側バルブ流量を流量制御装置の制御特性を十分に模擬して精度よく推定できるようにするには、入力された開度指令に応じた電圧を前記下流側バルブに出力する第1電圧生成回路をさらに備え、前記下流側バルブ流量推定モデルが、前記第1電圧生成回路、前記下流側バルブ、及び、前記下流側バルブ流量測定器の特性をモデル化したものであり、前記オブザーバが、前記入力パラメータとして前記開度指令が入力され、前記下流側バルブ流量を推定するものであればよい。 In order to be able to accurately estimate the downstream valve flow rate by fully simulating the control characteristics of the flow control device, the device may further include a first voltage generation circuit that outputs a voltage to the downstream valve according to an input opening command, the downstream valve flow rate estimation model is a model of the characteristics of the first voltage generation circuit, the downstream valve, and the downstream valve flow rate measuring device, and the observer receives the opening command as the input parameter and estimates the downstream valve flow rate.

前記下流側バルブ流量の推定値の精度を高くするための具体的な構成例としては、前記下流側バルブ流量推定モデルが、前記第1電圧生成回路における時間遅れを模擬するものが挙げられる。 A specific example of a configuration for increasing the accuracy of the downstream valve flow rate estimate is one in which the downstream valve flow rate estimation model simulates a time delay in the first voltage generation circuit.

前記オブザーバが、推定値と初期値の違いによる推定値の誤差を早期に解消できるようにするには、前記オブザーバが、前記下流側バルブ流量の測定値と前記下流側バルブ流量の推定値との偏差にオブザーバゲインを乗じるオブザーバゲイン部をさらに備えたものであればよい。 In order for the observer to be able to quickly eliminate errors in the estimated value due to the difference between the estimated value and the initial value, the observer may further include an observer gain section that multiplies the deviation between the measured value of the downstream valve flow rate and the estimated value of the downstream valve flow rate by an observer gain.

前記下流側バルブ流量の推定値が測定値に対して大きく乖離しており、前記オブザーバが実際の状態を反映できていない場合にはそのような乖離を早期に解消できるようにするとともに、前記オブザーバが十分な精度で前記下流側バルブ流量を推定できている場合にはシステムに由来しない突発的なノイズ等に対して、当該オブザーバのロバストとなるようにするには、前記オブザーバゲイン部が、前記流路に流れる流体の流量が所定値で安定している場合に用いられる第1オブザーバゲインと、前記流路に流れる流体の流量が変化している場合に用いられ、前記第1オブザーバゲインよりも値が大きい第2オブザーバゲインと、を具備するものであればよい。 When the estimated value of the downstream valve flow rate deviates significantly from the measured value and the observer is unable to reflect the actual state, it is possible to quickly eliminate such deviation, and when the observer can estimate the downstream valve flow rate with sufficient accuracy, to make the observer robust against sudden noise not originating from the system, the observer gain section may include a first observer gain that is used when the flow rate of the fluid flowing through the flow path is stable at a predetermined value, and a second observer gain that is used when the flow rate of the fluid flowing through the flow path is changing and has a value greater than the first observer gain.

従来よりも前記下流側バルブ流量の制御に関する応答性を向上させるには、前記下流側バルブの開度を制御する下流側バルブ制御器をさらに備え、前記下流側バルブ制御器が、設定流量の目標値と前記オブザーバの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差に基づいて、前記開度指令を生成するように構成されたものであればよい。 To improve the responsiveness of the control of the downstream valve flow rate compared to the conventional system, a downstream valve controller that controls the opening of the downstream valve may be further provided, and the downstream valve controller may be configured to generate the opening command based on the deviation between a target value of the set flow rate and an estimated value of the downstream valve flow rate output by the observer.

前記オブザーバが推定する前記下流側バルブ流量に基づくフィードバック制御の具体的な構成としては、前記下流側バルブ制御器が、設定流量の目標値と前記オブザーバの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差に基づいてPID演算を行うPID制御器と、前記PID制御器からPID演算結果に応じた前記開度指令を生成する開度指令生成器と、を具備するものが挙げられる。 A specific example of the feedback control based on the downstream valve flow rate estimated by the observer is one in which the downstream valve controller includes a PID controller that performs PID calculations based on the deviation between a target value for the set flow rate and the estimated value of the downstream valve flow rate output by the observer, and an opening command generator that generates the opening command from the PID controller according to the PID calculation results.

従来流量制御装置に用いられている流量センサ等のハードウェアを利用して前記下流側バルブ流量測定器を構成するには、前記下流側バルブ流量測定器が、前記流体抵抗の上流側に設けられ、上流側圧力を測定する上流側圧力センサと、前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間に設けられ、前記下流側圧力を測定する下流側圧力センサと、前記上流側圧力と、前記下流側圧力とに基づいて、前記抵抗流量を算出する抵抗流量算出器と、前記抵抗流量から前記下流側圧力の時間変化量に所定係数を乗じた値を差し引いて前記下流側バルブ流量を算出する下流側バルブ流量算出器と、を具備するものが挙げられる。 To configure the downstream valve flow measuring device using hardware such as a flow sensor used in conventional flow control devices, the downstream valve flow measuring device may include an upstream pressure sensor that is provided upstream of the fluid resistance and measures the upstream pressure, a downstream pressure sensor that is provided between the fluid resistance and the downstream valve and measures the downstream pressure, a resistance flow calculator that calculates the resistance flow rate based on the upstream pressure and the downstream pressure, and a downstream valve flow calculator that calculates the downstream valve flow rate by subtracting from the resistance flow rate a value obtained by multiplying the amount of change in the downstream pressure over time by a predetermined coefficient.

前記下流側バルブの制御的な余裕を大きくしたり、流体の供給圧の変動を抑えたりできるようにして応答性をさらに向上させられるようにするには、流量制御装置が、前記上流側圧力センサの上流側に設けられた上流側バルブと、前記上流側バルブの開度を制御する上流側バルブ制御器と、をさらに備えたものであればよい。 To increase the control margin of the downstream valve and suppress fluctuations in the fluid supply pressure to further improve responsiveness, the flow control device may further include an upstream valve provided upstream of the upstream pressure sensor and an upstream valve controller that controls the opening of the upstream valve.

設定流量が立ち上がったり、立ち下がったりする場合に前記上流側バルブ及び前記下流側バルブがそれぞれ開度の変化方向が逆向きとなり、前記流体抵抗の前後圧を高速で変化させて所望の流量を高速で得られるようにしつつ、前記流体抵抗の前後の平均圧力は低い圧力に保って圧力式の流量センサとしての感度を高く保つことができるようにするには、前記抵抗流量から前記上流側圧力の時間変化量に所定係数を乗じた値を足して前記上流側バルブを通過する上流側バルブ流量を算出する上流側バルブ流量算出器をさらに備え、前記上流側バルブ制御器が、設定流量と前記上流側バルブ流量の偏差が小さくなるように前記上流側バルブの開度を制御すればよい。 When the set flow rate rises or falls, the upstream valve and the downstream valve change their openings in opposite directions, and the pressure before and after the fluid resistance is changed at high speed to obtain the desired flow rate at high speed, while the average pressure before and after the fluid resistance is kept low to maintain high sensitivity as a pressure-type flow sensor. To this end, an upstream valve flow rate calculator is further provided that calculates the upstream valve flow rate passing through the upstream valve by adding a value obtained by multiplying the amount of change in the upstream pressure over time by a predetermined coefficient from the resistance flow rate, and the upstream valve controller controls the opening of the upstream valve so as to reduce the deviation between the set flow rate and the upstream valve flow rate.

前記上流側バルブ流量についてもノイズ影響を低減して、制御性能をさらに向上させるには、前記抵抗流量から前記上流側圧力の時間変化量に所定係数を乗じた値を足して前記上流側バルブを通過する上流側バルブ流量を算出する上流側バルブ流量算出器と、前記上流側バルブの開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記上流側バルブ流量を推定する上流側バルブ流量推定モデルを具備するサブオブザーバと、をさらに備え、前記上流側バルブ制御器が、設定流量の目標値と前記サブオブザーバの出力する前記上流側バルブ流量の推定値との偏差が小さくなるように前記上流側バルブの開度を制御するものであればよい。 To further improve control performance by reducing the effect of noise on the upstream valve flow rate, an upstream valve flow rate calculator that calculates the upstream valve flow rate passing through the upstream valve by adding a value obtained by multiplying the amount of change in the upstream pressure over time by a predetermined coefficient to the resistance flow rate, and a sub-observer having an upstream valve flow rate estimation model that estimates the upstream valve flow rate based on input parameters that change the opening of the upstream valve, may be further provided, and the upstream valve controller may control the opening of the upstream valve so as to reduce the deviation between the target value of the set flow rate and the estimated value of the upstream valve flow rate output by the sub-observer.

前記流量制御装置に供給される流体の供給圧を一定に保つことができる具体的な構成例としては、前記上流側バルブ制御器が、設定圧力と前記上流側圧力の偏差が小さくなるように前記上流側バルブの開度を制御するものが挙げられる。 A specific example of a configuration that can keep the supply pressure of the fluid supplied to the flow control device constant is one in which the upstream valve controller controls the opening of the upstream valve so that the deviation between the set pressure and the upstream pressure is small.

設定流量の目標値が変化しても前記下流側バルブの開度が所定開度に保たれるようにして、前記流体抵抗の前後にける圧力の絶対値を低圧に保てるようにするには、前記上流側バルブ制御器が、前記下流側バルブで維持する開度に相当する設定電圧と、前記下流側バルブに印加されている電圧との偏差が小さくなるように前記上流側バルブの開度を制御するものであればよい。このようなものであれば、圧力に基づく流量測定を行っている前記下流側バルブ流量測定器の感度を向上させることができる。例えば前記下流側バルブの開度が全開状態又はその近傍の開度で保たれるようにして、前記流体抵抗の前後の圧力を低圧に保つようにすればよい。このようにすれば、圧力式の流量検出方法を用いている場合には、測定感度を高めて、制御の応答性を向上させることができる。 In order to maintain the opening of the downstream valve at a predetermined opening even when the target value of the set flow rate changes, and to maintain the absolute value of the pressure before and after the fluid resistance at a low pressure, the upstream valve controller only needs to control the opening of the upstream valve so that the deviation between the set voltage corresponding to the opening maintained by the downstream valve and the voltage applied to the downstream valve is small. In this way, the sensitivity of the downstream valve flow meter that performs flow measurement based on pressure can be improved. For example, the opening of the downstream valve can be maintained at or near a fully open state, and the pressure before and after the fluid resistance can be maintained at a low pressure. In this way, when a pressure-based flow detection method is used, the measurement sensitivity can be increased and the control responsiveness can be improved.

前記下流側バルブ流量測定器による前記下流側バルブ流量の測定の前提条件である、前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間の容積を明確に仕切ることができ、正確な容積な値を得られるようにして前記下流側バルブ流量の測定精度を高められるようにするには、前記流体抵抗が、層流素子、分流素子、又は、オリフィスであればよい。 The prerequisite for the downstream valve flow measurement by the downstream valve flow measurement device is that the volume between the fluid resistance and the downstream valve can be clearly separated, allowing an accurate volume value to be obtained and improving the measurement accuracy of the downstream valve flow rate. In order to do this, the fluid resistance may be a laminar flow element, a dividing element, or an orifice.

従来、半導体製造プロセスにおいて用いられる流量制御装置において流量センサ等に何らかの異常が発生した場合には、ユーザやマスターとなる制御装置にアラーム出力をしたり、外部に表示される流量を負の値等のありえない値にしたりして異常を知らせている。さらに、異常が発生した場合には、プロセス中であっても制御バルブを全閉等のセーフステートに変更してプロセスを中断している。プロセスを中断した場合、再開しても中断前と同じ結果や効果が得られないことが多い。このため、特にバッチ処理式のプロセス装置では中断によるウエハスクラップの被害が大きくなり、例えば中断された場合の歩留まりはゼロ又はほとんどゼロとなってしまう。 Conventionally, when an abnormality occurs in a flow sensor or the like in a flow control device used in a semiconductor manufacturing process, the abnormality is notified to the user or the master control device by outputting an alarm, or by changing the flow rate displayed externally to an impossible value such as a negative value. Furthermore, when an abnormality occurs, even if the process is in progress, the control valve is changed to a safe state such as fully closed and the process is interrupted. When a process is interrupted, restarting it often does not produce the same results or effects as before the interruption. For this reason, especially in batch processing type process equipment, the damage to wafer scrap caused by interruptions is large, and for example, the yield when interrupted is zero or almost zero.

