JP2001082098A - トンネル換気用マルチｐｉｄ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トンネル換気設備のように、外乱の変動が激
しくむだ時間か長いプロセスで、制御パラメータの調整
が困難なためＰＩＤ制御の適用を諦めていたプロセスが
多くあった。 【解決手段】 制御パラメータの調整を、事前にプロセ
スをモデル化した数値計算シミュレータを開発してお
き、ジーグラ・ニコルス法のステップ応答特性をシミュ
レートして制御パラメータを調整し、トンネル換気制御
装置等のプロセスまでＰＩＤ制御の適用範囲を広げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はトンネル換気用マル
チＰＩＤ制御装置に関し、より詳細には、自動車が走行
するトンネルで自動車が発生する汚染物質をトンネル外
へ排出したり汚染物質を処理するトンネル換気設備等に
関する制御装置のように、外乱の変動が激しくかつ制御
遅れ時間が大きいプロセスを効果的かつ効率的に運転制
御するトンネル換気用マルチＰＩＤ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車が走行するトンネルの換気
設備の制御方法については、制御周期を設定してスケジ
ュール制御、不動作帯制御、計測フィードバック方式、
交通量予測フィードフォワード方式等が実際に使用され
ている。また、現代制御理論のうち、ファジー制御、モ
デル化予測制御やエキスパート・システムまで提案され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】自動車が走行するトン
ネルの換気設備の制御装置については、前記の古典制御
理論に属する計測フィードバック方式が主として採用さ
れており、現代制御理論に属するものは試験的に試用さ
れている。特に、縦流式換気方式における対面通行の場
合での換気制御装置については不満が多い。

【０００４】プロセスの制御方式のうち、約８割がＰＩ
Ｄフィードバック制御を採用しているという調査結果も
ある。一方で、トンネル換気設備等の外乱の変動が激し
くかつ制御遅れ時間が大きいプロセスの制御方式にＰＩ
Ｄ制御を採用するには技術上のメリットと実施上の非常
な困難を伴う。これは制御対象のプロセス特性を調べ
て、ＰＩＤ制御の最適な制御パラメータに調整する必要
があり、供用後の長期間の試行錯誤やトンネル換気設備
等を強制的に停止、運転することによる運用上における
障害やロスが生じるので、実際にはＰＩＤ制御の最適な
制御パラメータに調整してトンネル換気設備等のプロセ
スを運用することは現時点では不可能とされている。

【０００５】この課題については、特開平１１−１１３
９４号公報や特開平７−３３４２０５号公報に記載され
ているように、ＰＩＤ制御の最適な係数を得るためシミ
ュレーション等を用いて都度ごとにパラメータを決定し
最適な制御係数に変更しながらＰＩＤ制御を最適化して
いる。しかし、特開平１１−１１３９４号公報は、水中
航走体の運動モデルのシミュレーションであるため水中
航走体の深度および針路の追値制御に限定され、プロセ
ス制御ではない。さらに、特開平７−３３４２０５号公
報は、微分要素のみの演算と修正に限定されており、シ
ミュレーションより得られた演算式を用いてだけであ
る。

【０００６】さらに、特開平９−２６８８９９号公報に
記載された発明では、トンネル内での火災発生時トンネ
ル内風速の零化維持だけに換気設備のＰＩＤ制御を提案
されているが、最適な制御パラメータの調整について言
及されていない。

【０００７】また、トンネル換気設備のフィードフォワ
ード制御とフィードバック制御とを組み合せた従来の制
御装置は、フィードバック制御における制御周期がプロ
セスの特性と同じ程度であるため組み合せた制御装置も
適切でなく、さらにフィードフォワード制御の部分では
トンネルの交通量を計測して予測制御しているが、１時
間または３０分ごとの交通量を取り扱っており外乱の変
動の激しさに対応できるフィードフォワード制御になっ
ていない。その上、トンネル内に複数の換気区間を有す
る縦流式トンネル換気方式の場合も、換気区間ごとまた
はトンネル全体で換気機に優先順位を設けて制御してい
るので、前述のようにフィードバック制御とフィードフ
ォワード制御との改善は成されていない。