上述したようなプロセスの中断によるロスを低減できるようにするために、例えば流量を測定するための各種センサに異常が発生したとしても、プロセスを継続して、ある程度の歩留まりを確保できるようにするには、少なくとも前記下流側バルブ流量測定器に異常が発生した場合に、前記オブザーバにおいて前記下流側バルブ流量測定器の出力する前記下流側バルブ流量の測定値のフィードバックを行わない異常モードで前記オブザーバを動作させる異常モード切替部をさらに備えたものであればよい。 In order to reduce losses due to interruptions to the process as described above, and to ensure a certain degree of yield by continuing the process even if an abnormality occurs in the various sensors used to measure flow rates, it is sufficient to further include an abnormality mode switching unit that operates the observer in an abnormality mode in which the observer does not provide feedback of the measured value of the downstream valve flow rate output by the downstream valve flow rate measuring device when an abnormality occurs in the downstream valve flow rate measuring device.

このようなものであれば、異常モードにおいては故障等により値が信頼できない前記下流側バルブ流量測定器の出力を使用せずに前記オブザーバから出力される前記下流側バルブ流量の推定値のみで流量制御を継続できる。したがって、ある程度実際に流れている流量に近い値に基づいて流量制御を継続できるので、例えばプロセス中のウエハの歩留まりを所定値に保つことが可能となる。 In this way, in abnormal mode, flow control can be continued using only the estimated value of the downstream valve flow rate output from the observer, without using the output of the downstream valve flow rate measuring device whose value is unreliable due to a malfunction or the like. Therefore, flow control can be continued based on a value that is relatively close to the actual flow rate, making it possible, for example, to maintain the yield of wafers during processing at a predetermined value.

前記下流側バルブ流量測定器に異常が発生した場合には、正常であった時点で使用されていたパラメータを用いることで、その時点で流れている流量に近い推定値を前記オブザーバが出力できるようにし、ウエハの歩留まり等を高い値に保てるようにするには、前記オブザーバが、少なくとも前記下流側バルブ流量測定器が正常に動作している状態において、前記下流側バルブ流量の測定値と前記下流側バルブ流量の推定値との偏差にオブザーバゲインを乗じるオブザーバゲイン部と、少なくとも前記下流側バルブ流量測定器が正常に動作している状態において、前記下流側バルブ流量の測定値と前記下流側バルブ流量の推定値との偏差、又は、当該偏差に所定演算がされた値を正常値として記憶する正常値記憶部と、前記異常モードにおいて、前記正常値に基づいた値を前記下流側バルブ流量推定モデルに入力するロールバック部と、をさらに備えたものであればよい。 In order to enable the observer to output an estimated value close to the flow rate at that time by using the parameters used when the downstream valve flow measuring device was normal when an abnormality occurs and to maintain a high wafer yield, etc., the observer may further include an observer gain unit that multiplies the deviation between the measured downstream valve flow rate and the estimated downstream valve flow rate by an observer gain when at least the downstream valve flow measuring device is operating normally, a normal value storage unit that stores the deviation between the measured downstream valve flow rate and the estimated downstream valve flow rate, or a value obtained by performing a predetermined calculation on the deviation, as a normal value when at least the downstream valve flow measuring device is operating normally, and a rollback unit that inputs a value based on the normal value to the downstream valve flow rate estimation model in the abnormal mode.

簡単な構成で前記下流側バルブ流量測定器に異常が発生した場合には、当該下流側バルブ流量測定器の測定値を流量制御に用いず前記オブザーバの推定値のみで流量制御を継続できるようにするには、流量制御前記オブザーバが、前記下流側バルブ流量の測定値と前記下流側バルブ流量の推定値との偏差にオブザーバゲインを乗じるオブザーバゲイン部を備え、前記オブザーバゲイン部が、前記異常モードにおいて前記オブザーバゲインとしてゼロの値を使用するように構成されたものが挙げられる。 In a simple configuration, in the event of an abnormality occurring in the downstream valve flow measuring instrument, flow control can be continued using only the estimate of the observer without using the measurement value of the downstream valve flow measuring instrument for flow control. The flow control observer can include an observer gain unit that multiplies the deviation between the measurement value of the downstream valve flow rate and the estimate value of the downstream valve flow rate by an observer gain, and the observer gain unit is configured to use a value of zero as the observer gain in the abnormality mode.

前記異常モード切替部の具体的な態様としては、前記下流側バルブ流量測定器の出力する前記下流側バルブ流量の測定値、又は、当該下流側バルブ流量測定器において使用される内部パラメータに基づいて、前記下流側バルブ流量測定器が正常に動作しているか、異常が発生しているかを判定するように構成されたものが挙げられる。 Specific examples of the abnormality mode switching unit include a unit configured to determine whether the downstream valve flow measuring device is operating normally or whether an abnormality has occurred based on the measurement value of the downstream valve flow rate output by the downstream valve flow measuring device or on internal parameters used in the downstream valve flow measuring device.

流路に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、を備えた既存の流量制御装置に対して例えばプログラムを更新することで、本発明に係る流量制御装置と同等の流量制御特性が得られるようにするには、前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量と、前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間にある内部容積内の圧力である下流側圧力の時間変化量とに基づいて、前記下流側バルブを通過する流体の流量である下流側バルブ流量を測定する下流側バルブ流量測定器と、前記下流側バルブの開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記下流側バルブ流量を推定する下流側バルブ流量推定モデルを具備するオブザーバと、としての機能をコンピュータに発揮させるものであり、前記オブザーバが、前記下流側バルブ流量測定器の出力する前記下流側バルブ流量の測定値と、前記下流側バルブ流量推定モデルの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差がフィードバックされるように構成された流量制御装置用プログラムを用いれば良い。 In order to obtain flow control characteristics equivalent to those of the flow control device of the present invention by updating the program of an existing flow control device equipped with a fluid resistance provided in a flow path and a downstream valve provided downstream of the fluid resistance, a downstream valve flow rate, which is the flow rate of the fluid passing through the downstream valve, based on the resistance flow rate, which is the flow rate of the fluid flowing through the fluid resistance, and the time change in the downstream pressure, which is the pressure in the internal volume between the fluid resistance and the downstream valve, and an observer having a downstream valve flow rate estimation model that estimates the downstream valve flow rate based on input parameters that change the opening of the downstream valve, a flow control device program configured to cause a computer to function as such may be used, in which the observer feeds back the deviation between the measured value of the downstream valve flow rate output by the downstream valve flow rate measurement device and the estimated value of the downstream valve flow rate output by the downstream valve flow rate estimation model.

なお、流量制御装置用プログラムは電子的に配信されるものであってもよいし、CD、DVD、フラッシュメモリ等のプログラム記録媒体に記録されたものであってもよい。 The program for the flow control device may be distributed electronically or may be recorded on a program recording medium such as a CD, DVD, or flash memory.

このように本発明に係る流量制御装置は、前記下流側バルブを通過している流量の流量である前記下流側バルブ流量を推定する前記オブザーバを備えているので、時間遅れとノイズを低減した下流側バルブ流量を得ることができる。したがって、本発明であれば、流量制御における応答性及び精度を従来よりも向上させることが可能となる。 In this way, the flow control device according to the present invention is equipped with the observer that estimates the downstream valve flow rate, which is the flow rate of the flow passing through the downstream valve, so that it is possible to obtain a downstream valve flow rate with reduced time delay and noise. Therefore, with the present invention, it is possible to improve the responsiveness and accuracy of flow control compared to the conventional art.

本発明の第1実施形態における流量制御装置の構成を示す模式図。1 is a schematic diagram showing a configuration of a flow rate control device according to a first embodiment of the present invention; 第1実施形態の流量制御装置の下流側バルブに関する制御系の概略を示すブロック線図。FIG. 2 is a block diagram showing an outline of a control system for a downstream valve of the flow rate control device of the first embodiment. 第1実施形態のオブザーバ及び下流側バルブ制御器の詳細を示すブロック線図。FIG. 4 is a block diagram showing details of an observer and a downstream valve controller according to the first embodiment. 第1実施形態における流量制御装置の第1変形例の構成を示すブロック線図。FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a first modified example of the flow rate control device in the first embodiment. 第1実施形態における流量制御装置の第2変形例の構成を示す模式図。FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a second modified example of the flow rate control device in the first embodiment. 本発明の第2実施形態における流量制御装置の構成を示す模式図。FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of a flow rate control device according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第3実施形態における流量制御装置の構成を示す模式図。FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of a flow rate control device according to a third embodiment of the present invention. 本発明の第4実施形態における流量制御装置の構成を示す模式図。FIG. 13 is a schematic diagram showing the configuration of a flow rate control device according to a fourth embodiment of the present invention. 本発明の第5実施形態における正常モードにおける流量制御装置の構成を示す模式図。FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration of a flow control device in a normal mode according to a fifth embodiment of the present invention. 第5実施形態における異常モードにおける流量制御装置の構成を示す模式図。FIG. 13 is a schematic diagram showing the configuration of a flow rate control device in an abnormal mode according to the fifth embodiment. 第5実施形態における正常モードと異常モードにおける流量制御装置の動作イメージを示す模式図。13A and 13B are schematic diagrams showing an operation image of the flow rate control device in a normal mode and an abnormal mode in the fifth embodiment.

第1実施形態に係る流量制御装置100について図1乃至図3を参照しながら説明する。 The flow control device 100 according to the first embodiment will be described with reference to Figures 1 to 3.

第1実施形態の流量制御装置100は、例えば半導体製造プロセスにおいてチャンバに対してプロセスガスや貴ガス等の希釈ガス等を設定流量で供給するために用いられるものである。ここで、設定流量は、例えばある目標値から別の目標値へ階段状に立ち上がる、あるいは、立ち下がるステップ状の時間変化を含む。このような設定流量のステップ流量指令に対して、所定時間内に追従するようにこの流量制御装置100は構成してある。なお所定時間は、製造される半導体の品質を満たすことができる時間として設定され得る。 The flow control device 100 of the first embodiment is used, for example, in a semiconductor manufacturing process to supply a process gas or a dilution gas such as a noble gas to a chamber at a set flow rate. Here, the set flow rate includes, for example, a step-like time change that rises or falls in a step-like manner from one target value to another target value. The flow control device 100 is configured to follow such a step flow rate command for the set flow rate within a specified time. The specified time can be set as a time that can satisfy the quality of the semiconductor being manufactured.

具体的には流量制御装置100は、図1に示すように、流路に設けられたセンサ、バルブからなる流体機器と、当該流体機器の制御を司る制御装置COMと、を備えている。なお、流路は例えば図示しないブロック内に形成された複数の内部流路として形成され、当該内部流路は当該ブロックにおいて流体機器が取り付けられる部品取付面に少なくとも一端部が開口する。 Specifically, as shown in FIG. 1, the flow control device 100 includes a fluid device consisting of a sensor and a valve provided in a flow path, and a control device COM that controls the fluid device. The flow paths are formed as multiple internal flow paths formed in a block (not shown), for example, and at least one end of the internal flow paths opens to a component mounting surface of the block to which the fluid device is attached.

流路に対して上流側から順番に供給圧センサ(図示しない)、上流側バルブV1、上流側圧力センサP1、流体抵抗R、下流側圧力センサP2、下流側バルブV2が設けてある。ここで、流体抵抗Rは例えば層流素子であり、その前後に流れるガス流量に応じた差圧を発生する。 In order from the upstream side, the flow path is provided with a supply pressure sensor (not shown), an upstream valve V1, an upstream pressure sensor P1, a fluid resistance R, a downstream pressure sensor P2, and a downstream valve V2. Here, the fluid resistance R is, for example, a laminar flow element, and generates a differential pressure according to the gas flow rate flowing before and after it.

上流側圧力センサP1は、流路において上流側バルブV1と流体抵抗Rとの間における容積である上流側容積VL1内にチャージされているガスの圧力を測定する。以降の説明では上流側圧力センサP1で測定される圧力を上流側圧力ともいう。 The upstream pressure sensor P1 measures the pressure of the gas charged in the upstream volume VL1, which is the volume in the flow path between the upstream valve V1 and the fluid resistance R. In the following explanation, the pressure measured by the upstream pressure sensor P1 is also referred to as the upstream pressure.

下流側圧力センサP2は、流路において流体抵抗Rと下流側バルブV2との間における容積である下流側容積VL2にチャージされているガスの圧力を測定する。以降の説明では下流側圧力センサP2で測定される圧力を下流側圧力ともいう。 The downstream pressure sensor P2 measures the pressure of the gas charged in the downstream volume VL2, which is the volume between the fluid resistance R and the downstream valve V2 in the flow path. In the following explanation, the pressure measured by the downstream pressure sensor P2 is also referred to as the downstream pressure.

第1実施形態では上流側圧力センサP1及び下流側圧力センサP2は例えば同型のものであり、例えばダイヤフラムで形成された感圧面に流路からガスが導かれる。感圧面の変位は例えば静電容量型の変位センサで測定され、その変位から各圧力が測定される。このように上流側圧力センサP1と下流側圧力センサP2は、上流側バルブV1、流体抵抗R、下流側バルブV2で形成される2つの容積の圧力をそれぞれ測定している。 In the first embodiment, the upstream pressure sensor P1 and the downstream pressure sensor P2 are, for example, of the same type, and gas is guided from a flow path to a pressure-sensitive surface formed, for example, by a diaphragm. The displacement of the pressure-sensitive surface is measured, for example, by a capacitance-type displacement sensor, and each pressure is measured from that displacement. In this way, the upstream pressure sensor P1 and the downstream pressure sensor P2 respectively measure the pressures of the two volumes formed by the upstream valve V1, the fluid resistance R, and the downstream valve V2.

上流側バルブV1、及び、下流側バルブV2は、第1実施形態では同型のものであり、例えばピエゾ素子によって弁体が弁材に対して駆動されるピエゾバルブである。第1実施形態では上流側バルブV1は、上流側圧力センサP1で測定される上流側圧力に基づいて上流側容積内の圧力を制御する。一方、流体機器において最も下流側に設けられている下流側バルブV2は、流体機器から流出するガス流量全体を制御するものである。 In the first embodiment, the upstream valve V1 and the downstream valve V2 are of the same type, e.g., a piezo valve in which a valve body is driven relative to a valve material by a piezo element. In the first embodiment, the upstream valve V1 controls the pressure in the upstream volume based on the upstream pressure measured by the upstream pressure sensor P1. On the other hand, the downstream valve V2, which is provided at the most downstream side in the fluid device, controls the overall gas flow rate flowing out of the fluid device.

次に制御装置COMについて詳述する。 Next, we will explain the control device COM in detail.

制御装置COMは、例えばCPU、メモリ、A/Dコンバータ・D/Aコンバータ、入出力手段を具備するいわゆるコンピュータである。具体的にはマイコンボードを用いてその機能が実現されるが、一般的なコンピュータを用いてもよい。制御装置COMはメモリに格納されている流量制御装置用プログラムが実行されて各種機器が協業することにより、少なくとも抵抗流量算出器1、下流側バルブ流量算出器2、オブザーバ3、下流側バルブ制御器4、第1電圧生成回路5、上流側バルブ流量算出器6、上流側バルブ制御器7、第2電圧生成回路8としての機能を発揮する。 The control device COM is a so-called computer equipped with, for example, a CPU, memory, A/D converter, D/A converter, and input/output means. Specifically, its functions are realized using a microcomputer board, but a general computer may also be used. The control device COM executes a flow control device program stored in the memory and various devices work together to perform the functions of at least the resistance flow rate calculator 1, downstream valve flow rate calculator 2, observer 3, downstream valve controller 4, first voltage generation circuit 5, upstream valve flow rate calculator 6, upstream valve controller 7, and second voltage generation circuit 8.

抵抗流量算出器1は、上流側圧力センサP1、流体抵抗R、下流側圧力センサP2とともにいわゆる圧力式の流量センサを構成するものである。つまり、抵抗流量算出器1は、上流側圧力センサP1で測定される上流側圧力と、下流側圧力センサP2で測定される下流側圧力を入力として、流体抵抗Rを流れるガス流量である抵抗流量を算出し、その結果を下流側バルブ流量算出器2に出力する。 The resistance flow rate calculator 1, together with the upstream pressure sensor P1, the fluid resistance R, and the downstream pressure sensor P2, constitutes a so-called pressure-type flow rate sensor. In other words, the resistance flow rate calculator 1 takes the upstream pressure measured by the upstream pressure sensor P1 and the downstream pressure measured by the downstream pressure sensor P2 as inputs, calculates the resistance flow rate, which is the gas flow rate flowing through the fluid resistance R, and outputs the result to the downstream valve flow rate calculator 2.

ここで、抵抗流量算出器1で用いられる流量の算出式は既存の圧力式流量センサで採用されているものを用いることができる。抵抗流量算出器1で算出される抵抗流量は、連続的に変化するものであるが、下流側バルブV2の制御により実現される当該下流側バルブV2を通過している実際の流量に対して所定の時間遅れが発生している。 The flow rate calculation formula used in the resistance flow rate calculator 1 can be the same as that used in existing pressure-type flow rate sensors. The resistance flow rate calculated by the resistance flow rate calculator 1 changes continuously, but there is a certain time delay with respect to the actual flow rate passing through the downstream valve V2, which is realized by controlling the downstream valve V2.

以降では下流側バルブV2を通過している流量のことを下流側バルブ流量ともよぶ。また、第1実施形態では下流側バルブ流量は上流側圧力センサP1及び下流側圧力センサP2の出力に基づいて算出される値を測定値と定義する。一方、下流側バルブ制御器4の内部出力と、数学的なモデルに基づき、上流側圧力センサP1及び下流側圧力センサP2の出力を直接は使用せずに算出される下流側バルブ流量は推定値と定義する。 Hereinafter, the flow rate passing through the downstream valve V2 is also referred to as the downstream valve flow rate. In addition, in the first embodiment, the downstream valve flow rate is defined as a measured value calculated based on the outputs of the upstream pressure sensor P1 and the downstream pressure sensor P2. On the other hand, the downstream valve flow rate calculated based on the internal output of the downstream valve controller 4 and a mathematical model without directly using the outputs of the upstream pressure sensor P1 and the downstream pressure sensor P2 is defined as an estimated value.

下流側バルブ流量算出器2は、抵抗流量算出器1で算出される抵抗流量と、下流側圧力センサP2で測定される下流側圧力とに基づいて、下流側バルブV2から流出するガス流量である下流側バルブ流量を算出し、その結果をオブザーバ3に出力する。より具体的には下流側バルブ流量算出器2は、流体抵抗Rと下流側バルブV2との間の下流側容積VL2に対して流入するガス流量である抵抗流量と、下流側容積VL2から流出するガス流量である下流側バルブ流量の差の定数倍が、下流側圧力の時間変化量と等しいことに基づいて下流側バルブ流量を算出している。具体的には、下流側圧力をP、下流側容積VL2の大きさをV、ガスの温度をT、気体定数をR,質量をnとした場合、下流側容積VL2を対象として気体の状態方程式を適用するとP=nT/Vが導出される。また、質量nの時間微分値は、下流側容積VL2に流入する抵抗流量Qと、下流側容積VL2から流出する下流側バルブ流量QV2の差に比例していることから、最終的に以下のような式で下流側バルブ流量QV2は算出できる。QV2=Q―A・d/dt(P):ここでd/dtは時間微分演算子、Aはガスの温度T、気体定数R等で決まる定数である。 The downstream valve flow rate calculator 2 calculates the downstream valve flow rate, which is the gas flow rate flowing out from the downstream valve V2, based on the resistance flow rate calculated by the resistance flow rate calculator 1 and the downstream pressure measured by the downstream pressure sensor P2, and outputs the result to the observer 3. More specifically, the downstream valve flow rate calculator 2 calculates the downstream valve flow rate based on the fact that a constant multiple of the difference between the resistance flow rate, which is the gas flow rate flowing into the downstream volume VL2 between the fluid resistance R and the downstream valve V2, and the downstream valve flow rate, which is the gas flow rate flowing out from the downstream volume VL2, is equal to the time change amount of the downstream pressure. Specifically, when the downstream pressure is P2 , the size of the downstream volume VL2 is V2 , the gas temperature is T, the gas constant is R G , and the mass is n2 , P2 = n2 R G T/ V2 is derived by applying the gas state equation to the downstream volume VL2. Furthermore, since the time differential value of mass n2 is proportional to the difference between the resistance flow rate QR flowing into the downstream volume VL2 and the downstream valve flow rate QV2 flowing out from the downstream volume VL2, the downstream valve flow rate QV2 can ultimately be calculated using the following formula: QV2 = QR - A d/dt ( P2 ): Here, d/dt is the time differential operator, and A is a constant determined by the gas temperature T, gas constant RG , etc.

第1実施形態では、上流側圧力センサP1、流体抵抗R、下流側圧力センサP2、及び、抵抗流量算出器1がいわゆる圧力式の流量センサを構成している。また、圧力式の流量センサにさらに下流側バルブ流量算出器2が加わることで、下流側バルブ流量測定器VFSが構成される。 In the first embodiment, the upstream pressure sensor P1, the fluid resistance R, the downstream pressure sensor P2, and the resistance flow rate calculator 1 constitute a so-called pressure-type flow rate sensor. In addition, the downstream valve flow rate calculator 2 is added to the pressure-type flow rate sensor to constitute a downstream valve flow rate measuring device VFS.

オブザーバ3は、数学的な制御系のモデルと、下流側バルブV2の開度を変更する入力パラメータとに基づいて下流側バルブ流量を推定する。オブザーバ3で推定された下流側バルブ流量は、下流側バルブ制御器4に出力される。 The observer 3 estimates the downstream valve flow rate based on a mathematical control system model and input parameters that change the opening of the downstream valve V2. The downstream valve flow rate estimated by the observer 3 is output to the downstream valve controller 4.

下流側バルブ制御器4は、ユーザにより設定される設定流量と、オブザーバ3により推定される下流側バルブ流量との偏差が小さくなるように下流側バルブV2の開度を制御する。第1実施形態では下流側バルブ制御器4は、偏差に応じた開度指令を生成し、第1電圧生成回路5に出力する。 The downstream valve controller 4 controls the opening of the downstream valve V2 so that the deviation between the set flow rate set by the user and the downstream valve flow rate estimated by the observer 3 is reduced. In the first embodiment, the downstream valve controller 4 generates an opening command according to the deviation and outputs it to the first voltage generating circuit 5.

第1電圧生成回路5は、開度指令に応じた電圧を下流側バルブV2に印加する。この第1電圧生成回路5では開度指令に対して例えば1次遅れの時間遅れが発生する。 The first voltage generating circuit 5 applies a voltage corresponding to the opening command to the downstream valve V2. In this first voltage generating circuit 5, a time delay, for example a first-order delay, occurs with respect to the opening command.