【０００８】本発明は、上記のような課題を解決するた
めに成されたものであり、外乱の変動が激しくかつ制御
遅れ時間が大きいトンネル換気プロセスを効果的かつ効
率的にＰＩＤ制御するマルチＰＩＤ制御装置を提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るトンネル換気用マルチＰＩＤ制御装置
は、トンネル内の汚染物質を処理する処理手段と、汚染
物質の濃度を計測する計測手段と、汚染物質の濃度に関
する制御目標値と、トンネル内の風速を測定する風速測
定手段とこの風速に基づいてジーグラ・ニコルス法のス
テップ応答特性を換気シミュレータにより数値演算して
算出した複数の好適制御パラメータを記憶する記憶手段
とを備え、記憶手段に記憶された各好適制御パラメータ
から、トンネル内の風速に対して適切な好適制御パラメ
ータを呼び出し、呼び出された当該好適制御パラメータ
によって、計測手段によって計測された汚染濃度を、処
理手段を介して制御目標値の範囲内にＰＩＤ制御するト
ンネル換気用マルチＰＩＤ制御装置である。

【００１０】本発明においては、記憶手段にＰＩＤ制御
の制御パラメータが複数個のセット分記憶されており、
この点で「マルチＰＩＤ制御」となっている。外乱の変
動で、制御パラメータのどのセットを選択するかは、煙
霧透過率や一酸化炭素の濃度等ではなく風速測定手段に
より測定された風速測定値の範囲により判定する。この
ように、本発明においては、制御目標に関する測定値た
とえば煙霧透過率や一酸化炭素の濃度以外に、外乱にも
関連するトンネル内の風速値を測定する風速測定手段が
付加されている。

【００１１】この構成によれば、前記記憶手段に記憶さ
れている複数セットのＰＩＤ制御パラメータのうち、前
記風速測定手段により測定されたトンネル内の風速値に
より最適の制御パラメータを選択し、良く調整されたＰ
ＩＤ制御をトンネル換気設備において実現することが可
能となる。マルチＰＩＤ制御方式における複数ある制御
パラメータのセットの選択において、スケジュールによ
り制御パラメータを選択するマルチＰＩＤ制御装置、な
らびに制御目標値の計測値たとえば煙霧透過率や一酸化
炭素の濃度により制御パラメータを選択するマルチＰＩ
Ｄ制御装置と比較して、外乱の変動がランダムかつ激し
いプロセスに対しては、外乱と関連性の高い別の測定値
つまりトンネル内の風速値により制御パラメータを選択
するマルチＰＩＤ制御装置の方が有効である。また、特
定の風速範囲ごとに、トンネル換気設備のプロセス応答
特性を求めるため、トンネル換気プロセスをモデル化し
たコンピュータシミュレーションを用いて、事前にステ
ップ応答を数値計算させてゲインＫ、むだ時間Ｌと時定
数Ｔを読み取っておく。このパラメータをジーグラ・ニ
コルスのステップ応答法による調整表を用いてＰＩＤ制
御パラメータ（比例ゲインＫ_P、積分時間Ｔ_Iと微分時間
Ｔ_D）に変換し、これらを複数の制御パラメータのセッ
トとして記憶手段に記憶しておく。ＰＩＤ制御を導入し
たとき供用中の現場におけるパラメータ調整は、トンネ
ルでの無制御状態での換気環境悪化ならびに調整結果と
外乱との判別が困難であるため、トンネル換気のＰＩＤ
制御におけるパラメータ調整は不可能であると考えてお
り、このことがトンネル換気制御にＰＩＤ制御が用いら
れてない大きな理由であった。

【００１２】また、自動車の台数、大型車と小型車の判
別または車速を測定する交通量測定手段ならびにトンネ
ル内の風速を交通量測定手段からの情報に基づいて予測
する風速予測手段とが付加されることも好ましい。トン
ネル内の風速に最も影響を与えるものは機械的換気力を
除いて交通量であり、特にトンネル内を走行する大型車
の台数と車速である。これらの交通流によりトンネル内
で発生する風を交通風と称することもあり、交通風の風
速は台数の平方根と車速とに比例し、大型車はトンネル
の断面積にもよるが同じ車速で走行する小型車の約１．
４倍の効果がある。

【００１３】風速予測手段が付加されたこの構成によれ
ば、交通量測定手段から現時点におけるトンネル内風速
に関連する交通量情報ならびに近い将来の時点における
トンネル内風速に関連する交通量情報とが提供され、現
時点のおけるトンネル内風速が測定されれば、風速予測
手段にて近い将来の時点におけるトンネル内風速を予測
できる。このトンネル内の予測された風速をもとにＰＩ
Ｄ制御パラメータを選択すれば、予測機能を含んだＰＩ
Ｄ制御が可能となる。

【００１４】また、トンネル内の汚染物質を処理する処
理手段が輻輳するトンネルの換気設備において複数個の
換気区間に分割し、機能的に各換気区間ごとに上記の構
成のトンネル換気用マルチＰＩＤ制御装置を構成するこ
とも好ましい。