上流側バルブ流量算出器6は、抵抗流量算出器1で算出される抵抗流量と、上流側圧力センサP1で測定される上流側圧力とに基づいて、上流側バルブV1から上流側容積VL1に流入するガス流量である上流側バルブ流量を算出し、その結果を上流側バルブ制御器7に出力する。より具体的には上流側バルブ流量算出器6は、上流側バルブV1と流体抵抗Rとの間の上流側容積VL1に対して流入するガス流量である上流側バルブ流量と、上流側容積VL1から流出するガス流量である抵抗流量との差の定数倍が、上流側圧力の時間変化量と等しいことに基づいて、上流側バルブ流量を算出している。具体的には、上流側圧力をP、上流側容積VL1の大きさをV、ガスの温度をT、気体定数をR,質量をnとした場合、上流側容積VL1を対象として気体の状態方程式を適用するとP=nT/Vが導出される。また、質量nの時間微分値は、上流側容積VL1に流入する上流側バルブ流量QV1と、上流側容積VL1から流出する抵抗流量Qの差に比例していることから、最終的に以下のような式で上流側バルブ流量QV1は算出できる。QV1=Q+A・d/dt(P):ここでd/dtは時間微分演算子、Aはガスの温度T、気体定数R等で決まる定数である。 The upstream valve flow rate calculator 6 calculates an upstream valve flow rate, which is the gas flow rate flowing from the upstream valve V1 to the upstream volume VL1, based on the resistance flow rate calculated by the resistance flow rate calculator 1 and the upstream pressure measured by the upstream pressure sensor P1, and outputs the result to the upstream valve controller 7. More specifically, the upstream valve flow rate calculator 6 calculates the upstream valve flow rate based on the fact that a constant multiple of the difference between the upstream valve flow rate, which is the gas flow rate flowing into the upstream volume VL1 between the upstream valve V1 and the fluid resistance R, and the resistance flow rate, which is the gas flow rate flowing out of the upstream volume VL1, is equal to the amount of change in the upstream pressure over time. Specifically, when the upstream pressure is P1 , the size of the upstream volume VL1 is V1 , the gas temperature is T, the gas constant is R G , and the mass is n1 , applying the gas state equation to the upstream volume VL1 results in P1= n1R G T/ V1 . Furthermore, since the time differential value of mass n1 is proportional to the difference between the upstream valve flow rate QV1 flowing into the upstream volume VL1 and the resistance flow rate QR flowing out from the upstream volume VL1, the upstream valve flow rate QV1 can ultimately be calculated using the following formula: QV1 = QR + A·d/dt( P1 ): Here, d/dt is the time differential operator, and A is a constant determined by the gas temperature T, gas constant RG , etc.

なお、上流側バルブ流量算出器6は、下流側バルブ流量測定器VFSにおいて圧力式の流量センサを構成する上流側圧力センサP1、流体抵抗R、下流側圧力センサP2、及び、抵抗流量算出器1を共用している。すなわち、上流側バルブ流量算出器6は、圧力式の流量センサを下流側バルブ流量測定器VFSと共用して、上流側バルブ流量測定器としての機能を発揮するように構成されている。 The upstream valve flow calculator 6 shares the upstream pressure sensor P1, fluid resistance R, downstream pressure sensor P2, and resistance flow calculator 1 that constitute the pressure-type flow sensor in the downstream valve flow measuring device VFS. In other words, the upstream valve flow calculator 6 is configured to share the pressure-type flow sensor with the downstream valve flow measuring device VFS and function as an upstream valve flow measuring device.

上流側バルブ制御器7は、ユーザによって設定される設定流量と、上流側バルブ流量算出器6の算出する上流側バルブ流量と、に基づいて上流側バルブV1を制御する。すなわち、上流側バルブ制御器7は、ユーザにより設定される設定流量の目標値と上流側バルブ流量の測定値との偏差が小さくなるように、上流側バルブV1を制御する。より具体的には、上流側バルブ制御器7は、設定流量と上流側バルブ流量の偏差に基づくPID演算により、上流側バルブV1が達成すべき開度を示す開度指令を生成し、その開度指令を第2電圧生成回路に入力する。第2電圧生成回路は、開度指令に応じた電圧を上流側バルブV1に印加する。すなわち、上流側バルブV1は下流側バルブV2とは異なり、オブザーバによる推定値ではなく、測定値に基づいて制御される。また、上流側バルブ制御器7及び下流側バルブ制御器4に入力される設定流量はそれぞれ同じものであり、同期させて入力される。 The upstream valve controller 7 controls the upstream valve V1 based on the set flow rate set by the user and the upstream valve flow rate calculated by the upstream valve flow rate calculator 6. That is, the upstream valve controller 7 controls the upstream valve V1 so that the deviation between the target value of the set flow rate set by the user and the measured value of the upstream valve flow rate is small. More specifically, the upstream valve controller 7 generates an opening command indicating the opening degree to be achieved by the upstream valve V1 by PID calculation based on the deviation between the set flow rate and the upstream valve flow rate, and inputs the opening command to the second voltage generation circuit. The second voltage generation circuit applies a voltage according to the opening command to the upstream valve V1. That is, unlike the downstream valve V2, the upstream valve V1 is controlled based on the measured value, not on an estimate by an observer. In addition, the set flow rates input to the upstream valve controller 7 and the downstream valve controller 4 are the same and are input in synchronization.

次に下流側バルブV2に関連する制御系の詳細と、オブザーバ3、及び、下流側バルブ制御器4の詳細について図2及び図3のブロック線図を参照しながら説明する。 Next, the details of the control system related to the downstream valve V2, the observer 3, and the downstream valve controller 4 will be described with reference to the block diagrams in Figures 2 and 3.

図2のブロック線図に示すように、下流側バルブV2の制御系は、ハードウェアの出力に基づき下流側バルブ流量を測定するとともに、実際の下流側バルブ流量に影響を与えるリアルシステムと、数学的なモデルに基づいて下流側バルブ流量を推定するイマジナリーシステムとから構成されている。リアルシステムは、下流側バルブ制御器4、第1電圧生成回路5、下流側バルブV2、及び、下流側バルブ流量測定器VFSからなる。一方、イマジナリーシステムは、オブザーバ3で構成される。 As shown in the block diagram of Figure 2, the control system of the downstream valve V2 is composed of a real system that measures the downstream valve flow rate based on the output of the hardware and affects the actual downstream valve flow rate, and an imaginary system that estimates the downstream valve flow rate based on a mathematical model. The real system is composed of the downstream valve controller 4, the first voltage generating circuit 5, the downstream valve V2, and the downstream valve flow rate measuring device VFS. On the other hand, the imaginary system is composed of the observer 3.

オブザーバ3で推定される下流側バルブ流量は下流側バルブ制御器4にフィードバックされる。すなわち、設定流量の目標値と下流側バルブ流量の推定値の偏差が下流側バルブ制御器4に入力される。また、オブザーバ3で推定される下流側バルブ流量と下流側バルブ流量測定器で測定される下流側バルブ流量の偏差はオブザーバ3にフィードバックされる。オブザーバ3は下流側バルブ制御器4からリアルシステムに入力されるのと同じ開度指令が入力され、開度指令に応じた下流側バルブ流量の推定値を出力する。 The downstream valve flow rate estimated by the observer 3 is fed back to the downstream valve controller 4. That is, the deviation between the target value of the set flow rate and the estimated value of the downstream valve flow rate is input to the downstream valve controller 4. In addition, the deviation between the downstream valve flow rate estimated by the observer 3 and the downstream valve flow rate measured by the downstream valve flow rate measuring device is fed back to the observer 3. The observer 3 receives the same opening command as that input to the real system from the downstream valve controller 4, and outputs an estimated value of the downstream valve flow rate according to the opening command.

図3の詳細なブロック線図に示すように、オブザーバ3は、リアルシステムにおける制御対象である第1電圧生成回路5、下流側バルブV2、及び、下流側バルブ流量測定器VFSを模擬する下流側バルブ流量推定モデル31を具備している。すなわち、下流側バルブ流量推定モデル31は第1電圧生成回路5、下流側バルブV2、及び、下流側バルブ流量測定器VFSにそれぞれ対応する第1電圧生成回路模擬部5M、下流側バルブ模擬部V2M、及び、下流側バルブ流量測定器模擬部VFMからなる。 As shown in the detailed block diagram of FIG. 3, the observer 3 has a downstream valve flow estimation model 31 that simulates the first voltage generation circuit 5, downstream valve V2, and downstream valve flow meter VFS, which are the control targets in the real system. That is, the downstream valve flow estimation model 31 is composed of a first voltage generation circuit simulation unit 5M, a downstream valve simulation unit V2M, and a downstream valve flow meter simulation unit VFM, which correspond to the first voltage generation circuit 5, downstream valve V2, and downstream valve flow meter VFS, respectively.

第1電圧生成回路模擬部5Mは、開度指令に対して第1電圧生成回路5が実際に出力する電圧の時間遅れを模擬している。また、下流側バルブ模擬部V2Mは下流側バルブV2、すなわち、ピエゾバルブとしての制御特性を例えば理論式を参照して模擬しており、下流側バルブV2に印加されている電圧に対して対応する下流側バルブ流量を出力する。なお、下流側バルブ模擬部V2Mは、例えば流量、バルブの前後圧、温度、開度に相当する電圧等との間の関係を記憶したルックアップテーブルを参照することでそのバルブ特性を模擬するものであってもよい。加えて、下流側バルブ流量測定器模擬部VFMは、実際の下流側バルブ流量に対して測定値に表れる時間遅れを模擬している。ここで、下流側バルブ流量測定器模擬部VFMが模擬する時間遅れは、制御点と測定点のずれに起因するものではなく、電気回路内や演算に起因するものである。下流側バルブ流量推定モデル31は数学的なモデルであるため、開度指令が入力されることにより出力される下流側バルブ流量の推定値には電気的なノイズは重畳せず、下流側バルブ流量の変化のみが表れる。 The first voltage generating circuit simulation unit 5M simulates the time delay of the voltage actually output by the first voltage generating circuit 5 in response to the opening command. The downstream valve simulation unit V2M simulates the control characteristics of the downstream valve V2, i.e., the piezo valve, for example, by referring to a theoretical formula, and outputs the downstream valve flow rate corresponding to the voltage applied to the downstream valve V2. The downstream valve simulation unit V2M may simulate the valve characteristics by referring to a lookup table that stores the relationship between the flow rate, the pressure before and after the valve, the temperature, the voltage corresponding to the opening, etc. In addition, the downstream valve flow rate measurement device simulation unit VFM simulates the time delay that appears in the measured value with respect to the actual downstream valve flow rate. Here, the time delay simulated by the downstream valve flow rate measurement device simulation unit VFM is not due to the difference between the control point and the measurement point, but is due to the electric circuit or calculation. Because the downstream valve flow rate estimation model 31 is a mathematical model, the estimated value of the downstream valve flow rate that is output when an opening command is input is not superimposed with electrical noise, and only the change in the downstream valve flow rate is reflected.

また、オブザーバ3はさらに下流側バルブ流量の測定値と推定値の偏差に所定のオブザーバゲインOGを乗じるオブザーバゲイン部32を備えている。オブザーバゲインOGには対応して積分器が設けられており、積分器の出力が、第1電圧生成回路模擬部5Mの出力する電圧に加算される。 The observer 3 further includes an observer gain section 32 that multiplies the deviation between the measured value and the estimated value of the downstream valve flow rate by a predetermined observer gain OG. An integrator is provided corresponding to the observer gain OG, and the output of the integrator is added to the voltage output by the first voltage generation circuit simulation section 5M.

最後に下流側バルブ制御器4について説明する。下流側バルブ制御器4は、設定流量とオブザーバ3が推定する下流側バルブ流量との偏差が入力されるPID制御器41と、PID制御器41が出力するPID演算結果に応じた開度指令を出力する開度指令生成器42と、を具備している。すなわち、下流側バルブ流量測定器VFSで測定される下流側バルブ流量はオブザーバ3へのフィードバックのみに用いられており、下流側バルブV2に印加される電圧を決定するためには直接は使用されない。電気的なノイズを含まない設定流量の目標値とオブザーバ3の流量の推定値の偏差に基づいて、下流側バルブV2が制御される。 Finally, the downstream valve controller 4 will be described. The downstream valve controller 4 is equipped with a PID controller 41 to which the deviation between the set flow rate and the downstream valve flow rate estimated by the observer 3 is input, and an opening command generator 42 that outputs an opening command according to the PID calculation result output by the PID controller 41. In other words, the downstream valve flow rate measured by the downstream valve flow rate meter VFS is used only for feedback to the observer 3, and is not used directly to determine the voltage applied to the downstream valve V2. The downstream valve V2 is controlled based on the deviation between the target value of the set flow rate, which does not include electrical noise, and the flow rate estimated by the observer 3.

このように構成された流量制御装置100であれば、オブザーバ3によって下流側バルブV2を通過している流体の下流側バルブ流量をほとんど時間遅れと電気的なノイズが含まれない形で推定できる。このような推定値に基づいて下流側バルブ制御器4が下流側バルブV2の開度を制御するので、従来よりも応答性のよい流量制御を実現できる。 With the flow control device 100 configured in this way, the observer 3 can estimate the downstream valve flow rate of the fluid passing through the downstream valve V2 with almost no time delay or electrical noise. The downstream valve controller 4 controls the opening of the downstream valve V2 based on this estimated value, achieving flow control with better responsiveness than before.

また、上流側バルブV1は測定される上流側バルブ流量と設定流量の偏差が小さくなるように制御され、下流側バルブV2はオブザーバ3で推定される推定流量と設定流量の偏差が小さくなるように制御されるので、流体抵抗Rの前後の差圧を高速で変化させることができる。例えば設定流量を現状よりも大きくする場合には、上流側バルブ制御器7は、上流側圧力が大きくなるように上流側バルブV1を制御するとともに、下流側バルブ制御器4は下流側圧力が小さくなるように下流側バルブV2を制御する。設定流量が現状よりも小さくなる場合には、前述した逆の動作が実現される。したがって、2つのバルブによって上流側圧力と下流側圧力はそれぞれ逆方向に変化させることができるので、流量の増減を高速で調節できる。さらに、上流側圧力と前下流側圧力の平均圧力はほぼ一定の圧力に保つことができる。また、この平均圧力を抵抗流量の算出に適した低圧力に調節することで、圧力式の流量センサとしての感度も高く保つことができる。この結果、上流側バルブ流量の測定値や下流側バルブ流量の推定値の感度も高めることができ、流量制御における応答性をさらに向上させられる。 In addition, the upstream valve V1 is controlled so that the deviation between the measured upstream valve flow rate and the set flow rate is small, and the downstream valve V2 is controlled so that the deviation between the estimated flow rate estimated by the observer 3 and the set flow rate is small, so that the differential pressure before and after the fluid resistance R can be changed at high speed. For example, when the set flow rate is to be increased from the current state, the upstream valve controller 7 controls the upstream valve V1 so that the upstream pressure increases, and the downstream valve controller 4 controls the downstream valve V2 so that the downstream pressure decreases. When the set flow rate becomes smaller than the current state, the reverse operation described above is realized. Therefore, the upstream pressure and the downstream pressure can be changed in the opposite directions by the two valves, so that the increase or decrease in the flow rate can be adjusted at high speed. Furthermore, the average pressure of the upstream pressure and the front downstream pressure can be kept at a nearly constant pressure. In addition, by adjusting this average pressure to a low pressure suitable for calculating the resistance flow rate, the sensitivity as a pressure-type flow sensor can also be kept high. As a result, the sensitivity of the measured value of the upstream valve flow rate and the estimated value of the downstream valve flow rate can be increased, further improving the responsiveness in flow rate control.

次に第1実施形態の流量制御装置100の第1変形例について図4を参照しながら説明する。この第1変形例では、オブザーバ3のオブザーバゲイン部32の構成が前述した実施形態と異なっている。具体的には、オブザーバゲイン部32は、流路を流れる流体の流量が安定している場合に用いられる第1オブザーバゲインOG1と、流路を流れる流体の流量が所定量以上変化している場合に用いられ、第1オブザーバゲインOG1よりも値が大きい第2オブザーバゲインOG2と、流量の状態に応じていずれのオブザーバゲインを用いるかを決定する切替器SWと、を具備している。各オブザーバゲインOG1、OG2には対応して積分器が設けられており、積分器の出力が、第1電圧生成回路模擬部5Mの出力する電圧に加算される。 Next, a first modified example of the flow control device 100 of the first embodiment will be described with reference to FIG. 4. In this first modified example, the configuration of the observer gain unit 32 of the observer 3 is different from that of the above-mentioned embodiment. Specifically, the observer gain unit 32 includes a first observer gain OG1 that is used when the flow rate of the fluid flowing through the flow path is stable, a second observer gain OG2 that is used when the flow rate of the fluid flowing through the flow path changes by a predetermined amount or more and has a value larger than the first observer gain OG1, and a switch SW that determines which observer gain to use depending on the state of the flow rate. An integrator is provided corresponding to each observer gain OG1, OG2, and the output of the integrator is added to the voltage output by the first voltage generation circuit simulation unit 5M.

切替器SWは、例えば設定流量の目標値が一定値に保たれている区間では第1オブザーバゲインOG1が下流側バルブ流量の測定値と推定値の偏差に乗じられるようにし、設定流量の目標値がある値から別の値に立ち上がる、又は、立ちさがる場合には第2オブザーバゲインOG2が前述した偏差に乗じられるようにする。 The switch SW, for example, multiplies the first observer gain OG1 by the deviation between the measured and estimated downstream valve flow rates in the section where the target value of the set flow rate is maintained at a constant value, and multiplies the second observer gain OG2 by the deviation when the target value of the set flow rate rises from one value to another or falls.

このように構成されているので、流量が大きく変化する場合には第2オブザーバゲインOG2が用いられて第1電圧生成回路模擬部5Mの出力する電圧の値が大きく修正されることになる。この結果、オブザーバ3による推定値の乖離が短時間で修正される。一方、設定流量の目標値が一定値の区間であり、流量が安定している場合には第1オブザーバゲインOG1が用いられて偏差に対する修正感度が抑えられる。すなわち、推定値と測定値との差が殆ど無い場合には突発的な外乱影響をオブザーバ3が受けにくくなり、ロバスト性が高くなった状態となる。 Because of this configuration, when the flow rate changes significantly, the second observer gain OG2 is used and the voltage value output by the first voltage generation circuit simulation unit 5M is significantly corrected. As a result, the deviation from the value estimated by the observer 3 is corrected in a short time. On the other hand, when the target value of the set flow rate is in a constant value range and the flow rate is stable, the first observer gain OG1 is used and the correction sensitivity to the deviation is suppressed. In other words, when there is almost no difference between the estimated value and the measured value, the observer 3 is less susceptible to sudden disturbances and is in a state of high robustness.

次に第1実施形態の流量制御装置100の第2変形例について図5を参照しながら説明する。第2変形例では下流側バルブ流量だけでなく、上流側バルブ流量についてもオブザーバによる推定を行い、さらに応答性の良い流量制御を実現している。具体的には、上流側バルブV1の開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記上流側バルブ流量を推定する上流側バルブ流量推定モデルを具備するサブオブザーバ9をさらに備え、上流側バルブ制御器7が、設定流量の目標値とサブオブザーバ9の出力する上流側バルブ流量の推定値との偏差が小さくなるように上流側バルブV1の開度を制御する。なお、サブオブザーバ9の具体的には構成は図2及び図3で示した下流側バルブ流量を推定するオブザーバ3と対応する構成を有している。すなわち、サブオブザーバ9は、上流側バルブ制御器7の出力する開度指令に基づいて上流側バルブ流量を推定するとともに、その推定値と上流側バルブ流量算出器6の算出する測定値の偏差に所定のオブザーバゲインが乗じられて、上流側バルブ流量推定モデル内にフィードバックされるようにしている。 Next, a second modified example of the flow control device 100 of the first embodiment will be described with reference to FIG. 5. In the second modified example, not only the downstream valve flow rate but also the upstream valve flow rate is estimated by the observer, realizing flow control with better response. Specifically, a sub-observer 9 having an upstream valve flow rate estimation model that estimates the upstream valve flow rate based on an input parameter that changes the opening of the upstream valve V1 is further provided, and the upstream valve controller 7 controls the opening of the upstream valve V1 so that the deviation between the target value of the set flow rate and the estimated value of the upstream valve flow rate output by the sub-observer 9 becomes small. Note that the specific configuration of the sub-observer 9 corresponds to the configuration of the observer 3 that estimates the downstream valve flow rate shown in FIG. 2 and FIG. 3. That is, the sub-observer 9 estimates the upstream valve flow rate based on the opening command output by the upstream valve controller 7, and the deviation between the estimated value and the measured value calculated by the upstream valve flow rate calculator 6 is multiplied by a predetermined observer gain and fed back into the upstream valve flow rate estimation model.

このように第2変形例であれば、上流側バルブ流量と下流側バルブ流量の両方を数学的なモデルに基づくオブザーバによる推定値で得ることができ、より応答性や制御の安定性を向上させた流量制御を実現できる。 In this way, with the second variant, both the upstream valve flow rate and the downstream valve flow rate can be obtained as estimates by an observer based on a mathematical model, making it possible to achieve flow rate control with improved responsiveness and control stability.

次に本発明の第2実施形態の流量制御装置100について図6を参照しながら説明する。なお、以下の各実施形態の説明では第1実施形態において説明した各部と対応する部分には同じ符号を付すこととする。 Next, a flow control device 100 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6. In the following description of each embodiment, parts corresponding to those described in the first embodiment will be given the same reference numerals.

第2実施形態の流量制御装置は、下流側バルブV2の制御構成は第1実施形態と同じであるが、上流側バルブV1が流量ではなく、圧力に基づいて制御される点が異なっている。 The flow control device of the second embodiment has the same control configuration for the downstream valve V2 as the first embodiment, but differs in that the upstream valve V1 is controlled based on pressure rather than flow rate.

具体的には上流側バルブ制御器は、ユーザにより設定される設定圧力と、上流側圧力センサP1で測定される上流側圧力との偏差に基づいて、上流側バルブV1を制御する。ここで、設定圧力は、下流側バルブ流量が設定流量で安定した場合において流体抵抗Rの前後において保たれるべき圧力差に基づいて設定される。 Specifically, the upstream valve controller controls the upstream valve V1 based on the deviation between the set pressure set by the user and the upstream pressure measured by the upstream pressure sensor P1. Here, the set pressure is set based on the pressure difference that should be maintained across the fluid resistance R when the downstream valve flow rate is stable at the set flow rate.

このような流量制御装置100であれば、供給圧を一定に保ち、上流側からの圧力変動による外乱の影響を受けにくくした状態で下流側バルブV2を通過する下流側バルブ流量を制御できる。言い換えると、流体抵抗Rの前後の差圧が、第1実施形態ほどは高速で変化しにくくなる代わりに、流量制御の安定性は向上させられる。例えば供給される流体が液体原料等を気化させた原料ガス等の場合、発生量が安定しない場合でも一定の流量を供給し続けやすくなる。また、下流側バルブ流量をオブザーバ3で推定し、その推定値に基づいて制御を行うので、従来の単純な圧力フィードバック制御と流量フィードバック制御を組み合わせたものと比較して流量制御の応答性は向上させることができる。 With such a flow control device 100, the downstream valve flow rate passing through the downstream valve V2 can be controlled while maintaining a constant supply pressure and being less susceptible to disturbances due to pressure fluctuations from the upstream side. In other words, the differential pressure before and after the fluid resistance R is less likely to change as quickly as in the first embodiment, but the stability of the flow rate control is improved. For example, when the fluid being supplied is a raw material gas obtained by vaporizing a liquid raw material, it becomes easier to continue supplying a constant flow rate even if the amount generated is unstable. In addition, since the downstream valve flow rate is estimated by the observer 3 and control is performed based on the estimated value, the responsiveness of the flow rate control can be improved compared to the conventional combination of a simple pressure feedback control and a flow rate feedback control.

次に本発明の第3実施形態の流量制御装置100について図7を参照しながら説明する。なお、以下の各実施形態の説明では第1実施形態において説明した各部と対応する部分には同じ符号を付すこととする。 Next, a flow control device 100 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7. In the following description of each embodiment, parts corresponding to those described in the first embodiment will be given the same reference numerals.