【００１５】この構成によれば、各換気区間ごとにマル
チＰＩＤ制御を実施しており、各換気区間ごとに最適の
制御結果が得られる。また、制御結果の重複によるオー
バーシュートも考慮されるが、ＰＩＤ制御がフィードバ
ック型の制御であるのでオーバーシュートは極めて少な
いし、制御パラメータの感度を下げるような調整も可能
であり制御結果の重複は問題とはならない。

【００１６】また、処理手段は、トンネル内の汚染物質
を処理して空気を浄化する装置ではなく、単に換気する
ジェットファン、立坑を通して送排気する換気機ならび
に電気集じん機や除じんフィルタなどの集塵機であって
もよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１８】図１は、本発明の実施の形態におけるトン
ネル換気用マルチＰＩＤ制御装置の構造を示し、ＰＩＤ
制御演算を行う制御部５を中心に、汚染物質の濃度を計
測する計測手段２と、ＰＩＤ制御演算して求めた操作量
に従って汚染物質を処理する処理手段１と、最適な制御
パラメータ７を設定する設定部６とから構成され、さら
に、設定部６の先にトンネル内の風速を測定し現時点の
風速値を設定部６に出力する風速測定手段３と、風速値
ごとに事前に最適である制御パラメータ７を記憶し、設
定部６より転送される風速値ごとの制御パラメータ７を
返送する記憶手段４とより構成する。ただし、図１のト
ンネル換気用マルチＰＩＤ制御装置の実施例では、制御
条件として火災時での排煙運転やデマンド運転があり、
制御部５は防災受信盤等１２からの信号入力により制御
目標を風速測定値に変更して通常時と同様にＰＩＤ制御
を行う。また、計測手段２は、制御目標の物理量（ここ
では、汚染物質の濃度）を測定し設定された目標値との
偏差を制御部５に演算出力する。

【００１９】次に、図２には前記測定値ごとの制御パラ
メータ７を算出するフローを示してあり、各制御パラメ
ータ７は記憶手段４に事前に記憶し収納されている。フ
ローの数値計算にはトンネル換気に関するプロセスの特
性を数学モデル化したトンネル換気シミュレータ９を開
発しておく必要がある。ジーグラ・ニコルスのステップ
応答法とは、実際のトンネル換気に関する現場のプロセ
スに操作量を階段状に変化させ前記計測値の反応を時間
的に観測し、ステップ応答特性を読み取りステップ応答
法によるパラメータ調整表１１により制御パラメータ７
を得る調整法である。この実際の現場における調整の代
わりに、換気プロセスをモデル化して数式に置き換えた
トンネル換気シミュレータ９を利用し、ステップ応答特
性を求め、前記風速値ごとの制御パラメータを複数セッ
ト事前に準備してある。また、ＰＩＤ制御に関する制御
パラメータの調整法についてはステップ応答法以外にジ
ーグラ・ニコルスの限界感度法等があるが、いずれも計
測値の周期的振動を意図的になすために、トンネル換気
のような数値計算型のシミュレーションでは数値計算に
よる発振や発散との区別が困難となる。したがって、シ
ミュレーションをもちいる調整法ではジーグラ・ニコル
スのステップ応答法のような定常状態に収束する過渡応
答をもちいる方が効果的である。火災時の排煙運転につ
いても風速測定値を制御目標とするＰＩＤ制御を行うの
で、トンネル換気シミュレータを用いた数値計算で求め
て排煙運転用制御パラメータの調整をする。

【００２０】次に、本発明に係るトンネル換気用マルチ
ＰＩＤ制御装置の動作について説明する。まず、記憶手
段４に記憶されている複数セットの制御パラメータ７の
うち、風速測定手段３により測定されたトンネル内の風
速値に基づいて、設定部６が最適な制御パラメータ（す
なわち、好適制御パラメータ）を決定して記憶手段４に
対して、その制御パラメータ７を出力するように命じ
る。次に、記憶手段４から好適制御パラメータ７が設定
部６に返送され、これは直ちに制御部５に送られる。制
御部５は、送られてきた好適制御パラメータ７と、計測
手段２から送られてきた汚染物質の濃度および測定され
た当該汚染物質の濃度と設定された目標値との偏差とに
基づいて処理手段１の操作量を決定し、処理手段１を運
転する。