第3実施形態の流量制御装置100は第1実施形態と比較して上流側バルブ制御器7の構成が異なっている。すなわち、上流側バルブ制御器7には第1電圧生成回路5から下流側バルブV2に印加される電圧がフィードバックされ、ユーザにより設定される設定電圧との偏差に基づいて上流側バルブV1の開度が制御される。設定電圧は例えば下流側バルブV2において維持する開度に相当する電圧が入力される。上流側圧力センサP1、流体抵抗R、及び、下流側圧力センサP2を用いた圧力式の流量測定は低圧であるほど感度を高めることができる。したがって、設定電圧は所望の流量感度を実現できる低圧にまで減圧される開度に相当する電圧がユーザにより設定される。下流側バルブ制御器4は上流側の圧力に応じて下流側バルブV2に印加する電圧を制御し、オブザーバ3による下流側バルブ流量の推定値が設定流量と一致するように制御をしている。この状態で上流側バルブ制御器7は、流体抵抗Rの前後における圧力の絶対値が小さくなるように上流側バルブV1の開度を閉じていき、ガスの供給を絞る。この結果、所望の流量を実現しながら、流量制御装置100内のガスの圧力を下げていくことができ、流量の測定感度を高めることができる。 The flow control device 100 of the third embodiment has a different configuration of the upstream valve controller 7 compared to the first embodiment. That is, the voltage applied to the downstream valve V2 from the first voltage generating circuit 5 is fed back to the upstream valve controller 7, and the opening of the upstream valve V1 is controlled based on the deviation from the set voltage set by the user. For example, a voltage equivalent to the opening maintained in the downstream valve V2 is input as the set voltage. The lower the pressure, the higher the sensitivity of the pressure-based flow measurement using the upstream pressure sensor P1, the fluid resistance R, and the downstream pressure sensor P2. Therefore, the set voltage is set by the user to a voltage equivalent to the opening at which the pressure is reduced to a low pressure at which the desired flow sensitivity can be achieved. The downstream valve controller 4 controls the voltage applied to the downstream valve V2 according to the upstream pressure, and controls so that the estimated value of the downstream valve flow rate by the observer 3 matches the set flow rate. In this state, the upstream valve controller 7 closes the opening of the upstream valve V1 so that the absolute value of the pressure before and after the fluid resistance R becomes smaller, and throttles the supply of gas. As a result, the gas pressure inside the flow control device 100 can be reduced while achieving the desired flow rate, thereby increasing the sensitivity of the flow rate measurement.

次に本発明の第4実施形態の流量制御装置100について図8を参照しながら説明する。 Next, a flow control device 100 according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

第4実施形態の流量制御装置100は、図8に示すように第1実施形態と比較して上流側バルブV1及び上流側バルブ制御器7が省略されている点で異なっている。 The flow control device 100 of the fourth embodiment differs from the first embodiment in that the upstream valve V1 and the upstream valve controller 7 are omitted, as shown in FIG. 8.

このような第3実施形態の流量制御装置100であっても、従来との単一のバルブを備えた流量制御装置100と比較して、オブザーバ3の推定する時間遅れとノイズの少ない下流側バルブ流量に基づいて応答性の良い流量制御が可能となる。 Even with the flow control device 100 of the third embodiment, compared to a conventional flow control device 100 equipped with a single valve, it is possible to achieve flow control with good response based on the time delay and downstream valve flow rate estimated by the observer 3 with less noise.

次に本発明の第5実施形態の流量制御装置100について図9乃至図11を参照しながら説明する。 Next, a flow control device 100 according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to Figures 9 to 11.

第5実施形態の流量制御装置100は、例えば下流側バルブ流量測定器VFS又は下流側バルブ流量測定器VFSを構成するセンサに異常が発生した場合には、下流側バルブ流量測定器VFSの測定値を流量制御に用いずに、オブザーバ3から出力される推定値のみで流量制御を継続するように構成されたものである。具体的には第5実施形態の流量制御装置100は、図9及び図10に示すように第1実施形態と比較して、異常モード切替器AMS、正常値記憶部、ロールバック部RBを備えている点が構成上異なっている。以下に各部について詳述する。 The flow control device 100 of the fifth embodiment is configured so that, for example, when an abnormality occurs in the downstream valve flow measuring device VFS or a sensor constituting the downstream valve flow measuring device VFS, the measurement value of the downstream valve flow measuring device VFS is not used for flow control, and flow control is continued using only the estimated value output from the observer 3. Specifically, as shown in Figures 9 and 10, the flow control device 100 of the fifth embodiment differs from the first embodiment in that it is equipped with an abnormality mode switcher AMS, a normal value memory unit, and a rollback unit RB. Each unit will be described in detail below.

異常モード切替器AMSは、少なくとも下流側バルブ流量測定器VFSにおいて異常が発生した場合に、流量制御装置100の制御構成を図9に示す正常モードから図10に示す異常モードに切り替える。より具体的には異常モード切替器AMSは、下流側バルブ流量測定器VFSの出力する流量の測定値、又は、下流側バルブ流量測定器VFS内で使用されている内部パラメータをモニタリングしており、モニタ値に基づいて下流側バルブ流量測定器VFSに異常が発生しているかどうかを判定する。また、異常モード切替器AMSは、下流側バルブ流量測定器VFSに異常が発生していると判定すると、流量制御装置100の制御構成を図10に示すように下流側バルブ流量測定器VFSの出力する流量の測定値が流量制御ループ内で使用されないようにループを切断する。その代わりに異常モード切替器AMSはオブザーバ3で推定される流量のみで流量制御ループが構成されるように制御構成を切り替える。 When an abnormality occurs at least in the downstream valve flow measuring device VFS, the abnormality mode switch AMS switches the control configuration of the flow control device 100 from the normal mode shown in FIG. 9 to the abnormal mode shown in FIG. 10. More specifically, the abnormality mode switch AMS monitors the flow measurement value output by the downstream valve flow measuring device VFS or the internal parameters used in the downstream valve flow measuring device VFS, and determines whether an abnormality has occurred in the downstream valve flow measuring device VFS based on the monitored value. In addition, when the abnormality mode switch AMS determines that an abnormality has occurred in the downstream valve flow measuring device VFS, the control configuration of the flow control device 100 is disconnected so that the flow measurement value output by the downstream valve flow measuring device VFS is not used in the flow control loop as shown in FIG. 10. Instead, the abnormality mode switch AMS switches the control configuration so that the flow control loop is configured only with the flow rate estimated by the observer 3.

異常モード切替器AMSによる異常モードの判定は、例えば流れている流量がほぼ一定値に保たれる定常状態において行われる。言い換えると、設定流量の目標値がステップ状に変化し、流れている流量が過渡状態にある場合には異常モード切替器AMSは前述した偏差による異常判定を行わない。すなわち、異常モード切替器AMSは設定流量の目標値が一定に保たれている期間において、例えば下流側バルブ流量測定器VFSの測定する流量値と設定流量の目標値との偏差をモニタリングし、偏差の絶対値が予め定められた異常モード切替判定閾値を超えた場合に下流側バルブ流量測定器VFSに異常が発生していると判定する。なお、異常判定後には異常モード切替器AMSはユーザに対して異常が発生していることを通知するアラーム表示も継続して行う。 The abnormality mode switch AMS judges the abnormality mode, for example, in a steady state where the flow rate is kept at a nearly constant value. In other words, when the target value of the set flow rate changes stepwise and the flow rate is in a transient state, the abnormality mode switch AMS does not judge the abnormality based on the deviation described above. In other words, during the period when the target value of the set flow rate is kept constant, the abnormality mode switch AMS monitors, for example, the deviation between the flow rate value measured by the downstream valve flow meter VFS and the target value of the set flow rate, and judges that an abnormality has occurred in the downstream valve flow meter VFS if the absolute value of the deviation exceeds a predetermined abnormality mode switching judgment threshold. After judging the abnormality, the abnormality mode switch AMS also continues to display an alarm to notify the user that an abnormality has occurred.

正常値記憶部NMは、流量制御装置100が正常モードで動作している状態において下流側バルブ流量測定器VFSの測定する流量と、オブザーバ3の推定する流量の偏差(イノベーション)が所定の基準を満たす場合の値を正常値として記憶する。具体的には正常値記憶部NMは、設定流量の目標値が一定値に保たれている定常状態において、当該設定流量の目標値と下流側バルブ流量測定器VFSの出力する流量値との差の絶対値が正常値採用判定閾値よりも小さい場合に前述したイノベーションを正常値として記憶する。正常値記憶部NMは例えば最新の正常値のみを保持するようにしてもよいし、日時や時間とともに複数の正常値を保持してもよい。 The normal value memory unit NM stores as a normal value a value when the deviation (innovation) between the flow rate measured by the downstream valve flow measuring device VFS and the flow rate estimated by the observer 3 meets a predetermined standard when the flow control device 100 is operating in normal mode. Specifically, in a steady state in which the target value of the set flow rate is maintained at a constant value, the normal value memory unit NM stores the above-mentioned innovation as a normal value when the absolute value of the difference between the target value of the set flow rate and the flow rate value output by the downstream valve flow measuring device VFS is smaller than the normal value adoption determination threshold. The normal value memory unit NM may, for example, store only the most recent normal value, or may store multiple normal values along with the date and time.

ロールバック部RBは、異常モード切替器AMSによって流量制御装置100の制御構成が異常モードに切り替えられた場合に、正常値記憶部NMに記憶されている正常値に所定値を乗じて算出される固定値を下流側バルブ流量推定モデル31に入力する。すなわち、異常モードではオブザーバゲイン部32を構成するロールバック部RBには下流側バルブ流量測定器VFS及び下流側バルブ流量測定器模擬部VFMの出力が入力されない。代わりにロールバック部RBは正常モードで動作していたときに入力されていた正常値を使用して、オブザーバゲイン部32としての出力を算出する。このため、異常モードでオブザーバゲイン部32から出力される値は下流側バルブ流量推定モデル31のモデル化誤差が正常モードと同じであるとの仮定のもとで出力されていることになる。 When the control configuration of the flow control device 100 is switched to abnormal mode by the abnormal mode switch AMS, the rollback unit RB inputs a fixed value calculated by multiplying the normal value stored in the normal value memory unit NM by a predetermined value to the downstream valve flow estimation model 31. That is, in abnormal mode, the outputs of the downstream valve flow meter VFS and the downstream valve flow meter simulation unit VFM are not input to the rollback unit RB constituting the observer gain unit 32. Instead, the rollback unit RB uses the normal value that was input when operating in normal mode to calculate the output as the observer gain unit 32. For this reason, the value output from the observer gain unit 32 in abnormal mode is output under the assumption that the modeling error of the downstream valve flow estimation model 31 is the same as in normal mode.

このように構成された第5実施形態の流量制御装置100による正常モードと異常モードでの制御動作について図11を参照しながら説明する。 The control operations in normal and abnormal modes of the flow control device 100 of the fifth embodiment configured in this manner will be described with reference to FIG. 11.

正常モードでの動作は第1実施形態における制御動作とほぼ同じであって、定常状態における下流側バルブ流量測定器VFSの測定する流量値と下流側バルブ流量測定器模擬部VFMの推定する流量値の偏差であるイノベーションの絶対値が正常値採用判定閾値よりも小さい場合にその値が正常値として正常値記憶部NMに記憶される。 Operation in normal mode is almost the same as the control operation in the first embodiment, and if the absolute value of the innovation, which is the deviation between the flow rate value measured by the downstream valve flow rate measuring device VFS in a steady state and the flow rate value estimated by the downstream valve flow rate measuring device simulation unit VFM, is smaller than the normal value adoption determination threshold, the value is stored in the normal value memory unit NM as a normal value.

また、下流側バルブ流量測定器VFSにおいて何らかの異常が発生し、定常状態において下流側バルブ流量測定器VFSの出力する測定値と設定流量との差の絶対値が異常モード切替閾値よりも大きくなった場合には、異常モード切替部は異常が発生したと判定する。異常モード切替部は流量制御装置100の制御構成を異常モードに切り替え、下流側バルブ流量測定器VFSの出力がオブザーバ3で使用されないようにしつつ、オブザーバゲイン部32からの出力はロールバック部RBから出力される。すなわち、ロールバック部RBは正常値記憶部NMに記憶されている正常値に所定値を乗じた固定値を下流側バルブ流量推定モデル31へ出力する。この結果、オブザーバ3の状態は異常が発生する前の状態にロールバックされ、その状態から流量制御装置100における流量フィードバック制御はオブザーバ3の推定値のみで継続されることになる。 In addition, if some abnormality occurs in the downstream valve flow measuring device VFS and the absolute value of the difference between the measured value output by the downstream valve flow measuring device VFS and the set flow rate in a steady state becomes larger than the abnormality mode switching threshold, the abnormality mode switching unit determines that an abnormality has occurred. The abnormality mode switching unit switches the control configuration of the flow control device 100 to abnormal mode, and while preventing the output of the downstream valve flow measuring device VFS from being used by the observer 3, the output from the observer gain unit 32 is output from the rollback unit RB. In other words, the rollback unit RB outputs a fixed value obtained by multiplying the normal value stored in the normal value memory unit NM by a predetermined value to the downstream valve flow estimation model 31. As a result, the state of the observer 3 is rolled back to the state before the abnormality occurred, and from that state, the flow feedback control in the flow control device 100 will continue using only the estimated value of the observer 3.

このように構成された第5実施形態の流量制御装置100であれば、下流側バルブ流量測定器VFSを構成するセンサ等に異常が発生した場合でも、流量制御を中断せずにオブザーバ3の出力する流量の推定値のみに基づいて流量制御を継続できる。また、オブザーバ3で推定される流量は正常モードでのイノベーションに基づいて算出される値でモデル化誤差が修正されたものであるので、実際に流れている流量からの乖離を小さくできる。このため、流量制御装置100から供給される流量は設定流量に対して許容できる程度の誤差しか発生しないようにでき、プロセスを中断した場合よりもウエハの歩留まりを高く保つ事が可能となる。 With the flow control device 100 of the fifth embodiment configured in this manner, even if an abnormality occurs in a sensor or the like that constitutes the downstream valve flow meter VFS, the flow control can be continued based only on the estimated flow value output by the observer 3 without interrupting the flow control. Furthermore, since the flow rate estimated by the observer 3 is a value calculated based on innovation in normal mode and has had modeling errors corrected, the deviation from the actual flow rate can be reduced. Therefore, the flow rate supplied from the flow control device 100 can be made to have only an acceptable error from the set flow rate, making it possible to maintain a higher wafer yield than if the process was interrupted.

第5実施形態の流量制御装置100の変形例について説明する。
正常値記憶部NMに記憶されている正常値は前述したイノベーションではなく、正常モードにおいてオブザーバゲイン部32が出力していた値そのものであってもよい。このようなものの場合にはロールバック部RBは、正常値をそのまま下流側バルブ流量推定モデル31に対して入力するように構成すればよい。
A modification of the flow rate control device 100 of the fifth embodiment will be described.
The normal value stored in the normal value storage unit NM may not be the innovation described above, but may be the value itself that was output by the observer gain unit 32 in the normal mode. In such a case, the rollback unit RB may be configured to input the normal value directly to the downstream valve flow rate estimation model 31.

異常モード切替器AMSにおける異常判定アルゴリズムは前述したものに限られない。例えば、下流側バルブ流量測定器VFSの出力がオーバーレンジしている場合には異常が発生していると判定してもよい。また、下流側バルブ流量測定器VFSを構成する各種センサの出力や電気回路の出力に基づいて異常が発生しているかどうかを判定してもよい。 The abnormality determination algorithm in the abnormality mode switch AMS is not limited to the one described above. For example, it may be determined that an abnormality has occurred if the output of the downstream valve flow meter VFS is over-range. It may also be determined whether an abnormality has occurred based on the output of various sensors and electrical circuits that make up the downstream valve flow meter VFS.

例えば第1実施形態の流量制御装置100の構成をそのまま用いながら異常モードでも流量制御を所定の制御精度で継続できるようにするには、異常モード切替器AMSが異常モードにおいてはオブザーバゲイン部32に対してオブザーバゲインをゼロに変更するように構成されたものであればよい。 For example, in order to be able to continue flow control with a predetermined control accuracy even in abnormal mode while using the configuration of the flow control device 100 of the first embodiment as is, the abnormal mode switcher AMS may be configured to change the observer gain of the observer gain section 32 to zero in abnormal mode.

その他の実施形態について説明する。 Other embodiments will be described.

上流側バルブ、及び、下流側バルブはピエゾバルブに限られるものではなく、その他のアクチュエータにより駆動されるものであっても構わない。各バルブは、例えばソレノイドバルブであっても構わないし、各バルブがそれぞれ同型のものでなくてもよい。 The upstream valve and downstream valve are not limited to piezo valves, and may be driven by other actuators. Each valve may be, for example, a solenoid valve, and each valve does not have to be the same type.

流体抵抗は層流素子に限られるものではなく、例えばオリフィスや熱式流量センサを構成するための分流素子であってもよい。要するに流体抵抗は流路に設けられた抵抗体であり、流路抵抗と下流側バルブとの間の容積が仕切られて他の部分とは異なる圧力に変化させられるものであればよい。 The fluid resistance is not limited to a laminar flow element, but may be, for example, an orifice or a flow dividing element for forming a thermal flow sensor. In short, the fluid resistance is a resistor provided in the flow path, and it is sufficient that the volume between the flow path resistance and the downstream valve is partitioned and changed to a pressure different from that of other parts.

流体抵抗を流れる抵抗流量は、圧力式の流量センサで測定されるものに限られない。例えば流体抵抗として分流素子を用いるとともに、この分流素子を迂回する細管で形成されたバイパス流路に一対の温度測定素子を設けた熱式流量センサで抵抗流量が測定されてもよい。この場合には分流素子と下流側バルブとの間にある下流側容積の圧力を測定するために別途下流側圧力センサを設けることで、第1実施形態の流量制御装置と同等の制御が可能となる。 The resistance flow rate through the fluid resistance is not limited to that measured by a pressure-type flow rate sensor. For example, a flow dividing element may be used as the fluid resistance, and the resistance flow rate may be measured by a thermal flow rate sensor having a pair of temperature measuring elements in a bypass flow path formed by a thin tube that bypasses the flow dividing element. In this case, by providing a separate downstream pressure sensor to measure the pressure of the downstream volume between the flow dividing element and the downstream valve, it becomes possible to achieve control equivalent to that of the flow control device of the first embodiment.

オブザーバに下流側バルブ流量の推定のために入力される入力パラメータは、開度指令に限られない。入力パラメータは、例えば設定流量や、下流側バルブに入力される電圧であってもよい。入力パラメータの種類に応じてリアルシステム内の要素のうち、下流側バルブ流量推定モデル内に含まれる要素を増減させればよい。また、各要素のうちほぼ時間遅れ等が無視できる理想的な応答をするものについては、下流側バルブ流量推定モデルを構成する要素から外しても良い。すなわち、流量推定モデルは各実施形態において示した物に限られない。下流側バルブ流量推定モデルは、例えば制御系の各要素が満たす物理法則に基づいて数学的に方程式を立てたものであってもよいし、ステップ応答等から実験的に定めたものであってもよい。 The input parameters input to the observer for estimating the downstream valve flow rate are not limited to the opening command. The input parameters may be, for example, a set flow rate or a voltage input to the downstream valve. The number of elements in the real system included in the downstream valve flow rate estimation model may be increased or decreased depending on the type of input parameter. In addition, elements that have an ideal response in which time delays and the like can be ignored may be removed from the elements that make up the downstream valve flow rate estimation model. In other words, the flow rate estimation model is not limited to those shown in each embodiment. The downstream valve flow rate estimation model may be, for example, a mathematical equation based on the physical laws satisfied by each element of the control system, or may be experimentally determined from step responses, etc.

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や、各実施形態の要素同士を組み合わせても構わない。 In addition, various modifications of the embodiments and combinations of elements of each embodiment are possible as long as they do not go against the spirit of the present invention.

100 :流量制御装置
P1 :上流側圧力センサ
P2 :下流側圧力センサ
V1 :上流側バルブ
V2 :下流側バルブ
VL1 :上流側容積
VL2 :下流側容積
COM :制御装置
1 :抵抗流量算出器
2 :下流側バルブ流量算出器
3 :オブザーバ
31 :下流側バルブ流量推定モデル
V2M :下流側バルブ模擬部
5M :第1電圧生成回路模擬部
VFM :下流側バルブ流量測定器模擬部
32 :オブザーバゲイン部
OG1 :第1オブザーバゲイン
OG2 :第2オブザーバゲイン
SW :切替器
4 :下流側バルブ制御器
41 :PID制御器
42 :開度指令生成器
5 :第1電圧生成回路
6 :上流側バルブ流量算出器
7 :上流側バルブ制御器
8 :第2電圧生成回路
9 :サブオブザーバ
AMS :異常モード切替器
NM :正常値記憶部
RB :ロールバック部
100: Flow control device P1: Upstream pressure sensor P2: Downstream pressure sensor V1: Upstream valve V2: Downstream valve VL1: Upstream volume VL2: Downstream volume COM: Control device 1: Resistance flow rate calculator 2: Downstream valve flow rate calculator 3: Observer 31: Downstream valve flow rate estimation model V2M: Downstream valve simulation unit 5M: First voltage generation circuit simulation unit VFM: Downstream valve flow rate measurement device simulation unit 32: Observer gain unit OG1: First observer gain OG2: Second observer gain SW: Switcher 4: Downstream valve controller 41: PID controller 42: Opening command generator 5: First voltage generation circuit 6: Upstream valve flow rate calculator 7: Upstream valve controller 8: Second voltage generation circuit 9: Sub-observer AMS: Abnormality mode switcher NM : Normal value storage section RB: Rollback section

Claims (20)