【００２１】図３は、風速予測手段２２と交通量情報を
提供する交通量測定手段２１とが付加されたトンネル換
気用マルチＰＩＤ制御装置を示す。風速予測手段２２は
設定部６と風速測定手段３との中間に位置し、交通量測
定手段２１から交通量に関する情報を受ける構造とす
る。図１においては、実際に風速測定手段３により測定
された風速測定値に基づいて好適性制御パラメータを記
憶手段４から呼び出すが、図３においては、予測された
風速に対して適切な好適制御パラメータを呼び出す。こ
れに対応するために、図４に示すように、好適制御パラ
メータを呼び出すための元となる風速を、風速予測手段
２２により算出された風速とする場合において、記憶手
段４に事前に記憶される制御パラメータ７をジーグラ・
ニコルス法のステップ応答特性を換気プロセスシミュレ
ータにより算出するフローである。図２に示すフローと
同様であるが、風速測定値の部分が予測風速値に変更さ
れている。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、 （１）トンネル換気設備ならびにトンネル周辺環境対策
設備の制御において、ＰＩＤ制御の唯一の課題である制
御パラメータの調整が困難か不可能なためＰＩＤ制御の
運用を諦めていた制御設備まで応用範囲を拡大できる。

【００２３】（２）トンネル換気設備の制御のように、
ＰＩＤ制御を適用できることにより制御の質の向上と運
転コストの縮減が得られる。

【００２４】（３）さらに、設備の規模に関係なく同じ
方式のＰＩＤ制御を適用しているため、トンネルの対面
通行による供用から一方通行による供用への変更のよう
に大幅な設備規模の変更（特に、軽減）に伴う改造工事
や運用変更がスムーズに実施できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例におけるマルチＰＩＤ制御
装置の基本構成図

【図２】本発明の第一実施例におけるＰＩＤ制御の制御
パラメータを事前に調整するフロー図

【図３】本発明の第二実施例におけるトンネル換気用マ
ルチＰＩＤ制御装置の基本構成図

【図４】本発明の第二実施例におけるＰＩＤ制御の制御
パラメータを事前に調整するフロー図

【符号の説明】

１ 処理手段 ２ 計測手段 ３ 風速測定手段 ４ 記憶手段 ５ 制御部 ６ 設定部 ７ 制御パラメータ ８ ステップ入力 ９ トンネル換気シミュレータ １０ ステップ応答特性 １１ ジーグラ・ニコルスのステップ応答法によるパラ
メータ調整表 １２ 防災受信盤等 ２１ 交通量測定手段 ２２ 風速予測手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H004 GA07 GB20 HA04 HB02 HB04 KB02 KB04 KB06 KB19 KC23 KC32 KC44 KC45 KC48 KC55 LA01 LA03

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トンネル内の汚染物質を処理する処理手
   段と、 前記汚染物質の濃度を計測する計測手段と、 前記濃度に関する制御目標値と、 トンネル内の風速を測定する風速測定手段と前記風速に
   基づいてジーグラ・ニコルス法のステップ応答特性を換
   気シミュレータにより数値演算して算出した複数の好適
   制御パラメータを記憶する記憶手段とを備え、 前記記憶手段に記憶された各好適制御パラメータから、
   トンネル内の風速に対して適切な好適制御パラメータを
   呼び出し、呼び出された前記好適制御パラメータによっ
   て、前記計測手段によって計測された前記汚染濃度を、
   前記処理手段を介して前記制御目標値の範囲内にＰＩＤ
   制御するトンネル換気用マルチＰＩＤ制御装置。
2. 【請求項２】 トンネル内に進入しようとするまたは進
   入した自動車の台数、車長、および速度のいずれか１つ
   を測定する交通量測定手段と、 前記交通量測定手段からの情報に基づいて風速を予測す
   る風速予測手段とを備え、 予測された風速に対して適切な好適制御パラメータを呼
   び出す、請求項１に記載のトンネル換気用マルチＰＩＤ
   制御装置。
3. 【請求項３】 複数の前記処理手段があるトンネルを複
   数個の換気区間に分割し、 前記各換気区間には前記計測手段と前記風速測定手段と
   が備えられ、 各換気区間の風速または予測された風速に対して、前記
   記憶手段から各処理手段ごとに好適制御パラメータを呼
   び出し、呼び出された好適制御パラメータに基づいて前
   記各処理手段ごとに前記各換気区間の計測された前記濃
   度を前記制御目標値の範囲内にＰＩＤ制御する、請求項
   １または２のいずれかに記載のトンネル換気用マルチＰ
   ＩＤ制御装置。
4. 【請求項４】 処理手段が換気機または集塵機である、
   請求項１から３までのいずれかに記載のトンネル換気用
   マルチＰＩＤ制御装置。