流路に設けられた流体抵抗と、
前記流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、
前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量と、前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間にある内部容積内の圧力である下流側圧力の時間変化量とに基づいて、前記下流側バルブを通過する流体の流量である下流側バルブ流量を測定する下流側バルブ流量測定器と、
前記下流側バルブの開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記下流側バルブ流量を推定する下流側バルブ流量推定モデルを具備するオブザーバと、を備え、
前記オブザーバが、前記下流側バルブ流量測定器の出力する前記下流側バルブ流量の測定値と、前記下流側バルブ流量推定モデルの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差がフィードバックされるように構成された流量制御装置。
A fluid resistance provided in the flow path;
A downstream valve provided downstream of the fluid resistance;
a downstream valve flow rate measuring device that measures a downstream valve flow rate, which is the flow rate of a fluid passing through the downstream valve, based on a resistance flow rate, which is the flow rate of a fluid flowing through the fluid resistance, and a time change in a downstream pressure, which is the pressure in an internal volume between the fluid resistance and the downstream valve;
an observer including a downstream valve flow rate estimation model that estimates the downstream valve flow rate based on an input parameter that changes the opening degree of the downstream valve;
A flow control device configured such that the observer feeds back a deviation between the measurement value of the downstream valve flow rate output by the downstream valve flow measuring device and the estimated value of the downstream valve flow rate output by the downstream valve flow rate estimation model.
入力された開度指令に応じた電圧を前記下流側バルブに出力する第1電圧生成回路をさらに備え、
前記下流側バルブ流量推定モデルが、前記第1電圧生成回路、前記下流側バルブ、及び、前記下流側バルブ流量測定器の特性をモデル化したものであり、
前記オブザーバが、前記入力パラメータとして前記開度指令が入力され、前記下流側バルブ流量を推定する請求項1記載の流量制御装置。
a first voltage generating circuit that outputs a voltage corresponding to an input opening command to the downstream valve;
the downstream valve flow rate estimation model is a model of characteristics of the first voltage generating circuit, the downstream valve, and the downstream valve flow rate measuring device,
2. The flow control device according to claim 1, wherein the observer receives the opening command as the input parameter and estimates the downstream valve flow rate.
前記下流側バルブ流量推定モデルが、前記第1電圧生成回路における時間遅れを模擬する請求項2記載の流量制御装置。 The flow control device according to claim 2, wherein the downstream valve flow estimation model simulates a time delay in the first voltage generation circuit. 前記オブザーバが、前記下流側バルブ流量の測定値と前記下流側バルブ流量の推定値との偏差にオブザーバゲインを乗じるオブザーバゲイン部をさらに備えた請求項1乃至3いずれかに記載の流量制御装置。 A flow control device according to any one of claims 1 to 3, wherein the observer further comprises an observer gain section that multiplies the deviation between the measured value of the downstream valve flow rate and the estimated value of the downstream valve flow rate by an observer gain. 前記オブザーバゲイン部が、
前記流路に流れる流体の流量が所定値で安定している場合に用いられる第1オブザーバゲインと、
前記流路に流れる流体の流量が変化している場合に用いられ、前記第1オブザーバゲインよりも値が大きい第2オブザーバゲインと、を具備する請求項4記載の流量制御装置。
The observer gain unit,
a first observer gain that is used when a flow rate of the fluid flowing through the flow path is stable at a predetermined value;
5. The flow rate control device according to claim 4, further comprising: a second observer gain that is used when a flow rate of the fluid flowing through the flow path is changing and has a value larger than that of the first observer gain.
前記下流側バルブの開度を制御する下流側バルブ制御器をさらに備え、
前記下流側バルブ制御器が、設定流量の目標値と前記オブザーバの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差に基づいて、前記開度指令を生成するように構成された請求項2又は3記載の流量制御装置。
A downstream valve controller for controlling an opening degree of the downstream valve is further provided.
4. The flow control device according to claim 2, wherein the downstream valve controller is configured to generate the opening command based on a deviation between a target value of a set flow rate and an estimated value of the downstream valve flow rate output by the observer.
前記下流側バルブ制御器が、
設定流量の目標値と前記オブザーバの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差に基づいてPID演算を行うPID制御器と、
前記PID制御器からPID演算結果に応じた前記開度指令を生成する開度指令生成器と、を具備する請求項6記載の流量制御装置。
The downstream valve controller,
a PID controller that performs a PID calculation based on a deviation between a target value of a set flow rate and the estimated value of the downstream valve flow rate output by the observer;
7. The flow control device according to claim 6, further comprising: an opening command generator that generates the opening command according to a PID calculation result from the PID controller.
前記下流側バルブ流量測定器が、
前記流体抵抗の上流側に設けられ、上流側圧力を測定する上流側圧力センサと、
前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間に設けられ、前記下流側圧力を測定する下流側圧力センサと、
前記上流側圧力と、前記下流側圧力とに基づいて、前記抵抗流量を算出する抵抗流量算出器と、
前記抵抗流量から前記下流側圧力の時間変化量に所定係数を乗じた値を差し引いて前記下流側バルブ流量を算出する下流側バルブ流量算出器と、を具備する請求項1乃至7いずれかに記載の流量制御装置。
The downstream valve flow meter includes:
an upstream pressure sensor provided upstream of the fluid resistance for measuring an upstream pressure;
a downstream pressure sensor provided between the fluid resistance and the downstream valve and configured to measure the downstream pressure;
a resistance flow rate calculator that calculates the resistance flow rate based on the upstream pressure and the downstream pressure;
8. The flow control device according to claim 1, further comprising: a downstream valve flow rate calculator that calculates the downstream valve flow rate by subtracting a value obtained by multiplying a time change in the downstream pressure by a predetermined coefficient from the resistance flow rate.
前記上流側圧力センサの上流側に設けられた上流側バルブと、
前記上流側バルブの開度を制御する上流側バルブ制御器と、をさらに備えた請求項8記載の流量制御装置。
an upstream valve provided upstream of the upstream pressure sensor;
The flow rate control device according to claim 8 , further comprising an upstream valve controller that controls an opening degree of the upstream valve.
前記抵抗流量から前記上流側圧力の時間変化量に所定係数を乗じた値を足して前記上流側バルブを通過する上流側バルブ流量を算出する上流側バルブ流量算出器をさらに備え、
前記上流側バルブ制御器が、設定流量と前記上流側バルブ流量の偏差が小さくなるように前記上流側バルブの開度を制御する請求項9記載の流量制御装置。
an upstream valve flow rate calculator that calculates an upstream valve flow rate passing through the upstream valve by adding a value obtained by multiplying a time change amount of the upstream pressure by a predetermined coefficient to the resistance flow rate,
10. The flow control device according to claim 9, wherein the upstream valve controller controls the opening of the upstream valve so that a deviation between a set flow rate and the upstream valve flow rate becomes small.
前記抵抗流量から前記上流側圧力の時間変化量に所定係数を乗じた値を足して前記上流側バルブを通過する上流側バルブ流量を算出する上流側バルブ流量算出器と、
前記上流側バルブの開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記上流側バルブ流量を推定する上流側バルブ流量推定モデルを具備するサブオブザーバと、をさらに備え、
前記上流側バルブ制御器が、設定流量の目標値と前記サブオブザーバの出力する前記上流側バルブ流量の推定値との偏差が小さくなるように前記上流側バルブの開度を制御する請求項9記載の流量制御装置。
an upstream valve flow rate calculator that calculates an upstream valve flow rate passing through the upstream valve by adding a value obtained by multiplying a time change amount of the upstream pressure by a predetermined coefficient to the resistance flow rate;
a sub-observer having an upstream valve flow rate estimation model that estimates the upstream valve flow rate based on an input parameter that changes the opening degree of the upstream valve,
10. The flow control device according to claim 9, wherein the upstream valve controller controls the opening of the upstream valve so as to reduce a deviation between a target value of a set flow rate and an estimated value of the upstream valve flow rate output by the sub-observer.
前記上流側バルブ制御器が、設定圧力と前記上流側圧力の偏差が小さくなるように前記上流側バルブの開度を制御する請求項9記載の流量制御装置。 The flow control device according to claim 9, wherein the upstream valve controller controls the opening of the upstream valve so that the deviation between the set pressure and the upstream pressure is small. 前記上流側バルブ制御器が、前記下流側バルブで維持する開度に相当する設定電圧と、前記下流側バルブに印加されている電圧との偏差が小さくなるように前記上流側バルブの開度を制御する請求項9記載の流量制御装置。 A flow control device according to claim 9, wherein the upstream valve controller controls the opening of the upstream valve so that the deviation between a set voltage corresponding to the opening maintained by the downstream valve and the voltage applied to the downstream valve is reduced. 前記流体抵抗が、層流素子、分流素子、又は、オリフィスである請求項1乃至13いずれかに記載の流量制御装置。 A flow control device according to any one of claims 1 to 13, wherein the fluid resistance is a laminar flow element, a flow dividing element, or an orifice. 少なくとも前記下流側バルブ流量測定器に異常が発生した場合に、前記オブザーバにおいて前記下流側バルブ流量測定器の出力する前記下流側バルブ流量の測定値のフィードバックを行わない異常モードで前記オブザーバを動作させる異常モード切替部をさらに備えた請求項1記載の流量制御装置。 The flow control device according to claim 1, further comprising an abnormality mode switching unit that operates the observer in an abnormality mode in which the observer does not provide feedback of the measured value of the downstream valve flow rate output by the downstream valve flow rate measuring device when an abnormality occurs at least in the downstream valve flow rate measuring device. 前記オブザーバが、
少なくとも前記下流側バルブ流量測定器が正常に動作している状態において、前記下流側バルブ流量の測定値と前記下流側バルブ流量の推定値との偏差にオブザーバゲインを乗じるオブザーバゲイン部と、
少なくとも前記下流側バルブ流量測定器が正常に動作している状態において、前記下流側バルブ流量の測定値と前記下流側バルブ流量の推定値との偏差、又は、当該偏差に所定演算がされた値を正常値として記憶する正常値記憶部と、
前記異常モードにおいて、前記正常値に基づいた値を前記下流側バルブ流量推定モデルに入力するロールバック部と、をさらに備えた請求項15記載の流量制御装置。
The observer,
an observer gain unit that multiplies a deviation between the measured value of the downstream valve flow rate and the estimated value of the downstream valve flow rate by an observer gain at least when the downstream valve flow rate measuring device is operating normally;
a normal value storage unit that stores, as a normal value, a deviation between the measured value of the downstream valve flow rate and the estimated value of the downstream valve flow rate, or a value obtained by performing a predetermined calculation on the deviation, at least when the downstream valve flow rate measuring device is operating normally;
The flow control device according to claim 15, further comprising: a rollback unit that, in the abnormal mode, inputs a value based on the normal value into the downstream valve flow rate estimation model.
前記オブザーバが、前記下流側バルブ流量の測定値と前記下流側バルブ流量の推定値との偏差にオブザーバゲインを乗じるオブザーバゲイン部を備え、
前記オブザーバゲイン部が、前記異常モードにおいて前記オブザーバゲインとしてゼロの値を使用するように構成された請求項15記載の流量制御装置。
the observer includes an observer gain unit that multiplies a deviation between the measurement value of the downstream valve flow rate and the estimation value of the downstream valve flow rate by an observer gain,
The flow control device of claim 15 , wherein the observer gain unit is configured to use a value of zero as the observer gain in the abnormal mode.
前記異常モード切替部が、前記下流側バルブ流量測定器の出力する前記下流側バルブ流量の測定値、又は、当該下流側バルブ流量測定器において使用される内部パラメータに基づいて、前記下流側バルブ流量測定器が正常に動作しているか、異常が発生しているかを判定するように構成された請求項15乃至17いずれかに記載の流量制御装置。 A flow control device according to any one of claims 15 to 17, wherein the abnormality mode switching unit is configured to determine whether the downstream valve flow measuring device is operating normally or whether an abnormality has occurred based on the measurement value of the downstream valve flow rate output by the downstream valve flow measuring device or on internal parameters used in the downstream valve flow measuring device. 流路に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、を備えた流量制御装置を用いた流量制御方法であって、
前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量と、前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間にある内部容積内の圧力である下流側圧力の時間変化量とに基づいて、前記下流側バルブを通過する流体の流量である下流側バルブ流量を測定することと、
前記下流側バルブの開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記下流側バルブ流量を推定する下流側バルブ流量推定モデルを具備するオブザーバを用いて前記下流側バルブ流量を推定することと、を含み、
前記オブザーバに前記下流側バルブ流量の測定値と、前記下流側バルブ流量推定モデルの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差をフィードバックする流量制御方法。
A flow rate control method using a flow rate control device including a fluid resistance provided in a flow path and a downstream valve provided downstream of the fluid resistance,
Measuring a downstream valve flow rate, which is the flow rate of fluid passing through the downstream valve, based on a resistance flow rate, which is the flow rate of fluid flowing through the fluid resistance, and a time change in a downstream pressure, which is the pressure in an internal volume between the fluid resistance and the downstream valve;
estimating the downstream valve flow rate using an observer having a downstream valve flow rate estimation model that estimates the downstream valve flow rate based on an input parameter that changes an opening degree of the downstream valve;
A flow rate control method comprising: feeding back to the observer a deviation between the measured value of the downstream valve flow rate and the estimated value of the downstream valve flow rate output by the downstream valve flow rate estimation model.
流路に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、を備えた流量制御装置に用いられるプログラムであって、
前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量と、前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間にある内部容積内の圧力である下流側圧力の時間変化量とに基づいて、前記下流側バルブを通過する流体の流量である下流側バルブ流量を測定する下流側バルブ流量測定器と、
前記下流側バルブの開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記下流側バルブ流量を推定する下流側バルブ流量推定モデルを具備するオブザーバと、としての機能をコンピュータに発揮させるものであり、
前記オブザーバが、前記下流側バルブ流量測定器の出力する前記下流側バルブ流量の測定値と、前記下流側バルブ流量推定モデルの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差がフィードバックされるように構成された流量制御装置用プログラム。
A program used in a flow control device including a fluid resistance provided in a flow path and a downstream valve provided downstream of the fluid resistance,
a downstream valve flow rate measuring device that measures a downstream valve flow rate, which is the flow rate of a fluid passing through the downstream valve, based on a resistance flow rate, which is the flow rate of a fluid flowing through the fluid resistance, and a time change in a downstream pressure, which is the pressure in an internal volume between the fluid resistance and the downstream valve;
an observer having a downstream valve flow rate estimation model that estimates the downstream valve flow rate based on an input parameter that changes the aperture of the downstream valve,
A program for a flow control device, wherein the observer is configured to feed back a deviation between the measurement value of the downstream valve flow rate output by the downstream valve flow measuring device and the estimated value of the downstream valve flow rate output by the downstream valve flow rate estimation model.
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